CN116053564A

CN116053564A - 一种二次电池、电池组、用电装置及二次电池的制备方法

Info

Publication number: CN116053564A
Application number: CN202211412811.3A
Authority: CN
Inventors: 任涛; 刘宏勇; 黄亮; 覃律健; 于哲勋
Original assignee: Jiangsu Zenio New Energy Battery Technologies Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Zenio New Energy Battery Technologies Co Ltd
Priority date: 2022-11-11
Filing date: 2022-11-11
Publication date: 2023-05-02

Abstract

本发明属于电池的技术领域，具体涉及一种二次电池，包括壳体和容置于壳体的电芯，电芯的中心线与壳体的中心线同轴，电芯的大面到壳体内部的大面的垂直距离为A，0.2mm≤A≤3mm，壳体的外壁设置有软框，软框的厚度为B，0<B≤5mm，电芯具有负极片，负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且含有负极活性物质的负极膜片，负极活性物质的D50为5um～15um，负极活性物质的比表面积为S，其每单位面积的重量为C，上述的A、B、C、D50、S满足以下的关系式：0.16<(C×D50)⁰ _. ⁵/[(A+B)×S]<1.91。本发明能够显著改善电池的快充存储性能，保障了电池的安全快充以及提高了电池的容量保持率。此外，本发明还提供了一种电池组、一种用电装置以及一种二次电池的制备方法。

Description

一种二次电池、电池组、用电装置及二次电池的制备方法

技术领域

本发明属于电池的技术领域，具体涉及一种二次电池、电池组、用电装置及二次电池的制备方法。

背景技术

锂离子电池具有质轻、高容、长寿命、自放电率低、无记忆效应、无污染等优点，随着现代社会的发展、人们环保意识的增强及新能源行业的日益发展，越来越多的设备选择以锂离子电池作为电源，如手机、笔记本电脑、电动工具和电动汽车等，这为锂离子电池的应用与发展提供了广阔的空间。

同时，由于电动汽车对快速充电和使用寿命要求也越来越高，相应地，配置更高的电动汽车则需要提高动力电池的快速充电性能和存储寿命。现有技术中，为了使电池快充而在极片的单位面积的集流体上涂布更薄的活性物质，这样容易使得电池在高温存储过程中副产物明显增大，电池将会出现产气严重的现象，使得电池的存储可逆容量衰减严重。为此，亟需提出一种新型的技术方案以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的之一在于：针对现有技术的不足，提供一种二次电池，其能够显著改善电池的快充存储性能，不仅保障了电池的安全快充，还提高了电池的容量保持率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种二次电池，包括：

壳体；

电芯，容置于所述壳体，所述电芯的中心线与所述壳体的中心线同轴，所述电芯的大面到所述壳体的内部的大面的垂直距离为A，0.2mm≤A≤3mm；

软框，设置于所述壳体的外壁，所述软框的厚度为B，0<B≤5mm；

所述电芯具有负极片，所述负极片包括负极集流体以及设置在所述负极集流体至少一个表面上的负极膜片，所述负极膜片含有负极活性物质；

所述负极活性物质的D50为5um～15um，所述负极活性物质的比表面积为S，所述负极活性物质的每单位面积的重量为C；

所述A、所述B、所述C、所述D50以及所述S满足以下的关系式：0.16<(C×D50)^0.5/[(A+B)×S]<1.91。

优选的，所述负极活性物质的D50为6um～13um，所述D50表示所述负极活性物质的中值粒径。

优选的，所述负极活性物质的比表面积S满足关系式：1.2m²/g<S<2.2m²/g，更优选为1.2m²/g<S<1.8m²/g。

优选的，所述负极活性物质的每单位面积的重量C满足关系式：0.0039g/cm²<C<0.0078g/cm²，更优选为0.0055g/cm²<C<0.0078g/cm²。

优选的，所述A的取值范围为0.5mm～2mm，所述B的取值范围为0.5mm～2mm。

优选的，所述A、所述B、所述C、所述D50以及所述S满足以下的关系式：0.4<(C×D50)^0.5/[(A+B)×S]<1.02。

优选的，所述壳体的密度不小于2.7g/cm³，所述壳体可以为铝壳，所述软框的密度为1.01g/cm³～1.2g/cm³，所述二次电池在60℃存储100天的容量保持率不小于89.2％。

