CN114824287B - 一种电芯、电池模组和电池包 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电芯、电池模组和电池包，涉及电芯技术领域；该电芯包括壳体、卷芯和电解液，卷芯和电解液设置于壳体内，卷芯通过层叠设置的正极片、隔离膜及负极片叠片或卷绕成型；正极片包括正极集流体和正极活性材料，负极片包括负极集流体和负极活性材料，正极集流体与负极集流体二者中至少一者为复合集流体，复合集流体包括绝缘支撑层和至少设置于所述绝缘支撑层一侧的导电层，绝缘支撑层厚度为A，单位为um；隔离膜厚度为F，单位为um；电芯容量为D，单位为Ah；电芯的容量与电芯表面积的比值为E，单位为Ah/cm2；A、F、D及E满足0.67≤100*(A+F)*E/D≤40。该电芯具有能量密度高、安全性能高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及电芯技术领域，具体而言，涉及一种电芯、电池模组和电池包。
背景技术
目前锂离子电芯的极片所用的正极集流体为铝箔，负极集流体为铜箔。铜箔和铝箔具有优良的导电性，但是电芯受到针刺、挤压等损伤时，电芯内部容易短路，引起电芯热失控。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能量密度高、安全性能高的电芯、电池模组和电池包。
本发明的实施例可以这样实现：
第一方面，本发明提供一种电芯，包括：
壳体、卷芯和电解液，卷芯和电解液设置于壳体内，卷芯通过层叠设置的正极片、隔离膜以及负极片叠片或卷绕成型；正极片包括正极集流体和涂覆于正极集流体上的正极活性材料，负极片包括负极集流体和涂覆于负极集流体上的负极活性材料，正极集流体与负极集流体二者中的至少一者为复合集流体，复合集流体包括绝缘支撑层和至少设置于所述绝缘支撑层一侧的导电层，绝缘支撑层的厚度为A，单位为um；隔离膜厚度为F，单位为um；电芯的容量为D，单位为Ah；电芯的容量与电芯表面积的比值为E，单位为Ah/cm2；
绝缘支撑层的厚度A、隔离膜厚度F、电芯的容量D以及电芯的容量与电芯表面积的比值E满足0.67≤100*（A+F）*E/D≤40。
在可选的实施方式中，绝缘支撑层的厚度A、隔离膜厚度F、电芯的容量D以及电芯的容量与电芯表面积的比值E满足1.90≤100*（A+F）*E/D≤8.75。
在可选的实施方式中，绝缘支撑层的厚度A的范围为1-30um；
优选地，绝缘支撑层的厚度A的范围为5-15um。
在可选的实施方式中，隔离膜的厚度F的范围为5-20um；优选地，隔离膜的厚度F的范围为5-15um。
在可选的实施方式中，电芯的容量D的范围为3-250Ah；优选地，电芯的容量D的范围为50-250Ah。
在可选的实施方式中，电芯的容量与电芯表面积的比值E的范围为0.05-0.3Ah/cm2；电芯的容量与电芯表面积的比值E的范围为0.1-0.3Ah/cm2。
在可选的实施方式中，正极集流体和负极集流体均为复合集流体；
且当复合集流体为正极集流体时，绝缘支撑层的材料为有机聚合物材料或掺陶瓷的聚合物，导电层为铝箔层；当复合集流体为负极集流体时，绝缘支撑层的材料为有机聚合物材料或掺陶瓷的聚合物，导电层为铜箔层。
在可选的实施方式中，正极活性材料包括磷酸锂铁、镍钴锰酸锂、钴酸锂或锰酸锂；
和/或，
负极活性材料包括石墨、石墨烯、钛基材料、锡基材料、硅基材料或氮化物材料。
第二方面，本发明提供一种电池模组，包括前述实施方式中任一项的电芯。
第三方面，本发明提供一种电池包，包括前述实施方式中任一项的电芯；或者，包括前述实施方式的电池模组。
本发明的实施例至少包括以下优点或有益效果：
