CN115810873A - 电池组件、电池单体、二次电池和用电装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了电池组件、电池单体、二次电池和用电装置。所述电池组件，包括层叠设置的正极片、复合隔膜以及负极片，所述复合隔膜包括隔膜本体以及设置于所述隔膜本体至少一个表面的聚合物涂层，所述聚合物涂层包括第一聚合物和第二聚合物；所述第一聚合物具有粘结性；所述第二聚合物能够在电解液中发生溶胀。所述电池组件既能够保证顺利入壳，又能够提高电解液浸润效果、安全性好。
Description
技术领域
本申请涉及锂电池技术领域，尤其涉及一种电池组件、电池单体、二次电池和用电装置。
背景技术
近年来，随着锂离子电池的应用范围越来越广泛，锂离子电池广泛应用于水力、火力、风力和太阳能电站等储能电源系统，以及电动工具、电动自行车、电动摩托车、电动汽车、军事装备、航空航天等多个领域。由于锂离子电池取得了极大的发展，因此对其能量密度、循环性能和安全性能等也提出了更高的要求。
锂离子电池的电池组件(裸电芯)通常由层叠的正极片、隔膜和负极片组成，隔膜与正极片、负极片之间通过粘结剂粘结。为了保证电池组件能够顺利装入壳体中，需要对电池组件进行压缩整形，且与壳体内腔之间存在有间隙，难以实现壳体内腔空间的最大化利用，不利于锂离子电池体积的缩小，同时在化成和使用过程中存在电解液浸润困难、排气困难影响电池安全性等问题。
发明内容
本申请是鉴于上述课题而进行的，其目的之一在于，提供一种既能够保证顺利入壳，又能够提高电解液浸润效果、安全性好的电池组件，以及包含其的电池单体、二次电池和用电装置。
本申请的第一方面提供了一种电池组件，包括层叠设置的正极片、复合隔膜以及负极片，所述复合隔膜包括隔膜本体以及设置于所述隔膜本体至少一个表面的聚合物涂层，所述聚合物涂层包括第一聚合物和第二聚合物；
所述第一聚合物具有粘结性；
所述第二聚合物能够在电解液中发生溶胀。
上述电池组件能够提升电解液对极片的浸润速率和效果，特别是可以改善较厚电芯浸润困难的问题，同时有利于化成或使用过程中电芯产气的排除，提升电池的安全性。另外，上述电池组件能够直接使用夹具化成，简化了化成的操作和成本，且通过夹具化成还能够有效束缚改善电芯打皱的问题，提升电池的电性能。
在其中一个实施例中，所述第二聚合物的溶胀性能满足：将所述第二聚合物浸泡于所述电解液中，在温度为70℃的条件下浸泡8天，所述第二聚合物重量增加的百分比≥50％；进一步地，所述第二聚合物重量增加的百分比为50％～80％。通过合理控制所述第二聚合物的溶胀，能够在获得合适的间隙，有利于电解液浸润和电芯排气的同时，避免影响与电极之间的粘结稳定性。
在其中一个实施例中，溶胀后的所述第二聚合物的可压缩比为15％～90％；进一步地，溶胀后的所述第二聚合物的可压缩比为25％～50％。如此有效为电极膨胀提供空间。
在其中一个实施例中，所述第二聚合物还具有如下所示特征中的至少一种：
(1)所述第二聚合物的体积粒径分布Dv50为30μm～70μm；
(2)所述聚合物涂层中，所述第二聚合物的质量百分比为30％～70％；进一步地，所述第二聚合物的质量百分比为40％～60％；
(3)所述第二聚合物的重均分子量为P1，P1＜30万；进一步地，P1＜20万；更进一步地，10万≤P1＜20万。
在其中一个实施例中，所述第二聚合物包括聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚乳酸和聚乙烯丁醛中的一种或多种。
在其中一个实施例中，所述复合隔膜与所述正极片或所述负极片之间的粘结力≥15N/m；进一步地，所述复合隔膜与所述正极片或所述负极片之间的粘结力为15N/m～30N/m。所述复合隔膜的粘结力主要由第一聚合物带来，合理控制所述粘结性，能够在所述第二聚合物溶胀以及压缩的过程中均保持粘结的稳定性，同时避免粘结性过大影响第二聚合物的溶胀。
在其中一个实施例中，所述第一聚合物具有如下所示特征中的至少一种：
(1)所述第一聚合物的体积粒径分布Dv50为60μm～100μm；
(2)所述聚合物涂层中，所述第一聚合物的质量百分比为30％～70％；进一步地，所述第二聚合物的质量百分比为40％～60％；
(3)所述第一聚合物的重均分子量≥30万；进一步地，所述第一聚合物的重均分子量为≥40万；更进一步地，所述第一聚合物的重均分子量为P2，40万≤P2≤60万。
在其中一个实施例中，所述第一聚合物包括聚偏氟乙烯(PVDF)、聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚丙烯酸酯、丁苯橡胶(SBR)、芳纶、聚丙烯腈、聚丙烯酸和聚甲基丙烯酸酯(PMMA)中的一种或多种。