本发明的目的之二在于：提供一种电池组，包括两个以上的电性连接的如上所述的二次电池，各个所述二次电池的电芯相叠置并通过软框相隔开。

本发明的目的之三在于：提供一种用电装置，包括如上所述的二次电池。

本发明的目的之四在于：提供一种电池的制备方法，包括以下步骤：

选取D50为5um～15um的负极活性物质，在负极集流体的至少一个表面上涂覆含有负极活性物质的负极膜片，形成负极片，在负极片的负极膜片中，负极活性物质的比表面积为S，负极活性物质的每单位面积的重量为C，将正极片、隔膜和负极片制成电芯，预设电芯的大面到壳体的内部的大面的垂直距离A为0.2mm～3mm，选取厚度B不大于5mm的软框，使A、B、C、D50以及S满足关系式：0.16<(C×D50)^0.5/[(A+B)×S]<1.91；

将电芯容置于壳体，确保电芯的大面到壳体的内部的大面的垂直距离A为0.2mm～3mm；

将软框安装在壳体的外壁。

本发明的有益效果在于，本发明的二次电池包括壳体和容置于壳体的电芯，电芯的大面到壳体内部的大面的垂直距离为A，0.2mm≤A≤3mm，壳体的外壁设置有软框，软框的厚度为B，0<B≤5mm，电芯具有负极片，负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且含有负极活性物质的负极膜片，负极活性物质的D50为5um～15um，D50表示负极活性物质的中值粒径，负极活性物质的比表面积为S，负极活性物质的每单位面积的重量为C，上述的A、B、C、D50以及S满足以下的关系式：0.16<(C×D50)^0.5/[(A+B)×S]<1.91，与现有技术相比，本方案调整了电芯的大面到壳体内部的大面的垂直距离、通过软框调整了电池的外部缝隙，软框放置在壳体边缘位置，其在壳体边缘垫厚，能够给壳体内部的电芯足够的膨胀空间，从而可显著改善电池的快充存储性能，并且，快充电芯的负极活性物质的粒径较小，上述的A、B、C、D50以及S满足关系式：0.16<(C×D50)^0.5/[(A+B)×S]<1.91，使得电芯厚度方向上不需要太多可膨胀的空间，从而能够改善存储情况，保障了电池的安全快充以及提高了电池的容量保持率。

附图说明

下面将参考附图来描述本发明示例性实施方式的特征、优点和技术效果。

图1为本发明中实施例1的二次电池的结构示意图之一。

图2为本发明中实施例1的二次电池的结构示意图之二。

图3为本发明中实施例1的软框的结构示意图。

图4为本发明中实施例15的电池组的结构示意图。

其中，附图标记说明如下：

1、壳体；2、电芯；3、软框；A、电芯的大面到壳体内部的大面的垂直距离；B、软框的厚度。

具体实施方式

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决技术问题，基本达到技术效果。

在发明中，除非另有明确的规定和限定，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，或一体地连接；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。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。

随着电动汽车在全球范围内的普及，电动汽车对快速充电和使用寿命的要求也变得越来越高，从而相应需要提高动力电池的快速充电性能和存储寿命。其中，现有的快充电池的极片的单位面积的集流体上涂布的活性物质层的面密度较低，使得相应的极片上的活性物质层的厚度低。并且，在锂离子电池中，电芯极片上的活性物质层的厚度反映的是锂离子在极片中的嵌入和脱出路径的长短。例如：极片设计得薄，锂离子在正极和负极活性物质间的脱出的路径会降低，其表现为电阻阻抗和离子阻抗降低，进而提高快速充电性能。然而，发明人发现，当电池极片的单位面积的集流体上涂布活性物质层的面密度较低时，则电芯在高温存储过程中其所得的副产物明显增大，表象为产气严重，使得电池的存储可逆容量衰减严重。再者，电芯装配到模组过程中，模组的电芯与电芯之间有缝隙即形成gap，gap的目的是给予电池循环过程中一定的膨胀空间，然而，发明人发现，对于快充型电池，其极片薄，当极片的活性物质材料具有较大的比表面积时，若电芯与电芯之间的gap越大，即极片和极片之间的接触不够紧密，则容易导致电池的副产物增多，产生的副产物会进一步加快副产物产生，进而直接降低快充电池的寿命。

因此，本发明为了有效解决快充电芯对gap比较敏感，gap稍微偏大则电池的高温存储产气严重、且其可逆容量衰减严重、影响电池的寿命的问题，对电池的结构进行相应的优化。

实施例1

一种二次电池，参见图1～2，包括：

壳体1；

电芯2，电芯2容置于壳体1的内部，且电芯2的中心线与壳体1的中心线同轴，电芯2的大面到壳体1的内部的大面的垂直距离为A，0.2mm≤A≤3mm，A可以用于表示电芯内部gap的大小；

