CN114094230A - 电化学装置和用电设备 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种电化学装置和用电设备，电化学装置包括壳体、设于壳体内的第一电极组件、第二电极组件以及设于第一电极组件和第二电极组件之间的隔板。隔板包括阻隔层和设置于所述阻隔层表面的相变层。本申请所述隔板中的相变层具备吸热储热的功能，能够降低电极组件之间区域的温度，降低局部过热带来的性能下降及安全风险，提升了电化学装置的电化学性能和安全性能。

Description

电化学装置和用电设备
技术领域
本申请涉及储能技术领域，具体涉及一种电化学装置和用电设备。
背景技术
随着用电设备对电化学装置(例如，锂离子电池)能量密度的要求越来越高，研究人员已将目光越来越多地聚焦于在单个壳体中封装多个电极组件的电化学装置。但该类电化学装置，其电极组件之间的区域随着充放电的进行，产生的热量不易散出，会逐渐高于其他区域，易造成局部过热，影响电化学装置的性能，甚至引发热失控，造成安全隐患。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种能够降低电极组件之间区域温度的电化学装置和用电设备。
本申请一实施方式提供一种电化学装置，包括壳体、设于所述壳体内的第一电极组件和第二电极组件。电化学装置还包括设于第一电极组件和第二电极组件之间的隔板，隔板两侧设有相互隔开的第一腔体和第二腔体，第一电极组件设置于第一腔体，第二电极组件设置于第二腔体。隔板包括阻隔层和设置于阻隔层表面的相变层。
在第一电极组件和第二电极组件之间设有包含相变层的隔板，当第一电极组件和第二电极组件之间的区域局部温度过高时，相变层能吸收热量并储存热量，从而降低该区域的温度，抑制电化学装置内部的局部过热，进而提升电化学装置的电化学性能和安全性能。
一种实施方式中，相变层包括相变材料，相变材料的固固相变温度为30℃～90℃。该相变材料存在固固相变，其在相变过程中一直保持固体状态，能够维持隔板物理形态的稳定性。进一步地，固固相变温度可为45℃～60℃。当电极组件之间区域的温度达到相变材料的固固相变起始温度，例如45℃，相变材料便会开始吸热，从而抑制电极组件之间区域温度的进一步升高，降低局部过热带来的性能下降及安全风险。选择的相变材料的固固相变温度不宜过高，否则当第一电极组件和第二电极组件之间的区域局部温度已经过高有热失控的风险时，但因为还未达到固固相变的温度，相变材料并不能吸热发挥作用，就失去了设置相变层的意义。
一种实施方式中，相变材料的固固相变焓大于或等于10J/g。相变材料的固固相变焓大于或等于10J/g，相变层能够吸收更多的热量，有利于抑制第一电极组件和第二电极组件之间区域的局部过热；同时也有利于将相变层设置的更薄，进一步提升电化学装置的能量密度。
一种实施方式中，相变材料包括烷烃蜡、聚乙烯蜡、聚乙二醇或脂肪酸中的至少一种。相变材料选择上述材质，具有材料性能稳定、贮热容量大等优点。
一种实施方式中，相变材料的固固相变焓大于或等于50J/g。如此，有利于提高吸热容量，实现快速降温。
一种实施方式中，阻隔层的材质包括金属、聚合物或碳材料中的至少一种。一种实施方式中，隔板还包括位于相变层表面的封装层。阻隔层一方面能够阻止电解液在第一腔体和第二腔体之间传递，另一方面能够延展，在需要时可以进行冲坑等需要延展的操作。封装层能保护相变层和阻隔层不受电解液的腐蚀。
一种实施方式中，阻隔层的厚度为10μm至40μm。
一种实施方式中，相变层的厚度为5μm至40μm。
一种实施方式中，金属包括Al(铝)、Ni(镍)、Ti(钛)、Ag(银)、Au(金)、Pt(铂)、Fe(铁)、Co(钴)、Cr(铬)、W(钨)、Mo(钼)、Pb(铅)、In(铟)、Zn(锌)或不锈钢中的至少一种。
一种实施方式中，聚合物包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、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、酸酐改性聚丙烯、聚乙烯、乙烯丙烯共聚物、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚醚腈、聚氨酯、聚苯醚、聚酯、聚砜、非晶态α-烯烃共聚物或上述物质衍生物中的至少一种。