本申请的第二方面还提供一种电池单体，包括外壳、电解液以及如第一方面所述的电极组件；所述电解液和所述电极组件容纳于所述外壳内。
本申请的第三方面还提供一种二次电池，包括箱体以及如第二方面所述的电池单体；所述电池单体容纳于所述箱体内。
本申请的第四方面还提供一种用电装置，包括如第二方面所述的电池单体或者如第三方面所述的二次电池。
附图说明
图1为本申请一实施方式的电池组件的变化示意图；
图2是本申请一实施方式的二次电池的示意图；
图3是图2所示的本申请一实施方式的二次电池的分解图；
图4是本申请一实施方式的电池模块的示意图；
图5是本申请一实施方式的电池包的示意图；
图6是图5所示的本申请一实施方式的电池包的分解图；
图7是本申请一实施方式的二次电池用作电源的用电装置的示意图；
附图标记说明：
1电池包；2上箱体；3下箱体；4电池模块；5二次电池；51壳体；52电极组件；53顶盖组件。
具体实施方式
以下，适当地参照附图详细说明具体公开了本申请的电池组件、电池单体、二次电池和用电装置的实施方式。但是会有省略不必要的详细说明的情况。例如，有省略对已众所周知的事项的详细说明、实际相同结构的重复说明的情况。这是为了避免以下的说明不必要地变得冗长，便于本领域技术人员的理解。此外，附图及以下说明是为了本领域技术人员充分理解本申请而提供的，并不旨在限定权利要求书所记载的主题。
本申请所公开的“范围”以下限和上限的形式来限定，给定范围是通过选定一个下限和一个上限进行限定的，选定的下限和上限限定了特别范围的边界。这种方式进行限定的范围可以是包括端值或不包括端值的，并且可以进行任意地组合，即任何下限可以与任何上限组合形成一个范围。例如，如果针对特定参数列出了60-120和80-110的范围，理解为60-110和80-120的范围也是预料到的。此外，如果列出的最小范围值1和2，和如果列出了最大范围值3，4和5，则下面的范围可全部预料到：1-3、1-4、1-5、2-3、2-4和2-5。在本申请中，除非有其他说明，数值范围“a-b”表示a到b之间的任意实数组合的缩略表示，其中a和b都是实数。例如数值范围“0-5”表示本文中已经全部列出了“0-5”之间的全部实数，“0-5”只是这些数值组合的缩略表示。另外，当表述某个参数为≥2的整数，则相当于公开了该参数为例如整数2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12等。
如果没有特别的说明，本申请的所有实施方式以及可选实施方式可以相互组合形成新的技术方案。
如果没有特别的说明，本申请的所有技术特征以及可选技术特征可以相互组合形成新的技术方案。
如果没有特别的说明，本申请的所有步骤可以顺序进行，也可以随机进行，优选是顺序进行的。例如，所述方法包括步骤(a)和(b)，表示所述方法可包括顺序进行的步骤(a)和(b)，也可以包括顺序进行的步骤(b)和(a)。例如，所述提到所述方法还可包括步骤(c)，表示步骤(c)可以任意顺序加入到所述方法，例如，所述方法可以包括步骤(a)、(b)和(c)，也可包括步骤(a)、(c)和(b)，也可以包括步骤(c)、(a)和(b)等。
如果没有特别的说明，本申请所提到的“包括”和“包含”表示开放式，也可以是封闭式。例如，所述“包括”和“包含”可以表示还可以包括或包含没有列出的其他组分，也可以仅包括或包含列出的组分。
如果没有特别的说明，在本申请中，术语“或”是包括性的。举例来说，短语“A或B”表示“A，B，或A和B两者”。更具体地，以下任一条件均满足条件“A或B”：A为真(或存在)并且B为假(或不存在)；A为假(或不存在)而B为真(或存在)；或A和B都为真(或存在)。
如果没有特别的说明，在本申请中，术语“正极片”、“正极极片”具有相同的含义，可以互换使用。术语“负极片”、“负极极片”具有相同的含义，可以互换使用。术语“隔膜”、“隔离膜”具有相同的含义，可以互换使用。
本申请提供了一种电池组件，包括层叠设置的正极片、复合隔膜以及负极片，所述复合隔膜包括隔膜本体以及设置于所述隔膜本体至少一个表面的聚合物涂层，所述聚合物涂层包括第一聚合物和第二聚合物；
所述第一聚合物具有粘结性；
所述第二聚合物能够在电解液中发生溶胀。
可以理解地，此处的“电解液”是指电池单体中预计采用的电解液。例如，当电池单体预计采用碳酸亚乙酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二乙酯(DEC)的混合液作为电解液。“所述第二聚合物能够在电解液中发生溶胀”则是指所述第二聚合物能够在碳酸亚乙酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二乙酯(DEC)的混合液中发生溶胀。
