CN115036456B - 电极极片及电芯 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电极极片及电芯，其中，电极极片包括：多个单元结构，多个单元结构阵列布置形成至少一层片状结构，相邻的单元结构之间相互连接，每个单元结构内设置有容纳孔；活性物质，填充于每个容纳孔内。本申请的技术方案有效地解决了相关技术中的为了克服充放电膨胀对安全、性能的影响，电芯会牺牲部分体积空间以降低群裕度的问题。

Description

电极极片及电芯

技术领域

本发明涉及极片加工技术领域，具体而言，涉及一种电极极片及电芯。

背景技术

锂离子电池作为新能源汽车的主要核心部件，提高能量密度和安全性能为主要的研发方向之一。对于锂离子电池，不管何种形状，其能量密度和安全性能主要取决于内部卷芯，即正极/负极/隔膜依次卷绕或叠片而成。传统正负极片由一层箔材(铜箔或铝箔)作为集流体，单面或双面涂上活性物质用于锂离子嵌入或脱出，达到供给能量的目的。但不管设计何种正负极活性材料，锂离子电池在充放电过程中均为出现明显的膨胀行为，对模组安全、电芯本身的安全、以及电池的使用寿命均带来负面影响。

在相关技术中，为了克服充放电膨胀对安全、性能的影响，延长寿命和提高使用安全性，会牺牲部分体积空间以降低群裕度，以此给电芯膨胀预留额外的膨胀空间，降低膨胀带来的安全和性能降低的风险。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种电极极片及电芯，以解决相关技术中的为了克服充放电膨胀对安全和性能的影响，电芯会牺牲部分体积空间以降低群裕度的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种电极极片极，包括：多个单元结构，多个单元结构阵列布置形成至少一层片状结构，相邻的单元结构之间相互连接，每个单元结构内设置有容纳孔；活性物质，填充于每个容纳孔内。

进一步地，多个单元结构阵列布置形成两层及以上依次堆叠的片状结构，相邻两层片状结构中的单元结构相对设置。

进一步地，相邻两层片状结构中的容纳孔相对设置且相连通。

进一步地，单元结构包括依次连接的多个侧壁，多个侧壁围成容纳孔，相邻的单元结构之间通过侧壁相连。

进一步地，位于最外侧的其中一个容纳孔的至少一个侧壁上设置有第一孔体。

进一步地，位于最外侧的其中一个单元结构的每个侧壁上设置有第一孔体，与设置有第一孔体的单元结构相邻的多个单元结构上设置有与第一孔体相对的第二孔体。

进一步地，电极极片还包括传感器，传感器设置于至少一个单元结构上。

进一步地，侧壁为中空结构，电极极片还包括电解液和/或冷却液，电解液和/或冷却液位于中空结构内。

进一步地，容纳孔为通孔，电极极片包括遮挡件；当形成一层片状结构时，遮挡件覆盖设置在多个单元结构中容纳孔的任一端部；当形成两层及以上依次层叠的片状结构时，遮挡件覆盖设置在电极极片层叠方向的任一端部。

进一步地，多个容纳孔中的活性物质分别独立选自镍钴锰酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂、钛酸锂、镍酸锂中的至少一种；或者，多个容纳孔中的活性物质分别独立选自石墨、硅碳材料、硅氧材料、锡、镁、锗中的至少一种。

