CN115911757B

CN115911757B - 二次电池和用电装置

Info

Publication number: CN115911757B
Application number: CN202310216487.6A
Authority: CN
Inventors: 王育文; 白文龙; 游兴艳; 叶永煌; 武宝珍; 郑蔚
Original assignee: Contemporary Amperex Technology Co Ltd
Current assignee: Contemporary Amperex Technology Co Ltd
Priority date: 2023-03-08
Filing date: 2023-03-08
Publication date: 2023-07-11
Anticipated expiration: 2043-03-08
Also published as: CN115911757A

Abstract

本申请公开了一种二次电池和用电装置，二次电池包括正极极片、负极极片、隔离膜和铁电层，隔离膜设置在正极极片和负极极片之间，铁电层设置于所述正极极片朝向所述隔离膜的一侧、隔离膜朝向正极极片的一侧、负极极片朝向隔离膜的一侧和隔离膜朝向负极极片的一侧中的至少一者，铁电层包括弛豫铁电材料。所述用电装置采用所述二次电池。本申请二次电池引入弛豫铁电材料，使得二次电池具有更快速的锂离子传输能力，提升电芯的动力学性能，能够实现二次电池快速充电，提高二次电池的快速充电性能。

Description

二次电池和用电装置

技术领域

本申请涉及电池领域，具体涉及一种二次电池和用电装置。

背景技术

二次电池能够增强电池的电量持久力，改观电力存储的经济效益，促进消费类电子产品的升级转型，对人类生活具有重大意义。然而，现有的二次电池在充电过程中，电芯的动力学较低，导致二次电池和用电装置充电时间较长。

因此，如何提出一种二次电池和用电装置，以提升二次电池和用电装置的快速充电性能是目前亟待解决的问题。

发明内容

鉴于上述问题，本申请提供一种二次电池和用电装置以提高二次电池的快速充电性能。

第一方面，本申请提供了一种二次电池，包括正极极片、负极极片和隔离膜，隔离膜设置在正极极片和负极极片之间，还包括铁电层，铁电层设置于正极极片朝向所述隔离膜的一侧、隔离膜朝向正极极片的一侧、负极极片朝向隔离膜的一侧和隔离膜朝向负极极片的一侧中的至少一者，铁电层包括弛豫铁电材料，弛豫铁电材料的铁电畴尺寸大于0nm小于等于200nm。

本申请实施例的技术方案中，二次电池引入弛豫铁电材料，弛豫铁电材料具有较好的自发极化特性，二次电池的内部环境和条件容易达到弛豫铁电材料自发极化的条件，使得二次电池具有更快速的锂离子传输能力，提升电芯的动力学性能，能够实现二次电池快速充电。

另外，铁电层设置于正极极片朝向隔离膜的一侧、隔离膜朝向正极极片的一侧、负极极片朝向隔离膜的一侧和隔离膜朝向负极极片的一侧中的至少一者，通过弛豫铁电材料较好的自发极化特性，能够加速负极表面锂向内部扩散，减少负极材料表面析锂以及锂枝晶的进一步生长；而且，铁电层能够在隔离膜和锂枝晶之间形成一个阻挡层，能够缓解锂枝晶直接刺穿隔离膜造成电池短路等问题，进而保证二次电池优异的安全性和使用寿命。

弛豫铁电材料的铁电畴尺寸为大于0nm小于等于200nm，使得弛豫铁电材料的铁电性更容易被激发，进而提升电芯的动力学性能，实现二次电池快速充电。

在一些实施例中，弛豫铁电材料包括有机弛豫铁电材料。

本申请实施例的技术方案中，有机弛豫铁电材料可以提升电芯的动力学性能，实现二次电池快速充电，同时，有机弛豫铁电材料自身具有粘附性，在应用于二次电池中时，可以直接涂覆于正极极片朝向隔离膜的一侧、隔离膜朝向正极极片的一侧、负极极片朝向隔离膜的一侧和隔离膜朝向负极极片的一侧中的至少一者。

在一些实施例中，有机弛豫铁电材料为聚偏氟乙烯（Polyvinylidenedifluoride，PVDF），聚偏氟乙烯的结晶度为40%-80%，聚偏氟乙烯包括β-聚偏氟乙烯。

