CN113707843A - 电芯及电化学装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电芯及电化学装置，包括多个第一电极片和多个第二电极片，多个第二电极片中的一者为直型电极片，其余为弯折电极片；每个第一电极片均有两个第一直部和一个连接在该两个第一直部之间的第一弯折部，每个第一电极片通过第一弯折部弯折；每个弯折电极片均有两个第二直部和一个连接在该两个第二直部之间的第二弯折部，每个弯折电极片通过第二弯折部弯折；其中，多个第一电极片和弯折电极片交替套设在直型电极片的外部，第一弯折部和第二弯折部位于电芯的同一侧，或者，第一弯折部位于电芯的第一侧，第二弯折部位于电芯的第二侧，第一侧的轴向与第二侧的轴向垂直。本发明能够提高电芯的快充能力和安全性能。

Description

电芯及电化学装置
技术领域
本发明涉及一种电芯及电化学装置，属于电化学储能装置领域。
背景技术
目前，以锂离子电池为代表的电化学装置已广泛应用于消费电子产品、电动汽车以及其他储能电源系统方面，其中，锂离子电池具有能量密度高、工作电压高、重量轻、体积小等优点，逐渐成为现阶段的研究热点。随着科技的发展，对锂离子电池等电化学储能装置的快速充电能力、安全性等性能提出越来越高的要求。锂离子电池等电化学装置一般包括电芯，电芯具有电极片(包括正极极片和负极极片)，一方面，电芯的抗跌落能力和抗针刺能力是其安全性的重要体现，采用电化学装置作为储能部件的设备(如手机、笔记本等可移动电子产品)在使用过程中通常会遇到跌落、碰撞、异物穿刺等情况，尤其是电芯的边缘通常更容易成为承受跌落、碰撞、异物穿刺等作用的位点，会对电芯造成一定的损害，降低电芯的安全性能，影响电芯的循环性和使用寿命等品质，因此，亟待提高电芯的抗跌落能力和抗针刺能力等安全性能；另一方面，通常情况下，电极片的厚度越小，其内阻越小，快充能力越好，而同时电极片的安全性越差，反之亦然，即电芯的快充能力与安全性往往不能兼顾，因此，优化电芯结构，兼顾提高电芯的安全性和快速充电能力，也是亟待解决的技术难题。
发明内容
本发明提供一种电芯及电化学装置，能够兼顾提高锂离子电池等电化学装置的快充能力和抗跌落能力、抗针刺能力等安全性能，有效克服现有技术存在的缺陷。
本发明的一方面，提供一种电芯，包括多个第一电极片和多个第二电极片，所述第一电极片和第二电极片中的一者为正极片，另一者为负极片；所述多个第二电极片中的一者为直型电极片，其余为弯折电极片；每个第一电极片均有两个第一直部和一个连接在该两个第一直部之间的第一弯折部，每个第一电极片通过第一弯折部弯折；每个弯折电极片均有两个第二直部和一个连接在该两个第二直部之间的第二弯折部，每个弯折电极片通过第二弯折部弯折；其中，所述多个第一电极片和弯折电极片交替套设在所述直型电极片的外部，且满足：最靠近所述直型电极片的弯折电极片与所述直型电极片被一个第一电极片隔开；每两个相邻的第一电极片中，靠近电芯内部的一者位于由远离电芯内部的一者经所述弯折围设成的区域内；每两个相邻的弯折电极片中，靠近电芯内部的一者位于由远离电芯内部的一者经所述弯折围设成的区域内；所述第一弯折部和第二弯折部位于电芯的同一侧，或者，所述第一弯折部位于电芯的第一侧，所述第二弯折部位于电芯的第二侧，所述第一侧的轴向与所述第二侧的轴向垂直。
根据本发明的一实施方式，所述第一电极片包括第一集流体和位于第一集流体表面的涂层，所述涂层包括位于第一直部的电极功能层和位于第一弯折部的绝缘层；所述电极功能层包括底涂层和第一活性物质层，所述底涂层位于第一集流体表面和第一活性物质层之间；所述底涂层包含无机填料、导电剂和粘结剂，所述无机填料包括钴酸锂、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、钛酸锂和含锂锰基材料中的至少一种。
根据本发明的一实施方式，所述底涂层中，无机填料的质量含量为50％-98％，导电剂的质量含量为0.5％-10％，粘结剂的质量含量为1.5％-50％。
根据本发明的一实施方式，所述第一活性物质层包含第一活性物质、导电剂和粘结剂，所述第一活性物质层中，第一活性物质的质量含量为94％-99％，导电剂的质量含量为0.5％-5％，粘结剂的质量含量为0.5％-3.5％。
根据本发明的一实施方式，所述绝缘层包含无机绝缘材料和粘结剂，所述绝缘层中无机绝缘材料的质量含量为50％-96％，所述绝缘层中粘结剂的质量含量为4％-50％；所述无机绝缘材料包括氧化铝、勃姆石、二氧化锆、二氧化钛、二氧化硅、蒙脱土、氧化镁、氢氧化镁中的至少一种。
根据本发明的一实施方式，所述第一活性物质层包含粘结剂，所述底涂层中粘结剂的含量高于所述第一活性物质层中粘结剂的含量。
根据本发明的一实施方式，所述底涂层的厚度为所述第一活性物质层厚度的1％-50％。
