CN110676517B - 电芯以及电池 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种电芯以及电池。电芯包括第一集流体、第二集流体和第一保护层，第一集流体包括第一段和第二段，第二集流体包括第三段和第四段，第一段的外侧表面设置活性物质层，第二段的外侧表面、第二段的内侧表面、第一段的内侧表面、第三段的外侧表面、第四端的内侧表面未设置活性物质层，第三段的外侧表面面对第一段的内侧表面和第二段的内侧表面，第四段的内侧表面面对第二段的外侧表面，第四段的内侧表面设置第一保护层。根据本申请的电芯，在针刺测试中通过第一集流体和第二集流体之间的短路，可以快速把电芯能量释放掉，避免电芯起火失效。另外，通过控制活性物质层的长度，可有效避免卷绕过程中集流体的滑动引起的短路问题。

Description

电芯以及电池
技术领域
本申请涉及电化学装置技术领域，具体而言，尤其涉及一种电芯以及电池。
背景技术
聚合物锂离子电池在不断追求高能量密度，随之而来是安全方面的巨大挑战，许多高能量密度的电芯面临难以通过某些安全测试的风险，比如针刺测试。而常用的改善针刺的方法是通过双面未设置的阴阳极集流体而进行的。但是这种双面未设置的阴阳极集流体存在一定的弊端：首先，双面未设置的阴阳极集流体在卷绕过程中容易滑动，造成集流体相互接触，后续充发电过程中存在短路风险；其次，对于外侧的双面未设置的阴阳极集流体，当电芯与铝塑膜发生相对位移时，如跌落时，收尾处的双面胶会使未设置的极集流体发生撕裂，从而引起短路风险；另外，对于内侧的双面未设置的阴阳极集流体，在实际工况中，一般只会针刺到电芯表面几层，而针刺不到双面未设置的阴阳极集流体，导致针刺不能发挥作用。
申请内容
本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本申请提出一种电芯，所述电芯具有结构简单、性能好的优点。
本申请还提出一种电池，所述电池具有如上所述的电芯。
根据本申请实施例的电芯,电芯包括第一集流体、第二集流体和第一保护层，所述第一集流体和所述第二集流体卷绕形成所述电芯，所述第一集流体包括依次连接的第一段和第二段，所述第一段的外侧表面设置活性物质层，所述第二段的外侧表面、所述第二段的内侧表面以及所述第一段的内侧表面未设置活性物质层；所述第二集流体包括第三段和第四段，所述第三段位于所述第一段的内侧，所述第四段位于所述第二段的外侧，所述第三段的外侧表面、所述第四端的内侧表面未设置活性物质层，所述第三段的外侧表面面对所述第一段的内侧表面和所述第二段的内侧表面，所述第四段的内侧表面面对所述第二段的外侧表面；所述第一保护层位于所述第四段的内侧表面。
根据本申请实施例的电芯，通过在第四段的内侧表面设置第一保护层，且与第四段的内侧表面面对的第二段的外侧表面未设置活性物质层，由此该结构在针刺测试中通过第一集流体和第二集流体之间的短路，可以快速把电芯能量释放掉，避免电芯起火失效。另外，通过在第一集流体和第二集流体相对的表面上控制设置活性物质层的长度，还可以有效避免卷绕过程中由于双面未设置活性物质集流体的滑动引起的短路问题。
在一些实施例中，所述第一段包括依次连接的第一弧形段和第一平直段，所述第二段包括第二弧形段，所述第二弧形段与所述第一平直段连接。
在一些实施例中，所述第三段包括依次连接的第三弧形段、第二平直段和第四弧形段，所述第四段包括第五弧形段，所述第五弧形段不与所述第四弧形段连接。
在一些实施例中，所述第二集流体包括第五段，所述第五段连接所述第五弧形段和所述第四弧形段。
在一些实施例中，电芯包括第二保护层，第二保护层位于所述第三段的外侧表面。
在一些实施例中，所述第二保护层位于所述第三弧形段的外侧表面。
在一些实施例中，所述第一集流体为阳极集流体，所述第二集流体为阴极集流体。
在一些实施例中，所述第一集流体为铜箔，所述第二集流体为铝箔。
根据本申请实施例的电池，包括：包装壳和电芯，所述电芯为如上所述的电芯，所述电芯位于所述包装壳内，第一极耳，与所述第一集流体电连接；第二极耳，与所述第二集流体电连接；所述第一极耳与所述第二极耳穿过所述包装壳。
