CN113782813A - 电芯结构 - Google Patents

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吴聪苗
曾海师
唐潘
张宁辉
朱有治
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Abstract

本申请提供一种电芯结构，涉及电池技术领域。电芯结构包括交替设置的正极极片和负极极片。正极极片包括正极绝缘层、在正极绝缘层表面的第一导电层和第二导电层、在第一导电层表面的第一正极活性材料层、以及在第二导电层表面的第二正极活性材料层；负极极片包括负极绝缘层、在负极绝缘层表面的第三导电层和第四导电层、在第三导电层的表面的第一负极活性材料层、以及在第四导电层表面的第二负极活性材料层；相邻设置的正极极片和负极极片之间通过隔离膜分离，正极极片的第一导电层和第二导电层的电流分别通过第一极耳和第二极耳导出；负极极片的第三导电层和第四导电层的电流分别通过第三极耳和第四极耳导出。其能够改善锂电池的性能缺陷。

Description

电芯结构
技术领域
本申请涉及电池技术领域，具体而言，涉及一种电芯结构。
背景技术
目前常见的锂电池结构，一般使用铝箔和铜箔作为正负极，该类型的锂电池的电池性能更容易产生缺陷。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种电芯结构，其能够改善现有技术的锂电池的性能缺陷。
本申请实施例是这样实现的：
本申请实施例提供一种电芯结构，包括：交替设置的正极极片和负极极片；
正极极片包括正极绝缘层、在正极绝缘层两个表面的第一导电层和第二导电层、在第一导电层表面的第一正极活性材料层、以及在第二导电层表面的第二正极活性材料层；
负极极片包括负极绝缘层、在负极绝缘层两个表面的第三导电层和第四导电层、在第三导电层的表面的第一负极活性材料层、以及在第四导电层表面的第二负极活性材料层；
相邻设置的正极极片和负极极片之间通过隔离膜分离；
正极极片的第一导电层和第二导电层的电流分别通过第一极耳和第二极耳导出；
负极极片的第三导电层和第四导电层的电流分别通过第三极耳和第四极耳导出。
本申请实施例的电芯结构的有益效果包括：
电芯结构包括交替设置的正极极片和负极极片，相邻设置的正极极片和负极极片之间通过隔离膜分离，则在电池进行充放电的过程中，第一正极活性材料层和第二正极活性材料层中的任一者与第一负极活性材料层和第二负极活性材料层中的任一者和隔离膜可以组成一个锂离子电池，由于正极绝缘层和负极绝缘层的存在，能够将组成的锂离子电池隔离开来，第一导电层和第二导电层的电流分别通过第一极耳和第二极耳导出，第三导电层和第四导电层的电流分别通过第三极耳和第四极耳导出，使得整个电芯结构可以看作是多个独立的锂离子电池，多个独立的锂离子电池没有共用集流体，这多个独立的锂离子电池共同决定了整个电芯结构的性能。通过设计多个独立的锂离子电池的性能，能够锂电池的性能缺陷。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施方式的一种电芯结构的截面图；
图2为本申请实施方式的电芯结构的第一种的极耳排布方式；
图3为本申请实施方式的电芯结构的第二种的极耳排布方式；
图4为本申请实施方式的电芯结构的第三种的极耳排布方式；
图5为本申请实施方式的电芯结构的第四种的极耳排布方式；
图6为本申请实施方式的电芯结构的第五种的极耳排布方式；
图7为本申请实施方式的电芯结构的第六种的极耳排布方式；
图8为本申请实施方式的电芯结构的第七种的极耳排布方式；
图9为本申请实施方式的另一种电芯结构的截面图；
图10为本申请实施方式的电芯结构的第八种的极耳排布方式；
图11为本申请实施方式的电芯结构的第九种的极耳排布方式。
图标：10-电芯结构；11-正极极片；111-正极绝缘层；112-第一导电层；113-第二导电层；114-第一正极活性材料层；115-第二正极活性材料层；12-负极极片；121-负极绝缘层；122-第三导电层；123-第四导电层；124-第一负极活性材料层；125-第二负极活性材料层；13-第一隔离膜；14-第二隔离膜；151-第一极耳；152-第二极耳；153-第三极耳；154-第四极耳；16-卷绕对称面。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
另外，实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
方案A和/或方案B指的是方案A或者方案B，或者方案A和方案B的组合。
以下针对本申请实施例的电芯结构10进行具体说明：
本申请实施例提供一种电芯结构10，其包括交替设置的正极极片11和负极极片12(参照图1和图9)。其中，电芯结构10可以是卷绕结构，也可以是叠片结构。
正极极片11包括正极绝缘层111、在正极绝缘层111两个表面的第一导电层112和第二导电层113，在第一导电层112表面的第一正极活性材料层114以及在第二导电层113表面的第二正极活性材料层115。
负极极片12包括负极绝缘层121、在负极绝缘层121两个表面的第三导电层122和第四导电层123，在第三导电层122的表面的第一负极活性材料层124以及在第四导电层123表面的第二负极活性材料层125。
相邻设置的正极极片11和负极极片12之间通过隔离膜分离。
正极极片11的第一导电层112和第二导电层113的电流分别通过第一极耳151和第二极耳152导出。
负极极片12的第三导电层122和第四导电层123的电流分别通过第三极耳153和第四极耳154导出。
