一种电池及装置的制作方法

本发明属于电池材料制备，具体涉及一种电池及装置。

背景技术：

1、硅基负极材料由于硅材料合金化的储锂机制使得硅材料具备极高的克容量，理论克容量为3600mah/g，但是硅材料具有较大界面反应活性并且在嵌锂的过程中具有较大的颗粒膨胀使得硅材料的界面稳定性极差，在循环过程中反复膨胀效应使得硅基负极材料的界面sei膜出现持续的破碎形成新的活性界面，从而需要消耗大量的活性锂形成新的sei膜，完成修复，造成大量的活性锂损失，损害了电池的使用寿命，导致电池循环性能下降。

技术实现思路

1、因此，本发明要解决的技术问题是如何提高硅基电池的循环性能，从而提供了一种电池及装置。

2、为此，本发明提供了以下技术方案。

3、本发明第一方面提供了一种电池，包括负极极片，所述负极极片包括集流体及设置在所述集流体至少一个表面上的负极活性物质层，所述负极活性物质层包括负极活性物质，所述负极活性物质包括含硅材料；

4、所述负极极片中硅元素的质量含量、所述负极极片sei膜中氟元素的质量含量和所述负极极片的压实密度满足关系式1；

5、关系式1；

6、其中，a为所述负极极片中硅元素的质量含量，单位为wt%；

7、b为所述负极极片sei膜中氟元素的质量含量，单位为wt%；

8、c为所述负极极片的压实密度，单位为g/cm3。

9、在本发明中，负极极片中硅元素的质量含量影响负极活性物质层中硅界面活性，负极极片sei膜中氟元素的质量含量影响sei膜的弹性强度，负极极片的压实密度影响电池的能量密度。本发明电池负极极片中硅元素的质量含量、负极极片sei膜中氟元素的质量含量和负极极片的压实密度满足关系式1，可更好地平衡电池的能量密度、极片膨胀程度、离子传导、sei膜弹性强度等性能，从而提升电池的循环性能。

10、发明人在研究中发现，sei膜通常呈现双层结构，外层由多孔的有机成分构成，内层由致密的无机成分构成。在循环过程中，sei膜的应力变化，导致裂纹形成。研究表明sei膜的裂纹产生主要集中在嵌锂过程，而在循环过程中这些裂纹会反复的生成和闭合，从而引起sei膜的机械失效。在微观结构下，sei膜破裂主要产生在有机成分较多的外层结构，内层结构裂纹较少，这表明无机成分较多的内层结构的机械稳定性更好。 lif是其最常见的无机sei组分之一，具有杨氏模量高、机械强度高、能带间隙大、电子绝缘性好、离子扩散势垒低的优点。此外，得益于氟原子具有很强的吸电子能力，含氟溶剂倾向于在负极表面进行优先还原，生成含lif的sei膜，随着f含量的增加，sei变得更有弹性，有效地保护电极免受体积变化和持续的电解质分解；同时，富lif的sei膜可以抑制连续副反应和抑制活性颗粒粉碎。sei膜中氟元素的含量可以影响sei膜的弹性强度。负极极片sei膜中氟元素的质量含量b越大，sei膜的弹性强度越好。

11、负极极片中硅元素的质量含量a影响负极活性物质层中硅界面的活性，负极极片中硅元素的质量含量a越高，负极极片在充电过程中膨胀越严重，对负极sei膜的拉伸张力越大，充放电反复膨胀易造成sei膜疲劳，需要提高sei膜的弹性强度，即提高氟元素的质量含量b，则提高sei弹性强度，避免sei膜裂纹，以避免含硅负极接触电解液产生副反应，降低硅界面反应。若sei膜稳定性变差，硅界面反应活性高会导致sei膜不稳定，在长期循环过程中sei出现破裂，诱导电解液进一步还原，形成新的sei层，反复的sei溶解和重整不仅导致锂损失，还会使sei增厚，导致离子传导长度增加，进而增加离子电阻，恶化电池的动力学特性，以及sei膜增厚还会消耗电池中的活性离子和电解质，导致电池容量衰减，循环寿命短。