上述电池组件通过采用具有粘结性的第一聚合物与能够在电解液中发生溶胀的第二聚合物进行互相配合达到厚度自适应效果。其中，第一聚合物主要在隔膜本体与极片(正极极片和/或负极极片)之间起到粘结作用，第二聚合物在与电解液接触后发生溶胀，使电池组件充分膨胀，在确定的壳体空间条件下使隔膜本体与极片的间隙最大化，提升电解液对极片的浸润速率和效果，特别是可以改善较厚电芯浸润困难的问题，同时有利于化成或使用过程中电芯产气的排除，提升电池的安全性。然后在使用过程中，随着极片的逐渐膨胀，电池组件的整体压力逐渐增大，第二聚合物则随着压力的增加而被压缩，为极片提供膨胀空间。
不作限制地，为了更清楚地展示上述电池组件的厚度自适应效果，可以参见图1，电池组件包括层叠设置的正极片100、复合隔膜200以及负极片300，复合隔膜200包括隔膜本体201和聚合物涂层，聚合物涂层包括第一聚合物212和第二聚合物222。层叠卷绕后的电池组件如图1(a)所示；对电池组件进行压缩整形，如图1(b)所示，第一聚合物212和第二聚合物222均被压缩(能够被压缩为聚合物的通性)；电解液浸润的过程中，如图1(c)所示，被压缩的第二聚合物222吸收电解液发生溶胀，为电解液的浸润和电芯排气提供空间，第一聚合物212不变并保持粘结性，电解液浸润完成后的电池组件如图1(e)所示；在化成和使用过程中，电极逐渐膨胀，电池组件的整体压力逐渐增大，第二聚合物222又随着压力的增加而被压缩。
进一步地，本申请在研究过程中还偶然发现，因为裸电芯的厚度自适应效果，使得入壳是被压缩的电池组件在电解液浸润后充分膨胀，与壳体大面接触，能够直接使用夹具化成，简化了化成的操作和成本，且通过夹具化成还能够有效束缚改善电芯打皱的问题，提升电池的电性能。
在其中一些示例中，所述第二聚合物的溶胀性能满足：将所述第二聚合物浸泡于所述电解液中，在温度为70℃的条件下浸泡8天，所述第二聚合物重量增加的百分比≥50％。可以理解地，此处的“电解液”是指电池单体中预计采用的电解液。例如，当电池单体预计采用碳酸亚乙酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二乙酯(DEC)的混合液作为电解液。溶胀性能测试中即是指将所述第二聚合物浸泡于碳酸亚乙酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二乙酯(DEC)的混合液中进行溶胀性能测试。
在其中一些示例中，所述第二聚合物的溶胀性能满足：将所述第二聚合物浸泡于所述电解液中，在温度为70℃的条件下浸泡8天，所述第二聚合物重量增加的百分比为50％～80％。通过合理控制所述第二聚合物的溶胀，能够在获得合适的间隙，有利于电解液浸润和电芯排气的同时，避免影响与电极之间的粘结稳定性。具体地，所述第二聚合物重量增加的百分比包括但不限于：50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％以及任两者之间的范围值。
在其中一些示例中，溶胀后的所述第二聚合物的可压缩比为15％～90％。进一步地，溶胀后的所述第二聚合物的可压缩比为25％～50％。如此有效为电极膨胀提供空间。具体地，溶胀后的所述第二聚合物的可压缩比为包括但不限于：25％、30％、35％、40％、45％、50％以及任两者之间的范围值。
在其中一些示例中，所述第二聚合物的体积粒径分布Dv50为30μm～70μm。具体地，所述第二聚合物的体积粒径分布Dv50包括但不限于：30μm、35μm、40μm、45μm、50μm、55μm、60μm、65μm、70μm以及任两者之间分布的范围值。
在其中一些示例中，所述聚合物涂层中，所述第二聚合物的质量百分比为30％～70％。具体地，所述第二聚合物的质量百分比包括但不限于：30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％以及任两者之间的范围值。在其中一些示例中，所述第二聚合物的质量百分比为40％～60％。
通过所述第二聚合物的粒径分布和用量可以调控电池组件的厚度自适应效果能力，进而根据电芯需求进行针对性设计。同时，增大所述第二聚合物的粒径或增加所述第二聚合物的质量百分比，则溶胀后隔膜本体与极片的间隙增加，反之则溶胀后隔膜本体与极片的间隙增加。
在其中一些示例中，所述第二聚合物的重均分子量为P1，P1＜30万；进一步地，P1＜20万；更进一步地，10万≤P1＜20万。具体地，所述第二聚合物的重均分子量P1包括但不限于：10万、11万、12万、13万、14万、15万、16万、17万、18万、19万、19.9万。
不作限制地，所述第二聚合物包括聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚乳酸和聚乙烯丁醛中的一种或多种。
