CN115832188A - 极片、电池单体、电池和用电装置及极片制造方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种极片、电池单体、电池和用电装置及极片制造方法。本申请的第一方面提供了一种极片，极片包括：集流体；热敏凸起，集流体的表面设置有间隔分布的多个热敏凸起；活性物质层，活性物质层设置于集流体的表面并覆盖多个热敏凸起。本申请提供的极片通过在活性物质层内嵌入多个热敏凸起，当活性物质层局部出现析锂等失效点时，在失效产热、集流体的欧姆产热和热阻的共同作用下，该处的热敏凸起通过自身受热膨胀会挤开失效点附近的活性物质层，同时挤开失效点附近的导电层，使失效点处的电阻增大，减小失效点处产生锂枝晶的电流，从而降低失效点持续恶化的趋势，以此来提高极片的安全可靠性。

Description

极片、电池单体、电池和用电装置及极片制造方法
技术领域
本申请实施例涉及储能技术领域，具体涉及一种极片、电池单体、电池和用电装置及极片制造方法。
背景技术
锂离子电池在充放电循环过程中，会因为充电窗口的偏移，造成后期充放电电流过大，造成锂离子电池在局部位置出现析锂等失效点的现象。另外，随着极片中粘结剂的老化，会出现极片的膜片脱离集流体的情况，锂离子脱嵌位点的损失，也会造成过多锂的集中生长，析锂现象的持续恶化会造成锂离子电池的整体失效，外在表现为锂离子电池出现开阀、冒烟甚至起火现象。
发明内容
鉴于上述问题，本申请实施例提供了一种极片、电池单体、电池和用电装置及极片制造方法，当极片的活性物质层出现析锂等失效点时，与该失效点对应的热敏凸起能够随着失效点的温度升高而膨胀，通过热敏凸起的自身膨胀“挤掉”该失效点，以此来减少该失效点持续恶化的现象。
本申请的第一方面提供了一种极片，极片包括：集流体；热敏凸起，集流体的表面设置有间隔分布的多个热敏凸起；活性物质层，活性物质层设置于集流体的表面并覆盖多个热敏凸起。本申请提供的极片通过在活性物质层内嵌入多个热敏凸起，当活性物质层局部出现失效点时，在失效产热、集流体的欧姆产热和热阻的共同作用下，该处的热敏凸起通过自身受热膨胀会挤开失效点附近的活性物质层，同时挤开失效点附近的导电层，使失效点处的电阻增大，减小失效点处产生锂枝晶的电流，从而降低失效点持续恶化的趋势，以此来提高极片的安全可靠性。
在一些实施例中，相邻两个热敏凸起之间填充有活性物质层，且沿活性物质层靠近集流体的方向，热敏凸起的横截面积逐渐增大。通过将热敏凸起的横截面积设置为沿靠近集流体的方向逐渐增大，从而在相邻两个热敏凸起自身膨胀时，能够对活性物质层施加远离集流体的方向的挤压力，以此达到“挤掉”该失效点的目的。
在一些实施例中，多个热敏凸起满足：1<D/r≤(K*α*ρ/c+1)，其中，D为相邻两个热敏凸起的中心点间距，r为热敏凸起的底部半径，K为与集流体的厚度以及最大面电流有关的系数，α为热敏凸起的热膨胀系数，ρ为集流体的电阻率，c为集流体的导热系数。多个热敏凸起的尺寸和疏密度受到集流体和热敏凸起的材料的共同影响，在集流体的厚度以及面电流固定的情况下，集流体优选电阻率高以及导热系数较差的材料，从而使热敏凸起能够快速升温膨胀“挤掉”失效点。
在一些实施例中，多个热敏凸起设置于极片的宽度h的1/3h与2/3h之间的区域。极片的宽度h的1/3h与2/3h之间的区域(大面积的中心区域)出现失效点的概率较大，将多个热敏凸起设置于极片的宽度h的1/3h与2/3h之间的区域，可以最大限度地“挤掉”发生概率较高的失效点。
在一些实施例中，热敏凸起的热膨胀系数α≥4*10-5/℃。热敏凸起的选取既需要考虑热敏凸起能够通过自身膨胀来“挤掉”失效点，又要考虑降低热敏凸起对极片无失效点时正常工作的影响，因此，本申请选择热敏凸起的热膨胀系数α≥4*10-5/℃。
在一些实施例中，集流体的导热系数与热敏凸起的膨胀温度阈值匹配，通过集流体的导热系数使热敏凸起能够在预设时间范围内升温至膨胀温度阈值。多个热敏凸起的尺寸和疏密度受到集流体和热敏凸起的材料的共同影响，在集流体的厚度以及面电流固定的情况下，集流体优选电阻率高以及导热系数较差的材料，从而使热敏凸起能够快速(预设时间范围内)升温至膨胀温度阈值后通过自身膨胀“挤掉”失效点，以此降低失效点的生长速度以及危害度。
在一些实施例中，热敏凸起包括圆锥结构、圆柱结构、棱锥结构以及棱柱结构以及不规则的锥状结构。通过将相邻两个热敏凸起中的至少一个设置为锥状结构，可以达到将相邻两个热敏凸起之间的凹槽的槽口尺寸设置为沿靠近集流体的方向逐渐减小，以此达到通过热敏凸起的自身膨胀来“挤掉”失效点的目的。
