CN115548468A - 电池电芯、电池及用电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电池电芯、电池及用电装置，涉及电池领域。其包括：正极极片，所述正极极片包括自内而外依次布置的正极内圈、正极集流体和正极外圈；负极极片，所述负极极片包括自内而外依次布置的负极内圈、负极集流体和负极外圈；隔膜，所述隔膜位于所述正极极片和所述负极极片之间，所述正极极片、隔膜和所述负极极片共同形成电池电芯；所述正极内圈的面密度小于所述正极外圈的面密度，和/或所述负极内圈的面密度小于所述负极外圈的面密度。本发明可以让负极极片的膨胀率较低，让负极内圈在其曲率较大处较难发生断裂失效现象，进而提高卷绕电池在（大倍率）充放电过程中的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及电池领域，特别涉及一种电池电芯、电池及用电装置。
背景技术
现有的锂离子电池电池在经过长期的电池循环（也即充放电）过程后，其在负极内圈曲率较大的位置，容易造成负极极片的嵌锂量在短时间内急速增加，从而导致负极极片的膨胀率较高，进而导致现有的负极内圈在其曲率较大处容易发生断裂失效现象，因此，有必要进行改进。
发明内容
本发明提供一种电池电芯、电池及用电装置，以解决相关技术中负极内圈曲率较大的位置容易发生断裂失效现象的问题。
第一方面，本发明提供了一种电池电芯，其包括：正极极片，所述正极极片包括自内而外依次布置的正极内圈、正极集流体和正极外圈；负极极片，所述负极极片包括自内而外依次布置的负极内圈、负极集流体和负极外圈；隔膜，所述隔膜位于所述正极极片和所述负极极片之间，所述正极极片、隔膜和所述负极极片共同形成电池电芯；所述正极内圈的面密度小于所述正极外圈的面密度，和/或所述负极内圈的面密度小于所述负极外圈的面密度；当正极外圈和负极内圈相对时，负极内圈的膜面容量与正极外圈的膜面容量之比值为1.1~1.5；当正极内圈和负极外圈相对时，负极外圈的膜面容量与正极内圈的膜面容量之比值为1.1~1.5。如果负极内圈的膜面容量与正极外圈的膜面容量的比值过高，或者负极外圈的膜面容量与正极内圈的膜面容量的比值过高，则反而会降低电池的能量密度。
在一些实施例中，所述正极极片的活性材料包括磷酸铁锂材料时，当正极外圈和负极内圈相对时，负极内圈的膜面容量与正极外圈的膜面容量之比值为1.1~1.3。
在一些实施例中，当正极内圈和负极外圈相对时，负极外圈的膜面容量与正极内圈的膜面容量之比值为1.1~1.3。如果负极内圈的膜面容量与正极外圈的膜面容量的比值过高，或者负极外圈的膜面容量与正极内圈的膜面容量的比值过高，则反而会降低电池的能量密度。
在一些实施例中，所述正极极片的活性材料包括三元正极材料且负极极片的活性材料包括硅材料时，当正极外圈和负极内圈相对时，负极内圈的膜面容量与正极外圈的膜面容量之比值为1.1~1.3。
在一些实施例中，当正极内圈和负极外圈相对时，负极外圈的膜面容量与正极内圈的膜面容量之比值为1.1~1.3。如果负极内圈的膜面容量与正极外圈的膜面容量的比值过高，或者负极外圈的膜面容量与正极内圈的膜面容量的比值过高，则反而会降低电池的能量密度。
在一些实施例中，所述正极外圈与正极内圈的面密度之比值K1=1+2πT/C1；
其中T=正极片厚度+负极片厚度+2*隔膜厚度；C1为卷针周长。
在一些实施例中，所述负极外圈的面密度与负极内圈的面密度与之比值为K2=1+2πT/C1；
其中T=正极片厚度+负极片厚度+2*隔膜厚度；C1为卷针周长。
第二方面，本发明还提供了一种电池，所述电池包括所述的电池电芯。
第二方面，本发明还提供了一种用电装置，所述用电装置包括所述的电池。
本发明实施例提供了一种电池电芯、电池及用电装置，包括正极极片、负极极片和隔膜，本发明通过将正极内圈的面密度设置成小于正极外圈的面密度和/或将负极内圈的面密度设置成小于所述负极外圈的面密度，以让本发明能有效的改善锂电池电池电芯的过量比，让负极内圈在其曲率较大的位置，嵌锂量较难在短时间内急速增加，从而让负极极片的膨胀率较低，让负极内圈在其曲率较大处较难发生断裂失效现象，进而提高卷绕电池在（大倍率）充放电过程中的使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1为本发明实施例提供的电池电芯的结构示意图；
