负极极片以及电化学装置的制作方法

本技术涉及电池，尤其涉及一种负极极片以及电化学装置。

背景技术：

1、锂离子电池自从进入市场以来，以其寿命长、比容量大、无记忆效应等优点，获得了广泛的应用。锂离子电池充电时锂离子向负极迁移，而快充大电流带来的过高电位会导致负极电位更负，此时负极迅速接纳锂的压力会变大，生成锂枝晶的倾向会变大，因此快充时负极不仅要满足锂离子扩散的动力学要求，更要解决锂枝晶生成倾向加剧带来的安全性问题。同样，钠离子电池在充电时也会存在析钠导致钠枝晶的形成，钠枝晶的形成带来相同锂枝晶的问题和风险。

2、目前，快充常见的解决方案：(1)负极材料颗粒纳米化，使li+的扩散路径缩短，但同时会增大负极材料的比表面积，带来更多的副反应和产气问题；(2)负极薄涂布，但加工难度大，会增加辅材的用量，同时降低电池的能量密度；(3)造孔或者降低压密，提升动力学，但会降低极片的压实密度，降低电池的能量密度；(4)电解液中多用线性酯，降低电解液的黏度，提升动力学，但线性酯增加会带来产气的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本技术提供一种负极极片以及电化学装置，将负极极片配置于电化学装置中能够解决锂离子电池或钠离子电池在缩短充电时间的大电流充电(即“快充”)时的析锂或析钠问题。

2、第一方面，本技术提供了一种负极极片，负极极片包括负极集流体、负极活性材料层和快离子导体层，负极活性材料层设置在负极集流体的至少一侧表面，快离子导体层设置在负极活性材料层的表面并覆盖负极活性材料层。将负极极片配置于电化学装置中时，负极极片的快离子导体层与隔离膜接触，用以提高电化学装置在大倍率条件下的高温循环以及高温存储性能，提高电化学装置的长循环稳定性。

3、在一些实施方式中，负极活性材料层包括负极活性材料，快离子导体层包括快离子导体，沿负极集流体的厚度方向，将负极活性材料层的厚度记为l′，将快离子导体层的厚度记为l，且l/(l′+l)＝b，满足：b≤0.4。快离子导体层的厚度与负极活性材料层的厚度的比值在上述范围内时，快离子导体层中的快离子导体与隔离膜接触，利于使离子快速嵌入到负极活性材料层中，避免负极极片中靠近隔离膜表面的负极活性材料层产生沉积，靠近隔离膜表面的负极活性材料层产生沉积是导致电化学装置快充性能下降的关键问题，本技术通过在负极活性材料层的表面设置快离子导体层，用以提升负极活性材料层靠近隔离膜一侧接纳离子(例如锂离子、钠离子)的能力，进而提升电化学装置的快充性能。

4、在一些实施方式中，快离子导体包括铌复合金属氧化物，基于负极活性材料层的质量，将负极活性材料的质量百分含量记为w′％，基于快离子导体层的质量，将铌复合金属氧化物的质量百分含量记为w％，且w/(w′+w)＝a；满足：a≤0.5且80≤w≤95。铌复合金属氧化物是以铌的氧化物和以nb2o5为基础，共溶其他金属氧化物，形成纯相m-nb-o化合物，其中m为其他金属离子。快离子导体的种类以及含量合适，更利于负极活性材料层靠近隔离膜的一侧表面快速接纳离子，避免枝晶的形成。

5、在一些实施方式中，满足：1.3≤a/b≤2.3。a值、b值以及a/b的值均在合适范围时，利于电化学装置兼顾实现高能量密度以及快充性能的提升。

6、上述技术方案可适用于锂离子电池和钠离子电池，对于锂离子电池而言，通过在例如石墨上涂覆一层铌复合金属氧化物，利用铌复合金属氧化物的快离子导体的特性快速传输li+，避免快充时li+在石墨表层(靠近隔离膜的一侧表面)堆积带来的析锂问题，从而达到提升石墨快充性能的目的。对于钠离子电池而言，通过在例如硬碳的表面涂敷一层na+快离子导体，利用快离子导体的特性快速传输na+，避免快充时na+在硬碳表面(靠近隔离膜的一侧表面)堆积带来的析钠问题，从而达到提升硬碳快充性能的目的。