本申请的第二方面提供了一种电池单体，电池单体包括根据本申请的第一方面的极片。
在一些实施例中，在极片卷绕成电极组件的情况下，极片的多个热敏凸起分布于电极组件的卷弯处。极片的卷弯部分(包括圆柱型的整个弯曲面以及矩型的拐角处)的稳定性小于平整部分的稳定性，不稳定的部分更容易出现析锂等失效点，将多个热敏凸起设置于极片的卷弯处，可以最大限度地“挤掉”发生概率较高的失效点。
本申请的第三方面提供了一种电池，电池包括至少一个根据本申请的第二方面的电池单体。
本申请的第四方面提供了一种用电装置，用电装置包括至少一个根据本申请的第三方面的电池。
本申请的第五方面提供了一种极片制造方法，极片制造方法用于制造根据本申请的第一方面的极片，包括：在集流体的表面的指定位置涂敷间隔分布的多个热敏凸起；在集流体的表面涂敷活性物质层并覆盖多个热敏凸起；对集流体进行冷压、分切后获得极片。
本申请提供的极片通过在活性物质层内嵌入多个热敏凸起，当活性物质层出现失效点时，与该失效点对应的热敏凸起能够随着失效点的温度升高而膨胀，热敏凸起通过自身膨胀会挤开失效点附近的活性物质层，同时挤开失效点附近的导电层，使失效点处的电阻增大，减小失效点处产生锂枝晶的电流，从而减少失效点处出现析锂现象，以此来提高极片的安全可靠性。
在一些实施例中，在集流体的表面的指定位置涂敷间隔分布的多个热敏凸起具体包括：多个热敏凸起分布于极片的宽度h的1/3h与2/3h之间的区域；和/或在极片卷绕成电极组件的情况下，多个热敏凸起分布于电极组件的卷弯处。极片的宽度h的1/3h与2/3h之间的区域以及卷弯处出现失效点的概率较大，将多个热敏凸起设置于1/3h与2/3h之间的区域以及卷弯处，可以最大限度地“挤掉”发生概率较高的失效点。
上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本申请的具体实施方式。
附图说明
通过阅读对下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在全部附图中，用相同的附图标号表示相同的部件。在附图中：
图1为现有技术中存在有析锂区的电池极片的结构示意图；
图2为图1所示电池极片中析锂区的扩张结构示意图；
图3为本申请一些实施例的车辆的结构示意图；
图4为本申请一些实施例的电池的分解结构示意图；
图5为本申请一些实施例的电池模块的结构示意图；
图6为本申请一些实施例的电池单体的分解结构示意图；
图7为本申请中存在有失效点的极片的横截面结构示意图；
图8为图7所示极片中失效点脱落的结构示意图；
图9为本申请一个实施例的本申请与现有技术的失效点变化的坐标图；
图10为本申请第一实施例的热敏凸起与集流体的结构示意图；
图11为图10所示热敏凸起与集流体的俯视图；
图12为图11所示热敏凸起与集流体的A-A向剖视图；
图13为本申请第二实施例的热敏凸起与集流体的结构示意图；
图14为图13所示热敏凸起与集流体的俯视图；
图15为图14所示热敏凸起与集流体的B-B向剖视图；
图16为本申请第三实施例的热敏凸起与集流体的结构示意图；
图17为图16所示热敏凸起与集流体的俯视图；
图18为图17所示热敏凸起与集流体的C-C向剖视图；
图19为本申请第四实施例的热敏凸起与集流体的结构示意图；
图20为图19所示热敏凸起与集流体的俯视图；
图21为图20所示热敏凸起与集流体的E-E向剖视图；
图22为本申请一个实施例的本申请与现有技术的失效点变化的坐标图；
图23为本申请一个实施例的极片制造方法的流程图。
具体实施方式中的部分附图标号如下：
1000车辆；
100电池，200车架；
10电池箱体，11第一部分，12第二部分，13法兰；
20电池模块，21电池单体，211端盖，211a电极端子，212壳体，213电极组件；
2130极片，2131集流体，2132活性物质层，2133热敏凸起，2134失效点，2135凹槽。
2130’；电池极片，2131’基材，2132’涂敷层，2134’析锂区。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本申请的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本申请的保护范围。
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；本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
