负极极片、包含其的电池和用电装置的制作方法

本技术涉及电池，尤其涉及一种用于钠电池的负极极片、包含其电池和用电装置。

背景技术：

1、二次电池依靠活性离子在正极和负极之间往复脱嵌来进行充电和放电，以锂离子电池为代表的二次电池具有能量密度高、循环寿命长，以及无污染、无记忆效应等突出特点。因此，二次电池作为清洁能源，已由电子产品逐渐普及到电动汽车等大型装置领域，以适应环境和能源的可持续发展战略。然而，由于锂离子电池相关活性物质资源稀缺，电池成本始终居高不下，而且同时面临相关资源枯竭等严峻问题，因此需要开发其他低成本金属离子二次电池体系。

2、钠离子电池由于其成本低、资源丰富、与锂离子电池制造工艺相仿等优势，成为近年来的热门研究方向。但钠离子电池较低的能量密度依旧是限制其应用推广的瓶颈。

技术实现思路

1、为了达到上述目的，本技术提供了一种用于钠电池的负极极片，其可以使包含其的电池兼具高能量密度和良好的循环性能；本技术还提供一种包含该负极极片的电池和用电装置。

2、本技术实施例第一方面提供一种用于钠电池的负极极片，包括负极集流体以及导电涂层，导电涂层位于负极集流体的至少一侧。导电涂层包括导电剂以及水性粘结剂，水性粘结剂选自相对介电常数大于等于2.5的水性粘结剂。

3、并非意在受限于任何理论或解释，相对介电常数大于等于2.5的水性粘结剂一方面可以促进na+与电子结合形成钠金属，有利于钠金属在负极的沉积，另一方面可以促进导电涂层的界面平整性。当导电涂层具有较高的界面平整性时，可以调控钠金属沉积的取向和趋势，使得钠金属均匀地沉积于负极极片表面。由此，不仅可以抑制钠枝晶的形成，从而提升电池的可靠性和长期循环性能；而且可以降低钠金属脱出的难度，减少活性钠离子的不可逆损失，从而提升电池的能量密度和循环寿命。另外，相比于其他粘结剂，相对介电常数大于等于2.5的水性粘结剂在导电层中形成的粘结剂网络具有更高的机械强度，可以为导电涂层提供一定的支撑性能。由此，有利于提升导电涂层的结构稳定性，降低钠金属脱出造成的集流体结构发生变化的风险，从而可以提升电池的循环稳定性、延长电池的循环寿命。因此，本技术实施例的负极极片应用于钠电池，可以使得钠电池兼具高能量密度、高循环稳定性和长循环寿命。

4、在本技术任意实施方式中，水性粘结剂包括羧甲基纤维素及其衍生物、聚丙烯酸及其衍生物、丙烯腈多元共聚物、海藻酸钠及其衍生物、聚丙烯酸酯及其衍生物中的至少一者。

5、可选地，水性粘结剂包括羧甲基纤维素及其衍生物中的至少一者。

6、选自上述种类的水性粘结剂具有较高的极性，不仅可以与负极集流体(例如铜箔、铝箔等)具有较高的粘结力，从而提升导电涂层和负极集流体之间的界面粘结力，而且可以与导电剂表面的极性官能团形成氢键，从而提升导电涂层的内聚力，抑制由钠脱出导致的导电涂层的结构变化。由此，有利于进一步提升导电涂层的界面平整性和结构稳定性，有利于钠金属均匀地沉积于负极极片表面并脱出，从而有利于进一步提升电池的循环性能。特别地，羧甲基纤维素及其衍生物的粘度较为稳定，且具有耐电解液溶胀和腐蚀的性质，可以提供稳定的粘度和粘结力，由此可以使得导电涂层与负极集流体在电池充放电循环过程中保持较高的界面粘结力，从而提升负极极片的结构稳定性、减小电池的内阻。因此，本技术实施例的负极极片应用于钠电池，可以显著提升电池的循环性能。