软框3，设置于壳体1的外壁，软框3的厚度为B，0<B≤5mm，B可以用于表示电芯外部gap的大小；

其中，电芯2具有负极片，负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片，负极膜片含有负极活性物质，并且，负极活性物质的D50为5um～15um，负极活性物质的比表面积为S，负极活性物质的每单位面积的重量为C，在二次电池中，A、B、C、D50以及S满足以下的关系式：0.16<(C×D50)^0.5/[(A+B)×S]<1.91。

发明人发现，电芯内部gap(电芯2的大面到壳体1的内部的大面的垂直距离)和电芯外部gap对快充电池的高温存储和可逆容量影响显著，通过调整电芯内部gap和外部gap的大小及其与上述的C、D50、S的关系，使A、B、C、D50以及S满足关系式：0.16<(C×D50)^0.5/[(A+B)×S]<1.91，可显著改善电池的快充存储性能。

优选的，负极活性物质的D50为6um～13um，D50表示负极活性物质的中值粒径。

优选的，负极活性物质的比表面积S满足关系式：1.2m²/g<S<2.2m²/g，更优选为1.2m²/g<S<1.8m²/g。

优选的，负极活性物质的每单位面积的重量C满足关系式：0.0039g/cm²<C<0.0078g/cm²，更优选为0.0055g/cm²<C<0.0078g/cm²。

优选的，A的取值范围为0.5mm～2mm，B的取值范围为0.5mm～2mm。

优选的，在二次电池中，A、B、C、D50以及S满足以下的关系式：0.4<(C×D50)^0.5/[(A+B)×S]<1.02。

优选的，壳体1的密度不小于2.7g/cm³，壳体1可以为铝壳，软框3的密度为1.01g/cm³～1.2g/cm³，参见图3，软框3可以为回型的硅胶软框，并且，二次电池在60℃存储100天的容量保持率不小于89.2％。

优选的，在二次电池中，电芯2为卷芯，当外部gap为放置在电芯2的大面边缘处的回型硅胶软框时，软框3能够给电芯2的大面制造一定的间隙，给予循环和存储过程中的电芯膨胀用。并且，软框3的放置和宽度标准以壳体1受压后，软框3不会挤压到内部卷芯为准。外部gap的大小通过控制软框3的厚度来实现控制，其厚度尺寸可以通过游标卡尺来获得。

此外，负极活性物质的中值粒径，可以通过激光粒度测试仪器来获得，负极活性物质的比表面积S可以通过比表面积测试仪器来获得。

在二次电池中，负极活性物质的每单位面积的重量C即其面密度，可以通过1540.25mm²的圆孔冲压机器在负极片中得到该面积大小的极片，然后在电子天平上称得该极片的质量为m1 g，取该极片的空箔材集流体冲同样面积大小的箔材，在电子天平上称得其空箔材的质量为m2 g，则涂布的面密度C就是通过计算公式：C＝(m1-m2)g/1540.25mm²来获得。

具体地，上述的二次电池通过相应的电芯测试方法进行性能测试，将容置有电芯2的壳体1的外部加软框3后带夹具，夹具的夹力控制在200kg以内，其中，Rest表示静置，DC表示恒流放电，CC表示恒流充电，CV表示恒压充电；

电芯2的容量C0测试方法如下：

1)1C DC to 2.8V或者2.0V(具体根据电芯体系设计电压下限定)；

2)静置60min；

3)1C CC CV to 4.2V或者4.4V(具体根据电芯体系设计电压上限定)；

4)1C DC to 2.8V或者2.0V(得到初始容量C0)。

并且，60℃存储测试流程如下：

Step 1，存储前室温下的RT 1C/1C容量测试：

1)Rest 5min，室温为(25±2)℃；

2)1C DC to 2.8V；

3)Rest 60min；

4)1C CC to 4.35V and CV to I≤0.05C；

5)Rest 60min；

6)1C DC to 2.8V(记为实测容量C0)；

7)Rest 5min；

Step 2，存储前及过程中的100％SOC测试流程：

1)Rest 5min，室温为(25±2)℃；

2)1C0 CC to 4.35V and CV to I≤0.05C0；

3)放入60℃高温箱中存储；

Step 3，60℃存储后剩余容量及可逆容量测试流程：

电芯出炉后先冷却至室温；

1)Rest 5min，室温为(25±2)℃；

2)1C DC to 2.8V(记为剩余容量Cm)；

3)Rest 60min；

4)1C CC to 4.35V and CV to I≤0.05C；

5)Rest 60min；

6)1C DC to 2.8V(记为可逆容量Cn)；

7)Rest 60min；

8)1C CC to 4.35V and CV to I≤0.05C(满充100％SOC再次入炉存储)；

9)Rest 5min。

在本申请中，通过调整内部gap大小A和外部gap大小B，得到下表一的实施例1～实施例7。

表一为选取不同厚度的回型硅胶软框做60℃存储测试，其中每存储30天后在室温下测试剩余容量，然后再满充后进行60℃存储，对比内部和外部gap大小对存储性能的影响，实施例1～实施例7的负极选取NCM613体系：

