CN113270568A - 一种电芯和电池 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电芯和电池，电芯包括：正极片、负极片和隔膜，所述隔膜位于所述正极片和所述负极片之间，所述负极片包括第一极片部和第二极片部，所述第一极片部位于所述电芯的中间位置，所述第二极片部位于所述第一极片部的外侧，所述第一极片部包括的涂层的硅元素质量含量大于所述第二极片部包括的涂层的硅元素质量含量。这样，通过使得第一极片部包括的涂层的硅元素质量含量大于第二极片部包括的涂层的硅元素质量含量，即第一极片部包括的涂层的硅元素质量含量较高，可以使得负极片在常温充放电时的稳定性较好，从而改善整个电芯的循环性能，且使得电芯可以兼顾能量密度较高和充放电性能较好。

Description

一种电芯和电池

技术领域

本发明涉及电池技术领域，特别涉及一种电芯和电池。

背景技术

随着电池技术的发展，电池在人们的生活中得到了广泛的应用。同时，电池的种类也越来越多。现有技术中，通常通过负极掺硅的方式提高电池的能量密度，但已证实负极掺硅会导致反应动力学的损失，从而恶化电池的充放电性能，兼顾电池的能力密度提升和充放电性能成为高能量密度电池开发的难点。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种电芯和电池，解决了电芯难以兼顾能量密度较高和充放电性能较好的问题。

为了达到上述目的，本发明实施例提供一种电芯，包括：正极片、负极片和隔膜，所述隔膜位于所述正极片和所述负极片之间，所述负极片包括第一极片部和第二极片部，所述第一极片部位于所述电芯的中间位置，所述第二极片部位于所述第一极片部的外侧，所述第一极片部包括的涂层的硅元素质量含量大于所述第二极片部包括的涂层的硅元素质量含量。

可选地，所述负极片包括的涂层的硅元素质量含量为2％-20％。

可选地，所述第一极片部包括的涂层的硅元素质量含量为2％-20％，所述第二极片部包括的涂层的硅元素质量含量为0％-10％。

可选地，所述电芯为卷绕式电芯，所述第一极片部构成所述卷绕式电芯的中心区域，所述第二极片部构成与所述中心区域相邻的外部区域。

可选地，所述第一极片部和所述第二极片部的折数的比值范围为1/9至9/1。

可选地，所述电芯为叠片式电芯，所述叠片式电芯包含多个所述负极片，多个所述负极片包括第一负极片和第二负极片，所述第一负极片为位于多个所述负极片中间位置的负极片，所述第二负极片为位于多个所述负极片外部位置的负极片，且所述第一负极片包括的涂层的硅元素质量含量大于所述第二负极片包括的涂层的硅元素质量含量。

可选地，沿着从所述第一负极片至所述第二负极片的方向，所述叠片式电芯包含的负极片包括的涂层的硅元素质量含量逐渐降低。

可选地，所述第一极片部包括的涂层的硅元素质量含量为5％-10％。

可选地，所述第二极片部包括的涂层的硅元素质量含量为0％-5％。

本发明实施例还提供一种电池，包括上述的电芯。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

本发明实施例中，一种电芯，包括：正极片、负极片和隔膜，所述隔膜位于所述正极片和所述负极片之间，所述负极片包括第一极片部和第二极片部，所述第一极片部位于所述电芯的中间位置，所述第二极片部位于所述第一极片部的外侧，所述第一极片部包括的涂层的硅元素质量含量大于所述第二极片部包括的涂层的硅元素质量含量。这样，通过使得第一极片部包括的涂层的硅元素质量含量大于第二极片部包括的涂层的硅元素质量含量，即第一极片部包括的涂层的硅元素质量含量较高，可以使得负极片在常温充放电时的稳定性较好，且使得电芯可以兼顾能量密度较高和充放电性能较好。

附图说明

图1为本发明实施例提供的电芯的负极片的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的电芯的结构示意图之一；