在其中一些示例中，所述复合隔膜与所述正极片或所述负极片之间的粘结力≥15N/m。进一步地，所述复合隔膜与所述正极片或所述负极片之间的粘结力为15N/m～30N/m。该粘结力主要由第一聚合物带来，合理控制所述粘结性，能够在所述第二聚合物溶胀以及压缩的过程中均保持粘结的稳定性，同时避免粘结性过大影响第二聚合物的溶胀。具体地，粘结力包括但不限于：15N/m、16N/m、17N/m、18N/m、19N/m、20N/m、21N/m、22N/m、23N/m、24N/m、25N/m、27N/m、30N/m以及任两者之间的范围值。
在其中一些示例中，所述第一聚合物不能够在电解液中发生溶胀。
在其中一些示例中，所述第一聚合物的体积粒径分布Dv50为60μm～100μm。具体地，所述第一聚合物的体积粒径分布Dv50包括但不限于：60μm、65μm、70μm、75μm、80μm、85μm、90μm、95μm、100μm以及任两者之间分布的范围值。
在其中一些示例中，所述第一聚合物的质量百分比为30％～70％。具体地，所述第一聚合物的质量百分比包括但不限于：30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％以及任两者之间的范围值。在其中一些示例中，所述第一聚合物的质量百分比为40％～60％。
在其中一些示例中，所述第一聚合物与所述第二聚合物的质量百分比之和为100％。
在其中一些示例中，所述第一聚合物的重均分子量为P2，P2≥30万；进一步地，P2≥40万；更进一步地，30万≤P2≤60万。具体地，所述第一聚合物的重均分子量P2包括但不限于：30万、32万、35万、38万、40万、43万、45万、46万、47万、48万、49万、50万、51万、52万、53万、54万、55万、57万、60万。
不作限制地，所述第一聚合物包括聚偏氟乙烯(PVDF)、聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚丙烯酸酯、丁苯橡胶(SBR)、芳纶、聚丙烯腈、聚丙烯酸和聚甲基丙烯酸酯(PMMA)中的一种或多种。
另外，以下适当参照附图对本申请的电池单体、二次电池、电池模块、电池包和用电装置进行说明。
本申请的一个实施方式中，提供一种电池单体。通常情况下，电池单体包括外壳、电解液以及电极组件；所述电解液和所述电极组件容纳于所述外壳内。其中电极组件如前所述。
本申请的一个实施方式中，提供一种二次电池。
通常情况下，二次电池包括正极极片、负极极片、电解液和隔离膜。在电池充放电过程中，活性离子在正极极片和负极极片之间往返嵌入和脱出。电解液在正极极片和负极极片之间起到传导离子的作用。隔离膜设置在正极极片和负极极片之间，主要起到防止正负极短路的作用，同时可以使离子通过。其中隔离膜如前所述复合隔膜。
[正极极片]
正极极片包括正极集流体以及设置在正极集流体至少一个表面的正极膜层，所述正极膜层包括本申请第一方面的正极活性材料。
作为示例，正极集流体具有在其自身厚度方向相对的两个表面，正极膜层设置在正极集流体相对的两个表面的其中任意一者或两者上。
在一些实施方式中，所述正极集流体可采用金属箔片或复合集流体。例如，作为金属箔片，可采用铝箔。复合集流体可包括高分子材料基层和形成于高分子材料基层至少一个表面上的金属层。复合集流体可通过将金属材料(铝、铝合金、镍、镍合金、钛、钛合金、银及银合金等)形成在高分子材料基材(如聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE)等的基材)上而形成。
在一些实施方式中，当二次电池为锂离子电池时，正极活性材料可采用本领域公知的用于锂离子电池的正极活性材料。作为示例，正极活性材料可包括以下材料中的至少一种：橄榄石结构的含锂磷酸盐、锂过渡金属氧化物及其各自的改性化合物。但本申请并不限定于这些材料，还可以使用其他可被用作电池正极活性材料的传统材料。这些正极活性材料可以仅单独使用一种，也可以将两种以上组合使用。其中，锂过渡金属氧化物的示例可包括但不限于锂钴氧化物(如LiCoO2)、锂镍氧化物(如LiNiO2)、锂锰氧化物(如LiMnO2、LiMn2O4)、锂镍钴氧化物、锂锰钴氧化物、锂镍锰氧化物、锂镍钴锰氧化物(如LiNi1/3Co1/ 3Mn1/3O2(也可以简称为NCM333)、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(也可以简称为NCM523)、LiNi0.5Co0.25Mn0.25O2(也可以简称为NCM211)、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2(也可以简称为NCM622)、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(也可以简称为NCM811)、锂镍钴铝氧化物(如LiNi0.85Co0.15Al0.05O2)及其改性化合物等中的至少一种。橄榄石结构的含锂磷酸盐的示例可包括但不限于磷酸铁锂(如LiFePO4(也可以简称为LFP))、磷酸铁锂与碳的复合材料、磷酸锰锂(如LiMnPO4)、磷酸锰锂与碳的复合材料、磷酸锰铁锂、磷酸锰铁锂与碳的复合材料中的至少一种。