一种实施方式中，碳材料包括碳毡、碳膜、炭黑、乙炔黑、富勒烯、导电石墨膜或石墨烯膜中的至少一种。
一种实施方式中，封装层的材质包括聚丙烯、酸酐改性聚丙烯、聚乙烯、乙烯丙烯共聚物、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚醚腈、聚氨酯、聚酰胺、聚酯、非晶态α-烯烃共聚物或上述物质衍生物中的至少一种。封装层在一定温度下会发生熔化并具有粘性，从而使隔板与壳体之间可通过热封连接。
一种实施方式中，第一电极组件与第二电极组件串联。
一种实施方式中，壳体的材质包括铝塑膜、铝或聚乙烯中的至少一种。
本申请还提供一种用电设备，其包括如上所述的电化学装置。本申请的电化学装置具有提升的安全性能，从而提高了用电设备的安全性。
本申请的电化学装置包括隔板，隔板中的相变层具备吸热储热的功能，能降低电极组件之间区域的温度，进而降低局部过热带来的性能下降及安全风险，提升了电化学装置的电化学性能和安全性能。
附图说明
图1为本申请一实施方式提供的电化学装置的结构示意图。
图2为本申请一实施方式提供的隔板的剖视图。
图3为本申请另一实施方式提供的隔板的剖视图。
图4为本申请一实施方式提供的用电设备的模块组成图。
主要元件符号说明
电化学装置 100
壳体 110
第一电极组件 120
第二电极组件 130
第一腔体 111
第二腔体 112
隔板 10
阻隔层 101
相变层 103
封装层 105
用电设备 200
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本申请实施例。
具体实施方式
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请实施例的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请实施例。
将理解，当一层被称为“在”另一层“上”时，它可以直接在该另一层上或者可以在其间存在中间层。相反，当一层被称为“直接在”另一层“上”时，不存在中间层。
另外，在本申请中如涉及“第一”“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。
请参阅图1，本申请一实施方式提供一种电化学装置100，包括壳体110、设于壳体110内的第一电极组件120和第二电极组件130。电化学装置100还包括设于第一电极组件120和第二电极组件130之间的隔板10，隔板10将壳体110划分为相互隔开的第一腔体111和第二腔体112，第一电极组件120设置于第一腔体111，第二电极组件130设置于第二腔体112。
本申请的电化学装置100包括所有能够发生电化学反应的装置。具体的，电化学装置100可包括但不限于所有种类的原电池、二次电池、燃料电池、太阳能电池和电容器(例如超级电容器)。可选地，电化学装置100可以为锂二次电池，包括锂金属二次电池、锂离子二次电池、锂聚合物二次电池和锂离子聚合物二次电池等。
可以理解，当电化学装置100包含三个电极组件时，电化学装置内可设置两个隔板10。两隔板10将壳体110内部分隔成为了相互隔开的三个腔体，三个电极组件分别设于三个腔体中。当然，N个隔板10可将壳体110隔开形成N+1个腔体，N+1个电极组件可分别位于所形成的N+1个腔体中。
第一电极组件120(第二电极组件130)可为卷绕结构或叠片结构，本申请并不作限制。第一电极组件120(第二电极组件130)包括正极极片、负极极片和设于正极极片和负极极片之间的隔离膜。正极极片设有正极极耳，负极极片设有负极极耳。正极极片、负极极片和隔离膜均可为本领域常规或非常规设置，本申请并不作限制。电化学装置还包括电解液，本申请对电解液的组成并不作限制。
请参阅图2，隔板10包括阻隔层101和设置于阻隔层101表面的相变层103。
在第一电极组件120和第二电极组件130之间设有包含相变层103的隔板10，当第一电极组件120和第二电极组件130之间的区域局部温度过高时，相变层103能吸收热量，从而降低该区域的温度，抑制电化学装置100内部的局部过热，进而提升电化学装置100的电化学性能和安全性能。
