CN113711396A - 一种电化学装置和电子装置 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种电化学装置和电子装置，其包括电极，电极包括集流体，集流体包括设置有活性物质的涂覆区和未设置活性物质的未涂覆区；未涂覆区至少部分设置有绝缘层，绝缘层包括粘结剂和无机颗粒，绝缘层在85℃条件下浸泡电解液24h后的膨胀率不高于8％。本申请能够使绝缘层与集流体之间具有良好的粘结力，从而降低电化学装置在循环过程中的膨胀程度以及内阻增加程度，提高电化学装置的性能。

Description

一种电化学装置和电子装置
技术领域
本申请涉及电化学技术领域，具体涉及一种电化学装置和电子装置。
背景技术
锂离子电池具有比能量大、工作电压高、自放电率低、体积小、重量轻等特点，广泛应用于电能储存、便携式电子设备和电动汽车等各个领域。
锂离子电池通常包括电极和隔离膜，电极包括正极和负极，隔离膜位于正极和负极之间。电极中通常包含集流体、活性物质层以及绝缘层，其中绝缘层通常设置于集流体表面未设置活性物质层的区域，以提高电极整体的绝缘性能。发明人研究发现，现有的锂离子电池受绝缘层材料成分影响，绝缘层的在电解液中的膨胀程度高，导致锂离子电池的性能有待提升。
发明内容
本申请的目的在于提供一种电化学装置和电子装置，以降低电化学装置中的绝缘层在电解液中的膨胀程度，从而提电化学装置的性能。
需要说明的是，以下内容中，以锂离子电池作为电化学装置的例子来解释本申请，但是本申请的电化学装置并不仅限于锂离子电池。
具体技术方案如下：
本申请的第一方面提供了一种电化学装置，其包括电极，该电极包括集流体，集流体包括设置有活性物质的涂覆区和未设置活性物质的未涂覆区；未涂覆区至少部分设置有绝缘层，绝缘层包括粘结剂和无机颗粒，绝缘层在85℃条件下浸泡电解液24h后的膨胀率不高于8％。
本申请的电化学装置中，电极的集流体表面设置有活性物质的区域可以称为涂覆区，集流体的表面未设置有活性物质的区域称为未涂覆区。在上述未涂覆区至少部分设置绝缘层，并且可以采用不同的设置方式，例如可以包括但不限于：将绝缘层设置在电极的沿长度方向上的两侧，将绝缘层设置在电极的起始端侧，将绝缘层设置在电极的收尾端侧。上述设置方式可以单独采用，也可以组合采用。所说的起始端和收尾端可以指在卷绕结构的锂离子电池中，卷绕结构的起始端和收尾端。
本申请的电极可以包括正极和负极，绝缘层可以设置于正极中的正极集流体表面的未涂覆区，也可以设置于负极中的负极集流体表面的未涂覆区。
本申请绝缘层在85℃条件下浸泡电解液24h后的膨胀率不高于8％，表明本申请的绝缘层具有优异的抗电解液溶胀性能，能够降低锂离子电池的厚度增长率，提高锂离子电池的性能。
在本申请的一种实施方案中，粘结剂可以包括聚丙烯、聚丙烯酸酯、丙烯腈多元共聚物或羧甲基纤维素盐中的至少一种。粘结剂的加入能够提高绝缘层的粘性，从而提高绝缘层与集流体之间的粘结力。
在本申请的一种实施方案中，粘结剂可以包括丙烯腈、丙烯酸盐、丙烯酰胺和丙烯酸酯中的至少一种单体聚合形成的聚合物。优选地，粘结剂可以包括丙烯腈、丙烯酸盐和丙烯酰胺中的至少一种单体聚合形成的聚合物。
本申请的粘结剂可以是一种水性粘结剂，其中，丙烯酸盐中的金属离子能够取代部分氢离子，从而增加粘结剂的亲水性，使粘结剂在电解液中溶胀减小，保持较高的粘结力。另外，由于氢离子易得电子而形成氢气，因此当氢离子减少后，还可防止产生因氢离子过多而导致的锂离子电池胀气问题。
在本申请的一种实施方案中，基于所述聚合物的总质量，丙烯腈的质量百分含量为25％至70％，丙烯酸盐的质量百分含量为10％至60％，丙烯酰胺的质量百分含量为10％至60％，丙烯酸酯质量百分含量为0％至10％。不限于任何理论，通过控制丙烯腈、丙烯酸盐、丙烯酰胺和丙烯酸酯的质量百分含量在上述范围内，能够得到粘结性良好的粘结剂，从而提高绝缘层与集流体之间的粘结力。
在本申请的一种实施方案中，所述粘结剂在电解液中的溶胀度为0至5％，表明本申请的绝缘层具有优异的抗电解液溶胀性能。
在本申请的一种实施方案中，粘结剂的重均分子量为100000至2000000，优选为300000至800000。不限于任何理论，粘结剂的重均分子量过大，粘结剂的增稠作用增强，导致浆料粘度过高、流动性变差，易导致绝缘层浆料漏涂；粘结剂的重均分子量过小，导致浆料粘度过低，浆料成膜性差，也会导致绝缘层浆料漏涂。不限于任何理论，通过控制粘结剂的重均分子量在上述范围内，能够使绝缘层浆料在集流体基材表面形成厚度均匀的薄膜，从而形成绝缘层，能够提高绝缘层与集流体之间粘结力。
