CN113937415A - 二次电池和终端 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种二次电池，包括至少一个电池单元组件，所述电池单元组件包括正极极片、负极极片、以及设置在正极极片和负极极片之间的隔膜，正极极片和负极极片均包括集流体和设置在集流体上的活性材料层；其中，隔膜的延伸率大于100％，隔膜的延伸率包括沿长度方向的延伸率和/或沿宽度方向的延伸率，隔膜的延伸率与正极极片和/或负极极片的活性材料层的厚度的比值为3.0％/μm～8.0％/μm，隔膜的延伸率与正极极片和/或负极极片的集流体的延伸率的比值大于或等于60。本申请实施例二次电池可在兼顾高能量密度的基础上具备高安全性能。本申请实施例还提供包含该二次电池的终端。

Description

二次电池和终端
技术领域
本申请涉及二次电池技术领域，尤其涉及一种二次电池和终端。
背景技术
随着互联网的发展和便携式移动电子设备的普及，人们对锂二次电池的容量续航和快充能力的要求越来越高，但伴随而来的电池热失控安全事故也越来越多。大量研究分析发现，二次电池的机械滥用(如穿钉、弯折、异物挤压等)所导致的内部短路，是其热失控的主要原因之一。当二次电池遭到机械外力破坏，如针状导体或其他异物刺入，集流体和活性材料层被破坏，产生碎屑，发生直接接触短路，同时，这些集流体和活性材料碎屑会随着刺入物及刺入创口扩散，从而引发更严重的正负极集流体和正负极活性材料的接触内短路，包括但不限于以下四种接触方式：(1)正极集流体(通常为铝箔)与负极集流体(通常为铜箔)；(2)正极集流体(通常为铝箔)与负极活性材料层；(3)正极活性材料层与负极活性材料层；(4)负极集流体(通常为铜箔)与正极活性材料层。其中，由于正极集流体(铝箔)和负极活性材料层的短路电阻和电池内阻较为接近，此时短路点产热功率最大，温度迅速上升，温度升高引发SEI分解及隔膜收缩熔融，导致电池发生热失控风险最高。同时，由于二次电池通常是由电池单元组件(正极集流体-正极活性材料层-隔膜-负极活性材料层-负极集流体)通过堆叠或卷绕构成，在异物刺入直至刺穿电池的过程中，破坏产生的各种碎屑往往随机接触，更容易发生内短路，同时内短路放热又极易引发热失控连锁反应。因此，有必要提供一种高安全二次电池，尽量降低或避免上述内短路的发生，提高电池安全性能。
发明内容
本申请实施例提供了一种二次电池，通过对集流体延伸率、隔膜延伸率和活性材料层厚度进行合理设计，使得二次电池可在遭到机械滥用时降低或避免内短路的发生，提高电池安全性能。
本申请实施例第一方面提供了一种二次电池，包括至少一个电池单元组件，所述电池单元组件包括正极极片、负极极片、以及设置在所述正极极片和所述负极极片之间的隔膜，所述正极极片和所述负极极片均包括集流体和设置在所述集流体上的活性材料层；其中，所述隔膜的延伸率大于100％，所述隔膜的延伸率包括沿MD方向(MachineDirection，机械方向，即纵向、长度方向)的延伸率和/或沿TD方向(TransverseDirection，垂直于机械方向，即横向、宽度方向)的延伸率，所述隔膜的延伸率与所述正极极片和/或负极极片的活性材料层的厚度的比值为3.0％/μm～8.0％/μm，所述隔膜的延伸率与所述正极极片和/或负极极片的集流体的延伸率的比值大于或等于60。本申请二次电池通过选择具有较高延伸率的隔膜，并对集流体延伸率、隔膜延伸率和活性材料层厚度进行合理设计，当二次电池遭到针状导体或其他异物刺入时，隔膜相比集流体和活性材料层具有更高延伸率，可以有效拉伸伸长，实现对针状导体、其他异物以及破坏产生的集流体和活性材料层碎屑形成包裹，避免正负极集流体和正负极活性材料及其碎屑发生接触而导致内短路，大大降低内短路发生几率，从源头避免热失控连锁反应，提升电池安全性能。该二次电池，可在电池高能量密度的前提下，获得高安全性能。
本申请实施方式中，当二次电池仅包括一个电池单元组件时，该电池单元组件中的隔膜的延伸率大于100％，所述隔膜的延伸率包括沿长度方向的延伸率和/或沿宽度方向的延伸率，所述隔膜的延伸率与所述正极极片和/或负极极片的活性材料层的厚度的比值为3.0％/μm～8.0％/μm，所述隔膜的延伸率与所述正极极片和/或负极极片的集流体的延伸率的比值大于或等于60。
本申请实施方式中，当二次电池包括多个堆叠的电池单元组件时，则至少是位于二次电池最外侧的电池单元组件中的正极极片和/或负极极片、以及隔膜按上述方式配置。为了进一步提升电池的安全性能，在本申请一些实施方式中，也可以是将两个或两个以上的电池单元组件中的所述正极极片和/或负极极片、以及隔膜按上述方式进行配置。在本申请一些实施方式中，也可以是将多个电池单元组件中的正极极片和/或负极极片、以及隔膜均被配置为：所述隔膜的延伸率大于100％，所述隔膜的延伸率包括沿长度方向的延伸率和/或沿宽度方向的延伸率，所述隔膜的延伸率与所述活性材料层的厚度的比值为3.0％/μm～8.0％/μm，所述隔膜的延伸率与所述集流体的延伸率的比值大于或等于60。不论是叠片式电池，还是卷绕式电池，都可沿电池厚度方向包括多个堆叠的电池单元组件。多个电池单元组件中，更多的电池单元组件中的正极极片和/或负极极片、以及隔膜按上述方式进行配置，可以进一步提升电池安全性能。
