CN114725388A - 电化学装置以及电子装置 - Google Patents

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CN114725388A CN202210261722.7A CN202210261722A CN114725388A CN 114725388 A CN114725388 A CN 114725388A CN 202210261722 A CN202210261722 A CN 202210261722A CN 114725388 A CN114725388 A CN 114725388A
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武锐涛
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Abstract

本申请公开了一种电化学装置以及电子装置，该电化学装置电极组件，电极组件包括正极极片、负极极片以及将正极极片和负极极片分隔开的隔离膜。正极极片包括正极集流体、正极活性物质层和非活性物质层。正极活性物质层形成于正极集流体的表面，非活性物质层形成于正极活性物质层背离正极集流体的表面。沿第一方向，非活性物质层的厚度为1微米至20微米，其中，第一方向为正极集流体的厚度方向。并且锂离子在非活性物质层的扩散速率小于在正极活性物质层的扩散速率。通过上述方式，本申请能够减小该区域在电化学装置充电时的电流密度，以利于电化学装置的充放电倍率的提升。

Description

电化学装置以及电子装置
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以及电子装置。
背景技术
对电化学装置进行充电时，正极失去电子，锂离子可从正极活性物质层的晶格脱嵌，之后，锂离子穿过隔离膜迁移至负极，并嵌入负极活性物质层的空穴内。与此同时，电子也经由外电路到达负极，负极得到的电子与嵌入的锂离子结合形成锂碳层间化合物。而电化学装置在放电时则发生相反的过程。
目前，随着电化学装置的动力学性能不断提升，其充放电倍率越来越大。在高倍率的充放电循环过程中，电解液中的锂离子浓度易出现不均匀的情形，并在不同位置存在锂金属沉积不均匀的情况。反映到电极组件的阳极上，阳极极片的表面上会出现部分区域沉积速度过快的现象，进而形成具有尖锐结构的锂枝晶。锂枝晶的存在易刺穿隔离膜形成短路，不利于电化学装置的充放电倍率的提升。
发明内容
本申请的一个目的在于提供一种电化学装置，改善电化学装置中极片易析锂的情形。
本申请提供一种电化学装置，该电化学装置包括电极组件，所述电极组件包括正极极片、负极极片以及将所述正极极片和所述负极极片分隔开的隔离膜。所述正极极片包括正极集流体、正极活性物质层和非活性物质层。所述正极活性物质层形成于所述正极集流体的表面，所述非活性物质层形成于所述正极活性物质层背离所述正极集流体的表面。沿第一方向，所述非活性物质层的厚度为1微米-20微米，其中，所述第一方向为所述正极集流体的厚度方向。并且锂离子在所述非活性物质层的扩散速率小于在所述正极活性物质层的扩散速率。这样设置的好处在于，能够减小与非活性物质层相对应的正极活性物质层的区域的锂离子的扩散速率，从而减小该区域在电化学装置充电时的电流密度，进而优化与非活性物质层相对应的负极极片的嵌锂均匀性，以利于电化学装置的充放电倍率的提升。
在一些可选地实施例中，所述正极极片具有第一部分、第二部分和第三部分，沿第二方向，所述第一部分连接于所述第二部分的一端，所述第三部分连接于第二部分的另一端。其中，所述第二方向垂直于所述第一方向，所述第二方向为正极集流体的宽度方向。所述非活性物质层包括第一非活性物质层，所述第一非活性物质层设置于所述第一部分和/或第三部分。以减缓第一部分和第三部分的正极活性物质层的锂离子脱出速度，进而减少与第一部分和第三部分对应负极极片的区域析锂现象。
在一些可选地实施例中，沿所述第二方向，所述第一非活性物质层的宽度与所述正极集流体的宽度的比值为0.01％-30％，以利于节省涂布成本。
在一些可选地实施例中，所述正极极片、所述隔离膜和所述负极极片依次叠置并卷绕形成所述电极组件。所述正极极片包括第一空白区、第一双面区、第一单面区和第二空白区。沿卷绕方向，所述第一双面区具有靠近卷绕中心的卷绕起始端和远离卷绕中心的卷绕终止端。所述第一空白区连接于所述卷绕起始端。所述第一单面区连接于所述卷绕终止端。所述第二空白区连接于所述第一单面区远离所述卷绕终止端的一端。所述非活性物质层包括第二非活性物质层，所述第二非活性物质层设置于所述卷绕起始端、所述卷绕终止端和所述第一单面区远离所述卷绕终止端的一端中的至少一者，以减缓与其相对应的正极活性物质层的锂离子脱出速度，进而减少负极极片与其对应的区域析锂现象。
在一些可选地实施例中，沿第三方向，所述第二非活性物质层的宽度为1微米-30微米。其中，所述第三方向、所述第二方向和所述第一方向两两相互垂直。第二非活性物质层的宽度限定于此数值范围内，既具有良好的减缓锂离子脱出速度的效果，又利于节省涂布成本。
在一些可选地实施例中，所述负极极片具有第二单面区。所述非活性物质层包括第三非活性物质层。所述第三非活性物质层设置于与所述第二单面区相对应的所述正极极片的所述第一双面区，以减缓与其相对应的正极活性物质层的锂离子脱出速度，进而减少负极极片与其对应的区域析锂现象。