在本申请实施例的描述中，技术术语“第一”“第二”等仅用于区别不同对象，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量、特定顺序或主次关系。在本申请实施例的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
在本申请实施例的描述中，术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
在本申请实施例的描述中，术语“多个”指的是两个以上(包括两个)，同理，“多组”指的是两组以上(包括两组)，“多片”指的是两片以上(包括两片)。
在本申请实施例的描述中，技术术语“中心”“纵向”“横向”“长度”“宽度”“厚度”“上”“下”“前”“后”“左”“右”“竖直”“水平”“垂直”“平行”“顶”“底”“内”“外”“顺时针”“逆时针”“轴向”“径向”“周向”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申请实施例和简化描述，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申请实施例的限制。
在本申请实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，技术术语“安装”“相连”“连接”“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；也可以是机械连接，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或两个元件的相互作用关系。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申请实施例中的具体含义。
如图1所示，现有锂离子电池的电池极片2130’包括基材2131’和设置于基材2131’的涂敷层2132’，当涂敷层2132’出现析锂区2134’后，析锂区2134’无保护时，如图2所示，析锂区2134’的尺寸会逐渐变大，最终达到临界值(如刺穿锂离子电池的隔膜)导致整个锂离子电池的失效。
为了解决市场上的锂离子电池容易出现析锂等故障的技术问题，本申请提供的极片通过在活性物质层内嵌入多个热敏凸起，当活性物质层出现失效点(失效点包括析锂点以及其他导致温度升高的故障点)时，与该失效点对应的热敏凸起能够随着失效点的温度升高而膨胀，热敏凸起通过自身膨胀会挤开失效点附近的活性物质层，同时挤开失效点附近的导电层，使失效点处的电阻增大，减小失效点处产生锂枝晶的电流，从而减少失效点处出现析锂现象，以此来提高极片的安全可靠性。
本申请实施例公开的极片2130可以用于电池单体。电池单体21用于电池模块20、电池100和用电装置，例如，需要使用电能的车辆1000、船舶或飞行器等用电装置为就需要电池100、电池模块20和极片2130。
以下实施例为了方便说明，以本申请一实施例的一种电池用于车辆1000为例进行说明。
请参看图3，图3为本申请一些实施例提供的车辆1000的结构示意图。车辆1000的内部设置有电池100和车架200，电池100可以设置在车架200上。多个电池100可以在车架200上自上而下堆叠设置，还可以平铺设置于车架200。
请参看图4和图5，图4为本申请一些实施例提供的电池100的爆炸图，图5为本申请一些实施例的电池模块的结构示意图。电池100包括电池箱体10和电池单体21，电池单体21容纳于电池箱体10内。其中，电池箱体10用于为电池单体21提供容纳空间，电池箱体10可以采用多种结构。在一些实施例中，电池箱体10可以包括第一部分11和第二部分12，第一部分11与第二部分12相互盖合，第一部分11和第二部分12共同限定出用于容纳电池单体21的容纳空间。可选地，为保证密封效果，第一部分11和第二部分12在边缘位置都设置有相配合的法兰13。第二部分12可以为一端开口的空心结构，第一部分11可以为板状结构，第一部分11盖合于第二部分12的开口侧，以使第一部分11与第二部分12共同限定出容纳空间；第一部分11和第二部分12也可以是均为一侧开口的空心结构，第一部分11的开口侧盖合于第二部分12的开口侧。当然，第一部分11和第二部分12形成的电池箱体10可以是多种形状，比如，圆柱体、长方体等。
