一种硅负极体系的锂离子电池制造技术

本发明专利技术提供一种硅负极体系的锂离子电池，所述锂离子电池包括负极片，所述负极片包括负极集流体和设置在所述负极集流体至少一个功能表面的负极活性层，所述负极活性层中负极活性材料包括碳材料和硅材料。本发明专利技术通过控制碳材料和硅材料的粒径、质量比和负极活性层厚度的关系以及碳材料内部氧元素的含量，在缓解硅材料的体积膨胀的同时兼顾了碳材料的结构稳定性，使得锂离子电池具有较好的能量密度和循环性能。环性能。环性能。

【技术实现步骤摘要】
一种硅负极体系的锂离子电池


[0001]本专利技术涉及一种硅负极体系的锂离子电池，涉及二次电池


技术介绍

[0002]随着5G时代的到来，锂离子电池的地位越来越重要，随着锂离子电池相关技术的不断发展，锂离子电池的能量密度、快充能力均已越来越接近极限，这就要求必须在技术上寻求新的突破，必须针对现有的化学体系进行深刻创新。
[0003]常规的锂离子电池包括正极片、负极片以及电解液，正极片包括正极集流体和正极活性层，负极片包括负极集流体和负极活性层，正极活性层和负极活性层中均包括活性材料，锂离子电池的工作原理主要是通过锂离子在正极活性层和负极活性层内的活性材料之间的嵌入和脱出完成，例如，在充电过程中，锂离子从正极活性层中的正极活性材料中脱出，经电解液传递后嵌入负极活性层的负极活性材料中，因此，负极活性材料的储锂能力关系到锂离子电池的容量，然而，常规的负极活性材料例如石墨的克容量已接近极限，硅材料作为新兴的负极活性材料，具有更高的克容量，能够显著提高锂离子电池的能量密度。
[0004]然而，硅材料在循环过程中存在严重的膨胀问题，影响锂离子电池的循环性能。因此，如何兼顾锂离子电池的能量密度和循环性能受到了越来越多的关注。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种硅负极体系的锂离子电池，通过控制碳材料和硅材料的粒径、质量比和负极活性层厚度的关系以及碳材料内部氧元素的含量，在缓解硅材料的体积膨胀的同时兼顾了碳材料的结构稳定性，使得锂离子电池具有较好的能量密度和循环性能。
[0006]本专利技术提供一种硅负极体系的锂离子电池，所述锂离子电池包括负极片，所述负极片包括负极集流体和设置在所述负极集流体至少一个功能表面的负极活性层；
[0007]其中，所述负极活性层中负极活性材料包括碳材料和硅材料，所述碳材料的D50
碳
、所述硅材料的D50
硅
、所述碳材料的质量m1、所述硅材料的质量m2，所述负极活性层的厚度H之间满足关系式1：
[0008][0009]D50
碳
、D50
硅
以及H的单位相同，m1与m2的单位相同；
[0010]所述锂离子电池在45℃，以1C充电，0.5C放电，0.025C截止的循环制度进行循环500T后，所述碳材料内部氧元素的含量≤16％。
[0011]本专利技术提供了一种锂离子电池，其包括负极片，负极片包括负极集流体和设置在负极集流体至少一个功能表面的负极活性层，其中，负极集流体的功能表面是指负极集流体中用于承载负极活性层的两个相对的面积较大的表面，具体为负极集流体的上表面和下表面，负极活性层设置在负极集流体的至少一个功能表面，负极活性层包括负极活性材料，
且该负极活性材料包括碳材料和硅材料；在锂离子电池循环过程中，硅材料的体积膨胀以及碳材料的结构稳定性是影响锂离子电池性能的重要因素，基于此，本专利技术通过控制碳材料和硅材料的粒径、质量比和负极活性层厚度的关系以及碳材料内部氧元素的含量，以解决锂离子电池循环性能和能量密度的问题，为了便于说明，本专利技术将碳材料和硅材料的粒径、质量和负极活性层厚度根据式1所示的公式计算得到的数值定义为M值，M值可反映出负极活性层内硅材料的颗粒数与碳材料的颗粒数的比值，具体地，D50
碳
和D50
硅
分别是指碳材料和硅材料中累积分布达到50％时对应的粒径值，二者的单位相同，例如可以是μm；m1和m2分别是指负极活性层中碳材料和硅材料的质量，二者的单位相同，例如克；H是指位于负极集流体一个功能表面上负极活性层的总厚度，其单位与D50单位相同，将上述参数代入式1所示的公式中进行计算，计算得到的数值在0.5
‑