电芯结构10包括交替设置的正极极片11和负极极片12，相邻设置的正极极片11和负极极片12通过隔离膜分离，则在电池进行充放电的过程中，第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115中的任一者与第一负极活性材料层124和第二负极活性材料层125中的任一者以及隔离膜可以组成一个锂离子电池，由于正极绝缘层111和负极绝缘层121的存在，能够将组成的锂离子电池隔离开来，第一导电层112和第二导电层113的电流分别通过第一极耳151和第二极耳152导出，第三导电层122和第四导电层123的电流分别通过第三极耳153和第四极耳154导出，使得整个电芯结构10可以看作是多个独立的锂离子电池，多个独立的锂离子电池没有共用集流体，这多个独立的锂离子电池共同决定了整个电芯结构10的性能。通过设计多个独立的锂离子电池的性能，能够锂电池的性能缺陷。
第一极耳151、第二极耳152、第三极耳153和第四极耳154分别只对应一层导电层，同一位置的极耳都对应同一导电层，示例性地，第一极耳151、第二极耳152、第三极耳153和第四极耳154分别可以设置多个，通过焊接等连接方式将同一位置的极耳连接起来，可以将多个第一导电层112、多个第二导电层113、多个第三导电层122和多个第四导电层123的电分别进行汇集，第一导电层112、第二导电层113、第三导电层122和第四导电层123在极耳汇流过程中互不干扰，且能够将两个独立的锂离子电池彻底地分隔开来。
示例性地，第一正极活性材料层114和第一负极活性材料层124以及隔离膜可以组成一个独立的锂离子电池，第二正极活性材料层115和第二负极活性材料层125可以组成一个独立的锂离子电池，第一正极活性材料层114和第二负极活性材料层125可以组成一个独立的锂离子电池，第二正极活性材料层115和第一负极活性材料层124可以组成独立的锂离子电池。整个电芯结构10根据正极极片和负极极片的排列组合方式不同，可以形成这几种电池中的至少两种。
示例性地，相邻设置的第一负极活性材料层124和第一正极活性材料层114通过第一隔离膜13分离，相邻设置的第二正极活性材料层115和第二负极活性材料层125通过第二隔离膜14分离。电芯结构10中，第一正极活性材料层114、第一导电层112、正极绝缘层111、第二导电层113、第二正极活性材料层115、第二隔离膜14、第二负极活性材料层125、第四导电层123、负极绝缘层121、第三导电层122、第一负极活性材料层124和第一隔离膜13依次重叠循环设置。
在其他实施方式中，也可以是第一正极活性材料层114、第一导电层112、正极绝缘层111、第二导电层113、第二正极活性材料层115、隔离膜、第一负极活性材料层124、第三导电层122、负极绝缘层121、第四导电层123、第二负极活性材料层125和隔离膜依次重叠循环设置。
示例性地，第一负极活性材料层124和第二负极活性材料层125中的任一者与第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115中的任一者的容量比值为1.07～1.2，使得锂离子能够从锂离子电池的正极移动到负极，不会造成析锂。其中，容量比值可叫CB值或者NP比。示例性地，容量比值为1.07、1.08、1.09、1.1、1.12、1.14、1.15、1.16、1.18或1.2。
在一种可能的实施方案中，正极极片11的第一导电层112和第二导电层113在极耳处错位设置，第一导电层112和正极绝缘层111相对第二导电层向外延伸形成第一极耳151，第二导电层113和正极绝缘层111相对第一导电层112向外延伸形成第二极耳152。
负极极片12的第三导电层122和第四导电层123在极耳处错位设置，第三导电层122和负极绝缘层121相对第四导电层123向外延伸形成第三极耳153，第四导电层123和负极绝缘层121相对第四导电层123向外延伸形成第四极耳154。
在其他实施方案中，也可以将第一极耳151与第一导电层112焊接，第二极耳152与第二导电层113焊接，第三极耳153与第三导电层122焊接，第四极耳154与第四导电层123焊接，从而分别将第一导电层112、第二导电层113、第三导电层122和第四导电层123的电流引出。
以下面的电芯结构为例，参照图1，相邻设置的第一负极活性材料层124和第一正极活性材料层114通过第一隔离膜13分离，相邻设置的第二正极活性材料层115和第二负极活性材料层125通过第二隔离膜14分离。
当电芯结构10为卷绕结构或叠片结构时，第一极耳151、第二极耳152、第三极耳153和第四极耳154可以是设置在电芯结构10的高度方向的同一侧(参照图1-图8)，也可以是分布电芯结构10的高度方向的两侧(参照图9-图11)。
当电芯结构10为卷绕结构，且第一极耳151、第二极耳152、第三极耳153和第四极耳154设置在电芯结构10的高度方向的同一侧时，极耳的排布方式也是多样的，下面对其排列方式做进一步介绍，其排列方式包括：
(1)参照图2，第一极耳151和第四极耳154设置在卷绕结构的卷绕对称面16的一侧，第二极耳152和第三极耳153分布在卷绕结构的卷绕对称面16的另一侧；在卷绕结构的长度方向，第一极耳151设置在第二极耳152和第三极耳153之间。
(2)参照图3，第二极耳152和第三极耳153分布在卷绕结构的卷绕对称面16的一侧，第一极耳151和第四极耳154分布在卷绕结构的卷绕对称面16的另一侧；在卷绕结构的长度方向，第四极耳154设置在第二极耳152和第三极耳153之间。
(3)参照图4，第一极耳151和第二极耳152分布在卷绕结构的卷绕对称面16的一侧，第三极耳153和第四极耳154分布在卷绕结构的卷绕对称面16的另一侧；在卷绕结构的长度方向，第三极耳153设置在第一极耳151和第二极耳152之间。
(4)参照图5，第一极耳151和第二极耳152分布在卷绕结构的卷绕对称面16的一侧，第三极耳153和第四极耳154分布在卷绕结构的卷绕对称面16的另一侧，第一极耳151和第三极耳153分布在卷绕结构的卷绕对称面16的两侧；在卷绕结构的长度方向，第一极耳151设置在第二极耳152和第三极耳153之间。
(5)参照图6，第一极耳151、第二极耳152、第三极耳153和第四极耳154设置在卷绕结构的卷绕对称面16的同一侧。