在一些可选地实施例中，所述正极极片设有第一凹槽，所述第一凹槽的底部露出所述正极集流体。所述电化学装置包括正极耳和第一粘接件。所述正极耳的一部分收容于第一凹槽内并与所述正极集流体连接。所述第一粘接件固定于所述正极极片，并覆盖所述第一凹槽。所述非活性物质层包括第四非活性物质层。所述第四非活性物质层环绕设置于所述第一粘接件的周缘。
在一些可选地实施例中，所述电化学装置还包括负极耳和第二粘接件。所述负极耳的一部分与所述负极集流体连接，。所述正极极片还设有与所述负极耳相对应的第二凹槽。所述第二凹槽的底部露出所述正极集流体，所述第二粘接件固定于所述正极极片，并覆盖所述第二凹槽。所述非活性物质层包括第五非活性物质层。所述第五非活性物质层环绕设置于所述第二粘接件的周缘。
所述正极极片设有凹槽，所述凹槽的底部露出所述正极集流体。所述正极耳的一端收容于凹槽内并与所述正极集流体连接。所述电化学装置还包括粘接件。所述粘接件固定于所述正极极片，并覆盖所述凹槽。所述非活性物质层还包括第五非活性物质层。所述第五非活性物质层环绕所述粘接件的周缘设置。
在一些可选地实施例中，所述电极组件包括沿所述卷绕方向依次连接的第一平直段、第一弯折段、第二平直段和第二弯折段。其中，所述第一平直段与所述第二平直段相对设置，所述第一弯折段与所述第二弯折段相对设置。所述非活性物质层还包括第六非活性物质层。所述第六非活性物质层设置于所述第一弯折段和/或所述第二弯折段。
本申请采用的另一个技术方案是：提供一种电子装置，包括上述所述的电化学装置。
本申请的有益效果是：通过将非活性物质层形成于正极活性物质层的表面，即将非活性物质层形成于正极活性物质层的表面，并且锂离子在非活性物质层的扩散速率小于锂离子在正极活性物质层的扩散速率，可减缓正极活性物质层中锂离子脱出速度。换言之，与非活性物质层所对应的正极活性物质层中的部分锂化合物未形成锂离子，在相同时间内与非活性物质层所对应的负极活性物质层嵌入的锂总量减少，减少了与非活性物质层所对应的负极活性物质层区域沉积速度过快的现象，进而改善了电化学装置中易析锂的情形。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，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，还可以根据附图获得其他的附图。
图1为本申请其中一实施例提供的手机的结构示意图；
图2为图1示出的电化学装置中的电极组件卷绕时且并未涂覆非活性物质层的结构示意图；
图3为图2示出的电极组件中的正极极片的第一双面区或第一单面区处于未卷绕状态下的局部示意图；
图4为图3所示的正极极片的沿第一方向的一剖视图；
图5为图3所示的正极极片的沿第一方向的另一剖视图；
图6为图2示出的电极组件中的正极极片的第一双面区的卷绕起始端的局部示意图；
图7为图6所示的第一双面区的卷绕起始端沿第一方向的一剖视图；
图8为图6所示的第一双面区的卷绕起始端沿第三方向的另一剖视图；
图9为图2示出的电极组件中正极极片的第一双面区和与正极极片的第一双面区相对应的负极极片的第二单面区局部示意图；
图10为图2示出的电极组件中正极极片设有第一凹槽和第二凹槽的结构示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有开展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。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
在本申请的描述中，应当说明的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
另外，有时在本文中以范围格式呈现量、比率和其它数值。应理解，此类范围格式是用于便利及简洁起见，且应灵活地理解，不仅包含明确地指出为范围限制的数值，而且包含涵盖于所述范围内的所有个别数值或子范围，如同明确地指定每一数值及子范围一般。
在本申请的描述中，应当说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
本申请公开的电化学装置适用于应用该电化学装置的电子装置。这样，可改善现有电化学装置中局部析锂的情形，以提升电化学装置的安全性能。可以理解的是，本申请实施例的电子装置没有具体限定。上述电子装置可以包括，但不限于，笔记本电脑、笔输入型计算机、移动电脑、电子书播放器、便携式电话、便携式传真机、便携式复印机、便携式打印机、头戴式立体声耳机、录像机、液晶电视、手提式清洁器、便携CD机、迷你光盘、收发机、电子记事本、计算器、存储卡、便携式录音机、收音机、备用电源、电机、电动车、汽车、摩托车、助力自行车、自行车、照明器具、玩具、游戏机、钟表、电动工具、闪光灯、照相机、家庭用大型蓄电池和锂离子电容器。但为描述简洁，下述各实施例均以电子装置为手机进行举例说明。
