CN115172648A - 一种电池及抑制电池胀气的方法、以及装置 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种电池及抑制电池胀气的方法、以及装置，属于电池技术领域。电池包括电池壳体、正极极片、负极极片及非水电解液。其中，电池壳体内设置有气体消耗剂，气体消耗剂包括碱金属和碱金属合金中的至少一种，气体消耗剂与负极极片不接触或非电性接触。装置装配有如上述的电池。抑制电池胀气的方法包括：在电池壳体内设置气体消耗剂，并使得气体消耗剂与负极极片不接触或非电性接触。电池配置简单、不受气体尺寸效应限制、除气及时且除气量大。

Description

一种电池及抑制电池胀气的方法、以及装置
技术领域
本申请涉及电池技术领域，具体而言，涉及一种电池及抑制电池胀气的方法、以及装置。
背景技术
二次电池具有循环寿命长、绿色环保等优点，被广泛应用到新能源行业。电池在工作过程中，在负极表面由非水电解液还原生成的固体电解质膜会部分分解产生气体，在正极表面非水电解液也会氧化生成气体。一方面，这些气体会导致电池的体积膨胀，而且电池中产生的气体包括可燃性气体，还具有一定的安全风险；另一方面，这些气体溶解在电极和非水电解液中会影响非水电解液中离子的传输和电子的交换，从而降低电池的循环性能。
现有技术中，针对电池的产气问题，主要采用以下两种方法进行解决。
第一种方法，是设置排气阀，当产气量达到一定程度后，将产生的气体通过排气阀排放气袋中。然而，采用上述方法，使得电池的结构复杂，且不能及时去除产生的气体。
第二种方法，是在电池内设置储气装置，将产生的气体吸附储存在储气装置中。然而，采用上述方法，特定尺寸效应的吸附介质只能吸附特定种类的气体，且吸附储存量较小。
发明内容
本申请的目的在于提供一种电池及抑制电池胀气的方法、以及装置，使用气体消耗剂对产生的气体进行化学消耗，配置简单、不受气体尺寸效应限制、除气及时且除气量大。
本申请的实施例是这样实现的：
第一方面，本申请实施例提供一种电池，包括电池壳体、正极极片、负极极片及非水电解液。其中，电池壳体内设置有气体消耗剂，气体消耗剂包括碱金属和碱金属合金中的至少一种，气体消耗剂与负极极片不接触或非电性接触。
第二方面，本申请实施例提供一种装置，装配有如第一方面实施例的电池。
第三方面，本申请实施例提供一种抑制电池胀气的方法，包括：在电池壳体内设置气体消耗剂，并使得气体消耗剂与负极极片不接触或非电性接触；气体消耗剂包括碱金属和碱金属合金中的至少一种。
本申请实施例提供的电池及抑制电池胀气的方法、以及装置，有益效果包括：
在电池壳体内设置气体消耗剂，配置方便。气体消耗剂选用碱金属和/或碱金属合金，利用碱金属和碱金属合金的还原性，对产生的气体进行还原生成碱金属盐，实现气体的化学消耗。该化学消耗的方式，不受气体尺寸效应限制；且由于碱金属和碱金属合金的还原性强，能够快速且有效地对产生的多种气体进行还原，使得除气及时且除气量大。
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申请的某些实施例，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为本申请实施例第一种叠片电池的电芯结构示意图；
图2为本申请实施例第一种卷绕电池的电芯结构示意图；
图3为本申请实施例第二种叠片电池的电芯结构示意图；
图4为本申请实施例第二种卷绕电池的电芯结构示意图；
图5为本申请实施例第一种电池结构示意图；
图6为本申请实施例第二种电池结构示意图；
图7为本申请实施例第三种电池结构示意图；
图8为本申请实施例第四种电池结构示意图。
图标：11-正极极片；12-负极极片；13-隔膜；14-气体消耗剂；15-绝缘体；16-电芯区；17-气袋区。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
