CN114094281A - 一种电化学装置及电子装置 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例提供了一种电化学装置及电子装置，包括电极组件，电极组件包括：第一极片、第二极片和隔离膜，隔离膜设置于第一极片和第二极片之间；其中，隔离膜具有通孔，通孔面向第一极片的一侧设置有热收缩胶纸，通孔面向第二极片的一侧设置有热敏层，热收缩胶纸用于在热收缩前保持第一极片和第二极片间绝缘，且热敏层的阻抗随温度升高而增大，能够可控地将电化学装置的电能转化为热能，避免短时大电流放电，从而降低电化学装置因短时间内大量产热而导致的热失控风险，提高了电化学装置的使用安全性。

Description

一种电化学装置及电子装置
技术领域
本申请涉及储能技术领域，特别是涉及一种电化学装置及电子装置。
背景技术
电化学装置(例如锂离子电池)具有比能量密度大、循环寿命长、标称电压高、自放电率低、体积小、重量轻等许多优点，在消费电子领域具有广泛的应用。
电化学装置在高温环境下(例如超过100℃)使用时，其内部容易产生大量热量，该热量积聚在电化学装置内部，会促进其内部发生化学反应导致进一步产热，但该产热过程不可控，有可能在短时间内产生大量热量，增加电化学装置的热失控风险，影响电化学装置的使用安全性。
发明内容
本申请的目的在于提供一种电化学装置及电子装置，以提高电化学装置在高温下的使用安全性。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，包括电极组件，所述的电极组件包括：第一极片、第二极片和隔离膜，所述隔离膜设置于所述第一极片和所述第二极片之间；
其中，所述隔离膜具有通孔，所述通孔面向所述第一极片的一侧设置有热收缩胶纸，所述通孔面向所述第二极片的一侧设置有热敏层，所述热收缩胶纸用于在热收缩前保持所述第一极片和所述第二极片间绝缘，且所述热敏层的阻抗随温度升高而增大。
本申请实施例的有益效果：本申请电极组件的隔离膜中具有通孔，通过在通孔面向第一极片的一侧设置热收缩胶纸，在通孔面向第二极片的一侧设置热敏层，当电化学装置温度过高时，热收缩胶纸受热收缩，使热敏层与第一极片接触，从而使正、负极极片间通过热敏层导通，进而通过热敏层将电能转化为热能，降低了电化学装置在高温下的SOC(State of Charge，荷电状态)。由于热敏层的阻抗会随温度升高而升高，因此能够可控地将电化学装置的电能转化为热能，避免短时大电流放电，从而降低电化学装置因短时间内大量产热而导致的热失控风险，提高了电化学装置的使用安全性。
在本申请的一种实施方案中，所述热收缩胶纸在所述第二极片上的正投影覆盖所述通孔在所述第二极片上的正投影，使得在常温情况下使第一极片和第二极片之间保持绝缘，避免了在热收缩胶纸在受热收缩前，因部分热敏层通过通孔与热收缩胶纸之间的缝隙和第一极片接触而产生放电，有利于电化学装置安全性能的提升。
在本申请的一种实施方案中，所述热敏层在所述第二极片上的正投影覆盖所述热收缩胶纸在所述第二极片上的正投影，使得热收缩胶纸在受热收缩后，热敏层与第一极片能够紧密接触放电，提升了电化学装置的安全性。
在本申请的一种实施方案中，所述第一极片包括极耳，所述极耳与所述热收缩胶纸相贴合，能够在极耳附近可控地将电化学装置的电能转化为热能，降低因极耳附近短时大量放热导致的热失控风险，进一步提升了电化学装置安全性。
在本申请的一种实施方案中，所述热收缩胶纸的收缩起始温度大于或等于100℃，使电化学装置在正常生产或测试工况下保持绝缘，有利于电化学装置正常使用。
在本申请的一种实施方案中，所述热收缩胶纸在100℃时的收缩率为50％至90％，使得热敏层可控地将电化学装置的电能转化为热能，提升了电化学装置安全性。
在本申请的一种实施方案中，所述热敏层的阻抗R的变化范围为20mΩ至1000Ω，使得热敏层能够可控地将电化学装置的电能转化为热能，降低了电化学装置在高温下的SOC，避免短时大电流放电，从而降低电化学装置因短时间内大量产热而导致的热失控风险，提升了电化学装置安全性。
