CN116830341A - 电化学装置及电子装置 - Google Patents
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Abstract
提供一种电化学装置，包括壳体和设置于所述壳体中的第一电极组件和第二电极组件，第一电极组件和所述第二电极组件串联连接，并且满足如下关系式：其中，C1表示第一电极组件的容量，C2表示第二电极组件的容量。一种电子装置，包括电化学装置。
Description
本申请涉及储能领域，具体涉及一种电化学装置及电子装置。
在现有锂离子电池体系中，由于正极材料和负极材料的电压差有限，电解液抗氧化还原能力有限等，电池的开路电压很难超过5V。但在电池实际使用中，需要用到超过5V电压的场景很多，如电动交通工具、电动工具、储能系统等。即使在手机市场中，为了满足快充等需求，也需要提升电池的开路电压。当前，一般采用多个锂离子电池串联的方法来提高输出电压，但多个锂离子电池串联存在诸多问题，如：串联用导线和接触电阻引入额外的电子电阻，导致发热浪费能量并影响电池寿命；电压越高需要锂离子电池数量越多，提高了电池管理的难度等。为了解决上述问题，高输出电压电池的概念被提出，其利用电极组件内部串联的方式实现单个电池的高电压输出，减小电池总产热，降低了使用过程中的升温幅度。然而，高输出电压电池由于串联方式的固有缺陷，其中一个电极组件的过早劣化将会导致高输出电压电池整体的循环性能急剧下降，因此，高输出电压电池的循环性能有待进一步改善。
发明内容
鉴于现有技术存在的上述问题，本申请提供一种电化学装置和包含该电化学装置的电子装置，以提高内部串联的电化学装置的循环性能。
在第一方面，本申请提供了一种电化学装置，其包括壳体和设置于壳体中的第一电极组件和第二电极组件，第一电极组件和第二电极组件串联连接，并且满足如下关系式：
其中，C1表示第一电极组件的容量，C2表示第二电极组件的容量。
本申请的发明人通过研究发现：单个电极组件之间的容量差异，一方面，对内部 串联高输出电压电池的循环性能具有重要影响，通过第一电极组件的容量C1和第二电极组件的容量C2满足上述关系式，在串联充放电过程中，第一电极组件和第二电极组件之间的电位水平能够趋于一致，降低其中某一电极组件发生过充和/或过放的风险，从而抑制其中某一电极组件过早发生劣化，提升内部串联高输出电压电池的循环性能；另一方面，单个电极组件之间的容量差异，也影响着内部串联的高输出电压电池实际可发挥出的容量水平，通过第一电极组件的容量C1和第二电极组件的容量C2满足上述关系式，在串联放电过程中，第一电极组件和第二电极组件的容量均能够得到有效发挥，有利于提升电化学装置的能量密度。
根据本申请的一些实施方式，第一电极组件包括第一负极极片和第一正极极片，所述第一负极极片包括第一负极集流体和位于所述第一负极集流体表面的第一负极活性材料层，所述第一正极极片包括第一正极集流体和位于所述第一正极集流体表面的第一正极活性材料层，所述第一正极活性材料层的面积为Sc1，所述第一负极活性材料层的面积为Sa1，取测试面积为Stc1的第一正极极片，以锂金属为对电极组装成扣式半电池，测试面积为Stc1的第一正极极片的容量为Ctc1；取测试面积为Sta1的第一负极极片，以锂金属为对电极组装成扣式半电池，测试面积为Sta1的第一负极极片的容量为Cta1；CB1＝(Cta1×Sa1/Sta1)/(Ctc1×Sc1/Stc1)。
第二电极组件包括第二负极极片和第二正极极片，第二负极极片包括第二负极集流体和位于所述第二负极集流体表面的第二负极活性材料层，第二正极极片包括第二正极集流体和位于第二正极集流体表面的第二正极活性材料层，第二正极活性材料层的面积为Sc2，第二负极活性材料层的面积为Sa2，取测试面积为Stc2的第二正极极片，以锂金属为对电极组装成扣式半电池，测试面积为Stc2的第二正极极片的容量为Ctc2；取测试面积为Sta2的第二负极极片，以锂金属为对电极组装成扣式半电池，测试面积为Sta2的第二负极极片的容量为Cta2；CB2＝(Cta2×Sa2/Sta2)/(Ctc2×Sc2/Stc2)。
其中，第一电极组件和第二电极组件还满足如下关系式：
通过CB1和CB2满足上述关系式，第一电极组件和第二电极组件在化成阶段形成固体电解质界面膜的过程中，正极极片中所消耗的的锂含量相匹配，能够降低在后续的串联充放电过程中，某一电极组件中的正极极片电位过高的风险，抑制正极极片 中的正极活性材料以及固体电解质界面膜结构的破坏，进而提升内部串联高输出电压电池的循环性能。
根据本申请的一些实施方式，第一电极组件和第二电极组件还满足如下关系式：
