CN115956324A - 用于电化学装置的隔板、电化学装置及用电设备 - Google Patents

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CN115956324A CN202280005246.0A CN202280005246A CN115956324A CN 115956324 A CN115956324 A CN 115956324A CN 202280005246 A CN202280005246 A CN 202280005246A CN 115956324 A CN115956324 A CN 115956324A
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张楠
关晓静
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Abstract

本申请公开了一种用于电化学装置的隔板、电化学装置及用电设备。隔板包括密封层，密封层包括中间部分、围设并连接于中间部分外围的边缘部分，中间部分容置于电化学装置的外包装的内部空间，边缘部分用于与外包装密封连接。本申请由隔板的密封层与电化学装置的外包装连接，提高隔板与电化学装置的外包装密封连接的稳定性，从而有效提高电化学装置的使用寿命。另外，还可有效减少制得的隔板的厚度，提高电化学装置的能量密度。

Description

用于电化学装置的隔板、电化学装置及用电设备
技术领域
本申请涉及电化学领域，尤其涉及一种用于电化学装置的隔板、电化学装置及用电设备。
背景技术
电化学装置例如锂离子电池具有体积和质量能量密度大、循环寿命长、标称电压高、自放电率低、体积小、重量轻等许多优点，在消费电子领域具有广泛的应用。电化学装置采用多电芯内部串联的方法可有效提高输出电压，同时还具有减小电芯总产热，降低温升，并兼容卷绕和叠片结构等诸多优点。
在对多个电芯做串联组装时，需要实现各串联腔体间的离子绝缘功能，避免填充电解液后不同腔体内的阴阳极发生短路，同时规避液态电解液在高电压下分解失效后对相邻腔体的干扰。相关技术中，通过隔板实现电化学装置各串联腔体的离子绝缘功能，隔板需与电化学装置的外包装连接，隔板自身以及隔板与外包装连接处的离子绝缘性，都将影响电化学装置内相邻两个腔体的离子绝缘效果。
发明内容
本申请实施例提供一种用于电化学装置的隔板、电化学装置及用电设备，能够解决电化学装置内难以实现相邻两个腔体离子绝缘的问题。
第一方面，本申请实施例提供了一种用于电化学装置的隔板，包括：
密封层，包括中间部分、围设并连接于所述中间部分外围的边缘部分，所述中间部分容置于电化学装置的外包装的内部空间，所述边缘部分用于与所述外包装密封连接。
在一些示例性的实施例中，所述密封层包括热塑性聚合物，以使隔板能够通过密封层热熔后直接与电化学装置的外包装连接，有效提高隔板与外包装连接的封印强度。在一些示例性的实施例中，所述热塑性聚合物的熔点范围为100℃至200℃；所述热塑性聚合物聚合物包括：聚丙烯、聚乙烯、聚酯塑料、γ-邻苯二甲酰亚氨基-α-羟基丁酸、酸酐改性聚丙烯、乙烯及其共聚物、流延聚丙烯、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯及其衍生物中的至少一种。
在一些示例性的实施例中，所述隔板还包括至少一层的阻隔层，所述阻隔层具有离子绝缘性，所述阻隔层设置于所述密封层的至少一侧；在所述密封层与所述阻隔层的层叠的厚度方向上，所述阻隔层的投影至少覆盖所述中间部分的投影。
在一些示例性的实施例中，所述阻隔层的数量为两层，两层所述阻隔层分设于所述密封层相对的两个表面。
在一些示例性的实施例中，在垂直于所述密封层与所述阻隔层层叠方向的平面内，所述中间部分的面积为S，所述阻隔层的面积为S1，所述密封层的面积为S2，所述隔板满足S＜S1≤S2或S≤S1＜S2。
在一些示例性的实施例中，所述密封层的所述中间部分的长度为a、宽度为b，所述阻隔层的长度为a1、宽度为b1，所述密封层的长度为a2、宽度为b2，所述隔板满足：a＜a1≤a2、b＜b1≤b2，或a≤a1＜a2、b≤b1＜b2。
在一些示例性的实施例中，所述阻隔层采用原子层沉积、分子层沉积、化学气相沉积、物理气相沉积、电沉积或3D打印中的至少一种方式化学键合连接于所述密封层的表面，有效提高密封层与阻隔层连接的强度，使密封层与阻隔层不会轻易被剥离。
在一些示例性的实施例中，所述阻隔层包括氧化物层、氮化物层、金属层、有机聚合物中的至少一种；
所述氧化物层包括氧化铝层、氧化锌层、氧化锆层、氧化硅层、硅铝氧化物层中的至少一种；
所述氮化物层包括氮化铝层、氮化锌层、氮化锆层、氮化硅层、硅铝氮化物层中的至少一种；
金属层包括：含Si、Zn、Al、Zr、Ti、V、Mg、Ni、Pr、Ce、Mn、Ta、In、Zn、Ga、Sn、Cd、Pb、Ni、Ti、Cu、Ag、Au、Pt、Fe、Co、Cr、W中的至少一种金属材料或合金材料；
有机聚合物包括：偏氯乙烯-丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、乙烯一乙烯醇的无规共聚物、树脂、聚丙烯腈、聚偏二氯乙烯、聚酰胺、聚酰亚胺-酰胺、聚氨酯、聚硫脲、聚乙二醇或有机金属聚合物中的至少一种。