在本申请的一种实施方案中，所述热敏层的厚度大于或等于所述热收缩胶纸的厚度，使得热收缩胶纸受热收缩后，热敏层与第一极片能够紧密接触放电，从而可控地将电化学装置的电能转化为热能，降低了电化学装置在高温下的SOC，提升了电化学装置的安全性。
在本申请的一种实施方案中，所述热敏层的厚度为0.3mm至2mm，热收缩胶纸受热收缩后，热敏层与第一极片能够紧密接触放电，提升了电化学装置的安全性
本申请的第二方面提供了一种电子装置，其包括上述任一实施方案所述的电化学装置。
本申请实施例提供了一种电化学装置及电子装置，电化学装置包括电极组件，电极组件的隔离膜中具有通孔，通过在通孔面向第一极片的一侧设置热收缩胶纸，在通孔面向第二极片的一侧设置热敏层，当电化学装置温度过高时，热收缩胶纸受热收缩，使热敏层与第一极片接触，从而使正、负极极片间通过热敏层导通，进而通过热敏层将电能转化为热能，降低了电化学装置在高温下的SOC。由于热敏层的阻抗会随温度升高而升高，因此能够可控地将电化学装置的电能转化为热能，避免短时大电流放电，从而降低电化学装置因短时间内大量产热而导致的热失控风险，提高了电化学装置的使用安全性。
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为本申请一种实施例方案的电极组件的结构示意图；
图2为本申请实施例的电极组件中第一极片、第二极片和隔离膜的分解示意图；
图3为本申请的另一种实施方案的电极组件的结构示意图；
图4为本申请的再一种实施方案的电极组件的结构示意图。
图中，1.第一极片，2.第二极片，3.隔离膜，4.通孔，5.热收缩胶纸，6.热敏层，7.极耳，11.第一集流体，12.第一活性材料层。
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。
有鉴于此，本申请提供了一种电化学装置，该电化学装置包括电极组件，如图1所示，电极组件包括第一极片1、第二极片2和隔离膜3，所述隔离膜3设置于所述第一极片1和第二极片2之间。隔离膜3具有通孔4，所述通孔4面向所述第一极片1的一侧设置有热收缩胶纸5，通孔4面向第二极片2的一侧设置有热敏层6。
热收缩胶纸5具有绝缘性，能够在热收缩前保持第一极片1和第二极片2之间绝缘。本申请实施例中，热收缩胶纸5可以设置在第一极片1上，热敏层6可设置在第二极片2上。图2为本申请实施例的电极组件中第一极片1、第二极片2和隔离膜3的分解示意图，参考图2，热收缩胶纸5和热敏层6的面积均大于通孔4，使得热收缩胶纸5在隔离膜3上的正投影覆盖通孔4，热敏层6在隔离膜3上的正投影也覆盖通孔4，如此，锂离子电池在正常使用时，热收缩胶纸5和热敏层6能够起到绝缘作用，使电极组件具有良好的绝缘性能。
隔离膜的厚度通常在微米级，且电极极片与电极极片之间也具有一定压力，例如，第一极片1与第二极片2之间具有一定压力。基于此，如图3所示，当热收缩胶纸5受热收缩后，第一极片1位于通孔4处的部分与热敏层6接触，使第一极片1、第二极片2间通过热敏层6导通，从而在此导通部位放电。本申请实施例的热敏层6的阻抗随温度升高而增大，在常温下阻抗低，不影响锂离子电池正常使用，在高温下阻抗升高，能够可控地将锂离子电池的电能转化为热能，避免短时大电流放电，从而降低锂离子电池因短时间内大量产热而导致的热失控风险，提高了锂离子电池的使用安全性。
本申请实施例的热敏层6的材料可以选自正温度系数(PTC)材料，例如陶瓷PTC材料或者其他的阻抗能够随温度升高而增大的材料。本申请实施例的第一极片1和第二极片2可以为正极极片和负极极片。例如，当第一极片1为正极极片时，第二极片2为负极极片；当第一极片1为负极极片时，第二极片2为正极极片。
本申请的一种实施方案中，热收缩胶纸5在第二极片2上的正投影覆盖所述通孔4在所述第二极片2上的正投影。如此，热收缩胶纸5在第二极片2上的投影面积大于通孔4在第二极片2上的投影面积，热收缩胶纸5能够覆盖通孔4，从而在常温情况下使第一极片1和第二极片2之间保持绝缘，避免了在热收缩胶纸5在受热收缩前，因部分热敏层6通过通孔4与热收缩胶纸5之间的缝隙和第一极片1接触而额外放电，有利于锂离子电池安全性能的提升。