其中，W1表示第一负极活性材料层的涂布重量，单位为mg/1540.25mm
2；W2表示第二负极活性材料层的涂布重量，单位为mg/1540.25mm
2，CB1和CB2如上文所定义。通过W1、W2、CB1和CB2满足上述关系式，第一电极组件和第二电极组件中相同面积负极活性材料层所对应的可逆容量能够相匹配，能够使各电极组件对充放电倍率的适应性较为一致，从而进一步提升内部串联高输出电压电池的循环性能。
根据本申请的一些实施方式，第一电极组件和第二电极组件满足如下关系式：
其中，W1表示第一负极活性材料层的涂布重量，单位为mg/1540.25mm
2；W2表示第二负极活性材料层的涂布重量，单位为mg/1540.25mm
2；CB1和CB2如上文所定义。
根据本申请的一些实施方式，所述电化学装置满足下列条件(i)和(ii)中的至少一者：(i)CB1的取值范围为0.7至1.1；(ii)CB2的取值范围为0.7至1.1。CB1和/或CB2的取值范围在上述范围内，第一电极组件和/或第二电极组件中正负极的容量较为匹配，一方面，能够降低在充放电过程中，正极电位过高导致正极活性材料结构破坏的风险，提升电池的循环性能；另一方面，也能够降低在充放电过程中负极发生析锂的风险，提升电池的安全性能。
根据本申请的一些实施方式，所述电化学装置满足下列条件(iii)和(iv)中的至少一者：(iii)W1的取值范围为100mg/1540.25mm
2至200mg/1540.25mm
2；(iv)W2的取值范围为100mg/1540.25mm
2至200mg/1540.25mm
2。
根据本申请的一些实施方式，所述电化学装置还包括隔离件，隔离件位于第一电极组件和第二电极组件之间。
根据本申请的一些实施方式，隔离件包括基材层和位于基材层表面的封装层，基材层的材质包括金属、碳材料或第一聚合物中的至少一种；封装层的材质包括第二聚 合物。
根据本申请的一些实施方式，作为基材层材质的金属包括Ni、Ti、Cu、Ag、Au、Pt、Fe、Co、Cr、W、Mo、Al、Mg、K、Na、Ca、Sr、Ba、Si、Ge、Sb、Pb、In、Zn、不锈钢及其组合物或合金中的至少一种。
根据本申请的一些实施方式，作为基材层材质的碳材料包括碳毡、碳膜、炭黑、乙炔黑、富勒烯、导电石墨膜或石墨烯膜中的至少一种。
根据本申请的一些实施方式，作为基材层材质的第一聚合物包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚醚醚酮、聚酰亚胺、聚酰胺、聚乙二醇、聚酰胺酰亚胺、聚碳酸酯、环状聚烯烃、聚苯硫醚、聚乙酸乙烯酯、聚四氟乙烯，聚亚甲基萘、聚偏二氟乙烯，聚碳酸亚丙酯、聚(偏二氟乙烯-六氟丙烯)、聚(偏二氟乙烯-共-三氟氯乙烯)、有机硅、维尼纶、聚丙烯、酸酐改性聚丙烯、聚乙烯、乙烯-丙烯共聚物、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚醚腈、聚氨酯、聚苯醚、聚酯、聚砜、非晶态α-烯烃共聚物或上述物质衍生物中的至少一种。
根据本申请的一些实施方式，作为封装层材质的第二聚合物包括：聚丙烯、酸酐改性聚丙烯、聚乙烯、乙烯-丙烯共聚物、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚醚腈、聚氨酯、聚酰胺、聚酯、非晶态α-烯烃共聚物或上述物质衍生物中的至少一种。
在第二方面，本申请提供了一种电子装置，其包括本申请第一方面所述的电化学装置。
本申请通过对内部串联的电化学装置中各电极组件的容量、CB值、涂布重量W及其之间的关系进行限定，可以显著提高内部串联的电化学装置的循环性能。
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例。
图1是根据本申请的一些实施方式的电化学装置的示意图。
附图标记如下：
001：电化学装置
11：电极组件A
12：电极组件B
20：隔离件
41：上包装壳
42：下包装壳。
下面结合具体实施方式，进一步阐述本申请。应理解，这些具体实施方式仅用于说明本申请，而非对本申请进行限制。
本申请提供了一种电化学装置，其包括壳体和设置于壳体中的第一电极组件和第二电极组件，第一电极组件和第二电极组件串联连接，并且满足如下关系式：
其中，C1表示第一电极组件的容量，C2表示第二电极组件的容量。
本申请的发明人通过研究发现：单个电极组件之间的容量差异，对内部串联高输出电压电池的循环性能具有重要影响，通过使第一电极组件的容量C1和第二电极组件的容量C2满足上述关系式，在串联充放电过程中，第一电极组件和第二电极组件之间的电位水平能够趋于一致，降低其中某一电极组件发生过充和/或过放的风险，从而抑制其中某一电极组件过早发生劣化，不仅可以提升内部串联高输出电压电池的循环性能，还能够降低内部串联高输出电压电池的膨胀率。在一些实施例中，