在电池100中，电池单体21可以是多个，多个电池单体21之间可串联或并联或混联，混联是指多个电池单体21中既有串联又有并联。多个电池单体21之间可直接串联或并联或混联在一起，再将多个电池单体21构成的整体容纳于箱体10内；当然，电池100也可以是多个电池单体21先串联或并联或混联组成电池模块20形式，多个电池模块20再串联或并联或混联形成一个整体，并容纳于箱体10内。电池100还可以包括其他结构，例如，该电池100还可以包括汇流部件，用于实现多个电池单体21之间的电连接。
其中，电池单体21可以为二次电池或一次电池；还可以是锂硫电池、钠离子电池或镁离子电池，但不局限于此。电池单体21可呈圆柱体、扁平体、长方体或其它形状等。
请参阅图5，图5示出了本申请一实施例的电池模块20的结构示意图。图5中，电池模块20可以包括多个电池单体21，多个电池单体21可以先串联或并联或混联组成电池模块20，多个电池模块20再串联或并联或混联组成电池10。电池单体21一般按封装的方式分成三种：柱形电池单体21、方体方形电池单体21和软包电池单体21，本申请实施例对此也不限定。但为描述简洁，下述实施例均以方体方形电池单体21为例进行说明。
图6为本申请一些实施例提供的电池单体21的分解结构示意图。电池单体21是指组成电池100的最小单元。如图6，电池单体21包括有端盖211、壳体212和电极组件213。
端盖211是指盖合于壳体212的开口处以将电池单体21的内部环境隔绝于外部环境的部件。端盖211的形状可以与壳体212的形状相适应以配合壳体212。可选地，端盖211可以由具有一定硬度和强度的材质(如铝合金)制成，这样，端盖211在受挤压碰撞时就不易发生形变，使电池单体21能够具备更高的结构强度，安全性能也可以有所提高。端盖211上可以设置有如电极端子211a等的功能性部件。电极端子211a可以用于与电极组件213电连接，以用于输出或输入电池单体21的电能。在一些实施例中，端盖211上还可以设置有用于在电池单体21的内部压力或温度达到阈值时泄放内部压力的泄压机构。在一些实施例中，在端盖211的内侧还可以设置有绝缘件，绝缘件可以用于隔离壳体212内的电连接部件与端盖211，以降低短路的风险。示例性的，绝缘件可以是塑料、橡胶等。
壳体212是用于配合端盖211以形成电池单体21的内部环境的组件，其中，形成的内部环境可以用于容纳电极组件213、电解液(在图中未示出)以及其他部件。壳体212和端盖211可以是独立的部件，可以于壳体212上设置开口，通过在开口处使端盖211盖合开口以形成电池单体21的内部环境。可选地，也可以使端盖211和壳体212一体化，具体地，端盖211和壳体212可以在其他部件入壳前先形成一个共同的连接面，当需要封装壳体212的内部时，再使端盖211盖合壳体212。壳体212可以是多种形状和多种尺寸的，例如长方体形、圆柱体形、六棱柱形等。具体地，壳体212的形状可以根据电极组件213的具体形状和尺寸大小来确定。壳体212的材质可以是多种，比如，铜、铁、铝、不锈钢、铝合金、塑胶等，本申请实施例对此不作特殊限制。
电极组件213是电池单体21中发生电化学反应的部件。壳体212内可以包含一个或更多个电极组件213。电极组件213主要由正极片2130和负极片2130卷绕或层叠放置形成，并且通常在正极片2130与负极片2130之间设有隔膜。正极片2130和负极片2130具有活性物质的部分构成电极组件213的主体部，正极片2130和负极片2130不具有活性物质的部分各自构成极耳(在图中未示出)。正极极耳和负极极耳可以共同位于主体部的一端或是分别位于主体部的两端。在电池100的充放电过程中，正极活性物质和负极活性物质与电解液发生反应，极耳连接电极端子211a以形成电流回路。
如图7和图8所示，本申请的第一方面提供了一种极片2130，极片2130包括集流体2131、热敏凸起2133和活性物质层2132，集流体2131的表面设置有间隔分布的多个热敏凸起2133，活性物质层2132设置于集流体2131的表面并覆盖多个热敏凸起2133。
在本实施例中，本申请提供的极片2130通过在活性物质层2132内嵌入多个热敏凸起2133，当活性物质层2132局部出现失效点2134(失效点2134包括析锂点以及其他导致温度升高的故障点)时，在失效产热、集流体的欧姆产热和热阻的共同作用下，与该失效点2134对应的热敏凸起2133能够在失效产热、集流体的欧姆产热和热阻的共同作用下，通过自身受热膨胀挤开失效点2134附近的活性物质层2132，同时挤开失效点2134附近的导电层，使失效点2134处的电阻增大，减小失效点2134处产生锂枝晶的电流，从而降低失效点2134处出现析锂的趋势，以此来提高极片2130的安全可靠性。