本发明的实施例提供了一种电芯，其包括壳体、卷芯和电解液，卷芯和电解液设置于壳体内，卷芯通过层叠设置的正极片、隔离膜以及负极片叠片或卷绕成型；正极片包括正极集流体和涂覆于正极集流体上的正极活性材料，负极片包括负极集流体和涂覆于负极集流体上的负极活性材料，正极集流体与负极集流体二者中的至少一者为复合集流体，复合集流体包括绝缘支撑层和至少设置于所述绝缘支撑层一侧的导电层，绝缘支撑层的厚度为A，单位为um；隔离膜厚度为F，单位为um；电芯的容量为D，单位为Ah；电芯的容量与电芯表面积的比值为E，单位为Ah/cm2；绝缘支撑层的厚度A、隔离膜厚度F、电芯的容量D以及电芯的容量与电芯表面积的比值E满足0.67≤100*（A+F）*E/D≤40。
一方面，该电芯的正极集流体为复合集流体，复合集流体是绝缘支撑层与导电层复合后得到的复合结构，其可降低集流体的重量，提升电芯的重量能量密度；同时，通过增加绝缘层的厚度，可以提高电芯内部异物刺穿时的抗形变能力，使得被针刺时导电层产生的毛刺较小，从而使得短路电阻增大，产生的热量较小，不易发生内部短路，进而可以降低电芯内短路失控的风险，提高电芯安全。另一方面，电芯的热失控风险程度与电芯的容量呈正相关，电芯的容量越高，则发生安全事故的风险越高；但电芯的热失控风险程度与绝缘支撑层的厚度和隔离膜的厚度呈负相关；此外，同等容量情况下，电芯的热失控风险程度还与电芯的散热表面积相关，电芯的表面积越大，散热能力更强，电芯更不容易发生热失控。该电芯通过对绝缘支撑层的厚度A、隔离膜厚度F、电芯的容量D以及电芯的容量与电芯表面积的比值E四者关系的限制，将四者的选择范围有机统一，能有效地提高电芯的安全性能。
本发明的实施例还提供了一种电池模组和电池包，其均包括上述的电芯。因此，该电池模组也具有能量密度高和安全性能高的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明的实施例提供的电芯的复合集流体的结构示意图。
图标：40-复合集流体；411-绝缘支撑层；412-导电层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
相关技术中，锂离子电芯的极片所用的正极集流体为铝箔，负极集流体为铜箔。铜箔和铝箔具有优良的导电性，但是电芯受到针刺、挤压等损伤时，电芯内部容易短路，引起电芯热失控。
有鉴于此，本发明的实施例提供了一种采用复合集流体的电芯，并且对绝缘支撑层的厚度A、隔离膜厚度F、电芯的容量D以及电芯的容量与电芯表面积的比值E四者的关系进行了限定，能在充分提高电芯的安全性能。下面对该电芯的结构以及性能进行详细地介绍。
图1为本发明的实施例提供的电芯的复合集流体40的结构示意图。本实施例提供的电池包括壳体、卷芯和电解液。其中，壳体为铝壳，卷芯和电解液设置于壳体内，卷芯通过层叠设置的正极片、隔离膜（PE和/或PP材质）以及负极片叠片或卷绕成型，正极片连接设置有正极耳，负极片连接设置有负极耳，壳体上具有正极柱和负极柱，正极耳与正极柱电连接，负极柱与负极耳电连接，以保证电芯充放电作业的正常进行。
同时，在本实施例中，电芯的容量为D，指的是初始容量C0，且初始容量的测试方法分为四个步骤，且分别为①1C DC to 2.8V或者2.0V（具体根基电芯体系设计电压下限定）；②静置60min；③1C CC CV to 4.2V或者4.4V（具体根据电芯体系设计电压上限定）；④1CDC to 2.8V或者2.0V（得到初始容量C0）。容量的单位为Ah；电芯的容量与电芯表面积的比值为E，单位为Ah/cm2。正极片和负极片均为图1所示的复合结构。正极片包括正极集流体和涂覆于正极集流体上的正极活性材料，正极活性材料的活性颗粒可选择为磷酸锂铁、镍钴锰酸锂（三元锂）、钴酸锂、锰酸锂等材料，负极片包括负极集流体和涂覆于负极集流体上的负极活性材料，负极活性材料的活性颗粒可选择为石墨、石墨烯、钛基材料、锡基材料、硅基材料或氮化物材料等材料。当然，在其他实施例中，也可以仅仅只将正极片的正极集流体设置为复合集流体，本实施例不做限定。
