CN116914228B - 电芯、电池和用电设备 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种电芯、电池和用电设备，可以提高电芯的中间卷绕层的浸润性能，进而可以提高电池的循环性能。其中，电芯为卷绕结构，卷绕结构的卷绕圈数为N圈，N为大于1的整数，电芯包括：弯曲部，弯曲部沿层叠方向上具有层叠设置的N层卷绕层，各个卷绕层具有预设厚度；其中，第N/2层卷绕层的曲率Dn/2满足关系式：Dn/2=4/Hn/2，Hn/2表示N/2层卷绕层的总厚度。

Description

电芯、电池和用电设备
技术领域
本申请涉及二次电池技术领域，具体涉及一种电芯、电池和用电设备。
背景技术
二次电池（如锂离子电池和钠离子电池）由于其能量密度高、寿命长等优点被广泛用于电动交通工具、便携式移动设备，以及航空航天等领域。二次电池按照按裸电芯结构可分为卷绕电池和叠片电池，其中卷绕电池因其成本低，易加工而备受青睐。对于卷绕电池而言，电芯的中间卷绕层在循环至中期时，依靠静置浸润到极片内部的电解液有可能会消耗殆尽，在这种情况下，电池壳体内部的游离电解液需要及时补充至中间卷绕层。然而，随着电芯的卷绕层层数的增加，游离电解液补充进电芯的中间卷绕层所需的路径也会随之增加，导致电解液难以浸润电芯的中间卷绕层，进而导致电池的循环性能降低。
发明内容
本申请提供了一种电芯、电池和用电设备，可以提高电芯的中间卷绕层的浸润性能，进而可以提高电池的循环性能。
第一方面，本申请提供一种电芯，电芯为卷绕结构，卷绕结构的卷绕圈数为N圈，N为大于1的整数，电芯包括：弯曲部，弯曲部沿层叠方向上具有层叠设置的N层卷绕层，各个卷绕层具有预设厚度；其中，第N/2层卷绕层的曲率Dn/2满足关系式：Dn/2=4/Hn/2，Hn/2表示N/2层卷绕层的总厚度。第N/2层卷绕层可以理解为具有卷绕结构的电芯的中间层，第N/2层卷绕层的曲率Dn/2可以是指第N/2层卷绕层的拐角的曲率。
可以理解的是，为了增加电池的能量密度，通常需要尽可能的增加卷绕电芯的总层数，使得电池能够容纳更多的活性材料，从而使得电池能够存储更多的能量，延长使用时间或提供更高的功率输出。一般而言，电芯在具有相同的总层数时，为了减少电芯的体积，使得电池更便携，应尽可能减少电芯的卷绕层的总厚度，也就是说，N/2层卷绕层的总厚度Hn/2也应随之减少。然而，N/2层卷绕层的总厚度Hn/2与第N/2层卷绕层的曲率Dn/2成反比。换言之，其N/2层卷绕层的总厚度Hn/2越小，第N/2层卷绕层的曲率Dn/2越大，而第N/2层卷绕层的曲率Dn/2过大，会导致电芯的变形力增强，使得电解液浸润变差。因此，本申请通过控制电芯的第N/2层卷绕层的曲率Dn/2与N/2层卷绕层的总厚度Hn/2满足关系式：Dn/2=4/Hn/2，使得与N/2层卷绕层的总厚度Hn/2尽可能小的同时，电芯的第N/2层卷绕层的曲率Dn/2处于合适的范围，电池在循环中期时，电解液可以及时补充至第N/2层卷绕层中，充分浸润第N/2层卷绕层的电极极片，从而可以提高电池的循环性能。
在一种可能的实施方式中，第N/2层卷绕层的曲率Dn/2满足：0.095≤Dn/2≤1.005。
当电芯的第N/2层卷绕层的曲率Dn/2大于1.005时，电芯的第N/2层卷绕层与其相邻的卷绕层之间基本不存在间隙。在注入电解液之后，第N/2层卷绕层的电极极片膨胀挤压拐角，电解液无法充分浸润。电池循环中期时，第N/2层卷绕层的拐角的电解液不足导致副反应加剧；同时过紧的拐角，使得壳体存储的电解液也无法从电芯头部底部补充至第N/2层卷绕层，循环快速衰减，影响电池的循环寿命。
当电芯的第N/2层卷绕层的曲率Dn/2小于0.095时，电芯的第N/2层卷绕层与其相邻的卷绕层之间的间隙过大，导致电池循环中后期时层间电解液不足，出现电解液断桥，导致电池的循环性能降低。此外，当电芯的第N/2层卷绕层的曲率Dn/2小于0.095时，电芯的电极极片和隔膜容易错位，导致卷绕不良，进而导致卷绕优率大幅度下降。
