CN116072817A - 电化学装置及用电装置 - Google Patents

Abstract

一种电化学装置及用电装置。电化学装置包括电极组件和负极极耳。负极极片包括负极集流体和负极活性材料层。负极活性材料层包括在卷绕方向上依次连接的第二负极活性材料区、第一负极活性材料区和第二负极活性材料区。第一负极活性材料区设有第一开口。负极集流体包括从第一开口显露的第一区域，负极极耳连接于第一区域。正极极片包括正极集流体和正极活性材料层。正极活性材料层包括在卷绕方向上依次连接的第二正极活性材料区、第一正极活性材料区和第二正极活性材料区。第一正极活性材料区与第一负极活性材料区相对。第一负极活性材料的粒径小于第二负极活性材料的粒径，第一包覆层的厚度大于第二包覆层的厚度。本申请可降低析锂风险。

Description

电化学装置及用电装置

技术领域

本申请涉及储能技术领域，尤其涉及一种电化学装置以及具有所述电化学装置的用电装置。

背景技术

随着消费电子类的产品如笔记本电脑、手机、掌上游戏机、平板电脑、移动电源、电动汽车、电动工具和无人机等的普及，人们对电化学装置（例如，锂离子电池、钠离子电池）的要求越来越严格。

然而，电化学装置的安全性仍无法得到有效的保障。例如，当锂离子电池经过长期的充放电循环后，锂离子电池的电极极片，尤其是负极极片的表面上会析出锂而形成锂枝晶。锂枝晶会戳破负极极片和正极极片之间的隔离膜，导致负极极片和正极极片直接接触而发生电化学短路，从而降低电池的安全性和可靠性。

发明内容

鉴于以上不足之处，有必要提供一种有利于降低析锂风险、提高安全性和可靠性的电化学装置。

另，本申请还提供一种具有上述电化学装置的用电装置。

本申请第一方面提供一种电化学装置，包括电极组件和负极极耳。电极组件包括负极极片、正极极片和隔离膜，负极极片、隔离膜和正极极片依次层叠并卷绕以形成电极组件。负极极片包括层叠设置的负极集流体和负极活性材料层。负极活性材料层包括在电极组件的卷绕方向上依次连接的第二负极活性材料区、第一负极活性材料区和第二负极活性材料区。第一负极活性材料区设有第一开口。负极集流体包括第一区域，第一区域从第一开口显露出来，负极极耳连接于第一区域。正极极片包括层叠设置的正极集流体和正极活性材料层。正极活性材料层包括在卷绕方向上依次连接的第二正极活性材料区、第一正极活性材料区和第二正极活性材料区。第一正极活性材料区与第一负极活性材料区相对设置。第一负极活性材料区包括第一负极活性材料，第一负极活性材料的粒径Dv99小于30 μm。第二负极活性材料区包括第二负极活性材料，第二负极活性材料的粒径Dv99为30 μm至50 μm。第一正极活性材料区包括第一正极活性材料。第一正极活性材料包括第一正极活性颗粒和包覆第一正极活性颗粒至少部分表面的第一包覆层，第一包覆层的厚度为15 nm至60nm。第二正极活性材料区包括第二正极活性材料，第二正极活性材料包括第二正极活性颗粒和包覆第二正极活性颗粒至少部分表面的第二包覆层，第二包覆层的厚度小于15 nm且大于等于5 nm。

本申请设置第一负极活性材料的粒径小于第二负极活性材料的粒径，提高第一负极活性材料区的动力学性能，有利于提高第一负极活性材料区接收锂离子的能力。同时，本申请第一包覆层的厚度大于第二包覆层的厚度，有利于增大第一正极活性材料的阻抗，使得单位面积内第一正极活性材料脱出的锂离子较少，即降低第一正极活性材料区的动力学性能，降低析锂风险。通过提高第一负极活性材料区的动力学性能并降低第一正极活性材料区的动力学性能，二者协同作用，因此降低了第一负极活性材料区的析锂风险，提高了电化学装置的安全性和可靠性。

在一些可能的实现方式中，第一负极活性材料包括第一石墨，第一石墨的OI值小于10。第二负极活性材料包括第二石墨，第二石墨的OI值大于等于10且小于25。由于第一石墨的OI值较小，第一负极活性材料的各向异性越小，各向同性越大，电解液与负极活性材料的接触面积增大，有利于锂离子的扩散，因此使得第一负极活性材料区的动力学性能进一步提高，从而进一步降低析锂的可能性。

在一些可能的实现方式中，第一石墨的OI值大于等于2。通过设置第一石墨的OI值的下限，第一石墨在提高第一负极活性材料区的动力学性能的同时，还减小了OI值过低时压实密度下降、能量密度降低的风险，也减小了负极极片在制作过程中负极活性材料容易脱落的可能性。