9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％或0.25％。在一些实施例中，
的取值范围为0.01％至9.5％，具体可以是9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％或0.25％。
根据本申请的一些实施方式，第一电极组件包括第一负极极片和第一正极极片。第一负极极片包括第一负极集流体和位于第一负极集流体表面的第一负极活性材料层，所述第一正极极片包括第一正极集流体和位于第一正极集流体表面的第一正极活性材料层。第一正极活性材料层的面积为Sc1，第一负极活性材料层的面积为Sa1，取测试面积为Stc1的第一正极极片，以锂金属为对电极组装成扣式半电池，测试面积为Stc1的第一正极极片的容量为Ctc1；取测试面积为Sta1的第一负极极片，以锂金属为对电极组装成扣式半电池，测试面积为Sta1的第一负极极片的容量为Cta1；CB1＝ (Cta1×Sa1/Sta1)/(Ctc1×Sc1/Stc1)。
根据本申请的一些实施方式，第二电极组件包括第二负极极片和第二正极极片，第二负极极片包括第二负极集流体和位于第二负极集流体表面的第二负极活性材料层，第二正极极片包括第二正极集流体和位于第二正极集流体表面的第二正极活性材料层。第二正极活性材料层的面积为Sc2，第二负极活性材料层的面积为Sa2，取测试面积为Stc2的第二正极极片，以锂金属为对电极组装成扣式半电池，测试面积为Stc2的第二正极极片的容量为Ctc2；取测试面积为Sta2的第二负极极片，以锂金属为对电极组装成扣式半电池，测试面积为Sta2的第二负极极片的容量为Cta2；CB2＝(Cta2×Sa2/Sta2)/(Ctc2×Sc2/Stc2)。
根据本申请的一些实施方式，第一电极组件和第二电极组件还满足如下关系式：
通过CB1和CB2满足上述关系式，第一电极组件和第二电极组件在化成阶段形成固体电解质界面膜的过程中，正极极片中所消耗的的锂含量相匹配，能够降低在后续的串联充放电过程中，某一电极组件中的正极极片电位过高的风险，抑制正极极片中的正极活性材料以及固体电解质界面膜结构的破坏，进而提升内部串联高输出电压电池的循环性能。
在一些实施例中，
12％、10％、9.5％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％或0.25％。在一些实施例中，
的取值范围为0.01％至10％，具体可以是10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％或0.25％。
根据本申请的一些实施方式，第一电极组件和第二电极组件还满足如下关系式：
其中，W1表示第一负极活性材料层的涂布重量，单位为mg/1540.25mm
2；W2表示第二负极活性材料层的涂布重量，单位为mg/1540.25mm
2，CB1和CB2如上文所定义。通过W1、W2、CB1和CB2满足上述关系式，第一电极组件和第二电极组件中相同面积负极活性材料层所对应的可逆容量能够相匹配，能够使各电极组件对充放电倍率的适应性较为一致，从而进一步提升内部串联高输出电压电池的循环性能。
在一些实施例中，
16％、14％、12％、10％、9.5％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％或0.25％。在一些实施例中，
的取值范围为0.01％至10％，具体可以是10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％或0.25％。
根据本申请的一些实施方式，第一电极组件和第二电极组件满足如下关系式：
其中，W1表示第一负极活性材料层的涂布重量，单位为mg/1540.25mm
2；W2表示第二负极活性材料层的涂布重量，单位为mg/1540.25mm
2；CB1和CB2如上文所定义。在一些实施例中，
16％、14％、12％、10％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％或0.25％。在一些实施例中，
的取值范围为0.01％至8％，具体可以是8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％或0.25％。
