CN113471569B

CN113471569B - 极片、电化学装置和电子装置

Info

Publication number: CN113471569B
Application number: CN202110772487.5A
Authority: CN
Inventors: 张楠
Original assignee: Ningde Amperex Technology Ltd
Current assignee: Ningde Amperex Technology Ltd
Priority date: 2021-07-08
Filing date: 2021-07-08
Publication date: 2022-11-08
Anticipated expiration: 2041-07-08
Also published as: CN113471569A

Abstract

本申请涉及一种极片和电化学装置以及电子装置，该极片包括集流体以及位于所述集流体表面的活性材料层，其中，所述极片厚度方向的导热率为λ_Z W/(m·K)，满足：1.2≤λ_Z≤500。本发明的极片能够提高电化学装置整体的导热性能，特别是电化学装置厚度方向的导热能力，从而将加热组件的热量快速传导至电化学装置整体，起到均匀电池热量，降低电化学装置表面温差的效果。

Description

极片、电化学装置和电子装置

技术领域

本申请涉及储能技术领域，尤其涉及一种极片、包含该极片的电化学装置以及电子装置。

背景技术

众所周知，锂离子电池的使用受温度影响较大。通常在低温环境中其充电能力降低，同时容量得不到完全发挥，特别是寒冷的冬季，电池活性材料容量发挥损失的现象更为突出，电压平台降低，使得电池能量密度损失；同时，在低温环境中，锂离子电池电子电导和离子电导降低，动力学急剧下降，导致锂离子电池在大倍率充电过程中出现析锂，恶化电池界面，存在严重的安全隐患。通过加热提高体系动力学来改善锂离子电池低温性能引起广泛关注。但仍存在加热过程中电池内部温度不均匀的问题。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种极片、包含该极片的电化学装置以及电子装置以解决现有技术中存在的至少一部分问题。

在第一方方面，本申请提供一种极片，该极片包括集流体以及位于集流体表面的活性材料层，其中，极片厚度方向的导热率为λ_Z W/(m·K)，满足：1.2≤λ_Z≤500。

本申请的极片通过控制厚度方向的导热率在上述范围内，能够提高加热时热量在电化学装置厚度方向上的传递，大大提高电化学装置整体的升温速率，降低电化学装置各部分之间的温度差异，提升电化学装置内部的温度均匀性，从而改善电化学装置的电化学性能和安全性能。

根据本申请的一些实施方式，活性材料层长度方向的导热率为λ_XW/(m·K)，活性材料层宽度方向的导热率为λ_Y W/(m·K)，满足：0.1≤λ_Y/λ_X≤1，或者0.1≤λ_X/λ_Y≤1。通过控制活性材料层长度方向和宽度方向的导热率满足上述关系，能够提升加热时热量在活性材料层长度方向和宽度方向传递的均匀性，降低活性材料层在长度方向和宽度方向端部之间的温度差异，从而降低在大倍率充电过程中极片边缘析锂的风险。进一步地，0.5≤λ_Y/λ_X≤1，或者0.5≤λ_X/λ_Y≤1。

根据本申请的一些实施方式，1≤λ_X≤300。进一步地，3≤λ_X≤100。

根据本申请的一些实施方式，1≤λ_Y≤300。进一步地，3≤λ_Y≤100。

根据本申请的一些实施方式，5≤λ_Z≤100。

根据本申请的一些实施方式，活性材料层包括导热材料。

根据本申请的一些实施方式，导热材料的长径比L满足：L≥20。在此范围的长径比能够促进热量快速地沿着导热材料的长度方向传递，提升加热时活性材料层内部各处的温度均匀性。

根据本申请的一些实施方式，活性材料层还包括活性材料，导热材料的平均长度与活性材料的平均粒径的比值r满足：r≥0.1。进一步地，r≥1。r在此范围能够促进活性材料颗粒之间形成良好的导热网络，提升加热时活性材料层内部各处的温度均匀性。

根据本申请的一些实施方式，集流体与活性材料层之间的粘接力F满足：F≥1N/m。进一步地，F≥3N/m。较高的膜片粘结力有助于促进活性材料层与集流体之间的界面接触，提升热量的传递速率。