另外，热敏凸起2133沿不平行于集流体2131的方向将附近的活性物质层2132以及失效点2134从极片2130中“挤掉”，只要热敏凸起2133对附近的活性物质层2132的挤压应力超过活性物质层2132脱离的临界值即可，热敏凸起2133对附近的活性物质层2132的具体挤压应力值在此不进行限定。
在一些实施例中，如图7和图8所示，相邻两个热敏凸起2133之间填充有活性物质层2132，且沿活性物质层2132靠近集流体2131的方向，热敏凸起2133的横截面积逐渐增大。
在本实施例中，通过将热敏凸起2133的横截面积设置为沿靠近集流体2131的方向逐渐增大，从而在相邻两个热敏凸起2133自身膨胀时，能够对活性物质层2132施加远离集流体2131的方向的挤压力，以此达到“挤掉”该失效点的目的。
或者，可以理解为，相邻两个热敏凸起2133之间形成填充活性物质层2132的凹槽2135，凹槽2135的槽口尺寸X沿靠近集流体2131的方向逐渐减小，多个热敏凸起2133可以按照矩形、菱形、五边形以及六边形或者不规则分布，相邻两个热敏凸起2133之间形成的凹槽2135靠近集流体2131的槽口尺寸X较窄，凹槽2135远离集流体2131的槽口尺寸X较宽，因此，在凹槽2135周边的热敏凸起2133膨胀时，热敏凸起2133会优先挤开槽口尺寸X较窄且靠近集流体2131的活性物质，降低集流体2131与活性物质层2132中导电层的电连接。
进一步地，热敏凸起2133的自身体积膨胀也会增大活性物质层2132的电阻，减小集流体2131与失效点2134之间的局部面电流密度，使得活性物质层2132上的失效点2134生长速度降低。
图7和图8公布热敏凸起2133的工作过程包括：①在失效点2134的高温作用下，失效点2134处的热敏凸起2133自身膨胀，造成失效点2134处的电阻增大；②热敏凸起2133通过膨胀挤出失效点2134附近的活性物质，以此降低失效点2134与集流体2131的电连接，增加失效点2134与集流体2131之间的电阻值；③此时，由于失效点2134附近的局部面电流密度降低，失效点2134的生长速度降低，失效风险降低；④当热敏凸起2133向远离集流体2131的方向膨胀较大时，会导致失效点2134膨胀过大，失效点2134与附近位置的活性物质层2132之间的应力会增大，甚至会使得失效点2134附近的活性物质脱出，失效点2134则随着脱出的活性物质而脱出极片2130，此时，失效点2134处的失效风险解除。其中，步骤①-④的触发事件，也会因为集流体2131的欧姆产热以及低导热能力而提前触发，因此，本申请提供的极片2130需要合理综合考虑集流体2131以及热敏凸起2133的材质，这样相同失效时间下，失效点2134的增长速度会进一步降低。
在一些实施例中，多个热敏凸起2133满足：1<D/r≤(K*α*ρ/c+1)，其中，D为相邻两个热敏凸起2133的中心点间距，r为热敏凸起2133的底部半径，K为与集流体2131的厚度以及最大面电流有关的系数，α为热敏凸起2133的热膨胀系数，ρ为集流体2131的电阻率，c为集流体2131的导热系数。
在本实施例中，考虑局部位置的热敏凸起2133的温升和膨胀，集流体2131的电阻R与集流体2131的电阻率成正比(R＝ρ*L/S)；在集流体2131的面电流一定时，集流体2131的电阻热与集流体2131的电阻成正比(Q＝i^2*R*t)，集流体2131的局部温升与热成正相关性(ΔT∝ΔQ/c)，电阻热来不及散失会造成局部温升，所以，集流体2131的导热系数c越小，热敏凸起2133的温升越大，热敏凸起2133的热膨胀与温升成正比(膨胀率＝α*ΔT，热敏凸起2133的实际膨胀＝(D-R)/2*膨胀率)，因此，多个热敏凸起2133的分布结果为D≤(K*α*ρ/c+1)*r。
1<D/r则是说明了多个热敏凸起2133是间隔分布的多个岛状布局，而不是多个热敏凸起2133完全覆盖集流体2131，从而使活性物质层2132能够通过多个热敏凸起2133之间的间隙与集流体2131接触。
如图9所示为本申请与现有技术的失效点坐标图，本申请的极片2130在集流体2131的表面设置有有岛状分布的多个热敏凸起2133以及覆盖多个热敏凸起2133活性物质层2132。在极片2130上未出现失效点2134时，岛状分布的多个热敏凸起2133处于未触发状态，活性物质层2132正常充放电。