在一种可能的实施方式中，第N/2层卷绕层所包含的隔膜的厚度h1满足：21≤h2/h1≤54，其中，h2表示第N/2层卷绕层的单层厚度。其中，第N/2层卷绕层可以包括正极极片、负极极片和两个隔膜。当h2/h1小于21，表明第N/2层卷绕层所包含的隔膜的厚度h1可能过大，可能会导致电池内部电阻和电流传输的路径长度增加，限制了电池的功率输出能力，并降低了充放电效率。当h2/h1大于54，表明第N/2层卷绕层所包含的隔膜的厚度h1可能过小，可能会出现无法有效分离正极极片和负极极片的情况，导致电池短路或故障。本申请通过将第N/2层卷绕层所包含的隔膜的厚度h1和第N/2层卷绕层的单层厚度h2，控制在上述范围，可以使得电池具有较佳的充放电效率和安全性。
在一种可能的实施方式中，N层卷绕层所包含的隔膜的卷绕张力Z1满足：100 gf≤Z1≤350 gf，N层卷绕层所包含电极极片的卷绕张力Z2满足：500 gf≤Z2≤750 gf。
当电极极片或隔膜的张力过大时，例如，隔膜的卷绕张力Z1大于350 gf，电极极片的卷绕张力Z2大于750 gf，可能会增加电池内部的应力集中，导致材料的变形、损伤或破裂，降低电池的安全性。当电极极片或隔膜的张力过小时，例如，隔膜的卷绕张力Z1小于100gf，电极极片的卷绕张力Z2小于500 gf，电芯的电极极片和隔膜容易错位导致卷绕不良，导致卷绕优率降低，此外还可能会导致电池材料之间的接触不紧密，造成电池内部的接触电阻增加，从而导致电池的功率输出能力和充放电效率降低。本申请通过将N层卷绕层所包含的隔膜的卷绕张力Z1和N层卷绕层所包含电极极片的卷绕张力Z2，控制在上述范围，可以使得电池具有较佳的充放电效率和安全性。此外，隔膜的卷绕张力Z1和电极极片的卷绕张力Z2可以影响第N/2层卷绕层的曲率Dn/2，可以通过控制隔膜的卷绕张力Z1和电极极片的卷绕张力Z2，将第N/2层卷绕层的曲率Dn/2控制在合适的范围。
在一种可能的实施方式中，电芯的卷绕层数量N满足：16≤N≤270。当电芯的卷绕层数量N过大时，例如，电芯的卷绕层数量N大于270时，会增加电池的总体厚度和体积，不利于空间受限的使用场景，例如移动设备或电动车辆中的电池包。当电芯的卷绕层数量N过小时，例如，电芯的卷绕层数量N小于16时，导致电池的能量密度降低，进而降低电池的寿命。
在一种可能的实施方式中，N层卷绕层所包含的正极极片的涂布重量S1满足15mg/cm2≤S1≤24 mg/cm2，N层卷绕层所包含的负极极片的涂布重量S2满足7 mg/cm2≤S2≤12mg/cm2。当正极极片或者负极极片的涂布重量过小时，正极极片或者负极极片的能量密度过低，电池的容量可能达不到标称容量；当正极极片或者负极极片的涂布重量过大时，容易造成配料浪费，严重时还可能会出现容量过量，导致枝晶析出，刺穿隔膜发生短路，导致电池的安全性降低。
在一种可能的实施方式中，第N/2层卷绕层的电极极片包括集流体、第一活性物质层和至少两个第二活性物质层；第一活性物质层设置于集流体的表面，至少两个第二活性物质层间距设置于第一活性物质层背离集流体一侧的表面。可以理解的是，通过将至少两个第二活性物质层间距设置于第一活性物质层背离集流体一侧的表面，相邻两个第二活性物质层之间形成缺口。
可以理解的是，通过设置相邻两个第二活性物质层之间形成缺口，可以增加电解液与活性物质层的接触面积，有利于电解液快速浸润，并且更利于离子传输，从而增第N/2层卷绕层对电解液的保液量，提高了电池的充放电循环性能。此外，还可以降低第N/2层卷绕层的变形力，进而提高电芯的制造可靠性。
第二方面，本申请提供了一种电池，其中，电池包括：外壳，外壳内设有容置空腔，以及上述第一方面提供的电芯，电芯设置于容置空腔。可以理解的是，电池具有如上述第一方面的电芯的全部技术效果，此处不再赘述。
在一种可能的实施方式中，电池所包含的电芯的数量为1个至8个。当电池具有较多数量的电芯时，可能会需要占用较多的空间和具有较高的重量，不利于电池的小型化或轻量化。此外，较多数量的电芯在充放电过程中会产生更多的热量，不利于电池系统的稳定性和安全性。
第三方面，本申请提供了用电设备，其中，用电设备包括如上述第二方面的电池。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的一种电芯的结构示意图；
