CN115552713A - 电芯、电池及用电设备 - Google Patents

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CN115552713A CN202180031743.3A CN202180031743A CN115552713A CN 115552713 A CN115552713 A CN 115552713A CN 202180031743 A CN202180031743 A CN 202180031743A CN 115552713 A CN115552713 A CN 115552713A
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Abstract

本申请公开了一种电芯和具有该电芯的电池和用电设备。电芯包括电极组件和绝缘框体。电极组件包括第一极片和第二极片。第一极片包括第一集流体和第一活性物质层。第一集流体包括第一区域和围绕第一区域的第二区域。第一活性物质层设于第一区域。第二极片与第一极片相对且极性相反。第二极片包括第二集流体和第二活性物质层。第二集流体包括第三区域和围绕第三区域的第四区域。第二活性物质层设于第三区域且与第一活性物质层相对。绝缘框体设于第二区域和第四区域，且绝缘框体分别围绕第一活性物质层和第二活性物质层，可减少外部线路串联的使用和占据的空间，提升电压和电池的能量密度。

Description

电芯、电池及用电设备
技术领域
本申请涉及储能技术领域，尤其涉及一种电芯、电池及用电设备。
背景技术
电池在日常生活中已被广泛使用，目前通过串联的方式提升电池的电压。而现有提升电压的方式，一般是通过外部电路将单个电芯之间进行串联，不仅操作复杂，并且占据空间，影响电池的能量密度。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种电芯，可以简化电芯的制备工艺，也可直接实现电池电压的提升和提升电池的能量密度。
本申请的实施例提供了一种电芯，包括电极组件和绝缘框体。电极组件包括第一极片和第二极片。第一极片包括第一集流体和第一活性物质层。第一集流体包括第一区域和围绕第一区域的第二区域。第一活性物质层设于第一区域。第二极片与第一极片相对且极性相反。第二极片包括第二集流体和第二活性物质层。第二集流体包括第三区域和围绕第三区域的第四区域。第二活性物质层设于第三区域且与第一活性物质层相对。绝缘框体设于第二区域和第四区域，且绝缘框体分别围绕第一活性物质层和第二活性物质层。
本申请实施例通过将绝缘框体设于第二区域和第四区域，且绝缘框体分别围绕第一活性物质层和第二活性物质层得到特定结构的电极组件，将该特定结构的电极组件固定在壳体中，可以得到一特定结构的电芯，可以简化该电芯的制备工艺，提高其生产效率。另外，通过将该特定结构的多个电极组件进行串联时，可减少外部线路串联的使用和占据的空间，能够提升电池的电压和电池的能量密度。
可选地，在本申请的一些实施例中，在电芯的厚度方向，绝缘框体和第一活性物质层在第一集流体上的投影之间没有重叠部分，能够进一步提高电芯的能量密度。
可选地，在本申请的一些实施例中，在电芯的厚度方向，绝缘框体的厚度等于第一极片和第二极片的厚度之和，可对第一极片和第二极片进行绝缘。
可选地，在本申请的一些实施例中，在电芯的厚度方向，绝缘框体的厚度大于第一极片和第二极片的厚度之和，可进一步对第一极片和第二极片进行绝缘。
可选地，在本申请的一些实施例中，绝缘框体包括第一框体和第二框体，第一框体设于第二区域且围绕第一活性物质层，第二框体设于第四区域且围绕第二活性物质层，第二框体连接第一框体，通过将绝缘框体设置为第一框体和第二框体，便于组装，提升工艺效率。
可选地，在本申请的一些实施例中，在电芯的厚度方向，第一框体和第一活性物质层在第一集流体上的投影之间没有重叠部分，可提高电芯的能量密度。
可选地，在本申请的一些实施例中，在电芯的厚度方向，第二框体和第二活性物质层在第二集流体上的投影之间没有重叠部分，可进一步提高电芯的能量密度。