根据本发明的一实施方式，所述第一活性物质层包含第一活性物质，所述无机填料的粒径D502小于所述第一活性物质的粒径D501，D501是第一活性物质从小粒径侧起累计粒度分布百分数达到50％时对应的粒径，D502是无机填料从小粒径侧起累计粒度分布百分数达到50％时对应的粒径。
根据本发明的一实施方式，所述绝缘层的厚度为1μm-50μm。
根据本发明的一实施方式，所述绝缘层沿所述第一弯折部的弯折方向的宽度为3mm-8mm。
根据本发明的一实施方式，所述底涂层的厚度为1μm-20μm。
根据本发明的一实施方式，所述第一电极片为正极片，所述第二电极片为负极片。
根据本发明的一实施方式，相邻的第一直部和第二直部中，第二直部的正投影覆盖第一直部的正投影，所述直型电极片的正投影覆盖所述位于电芯最内部的第一电极片的第一直部的正投影，所述第一直部的正投影是所述第一直部平行于所述第一直部的表面的投影，所述第二直部的正投影是所述第二直部平行于所述第一直部的表面的投影，所述直型电极片的正投影是平行于所述第一直部的集流体表面的投影。
根据本发明的一实施方式，所述第一直部的正投影的边缘至第二直部的正投影的边缘的最小距离为1μm-3μm，所述位于电芯最内部的第一电极片的第一直部的正投影的边缘至所述直型电极片的正投影的边缘的最小距离为1μm-3μm。
根据本发明的一实施方式，每个第一电极片的第一直部上均设有第一极耳，直型电极片上、以及每个弯折电极片的第二直部上均设有第二电极极耳，所述第一极耳和第二电极极耳位于电芯的同一侧。
本发明的另一方面，提供一种电化学装置，包括上述电芯。
本发明中，电芯为叠绕式结构，即使第一电极片的第一直部和第二电极片的第二直部交替层叠设置(每两个第一直部均被一个第二直部隔开，每两个第二直部均被一个第一直部隔开)，形成叠片结构，能够保证电芯的快充能力，同时第一电极片的第一弯折部和第二电极片的第二弯折部位于电芯的一侧(即位于电芯的边缘)，卡住第一电极片和第二电极片，避免其松动，提高电芯的结构稳定性，并提高电芯的抗跌落和抗针刺能力，从而保证电芯的安全性能。由此，本发明的电芯兼具良好的快充能力和安全性等性能，对于实际产业化应用具有重要意义。
附图说明
图1为本发明实施例1中电芯垂直于其第一侧的轴向(平行于其第二侧的轴向)的截面示意图(其中的虚线为在该截面不能示出的第二弯折部)；
图2为本发明实施例1中电芯平行于电芯的第一侧的轴向(垂直于电芯的第二侧的轴向)的截面示意图(其中的虚线为在该截面不能示出的第一弯折部)；
图3为本发明实施例1中第一电极片制作过程中的平面示意图，其中，A为在第一集流体表面涂布底涂层和绝缘层后的极片平行于其表面的正投影的示意图，B为在底涂层上涂覆第一活性物质层后的极片平行于其表面的正投影的示意图，C为将第一集流体表面预留部分的空箔区裁切成第一极耳后形成的第一电极片平行于其表面的正投影的示意图；
图4为本发明实施例2中电芯垂直于其第一弯折部和第二弯折部所在的一侧的轴向的截面示意图；
图5为本发明实施例2中电芯平行于其第一弯折部和第二弯折部所在的一侧的轴向的截面示意图(其中的虚线为在该截面不能示出的第一弯折部和第二弯折部)；
图6为本发明实施例2中第一电极片制作过程中的平面示意图，其中，A为在第一集流体表面涂布底涂层和绝缘层后的极片平行于其表面的正投影的示意图，B为在底涂层上涂覆第一活性物质层后的极片平行于其表面的正投影的示意图，C为将第一集流体表面预留部分的空箔区裁切成第一极耳后形成的第一电极片平行于其表面的正投影的示意图；
图7为本发明实施例中第二电极片的平面示意图，其中，A为直型电极片平行于其表面的正投影的示意图，B为弯折电极片在弯折之前平行于其表面的正投影的示意图。
附图标记说明：1、第一电极片；2、弯折电极片；3、直型电极片；11、第一弯折部；12、第一直部；13、第一极耳；21、第二弯折部；22、第二直部；23、第二电极极耳；101、底涂层；102、第一活性物质层；103、绝缘层；104、第一集流体表面预留部分的空箔区；w：绝缘层沿第一弯折部弯折方向的宽度。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的方案，下面对本发明作进一步地详细说明。以下所列举具体实施方式只是对本发明的原理和特征进行描述，所举实例仅用于解释本发明，并非限定本发明的范围。基于本发明实施例，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方式，都属于本发明保护的范围。