根据本申请的一些实施方式，基于活性材料层的质量，导热材料的质量百分含量为w％，0.1≤w≤30。

根据本申请的一些实施方式，导热材料包括金属材料或非金属材料中的至少一种；金属材料包括铜、铁、铝、锡、镍、锌或钛中的至少一种；非金属材料包括石墨烯、碳纳米管或碳纤维等中的至少一种。

根据本申请的一些实施方式，活性材料层为正极活性材料层，其中，正极活性材料层的压实密度P_正满足：P_正≥2g/cm³。进一步地，P_正≥3.5g/cm³。根据本申请的一些实施方式，活性材料层为负极活性材料层，其中，负极活性材料层的压实密度P_负满足：P_负≥0.8g/cm³。进一步地，P_负≥1.6g/cm³。

P_正或P_负满足上述要求，能够降低活性材料之间的缝隙，提高接触界面，从而提升加热时热量的传递速率。

根据本申请的一些实施方式，极片的膜片电阻值R≤1000mΩ，优选R≤600mΩ。

本申请提供的极片能够提高加热时电化学装置整体的升温速率，降低电化学装置各部分之间的温度差异，提升电化学装置内部的温度均匀性，从而改善电化学装置的电化学性能和安全性能。

本申请的第二方面提供了一种电化学装置，包括电极组件，电极组件包括第一方面所述的极片。

根据本申请的一些实施方式，电化学装置还包括位于电极组件内或电极组件之间的加热组件。

本申请的第三方面提供了一种电子装置，其包含第二方面所述的电化学装置。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。在此所描述的有关实施例为说明性质的且用于提供对本申请的基本理解。本申请的实施例不应该被解释为对本申请的限制。

为了简明，本文仅具体地公开了一些数值范围。然而，任意下限可以与任何上限组合形成未明确记载的范围；以及任意下限可以与其它下限组合形成未明确记载的范围，同样任意上限可以与任意其它上限组合形成未明确记载的范围。此外，每个单独公开的点或单个数值自身可以作为下限或上限与任意其它点或单个数值组合或与其它下限或上限组合形成未明确记载的范围。

在本文的描述中，除非另有说明，“以上”、“以下”包含本数。

除非另有说明，本申请中使用的术语具有本领域技术人员通常所理解的公知含义。除非另有说明，本申请中提到的各参数的数值可以用本领域常用的各种测量方法进行测量(例如，可以按照在本申请的实施例中给出的方法进行测试)。

术语“约”用以描述及说明小的变化。当与事件或情形结合使用时，所述术语可指代其中事件或情形精确发生的例子以及其中事件或情形极近似地发生的例子。举例来说，当结合数值使用时，术语可指代小于或等于所述数值的±10％的变化范围，例如小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％、或小于或等于±0.05％。另外，有时在本文中以范围格式呈现量、比率和其它数值。应理解，此类范围格式是用于便利及简洁起见，且应灵活地理解，不仅包含明确地指定为范围限制的数值，而且包含涵盖于所述范围内的所有个别数值或子范围，如同明确地指定每一数值及子范围一般。

术语“中的至少一者”、“中的至少一个”、“中的至少一种”或其他相似术语所连接的项目的列表可意味着所列项目的任何组合。例如，如果列出项目A及B，那么短语“A及B中的至少一者”意味着仅A；仅B；或A及B。在另一实例中，如果列出项目A、B及C，那么短语“A、B及C中的至少一者”意味着仅A；或仅B；仅C；A及B(排除C)；A及C(排除B)；B及C(排除A)；或A、B及C的全部。项目A可包含单个组分或多个组分。项目B可包含单个组分或多个组分。项目C可包含单个组分或多个组分。

一、极片

本申请提供一种极片，该极片包括集流体以及位于所述集流体表面的活性材料层，其中，所述极片厚度方向的导热率为λ_Z W/(m·K)，满足：1.2≤λ_Z≤500。本申请的极片通过控制厚度方向的导热率在上述范围内，能够提高加热时热量在电化学装置厚度方向上的传递，大大提高电化学装置整体的升温速率，降低电化学装置各部分之间的温度差异，提升电化学装置内部的温度均匀性，从而改善电化学装置的电化学性能和安全性能。

