CN116387449A - 电极极片、电池单体、电池和用电装置 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种电极极片、电池单体、电池和用电装置,所述电极极片包括集流体、涂层和活性物质层,涂层设置于所述集流体的至少一个表面,所述涂层包括至少一个涂布区域,所述涂布区域包括可分解材料,所述可分解材料被配置为在所述电池单体充电和放电中的至少一种情况下发生分解,所述可分解材料包括补锂材料和造孔材料中的至少一者,所述补锂材料包括含锂离子的化合物;活性物质层设置于所述集流体的至少一个表面且覆盖所述涂层。
Description
技术领域
本申请涉及一种电极极片、电池单体、电池和用电装置。
背景技术
电池单体具有工作性能可靠,以及无污染、无记忆效应等优点,因而被广泛应用。例如,随着环境保护问题日益受到重视,新能源汽车日益普及,动力型电池单体的需求将呈现爆发式增长。
随着对电池单体性能要求的提高,电池单体的使用可靠性显得尤为重要,因此,如何进一步提升电池单体的循环性能是当今亟需解决的问题。
发明内容
本申请提供一种电极极片、电池单体、电池和用电装置,本申请能够提高电池单体的循环性能。
第一方面,本申请实施方式提出了一种电池单体的电极极片,所述电极极片包括集流体、涂层和活性物质层,涂层设置于所述集流体的至少一个表面,所述涂层包括至少一个涂布区域,所述涂布区域包括可分解材料,所述可分解材料被配置为在所述电池单体充电和放电中的至少一种情况下发生分解,所述可分解材料包括补锂材料和造孔材料中的至少一者,所述补锂材料包括含锂离子的化合物;活性物质层设置于所述集流体的至少一个表面且覆盖所述涂层。
根据本申请实施方式,在电池单体循环充放电过程中,可分解材料发生分解,可分解材料逐步减少,对应于该位置的活性物质层朝向集流体的方向发生凹陷,活性物质层背离集流体的表面形成轻微的凹陷区域,实现在电极极片的厚度方向上预留膨胀空间,减缓电极组件的膨胀力;并且该膨胀空间的存在,有利于提升电解液的回吸速率,提升电解液对电极组件的浸润性能,降低电极极片局部析出金属产生金属枝晶的风险;而且该膨胀空间还能够存储电解液,提升电极极片的保液能力,从而提升电池单体的循环性能。
所述可分解材料包括补锂材料和造孔材料中的至少一者。补锂材料能够在电池单体充放电过程中(例如首次充电过程中)分解并释放锂离子,实现对电池体系的补锂,提高电池体系中锂离子的含量,提升电池单体的容量。造孔材料能够在电池单体充放电过程中分解并释放气体,气体流经活性物质层时可能会导致活性物质层中产生孔隙结构,从而增加活性物质层的孔隙率,提高其吸液能力和保液能力,进而改善电池单体的循环性能。
在一些实施方式中,所述补锂材料包括氮化锂、氧化锂、过氧化锂、方酸锂和富锂铁酸锂Li5FeO4中的一种或多种。
在一些实施方式中,所述造孔材料包括碳酸盐、草酸盐和金属氧化物中的一种或多种。
在一些实施方式中,所述碳酸盐包括碳酸铵、碳酸氢铵和碳酸氢钠中的一种或多种。
在一些实施方式中,所述草酸盐包括草酸铵、草酸钠和草酸氢铵中的一种或多种。
在一些实施方式中,所述金属氧化物包括氧化锌、氧化镁和氧化铝的一种或多种。
在一些实施方式中,所述活性物质层的涂布克重和涂层的涂布克重的比值为5.2至150;可选为6.5至100。活性物质层的涂布克重和涂层的涂布克重的比值在上述范围时,可分解材料在电池单体循环充放电过程的分解能够为活性物质层留有充足的膨胀空间,从而提升电池单体的循环性能。
在一些实施方式中,所述活性物质层的涂布克重C1满足:65g/m2≤C1≤300g/m2。
在一些实施方式中,所述涂层的涂布克重C2满足:2g/m2≤C2≤20g/m2;可选地,5g/m2≤C2≤20g/m2。
在一些实施方式中,所述涂层的厚度与所述活性物质层的厚度的比值为0.008至0.200;可选为0.015至0.154。涂层的厚度与活性物质层的厚度的比值在上述范围时,使得涂层中的可分解材料分解后,塌陷的程度不会过深,从而使得活性物质层表面的凹陷区域不会过深,降低活性物质层可能产生裂纹等的风险,且有利于活性物质的电性能的发挥;且塌陷的程度不会过浅,从而使得活性物质层表面的凹陷区域不会过浅,为电极极片提供充足的预膨胀空间,并提升其保液能力。
在一些实施方式中,所述涂层的厚度为1μm至20μm;可选为5μm至20μm。
在一些实施方式中,所述活性物质层的厚度为80μm至300μm。
在一些实施方式中,所述涂布区域的宽度与所述集流体的宽度的比值为Y,0.05≤Y≤0.50;可选为0.10≤Y≤0.50。涂布区域的宽度与活性物质层的宽度的比值在上述范围时,使得涂层中的可分解材料分解后,凹陷的区域不会过大,从而使得活性物质层表面的凹陷区域不会过大,且有利于活性物质的电性能的发挥;且凹陷的区域不会过小,从而使得活性物质层表面的凹陷区域不会过小,为电极极片提供充足的预膨胀空间,并提升其保液能力。
在一些实施方式中,所述电极极片的膨胀率为Z,所述涂布区域的宽度与所述集流体的宽度的比值为Y,所述电极极片满足以下条件中的至少一个:
(1)Z<20%;0.10≤Y≤0.50;可选为0.10≤Y≤0.15;
(2)20%≤Z<25%;0.13≤Y≤0.50;可选为0.13≤Y≤0.20;
(3)25%≤Z<30%;0.15≤Y≤0.50;可选为0.15≤Y≤0.30;
(4)30%≤Z;0.30≤Y≤0.50;可选为0.33≤Y≤0.50;
根据本申请实施方式,在电极极片的膨胀率较大的情况下,增大涂层的尺寸,从而为活性物质层的表面提供相对更大的凹陷区域,减缓电极组件的膨胀力;在电极极片的膨胀率较小的情况下,减小涂层的尺寸,从而使得活性物质层的表面具有相对较小的凹陷区域的情况下,同样可以起到良好地减缓电极组件的膨胀力的作用。
在一些实施方式中,所述涂层包括多个所述涂布区域,多个所述涂布区域间隔设置于所述集流体的表面,且位于所述集流体和所述活性物质层之间。多个涂布区域通过可分解材料的分解,能够为活性物质层提供多个凹陷区域,从而能够更进一步减缓电极组件的膨胀力,并提升电极极片的保液能力。
在一些实施方式中,所述集流体彼此相对的两个表面上均设置有所述涂层。两个表面上均设置有涂层,通过可分解材料的分解,能够为活性物质层提供多个凹陷区域,从而能够更进一步减缓电极组件的膨胀力,并提升电极极片的保液能力。
第二方面,本申请实施方式提出了一种电池单体,所述电池单体包括如本申请第一方面任一实施方式所述的电极组件。
在一些实施方式中,所述电极极片包括正极极片。
在一些实施方式中,所述电极极片包括负极极片。
第三方面,本申请实施方式提出了一种电池,所述电池包括如本申请第二方面所述的电池单体。
第四方面,本申请实施方式提出了一种用电装置,包括如本申请第三方面任一实施方式的所述的电池。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施方式的技术方案,下面将对本申请实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施方式,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据附图获得其他的附图。
图1是本申请的电极极片的一实施方式的结构示意图。
图2是图1所示的电极极片在另一角度下的结构示意图。
图3是图2所示的电极极片沿A-A线作出的剖视示意图。
图4是本申请的电极极片的另一实施方式的结构示意图。
图5是图4所示的电极极片在另一角度下的结构示意图。
图6是图5所示的电极极片沿B-B线作出的一种剖视示意图。
图7是图5所示的电极极片沿B-B线作出的另一种剖视示意图。
图8是图5所示的电极极片沿B-B线作出的又一种剖视示意图。
图9是本申请的电池单体的一实施方式的结构示意图。
图10是图9的电池单体的实施方式的分解示意图。
图11是本申请的电池模块的一实施方式的结构示意图。
图12是本申请的电池包的一实施方式的结构示意图。
图13是图12所示的电池包的实施方式的分解示意图。
图14是包含本申请的电池单体作为电源的用电装置的一实施方式的结构示意图。
