CN111916845A - 电化学装置及电子装置 - Google Patents

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Abstract

一种电化学装置，包括电极组件。电极组件包括负极极片、正极极片和隔离膜。负极极片、隔离膜和正极极片层叠卷绕。负极极片包括负极集流体，负极集流体包括第一部分和第二部分。第一部分的一面设置第一负极活性物质层。第二部分的两面分别设置第二负极活性物质层和第三负极活性物质层。正极极片包括正极集流体，正极集流体包括第三部分和第四部分。第一正极活性物质层设置于第三部分，第二正极活性物质层设置于第四部分。负极第一区与正极第一区的阻抗值的比值小于负极第二区与正极第二区的阻抗值的比值。本申请还提供一种电子装置。本申请能够降低负极极片头部单面涂覆区析锂风险。

Description

电化学装置及电子装置
技术领域
本申请涉及储能技术领域，尤其涉及一种电化学装置及电子装置。
背景技术
随着消费电子类的产品如笔记本电脑、手机、掌上游戏机、平板电脑、移动电源和无人机等的普及，人们对电化学装置(例如，锂离子电池)的要求越来越严格。
然而，电化学装置的安全性仍无法得到有效的保障。例如，当锂离子电池经过长期的充放电循环后，锂离子电池的电极极片，尤其是负极极片的表面上会析出锂而形成锂枝晶。锂枝晶会戳破负极极片和正极极片之间的隔离膜，导致正极极片和负极极片直接接触而发生电化学短路，从而降低电芯的安全性。
发明内容
为解决现有技术以上不足之处，有必要提供一种有利于降低极片析锂风险，提高安全性的电化学装置。
另，还有必要提供一种具有上述电化学装置的电子装置。
本申请提供一种电化学装置，包括电极组件。电极组件包括负极极片、正极极片和隔离膜，负极极片、隔离膜和正极极片层叠卷绕。
负极极片包括负极集流体，负极集流体包括第一部分和第二部分。沿卷绕方向，第一部分和第二部分依次连接。第一部分的一面设置第一负极活性物质层，另一面未设置负极活性物质层。第二部分的两面分别设置第二负极活性物质层和第三负极活性物质层，第一负极活性物质层和第二负极活性物质层位于负极集流体的同一面。定义所述第一部分和所述第一负极活性物质层为负极第一区，且所述第二部分和所述第二负极活性物质层为负极第二区。
正极极片包括正极集流体，正极集流体包括第三部分和第四部分。第一正极活性物质层设置于第三部分，第二正极活性物质层设置于第四部分。第一正极活性物质层对应第一负极活性物质层，第二正极活性物质层对应第二负极活性物质层。定义第三部分和第一正极活性物质层为正极第一区，且第四部分和第二正极活性物质层为正极第二区。
其中，负极第一区的阻抗值与正极第一区的阻抗值的比值为R1，负极第二区的阻抗值与正极第二区的阻抗值的比值为R2，R1<R2。
一般情况下，R1与R2相等，本申请设置R1<R2，即在R2的基础上，降低R1，降低在负极第一区的表面形成锂枝晶的风险，从而提高安全性。
在本申请一些实施方式中，负极第一区的阻抗值小于负极第二区的阻抗值。因此，当单位面积的正极第一区和正极第二区脱出相同数量的锂离子时，相较于单位面积的负极第二区，单位面积的负极第一区能够更快速地嵌入这些锂离子，从而降低负极第一区的析锂风险。
在本申请一些实施方式中，第一负极活性物质层包括第一负极活性物质，第二负极活性物质层包括第二负极活性物质，第一负极活性物质的平均粒径小于第二负极活性物质的平均粒径。
在本申请一些实施方式中，第一负极活性物质层和第二负极活性物质层均包括第一导电剂，第一负极活性物质层中第一导电剂的含量大于第二负极活性物质层中第一导电剂的含量。
在本申请一些实施方式中，第一负极活性物质包括硬碳，第二负极活性物质包括石墨。
在本申请一些实施方式中，第一负极活性物质包括石墨或硬碳中的至少一种，第二负极活性物质包括硅、锡或二氧化硅中的至少一种。
在本申请一些实施方式中，第一部分的导电率大于第二部分的导电率。
在本申请一些实施方式中，负极第一区还包括第一导电层，第一导电层位于第一部分和第一负极活性物质层之间。负极第二区还包括第二导电层，第二导电层位于第二部分和第二负极活性物质层之间。第一导电层的导电率大于第二导电层的导电率。
在本申请一些实施方式中，正极第一区的阻抗值大于正极第二区的阻抗值。因此，相较于单位面积的正极第二区，单位面积的正极第一区能够相对更慢地脱出锂离子，缓解锂离子在负极第一区表面的囤积程度，从而降低负极第一区的析锂风险。
在本申请一些实施方式中，第一正极活性物质层包括第一正极活性物质，第二正极活性物质层包括第二正极活性物质。第一正极活性物质的平均粒径大于第二正极活性物质的平均粒径。
在本申请一些实施方式中，第一正极活性物质包括单晶颗粒。第二正极活性物质包括多晶颗粒。
在本申请一些实施方式中，第一正极活性物质的表面具有碳，第二正极活性物质的表面具有碳。第一正极活性物质表面的碳含量小于第二正极活性物质表面的碳含量。
在本申请一些实施方式中，第一正极活性物质层和第二正极活性物质层均包括第二导电剂，第一正极活性物质层中第二导电剂的含量小于第二正极活性物质层中第二导电剂的含量。
在本申请一些实施方式中，第三部分的导电率小于第四部分的导电率。