在本申请的一种实施方案中，基于绝缘层的总质量，粘结剂质量百分含量为2％至50％，无机颗粒质量百分含量为50％至98％。不限于任何理论，粘结剂含量过低，例如低于2％，绝缘层成膜性差，不利于绝缘层覆盖度的提升；粘结剂含量过高，例如高于50％，由于粘结剂本身的粘度高，导致绝缘层在烘干成膜过程中收缩程度增大，而集流体基材(例如铝箔)基本不收缩，二者收缩率差异大，导致绝缘层大面积从集流体基材上脱落。通过控制粘结剂和无机颗粒的含量在上述含量范围内，有利于提高绝缘层与集流体之间粘结力。
在本申请的一种实施方案中，绝缘层的覆盖度不低于95％。通过控制绝缘层的覆盖度不低于95％，能够使电极具有更高的绝缘性能。
在本申请的一种实施方案中，所述无机颗粒包括勃姆石、水铝石、氧化铝、硫酸钡、硫酸钙或硅酸钙中的至少一种，优选为勃姆石和氧化铝中的至少一种。无机颗粒的加入能够提高绝缘层的强度和绝缘性能。
在本申请的一种实施方案中，所述无机颗粒的Dv99为0.01μm至9.9μm。以无机颗粒的Dv99不超过绝缘层的厚度为宜，否则在冷压过程中易刺伤铝箔，形成凹凸点超出目标绝缘层厚度。本申请中，Dv99表示无机颗粒在体积基准的粒度分布中，从小粒径侧起，达到体积累积99％的粒径。
在本申请的一种实施方案中，绝缘层的厚度为0.02μm至10μm。不限于任何理论，当绝缘层的厚度过低时，例如低于0.02μm，绝缘层强度过低，绝缘性能受到影响；当绝缘层的厚度过高时，例如高于10μm，电极中活性物质相对含量下降，影响锂离子电池的能量密度。通过控制绝缘层的厚度在上述范围内，能够使绝缘层具有良好的强度和绝缘性能。
在本申请的一种实施方案中，绝缘层与集流体之间的粘结力不低于201N/m，可见本申请的绝缘层与集流体之间具有优异的粘结性能，从而降低锂离子电池的厚度增长率和内阻增长率。
在本申请的一种实施方案中，电化学装置在85℃放置24h或60℃放置30天的存储条件下存储后，与未设置所述绝缘层的同规格电化学装置在85℃放置24h或60℃放置30天的存储条件下存储后相比，满足以下至少一者：
a)电化学装置的厚度增长率之差为±8％以内；
b)电化学装置的内阻增长率之差为±8％以内。可见，本申请的电化学装置相比于现有的电化学装置，厚度增长率更低，内阻增长率也更低，具有更好的性能。
本申请的粘结剂的制备方法没有特别限制，可以采用本领域技术人员公知的制备方法，例如可以采用如下制备方法：
在反应釜中加入蒸馏水，启动搅拌，通入氮气除氧后，按不同质量比加入丙烯腈、丙烯酸盐、丙烯酰胺和丙烯酸酯等上述组分中的至少一种，在惰性气氛下加热至65℃左右并恒温，然后加入引发剂引发反应，至反应20小时左右后结束。
本申请对引发剂没有特别限制，只要能引发单体聚合即可，例如可以为20％的过硫酸铵溶液。本申请对蒸馏水和引发剂的添加量没有特别限制，只要能保证加入的单体发生聚合反应即可。在反应后，还可以向反应的沉淀物中加入碱液已进行中和，使pH值为6.5～9。还可以对反应产物进行过滤、洗涤、烘干、粉碎、过筛等处理。
本领域技术人员应当理解，本申请的电极可以在其一个表面具有活性物质层，也可以在其两个表面均具有活性物质层。本申请的绝缘层可以设置在电极的至少一个表面，例如，绝缘层可以设置电极的一个表面，也可以设置在电极的两个表面。
本申请的正极中，正极集流体没有特别限制，可以为本领域公知的任何正极集流体，例如铝箔、铝合金箔或复合集流体等。正极活性物质层包括正极活性物质，正极活性物质没有特别限制，可以使用本领域公知的任何正极活性物质，例如，可以包括镍钴锰酸锂(811、622、523、111)、镍钴铝酸锂、磷酸铁锂、富锂锰基材料、钴酸锂、锰酸锂、磷酸锰铁锂或钛酸锂中的至少一种。
本申请中的负极中，负极集流体没有特别限制，可以使用本领域公知的任何负极集流体，例如铜箔、铝箔、铝合金箔以及复合集流体等。负极活性物质层包括负极活性物质，负极活性物质没有特别限制，可以使用本领域公知的任何负极活性物质。例如，可以包括人造石墨、天然石墨、中间相碳微球、软碳、硬碳、硅、硅碳、钛酸锂等中的至少一种。
本申请的锂离子电池还包括电解质，电解质可以是凝胶电解质、固态电解质和电解液中的一种或多种，电解液包括锂盐和非水溶剂。
在本申请一些实施方案中，锂盐选自LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiClO4、LiB(C6H5)4、LiCH3SO3、LiCF3SO3、LiN(SO2CF3)2、LiC(SO2CF3)3、LiSiF6、LiBOB和二氟硼酸锂中的一种或多种。举例来说，锂盐可以选用LiPF6，因为它可以给出高的离子导电率并改善循环特性。非水溶剂可为碳酸酯化合物、羧酸酯化合物、醚化合物、其它有机溶剂或它们的组合。上述碳酸酯化合物可为链状碳酸酯化合物、环状碳酸酯化合物、氟代碳酸酯化合物或其组合。
