CN220627852U - 一种负极片、锂离子电池与用电装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种负极片、锂离子电池与用电装置，属于新能源领域。本实用新型负极片包括集流体以及依次层叠设置在所述集流体的至少一面上的硅基材料层、多孔碳层和石墨层，其中集流体具有多孔结构，有效减缓了硅基负极的体积膨胀，改善循环性能；同时还提升了电池的动力学性能。
Description
技术领域
本实用新型属于新能源领域，具体涉及一种负极片、锂离子电池与用电装置。
背景技术
石墨因导电性优异、嵌锂点位低且平稳、成本低廉、自然界储存量丰富等，而成为目前商业化应用最广泛的锂离子电池负极材料。但是石墨的理论容量只有372mAh/g，无法满足市场对下一代锂离子电池能量密度的需求。硅具有超高的理论容量，被认为是最有可能代替石墨成为下一代商用锂离子电池的负极材料。但是硅基负极在嵌锂过程中会发生严重的体积膨胀，不仅导致极片产生裂纹甚至粉化，造成颗粒与集流体之间的粘结性变差，还会破坏表面形成的SEI膜，最终导致循环性能变差，这限制了硅基负极的商业化应用。目前主要通过硅与碳、氧等元素复合及调整硅材料的结构来缓解其体积膨胀，但这些硅基负极在使用过程中仍然会发生显著的体积膨胀，影响电芯的厚度和循环性能。因此，如何有效减缓硅基负极的体积膨胀成为亟待解决的技术问题。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本实用新型的目的在于提供一种负极片、锂离子电池与用电装置，以有效减缓硅基负极的体积膨胀，改善循环性能。
为了实现上述目的，本实用新型第一方面提供了一种负极片，其包括集流体以及依次层叠设置在所述集流体的至少一面上的硅基材料层、多孔碳层和石墨层，所述集流体具有多孔结构。
进一步的，所述集流体的孔径为0.5～5μm，孔隙率为30％～50％。
进一步的，所述多孔碳层的孔径为0.01～1μm，孔隙率为50％～80％。
进一步的，所述集流体的厚度为3～8μm。
进一步的，所述硅基材料层的厚度为1～20μm。
进一步的，所述多孔碳层的厚度为1～30μm。
进一步的，所述石墨层的厚度为50～80μm。
进一步的，所述集流体为多孔铜箔。
本实用新型第二方面提供了一种锂离子电池，包含所述负极片。
本实用新型相对于现有技术的有益效果为：本实用新型利用具有多孔结构的集流体和多孔碳层为硅基材料预留体积膨胀的空间，减缓因硅基材料体积膨胀引发的极片厚度膨胀，并利用石墨层阻碍硅基材料引起极片厚度膨胀，使电池具有良好的循环性能；同时还利用多孔碳层提供更多与电解液接触的界面，缩短锂离子传输距离，提升电芯动力学性能。
附图说明
图1为本实用新型一实施例中负极片的结构示意图；
图2为本实用新型另一实施例中负极片的结构示意图；
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
根据本实用新型的第一方面，提供了一种负极片，参考图1和图2，其包括集流体1以及依次层叠设置在该集流体的至少一面上的硅基材料层2、多孔碳层3和石墨层4，其中集流体1具有多孔结构。该负极片利用具有多孔结构的集流体1和多孔碳层3为硅基材料预留体积膨胀的空间，减缓因硅基材料体积膨胀引起的极片厚度膨胀，并利用石墨层4缓冲硅基材料引起极片厚度膨胀，使电池具有良好的循环性能；同时多孔碳层3还能提供更多与电解液接触的界面，缩短锂离子传输距离，提升电芯动力学性能。
在本实用新型的一个实施方式中，集流体1的孔径为0.5～5μm。当集流体1的孔径在该范围内时，适合小颗粒硅嵌入孔隙内部，有利于缓解颗粒膨胀。
在本实用新型的一个实施方式中，集流体1的孔隙率为30％～50％。当集流体1的孔隙率在该范围内时，能兼顾小颗粒硅的嵌入和抗拉强度。
在本实用新型的一个实施方式中，多孔碳层2的孔径为0.01～1μm，一方面，该孔径适合一部分小颗粒硅的嵌入，缓解硅颗粒膨胀；另一方面，利于电解液进入微孔而与活性物质颗粒接触，缩短锂离子迁移距离。
在本实用新型的一个实施方式中，多孔碳层2的孔隙率为50～80％。当多孔碳层2的孔隙率在该范围内时，有利于电解液快速浸润，极大缩短锂离子迁移到硅和石墨颗粒的距离。
在本实用新型的一个实施方式中，集流体1的厚度为3～8μm。集流体1的厚度太大，占用电芯质量和体积，影响电芯能量密度；集流体1的厚度太小，孔径难以嵌入硅颗粒，而且容易打皱，因此优选集流体1的厚度在前述范围内。
在本实用新型的一个实施方式中，硅基材料层2的厚度为1～20μm。硅基材料层2的厚度太大，嵌锂后体积膨胀过大，集流体1和多孔碳层2的孔隙结构无法吸纳颗粒的膨胀；硅基材料层2的厚度太小，硅颗粒占比少，容量优势发挥不明显，因此优选硅基材料层2的厚度在前述范围内。
