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正极片和负极片，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，所述碳材料的D50

【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材料和负极活性材料之间的嵌入和脱出完成，例如，在充电过程中，锂离子从正极活性材料中脱出，经电解质传递后嵌入负极活性材料中，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CB值，不仅缓解了硅材料的体积膨胀，而且兼顾了正极片的克容量和正极活性物质的结构稳定性，以解决锂离子电池能量密度和循环性能无法兼顾的问题。
[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正极片和负极片，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]所述负极片与所述正极片的面容量的比值为1.00
‑
1.15。
[0011]本专利技术提供了一种锂离子电池，其包括正极片和负极片，正极片包括正极集流体和设置在正极集流体至少一个功能表面的正极活性层，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，集流体的功能表面是指集流体中用于承
载活性层的两个相对的面积较大的表面，具体为集流体的上表面和下表面，活性层设置在集流体的上表面和/或下表面，该结构适用于正极片或负极片，本领域技术人员可根据实际需要进行设置；当极片为负极片时，其负极活性层包括负极活性材料，负极活性材料包括碳材料和硅材料，本专利技术通过限定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所述负极片与所述正极片的面容量的比值(以下简称CB值)以解决无法兼顾锂离子电池能量密度和循环性能的问题，为了便于说明，本专利技术将碳材料和硅材料的粒径、质量比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值可以反应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，粒径可通过激光粒度仪测量得到；碳材料和硅材料的质量比是指负极活性层中碳材料的质量和硅材料的质量的比值，二者的单位相同，例如克；负极活性层的厚度H是指位于负极集流体一个功能表面上的负极活性层的厚度，其单位与D50单位相同；CB值即为负极片的面容量/正极片的面容量，面容量即单位面积上的容量，等于锂离子电池所发挥出的容量除以活性物质的面积，经专利技术人研究发现，CB值与克容量之间呈线性关系，CB值与正极克容量的关系曲线图如图1所示，线性方程为y＝137.98x+28.355，R2＝0.9604，即随着CB值的不断增大，正极克容量不断提高，有助于提高锂离子电池的能量密度，但CB过度增大会导致负极片增厚，正极脱锂量增大，正极活性物质结构易崩塌，导致循环性能恶化，因此，在保证硅材料的颗粒数的基础上，寻找最优的CB值是兼顾锂离子电池能量密度和循环性能的有效手段，即当CB值为1.00
‑
1.15时，能够有效兼顾正极克容量和正极活性物质结构稳定性的关系，从而使锂离子电池具有较好的循环性能和能量密度。在锂离子电池实际制备过程中，当正极片和负极片中活性材料确定后，CB值主要与正极片和负极片的面密度有关，本领域技术人员可以根据CB值确定正极片和负极片的面密度。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CB值为1.00
‑
1.15，不仅缓解了硅材料的体积膨胀，而且兼顾了正极片的克容量和正极活性物质的结构稳定性，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负极集流体的一侧，而远离负极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，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为负极集流体一个功能表面上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]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、粘结剂以及分散剂得到负极活性层浆液，随后将负极活性层浆液涂布在负极集流体的至少一个功能表面，得到负极片；当负极活性层包括第二负极活性层时，区别在于需分别配制第一负极活性层浆液和第二负极活性层浆液，并按照上述结构进行涂布，得到负极片，为了简化涂布工艺，可搭配双腔模头进行双层涂布；将正极活性材料、导电剂和粘结剂按照一定质量比混合得到正极活性浆液，随后将正极活性浆液涂布在正极集流体的至少一个功能表面，得到正极片，将正极片、负极片搭配隔膜得到电芯后经注液、封装、化成、分选等工序制备得到锂离子电池，为了实本文档来自技高网...

【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正极片和负极片，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；所述负极片与所述正极片的面容量的比值为1.00
‑
1.15。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1或2所述的锂离子电池，其特征在于，所述负极活性层中，所述碳材料的D50为10
‑
18μm。4.根据权利要求1或2所述的锂离子电池，其特征在于，所述负极活性层中，所述硅材料的D50为4
‑
10μm。5.根据权利要求1或2所述的锂离子电池，其特征在于，所述碳材料与所述硅材料的质量比为(99.5:0.5)
‑
(0.5:99.5)。6.根据权利要求1或2所述的锂离子电池，其特征在于，所述负极活性层的总厚度H为40
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【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：