在一些可能的实现方式中，第一负极活性材料包括第一石墨和包覆第一石墨至少部分表面的第三包覆层，第三包覆层的厚度小于100 nm。第二负极活性材料包括第一石墨和包覆第一石墨至少部分表面的第四包覆层，第四包覆层的厚度大于等于100 nm且小于300nm。通过设置第三包覆层的厚度小于第四包覆层的厚度，有利于降低第一负极活性材料的阻抗，使得单位面积内第一负极活性材料接收锂离子的能力提高，因此能够进一步提高第一负极活性材料区的动力学性能，从而进一步降低析锂风险。

在一些可能的实现方式中，第三包覆层的厚度大于等于10 nm。通过限定第三包覆层的厚度下限，使得第三包覆层在提高第一负极活性材料区的动力学性能的同时，还对第一石墨具有一定的保护能力，减少第一石墨和电解液的副反应。

在一些可能的实现方式中，第一负极活性材料的粒径Dv99大于等于15 μm。通过限定第一负极活性材料的粒径的下限值，使得第一负极活性材料能够在提高第一负极活性材料区的动力学性能的同时，还能够减小粒径过大造成第一负极活性材料比表面积过大，从而导致副反应增多、电化学装置首次效率降低的风险。

在一些可能的实现方式中，电极组件在卷绕方向上包括依次连接的第一平直段、第一弯折段、第二平直段以及第二弯折段，第一负极活性材料区位于第一平直段。因此，可以降低负极极耳的弯曲，从而可以提高负极极耳的平整性，还可以降低负极极耳的毛刺刺穿隔离膜的应力，提高安全性。

在一些可能的实现方式中，电化学装置还包括设于第一正极活性材料区上的绝缘件，从垂直于第一区域所在表面的方向观察，绝缘件覆盖第一开口。绝缘件用于阻碍在该方向上与绝缘件对应的部分第一正极活性材料区脱出的锂离子向第一开口移动，进而减小由于第一开口缺少能够嵌入这些锂离子的负极活性材料而导致析锂的风险。

在一些可能的实现方式中，第一正极活性颗粒包括锂过渡金属复合氧化物或含锂过渡金属磷酸化合物中的至少一种，第二正极活性颗粒包括锂过渡金属复合氧化物或含锂过渡金属磷酸化合物中的至少一种。

本申请第二方面还提供一种用电装置，其包括如上电化学装置。用电装置通过上述电化学装置供电，且具有较高的可靠性和使用寿命。

附图说明

本申请的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本申请一实施方式提供的电化学装置从第一方向观察时的结构示意图。

图2为图1所示的电化学装置沿II-II的剖视图。

图3为图2所示的电化学装置的负极极片展开后的结构示意图。

图4为图2所示的电化学装置的正极极片展开后的结构示意图。

图5为本申请一实施方式提供的用电装置的结构示意图。

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本申请。

具体实施方式

下面对本申请实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。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。在本申请的说明书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。

下文，将详细地描述本申请的实施方式。但是，本申请可体现为许多不同的形式，并且不应解释为限于本文阐释的示例性实施方式。而是，提供这些示例性实施方式，从而使本申请透彻的和详细的向本领域技术人员传达。

另外，为了简洁和清楚，在附图中，各种组件、层的尺寸或厚度可被放大。遍及全文，相同的数值指相同的要素。如本文所使用，术语“及/或”、“以及/或者”包括一个或多个相关列举项目的任何和所有组合。另外，应当理解，当要素A被称为“连接”要素B时，要素A可直接连接至要素B，或可能存在中间要素C并且要素A和要素B可彼此间接连接。

进一步，当描述本申请的实施方式时使用“可”指“本申请的一个或多个实施方式”。

本文使用的专业术语是为了描述具体实施方式的目的并且不旨在限制本申请。如本文所使用，单数形式旨在也包括复数形式，除非上下文另外明确指出。应进一步理解，术语“包括”，当在本说明书中使用时，指存在叙述的特征、数值、步骤、操作、要素和/或组分，但是不排除存在或增加一个或多个其他特征、数值、步骤、操作、要素、组分和/或其组合。

空间相关术语，比如“上”等可在本文用于方便描述，以描述如图中阐释的一个要素或特征与另一要素(多个要素)或特征(多个特征)的关系。应理解，除了图中描述的方向之外，空间相关术语旨在包括设备或装置在使用或操作中的不同方向。例如，如果将图中的设备翻转，则描述为在其他要素或特征“上方”或“上”的要素将定向在其他要素或特征的“下方”或“下面”。因此，示例性术语“上”可包括上面和下面的方向。应理解，尽管术语第一、第二、第三等可在本文用于描述各种要素、组分、区域、层和/或部分，但是这些要素、组分、区域、层和/或部分不应受这些术语的限制。这些术语用于区分一个要素、组分、区域、层或部分与另一要素、组分、区域、层或部分。因此，下面讨论的第一要素、组分、区域、层或部分可称为第二要素、组分、区域、层或部分，而不背离示例性实施方式的教导。

