CN114744198A - 一种电芯和电池 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种电芯和电池，其中，隔膜、正极片和负极片，所述隔膜位于所述正极片和负极片之间；所述正极片包括正极集流体，以及平铺于所述正极集流体上的正极活性层和绝缘层，所述绝缘层和所述正极活性层邻接；所述绝缘层的边界在所述隔膜上的投影与所述负极片的边界在所述隔膜上的投影重合。利用邻接正极活性层的绝缘层的设置，降低与正极片相对的负极片边缘处的析锂风险，在此基础上，通过设置绝缘层的边界在隔膜上的投影与负极片的边界在隔膜上的投影重合，对正极片的边缘部分进行扩展，使电芯整体保持较优的平整度，保障基于该电芯制备出的电池在化成阶段的受力均衡，降低所制得电池在循环充放过程膨胀变形的风险。
Description
技术领域
本申请涉及电池技术领域，具体涉及一种电芯和电池。
背景技术
锂离子电池具备能量密度高的优点，目前被广泛应用于各个领域中。
对于卷芯结构的锂离子电池来说，其在生产过程中，锂离子电池内部的电芯的平整度较差，这使得锂离子电池在循环充放电时存在较高的析锂风险。
发明内容
本申请的目的在于提供一种电芯和电池，用于解决锂离子电池在循环充放电时存在较高析锂风险的问题。
第一方面，本申请实施例提供一种电芯，包括：
隔膜、正极片和负极片，所述隔膜位于所述正极片和负极片之间；
所述正极片包括正极集流体，以及平铺于所述正极集流体上的正极活性层和绝缘层，所述绝缘层和所述正极活性层邻接；
所述绝缘层的边界在所述隔膜上的投影与所述负极片的边界在所述隔膜上的投影重合。
在一些实施方式中，所述绝缘层的厚度和所述正极活性层的厚度之比大于或等于1.03，且小于或等于1.12。
在一些实施方式中，所述正极活性层包括基部和从所述基部延伸出的边缘部，所述边缘部的厚度小于所述基部的厚度，所述绝缘层覆盖所述边缘部。
在一些实施方式中，所述绝缘层包括第一绝缘部以及从所述第一绝缘部延伸出的第二绝缘部，所述第二绝缘部渗透于所述正极活性层中。
在一些实施方式中，所述第二绝缘部的厚度与所述正极活性层的厚度之比大于或等于0.2，且小于或等于0.5。
在一些实施方式中，所述正极活性层包括正极活性材料；
所述正极活性材料的中值粒径大于或等于10微米，且小于或等于18微米。
在一些实施方式中，所述正极活性材料的中值粒径和所述绝缘层的材料的中值粒径之比大于或等于18，且小于或等于2。
在一些实施方式中，所述绝缘层的宽度大于或等于3毫米，且小于或等于5毫米。
在一些实施方法中，所述绝缘层位于所述正极集流体的至少一面。
在一些实施方式中，所述绝缘层包括陶瓷材料，所述陶瓷材料包括氧化铝、氧化镁、氧化硅、二氧化钛、二氧化锆、氧化锌、硫酸钡、氮化硼、氮化铝、氮化镁、二氧化锡、氢氧化镁、勃姆石、碳酸钙中的至少一种。
第二方面，本申请实施例提供一种电池，包括包装外壳、电解液，以及，以及上述第一方面所述的电芯。
上述技术方案具有如下优点或有益效果：
本申请实施例提供的电芯和电池，利用邻接正极活性层的绝缘层的设置，降低与正极片相对的负极片边缘处的析锂风险，在此基础上，通过设置绝缘层的边界在隔膜上的投影与负极片的边界在隔膜上的投影重合，对正极片的边缘部分进行扩展，使电芯整体保持较优的平整度，保障基于该电芯制备出的电池在化成阶段的受力均衡，降低所制得电池在循环充放过程膨胀变形的风险。
附图说明
图1是本申请实施例提供的一种电芯的结构示意图之一；
图2是本申请实施例提供的一种电芯的结构示意图之二。
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在没有做出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。
请参阅图1，图1是本申请实施例提供的一种电芯的结构示意图，如图1所示，上述电芯包括：
隔膜、正极片和负极片，所述隔膜位于所述正极片和负极片之间；
所述正极片包括正极集流体11，以及平铺于所述正极集流体11上的正极活性层12和绝缘层13，所述绝缘层13和所述正极活性层12邻接；
