一种高容量锂离子电池负极及其应用制造技术

本发明专利技术涉及一种高容量锂离子电池负极及其应用，所述负极铜箔采用双面双层的涂布方式，该负极由两层不同克容量的活性物质构成，其中，靠近集流体的第一层活性物质，其克容量≥1000mAh/g；远离集流体，覆盖于第一层表面的第二层活性物质，其克容量≤420mAh/g，该负极活性物质平均克容量≥500mAh/g，本发明专利技术不仅降低粘结剂的材料成本，提高了涂布工段的加工性能，同时减少高克容量负极与低克容量负极干粉混合的步骤提高效率。

A high capacity lithium ion battery negative electrode and its application

【技术实现步骤摘要】
一种高容量锂离子电池负极及其应用
本专利技术涉及锂离子电池领域，特别是涉及一种高容量锂离子电池负极及其应用。
技术介绍
提升锂离子电池的能量密度，是提高新能源汽车续航里程的关键。提升锂离子电池能量密度的关键是提升正极、负极主粉的克容量。目前正极主粉中镍(Ni):钴(Co):锰(Mn)的元素比例依次从1:1:1,5:2:3,6:2:2提升到8:1:1，随着元素镍含量的升高，正极克容量由130mAh/g提高至210mAh/g，其中镍元素的占比达到80％以上,三元镍钴锰理论容量277mAh/g，继续提高的空间有限；而负极多是采用含硅或含锡的复合负极，纯硅的理论容量达4200mAh/g，远远超石墨负极的理论容量，添加一定比例的硅元素后称之为硅复合负极，其平均克容量有明显提升。由于硅负极具有非常高的理论容量，在完全嵌锂的状态下硅的体积膨胀是完全脱锂状态下的300％，含硅的复合负极在多次循环后，一次次地体积膨胀-收缩造成硅复合负极发生粉化的现象严重影响着电池的使用寿命。现有工艺高克容量负极极片一般采用硅与石墨以一定比例以干粉方式充分混合均匀，然后采用传统的负极粘结剂羧甲基纤维素钠(CMC)搭配丁苯橡胶(SBR)制备浆料，并采取单层涂覆的方式完成涂布。现有的传统加工工艺仅满足于当硅含量小于5％时，随着硅含量的提升负极极片出现掉料的概率越大，且电池的循环性能越差，循环后负极极片的颗粒出现粉化越严重；使用常规的粘结剂勉强满足加工性能与电性能的要求。为了继续提升电池的能量密度，增加硅含量提升负极的克容量，当硅含量超过5％时，常规的粘结剂不能有效地抑制硅的膨胀，极片在加工过程在出现掉料严重，增加粘结剂用量勉强装配成电池的电性能及循环性能也差，无法满足电动车强检标准1000周的使用要求，循环后极片通过电子扫描电镜图发现负极颗粒出现严重的粉化。为提升电池性能，改善粘结剂体系，使用聚酰亚胺(PI)时，聚酰亚胺对负极颗粒有较好的包裹效果，可以有效改善硅负极的体积膨胀；但是聚酰亚胺粘结剂在涂布烘干过程中体积收缩大，铜箔集流体单面涂层的变形大导致负极极片出现翘曲，收卷过程易出现褶皱或无法收卷，且涂覆的浆料面密度越大极片翘曲越明显，单面面密度超过50g/cm2极片即出现无法收卷。而常规的高能量密度电池的负极单面面密度约100g/cm2，过低的负极面密度设计无法满足高能量密度电池的容量需求，因此制程中存在较大问题。当硅含量较高(超过5％)负极克容量达500mAh/g以上时，如何改善加工性能，延长高能量密度电池的使用寿命成为技术瓶颈，亟需解决。
技术实现思路
为了解决上述问题，并改善平均容量500mAh/g以上的高克容量负极加工性能以及循环性能。本专利技术提供如下技术方案：本专利技术将两种不同克容量的负极材料采用双面双层的涂布方式，第一层：靠近集流体，其活性物质克容量≥1000mAh/g，所述活性物质为硅、氧化亚硅、氧化亚锡中的一种或多种与碳系材料的混合物，采用质量比1-30％(对活性物质)的聚酰亚胺(PI)作为粘结剂。第二层：远离集流体，覆盖于第一层表面，其活性物质克容量≤420mAh/g，活性物质为碳系材料以及碳系材料与硅、氧化亚硅、氧化亚锡的混合物，活性物质采用质量比1-20％(对活性物质)的聚丙烯酸(PAA)作为粘结剂，或采用质量比1-10％(对活性物质)的羧甲基纤维素钠(CMC)及质量比1-10％(对活性物质)的丁苯橡胶(SBR)。本专利技术中负极铜箔的双面所采用的负极材料涂布方式均相同，靠近集流体涂布第一层活性物质；远离集流体，覆盖于第一层表面为第二层活性材料。本专利技术中所述的克容量为电池内部活性物质所能释放出的电容量与活性物质的质量之比。克容量通常用毫安时每克(mA·h/g)来表示。有时计算克容量也会把导电添加剂、黏接剂等所有非活性物质的质量计算在内。注意：克容量实际指的并不是“电池”的克容量，而是电池内部材料如：磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂等等的克容量，每种材料的克容量是不相同的。