根据本申请实施例的电池，通过在第四段的内侧表面设置第一保护层，且与第四段的内侧表面面对的第二段的外侧表面未设置活性物质层，由此该结构在针刺测试中通过第一集流体和第二集流体之间的短路，可以快速把电芯能量释放掉，避免电芯起火失效。另外，通过在第一集流体和第二集流体相对的表面上控制设置活性物质层的长度，还可以有效避免卷绕过程中由于双面未设置活性物质集流体的滑动引起的短路问题
在一些实施例中，所述包装壳包括第一面和第二面，在所述第一极耳垂直方向，所述第一面和所述第二面相对设置在所述包装壳的两侧；相比所述第一面，所述第一极耳更靠近所述第二面；相对所述第二面，所述第一平直段更靠近所述第一面。
附图说明
本申请的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本身申请实施例的电池的结构示意图；
图2是根据本身申请实施例的电芯的结构示意图；
图3是根据本身申请实施例的电芯的第一集流体的卷绕结构示意图；
图4是根据本身申请实施例的电芯的第一集流体的局部卷绕结构示意图；
图5是根据本身申请实施例的电芯的第一集流体的展开结构示意图，其中，箭头a为卷绕方向；
图6是根据本身申请实施例的电芯的第二集流体的卷绕结构示意图；
图7是根据本身申请实施例的电芯的第二集流体的局部卷绕结构示意图；
图8是根据本身申请实施例的电芯的第二集流体的展开结构示意图，其中，箭头a为卷绕方向；
图9是根据本身申请实施例的电芯的包装壳的结构示意图。
附图标记：
电芯100，活性物质层101，
第一集流体110，第一段111，第一弧形段1111，第一平直段1112，
第二段112，第二弧形段1121，
第二集流体120，
第三段121，第三弧形段1211，第二平直段1212，第四弧形段1213，
第四段122，第五弧形段1221，
第五段123，
第一保护层130，
第二保护层140，
电池200，第一极耳201，第二极耳202，
包装壳210，深坑面211，浅坑面212。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
下面参照附图详细描述根据本申请实施例的电芯100及电池200。需要说明的是，电池200可以包括所有种类的原电池，二次电池，燃料电池，太阳能电池和电容器，例如超级电容器。特别优选锂二次电池，包括锂金属二次电池，锂离子二次电池，锂聚合物二次电池和锂离子聚合物二次电池。
通常而言，锂离子二次电池可以包括锂基氧化物作为构成阴极的正极活性材料和碳材料作为构成阳极的负极活性材料。阴极和阳极是由隔膜(典型地为聚合物微孔膜)相互分隔开的，该隔膜允许锂离子在这两个电极之间进行交换，而电子则不能进行交换。根据用于锂离子二次电池的电解质，锂离子电池进一步被分类为液态电解质电池和高分子电解质电池。例如，使用液态电解质的二次电池被称为“锂离子二次电池”，使用高分子电解质的二次电池被称为“锂聚合物二次电池”。锂离子二次电池可以形成各种形状，例如罐型锂离子二次电池和袋型锂离子二次电池。
典型地，电池电芯100是以放电状态进行组装的，因为经过放电的阴极材料(例如LiCoO2、LiFePO4)和阳极材料(例如碳)在空气中是稳定的，进而在工业实践中容易处理。在充电过程中，这两个电极在电池外部会连接到电源，从而使电子从阴极释放到阳极。同时，锂离子在电池内部从阴极经过电解质迁移到阳极。以此方式，外部能量会通过电化学方式以化学能的形式存储在具有不同化学势能的阳极材料和阴极材料中(即阴极具有高电势，阳极具有低电势)。在放电过程中，电子在电池外部从阳极经过外部负载(例如移动电话中的电路或者电动车辆中的电机)迁移至阴极以进行工作，同时，在电池内部，锂离子在电解质中从阳极迁移至阴极。结果，在这两个电极处的电化学反应会释放所存储的化学能。这也被称为“穿梭椅(shuttle chair)”机制，通过该机制，在充电和放电循环过程中，锂离子在阳极和阴极之间穿梭。
可以采用多种参数来监控锂离子电池的性能，例如比能量、体积能量、比容量、循环特性、安全性、抗滥用能力和充放电速率。例如，比能量(Wh/kg)用于衡量每单位质量电池能够被存储和释放的能量的量，可以通过比容量(Ah/kg)乘以电池工作电压(V)来确定比能量(Wh/kg)。比容量用于衡量每单位质量电池能够被可逆存储的电荷量，比容量与通过电化学反应释放的电子数以及主体的原子量紧密相关。循环特性用于衡量锂离子嵌入和脱逸过程的可逆性，其依据在电池显著损失能量或者不再能够保持其所供能设备的功能之前充放电循环的次数。