(6)参照图7，第一极耳151、第二极耳152、第三极耳153和第四极耳154均形成在卷绕结构的卷绕对称面16的两侧。
当电芯结构10为卷绕结构，且第一极耳151、第二极耳152、第三极耳153和第四极耳154分布在电芯结构10的高度方向的相对两侧时，示例性地，极耳的排布方式与上述(1)-(4)种方式类似，只是对应地在(1)-(4)种方式中，在卷绕结构的卷绕对称面16的一侧的极耳与在卷绕结构的卷绕对称面16的另一侧的极耳分布在卷绕结构的高度方向的两侧。
下面对电芯结构10为叠片结构时，极耳的排布方式进行介绍：
电芯结构10为叠片时，第一极耳151、第二极耳152、第三极耳153和第四极耳154可以是设置在电芯结构10的高度方向的同一侧(参照图8)，也可以是分布在电芯结构10的高度方向的两侧(参照图10-图11)。
进一步地，第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115不同，和/或，第一负极活性材料层124和第二负极活性材料层125不同。即是说，可以是第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115不同，同时第一负极活性材料层124和第二负极活性材料层125不同，也可以是第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115不同或者第一负极活性材料层124和第二负极活性材料层125不同。这样设置使得多个独立的锂离子电池是不同的，通过设计多个独立不同的锂离子电池的性能，能够改善单一活性材料的锂电池的性能缺陷。
需要说明的是，第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115不同可以是第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115的活性材料的种类不同，也可以是第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115的活性材料的种类相同，但粒径、比表面积、克容量等不同。可以理解的是，第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115中除了含有活性材料，还可以含有粘接剂、导电剂等。
不管是第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115的活性材料的种类相同或者不同，第一正极活性材料层114的活性材料可选自磷酸铁锂、单晶镍钴锰酸锂、多晶镍钴锰酸锂、钛酸锂、锰酸锂或钴酸锂，第二正极活性材料层115的活性材料也可选自磷酸铁锂、单晶镍钴锰酸锂、多晶镍钴锰酸锂、钛酸锂、锰酸锂或钴酸锂。
可选地，本申请实施例的磷酸铁锂的D10粒径>0.4μm，D50粒径为0.8～4μm，D90粒径为3～10μm。磷酸铁锂的比表面积为8～16m2/g，克容量为100～160mAh/g。可选地，磷酸铁锂的压实密度为2.1～2.6g/cm3，颗粒搭配较好。
可选地，本申请实施例的单晶镍钴锰酸锂的D10粒径>1.5μm，D50粒径为4～10μm，D90粒径为9～20μm。单晶镍钴锰酸锂的比表面积为0.3～0.6m2/g，克容量为160～210mAh/g。可选地，单晶镍钴锰酸锂的涂覆量为10～26mg/cm2。可选地，单晶镍钴锰酸锂的压实密度为3.2～3.75g/cm3。
可选地，本申请实施例的多晶镍钴锰酸锂的D10粒径>1.5μm，D50粒径为8～12μm，D90粒径为18～34μm。多晶镍钴锰酸锂的比表面积为0.2～0.6m2/g，多晶镍钴锰酸锂的克容量为165～211mAh/g。可选地，单晶镍钴锰酸锂的涂覆量为10～26mg/cm2。可选地，多晶镍钴锰酸锂的压实密度为3.2～3.6g/cm3。
示例性地，当第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115的活性物质为磷酸铁锂、单晶镍钴锰酸锂、多晶镍钴锰酸锂时，磷酸铁锂的涂覆量为5～22mg/cm2，单晶镍钴锰酸锂的涂覆量为10～26mg/cm2，多晶镍钴锰酸锂的涂覆量为10～26mg/cm2。
第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115的活性物质的涂覆量越重，越不容易干燥，涂布效率低，且容易出现裂纹。涂覆量大，DCR大，极化大，不利于容量发挥，电芯发热大。但是涂覆量大能够提高能量密度。如果涂覆量小，厚度薄，离子迁移进入内部活性材料的路径越短，有利于提高倍率。本申请实施例的第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115的活性物质的涂覆量合适，有利于电芯结构10具有较好的综合性能。示例性地，磷酸铁锂的涂覆量为5mg/cm2、8mg/cm2、10mg/cm2、12mg/cm2、15mg/cm2、18mg/cm2或22mg/cm2。示例性地，单晶镍钴锰酸锂和多晶镍钴锰酸锂的涂覆量为10mg/cm2、12mg/cm2、15mg/cm2、18mg/cm2、22mg/cm2或26mg/cm2。
示例性地，第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115不同包括：第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115的活性材料的种类相同，以及以下任意一种方案或者多项方案：
在一种可能的实施方案中，第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115的活性材料的D10粒径相差0.05～0.3μm，D50粒径相差1～4μm，D90粒径相差3～5μm。
需要说明的是，本申请实施例中的D10粒径指的是颗粒累积分布为10％的粒径，D50粒径指的是颗粒累积分布为50％的粒径，D90粒径指的是颗粒累积分布为90％的粒径。