在一些实施方式中，当二次电池为钠离子电池时，正极活性材料可采用本领域公知的用于钠离子电池的正极活性材料。作为示例，正极活性材料可以仅单独使用一种，也可以将两种以上组合。其中，正极活性物质可选自钠铁复合氧化物(NaFeO2)、钠钴复合氧化物(NaCoO2)、钠铬复合氧化物(NaCrO2)、钠锰复合氧化物(NaMnO2)、钠镍复合氧化物(NaNiO2)、钠镍钛复合氧化物(NaNi1/2Ti1/2O2)、钠镍锰复合氧化物(NaNi1/2Mn1/2O2)、钠铁锰复合氧化物(Na2/3Fe1/3Mn2/3O2)、钠镍钴锰复合氧化物(NaNi1/3Co1/3Mn1/3O2)、钠铁磷酸化合物(NaFePO4)、钠锰磷酸化合物(NaMnPO4)、钠钴磷酸化合物(NaCoPO4)、普鲁士蓝类材料、聚阴离子材料(磷酸盐、氟磷酸盐、焦磷酸盐、硫酸盐)等，但本申请并不限定于这些材料，本申请还可以使用其他可被用作钠离子电池正极活性物质的传统公知的材料。
在一些实施方式中，正极膜层还可选地包括粘结剂。作为示例，所述粘结剂可以包括聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、偏氟乙烯-四氟乙烯-丙烯三元共聚物、偏氟乙烯-六氟丙烯-四氟乙烯三元共聚物、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物及含氟丙烯酸酯树脂中的至少一种。
在一些实施方式中，正极膜层还可选地包括导电剂。作为示例，所述导电剂可以包括超导碳、乙炔黑、炭黑、科琴黑、碳点、碳纳米管、石墨烯及碳纳米纤维中的至少一种。
在一些实施方式中，可以通过以下方式制备正极极片：将上述用于制备正极极片的组分，例如正极活性材料、导电剂、粘结剂和任意其他的组分分散于溶剂(例如N-甲基吡咯烷酮)中，形成正极浆料；将正极浆料涂覆在正极集流体上，经烘干、冷压等工序后，即可得到正极极片。
[负极极片]
负极极片包括负极集流体以及设置在负极集流体至少一个表面上的负极膜层，所述负极膜层包括负极活性材料。
作为示例，负极集流体具有在其自身厚度方向相对的两个表面，负极膜层设置在负极集流体相对的两个表面中的任意一者或两者上。
在一些实施方式中，所述负极集流体可采用金属箔片或复合集流体。例如，作为金属箔片，可以采用铜箔。复合集流体可包括高分子材料基层和形成于高分子材料基材至少一个表面上的金属层。复合集流体可通过将金属材料(铜、铜合金、镍、镍合金、钛、钛合金、银及银合金等)形成在高分子材料基材(如聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE)等的基材)上而形成。
在一些实施方式中，负极活性材料可采用本领域公知的用于电池的负极活性材料。作为示例，负极活性材料可包括以下材料中的至少一种：人造石墨、天然石墨、软炭、硬炭、硅基材料、锡基材料和钛酸锂等。所述硅基材料可选自单质硅、硅氧化合物、硅碳复合物、硅氮复合物以及硅合金中的至少一种。所述锡基材料可选自单质锡、锡氧化合物以及锡合金中的至少一种。但本申请并不限定于这些材料，还可以使用其他可被用作电池负极活性材料的传统材料。这些负极活性材料可以仅单独使用一种，也可以将两种以上组合使用。
在一些实施方式中，负极膜层还可选地包括粘结剂。所述粘结剂可选自丁苯橡胶(SBR)、聚丙烯酸(PAA)、聚丙烯酸钠(PAAS)、聚丙烯酰胺(PAM)、聚乙烯醇(PVA)、海藻酸钠(SA)、聚甲基丙烯酸(PMAA)及羧甲基壳聚糖(CMCS)中的至少一种。
在一些实施方式中，负极膜层还可选地包括导电剂。导电剂可选自超导碳、乙炔黑、炭黑、科琴黑、碳点、碳纳米管、石墨烯及碳纳米纤维中的至少一种。
在一些实施方式中，负极膜层还可选地包括其他助剂，例如增稠剂(如羧甲基纤维素钠(CMC-Na))等。
在一些实施方式中，可以通过以下方式制备负极极片：将上述用于制备负极极片的组分，例如负极活性材料、导电剂、粘结剂和任意其他组分分散于溶剂(例如去离子水)中，形成负极浆料；将负极浆料涂覆在负极集流体上，经烘干、冷压等工序后，即可得到负极极片。
[电解液]
