CN112531140B - 电极极片、电化学装置及电子装置 - Google Patents

电极极片、电化学装置及电子装置 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种电极极片、电化学装置及电子装置。电极极片包括：集流体，包括位于弯曲区域的第一表面和第二表面，第一表面内凹，第二表面外凸；及，第一活性材料层，位于第一表面，在弯曲区域处于平展状态时，第一活性材料层包括至少两个第一单元，至少两个第一单元沿第一方向依次排列，任意相邻两个第一单元之间具有凹槽；其中，弯曲区域满足：0.7×R2/(R2+H)≤L'/L≤R1/(R1+H)，H为第一活性材料层的厚度；R1、R2分别为第一活性材料层表面的最大曲率半径和最小曲率半径；L为弯曲区域处于平展状态时，弯曲区域沿第一方向的长度；L'为弯曲区域处于平展状态时，第一活性材料层表面的非凹槽区域沿第一方向的长度之和。

Description

电极极片、电化学装置及电子装置
技术领域
本申请涉及电化学技术领域，特别涉及一种电极极片、电化学装置及电子装置。
背景技术
锂离子电池作为一种电化学装置，其主要依靠锂离子在正极和负极之间的移动来工作。近年来，随着可移动电子设备的多样化和小型化发展趋势，一方面，锂离子电池的体积能量密度越做越大，另一方面，对锂离子电池的形状适配性也提出了更高的要求，为满足产品设计需求，弧形锂离子电池应运而生。
本申请的发明人发现，弧形锂离子电池的正极极片和负极极片由于处于弯曲状态，受内应力作用，内凹侧的活性材料层极易产生掉粉(即活性物质层的颗粒脱落)、破裂及褶皱等问题，这严重影响到锂离子电池的性能和使用安全。
为了满足体积能量密度需求，一些弧形锂离子电池的正极极片和负极极片采用厚电极和/或高压密设计，其基本原理为，通过厚电极设计减少正极极片和负极极片的层数，来相应减少正极集流体、负极集流体和隔膜的总空间占有率，进而，为设计增加正极集流体和负极集流体上活性物质层的厚度提供空间，和/或，通过提高活性物质层的压实密度，以此来提高锂离子电池单位体积的能量，达到提高锂离子电池比能量的目的。电极极片采用厚电极和/或高压密设计，在弯曲状态下，会导致上述问题愈发突显。
发明内容
本申请提供一种电极极片、电化学装置及电子装置，以改善电极极片因弯曲而导致的掉粉、破裂及褶皱等问题，进而提高电化学装置的性能和使用安全性。
根据本申请的一个方面，提供一种电极极片，包括弯曲区域，所述电极极片包括：集流体，包括位于所述弯曲区域的第一表面和第二表面，所述第一表面内凹，所述第二表面外凸；及第一活性材料层，位于所述第一表面，在所述弯曲区域处于平展状态时，所述第一活性材料层包括至少两个第一单元，所述至少两个第一单元沿第一方向依次排列，任意相邻两个所述第一单元之间具有凹槽；其中，所述弯曲区域满足：0.7×R2/(R2+H)≤L'/L≤R1/(R1+H)；其中，H为所述第一活性材料层的厚度；R1为所述第一活性材料层表面的最大曲率半径；R2为所述第一活性材料层表面的最小曲率半径；L为所述弯曲区域处于平展状态时，所述弯曲区域沿所述第一方向的长度；L'为所述弯曲区域处于平展状态时，所述第一活性材料层表面的非凹槽区域沿所述第一方向的长度之和。
其中，在弯曲区域处于平展状态时，可沿垂直于所述弯曲区域的弯曲方向平面观察，上述弯曲区域的弯曲方向平面是指选择弯曲区域中的一条直线为轴线固定，弯曲区域除该轴线以外的一点为参考点，将弯曲区域以该轴线展平，在该弯曲区域展平至最终展平状态过程中，该参考点所位移的矢量方向所在的平面，即为该弯曲区域的弯曲方向平面。
在一些实施方式中，所述弯曲区域满足：0.9×[H/(R1+H)]×L/N≤w'≤1.43×[H/(R2+H)]×L/N；其中，w'为所述凹槽沿所述第一方向的槽口宽度，N为所述凹槽的数量。
在一些实施方式中，所述弯曲区域满足：0.9×R2/H≤w/w'≤1.43×R1/H，其中，w为所述第一单元沿所述第一方向的顶面宽度，w'为所述凹槽沿所述第一方向的槽口宽度。
在一些实施方式中，所述第一活性材料层包括至少三个凹槽，相邻两个所述凹槽沿所述第一方向的槽口宽度中心之间的距离为槽间间距，其中：任意两个所述槽间间距相等；或者，至少两个所述槽间间距不相等，且较大的槽间间距Da与较小的槽间间距Db满足：Da/Db≤2×R1/R2。
在一些实施方式中，至少两个所述槽间间距不相等，且较大的槽间间距Da与较小的槽间间距Db满足：Da/Db≤1.56×R1/R2。
在一些实施方式中，在所述弯曲区域处于平展状态时，所述凹槽的槽底与所述第一表面之间的垂直距离H'满足：0≤H'≤0.8×H。
在一些实施方式中，在所述弯曲区域处于平展状态时，沿垂直于所述第一表面方向观察，所述至少两个第一单元和所述凹槽沿与所述第一方向垂直的第二方向延伸。
在一些实施方式中，所述弯曲区域满足：0≤(R1-R2)/R1≤0.8。
