CN114122566A - 电化学装置及包括其的用电设备 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种电化学装置和用电设备，所述电化学装置包括加热部，加热部包括互不重叠的第一区域和第二区域，以一定方式对加热部通电时，第一区域的单位面积内，第一区域的热功率为w1，所述第二区域的单位面积内，第二区域的热功率为w2，w1/w2≥1.05；加热部包括导电材料层。本申请加热部的不同区域具有不同的热功率，进而使电化学装置表面的温升差、电化学装置与加热组件的内外温升差均在一定范围内，整体温度分布均匀，使得电化学装置可以在大电流下(对应的温度范围内，标准的充电电流，或允许的最大倍率放电电流)安全充放电。

Description

电化学装置及包括其的用电设备
技术领域
本申请涉及电池技术领域，尤其涉及一种电化学装置及包括该电化学装置的用电设备。
背景技术
随着科技的进步，越来越多的电子产品进入到人们的日常生活中。锂离子电池作为应用范围较广的电化学装置，其在各种环境下的充放电能力成为人们关注的焦点，其中，锂离子电池在低温条件下的充放电性能显得尤为重要。
在低温条件下，锂离子电池大倍率充电存在析锂的安全隐患，小倍率充电则充电速度较慢；大倍率放电由于低温条件下内阻的增大，放电容量较低。
通常，这类问题常见的解决方式有：对于多电芯组成的电池模组，在电芯外包装(例如，电芯仓内)增加发热装置，但是这种设计会占据空间，且需要设计额外的电路，导致成本增加；对于单个电芯，可以采用外部器件或电池自身内阻对电池进行加热，其中，采用电芯自身内阻加热，由于电芯自身能够用于加热的部件内阻小，所以加热时间长，效率低，采用外部加热器件加热时，成本高且需要占据一定的空间，且局部温度高，边缘温度低，整体温度分布不均匀。
发明内容
有鉴于此，本申请提出一种电化学装置，其能在低温环境下均匀加热，进而能安全地在低温环境下实现大倍率充放。
另，还有必要提出一种包括该电化学装置的用电设备。
本申请一实施方式提供一种电化学装置，包括电极组件和加热组件，加热组件设于述电极组件内，加热组件包括加热部。加热部包括互不重叠的第一区域和第二区域，以一定方式对加热部通电时，第一区域的单位面积内，第一区域的热功率为w1，第二区域的单位面积内，第二区域的热功率为w2，w1/w2≥1.05。其中，加热部的热功率为P，第一区域的热功率为P1，第二区域的热功率为P2，P1＞P2＞0.1P。加热部包括导电材料层。
在电极组件内设置加热组件，通过调整加热组件的不同区域具有不同的热功率，进而使电化学装置表面的温升差、电化学装置与加热组件的内外温升差均在一定范围内，整体温度分布均匀，使得电化学装置可以在大电流下(对应的温度范围内，标准的充电电流，或允许的最大倍率放电电流)安全充放电。
一种实施方式中，加热组件包括设于加热部上的第一极耳，定义第一极耳伸出加热部的方向为第一方向，在加热部平面(指的是加热部的主表面所在平面)内，垂直于第一方向的方向为第二方向。其中，加热部平面与加热部的厚度方向垂直。
一种实施方式中，加热部包括多个镂空区，导电材料层通过镂空区以一定图案设置。例如，导电材料层可通过多个镂空区形成城墙状，或者，导电材料层可通过多个镂空区形成连续的凹字形结构或凸字形结构。多个镂空区可作为传热区域将加热部中心的热量传导到加热部的边缘，使得加热部中心不会有过多的热量聚集，同时提升了边缘的温度，使得加热部边缘的温度与中心温度不会有较大的差距，进而保证了电化学装置在加热时热量的均衡分布。
一种实施方式中，多个镂空区在第二方向上具有不同的宽度。一种实施方式中，通过不同宽度的镂空区的设置，在第一区域包括第一镂空区、第二区域包括第二镂空区。其中，第一镂空区域的面积为A1，第二镂空区域的面积为A2，A2/A1≥2.6。由此改善电化学装置在第二方向上的传热能力，从而改善电化学装置在加热时，其温度沿第二方向的均匀性。
一种实施方式中，沿第二方向，第二区域对应的导电材料层包括第一导电部和第二导电部。第一导电部的单位长度电阻为r1，第二导电部的单位长度电阻为r2，r1/r2≥1.05。第一导电部位于加热部的边缘区域，其所处位置对应的电极组件的散热能力强于第二导电部的散热能力。r1/r2≥1.05，则第一导电部的产热能力大于第二导电部的产热能力，如此，有利于电化学装置的热量分布均衡。
