CN116454404B - 二次电池及其制备方法与电池模块、电池包、用电装置 - Google Patents

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Abstract

本申请属于电池技术领域，具体涉及二次电池及其制备方法与电池模块、电池包、用电装置。具体的，该二次电池包含壳体、裸电芯及顶盖结构，裸电芯包含负极极片，负极极片包含集流体，及位于集流体至少一侧表面的负极材料；其中，负极极片的宽度值为W，负极极片在电池荷电状态为100%SOC时的宽度变化率为a；顶盖结构包含顶盖板与绝缘件，绝缘件位于顶盖板与裸电芯之间，且绝缘件的底面与负极极片的顶面之间距离为η，且η满足：η≥b+W×a；其中，η和W的单位均为mm，b为常数。本申请提供的二次电池有利于降低其内部负极极片与绝缘件之间发生接触干涉的概率，提高了电池安全性。

Description

二次电池及其制备方法与电池模块、电池包、用电装置
技术领域
本申请涉及电池领域，具体涉及一种二次电池及其制备方法与电池模块、电池包、用电装置。
背景技术
非碳材料中的硅材料在克容量、快充性能上明显优于石墨材料，是未来电池负极发展的方向。然而硅晶体呈现共价四面体的三维体相结构，与石墨材料的插层机理不同，锂/钠与硅以形成合金形式进行充放电，合金的体积膨胀率可达300%~400%。
根据硅材料具备高膨胀性的特点，硅负极极片容易与顶盖结构中起绝缘作用的绝缘件发生接触干涉，该接触干涉容易引起电池安全性问题。
发明内容
鉴于上述问题，本申请提供了一种二次电池及其制备方法与电池模块、电池包、用电装置，缓解了硅负极极片与绝缘件发生接触干涉引起的电池安全性问题。
第一方面，本申请提供了一种二次电池，包含壳体、裸电芯及顶盖结构，所述裸电芯包含负极极片，所述负极极片包含集流体，及位于集流体至少一侧表面的负极材料，所述负极极片的宽度值为W，所述负极极片在电池荷电状态为100%SOC时的宽度变化率为a；
所述顶盖结构包含顶盖板与绝缘件，所述绝缘件位于顶盖板与负极极片之间，所述绝缘件的底面与所述负极极片的顶面之间距离为η，且η满足：η≥b+W×a；其中，η和W的单位均为mm，b为常数。
本申请根据负极极片自身宽度及沿自身宽度方向的宽度变化率来确定并调整绝缘件与负极极片之间的距离，该方式不仅有利于降低其内部负极极片与绝缘件之间发生接触干涉的概率，提高了电池安全性，而且适用于具备不同尺寸的电池，适用性高。
在本申请一些实施方式中，所述负极材料包含硅基材料，所述负极材料中硅基材料的质量百分比含量为A，所述负极极片的宽度变化率a与所述负极材料中硅基材料的质量百分比含量A正相关。
本申请通过实验探究发现负极极片的宽度变化率a随着负极材料中硅基材料的质量百分比含量A同时增大，且同时减小，正是基于该关系建立起了在一定的硅基材料质量百分比含量前提下，绝缘件与负极极片之间的距离。
在本申请一些实施方式中，所述负极材料中硅基材料的质量百分比含量A为3%~40%，所述负极极片的宽度变化率a为0.2%≤a≤1.7%。
本申请在实验探究中发现负极极片宽度方向的宽度变化率与负极材料中硅基材料的质量百分比含量正相关，如果硅基材料的质量百分比含量越高，负极极片越容易产生宽度方向膨胀，也就越容易与绝缘件之间发生接触干涉，本申请最终探究得到硅基材料的质量百分比含量为3%~40%下，负极极片宽度方向的宽度变化率满足0.2%≤a≤1.7%，并在该各变量的数值范围内探究绝缘件与负极极片之间的距离。其中，当硅基材料的质量百分比含量小于3%，由于负极极片沿宽度方向膨胀小，对应的与绝缘件发生接触干涉的概率小，而当硅基材料的质量百分比含量大于40%时，负极极片与绝缘件不仅发生接触干涉，还可能引起其他方面如因负极极片沿厚度方向膨胀带来的问题，导致采用本申请设计方式来解决负极极片与绝缘件之间干涉是无效的，因此本申请限定硅基材料的质量百分比含量为3%~40%。
在本申请一些实施方式中，所述负极材料中硅基材料的质量百分比含量A与所述负极极片的宽度变化率a之间满足如下中的任意一种：
（1）负极材料中硅基材料的质量百分比含量A满足：3%≤A≤10%，负极极片的宽度变化率a满足：0.2%≤a≤0.6%；
（2）负极材料中硅基材料的质量百分比含量A满足：10%＜A≤20%，负极极片的宽度变化率a满足：0.6%＜a≤1.1%；
（3）负极材料中硅基材料的质量百分比含量A满足：20%＜A≤30%，负极极片的宽度变化率a满足：1.1%＜a≤1.4%；
（4）负极材料中硅基材料的质量百分比含量A满足：30%＜A≤40%，负极极片的宽度变化率a满足：1.4%＜a≤1.7%。
本申请通过探究负极极片中的硅基材料在不同范围区间含量下的宽度变化率，这对于实际生产制备具备很好的指导价值。
在本申请一些实施方式中，所述负极极片的宽度值W满足：50mm≤W≤200mm，优选为100mm~200mm。
本申请定义负极极片的宽度值为W，具体指代在制备电芯时，使用的负极极片宽度，本申请限定宽度值W为50mm~200mm，对解决电池安全性问题是相对较为理想的。并且本申请重点探究了负极极片的宽度值W满足100mm~200mm之间的干涉情况。