在本申请一些实施方式中，正极第一区包括还第三导电层，第三导电层位于第三部分和第一正极活性物质层之间。正极第二区还包括第四导电层，第四导电层位于第四部分和第二正极活性物质层之间。第三导电层的导电率小于第四导电层的导电率。
本申请还提供一种电子装置，包括如上电化学装置。
附图说明
图1为本申请一实施方式的电化学装置的结构示意图。
图2为图1所示的电化学装置的电极组件的结构示意图。
图3为图2所示的电极组件的负极极片展开时的结构示意图。
图4为图2所示的电极组件的正极极片展开时的结构示意图。
图5为本申请一实施方式的电子装置的结构示意图。
主要元件符号说明
电极组件 1
电子装置 2
负极极片 10
负极第一区 10a
负极第二区 10b
负极集流体 11
正极极片 20
正极第一区 20a
正极第二区 20b
正极集流体 21
隔离膜 30
收尾胶 40
电化学装置 100
外壳 101
第一部分 111
第二部分 112
第六部分 113
第一负极活性物质层 121
第二负极活性物质层 122
第三负极活性物质层 123
第三部分 211
第四部分 212
第五部分 213
第一正极活性物质层 221
第二正极活性物质层 222
第三正极活性物质层 223
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本申请。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
请参阅图1和图2，本申请一实施方式提供一种电化学装置100，包括外壳101和容置于外壳101内的电极组件1。电极组件1包括负极极片10、正极极片20和隔离膜30。负极极片10、正极极片20和隔离膜30层叠卷绕。隔离膜30用于防止负极极片10和正极极片20直接接触，防止电极组件1短路。
请一并参阅图3，负极极片10包括负极集流体11。负极集流体11包括第一部分111和第二部分112。沿卷绕方向，第一部分111和第二部分112依次连接。第一部分111为单面涂覆区，第一部分111的一面设置有第一负极活性物质层121，另一面未设置负极活性物质层。第二部分112为双面涂覆区，第二部分112的两面分别设置有第二负极活性物质层122和第三负极活性物质层123。第一负极活性物质层121和第二负极活性物质层122位于负极集流体11的同一面。由于第一部分111和第二部分112沿卷绕方向依次连接，使得第一负极活性物质层121更靠近负极极片10的卷绕起始段。定义第一部分111和第一负极活性物质层121为负极第一区10a，且第二部分112和负极活性物质第二区122为负极第二区10b。
请一并参阅图4，正极极片20包括正极集流体21，正极集流体21包括第三部分211和第四部分212。第一正极活性物质层221设置于第三部分211，第二正极活性物质层222设置于第四部分212。第一正极活性物质层221和第二正极活性物质层222位于正极集流体21同一侧。第一正极活性物质层221对应第一负极活性物质层121，第二正极活性物质层222对应第二负极活性物质层122。即在负极极片10厚度方向，第一正极活性物质层221与第一负极活性物质层121完全对应，第一正极活性物质层221落入第二负极活性物质层122范围内；第二正极活性物质层222与第二负极活性物质层122完全对应，第二正极活性物质层222落入第二负极活性物质层122范围内。定义第三部分211和第一正极活性物质层221为正极第一区20a，且第四部分212和第二正极活性物质层222为正极第二区20b。
其中，负极第一区10a的阻抗值与正极第一区20a的阻抗值的比值为R1，负极第二区10b的阻抗值与正极第二区20b的阻抗值的比值为R2，R1<R2。本申请上述阻抗值可以是直流阻抗值(DCR)，也可以是交流阻抗值(ACR或IMP)。
通常，极片的制备工艺包括正负极浆料搅拌、极片涂布、极片辊压、极片分条等工序，辊压的目的在于使活性物质本身或与集流体结合更加紧密、厚度更加均匀，从而提升极片的压实密度。本申请发明人发现，针对负极极片的头部设置单面活性物质层的情况(如本申请上述第一负极活性物质层121)，当辊压过程中极片沿走带方向(MD方向，参阅图3)移动速度较快时，由于单面活性物质层的厚度相较于主体区双面活性物质层的厚度要小，因此在单面活性物质层处容易受到辊压不完全的影响，导致单面活性物质层的密度通常低于主体区的密度，即单面活性物质层的孔隙较多。因此，单面活性物质层对电解液的需求量也对应增大。经过长期的充放电循环后，由于单面活性物质层附近电解液消耗较快，局部极化增大，使单面活性物质层处容易产生锂过剩甚至析锂。
本申请采用阻抗值来衡量极片不同区域的动力学性能。考虑到现有技术中负极极片头部的单面活性物质层存在析锂风险的情况，本申请设置R1<R2，即相对降低了负极第一区10a的阻抗值与正极第一区20a的阻抗值的比值R1。因此若负极第二区10b能够避免析锂现象，负极第一区10a也能够避免析锂现象(即负极第一区10a的析锂风险小于负极第二区10b的析锂风险)。也就是说，锂枝晶在负极第一区10a的表面形成的风险降低，从而提高了安全性。
