CN114864952A - 一种电芯、电池模组和电池包 - Google Patents

一种电芯、电池模组和电池包 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电芯、电池模组和电池包，涉及电池技术领域；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、隔离膜以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导电层，绝缘支撑层厚度为A，导电层厚度为B，隔离膜厚度为C；卷芯的厚度为D；电芯的容量与表面积的比值为F；A、B、C、D及F满足10≤A*C*(F/107)/(B*D/1000)*107≤30000。该电芯具有能量密度高、安全性能高的优点。

Description

一种电芯、电池模组和电池包
技术领域
本发明涉及电池技术领域，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，但是电池受到针刺、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，导电层厚度为B，单位为um；隔离膜厚度为C，单位为um；卷芯的厚度为D，单位为mm；电芯的电芯容量与电芯表面积的比值为F，单位为Ah/cm2；
绝缘支撑层的厚度A、导电层厚度B、隔离膜厚度C、卷芯的厚度D以及电芯的电芯容量与电芯表面积的比值F满足10≤A*C*(F/107)/(B*D/1000)*107≤30000。
在可选的实施方式中，绝缘支撑层的厚度A、导电层厚度B、隔离膜厚度C、卷芯的厚度D以及电芯的电芯容量与电芯表面积的比值F满足50≤A*C*(F/107)/(B*D/1000)*107≤1000。
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，导电层的厚度B的范围为0.03-3um；
优选地，导电层的厚度B的范围为0.2-3um。
在可选的实施方式中，隔离膜的厚度C的范围为5-20um；
优选地，隔离膜的厚度C的范围为5-15um。
在可选的实施方式中，卷芯的厚度D的范围为22-80mm；
优选地，卷芯的厚度D的范围为30-60mm。
在可选的实施方式中，电芯的电芯容量与电芯表面积的比值F的范围为0.05-0.3Ah/cm2；
优选地，电芯的电芯容量与电芯表面积的比值F的范围为0.1-0.3Ah/cm2。
在可选的实施方式中，正极活性材料中的活性颗粒的含量不低于94％；和/或，正极活性材料的厚度为40-120um；和/或，负极活性材料中的活性颗粒的含量不低于93％；和/或，负极活性材料的厚度为70-160um；正极活性材料的活性颗粒包括磷酸锂铁、镍钴锰酸锂、钴酸锂或锰酸锂；和/或，负极活性材料的活性颗粒包括石墨、石墨烯、钛基材料、锡基材料、硅基材料或氮化物材料。
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，复合集流体包括两层导电层，两层导电层的厚度相同，且分别设置于绝缘支撑层的两侧。
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具备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，导电层厚度为B，单位为um；隔离膜厚度为C，单位为um；卷芯的厚度为D，单位为mm；电芯的电芯容量与电芯表面积的比值为F，单位为Ah/cm2；绝缘支撑层的厚度A、导电层厚度B、隔离膜厚度C、卷芯的厚度D以及电芯的电芯容量与电芯表面积的比值F满足10≤A*C*(F/107)/(B*D/1000)*107≤30000。
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，提升电池的重量能量密度；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，绝缘支撑层和隔离膜厚度增加时，能提高电芯内部异物刺穿时的抗形变能力，使得短路电阻增大，产生的热量较小，以改善热失控问题；同时，导电层厚度的减小，也可以增大针刺短路时导电层与金属棒的接触的电阻，电阻增大使得电流降低，产热量减小，从而使得热失控风险降低；此外，在同等容量和电芯体积的情况下，将卷芯的厚度减薄，将电芯的表面积增大，能减小电芯在内短路时短路的层数，减少通孔数量，意味着短路点更少，以能提高针刺时的热扩散表面积，减小短路电流，从而改善热失控问题。该电芯通过对绝缘支撑层的厚度A、导电层厚度B、隔离膜厚度C、卷芯的厚度D以及电芯的电芯容量与电芯表面积的比值F五者的关系进行限制，将五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2为本发明的实施例提供的电芯的卷芯的结构示意图。
图标：60-复合集流体；601-绝缘支撑层；603-导电层；605-卷芯。
