CN116682936A - 电池及其制备方法、用电装置 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种电池及其制备方法、用电装置,该电池包括正极片和负极片,所述正极片和所述负极片经绕卷形成的多层绕卷层包括:正极绕卷层和负极绕卷层,每层所述绕卷层均设有平直区及拐角区;至少一层所述负极绕卷层中,所述拐角区的厚度膨胀率T1和所述平直区的厚度膨胀率T2满足:T1<T2;其中,厚度膨胀率=(H1‑H0)/H0,其中,H0和H1分别为所述负极片中对应负极绕卷层在满充之前和满充之后的总厚度。
Description
技术领域
本发明涉及电池技术领域,特别涉及一种电池及其制备方法、用电装置。
背景技术
近年来,二次电池在水力、火力、风力和太阳能电站等储能电源系统、电动工具、电动自行车、电动摩托车、电动汽车、军事装备、航空航天等多个领域得到了广泛的应用。
随着电池的广泛应用,绕卷型电池的应用场景也越来越广,人们对绕卷型电池的性能需求不断提高,传统的绕卷型电池的性能越来越难以满足人们的需求,有待进一步改进。
发明内容
基于此,有必要提供一种电池及其制备方法、用电装置,旨在提供提高电池的循环性能。
本申请是通过如下的技术方案实现的。
本申请的第一方面,提供一种电池,所述电池包括正极片和负极片,所述正极片和所述负极片经绕卷形成的多层绕卷层包括正极绕卷层和负极绕卷层,每层所述绕卷层均设有平直区及拐角区;
至少一层所述负极绕卷层中,所述拐角区的厚度膨胀率T1和所述平直区的厚度膨胀率T2满足:T1<T2;
其中,厚度膨胀率=(H1-H0)/H0,其中,H0和H1分别为所述负极片中对应负极绕卷层在满充之前和满充之后的总厚度。
上述电池中,控制负极绕卷层中的拐角区的厚度膨胀率T1小于平直区的厚度膨胀率T2,以降低负极片的平直区和拐角区在充放电过程中受到的内应力差距,从而提高负极片的稳定性,降低打皱、析锂概率,进而提高电池的循环性能。
在其中一些实施例中,0<T2-T1≤55%。
在其中一些实施例中,0<T2-T1≤35%。
进一步调控负极绕卷层中拐角区和平直区的厚度膨胀率,以进一步降低负极片的平直区和拐角区在充放电过程中受到的内应力差距,提高极片的稳定性、降低析锂概率,以进一步提高电池的循环性能。
在其中一些实施例中,所述负极片满足如下(1)~(2)中的至少一个条件:
(1)15%≤T1≤45%;
(2)25%≤T2≤70%。
在其中一些实施例中,在每一层所述负极绕卷层中,所述拐角区的厚度膨胀率T1和所述平直区的厚度膨胀率T2均满足:T1<T2。
在其中一些实施例中,分别位于同一所述正极绕卷层的两侧的两个所述负极绕卷层:更靠近外层的负极绕卷层b和更靠近内层的负极绕卷层a;其中,所述负极绕卷层a的拐角区的负极活性层a1与所述负极绕卷层b的拐角区的负极活性层b1相对设置;
至少一层所述正极绕卷层两侧的负极绕卷层a和负极绕卷层b中,所述负极活性层a1的厚度膨胀率为T3,所述负极活性层b1的厚度膨胀率为T4,T4/T3>1;
负极活性层的厚度膨胀率=(H20-H10)/H10,其中,H10和H20分别为负极活性层在满充之前和满充之后的厚度。
通过控制同一正极绕卷层两侧远离绕卷中心的表面对应的负极活性层的厚度膨胀率大于靠近绕卷中心的表面对应的负极活性层的厚度膨胀率,如此,在充放电过程中,远离绕卷中心的表面对应的负极活性层的厚度增加更大,即实质上缩短了该负极活性层与正极绕卷层表面的距离,即降低了离子在二者之间的传输距离,有利于离子传输,降低局部析锂的几率,最终提高电池的循环性能。
在其中一些实施例中,T4/T3≥1.05。
在其中一些实施例中,1.05≤T4/T3≤2。
进一步调控同一正极绕卷层两侧的两个负极绕卷层中,远离绕卷中心的表面对应的负极活性层的厚度膨胀率与靠近绕卷中心的表面对应的负极活性层的厚度膨胀率之间的差值,以进一步有效降低局部析锂的几率,最终提高电池的循环性能。
在其中一些实施例中,离绕卷中心最近的所述绕卷层的拐角区的顶点为顶点C,离绕卷中心最远的所述绕卷层的拐角区的顶点为顶点D,预设点E位于所述顶点C和所述顶点D之间,位于所述预设点E和所述顶点C之间的负极绕卷层中,任意两个相对设置的负极活性层a1和负极活性层b1中,所述负极活性层a1的厚度膨胀率T3和所述负极活性层b1的厚度膨胀率T4均满足:T4/T3>1;
所述顶点C和所述顶点D的水平距离为L1,所述顶点C和所述预设点E的水平距离为L0,满足0<L0/L1≤1。
在其中一些实施例中,1/5≤L0/L1≤1/2。
在其中一些实施例中,所述负极片满足如下(1)~(2)中的至少一个条件:
(1)15%≤T3≤45%;
(2)25%≤T4≤70%。
在其中一些实施例中,所述负极活性层a1的克容量为W5,所述负极活性层b1的克容量为W6,满足0≤|W6-W5|≤1mAh/g。
在其中一些实施例中,所述负极片满足如下(1)~(2)中的至少一个条件:
(1)至少一层所述负极绕卷层中,所述拐角区的克容量为W3,所述平直区的克容量为W4,满足0≤|W4-W3|≤1mAh/g;
(2)至少一层所述正极绕卷层中,所述拐角区的克容量为W1,所述平直区的克容量为W2,满足0≤|W2-W1|≤1mAh/g。
在其中一些实施例中,所述负极片的负极活性层的组分包括碳负极材料和硅负极材料。
在其中一些实施例中,所述负极片满足如下(1)~ (4)中至少一个条件:
(1)所述平直区的负极活性层的组分中,所述硅负极材料包括硅氧负极材料;
(2)所述平直区的负极活性层中,以所述碳负极材料和所述硅负极材料的总质量为基准,所述硅负极材料的质量占比为5%~25%;
(3)所述拐角区的负极活性层的组分中,所述硅负极材料包括硅氧负极材料和硅碳负极材料中的至少一种;
(4)所述拐角区的负极活性层中,以所述碳负极材料和所述硅负极材料的总质量为基准,所述硅负极材料的质量占比为0.5%~25%。
本申请的第二方面,提供第一方面的电池的制备方法,包括如下步骤:
将所述正极片、所述负极片进行绕卷处理,制备所述电池。
本申请的第三方面,提供一种用电装置,所述用电装置包括第一方面的电池。
附图说明
通过阅读对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。而且在全部附图中,用相同的附图标号表示相同的部件。在附图中:
图1为一实施方式中电极组件的剖面示意图;
图2为一图1电极组件的拐角区的局部剖面示意图;
图3为另一实施方式中电极组件的剖面示意图;
图4是电池单体的一实施方式的示意图;
图5是图4的分解图;
图6是电池包的一实施方式的示意图;
图7是图6的分解图;
图8是电池用作电源的用电装置的一实施方式的示意图。
附图标记说明:
1、电池包;2、上箱体;3、下箱体;4、电池单体;41、壳体;42、电极组件;421、正极片;422、负极片;S22、拐角区;S21、平直区;43、盖板;5、用电装置。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进,因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。
在本申请中,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,或成一体;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,除非另有明确的限定。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中的具体含义。