在本实用新型的一个实施方式中，多孔碳层3的厚度为1～30μm。多孔碳层3的厚度太大，不发挥储锂功能，影响能量密度；多孔碳层3的厚度太小，给硅颗粒预留的膨胀空间不够，因此优选多孔碳层3的厚度在前述范围内。
在本实用新型的一个实施方式中，石墨层4的厚度为50～80μm。石墨层4的厚度太大，增加极片整体厚度，影响锂离子迁移；石墨层4的厚度太小，无法缓冲极片的宏观膨胀，因此优选石墨层4的厚度在前述范围内。
集流体1的材料选择无具体的限制。作为一个示例，集流体1的材料选自金属、合金等中的至少一种，其中金属选自铜、铬、镁、铁、锌、锂、铝、钙、银、金、钕、铅、锑、锶、钇、镧、锗、镍、锡、钴、铈、铍、钡等中的任意一种，合金选自包含铜、铬、镁、铁、锌、锂、铝、钙、银、金、钕、铅、锑、锶、钇、镧、锗、镍、锡、钴、铈、铍、钡等中至少一种元素的金属合金。但集流体1的材料的选择并不局限于此。优选集流体1的材料为铜，即优选集流体1为铜箔。
硅基材料层2包含硅基材料。其中硅基材料的选择无具体的限制。作为一个示例，硅基材料层2中的硅基材料选自纳米硅、硅氧、碳化硅等中的至少一种。但硅基材料层2中的硅基材料的选择并不局限于此。硅基材料层2中的硅基材料的质量分数为93％～97％，例如为93％，95％，97％，或者这些数值中任意两个组成的范围。
在本实用新型的一些实施例中，硅基材料层2还包含粘结剂、导电剂等中的至少一种。硅基材料层2中的粘结剂的选择无具体的限制，作为一个示例，其选自聚丙烯酸(PAA)、聚丙烯酰胺(PAM)、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯(PTFE)、丁苯橡胶(SBR)、丙烯酸酯、海藻酸钠、羧甲基纤维素钠/锂等中的至少一种。但硅基材料层2中的粘结剂的选择并不局限于此。硅基材料层2中的粘结剂的质量分数为2％～4％，例如为2％，3％，4％，或者这些数值中任意两个组成的范围。硅基材料层2中的导电剂的选择无具体的限制，作为一个示例，其选自炭黑(如SP等)、石墨烯、碳纳米管(CNT)、碳纤维等中的至少一种。但硅基材料层2中的导电剂的选择并不局限于此。硅基材料层2中的导电剂的质量分数为1％～3％，例如为1％，2％，3％，或者这些数值中任意两个组成的范围。
多孔碳层3包含多孔碳。多孔碳的选择无具体的限制。作为一个示例，多孔碳选自硬炭、软碳、碳纳米管、碳分子筛等中的至少一种。但多孔碳的选择并不局限于此。多孔碳层3中的多孔碳的质量分数为90％～95％，例如为90％，92％，95％，或者这些数值中任意两个组成的范围。
在本实用新型的一些实施例中，多孔碳层3还包含粘结剂等中的至少一种。多孔碳层3中的粘结剂的选择无具体的限制，作为一个示例，其选自聚丙烯酸(PAA)、聚丙烯酰胺(PAM)、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯(PTFE)、丁苯橡胶(SBR)、丙烯酸酯、海藻酸钠、羧甲基纤维素钠/锂等中的至少一种。但多孔碳层3中的粘结剂的选择并不局限于此。多孔碳层3中的粘结剂的质量分数为5％～10％，例如为5％，7％，10％，或者这些数值中任意两个组成的范围。
石墨层4包含石墨。多孔碳的选择无具体的限制。石墨层4中的石墨的质量分数为95％～97％，例如为90％，93％，97％，或者这些数值中任意两个组成的范围。
在本实用新型的一些实施例中，石墨层4还包含粘结剂、导电剂等中的至少一种。石墨层4中的粘结剂的选择无具体的限制，作为一个示例，其选自聚丙烯酸(PAA)、聚丙烯酰胺(PAM)、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯(PTFE)、丁苯橡胶(SBR)、丙烯酸酯、海藻酸钠、羧甲基纤维素钠/锂等中的至少一种。但石墨层4中的粘结剂的选择并不局限于此。石墨层4中的粘结剂的质量分数为1％～2％，例如为1％，1.5％，2％，或者这些数值中任意两个组成的范围。石墨层4中的导电剂的选择无具体的限制，作为一个示例，其选自炭黑(如SP等)、石墨烯、碳纳米管(CNT)、碳纤维等中的至少一种。但石墨层4中的导电剂的选择并不局限于此。石墨层4中的导电剂的质量分数为1％～3％，例如为1％，2％，3％，或者这些数值中任意两个组成的范围。
示例性地，上述负极片的制备方法包括以下步骤：
将硅基材料层2的各原料混合均匀，得到第一浆料；
将多孔碳层3的各原料混合均匀，得到第二浆料；
将石墨层4的各原料混合均匀，得到第三浆料；
将第一浆料涂覆于集流体1的至少一面上，干燥，形成硅基材料层2；
将第二浆料涂覆于硅基材料层2背离集流体1的表面上，干燥，形成多孔碳层3；