请参阅图1示出的示例，图1示出了一种手机的结构示意图。该手机的内部安装有上述电化学装置01，电化学装置01为手机提供电能或储存电能，满足使用手机时的用电需求。可以理解的是，本申请实施例的电化学装置01的种类实则可以是多样的。例如，该电化学装置01可以包括所有种类的一次电池、二次电池、燃料电池、太阳能电池或电容。可选地，该电化学装置01为锂二次电池，其包括锂金属二次电池、锂离子二次电池、锂聚合物二次电池或锂离子聚合物二次电池。为描述简洁，下述各实施例均以电化学装置01为锂离子二次电池进行举例说明。
请结合图2一并参阅图1示出的示例，图2为图1所示的电化学装置01中电极组件1的结构示意图。该电化学装置01包括壳体(图未示)、电极组件1和极耳(未示出)。壳体为电极组件1的安装支撑结构。壳体设有腔体，腔体用于容置电极组件1，以对电极组件1进行保护。电极组件1为电化学装置01实现充放电功能的部件。电极组件1容置于腔体内，电极组件1包括正极极片11、负极极片13和将正极极片11和负极极片13分隔开的隔离膜12。极耳与电极组件1连接，极耳穿过壳体并露出于壳体之外形成连接端子，连接端子用于与外界电导通。其中，与电极组件1的正极极片11连接的极耳称为正极耳。相应的，正极耳引出壳体外并用于与外界电连接的部分称为正极端子。与电极组件1的负极极片13连接的极耳称为负极耳。相应的，负极耳引出壳体外并用于与外界电连接的部分称为负极端子。
对于上述正极极片11，请参阅图3示出的示例，图3为本申请其中一实施例提供的电极组件1的结构示意图。正极极片11包括正极集流体111、正极活性物质层112和非活性物质层。正极活性物质层112形成于正极集流体111的表面，非活性物质层形成于正极活性物质层112背离正极集流体111的表面。具体地，正极活性物质层112可形成于正极集流体111一侧的表面，也可形成于正极集流体111相对侧的两表面。当正极活性物质层112形成于正极集流体111相对侧的两表面时，非活性物质层可仅形成于正极集流体111一侧的正极活性物质层112的表面，或者，非活性物质层也可各自形成于正极集流体111相对侧的两正极活性物质层112的表面，在本申请公开的实施例中不作具体限定。
其中，正极集流体111不仅为正极活性物质层112和非活性物质层的承载结构，还为正极极片11的导电结构。正极集流体111可与正极耳连接，以向外部输出或从外部输入电子。具体地，正极集流体111为金属材料制成的。该金属材料可包括Ni、Ti、Cu、Ag、Au、Pt、Fe、Co、Cr、W、Mo、Al、Mg、K、Na、Ca、Sr、Ba、Si、Ge、Sb、Pb、In、Zn及其组合(合金)中的至少一种。示例性地，正极集流体111可为铜箔制成的。
正极活性物质层112为正极活性物质构成的浆料形成于正极集流体111的表面上的层状结构。该层状结构具有锂离子传导性，并且即使正极活性物质和固体电解质接触也能维持形态而不流动。正极活性物质为可通过锂离子相对于层间进行插入/脱离(插进/脱出)而能够进行电极反应的物质。
可选地，正极活性物质可为LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2、LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiCoMnO4、Li2NiMn3O8等锂金属氧化物。或者，LiFePO4、LiMnPO4、LiNiPO4、LiCoPO4、Li3Fe2(PO4)3和Li3V2(PO4)3等磷酸金属锂。可以理解的是，作为构成正极活性物质层112的材料，除了正极活性物质之外，也可以包括但不限于导电助剂、烧结助剂、粘结剂等。其中，导电助剂可具有导电性。例如，乙炔黑、科琴黑、碳纤维、碳纳米管、碳纳米纤维和石墨烯等炭黑。烧结助剂可具有催化性。例如，陶瓷。粘结剂可具有粘合性。例如，聚偏二氟乙烯、偏氟乙烯-氟化烯烃的共聚物、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯腈、聚丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶、聚胺酯、氟化橡胶或聚乙烯醇等的聚合物材料中的至少一种。在正极活性物质中加入上述物质可降低浆料涂覆后的粘接力，以提高浆料的可加工性。
非活性物质层为非活性物质构成的浆料形成于正极活性物质层112远离正极集流体111表面上的层状结构。该层状结构具有锂离子传导性，并且即使非活性物质和固体电解质接触也能维持形态而不流动。非活性物质为基本不含有正极活性物质和负极活性物质的固体电解质。在此，“基本上不含有正极活性物质和负极活性物质”是指在非活性物质层与正极活性物质层112之间没有短路等问题的程度而不具有正极活性物质和负极活性物质。示例性地，固体电解质为氧化物固体电解质或硫化物固体电解质等。可以理解的是，作为构成非活性物质层的材料，除了固体电解质之外，也可以包括但不限于导电助剂、烧结助剂、粘结剂。导电助剂、烧结助剂、粘接剂可使用关于正极活性物质层112提及的导电助剂、烧结助剂和粘接剂。
应当说明的是，本申请公开的正极活性物质层112与非活性物质层的区别不仅在于二者使用的材料不同。更在于锂离子在非活性物质层的扩散速率小于锂离子在正极活性物质层112的扩散速率。在此，锂离子在非活性物质层的扩散速率是指从非活性物质层靠近正极活性物质层112一侧向非活性物质层远离正极活性物质层112一侧的锂离子通过容易度。锂离子在正极活性物质层112的扩散速率是指从正极活性物质层112靠近正极集流体111一侧向正极活性物质层112远离正极集流体111一侧的锂离子通过容易度。可认为主要由正极活性物质层112和非活性物质层中的固体电解质作出的贡献。