并且，在本发明的实施例中，无论是正极片还是负极片，其复合集流体40均包括绝缘支撑层411和分别设置于绝缘支撑层411两侧的两层导电层412。当然，在其他实施例中，也可以仅仅在绝缘支撑层411的一侧设置导电层412，此处不再赘述。
同时，当绝缘支撑层411的两侧均设置有导电层412时，正极片和负极片的绝缘支撑层411的厚度既可以选择为相同，也可以选择为不同，本发明的实施例中正极片和负极片的绝缘支撑层411的厚度相同，且均为A，单位为um，可通过千分尺进行厚度测量。正极片和负极片的两层导电层412的厚度也既可以选择为相同，也可以选择为不同，本发明的实施例中正极片和负极片的导电层412的厚度均相同，也可以通过千分尺进行测量。隔离膜的种类为PE或PP，或PE与PP的复合物，厚度为F，单位为um，可采用千分尺测量。且无论正负极片的绝缘支撑层411、导电层412的厚度是否相同，在本发明的实施例中，绝缘支撑层411的厚度A、与该绝缘支撑层411对应的隔离膜厚度F、电芯的容量D以及电芯的容量与电芯表面积的比值E满足0.67≤100*（A+F）*E/D≤40。
一方面，该电芯的正极集流体为复合集流体40，复合集流体40是绝缘支撑层411与导电层412复合后得到的复合结构，其可降低集流体的重量，提升电芯的重量能量密度；同时，通过增加绝缘层的厚度，可以提高电芯内部异物刺穿时的抗形变能力，使得被针刺时导电层412产生的毛刺较小，从而使得短路电阻增大，产生的热量较小，不易发生内部短路，进而可以降低电芯内短路失控的风险，提高电芯安全。
另一方面，电芯的热失控风险程度与电芯的容量呈正相关，电芯的容量越高，则发生安全事故的风险越高；但电芯的热失控风险程度与绝缘支撑层411的厚度和隔离膜的厚度呈负相关；此外，同等容量情况下，电芯的热失控风险程度还与电芯的散热表面积相关，电芯的表面积越大，散热能力更强，电芯更不容易发生热失控。因此，如何调节电芯的容量、绝缘支撑层411的厚度、隔离膜的厚度以及电芯的散热表面积四者的关系，将会直接影响到电芯的安全性能。本发明的实施例提供的电芯通过对绝缘支撑层411的厚度A、隔离膜厚度F、电芯的容量D以及电芯的容量与电芯表面积的比值E四者关系的限制，将四者的选择范围有机统一，能有效地提高电芯的安全性能。
需要说明的是，在本发明的实施例中，电芯种类可以是方形铝壳、软包，叠片或者圆柱。正极集流体和负极集流体的绝缘支撑层411的材料均可选择为有机聚合物材料（例如PET材质）或掺陶瓷的聚合物。正极集流体的导电层412可选择为铝箔层。负极集流体的导电层412可选择为铜箔层。同时，正极活性材料层和负极活性材料层均为活性颗粒（例如正极活性材料的活性颗粒为镍钴锰酸锂，负极活性材料的活性颗粒为石墨）、导电剂（例如炭黑、碳纳米管等）以及粘结剂（例如丁苯橡胶、PVDF等）等助剂按照一定比例混合后制备得到的涂层。
作为可选的方案，在本发明的实施例中，选用方形铝壳电芯，绝缘支撑层411的厚度A、隔离膜厚度F、电芯的容量D以及电芯的容量与电芯表面积的比值E满足1.90≤100*（A+F）*E/D≤8.75。电芯通过对绝缘支撑层411的厚度A、隔离膜厚度F、电芯的容量D以及电芯的容量与电芯表面积的比值E四者关系控制在此范围内，能优化四者对电芯的安全性的影响，以充分提高电芯的安全性能。
进一步可选地，在本发明的实施例中，绝缘支撑层411的厚度A的范围为1-30um；优选地，绝缘支撑层411的厚度A的范围为5-15um。将正极集流体和负极集流体的绝缘支撑层411的厚度均控制在此范围内，使得正极集流体和负极集流体的导电层412的厚度大致可控制在0.03-3um之间，使得导电层412的厚度相对较薄，因而被针刺时导电层412产生的毛刺较小，短路电阻很大，产生的热量较小，不容易发生热失控，能一定程度缓解电芯在内部短路条件下的热失控问题，能提升了电芯的安全性能。