在本申请一些实施方式中，所述常数b满足：0＜b≤0.5。
本申请设计了常数b，该常数b为考虑制程过程中设备波动而设计的系数，该系数用于降低外部设备或环境等影响，用于提高关系式的准确度。
在本申请一些实施方式中，所述负极材料中的硅基材料包含硅氧材料或硅碳材料中的一种或两种。
在本申请一些实施方式中，所述负极材料还包含碳质材料，所述碳质材料包含人造石墨、天然石墨、软炭、硬炭中的一种或两种以上组合。
本申请的第二方面是提供一种第一方面所述二次电池的制备方法，所述方法包括制备裸电芯、提供顶盖结构，所述方法还包括根据所述负极极片的宽度值W，所述负极极片在电池荷电状态为100%SOC时的宽度变化率a，以控制所述绝缘件的底面与所述负极极片的顶面之间距离为η。
本申请确定了η满足：η≥b+W×a；其中，η和W的单位均为mm，b为常数，在制备二次电池时，通过η来调整绝缘件与负极极片之间的距离，该方式不仅有利于降低其内部负极极片与绝缘件之间发生接触干涉的概率，提高了电池安全性，而且适用于具备不同尺寸的电池，适用性高。
本申请的第三方面是提供一种电池模块，所述电池模块包括第一方面所述二次电池或第二方面所述制备方法制得的二次电池。
本申请的第四方面是提供一种电池包，所述电池包包括第三方面所述电池模块。
本申请的第五方面是提供一种用电装置，所述用电装置包括第一方面所述二次电池或第二方面所述制备方法制得的二次电池或第三方面所述电池模块或第四方面所述电池包。
上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本申请的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
图1为本申请一些实施例的车辆的结构示意图；
图2为本申请一些实施例的电池的分解结构示意图；
图3为本申请一些实施例的二次电池结构示意图；
图4为本申请一些实施例的二次电池结构示意图；
图5为本申请一些实施例的硅负极极片结构示意图；
具体实施方式中的附图标号如下：
10000、车辆；
1000、电池；2000、控制器；3000、马达；
100、二次电池；
110、裸电芯；1101、负极极片；1102、第一端部；1103、第二端部；
120、壳体；121、开口；122、容纳腔；
130、顶盖结构；1301、顶盖板；1302、绝缘件；1303、凸起。
200、箱体；210、第一部分；220、第二部分；
坐标轴x方向：负极极片宽度方向；
坐标轴y方向：负极极片长度方向；
坐标轴z方向：裸电芯的厚度方向。
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二次电池及其制备方法与电池模块、电池包、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。
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，本申请的所有技术特征以及可选技术特征可以相互组合形成新的技术方案。
如果没有特别的说明，本申请的所有步骤可以顺序进行，也可以随机进行，优选是顺序进行的。例如，所述方法包括步骤（a）和（b），表示所述方法可包括顺序进行的步骤（a）和（b)，也可以包括顺序进行的步骤（b）和（a）。例如，所述提到所述方法还可包括步骤（c），表示步骤(c）可以任意顺序加入到所述方法，例如，所述方法可以包括步骤（a）、（b）和（c），也可包括步骤（a）、（c）和（b），也可以包括步骤（c）、（a）和（b）等。
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）。
如果没有特别的说明，在本申请中，术语“第一”“第二”等仅用于区别不同对象，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、特定顺序或主次关系。
如果没有特别的说明，在本申请中，术语“多个”指的是两个以上（包括两个），同理，“多组”指的是两组以上（包括两组），“多片”指的是两片以上（包括两片）。
如果没有特别的说明，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例和简化描述，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例的限制。
如果没有特别的说明，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例中的具体含义。
锂/钠电池的负极材料包含碳材料与非碳材料，碳材料中的人造石墨是目前负极材料主流，非碳材料中的硅材料在克容量、快充性能上明显优于石墨材料，是未来负极发展的方向。硅理论克容量是石墨材料10倍以上，石墨材料的理论克容量上限为372mAh/g，目前高端产品已经达到360~365mAh/g，接近理论容量上限，而硅材料理论克容量达到4200mAh/g；其次，硅从各个方向提供锂/钠离子嵌入和脱出的通道，而石墨只能从层状的端面方向提供锂离子嵌入和脱出的通道，因此硅负极快充性能更优。