根据本发明的另一方面，提供了一种电芯，包括正极片、负极片及设置在正极片和负极片之间的绝缘层，正极片和/或负极片为上述的电极极片。

应用本发明的技术方案，多个单元结构阵列排布，相邻的多个单元结构之间相互连接，这样形成片状结构。每个单元结构内均设置有容纳孔。活性物质填充在容纳孔内。活性物质的设置使得多个单元结构形成极片的正极或者负极。通过上述的设置，由于每个单元结构上均设置有容纳孔，相邻的容纳孔可互相作为膨胀空间，这样使得单元结构能够实现变形，即单元结构能够沿其周向方向伸长或者压缩。这样的设置在电池使用时，锂离子脱嵌造成的膨胀能够被单元结构所吸收，而形成的SEI(固体电解质界面)膜等不可逆膨胀也能被单元结构的容纳孔吸收，从而使得极片对隔膜的挤压减少，降低隔膜闭孔现象，进而能够提高电池的性能。相比于现有技术而言，本申请的技术方案中的锂离子脱嵌造成的膨胀能够被单元结构吸收，而不会造成电池的过度膨胀，因此无需牺牲电池内的部分体积为膨胀提供空间。所以本申请的技术方案有效地解决了相关技术中的为了克服充放电膨胀对安全和性能的影响，电芯会牺牲部分体积空间以降低群裕度的问题。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的电极极片的实施例的立体结构示意图；

图2示出了图1的电极极片的未填充活性物质的立体结构示意图；

图3示出了图2的电极极片的部分结构示意图；

图4示出了根据本发明的电极极片的第二个实施例的立体结构示意图；

图5示出了图4的电极极片的仰视示意图；

图6示出了根据本发明的电极极片的第三个实施例的立体结构示意图；

图7示出了图6的电极极片的仰视示意图；

图8示出了图1的电极极片的为多层时的立体结构示意图；

图9示出了图8的电极极片的侧视示意图；

图10示出了根据本发明的电芯的实施例的立体结构示意图；

图11示出了图10的电芯的侧视示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、单元结构；11、容纳孔；12、侧壁；20、活性物质；30、第一孔体；40、第二孔体；50、传感器；60、遮挡件；71、正极片；72、负极片；73、绝缘层。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。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。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。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讨论。

如图1至图7所示，提供一种电极极片的实施例，在本实施例中，电极极片包括：多个单元结构10和活性物质20。多个单元结构10阵列布置形成至少一层片状结构，相邻的单元结构10之间相互连接，每个单元结构10内设置有容纳孔11。活性物质20填充于每个容纳孔11内。

应用本实施例的技术方案，多个单元结构10阵列排布，相邻的多个单元结构10之间相互连接，这样形成一个片状结构。每个单元结构10内均设置有容纳孔11。活性物质20填充在容纳孔11内。活性物质20的设置使得多个单元结构10形成极片的正极或者负极。通过上述的设置，由于每个单元结构10上均设置有容纳孔11，这样使得单元结构10能够实现变形，即单元结构10能够沿其周向方向伸长或者压缩。这样的设置在电池使用时，锂离子脱嵌造成的膨胀能够被单元结构10所吸收，而形成的SEI膜等不可逆膨胀也能被单元结构10的容纳孔11吸收，从而使得极片对隔膜的挤压减少，降低隔膜闭孔现象，进而能够提高电池的性能。相比于现有技术而言，本申请的技术方案中的锂离子脱嵌造成的膨胀能够被单元结构吸收，而不会造成电池的过度膨胀，因此无需牺牲电池内的部分体积为膨胀提供空间。所以本实施例的技术方案有效地解决了相关技术中的为了克服充放电膨胀对安全和性能的影响，电芯会牺牲部分体积空间以降低群裕度的问题。

需要说明的是，上述的SEI膜来自于电解液在负极表面的分解，主要包括Li₂O、Li₂CO₃、LiF、LiCl、醇盐、烷基碳酸锂和聚合物等。

上述的群裕度是指电芯的直径与壳体直径之比。

如图1至图7所示，本实施例的技术方案取消传统活性物质涂层设计，将活性物质20注入容纳孔11内，单元结构10的表面取消涂层或仅留及其薄的一层涂层。

如图1至图7所示，本实施例的技术方案改变传统箔材的片状实心结构，单元结构10的设置可有效降低重量，以此降低电芯及整个电池包的重量。其次，单元结构10具有一定的弹性，形成一个框架。当锂离子脱嵌时，活性物质20的体积变化单元结构10可随之被撑大或收缩，因此整个电芯膨胀形变被有效地吸收，使得整个电芯的生命周期无明显膨胀或膨胀较小，膨胀力也随之减小。同时在电芯设计初期，可根据使用需求，选择合适的单元结构10的尺寸，使得电芯在整个生命周期无明显膨胀现象或将膨胀力设计在最优区间，以保证电芯最优的使用性能。