在一些实施例中，λ_Z为1.2、2.0、5.0、10、15、20、30、35、40、48、55、80、100、120、150、200、300、350、380、400、420、450、480、500或这些值中任意两者构成的范围。在一些实施例中，5≤λ_Z≤100。

根据本申请的一些实施方式，所述活性材料层长度方向的导热率为λ_XW/(m·K)，所述活性材料层宽度方向的导热率为λ_Y W/(m·K)，满足：0.1≤λ_Y/λ_X≤1，或者0.1≤λ_X/λ_Y≤1。通过控制活性材料层长度方向和宽度方向的导热率满足上述关系，能够提升加热时热量在活性材料层长度方向和宽度方向传递的均匀性，降低活性材料层在长度方向和宽度方向端部之间的温度差异，从而降低在大倍率充电过程中极片边缘析锂的风险。在一些实施例中，λ_Y/λ_X的值为0.1、0.2、0.3、0.4、0.45、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1或这些值中任意两者构成的范围。在一些实施例中，λ_x/λ_Y的值为0.1、0.2、0.3、0.4、0.45、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1或这些值中任意两者构成的范围。进一步地，0.5≤λ_Y/λ_X≤1，或者0.5≤λ_X/λ_Y≤1。

根据本申请的一些实施方式，所述活性材料层长度方向的导热率λ_XW/(m·K)满足：1≤λ_X≤300。λ_X≥1，能够保证热量在活性材料层长度方向的传递速率，降低活性材料层长度方向的端部与中部的温度差异，降低极片边缘析锂的风险。在一些实施例中，λ_X为3、5、10、15、20、30、35、40、48、50、55、60、70、80、90、100、110、120、135、150、180、200、220、250、300或这些值中任意两者构成的范围。进一步地，3≤λ_X≤100。

根据本申请的一些实施方式，所述活性材料层宽度方向的导热率λ_YW/(m·K)满足：1≤λ_Y≤300。λ_Y≥1，能够保证热量在活性材料层宽度方向的传递速率，降低活性材料层宽度方向的端部与中部的温度差异，降低极片边缘析锂的风险。在一些实施例中，λ_Y为3、5、10、15、20、30、35、40、48、50、55、60、70、80、90、100、110、120、135、150、180、200、220、250、300或这些值中任意两者构成的范围。进一步地，3≤λ_Y≤100。

根据本申请的一些实施方式，所述活性材料层包括导热材料。

根据本申请的一些实施方式，所述导热材料的长径比L满足：L≥20。导热材料的长径比L≥20，能够促进热量快速地沿着导热材料的长度方向传递，提升加热时活性材料层内部各处的温度均匀性。进一步地，L≥100。在一些实施例中，导热材料的长径比20≤L≤10000。在一些实施例中，L为20、50、80、100、150、200、300、400、500、1000、5000、7000、10000或这些值中任意两者构成的范围。进一步地，100≤L≤10000。

根据本申请的一些实施方式，所述活性材料层还包括活性材料，所述导热材料的平均长度与所述活性材料的平均粒径的比值r满足：r≥0.1。r≥0.1，能够促进活性材料颗粒之间形成良好的导热网络，提升加热时活性材料层内部各处的温度均匀性。在一些实施例中，r≥0.5。在一些实施例中，r≥1。在一些实施例中，0.1≤r≤10。在一些实施例中，r为0.1、0.5、1.0、1.5、2.0、5.0、8.0、10或这些值中任意两者构成的范围。

根据本申请的一些实施方式，所述集流体与所述活性材料层之间的粘接力F满足：F≥1N/m。F≥1N/m能够促进活性材料层与集流体之间的界面接触，提升热量的传递速率，从而改善加热时电化学装置内部温度的均匀性。进一步地，F≥3N/m。