粒径大的活性材料，离子迁移路径长但倍率差，粒径小的活性材料倍率好，且颗粒内部不易形成死区，循环寿命长，通过设置第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115的活性材料的D10粒径相差0.05～0.3μm，D50粒径相差1～4μm，D90粒径相差3～5μm，粒径小的正极活性材料的正极活性材料层所组成的锂离子电池能够改善粒径大的活性材料的正极活性材料层所组成的离子电池的倍率差的缺陷。另外，第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115均采用不同粒径范围的活性材料，能够提高振实密度。
需要说明的是，本申请实施例中，可以是第一正极活性材料层114的活性材料的粒径大于第二正极活性材料层115的活性材料的粒径，也可以是第二正极活性材料层115的活性材料的粒径大于第一正极活性材料层114的活性材料的粒径，只要第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115的活性材料的D10粒径相差0.05～0.3μm，D50粒径相差1～4μm，D90粒径相差3～5μm即可。
可选地，第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115的活性材料的D10粒径相差0.05μm、0.08μm、0.1μm、0.2μm或0.3μm。
可选地，第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115的活性材料的D50粒径相差1μm、2μm、3μm或4μm。可选地，第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115的活性材料的D90粒径相差3μm、4μm或5μm。
在一种可能的实施方案中，第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115的活性材料均为磷酸铁锂，部分或全部的磷酸铁锂表面包覆有碳包覆层，第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115的磷酸铁锂的碳包覆量相差≥0.1％，其中，碳包覆量为碳包覆层的重量与碳包覆层和磷酸铁锂的重量之比。
磷酸铁锂的表面包覆碳，能够提高第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115的活性材料的导电性，电子电导率提高，倍率好，电池结构的整体电性能好。其中，第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115的磷酸铁锂的碳包覆量相差≥0.1％，能够充分保证锂离子电池的不同。需要说明的是，本申请实施例中，可以是第一正极活性材料层114的磷酸铁锂的碳包覆量大于第二正极活性材料层115的磷酸铁锂的碳包覆量，也可以是第二正极活性材料层115的磷酸铁锂的碳包覆量大于第一正极活性材料层114的磷酸铁锂的碳包覆量。
可选地，碳包覆层的重量为碳包覆层和磷酸铁锂的重量总和的0.8～1.6％，例如为0.8％、0.9％、1.0％、1.2％、1.4％、1.5％或1.6％。
在一种可能的实施方案中，第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115的活性材料的比表面积相差0.1～8m2/g。
颗粒的比表面积＝颗粒总表面/总质量，则颗粒的比表面积大，对应的颗粒粒径小，离子有更多的进入路径，因此倍率好。但是比表面积大，形成SEI膜会消耗更多的锂离子，首次效率低。本申请实施例中，第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115的活性材料的比表面积相差0.1～8m2/g，不仅能够保证两个锂离子电池不同，而且比表面积小的活性材料的正极活性材料层所组成的锂离子电池和比表面积大的活性材料的正极活性材料层所组成的锂离子电池的性能能够互补，整个电池结构既具有较好的倍率，又具有较好的首次效率。需要说明的是，本申请实施例中，可以是第一正极活性材料层114的比表面积大于第二正极活性材料层115的活性材料的比表面积，也可以是第二正极活性材料层115的活性材料的比表面积大于第一正极活性材料层114的活性材料的比表面积。
示例性地，第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115的活性材料的比表面积相差0.1m2/g、0.5m2/g、1m2/g、2m2/g、3m2/g、4m2/g、5m2/g、6m2/g、7m2/g或8m2/g。
在一种可能的实施方案中，第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115的活性材料的克容量相差10～60mAh/g。
活性物质的克容量高可以减少涂敷厚度，从而可以减少工艺难度，提高能量密度。同一材质的活性物质如果克容量较小，则需要增大涂敷厚度，电池的能量密度较低，但成本一般也较低。本申请实施例中，第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115的活性材料的克容量相差10～60mAh/g，不仅能够保证两个锂离子电池不同，而且克容量小的活性材料的正极活性材料层所组成的锂离子电池和克容量大的活性材料的正极活性材料层所组成的锂离子电池的性能能够互补，整个电池结构既具有较高的放电倍率，又具有较高的首能量密度和适宜的成本。需要说明的是，本申请实施例中，可以是第一正极活性材料层114的克容量大于第二正极活性材料层115的活性材料的克容量，也可以是第二正极活性材料层115的克容量大于第一正极活性材料层114的活性材料的克容量。