β-聚偏氟乙烯具有铁电性，可以提升电芯的动力学性能，实现二次电池快速充电，如果聚偏氟乙烯的结晶度太小，例如小于40%，则聚偏氟乙烯的铁电性太弱，不利于二次电池快速充电，如果聚偏氟乙烯的结晶度太大，例如大于80%，则铁电层塑化程度过高，影响卷绕后二次电池的整体性能，不利于二次电池的快速充电。因此，有机弛豫铁电材料为聚偏氟乙烯，聚偏氟乙烯的结晶度为40%-80%，聚偏氟乙烯包括β-聚偏氟乙烯时，二次电池快速充电性能优异。

在一些实施例中，在聚偏氟乙烯中，β-聚偏氟乙烯的质量占比大于等于50%。

本申请实施例的技术方案中，由于β-聚偏氟乙烯的弛豫铁电性较好，通过控制聚偏氟乙烯中β-聚偏氟乙烯的质量占比大于等于50%，保证铁电层具有较好的弛豫铁电性。

在一些实施例中，有机弛豫铁电材料为偏氟乙烯与单体形成的多元共聚物，偏氟乙烯和单体的质量份数的比例为30-70:70-30，单体包括三氟乙烯（Trifluoroethene，TrFE）、三氟氯乙烯（Trifluorochloroethylene，CTFE）、六氟丙烯（Hexafluoropropylene，HFP）、溴代三氟乙烯（Bromotrifluoroethylene，BTFE）中的至少一种。

本申请实施例的技术方案中，通过偏氟乙烯与TrFE、CTFE、HFP、BTFE中的至少一种单体发生共聚反应，并控制偏氟乙烯与单体的质量份数比例，形成的多元聚合物为弛豫铁电材料，可提升电芯的动力学性能，实现二次电池快速充电。

在一些实施例中，弛豫铁电材料还包括无机弛豫铁电材料，无机弛豫铁电材料在铁电层的质量占比大于等于20%。

无机弛豫铁电材料在铁电层的质量占比大于等于20%，可以提升电芯的动力学性能，实现二次电池快速充电。另外，无机弛豫铁电材料一般具有多重极轴，能够进行大面积的应用，而且无机弛豫铁电材料对环境的污染较小，使得二次电池更环保。

在一些实施例中，无机弛豫铁电材料包括钛酸钡、钛酸铅、铌酸钾中的至少一种或引入镁、镍、锆和/或所述钛酸钡、钛酸铅、铌酸钾中的至少一种引入镁、镍、锆和/或锂中的至少一种。

钛酸钡、钛酸铅、铌酸钾均是典型的铁电体，具有优良的铁电、压电和热释电性能。而且在钛酸钡、钛酸铅、铌酸钾中引入镁、镍、锆和/或锂能够增加导电性，降低二次电池的内阻，提高二次电池的电化学性能。

在一些实施例中，铁电层的厚度范围为2-20µm。

铁电层的厚度越薄，对二次电池能量密度的影响越小，但是太薄，二次电池会有短路风险。本申请实施例的技术方案中，通过控制铁电层的厚度为2-20µm，在保证二次电池不会短路的情况下，提高二次电池的能量密度。

第二方面，本申请提供了一种用电装置，包括如前所述任一项二次电池。

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为本申请一些实施例的用电装置的结构示意图；

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二次电池的结构示意图。

具体实施方式中的附图标号如下：

用电装置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，极耳23a；

二次电池400，正极极片42，负极极片44，隔离膜46，铁电层48。

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”“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。

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。

二次电池能够增强电池的电量持久力，改观电力存储的经济效益，促进消费类电子产品的升级转型，对人类生活具有重大意义。然而，现有的二次电池在充电过程中，电芯的动力学较低，导致二次电池充电速度较慢、充电时间较长。

为了提高二次电池的充电速度，可以通过在二次电池中引入包括弛豫铁电材料的铁电层来实现。

基于以上考虑，为了提高二次电池的充电速度，设计了一种二次电池，包括正极极片、负极极片和隔离膜，隔离膜设置在正极极片和负极极片之间，还包括铁电层，铁电层设置于正极极片朝向隔离膜的一侧、隔离膜朝向正极极片的一侧、负极极片朝向隔离膜的一侧和隔离膜朝向负极极片的一侧中的至少一者，铁电层包括弛豫铁电材料，弛豫铁电材料的铁电畴尺寸大于0nm小于等于200nm。