所述绝缘层13的边界在所述隔膜上的投影与所述负极片的边界在所述隔膜上的投影重合。
如上所述，利用邻接正极活性层12的绝缘层13的设置，避免与正极片相对的负极片边缘处出现析锂问题，在此基础上，通过设置绝缘层13的边界在隔膜上的投影与负极片的边界在隔膜上的投影重合，对正极片的边缘部分进行扩展，使电芯整体保持较优的平整度，保障基于该电芯制备出的电池在化成阶段的受力均衡，降低所制得电池在循环充放过程膨胀变形的风险。
具体的，利用绝缘层13的设置，挤占原本存在于正极片的边缘处的正极活性层12，使正极片的边缘处无法向外脱出锂离子，这使得对应正极片的边缘处的负极片部分无法嵌入锂离子，因此能避免与正极片相对的负极片边缘的析锂问题。
优选的，可以在正极片和/或负极片的3/4、1/3、1/2等处设置上述锂离子电池的极耳，这能降低电芯的内阻，均衡电芯各处在充放电时的电流密度，提高基于该电芯制作的锂离子电池的快充能力。
可选的，所述绝缘层13位于所述正极集流体11的至少一面。
所述正极集流体11包括相背设置的第一面和第二面，所述绝缘层13的数量为一个的情况下，所述绝缘层13可以设置于所述正极集流体11的第一面上，所述绝缘层13也可以设置于所述正极集流体11的第二面上。
如图1所示，优选设置所述正极活性层12的数量为两个，所述绝缘层13的数量也为两个，两个正极活性层12设置于正极集流体11的相背两面，两个绝缘层13也设置于正极集流体11的相背两面，其中一个正极活性层12与其中一个绝缘层13邻接，另一个正极活性层12与另一个绝缘层13邻接。
可选的，所述绝缘层13的厚度和所述正极活性层12的厚度之比大于或等于1.03，且小于或等于1.12。
陶瓷材料在循环充放电过程中的体积变化小，形成正极活性层12的正极活性材料在循环充放电过程中的体积变化大，如上所述，利用绝缘层13的厚度大于正极活性层12的厚度的设置，能在循环充放电后期，对正极活性层12和绝缘层13之间因体积变化差异产生的厚度差进行补偿，使正极片始终保持较优的平整度，以进一步降低锂离子电池的析锂风险。
在设定正极活性层12的厚度为1单位的情况下，用户可基于需求在[1.03，1.12]的范围内适应性调整绝缘层13的厚度，例如1.03单位、1.07单位、1.10单位、1.12单位等，本申请实施例对此并不加以限定。
可选的，所述正极活性层12包括基部和从所述基部延伸出的边缘部，所述边缘部的厚度小于所述基部的厚度，所述绝缘层13覆盖所述边缘部。
涂布于正极集流体11表面的正极活性材料形成所述正极活性层12，在正极活性材料的涂布过程中，受重力等因素的作用，正极活性材料的涂布区域的边缘会出现正极活性材料外溢(即溢出预设的涂布区域)的情况，这部分外溢的正极活性材料后续即形成所述边缘部，位于涂布区域内的正极活性材料则相应形成所述基部，所述基部的厚度大于所述边缘部的厚度，所述基部的厚度可理解为所述正极活性层12的厚度。
如上所述，利用绝缘层13对正极活性层12的边缘部进行覆盖，以避免正极活性层12的边缘部过薄导致的正极集流体11外露的情况，降低与正极片相对的负极片边缘的析锂风险。
可选的，所述绝缘层13包括第一绝缘部以及从所述第一绝缘部延伸出的第二绝缘部，所述第二绝缘部渗透于所述正极活性层12中。
如上所述，在绝缘层13以及正极活性层12的涂布过程中，受涂料(指绝缘层13对应的绝缘涂料以及正极活性层12对应的正极活性涂料)之间的相互作用的影响，使得绝缘层13会部分渗透至正极活性层12内，这能使绝缘层13和正极活性层12之间形成较为牢固的连接关系，进而降低绝缘层13和正极活性层12分离的概率，也即进一步降低与正极片相对的负极片边缘处的析锂风险。
需要说明的是，所述第一绝缘部应理解为与正极活性层12独立的绝缘层13部分，且所述绝缘层13的厚度应理解为第一绝缘部的厚度。
可选的，所述第二绝缘部的厚度与所述正极活性层12的厚度之比大于或等于0.2，且小于或等于0.5。