本申请设置R1<R2，具体可以通过降低负极第一区10a的阻抗值(即提高负极第一区10a的动力学性能)的方式实现。因此，本申请一实施方式中，负极第一区10a的阻抗值小于负极第二区10b的阻抗值。从而，当单位面积的正极第一区20a和正极第二区20b脱出相同数量的锂离子时，相较于单位面积的负极第二区10b，单位面积的负极第一区10a能够更快速地嵌入这些锂离子，不会出现过量锂离子囤积的现象，从而降低负极第一区10a的析锂风险。
其中，可以通过调整负极活性物质的粒径大小、负极活性物质的种类、负极极片10中的导电剂的含量、负极集流体11的导电率和负极集流体11上的导电层的导电率等方式来提高负极第一区10a的动力学性能。
下面以用于锂离子二次电池的电极组件1为例对负极活性物质进行举例说明。负极活性物质包括能够嵌入和脱出锂的负极材料，如碳材料、金属化合物、氧化物、硫化物、锂的氮化物(例如LiN3)、锂金属、与锂一起形成合金的金属和聚合物材料等。
其中，碳材料可以包括但不限于：低石墨化的碳、易石墨化的碳、人造石墨、天然石墨、中间相碳微球、软碳、硬碳、热解碳、焦炭、玻璃碳、有机聚合物化合物烧结体、碳纤维和活性碳。其中，焦炭可以包括沥青焦炭、针状焦炭和石油焦炭。有机聚合物化合物烧结体指的是通过在适当的温度下煅烧聚合物材料(例如，苯酚塑料或者呋喃树脂)以使之碳化获得的材料，这些材料可以分为低石墨化碳或者易石墨化的碳。聚合物材料可以包括但不限于聚乙炔和聚吡咯。
更进一步地，可以选择充电和放电电压接近于锂金属的充电和放电电压的材料作为负极活性物质，这是因为负极活性物质的充电和放电电压越低，锂离子电池越容易具有更高的能量密度。其中，负极活性物质可以选择碳材料，因为在充电和放电时碳材料的晶体结构较小，因此可以获得良好的循环特性以及较大的充电和放电容量。负极活性物质尤其可以选择石墨，因为石墨能够提供较大的电化学当量和较高的能量密度。
此外，能够嵌入/脱出锂的负极材料可以包括单质锂金属、能够和锂一起形成合金的金属元素和半金属元素，包括这样的元素的合金和化合物等等。特别地，将它们和碳材料一起使用，因为在这种情况中，可以获得良好的循环特性以及高能量密度。除了包括两种或者多种金属元素的合金之外，这里使用的合金还包括包含一种或者多种金属元素和一种或者多种半金属元素的合金。所述合金可以处于以下状态固溶体、共晶晶体(共晶混合物)、金属间化合物及其混合物。金属元素和半金属元素的例子可以包括锡(Sn)、铅(Pb)、铝(Al)、铟(In)、硅(Si)、锌(Zn)、锑(Sb)、铋(Bi)、镉(Cd)、镁(Mg)、硼(B)、镓(Ga)、锗(Ge)、砷(As)、银(Ag)、锆(Zr)、钇(Y)和铪(Hf)。上述合金和化合物的例子可以包括具有化学式：MasMbtLiu的材料和具有化学式：MapMcqMdr的材料。在这些化学式中，Ma表示能够与锂一起形成合金的金属元素和半金属元素中的至少一种元素；Mb表示除锂和Ma之外的金属元素和半金属元素中的至少一种元素；Mc表示非金属元素中的至少一种元素；Md表示除Ma之外的金属元素和半金属元素中的至少一种元素；并且s、t、u、p、q和r满足s＞0、t≥0、u≥0、p＞0、q＞0和r≥0。
此外，可以在负极中使用不包括锂的无机化合物，例如MnO2、V2O5、V6O13、NiS和MoS。
在一实施方式中，第一负极活性物质层121包括第一负极活性物质，第二负极活性物质层122包括第二负极活性物质。第一负极活性物质的平均粒径Dv50小于第二负极活性物质的平均粒径Dv50。本申请采用平均粒径Dv50来衡量活性物质的粒径大小，平均粒径Dv50为在体积累积分布曲线中的50％处材料颗粒的粒径值(累积分布曲线显示最小颗粒到最大颗粒的粒度)。其中，相较于平均粒径Dv50较大的活性物质，锂离子更容易嵌入至平均粒径Dv50较小的活性物质中。即，具有小粒径活性物质的极片区域更便于锂离子在负极极片10内部的移动，因此呈现出更好的动力学性能。因此，相较于第二负极活性物质层122，第一负极活性物质层121具有较高的动力学性能，当单位面积的正极活性物质层22脱出相同数量的锂离子时，单位面积的第一负极活性物质层121的活性物质能够更快速地嵌入这些锂离子，从而降低第一负极活性物质层121的析锂风险。
具体地，制作负极极片10时，可以沿负极极片10的走带方向对负极集流体11进行分区域涂布，即在第一部分111和第二部分112上涂布不同的负极活性物质。分区域涂布具体可以采用但不限于转移涂布或挤压涂布的方式。从工序过程讲，可以通过一个涂布头经两次在负极集流体11上分区域涂布浆料然后干燥的方式，也可以通过两个涂布头先后在负极集流体11上涂布不同浆料再一次干燥的方式。为提高生产效率，可以采用第二种工序。
在一实施方式中，负极极片10还包括导电剂，导电剂用于增强负极活性物质的导电率。在一些实施例中，导电剂包括导电碳，如导电碳黑、碳纤维、科琴黑、乙炔黑、碳纳米管和石墨烯中的至少一种。在一实施方式中，第一负极活性物质层121和第二负极活性物质层122均包括第一导电剂。第一负极活性物质层121中第一导电剂的含量大于第二负极活性物质层122中第一导电剂的含量。由于导电剂含量较大时动力学性能也相应提高，因此第一负极活性物质层121具有较高的动力学性能。