本申请一些实施方式中，所述隔膜的延伸率与所述活性材料层的厚度的比值为4.0％/μm～6.0％/μm。适合的隔膜延伸率与活性材料层厚度比值，使得电池在遭到异物刺入时，隔膜能够拉伸到一定长度，对异物、各种碎屑进行较好地包裹，减少或避免内短路发生；同时也能够获得较理想的能量密度，从而有效兼顾电池安全性能和高能量密度。
本申请一些实施方式中，所述隔膜的延伸率与所述集流体的延伸率的比值大于或等于70。本申请另一些实施方式中，所述隔膜的延伸率与所述集流体的延伸率的比值大于或等于90。将隔膜的延伸率与集流体的延伸率比值控制在较高的比值，使得电池在遭到异物刺入时，隔膜能够拉伸到一定长度，对异物、各种碎屑进行较好地包裹，减少或避免内短路发生；同时，也能一定程度上减少集流体碎屑的产生。该比值越大，则隔膜延伸率相对越高，对异物和碎屑的包裹效果越好，电池安全性越好，同时集流体延伸率相对越低，有利于保证集流体较好的力学性能和加工性能，防止集流体涂布加工时发生变形和断带。
本申请实施方式中，所述正极极片包括正极集流体和设置在所述正极集流体上的正极活性材料层；所述负极极片包括负极集流体和设置在所述负极集流体上的负极活性材料层。
本申请一些实施方式中，正极极片中的正极集流体、正极活性材料层与隔膜按上述方式进行配置，即隔膜的延伸率大于100％，隔膜的延伸率包括沿长度方向的延伸率和/或沿宽度方向的延伸率，隔膜的延伸率与活性材料层的厚度的比值为3.0％/μm～8.0％/μm，隔膜的延伸率与所述集流体的延伸率的比值大于或等于60。由于正极集流体与负极活性材料的短路是导致热失控发生风险最大的因素，通过对正极与隔膜进行合理设计可以较明显地提升电池安全性能。本申请另一些实施方式中，负极极片中的负极集流体、负极活性材料层与隔膜按上述方式进行配置，可以一定程度提升电池安全性能。本申请其他一些实施方式中，还可以是正极极片中的正极集流体、正极活性材料层与隔膜按上述方式进行配置，同时负极极片中的负极集流体、负极活性材料层与隔膜也按上述方式进行配置，该实施方式中，正极极片和负极极片都进行合理设计，可以更好地提升电池安全性能。
本申请一些实施方式中，所述隔膜的延伸率大于或等于120％。本申请另一些实施方式中，所述隔膜的延伸率大于或等于150％。隔膜的延伸率越高，越有利于在电池遭到机械外力破坏，如异物刺入时，发挥其保护作用，缓解内短路，提前阻断热失控，提高电池安全性能。
本申请实施方式中，隔膜的材质为能够满足二次电池体系的各种隔膜材料，所述隔膜的材质包括聚乙烯、聚α烯烃、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基戊烯、聚丁烯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚酯、聚氨酯、聚碳酸酯、环烯烃共聚物、聚苯并咪唑、聚苯并双恶唑、芳纶、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚(偏二氟乙烯-六氟丙烯)、聚醚酰亚胺、聚乙烯醇、以及上述聚合物的共聚物、共混物、混合物、组合物中的一种或多种。
本申请实施方式中，所述隔膜的厚度为1μm-12μm。本申请实施例通过对集流体延伸率、隔膜延伸率和活性材料层厚度进行上述合理设计，不需要通过增加隔膜厚度以及牺牲电池能量密度来提升电池安全性，同时，较薄的隔膜设计，可降低非活性辅材体积占比，有利于提升电池的能量密度。
本申请实施方式中，二次电池通常为多个由正极集流体-正极活性材料层-隔膜-负极活性材料层-负极集流体组成的电池单元组件的堆叠结构，形成叠片式电池或卷绕式电池。本申请一些实施方式中，二次电池可包括正极集流体-正极活性材料层-隔膜-负极活性材料层-负极集流体-负极活性材料层-隔膜-正极活性材料层-正极集流体。
本申请实施方式中，所述活性材料层包括活性材料和分布在所述活性材料中的粘结剂和导电剂。活性材料层中，活性材料、粘结剂与导电剂的质量百分比可以是80％～98.5％∶0.5％～5％∶1.0％～15％。
本申请实施方式中，所述集流体包括金属箔或表面具有功能涂层的金属箔。金属箔具体例如为铝箔、铜箔、钛箔等。而功能涂层可以是包括功能材料和导电剂，功能材料具体可以是活性离子补充剂、阻燃剂、膨胀缓解剂中的一种或多种。所述功能涂层包括功能材料，所述功能材料包括磷酸铁锂、磷酸锰铁锂、磷酸钒锂、富锂锰基、人造石墨、天然石墨、硬碳、软碳、中间相碳微球、碳纳米管、石墨烯、碳纤维、气相生长炭纤维、活性碳、多孔碳、乙炔黑、科琴黑、导电油墨、热膨胀微球、聚乙烯、聚酰胺、聚丁二烯、乙烯丙烯酸乙酯、乙烯醋酸乙烯共聚物、氟化乙烯丙烯共聚物、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚吡咯及其衍生物、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚酰胺、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶、氧化铝、氧化硅、氧化锆、羟基氧化铝、六方氮化硼、MXene、钙钛矿、磷酸钛铝锂(LATP)、锂镧钛氧(LLTO)、锂镧锆氧(LLZO)、以及上述材料的复合物、共混物或组合物中的一种或多种。金属箔涂覆功能涂层后集流体整体的延伸率相对下降。功能涂层的设置可以提高电池安全性和导热散热等性能。