附图未必按照实际的比例绘制。
附图标记说明如下:
1、电池包;2、上箱体;3、下箱体;4、电池模块;
5、电池单体;51、壳体;52、电极组件;
53、盖板;
6、用电装置;
7、电极极片;
71、集流体;72、涂层;721、涂布区域;73、活性物质层。
具体实施方式
以下,适当地参照附图详细说明具体公开了本申请的电极极片、电池单体、电池和用电装置的实施方式。但是会有省略不必要的详细说明的情况。例如,有省略对已众所周知的事项的详细说明、实际相同结构的重复说明的情况。这是为了避免以下的说明不必要地变得冗长,便于本领域技术人员的理解。此外,附图及以下说明是为了本领域技术人员充分理解本申请而提供的,并不旨在限定权利要求书所记载的主题。
需要注意的是,除非另有说明,本申请实施方式使用的技术术语或者科学术语应当为本申请实施方式所属领域技术人员所理解的通常意义。
在本申请实施方式的描述中,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方式和简化描述,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方式的限制。
此外,技术术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的,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。在本申请实施方式的描述中,“多个”的含义是两个以上,除非另有明确具体的限定。
在本申请实施方式的描述中,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方式中的具体含义。
在本申请实施方式的描述中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触,或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
本申请所公开的“范围”以下限和上限的形式来限定,给定范围是通过选定一个下限和一个上限进行限定的,选定的下限和上限限定了特别范围的边界。这种方式进行限定的范围可以是包括端值或不包括端值的,并且可以进行任意地组合,即任何下限可以与任何上限组合形成一个范围。例如,如果针对特定参数列出了60-120和80-110的范围,理解为60-110和80-120的范围也是预料到的。此外,如果列出的最小范围值1和2,和如果列出了最大范围值3,4和5,则下面的范围可全部预料到:1-3、1-4、1-5、2-3、2-4和2-5。在本申请中,除非有其他说明,数值范围“a-b”表示a到b之间的任意实数组合的缩略表示,其中a和b都是实数。例如数值范围“0-5”表示本文中已经全部列出了“0-5”之间的全部实数,“0-5”只是这些数值组合的缩略表示。另外,当表述某个参数为≥2的整数,则相当于公开了该参数为例如整数2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12等。
如果没有特别的说明,本申请的所有实施方式以及可选实施方式可以相互组合形成新的技术方案。
如果没有特别的说明,本申请所提到的“包括”和“包含”表示开放式,也可以是封闭式。例如,所述“包括”和“包含”可以表示还可以包括或包含没有列出的其他组分,也可以仅包括或包含列出的组分。
如果没有特别的说明,在本申请中,术语“或”是包括性的。举例来说,短语“A或B”表示“A,B,或A和B两者”。更具体地,以下任一条件均满足条件“A或B”:A为真(或存在)并且B为假(或不存在);A为假(或不存在)而B为真(或存在);或A和B都为真(或存在)。
本申请中,电池单体可以包括锂离子电池单体、锂离子一次电池单体、锂硫电池单体、钠锂离子电池单体、钠离子电池单体或镁离子电池单体等,本申请实施方式对此并不限定。电池单体可呈圆柱体、扁平体、长方体或其它形状等,本申请实施方式对此也不限定。电池单体一般按封装的方式分成三种:柱形电池单体、方体方形电池单体和软包电池单体,本申请实施方式对此也不限定。
电池单体包括电极组件和电解液,电极组件包括正极极片、负极极片和隔离膜。电解液分散于电极组件内,使得电极组件被电解液所浸润,使得金属离子能够经电解液在正极极片和负极极片之间移动来工作。在电池单体循环充放电过程中,电极组件会发生体积变化(例如体积膨胀),从而可能将电解液挤出电极组件,且电极组件回吸电解液的速率较慢,使得电极组件的局部发生缺液,可能引发局部析出金属产生金属枝晶,恶化电池单体的循环性能。
鉴于上述问题,本申请实施方式对电极极片进行了改进,提出了一种电极极片,该电极极片在集流体至少一个表面上设置涂层,电极极片还包括活性物质层,活性物质层设置于集流体至少一个表面且覆盖涂层;涂层包括可分解材料,在电池单体循环充放电过程中,可分解材料发生分解,可分解材料逐步减少,对应于该位置的活性物质层朝向集流体的方向发生凹陷,活性物质层背离集流体的表面形成轻微的凹陷区域,实现在电极极片的厚度方向上预留膨胀空间,减缓电极组件的膨胀力;并且该膨胀空间的存在,有利于提升电解液的回吸速率,提升电解液对电极组件的浸润性能,降低电极极片局部析出金属产生金属枝晶的风险;而且该膨胀空间还能够存储电解液,提升电极极片的保液能力,从提升电池单体的循环性能。
电极极片
第一方面,本申请实施方式提出了一种电极极片,该电极极片应用于电池单体。
如图1至图3所示,电极极片7包括集流体71、涂层72和活性物质层73,涂层72设置于所述集流体71的至少一个表面,所述涂层72包括至少一个涂布区域721,所述涂布区域721包括可分解材料,所述可分解材料被配置为在所述电池单体充电和放电中的至少一种情况下发生分解,所述可分解材料包括补锂材料和造孔材料中的至少一者,所述补锂材料包括含锂离子的化合物;活性物质层73设置于所述集流体71的至少一个表面且覆盖所述涂层72。
活性物质层73设置于集流体71的至少一个表面上,涂层72位于活性物质层73和集流体71之间。在电池单体循环充放电过程中,可分解材料发生分解,可分解材料逐步减少,对应于该位置的活性物质层73朝向集流体71的方向发生凹陷,活性物质层73背离集流体71的表面形成轻微的凹陷区域,实现在电极极片7的厚度方向上预留膨胀空间,减缓电极组件的膨胀力;并且该膨胀空间的存在,有利于提升电解液的回吸速率,提升电解液对电极组件的浸润性能,降低电极极片7局部析出金属产生金属枝晶的风险;而且该膨胀空间还能够存储电解液,提升电极极片7的保液能力,从而提升电池单体的循环性能。
涂层72包括至少一个涂布区域721,涂布区域721包括可分解材料,该可分解材料能够在电池单体充电和放电中的至少一种情况下发生分解;可以理解为可分解材料在电池单体循环过程中能够发生分解,例如,电池单体在循环过程中产生热量导致电池单体内的温度升高,当温度相对较高(到达预设温度例如110℃)时,可分解材料可能发生分解。又例如,电池单体在注入电解液后,电解液扩散至电极极片7中并与可分解材料相接触,可分解材料溶解于电解液中并可能发生化学反应,导致可分解材料分解。再例如,电池单体在循环过程中,其具有一定的工作电压,可分解材料在工作电压下发生分解。基于此,可以认为可分解材料在满足预设条件下发生分解,该预设条件即可以为前文所提及的的预设温度,或者可分解材料溶解于电解液中,或者在工作电压体系下。图2和图3示出了涂层72包括四个涂布区域721,当然涂布区域721的数量可以相对更少,也可以相对更多。
在一些实施方式中,可分解材料包括补锂材料,补锂材料包括含锂离子的化合物。由于电池单体在化成过程中能够形成固体电解质界面(Solid Electrolyte Interphase,SEI)膜,而SEI膜的形成是消耗活性锂离子的过程,导致电池单体的容量降低。而补锂材料能够在电池单体充放电过程中(例如首次充电过程中)分解并释放锂离子,实现对电池体系的补锂,提高电池体系中锂离子的含量,提升电池单体的容量。随着补锂材料的分解,涂层72逐步塌陷,对应涂层72的活性物质层73朝向集流体71的方向凹陷,在活性物质层73的表面形成局部的凹陷区域。对应涂层72的活性物质层73,可以理解为在电极极片7的厚度方向上,涂层72的投影面与部分活性物质层73的投影面重叠,该部分活性物质层73即对应涂层72的活性物质层73。