其中，还可以基于负极活性物质自身的动力学性能的差异而选择相应的负极活性物质。例如，相较于第二负极活性物质，第一负极活性物质可以包括动力学性能更好的负极活性物质。在一实施方式中，第一负极活性物质包括石墨或硬碳中的至少一种，第二负极活性物质包括硅、锡或二氧化硅中的至少一种。由于石墨和硬碳的动力学性能均比硅、锡和二氧化硅的动力学性能好，因此第一负极活性物质层121具有较高的动力学性能。
为了进一步增强负极第一区10a的动力学性能，还可以在负极第一区10a中使用导电率更好的集流体。在一实施方式中，第一部分111的导电率大于第二部分112的导电率。
为了进一步增强负极第一区10a的动力学性能，还可以在负极第一区10a中使用导电率高的导电层。导电层的材质可包括导电碳，如导电碳黑、碳纤维、科琴黑、乙炔黑、碳纳米管或石墨烯中的至少一种。在一实施方式中，负极第一区10a包括第一导电层，第一导电层位于第一部分111和第一负极活性物质层121之间。第二部分112上设置有包括第二导电层，第二导电层位于第二部分112和第二负极活性物质层122之间。第一导电层的导电率大于第二导电层的导电率。
如图3所示，在一些实施方式中，负极集流体11还包括第六部分113，第六部分113未设置负极活性物质层，即，第六部分113为空箔区。第一部分111位于第二部分112和第六部分113之间。在电极组件1制作时，可以以第六部分113作为卷绕起始段进行卷绕。
本申请设置R1<R2，具体还可以通过提高正极第一区20a的阻抗值(即弱化正极第一区20a的动力学性能)的方式实现。因此，本申请另一实施方式中，正极第一区20a的阻抗值大于正极第二区20b的阻抗值。从而，相较于单位面积的正极第二区20b，单位面积的正极第一区20a能够相对更慢地脱出锂离子，缓解锂离子在负极第一区10a表面的囤积程度。因此，同样可以降低负极第一区10a的析锂风险。
其中，可以通过调整正极活性物质的粒径大小、正极活性物质的种类、正极活性物质的晶体结构、正极极片20中的导电剂的含量、正极集流体21的导电率和正极集流体21上的导电层的导电率来降低正极第一区20a的动力学性能。
下面以用于锂离子二次电池的电极组件1为例对正极活性物质进行举例说明。正极活性物质包括能够嵌入和脱出锂(Li)的正极材料，例如钴酸锂、三元材料、锰酸锂、磷酸锰铁锂、磷酸钒锂、磷酸钒氧锂、磷酸铁锂、钛酸锂和含锂锰集流体料。
在上述正极活性物质中，钴酸锂的化学式可以，但不限制为，LiγCoaM1bO2-cHd，其中M1选自由镍(Ni)、锰(Mn)、镁(Mg)、铝(Al)、硼(B)、钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、铁(Fe)、铜(Cu)、锌(Zn)、钼(Mo)、锡(Sn)、钙(Ca)、锶(Sr)、钨(W)、钇(Y)、镧(La)、锆(Zr)、硅(Si)及其组合组成的群组，其中H选自由氟(F)、硫(S)、硼(B)、氮(N)或磷(P)及其组合组成的群组，其中γ、a、b、c和d值分别在以下范围内：0.8≤γ≤1.2、0.8≤a≤1、0≤b≤0.2、-0.1≤c≤0.2、0≤d≤0.2。
在上述正极活性物质中，三元材料的化学式可以为LiαNixCoyM2zN1βO2，其中0.7≤α≤1.3，0.3≤x＜1，0＜y＜0.4，0＜z＜0.4，0≤β≤0.05，且x+y+z+β＝1，M2选自Mn或Al中的至少一种，N1选自Mg、B、Ti、Fe、Cu、Zn、Sn、Ca、W、Si、Zr、Nb、Y、Cr、V、Ge、Mo或Sr中的至少一种。
在本申请的一些实施例中，三元材料包括镍钴锰酸锂和/或镍钴铝酸锂。
在上述正极活性物质中，锰酸锂的化学式可以为LikMn2-pM3pO4-e，其中M3表示选自由钴(Co)、镍(Ni)、镁(Mg)、铝(Al)、硼(B)、钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、铁(Fe)、铜(Cu)、锌(Zn)、钼(Mo)、锡(Sn)、钙(Ca)、锶(Sr)、钨(W)及其组合组成的群组，k、p和r值分别在以下范围内：0.8≤k≤1.2、0≤p<1.0和-0.2≤e≤0.2。
在一实施方式中，第一正极活性物质层221包括第一正极活性物质。第二正极活性物质层222包括第二正极活性物质。第一正极活性物质的平均粒径大于第二正极活性物质的平均粒径。由于第一正极活性物质层221的正极活性物质的平均粒径较大，第一正极活性物质层221的动力学性能相较于第二正极活性物质层222弱化。相较于单位面积的第二正极活性物质层222，单位面积的第一正极活性物质层221脱出锂离子的速度相对较慢，从而降低负极第一区10a的析锂风险。
具体地，制作正极极片20时，可以沿正极极片20的走带方向对正极集流体21进行分区域涂布，即在第三部分211和第四部分212上涂布不同的正极活性物质。分区域涂布具体可以采用但不限于转移涂布或挤压涂布的方式。从工序过程讲，可以通过一个涂布头经两次在正极集流体21上分区域涂布浆料然后干燥的方式，也可以通过两个涂布头先后在正极集流体21上涂布不同浆料再一次干燥的方式。