如图8和图9所示，在本实施例中，当单层极片中含有两层及以上的单元结构10时，膨胀效应可吸收的更明显(如复合材料的抗弯强度高于相同厚度的金属材料)。由于取消了传统片状箔材结构，单元结构10更难产生褶皱(传统片状箔材容易产生褶皱)。单元结构10的材料除使用传统铝合金外，可使用自修复材料，搭配传感器50使用，将单元结构10的强度信号实时传给BMS，当单元结构10强度降低时，启动自修复。

如图8和图9所示，在本实施例中，多个单元结构10阵列布置形成两层及以上依次堆叠的片状结构，相邻两层片状结构中的单元结构10相对设置，具体地，相邻两层片状结构中的容纳孔11相对设置且相连通。使得各层的单元结构10可以互相挤压，最大化单元结构10的伸缩能力；另外，当向具有多层单元结构10的电极极片注入活性物质时，可经过相连通的容纳孔11依次注入，方便电极极片的生产制造。

如图1至图9所示，在本实施例中，容纳孔11为通孔。通孔的设置能够使得单元结构10更好地实现压缩和伸长。同时通孔内能够容纳较多的活性物质。

如图1至图9所示，在本实施例中，单元结构10包括依次连接的多个侧壁12，多个侧壁12围成容纳孔11，相邻的单元结构10之间通过侧壁12相连。具体地，单元结构10的横截面为三角形，四边形、五边形、六边形、七边形、八边形或者更多。上述的形状均能够实现对压缩和伸长，即能够防止电池过度膨胀。

如图1至图9所示，在本实施例中，电极极片由多个单元结构10重复构成，单个单元结构10设置有容纳孔11，形状可为三角柱形、蜂窝六面体、八面体、多面球体或其他形状，容纳孔11也可为无底壁。一层极片可为单层单元结构10或多层单元结构10叠加而成。单元结构10的材料可为传统铜/铝合金，也可为自修复材料或自修复凝胶，表面镀上相应金属材料。容纳孔11的孔壁厚度随实际进行调整，也可在中注入额外的电解液或者活性材料或冷却剂等。

如图1至图9所示，在本实施例中，活性物质20注入到容纳孔11中，单元结构10的表面可同时涂覆薄薄一层活性物质20或者表面不涂覆，即活性物质20可比单元结构10面低、高或平齐。

如图1至图9所示，在本实施例中，可在单元结构10上安装传感器50，传感器包括形变/压力/温度传感器，传感器50与BMS(电池管理系统)连接，以此实时监控单元结构侧壁的受力、形变变化和温度分布。容纳孔11孔壁的厚度为随实际进行调整，也可在制造过程中提前在容纳孔11孔壁中注入额外的电解液/活性材料或冷却剂等，以此在循环过程中，通过BMS的判断，当电解液或活性物质耗用过量时，自动补充实现自补液功能，当局部温度过高时，自动释放冷却剂，提升电芯使用性能和安全性能。

如图1至图9所示，在本实施例中，至少一个单元结构10的至少一个侧壁12上设置有第一孔体30。具体地，侧壁12上设置有第一孔体30后，则剩余上下两个筋条，两个筋条的变形更加容易，即第一孔体30的设置使得单元结构10能够更好地实现挤压和伸长。在本实施例中，一个单元结构10的每个侧壁12上均设置有第一孔体30。

如图1至图9所示，在本实施例中，位于最外侧的其中一个单元结构10的每个侧壁12上设置有第一孔体30，与设置有第一孔体30的单元结构10相邻的多个单元结构10上设置有与第一孔体30对应的第二孔体40。上述的设置能够使得一个完整的单元结构10均为由筋条组成，这样使得其变形更加容易，即其他的单元结构10对其的挤压变形也更加容易。

通过上述的设置，使得设置有第二孔体的单元结构10形成桁架结构，这样进一步实现减重的效果，并且更有利于单元结构10的形变，增大电极极片的伸缩性能。

如图1至图9所示，在本实施例中，电极极片还包括传感器50，传感器50设置于至少一个单元结构10上。传感器50包括形变传感器、压力传感器以及温度传感器，上述的传感器50能够实时监测单元结构10的受力、形变变化和温度分布的情况。同时传感器50与BMS连接，这样根据传感器50的实时数据，BMS能够有效地控制。