然而硅晶体呈现共价四面体的三维体相结构，与石墨材料的插层机理不同，锂/钠与硅以形成合金形式进行充放电，硅嵌或脱锂/钠过程中伴随着巨大的体积变化，硅材料在与锂/钠进行合金化的过程中体积膨胀可达300%以上（石墨材料在12%），容易导致颗粒的粉化和破碎、SEI膜的破坏，从而严重影响锂/钠离子电池的循环寿命。
为解决上述问题，现有技术描述了可以采用对硅材料或结构进行改进的方式，例如对硅材料进行硅纳米化，或者进一步制成硅薄膜、硅纳米线、多孔硅等，又比如将硅材料替换为氧化亚硅（SiOx，0＜x＜2）等，还包括将硅材料与常规的碳材料（CNT、石墨烯、石墨）复合等。这些方式均能一定程度缓解硅材料的体积膨胀。
从目前应用市场的发展形势来看，硅材料作为负极极片在动力电池的应用将越加广泛，因此上述对硅材料的改进还要结合电池能量密度，电池能量密度通常受正极极片影响，在电池结构设计时，为避免充电过程中负极极片析锂/钠，通常将负极极片宽度方向与长度方向的尺寸设计成大于正极极片以实现负极极片包覆住正极极片的涂膜区，然而在电池能量密度不断得到提升的过程中，比较容易出现安全性问题，如包含上述硅材料的负极极片在循环满充过程中发生膨胀，这种膨胀包含厚度方向的膨胀，当然也包括沿负极极片宽度方向的膨胀，其中，沿负极极片宽度方向的膨胀朝顶盖板延伸，通常为防止裸电芯和顶盖板之间发生短路，在顶盖板下方设有绝缘件，负极极片沿自身宽度方向的膨胀首先容易与该绝缘件发生接触干涉，该接触干涉阻止了负极极片朝顶盖板方向的进一步延伸，容易引起负极极片被压伤，甚至增加掉粉导致电池短路的概率，进而带来电池安全性问题。
为缓解上述出现接触干涉的问题，研究发现可在制备电池时采取适当的增加硅负极极片与绝缘件之间距离的方式，进一步通过探究发现硅负极极片沿自身宽度方向的膨胀与硅含量有关，在一定范围内硅含量越高，沿自身宽度方向的膨胀也越大，这里的硅含量指代负极材料中硅基材料的质量百分比含量。能否将硅负极极片宽度与沿自身宽度方向的膨胀结合起来，并用来设计硅负极极片与绝缘件之间距离，这是本领域技术人员在得到本申请技术方案以前需要考虑的。
基于以上考虑，为了解决硅负极极片沿自身宽度方向的膨胀与绝缘件发生接触干涉而引起电池安全性问题，申请人根据上述设计理念并进行相关的实验探究得到了包含硅负极极片与绝缘件间距离设计方式的二次电池及其制备方法与电池模块、电池包、用电装置。
首先，该二次电池包含壳体、裸电芯及顶盖结构，裸电芯包含负极极片，负极极片包含集流体，及位于集流体至少一侧表面的负极材料，负极极片的宽度值为W，负极极片在电池荷电状态为100%SOC时宽度变化率为a，且负极材料包含硅基材料，负极材料中硅基材料的质量百分比含量为A，负极极片的宽度变化率a与负极材料中硅基材料的质量百分比含量A相关，与此同时，顶盖结构包含顶盖板与绝缘件，绝缘件位于顶盖板与负极极片之间，绝缘件的底面与负极极片的顶面之间距离为η，且η满足：η≥b+W×a；其中，η和W的单位均为mm，b为常数。
为减少负极极片与绝缘件之间的接触干涉，在裸电芯的高度方向上，也就是负极极片的宽度方向上，通常可以选择如下方式，比如（1）绝缘件适当的远离负极极片；（2）适当调整负极极片宽度使负极极片远离绝缘件；（3）同时进行（1）和（2）。其中方式（1）和（3）涉及要调整电池中的绝缘件位置，不仅影响整个顶盖板的位置结构，而且不同电池在尺寸上具备差异性，容易导致该调整方式的适用性差，操作起来繁琐。对方式（2）进行深入试验探究，得到负极极片宽度W满足关系式：W≤（η-b）/a时，负极极片与绝缘件之间接触干涉概率低，将该关系式转变为η≥b+W×a，即建立起了负极极片与绝缘件之间距离与负极极片宽度W之间的关系，进一步的与负极材料中硅基材料的质量百分比含量之间的关系。
本申请根据负极极片自身宽度及沿自身宽度方向的宽度变化率来确定并调整绝缘件与负极极片之间的距离，该方式不仅有利于降低其内部负极极片与绝缘件之间发生接触干涉的概率，提高了电池安全性，而且适用于具备不同尺寸的电池，适用性高，此外，该设计方式在设计负极极片与绝缘件之间距离时，还充分考虑了负极极片的宽度，因此还能有效保证电池的能量密度。
本申请实施例公开的二次电池包括正极极片、负极极片、隔离膜及电解液，在电池充放电过程中，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离子的作用。隔离膜设置在正极极片和负极极片之间，主要起到防止正负极短路的作用，同时可以使离子通过。
本申请实施例公开的二次电池可以组装形成电池模块，电池模块所含二次电池的数量可以为一个或多个，具体数量本领域技术人员可根据电池模块的应用和容量进行选择。二次电池可以沿电池模块的长度方向进行排布，也可以按照其他任意的方式进行排布，且可以通过紧固件将该多个二次电池进行固定。与此同时，电池模块还可以包括具有容纳空间的外壳，多个二次电池容纳于该容纳空间内。
本申请实施例公开的电池模块可以组装成电池包，电池包所含电池模块的数量可以为一个或多个，具体数量本领域技术人员可根据电池包的应用和容量进行选择。电池包可以包括电池箱和设置于电池箱中的多个电池模块，电池箱包括上箱体和下箱体，上箱体能够盖设于下箱体，并形成用于容纳电池模块的封闭空间，多个电池模块可以按照任意的方式布置于电池箱中。