电解液在正极极片和负极极片之间起到传导离子的作用。本申请对电解液的种类没有具体的限制，可根据需求进行选择。
在一些实施方式中，所述电解液包括电解质盐和溶剂。
在一些实施方式中，电解质盐可选自六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、高氯酸锂、六氟砷酸锂、双氟磺酰亚胺锂、双三氟甲磺酰亚胺锂、三氟甲磺酸锂、二氟磷酸锂、二氟草酸硼酸锂、二草酸硼酸锂、二氟二草酸磷酸锂及四氟草酸磷酸锂中的至少一种。
在一些实施方式中，溶剂可选自碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、碳酸二丙酯、碳酸甲丙酯、碳酸乙丙酯、碳酸亚丁酯、氟代碳酸亚乙酯、甲酸甲酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯、丁酸甲酯、丁酸乙酯、1,4-丁内酯、环丁砜、二甲砜、甲乙砜及二乙砜中的至少一种。
在一些实施方式中，所述电解液还可选地包括添加剂。例如添加剂可以包括负极成膜添加剂、正极成膜添加剂，还可以包括能够改善电池某些性能的添加剂，例如改善电池过充性能的添加剂、改善电池高温或低温性能的添加剂等。
[隔离膜]
在一些实施方式中，二次电池中的隔离膜如前所述复合隔膜。
在一些实施方式中，隔离膜本体的材质可选自玻璃纤维、无纺布、聚乙烯、聚丙烯及聚偏二氟乙烯中的至少一种。隔离膜可以是单层薄膜，也可以是多层复合薄膜，没有特别限制。在隔离膜为多层复合薄膜时，各层的材料可以相同或不同，没有特别限制。
在一些实施方式中，正极极片、负极极片和隔离膜可通过卷绕工艺或叠片工艺制成电极组件。
在一些实施方式中，二次电池可包括外包装。该外包装可用于封装上述电极组件及电解液。
在一些实施方式中，二次电池的外包装可以是硬壳，例如硬塑料壳、铝壳、钢壳等。二次电池的外包装也可以是软包，例如袋式软包。软包的材质可以是塑料，作为塑料，可列举出聚丙烯、聚对苯二甲酸丁二醇酯以及聚丁二酸丁二醇酯等。
本申请对二次电池的形状没有特别的限制，其可以是圆柱形、方形或其他任意的形状。例如，图2是作为一个示例的方形结构的二次电池5。
在一些实施方式中，参照图3，外包装可包括壳体51和盖板53。其中，壳体51可包括底板和连接于底板上的侧板，底板和侧板围合形成容纳腔。壳体51具有与容纳腔连通的开口，盖板53能够盖设于所述开口，以封闭所述容纳腔。正极极片、负极极片和隔离膜可经卷绕工艺或叠片工艺形成电极组件52。电极组件52封装于所述容纳腔内。电解液浸润于电极组件52中。二次电池5所含电极组件52的数量可以为一个或多个，本领域技术人员可根据具体实际需求进行选择。
在一些实施方式中，二次电池可以组装成电池模块，电池模块所含二次电池的数量可以为一个或多个，具体数量本领域技术人员可根据电池模块的应用和容量进行选择。
图4是作为一个示例的电池模块4。参照图4，在电池模块4中，多个二次电池5可以是沿电池模块4的长度方向依次排列设置。当然，也可以按照其他任意的方式进行排布。进一步可以通过紧固件将该多个二次电池5进行固定。
可选地，电池模块4还可以包括具有容纳空间的外壳，多个二次电池5容纳于该容纳空间。
在一些实施方式中，上述电池模块还可以组装成电池包，电池包所含电池模块的数量可以为一个或多个，具体数量本领域技术人员可根据电池包的应用和容量进行选择。
图5和图6是作为一个示例的电池包1。参照图5和图6，在电池包1中可以包括电池箱和设置于电池箱中的多个电池模块4。电池箱包括上箱体2和下箱体3，上箱体2能够盖设于下箱体3，并形成用于容纳电池模块4的封闭空间。多个电池模块4可以按照任意的方式排布于电池箱中。
另外，本申请还提供一种用电装置，所述用电装置包括本申请提供的二次电池、电池模块、或电池包中的至少一种。所述二次电池、电池模块、或电池包可以用作所述用电装置的电源，也可以用作所述用电装置的能量存储单元。所述用电装置可以包括移动设备(例如手机、笔记本电脑等)、电动车辆(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，但不限于此。
作为所述用电装置，可以根据其使用需求来选择二次电池、电池模块或电池包。
图7是作为一个示例的用电装置。该用电装置为纯电动车、混合动力电动车、或插电式混合动力电动车等。为了满足该用电装置对二次电池的高功率和高能量密度的需求，可以采用电池包或电池模块。
作为另一个示例的装置可以是手机、平板电脑、笔记本电脑等。该装置通常要求轻薄化，可以采用二次电池作为电源。
实施例
以下，说明本申请的实施例。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1
1)正极极片的制备
