CN115832209A - 阴极极片、锂离子电池及用电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种阴极极片、锂离子电池及用电装置。阴极极片包括集流体及活性层，所述活性层设于所述集流体的至少一个表面之上，所述活性层包括多个在厚度方向上依次层叠设置的活性材料层，各所述活性材料层包括阴极材料，所述阴极材料主要包括高能量密度材料与高安全性材料中的一种，多个所述活性材料层中至少有一个活性材料层的阴极材料主要包括高能量密度材料，且至少有一个活性材料层的阴极材料主要包括高安全性材料；所述高能量密度材料包括三元体系材料和富锂锰基材料中的一种或多种；所述高安全性材料包括聚阴离子正极材料中的一种或多种。该阴极极片、配备了该极片的锂离子电池及用电装置，具有更高的能量密度和更好的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及电池技术领域，特别是涉及阴极极片、锂离子电池及用电装置。
背景技术
节能减排是汽车产业可持续发展的关键，电动车辆由于其节能环保的优势成为汽车产业可持续发展的重要组成部分。对于电动车辆而言，电池技术又是关乎其发展的一项重要因素。
传统技术中的锂离子电池包括阴极极片，阴极极片通常包括阴极集流体以及涂布于阴极集流体上的阴极膜片，阴极膜片包括活性材料、粘接剂和导电剂。
然而随着科技的发展和电池的推广应用，现有的阴极极片不能满足对电池能量密度及安全性更高的要求。
发明内容
鉴于上述问题，本申请提供一种阴极极片、锂离子电池及用电装置，具有更高的能量密度和更好的安全性。
第一方面，本申请提供了一种阴极极片，包括：
集流体；及
活性层，设于所述集流体的至少一个表面之上，所述活性层包括多个在厚度方向上依次层叠设置的活性材料层，各所述活性材料层包括阴极材料，所述阴极材料主要包括高能量密度材料与高安全性材料中的一种，多个所述活性材料层中至少有一个所述活性材料层的阴极材料主要包括所述高能量密度材料，且至少有一个所述活性材料层的阴极材料主要包括所述高安全性材料；
所述高能量密度材料的包括三元体系材料和富锂锰基材料中的一种或多种；
所述高安全性材料包括聚阴离子正极材料中的一种或多种。
本申请实施例的技术方案中，活性层包括多个活性材料层，各层活性材料层的阴极材料主要包括高能量密度材料与高安全性材料中的一种，且活性层中至少具有一个选用高能量密度材料为阴极材料的活性材料层，以及至少一个选用高安全性材料为阴极材料的活性材料层；其中，三元体系材料能量密度高，应用范围广泛，而富锂锰基材料同时具备高电压、高比容量、高比能量、低成本、无毒等明显优势，高能量密度材料选用三元体系材料和富锂锰基材料中的一种或多种混合，能够有效提高电池的能量密度。聚阴离子正极材料由于具有稳定的聚阴离子框架结构而表现出优良的安全性能，好的耐过充性能和循环稳定性；但共同缺点是电导率偏低，不利于大电流充放电；该结构的阴极极片兼顾高能量密度材料和高安全性材料的优点，同时规避其缺点，能够提高循环寿命，构建更稳固的导电网络且降低阻抗；安全性能优，结构稳定、放热量低的高安全性材料隔绝在高能量密度材料周围，能够抑制活性材料热失控情况下的连锁反应，提高材料安全性；具有成本优势，高安全性材料与高能量密度材料相比成本更为低廉，在高能量密度材料中引入高安全性材料能够优化复合体系成本；同时，具有使用工况优势，高能量密度材料低温性能更优，而高安全性材料耐高温性能更优，因此将两种材料分层涂布混合使用，电池能兼顾更宽的使用温度区间，更加适应于使用推广；另外，活性层多层涂布活性材料层相比于将活性物质粉料简单混合，阴极极片膨胀力小，循环寿命更好。
在一些实施例中，所述活性层的多个活性材料层满足如下条件中的至少一个：
(1)相邻的所述活性材料层的阴极材料相同或不同；
(2)阴极材料相同的所述活性材料层的厚度相同或不同；
(3)阴极材料不同的所述活性材料层的厚度相同或不同；
(4)阴极材料主要包括所述高能量密度材料的所述活性材料层与阴极材料主要包括所述高安全性材料的所述活性材料层中的阴极材料的粒径差异不小于 20％；
(5)阴极材料相同的所述活性材料层的单位面积的涂布重量相等或不等；
(6)阴极材料不同的所述活性材料层的单位面积的涂布重量相等或不等。通过调控多个活性材料层满足的条件，便于进行不同容量差异化需求的电芯设计。
在一些实施例中，多个所述活性材料层存在如下结构中的至少一个：
(1)阴极材料主要包括高能量密度材料的活性材料层与阴极材料主要包括高安全性材料的活性材料层交替设置的结构；
(2)阴极材料主要包括高能量密度材料的活性材料层紧邻层叠的结构；
(3)阴极材料主要包括高安全性材料的活性材料层紧邻层叠的结构。通过调控多个活性材料层满足的条件，便于进行不同容量差异化需求的电芯设计。
在一些实施例中，所述活性层中活性材料层有偶数个，其中阴极材料主要包括高能量密度材料的活性材料层紧邻层叠，阴极材料主要包括高安全性材料的活性材料层紧邻层叠；或者
所述活性层中活性材料层有奇数个，阴极材料主要包括高能量密度材料的活性材料层与阴极材料主要包括高安全性材料的活性材料层交替设置。通过调控多个活性材料层满足的条件，便于进行不同容量差异化需求的电芯设计。
在一些实施例中，可选地，所述三元体系材料包括镍钴锰、镍钴铝和镍钴硼中的一种或多种；
可选地，所述富锂锰基材料包括以Li2MnO3为基础的复合正极材料 xLi2MnO3·(1-x)LiMO2，M包括Ni、Co、Mn或Ni、Co、Mn的二元或三元层状材料中的一至少一种。
其中，三元体系材料LiCoxMnyNi1-x-yO2(NCM)与LiCoO2类似，同属α-NaFeO2型层状结构，三元体系材料主要有Li[Ni1/3Co1/3Mn1/3]O2、Li[Ni0.4Co0.2Mn0.4]O2、 Li[Ni0.8Co0.1Mn0.1]O2和Li[Ni0.5Co0.2Mn0.3]O2等。研究较多的体系主要有 Li[Ni1/3Co1/3Mn1/3]O2、Li[Ni0.4Co0.2Mn0.4]O2、Li[Ni0.8Co0.1Mn0.1]O2和Li[Ni0.5Co0.2Mn0.3]O2等。镍钴铝热失控温度较低，从而对制作工艺要求较高热失控温度较低，从而对制作工艺要求较高；镍钴铝热失控温度较低，从而对制作工艺要求较高热失控温度较低，从而对制作工艺要求较高；镍钴锰则热失控温度较高，可降低制作工艺要求，储能密度比镍钴铝低；镍钴硼具有高能量密度；镍钴锰、镍钴铝和镍钴硼的能量密度均很高，单独使用或混合使用均具有较高的高能量密度性能。富锂锰基材料相比于LiMn2O4或纯层状LiMnO2正极材料，此类材料的Li/M 摩尔比更高，一般被称为层状富锂锰基化合物。富锂锰基材料包括Li2MnO3·LiCoO2、Li2MnO3·LiNi1- xCoxO2、xLi2MnO3·(1-x)LiNi0.5Mn0.5O2、xLi2MnO3·(1-x) LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2等不同体系。
在一些实施例中，所述聚阴离子正极材料包括磷酸铁锂材料、磷酸锰铁锂材料、Li3V2(PO4)3材料及硅酸盐类材料中的一种或多种；
可选地，所述磷酸铁锂材料LiMPO4，M包括Fe、Co、Ni、Mn或Fe、Ni、Co、Mn的二元或三元材料中的至少一种；
可选地，所述硅酸盐类材料包括正硅酸盐Li2MSiO4，M包括Fe、Co、Mn等。
