[0001] 本实用新型属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种极片结构及锂离子电池和用电设备。

[0002] 随着市场对电池的能量密度要求越来越高、开发具有高比容量的负极材料是一种有效手段。其中硅碳负极材料是当前研究热点和发展方向。在硅颗粒存在较大的体积膨胀，极片超厚和电极粉化等风险将导致电芯性能下降。

[0003] 现有技术中，将石墨放置第一层起到快充作用，将硅颗粒放在第二层起到提升能量密度的作用。以及有将硅基颗粒、与石墨颗粒尺寸进行设计，来抑制电芯体积膨胀。但是这些结构设计方法和颗粒尺寸设计都无法有效解决硅颗粒体积膨胀带来的弊端，特别是高硅含量的电芯材料中，电极的体积膨胀会进一步恶化。实用新型内容

[0004] 本实用新型的目的在于：针对现有技术的不足，提供一种新的极片结构设计，来抑制硅的体积膨胀、提高电芯能量密度和提升充电能力。

[0005] 为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

[0006] 一种极片结构，包括集流体和设置在所述集流体至少一表面上的垂直取向石墨层，所述垂直取向石墨层设置有至少两个，相邻的垂直取向石墨层之间设置有硅基颗粒。

[0007] 优选的，沿Y轴方向，所述垂直取向石墨层与所述硅基颗粒依次相间设置。

[0008] 优选的，沿Y轴方向和/或X轴方向，所述垂直取向石墨层与所述硅基颗粒均相间设置。

[0009] 优选的，沿Y轴方向和/或X轴方向，所述垂直取向石墨层包括相间设置的第一垂直取向石墨层和第二垂直取向石墨层，所述第一垂直取向石墨层设置有多个，所述第二垂直取向石墨层设置有多个，相邻的所述第二垂直取向石墨层之间设置有硅基颗粒。

[0010] 优选的，还包括由多个硅基颗粒形成的硅基颗粒层，所述硅基颗粒层设置在所述第一垂直取向石墨层和所述第二垂直取向石墨层之间。

[0011] 优选的，所述垂直取向石墨层与所述硅基颗粒的厚度比为(1‑2)：1。

[0012] 优选的，所述硅基颗粒的粒径小于或等于相邻所述垂直取向石墨层之间的间隔。

[0013] 本实用新型还提供一种锂离子电池，包括正极片、负极片和间隔于所述正极片与所述负极片之间的隔膜，所述负极片具有上述的极片结构。

[0014] 本实用新型还提供一种用电设备，包括上述的锂离子电池。

[0015] 与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益效果：

[0016] (1)本实用新型通过设置垂直取向石墨和硅基颗粒在集流体上的涂布方式，既有效提升了电芯的能力密度和充电能力、同时也改善了电芯体积膨胀；垂直取向石墨有着更短的锂离子传输路径，实现锂离子的快速传输，同时，垂直取向石墨在平行于极片方向的体积膨胀几乎可以忽略不计，从而电芯体积膨胀小，能量密度高；

[0017] (2)本实用新型中的硅基颗粒在垂直石墨层孔隙之间，提供了硅的膨胀空间，保证了电芯循环稳定性；

[0018] (3)本实用新型中的垂直取向石墨片层之间可以容纳产生的“死锂”和锂枝晶，可避免锂枝晶沉积在石墨底部，减少锂枝晶与电解液接触，进而降低电解液的消耗、增加电池循环寿命。

[0028] 在根据本实用新型的第一方面，本实用新型提供一种极片结构，包括集流体和设置在所述集流体至少一表面上的垂直取向石墨层，所述垂直取向石墨层设置有至少两个，相邻的垂直取向石墨层之间设置有硅基颗粒。