本申请实施方式中，所述活性材料层的厚度大于或等于35μm。一定厚度的活性材料层设置能够保证电池中活性材料的总量，保证电池具有高能量密度。
本申请实施方式中，所述集流体的延伸率为小于3％。集流体具有较低延伸率可以有效减少在电池遭到异物刺入时产生的集流体碎屑扩散进入到活性材料层的几率，减少接触短路的发生。而且集流体延伸率相对越低，则拉伸强度相对越高，力学性能较好，加工性能更佳。
本申请实施方式中，所述二次电池包括锂二次电池、钾二次电池、钠二次电池、锌二次电池、镁二次电池或铝二次电池。
本申请实施方式中，所述二次电池的结构可以是卷绕结构，也可以是叠片结构。
本申请实施方式中，所述二次电池还包括封装壳，所述一个或多个电池单元组件封装在所述封装壳内。
本申请实施例还提供一种终端，所述终端包括壳体和收容于所述壳体内的电子元器件和电池，所述电池包括本申请实施例第一方面所述的二次电池，所述电池为所述电子元器件供电。
本申请实施例提供的二次电池，通过选择具有较高延伸率的隔膜，并将隔膜延伸率与活性材料层厚度的比值控制在3.0％/μm～8.0％/μm，以及将隔膜延伸率与集流体延伸率的比值控制在大于或等于60，这样隔膜相比活性材料层和集流体具有更高的延伸率，当二次电池遭到机械外力破坏，如穿钉时，隔膜相比集流体和活性材料层可以有效拉伸伸长，实现对针状导体以及破坏产生的集流体和活性材料层碎屑形成包裹，减少接触短路发生几率，特别是直接隔绝了短路放热风险最高的正极集流体及其碎屑和负极活性材料层的直接接触，提前阻断内短路发生，从源头缓解热失控连锁反应，提升了电池安全性能。本申请实施例的二次电池，通过对集流体、隔膜和活性材料层的合理设计，还可使得二次电池在兼顾高能量密度(≥600wh/l)和快充能力(30min充满80％SOC)的前提下，具备高安全特性。将该二次电池用于终端产品，可以提高终端产品的竞争力。
附图说明
图1是本申请实施例提供的二次电池的结构示意图；
图2是本申请实施例提供的二次电池被针状导体刺入后的示意图；
图3是本申请实施例提供的终端的结构示意图。
具体实施方式
下面结合本申请实施例中的附图对本申请实施例进行描述。
如图1所示，本申请实施例提供了一种二次电池100，二次电池100包括一个电池单元组件，电池单元组件包括正极极片10、负极极片20、以及设置在正极极片10和负极极片20之间的隔膜30、电解液40，正极极片10包括正极集流体11和设置在正极集流体11上的正极活性材料层12；负极极片20包括负极集流体21和设置在负极集流体21上的负极活性材料层22。其中，隔膜的延伸率大于100％，正极极片10和/或负极极片20中的集流体的延伸率和活性材料层的厚度与隔膜的延伸率满足如下关系：隔膜的延伸率与正极活性材料层12的厚度的比值为3.0％/μm～8.0％/μm，隔膜的延伸率与正极集流体11的延伸率的比值大于或等于60；和/或隔膜的延伸率与负极活性材料层22的厚度的比值为3.0％/μm～8.0％/μm，隔膜的延伸率与负极集流体21的延伸率的比值大于或等于60。
本申请一些实施方式中，二次电池100还可包括多个堆叠的电池单元组件，由于电池遭遇机械外力破坏时，异物一般从电池最外侧向内刺入，因此，为提高电池安全性能，至少位于二次电池最外侧的电池单元组件中的正极极片和/或负极极片、以及隔膜被配置为：隔膜的延伸率大于100％，隔膜的延伸率与活性材料层的厚度的比值为3.0％/μm～8.0％/μm，隔膜的延伸率与集流体的延伸率的比值大于或等于60。当然，为了进一步提升电池的安全性能，在本申请一些实施方式中，也可以是将更多的(两个或两个以上)电池单元组件中的正极极片和/或负极极片、以及隔膜按上述方式进行配置。在本申请一些实施方式中，也可以是将多个电池单元组件中的正极极片和/或负极极片、以及隔膜均被配置为：隔膜的延伸率大于100％，隔膜的延伸率与活性材料层的厚度的比值为3.0％/μm～8.0％/μm，隔膜的延伸率与集流体的延伸率的比值大于或等于60。
本申请一些实施方式中，将正极极片10中的正极集流体11、正极活性材料层12与隔膜30按上述方式进行配置，即隔膜的延伸率大于100％，隔膜的延伸率与活性材料层的厚度的比值为3.0％/μm～8.0％/μm，隔膜的延伸率与集流体的延伸率的比值大于或等于60。本申请另一些实施方式中，将负极极片20中的负极集流体21、负极活性材料22层与隔膜30按上述方式进行配置。本申请其他一些实施方式中，还可以是将正极极片10中的正极集流体11、正极活性材料层12与隔膜30按上述方式进行配置，以及将负极极片20中的负极集流体21、负极活性材料22层与隔膜30也按上述方式进行配置。