如图1至图9所示，在本实施例中，传感器50设置在至少一个单元结构10的侧壁12，具体地，传感器50设置在多个单元结构10最外侧的单元结构10的侧壁上。这样的设置能够使得传感器50便于固定，并且传感器50能够有效地实现监测。

当然，传感器50还可以设置在相邻的多个单元结构10相交处。

如图1至图9所示，在本实施例中，侧壁12的厚度a满足：2um≤a≤50um。上述的厚度设置能够实现单元结构10的变形。

如图1至图9所示，在本实施例中，侧壁12为中空结构，电极极片还包括电解液和/或冷却液，电解液和/或冷却液位于中空结构内。具体地，侧壁12的结构类似于海绵结构，活性物质20减少后，BMS系统根据传感器的监测结果进而控制电解液从中空结构内渗出，进而补充至容纳孔11的内部。在本实施例中，电解液和冷却液交替使用，即部分中空结构内设置电解液，其余部分中空结构内设置冷却液。

如图1至图9所示，在本实施例中，电极极片还包括遮挡件60；当形成一层片状结构时，遮挡件60覆盖设置在多个单元结构10的任一端部，即将容纳孔11的一端覆盖，进而防止活性物质20流出；当形成两层及以上依次层叠的片状结构时，遮挡件60覆盖设置在电极极片层叠方向的任一端部。上述的设置同样能够实现防止活性物质20流出。遮挡件包括底壁或者膜体，底壁或者膜体均能够防止活性物质的流出。

现在通常使用石墨负极，但石墨负极的比容量较低，目前已快要达到使用极限，而si负极、Sn负极或其他负极材料的比容量可大幅提高，但体积膨胀效应远高于石墨负极，因此考虑不同单元结构10中注入不同负极材料，彼此配合，以在合适体积膨胀范围内实现高的比容量。

如图1至图9所示，在本实施例中，多个容纳孔11中的活性物质20分别独立选自镍钴锰酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂、钛酸锂、镍酸锂中的至少一种；或者，多个容纳孔11中的活性物质20分别独立选自石墨、硅碳材料、硅氧材料、锡、镁、锗中的至少一种。具体地，当电极极片的单元结构10的多个容纳孔11内分别填充镍钴锰酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂、钛酸锂、镍酸锂时则形成正极极片，当电极极片的单元结构10的多个容纳孔11内分别填充石墨、硅碳材料、硅氧材料、锡、镁、锗时，则形成负极极片。

在本实施例中，当单元结构10形成一层结构时，多个容纳孔11中可容纳不同的活性物质，当单元结构10为多层结构时，每一层的容纳孔11内可分别填充一种活性物质20，或者每一层均如一层结构的填充方式。当单层极片为多层单元结构10时，不同层单元结构10可注入不同种类/比例的负极材料(活性物质)，如第一层为石墨负极，第二层为纯硅负极，第三层为硅碳负极；也可对于单层单元结构10中，不同单元结构10注入不同种类/比例的负极材料。如负极，不同正极材料(活性物质20)也各自有优缺点，如NCM材料能量密度高但循环性能差且成本也高，LFP虽然循环性能好、成本低，但是容量较低，因此选择不同正极材料注入不同单元结构10。当单层极片为多层单元结构10时，不同层单元结构10可注入不同种类/比例的正极材料，如第一层为LFP正极，第二层为NCM622正极，第三层为NCM811正极；也可对于单层单元结构10中，不同单元结构10可注入不同种类/比例的正极材料。