可选地，在本申请的一些实施例中，电极组件还包括电解质层，电解质层设于第一极片和第二极片之间，并连接第一活性物质层和第二活性物质层。
可选地，在本申请的一些实施例中，还包括第一导电层、第二导电层、第一电连接件和第二电连接件，第一电连接件通过第一导电层连接第一集流体，第二电连接件通过第二导电层连接第二集流体。
可选地，在本申请的一些实施例中，电极组件的数量至少为两个，相邻的电极组件之间设有第三导电层，第三导电层的两个表面分别连接一电极组件的第一集流体和相邻的另一电极组件的第二集流体，通过第三导电层将多个电极组件进行串联，可减少外部线路串联的使用和占据的空间，能够提升电池的电压和电池的能量密度。
可选地，在本申请的一些实施例中，还包括第一导电层、第二导电层、第一电连接件和第二电连接件，第一电连接件通过第一导电层连接在最外侧的其中一电极组件的第一集流体，第二电连接件通过第二导电层连接在最外侧的另一电极组件的第二集流体。
可选地，在本申请的一些实施例中，第一极片和第二极片沿第一方向设置，第一方向为第一极片和第二极片的厚度方向，沿厚度方向，第一框体的厚度等于或大于第一极片的厚度，和/或，第二框体的厚度等于或大于第二极片的厚度，可使第一集流体和第一活性物质层位于第一框体内，以及第二集流体和第二活性物质层位于第二框体内，可对第一极片和第二极片绝缘。
可选地，在本申请的一些实施例中，还包括外壳和绝缘件，电极组件设于外壳内，绝缘件设于外壳与电极组件之间并覆盖电极组件外表面的至少部分，以将电极组件固定在外壳内，且第一电连接件和第二电连接件伸出绝缘件。通过此设置，能够降低生产成本和提升工艺效率。
可选地，在本申请的一些实施例中，绝缘件通过树脂固化而成，该树脂可以是环氧树脂、酚醛树脂或硅树脂等，也可以是其它可固化的树脂。
可选地，在本申请的一些实施例中，第一导电层、第二导电层、第三导电层中的至少一者为导电胶，导电胶包括导电材料和粘接剂。其中，导电材料的质量在整个导电胶中的比例为10％-40％，导电材料包括导电炭黑、碳粉、碳纳米管和石墨烯中的一种或者多种，粘接剂包括聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素、丁苯橡胶聚乙烯醇和聚丙烯酸的一种或者多种。
可选地，在本申请的一些实施例中，导电胶的电阻率为0～5Ω/mm2。
本申请的实施例还提供了一种电池，包括上述任一实施例中的电芯。
本申请的实施例还提供了一种用电设备，包括上述实施例中的电池。
本申请实施例的电池和用电设备，通过采用上述的电芯，可减少外部线路串联的使用和占据的空间，将多个电极组件进行串联，提升电池的电压和电池的能量密度。
附图说明
图1示出了一些实施例中电芯的剖面示意图。
图2示出了一些实施例中第一极片的结构示意图。
图3示出了一些实施例中第二极片的结构示意图。
图4示出了另一些实施例中电芯的剖面示意图。
图5示出了一些实施例中第一电连接件的结构示意图。
图6示出了一些实施例中两个电极组件的结构示意图。
图7示出了一些实施例中两个电极组件、第一电连接件和第二电连接件的结构示意图。
图8示出了一些实施例中外壳的结构示意图。
图9示出了一些实施例中电极组件、外壳和绝缘件的结构示意图。
图10示出了另一些实施例中电极组件、外壳和绝缘件的结构示意图。
图11示出了一些实施例中电池的结构示意图。
图12示出了一些实施例中用电设备的结构示意图。
主要元件符号说明：
电芯 100
电极组件 10
第一极片 11
第一区域 11a
第二区域 11b
第一集流体 111
第一活性物质层 112
第二极片 12
第三区域 12a
第四区域 12b
第二集流体 121
第二活性物质层 122
电解质层 13
绝缘框体 20
第一框体 21
第二框体 22
第一导电层 30
第一电连接件 40
第一部分 41
第二部分 42
第二导电层 50
第二电连接件 60
第三部分 61
第四部分 62
第三导电层 70
外壳 80
空间 80a
绝缘件 90
电池 200
用电设备 300
第一方向 X
第二方向 Y
如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本申请。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