在一些示例性的实施例中，所述隔板具有以下特征中的至少一个：
(a)所述隔板的第一水汽透过率M1满足M1≤10-3g/(day·m2)；
(b)所述密封层的厚度为H，H的范围为14μm至304μm；所述阻隔层的厚度为h，h的范围为5nm至2000nm；
(c)所述密封层包含离子阻隔片，所述离子阻隔片包括片状石墨烯、水滑石纳米片、勃姆石片中的至少一种；
(d)所述密封层还包括流平层，所述流平层连接于所述阻隔层，所述流平层相对于所述阻隔层的表面具有低粗糙度，所述流平层包括环氧树脂、聚丙烯树脂、聚丙烯酸酯等聚合物材料中的一种或多种；
(e)所述隔板还包括位于所述密封层或阻隔层表面的加强层，所述加强层设置于所述阻隔层和/或所述密封层的表面，所述加强层包括聚合物层、玻璃纤维层、碳材料层、弹性聚合物层、氧化物层的至少一种。
第二方面，本申请实施例提供了一种电化学装置，包括：
如上所述的隔板；
外包装，所述隔板设于所述外包装内，且所述隔板连接于所述外包装，以将所述外包装的内部空间分隔出多个第一腔室；
电解液，设于各所述第一腔室；及
多个电极组件，对应设于各所述第一腔室与所述电解液相接触。
在一些示例性的实施例中，所述外包装包括连接层，所述连接层与所述隔板的边缘部分相连接，所述连接层包括聚合物，所述聚合物包括：聚丙烯、聚乙烯、聚酯塑料、γ-邻苯二甲酰亚氨基-α-羟基丁酸、酸酐改性聚丙烯、乙烯及其共聚物、流延聚丙烯、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯及其衍生物中的至少一种。
第三方面，本申请实施例提供了一种用电设备，包括如上所述的电化学装置。
基于本申请实施例的用于电化学装置的隔板、电化学装置及用电设备，由隔板的密封层与电化学装置的外包装连接，提高隔板与电化学装置的外包装密封连接的稳定性，从而有效提高电化学装置的使用寿命。另外，还可有效减少制得的隔板的厚度，提高电化学装置的能量密度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请一种实施例的隔板的阻隔层设于密封层单侧的剖视图；
图2为本申请一种实施例的隔板的阻隔层设于密封层双侧的剖视图；
图3为本申请一种实施例的隔板连接于外包装的剖视图；
图4a为本申请一种实施例的隔板的密封层的主视图；
图4b为本申请一种实施例的隔板的主视图；
图5为本申请一种实施例的阻隔层全部覆盖密封层的剖视图；
图6为本申请一种实施例的隔板具有流平层的剖视图；
图7为本申请一种实施例的隔板具有加强层的剖视图；
图8为本申请一种实施例的电化学装置的立体结构示意图；
图9为本申请一种实施例的电化学装置的爆炸图；
图10为本申请一种实施例的电化学装置的局部剖视图。
附图标记：
用电设备
10、电化学装置；
100、隔板；110、密封层；120、阻隔层；130、加强层；
101、中间部分；102、边缘部分；
111、密封层；112、流平层；110a、阻隔片；
200、电极组件；210、第一电极组件；220、第二电极组件；
310、正极片；311正集流体；312正极活性材料；
320、负极片；321负集流体；322负极活性材料；
400、隔膜；
510、正极耳；520、负极耳；
700、外包装；710、外部结构层；720、连接层；700a、第一腔室。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
发明人发现，电化学装置中，单独采用金属层作为隔板时，隔板容易与其连接的结构剥离，且金属层的拉伸强度低，存在撕扯断裂的风险，导致电芯内部短路；单独采用聚合物作为隔板时，聚合物本身的阻隔性能有限，难以发挥有效的阻隔效果。若采用密封层与阻隔层叠加，阻隔层常选用金属材料，密封层常选用聚合物，则可兼顾阻隔性和抗拉伸强度需求，但同时还需注意叠加后的隔板厚度，防止隔板占用较多的空间导致电化学装置内的非活性物质占比增大，进而导致整体能量密度(ED)较低，另外，同时还需注意密封层与阻隔层、隔板与外包装等多处的粘接强度，防止粘接力有限存在老化剥离的风险，进而导致电解液渗透至剥离后的两层结构之间，甚至渗透到外部，存在安全隐患，影响电化学装置的使用寿命。为解决上述问题，本申请实施例提供了一种用于电化学装置的隔板、电化学装置及用电设备。
需要说明的是，本申请的具体实施方式中，以锂离子电池作为电化学装置的例子来解释本申请，但是本申请的电化学装置并不仅限于锂离子电池，如图1和图2所示，为本申请一种实施例的用于电化学装置10的隔板100的结构示意图，隔板100包括密封层110和至少一层的阻隔层120。
密封层110包括中间部分101、围设并连接于中间部分101外围的边缘部分102，如图3所示，中间部分101用于容置于外包装700的内部空间，边缘部分102用于与外包装700密封连接。其中，中间部分101与边缘部分102采用相同的材质一体成型。
各阻隔层120具有离子绝缘性，阻隔层120设置于密封层110的至少一侧，将阻隔层120直接连接于密封层110。在密封层110与阻隔层120层叠的厚度方向(也即隔板100的厚度方向)上，阻隔层120的投影至少覆盖中间部分101的投影，使阻隔层120处于外包装700的腔室内，并使阻隔层120处于隔板100表层阻隔相邻两个腔室内的离子迁移。
