CN117117183A - 一种负极极片及锂离子电池 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种负极极片及锂离子电池，在负极极片中，活性物质层贴合在负极集流层的内表面，在活性物质层内建立由表面延伸至内部的导热结构。导热结构包括导热层和导热柱，导热层贴合在活性物质层和补锂层之间，在活性物质层内通过激光挖导热孔，将导热层内表面贴合的多个导热柱嵌入对应的导热孔中。在补锂层进行补锂工序时产生的热量经导热层吸收，并通过导热柱传导至负极集流层，实现由极片表面延伸至内部的散热路径，解决负极极片在补锂过程产热所带来的活性物质层表面副产物增多、极片脱膜掉粉等问题，避免影响锂离子电池的性能。
Description
技术领域
本申请涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种负极极片及锂离子电池。
背景技术
人们对手机/笔记本电脑等消费产品轻薄化、长续航的需求不断提升，锂离子电池体积能量密度(ED)越来越高，提高正负极材料的克容量是提升电池ED的一种重要措施。Si材料因具有高的克容量被用作电池负极活性物质，可以有效提升电芯ED。但是，Si材料相比于石墨材料除形成表面SEI膜需要消耗更多活性锂离子外，Si材料中的非活性物质也会消耗部分锂离子，进而导致电池首次库伦效率下降，低于石墨材料体系。因此，为了提升Si负极电芯的首次库伦效率，发挥Si材料高克容量的优势，通常需要进行Si负极补锂的工序。
现有补锂方法有压延补锂、蒸镀补锂等，但是，此类方法中预补锂使用的金属锂较为活泼，在接触Si材料时，电子自发地向Si负极移动，反应活性大，伴随锂离子嵌入Si负极中，该过程会有大量热量放出。除此之外，补锂车间湿度控制不足时，金属锂易与空气中的氧气、氮气和二氧化碳等发生副反应，这些化学反应均会导致大量热量放出，极片温升过大，会造成极片表面温度过高而出现极片脱粉，甚至成块脱膜等情况，活性物质遭到破坏，导致锂离子电池性能下降，甚至极片优率较低等问题。
发明内容
本申请提供了一种负极极片及锂离子电池，以解决现有的补锂工序时产生热量影响锂离子电池性能的问题。
第一方面，本申请提供了一种负极极片，包括：负极集流层；活性物质层，贴合在负极集流层的内表面，在活性物质层的远离负极集流层的一端开设导热孔，导热孔的长度方向朝靠近负极集流层的一端延伸；导热结构，包括导热层和导热柱，导热层的内表面与活性物质层的远离负极集流层的一端贴合，导热柱的一端贴合在导热层的内表面，导热柱的另一端嵌入到导热孔内；补锂层，补锂层贴合在导热层的外表面，补锂层是通过将负极集流层、活性物质层和导热结构的组合体进行补锂工序得到的；其中，导热层用于吸收补锂工序产生的热量，并将热量通过导热柱传导至负极集流层，达到对补锂工序散热的效果。
这样，在负极极片内建立由表面延伸至内部的导热结构，在补锂层进行补锂工序时产生的热量经导热层吸收，并通过导热柱传导至负极集流层，实现由极片表面延伸至内部的散热路径，解决负极极片在补锂过程产热所带来的活性物质层表面副产物增多、极片脱膜掉粉等问题，避免影响锂离子电池的性能。
本申请一些实施例中，导热孔的朝向负极集流层的一端与负极集流层的内表面具有第一距离L1；嵌入导热孔的导热柱与负极集流层的内表面具有第一距离L1。这样，可以形成第一种散热路径，即将热量由导热柱以及导热柱与负极集流层之间的活性物质层传导至负极集流层，实现由极片表面延伸至内部的散热路径。
本申请一些实施例中，导热孔贯穿活性物质层的内外表面；嵌入导热孔的导热柱连接于导热层与负极集流层之间。这样，可以形成第二种散热路径，即将热量由导热柱传导至负极集流层，实现由极片表面延伸至内部的散热路径。
本申请一些实施例中，导热孔的数量与导热柱的数量相同且均为多个；导热孔的尺寸与导热柱的尺寸相同。这样，保证一定数量的导热孔和导热柱，可以提高散热效果。
