CN116964803A - 电极组件、二次电池、电池模块、电池包及用电装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种电极组件、二次电池、电池模块、电池包及用电装置,所述电极组件包括含有正极活性材料的正极极片和负极极片,所述正极极片具有一个以上的正极弯折部和一个以上的与所述正极弯折部相连的正极平直部,其中,所述正极极片中的至少一个正极弯折部为第一弯折部,所述第一弯折部的至少一部分所述正极活性材料具有能够阻挡活性离子迁移的聚合物包覆层,并且所述第一弯折部的离子电导率λ1与所述正极平直部的离子电导率λ2之比满足0≤λ1/λ2<1。本申请能增强二次电池的安全性能。
Description
本申请属于电池技术领域,具体涉及一种电极组件、二次电池、电池模块、电池包及用电装置。
近年来,二次电池被广泛应用于水力、火力、风力和太阳能电站等储能电源系统,以及电动工具、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。随着二次电池的应用及推广,其安全问题受到越来越多的关注,如果二次电池的安全问题不能保证,那该二次电池就无法使用。因此,如何增强二次电池的安全性能,是目前亟待解决的技术问题。
发明内容
本申请的目的在于提供一种电极组件、二次电池、电池模块、电池包及用电装置,旨在增强二次电池的安全性能。
本申请第一方面提供一种电极组件,包括含有正极活性材料的正极极片和负极极片,所述正极极片具有一个以上的正极弯折部和一个以上的与所述正极弯折部相连的正极平直部,其中,所述正极极片中的至少一个正极弯折部为第一弯折部,所述第一弯折部的至少一部分所述正极活性材料具有能够阻挡活性离子迁移的聚合物包覆层,并且所述第一弯折部的离子电导率λ
1与所述正极平直部的离子电导率λ
2之比满足0≤λ
1/λ
2<1。
本申请通过简单的正极极片处理工艺,能够有效减少电极组件弯折区出现活性离子还原形成金属单质的情况,从而显著改善电极组件的安全性能。所述第一弯折部的至少一部分所述正极活性材料具有能够阻挡活性离子迁移的聚合物包覆层,从而所述第一弯折部具有更低的离子电导率。在充电时,所述第一弯折部的正极活性材料脱出的活性离子的至少一部分被聚合物包覆层阻挡,使得部分活性离子不能嵌入相邻的负极膜层中,从而有效降低电极组件弯折区出现活性离子还原形成金属单质的情况,显著改善电极组件的安全性能。
在本申请的任意实施方式中,0≤λ
1/λ
2≤0.9。可选地,0<λ
1/λ
2≤0.9。此时能在不过分降低电极组件能量密度的同时有效避免电极组件弯折区出现活性离子还原形成金属单质的情况。
在本申请的任意实施方式中,所述电极组件具有卷绕结构,并且在所述卷绕结构中,所述正极极片中的至少最内侧的一个正极弯折部为所述第一弯折部。卷绕结构最内侧的负极弯折部出现活性离子还原形成金属单质的概率最高,因此,这样设置能够显著改善电极组件的安全性能。
在本申请的任意实施方式中,所述聚合物包覆层的厚度为0.01μm~50μm。可选地,所述聚合物包覆层的厚度为1μm~10μm。所述聚合物包覆层的厚度在合适的范围内时,能在不过分降低电极组件能量密度的同时有效避免电极组件弯折区出现活性离子还原形成金属单质的情况。
在本申请的任意实施方式中,所述聚合物包覆层位于所述正极活性材料颗粒的80%~100%的表面。可选地,所述聚合物包覆层位于所述正极活性材料颗粒的95%~100%的表面。所述聚合物包覆层位于所述正极活性材料颗粒几乎全部表面,从而能够有效能够阻挡活性离子迁移,有效避免电极组件弯折区出现活性离子还原形成金属单质的情况。
在本申请的任意实施方式中,所述聚合物包覆层还包括选自增塑剂和电解质盐中的一种或几种。所述增塑剂的存在有利于形成凝胶型聚合物包覆层。所述电解质盐可以增加所述聚合物包覆层的离子电导率,从而在不过分降低电极组件能量密度的同时有效避免电极组件弯折区出现活性离子还原形成金属单质的情况。可选地,所述增塑剂包括选自碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、碳酸二丙酯、碳酸甲丙酯、碳酸乙丙酯、甲酸甲酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯、丁酸甲酯、丁酸乙酯、1,4-丁内酯、二甲砜、甲乙砜、二乙砜中的一种或几种。可选地,所述电解质盐包括选自锂盐、钠盐中的一种或几种,可选地,所述电解质盐包括选自六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、高氯酸锂、六氟砷酸锂、双氟磺酰亚胺锂、双三氟甲磺酰亚胺锂、三氟甲磺酸锂、二氟草酸硼酸锂、二草酸硼酸锂、二氟磷酸锂、二氟二草酸磷酸锂、四氟草酸磷酸锂、NaPF