一种实施方式中，r1的取值为0.2Ω·cm-1至1.5Ω·cm-1，r2的取值为0.08Ω·cm-1至1Ω·cm-1。第一导电部位于加热部的边缘区域，所处位置处电极组件的散热能力相对较强，因此第一导电部的单位长度电阻r1不宜小于0.2Ω·cm-1，但取值也不可过高，超过1.5Ω·cm-1可能会造成局部过热的问题。第二导电部需要在有效产热的同时，避免电极组件中心区域出现局部过热现象，r2的取值在0.08Ω·cm-1至1Ω·cm-1的范围内，有利于第二导电部同时兼顾产热和传热。
一种实施方式中，进一步地，沿第二方向，第一区域对应的导电材料层包括第一导电部、第二导电部和第三导电部，第三导电部的单位长度电阻为r3，r3/r2≥1.2。第三导电部位于加热部的中心区域，第二导电部位于该中心区域与边缘区域之间，第三导电部的产热能力大于第二导电部的产热能力，有利于提高升温速率，同时使热量在电极组件中均衡分布，进而有利于电化学装置的热量分布均衡。
一种实施方式中，r3的取值为0.3Ω·cm-1至3Ω·cm-1。r3不宜小于0.3Ω·cm-1，否则产热较慢，升温慢；r3不宜超过3Ω·cm-1，否则会有局部过热的问题，影响电化学装置的温度一致性。
一种实施方式中，导电材料层包括极耳焊接区，极耳焊接区沿第二方向的宽度为L1，第一极耳沿第二方向的宽度为L2，L1/L2≥1，以满足焊接的可靠性及第一极耳的过流能力。
一种实施方式中，导电材料层沿第二方向的截面上，第二区域的导电材料层的平均横截面积/第一区域的导电材料层的平均横截面积≥1.05。其中，各区域的导电材料层的平均横截面积采用区域内导电材料层各部的平均横截面积。通过设置导电材料层具有不同的横截面积，从而使得第一区域和第二区域具有不同的热功率，进而有利于电化学装置热量的均衡分布。
一种实施方式中，第一区域的导电材料层的电阻率/第二区域的导电材料层的电阻率≥1.05。通过设置导电材料层具有不同的电阻率，从而使得第一区域和第二区域具有不同的热功率，进而有利于电化学装置热量的均衡分布。
一种实施方式中，沿厚度方向，导电材料层的厚度为1μm至80μm。导电材料层的厚度不可以过大，从而保证电化学装置的能量密度；且导电材料层的厚度不可以过小，以确保其具有较高的电子传导能力和载流能力，从而能保证加热部的加热功能。
一种实施方式中，导电材料层包括导电材料，导电材料的电阻率为10-8Ω·m至10-5Ω·m。如此，既能保证加热部的升温速率，又能降低局部过热的风险。
一种实施方式中，导电材料包括金属材料、碳系导电材料、金属氧化物或导电高分子材料中的至少一种。
一种实施方式中，金属材料包括镍、钛、铜、银、金、铂、铁、钴、铬、钨、钼、铝、镁、钾、钠、钙、锶、钡、硅、锗、锑、铅、铟、锌及其组合物中的至少一种。
一种实施方式中，碳系导电材料包括炭黑、石墨、石墨烯、碳纤维、单壁碳纳米管或多壁纳米管中的至少一种。
一种实施方式中，金属氧化物包括掺铝氧化锌、掺钙铬酸镧、二氧化锡、掺氟二氧化锡、掺锑二氧化锡、掺氟二氧化锡、氧化铟锡、掺银氧化铟锡或掺银合金氧化铟锡中的至少一种。
一种实施方式中，导电高分子材料包括聚乙炔、聚吡咯、聚噻吩、聚对苯、聚本乙炔、聚苯胺或其掺杂导电高分子材料中的至少一种，掺杂导电高分子材料中的掺杂剂包括氯、碘、溴、氯化碘、溴化碘、氟化碘、五氟化磷、氢氟酸、盐酸、硝酸、硫酸、高氯酸、五氟化钼、五氟化钨、四氯化钛、四氯化锆、氯化铁或四碘化锡中的至少一种。
一种实施方式中，电化学装置沿第一方向的平均长度为A，沿第二方向的平均宽度为B，沿厚度方向的平均厚度为C，电化学装置的密度为ρ，电化学装置的恒压比热为Cp，电化学装置的表面与环境的温差为ΔT，电化学装置的表面与环境的换热系数为h，加热电流为I。加热部沿第一方向的长度为a，沿第二方向的宽度为b，沿厚度方向的厚度为t，加热部的电阻率为ρe，加热部与电化学装置满足如下关系式：0.8≤A*B*C*ρ*Cp*ΔT/[I2*ρe*a/(b*t)-A*B*h*ΔT]＜1。其中，关系式中“*”表示乘号。
一种实施方式中，加热组件还包括覆盖加热部的绝缘层，绝缘层的热传导系数范围为0.1W/m·K至100W/m·K，绝缘层的厚度为1μm至80μm。绝缘层具有一定的热传导能力，能将加热部产生的热量传递给电极组件。绝缘层的厚度不可以过大，从而保证电化学装置的能量密度；且绝缘层的厚度不可以过小，从而保证其具有一定的机械强度和保护作用，进而降低加热组件与电极组件的极片直接连通而引发失效的风险。
一种实施方式中，绝缘层包括绝缘导热材料。
一种实施方式中，绝缘导热材料包括导热硅脂、硅胶、导热泥、灌封胶、ABS塑料、软质和硬质聚氯乙烯、石蜡、石棉、硬木、软木、UP树脂、有机玻璃、聚碳酸酯、尼龙、聚乙烯、聚丙烯、异丁烯、聚酰亚胺、聚硫胶、聚酯树脂、聚亚胺脂树脂、氯丁橡胶、聚酯马海毛、人造橡胶泡沫、聚氨酯、环氧树脂、PPS塑料、聚酰胺及其衍生物中的至少一种。