将正极活性材料磷酸铁锂、导电炭黑SP及粘结剂PVDF按照重量比98％:1％:1％分散至溶剂NMP中进行混合均匀，得到正极浆料；将正极浆料均匀涂布于正极集流体铝箔上，经烘干、冷压后，得到正极极片，其单位面积的涂覆量为0.27g/1540.25mm2。
2)负极极片的制备
将负极活性材料石墨、增稠剂羧甲基纤维素钠、粘接剂丁苯橡胶、导电剂乙炔黑，按照质量比97％:1％:1％:1％进行混合，加入去离子水，在真空搅拌机作用下获得负极浆料；将负极浆料均匀涂覆在铜箔上；将铜箔在室温晾干后转移至120℃烘箱干燥1h，然后过冷压、分切得到负极片，其单位面积的涂覆量为0.17g/1540.25mm2。
3)复合隔膜
选用12μm厚的聚丙烯隔离膜作为隔膜本体，配制第一聚合物丁苯橡胶和第二聚合物聚偏氟乙烯的混合浆料，其中第一聚合物的质量百分比为60％，第二聚合物的质量百分比为40％，溶剂为NMP；然后将混合浆料涂覆在隔膜本体的两个表面，于150℃条件下烘干。
4)电解液的制备
有机溶剂为含有碳酸亚乙酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二乙酯(DEC)的混液，其中，EC、EMC和DEC的体积比为20:20:60。在含水量<10ppm的氩气气氛手套箱中，将充分干燥的锂盐LiPF6溶解于有机溶剂中，混合均匀，获得电解液。其中，锂盐的浓度为1mol/L。
5)电池的制备
将正极片、复合隔膜、负极片按顺序叠好，使复合隔膜处于正、负极片之间起到隔离的作用，再卷绕成方形的裸电芯，在95℃条件下进行压缩整形，10Mpa压90s，装入铝塑膜，然后在80℃下烘烤除水后，注入10g电解液、封口，经静置、热冷压、夹具化成(使用两片铝板夹具采用3000N力将电芯加紧)、分容等工序后，得到容量为4000mAh的成品电池。
实施例2～12和对比例1～2的制备方法与实施例1相同，仅在其基础上改变第一聚合物的粒径分布、质量百分比、重均分子量、所述复合隔膜与负极片之间的粘结力(简称“粘结力”)、第二聚合物的粒径分布、质量百分比、溶胀性、重均分子量、可压缩比等。具体如下述表1所示。
表1：实施例和对比例的相关参数
注：
(1)溶胀性能表征方法：将聚合物材料制备成形状规范的膜片，浸泡在电解液(碳酸亚乙酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二乙酯(DEC)的混液，其中，EC、EMC和DEC的体积比为20:20:60)中，置于70℃恒温箱中浸泡8天，每天取出擦干，记录重量变化情况，直至第8天，计算重量较浸泡前增加的百分比，重量增大越高的材料溶胀效果越好。
(2)粘结力表征方法：将复合隔膜与负极片复合后，裁取极片，宽2cm，高10cm，采用双面胶将极片一端与拉力测试机钢板粘接牢固，用夹具将极片另一端夹紧，将极片垂直展开，进行拉力测试，直至极片与复合隔膜完全剥离，得到拉力值为粘结力。
(3)经溶胀的所述第二聚合物的可压缩比表征方法：测量按照(1)溶胀后的聚合物材料膜片厚度，置于10Mpa压90s后，再次测量膜片厚度，除以第一次膜片厚度所得为可压缩比。
测试结果如下表2所示。
(1)电解液浸润性
裁取电池组件，宽5cm，高15cm，每组电池组件裁取3组。将电池组件浸泡在液面高度为1cm的电解液中，记录电解液爬液高度随时间的变化，爬液高度越高，浸润效果越好。
(2)循环性能测试
将电池在恒温25℃下，进行0.5C充电/1C放电循环，记录循环测试过程中电池容量保持率及对应循环圈数
表2：实施例与对比例的性能测试结果
| 电解液浸润性 | 循环性能 | |
| 实施例1 | 5.13cm@15min | 90.4％@1210cls |
| 实施例2 | 4.85cm@15min | 90.1％@1210cls |
| 实施例3 | 4.81cm@15min | 90.0％@1210cls |
| 实施例4 | 4.93cm@15min | 89.6％@1210cls |
| 实施例5 | 4.95cm@15min | 89.2％@1210cls |
| 实施例6 | 4.91cm@15min | 88.3％@1210cls |
| 实施例7 | 4.87cm@15min | 88.7％@1210cls |
| 实施例8 | 4.75cm@15min | 88.1％@1210cls |
| 实施例9 | 5.04cm@15min | 89.1％@1210cls |
| 实施例10 | 4.89cm@15min | 87.3％@1210cls |
| 实施例11 | 5.01cm@15min | 89.3％@1210cls |
| 实施例12 | 4.91cm@15min | 88.4％@1210cls |