具体地，非活性物质层背向正极活性物质层112的表面至非活性物质层与正极活性物质层112接触的表面之间的垂直距离为1微米-20微米。这样设置的好处在于，能够减小与非活性物质层相对应的正极活性物质层112区域的锂离子的扩散速率，从而减小该区域在电化学装置01充电时的电流密度，进而优化与非活性物质层相对应的负极极片13的嵌锂均匀性，以利于电化学装置01的充放电倍率的提升。这一点将在后面结合电化学装置01的析锂窗口测试进行更详细的说明。
进一步地，非活性物质层背向正极活性物质层112的表面至正极活性物质层112与正极集流体111接触的表面之间的垂直距离等于未与非活性物质层相对应的正极活性物质层112的相对两侧之间的垂直距离。这样在减少该区域在电化学装置01充电时的电流密度的同时，还可改善该非活性物质层的占用空间，利于提高电化学装置01的能量密度。当然，非活性物质层背向正极活性物质层112的表面至正极活性物质层112与正极集流体111接触的表面之间的垂直距离大于或小于未与非活性物质层1131相对应的正极活性物质层112的相对两侧之间的垂直距离，在此申请中不作具体限定。
可选地，正极活性物质层112与非活性物质层的组合阻抗大于正极活性物质层112的阻抗，以进一步提升该电化学装置01的充放电倍率。
对于上述隔离膜12，隔离膜12为隔绝电子并导通离子的微孔性或多孔性的薄膜，其具有电解液保持能力。隔离膜12设置于正极极片11与负极极片13之间，并与正极活性物质层112和负极极片13不接触，以防止极性相异的正极极片11与负极极片13接触短路。当然，隔离膜12也可与正极活性物质层112和负极极片13中的至少一部分接触。
隔离膜12可包括基材和多孔层。多孔层形成于基材的至少一表面，多孔层可以提升基材的耐热性能、抗氧化性能和电解液浸润性能，增强隔离膜12与正极极片11或负极极片13之间的粘接性。
其中，基材可为具有多孔结构的无纺布、膜或复合膜，基材可包括聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚酰亚胺中的至少一种。示例性地，可选用聚丙烯多孔膜、聚乙烯多孔膜、聚丙烯无纺布、聚乙烯无纺布或聚丙烯-聚乙烯-聚丙烯多孔复合膜。
多孔层可以是聚合物层或无机物层，也可以是混合聚合物与无机物所形成的层。聚合物层包括聚酰胺、聚丙烯腈、丙烯酸酯聚合物、聚丙烯酸、聚丙烯酸盐、聚乙烯呲咯烷酮、聚乙烯烷氧、聚偏氟乙烯、聚(偏氟乙烯-六氟丙烯)中的至少一种聚合物。无机物层包括无机颗粒和粘结剂，无机颗粒选自氧化铝、氧化硅、氧化镁、氧化钛、二氧化铪、氧化锡、二氧化铈、氧化镍、氧化锌、氧化钙、氧化锆、氧化钇、碳化硅、勃姆石、氢氧化铝、氢氧化镁、氢氧化钙和硫酸钡中的至少一种。粘结剂选自聚偏氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯的共聚物、聚酰胺、聚丙烯腈、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸、聚丙烯酸盐、聚乙烯呲咯烷酮、聚乙烯烷氧、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯和聚六氟丙烯中的至少一种。
对于上述负极极片13，负极极片13包括负极集流体131和负极活性物质层132。负极活性物质层132形成于负极集流体131的表面。具体地，负极活性物质层132可形成于负极集流体131一侧的表面，也可形成于负极集流体131相对的两侧表面。在本申请公开的实施例中不作具体限定。
其中，负极集流体131不仅为负极活性物质层132的承载结构，还为负极极片13的导电结构。负极集流体131可与负极耳连接，以向外部输出或从外部输入电子。具体地，负极集流体131为金属材料制成的。该金属材料可包括Ni、Ti、Cu、Ag、Au、Pt、Fe、Co、Cr、W、Mo、Al、Mg、K、Na、Ca、Sr、Ba、Si、Ge、Sb、Pb、In、Zn及其组合(合金)中的至少一种。示例性地，负极集流体131可为铝箔制成的。
负极活性物质层132为负极活性物质构成的浆料形成于负极集流体131的表面上的层状结构。该层状结构具有锂离子传导性，并且即使负极活性物质和固体电解质接触也能维持形态而不流动。负极活性物质为可在电化学装置01放电时放出锂离子并且任意地在电化学装置01的充电时吸留锂离子的物质。可选地，负极活性物质可包括石墨和硬碳等碳材料，或者Si、Si合金和Li4Ti5O12等。可以理解的是，作为构成负极活性物质层132的材料，除了负极活性物质之外，也可以包括但不限于、导电助剂、烧结助剂、粘结剂等。导电助剂、烧结助剂、粘接剂可使用关于正极活性物质层112提及的导电助剂、烧结助剂和粘接剂。