6、NaClO
4、NaBCl
4、NaSO
3CF
3、Na(CH
3)C
6H
4SO
3中的一种或几种。
在本申请的任意实施方式中,基于所述聚合物包覆层的总质量计,所述聚合物包覆层包括:聚合物,5%~100%;增塑剂,0%~80%;电解质盐,0%~20%。
在本申请的任意实施方式中,所述聚合物包覆层通过包括至少一种单体的涂层组合物的原位聚合固化而形成。
在本申请的任意实施方式中,所述单体包括第一单体、第二单体中的一种或几种,
在本申请的任意实施方式中,所述第一单体可开环聚合或具有可聚合的不饱合键。可选地,所述第一单体选自碳酸酯类单体、硫酸酯类单体、磺酸酯类单体、磷酸酯类单体、羧酸酯类单体、砜类单体、酰胺类单体、腈类单体、醚类单体中的一种或几种。
在本申请的任意实施方式中,所述第二单体可交联。可选地,所述第二单体选自丙烯酸酯类单体中的一种或几种。
在本申请的任意实施方式中,所述单体为所述第一单体。
在本申请的任意实施方式中,所述单体同时包括所述第一单体和所述第二单体,并且所述第一单体和所述第二单体的质量比为(1~99):(99~1)。可选地,所述第一单体和所述第二单体的质量比为(25~75):(75~25)。
在本申请的任意实施方式中,所述碳酸酯类单体包括选自碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯亚乙酯、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸丁烯酯、氟代碳酸乙烯酯、氯代碳酸乙烯酯中的一种或几种。
在本申请的任意实施方式中,所述硫酸酯类单体包括选自乙烯基亚硫酸乙烯酯、亚硫酸乙烯酯、4-甲基硫酸乙烯酯、4-乙基硫酸乙烯酯。
在本申请的任意实施方式中,所述磺酸酯类单体包括选自1,3-丙烯磺酸内酯、1,3- 丙烷磺酸内酯、1,4-丁烷磺酸内酯、甲烷二磺酸亚甲环酯。
在本申请的任意实施方式中,所述磷酸酯类单体包括选自二甲基乙烯基磷酸酯、二乙基乙烯基磷酸酯、二乙基丙烯基磷酸酯、二乙基丁烯基磷酸酯、二乙基1-丁烯-2-基膦酸酯、二乙基乙炔基磷酸酯、乙烯基三氟代甲基磷酸酯、乙烯基-1-三氟代乙基磷酸酯、二乙基氟代乙烯基磷酸酯、1-三氟代丙烯基乙基磷酸酯中的一种或几种。
在本申请的任意实施方式中,所述羧酸酯类单体包括醋酸乙烯酯。
在本申请的任意实施方式中,所述砜类单体包括选自甲基乙烯基砜、乙基乙烯基砜、环丁烯砜、环丁砜、环乙亚砜中的一种或几种。
在本申请的任意实施方式中,所述酰胺类单体包括丙烯酰胺。
在本申请的任意实施方式中,所述腈类单体包括选自丙烯腈、丁二腈、戊二腈、己二腈中的一种或几种。
在本申请的任意实施方式中,所述醚类单体包括选自1,3-二氧五环、环氧乙烷、1,2-环氧丙烷、4-甲基-1,3-二氧五环、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、1,4-二氧六环、乙二醇二甲醚、乙二醇二缩水甘油醚、三乙二醇二乙烯基醚中的一种或几种。
在本申请的任意实施方式中,所述丙烯酸酯类单体包括选自丙烯酸、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸异癸酯、丙烯酸异辛酯、丙烯酸月桂酯、丙烯酸异冰片酯、甲基丙烯酸异冰片酯、丙烯酸乙氧基乙氧基乙酯、氰基丙烯酸酯、己内酯丙烯酸酯、2-苯氧基乙基丙烯酸酯、丙烯酸四氢呋喃酯、乙氧化四氢呋喃丙烯酸酯、环三羟甲基丙烷丙烯酸酯、2-羧乙基丙烯酸酯、环己基丙烯酸酯、乙二醇二丙烯酸酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯、丙二醇二甲基丙烯酸酯、二乙二醇二丙