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，但是电池受到针刺、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、导电层厚度B、隔离膜厚度C、卷芯的厚度D以及电芯的电芯容量与电芯表面积的比值F五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60的结构示意图；图2为本发明的实施例提供的电芯的卷芯605的结构示意图。本实施例提供的电芯包括壳体、图2所示的卷芯605和电解液。其中，壳体为铝壳，卷芯605和电解液设置于壳体内，卷芯605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，卷芯605的厚度(也即，卷芯605在垂直于正极片和负极片方向上的尺寸)为D，单位为mm。电芯的电芯容量与电芯表面积的比值为F，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，正极活性材料中的活性颗粒的含量不低于94％。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，且负极活性材料中的活性颗粒的含量不低于93％。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60均包括绝缘支撑层601和分别设置于绝缘支撑层601两侧的两层导电层603。当然，也可以仅仅在绝缘支撑层601的一侧单独设置一层导电层603，本实施例不做赘述。
其中，当绝缘支撑层601的两侧均设置有导电层603时，正极片和负极片的绝缘支撑层601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601的厚度相同，且均为A，单位为um。正极片和负极片的两层导电层603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603的厚度均相同，且均为B，单位为um。正极活性材料涂覆于正极集流体辊压后得到的正极活性材料层的厚度为40-120um，负极活性材料涂覆于负极集流体辊压后得到的负极活性材料层的厚度为70-160um。隔离膜的种类为PE或PP，或PE与PP的复合物，厚度为C，单位为um。卷芯605的厚度为D。且无论正负极片的绝缘支撑层601、导电层603的厚度是否相同，在本发明的实施例中，每个绝缘支撑层601的厚度A、与每个绝缘支撑层601对应的导电层603厚度B、与每个绝缘支撑层601对应的隔离膜厚度C、卷芯605的厚度D以及电芯的电芯容量与电芯表面积的比值F满足10≤A*C*(F/107)/(B*D/1000)*107≤30000。
一方面，该电芯的正极集流体为复合集流体60，复合集流体60是绝缘支撑层601与导电层603复合后得到的复合结构，其可降低集流体的重量，提升电池的重量能量密度；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603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，电芯的热失控风险与很多因素相关，其一，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；其二，电芯的热失控风险程度与绝缘支撑层601的厚度呈负相关，绝缘支撑层601约厚，越能提高抗形变能力，以能增大短路电阻，减少产生的热量，从而能改善热失控问题；其三，电芯的热失控风险程度还与隔离膜的厚度呈负相关，隔离膜厚度增加时，能提高电芯内部异物刺穿时的抗形变能力，使得短路电阻增大，产生的热量较小，也能改善热失控问题；其四，电芯的热失控风险程度还与导电层603的厚度相关，导电层603厚度的减小，可以增大针刺短路时导电层603与金属棒的接触的电阻，电阻增大使得电流降低，产热量减小，从而使得热失控风险降低；其五，电芯的热失控风险程度还与卷芯605的厚度以及表面积相关，在同等容量和电芯体积的情况下，将卷芯605的厚度减薄，将电芯的表面积增大，能减小电芯在内短路时短路的层数，减少通孔数量，意味着短路点更少，以能提高针刺时的热扩散表面积，减小短路电流，从而改善热失控问题。
因而，本发明的实施例通过对该电芯的绝缘支撑层601的厚度A、导电层603厚度B、隔离膜厚度C、卷芯605的厚度D以及电芯的电芯容量与电芯表面积的比值F五者的关系进行限制，将五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，正极集流体和负极集流体的绝缘支撑层601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603可选择为铝箔层。负极集流体的导电层603可选择为铜箔层。同时，正极活性材料和负极活性材料均为活性颗粒(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，每个绝缘支撑层601的厚度A、与每个绝缘支撑层601对应的导电层603厚度B、与每个绝缘支撑层601对应的隔离膜厚度C、卷芯605的厚度D以及电芯的电芯容量与电芯表面积的比值F满足50≤A*C*(F/107)/(B*D/1000)*107≤1000。电芯通过对绝缘支撑层601的厚度A、导电层603厚度B、隔离膜厚度C、卷芯605的厚度D以及电芯的电芯容量与电芯表面积的比值F五者关系控制在此范围内，能优化五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601的厚度A的范围为1-30um；优选地，绝缘支撑层601的厚度A的范围为5-15um。
采用绝缘支撑层601与导电层603复合的复合集流体60，一方面可以降低集流体的重量，提升电池的重量能量密度；另一方面可以阻止电芯在内部短路条件下的热失控，提升了电池的安全性能。