如图1至图7所示，本发明的电芯包括多个第一电极片1和多个第二电极片，第一电极片1和第二电极片中的一者为正极片，另一者为负极片；多个第二电极片中的一者为直型电极片3，其余为弯折电极片2；每个第一电极片1均有两个第一直部12和一个连接在该两个第一直部12之间的第一弯折部11，每个第一电极片1通过第一弯折部11弯折；每个弯折电极片2均有两个第二直部22和一个连接在该两个第二直部22之间的第二弯折部21，每个弯折电极片2通过第二弯折部21弯折；其中，上述多个第一电极片1和弯折电极片2交替套设在直型电极片3的外部，且满足：最靠近直型电极片3的弯折电极片2与直型电极片3被一个第一电极片1隔开；每两个相邻的第一电极片1中，靠近电芯内部的一者位于由远离电芯内部的一者经弯折围设成的区域内；每两个相邻的弯折电极片2中，靠近电芯内部的一者位于由远离电芯内部的一者经弯折围设成的区域内；如图4和图5所示，第一弯折部11和第二弯折部21位于电芯的同一侧，或者，如图1和图2所示，第一弯折部11位于电芯的第一侧，第二弯折部21位于电芯的第二侧，第一侧的轴向与第二侧的轴向垂直。
本发明中，每个第一电极片1和弯折电极片2均有一个弯折部，并通过弯折部弯折后依次交替设置，即每两个相邻的第一电极片1之间均设有一个弯折电极片2，每两个相邻的弯折电极片2之间均设有一个第一电极片1。具体来说，直型电极片3(相当于一个第二直部22)位于电芯的最内部，且最靠近直型电极片3的弯折电极片2与直型电极片3被一个第一电极片1隔开，即上述多个第一电极片1中的位于电芯最内部的第一电极片1的两个第一直部12被直型电极片3隔开，直型电极片3位于该位于电芯最内部的第一电极片1经弯折围设成的区域内，而其余第一电极片1和弯折电极片2交替套设在该位于电芯最内部的第一电极片1的外部，使得每两个相邻的第一直部12均被一个第二直部22隔开(即每两个相邻的第一直部12之间均设有一个第二直部22)，每两个相邻第二直部22均被一个第一直部12隔开(即每两个相邻的第二直部22之间均设有一个第一直部12)，从而使多个第一电极片1的第一直部12和多个第二电极片的第二直部22依次交替层叠设置(即叠片设置)，形成叠绕式结构的电芯。
一般情况下，电芯为扁平状，第一电极片1通过第一弯折部11弯折后，其两个第一直部12的表面(即涂覆有下述涂层的表面)互相平行，弯折电极片2通过第二弯折部21弯折后，其两个第二直部22的表面(即涂覆由下述第二涂层的表面)互相平行。上述电芯中，所有第一电极片1的第一直部12的表面、弯折电极片2的第二直部22的表面、以及直型电极片3的表面均互相平行，上述电芯第一侧的轴向、第二侧的轴向均分别与第一直部12的表面平行。
所有第一电极片1的弯折部(即第一弯折部11)均位于电芯的同一侧，所有弯折电极片2的弯折部(即第二弯折部21)均位于电芯的同一侧。当第一弯折部11和第二弯折部21位于电芯的不同侧时(即第一弯折部11位于电芯的第一侧，第二弯折部21位于电芯的第二侧)，相邻的第一电极片1和弯折电极片2中，靠近电芯内部的一者的直部位于由远离电芯内部的一者经弯折围设成的区域内(如图1和图2所示)；当第一弯折部11和第二弯折部21位于电芯的同一侧时，相邻的第一电极片1和弯折电极片2中，靠近电芯内部的一者位于由远离电芯内部的一者经弯折围设成的区域内(如图4和图5所示)。
优选地，第一弯折部11位于电芯的第一侧，第二弯折部21位于电芯的第二侧，可以分别通过第一电极片1的弯折部和第二电极片的弯折部包裹在电芯的两侧(底部和侧面)，从而更牢固地卡住第一电极片1和第二电极片，进一步提高电芯的结构稳定性，提高电芯的抗跌落能力和抗针刺能力，从而兼顾提升电芯的安全性和快速充电能力等性能。
具体地，当第一电极片1为正极片时，第二电极片为负极片；当第一电极片1为正极片时，第二电极片为负极片。在一些优选实施例中，第一电极片1为正极片，第二电极片为负极片。其中，正极片的集流体可以为铝箔等本领域常规正极集流体，负极片的集流体可以为铜箔等本领域常规负极集流体。
根据本发明的研究，第一电极片1包括第一集流体和位于第一集流体表面的涂层，涂层包括位于第一直部12的电极功能层和位于第一弯折部11的绝缘层103在(如图3所示)，在第一弯折部11设置绝缘层103，可以进一步对电芯侧边起到绝缘保护作用，防止电芯中正负极发生短路，提高电芯的安全性等性能。电极功能层用于保证第一电极片1的电性能发挥，其一般包括第一活性物质层102。在一些优选实施例中，电极功能层包括底涂层101和第一活性物质层102，底涂层101位于第一集流体表面和第一活性物质层102之间，该底涂层101包含无机填料、导电剂和粘结剂，无机填料包括钴酸锂、三元材料、磷酸钒锂、磷酸钒氧锂、磷酸铁锂、钛酸锂和含锂锰基材料中的至少一种，其中，三元材料包括镍钴锰三元材料(NCM)和/或镍钴铝三元材料(NCA)，含锂锰基材料包括锰酸锂和/或磷酸锰铁锂。通过底涂层101的设置，利于进一步提高电芯的安全性等性能。可选地，可以在第一集流体的一个表面设置上述涂层，或者在集流体的正反两个表面均设置上述涂层，一般优选后者。
在一些实施例中，底涂层101中，无机填料的质量含量为50％-98％，例如50％、60％、70％、80％、90％、98％或其中的任意两者组成的范围，导电剂的质量含量为0.5％-10％，例如0.5％、1％、3％、5％、7％、10％或其中的任意两者组成的范围，粘结剂的质量含量为1.5％-50％，例如1.5％、5％、10％、20％、30％、40％、50％或其中的任意两者组成的范围。