一种实施方式中，绝缘导热材料包括导热石墨片、三氧化二铝、氧化镁、氧化锌或氧化镍中的至少一种。
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，电化学装置用于为用电设备供电。
本申请在电极组件内设置加热组件，通过调整加热组件的材质、尺寸、位置等参数调整加热组件的阻值大小，使得加热组件的不同区域具有不同的热功率，进而使电化学装置表面的温升差、电化学装置与加热组件的内外温升差均在一定范围内，整体温度分布均匀，使得电化学装置可以在大电流下(对应的温度范围内，标准的充电电流，或允许的最大倍率放电电流)安全充放电。
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电极组件和加热组件的结构示意图。
图3为本申请另一实施方式提供的电极组件和加热组件的结构示意图。
图4为本申请一实施方式提供的加热组件(加热部)的结构示意图。
图5为本申请一实施方式提供的用电设备的结构示意图。
图6为对比例1的加热组件(加热部)的结构示意图。
图7为对比例2的加热组件(加热部)的结构示意图。
主要元件符号说明
电化学装置 100
用电设备 200
电极组件 10
壳体 20
加热组件 30
正极极片 11
负极极片 12
隔膜 13
正极极耳 111
负极极耳 121
加热部 31
绝缘层 32
第一区域 311
第二区域 312
导电材料层 313
第一极耳 314
镂空区 315
第一导电部 3131
第二导电部 3132
第三导电部 3133
极耳焊接区 3134
第一方向 X
第二方向 Y
厚度方向 Z
中心线 O-O
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。
需要说明，本申请实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
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和图2，本申请一实施方式提供一种电化学装置100，包括电极组件10、收容电极组件10的壳体20和电解液(图未示)。电化学装置100可以是电池，例如，二次电池(如锂离子二次电池、钠离子电池、镁离子电池等)、一次电池(如锂一次电池)或电芯等，但并不限于此。
请参阅图2，电极组件10包括正极极片11、负极极片12以及设置于正极极片11和负极极片12之间的隔膜13。正极极片设有正极极耳111，负极极片设有负极极耳121。隔膜13用于防止正极极片11和负极极片12直接接触，并能使电解液中的离子通过。图2中，电极组件10为卷绕结构，即，正极极片11、隔膜13和负极极片12依次层叠卷绕形成电极组件10。当然，电极组件10还可以由正极极片11、隔膜13和负极极片12堆叠成叠片结构，如图3所示。本申请中，正极极片11、隔膜13和负极极片12的结构、组成或材质等均为本领域常用设置，此处不再赘述。
请参阅图2和图3，电化学装置100还包括加热组件30。加热组件30设于电极组件10内，进一步地，加热组件30可设于任一正极极片11与隔膜13之间，也可设于任一负极极片12与隔膜13之间。请参阅图4，加热组件30包括加热部31。加热部31包括互不重叠的第一区域311和第二区域312。如图4所示，一些实施例中，第一区域311大致为加热部31的中心区域，第二区域312位于第一区域311的两侧。以一定方式对加热部通电时，第一区域311的单位面积内，第一区域311的热功率为w1，第二区域312的单位面积内，第二区域312的热功率为w2，w1/w2≥1.05。加热部31包括间隔设置的导电材料层313。
如图4所示，加热组件30包括设于加热部31上的第一极耳314。定义第一极耳314伸出加热部31的方向为第一方向X，在加热部31的平面内(该平面指的是加热部的主表面所在平面)，垂直于第一方向X的方向为第二方向Y。其中，加热部31平面与加热部31的厚度方向Z垂直。第一极耳314可与外部电源连接，通过外部施加电流实现加热组件30的加热功能。第一极耳314也可与电化学装置100的正极极耳111(参图2)和负极极耳121(参图2)连接，通过电化学装置100的内部电流实现加热功能。