一些实施例中，相变层包括相变材料，相变材料的固固相变温度为30℃～90℃。
相变材料(phase change material，PCM)是指利用物质在相变过程中的吸热和放热进行热能的储存和释放、能够实现温度调控的材料。当外界温度高于相变点时吸收热量从而发生相变(蓄热过程)；当温度下降，低于相变点时，发生逆向相变(放热过程)。按照相变方式，相变可分为固固相变、固液相变、固气相变和液气相变。本实施方式中，相变材料存在固固相变。相变材料在固固相变过程中一直保持固体状态，能够维持隔板物理形态的稳定性。
进一步地，固固相变温度可为45℃～60℃。当电极组件之间区域的温度达到相变材料的固固相变起始温度，例如45℃，相变材料便发生相变，开始吸热，从而抑制电极组件之间区域温度的进一步升高，降低局部过热带来的性能下降及安全风险。选择的固固相变材料的固固相变温度不宜过高，否则当第一电极组件和第二电极组件之间的区域局部温度已经过高有热失控的风险时，但因为还未达到固固相变的温度，相变材料并不能吸热发挥作用，就失去了设置相变层的意义。
一些实施例中，相变材料的固固相变焓可大于或等于10J/g。相变焓是指一定量的物质在恒定温度及压力(通常是相平衡温度及相平衡压力)下发生相变时与环境交换的热。固固相变焓大于或等于10J/g，相变材料能够吸收更多的热量，有利于实现对第一电极组件和第二电极组件之间的区域快速降温，抑制局部过热；同时也有利于将相变层设置的更薄，进一步提升电化学装置的能量密度。
进一步地，一些实施例中，相变材料的固固相变焓可大于或等于50J/g。如此，有利于提高吸热容量，实现快速降温。
一些实施例中，相变材料包括烷烃蜡、聚乙烯蜡、聚乙二醇或脂肪酸中的至少一种。相变材料选择上述材质，具有材料性能稳定、贮热容量大等优点。
一些实施例中，阻隔层的材质包括金属、聚合物或碳材料中的至少一种。阻隔层一方面能够阻止电解液在第一腔体和第二腔体之间传递，另一方面能够延展，在需要时可以进行需要延展的操作，例如，包括但不限于冲坑等。
进一步地，金属可包括Al(铝)、Ni(镍)、Ti(钛)、Ag(银)、Au(金)、Pt(铂)、Fe(铁)、Co(钴)、Cr(铬)、W(钨)、Mo(钼)、Pb(铅)、In(铟)、Zn(锌)或不锈钢中的至少一种。
进一步地，聚合物可包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、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、酸酐改性聚丙烯、聚乙烯、乙烯丙烯共聚物、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚醚腈、聚氨酯、聚苯醚、聚酯、聚砜、非晶态α-烯烃共聚物或上述物质衍生物中的至少一种。
进一步地，碳材料可包括碳毡、碳膜、炭黑、乙炔黑、富勒烯、导电石墨膜或石墨烯膜中的至少一种。
请参阅图3，一些实施例中，隔板10还包括位于相变层103表面的封装层105。图3中，封装层105设于相变层103背离阻隔层101的表面。可以理解，封装层105可覆盖相变层103背离阻隔层101的表面中的部分或全部。封装层105能保护相变层103和阻隔层101不受电解液的腐蚀。
一些实施例中，封装层105的材质可包括聚丙烯、酸酐改性聚丙烯、聚乙烯、乙烯丙烯共聚物、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚醚腈、聚氨酯、聚酰胺、聚酯、非晶态α-烯烃共聚物或上述物质衍生物中的至少一种。封装层105中的材质在一定温度下会发生熔化并具有粘性，从而使隔板10与壳体110之间可通过热封连接。
一些实施例中，第一电极组件120与第二电极组件130串联。
一些实施例中，壳体的材质包括铝塑膜、铝或聚乙烯中的至少一种。
请参阅图4，本申请还提供一种用电设备200，其包括上述的电化学装置100。本申请的用电设备200可以是，但不限于笔记本电脑、电子书阅读器、手机、液晶电视、便携CD机、电子记事本、计算器、收音机、备用电源、电机、汽车、摩托车、助力自行车、自行车、游戏机、钟表、电动工具、闪光灯、照相机等。