本申请一些实施例中，沿负极极片的宽度方向，负极极片具有极片宽度，导热孔的数量为第一数值；沿负极极片的长度方向，负极极片具有极片长度，导热孔的数量为第二数值；极片宽度、极片长度、第一数值和第二数值满足第一比例关系。这样，可以保证导热孔的均匀分布，达到互锁比例，以提高散热效果。
本申请一些实施例中，导热层的内表面设有多个导热柱，多个导热柱均与导热层呈垂直状态。这样，由与补锂层接触的导热层吸收热量，并通过导热柱垂直向负极集流层的方向传导热量，以实现散热。
本申请一些实施例中，导热层具有第一厚度，导热柱具有第二厚度，活性物质层具有第三厚度；第一厚度与第三厚度满足第二比例关系，第二厚度与第三厚度满足第三比例关系。这样，可以得到最佳比例的负极极片，不仅可以提高散热效果，还可以提高锂离子电池的性能。
本申请一些实施例中，补锂层包括多个呈矩形阵列分布的补锂块；相邻两个补锂块之间具有第二距离L2，其中，0≤L2≤5mm。这样，补锂层具有间断的表面，不会在补锂工序时产生副产物，在提高散热效果的同时，不影响锂离子电池的性能。
本申请一些实施例中，活性物质层的材质包括Si-石墨活性物质；导热结构的材质包括石墨、石墨烯、碳管或碳纤维中的一种。这样，由Si-石墨活性物质提高锂离子电池的性能，由石墨、石墨烯、碳管或碳纤维中的一种提高散热效果。
第二方面，本申请提供了一种锂离子电池，包括电芯、电解液和包装膜，电芯和电解液均设置在包装膜中；电芯包括正极极片、隔膜和第一方面所述的负极极片，正极极片和负极极片通过隔膜隔开并呈叠片状态设置。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的锂离子电池的结构示意图；
图2是本申请实施例提供的锂离子电池的截面图；
图3是本申请实施例提供的第一种负极极片30的结构示意图；
图4是本申请实施例提供的第一种负极极片30中开设导热孔103的结构示意图；
图5是本申请实施例提供的活性物质层102中开设导热孔103的俯视图；
图6是本申请实施例提供的第二种负极极片30中开设导热孔103的结构示意图；
图7是本申请实施例提供的第二种负极极片30的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚地描述。显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的其他实施例，都属于本申请的保护范围。
以下，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
此外，本申请中，“上”、“下”、“内”、“外”等方位术语是相对于附图中的部件示意置放的方位来定义的，应当理解到，这些方向性术语是相对的概念，它们用于相对于的描述和澄清，其可以根据附图中部件所放置的方位的变化而相应地发生变化。
本申请实施例所述的电子设备包括但不限定于手机、笔记本电脑、平板电脑、膝上型电脑、个人数字助理或可穿戴式设备等。以下以电子设备为手机进行说明。
随着人们对手机/笔记本电脑等电子设备轻薄化、长续航的需求不断提升，锂离子电池体积能量密度(ED)越来越高，而提高正负极材料的克容量是提升电池ED的一种重要措施。目前，石墨材料克容量已接近理论极限(372mAh/g)，而Si材料克容量远高于石墨材料(理论极限为4200mAh/g)，且Si材料具有脱嵌锂电位适中、储量丰富、价格便宜、环保无毒、制备工艺成熟等多方面的优势。因此，将高克容量的Si材料代替石墨材料用作电池负极活性物质的材料能有效提升电芯ED。
