负极极片及其制备方法和电池与流程

本发明涉及电池，具体地，涉及负极极片及其制备方法和电池。

背景技术：

1、锂离子电池因其比能量高、循环寿命长、无记忆性以及自放电率低等优势被广泛应用于人类社会的衣食住行等各方面，尤其在动力电池领域的应用得到国家政策的大力支持。随着新能源汽车保有量的不断增加，很多用户希望新能源汽车可以和传统油车一样快速补充能量，即快速充电。由于锂离子动力电池的整体能量密度不能无限提升，所以需要通过提升充电速度来缓解上述问题，快充石墨负极材料的需求也随之呈现爆发式增长。在锂离子电池快速充电过程中，最主要的限制因素是锂离子从正极脱出后，快速移动到负极，但是锂离子在负极的嵌入速度小于锂离子从正极迁移的速度，锂离子负极表面富集，导致金属锂在负极表面析出，可能出现析锂，热失控，温度大幅度上升，电池温差大，循环寿命差等失效异常，因此，需要不断改进锂离子电池快充技术，解决新能源动力电池的补能焦虑。

2、因此，目前的负极极片及其制备方法和电池仍有待改进。

技术实现思路

1、本发明是基于发明人对于以下事实和问题的发现和认识作出的：

2、目前锂离子电池的负极材料有石墨、硅以及硅氧化物、锡基材料、锂金属、钛酸锂等材料，其中，石墨材料因其具有嵌锂电位低、性质稳定、容量高、使用温度窗口大、成本低等优势而成为商业化最广泛的锂离子电池负极材料。石墨材料晶体结构为层状结构晶体，石墨晶体存在各向异性，在充电过程中，锂离子无法通过石墨的有序片层表面进入石墨晶体内部，即锂离子无法从石墨有序表面嵌入石墨，而需要从石墨晶体结构的端面嵌入到石墨晶体中，并在石墨片层中间进行扩散，完成石墨嵌锂过程，如图1所示。因此，当石墨片层平行于负极集流体表面时，锂离子需要扩散至石墨晶体端面才可以嵌入石墨，从而增加锂离子嵌入的极化。当石墨片层垂直于负极集流体，端面暴露于极片表面时，石墨负极表面有更多的嵌入位点，同时，锂离子需要扩散的距离变短，更加有利于锂离子的快速脱嵌，以减小充电过程中负极侧的极化，提高电池体系的快充能力，如图2所示。

3、锂离子动力电池石墨负极在高倍率的快速充电条件下，锂离子迁移扩散距离远，负极极化大，从而限制电池体系快速充电能力的提高。为提高电池的充电能力，需要增加极片中垂直于集流体的石墨片层的数量，即减小石墨负极极片的石墨oi值。目前改善石墨负极快充性能、降低oi值的主要手段是通过对石墨颗粒进行二次造粒、表面包覆等材料改性的方式改善材料各向同性，提高垂直于集流体的石墨片层所占比例。发明人发现，为了优化石墨负极极片中石墨颗粒的取向性，可以通过在石墨负极浆料中添加石墨烯或者氧化石墨烯，并在涂布以及烘干过程中施加电场、磁场等方式定向石墨颗粒的取向，并改善石墨负极的迂曲度，以减少快充过程中的极化，提升电池体系的快充能力。

4、本发明旨在至少一定程度上缓解或解决上述提及问题中的至少一个。

5、在本发明的一方面，本发明提出了一种制备负极极片的方法。在本发明的一些实施例中，制备负极极片的方法包括：在负极集流体的至少一个表面上涂布负极浆料，形成负极浆料层，所述负极浆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；烘干处理，去除所述负极浆料层中的溶剂，形成负极活性材料层，得到负极极片；在涂布所述负极浆料以及烘干处理的过程中，施加垂直于负极集流体方向的电场，使所述定向材料带动石墨进行定向排列。由此，定向材料为片层结构，可以在电场作用下带动石墨进行定向排列，使较多的石墨片层垂直负极集流体排列，增加石墨颗粒材料的有序度，减小石墨的oi值，以提高石墨负极的快充能力，石墨颗粒进行有序排列，可以有效降低石墨负极极片的孔隙迂曲度，从而降低极片极化，进一步提高石墨负极的快充能力。

6、在本发明的一些实施例中，所述负极极片满足以下条件中的至少之一：所述负极极片中，石墨的oi值≤10；迂曲度≤3.6。由此，上述负极极片中的石墨颗粒材料排列有序，较多的石墨片层垂直于负极集流体，从而有利于进一步提高负极极片的快充能力。

7、在本发明的一些实施例中，所述电场的强度为10v/m-4000v/m，所述电场的频率为10hz-100khz。在上述电场作用下，石墨烯或氧化石墨烯可以更好地带动石墨进行定向排列，使更多的石墨片层垂直负极集流体排列，从而进一步提高负极极片的快充能力。