在一些实施例中，第一活性物质层102包含第一活性物质、导电剂和粘结剂，第一活性物质层102中，第一活性物质的质量含量为94％-99％，例如94％、95％、96％、97％、98％、99％或其中的任意两者组成的范围，导电剂的质量含量为0.5％-5％，例如0.5％、1％、2％、3％、4％、5％或其中的任意两者组成的范围，粘结剂的质量含量为0.5％-3.5％，例如0.5％、1％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％或其中的任意两者组成的范围。
在一些实施例中，第一电极片1为正极片，上述第一活性物质为正极活性物质，例如包括含锂活性材料，举例来说，第一活性物质可以包括钴酸锂、三元材料、磷酸钒锂、磷酸钒氧锂、磷酸铁锂、钛酸锂和含锂锰基材料中的至少一种，其中，三元材料包括镍钴锰三元材料(NCM)和/或镍钴铝三元材料(NCA)，含锂锰基材料包括锰酸锂和/或磷酸锰铁锂。
一般情况下，粘结剂含量越高，涂层与集流体表面之间的粘结力度越强，为进一步优化电芯的安全性等性能，可以控制底涂层101中粘结剂的含量高于第一活性物质层102中粘结剂的含量，绝缘层103中粘结剂的含量高于底涂层101中粘结剂的含量，高粘结剂含量的绝缘层103还可以进一步提高电芯侧边的抗针刺能力和抗跌落能力。在一些优选实施例中，绝缘层103包含无机绝缘材料和粘结剂，绝缘层103中无机绝缘材料的质量含量为50％-96％，例如50％、60％、70％、80％、90％、96％或其中的任意两者组成的范围，绝缘层103中粘结剂的质量含量为4％-50％，例如4％、10％、20％、30％、40％、50％或其中的任意两者组成的范围；无机绝缘材料包括氧化铝、勃姆石、二氧化锆、二氧化钛、二氧化硅、蒙脱土、氧化镁、氢氧化镁中的至少一种。
一般情况下，底涂层101的厚度小于第一活性物质层102的厚度，在一些优选实施例中，底涂层101的厚度为第一活性物质层102厚度的1％-50％，例如1％、5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％或其中的任意两者组成的范围。可选地，底涂层101的厚度可以为1μm-20μm，例如1μm、5μm、10μm、15μm、20μm或其中的任意两者组成的范围。
第一活性物质和无机填料均为颗粒状，一般可以控制底涂层101中无机填料的粒径D502小于第一活性物质的粒径D501，优选无机填料的粒径D502是第一活性物质的粒径D501的1％-50％，D501是第一活性物质从小粒径侧起累计粒度分布百分数达到50％时对应的粒径(即在第一活性物质的粒度分布中，粒径大于D501的第一活性物质颗粒占50％，粒径小于D501的第一活性物质颗粒占50％)，D502是无机填料从小粒径侧起累计粒度分布百分数达到50％时对应的粒径(即在无机填料的粒度分布中，粒径大于D502的无机填料颗粒占50％，粒径小于D502的无机填料颗粒占50％)。
在一些实施例中，绝缘层103的厚度可以为1μm-50μm，例如1μm、5μm、10μm、20μm、30μm、40μm、50μm或其中的任意两者组成的范围。
本发明中，上述底涂层101的厚度、第一活性物质层102的厚度、绝缘层103的厚度均为单面涂层厚度，即是第一集流体一个表面的涂层厚度，而非两个表面的涂层厚度之和。
具体地，第一电极片1中，第一直部12的涂层为第一电极功能涂层，第一弯折部11的涂层为绝缘层103，绝缘层103沿第一弯折部11的弯折方向的宽度w基本等于第一弯折部11沿其弯折方向上的宽度，绝缘层103沿第一弯折部11弯折方向的宽度w可以为3mm-8mm，例如3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm或其中的任意两者组成的范围。上述电芯中，每两个相邻的第一电极片1中，靠近电芯内部的一者位于由远离电芯内部一者经弯折围设成的区域内，一般远离电芯内部的一者的第一弯折部11的长度大于靠近电芯内部的一者的第一弯折部11的长度。
在一些实施例中，第二电极片为负极片，第二电极片包括第二集流体和位于第二集流体表面的第二活性物质层，该第二活性物质层包括第二活性物质、导电剂、粘结剂和增稠剂。该第二活性物质层中，第二活性物质的质量含量可以为75％～99％，例如75％、80％、85％、90％、95％、99％或其中的任意两者组成的范围，导电剂的质量含量可以为0.1％～5％，例如0.1％、0.5％、1％、2％、3％、4％、5％或其中的任意两者组成的范围，粘结剂的质量含量可以为0.5％～5％，例如0.5％、1％、2％、3％、4％、5％或其中的任意两者组成的范围，增稠剂的质量含量可以为0.5％～5％，例如0.5％、1％、2％、3％、4％、5％或其中的任意两者组成的范围。第二负极活性物质为负极活性物质，具体可以包括碳基负极活性物质和/或硅基负极活性物质，碳基负极活性物质例如包括人造石墨、天然石墨、中间相碳微球、软碳、硬碳、有机聚合物中的至少一种，硅基负极活性物质例如包括硅材料、硅氧材料、硅碳材料等中的至少一种。