磷酸铁锂材料的原物料来源更广泛、价格更低廉且无环境污染，放电容量大，安全性也较高，磷酸铁锂晶格稳定性好，具有良好的可逆性；磷酸锰铁锂相较于磷酸铁锂具有能量密度优势、低温性能优势，磷酸锰铁锂具有橄榄石型结构，充放电时结构更加稳定，具有更好的安全性和循环稳定性，因全球锰矿资源丰富，磷酸锰铁锂成本较磷酸铁锂仅增加5％-10％左右，考虑到锰铁锂能量密度的提升，电池装机成本上，磷酸锰铁锂单瓦时成本略低于磷酸铁锂，并大幅低于高能量密度材料的成本；Li3V2(PO4)3材料具有较高的能量密度，更好的电化学性能和热力学稳定性；硅酸盐类材料与磷酸盐LiMPO4材料相比,正硅酸盐材料在形式上可以允许2个Li+的交换,因而具有较高理论比容量，且具有较好的热稳定性和安全性能；磷酸铁锂材料、磷酸锰铁锂材料、Li3V2(PO4)3材料及硅酸盐类材料中的一种或多种混合均具有较高的安全性。
在一些实施例中，所述活性层包括两个在厚度方向上依次层叠设置的所述活性材料层，分别为第一活性材料层和第二活性材料层，所述第一活性材料层和所述第二活性材料层中阴极材料的材料粒径差异不小于20％。通过设置两个活性材料层，使得阴极极片获得兼顾高能量密度阴极材料和高安全性阴极材料的优点，同时规避其缺点，提升电池能量密度及安全性；两层活性材料层的设置使得制程工艺简化，工艺简单，可操作性强；小颗粒粒径材料与大颗粒粒径材料的混合，可提高体积利用率，进而提高电池能量密度。
在一些实施例中，所述第一活性材料层和所述第二活性材料层的厚度在整个所述活性层中的占比分别为20％-80％。通过调控各个活性材料层的厚度，便于进行不同容量差异化需求的电芯设计。
在一些实施例中，所述第二活性材料层的单位面积涂布重量为所述第一活性材料层的单位面积涂布重量的50％-90％。通过调控各个活性材料层的单位面积涂布重量，不仅可以进行不同容量需求电芯的差异化设计，还可以借此调控不同阴极材料在循环过程中的膨胀力差异。
在一些实施例中，所述活性层包括三个在厚度方向上依次层叠设置的所述活性材料层，分别为第一活性材料层、第二活性材料层以及第三活性材料层，所述第三活性材料层与所述第一活性材料层的阴极材料主要包括高能量密度材料与高安全性材料中的一种，所述第二活性材料层的阴极材料主要包括高能量密度材料与高安全性材料中的另一种。通过设置三层活性材料层，使得阴极极片获得兼顾高能量密度阴极材料和高安全性阴极材料的优点，同时规避其缺点，提升电池能量密度及安全性；三层活性材料层的设置在保证制程工艺尽量简化的条件下，进一步加强效果，三层涂布相比于将活性物质粉料简单混合，阴极极片膨胀力更小，且循环寿命更好；第三活性材料层与第一活性材料层将第二活性材料层夹在中间，使得三层活性材料层结构更加有效，各方面效果更加优异。
在一些实施例中，所述第一活性材料层与第二活性材料层中阴极材料的材料粒径差异不小于20％，所述第一活性材料层和所述第三活性材料层中阴极材料的材料粒径相等。小颗粒粒径材料与大颗粒粒径材料的混合，可提高体积利用率，进而提高电池能量密度。
在一些实施例中，所述第一活性材料层与所述第三活性材料层的厚度相等，所述第一活性材料层、所述第二活性材料层及所述第三活性材料层的厚度在整个所述活性层中的占比分别为10％-40％、20％-80％及10％-40％。通过调控各个活性材料层的单位面积涂布重量，不仅可以进行不同容量需求电芯的差异化设计，还可以借此调控不同阴极活性材料在循环过程中的膨胀力差异。
在一些实施例中，所述第一活性材料层的单位面积涂布重量为所述第二活性材料层的50％-90％，所述第一活性材料层和所述第三活性材料层的单位面积涂布重量相等。通过调控各个活性材料层的单位面积涂布重量，不仅可以进行不同容量需求电芯的差异化设计，还可以借此调控不同阴极活性材料在循环过程中的膨胀力差异。
第二方面，本申请提供了一种锂离子电池，包括上述实施例中的阴极极片、隔离膜和阳极极片，所述阴极极片与所述隔离膜、所述阳极极片通过卷绕式或叠片式组装为所述锂离子电池。
第三方面，本申请提供了一种用电装置，所述用电装置包括上述实施例中的锂离子电池，所述锂离子电池用于提供电能。
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为本申请一些实施例的车辆的结构示意图；
图2为本申请一些实施例的电池的分解结构示意图；
图3为本申请一些实施例的电池单体的分解结构示意图；
图4为本申请一些实施例的阴极极片的活性层包括两层活性材料层的结构示意图；
图5为本申请一些实施例的另一种阴极极片的活性层包括两层活性材料层的结构示意图；
图6为本申请一些实施例的阴极极片的活性层包括三层活性材料层的结构示意图；
图7为本申请一些实施例的另一种阴极极片的活性层包括三层活性材料层的结构示意图；
图8为本申请一些实施例的阴极极片的活性层包括四层活性材料层的结构示意图；
图9为本申请一些实施例的阴极极片的活性层包括五层活性材料层的结构示意图；
图10为本申请一些实施例的阴极极片的活性层包括六层活性材料层的结构示意图；
图11为本申请中一些实施例测试时，体现25℃物质混合及分层涂布的循环容量保持率测试结果图；
图12为本申请中一些实施例测试时，体现25℃物质混合及分层涂布的循环膨胀力测试结果图；
图13为本申请中一些实施例测试时，体现25℃物质混合及分层涂布的循环 DCR增长测试结果图；
图14为本申请中一些实施例测试时，体现45℃物质混合及分层涂布的循环容量保持率测试结果图；
图15为本申请中一些实施例测试时，体现45℃物质混合及分层涂布的循环膨胀力测试结果图；
图16为本申请中一些实施例测试时，体现45℃物质混合及分层涂布的循环 DCR增长测试结果图。
具体实施方式中的附图标号如下：
车辆1000；
电池100，控制器200，马达300；
箱体10，第一部分11，第二部分12；
电池单体20，端盖21，电极端子21a，壳体22，电芯组件23，阴极极片 231，集流体2311，第一活性材料层2311a，第二活性材料层2311b，第三活性材料层2311c；第四活性材料层2311d；第五活性材料层2311e；第六活性材料层2311f。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“厚度”、“底”、“内”、“外”、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。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“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；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，除非另有明确的限定。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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。
本申请中，以开放式描述的技术特征中，包括所列举特征组成的封闭式技术方案，也包括包含所列举特征的开放式技术方案。
本申请中，涉及到数值区间，如无特别说明，上述数值区间内视为连续，且包括该范围的最小值及最大值，以及这种最小值与最大值之间的每一个值。进一步地，当范围是指整数时，包括该范围的最小值与最大值之间的每一个整数。此外，当提供多个范围描述特征或特性时，可以合并该范围。换言之，除非另有指明，否则本文中所公开之所有范围应理解为包括其中所归入的任何及所有的子范围。