当极片2130上出现失效点2134时，若极片2130无多个热敏凸起2133(如坐标图中的现有技术)，从极片2130开始失效→剧烈反应，失效点2134快速增加，在电压上的表现电压降为原先的10％U，之后，失效点2134的局部位置造成整体失效，外在表现为电芯的开阀、冒烟，甚至起火。
当极片2130上出现失效点2134时，若极片2130设置有多个热敏凸起2133(如坐标图中的本申请技术)，尤其在失效点2134常发生的位置(极片2130的大面积中心位置和卷弯位置)，提前设置岛状分布的多个热敏凸起2133。相邻热敏凸起2133之间的间距，根据集流体2131的导热系数、电导率、以及热敏凸起2133的半径设置上限。此时，失效点2134处会因为失效产生的热量，造成热敏凸起2133自身膨胀，失效点2134处的电压降会缩小为原先的5％U。这样，失效点2134影响的电芯容量减小，使得整个失效温度的增加降低，提高了极片2130的安全可靠性。另外，由于热敏凸起2133能够挤出失效点2134处的活性物质，这样，失效点2134处的电阻增大、面电流降低，失效点2134处的Li+离子转化为锂枝晶的反应减少，降低失效点2134持续失效和增大的风险。
本实施例提供的极片2130在集流体2131与活性物质层之间涂布一些非连续的岛状分布的多个热敏凸起2133，多个热敏凸起2133的分布根据集流体2131和自身材料进行阵列分布。如果集流体2131的电阻率较大或者导热能力较大，在相同的面电流下，会有更多的焦耳热产生。加上此处的析锂区会有额外的自放电，如若出现阴阳极短接，会造成此处相对于其他位置的热效应更显著，析锂区的多个热敏凸起2133就开始膨胀动作，会挤开析锂区附近的活性物质层，同时挤开析锂区附近的导电层，使析锂区的电阻增大，减小反应产生锂枝晶的电流，提高极片的安全可靠性。
另外，本申请的实施例通过耦合设计了热敏凸起2133的尺寸与集流体的电阻率ρ以及导热系数c之间的关系，能够在尽量小的失效点2134区域下，提前触发热敏凸起2133的安全动作，从而降低失效点2134持续恶化的趋势，以此来提高极片2130的安全可靠性。
在一些实施例中，多个热敏凸起2133设置于极片2130的宽度h(如图10所示的宽度h)的1/3h与2/3h之间的区域。
在本实施例中，在多个热敏凸起2133的位置选取上，本申请将多个热敏凸起2133集中分布在容量析锂的位置，在其余位置设置多个热敏凸起2133则会影响极片的正常工作。
极片2130的大面积中心处出现析锂的概率较高，因此，本申请将多个热敏凸起2133设置于极片2130的宽度h的1/3h与2/3h之间的区域(覆盖了极片2130的大面积中心以及中心周边区域，不覆盖极片2130的边缘部分)处，当极片2130在大面积中心由于失效点2134导致局部温度升高时，会触发阵列排布的多个热敏凸起2133，在多个热敏凸起2133的热膨胀作用下会挤开失效点2134附近的活性物质层，同时挤开失效点2134附近的导电层，使失效点2134附近的电阻增大，减小反应产生锂枝晶的电流，提高极片的安全性。
在一些实施例中，热敏凸起2133的热膨胀系数α≥4*10-5/℃，热敏凸起2133包括金属镉、聚甲基丙烯酸甲酯以及聚氯乙烯。
在本实施例中，热敏凸起的选取既需要考虑热敏凸起能够通过自身膨胀来“挤掉”失效点，又要考虑降低热敏凸起对极片无失效点时正常工作的影响，因此，本申请选择热敏凸起的热膨胀系数α≥4*10-5/℃。
在一些实施例中，集流体2131的导热系数与热敏凸起2133的膨胀温度阈值匹配，通过集流体2131的导热系数使热敏凸起2133能够在预设时间范围内升温至膨胀温度阈值。
在本实施例中，多个热敏凸起2133的尺寸和疏密度受到集流体2131和热敏凸起2133的材料的共同影响，在集流体2131的厚度以及面电流固定的情况下，集流体2131优选电阻率高以及导热系数较差的材料，集流体2131可选择不锈钢箔、镍箔以及钛箔等。
如果集流体2131的电阻率较大或者导热能力较大，在相同的面电流下，会有更多的焦耳热产生。加上此处的析锂区会有额外的自放电，如若出现阴阳极短接，会造成此处相对于其他位置的热效应更显著，析锂区的多个热敏凸起2133快速(预设时间范围内)达到膨胀阈值温度后就开始膨胀动作(如图9所示)，会挤开析锂区附近的活性物质层，同时挤开析锂区附近的导电层，使析锂区的电阻增大，减小反应产生锂枝晶的电流，提高极片的安全可靠性。
预设时间范围则是根据极片2130的性能以及“失效点”的恶化趋势具体而定，预设时间范围的具体数值在此不进行详细阐述。
