本發(fā)明涉及電池，具體地，涉及負(fù)極極片及其制備方法和電池。

背景技術(shù)：

1、鋰離子電池因其比能量高、循環(huán)壽命長、無記憶性以及自放電率低等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于人類社會的衣食住行等各方面，尤其在動力電池領(lǐng)域的應(yīng)用得到國家政策的大力支持。隨著新能源汽車保有量的不斷增加，很多用戶希望新能源汽車可以和傳統(tǒng)油車一樣快速補充能量，即快速充電。由于鋰離子動力電池的整體能量密度不能無限提升，所以需要通過提升充電速度來緩解上述問題，快充石墨負(fù)極材料的需求也隨之呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。在鋰離子電池快速充電過程中，最主要的限制因素是鋰離子從正極脫出后，快速移動到負(fù)極，但是鋰離子在負(fù)極的嵌入速度小于鋰離子從正極遷移的速度，鋰離子負(fù)極表面富集，導(dǎo)致金屬鋰在負(fù)極表面析出，可能出現(xiàn)析鋰，熱失控，溫度大幅度上升，電池溫差大，循環(huán)壽命差等失效異常，因此，需要不斷改進(jìn)鋰離子電池快充技術(shù)，解決新能源動力電池的補能焦慮。

2、因此，目前的負(fù)極極片及其制備方法和電池仍有待改進(jìn)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明是基于發(fā)明人對于以下事實和問題的發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識作出的：

2、目前鋰離子電池的負(fù)極材料有石墨、硅以及硅氧化物、錫基材料、鋰金屬、鈦酸鋰等材料，其中，石墨材料因其具有嵌鋰電位低、性質(zhì)穩(wěn)定、容量高、使用溫度窗口大、成本低等優(yōu)勢而成為商業(yè)化最廣泛的鋰離子電池負(fù)極材料。石墨材料晶體結(jié)構(gòu)為層狀結(jié)構(gòu)晶體，石墨晶體存在各向異性，在充電過程中，鋰離子無法通過石墨的有序片層表面進(jìn)入石墨晶體內(nèi)部，即鋰離子無法從石墨有序表面嵌入石墨，而需要從石墨晶體結(jié)構(gòu)的端面嵌入到石墨晶體中，并在石墨片層中間進(jìn)行擴(kuò)散，完成石墨嵌鋰過程，如圖1所示。因此，當(dāng)石墨片層平行于負(fù)極集流體表面時，鋰離子需要擴(kuò)散至石墨晶體端面才可以嵌入石墨，從而增加鋰離子嵌入的極化。當(dāng)石墨片層垂直于負(fù)極集流體，端面暴露于極片表面時，石墨負(fù)極表面有更多的嵌入位點，同時，鋰離子需要擴(kuò)散的距離變短，更加有利于鋰離子的快速脫嵌，以減小充電過程中負(fù)極側(cè)的極化，提高電池體系的快充能力，如圖2所示。

3、鋰離子動力電池石墨負(fù)極在高倍率的快速充電條件下，鋰離子遷移擴(kuò)散距離遠(yuǎn)，負(fù)極極化大，從而限制電池體系快速充電能力的提高。為提高電池的充電能力，需要增加極片中垂直于集流體的石墨片層的數(shù)量，即減小石墨負(fù)極極片的石墨oi值。目前改善石墨負(fù)極快充性能、降低oi值的主要手段是通過對石墨顆粒進(jìn)行二次造粒、表面包覆等材料改性的方式改善材料各向同性，提高垂直于集流體的石墨片層所占比例。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，為了優(yōu)化石墨負(fù)極極片中石墨顆粒的取向性，可以通過在石墨負(fù)極漿料中添加石墨烯或者氧化石墨烯，并在涂布以及烘干過程中施加電場、磁場等方式定向石墨顆粒的取向，并改善石墨負(fù)極的迂曲度，以減少快充過程中的極化，提升電池體系的快充能力。

