一种电芯及其制备方法和应用其的锂电池与流程

本发明涉及锂电池，尤其是涉及一种电芯及其制备方法和应用其的锂电池。

背景技术：

1、随着新能源技术的发展，三元锂电池因其能量密度高、低温性能优异和存储性能高的优点在各个领域中广泛应用。

2、但是三元锂电池在使用过程中被发现仍然存在一些不足之处，首先，三元锂电池的安全性能不高，在新能源汽车中使用三元锂电池经常会出现起火事故、甚至是车辆在静止的情况下自燃，对周围人们的安全和车辆安全造成危害，出现自燃现象的原因主要就是汽车有极端碰撞事故或是电池设备出现故障问题之后起火，再加上汽车中三元锂电池单体数量多、结构非常复杂、缺乏一定的稳定性，导致电池应用的安全水平降低；其次，三元锂电池的寿命周期短，有研究表面，三元锂电池在上千次循环性充电和放电之后，电池容量衰减量较高，甚至衰减到标定额的60％左右；这都在一定程度上限定了三元锂电池的应用。

3、因此，亟待提供一种具备优异的安全性能和寿命周期的电芯。

技术实现思路

1、为了提高三元电芯的安全性和寿命周期，本申请提供一种电芯及其制备方法和应用其的锂电池。

2、第一方面，本申请提供一种电芯，采用如下的技术方案：

3、一种电芯，包括正极片、隔膜和负极片，其特征在于：所述正极片包括正极集流体和位于所述正极集流体的两个表面上的正极活性物质层，所述正极活性物质层包括层叠设置的第一活性物质层和第二活性物质层，所述第一活性物质层与所述正极集流体的表面直接接触；

4、其中，所述第一活性物质层中包括三元活性材料，所述三元活性材料的比表面积为0.3-0.9㎡/g；所述第二活性物质层中包括磷酸锰铁材料，所述磷酸锰铁锂材料的比表面积为20-24㎡/g。

5、目前为了改善三元活性材料的安全性，一般将磷酸锰铁锂材料与三元活性材料混合得到混合浆料，并将混合浆料涂布在正极集流体上，压制后得到含有混合涂层的正极片。在实际生产过程中，本申请发现随着合浆结束，搅拌停止，混合浆料会出现沉降、絮凝聚并等现象，产生大颗粒，这都会对后续的涂布等工序造成较大的影响，浆料与集流体界面处容易产生肉眼不可察的微孔，进而对电芯的安全性能和循环性能造成极大危害。

6、第一，通过控制磷酸锰铁锂材料与三元活性材料的比表面积，使磷酸锰铁锂浆料与三元活性浆料的界面融合度、三元活性浆料与正极集流体表面的界面融合度高，降低正极集流体-第一活性物质层界面处和第二活性物质层-第一活性物质层界面处形成肉眼不可察的微孔的数量，从而提高正极片在循环过程中的稳定性和安全性；与此同时，提高了电解液对正极活性物质层的浸润效果，使正极活性物质层中第二活性物质层与第一活性物质层中的脱锂速率保持协同，避免在循环过程中使活性物质层中出现锂离子脱出与嵌锂速度不一致的情况，避免锂离子在正极活性物质层中的磷酸铁锂涂层或第一活性物质层中出现堆积的情况，从而提高电池的循环性能和安全性能。第二，由于三元活性浆料的导电性较磷酸锰铁锂浆料的导电性能好，将其涂布在靠近正极集流体的一侧后，能够显著提高电池的倍率性能，第二活性物质层设置在最外层，在外力作用下，能够对靠近正极集流体表面的第一活性物质层形成一定的缓冲效果，并且，磷酸锰铁锂材料具有优异的热稳定性，第二活性物质层位于第一活性物质层的上方时能够均匀地缓解三元活性材料的热蔓延，从而进一步提高电芯的安全性。第三，由于磷酸锰铁锂材料与三元活性材料独立制浆，并将磷酸锰铁锂浆料与三元活性浆料沿着正极集流体厚度方向同时涂覆在正极集流体表面，能够减少混浆中三元活性浆料的大颗粒与磷酸锰铁锂浆料的小颗粒之间的接触内阻，减小温升，提高电芯的循环寿命。

7、优选地，所述磷酸锰铁锂材料的化学式为life1-x-zmnxdzpo4，0.2≤x≤0.8，z＞0；其中，所述d包括mg、ti、v、ni、co、al、nb、y、mo、sr、la、zr、b中的至少一种；所述fe1-x-zmnxdz记为m，m/p的摩尔比为0.90-1.15，li/m的摩尔比为1.01-1.10，li/p的摩尔比为0.95-1.10。

8、优选地，所述第一活性物质层的面密度为40-100g/㎡。

9、优选地，所述第二活性物质层的面密度为100-360g/㎡。

10、通过控制第二活性物质层与第一活性物质层的面密度，避免在循环过程中两种活性物质涂层产生电荷转移效率不一致的情况出现，降低对电池的容量、输出功率等性能的影响；更为重要的是，降低电池的正负极等效电阻，避免电池内部产生热量、损耗，甚至可能引发电池的短路和安全事故；从而提高电池的稳定性能和安全性能。