本申请二次电池通过选择具有较高延伸率的隔膜，并对集流体延伸率、隔膜延伸率和活性材料层厚度进行合理设计，可提升电池安全性能。如图2所示，当二次电池遭到针状导体或其他异物刺入时，隔膜相比集流体和活性材料层具有更高延伸率可以有效拉伸伸长，实现对针状导体、其他异物以及破坏产生的集流体和活性材料层碎屑形成包裹，避免正负极集流体和正负极活性材料及其碎屑发生接触而导致内短路，提前阻断内短路发生几率，从源头避免热失控连锁反应，提升电池安全性能。该二次电池，可在兼顾电池高能量密度(≥600wh/l)的前提下，获得高安全性能。
本申请实施方式中，隔膜的延伸率包括沿长度方向的延伸率和/或沿宽度方向的延伸率。即在本申请一些实施方式中，隔膜可以是仅有长度方向的延伸率大于100％；在本申请另一些实施方式中，隔膜也可以是仅有宽度方向的延伸率大于100％；在其他一些实施方式中，隔膜还可以是长度方向的延伸率和宽度方向的延伸率均大于100％。
本申请一些实施方式中，隔膜的延伸率也可以是大于或等于120％。本申请另一些实施方式中，所述隔膜的延伸率大于或等于150％。在一些实施方式中，隔膜的延伸率例如可以是100％-300％。通过选择具有高延伸率的隔膜，在电池机械滥用场景中，在外物的作用下，隔膜会被拉伸，包裹外物及产生的碎屑，最大程度避免破坏后的集流体碎屑和活性材料接触，以及集流体碎屑直接接触，提高二次电池的安全性。隔膜的延伸率越高，越有利于在电池遭到异物刺入时发挥其保护作用，避免热失控的发生。
本申请一些实施方式中，隔膜的延伸率与活性材料层的厚度的比值为4.0％/μm～6.0％/μm。适合的隔膜延伸率与活性材料层厚度比值，能够使得电池在遭到机械外力破坏，如异物刺入时，隔膜能够拉伸到一定长度，对异物、各种碎屑进行较好地包裹，减少或避免内短路发生；同时也能够获得较高的能量密度，从而有效兼顾电池安全性能和高能量密度。
本申请一些实施方式中，隔膜的延伸率与集流体的延伸率的比值大于或等于70。本申请另一些实施方式中，隔膜的延伸率与集流体的延伸率的比值大于或等于90。将隔膜的延伸率与集流体的延伸率比值控制在较高的比值，能够使得电池在遭到异物刺入时，隔膜能够拉伸到一定长度，对异物、各种碎屑进行较好地包裹，减少或避免内短路发生；同时，也能一定程度上减少或避免集流体碎屑的产生。
本申请实施方式中，隔膜的材质可以是能够满足二次电池体系的各种隔膜材料，具体地，隔膜的材质可包括聚乙烯、聚α烯烃、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基戊烯、聚丁烯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚酯、聚氨酯、聚碳酸酯、环烯烃共聚物、聚苯并咪唑、聚苯并双恶唑、芳纶、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚(偏二氟乙烯-六氟丙烯)、聚醚酰亚胺、聚乙烯醇、以及上述聚合物的共聚物、共混物、混合物、组合物中的一种或多种。本申请实施方式中，隔膜的厚度可以是1μm-12μm。本申请实施方式中，隔膜的厚度可以是2μm-10μm。
本申请实施方式中，活性材料层包括活性材料和分布在活性材料中的粘结剂和导电剂。活性材料为可嵌入/脱出活性离子(Li+，Na+，K+，Mg2+，Zn2+，Al3+等)的物质。活性材料层中，活性材料、粘结剂与导电剂的质量百分比可以是80％～98.5％∶0.5％～5％∶1.0％～15％。活性材料、粘结剂与导电剂的质量百分比可根据不同材料、电池型号、应用需求等进行综合选择。参见图1，活性材料层包括正极活性材料层12和负极活性材料层22。其中，正极活性材料层12包括正极活性材料、粘结剂和导电剂，正极活性材料包括但不限于钴酸锂、磷酸铁锂、磷酸铁钠、磷酸锰铁锂、磷酸钒锂、磷酸钒钠、磷酸钒氧锂、磷酸钒氧钠、钒酸锂、镍酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂、富锂锰基、镍钴铝酸锂、钛酸锂、以及上述材料的复合物、共混物或组合物中的一种或多种。负极活性材料层22包括负极活性材料、粘结剂和导电剂，负极活性材料包括但不限于人造石墨、天然石墨、硬碳、软碳、中间相碳微球、硅碳、硅氧、碳纳米管、石墨烯、以及上述材料的复合物、共混物或组合物中的一种或多种。
本申请实施方式中，粘结剂和导电剂可以是电极极片制备中常用的种类，具体地，粘结剂可以但不限于是聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚酰胺、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶、聚丙烯酸中的一种或多种。导电剂可以但不限于是导电碳super-P、碳纳米管、石墨烯、碳纤维、气相生长炭纤维、活性碳、多孔碳、乙炔黑、科琴黑中的一种或多种。
本申请实施方式中，集流体包括金属箔或表面具有功能涂层的金属箔。具体例如为铜箔、铝箔。其中，铜箔通常作为负极集流体，铝箔通常作为正极集流体。本申请实施方式中，集流体的延伸率小于3％，具体可以为1％、1.5％、2％、2.5％。集流体的厚度可为8μm～20μm。
