CN116230855A - 二次电池及电子装置 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种二次电池及电子装置。二次电池包括正极极片。正极极片包括集流体、从集流体凸出的极耳和设置于集流体的至少一个表面绝缘层。绝缘层沿集流体靠近极耳的侧边设置并邻接于活性物质层。其中，绝缘层的厚度和活性物质层的厚度的比值为0.5～0.7,活性物质层的厚度为200～400μm。

Description

二次电池及电子装置
技术领域
本申请涉及储能装置领域，尤其是涉及一种二次电池及包括二次电池的电子装置。
背景技术
电池的极片边缘通常设置有用于防毛刺的绝缘层。活性物质层和绝缘层通常同步涂布在极片的集流体表面。然而，在干燥过程中，活性物质层和绝缘层可能在边界位置产生相互渗透混融，导致最终干燥后的活性物质层和绝缘层的边界位置界线模糊，使活性物质层位置的判断产生偏差，对极片的尺寸产生影响，进而引发电池低容风险。
发明内容
本申请的一个目的在于提供一种二次电池及电子装置，可改善因活性物质层和绝缘层的交界处的交互区而影响极片的尺寸的问题。
本申请第一方面提供一种二次电池，包括正极极片。正极极片包括集流体、从集流体凸出的极耳和设置于集流体的至少一个表面绝缘层。绝缘层沿集流体靠近极耳的侧边设置并邻接于活性物质层。其中，绝缘层的厚度和活性物质层的厚度的比值为0.5～0.7,活性物质层的厚度为200～400μm。
本申请提供的二次电池中，将活性物质层的厚度控制在200～400μm，并将绝缘层的厚度和活性物质层的厚度的比值控制在0.5～0.7，可以减小涂布过程中活性浆料和绝缘浆料渗透混融形成的位于活性物质层和绝缘层的交界位置处的交互区的尺寸，改善交互区对极片的尺寸的影响。
根据本申请的一些实施例，绝缘层的厚度和活性物质层的厚度的比值为0.6～0.7，更有利于减小交互区的尺寸。
根据本申请的一些实施例，进一步将活性物质层的厚度控制在200～370μm，进一步减小交互区的尺寸。
根据本申请的一些实施例，活性物质层的涂布重量为427～740mg/1540.25mm2，利于减小交互区的尺寸。
根据本申请的一些实施例，活性物质层的涂布重量为427～640mg/1540.25mm2。
根据本申请的一些实施例，活性物质层的压实密度为2.6～3g/cc，利于减小交互区的尺寸。
根据本申请的一些实施例，绝缘层包括无机颗粒，无机颗粒包括氧化铝、勃姆石、氧化锆、氧化硼、或六方氮化硼中的一种或多种。
根据本申请的一些实施例，活性物质层包括活性材料，活性材料包括镍钴锰酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂或磷酸锰铁锂中的一种或多种。
根据本申请的一些实施例，活性材料由锰酸锂和磷酸铁锂组成，锰酸锂和磷酸铁锂的质量比为3.5～12，使二次电池的交互区的宽度合适，且二次电池存储后的厚度膨胀率合适。
根据本申请的一些实施例，活性材料由锰酸锂和磷酸铁锂组成，锰酸锂和磷酸铁锂的质量比为4～10，可以进一步减小二次电池存储后的厚度膨胀率。
本申请第二方面提供一种，一种电子装置，包括上述任一实施例的二次电池。
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为本申请一实施例提供的正极极片的局部平面示意图。
图2为图1所示正极极片沿I I-II的截面示意图。
主要元件符号说明
正极极片 10
集流体 11
极耳 12
活性物质层 13
绝缘层 14
第一表面 11a
第二表面 11b
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“和/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。
