CN113707844A - 一种负极极片及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种负极极片及其制备方法和应用，所述负极极片包括负极集流体和设置于所述负极集流体至少一面的负极材料层，所述负极材料层的涂层密度PD、材料颗粒度D50及负极材料层的涂覆面密度ρ满足关系：PD＝1.7‑2.1*ρ/(220+D50)。本发明所述负极极片具有良好的功率性能和能量密度。
Description
技术领域
本发明属于锂离子电池领域，涉及一种负极极片及其制备方法和应用。
背景技术
相比于传统的纯电动电池偏重于能量密度要求，混合动力类型的电池则更偏重于功率密度，尤其在能量回馈方面，对电池的峰值充电功率要求较高。
CN107230774A公开了一种负极极片及锂离子电池。所述负极极片包括负极集流体以及负极膜片。所述负极膜片形成于所述负极集流体的一侧或两侧。所述负极膜片包括：内侧活性物质层，位于所述负极集流体上并与所述负极集流体相邻，包含能够脱嵌锂离子的负极活性物质；以及外侧功能层，位于所述内侧活性物质层上且位于所述负极膜片的最远离所述负极集流体的一侧，所述外侧功能层包括Super-P以及粘结剂，且不包含能够脱嵌锂离子的负极活性物质。其所述负极极片的功率性能较高但能量密度较低。
CN103367714公开了一种锂离子电池用石墨负极极片及其制备方法。制备方法包括：提供石墨负极极片，石墨负极极片包括负极集流体以及密实形成于负极集流体上且含有活性物质石墨的负极膜片；使石墨负极极片经过强氧化性喷雾箱进行处理；使强氧化性喷雾箱处理后的石墨负极极片经过高温高湿箱；使高温高湿处理后的石墨负极极片经过真空箱体；使抽真空处理后的石墨负极极片经过碳酸锂喷雾箱进行处理；使碳酸锂喷雾箱处理后的石墨负极极片经过鼓风高温高湿箱进行处理；以及使鼓风高温高湿箱处理后的石墨负极极片经过烘箱进行烘干，通过其所述方法制得的负极极片的能量密度较高，循环性能较好，但功率性能较差。
上述方案存在有能量密度或功率密度较低的问题，因此，开发一种兼顾能量密度和功率密度的负极极片是十分必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种负极极片及其制备方法和应用，所述负极极片包括负极集流体和设置于所述负极集流体至少一面的负极材料层，所述负极材料层的涂层密度PD、材料颗粒度D50及负极材料层的涂覆面密度ρ满足关系：PD＝1.7-2.1*ρ/(220+D50)。本发明所述负极极片具有良好的功率性能和能量密度。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种负极极片，所述负极极片包括负极集流体和设置于所述负极集流体至少一面的负极材料层，所述负极材料层的涂层密度PD、材料颗粒度D50及负极材料层的涂覆面密度ρ满足关系：PD＝1.7-2.1*ρ/(220+D50)。
上述公式中，PD为涂层密度＝材料层的涂覆面密度/材料层的厚度；
所述材料颗粒度为负极活性物质的颗粒度；
材料层的厚度测试方法：万分尺测试冷压后的极片厚度，减掉基材的厚度，得到材料层的厚度；
材料层的涂覆面密度测试方法：天平测试特定面积极片的重量，减掉基材的重量，得到材料层的涂覆重量，再除以面积，得到材料层的涂覆面密度。PD的单位为g/cm3，涂覆面密度ρ的单位是g/m2，负极材料颗粒度D50的单位是μm，在计算过程中不计单位，也即计算时仅采用数值即可。示例性地，当ρ为40g/m2、D50为8μm时，ρ相应的数值为40、D50相应的数值8，那么PD＝1.7-2.1*40/(220+8)＝1.33，也即PD为1.33g/cm3。