在本申请一些实施方式中，第一正极活性物质包括单晶颗粒，第二正极活性物质包括多晶颗粒。其中，多晶颗粒是指由成百上千个一次纳米颗粒紧密结合的二次颗粒，而单晶颗粒是指由几个到几十个一次微米颗粒堆积而成的二次颗粒。由于多晶颗粒是由纳米颗粒组成的而单晶颗粒是由微米颗粒组成的，因此，相较于单晶颗粒，多晶颗粒具有更短的锂离子体相扩散路径且因此具有更小的阻抗和更佳的动力学性能。因此，相较于第二正极活性物质，第一正极活性物质的动力学性能相对弱化。
由于可以采用例如掺杂和/或包覆的手段来对正极活性物质的结构和电化学性能进行改善，因此就同种正极活性物质而言，可以通过调整经掺杂和/或经包覆的元素或物质的种类或含量来调整正极活性物质的动力学性能。例如，由于碳材料具有较好的导电性，因此可以采用碳材料包覆正极活性物质。在一实施方式中，第一正极活性物质表面具有碳，第二正极活性物质表面具有碳，第一正极活性物质表面的碳含量小于第二正极活性物质表面的碳含量。由于第一正极活性物质经较少量的碳进行包覆，因此相较于第二正极活性物质层222，第一正极活性物质层221的动力学性能相对弱化。
在一实施方式中，正极极片20还包括导电剂，导电剂用于增强正极活性物质的导电性。在一些实施例中，导电剂包括导电碳，如导电碳黑、碳纤维、科琴黑、乙炔黑、碳纳米管和石墨烯中的至少一种。在一实施方式中，第一正极活性物质层221和第二正极活性物质层222均包括第二导电剂。第一正极活性物质层221中第二导电剂的含量小于第二正极活性物质层222中第二导电剂的含量。由于导电剂含量较大时动力学性能也相应提高，因此相较于第二正极活性物质层222，第一正极活性物质层221的动力学性能相对弱化。
其中，还可以基于正极活性物质自身的动力学性能的差异而选择相应的正极活性物质。例如，相较于第二正极活性物质，第一正极活性物质可以包括动力学性能稍差的正极活性物质。在本申请一些实施方式中，第一正极活性物质包括二元材料(如钴酸锂)，第二正极活性物质包括三元材料。由于三元材料的动力学性能优于二元材料，因此相较于第二正极活性物质层222，第一正极活性物质层221的动力学性能相对弱化。
为了弱化正极第一区20a的动力学性能，可以在正极第一区20中使用导电率小的集流体。在一实施方式中，第三部分211的导电率小于第四部分212的导电率。
为了弱化正极第一区20a的动力学性能，还可以在正极第一区20a中使用导电率小的导电层。在一实施方式中，正极第一区20a包括第三导电层，第三导电层位于第三部分211和第一正极活性物质层221之间，正极第二区20b包括第四导电层，第四导电层位于第四部分212和第二正极活性物质层222之间。第三导电层的导电率小于第四导电层的导电率。在一实施方式中，第三导电层和第四导电层包括导电碳，如导电碳黑、碳纤维、科琴黑、乙炔黑、碳纳米管或石墨烯中的至少一种。
在一实施方式中，负极集流体11可以为，但并不限于，铜箔或镍箔。正极集流体21可以为，但不限于，铝箔或镍箔。
如图2和图4所示，在一实施方式中，第三部分211为双面涂覆区。沿卷绕方向，第四部分212的头部为双面涂覆区，第四部分212的尾部为单面涂覆区。由于第四部分212的头部以及第三部分211为双面涂覆区，第四部分212的头部以及第三部分211上还设置有第三正极活性物质层223。第三部分211位于第一正极活性物质层221与第三正极活性物质层223之间。第四部分212位于第二正极活性物质层222与第三正极活性物质层223之间。
其中，第三负极活性物质层123对应第三正极活性物质层223。第三负极活性物质层123可以采用与第二负极活性物质层122相同的负极活性物质。第三正极活性物质层223可以采用与第二正极活性物质层222相同的负极活性物质。
当然，在另一实施方式中，第三负极活性物质层123也可以采用与第二负极活性物质层122不同的负极活性物质，第三正极活性物质层223也可以采用与第二正极活性物质层222不同的负极活性物质。
其中，正极集流体21还包括第五部分213。第四部分212位于第三部分211与第五部分213之间。第五部分213为空箔区，即，第五部分213上未设有正极活性物质层。第五部分213可位于电极组件1的最外圈。通过设置第五部分213作为电极组件1的收尾段，一方面正极集流体21可以增大电极组件1的硬度，起到保护电极组件1的作用，避免电极组件1发生机械滥用时失效或引发风险；另一方面，避免了负极极片10收尾时电解液容易腐蚀负极集流体11(如铜箔)的情况。其中，电极组件1收尾段(即第五部分213)可设有收尾胶40。
当然，在另一实施方式中，第四部分212的尾部和设置于第四部分212尾部的第二正极活性物质层222可以省略，第五部分213也可以省略。
本申请的电芯中使用的隔离膜30的材料和形状没有特别限制，其可为任何现有技术中公开的技术。在一些实施例中，隔离膜30包括由对本申请的电解液稳定的材料形成的聚合物或无机物等。
电化学装置100还包括电解液(图未示)。电解液的状态可以是凝胶态、固态和液态中的一种或多种。液态电解液包括锂盐和非水溶剂。
锂盐选自LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiClO4、LiB(C6H5)4、LiCH3SO3、LiCF3SO3、LiN(SO2CF3)2、LiC(SO2CF3)3、LiBOB和LiPO2F2中的一种或多种。例如，锂盐选用LiPF6，因为它可以给出高的离子导电率并改善循环特性。