烯酸酯、二乙二醇二甲基丙烯酸酯、三乙二醇二丙烯酸酯、三乙二醇二甲基丙烯酸酯、四乙二醇二丙烯酸酯、四乙二醇二甲基丙烯酸酯、1,4-丁二醇二丙烯酸酯、1,4-丁二醇二甲基丙烯酸酯、1,3-丁二醇二丙烯酸酯、1,3-丁二醇二甲基丙烯酸酯、1,6-己二醇二丙烯酸酯、1,6-己二醇二甲基丙烯酸酯、二丙二醇二丙烯酸酯、二丙二醇二甲基丙烯酸酯、二缩三丙二醇二丙烯酸酯、二缩三丙二醇二甲基丙烯酸酯、新戊二醇二丙烯酸酯、新戊二醇二甲基丙烯酸酯、2(丙氧化)新戊二醇二丙烯酸酯、聚乙二醇二丙烯酸酯、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、聚丙二醇二甲基丙烯酸酯、聚环己基丙烯酸酯、甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯、乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯、丙氧基化甘油三丙烯酸酯、三(2-羟乙基)异氰脲酸三丙烯酸酯、二(三羟甲基丙烷)四丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯、4(乙氧基)季戊四醇四丙烯酸酯、双季戊四醇六丙烯酸酯中的一种或几种。
在本申请的任意实施方式中,所述涂层组合物还包括选自增塑剂和电解质盐中的一种或几种。所述增塑剂可以调节所述涂层组合物的粘度,便于涂布,同时所述增塑剂的存在还有利于形成凝胶型聚合物包覆层。所述电解质盐可以增加所述聚合物包覆层的离子电导率,从而在不过分降低电极组件能量密度的同时有效避免电极组件弯折区出现活性离子还原形成金属单质的情况。
在本申请的任意实施方式中,所述增塑剂包括选自碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、碳酸二丙酯、碳酸甲丙酯、碳酸乙丙酯、甲酸甲酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、 乙酸丙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯、丁酸甲酯、丁酸乙酯、1,4-丁内酯、二甲砜、甲乙砜、二乙砜中的一种或几种。
在本申请的任意实施方式中,所述电解质盐包括选自锂盐、钠盐中的一种或几种。可选地,所述电解质盐包括选自六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、高氯酸锂、六氟砷酸锂、双氟磺酰亚胺锂、双三氟甲磺酰亚胺锂、三氟甲磺酸锂、二氟草酸硼酸锂、二草酸硼酸锂、二氟磷酸锂、二氟二草酸磷酸锂、四氟草酸磷酸锂、NaPF
6、NaClO
4、NaBCl
4、NaSO
3CF
3、Na(CH
3)C
6H
4SO
3中的一种或几种。
在本申请的任意实施方式中,基于所述涂层组合物的总质量计,所述涂层组合物包括:单体,5%~100%;增塑剂,0%~80%;电解质盐,0%~20%。
在本申请的任意实施方式中,所述涂层组合物的粘度为3cp~100cp。
在本申请的任意实施方式中,所述单体通过原位聚合固化形成所述聚合物包覆层的聚合方式包括选自光引发聚合、辐照引发聚合、引发剂引发聚合中的一种或几种。
在本申请的任意实施方式中,所述光的功率密度为2W/cm
2~5W/cm
2,所述光引发聚合时间为10s~300s。
在本申请的任意实施方式中,所述辐照总剂量为30Gy~30kGy。
在本申请的任意实施方式中,所述引发剂引发聚合的温度为50℃~85℃,时间为1h~12h。
在本申请的任意实施方式中,基于所述单体的总质量,所述引发剂的质量百分含量≤5%。可选地,所述引发剂的质量百分含量≤2%。
本申请第二方面提供一种二次电池,其包括本申请第一方面的电极组件。
本申请第三方面提供一种电池模块,其包括本申请第二方面的二次电池。
本申请第四方面提供一种电池包,其包括本申请第三方面的电池模块。
本申请第五方面提供一种用电装置,其包括本申请第二方面的二次电池、第三方面的电池模块、第四方面的电池包中的至少一种。
本申请通过简单的正极极片处理工艺,能够在二次电池增重较小的情况下有效改善二次电池的安全性能。本申请的电池模块、电池包和用电装置包括本申请提供的二次电池,因而至少具有与所述二次电池相同的优势。