在本申请中，参数数值之间的大于、小于或不等于设计关系，需要排除测量设备的合理误差。

请参阅图1和图2，本申请一实施方式提供一种电化学装置100，包括壳体10、设于壳体10内的电极组件20、负极极耳30以及正极极耳40。电极组件20为卷绕结构，其包括负极极片21、正极极片22以及设于负极极片21和正极极片22之间的隔离膜23。负极极片21、正极极片22以及隔离膜23依次层叠卷绕以形成电极组件20。隔离膜23用于防止负极极片21和正极极片22直接接触，从而降低负极极片21和正极极片22发生接触短路的可能性。为简化起见，隔离膜23以虚线（间隔的多个短线组成）示出。负极极耳30电连接于负极极片21，正极极耳40电连接于正极极片22。负极极耳30和正极极耳40从壳体10的一端伸出以连接外部设备（图未示）。

电极组件20具有卷绕方向D和垂直于纸面的卷绕中心轴O。其中，卷绕方向D指的是沿着如图2所示的负极极片21、隔离膜23或者正极极片22的某一点绕着卷绕中心轴O从内向外移动的方向。卷绕方向D可以有两种，即绕着卷绕中心轴O进行顺时针或逆时针转动的方向。在一些实施例中，卷绕方向D为图2所示绕着卷绕中心轴O进行逆时针转动的方向。在卷绕方向D上，电极组件20包括依次连接的第一平直段201、第一弯折段202、第二平直段203和第二弯折段204。

在本申请中，根据相互垂直的第一方向X、第二方向Y和第三方向Z建立三维坐标系。第一方向X为垂直于负极极耳30或正极极耳40表面的方向。第二方向Y为电极组件20的宽度方向，其垂直于第一方向X，第三方向Z为负极极耳30或正极极耳40伸出电极组件20的方向，其垂直于第一方向X和第二方向Y，在一些实施例中也为卷绕中心轴O的方向。

如图2和图3所示，负极极片21包括依次堆叠的第一负极活性材料层211、负极集流体210和第二负极活性材料层212。负极集流体210包括相对设置的第一表面210a和第二表面210b，第一表面210a相较于第二表面210b更远离卷绕中心轴O。第一负极活性材料层211设于第一表面210a，第二负极活性材料层212设于第二表面210b。如图2和图4所示，正极极片22包括堆叠设置的第一正极活性材料层221、正极集流体220和第二正极活性材料层222。正极集流体220包括相对设置的第三表面220a和第四表面220b，第三表面220a相较于第四表面220b更靠近卷绕中心轴O。第一正极活性材料层221设于第三表面220a，第二正极活性材料层222设于第四表面220b。

负极集流体210可以采用铜箔、镍箔或碳基集流体中的至少一种。正极集流体220可以采用铝箔或镍箔。

第一正极活性材料层221以及第二正极活性材料层222分别包含正极活性材料，正极活性材料包括可逆地嵌入和脱嵌锂离子的化合物（锂化插层化合物）。在一些实施例中，正极活性材料可以包括锂过渡金属复合氧化物或含锂过渡金属磷酸化合物中的至少一种。在一些实施例中，锂过渡金属复合氧化物选自钴酸锂、镍钴锰酸锂（NCM）、镍钴铝酸锂（NCA）、锰酸锂或镍锰酸锂中的至少一种。含锂过渡金属磷酸化合物选自磷酸铁锂或磷酸锰铁锂中的至少一种。

第一负极活性材料层211以及第二负极活性材料层212分别包含能够进行活性离子可逆脱嵌的负极活性材料。例如，负极活性材料可以是包括但不限于石墨、软碳、硬碳、碳纤维、中间相碳微球、硅基材料、锡基材料、钛酸锂或其他能与锂形成合金的金属等中的一种或多种的组合。其中，石墨可选自人造石墨、天然石墨以及改性石墨中的一种或多种的组合；硅基材料可选自单质硅、硅氧化合物、硅碳复合物、硅合金中的一种或多种的组合；锡基材料可选自单质锡、锡氧化合物、锡合金等中的一种或多种的组合。

隔离膜23包括聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺或芳纶中的至少一种。例如，聚乙烯包括选自高密度聚乙烯、低密度聚乙烯或超高分子量聚乙烯中的至少一种。其中聚乙烯和聚丙烯，它们对改善短路具有良好的作用，并可以通过关断效应改善电化学装置100的稳定性。