11、优选地，所述第一活性物质层的压实密度为3.0-3.6g/m3。

12、优选地，所述第二活性物质层的压实密度为2.0-2.6g/m3。

13、通过控制第二活性物质层与第一活性物质层的压实密度，使第一活性物质层与正极集流体界面之间的微孔数量减少，并且使第二活性物质层与第一活性物质层之间具有密实均一的过度界面，并且第一活性物质层与正极集流体表面接触性能优良，降低电池内阻并且提高电池的循环稳定性和安全性能。并且，由于压实密度与面密度的共同作用，能够降低锂离子的扩散距离，使正负极涂层材料的浓度差变小，进而降低扩散的阻力，提高电解液的对正极活性物质层的浸润度并且提高锂离子在电芯中的扩散速度，对电芯的循环寿命产生积极作用。

14、优选地，所述负极片的表面涂覆有负极活性物质层，构成所述负极活性物质层的负极活性材料的比表面积为1-2㎡/g。

15、通过控制负极活性材料的比表面积，能够使与正极片配合，使锂电池在循环过程中的脱锂和嵌锂速率保持一致，使锂离子能够较多地参与到循环过程，避免其在负极表面形成锂晶枝，提高三元锂电池的安全性。

16、第二方面，本申请提供一种电芯的制备方法，采用如下的技术方案：

17、一种电芯的制备方法，包括如下步骤：

18、步骤一：将所述磷酸锰铁锂材料与所述三元活性材料各自独立制浆，分别得到磷酸锰铁锂浆料和三元活性浆料；

19、步骤二：在所述正极集流体的两个表面上沿所述正极集流体的厚度方向涂覆所述磷酸锰铁锂浆料和所述三元活性浆料；其中，所述三元活性浆料涂覆在所述正极集流体的表面，所述磷酸锰铁锂浆料涂覆在所述三元活性浆料的表面，压制得到两面均涂覆有正极活性物质层的正极片；

20、步骤三：组装所述正极片、所述隔膜、所述负极片，得到成品电芯。

21、优选地，所述磷酸锰铁锂浆料的质量与所述三元活性浆料的质量的比值为1-9：1。

22、通过采用上述技术方案，使磷酸锰铁锂在改善三元电芯安全性能的同时兼具优异的能量密度。

23、第三方面，本申请提供一种锂离子电池，采用如下的技术方案：

24、一种锂离子电池，包括电芯，所述电芯为上述任一项所述的电芯。

技术特征：

1.一种电芯，包括正极片、隔膜和负极片，其特征在于：所述正极片包括正极集流体和位于所述正极集流体的两个表面上的正极活性物质层，所述正极活性物质层包括层叠设置的第一活性物质层和第二活性物质层，所述第一活性物质层与所述正极集流体的表面直接接触；

2.根据权利要求1所述的一种电芯，其特征在于：所述磷酸锰铁锂材料的化学式为life1-x-zmnxdzpo4，0.2≤x≤0.8，z＞0；其中，所述d包括mg、ti、v、ni、co、al、nb、y、mo、sr、la、zr、b中的至少一种；所述fe1-x-zmnxdz记为m，m/p的摩尔比为0.90-1.15，li/m的摩尔比为1.01-1.10，li/p的摩尔比为0.95-1.10。

3.根据权利要求1所述的一种电芯，其特征在于：所述第一活性物质层的面密度为40-100g/㎡。

4.根据权利要求1所述的一种电芯，其特征在于：所述第二活性物质层的面密度为100-360g/㎡。

5.根据权利要求1所述的一种电芯，其特征在于：所述第一活性物质层的压实密度为3.0-3.6g/m3。

6.根据权利要求1所述的一种电芯，其特征在于：所述第二活性物质层的压实密度为2.0-2.6g/m3。

7.根据权利要求1所述的一种电芯，其特征在于：所述负极片的表面涂覆有负极活性物质层，构成所述负极活性物质层的负极活性材料的比表面积为1-2㎡/g。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种电芯的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

9.根据权利要求8所述的一种电芯，其特征在于：所述步骤二中，所述磷酸锰铁锂浆料的质量与所述三元活性浆料的质量的比值为1-9：1。

10.一种锂离子电池，包括电芯，其特征在于：所述电芯为权利要求1-8任一项所述的电芯。

技术总结
本申请具体公开了一种电芯及其制备方法和应用其的锂电池。一种电芯，包括正极片、隔膜和负极片，所述正极片包括正极集流体和在位于所述正极集流体的两个表面上的正极活性物质层，所述正极活性物质层包括层叠设置的第一活性物质层和第二活性物质层，所述第一活性物质层与所述正极集流体的表面直接接触；其中，所述第一活性物质层中包括三元活性材料，所述三元活性材料的比表面积为0.3‑0.9㎡/g；所述第二活性物质层中包括磷酸锰铁材料，所述磷酸锰铁锂材料的比表面积为20‑24㎡/g。本申请具有提高电芯安全性、能量密度和循环性能的优点。

技术研发人员：陈勐,吴浩,朱家新,刘范芬,苑丁丁
受保护的技术使用者：湖北亿纬动力有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15