[發明專利]梯度電勢分布的負電極、鋰離子電池及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202010789673.5
• 申請日: 2020-08-07
• 公開（公告）號: CN113113568A
• 公開（公告）日: 2021-07-13
• 發明（設計）人: 劉永飛;梁世碩;張博;趙啟元;張國軍
• 申請（專利權）人: 昆山寶創新能源科技有限公司
• 主分類號: H01M4/131
• 分類號: H01M4/131;H01M4/133;H01M4/36;H01M4/48;H01M4/485;H01M4/587;H01M4/1391;H01M4/1393;H01M10/0525;H01M10/058
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 周慧云

本發明公開了梯度電勢分布的負電極、鋰離子電池及其制備方法和應用，所述鋰離子電池包括：正電極、負電極、隔離膜和電解液；所述正電極包括正極集流體以及多層正極活性材料層，所述多層正極活性材料層的電勢沿著遠離所述正極集流體的方向呈梯度降低；所述負電極包括負極集流體以及多層負極活性材料層，所述多層負極活性材料層的電勢沿著遠離所述負極集流體的方向呈梯度升高；且正電極的電勢大于負電極的電勢。從正極集流體到正極活性材料層、隔膜層、負極活性材料層、負極集流體，電位縱向分布是線性逐漸降低的，不存在極片內局部電位起伏引發極化的問題；進一步降低了正、負極片表面之間的電勢差，提升了電池在內短路熱失控情況下的安全性。

技術領域

本發明屬鋰離子電池技術領域，具體涉及一種梯度電勢分布的負電極、鋰離子電池及其制備方法和應用。

背景技術

在動力電池起初的發展階段，磷酸鐵鋰電池由于其非常高的安全性受到電動汽車廠以及消費者的青睞。然而，隨著客戶端對續航里程要求的不斷提升，磷酸鐵鋰電池的能量密度已經不能滿足需求。目前商業化的三元鋰離子電池能量密度已達～240Wh/kg，無法滿足不斷增長的純電動車的續航要求。因此，高比能量的電池一直是動力電池開發的努力方向。但是，高能量密度不可避免帶來了安全性問題。電芯安全問題已成為妨礙鋰離子電池在電動汽車中大規模應用的主要障礙。2019年，僅蔚來汽車一家就召回了4803輛存在電池安全隱患的汽車。隨著電池能量密度的日益提升，電池安全失控風險呈現上升趨勢。清華大學電池安全實驗室發布的《2019年動力電池安全性研究報告》顯示，鋰離子電池的熱失控，是動力電池安全事故的核心原因；在事故原因調查過程中，發現主要以機械濫用和電濫用導致的電芯內短路為主。因此，如何從電芯層面提升動力電池的安全性，是整個行業必須要的解決的迫在眉睫的關鍵性問題。

專利(申請號201010105350.4)公開了一種混合正極方案，將鎳鈷錳三元材料和磷酸鐵鋰材料混合復配，提升了電池的安全性，保持了較高的能量密度。專利(申請號201711272975.X)公開了一種高鎳正極材料混合低鎳正極材料以提升三元電池安全性的方案。然而，通過在三元正極中簡單混合磷酸鐵鋰或者含鎳量較低的三元材料，并不能徹底解決安全問題，由于三元材料的顆粒度和密度不同，很難在微觀區域混合均勻，會導致極片均勻性差的問題；更嚴重的問題是，由于三元材料和磷酸鐵鋰材料的電壓平臺不同，會導致極片內部沿著厚度方向，電勢分布會隨著不同材料顆粒的分布而呈現起伏波浪狀分布，造成極片內部極化過大的問題，影響電芯實際性能發揮。

此外，針對三元電芯安全性問題，韓國三星SDI發表了在負極表面涂布氧化鋁陶瓷層的研究工作。通過在負極涂布陶瓷層，一方面通過物理阻隔作用，解決了新鮮電池的針刺實驗時正負極直接搭接短路引發熱失控的問題，提升了電池的安全性能；另一方面，針對老化電池，析鋰問題不可避免，而氧化鋁陶瓷涂層可以將析鋰層限制在陶瓷層與石墨負極活性材料層之間，降低了鋰枝晶生長并刺穿隔膜的概率，提升了老化電池的安全性能。然而，氧化鋁陶瓷本身不具備電子、離子導電性，勢必會引起界面阻抗增大的問題，同時氧化鋁陶瓷層并不能抑制鋰枝晶的生長，只是限制了鋰枝晶沉積的位置，對安全性的改善作用有限。

因此，在極端的機械濫用(如針刺)以及長期循環過程中機械濫用、電濫用(如過充析鋰、低溫析鋰)情況下，三元電池的安全性問題亟待解決，以滿足動力電芯的安全使用要求。

發明內容

本發明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。為此，本發明的目的在于提出一種梯度電勢分布的負電極、鋰離子電池及其制備方法和應用。從正極集流體到正極活性材料層、隔膜層、負極活性材料層、負極集流體，電位縱向分布是線性逐漸降低的，不存在極片內局部電位起伏引發極化的問題；進一步降低了正、負極片表面之間的電勢差，提升了電池在內短路熱失控情況下的安全性。

在本發明的一個方面，本發明提出了一種梯度電勢分布的負電極，根據本發明的實施例，所述負電極包括：

負極集流體；以及