其中，密封层110的边缘部分102围绕中间部分101的外围，外包装700连接于密封层110全部的边缘部分102，以在外包装700与隔板100连接时，在密封层110的中间部分101的外围形成全封闭的结构，以使外包装700内被隔板100分割出的任一相邻两个第一腔室700a相互独立。
本申请实施例的隔板100的形状基于电化学装置10的形状进行选择，例如，隔板100的形状可为四边形、圆形或其他异性结构。以电化学装置10为锂离子电池为例，示例性的，隔板100的形状为矩形，密封层110的中间部分101的形状为矩形，边缘部分102则为围绕中间部分101的矩形框。
在垂直于密封层110与阻隔层120层叠方向的平面内，密封层110的中间部分101的面积为S，阻隔层120的面积为S1，密封层110的面积为S2，隔板100满足条件式(1)S＜S1≤S2或S≤S1＜S2，在上述条件式(1)的面积范围内，隔板100与外包装700连接后，既可满足离子阻隔要求，又可满足隔板100与外包装700密封连接的要求。需要说明的是，上述条件式(1)的面积要求也可不局限于密封层110为矩形时，只要在厚度方向上阻隔层120全部覆盖密封层110的中间部分101的情况下，任一形状的隔板100均满足上述条件式(1)的要求。
如图4a和图4b所示，当密封层110为矩形时，密封层110的中间部分101的长度为a、宽度为b，阻隔层120的长度为a1、宽度为b1，密封层110的长度为a2、宽度为b2，隔板100满足：a＜a1≤a2、b＜b1≤b2，或a≤a1＜a2、b≤b1＜b2，也即，示例性地，在隔板100的厚度方向，阻隔层120的投影可与密封层110的中间部分101的投影重叠；或者，如图5所示，阻隔层120的投影可在覆盖密封层110的中间部分101的投影情况下，同时覆盖密封层110的边缘部分102的投影，使阻隔层120也处于密封层110的边缘部分102与外包装700之间，以有效提高隔板100与外包装700连接处的离子绝缘性。
在一些示例性的实施例中，密封层110包括能够热封连接于外包装700的聚合物，使密封层110的边缘部分102可热熔后与外包装700连接，工艺难度底，可行性高，且封装可靠性高，例如，将密封层110的边缘部分102置于两层外包装700之间，再采用热轧的方式将密封层110的边缘部分102与外包装700连接在一起，从而将外包装700内的腔室分隔为多个独立的第一腔室700a。
当阻隔层120的数量为一层时，阻隔层120连接于密封层110的其中一侧。当阻隔层120的数量为两层时，两层阻隔层120分设于密封层110相对的两个表面，在隔板100的厚度方向上，两层阻隔层120的投影可完全重叠，也可部分重叠，本申请实施例对两层阻隔层120的形状不做具体限定，只要使得在隔板100厚度方向上，阻隔层120的投影覆盖密封层110的中间部分101的投影，且满足上述条件式(1)的面积要求即可。
在一些示例性的实施例中，阻隔层120包括氧化物层、氮化物层、金属层、有机聚合物中的至少一种，并通过这些化合物使制得阻隔层120具有离子绝缘性。还可使得密封层110热熔连接于外包装700时，处于密封层110的边缘部分102的阻隔层120对密封层110和外包装700的热熔连接干扰较小。
示例性地，阻隔层120中的氧化物层包括氧化铝层、氧化锌层、氧化锆层、氧化硅层、硅铝氧化物层中的至少一种。
示例性地，阻隔层120中的氮化物层包括氮化铝层、氮化锌层、氮化锆层、氮化硅层、硅铝氮化物层中的至少一种。
示例性地，阻隔层120中的金属层包括：含Si、Zn、Al、Zr、Ti、V、Mg、Ni、Pr、Ce、Mn、Ta、In、Zn、Ga、Sn、Cd、Pb、Ni、Ti、Cu、Ag、Au、Pt、Fe、Co、Cr、W中的至少一种元素组成的金属化合物。
示例性地，阻隔层120中的有机聚合物包括：偏氯乙烯-丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、乙烯一乙烯醇的无规共聚物、树脂、聚丙烯腈、聚偏二氯乙烯、聚酰胺、聚酰亚胺-酰胺、聚氨酯、聚硫脲、聚乙二醇或有机金属聚合物中的至少一种，有机金属聚合物例如甲基铝等。
示例性地，密封层110中的聚合物的熔点范围为100℃至200℃，优选为120℃至160℃，聚合物层包括：聚丙烯、聚乙烯、聚酯塑料、γ-邻苯二甲酰亚氨基-α-羟基丁酸、酸酐改性聚丙烯、乙烯及其共聚物、流延聚丙烯、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯及其衍生物中的至少一种。
本申请所述的隔板100，阻隔层120化学键合连接于密封层110的表面，以提高密封层110与阻隔层120之间的连接稳定性，使阻隔层120与密封层110不会轻易被剥离。并且阻隔层120直接连接于密封层110，无需再在密封层110和阻隔层120之间设置其他粘接结构，尽可能地减少了制得的隔板100的厚度，降低了非有效物质的比例，可提高电化学装置10的能量密度。在制得的隔板100较薄的情况下，同时还可使隔板100具有柔性，提高隔板100的抗弯折性能，例如，在隔板100与外包装700连接处附近的高频率弯折区域，具有柔性的隔板100不会轻易弯折破损。