本申请实施方式中，功能涂层可以是包括功能材料和导电剂，功能材料具体可以是活性离子补充剂、阻燃剂、膨胀缓解剂中的一种或多种。更具体地，功能材料可包括磷酸铁锂、磷酸锰铁锂、磷酸钒锂、富锂锰基、人造石墨、天然石墨、硬碳、软碳、中间相碳微球、碳纳米管、石墨烯、碳纤维、气相生长炭纤维、活性碳、多孔碳、乙炔黑、科琴黑、导电油墨、热膨胀微球、聚乙烯、聚酰胺、聚丁二烯、乙烯丙烯酸乙酯、乙烯醋酸乙烯共聚物、氟化乙烯丙烯共聚物、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚吡咯及其衍生物、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚酰胺、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶、氧化铝、氧化硅、氧化锆、羟基氧化铝、六方氮化硼、MXene、钙钛矿、磷酸钛铝锂(LATP)、锂镧钛氧(LLTO)、锂镧锆氧(LLZO)、以及上述材料的复合物、共混物或组合物中的一种或多种。
本申请实施方式中，活性材料层的厚度大于或等于35μm。一定厚度的活性材料层设置能够保证电池中活性材料的总量，提高电池能量密度。本申请一些实施例中，活性材料层的厚度为35μm～60μm。本申请另一些实施例中，活性材料层的厚度为38μm～50μm。其中一些实施方式中，负极活性材料层的厚度大于正极活性材料层的厚度。
本申请实施方式中，活性材料层的剥离强度大于8N/m。活性材料层在集流体表面牢固结合，能够提升电池的结构稳定性，提高电池循环寿命。
本申请实施方式中，二次电池可以是锂二次电池、钾二次电池、钠二次电池、锌二次电池、镁二次电池或铝二次电池。二次电池的结构不限，可以是卷绕结构，也可以是叠片结构。本申请实施方式中，二次电池还包括封装壳，封装壳用于封装正极极片、负极极片、隔膜和电解液，封装壳可以但不限于是铝塑膜、金属壳。二次电池的制备方法可以是采用现有常规工艺。本发明实施例提供的二次电池，可用于终端消费产品，如手机、平板电脑、移动电源、便携机、笔记本电脑以及其它可穿戴或可移动的电子设备、汽车等，提高产品安全可靠性。
如图3所示，本申请实施例还提供一种终端300，该终端300可以是手机、也可以是平板电脑、移动电源、笔记本电脑、便携机、智能穿戴产品、汽车等产品，包括壳体301、以及收容于壳体301内的电子元器件和电池302，电池302为电子元器件供电，其中，电池302为本申请实施例上述提供的二次电池，壳体301可包括组装在终端前侧的前盖和组装在后侧的后壳，电池可固定在后壳内侧。
下面通过具体实施例对本申请实施例技术方案进行进一步的说明。
实施例1
采用钴酸锂作为正极活性材料，铝箔作为正极集流体，在正极集流体表面均匀涂布正极活性材料层，正极活性材料层的组成为97.0wt％钴酸锂、1.6wt％聚偏氟乙烯和1.4wt％导电炭黑，80℃下烘干，经过冷压、裁切、分切、真空干燥后得到正极极片；
采用石墨作为负极活性材料，铜箔作为负极集流体，在负极集流体表面均匀涂布负极活性材料层，负极活性材料层的组成为97.4wt％石墨、1.4wt％丁苯橡胶和1.2wt％羧甲基纤维素钠，80℃下烘干，经过冷压、裁切、分切、真空干燥后得到负极极片；
正极极片和负极极片经分条后进行卷绕，正极极片和负极极片之间以隔膜进行分隔，制备得到卷绕裸电芯。裸电芯经过顶侧封、喷码、真空干燥、注液、常温和高温静置后进行化成及分容，得到二次电池。其中，隔膜延伸率为180％，正极集流体延伸率为2％，负极集流体延伸率为2％，正极活性材料层厚度为38μm，负极活性材料层厚度为50μm，隔膜延伸率与正极活性材料层厚度、负极活性材料层厚度的比值分别为4.7％/μm和3.6％/μm，隔膜延伸率与集流体延伸率的比值为90(正极集流体和负极集流体相同)。
实施例2-19
二次电池制备方法与实施例1相同，不同之处仅在于，隔膜延伸率、隔膜延伸率与活性材料层厚度的比值、以及隔膜延伸率与集流体延伸率的比值与实施例1不同，具体参见表1。
对比例1
与实施例1的制备方法相同，不同之处仅在于，对比例1中的隔膜延伸率为50％，隔膜延伸率与正极活性材料层厚度、负极活性材料层厚度的比值分别为1.32％/μm和1.0％/μm，隔膜延伸率与集流体延伸率的比值为25。
表1：实施例1-19和对比例1的电池参数值和电池性能测试结果
Figure BDA0002558104860000071
Figure BDA0002558104860000081
基于上述测试结果可知，对于钴酸锂-石墨电池体系，在将电池设计为具有高能量密度695wh/l和30min充满80.7％SOC的快充性能下，通过选择延伸率大于100％的隔膜，并保证隔膜延伸率与活性材料层(正极和负极)厚度的比值在3.0％/μm～8.0％/μm范围内，且隔膜延伸率与集流体延伸率的比值大于或等于60时，电池的穿钉测试表现出较高的通过率。而从实施例17-19也可以获知，正极和负极中，当只有正极满足隔膜延伸率与正极的活性材料层的厚度的比值在3.0％/μm～8.0％/μm范围内，而负极不满足时，电池的穿钉测试也能获得较高的通过率，电池仍具有较高安全性，这主要是因为正极集流体与负极活性材料的短路是导致热失控发生风险最大的因素，通过对正极与隔膜进行合理设计可以较好地提升电池安全性能。而对比例1由于隔膜延伸率、隔膜延伸率与活性材料层厚度的比值、以及隔膜延伸率与集流体延伸率的比值均不满足本申请实施例的设计要求，因此未能通过穿钉测试。