根据本申请的一些实施方式，基于所述活性材料层的质量，导热材料的质量百分含量为w，0.1％≤w≤30％。在一些实施例中，w为0.1％、0.5％、1.0％、1.5％、2.5％、3.0％、5.0％、6.0％、7.0％、9％、10％、13％、15％、18％、20％、25％或这些值中任意两者构成的范围。

根据本申请的一些实施方式，导热材料包括金属材料或非金属材料中的至少一种；所述金属材料包括铜、铁、铝、锡、镍、锌或钛中的至少一种；非金属材料包括石墨烯、碳纳米管或碳纤维等中的至少一种。在一些实施例中，导热材料包括碳纳米管。在一些实施例中，导热材料包括石墨烯。在一些实施例中，导热材料包括铜。

根据本申请的一些实施方式，活性材料层为正极活性材料层，其中，正极活性材料层的压实密度P_正满足：P_正≥2g/cm³。进一步地，P_正≥3.5g/cm³。

根据本申请的一些实施方式，活性材料层为负极活性材料层，其中，负极活性材料层的压实密度P_负满足：P_负≥0.8g/cm³。进一步地，P_负≥1.6g/cm³。

根据本申请的一些实施方式，极片的膜片电阻值R≤1000mΩ。进一步地，R≤600mΩ。

根据本申请的一些实施方式，活性材料层还包括导电剂和/或粘结剂。在一些实施例中，导电剂包括导电炭黑、乙炔黑、科琴黑或导电石墨中的至少一种。在一些实施例中，导电剂占活性物质层的质量百分含量为0.5％至10％。在一些实施例中，粘结剂包括聚偏氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯的共聚物、聚酰胺、聚丙烯腈、聚丙烯酯、聚丙烯酸、聚丙烯酸盐、羧甲基纤维素钠、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚六氟丙烯或丁苯橡胶中的至少一种。在一些实施例中，粘结剂占活性物质层的质量百分含量为0.5％至10％。

二、电化学装置

本申请的电化学装置包括电极组件，所述电极组件包括第一方面所述的极片。

在一些实施方式中，本申请的电化学装置还包括位于电极组件内或电极组件之间的加热组件。

在一些实施方式中，所述电化学装置包括正极极耳、负极极耳、电连接至所述加热组件的第一端子和第二端子。

在一些实施方式中，加热组件包括导电层和绝缘层。该绝缘层使加热组件中的导电层与电化学装置中的其他组分(例如极片、电解液)之间处于电化学绝缘状态，无法实现电子导通，以防止电化学装置正常工作过程中发生短路问题。该加热组件可置于电极组件中间或两侧，或集成到电极组件原有的某一部件上。

在一些实施方式中，所述绝缘层包括聚对苯二甲酸亚乙酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚醚醚酮、聚酰亚胺、聚酰胺、聚乙二醇、聚酰胺酰亚胺、聚碳酸酯、环状聚烯烃、聚苯硫醚、聚乙酸乙烯酯、聚四氟乙烯，聚亚甲基萘、聚偏二氟乙烯，聚萘二甲酸亚乙酯、聚碳酸亚丙酯、聚(偏二氟乙烯-六氟丙烯)、聚(偏二氟乙烯-共-三氟氯乙烯)、有机硅、维尼纶、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚醚腈、聚氨酯、聚苯醚、聚酯、聚砜及其衍生物中至少一种。

在一些实施方式中，导电层包括金属材料、无机导电材料或导电高分子材料中的至少一种。金属材料包括Ni、Ti、Cu、Ag、Au、Pt、Fe、Co、Cr、W、Mo、Al、Mg、K、Na、Ca、Sr、Ba、Si、Ge、Sb、Pb、In或Zn中至少一种。无机导电材料包括碳系导电材料(炭黑，石墨，石墨烯，碳纤维，单壁碳纳米管、多壁纳米管等)，金属氧化物(掺铝氧化锌，掺钙铬酸镧，二氧化锡，掺氟二氧化锡，掺锑二氧化锡，掺氟二氧化锡，氧化铟锡，掺银氧化铟锡，掺银合金氧化铟锡等)。导电高分子材料包括聚乙炔，聚吡咯，聚噻吩，聚对苯，聚苯乙炔，聚苯胺以及掺杂高分子材料。掺杂剂包括：氯、碘、溴、氯化碘、溴化碘、氟化碘、五氟化磷、氢氟酸、盐酸、硝酸、硫酸、高氯酸、五氟化钼、五氟化钨、四氯化钛、四氯化锆、氯化铁、四碘化锡等。