将第三浆料涂覆于多孔碳层3背离集流体1的表面上，干燥，形成石墨层4，得到负极片。
根据本实用新型第二方面，提供了一种锂离子电池，其包括上述负极片。
根据本实用新型第三方面，提供了一种用电装置，其包括上述负极片或者上述锂离子电池。
下面通过具体实施例对本实用新型作进一步的说明。各平行试验所用原料和工艺参数，如无特殊说明，均相同。
实施例1
一种负极极片，包括集流体以及依次层叠设置在该集流体两面上的硅基材料层、多孔碳层和石墨层，其中，集流体具有多孔结构，孔径为2～4μm，孔隙率为46％，厚度为6μm；硅基材料层厚度为4μm；多孔碳层孔径为5-500nm，孔隙率为68％，厚度为10μm；石墨层厚度为70μm。
该负极极片的制备方法包括以下步骤：
(1)将硅基负极材料、PAA、CNT、SP按96.5：2.0：0.9：0.6的质量比在双行星搅拌机中进行混合制浆，得到浆料Ⅰ；
(2)将CNT、PTFE按9：1的质量比在双行星搅拌机中进行混合制浆，得到浆料Ⅱ；
(3)将石墨、CMC、SBR、SP按97：0.9：06：1.5的质量比在双行星搅拌机中进行混合制浆，得到浆料Ⅲ；
(4)将浆料Ⅰ涂覆于多孔铜箔的两面上，干燥后得到极片Ⅰ；
(5)将浆料Ⅱ涂覆于极片Ⅰ的两面上，干燥后得到极片Ⅱ；
(6)将浆料Ⅲ涂覆于极片Ⅱ的两面上，干燥后得到极片Ⅲ，即为本实施例负极片。
对比例1
与实施例1不同之处仅在于：不含多孔碳层。其它各层组成、结构、厚度及制备方法均匀与实施例1相同。
对比例2
与实施例1不同之处仅在于：不含石墨层。其它各层组成、结构、厚度及制备方法均匀与实施例1相同。
将各实施例和对比例负极片制成电池，具体制备方法如下：将钴酸锂正极片、所述负极片和隔膜、铝塑膜组装成软包电芯，注入电解液后封口，得电芯。
分别对以上各实施例和对比例负极片以及制成的电池进行性能测试，具体测试方法如下：
1.分别对0％SOC，50％SOC，100％SOC电芯进行拆解，取负极片测量厚度；
2.0.5C恒流充电至4.45V，转恒压充电至截止电流0.02C，0.2C放电至3.0V，一直重复前述两步充放电过程；
3.分别以1C/2C/3C的倍率进行恒流充电至4.45V转恒压充电至截止电流0.02C，0.2C放电至3.0V。
测试结果见表1～表2。
表1
表2
由表1～3可知，相较对比例1和2，实施例1通过采用多孔集流体/硅基材料/多孔碳/石墨这一特殊的结构，有效缓解了硅基负极的体积膨胀，使电池具有良好的循环性能；比较实施例1和对比例1的倍率放电容量保持率数据可知，中间的多孔碳层可提高电池的动力学性能。
Claims (10)
1.一种负极片，其特征在于，包括集流体以及依次层叠设置在所述集流体的至少一面上的硅基材料层、多孔碳层和石墨层，所述集流体具有多孔结构。
2.如权利要求1所述的负极片，其特征在于，所述集流体的孔径为0.5～5μm，孔隙率为30％～50％。
3.如权利要求1所述的负极片，其特征在于，所述多孔碳层的孔径为0.01～1μm，孔隙率为50％～80％。
4.如权利要求1所述的负极片，其特征在于，所述集流体的厚度为3～8μm。
5.如权利要求1所述的负极片，其特征在于，所述硅基材料层的厚度为1～20μm。
6.如权利要求1所述的负极片，其特征在于，所述多孔碳层的厚度为1～30μm。
7.如权利要求1所述的负极片，其特征在于，所述石墨层的厚度为50～80μm。
8.如权利要求1所述的负极片，其特征在于，所述集流体为铜箔。
9.一种锂离子电池，其特征在于，包含如权利要求1～8任一项所述的负极片。
10.一种用电装置，其特征在于，包含如权利要求1～8任一项所述的负极片或者如权利要求9的锂离子电池。
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| CN202322133574.3U CN220627852U (zh) | 2023-08-08 | 2023-08-08 | 一种负极片、锂离子电池与用电装置 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118053980A (zh) * | 2024-04-16 | 2024-05-17 | 惠州市恒泰科技股份有限公司 | 改善负极掺硅动力电池循环的圆柱电池及其制备方法、以及含有该圆柱电池的电池模组 |
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2023
- 2023-08-08 CN CN202322133574.3U patent/CN220627852U/zh active Active
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