本申请实施例公开的二次电池、电池模块、电池包中的任一种可以但不限于车辆、船舶或飞行器等用电装置中；进一步的将该用电装置应用于电源系统中，通过降低电池内部硅负极极片与绝缘件之间发生接触干涉的概率，有利于提高用电装置或电源系统的安全性问题。
本申请实施例提供了一种使用二次电池作为电源的用电装置，用电装置可以为但不限于手机、平板、笔记本电脑、电动玩具、电动工具、电瓶车、电动汽车、轮船、航天器等等。其中，电动玩具可以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等，航天器可以包括飞机、火箭、航天飞机和宇宙飞船等等。
以下实施例为了方便说明，以本申请一实施例的一种用电装置为车辆为例进行说明。
请参照图1，图1为本申请一些实施例提供的车辆10000的结构示意图。车辆10000可以为燃油汽车、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。车辆10000的内部设置有电池1000，电池1000可以设置在车辆10000的底部或头部或尾部。电池1000可以用于车辆10000的供电，例如，电池1000可以作为车辆10000的操作电源。车辆10000还可以包括控制器2000和马达3000，控制器2000用来控制电池1000为马达3000供电，例如，用于车辆10000的启动、导航和行驶时的工作用电需求。
在本申请一些实施例中，电池1000不仅可以作为车辆10000的操作电源，还可以作为车辆10000的驱动电源，代替或部分地代替燃油或天然气为车辆10000提供驱动动力。
请参照图2，图2为本申请一些实施例提供的电池1000的爆炸图。电池1000包括箱体200和单体电池，常规的单体电池包含一次电池或二次电池，本申请具体保护了二次电池，故单体电池为二次电池100，二次电池100容纳于箱体200内。其中，箱体200用于为二次电池100提供容纳空间，箱体200可以采用多种结构。
在一些实施例中，箱体200可以包括第一部分210和第二部分220，第一部分210与第二部分220相互盖合，第一部分210和第二部分220共同限定出用于容纳二次电池100的容纳空间。第二部分220可以为一端开口的空心结构，第一部分210可以为板状结构，第一部分210盖合于第二部分220的开口侧，以使第一部分210与第二部分220共同限定出容纳空间；第一部分210和第二部分220也可以是均为一侧开口的空心结构，第一部分210的开口侧盖合于第二部分220的开口侧。当然，第一部分210和第二部分220形成的箱体200可以是多种形状，比如，圆柱体、长方体等。
在电池1000中，二次电池100可以是多个，多个二次电池100之间可串联或并联或混联，混联是指多个二次电池100中既有串联又有并联。多个二次电池100之间可直接串联或并联或混联在一起，再将多个二次电池100构成的整体容纳于箱体200内；当然，电池1000也可以是多个二次电池100先串联或并联或混联组成电池1000模块形式，多个电池1000模块再串联或并联或混联形成一个整体，并容纳于箱体200内。电池1000还可以包括其他结构，例如，该电池1000还可以包括汇流部件，用于实现多个二次电池100之间的电连接。
其中，二次电池100可以是锂离子电池，也可以是钠离子电池或其他电池，二次电池100可呈圆柱体、扁平体、长方体或其它形状等。
根据本申请的一些实施例，参照图3，本申请提供了一种二次电池100，该二次电池100包括壳体120，该壳体120包括开口121与容纳腔122，在该容纳腔122内设有裸电芯110，该裸电芯110包含负极极片1101，负极极片1101包含集流体，及位于集流体至少一侧表面的负极材料，与此同时，该负极极片1101具备宽度方向，即图3所示坐标轴x方向，负极极片1101还具备宽度值W，该宽度值W为制备裸电芯时采用的负极极片宽度，且负极极片1101在电池荷电状态为100%SOC时的宽度变化率为a；其中，负极材料包含硅基材料，负极材料中硅基材料的质量百分比含量为A，负极极片的宽度变化率a与负极材料中硅基材料的质量百分比含量A相关；结合图3还可知，该二次电池100还包括顶盖结构130，该顶盖结构130位于裸电芯110上方且用于与壳体120盖合，顶盖结构130包括顶盖板1301与绝缘件1302，且绝缘件1302位于顶盖板1301与裸电芯110之间，其中，绝缘件1302的底面与负极极片1101的顶面之间距离为η，且η满足：η≥b+W×a；该关系式中，η的单位为mm，W的单位为mm，a包含%，b为常数。
负极极片1101的宽度值W为制备裸电芯时采用的负极极片宽度，进一步结合图4可知，负极极片1101具备沿宽度方向的第一端部1102与第二端部1103，其中，第一端部1102靠近开口121，第二端部1103远离开口121；负极极片1101的宽度值W为第一端部1102与第二端部1103之间的距离，该距离可以采用本领域常规的测量仪器，比如游标卡尺直接测得。