同时，电芯的热失控风险程度与绝缘支撑层601的厚度呈负相关，绝缘支撑层601约厚，越能提高抗形变能力，以能增大短路电阻，减少产生的热量，从而能改善热失控问题。本发明的实施例将绝缘支撑层601厚度控制在1-30um，相对较厚，能有效地改善热失控问题。其次，将正极集流体和负极集流体的绝缘支撑层601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603的厚度大致可控制在0.03-3um之间，使得导电层603的厚度相对较薄，因而被针刺时导电层603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，能进一步地提升电池的安全性能。
更进一步地，在本发明的实施例中，导电层603的厚度B的范围为0.03-3um；优选地，导电层603的厚度B的范围为0.2-3um。本发明的实施例将导电层603的厚度控制在此范围内，相较于现有技术而言，能降低导电层603的厚度，从而可以增大针刺短路时导电层603与金属棒的接触电阻。根据公式I＝U/R可知，电阻增大的同时电流降低，产热量则会减小，从而能有效地降低热失控风险。
隔膜的厚度也是影响电芯安全性能的关键因素，同等异物厚度的情况下，薄隔膜更容易被刺破，厚隔膜有一定的厚度，可降低穿透的风险，进而降低了电芯内部短路风险。因而，在本发明的实施例中，将隔离膜的厚度C的范围限制在5-20um之间；优选地，限制在5-15um之间。通过这样限定，可以充分减少电池内部正负极的短路点，降低电池热失控的风险，从而进一步地提高电芯的安全性能。
在同等容量和电芯体积的情况下，将电芯的厚度减薄，电芯表面积增大，电芯在内短路时短路的层数减小，通孔数量减少，意味着短路点更少，能一定程度改善热失控的问题。因而，本发明的实施例将卷芯605的厚度D控制在22-80mm的范围内；优选地，控制在30-60mm的范围内，能充分改善电芯的热失控问题。
同时，在本发明的实施例中，电芯的电芯容量与电芯表面积的比值F的范围为0.05-0.3Ah/cm2；优选地，电芯的电芯容量与电芯表面积的比值F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电芯容量与电芯表面积的比值F的范围可进一步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，绝缘支撑层601、导电层603以及隔离膜的厚度均可通过千分尺测量得到。卷芯605的厚度指裸电芯的厚度，不包含外部壳体厚度，其也可通过千分尺测量得到。并且，不同形状的卷芯605的厚度测量方式存在些许差异，若是方形铝壳、软包或叠片电芯的卷芯605，通常在热压之后测量卷芯605的大面的中心位置的厚度，具体的测试方法为在室温下将卷芯605放置于千分尺两测砧之间，使千分尺测微螺杆的轴线与卷芯605的厚度方向的中心线重合，并旋转旋钮使卷芯605的表面与测砧接近，接着改用旋转棘轮盘，直到棘轮发出2-3声“咔咔”声响，此时千分尺的指示数值就是所测量的卷芯605的厚度尺寸。若是圆柱电芯的卷芯605，卷芯605的直径即为卷芯605的厚度。本实施例主要以方形铝壳电芯的卷芯605为例进行测试与说明。
还需要说明的是，在本发明的实施例中，电芯的容量指电芯初始容量C0。其中，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)；④1C DC to 2.8V或者2.0V(得到初始容量C0)。
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601的厚度A、导电层603厚度B、隔离膜厚度C、卷芯605的厚度D以及电芯的电芯容量与电芯表面积的比值F满足10≤A*C*(F/107)/(B*D/1000)*107≤30000。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601的厚度A、导电层603厚度B、隔离膜厚度C、卷芯605的厚度D以及电芯的电芯容量与电芯表面积的比值F满足10≤A*C*(F/107)/(B*D/1000)*107≤30000。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1-11
实施例1-11分别提供了11种电芯(电池1-11)，11种电芯的绝缘支撑层601的厚度A、与每个绝缘支撑层601对应的导电层603厚度B、与每个绝缘支撑层601对应的隔离膜厚度C、卷芯605的厚度D以及电芯的电芯容量与电芯表面积的比值F满足10≤A*C*(F/107)/(B*D/1000)*107≤30000五者的关系如表1所示。同时，11种电芯的正极集流体和负极集流体的绝缘支撑层601均为PET材质，正极集流体的导电层603材质为铝箔，负极集流体导电层603的材质为铜箔。正极片涂覆于正极集流体上的正极活性材料的冷压后的厚度为79um，正极活性材料的活性颗粒为三元镍钴锰613体系，且颗粒的D50在3-6um。负极片涂覆于负极集流体上的负极活性材料的冷压后的厚度为97um，负极活性材料的活性颗粒为包覆处理后的石墨。11种电芯的隔离膜材料为PE或PP，且孔隙率大于50％，透气度在250-330s/100cc。电解液包括有机溶剂和溶解在有机溶剂中的电解质盐。其中，在配置基础电解液的过程中，先进行有机溶剂的配置，有机溶剂具体包括碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸乙烯酯(EC)，且三者的质量比为2:1:1。在配置完有机溶剂后加入电解质盐，使电解液中六氟磷酸锂浓度为1mol/L即可。