4、本發(fā)明旨在至少一定程度上緩解或解決上述提及問題中的至少一個。

5、在本發(fā)明的一方面，本發(fā)明提出了一種制備負(fù)極極片的方法。在本發(fā)明的一些實施例中，制備負(fù)極極片的方法包括：在負(fù)極集流體的至少一個表面上涂布負(fù)極漿料，形成負(fù)極漿料層，所述負(fù)極漿料包括石墨和定向材料，所述定向材料包括石墨烯和氧化石墨烯中的至少之一；烘干處理，去除所述負(fù)極漿料層中的溶劑，形成負(fù)極活性材料層，得到負(fù)極極片；在涂布所述負(fù)極漿料以及烘干處理的過程中，施加垂直于負(fù)極集流體方向的電場，使所述定向材料帶動石墨進(jìn)行定向排列。由此，定向材料為片層結(jié)構(gòu)，可以在電場作用下帶動石墨進(jìn)行定向排列，使較多的石墨片層垂直負(fù)極集流體排列，增加石墨顆粒材料的有序度，減小石墨的oi值，以提高石墨負(fù)極的快充能力，石墨顆粒進(jìn)行有序排列，可以有效降低石墨負(fù)極極片的孔隙迂曲度，從而降低極片極化，進(jìn)一步提高石墨負(fù)極的快充能力。

6、在本發(fā)明的一些實施例中，所述負(fù)極極片滿足以下條件中的至少之一：所述負(fù)極極片中，石墨的oi值≤10；迂曲度≤3.6。由此，上述負(fù)極極片中的石墨顆粒材料排列有序，較多的石墨片層垂直于負(fù)極集流體，從而有利于進(jìn)一步提高負(fù)極極片的快充能力。

7、在本發(fā)明的一些實施例中，所述電場的強度為10v/m-4000v/m，所述電場的頻率為10hz-100khz。在上述電場作用下，石墨烯或氧化石墨烯可以更好地帶動石墨進(jìn)行定向排列，使更多的石墨片層垂直負(fù)極集流體排列，從而進(jìn)一步提高負(fù)極極片的快充能力。

8、在本發(fā)明的一些實施例中，基于所述負(fù)極活性材料層的總質(zhì)量，所述定向材料的質(zhì)量含量為1％-30％；和/或，所述定向材料的層數(shù)≤5。

9、在本發(fā)明的一些實施例中，烘干處理的溫度為80℃-120℃。在上述條件下進(jìn)行烘干，可以適當(dāng)縮短極片的干燥時間，并且，可以有效避免負(fù)極活性材料層開裂。

10、在本發(fā)明的一些實施例中，烘干處理后，對負(fù)極極片進(jìn)行輥壓處理，輥壓處理后的負(fù)極極片的壓實密度為1.3g/cm3-2.2g/cm3。壓實密度在上述范圍內(nèi)，有利于提高負(fù)極極片的整體性能。

11、在本發(fā)明的一些實施例中，所述負(fù)極活性材料層包括負(fù)極活性物質(zhì)、所述定向材料、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑，所述負(fù)極活性物質(zhì)包括石墨，基于所述負(fù)極活性材料層的總質(zhì)量，所述負(fù)極活性物質(zhì)的質(zhì)量含量為50％-97％，所述定向材料的質(zhì)量含量為1％-30％，所述導(dǎo)電劑的質(zhì)量含量為1％-10％，所述粘結(jié)劑的質(zhì)量含量為1％-10％。

12、在本發(fā)明的一些實施例中，制備所述負(fù)極漿料包括以下步驟：將所述粘結(jié)劑加入到分散劑中，攪拌，得到膠液；將所述負(fù)極活性物質(zhì)、所述定向材料以及所述導(dǎo)電劑與所述膠液混合，勻漿，得到所述負(fù)極漿料。利用上述步驟制備得到的負(fù)極漿料具有良好的均勻性，涂布在集流體上，可以得到厚度一致性好、組分均勻的負(fù)極漿料層。

13、在本發(fā)明的一些實施例中，所述分散劑包括水、n,n-二甲基乙酰胺、四氫呋喃、丁酮、乙二醇、n-甲基吡咯烷酮、丙酮、二甲亞砜、吡啶、二氧六環(huán)、n,n-二甲基甲酰胺、二甘醇中的至少之一。