在一些示例性的实施例中，阻隔层120采用原子层沉积(ALD)、分子层沉积(MLD)、化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、电沉积或3D打印中的至少一种方式化学键合连接于密封层110的表面。阻隔层120内的材料首次沉积于密封层110表面时，与密封层110内聚合物的官能团反应形成化学键，使密封层110和阻隔层120朝向彼此的表面内的材料相互交联，可实现在密封层110和阻隔层120均处于较薄厚度的情况下，即可使制得的隔板100具有较高的致密性以阻隔离子。密封层110与阻隔层120之间化学键合连接可通过透射电子显微镜和能谱分析观察到。
将制得的隔板100放入水汽透过率测试仪，于38℃、90％RH湿度下检测隔板100的水汽透过率，示例性地，隔板100的第一水汽透过率M1满足：M1≤10-3g/(day·m2)。通过限制隔板100的第一水汽透过率M1，防止隔板100相邻两侧腔室电解液内的水分子互串导致的腔室内水含量超标。优选地，M1≤10-4g/(day·m2)。
进一步地，可进行模拟弯折实验，获得弯折隔板100，并将弯折隔板100放入水汽透过率测试仪，于38℃、90％RH湿度下检测弯折隔板100的第二水汽透过率M2，以进一步检测隔板100的透水性。示例性地，弯折隔板100的第二水汽透过率M2满足：M2≤10-1g/(day·m2)。本申请实施例的隔板100在同时满足第一水汽透过率M1和第二水汽透过率M2的情况下，具有良好的第离子绝缘性和密封性。
模拟弯折实验方法包括：将隔板100裁切成10cm*10cm的方块，沿对角线180度翻转对折，覆盖对角线处施加300N的外力按压弯折后的隔板100，移除外力并展平隔板100，即获得弯折隔板100；或者，将隔板100裁切成10cm*10cm的方块，采用工具施加300N的作用力于隔板100表面，并划出三条划纹，各划纹的宽度为1mm、长度为10cm，以获得弯折隔板100。
在一些示例性的实施例中，密封层110的厚度为H，阻隔层120的厚度为h，且H>h，使密封层110具有足够的厚度为阻隔层120提供支撑，并使制得的隔板100具有柔性，不易弯折破损。进一步地，H和h两个参数满足条件式(2)：0＜h/H≤0.1，更进一步地，H和h两个参数满足条件式(3)：0.001≤h/H≤0.01，控制密封层110的厚度和阻隔层120的厚度处于合适的范围内，使阻隔层120不至于过厚，而导致制得的隔板100整体较硬抗弯折能力弱；也不至于使阻隔层120的厚度过薄难以满足离子阻隔要求。
示例性的，H的范围为10μm至300μm(且包括10μm和300μm)，进一步地，H的范围为30μm至100μm。示例性的，h的范围为5nm至2000nm(且包括5nm和2000nm)，进一步地，h的范围为50nm至200nm。隔板100的厚度为M，示例性的，L的范围为14μm至304μm(且包括14μm和304μm)，进一步地，M的范围为34μm至104μm。
在一些示例性的实施例中，密封层110内还可包含离子阻隔片110a，离子阻隔片110a也具有离子绝缘性。在制备密封层110时，可将聚合物与离子阻隔片110a混匀后一起制得密封层110。需要说明的是，离子阻隔片110a是将离子阻隔材料破碎后获得的颗粒较小的片状结构，以便于离子阻隔片110a能够与聚合物混合均匀后制得密封层110。离子阻隔片包括片状石墨烯、水滑石纳米片、勃姆石片中的至少一种。
为使阻隔层120能够更加致密地形成在密封层110上，以提高离子绝缘性，密封层110用于连接阻隔层120的表面越光滑越好。示例性地，如图6所示，密封层110包括密封层111、连接于密封层111的流平层112，密封层111用于连接于外包装700，也即密封层111包括能够热封连接于外包装700的聚合物。流平层112连接于阻隔层120，流平层112用于连接阻隔层120的表面具有低粗糙度，流平层112包括聚醚改性二甲基聚硅氧烷共聚物，流平层112化学键合连接于流平层112。在隔板100的厚度方向，流平层112的投影全部覆盖阻隔层120的投影。当密封层110内具有离子阻隔片110a时，离子阻隔片110a分部于密封层111的聚合物内。
示例性地，可采用喷涂、刮涂、沉积等方式将流平层112设于密封层111表面。流平层112可包括环氧树脂、聚丙烯树脂、聚丙烯酸酯等聚合物材料中的一种或多种。流平层112厚度范围为3nm至10μm。
如图7所示，隔板100还可包括位于外层的加强层130，加强层130连接阻隔层120和/或密封层110的表面，以进一步地调节制得的隔板100的结构强度和离子绝缘性。示例性地，可采用喷涂、刮涂、沉积等方式将加强层113设于阻隔层120表面。加强层113可包括(光/热等)固化类聚合物层、玻璃纤维层、碳材料层、弹性聚合物层、氧化物层中的一种或多种。加强层113的厚度为2μm至100μm。
加强层130的数量可为一层或两层，当加强层130的数量为两层时，在隔板100厚度方向，两层加强层130相对设置，将密封层110和阻隔层120夹设于两层阻隔层120之间。
如图8和图9所示，本申请实施例还提供了一种电化学装置10，包括外包装700、电解液、多个电极组件200以及如上所述的隔板100。请再参图3，隔板100设于外包装700内，隔板100密封层110的中间部分101用于容置于外包装700的内部空间，隔板100密封层110的边缘部分102用于与外包装700密封连接，以将外包装700的内部空间分隔出多个独立的第一腔室700a，各第一腔室700a中具有一个电极组件200和电解液，形成独立的电化学单元。