需要说明的是，本申请中的“和/或”，如“方案A和/或方案B”，均是指可以单独地为方案A、单独地为方案B、同时为方案A加方案B，该三种方式。
另外，在本申请的描述中，“多种”的含义是两种及两种以上。
下面对本申请实施例的电池及抑制电池胀气的方法、以及装置进行具体说明。
考虑到还原性较强的金属或者合金具有较强的化学反应性，在电池中可能会直接与电解液反应被消耗。因此在现有技术中，通常采用排气阀进行排气的方式和采用储气装置进行储气等的物理消除方式，然而上述两种方法都无法将产生的气体进行消除。而且，采用储气装置对产生的气体进行吸附储存的方式，通常需要将储气装置与非水电解液进行隔离，避免非水电解液对储气装置造成腐蚀等影响。
而研究发现，碱金属和碱金属合金具有强还原性，能够快速且有效地对电池内产生的多种气体进行还原并生成碱金属盐。虽然碱金属和碱金属合金具有较强的化学反应的活性，但是其在非水电解液中时会在表面生成一层钝化层，钝化层的形成能够阻碍气体消耗剂与非水电解液的进一步反应消耗，同时该钝化层不会影响气体消耗剂对气体的化学消耗。因此，将碱金属或者碱金属合金作为气体消耗剂配置在非水电解液体系的电池中，能够通过非水电解质对碱金属和碱金属合金的表面进行钝化以稳定保存，以使得能够利用碱金属和碱金属合金的强还原性快速且有效地对电池内产生的多种气体进行化学消耗。
第一方面，本申请实施例提供一种电池，包括电池壳体、正极极片、负极极片及非水电解液。其中，电池壳体内设置有气体消耗剂，气体消耗剂包括碱金属和碱金属合金中的至少一种，气体消耗剂与负极极片不接触或非电性接触。
在本申请的实施例中，只需要将气体消耗剂设置在与负极极片不接触或非电性接触的位置，以保证气体消耗剂能够发挥其强还原性；而且考虑到非水电解质对气体消耗剂的表面钝化作用，不需要将气体消耗剂与非水电解液进行隔离，使得电池结构的配置简单方便。
电池在使用过程中，利用气体消耗剂的强还原性对电池内产生的多种气体进行快速的化学消耗；且化学消耗的方式，气体消耗剂在较小体积用量的情况下就能够实现气体的大量消耗。一方面，能够有效改善电池的体积膨胀的问题；另一方面，能够降低产生的气体在电极和非水电解液中的溶解量，能够提高非水电解液中离子的传输和电子的交换，从而提高电池的循环性能。
通过化学反应的方式，将电池中产生的气体进行化学消除，能够显著提高电池的安全性能；气体消耗剂对产生的气体进行还原生成碱金属盐，也基本不会对非水电解液的功能造成影响。
关于电池的种类：考虑到本申请中，电池在配置时只需要将气体消耗剂配置在与负极极片不接触或非电性接触的位置即可有效进行气体的化学消耗。因此，在本申请的实施例中，电池的种类不受特殊限制(例如，电池的非水电解液体系、电池的包装类型以及电池的电极的电化学体系等)，只要是存在非水电解液产气问题的电池，其可以根据本申请所公知的种类进行选择。
根据电池的非水电解液体系进行分类，电池的非水电解液例如但不限于为酯类非水电解液、醚类非水电解液或砜类非水电解液。
发明人研究发现，由于碳酸酯类电解液产气成分以CO2为主，其与碱金属气体消耗剂的反应活性高。示例性地，电池的非水电解液的溶剂为碳酸酯类溶剂，使得气体消耗剂对电池循环性能的提升效果更为显著。
发明人还进一步研究发现，电池的非水电解液为氟代碳酸酯类电解液时，碱金属气体消耗剂的表面可以形成更稳定的表面钝化层。进一步地，电池的非水电解液的溶剂为氟代碳酸酯类溶剂，能够减少气体消耗剂与电解液的副反应，因此可以大幅度改善电池循环性能。
需要说明的是，在本申请中，酯类电解液是指溶剂为未用氟取代的酯类溶剂的非水电解液，氟代酯类电解液是指溶剂为氟代的酯类溶剂的非水电解液。
可以理解的是，在本申请的实施例中，电解液可包括有机溶剂以及溶解与有机溶剂中的电解质盐。该电解质盐通常使用锂盐，例如是LiClO4、LiPF6、LiBF4、LiAsF6和LiSbF6等无机锂盐，或者是LiCF3SO3、LiCF3CO2、Li2C2F4(SO3)2、LiN(CF3SO2)2、LiC(CF3SO2)3、LiCnF2n+ 1SO3(n≥2)等有机锂盐。