根据本申请的实施方式，电化学装置还包括电解液和隔膜。

可用于本申请实施例的电解液可以为现有技术中已知的电解液。在一些实施例中，所述电解液包括有机溶剂、锂盐和添加剂。根据本申请的电解液的有机溶剂可为现有技术中已知的任何可作为电解液的溶剂的有机溶剂。在一些实施例中，所述有机溶剂包括，但不限于：碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸亚丙酯或丙酸乙酯。根据本申请的所述锂盐包括，但不限于：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)。在一些实施例中，所述电解液中锂盐的浓度为：约0.5mol/L至3mol/L、约0.5mol/L至2mol/L或约0.8mol/L至1.5mol/L。根据本申请的电解液的添加剂可为现有技术中已知的任何可作为电解液添加剂的添加剂。根据本申请的一些实施方式，所述添加剂包括含有至少两个氰基的多腈化合物，例如1,2,3-三-(2-氰乙氧基)丙烷、1,3,6-己烷三腈、己二腈或丁二腈。

本申请的电化学装置中使用的隔膜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，隔膜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。例如隔膜可包括基材层和表面处理层。基材层为具有多孔结构的无纺布、膜或复合膜，基材层的材料选自聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚酰亚胺中的至少一种。具体的，可选用聚丙烯多孔膜、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。

基材层的至少一个表面上设置有表面处理层，表面处理层可以是聚合物层或无机物层，也可以是混合聚合物与无机物所形成的层。无机物层包括无机颗粒和粘结剂，无机颗粒包括氧化铝、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。粘结剂包括聚偏氟乙烯、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、聚乙烯烷氧、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯和聚六氟丙烯中的至少一种。聚合物层包括聚酰胺、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、聚乙烯烷氧、聚偏氟乙烯、聚(偏氟乙烯-六氟丙烯)中的至少一种。

三、电子装置

本申请进一步提供了一种电子装置，其包括本申请第二方面所述的电化学装置。

在一些实施方式中，本申请的电子装置还包括开关，当所述电化学装置的温度低于T1时，所述开关闭合，使电流通过所述加热组件。

在一些实施方式中，T1≤5℃。当电化学装置的温度低于正常运行温度(例如，低于约5℃)时，第一端子和第二端子将连接加热电路并对电化学装置进行加热，由于加热组件的电阻可比电化学装置正常运行时的内阻大得多，且在充电时可方便地提高加热电路的电流，电化学装置的内部温度将快速升高，从而可迅速提升电化学装置的电化学性能。

本申请的电子设备包括但不限于，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。

【对比例1】无加热组件和导热材料的锂离子电池

负极极片的制备

将负极活性材料石墨、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，调配成为固含量为70％的浆料，并搅拌均匀。将浆料均匀涂覆在负极集流体铜箔的一侧表面，110℃条件下烘干。以上步骤完成后，即已完成负极极片的单面涂布。之后，以完全一致的方法，在该极片背面也完成这些步骤，随后进行冷压、裁切等工序，即完成负极极片的制备。负极活性材料层的压实密度为1.75g/cm³。

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)，调配成为固含量为75％的浆料，并搅拌均匀。将浆料均匀涂覆在正极集流体铝箔的一侧表面，90℃条件下烘干。以上步骤完成后，即已完成正极极片的单面涂布。之后，以完全一致的方法，在该极片背面也完成这些步骤，随后进行冷压、裁切等工序，即完成正极极片的制备。

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。

锂离子电池的制备

选用厚度15μm的聚乙烯(PE)作为隔膜，将上述正极、隔膜、负极按照顺序叠好，以负极→隔膜→正极形式卷绕成卷绕式电极组件。将卷绕完成的电极组件放入外包装铝塑膜中，进行封装、注液，化成即完成锂离子电池的制备。