本发明中，如无特别说明，上述各涂层(即第一活性物质层102、底涂层101、绝缘层103、第二活性物质层)中，粘结剂可以包括聚氧化乙烯、丁苯橡胶、聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-三氟乙烯、聚偏氟乙烯-四氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯、苯丙乳液、聚丙烯酸乙酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸丁酯、聚乙烯醇、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚醋酸乙烯酯、聚氨酯中的至少一种，导电剂包括导电碳黑、碳纤维、科琴黑、乙炔黑、碳纳米管和石墨烯中的至少一种，增稠剂包括羧甲基纤维素钠和/或羧甲基纤维素锂。
本发明可以通过本领域常规方法制备上述第一电极片1和第二电极片，例如，在制备第一电极片1时，将底涂层101的原料与溶剂混合配制成底涂浆料，将绝缘层103的原料与溶剂混合配制成绝缘浆料，将第一活性物质层102的原料与溶剂混合配制成第一活性浆料，然后将底涂浆料涂布在第一集流体表面的预设第一直部12的区域形成底涂层101，再将绝缘将涂布在第一集流体表面的预设第一弯折部11的区域形成绝缘层103(如图3的A、图6的A所示)，再将第一活性浆料涂布在底涂层101表面形成第一活性物质层102(如图3的B和C、图6的B和C所示)，其中，根据第一极耳13的预设位置在第一集流体表面预留部分空箔区104(即无涂层区域，如图3和图6所示)，将该预留部分的空箔区104裁切成第一极耳13，得到第一电极片1基体(如图3和图6所示)，可以根据需要将第一电极片1基体裁切成符合预设要求的形状和尺寸；其中，每次浆料涂布完成后可以通过干燥、辊压等处理以形成相应的涂层，一般可以控制底涂浆料的固含量为40％～50％，第一活性浆料的固含量为70％～75％，所用溶剂可以包括N-甲基吡咯烷酮(NMP)等。在制备第二电极片时，可以将第二活性物质层的原料与溶剂混合制成第二活性浆料，第二活性浆料的固含量可以为40％～45％，所用溶剂可以包括水等，然后将第二活性浆料涂布在第二集流体表面，经干燥、辊压等处理后形成第二活性物质层，其中，根据第二电极极耳23的预设位置在第二集流体表面预留部分空箔区，将该预留部分的空箔区裁切成第二电极极耳23，即得到第二电极片基体，可以根据需要将第二电极片裁切成符合预设要求的形状和尺寸。随后可以将第一电极片基体和第二电极片基体弯折交替叠绕后形成叠绕式电芯。
本发明中，电芯为上述叠绕式结构，其中的第一直部12和第二直部22交替层叠设置，在一些实施例中，沿由电芯内部至电芯外部的方向，相邻的第一直部12和第二直部22中，第二直部22的正投影覆盖第一直部12的正投影，直型电极片3的正投影覆盖位于电芯最内部的第一电极片1的第一直部12的正投影，第一直部12的正投影是第一直部12平行于第一直部12的表面(即涂覆有涂层的表面)的投影，第二直部22的正投影是第二直部22平行于第一直部12的表面(即涂覆有涂层的表面)的投影，直型电极片3的正投影是直型电极片3平行于第一直部12的表面(即涂覆有涂层的表面)的投影。
上述直型电极片3的正投影的面积、第二直部22的正投影的面积不小于第一直部12正投影的面积，优选大于第一直部12正投影的面积。一般情况下，第一直部12的正投影的边缘至第二直部22的正投影的边缘的最小距离为1mm-3mm，例如1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm或其中的任意两者组成的范围，位于电芯最内部的第一电极片1的第一直部12的正投影的边缘至直型电极片3的正投影的边缘的最小距离为1mm-3mm，例如1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm或其中的任意两者组成的范围。第二直部22的尺寸、直型电极片3的尺寸不小于第一直部12的尺寸(该尺寸例如是面积和边长)，以使上述第二直部22的正投影、直型电极片3的正投影覆盖第一直部12的正投影，在一些实施例中，第一直部12、第二直部22和直型电极片均为扁平状的长方体(即其正投影均为长方形)，第二直部22的长边、直型电极片的长边均比第一直部12的长边长2mm-6mm，第二直部22的宽边、直型电极片的宽边均比第一直部12的宽边宽2mm-6mm，第一直部12的正投影的长边边缘至第二直部22的正投影的长边边缘的最小距离、至直型电极片3的正投影的长边边缘的最小距离均为1mm-3mm，第一直部12的正投影的宽边边缘至第二直部22的正投影的宽边边缘的最小距离、至直型电极片3的正投影的宽边边缘的最小距离均为1mm-3mm。
