CN113270661A - 极片和电池 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种极片和电池，其中，极片包括集流体，所述集流体上设有活性层，所述活性层包括微型件，所述微型件包括壳体，所述壳体内设有空腔，所述空腔填充有相变材料。在温度范围为20度至85度的情况下，所述相变材料发生吸热相变。通过相变材料吸收锂离子电池在快速充电的过程中产生的大量的热，可以降低电池内部温度，从而解决了锂离子电池内部散热较难，锂离子电池散热不均匀，导致电池安全性较差的问题。微型件的壳体材料采用可以充当导电剂的物质，可尽量不降低活性物质的用量。本申请提供的电池中，靠近电池中心一侧的相变材料的含量大于远离电池中心一侧的相变材料的含量，可进一步解决电池散热不均匀，导致电池安全性较差的问题。

Description

极片和电池
技术领域
本申请涉及锂离子电池领域，尤其涉及一种极片和电池。
背景技术
锂离子电池自商业化以来，因其电压平台高、能量密度大，输出功率高、无记忆效应循环寿命长和环境友好等优点，被广泛用于消费品电子、电动汽车和电动工具等方面。
目前，锂离子电池在快速充电的过程中会产生大量的热，相较于锂离子外部可以直接较快的将热量散发到空气中而言，锂离子电池内部散热较难，锂离子电池散热不均匀，导致电池安全性较差。
申请内容
本申请实施例提供一种极片和电池，解决了因电池无法均匀散热导致电池安全性较差的问题。
为达到上述目的，第一方面，本申请实施例提供一种极片，包括集流体，所述集流体上设有活性层，所述活性层包括微型件，所述微型件包括壳体，所述壳体内设有空腔，所述空腔填充有相变材料；
在温度范围为20度至85度的情况下，所述相变材料发生吸热相变。
可选的，所述壳体采用第二材料制成，所述第二材料包括导电材料。
可选的，所述相变材料包括萘、硫代硫酸钠、石蜡、磷酸二氢钠NaH2PO4﹒H2O、氟化钠NaF中的至少一项。
可选的，所述壳体与所述空腔的体积比的取值范围为1：50至1：5。
可选的，所述微型件的形状为球体形状、椭球体形状和长方体形状中的至少一种；
在所述微型件为球体形状的情况下，所述球体的半径的取值范围为1μm至50μm；
在所述微型件为椭球体形状的情况下，所述椭球体的极半径和赤道半径的取值范围均为1μm至50μm。
可选的，所述相变材料的质量占所述活性层质量的0.05％至1.0％。
可选的，所述活性物质的质量占所述活性层质量的80％至99％，所述壳体的质量占所述活性层质量的7％至10％，所述微型件的质量占所述活性层质量的0.3％至10％。
第二方面，本申请实施例提供一种电池，包括如第一方面所述的极片。
可选的，靠近所述电池中心一侧的相变材料的含量大于远离所述电池中心一侧的相变材料的含量。
可选的，相变材料的含量在从电池中心向远离电池中心的方向上呈梯度式减少。
本申请实施例中，极片包括集流体，所述集流体上设有活性层，所述活性层包括微型件，所述微型件包括壳体，所述壳体内设有空腔，所述空腔填充有相变材料。在温度范围为20度至85度的情况下，所述相变材料发生吸热相变。通过相变材料吸收锂离子电池在快速充电的过程中产生的大量的热，可以降低电池内部温度，从而解决了锂离子电池内部散热较难，锂离子电池散热不均匀，导致电池安全性较差的问题。
通过选用可以充当导电剂的物质比如导电陶瓷、炭黑、石墨、石墨烯、聚苯胺和聚吡咯中的至少一种作为相变材料的壳体，可以使微型件起到导电剂的作用，尽可能不降低或少量降低活性层中活性物质的用量。
通过使靠近电池中心一侧的相变材料的含量大于远离电池中心一侧的相变材料的含量，可以节省相变材料的含量，且可解决锂离子电池内部散热较难，锂离子电池散热不均匀，导致电池安全性较差的问题。