隔离膜的厚度F的范围为5-20um；优选地，隔离膜的厚度F的范围为5-15um。由于隔膜的厚度越大，阻止正负极之间短路的能力越强，因此电芯越安全。本发明的实施例将隔离膜的厚度控制在此范围内，相较于现有技术而言，其能有效地阻止电芯正负极之间短路的发生，能有效地提高电芯的安全性能。
电芯的容量D的范围为3-250Ah；优选地，电芯的容量D的范围为50-250Ah。电芯的热失控风险程度与电芯的容量呈正相关。将电芯的容量控制在此范围内，能结合绝缘支撑层411的厚度A和隔离膜厚度F以充分保证电芯的安全性，使得电芯既具有较高的能量密度，又具有很高的安全性能。
电芯的容量与电芯表面积的比值E的范围为0.05-0.3Ah/cm2；电芯的容量与电芯表面积的比值E的范围为0.1-0.3Ah/cm2。在同等容量情况下，电芯的热失控风险程度与电芯的散热表面积相关，电芯的表面积越大，散热能力更强，电芯更不容易发生热失控。因而，本发明的实施例通过控制电芯的容量与电芯表面积的比值E的范围可进一步地提高电芯的安全性能。本发明的实施例还提供了一种电池模组，其包括多个串联或并联设置的电芯。由于每个电芯的绝缘支撑层411的厚度A、隔离膜厚度F、电芯的容量D以及电芯的容量与电芯表面积的比值E满足0.67≤100*（A+F）*E/D≤40。因而，该电池模组也具有能量密度高和安全性能高的优点。
本发明的实施例还提供了一种电池包，其包括多个上述的电池模组。多个电池模组串联或并联设置以形成电池包。由于每个电芯的绝缘支撑层411的厚度A、隔离膜厚度F、电芯的容量D以及电芯的容量与电芯表面积的比值E满足0.67≤100*（A+F）*E/D≤40。因而，该电池模组也具有能量密度高和安全性能高的优点。当然，在本发明的其他实施例中，电池包也可以直接通过多个上述的电芯装配而成，形成无模组电池包，以保证能量密度，本发明的实施例不再赘述。
下面结合具体实施例对本发明的实施例提供的电芯、电池模组以及电池包进行详细地介绍：
实施例1-20
实施例1-20分别提供了20种电芯（电芯1-20），20种电芯的绝缘支撑层411的厚度A（此处特指正极片的绝缘支撑层411）、隔离膜厚度F、电芯的容量D以及电芯的容量与电芯表面积的比值E四者的关系如表1所示。同时，20种电芯的正极集流体和负极集流体的绝缘支撑层411均为PET材质，正极集流体的导电层412材质为铝箔，其厚度为8-20um，负极集流体导电层412的材质为铜箔，其厚度为2-15um。正极片涂覆于正极集流体上辊压后形成的正极活性材料层的厚度为50-300um（利用千分尺测量得到），正极活性材料的活性颗粒为镍钴锰酸锂。负极片涂覆于负极集流体后辊压形成的负极活性材料层的厚度为30-250um，负极活性材料的活性颗粒为石墨材料和硅碳材料，且石墨材料包含但不限于自然石墨、人造石墨、各种包覆/改造的自然石墨或者人造石墨，例如，石墨、软碳、硬碳、碳纤维、中间相碳微球、硅基材料。20种电芯的隔离膜材料可选自聚乙烯膜、聚丙烯膜、聚偏氟乙烯膜以及它们的多层复合膜。电解液通常使用在有机溶剂中溶解的锂盐溶液。锂盐例如是LiClO4、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiSbF6等无机锂盐、或者LiCF3SO3、LiCF3CO2、Li2C2F4(SO3)2、LiN(CF3SO2)2、LiC(CF3SO2)3、LiCnF2n+1SO3(n≥2)等有机锂盐。
表1.实施例1-20电芯的参数