【对比例2】不含高导热材料的自加热电芯

与对比例1的区别在于：锂离子电池的制备中，将加热组件通过胶粘的方式集成在负极极片端部的空铜集流体上，然后将加热组件的其中一个端子与负极极耳激光焊接在一起。加热组件的导电层为镍，绝缘层是PE。将上述正极、隔膜、负极(含加热组件)按照顺序叠好，以负极→隔膜→正极形式卷绕成卷绕式电极组件。

【实施例1】

与对比例2的区别在于正极极片设置高导热材料，具体如下：

正极极片的制备

将正极活性材料钴酸锂(LiCoO₂)、导电炭黑(Super P)、高导热材料石墨烯、聚偏二氟乙烯(PVDF)按照重量比97.3:1.0:0.2:1.5进行混合，加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)，调配成为固含量为75％的浆料，并搅拌均匀。在外加磁场的作用下，将所述浆料均匀涂布在正极集流体铝箔的一侧表面，并在外加磁场作用下烘干，使石墨烯取向排列。

以上步骤完成后，即已完成正极极片的单面涂布。之后，以完全一致的方法，在该极片背面也完成这些步骤，随后进行冷压、裁切等工序，即完成正极极片的制备。

【实施例2-20】

参照实施例1的制备方法，根据表1中参数进行调整。

【实施例21】

与对比例2的区别在于：负极极片设置高导热材料，具体如下：

将负极活性材料石墨、导电炭黑(Super P)、高导热材料碳纳米管，丁苯橡胶(SBR)按照重量比93:1.5:3:2.5进行混合，加入去离子水，调配成为固含量为70％的浆料，并搅拌均匀。将浆料均匀涂覆在负极集流体铜箔的一侧表面。110℃条件下烘干。

以上步骤完成后，即已完成负极极片的单面涂布。之后，以完全一致的方法，在该极片背面也完成这些步骤，随后进行冷压、裁切等工序，即完成负极极片的制备。

测试方法

极片厚度方向的导热率λ_Z、活性材料层长度方向的导热率λ_X、活性材料层宽度方向的导热率λ_Y：

1、首先利用精密天平测量出极片的压实密度；2、利用差式扫描量式仪(DSC)测量极片的比热容；3、利用千分尺，测量极片的平均厚度；4、利用激光闪蒸法，分别测量极片厚度Z方向、活性材料层长度X和宽度Y方向的热扩散系数；5、利用数学模型拟合(cowan模型)，得出λ_Z、λ_X、λ_Y。

压实密度：

测量极片(含活性物质层)十个不同位置的极片厚度，取平均值H(μm)。裁取极片(含活性物质层)不同位置面积为1540.25mm²的小圆片10个，称取小圆片的重量，并取平均值为M(mg)。按照同样方法测量该极片对应集流体的平均厚度h(μm)和平均质量m(mg)。根据如下公式换算得极片的压实密度P(g/cm³)

P＝(M-m)×1000/(1540.25×(H-h))

集流体与活性材料层之间的粘接力F：

裁切一定尺寸的极片(宽度20mm×长度60mm)，将其贴合在贴有双面胶带的钢板上(双面胶尺寸小于极片，20mm×50mm)，极片/双面胶/钢板三者下端齐平。裁取一定尺寸的纸条(20mm×60mm)，通过皱纹胶将纸条一端与极片上端(面向双面胶侧)粘接即完成制样。将上述制样后的样品置于拉力机，即钢板上端固定于拉力机下端夹板间，纸条翻转180°，未与极片相连的纸条一端固定于拉力机上端夹板间。打开拉力机测试软件，进行参数设置并进行测试，得到拉力随移动距离的变化曲线，待拉力值稳定后，读取对应数值f(N)，集流体与活性材料层之间的粘接力F＝f/0.02(N/m)。

膜片电阻：

将裁切一定尺寸的极片(60mm×80mm)放置于模具中，极片覆盖模具测试孔位。将载有极片的模具放入测试腔体，关上舱门，打开极片电阻仪软件，进行参数设置，并进行测试，得到阻值随时间的变化曲线，待电阻值稳定后，读取对应数值即膜片电阻。