表1.实施例1-11电芯的参数
Figure BDA0003635065070000121
根据表1的数据可知，本发明的实施例1-11提供的11种电芯的绝缘支撑层601的厚度A、与每个绝缘支撑层601对应的导电层603厚度B、与每个绝缘支撑层601对应的隔离膜厚度C、卷芯605的厚度D以及电芯的电芯容量与电芯表面积的比值F满足10≤A*C*(F/107)/(B*D/1000)*107≤30000。
对比例1-5
对比例1-5提供了5种电芯(电池12-16)，5种电芯与实施例1-11的差异参数如表2所示。
表2.对比例1-5电芯的参数
Figure BDA0003635065070000131
实验例1
将实施例1-11提供的11种电芯与对比例1-5提供的5种电芯按照国标GBT31485中的流程做针刺实验，测试条件为:25±5℃，满充至4.2V，3mm钢针，25mm/s速度刺入电芯防爆阀中(带夹具)，观察1h后实验结果如表3所示。
表3.电芯的针刺实验数据
Figure BDA0003635065070000132
Figure BDA0003635065070000141
根据表3所测试的数据可知，本发明的实施例1-11相较于对比例1-5而言，将绝缘支撑层601的厚度A、与每个绝缘支撑层601对应的导电层603厚度B、与每个绝缘支撑层601对应的隔离膜厚度C、卷芯605的厚度D以及电芯的电芯容量与电芯表面积的比值F满足10≤A*C*(F/107)/(B*D/1000)*107≤30000范围内，能保证电芯安全性能，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1-11提供的11种电芯与对比例1-5提供的5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厚保温玻璃棉制成的保温棉，并以100A1C的电流恒流充电至4.1V，并搁置30min；同时，温升记录的条件为，在充电过程中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，另一端贴于电芯的大面中心点位置，每间隔1s记录电芯温度。电压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
Figure BDA0003635065070000151
根据表4的数据可知，本实施例提供的1-11号电芯相较于现有技术的对比例提供的12-16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。同时，根据表4中12和13号电芯的测试结果可知，当导电层603的厚度较厚时，例如高达5-10um时，电芯容易出现失效。根据表4中14至16号电芯的测试结果可知，若正极集流体和负极集流体未采用复合结构，其均不存在绝缘支撑层601结构时，电芯相对也容易出现失效情况。因而，根据表4的数据可知，本发明的实施例提供的电芯具有安全性更高的优点。
实施例12-24
实施例12-24提供了12种电芯，其编号分别为17-28号。17-28号电芯与1-11号电芯的区别在于表5中的参数。
表5.实施例12-24电芯的参数
Figure BDA0003635065070000161
根据表5的数据可知，本发明的实施例12-24提供的12种电芯的绝缘支撑层601的厚度A、与每个绝缘支撑层601对应的导电层603厚度B、与每个绝缘支撑层601对应的隔离膜厚度C、卷芯605的厚度D以及电芯的电芯容量与电芯表面积的比值F也满足10≤A*C*(F/107)/(B*D/1000)*107≤30000。
对比例6-8
对比例6-8提供了3种电芯(29-31号电芯)，5种电芯与对比例1-5的差异参数如表6所示。
表6.对比例6-8电芯的参数
Figure BDA0003635065070000171
实验例3
将实施例12-24提供的12种电芯与对比例6-8提供的3种电芯进行能量密度测试，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p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4.4V，之后以4.4V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7所示。
表7.能量密度测试结果
Figure BDA0003635065070000172
Figure BDA0003635065070000181
根据表7显示的数据可知，本发明的实施例通过将绝缘支撑层601的厚度A、导电层603厚度B、隔离膜厚度C、卷芯605的厚度D以及电芯的电芯容量与电芯表面积的比值F五者的关系控制10≤A*C*(F/107)/(B*D/1000)*107≤30000范围内，能有效地提高电芯的能量密度。同时，结合表1至表7的数据可知，本发明的实施例通过这样设置，还能在保证电芯安全性的同时将电芯的能量密度最大化。