上述链状碳酸酯化合物的实例为碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二丙酯(DPC)、碳酸甲丙酯(MPC)、碳酸乙丙酯(EPC)、碳酸甲乙酯(MEC)及其组合。环状碳酸酯化合物的实例为碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚丁酯(BC)、碳酸乙烯基亚乙酯(VEC)及其组合。氟代碳酸酯化合物的实例为碳酸氟代亚乙酯(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、碳酸三氟甲基亚乙酯及其组合。
上述羧酸酯化合物的实例为甲酸甲酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸正丙酯、乙酸叔丁酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯、γ-丁内酯、癸内酯、戊内酯、甲瓦龙酸内酯、己内酯及其组合。
上述醚化合物的实例为二丁醚、四甘醇二甲醚、二甘醇二甲醚、1,2-二甲氧基乙烷、1,2-二乙氧基乙烷、乙氧基甲氧基乙烷、2-甲基四氢呋喃、四氢呋喃及其组合。
上述其它有机溶剂的实例为二甲亚砜、1,2-二氧戊环、环丁砜、甲基环丁砜、1,3-二甲基-2-咪唑烷酮、N-甲基-2-吡咯烷酮、甲酰胺、二甲基甲酰胺、乙腈、磷酸三甲酯、磷酸三乙酯、磷酸三辛酯、和磷酸酯及其组合。
本申请的电化学装置中，正极中可以包括本申请的绝缘层，负极中可以包括本申请的绝缘层，或者，正极和负极中均可以包括本申请的绝缘层。
本申请的第二方面提供了一种电子装置，包括上述第一方面所述的电化学装置。
本申请的电子装置没有特别限定，其可以是用于现有技术中已知的任何电子装置。在一些实施例中，电子装置可以包括，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。
电化学装置的制备过程为本领域技术人员所熟知的，本申请没有特别的限制。例如电化学装置可以通过以下过程制造：将正极和负极经由隔离膜重叠，并根据需要将其卷绕、折叠等操作后放入壳体内，将电解液注入壳体并封口，其中所用的隔离膜为本申请提供的上述隔离膜。此外，也可以根据需要将防过电流元件、导板等置于壳体中，从而防止电化学装置内部的压力上升、过充放电。
本申请提供了一种电化学装置和电子装置，其包括电极，电极包括集流体，集流体包括设置有活性物质的涂覆区和未设置活性物质的未涂覆区；未涂覆区至少部分设置有绝缘层，绝缘层包括粘结剂和无机颗粒，绝缘层在85℃条件下浸泡电解液24h后的膨胀率不高于8％，使得绝缘层与集流体之间具有良好的粘结力，从而降低电化学装置在循环过程中的膨胀程度以及内阻增加程度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请和现有技术的技术方案，下面对实施例和现有技术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例。
图1为本申请的一种实施方案的电极极片的结构示意图；
图2a为本申请的另一种实施方案的电极极片的结构示意图；
图2b为本申请的再一种实施方案的电极极片的结构示意图；
图2c为本申请的再一种实施方案的电极极片的结构示意图；
图3为本申请的再一种实施方案的电极极片的结构示意图；
图4为在粘结力测试中粘结力与行程之间的关系示意图。
图中，1.活性物质层，2.绝缘层，3.集流体。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，以下参照附图和实施例，对本申请进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他技术方案，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的具体实施方式中，以锂离子电池作为电化学装置的例子来解释本申请，但是本申请的电化学装置并不仅限于锂离子电池。
图1示出了本申请一种实施方案中的电极极片的结构示意图(俯视图)，电极极片通常为矩形，如图1所示，电极极片沿长度方向上的两侧可能存在未涂覆区，即未设置活性物质层1的区域，集流体3露出于该未涂覆区。图1中，绝缘层2可以设置于未涂覆区，具体可以设置于电极极片沿长度方向上的两侧。当然，也可仅设置于电极极片沿长度方向上的其中一侧。
图2a-2c分别示出了本申请另外三种实施方案中的电极极片的结构示意图(俯视图)，电极极片的起始端和收尾端也可能存在未涂覆区，则如图2a所示，绝缘层2可以同时设置于电极极片的起始端侧和收尾端侧，也可以如图2b或图2c所示，设置于电极极片的起始端侧和收尾端侧的其中一侧。