本发明中，每个第一电极片1的第一直部12上均设有第一极耳13，直型电极片3上、以及每个弯折电极片2的第二直部22上均设有第二电极极耳23，第一极耳13和第二电极极耳23均位于电芯的同一侧。在一些具体实施例中，第一弯折部11位于电芯的第一侧，第二弯折部21位于电芯的第二侧(即第一弯折部11和第二弯折部21位于电芯的不同侧)，第一电极片1上的第一极耳13设置在第一直部12远离电芯的第二侧(即第二弯折部21所在的一侧)的一侧，弯折电极片2上的第二电极极耳23设置在第二直部22远离电芯的第二侧的一侧，直型电极片3上的第二电极极耳23设置在直型电极片3远离电芯的第二侧的一侧，或者，第一电极片1上的第一极耳13设置在第一直部12远离电芯的第一侧(即第一弯折部11所在的一侧)的一侧，弯折电极片2上的第二电极极耳23设置在第二直部22远离电芯的第一侧的一侧，直型电极片3上的第二电极极耳23设置在直型电极片3远离电芯的第一侧的一侧。在另一些实施例中，第一弯折部11和第二弯折部21位于电芯的同一侧，第一电极片1上的第一极耳13设置在第一直部12远离第一弯折部11的一端，第二电极片上的第二电极极耳23设置在第二直部22远离第二弯折部21的一端，直型电极片3上的第二电极极耳23设置在直型电极片3远离位于电芯最内部的第一电极片1的第一弯折部11的一端。
优选地，每个第一电极片1的两个第一直部12上均设有第一极耳13(即电芯中的每个第一直部12上均设有第一极耳13)，每个第一直部12上的第一极耳13的数量为至少一个，即可以是一个或至少两个。每个弯折电极片2的两个第二直部22上均设有第二电极极耳23(即电芯中的每个第二直部22上均设有第二电极极耳23)，每个第二直部22上的第二电极极耳23的数量为至少一个，即可以是一个或至少两个，直型电极片3上的第二电极极耳23数量为一个。
本发明的电化学装置包括上述电芯，可选地，该电化学装置例如是电池，具体可以包括锂离子电池等。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例对本发明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，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1、图2、图3、图7所示，本实施例的电芯包括多个第一电极片1和多个第二电极片，第一电极片1为正极片，第二电极片为负极片；多个第二电极片中的一者为直型电极片3，其余为弯折电极片2；每个第一电极片1均有两个第一直部12和一个连接在该两个第一直部12之间的第一弯折部11，每个第一电极片1通过第一弯折部11弯折；每个弯折电极片2均有两个第二直部22和一个连接在该两个第二直部22之间的第二弯折部21，每个弯折电极片2通过第二弯折部21弯折；其中，多个第一电极片1和弯折电极片2交替套设在直型电极片3的外部，且满足：最靠近直型电极片3的弯折电极片2与直型电极片3被一个第一电极片1隔开；每两个相邻的第一电极片1中，靠近电芯内部的一者位于由远离电芯内部的一者经弯折围设成的区域内；每两个相邻的弯折电极片2中，靠近电芯内部的一者位于由远离电芯内部的一者经弯折围设成的区域内；第一弯折部11位于电芯的第一侧，第二弯折部21位于电芯的第二侧，第一侧的轴向与第二侧的轴向垂直；
第一电极片1包括第一集流体和位于第一集流体正反两个表面的涂层，该涂层包括位于第一直部12的电极功能层和位于第一弯折部11的绝缘层103；电极功能层包括底涂层101和第一活性物质层102，底涂层101位于第一集流体表面和第一活性物质层102之间；
绝缘层103沿第一弯折部11弯折方向的宽度w为1～4mm(即第一弯折部11沿其弯折方向的宽度为1～4mm，外侧的第一弯折部的长度稍大于内侧的第一弯折部长度)，第一弯折部11两侧的第一直部12沿远离第一弯折部11方向的长度分别为80mm，第一电极片1的长度为第一弯折部11沿其弯折方向的宽度与两个第一直部12的长度之和，即第一电极片1的长度＝w+80mm+80mm(即＝1～4mm+80mm+80mm＝161～164mm)，第一电极片1的宽度为60mm；绝缘层103的厚度为15μm，底涂层101的厚度为6μm，底涂层101的厚度为第一活性物质层102厚度的10％；
第二电极片包括第二集流体和位于第二集流体正反两个表面的第二活性物质层；第二电极片中，弯折电极片宽约64mm、长约165mm～168mm，平直电极片宽64mm、长84mm；