现有技术中，随着人们对高能量密度电池需求的提升，通常需要在极片上设置较大涂覆重量的活性物质层来实现对电池容量的提升，较大的涂覆重量会导致活性物质层的厚度较大。申请人发现，在涂布形成厚度较大的活性物质层时，活性物质层和绝缘层的边界位置界线模糊，活性物质层和绝缘层在边界位置产生相互渗透混融形成交互区，对极片的尺寸产生影响。
基于申请人发现的上述问题，申请人对极片的活性物质层和绝缘层的厚度进行改进，以减小交互区的尺寸，进而降低因交互区的存在而对极片的尺寸产生的影响。下面对本申请实施例进行进一步描述。
本申请一实施例提供一种二次电池，包括壳体和容纳在壳体中的正极极片、负极极片、隔离膜和电解液，正极极片和负极极片之间设置有隔离膜。
请参阅图1和图2，正极极片10包括集流体11、极耳12、活性物质层13和绝缘层14。集流体11包括相对设置的第一表面11a和第二表面11b。极耳12从集流体11的侧边凸出并与第一表面11a和第二表面11b相连接。活性物质层13设置于第一表面11a并与极耳12相离。在其他实施例中，活性物质层13可以设置于第一表面11a和第二表面11b，以提高能量密度。绝缘层14沿集流体11靠近极耳12的侧边设置于第一表面11a并邻接于活性物质层13。沿垂直于第一表面11a的方向(正极极片10的厚度方向)，活性物质层13的厚度为200～400μm，绝缘层14的厚度H和活性物质层13的厚度T的比值为0.5～0.7。
集流体11可以使用本领域公知的任何正极集流体，例如铜箔、铜合金箔或复合集流体等。极耳12和集流体11一体成型，例如，通过裁切一张铜箔形成集流体11和极耳12。
绝缘层14包括无机颗粒和粘结剂。无机颗粒包括氧化铝、勃姆石、氧化锆、氧化硼、或六方氮化硼中的一种或多种。粘结剂包括聚偏氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯的共聚物、聚酰胺、聚丙烯腈、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸、聚丙烯酸盐、羧甲基纤维素钠中的一种或多种。
活性物质层13包括活性材料、导电剂和粘结剂。活性材料包括镍钴锰酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂或磷酸锰铁锂中的一种或多种。导电剂可以使用本领域公知的任何导电剂，例如，导电剂包括导科琴黑，Super-P,乙炔黑，石墨烯，碳纳米管，碳纤维等中的一种或多种。粘结剂可以使用本领域公知的任何粘结剂，例如，粘结剂包括聚偏氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯的共聚物、聚酰胺、聚丙烯腈、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸、聚丙烯酸盐、羧甲基纤维素钠中的一种或多种。
活性物质层13和绝缘层14通过同步涂布工艺制得。在一些实施例中，二次电池的制备方法包括以下步骤：将活性材料、导电剂和粘结剂溶解于溶剂中形成固含量大于或等于65％的活性浆料，其中活性材料的占比大于或等于95.5％；将无机颗粒和粘结剂溶解于溶剂中形成固含量为30～50％的绝缘浆料，其中无机颗粒的占比大于或等于80％；将活性浆料和绝缘浆料同步涂布在集流体11的表面；干燥活性浆料涂层和绝缘浆料涂层形成活性物质层13和绝缘层14，制得正极极片10；将正极极片10、隔离膜和负极极片层叠或卷绕以制作二次电池。溶剂可以但不限于包括N-甲基吡咯烷酮、无水乙醇、丙酮中的一种或多种。