14、在本發(fā)明的一些實施例中，所述粘結(jié)劑包括羧甲基纖維素鈉、丁苯橡膠、聚乙烯吡咯烷酮、聚氧化乙烯、聚四氟乙烯中的至少之一。上述粘結(jié)劑具有較好的粘結(jié)性能和穩(wěn)定性，有利于進(jìn)一步提高負(fù)極極片的整體性能。

15、在本發(fā)明的一些實施例中，所述導(dǎo)電劑包括導(dǎo)電炭黑與碳納米管中的至少之一。由此，有利于提高負(fù)極極片的導(dǎo)電性，從而有利于提高極片的充放電性能。

16、在本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明提出了一種負(fù)極極片。在本發(fā)明的一些實施例中，所述負(fù)極極片是利用前面所述的方法制備得到的。由此，該負(fù)極極片中的石墨具有較高的有序度，較多的石墨片層垂直負(fù)極集流體排列，并且，負(fù)極極片的迂曲度較小，有利于減小鋰離子擴(kuò)散距離，減小負(fù)極極化，從而有利于提高電池的快速充電能力。

17、在本發(fā)明的又一方面，本發(fā)明提出了一種電池。在本發(fā)明的一些實施例中，所述電池包括前面所述的負(fù)極極片。由此，該電池具有前面所述的負(fù)極極片所具有的全部特征以及優(yōu)點，在此不再贅述?？偟膩碚f，該電池具有較好的快充性能。

技術(shù)特征：

1.一種制備負(fù)極極片的方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述負(fù)極極片滿足以下條件中的至少之一：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述電場的強度為10v/m-4000v/m，所述電場的頻率為10hz-100khz。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述負(fù)極活性材料層的總質(zhì)量，所述定向材料的質(zhì)量含量為1％-30％；

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，烘干處理的溫度為80℃-120℃。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，烘干處理后，對負(fù)極極片進(jìn)行輥壓處理，輥壓處理后的負(fù)極極片的壓實密度為1.3g/cm3-2.2g/cm3。

7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項所述的方法，其特征在于，所述負(fù)極活性材料層包括負(fù)極活性物質(zhì)、所述定向材料、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑，所述負(fù)極活性物質(zhì)包括石墨，基于所述負(fù)極活性材料層的總質(zhì)量，所述負(fù)極活性物質(zhì)的質(zhì)量含量為50％-97％，所述定向材料的質(zhì)量含量為1％-30％，所述導(dǎo)電劑的質(zhì)量含量為1％-10％，所述粘結(jié)劑的質(zhì)量含量為1％-10％。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，制備所述負(fù)極漿料包括以下步驟：

9.一種負(fù)極極片，其特征在于，所述負(fù)極極片是利用權(quán)利要求1-8中任一項所述的方法制備得到的。

10.一種電池，其特征在于，包括權(quán)利要求9所述的負(fù)極極片。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了負(fù)極極片及其制備方法和電池，制備負(fù)極極片的方法包括：在負(fù)極集流體的至少一個表面上涂布負(fù)極漿料，形成負(fù)極漿料層，負(fù)極漿料包括石墨和定向材料，定向材料包括石墨烯和氧化石墨烯中的至少之一；烘干處理，去除負(fù)極漿料層中的溶劑，形成負(fù)極活性材料層，得到負(fù)極極片；在涂布負(fù)極漿料以及烘干處理的過程中，施加垂直于負(fù)極集流體方向的電場，使定向材料帶動石墨進(jìn)行定向排列。定向材料為片層結(jié)構(gòu)，可以在電場作用下帶動石墨進(jìn)行定向排列，使較多的石墨片層垂直負(fù)極集流體排列，增加石墨顆粒材料的有序度，減小石墨的OI值，以提高石墨負(fù)極的快充能力，石墨顆粒進(jìn)行有序排列，可以有效降低負(fù)極極片的迂曲度，從而降低極片極化。

技術(shù)研發(fā)人員：段瑞杰,楊慧敏,劉鑫,朱陽陽,王彥彥,呂國霞,牛棒棒,熊永創(chuàng)
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京新能源汽車股份有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6