如图10所示，外包装700包括外部结构层710和连接层720，外部结构层710可由铝塑膜等包装材料制得，外部结构层710用于限定出外包装700的内部空间，连接层720设于外部结构层710的内表面，且连接层720用于与隔板100连接，例如连接层720与隔板100热熔连接。进一步地，连接层720的材质与密封层110的材质相同，提高外包装700与隔板100的连接强度。可设置连接层720全部覆盖外部结构层710，也可设置连接层720对应密封层110的边缘部分102局部覆盖外部结构层710。
电极组件包括正极片310、负极片320和隔膜400，隔膜400设于正极片310和负极片320之间，以阻隔正极片310和负极片320，防止正极片310和负极片320相接触而短接。正极片310包括正集流体311和正极活性材料312，正极活性材料312设于正集流体311表面，负极片320包括负集流体321和负极活性材料322，负极活性材料322设于负集流体321表面，正极片310和负极片320可与隔膜400间隔设置或与隔膜400贴合。电解液与正极片310、负极片320均相接触，且电解液渗透至隔膜400内。各电极组件可引出一个正极耳510和一个负极耳520，正极耳510与正集流体311电连接，负极耳520与负集流体321电连接。
示例性地，相邻两个电极组件200中，第一电极组件210的正极耳510与第二电极组件220的负极耳520串联在一起，第一电极组件210的负极耳520和第二电极组件220的正极耳510为输出极耳，输出电压为两个电化学单元输出电压之和。电极组件200的正极耳510和负极耳520可以通过直接焊接或者导线焊接的方式，在外包装700内部或者外部实现串联。
电极组件200的正极片310、负极片320和隔膜400可呈绕卷式结构或叠片式结构，各第一腔体700a内，电极组件200的结构可相同或不同。位于隔膜400相对两侧的两个电化学单元可对称或不对称。电化学装置10的外包装700可由硬质或具有柔性的材质制得，正极片310、负极片320和隔膜400可粘接固定于外包装700内。
本申请的正极片310没有特别限制，正集流体311可以为本领域公知的任何正集流体311，如铝箔、铝合金箔或复合集流体等，正极活性材料312可以为现有技术的任何正极活性材料312，正极活性材料312包括NCM811、NCM622、NCM523、NCM111、NCA、磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂、磷酸锰铁锂或钛酸锂中的至少一种。
本申请的负极片320也没有特别限制，负集流体321可以为本领域公知的任何负集流体321，如铜箔、铝箔、铝合金箔或复合集流体等，负极活性材料322可以为现有技术的任何负极活性材料322，负极活性材料322包括石墨、硬碳、软碳、硅、硅碳或硅氧化物等中的至少一种。
本申请的电解液也没有特别限制，可以使用本领域公知的任何电解液，电解液可以是凝胶态、固态和液态中的任一种。当电解液为液态电解液时，液态电解液包括锂盐和非水溶剂。锂盐没有特别限制，可以使用本领域公知的任何锂盐，只要能实现本申请的目的即可，例如，锂盐可以包括LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiClO4、LiB(C6H5)4、LiCH3SO3、LiCF3SO3、LiN(SO2CF3)2、LiC(SO2CF3)3或LiPO2F2等中的至少一种。非水溶剂没有特别限定，只要能实现本申请的目的即可，例如，非水溶剂可以包括碳酸酯化合物、羧酸酯化合物、醚化合物、腈化合物或其它有机溶剂等中的至少一种，碳酸酯化合物可以包括碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二丙酯(DPC)、碳酸甲丙酯(MPC)、碳酸乙丙酯(EPC)、碳酸甲乙酯(MEC)、碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚丁酯(BC)、碳酸乙烯基亚乙酯(VEC)、碳酸氟代亚乙酯(FEC)、碳酸1,2-二氟亚乙酯、碳酸1,1-二氟亚乙酯、碳酸1,1,2-三氟亚乙酯、碳酸1,1,2,2-四氟亚乙酯、碳酸1-氟-2-甲基亚乙酯、碳酸1-氟-1-甲基亚乙酯、碳酸1,2-二氟-1-甲基亚乙酯、碳酸1,1,2-三氟-2-甲基亚乙酯或碳酸三氟甲基亚乙酯等中的至少一种。
本申请的隔膜400没有特别限制，例如，隔膜400可包括由对本申请的电解液稳定的材料制得。隔膜400应当具有离子传导性，使离子从隔膜400穿过在正极片310和负极片320之间活动，同时，隔膜400还应当具有电子绝缘性，以阻隔正极片310和负极片320相接触，防止正极片310和负极片320短接。
本申请实施例还提供了本申请实施例提供了一种用电设备，包括如上的电化学装置10，例如，用电设备可包括汽车等。
以下将以电化学装置10为锂离子电池为例，结合具体实施例对本申请作进一步详细的说明。
实施例1