附图说明
为了更清楚的说明本申请实施例中的技术方案，现对说明书附图作如下说明，显而易见地，下述附图仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据所列附图获得其他附图。
图1是本申请实施例提供的微型件的结构示意图；
图2是本申请实施例提供的电池的结构示意图之一；
图3是本申请实施例提供的电池的结构示意图之二。
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，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。在本申请中的实施例的基础上，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
参见图1，本申请实施例提供一种极片，包括集流体，所述集流体上设有活性层，所述活性层包括微型件，所述微型件包括壳体11，所述壳体11内设有空腔12，所述空腔12填充有相变材料；
在温度范围为20度至85度的情况下，所述相变材料发生吸热相变。
具体的，上述极片可以是正极片，也可以是负极片。上述集流体的形状可以为长方形，也可以为正方形。在集流体的形状为长方形的情况下，活性层沿极片长度方向设置于集流体上。集流体上还设有空箔区，该空箔区为未涂覆活性层的区域，极耳可以设置在该空箔区上。在温度范围为20度至85度的情况下，所述相变材料发生吸热相变，即是说相变材料的相变温度的范围为20度至85度。若相变温度低于20度，此时相变材料吸热相变会影响电池的正常工作；若相变温度高于85度，此时电池温度已经过高影响电池正常使用，起不到保护效果。
上述微型件的形状可以为球体、长方体等形状。空腔12内可以充满相变材料，也可以部分填充相变材料。相变材料是指温度不变的情况下而改变物质状态并能提供潜热的物质。转变物理性质的过程称为相变过程，本申请提供的相变材料将吸收锂离子电池在快速充电的过程中产生的大量的热量，把充电过程产生的热量转变为相变驱动力，使得即使在大倍率下充电，电池的温升也不会很高。
上述壳体11为相变材料的包覆物，通过将相变材料填充在壳体11内即将相变材料包覆在包覆物内，可以在相变材料吸热液化时，避免相变材料泄漏污染电池。
本申请实施例中，极片包括集流体，所述集流体上设有活性层，所述活性层包括微型件，所述微型件包括壳体11，所述壳体11内设有空腔12，所述空腔12填充有相变材料。在温度范围为20度至85度的情况下，所述相变材料发生吸热相变。在电池内部使用本申请实施例提供的极片，通过相变材料吸收锂离子电池在快速充电的过程中产生的大量的热，可以降低电池内部温度，从而解决了锂离子电池内部散热较难，锂离子电池散热不均匀，导致电池安全性较差的问题。
需要说明的是，本申请实施例提供的极片的活性层中还包括活性物质。在极片为正极片的情况下，活性物质包括钴酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰三元材料、镍钴铝三元材料、钛酸锂这几种材料中的至少一种；在极片为负极片的情况下，活性物质包括天然石墨、人造石墨、软碳和硬碳这几种材料中的至少一种。进一步的，在温度范围为45度至85度的情况下，所述相变材料发生吸热相变。
可选的，所述壳体11采用第二材料制成，所述第二材料包括导电材料。
应理解，所述导电材料包括导电陶瓷、炭黑、石墨、石墨烯、聚苯胺和聚吡咯中的至少一种。上述导电陶瓷、炭黑、石墨、石墨烯、聚苯胺和聚吡咯均可充当导电剂，通过选用可以充当导电剂的物质作为相变材料的壳体11，可以使微型件起到导电剂的作用，尽可能不降低或少量降低活性层中活性物质的用量。