图3示出了本申请再一种实施方案中的电极极片的结构示意图(俯视图)，电极极片的沿长度方向上的两侧及起始端和收尾端都可能存在未涂覆区，则如图3所示，绝缘层2可以同时设置于正极的沿长度方向上的两侧及起始端和收尾端。
图4示出了在粘结力测试时粘结力与行程之间的关系。
实施例
以下，举出实施例及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”、“％”为质量基准。
测试方法和设备：
电极极片膨胀率测试：
1)在(25±3)℃环境下，将设置有绝缘层的电极极片从成品锂离子电池中拆出。如果电极极片的另一面设置有其他涂层，用物理或化学方法去除该涂层，但不能损伤集流体和绝缘层，得到极片样品；
2)用万分尺测极片样品上的集流体的至少10个不同点的的厚度，记所有测试点的厚度均值为T0；
3)用无尘纸拭去极片样品表面的电解液，然后用万分尺测试极片样品上至少10个不同点的厚度，记所有测试点的厚度均值为T1；
4)将极片样品浸入碳酸二甲酯(DMC)中，放入85℃条件下存放24h后，取出，然后在(25±3)℃的条件下，用无尘纸拭去极片样品表面的DMC，用万分尺测试测试极片样品上10个不同点的厚度，记所有测试点的厚度均值为T2；
5)通过以下表达式计算极片样品的膨胀率E：
E＝[(T2-T0)/(T1-T0)]×100％-100％
要求极片样品从85℃条件下取出到完成厚度测试的时间间隔不超过20min。
锂离子电池厚度增长率和内阻增长率测试：
存储条件1：85℃放置24h：
在25±3℃的环境中，将锂离子电池以0.5C恒流充电至满充设计电压，再以满充电压恒压充电至0.025C，测试锂离子电池初始厚度，记为T0，初始内阻记为IMP0。将锂离子电池放入85±3℃的高温炉中，每隔4h(小时)取出来一次，每次在锂离子电池温度下降到80℃前，测试锂离子电池厚度，则4h、8h、……、24h的厚度依次记为：T0→4h热测、T0→8h热测、……、T0→24h热测；则4h、8h、……、24h的内阻依次记为：IMP0→4h热测、IMP0→8h热测、……、IMP0→24h热测。锂离子电池温度降至环境温度25±3℃后，每隔4h测试一次锂离子电池厚度，则4h、8h、……、24h的厚度依次记为：T0→4h冷测、T0→8h冷测、……、T0→24h冷测；每隔4h测试一次锂离子电池内阻，则4h、8h、……、24h的内阻依次记为：IMP0→4h冷测、IMP0→8h冷测、……、IMP0→24h冷测。每次锂离子电池在环境温度下测完厚度后，将锂离子电池继续放入85±3℃的高温炉中，待4h后再取出测试厚度，如此往复直至24h。
存储条件2：60℃放置30天：
在25±3℃的环境中，将锂离子电池以0.5C恒流充电至满充设计电压，再以满充电压恒压充电至0.025C，测试锂离子电池初始厚度，记为T0，初始内阻记为IMP0。将锂离子电池放入60±3℃的高温炉中，每隔5d(天)取出来一次，每次在锂离子电池温度下降到55℃前，测试锂离子电池厚度，则5d、10d、……、30d的厚度依次记为：T0→5d热测、T0→10d热测、……、T0→30d热测；则5d、10d、……、30d的内阻依次记为：IMP0→5d热测、IMP0→10d热测、……、IMP0→5d热测。锂离子电池温度降至环境温度25±3℃后，每隔5d测试一次锂离子电池厚度，则5d、10d、……、30d的厚度依次记为：T0→5d冷测、T0→10d冷测、……、T0→30d冷测；每隔5d测试一次锂离子电池内阻，则5d、10d、……、30d的内阻依次记为：IMP0→5d冷测、IMP0→10d冷测、……、IMP0→30d冷测。每次锂离子电池在环境温度下测完厚度后，将锂离子电池继续放入60±3℃的高温炉中，待5d后再取出测试厚度，如此往复直至30d。
锂离子电池厚度测试：
使用PPG电池测厚仪测试锂离子电池厚度，测试板上的单位面积压力设置为25kg/m2。
锂离子电池内阻测试：
使用电阻仪，采用正弦、1000Hz频率波测试锂离子电池的交流内阻。
锂离子电池厚度增长率测试：
分别在上述两种存储条件下，锂离子电池存储过程中热测厚度或冷测厚度与其初始厚度的比值，再减去100％。示例：4小时热测厚度增长率为：4小时热测厚度(即T0→4h热测)/T0-100％。
锂离子电池内阻增长率测试：
分别在上述两种存储条件下，锂离子电池存储过程中热测内阻或冷测内阻与其初始内阻的比值，再减去100％。示例：5天热测厚度增长率为：5天热测厚度(即IMP0→5d热测)/IMP0-100％。
粘结剂重均分子量测试：
采用凝胶渗透色谱法(GPC)测试绝缘层中的粘结剂的重均分子量。本申请中，重均分子量是指按质量统计平均的分子量。
粘结力测试：