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)。
本申请中的温度参数，如无特别限定，既允许为恒温处理，也允许在一定温度区间内进行处理。所述的恒温处理允许温度在仪器控制的精度范围内进行波动。
需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“上”、“下”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
目前，从市场形势的发展来看，动力电池的应用越加广泛。动力电池不仅被应用于水力、火力、风力和太阳能电站等储能电源系统，而且还被广泛应用于电动自行车、电动摩托车、电动汽车等电动交通工具，以及军事装备和航空航天等多个领域。随着动力电池应用领域的不断扩大，其市场的需求量也在不断地扩增。
本发明人注意到，传统技术中的锂离子电池包括阴极极片，阴极极片通常包括阴极集流体以及设于阴极集流体上的活性层，活性层包括活性材料、粘接剂和导电剂。然而，随着科技的发展和电池的推广应用，现有的阴极极片不能满足对电池能量密度及安全性更高的要求。在阴极极片的制造过程中，通常选用三元体系材料作为阴极极片的阴极材料，三元体系材料的能量密度高，应用范围广泛，但三元体系材料是有一些本征的缺点，例如在高电压下循环发生相变，造成循环稳定性不好，电子电导率低和Li/Ni混排造成倍率性能差，容易与空气中的CO2和H2O发生反应生成Li2CO3和LiOH，造成高温气胀和循环性能下降，安全性降低。工业上选用的三元化学体系存在的结构和安全性能上的缺陷在一定程度上阻碍了锂离子电池的发展和推广。然而，若选用磷酸铁锂作为阴极极片的阴极材料，磷酸铁锂材料虽然具有结构稳定、循环和耐过充/放性能好、安全、无污染且价格便宜等优点，但放电电压相对较低，因此能量密度较低。
为了得到能量密度更高及安全性更高的电池，申请人研究发现，可以在膜片的活性材料层的主材选择上，选用具有高能量密度材料与高安全性材料混料，然而，选用高能量密度材料与高安全性材料混料后的活性材料层，极片存在膨胀力较大、循环寿命较差的问题。
基于以上考虑，为了解决现有的阴极极片不能满足对电池能量密度及安全性更高的要求的问题，发明人经过深入研究，设计了一种阴极极片，通过将活性层设置为包括多层活性材料层，每层活性材料层的阴极材料分别主要包括高能量密度材料与高安全性材料中的一种，使得活性层至少具有一层选用高能量密度材料为阴极材料的活性材料层，以及至少一层选用高安全性材料为阴极材料的活性材料层。
在这样的阴极极片及锂离子电池中，该结构兼顾高能量密度阴极材料和高安全性阴极材料的优点，使得电池具有高能量密度和高安全性，使得阴极极片的膨胀力变小，循环寿命增加。在对电池能量密度需求的日益增加的背景下，本申请的阴极极片及电池在符合高能量密度要求的同时，兼顾了较高的安全性。
本申请实施例公开的阴极极片可以但不限用于车辆、船舶或飞行器等用电装置中。可以使用具备本申请公开的阴极极片、锂离子电池等组成该用电装置的电源系统，这样，具有更高的能量密度和更好的安全性。
本申请实施例提供一种使用锂离子电池作为电源的用电装置，用电装置可以为但不限于手机、平板、笔记本电脑、电动玩具、电动工具、电瓶车、电动汽车、轮船、航天器等等。其中，电动玩具可以包括固定式或移动式的电动玩具，例如，游戏机、电动汽车玩具、电动轮船玩具和电动飞机玩具等等，航天器可以包括飞机、火箭、航天飞机和宇宙飞船等等。
以下实施例为了方便说明，以本申请一实施例的一种用电装置为车辆1000 为例进行说明。
请参照图1，图1为本申请一些实施例提供的车辆1000的结构示意图。车辆1000可以为燃油汽车、燃气汽车或新能源汽车，新能源汽车可以是纯电动汽车、混合动力汽车或增程式汽车等。车辆1000的内部设置有锂离子电池100，锂离子电池100可以设置在车辆1000的底部或头部或尾部。锂离子电池100可以用于车辆1000的供电，例如，锂离子电池100可以作为车辆1000的操作电源。车辆1000还可以包括控制器200和马达300，控制器200用来控制锂离子电池100为马达300供电，例如，用于车辆1000的启动、导航和行驶时的工作用电需求。
在本申请一些实施例中，锂离子电池100不仅可以作为车辆1000的操作电源，还可以作为车辆1000的驱动电源，代替或部分地代替燃油或天然气为车辆 1000提供驱动动力。
请参照图2，图2为本申请一些实施例提供的锂离子电池100的爆炸图。锂离子电池100包括箱体10和锂离子电池单体20，锂离子电池单体20容纳于箱体10内。其中，箱体10用于为锂离子电池单体20提供容纳空间，箱体10可以采用多种结构。在一些实施例中，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锂离子电池单体20的容纳空间。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形成的箱体10可以是多种形状，比如，圆柱体、长方体等。
在锂离子电池100中，锂离子电池单体20可以是多个，多个锂离子电池单体20之间可串联或并联或混联，混联是指多个锂离子电池单体20中既有串联又有并联。多个锂离子电池单体20之间可直接串联或并联或混联在一起，再将多个锂离子电池单体20构成的整体容纳于箱体10内；当然，锂离子电池100 也可以是多个锂离子电池单体20先串联或并联或混联组成锂离子电池模块形式，多个锂离子电池模块再串联或并联或混联形成一个整体，并容纳于箱体10 内。锂离子电池100还可以包括其他结构，例如，该锂离子电池100还可以包括汇流部件，用于实现多个锂离子电池单体20之间的电连接。
其中，每个锂离子电池单体20可以为二次锂离子电池或一次锂离子电池。锂离子电池单体20可呈圆柱体、扁平体、长方体或其它形状等。
请参照图3，图3为本申请一些实施例提供的锂离子电池单体20的分解结构示意图。锂离子电池单体20是指组成锂离子电池的最小单元。如图3，锂离子电池单体20包括有端盖21、壳体22、电芯组件23以及其他的功能性部件。
端盖21是指盖合于壳体22的开口处以将锂离子电池单体20的内部环境隔绝于外部环境的部件。不限地，端盖21的形状可以与壳体22的形状相适应以配合壳体22。可选地，端盖21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21在受挤压碰撞时就不易发生形变，使锂离子电池单体20 能够具备更高的结构强度，安全性能也可以有所提高。端盖21上可以设置有如电极端子21a等的功能性部件。电极端子21a可以用于与电芯组件23电连接，以用于输出或输入锂离子电池单体20的电能。在一些实施例中，端盖21上还可以设置有用于在锂离子电池单体20的内部压力或温度达到阈值时泄放内部压力的泄压机构。端盖21的材质也可以是多种的，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。在一些实施例中，在端盖 21的内侧还可以设置有绝缘件，绝缘件可以用于隔离壳体22内的电连接部件与端盖21，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22是用于配合端盖21以形成锂离子电池单体20的内部环境的组件，其中，形成的内部环境可以用于容纳电芯组件23、电解液以及其他部件。壳体 22和端盖21可以是独立的部件，可以于壳体22上设置开口，通过在开口处使端盖21盖合开口以形成锂离子电池单体20的内部环境。不限地，也可以使端盖21和壳体22一体化，具体地，端盖21和壳体22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22的内部时，再使端盖21盖合壳体 22。壳体22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22的形状可以根据电芯组件23的具体形状和尺寸大小来确定。壳体22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。