7、在本技术任意实施方式中，水性粘结剂包括化学共混改性的水性粘结剂。

8、可选地，水性粘结剂包括化学共混改性的羧甲基纤维素。

9、化学共混改性可以灵活地调控水性粘结剂的结构，赋予水性粘结剂良好的粘结性能、机械强度、合适的粘度等性能。由此，可以提升导电涂层的界面平整性和结构稳定性，增加导电涂层的亲钠成核位点，从而进一步提升电池的循环性能。

10、在本技术任意实施方式中，水性粘结剂包括丙烯酸、邻羟基苯乙胺、聚乙烯醇中的一者或多者接枝共聚-共混改性的羧甲基纤维素。

11、丙烯酸、邻羟基苯乙胺、聚乙烯醇中的一者或多者接枝共聚-共混改性的羧甲基纤维素可含有较多的极性基团。在导电涂层中，这类羧甲基纤维素可通过极性基团在分子之间原位形成氢键，从而可以进一步提升粘结剂网络的机械性能。由此可以进一步改善由于金属层的沉积导致的极片结构坍塌和变化。另外，极性基团可以进一步降低钠沉积的过电势。当水性粘结剂包括经过上述物质接枝共聚-改性的羧甲基纤维素时，这类羧甲基纤维素均匀分布在导电涂层中，使得钠金属均匀地沉积于负极极片表面。由此，不仅可以抑制钠枝晶的形成，从而提升电池的可靠性和长期循环性能；而且可以降低钠金属脱出的难度，减少活性钠的不可逆损失，从而提升电池的能量密度和循环寿命。

12、在本技术任意实施方式中，水性粘结剂的平均聚合度为50-2500，可选为800-2000。当水性粘结剂的平均聚合度在该范围内时，可以使得水性粘结剂具有合适的粘度，且具有更高的耐电解液溶胀和腐蚀的性质。由此，可以使得导电涂层与负极集流体在电池充放电循环过程中保持较高的界面粘结力，从而提升负极极片的结构稳定性、减小电池的内阻。因此，本技术实施例的负极极片应用于钠电池，可以显著提升电池的循环性能。

13、在本技术任意实施方式中，水性粘结剂的粘度为600mpa·s-2000mpa·s，可选为600mpa·s-1200mpa·s。当水性粘结剂的粘度满足所给范围时，在电池充放电循环过程中，水性粘结剂可以提供稳定的粘结力，使得导电涂层与负极集流体之间保持较高的界面粘结力。由此，有利于提升负极极片的结构稳定性、减小电池的内阻，从而提升电池的循环性能。

14、在本技术任意实施方式中，水性粘结剂的纯度为95％以上，可选为95％-99％以上。由此，有利于提升导电涂层与负极集流体之间的粘接性能，从而可以提升负极极片的结构稳定性，进而提升电池的循环性能。

15、在本技术任意实施方式中，导电剂包括导电碳材料。

16、可选地，导电剂包括碳纳米管、石墨烯、导电碳纤维中的一种或多种。

17、更可选地，导电剂包括碳纳米管和/或还原氧化石墨烯。

18、上述导电碳材料表面含有适量的活性含氧基团，可以与水性粘结剂发生相互作用，从而提升导电涂层的机械性能。由此，可以抑制充放电过程中钠脱出时造成的负极极片的结构变化，从而可以提升电池的循环性能。

19、在本技术任意实施方式中，导电剂包括改性的导电碳材料。

20、可选地，导电剂包括-oh、-cooh、-nh2中的一者或多者改性的导电碳材料。

21、更可选地，导电剂包括-oh、-cooh、-nh2中的一者或多者改性的碳纳米管和/或还原氧化石墨烯。

22、上述改性的导电碳材料可以与水性粘结剂相互作用，形成氢键。由此，可以进一步提升导电涂层的机械性能，抑制由于钠的嵌入和脱出造成的导电涂层的结构变化。另外，极性基团的存在进一步降低钠金属沉积的过电势。当导电碳材料包括上述改性基团时，可以使得钠金属更为均匀地沉积于负极极片表面。由此，不仅可以抑制钠枝晶的形成，从而提升电池的可靠性和长期循环性能；而且减少活性钠的不可逆损失，从而提升电池的能量密度和循环寿命。