如图1所示，根据本申请实施例的电芯100，包括层叠的第一集流体110、第二集流体120和第一保护层130，第一集流体110和第二集流体120卷绕形成电芯100。其中，第一保护层130可以为具有粘性的物质层，其可以粘贴在集流体的表面。
如图3、图4以及图5所示，第一集流体110可以包括依次连接的第一段111和第二段112，第一段111的外侧表面(如图5所示的位于c侧方向的表面)设置活性物质层101，第二段112的外侧表面(如图5所示的位于c侧方向的表面)、第二段112的内侧表面(如图5所示的位于b侧方向的表面)以及第一段111的内侧表面(如图5所示的位于b侧方向的表面)未设置活性物质层101。
如图6、图7以及图8所示，第二集流体120可以包括第三段121和第四段122。
其中，第三段121位于第一段111的内侧(如图5、图8所示的b侧方向)，第四段122位于第二段112的外侧(如图5、图8所示的c侧方向)，第三段121的外侧表面(如图8所示的位于c侧方向的表面)、第四端的内侧表面(如图8所示的位于b侧方向的表面)未设置活性物质层101，第三段121的外侧表面(如图8所示的位于c侧方向的表面)面对第一段111的内侧表面(如图5所示的位于b侧方向的表面)和第二段112的内侧表面(如图5所示的位于b侧方向的表面)，第四段122的内侧表面(如图8所示的位于b侧方向的表面)面对第二段112的外侧表面(如图5所示的位于c侧方向的表面)。
如图7所示，第一保护层130位于第四段122的内侧表面，即第四段122的内侧表面(如图8所示的位于b侧方向的表面)被设置有第一保护层130，由此可以避免电芯100在卷绕过程中由于双面未设置活性物质集流体的滑动。
根据本申请实施例的电芯100，通过在第四段122的内侧表面(如图8所示的位于b侧方向的表面)设置第一保护层130，且与第四段122的内侧表面(如图8所示的位于b侧方向的表面)面对的第二段112的外侧表面(如图5所示的位于c侧方向的表面)未设置活性物质层101，由此该结构在针刺测试中通过第一集流体110和第二集流体120之间的短路，可以快速把电芯100能量释放掉，避免电芯100起火失效。另外，通过在第一集流体110和第二集流体120相对的表面上控制设置活性物质层101的长度，还可以有效避免卷绕过程中由于双面未设置活性物质集流体的滑动引起的短路问题。
如图3、图4所示，根据本申请的一些实施例，第一段111可以包括依次连接的第一弧形段1111和第一平直段1112。也就是说，第一段111在卷绕过程中，第一段111存在部分结构位于转弯的部位以构造出第一弧形段1111，第一段111也存在部分结构位于平直的部位以构造出第一平直段1112。第二段112可以包括第二弧形段1121，第二弧形段1121与第一平直段1112连接。可以理解的是，第二段112在卷绕过程中，第二段112的至少部分结构位于转弯的部位，该转弯的结构即为第二弧形段1121，该第二弧形段1121与第一段111上的第一平直段1112连接。
如图6、图7所示，第三段121可以包括依次连接的第三弧形段1211、第二平直段1212和第四弧形段1213。例如，如图7所示，在第三段121的卷绕过程中，卷绕后的第三段121的结构包括两段转弯的结构(即为第三弧形段1211和第四弧形段1213)和一段平直的结构(即为第二平直段1212)，且两个转弯的结构中间夹设一个平直的结构。
进一步地，如图7所示，第四段122可以包括第五弧形段1221，第五弧形段1221不与第四弧形段1213连接。可以理解的是，第四段122在卷绕过程中，第四段122的至少部分结构位于转弯的部位以构造出第五弧形段1221，第五弧形段1221与第四弧形段1213之间具有第二集流体120上的其他部分结构，即第五弧形段1221与第四弧形段1213间接连接。
在一些实施例中，如图7所示，第二集流体120可以包括第五段123，第五段123呈U型，第五段123连接于第五弧形段1221和第四弧形段1213之间。根据本申请的一些实施例，如图6、图7所示，第二保护层140位于第三段121的外侧表面，第三段121的外侧表面的被设置有第二保护层140，由此可以避免电芯100在卷绕过程中由于双面未设置活性物质集流体的滑动。进一步地，第二保护层140位于第三弧形段1211的外侧表面。其中，第二保护层140可以为具有粘性的物质层，其可以粘贴在集流体的表面。