进一步的，第二材料还包括可以充当粘结剂的物质比如聚偏氟乙烯PVDF、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚丙烯腈PAN、聚氧化乙烯PEO、丁苯橡胶SBR类和聚丙烯酸酯类，同理，通过选用可以充当粘结剂的物质作为相变材料的壳体11，可以使微型件起到粘结剂的作用，尽可能不降低或少量降低活性层中活性物质的用量。
应理解，第二材料还包括陶瓷等不干扰电池内部反应的化学性质稳定的物质。
可选的，所述相变材料包括萘、硫代硫酸钠、石蜡、磷酸二氢钠NaH2PO4﹒H2O、氟化钠NaF中的至少一项。
具体的，上述相变材料的相变潜热为150J/g～1000J/g。相变潜热简称潜热，指单位质量的物质在等温等压情况下，从一个相变化到另一个相吸收或放出的热量。这是物体在固、液、气三相之间以及不同的固相之间相互转变时具有的特点之一。
可选的，所述壳体11与所述空腔12的体积比的取值范围为1：50至1：5。通过限定壳体11与空腔12的体积比的取值范围为1：50至1：5，可以保证有足量的相变材料吸收锂离子电池在快速充电的过程中产生的大量的热，从而解决了锂离子电池内部散热较难，电池散热不均匀，导致电池安全性较差的问题。
可选的，所述微型件的形状为球体形状、椭球体形状和长方体形状中的至少一种；
在所述微型件为球体形状的情况下，所述球体的半径的取值范围为1μm至50μm；
在所述微型件为椭球体形状的情况下，所述椭球体的极半径和赤道半径的取值范围均为1μm至50μm。
经实验验证，通过上述限定，可以保证微型件可以较为均匀的分布在活性层中，以均匀吸收锂离子电池在快速充电的过程中，各部分产生的大量的热，达到较好的吸热效果，解决锂离子电池内部散热较难，电池散热不均匀，导致电池安全性较差的问题。进一步的，微型件的形状为球形时，电池散热效果较微型件的形状为椭球形和方形时更好。
可选的，所述相变材料的质量占所述活性层质量的0.05％至1.0％。
经试验，在相变材料满足上述质量限定的情况下，锂离子电池内部温升较低，相变材料具有较好的吸热效果。
可选的，所述活性物质的质量占所述活性层质量的80％至99％，所述壳体11的质量占所述活性层质量的7％至10％，所述微型件的质量占所述活性层质量的0.3％至10％。
经试验，在活性物质、壳体11和微型件满足上述质量限定的情况下，锂离子电池内部温升较低，相变材料具有较好的吸热效果，且极片活性物质含量充足，不影响电池的导电性能。
本申请实施例还提供一种电池，包括上述实施例提供的极片。极片的结构和工作原理可以参考上述实施例，在此不再赘述。由于本申请实施例提供的电池包括上述实施例提供的极片，因此本申请实施例提供的电池具有上述实施例提供的极片的全部有益效果。
需要说明的是，本申请提供的电池可以是叠片式电池，也可以是卷芯式电池。
可选的，参见图2和图3，靠近所述电池中心一侧2的相变材料的含量大于远离所述电池中心一侧3的相变材料的含量。
具体的，靠近电池中心的内层极片，散热较困难，而远离电池中心的外层极片能较快的把热量散发到周围空气中，因此通过使靠近所述电池中心一侧的相变材料的含量大于远离所述电池中心一侧的相变材料的含量，可以节省相变材料的含量，且可解决锂离子电池内部散热较难，电池散热不均匀，导致电池安全性较差的问题。
进一步的，相变材料的含量在从电池中心向远离电池中心的方向上呈梯度式减少。作为一个示例，靠近电池中心的最内层极片的相变材料的质量占所述活性层质量的1.0％，靠近电池中心的内层极片的相变材料的质量占所述活性层质量的0.55％，远离电池中心的最外层极片的相变材料的质量占所述活性层质量的0.1％。