示例性地，第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115的活性材料的克容量相差10mAh/g、20mAh/g、30mAh/g、40mAh/g、50mAh/g或60mAh/g。
可选地，第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115的压实密度相差≥0.02g/cm3，例如为0.02g/cm3、0.04g/cm3、0.06g/cm3、0.08g/cm3、0.10g/cm3、0.15g/cm3、0.20g/cm3。
在一种可能的实施方案中，第一导电层112和第二导电层113的厚度差为0.1～1μm，例如为0.1μm、0.3μm、0.5μm、0.8μm或1μm。第一导电层112和第二导电层113的厚度为0.1～3μm，例如为0.1μm、0.5μm、1μm、2μm或3μm。
在一种可能的实施方案中，第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115的厚度差为5～50μm，例如为5μm、10μm、20μm、30μm、40μm或50μm。
第一导电层112、第二导电层113、第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115的厚度会影响工艺难度，如果厚度太厚，则不容易干燥，涂布效率低，且容易出现裂纹。本申请实施例的第一导电层、第二导电层、第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115的厚度合适，离子迁移进入内部活性材料的路径较短，极化小，有利于倍率充放电，且DCR小，循环性能好。
下面对第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115的活性材料的种类不相同时的情况进行介绍，当第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115的活性材料的种类不相同时，可以通过以下任意一种方案或者多项方案来保证第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115的不同。
示例性地，第一正极活性材料层114的活性材料为磷酸铁锂，第二正极活性材料层115的活性材料为单晶镍钴锰酸锂。示例性地，第一正极活性材料层114的活性材料为磷酸铁锂，第二正极活性材料层115的活性材料为多晶镍钴锰酸锂。示例性地，第一正极活性材料层114的活性材料为单晶镍钴锰酸锂，第二正极活性材料层115的活性材料为磷酸铁锂。示例性地，第一正极活性材料层114的活性材料为单晶镍钴锰酸锂，第二正极活性材料层115的活性材料为多晶镍钴锰酸锂。示例性地，第一正极活性材料层114的活性材料为多晶镍钴锰酸锂，第二正极活性材料层115的活性材料为单晶镍钴锰酸锂。示例性地，第一正极活性材料层114的活性材料为多晶镍钴锰酸锂，第二正极活性材料层115的活性材料为示例性地，第一正极活性材料层114的活性材料为多晶镍钴锰酸锂，第二正极活性材料层115的活性材料为单晶镍钴锰酸锂。
在一种可能的实施方案中，第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115的活性材料的D10粒径相差1～3μm，D50粒径相差2～5μm，D90粒径相差3～25μm。
粒径大的活性材料，离子迁移路径长但倍率差，粒径小的活性材料倍率好，且颗粒内部不易形成死区，循环寿命长。在第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115的活性材料种类不同的情况下，通过设置第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115的D10的活性材料粒径相差1～3μm，D50粒径相差2～5μm，D90粒径相差3～25μm，粒径小的活性材料的正极活性材料层所组成的锂离子电池能够改善粒径大的活性材料的正极活性材料层所组成的离子电池的倍率差的缺陷。需要说明的是，本申请实施例中，可以是第一正极活性材料层114的活性材料的粒径大于第二正极活性材料层115的活性材料的粒径，也可以是第二正极活性材料层115的活性材料的粒径大于第一正极活性材料层114的活性材料的粒径。
示例性地，第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115的活性材料的D10粒径相差1μm、1.5μm、2μm、2.5μm或3μm。
示例性地，第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115的活性材料的D50粒径相差2μm、2.5μm、3μm、3.5μm、4μm或5μm。
示例性地，第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115的活性材料的D90粒径相差3μm、5μm、8μm、10μm、13μm、15μm、20μm或25μm。
在一种可能的实施方案中，第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115的活性材料的比表面积相差7～15m2/g。
颗粒的比表面积大，对应的颗粒粒径小，离子有更多的进入路径，因此倍率好。但是比表面积大，形成SEI膜会消耗更多的锂离子，首次效率低。本申请实施例中，在第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115的活性材料的种类不同的情况下，第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115的活性材料的比表面积相差7～15m2/g，不仅能够保证两个锂离子电池不同，而且比表面积小的活性材料的正极活性材料层所组成的锂离子电池和比表面积大的活性材料的正极活性材料层所组成的锂离子电池的性能能够互补，整个电池结构既具有较好的倍率，又具有较好的首次效率。