电芯组件23是锂离子电池单体100中发生电化学反应的部件。壳体22内可以包含一个或更多个电芯组件23。电芯组件23主要由正极极片和阴极极片 231卷绕或层叠放置形成，并且通常在正极极片与阴极极片231之间设有隔膜。正极极片和阴极极片具有活性物质的部分构成电芯组件的主体部。正极极耳和阴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。在锂离子电池的充放电过程中，正极活性物质和阴极活性物质与电解液发生反应，极耳连接电极端子以形成电流回路。
负极极片231包括负极集流体以及设置在负极的集流体2311至少一个表面上的负极的活性层，负极的活性层包括负极活性材料。集流体2311指汇集电流的结构或零件，集流体2311可采用金属箔片或复合集流体，例如，作为金属箔片，可采用铜箔、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材至少一个表面上的金属层。复合集流体可通过将铜、铜合金、镍、镍合金、钛、钛合金、银及银合金等金属材料形成在高分子材料基材上而形成。高分子材料基材包括如聚丙烯(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。其功用主要是将电池活性物质产生的电流汇集起来以便形成较大的电流对外输出，因此集流体 2311应与活性层充分接触，并且内阻应尽可能小为佳。负极极片231的集流体 2311具有在其自身厚度方向相对的两个表面，活性层设置在集流体2311相对的两个表面中的任意一者或两者上。通常，活性层通过涂布工艺设置于集流体上，具体地，涂布是将稳定性好、粘度好、流动性好的浆料均匀地涂覆在集流体2311 上，以形成活性层。根据具体使用需求选择在集流体上单面或双面涂布。在其中一些实施例中，活性材料层中除上述阴极材料外，还可选地包括导电剂和粘接剂。作为示例，导电剂包括炭黑和碳纳米管中的至少一种。炭黑是由烃类物质(固态、液态或气态)经不完全燃烧或裂解生成的，主要由碳元素组成。碳纳米管(CNT)包括单壁CNT和多壁CNT。另外，石墨烯作为新型导电剂，由于其独特的二维片状结构和强导电性，引起了广泛关注。将CNT、石墨烯和导电炭黑之间两者或三者混合制浆，可以发挥它们各自的优势。
作为示例，黏结剂包括油溶性黏结剂和水溶性黏结剂，油溶性黏结剂是将聚合物溶于N-甲基吡咯烷酮(NMP)等强极性有机溶剂中；水溶性黏结剂是将聚合物溶于水中。油溶性黏结剂中，聚偏二氟乙烯(PVDF)具有优异的耐腐蚀、耐化学药品、耐热性性能，且电击穿强度大、机械强度高，综合平衡性较好，成为锂离子电池应用最为广泛的黏结剂之一。水溶性黏结剂主要采用丁苯橡胶乳液型黏结剂。丁苯橡胶(SBR)乳液黏结剂的固含量一般为49％～51％，并具有很高的粘结强度和良好的机械稳定性。目前锂离子电池负极片生产通常采用以 SBR乳胶为黏结剂、羧甲基纤维素(CMC)为增稠剂、水为溶剂的粘结体系。
在其中一些实施例中，活性材料层中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。
根据本申请中的一些实施例，参照图4，图4为本申请一些实施例的阴极极片231的活性层包括两层活性材料层的结构示意图。本申请提供了一种阴极极片231。阴极极片231包括集流体2311及活性层，活性层设于集流体2311的至少一个表面上，活性层包括多个在厚度方向上依次层叠设置的活性材料层，各活性材料层包括阴极材料，阴极材料主要包括高能量密度材料与高安全性材料中的一种，多个活性材料层中至少有一个活性材料层的阴极材料主要包括高能量密度材料，且至少有一个活性材料层的阴极材料主要包括高安全性材料；高能量密度材料包括三元体系材料和富锂锰基材料中的一种或多种；高安全性材料包括聚阴离子正极材料中的一种或多种。
活性层包括多个层活性材料层，各活性材料层中的阴极材料主要包括高能量密度材料与高安全性材料中的一种，多个活性材料层中至少有一个活性材料层的阴极材料主要包括高能量密度材料，且至少有一个活性材料层的阴极材料主要包括高安全性材料。其中，三元体系材料能量密度高，应用范围广泛，而富锂锰基材料同时具备高电压、高比容量、高比能量、低成本、无毒等明显优势，高能量密度材料选用三元体系材料和富锂锰基材料中的一种或多种混合，能够有效提高电池的能量密度。聚阴离子正极材料由于具有稳定的聚阴离子框架结构而表现出优良的安全性能，好的耐过充性能和循环稳定性；但共同缺点是电导率偏低，不利于大电流充放电。随着涂布技术的发展，涂布工业越来越成熟，可以在集流体2311上涂布更多层的活性材料层，该结构的阴极极片231 兼顾高能量密度材料和高安全性材料的优点，同时规避其缺点，能够提高循环寿命，构建更稳固的导电网络且降低阻抗；安全性能优，结构稳定、放热量低的高安全性材料隔绝在高能量密度材料周围，能够抑制活性材料热失控情况下的连锁反应，提高材料安全性；具有成本优势，高安全性材料与高能量密度材料相比成本更为低廉，在高能量密度材料中引入高安全性材料能够优化复合体系成本；同时，该结构具有使用工况优势，高能量密度材料低温性能更优，而高安全性材料耐高温性能更优，因此将两种材料分层涂布混合使用，电池能兼顾更宽的使用温度区间，更加适应于使用推广；另外，活性层多层涂布活性材料层相比于将活性物质粉料简单混合，阴极极片膨胀力小，循环寿命更好。
根据本申请的一些实施例，活性层的多个活性材料层满足如下条件中的至少一个：
(1)相邻的活性材料层的阴极材料相同或不同；
(2)阴极材料相同的活性材料层的厚度相同或不同；
(3)阴极材料不同的活性材料层的厚度相同或不同；
(4)阴极材料主要包括高能量密度材料的活性材料层与阴极材料主要包括高安全性材料的活性材料层中的阴极材料的粒径差异不小于20％；
(5)阴极材料相同的活性材料层的单位面积的涂布重量相等或不等；
(6)阴极材料不同的活性材料层的单位面积的涂布重量相等或不等。
相邻的活性材料层的阴极材料相同或不同，针对的可以是同一类(高能量密度或高安全性)材料的不同具体材料，也可以是不同类(高能量密度或高安全性)材料。
材料粒径即为材料颗粒的大小，也称为粒度或直径，当被测颗粒的某种物理特性或物理行为与某一直径的同质球体(或组合)最相近时，就把该球体的直径(或组合)作为被测颗粒的等效粒径(或粒度分布)。粒度的测量实质上是通过把被测量颗粒和同一种材料构成的圆球相比较而出的。不同原理的仪器选不同的物理特性或物理行为作为比较的参考量，例如沉降仪选用沉降速度，激光粒度仪选用散射光能分布，筛分法选用颗粒能否通过筛孔等。一般将粒径分为代表单个颗粒大小的单一粒径和代表由不同大小的颗粒组成的粒子群的平均粒径。由于实际颗粒的形状通常为非球形的，难以直接用直径表示其大小，因此在颗粒粒度测试领域，对非球形颗粒，通常以等效粒径(一般简称粒径)来表征颗粒的粒径。等效粒径是指当一个颗粒的物理特性或物理行为与某一直径的同质球体(或组合)最相近时，就把该球体的直径(或组合)作为被测颗粒的等效粒径(或粒度分布)。