传统的纯电动电池一般会选择高的压实密度，较高的负极材料颗粒度，高的面密度，从而获得高的能量密度，但会牺牲功率密度；而混合动力类型的电池则选择的是较低的涂层密度，偏小的材料颗粒度，以及低的面密度，从而获得高的功率密度，但会使能量密度偏低，其中关键的是要维持涂层密度，材料颗粒度，以及面密度三者的平衡，以获得最优的功率性能，本发明通过控制负极材料层的涂层密度PD、材料颗粒度D50及负极材料层的涂覆面密度ρ的关系，可以制得兼顾高能量密度和功率密度的负极极片。
优选地，所述负极材料层的涂覆面密度ρ为32～44g/m2，例如：32g/m2、34g/m2、36g/m2、38g/m2、40g/m2、42g/m2或44g/m2等。
优选地，所述负极材料颗粒度D50为5～12μm，例如：5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、11μm或12μm等。
优选地，所述涂层密度PD为1.29～1.41g/cm3，例如：1.29g/cm3、1.3g/cm3、1.33g/cm3、1.35g/cm3、1.37g/cm3、1.39g/cm3或1.41g/cm3等。
优选地，所述负极材料层包括活性物质。
优选地，所述活性物质包括人造石墨、天然石墨、硬碳、钛酸锂、软碳或SiOx中的任意一种或至少两种的组合，其中，0≤x≤2。
优选地，所述活性物质还包括掺杂元素和/或包覆元素。
优选地，所述掺杂元素包括金属元素和/或非金属元素。
优选地，所述包覆元素包括金属元素和/或非金属元素。
优选地，所述负极材料层包括导电剂和粘接剂。
优选地，所述导电剂包括炭黑、导电石墨、碳纤维、碳纳米管、石墨烯或科琴黑中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述粘接剂包括聚偏氟乙烯、丁苯橡胶、丙烯酸树脂、海藻酸钠或聚乙烯醇中的任意一种或至少两种的组合。
第二方面，本发明提供了一种如第一方面所述负极极片的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将负极活性物质、辅料及溶剂混合，得到负极浆料；
(2)将步骤(1)所述的负极浆料涂布在集流体上，得到负极极片。
第三方面，本发明提供了一种锂离子电池，所述锂离子电池包含如第一方面所述的负极极片。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明通过控制负极材料层的涂层密度PD、材料颗粒度D50及负极材料层的涂覆面密度ρ的关系，可以制得兼顾高能量密度和功率密度的负极极片。
(2)使用本发明所述负极极片制得电芯的直流内阻可达…mohm以下，峰值放电功率可达…W以上。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
本实施例提供了一种负极极片，所述负极极片通过如下方法制得：
(1)将30kg人造石墨、0.56kg炭黑、0.14kg聚偏氟乙烯、7.79kg丙烯酸树脂及17.58kg水混合，得到负极浆料；
(2)设置涂覆面密度ρ为40g/m2，负极材料颗粒度D50为8μm，涂层密度PD为1.33g/cm3，将步骤(1)所述的负极浆料涂布在集流体上，得到负极极片。
实施例2
本实施例提供了一种负极极片，所述负极极片通过如下方法制得：
(1)将30kg人造石墨(软碳包覆)、0.56kg导电炭黑、0.14kg羧甲基纤维素钠、7.79kg丙烯酸树脂和17.58kg水混合，得到负极浆料；
(2)设置涂覆面密度ρ为36g/m2，负极材料颗粒度D50为10μm，涂层密度PD为1.37g/cm3，将步骤(1)所述的负极浆料涂布在集流体上，得到负极极片。
实施例3
本实施例与实施例1区别仅在于，设置涂覆面密度ρ为32g/m2，涂层密度PD为1.41g/cm3，其他条件与参数与实施例1完全相同。
实施例4
本实施例与实施例1区别仅在于，设置涂覆面密度ρ为44g/m2，涂层密度PD为1.29g/cm3，其他条件与参数与实施例1完全相同。
实施例5
本实施例与实施例1区别仅在于，设置负极材料颗粒度D50为2μm，涂层密度PD为1.32g/cm3，其他条件与参数与实施例1完全相同。