本申请中，将活性物质层13的厚度控制在200～400μm，并将绝缘层14的厚度和活性物质层13的厚度的比值控制在0.5～0.7，可以减小涂布过程中活性浆料和绝缘浆料渗透混融形成的位于活性物质层13和绝缘层14的交界位置处的交互区的尺寸，改善交互区对极片的尺寸的影响。
当绝缘层14的厚度H和活性物质层13的厚度T的比值小于0.5时，绝缘层14和活性物质层13之间的厚度差异过大，在干燥过程中，由于活性浆料的流动性及在活性浆料的表面张力下，活性浆料与绝缘浆料容易在边界位置处混融形成交互区，且交互区的尺寸过大，对正极极片10的尺寸产生影响。另外，当绝缘层14的厚度H和活性物质层13的厚度T的比值小于0.5时，绝缘层14的厚度H可能较小，当裁切形成的毛刺的高度大于绝缘层14的厚度H时，毛刺会刺穿绝缘层14，容易造成正负极内短路，引发安全问题。
当绝缘层14的厚度H和活性物质层13的厚度T的比值大于0.7时，绝缘层14的厚度H接近于活性物质层13的厚度T，使得二次电池100的冷压工艺中，绝缘层14可能被压，由于无机颗粒具有不可压缩性，导致与绝缘层14相对应的部分集流体11可能受到压力的作用而产生破损，从而导致冷压断带的问题。另外，当绝缘层14的厚度H和活性物质层13的厚度T的比值大于0.7时，由于绝缘浆料与活性浆料的固含量差异过大，在通过增大涂布重量(可达740mg/1540.25mm2)使绝缘层14的厚度增加时，绝缘层在涂布过程中干燥不完全，会粘附在胶辊上，使极片产生划痕和断带问题。
在一些实施例中，绝缘层14的厚度H和活性物质层13的厚度T的比值为0.6～0.7，如此更有利于减小交互区的尺寸。
在一些实施例中，进一步将活性物质层的厚度控制在200～370μm，如此更有利于减小交互区的尺寸。
在一些实施例中，通过控制活性物质层13的涂布重量及活性物质层13的压实密度调节活性物质层13的厚度。在一些实施例中，活性物质层13的涂布重量为427～740mg/1540.25mm2，活性物质层13的压实密度为2.6～3g/cc，如此，可以控制活性物质层13具有合适的厚度，利于减小交互区的尺寸。优选的，活性物质层13的涂布重量为427～640mg/1540.25mm2，在一些实施例中，通过控制绝缘浆料的固含量和绝缘层14的涂覆重量来调节绝缘层14的厚度。
在一些实施例中，活性物质层13的活性材料由锰酸锂和磷酸铁锂组成，锰酸锂和磷酸铁锂的质量比为3.5～12。当锰酸锂的含量越高时，在二次电池内产生的气体越多。将锰酸锂和磷酸铁锂的质量比控制为3.5～12，可使交互区的宽度和二次电池存储后的厚度膨胀率均较为合适，在一些实施例中，活性材料由锰酸锂和磷酸铁锂组成，锰酸锂和磷酸铁锂的质量比为4～10，可以进一步减小二次电池存储后的厚度膨胀率。
负极极片包括负极集流体和设置在负极集流体表面的负极活性材料。其中，负极集流体可以使用本领域公知的任何负极集流体，例如铜箔、铜合金箔或复合集流体等。负极活性材料可以使用本领域公知的任何负极活性材料，例如，可以包括石墨、硬碳、软碳、硅、硅碳或硅氧化物等中的至少一种。负极活性材料还可以包括导电剂和粘结剂，导电剂可以包括导电炭黑(Super P)、碳纳米管(CNT s)、碳纤维或石墨烯等中的至少一种，粘结剂可以包括丁苯橡胶(SBR)、聚乙烯醇(PVA)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)或羧甲基纤维素钠(CMC-Na)等中的至少一种。
隔离膜可以为本领域公知的任何隔离膜。例如，隔离膜可以选自聚乙烯、聚丙烯、无纺布、聚纤维中一种或多种材质的薄膜。