图中：1、正极极片；11、正极内圈；12、正极集流体；13、正极外圈；2、负极极片；21、负极内圈；22、负极集流体；23、负极外圈；3、隔膜。
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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的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。
本发明中的正极极片1和负极极片2可以统称为正负极片，负极内圈21、负极外圈23、正极内圈11和正极外圈13均为由活性物质涂层所形成的层状结构，负极内圈21和负极外圈23可以统称为负极活性物质涂层或负极涂层，正极内圈11和正极外圈13可以统称为正极活性物质涂层或正极涂层。
如图1所示，在本发明所述的正极极片1中，正极集流体12位于正极内圈11和正极外圈13之间，正极极片1是在正极集流体12涂布上述活性物质涂层后再进行卷绕，正极内圈11是指正极极片1中更靠近电池电芯中心的那一层活性物质涂层，正极外圈13是指正极极片1中更靠近电池电芯外围的那一层活性物质涂层；同理，负极集流体22位于负极内圈21和负极外圈23之间，负极内圈21是指负极极片2中更靠近电池电芯中心的那一层活性物质涂层，负极外圈23是指负极极片2中更靠近电池电芯外围的那一层活性物质涂层。
一方面，本发明实施例提供了一种电池电芯、电池及用电装置，其能解决相关技术中正负极片容易断裂以及电池容易出现析锂现象的问题。需注意的是，若有实质上相同的结果，本发明的电池电芯、电池及用电装置并不以下文中介绍的技术方案为限。
实际工作时，该电池电芯包括：正极极片1，所述正极极片1包括自内而外依次布置的正极内圈11、正极集流体12和正极外圈13；负极极片2，所述负极极片2包括自内而外依次布置的负极内圈21、负极集流体22和负极外圈23；隔膜3，所述隔膜3位于所述正极极片1和所述负极极片2之间，所述正极极片1、隔膜3和所述负极极片2共同形成电池电芯；所述正极内圈11的面密度小于所述正极外圈13的面密度，和/或所述负极内圈21的面密度小于所述负极外圈23的面密度。
在上述技术方案中，当正极内圈11的面密度小于所述正极外圈13的面密度，和/或所述负极内圈21的面密度小于所述负极外圈23的面密度时，本发明的电池电芯的负极极片2嵌锂量较难在短时间内急速增加，从而让含有上述电池电芯的锂电池在长期充放电过程中，极片厚度膨胀率较小，进而让锂电池在长期循环过程中较难发生断裂失效现象。
需要说明的是，本发明是在正极极片1具有正极涂层且负极极片2具有负极涂层的情况下，再让正极极片1、隔膜3和负极极片2共同形成电池电芯，因此，在本发明所述的电池电芯中，每一圈电池电芯的侧面和前后表面均采用了不同面密度的极片（包括正极极片1和/或负极极片2），也即在同一圈正负极片中，正极极片1和/或负极极片2的侧面和前后表面均采用了不同的面密度，这样，本发明即可让负极极片2嵌锂量较难在短时间内急速增加，从而让电池较难发生断裂失效现象。
进一步地，当正极外圈13和负极内圈21相对时，负极内圈21的膜面容量与正极外圈13的膜面容量之比值为1.1~1.5；当正极内圈11和负极外圈23相对时，负极外圈23的膜面容量与正极内圈11的膜面容量之比值为1.1~1.5。当满足上述范围时，会使得负极嵌锂程度合适，既不会造成负极的浅充放，从而容量发挥不足，也不容易析锂，更加安全，提升寿命。
进一步地，所述正极极片的活性材料包括磷酸铁锂材料时，当正极外圈13和负极内圈21相对时，负极内圈21的膜面容量与正极外圈13的膜面容量之比值为1.1~1.3；当正极内圈11和负极外圈23相对时，负极外圈23的膜面容量与正极内圈11的膜面容量之比值为1.1~1.3。当满足上述范围时，会使得负极嵌锂程度合适，既不会造成负极的浅充放，从而容量发挥不足，也不容易析锂，更加安全，提升寿命。
进一步地，所述正极极片的活性材料包括三元正极材料且负极极片的活性材料包括硅材料时，当正极外圈13和负极内圈21相对时，负极内圈21的膜面容量与正极外圈13的膜面容量之比值为1.1~1.3；当正极内圈11和负极外圈23相对时，负极外圈23的膜面容量与正极内圈11的膜面容量之比值为1.1~1.3。当满足上述范围时，会使得硅负极材料嵌锂程度合适，既不会造成硅负极的嵌锂不足，从而容量发挥不足，也不容易硅负极过嵌导致析锂，因此更加安全，提升寿命。