表一

由表一可知，当负极活性物质的粒径D50越小，该材料的压实密度越低，充电后极片反弹越小，则电芯需要通过降低内部和外部gap来增大极片与极片之间的紧密度，缩短离子迁移路径，来提高快充性能和存储性能。

其中，外部gap为硅胶软框，主要是放置在铝壳边缘位置，在铝壳边缘垫厚，给铝壳中间的卷芯足够的膨胀空间，若电池的外部gap太大，极片与极片之间的束缚力太小，高温下电芯内部产气严重，电芯出现鼓胀，进一步降低极片与极片的束缚力，使得电池的存储性能急剧下降；若电池的外部gap太小，会导致极片膨胀后的束缚力过大，正极与负极之间的隔膜所吸收的电解液被挤出，电解液不足会降低离子的交换速度，进而降低快充速度。因此，需要保障软框3的厚度在0.5mm～2mm的范围。

并且，在二次电池中，内部gap为电芯热压入壳后，卷芯大面与铝壳大面的垂直距离，若其内部gap太小，电芯后期注液高温化成后卷芯大面会膨胀，铝壳与卷芯大面之间的束缚力太大，导致极片与极片之间压力过大，正极与负极之间的隔膜所吸收的电解液被挤出，电解液不足会降低离子的交换速度，进而降低快充速度；若其内部gap太大，会导致相同空间内容纳的活性物质不足，电池的容量和能量密度降低，其高温下外部对极片的束缚力不足会导致电芯严重产气，影响电池的存储性能。因此，需要保障电芯2的大面到壳体1的内部的大面的垂直距离为0.5mm～1mm。

在本申请中，在确保内部gap大小A和外部gap大小B不变的前提下，通过调整负极活性物质粒径、涂布面密度、负极活性物质比表面积，得到下表二的实施例8～实施例14。

其中，电池内部可以预留0.2mm、0.5mm、1mm、1.5mm的gap。

表二为用一定厚度的裸电芯，即在电池内部预留了0.5mm的gap制备成电池做60℃存储测试，其中每存储30天后在室温下测试剩余容量，然后再满充后进行60℃存储，对比负极活性物质粒径、涂布面密度、负极活性物质比表面积对存储性能的影响：

表二

由表二可知，通过调配快充性能的几个关键参数：负极活性物质的粒径、负极活性物质的比表面积、负极涂布活性物质的面密度与预留的卷芯外部膨胀空间参数，对电池的快充存储性能有很好的改善。

其中，从实施例9可知，负极粒径越小，负极活性物质的比表面积越大，则高温下颗粒与电解液接触后的副产物越多，会降低存储性能，但是粒径小，离子在负极活性物质颗粒内部扩散的路径会变短，有利于改善快充性能；并且，涂布面密度影响活性物质层的厚度，同一压实密度下，面密度越低，活性物层越薄，离子脱出和嵌入活性物质层的距离会缩短，有利于提高快充性能，但是涂布面密度低该电芯单位体积内的活性物质会降低，电芯的能量密度会降低，因此，需要保障负极活性物质的D50为7um～12um，负极活性物质的每单位面积的重量C满足关系式：0.0068g/cm²≤C≤0.0074g/cm²，二次电池中的A、B、C、D50以及S满足以下的关系式：0.16<(C×D50)^0.5/[(A+B)×S]<1.91。

同时，快充型电池负极有以下特点：粒径小，比表面积大，有利于离子嵌入和脱出，相反当比表面积大时也带来了更多的副产物，即电池在存储过程中的副产物会明显增大，从而严重影响电池存储寿命。所以，快充型电池需要通过建立负极粒径、比表面积、涂布面密度、内部gap和外部gap大小之间的关系来寻求电池最佳使用性能的发挥。

实施例15

一种电池组，参加图4，包括两个以上的实施例1～14的任一项的二次电池，各个二次电池之间电性连接，各个二次电池之间可以通过汇流件进行连接，各个二次电池的电芯2相叠置并通过软框3相隔开。