电解液可以为本领域公知的任何电解液。例如，电解液选自电子绝缘离子传导的含碳酸乙稀酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯等碳酸有机酯类一种或多做作为溶剂，含TiPF 6、TiBF4、TiB OB、TiAsF6、Ti(CF3 SO2)2N、TiCF3 S O3、TiCTO4中一种或多种锂盐作为溶质的溶液。
壳体可以为本领域公知的任何壳体。例如，壳体可以为采用封装膜封装得到的包装袋，如铝塑膜、钢塑膜等；或者，壳体可以为金属壳体，如钢壳、铝壳等。
本申请一实施例还提供一种电子装置，其包含本申请的二次电池。电子装置可以为任一使用电化学装置的用电设备，例如，电子装置可以为指手机、便携式设备、笔记本电脑、电瓶车、电动汽车、轮船、航天器、电动玩具以及、电动工具等。
下面列举了一些具体实施例和对比例以更好地对本申请进行说明。
实施例1
将9.64％磷酸铁锂、86.76％锰酸锂(锰酸锂和磷酸铁锂的质量比为9)、0.6％导电碳浆料、1.2％导电碳黑和1.8％聚偏二氟乙烯分散于氮甲基吡咯烷酮中，得到固含量为67％的活性浆料。将88％勃姆石和12％聚偏二氟乙烯分散于氮甲基吡咯烷酮中得到固含量为35％的绝缘浆料。将活性浆料和绝缘浆料涂覆在铝箔上形成活性涂层和绝缘涂层，活性涂层和绝缘涂层邻接，且活性涂层的厚度和绝缘涂层的厚度相等。对活性涂层和绝缘涂层进行干燥得到活性物质层和绝缘层。然后经过冷压、模切、分条后得到如图1所示的正极极片。其中，活性物质层的涂布重量为427mg/1540.25mm2，活性物质层的压实密度为3g/cc，活性物质层的厚度T为200μm，绝缘层的厚度H为130μm，H/T为0.65。
将石墨、聚偏二氟乙烯、导电炭黑混合后涂覆在铜箔上，经过冷压、模切、分条后得到负极极片。
将正极极片、聚乙烯隔离膜、负极极片按顺序依次叠好，使隔离膜处于正极极片和负极极片中间，并卷绕得到电极组件；将电极组件置于铝塑膜中、经过注液、化成后得到锂离子电池。
实施例2-11
除了活性物质层的涂布重量、活性物质层的厚度T、活性物质层的压实密度、绝缘层的厚度H、H/T中至少一者不同以外，其余与实施例1相同。其中T为200～400μm，H/T为0.5～0.7。
实施例12-17
除了锰酸锂的含量、磷酸铁锂的含量、绝缘层的厚度H不同以外，其余实施例3相同。
实施例18
磷酸铁锂、活性物质层涂布重量、活性物质层压实密度，不同以外，其余实施例3相同。
对比例1-5
对比例1-5除了活性物质层的涂布重量、活性物质层的厚度T、活性物质层的压实密度、绝缘层的厚度H以外，其余与实施例1相同。
观察测量实施例1-18和对比例1-5中交互区的尺寸：
取正极极片，用分切刀横向切割正极极片，断面采用高倍显微镜(SEM)分析，可看到白色的绝缘层、黑色的活性物质层和在正极极片的宽度方向上位于白色的绝缘层和黑色的活性物质层之间的灰色的交互区。
采用“点线模式”测试白色的绝缘层最高点到集流体的距离，以上步骤重复三次，求平均值即为绝缘层的厚度H。沿极片宽度方向，从黑色的活性物质层边缘朝里侧横向平移25～35mm处，取3个点测量白色的活性物质层表面到集流体的距离，然后求平均值，即为活性物质层的厚度T。
沿极片宽度方向，白色的绝缘层和灰色的交互区的交接点作为起点，黑色的活性物质层和灰色的交互区的交接点作为终点，采用“平行线模式”测定两平行线之间距离，即为交互区的宽度，以上步骤重复三次求平均值即为测得的交互区的宽度。
观察正极极片在冷压过程中的断带频次。
当交互区的宽度小于或等于0.5mm，且断带频次大于或等于20000m/次时，则判定其在产品和工艺可接受的范围，效果为“OK”；反之则判定其效果为“NG”。
测试实施例1-18和对比例1-5的锂离子电池的高温存储性能：