高导热材料平均长度：利用扫描电子显微镜拍摄样品照片，然后，使用图像解析软件，随机选取20个导热材料，测量其长度并进行算数平均，即得高导热材料的平均长度。

活性材料平均粒径：利用扫描电子显微镜拍摄样品照片，然后，使用图像解析软件，随机选取20个活性材料，求出这些活性材料各自的面积，接着，假设活性材料是球形，通过以下公式求出各自的粒径R(直径)：R＝2×(S1/π)^1/2；其中，S1为活性材料的面积；并将所得20个活性材料的粒径进行算数平均，从而求得所述活性材料的平均粒径。

表面温差：

在锂离子电池表面不同位置安装温度监控装置，位置选取在锂离子电池四角/侧面/底部中心/tab位置/对角线交点。接通外部电路，通过锂离子电池内部的加热组件给锂离子电池进行加热，将锂离子电池从零下10℃以50W的功率，加热至电池表面最高温度点为25℃时，对比不同位置的温度值，则表面温差＝25℃-最低温度。

-20℃2C/0.2C容量保持率：

将锂离子电池在-20±3℃下静置30分钟，接通外部电路，通过锂离子电池内部的加热组件给锂离子电池进行加热，以50W的功率，加热至电池表面最高温度点为25℃时，以0.5C恒定电流充电至4.4V，然后以4.4V恒定电压充电至电流0.05C，然后以0.2C电流放电至3.0V，记录放电容量为Q_0.2C。以同样流程进行0.5C充电2C放电，即以0.5C恒定电流充电至4.4V，然后以4.4V恒定电压充电至电流0.05C，然后以2C电流放电至3.0V，记录放电容量为Q_2C；内部无加热组件的锂离子电池则无上述加热步骤。则-20℃2C/0.2C容量保持率：

η(％)＝Q_2C/Q_0.2C×100％

-20℃能量密度：

将锂离子电池在-20±3℃下静置30分钟，接通外部电路，通过锂离子电池内部的加热组件给锂离子电池进行加热，以50W的功率，加热至电池表面最高温度点为25℃时，以0.1C充电速率恒流充电至电压为4.4V，随后以0.1C放电倍率将电化学装置放电至3.0V，记录其放电容量；内部无加热组件的锂离子电池则无上述加热步骤，随后计算其0.1C放电时的能量密度：

能量密度(Wh/L)＝放电容量(Wh)/锂离子电池体积尺寸(L)

边缘析锂测试：

将锂离子电池在-20±3℃下静置30分钟，接通外部电路，通过锂离子电池内部的加热组件给锂离子电池进行加热，以50W的功率，加热至电池表面最高温度点为25℃时，以2C恒定电流充电至4.4V，然后以4.4V恒定电压充电至电流0.05C，将锂离子电池拆解，观察极片长度X方向和宽度Y方向的边缘是否析锂。内部无加热组件的锂离子电池则无上述加热步骤。其中，50％以上的边缘长度出现析锂，则定义为严重析锂；10％至小于50％的边缘长度出现析锂，则定义为中度析锂；5％至小于10％的边缘长度出现析锂，则定义为轻微析锂；小于5％的边缘长度出现析锂，则定义为不析锂。

测试结果

λ_Z表示极片厚度方向的导热率，λ_X表示活性材料层长度方向的导热率，λ_Y表示活性材料层宽度方向的导热率，σ表示λ_X和λ_Y中较小值与较大值的比值，P_正表示正极活性材料层压实密度，P_负表示负极活性材料层压实密度，w表示活性材料层中高导热材料的质量百分含量，L表示高导热材料的长径比，r表示高导热材料平均长度与活性材料平均粒径的比值。

实施例1至实施例21与对比例1相比，通过设置加热组件，可以提升锂离子电池的低温性能，使锂离子电池在宽温域区间均可以工作。解决锂离子电池在低温环境中充电能力降低，同时容量得不到完全发挥，电压平台降低，使得电池能量密度损失的问题；同时，避免在低温环境中，锂离子电池电子电导和离子电导降低，动力学急剧下降，导致大倍率性能的恶化。