示例性地,补锂材料可以包括氮化锂、氧化锂、过氧化锂、方酸锂和富锂铁酸锂Li5FeO4中的一种或多种。上述补锂材料被配置为在电池单体的工作电压下发生分解。
能够在电池单体循环充放电过程中为电池体系进行补锂,并且随着补锂材料的分解,活性物质层73相应发生凹陷,为电极极片7的膨胀留有膨胀空间,有利于提升电池单体的循环性能。
在一些实施方式中,可分解材料包括造孔材料。造孔材料被配置为在电池单体充放电过程中分解并释放气体,气体流经活性物质层73时可能会导致活性物质层73中产生孔隙结构,从而增加活性物质层73的孔隙率,提高其吸液能力和保液能力,进而改善电池单体的循环性能。随着造孔材料的分解,涂层72逐步塌陷,对应涂层72的活性物质层73朝向集流体71的方向凹陷,在活性物质层73的表面形成局部的凹陷区域。对应涂层72的活性物质层73,可以理解为在电极极片7的厚度方向上,涂层72的投影面与部分活性物质层73的投影面重叠,该部分活性物质层73即对应涂层72的活性物质层73。
示例性地,造孔材料可以包括碳酸盐、草酸盐和金属氧化物中的一种或多种。上述造孔材料能够在电池单体循环充放电过程中发生分解,例如草酸盐、金属氧化物能够在电池单体的工作电压下发生分解,碳酸盐能够在电池单体的温度达到预设温度时发生分解。
例如,所述碳酸盐包括碳酸铵、碳酸氢铵和碳酸氢钠中的一种或多种。
例如,草酸盐包括草酸铵、草酸钠、草酸氢胺中的一种或多种。
例如,金属氧化物包括氧化锌、氧化镁和氧化铝中的一种或多种。
在一些实施方式中,基于所述涂层72的总质量计,所述可分解材料的质量百分含量大于等于80%。可分解材料的质量百分含量在上述范围时,一方面能够使得可分解材料在分解过程中为活性物质层73提供凹陷区域,减缓电极组件的膨胀力;另一方面,可分解材料能够提升电池单体的容量、循环性能等。
示例性地,可分解材料的质量百分含量可以为80%、81%、82%、83%、84%、85%、86%、88%、90%、92%、94%、95%或是上述任意两个数值组成的范围。
在一些实施方式中,涂层72还可以包括粘结剂。粘结剂能够增强涂层72和集流体71之间的粘结强度,且粘结剂能够增强涂层72和活性物质层73之间的粘结强度。
在一些实施方式中,基于涂层72的总质量计,粘结剂的质量百分含量可以为1%至5%。
示例性地,粘结剂的质量百分含量可以为1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%、4.5%、5%或是上述任意两个数值组成的范围。
示例性地,粘结剂包括聚偏氟乙烯、聚丙烯酸甲酯、丁苯橡胶、羧甲基纤维素钠、羧甲基纤维素锂、聚乙烯醇和聚氨酯中的一种或多种。
在一些实施方式中,涂层72还可以包括导电剂。导电剂能够提升涂层72的导电性,由此能够提升电极极片7整体的导电性。
在一些实施方式中,基于涂层72的总质量计,导电剂的质量百分含量可以为1%至5%。
示例性地,导电剂的质量百分含量可以为1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%、4.5%、5%或是上述任意两个数值组成的范围。
示例性地,导电剂包括活性炭、炭黑、石墨、碳纳米管和碳纤维中的一种或多种
在一些实施方式中,所述涂层72的厚度与所述活性物质层73的厚度的比值0.008至0.200;可选为0.015至0.154。涂层72的厚度与活性物质层73的厚度的比值在上述范围时,使得涂层72中的可分解材料分解后,塌陷的程度不会过深,从而使得活性物质层73表面的凹陷区域不会过深,降低活性物质层73可能产生裂纹等的风险,且有利于活性物质的电性能的发挥;且塌陷的程度不会过浅,从而使得活性物质层73表面的凹陷区域不会过浅,为电极极片7提供充足的预膨胀空间,并提升其保液能力。需要说明的是,涂层72的厚度可以为平均厚度,例如取涂层72的多处进行测量,对测取的数值计算其平均值,在涂层72包括多个涂布区域721的情况下,涂层72的厚度可以为多个涂布区域721厚度的平均值;活性物质层73的厚度也可以为平均厚度,例如取活性物质层73的多处进行测量,对测取的数值计算其平均值。
示例性地,涂层72的厚度与所述活性物质层73的厚度的比值可以为0.008、0.009、0.010、0.012、0.015、0.018、0.020、0.022、0.025、0.028、0.030、0.032、0.035、0.038、0.040、0.042、0.045、0.048、0.050、0.052、0.055、0.058、0.060、0.062、0.065、0.068、0.070、0.075、0.078、0.080、0.090、0.100、0.110、0.120、0.130、0.140、0.150、0.154、0.155、0.160、0.170、0.180、0.190、0.200或是上述任意两个数值组成的范围。
作为一些示例,涂层72的厚度可以为1μm至20μm;可选为5μm至20μm;进一步可选为5μm至10μm。例如,涂层72的厚度可以为1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、12μm、13μm、14μm、15μm、16μm、17μm、18μm、19μm、20μm或是上述任意两个数值组成的范围。
作为一些示例,所述活性物质层73的厚度为80μm至300μm。例如,活性物质层73的厚度可以为80μm、90μm、100μm、110μm、120μm、130μm、140μm、150μm、160μm、170μm、180μm、190μm、200μm、210μm、220μm、230μm、240μm、250μm、260μm、270μm、280μm、290μm、300μm或是上述任意两个数值组成的范围。
在本申请实施方式中,涂层72和活性物质层73的厚度为本领域公知的含义,可以采用本领域公知的设备和方法进行检测,例如可以通过扫描电子显微镜SEM扫描电极极片7的断面,测量涂层72的厚度和活性物质层73的厚度等。图3中示出的H1表示涂层72的厚度,H2表示活性物质层73的厚度。
在一些实施方式中,所述涂布区域721的宽度与所述集流体71的宽度的比值为Y,0.05≤Y≤0.50。涂布区域721的宽度与活性物质层73的宽度的比值在上述范围时,使得涂层72中的可分解材料分解后,凹陷的区域不会过大,从而使得活性物质层73表面的凹陷区域不会过大,且有利于活性物质的电性能的发挥;且凹陷的区域不会过小,从而使得活性物质层73表面的凹陷区域不会过小,为电极极片7提供充足的预膨胀空间,并提升其保液能力。在本申请实施方式中,例如涂布区域721的长度可以与活性物质层73的长度相同,或者涂布区域721的长度可以小于活性物质层73的长度。需要说明的是,涂布区域721的宽度可以为平均宽度,例如取涂布区域721的多处进行测量,对测取的数值计算其平均值;活性物质层73的宽度也可以为平均宽度,例如取活性物质层73的多处进行测量,对测取的数值计算其平均值。
可选地,0.10≤Y≤0.50;进一步可选地,0.11≤Y≤0.33;更进一步可选地,0.11≤Y≤0.23。Y在上述范围时能够进一步改善电池单体的循环性能等。
示例性地,涂布区域721的宽度与所述集流体71的宽度的比值Y可以为0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.10、0.11、0.12、0.13、0.14、0.15、0.16、0.18、0.20、0.22、0.25、0.26、0.28、0.30、0.33、0.35、0.38、0.40、0.42、0.45、0.46、0.48、0.50或是上述任意两个数值组成的范围。
在本申请实施方式中,集流体71的宽度方向与电极极片7的厚度方向垂直,集流体71的宽度方向也可以认为平行于由集流体71未涂覆活性物质的区域(例如对应极耳区域)指向集流体71涂覆活性物质的区域(对应活性物质层73)的方向。