在本申请实施例的技术方案中，二次电池引入弛豫铁电材料，弛豫铁电材料具有较好的自发极化特性，二次电池的内部环境和条件容易达到弛豫铁电材料自发极化的条件，使得二次电池具有更快速的锂离子传输能力，提升电芯的动力学性能，能够实现二次电池快速充电。

另外，铁电层设置于正极极片朝向隔离膜的一侧、隔离膜朝向正极极片的一侧、负极极片朝向隔离膜的一侧和隔离膜朝向负极极片的一侧中的至少一者，通过弛豫铁电材料较好的自发极化特性，能够加速负极表面锂向内部扩散，减少负极材料表面析锂以及锂枝晶的进一步生长；而且，铁电层能够在隔离膜和锂枝晶之间形成一个阻挡层，能够缓解锂枝晶直接刺穿隔离膜造成电池短路等问题，而且，进而保证二次电池优异的安全性和使用寿命。

本申请实施例公开的二次电池可以用于使用电池作为电源的用电装置或者使用电池作为储能元件的各种储能系统。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1000为车辆为例进行说明。

请参照图1，图1为本申请一些实施例提供的用电装置1000的结构示意图。用电装置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。用电装置1000的内部设置有电池100，电池100可以设置在用电装置1000的底部或头部或尾部。电池100可以用于用电装置1000的供电，例如，电池100可以作为用电装置1000的操作电源。用电装置1000还可以包括控制器200和马达300，控制器200用来控制电池100为马达300供电，例如，用于用电装置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，电池100不仅可以作为用电装置1000的操作电源，还可以作为用电装置1000的驱动电源，代替或部分地代替燃油或天然气为用电装置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电池100的分解结构示意图。电池100包括箱体10和电池单体20，电池单体20容纳于箱体10内。其中，箱体10用于为电池单体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。

在电池100中，电池单体20可以是多个，多个电池单体20之间可串联或并联或混联，混联是指多个电池单体20中既有串联又有并联。多个电池单体20之间可直接串联或并联或混联在一起，再将多个电池单体20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20先串联或并联或混联组成电池模块形式，多个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。电池100还可以包括其他结构，例如，电池100还可以包括汇流部件，用于实现多个电池单体20之间的电连接。

其中，每个电池单体20可以为二次电池；包括锂硫电池、锂离子电池或锂金属电池，但不局限于此。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电池单体20的分解结构示意图。电池单体20是指组成电池的最小单元。如图3，电池单体20包括有端盖21、壳体22和电芯组件23。

端盖21是指盖合于壳体22的开口处以将电池单体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主要由正极极片和负极极片卷绕或层叠放置形成，并且通常在正极极片与负极极片之间设有隔离膜。正极极片和负极极片具有活性物质的部分构成电芯组件的主体部，正极极片和负极极片不具有活性物质的部分各自构成极耳23a。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。在电池的充电过程中，正极活性物质和负极活性物质与电解液发生反应，极耳23a连接电极端子以形成电流回路。

根据本申请的一些实施例，本申请提供了一种二次电池，包括二次电池，包括正极极片、负极极片和隔离膜，隔离膜设置在正极极片和负极极片之间，还包括铁电层，铁电层设置于正极极片朝向隔离膜的一侧、隔离膜朝向正极极片的一侧、负极极片朝向隔离膜的一侧和隔离膜朝向负极极片的一侧中的至少一者，铁电层包括弛豫铁电材料，弛豫铁电材料的铁电畴尺寸大于0nm小于等于200nm。

本申请的二次电池可以为如前所述的电池100或电池单体20。

铁电层可以指含有铁电材料的膜层。

弛豫铁电材料可以具有以下介电特性：一是相变弥散，即铁电到顺电相变是一个渐变的过程，没有一个确定的居里温度Tc，表现为介电常数与温度的关系曲线中介电峰的宽化，通常将其介电常数最大值所对应的温度作为一个特征温度Tm；二是频率色散现象，即在Tm温度以下，随频率增加，介电常数下降，损耗增加，介电峰和损耗峰向高温方向移动；三是在转变温度Tm以上仍然存在较大的自发极化强度，弛豫铁电材料的介电常数和温度的关系不再符合Curie-Weiss定律。