7、锂离子电池

8、锂离子电池包括正极极片、隔离膜和负极极片，负极极片包括负极集流体、负极活性材料层和快离子导体层，负极活性材料层包括负极活性材料，快离子导体层包括铌复合金属氧化物。正极极片与负极极片交错叠放，隔离膜设置在相邻两个正极极片与负极极片之间，负极极片的快离子导体层与隔离膜接触设置。

9、在一些实施方式中，负极活性材料为用于锂离子电池的第一负极活性材料，第一负极活性材料包括石墨、硬碳、硅氧或硅碳中的至少一种。

10、在一些实施方式中，铌复合金属氧化物包括分子式为txnbymzoa′的化合物i中的至少一种，其中，t选自k、li、fe、v、w、cr、zr、al、mg、zn、cu、mo、na、ga、p、tc、si、ga、sn、ni、co、mn、sr、y、in、na或ti中的至少一种，m选自al、ti、w、zr、nb、in、ru、sb、sr、y、ni、co、mn、fe、gr、mo、tc、sn、ga、si、v或mg中的至少一种，且t和m不同，且满足：0＜x/(x+y+z)≤0.6，1≤a′/(x+y+z)＜5，0≤z/(x+y+z)≤0.5。

11、化合物i的结构为wadsley-roth切面结构和bronze-like结构，该结构利于li+扩散。在充放电过程中，晶胞的体积变化≤10％，因此，化合物i的结构稳定性好，循环性能好。锂离子在锂电负极中的固相扩散系数减小，是导致动力电池容量特性变差的主要速度控制步骤。当电池进行快速充电时，较小的扩散系数会导致锂离子在锂电负极的扩散过程受阻，从而易在负极颗粒表面产生“锂沉积”，对电池造成永久性的损伤。在负极极片中靠近隔离膜表面的活性材料层的电位更低，析锂风险更大，进而影响锂离子电池的安全性能、循环性能、产气等。本技术通过在锂电负极极片中引入铌复合金属氧化物，通过双层涂布技术，首先在集流体上涂布一层高容量、粘接力高的锂电负极材料，再在此基础上涂布第二层铌复合金属氧化物材料，使铌复合金属氧化物与隔离膜接触，利用铌复合金属氧化物自身的快速嵌锂和快速传导锂离子的特性，提高了靠近隔离膜表面的活性材料层的快速接纳离子的能力。进而提高锂离子电池在大倍率条件下的高温循环以及高温存储性能，降低锂电负极极片的析锂风险，提高锂离子电池的长循环稳定性。即双层涂布实现上层(快离子导体层)快离子传输，下层(负极活性材料层)高能量密度，完美兼顾高能量密度和快充双核心。

12、在一些实施方式中，基于快离子导体层的质量，铌复合金属氧化物的质量百分含量为88wt％至92wt％，此时，可以降低因使用快离子导体带来的能量密度的损失，且满足：0.1≤a≤0.3，0.05≤b≤0.2且1.3≤a/b≤1.6。a值过小(例如小于0.1)快充时析锂，导致大倍率下的高温循环以及高温存储性能均不好，这是因为a值越小，快离子导体的用量越少，会导致负极活性材料层裸露，不利于快充性能的提升。

13、a值过大(例如大于0.3)能量密度会降低。因为快离子导体的嵌锂电压平台较石墨高，一定程度上会降低电池的能量密度，因此，在达到离子传输目的的同时，快离子导体的用量要相对少。a值、b值以及a/b值均在上述范围内时，更利于兼顾提升锂离子电池的快充性能以及实现高能量密度。

14、在一些实施方式中，负极极片的压实密度为1.79g/cm3至2.4g/cm3。压实密度的大小与化合物i是一种协同适配的关系，化合物i在快离子导体层的占比越大，压实密度越高，但能量密度会下降。针对化合物i的快离子导体，压实密度在上述范围，更利于提升电化学装置的能量密度。优选地，负极极片的压实密度为1.79g/cm3至2.28g/cm3。