图2是本申请实施例提供的一种电极极片的结构示意图；
图3是本申请实施例提供的一种电池的结构示意图。
附图标记：
电芯-20、弯曲部-21、第N/2层卷绕层-22、非弯曲部-23、电极极片-201、集流体-202、第一活性物质层-203、第二活性物质层-204、缺口-205、电池-100、端盖-10、外壳-30、容置空腔-31。
具体实施方式
下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。并且，在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
二次电池（如锂离子电池和钠离子电池）由于其能量密度高、寿命长等优点被广泛用于电动交通工具、便携式移动设备，以及航空航天等领域。二次电池按照按裸电芯结构可分为卷绕电池和叠片电池，其中卷绕电池因其成本低，易加工而备受青睐。对于卷绕电池而言，电芯的中间卷绕层在循环至中期时，依靠静置浸润到极片内部的电解液有可能会消耗殆尽，在这种情况下，电池壳体内部的游离电解液需要及时补充至中间卷绕层。然而，随着电芯的卷绕层层数的增加，游离电解液补充进电芯的中间卷绕层所需的路径也会随之增加，导致电解液难以浸润电芯的中间卷绕层，进而导致电池的循环性能降低。
鉴于此，本申请提供了一种电芯、电池和用电设备，通过将电芯的中间卷绕层控制在合适的范围内，以提高电芯的中间卷绕层的浸润性能，进而提高电池的循环性能。
可以理解的是，本申请提供的电池包括但不限于：锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池、锌离子电池等电池。为便于理解，本申请实施例以锂离子电池为例来进行解释说明。
请参见图1，图1是本申请实施例提供的一种电芯的结构示意图。如图1所示。电芯20为卷绕结构，卷绕结构的卷绕圈数为N圈，N为大于1的整数。电芯20包括弯曲部21，弯曲部21沿层叠方向上具有层叠设置的N层卷绕层，也就是说，在本申请实施例中，电芯的卷绕圈数与弯曲部21的卷绕层数量一致。各个卷绕层具有预设厚度，例如，第N/2层卷绕层22具有预设厚度h2。第N/2层卷绕层22可以理解为电芯20的中间层，可以理解的是，当N为奇数时，电芯20的中间层为第层卷绕层，/>表示向上取整。第N/2层卷绕层的曲率Dn/2可以是指第N/2层卷绕层的拐角的曲率，也就是第N/2层卷绕层中间点的曲率，该点为第N/2层卷绕层的曲率取值最小的点。其中，层叠方向可以是如图1所示的x方向。
在本申请实施例中，Hn/2可以表示N/2层卷绕层的总厚度，也就是N层卷绕层的总厚度H的一半。可以理解的是，第N/2层卷绕层的形状可以是抛物线，其对应的方程可以是y=ax2，假设第N/2层卷绕层的拐角的坐标为（0,0），端点的坐标为（Hn/2/2，Hn/2/2），计算得到a=2/Hn/2；第N/2层卷绕层对应的方程的一阶导数可以是，二阶导数可以是/>，因此可以确定第N/2层卷绕层的曲率Dn/2可以满足关系式：Dn/2=4/Hn/2。
可以理解的是，为了增加电池的能量密度，通常需要尽可能的增加卷绕电芯的总层数，使得电池能够容纳更多的活性材料，从而使得电池能够存储更多的能量，延长使用时间或提供更高的功率输出。一般而言，电芯在具有相同的总层数时，为了减少电芯的体积，使得电池更便携，应尽可能减少电芯的卷绕层的总厚度，也就是说，N/2层卷绕层的总厚度Hn/2也应随之减少。然而，N/2层卷绕层的总厚度Hn/2与第N/2层卷绕层的曲率Dn/2成反比。换言之，其N/2层卷绕层的总厚度Hn/2越小，第N/2层卷绕层的曲率Dn/2越大，而第N/2层卷绕层的曲率Dn/2过大，会导致电芯的变形力增强，使得电解液浸润变差。因此，本申请通过控制电芯的第N/2层卷绕层的曲率Dn/2与N/2层卷绕层的总厚度Hn/2满足关系式：Dn/2=4/Hn/2，使得与N/2层卷绕层的总厚度Hn/2尽可能小的同时，电芯的第N/2层卷绕层的曲率Dn/2处于合适的范围，电池在循环中期时，电解液可以及时补充至第N/2层卷绕层中，充分浸润第N/2层卷绕层的电极极片，从而可以提高电池的循环性能。