与此同时，绝缘件1302的底面指代朝向负极极片1101设置的端面，如图5所示，本申请描述的绝缘件1302具备朝向负极极片1101的凸起1303，本申请绝缘件1302的底面包含但不限于凸起1303的底面。由于负极极片沿宽度方向膨胀后首先与绝缘件端面的最低端接触干涉，这对于设计降低干涉发生概率具备指导意义。且负极极片1101的顶面包含但不限于图4所示的第一端部1102，进一步结合图3可知，绝缘件1302的底面与负极极片1101的顶面之间距离η包含但不限于第一端部1102与凸起1303的底面之间距离。
此外，负极极片在电池荷电状态为100%SOC时的宽度值为W1，则负极极片的宽度变化率a满足：a=（W1-W）/W×100%，该宽度变化率a可以通过测量负极极片的宽度值W，及电池荷电状态为100%SOC时的宽度值W1后采用公式计算得到。且电池荷电状态为100%SOC时通过一定温度及一定电流下充电得到。
硅基材料包含了材料中包含硅，硅基材料的质量百分比含量A为采用硅基材料的质量与负极材料质量之间的比值计算得到。负极极片的宽度变化率a与负极材料中硅基材料的质量百分比含量A相关包含了负极极片的宽度变化率a伴随硅基材料的质量百分比含量A变化而变化，比如同时增加、同时减小或其他等。
本申请根据负极极片自身宽度及沿自身宽度方向的宽度变化率来确定并调整绝缘件与负极极片之间的距离，该方式不仅有利于降低其内部负极极片与绝缘件之间发生接触干涉的概率，提高了电池安全性，而且适用于具备不同尺寸的电池，适用性高，此外，该设计方式在设计负极极片与绝缘件之间距离时，还充分考虑了负极极片的宽度，因此还能有效保证电池的能量密度。
根据本申请的一些实施例，负极极片的宽度变化率a与负极材料中硅基材料的质量百分比含量A正相关。
正相关包含了负极极片的宽度变化率a伴随着负极材料中硅基材料的质量百分比含量A同时增大，同时减小。
根据本申请的一些实施例，所述负极材料中硅基材料的质量百分比含量A为3%~40%，所述负极极片的宽度变化率a为0.2%≤a≤1.7%。
本申请在实验探究中发现负极极片宽度方向的宽度变化率与负极材料中硅基材料的质量百分比含量正相关，如果硅基材料的质量百分比含量越高，负极极片越容易产生宽度方向膨胀，也就越容易与绝缘件之间发生接触干涉，本申请最终探究得到硅基材料的质量百分比含量为3%~40%下，负极极片宽度方向的宽度变化率满足0.2%≤a≤1.7%，并在该各变量的数值范围内探究绝缘件与负极极片之间的距离，故本申请最终将绝缘件与负极极片之间的距离与硅基材料的质量百分比含量之间建立起相关关系，根据该相关关系，可以根据硅基材料的质量百分比含量来调整绝缘件与负极极片之间的距离，该调整方式比较灵活，而且准确度高。其中，当硅基材料的质量百分比含量小于3%，由于负极极片沿宽度方向膨胀小，对应的与绝缘件发生接触干涉的概率小，而当硅基材料的质量百分比含量大于40%时，负极极片与绝缘件不仅发生接触干涉，还可能引起其他方面因负极极片沿厚度方向膨胀带来的问题，导致采用本申请设计方式来解决负极极片与绝缘件之间干涉是无效的，因此本申请限定硅基材料的质量百分比含量为3%~40%。
根据本申请的一些实施例，所述负极材料中硅基材料的质量百分比含量A与所述负极极片的宽度变化率a之间满足如下中的任意一种：
（1）负极材料中硅基材料的质量百分比含量A满足：3%≤A≤10%，负极极片的宽度变化率a满足：0.2%≤a≤0.6%；
（2）负极材料中硅基材料的质量百分比含量A满足：10%＜A≤20%，负极极片的宽度变化率a满足：0.6%＜a≤1.1%；
（3）负极材料中硅基材料的质量百分比含量A满足：20%＜A≤30%，负极极片的宽度变化率a满足：1.1%＜a≤1.4%；
（4）负极材料中硅基材料的质量百分比含量A满足：30%＜A≤40%，负极极片的宽度变化率a满足：1.4%＜a≤1.7%。
本申请通过进一步探究负极极片中的硅基材料在不同范围区间含量下的宽度变化率，相对更细致的将绝缘件与负极极片之间的距离与硅基材料的质量百分比含量之间建立起相关关系，这对于实际生产制备具备很好的指导价值。
根据本申请的一些实施例，负极极片的宽度值W满足：50mm≤W≤200mm。也就是第一端部1102与第二端部1103之间距离W满足：50mm≤W≤200mm。
其中，第一端部1102与第二端部1103之间距离W为负极极片1101在制备裸电芯时的宽度值W，包含该宽度数值的负极极片能够比较理想的满足上述负极极片与绝缘件之间距离的设计关系式，同时，还能有效保证电池的能量密度；如果W大于200mm，电池的能量密度较大，采用本申请设计方法也不能有效解决干涉问题，如果W小于50mm，干涉问题不明显或者电池的能量密度也不理想。
本申请将第一端部1102与第二端部1103之间距离W限定为50mm~200mm时，对解决电池安全性问题是相对较为理想的。并且本申请重点探究了第一端部1102与第二端部1103之间距离W满足100mm~200mm之间的干涉情况。
根据本申请的一些实施例，常数b满足：0＜b≤0.5，该常数b为考虑制程过程中设备波动而设计的系数，用于降低外部设备或环境等影响，提高了关系式的准确度。