下面对本申请提供的电池的具体实施例进行如下说明，实施例和对比例中的电池均采用叠片的方式，但本申请提供的电池并不局限于叠片方式，还可以是卷绕等方式。
实施例1：
(1)在97.8wt％钴酸锂(D50＝10μm)中加入1.0wt％炭黑包覆硫代硫酸钠制成的微型件、1.2wt％聚偏氟乙烯(PVDF)，然后用N-甲基吡咯烷酮(NMP)调节成正极活性物质A1。通过涂布设备将正极活性物质A1涂覆在集流体上，随后经烘干、辊压分切、裁切等裁切出正极片单元。其中，正极片单元中的微型件中的硫代硫酸钠的质量含量为0.05％-1.0％，微型件粒径为4μm，微型件的壳体与空腔的体积比的取值范围为1：20。相变材料的潜热为150J/g，相变峰值温度30℃。总共制备出含有不同质量含量的相变材料的正极片单元为26张，并且相变材料含量较多的正极片单元在叠片时放在内部，相变材料含量较少的正极片单元在叠片时放在外部，正极片单元中相变材料的含量从叠芯内部到叠芯外部呈现1.0％→0.05％梯度降低的分布趋势。
(2)将负极活性物质人造石墨(D50＝8μm)、炭黑包覆石蜡制成的微型件和粘接剂SBR+CMC按(97.0wt％、0.5wt％、1.2wt％+1.3wt％)比例混合，然后加入去离子水分散制成适当固含量的负极浆料B1。通过涂布设备将正极活性物质B1涂覆在集流体上，随后经烘干、辊压分切、裁切等裁切出负极片单元。其中，负极片单元中的微型件中的石蜡的质量含量为0.05％-0.5％，微型件粒径为4μm，相变材料的潜热为130J/g，相变峰值温度27℃。总共制备出含有不同质量含量的相变材料的负极片单元为26张，并且相变材料含量较多的负极片单元在叠片时放在内部，相变材料含量较少的负极片单元在叠片时放在外部，负极片单元中相变材料的含量从叠芯内部到叠芯外部呈现0.5％→0.05％梯度降低的分布趋势。
(3)将第一步制得的正极片单元、第二步制得的负极片单元、隔膜呈Z型叠放在一起制成叠芯，焊接极耳后再用铝塑膜封装制成电芯，然后进行注液、陈化、化成、二次封装等工序，最后对电池的电化学性能进行测试。
实施例2：
其他与实施例1基本相同，不同的是正极片的配方改为：97.6wt％钴酸锂(D50＝10μm)、1.2wt％炭黑包覆硫代硫酸钠制成的微型件、1.2wt％聚偏氟乙烯(PVDF)。
实施例3：
其他与实施例1基本相同，不同的是正极片的配方改为：97.8wt％钴酸锂(D50＝10μm)、1.4wt％炭黑包覆硫代硫酸钠制成的微型件、1.2wt％聚偏氟乙烯(PVDF)。
实施例4：
其他与实施例1基本相同，不同的是负极片的配方改为：负极活性物质人造石墨(D50＝8μm)、炭黑包覆石蜡制成的微型件、粘接剂SBR+CMC按(96.8wt％、0.7wt％、1.2wt％+1.3wt％)。
实施例5：
其他与实施例1基本相同，不同的是负极片的配方改为：负极活性物质人造石墨(D50＝8μm)、炭黑包覆石蜡制成的微型件、粘接剂SBR+CMC按(96.6wt％、0.9wt％、1.2wt％+1.3wt％)。
对比例1：
其他与实施例1基本相同，不同的是正极片中采用纯碳黑作为微型件，负极片也为纯炭黑微型件，即正负极片中均不含相变材料。
对比例2：
其他与实施例1基本相同，不同的是正极片中采用碳黑包覆相变材料作为微型件，而负极片中的微型件为纯炭黑，即负极片中不含相变材料。
对比例3：
其他与实施例1基本相同，不同的是负极片中采用碳黑包覆相变材料作为微型件，而正极片中的微型件为纯炭黑，即正极片中不含相变材料。
对上述制备得到的锂离子电池进行如下性能测试，测试过程为：
快充温升测试：