[0029] 本实用新型通过设置垂直取向石墨和硅基颗粒在集流体上的涂布方式，既有效提升了电芯的能力密度和充电能力、同时也改善了电芯体积膨胀；垂直取向石墨有着更短的锂离子传输路径，实现锂离子的快速传输，同时，垂直取向石墨在平行于极片方向的体积膨胀几乎可以忽略不计，从而电芯体积膨胀小，能量密度高；本实用新型中的硅基颗粒在垂直石墨层孔隙之间，提供了硅的膨胀空间，保证了电芯循环稳定性；本实用新型中的垂直取向石墨片层之间可以容纳产生的“死锂”和锂枝晶，可避免锂枝晶沉积在石墨底部，减少锂枝晶与电解液接触，进而降低电解液的消耗、增加电池循环寿命。

[0030] 在根据本实用新型的一实施例中，硅基颗粒可以是硅颗粒、硅纳米线、硅碳骨架复合材料中的至少一种；硅基颗粒的含量为1～20％。

[0031] 在根据本实用新型的一实施例中，垂直取向石墨可以是普通石墨或者磁化石墨。

[0032] 在根据本实用新型的一实施例中，集流体包括但不限于铜箔、碳纸、镍箔中的至少一种。

[0033] 在根据本实用新型的一实施例中，沿Y轴方向，所述垂直取向石墨层与所述硅基颗粒依次相间设置。

[0034] 在根据本实用新型的一实施例中，沿Y轴方向和/或X轴方向，所述垂直取向石墨层与所述硅基颗粒均相间设置。

[0035] 在根据本实用新型的一实施例中，沿Y轴方向和/或X轴方向，所述垂直取向石墨层包括相间设置的第一垂直取向石墨层和第二垂直取向石墨层，所述第一垂直取向石墨层设置有多个，所述第二垂直取向石墨层设置有多个，相邻的所述第二垂直取向石墨层之间设置有硅基颗粒。

[0036] 在根据本实用新型的一实施例中，还包括由多个硅基颗粒形成的硅基颗粒层，硅基颗粒层设置在第一垂直取向石墨层和第二垂直取向石墨层之间。

[0037] 在根据本实用新型的一实施例中，垂直取向石墨层与硅基颗粒的厚度比为(1‑2)：1；当垂直取向石墨层与硅基颗粒的厚度控制在上述比值时，垂直取向石墨层能更好的抑制硅基颗粒的体积膨胀，若是过小，则会降低抑制效果，若是过大，会造成材料的浪费，成本升高。

[0038] 在根据本实用新型的一实施例中，硅基颗粒的粒径小于或等于相邻垂直取向石墨层之间的间隔，此时，可以给硅基颗粒预留出足够的膨胀空间，同时在硅基颗粒膨胀后，相邻的垂直取向石墨层也能够很好的抑制硅基颗粒的膨胀，保证了电芯循环稳定性。

[0039] 在根据本实用新型的第二方面，本实用新型还提供一种锂离子电池，包括正极片、负极片和间隔于所述正极片与所述负极片之间的隔膜，所述负极片具有上述的极片结构。

[0040] 在根据本实用新型的一实施例中，正极片中的正极材料包括但不限于LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiMn2O4、LiMnPO4、LiFePO4、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2、LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2、LiNi0.85Co0.15Al0.05O2、中的至少一种；

[0041] 在根据本实用新型的一实施例中，隔膜包括但不限于聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯以及它们的多层复合膜中的至少一种；

[0042] 在根据本实用新型的一实施例中，电解液包括电解质盐以及有机溶剂，其中电解质盐和有机溶剂的具体种类及组成均不受到具体的限制，包含正极成膜添加剂，负极成膜添加剂以及改善循环和低温添加剂等；

[0043] 在根据本实用新型的第三方面，本实用新型还提供一种用电设备，包括上述的锂离子电池。

[0044] 用电设备可以是汽车、手机、便携式设备、笔记本电脑、轮船、航天器、电动玩具和电动工具等等。汽车可以是燃油汽车、燃气汽车或新能源汽车，新能源汽车可以是纯电动汽车、混合动力汽车或增程式汽车等；航天器包括飞机、火箭、航天飞机和宇宙飞船等等；电动玩具包括固定式或移动式的电动玩具，例如，游戏机、电动汽车玩具、电动轮船玩具和电动飞机玩具等等；电动工具包括金属切削电动工具、研磨电动工具、装配电动工具和铁道用电动工具，例如，电钻、电动砂轮机、电动扳手、电动螺丝刀、电锤、冲击电钻、混凝土振动器和电刨等等。本申请实施例对上述用电设备不做特殊限制。