本申请的一种实施方案中，热敏层6在第二极片2上的正投影覆盖热收缩胶纸5在第二极片2上的正投影。如此，热收缩胶纸5在受热收缩后，热敏层6与第一极片1能够紧密接触放电，从而可控地将锂离子电池的电能转化为热能，降低了锂离子电池在高温下的SOC，提升了锂离子电池的安全性。
本申请的一种实施方案中，如图4所示，第一极片1包括极耳7，极耳7与热收缩胶纸5相贴合。
本申请发明人发现，位于极耳附近的电极极片发热现象更严重，控制好此处的发热更有利于电池安全性的提升。通常而言，极耳的一部分伸入电极极片内部与电极极片的空箔区连接，另一部分沿电极极片宽度方向从电极极片伸出作为端子。可以理解，空箔区是集流体上未涂覆活性材料层的区域。示例性地，参考图4，极耳7与第一极片1的第一集流体11连接，从图4还可以看出，第一极片1还包括第一活性材料层12。本申请实施例中，极耳7与热收缩胶纸5相贴合，可见极耳7与热收缩胶纸5均位于第一极片1的同一侧。如此，当热收缩胶纸5受热收缩后，第一极片1位于通孔4处的部分与热敏层6接触，使第一极片1、第二极片2间通过热敏层6导通，从而在此导通部位放电，在极耳7附近可控地将锂离子电池的电能转化为热能，降低因极耳附近短时大量放热导致的热失控风险，进一步提升了锂离子电池安全性。
当然，在另一种实施方案中，隔离膜3具有通孔4，通孔4面向第二极片2的一侧设置有热收缩胶纸5，通孔面向第一极片1的一侧设置有热敏层6，第二极片2同样可以包括极耳7、第二集流体和第二活性材料层，极耳7与热收缩胶纸5相贴合。如此，当热收缩胶纸5受热收缩后，第二极片2位于通孔4处的部分与热敏层6接触，使第二极片2、第一极片1间通过热敏层6导通，从而在此导通部位放电，也能够降低因极耳附近短时大量放热导致的热失控风险，提升了锂离子电池安全性。
本申请的一种实施方案中，热收缩胶纸的收缩起始温度大于或等于100℃，优选为100℃至110℃，使锂离子电池在正常生产或测试工况下保持绝缘，有利于锂离子电池正常使用。
本申请的一种实施方案中，热收缩胶纸在100℃时的收缩率为50％至90％，能够使热收缩胶纸在受热后有效收缩，使第一极片、第二极片间通过热敏层导通，热敏层可控地将锂离子电池的电能转化为热能，提升了锂离子电池安全性。本申请实施例的热收缩胶纸可根据实际需求进行选择，需要快速放电时可以选择温度响应快、收缩率大的热收缩胶纸，需要缓慢放电时可以选择收缩率小的热收缩胶纸，只要能实现本申请目的即可。
本申请的一种实施方案中，热敏层的阻抗R的变化范围为20mΩ至1000Ω。常温时热敏层的阻抗处于mΩ级别，当温度升高后(例如升高到100℃)，阻抗随之增长，热敏层阻抗处于Ω(欧姆)级别，随着温度继续升高，热敏层的阻抗会继续增长到kΩ(千欧姆)级别。如此，热敏层能够可控地将锂离子电池的电能转化为热能，提升了锂离子电池安全性。
本申请的一种实施方案中，热敏层的厚度大于或等于热收缩胶纸的厚度。如此，热收缩胶纸受热收缩后，热敏层与第一极片能够紧密接触放电，提升了锂离子电池的安全性。
本申请的一种实施方案中，热敏层的厚度为0.3mm至2mm，热收缩胶纸的厚度为0.05mm至0.5mm。通过分别控制热敏层和热收缩胶纸的厚度在上述范围内，热收缩胶纸受热收缩后，热敏层与第一极片能够紧密接触放电，提升了锂离子电池的安全性。
本申请实施例中，热敏层在100℃时的阻抗R表示为：
Figure BDA0003363658740000051
式中，R为所述热敏层的阻抗，U为热敏层施加的电压，Cap为锂离子电池的额定容量。
本申请还提供了一种电子装置，包括上述任一实施方案所述的电化学装置。
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：
热收缩胶纸热收缩率测试：
将热收缩胶纸裁切成半径为30mm的小圆片贴于正极极片上，置于100℃的烘箱中，计算热收缩胶纸的热收缩率。
热收缩率表示为：S1/S0×100％，其中，S1表示热收缩胶纸收缩后的面积，S0表示热收缩胶纸收缩前的面积。
热敏层阻抗随温度变化测试：