然而，Si材料在脱嵌锂过程中存在巨大的体积效应，膨胀/收缩造成的体积变化率高达400％。Si材料相比于石墨材料除形成表面SEI膜需要消耗更多活性锂离子外，Si材料中的非活性物质也会消耗部分锂离子，进而导致电池首次库伦效率下降，低于石墨材料体系。因此，为了提升Si负极电芯的首次库伦效率，发挥Si材料高克容量的优势，通常需要加入Si负极补锂的工序。
现有补锂方法可以采用压延补锂、蒸镀补锂等方法，在负极极片表面形成补锂界面，并在补锂界面完成补锂工序。但是，由于预补锂使用的金属锂活性极强，可以与空气中的氧气、氮气和二氧化碳等发生副反应，同时与硅材料也会快速发生反应，这些化学反应均会导致大量热量放出，极片温升过大，易出现补锂后极片脱膜、活性锂副反应加剧等现象，甚至极片优率较低等问题，严重时引起冒烟、着火等安全事故。
为了降低补锂工序时产生的热量影响电池性能，本申请实施例提供一种锂离子电池，在高克容量Si负极极片中增加导热结构，以解决Si负极极片补锂过程产热大所带来的活性物质层表面副产物增多、极片脱膜掉粉等问题，提高电池性能。
图1是本申请实施例提供的锂离子电池的结构示意图。
如图1所示，在一些实施例中，锂离子电池可以包括电芯、电解液和包装膜10，包装膜10为具有空腔的壳体，电芯和电解液均设置在包装膜10中。其中，电芯是充电电池中的蓄电部分。电解液是电池中离子传输的载体，一般由锂盐和有机溶剂组成。电解液在锂电池正、负极之间起到传导离子的作用，是锂离子电池获得高电压、高比能等优点的保证。
图2是本申请实施例提供的锂离子电池的截面图。
如图2所示，在一些实施例中，电芯可以包括正极极片20、隔膜40和负极极片30。在电芯采用叠片结构时，正极极片20和负极极片30的数量均可以设置多个，正极极片20和负极极片30均可以为轻薄的平板状结构。在通过叠片结构形成电芯时，多个正极极片20和多个负极极片30通过隔膜40隔开，且正极极片20和负极极片30相间设置，即相邻两个正极极片20中存在一个负极极片30，相邻两个负极极片30中存在一个正极极片20。各个极片堆叠在一起，相邻的正极极片20和负极极片30之间利用隔膜40隔开，隔膜40以“z”字型结构分隔开各个极片并收容于包装膜10内，以得到呈叠片状态的电芯。示例性的，隔膜40可以采用多孔的高分子材料制成。
正极极片20与正极极耳50连接，负极极片30与负极极耳60连接。正极极耳50的数量与正极极片20的数量相同，负极极耳60与负极极片30的数量相同，正极极耳50和负极极耳60从包装膜10的长度方向穿出。
结合图1所示内容，锂离子电池具有宽度W0，长度为H0。芯片的长度方向沿锂离子电池的长度H0方向，芯片的宽度方向沿锂离子电池的宽度W0方向。也就是说，负极极片30的长度Sh沿锂离子电池的长度H0方向，负极极片30的宽度方向沿锂离子电池的宽度W0方向。
图3是本申请实施例提供的第一种负极极片30的结构示意图。
如图3所示，在一些实施例中，负极极片30可以包括：负极集流层101、活性物质层102、导热结构104和补锂层105。负极集流层101作为负极涂覆层的载体，用于存放负极材料，以实现导电。活性物质层102用于提高电芯的ED。补锂层105是通过将负极集流层101、活性物质层102和导热结构104的组合体进行补锂工序得到的，导热结构104用于实现进行补锂工序时的散热。
负极集流层101可以采用平板状结构，负极集流层101由铜箔制成，可以理解的是，铜箔的两个相背表面还涂覆有负极活性材料。
活性物质层102贴合在负极集流层101的内表面，活性物质层102的材质可以包括Si-石墨活性物质。将Si-石墨活性物质制成浆料，通过注塑的方式在负极集流层101的内表面形成活性物质层102。示例性的，活性物质层102的厚度h0可以为20-300μm，优选50-150μm。需要说明的是，为实现锂离子电池的性能，活性物质层102还可以包括导电网络和粘结网络，此处不赘述。
图4是本申请实施例提供的第一种负极极片30中开设导热孔103的结构示意图。
