一种极片、电化学装置及制备极片的方法与流程

本发明实施例涉及锂电池，特别是涉及一种极片、电化学装置及制备极片的方法。

背景技术：

1、锂离子电池作为当前最重要的电化学储能器件之一，其应用范围已经从小容量电池在消费电子产品、电动工具上的应用，逐渐扩展到新能源电动汽车、电动船舶、电动飞机、机器人等新兴领域，不仅要求锂离子电池具有高能量密度，还对电池的充放电速率提出了更高的要求。

2、目前，为了提高电池的充放电速率，人们通常采用孔隙率高的极片，高孔隙率的极片可以提供更多的离子传输通道，从而提高离子的传输速率。然而，采用孔隙率高的极片，极片中的活性材料减少，会导致能量密度下降。因此，现有的极片无法兼顾离子的传输速率和能量密度。

技术实现思路

1、本发明实施例主要解决的技术问题是提供一种极片、电化学装置及制备极片的方法，能够兼顾能量密度与离子的传输速率，在保持能量密度的情况下，提升离子的传输速率，进而改善电化学装置的动力学性能。

2、为解决上述技术问题，本发明实施例采用的一个技术方案是：提供一种极片，包括阳极集流体和叠置于阳极集流体的阳极活性物质层，阳极活性物质层包括第一阳极活性物质层和第二阳极活性物质层，第二阳极活性物质层较第一阳极活性物质层更靠近阳极集流体，第一阳极活性物质层的孔隙率为v1，第二阳极活性物质层的孔隙率为v2，阳极活性物质层的迂曲度为τ0，v1、v2和τ0满足：v1≥v2；1≤τ0≤5；第一阳极活性物质层的孔隙率v1满足：20％≤v1≤30％。在本实施例中，通过使第一阳极活性物质层的孔隙率v1不小于第二阳极活性物质层的孔隙率v2，并且第一阳极活性物质层的孔隙率v1满足：20％≤v1≤30％，使得电解液可以充分浸润第一阳极活性物质层，提升第一阳极活性物质层中离子的传输速率，第二阳极活性物质层的孔隙率低，说明第二阳极活性物质层的压实密度高，从而提高了电池的能量密度，同时，通过使阳极活性物质层的迂曲度τ0满足1≤τ0≤5，从而提高离子穿过阳极活性物质层的速率，提高电化学装置的动力学性能，实现了兼顾能量密度的提高以及离子传输速率的提高。

3、在一些实施例中，第二阳极活性物质层的孔隙率v2满足：10％≤v2≤15％，从而使得第二阳极活性物质层的压实密度高，有利于提高能量密度。

4、在一些实施例中，阳极活性物质层的迂曲度τ0满足：1≤τ0≤4。阳极活性物质层的迂曲度越低，离子的传输速率越快，制造工艺也就越复杂，成本越高；迂曲度越高，则离子的传输速率越慢，因此，通过使阳极活性物质层的迂曲度τ0满足：1≤τ0≤4，可以兼顾成本和提升离子在极片中的传输速率。

5、在一些实施例中，第一阳极活性物质层的迂曲度为τ1，τ1满足：0.5≤τ1≤3；第二阳极活性物质层的迂曲度为τ2，τ2满足：1≤τ2≤5。通过使0.5≤τ1≤3并且1≤τ2≤5，可以兼顾阳极活性物质层的制造成本以及提升离子在极片中的传输速率。

6、在一些实施例中，第一阳极活性物质层的迂曲度τ1满足：0.5≤τ1≤2；第二阳极活性物质层的迂曲度τ2满足：1≤τ2≤4。通过使0.5≤τ1≤2并且1≤τ2≤4，可以进一步兼顾阳极活性物质层的制造成本以及提升离子在极片中的传输速率。

7、在一些实施例中，沿阳极活性物质层叠置于阳极集流体的方向，极片的厚度为d，第一阳极活性物质层的厚度为d1，第二阳极活性物质层的厚度为d2，并且满足0.1*d≤d1≤0.3*d。

8、由于第一阳极活性物质层的孔隙率不小于第二阳极活性物质层的孔隙率，特别是第一阳极活性物质层的孔隙率大于第二阳极活性物质层的孔隙率时，第一阳极活性物质层的厚度占极片的厚度的比值越大，则离子在极片中的传输速率越快，同时，电池的能量密度也会越小，因此，通过使0.1*d≤d1≤0.3*d，可以兼顾能量密度和离子在极片中的传输速率。

9、在一些实施例中，极片的孔隙率为v0，并且满足：13％≤v0≤18％。

10、为解决上述问题，本发明还采用的一个方案是：提供一种极片，极片包括阴极集流体和叠置于阴极集流体的阴极活性位置层，阴极活性物质层包括第一阴极活性物质层和第二阴极活性物质层，第二阴极活性物质层较第一阴极活性物质层更靠近阴极集流体，第一阴极活性物质层的孔隙率为v3，第二阴极活性物质层的孔隙率为v4，阴极活性物质层的迂曲度为τ3，v3、v4和τ3满足以下条件：v3≥v4；1≤τ3≤4；第一阴极活性物质层的孔隙率v3满足：10％≤v3≤20％。在本实施例中，通过使第一阴极活性物质层的孔隙率v3不小于第二阴极活性物质层的孔隙率v4，并且第一阴极活性物质层的孔隙率v3满足：10％≤v1≤20％，使得有利于电解液充分浸润第一阴极活性物质层，有利于提高离子在第一阴极活性物质层中的传输速率，第二阴极活性物质层的孔隙率低，说明第二阴极活性物质层的压实密度高，从而提高了电池的能量密度，同时，通过使阴极活性物质层的迂曲度τ3满足1≤τ3≤4，从而提高离子穿过极片的速率，实现了兼顾电池的能量密度的提高以及离子传输速率的提高。