当一个组件被认为是“设于”另一个组件，它可以是直接设在另一个组件上或者可能同时存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接在另一个组件上或者可能同时存在居中的组件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
可以理解，当两元件平行/垂直设置时，两元件之间可存在一定的夹角，两元件之间的夹角允许存在0-±5％的公差，例如当两元件垂直存在公差时，其中一元件向靠近或远离另一元件倾斜，两元件之间的公差范围大于0°且小于或等于4.5°。
下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。
请参阅图1、图2和图3，本申请一实施例提供了一种电芯100，电芯100包括电极组件10和绝缘框体20。绝缘框体20连接电极组件10。电极组件10包括第一极片11和第二极片12，第一极片11连接第二极片12，绝缘框体20连接第一极片11和第二极片12。可选的，沿第一极片11和第二极片12沿第一方向X相对设置，第一方向X为第一极片11和第二极片12的厚度方向。
第一极片11包括第一集流体111和第一活性物质层112，第一活性物质层112设于第一集流体111。沿第一方向X，第一活性物质层112的投影与第一集流体111的投影有重叠。可选的，沿第一方向X，第一活性物质层112的投影与第一集流体111的投影重叠，绝缘框体20的投影与第一集流体111的投影相接，绝缘框体20围绕第一集流体111的侧边。可选的，第一集流体111包括第一区域11a和第二区域11b，第二区域11b围绕第一区域11a，第一活性物质层112设于第一区域11a和第二区域11b，绝缘框体20连接第二区域11b，沿第一方向X，绝缘框体20的投影与第一活性物质层112的投影有重叠。可选的，沿第一方向X，第一活性物质层112的投影位于第一集流体111的投影内，第一集流体111包括第一区域11a和第二区域11b，第二区域11b围绕第一区域11a。第一活性物质层112设于第一区域11a，绝缘框体20连接第二区域11b，并围绕第一活性物质层112，沿第一方向X，绝缘框体20和第一活性物质层112在第一集流体111上的投影之间没有重叠部分，可进一步提高电芯100的能量密度。
第二极片12包括第二集流体121和第二活性物质层122，第二活性物质层122设于第二集流体121。可选的，沿第一方向X，第二活性物质层122的投影与第二集流体121的投影重叠，绝缘框体20的投影与第二集流体121的投影相接，绝缘框体20围绕第二集流体121的侧边。可选的，第二集流体121包括第三区域12a和第四区域12b，第四区域12b围绕第三区域12a，第二活性物质层122设于第三区域12a和第四区域12b，绝缘框体20连接第四区域12b，沿第一方向X，绝缘框体20的投影与第二活性物质层122的投影有重叠。沿第一方向X，第二活性物质层122的投影与第二集流体121的投影有重叠。可选的，沿第一方向X，第二活性物质层122的投影位于第二集流体121的投影内，第二集流体121包括第三区域12a和第四区域12b，第四区域12b围绕第三区域12a。第二活性物质层122设于第三区域12a，绝缘框体20连接第四区域12b，并围绕第二活性物质层122，沿第一方向X，绝缘框体20和第二活性物质层122在第二集流体121上的投影之间没有重叠部分，能够进一步提高电芯100的能量密度。
可选的，沿第一方向X，绝缘框体20的厚度等于第一极片11和第二极片12的厚度之和，可对第一极片11和第二极片12进行绝缘。可选的，沿第一方向X，绝缘框体20的厚度大于第一极片11和第二极片12的厚度之和，可进一步对第一极片11和第二极片12进行绝缘。
在一实施例中，第一极片11为正极极片或负极极片中的一个，第二极片12为另一个。可选的，正极极片的集流体材料包括铜，负极极片的集流体材料包括铝。