| 类型 | 复合基材绝缘层厚度A/μm | 正极材料 | 正极活性材料层厚度/um | 隔膜厚度F（um） | 电芯容量与电芯表面积的比值E/(Ah/cm2) | 电芯容量D/Ah | 100*（A+F）*E/D |
| 电芯1# | 30 | NCM-613 | 250 | 5 | 0.25 | 100 | 8.75 |
| 电芯2# | 25 | NCM-613 | 236 | 7 | 0.25 | 100 | 8.00 |
| 电芯3# | 20 | NCM-613 | 224 | 9 | 0.25 | 100 | 7.25 |
| 电芯4# | 15 | NCM-613 | 210 | 12 | 0.25 | 100 | 6.75 |
| 电芯5# | 12 | NCM-613 | 221 | 15 | 0.25 | 100 | 6.75 |
| 电芯6# | 11 | NCM-613 | 196 | 18 | 0.25 | 100 | 7.25 |
| 电芯7# | 10 | NCM-613 | 187 | 20 | 0.25 | 100 | 7.50 |
| 电芯8# | 9 | NCM-613 | 175 | 5 | 0.25 | 100 | 3.50 |
| 电芯9# | 8 | NCM-613 | 166 | 7 | 0.25 | 100 | 3.75 |
| 电芯10# | 7 | NCM-613 | 153 | 9 | 0.25 | 100 | 4.00 |
| 电芯11# | 6 | NCM-613 | 148 | 12 | 0.25 | 100 | 4.50 |
| 电芯12# | 5 | NCM-613 | 133 | 15 | 0.25 | 100 | 5.00 |
| 电芯13# | 4 | NCM-613 | 127 | 18 | 0.25 | 100 | 5.50 |
| 电芯14# | 3 | NCM-613 | 115 | 20 | 0.25 | 100 | 5.75 |
| 电芯15# | 10 | NCM-613 | 106 | 9 | 0.05 | 50 | 1.90 |
| 电芯16# | 10 | NCM-613 | 98 | 9 | 0.1 | 100 | 1.90 |
| 电芯17# | 10 | NCM-613 | 86 | 9 | 0.15 | 150 | 1.90 |
| 电芯18# | 10 | NCM-613 | 74 | 9 | 0.2 | 200 | 1.90 |
| 电芯19# | 10 | NCM-613 | 66 | 9 | 0.25 | 220 | 2.16 |
| 电芯20# | 10 | NCM-613 | 58 | 9 | 0.3 | 250 | 2.28 |
根据表1的数据可知，本发明的实施例1-20提供的20种电芯的绝缘支撑层411的厚度A、隔离膜厚度F、电芯的容量D以及电芯的容量与电芯表面积的比值E满足0.67≤100*（A+F）*E/D≤40。
对比例1-4
对比例1-4提供了4种电芯（电芯21-24），4种电芯的具体参数如表2所示。
表2.对比例1-4电芯的参数
| 类型 | 正极集流体材料 | 正极集流体厚度(um) | 正极活性材料 | 正极活性材料层厚度（um） | 隔膜厚度 | 负极集流体材料 | 负极集流体厚度 | 负极活性材料厚度（um） |
| 电芯21# | 铝箔 | 10 | NCM-613 | 110 | 12 | 铜箔 | 4.5 | 84 |
| 电芯22# | 铝箔 | 12 | NCM-613 | 110 | 12 | 铜箔 | 4.5 | 84 |
| 电芯23# | 铝箔 | 12 | NCM-613 | 110 | 14 | 铜箔 | 6 | 84 |
