一种正极极片结构及电极组件、电池单体、电化学装置、用电设备的制作方法

本技术涉及电池结构设计，具体涉及一种正极极片结构及电极组件、电池单体、电化学装置、用电设备。

背景技术：

1、正极界面的稳定性是解决电池循环及寿命问题的关键，尤其是高能量密度电池。现有正极极片的结构设计，存在诸多问题：正极材料暴露于正极片表层，会与电解液直接接触，加速正极过渡金属离子溶解、材料晶体结构混排、材料颗粒破裂、不可逆相变等，恶化电池性能。而且，正极过渡金属离子溶解不仅仅会导致正极活性材料损失，溶解的过渡金属离子还会穿过隔膜，在负极表面析出，加速负极sei膜的形成。正极结构破坏的同时，释放出活性氧，与有机电解液反应产生大量的气体造成电芯鼓胀，同时产生大量的焦耳热，引发连锁热失控反应极片膨胀无法得到抑制，界面膜(sei膜)会反复重生破碎；电池反复多次充电后易产生大量热，造成安全风险；正极活性物质需要综合离子电导率和电子电导率高，才能稳定发挥最大电性能优势，因此需要合理的极片结构设计来更有利于提升电池性能。

技术实现思路

1、本实用新型针对现有技术中的问题，公开了一种电池正极极片层设计，以期至少解决上述问题之一。

2、本实用新型是通过以下技术方案实现的：

3、本发明提供一种正极极片结构，自集流体至少一侧向外，依次包括涂炭层、活性物质层、过渡金属碳/碳氮化物层、固态电解质层。

4、所述过渡金属碳/碳氮化物层代表过渡金属碳化物层或者过渡金属碳-氮化物层。本发明的设计，涂炭层作为基础基材，可以增加正极活性物质与集流体的接触减少接触电阻；可以减少litfsi类电解液导致集流体腐蚀的问题；过渡金属碳/碳氮化物层一方面具有较高的电导率，在空气中比较稳定，利于电池容量发挥，另一方面过渡金属碳/碳氮化物层可以阻挡非活性物质的穿梭，还可以避免活性物质和固态电解质直接接触引起的副反应；固态电解质层可以提高首圈电池界面稳定性，同时减少界面阻抗的增长，提高电池寿命，同时可以作为阻挡层隔离析锂带来的安全问题，提高安全性。

5、作为进一步方案，所述涂炭层的厚度为1-2μm。

6、作为进一步方案，所述活性物质层为铁锂正极、钴酸锂正极、三元正极、锰酸锂正极、富锂锰基正极、含硫正极中的一种或多种。活性物质层中为成膜的目的还可含有粘结剂等成分，活性物质层中加入粘结剂等其他成分后，活性材料的质量占比不低于80％，有利于优化提升容量。

7、作为进一步方案，所述活性物质层内还可以填充无机固态电解质，例如磷酸锗铝锂或锂镧镐钽氧化合物的纳米颗粒，粒径小于300nm。

8、作为进一步方案，所述过渡金属碳/碳氮化物层的厚度为1-12μm。所述过渡金属碳/碳氮化物层为ni、zn、cu、co、ti、al元素掺杂的二维过渡金属碳化物或二维过渡金属碳-氮化物。所述过渡金属碳/碳氮化物层的厚度过小难以发挥较佳作用；厚度过大对电解液充分浸润正极层有一定阻碍，可能造成离子电导率轻微下降，同时导致正极复合层较厚，机械性能变差。

9、作为进一步方案，所述过渡金属碳/碳氮化物层的面载量为0.5-3mg/cm2。面载量过小时会造成电池一致性差，且改善作用较少；面载量过大时，离子传导可能受阻，引起电池极化。