通过限定所述第二绝缘部的厚度与所述正极活性层12的厚度之比大于或等于0.2，且小于或等于0.5，能在保障绝缘层13和正极活性层12之间稳固连接的前提下，降低第二绝缘部对正极活性层12的空间占用，使正极片能维持保持较高的能量密度。
示例性的，第二绝缘部的厚度和正极活性层12的厚度之比可以为0.3、0.35、0.45、0.5等，用户可基于需求在[0.2，0.5]的范围内进行适应性调整，本申请实施例对此并不加以限定。
可选的，所述正极活性层12包括正极活性材料；
所述正极活性材料的中值粒径大于或等于10微米，且小于或等于18微米。
如上所述，使正极活性材料的中值粒径大于或等于10微米，以避免正极活性材料的中值粒径过小的情况，降低正极片在循环充放过程的副反应，同时降低正极活性材料中出现团聚现象的概率，使正极片的使用安全和循环容量得到保障(即降低析锂风险，并在循环后期维持较高的容量保持率)；使正极活性材料的中值粒径小于或等于18微米，以避免正极活性材料的中值粒径过大的情况，便利后续辊压操作。
示例性的，正极活性材料的中值粒径可以为10微米、12微米、15微米、18微米等，用户可基于需求在[10，18](单位：微米)范围内适应性调整正极活性材料的中值粒径，本申请实施例对此并不加以限定。
示例性的，上述正极活性材料可以为：钴酸锂、三元材料、锰酸锂、磷酸锰铁锂、磷酸钒锂、磷酸钒氧锂、磷酸铁锂、钛酸锂和含锂锰基材料中的至少一种。
可选的，所述正极活性材料的中值粒径和所述绝缘层的材料的中值粒径之比大于或等于18，且小于或等于2。
如上所述，设置绝缘层的材料的中值粒径小于正极活性材料的中值粒径，能在绝缘层13和正极活性层12接触的区域中，便利陶瓷材料嵌入正极活性层13的边缘部分，使绝缘层13和正极活性层12之间获得较为牢固的连接效果，以降低绝缘层13和正极活性层12分离的概率，进一步降低与正极片相对的负极片边缘处的析锂风险。
在一些实施方式中，上述陶瓷材料的中值粒径大于或等于1微米，且小于或等于8微米；优选的，上述陶瓷材料的中值粒径大于或等于1微米，且小于或等于6微米。
可选的，所述绝缘层13的宽度大于或等于3毫米，且小于或等于5毫米。
如上所述，将绝缘层13的宽度限制在[3，5](单位：毫米)的范围内，在保障绝缘层13对正极活性层12的覆盖效果的基础上，降低绝缘层13在正极集流体11上的面积，使绝缘层13设置导致的正极片的能量密度损失相应减少。
如图1所示，绝缘层13的宽度方向即为图1中双向箭头所示出的方向。
可选的，所述绝缘层13包括陶瓷材料，所述陶瓷材料包括氧化铝、氧化镁、氧化硅、二氧化钛、二氧化锆、氧化锌、硫酸钡、氮化硼、氮化铝、氮化镁、二氧化锡、氢氧化镁、勃姆石、碳酸钙中的至少一种。
示例性的，在上述正极集流体11为铝箔集流体的情况下，在铝箔集流体上相应涂布正极浆料和绝缘浆料，并在120摄氏度温度下进行烘干处理，即可获得初始正极极片，随后对该初始正极极片进行裁切，即获得所述正极片。
其中，绝缘浆料的制备过程可以为：
取一定量的去离子水，加入一定量的分散剂，同时加入一定量陶瓷材料，配置成含陶瓷的浆料，其中，分散剂的质量占比可以为0.2％至10％，陶瓷材料的质量占比可以为30％～70％；之后，向上述含陶瓷的浆料中加入质量为1％至10％的粘结剂和质量为1％至10％的增稠剂，得到固含量为32.2％至60％的陶瓷浆料。
所述粘结剂为选自丁苯橡胶、聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-三氟乙烯、聚偏氟乙烯-四氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯、苯丙乳液、聚丙烯酸乙酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸丁酯、聚乙烯醇、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚醋酸乙烯酯、聚氨酯中的至少一种。