非水溶剂可为碳酸酯化合物、羧酸酯化合物、醚化合物、腈化合物、其它有机溶剂或它们的组合。碳酸酯化合物的实例为碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二丙酯(DPC)、碳酸甲丙酯(MPC)、碳酸乙丙酯(EPC)、碳酸甲乙酯(MEC)、碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚丁酯(BC)、碳酸乙烯基亚乙酯(VEC)、碳酸氟代亚乙酯(FEC)、碳酸1,2-二氟亚乙酯、碳酸1,1-二氟亚乙酯、碳酸1,1,2-三氟亚乙酯、碳酸1,1,2,2-四氟亚乙酯、碳酸1-氟-2-甲基亚乙酯、碳酸1-氟-1-甲基亚乙酯、碳酸1,2-二氟-1-甲基亚乙酯、碳酸1,1,2-三氟-2-甲基亚乙酯、碳酸三氟甲基亚乙酯及其组合。
虽然以上以锂离子电池进行举例说明，然而，本申请还适用于其它合适的电化学装置，这样的电化学装置包括可以发生电化学反应的任何装置，如所有种类的一次电池、二次电池、燃料电池、太阳能电池或电容。特别的，电化学装置100可以是锂二次电池，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。
请参阅图5，本申请还提供一种具有上述电化学装置100的电子装置2。本申请的电化学装置100适用于各种领域的电子装置2。在一实施方式中，本申请的电化学装置100可用于，但不限于，笔记本电脑、笔输入型计算机、移动电脑、电子书播放器、便携式电话、便携式传真机、便携式复印机、便携式打印机、头戴式立体声耳机、录像机、液晶电视、手提式清洁器、便携CD机、迷你光盘、收发机、电子记事本、计算器、存储卡、便携式录音机、收音机、备用电源、电机、汽车、摩托车、助力自行车、自行车、照明器具、玩具、游戏机、钟表、电动工具、闪光灯、照相机、家庭用大型蓄电池和锂离子电容器等。
以下将结合具体实施例和对比例对本申请进行进一步说明。其中，以锂离子二次电池为例并结合具体制备过程和测试方法对本申请进行说明，本领域技术人员应理解，本申请中描述的制备方法仅是实例，其他任何合适的制备方法均在本申请的范围内。
(一)实施例1-9和对比例1-9
实施例1-9仅涉及对正极极片进行分区域设置，而不对负极极片进行分区域设置。通过分区域设置，实施例1-9满足：正极第一区的阻抗值大于正极第二区的阻抗值。
实施例1
(1)制备浆料
正极单晶/多晶LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2浆料：将正极活性成分LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2单晶/多晶颗粒、导电剂Super-P和粘结剂聚偏二氟乙烯PVDF按97％:1.5％:1.5％重量比例混合，并用适量的N-甲基吡咯烷酮稀释，然后在真空搅拌机中搅拌形成均匀的正极浆料。
负极石墨浆料：将阳性活性成分石墨、粘结剂丁苯橡胶SBR和分散剂羧甲基纤维素CMC按97％:1％:2％重量比例混合，并用适量蒸馏水稀释，然后在真空搅拌机中搅拌形成均匀的负极浆料。
(2)正极分区涂布
正极分区涂布：按如下操作进行分区涂布，
A、通过涂布头将步骤(1)中制备的单晶LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2浆料单面涂布至铝箔的第三部分(即形成第一正极活性物质层)，且通过另一涂布头将步骤(1)中制备的多晶LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2浆料单面涂布至铝箔的第四部分(即形成第二正极活性物质层)。将涂布好的单面极片放置于85℃的高温烘箱中烘干；
B、采用步骤(1)中制备的多晶LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2浆料，对上述单面涂布的极片进行第二面涂布(即形成第三正极活性物质层)。将涂布好的双面极片放置于85℃的高温烘箱中烘干，获得正极极片。
(3)负极涂布
C、将步骤(1)中制备的负极浆料在铜箔集流体上进行单面涂布，将涂布好的单面极片放置于85℃的高温烘箱中烘干；
D、对上述单面涂布的极片进行第二面涂布，涂布方法、区域和材料与步骤C相同。将涂布好的双面极片放置于85℃的高温烘箱中烘干，获得实施例1负极极片。
(3)电解液制备
将锂盐LiPF6与非水有机溶剂(碳酸乙烯酯(EC)：碳酸二乙酯(DEC)：碳酸亚丙酯(PC)：丙酸丙酯(PP)：碳酸亚乙烯酯(VC)＝20:30:20:28:2，质量比)按质量比8：92配制，得到的溶液作为电解液。
(4)隔离膜制备
隔离膜采用陶瓷涂覆的聚乙烯(PE)材料。
(5)电池制备
将正极极片、隔离膜、负极极片按顺序叠好并进行卷绕，得到电极组件。将电极组件置于包装壳中，注入电解液并封装，进行化成之后制成最终的锂离子电池。
实施例2-9
实施例2-9与实施例1的差异仅在于：采用不同粒径大小的活性物质(实施例2)、经不同碳含量包覆的活性物质(实施例3)、添加不同含量的导电剂(实施例4和5)、动力学性能不同的正极活性材料(实施例6-8)和不同的导电层(实施例9)分别形成正极第一区和正极第二区，具体请参见表1。