此外,术语“第一”、“第二”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。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三个等,除非另有明确具体的限定。
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。本文中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。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
传统的采用绕卷设置的电极组件中,会形成平直区和拐角区,不同区域受到因组件膨胀挤压而产生的内应力的大小不一,尤其是负极片中含有硅负极材料时,虽然能提高电池的能量密度,但由于硅负极材料的膨胀率更高,导致负极片在反复充放电过程中膨胀程度加大,如此又加剧了平直区和拐角区之间受到的内应力的不均程度,加剧了电池在反复充放电过程中的极片的打皱程度,从而导致极片不稳定或加剧析锂,最终导致电池的循环性能下降。
传统技术中聚焦于改进负极材料种类或其配比,以此来降低负极片的膨胀率,至今未有实质突破。
基于此,本申请另辟蹊径,通过同时控制负极片绕卷层的拐角区和平直区的厚度膨胀率,以降低负极片的平直区和拐角区在充放电过程中受到的内应力差距,提高极片的稳定性、降低析锂概率,进而在保持较高能量密度的同时提高电池的循环性能。
本申请一实施方式提供一种电池,该电池包括正极片和负极片,正极片和负极片经绕卷形成的多层绕卷层包括正极绕卷层和负极绕卷层,每层绕卷层均设有平直区及拐角区。
至少一层负极绕卷层中,拐角区的厚度膨胀率T1和平直区的厚度膨胀率T2满足:T1<T2。
其中,厚度膨胀率=(H1-H0)/H0,其中,H0和H1分别为负极片中对应负极绕卷层在满充之前和满充之后的总厚度。
具体地,厚度膨胀率=(H1-H0)/H0,其中,H0和H1分别为负极片中对应负极绕卷层满充之前和满充之后在常压25℃下的总厚度,即H0为负极片中对应负极绕卷层在满充之前、常压25℃下的总厚度,H1为满充之后、常压25℃下的总厚度。
可理解,拐角区的厚度膨胀率T1和平直区的厚度膨胀率T2均采用上述公式计算,H0和H1分别为负极绕卷层中拐角区或平直区满充之前和满充之后在常压25℃下的总厚度。在绕卷型电池中,负极绕卷层的拐角区的受到的内应力要大于平直区受到的内应力,导致负极片在循环充放电过程中易出现打皱、析锂的问题。
基于此,上述电池中,控制负极绕卷层中的拐角区的厚度膨胀率T1小于平直区的厚度膨胀率T2,以降低负极片的平直区和拐角区在充放电过程中受到的内应力差距,提高极片的稳定性、降低析锂概率,进而在保持较高能量密度的同时提高电池的循环性能。
可理解,上述平直区和拐角区的划分跟根据本领域公知的区分方法划分;进一步地,具体划分方法包括但不限限于:上述平直区中,其外表面的切线与地面水平线的夹角大小为0,即外表面的切线平行于地面水平线,同理,拐角区的外表面的切线与地面水平线的夹角不为0。
H0为负极片中对应负极绕卷层在满充之前的总厚度,是在充电之前处于常压、25℃的条件下测得。
在其中一些实施例中,上述正极片和负极片绕卷设置,形成电极组件,具体请参照图1,图1为本申请一实施例中的电极组件42的剖面示意图,包括绕卷设置的正极片421和负极片422,形成多层绕卷层,正极片形成的绕卷层即为正极绕卷层,负极片形成的绕卷层即为负极绕卷层,每层绕卷层均设有平直区S21及拐角区S22。
请继续参照图1,从电极组件的整体剖面来看,绕卷层会形成两个拐角区S22以及两个平直区S21,平直区的两端分别与两个拐角区连接。
在其中一些实施例中,上述多层绕卷层包括至少两个负极绕卷层和至少一个正极绕卷层。
请继续参照图1的剖面示意图,在其中一些实施例中,上述拐角区为圆弧形。
需要说明的是,负极片中对应负极绕卷层在满充之前和满充之后的总厚度指的是负极片整体的厚度。
在其中一些实施例中,0<T2-T1≤55%。
在其中一些实施例中,0<T2-T1≤35%。
进一步调控负极绕卷层中拐角区和平直区的厚度膨胀率,以进一步降低负极片的平直区和拐角区在充放电过程中受到的内应力差距,提高极片的稳定性、降低析锂概率,以进一步提高电池的循环性能。
上述“0<T2-T1≤55%”中,T2-T1的取值包括该范围的最小值及最大值,以及这种最小值与最大值之间的每一个值,具体示例包括但不限于实施例中的点值及以下点值:5%、10%、16%、17%、18%、19%、20%、21%、22%、23%、24%、25%、26%、27%、28%、29%、30%、31%、32%、33%、34%、35%、36%、37%、38%、39%、40%、41%、42%、43%、44%、45%、50%、55%;或任意两个数值组成的范围。
在其中一些实施例中,15%≤T1≤45%。
在其中一些实施例中,25%≤T2≤70%。
上述“15%≤T1≤45%”中,T1的取值包括该范围的最小值及最大值,以及这种最小值与最大值之间的每一个值,具体示例包括但不限于实施例中的点值及以下点值:15%、16%、17%、18%、19%、20%、21%、22%、23%、24%、25%、26%、27%、28%、29%、30%、31%、32%、33%、34%、35%、36%、37%、38%、39%、40%、41%、42%、43%、44%、45%;或任意两个数值组成的范围,例如,可以为15%~40%、15%~35%、15%~30%、15%~25%、15%~20%、20%~45%、20%~40%、20%~35%、20%~30%、20%~25%、25%~45%、25%~40%、25%~35%、25%~30%。
上述“25%≤T2≤70%”中,T1的取值包括该范围的最小值及最大值,以及这种最小值与最大值之间的每一个值,具体示例包括但不限于实施例中的点值及以下点值:25%、26%、27%、28%、29%、30%、31%、32%、33%、34%、35%、36%、37%、38%、39%、40%、41%、42%、43%、44%、45%、46%、47%、48%、49%、50%、51%、52%、53%、54%、55%、56%、57%、58%、59%、60%、61%、62%、63%、64%、65%、66%、67%、68%、69%、70%;或任意两个数值组成的范围,例如,可以为25%~65%、25%~60%、25%~55%、25%~50%、25%~45%、25%~40%、25%~35%、25%~30%、30%~65%、30%~60%、30%~55%、30%~50%、30%~45%、30%~40%、30%~35%、40%~65%、40%~60%、40%~55%、40%~50%、40%~45%、50%~65%、50%~60%、50%~55%。
在其中一些实施例中,在每一层负极绕卷层中,拐角区的厚度膨胀率T1和平直区的厚度膨胀率T2均满足:T1<T2。
请继续参照图1,每个负极绕卷层中的拐角区S22的厚度膨胀率T1和平直区S21的厚度膨胀率T2均满足:T1<T2。
各负极绕卷层中,拐角区S22和各个平直区S21的厚度膨胀率均分别满足T1、T2的范围即可,具体数值可相同或不同。