本实施例的技术方案具有如下优点：

将活性物质20注入容纳孔11中，相比于现有的涂层活性物质，相同体积可容纳更多活性物质，提高能量密度。

相比现有的箔材设计，中空结构(容纳孔11)的单元结构10可有效降低电池重量，若改为碳纤维或玻璃纤维复合材料作为单元结构，重量可进一步降低，实现轻量化设计。

由于单元结构10可伸缩，因此电池使用时锂离子脱嵌造成的膨胀被单元结构10吸收，而形成的SEI膜等不可逆膨胀也能被单元结构10内腔空间吸收，从而使得极片对隔膜的挤压减少，降低隔膜闭孔现象，提高性能。基于上述，电芯整体厚度基本不变，对外产生的膨胀力也基本不增长或增长幅度较小，从而给模组预留更多设计空间和更低强度需求，提高整体安全性能。由于电芯的厚度基本不变，因此可提高单电芯在模组中的性能一致性，提升整体模组/pack的性能。

根据本申请的第二个方面，提供了一种电芯，如图10和图11所示，本实施例的电芯包括正极片71、负极片72及设置在正极片71和负极片72之间的绝缘层73，正极片71和/或负极片72为上述的电极极片。绝缘层73的设置能够将正极片71和负极片72分隔开。正极片71和负极片72包括一层单元结构10或者包括多层单元结构10。上述的单元结构10能够避免对电池安全和性能的影响，同时能够避免牺牲部分体积。因此具有上述的电极极片的电芯也具有上述的优点。

需要说明的是，上述的绝缘层73为多孔绝缘涂层或者隔膜(基材与涂层)，当为多孔绝缘涂层时，将其涂敷在正极片和负极片的表面上，以大大降低极片的厚度；当为隔膜时，隔膜设置在正极片71与负极片72之间。

在本发明的描述中，需要理解的是，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发明和简化描述，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发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，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发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电极极片，其特征在于，包括：

多个单元结构（10），多个所述单元结构（10）阵列布置形成至少一层片状结构，相邻的所述单元结构（10）之间相互连接，每个所述单元结构（10）内设置有容纳孔（11）；

活性物质（20），填充于每个所述容纳孔（11）内；

所述单元结构（10）包括依次连接的多个侧壁（12），多个所述侧壁（12）围成所述容纳孔（11），相邻的所述单元结构（10）之间通过所述侧壁（12）相连；

至少一个所述单元结构（10）的至少一个侧壁（12）上设置有第一孔体（30）。

2.根据权利要求1所述的电极极片，其特征在于，多个所述单元结构（10）阵列布置形成两层及以上依次堆叠的片状结构，相邻的两层所述片状结构中的所述单元结构（10）相对设置。

3.根据权利要求2所述的电极极片，其特征在于，相邻的两层所述片状结构中的容纳孔（11）相对设置且相连通。

4.根据权利要求1所述的电极极片，其特征在于，位于最外侧的其中一个所述单元结构（10）的每个侧壁（12）上设置有第一孔体（30），与设置有所述第一孔体（30）的所述单元结构（10）相邻的多个单元结构（10）上设置有与所述第一孔体（30）相对的第二孔体（40）。

5.根据权利要求1所述的电极极片，其特征在于，所述电极极片还包括传感器（50），所述传感器（50）设置于至少一个所述单元结构（10）上。

6.根据权利要求1所述的电极极片，其特征在于，所述侧壁（12）为中空结构，所述电极极片还包括电解液和/或冷却液，所述电解液和/或冷却液位于所述中空结构内。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的电极极片，其特征在于，所述容纳孔（11）为通孔，所述电极极片还包括遮挡件（60）；当形成一层所述片状结构时，所述遮挡件（60）覆盖设置在多个单元结构（10）中容纳孔（11）的任一端部；当形成两层及以上依次层叠的所述片状结构时，所述遮挡件（60）覆盖设置在电极极片层叠方向的任一端部。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的电极极片，其特征在于，多个容纳孔（11）中的所述活性物质（20）分别独立选自镍钴锰酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂、钛酸锂、镍酸锂中的至少一种；或者，多个容纳孔（11）中的所述活性物质（20）分别独立选自石墨、硅碳材料、硅氧材料、锡、镁、锗中的至少一种。

9.一种电芯，包括正极片（71）、负极片（72）及设置在所述正极片（71）与负极片（72）之间的绝缘层（73），其特征在于，所述正极片（71）和/或负极片（72）为权利要求1至8中任一项所述的电极极片。