12、氟元素的质量含量b不能过高，过高不利于离子传导；lif是电子绝缘体，离子电导率较低（约为10-13-10-14s·cm-1），对li+的传输贡献很小，随着氟元素含量的增加，各成分比例失衡，lif成分占据主导，电阻升高，阻碍li+传输。随着氟元素的质量含量变小，sei膜弹性强度较低，抗膨胀拉伸能力较弱，需要降低硅界面反应活性，即降低硅含量a，减少负极极片在充放电过程中的反复膨胀，但是硅的质量含量a过低，会使电池容量变小，不利于能量密度的提升，那么硅负极较高的经济成本和易膨胀导致的其它负面问题使硅基体系经济效益下降，失去了硅基材料作为电池负极的意义。

13、负极极片的能量密度与负极活性材料的掺硅量和负极极片的压实密度相关。掺硅量越多，硅含量高，电池的能量密度相对更高，但也导致膨胀越大，sei膜弹性强度要求越大，需要f含量越大；压实密度增大，有助于电池的能量密度提高，但如果压实密度变大，那么对于易膨胀的含硅负极，极片膨胀会影响电芯的性能，如极片开裂、短路等风险。为了减小膨胀对极片的影响，要增大f含量的同时减小压实密度保证电芯性能，因此需要平衡硅含量、压实密度和f含量，可以更好地平衡电池的能量密度、sei膜弹性强度和离子传导等性能，进而提升电池的循环性能。

14、示例性地，所述关系式1可以为0.11、0.13、0.15、0.17、0.2、0.23、0.25、0.27、0.30、0.33、0.35、0.37、0.40、0.42、0.45，还可以是上述任意两个数值形成的区间范围。

15、所述负极极片中硅元素的质量含量、所述负极极片sei膜中氟元素的质量含量和所述负极极片的压实密度满足关系式2；

16、关系式2。

17、可以使硅基电池在循环过程中维持较低的界面反应，进一步提升循环性能，降低对能量密度及电池动力学的影响。

18、所述负极极片中硅元素的质量含量和所述负极极片sei膜中氟元素的质量含量满足关系式3；

19、关系式3

20、负极极片中硅元素的质量含量和负极极片sei膜中氟元素的质量含量满足关系式3，硅颗粒具备稳定的材料界面，并且sei界面具有较稳定的韧性，可以降低sei膜的破碎程度，保障在循环过程中较低的界面反应，提升硅基电池的循环性能。

21、示例性地，所述关系式3可以为0.033、0.04、0.06、0.08、0.10、0.14、0.16、0.18、0.20、0.22、0.24、0.26、0.28、0.30、0.32、0.34、0.36、0.38等，还可以是上述任意两个数值形成的区间范围。

22、所述a的取值范围为1.5wt%~17.5wt%；和/或，所述c的取值范围为1.25g/cm3~1.7g/cm3；和/或，所述b的取值范围为25wt%~55wt%

23、优选地，所述a的取值范围为3wt%~15wt%；和/或，所述c的取值范围为1.55g/cm3~1.7g/cm3。

24、所述电池包括隔膜和正极极片，所述隔膜设置在所述负极极片和所述正极极片之间，所述负极极片中硅元素的质量含量和所述隔膜的抗拉强度满足关系式4；

25、关系式4；

26、负极极片中硅的质量含量越大，硅界面活性越大，在充电过程中膨胀越严重，充放电反复膨胀容易造成隔膜疲劳，隔膜的孔隙率会发生改变，导致正负极极片之间的电绝缘性下降，电池自放电严重，可能还会发生局部撕裂，使电池发生内短路。因此，隔膜的抗拉强度应当与硅界面活性相匹配，使负极极片不会出现严重的膨胀和隔膜疲劳的问题，进而保证电池的倍率性能和能量密度。

27、示例性地，所述关系式4可以为0.00006、0.00009、0.0001、0.0002、0.0003、0.004、0.005、0.006，还可以是上述任意两个数值形成的区间范围。