11、在一些实施例中，第二阴极活性物质层的孔隙率v4满足：5％≤v4≤10％，从而使得第二阴极活性物质层的压实密度高，有利于提高电池的能量密度。

12、在一些实施例中，阴极活性物质层的迂曲度τ3满足：1≤τ3≤3。阴极活性物质层的迂曲度越低，离子的传输速率越快，制造工艺也就越复杂，成本越高；迂曲度越高，则离子的传输速率越慢，因此，通过使阴极活性物质层的迂曲度τ3满足：1≤τ3≤3，可以兼顾极片的成本和提升离子在极片中的传输速率。

13、在一些实施例中，第一阴极活性物质层的迂曲度为τ4，τ4满足：0.7≤τ4≤3；第二阴极活性物质层的迂曲度为τ5，τ5满足：1≤τ5≤5。通过使0.7≤τ4≤3并且1≤τ5≤5，可以兼顾阴极活性物质层的制造成本以及提升离子在极片中的传输速率。

14、在一些实施例中，第一阴极活性物质层的迂曲度τ4满足：0.7≤τ4≤2；第二阴极活性物质层的迂曲度τ5满足：1≤τ5≤3。通过使0.7≤τ4≤2并且1≤τ5≤3，可以进一步降低阴极活性物质层的制造成本以及提升离子在极片中的传输速率。

15、在一些实施例中，沿阴极活性物质叠置于阴极集流体的方向，极片的厚度为d1，第一阴极活性物质层的厚度为d3，第二阴极活性物质层的厚度为d4，并且满足0.1*d1≤d3≤0.3*d1。

16、由于第一阴极活性物质层的孔隙率不小于第二阴极活性物质层的孔隙率，特别是第一阴极活性物质层的孔隙率大于第二阴极活性物质层的孔隙率时，第一阴极活性物质层的厚度占极片的厚度的比值越大，则离子在极片中的传输速率越快，同时，电池的能量密度也会越小，因此，通过使0.1*d1≤d3≤0.3*d1，可以兼顾电池的能量密度和离子在极片中的传输速率。

17、在一些实施例中，极片的孔隙率为v，并且v满足：8％≤v≤12％。

18、为解决上述技术问题，本发明实施例还采用的一个技术方案是：提供一种电化学装置，包括上述的极片。

19、为解决上述技术问题，本发明实施例还采用的一个技术方案是：提供一种制备极片的方法，包括：

20、提供第一活性材料、第一导电剂、第一粘接剂以及造孔剂；

21、将第一活性材料、第一导电剂、第一粘接剂和造孔剂混合形成第一面料团；将第一面料团热压形成第一片状物；对第一片状物在真空环境，200～250℃进行热处理，得到第一活性物质层；

22、提供第二活性材料、第二导电剂和第二粘接剂；将第二活性材料、第二导电剂和第二粘接剂混合形成第二面料团；将第二面料团热压形成第二活性物质层；

23、将第一活性物质层和第二活性物质层热压粘合形成活性物质层；

24、提供集流体；将活性物质设置于集流体的表面；

25、对活性物质层和集流体进行热压形成极片。

26、在一些实施例中，极片为阳极极片时，热处理还包括高温烧结，所述高温烧结在真空环境下，温度250℃～400℃，在400℃时保持30min至180min。

27、在一些实施例中，极片为阳极极片时，第一活性材料为第一阳极活性材料，第二活性材料为第二阳极活性材料，第一阳极活性材料和第二阳极活性材料分别包括钴酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰酸锂中的至少一种。

28、在一些实施例中，极片为阴极极片时，第一活性材料为第一阴极活性材料，第二活性材料为第二阴极活性材料，第一阴极活性材料和第二阴极活性材料分别包括石墨、硅基材料中的至少一种。

29、在一些实施例中，造孔剂包括聚乙烯醇、聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯中的至少一种，造孔剂的质量分数为20％～40％。

30、在一些实施例中，第一粘接剂和第二粘接剂分别包括聚丙烯酸、聚丙烯酸钠、聚丙烯酸钾、聚丙烯酸锂、聚酰亚胺、聚乙烯醇、羧甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、羧甲基纤维素锂、聚酰胺酰亚胺、丁苯橡胶、聚偏氟乙烯、聚偏二氟乙烯中的至少一种。

31、在一些实施例中，导电剂包括导电炭黑、碳纳米管、碳纤维、鳞片石墨或石墨烯中的至少一种。

32、在一些实施例中，造孔剂的质量分数为20％～40％。

33、值得说明的是，可以通过调节制备第一活性物质层的工艺参数来控制第一活性材料层的孔隙率和迂曲度，如第一活性材料层中各组分的质量比、第一活性材料颗粒的粒径大小、粘接剂进行热处理、造孔剂的用量、调整热压时的压力和时间、热处理温度及时间等；同样，第二活性物质层的孔隙率和迂曲度也可以通过调节第二活性材料层中各组分的质量比、第二活性材料颗粒的粒径大小、粘接剂的分布、热处理、激光打孔等方式。这些都是本领域技术人员常用的方法，因此不再具体赘述。