实施例6
本实施例与实施例1区别仅在于，设置负极材料颗粒度D50为12μm，涂层密度PD为1.34g/cm3，其他条件与参数与实施例1完全相同。
对比例1
本对比例与实施例1区别仅在于，设置涂覆面密度ρ为30g/m2，设置负极材料颗粒度D50为14μm，涂层密度PD为1.43g/cm3，其他条件与参数与实施例1完全相同。
对比例2
本对比例与实施例1区别仅在于，设置涂覆面密度ρ为45g/m2，设置负极材料颗粒度D50为3μm，涂层密度PD为1.28g/cm3，其他条件与参数与实施例1完全相同。
性能测试：
将实施例1-6和对比例1-2得到的负极极片制成电芯，在50％SOC下，250A电流放电10s，记录初始电压V0和结束电压V1，得到电芯直流内阻(DCR)＝(V0-V1)/250*1000mohm，在50％SOC下，测试满足放电10s，放电结束电压大于等于截止电压的峰值放电功率。测试结果如表1所示：
表1
由表1可以看出，由实施例1-6可得，使用本发明所述负极极片制得电芯的直流内阻可达2.12mohm以下，峰值放电功率可达1015.W以上。
由实施例1和实施例3-4对比可得，涂覆面密度会影响制得负极极片的性能，将涂覆面密度控制在32～44g/m2，可以制得功率密度和能量密度均较好的负极极片。
由实施例1和实施例5-6对比可得，负极材料颗粒度D50会影响制得负极极片的性能，将负极材料颗粒度D50控制在5～12μm，可以制得功率密度和能量密度均较好的负极极片。
由实施例1和对比例1-2对比可得，本发明所述负极极片的涂层密度PD控制在1.29～1.41g/cm3，可以大幅度提高负极极片的功率密度和能量密度。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种负极极片，其特征在于，所述负极极片包括负极集流体和设置于所述负极集流体至少一面的负极材料层，所述负极材料层的涂层密度PD、材料颗粒度D50及负极材料层的涂覆面密度ρ满足关系：PD＝1.7-2.1*ρ/(220+D50)。
2.如权利要求1所述的负极极片，其特征在于，所述负极材料层的涂覆面密度ρ为32～44g/m2。
3.如权利要求1或2所述的负极极片，其特征在于，所述负极材料颗粒度D50为5～12μm。
4.如权利要求1-3任一项所述的负极极片，其特征在于，所述涂层密度PD为1.29～1.41g/cm3。
5.如权利要求1-4任一项所述的负极极片，其特征在于，所述负极材料层包括活性物质；
优选地，所述活性物质包括人造石墨、天然石墨、硬碳、钛酸锂、软碳或SiOx中的任意一种或至少两种的组合，其中，0≤x≤2；
优选地，所述活性物质还包括掺杂元素和/或包覆元素；
优选地，所述掺杂元素包括金属元素和/或非金属元素；
优选地，所述包覆元素包括金属元素和/或非金属元素。
6.如权利要求1-5任一项所述的负极极片，其特征在于，所述负极材料层包括导电剂和粘接剂。
7.如权利要求6所述的负极极片，其特征在于，所述导电剂包括炭黑、导电石墨、碳纤维、碳纳米管、石墨烯或科琴黑中的任意一种或至少两种的组合。
8.如权利要求6所述的负极极片，其特征在于，所述粘接剂包括聚偏氟乙烯、丁苯橡胶、丙烯酸树脂、海藻酸钠或聚乙烯醇中的任意一种或至少两种的组合。
9.一种如权利要求1-8任一项所述负极极片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将负极活性物质、辅料及溶剂混合，得到负极浆料；
(2)将步骤(1)所述的负极浆料涂布在集流体上，得到负极极片。
10.一种锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池包含如权利要求1-8任一项所述的负极极片。
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