[發(fā)明專利]一種低負(fù)極膨脹、長循環(huán)的鋰離子電池制備方法及鋰離子電池

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110347966.2
• 申請日: 2021-03-31
• 公開（公告）號: CN113363422B
• 公開（公告）日: 2022-09-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郭彬林;王慧敏;陸佳婷;許夢清
• 申請（專利權(quán)）人: 萬向一二三股份公司
• 主分類號: H01M4/1391
• 分類號: H01M4/1391;H01M4/04;H01M10/058;H01M4/62;H01M4/131;H01M4/48;H01M10/0525
• 代理公司: 杭州杭誠專利事務(wù)所有限公司 33109
• 代理人: 尉偉敏

本發(fā)明涉及鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種低負(fù)極膨脹、長循環(huán)的鋰離子電池制備方法及鋰離子電池。該鋰離子電池制備方法通過在負(fù)極片制備過程中采用逐級提高壓實(shí)密度并在每次提高壓實(shí)密度后靜置再繼續(xù)提高壓實(shí)密度的方式進(jìn)行碾壓，有利于為負(fù)極顆粒在鋰化反應(yīng)過程中的可逆膨脹提供更多的緩沖空間，從而減少不可逆膨脹的發(fā)生；通過在電池化成過程中采用逐級提高壓力的方式進(jìn)行首次充電，有利于隔膜與正負(fù)極片之間形成平整且緊密的界面，并減小鋰化反應(yīng)過程中負(fù)極體積的膨脹。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種低負(fù)極膨脹、長循環(huán)的鋰離子電池制備方法及鋰離子電池。

背景技術(shù)

鋰離子電池發(fā)展至今已經(jīng)成為新能源領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的儲能方式之一。但無論是便攜式電子設(shè)備，還是新能源汽車，或者大規(guī)模儲能等應(yīng)用場景，對于鋰離子電池的能量密度、長循環(huán)性能以及安全性等方面始終有著更高的期待。因此，由傳統(tǒng)石墨負(fù)極體系向新型硅基負(fù)極體系的探索與發(fā)展也成為當(dāng)前學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的主流趨勢之一。然而，硅基負(fù)極雖然有著遠(yuǎn)超石墨的克容量發(fā)揮，但與此同時(shí)區(qū)別于石墨與鋰離子嵌入式反應(yīng)的硅鋰合金反應(yīng)也產(chǎn)生了約30倍于石墨的體積膨脹效應(yīng)。巨大的體積膨脹不僅容易導(dǎo)致硅基負(fù)極本身的容量衰減和降低循環(huán)性能，同時(shí)對于實(shí)際應(yīng)用過程中電芯尺寸乃至模組pack的機(jī)械設(shè)計(jì)也會帶來極大的困難。基于以上原因，目前硅基負(fù)極的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用尤其是動力電池上通常是以較小的占比(＜30％)與石墨進(jìn)行摻混從而使用，即便如此，硅基負(fù)極的膨脹問題依然需要有效的控制。

硅基負(fù)極在整個電池生命周期中的膨脹可分為可逆膨脹與不可逆膨脹，其中可逆膨脹指硅基材料與鋰離子合金化/去合金化可逆反應(yīng)所產(chǎn)生的膨脹；不可逆膨脹包括負(fù)極SEI的形成與生長、材料粉化與脫落或其它原因?qū)е碌幕钚凿嚐o法脫出等。

目前，在產(chǎn)業(yè)化上針對硅基負(fù)極膨脹解決方案主要有：(1)負(fù)極材料層面：優(yōu)化石墨與硅基材料的粒徑分布與顆粒取向從而使極片具備較高的孔隙率與各向異性；優(yōu)化顆粒表面碳包覆層，提供更好的支撐作用；針對特殊結(jié)構(gòu)形貌如多孔、納米線/管陣列、核殼等新型硅基材料進(jìn)行開發(fā)，減小顆粒自身的膨脹；(2)粘結(jié)劑層面：開發(fā)自身溶脹率較低且能夠與硅基負(fù)極表面形成強(qiáng)鍵合作用的新型粘結(jié)劑，抑制硅基負(fù)極的膨脹率；(3)工藝層面：電池模組制作時(shí)一方面預(yù)留部分膨脹空間，另一方面采用強(qiáng)度較高的外殼對電池膨脹進(jìn)行抑制。

然而，上述三種解決方案存在以下缺陷：(1)負(fù)極材料層面：材料的研發(fā)在當(dāng)前產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中進(jìn)入了瓶頸期，一方面學(xué)術(shù)界發(fā)表的諸多性能優(yōu)異的新型硅基材料多數(shù)難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，另一方面可量產(chǎn)的材料研發(fā)周期較長難以適應(yīng)電芯項(xiàng)目進(jìn)度；(2)粘結(jié)劑層面：針對于硅基負(fù)極的粘結(jié)劑相關(guān)機(jī)理目前仍處于研究階段，市場上能夠有效抑制硅體積膨脹的PAA類粘結(jié)劑種類較少且成本較高；(3)工藝層面：模組預(yù)留空間與高強(qiáng)度外殼設(shè)計(jì)實(shí)際上是對于電池膨脹的妥協(xié)，事實(shí)上更加緊湊的模組與普通外殼對于能量密度提升和降低成本反而更有利。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種低負(fù)極膨脹、長循環(huán)的鋰離子電池制備方法及鋰離子電池。本發(fā)明通過改善負(fù)極碾壓和化成過程，能有效抑制負(fù)極在鋰離子電池制備以及后續(xù)使用過程中的膨脹，提高鋰離子電池的循環(huán)性能，且成本低、易于產(chǎn)業(yè)化。

本發(fā)明的具體技術(shù)方案為：

一種低負(fù)極膨脹、長循環(huán)的鋰離子電池制備方法，其在負(fù)極片制備的碾壓過程中，逐級提高壓實(shí)密度，并在每次提高壓實(shí)密度后靜置再繼續(xù)提高壓實(shí)密度；在電池化成過程中采用逐級提高壓力的方式進(jìn)行首次充電。

發(fā)明人在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)：(1)負(fù)極極片碾壓過程中所形成的極片內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力釋放是膨脹的重要組成部分之一，其具體表現(xiàn)在碾壓后的負(fù)極靜置期間存在極片反彈，這正是極片內(nèi)部應(yīng)力釋放的原因，而通常內(nèi)應(yīng)力的釋放會持續(xù)到電池循環(huán)期間進(jìn)而影響負(fù)極材料本身的膨脹；(2)硅基負(fù)極體系電池在傳統(tǒng)固定夾具化成首次充電時(shí)，隨著SEI的生成與SOC的升高，其體積膨脹與產(chǎn)生的壓力并非是線性增長的，并且，不同夾具壓力下電池體積膨脹存在差異。