根据本申请的一些实施方式，所述电化学装置满足下列条件(i)和(ii)中的至少一者：(i)CB1的取值范围为0.7至1.1，具体可以是0.7、0.75、0.8、0.85、0.9、0.95、1.0、1.05或1.1；(ii)CB2的取值范围为0.7至1.1，具体可以是0.7、0.75、0.8、0.85、0.9、0.95、1.0、1.05或1.1。CB1和/或CB2的取值范围在上述范围内，第一电极组件和/或第二电极组件中正负极的容量较为匹配，一方面，能够降低在充放电过程中，正极电位过高导致正极活性材料结构破坏的风险，提升电池的循环性能；另一方面，也能够降低在充放电过程中负极发生析锂的风险，提升电池的安全性能。
根据本申请的一些实施方式，所述电化学装置满足下列条件(iii)和(iv)中的至少一者：(iii)W1的取值范围为100mg/1540.25mm
2至200mg/1540.25mm
2；(iv)W2的取值范围为100mg/1540.25mm
2至200mg/1540.25mm
2。
根据本申请的一些实施方式，所述电化学装置还包括隔离件，隔离件位于第一电极组件和第二电极组件之间。
根据本申请的一些实施方式，隔离件包括基材层和位于基材层表面的封装层，基材层的材质包括金属、碳材料或第一聚合物中的至少一种；封装层的材质包括第二聚 合物。在本申请的一些实施方案中，封装层可以设置于离子绝缘层的两侧，所述封装层设置在离子绝缘层表面的四周边缘处或其整个表面上，所述封装层用于将离子绝缘层与壳体密封连接。
根据本申请的一些实施方式，作为基材层材质的金属包括Ni、Ti、Cu、Ag、Au、Pt、Fe、Co、Cr、W、Mo、Al、Mg、K、Na、Ca、Sr、Ba、Si、Ge、Sb、Pb、In、Zn、不锈钢及其组合物或合金中的至少一种。
根据本申请的一些实施方式，作为基材层材质的碳材料包括碳毡、碳膜、炭黑、乙炔黑、富勒烯、导电石墨膜或石墨烯膜中的至少一种。
根据本申请的一些实施方式，作为基材层材质的第一聚合物包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚醚醚酮、聚酰亚胺、聚酰胺、聚乙二醇、聚酰胺酰亚胺、聚碳酸酯、环状聚烯烃、聚苯硫醚、聚乙酸乙烯酯、聚四氟乙烯，聚亚甲基萘、聚偏二氟乙烯，聚碳酸亚丙酯、聚(偏二氟乙烯-六氟丙烯)、聚(偏二氟乙烯-共-三氟氯乙烯)、有机硅、维尼纶、聚丙烯、酸酐改性聚丙烯、聚乙烯、乙烯-丙烯共聚物、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚醚腈、聚氨酯、聚苯醚、聚酯、聚砜、非晶态α-烯烃共聚物或上述物质衍生物中的至少一种。
根据本申请的一些实施方式，作为封装层材质的第二聚合物包括：聚丙烯、酸酐改性聚丙烯、聚乙烯、乙烯-丙烯共聚物、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚醚腈、聚氨酯、聚酰胺、聚酯、非晶态α-烯烃共聚物或上述物质衍生物中的至少一种。
本申请的一些实施方式中，第一电极组件和第二电极组件的结构包括卷绕结构、叠片结构中的至少一种。
在本申请中，通过第一电极组件上设置的极耳和第二电极组件上设置的极耳进行连接，对于两个极耳的连接方式没有特别限定，只要能实现本申请的目的即可。例如，焊接连接。上述焊接连接的方式没有特别限定，只要能实现本申请的目的即可。例如，激光焊、超声焊或电阻焊等。本申请中所说的极耳是指正极极片或负极极片上引出来的金属导体。正极极耳是从正极极片上引出，负极极耳是从负极极片上引出。
在本申请中，第一和第二电极组件的厚度没有特别限制，只要能够实现本申请目的即可。
在本申请的一些实施方式中，第一正极极片和第二正极极片没有特别限制，只要能够实现本申请目的即可。例如，所述第一正极极片和第二正极极片通常包含正极集 流体和正极活性材料。在本申请中，所述正极集流体没有特别限制，可以为本领域公知的任何正极集流体，例如铜箔、铝箔、铝合金箔以及复合集流体等。所述正极活性材料没有特别限制，可以为现有技术的任何正极活性材料，例如，所述正极活性物质包括镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂或磷酸锰铁锂中的至少一种。在本申请中，正极集流体和正极活性材料层的厚度没有特别限制，只要能够实现本申请目的即可。例如，正极集流体的厚度为8μm至12μm，正极活性材料层的厚度为30μm至120μm。
在本申请的一些优选实施方式中，所述第一正极极片和第二正极极片还可以包含导电层，所述导电层位于正极集流体和正极活性材料层之间。所述导电层的组成没有特别限制，可以是本领域常用的导电层。所述导电层包括导电剂和粘接剂。