在一些实施方式中，电极极片还具有以下特征的至少一者：a)0.8×R2/(R2+H)≤L'/L≤R1/(R1+H)，或者，0.8≤L'/L<1；或者，0.9≤L'/L<1；b)[H/(R1+H)]×L/N≤w'≤1.25×[H/(R2+H)]×L/N；c)R2/H≤w/w'≤1.25×R1/H；d)30μm≤H≤1000μm，或者，50μm≤H≤500μm，或者，80μm≤H≤300μm；e)0≤(R1-R2)/R1≤0.5；f)R2≥5mm。
在一些实施方式中，所述凹槽包括V型凹槽、梯形凹槽和矩形凹槽中的至少一种。
在一些实施方式中，所述电极极片还包括位于所述第二表面的第二活性材料层，所述第二活性材料层呈面状连续延展；或者，所述第二活性材料层包括至少两个第二单元，任意相邻两个所述第二单元之间具有凹槽。
根据本申请的另一个方面，提供一种电极组件，所述电极组件包括正极极片和负极极片，所述正极极片和所述负极极片中至少之一为前述任一实施方式所述的电极极片。
在一些实施方式中，所述电极组件为卷绕式电极组件。
在一些实施方式中，所述电极组件为叠片式电极组件。
根据本申请的又一个方面，提供一种电化学装置，其包括前述任一实施方式所述的电极组件。
根据本申请的再一个方面，提供一种电子装置，其包含前述电化学装置。
本申请上述电极极片设计，可以有效改善电极极片因弯曲而导致的掉粉、破裂及褶皱等问题，因此，可以提高电化学装置的性能和使用安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施方式或相关技术中的技术方案，下面对本申请实施方式或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施方式，本领域普通技术人员还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本申请一些实施方式电极极片的弯曲区域处于平展状态时的俯视图；
图2为图1的A-A向截面图；
图3为本申请一些实施方式电极极片的弯曲区域处于弯曲状态的截面图；
图4为本申请另一些实施方式电极极片的弯曲区域处于弯曲状态的截面图；
图5为本申请又一些实施方式电极极片的弯曲区域处于弯曲状态的截面图；
图6为本申请再一些实施方式电极极片的弯曲区域处于弯曲状态的截面图；
图7为本申请再一些实施方式电极极片的弯曲区域处于平展状态的截面图；
图8为本申请再一些实施方式电极极片的弯曲区域处于弯曲状态的截面图；
图9为本申请一些实施方式电化学装置的结构拆解图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式或实施例仅仅为本申请的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。本领域普通技术人员基于本申请中的实施方式或实施例所获得的所有其它实施方式或实施例，都属于本申请保护的范围。
相关技术中，弧形锂离子电池的制备通常采用以下三种方式：
第一种制备方式为，将电化学单体在弧形模具间反复滚压，以改变其延展形状，得到弧形锂离子电池。
第二种制备方式为，将电极组件在弧形模具间反复滚压，以改变其延展形状，得到弧形电极组件；然后，使用弧形封装膜对电极组件进行封装并注入电解液，得到弧形锂离子电池。
第三种制备方式为，电极组件在制作时即采用弧形正极极片和弧形负极极片，在制得弧形电极组件后，使用弧形封装膜对电极组件进行封装并注入电解液，得到弧形锂离子电池。
发明人发现，弧形锂离子电池的正极极片和负极极片由于处于弯曲状态，受内应力作用，内凹侧的活性材料层极易产生掉粉、破裂及褶皱等问题，这严重影响到锂离子电池的性能和使用安全。特别是，为了满足体积能量密度需求，一些弧形锂离子电池的正极极片和负极极片采用厚电极和/或高压密设计，导致上述问题愈发突显。
本申请提供一种电极极片、电化学装置及电子装置，以改善电极极片因弯曲而导致的掉粉、破裂及褶皱等问题，进而提高电化学装置的性能和使用安全性。
在本申请中，电化学装置包括但不限于锂离子电池。例如，电化学装置还可以为超级电容等。在本申请的一些实施方式中，仅以锂离子电池为例来进行解释说明。
如图1、图2和图3所示，本申请一些实施方式提供的电极极片10，包括弯曲区域12，电极极片10包括：
集流体101，包括位于弯曲区域12的第一表面101a和第二表面101b，第一表面101a内凹，第二表面101b外凸；及
第一活性材料层103a，位于第一表面101a，在弯曲区域12处于平展状态时，沿垂直于所述弯曲区域12的弯曲方向平面观察，该第一活性材料层103a包括至少两个第一单元1031，该至少两个第一单元1031沿第一方向依次排列，任意相邻两个第一单元1031之间具有凹槽1032；
其中，弯曲区域12满足：0.7×R2/(R2+H)≤L'/L≤R1/(R1+H)(式I)；