| 电芯24# | 铝箔 | 12 | NCM-613 | 110 | 16 | 铜箔 | 8 | 84 |
实验例1
将实施例1-20提供的20种电芯与对比例1-4提供的4种电芯按照国标GBT31485中的流程进行针刺实验。测试时，将电芯置于1.0C的恒流中充电至4.3V，然后恒压充电至电流减小到0.05C后，用直径1mm的耐高温钢针，以2mm/s的速度，从垂直于电芯极片的方向进行贯穿，且贯穿位置靠近针刺面几何中心，钢针停留在电芯里，观察一小时，实验结果如表3所示。
表3.电芯的针刺实验数据
| 类型 | 针刺实验结果 |
| 电芯1# | 无冒烟、无起火、无爆炸 |
| 电芯2# | 无冒烟、无起火、无爆炸 |
| 电芯3# | 无冒烟、无起火、无爆炸 |
| 电芯4# | 无冒烟、无起火、无爆炸 |
| 电芯5# | 无冒烟、无起火、无爆炸 |
| 电芯6# | 无冒烟、无起火、无爆炸 |
| 电芯7# | 无冒烟、无起火、无爆炸 |
| 电芯8# | 无冒烟、无起火、无爆炸 |
| 电芯9# | 无冒烟、无起火、无爆炸 |
| 电芯10# | 无冒烟、无起火、无爆炸 |
| 电芯11# | 无冒烟、无起火、无爆炸 |
| 电芯12# | 无冒烟、无起火、无爆炸 |
| 电芯13# | 无冒烟、无起火、无爆炸 |
| 电芯14# | 无冒烟、无起火、无爆炸 |
| 电芯15# | 无冒烟、无起火、无爆炸 |
| 电芯16# | 无冒烟、无起火、无爆炸 |
| 电芯17# | 无冒烟、无起火、无爆炸 |
| 电芯18# | 无冒烟、无起火、无爆炸 |
| 电芯19# | 无冒烟、无起火、无爆炸 |
| 电芯20# | 无冒烟、无起火、无爆炸 |
| 电芯21# | 起火、爆炸 |
| 电芯22# | 起火、爆炸 |
| 电芯23# | 起火、爆炸 |
| 电芯24# | 起火、爆炸 |
根据表3所测试的数据可知，本发明的实施例1-20相较于对比例1-4而言，将绝缘支撑层411的厚度A、正极活性材料中镍元素的重量百分比I以及隔离膜厚度为F满足0.01≤(A*F/I)/1000≤3范围内，能在保证电芯安全性能，使其在针刺测实验中无冒烟，无起火，无爆炸。
实验例2
将本发明的实施例1-20提供的20种电芯与对比例1-4提供的4种电芯同样条件下进行温升和电压测试。其中，充电策略是：在25±5℃环境温度下，电芯外部包10mm厚玻璃棉制成的保温棉，以1C的电流恒流充电至4.3V，再搁置30分钟，同时，温升测试记录的条件为，在充电过程中采用25±5℃环境温度下采用多路测温仪进行监测电芯的温度，且感温线的一段连接多路测温仪，另一端贴于电芯的表面大面中心点位置，每间隔1s记录电芯温度。电压测试记录的条件为在充电过程中采用电压测试设备监控电芯的正负极柱的电压，且测试过程中电压测试设备的测试端连接电芯极柱，每间隔1s记录电压数据，测试结果如表4所示。
表4.电芯的测试数据
| 类型 | 电芯温升/℃（取电芯大面中心点位置温度） | 电芯电压/V(搁置最后1s电压) |
| 电芯1# | 1.88 | 4.11 |
| 电芯2# | 3.00 | 4.08 |
| 电芯3# | 4.13 | 4.05 |
| 电芯4# | 4.88 | 4.02 |
| 电芯5# | 4.88 | 4.02 |
| 电芯6# | 4.13 | 4.05 |
| 电芯7# | 3.75 | 4.06 |
| 电芯8# | 9.75 | 3.88 |
| 电芯9# | 9.38 | 3.89 |
| 电芯10# | 9.00 | 3.90 |
| 电芯11# | 8.25 | 3.92 |
| 电芯12# | 7.50 | 3.95 |
| 电芯13# | 6.75 | 3.97 |
| 电芯14# | 6.38 | 3.98 |