根据本申请的一些实施例，多个活性材料层存在如下结构中的至少一个：
(1)阴极材料主要包括高能量密度材料的活性材料层与阴极材料主要包括高安全性材料的活性材料层交替设置的结构；
(2)阴极材料主要包括高能量密度材料的活性材料层紧邻层叠的结构；
(3)阴极材料主要包括高安全性材料的活性材料层紧邻层叠的结构。
选用高能量密度材料或高安全性能材料作为阴极材料的活性材料层交错间隔设置，进一步的提高多层涂布相比于将活性物质粉料简单混合，阴极极片231 膨胀力更小、循环寿命更好的特点。通过调控多个活性材料层满足的条件，便于进行不同容量差异化需求的电芯设计。
根据本申请的一些实施例，活性层中活性材料层有偶数个，其中阴极材料主要包括高能量密度材料的活性材料层紧邻层叠，阴极材料主要包括高安全性材料的活性材料层紧邻层叠；或者活性层中活性材料层有奇数个，阴极材料主要包括高能量密度材料的活性材料层与阴极材料主要包括高安全性材料的活性材料层交替设置。
根据本申请的一些实施例，可选地，三元体系材料包括镍钴锰、镍钴铝和镍钴硼中的一种或多种；可选地，富锂锰基材料包括以Li2MnO3为基础的复合正极材料xLi2MnO3·(1-x)LiMO2，M包括Ni、Co、Mn或Ni、Co、Mn的二元或三元层状材料中的一至少一种。
其中，三元体系材料LiCoxMnyNi1-x-yO2(NCM)与LiCoO2类似，同属α-NaFeO2型层状结构，三元体系材料主要有Li[Ni1/3Co1/3Mn1/3]O2、Li[Ni0.4Co0.2Mn0.4]O2、 Li[Ni0.8Co0.1Mn0.1]O2和Li[Ni0.5Co0.2Mn0.3]O2等。研究较多的体系主要有 Li[Ni1/3Co1/3Mn1/3]O2、Li[Ni0.4Co0.2Mn0.4]O2、Li[Ni0.8Co0.1Mn0.1]O2和Li[Ni0.5Co0.2Mn0.3]O2等。以Li[Ni1/3Co1/3Mn1/3]O2为例讨论三元材料的结构，属R3m空间群，Li原子占据3a位置，O原子占据6c位置，Ni、Co、Mn占据3b位置，每个过渡金属原子由6个氧原子包围形成MO6八面体结构，而锂离子嵌入过渡金属原子与氧形成 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2层。
富锂锰基材料中的镍钴锰、镍钴铝和镍钴硼，其三种金属以任意比例共混，镍钴铝热失控温度较低，从而对制作工艺要求较高热失控温度较低，从而对制作工艺要求较高；镍钴铝热失控温度较低，从而对制作工艺要求较高热失控温度较低，从而对制作工艺要求较高；镍钴锰则热失控温度较高，可降低制作工艺要求，储能密度比镍钴铝低；镍钴硼具有高能量密度；镍钴锰、镍钴铝和镍钴硼的能量密度均很高，单独使用或混合使用均具有较高的高能量密度性能。富锂锰基材料相比于LiMn2O4或纯层状LiMnO2正极材料，此类材料的Li/M摩尔比更高，一般被称为层状富锂锰基化合物。富锂锰基材料包括Li2MnO3·LiCoO2、Li2MnO3·LiNi1-xCoxO2、xLi2MnO3·(1-x)LiNi0.5Mn0.5O2、xLi2MnO3·(1-x) LiNi1/3Co1/3Mn1/ 3O2等不同体系。Li2MnO3·LiMO2的结构，包含LiMO2与Li2MnO3两种构成。其中LiMO2层状正极材料，属于R3m空间群。Li2MnO3晶体结构类似于LiMO2，不同的是其过渡金属层中含有Li，Li、Mn按原子比1：2占据M层，其中每个 Li被六个Mn环绕，所以Li2MnO3也可以写成Li[Li1/3Mn2/3]O2的形式。但由于结构的对称性降低，过渡金属层中Li+与Mn4+形成的超结构使得Li2MnO3的点阵对称性降低，由R3m空间群转变成单斜晶系C2/m空间群，a＝0.4937nm，b＝0.8532nm， c＝0.5030nm，β＝109.46°。
根据本申请的一些实施例，聚阴离子正极材料包括磷酸铁锂材料、磷酸锰铁锂材料、Li3V2(PO4)3材料及硅酸盐类材料中的一种或多种；可选地，磷酸铁锂材料LiMPO4，M包括Fe、Co、Ni、Mn或Fe、Ni、Co、Mn的二元或三元材料中的至少一种；可选地，硅酸盐类材料包括正硅酸盐Li2MSiO4，M包括Fe、Co、Mn 等。
常见的聚阴离子体系有磷酸盐体系、硅酸盐体系、硫酸盐体系等。其中，磷酸铁锂材料的原物料来源更广泛、价格更低廉且无环境污染，放电容量大，安全性也较高，磷酸铁锂晶格稳定性好，具有良好的可逆性；磷酸锰铁锂相较于磷酸铁锂具有能量密度优势、低温性能优势，磷酸锰铁锂具有橄榄石型结构，充放电时结构更加稳定，具有更好的安全性和循环稳定性，因全球锰矿资源丰富，磷酸锰铁锂成本较磷酸铁锂仅增加5％-10％左右，考虑到锰铁锂能量密度的提升，电池装机成本上，磷酸锰铁锂单瓦时成本略低于磷酸铁锂，并大幅低于高能量密度材料的成本。
在LiMPO4中M一般选择Fe、Co、Ni、Mn，或Fe、Ni、Co、Mn的二元或三元材料中的至少一种。由于Mn2+/Mn3+、Co2+/Co3+、Ni2+/Ni3+氧化还原电对的电压较 Fe2+/Fe3+高，相对应的能量密度也较LiFePO4高。LiMPO4类材料共同的缺陷是电子电导率和离子电导率都非常低，他们的室温离子扩散系数小于10-14cm2·s-1。从电子导电性看LiCoPO4最好，LiMnPO4的电子结构中能带间隙为2eV表现为绝缘体特征，其电子电导差，约为小于10-10S·cm-1，比LiFePO4低一个数量级，不能满足目前大电流充放电的需要；由于LiCoPO4价格高，放电容量较低，电压平台4.8V在目前电解质窗口中不稳定，所以不能很快地进入市场，实现材料的应用化。只有LiFePO4电子结构中的能带间隙为0.3eV，各方面性能都较优越，是最快实现产业化的磷酸盐类材料。
橄榄石型固溶体磷酸锰铁锂材料LiFe1-xMnxPO4与LiFePO4和LiMnPO4一样都属于正交晶系，Pmnb空间群。Mn2+/3+氧化还原电位在4.1V(相对于Li/Li+)，Fe2+/3+氧化还原电位在3.4V(相对于Li/Li+)。尽管LiFePO4材料有较高的放电比容量和好的循环性能和安全性能，但由于其放电电压相对较低，使其能量密度较低。在同族化合物中，LiMnPO4有较高的放电电压平台，但由于LiMnPO4反应活性低，所以人们常将LiFePO4与LiMnPO4复合形成LiFe1- xMnxPO4(磷酸锰铁锂，0<x<1)。
Li3V2(PO4)3材料具有较高的能量密度，更好的电化学性能和热力学稳定性。具体地，Li3V2(PO4)3具有单斜和菱方两种晶型。由于单斜结构的Li3V2(PO4)3具有更好的锂离子脱嵌性能，因此人们研究较多的是单斜结构的Li3V2(PO4)3，它的空间群为P21/n，晶胞参数为a＝0.832nm，b＝2.245nm，c＝1.203nm，β＝90.45°， V＝0.8908nm3。
硅酸盐类材料与磷酸盐LiMPO4材料相比,正硅酸盐材料在形式上可以允许2个Li+的交换,因而具有较高理论比容量，且具有较好的热稳定性和安全性能；磷酸铁锂材料、磷酸锰铁锂材料、Li3V2(PO4)3材料及硅酸盐类材料中的一种或多种混合均具有较高的安全性。