在一些实施方式中,涂布区域721的宽度可以为5mm至50mm。可选为16mm至35mm。示例性地,涂布区域721的宽度可以为5mm、6mm、8mm、10mm、12mm、15mm、16mm、18mm、20mm、22mm、25mm、28mm、30mm、32mm、35mm、38mm、40mm、42mm、45mm、48mm、50mm或是上述任意两个数值组成的范围。
在一些实施方式中,活性物质层73的宽度可以为60mm至300mm。
示例性地,活性物质层73的宽度可以为60mm、65mm、70mm、75mm、80mm、85mm、90mm、95mm、100mm、105mm、110mm、115mm、120mm、125mm、130mm、135mm、140mm、145mm、150mm、155mm、160mm、165mm、170mm、175mm、180mm、185mm、190mm、195mm、200mm、205mm、210mm、215mm、220mm、225mm、230mm、235mm、240mm、245mm、250mm、255mm、260mm、265mm、270mm、275mm、280mm、285mm、290mm、295mm、300mm或是上述任意两个数值组成的范围。
在本申请实施方式中,涂布区域721和活性物质层73的宽度为本领域公知的含义,可以采用本领域公知的设备和方法进行检测,例如可以通过扫描电子显微镜SEM扫描电极极片7的断面,测量涂布区域721和活性物质层73的宽度等。图2中示出的W1表示涂布区域721的宽度值,W2表示活性物质层73的宽度值。
电极极片7包括含有活性物质的活性物质层73,不同种类或含量的活性物质在电池单体充放电过程中的膨胀程度不同,为了更好地与电极极片7的活性物质相适配,可以调整涂层72的尺寸,例如,在电极极片7的膨胀率较大的情况下,增大涂层72的尺寸,从而为活性物质层73的表面提供相对更大的凹陷区域,减缓电极组件的膨胀力;在电极极片7的膨胀率较小的情况下,减小涂层72的尺寸,从而使得活性物质层73的表面具有相对较小的凹陷区域的情况下,同样可以起到良好地减缓电极组件的膨胀力的作用。
电极极片7的膨胀率Z=[(电极极片7膨胀后的厚度-电极极片7的初始厚度)/初始厚度]*100%。
初始厚度是指新鲜电池单体中的电极极片7的厚度,新鲜电池单体可以理解为电池单体循环圈数小于等于10圈的电池单体。
膨胀后的厚度是指电池单体经1C倍率循环充放电500圈后,其电极极片7的厚度。
在本申请实施方式中,电极极片7的膨胀率可以通过以下方法进行检测,例如,将同一批次10个电池单体作为测量样品,取出5个电池单体中的电极极片7,将电极极片7于去离子中清洗,并于85℃下烘干4h,测量电极极片7的厚度,并计算其平均厚度,记录为初始厚度;剩余5个电池进行循环充放电(1C倍率),在循环500圈后,取出电池单体中的电极极片7,将电极极片7于去离子中清洗,并于85℃下烘干4h,测量电极极片7的厚度,并计算其平均厚度,记录为膨胀后的厚度,由此计算得到电极极片7的膨胀率。
在一些实施方式中,Z<20%;0.10≤Y≤0.50;可选为0.10≤Y≤0.15。示例性地,Z可以为6%、7%、8%、10%、11%、12%、12%、15%、16%、17%、18%、19%、19.5%或是上述任意两个数值组成的范围。Y可以为0.10、0.11、0.12、0.13、0.14、0.15、0.16、0.18、0.20、0.22、0.25、0.26、0.28、0.30、0.33、0.35、0.38、0.40、0.42、0.45、0.46、0.48、0.50或是上述任意两个数值组成的范围。
在一些实施方式中,20%≤Z<25%;0.13≤Y≤0.50;可选为0.13≤Y≤0.20。示例性地,Z可以为20%、21%、22%、23%、24%、24.5%或是上述任意两个数值组成的范围。Y可以为0.13、0.14、0.15、0.16、0.18、0.20、0.22、0.25、0.26、0.28、0.30、0.33、0.35、0.38、0.40、0.42、0.45、0.46、0.48、0.50或是上述任意两个数值组成的范围。
在一些实施方式中,25%≤Z<30%;0.15≤Y≤0.50;可选为0.15≤Y≤0.30。示例性地,Z可以为25%、26%、27%、28%、29%、29.5%或是上述任意两个数值组成的范围。Y可以为0.15、0.16、0.18、0.20、0.22、0.25、0.26、0.28、0.30、0.33、0.35、0.38、0.40、0.42、0.45、0.46、0.48、0.50或是上述任意两个数值组成的范围。
在一些实施方式中,30%≤Z;0.30≤Y≤0.50;可选为0.33≤Y≤0.50。示例性地,Z可以为30%、32%、33%、35%、36%、38%、39%、40%、42%、45%或是上述任意两个数值组成的范围。Y可以为0.30、0.31、0.32、0.33、0.35、0.38、0.40、0.42、0.45、0.46、0.48、0.50或是上述任意两个数值组成的范围。
在此需要说明的是,当电极极片7为正极极片时,其膨胀率和Y取值范围满足上述各范围;当电极极片7为负极极片时,其膨胀率和Y取值范围满足上述各范围;但是正极极片和负极极片的Y值的选取相互之间可以不干涉。
在一些实施方式中,活性物质层73的涂布克重和涂层72的涂布克重的比值为5.2至200;可选为6.5至100。
活性物质层73的涂布克重和涂层72的涂布克重的比值在上述范围时,可分解材料在电池单体循环充放电过程的分解能够为活性物质层73留有充足的膨胀空间,从而提升电池单体的循环性能。
示例性地,活性物质层73的涂布克重和涂层72的涂布克重的比值可以为5.2、6、6.5、8、10、12、13、15、16、18、20、22、25、28、30、32、35、38、40、42、45、50、55、58、60、65、70、75、80、85、90、95、100、105、110、115、120、125、130、135、140、145、150或是上述任意两个数值组成的范围。
在一些实施方式中,活性物质层73的涂布克重C1满足:65g/m2≤C1≤300g/m2。活性物质层73的涂布克重在上述范围时,能够提升电池单体的能量密度。
示例性地,活性物质层73的涂布克重C1可以为65g/m2、68g/m2、70g/m2、72g/m2、75g/m2、78g/m2、80g/m2、85g/m2、90g/m2、95g/m2、100g/m2、105g/m2、110g/m2、115g/m2、120g/m2、125g/m2、130g/m2、135g/m2、140g/m2、150g/m2、155g/m2、160g/m2、165g/m2、170g/m2、180g/m2、190g/m2、200g/m2、210g/m2、220g/m2、230g/m2、240g/m2、250g/m2、260g/m2、270g/m2、280g/m2、290g/m2、300g/m2或是上述任意两个数值组成的范围。
在一些实施方式中,涂层72的涂布克重C2满足:2g/m2≤C2≤20g/m2;可选地,5g/m2≤C2≤20g/m2。涂层72的涂布克重在上述范围时,能够为活性物质层73提供预留的膨胀空间,从而提升电池单体的循环性能。
示例性地,涂层72的涂布克重C2可以为2g/m2、3g/m2、4g/m2、5g/m2、6g/m2、7g/m2、8g/m2、9g/m2、10g/m2、11g/m2、12g/m2、13g/m2、14g/m2、15g/m2、16g/m2、17g/m2、18g/m2、19g/m2、20g/m2或是上述任意两个数值组成的范围。
在本申请实施方式中,活性物质层73、涂层72的涂布克重为本领域公知的含义,可以用本领域公知的仪器及方法进行测定。例如取单面涂布且经冷压后的电极极片7(若是双面涂布的电极极片,可先擦拭掉其中一面的活性物质层73和涂层72),冲切成面积为S1的小圆片,称其重量,记录为M1。然后将上述称重后的电极极片7的活性物质层73擦拭掉,称量集流体71和涂层72的重量,记录为M0,活性物质层73的涂布克重=(电极极片7的重量M1-集流体71和涂层72的重量M0)/S1。将涂层72擦拭掉,称量集流体71的重量为M2,涂层72的涂布克重=(集流体71和涂层72的重量M0-集流体71的重量M2)/S1。