在一种可能的实施方式中，电芯的卷绕层数量N满足：16≤N≤270。其中，N的具体取值可以包括但不限于：16、18、20、50、100、150、200和270等。
可以理解的是，当电芯的卷绕层数量N过大时，例如，电芯的卷绕层数量N大于270时，会增加电池的总体厚度和体积，不利于空间受限的使用场景，例如移动设备或电动车辆中的电池包。当电芯的卷绕层数量N过小时，例如，电芯的卷绕层数量N小于16时，导致电池的能量密度降低，进而降低电池的寿命。
在一种可能的实施方式中，N层卷绕层所包含的正极极片的层数C1满足：16≤C1≤270，其中，C1的具体取值可以包括但不限于16、18、20、50、100、150、200和270等；N层卷绕层所包含的负极极片的层数C2满足：18≤C2≤272，其中，C2的具体取值可以包括但不限于18、20、50、100、150、200和272等。
可以理解的是，当N层卷绕层所包含的正极极片的层数C1或者负极极片的层数C2过多时，会增加电池的总体厚度和体积，不利于空间受限的使用场景，例如移动设备或电动车辆中的电池包。当N层卷绕层所包含的正极极片的层数C1或者负极极片的层数C2过少时，可能会导致电池的能量密度降低，进而降低电池的寿命。
在一种可能的实施方式中，第N/2层卷绕层的曲率Dn/2满足：0.095≤Dn/2≤1.005。
当电芯的第N/2层卷绕层的曲率Dn/2大于1.005时，电芯的第N/2层卷绕层与其相邻的卷绕层之间基本不存在间隙。在注入电解液之后，第N/2层卷绕层的电极极片膨胀挤压拐角，电解液无法充分浸润。电池循环中期时，第N/2层卷绕层的拐角的电解液不足导致副反应加剧；同时过紧的拐角，使得壳体存储的电解液也无法从电芯头部底部补充至第N/2层卷绕层，循环快速衰减，影响电池的循环寿命。
当电芯的第N/2层卷绕层的曲率Dn/2小于0.095时，电芯的第N/2层卷绕层与其相邻的卷绕层之间的间隙过大，导致电池循环中后期时层间电解液不足，出现电解液断桥，导致电池的循环性能降低。此外，当电芯的第N/2层卷绕层的曲率Dn/2小于0.095时，电芯的电极极片和隔膜容易错位，导致卷绕不良，进而导致卷绕优率大幅度下降。
可以理解的是，本申请实施例提供的电芯可以是如图1所示的具有弯曲部21和非弯曲部23的电芯。
在本申请实施例中，单层卷绕层可以包括正极极片、负极极片，以及设置于正极极片和负极极片之间的隔膜。
其中，正极极片可以包括正极集流体和正极活性物质层，其中，正极活性物质层可以包括正极活性物质。正极集流体可以包括铝箔、铝合金箔或复合集流体等集流体中的一种或者多种。正极活性材料可以包括磷酸铁锂（LiFePO4）、锰酸锂、钴酸锂和镍钴锰三元材料和镍钴铝三元材料等活性材料中的一种或者多种；正极活性材料在正极活性物质层总质量中的质量百分含量可以是70%-99.7%。
正极活性物质层还可以包括导电剂和粘结剂。其中，导电剂可以包括乙炔黑、导电炭黑（SP）、活性炭、导电石墨、石墨烯和碳纳米管等导电剂中的一种或者多种；导电剂在正极极片总质量中的质量百分含量可以是0.1%-5%。粘结剂可以包括聚偏氟乙烯（PVDF）、聚丙烯（PAA）、聚丙烯腈（PAN）、聚乙烯醇（PVA）、羧甲基纤维素钠（CMC）和丁苯橡胶（SBR）等粘结剂中的一种或多种；粘结剂在正极极片总质量中的质量百分含量可以是0.1%-5%。可选地，正极极片还可以包括Li2O、Li2O2、LiF、Li2S、Li3N、Li5FeO4、Li6CoO4、Li2NiO2、Li2MnO3、Li2MoO3、Li2DHBN和Li2C2O4等含锂添加剂中的一种或者多种，含锂添加剂可以在电池循环时，向体系中进行额外补锂，从而减少锂离子的损失。
在一种可能的实施方式中，正极极片的涂布重量S1满足15 mg/cm2≤S1≤24 mg/cm2。正极极片的涂布重量S1小于15 mg/cm2，可能会导致正极极片的能量密度过低，包含该正极极片的电池的容量可能达不到标称容量；正极极片的涂布重量S1大于24 mg/cm2，容易造成配料浪费，严重时还可能会出现容量过量，导致枝晶析出，刺穿隔膜发生短路，导致包含该正极极片的电池的安全性降低。因此，控制正极极片的涂布重量S1满足15 mg/cm2≤S1≤24 mg/cm2，有助于确保正极极片具有较高的能量密度，且有助于提高电池的安全性。