所述分散剂为选自氟代烷基甲氧基醇醚、聚氧乙烯烷基胺、丁基萘磺酸钠、芳基萘磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、烷基硫酸钠、聚丙烯酸钠、多偏磷酸钠、硅酸钠、十二烷基硫酸钠中的至少一种。
所述增稠剂为羧甲基纤维素钠和羧甲基纤维素锂的至少一种。
此外，正极浆料的制备过程可以为：
以钴酸锂为正极活性材料，然后和导电剂和聚偏氟乙烯按照97.2:1.5:1.3的质量比加入到搅拌罐中，加入N-甲基吡咯烷酮溶剂，按照相应的配料工艺进行充分搅拌，过200目的筛网，配成正极浆料，该正极浆料固含量为70％～75％，上述钴酸锂的中值粒径为16微米。
在铜箔作为负极片的负极集流体21的情况下，可以在铜箔上相应涂布负极浆料，并在100摄氏度温度下进行烘干处理，以制备得到初始负极极片，随后对该初始负极极片进行裁切，即获得负极片。
上述负极浆料的制备过程可以为：
以人造石墨作为负极活性材料、导电碳炭黑作为导电剂、丁苯橡胶作为粘结剂以及羧甲基纤维素钠作为增稠剂，按照96.9:1.5:1.3:13的质量比加入到搅拌罐中，加入去离子水溶剂，按照相关技术的配料工艺进行充分搅拌，通过150目的筛网进行过滤，制备得到负极浆料，该负极浆料固含量为40％～45％。
需要说明的是，就通过上述示例所制备得到的负极片和正极片来说，所述负极片包括负极活性层22，所述正极片包括正极活性层12和绝缘层13，负极活性层22的面积，等同于正极活性层12的面积和绝缘层13的面积之和，这能使正极片、负极片和隔膜经卷绕后形成的电芯保持良好的平整度，以在化成阶段，降低电芯出现受力不均问题的概率。
本申请实施例还提供一种电池，所述电池包括包装外壳、电解液和前述实施例所提供的电芯。
示例性的，在获得前述电芯以后，将该电芯放入包装外壳中，随后注入电解液，待静置一段时间后(静置以使电解液充分浸润电芯中的隔膜)，对所述包装外壳进行封口操作，待剪裁包装外壳的多余部分后，即获得电池。
以上所述是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
Claims (11)
1.一种电芯，其特征在于，包括：
隔膜、正极片和负极片，所述隔膜位于所述正极片和负极片之间；
所述正极片包括正极集流体，以及平铺于所述正极集流体上的正极活性层和绝缘层，所述绝缘层和所述正极活性层邻接；
所述绝缘层的边界在所述隔膜上的投影与所述负极片的边界在所述隔膜上的投影重合。
2.根据权利要求1所述的电芯，其特征在于，所述绝缘层的厚度和所述正极活性层的厚度之比大于或等于1.03，且小于或等于1.12。
3.根据权利要求1所述的电芯，其特征在于，所述正极活性层包括基部和从所述基部延伸出的边缘部，所述边缘部的厚度小于所述基部的厚度，所述绝缘层覆盖所述边缘部。
4.根据权利要求1所述的电芯，其特征在于，所述绝缘层包括第一绝缘部以及从所述第一绝缘部延伸出的第二绝缘部，所述第二绝缘部渗透于所述正极活性层中。
5.根据权利要求4所述的电芯，其特征在于，所述第二绝缘部的厚度与所述正极活性层的厚度之比大于或等于0.2，且小于或等于0.5。
6.根据权利要求1所述的电芯，其特征在于，所述正极活性层包括正极活性材料；
所述正极活性材料的中值粒径大于或等于10微米，且小于或等于18微米。
7.根据权利要求6所述的电芯，其特征在于，所述正极活性材料的中值粒径和所述绝缘层的材料的中值粒径之比大于或等于18，且小于或等于2。
8.根据权利要求1所述的电芯，其特征在于，所述绝缘层的宽度大于或等于3毫米，且小于或等于5毫米。
9.根据权利要求1所述的电芯，其特征在于，所述绝缘层位于所述正极集流体的至少一面。
10.根据权利要求1所述的电芯，其特征在于，所述绝缘层包括陶瓷材料，所述陶瓷材料包括氧化铝、氧化镁、氧化硅、二氧化钛、二氧化锆、氧化锌、硫酸钡、氮化硼、氮化铝、氮化镁、二氧化锡、氢氧化镁、勃姆石、碳酸钙中的至少一种。
11.一种电池，其特征在于，包括包装外壳、电解液，以及权利要求1至10中任一项所述的电芯。
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