在其中一些实施例中,各负极绕卷层中,拐角区S22的厚度膨胀率相同,平直区S21的厚度膨胀率相同。
在其中一些实施例中,
分别位于同一正极绕卷层的两侧的两个负极绕卷层:更靠近外层的负极绕卷层b和更靠近内层的负极绕卷层a。
其中,负极绕卷层a的拐角区的负极活性层a1与负极绕卷层b的拐角区的负极活性层b1相对设置;
至少一层正极绕卷层两侧的负极绕卷层a和负极绕卷层b中,负极活性层a1的厚度膨胀率为T3,负极活性层b1的厚度膨胀率为T4,T4/T3>1。
可理解,至少一层正极绕卷层两侧分别设有负极绕卷层:更靠近外层的负极绕卷层b和更靠近内层的负极绕卷层a,负极绕卷层a的拐角区的负极活性层a1与负极绕卷层b的拐角区的负极活性层b1相对设置。
负极活性层的厚度膨胀率=(H20-H10)/H10,其中,H10和H20分别为负极活性层在满充之前和满充之后的厚度。
具体地,H10和H20分别为负极活性层在满充之前和满充之后在常压、25℃时的厚度。
可理解,负极活性层a1的厚度膨胀率T3和负极活性层b1的厚度膨胀率T4均采用上述公式计算,H10和H20分别为负极活性层a1或负极活性层b1满充之前和满充之后在常压25℃下的总厚度。
其中,“相对设置”指的是面对面设置。具体请参照图2,同一层的正极绕卷层的拐角区具有在厚度方向对应设置的两个表面,更靠近绕卷中心的表面为A面,另一面为B面,位于A面所在一侧的负极绕卷层为负极绕卷层a,位于B面所在一侧的负极绕卷层为负极绕卷层b。
其中,至少有两层负极绕卷层满足:负极绕卷层a的拐角区中与A面正面对应的负极活性层a1的厚度膨胀率为T3,负极绕卷层b的拐角区中与B面正面对应的负极活性层b1的厚度膨胀率为T4,T4/T3>1。
活性层的厚度膨胀率=(H20-H10)/H10,其中,H10和H20分别为活性层在满充之前和之后的厚度。
可理解:H10为活性层在满充之前的厚度,是指在充电之前、常压25℃条件下的厚度,H20为活性层在满充之后的厚度,是指在充电至满充状态之后、常压25℃条件下的厚度。
由于在卷绕过程中,正极绕卷层处于卷绕的内圈,负极绕卷层处于卷绕的外圈,由此就会出现如下现象:同一正极绕卷层的两个表面与其分别正面对应的负极绕卷层中的负极活性层的距离(简称gap)不同。
具体请参照图2,同一层正极绕卷层的拐角区具有在厚度方向对应设置的两个表面,更靠近的绕卷中心的表面为A面,位于A面所在一侧的负极绕卷层为负极绕卷层a,负极绕卷层a的拐角区中与A面正面对应的负极活性层a1,A面与负极活性层a1的距离也即是负极绕卷层a的外凸面与A面的水平距离为D1;正极绕卷层的另一面为B面,位于B面所在一侧的负极绕卷层为负极绕卷层b,负极绕卷层b的拐角区中与B面正面对应的负极活性层b1,B面与负极活性层b1的距离也即是负极绕卷层b的内凹面与B面的水平距离为D2,由于内圈靠近卷针,在卷绕完成后,卷针抽离,使得绕卷层尤其是拐角区轻微松散,卷绕贴合性降低,导致D2>D1,此外,越远离绕卷中心的极片受到的束缚力越小,容易松散,进一步加剧了D2和D1的差值,导致电池在循环过程中,电解液浸润到D2区域时,由于D2区域的宽度加大,电解液来不及浸润D2区域的正负极片上的活性层,导致局部区域离子传输中断,发生传输“断桥”而造成局部析锂,最终降低了电池的循环性能,甚至对电池的安全性能产生负面影响。
基于此,通过控制同一正极片远离绕卷中心的表面对应的负极活性层的厚度膨胀率大于靠近绕卷中心的表面对应的负极活性层的厚度膨胀率,如此,在充放电过程中,远离绕卷中心的表面对应的负极活性层的厚度增加更大,即实质上缩短了该负极活性层与正极片表面的距离,即降低了离子在二者之间的传输距离,有利于离子传输,降低局部析锂的几率,最终提高电池的循环性能。
需要说明的是,负极绕卷层a的外凸面与A面的水平距离是指分别过负极片a的外凸面的顶点和A面内凹点作垂直于地面的垂直线,两条垂直线之间的直线距离即为D1。具体请参照图2。
同理,负极绕卷层b的内凹面与B面的水平距离的含义参照同上释义:分别过负极绕卷层b的内凹点和B面外凸面的顶点作垂直于地面的垂直线,两条垂直线之间的直线距离即为D2。具体请参照图2,图2中虚线即为垂直于地面的垂直线,其中,因示意图2中线条宽度有限,故过B面外凸面的顶点和过A面内凹点的垂直线重叠,表示为同一虚线,实际产品的正极片421是具有一定厚度的,二者不重叠。
上述外凸面的顶点是指过外凸面上离绕卷中心直线距离最远的点;同理,绕卷层的内凹面的内凹点即为内凹面上离绕卷中心的直线距离最远的点。
在其中一些实施例中,T4/T3≥1.05。
可选地,1.05≤T4/T3≤2。
上述“1.05≤T4/T3≤2”中,T4/T3的取值包括该范围的最小值及最大值,以及这种最小值与最大值之间的每一个值,具体示例包括但不限于实施例中的点值及以下点值:1.05、1.1、1.15、1.15、1.2、1.25、1.3、1.35、1.4、1.45、1.5、1.55、1.6、1.65、1.7、1.75、1.8、1.85、1.9、1.95、2;或任意两个数值组成的范围,例如,可以为:1.1~2、1.2~2、1.3~2、1.4~2、1.5~2、1.6~2、1.7~2、1.8~2、1.9~2、1.1~1.8、1.2~1.8、1.3~1.8、1.4~1.8、1.5~1.8、1.6~1.8、1.7~1.8、1.1~1.5、1.2~1.5、1.3~1.5、1.4~1.5。
进一步调控同一正极绕卷层中远离绕卷中心的表面对应的负极活性层的厚度膨胀率与靠近绕卷中心的表面对应的负极活性层的厚度膨胀率之间的差值,以进一步有效降低局部析锂的几率,最终提高电池的循环性能。
请参照图3,在其中一些实施例中,离绕卷中心最近的绕卷层的拐角区的顶点为顶点C,离绕卷中心最远的绕卷层的拐角区的顶点为顶点D,预设点E位于顶点C和顶点D之间,位于预设点E和顶点C之间的任意一层正极片的A面所对应的活性层a1的厚度膨胀率T3、B面所对应的活性层b1的厚度膨胀率T4均满足:T4/T3>1。
上述顶点C和顶点D的水平距离为L1,顶点C和预设点E的水平距离为L0,满足0<L0/L1≤1。
可选地,1/5≤L0/L1≤1/2。
此处水平距离L0和L1的释义参照前述水平距离的释义,顶点的释义也参照前述释义,在此不再赘述。
电池充放电过程中,因发生传输“断桥”造成局部析锂的现象主要发生在靠近绕卷中心的绕卷部分,故通过针对性调控这部分的负极绕卷层中呈相对设置的负极活性层a1的厚度膨胀和负极活性层b1的厚度膨胀。
当L0/L1=1时,即电极组件中任一层的正极绕卷所对应的负极活性层a1的厚度膨胀和负极活性层b1的厚度膨胀均满足:T4/T3>1;此时,预设点E与顶点D可重叠或不重叠,均位于同一垂直于地面水平线的连线上。
在其中一些实施例中,10%≤T3≤45%。
在其中一些实施例中,25%≤T4≤70%。
上述“10%≤T3≤45%”中,T3的取值包括该范围的最小值及最大值,以及这种最小值与最大值之间的每一个值,具体示例包括但不限于实施例中的点值及以下点值:10%、15%、20%、25%、26%、27%、28%、29%、30%、31%、32%、33%、34%、35%、36%、37%、38%、39%、40%、41%、42%、43%、44%、45%;或任意两个数值组成的范围,例如,可以为:10%~25%、10%~35%、10%~45%、15%~25%、15%~35%、15%~45%。