[0045] 以下结合附图1‑5对本实用新型作进一步详细说明，但不作为对本实用新型的限定。

[0046] 实施例一

[0047] 如图1所示，本实施例提供一种极片结构，包括集流体1和设置在所述集流体1至少一表面上的垂直取向石墨层2，所述垂直取向石墨层2设置有至少两个，相邻的垂直取向石墨层2之间设置有硅基颗粒3；

[0048] 首先将含有5％的硅基颗粒3、带有磁性的石墨颗粒间隙涂布于铜箔集流体1上按图1中所设计的极片结构通过带有磁场的烘箱，使石墨变成垂直取向的石墨2，形成硅基颗粒‑垂直取向石墨极片；将硅基颗粒‑垂直取向石墨极片经过辊压‑分条‑激光清洗‑卷绕‑顶侧封‑注液‑一次化成‑二次化成等工序形成了电芯。

[0049] 实施例二

[0050] 与实施例一不同的是：本实施例沿Y轴方向，垂直取向石墨层与硅基颗粒依次相间设置，如图2所示；其他结构与实施例一相同，这里不再赘述。

[0051] 实施例三

[0052] 与实施例一不同的是：本实施例沿Y轴方向和/或X轴方向，所述垂直取向石墨层与所述硅基颗粒均相间设置，如图3所示；其他结构与实施例一相同，这里不再赘述。

[0053] 实施例四

[0054] 与实施例一不同的是：本实施例沿Y轴方向和/或X轴方向，所述垂直取向石墨层包括相间设置的第一垂直取向石墨层和第二垂直取向石墨层，所述第一垂直取向石墨层设置有多个，所述第二垂直取向石墨层设置有多个，相邻的所述第二垂直取向石墨层之间设置有硅基颗粒，如图4所示；其他结构与实施例一相同，这里不再赘述。

[0055] 实施例五

[0056] 与实施例四不同的是：本实施例还包括由多个硅基颗粒形成的硅基颗粒层，所述硅基颗粒层设置在所述第一垂直取向石墨层和所述第二垂直取向石墨层之间，如图5所示；其他结构与实施例四相同，这里不再赘述。

[0057] 对比例一

[0058] 本对比例直接将硅基颗粒与石墨颗粒均匀搅拌，形成均匀混合的硅‑碳复合材料，然后涂布于铜箔集流体上。

[0059] 将实施例一至五与对比例一中制备得到的极片用于电芯中，并进行电化学性能测试，测试结果如表1所示。

[0060] 表1

[0061]   容量保持率(％) 1000周膨胀率(％)
实施例一 89.6％ 7.8％
实施例二 89.5％ 7.9％
实施例三 89.6％ 7.8％
实施例四 89.4％ 7.8％
实施例五 89.3％ 7.9％
对比例一 82.5％ 9.8％

[0062] 从表1中的测试结果可以看出，本实用新型设计的极片结构具有更高的容量保持率和更低的膨胀率，说明本实用新型通过设置垂直取向石墨和硅基颗粒在集流体上的涂布方式，既有效提升了电芯的能力密度和充电能力、同时也改善了电芯体积膨胀；垂直取向石墨有着更短的锂离子传输路径，实现锂离子的快速传输，同时，垂直取向石墨在平行于极片方向的体积膨胀几乎可以忽略不计，从而电芯体积膨胀小，能量密度高；本实用新型中的硅基颗粒在垂直石墨层孔隙之间，提供了硅的膨胀空间，保证了电芯循环稳定性；本实用新型中的垂直取向石墨片层之间可以容纳产生的“死锂”和锂枝晶，可避免锂枝晶沉积在石墨底部，减少锂枝晶与电解液接触，进而降低电解液的消耗、增加电池循环寿命。

[0063] 根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型所属领域的技术人员还能够对上述实施例进行变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上述的具体实施例，凡是本领域技术人员在本实用新型的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本实用新型的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本实用新型构成任何限制。