使用高铁拉力机、90°角法测试绝缘层与集流体之间的粘结力：将成品锂离子电池中设置有绝缘层部分的极片裁切为20mm*60mm的条状试样，其长宽值可根据实际情况按比例调整。沿试样的长度方向，将试样一端的绝缘层面通过双面胶粘附在钢板上，其中粘附长度不低于40mm；然后将钢板固定在高铁拉力机的相应位置，拉起试样的未被粘附在钢板上的另一端，通过连接物或直接将极片样品放入夹头内夹紧，其中被拉起的试样部分与钢板在空间上夹角为90°。夹头以5mm/min的速度拉动极片，使绝缘层与集流体分离，最终测得平稳区域的拉力平均值记为绝缘层与集流体之间的粘结力。如图4所示，要求上述平稳区域的粘结力数据的标准差与平均值的比值不超过10％。
覆盖度测试：
1)裁切涂有绝缘涂层的极片，得到涂有绝缘层的极片样品，记涂有绝缘层一面的面积为S1；
2)使用分辨率为0.02μm的CCD显微镜统计1)中极片样品中涂有绝缘层的一面未被绝缘材料覆盖的集流体面积(即漏涂面积)，记为S2；
3)通过以下表达式计算绝缘层的覆盖度B：B＝(S1-S2)/S1×100％。
无机颗粒Dv99测试：
使用激光粒度仪测试无机颗粒的Dv99。Dv99表示无机颗粒在体积基准的粒度分布中，从小粒径侧起，达到体积累积99％的粒径。
绝缘层厚度测试：
1)在(25±3)℃的环境下，将涂有绝缘涂层的极片从成品电芯中拆出。用无尘纸拭去极片表面残留的电解液；
2)涂有绝缘层的极片在等离子体下切割，得到其横截面；
3)在SEM下观察2)中得到的极片横截面，并测试单面绝缘涂层的厚度，相邻测试点间隔2～3mm，至少测试15个不同点，记所有测试点的均值为绝缘涂层的厚度。
粘结剂溶胀度测试：
将包含粘结剂的分散液在80℃条件下烘干后形成厚度约2mm至3mm的胶膜，然后裁切胶膜得到质量为1g至2g的胶膜样品，称量浸润电解液前的胶膜样品的质量，记为W1，在60℃下将胶膜样品浸泡在电解液中7天(其中电解液质量与胶膜样品的质量比为50:1，电解液各成分的质量比为碳酸乙烯酯︰碳酸丙烯酯︰碳酸二乙酯︰丙酸乙酯＝30︰10︰30︰30)，然后擦干胶膜样品表面的溶剂，称量溶胀后的胶膜样品的质量，记为W2，按以下公式计算胶膜样品的溶胀度△W1：
△W1＝(W2-W1)/W1×100％
式中，W1表示浸泡电解液前胶膜样品的质量，W2表示浸泡电解液后胶膜样品的质量。
为保证测试结果的可靠性，测试时可以选择多个厚度尽量一致的样品，每个样品多次测量，例如测量三次，然后求平均值。
实施例1
<正极极片的制备>
<粘结剂的制备>
在反应釜中加入蒸馏水并启动搅拌，通入氮气除氧2h后，按质量比45︰45︰10向反应釜加入以下单体：丙烯腈、丙烯酸钠和丙烯酰胺，在惰性气氛下加热至65℃并保持恒温，然后加入20％的过硫酸铵溶液作为引发剂开始反应，至反应22小时后取出沉淀物，加入碱液中和pH至6.5。其中，蒸馏水、单体、引发剂之间的质量比为89.5︰10︰0.5。反应后对反应产物进行过滤、洗涤、烘干、粉碎、过筛等处理，得到粘结剂。
<绝缘层浆料的制备>
将制得的粘结剂和无机颗粒勃姆石分散在去离子水中，搅拌均匀至浆料粘度稳定，得到固含量为30％的绝缘层浆料，其中粘结剂与无机颗粒之间的质量比为50︰50。粘结剂的重均分子量为500000。无机颗粒的Dv99为3μm。
<含有绝缘层的正极极片的制备>
将正极活性物质钴酸锂(LCO)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、导电炭黑、碳纳米管按质量比97∶1.5∶0.8∶0.7混合，然后加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)作为溶剂，调配成固含量为75％的浆料，并搅拌均匀。将浆料均匀涂覆在集流体铝箔上，90℃条件下烘干，得到厚度为100μm的活性物质层；
将制得的绝缘层浆料涂覆在铝箔表面的未涂覆活性物质层的区域，得到厚度为6μm的绝缘层，绝缘层的覆盖度为95％，其中，无机颗粒占所述绝缘层总质量的质量百分比为50％，粘结剂占绝缘层总质量的质量百分比为50％。然后在该正极极片的另一个表面上重复以上步骤，得到双面涂覆有正极活性物质层的正极极片。将正极极片裁切成74mm×867mm的规格并焊接极耳后待用。
<负极极片的制备>
将负极活性物质石墨、丁苯橡胶、羧甲基纤维素钠按照重量比97.5︰1.3︰1.2进行混合，加入去离子水作为溶剂，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上，110℃条件下烘干，冷压后得到负极活性物质层厚度为150μm的单面涂覆负极活性物质层的负极极片。
以上步骤完成后，采用同样的方法在该负极极片背面也完成这些步骤，即得到双面涂布完成的负极极片。涂布完成后，将负极极片裁切成规格为76mm×851mm的片材并焊接极耳待用。