在一些实施例中，热敏凸起2133包括圆锥结构、圆柱结构、棱锥结构以及棱柱结构。
在本实施例中，如图10-图12所示，多个热敏凸起2133设置为圆锥结构；如图13-图15所示，多个热敏凸起2133设置为棱锥结构；如图16-图18所示，多个热敏凸起2133设置为圆锥结构与圆柱结构的组合，圆柱结构的四周均为圆锥结构，从而使相邻两个热敏凸起2133之间形成槽口尺寸X变化的凹槽2135；如图19-图21所示，多个热敏凸起2133设置为棱锥结构与棱柱结构的组合，棱柱结构的四周均为棱锥结构，从而使相邻两个热敏凸起2133之间形成槽口尺寸X变化的凹槽2135。
本申请的第二方面提供了一种电池单体21，电池单体21包括根据本申请的第一方面的极片2130。
在本实施例中，极片2130通过卷绕的方式形成电池单体21的电芯，如图22所示，对比了现有技术(虚线)与使用了本申请(实线)的极片2130之后的，电池单体21的充放电循环曲线的差异。其中，若对析锂区不做处理(现有技术)，在该析锂区析锂会持续增加，造成电芯的容量损失加剧，电芯容量保持率会出现快速下降的现象(虚线)。如果该电芯相同设计下，采用了本申请实施例的极片2130，电池单体21的充放电初始循环会因为热敏凸起2133介于活性物质层2132与集流体2131之间造成极化，引起部分容量损失；但随着充放电循环的持续，当电池单体21的极片2130出现临界析锂尺寸后，在析锂点自放电+集流体2131阻热的共同作用下，热敏凸起2133被温升启动，这时失效点2134的活性位点被挤出，电芯的析锂反应被中断，电芯容量上会有一定损失，走势上不会恶化。最终，在电芯质保期间，可多循环500cls左右。
在一些实施例中，在极片2130绕卷成电极组件213的情况下，极片2130的多个热敏凸起2133设置于电极组件213的卷弯处。
在本实施例中，在锂离子电池充电时，Li+从锂离子电池的正极脱嵌并嵌入锂离子电池的负极，当锂离子电池的负极的嵌锂空间不足或者Li+嵌入锂离子电池的负极的扩散位阻太大，或者Li+超出充电窗口即过快从正极脱嵌而无法等量嵌入负极。这时，无法嵌入负极的Li+只能在负极表面得到电子，从而生成单质。
在本实施例中，极片2130在卷弯过程中会因为动力学原因，造成析锂，因此，本申请在电极组件213的卷弯处(如图10所示的长度方向)涂布多个热敏凸起2133，在极片2130卷成圆柱状的情况下，多个热敏凸起2133沿圆柱弧面均匀分布，在极片2130卷成矩型结构的情况下，多个热敏凸起2133分布于矩型结构的拐角处，可在极片2130的卷弯处出现析锂的时候，提前将卷弯处的活性位点损失掉。换言之，通过温度造成的电阻增加，使得该处的失效点2134被挤掉。
具体的，本申请从减少析锂位置的析锂电流，阻断了该处Li+继续被还原为Li金属的反应。这时，Li+离子会在浓差作用下，向其他电子较多的微区域扩散。这样，可以减少锂枝晶继续生长的速度。并且，通过这种浓差场的自我调节下，该处析锂点会自发的逐渐消耗甚至消失。关于如何调整电子的分布，本申请的实施例基于相同电压下，电阻越小，电流越大的原理，通过多个热敏凸起2133对热的响应，以多个热敏凸起2133增大失效点2134处的电阻，使得该处的面电流较其他位置小，降低了析锂位置的电荷密度，减少了Li+离子的还原成锂原子的速度。
本申请的第三方面提供了一种电池，电池包括至少一个根据本申请的第二方面的电池单体。
本申请的第四方面提供了一种用电装置，用电装置包括至少一个根据本申请的第三方面的电池。
如图23所示，本申请的第五方面提供了一种极片2130制造方法，极片2130制造方法用于制造根据本申请的第一方面的极片2130，包括：在集流体2131的表面的指定位置涂敷间隔分布的多个热敏凸起2133；在集流体2131的表面涂敷活性物质层2132并覆盖多个热敏凸起2133；对集流体2131进行冷压、分切后获得极片2130。
在本实施例中，本申请提供的极片2130通过在活性物质层2132内嵌入多个热敏凸起2133，当活性物质层2132出现失效点2134(失效点2134包括析锂点以及其他导致温度升高的故障点)时，与该失效点2134对应的热敏凸起2133能够随着失效点2134的温度升高而膨胀，热敏凸起2133通过自身膨胀会挤开失效点2134附近的活性物质层2132，同时挤开失效点2134附近的导电层，使失效点2134处的电阻增大，减小失效点2134处产生锂枝晶的电流，从而减少失效点2134处出现析锂现象，以此来提高极片2130的安全可靠性。