其中，负极极片可以包括负极集流体和负极活性物质层，其中，负极活性物质层可以包括负极活性材料。负极集流体可以包括铜箔或复合集流体等集流体中的一种或者多种。负极活性材料可以包括石墨、钛酸锂以及硅碳复合材料等活性材料中的一种或者多种；负极活性物质层还可以包括导电剂和粘结剂，负极活性物质层中所采用的导电剂和粘结剂可以参考上述正极极片的描述，在此不再进行赘述。
在一种可能的实施方式中，负极极片的涂布重量S2满足7 mg/cm2≤S2≤12 mg/cm2。负极极片的涂布重量S2小于7 mg/cm2，可能会导致负极极片的能量密度过低，包含该负极极片的电池的容量可能达不到标称容量；负极极片的涂布重量S2大于12 mg/cm2，容易造成配料浪费，严重时还可能会出现容量过量，导致枝晶析出，刺穿隔膜发生短路，导致包含该负极极片的电池的安全性降低。因此，控制负极极片的涂布重量S2满足7 mg/cm2≤S2≤12mg/cm2，有助于确保负极极片具有较高的能量密度，且有助于提高电池的安全性。
请参见图2，图2是本申请实施例提供的一种电极极片的结构示意图，具体可以是第N/2层卷绕层所包含的电极极片的结构示意图，可以理解的是N层卷绕层中的其他卷绕层所包含的电极极片的结构也可以参考图2所示的结构。如图2所示，电极极片201可以包括集流体202、第一活性物质层203和第二活性物质层204，第一活性物质层203设置于集流体202的表面，第二活性物质层204的数量为至少两个，具体的数量可以根据实际情况确定，至少两个第二活性物质层204间距设置于第一活性物质层203背离集流体一侧的表面。
如图2所示，相邻两个第二活性物质层204之间可以形成缺口205，其中，缺口205的形状可以V型、梯形、或者是矩形等形状中的一种或者多种。任意相邻两个第二活性物质层204之间可以是非间距设置的，也可以是间距设置的，当任意相邻两个第二活性物质层204之间是间距设置时，任意相邻两个第二活性物质层204之间的间距可以是相等的，也可以是不相等的，本申请实施例对此不做限定。通过设置相邻两个第二活性物质层204之间形成缺口205，可以增加电解液与活性物质层的接触面积，有利于电解液快速浸润，并且更利于离子传输，从而增第N/2层卷绕层对电解液的保液量，提高了电池的充放电循环性能。此外，还可以降低第N/2层卷绕层的变形力，进而提高电芯的制造可靠性。
可以理解的是，电极极片201的可以是正极极片，也可以是负极极片，第一活性物质层203所包含的物质可以是与第二活性物质层204所包含的物质相同，也可以不同，可以根据实际情况进行灵活设计。例如，当电极极片201是正极极片时，第一活性物质层203和第二活性物质层204所包含的物质可以参考正极活性物质层的描述，例如，第一活性物质层203可以包括正极活性材料、粘结剂、导电剂和辅助添加剂（例如，补锂剂），第二活性物质层204可以包括正极活性材料、粘结剂和导电剂。当电极极片201是负极极片时，第一活性物质层203和第二活性物质层204所包含的物质可以参考负极活性物质层的描述，例如，第一活性物质层203可以包括负极活性材料、粘结剂和导电剂，第二活性物质层204可以包括负极活性材料、粘结剂和导电剂。正极活性材料、负极活性材料、粘结剂和导电剂的具体种类可以参考上文的描述，在此不再进行赘述。
设置在正极极片和负极极片中的隔膜可以包括聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等隔膜中的一种或者多种。
在一种可能的实施方式中，第N/2层卷绕层所包含的隔膜的厚度h1满足：21≤h2/h1≤54，其中，h2表示第N/2层卷绕层的单层厚度。其中，第N/2层卷绕层可以包括正极极片、负极极片和两个隔膜。当h2/h1小于21，表明第N/2层卷绕层所包含的隔膜的厚度h1可能过大，可能会导致电池内部电阻和电流传输的路径长度增加，限制了电池的功率输出能力，并降低了充放电效率。当h2/h1大于54，表明第N/2层卷绕层所包含的隔膜的厚度h1可能过小，可能会出现无法有效分离正极极片和负极极片的情况，导致电池短路或故障。本申请通过将第N/2层卷绕层所包含的隔膜的厚度h1和第N/2层卷绕层的单层厚度h2，控制在上述范围，可以使得电池具有较佳的充放电效率和安全性。