在式I中，H为第一活性材料层103a的厚度；R1为第一活性材料层103a表面的最大曲率半径；R2为第一活性材料层103a表面的最小曲率半径；L为弯曲区域12处于平展状态时，弯曲区域12沿第一方向的长度；L'为弯曲区域12处于平展状态时，第一活性材料层103a表面的非凹槽区域沿第一方向的长度之和。
如图3所示，在本申请的一些实施方式中，电极极片10包括一个弯曲区域12。如图8所示，在本申请的另一些实施方式中，电极极片10也可以包括两个或两个以上的弯曲区域12。当电极极片包括至少两个弯曲区域时，这些弯曲区域的弯曲方向可以相同或不完全相同，例如，如图8所示，其中一个弯曲区域12朝向电极极片10的一侧弯曲，而另一个弯曲区域12朝向电极极片10的另一侧弯曲。同一个弯曲区域12的不同位置，曲率半径可以相同，也可以不同。在本申请的又一些实施方式中，电极极片还可以包括至少一个平面区域。弯曲区域12处于平展状态时的形状以及平面区域的形状不做限定，例如可以呈矩形或者平行四边形等等。通过弯曲区域设计或弯曲区域与平面区域的结合设计，使得电极极片的形状明显区别于常规的平面形状，以满足电子装置产品的设计需求。
在本申请实施方式中，定义集流体101的位于弯曲区域12的内凹表面为第一表面101a，定义集流体101的位于弯曲区域12的外凸表面为第二表面101b，定义活性材料层的位于第一表面101a的部分为第一活性材料层103a，定义活性材料层的位于第二表面101b的部分为第二活性材料层103b。如图1、图2和图3所示，在该实施例中，弯曲区域12处于平展状态时呈矩形，定义第一方向为电极极片10的长度方向，定义第二方向为电极极片10的宽度方向，在弯曲区域12处于平展状态时，沿垂直于第一表面101a的方向观察，至少两个第一单元1031和凹槽1032沿与第一方向垂直的第二方向延伸，在弯曲状态，第二方向还与弯曲区域12的弯曲方向正交。电极极片10的长度(即沿第一方向的尺寸)，可以大于、等于或小于电极极片10的宽度(即沿第二方向的尺寸)，在本申请中不做具体限定。
相关技术中，弧形锂离子电池的电极极片由于处于弯曲状态，受内应力作用，内凹侧的活性材料层极易产生掉粉、破裂及褶皱等问题。而在本申请的实施方式中，通过第一活性材料层103a上凹槽1032的设计可以有效减少处于弯曲状态的第一活性材料层103a因挤压产生的内应力，从而可以带来以下有益效果：
减少甚至避免掉粉发生，减少因此造成的体积能量密度损失，以及因此导致的电化学装置内部短路(脱落的活性物质颗粒可能导致正极与负极发生短路)，提高电化学装置使用的安全性和可靠性；
减少甚至避免第一活性材料层因弯曲导致的破裂，从而提高电极极片、电极组件和电化学装置的制造可靠性；
减少甚至避免第一活性材料层在充放电过程中因体积膨胀、收缩内应力导致的破裂，延长电化学装置的使用寿命；
此外，第一活性材料层上凹槽的设计还增大了第一活性材料层的表面面积，有利于电解液快速浸润，并且更利于离子传输，从而增大了电极极片对电解液的保液量，提高了电化学装置的充放电循环性能。采用不同设计参数的锂离子电池的性能参数参见以下表一所示。
综上，采用本申请实施方式提供的电极极片设计，可以保障电极极片的性能，提高电化学装置的结构可靠性和使用安全性。
在本申请上述实施方式中，凹槽1032的具体形状不限，包括V型凹槽(即沿第一方向的截面大致呈V形)、梯形凹槽(即沿第一方向的截面大致呈梯形)和矩形凹槽(即沿第一方向的截面大致呈矩形)中的至少一种。例如，当弯曲区域包括一个凹槽时，该凹槽可以为V型凹槽或梯形凹槽；当弯曲区域包括至少两个凹槽时，该至少两个凹槽可以均为V型凹槽，也可以均为梯形凹槽，还可以至少一个为V型凹槽，其余为梯形凹槽。
在本申请一些实施方式中，如图3所示，当弯曲区域12处于弯曲状态时，上述凹槽1032完全闭合，此时，相邻两个单元1031的相靠近的侧面基本贴合。在本申请的另一些实施方式中，如图4所示，当弯曲区域12处于弯曲状态时，凹槽1032仍然存在，但相比弯曲区域12处于平展状态时，凹槽1032的槽口宽度减小。
与相关技术相比，本申请提供的上述实施方式能够解决前述的技术问题。在该前提下，为使电极极片10的体积能量密度满足设计需求，在本申请的实施方式中，电极极片10在弯曲区域12的一些相关参数还需要满足一定的约束关系，即满足上述式I。
优选地，弯曲区域12满足：0.8×R2/(R2+H)≤L'/L≤R1/(R1+H)。
更优选地，弯曲区域12满足：0.8≤L'/L<1。
再优选地，弯曲区域12满足：0.9≤L'/L<1。
其中，L'/L大致反映出第一活性材料层103a在弯曲区域12的覆盖情况。L'/L值越大，第一活性材料层103a在弯曲区域12的覆盖面积越大，电极极片10在弯曲区域12的体积能量密度越大。在能够解决相关技术存在技术问题的前提下，L'/L优选在上述可选范围内进行取值。