上述“25%≤T4≤70%”中,T4的取值包括该范围的最小值及最大值,以及这种最小值与最大值之间的每一个值,具体示例包括但不限于实施例中的点值及以下点值:25%、26%、27%、28%、29%、30%、31%、32%、33%、34%、35%、36%、37%、38%、39%、40%、41%、42%、43%、44%、45%、46%、47%、48%、49%、50%、51%、52%、53%、54%、55%、56%、57%、58%、59%、60%、61%、62%、63%、64%、65%、66%、67%、68%、69%、70%;或任意两个数值组成的范围,例如,可以为25%~65%、25%~60%、25%~55%、25%~50%、25%~45%、25%~40%、25%~35%、25%~30%、30%~65%、30%~60%、30%~55%、30%~50%、30%~45%、30%~40%、30%~35%、40%~65%、40%~60%、40%~55%、40%~50%、40%~45%、50%~65%、50%~60%、50%~55%。
在其中一些实施例中,每一层负极活性层a1的厚度膨胀率均满足T3;具体数值可相同或不同。
可选地,每一层活性层a1的厚度膨胀率相同。
在其中一些实施例中,每一层负极活性层b1的厚度膨胀率均满足T4;具体数值可相同或不同。
可选地,每一层的负极片的活性层b1的厚度膨胀率相同。
在其中一些实施例中,离绕卷中心最近的绕卷层和离绕卷中心最远的绕卷层均为负极绕卷层。
如此,离绕卷中心最近的绕卷层的内凹面和离绕卷中心最远的绕卷层的外凸面是没有离子传输发生的,故对厚度膨胀率没有特定要求,可以与其他负极绕卷层的负极活性层a1或负极活性层b1的厚度膨胀率相同或不同。
可选的,任意两个相对设置的极绕卷层a的平直区的负极活性层a1与负极绕卷层b的拐角区的负极活性层b1中,负极活性层a1的厚度膨胀率T3,负极活性层b1的厚度膨胀率T4均满足:T4/T3>1。
具体地,负极片包括集流体和设于集流体表面的负极活性层。
负极片中的集流体具有在其自身厚度方向相对的两个表面,负极活性层设置在集流体相对的两个表面的其中任意一者或两者上;进一步地,负极活性层设置在集流体相对的两个表面上。
在其中一些实施例中,负极片的负极活性层的组分包括碳负极材料和硅负极材料。
可选地,硅负极材料包括硅氧负极材料和硅碳负极材料中的至少一种。
可理解,硅碳负极材料和硅氧负极材料具体可选自本领域中各类常见的硅碳负极材料和硅氧负极材料,此处对常用的硅碳负极材料和硅氧负极材料进行简介,但不限于如下种类。
硅碳负极材料:是指硅材和碳的复合材料,采用的碳材包括但不限于:石墨、MCMB、炭黑、碳纳米管、石墨烯中的至少一种;进一步地,在硅碳负极材料中,硅和碳的质量比可以是任意比例。
在其中一些实施例中,根据复合方式,硅碳负极材料主要分为包覆型、嵌入型和分子接触型,而根据形态则分为颗粒型和薄膜型,根据硅碳种类的多少分为硅碳二元复合与硅碳多元复合。
硅碳复合材料的制备工艺有球磨法、高温裂解法、化学气相沉淀法、溅射沉积法、蒸镀法等等。
硅氧负极材料:分子式为SiOx,x取0~2任意值。非限制性举例包括:氧化亚硅和二氧化硅。
上述碳负极材料可以采用本领域常用的碳负极材料,包括但不限于:中间相碳微球、天然石墨、人造石墨、石墨烯、玻璃碳、碳纳米管、碳纤维、硬碳、软炭中的至少一种。
在其中一些实施例中,同一层的负极片中,同一表面的负极活性层的拐角区和平直区的厚度膨胀率可相同或不同。
可选地,同一层的负极片中,同一表面的负极活性层的拐角区和平直区的厚度膨胀率相同。
在其中一些实施例中,同一层的负极片中,不同表面的负极活性层及其不同区域中,硅负极材料和碳负极材料的总质量占比分别独立地选自80%~99%。
在其中一些实施例中,同一层的负极片中,不同表面的负极活性层及其不同区域中,以硅负极材料和碳负极材料的总质量为基准,碳负极材料的质量占比分别独立地选自60%~97%。
在其中一些实施例中,平直区的负极活性层的组分中,硅负极材料包括硅氧负极材料。
在其中一些实施例中,平直区的负极活性层中,以碳负极材料和硅负极材料的总质量为基准,硅负极材料的质量占比为5%~25%。
上述“5%~25%”中,T4的取值包括该范围的最小值及最大值,以及这种最小值与最大值之间的每一个值,具体示例包括但不限于实施例中的点值及以下点值:5%、6%、7%、8%、9%、10%、11%、12%、13%、14%、15%、16%、17%、18%、19%、20%、21%、22%、23%、24%、25%;或任意两个数值组成的范围。
在其中一些实施例中,拐角区的负极活性层的组分中,硅负极材料包括硅氧负极材料和硅碳负极材料中的至少一种。
在其中一些实施例中,拐角区的负极活性层中,以碳负极材料和硅负极材料的总质量为基准,硅负极材料的质量占比为0.5%~25%。
上述“0.5%~25%”中,T4的取值包括该范围的最小值及最大值,以及这种最小值与最大值之间的每一个值,具体示例包括但不限于实施例中的点值及以下点值:0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%、11%、12%、13%、14%、15%、16%、17%、18%、19%、20%、21%、22%、23%、24%、25%;或任意两个数值组成的范围。
在其中一些实施例中,拐角区的负极活性层a1的组分中,以碳负极材料和硅负极材料的总质量为基准,硅负极材料的占比为0.5%~25%。
上述“0.5%~25%”中,T4的取值包括该范围的最小值及最大值,以及这种最小值与最大值之间的每一个值,具体示例包括但不限于实施例中的点值及以下点值:0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%、11%、12%、13%、14%、15%、16%、17%、18%、19%、20%、21%、22%、23%、24%、25%;或任意两个数值组成的范围。
在其中一些实施例中,拐角区的负极活性层a1的组分中,硅负极材料包括硅碳负极材料。
在其中一些实施例中,拐角区的负极活性层b1的组分中,以碳负极材料和硅负极材料的总质量为基准,硅负极材料的占比为5%~25%。
上述“5%~25%”中,T4的取值包括该范围的最小值及最大值,以及这种最小值与最大值之间的每一个值,具体示例包括但不限于实施例中的点值及以下点值:5%、6%、7%、8%、9%、10%、11%、12%、13%、14%、15%、16%、17%、18%、19%、20%、21%、22%、23%、24%、25%;或任意两个数值组成的范围。
在其中一些实施例中,拐角区的负极活性层b1的组分中,硅负极材料包括硅氧负极材料。
负极片中各不同活性层以及同一层中不同区域中,硅负极材料和碳负极材料的种类和占比可相同或不同,以调控各不同活性层的以及同一层中不同区域的厚度膨胀率不同。
在其中一些实施例中,负极片的负极活性层的还组分包括导电剂和粘结剂。
上述导电剂可以采用本领域常用的导电材料,包括但不限于:石墨、碳纳米管、纳米纤维、炭黑和石墨烯中的至少一种。具体地,可选自SP、KS-6,乙炔黑、有支链结构的科琴黑ECP,SFG-6,气相生长碳纤维VGCF,碳纳米管CNTs和石墨烯及其复合导电剂中的至少一种。
上述粘结剂可采用本领域常用的粘结剂,可选自聚偏氟乙烯(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、氢化丁腈橡胶、丁苯橡胶(SBR)、聚丙烯酸(PAA)、聚丙烯酸钠(PAAS)、聚丙烯酰胺(PAM)、聚乙烯醇(PVA)、海藻酸钠(SA)、聚甲基丙烯酸(PMAA)及羧甲基壳聚糖(CMCS)及含氟丙烯酸酯树脂中的至少一种。