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、隔膜卷绕得到卷芯605，将卷芯605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60，复合集流体60通过在绝缘支撑层601的两侧涂覆导电层603得到，正极集流体的导电层603为铝箔，负极集流体的导电层603为铜箔，且绝缘支撑层601的厚度A、与每个绝缘支撑层601对应的导电层603厚度B、与每个绝缘支撑层601对应的隔离膜厚度C、卷芯605的厚度D以及电芯的电芯容量与电芯表面积的比值F也满足10≤A*C*(F/107)/(B*D/1000)*107≤30000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60，复合集流体60是绝缘支撑层601与导电层603复合后得到的复合结构，其可降低集流体的重量，提升电池的重量能量密度；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603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601的厚度和隔离膜的厚度呈负相关，绝缘支撑层601和隔离膜厚度增加时，能提高电芯内部异物刺穿时的抗形变能力，使得短路电阻增大，产生的热量较小，以改善热失控问题；同时，导电层603厚度的减小，也可以增大针刺短路时导电层603与金属棒的接触的电阻，电阻增大使得电流降低，产热量减小，从而使得热失控风险降低；此外，在同等容量和电芯体积的情况下，将卷芯605的厚度减薄，将电芯的表面积增大，能减小电芯在内短路时短路的层数，减少通孔数量，意味着短路点更少，以能提高针刺时的热扩散表面积，减小短路电流，从而改善热失控问题。该电芯通过对绝缘支撑层601的厚度A、导电层603厚度B、隔离膜厚度C、卷芯605的厚度D以及电芯的电芯容量与电芯表面积的比值F五者的关系进行限制，将五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 (12)

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二者中的至少一者为复合集流体，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，所述绝缘支撑层的厚度为A，单位为um，所述导电层厚度为B，单位为um；所述隔离膜厚度为C，单位为um；所述卷芯的厚度D，单位为mm；所述电芯的电芯容量与电芯表面积的比值为F，单位为Ah/cm2；
所述绝缘支撑层的厚度A、所述导电层厚度B、所述隔离膜厚度C、所述卷芯的厚度D以及所述电芯的电芯容量与电芯表面积的比值F满足10≤A*C*(F/107)/(B*D/1000)*107≤30000。
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、所述导电层厚度B、所述隔离膜厚度C、所述卷芯的厚度D以及所述电芯的电芯容量与电芯表面积的比值F满足50≤A*C*(F/107)/(B*D/1000)*107≤1000。
3.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1-30um；
优选地，所述绝缘支撑层的厚度A的范围为5-15um。
4.根据权利要求1所述的电芯，其特征在于：
所述导电层的厚度B的范围为0.03-3um；
优选地，所述导电层的厚度B的范围为0.2-3um。
5.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C的范围为5-20um；
优选地，所述隔离膜的厚度C的范围为5-15um。
6.根据权利要求1所述的电芯，其特征在于：
所述卷芯的厚度D的范围为22-80mm；
优选地，所述卷芯的厚度D的范围为30-60mm。
7.根据权利要求1所述的电芯，其特征在于：
所述电芯的电芯容量与电芯表面积的比值F的范围为0.05-0.3Ah/cm2；
优选地，
所述电芯的电芯容量与电芯表面积的比值F的范围为0.1-0.3Ah/cm2。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的电芯，其特征在于：
所述正极活性材料中的活性颗粒的含量不低于94％；和/或，所述正极活性材料的厚度为40-120um；和/或，所述负极活性材料中的活性颗粒的含量不低于93％；和/或，所述负极活性材料的厚度为70-160um；所述正极活性材料的活性颗粒包括磷酸锂铁、镍钴锰酸锂、钴酸锂或锰酸锂；和/或，所述负极活性材料的活性颗粒包括石墨、石墨烯、钛基材料、锡基材料、硅基材料或氮化物材料。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的电芯，其特征在于：
所述正极集流体和所述负极集流体均为所述复合集流体；
且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有机聚合物材料或掺陶瓷的聚合物，所述导电层为铝箔层；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有机聚合物材料或掺陶瓷的聚合物，所述导电层为铜箔层。
10.根据权利要求1至7中任一项所述的电芯，其特征在于：
所述复合集流体包括两层所述导电层，两层所述导电层的厚度相同，且分别设置于所述绝缘支撑层的两侧。
11.一种电池模组，其特征在于，包括权利要求1至10中任一项所述的电芯。
12.一种电池包，其特征在于，包括权利要求1至10中任一项所述的电芯；或者，包括权利要求11所述的电池模组。
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