实施例20：
与实施例1的制备方法相同，不同之处仅在于实施例20中的正极活性材料层厚度为36μm，负极活性材料层厚度为48μm，隔膜延伸率与活性材料层厚度的比值分别为5.0％/μm和3.75％/μm。
实施例21：
与实施例1的制备方法相同，不同之处仅在于实施例21中的正极活性材料层厚度为39μm，负极活性材料层厚度为51μm，隔膜延伸率与活性材料层厚度的比值分别为4.62％/μm和3.53％/μm。
实施例22：
与实施例1的制备方法相同，不同之处仅在于实施例22中的正极活性材料层厚度为40μm，负极活性材料层厚度为52μm，隔膜延伸率与活性材料层厚度的比值分别为4.5％/μm和3.46％/μm。
实施例23：
与实施例1的制备方法相同，不同之处仅在于实施例23中的正极活性材料层厚度为41μm，负极活性材料层厚度为53μm，隔膜延伸率与活性材料层厚度的比值分别为4.39％/μm和3.40％/μm。
实施例24：
与实施例1的制备方法相同，不同之处仅在于实施例24中的正极活性材料层厚度为42μm，负极活性材料层厚度为54μm，隔膜延伸率与活性材料层厚度的比值分别为4.28％/μm和3.33％/μm。
实施例25：
与实施例1的制备方法相同，不同之处仅在于实施例25中的正极活性材料层厚度为43μm，负极活性材料层厚度为55μm，隔膜延伸率与活性材料层厚度的比值分别为4.19％/μm和3.27％/μm。
实施例26：
与实施例1的制备方法相同，不同之处仅在于实施例26中的正极活性材料层厚度为44μm，负极活性材料层厚度为56μm，隔膜延伸率与活性材料层厚度的比值分别为4.09％/μm和3.21％/μm。
实施例27：
与实施例1的制备方法相同，不同之处仅在于实施例27中的正极活性材料层厚度为45μm，负极活性材料层厚度为57μm，隔膜延伸率与活性材料层厚度的比值分别为4.0％/μm和3.16％/μm。
实施例28：
与实施例1的制备方法相同，不同之处仅在于实施例28中的正极活性材料层厚度为46μm，负极活性材料层厚度为58μm，隔膜延伸率与活性材料层厚度的比值分别为3.91％/μm和3.10％/μm。
实施例29：
与实施例1的制备方法相同，不同之处仅在于实施例29中的正极活性材料层厚度为47μm，负极活性材料层厚度为59μm，隔膜延伸率与活性材料层厚度的比值分别为3.83％/μm和3.05％/μm。
对比例2：
与实施例1的制备方法相同，不同之处仅在于对比例2中的正极活性材料层厚度为70μm，负极活性材料层厚度为85μm，隔膜延伸率与活性材料层厚度的比值分别为2.57％/μm和2.12％/μm。
表2：实施例20-29和对比例2的测试结果
Figure BDA0002558104860000101
基于上述测试数据可知，实施例20-29的电池由于选用具有较大延伸率隔膜，且隔膜延伸率与活性材料层厚度的比值、隔膜延伸率与集流体延伸率的比值均在本申请实施例范围内，因此电池穿钉测试表现出较高的通过率。而对比例2虽然选用的隔膜的延伸率，以及隔膜延伸率与集流体延伸率的比值与实施例20-29的相同，但由于隔膜延伸率与活性材料层厚度的比值未满足本申请实施例的设计要求，因此电池穿钉测试通过率低。
实施例30：
与实施例1的制备方法相同，不同之处仅在于正极活性材料为镍钴锰酸锂。
实施例31：
与实施例1的制备方法相同，不同之处仅在于正极活性材料为磷酸铁锂。
实施例32：
与实施例1的制备方法相同，不同之处仅在于正极活性材料为质量比为97:3的钴酸锂和磷酸铁锂的组合物。
实施例33：
与实施例1的制备方法相同，不同之处仅在于正极活性材料为镍钴铝酸锂。
实施例34：
与实施例1的制备方法相同，不同之处仅在于负极活性材料为质量比为95:5的石墨和硅碳的复合物。
实施例35：
与实施例1的制备方法相同，不同之处仅在于负极活性材料为质量比为90:10的石墨和硅碳的复合物。
实施例36：
与实施例1的制备方法相同，不同之处仅在于负极活性材料为质量比为85:15的石墨和硅碳的复合物。
实施例37：
与实施例1的制备方法相同，不同之处仅在于负极活性材料为质量比为90:10的石墨和硅氧的复合物。
实施例38：
与实施例1的制备方法相同，不同之处仅在于负极活性材料为质量比为80:20的石墨和硅氧的复合物。
实施例39：
与实施例1的制备方法相同，不同之处仅在于负极活性材料为硬碳。
表3：实施例30-39的测试结果
Figure BDA0002558104860000111
Figure BDA0002558104860000121