在一实施例中，电极组件10还包括电解质层13，电解质层13设于相邻的第一极片11和第二极片12之间，并接触连接第一活性物质层112和第二活性物质层122。可选的，电解质层13包括聚环氧乙烷、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯和聚偏二氟乙烯中的一种或者多种。可选的，电解质层13为固体状。沿第一方向，电解质层13的投影与第一活性物质层112和第二活性物质层122的投影重叠。
在一实施例中，绝缘框体20设置为整体结构，绝缘框体20的两侧连接第一集流体111和第二集流体121。可选的，绝缘框体20可通过灌胶后固化成型。
在一实施例中，绝缘框体20包括第一框体21和第二框体22，第一框体21设于第二区域11b并围绕第一活性物质层112。第二框体22设于第四区域12b并围绕第二活性物质层122，通过将绝缘框体20设置为第一框体21和第二框体22，便于组装，提升工艺效率。沿第一方向X，第一框体21和第一活性物质层112在第一集流体111上的投影之间没有重叠部分，第二框体22和第二活性物质层122在第二集流体121上的投影之间没有重叠部分，可进一步提高电芯的能量密度。第一框体21连接第二框体22。可选的，第一框体21和第二框体22为热熔胶制成，通过加热将第一框体21和第二框体22粘接的方式将第一框体21与第二框体22连接。
第一框体21具有第一空间，可容纳第一活性物质层112，第二框体22具有第二空间，可容纳第二活性物质层122。可选的，沿第一方向X，第一框体21的厚度等于第一极片11的厚度，可对第一极片11进行绝缘。可选的，沿第一方向X，第一框体21的厚度大于第一极片11的厚度，可进一步对第一极片11进行绝缘。可选的，沿第一方向X，第二框体22的厚度等于第二极片12的厚度，可对第二极片12进行绝缘。可选的，沿第一方向X，第二框体22的厚度大于第二极片12的厚度，可进一步对第二极片12进行绝缘。
在一实施例中，第一集流体111具有凸出第一框体21的部分，第二集流体121具有凸出第二框体22的部分，将第一集流体111凸出第一框体21的部分和第二集流体121凸出第二框体22的部分作为极耳，连接外部设备。
请参阅图4和图5，电芯100还包括第一导电层30和第一电连接件40，第一导电层30连接第一集流体111背离第一活性物质层112的一侧，第一电连接件40连接第一导电层30。可选的，第一电连接件40包括沿第二方向Y设置的第一部分41和第二部分42，第二方向Y垂直于第一方向X。可选的，沿第一方向X，第一部分41的投影与第一集流体111的投影重叠。可选的，第一集流体111的投影位于第一部分41的投影内。第二部分42沿第二方向Y凸出第一集流体111，第二部分42可连接外部设备。
电芯100还包括第二导电层50和第二电连接件60，第二导电层50连接第二集流体121背离第二活性物质层122的一侧，第二电连接件60连接第二导电层50。可选的，第二电连接件60包括沿第二方向Y设置的第三部分61和第四部分62。可选的，沿第一方向X，第三部分61的投影与第二集流体121的投影重叠。可选的，第二集流体121的投影位于第三部分61的投影内。第四部分62沿第二方向Y凸出第二集流体121，第四部分62可连接外部设备。
请参阅图6和图7，在一实施例中，电极组件10的数量至少为两个，绝缘框体20的数量至少为两个，电极组件10的数量和绝缘框体20的数量相同。电芯100还包括第三导电层70，相邻的电极组件10通过第三导电层70连接，可减少外部线路的使用和占据的空间，将多个电极组件10进行串联，通过增加电芯100的数量，提升电池的电压和电池的能量密度。以相邻设置的两个电极组件10为例进行说明，其中一电极组件10的第一集流体111和另一电极组件10的第二集流体121相对设置，第三导电层70设于第一集流体111和第二集流体121之间，且第三导电层70的两个表面连接第一集流体111和第二集流体121。沿第一方向X，第三导电层70的投影与第一集流体111和第二集流体121的投影有重叠。可选的，第三导电层70的投影与第一集流体111和第二集流体121的投影重叠。可选的，第一集流体111和第二集流体121的投影位于第三导电层70的投影内。沿第一方向X，相邻设置的两个电极组件10具有位于最外侧的第一侧边10a和第二侧边10b，其中位于第一侧边10a的为第一集流体111，第一集流体111设有第一导电层30，第一电连接件40连接第一导电层30。位于第二侧边10b的第二集流体121，第二集流体121设有第二导电层50，第二电连接件60连接第二导电层50。可以理解的是，可以根据需求增加电芯100的数量，并在相邻的电芯100之间通过第三导电层70进行连接。