进一步地，所述正极外圈13与正极内圈11的面密度之比值K1=1+2πT/C1；
其中T为正极片厚度+负极片厚度+2*隔膜厚度；C1为卷针周长。
进一步地，所述负极外圈23的面密度与负极内圈21的面密度与之比值为K2=1+2πT/C1；其中T为正极片厚度+负极片厚度+2*隔膜厚度；C1为卷针周长。
当满足上述公式时，会使得负极外圈与正极内圈的过量比不会受到卷绕结构带来的涂布面积差异影响，从而控制两侧过量比都在合理范围内。
第二方面，本申请提供了一种包括上述所述的电池电芯的电池。
第三方面，本申请还提供了一种包括上述电池的用电装置。
为了更好说明本发明在防止负极极片2断裂以及防止电池容析锂方面效果较好，本发明针对铁锂电池和三元锂电池分别做了多组试验。
如下实施例1-5为铁锂电池，其各实施例中的其他参数设置见表1；实施例6-13为三元锂电池，其各实施例中的其他参数设置见表2。另外各实施例中未指明的材料或方法均属于常规选择，以及表1和表2中a1为当正极外圈13和负极内圈21相对时，负极内圈21的容量与正极外圈13的容量之比值；a2为当正极内圈11和负极外圈23相对时，负极外圈23的容量与正极内圈11的容量之比值。
实施例1
根据常规工艺制作电池，其中：正极活性材料为磷酸铁锂材料，正极极片厚度为170μm；负极活性材料为人造石墨，负极极片厚度：190μm；隔膜厚度：15μm；卷针周长：50mm。
实施例2
根据常规工艺制作电池，其中：正极活性材料为磷酸铁锂材料，正极极片厚度为110μm；负极活性材料为人造石墨，负极极片厚度：130μm ；隔膜厚度：15μm；卷针周长：50mm。
实施例3
根据常规工艺制作电池，其中：正极活性材料为纳米磷酸铁锂材料，正极极片厚度为170μm；负极活性材料为天然石墨。负极极片厚度：190μm；隔膜厚度：15μm；卷针周长：50mm。
实施例4
根据常规工艺制作电池，其中：正极活性材料为磷酸铁锂材料，正极极片厚度为170μm；负极活性材料为人造石墨。负极极片厚度：190μm；隔膜厚度：15μm；卷针周长：50mm。
实施例5
根据常规工艺制作电池，其中：正极活性材料为磷酸铁锂材料，正极极片厚度为170μm；负极活性材料为人造石墨；负极极片厚度：190μm；隔膜厚度：15μm；卷针周长：50mm。
实施例6
根据常规工艺制作电池，其中：正极活性材料为5系三元材料，正极极片厚度为170μm；负极活性材料为人造石墨。负极极片厚度：190μm；隔膜厚度：15μm；卷针周长：50mm。
实施例7
根据常规工艺制作电池，其中：正极活性材料为8系三元材料，正极极片厚度为170μm；负极活性材料为：90wt%石墨+10wt%氧化硅。负极极片厚度：190μm；隔膜厚度：15μm；卷针周长：50mm。
实施例8
根据常规工艺制作电池，其中：正极活性材料为5系三元材料，正极极片厚度为110μm；负极活性材料为人造石墨；负极极片厚度：130μm；隔膜厚度：15μm；卷针周长：50mm。
实施例9
根据常规工艺制作电池，其中：正极活性材料为5系三元材料，正极极片厚度为170μm；负极活性材料为天然石墨；负极极片厚度：190μm；隔膜厚度：15μm；卷针周长：50mm。
实施例10
根据常规工艺制作电池，其中：正极活性材料为5系三元材料，正极极片厚度为170μm；负极活性材料为人造石墨；负极极片厚度：190μm；隔膜厚度：15μm；卷针周长：50mm。
实施例11：
根据常规工艺制作电池，其中：正极活性材料为5系三元材料，正极极片厚度为170μm；负极活性材料为人造石墨；负极极片厚度：190μm；隔膜厚度：15μm；卷针周长：50mm。
实施例12：
根据常规工艺制作电池，其中：正极活性材料为5系三元材料，正极极片厚度为170μm；负极活性材料为人造石墨；负极极片厚度：190μm；隔膜厚度：15μm；卷针周长：50mm。
实施例13：
根据常规工艺制作电池，其中：正极活性材料为8系三元材料，正极极片厚度为170μm；负极活性材料为90wt%石墨+10wt%氧化硅，负极极片厚度：190μm；隔膜厚度：15μm；卷针周长：50mm。
循环测试：将实施例1-13所制得的电池分别进行循环测试：以1C电流恒流恒压充电至4.25V，截止电流0.05C ,搁置一小时，然后再以1C电流恒流放电至2.8V，再搁置一小时；以此为一圈循环，共进行500圈循环；500圈循环完成后拆解电池后，负极极片的断裂及析锂情况见表1和表2。