铁电畴指弛豫铁电材料中每个自发极化的区域，铁电畴尺寸是指该区域的线度。铁电畴尺寸的测量方法可以采用透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，TEM）法或者X射线衍射仪（X-ray Powder Diffractometer，XRD）法。具体的，TEM法包括：利用透射电子显微镜，观察并测量晶粒尺寸，通过测量一定视野内的晶粒尺寸，进行统计计算，可以得到平均晶粒尺寸，也即铁电畴的尺寸。XRD法包括：利用XRD方法，测量得到XRD曲线，通过测量对应特征峰的半高宽，利用谢乐公式，计算得到平均晶粒水平，也即得到对应的铁电畴的尺寸。

作为示例，所述弛豫铁电材料的铁电畴尺寸可以为0.001nm、0.01nm、0.1nm、1nm、5nm、10nm、20nm、50nm、90nm、150nm、190nm、199nm、200nm等，也可以为0.001-5nm、5-10nm、10-20nm、20-50nm、50-90nm、90-150nm、150-190nm、190-200nm等，根据需要合理设置，满足铁电畴尺寸大于0nm小于等于200nm即可。

弛豫铁电材料的铁电畴尺寸大于0nm小于等于200nm，使得弛豫铁电材料的铁电性更容易被激发，进而提升电芯的动力学性能，实现二次电池快速充电。

二次电池引入弛豫铁电材料，具有弛豫铁电材料的铁电层设置于正极极片朝向隔离膜的一侧、隔离膜朝向正极极片的一侧、负极极片朝向隔离膜的一侧和隔离膜朝向负极极片的一侧中的至少一者，弛豫铁电材料的铁电畴尺寸较小，如纳米踌，具有较窄的单电滞或双电滞回线，铁电畴之间的协同耦合效应会显著削弱，且自发极化更加容易。因此，弛豫铁电材料具有较好的自发极化特性，二次电池的内部环境和条件容易达到弛豫铁电材料自发极化的条件，使得二次电池具有更快速的锂离子传输能力，提升电芯的动力学性能，能够实现二次电池快速充电。

在一些实施例中，所述弛豫铁电材料的铁电畴尺寸可以大于等于10nm小于等于150nm，使得弛豫铁电材料的铁电性进一步容易被激发，进而提升电芯的动力学性能，实现二次电池快速充电。

在一些实施例中，弛豫铁电材料包括有机弛豫铁电材料。

有机弛豫铁电材料可以为一种单体聚合形成的聚合物，也可以为多种不同的单体共聚形成的多元共聚物。

作为示例，聚偏氟乙烯的结晶度可以为40%、45%、50%、60%、75%、80%等，也可以为40%-45%、45%-50%、50%-60%、60%-75%、75%-80%等，根据需要合理设置，满足结晶度在40%-80%的范围即可。

β-聚偏氟乙烯由全反式构象的分子链以最伸展的平面Z字形方式组成。β-聚偏氟乙烯具有铁电性，可以提升电芯的动力学性能，实现二次电池快速充电，如果聚偏氟乙烯的结晶度太小，例如小于40%，则聚偏氟乙烯的铁电性太弱，不利于二次电池快速充电，如果聚偏氟乙烯的结晶度太大，例如大于80%，则铁电层塑化程度过高，影响卷绕后二次电池的整体性能，不利于二次电池的快速充电。因此，有机弛豫铁电材料为聚偏氟乙烯，聚偏氟乙烯的结晶度为40%-80%，聚偏氟乙烯包括β-聚偏氟乙烯时，二次电池快速充电性能优异。

在一些实施例中，聚偏氟乙烯中，β-聚偏氟乙烯的质量占比大于等于50%。

由于β型的PVDF才具有铁电性，其他晶型的聚偏氟乙烯没有铁电性，聚偏氟乙烯中，β-聚偏氟乙烯的物质的量占比太小会导致聚偏氟乙烯的铁电性不足。

作为示例，聚偏氟乙烯中，β-聚偏氟乙烯的物质的量占比可以为50%、55%、60%、70%、85%、100%等，也可以为50%-55%、55%-60%、60%-70%、70%-85%、85%-100%等，根据需要合理设置，满足聚偏氟乙烯中，β-聚偏氟乙烯的质量占比大于等于50%即可。

