一种负极活性材料及其制备方法和应用与流程

本发明属于锂电池，具体涉及一种负极活性材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、锂电池是一种重要的可充电电池，广泛应用于移动电子设备、电动汽车等领域。在锂电池中，负极材料起着储存和释放锂离子的关键作用。可以用作锂电池负极材料的活性材料包括硅基材料、金属氧化物和石墨等。

2、硅是一种具有高容量的负极材料。相比石墨，硅的理论比容量高达4200mah/g，是其约10倍。硅基负极材料可以显著提高锂电池的能量密度。然而，硅材料的体积膨胀在充放电过程中会引起严重的结构破坏，导致循环寿命急剧下降。金属氧化物(如锡化合物、钛酸锂等)也被广泛研究作为锂电池负极材料。这些材料具有更高的比容量和更多的电子转移反应位点，因此可以提供更多的储存锂离子的能力。然而，这些材料存在容量衰减和安全性的问题。石墨是最常见的锂电池负极材料之一。其具有较高的电导率、稳定的电位和良好的循环寿命。石墨负极材料在商用锂离子电池中得到广泛应用，但其容量已相对接近极限，无法满足日益增长的需求。

3、目前，锂离子电池(libs)因其重量轻、成本低廉、循环寿命长而在便携式电子产品中得到了广泛应用。尽管如此，随着电子数码产品的不断更新换代，对锂离子电池能量密度和快充能力提出了越来越高的要求。为了满足新的需求，仍需开发一种新的负极活性材料。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的上述技术问题之一。为此，本发明提供了一种负极活性材料。

2、本发明还提供了一种负极极片。

3、本发明还提供了一种负极极片的制备方法。

4、本发明还提供了负极活性材料或负极极片在二次电池、电池模块、电池包或用电装置中的应用。

5、本发明的第一方面提供了一种负极活性材料，包括石墨材料，所述石墨材料包括石墨一和石墨二，所述石墨一和石墨二的粉末压实泄压反弹率v为5％～12％，所述石墨一和石墨二的数量分布粒径dn10的比值c为1.2～3.5，所述石墨一和石墨二的粒径分布宽度满足0.5～2.0，所述石墨一的dv50粒径d1＝10μm～15μm，所述石墨二的dv50粒径d2＝5μm～10μm。

6、本发明关于负极活性材料的技术方案中的一个技术方案，至少具有以下有益效果：

7、本发明通过选择两种具有一定泄压反弹率的两种石墨，通过控制dn10范围和限定分布宽度等，进行搭配，使负极极片能够具有较高的颗粒堆积密度和极片压实水平，既能保证负极活性材料之间的良好的电接触，又能保证电解液的充分浸润，进而在兼顾充电能力和能量密度水平的同时提升高温循环寿命。具体而言：

8、第一方面，粉末压实泄压反弹与极片辊压反弹正相关，泄压反弹率低则极片辊压反弹低。但泄压反弹不能太小，限定泄压反弹范围内可缓解卷芯张力对拐角的电解液挤出影响，有效提高电解液在拐角弧处垂直于极片的渗透能力；限定范围并与比表面积和粒度按公式关系设计，可以有效改善拐角析锂问题，三者相互配合，满足上述关系式解决拐角析锂问题。

9、第二方面，dn10可较准确反映粉末颗粒中细小颗粒的含量，控制两石墨的dn10比值，可以控制石墨颗粒缝隙的填充率，增加堆积密度。

10、第三方面，控制粒径分布宽度可以控制细粉含量，过窄，细小颗粒较少，不利于小颗粒填充孔隙；过大，细小颗粒较多，消耗电解液较多，副反应也多，高温循环变差。

11、第四方面，粒径dv50与锂离子传输路径强相关，越小越容易嵌锂；也与石墨克容相关。控制石墨一和石墨二的dv50可以控制负极的充电能力，粒径越大，克容会增大，能量密度升高。

12、本发明通过选择两种具有一定泄压反弹率的两种石墨，通过控制dn10范围和限定分布宽度进行搭配。使负极极片的具有较高的颗粒堆积密度和极片压实水平，保证负极活性材料之间的良好的电接触。

13、此外，限定泄压反弹范围，缓冲卷芯张力对拐角的电解液挤出影响，有效提高电解液在拐角弧处垂直于极片的渗透能力。

14、限定比表面积范围，使电解液有足够的浸润面积提高电解液渗透效果以及削弱因比表面积太大带来的副反应问题兼顾高温稳定性和首效。

15、限定活性材料粒径范围，进一步保证拐角处离子扩散动力学，减小浓差极化和电化学极化，有效降低拐角处析锂风险，兼顾充电能力和能量密度水平的同时又能保证高温循环寿命。