10、作为进一步方案，所述过渡金属碳/碳氮化物层为ti2n-mxenes层或ti3alc2-mxenes层。

11、作为进一步方案，所述固态电解质层的厚度为1-10μm。厚度过小难以发挥提高界面稳定性的作用，厚度过大会造成正极极片结构较厚，机械性能变差。

12、作为进一步方案，所述过渡金属碳/碳氮化物层、固态电解质层之间设置有富锂补锂层。在电池首圈充电的过程中，起到对负极补锂的作用，可以提高电池的能量密度与提高电池寿命，可以用于搭配负极首效低(如硅负极)的情况。所述富锂补锂层化学通式为li1+xniycozmnumdo2，其中，x≤0.2；0≤y≤0.35；0≤z≤0.35；0.5≤u≤0.9；0≤d≤0.5；m选自镍，钴，锰，铁、铝、钒、钛、锆、锡、铌、钼和钌等中一种或多种，富锂补锂层的物质还包括：li4fe5o4、li2nio2、草酸锂中的一种。

13、作为进一步方案，所述富锂补锂层的厚度为5-10μm。厚度过小难涂敷均匀，难以发挥补锂效果，厚度过大会有析锂风险，也会造成正极极片结构较厚，机械性能变差。

14、作为进一步方案，所述富锂补锂层的厚度与活性物质层的厚度的比值小于0.06。比值过小(如无富锂补锂层)，失去补锂效果；比值过大会有析锂风险。

15、本发明还提供一种正极极片结构的电极组件、电池单体、电化学装置或用电设备。

16、本实用新型通过上述结构设计，可从多角度解决正极的诸多问题，相比于现有技术，具有如下特点和有益效果：

17、(1)本发明集流体表面的涂炭层可以增加正极活性物质与集流体的接触减少接触电阻，且可以减少litfsi类电解液导致集流体腐蚀的问题。

18、(2)活性物质层表面的过渡金属碳/碳氮化物层一方面具有较高的电导率，在空气中比较稳定，利于电池容量发挥，另一方面过渡金属碳/碳氮化物层可以阻挡非活性物质的穿梭，还可以避免活性物质和固态电解质直接接触引起的副反应。

19、(3)外层固态电解质层，可以提高首圈电池界面稳定性，同时减少界面阻抗的增长，提高电池寿命，同时可以作为阻挡层隔离析锂带来的安全问题，提高安全性。

技术特征：

1.一种正极极片结构，其特征在于，自集流体至少一侧向外，依次包括涂炭层、活性物质层、过渡金属碳/碳氮化物层、固态电解质层。

2.根据权利要求1所述的正极极片结构，其特征在于，所述涂炭层的厚度为1-2μm。

3.根据权利要求1所述的正极极片结构，其特征在于，所述活性物质层为铁锂正极、钴酸锂正极、三元正极、锰酸锂正极、富锂锰基正极、含硫正极中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的正极极片结构，其特征在于，所述过渡金属碳/碳氮化物层的厚度为1-12μm。

5.根据权利要求1所述的正极极片结构，其特征在于，所述过渡金属碳/碳氮化物层的面载量为0.5-3mg/cm2；

6.根据权利要求1所述的正极极片结构，其特征在于，所述固态电解质层的厚度为1-10μm。

7.根据权利要求1所述的正极极片结构，其特征在于，所述过渡金属碳/碳氮化物层、固态电解质层之间设置有富锂补锂层。

8.根据权利要求7所述的正极极片结构，其特征在于，所述富锂补锂层的厚度为5-10μm。

9.根据权利要求7所述的正极极片结构，其特征在于，所述富锂补锂层的厚度与活性物质层的厚度的比值小于0.06。

10.一种具有权利要求1-权利要求9任一项所述的正极极片结构的电极组件。

11.一种具有权利要求1-权利要求9任一项所述的正极极片结构的电池单体。

12.一种具有权利要求1-权利要求9任一项所述的正极极片结构的电化学装置。

13.一种具有权利要求1-权利要求9任一项所述的正极极片结构的用电设备。

技术总结本技术公开了一种正极极片结构及电极组件、电池单体、电化学装置、用电设备，所述正极极片结构自集流体至少一侧向外，依次包括涂炭层、活性物质层、过渡金属碳/碳氮化物层、固态电解质层。本技术通过极片结构顺序设计，解决了正极结构破坏的问题，提升了电池安全性能，并有效提高了体系能量密度及循环性能。技术研发人员：余亮,请求不公布姓名,请求不公布姓名,请求不公布姓名受保护的技术使用者：天目湖先进储能技术研究院有限公司技术研发日：20231114技术公布日：2024/7/25