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案,下面将对本申请实施例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是本申请的电极组件的一实施方式的示意图。
图2是本申请一些实施例提供的电极组件的制备方法的流程示意图。
图3是本申请一些实施例提供的正极极片的制备方法的流程示意图。
图4是本申请另一些实施例提供的正极极片的制备方法的流程示意图。
图5是本申请又一些实施例提供的正极极片的制备方法的流程示意图。
图6是本申请的二次电池的一实施方式的示意图。
图7是图6所示的二次电池的分解示意图。
图8是本申请的电池模块的一实施方式的示意图。
图9是本申请的电池包的一实施方式的示意图。
图10是图9所示的电池包的分解示意图。
图11是包含本申请的二次电池作为电源的用电装置的一实施方式的示意图。
图12为对比例1制备的正极极片的扫描电子显微镜图。
图13为实施例3制备的正极极片的扫描电子显微镜图。
图14为对比例1制备的软包电池的循环曲线图。
图15为实施例11制备的软包电池的循环曲线图。
在附图中,附图未必按照实际的比例绘制。
以下,适当地参照附图详细说明具体公开了本申请的电极组件、二次电池、电池模块、电池包及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,并且这样的技术方案应被认为包含在本申请的公开内容中。
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,并且这样的技术方案应被认为包含在本申请的公开内容中。
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“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;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。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。
如果没有特别的说明,在本申请中,术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别不同对象,而不是用于描述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“活性离子”是指能在二次电池正负极之间往返嵌入和脱出的离子,包括但不限于锂离子、钠离子等。
如果没有特别的说明,在本申请中,术语“单体”既包括能够进行聚合的有机小分子化合物,还包括有机小分子化合物的预聚物或低聚物,例如分子量不超过2000的预聚物或低聚物。
如果没有特别的说明,在本申请中,术语“丙烯酸酯类单体”是丙烯酸及其衍生物、以及其同系物的酯类的总称。
本申请中出现的“多个”指的是两个以上(包括两个)。
本申请中,二次电池可以包括锂离子电池、钠离子电池等,本申请实施例对此并不限定。二次电池可以为水系电池或油系电池,本申请实施例对此也不限定。二次电池可呈扁平体、长方体或其它形状等,本申请实施例对此也不限定。
二次电池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材料激活而继续使用的电池。通常情况下,二次电池包括电极组件和电解质,电极组件包括正极极片、负极极片和隔离膜。正极极片包括正极集流体和正极膜层,正极膜层涂覆于正极集流体的表面,并且正极膜层包括正极活性材料。负极极片包括负极集流体和负极膜层,负极膜层涂覆于负极集流体的表面,并且负极膜层包括负极活性材料。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。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,同时可以使活性离子通过。电解质在正极极片和负极极片之间起到传导活性离子的作用。