通过控制聚偏氟乙烯中β-聚偏氟乙烯的质量占比大于等于50%，保证聚偏氟乙烯具有较好的弛豫铁电性。

作为示例，偏氟乙烯和单体的质量份数的比例可以为30:70、30:63、35:60、40:60、40:55、53:40、50:30、55:40、66:40、60:70、70:30、70:40、70:50、70:70等，根据需要合理设置，满足偏氟乙烯和单体的质量份数的比例在30-70:70-30的范围即可。

通过偏氟乙烯与TrFE、CTFE、HFP、BTFE中的至少一种单体发生共聚反应，并控制偏氟乙烯与单体的质量份数比例，形成的多元聚合物为弛豫铁电材料，可提升电芯的动力学性能，实现二次电池快速充电。

作为示例，无机弛豫铁电材料在铁电层的质量占比可以为20%、21%、25%、30%、40%、55%、80%、95%、99%等，还可以为21%-25%、25%-30%、30%-40%、40%-55%、55%-80%、80%-95%、95%-99%等，根据需要合理设置，满足无机弛豫铁电材料在铁电层的质量占比大于等于20%即可。

在一些实施例中，无机弛豫铁电材料包括但不限于钛酸钡、钛酸铅、铌酸钾中的至少一种或所述钛酸钡、钛酸铅、铌酸钾中的至少一种引入镁、镍、锆和/或锂中的至少一种。

钛酸钡的化学式为BaTiO₃，属ABO₃钙钛矿型结构，居里温度为120℃。钛酸钡在一定温度范围内存在自发极化，当高于某一居里温度时，自发极化消失，铁电相变为顺电相。在温度高于120℃时，BaTiO₃为立方顺电相；温度在5-120℃时，为四方铁电相；温度在-80-5℃时，为正交铁电相；当温度低于-80℃为三方铁电相。

钛酸铅的化学式为PbTiO₃，属ABO₃钙钛矿型结构，具有高居里温度，约490℃，在一定温度范围内存在自发极化。钛酸铅在居里温度以上为立方顺电相，在居里点以下为四方铁电相。

铌酸钾的化学式KNbO₃，为钙钛矿结构的铁电材料，居里温度为435℃，在一定温度范围内存在自发极化。

钛酸钡、钛酸铅、铌酸钾均是典型的弛豫铁电体，具有优良的铁电、压电和热释电性能。而且在钛酸钡、钛酸铅、铌酸钾中引入镁、镍、锆和/或锂能够增加导电性，降低二次电池的内阻，提高二次电池的电化学性能。

所述铁电层的厚度可以根据实际需要进行设计，在一些实施例中，铁电层的厚度范围为2-20µm。

铁电层的厚度越薄，对二次电池能量密度的影响越小，但是太薄，二次电池会有短路风险。通过控制铁电层的厚度为2-20µm，在保证二次电池不会短路的情况下，提高二次电池的能量密度。

作为示例，所述铁电层的厚度可以为2µm、3.5µm、5µm、7.5µm、10µm、15µm、17.5µm、19.9µm等，还可以为2-3.5µm、3.5-5µm、5-7.5µm、7.5-10µm、10-15µm、15-17.5µm、17.5-19.9µm等，根据需要合理设置，满足铁电层的厚度范围为2-20µm即可。

在一些优选的实施例中，所述铁电层的厚度范围为4-15µm。

在一些实施例中，所述铁电层通过旋涂、喷涂或凹版涂覆形成在所述正极极片朝向所述隔离膜的一侧、所述隔离膜朝向所述正极极片的一侧、所述负极极片朝向所述隔离膜的一侧和所述隔离膜朝向所述负极极片的一侧中的至少一者。可以理解，所述铁电层的涂覆方法并不限定于旋涂、喷涂或凹版涂覆，也可以根据实际需要选择其他合理的方法。