可选地，请继续参考图4，活性层包括两个在厚度方向上依次层叠设置的活性材料层，分别为第一活性材料层和第二活性材料层，第一活性材料层和第二活性材料层中阴极材料的材料粒径差异不小于20％。示例性地，第一活性材料层2311a和第二活性材料层2311b中阴极材料的材料粒径差异在20％、30％、40％、 50％、80％、95％。
在一些实施例中，如图4所示，第一活性材料层2311a的阴极材料主要包括高能量密度材料，第二活性材料层2311b的阴极材料主要包括高安全性材料。在一些实施例中，如图5所示，图5为本申请一些实施例的另一种阴极极片231 的活性层包括两层活性材料层的结构示意图，第一活性材料层2311a的阴极材料主要包括高安全性材料，第二活性材料层2311b的阴极材料主要包括高能量密度材料。通过设置两层活性材料层，使得阴极极片231获得兼顾高能量密度阴极材料和高安全性阴极材料的优点，同时规避其缺点，提升电池能量密度及安全性；两层活性材料层的设置使得制程工艺简化，工艺简单，可操作性强。阴极材料的颗粒大小应当具有合适的粒度分布，当第一活性材料层2311a和第二活性材料层2311b中阴极材料的材料粒径差异在20％以上时，小颗粒粒径材料与大颗粒粒径材料的混合使用，体系中的小颗粒能够填充在大颗粒的空隙中，有助于增加极片的压实密度，从而提高电池的体积能量密度。可分别提高阴极极片231的体积利用率，进而提高锂离子电池的能量密度。
根据本申请的一些实施例，可选地，请参考图4，如图中所示，第一活性材料层2311a和第二活性材料层2311b的厚度在整个活性层中的占比分别为 20％-80％。也即，在活性层包括两层活性材料层时，第一活性材料层2311a和第二活性材料层2311b的厚度在整个活性层中的占比值范围为0.25-4。示例性地，第一活性材料层2311a和第二活性材料层2311b厚度占比值为0.25、0.5、1、 1.5、2、3、4中任意两个值组成的范围。通过调控各个活性材料层的厚度，便于进行不同容量差异化需求的电芯设计。
根据本申请的一些实施例，可选地，第二活性材料层2311b的单位面积涂布重量为第一活性材料层2311a的单位面积涂布重量的50％-90％。也即，在活性层包括两层活性材料层时，第二活性材料层2311b的单位面积涂布重量为第一活性材料层2311a的单位面积涂布重量的50％、60％、75％、80％或90％中的任意两个数值组成的范围。
涂布工艺是一种基于对流体物性的研究，将一层或者多层液体涂覆在一种基材上的工艺，基材通常为柔性的薄膜或者衬纸，然后涂覆的液体涂层经过烘箱干燥或者固化方式使之形成一层具有特殊功能的膜层。活性材料层的单位面积涂布重量对于阴极极片231的性能有一定的影响，单位面积涂布重量是影响阴极极片231能量密度的重要参数，一般情况下，阴极极片231的单位涂布重量越小，电池的动力学性能越好，但同时电池的能量密度也会越低；反之，则动力学性能下降，而能量密度有所提升。通过调控各个活性材料层的单位面积涂布重量，不仅可以进行不同容量需求电芯的差异化设计，还可以借此调控不同阴极活性材料在循环过程中的膨胀力差异。
根据本申请的一些实施例，参照图6，图6为本申请一些实施例的阴极极片 231的活性层包括三层活性材料层的结构示意图。可选地，活性层包括三个在厚度方向上依次层叠设置的活性材料层，分别为第一活性材料层2311a、第二活性材料层2311b和第三活性材料层2311c，第三活性材料层2311c与第一活性材料层2311a的阴极材料主要包括高能量密度材料与高安全性材料中的一种，第二活性材料层2311b的阴极材料主要包括高能量密度材料与高安全性材料中的另一种。
通过设置三层活性材料层，使得阴极极片231获得兼顾高能量密度阴极材料和高安全性阴极材料的优点，同时规避其缺点，提升电池能量密度及安全性；三层活性材料层的设置在保证制程工艺尽量简化的条件下，进一步加强活性层的分层设置效果，三层涂布相比于将活性物质粉料简单混合，阴极极片231膨胀力更小，且循环寿命更好。
在一些实施例中，如图6所示，第一活性材料层2311a的阴极材料主要包括高能量密度材料，第二活性材料层2311b的阴极材料主要包括高安全性材料，第三活性材料层2311c的阴极材料也为高能量密度材料。在一些其他实施例中，如图7所示，图7为本申请一些实施例的另一种阴极极片231的活性层包括三层活性材料层的结构示意图，第一活性材料层2311a的阴极材料主要包括高安全性材料，第二活性材料层2311b的阴极材料主要包括高能量密度材料，第三活性材料层2311c的阴极材料也为高安全性材料。
第三活性材料层2311c与第一活性材料层2311a将第二活性材料层2311b 夹在中间，使得三层活性材料层结构的活性层各方面效果更加优异。
根据本申请的一些实施例，可选地，请再次参考图5，如图中所示，第一活性材料层2311a与第二活性材料层2311b中阴极材料的材料粒径差异不小于 20％，第一活性材料层2311a和第三活性材料层2311c中阴极材料的材料粒径相等。示例性地，第一活性材料层2311a和第二活性材料层2311b中阴极材料的材料粒径差异在20％、30％、40％、50％、80％、95％。
进一步地，通过小颗粒粒径材料与大颗粒粒径材料的混合使用，可提高体积利用率，进而提高电池能量密度。
根据本申请的一些实施例，可选地，请再次参考图5，第一活性材料层2311a 与第三活性材料层2311c的厚度相等，第一活性材料层2311a、第二活性材料层 2311b及第三活性材料层2311c的厚度在整个活性层中的占比分别为10％-40％、 20％-80％及10％-40％。示例性地，第一活性材料层2311a、第二活性材料层2311b 及第三活性材料层2311c的厚度在整个活性层中的占比为10％、80％及10％，或20％、60％及20％，或40％、20％及40％。
通过调控各个活性材料层的单位面积涂布重量，不仅可以进行不同容量需求电芯的差异化设计，还可以借此调控不同阴极活性材料在循环过程中的膨胀力差异。
根据本申请的一些实施例，可选地，请参考图5，如图中所示，第一活性材料层2311a的单位面积涂布重量为第二活性材料层2311b的50％-90％，第一活性材料层2311a和第三活性材料层2311c的单位面积涂布重量相等。也即，第二活性材料层2311b的单位面积涂布重量为第一活性材料层2311a的单位面积涂布重量的50％、60％、80％或90％中的任意两个数值组成的范围。
通过调控各个活性材料层的单位面积涂布重量，不仅可以进行不同容量需求电芯的差异化设计，还可以借此调控不同阴极活性材料在循环过程中的膨胀力差异。
根据本申请的一些实施例，参照图8，图8为本申请一些实施例的阴极极片 231的活性层包括四层活性材料层的结构示意图。可选地，活性层包括四个在厚度方向上依次层叠设置的活性材料层，分别为第一活性材料层2311a、第二活性材料层2311b、第三活性材料层2311c和第四活性材料层2311d。其中，第三活性材料层2311c与第一活性材料层2311a的阴极材料主要包括高能量密度材料与高安全性材料中的一种，第二活性材料层2311b和第四活性材料层2311d的阴极材料主要包括高能量密度材料与高安全性材料中的另一种。