如图3所示，第一负极活性材料层211包括在卷绕方向D上（图3未示出卷绕方向D，该图中可以理解为从负极极片21的第一卷绕起始端21a至第一卷绕收尾端21b的方向）依次连接的第二负极活性材料区2112、第一负极活性材料区2111和第二负极活性材料区2112。第一负极活性材料区2111设有第一开口2113。负极集流体210的第一表面210a包括第一区域A1，第一区域A1从第一开口2113显露出来。即，第一区域A1露出于第一开口2113。此时第一方向X也为垂直于第一区域A1的方向。从第一方向X观察，第一区域A1和第一开口2113可均为矩形。负极极耳30可通过焊接等方式连接于第一区域A1。在一些实施例中，第一负极活性材料区2111位于第一平直段201。从而，由于负极极耳30连接于从第一负极活性材料区2111的第一开口2113露出的第一区域A1，因此可以降低负极极耳30的弯曲，从而可以提高负极极耳30的平整性，还可以降低负极极耳30的毛刺刺穿隔离膜23的应力，提高安全性。

其中，为了满足大电流充电的需求，第一区域A1可设于负极极片21除卷绕头部与卷绕尾部之外的区域（即，极耳中置结构）。在一些实施例中，可以预先在第一区域A1上贴发泡胶，涂覆负极活性材料后进行加热以使得发泡胶脱落，从而使第一区域A1露出，然后对负极极片21进行烘干和辊压；也可以在涂覆负极活性材料并烘干后，采用激光清洗方式在第一负极活性材料层211中清洗处出第一开口2113，使得第一区域A1露出；或者可以在涂覆负极活性材料并烘干后，直接用刮刀刮除第一区域A1上的负极活性材料，从而使第一区域A1露出。可以理解，经激光清洗或者刮刀刮除后，第一区域A1表面也可残留有少数活性材料，本申请并不作限制。

如图4所示，第一正极活性材料层221包括在卷绕方向D上（图4未示出卷绕方向D，该图中可以理解为从正极极片22的第二卷绕起始端22a至第二卷绕收尾端22b的方向）依次连接的第二正极活性材料区2212、第一正极活性材料区2211和第二正极活性材料区2212。正极极耳40可连接于与第二正极活性材料区2212对应的正极集流体220，也可连接于与第一正极活性材料区2211对应的正极集流体220，本申请不作限制。第一正极活性材料区2211与第一负极活性材料区2111相对设置。其中，第一正极活性材料层221设有第二开口2213，第二开口2213可位于第一正极活性材料区2211或任一第二正极活性材料区2212上，本申请不作限制。正极集流体220的第三表面220a包括第二区域A2，第二区域A2从第二开口2213显露出来。正极极耳40可通过焊接等方式连接于第二区域A2。

如图2和图3所示，在一些实施例中，电化学装置100还包括粘接第一区域A1的第一绝缘件50。从第一方向X观察，第一绝缘件50覆盖第一区域A1以及与第一区域A1存在重叠的负极极耳30。第一绝缘件50用于补偿第一负极活性材料区2111开设第一开口2113后厚度的减小，还可覆盖负极极片21上的毛刺或焊印，减小上述毛刺或焊印刺穿隔离膜23并导致短路的风险。

如图2和图4所示，电化学装置100还可以包括设于第一正极活性材料区2211上的第二绝缘件60。从第一方向X观察，第二绝缘件60在第一负极活性材料层211上的投影覆盖第一开口2113。第二绝缘件60用于阻碍在第一方向X上与第二绝缘件60对应的部分第一正极活性材料区2211脱出的锂离子向第一开口2113移动，进而减小由于第一开口2113缺少能够嵌入这些锂离子的负极活性材料而导致过量的锂离子囤积并析锂的风险。其中，第一绝缘件50和第二绝缘件60分别可以为单面胶或双面胶，具体材质可以选自聚丙烯、聚乙烯、聚偏二氟乙烯、偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯或聚乙二醇中至少一种。在其它实施例中，第一绝缘件50或第二绝缘件60也可以为陶瓷涂层。

相关技术中，即便第一正极活性材料区2211上设有第二绝缘件60，由于充放电过程中第一正极活性材料区2211的锂离子存在扩散现象，因此该部分锂离子仍可能扩散至第二绝缘件60的边缘并进一步移动至第一负极活性材料区2111。为了改善第一负极活性材料区2111的第一开口2113处由于缺少能够嵌入这些锂离子的负极活性材料，导致负极极耳30边缘容易产生析锂的现象（尤其对于具有极耳中置结构的负极极片21而言，由于充电速度较快，电流密度大，因此负极极耳30边缘的析锂风险较高的现象），本申请设置第一负极活性材料区2111具有比第二负极活性材料区2112更高的动力学性能，同时，设置第一正极活性材料区2211具有比第二正极活性材料区2212更低的动力学性能。其中，第一负极活性材料区2111的动力学性能较高，因此单位时间对锂离子的接收（嵌入）能力提高；第一正极活性材料区2211的动力学性能较低，因此单位时间内脱出的锂离子较少，使得第一负极活性材料区2111单位时间内接收到的锂离子较少。因此，本申请能够减小负极极耳30周围的第一负极活性材料区2111发生析锂的风险。