电极组件200制备：将正极片310、负极片320和隔膜400卷绕或者叠片设置，并设置正极耳510与正极片310的正集流体311电连接，负极耳520与负极片320的负集流体321电连接，以制得电极组件200，并制备两个电极组件200(其中一个为第一电极组件210、另一个为第二电极组件220)，两个电极组件200在长度反向、宽度方向、厚度方向尺寸均相同。正极耳510由铝制得，负极耳520由镍制得，正极耳510和负极耳520朝向同侧设置。
隔板100制备：提供具有热熔封装功能、厚度为10μm的PP薄膜作为密封层110，以三甲基铝和H2O作为反映前驱体沉积于密封层110相对的两表面，其中，三甲基铝与PP表面的官能团发生反应，使三甲基铝能够沉积在PP表面，水进一步与沉积在PP表面的三甲基铝反应，-OH取代三甲基，如此循环反应，生成Al2O3，从而形成阻隔层120。在密封层110表面生成的各阻隔层120厚度为0.05μm。其中，隔板100总厚度为10.05μm，阻隔层120厚度与密封层110厚度比为0.005。在厚度方向，阻隔层120的投影与密封层110的投影重叠，也即，S1＝S2。
电化学装置10组装：提供两个外包装700，外包装700由厚度为150μm的铝塑膜冲压形成具有凹坑的结构。将第一电极组件210置于其中一个外包装700的凹坑内，隔板100覆盖第一电极组件210，且使隔板100的密封层110的边缘部分102与外包装700连接，并施加压力将隔板100与外包装700初步压制成型，获得半成品。再将第二电极组件220置于半成品的隔板100上，将另一个外包装700凹坑朝下覆盖第二电极组件220，使隔板100密封层110的边缘部分102置于两个外包装700之间，对应密封层110的边缘部分102施加压力作用于两个外包装700，将密封层110的边缘部分102在150℃热压至密封连接于两个外包装700。隔板100将两个外包装700内部的空间分隔为两个独立的第一腔室700a。两个电极组件的正极耳510和负极耳520均伸出外包装700，获得预成型产品。
注液封装：通过各外包装700上的开口向各第一腔室700a内分别独注入电解液，待注液结束后，封装外包装700的开口。
串接：将其中一个电极组件的正极耳510与另一个电极组件的负极耳520贴合且焊接固定，以将两个电极组件串接，获得具有两个电化学单元的电化学装置10。连接电化学装置10内未焊接的正极耳510和负极耳520，可对电化学装置10充放电。连接焊接在一起的两个极耳，可监测电化学装置10内的电压。
实施例2
与实施例1的区别在于：PP薄膜的厚度为30μm。阻隔层120厚度与密封层110厚度比为0.0017。
实施例3
与实施例1的区别在于：PP薄膜的厚度为80μm。阻隔层120厚度与密封层110厚度比为0.0006。
实施例4
与实施例1的区别在于：PP薄膜的厚度为100μm。阻隔层120厚度与密封层110厚度比为0.0005。
实施例5
与实施例1的区别在于：PP薄膜的厚度为300μm。阻隔层120厚度与密封层110厚度比为0.0002。
实施例6
与实施例3的区别在于：阻隔层120的厚度为0.005μm。阻隔层120厚度与密封层110厚度比为0.0001。
实施例7
与实施例3的区别在于：阻隔层120的厚度为0.1μm。阻隔层120厚度与密封层110厚度比为0.0013。
实施例8
与实施例3的区别在于：阻隔层120的厚度为0.2μm。阻隔层120厚度与密封层110厚度比为0.0025。
实施例9
与实施例1的区别在于：PP薄膜的厚度为76μm，阻隔层120的厚度为2μm。阻隔层120厚度与密封层110厚度比为0.0263。
实施例10
与实施例1的区别在于：PP薄膜的厚度为80μm，阻隔层120的厚度为0.1μm，密封层110的中间部分101的面积S、阻隔层120的面积S1、密封层110的面积S2三个参数满足条件式：S＜S1＝S2。阻隔层120厚度与密封层110厚度比为0.0013。
实施例11
与实施例10的区别在于：密封层110的中间部分101的面积S、阻隔层120的面积S1、密封层110的面积S2三个参数满足条件式：S＜S1＜S2。
实施例12
与实施例10的区别在于：密封层110的中间部分101的面积S、阻隔层120的面积S1、两个参数满足条件式：S＝S1。
实施例13
与实施例1的区别在于：由厚度为80μm的PE薄膜作为密封层111，阻隔层120的厚度为0.1μm，以及将密封层110的边缘部分102120℃热压至密封连接于两个外包装700。阻隔层120厚度与密封层110厚度比为0.0013。
实施例14
与实施例13的区别在于：由厚度为80μm的聚苯乙烯薄膜作为密封层111，以及将密封层110的边缘部分102240℃热压至密封连接于两个外包装700。
实施例15
与实施例1的区别在于：由厚度为80μm的PP薄膜作为密封层111，在密封层110表面沉积厚度为0.1μm的Al，以形成阻隔层120，以及将密封层110的边缘部分102150℃热压至密封连接于两个外包装700。阻隔层120厚度与密封层110厚度比为0.0013。
实施例16
与实施例15的区别在于：在密封层110厚度方向，先在密封层110表面分子沉积一层Al2O3后，再在Al2O3表面沉积聚酰亚胺，以在密封层110表面形成阻隔层120。由Al2O3和聚酰亚胺形成的阻隔层120的厚度为0.1μm。
实施例17