在其中一些实施例中,同一层的负极片中,不同表面的负极活性层及其不同区域中,导电剂的质量占比分别独立地选自1%~2%。
在其中一些实施例中,同一层的负极片中,不同表面的负极活性层及其不同区域中,粘结剂的质量占比分别独立地选自1%~3%。
在其中一些实施例中,集流体可采用金属箔片或复合集流体。例如,作为金属箔片,可采用铝箔。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形成在高分子材料基材上而形成。
在其中一些实施例中,金属材料包括铝、铝合金、镍、镍合金、钛、钛合金、银及银合金中的至少一种。
在其中一些实施例中,高分子材料基材包括聚丙烯(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)、聚乙烯(PE)中的至少一种。
具体地,正极片包括集流体和设于及集流体表面的正极活性层。
需要说明的是,正极片的集流体具有在其自身厚度方向相对的两个表面,正极活性材料层或负极活性层设置在集流体相对的两个表面的其中任意一者或两者上,在本申请的技术方案中,正极片中集流体的自身厚度方向相对的两个表面均设有正极活性层
在本申请任意实施方式中,正极片中的集流体可采用金属箔片或复合集流体。例如,作为金属箔片,可采用铝箔。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形成在高分子材料基材上而形成。
在其中一些实施例中,金属材料包括铝、铝合金、镍、镍合金、钛、钛合金、银及银合金中的至少一种。
在其中一些实施例中,高分子材料基材包括聚丙烯(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)、聚乙烯(PE)中的至少一种。
正极活性层的组分包括正极活性材料。
上述正极活性材料可采用本申请中的常用的正极活性材料,例如锂离子正极活性材料或钠离子正极活性材料。
进一步地,作为示例,锂离子活性材料可包括以下材料中的至少一种:橄榄石结构的含锂磷酸盐、锂过渡金属氧化物及其各自的改性化合物。但本申请并不限定于这些材料,还可以使用其他可被用作电池正极活性材料的传统材料。这些正极活性材料可以仅单独使用一种,也可以将两种以上组合使用。其中,锂过渡金属氧化物的示例可包括但不限于锂钴氧化物(如LiCoO2)、锂镍氧化物(如LiNiO2)、锂锰氧化物(如LiMnO2、LiMn2O4)、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(如LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(也可以简称为NCM333)、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(也可以简称为NCM523)、LiNi0.5Co0.25Mn0.25O2(也可以简称为NCM211)、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2(也可以简称为NCM622)、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(也可以简称为NCM811)、锂镍钴铝氧化物(如LiNi0.85Co0.15Al0.05O2)及其改性化合物等中的至少一种。橄榄石结构的含锂磷酸盐的示例可包括但不限于磷酸铁锂(如LiFePO4(也可以简称为LFP))磷酸锰锂(如LiMnPO4)、磷酸锰铁锂中的至少一种。
在本申请任意实施方式中,锂离子活性材料的分子式为:LiFexMn(1-x)PO4,x取0~1任一数。
可理解,当x取0时,LiFexMn(1-x)PO4即为LiMnPO4磷酸锰锂,当x取1时,LiFexMn(1-x)PO4即为LiFePO4磷酸铁锂(LFP)。
需要说明的是,上述举例的正极材料中的锂含量是指其在未使用的情况下的含量,电池在使用过程中,会进行反复充当电,正极活性材料中的Li会在充放电过程中发生变化,即电池产品中正极活性材料中的Li的摩尔下标不会一直保持在1,会有变化;进一步地,变化范围可为(0~1.2)。
例如LiFexMn(1-x)PO4可进一步表示为LiyFexMn(1-x)PO4,y为0~1.1。
需要说明的是,上述举例的正极材料中的锂含量是指其在未使用的情况下的含量,电池在使用过程中,会进行反复充当电,正极活性材料中的Li会在充放电过程中发生变化,即电池产品中正极活性材料中的Li的摩尔下标不会一直保持在1,会有变化;进一步地,变化范围可为(0~1.2)。
例如LiFexMn(1-x)PO4可进一步表示为LiyFexMn(1-x)PO4,y为0~1.1。
例如针对三元材料Liy(NiaCobMnc)1-dMdO2-xAx,y为0.2~1.2,a+b+c=1,0≤d≤1,0≤x<2;M为Zr、Sr、B、Ti、Mg、Sn及Al中的一种或多种,A为S、N、F、Cl、Br及I中的一种或多种。
电池在充放电过程中会伴随Li的脱嵌及消耗,电池在放电到不同状态时Li的摩尔含量不同,以上对y的限定包括了电池不同充放电状态下Li的摩尔含量;进一步地,通常电池电压在2-5V之间。
同理,本申请中关于正极材料的列举中,氧(O)的含量仅为理论状态值,晶格释氧会导致氧的摩尔含量发生变化,实际O的含量会出现浮动。其中,O的含量可以采用摩尔含量进行计量,但不限于此。
作为示例,钠离子活性材料可包括以下材料中的至少一种:钠过渡金属氧化物、聚阴离子型化合物和普鲁士蓝类化合物中的至少一种。但本申请并不限定于这些材料,还可以使用其他可被用作钠离子电池正极活性材料的传统公知的材料。
作为本申请可选的技术方案,钠过渡金属氧化物中,过渡金属至少包括Mn、Fe、Ni、Co、Cr、Cu、Ti、Zn、V、Zr及Ce中的至少一种。钠过渡金属氧化物例如为NaxMO2,其中M至少包括Ti、V、Mn、Co、Ni、Fe、Cr及Cu中的一种或几种,0<x≤1。
作为本申请可选的技术方案,聚阴离子型化合物可以是具有钠离子、过渡金属离子及四面体型(YO4)n-阴离子单元的一类化合物。过渡金属至少包括Mn、Fe、Ni、Co、Cr、Cu、Ti、Zn、V、Zr及Ce中的至少一种;Y至少包括P、S及Si中的至少一种;n表示(YO4)n-的价态。
聚阴离子型化合物还可以是具有钠离子、过渡金属离子、四面体型(YO4)n-阴离子单元及卤素阴离子的一类化合物。过渡金属至少包括Mn、Fe、Ni、Co、Cr、Cu、Ti、Zn、V、Zr及Ce中的至少一种;Y至少包括P、S及Si中的至少一种,n表示(YO4)n-的价态;卤素可以是F、Cl及Br中的至少一种。
聚阴离子型化合物还可以是具有钠离子、四面体型(YO4)n-阴离子单元、多面体单元(ZOy)m+及可选的卤素阴离子的一类化合物。Y至少包括P、S及Si中的至少一种,n表示(YO4)n-的价态;Z表示过渡金属,至少包括Mn、Fe、Ni、Co、Cr、Cu、Ti、Zn、V、Zr及Ce中的至少一种,m表示(ZOy)m+的价态;卤素可以是F、Cl及Br中的至少一种。
聚阴离子型化合物例如是NaFePO4、Na3V2(PO4)3(磷酸钒钠,简称NVP)、Na4Fe3(PO4)2(P2O7)、NaM’PO4F(M’为V、Fe、Mn及Ni中的一种或几种)及Na3(VOy)2(PO4)2F3-2y(0≤y≤1)中的至少一种。
