一种负极片的设计方法及锂电池技术

本发明专利技术提供了一种负极片的设计方法及锂电池，通过选择属于同类材料具有不同粒径的多类颗粒作为负极片材料，模拟得到具有不同负极片的孔隙率时多类颗粒的体积百分含量，并计算电池最大充电倍率，从而达到能量密度和快充性能的平衡。本发明专利技术所述的负极片的设计方法考虑了多元材料最优化的堆积方式，可以得到多元材料最优化的配比，为能量密度的提升提供前提保障。同时，通过负极片设计公式，能够精准的对材料或电化学参数进行设计，输出结果即为最大快充能力，方便使用，节约验证时间，同时考虑到材料的物性参数调控的困难性，可使用多元材料，因此扩大的材料选择的范围，负极片设计公式中材料部分可以是各组分材料的加权值。

【技术实现步骤摘要】
一种负极片的设计方法及锂电池
本专利技术属于锂电池
，尤其是涉及一种负极片的设计方法及锂电池。
技术介绍
快充和高能量密度是电池设计者的不懈追求，随着市场对纯电动汽车长续航里程和快速充电提出的要求，这两项指标显得尤为重要。而在电池设计中，快充和高能量密度的设计相互制约，因此如何在提高电池能量密度的同时满足快充性能的设计尤为重要。传统的锂离子电池设计则是首先对能量密度进行设计，在能量密度达到要求的条件下，再进行有关快充的优化设计，设计完成后进行实验验证，总结优化方向对电池性能的影响，从而再次进行优化验证，最终达到电池能量密度和快充性能的平衡。或者根据之前的设计经验，将材料的物性参数如粒径D50、石墨化度或电极参数如孔隙率、面容量、OI值进行总结，寻找相关规律，用来将电极材料或电极设计规定在某一范围内，从而减少验证方案，达到相对精准的设计。虽然有关于材料选择和电池电极设计的相关总结经验，可以为电池的设计提供依据，从而节约验证时间。但该相关总结大都从动力方面(快充目的)或者能量方面(能量密度目的)进行设计，未考虑到多组分材料的应用，也未考虑到多组分材料在在电极中的堆积结构，从而未能最大程度优化电极结构，来达到高能量密度的目标。并且，锂离子二次电池所使用的电极材料，其粒度多为连续行分布，且粒子颗粒形貌多样，呈不规则形状，仅用粒径D50数据不能完全评价材料的动力学性能，而锂离子从材料中脱出和嵌入，均需要经过材料粒子表面的孔道，因此使用材料比表面积能够更好的评价材料的动力学性能。并且，在电池设计中，N/P比的设计对其快充能力也是重要的影响因素。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术旨在提出一种负极片的设计方法及锂电池，以优化负极片配方，达到电池最大充电倍率。为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种负极片的设计方法，包括以下步骤：a.选择属于同类材料具有不同粒径的多类颗粒作为负极片材料，模拟得到具有不同负极片的孔隙率时多类颗粒的体积百分含量；b.按公式1计算电池最大充电倍率，Maxchargerate＝＝2.78*P*(0.5*C-0.2*L+S/6+10*R-7.47)公式1，其中S为颗粒的比表面积加权平均值，C为颗粒表面无定形碳的包覆量加权平均值，P为负极片的孔隙率，L为负极片的单层涂覆量，R为电池的N/P比。优选的，所述颗粒的粒径≤25μm，颗粒的比表面积≤6m2/g，颗粒表面无定形碳的包覆量为0-6％，负极片的孔隙率为17％-40％，负极片的单层涂覆量≤24mg/cm2，电池的N/P比为1.01-1.25。优选的，步骤a中模拟多类颗粒的体积百分含量的方法包括以下步骤：a.根据公式2计算第一颗粒的理论占用体积，V1＝1/(1+P)公式2；b.根据公式3计算第二颗粒的理论占用体积，V2＝1-V1公式3；c.当N＞2时，根据公式4计算第N颗粒的理论占用体积，VN＝VN-1*P公式4；d.根据公式5计算颗粒的百分含量，DN＝VN/(V1+V2+V3+.....+VN)公式5。优选的，所述负极片材料包括第一颗粒、第二颗粒、第三颗粒及第四颗粒，所述第二颗粒、第三颗粒、第四颗粒的平均粒径与第一颗粒的平均粒径的比值分别为：0.4-0.7、0.2-0.4、0.1-0.2。优选的，所述负极片材料包括碳材料、硅基材料、锡基材料、钛酸锂中的一种或多种的混合物，其中，碳材料包括石墨、软碳、硬碳、碳纤维、中间相碳微球中的一种或多种的混合物；石墨包括人造石墨、天然石墨中的一种或两种的混合物；硅基材料包括单质硅、硅氧化合物、硅碳复合物、硅合金中的一种或多种的混合物；锡基材料包括单质锡、锡氧化合物、锡合金中的一种或多种的混合物。