本申请实施方式中所提及的参数均指单面涂层72或活性物质层73的参数范围。当涂层72或活性物质层73设置在集流体71的两个表面上时,其中任意一个表面上的涂层72或活性物质层73参数满足本申请,即认为落入本申请的保护范围内。
涂层72包括至少一个涂布区域721,涂布区域721可以为一个或多个,在涂布区域721为多个时,其可以为两个、三个、四个等等。多个涂布区域721可以间隔设置于集流体71的表面,且位于集流体71和活性物质层73之间。多个涂布区域721通过可分解材料的分解,能够为活性物质层73提供多个凹陷区域,从而能够更进一步减缓电极组件的膨胀力,并提升电极极片7的保液能力。
涂布区域721在厚度方向上的投影轮廓可以为规则几何图形或不规则几何图形,规则几何图形可以为三角形、四边形、五边形、六边形、八边形、圆形、椭圆形等;不规则几何图形的至少部分可以为弧形等。
集流体71包括沿其自身厚度方向彼此相对的两个表面,涂层72设置于集流体71的至少一个表面,例如,涂层72可以设置于集流体71的其中一个表面,或者涂层72可以设置于集流体71的两个表面上。
如图4至图7所示,在涂层72设置于集流体71的两个表面时,电极极片7的结构可以包括沿厚度方向依次设置的活性物质层73、涂层72、集流体71、涂层72和活性物质层73。两个表面上的涂层72可以完全对称设置;也可以非对称设置,例如两个表面上的涂层72错位设置,即两个表面上的涂层72在厚度方向上的投影部分重叠或者不重叠。图6示出了电极极片7中两个表面上的涂层72基本对称设置的示意图。图7示出了电极极片7中两个表面上的涂层72非对称设置的示意图。
两个表面上的涂层72的涂布量可以不同,当然也可以相同。两个表面上的涂层72的涂布形状可以不同,当然也可以相同。
在涂层72设置于集流体71的一个表面时,电极极片7的结构可以包括沿厚度方向依次设置的集流体71、涂层72和活性物质层73;或者,如图8所示,电极极片7的结构可以包括沿厚度方向依次设置的活性物质层73、集流体71、涂层72和活性物质层73。
在一些实施方式中,活性物质层73包括正极活性物质,在此情况下,电极极片7为正极极片,活性物质层73为正极活性物质层,集流体71为正极集流体。
在一些实施方式中,活性物质层73包括负极活性物质,在此情况下,电极极片7为负极极片,活性物质层73为负极活性物质层,集流体71为负极集流体。
[正极极片]
在一些实施方式中,所述正极极片采用前文所述的电极极片。正极极片包括正极集流体以及设置在所述正极集流体至少一个表面且包括正极活性物质的正极活性物质层,正极极片还包括涂层,涂层设置于正极集流体的至少一个表面,且正极活性物质层覆盖涂层。
例如,所述正极集流体具有在自身厚度方向相对的两个表面,所述正极活性物质层设置在所述正极集流体的两个相对表面中的任意一者或两者上。
当本申请的电池单体为锂离子电池时,所述正极活性物质可包括但不限于含锂过渡金属氧化物、含锂磷酸盐及其各自的改性化合物中的至少一种。所述锂过渡金属氧化物的示例可包括但不限于锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂锰氧化物、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、锂镍钴铝氧化物及其各自的改性化合物中的至少一种。所述含锂磷酸盐的示例可包括但不限于磷酸铁锂、磷酸铁锂与碳的复合材料、磷酸锰锂、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及其各自的改性化合物中的至少一种。
在一些实施方式中,为了进一步提高电池单体的能量密度,用于锂离子电池的正极活性物质可以包括通式为LiaNibCocMdOeAf的锂过渡金属氧化物及其改性化合物中的至少一种。0.8≤a≤1.2,0.5≤b<1,0<c<1,0<d<1,1≤e≤2,0≤f≤1,M包括Mn、Al、Zr、Zn、Cu、Cr、Mg、Fe、V、Ti和B中的至少一种,A包括N、F、S和Cl中的至少一种。
作为示例,用于锂离子电池的正极活性物质可包括LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiMn2O4、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(NCM333)、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(NCM523)、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2(NCM622)、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM811)、LiNi0.85Co0.15Al0.05O2、LiFePO4、LiMnPO4中的至少一种。
当本申请的电池单体为钠离子电池时,所述正极活性物质可包括但不限于含钠过渡金属氧化物、聚阴离子材料(如磷酸盐、氟磷酸盐、焦磷酸盐、硫酸盐等)、普鲁士蓝类材料中的至少一种。
作为示例,用于钠离子电池的正极活性物质可包括NaFeO2、NaCoO2、NaCrO2、NaMnO2、NaNiO2、NaNi1/2Ti1/2O2、NaNi1/2Mn1/2O2、Na2/3Fe1/3Mn2/3O2、NaNi1/3Co1/3Mn1/3O2、NaFePO4、NaMnPO4、NaCoPO4、普鲁士蓝类材料、通式为XpM’q(PO4)rOxY3-x的材料中的至少一种。在通式XpM’q(PO4)rOxY3-x中,0<p≤4,0<q≤2,1≤r≤3,0≤x≤2,X包括H+、Li+、Na+、K+和NH4 +中的至少一种,M’为过渡金属阳离子,可选地为V、Ti、Mn、Fe、Co、Ni、Cu和Zn中的至少一种,Y为卤素阴离子,可选地为F、Cl和Br中的至少一种。
在本申请中,上述各正极活性物质的改性化合物可以是对所述正极活性物质进行掺杂改性和/或表面包覆改性。
在一些实施方式中,所述正极活性物质层还可选地包括正极导电剂。本申请对所述正极导电剂的种类没有特别的限制,作为示例,所述正极导电剂包括超导碳、导电石墨、乙炔黑、炭黑、科琴黑、碳点、碳纳米管、石墨烯和碳纳米纤维中的至少一种。在一些实施方式中,基于所述正极活性物质层的总质量,所述正极导电剂的质量百分含量为≤5%。
在一些实施方式中,所述正极活性物质层还可选地包括正极粘结剂。本申请对所述正极粘结剂的种类没有特别的限制,作为示例,所述正极粘结剂可包括聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(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-六氟丙烯共聚物和含氟丙烯酸酯类树脂中的至少一种。在一些实施方式中,基于所述正极活性物质层的总质量,所述正极粘结剂的质量百分含量为≤5%。
在一些实施方式中,所述正极集流体可采用金属箔片或复合集流体。作为金属箔片的示例,可采用铝箔。所述复合集流体可包括高分子材料基层以及形成于所述高分子材料基层至少一个表面上的金属材料层。作为示例,所述金属材料可包括铝、铝合金、镍、镍合金、钛、钛合金、银和银合金中的至少一种。作为示例,所述高分子材料基层可包括聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚苯乙烯(PS)和聚乙烯(PE)中的至少一种。
所述正极活性物质层通常是将正极浆料涂布在正极集流体上,经干燥、冷压而成的。所述正极浆料通常是将正极活性物质、可选的导电剂、可选的粘结剂以及任意的其他组分分散于溶剂中并搅拌均匀而形成的。溶剂可以是N-甲基吡咯烷酮(NMP),但不限于此。
[负极极片]