| 电芯15# | 12.15 | 3.81 |
| 电芯16# | 12.15 | 3.81 |
| 电芯17# | 12.15 | 3.81 |
| 电芯18# | 12.15 | 3.81 |
| 电芯19# | 11.76 | 3.82 |
| 电芯20# | 11.58 | 3.82 |
| 电芯21# | 13.3 | 3.77 |
| 电芯22# | 14.8 | 3.76 |
| 电芯23# | 13.4 | 3.75 |
| 电芯24# | 12.7 | 3.76 |
根据表4的数据可知，本实施例提供的1-20号电芯相较于现有技术提供的21-24号电芯而言，其在相同测试条件下温升相对较低，电压相对稳定，不易发生热失控，安全性能更高。
实验例3
将本发明的实施例1-20提供的20种电芯与对比例1-4提供的4种电芯同样条件下进行能量密度测试。其中，1C的放电能量用E1表示，单位为Wh；电芯的质量用m表示，单位kg，电芯的重量能量密度用W表示，单位Wh/kg。并且，E1的测试条件为在25℃恒温箱中，以1C倍率恒流充电至电压为4.3V，之后以4.3V恒压充电至电流为0.05C，然后以1C倍率恒定电流放电至电压为2.8V，得到放电能量E1。电芯的重量测试条件为在25℃环境中，通过电子秤可以获得每个电芯的质量m。电芯的重量能量密度通过公式p=E1/m进行计算，具体结果如表5所示。
表5.电芯的测试数据
| 类型 | 电芯重量能量密度/Wh/kg |
| 电芯1# | 260 |
| 电芯2# | 264 |
| 电芯3# | 269 |
| 电芯4# | 272 |
| 电芯5# | 272 |
| 电芯6# | 269 |
| 电芯7# | 267 |
| 电芯8# | 290 |
| 电芯9# | 289 |
| 电芯10# | 287 |
| 电芯11# | 284 |
| 电芯12# | 282 |
| 电芯13# | 279 |
| 电芯14# | 277 |
| 电芯15# | 290 |
| 电芯16# | 290 |
| 电芯17# | 290 |
| 电芯18# | 290 |
| 电芯19# | 290 |
| 电芯20# | 289 |
| 电芯21# | 256 |
| 电芯22# | 258 |
| 电芯23# | 255 |
| 电芯24# | 254 |
根据表5的数据可知，本发明的实施例1-20相较于对比例1-4而言，能在保证电芯安全性的同时提高电芯的能量密度。
下面对本发明的实施例提供的电池包的安装过程、工作原理及有益效果进行详细地介绍：
该电池包可通过将多个电芯直接集成至电池包箱体内，也可以先将多个电芯组装呈电池模组，再将多个电池模组组装呈电池包。其中，在进行电芯的制造时，可将正极片、负极片、隔膜卷绕得到极芯，将极芯设置于壳体内，并使得正极片连接的正极耳与壳体上的正极柱焊接，负极片连接的负极耳与壳体上的负极柱焊接，最后封壳注入电解液即可。而在选择正极片和负极片的过程中，正极片通过在正极集流体上涂覆正极活性材料得到，负极片通过在负极集流体上涂覆负极活性材料得到，正极集流体和负极集流体均为复合集流体40，复合集流体40通过在绝缘支撑层411的两侧涂覆导电层412得到，正极集流体的导电层412为铝箔，负极集流体的导电层412为铜箔，且绝缘支撑层411的厚度A、隔离膜厚度F、电芯的容量D以及电芯的容量与电芯表面积的比值E满足0.67≤100*（A+F）*E/D≤40即可。