根据电池的包装类型进行分类，电池例如但不限于为软包电池、方形电池、扣式电池或柱状电池。例如在软包电池和方形电池中，根据电极极片的设置方式不同，又可以选择为叠片电池或卷绕电池。
根据电池的电化学体系进行分类，电池例如但不限于为锂离子电池或钠离子电池。可选的，正极极片的正极材料为三元正极材料、磷酸铁锂、磷酸铁钠或钴酸锂，负极极片的负极材料为锂金属、钠金属或石墨。
示例性的，电池的正极材料为镍钴锰酸锂或镍钴铝酸锂，电池的负极材料为锂金属。上述种类的锂离子电池具有比能量密度高的特点，且研究发现碱金属和碱金属合金作为气体消耗剂在上述种类的锂离子电池的体系中，能够较好地发挥气体消耗的作用，使得电池的循环性能得到有效改善。
关于气体消耗剂的种类：
在本申请的实施例中，碱金属的选择示例性地为锂金属、钠金属、钾金属或者铷金属，碱金属合金的选择示例性地为锂硅合金、锂铝合金、锂锡合金、锂硼合金、锂镁合金、钠锑合金、钠磷合金、钠铋合金、钠硅合金、钾钠合金、锂钠合金或者锂钾合金。气体消耗剂的种类不限，其可以根据电池产气的种类进行选择，其例如选择为上述碱金属和/或碱金属合金中的一种或者至少两种。
示例性的，气体消耗剂为锂金属或钠金属，其在电池中能够有效地发挥对产生的一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、三氧化硫、氮气等多种气体的化学消耗作用。
考虑到在不同的电池体系中，受非水电解液体系和电极的电化学体系等因素的影响，产气情况存在一定的差异，而不同的气体消耗剂对气体的消耗作用不同。特定的非水电解液体系、电极的电化学体系以及气体消耗剂的种类进行组合，保证能够较好地实现对产生的气体的化学消耗。
作为一种示例，正极材料为镍钴锰酸锂，气体消耗剂为碱金属(例如锂金属、钠金属或钾金属)或碱金属合金(例如锂镁合金或钠锡合金)中的一种或多种，非水电解液为酯类非水电解液、醚类非水电解液或砜类非水电解液。
作为另一种示例，正极材料为磷酸铁锂、钴酸锂或磷酸铁钠、或镍钴铝酸锂，气体消耗剂为碱金属(例如锂金属、钠金属或钾金属)，非水电解液为酯类非水电解液。
关于气体消耗剂的设置方式：
在本申请的实施例中，气体消耗剂的设置位置不限，只要能够与电池中产生的气体进行接触，并且能够满足与负极极片不接触或非电性接触。需要说明是，在本申请的实施例中，考虑到非水电解质对本申请该特定的气体消耗剂的表面具有钝化作用，不需要将气体消耗剂与非水电解液进行隔离，其是指将气体消耗剂与非水电解液进行隔离不是必须的。可以理解的是，本申请的电池不限于将气体消耗剂与非水电解质进行接触的方式，例如也可以将气体消耗剂封装在能够通过气体但不能够通过电解液的隔离腔室中。
在将气体消耗剂直接设置在电池内的实施方式中，其例如将气体消耗剂连接于电芯、连接于电池壳体内壁或者活动设置于电池壳体内。其中，连接于电池壳体内壁和活动设置于电池壳体内的方式，使得气体消耗剂与负极极片不接触。连接于电芯的方式中，作为一种示例，如图1和图2所示，图1示出了一种叠片电池的电芯结构，图2示出了一种卷绕电池的电芯结构，将气体消耗剂14设置于正极极片11所在的一侧，使得气体消耗剂14与负极极片12不接触；作为另一种示例，如图3和图4所示，图3示出了另一种叠片电池的电芯结构，图4示出了另一种卷绕电池的电芯结构，将气体消耗剂14设置于负极极片12所在的一侧，并设置绝缘体15使负极极片12和气体消耗剂14间接连接，使得气体消耗剂14与负极极片12非电性接触。
连接于电芯和连接于电池壳体内壁的方式，气体消耗剂14在电池内的位置相对固定，电池结构的物理稳定性更好。气体消耗剂14可选地连接于电芯和/或连接于电池壳体内壁。
在气体消耗剂14连接于电芯的方式中，可选地将气体消耗剂14设置于位于电芯的末端的极片。进一步地，将该末端极片的电极活性材料设置在集流体的靠近隔膜13的一侧表面，并将气体消耗剂14设置在该末端极片的集流体的远离隔膜13的一侧。气体消耗剂14的上述连接方式，使得气体消耗剂14能够较好地与电池内产生的气体接触。