在本申请的一些实施方式中，第一负极极片和第二负极极片没有特别限制，只要能够实现本申请目的即可。例如，所述第一负极极片和第二负极极片通常包含负极集流体和负极活性材料。在本申请中，所述负极集流体没有特别限制，可以使用本领域公知的任何负极集流体，例如铜箔、铝箔、铝合金箔以及复合集流体等。所述负极活性材料没有特别限制，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、中间相碳微球、硅、硅碳、硅氧化合物、软碳、硬碳、钛酸锂或钛酸铌中的至少一种。在本申请中，负极集流体和负极活性材料层的厚度没有特别限制，只要能够实现本申请目的即可。例如，负极集流体的厚度为6μm至10μm，负极活性材料的厚度为30μm至120μm。
在本申请的一些优选实施方式中，所述第一负极极片和第二负极极片还可以包含导电层，所述导电层位于负极集流体和负极活性材料层之间。所述导电层的组成没有特别限制，可以是本领域常用的导电层。所述导电层包括导电剂和粘接剂。
上述所述导电剂没有特别限制，可以使用本领域公知的任何导电剂，只要能实现本申请目的即可。例如，导电剂可以包括导电炭黑、碳纳米管(CNTs)、碳纤维或石墨烯等中的至少一种。上述所述粘接剂没有特别限制，可以使用本领域公知的任何粘接剂，只要能实现本申请目的即可。例如，粘接剂可以包括聚偏二氟乙烯(PVDF)、丁苯橡胶(SBR)、聚乙烯醇(PVA)、聚四氟乙烯(PTFE)或羧甲基纤维素钠(CMC-Na)等中的至少一种。
在本申请的一些实施方式中，隔膜没有特别限制，只要能够实现本申请目的即可。 例如，隔膜的厚度可以为5μm至15μm，隔膜可以包括对本申请的电解质稳定的材料形成的聚合物或无机物等。在本申请中，隔膜也可以称为隔离膜。
例如，隔膜可以包括基材层和表面处理层。基材层可以为具有多孔结构的无纺布、膜或复合膜，基材层的材料可以包括聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚酰亚胺中的至少一种。任选地，可以使用聚丙烯多孔膜、聚乙烯多孔膜、聚丙烯无纺布、聚乙烯无纺布或聚丙烯-聚乙烯-聚丙烯多孔复合膜。任选地，基材层的至少一个表面上设置有表面处理层，表面处理层可以是聚合物层或无机物层，也可以是混合聚合物与无机物所形成的层。
例如，无机物层包括无机颗粒和粘结剂，所述无机颗粒没有特别限制，例如可以选自氧化铝、氧化硅、氧化镁、氧化钛、二氧化铪、氧化锡、二氧化铈、氧化镍、氧化锌、氧化钙、氧化锆、氧化钇、碳化硅、勃姆石、氢氧化铝、氢氧化镁、氢氧化钙和硫酸钡中的至少一种。所述粘结剂没有特别限制，例如可以选自聚偏氟乙烯、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、聚乙烯呲咯烷酮、聚乙烯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯和聚六氟丙烯中的一种或几种的组合。聚合物层中包含聚合物，聚合物的材料包括聚酰胺、聚丙烯腈、丙烯酸酯聚合物、聚丙烯酸、聚丙烯酸盐、聚乙烯呲咯烷酮、聚乙烯醚、聚偏氟乙烯或聚(偏氟乙烯-六氟丙烯)中的至少一种。
根据本申请的实施方式，电化学装置还包括电解液。在本申请所说的电解液可以包含锂盐和非水溶剂。在本申请中，所述锂盐没有特别限制，可以使用本领域公知的任何锂盐，只要能实现本申请的目的即可。例如，锂盐可以包括LiPF
6、LiBF
4、LiAsF
6、LiClO
4、LiB(C
6H
5)
4、LiCH
3SO
3、LiCF
3SO
3、LiN(SO
2CF
3)
2、LiC(SO
2CF
3)3或LiPO
2F
2中的至少一种。例如，锂盐可选用LiPF
6。在本申请中，所述非水溶剂没有特别限定，只要能实现本申请的目的即可。例如，非水溶剂可以包括碳酸酯化合物、羧酸酯化合物、醚化合物、腈化合物、其它有机溶剂中的至少一种。
例如，碳酸酯化合物可以包括碳酸二乙酯(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)、碳酸甲乙酯(MEC)、碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚丁酯(BC)、碳酸乙烯基亚乙酯(VEC)、碳酸氟代亚乙酯(FEC)、碳酸1,2-二氟亚乙酯、碳酸1,1-二氟亚乙酯、碳酸1,1,2-三氟亚乙酯、碳酸1,1,2,2-四氟亚乙酯、碳酸1-氟-2-甲基亚乙酯、碳酸1-氟-1-甲基亚乙酯、碳酸1,2-二氟-1-甲基 亚乙酯、碳酸1,1,2-三氟-2-甲基亚乙酯、碳酸三氟甲基亚乙酯中的至少一种。