如图2所示，在本申请的一些实施方式中，弯曲区域12还满足：0.9×[H/(R1+H)]×L/N≤w'≤1.43×[H/(R2+H)]×L/N(式II)，其中，w'为凹槽1032沿第一方向的槽口宽度，N为凹槽1032的数量。进一步的实施方式中，弯曲区域12满足：[H/(R1+H)]×L/N≤w'≤1.25×[H/(R2+H)]×L/N。
如图2所示，在本申请的一些实施方式中，弯曲区域12还满足：0.9×R2/H≤w/w'≤1.43×R1/H，其中，w为第一单元1031沿第一方向的顶面宽度，w'为凹槽1032沿第一方向的槽口宽度。各个第一单元1031沿第一方向的顶面宽度w之和，也即前述第一活性材料层103a表面的非凹槽区域沿第一方向的长度之和L'。进一步的实施方式中，弯曲区域12满足：R2/H≤w/w'≤1.25×R1/H。
如图2所示，参见B处放大图，在本申请的一些实施方式中，在弯曲区域12处于平展状态时，凹槽1032的槽底与第一表面101a之间的垂直距离H'满足：0≤H'≤0.8×H。H'大致反映出第一活性材料层103a在凹槽1032处的填充量，H'的值越大，第一活性材料层103a在凹槽1032处的填充量越大。
在本申请的一些实施方式中，第一活性材料层103a的厚度H满足：30μm≤H≤1000μm。优选地，50μm≤H≤500μm。更优选地，80μm≤H≤300μm。
在本申请的一些实施方式中，为尽量减少电极极片10在弯曲区域12所受的内应力，弯曲区域12还满足：0≤(R1-R2)/R1≤0.8。优选地，0≤(R1-R2)/R1≤0.5，或者R2≥5mm。
在本申请的一些实施方式中，第一活性材料层103a包括至少三个凹槽1032，定义相邻两个凹槽1032沿第一方向的槽口宽度中心之间的距离为槽间间距，其中：任意两个槽间间距相等；或者，至少两个槽间间距不相等，且较大的槽间间距Da与较小的槽间间距Db满足：Da/Db≤2×R1/R2；优选地，Da/Db≤1.56×R1/R2。
以上参数设计不但有利于减小处于弯曲状态的第一活性材料层103a的内应力，而且兼顾了第一活性材料层103a在弯曲区域12的覆盖量，使得电极极片10能够满足体积能量密度设计的需求。
如图5所示，为本申请一些实施方式中电极极片10的弯曲区域12处于弯曲状态的截面图，该实施方式中，电极极片10还包括位于第二表面101b(即外凸面)的第二活性材料层103b，第二活性材料层103b呈面状连续延展。
如图6所示，为本申请另一些实施方式中电极极片10的弯曲区域12处于弯曲状态的截面图，该实施方式中，电极极片10还包括位于第二表面101b(即外凸面)的第二活性材料层103b，沿垂直于弯曲区域12的弯曲方向平面观察，第二活性材料层103b包括至少两个第二单元1033，任意相邻两个第二单元1033之间具有凹槽1034，凹槽1034的延伸方向与第二单元1033的延伸方向相同。
如图7所示，为图6所示电极极片10的弯曲区域12处于平展状态的截面图，在平展状态，前述至少两个第二单元1033沿前述第一方向依次排列并沿前述第二方向延伸，上述凹槽1034闭合，相邻两个第二单元1033的侧面基本贴合。
在本公开的又一些实施方式中，电极极片10的弯曲区域12在处于平展状态时，上述凹槽1034仍然存在，但相比弯曲区域12处于弯曲状态时，凹槽1034的槽口宽度减小。
第二活性材料层103b在弯曲状态时的凹槽设计，可以减小第二活性材料层103b所受拉应力，从而改善因外凸拉伸导致的掉粉、破裂等问题。由于该凹槽1034处于电极极片10的外凸面上，因此，该凹槽1034的宽度尺寸不做特别限定，该凹槽1034的宽度尺寸应尽可能小，只要实现本申请目的即可。
在本申请实施方式中，第一单元1031和第二单元1033可以通过多种方式制作，包括但不限于间歇涂布、打印涂布、涂布后刻蚀等方式。在一些实施方式中，首先将活性材料均匀涂布在集流体的表面，然后通过激光刻蚀形成第一单元1031和第二单元1033。
在本申请的上述各实施方式中，电极极片10的具体极性不限，例如，可以为正极极片或负极极片。电极极片的结构一般包括集流体和位于集流体的一侧表面或两侧表面的活性物质层。在本申请实施方式中，位于集流体101的至少一侧表面的活性物质层包括上述结构的第一活性材料层103a。
本申请还提供一种电极组件100，包括正极极片和负极极片，正极极片和负极极片中至少之一采用了前述实施方式电极极片10的设计。电极组件100的具体形式不限，例如，可以为卷绕式电极组件或叠片式电极组件。
无论是卷绕式电极组件还是叠片式电极组件，在本申请的实施方式中，其正极极片和负极极片均包括至少一个如前述实施方式中描述的弯曲区域12。其中，卷绕式电极组件的结构通常包括：在层叠后卷绕设置的正极极片和负极极片、位于正极极片和负极极片之间的隔膜、连接正极极片的正极极耳，以及连接负极极片的负极极耳。层叠式电极组件的结构通常包括：交替层叠的多个正极极片和多个负极极片，在任意相邻的正极极片和负极极片之间设置的隔膜、连接各个正极极片的正极极耳，以及连接各个负极极片的负极极耳。