以下将结合实施例和对比例对本申请作进一步说明。
实施例1
①负极极片的制备：将负极活性材料石墨、丁苯橡胶(SBR)、羧甲基纤维素钠(CMC)按照重量比97:1.5:1.5进行混合，加入去离子水，调配成为固含量为0.7的负极浆料，并搅拌均匀。将负极浆料均匀涂覆在负极集流体铜箔的一个表面上，110℃条件下烘干。之后，重复上述步骤，在该铜箔的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。
②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0.75的正极浆料，并搅拌均匀。将正极浆料均匀涂覆在正极集流体铝箔上，90℃条件下烘干。之后，重复上述步骤，在该铝箔的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。
③电解液的制备：在干燥氩气气氛中，首先将碳酸乙烯酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二乙酯(DEC)以质量比EC:EMC:DEC＝30:50:20混合得到有机溶剂，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电解液，其中，基于电解液的质量，六氟磷酸锂的质量浓度为12.5％。
④电极组件的制备：选用厚度15μm的多孔聚乙烯(PE)作为隔离膜，将上述正极极片、隔离膜、负极极片按照顺序叠好，然后将叠好的极片和隔离膜卷成卷绕式电极组件，得到第一电极组件和第二电极组件。
⑤隔板的制备：隔板结构如图3所示，包括阻隔层、相变层和封装层。其中，相变层的相变材料为烷烃蜡，固固相变焓为10J/g，阻隔层的材质为铝。通过聚丙烯酸环氧胶，将相变层粘结在阻隔层两面，再通过相同的方法将封装层(聚丙烯)，粘结在相变层上，即得到隔板，其中阻隔层的厚度为20μm、单侧相变层厚度为30um、单侧封装层厚度为30um，隔板的总厚度为140μm。
⑥电化学装置的组装I：将冲坑成型的壳体(铝塑膜，厚度大致为90μm)置于组装夹具1内，坑面朝上，将第一电极组件置于坑内，然后将隔板置于第一电极组件上方，并施加外力压紧。
⑦电化学装置的组装II：将I中得到的组装半成品置于组装夹具2内，隔板朝上，将第二电极组件置于隔板上方，并压紧，然后将另一片壳体的坑面朝下覆盖于第二电极组件上方，并热封。
⑧注液封装：分别对两个腔体单独注入电解液，注液后进行封口，其中隔板四周均被封入封印当中。保证两电极组件被隔板分隔于两个独立密封的腔体内。两电极组件所有极耳均引出壳体，待后续加工。
⑨串联：将第一电极组件的正极极耳与第二电极组件的负极极耳通过焊接(激光焊，亦可以超声焊或者电阻焊)连接在一起，实现两电极组件之间的串联导通，锂离子电池组装完成。
实施例2
与实施例1的区别在于：相变层的相变材料为聚乙二醇，固固相变焓为50J/g，单侧相变层厚度为20um
实施例3
与实施例1的区别在于：相变层的相变材料为聚乙烯蜡，固固相变焓为60J/g，阻隔层的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯，单侧相变层厚度为20um
实施例4
与实施例1的区别在于：阻隔层的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯。
实施例5
与实施例1的区别在于：相变层的相变材料为脂肪酸，固固相变焓为70J/g，阻隔层的材质为聚酰胺。
对比例1
与实施例1的区别在于：隔板中未设置相变层，仅在阻隔层表面设置封装层。
将上述各实施例和对比例中的锂离子电池分别进行如下测试。
3C充电温升测试：将锂离子电池在25℃环境下，以3C的充电速率从0％荷电状态(SOC)充电至100％SOC时，测试锂离子电池表面的最高温度。3C充电温升＝锂离子电池表面的最高温度-25℃。
上述各实施例和对比例的参数设置和测试结果请见表1。
表1
Figure BDA0003372077670000091
Figure BDA0003372077670000101