在电极组件10内设置加热组件30，通过调整加热组件30的不同区域具有不同的热功率，进而使电化学装置100表面的温升差、电化学装置100与加热组件30的内外温升差均在一定范围内，整体温度分布均匀，使得电化学装置100能在大电流下(对应的温度范围内，标准的充电电流，或允许的最大倍率放电电流)安全充放电。
本申请中，电化学装置100沿第一方向X的平均长度定义为A，60mm≤A≤300mm；沿第二方向Y的平均宽度定义为B，30mm≤B≤300mm；沿厚度方向Z的平均厚度定义为C，2mm≤C≤20mm。加热部31沿第一方向X的长度定义为a，0.8A≤a≤0.99A；沿第二方向Y的宽度定义为b，0.8B≤b≤0.99B；沿厚度方向Z的厚度定义为t，0.001C≤t≤0.01C。加热部的尺寸不宜过小，否则会导致电化学装置100边缘处升温不均，出现局部析锂的情况；加热部的尺寸也不宜过大，否则可能会影响电化学装置100的能量密度，且不利于控制成本。
图4中，沿第二方向Y，第二区域312对应的导电材料层313包括第一导电部3131和第二导电部3132。一些实施例中，以加热部31第二方向Y的边缘为基准，沿第二方向Y距离边缘为0.013b至0.05b的区域为边缘区域，第一导电部3131位于该边缘区域。以加热部31沿第二方向Y最大长度的垂直平分线作为加热部31的中心线O-O。以该中心线O-O为基准，沿第二方向Y距中心线的距离为0.35b～0.6b的区域为过渡区域，第二导电部3132位于该过渡区域。
第一导电部3131的单位长度电阻为r1，第二导电部3132的单位长度电阻为r2。一些实施例中，r1/r2≥1.05。第一导电部3131位于加热部31的边缘区域，其所处位置对应的电极组件的散热能力强于第二导电部3132所处位置对应的电极组件的散热能力，r1/r2≥1.05，则第一导电部3131的产热能力大于第二导电部3132的产热能力，如此，有利于电化学装置的热量分布均衡。
进一步地，一些实施例中，r1的取值为0.2Ω·cm-1至1.5Ω·cm-1，r2的取值为0.08Ω·cm-1至1Ω·cm-1。第一导电部3131所处区域的电机组件散热能力相对较强，因此第一导电部3131的单位长度电阻r1不宜小于0.2Ω·cm-1，但取值也不可过高，超过1.5Ω·cm-1可能会造成局部过热的问题。第二导电部3132位于过渡区域，既要在有效产热的同时也要避免电极组件中心区域出现局部过热现象。r2的取值在0.08Ω·cm-1至1Ω·cm-1的范围内，有利于第二导电部3132同时兼顾产热和传热。
请继续参阅图4，一些实施例中，沿第二方向Y，第一区域311对应的导电材料层313包括第三导电部3133。第三导电部的单位长度电阻为r3，r3/r2≥1.2。以中心线O-O为基准，沿第二方向Y距中心线的距离为距中心线O-O的距离为0.3b的区域为中心区域，第三导电部3133位于该中心区域。第三导电部3133位于加热部31的中心区域，第二导电部3132位于中心区域与边缘区域之间的过渡区域，第三导电部3133的产热能力大于第二导电部3132的产热能力，有利于提高升温速率，且有利于电化学装置的热量分布均衡。
进一步地，一些实施例中，r3的取值为0.3Ω·cm-1至3Ω·cm-1。r3不宜小于0.3Ω·cm-1，否则产热较慢，升温慢；r3不宜超过3Ω·cm-1，否则会有局部过热的问题，影响电化学装置的温度一致性。
如图4所示，一些实施例中，加热部31包括多个镂空区315，导电材料层313通过镂空区315以一定图案设置。镂空区315可通过激光切割获得。所述图案可以是但不限于如下情形：第一导电部3131、第二导电部3132和第三导电部3133与多个镂空区315形成城墙状；第一导电部3131、第二导电部3132和第三导电部3133与多个镂空区315形成连续的凹字形结构或凸字形结构。多个镂空区315的面积之和为0.08ab至0.25ab，镂空区315面积之和过大或过小，都无法保证电化学装置在加热时热量的均衡分布。
多个镂空区315可作为传热区域将加热部31中心区域的热量传导到加热部31的边缘区域，使得加热部31中心区域的温度不会过高，同时提升了边缘区域的温度，使得加热部31边缘区域的温度与中心区域的温度不会有较大的差距，进而保证了电化学装置100在加热时热量的均衡分布。
进一步地，一些实施例中，镂空区315在第二方向Y上具有不同的宽度。一种实施方式中，通过不同宽度的镂空区315的设置，依次在第一区域311包括第一镂空区、第二区域312包括第二镂空区。其中，第一镂空区域的面积为A1，第二镂空区域的面积为A2，A2/A1≥2.6。由此改善电化学装置100在第二方向Y上的传热能力，从而改善电化学装置在加热时，其温度沿第二方向Y的均匀性。