在一实施例中，第一导电层30、第二导电层50、第三导电层70中的至少一者为导电胶，导电胶包括导电材料和粘接剂，导电材料的质量在整个导电胶中的比例为10％-40％，可以为10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％中的任意一个比例。导电材料包括导电炭黑、碳粉、碳纳米管和石墨烯中的一种或者多种。粘接剂包括聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素、丁苯橡胶聚乙烯醇和聚丙烯酸的一种或者多种。可选的，导电胶的电阻率为R，0＜R≤5Ω/mm2，导电胶的电阻率可以为0.1Ω/mm2、0.5Ω/mm2、1.0Ω/mm2、1.5Ω/mm2、2.0Ω/mm2、2.5Ω/mm2、3.0Ω/mm2、3.5Ω/mm2、4.0Ω/mm2、4.5Ω/mm2、5.0Ω/mm2中的任意一个。当电阻率超过5Ω/mm2，由于本身内阻较大会有分压，因此会影响容量。
请参阅图8、图9和图10，电芯100还包括外壳80和绝缘件90。外壳80具有空间80a，电极组件10设于外壳80内。绝缘件90设于外壳80与电极组件10之间并覆盖电极组件10外表面的至少部分，第一电连接件40的第二部分42和第二电连接件60的第四部分62伸出绝缘件90，通过此设置，能够降低生产成本和提升工艺效率。可选的，沿第一方向X，第一集流体111和第二集流体121的投影位于绝缘件90的投影内，绝缘框体20至少部分凸出绝缘件90，可对固定电极组件10以及对第一集流体111和第二集流体121绝缘。可选的，沿第一方向X，绝缘框体20的投影位于绝缘件90的投影内，可进一步对固定电极组件10以及对第一集流体111和第二集流体121绝缘。
可选的，绝缘件90包括树脂，将树脂加热融化后，通过灌注的方式将可流动的树脂设于外壳80后固化形成。树脂可以是环氧树脂、酚醛树脂或硅树脂中的一种。可选的，树脂还可以为环氧树脂、酚醛树脂和硅树脂中的多种。可选的，绝缘件90也可以是其它可固化的树脂。可选的，绝缘件90包括灌封胶、发泡胶和粘接剂中的一种。可选的，绝缘件90包括灌封胶，通过灌注的方式将可流动的灌封胶设于外壳80后固化形成。
下面将通过具体的实施例对本申请作进一步的说明。
将第一活性物质均匀涂覆在第一集流体111上，并进行冷压，得到第一活性物质层112，并将第一框体21设置在第一集流体111第二区域11b，获得第一极片11。将第二活性物质均匀涂覆在第二集流体121上，并进行冷压，得到第二活性物质层122，并将第二框体22设置在第四区域12b，获得第二极片12。将第一极片11、电解质层13和第二极片12进行组装，通过加热使第一框体21和第二框体22粘接。然后再将第一导电层30连接第一集流体111背离第一活性物质层112的一侧，将第一电连接件40连接第一导电层30，并将第二导电层50连接第二集流体121背离第二活性物质层122的一侧，将第二电连接件60连接第二导电层50，将得到的电极组件10和绝缘框体20放置于外壳80中，将绝缘件90加热融化后，通过灌注的方式将可流动的树脂设于外壳80内。重复上述部分制作包含单个电极组件10的电芯100、两个电极组件10的电芯100和四个电极组件10的电芯100，对电芯100进行测试。
表1
Figure BDA0003913926780000111
从表1可以看出，在总容量大致不变的情况下，实施例2和实施例4中的电压高于实施例1中的电压，通过增加电极组件10的数量，实现多个电极组件10之间的串联，提升电池电压，可以减少外部串接的方式，减少外部串接占据的空间，提升电池的能量密度。