在一个实施方式中，仅负极极片位于弯曲区域的第一表面设置了具有凹槽的前述第一活性材料层，负极极片位于弯曲区域的第二表面、正极极片在弯曲区域则采用常规设计。在另一个实施方式中，仅正极极片位于弯曲区域的第一表面设置了具有凹槽的前述第一活性材料层，正极极片位于弯曲区域的第二表面、负极极片在弯曲区域则采用常规设计。在又一个实施方式中，正极极片位于弯曲区域的第一表面和负极极片位于弯曲区域的第一表面均设置了具有凹槽的前述第一活性材料层，正极极片位于弯曲区域的第二表面、负极极片位于弯曲区域的第二表面则采用常规设计。在一些实施方式中，正极极片位于弯曲区域的第二表面、负极极片位于弯曲区域的第二表面，其中的至少一者设置了在弯曲状态具有凹槽的前述第二活性材料层，其余表面部分则采用常规设计。在实际应用中，可以根据正极极片和负极极片选用的材料、弯曲程度和体积能量密度需求等进行灵活设计，本申请不做具体限定。
如图9所示，本申请还提供一种电化学装置1，包括前述的电极组件100。电化学装置1例如为锂离子电池或者超级电容等。如图9所示，在一个实施方式中，电化学装置呈弧形，除电极组件100外，还包括热压连接在一起以形成封装袋的第一封装膜21和第二封装膜22，以及填充在封装袋内的电解液(图中未示出)。电极组件100包括伸出封装袋的正极极耳100a和负极极耳100b。
由于电极极片具有前述有益效果，因此，电极组件100和电化学装置也具有因此带来的有益效果，其结构、性能可靠性较高，安全性提高，使用寿命较长，对电子装置的形状适应性较好。
本申请还提供一种电子装置，包括前述任一实施方式的电化学装置。
电子装置的具体产品类型包括但不限于移动终端、智能穿戴、电动工具、电动汽车、移动电源等。电化学装置为锂离子电池时，其尤其适用于对形状有特殊需求的智能穿戴产品，例如AR设备、VR设备、智能头盔、智能腰带、智能手环、智能戒指，或宠物或牲畜用智能项圈等。
由于电化学装置具有前述有益效果，因此，电子装置的使用安全可靠性较高，使用寿命较长。
在本申请实施方式中，对负极极片没有特别限制，例如，负极极片包含负极集流体和负极活性材料层。其中，负极集流体的材料没有特别限制，例如采用铜箔、铝箔、铝合金箔或复合集流体等。负极活性材料层的材料没有特别限制，例如包括人造石墨、天然石墨、中间相碳微球、软碳、硬碳、硅、硅碳、硅氧化物、钛酸锂等中的至少一种。
在本申请实施方式中，对正极极片没有特别限制，例如，正极极片包含正极集流体和正极活性材料层。其中，正极集流体的材料没有特别限制，例如采用铝箔、铝合金箔或复合集流体等。正极活性材料层的材料没有特别限制，例如包括NCM811、NCM622、NCM523、NCM111、NCA、磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂、磷酸锰铁锂或钛酸锂中的至少一种。
在本申请实施方式中，对电解液没有特别限制。例如，电解液可以是凝胶态、固态和液态中的任一种。例如，液态电解液包括锂盐和非水溶剂。
本申请实施方式对锂盐没有特别限制，例如，锂盐包括六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)、二氟磷酸锂(LiPO2F2)、双三氟甲烷磺酰亚胺锂LiN(CF3SO2)2(LiTFSI)、双(氟磺酰)亚胺锂Li(N(SO2F)2)(LiFSI)、双草酸硼酸锂LiB(C2O4)2(LiBOB)或二氟草酸硼酸锂LiBF2(C2O4)(LiDFOB)中的至少一种。例如，锂盐可选用LiPF6。
本申请实施方式对非水溶剂没有特别限制，例如，非水溶剂包括碳酸酯化合物、羧酸酯化合物、醚化合物、腈化合物或其它有机溶剂中的至少一种。碳酸酯化合物可以包括碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)、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-甲基亚乙酯或碳酸三氟甲基亚乙酯中的至少一种。
本申请实施方式对隔膜没有特别限制，例如，隔膜包括由对电解液稳定的材料形成的聚合物或无机物等。隔膜应当具有离子传导性和电子绝缘性。
在本申请的一些实施方式中，隔膜包括基材层和表面处理层。基材层例如为具有多孔结构的无纺布、膜或复合膜，基材层的材料例如选自聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚酰亚胺中的至少一种。例如，基材层采用聚丙烯多孔膜、聚乙烯多孔膜、聚丙烯无纺布、聚乙烯无纺布或聚丙烯-聚乙烯-聚丙烯多孔复合膜。在一些实施方式中，基材层的至少一个表面上设置有表面处理层，表面处理层例如为聚合物层或无机物层，或者为混合聚合物与无机物所形成的层。