如图4所示，一些实施例中，导电材料层313可包括极耳焊接区3134，第一极耳314设于极耳焊接区3134。极耳焊接区3134沿第二方向Y的宽度为L1，第一极耳314沿第二方向的宽度为L2，L1/L2≥1，以满足焊接的可靠性以及极耳的过流能力。
可以理解，图4中示出的只是加热部31具有的其中一种图案(形状和尺寸等)，加热部31的图案还可以依据电化学装置100的不同形状而进行设置。
一些实施例中，导电材料层沿第二方向的截面上，第二区域的导电材料层的平均横截面积/第一区域的导电材料层的平均横截面积≥1.05。也即，第三导电部3133的导电材料层的平均横截面积/第一导电部3131的导电材料层的平均横截面积≥1.05，第三导电部3133的导电材料层的平均横截面积/第二导电部3132的导电材料层的平均横截面积≥1.05。通过设置导电材料层313的导电材料层具有不同的横截面积，从而使得第一区域311和第二区域312具有不同的热功率，进而有利于电化学装置100热量的均衡分布。
一些实施例中，第一区域311的导电材料层的电阻率/第二区域312的导电材料层的电阻率≥1.05。也即，第三导电部3133的电阻率/第一导电部3131的电阻率≥1.05，第三导电部3133的电阻率/第二导电部3132的电阻率≥1.05。通过设置导电材料层313具有不同的电阻率，从而使得第一区域311和第二区域312具有不同的热功率，进而有利于电化学装置100热量的均衡分布。
一些实施例中，沿厚度方向，导电材料层313的厚度可为1μm至80μm。导电材料层313的厚度不可过大，从而保证电化学装置100的能量密度；且导电材料层313的厚度不可过小，以确保其具有较高的电子传导能力和载流能力，从而能保证加热部31的加热功能。
一些实施例中，导电材料层313可包括导电材料，导电材料的电阻率为10-8Ω·m至10-5Ω·m。如此，既能保证加热部31的升温速率，又能降低局部过热的风险。
进一步地，导电材料可包括金属材料、碳系导电材料、金属氧化物或导电高分子材料中的至少一种。
进一步地，金属材料可包括镍、钛、铜、银、金、铂、铁、钴、铬、钨、钼、铝、镁、钾、钠、钙、锶、钡、硅、锗、锑、铅、铟、锌及其组合物(合金)中的至少一种。
进一步地，碳系导电材料包括炭黑、石墨、石墨烯、碳纤维、单壁碳纳米管或多壁纳米管中的至少一种。
进一步地，金属氧化物包括掺铝氧化锌、掺钙铬酸镧、二氧化锡、掺氟二氧化锡、掺锑二氧化锡、掺氟二氧化锡、氧化铟锡、掺银氧化铟锡或掺银合金氧化铟锡中的至少一种。
进一步地，导电高分子材料包括聚乙炔、聚吡咯、聚噻吩、聚对苯、聚本乙炔、聚苯胺或其掺杂导电高分子材料中的至少一种，掺杂导电高分子材料中的掺杂剂包括氯、碘、溴、氯化碘、溴化碘、氟化碘、五氟化磷、氢氟酸、盐酸、硝酸、硫酸、高氯酸、五氟化钼、五氟化钨、四氯化钛、四氯化锆、氯化铁或四碘化锡中的至少一种。
一些实施例中，电化学装置100沿第一方向X的平均长度为A，沿第二方向Y的平均宽度为B，沿厚度方向Z的平均厚度为C，电化学装置100的密度为ρ，电化学装置100的恒压比热为Cp，电化学装置100的表面与环境的温差为ΔT，电化学装置100的表面与环境的换热系数为h，加热电流为I。加热部31沿第一方向X的长度为a，沿第二方向Y的宽度为b，沿厚度方向Z的厚度为t，加热部的电阻率为ρe，加热部31与电化学装置100满足如下关系式：0.8≤A*B*C*ρ*Cp*ΔT/[I2*ρe*a/(b*t)-A*B*h*ΔT]＜1。
一些实施例中，加热组件30还可包括覆盖加热部31的绝缘层32(图未示)。绝缘层32的热传导系数范围为0.1W/m·K至100W/m·K，绝缘层32的厚度为1μm至80μm。绝缘层32具有一定的热传导能力，能将加热部31产生的热量传递给电极组件10。绝缘层32的厚度不可过大，以降低对电化学装置100的能量密度的影响；且绝缘层32的厚度不可过小，从而保证其具有一定的机械强度和保护作用，进而降低加热组件30与电极组件10的正极极片11和/或负极极片12直接连通而引发失效的风险。
一些实施例中，绝缘层可包括绝缘导热材料。
进一步地，绝缘导热材料可包括导热硅脂、硅胶、导热泥、灌封胶、ABS塑料(丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三种单体的三元共聚物)、软质和硬质聚氯乙烯、石蜡、石棉、硬木、软木、UP树脂(不饱和聚酯)、有机玻璃(PMMA)、聚碳酸酯、尼龙、聚乙烯、聚丙烯(PP)、异丁烯、聚酰亚胺(PI)、聚硫胶、聚酯树脂、聚亚胺脂树脂、氯丁橡胶(PCP)、聚酯马海毛、人造橡胶泡沫、聚氨酯、环氧树脂、PPS塑料、聚酰胺及其衍生物中的至少一种。