由表1和表2可知：
实施例2与实施例1相比，由于正极外圈和正极内圈的面密度比值不满足K1=1+2πT/C1、负极外圈和负极内圈的面密度比值不满足K2=1+2πT/C1，从而使得实施例2所制得的电池循环后极片产生了轻微断裂。
实施例3和实施例1相比，由于a1及a2的值不满足1.1~1.5，从而使得实施例3所制得的电池循环后极片产生了轻微析锂。
实施例4与实施例1相比，由于面密度比以及a1、a2的值均不满足要求，从而使得制得的电池循环后极片产生了即产生了断裂又产生了析锂。
实施例13和实施例7相比，由于负极材料含有硅，因此当a1及a2的值不满足1.1~1.3时，具体的，当a1及a2的值大于1.3时，虽然不会发生断裂和析锂现象，但硅负极嵌锂不足，容量发挥偏低，导致能量密度下降。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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，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。除非另有明确的规定和限定，术语“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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
需要说明的是，在本发明中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所发明的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种电池电芯，其特征在于，其包括：
正极极片（1），所述正极极片（1）包括自内而外依次布置的正极内圈（11）、正极集流体（12）和正极外圈（13）；
负极极片（2），所述负极极片（2）包括自内而外依次布置的负极内圈（21）、负极集流体（22）和负极外圈（23）；
隔膜（3），所述隔膜（3）位于所述正极极片（1）和所述负极极片（2）之间，所述正极极片（1）、隔膜（3）和所述负极极片（2）卷绕共同形成电池电芯；
所述正极内圈（11）的面密度小于所述正极外圈（13）的面密度，和/或所述负极内圈（21）的面密度小于所述负极外圈（23）的面密度；
当正极外圈（13）和负极内圈（21）相对时，负极内圈（21）的膜面容量与正极外圈（13）的膜面容量之比值为1.1~1.5；当正极内圈（11）和负极外圈（23）相对时，负极外圈（23）的膜面容量与正极内圈（11）的膜面容量之比值为1.1~1.5。
2.如权利要求1所述的电池电芯，其特征在于，所述正极极片的活性材料包括磷酸铁锂材料时，当正极外圈（13）和负极内圈（21）相对时，负极内圈（21）的膜面容量与正极外圈（13）的膜面容量之比值为1.1~1.3。
3.如权利要求2所述的电池电芯，其特征在于，当正极内圈（11）和负极外圈（23）相对时，负极外圈（23）的膜面容量与正极内圈（11）的膜面容量之比值为1.1~1.3。
4.如权利要求1所述的电池电芯，其特征在于，所述正极极片的活性材料包括三元正极材料且负极极片的活性材料包括硅材料时，当正极外圈（13）和负极内圈（21）相对时，负极内圈（21）的膜面容量与正极外圈（13）的膜面容量之比值为1.1~1.3。
5.如权利要求4所述的电池电芯，其特征在于，当正极内圈（11）和负极外圈（23）相对时，负极外圈（23）的膜面容量与正极内圈（11）的膜面容量之比值为1.1~1.3。
6.如权利要求1所述的电池电芯，其特征在于，所述正极外圈（13）与正极内圈（11）的面密度之比值K1=1+2πT/C1；
其中T=正极片厚度+负极片厚度+2*隔膜厚度；C1为卷针周长。
7.如权利要求1或6所述的电池电芯，其特征在于，所述负极外圈（23）的面密度与负极内圈（21）的面密度与之比值为K2=1+2πT/C1；
其中T=正极片厚度+负极片厚度+2*隔膜厚度；C1为卷针周长。
8.一种电池，其特征在于：所述电池包括权利要求1～7中任一项权利要求所述的电池电芯。
9.一种用电装置，其特征在于：所述用电装置包括权利要求8所述的电池。
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