在一些实施例中，在集流体2131的表面的指定位置涂敷间隔分布的多个热敏凸起2133具体包括：多个热敏凸起2133设置于极片2130的宽度h的1/3h与2/3h之间的区域；和/或在极片2130绕卷成电芯的情况下，多个热敏凸起2133设置于极片2130的卷弯处。
在本实施例中，在多个热敏凸起2133的位置选取上，本申请将多个热敏凸起2133集中分布在容量析锂的位置，在其余位置设置多个热敏凸起2133则会影响极片的正常工作。
具体地，极片2130的大面积中心以及卷弯处出现析锂的概率较高，因此，本申请将多个热敏凸起2133设置于极片2130的宽度h的1/3h与2/3h之间的区域(覆盖了极片2130的大面积中心以及中心周边区域)处以及卷弯处，以此降低极片2130的析锂风险。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参看前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本申请的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本申请并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (13)

1.一种极片，其特征在于，所述极片包括：
集流体；
热敏凸起，所述集流体的表面设置有间隔分布的多个所述热敏凸起；
活性物质层，所述活性物质层设置于所述集流体的所述表面并覆盖多个所述热敏凸起。
2.根据权利要求1所述的极片，其特征在于，相邻两个所述热敏凸起之间填充有所述活性物质层，且沿所述活性物质层靠近所述集流体的方向，所述热敏凸起的横截面积逐渐增大。
3.根据权利要求1所述的极片，其特征在于，多个所述热敏凸起满足：
1<D/r≤(K*α*ρ/c+1)，
其中，D为相邻两个所述热敏凸起的中心点间距，r为所述热敏凸起的底部半径，K为与所述集流体的厚度以及最大面电流有关的系数，α为所述热敏凸起的热膨胀系数，ρ为所述集流体的电阻率，c为所述集流体的导热系数。
4.根据权利要求1所述的极片，其特征在于，多个所述热敏凸起分布于所述极片的宽度h的1/3h与2/3h之间的区域。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的极片，其特征在于，所述热敏凸起的热膨胀系数α≥4*10-5/℃。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的极片，其特征在于，所述集流体的导热系数与所述热敏凸起的膨胀温度阈值匹配，通过所述集流体的所述导热系数使所述热敏凸起能够在预设时间范围内升温至所述膨胀温度阈值。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的极片，其特征在于，所述热敏凸起包括圆锥结构、圆柱结构、棱锥结构、棱柱结构以及不规则的锥状结构。
8.一种电池单体，其特征在于，所述电池单体包括根据权利要求1至7中任一项所述的极片。
9.根据权利要求8所述的电池单体，其特征在于，在所述极片卷绕成电极组件的情况下，所述极片的多个热敏凸起分布于所述电极组件的卷弯处。
10.一种电池，其特征在于，所述电池包括至少一个根据权利要求8或9所述的电池单体。
11.一种用电装置，其特征在于，所述用电装置包括至少一个根据权利要求10所述的电池。
12.一种极片制造方法，其特征在于，所述极片制造方法用于制造根据权利要求1至7中任一项所述的极片，包括：
在集流体的表面的指定位置涂敷间隔分布的多个热敏凸起；
在集流体的所述表面涂敷活性物质层并覆盖多个所述热敏凸起；
对所述集流体进行冷压、分切后获得极片。
13.根据权利要求12所述的极片制造方法，其特征在于，所述在集流体的表面的指定位置涂敷间隔分布的多个热敏凸起具体包括：
多个所述热敏凸起分布于所述极片的宽度h的1/3h与2/3h之间的区域；和/或
在所述极片卷绕成电极组件的情况下，所述极片的多个所述热敏凸起分布于所述电极组件的卷弯处。
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WO2024017083A1 (zh) * 2022-07-22 2024-01-25 宁德时代新能源科技股份有限公司 极片、电池单体、电池和用电装置及极片制造方法

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