28、所述d的取值范围为150mpa~300mpa；

29、可选地，所述d的取值范围为220mpa ~270mpa。

30、所述含硅材料为硅碳复合材料和氧化亚硅负极材料中的至少一种；其中，氧化亚硅负极材料还可以是经预镁化或预锂化的氧化亚硅负极材料，还可以是碳包覆的氧化亚硅负极材料，本领域技术人员可以根据需求选择现有技术制得的所有氧化亚硅负极材料。硅碳复合材料可以是气相沉积法或砂磨等方法制得的。本发明对硅碳复合材料的制备方法不做具体限定要求，本领域技术人员可以根据需求选择现有技术制得的所有硅碳复合材料。

31、所述含硅材料为硅碳复合材料，所述负极极片中硅元素的质量含量、所述负极极片sei膜中氟元素的质量含量和所述负极极片的压实密度满足关系式1；

32、。

33、所述负极活性物质还包括人造石墨和天然石墨中的至少一种。

34、影响隔膜抗拉强度的因素有多种，如孔隙率、厚度、工艺等因素，在选择隔膜时只要抗拉强度符合要求即可，本发明对隔膜的厂家、制备工艺、种类等不做具体要求，如隔膜可以为pe膜或pp膜。

35、本发明第二方面提供了一种装置，包括上述电池。

36、本发明技术方案，具有如下优点：

37、1.本发明提供的电池，电池包括负极极片，负极极片包括集流体及设置在所述集流体至少一个表面上的负极活性物质层，负极活性物质层包括负极活性物质，负极活性物质包括含硅材料；负极极片中硅元素的质量含量、负极极片sei膜中氟元素的质量含量和负极极片的压实密度满足关系式1。负极极片中硅元素的质量含量a影响负极活性物质层中硅界面的活性，负极极片中硅元素的质量含量a越高，负极极片在充电过程中的膨胀越严重，对负极sei膜的拉伸张力越大，充放电反复膨胀易造成sei膜疲劳，因此需要提高sei膜的弹性强度，即提高氟元素的质量含量b，设计a和b满足关系式1，可以使得硅在膨胀过程中保证低的界面反应活性，但是氟元素的质量含量b也不能过高，过高不利于离子传导。随着氟元素的质量含量变小，sei膜弹性强度较低，抗膨胀拉伸能力较弱，需要降低硅界面反应活性，即降低硅含量a，减少负极极片在充放电过程中的反复膨胀，但是硅含量a过低，会使电池容量变小，不利于能量密度的提升。

38、与石墨负极体系相比，硅基电池的优势为具有较高的能量密度，因此，在保证硅基电池具有高能量密度的基础上，还需要控制负极极片的压实密度。负极极片的压实密度越大，能量密度越高，充放电时膨胀越严重，反之，压实密度越小，负极极片充电膨胀越小，能量密度较低。因此，控制负极极片的压实密度、sei膜的氟元素含量和负极极片中硅元素含量可以使电池的能量密度、极片膨胀程度、离子传导、sei膜弹性强度等性能相互平衡，从而提升电池的循环性能。

39、2.本发明提供的电池，负极极片sei膜中氟元素的含量满足25%≤b≤55%，lif是电子绝缘体，离子电导率较低（约为10-13-10-14s·cm-1），对li+的传输贡献很小，随着氟元素含量的增加，各成分比例失衡，lif成分占据主导，电阻升高，阻碍li+传输。

40、3.本发明提供的电池，负极极片中硅的质量含量越大，硅界面活性越大，在充电过程中膨胀越严重，充放电反复膨胀容易造成隔膜疲劳，隔膜的孔隙率会发生改变，导致正负极极片之间的电绝缘性下降，电池自放电严重，可能还会发生局部撕裂，使电池发生内短路。因此，隔膜的抗拉强度应当与硅界面活性相匹配，使负极极片不会出现严重的膨胀和隔膜疲劳的问题，进而保证电池的倍率性能和能量密度。