进一步地，另一些实施例中，绝缘导热材料可包括导热石墨片、三氧化二铝(Al2O3)、氧化镁(MgO)、氧化锌(ZnO)或氧化镍(NiO)中的至少一种。
请参阅图5，本申请还提供一种用电设备200，其包括电化学装置100，电化学装置100用于为用电设备200供电。本申请的用电设备可以是，但不限于新能源车辆、手机、笔记本电脑、电子记事本等。
以下将结合具体实施例对本申请作进一步详细的说明。
实施例1
(1)加热组件的制备
将选择的金属材料按照设计好的加热部的图纸(设计同图4)，在激光切割设备上，切割出所需加热部的形状与尺寸。整个激光切割过程由如下过程组成：1)设计并制造与加热部形状和尺寸相近的仿形吸附夹具；2)激光切割时，将金属材料利用该仿形吸附夹具吸附进行切割加工；3)切割加工时，需在切割处注冷却液，防止切割处过热融化金属材料；4)将制好的加热部放在洁净的平台上，利用绝缘导热材料将其包裹进行塑封，得到可放入电极组件内部的加热组件。
(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)作为溶剂，调配成为固含量为0.75的浆料，并搅拌均匀。将浆料均匀涂覆在Al集流体上，正极极片上正极有效物质的重量为180g/m2。90℃条件下烘干，即已完成正极极片的单面涂布，再以同样的方法完成另一面的涂布。完成涂布后，将正极有效物质层冷压至4.0g/cm3的压实密度，随后进行极耳焊接和贴胶纸等辅助工艺，即完成了双面涂布的正极极片的全部制备流程。
(3)负极的制备
将负极活性材料石墨(Graphite)、导电炭黑(Super P)、丁苯橡胶(SBR)按照重量比96:1.5:2.5进行混合，加入去离子水(H2O)作为溶剂，调配成为固含量为0.7的浆料，并搅拌均匀。将浆料均匀涂覆在Cu集流体上，极片上负极有效物质的重量为95g/m2。110℃条件下烘干，即已完成极片负极侧的单面涂布，再以同样的方法完成另一面的涂布。完成涂布后，将极片的负极有效物质层冷压至1.7g/cm3的压实密度。随后进行极耳焊接和贴胶纸等辅助工艺，即完成了双面涂布的负极极片的全部制备流程。
(4)电解液的制备
在干燥氩气气氛中，首先将有机溶剂碳酸乙烯酯(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，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，得到锂盐的质量含量为12.5％的电解液。
(5)电化学装置的制备
选用厚度15μm的聚乙烯(PE)作为隔膜，将制备好的正极极片、加热组件、隔膜、负极极片按照顺序叠好，然后将叠好的电极组件和加热组件卷成电芯，经过顶侧封，然后对电芯进行注液，对注液完成的电芯进行化成(0.02C恒流充电到3.3V，再以0.1C恒流充电到3.6V)，然后对电芯的性能进行初步检测，最终得到电化学装置(本实施方式中为软包锂离子电池)。
实施例1中，金属材料为镍，制得的加热部沿第一方向的长度为77mm，沿第二方向的宽度为55.2mm，沿厚度方向的厚度为0.03mm。制得的电化学装置沿第一方向的平均长度为79mm，沿第二方向的平均宽度为63mm，沿厚度方向的平均厚度为4.1mm。
实施例2
与实施例1的不同之处在于：制得的加热部沿第一方向的长度为97mm，沿第二方向的宽度为60.2mm，沿厚度方向的厚度为0.02mm。制得的电化学装置沿第一方向的平均长度为99mm，沿第二方向的平均宽度为68mm，沿厚度方向的平均厚度为5.1mm。其余步骤与实施例1相同，此处不再赘述。
实施例3
与实施例1的不同之处在于：金属材料换为镍铝合金。制得的加热部尺寸与实施例1中的加热部尺寸相同，电化学装置的尺寸也与实施例1中的相同。其余步骤与实施例1相同，此处不再赘述。
对比例1
与实施例1的不同之处在于：加热部的图纸如图6所示，其镂空区315在第二方向Y上具有相同的宽度，且未设置极耳焊接区。其余均与实施例1相同，此处不再赘述。
对比例2
与实施例1的不同之处在于：加热部的图纸如图7所示，其镂空区315在第二方向Y上具有相同的宽度。其余均与实施例1相同，此处不再赘述。