对比例2相比于对比例1而言，通过增加加热组件，虽然能够一定程度上改善锂离子电池的低温充放电性能，但由于未设置导热材料，锂离子电池的表面温差较大，且XY方向边缘均存在中度析锂现象。

实施例1至实施例21与对比例2相比，通过设置高导热材料，提高了电池整体的导热性能，特别是电池厚度方向的导热能力，从而将加热组件的热量快速传导至电池整体，起到均匀电池热量，降低电池表面温差的作用。高导热材料通过均匀电池内部的热量，可以使锂离子电池不同位置的活性物质容量得到有效的发挥，锂离子电池极化降低，电压平台基本不损失，从而极大提高电池的能量密度。同时，锂离子电池的动力学明显改善，从而优化倍率性能。

实施例6至实施例11，在保证厚度方向高导热率的同时，分别增加锂离子电池X和Y方向的导热率，可以进一步提升锂离子电池的低温性能和能量密度。同时，通过优化X和Y方向导热率的一致性，可以降低锂离子电池X和Y方向的边缘析锂问题，提高安全性能。当X和Y方向的导热率差异较大时，热量会优先沿导热率高的方向传导，而沿低导热率方向传导的热量较少，因此，当导热率较高方向的极片边缘温度已达到合适的工作温度(如25℃)时，导热率较低方向的极片边缘温度仍低，离子脱嵌速率仍较慢，从而容易导致边缘析锂。

Claims

1.一种电化学装置，其包括电极组件和位于所述电极组件内或所述电极组件之间的加热组件，所述电极组件包括极片，所述极片包括集流体以及位于所述集流体表面的活性材料层，其中，所述极片厚度方向的导热率为λ_ZW/(m·K)，满足：1.2≤λ_Z≤500，所述活性材料层长度方向的导热率为λ_XW/(m·K)，所述活性材料层宽度方向的导热率为λ_Y W/(m·K)，满足：0.5≤λ_Y/λ_X≤1或者0.5≤λ_X/λ_Y≤1，

其中，所述活性材料层包括导热材料，所述导热材料在活性材料层中取向排列；

所述导热材料的长径比L满足：L≥20，所述活性材料层还包括活性材料，所述导热材料的平均长度与所述活性材料的平均粒径的比值r满足：r≥0.1，基于所述活性材料层的质量，所述导热材料的质量百分含量为w，0.1％≤w≤30％；

所述导热材料包括金属材料或非金属材料中的至少一种，所述金属材料包括铜、铁、铝、锡、镍、锌或钛中的至少一种，所述非金属材料包括石墨烯、碳纳米管或碳纤维中的至少一种。

2.根据权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，满足：1≤λ_X≤300，和/或，1≤λ_Y≤300。

3.根据权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，5≤λ_Z≤100。

4.根据权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，所述集流体与所述活性材料层之间的粘接力F满足：F≥1N/m。

5.根据权利要求4所述的电化学装置，其特征在于，所述集流体与所述活性材料层之间的粘接力F满足：F≥3N/m。

6.根据权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，满足条件(e)至(f)中的至少一者：

(e)所述活性材料层为正极活性材料层或者负极材料层，其中，所述正极活性材料层的压实密度P_正满足：P_正≥2g/cm³，所述负极活性材料层的压实密度P_负满足：P_负≥0.8g/cm³；

(f)所述极片的膜片电阻值R≤1000mΩ。

7.根据权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，所述导热材料的平均长度与所述活性材料的平均粒径的比值r满足：r≥1。

8.根据权利要求6所述的电化学装置，其特征在于，所述正极活性材料层的压实密度P_正满足：P_正≥3.5g/cm³，所述负极活性材料层的压实密度P_负满足：P_负≥1.6g/cm³。

9.根据权利要求6所述的电化学装置，其特征在于，所述极片的膜片电阻值R≤600mΩ。

10.一种电子装置，包括权利要求1至9中任一项所述的电化学装置。