23、在本技术任意实施方式中，导电涂层的钠沉积电位为2.6v-2.75v。由此，有利于钠金属在负极表面的均匀沉积，从而有利于提升电池的循环性能。

24、在本技术任意实施方式中，导电涂层的厚度为1μm-5μm，可选地2μm-3μm。由此，可以在减小负极极片的厚度的同时，使得钠金属均匀地沉积于负极极片表面，从而可以提升电池的能量密度。

25、在本技术任意实施方式中，基于导电涂层的总质量计，水性粘结剂的质量百分含量小于等于5％，可选为2％-2.6％。水性粘结剂的质量百分含量满足所给范围，可以在提升导电涂层的界面平整性和结构稳定性的同时，使得导电涂层具有合适的导电剂含量。由此，可以使得导电涂层表面具有适量的亲钠成核位点，从而有利于提升电池的循环性能。

26、在本技术任意实施方式中，导电涂层傅里叶变换红外光谱ftir谱图具有位于如下位置的特征峰中的至少一者：1300cm-1-1050cm-1；3300cm-1-2500cm-1；3400cm-1-3200cm-1。由此，不仅可以抑制钠枝晶的形成，从而提升电池的可靠性和长期循环性能；而且可以降低钠金属脱出的难度，减少活性钠离子的不可逆损失，从而提升电池的能量密度和循环寿命。

27、本技术实施例第二方面提供一种电池，包括第一方面的负极极片。由此，本技术实施例的电池可以兼具高能量密度、高循环稳定性和长循环寿命。

28、本技术实施例第三方面提供一种用电装置，包括第二方面的电池。

29、本技术实施例的用电装置包括第二方面的电池，因而至少具有与所述电池相同的优势。

技术特征：

1.一种用于钠电池的负极极片，包括：

2.根据权利要求1所述的负极极片，其中，

3.根据权利要求1或2所述的负极极片，其中，

4.根据权利要求1-3中任一项所述的负极极片，其中，

5.根据权利要求1-4中任一项所述的负极极片，其中，所述水性粘结剂的平均聚合度为50-2500，可选为800-2000。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的负极极片，其中，

7.根据权利要求1-6中任一项所述的负极极片，其中，

8.根据权利要求1-7中任一项所述的负极极片，其中，

9.根据权利要求1-8中任一项所述的负极极片，其中，

10.根据权利要求1-9中任一项所述的负极极片，其中，所述导电涂层的钠沉积电位为2.6v-2.75v。

11.根据权利要求1-10中任一项所述的负极极片，其中，所述导电涂层的厚度为1μm-5μm，可选地2μm-3μm。

12.根据权利要求1-11中任一项所述的负极极片，其中，基于所述导电涂层的总质量计，所述水性粘结剂的质量百分含量小于等于5％，可选为2％-2.6％。

13.根据权利要求1-12中任一项所述的负极极片，其中，所述导电涂层傅里叶变换红外光谱ftir谱图具有位于如下位置的特征峰中的至少一者：

14.一种电池，包括根据权利要求1-13中任一项所述的负极极片。

15.一种用电装置，包括根据权利要求14所述的电池。

技术总结
本申请提供了一种用于钠电池的负极极片、包含其的电池和用电装置，该负极极片包括负极集流体以及导电涂层，导电涂层位于负极集流体的至少一侧。导电涂层包括导电剂以及水性粘结剂，水性粘结剂选自相对介电常数大于等于2.5的水性粘结剂。

技术研发人员：王宝颖
受保护的技术使用者：宁德时代新能源科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5