电芯中，相邻的第一直部12和第二直部22中，第二直部22的正投影覆盖第一直部12的正投影，直型电极片3的正投影覆盖位于电芯最内部的第一电极片1的第一直部12的正投影，第一直部12的正投影是第一直部12平行于第一直部12涂覆有涂层的表面的投影，第二直部22的正投影是第二直部22平行于第一直部12涂覆有涂层的表面的投影，直型电极片3的正投影是直型电极片3平行于第一直部12涂覆有涂层的表面的投影；第一直部12、第二直部22、直型电极片3均为扁平状的长方体(即其正投影均为长方形)，第二直部22的长边、直型电极片的长边均比第一直部12的长边长4mm，第二直部22的宽边、直型电极片的宽边均比第一直部12的宽边宽4mm，第一直部12的正投影的长边边缘至第二直部22的正投影的长边边缘的最小距离、至直型电极片的正投影的长边边缘的最小距离均为2mm，第一直部12的正投影的宽边边缘至第二直部22的正投影的宽边边缘的最小距离、至直型电极片的正投影的宽边边缘的最小距离均为2mm；
电芯中的每个第一直部12上均设有一个第一极耳13，直型电极片3上以及每个第二直部22上均设有一个第二电极极耳23，第一极耳13和第二电极极耳23均位于远离电芯的第二侧的一侧。
本实施例的装置为包含上述电芯的锂离子电池，其制备过程如下：
1、制备第一电极片
将磷酸铁锂、聚偏氟乙烯和导电碳黑按照85:10:5的质量比加入到搅拌罐中，向其中加入NMP，搅拌均匀后，过300目的筛网(即通过300目的筛网过滤)，制得固含量为40％～45％的底涂浆料；
将钴酸锂、导电碳黑和聚偏氟乙烯按照97.2:1.5:1.3的质量比加入到搅拌罐中，向其中加入NMP，搅拌均匀后，过200目的筛网，制得固含量为70％～75％的第一活性浆料(即正极浆料)；
将氧化铝、聚偏氟乙烯按照干粉质量比88：12溶于NMP中，搅拌均匀，配制成绝缘浆料；
采用凹版涂布法将底涂浆料涂布在第一集流体(铝箔)的正反两个表面的预设第一直部的区域形成底涂层；再将绝缘浆料涂布在第一集流体正反两个表面的预设第一弯折部的区域形成绝缘层，然后将第一活性浆料涂布在底涂层表面形成第一活性物质层，其中，根据第一极耳的预设位置在第一集流体表面预留部分空箔区，将该预留部分的空箔区裁切成第一极耳，即得到第一电极片(如图3所示)；
2、制备第二电极片
将人造石墨、导电碳黑、丁苯橡胶、羧甲基纤维素钠按照96.9:1.5:1.3:13的质量比加入到搅拌罐中，向其中加入去离子水，搅拌均匀，通过150目的筛网过滤，制得固含量为40％～45％的第二活性浆料；
将第二活性浆料涂布在第二集流体(铜箔)的正反两个表面，经干燥、辊压等处理后形成第二活性物质层，其中，根据第二电极极耳的预设位置在第二集流体表面预留部分空箔区，将该预留部分的空箔区裁切成第二电极极耳，即得到第二电极片，并根据需要将第二电极片裁切成符合预设要求的形状和尺寸，分别获得上述直型电极片和弯折电极片；
3、制备锂离子电池
采用上述第一电极片和第二电极片按照如图1和图2所示的结构组装成电芯，对电芯进行封装、注液、化成等处理后，制得锂离子电池。
实施例2～实施例5
实施例2～实施例4与实施例1的区别在于底涂层的厚度、绝缘层的厚度不同，具体见表1，其余条件与实施例1相同；
实施例5与实施例1的区别在于：电芯结构如图4和图5所示，第一弯折部和第二弯折部位于电芯的同一侧，第一电极片上的第一极耳位于第一直部远离第一弯折部的一端(第一电极片的结构如图6所示)，第二电极片上的第二电极极耳位于第二直部远离第二弯折部的一端，直型电极片上的第二电极极耳位于直型电极片远离位于电芯最内部的第一电极片的第一弯折部的一端；其余条件与实施例1相同。
对比例1
对比例1与实施例1的区别在于，第一电极片全部是第一活性物质层(即没有底涂层和绝缘层)，且第一电极片和第二电极片依次层叠设置形成叠片式结构的电芯(即第一电极片没有第一弯折部，第二电极片没有第二弯折部，电芯中的第一电极片和第二电极片不弯折)。
按照如下过程测定各实施例及对比例的锂离子电池的性能，结果见表1：
(1)针刺测试：
将电池充满电，将满电电池置于针刺测试设备上，启动设备，使直径为3mm的针以130mm/s的速度垂直于电池平面从电池的中部刺入电池，停留10min后退出，电池不起火视为通过，中部针刺通过率＝N1/N0，N0为测试的电池总数，N1为通过的电池数量；
将电池充满电，将满电电池置于针刺测试设备上，启动设备，使直径为3mm的针以130mm/s的速度垂直于电池侧面(有底涂层的一面)刺入电池，停留10min后退出，电池不起火视为通过，侧边针刺通过率＝N1’/N0’，N0’为测试的电池总数，N1’为通过的电池数量；
(2)跌落测试
将满电电池从1m高度自由跌落于混凝土板上，电池每个面各跌落一次，共跌落6次；跌落6次后，电池开路电压应不低于初始电压的90％，且不泄露、不破裂、不起火和不爆炸，则记为通过，跌落测试通过率＝N3/N2，N2为测试的电池总数，N3为通过的电池数量；
(3)倍率性能测试
将电池以0.7C的倍率放电至3.0V，静置5min后，电池以0.7C的倍率充电至上限电压，然后恒压充电，截止电流0.02C；静置5min后，电池以0.2C的倍率放电至3.0V，容量记为C0；静置5min后，电池以0.7C的倍率充电至上限电压，然后恒压充电，截止电流0.02C；静置5min后，电池以2C的倍率放电至3.0V，容量记为C1；C1/C0即为2C/0.2C的放电容量比值，用于评估倍率放电能力。
