一种负极极片、固态电池以及用电设备的制作方法

本申请涉及电池，具体涉及一种负极极片、固态电池以及用电设备。

背景技术：

1、近年来频发的锂离子电池起火爆炸事故，使得解决锂离子电池的安全问题迫在眉睫。采用固态电解质取代可燃的有机电解液，能够极大地改善电池的安全性。因此，全固态电池被认为是下一代动力电池首选。在全固态电池中采用锂离子金属作为负极，全固态电池可以兼顾高能量密度与高安全性。然而使用锂金属作为负极时，在充电过程中，从正极脱出的锂容易在负极形成锂枝晶；在放电过程中，锂原子的剥离会造成界面空隙的存在，使得负极与固态电解质的固固界面接触不良，造成空间电荷分布不均。同时，固态电解质与锂金属直接接触也会发生副反应，生成界面副反应层，导致界面阻抗增加，在电池循环过程中容易生成锂枝晶，锂枝晶会造成电池的加速失效甚至短路，引发安全问题。

技术实现思路

1、针对上述问题，本申请实施例提供一种负极极片，其不易产生枝晶，不易与固态电解质发生副反应，能够缓解充放电过程中的负极极片体积变化，当其应用于储能装置时，能够兼具优异的循环性能与较高的能量密度。

2、本申请第一方面实施例提供了一种负极极片，其包括：集流体、储存层以及缓冲层，所述集流体、储存层以及缓冲层依次层叠设置，所述储存层包括多个第一碳颗粒以及多个第一金属颗粒，所述第一金属颗粒用于存储活性离子；所述缓冲层包括多个第二碳颗粒以及多个第二金属颗粒，所述第二金属颗粒用于传输活性离子，所述活性离子与电子结合后形成所述活性离子，其中，所述第一碳颗粒的中值粒径大于所述第二碳颗粒的中值粒径，所述第一金属颗粒的质量分数大于所述第二金属颗粒的质量分数。

3、其中，所述储存层中第一金属颗粒的质量分数m1与所述缓冲层中第二金属颗粒的质量分数m2的比值范围为：1.25≤m1/m2≤5。

4、其中，所述储存层中第一金属颗粒的质量分数m1的范围为：20％≤m1≤70％，所述缓冲层中第二金属颗粒的质量分数m2的范围为：9％≤m2≤50％。

5、其中，所述储存层中所述第一碳颗粒的质量分数c1与第一金属颗粒的质量分数m1的比值范围为：0.5≤c1/m1≤3.5；所述缓冲层中所述第二碳颗粒的质量分数c2与第二金属颗粒的质量分数m2的比值范围为：1≤c2/m2≤5。

6、其中，所述第二碳颗粒的克容量与所述第一碳颗粒的克容量的比值小于等于0.6。

7、其中，所述第一碳颗粒的中值粒径的范围为2μm至50μm；所述第二碳颗粒的中值粒径的范围为10nm至500nm。

8、其中，所述储存层的厚度的范围为20μm至100μm，所述缓冲层的厚度的范围为1μm至20μm。

9、其中，第一金属颗粒包括mg、sn、ag、in、zn、al、fe、ga、sb、bi、au中的至少一种；第二金属颗粒包括mg、sn、ag、in、zn、al、fe、ga、sb、bi、au中的至少一种。

10、其中，第一碳颗粒包括天然石墨、人造石墨、硬碳、软碳、微米多孔碳中的至少一种；所述第二碳颗粒包括乙炔黑、科琴黑、超级碳黑中的至少一种。

11、本申请第二方面实施例提供一种固态电池，其包括：固态电解质、正极极片以及本申请实施例所述的负极极片，所述正极极片层叠设置于所述固态电解质的表面，所述负极极片层叠设置于所述固态电解质背离所述正极极片的表面，其中，所述缓冲层设置在所述固态电解质与所述储存层之间。