本申请对壳体没有特别限制，只要能实现本申请的目的即可。所述壳体包括铝塑膜、铝壳、钢壳、塑料壳中的至少一种。例如，壳体可以包含内层和外层，内层与隔离件密封连接，因此内层的材料可以包括高分子材料，从而实现良好的密封效果；同时内层和外层的结合能够有效得保护电化学装置的内部结构。在本申请中，所述内层材料没有特别限制，只要能实现本申请的目的即可，例如，内层的材料包括聚丙烯、聚酯、对羟基苯甲醛、聚酰胺、聚苯醚、聚氨酯等中的至少一种。在本申请中，所述外层材料没有特别限制，只要能实现本申请的目的即可，例如，外层的材料包括铝箔、氧化铝层、氮化硅层等中的至少一种。
在本申请对壳体的厚度没有特殊限制，只要能实现本申请的目的即可。例如，壳体的厚度为60μm至500μm，优选为60μm至300μm，更优选60μm至200μm，上述厚度的壳体可以有效保护电化学装置的内部结构。
本申请对隔离件与壳体的密封连接方式没有特别限制，只要能实现本申请的目的即可。例如，密封方式包括热压、胶水胶封、焊接中的一种。在本申请中，所述热压条件没有特别限定，只要能实现本申请的目的即可，例如针对聚丙烯内层材料，热压温度为150℃至220℃，热压压力为0.1Mpa至0.6MPa。
在本申请的一些实施方式中，所述电极组件的结构为卷绕结构，电极组件包含单极耳或多极耳。所述电极组件包含单极耳，是从正极极片和负极极片上分别引出一个正极极耳和一个负极极耳。所述电极组件包含多极耳，可以是从每一圈正极极片和负极极片上分别引出一个正极极耳和一个负极极耳，也可以是从两圈或多圈正极极片和负极极片上分别引出一个正极极耳和一个负极极耳，最终一个卷绕结构的电极组件包含多组正极极耳和负极极耳，然后经转接焊转极耳引线。
在本申请的一些实施方式中，所述电极组件的结构为叠片结构，电极组件包含多极耳，可以是从每一层正极极片和负极极片上分别引出一个正极极耳和一个负极极耳，最终一个叠片结构的电极组件包含多组正极极耳和负极极耳，然后经转接焊转极耳引线。
本申请提供的电化学装置中可以包含两个电极组件，也可以包含三个及以上电极组件。含有两个电极组件或三个及以上电极组件的电化学装置的制备方法均可参照上述电化学装置的制备方法。包含三个或多个电极组件的电化学装置同样在本申请权利 要求所定义的保护范围内。
本申请还提供了一种电子装置，其包含本申请提供的电化学装置。本申请的电子装置没有特别限定，其可以是现有技术中已知的任何电子装置。例如，电子装置包括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。
测试方法
涂布重量测试方法：
1.测试前准备：打开分析天平，确认天平处于平衡状态，调节归零。
2.制作样品：用标准工具(面积1540.25mm
2)裁取极片样品，置于天平上称量重量，记为m1；然后将极片样品上的活性材料层洗净，干燥后置于天平上称量质量，记为m2，
3.涂布重量计算：
若极片样品为单面涂布活性材料层的极片，则涂布重量＝m1-m2；
若极片样品为双面涂布活性材料层的极片，则涂布重量＝(m1-m2)/2。
CB值测试方法：
取测试面积为Stc的正极极片，以锂金属为对电极组装成扣式半电池，测试所述正极极片的容量为Ctc；取测试面积为Sta的负极极片，以锂金属为对电极组装成扣式半电池，测试所述负极极片的容量为Cta；该电池总正极极片面积为Sa，总负极极片面积为Sc，则，CB＝(Cta×Sa/Sta)/(Ctc×Sc/Stc)。其中，负极极片的电压测试区间为2V-0.005V，正极极片的电压测试区间为2.5V-4.5V。
500圈循环容量保持率和厚度膨胀率测试方法：
1. 25±3℃下，2C CC(横流)充电至8.4V，CV(恒压)充电，截止电流为1.0C， 1.0C CC充电至8.8V，CV充电，截止电流为0.05C，最后以1.0C CC放电至6.0V，记录电池的放电容量为C’；并用千分尺测量电池此时的厚度为h1；
2.根据步骤1的充放电步骤，电池循环充放电500圈，记录第500圈的放电容量为C”；并用千分尺测量电池此时的厚度为h2；
3.容量保持率和厚度膨胀率计算：
容量保持率＝C”/C’×100％
厚度膨胀率＝(h2-h1)/h1×100％。
实施例和对比例
实施例1：
(1)负极极片的制备：将负极活性材料人造石墨、导电炭黑(Super P)、丁苯橡胶(SBR)按照重量比96:1.5:2.5进行混合，加入去离子水作为溶剂，调配成固含量为70wt％的浆料，并搅拌均匀。将浆料均匀涂覆在厚度为10μm的负极集流体铜箔的一个表面上，110℃条件下烘干，得到涂层厚度为150μm的单面涂覆有负极活性材料层的负极极片。在该负极极片的另一个表面上重复以上步骤，得到双面涂覆有负极活性材料层的负极极片。然后，将负极极片裁切成41mm×61mm的规格待用。