图3为本发明实施例提供的电芯的结构示意图之二。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，图1为本发明实施例提供的一种电芯的结构示意图，如图1所示，电芯，包括：正极片10、负极片20和隔膜30，所述隔膜30位于所述正极片10和所述负极片20之间，所述负极片20包括第一极片部21和第二极片部22，所述第一极片部21位于所述电芯的中间位置，所述第二极片部22位于所述第一极片部21的外侧，所述第一极片部21包括的涂层的硅元素质量含量大于所述第二极片部22包括的涂层的硅元素质量含量。

本发明中，硅元素质量含量是硅元素占涂层的质量含量。在电池产品中，硅元素的质量含量可以用EDS等方法对极片涂层进行检测获得。

本发明中，掺硅是指在负极材料里面添加硅负极材料，例如硅氧化合物、硅碳化合物等。

其中，负极片20包括集流体和位于集流体表面的涂层，同时，负极片20包括第一极片部21和第二极片部22，因此，可理解为第一极片部21包括第一集流体部和第一涂层部，第二极片部22包括第二集流体部和第二涂层部，而第一集流体部和第二集流体部构成上述集流体，第一涂层部和第二涂层部构成上述涂层，也就是说：本发明实施例中的第一极片部21包括的涂层可以理解为第一涂层部，第二极片部22包括的涂层可以理解为第二涂层部。

其中，本发明实施例的工作原理可以参见以下表述：

在大倍率充放电的过程中，电芯的中间位置容易形成高温热区，本发明实施例中，第一极片部21位于电芯的中间位置，且通过使得第一极片部21包括的涂层的硅元素质量含量大于第二极片部22包括的涂层的硅元素质量含量，即第一极片部21包括的涂层的硅元素质量含量较高，从而可以使得负极片20在充放电(特别是常温充放电)时的稳定性较好，减少了析锂现象的出现，增强了负极片20的动力学，从而改善了整个电芯的循环性能。

同时，由于第一极片部21包括的涂层的硅元素质量含量大于第二极片部22包括的涂层的硅元素质量含量，相当于只增加了第一极片部21包括的涂层的硅元素质量含量，与负极片20包括的涂层整体增加硅元素质量含量的方式相比，减小了电芯的能量密度的损失值，且减少了析锂现象的出现，即本发明实施例可以同时兼顾电芯的循环性能较好以及能量密度较高，也可以理解为：本发明实施例提供的电芯可以兼顾能量密度较高和充放电性能较好。

上述原理也可以参见以下表述：为了追求能量密度的提升，负极(即负极片)多采用掺混硅负极(即提高负极片的硅元素质量含量)，但是掺混硅会导致恶化负极的动力学，掺混量越多越容易常温充放电析锂，但是高温下负极的动力学性能会好于常温的状态，对于掺硅负极，高温下充放电的析锂情况比常温有明显改善。而由于电池内部会形成高温热区，因为内部温度较外部高，所以将电芯的中间位置(即第一极片部)包括的涂层的硅元素质量含量提升，使内部包括的涂层的硅元素质量含量高于外部包括的涂层的硅元素质量含量，这样就达到了一个能量密度和充放电性能的兼顾。

需要说明的是，本发明实施例中的电芯可以为锂电池电芯。

其中，第一极片部21和第二极片部22可以相邻设置，即第一极片部21和第二极片部22可以相互连接，例如：第一极片部21和第二极片部22可以位于同一水平面(该水平面可以认为是负极片20所在的平面)上，而第一极片部21和第二极片部22所在的区域可以分别为该水平面的两个不同区域。需要说明的是，当第一极片部21位于电芯的中间位置时，可以理解为负极片20位于电芯的中间位置，而第一极片部21和第二极片部22可以均位于电芯的中间位置，例如：第一极片部21可以位于电芯的中间偏左位置，而第二极片部22可以位于电芯的中间偏右位置。

另外，第一极片部21和第二极片部22也可以间隔设置，例如：第一极片部21和第二极片部22可以通过中间极片部连接。这样，第一极片部21和第二极片部22可以分别位于负极片20的相对两端。