将锂离子电池置于25℃恒温箱中，静置5分钟，使锂离子电池达到恒温。以0.5C恒流充电至4.2V，恒压充电至电流为0.05C，静置30分钟，然后用0.2C恒流放电至2.8V，静置5分钟。用千分尺测试并记录锂离子电池的厚度，作为初始厚度。将测试锂离子电池转至60℃恒温箱中进行存储60天后取出，置于25℃恒温箱中，静置5分钟，使锂离子电池达到恒温，测试锂离子电池的厚度，作为存储后厚度。
厚度膨胀率＝(存储后厚度-初始厚度)/初始厚度×100％。
实施例1-18和对比例1-5的数据和测量结果如表1所示。
表1
Figure BDA0004190269020000111
实施例1-12和对比例1-5的比较可知，当活性物质层的厚度T为200～400μm，且绝缘层的厚度H和活性物质层的厚度T的比值H/T为0.5～0.7时，交互区的宽度为0.13～0.4mm，且断带频次为20000～26000m/次，效果OK。其中，当H/T为0.6～0.7时，交互区的宽度为0.13～0.23mm，交互区的宽度更小。
由实施例3、12-17可知，在活性物质层的厚度和绝缘层的厚度在合适的范围内时，锰酸锂和磷酸铁锂的质量比对高温存储性能影响比较大；锰酸锂和磷酸铁锂的质量比较小时，存储后的厚度膨胀率较小；锰酸锂和磷酸铁锂的质量比较大时，存储后的厚度膨胀率较大；此外从实施例18可知，当正极活性材料只有磷酸铁锂时，交互区宽度会变大，正极活性材料中只含有磷酸铁锂时，活性层的干燥相对较快，绝缘层的干燥速率慢，在毛细应力作用下，绝缘层向活性层流动；且磷酸铁锂浆料的表面张力高，干燥过程中，正极活性物质层边缘发生收缩，导致绝缘层浆料进一步向正极活性物质层流动，与正极活性物质层互相渗透，故形成交互区交宽。
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 (11)

1.一种二次电池，包括正极极片，其中，所述正极极片包括：
集流体；
极耳，从所述集流体凸出；
活性物质层，设置于所述集流体的至少一个表面；
绝缘层，沿所述集流体靠近所述极耳的侧边设置并邻接于所述活性物质层，其中，所述绝缘层的厚度和所述活性物质层的厚度的比值为0.5～0.7,所述活性物质层的厚度为200～400μm。
2.如权利要求1所述的二次电池，其中，所述绝缘层的厚度和所述活性物质层的厚度的比值为0.6～0.7。
3.如权利要求1所述的二次电池，其中，所述活性物质层的厚度为200～370μm。
4.如权利要求1所述的二次电池，其中，所述活性物质层的涂布重量为427～740mg/1540.25mm2。
5.如权利要求4所述的二次电池，其中，所述活性物质层的涂布重量为427～640mg/1540.25mm2。
6.如权利要求1所述的二次电池，其中，所述活性物质层的压实密度为2.6～3g/cc。
7.如权利要求1所述的二次电池，其中，所述绝缘层包括无机颗粒，所述无机颗粒包括氧化铝、勃姆石、氧化锆、氧化硼、或六方氮化硼中的一种或多种。
8.如权利要求1所述的二次电池，其中，所述活性物质层包括活性材料，所述活性材料包括镍钴锰酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂或磷酸锰铁锂中的一种或多种。
9.如权利要求8所述的二次电池，其中，所述活性材料由所述锰酸锂和所述磷酸铁锂组成，所述锰酸锂和所述磷酸铁锂的质量比为3.5～12。
10.如权利要求9所述的二次电池，其中，所述活性材料由所述锰酸锂和所述磷酸铁锂组成，所述锰酸锂和所述磷酸铁锂的质量比为4～10。
11.一种电子装置，其中，包括如权利要求1-10中任一项所述的二次电池。
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