(2)正极极片的制备：将正极活性材料钴酸锂(LiCoO
2)、导电炭黑(Super P)、聚偏二氟乙烯(PVDF)按照重量比97.5:1.0:1.5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。将浆料均匀涂覆在厚度为12μm的正极集流体铝箔的一个表面上，90℃条件下烘干，得到正极活性材料层厚度为100μm的正极极片。在正极集流体铝箔的另一个表面上，重复以上步骤，得到双面涂覆有正极活性材料层的正极极片。然后，将正极极片裁切成38mm×58mm的规格待用。
(3)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)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二乙酯(DEC)以质量比EC:EMC:DEC＝30:50:20混合，然后向有机溶剂中加入锂盐六氟磷酸锂(LiPF
6)溶解并混合均匀，得到锂盐的浓度为1.15mol/L的电解液。
(4)电极组件A和电极组件B的制备：将隔膜、双面涂覆负极极片、隔膜、双面涂覆正极极片依次层叠设置组成叠片，然后将整个叠片结构的四个角固定好以备用。 其中，每个电极组件包含一个正极极耳和一个负极极耳，隔膜选用厚度为15μm的聚乙烯(PE)膜。
(5)隔板：隔板整体厚度为85μm，基材层选择金属Al，厚度为25μm，两侧的封装层选择熔点为140℃的PP，两侧厚度各为30μm。
(6)电极组件A的组装：将冲坑成型的铝塑膜1置于组装夹具内，坑面朝上，将电极组件A置于坑内，且隔膜面朝上，然后将隔板放置于电极组件A上，使得边沿对齐，施加外力压紧得到组装半成品。
(7)电极组件B的组装：将组装半成品置于组装夹具内，隔板一面朝上，将电极组件B隔膜面朝下，放置于隔板上，使得边沿对齐，施加外力压紧，然后将另一个冲坑成型的铝塑膜坑面朝下覆盖于电极组件B上，采用热压的方式热封四周，得到组装电极组件。
(8)注液封装：分别给组装电极组件的两个腔体单独注入电解液，并将电极组件A和B的所有极耳引出铝塑膜外。
(9)串联连接：将电极组件A的正极极耳和电极组件B的负极极耳通过激光焊的方式焊接连接在一起，实现串联连接，电池组装完成。
实施例2-23和对比例1
调整实际生产中各电极组件的涂布重量和CB值，其余条件与实施例1相同。
实施例2-23和对比例1的测试结果参见表1，其中，
W1表示电极组件A中的负极活性材料层的涂布重量，单位为mg/1540.25mm
2；
W2表示电极组件B中的负极活性材料层的涂布重量，单位为mg/1540.25mm
2；
CB1表示电极组件A的的CB值；
CB2表示电极组件B的CB值；
C1表示电极组件A的容量；
C2表示电极组件B的容量；
X表示
Y表示
Z表示
Q表示
表1
通过表1中的实施例和对比例可以看出，当内部串联的两个电极组件满足如下关系式：
时，不仅可以显著提高电池的循环性能，还能够显著降低电池的厚度膨胀率。
进一步地，当满足
时，容量保持率均可达80％以上。这是由于，通过CB1和CB2满足上述关系式，第一电极组件和第二电极组件在化成阶段形成固体电解质界面膜的过程中，正极极片中所消耗的的锂含量相匹配，能够降低在后续的串联充放电过程中，某一电极组件中的正极极片电位过高的风险，抑制正极极片中的正极活性材料以及固体电解质界面膜结构的破坏，进而提升内部串联高输出电压电池的循环性能。
进一步地，当满足如下关系式：
时，容量保持率可进一步提升至85％以上，且电池膨胀率可以进一步降低至8％以下；此时，第一电极组件和第二电极组件中相同面积负极活性材料层所对应的可逆容量能够相匹配，能够使各电极组件对充放电倍率的适应性较为一致，从而进一步提升内部串联高输出电压电池的循环性能和安全性能。
尽管已经演示和描述了说明性实施例，本领域技术人员应该理解上述实施例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例进行改变、替代和修改。
Claims (10)
- 一种电化学装置，包括壳体和设置于所述壳体中的第一电极组件和第二电极组件，所述第一电极组件和所述第二电极组件串联连接，并且满足如下关系式：其中，C1表示第一电极组件的容量，C2表示第二电极组件的容量。