二次电池充电时,活性离子从正极膜层的正极活性材料脱出并嵌入负极膜层的负极活性材料,但是可能会发生一些异常情况,例如,负极膜层能够提供的活性离子储存位点不足、活性离子嵌入负极活性材料阻力太大、或活性离子过快从正极活性材料脱出但脱出的活性离子无法等量嵌入负极活性材料,无法嵌入负极活性材料的部分活性离子只能在负极极片表面得到电子并还原形成金属单质。
金属单质的形成不仅增加了活性离子的不可逆消耗,使二次电池循环寿命大幅缩短,而且限制了二次电池的动力学性能,例如快充性能。除此之外,金属单质,例如锂 单质,比较活泼,在较低的温度下便可以与电解液中的有机溶剂发生反应,造成二次电池自产热起始温度降低和自产热速率增大,严重危害二次电池的安全。再者,金属单质不断生长,还会在负极极片表面形成枝晶,枝晶持续生长容易刺破隔离膜造成二次电池内短路,有可能引起燃烧、爆炸等风险。
发明人在研发过程中发现,卷绕式电极组件在其弯折区,尤其是弯折区最内侧区域,正极极片半径远大于其相邻的负极极片的半径,导致该区域负极膜层能够提供的活性离子储存位点数量远少于其相邻的正极膜层能够脱出的活性离子数量。因此,二次电池充电时,该区域容易出现活性离子在负极极片还原形成金属单质的情况,从而严重影响了二次电池的安全性能。
有鉴于此,发明人对电极组件的结构进行了改进,提出了一种具有显著提升的安全性能的电极组件。
本申请实施方式的第一方面提供了一种电极组件,包括含有正极活性材料的正极极片和负极极片,所述正极极片具有一个以上的正极弯折部和一个以上的与所述正极弯折部相连的正极平直部,其中,所述正极极片中的至少一个正极弯折部为第一弯折部,所述第一弯折部的至少一部分所述正极活性材料具有能够阻挡活性离子迁移的聚合物包覆层,并且所述第一弯折部的离子电导率λ
1与所述正极平直部的离子电导率λ
2之比满足0≤λ
1/λ
2<1。
本申请通过简单的正极极片处理工艺,能够有效减少电极组件弯折区出现活性离子还原形成金属单质的情况,从而显著改善电极组件的安全性能。在本申请实施方式第一方面的电极组件中,所述第一弯折部的至少一部分所述正极活性材料具有能够阻挡活性离子迁移的聚合物包覆层,从而所述第一弯折部具有更低的离子电导率。在充电时,所述第一弯折部脱出的活性离子的至少一部分由于被聚合物包覆层阻挡而不能嵌入相邻的负极膜层中,从而能有效降低电极组件弯折区出现活性离子还原形成金属单质的情况,显著改善电极组件的安全性能。因此,尽管电极组件弯折区的负极膜层能够提供的活性离子储存位点数量不变,但是正极膜层脱出并能够嵌入负极膜层的活性离子数量减少,从而有效降低电极组件弯折区出现活性离子还原形成金属单质的情况。
本申请通过简单的正极极片处理工艺,能够在电极组件增重较小的情况下有效改善电极组件的安全性能。
下面结合图1详细说明本申请实施方式第一方面的电极组件。
图1是本申请的电极组件的一实施方式的示意图。如图1所示,电极组件52包括正极极片11和负极极片12。
正极极片11包括正极集流体以及设置在正极集流体至少一个表面且包括正极活性材料的正极膜层。例如,正极集流体具有在自身厚度方向相对的两个表面,正极膜层设置于正极集流体的两个相对表面中的任意一者或两者上。
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。复合集流体可包括高分子材料基层以及形成于高分子材料基层至少一个表面上的金属材料层。作为示例,金属材料可包括选自铝、铝合金、镍、镍合金、钛、钛合金、银、银合金中的一种或几种。作为示例,高分子材料基层可包括选自聚丙烯(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) 中的一种或几种。
正极膜层通常包含正极活性材料、可选的粘结剂和可选的导电剂。正极膜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。正极浆料通常是将正极活性材料、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。作为示例,用于正极膜层的粘结剂可包括选自聚偏氟乙烯(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、含氟丙烯酸酯树脂中的一种或几种。作为示例,用于正极膜层的导电剂可包括选自超导碳、导电石墨、乙炔黑、炭黑、科琴黑、碳点、碳纳米管、石墨烯、碳纳米纤维中的一种或几种。