在上述过程中，一方面，该电芯的正极集流体为复合集流体40，复合集流体40是绝缘支撑层411与导电层412复合后得到的复合结构，其可降低集流体的重量，提升电芯的重量能量密度；同时，通过增加绝缘层的厚度，可以提高电芯内部异物刺穿时的抗形变能力，使得被针刺时导电层412产生的毛刺较小，从而使得短路电阻增大，产生的热量较小，不易发生内部短路，进而可以降低电芯内短路失控的风险，提高电芯安全。另一方面，电芯的热失控风险程度与电芯的容量呈正相关，电芯的容量越高，则发生安全事故的风险越高；但电芯的热失控风险程度与绝缘支撑层411的厚度和隔离膜的厚度呈负相关；此外，同等容量情况下，电芯的热失控风险程度还与电芯的散热表面积相关，电芯的表面积越大，散热能力更强，电芯更不容易发生热失控。该电芯通过对绝缘支撑层411的厚度A、隔离膜厚度F、电芯的容量D以及电芯的容量与电芯表面积的比值E四者关系的限制，将四者的选择范围有机统一，能有效地提高电芯的安全性能。
综上所述，本发明的实施例提供了一种能量密度高、安全性能高的电芯、电池模组和电池包。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种电芯，其特征在于，包括：
壳体、卷芯和电解液，所述卷芯和所述电解液设置于所述壳体内，所述卷芯通过层叠设置的正极片、隔离膜以及负极片叠片或卷绕成型；所述正极片包括正极集流体和涂覆于所述正极集流体上的正极活性材料，所述正极活性材料包括镍钴锰酸锂，所述负极片包括负极集流体和涂覆于所述负极集流体上的负极活性材料，所述正极集流体与所述负极集流体均为复合集流体，所述复合集流体包括绝缘支撑层和至少设置于所述绝缘支撑层一侧的导电层，当所述复合集流体为正极集流体时，所述绝缘支撑层的材料为PET，所述导电层为铝箔层，其厚度为8-20um；当所述复合集流体为负极集流体时，所述绝缘支撑层的材料为PET，所述导电层为铜箔层，其厚度为2-15um；涂覆于所述正极集流体上辊压后形成的正极活性材料层的厚度为50-300um；涂覆于所述负极集流体上辊压形成的负极活性材料层的厚度为30-250um，所述负极活性材料的活性颗粒为石墨材料和硅碳材料，且所述石墨材料包含自然石墨、人造石墨、包覆/改造的自然石墨或者人造石墨中的至少一种；所述隔离膜的材料选自聚乙烯膜、聚丙烯膜、聚偏氟乙烯膜中的一种或者多种；所述电解液为在有机溶剂中溶解的锂盐溶液；所述锂盐为无机锂盐或者有机锂盐，所述无机锂盐包括LiClO4、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiSbF6中的至少一种，所述有机锂盐包括LiCF3SO3、LiCF3CO2、Li2C2F4(SO3)2、LiN(CF3SO2)2、LiC(CF3SO2)3、LiCnF2n+1SO3(n≥2)中的至少一种；所述正极片的所述绝缘支撑层的厚度为A，单位为um；所述隔离膜厚度为F，单位为um；所述电芯的容量为D，单位为Ah；所述电芯的容量与电芯表面积的比值为E，单位为Ah/cm2；
所述绝缘支撑层的厚度A、所述隔离膜厚度F、所述电芯的容量D以及所述电芯的容量与电芯表面积的比值E满足1.90≤100*（A+F）*E/D≤8.75；
所述绝缘支撑层的厚度A的范围为3-30um；
所述隔离膜的厚度F的范围为5-20um；
所述电芯的容量D的范围为50-250Ah；
所述电芯的容量与电芯表面积的比值E的范围为0.05-0.3Ah/cm2。
2.根据权利要求1所述的电芯，其特征在于：
所述绝缘支撑层的厚度A的范围为5-15um。
3.根据权利要求1所述的电芯，其特征在于：
所述隔离膜的厚度F的范围为5-15um。
4.根据权利要求1所述的电芯，其特征在于：
所述电芯的容量与电芯表面积的比值E的范围为0.1-0.3Ah/cm2。
5.一种电池模组，其特征在于，包括权利要求1至4中任一项所述的电芯。
6.一种电池包，其特征在于，包括权利要求1至4中任一项所述的电芯；或者，包括权利要求5所述的电池模组。
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