示例性地，第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115的活性材料的比表面积相差7m2/g、8m2/g、9m2/g、10m2/g、11m2/g、12m2/g、13m2/g、14m2/g或15m2/g。
在一种可能的实施方案中，第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115的活性材料的克容量相差20～110mAh/g。
本申请实施例中，在第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115的活性材料的种类不同的情况下，第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115的活性材料的克容量相差20～110mAh/g，不仅能够保证两个锂离子电池不同，而且克容量小的活性材料的正极活性材料层所组成的锂离子电池和克容量大的活性材料的正极活性材料层所组成的锂离子电池的性能能够互补，整个电池结构既具有较高的放电倍率，又具有较高的能量密度。
示例性地，第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115的活性材料的克容量相差20mAh/g、30mAh/g、40mAh/g、50mAh/g、60mAh/g、70mAh/g、80mAh/g、90mAh/g、100mAh/g或110mAh/g。
第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115的压实密度相差≥0.8g/cm3，例如为0.8g/cm3、1g/cm3、1.5g/cm3或2g/cm3。
在一种可能的实施方案中，第一导电层112和第二导电层113的厚度差为0.1～1.8μm，例如为0.1μm、0.3μm、0.5μm、0.8μm、1μm、1.5μm或1.8μm。在一种可能的实施方案中，第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115的厚度差为5～50μm，例如为5μm、10μm、20μm、30μm、40μm或50μm。
第一导电层112和第二导电层113的厚度为0.1～3μm，例如为0.1μm、0.5μm、1μm、2μm或3μm。
第一导电层112、第二导电层113、第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115的厚度会影响工艺难度，如果厚度太厚，则不容易干燥，涂布效率低，且容易出现裂纹。本申请实施例的第一导电层、第二导电层、第一正极活性材料层114和第二正极活性材料层115的厚度合适，离子迁移进入内部活性材料的路径较短，极化小，有利于倍率充放电，且DCR小，循环性能好。
下面对本申请实施例的第一负极活性材料层124和第二负极活性材料层125不同时做具体介绍。
当第一活性正极材料和第二正极活性材料层115不同时，第一负极活性材料层124和第二负极活性材料层125可以相同，也可以不同。当第一负极活性材料层124不同时，可以是第一负极活性材料层124的活性材料种类不同，也可以是第一负极活性材料层124的活性材料的种类相同，但粒径、比表面积、克容量等不同。
不管是第一负极活性材料层124和第二负极活性材料层125的活性材料的种类相同或者不同，第一负极活性材料层124的活性材料选自石墨、硅碳或中间相炭微球，第二负极活性材料层125的活性材料也选自石墨、硅碳或中间相炭微球。
可选地，本申请实施例的石墨的D10粒径>4μm，D50粒径为7～15μm，D90粒径≤30μm。可选地，石墨的比表面积为0.5～8m2/g，克容量为250～360mAh/g，涂覆量为5～15mg/cm2，压实密度为1.1～1.8g/cm3。
可选地，本申请实施例的硅碳的D10粒径＝1～4μm，D50粒径为4～8μm，D90粒径为9～12μm。可选地，硅碳的比表面积为0.5～8m2/g，克容量为360～1000mAh/g，涂覆量为5～10mg/cm2，压实密度为1.1～2g/cm3。
可选地，本申请实施例的中间相炭微球的D10粒径>4μm，D50粒径为7～15μm，D90粒径≤30μm。可选地，中间相炭微球的比表面积为0.5～4m2/g，克容量为200～400mAh/g，涂覆量为5～10mg/cm2，压实密度为1～2g/cm3。
示例性地，当第一负极活性材料层124和第二负极活性材料层125的活性材料的种类相同时，第一负极活性材料层124和第二负极活性材料层125的活性材料的D10粒径相差0.1～4μm，D50粒径相差0.1～8μm，D90粒径相差0.1～10μm。
可选地，当第一负极活性材料层124和第二负极活性材料层125的活性材料的种类相同时，第一负极活性材料层124和第二负极活性材料层125的活性材料的比表面积相差0.2～8m2/g，例如为0.2m2/g、0.5m2/g、1m2/g、2m2/g、3m2/g、4m2/g、5m2/g、6m2/g、7m2/g或8m2/g。
可选地，当第一负极活性材料层124和第二负极活性材料层125的活性材料的种类相同时，第一负极活性材料层124和第二负极活性材料层125的活性材料的克容量相差10～100mAh/g，例如为10mAh/g、20mAh/g、30mAh/g、40mAh/g、50mAh/g、60mAh/g、70mAh/g、80mAh/g、90mAh/g或100mAh/g。
可选地，当第一负极活性材料层124和第二负极活性材料层125的活性材料的种类相同时，第一负极活性材料层124和第二负极活性材料层125的活性材料的压实密度相差0.1～1.8g/cm3，例如为0.1g/cm3、0.3g/cm3、0.5g/cm3、0.8g/cm3、1.0g/cm3、1.1g/cm3、1.3g/cm3、1.5g/cm3或1.8g/cm3。