15、在一些实施方式中，化合物i的比表面积为0.8m2/g至20m2/g。此时，利于进一步改善大倍率下的高温循环以及高温存储性能。优选地，化合物i的比表面积为0.8m2/g至1.2m2/g。

16、在一些实施方式中，负极极片对锂的平台电压为0.1v至1.0v。优选地，负极极片对锂的平台电压为0.4v至0.8v。

17、在一些实施方式中，锂离子电池中单位面积负极极片的克容量为350～2000mah/g。

18、钠离子电池

19、钠离子电池包括正极极片、隔离膜以及负极极片，负极极片包括负极集流体、负极活性材料层和快离子导体层，负极活性材料层包括负极活性材料，快离子导体层包括铌复合金属氧化物。正极极片与负极极片交错叠放，隔离膜设置在相邻两个正极极片与负极极片之间，负极极片的快离子导体层与隔离膜接触。

20、在一些实施方式中，负极活性材料为用于钠离子电池的第二负极活性材料，第二负极活性材料包括硬碳、锑及其二者之间的混合物中的至少一者。

21、在一些实施方式中，铌复合金属氧化物包括分子式为nax′ay′tiz′o2的化合物ii中的至少一种，其中，a选自ni、co、li、gr中的至少一种，且满足：0.6＜x′＜0.7，y′+z′＝1。化合物ii的结构为p2相，该结构能够提升钠离子的传输速率和保持层状结构的完整性，具有优异的倍率性能和循环性能。

22、在一些实施方式中，钠离子电池中单位面积负极极片的混合克容量为240～300mah/g。

23、本技术通过在钠电负极极片中引入na+的快离子导体，通过双层涂布技术，首先在集流体上涂布一层高容量、粘接力高的钠电负极材料，再在此基础上涂布第二层na+快离子导体材料，使na+快离子导体材料与隔膜接触，利用na+快离子导体自身的快速嵌钠和快速传导钠离子的特性，提高了钠离子电池在大倍率条件下的高温循环以及高温存储性能，降低负极片的析钠风险，提高钠离子电池的长循环稳定性。双层涂布实现上层快离子传输，下层高能量密度，完美兼顾高能量密度和快充双核心。

24、在一些实施方式中，基于快离子导体层的质量，铌复合金属氧化物的质量百分含量为80wt％至88wt％，此时，可以降低因使用快离子导体带来的能量密度的损失，且满足：0.1≤a≤0.3，0.05≤b≤0.2，2≤a/b≤2.3。a值、b值以及a/b的值均在合适范围时，利于兼顾实现高能量密度以及快充性能的提升。

25、在一些实施方式中，负极极片的压实密度为1.2g/cm3至2.1g/cm3。压实密度的大小与化合物ii是一种协同适配的关系，化合物ii在快离子导体层的占比越大，压实密度越高，但能量密度会下降。针对化合物ii的快离子导体，压实密度在上述范围，更利于提升电化学装置的能量密度。优选地，负极极片的压实密度为1.6g/cm3至1.7g/cm3。

26、在一些实施方式中，化合物ii的比表面积为0.5m2/g至10m2/g。为了实现更好的快速传递离子的作用，快离子导体材料颗粒越小越好，这样离子的迁移路径短，但颗粒太小会带来较大的比表面积，因而带来较多的副反应，会恶化高温循环性能和高温存储性能。优选地，化合物ii的比表面积为0.5m2/g至5m2/g。

27、在一些实施方式中，负极极片对钠的平台电压为0.28v至0.5v。优选地，负极极片对钠的平台电压为0.36v至0.4v。

28、第二方面，本技术提供了一种电化学装置，电化学装置包括正极极片、隔离膜以及上述的负极极片，正极极片与负极极片交错叠放，隔离膜设置在相邻两个正极极片与负极极片之间，负极极片的快离子导体层与隔离膜接触。

29、本技术通过在负极活性材料层的表面设置快离子导体层，将负极极片配置于电化学装置中时，负极极片中的快离子导体层与隔离膜接触，用以提升负极活性材料层靠近隔离膜一侧接纳离子(例如锂离子、钠离子)的能力，进而提升电化学装置的快充性能。