对比例1-9
对比例1-9对应于实施例1-9(对应的实施例和对比例中，极片在循环前具有相似的厚度)，对比例1-9与实施例1-9的差异仅在于：不对正极极片进行分区设置，而是按照常规工艺制备正极极片。对比例与其相应实施例的差异同样请参见表1。
极片的直流阻抗值(DCR)测试方法可以采用以下步骤进行：分别在负极/正极第一区和负极/正极第二区裁剪出相同面积的圆形极片。对于负极第二区，保留第二负极活性物质层并刮掉另一侧的负极活性物质层；对于正极第一区，保留第一正极活性物质层并刮掉另一侧的正极活性物质层，对于正极极耳第二区，保留第二正极活性物质层并刮掉另一侧的正极活性物质层。将裁剪得到的圆形极片与金属锂的电极片组成对电极而组装成锂离子电池，然后放置于阻抗仪上分别测试第一区和第二区的直流阻抗值。具体为：将锂离子电池静置60min，记录稳态电压V1；以0.1C的电流放电10s；再以1C的电流放电1s，静置60min后记录稳态电压V2；按如下公式计算得出直流阻抗值：R＝(V2-V1)/(1C-0.1C)。
本申请采用负极极片循环前后的厚度差异来衡量锂离子电池的析锂程度，从而反映锂离子电池的安全性。具体地，当锂离子电池经多次循环后，若负极活性物质层发生析锂时，会增加负极第一区和负极第二区的厚度。定义负极第二区和第三负极活性物质层为负极第三区，本申请采用负极第一区和负极第三区循环前后的厚度差异来衡量锂离子电池的析锂程度。
在常温下，将锂离子电池静置30分钟，之后以0.7C倍率恒流充电至4.45V，再在4.35V下恒压充电至0.05C，并静置5分钟后，以0.5C倍率恒流放电至3.0V，此为一个充放电循环过程，之后分别进行1000次充放电循环过程，然后测量负极极片循环后的厚度。其中，负极极片使用0.1μm高精度数显千分尺(Mitutoyo牌)进行厚度测量，具体步骤包括：将装配好的电极组件进行拆解，取出负极极片并用DEC溶剂洗去表面残留物；用无尘纸擦拭千分尺测试头去除异物保证测试精度；将负极极片放入千分尺测试头中，旋动千分尺手柄紧密接触负极极片，读出厚度数值。选取负极极片上的十个不同的点，测得十个厚度数据取平均值。
实施例1-9和对比例1-9的电池的正极极片主要制备参数和性能测试结果记录于表1。
表1
Figure BDA0002632182720000141
Figure BDA0002632182720000151
参照表1，实施例1-9通过在正极第一区设置单晶颗粒、颗粒粒径较大、或者碳包覆量较少的正极活性物质、或者通过减低正极第一区的导电剂的含量、或者通过在正极第一区集流体上涂敷导电率小的导电层，可以有效地降低负极第一区的析锂程度，从而增强锂离子电池的安全性，具体表现为：相较于对比例1-9，实施例1-9的电池经多次循环后，负极第一区的厚度变化均较小，表明析锂现象得到抑制。
(二)实施例10-14和对比例10-14
实施例10-14仅涉及对负极极片进行分区域设置，而不对正极极片进行分区域设置。通过分区域设置，实施例10-14满足：负极第一区的阻抗值小于负极第二区的阻抗值。
实施例10
(1)制备浆料
负极石墨浆料：将阳性活性成分石墨(大颗粒石墨/小颗粒石墨)、粘结剂丁苯橡胶SBR和分散剂羧甲基纤维素CMC按97％:1％:2％重量比例混合，并用适量蒸馏水稀释，然后在真空搅拌机中搅拌形成均匀的负极浆料。
正极LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2浆料：将正极活性成分LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2、导电剂Super-P和粘结剂聚偏二氟乙烯PVDF按97％:1.5％:1.5％重量比例混合，并用适量的N-甲基吡咯烷酮稀释，然后在真空搅拌机中搅拌形成均匀的正极浆料。
(2)负极分区涂布
负极分区涂布：按如下操作进行分区涂布，
A、通过涂布头将步骤(1)中制备的小颗粒石墨浆料单面涂布至铜箔的第一部分(即形成第一负极活性物质层)，通过另一涂布头将步骤(1)中制备的大颗粒石墨浆料单面涂布至铜箔的第二部分(即形成第二负极活性物质层)。将涂布好的单面极片放置于85℃的高温烘箱中烘干；
B、利用步骤(1)中制备的大颗粒石墨浆料，对上述单面涂布的极片进行第二面涂布(即形成第三负极活性物质层)。将涂布好的双面极片放置于85℃的高温烘箱中烘干，获得负极极片。
(3)正极涂布
C、将步骤(1)中制备的正极浆料在铝箔集流体上进行单面涂布，将涂布好的单面极片放置于85℃的高温烘箱中烘干；
D、对上述单面涂布的极片进行第二面涂布，涂布方法、区域和材料与步骤C相同。将涂布好的双面极片放置于85℃的高温烘箱中烘干，获得负极极片。
后续电解液、隔离膜和电池的制备与实施例1相同，此不赘述。
实施例11-14
实施例11-13与实施例10的差异仅在于：采用不同粒径大小的活性物质(实施例10)、不同含量的导电剂(实施例11)、动力学性能不同的正极活性材料(实施例12-13)和不同的导电层(实施例14)分别制备负极第一区和负极第二区，具体请参见表2。