可选地，第三导电层122和第四导电层123的厚度为0.1～2um。当第一负极活性材料层124和第二负极活性材料层125的活性材料的种类相同时，第三导电层122和第四导电层123的厚度差为0.1～1μm。可选地，第一负极活性材料层124和第二负极活性材料层125的厚度差为5～100μm。
当第一负极活性材料层124和第二负极活性材料层125的活性材料种类不相同时，可以这样设置：第一负极活性材料层124为石墨，第二负极活性材料层125为硅碳；或者，第一负极活性材料层124为硅碳，第二负极活性材料层125为石墨；或者，第一负极活性材料层124为硅碳，第二负极活性材料层125为中间相炭微球。
示例性地，当第一负极活性材料层124和第二负极活性材料层125的活性材料的种类不相同时，第一负极活性材料层124和第二负极活性材料层125的活性材料的D10粒径相差0.1～4μm，D50粒径相差0.1～10μm，D90粒径相差0.1～20μm。
可选地，第一负极活性材料层124和第二负极活性材料层125的活性材料的比表面积相差0.5～8m2/g，例如为0.5m2/g、1m2/g、2m2/g、3m2/g、4m2/g、5m2/g、6m2/g、7m2/g或8m2/g。
可选地，第一负极活性材料层124和第二负极活性材料层125的活性材料的克容量相差10～200mAh/g，例如为10mAh/g、20mAh/g、30mAh/g、40mAh/g、50mAh/g、60mAh/g、70mAh/g、80mAh/g、90mAh/g、100mAh/g、120mAh/g、150mAh/g、180mAh/g或100mAh/g。
可选地，第一负极活性材料层和第二负极活性材料层的活性材料的压实密度相差0.1～1.8g/cm3，例如为0.1g/cm3、0.3g/cm3、0.5g/cm3、0.8g/cm3、1.0g/cm3、1.1g/cm3、1.3g/cm3、1.5g/cm3或1.8g/cm3。
可选地，当第一负极活性材料层124和第二负极活性材料层125的活性材料的种类不相同时，第三导电层和第四导电层的厚度差为0.1～1.8μm。可选地，第一负极活性材料层124和第二负极活性材料层125的厚度差为5～100μm。
下面对本申请实施例的电芯结构10的极耳的排布方式进行介绍：
以下面的电芯结构为例，参照图1，相邻设置的第一负极活性材料层124和第一正极活性材料层114通过第一隔离膜13分离，相邻设置的第二正极活性材料层115和第二负极活性材料层125通过第二隔离膜14分离。其中，电芯结构10具有四个极耳，四个极耳分别为第一极耳151、第二极耳152、第三极耳153和第四极耳154，参照图9。
以下结合实施例对本申请的电芯结构10作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供一种卷绕电芯结构，其包括交替设置的正极极片和负极极片。
正极极片包括正极绝缘层、在正极绝缘层两个表面的第一导电层和第二导电层、在第一导电层表面的第一正极活性材料层、以及在第二导电层表面的第二正极活性材料层。第一导电层和第二导电层在极耳处错位设置，第一导电层和正极绝缘层相对第二导电层向外延伸形成第一极耳，第二导电层和正极绝缘层相对第一导电层向外延伸形成第二极耳。
负极极片包括负极绝缘层、在负极绝缘层两个表面的第三导电层和第四导电层、在第三导电层的表面的第一负极活性材料层、以及在第四导电层表面的第二负极活性材料层。第三导电层和第四导电层在极耳处错位设置，第三导电层和负极绝缘层相对第四导电层向外延伸形成第三极耳，第四导电层和负极绝缘层相对第四导电层向外延伸形成第四极耳。
第一极耳和第四极耳设置在卷绕结构的卷绕对称面的一侧，第二极耳和第三极耳分布在卷绕结构的卷绕对称面的另一侧；在卷绕结构的长度方向，第一极耳设置在第二极耳和第三极耳之间。
相邻设置的正极极片和负极极片中的第一负极活性材料层和第一正极活性材料层靠近设置，第二正极活性材料层和第二负极活性材料层靠近设置，相邻设置的第一负极活性材料层和第一正极活性材料层通过第一隔离膜分离，相邻设置的第二正极活性材料层和第二负极活性材料层通过第二隔离膜分离。
第一负极活性材料层与第一正极活性材料层的容量比值(CB1值)为1.1，第二负极活性材料层与第二正极活性材料层的容量比值(CB2值)为1.1。
其中，第一正极活性材料层、第二正极活性材料层、第一负极活性材料层和第二负极活性材料层的活性材料的具体参数请参照表1和表2。
需要说明的是，本实施例中未特定说明的，指的是第一正极活性材料层和第二正极活性材料层在该方面是相同的，第一负极活性材料层和第二负极活性材料层在该方面是相同的。
实施例2
实施例2提供一种卷绕电芯结构，其结构与实施例1的卷绕电芯结构相同，其不同之处仅在于实施例2的第一正极活性材料层和第二正极活性材料层的活性材料与实施例1的设置不同，且第一负极活性材料层和第二负极活性材料层的活性材料与实施例1不同，其中，第一正极活性材料层、第二正极活性材料层的设置条件记录在表1中，第一负极活性材料层和第二负极活性材料层的活性材料设置条件记录在表2中。
对比例1
对比例1提供一种卷绕电芯结构，其结构与实施例1的卷绕电芯结构相同，其不同之处仅在于对比例1的第二正极活性材料层中的磷酸铁锂的D10粒径为0.6μm，D50粒径为2.8μm，D90粒径为9.6μm，比表面积为12m2/g，克容量为146mAh/g，涂覆量为20mg/cm2,压实密度为2.35g/cm3，碳包覆层的重量为碳包覆层和磷酸铁锂的重量总和的0.8％。
表1.实施例1～2、对比例1的第一正极活性材料层和第二正极活性材料层的部分参数
Figure BDA0003300425500000201
Figure BDA0003300425500000211
表2.实施例1、2和对比例1的第一负极活性材料层和第二负极活性材料层的部分参数
Figure BDA0003300425500000212
Figure BDA0003300425500000221
试验例