由表1可知，与对比例1相比，实施例1-5中的锂离子电池的3C充电温升降低。可见，本申请所述隔板中相变层的设置有助于抑制锂离子电池内部电极组件之间区域的局部热失控，从而降低锂离子电池在大倍率充电时的温升。从实施例1-4与实施例5的比较可知，固固相变温度在45℃～60℃范围内的相变材料能够及时抑制锂离子电池内部的局部过热，从而更好地降低锂离子电池在大倍率充电时的温升。
本申请的电化学装置包括隔板，隔板中的相变层具备吸热储热的功能，能降低各电极组件之间区域的温度，减少局部过热带来的性能下降以及安全风险，提升了电化学装置的电化学性能和安全性能。
以上说明是本申请一些具体实施方式，但在实际的应用过程中不能仅仅局限于这些实施方式。对本领域的普通技术人员来说，根据本申请的技术构思做出的其他变形和改变，都应该属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种电化学装置，包括壳体、设于所述壳体内的第一电极组件和第二电极组件，其特征在于，所述电化学装置还包括设于所述第一电极组件和所述第二电极组件之间的隔板，所述隔板将所述壳体划分为相互隔开的第一腔体和第二腔体，所述第一电极组件设置于所述第一腔体，所述第二电极组件设置于所述第二腔体，所述隔板包括阻隔层和设置于所述阻隔层表面的相变层。
2.如权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，所述相变层包括相变材料，所述相变材料的固固相变温度为30℃～90℃。
3.如权利要求2所述的电化学装置，其特征在于，所述电化学装置满足以下特征中的至少一者：
(a)所述相变材料的固固相变焓大于或等于10J/g；
(b)所述相变材料包括烷烃蜡、聚乙烯蜡、聚乙二醇或脂肪酸中的至少一种。
4.如权利要求3所述的电化学装置，其特征在于，所述相变材料的固固相变焓大于或等于50J/g。
5.如权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，所述电化学装置满足以下特征中的至少一者：
(c)所述阻隔层的材质包括金属、聚合物或碳材料中的至少一种；
(d)所述隔板还包括位于所述相变层表面的封装层；
(e)所述阻隔层的厚度为10μm至40μm；
(f)所述相变层的厚度为5μm至40μm。
6.如权利要求5所述的电化学装置，其特征在于，所述阻隔层的材质包括金属、聚合物或碳材料中的至少一种，
所述金属包括Al、Ni、Ti、Ag、Au、Pt、Fe、Co、Cr、W、Mo、Pb、In、Zn或不锈钢中的至少一种；
所述聚合物包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、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、酸酐改性聚丙烯、聚乙烯、乙烯丙烯共聚物、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚醚腈、聚氨酯、聚苯醚、聚酯、聚砜、非晶态α-烯烃共聚物或上述物质衍生物中的至少一种；
所述碳材料包括碳毡、碳膜、炭黑、乙炔黑、富勒烯、导电石墨膜或石墨烯膜中的至少一种。
7.如权利要求5所述的电化学装置，其特征在于，所述隔板还包括位于所述相变层表面的封装层，所述封装层的材质包括聚丙烯、酸酐改性聚丙烯、聚乙烯、乙烯丙烯共聚物、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚醚腈、聚氨酯、聚酰胺、聚酯、非晶态α-烯烃共聚物或上述物质衍生物中的至少一种。
8.如权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，所述第一电极组件与所述第二电极组件串联。
9.如权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，所述壳体的材质包括铝塑膜、铝或聚乙烯中的至少一种。
10.一种用电设备，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的电化学装置。
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