测得各实施例及对比例电池的侧边针刺通过率、中部针刺通过率、跌落测试通过率和倍率性能结果见表1。
表1
Figure BDA0003288429540000161
以上对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电芯，其特征在于，包括多个第一电极片和多个第二电极片，所述第一电极片和第二电极片中的一者为正极片，另一者为负极片；所述多个第二电极片中的一者为直型电极片，其余为弯折电极片；
每个第一电极片均有两个第一直部和一个连接在该两个第一直部之间的第一弯折部，每个第一电极片通过第一弯折部弯折；
每个弯折电极片均有两个第二直部和一个连接在该两个第二直部之间的第二弯折部，每个弯折电极片通过第二弯折部弯折；
其中，所述多个第一电极片和弯折电极片交替套设在所述直型电极片的外部，且满足：
最靠近所述直型电极片的弯折电极片与所述直型电极片被一个第一电极片隔开；
每两个相邻的第一电极片中，靠近电芯内部的一者位于由远离电芯内部的一者经所述弯折围设成的区域内；
每两个相邻的弯折电极片中，靠近电芯内部的一者位于由远离电芯内部的一者经所述弯折围设成的区域内；
所述第一弯折部和第二弯折部位于电芯的同一侧，或者，所述第一弯折部位于电芯的第一侧，所述第二弯折部位于电芯的第二侧，所述第一侧的轴向与所述第二侧的轴向垂直。
2.根据权利要求1所述的电芯，其特征在于，
所述第一电极片包括第一集流体和位于第一集流体表面的涂层，所述涂层包括位于第一直部的电极功能层和位于第一弯折部的绝缘层；
所述电极功能层包括底涂层和第一活性物质层，所述底涂层位于第一集流体表面和第一活性物质层之间；
所述底涂层包含无机填料、导电剂和粘结剂，所述无机填料包括钴酸锂、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、钛酸锂和含锂锰基材料中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的电芯，其特征在于，
所述底涂层中，无机填料的质量含量为50％-98％，导电剂的质量含量为0.5％-10％，粘结剂的质量含量为1.5％-50％；和/或，
所述第一活性物质层包含第一活性物质、导电剂和粘结剂，所述第一活性物质层中，第一活性物质的质量含量为94％-99％，导电剂的质量含量为0.5％-5％，粘结剂的质量含量为0.5％-3.5％；和/或，
所述绝缘层包含无机绝缘材料和粘结剂，所述绝缘层中无机绝缘材料的质量含量为50％-96％，所述绝缘层中粘结剂的质量含量为4％-50％；所述无机绝缘材料包括氧化铝、勃姆石、二氧化锆、二氧化钛、二氧化硅、蒙脱土、氧化镁、氢氧化镁中的至少一种。
4.根据权利要求2或3所述的电芯，其特征在于，
所述第一活性物质层包含粘结剂，所述底涂层中粘结剂的含量高于所述第一活性物质层中粘结剂的含量；和/或，
所述底涂层的厚度为所述第一活性物质层厚度的1％-50％；和/或，
所述第一活性物质层包含第一活性物质，所述无机填料的粒径D502小于所述第一活性物质的粒径D501，D501是第一活性物质从小粒径侧起累计粒度分布百分数达到50％时对应的粒径，D502是无机填料从小粒径侧起累计粒度分布百分数达到50％时对应的粒径。
5.根据权利要求2所述的电芯，其特征在于，
所述绝缘层的厚度为1μm-50μm；和/或，
所述绝缘层沿所述第一弯折部的弯折方向的宽度为3mm-8mm；和/或，
所述底涂层的厚度为1μm-20μm。
6.根据权利要求1或2所述的电芯，其特征在于，所述第一电极片为正极片，所述第二电极片为负极片。
7.根据权利要求1或2所述的电芯，其特征在于，相邻的第一直部和第二直部中，第二直部的正投影覆盖第一直部的正投影，所述直型电极片的正投影覆盖所述位于电芯最内部的第一电极片的第一直部的正投影，所述第一直部的正投影是所述第一直部平行于所述第一直部的表面的投影，所述第二直部的正投影是所述第二直部平行于所述第一直部的表面的投影，所述直型电极片的正投影是平行于所述第一直部的集流体表面的投影。
8.根据权利要求7所述的电芯，其特征在于，所述第一直部的正投影的边缘至第二直部的正投影的边缘的最小距离为1μm-3μm，所述位于电芯最内部的第一电极片的第一直部的正投影的边缘至所述直型电极片的正投影的边缘的最小距离为1μm-3μm。
9.根据权利要求1或2所述的电芯，其特征在于，
每个第一电极片的第一直部上均设有第一极耳，直型电极片上、以及每个弯折电极片的第二直部上均设有第二电极极耳，所述第一极耳和第二电极极耳位于电芯的同一侧。
10.一种电化学装置，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的电芯。
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