<电解液的制备>
在干燥氩气气氛中，将有机溶剂碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯和碳酸二乙酯以质量比EC︰EMC︰DEC＝30︰50︰20混合得到有机溶液，然后向有机溶剂中加入锂盐六氟磷酸锂溶解并混合均匀，得到锂盐的浓度为1.15Mol/L的电解液。
<隔离膜的制备>
将氧化铝与聚丙烯酸酯依照质量比90∶10混合并将其溶入到去离子水中以形成固含量为50％的陶瓷浆料。随后采用微凹涂布法将陶瓷浆料均匀涂布到多孔基材(聚乙烯，厚度7μm，平均孔径为0.073μm，孔隙率为26％)的其中一面上，经过干燥处理以获得陶瓷涂层与多孔基材的双层结构，陶瓷涂层的厚度为50μm。
将聚偏二氟乙烯(PVDF)与聚丙烯酸酯依照质量比96∶4混合并将其溶入到去离子水中以形成固含量为50％的聚合物浆料。随后采用微凹涂布法将聚合物浆料均匀涂布到上述陶瓷涂层与多孔基材双层结构的两个表面上，经过干燥处理以获得隔离膜，其中聚合物浆料形成的单层涂层厚度为2μm。
<锂离子电池的制备>
将上述制备的正极极片、隔离膜、负极极片按顺序叠好，使隔离膜处于正负极极片中间起到隔离的作用，并卷绕得到电极组件。将电极组件装入铝塑膜包装袋中，并在80℃下脱去水分，注入配好的电解液，经过真空封装、静置、化成、整形等工序得到锂离子电池。
实施例2
除了在<绝缘层浆料的制备>中，无机颗粒占所述绝缘层总质量的质量百分比为85％，粘结剂占绝缘层总质量的质量百分比为15％，<含有绝缘层的正极极片的制备>中，绝缘层的覆盖度为98％以外，其余与实施例1相同。
实施例3
除了在<绝缘层浆料的制备>中，无机颗粒占所述绝缘层总质量的质量百分比为98％，粘结剂占绝缘层总质量的质量百分比为2％以外，其余与实施例1相同。
实施例4
除了在<绝缘层浆料的制备>中，无机颗粒选用水铝石以外，其余与实施例2相同。
实施例5
除了在<绝缘层浆料的制备>中，无机颗粒选用氧化铝(Al2O3)以外，其余与实施例2相同。
实施例6
除了在<绝缘层浆料的制备>中，无机颗粒选用硫酸钡以外，其余与实施例2相同。
实施例7
除了在<绝缘层浆料的制备>中，粘结剂选用聚丙烯酸甲酯以外，其余与实施例2相同。
实施例8
除了在<绝缘层浆料的制备>中，粘结剂选用丙烯腈多元共聚物以外，其余与实施例2相同。
实施例9
除了在<绝缘层浆料的制备>中，粘结剂选用羧甲基纤维素钠以外，其余与实施例2相同。
实施例10
除了在<绝缘层浆料的制备>中，粘结剂选用聚丙烯酸钠以外，其余与实施例2相同。
实施例11
除了在<绝缘层浆料的制备>中，粘结剂选用聚丙烯酰胺以外，其余与实施例2相同。
实施例12
除了在<粘结剂的制备>中，单体选用质量比为40︰60的丙烯酰胺和丙烯酸钠以外，其余与实施例2相同。
实施例13
除了在<粘结剂的制备>中，单体选用质量比为40︰60的丙烯腈和丙烯酰胺以外，其余与实施例2相同。
实施例14
除了在<粘结剂的制备>中，单体选用质量比为40︰60的丙烯腈和丙烯酸钠以外，其余与实施例2相同。
实施例15
除了在<粘结剂的制备>中，单体选用质量比为27︰60︰10︰3的丙烯腈、丙烯酸钠、丙烯酰胺和丙烯酸酯以外，其余与实施例2相同。
实施例16
除了在<粘结剂的制备>中，单体选用质量比为30︰60︰10的丙烯腈、丙烯酸钠和丙烯酰胺以外，其余与实施例2相同。
实施例17
除了在<粘结剂的制备>中，单体选用质量比为30︰10︰60的丙烯腈、丙烯酸钠和丙烯酰胺以外，其余与实施例2相同。
实施例18
除了在<粘结剂的制备>中，单体选用质量比为70︰10︰20的丙烯腈、丙烯酸钠和丙烯酰胺以外，其余与实施例2相同。
实施例19
除了在<粘结剂的制备>中，粘结剂的重均分子量为100000以外，其余与实施例2相同。
实施例20
除了在<粘结剂的制备>中，粘结剂的重均分子量为1000000，<含有绝缘层的正极极片的制备>中，绝缘层的覆盖度为99％以外，其余与实施例2相同。
实施例21
除了在<粘结剂的制备>中，粘结剂的重均分子量为2000000，<含有绝缘层的正极极片的制备>中，绝缘层的覆盖度为99％以外，其余与实施例2相同。
实施例22
除了在<绝缘层浆料的制备>中，单体选用质量比为40︰60的丙烯酰胺和丙烯酸钠以外，其余与实施例1相同。
实施例23
除了在<绝缘层浆料的制备>中，单体选用质量比为40︰60的丙烯酰胺和丙烯酸钠以外，其余与实施例3相同。
实施例24
除了在<绝缘层浆料的制备>中，单体选用质量比为40︰60的丙烯酰胺和丙烯酸钠以外，其余与实施例19相同。
实施例25
除了在<绝缘层浆料的制备>中，无机颗粒的Dv99为0.01μm，<含有绝缘层的正极极片的制备>中，绝缘层厚度为0.02μm以外，其余与实施例2相同。