在一些实施例中，电芯100的最外圈是单面设置活性物质的集流体。例如，在如图2、图6、图7所示的示例中，第二集流体120的尾部结构构造出电芯100的最外圈，第二集流体120的位于该圈的结构仅在单面设置活性物质层101，由此可以避免电芯100在跌落时双面胶造成的集流体撕裂问题。
根据本申请的一些实施例，第一集流体110为阳极集流体，第二集流体120为阴极集流体。进一步地，第一集流体110为铜箔，第二集流体120为铝箔。如图1、图2所示，第一集流体110的端部可以设有第一极耳201，第二集流体120的的端部可以设有第二极耳202，在电芯100的卷绕过程中，第一极耳201与第一集流体110的连接端位于电芯100的内部，第一极耳201的另一端位于电芯100的外侧；同样的，在电芯100的卷绕过程中，第二极耳202与第二集流体120的连接端位于电芯100的内部，第二极耳202的另一端位于电芯100的外侧。
对阴极材料的主要要求包括与锂反应的高自由能、掺入大量锂以及在电解质中不可溶等。在某些实施方式中，可以基于电压与锂的关系对阴极材料进行如下分类：(i)2伏阴极材料，如具有2D层状结构的TiS2和MoS2；(i i)3伏阴极材料，如MnO2和V2O5；(i i i)4伏阴极材料，如具有2D层状结构的LiCoO2、LiNiO2，3D尖晶石型LiMn2O4和橄榄石型LiFePO4；以及(iv)5伏阴极材料如橄榄石型LiMnPO4、LiCoPO4和具有尖晶石型3D结构的Li2MxMn4-xO8(M＝Fe和Co的至少之一)。需要注意的是，尽管由于所存储的能量与电芯100工作电压成比例，所以期望高阴极电压，但是在选择高电压阴极材料时还需要考虑到电解质稳定性。
在上面所描述的阴极材料中，LiCoO2和LiFePO4在商业化锂离子电池中得到了最广泛的使用，因为它们具有良好的循环寿命(>500次循环)。另外，LiCoO2易于大规模生产并且在空气中是稳定的。与LiCoO2相比，LiFePO4基阴极材料具有更低的生产成本和低环境负荷。LiFePO4所提供的其他优势包括稳定性、优秀的循环寿命和温度耐受性(-20～70摄氏度)。已经采用了两种策略(即掺杂离子和包覆碳)来进一步增强LiFePO4的电子电导率和离子电导率。
与阴极材料相比，阳极材料具有更大的侯选物库。锂离子电池的电化学性能包括循环特性、充电速率和能量密度会受到阳极材料的显著影响。目前，在当今的商业化锂离子电池中，碳仍然是主导选择。例如，具有层叠结构的石墨碳能够促进锂离子以最低不可逆性迁移进出石墨碳的晶格空间，实现了优秀的循环特性。
研究显示已知能够与锂形成合金的锡和许多其他元素(包括硅)都是替代碳实现锂存储的良好候选。这些元素能够通过电化学方式与锂形成合金和脱合金。但是，在充电/放电过程中，形成合金/脱合金过程是通过材料比容的实质改变而实现的。在数个循环内，所引发的高机械应力能够导致晶体结构的破坏以及将活性材料和集流体分解，或者所谓的“粉化”现象。所造成的循环特性差已经显著地限制了它们在实际情况中的适用性。改善阳极材料循环特性的一种方式是引入复合体。在这类复合体材料中，一种组分(通常为碳)作为应力吸收体，而其他的组分(例如硅或者锡)则提供了容量的大幅提高。通过这种方式，可以获得容量比碳高并且循环特性比Sn或Si高的复合体。
电化学特征暗示如果使用TiO2，则在碳基电池中金属锂沉积和形成枝晶、电池短路和热失控的潜在风险能够得到避免。另外，在其电势窗口内，在TiO2上不会形成表面电解质中间相(SEI)。因此，在安全性是首位优先考虑的情形中，例如，在航空和航天应用中，TiO2基阳极能够找到某些利基应用。
铁氧化物已经被认为是用于高容量锂离子电池前景很好的碳替代品阳极材料，因为铁氧化物具有低成本、无毒性和环境友好等优势。碳包覆已经用于改善铁氧化物的电化学性能。碳包覆层能够增强每个单一单元的导电性以及改善不同单元之间的更佳电接触。碳层也可以作为缓冲层来缓解由于巨大的体积膨胀所造成的应力，避免结构崩溃，或者改善循环特性。
最后，研究已经揭示那些纳米级的锂活性材料的尺寸和形状可调性能够赋予额外的参数用于进一步优化它们的电化学性能。纳米结构电极材料能够赋予在常规大块材料中无法获得的多种优势。