需要说明的是，负极片20包括的涂层的硅元素质量含量的具体数值在此不做限定，例如：作为一种可选的实施方式，所述负极片20包括的涂层的硅元素质量含量为2％-20％。这样，增强了负极片2包括的涂层0的硅元素质量含量设置的灵活性。

当然，第一极片部21包括的涂层和第二极片部22包括的涂层的硅元素的具体取值在此也不做限定，例如：作为一种可选的实施方式，所述第一极片部21包括的涂层的硅元素质量含量为2％-20％，所述第二极片部22包括的涂层的硅元素质量含量为0％-10％。同时，第一极片部21包括的涂层的硅元素质量含量需大于第二极片部22包括的涂层的硅元素质量含量。

作为另一种可选的实施方式，所述第一极片部21包括的涂层的硅元素质量含量为5％-10％；作为另一种可选的实施方式，所述第二极片部22包括的涂层的硅元素质量含量为0％-5％。

这样，通过上述方式，可以增强第一极片部21包括的涂层和第二极片部22包括的涂层的硅元素的设置范围的灵活性和多样性，同时还可以使得电芯的循环性能较好。

需要说明的是，电芯的具体结构在此不做限定，例如：电芯可以为卷绕式电芯或者叠片式电芯。其中，卷绕式电芯可以指的是将一整块正极片10、负极片20和隔膜30经过多次弯折，从而构成多层结构(每一层结构中可以包括一部分正极片10、一部分负极片20和一部分隔膜30，上述一部分正极片10、一部分负极片20和一部分隔膜30可以被称作为一层电芯结构)。而叠片式电芯可以认为是由多块正极片10、多块负极片20和多块隔膜30叠加形成，而每一块正极片10、与对应的负极片20和对应的隔膜30可以被称为一组叠片。

作为一种可选的实施方式，参见图2，所述电芯为卷绕式电芯，所述第一极片部21构成所述卷绕式电芯的中心区域，所述第二极片部22构成与所述中心区域相邻的外部区域。这样，由于第一极片部21位于电芯的中心区域，通过使得中心区域包括的涂层的硅元素质量含量较高，从而可以使得负极片20在充放电时的稳定性较好，从而改善整个电芯的循环性能。

需要说明的是，中心区域与上述实施方式的中间位置存在区别：中间位置可以指的是位于电芯的中间的一个水平面上所有的位置，而中心区域则可以指的是该水平面的中心位置所在的区域。

而第二极片部22位于外部区域可以指的是除中心区域之外的其他区域，例如：第二极片部22可以围绕第一极片部21设置。

另外，折次可以理解为：第一极片部21和第二极片部22的折叠次数，第一极片部21的折叠次数可以用m表示，第二极片部22的折叠次数可以用n表示，其中，m和n的比值在此不做限定，例如：作为一种可选的实施方式，n/m的范围可以为1/9～9/1，即所述第一极片部21和所述第二极片部22的折数的比值范围为1/9至9/1。这样，增强了第一极片部21和第二极片部22的折叠次数的灵活性，当然，第一极片部21和第二极片部22的折叠次数可以根据设计要求来确定。

作为另一种可选的实施方式，参见图3，所述电芯为叠片式电芯，所述叠片式电芯包含多个所述负极片20，多个所述负极片20包括第一负极片和第二负极片，所述第一负极片为位于多个所述负极片20中间位置的负极片，所述第二负极片为位于多个所述负极片20外部位置的负极片，且所述第一负极片包括的涂层的硅元素质量含量大于所述第二负极片包括的涂层的硅元素质量含量。

这样，由于位于多个负极片20中间位置的第一负极片包括的涂层的硅元素大于位于多个负极片外部位置的第二负极片包括的涂层的硅元素质量含量，同样可以使得负极片20在充放电时的稳定性较好，从而改善整个电芯的循环性能。同时，还增加了电芯的多样性。