基于上述测试数据可知，对于不同正、负极活性材料电池体系，通过将隔膜延伸率与活性材料层厚度的比值，隔膜延伸率与集流体延伸率比值控制在本申请实施例的范围，电池均具有较高穿钉测试通过率，具有高安全性。此外，电池也可以兼具较高能量密度和较佳的快充性能。
实施例40：
与实施例1的制备方法相同，不同之处仅在于正极集流体为具有导电碳涂层的铝箔。隔膜延伸率与正极集流体延伸率的比值为120。
实施例41：
与实施例1的制备方法相同，不同之处仅在于正极集流体为具有纳米磷酸铁锂涂层的铝箔。隔膜延伸率与正极集流体延伸率的比值为140。
实施例42：
与实施例1的制备方法相同，不同之处仅在于正极集流体为具有导电油墨涂层的铝箔。隔膜延伸率与正极集流体延伸率的比值为150。
实施例43：
与实施例1的制备方法相同，不同之处仅在于正极集流体为具有热膨胀微球涂层的铝箔。隔膜延伸率与正极集流体延伸率的比值为160。
实施例44：
与实施例1的制备方法相同，不同之处仅在于正极集流体为具有聚1-丁基吡咯涂层的铝箔。隔膜延伸率与正极集流体延伸率的比值为160。
实施例45：
与实施例1的制备方法相同，不同之处仅在于正极集流体为具有聚3-丁基吡咯包覆纳米磷酸铁锂涂层的铝箔。隔膜延伸率与正极集流体延伸率的比值为170。
实施例46：
与实施例1的制备方法相同，不同之处仅在于正极集流体为具有聚乙烯和导电炭黑的PTC功能铝箔。隔膜延伸率与正极集流体延伸率的比值为171。
实施例47：
与实施例1的制备方法相同，不同之处仅在于正极集流体为多孔铝箔。隔膜延伸率与正极集流体延伸率的比值为170。
实施例48：
与实施例1的制备方法相同，不同之处仅在于负极集流体为具有导电碳涂层的铜箔。隔膜延伸率与负极集流体延伸率的比值为162。
实施例49：
与实施例1的制备方法相同，不同之处仅在于负极集流体为具有纳米磷酸铁锂涂层的铜箔。隔膜延伸率与负极集流体延伸率的比值为140。
实施例50：
与实施例1的制备方法相同，不同之处仅在于负极集流体为具有聚1-丁基吡咯涂层的铜箔。隔膜延伸率与负极集流体延伸率的比值为160。
对比例3：
与实施例1的制备方法相同，不同之处仅在于正极集流体为延伸率4％的铝箔，负极集流体为延伸率4％的铜箔。隔膜延伸率与正极集流体延伸率的比值为45，隔膜延伸率与负极集流体延伸率的比值为45。
对比例4：
与实施例1的制备方法相同，不同之处仅在于正极集流体为延伸率8％的铝箔，负极集流体为延伸率4％的铜箔。隔膜延伸率与正极集流体延伸率的比值为22.5，隔膜延伸率与负极集流体延伸率的比值为45。
对比例5：
与实施例1的制备方法相同，不同之处仅在于正极集流体为延伸率12％的铝箔，负极集流体为延伸率4％的铜箔。隔膜延伸率与正极集流体延伸率的比值为15，隔膜延伸率与负极集流体延伸率的比值为45。
表4：实施例40-50和对比例3-5的测试结果
Figure BDA0002558104860000131
Figure BDA0002558104860000141
基于上述测试数据可知，实施例40-50的电池由于选用具有较大延伸率隔膜，且隔膜延伸率与活性材料层厚度的比值、隔膜延伸率与集流体延伸率的比值均在本申请实施例范围内，因此电池穿钉测试表现出较高的通过率。而对比例3-5虽然选用的隔膜延伸率，以及隔膜延伸率与活性材料层厚度的比值与实施例40-50的相同，但由于隔膜延伸率与集流体延伸率的比值小于60，未满足本申请实施例的设计要求，因此电池未能通过穿钉测试。
本申请上述实施例和对比例的电池电极片和二次电池的性能测试方法如下：
1、活性材料层厚度测试：在活性材料膜片上的左、中、右区域各随机选取5个点，然后用螺旋测微器测厚，取平均值作为活性材料层厚度。
2、延伸率测试：沿样品MD和TD方向分别制备宽度15mm、长度100mm的样条，将样条夹持到拉伸机上下夹具的两端，拉伸速度为50mm/min，间距为40mm，记录初始样条长度L0，以及将样条拉断时的总伸长L，根据(L-L0)/L0*100％，计算得到样条的MD和TD延伸率。
3、能量密度测试：将电池置于25℃恒温箱中，静置30分钟，以0.5C恒流充电至电压为4.45V，然后以4.45V恒压充电至电流为0.025C，以0.5C放电至电压为3.0V，记录放电能量。能量密度＝放电能量/(电池长度*电池宽度*电池厚度)。
4、快充测试：将电池置于25℃恒温箱中，静置30分钟，以2.0C恒流充电至电压为4.25V，继续以1.5C恒流充电至4.45V，再以4.45V恒压充电至0.025C，记录充电30min的SOC。
5、穿钉测试：将电池置于25℃恒温箱中，静置30分钟，以0.7C放电至3.0V，搁置5分钟，以0.7C恒流充电至电压为4.45V，再以4.45V恒压充电至0.025C。然后将电池置于25℃防爆箱中，以150mm/s的速度将钢钉刺入电芯中央部分，直至贯穿为止，保持10min后退针，记录测试通过率。
综合实施例1-50、对比例1-3、以及表1-4的测试结果表明，在兼顾电池能量密度(>600Wh/l)和快充能力(30min充满80％SOC)的前提下，当隔膜延伸率与活性材料层厚度的比值为3.0％/μm～8.0％/μm，且隔膜延伸率与集流体延伸率的比值大于或等于60时，可以有效提高电池的穿钉通过率，提升电池安全性能。