根据本申请的一些实施例，硅基材料包含硅氧材料或硅碳材料中的一种或两种。其中，硅氧材料包含了材料中包含硅与氧，该硅氧材料包含本领域常规的任意形式的硅氧材料，比如采用氧化亚硅（SiOx，0＜x＜2）替代硅制得的氧化亚硅材料，该氧化亚硅材料还可以进一步被碳包覆形成复合的硅氧材料，硅氧材料相较于单质硅在锂嵌入过程中发生的体积膨胀相对更小；同理，硅碳材料包含了材料中包含硅与碳，硅碳材料包含本领域常规的任意形式的硅碳材料，比如球磨法、高温分解法、镁热还原法、化学气相沉积法、喷雾干燥法等方法中的一种或两种以上组合制得的硅碳材料。
根据本申请的一些实施例，负极材料还包含碳质材料，碳质材料包含人造石墨、天然石墨、软炭、硬炭中的一种或两种以上组合。其中，人造石墨、天然石墨、软炭、硬炭等包含本领域常规的任意形式的材料，且包含了本领域常规的任意厂家与型号。
与此同时，负极极片的负极集流体可以是金属箔片或复合集流体，金属箔片可以是铜箔片，复合集流体可包括高分子材料基层和形成于高分子材料基层至少一个表面上的金属层。复合集流体可通过将金属材料，如铜、铜合金、镍、镍合金、钛、钛合金、银及银合金等形成在高分子材料基材如聚丙烯（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）、聚乙烯（PE）等的基材上而形成；硅负极材料在集流体至少一侧表面的形成方式包含但不限于本领域常规的任意形式，比如涂布、沉积等。
负极材料除包含硅基材料、碳质材料以外，还包含导电剂、增稠剂、粘结剂等，其中，导电剂包含但不限于石墨、超导碳、炭黑（如乙炔黑、科琴黑、Super P等）、碳点、碳纳米管、石墨烯和碳纳米纤维中的一种或两种组合；增稠剂包含纤维素及其钠盐，纤维素包括甲基纤维素、羧甲基纤维素、羟乙基纤维素等；粘结剂包含但不限于聚乙烯醇、聚乙二醇、羧甲基纤维素钠、聚氧化乙烯、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、海藻酸钠、丁苯橡胶（SBR）等。
根据本申请的一些实施例，二次电池不仅包含负极极片，还包含叠置在一起的隔离膜、正极极片，叠置方式包含但不限于本领域常规的卷绕或层叠，隔离膜的材质、尺寸等包含但不限于本领域常规的任意形式，同理，正极极片的材质、尺寸等包含但不限于本领域常规的任意形式。比如，隔离膜设置在正极极片和硅负极极片之间起到隔离的作用。隔离膜包括基材，还包括在基材的至少一个表面上设置功能涂层。功能涂层可用于改善隔离膜的耐热性能、机械强度等。比如功能涂层中还可包括其它功能材料（例如陶瓷颗粒、其它聚合物等）。陶瓷颗粒包含但不限于勃姆石、氧化铝、氧化锌、氧化硅、氧化钛、氧化锆、氧化钡、氧化钙、氧化镁、氧化镍、氧化锡、氧化铈、氧化钇、氧化铪、氢氧化铝、氢氧化镁、碳化硅、碳化硼、氮化铝、氮化硅、氮化硼、氟化镁、氟化钙、氟化钡、硫酸钡、硅酸镁铝、硅酸镁锂、硅酸镁钠、膨润土、水辉石、钛酸锆、钛酸钡等；本申请对隔离膜基材的种类没有特别的限制，可以选用任意公知的可用于二次电池隔离膜的基材。在一些实施例中，隔离膜基材包含但不限于玻璃纤维、无纺布、聚乙烯、聚丙烯中的一种或几种的单层薄膜或多层复合薄膜。
与此同时，正极极片包含正极集流体，及位于正极集流体至少一侧表面的正极材料，正极集流体可以是金属箔片或复合集流体，其中，金属箔片可以是铝箔片，复合集流体可包括高分子材料基层和形成于高分子材料基层至少一个表面上的金属层。复合集流体可通过将金属材料，如铝、铝合金、镍、镍合金、钛、钛合金、银及银合金等形成在高分子材料基材如聚丙烯（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）、聚乙烯（PE）等的基材上而形成。正极材料包含正极活性材料、粘结剂及导电剂等，粘结剂包含但不限于聚偏氟乙烯（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、含氟丙烯酸酯树脂、丁苯橡胶、聚丙烯酸、聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、海藻酸钠、聚甲基丙烯酸、羧甲基壳聚糖等中的一种或两种以上组合，导电剂包含但不限于石墨、超导碳、炭黑（如乙炔黑、科琴黑、Super P等）、碳点、碳纳米管、石墨烯和碳纳米纤维中的一种或两种组合；本申请对正极活性材料的具体种类不作具体限定，比如，正极极片应用于锂离子电池时，正极活性材料包含但不限于LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiMn2O4、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(NCM111)、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(NCM523)、LiNi0.6CO0.2Mn0.2O2(NCM622)、LiNi0.8CO0.1Mn0.1O2(NCM811)、LiNi0.85CO0.15Al0.05O2、LiFePO4(LFP)和LiMnPO4中的一种或两种以上。