实施例16

一种用电装置，包括实施例1～14的任一项的二次电池，其中，该用电装置可以是车辆、手机、便携式装置、笔记本电脑、轮船、航天器、电动玩具和电动工具等。车辆可以是燃油汽车、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；航天器包括飞机、火箭、航天飞机和宇宙飞船等；电动玩具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；电动工具包括金属切削电动工具、研磨电动工具、装配电动工具和铁道用电动工具，例如，电钻、电动砂轮机、电动扳手、电动螺丝刀、电锤、冲击电钻、混凝土振动器和电刨等。本申请实施例对上述用电装置不做特殊限制。

实施例17

一种如实施例1～14的任一项的二次电池的制备方法，包括以下步骤：

选取D50为5um～15um的负极活性物质，在负极集流体的至少一个表面上涂覆含有负极活性物质的负极膜片，形成负极片，在负极片的负极膜片中，负极活性物质的比表面积为S，负极活性物质的每单位面积的重量为C，将正极片、隔膜和负极片制成电芯2，电芯2为卷芯，预设电芯2的大面到壳体1的内部的大面的垂直距离A为0.2mm～3mm，选取厚度B不大于5mm的软框3，使A、B、C、D50以及S满足关系式：0.16<(C×D50)^0.5/[(A+B)×S]<1.91；

将电芯2容置于壳体1，壳体1为铝壳，确保电芯2的大面到壳体1的内部的大面的垂直距离A为0.2mm～3mm；

将软框3安装在壳体1的外壁。

发明人发现，电芯内部gap(卷芯大面中心到铝壳大面的垂直距离)和电芯外部gap对快充电池的高温存储和可逆容量影响显著，通过调整电芯内部gap和外部gap可改善电池的快充存储性能，并且，快充电芯的负极粒径小，涂布面密度低，电芯厚度方向上不需要太多可膨胀的空间，从而能够改善电池的存储情况。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims

1.一种二次电池，其特征在于，包括：

壳体(1)；

电芯(2)，容置于所述壳体(1)，所述电芯(2)的中心线与所述壳体(1)的中心线同轴，所述电芯(2)的大面到所述壳体(1)的内部的大面的垂直距离为A，0.2mm≤A≤3mm；

软框(3)，设置于所述壳体(1)的外壁，所述软框(3)的厚度为B，0<B≤5mm；

所述电芯(2)具有负极片，所述负极片包括负极集流体以及设置在所述负极集流体至少一个表面上的负极膜片，所述负极膜片含有负极活性物质；

2.如权利要求1所述的一种二次电池，其特征在于：所述负极活性物质的D50为6um～13um。

3.如权利要求1所述的一种二次电池，其特征在于：所述负极活性物质的比表面积S满足关系式：1.2m²/g<S<2.2m²/g。

4.如权利要求1所述的一种二次电池，其特征在于：所述负极活性物质的每单位面积的重量C满足关系式：

0.0039g/cm²<C<0.0078g/cm²。

5.如权利要求1所述的一种二次电池，其特征在于：所述A的取值范围为0.5mm～2mm，所述B的取值范围为0.5mm～2mm。

6.如权利要求1～5所述的一种二次电池，其特征在于：所述A、所述B、所述C、所述D50以及所述S满足以下的关系式：0.4<(C×D50)^0.5/[(A+B)×S]<1.02。

7.如权利要求1～5任一项所述的一种二次电池，其特征在于：所述壳体(1)的密度不小于2.7g/cm³，所述软框(3)的密度为1.01g/cm³～1.2g/cm³，所述二次电池在60℃存储100天的容量保持率不小于89.2％。

8.一种电池组，其特征在于：包括两个以上的电性连接的如权利要求1～7任一项所述的二次电池，各个所述二次电池的电芯(2)相叠置并通过软框(3)相隔开。

9.一种用电装置，其特征在于：包括如权利要求1～7任意一项所述的二次电池。

10.一种如权利要求1～7任意一项所述的二次电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

选取D50为5um～15um的负极活性物质，在负极集流体的至少一个表面上涂覆含有负极活性物质的负极膜片，形成负极片，在负极片的负极膜片中，负极活性物质的比表面积为S，负极活性物质的每单位面积的重量为C，将正极片、隔膜和负极片制成电芯(2)，预设电芯(2)的大面到壳体(1)的内部的大面的垂直距离A为0.2mm～3mm，选取厚度B不大于5mm的软框(3)，使A、B、C、D50以及S满足关系式：0.16<(C×D50)^0.5/[(A+B)×S]<1.91；

将电芯(2)容置于壳体(1)，确保电芯(2)的大面到壳体(1)的内部的大面的垂直距离A为0.2mm～3mm；

将软框(3)安装在壳体(1)的外壁。