例如，无机物层包括无机颗粒和粘结剂，本申请实施方式对无机颗粒没有特别限制，例如可以选自氧化铝、氧化硅、氧化镁、氧化钛、二氧化铪、氧化锡、二氧化铈、氧化镍、氧化锌、氧化钙、氧化锆、氧化钇、碳化硅、勃姆石、氢氧化铝、氢氧化镁、氢氧化钙和硫酸钡中的至少一种。本申请实施方式对粘结剂没有特别限制，例如可以选自聚偏氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯的共聚物、聚酰胺、聚丙烯腈、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸、聚丙烯酸盐、聚乙烯呲咯烷酮、聚乙烯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯和聚六氟丙烯中的一种或几种的组合。聚合物层中包含聚合物，聚合物的材料包括聚酰胺、聚丙烯腈、丙烯酸酯聚合物、聚丙烯酸、聚丙烯酸盐、聚乙烯呲咯烷酮、聚乙烯醚、聚偏氟乙烯或聚(偏氟乙烯-六氟丙烯)中的至少一种。
以下以弧形锂离子电池为例，举出实施例和对比例来对本申请的实施方式进行更具体地说明。各种的试验及评价按照下述的方法进行，另外，只要无特别说明，“份”、“％”为重量基准。
实施例1
(1)负极极片的制备
将负极活性材料石墨(Graphite)、导电炭黑(Super P)、丁苯橡胶(SBR)按照重量比96:1.5:2.5进行混合，加入去离子水(H2O)作为溶剂，调配成为固含量为0.7的浆料，并搅拌均匀。
将浆料均匀涂布在10μm厚的负极集流体铜箔的一面，110℃条件下烘干；然后，将浆料均匀涂布在负极集流体铜箔的另一面，110℃条件下烘干。得到厚度为100μm的片材。
将上述片材裁切成41mm×61mm规格的多个片状单元。
使用激光清洗的方式在裁切后的片状单元的一面刻蚀出N个凹槽，N个凹槽沿片状单元的宽边方向延伸并且沿片状单元的长边方向依次排列，N＝10，其中：
凹槽的长度等于片状单元的宽度；
凹槽宽度w’，即前述的凹槽沿第一方向的槽口宽度w’，为99μm；
凹槽最低点高度H’，即前述凹槽的槽底与第一表面之间的垂直距离H'，为0μm；
两个相邻凹槽之间的活性材料层的表面宽度w，即前述第一单元沿第一方向的顶面宽度w，满足w/w’＝100；
任意两个相邻凹槽的槽口宽度中心之间的距离定义为槽间间距，任意两个槽间间距Da和Db，满足Da/Db＝1；
凹槽所在区域的单位面积活性物质含量，与活性材料层连续区域的单位面积活性物质含量，二者的比值M＝50％；
活性材料层表面非凹槽处的总长度为L'(即前述第一活性材料层表面的非凹槽区域沿第一方向的长度之和L')、活性材料层两端的总长度为L(即前述弯曲区域沿第一方向的长度L)，满足L’/L＝0.98。
完成以上步骤的片状单元，作为负极极片待用。
(2)正极极片的制备
将正极活性材料钴酸锂(LiCoO2)、导电炭黑(Super P)、聚偏二氟乙烯(PVDF)按照重量比97.5:1.0:1.5进行混合，加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)作为溶剂，调配成为固含量为0.75的浆料，并搅拌均匀。
将浆料均匀涂覆在10μm厚的正极集流体铝箔的一面，90℃条件下烘干；然后，将浆料均匀涂覆在10μm厚的正极集流体铝箔的另一面，90℃条件下烘干。得到厚度为80μm的片材。
将上述片材裁切成38mm×58mm规格的多个片状单元，每个片状单元作为一个正极极片待用。
(3)电解液的制备
在干燥氩气气氛中，首先将有机溶剂碳酸乙烯酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二乙酯(DEC)以质量比EC:EMC:DEC＝30:50:20混合，然后向有机溶剂中加入锂盐六氟磷酸锂(LiPF6)溶解并混合均匀，得到锂盐的浓度为1.15M的电解液。
(4)锂离子电池制备
选用厚度15μm的聚乙烯(PE)作为隔膜，将负极极片、隔膜、正极极片顺序叠好；然后，对叠好的电极组件沿长度方向进行弯曲，使凹槽位于内凹侧，凹槽的延伸方向与弯曲方向正交，形成各处曲率半径一致的弧形电极组件；然后，用胶带将整个弧形叠片结构的电极组件的四个角固定好，置入弧形铝塑膜中，经顶侧封、注液、封装后，最终得到叠片式的弧形锂离子电池。
实施例2-20，除了按照下述表1调整一些参数的数值以外，制备过程与实施例1类似。
实施例21
(1)负极极片的制备
将负极活性材料石墨(Graphite)、导电炭黑(Super P)、丁苯橡胶(SBR)按照重量比96:1.5:2.5进行混合，加入去离子水(H2O)作为溶剂，调配成为固含量为0.7的浆料，并搅拌均匀。
将浆料均匀涂布在10μm厚的负极集流体铜箔的一面，110℃条件下烘干；然后，将浆料均匀涂布在负极集流体铜箔的另一面，110℃条件下烘干。得到厚度为100μm的片材。