普鲁士蓝类化合物可以是具有钠离子、过渡金属离子及氰根离子(CN-)的一类化合物。过渡金属至少包括Mn、Fe、Ni、Co、Cr、Cu、Ti、Zn、V、Zr及Ce中的至少一种。普鲁士蓝类化合物例如为NaaMebMe’c(CN)6,其中Me及Me’各自独立地至少包括Ni、Cu、Fe、Mn、Co及Zn中的至少一种,0<a≤2,0<b<1,0<c<1。
基于正极活性层的总重量计,正极活性材料在正极活性层中的重量比为80%~100%。
在本申请任意实施方式中,正极活性层的组分还包括正极导电剂和正极粘结剂。
上述正极导电剂可以采用本领域常用的导电剂,包括但不限于:石墨、碳纳米管、纳米纤维、炭黑和石墨烯中的至少一种。具体地,可选自SP、KS-6,乙炔黑、有支链结构的科琴黑ECP,SFG-6,气相生长碳纤维VGCF,碳纳米管CNTs和石墨烯及其复合导电剂中的至少一种。
基于正极活性层的总重量计,正极导电剂在正极活性层中的重量比为0~20wt%。
在本申请任意实施方式中,上述正极粘结剂的粘结剂可以是聚偏氟乙烯(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、氢化丁腈橡胶、丁苯橡胶(SBR)、聚丙烯酸(PAA)、聚丙烯酸钠(PAAS)、聚丙烯酰胺(PAM)、聚乙烯醇(PVA)、海藻酸钠(SA)、聚甲基丙烯酸(PMAA)及羧甲基壳聚糖(CMCS)及含氟丙烯酸酯树脂中的至少一种。
基于正极活性层的总重量计,正极粘结剂在正极活性层中的重量比为0~30wt%。
在其中一些实施例中,正极片的压实密度为3.0g/cm3~3.7g/cm3,可选为3.4g/cm3~3.6g/cm3。压实密度的计算公式为:
压实密度=涂布面密度/(挤压后极片厚度-集流体厚度)。
在其中一些实施例中,负极活性层a1的克容量为W5,负极活性层b1的克容量为W6,满足0≤|W6-W5|≤1mAh/g。
在其中一些实施例中,至少一层负极绕卷层中,至少一个拐角区的克容量为W3,至少一个平直区的克容量为W4,满足0≤|W4-W3|≤1mAh/g。
在其中一些实施例中,至少一层负极绕卷层中,两个拐角区的克容量均为W3,两个平直区的克容量均为W4。
在其中一些实施例中,至少一层正极绕卷层中,至少一个拐角区的克容量为W1,至少一个平直区的克容量为W2,满足0≤|W2-W1|≤1mAh/g。
在其中一些实施例中,至少一层正极绕卷层中,两个拐角区的克容量均为W1,两个平直区的克容量为W2,满足0≤|W2-W1|≤1mAh/g。
在其中一些实施例中,上述电极组件还包括隔离膜,隔离膜设于正极片和负极片之间。
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。
在其中一些实施方式中,隔离膜的材质可选自玻璃纤维、无纺布、聚乙烯、聚丙烯及聚偏二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。
隔膜的厚度控制在2μm~15μm;可选地,隔膜的厚度控制在2μm~13μm。
正极片、负极片和隔离膜组成形成电极组件;进一步地,正极片、负极片和隔离膜可经叠片工艺形成电极组件。
在其中一些实施例中,上述电池还包括电解液。电解液浸润于电极组件之间。下面对电解液进行简介。
[电解液]
电解液包括电解质盐及溶剂
在一些实施方式中,电解质盐可选自本领域常用的电解质盐,例如锂离子电解质盐。
作为示例,锂离子电解质盐包括但不限于: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)及四氟草酸磷酸锂(LiTFOP)中的一种或几种。
在一些实施方式中,溶剂可选自氟代碳酸乙烯酯(FEC)、碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙基酯(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)、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)中的一种或几种。
在一些实施方式中,在电解液中,电解质盐的浓度通常为0.5mol/L ~15mol/L。
在一些实施方式中,电解液还可选地包括添加剂。例如添加剂可以包括负极成膜添加剂、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、改善电池高温或低温性能的添加剂等。
本申请一实施方式,还提供一种包括如下步骤。
将上述正极片、负极片依次层叠进行绕卷处理,制备电池。
在其中一些实施例中,可以通过以下方式制备正极片或负极片:将上述正极活性层或负极活性的组分分散于溶剂中,形成浆料;将浆料涂覆在集流体上,经烘干、冷压等工序后,即可得到极片。
进一步地,溶剂包括但不限于:N-甲基吡咯烷酮或水。
厚度膨胀率不同的不同活性层或不同区域的制备通过调控相关组分的种类及其配比即可。
正极活性层或负极活性层的组分参照如上部分,在此不再赘述。
在其中一些实施例中,浆料固含量为40 wt%~80wt%,室温下的粘度调整到5000mPa·s ~25000mPa·s。
上述涂覆的方法包括但不限于印刷涂布、刮刀涂布、旋转涂布或喷墨涂布。将浆料涂覆在集流体上,经烘干、冷压等工序后,即可得到涂层。
在其中一些实施例中,上述电池为二次电池;具体地,上述电池为锂离子电池。
本申请的电池的形状没有特别的限制,其可以是方形或其他任意的形状。例如,图4是作为一个示例的方形结构的电池单体4。
在一些实施例中,参照图5,外壳可包括壳体41和盖板43。其中,壳体41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41具有与容纳腔连通的开口,盖板43能够盖设于所述开口,以封闭容纳腔。
正极片、负极片和隔离膜可经卷绕工艺或叠片工艺形成电极组件42。电极组件42封装于容纳腔。电解液浸润于电极组件42中。电池单体4所含电极组件42的数量可以为一个或多个,可根据需求来调节。
上述电池包括一个或多个电池单体4。
电池可以为电池模块或电池包;电池模块或电池包包括至少一个电池单体。电池模块所含电池单体4的数量可以为一个或多个,本领域技术人员可根据电池模块的应用和容量选择合适的数量。
图6和图7是作为一个示例的电池包1。在电池包1中包括电池箱和设置于电池箱中的一个或多个电池单体4。电池箱包括上箱体2和下箱体3,上箱体2能够盖设于下箱体3,并形成用于电池单体4的封闭空间。
多个电池单体4可以按照任意的方式排布于电池箱中。
本申请还提供一种用电装置,该用电装置包括上述的电池。
进一步地,在上述用电装置中,电池可以电池单体的形式存在,也可以进一步组装成电池包的形式存在。
上述电池或其组装成的电池包可以用作用电装置的电源,也可以作为用电装置的能量存储单元。
上述用电装置可以但不限于是移动设备、电动车辆、电气列车、船舶及卫星、储能系统等。
移动设备包括但不限于:手机、笔记本电脑等;电动车辆包括但不限于: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、电动高尔夫球车或电动卡车等。
图8是作为一个示例的用电装置5。该用电装置5为纯电动车、混合动力电动车或插电式混合动力电动车。为了满足该用电装置5对电池的高功率和高能量密度的需求,可以采用电池包形式。