- 根据权利要求1所述的电化学装置，其中，所述第一电极组件包括第一负极极片和第一正极极片，所述第一负极极片包括第一负极集流体和位于所述第一负极集流体表面的第一负极活性材料层，所述第一正极极片包括第一正极集流体和位于所述第一正极集流体表面的第一正极活性材料层，所述第一正极活性材料层的面积为Sc1，所述第一负极活性材料层的面积为Sa1，取测试面积为Stc1的所述第一正极极片，以锂金属为对电极组装成扣式半电池，测试面积为Stc1的所述第一正极极片的容量为Ctc1；取测试面积为Sta1的所述第一负极极片，以锂金属为对电极组装成扣式半电池，测试面积为Sta1的所述第一负极极片的容量为Cta1；CB1＝(Cta1×Sa1/Sta1)/(Ctc1×Sc1/Stc1)；所述第二电极组件包括第二负极极片和第二正极极片，所述第二负极极片包括第二负极集流体和位于所述第二负极集流体表面的第二负极活性材料层，所述第二正极极片包括第二正极集流体和位于所述第二正极集流体表面的第二正极活性材料层，所述第二正极活性材料层的面积为Sc2，所述第二负极活性材料层的面积为Sa2，取测试面积为Stc2的所述第二正极极片，以锂金属为对电极组装成扣式半电池，测试面积为Stc2的所述第二正极极片的容量为Ctc2；取测试面积为Sta2的所述第二负极极片，以锂金属为对电极组装成扣式半电池，测试面积为Sta2的所述第二负极极片的容量为Cta2；CB2＝(Cta2×Sa2/Sta2)/(Ctc2×Sc2/Stc2)；第一电极组件和第二电极组件满足如下关系式：
- 根据权利要求2所述的电化学装置，其中，第一电极组件和第二电极组件满 足如下关系式：其中，W1表示第一负极活性材料层的涂布重量，单位为mg/1540.25mm 2；W2表示第二负极活性材料层的涂布重量，单位为mg/1540.25mm 2。
- 根据权利要求2所述的电化学装置，其中，第一电极组件和第二电极组件满足如下关系式：其中，W1表示第一负极活性材料层的涂布重量，单位为mg/1540.25mm 2；W2表示第二负极活性材料层的涂布重量，单位为mg/1540.25mm 2。
- 根据权利要求1所述的电化学装置，其中，所述电化学装置满足下列条件(i)和(ii)中的至少一者：(i)CB1的取值范围为0.7至1.1；(ii)CB2的取值范围为0.7至1.1。
- 根据权利要求3所述的电化学装置，其中，所述电化学装置满足下列条件(iii)和(iv)中的至少一者：(iii)W1的取值范围为100mg/1540.25mm 2至200mg/1540.25mm 2；(iv)W2的取值范围为100mg/1540.25mm 2至200mg/1540.25mm 2。
- 根据权利要求1-6任意一项所述的电化学装置，其中，所述电化学装置还包括隔离件，所述隔离件位于所述第一电极组件和所述第二电极组件之间。
- 根据权利要求7所述的电化学装置，其中，所述隔离件包括基材层和位于所述基材层表面的封装层，所述基材层的材质包括金属、碳材料或第一聚合物中的至少一种；所述封装层的材质包括第二聚合物。
- 根据权利要求8所述的电化学装置，其中，所述金属包括Ni、Ti、Cu、Ag、Au、Pt、Fe、Co、Cr、W、Mo、Al、Mg、K、Na、Ca、Sr、Ba、Si、Ge、Sb、Pb、In、Zn、不锈钢及其组合物或合金中的至少一种；所述碳材料包括碳毡、碳膜、炭黑、乙炔黑、富勒烯、导电石墨膜或石墨烯膜中的至少一种；所述第一聚合物包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚醚醚酮、聚酰亚胺、聚酰胺、聚乙二醇、聚酰胺酰亚胺、聚碳酸酯、环状聚烯烃、聚苯硫醚、聚乙酸乙烯酯、聚四氟乙烯，聚亚甲基萘、聚偏二氟乙烯，聚碳酸亚丙酯、聚(偏二氟乙烯-六氟丙烯)、聚(偏二氟乙烯-共-三氟氯乙烯)、有机硅、维尼纶、聚丙烯、酸酐改性聚丙烯、聚乙烯、乙烯-丙烯共聚物、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚醚腈、聚氨酯、聚苯醚、聚酯、聚砜、非晶态α-烯烃共聚物或上述物质衍生物中的至少一种；所述第二聚合物包括：聚丙烯、酸酐改性聚丙烯、聚乙烯、乙烯-丙烯共聚物、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚醚腈、聚氨酯、聚酰胺、聚酯、非晶态α-烯烃共聚物或上述物质衍生物中的至少一种。
- 一种电子装置，包括根据权利要求1-9中任一项所述的电化学装置。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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