优选的，所述负极片材料还包括导电剂及粘结剂，所述导电剂占负极片的体积百分含量为0.5％-3％，所述粘结剂占负极片的体积百分含量为2％-5％，所述导电剂包括导电石墨、导电炭黑、碳纳米管、碳纤维、石墨烯或VGCF中的一种或多种的混合物，所述粘结剂包括聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯及其共聚物、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶、聚丙烯酸、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸钠、聚酰亚胺、海藻酸钠中的一种或多种的混合物，优选的，所述导电剂占负极片的体积百分含量为1％-2％，所述粘结剂占负极片的体积百分含量为3％-4％。一种锂电池，包括正极片、负极片、电解液及隔膜，应用了如上述所述的负极片的设计方法。优选的，所述正极片的材质为LixCoO2(0.5﹤x﹤1.3)、LixNiO2(0.5﹤x﹤1.3)、LixMnO2(0.5﹤x﹤1.3)、LixMn2O4(0.5﹤x﹤1.3)、Lix(NiaCobMnc)O2(0.5﹤x﹤1.3，0﹤a﹤1，0﹤b﹤1，0﹤c﹤1，a+b+c＝1)、LixNi1-yCoyO2(0.5﹤x﹤1.3，0﹤y﹤1)、LixCo1-yMnyO2(0.5﹤x﹤1.3，0≤y﹤1)、LixNi1-yMnyO2(0.5﹤x﹤1.3，0≤y﹤1)、Lix(NiaCobMnc)O4(0.5﹤x﹤1.3，0﹤a﹤2，0﹤b﹤2，0﹤c﹤2，a+b+c＝2)、LixMn2-zNizO4(0.5﹤x﹤1.3，0﹤z﹤2)、LixMn2-zCozO4(0.5﹤x﹤1.3，0﹤z﹤2)、LixCoPO4(0.5﹤x﹤1.3)、LixFePO4(0.5﹤x﹤1.3)中的一种或多种的混合物。优选的，所述电解液包括有机溶剂及锂盐，所述有机溶剂为丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯和丙酸丁酯、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸甲丙酯、碳酸二丙酯、二甲亚砜、乙腈、二甲氧基乙烷、二乙氧基乙烷、碳酸亚乙烯酯、环丁砜、γ-丁内酯、亚硫酸亚丙酯、四氢呋喃中的一种或多种的混合物，所述锂盐的阴离子为F-、Cl-、Br-、I-、NO3-、N(CN)2-、BF4-、ClO4-、PF6-、(CF3)2PF4-、(CF3)3PF3-、(CF3)4PF2-、(CF3)5PF-、(CF3)6P-、CF3SO3-、CF3CF2SO3-、(CF3SO2)2N-、(FSO2)2N-、CF3CF2(CF3)2CO-、(CF3SO2)2CH-、(SF5)3C-、(CF3SO2)3C-、CF3(CF2)7SO3-、CF3CO2-、CH3CO2-、SCN-和(CF3CF2SO2)2N-中的一种或多种的混合物。优选的，所述隔膜的材质为乙烯均聚物、丙烯均聚物、乙烯/丁烯共聚物、乙烯/己烯共聚物和乙烯/甲基丙烯酸酯共聚物、高熔点玻璃纤维、聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维中的一种。相对于现有技术，本专利技术所述的负极片的设计方法及锂电池具有以下优势：(1)本专利技术所述的设计方法考虑了多元材料最优化的堆积方式，可以得到多元材料最优化的配比，为能量密度的提升提供前提保障。同时，通过负极片设计公式，能够精准的对材料或电化学参数进行设计，输出结果即为最大快充本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种负极片的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：/na.选择属于同类材料具有不同粒径的多类颗粒作为负极片材料，模拟得到具有不同负极片的孔隙率时多类颗粒的体积百分含量；/nb.按公式1计算电池最大充电倍率，/nMax charge rate＝＝2.78*P*(0.5*C-0.2*L+S/6+10*R-7.47) 公式1，/n其中S为颗粒的比表面积加权平均值，C为颗粒表面无定形碳的包覆量加权平均值，P为负极片的孔隙率，L为负极片的单层涂覆量，R为电池的N/P比。/n