需要说明的是，在电芯中，正极极片11和负极极片12通过隔膜13相间设置。在本申请中，关于位于电芯的末端的正极极片11：如图1和图3所示，在叠片电池中，正极极片11和负极极片12依次层叠设置，层叠后位于最外侧的正极极片11，即是本申请中所指的位于电芯的末端的正极极片11。如图2和图4所示，在卷绕电池中，正极极片11和负极极片12依次层叠设置后进行卷绕，卷绕后位于尾端的最外侧的正极极片11，即是本申请中所指的位于电芯的末端的正极极片11。同样地，位于电芯的末端的负极极片12可以参照上述解释进行确认，将不再赘述。
如图1和图2所示，示例性的，气体消耗剂14设置于正极极片11的正极集流体，其能够较好地与负极极片12电绝缘。可选的，气体消耗剂14设置于位于电芯的末端的正极极片11的正极集流体。
作为一种示例，位于电芯的末端的正极极片11的正极集流体具有相对的第一表面和第二表面。其中，第一表面为该正极集流体靠近隔膜13的一侧表面，该第一表面设置有正极材料。第二表面为该正极集流体远离隔膜13的一侧表面，该气体消耗剂14设置于第二表面。
在气体消耗剂14连接于电池壳体内壁的方式中，在一种示例性的实施方案中，电池壳体仅具有一个容置腔，其例如为软包电池、方形电池、扣式电池或柱状电池；该设置方式下，气体消耗剂14连接在围成容置腔的壳体内壁。在第二种示例性的实施方案中，电池壳体包括相互连通的电芯区16和气袋区17，其例如为软包电池，具有正极极片11和负极极片12的电芯设置于电芯区16；该设置方式下，气体消耗剂14设置于电芯区16的壳体内壁和/或气袋区17的壳体内壁。
在本申请的实施例中，气体消耗剂14的设置形态不限，其例如但不限于设置为片状、块状或颗粒状。可以理解的是，在本申请的实施例中，可以根据气体消耗剂14形态的不同选择在电池中的不同设置方式。例如，当气体消耗剂14的形态为片状时，可选地将片状的气体消耗剂14连接于电芯和/或电池壳体的内壁；当气体消耗剂14的形态为块状或颗粒状时，可选地将气体消耗剂14活动设置于电池壳体内。
示例性的，气体消耗剂14为片状，其方便通过连接于电芯和/或连接于电池壳体内壁的方式稳定设置于电池内。
在将片状的气体消耗剂14连接于电芯和/或电池壳体的内壁的实施方案中，气体消耗剂14不限于仅连接于电芯的结构，也不限于仅连接于电池壳体内壁的情况，而可以同时在电池壳体内壁和电芯均连接气体消耗剂14。在将气体消耗剂14设置于壳体内壁的实施方式中，气体消耗剂14不限于仅设置于电芯区16的壳体内壁，也不限于仅连接于气袋区17的壳体内壁，而可以同时在电芯区16的壳体内壁和气袋区17的壳体内壁连接气体消耗剂14。
请参阅图5，作为一种示例，电池壳体仅具有一个作为电芯区16的容置腔；片状的气体消耗剂14连接于电芯或连接于电芯区16的壳体内壁，示例性的，该片状的气体消耗剂14连接于电芯。
请参阅图6，作为另一种示例，电池壳体包括相互连通的电芯区16和气袋区17，电池壳体内和气袋区17内均设置有片状的气体消耗剂14。在气袋区17内，片状的气体消耗剂14连接于气袋区17的壳体内壁。在电芯区16内，片状的气体消耗剂14连接于电芯或连接于电芯区16的壳体内壁，示例性地，该片状的气体消耗剂14连接于电芯。
请参阅图7，作为再一种示例，电池壳体包括相互连通的电芯区16和气袋区17，仅气袋区17内设置有片状的气体消耗剂14。在气袋区17内，该片状的气体消耗剂14连接于气袋区17的壳体内壁。
当气体消耗剂14连接于电池壳体内壁时，可选的，气体消耗剂14通过粘接剂粘贴在电池壳体内壁。当气体消耗剂14连接于电芯时，可选的，气体消耗剂14通过粘接剂粘贴在正极极片11的正极集流体，或者气体消耗剂14通过辊压的方式形成于正极极片11的正极集流体。辊压的方式不需要粘接剂，使得气体消耗剂14的设置更加方便。