本申请设置第一负极活性材料区2111具有比第二负极活性材料区2112更高的动力学性能，具体通过减小第一负极活性材料区2111的材料粒径Dv99来实现。具体地，第一负极活性材料区2111包括第一负极活性材料，第二负极活性材料区2112包括第二负极活性材料。第一负极活性材料的粒径Dv99小于30 μm，第二负极活性材料的粒径Dv99为30 μm至50μm。即，第一负极活性材料的粒径Dv99小于第二负极活性材料的粒径Dv99，因此第一负极活性材料的比表面积大于第二负极活性材料的比表面积。这有利于提高第一负极活性材料区2111的动力学性能，提高第一负极活性材料区2111接收锂离子的能力，从而降低析锂风险。在一些实施例中，为提高较大的电化学当量和较高的能量密度，第一负极活性材料包括第一石墨，第二负极活性材料包括第二石墨。第一石墨和第二石墨可以分别为人造石墨、天然石墨或复合石墨中的至少一种。即，此时设置第一石墨的粒径Dv99小于第二石墨的粒径Dv99。其中，Dv99表示第一负极活性材料在体积基准的粒度分布中从小粒径侧起达到体积累计99％的粒径，即，小于此粒径的第一负极活性材料的体积占第一负极活性材料总体积的99％。

进一步地，在一些实施例中，第一负极活性材料的粒径Dv99大于等于15 μm。通过限定第一负极活性材料的粒径的下限值，使得第一负极活性材料能够在提高第一负极活性材料区2111的动力学性能的同时，还能够减小粒径过大造成第一负极活性材料比表面积过大，从而导致副反应增多、电化学装置首次效率降低的风险。其中，第一负极活性材料的粒径Dv99的测量过程可以包括如下步骤：将负极极片21含有第一负极活性材料区2111的部分裁剪下来，采用刮刀将第一负极活性材料区2111背面的第二负极活性材料层212刮除，得到含有第一负极活性材料区2111的样品，然后将样品浸泡在有机溶剂（例如碳酸二甲酯）中，使第一负极活性材料区2111剥离，干燥后烧除粘结剂和导电剂得到第一负极活性材料样品，将第一负极活性材料样品分散于水溶液中，利用激光粒度仪（Master Sizer 3000）进行测试，得到第一负极活性材料的Dv99值。

在一些实施例中，还可进一步设置第一石墨的OI值小于10，且第二石墨的OI值大于等于10且小于25。即，第一石墨的OI值小于第二石墨的OI值。OI值可用于表征负极活性物质的各向异性。第一石墨的OI值较小，第一负极活性材料的各向异性越小，各向同性越大，电解液与负极活性材料的接触面积增大，有利于锂离子的扩散。因此通过降低第一石墨的OI值，使得第一负极活性材料区2111的动力学性能提高，能够较快地嵌入锂离子，进一步降低析锂的可能性。其中，第一石墨的X射线衍射图谱包括004衍射峰和110衍射峰，004衍射峰的峰面积与110衍射峰的峰面积比值为第一石墨的取向指数（即OI值）。

进一步地，在一些实施例中，第一石墨的OI值大于等于2。通过设置第一石墨的OI值的下限，第一石墨在提高第一负极活性材料区2111的动力学性能的同时，还减小了OI值过低时压实密度下降、能量密度降低的风险，也减小了负极极片21在制作过程中负极活性材料容易脱落的可能性。其中，按照中华人民共和国机械行业标准JB/T 4220-2011《人造石墨的点阵参数测定方法》测试石墨的X射线衍射图谱中的004衍射峰和110衍射峰。试验条件如下：采用碳酸二甲酯(DMC)清洗负极活性材料并烘干；X射线采用CuKα辐射，CuKα辐射由滤波片或单色器除去；在记录004衍射峰时，衍射角2θ的扫描范围为53°至57°。在记录110衍射峰时，衍射角2θ的扫描范围为75°至79°；然后，计算由004衍射峰得到的峰面积与由110衍射峰得到的峰面积的比值，该比值即为OI值。

在另一些实施例中，第一负极活性材料和第二负极活性材料均包括第一石墨。而且，第一负极活性材料还包括包覆第一石墨至少部分表面的第三包覆层，第二负极活性材料还可以包括包覆第一石墨至少部分表面的第四包覆层。其中，第三包覆层和第四包覆层均能够对第一石墨起到保护作用，隔绝第一石墨与电解液，减少第一石墨和电解液的副反应，从而提高第一石墨的表面稳定性，而且能够改善因第一石墨体积变化所造成的容量损失，另外，还能够调控第一石墨材料表面的不均匀性，在首次充放电后利于在第一石墨表面生成均匀稳定的SEI膜。第三包覆层的厚度小于100 nm，第四包覆层的厚度大于等于100 nm且小于300 nm。即，第三包覆层的厚度小于第四包覆层的厚度。这有利于降低第一负极活性材料的阻抗，使得第一负极活性材料更容易嵌入锂离子，即单位面积内第一负极活性材料接收锂离子的能力提高，因此同样能够提高第一负极活性材料区2111的动力学性能，降低析锂风险。在一些实施例中，第三包覆层和第四包覆层可以分别为无定形碳、金属（如Ag、Ni、Sn、Zn、Al等）或金属氧化物（如NiO、MoO₃、CuO、Fe₂O₃等）。本申请实施例充分利用对第一石墨起到保护作用的第三包覆层，通过调控第三包覆层的厚度实现第一负极活性材料区2111的动力学性能的调整，不需加入额外的工序，且工艺上简单可控。