通过旋涂、喷涂或凹版涂覆形成的铁电层厚度均匀，且能够涂覆厚度较薄的铁电层，而且操作工艺简单。

所述正极极片可采用本领域公知的用于二次电池的正极极片。正极极片包括正极集流体和设置于正极集流体表面的正极膜层。

正极集流体可采用本领域公知的用于二次电池的正极集流体，作为示例，正极集流体包括但不限于铝箔、铝锂合金箔片等。

正极膜层中包括正极活性材料。在一些实施方式中，正极活性材料可采用本领域公知的用于二次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LiNi_1/3Co_1/ ₃Mn_1/3O₂（也可以简称为NCM₃₃₃）、LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂（也可以简称为NCM₅₂₃）、LiNi_0.5Co_0.25Mn_0.25O₂（也可以简称为NCM₂₁₁）、LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂（也可以简称为NCM₆₂₂）、LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂（也可以简称为NCM₈₁₁）、锂镍钴铝氧化物（如LiNi_0.85Co_0.15Al_0.05O₂））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，正极膜层还可选地包括粘结剂。作为示例，粘结剂可以包括聚偏氟乙烯（Polyvinylidene difluoride，PVDF）、聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene，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，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。

所述隔离膜可采用本领域公知的用于二次电池的隔离膜，作为示例，隔离膜包括但不限于聚乙烯（PE）单层膜、聚丙烯（PP）单层膜以及由PP和PE复合的PP/PE/PP多层微孔膜等。

所述负极极片可采用本领域公知的用于二次电池的负极极片。负极极片包括负极集流体和设置于负极集流体表面的负极膜层。

负极集流体可采用本领域公知的用于二次电池的负极集流体，可以包括但不限于铜箔。

负极膜层包括负极活性材料，负极活性材料包括但不限于石墨、中间相碳微球、软碳/硬碳、无定形碳、钛酸锂、硅碳合金等。

在一些实施方式中，负极膜层还可选地包括粘结剂。作为示例，粘结剂包括但不限于丁苯橡胶（SBR）。

在一些实施方式中，负极膜层还可选地包括导电剂。作为示例，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，负极膜层还可选地包括增稠剂等添加剂。作为示例，增稠剂可以但不限于羧甲基纤维素钠（CMC）。

根据本申请的一些实施例，本申请提供了一种用电装置，包括以上任一方案提供的二次电池，并且二次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二次电池的设备或系统。

以下以具体实施例对二次电池制备过程和测试数据进行介绍：

实施例1

S1：正极极片的制备：正极活性物质为三元层状正极镍钴锰酸锂，其中，镍钴锰的比例为8:1:1，将正极活性物质、导电剂1（导电炭黑）、导电剂2（导电碳管）以及粘结剂（聚偏氟乙烯）混合，其中，正极活性物质、导电炭黑、导电碳管以及聚偏氟乙烯的质量占比分别为97%、1.2%、0.6%、1.2%，将正极活性物质、导电炭黑、导电碳管和聚偏氟乙烯形成的混合物加入到溶剂（N-甲基吡咯烷酮）中进行搅拌，分散后制备成正极浆料，将正极浆料双面涂覆到铝箔上，烘干、冷压、分切后制备得到正极极片。

S2：负极极片的制备：将负极活性物质（石墨）、导电剂（导电炭黑）、粘结剂（丁苯橡胶SBR）和增稠剂（羧甲基纤维素钠CMC）混合形成一混合物质，其中，石墨、导电炭黑、SBR以及CMC的质量占比分别为95.5%、1.3%、2%、1.2%，将上述混合物质加入到溶剂水中进行搅拌，分散后制备成负极浆料，将该负极浆料双面涂覆到铜箔上，烘干、冷压、分切后制备得到负极极片，其中负极的涂布重量为11mg/cm²。

其中正负极极片的CB值为1.07，CB值为负极单位面积活性物质放电容量与正极单位面积活性物质的放电容量之比。

S3：铁电层三元共聚物P(VDF-TrFE-CTFE)的制备：将100mL去离子水和过硫酸钾（引发剂，质量百分比1%）加入到不锈钢反应釜中，将反应釜密封后通过油泵将体系内的空气排净，并将反应釜放入液氮浴中，单体VDF、TrFE和CTFE，按照摩尔百分比50%:30%:20%的比例通过密封的气路分别通入反应釜内，并被液氮浴冷却，气体收集到反应釜后，将反应釜与气路分离，随后升温至90℃，反应持续12h，反应完成后，降温到室温，过滤后用蒸馏水洗涤后，60℃烘干，从而得到最终P(VDF-TrFE-CTFE)三元共聚产物；