在一些示例性的实施方案中，片状的气体消耗剂14仅设置于位于电芯的末端的正极极片11的正极集流体，并通过辊压的方式形成于该正极集流体的第二表面。
在将块状或颗粒状的气体消耗剂14活动设置于电池壳体内的实施方案中，请参阅图8，作为又一种示例，气体消耗剂14的形态为块状或颗粒状，电池壳体包括相互连通的电芯区16和气袋区17，仅气袋区17内设置有气体消耗剂14，且气体消耗剂14在气袋区17内活性设置。
发明人还研究发现，在本申请的非水电解液体系的电池中，气体消耗剂的比表面积也和电池性循环能密切相关。如果气体消耗剂的比表面积过低，则其反应活性面积较少，不利于快速吸收电池循环产生的气体，而且钝化的表面会进一步抑制气体消耗剂的吸收效果。如果气体消耗剂的比表面积过高，气体消耗剂会和电解液之间发生较严重的副反应，一方面，大量的气体消耗剂会通过表面钝化被消耗，导致无法有效吸收产气，另一方面，部分电解液也会被副反应消耗掉，导致电池循环性能显著降低。
示例性地，气体消耗剂的比表面积为5～100m2/g，可选为5m2/g、10m2/g、20m2/g、30m2/g、40m2/g、50m2/g、60m2/g、70m2/g、80m2/g、90m2/g和100m2/g中的任意点值或者任意两者之间的范围值，例如为20～50m2/g。
上述技术方案中，考虑到气体消耗剂14的表面积会影响其在非水电解液中的钝化面积及消耗量，同时气体消耗剂14的表面积会影响气体消耗剂14接触并化学消耗电池生产的气体的速度。控制气体消耗剂14的表面积在电池中有特定的占比，在避免气体消耗剂14被过多地钝化消耗的同时，保证气体消耗剂14对电池产生的气体有较快的反应消耗速度。
在一些示例性的实施方案中，例如当片状的气体消耗剂14仅设置于位于电芯的末端的正极极片11的正极集流体时，片状的气体消耗剂14的面积为与电池尺寸(集流体的单侧面积)之比为35～45:60，或38～42:60，例如为40:60。
进一步的，发明人研究发现，由于电池产气主要来源于电解液分解生成，在本申请的非水电解液体系的电池中，气体消耗剂相对于非水电解液的溶剂的摩尔占比对电池循环性能的影响显著，因此可以通过电解液的添加量对气体消耗剂进行限定。当气体消耗剂的物质的量相对过低时，由于气体消耗剂的含量少，对电池产气的吸收效果有限，电池的循环性能提升不明显；当气体消耗剂的物质的量相对过高时，大量的消耗剂会和电解液发生较多的副反应，会造成电解液的额外损耗，因此电池循环性能也会降低。
示例性地，气体消耗剂的物质的量为非水电解液的溶剂的物质的量的1～10％，可选为1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％和10％中的任意点值或者任意两者之间的范围值，例如为3～5％。
上述技术方案中，考虑到气体消耗剂14的用量对气体消耗总量的影响，通过选择合适的气体消耗剂14的用量，有利于保证电池在工作期间对气体充分反应吸收，同时避免由于消耗剂钝化过程导致过多地消耗电解液。
在一些实施例中，本申请提供的电池可以组装成电池模块，电池模块所含的电池的数量可以为多个，具体数量可根据电池模块的应用和容量来调节。
上述的电池模块还可以组装成电池包，电池包所含的电池模块的数量可以根据电池包的应用和容量进行调节。
第二方面，本申请实施例提供一种装置，其装配有如第一方面实施例的电池，该电池为装置提供电源。
在本申请的实施例中，该装置可以但不限于是移动通信终端(例如手机、笔记本、平板电脑、POS机和车载电脑等)、电动交通工具(例如纯电动车、混合动力电动车、插电式混合动力电动车、电动自行车、电动踏板车、电动高尔夫球车、电动卡车等)、电气列车、船舶及卫星、储能系统等。
可以理解的是，该装置可以根据需要选择装备本申请提供的电池，或者装配本申请提供的电池所组装成的电池模块或电池包。