如图4所示，在一些实施例中，活性物质层102的外表面为Si-石墨负极层表面，Si-石墨负极层表面用于形成补锂层105，以进行补锂工序。其中，活性物质层102的外表面是活性物质层102的远离负极集流层101的那一端表面。
为实现补锂工序时的散热，在补锂界面和Si-石墨负极层表面之间，通过激光工艺在活性物质层102的远离负极集流层101的一端开设导热孔103。导热孔103的长度方向朝靠近负极集流层101的一端延伸，也就是说，导热孔103由活性物质层102的外表面向内凹陷形成。
示例性的，导热孔103的截面为圆形，导热孔103的直径D103可以为5-200μm。
图5是本申请实施例提供的活性物质层102中开设导热孔103的俯视图。
如图5所示，在一些实施例中，为保证散热效果，导热孔103的数量为多个。多个导热孔103在活性物质层102中的开设位置可以均匀分布，以达到互锁比例。
沿负极极片30的宽度方向，负极极片30具有极片宽度SW，导热孔103的数量为第一数值n；沿负极极片30的长度方向，负极极片30具有极片长度Sh，导热孔103的数量为第二数值m。为达到互锁比例，保证散热效果，极片宽度SW、极片长度Sh、第一数值n和第二数值m满足第一比例关系。
其中，第一比例关系的关系式为：SW/(n+1)＝Sh/(m+1)。式中，n>10，m>10。
再次参见图3和图4所示内容，在一种实现方式中，导热孔103向活性物质层102内部延伸的终止位置可以位于活性物质层102厚度h0的中部位置，也就是说，导热孔103的朝向负极集流层101的一端与负极集流层101的内表面具有第一距离L1。导热孔103的厚度h103与第一距离L1的和为活性物质层102的厚度h0。
为实现在补锂工序时的散热，在导热孔103和活性物质层102的外表面涂覆高导热材料，形成导热结构104。这样，导热结构104包括导热层1041和导热柱1042。导热层1041和导热柱1042可以一体成型得到导热结构104，导热结构104采用高导热材料，示例性的，高导热材料包括石墨、石墨烯、碳管或碳纤维中的一种。
导热层1041的内表面与活性物质层102的远离负极集流层101的一端贴合，也就是说，导热层1041涂覆在活性物质层102的外表面。
导热柱1042的一端贴合在导热层1041的内表面，导热柱1042的另一端嵌入到导热孔103内。导热层1041的内表面可以设有多个导热柱1042，多个导热柱1042均与导热层1041呈垂直状态。导热孔103的数量与导热柱1042的数量相同且均为多个，且导热孔103的尺寸与导热柱1042的尺寸相同，那么，嵌入导热孔103的导热柱1042与负极集流层101的内表面具有第一距离L1。
导热柱1042的厚度h2与导热孔103的厚度h103相同，导热柱1042的直径D1042与导热孔103的直径D103相同。相邻两个导热柱1042之间的距离等于相邻两个导热孔103之间的距离，而相邻两个导热孔103之间的距离可以由活性物质层102的表面积、第一数值n和第二数值m来限定。
为实现最佳的散热效果和电池性能，导热层1041具有第一厚度h1，导热柱1042具有第二厚度h2，活性物质层102具有第三厚度h0；第一厚度h1与第三厚度h0满足第二比例关系，第二厚度h2与第三厚度h0满足第三比例关系。
其中，第二比例关系的关系式为：0<h1/h0<0.2；第三比例关系的关系式为：0.1<h2/h0<1。
示例性的，第一厚度h1可以为0-50μm，优选为0-20μm。第二厚度h2可以为10-150μm，优选为20-70μm。第三厚度h0可以为20-300μm，优选为50-150μm。
在对第一种负极极片30进行补锂工序时，补锂层105贴合在导热层1041的外表面，补锂层105用于进行补锂工序。补锂工序产生的热量经导热层1041吸收，并通过导热柱1042以及导热柱1042与负极集流层101之间的活性物质层102传导至负极集流层101，实现由极片表面延伸至内部的散热路径，解决负极极片30在补锂过程产热所带来的活性物质层表面副产物增多、极片脱膜掉粉等问题。