在一种可能的实施方式中，N层卷绕层所包含的隔膜的卷绕张力Z1满足：100 gf≤Z1≤350 gf，N层卷绕层所包含电极极片的卷绕张力Z2满足：500 gf≤Z2≤750 gf。
当电极极片或隔膜的张力过大时，例如，隔膜的卷绕张力Z1大于350 gf，电极极片的卷绕张力Z2大于750 gf，可能会增加电池内部的应力集中，导致材料的变形、损伤或破裂，降低电池的安全性。当电极极片或隔膜的张力过小时，例如，隔膜的卷绕张力Z1小于100gf，电极极片的卷绕张力Z2小于500 gf，电芯的电极极片和隔膜容易错位导致卷绕不良，导致卷绕优率降低，此外还可能会导致电池材料之间的接触不紧密，造成电池内部的接触电阻增加，从而导致电池的功率输出能力和充放电效率降低。本申请通过将N层卷绕层所包含的隔膜的卷绕张力Z1和N层卷绕层所包含电极极片的卷绕张力Z2，控制在上述范围，可以使得电池具有较佳的充放电效率和安全性。此外，隔膜的卷绕张力Z1和电极极片的卷绕张力Z2可以影响第N/2层卷绕层的曲率Dn/2，可以通过控制隔膜的卷绕张力Z1和电极极片的卷绕张力Z2，将第N/2层卷绕层的曲率Dn/2控制在合适的范围。
本申请提供了一种电池，该电池可以包括外壳，以及前述任一实施方式的电芯，电芯可以设置于外壳内的容置空腔。
具体地，请参见图3，图3是本申请实施例提供的一种电池的结构示意图。可以理解的是，图3所示的电池形状仅为示例，本申请实施例提供的电芯还可以应用于方形电池或者弧形电池等。如图3所示，电池100可以包括有端盖10、电芯20、外壳30以及容置空腔31。
端盖10是指盖合于外壳30的开口处以将电池100的内部环境隔绝于外部环境的部件。可以理解的是，端盖10的形状可以与外壳30的形状相适应以配合外壳30。可选地，端盖10可以由具有一定硬度和强度的材质（如铝合金）制成，这样，端盖10在受挤压碰撞时就不易发生形变，使电池100能够具备更高的结构强度，安全性能也可以有所提高。端盖10上可以设置有如电极端子等的功能性部件。电极端子可以用于与电芯20电连接，以用于输出或输入电池100的电能。在一些可能的实施方式中，端盖10上还可以设置有用于在电池100的内部压力或温度达到阈值时泄放内部压力的泄压机构。端盖10的材质也可以是多种的，比如，铜、铁、铝、不锈钢、铝合金、塑胶等，本申请实施例对此不作特殊限制。在一些可能的实施方式中，在端盖10的内侧还可以设置有绝缘件，绝缘件可以用于隔离外壳30内的电连接部件与端盖10，以降低短路的风险。示例性地，绝缘件可以是塑料、橡胶等。
外壳30是用于配合端盖10以形成电池100的内部环境的组件，外壳30内设置有容置空腔31，容置空腔31可以用于容纳电芯20、电解液以及其他部件。外壳30和端盖10可以是独立的部件，可以于外壳30上设置开口，通过在开口处使端盖10盖合开口以形成电池100的内部环境。可选地，也可以使端盖10和外壳30一体化，具体地，端盖10和外壳30可以在其他部件入壳前先形成一个共同的连接面，当需要封装外壳30的内部时，再使端盖10盖合外壳30。外壳30可以是多种形状和多种尺寸的，例如长方体形、圆柱体形、六棱柱形等。具体地，外壳30的形状可以根据电芯20的具体形状和尺寸大小来确定。外壳30的材质可以是多种，比如，铜、铁、铝、不锈钢、铝合金、塑胶等，本申请实施例对此不作特殊限制。
在一种可能的实施方式中，电池100所包含的电芯20的数量可以为1个至8个。当电池具有较多数量的电芯20时，可能会需要占用较多的空间和具有较高的重量，不利于电池的小型化或轻量化。此外，较多数量的电芯在充放电过程中会产生更多的热量，不利于电池系统的稳定性和安全性。