请参阅图11，本申请还提供一种采用上述电芯100的电池200，电池200可以根据需求调整电极组件10的数量。
请参阅图12，本申请还提供一种采用上述电池200的用电设备300。在一实施方式中，本申请的用电设备300可以是，但不限于无人机、电动汽车、电动摩托车、电动助力自行车、电动工具、家庭用大型蓄电池等。
本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本申请，而并非用作为对本申请的限定，只要在本申请的实质精神范围内，对以上实施例所作的适当改变和变化都落在本申请公开的范围内。

Claims (13)

1.一种电芯，其特征在于，包括：
电极组件，包括：
第一极片，所述第一极片包括第一集流体和第一活性物质层，所述第一集流体包括第一区域和围绕所述第一区域的第二区域，所述第一活性物质层设于所述第一区域；
第二极片，与所述第一极片相对设置且极性相反，所述第二极片包括第二集流体和第二活性物质层，所述第二集流体包括第三区域和围绕所述第三区域的第四区域，所述第二活性物质层设于所述第三区域且与所述第一活性物质层相对；
绝缘框体，设于所述第二区域和所述第四区域，且所述绝缘框体分别围绕所述第一活性物质层和所述第二活性物质层。
2.如权利要求1所述的电芯，其特征在于，所述绝缘框体包括第一框体和第二框体，所述第一框体设于所述第二区域且围绕所述第一活性物质层，所述第二框体设于所述第四区域且围绕所述第二活性物质层，所述第二框体连接所述第一框体。
3.如权利要求1所述的电芯，其特征在于，所述电极组件还包括电解质层，所述电解质层设于所述第一极片和第二极片之间，并连接所述第一活性物质层和第二活性物质层。
4.如权利要求1所述的电芯，其特征在于，还包括第一导电层、第二导电层、第一电连接件和第二电连接件，所述第一电连接件通过所述第一导电层连接所述第一集流体，所述第二电连接件通过所述第二导电层连接所述第二集流体。
5.如权利要求1所述的电芯，其特征在于，所述电极组件的数量至少为两个，相邻的所述电极组件之间设有第三导电层，所述第三导电层的两个表面分别连接一所述电极组件的所述第一集流体和相邻的另一所述电极组件的所述第二集流体。
6.如权利要求5所述的电芯，其特征在于，还包括第一导电层、第二导电层、第一电连接件和第二电连接件，所述第一电连接件通过所述第一导电层连接在最外侧的其中一所述电极组件的所述第一集流体，所述第二电连接件通过第二导电层连接在最外侧的另一所述电极组件的所述第二集流体。
7.如权利要求2所述的电芯，其特征在于，所述第一极片和第二极片沿第一方向设置，所述第一方向为所述第一极片和第二极片的厚度方向，沿所述厚度方向，所述第一框体的厚度等于或大于所述第一极片的厚度，和/或，所述第二框体的厚度等于或大于所述第二极片的厚度。
8.如权利要求4或6所述的电芯，其特征在于，还包括外壳和绝缘件，所述电极组件设于所述外壳内，所述绝缘件设于所述外壳与所述电极组件之间并覆盖所述电极组件外表面的至少部分，以将所述电极组件固定在所述外壳内，且所述第一电连接件和第二电连接件伸出所述绝缘件。
9.如权利要求8所述的电芯，其特征在于，所述绝缘件通过树脂固化而成，所述树脂包括环氧树脂、酚醛树脂或硅树脂。
10.如权利要求6所述的电芯，其特征在于，所述第一导电层、第二导电层、第三导电层中的至少一者为导电胶，所述导电胶包括导电材料和粘接剂，所述导电材料的质量在整个导电胶中的比例为10％-40％，所述导电材料包括导电炭黑、碳粉、碳纳米管和石墨烯中的一种或者多种，所述粘接剂包括聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素、丁苯橡胶聚乙烯醇和聚丙烯酸的一种或者多种。
11.如权利要求10所述的电芯，其特征在于，所述导电胶的电阻率为0～5Ω/mm2。
12.一种电池，其特征在于，包括如权利要求1-11任意一项所述的电芯。
13.一种用电设备，其特征在于，包括如权利要求12所述的电池。
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