16、根据本发明的一些实施方式，所述石墨材料包括人造石墨和天然石墨中的至少一种。

17、根据本发明的一些实施方式，所述负极活性材料的比表面积s为1.0m2/g～2.0m2/g。

18、根据本发明的一些实施方式，所述石墨一和石墨二的粉末压实泄压反弹率为5％～8％。

19、根据本发明的一些实施方式，所述石墨一和石墨二的粒径分布宽度满足0.5～1.5。

20、根据本发明的一些实施方式，所述石墨二在所述负极活性材料中的质量比为5％～40％。

21、根据本发明的一些实施方式，所述石墨一和石墨二的质量比为1～5:1。

22、根据本发明的一些实施方式，所述负极活性材料的比表面积s、粉末压实泄压反弹率v和石墨一的dv50粒径d1之间满足关系：s-0.02×d1≤30v。

23、根据本发明的一些实施方式，所述石墨材料的制备方法包括以下步骤：

24、(1)将石墨前驱体和沥青混合后加热保温，得到造粒半成品；

25、(2)将步骤(1)的产物进行石墨化处理，得到所述石墨材料。

26、根据本发明的一些实施方式，石墨前驱体和沥青的质量比为7～9:1～2。

27、根据本发明的一些实施方式，所述加热保温的温度为250℃～550℃。

28、根据本发明的一些实施方式，所述加热保温的时间为5h～48h。

29、根据本发明的一些实施方式，所述石墨化处理的温度为2800℃～3500℃。

30、根据本发明的一些实施方式，所述石墨化处理的时间为10h～200h。

31、根据本发明的一些实施方式，所述石墨前驱体包括石油焦或者针状焦。

32、选用沥青作为包覆剂，可以控制包覆碳化后包覆层的残碳量在5％～15％。

33、本发明的第二方面提供了一种负极极片，制备原料包括本发明的负极活性材料。

34、本发明关于负极极片的技术方案中的一个技术方案，至少具有以下有益效果：

35、本发明的负极极片，由于使用了本发明的负极活性材料，由此，具备了负极活性材料的全部有益效果。该负极极片能够具有较高的颗粒堆积密度和极片压实水平，既能保证负极活性材料之间的良好的电接触，又能保证电解液的充分浸润，解决拐角析锂问题，以及在兼顾充电能力和能量密度水平的同时提升高温循环寿命。

36、根据本发明的一些实施方式，负极极片的制备原料还包括粘结剂和分散剂。

37、根据本发明的一些实施方式，所述粘结剂包括丁苯橡胶。

38、根据本发明的一些实施方式，所述分散剂包括羧甲基纤维素钠。

39、本发明的第三方面提供了一种制备本发明的负极极片的方法，包括以下步骤：将本发明的负极活性材料与粘结剂、分散剂混合制成负极浆料后，在负极集流体上进行涂布，干燥后得到所述的负极极片。

40、本发明关于负极极片的制备方法中的一个技术方案，至少具有以下有益效果：

41、本发明的制备方法，无需昂贵的设备和复杂的过程控制，反应条件不苛刻，原料易得，生产成本低，容易工业化生产。

42、本发明的第四方面提供了本发明的负极活性材料或负极极片在二次电池、电池模块、电池包或用电装置中的应用。

43、本发明关于负极活性材料或负极极片在二次电池、电池模块、电池包或用电装置中的应用中的一个技术方案，至少具有以下有益效果：

44、本发明的负极活性材料或负极极片，由于使用了本发明的负极活性材料，由此，具备了负极活性材料的全部有益效果。该负极极片能够具有较高的颗粒堆积密度和极片压实水平，既能保证负极活性材料之间的良好的电接触，又能保证电解液的充分浸润，解决拐角析锂问题，及在兼顾充电能力和能量密度水平的同时提升高温循环寿命。具体而言：

45、对于二次电池，较高的颗粒堆积密度和极片压实水平可以增加负极活性材料的负载量，提高电池的能量密度，从而延长电池的使用时间。良好的电接触能够提高电子传导性能，减小电阻损耗，提高电池的充电速度和效率。较高的极片压实水平可以增强负极活性材料与电解液的接触，使电解液能够更充分地浸润到负极活性材料中，减少电解液与负极活性材料的界面阻抗，提高电池的高温循环寿命。

46、对于电池模块，较高的颗粒堆积密度和极片压实水平可以提高负极活性材料的负载量，从而提高模块的能量密度，使得模块在有限的空间内能够容纳更多的电荷和储存更多的能量。良好的电接触能够减小内部电阻，提升电流传输能力，使得电池模块能够更快速地输出高功率。

47、对于电池包，可以增强电池包的安全性。较高的颗粒堆积密度和极片压实水平能够减少电池内部的空隙，限制锂枝晶的生成，从而减少内部短路的风险，提高电池包的安全性能。较高的极片压实水平可以减少负极活性材料与电解液之间的界面阻抗，改善电池包的电荷传输效率，延长电池的循环寿命。

48、对于用电装置，可以增加用电装置的续航能力，较高的能量密度可以提供更大容量的电池，延长用电装置的续航时间，满足长时间使用的需求。还可以改善用电装置的性能稳定性，良好的电接触和充分浸润的电解液可以提高电池的效能，减少能量损失，提升用电装置的总体性能和稳定性。

49、因此，使用了本发明的负极活性材料或负极极片的二次电池、电池模块、电池包或用电装置，可以具有更好的能量密度、充电能力、高温循环寿命、功率输出、安全性和循环寿命等方面的性能。