【技术特征摘要】
1.一种负极片的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.选择属于同类材料具有不同粒径的多类颗粒作为负极片材料，模拟得到具有不同负极片的孔隙率时多类颗粒的体积百分含量；
b.按公式1计算电池最大充电倍率，
Maxchargerate＝＝2.78*P*(0.5*C-0.2*L+S/6+10*R-7.47)公式1，
其中S为颗粒的比表面积加权平均值，C为颗粒表面无定形碳的包覆量加权平均值，P为负极片的孔隙率，L为负极片的单层涂覆量，R为电池的N/P比。


2.根据权利要求1所述的负极片的设计方法，其特征在于：所述颗粒的粒径≤25μm，颗粒的比表面积≤6m2/g，颗粒表面无定形碳的包覆量为0-6％，负极片的孔隙率为17％-40％，负极片的单层涂覆量≤24mg/cm2，电池的N/P比为1.01-1.25。


3.根据权利要求1所述的负极片的设计方法，其特征在于，步骤a中模拟多类颗粒的体积百分含量的方法包括以下步骤：
a.根据公式2计算第一颗粒的理论占用体积，
V1＝1/(1+P)公式2；
b.根据公式3计算第二颗粒的理论占用体积，
V2＝1-V1公式3；
c.当N＞2时，根据公式4计算第N颗粒的理论占用体积，
VN＝VN-1*P公式4；
d.根据公式5计算颗粒的百分含量，
DN＝VN/(V1+V2+V3+.....+VN)公式5。


4.根据权利要求1所述的负极片的设计方法，其特征在于：所述负极片材料包括第一颗粒、第二颗粒、第三颗粒及第四颗粒，所述第二颗粒、第三颗粒、第四颗粒的平均粒径与第一颗粒的平均粒径的比值分别为：0.4-0.7、0.2-0.4、0.1-0.2。


5.根据权利要求1所述的负极片的设计方法，其特征在于：所述负极片材料包括碳材料、硅基材料、锡基材料、钛酸锂中的一种或多种的混合物，其中，碳材料包括石墨、软碳、硬碳、碳纤维、中间相碳微球中的一种或多种的混合物；石墨包括人造石墨、天然石墨中的一种或两种的混合物；硅基材料包括单质硅、硅氧化合物、硅碳复合物、硅合金中的一种或多种的混合物；锡基材料包括单质锡、锡氧化合物、锡合金中的一种或多种的混合物。


6.根据权利要求1所述的负极片的设计方法，其特征在于：所述负极片材料还包括导电剂及粘结剂，所述导电剂占负极片的体积百分含量为0.5％-3％，所述粘结剂占负极片的体积百分含量为2％-5％，所述导电剂包括导电石墨、导电炭黑、碳纳米管、碳纤维、石墨烯或VGCF中的一种或多种的混合物，所述粘结剂包括聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯及其共聚物、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶、聚丙烯...

【专利技术属性】
技术研发人员：李兴旺，李文文，邓海福，赵霞，郭倩，王俊姿，
申请(专利权)人：天津市捷威动力工业有限公司，
类型：发明
国别省市：天津;12