对比例10-14
对比例10-14对应于实施例10-14(对应的实施例和对比例中，极片在循环前具有相似的厚度)，对比例10-14与实施例10-14的差异仅在于：不对正极极片进行分区域设置，而是按照常规工艺制备负极极片。对比例与其相应实施例的差异同样请参见表2。
其中，实施例10-14和对比例10-14的电池的负极极片主要制备参数和性能测试结果记录于表2。
表2
Figure BDA0002632182720000171
参照表2，实施例10-14通过在负极第一区设置粒径较小的负极活性物质、含量较高的导电剂、或者动力学性能更好的正极活性物质，或者通过在负极第一区集流体上涂敷导电率大的导电层，可以有效地降低负极第一区的析锂程度，从而增强锂离子电池的安全性，具体表现为：相较于对比例10-14，实施例10-14的电池经多次循环后，负极第一区的厚度变化均较小，表明析锂现象得到抑制。
以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本申请技术方案的精神和实质。

Claims (16)

1.一种电化学装置，包括电极组件，所述电极组件包括负极极片、正极极片和隔离膜，所述负极极片、所述隔离膜和所述正极极片层叠卷绕；
所述负极极片包括负极集流体，所述负极集流体包括第一部分和第二部分，沿卷绕方向，所述第一部分和所述第二部分依次连接，所述第一部分的一面设置第一负极活性物质层，另一面未设置负极活性物质层，
所述第二部分的两面分别设置第二负极活性物质层和第三负极活性物质层，所述第一负极活性物质层和所述第二负极活性物质层位于所述负极集流体的同一面，定义所述第一部分和所述第一负极活性物质层为负极第一区，且所述第二部分和所述第二负极活性物质层为负极第二区；
所述正极极片包括正极集流体，所述正极集流体包括第三部分和第四部分，第一正极活性物质层设置于所述第三部分，第二正极活性物质层设置于所述第四部分，所述第一正极活性物质层对应所述第一负极活性物质层，所述第二正极活性物质层对应所述第二负极活性物质层，定义所述第三部分和所述第一正极活性物质层为正极第一区，且所述第四部分和所述第二正极活性物质层为正极第二区；
其中，所述负极第一区的阻抗值与所述正极第一区的阻抗值的比值为R1，所述负极第二区的阻抗值与所述正极第二区的阻抗值的比值为R2，R1<R2。
2.如权利要求1所述的电化学装置，其中，所述负极第一区的阻抗值小于所述负极第二区的阻抗值。
3.如权利要求2所述的电化学装置，其中，所述第一负极活性物质层包括第一负极活性物质，所述第二负极活性物质层包括第二负极活性物质，所述第一负极活性物质的平均粒径小于所述第二负极活性物质的平均粒径。
4.如权利要求2所述的电化学装置，其中，所述第一负极活性物质层和所述第二负极活性物质层均包括第一导电剂，所述第一负极活性物质层中第一导电剂的含量大于所述第二负极活性物质层中第一导电剂的含量。
5.如权利要求3所述的电化学装置，其中，所述第一负极活性物质包括硬碳，所述第二负极活性物质包括石墨。
6.如权利要求3所述的电化学装置，其中，所述第一负极活性物质包括石墨或硬碳中的至少一种，所述第二负极活性物质包括硅、锡或二氧化硅中的至少一种。
7.如权利要求2所述的电化学装置，其中，所述第一部分的导电率大于所述第二部分的导电率。
8.如权利要求2所述的电化学装置，其中，所述负极第一区还包括第一导电层，所述第一导电层位于所述第一部分和所述第一负极活性物质层之间，所述负极第二区还包括第二导电层，所述第二导电层位于所述第二部分和所述第二负极活性物质层之间，所述第一导电层的导电率大于所述第二导电层的导电率。
9.如权利要求1所述的电化学装置，其中，所述正极第一区的阻抗值大于所述正极第二区的阻抗值。
10.如权利要求9所述的电化学装置，其中，所述第一正极活性物质层包括第一正极活性物质，所述第二正极活性物质层包括第二正极活性物质，所述第一正极活性物质的平均粒径大于所述第二正极活性物质的平均粒径。
11.如权利要求10所述的电化学装置，其中，所述第一正极活性物质包括单晶颗粒，所述第二正极活性物质包括多晶颗粒。
12.如权利要求10所述的电化学装置，其中，所述第一正极活性物质的表面具有碳，所述第二正极活性物质的表面具有碳，所述第一正极活性物质表面的碳含量小于所述第二正极活性物质表面的碳含量。
13.如权利要求9所述的电化学装置，其中，所述第一正极活性物质层和所述第二正极活性物质层均包括第二导电剂，所述第一正极活性物质层中第二导电剂的含量小于所述第二正极活性物质层中第二导电剂的含量。
14.如权利要求9所述的电化学装置，其中，所述第三部分的导电率低于所述第四部分的导电率。
15.如权利要求9所述的电化学装置，其中，所述正极第一区还包括第三导电层，所述第三导电层位于所述第三部分和所述第一正极活性物质层之间，所述正极第二区还包括第四导电层，所述第四导电层位于所述第四部分和所述第二正极活性物质层之间，所述第三导电层的导电率低于所述第四导电层的导电率。
16.一种电子装置，其中，包括如权利要求1至15中任一项所述的电化学装置。
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