| 对比例1 | 4.63cm@15min | 86.3％@1210cls |
| 对比例2 | 4.46cm@15min | 84.9％@1210cls |
由对比例1～2与实施例1～12之间的比较可知，实施例1～12均能够实现更优的电解液浸润性和循环性。
由实施例1～3之间的比较可知，合理控制聚合物的粒径分布能够优化电解液的浸润性。
由实施例1与实施例4～5之间的比较可知，合理控制第一聚合物和第二聚合物之间的比例能够优化电解液的浸润性和循环性。
由实施例1与实施例6之间的比较可知，合理控制第二聚合物溶胀后的可压缩比能够优化电解液的浸润性和循环性。
由实施例1与实施例7～8之间的比较可知，合理控制第二聚合物的溶胀性能够优化电解液的浸润性和循环性。
由实施例1与实施例9～10之间的比较可知，合理控制粘结力和第一聚合物的重均分子量能够优化电解液的浸润性和循环性。
由实施例7～8与实施例11～12之间的比较可知，合理控制第二聚合物的重均分子量能够优化电解液的浸润性和循环性。
需要说明的是，本申请不限定于上述实施方式。上述实施方式仅为示例，在本申请的技术方案范围内具有与技术思想实质相同的构成、发挥相同作用效果的实施方式均包含在本申请的技术范围内。此外，在不脱离本申请主旨的范围内，对实施方式施加本领域技术人员能够想到的各种变形、将实施方式中的一部分构成要素加以组合而构筑的其它方式也包含在本申请的范围内。
Claims (11)
1.一种电池组件，其特征在于，包括层叠设置的正极片、复合隔膜以及负极片，所述复合隔膜包括隔膜本体以及设置于所述隔膜本体至少一个表面的聚合物涂层，所述聚合物涂层包括第一聚合物和第二聚合物；
所述第一聚合物具有粘结性；
所述第二聚合物能够在电解液中发生溶胀。
2.根据权利要求1所述的电池组件，其特征在于，所述第二聚合物的溶胀性能满足：将所述第二聚合物浸泡于所述电解液中，在温度为70℃的条件下浸泡8天，所述第二聚合物重量增加的百分比≥50％；进一步地，所述第二聚合物重量增加的百分比为50％～80％。
3.根据权利要求1所述的电池组件，其特征在于，溶胀后的所述第二聚合物的可压缩比为15％～90％；进一步地，溶胀后的所述第二聚合物的可压缩比为25％～50％。
4.根据权利要求1所述的电池组件，其特征在于，所述第二聚合物还具有如下所示特征中的至少一种：
(1)所述第二聚合物的体积粒径分布Dv50为30μm～70μm；
(2)所述聚合物涂层中，所述第二聚合物的质量百分比为30％～70％；进一步地，所述第二聚合物的质量百分比为40％～60％；
(3)所述第二聚合物的重均分子量为P1，P1＜30万；进一步地，P1＜20万；更进一步地，10万≤P1＜20万。
5.根据权利要求4所述的电池组件，其特征在于，所述第二聚合物包括聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚乳酸和聚乙烯丁醛中的一种或多种。
6.根据权利要求1～5任一项所述的电池组件，其特征在于，所述复合隔膜与所述正极片或所述负极片之间的粘结力≥15N/m；进一步地，所述复合隔膜与所述正极片或所述负极片之间的粘结力为15N/m～30N/m。
7.根据权利要求1～5任一项所述的电池组件，其特征在于，所述第一聚合物具有如下所示特征中的至少一种：
(1)所述第一聚合物的体积粒径分布Dv50为60μm～100μm；
(2)所述聚合物涂层中，所述第一聚合物的质量百分比为30％～70％；进一步地，所述第一聚合物的质量百分比为40％～60％；
(3)所述第一聚合物的重均分子量为P2，P2≥30万；进一步地，P2≥40万；更进一步地，30万≤P2≤60万。
8.根据权利要求7所述的电池组件，其特征在于，所述第一聚合物包括聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚丙烯酸酯、丁苯橡胶、芳纶、聚丙烯腈、聚丙烯酸和聚甲基丙烯酸酯中的一种或多种。
9.一种电池单体，其特征在于，包括外壳、电解液以及如权利要求1～8任一项所述的电极组件；所述电解液和所述电极组件容纳于所述外壳内。
10.一种二次电池，其特征在于，包括箱体以及如权利要求9所述的电池单体；所述电池单体容纳于所述箱体内。
11.一种用电装置，其特征在于，包括如权利要求9所述的电池单体或者如权利要求10所述的二次电池。
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2022
- 2022-10-24 CN CN202211303222.1A patent/CN115810873A/zh active Pending
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