如图1、图9所示，根据本申请实施例的电池200包括第一极耳201、第二极耳202、包装壳210和电芯100，其中电芯100可以为如上所述的电芯100，电芯100位于包装壳210内。
根据本申请实施例的电池200，通过在第四段122的内侧表面(如图8所示的位于b侧方向的表面)设置第一保护层130，且与第四段122的内侧表面(如图8所示的位于b侧方向的表面)面对的第二段112的外侧表面(如图5所示的位于c侧方向的表面)未设置活性物质层101，由此该结构在针刺测试中通过第一集流体110和第二集流体120之间的短路，可以快速把电芯100能量释放掉，避免电芯100起火失效。另外，通过在第一集流体110和第二集流体120相对的表面上控制设置活性物质层101的长度，还可以有效避免卷绕过程中由于双面未设置活性物质集流体的滑动引起的短路问题。
在一些实施例中，如图9所示，包装壳210可以包括深坑面211和浅坑面212，深坑面211与浅坑面212相对，第一段111位于深坑面211内，由于马甲区在次外圈深坑面211及侧面，针刺时可以有效发挥作用。
在一些实施例中，如图9所示，包装壳210包括第一面211和第二面212，在第一极耳201垂直方向，第一面211和第二面212相对设置在包装壳210的两侧，相对第一面211，第一极耳201更靠近第二面212，相对第二面212，第一平直段1112更靠近第一面211。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本申请的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本申请的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种电芯，包括：
第一集流体；
第二集流体，所述第一集流体和所述第二集流体卷绕形成所述电芯；
第一保护层；
所述第一集流体包括依次连接的第一段和第二段，所述第一段的外侧表面设置活性物质层，所述第二段的外侧表面、所述第二段的内侧表面以及所述第一段的内侧表面未设置所述活性物质层；
所述第二集流体包括第三段和第四段，所述第三段位于所述第一段的内侧，所述第四段位于所述第二段的外侧，所述第三段的外侧表面、所述第四段的内侧表面未设置所述活性物质层，所述第三段的内侧表面设置所述活性物质层，所述第三段与所述第一段和所述第二段相邻设置，
所述第三段的外侧表面面对所述第一段的内侧表面和所述第二段的内侧表面，所述第四段的内侧表面面对所述第二段的外侧表面；
其中，所述第一保护层位于所述第四段的内侧表面。
2.根据权利要求1所述的电芯，所述第一段包括依次连接的第一弧形段和第一平直段，所述第二段包括第二弧形段，
其中，所述第二弧形段与所述第一平直段连接。
3.根据权利要求1所述的电芯，所述第三段包括依次连接的第三弧形段、第二平直段和第四弧形段，
其中，所述第四段包括第五弧形段，所述第五弧形段不与所述第四弧形段连接。
4.根据权利要求3所述的电芯，所述第二集流体包括第五段，
其中，所述第五段连接所述第五弧形段和所述第四弧形段。
5.根据权利要求3所述的电芯，包括第二保护层，其中，第二保护层位于所述第三段的外侧表面。
6.根据权利要求5所述的电芯，其中，所述第二保护层位于所述第三弧形段的外侧表面。
7.根据权利要求1所述的电芯，其中，所述第一集流体为阳极集流体，所述第二集流体为阴极集流体。
8.根据权利要求1所述的电芯，其中，所述第一集流体为铜箔，所述第二集流体为铝箔。
9.一种电池，包括：
根据权利要求1-8中任一项所述的电芯；
第一极耳，与所述第一集流体电连接；
第二极耳，与所述第二集流体电连接；
包装壳；
其中，所述电芯位于所述包装壳内，所述第一极耳与所述第二极耳穿过所述包装壳。
10.根据权利要求9所述的电池，所述包装壳包括第一面和第二面，在所述第一极耳垂直方向，所述第一面和所述第二面相对设置在所述包装壳的两侧；
其中，相对所述第一面，所述第一极耳更靠近所述第二面；
相对所述第二面，所述第一平直段更靠近所述第一面。
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