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。该装置通常要求轻薄化,可以采用电池作为电源。
下面将结合具体的实施例对本申请进行了说明,但本申请并不局限于下述实施例,应当理解,所附权利要求概括了本申请的范围,在本申请构思的引导下本领域的技术人员应意识到,对本申请的各实施例所进行的一定的改变,都将被本申请的权利要求书的精神和范围所覆盖。
以下为具体实施例。
实施例1
(1)电极组件的制备
将正极片、隔离膜、负极片进行绕卷设置,得到电极组件,具体请参照图1,图1为电极组件42的剖面示意图,包括经绕卷制得的正极片421和负极片422,形成多层绕卷层,正极片形成的正极片即为正极绕卷层,负极片形成的绕卷层即为负极绕卷层,每层绕卷层均设有平直区S21及拐角区S22。其中,最靠近绕卷中心的绕卷层和离绕卷中心最远的绕卷层均是负极绕卷层。
同时请参照图2,在电极组件中,任意一层正极绕卷层的两侧的两个负极绕卷层:更靠近外层的负极绕卷层b和更靠近内层的负极绕卷层a,负极绕卷层a的拐角区的负极活性层a1与负极绕卷片b的拐角区的负极活性层b1,及各个负极绕卷层均具有在厚度方向相对设置的负极活性层b1和负极活性层a1,且同一负极活性层b1或负极活性层a1均具有拐角区和平直区的。
其中,负极片中各个绕卷层的各个区域后活性层的厚度弹率通过调控负极浆料形成,具体采用的负极浆料如下:
其中,每一层负极绕卷层的平直区的外凸面和内凹面的负极活性层采用如下第一负极浆料制备:
将负极活性物质、导电剂乙炔黑、增稠剂羟甲基纤维素钠(CMC)、粘结剂丁苯橡胶(SBR)按质量比96:2:1:1加入溶剂水中混合均匀并制成第一负极浆料,将负极浆料均匀涂布在负极集流体铜箔上对应卷绕时负极绕卷层的平直区域,然后干燥冷压。其中,负极活性物质包括质量比为25:75的碳负极材料石墨与硅负极材料SiOx。
每一层负极绕卷层的拐角区的内凹面(即负极活性层b1)采用如下第二负极浆料制备:
将负极活性物质、导电剂乙炔黑、增稠剂羟甲基纤维素钠(CMC)、粘结剂丁苯橡胶(SBR)按质量比96:2:1:1加入溶剂水中混合均匀并制成第二负极浆料,将负极浆料均匀涂布在负极集流体铜箔上对应卷绕时负极绕卷层的平直区域,然后干燥冷压。其中,负极活性物质包括质量比为25:75的碳负极材料石墨与硅负极材料SiOx,所用SiOx的克容量为:1106mAh/g。
每一层负极绕卷层的拐角区的外凸面(即负极活性层a1)采用如下第三负极浆料制备:
将负极活性物质、导电剂乙炔黑、增稠剂羟甲基纤维素钠(CMC)、粘结剂丁苯橡胶(SBR)按质量比97:1:1:1加入溶剂水中混合均匀并制成第三负极浆料,将负极浆料均匀涂布在负极集流体铜箔上对应卷绕时负极绕卷层的平直区域,然后干燥冷压。其中,负极活性物质包括质量比为18:82的碳负极材料石墨与硅负极材料SiC,所用SiC的克容量为:1400mAh/g。
正极片的制备:将镍钴锰(NCM)三元材料NCM811、导电剂碳黑、粘结剂聚偏二氟乙烯(PVDF)按质量比为97:1:2混合,加入N-甲基吡咯烷酮,混合搅拌6h,得到正极浆料,正极浆料的固含量50wt%,将其涂覆于正极集流体铝箔上,通过调节涂膜的垫片的位置调节涂覆时的厚度,按照预设路线从铝箔的中心向四周方向的厚度递减,形成边矩形的厚度较高的中涂区及围绕中涂区的、厚度交底的边涂区,边涂区的预设宽度为T1mm;经烘干、冷压、分切,得到正极片。
隔离膜:采用聚乙烯微孔薄膜作为多孔隔离膜基材,将无机三氧化铝粉末、聚乙烯呲咯烷酮、丙酮溶剂按重量比3:1.5:5.5混合均匀制成浆料并涂布于基材的一面并烘干,得到隔离膜。
(2)电解液:将六氟磷酸锂溶解于碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯的混合溶剂中,碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯的体积比为1:2:1,得到1mol/L锂离子电池电解液。
(3)锂离子电池的制作
将上述电极组件置于包装壳中,从电极组件引出极耳,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。
(4)厚度膨胀率测试:
1、拆解模组,取下电池,拆解电池,取下负极片。
常压,25℃下,先用万分尺分别测量未充电之前的负极绕卷层的平直区样品和拐角区样品的初始总厚度,分别为H02和H01,然后将另一平行样品电池经充电处理达到满充后,充电条件:25℃下,以0.33C倍率恒流充电至电压为4.25V,然后拆除负极片再行对负极绕卷层的相应的平直区样品和拐角区样品的厚度分别进行测试,分别为H12和H11。则:
平直区的厚度膨胀率T2=(H12-H02)/H02
拐角区的厚度膨胀率T1=(H11-H01)/H01
2、参照上述方法获得负极绕卷层的拐角区样品,并分别对拐角区的活性层进行测试,采用CP截面抛光切割负极极片的截面,再用SEM对截面进行长度测量,可得到单层活性层的厚度:
参照上述方法,先分别测试未充电之前的负极绕卷层的拐角区的活性层a1和活性层b1的初始厚度,分别为H12和H11,然后将电池经上述同样的充电条件满充后,拆除负极片再行对负极绕卷层的相应的拐角区样品的活性层a1和活性层b1的厚度分别进行测试,分别为H22和H21。则:
负极活性层a1的厚度膨胀率T3=(H22-H12)/H12
负极活性层b1的厚度膨胀率T4=(H21-H11)/H11
具体结果请见表1。
3、具体请参照图3,离绕卷中心最近的所述绕卷层的拐角区的顶点为顶点C,离绕卷中心最远的所述绕卷层的拐角区的顶点为顶点D,预设点E位于顶点C和顶点D之间,位于预设点E和所述顶点C之间的负极绕卷层中,任意两个相对设置的负极活性层a1和负极活性层b1的厚度膨胀率分别记为T3和T4;顶点C和所述顶点D的水平距离为L1,所述顶点C和所述预设点E的水平距离为L0,X=L0/ L1。
具体数值请见表1。
4、分别对负极片中的平直区及拐角区的整体克容量进行测试,分别记为W4和W3;分别对正极片中的平直区及拐角区的整体克容量进行测试,分别记为W2和W1;分别对负极片中的拐角区对应的活性层a1和活性层b1的克容量,分别记为W5和W6;其中克容量的测试参照如下方法:
以金属锂为正极,第一负极极片的待测样品为负极,组装纽扣电池,用0.05C进行两次充放电循环测试,截止电压为0.005V~1V,提取第二次的充电容量,除以的待测样品上的活性材料的质量,即得到第一负极活性层的克容量。
其中,|W6-W5|=1mAh/g,|W4-W3|=1mAh/g,|W2-W1|=1mAh/g。
(5)锂离子电池的性能测试:
1、电池稳定性:循环性能测试
在25℃下,将锂离子电池以0.33C倍率充电到4.25V后恒压充电至电流低于0.05C,然后使用0.33C倍率放电至2.5V,以这种满充满放的形式进行循环测试,直至锂离子电池的放电容量衰减至初始容量的80%,记录此时的循环圈数,记为Cy80%。
2、电池极片打皱情况:
将制备得到的锂离子电池经上述循环性能测试后拆解,得到负极片,通过人工观测确认打皱次数,具体结果请见表1。
3、电池极片的析锂情况:
将制备得到的锂离子电池经上述循环性能测试后拆解,得到负极片,通过人工观测负极片中对应负极绕卷层的拐角区中的负极活性层a1面和b1面是否析锂,具体结果请见表1。