第三方面，本申请实施例提供一种抑制电池胀气的方法，包括：在电池壳体内设置气体消耗剂14，并使得气体消耗剂14与负极极片12不接触或非电性接触；气体消耗剂14包括碱金属和碱金属合金中的至少一种。其中，关于电池的种类、气体消耗剂14的种类和气体消耗剂14的设置方式，可参见第一方面提供的实施例，在此将不再赘述。
示例性的，在正极集流体的第一表面设置正极材料、第二表面设置气体消耗剂14，得到正极极片11；将正极极片11设置于电芯的末端。可选的，上述方式中，气体消耗剂14通过辊压的方式形成于正极集流体，使得气体消耗剂14能够方便地连接在电池内。
可以理解的是，在本申请的实施例中，在电池内连接气体消耗剂14操作方式和操作时机不受特殊限制。关于操作方式，除了采用辊压的方式，例如还可以采用粘接剂进行粘贴。关于操作时机，在采用粘接剂进行粘贴时，其可以先电极极片层叠或卷绕成电芯，然后再将气体消耗剂14粘贴在正极极片11的正极集流体；也可以先将气体消耗剂14粘贴在正极极片11的正极集流体，然后在将电极极片层叠或卷绕成电芯。
本申请的电池的制备方法，可以先制备连接有气体消耗剂14的壳体、活动设置有气体消耗剂14的壳体、连接有气体消耗剂的正极极片11或者非电性连接有气体消耗剂的负极极片12；然后按照本领域公知的方法将正极极片11、隔膜13、负极极片12按顺序组装后得到电芯；再将电芯置于壳体中；干燥后注入电解液，经过真空封装、静置、化成、整形等工序，得到电池。
本申请的电池的制备方法，按照本领域公知的方法将正极极片11、隔膜13、负极极片12按顺序组装后得到电芯；然后将气体消耗剂14连接于电芯末端的正极极片11的正极集流体的外侧，或者将气体消耗剂14通过绝缘体15非电性连接于电芯末端的负极极片12的负极集流体的外侧；再将电芯置于壳体中；干燥后注入电解液，经过真空封装、静置、化成、整形等工序，得到电池。
以下结合实施例对本申请的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例及对比例
各实施例和对比例中分别提供了一种电池，将面载量为4mAh cm-2的正极极片与不同类型的负极极片配对。
其中，电池的正极材料、负极材料、电池包装类型、气体消耗剂设置情况，如表1中所示。在各实施例和对比例中，未提及气袋时代表未设置气袋。
其中，在各实施例和对比例中，软包电池和方形电池为叠片电池，其整体尺寸为60cm2、活性面积为40cm2，软包电池为4060D0型号电池，方形电池为043048型号电池，扣式电池为2032型号电池，柱状电池为18650型号电池。
试验例
对各实施例和对比例提供的电池的循环性能进行测试，其循环性能是电池的放电量达到初始容量的80％时的循环次数，结果如表1所示。
测试条件：电池设计容量为140mAh，测试温度为25℃，各实施例和对比例的锂离子电池各取3支样品。将各锂离子电池均以1/3C倍率从电池的初始电压恒流充电至4.3V，然后以截至电压4.3V恒压充电并截止至电流为0.05C，再以1/3C倍率恒流放电至2.8V，完成一次充放电循环；如此反复进行充电和放电。
表1.电池结构及测试结果
Figure BDA0003007661870000151
Figure BDA0003007661870000161
Figure BDA0003007661870000171
注：
(1)表1中各实施例和对比例中同一类的电解液，是指同一种电解液。
其中，酯类非水电解液是指溶剂为未用氟取代的碳酸酯类溶剂的非水电解液，具体为含1mol/L双氟磺酰亚胺锂的碳酸乙烯酯；氟代酯类非水电解液是指溶剂为氟代的碳酸酯类溶剂的非水电解液，具体为含1mol/L双氟磺酰亚胺锂的氟代碳酸乙烯酯；醚类非水电解液具体为含1mol/L双氟磺酰亚胺锂的乙二醇二甲醚，高浓砜类非水电解液具体为含3mol/L双氟磺酰亚胺锂的二甲基亚砜。
(2)表1中的气体消耗剂的摩尔占比，是指气体消耗剂的物质的量相对于非水电解液的溶剂的物质的量的百分占比；即，气体消耗剂的摩尔占比＝(气体消耗剂的物质的量/非水电解液的溶剂的物质的量)*100％。