根据本申请的一些实施例，参照图9，图9为本申请一些实施例的阴极极片 231的活性层包括五层活性材料层的结构示意图。可选地，活性层包括五个在厚度方向上依次层叠设置的活性材料层，分别为第一活性材料层2311a、第二活性材料层2311b、第三活性材料层2311c、第四活性材料层2311d和第五活性材料层2311e。其中，第一活性材料层2311a、第三活性材料层2311c与第五活性材料层2311e的阴极材料主要包括高能量密度材料与高安全性材料中的一种，第二活性材料层2311b和第四活性材料层2311d的阴极材料主要包括高能量密度材料与高安全性材料中的另一种。
根据本申请的一些实施例，参照图10，图10为本申请一些实施例的阴极极片231的活性层包括六层活性材料层的结构示意图。可选地，活性层包括六个在厚度方向上依次层叠设置的活性材料层，分别为第一活性材料层2311a、第二活性材料层2311b、第三活性材料层2311c、第四活性材料层2311d、第五活性材料层2311e和第六活性材料层2311f。其中，第一活性材料层2311a、第三活性材料层2311c与第五活性材料层2311e的阴极材料主要包括高能量密度材料与高安全性材料中的一种，第二活性材料层2311b、第四活性材料层2311d与第六活性材料层2311f的阴极材料主要包括高能量密度材料与高安全性材料中的另一种。
根据本申请的一些实施例，本申请还提供了一种锂离子电池，包括以上任一方案所述的阴极极片231，还包括隔离膜和阳极极片，阴极极片231与隔离膜、阳极极片通过卷绕式或叠片式组装为锂离子电池。
根据本申请的一些实施例，本申请还提供了一种用电装置，包括以上任一方案所述的锂离子电池，并且锂离子电池用于为用电装置提供电能。
用电装置可以是前述任一应用锂离子电池的设备或系统。
根据本申请的一些实施例，参见图5，本申请提供了一种阴极极片231，活性层包括两层活性材料层，采用如下方法制得：
(1)将阴极活性材料LiFePO4(磷酸铁锂)、导电剂、PVDF按质量比为97:2:1 加入溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)，在真空搅拌机作用下搅拌均匀获得阴极浆料，将阴极浆料均匀涂覆在铝箔制成的集流体上，得到第一活性材料层2311a；
(2)将阴极活性材料NCM811(镍钴锰)、导电剂、PVDF按质量比为97:2:1 加入溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)，在真空搅拌机作用下搅拌均匀获得阴极浆料，将阴极浆料均匀涂覆在LiFePO4涂层上，即均匀涂覆在上述第一活性材料层 2311a上，得到第二活性材料层2311b；
(3)将膜卷在90℃烘箱中悬空干燥1h以除去NMP，然后经过冷压、分切得到双层涂布结构的阴极极片。其中，第一活性材料层2311a选用高安全性材料，第二活性材料层2311b选用高能量密度材料。第一活性材料层2311a和第二活性材料层2311b的厚度在整个活性层中的占比各在20％-80％之间，具体比例可根据电芯容量计算。示例性地，第一活性材料层2311a的厚度在整个活性层中的占比为20％时，第二活性材料层2311b的厚度在整个活性层中的占比为80％；若第一活性材料层2311a的厚度在整个活性层中的占比为30％时，第二活性材料层2311b的厚度在整个活性层中的占比为70％；第一活性材料层2311a的厚度在整个活性层中的占比为50％时，第二活性材料层2311b的厚度在整个活性层中的占比为50％；第一活性材料层2311a的厚度在整个活性层中的占比为80％时，第二活性材料层2311b的厚度在整个活性层中的占比为20％。
根据本申请的一些实施例，参见图7，本申请提供了一种阴极极片231，活性层包括三层活性材料层，采用如下方法制得：
(1)将阴极活性材料LiFePO4、导电剂、PVDF按质量比为97:2:1加入溶剂 N-甲基吡咯烷酮(NMP)，在真空搅拌机作用下搅拌均匀获得阴极浆料，将阴极浆料均匀涂覆在铝箔制成的集流体上，得到第一活性材料层2311a；
(2)将阴极活性材料NCM811、导电剂、PVDF按质量比为97:2:1加入溶剂 N-甲基吡咯烷酮(NMP)，在真空搅拌机作用下搅拌均匀获得阴极浆料，将阴极浆料均匀涂覆在LiFePO4涂层上，即均匀涂覆在上述第一活性材料层2311a上，得到第二活性材料层2311b；
(3)将阴极活性材料LiFePO4、导电剂、PVDF按质量比为97:2:1加入溶剂 N-甲基吡咯烷酮(NMP)，在真空搅拌机作用下搅拌均匀获得阴极浆料，将阴极浆料均匀涂覆在NCM811涂层上，即均匀涂覆在第三活性材料层2311b上，得到第三活性材料层2311c；
(4)将膜卷在90℃烘箱中悬空干燥1h以除去NMP，然后经过冷压、分切得到三层涂布结构的阴极极片。其中，第一活性材料层2311a选用高安全性材料，第二活性材料层2311b选用高能量密度材料，第三活性材料层2311c选用高安全性材料。第一活性材料层2311a和第三活性材料层2311c厚度相等，第一活性材料层2311a和第三活性材料层2311c的厚度在整个活性层中的占比各在10％-40％之间，第二活性材料层2311b的厚度在整个活性层中的占比在 20％-80％之间，具体比例可根据电芯容量计算。示例性地，第一活性材料层2311a的厚度在整个活性层中的占比为10％时，第二活性材料层2311b的厚度在整个活性层中的占比为80％，第三活性材料层2311c的厚度在整个活性层中的占比为 10％；若第一活性材料层2311a的厚度在整个活性层中的占比为20％时，第二活性材料层2311b的厚度在整个活性层中的占比为60％，第三活性材料层2311c的厚度在整个活性层中的占比为20％；若第一活性材料层2311a的厚度在整个活性层中的占比为40％时，第二活性材料层2311b的厚度在整个活性层中的占比为 20％，第三活性材料层2311c的厚度在整个活性层中的占比为40％。
根据本申请的一些实施例，本申请提供了一种阴极极片231，活性层包括三层活性材料层，采用如下方法制得：
(1)将阴极活性材料磷酸锰铁锂、导电剂、PVDF按质量比为97:2:1加入溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)，在真空搅拌机作用下搅拌均匀获得阴极浆料，将阴极浆料均匀涂覆在铝箔制成的集流体上，得到第一活性材料层2311a；
(2)将阴极活性材料NCM811、导电剂、PVDF按质量比为97:2:1加入溶剂 N-甲基吡咯烷酮(NMP)，在真空搅拌机作用下搅拌均匀获得阴极浆料，将阴极浆料均匀涂覆在磷酸锰铁锂涂层上，即均匀涂覆在上述第一活性材料层2311a上，得到第二活性材料层2311b；
(3)将膜卷在90℃烘箱中悬空干燥1h以除去NMP，然后经过冷压、分切得到双层涂布结构的阴极极片。其中，其中，第一活性材料层2311a选用高安全性材料，第二活性材料层2311b选用高能量密度材料。第一活性材料层2311a 和第二活性材料层2311b的厚度在整个活性层中的占比各在20％-80％之间，具体比例可根据电芯容量计算。示例性地，第一活性材料层2311a的厚度在整个活性层中的占比为20％时，第二活性材料层2311b的厚度在整个活性层中的占比为 80％；若第一活性材料层2311a的厚度在整个活性层中的占比为30％时，第二活性材料层2311b的厚度在整个活性层中的占比为70％；第一活性材料层2311a的厚度在整个活性层中的占比为50％时，第二活性材料层2311b的厚度在整个活性层中的占比为50％；第一活性材料层2311a的厚度在整个活性层中的占比为80％时，第二活性材料层2311b的厚度在整个活性层中的占比为20％。