将上述片材裁切成41mm×61mm规格的多个片状单元。
使用激光清洗的方式在裁切后的片状单元的一面刻蚀出N个凹槽，N个凹槽沿片状单元的长边方向延伸并且沿片状单元的宽边方向依次排列，N＝10，其中：
凹槽的长度等于片状单元的长度；
凹槽宽度w’，即前述的凹槽沿第一方向的槽口宽度w’，为99μm；
凹槽最低点高度H’，即前述凹槽的槽底与第一表面之间的垂直距离H'，为0μm；
两个相邻凹槽之间的活性材料层的表面宽度w，即前述第一单元沿第一方向的顶面宽度w，满足w/w’＝100；
任意两个相邻凹槽的槽口宽度中心之间的距离定义为槽间间距，任意两个槽间间距Da和Db，满足Da/Db＝1；
凹槽所在区域的单位面积活性物质含量，与活性材料层连续区域的单位面积活性物质含量，二者的比值M＝50％；
活性材料层表面非凹槽处的总宽度为L'(即前述第一活性材料层表面的非凹槽区域沿第一方向的长度之和L')、活性材料层两端的总宽度为L(即前述弯曲区域沿第一方向的长度L)，满足L’/L＝0.98。
完成以上步骤的片状单元，作为负极极片待用。
(2)正极极片的制备
参照实施例1
(3)电解液的制备
参照实施例1
(4)锂离子电池制备
选用厚度15μm的聚乙烯(PE)作为隔膜，将负极极片、隔膜、正极极片、隔膜顺序叠好；然后，对叠好的电极组件沿宽度方向进行弯曲，使凹槽位于内凹侧，凹槽的延伸方向与弯曲方向正交，形成各处曲率半径一致的弧形电极组件；然后，用胶带将整个弧形叠片结构的电极组件的四个角固定好，置入弧形铝塑膜中，经顶侧封、注液、封装后，最终得到叠片式的弧形锂离子电池。
实施例22
(1)负极极片的制备
将负极活性材料石墨(Graphite)、导电炭黑(Super P)、丁苯橡胶(SBR)按照重量比96:1.5:2.5进行混合，加入去离子水(H2O)作为溶剂，调配成为固含量为0.7的浆料，并搅拌均匀。
将浆料均匀涂布在10μm厚的负极集流体铜箔的一面，110℃条件下烘干；然后，将浆料均匀涂布在负极集流体铜箔的另一面，110℃条件下烘干。得到厚度为100μm的片材。
将上述片材裁切成61mm×400mm规格的多个片状单元。
使用激光清洗的方式在裁切后的片状单元的一面刻蚀出N个凹槽，N个凹槽沿片状单元的宽边方向延伸并且沿片状单元的长边方向依次排列，N＝10，其中：
凹槽的长度等于片状单元的宽度；
凹槽宽度w’，即前述的凹槽沿第一方向的槽口宽度w’，为99μm；
凹槽最低点高度H’，即前述凹槽的槽底与第一表面之间的垂直距离H'，为0μm；
两个相邻凹槽之间的活性材料层的表面宽度w，即前述第一单元沿第一方向的顶面宽度w，满足w/w’＝100；
任意两个相邻凹槽的槽口宽度中心之间的距离定义为槽间间距，任意两个槽间间距Da和Db，满足Da/Db＝1；
凹槽所在区域的单位面积活性物质含量，与活性材料层连续区域的单位面积活性物质含量，二者的比值M＝50％；
活性材料层表面非凹槽处的总宽度为L'(即前述第一活性材料层表面的非凹槽区域沿第一方向的长度之和L')、活性材料层两端的总宽度为L(即前述弯曲区域沿第一方向的长度L)，满足L’/L＝0.98。
在完成以上步骤后，以完全一致的方法，在该片状单元的另一面也完成以上激光清洗的步骤，即得到双面具有凹槽的负极极片。
(2)正极极片的制备
参照实施例1
(3)电解液的制备
参照实施例1
(4)锂离子电池制备
选用厚度15μm的聚乙烯(PE)作为隔膜，将正极极片、隔膜、负极极片、隔膜顺序叠好，使隔膜处于正极极片和负极极片中间以起到隔离的作用；然后，沿长度方向卷绕得到扁平状的卷绕式电极组件；然后，对该扁平状的卷绕式电极组件进行弯曲，弯曲方向垂直于凹槽的延伸方向，形成各处曲率半径一致的弧形电极组件；然后，用胶带将整个弧形叠片结构的电极组件的四个角固定好，置入弧形铝塑膜中，经顶侧封、注液、封装后，最终得到卷绕式的弧形锂离子电池。
对比例1
(1)负极极片的制备
将负极活性材料石墨(Graphite)、导电炭黑(Super P)、丁苯橡胶(SBR)按照重量比96:1.5:2.5进行混合，加入去离子水(H2O)作为溶剂，调配成为固含量为0.7的浆料，并搅拌均匀。
将浆料均匀涂布在10μm厚的负极集流体铜箔的一面，110℃条件下烘干；然后，将浆料均匀涂布在负极集流体铜箔的另一面，110℃条件下烘干。得到厚度为100μm的片材。
将上述片材裁切成41mm×61mm规格的多个片状单元，每个片状单元作为一个负极极片待用。
(2)正极极片的制备
参照实施例1
(3)电解液的制备
参照实施例1
4)锂离子电池的制备
选用厚度15μm的聚乙烯(PE)作为隔膜，将负极极片、隔膜、正极极片顺序叠好；然后，对叠好的电极组件沿长度方向进行弯曲，形成各处曲率半径一致的弧形电极组件；然后，用胶带将整个弧形叠片结构的电极组件的四个角固定好，置入弧形铝塑膜中，经顶侧封、注液、封装后，最终得到叠片式的弧形锂离子电池。该弧形锂离子电池的正极极片的活性材料层、负极极片的活性材料层在弯曲区域呈面状连续延展。