根据实施例1～8可知，在申请的实施例中，采用不同的碱金属和碱金属合金作为气体消耗剂，气体消耗剂均能够较好地实现电池产气的化学消耗，使得电池均具有较好的循环性能。
根据实施例1和实施例9～13可知，在申请的实施例中，在非水电解液体系的电池中设置特定的气体消耗剂的情况下，采用不同的正极材料和负极材料，气体消耗剂均能够较好地实现电池产气的化学消耗，使得电池均具有较好的循环性能。
根据实施例1和实施例14～16可知，在申请的实施例中，在非水电解液体系的电池中设置特定的气体消耗剂的情况下，采用不同的包装类型，气体消耗剂均能够较好地实现电池产气的化学消耗，使得电池均具有较好的循环性能。
根据实施例1和实施例17～19可知，在申请的实施例中，在非水电解液体系的电池中设置特定的气体消耗剂的情况下，安装在电池内的不同位置，气体消耗剂均能够较好地实现电池产气的化学消耗，使得电池均具有较好的循环性能。
比较实施例1和对比例1、实施例2和对比例2以及实施例12及对比例3，可知，本申请实施例中，通过设置特定种类的气体消耗剂进行产气的化学消耗，电池的循环性能显著提高。比较实施例1和对比例4，可知，采用本申请化学消耗的方式，与现有技术中采用物理吸附的方式相比，电池的循环性能显著提高。
根据实施例20～22和对比例5～7可知，在申请的实施例中，在非水电解液体系的电池中设置特定的气体消耗剂的情况下，采用不同的非水电解质，气体消耗剂均能够较好地实现电池产气的化学消耗，使得电池均具有较好的循环性能。
根据实施例1和对比例1之间的对比以及实施例20～22和对比例5～7之间的对比可知，酯类电解液电池使用气体消耗介质后电池循环性能提升量明显优于醚类电解液电池和砜类电解液电池使用气体消耗介质后电池循环性能提升量，说明由于酯类电解液产气成分以CO2为主，其与碱金属气体消耗剂反应活性高，因此循环提升效果更为显著。进一步地，采用氟代酯类电解液的电池的循环性能提升量又显著优于使用酯类电解液的电池的循环性能提升量，说明氟代酯类电解液对于碱金属气体消耗剂可以形成更稳定的表面钝化层，减少消耗剂与电解液的副反应，因此可以进一步大幅度改善电池性能。
根据实施例1和实施例23～27之间的对比可知，在申请的实施例中，在非水电解液体系的电池中设置特定的气体消耗剂的情况下，气体消耗剂相对非水电解液的溶剂的摩尔占比对电池循环性能影响显著。其中，摩尔占比为1～10％时，特别是摩尔占比为3～5％时，电池循环性能的提升显著。当摩尔占比低于1％时，其相对摩尔占比为1～10％的实施例而言，对电池循环性能的性能提升不明显，原因在于摩尔占比较低时气体消耗剂含量少，对电池产气的吸收效果有限。当摩尔占比高于10％后，电池循环性能相对于摩尔占比为1～10％的实施例而言出现明显的下降，原因在于摩尔占比过高，使得大量的消耗剂会和电解液发生较多的副反应，造成电解液的额外损耗。
根据实施例1和实施例28～32之间的对比可知，在申请的实施例中，在非水电解液体系的电池中设置特定的气体消耗剂的情况下，气体消耗剂的比表面积也和电池循环性能密切相关。其中，比表面积为5-100m2/g时，特别是比表面积为20-50m2/g时，电池循环性能的提升显著。当比表面积低于5m2/g时，其相对于比表面积为5-100m2/g的实施例而言，对电池循环性能的性能提升不明显，原因在于气体消耗剂比表面积过低，其反应活性面积较少，不利于快速吸收电池循环产生的气体，而且钝化的表面会进一步抑制消耗剂的吸收效果。当比表面积高于50m2/g时，电池循环性能相对于比表面积为20-50m2/g的实施例而言开始出现下降，特别是当比表面积高于100m2/g时，电池循环性能相对于比表面积为20-100m2/g的实施例而言出现更明显的下降，原因在于比表面积过高，气体消耗剂会和电解液之间发生较严重的副反应，一方面大量的消耗剂会通过表面钝化被消耗而导致无法有效吸收产气，另一方面部分电解液也会被副反应消耗掉。