当电化学装置01放电时，正极集流体111可将正极活性物质层112、负极活性物质层132和电化学装置01的电解液共同发生电化学反应时所产生的电子汇集并通过正极耳传导至正极端子处。同理，负极集流体131可将负极活性物质层132、正极活性物质层112和电解液共同发生电化学反应时所产生的电子汇集并通过负极耳传导至负极端子处，以向外部输出电能。而电化学装置01充电时的电子传导路径则相反，以将外部输入的电能转变为化学能。通过将非活性物质层形成于正极活性物质层112的表面，即将非活性物质层形成于正极活性物质层的表面，并且锂离子在非活性物质层的扩散速率小于锂离子在正极活性物质层112的扩散速率，可减缓正极活性物质层112中锂离子脱出速度。换言之，与非活性物质层所对应的正极活性物质层112中的部分锂化合物未形成锂离子，在相同时间内与非活性物质层所对应的负极活性物质层132嵌入的锂总量减少，减少了与非活性物质层所对应的负极活性物质层132区域沉积速度过快的现象，进而改善了电化学装置01中易析锂的情形。
为了在接下来能够清楚地描述各方位，利用图2-10中的坐标系对各方向进行了定义。如图2所示，坐标轴X表示正极集流体111的厚度方向。在本申请一些实施例中，可以是电极组件1的第一平直段1a与第二平直段1c相对布置的方向。坐标轴Y表示正极集流体111的宽度方向。在本申请一些实施例中，可以是正极耳或负极耳的伸出方向。坐标轴Z表示正极集流体111的长度方向。在申请一些实施例中，可以是电极组件1的第一弯折段1b与第二弯折段1d相对布置的方向。其中，第一方向、第二方向和第三方向两两相互垂直。
基于上述方位定义，以下参照附图说明所例示的实施例，对上述电极组件1的具体结构展开说明。且下面所采用的“上”、“下”、“顶”、“底”等表示方位或位置关系的名词，均相对于第二方向Y而言。应当说明的是，本申请公开的电极组件1以卷绕式电极组件举例说明，即正极极片11、隔离膜12和负极极片13依次叠置并卷绕形成扁平状卷绕结构。相对于叠片式电极组件1而言，卷绕式电极组件1与叠片式电极组件1的部分构造均相同，因此以下部分描述也可适用于叠片式电极组件1。
如图2所示，该电极组件1可包括第一平直段1a、第一弯折段1b、第二平直段1c和第二弯折段1d。第一平直段1a、第一弯折段1b、第二平直段1c和第二弯折段1d沿电极组件1的卷绕方向依次分布。第一平直段1a和第二平直段1c相对设置，第一弯折段1b和第二弯折段1d相对设置，第一弯折段1b的两端分别与第一平直段1a的一端和第二平直段1c的一端连接，第二弯折段1d的两端分别与第一平直段1a和第二平直段1c的另一端连接。其中，第一平直段1a为电极组件1第一次发生弯折的位点和第二次未发生弯折的位点之间的部分。第二平直段1c为电极组件1第二次发生弯折的位点和第一次未发生弯折的位点之间的部分。第一弯折段1b为电极组件1第一次发生弯折的位点和第一次未发生弯折的位点之间的部分。第二弯折段1d为电极组件1第二次发生弯折的位点和第二次未发生弯折的位点之间的部分。
对于前述正极极片11，该正极极片11可包括第一空白区11a、第一双面区11b、第一单面区11c和第二空白区11d。沿电极组件1的卷绕方向，第一双面区11b具有靠近卷绕中心的卷绕起始端和远离卷绕中心的卷绕终止端。第一空白区11a位于电极组件1的最里侧，第一空白区11a连接于第一双面区11b的卷绕起始端。第一单面区11c连接于第一双面区11b的卷绕终止端，第二空白区11d位于电极组件1的最外侧，第二空白区11d与第一单面区11c相连接。第一空白区11a与第二空白区11d为正极集流体111沿第一方向X相对的两表面均未涂覆正极活性物质层112的部分。第一双面区11b为正极集流体111沿第一方向X相对的两表面均涂覆正极活性物质层112的部分。第一单面区11c为正极集流体111沿第一方向X的其中一表面涂覆正极活性物质层112的部分，示例性地，正极活性物质层112可涂覆于正极集流体111朝向卷绕中心的表面。应当说明的是，虽然图中通过虚线将正极极片11的第一空白区11a、第二双面区13c、第一单面区11c和第二空白区11d区分开，但实际上可能并不存在界面，正极极片11整体可以是连续的。
对于前述第一双面区11b和第一单面区11c，请参阅图3示出的示例，第一双面区11b和第一单面区11c均具有第一部分114、第二部分115和第三部分116。沿第二方向Y，第一部分114连接于第二部分115的一端，第三部分116连接于第二部分115的另一端。其中，第一部分114为第一双面区11b和第一单面区11c均靠近电极组件1底部的部分，第三部分116为第一双面区11b和第一单面区11c均靠近电极组件1顶部的部分。应当说明的是，虽然图中通过虚线将第一双面区11b和第一单面区11c的第一部分114、第二部分115和第三部分116区分开，但实际上可能并不存在界面，第一双面区11b和第一单面区11c整体可以是连续的。
对于前述负极极片13，该负极极片13可包括第三空白区13a、第二单面区13b和第二双面区13c。沿电极组件1的卷绕方向，第二单面区13b具有靠近卷绕中心的卷绕起始端和远离卷绕中心的卷绕终止端。第三空白区13a位于电极组件1的最里侧，并且第三空白区13a与正极极片11的至少部分第一空白区11a相对设置，第三空白区13a连接于第二单面区13b的卷绕起始端。第二双面区13c位于电极组件1的最外侧，并且第二双面区13c与正极极片11的至少部分第二单面区13b相对设置，第二双面区13c连接于第二单面区13b的卷绕终止端。其中，第三空白区13a为负极集流体131沿第一方向X相对的两表面均为涂覆负极活性物质层132的部分。第二单面区13b为负极集流体131沿第一方向X相对的其中一表面涂覆负极活性物质层132的部分，示例性地，负极活性物质层132可涂覆于负极集流体131背离卷绕中心的表面。第二双面区13c为负极集流体131沿第一方向X相对的两表面涂覆负极活性物质层132的部分。应当说明的是，虽然图中通过虚线将负极极片13的第三空白区13a、第二单面区13b和第二双面区13c区分开，但实际上可能并不存在界面，负极极片13整体可以是连续的。