进一步地，在一些实施例中，第三包覆层的厚度大于等于10 nm。通过限定第三包覆层的厚度下限，使得第三包覆层在提高第一负极活性材料区2111的动力学性能的同时，还对第一石墨具有一定的保护能力，减少第一石墨和电解液的副反应。

本申请设置第一正极活性材料区2211具有比第二正极活性材料区2212更低的动力学性能，具体可以通过增加第一正极活性材料区2211的活性材料的包覆层厚度来实现。具体地，第一正极活性材料区2211包括第一正极活性材料，第二正极活性材料区2212包括第二正极活性材料。第一正极活性材料包括第一正极活性颗粒和包覆第一正极活性颗粒至少部分表面的第一包覆层，第二正极活性材料包括第二正极活性颗粒和包覆第二正极活性颗粒至少部分表面的第二包覆层。其中，第一包覆层和第二包覆层均能够隔绝正极活性材料与电解液，减少正极活性材料和电解液的副反应，从而提高正极活性材料的表面稳定性。第一包覆层的厚度为15 nm至60 nm，第二包覆层的厚度小于15 nm且大于等于5nm。即，第一包覆层的厚度大于第二包覆层的厚度。这有利于增大第一正极活性材料的阻抗，使得第一正极活性材料相对第二正极活性材料较不容易脱出锂离子，即单位面积内第一正极活性材料脱出的锂离子较少，因此能够降低第一正极活性材料区2211的动力学性能，进一步降低析锂风险。而且，第二包覆层厚度较小，单位时间内第二正极活性材料区2212能够脱出更多的锂离子，从而有利于提高克容量和能量密度。在一些实施例中，第一包覆层和第二包覆层可以分别为金属氧化物，例如Al、Mg、Ti的氧化物。第一正极活性颗粒和第二正极活性颗粒的组分可以相同，也可以不同。本申请充分利用对第一正极活性颗粒起到保护作用的第一包覆层，通过调控第一包覆层的厚度实现第一正极活性材料区2211的动力学性能的调整，不需加入额外的工序，且工艺上简单可控。

在制作负极极片21时，可以沿负极极片21的走带方向对负极集流体210进行分区域涂布，即在负极集流体210的第一表面210a上涂布不同的负极活性材料。分区域涂布具体可以采用转移涂布或挤压涂布的方式。从工序过程讲，可以通过采用双层涂布模头在负极集流体210上分区域涂布浆料然后干燥的方式，也可以通过两个涂布头先后在负极集流体210上涂布不同浆料再一次干燥的方式。正极极片的制作可以采用与负极极片21相似的方式，此不赘述。

其中，本申请的电化学装置100包括所有能够发生电化学反应的装置。具体的，电化学装置100包括所有种类二次电池、燃料电池、太阳能电池和电容器（例如超级电容器）。优选地，电化学装置100可以为锂二次电池和钠离子电池，其中包括锂金属二次电池、锂离子二次电池、锂聚合物二次电池和锂离子聚合物二次电池。

请参阅图5，本申请一实施方式还提供一种用电装置1，包括上述电化学装置100。用电装置1通过上述电化学装置100供电，且用电装置1具有改善的安全性和可靠性。在一实施方式中，本申请的用电装置1可以是，但不限于笔记本电脑、笔输入型计算机、移动电脑、电子书播放器、便携式电话、便携式传真机、便携式复印机、便携式打印机、头戴式立体声耳机、录像机、液晶电视、手提式清洁器、便携CD机、迷你光盘、收发机、电子记事本、计算器、存储卡、便携式录音机、收音机、备用电源、电机、汽车、摩托车、助力自行车、自行车、照明器具、玩具、游戏机、钟表、电动工具、闪光灯、照相机、家庭用大型蓄电池和锂离子电容器等。

以下通过具体实施例和对比例对本申请作详细说明。其中，以电化学装置100为软包电池为例并结合具体测试方法对本申请进行说明。本领域技术人员应理解，本申请中描述的制备方法仅是实例，其他任何合适的制备方法均在本申请的范围内。