在一些实施例中，补锂层105可以为间断的表面。这样，补锂层105包括多个呈矩形阵列分布的补锂块1051；相邻两个补锂块1051之间具有第二距离L2，其中，0<L2≤5mm。间断的表面不会在补锂工序时产生副产物，在提高散热效果的同时，不影响锂离子电池的性能。
在一些实施例中，第二距离L2可以取值为0，这样，各个补锂块1051之间相互连接，使得补锂层105可以为连续的表面。
本申请实施例提供的第一种负极极片30，在负极极片30内建立由表面延伸至内部的导热结构104，导热层1041贴合在活性物质层102和补锂层105之间，在活性物质层102内通过激光挖导热孔103，将导热层1041内表面贴合的多个导热柱1042嵌入对应的导热孔103中，导热柱1042相对于导热层1041的悬空端与负极集流层101之间具有第一距离。在补锂层105进行补锂工序时产生的热量经导热层1041吸收，并通过导热柱1042以及导热柱1042与负极集流层101之间的活性物质层102传导至负极集流层101，实现由极片表面延伸至内部的散热路径，解决负极极片30在补锂过程产热所带来的活性物质层表面副产物增多、极片脱膜掉粉等问题。
图6是本申请实施例提供的第二种负极极片30中开设导热孔103的结构示意图。
如图6所示，在一些实施例中，第二种负极极片30的结构与第一种负极极片30的结构区别之处在于导热孔103(导热柱1042)的厚度不同，其他结构均可参照第一种负极极片30的结构内容，此处不赘述。
在第二种负极极片30中，导热孔103向活性物质层102内部延伸的终止位置可以位于活性物质层102的内表面，这样，导热孔103贯穿活性物质层102的内外表面。
示例性的，第二种导热孔103的厚度h103与活性物质层102的厚度h0相同。
图7是本申请实施例提供的第二种负极极片30的结构示意图。
如图7所示，在一些实施例中，第二种导热柱1042与第二种导热孔103的尺寸相同，导热柱1042的厚度h2与活性物质层102的厚度h0相同，这样，嵌入导热孔103的导热柱1042连接于导热层1041与负极集流层101之间。
这样，导热柱1042的第二厚度h2与活性物质层102的第三厚度h0之间满足的第三比例关系的关系式为：h2/h0＝1。
在对第二种负极极片30进行补锂工序时，在补锂层105外表面进行的补锂工序产生热量，热量经导热层1041吸收，并通过导热柱1042传导至负极集流层101，实现由极片表面延伸至内部的散热路径，解决负极极片30在补锂过程产热所带来的活性物质层表面副产物增多、极片脱膜掉粉等问题。
本申请实施例提供的第二种负极极片30，在负极极片30内建立由表面延伸至内部的导热结构104，导热层1041贴合在活性物质层102和补锂层105之间，在活性物质层102内通过激光挖导热孔103，导热孔103为贯通孔。将导热层1041内表面贴合的多个导热柱1042嵌入对应的导热孔103中，导热柱1042连接于导热层1041与负极集流层101之间。在补锂层105进行补锂工序时产生的热量经导热层1041吸收，并通过导热柱1042传导至负极集流层101，实现由极片表面延伸至内部的散热路径，解决负极极片30在补锂过程产热所带来的活性物质层表面副产物增多、极片脱膜掉粉等问题。
需要说明的是，本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的申请后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (10)
1.一种负极极片，其特征在于，包括：
负极集流层(101)；