需要说明的是，上述外部位置可以指的是除中间位置之外的其他位置。

作为一种可选的实施方式，沿着从所述第一负极片至所述第二负极片的方向，所述叠片式电芯包含的负极片20包括的涂层的硅元素质量含量逐渐降低。即从电芯的中间位置至电芯的外部位置，负极片20包括的涂层的硅元素质量含量呈梯度下降，从而可以进一步增强电芯的充放电性能。上述梯度的具体取值在此不做限定。

本发明实施例还提供一种电池，包括上述实施方式中的电芯，由于本发明实施例提供的电池包括上述实施方式中的电芯，因而具有与上述实施方式中的电芯相同的有益技术效果，而电芯的具体结构可以参见上述实施方式的相应表述，在此不再赘述。

下面以具体实施例来举例说明本发明。

叠片式电芯的加工步骤可以参见以下步骤：

步骤401、将正极活性物质、粘结剂PVDF、导电剂按照一定质量比混合(质量比的具体取值在此不做限定，例如：质量比可以为97.8：1.1：1.1)，然后加入N-甲基吡咯烷酮搅拌分散制成适当固含量的正极浆料，将其涂覆到集流体上，经烘干、辊压、分切、制片等工序，得到正极片。

步骤402、在96.5wt％负极活性物质1中加入0.5wt％导电剂、1.5wt％丁苯橡胶、1.5wt％羧甲基纤维素，然后用水调节制成负极浆料。经烘干、辊压、分切、制片等工序，得到负极片1(硅元素质量含量为10％)。

步骤403、在96.5wt％负极活性物质2中加入0.5wt％导电剂、1.5wt％丁苯橡胶、1.5wt％羧甲基纤维素，然后用水调节制成负极浆料。经烘干、辊压、分切、制片等工序，得到负极片2(硅元素质量含量为3％)。

步骤404、将得到的正极片和负极片与隔膜一起堆叠，再用铝塑膜封装成电芯，然后经过注液、化成、二次封装、分选、老化等工序，最后对电池进行电性能测试。

电池性能测试可以包括高温充放电测试和能量密度两个参数，而高温充放电测试可以参见以下表述：在环境温度25±2℃条件下搁置2h后，将电芯进行充放电：3C倍率下恒流充电至4.25V，在4.25V电压下恒压充电至2.5C，在2.5C倍率下恒流充电至4.35V，在4.35V电压下恒压充电至2C，在2C倍率下恒流充电至4.4V，在4.4V电压下恒压充电至1.5C，在1.5C倍率下恒流充电至4.48V，在4.48V电压下恒压充电至0.025C，搁置5min，然后进行0.7C放电，截止电压3.0V，搁置5min。以此步骤循环，监控充放电循环过程中电池的容量保持率。

能量密度可以为体积能量密度，能量密度(wh/L)＝常温下台容量(Ah)×体系平台电压(V)/电芯体积(L)。

需要说明的是，可以通过调节负极片1和负极片2的层数、负极片1和负极片2中硅元素质量含量的不同，然后观察每个实施例的性能。具体参见表1。

表1

从表1中实施例1-3可以看出，随着负极片1层数增大，能量密度不断提升，但循环保持率变差。

从表1中实施例2和实施例4对比可以看出，负极片1硅元素比例降低，能量密度有损失但循环保持率有提升。

从表1中实施例2和对比例1对比可以看出，保持整体的硅元素比例不变，提高负极片1的硅元素比例，降低负极片2的硅元素比例，可以在保持能量密度的基础上改善常温循环保持率。

卷绕式电芯的加工步骤可以参见以下步骤：

步骤501、将正极活性物质、粘结剂PVDF、导电剂按照一定质量比混合(质量比的具体取值在此不做限定，例如：质量比可以为97.8：1.1：1.1)，然后加入N-甲基吡咯烷酮搅拌分散制成适当固含量的正极浆料，将其涂覆到集流体上，经烘干、辊压、分切、制片等工序，得到正极片。