实施例2~4
实施例2~4与实施例1基本相同,不同之处仅在于:步骤(1)中,调控第一负极浆料中负极活性物中石墨和硅质量配比,以改变负极片中相关的平直区的厚度膨胀率T2,同时调控搭配硅的种类,以使各部分克容量与实施例1相同。
其他步骤条件与实施例1相同,具体参数及测试结果请见表1。
实施例5
实施例5与实施例1基本相同,不同之处仅在于:步骤(1)中,制备负极绕卷层拐角区的负极活性层a1和b1时均采用第三浆料。
其他步骤条件与实施例1相同,具体参数及测试结果请见表1。
实施例6~9
实施例6~9与实施例5基本相同,不同之处仅在于:步骤(1)中,调控第一浆料或第三浆料中负极活性物中的种类或其质量配比,以改变负极片拐角区中相关的厚度膨胀率T4、T3、T2或T1。
其他步骤条件与实施例1相同,具体参数及测试结果请见表1。
实施例10~11
实施例10~11与实施例1基本相同,不同之处仅在于:步骤(1)中,制备负极拐角区中部分远离绕卷中心的负极活性层a1时,采用第二浆料,其余靠近绕卷中心的部分负极活性层a1采用第三浆料制备,即调控X值与实施例1不同,具体请参照图3。
其他步骤条件与实施例1相同,具体参数及测试结果请见表1,其中表1中记载的相关拐角区的相关参数是靠近绕卷中心的部分的参数。
对比例1
对比例1与实施例1基本相同,不同之处仅在于:步骤(1)中,制备负极片时,各区域及负极活性层a和负极活性层b均采用第一活性浆料。
其他步骤条件与实施例1相同,具体参数及测试结果请见表1。
各实施例和对比例的参数及测试结果请见表1和表2。
表1
注:“轻微析锂”和“严重析锂”是根据观察到的负极活性层a1面和b1面中析锂的区域大小、析锂的多少而定,相对而言,“轻微析锂”出现析锂的区域面积较小、析锂数量较少,体现在电池性能上的区别是,相较于“严重析锂”的电池,“轻微析锂”的电池的循环性能更好。
表2
注:“硅:碳”为硅负极材料和碳负极材料的质量比,“硅种类”为硅负极材料的种类。
分析表1数据:对比分析实施例1~11及对比例1的测试结果可知:本申请中通过控制负极绕卷层中的拐角区的厚度膨胀率T1小于平直区的厚度膨胀率T2,以降低负极片的平直区和拐角区在充放电过程中受到的内应力差距,提高极片的稳定性、降低析锂概率,进而在保持较高能量密度的同时提高电池的循环性能。
进一步地,通过控制同一正极片远离绕卷中心的表面对应的负极活性层的厚度膨胀率大于靠近绕卷中心的表面对应的负极活性层的厚度膨胀率,进一步提高离子传输效率,降低局部析锂的几率,提高电池的循环性能。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本申请构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本申请的保护范围。因此,本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准,说明书及附图可以用于解释权利要求的内容。
Claims (17)
1.一种电池,其特征在于,所述电池包括正极片和负极片,所述正极片和所述负极片经绕卷形成的多层绕卷层包括:正极绕卷层和负极绕卷层;
每层所述绕卷层均设有平直区及拐角区,且至少一层所述负极绕卷层中,所述拐角区的厚度膨胀率T1和所述平直区的厚度膨胀率T2满足:T1<T2;
其中,厚度膨胀率=(H1-H0)/H0,其中,H0和H1分别为所述负极片中对应负极绕卷层在满充之前和满充之后的总厚度。
2.如权利要求1所述的电池,其特征在于,0<T2-T1≤55%。
3.如权利要求1所述的电池,其特征在于,0<T2-T1≤35%。
4.如权利要求1~3任一项所述的电池,其特征在于,所述负极片满足如下(1)~(2)中的至少一个条件:
(1)15%≤T1≤45%;
(2)25%≤T2≤70%。
5.如权利要求1~3任一项所述的电池,其特征在于,在每一层所述负极绕卷层中,所述拐角区的厚度膨胀率T1和所述平直区的厚度膨胀率T2均满足:T1<T2。
6.如权利要求1~3任一项所述的电池,其特征在于,分别位于同一所述正极绕卷层的两侧的两个所述负极绕卷层:更靠近外层的负极绕卷层b和更靠近内层的负极绕卷层a;其中,所述负极绕卷层a的拐角区的负极活性层a1与所述负极绕卷层b的拐角区的负极活性层b1相对设置;
至少一层所述正极绕卷层两侧的负极绕卷层a和负极绕卷层b中,所述负极活性层a1的厚度膨胀率为T3,所述负极活性层b1的厚度膨胀率为T4,T4/T3>1;
负极活性层的厚度膨胀率=(H20-H10)/H10,其中,H10和H20分别为负极活性层在满充之前和满充之后的厚度。
7.如权利要求6所述的电池,其特征在于,T4/T3≥1.05。
8.如权利要求6所述的电池,其特征在于,1.05≤T4/T3≤2。
9.如权利要求6所述的电池,其特征在于,离绕卷中心最近的所述绕卷层的拐角区的顶点为顶点C,离绕卷中心最远的所述绕卷层的拐角区的顶点为顶点D,预设点E位于所述顶点C和所述顶点D之间,位于所述预设点E和所述顶点C之间的负极绕卷层中,任意两个相对设置的负极活性层a1和负极活性层b1中,所述负极活性层a1的厚度膨胀率T3和所述负极活性层b1的厚度膨胀率T4均满足:T4/T3>1;
所述顶点C和所述顶点D的水平距离为L1,所述顶点C和所述预设点E的水平距离为L0,满足0<L0/L1≤1。
10.如权利要求9所述的电池,其特征在于,1/5≤L0/L1≤1/2。
11.如权利要求6所述的电池,其特征在于,所述负极片满足如下(1)~(2)中的至少一个条件:
(1)15%≤T3≤45%;
(2)25%≤T4≤70%。
12.如权利要求6所述的电池,其特征在于,所述负极活性层a1的克容量为W5,所述负极活性层b1的克容量为W6,满足0≤|W6-W5|≤1mAh/g。
13.如权利要求1~3任一项所述的电池,其特征在于,所述负极片满足如下(1)~(2)中的至少一个条件:
(1)至少一层所述负极绕卷层中,所述拐角区的克容量为W3,所述平直区的克容量为W4,满足0≤|W4-W3|≤1mAh/g;
(2)至少一层所述正极绕卷层中,所述拐角区的克容量为W1,所述平直区的克容量为W2,满足0≤|W2-W1|≤1mAh/g。
14.如权利要求1~3任一项所述的电池,其特征在于,所述负极片的负极活性层的组分包括碳负极材料和硅负极材料。
15.如权利要求14所述的电池,其特征在于,所述负极片满足如下(1)~ (4)中至少一个条件:
(1)所述平直区的负极活性层的组分中,所述硅负极材料包括硅氧负极材料;
(2)所述平直区的负极活性层中,以所述碳负极材料和所述硅负极材料的总质量为基准,所述硅负极材料的质量占比为5%~25%;
(3)所述拐角区的负极活性层的组分中,所述硅负极材料包括硅氧负极材料和硅碳负极材料中的至少一种;
(4)所述拐角区的负极活性层中,以所述碳负极材料和所述硅负极材料的总质量为基准,所述硅负极材料的质量占比为0.5%~25%。
16.如权利要求1~15任一项所述的电池的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
将所述正极片、所述负极片进行绕卷处理,制备所述电池。
17.一种用电装置,其特征在于,所述用电装置包括如权利要求1~15任一项所述的电池。
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