实施例1

负极极片21的制备：将负极活性材料人造石墨（Dv99=26μm，OI=12，包覆层采用厚度为110 nm的无定形碳）、丁苯橡胶(SBR)和羧甲基纤维素(CMC)按照重量比97:2:1进行混合，加入去离子水作为溶剂，调配成重量百分比为70wt％的浆料，并搅拌均匀以得到第一负极活性浆料。将负极活性材料人造石墨（Dv99=34 μm，OI=12，包覆层采用厚度为110 nm的无定形碳）、丁苯橡胶(SBR)和羧甲基纤维素(CMC)按照重量比97:2:1进行混合，加入去离子水作为溶剂，调配成重量百分比为70wt％的浆料，并搅拌均匀以得到第二负极活性浆料。采用双层涂布模头分区域在厚度为6μm的铜箔一表面上涂覆第一负极活性浆料和第二负极活性浆料，110℃条件下烘干，第一负极活性浆料对应形成厚度为150 μm的第一负极活性材料区2111，第二负极活性浆料对应形成厚度为150 μm的第一负极活性材料区2112。在铜箔另一表面上涂覆第二负极活性浆料，得到厚度为150 μm的第二负极活性材料层212。然后通过冷压、切片工序后制得负极极片21。采用激光清洗方式在第一正极活性材料区2111中清洗处出第一开口2113使得第一区域A1露出，然后在第一区域A1上焊接负极极耳30，负极极耳30的材质为镍（Ni）。

正极极片22的制备：将正极活性材料钴酸锂(LiCoO₂，包覆层采用厚度为50 nm的Al₂O₃)、导电炭黑(Super P)、碳纳米管、聚偏二氟乙烯(PVDF)按照重量比96:1.4:0.6:2进行混合，加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)作为溶剂，调配成固含量为75wt％的浆料，并搅拌均匀以得到第一正极活性浆料；将正极活性材料钴酸锂(LiCoO₂，包覆层采用厚度为12 nm的Al₂O₃)、导电炭黑(Super P)、碳纳米管、聚偏二氟乙烯(PVDF)按照重量比96:1.4:0.6:2进行混合，加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)作为溶剂，调配成固含量为75wt％的浆料，并搅拌均匀以得到第二正极活性浆料。采用双层涂布模头分区域在厚度为10μm的铝箔一表面上涂布第一正极活性浆料和第二正极活性浆料，90℃条件下烘干，第一正极活性浆料对应形成厚度为100 μm的第一正极活性材料区2211，第二正极活性浆料对应形成厚度为100 μm的第二正极活性材料区2212。在铝箔另一表面上涂覆第二正极活性浆料，得到厚度为100 μm的第二正极活性材料层222。然后通过冷压、切片（对极片进行裁减、切割成所需要大小的尺寸）工序后制得正极极片22。通过相似的步骤清洗处出第二开口2213使得第二区域A2露出，然后在第二区域A2上焊接正极极耳40，正极极耳40材质为铝(Al)。

电解液的制备：在干燥氩气气氛中，首先将有机溶剂碳酸乙烯酯(EC)和碳酸二乙酯(DEC)以质量比1:1混合，然后向有机溶剂中加入质量分数为5％的氟代碳酸乙烯酯(FEC)、质量分数为5％的1,3-丙磺酸内酯(PS)、以及锂盐六氟磷酸锂(LiPF₆)溶解并混合均匀，得到锂盐浓度为1 mol/L的电解液。

电池的制备：将负极极片21、隔离膜23和正极极片22依次层叠卷绕得到电极组件20，隔离膜23选用厚度为15 μm的聚乙烯(PE)膜，再进行注液、化成、封装，制成锂离子电池。

实施例2-11和对比例1-5

与上述实施例1不同之处在于第一负极活性浆料、第二负极活性浆料、第一正极活性浆料或第二正极活性浆料的组分，具体可参照表1记载。

然后，对各个实施例和对比例制得的锂离子电池进行析锂测试，析锂的测试步骤包括：（1）电池置于25℃±2℃的恒温箱中静置2小时；（2）对电池进行充电，具体为：以3C恒流充电至4.2V，转2.0C恒流充电至4.3V，转1.5C恒流充电至4.4V，转1C恒流充电至4.48V，恒压充电至0.025C、静置5min；（3）对电池进行放电，具体为以0.5C恒流放电至3.0V，此为一次析锂测试循环；（4）重复500次上述析锂测试循环后，拆解电池并检查负极极片21于第一负极活性材料区2111处的负极活性材料表面是否析锂。其中，若观察负极活性材料表面存在灰色区域则为析锂，若无灰色的地方则无析锂。其中，析锂程度分为轻微析锂、中度析锂以及严重析锂。轻微析锂为析锂区域小于为第一负极活性材料区2111整体区域的0.5％，中度析锂为析锂区域为第一负极活性材料区2111整体区域的0.5％～5％，严重析锂为析锂区域大于第一负极活性材料区2111整体区域的5％。

表1

由表1数据可知，相较于对比例1-3，实施例1-2满足第一负极活性材料区的第一负极活性材料的粒径Dv99小于第二负极活性材料区的第二负极活性材料的粒径Dv99，实施例1-2同时还满足第一正极活性材料区的第一正极活性材料的第一包覆层的厚度大于第二正极活性材料区的第二正极活性材料的第二包覆层的厚度，析锂程度得到明显改善。