对比例2，制备过程与实施例1基本类似，但其在弯曲区域，L'/L＝0.5(R1/(R1+H))＝0.5(R2/(R2+H))，不满足本申请前述实施方式中所要求满足的式I，对比例2所采用的具体参数数值参见表1所示。
以上各实施例及对比例的自变量参数及因变量参数数据如以下表一所示。可以看出，与对比例1和对比例2相比，本申请实施例1-23所制备锂离子电池的自放电速率更低，多次循环充放电后电容量变化更小，2C/02C放电容量保持率更高，01C放电体积能量密度更高，因此，锂离子电池的整体性能明显提升。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。
以上所述仅为本申请的较佳实施方式和较佳实施例而已，并非用于限定本申请的保护范围。凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本申请的保护范围内。
Figure GDA0003505699860000191

Claims (15)

1.一种电极极片，包括弯曲区域，所述电极极片包括：
集流体，包括位于所述弯曲区域的第一表面和第二表面，所述第一表面内凹，所述第二表面外凸；及
第一活性材料层，位于所述第一表面，在所述弯曲区域处于平展状态时，所述第一活性材料层包括至少两个第一单元，所述至少两个第一单元沿第一方向依次排列，任意相邻两个所述第一单元之间具有凹槽；
其中，所述弯曲区域满足：0.7×R2/(R2+H)≤L'/L≤R1/(R1+H)；
其中，H为所述第一活性材料层的厚度；R1为所述第一活性材料层表面的最大曲率半径；R2为所述第一活性材料层表面的最小曲率半径；L为所述弯曲区域处于平展状态时，所述弯曲区域沿所述第一方向的长度；L'为所述弯曲区域处于平展状态时，所述第一活性材料层表面的非凹槽区域沿所述第一方向的长度之和。
2.根据权利要求1所述的电极极片，其中，所述弯曲区域满足：0.9×[H/(R1+H)]×L/N≤w'≤1.43×[H/(R2+H)]×L/N；其中，w'为所述凹槽沿所述第一方向的槽口宽度，N为所述凹槽的数量。
3.根据权利要求1所述的电极极片，其中，所述弯曲区域满足：0.9×R2/H≤w/w'≤1.43×R1/H，其中，w为所述第一单元沿所述第一方向的顶面宽度，w'为所述凹槽沿所述第一方向的槽口宽度。
4.根据权利要求1所述的电极极片，其中，所述第一活性材料层包括至少三个凹槽，相邻两个所述凹槽沿所述第一方向的槽口宽度中心之间的距离为槽间间距，其中：
任意两个所述槽间间距相等；或者，
至少两个所述槽间间距不相等，且较大的槽间间距Da与较小的槽间间距Db满足：Da/Db≤2×R1/R2。
5.根据权利要求4所述的电极极片，其中，至少两个所述槽间间距不相等，且较大的槽间间距Da与较小的槽间间距Db满足：Da/Db≤1.56×R1/R2。
6.根据权利要求1所述的电极极片，其中，在所述弯曲区域处于平展状态时，所述凹槽的槽底与所述第一表面之间的垂直距离H'满足：0≤H'≤0.8×H。
7.根据权利要求1所述的电极极片，其中，在所述弯曲区域处于平展状态时，沿垂直于所述第一表面方向观察，所述至少两个第一单元和所述凹槽沿与所述第一方向垂直的第二方向延伸。
8.根据权利要求1所述的电极极片，其中，所述弯曲区域满足：0≤(R1-R2)/R1≤0.8。
9.根据权利要求2所述的电极极片，其具有以下特征的至少一者：
a)0.8×R2/(R2+H)≤L'/L≤R1/(R1+H)，或者，0.8≤L'/L<1；或者，0.9≤L'/L<1；
b)[H/(R1+H)]×L/N≤w'≤1.25×[H/(R2+H)]×L/N；
c)R2/H≤w/w'≤1.25×R1/H；
d)30μm≤H≤1000μm，或者，50μm≤H≤500μm，或者，80μm≤H≤300μm；
e)0≤(R1-R2)/R1≤0.5；
f)R2≥5mm。
10.根据权利要求1所述的电极极片，其中，所述凹槽包括V型凹槽、梯形凹槽、矩形凹槽中的至少一种。
11.根据权利要求1-10任一项所述的电极极片，其中，所述电极极片还包括位于所述第二表面的第二活性材料层，所述第二活性材料层呈面状连续延展；或者，
所述第二活性材料层包括至少两个第二单元，任意相邻两个所述第二单元之间具有凹槽。
12.一种电极组件，其中，所述电极组件包括正极极片和负极极片，所述正极极片和所述负极极片中至少之一为根据权利要求1-11任一项所述的电极极片。
13.根据权利要求12所述的电极组件，其中，所述电极组件为卷绕式电极组件或叠片式电极组件。
14.一种电化学装置，其包括根据权利要求12或13所述的电极组件。
15.一种电子装置，其包含根据权利要求14所述的电化学装置。
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