实施例26
除了在<绝缘层浆料的制备>中，无机颗粒的Dv99为1.0μm，<含有绝缘层的正极极片的制备>中，绝缘层厚度为1.0μm以外，其余与实施例2相同。
实施例27
除了在<绝缘层浆料的制备>中，无机颗粒的Dv99为3.0μm，<含有绝缘层的正极极片的制备>中，绝缘层厚度为3.5μm以外，其余与实施例2相同。
实施例28
除了在<绝缘层浆料的制备>中，无机颗粒的Dv99为5.0μm，<含有绝缘层的正极极片的制备>中，绝缘层厚度为6.0μm以外，其余与实施例2相同。
实施例29
除了在<绝缘层浆料的制备>中，无机颗粒的Dv99为7.0μm，<含有绝缘层的正极极片的制备>中，绝缘层厚度为8.0μm以外，其余与实施例2相同。
实施例30
除了在<绝缘层浆料的制备>中，无机颗粒的Dv99为9.9μm，<含有绝缘层的正极极片的制备>中，绝缘层厚度为10.0μm以外，其余与实施例2相同。
实施例31
除了<正极极片的制备>和<负极极片的制备>不同以外，其余与实施例2相同。
<正极极片的制备>
将正极活性物质钴酸锂(LCO)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、导电炭黑、碳纳米管按质量比97∶1.5∶0.8∶0.7混合，然后加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)作为溶剂，调配成固含量为75％的浆料，并搅拌均匀。将浆料均匀涂覆在集流体铝箔上，90℃条件下烘干，冷压后得到正极活性物质层厚度为100μm的单面涂覆负极活性物质层的负极极片。然后在该正极极片的另一个表面上重复以上步骤，得到双面涂覆有正极活性物质层的正极极片。将正极极片裁切成74mm×867mm的规格并焊接极耳后待用。
<负极极片的制备>
采用与实施例2相同的方法制备绝缘层浆料。
<含有绝缘层的负极极片的制备>
将负极活性物质石墨、丁苯橡胶、羧甲基纤维素钠按照重量比97.5︰1.3︰1.2进行混合，加入去离子水作为溶剂，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上，110℃条件下烘干，得到厚度为150μm的负极活性物质层；
将制得的绝缘层浆料涂覆在铜箔表面的未涂覆活性物质层的区域，得到厚度为6μm的绝缘层，采用同样的方法在该负极极片背面也完成这些步骤，即得到双面涂布完成的负极极片。涂布完成后，将负极极片裁切成规格为76mm×851mm的片材并焊接极耳待用。
实施例32
除了正极极片和负极极片均设置厚度为6μm的绝缘层以外，其余与实施例2相同。
实施例33
除了<正极极片的制备>不同以外，其余与实施例2相同。
<含有绝缘层的正极极片的制备>
将正极活性物质磷酸铁锂、PVDF、导电炭黑、碳纳米管按质量比96.8∶2∶0.7∶0.5混合，然后加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)作为溶剂，调配成固含量为75％的浆料A，并搅拌均匀。将浆料A均匀涂覆在厚度为12μm的集流体铝箔的一个表面上，90℃条件下烘干，得到厚度为50μm的第一活性层；
将制得的绝缘层浆料涂覆在铝箔表面的未涂覆第一活性层的区域，得到厚度为6μm的绝缘层，其中，粘结剂占绝缘层总质量的质量百分比为15％，无机颗粒占所述绝缘层总质量的质量百分比为85％；
将正极活性物质钴酸锂(LCO)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、导电炭黑、碳纳米管按质量比97∶1.5∶0.8∶0.7混合，然后加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)作为溶剂，调配成固含量为75％的浆料B，并搅拌均匀。将浆料B均匀涂覆在第一活性层上，90℃条件下烘干，得到厚度为50μm的第二活性层。第一活性层和第二活性层共同构成正极极片的正极活性物质层。然后在该正极极片的另一个表面上重复以上步骤，得到双面涂覆有正极活性物质层的正极极片。将正极极片裁切成74mm×867mm的规格并焊接极耳后待用。
对比例1
除了在<正极极片的制备>中，粘结剂选用聚偏氟乙烯(PVDF)，粘结剂的重均分子量为700000以外，其余与实施例2相同。
对比例2
除了在<正极极片的制备>中，粘结剂选用丁苯橡胶，无机颗粒选用氧化铝以外，其余与实施例2相同。
对比例3
除了在<粘结剂的制备>中，粘结剂的重均分子量为50000以外，其余与实施例2相同。
对比例4
除了在<粘结剂的制备>中，粘结剂的重均分子量为3000000以外，其余与实施例2相同。
对比例5