其单位为：mAh/g(毫安时每克)其定义可以理解为：每克锂电材料含多少mAh(毫安时)电量。拿磷酸铁锂来举例：克容量>155mAh/g，测试条件：半电池，0.2C，电压4.0-2.0V，即每克磷酸铁锂含有155mAh的电量。与现有技术相比，本专利技术的有益效果：(1)根据不同克容量的负极有针对性的选择粘结剂，高克容量负极选用新型粘结剂聚酰亚胺(PI),低克容量负极选用低成本的常规聚丙烯酸(PAA)或羧甲基纤维素钠(CMC)搭配丁苯橡胶(SBR)，采取双层双面的涂布方式。(2)只针对少量高克容量负极采用新型聚酰亚胺粘结剂，不仅降低粘结剂的材料成本，提高了涂布工段的加工性能，同时减少高克容量负极与低克容量负极干粉混合的步骤提高效率。(3)在电池性能方面，高克容量负极使用聚酰亚胺粘结剂有效包裹可抑制其体积膨胀与循环后的负极颗粒粉化，使用该负极的电池电性能及循环性能得到明显改善。具体实施方式为了使相关技术人员更好地理解本专利技术的技术方案，下面结合实例对本专利技术产品作进一步详细说明。本专利技术在18650卷绕式圆柱型高能量密度锂离子电池上实施，电池制作的流程包括：配料、涂布、压片、切片、制片、卷绕、装配、注液、封口、化成、老化及分容。其锂离子电池具体制作步骤如下：正极活性涂层各成分的重量比例为：镍钴锰酸锂：92％，PVDF：5％，Super.p：3％，将上述原料配制成浆料，溶剂为NMP。采用涂布机将所得正极浆料涂覆在铝箔集流体上，正极单面涂覆面密度240g/㎡，并辊压成149um厚度的正极片，将所得正极极片分别应用于以下实施例与对比例的电池正极中。实施例1其高克容量负极(1000mAh/g)活性涂层各成分的重量比例为：Si：94％，SP：5％，PI：1％。采用涂布机将所得负极浆料涂覆在铜箔集流体上得到第一层高克容量负极极片，高克容量负极单面涂覆面密度15g/㎡；其低克容量负极(400mAh/g)活性涂层各成分的重量比例为：石墨：99％，PAA：1％。采用涂布机将所得负极浆料涂覆在所述的第一层高克容量负极极片上，高克容量负极单面涂覆面密度71g/㎡。实施例2其高克容量负极(1000mAh/g)活性涂层各成分的重量比例为：Si：94％，SP：5％，PI：1％。采用涂布机将所得负极浆料涂覆在铜箔集流体上得到第一层高克容量负极极片，高克容量负极单面涂覆面密度15g/㎡；其低克容量负极(400mAh/g)活性涂层各成分的重量比例为：石墨：90％，PAA：10％。采用涂布机将所得负极浆料涂覆在所述的第一层高克容量负极极片上，高克容量负极单面涂覆面密度78g/㎡。实施例3其高克容量负极(1000mAh/g)活性涂层各成分的重量比例为：Si：94％，SP：5％，PI：1％。采用涂布机将所得负极浆料涂覆在铜箔集流体上得到第一层高克容量负极极片，高克容量负极单面涂覆面密度15g/㎡；其低克容量负极(400mAh/g)活性涂层各成分的重量比例为：石墨：80％，PAA：20％。采用涂布机将所得负极浆料涂覆在所述的第一层高克容量负极极片上，高克容量负极单面涂覆面密度87g/㎡。实施例4其高克容量负极活(1000mAh/g)性涂层各成分的重量比例为：Si：94％，SP：5％，PI：1％。采用涂布本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高容量锂离子电池负极，其特征在于：所述负极铜箔采用双面双层的涂布方式，该负极由两层不同克容量的活性物质构成，其中，靠近集流体的第一层活性物质，其克容量≥1000mAh/g；远离集流体，覆盖于第一层表面的第二层活性物质，其克容量≤420mAh/g，该负极活性物质平均克容量≥500mAh/g。

【技术特征摘要】
1.一种高容量锂离子电池负极，其特征在于：所述负极铜箔采用双面双层的涂布方式，该负极由两层不同克容量的活性物质构成，其中，靠近集流体的第一层活性物质，其克容量≥1000mAh/g；远离集流体，覆盖于第一层表面的第二层活性物质，其克容量≤420mAh/g，该负极活性物质平均克容量≥500mAh/g。2.如权利要求1所述的高容量锂离子电池负极，其特征在于：所述第一层活性物质为硅、氧化亚硅、氧化亚锡中一种或多种与碳系材料的混合物。3.如权利要求1所述的高容量锂离子电池负极，其特征在于：所述第二层活性物质为碳系材料或碳系材料与硅、氧化亚硅、氧化亚锡的混合物。4.如权利要求3所述的高容量锂离子电池负极，其特征在于：所述第一层活性物质中包括1-30％...

【专利技术属性】
技术研发人员：张茜，张冬，龚雪磊，马云翔，陈瑶，高学锋，吴江峰，
申请(专利权)人：上海德朗能动力电池有限公司，宁波奉化德朗能动力电池有限公司，德朗能张家港动力电池有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31