可以理解，对比例2的第一正极活性材料区的第一包覆层厚度过大，虽然也能改善析锂，但是这会导致电池的内阻增大，能量密度下降。对比例4的第二正极活性材料区的第二包覆层厚度过大，因此除了析锂现象较严重之外，还会导致内阻增大，能量密度下降。对比例5的第二正极活性材料区的第二包覆层厚度过小，因此第二正极活性材料区单位面积内脱出锂离子的能力更强，恶化了第一负极活性材料区的析锂现象，同时第二包覆层厚度过小也导致了电解液副反应增加，不利于电池性能发挥。

相较于实施例1-2，实施例3-4还降低了第一负极活性材料区的第一石墨的OI值，第一负极活性材料区的动力学性能提高，因此析锂情况进一步得到改善。相较于实施例3，实施例5-6进一步降低了第一负极活性材料区的第一石墨的第三包覆层的厚度，第一负极活性材料区的动力学性能进一步提高，因此析锂情况进一步得到改善，获得无析锂的测试结果。

此外，实施例7-11还调整了第一负极活性材料区的OI值、粒径和第三包覆层的的厚度、第二负极活性材料区的OI值、粒径和第四包覆层的厚度、第一正极活活性材料区的第一包覆层的厚度、以及第二正极活性材料区的第二包覆层的厚度，使其分别满足本申请所限定的范围，同样能够得到获得无析锂的测试结果。

以上所揭露的仅为本申请较佳实施方式而已，当然不能以此来限定本申请，因此依本申请所作的等同变化，仍属本申请所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种电化学装置，包括电极组件和负极极耳，所述电极组件包括负极极片、正极极片和隔离膜，所述负极极片、所述隔离膜和所述正极极片依次层叠并卷绕以形成所述电极组件，其特征在于：

所述负极极片包括层叠设置的负极集流体和负极活性材料层，所述负极活性材料层包括在所述电极组件的卷绕方向上依次连接的第二负极活性材料区、第一负极活性材料区和第二负极活性材料区，所述第一负极活性材料区设有第一开口，所述负极集流体包括第一区域，所述第一区域从所述第一开口显露出来，所述负极极耳连接于所述第一区域；

所述正极极片包括层叠设置的正极集流体和正极活性材料层，所述正极活性材料层包括在所述卷绕方向上依次连接的第二正极活性材料区、第一正极活性材料区和第二正极活性材料区，所述第一正极活性材料区与所述第一负极活性材料区相对设置；

所述第一负极活性材料区包括第一负极活性材料，所述第一负极活性材料的粒径Dv99小于30 μm；所述第二负极活性材料区包括第二负极活性材料，所述第二负极活性材料的粒径Dv99为30 μm至50 μm；

所述第一正极活性材料区包括第一正极活性材料，所述第一正极活性材料包括第一正极活性颗粒和包覆所述第一正极活性颗粒至少部分表面的第一包覆层，所述第一包覆层的厚度为15 nm至60 nm；所述第二正极活性材料区包括第二正极活性材料，所述第二正极活性材料包括第二正极活性颗粒和包覆所述第二正极活性颗粒至少部分表面的第二包覆层，所述第二包覆层的厚度小于15 nm且大于等于5 nm。

2.如权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，所述第一负极活性材料包括第一石墨，所述第一石墨的OI值小于10；所述第二负极活性材料包括第二石墨，所述第二石墨的OI值大于等于10且小于25。

3.如权利要求2所述的电化学装置，其特征在于，所述第一石墨的OI值大于等于2。

4. 如权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，所述第一负极活性材料包括第一石墨和包覆所述第一石墨至少部分表面的第三包覆层，所述第三包覆层的厚度小于100 nm；所述第二负极活性材料包括所述第一石墨和包覆所述第一石墨至少部分表面的第四包覆层，所述第四包覆层的厚度大于等于100 nm且小于300 nm。

5.如权利要求4所述的电化学装置，其特征在于，所述第三包覆层的厚度大于等于10nm。

6. 如权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，所述第一负极活性材料的粒径Dv99大于等于15 μm。

7.如权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，所述电极组件在所述卷绕方向上包括依次连接的第一平直段、第一弯折段、第二平直段以及第二弯折段，所述第一负极活性材料区位于所述第一平直段。

8.如权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，所述电化学装置还包括设于所述第一正极活性材料区上的绝缘件，从垂直于所述第一区域所在表面的方向观察，所述绝缘件覆盖所述第一开口。

9.如权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，所述第一正极活性颗粒包括锂过渡金属复合氧化物或含锂过渡金属磷酸化合物中的至少一种，所述第二正极活性颗粒包括锂过渡金属复合氧化物或含锂过渡金属磷酸化合物中的至少一种。

10.一种用电装置，其特征在于，包括如权利要求1至9中任一项所述的电化学装置。

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