在一些实施方式中,所述负极极片采用前文所述的电极极片。负极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且包括负极活性物质的负极活性物质层,负极极片还包括涂层,涂层设置于负极集流体的至少一个表面,且负极活性物质层覆盖涂层。
所述负极活性物质可采用本领域公知的用于电池单体的负极活性物质。作为示例,所述负极活性物质可包括但不限于天然石墨、人造石墨、软炭、硬炭、硅基材料、锡基材料和钛酸锂中的至少一种。所述硅基材料可包括单质硅、硅氧化物、硅碳复合物、硅氮复合物和硅合金材料中的至少一种。所述锡基材料可包括单质锡、锡氧化物和锡合金材料中的至少一种。
在一些实施方式中,所述负极活性物质层还可选地包括负极导电剂。本申请实施方式对所述负极导电剂的种类没有特别的限制,作为示例,所述负极导电剂可包括超导碳、导电石墨、乙炔黑、炭黑、科琴黑、碳点、碳纳米管、石墨烯和碳纳米纤维中的至少一种。在一些实施方式中,基于所述负极活性物质层的总重量,所述负极导电剂的质量百分含量为≤5wt%。
在一些实施方式中,所述负极活性物质层还可选地包括负极粘结剂。本申请实施方式对所述负极粘结剂的种类没有特别的限制,作为示例,所述负极粘结剂可包括丁苯橡胶(SBR)、水溶性不饱和树脂SR-1B、水性丙烯酸类树脂(例如,聚丙烯酸PAA、聚甲基丙烯酸PMAA、聚丙烯酸钠PAAS)、聚丙烯酰胺(PAM)、聚乙烯醇(PVA)、海藻酸钠(SA)和羧甲基壳聚糖(CMCS)中的至少一种。在一些实施方式中,基于所述负极活性物质层的总重量,所述负极粘结剂的质量百分含量为≤5 wt%。
在一些实施方式中,所述负极活性物质层还可选地包括其他助剂。作为示例,其他助剂可包括增稠剂,例如,羧甲基纤维素钠(CMC-Na)、PTC热敏电阻材料等。在一些实施方式中,基于所述负极活性物质层的总重量,所述其他助剂的质量百分含量为≤2 wt%。
在一些实施方式中,所述负极集流体可采用金属箔片或复合集流体。作为金属箔片的示例,可采用铜箔。所述复合集流体可包括高分子材料基层以及形成于所述高分子材料基层至少一个表面上的金属材料层。作为示例,所述金属材料可包括铜、铜合金、镍、镍合金、钛、钛合金、银和银合金中的至少一种。作为示例,所述高分子材料基层可包括聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚苯乙烯(PS)和聚乙烯(PE)中的至少一种。
所述负极活性物质层通常是将负极浆料涂布于负极集流体上,经干燥、冷压而成的。所述负极浆料通常是将负极活性物质、可选的导电剂、可选地粘结剂、其他可选的助剂分散于溶剂中并搅拌均匀而形成的。溶剂可以是N-甲基吡咯烷酮(NMP)或去离子水,但不限于此。
所述负极极片并不排除除了所述负极活性物质层之外的其他附加功能层。例如在某些实施例中,本申请实施方式所述的负极极片还包括夹在所述负极集流体和所述负极活性物质层之间、设置在所述负极集流体表面的导电底涂层(例如由导电剂和粘结剂组成)。在另外一些实施例中,本申请实施方式所述的负极极片还包括覆盖在所述负极活性物质层表面的保护层。
电池单体
第二方面,本申请实施方式还提供了一种电池单体,电池单体又称为充电电池或蓄电池,是指在电池放电后可通过充电的方式使活性物质激活而继续使用的电池。通常情况下,电池单体包括电极组件和电解液,所述电极组件包括正极极片、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,主要起到防止正极和负极短路的作用,同时可以使活性离子通过。
本申请对电池单体种类没有特别的限制,例如,所述电池单体可以为锂离子电池、钠离子电池等,特别地,所述电池单体可以为锂离子电池单体。
在一些实施方式中,正极极片可以采用本申请第一方面任一实施方式的正极极片。负极极片可以采用常规负极极片,常规负极极片可以不包含涂层。
在另一些实施方式中,负极极片可以采用本申请第一方面任一实施方式的负极极片。正极极片可以采用常规正极极片,常规正极极片可以不包含涂层。
在再一些实施方式中,正极极片可以采用本申请第一方面任一实施方式的正极极片,负极极片可以采用本申请第一方面任一实施方式的负极极片。
[电解液]
电池单体还包括电解液。
在电池单体充放电过程中,活性离子在正极极片和负极极片之间往返嵌入和脱出,电解液在正极极片和负极极片之间起到传导活性离子的作用。本申请实施方式对电解液的种类没有特别的限制,可根据实际需求进行选择。
所述电解液包括电解质盐和溶剂。所述电解质盐和所述溶剂的种类不受具体的限制,可根据实际需求进行选择。
当本申请的电池单体为锂离子电池时,作为示例,所述电解质盐可包括但不限于六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)、高氯酸锂(LiClO4)、六氟砷酸锂(LiAsF6)、双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)、双三氟甲磺酰亚胺锂(LiTFSI)、三氟甲磺酸锂(LiTFS)、二氟草酸硼酸锂(LiDFOB)、二草酸硼酸锂(LiBOB)、二氟磷酸锂(LiPO2F2)、二氟二草酸磷酸锂(LiDFOP)和四氟草酸磷酸锂(LiTFOP)中的至少一种。
当本申请的电池单体为钠离子电池时,作为示例,所述电解质盐可包括但不限于六氟磷酸钠(NaPF6)、四氟硼酸钠(NaBF4)、高氯酸钠(NaClO4)、六氟砷酸钠(NaAsF6)、双氟磺酰亚胺钠(NaFSI)、双三氟甲磺酰亚胺钠(NaTFSI)、三氟甲磺酸钠(NaTFS)、二氟草酸硼酸钠(NaDFOB)、二草酸硼酸钠(NaBOB)、二氟磷酸钠(NaPO2F2)、二氟二草酸磷酸钠(NaDFOP)和四氟草酸磷酸钠(NaTFOP)中的至少一种。
作为示例,所述溶剂可包括但不限于碳酸乙烯酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸甲乙酯(EMC)、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)、碳酸亚丁酯(BC)、氟代碳酸乙烯酯(FEC)、甲酸甲酯(MF)、乙酸甲酯(MA)、乙酸乙酯(EA)、乙酸丙酯(PA)、丙酸甲酯(MP)、丙酸乙酯(EP)、丙酸丙酯(PP)、丁酸甲酯(MB)、丁酸乙酯(EB)、1,4-丁内酯(GBL)、环丁砜(SF)、二甲砜(MSM)、甲乙砜(EMS)和二乙砜(ESE)中的至少一种。
在一些实施方式中,所述电解液中还可选地包括添加剂。例如,所述添加剂可以包括负极成膜添加剂,也可以包括正极成膜添加剂,还可以包括能够改善电池某些性能的添加剂,例如改善电池过充性能的添加剂、改善电池高温性能的添加剂、改善电池低温功率性能的添加剂等。
[隔离膜]
电池单体还包括隔离膜。
在一些实施方式中,电池单体中还包括隔离膜。本申请对隔离膜的种类没有特别的限制,可以选用任意公知的具有良好的化学稳定性和机械稳定性的多孔结构隔离膜。
在一些实施方式中,隔离膜的材质可包括玻璃纤维、无纺布、聚乙烯、聚丙烯及聚偏氟乙烯中的至少一种。隔离膜可以是单层薄膜,也可以是多层复合薄膜,没有特别限制。在隔离膜为多层复合薄膜时,各层的材料可以相同或不同,没有特别限制。
在一些实施方式中,所述正极极片、所述隔离膜和所述负极极片可通过卷绕工艺和/或叠片工艺制成电极组件。
在一些实施方式中,所述电池单体可包括外包装。该外包装可用于封装上述电极组件及电解液。
在一些实施方式中,所述电池单体的外包装可以是硬壳,例如硬塑料壳、铝壳、钢壳等。所述电池单体的外包装也可以是软包,例如袋式软包。所述软包的材质可以是塑料,如聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)和聚丁二酸丁二醇酯(PBS)中的至少一种。
本申请对电池单体的形状没有特别的限制,其可以是圆柱形、方形或其他任意的形状。如图9是作为一个示例的方形结构的电池单体5。