将实施例和对比例的电池在25℃下，分别以2C、3C、4C、5C、6C、7C、8C的倍率恒流充电到4.45V，然后在4.45V下恒压充电，截止电流为0.025C，之后再以0.5C倍率恒流放电，截止电压是3V，此为一个充放电循环过程，重复该充放电循环3次，并且均取第三次循环的温升作为比较。表1为各实施例和各对比例在不同倍率下充电的电池温升情况。
Figure BDA0003064734760000081
表1
表1中，C用来表示电池充放电能力倍率。1C表示电池一小时完全放电时电流强度。如标称为2200mA·h的18650电池在1C强度下放电1小时放电完成，此时该放电电流为2200mA。
通过实施例1和对比例1的对比，实施例1在各个倍率下的充电温升均小于对比例1中的充电温升，充电温升最高降低了6.1℃，说明实施例中正负极片添加的相变材料确实能降低充电温升。
通过对比例2、对比例3与对比例1的对比，对比例2在正极片中添加了相变材料，而对比例1正负极中均无相变材料，结果表明对比例2的充电温升低于对比例1的充电温升。而对比例3在负极片中添加了相变材料，结果表明对比例3的充电温升低于对比例1的充电温升并且和对比例2的结果相近，说明相变材料在正极和负极的效果差别不大，都能降低充电温升。
实施例1、2、3考察了正极片中微型件的不同含量对充电温升的影响，表明随着微型件的含量升高，各倍率下的充电温升逐渐降低，这是因为微型件含量的提高相当于间接提高了极片中相变材料的含量，因此充电温升进一步降低。
实施例1、4、5考察了负极片中微型件的不同含量对充电温升的影响，表明随着微型件的含量升高，各倍率下的充电温升逐渐降低，这是因为微型件含量的提高相当于间接提高了极片中相变材料的含量，因此充电温升进一步降低。并且实施例4、5和实施例2、3相比，充电温升相差不大，说明相变材料放在正极片中与放在负极片中所起到的作用相差不大。
上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本申请的保护之内。

Claims (10)

1.一种极片，其特征在于，包括集流体，所述集流体上设有活性层，所述活性层包括微型件，所述微型件包括壳体，所述壳体内设有空腔，所述空腔填充有相变材料；
在温度范围为20度至85度的情况下，所述相变材料发生吸热相变。
2.根据权利要求1所述的极片，其特征在于，所述壳体采用第二材料制成，所述第二材料包括导电材料。
3.根据权利要求1所述的极片，其特征在于，所述相变材料包括萘、硫代硫酸钠、石蜡、磷酸二氢钠NaH2PO4﹒H2O、氟化钠NaF中的至少一项。
4.根据权利要求1所述的极片，其特征在于，所述壳体与所述空腔的体积比的取值范围为1：50至1：5。
5.根据权利要求1所述的极片，其特征在于，所述微型件的形状为球体形状、椭球体形状和长方体形状中的至少一种；
在所述微型件为球体形状的情况下，所述球体的半径的取值范围为1μm至50μm；
在所述微型件为椭球体形状的情况下，所述椭球体的极半径和赤道半径的取值范围均为1μm至50μm。
6.根据权利要求1所述的极片，其特征在于，所述相变材料的质量占所述活性层质量的0.05％至1.0％。
7.根据权利要求1所述的极片，其特征在于，所述活性物质的质量占所述活性层质量的80％至99％，所述壳体的质量占所述活性层质量的7％至10％，所述微型件的质量占所述活性层质量的0.3％至10％。
8.一种电池，其特征在于，包括如权利要求1至7中任一项所述的极片。
9.根据权利要求8所述的电池，其特征在于，靠近所述电池中心一侧的相变材料的含量大于远离所述电池中心一侧的相变材料的含量。
10.根据权利要求8所述的电池，其特征在于，相变材料的含量在从电池中心向远离电池中心的方向上呈梯度式减少。
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