又比如正极极片应用于钠电池时，正极活性材料包含但不限于钠过渡金属氧化物、聚阴离子型化合物、普鲁士蓝类化合物中至少一种。其中，钠过渡金属氧化物中，过渡金属可以是Mn、Fe、Ni、Co、Cr、Cu、Ti、Zn、V、Zr及Ce中的一种或几种，钠过渡金属氧化物例如为NaxMO2，其中M为Ti、V、Mn、Co、Ni、Fe、Cr及Cu中的一种或几种，0＜x≤1。聚阴离子型化合物包括三氟磷酸钒钠Na3V2(PO4)2F3、氟磷酸钒钠NaVPO4F、磷酸钒钠Na3V2(PO4)3、Na4Fe3(PO4)2P2O7、NaFePO4、Na3V2(PO4)3中一种或几种。普鲁士蓝类化合物为NaxM1M2(CN)6，其中，M1、M2为Fe、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Cr、Ti、V、Zr、Ce中一种或几种，其中，0＜x≤2。
而电解液包含钠盐或锂盐和有机溶剂，有机溶剂可以是本领域常用的用于电解液的有机溶剂。作为示例，有机溶剂可以选自碳酸亚乙酯（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）、氟代碳酸亚乙酯（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）及二乙砜（ESE）中的至少一种或两种组合。而钠盐或锂盐可以是本领域常用的用于电解液的钠盐或锂盐，比如六氟磷酸钠等。
此外，为更好的解释包含上述结构的二次电池中负极极片与绝缘件发生接触干涉概率低的设计方式，本申请还公开了硅负极极片与绝缘件间距离的设计方法，该设计方法包括：获取硅负极极片的第一端部与第二端部之间距离W；获取硅负极极片在电池荷电状态为100%SOC时宽度的变化率为a；根据距离W、宽度变化率a确定硅负极极片与绝缘件间距离η，具体探究过程如下：
二次电池的制备：
（1）负极极片制备：将人造石墨、硅氧材料、导电剂Super P、增稠剂(CMC)与粘结剂(SBR)按照质量比95-x:x:3:1:1混合形成混合物，混合物中硅基材料的质量百分比含量为x%，也就是A，将混合物加入一定量的水中，均匀搅拌后制得负极浆料，将负极浆料均匀涂布在厚度为6μm的负极集流体铜箔上，且涂层面密度为140 /1540.25 mg/mm2，经烘箱烘干，冷压后进行模切，分切宽度为153.5mm，制得硅负极极片。
（2）正极极片制备：以锂离子电池中的三元正极材料为代表，将镍钴锰材料如NCM523、导电剂乙炔黑、粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)按质量比97:2:1加入一定量的N-甲基吡咯烷酮NMP中，均匀搅拌后制成正极浆料，将正极浆料均匀涂布在厚度为15μm的正极集流体铝箔上，且涂层面密度为330 mg/1540.25mm2，烘干后冷压，再进行模切，分切宽度为150mm，制成锂离子电池正极极片。
（3）隔离膜制备：采用聚乙烯单层膜为基膜，在基膜一侧表面涂覆3μm厚度的三氧化铝，制得隔离膜。
（4）电解液制备：将六氟磷酸锂溶于碳酸二甲酯（DMC）:碳酸二乙酯（DEC）:碳酸亚乙酯（EC）体积比为1:1:1的溶剂中，得到锂离子电池电解液。
（5）二次电池的组装：将该硅负极极片与隔离膜、正极极片按照叠片工艺叠置在一起形成裸电芯，将裸电芯与顶盖结构装配并置于壳体内，其中壳体为硬壳，例如塑料硬壳、铝壳、钢壳等。顶盖结构中的绝缘件材质包含但不限于聚苯硫醚（PPS）或聚砜（PSU）材料等。然而经过烘烤、注液、静置、化成等。其中，烘烤、注液、静置、化成等工序包含了本领域常规的任意工艺形式。
接触干涉测试：在二次电池进行化成时，先以0.02C充电至3.0V，再以0.1C充电至3.4V，最后以0.2C充电至4.25V，然后以0.5C/0.5C倍率在2.5~4.25V电压范围内循环10次，采用微观结构检测仪器，比如CT拍照等观察负极极片与绝缘件干涉情况。
负极极片宽度变化率a的测试及计算：25℃下，以一定电流(比如先以0.5C恒流充电至4.25V，再在4.25V恒压下充电至0.05C)对二次电池充电至电池荷电状态为100%SOC时的宽度值W1，根据关系式：a=（W1-W）/W×100%。
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对本申请保护的二次电池的干涉情况进行详细说明。下述实施例使用的各化学物质、试剂等均为本领域常规的任意型号及厂家。
实施例1~16
提供了一种二次电池，该二次电池中负极极片、正极极片、隔离膜、电解液等的制备基本如上述试验探究，区别在于硅基材料的质量百分比含量与其负极涂层面密度及正负极极片宽度略作调整，但正负极Overhang固定为3.5mm，这里的Overhang是指负极长度和宽度方向多出正负极以外的部分，具体的，负极极片的相关参数列表如表1所示：
表1 实施例1~16中硅负极极片的参数列表
首先，表1中的实施例1-1至实施例1-6的负极极片的参数相同，不同之处在于负极极片的第一端部与绝缘件之间距离η不同。