此外，电池还可以包括电解液，电解液可以包括锂盐和非水有机溶剂。锂盐可以包括：六氟磷酸锂（LiPF6）、双三氟甲基磺酰亚胺锂（LiTFSI）、三氟甲基磺酸锂、双氟磺酰亚胺锂（LiFSI）、四氟硼酸锂（LiBF4）、二草酸硼酸锂（LiBOB）、二氟草酸硼酸锂（LiODFB）以及高氯酸锂等锂盐中的一种或者多种；非水有机溶剂可以包括碳酸二甲酯（DMC）、碳酸二乙酯（DEC）、碳酸甲乙酯（EMC）、碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丙烯酯（PC）、乙酸甲酯（MA）、乙酸乙酯（EA）、丙酸乙酯（EP）、丙酸丙酯（PP）、丁酸乙酯（EB）等溶剂中的一种或者多种。
本申请还提供了一种用电设备，该用电设备可以包括前述任一实施方式的电池。用电设备可以包括但不限于：电瓶车、电动玩具、电动工具、电动车辆、船舶、航天器、智能手机、平板电脑、笔记本电脑、掌上电脑、移动互联网设备（mobile internet device，MID）、可穿戴设备（例如智能手表、智能手环等）、智能语音交互设备、智能家电（例如智能电视等）等设备，本申请对用电设备的类型不做限定。
下面结合实施例，进一步阐述本申请。应理解，本申请提供的实施例仅仅是帮助理解本申请，不应视为对本申请的具体限制。在实施例中仅示出电池为锂离子电池的情况，但本申请不限于此。
为便于理解本申请，本申请列举实施例如下。本领域技术人员应该明了实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本申请所涉及的实施例和对比例的锂离子电池均按照下述方法进行制备。
（1）正极极片的制备
将正极活性材料LiFePO4、导电剂SP、粘结剂PVDF按质量比为97:0.9:2.1在搅拌罐中充分分散均匀后，加入适量N-甲基吡咯烷酮（NMP）制成正极浆料，并将正极浆料涂覆于集流体铝箔表面，经干燥、冷压得到正极极片。
（2）负极极片的制备
将负极活性材料石墨、导电剂SP、粘结剂SBR和增稠剂CMC-Na按质量比为96.5：0.9：1.3：1.3在搅拌罐中充分分散均匀后，加入适量去离子水制成负极浆料，并将负极浆料涂覆于集流体铜箔表面，经干燥、冷压得到正极极片。
（3）电解液的制备
将碳酸乙烯酯（EC）、碳酸甲乙酯（EMC）、碳酸二乙酯（DEC）按照体积比1:1:1进行混合，将充分干燥的锂盐LiPF6按照1 mol/L的比例溶解于混合有机溶剂中，得到电解液。
（4）隔膜的制备
以厚度为5 μm至20 μm的聚丙烯作为隔膜。
（5）电芯的制备
将上述正极极片、隔膜、负极极片、隔膜按顺序叠好组成电极组件，然后将电极组件卷绕N圈，得到卷绕结构的电芯，N为大于1的整数。
（6）锂离子电池的制备
将卷绕结构的电芯置于外壳中，注入电解液，经过真空封装、静置、化成、分容和测试，获得锂离子电池。
（7）电芯的N/2层卷绕层Hn/2的总厚度测试
在25 ℃下，将制备得到的锂离子电池以0.5P恒功率放电至电压为2.5 V，静置30min；拆下外壳，用配重3000 N PPG测量壳体内单个裸电芯的总厚度H，电芯的N/2层卷绕层的厚度Hn/2=1/2H。
（8）锂离子电池的循环性能测试
在25℃下，将制备得到的锂离子电池以0.5P恒功率充电至电压为3.65 V，静置30min；0.5p恒功率放电至电压为2.5 V，静置30 min；进行满充满放循环测试，直至锂离子电池的容量小于初始放电容量的70%，记录循环圈数。
（9）卷绕张力测试
使用张力仪对隔膜和电极极片进行卷绕张力测试，并记录数据。
其中，实施例1至实施例8，以及对比例1和对比例2的隔膜张力、极片张力，电芯的卷绕层数量、N/2层卷绕层的总厚度Hn/2、第N/2层卷绕层的曲率Dn/2、卷绕优率，以及锂离子电池的循环性能示出在表1中：
表1
从上述表1中的相关数据分析可知，实施例1至实施例8所制备得到的锂离子电池循环7200圈及以上，其容量才小于初始放电容量的70%，表明当电芯对应的第N/2层卷绕层的曲率Dn/2满足：0.095≤Dn/2≤1.005时，锂离子电池具有较佳的循环性能。此外，相比对比例1和对比例2，实施例1至实施例8所制备得到的电芯也具有较高的卷绕优率。