在一些实施方式中,如图10所示,外包装可包括壳体51和盖板53。壳体51可包括底板和连接于底板上的侧板,底板和侧板围合形成容纳腔。壳体51具有与容纳腔连通的开口,盖板53用于盖设所述开口,以封闭所述容纳腔。正极极片、负极极片和隔离膜可经卷绕工艺和/或叠片工艺形成电极组件52。电极组件52封装于所述容纳腔。电解液浸润于电极组件52中。电池单体5所含电极组件52的数量可以为一个或多个,可根据需求来调节。
本申请的电池单体的制备方法是公知的。在一些实施方式中,可将正极极片、隔离膜、负极极片和电解液组装形成电池单体。作为示例,可将正极极片、隔离膜、负极极片经卷绕工艺和/或叠片工艺形成电极组件,将电极组件置于外包装中,烘干后注入电解液,经过真空封装、静置、化成、整形等工序,得到电池单体。
在本申请的一些实施例中,根据本申请的电池单体可以组装成电池模块,电池模块所含电池单体的数量可以为多个,具体数量可根据电池模块的应用和容量来调节。
图11是作为一个示例的电池模块4的示意图。如图11所示,在电池模块4中,多个电池单体5可以是沿电池模块4的长度方向依次排列设置。当然,也可以按照其他任意的方式进行排布。进一步可以通过紧固件将该多个电池单体5进行固定。
可选地,电池模块4还可以包括具有容纳空间的外壳,多个电池单体5容纳于该容纳空间。
在一些实施方式中,上述电池模块4还可以组装成电池包,电池包所含电池模块4的数量可以根据电池包的应用和容量进行调节。
图12和图13是作为一个示例的电池包1的示意图。如图12和图13所示,在电池包1中可以包括电池箱和设置于电池箱中的多个电池模块4。电池箱包括上箱体2和下箱体3,上箱体2用于盖设下箱体3,并形成用于容纳电池模块4的封闭空间。多个电池模块4可以按照任意的方式排布于电池箱中。
本申请实施方式中,电池单体、电池模块、电池包均可以作为电池的示例。
用电装置
本申请实施方式第三方面提供一种用电装置,所述用电装置包括本申请的电池单体、电池模块或电池包中的至少一种。所述电池单体、电池模块或电池包可以用作所述用电装置的电源,也可以用作所述用电装置的能量存储单元。所述用电装置可以但不限于是移动设备(例如手机、笔记本电脑等)、电动车辆(例如纯电动车、混合动力电动车、插电式混合动力电动车、电动自行车、电动踏板车、电动高尔夫球车、电动卡车等)、电气列车、船舶及卫星、储能系统等。
所述用电装置可以根据其使用需求来选择电池单体、电池模块或电池包。
图14是作为一个示例的用电装置6的示意图。该用电装置6为纯电动车、混合动力电动车、或插电式混合动力电动车等。为了满足该用电装置6对高功率和高能量密度的需求,可以采用电池包或电池模块。
作为另一个示例的用电装置可以是手机、平板电脑、笔记本电脑等。该用电装置通常要求轻薄化,可以采用电池单体作为电源。
实施例
下述实施例更具体地描述了本申请公开的内容,这些实施例仅仅用于阐述性说明,因为在本申请公开内容的范围内进行各种修改和变化对本领域技术人员来说是明显的。除非另有声明,以下实施例中所报道的所有份、百分比和比值都是基于质量计,而且实施例中使用的所有试剂都可商购获得或是按照常规方法进行合成获得,并且可直接使用而无需进一步处理,以及实施例中使用的仪器均可商购获得。
实施例1
1、正极极片的制备
采用厚度为12μm的铝箔作为正极集流体。
将补锂材料氮化锂、导电剂炭黑、粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)按照质量比90:5:5加入溶剂N-甲基吡咯烷酮NMP中充分搅拌混合,形成均匀的功能浆料;将功能浆料均匀涂覆于正极集流体铝箔的表面上,经干燥、冷压后,得到涂层。
将正极活性物质LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM811)、导电剂炭黑、粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)按重量比97.5:1.4:1.1在适量的溶剂N-甲基吡咯烷酮NMP中充分搅拌混合,形成均匀的正极浆料;将正极浆料均匀涂覆于正极集流体铝箔的表面上,经干燥、冷压后,得到含有正极活性物质层的正极极片,其中,正极活性物质层覆盖涂层,且正极极片包括沿厚度方向依次设置的正极活性物质层、涂层、正极集流体、涂层和正极活性物质层。
2、负极极片的制备
采用厚度为8μm的铜箔作为负极集流体。
将补锂材料氮化锂、导电剂炭黑(Super P)、粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)按照质量比90:5:5加入溶剂N-甲基吡咯烷酮NMP中充分搅拌混合,形成均匀的功能浆料;将功能浆料均匀涂覆于负极集流体铜箔的表面上,经干燥、冷压后,得到涂层。
将负极活性物质石墨(人造石墨95%和天然石墨5%)、粘结剂丁苯橡胶(SBR)、增稠剂羧甲基纤维素钠(CMC-Na)、导电剂炭黑(Super P)按重量比96.2:1.8:1.2:0.8在适量的溶剂去离子水中充分搅拌混合,形成均匀的负极浆料;将负极浆料均匀涂覆于负极集流体铜箔的表面上,经干燥、冷压后,得到负极活性物质层,其中,负极活性物质层覆盖涂层,且负极极片包括沿厚度方向依次设置的负极活性物质层、涂层、负极集流体、涂层和负极活性物质层。
3、隔离膜
采用多孔聚乙烯(PE)膜作为隔离膜。
4、电解液的制备
在含水量小于10ppm的环境下,将非水有机溶剂碳酸乙烯酯EC、碳酸二乙酯DMC按照体积比1:1进行混合得到电解液溶剂,随后将锂盐六氟磷酸锂和混合后的电解液溶剂混合,配置成锂盐浓度为1 mol/L的电解液。
5、电池单体的制备
将上述正极极片、隔离膜、负极极片按顺序叠好,使隔离膜处于正极极片和负极极片之间起到隔离作用,然后卷绕得到电极组件;将电极组件置于外包装壳中,干燥后注入电解液,经过真空封装、静置、化成、整形等工序,得到锂离子电池。
对比例1
采用与实施例1相似的方法制备锂离子电池,与实施例1不同的是,对比例1的正极极片的制备方法如下:
采用厚度为12μm的铝箔作为正极集流体。
将正极活性物质LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM811)、导电剂炭黑、粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)按重量比97.5:1.4:1.1在适量的溶剂N-甲基吡咯烷酮NMP中充分搅拌混合,形成均匀的正极浆料;将正极浆料均匀涂覆于正极集流体铝箔的表面上,经干燥、冷压后,得到含有正极活性物质层的正极极片,正极极片包括沿厚度方向依次设置的正极活性物质层、正极集流体和正极活性物质层,正极活性物质层的宽度为180mm,厚度为130μm,涂布克重为200g/m2。
负极极片的制备方法如下:
采用厚度为8μm的铜箔作为负极集流体。
将负极活性物质石墨(人造石墨95%和天然石墨5%)、粘结剂丁苯橡胶(SBR)、增稠剂羧甲基纤维素钠(CMC-Na)、导电剂炭黑(Super P)按重量比96.2:1.8:1.2:0.8在适量的溶剂去离子水中充分搅拌混合,形成均匀的负极浆料;将负极浆料均匀涂覆于负极集流体铜箔的表面上,经干燥、冷压后,得到负极极片,负极极片包括沿厚度方向依次设置的负极活性物质层、负极集流体和负极活性物质层,负极活性物质层的宽度为190mm,厚度为150μm,涂布克重为130g/m2。
实施例2
采用与实施例1相似的方法制备锂离子电池,与实施例1不同的是,实施例2的负极极片未设置涂层,其制备方法如下:
采用厚度为8μm的铜箔作为负极集流体。
将负极活性物质石墨(人造石墨95%和天然石墨5%)、粘结剂丁苯橡胶(SBR)、增稠剂羧甲基纤维素钠(CMC-Na)、导电剂炭黑(Super P)按重量比96.2:1.8:1.2:0.8在适量的溶剂去离子水中充分搅拌混合,形成均匀的负极浆料;将负极浆料均匀涂覆于负极集流体铜箔的表面上,经干燥、冷压后,得到负极极片,负极极片包括沿厚度方向依次设置的负极活性物质层、负极集流体和负极活性物质层。
实施例3
采用与实施例1相似的方法制备锂离子电池,与实施例1不同的是,实施例3的正极极片未设置涂层,其制备方法如下:
采用厚度为12μm的铝箔作为正极集流体。
将正极活性物质LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM811)、导电剂炭黑、粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)按重量比97.5:1.4:1.1在适量的溶剂N-甲基吡咯烷酮NMP中充分搅拌混合,形成均匀的正极浆料;将正极浆料均匀涂覆于正极集流体铝箔的表面上,经干燥、冷压后,得到含有正极活性物质层的正极极片,正极极片包括沿厚度方向依次设置的正极活性物质层、正极集流体和正极活性物质层。
实施例4至实施例6
采用与实施例1相似的方法制备锂离子电池,与实施例1不同的是,实施例4至实施例6对负极活性物质及涂层尺寸等进行了调整,具体如下:
实施例4的负极活性物质包括95%人造石墨和5%硅。
实施例5的负极活性物质包括98.5%人造石墨和1.5%硅。
实施例6的负极活性物质包括90%人造石墨和10%天然石墨。
实施例7
采用与实施例1相似的方法制备锂离子电池,与实施例1不同的是,实施例7对正极活性物质进行了调整,实施例7的正极活性材料采用磷酸铁锂LiFePO4。
实施例8至实施例13
采用与实施例1相似的方法制备锂离子电池,与实施例1不同的是,实施例8至实施例13对涂层中的可分解材料的种类进行了调整。
实施例14至实施例19
采用与实施例1相似的方法制备锂离子电池,与实施例1不同的是,实施例14至实施例19对正极极片和负极极片中至少一者对涂层厚度等进行了调整。
测试部分
1、电极极片的初始容量的测试
取将上述实施例和对比例制备的正极极片,并与金属锂片形成为对电极,以聚乙烯(PE)薄膜作为隔离膜,滴入几滴与实施例1中电池单体相同的电解液,并在氩气保护的手套箱中组装成CR2430型扣式电池。
将所得扣式电池静置12h后,在25℃下,以0.1C/0.1C恒流充/放电三次,记录放电容量;取第三次放电容量作为初始容量值
相应地,负极活性材料的初始克容量也可按照上述方法进行计算。
2、循环剩余容量及保持率的测试方法
将上述实施例和对比例制备的锂离子电池,带三片铝板夹具与传感器测试,初始夹具力3000N;使用恒温箱,在25℃温度,进行1C/1C循环保持率测试,实时记录膨胀力数据,直至循环3000次,记录容量保持率。
3、电极极片界面状态
将上述实施例和对比例制备的锂离子电池,以0.5C/0.5C进行三次充放电活化测试,静置2h;以2C/0.5C进行充放电循环3次,满充后进行拆解。界面存在不同颜色区域,例如具有灰白色,灰白色区域视为析锂区域,未见明显灰白色则视为未析锂。
测试结果
测试结果如表1和表2所示。
表1
表2
由表1和表2可知,对比例1的锂离子电池在循环充放电过程,电极极片的体积膨胀较大,可能导致电解液被挤出,从而使得循环性能较差,且容易析出锂枝晶。
相较于对比例1,本申请实施例在正极极片和负极极片中均设置有涂层,在锂离子电池循环充放电过程中涂层中的可分解材料能够发生分解,对应可分解材料的活性物质层会发生凹陷,从而降低电极极片的膨胀率,提升锂离子电池的循环性能;并且能够降低析出锂枝晶的风险,提高锂离子电池使用的可靠性。而且本申请实施例设置涂层基本不会降低锂离子电池的初始容量,且涂层包含补锂材料的情况下,还可能具有提升初始容量的功能。
通过实验发现,仅在正极极片或负极极片中设置涂层,也可以在一定程度上提升锂离子电池的循环性能和使用可靠性。涂层适用于不同材质的负极活性材料体系(对应不同的膨胀率),不同材质的正极活性材料体系(对应不同的膨胀率),可以通过对涂层尺寸规格(例如厚度和/或宽度)进行调整,适用不同的材料体系。且通过实施例测试发现,在活性物质层的涂布克重和涂层的涂布克重的比值为5.2至200;可选为6.5至100的情况下,对锂离子电池循环性能的提升效果较好;在涂层的涂布克重C2满足:2g/m2≤C2≤20g/m2;可选为5g/m2≤C2≤20g/m2情况下,对锂离子电池循环性能的提升效果较好。
尽管已经演示和描述了说明性实施方式,本领域技术人员应该理解上述实施方式不能被解释为对本申请的限制,并且可以在不脱离本申请的精神、原理及范围的情况下对实施方式进行改变,替代和修改。
Claims (20)
1.一种电池单体的电极极片,其特征在于,包括:
集流体;
涂层,设置于所述集流体的至少一个表面,所述涂层包括至少一个涂布区域,所述涂布区域包括可分解材料,所述可分解材料被配置为在所述电池单体充电和放电中的至少一种情况下发生分解,所述可分解材料包括补锂材料和造孔材料中的至少一者,所述补锂材料包括含锂离子的化合物;以及
活性物质层,设置于所述集流体的至少一个表面且覆盖所述涂层。
2.根据权利要求1所述的电极极片,其特征在于,
所述补锂材料包括氮化锂、氧化锂、过氧化锂、方酸锂和富锂铁酸锂Li5FeO4中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的电极极片,其特征在于,
所述造孔材料包括碳酸盐、草酸盐和金属氧化物中的一种或多种。
4. 根据权利要求3所述的电极极片,其特征在于,
所述碳酸盐包括碳酸铵、碳酸氢铵和碳酸氢钠中的一种或多种;和/或
所述草酸盐包括草酸铵、草酸钠和草酸氢铵中的一种或多种;和/或
所述金属氧化物包括氧化锌、氧化镁和氧化铝的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的电极极片,其特征在于,所述活性物质层的涂布克重和涂层的涂布克重的比值为5.2至200。
6.根据权利要求5所述的电极极片,其特征在于,所述活性物质层的涂布克重和涂层的涂布克重的比值为6.5至100。
7. 根据权利要求1所述的电极极片,其特征在于,
所述活性物质层的涂布克重C1满足:65g/m2≤C1≤300g/m2;和/或
所述涂层的涂布克重C2满足:2g/m2≤C2≤20g/m2。
8.根据权利要求1所述的电极极片,其特征在于,所述涂层的厚度与所述活性物质层的厚度的比值为0.008至0.200。
9.根据权利要求8所述的电极极片,其特征在于,所述涂层的厚度与所述活性物质层的厚度的比值为0.015至0.154。
10. 根据权利要求8所述的电极极片,其特征在于,
所述涂层的厚度为1μm至20μm;或
所述活性物质层的厚度为80μm至300μm。
11.根据权利要求1所述的电极极片,其特征在于,
所述涂布区域的宽度与所述集流体的宽度的比值为Y,0.05≤Y≤0.50。
12.根据权利要求1所述的电极极片,其特征在于,
所述电极极片的膨胀率为Z,所述涂布区域的宽度与所述集流体的宽度的比值为Y,
所述电极极片满足以下条件中的至少一个:
(1)Z<20%;0.10≤Y≤0.50;
(2)20%≤Z<25%;0.13≤Y≤0.50;
(3)25%≤Z<30%;0.15≤Y≤0.50;
(4)30%≤Z;0.30≤Y≤0.50。
13.根据权利要求12所述的电极极片,其特征在于,
所述电极极片满足以下条件中的至少一个:
(1)Z<20%;0.10≤Y≤0.15;
(2)20%≤Z<25%;0.13≤Y≤0.20;
(3)25%≤Z<30%;0.15≤Y≤0.30;
(4)30%≤Z;0.33≤Y≤0.50。
14.根据权利要求1所述的电极极片,其特征在于,
所述涂层包括多个所述涂布区域,多个所述涂布区域间隔设置于所述集流体的表面,且位于所述集流体和所述活性物质层之间。
15.根据权利要求1所述的电极极片,其特征在于,
所述集流体彼此相对的两个表面上均设置有所述涂层。
16.一种电池单体,其特征在于,包括如权利要求1至15中任一项所述的电极极片。
17.根据权利要求16所述的电池单体,其特征在于,所述电极极片包括正极极片。
18.根据权利要求16所述的电池单体,其特征在于,所述电极极片包括负极极片。
19.一种电池,其特征在于,包括如权利要求16至18中任一项所述的电池单体。
20.一种用电装置,其特征在于,包括如权利要求19所述的电池。
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