(1)对实施例1～实施例2以及对比例1的电芯结构在25℃下的3C放电倍率的放电容量比例(放电容量占额定容量的比例)、重量能量密度、75％容量循环次数、工作温度区间以及50％SOC条件下的放电直流电阻进行测试，其结果如表3所示。其中，50％SOC条件下的直流电阻测试方法为在25℃、50％SOC时采用3C放电倍率进行放电30S，计算得到放电直流电阻DCR，其中，DCR＝欧姆阻抗+电化学阻抗+浓差阻抗。
表3.实施例1～2以及对比例1的电芯结构的性能测试结果
Figure BDA0003300425500000222
对比实施例1和对比例1，相较于对比例1，实施例1的第二正极活性材料层的活性材料粒径小、比表面积大，电子迁移的路径短，碳包覆量大，且第二负极活性材料层的活性材料采用中间相炭微球，中间相炭微球克容量高，各项同性好，从而使得实施例1的倍率相较于对比例1提高，循环寿命得到较大提升，低温工作区间扩宽到-30℃。另外，相较于对比例1，由于实施例1的第二正极活性材料层的活性材料粒径较小，动力学性能较好，电化学阻抗和浓差阻抗相对小，第一导电层厚度不变，欧姆阻抗不变，因此DCR整体减少。另外，第二负极活性材料层的中间相炭微球粒径分布较窄也较小，第二导电层厚度有增加，DCR也相对小。
对比例实施例2和对比例1，相较于对比例1，实施例2的第二正极活性材料层的活性材料为多晶镍钴锰(811体系)，多晶镍钴锰材料的克容量相对磷酸铁锂高很多，单位重量上也比磷酸铁锂重较多，所以涂布重量和压实密度都较大，最终体现为重量能量密度也提高很多。另外，第二正极活性材料层的活性材料由于粒径较大，比表面积较小，所以循环次数有较大幅度的降低。多晶镍钴锰导电好，也就不需要碳包覆，整体表现为倍率性能有所提高。多晶镍钴锰材料在低温时的性能相对较好，因此电芯的工作温度区间在低温区可以拓展到-25℃。相较于对比例1，第二负极活性材料层的活性材料采用硅碳材料，克容量较高，且涂布重量和极片厚度均降低，所以能量密度相较于对比例1也有所提高。由于循环过程中实施例2的体积膨胀较大，颗粒易破碎，造成循环性能略有衰减。另外，相较于对比例1，第二正极活性材料层的活性材料为多晶镍钴锰，导电性能好，利于减小欧姆阻抗，同时增加第二导电层的厚度提高其过流能力，整体上较大程度的减少欧姆阻抗。多晶镍钴锰的电化学阻抗和浓差阻抗综合不比磷酸铁锂大，因此DCR整体有较大程度的减少。相较于对比例1，实施例2的硅碳材料导电性能稍有降低(会导致DCR增长)，但是导电层厚度增加，综合效果是负极对DCR的作用是略有增加，但是正极影响较大，所以整体还是DCR减小。
以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电芯结构，其特征在于，包括：交替设置的正极极片和负极极片；
所述正极极片包括正极绝缘层、在所述正极绝缘层两个表面的第一导电层和第二导电层、在所述第一导电层表面的第一正极活性材料层、以及在所述第二导电层表面的第二正极活性材料层；
所述负极极片包括负极绝缘层、在所述负极绝缘层两个表面的第三导电层和第四导电层、在所述第三导电层的表面的第一负极活性材料层、以及在所述第四导电层表面的第二负极活性材料层；
相邻设置的所述正极极片和所述负极极片之间通过隔离膜分离；
所述正极极片的所述第一导电层和所述第二导电层的电流分别通过第一极耳和第二极耳导出；
所述负极极片的所述第三导电层和所述第四导电层的电流分别通过第三极耳和第四极耳导出。
2.根据权利要求1所述的电芯结构，其特征在于，所述正极极片的所述第一导电层和所述第二导电层在极耳处错位设置，所述第一导电层和所述正极绝缘层相对所述第二导电层向外延伸形成第一极耳，所述第二导电层和所述正极绝缘层相对所述第一导电层向外延伸形成第二极耳；
所述负极极片的所述第三导电层和所述第四导电层在极耳处错位设置，所述第三导电层和所述负极绝缘层相对所述第四导电层向外延伸形成第三极耳，所述第四导电层和所述负极绝缘层相对第四导电层向外延伸形成第四极耳。
3.根据权利要求1所述的电芯结构，其特征在于，所述第一极耳、所述第二极耳、所述第三极耳和所述第四极耳设置于所述电芯结构的高度方向的同一侧。
4.根据权利要求1所述的电芯结构，其特征在于，所述第一极耳、所述第二极耳、所述第三极耳和所述第四极耳中的两者设置于所述电芯结构的一侧，另外两者设置在所述电芯结构的高度方向的另一侧。
5.根据权利要求3或4所述的电芯结构，其特征在于，所述电芯结构为卷绕结构，所述第一极耳和所述第四极耳设置在所述卷绕结构的卷绕对称面的一侧，所述第二极耳和所述第三极耳分布在所述卷绕对称面的另一侧；在所述卷绕结构的长度方向，所述第一极耳设置在所述第二极耳和所述第三极耳之间。
6.根据权利要求3或4所述的电芯结构，其特征在于，所述电芯结构为卷绕结构，所述第二极耳和所述第三极耳分布在所述卷绕结构的卷绕对称面的一侧，所述第一极耳和所述第四极耳分布在所述卷绕对称面的另一侧；在所述卷绕结构的长度方向，所述第四极耳设置在所述第二极耳和所述第三极耳之间。
7.根据权利要求3或4所述的电芯结构，其特征在于，所述电芯结构为卷绕结构，所述第一极耳和所述第二极耳分布在所述卷绕结构的卷绕对称面的一侧，所述第三极耳和所述第四极耳分布在所述卷绕对称面的另一侧；在所述卷绕结构的长度方向，所述第三极耳设置在所述第一极耳和所述第二极耳之间。
8.根据权利要求3或4所述的电芯结构，其特征在于，所述电芯结构为卷绕结构，所述第一极耳和所述第二极耳分布在所述卷绕结构的卷绕对称面的一侧，所述第三极耳和所述第四极耳分布在所述卷绕对称面的另一侧；在所述卷绕结构的长度方向，所述第一极耳设置在所述第三极耳和所述第二极耳之间。
9.根据权利要求3或4所述的电芯结构，其特征在于，所述电芯结构为卷绕结构，所述第一极耳、所述第二极耳、所述第三极耳和所述第四极耳设置在所述卷绕结构的卷绕对称面的同一侧。
10.根据权利要求1～4任一项所述的电芯结构，其特征在于，所述第一正极活性材料层和所述第二正极活性材料层不同；
和/或，所述第一负极活性材料层和所述第二负极活性材料层不同。
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