将热敏电阻材料涂覆于耐高温的基材上(如不锈钢)，形成热敏层，将热敏层和基材置于以5℃/min的升温速率升温的烘箱中，将热敏层连接上电阻仪，测试热敏层在不同温度对应的阻抗值。
高温测试：
1)将各实施例和对比例制得的锂离子电池每组各20个满充后，装入热箱夹具中；
2)以5℃/min的升温速率将热箱温度由室温上升到预定温度，例如125℃或130℃；
3)保持上述预定温度60分钟，观察锂离子电池是否起火燃烧，若起火燃烧则未通过测试，若无起火燃烧则通过测试。
实施例1
<正极极片的制备>
将正极活性材料钴酸锂、乙炔黑、聚偏二氟乙烯(PVDF)按质量比94∶3∶3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75wt％的浆料，并搅拌均匀。将浆料均匀涂覆在厚度为12μm的铝箔的一个表面上，90℃条件下烘干，冷压后得到正极活性材料层厚度为95μm的正极极片，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材料层的正极极片。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>
将负极活性材料人造石墨、乙炔黑、丁苯橡胶及羧甲基纤维素钠按质量比96∶1∶1.5∶1.5混合，然后加入去离子水作为溶剂，调配成固含量为70wt％的浆料，并搅拌均匀。将浆料均匀涂覆在厚度为8μm的铜箔的一个表面上，110℃条件下烘干，冷压后得到负极活性材料层厚度为65μm的单面涂覆负极活性材料层的负极极片，然后在该负极极片的另一个表面上重复以上涂覆步骤，得到双面涂覆有负极活性材料层的负极极片。将负极极片裁切成(74mm×867mm)的规格并焊接极耳后待用。
<隔离膜的制备>
以厚度为15μm的聚乙烯(PE)多孔聚合薄膜作为隔离膜。
<电解液的制备>
在含水量小于10ppm的环境下，将非水有机溶剂碳酸二甲酯(DMC)、碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)按照质量比6.2∶1∶1混合，然后向非水有机溶剂中加入六氟磷酸锂(LiPF6)溶解并混合均匀。其中，LiPF6在电解液中的质量分数为12.5wt％。
<锂离子电池的制备>
将正极极片、隔离膜、负极极片按顺序叠好，使隔离膜处于正极极片和负极极片中间起到隔离的作用，在隔离膜的表面开一通孔，在通孔靠近负极极片一侧平铺一层热收缩胶纸，在通孔靠近正极极片一侧涂覆一层厚度为1mm的PTC陶瓷涂层(即热敏层)，形成图1所示结构。其中，热收缩胶纸的收缩率为50％，PTC陶瓷涂层的阻抗R随温度的变化范围为20mΩ至1000Ω。将上述部件卷绕得到电极组件，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。锂离子电池的额定电压为4.45V，额定容量为5Ah。
实施例2
除了热收缩胶纸的收缩率为90％、PTC陶瓷涂层的厚度为0.5mm以外，其余与实施例1相同。
实施例3
除了热收缩胶纸的收缩率为90％、PTC陶瓷涂层的厚度为2mm以外，其余与实施例1相同。
实施例4
除了热收缩胶纸的收缩率为90％、PTC陶瓷涂层的厚度为1mm以外，其余与实施例1相同。
实施例5
除了在<锂离子电池的制备>中，使隔离膜表面的通孔位于极耳在隔离膜表面的正投影处，形成图3、图4所示结构以外，其余与实施例2相同。
实施例6
除了在<正极极片的制备>中，将正极极片裁切为41mm×61mm的规格，在<负极极片的制备>中，将负极极片裁切为38mm×58mm的规格，<锂离子电池的制备>与实施例1不同以外，其余与实施例1相同。
<锂离子电池的制备>
将正极极片、隔离膜和负极极片按顺序叠好，使隔离膜处于正极极片和负极极片中间起到隔离的作用，在隔离膜的表面开一通孔，在通孔靠近负极极片一侧平铺一层热收缩胶纸，在通孔靠近正极极片一侧涂覆一层厚度为1mm的PTC陶瓷涂层，形成图1所示结构。其中，热收缩胶纸的收缩率为90％，PTC陶瓷涂层的阻抗R随温度的变化范围为20mΩ至1000Ω。用胶带将整个叠片结构的四个角固定好后，置入铝塑膜中，经顶侧封、注液、封装后，最终得到锂离子叠片电池。