活性物质层(102)，贴合在所述负极集流层(101)的内表面，在所述活性物质层(102)的远离所述负极集流层(101)的一端开设导热孔(103)，所述导热孔(103)的长度方向朝靠近所述负极集流层(101)的一端延伸；
导热结构(104)，包括导热层(1041)和导热柱(1042)，所述导热层(1041)的内表面与所述活性物质层(102)的远离所述负极集流层(101)的一端贴合，所述导热柱(1042)的一端贴合在所述导热层(1041)的内表面，所述导热柱(1042)的另一端嵌入到所述导热孔(103)内；
补锂层(105)，所述补锂层(105)贴合在所述导热层(1041)的外表面，所述补锂层(105)是通过将所述负极集流层(101)、所述活性物质层(102)和所述导热结构(104)的组合体进行补锂工序得到的；
其中，所述导热层(1041)用于吸收所述补锂工序产生的热量，并将热量通过所述导热柱(1042)传导至所述负极集流层(101)，达到对补锂工序散热的效果。
2.根据权利要求1所述的负极极片，其特征在于，
所述导热孔(103)的朝向所述负极集流层(101)的一端与所述负极集流层(101)的内表面具有第一距离L1；
嵌入所述导热孔(103)的所述导热柱(1042)与所述负极集流层(101)的内表面具有所述第一距离L1。
3.根据权利要求1所述的负极极片，其特征在于，
所述导热孔(103)贯穿所述活性物质层(102)的内外表面；
嵌入所述导热孔(103)的所述导热柱(1042)连接于所述导热层(1041)与所述负极集流层(101)之间。
4.根据权利要求2或3所述的负极极片，其特征在于，
所述导热孔(103)的数量与所述导热柱(1042)的数量相同且均为多个；
所述导热孔(103)的尺寸与所述导热柱(1042)的尺寸相同。
5.根据权利要求4所述的负极极片，其特征在于，
沿所述负极极片的宽度方向，所述负极极片具有极片宽度，所述导热孔(103)的数量为第一数值；
沿所述负极极片的长度方向，所述负极极片具有极片长度，所述导热孔(103)的数量为第二数值；
所述极片宽度、极片长度、第一数值和第二数值满足第一比例关系。
6.根据权利要求5所述的负极极片，其特征在于，
所述导热层(1041)的内表面设有多个所述导热柱(1042)，多个所述导热柱(1042)均与所述导热层(1041)呈垂直状态。
7.根据权利要求6所述的负极极片，其特征在于，
所述导热层(1041)具有第一厚度，所述导热柱(1042)具有第二厚度，所述活性物质层(102)具有第三厚度；
所述第一厚度与所述第三厚度满足第二比例关系，所述第二厚度与所述第三厚度满足第三比例关系。
8.根据权利要求1-7任一项所述的负极极片，其特征在于，
所述补锂层(105)包括多个呈矩形阵列分布的补锂块(1051)；
相邻两个所述补锂块(1051)之间具有第二距离L2，其中，0≤L2≤5mm。
9.根据权利要求8所述的负极极片，其特征在于，
所述活性物质层(102)的材质包括Si-石墨活性物质；
所述导热结构(104)的材质包括石墨、石墨烯、碳管或碳纤维中的一种。
10.一种锂离子电池，其特征在于，包括电芯、电解液和包装膜(10)，所述电芯和电解液均设置在所述包装膜(10)中；
所述电芯包括正极极片(20)、隔膜(40)和权利要求1-9任一项所述的负极极片(30)，所述正极极片(20)和所述负极极片(30)通过所述隔膜(40)隔开并呈叠片状态设置。
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| CN202310004330.7A CN117117183B (zh) | 2023-01-03 | 一种负极极片及锂离子电池 |
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