与实施例7的区别在于：在密封层110厚度方向，先将环氧树脂喷涂于密封层110相对的两表面，以在密封层110相对的两个表面分别生成流平层112，流平层112的厚度为10nm。再在各流平层112表面分别沉积一层阻隔层120。
实施例18
与实施例7的区别在于：在密封层110厚度方向，在各阻隔层120表面分别喷涂一层聚氨酯丙烯酸酯，以在阻隔层120表面形成加强层130，加强层130的厚度为10μm。
实施例19
与实施例13的区别在于：在制备PP薄膜的原料内混入勃姆石片，以制得厚度为80μm的密封层110，以及将密封层110的边缘部分102于150℃热压至密封连接于两个外包装700。
实施例20
与实施例13的区别在于：在密封层110单侧设置阻隔层120。
实施例21
与实施例13的区别在于：提供三个电极组件、两层隔板100，将电极组件和隔板100交替置于两个外包装700之间，各隔板100密封层110的边缘部分102均置于两个外包装700之间，并将各密封层110的边缘部分102150℃热压至密封连接于两个外包装700。
对比例1
与实施例1的区别在于：将热熔状态的PP材料均匀分散到分散剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，得到悬浊液，利用涂胶机，将悬浊液涂布至Al薄膜相对的两表面，150℃烘干悬浊液内的分散剂NMP，获得连接于Al薄膜表面的封装层，即完成了隔板100的制备，封装层用于与外包装700热熔连接，Al薄膜具有离子绝缘性。本对比例将两层封装层连接于Al薄膜相对的两个表面，隔板100总厚度为120μm，两层封装层总厚度为80μm，Al薄膜厚度为40μm，Al薄膜厚度与两层封装层总厚度比为0.5，此时封装层面积S2＝阻隔层面积S1。
对比例2
与实施例1的区别在于：单独以PP薄膜作为隔板100，隔板100总厚度为80μm。其中，PP薄膜具有离子绝缘性，同时与外包装700于150℃热熔连接。
对比例3
与实施例1的区别在于：单独以Al作为隔板100，隔板100总厚度为80μm，Al隔板100具有离子绝缘性，且Al隔板100直接与外包装700采用封装胶连接。
对比例4
与实施例1的区别在于：PP薄膜的厚度为80μm，阻隔层120的厚度为0.05μm，阻隔层120厚度与密封层110厚度比为0.0006。将隔板100沿其对角线折叠后，再将隔板100密封层110的边缘部分102与外包装700热轧连接。
使用下述方法对各实施例和对比例中的用于电化学装置10的隔板100、电化学装置10进行测试：
封印强度测试：从电化学装置10取下外包装700与隔板100热熔连接的部分，并裁剪为宽度为8mm的试条，保证此试条两侧的外包装700完好无损，得到待检样。使用高铁拉力机，以180°角将待检样两侧的外包装700撕开，使得两层外包装700相互分离。记录上述两层外包装700分离时的稳定拉力，并以此为基础计算得到封装强度。
50cls容量保持率：内部串联电极组件个数为n，将电化学装置10在25℃环境下，以2C的充电速率从3.0*nV充电至4.45*nV，再以0.2C的放电速率放电至3.0*n V，确定此次的放电容量为首次放电容量，重复上述充放电循环50次，测定第50次放电的放电容量，50cls容量保持率＝第50次放电容量/首次放电容量。
能量密度测试：内部串联电极组件个数为n，将电化学装置10在25℃下静置30分钟，以0.05C充电速率恒流充电至电压4.45*nV，随后再以0.05C倍率将电化学装置10放电至3.00*nV，重复上述充/放电步骤3个循环以完成待测的电化学装置10的化成。完成电化学装置10的化成后，以0.1C充电速率恒流充电至电压至4.45*nV，随后以0.1C放电倍率将电化学装置10放电至3.00*nV，记录其放电容量，随后计算其0.1C放电时的能量密度：能量密度(Wh/L)＝放电容量(Wh)/电化学装置10体积尺寸(L)。
跌落测试：将电化学装置10的6面4角分别从高度1.5m处跌落，6面4角各一次为一轮，共五轮，即50次，视无发热、无漏液、无鼓胀、无着火电芯为通过电芯，其他属未通过电芯，从而确定通过电芯的比例。
上述各实施例和对比例的参数设置请见表1，测试结果请见表2。
表1
Figure BDA0004016681670000201
表2
Figure BDA0004016681670000211
由表1可知，相较于对比例1至3，本申请实施例1-21(除实施例5外)的电化学装置能量密度增大，可以看出应用本申请实施例的隔板制得的电化学装置，相较于应用中间层为阻隔层两侧为封装层的隔板、单独采用聚合物的隔板、以及单独采用阻隔层的隔板，制得的电化学装置，本申请实施例制得的电化学装置所用的隔板厚度更薄，极大减少电芯内部非活性物质占比，且隔板阻隔性能和粘接性能更好，导致容量发挥更高，从而实现高能量密度的技术效果。
相较于对比例1至4，本申请实施例1-21(除实施例1、2和6外)的电化学装置50次循环后的放电容量与首次放电容量的比值基本不发生变化，说明本申请实施例具有高的电解液阻隔性能，保证两个电化学腔体的有效分隔，同时，该方案的隔板与包装袋边缘具有良好的封装，可以有效防止外部水氧的入侵，从而具有良好的循环性。
通过实施例3至21和对比例3可以看出，本申请的电化学装置跌落破损比例明显降低，说明本申请制备的隔板具有良好的柔韧性，在外部作用下，不易发生断裂而造成短路，应用于电化学装置中可以很好的抗跌落损坏。