Claims (19)

1.一种二次电池，其特征在于，包括至少一个电池单元组件，所述电池单元组件包括正极极片、负极极片、以及设置在所述正极极片和所述负极极片之间的隔膜，所述正极极片和所述负极极片均包括集流体和设置在所述集流体上的活性材料层；
其中，所述隔膜的延伸率大于100％，所述隔膜的延伸率包括沿长度方向的延伸率和/或沿宽度方向的延伸率，所述隔膜的延伸率与所述正极极片和/或负极极片的活性材料层的厚度的比值为3.0％/μm～8.0％/μm，所述隔膜的延伸率与所述正极极片和/或负极极片的集流体的延伸率的比值大于或等于60。
2.如权利要求1所述的二次电池，其特征在于，所述二次电池包括多个堆叠的电池单元组件，至少位于所述二次电池最外侧的电池单元组件中的隔膜的延伸率大于100％，所述隔膜的延伸率与所述正极极片和/或负极极片的活性材料层的厚度的比值为3.0％/μm～8.0％/μm，所述隔膜的延伸率与所述正极极片和/或负极极片的集流体的延伸率的比值大于或等于60。
3.如权利要求2所述的二次电池，其特征在于，每一所述电池单元组件中的隔膜的延伸率大于100％，所述隔膜的延伸率与所述正极极片和/或负极极片的活性材料层的厚度的比值为3.0％/μm～8.0％/μm，所述隔膜的延伸率与所述正极极片和/或负极极片的集流体的延伸率的比值大于或等于60。
4.如权利要求1-3任一项所述的二次电池，其特征在于，所述隔膜的延伸率与所述活性材料层的厚度的比值为4.0％/μm～6.0％/μm。
5.如权利要求1-4任一项所述的二次电池，其特征在于，所述隔膜的延伸率与所述集流体的延伸率的比值大于或等于70。
6.如权利要求5所述的二次电池，其特征在于，所述隔膜的延伸率与所述集流体的延伸率的比值大于或等于90。
7.如权利要求1-6任一项所述的二次电池，其特征在于，所述隔膜的延伸率大于或等于120％。
8.如权利要求7所述的二次电池，其特征在于，所述隔膜的延伸率大于或等于150％。
9.如权利要求1-8任一项所述的二次电池，其特征在于，所述隔膜的材质包括聚乙烯、聚α烯烃、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基戊烯、聚丁烯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚酯、聚氨酯、聚碳酸酯、环烯烃共聚物、聚苯并咪唑、聚苯并双恶唑、芳纶、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚(偏二氟乙烯-六氟丙烯)、聚醚酰亚胺、聚乙烯醇、以及上述聚合物的共聚物、共混物、混合物、组合物中的一种或多种。
10.如权利要求1-9任一项所述的二次电池，其特征在于，所述隔膜的厚度为1μm-12μm。
11.如权利要求1-10任一项所述的二次电池，其特征在于，所述活性材料层包括活性材料和分布在所述活性材料中的粘结剂和导电剂。
12.如权利要求1-11任一项所述的二次电池，其特征在于，所述集流体包括金属箔或表面具有功能涂层的金属箔。
13.如权利要求12所述的二次电池，其特征在于，所述功能涂层包括功能材料，所述功能材料包括磷酸铁锂、磷酸锰铁锂、磷酸钒锂、富锂锰基、人造石墨、天然石墨、硬碳、软碳、中间相碳微球、碳纳米管、石墨烯、碳纤维、气相生长炭纤维、活性碳、多孔碳、乙炔黑、科琴黑、导电油墨、热膨胀微球、聚乙烯、聚酰胺、聚丁二烯、乙烯丙烯酸乙酯、乙烯醋酸乙烯共聚物、氟化乙烯丙烯共聚物、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚吡咯及其衍生物、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚酰胺、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶、氧化铝、氧化硅、氧化锆、羟基氧化铝、六方氮化硼、MXene、钙钛矿、磷酸钛铝锂、锂镧钛氧、锂镧锆氧、以及上述材料的复合物、共混物或组合物中的一种或多种。
14.如权利要求1-13任一项所述的二次电池，其特征在于，所述集流体的延伸率小于3％。
15.如权利要求1-14任一项所述的二次电池，其特征在于，所述活性材料层的厚度大于或等于35μm。
16.如权利要求1-15任一项所述的二次电池，其特征在于，所述二次电池包括锂二次电池、钾二次电池、钠二次电池、锌二次电池、镁二次电池或铝二次电池。
17.如权利要求1-16任一项所述的二次电池，其特征在于，所述二次电池的结构包括卷绕结构、叠片结构中的一种或多种。
18.如权利要求1-17任一项所述的二次电池，其特征在于，所述二次电池还包括封装壳，所述一个或多个电池单元组件封装在所述封装壳内。
19.一种终端，其特征在于，所述终端包括壳体和收容于所述壳体内的电子元器件和电池，所述电池包括权利要求1-18任一项所述的二次电池，所述电池为所述电子元器件供电。
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