将上述实施例1-3与对比例1-2制得的电化学装置进行加热测试，在恒压5V的条件下加热50s。测试加热前后电化学装置表面的温度分布以及加热前后加热组件表面的温度分布。从而，由加热后电化学装置的表面温度分布，计算加热后电化学装置的表面温差(最高温度-最低温度)以及平均温度；由加热后加热组件的表面温度分布，计算加热后加热组件的表面温差(最高温度-最低温度)以及平均温度；以及电化学装置表面与加热组件的表面温差(加热后加热组件表面的平均温度-加热后电化学装置表面的平均温度)等数据。通过测试加热前后电化学装置表面的平均温度，可算出电化学装置表面的升温速率；通过测试加热前后加热组件表面的平均温度，可算出加热组件表面的升温速率。
测试环境为25℃，模拟某型号电池仓内部环境，电化学装置的主体包有保温棉，测试仪器为腾达高低温箱和Neware(新威机)5V-12A充放电设备。具体测试方法如下：
(1)分别监控电化学装置主体表面温度、正负极极耳下端温度和电化学装置底部角位温度；
(2)加热前通过温度监控，确保电化学装置的主体表面温度为环境温度；
(3)给定一定电流，使其电压保持在5V上下，在此条件下，加热50s，得到上述测试结果；
(4)加热组件表面温度可通过两种方法获得，一种方法是监控加热组件的第一极耳两端的电压和电流算出电阻R，并根据R＝ρ*L/S计算出电阻率ρ，通过ρ＝ρ0*(1+aT)计算得出加热组件的表面温度。式中T是摄氏温度，ρ0是0℃时的电阻率(已知参数)，a是电阻率温度系数(已知参数)。另一种方法是利用CAE仿真软件，将所测电化学装置在计算机中建好模型，将模型所处环境设置为电化学装置测试时所处环境。测试电化学装置的导热、比热等参数数据，将参数数据赋给模型。通过测试与仿真对标，将模型参数进一步调整，得到准确的模型。在相同的加热电流、时间下，通过计算，得到加热组件表面温度分布。由测试得出的加热组件表面温度分布与CAE软件计算出的温度相互参照，得到可靠的加热组件表面温度分布。
上述各实施例与对比例的测试结果请见表1。
表1
Figure BDA0003378849770000151
Figure BDA0003378849770000161
由表1可知，由于对比例1和对比例2中，电化学装置的加热部未采用本申请设置，各镂空区在第二方向上的宽度一致，且各导电部单位电阻相同，所以对比例1和对比例2采用的加热部各区域的热功率一致，电化学装置的表面温差、加热组件的表面温差、电化学装置表面与加热组件的表面温差均分别显著大于实施例1-3中的结果，表明电化学装置各区域温度不平衡。虽然对比例2中，加热组件表面的升温速率和电化学装置表面的升温速率较快，但是电化学装置各处的温差也最大，电化学装置整体温度极不均衡。实施例1-3中的电化学装置，在实现较快的升温速率的同时，其表面温差、加热组件的表面温差、电化学装置表面与加热组件的表面温差均显著小于对比例1-2中的结果，表明实施例1-3中的电化学装置能在快速升温的同时使整体温度分布均匀，使得电化学装置可以在大电流下(对应的温度范围内，标准的充电电流，或允许的最大倍率放电电流)安全充放电。
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 (15)

1.一种电化学装置，包括电极组件，其特征在于，所述电化学装置还包括加热组件，所述加热组件设于所述电极组件内，所述加热组件包括加热部，
所述加热部包括互不重叠的第一区域和第二区域，以一定方式对加热部通电时，所述第一区域的单位面积内，所述第一区域的热功率为w1，所述第二区域的单位面积内，所述第二区域的热功率为w2，w1/w2≥1.05；
所述加热组件包括设于所述加热部上的第一极耳，所述第一极耳伸出所述加热部的方向为第一方向，在所述加热部平面内，垂直于所述第一方向的方向为第二方向，其中，所述加热部平面与所述加热部的厚度方向垂直；
所述加热部包括导电材料层。
2.如权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，所述加热部包括间隔设置的多个镂空区，所述导电材料层通过所述镂空区以一定图案设置。
3.如权利要求2所述的电化学装置，其特征在于，所述多个镂空区在第二方向上具有不同的宽度。
4.如权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，沿所述第二方向，所述第二区域对应的导电材料层包括第一导电部和第二导电部；所述第一导电部的单位长度电阻为r1，所述第二导电部的单位长度电阻为r2，r1/r2≥1.05。