步骤502、在96.5wt％负极活性物质1(硅元素质量含量为10％)中加入0.5wt％导电剂、1.5wt％丁苯橡胶、1.5wt％羧甲基纤维素，然后用水调节制成负极浆料1。

步骤503、在96.5wt％负极活性物质2(硅元素质量含量为3％)中加入0.5wt％导电剂、1.5wt％丁苯橡胶、1.5wt％羧甲基纤维素，然后用水调节制成负极浆料2。

步骤504、将负极浆料1和浆料2依次涂覆到负极集流体上，浆料1涂覆的位置为区域1，浆料2涂覆的位置为区域2。区域1和区域2的折数为1:1。经烘干、辊压、分切、制片等工序，得到负极片。

步骤505、将得到的正极片和负极片与隔膜一起卷绕成卷芯，再用铝塑膜封装成电芯，然后经过注液、化成、二次封装、分选、老化等工序，最后对电池进行电性能测试。

同样，电性能测试可以参见上述叠片式电芯的相应表述，而同样可以调节区域1(本实施例的区域1指的可以是第一极片部21)和区域2(本实施例的区域2指的可以是第二极片部22)的折数、区域1和区域2中硅元素质量含量，然后观察每个实施例的性能。具体参见表2。

表2

从表2中实施例5-7可以看出，随着负极片区域1折数增大，能量密度不断提升，但循环保持率变差。

从表2中实施例6和实施例8对比可以看出，负极片区域1的硅元素比例降低，能量密度有损失但循环保持率有提升。

从表2中实施例6和对比例2对比可以看出，保持整体的硅元素比例不变，提高负极片区域1的硅元素比例，降低负极片区域2的硅元素比例，可以在保持能量密度的基础上改善常温循环保持率。

综合表1和表2的内容可知，本发明采用的通过优化电池内部负极片中硅元素比例(即硅元素质量含量)，可以改善锂离子电池在的常温充放电循环性能，同时还可以兼顾能量密度。

需要说明的是，表1中的E1和表2中的E1可以分别指的是对应的对比例中的能量密度，具体数值在此不做限定。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种电芯，其特征在于，包括：正极片、负极片和隔膜，所述隔膜位于所述正极片和所述负极片之间，所述负极片包括第一极片部和第二极片部，所述第一极片部位于所述电芯的中间位置，所述第二极片部位于所述第一极片部的外侧，所述第一极片部包括的涂层的硅元素质量含量大于所述第二极片部包括的涂层的硅元素质量含量。

2.根据权利要求1所述的电芯，其特征在于，所述负极片包括的涂层的硅元素质量含量为2％-20％。

3.根据权利要求1所述的电芯，其特征在于，所述第一极片部包括的涂层的硅元素质量含量为2％-20％，所述第二极片部包括的涂层的硅元素质量含量为0％-10％。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的电芯，其特征在于，所述电芯为卷绕式电芯，所述第一极片部构成所述卷绕式电芯的中心区域，所述第二极片部构成与所述中心区域相邻的外部区域。

5.根据权利要求4所述的电芯，其特征在于，所述第一极片部和所述第二极片部的折数的比值范围为1/9至9/1。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的电芯，其特征在于，所述电芯为叠片式电芯，所述叠片式电芯包含多个所述负极片，多个所述负极片包括第一负极片和第二负极片，所述第一负极片为位于多个所述负极片中间位置的负极片，所述第二负极片为位于多个所述负极片外部位置的负极片，且所述第一负极片包括的涂层的硅元素质量含量大于所述第二负极片包括的涂层的硅元素质量含量。

7.根据权利要求6所述的电芯，其特征在于，沿着从所述第一负极片至所述第二负极片的方向，所述叠片式电芯包含的负极片包括的涂层的硅元素质量含量逐渐降低。

8.根据权利要求1所述的电芯，其特征在于，所述第一极片部包括的涂层的硅元素质量含量为5％-10％。

9.根据权利要求1所述的电芯，其特征在于，所述第二极片部包括的涂层的硅元素质量含量为0％-5％。

10.一种电池，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述的电芯。

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