12、本申请第三方面实施例提供一种用电设备，其包括：用电设备本体以及本申请实施例所述的固态电池，所述固态电池用于为所述用电设备本体供电。

13、通过集流体、储存层以及缓冲层依次层叠设置，所述缓冲层避免了固态电解质与储存层直接接触，发生副反应。在所述储存层设置第一碳颗粒以及第一金属颗粒，所述第一碳颗粒除了可以储存活性离子，还起到骨架支撑作用，缓解充放电过程中的负极极片的体积变化，当第一碳颗粒为石墨，活性离子为锂离子时，嵌锂后的石墨电位接近锂沉积电位，有助于锂在储存层中的沉积。同时，所述第一金属颗粒可与锂发生合金化反应，可作为锂成核位点，降低了锂沉积界面能，第一碳颗粒以及第一金属颗粒均匀分散，从而可以在储存层中构建出多个均匀分散的成核位点，优化了锂离子的分布和沉积。当活性离子为锂时，所述缓冲层中具有所述第二金属颗粒，第二金属颗粒与锂合金化后，充当锂离子传输的媒介(相当于固态电解质的功能)，可以协助锂离子跨越缓冲层，传输到所述储存层中。所述第一碳颗粒的中值粒径大于所述第二碳颗粒的中值粒径，所述第二碳颗粒的中值粒径较小，从而具有较高的锂沉积界面能，并且第二碳颗粒堆积后形成的空隙迂曲度也较大，锂枝晶不容易沿缓冲层生长，防止锂枝晶刺穿固态电解质，引起短路。所述第一金属颗粒的质量分数大于所述第二金属颗粒的质量分数，当活性离子为锂时，所以储存层中的锂沉积界面能低于缓冲层中的锂沉积界面能，所述锂离子优先在第一储存层中沉积。该负极极片不易产生锂枝晶刺穿固态电解质，不易与固态电解质发生副反应，并且能够缓解充放电过程中的负极极片体积变化。

技术特征：

1.一种负极极片，其特征在于，所述负极极片包括集流体、储存层以及缓冲层，所述集流体、储存层以及缓冲层依次层叠设置，所述储存层包括多个第一碳颗粒以及多个第一金属颗粒，所述第一金属颗粒用于存储活性离子；所述缓冲层包括多个第二碳颗粒以及多个第二金属颗粒，所述第二金属颗粒用于传输活性离子，所述活性离子与电子结合后形成所述活性离子，其中，所述第一碳颗粒的中值粒径大于所述第二碳颗粒的中值粒径，所述第一金属颗粒的质量分数大于所述第二金属颗粒的质量分数。

2.根据权利要求1所述的负极极片，其特征在于，所述储存层中第一金属颗粒的质量分数m1与所述缓冲层中第二金属颗粒的质量分数m2的比值范围为：1.25≤m1/m2≤5。

3.根据权利要求2所述的负极极片，其特征在于，所述储存层中第一金属颗粒的质量分数m1的范围为：20％≤m1≤70％，所述缓冲层中第二金属颗粒的质量分数m2的范围为：9％≤m2≤50％。

4.根据权利要求1所述的负极极片，其特征在于，所述储存层中所述第一碳颗粒的质量分数c1与第一金属颗粒的质量分数m1的比值范围为：0.5≤c1/m1≤3.5；所述缓冲层中所述第二碳颗粒的质量分数c2与第二金属颗粒的质量分数m2的比值范围为：1≤c2/m2≤5。

5.根据权利要求1所述的负极极片，其特征在于，所述第二碳颗粒的克容量与所述第一碳颗粒的克容量的比值小于等于0.6。

6.根据权利要求1所述的负极极片，其特征在于，所述第一碳颗粒的中值粒径的范围为2μm至50μm；所述第二碳颗粒的中值粒径的范围为10nm至500nm。

7.根据权利要求1所述的负极极片，其特征在于，所述储存层的厚度的范围为20μm至100μm，所述缓冲层的厚度的范围为1μm至20μm。

8.根据权利要求1所述的负极极片，其特征在于，第一金属颗粒包括mg、sn、ag、in、zn、al、fe、ga、sb、bi、au、pt中的至少一种；第二金属颗粒包括mg、sn、ag、in、zn、al、fe、ga、sb、bi、au、pt中的至少一种。

9.根据权利要求6所述的负极极片，其特征在于，第一碳颗粒包括天然石墨、人造石墨、硬碳、软碳、微米多孔碳中的至少一种；所述第二碳颗粒包括乙炔黑、科琴黑、超级碳黑中的至少一种。

10.一种固态电池，其特征在于，包括：

11.一种用电设备，其特征在于，包括：

技术总结
本申请提供一种负极极片、固态电池以及用电设备。本申请提供的负极极片包括：集流体、储存层以及缓冲层，集流体、储存层以及缓冲层依次层叠设置，储存层包括第一碳颗粒以及第一金属颗粒，第一金属颗粒用于存储活性离子；缓冲层包括第二碳颗粒以及第二金属颗粒，第二金属颗粒用于传输活性离子，活性离子与电子结合后形成活性离子，其中，第一碳颗粒的中值粒径大于第二碳颗粒的中值粒径，第一金属颗粒的质量分数大于第二金属颗粒的质量分数。该负极极片不易产生锂枝晶刺穿固态电解质，不易与固态电解质发生副反应，并且能够缓解充放电过程中的负极极片体积变化，当其应用于储能装置时，能够兼具优异的循环性能与较高的能量密度。

技术研发人员：焦天鹏,方晨旭
受保护的技术使用者：厦门海辰储能科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/11/7