5.如权利要求4所述的电化学装置，其特征在于，沿所述第二方向，所述第一区域对应的导电材料层包括第三导电部；所述第三导电部的单位长度电阻为r3，r3/r2≥1.2。
6.如权利要求5所述的电化学装置，其特征在于，所述电化学装置满足以下条件(a)至(c)中的至少一种：
(a)所述r1的取值为0.2Ω·cm-1至1.5Ω·cm-1；
(b)所述r2的取值为0.08Ω·cm-1至1Ω·cm-1；
(c)所述r3的取值为0.3Ω·cm-1至3Ω·cm-1。
7.如权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，所述导电材料层包括极耳焊接区，所述极耳焊接区沿所述第二方向的宽度为L1，所述第一极耳沿所述第二方向的宽度为L2，L1/L2≥1。
8.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条件中的至少一者：
(d)所述导电材料层沿第二方向的截面上，所述第二区域的导电材料层的平均横截面积/所述第一区域的导电材料层的平均横截面积≥1.05；
(e)所述第一区域的导电材料层的电阻率/所述第二区域的导电材料层的电阻率≥1.05。
9.如权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，沿垂直于所述第一方向和所述第二方向的厚度方向，所述导电材料层的厚度为1μm至80μm。
10.如权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，所述导电材料层包括导电材料，所述导电材料的电阻率为10-8Ω·m至10-5Ω·m。
11.如权利要求10所述的电化学装置，其特征在于，所述导电材料包括金属材料、碳系导电材料、金属氧化物或导电高分子材料中的至少一种；
所述金属材料包括镍、钛、铜、银、金、铂、铁、钴、铬、钨、钼、铝、镁、钾、钠、钙、锶、钡、硅、锗、锑、铅、铟、锌及其组合物中的至少一种；所述碳系导电材料包括炭黑、石墨、石墨烯、碳纤维、单壁碳纳米管或多壁纳米管中的至少一种；
所述金属氧化物包括掺铝氧化锌、掺钙铬酸镧、二氧化锡、掺氟二氧化锡、掺锑二氧化锡、掺氟二氧化锡、氧化铟锡、掺银氧化铟锡或掺银合金氧化铟锡中的至少一种；
所述导电高分子材料包括聚乙炔、聚吡咯、聚噻吩、聚对苯、聚本乙炔、聚苯胺或其掺杂导电高分子材料中的至少一种，所述掺杂导电高分子材料中的掺杂剂包括氯、碘、溴、氯化碘、溴化碘、氟化碘、五氟化磷、氢氟酸、盐酸、硝酸、硫酸、高氯酸、五氟化钼、五氟化钨、四氯化钛、四氯化锆、氯化铁或四碘化锡中的至少一种。
12.如权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，
所述电化学装置沿所述第一方向的平均长度为A，沿所述第二方向的平均宽度为B，沿所述厚度方向的平均厚度为C，所述电化学装置的密度为ρ，所述电化学装置的恒压比热为Cp，所述电化学装置的表面与环境的温差为ΔT，所述电化学装置的表面与环境的换热系数为h，加热电流为I，
所述加热部沿所述第一方向的长度为a，沿所述第二方向的宽度为b，沿所述厚度方向的厚度为t，所述加热部的电阻率为ρe，
所述加热部与所述电化学装置满足如下关系式：
0.8≤A*B*C*ρ*Cp*ΔT/[I2*ρe*a/(b*t)-A*B*h*ΔT]＜1。
13.如权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，所述加热组件还包括覆盖所述加热部的绝缘层，所述绝缘层的热传导系数范围为0.1W/m·K至100W/m·K，所述绝缘层的厚度为1μm至80μm。
14.如权利要求13所述的电化学装置，其特征在于，所述绝缘层包括绝缘导热材料，其满足以下条件(f)至(g)中的至少一种：
(f)所述绝缘导热材料包括导热硅脂、硅胶、导热泥、灌封胶、ABS塑料、软质和硬质聚氯乙烯、石蜡、石棉、硬木、软木、UP树脂、有机玻璃、聚碳酸酯、尼龙、聚乙烯、聚丙烯、异丁烯、聚酰亚胺、聚硫胶、聚酯树脂、聚亚胺脂树脂、氯丁橡胶、聚酯马海毛、人造橡胶泡沫、聚氨酯、环氧树脂、PPS塑料、聚酰胺及其衍生物中的至少一种；
(g)所述绝缘层包括绝缘导热材料，所述绝缘导热材料包括导热石墨片、三氧化二铝、氧化镁、氧化锌或氧化镍中的至少一种。
15.一种用电设备，其特征在于，包括如权利要求1-14任一项所述的电化学装置。
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