通过实施例3至21和对比例3可以看出，本申请的电化学装置的外包装与隔板的封印强度明显提升，说明本申请制备的隔板的封装方法可靠，应用于电化学装置中可起很好的封装效果。
本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本申请的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，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的具体含义。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于电化学装置的隔板，其特征在于，包括：
密封层，包括中间部分、围设并连接于所述中间部分外围的边缘部分，所述中间部分容置于电化学装置的外包装的内部空间，所述边缘部分用于与所述外包装密封连接。
2.根据权利要求1所述的用于电化学装置的隔板，其特征在于，所述密封层包括热塑性聚合物，所述热塑性聚合物的熔点范围为100℃至200℃；
所述热塑性聚合物包括：聚丙烯、聚乙烯、聚酯塑料、γ-邻苯二甲酰亚氨基-α-羟基丁酸、酸酐改性聚丙烯、乙烯及其共聚物、流延聚丙烯、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯及其衍生物中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的用于电化学装置的隔板，其特征在于，所述隔板还包括阻隔层，各所述阻隔层具有离子绝缘性，所述阻隔层设置于所述密封层的至少一侧；
在所述密封层与所述阻隔层的层叠的厚度方向上，所述阻隔层的投影至少覆盖所述中间部分的投影。
4.根据权利要求3所述的用于电化学装置的隔板，其特征在于：
在垂直于所述密封层与所述阻隔层层叠方向的平面内，所述中间部分的面积为S，所述阻隔层的面积为S1，所述密封层的面积为S2，所述隔板满足S＜S1≤S2或S≤S1＜S2；和/或，
所述密封层的所述中间部分的长度为a、宽度为b，所述阻隔层的长度为a1、宽度为b1，所述密封层的长度为a2、宽度为b2，所述隔板满足：a＜a1≤a2、b＜b1≤b2，或a≤a1＜a2、b≤b1＜b2。
5.根据权利要求3所述的用于电化学装置的隔板，其特征在于，所述阻隔层采用原子层沉积、分子层沉积、化学气相沉积、物理气相沉积、电沉积或3D打印中的至少一种方式化学键合连接于所述密封层的表面。
6.根据权利要求3所述的用于电化学装置的隔板，其特征在于，所述阻隔层包括氧化物层、氮化物层、金属层、有机聚合物中的至少一种；
所述氧化物层包括氧化铝层、氧化锌层、氧化锆层、氧化硅层、硅铝氧化物层中的至少一种；
所述氮化物层包括氮化铝层、氮化锌层、氮化锆层、氮化硅层、硅铝氮化物层中的至少一种；
金属层包括：Si、Zn、Al、Zr、Ti、V、Mg、Ni、Pr、Ce、Mn、Ta、In、Zn、Ga、Sn、Cd、Pb、Ni、Ti、Cu、Ag、Au、Pt、Fe、Co、Cr、W中的至少一种金属材料或合金材料；
有机聚合物包括：偏氯乙烯-丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、乙烯一乙烯醇的无规共聚物、树脂、聚丙烯腈、聚偏二氯乙烯、聚酰胺、聚酰亚胺-酰胺、聚氨酯、聚硫脲、聚乙二醇或有机金属聚合物中的至少一种。
7.根据权利要求3-6中任一项所述的用于电化学装置的隔板，其特征在于，所述隔板具有以下特征中的至少一个：
(a)所述隔板的第一水汽透过率M1满足M1≤10-3g/(day·m2)；
(b)所述密封层的厚度为H，H的范围为14μm至304μm；所述阻隔层的厚度为h，h的范围为5nm至2000nm；
(c)所述密封层包含离子阻隔片，所述离子阻隔片包括片状石墨烯、水滑石纳米片、勃姆石片中的至少一种；
(d)所述密封层还包括流平层，所述流平层连接于所述阻隔层，所述流平层相对于所述阻隔层的表面具有低粗糙度，所述流平层包括环氧树脂、聚丙烯树脂、聚丙烯酸酯等聚合物材料中的一种或多种；
(e)所述隔板还包括位于所述密封层或阻隔层表面的加强层，所述加强层设置于所述阻隔层和/或所述密封层的表面，所述加强层包括聚合物层、玻璃纤维层、碳材料层、弹性聚合物层、氧化物层的至少一种。
8.一种电化学装置，其特征在于，包括：
如上述权利要求1-7中任一项所述的隔板；
外包装，所述隔板设于所述外包装内，且所述隔板连接于所述外包装，以将所述外包装的内部空间分隔出多个第一腔室；
电解液，设于各所述第一腔室；及
多个电极组件，对应设于各所述第一腔室与所述电解液相接触。
9.根据权利要求8所述的电化学装置，其特征在于，所述外包装包括连接层，所述连接层与所述隔板的边缘部分相连接，所述连接层包括聚合物；
所述聚合物包括：聚丙烯、聚乙烯、聚酯塑料、γ-邻苯二甲酰亚氨基-α-羟基丁酸、酸酐改性聚丙烯、乙烯及其共聚物、流延聚丙烯、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯及其衍生物中的至少一种。
10.一种用电设备，其特征在于，包括：
如上述权利要求8或9中所述的电化学装置。
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