对比例1
除了<锂离子电池的制备>与实施例1不同以外，其余与实施例1相同。
<锂离子电池的制备>
将正极极片、隔离膜、负极极片按顺序叠好，使隔离膜处于正极极片和负极极片中间起到隔离的作用。上述部件卷绕得到电极组件，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。
对比例2
除了<锂离子电池的制备>与实施例6不同以外，其余与实施例6相同。
<锂离子电池的制备>
将正极极片、隔离膜和负极极片按顺序叠好，使隔离膜处于正极极片和负极极片中间起到隔离的作用。用胶带将整个叠片结构的四个角固定好后，置入铝塑膜中，经顶侧封、注液、封装后，最终得到锂离子叠片电池。
各实施例和对比例的测试性能如表1所示。
表1
组别 125℃热箱测试60分钟 130℃热箱测试60分钟
实施例1 20/20通过 18/20通过
实施例2 20/20通过 16/20通过
实施例3 20/20通过 19/20通过
实施例4 20/20通过 20/20通过
实施例5 20/20通过 17/20通过
实施例6 20/20通过 20/20通过
对比例1 5/20通过 0/20通过
对比例2 5/20通过 0/20通过
从实施例1至实施例5和对比例1、实施例6和对比例2可以看出，本申请的锂离子电池，在通孔面向第一极片的一侧设置热收缩胶纸，在通孔面向第二极片的一侧设置热敏层，当锂离子电池温度过高时，热收缩胶纸受热收缩，使热敏层与第一极片接触，从而使正、负极极片间通过热敏层导通，进而通过热敏层将电能转化为热能，能够可控地将锂离子电池的电能转化为热能，避免短时大电流放电，从而降低锂离子电池因短时间内大量产热而导致的热失控风险，125℃热箱测试和130℃热箱测试通过个数均显著提高。可见，本申请的锂离子电池具有优异的安全性，尤其是高温环境下的安全性。
从实施例1和实施例6可以看出，锂离子电池为卷绕结构或叠片结构时，本申请的锂离子电池的125℃热箱测试和130℃热箱测试通过个数均高于普通的锂离子电池。可见，具有本申请结构的锂离子电池具有优异的安全性，尤其是高温环境下的安全性。
从实施例1至实施例5可以看出，通过控制热收缩胶纸的收缩率、热敏层的厚度在本申请范围内，能够使本申请的锂离子电池具有优异的安全性，尤其是高温环境下的安全性。
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 (10)

1.一种电化学装置，包括电极组件，所述的电极组件包括：第一极片、第二极片和隔离膜，所述隔离膜设置于所述第一极片和所述第二极片之间；
其中，所述隔离膜具有通孔，所述通孔面向所述第一极片的一侧设置有热收缩胶纸，所述通孔面向所述第二极片的一侧设置有热敏层，所述热收缩胶纸用于在热收缩前保持所述第一极片和所述第二极片间绝缘，且所述热敏层的阻抗随温度升高而增大。
2.根据权利要求1所述的电化学装置，其中，所述热收缩胶纸在所述第二极片上的正投影覆盖所述通孔在所述第二极片上的正投影。
3.根据权利要求1所述的电化学装置，其中，所述热敏层在所述第二极片上的正投影覆盖所述热收缩胶纸在所述第二极片上的正投影。
4.根据权利要求1所述的电化学装置，其中，所述第一极片包括极耳，所述极耳与所述热收缩胶纸相贴合。
5.根据权利要求1所述的电化学装置，其中，所述热收缩胶纸的收缩起始温度大于或等于100℃。
6.根据权利要求1所述的电化学装置，其中，所述热收缩胶纸在100℃时的收缩率为50％至90％。
7.根据权利要求1所述的电化学装置，其中，所述热敏层的阻抗R的变化范围为20mΩ至1000Ω。
8.根据权利要求1所述的电化学装置，其中，所述热敏层的厚度大于或等于所述热收缩胶纸的厚度。
9.根据权利要求1所述的电化学装置，其中，所述热敏层的厚度为0.3mm至2mm。
10.一种电子装置，其中，包括权利要求1至9任一项所述的电化学装置。
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