为了验证阴极极片231分层涂布相比于将物质简单的混合具有更优异的动力学性能，发明人针对性的做了验证测试。
验证一：
在25℃下，测试物质混合及分层涂布的循环容量保持率，测试结果如图11 所示，图11为本申请中一些实施例测试时，体现25℃物质混合及分层涂布的循环容量保持率测试结果图；
验证二：
在25℃下，测试物质混合及分层涂布的循环膨胀力，测试结果如图12所示，图12为本申请中一些实施例测试时，体现25℃物质混合及分层涂布的循环膨胀力测试结果图；
验证三：
在25℃下，测试物质混合及分层涂布的循环DCR增长，测试结果如图13所示，图13为本申请中一些实施例测试时，体现25℃物质混合及分层涂布的循环 DCR增长测试结果图；
综上，在25℃下，分层涂布相较于简单的物质混合，循环容量保持率更好，极片膨胀力更小，循环过程DCR增长更小。
验证四：
在45℃下，测试物质混合及分层涂布的循环容量保持率，测试结果如图14 所示，图14为本申请中一些实施例测试时，体现45℃物质混合及分层涂布的循环容量保持率测试结果图；
验证五：
在45℃下，测试物质混合及分层涂布的循环膨胀力，测试结果如图15所示，图15为本申请中一些实施例测试时，体现45℃物质混合及分层涂布的循环膨胀力测试结果图；
验证六：
在45℃下，测试物质混合及分层涂布的循环DCR增长，测试结果如图16所示，图16为本申请中一些实施例测试时，体现45℃物质混合及分层涂布的循环 DCR增长测试结果图；
综上，在45℃下，分层涂布相较于简单的物质混合，循环容量保持率更好，极片膨胀力更小，循环过程DCR增长更小。
总体而言，分层涂布的阴极极片231组装而成的电池表现出更优的动力学性能。
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；尽管参照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 (15)
1.一种阴极极片，其特征在于，包括：
集流体；及
活性层，设于所述集流体的至少一个表面之上，所述活性层包括多个在厚度方向上依次层叠设置的活性材料层，各所述活性材料层包括阴极材料，所述阴极材料主要包括高能量密度材料与高安全性材料中的一种，多个所述活性材料层中至少有一个所述活性材料层的阴极材料主要包括所述高能量密度材料，且至少有一个所述活性材料层的阴极材料主要包括所述高安全性材料；
所述高能量密度材料包括三元体系材料和富锂锰基材料中的一种或多种；
所述高安全性材料包括聚阴离子正极材料中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的阴极极片，其特征在于，所述活性层的多个所述活性材料层满足如下条件中的至少一个：
(1)相邻的所述活性材料层的阴极材料相同或不同；
(2)阴极材料相同的所述活性材料层的厚度相同或不同；
(3)阴极材料不同的所述活性材料层的厚度相同或不同；
(4)阴极材料主要包括所述高能量密度材料的所述活性材料层与阴极材料主要包括所述高安全性材料的所述活性材料层中的阴极材料的粒径差异不小于20％；
(5)阴极材料相同的所述活性材料层的单位面积的涂布重量相等或不等；
(6)阴极材料不同的所述活性材料层的单位面积的涂布重量相等或不等。
3.根据权利要求1所述的阴极极片，其特征在于，多个所述活性材料层存在如下结构中的至少一个：
(1)阴极材料主要包括所述高能量密度材料的所述活性材料层与阴极材料主要包括所述高安全性材料的所述活性材料层交替设置的结构；
(2)阴极材料主要包括所述高能量密度材料的所述活性材料层紧邻层叠的结构；
(3)阴极材料主要包括所述高安全性材料的所述活性材料层紧邻层叠的结构。
4.根据权利要求1所述的阴极极片，其特征在于，所述活性层中所述活性材料层有偶数个，其中阴极材料主要包括所述高能量密度材料的所述活性材料层紧邻层叠，阴极材料主要包括所述高安全性材料的所述活性材料层紧邻层叠；或者
所述活性层中所述活性材料层有奇数个，阴极材料主要包括所述高能量密度材料的所述活性材料层与阴极材料主要包括所述高安全性材料的所述活性材料层交替设置。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的阴极极片，其特征在于，可选地，所述三元体系材料包括镍钴锰、镍钴铝和镍钴硼中的一种或多种；
可选地，所述富锂锰基材料包括以Li2MnO3为基础的复合正极材料xLi2MnO3·(1-x)LiMO2，M包括Ni、Co、Mn或Ni、Co、Mn的二元或三元层状材料中的一至少一种。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的阴极极片，其特征在于，所述聚阴离子正极材料包括磷酸铁锂材料、磷酸锰铁锂材料、Li3V2(PO4)3材料及硅酸盐类材料中的一种或多种；
可选地，所述磷酸铁锂材料LiMPO4，M包括Fe、Co、Ni、Mn或Fe、Ni、Co、Mn的二元或三元材料中的至少一种；
可选地，所述硅酸盐类材料包括正硅酸盐Li2MSiO4，M包括Fe、Co、Mn等。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的阴极极片，其特征在于，所述活性层包括两个在厚度方向上依次层叠设置的所述活性材料层，分别为第一活性材料层和第二活性材料层，所述第一活性材料层和所述第二活性材料层中阴极材料的材料粒径差异不小于20％。
8.根据权利要求7所述的阴极极片，其特征在于，所述第一活性材料层和所述第二活性材料层的厚度在整个所述活性层中的占比分别为20％-80％。
9.根据权利要求7所述的阴极极片，其特征在于，所述第二活性材料层的单位面积涂布重量为所述第一活性材料层的单位面积涂布重量的50％-90％。
10.根据权利要求1-4中任一项所述的阴极极片，其特征在于，所述活性层包括三个在厚度方向上依次层叠设置的所述活性材料层，分别为第一活性材料层、第二活性材料层以及第三活性材料层，所述第三活性材料层与所述第一活性材料层的阴极材料主要包括高能量密度材料与高安全性材料中的一种，所述第二活性材料层的阴极材料主要包括高能量密度材料与高安全性材料中的另一种。
11.根据权利要求10所述的阴极极片，其特征在于，所述第一活性材料层与第二活性材料层中阴极材料的材料粒径差异不小于20％，所述第一活性材料层和所述第三活性材料层中阴极材料的材料粒径相等。
12.根据权利要求10所述的阴极极片，其特征在于，所述第一活性材料层与所述第三活性材料层的厚度相等，所述第一活性材料层、所述第二活性材料层及所述第三活性材料层的厚度在整个所述活性层中的占比分别为10％-40％、20％-80％及10％-40％。
13.根据权利要求10所述的阴极极片，其特征在于，所述第一活性材料层的单位面积涂布重量为所述第二活性材料层的50％-90％，所述第一活性材料层和所述第三活性材料层的单位面积涂布重量相等。
14.一种锂离子电池，其特征在于，包括如权利要求1-13任一项所述的阴极极片、隔离膜和阳极极片，所述阴极极片与所述隔离膜、所述阳极极片通过卷绕式或叠片式组装为所述锂离子电池。
15.一种用电装置，其特征在于，所述用电装置包括如权利要求14所述的锂离子电池，所述锂离子电池用于提供电能。
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