在本申请中，正极极片11的第一部分114和/或第三部分116与电化学装置01的电解液接触充分。与正极极片11的第二部分115相比，正极极片11的第一部分114和第三部分116浓差极化较小，即第一部分114和第三部分116的锂离子脱出和迁移速度更快，使得与第一部分114和第三部分116相对应的负极极片13的区域嵌锂能力有限，最终导致负极极片13的该区域析锂。基于此，可在该正极极片11的第一部分114和/或第三部分116涂覆非活性物质层，以减缓第一部分114和/或第三部分116的正极活性物质层112的锂离子脱出速度。请结合图4一并参阅图3示出的示例，非活性物质层可包括第一非活性物质层1131，第一非活性物质层1131形成于正极极片11的第一部分114和第三部分116，可以理解的是，第一非活性物质层的涂覆位置不限于此，例如，第一非活性物质层1131可形成于第一单面区11c的第一部分114、第一单面区11c的第三部分116、第一双面区11b的第一部分114、第一双面区11b的第三部分116中的至少一者。
由于正极极片11的第一部分114或者第二部分115至正极极片11的第三部分116均与电化学装置01的电解液的接触逐渐不充分。换句话说，第一部分114或第二部分115越靠近正极极片11的第三部分116的区域析锂程度越轻微。请结合图5一并参阅图3示出的示例，当正极极片11的第一部分114和第三部分116均涂覆有第一非活性物质层1131时，沿第二方向Y，形成于第一部分114的第一非活性物质层1131的横截面积逐渐减小。以及沿第二方向Y的相反方向，形成于第三部分116的第一非活性物质层1131的横截面积逐渐减小。如此设置，使得正极极片11的第一部分114和第三部分116的各区域锂离子扩散的速率大致相同，以进一步提升电化学装置01的充放电倍率。可以理解的是，朝靠近第三部分116的方向，形成于第一部分114的第一非活性物质层1131与形成于第三部分116的第一非活性物质层1131中一者横截面积逐渐减小，另一者横截面积可保持不变。或者，形成于第一部分114的第一非活性物质层1131与形成于第三部分116的第一非活性物质层1131的横截面积均可保持不变，在本申请中不做具体限定。
应当说明的是，在本申请公开的电化学装置01中，沿第二方向Y，第一非活性物质层1131两端之间的距离与正极集流体111两端之间的距离的比值为0.01％-30％，即第一非活性物质层1131的宽度与正极集流体111的宽度的比值为0.01％-30％。若该比值小于0.01％时，则因第一非活性物质层1131的覆盖面积过小，不利于减缓第一部分114和第二部分115的正极活性物质层112的锂离子脱出速度。若该比值大于30％时，则因第一非活性物质层1131的覆盖面积过大，影响到整个正极极片11的第一非活性物质层1131的锂离子脱出速度，而不利于电化学装置01的充放电倍率的提升。
在一些实施方式中，正极极片11进行辊压工序时，在含有正极活性物质的浆料的表面张力的驱使下，使得浆料向正极极片11的第一空白区11a、第一单面区11c和第二空白区11d的迁移，烘干后形成厚边。由于厚边会在电化学装置01内部构成应力集中点，使得该处易发生析锂现象。基于此，可在正极极片11涂覆有正极活性物质层112的表面上再次涂覆非活性物质层，以减缓该厚边处的锂离子脱出速度。请结合图6-8示出的示例，非活性物质层还包括第二非活性物质层1132。第二非活性物质层1132可形成于第一双面区11b的卷绕起始端、第一双面区11b的卷绕终止端、第一单面区11c远离第一双面区11b的一端中的至少一者。进一步地，沿第三方向Z，第二非活性物质层1132的宽度为1微米-30微米。
请参阅图9示出的示例，负极耳连接于负极极片13的第三空白区13a，由于第三空白区13a与第二单面区13b连接，即第二单面区13b靠近极耳，这会造成通过第二单面区13b的电流密度较大，使得第二单面区13b的极化程度越大，使得第二单面区13b易出现析锂现象。因而，可在正极极片11朝向第二单面区13b的表面涂覆非活性物质层，以降低第二单面区13b的极化程度。具体地，非活性物质层还包括第三非活性物质层1133。第三非活性物质层1133形成于与负极极片13的第二单面区13b相对应的正极极片11的第一双面区11b。
请参阅图10示出的示例，正极极片11设有第一凹槽(图未示)，第一凹槽的底部露出正极集流体111。正极耳的一端容置于第一凹槽内，并与正极集流体111连接。电化学装置还包括第一粘接件2。第一粘接件2固定于正极极片11，并覆盖第一凹槽。非活性物质层包括第四非活性物质层1134，第四非活性物质层1134环绕设置于第一粘接件2的周缘。电化学装置的充放电循环过程中，正极耳处的电流密度较大，使得该部分的电解液浓差极化较大，并且第一粘接件2无法阻挡覆盖在第一粘接件2内的活性锂的扩散路径，而与正极极耳处对应的部分也为凹槽，即无足够空间嵌入正极活性物质层112的活性锂而析锂。因此，可在第一粘接件2的周缘涂覆第四非活性物质层1134，在相同时间内，通过延缓与第四非活性物质层1134对应的正极活性物质层112的活性锂的扩散速率，减少与正极极耳处对应的负极活性物层的活性锂总量，以改善该正极耳处的析锂现象。示例性地，第一粘接件2包括但不限于绝缘胶带。