根据实施例1和实施例33～35之间的对比可知，在申请的实施例中，在非水电解液体系的电池中设置特定的气体消耗剂的情况下，采用不同的电池包装形式，气体消耗剂均能够较好地实现电池产气的化学消耗，使得电池均具有较好的循环性能。
以上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。本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。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，都属于本申请保护的范围。

Claims (18)

1.一种电池，包括电池壳体、正极极片、负极极片及非水电解液，其特征在于，所述电池壳体内设置有气体消耗剂，所述气体消耗剂包括碱金属和碱金属合金中的至少一种，所述气体消耗剂与所述负极极片不接触或非电性接触。
2.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述气体消耗剂的物质的量为所述非水电解液的溶剂的物质的量的1～10％，可选为3～5％。
3.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述气体消耗剂的比表面积为5～100m2/g，可选为20～50m2/g。
4.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述气体消耗剂为锂金属或钠金属。
5.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述正极极片的正极集流体设置有所述气体消耗剂。
6.根据权利要求5所述的电池，其特征在于，位于电芯的末端的所述正极极片的正极集流体具有相对的第一表面和第二表面，所述第一表面设置有正极材料，所述气体消耗剂设置于所述第二表面。
7.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述电池壳体的内壁设置有所述气体消耗剂。
8.根据权利要求7所述的电池，其特征在于，所述电池壳体包括相互连通的电芯区和气袋区，所述正极极片和所述负极极片设置于所述电芯区，所述气体消耗剂设置于所述电芯区的壳体内壁和/或所述气袋区的壳体内壁。
9.根据权利要求1～8任一项所述的电池，其特征在于，所述气体消耗剂为片状。
10.根据权利要求1～7任一项所述的电池，其特征在于，所述电池为软包电池、方形电池、扣式电池或柱状电池。
11.根据权利要求1～8任一项所述的电池，其特征在于，所述非水电解液的溶剂为碳酸酯类溶剂，可选为氟代碳酸酯类溶剂。
12.根据权利要求11所述的电池，其特征在于，所述电池为锂离子电池或钠离子电池。
13.根据权利要求12所述的电池，其特征在于，所述正极极片的正极材料为三元正极材料、磷酸铁锂、磷酸铁钠或钴酸锂，和/或，所述负极极片的负极材料为锂金属、钠金属或石墨。
14.根据权利要求13所述的电池，其特征在于，所述电池的正极材料为镍钴锰酸锂或镍钴铝酸锂，所述电池的负极材料为锂金属。
15.一种装置，其特征在于，装配有如权利要求1～14任一项所述的电池。
16.一种抑制电池胀气的方法，其特征在于，包括：在电池壳体内设置气体消耗剂，并使得所述气体消耗剂与负极极片不接触或非电性接触；所述气体消耗剂包括碱金属和碱金属合金中的至少一种。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，在正极集流体的第一表面设置正极材料、第二表面设置所述气体消耗剂，得到正极极片；将所述正极极片设置于电芯的末端。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述气体消耗剂通过辊压的方式形成于所述正极集流体。
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