调整VDF、TrFE、CTFE的元素比例、反应温度和反应时间，可以得到不同性能的铁电层。

S4：隔离膜的制备：隔离膜为PE隔离膜，在隔离膜朝向负极极片的一侧通过微凹版的形式涂覆具有弛豫铁电性的铁电层，铁电层为三元共聚物P(VDF-TrFE-CTFE)，其中该三元共聚物的结晶度为45%，其中VDF:TrFE:CTFE的摩尔百分比为50%:30%:20%。

S5：二次电池的制备：将正极极片、隔离膜、负极极片按顺序叠好，使隔离膜处于正负极中间起到隔离的作用，并卷绕得到裸电芯。将裸电芯置于外包装中，注入配好的电解液并封装、注液、化成、排气等工序，得锂离子电池，其中隔离膜涂覆有铁电层的一面朝向负极极片。

请参考图4，图4为本申请一些实施例的二次电池400的结构示意图，二次电池400包括正极极片42、负极极片44、以及隔离膜46，在隔离膜46朝向负极极片44的一侧设置有铁电层48。

实施例2-3

实施例2-3与实施例1的区别仅在于：三元共聚物的结晶度不同，具体见表1。

实施例4-5

实施例4-5与实施例1的区别仅在于：三元共聚物P(VDF-TrFE-CTFE)中VDF:TrFE:CTFE的摩尔百分比不同，具体见表1。

实施例6

实施例6与实施例1的区别仅在于：铁电层涂覆在负极极片朝向隔离膜的一侧。

实施例7

实施例7与实施例1的区别仅在于：铁电层涂覆在正极极片朝向隔离膜的一侧。

实施例8

实施例8与实施例1的区别仅在于：铁电层涂覆在隔离膜朝向正极极片的一侧。

实施例9

实施例9与实施例1的区别仅在于：铁电层涂覆在隔离膜朝向正极极片的一侧以及负极极片朝向隔离膜的一侧。

对比例1

对比例1与实施例1的区别仅在于：锂离子电池中没有涂覆铁电层。

对比例2-3

对比例2-3与实施例1的区别仅在于：三元共聚物的结晶度不同。

对比例4

对比例4与实施例1的区别仅在于：三元共聚物P(VDF-TrFE-CTFE)中VDF:TrFE:CTFE的摩尔百分比不同。

对实施例1-9和对比例1-4中的二次电池进行快速充电性能测试，测试方法如下，测试结果见表1。

25℃下，将上述实施例1-9和对比例1-4的二次电池以1C（即1h内完全放掉理论容量的电流值）的电流进行第一次充电和放电，具体包括：将二次电池以1C倍率恒流充电至电压4.25V，之后恒压充电至电流≤0.05C，静置5min，再以0.33C倍率恒流放电至电压2.8V，记录其实际容量为C0。

然后将二次电池依次以1.0C0、1.3C0、1.5C0、1.8C0、2.0C0、2.3C0、2.5C0、3.0C0、恒流充电至全电池充电截止电压4.25V或者0V负极截止电位（以先达到者为准），每次充电完成后需以1.0C0放电至全电池放电截止电压2.8V，记录不同充电倍率下充电至SOC（Stateof Charge，荷电状态）为10%、20%、30%、......、80%时所对应的负极电位，绘制出不同SOC态下的充电倍率-负极电位曲线，线性拟合后得出不同SOC态下负极电位为0V时所对应的充电倍率，该充电倍率即为该SOC态下的充电窗口，分别记为C10%SOC、C20%SOC、C30%SOC、C40%SOC、C50%SOC、C60%SOC、C70%SOC、C80%SOC，根据公式(60/C20%SOC + 60/C30%SOC + 60/C40%SOC + 60/C50%SOC + 60/C60%SOC + 60/C70%SOC + 60/C80%SOC )×10%计算得到该二次电池从10%SOC充电至80%SOC的充电时间T，单位为min。该时间T越短，二次电池的快速充电性能越好。