且表1中氧化亚硅为碳包覆的氧化亚硅，该碳包覆的氧化亚硅可以采用本领域常规的任意制备方法制得，如本申请选择硅酸酯作为硅源，反应制得二氧化硅，然后通过镁热还原反应生成SiOx，最后以烷烃为碳源，在惰性气体氛围下利用化学气相沉积法包覆在SiOx表面；表1中的硅碳材料可以采用本领域常规的任意制备方法制得，比如以硅烷为硅源，通过化学气相沉积法沉积在多孔碳上，最后以烷烃为碳源，在惰性气体氛围下利用化学气相沉积法包覆在多孔硅表面。
对比例1-1至对比例1-3
与实施例1不同之处在于，改变关系式中b值，使其不介于0~0.5之间，其他均与实施例1保持相同。
对比例2
与实施例1不同之处在于，硅基材料含量大于40%，如为42%。
对实施例1至16及对比例1至2进行接触干涉测试，测试结果如表2所示：
表2 实施例1至16及对比例1至2中二次电池的干涉情况列表
结合上述表2可知，首先本申请通过将绝缘件与负极极片之间的距离与硅基材料的质量百分比含量之间建立起相关关系，并根据该关系借助于负极极片自身宽度及沿自身宽度方向的宽度变化率来确定并调整绝缘件与负极极片之间的距离，该设计方式有效的降低了其内部负极极片与绝缘件之间发生接触干涉的概率，提高了电池安全性，而且适用于具备不同尺寸的电池，适用性高，比如本申请负极极片的宽度可以是50mm~200mm，充分考虑了负极极片的宽度，能有效保证电池的能量密度。此外，对比例2探究了硅基材料的质量百分比含量大于40%时，即使采用本申请设计方式，也不能避免干涉。故本申请设计方式对实际生产制备具备很好的指导价值。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本申请的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本申请并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (12)

1.一种二次电池，包含壳体、裸电芯及顶盖结构，所述裸电芯包含负极极片，所述负极极片包含集流体，及位于集流体至少一侧表面的负极材料；其特征在于：
所述负极极片的宽度值为W，所述负极极片在电池荷电状态为100%SOC时的宽度变化率为a；
所述顶盖结构包含顶盖板与绝缘件，所述绝缘件位于顶盖板与负极极片之间，所述绝缘件的底面与所述负极极片的顶面之间距离为η，且η满足：η≥b+W×a；其中，η和W的单位均为mm，b为常数；
所述负极材料包含硅基材料，所述负极材料中硅基材料的质量百分比含量为A；
所述A≤40%，所述a≤1.7%，所述b满足：0＜b≤0.5；
所述W≤200mm。
2.根据权利要求1所述的二次电池，其特征在于：所述负极极片的宽度变化率a与所述负极材料中硅基材料的质量百分比含量A正相关。
3.根据权利要求1或2所述的二次电池，其特征在于：所述负极材料中硅基材料的质量百分比含量A为3%~40%，所述负极极片的宽度变化率a为0.2%≤a≤1.7%。
4.根据权利要求1或2所述的二次电池，其特征在于：所述负极材料中硅基材料的质量百分比含量A与所述负极极片的宽度变化率a之间满足如下中的任意一种：
（1）负极材料中硅基材料的质量百分比含量A满足：3%≤A≤10%，负极极片的宽度变化率a满足：0.2%≤a≤0.6%；
（2）负极材料中硅基材料的质量百分比含量A满足：10%＜A≤20%，负极极片的宽度变化率a满足：0.6%＜a≤1.1%；
（3）负极材料中硅基材料的质量百分比含量A满足：20%＜A≤30%，负极极片的宽度变化率a满足：1.1%＜a≤1.4%；
（4）负极材料中硅基材料的质量百分比含量A满足：30%＜A≤40%，负极极片的宽度变化率a满足：1.4%＜a≤1.7%。
5.根据权利要求1所述的二次电池，其特征在于：所述负极极片的宽度值W满足：50mm≤W≤200mm。
6.根据权利要求5所述的二次电池，其特征在于：所述负极极片的宽度值W满足：100mm≤W≤200mm。
7.根据权利要求1所述的二次电池，其特征在于：所述负极材料包含硅基材料，所述硅基材料包含硅氧材料或硅碳材料中的一种或两种。
8.根据权利要求1所述的二次电池，其特征在于：所述负极材料还包含碳质材料，所述碳质材料包含人造石墨、天然石墨、软炭、硬炭中的一种或两种以上组合。
9.一种权利要求1~8中任一项所述的二次电池的制备方法，所述方法包括制备裸电芯、提供顶盖结构，其特征在于，所述方法还包括根据所述负极极片的宽度值W，所述负极极片在电池荷电状态为100%SOC时的宽度变化率a，以控制所述绝缘件的底面与所述负极极片的顶面之间距离为η。
10.一种电池模块，其特征在于，所述电池模块包括权利要求1~8中任一项所述的二次电池或权利要求9所述的制备方法制得的二次电池。
11.一种电池包，其特征在于，所述电池包包括权利要求10所述的电池模块。
12.一种用电装置，其特征在于，所述用电装置包括权利要求1~8中任一项所述的二次电池或权利要求9所述的制备方法制得的二次电池或权利要求10所述的电池模块或权利要求11所述的电池包。
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