进一步地，正极极片11还设有与负极耳相对应的第二凹槽(图未示)，第二凹槽的底部露出负极集流体131。电化学装置还包括第二粘接件3。第二粘接件3固定于正极极片11，并覆盖第二凹槽。非活性物质层还包括第五非活性物质层1135，第五非活性物质层1135环绕设置于第二粘接件3的周缘。与前述析锂成因相类似，因此可在第二粘接件3的周缘涂覆第五非活性物质层1135，以改善该第二凹槽处的析锂现象。示例性地，第二粘接件3包括但不限于绝缘胶带。
在一些实施方式中，由于卷绕式电极组件1的极片弯折处构成应力集中点，极片弯折处更易出现析锂的现象。因而，可在极片弯折处涂覆非活性物质层以减缓该极片弯折处的锂离子脱出速度。示例性地，非活性物质层还包括第六非活性物质层(图未示)。第六非活性物质层设置于正极极片11的第一弯折段1b和/或第二弯折段1d，即第六非活性物质层设置于第一双面区11b的第一弯折段1b、第一双面区11b的第二弯折段1d、第一单面区11c的第一弯折段1b和第一单面区11c的第二弯折段1d中的至少一者。
下面列举一些具体实施例和对比例以更好地对本申请进行说明，其中，采用锂离子电化学装置作为示例。
实施例1
正极极片的制备：将钴酸锂、导电剂和粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)按照97.2：1.5：1.3的质量比溶于N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液中，配成正极活性物质层浆料。过200目的筛网，配成正极活性物质层浆料，浆料固含量为70％-75％。采用铝箔作为正极集流体，使用涂布机将正极活性物质层浆料涂覆于正极集流体的表面，涂布厚度为90微米，极片的宽度为70毫米，极片的长度为1400毫米。将粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)及导电剂按6:4的比例溶于N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液中，配成非活性物质层浆料，浆料固含量为5％。在极片的第一部分和第三部分上进行非活性物质层的涂布，涂布宽度均为5毫米，涂布厚度均为1微米，涂布长度与正极活性物质层等长。经过120℃烘干、冷压、分切后得到正极极片。
负极极片的制备：将石墨、导电剂和粘结剂羧甲基纤维素钠按照97∶1.5∶1.5的质量比溶于N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液中，配成负极活性物质层浆料。过200目的筛网，配成负极活性物质层浆料，浆料固含量为40％-45％。采用铜箔作为第二集流体，将负极活性物质层浆料涂布于第二集流体。经过80℃烘干、冷压、分切后得到负极极片。
隔离膜的制备：隔离膜的基材为8微米厚的聚乙烯(PE)，在基材的相对侧的两表面各涂覆2微米氧化铝陶瓷层，最后在涂布了陶瓷层的两侧各涂覆2.5mg/cm2的粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)，烘干。
电解液的制备：在含水量小于10ppm的环境下，将六氟磷酸锂与非水有机溶剂(碳酸丙烯酯(PC)：碳酸乙烯酯(EC)：碳酸二甲酯(DMC)：碳酸甲乙酯(EMC)＝1：1：0.5：1，重量比)配制成基础电解液，加入LiPF6混合均匀得到电解液，其中LiPF6的浓度为1mol/L。
电化学装置的制备：将正极极片、隔离膜、负极极片按顺序依次叠好，使隔离膜处于正极极片和负极极片中间起到隔离的作用，并卷绕得到电极组件。将电极组件置于外包装铝塑膜中，在80℃下脱去水分后，注入上述电解液并封装，经过化成，脱气，切边等工艺流程得到锂离子电池。
其他实施例和对比例是在实施例1的步骤的基础上进行参数变更，具体变更的参数如下所述。
在对比例1中，正极极片未涂覆非活性物质层。在对比例和实施例2-6中，各正极极片时的12℃析锂窗口不同，可通过调节非活性物质层的厚度来改变各正极极片的12℃析锂窗口。在实施例7-10中，各正极极片的12℃析锂窗口不同，可通过调节非活性物质层的涂布位置来改变各正极极片的12℃析锂窗口。
下面结合实验数据对上述正极极片的非活性物质层的厚度作出分析。
析锂窗口测试：先把电化学装置放电至满放状态，然后设定特定温度(例如，12℃)，根据电化学装置设计以不同的倍率，如1C、1.1C、1.2C…进行常规充电(恒流+恒压)，即特定倍率下充电至电池截止电压，之后恒压充电至0.025C截止充电，充电后0.5C满放，对上述充放电流程循环10个周期。最后对电化学装置满充后进行拆解，观察负极极片是否析锂，在不析锂(负极极片表面不存在白斑)的情况下的最大电流定义为该电池的最大不析锂倍率，也就是析锂窗口。
能量密度测试：