12之间；同时，专利技术人研究发现，随着锂离子电池的循环，碳材料内部结构遭到破坏，导致锂离子电池的循环性能下降，对此，本专利技术限定了碳元素内部氧元素的含量，当碳材料内部任意位置的氧元素的含量均≤16％时，则表明该碳材料具有较好的结构稳定性，从而保证锂离子电池的循环性能；为了保证碳材料内部氧元素含量测试的稳定性，最大程度反应出极片正常工作下的状态，本专利技术在45℃下，以1C充电，0.5C放电，0.025C截止的充放电循环制度对锂离子电池进行充放电测试，循环500T后，对负极片截面进行切割，在扫描电子显微镜下，对负极活性层中碳材料内部进行EDS扫描，得到碳材料内部氧元素的含量。本专利技术通过控制碳材料和硅材料的粒径、质量比和负极活性层厚度的关系以及碳材料内部氧元素的含量，在缓解硅材料的体积膨胀的同时兼顾了碳材料的结构稳定性，使得锂离子电池具有较好的能量密度和循环性能。
[0012]为了进一步缓解硅材料体积膨胀导致的锂离子电池循环性能变差的问题，可将硅材料集中在负极活性层靠近集流体的一侧，而远离集流体一侧的活性材料主要为碳材料，即所述负极活性层包括第一负极活性层和第二负极活性层，所述第一负极活性层和第二负极活性层依次层叠设置在所述负极集流体的至少一个功能表面，所述第二负极活性层中负极活性材料为碳材料，即第二负极活性层不包括硅材料。在锂离子电池循环过程中，设置在负极片表面的碳材料可以为内部的硅材料提供缓冲通道，有利于缓解硅材料的体积膨胀，进一步提高锂离子电池的循环性能。
[0013]当负极活性层包括双层时，在式1所示的公式中，当第一负极活性层和第二负极活性层中碳材料的D50相同时，则直接以该D50代入式1中计算，当第一负极活性层和第二负极活性层中碳材料的D50不同时，则以D50均值(计算公式为D50A*A％+D50B*B％，A％和B％为两款不同碳材料在负极活性层中所占的比例)代入式1中进行计算，负极活性层的厚度H为第一负极活性层和第二负极活性层的总厚度，碳材料的质量m1为第一负极活性层和第二负极活性层中碳材料的总质量，硅材料的质量m2为第一负极活性层和第二负极活性层中硅材料的总质量。
[0014]为了进一步提高锂离子电池的循环性能，本专利技术进一步限定了负极活性层中硅材料的颗粒数，具体地，在负极活性层厚度方向上，所述硅材料以N个线性排列的方式分布于负极活性层中，即从负极集流体一侧起沿着负极活性层厚度方向向隔膜一侧做N条等距直线，每条直线上硅材料的平均颗粒数为1.5
‑
10个，即统计N条直线上硅材料的总颗粒数，总颗粒数/N即为平均颗粒数；同时，所述硅材料在20μm*20μm的区域内的平均颗粒数为0.7
‑
7个，即在负极活性层的长度和厚度方向组成的平面中，以20μm*20μm进行取样，落在该区域
内硅材料的平均颗粒数为0.7
‑
7个；硅材料的颗粒数可以通过电镜扫描观察得到。
[0015]当负极活性层包括第一负极活性层和第二负极活性层，且第二负极活性层不包括硅材料时，则对第一负极活性层中硅材料的颗粒数进行统计。
[0016]本领域技术人员可结合常规技术手段制备得到锂离子电池，例如，首先将碳材料和硅材料按照一定质量比混合得到负极活性材料，并搭配导电剂、粘接剂以及本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅负极体系的锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池包括负极片，所述负极片包括负极集流体和设置在所述负极集流体至少一个功能表面的负极活性层；其中，所述负极活性层中负极活性材料包括碳材料和硅材料，所述碳材料的D50
碳
、所述硅材料的D50
硅
、所述碳材料的质量m1、所述硅材料的质量m2，所述负极活性层的厚度H之间满足关系式1：D50
碳
、D50
硅
以及H的单位相同，m1与m2的单位相同；所述锂离子电池在45℃，以1C充电，0.5C放电，0.025C截止的循环制度进行循环500T后，所述碳材料内部氧元素的含量≤16％。2.根据权利要求1所述的锂离子电池，其特征在于，所述负极活性层包括第一负极活性层和第二负极活性层，所述第一负极活性层和第二负极活性层依次层叠设置在所述负极集流体的至少一个功能表面，所述第二负极活性层中负极活性材料为碳材料。3.根据权利要求2所述的锂离子电池，其特征在于，所述第一负极活性层按照质量百分含量包括95％
‑
97.5％的负极活性材料、0.5％
‑
2.5％的导电剂、1.2％
‑
2.5％的粘接剂以及0.5％
‑
1.5％的分散剂；所述第二负极活性层按照质量百分含量包括95％
‑
98％的碳材料，0％
‑
2％的导电剂、1％...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈博，彭冲，李俊义，韦世超，
申请(专利权)人：珠海冠宇电池股份有限公司，
类型：发明
国别省市：