8、在本发明的一些实施例中，基于所述负极活性材料层的总质量，所述定向材料的质量含量为1％-30％；和/或，所述定向材料的层数≤5。

9、在本发明的一些实施例中，烘干处理的温度为80℃-120℃。在上述条件下进行烘干，可以适当缩短极片的干燥时间，并且，可以有效避免负极活性材料层开裂。

10、在本发明的一些实施例中，烘干处理后，对负极极片进行辊压处理，辊压处理后的负极极片的压实密度为1.3g/cm3-2.2g/cm3。压实密度在上述范围内，有利于提高负极极片的整体性能。

11、在本发明的一些实施例中，所述负极活性材料层包括负极活性物质、所述定向材料、导电剂和粘结剂，所述负极活性物质包括石墨，基于所述负极活性材料层的总质量，所述负极活性物质的质量含量为50％-97％，所述定向材料的质量含量为1％-30％，所述导电剂的质量含量为1％-10％，所述粘结剂的质量含量为1％-10％。

12、在本发明的一些实施例中，制备所述负极浆料包括以下步骤：将所述粘结剂加入到分散剂中，搅拌，得到胶液；将所述负极活性物质、所述定向材料以及所述导电剂与所述胶液混合，匀浆，得到所述负极浆料。利用上述步骤制备得到的负极浆料具有良好的均匀性，涂布在集流体上，可以得到厚度一致性好、组分均匀的负极浆料层。

13、在本发明的一些实施例中，所述分散剂包括水、n,n-二甲基乙酰胺、四氢呋喃、丁酮、乙二醇、n-甲基吡咯烷酮、丙酮、二甲亚砜、吡啶、二氧六环、n,n-二甲基甲酰胺、二甘醇中的至少之一。

14、在本发明的一些实施例中，所述粘结剂包括羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶、聚乙烯吡咯烷酮、聚氧化乙烯、聚四氟乙烯中的至少之一。上述粘结剂具有较好的粘结性能和稳定性，有利于进一步提高负极极片的整体性能。

15、在本发明的一些实施例中，所述导电剂包括导电炭黑与碳纳米管中的至少之一。由此，有利于提高负极极片的导电性，从而有利于提高极片的充放电性能。

16、在本发明的另一方面，本发明提出了一种负极极片。在本发明的一些实施例中，所述负极极片是利用前面所述的方法制备得到的。由此，该负极极片中的石墨具有较高的有序度，较多的石墨片层垂直负极集流体排列，并且，负极极片的迂曲度较小，有利于减小锂离子扩散距离，减小负极极化，从而有利于提高电池的快速充电能力。

17、在本发明的又一方面，本发明提出了一种电池。在本发明的一些实施例中，所述电池包括前面所述的负极极片。由此，该电池具有前面所述的负极极片所具有的全部特征以及优点，在此不再赘述。总的来说，该电池具有较好的快充性能。

技术特征：

1.一种制备负极极片的方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述负极极片满足以下条件中的至少之一：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电场的强度为10v/m-4000v/m，所述电场的频率为10hz-100khz。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述负极活性材料层的总质量，所述定向材料的质量含量为1％-30％；

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，烘干处理的温度为80℃-120℃。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，烘干处理后，对负极极片进行辊压处理，辊压处理后的负极极片的压实密度为1.3g/cm3-2.2g/cm3。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，所述负极活性材料层包括负极活性物质、所述定向材料、导电剂和粘结剂，所述负极活性物质包括石墨，基于所述负极活性材料层的总质量，所述负极活性物质的质量含量为50％-97％，所述定向材料的质量含量为1％-30％，所述导电剂的质量含量为1％-10％，所述粘结剂的质量含量为1％-10％。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，制备所述负极浆料包括以下步骤：

9.一种负极极片，其特征在于，所述负极极片是利用权利要求1-8中任一项所述的方法制备得到的。

10.一种电池，其特征在于，包括权利要求9所述的负极极片。

技术总结本发明公开了负极极片及其制备方法和电池，制备负极极片的方法包括：在负极集流体的至少一个表面上涂布负极浆料，形成负极浆料层，负极浆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；烘干处理，去除负极浆料层中的溶剂，形成负极活性材料层，得到负极极片；在涂布负极浆料以及烘干处理的过程中，施加垂直于负极集流体方向的电场，使定向材料带动石墨进行定向排列。定向材料为片层结构，可以在电场作用下带动石墨进行定向排列，使较多的石墨片层垂直负极集流体排列，增加石墨颗粒材料的有序度，减小石墨的OI值，以提高石墨负极的快充能力，石墨颗粒进行有序排列，可以有效降低负极极片的迂曲度，从而降低极片极化。技术研发人员：段瑞杰,杨慧敏,刘鑫,朱阳阳,王彦彦,吕国霞,牛棒棒,熊永创受保护的技术使用者：北京新能源汽车股份有限公司技术研发日：技术公布日：2025/1/6