除了在<粘结剂的制备>中，单体选用质量比为10︰75︰15的丙烯腈、丙烯酸钠和丙烯酰胺以外，其余与实施例2相同。
对比例6
除了在<粘结剂的制备>中，单体选用质量比为80︰5︰15的丙烯腈、丙烯酸钠和丙烯酰胺以外，其余与实施例2相同。
对比例7
除了在<正极极片的制备>中，无机颗粒勃姆石的Dv99为11μm，绝缘层的厚度为12μm以外，其余与实施例2相同。
对比例8
除了在<正极极片的制备>中，无机颗粒勃姆石的Dv99为0.007μm，绝缘层的厚度为0.009μm以外，其余与实施例2相同。
各实施例和对比例的制备参数及测试结果如下表1-3所示：
Figure BDA0003280007350000181
Figure BDA0003280007350000191
Figure BDA0003280007350000201
Figure BDA0003280007350000211
Figure BDA0003280007350000221
实施例1-33和对比例1-8可以看出，具有本申请绝缘层的锂离子电池，绝缘层与集流体之间的粘结力明显提升，尤其是实施例20和实施例21，其绝缘层与集流体之间粘结力达到400N/m。
从实施例1-33和对比例1-8还可以看出，具有本申请绝缘层的锂离子电池，其锂离子电池厚度增长率和锂离子电池内阻增长率均明显下降。
从实施例1、3、19和实施例22-24可以看出，在粘结剂含量相同、粘结剂重均分子量相同、无机颗粒相同、无机颗粒含量相同的情况下，由丙烯腈、丙烯酸钠、丙烯酰胺三种单体聚合形成的粘结剂比由其中两种单体聚合形成的粘结剂具有更好的粘结性能。
无机颗粒的Dv99和绝缘层厚度通常影响绝缘层与集流体之间粘结力，从实施例25-30和对比例7-8可以看出，只要使得无机颗粒的Dv99和绝缘层的厚度在申请的范围内，就能够提高绝缘层与集流体之间粘结力，以及降低锂离子电池厚度增长率和锂离子电池内阻增长率。
从实施例31-33可以看出，当锂离子电池的正极极片和/或负极极片中包含本申请的绝缘层时，均能够降低锂离子电池厚度增长率和锂离子电池内阻增长率。
以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (14)

1.一种电化学装置，包括电极，所述电极包括集流体，所述集流体包括设置有活性物质的涂覆区和未设置所述活性物质的未涂覆区；所述未涂覆区至少部分设置有绝缘层，所述绝缘层包括粘结剂和无机颗粒，所述绝缘层在85℃条件下浸泡电解液24h后的膨胀率不高于8％。
2.根据权利要求1所述的电化学装置，其中，所述粘结剂包括聚丙烯、聚丙烯酸酯、丙烯腈多元共聚物或羧甲基纤维素盐中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的电化学装置，其中，所述粘结剂包括丙烯腈、丙烯酸盐、丙烯酰胺和丙烯酸酯中的至少一种单体聚合形成的聚合物。
4.根据权利要求3所述的电化学装置，其中，基于所述聚合物的总质量，所述丙烯腈的质量百分含量为25％至70％，所述丙烯酸盐的质量百分含量为10％至60％，所述丙烯酰胺的质量百分含量为10％至60％，所述丙烯酸酯的质量百分含量为0％至10％。
5.根据权利要求1所述的电化学装置，其中，所述粘结剂在电解液中的溶胀度为0至5％。
6.根据权利要求1所述的电化学装置，其中，所述粘结剂的重均分子量为100000至2000000。
7.根据权利要求1所述的电化学装置，其中，基于所述绝缘层的总质量，所述粘结剂质量百分含量为2％至50％，所述无机颗粒质量百分含量为50％至98％。
8.根据权利要求1所述的电化学装置，其中，所述绝缘层的覆盖度不低于95％。
9.根据权利要求1所述的电化学装置，其中，所述无机颗粒包括勃姆石、水铝石、氧化铝、硫酸钡、硫酸钙或硅酸钙中的至少一种。
10.根据权利要求1所述的电化学装置，其中，所述无机颗粒的Dv99为0.01μm至9.9μm。
11.根据权利要求1所述的电化学装置，其中，所述绝缘层的厚度为0.02μm至10μm。
12.根据权利要求1所述的电化学装置，其中，所述绝缘层与集流体之间的粘结力不低于201N/m。
13.根据权利要求1所述的电化学装置，其中，所述电化学装置在85℃放置24h或60℃放置30天的存储条件下存储后，与未设置所述绝缘层的同规格电化学装置在85℃放置24h或60℃放置30天的存储条件下存储后相比，满足以下特征中的至少一者：
a)所述电化学装置的厚度增长率之差为±8％以内；
b)所述电化学装置的内阻增长率之差为±8％以内。
14.一种电子装置，包含权利要求1至13任意一项所述的电化学装置。
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