由实施例2至实施例7分析可知，隔膜的卷绕张力Z1和电极极片的卷绕张力Z2可以影响第N/2层卷绕层的曲率Dn/2。当卷绕层数量N保持不变时，可以看出，隔膜的卷绕张力Z1和电极极片的卷绕张力Z2的增大，第N/2层卷绕层的曲率Dn/2逐渐增大，电芯的第N/2层卷绕层与其相邻的卷绕层之间的间隙减小，随着间隙减小，第N/2层卷绕层的拐角挤压，电解液浸润受到影响，循环后期，拐角电解液不足导致副反应加剧，继而表现为锂离子电池的循环性能变差。
对比例1中，随着隔膜的卷绕张力Z1小于100 gf，电极极片的卷绕张力Z2小于500gf，电芯的第N/2层卷绕层的曲率Dn/2小于0.095时，电芯的电极极片和隔膜容易错位，导致卷绕不良，进而导致卷绕优率大幅度下降；此外黑可能会导致电池材料之间的接触不紧密，造成电池内部的接触电阻增加，从而导致电池的功率输出能力和充放电效率降低；同时当电芯的第N/2层卷绕层的曲率Dn/2小于0.095时，电芯的第N/2层卷绕层与其相邻的卷绕层之间的间隙过大，导致电池循环中后期时层间电解液不足，出现电解液断桥，导致电池的循环性能降低。
对比例2中，随着隔膜的卷绕张力Z1大于350 gf，电极极片的卷绕张力Z2大于750gf，电芯的第N/2层卷绕层的曲率Dn/2大于1.005时，电芯的第N/2层卷绕层与其相邻的卷绕层之间基本不存在间隙，可能会增加电池内部的应力集中，导致材料的变形、损伤或破裂，降低电池的安全性。此外，在注入电解液之后，第N/2层卷绕层的电极极片膨胀挤压拐角，电解液无法充分浸润。电池循环中期时，第N/2层卷绕层的拐角的电解液不足导致副反应加剧；同时过紧的拐角，使得壳体存储的电解液也无法从电芯头部底部补充至第N/2层卷绕层，循环快速衰减，影响电池的循环寿命。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非对本申请保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本申请作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (9)

1.一种电芯，其特征在于，所述电芯为卷绕结构，所述卷绕结构的卷绕圈数为N圈，N为大于1的整数，所述电芯包括：
弯曲部，所述弯曲部沿层叠方向上具有层叠设置的N层卷绕层，各个卷绕层具有预设厚度；
其中，第N/2层卷绕层的曲率Dn/2满足关系式：Dn/2=4/Hn/2，Hn/2表示N/2层卷绕层的总厚度；
所述第N/2层卷绕层的曲率Dn/2满足：0.095≤Dn/2≤1.005；所述N层卷绕层所包含的隔膜的卷绕张力Z1满足：100 gf≤Z1≤350 gf，所述N层卷绕层所包含电极极片的卷绕张力Z2满足：500 gf≤Z2≤750 gf。
2.根据权利要求1所述的电芯，其特征在于，所述第N/2层卷绕层所包含的隔膜的厚度h1满足：21≤h2/h1≤54，其中，h2表示所述第N/2层卷绕层的厚度。
3.根据权利要求1所述的电芯，其特征在于，所述电芯的卷绕层数量N满足：16≤N≤270。
4.根据权利要求1所述的电芯，其特征在于，所述N层卷绕层所包含的正极极片的层数C1满足：16≤C1≤270，所述N层卷绕层所包含的负极极片的层数C2满足：18≤C2≤272。
5.根据权利要求1所述的电芯，其特征在于，所述N层卷绕层所包含的正极极片的涂布重量S1满足15 mg/cm2≤S1≤24 mg/cm2，所述N层卷绕层所包含的负极极片的涂布重量S2满足7 mg/cm2≤S2≤12 mg/cm2。
6.根据权利要求1所述的电芯，其特征在于，所述第N/2层卷绕层的电极极片包括集流体、第一活性物质层和至少两个第二活性物质层；
所述第一活性物质层设置于所述集流体的表面，至少两个所述第二活性物质层设置于所述第一活性物质层背离所述集流体一侧的表面，相邻两个所述第二活性物质层之间形成缺口。
7.一种电池，其特征在于，包括：
外壳，所述外壳内设有容置空腔；
以及所述权利要求1-6任一项所述的电芯，所述电芯设置于所述容置空腔。
8.根据权利要求7所述的电池，其特征在于，所述电芯的数量为1个至8个。
9.一种用电设备，其特征在于，包括如权利要求7或8所述的电池。
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