荷电状态SOC是二次电池剩余容量与其完全充电状态的容量的比值，常用百分数表示。其取值范围为0~1，当SOC=0时表示电池放电完全，当SOC=1时表示电池完全充满。

表1各实施例与对比例的测试结果

从表1中实施例1-9与对比例1的结果对比可以看出，本申请的二次电池中通过引入具有弛豫铁电性的铁电层，能够缩短二次电池的充电时间，提高二次电池的快速充电性能。

从表1中实施例1-3与对比例2-3的结果对比可以看出，当所述三元共聚物的结晶度为30%和90%时，二次电池的充电时间高于结晶度为40%、50%和60%时二次电池的充电时间。说明所述三元共聚物的结晶度太大和太小不利于二次电池的快速充电。

从表1中实施例1与对比例4的结果对比可以看出，VDF:TrFE:CTFE的物质的量比为50%:30%:20%时，二次电池的充电时间短于VDF:TrFE:CTFE的物质的量比为80%:10%:10%时的充电时间。说明VDF的含量太大时，会增加二次电池的充电时间。

从表1中实施例1和6-7的结果对比可以看出，具有弛豫铁电性的铁电层涂覆在隔离膜朝向负极侧、隔离膜朝向正极侧、负极表面以及正极表面时，二次电池的充电时间相同。说明铁电层的涂覆位置对二次电池的充电时间影响不大。

从表1中实施例9和8的结果对比可以看出，同时在隔离膜朝向正极侧以及负极朝向隔离膜的一侧涂覆具有弛豫铁电性的铁电层时，二次电池的充电时间比在隔离膜朝向正极侧涂覆时的充电时间短。

本申请通过在二次电池中引入弛豫铁电材料，弛豫铁电材料具有较好的自发极化特性，二次电池的内部环境和条件容易达到弛豫铁电材料自发极化的条件，使得二次电池具有更快速的锂离子传输能力，提升电芯的动力学性能，能够实现二次电池快速充电。

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

1.一种二次电池，包括正极极片、负极极片和隔离膜，所述隔离膜设置在所述正极极片和所述负极极片之间，其特征在于，所述二次电池还包括铁电层，所述铁电层设置于所述正极极片朝向所述隔离膜的一侧、所述隔离膜朝向所述正极极片的一侧、所述负极极片朝向所述隔离膜的一侧和所述隔离膜朝向所述负极极片的一侧中的至少一者，所述铁电层包括弛豫铁电材料，所述弛豫铁电材料的铁电畴尺寸大于0nm小于等于200nm。

2.如权利要求1所述的二次电池，其特征在于，所述弛豫铁电材料包括有机弛豫铁电材料。

3.如权利要求2所述的二次电池，其特征在于，所述有机弛豫铁电材料为聚偏氟乙烯，所述聚偏氟乙烯的结晶度为40%-80%，所述聚偏氟乙烯包括β-聚偏氟乙烯。

4.如权利要求3所述的二次电池，其特征在于，在所述聚偏氟乙烯中，β-聚偏氟乙烯的质量占比大于等于50%。

5.如权利要求2所述的二次电池，其特征在于，所述有机弛豫铁电材料为偏氟乙烯与单体形成的多元共聚物，偏氟乙烯和单体的质量份数的比例为30-70:70-30，所述单体包括三氟乙烯、三氟氯乙烯、六氟丙烯、溴代三氟乙烯中的至少一种。

6.如权利要求2-5任一项所述的二次电池，其特征在于，所述弛豫铁电材料还包括无机弛豫铁电材料，所述无机弛豫铁电材料在铁电层中的质量占比大于等于20%。

7.如权利要求6所述的二次电池，其特征在于，所述无机弛豫铁电材料包括钛酸钡、钛酸铅、铌酸钾中的至少一种，或所述无机弛豫铁电材料包括钛酸钡、钛酸铅、铌酸钾中的至少一种，且所述钛酸钡、钛酸铅、铌酸钾中的至少一种引入镁、镍、锆、锂中的至少一种元素。

8.如权利要求1所述的二次电池，其特征在于，所述铁电层的厚度为2-20µm。

9.一种用电装置，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的二次电池。