电池能量密度：将待测的电化学装置在25℃环境中静置3小时，以0.5C倍率恒流充电至电压至额定电压，随后以恒压充电直到充放电倍率达到0.025C时停止充电，并将待测的电化学装置放置5分钟。之后再以0.2C倍率将电池放电至3.0V，并将待测的电化学装置放置5分钟。最后取放电容量作为电池的实际电池容量C。测试电化学装置的长宽厚分别为L，W，T，电池的放电平台电压为U，则电池的能量密度VED＝C×U/(L×W×T),其中，电池容量C的单位mA·h，平台电压U的单位V，长宽厚(L，W，T)单位为cm。
表1示出了相应实施例1至11和对比例1的各个参数和评估结果。
Figure BDA0003550378590000181
Figure BDA0003550378590000191
通过比较实施例1与对比例1可知，在形成该厚度的非活性物质层之后，有利于提升电化学装置的充电能力，而电化学装置的能量密度基本保持不变。
通过比较实施例1-6可知，随着非活性物质层厚度的增大，电化学装置的充电能力先增强后减小，电化学装置的能量密度一直减小。
通过比较实施例6、对比例2和对比例1可知，随着非活性物质层的厚度继续增大，电化学装置的充电能力不如未形成非活性物质层时的充电能力。
通过比较实施例1与实施例7/8/9/10可知，非活性物质层的厚度保持不变，调整非活性物质层的涂覆位置，有利于提升电化学装置的充电能力，而电化学装置的能量密度也基本保持不变。
以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种电化学装置，包括电极组件，所述电极组件包括正极极片、负极极片以及将所述正极极片和所述负极极片分隔开的隔离膜，其特征在于，所述正极极片包括正极集流体、正极活性物质层和非活性物质层，所述正极活性物质层形成于所述正极集流体的表面，所述非活性物质层形成于所述正极活性物质层背离所述正极集流体的表面，沿第一方向，所述非活性物质层的厚度为1微米-20微米，其中，所述第一方向为所述正极集流体的厚度方向，并且锂离子在所述非活性物质层的扩散速率小于在所述正极活性物质层的扩散速率。
2.根据权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，所述正极极片具有第一部分、第二部分和第三部分，沿第二方向，所述第一部分连接于所述第二部分的一端，所述第三部分连接于第二部分的另一端，其中，所述第二方向垂直于所述第一方向，所述第二方向为所述正极集流体的宽度方向；
所述非活性物质层包括第一非活性物质层，所述第一非活性物质层设置于所述第一部分和/或所述第三部分。
3.根据权利要求2所述的电化学装置，其特征在于，沿所述第二方向，所述第一部分或所述第三部分上的所述第一非活性物质层的宽度与所述正极集流体的宽度的比值为0.01％-30％。
4.根据权利要求2所述的电化学装置，其特征在于，所述正极极片、所述隔离膜和所述负极极片依次叠置并卷绕形成所述电极组件；
所述正极极片包括第一空白区、第一双面区、第一单面区和第二空白区，沿卷绕方向，所述第一双面区具有靠近卷绕中心的卷绕起始端和远离卷绕中心的卷绕终止端，所述第一空白区连接于所述卷绕起始端，所述第一单面区连接于所述卷绕终止端，所述第二空白区连接于所述第一单面区远离所述卷绕终止端的一端；
所述非活性物质层包括第二非活性物质层，所述第二非活性物质层设置于所述卷绕起始端、所述卷绕终止端和所述第一单面区远离所述卷绕终止端的一端中的至少一者。
5.根据权利要求4所述的电化学装置，其特征在于，沿第三方向，所述第二非活性物质层的长度为1微米-30微米，其中，所述第三方向、所述第二方向和所述第一方向两两相互垂直。
6.根据权利要求4所述的电化学装置，其特征在于，所述负极极片具有第二单面区；
所述非活性物质层包括第三非活性物质层，所述第三非活性物质层设置于与所述第二单面区相对应的所述正极极片的所述第一双面区。
7.根据权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，所述正极极片设有第一凹槽，所述第一凹槽的底部露出所述正极集流体；
所述电化学装置包括正极耳和第一粘接件，所述正极耳的一部分收容于第一凹槽内，并与所述正极集流体连接，所述第一粘接件固定于所述正极极片，并覆盖所述第一凹槽；
所述非活性物质层包括第四非活性物质层，所述第四非活性物质层环绕设置于所述第一粘接件的周缘。
8.根据权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，所述电化学装置还包括负极耳和第二粘接件，所述负极耳的一部分与所述负极集流体连接；
所述正极极片设有与所述负极耳相对应的第二凹槽，所述第二凹槽的底部露出所述正极集流体，所述第二粘接件固定于所述正极集流体，并覆盖所述第二凹槽；
所述非活性物质层包括第五非活性物质层，所述第五非活性物质层环绕设置于所述第二粘接件的周缘。
9.根据权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，所述电极组件包括沿卷绕方向依次连接的第一平直段、第一弯折段、第二平直段和第二弯折段，其中，所述第一平直段与所述第二平直段相对设置，所述第一弯折段与所述第二弯折段相对设置；
所述非活性物质层还包括第六非活性物质层，所述第六非活性物质层设置于所述第一弯折段和/或所述第二弯折段。
10.一种电子装置，其特征在于，包括如权利要求1-9任意一项所述的电化学装置。
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