正极活性材料可采用本领域公知的用于二次电池的正极活性材料。
当本申请的二次电池为锂离子电池时,正极活性材料可包括选自锂过渡金属氧化物、橄榄石结构的含锂磷酸盐及其各自的改性化合物中的一种或几种。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改性化合物中的一种或几种。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、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一种或几种。本申请并不限定于这些材料,还可以使用其他可被用作锂离子电池正极活性材料的传统公知的材料。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。
在一些实施例中,为了进一步提高二次电池的能量密度,用于锂离子电池的正极活性材料可包括选自式1所示的锂过渡金属氧化物及其改性化合物中的一种或几种,
Li
aNi
bCo
cM
dO
eA
f式1,
式1中,0.8≤a≤1.2,0.5≤b<1,0<c<1,0<d<1,1≤e≤2,0≤f≤1,M选自Mn、Al、Zr、Zn、Cu、Cr、Mg、Fe、V、Ti及B中的一种或几种,A选自N、F、S及Cl中的一种或几种。
作为示例,用于锂离子电池的正极活性材料可包括选自LiCoO
2、LiNiO
2、LiMnO
2、LiMn
2O
4、LiNi
1/3Co
1/3Mn
1/3O
2、LiNi
0.5Co
0.2Mn
0.3O
2、LiNi
0.6Co
0.2Mn
0.2O
2、LiNi
0.8Co
0.1Mn
0.1O
2、LiNi
0.85Co
0.15Al
0.05O
2、LiFePO
4、LiMnPO
4中的一种或几种。
当本申请的二次电池为钠离子电池时,正极活性材料可包括选自钠过渡金属氧化物Na
xMO
2(M为过渡金属,优选自Mn、Fe、Ni、Co、V、Cu、Cr中的一种或几种,0<x≤1)、聚阴离子材料(如磷酸盐、氟磷酸盐、焦磷酸盐、硫酸盐等)、普鲁士蓝材料中的一种或几种。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。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。
作为示例,用于钠离子电池的正极活性材料可包括选自NaFeO
2、NaCoO
2、NaCrO
2、NaMnO
2、NaNiO
2、NaNi
1/2Ti
1/2O
2、NaNi
1/2Mn
1/2O
2、Na
2/3Fe
1/3Mn
2/3O
2、NaNi
1/3Co
1/3Mn
1/3O
2、NaFePO
4、NaMnPO
4、NaCoPO
4、普鲁士蓝材料、通式为A
aM
b(PO
4)
cO
xY
3-x的材料中的一种或几种。其中,A选自H
+、Li
+、Na
+、K
+及NH
4 +中的一 种或几种;M为过渡金属阳离子,优选自V、Ti、Mn、Fe、Co、Ni、Cu及Zn中的一种或几种;Y为卤素阴离子,优选自F、Cl及Br中的一种或几种;0<a≤4,0<b≤2,1≤c≤3,0≤x≤2。
在本申请中,上述各正极活性材料的改性化合物可以是对正极活性材料进行掺杂改性、或表面包覆改性。
负极极片12包括负极集流体以及设置在负极集流体至少一个表面且包括负极活性材料的负极膜层。例如,负极集流体具有在自身厚度方向相对的两个表面,负极膜层设置在负极集流体的两个相对表面中的任意一者或两者上。
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。复合集流体可包括高分子材料基层以及形成于高分子材料基层至少一个表面上的金属材料层。作为示例,金属材料可包括选自铜、铜合金、镍、镍合金、钛、钛合金、银、银合金中的一种或几种。作为示例,高分子材料基层可包括选自聚丙烯(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)中的一种或几种。
负极膜层通常包含负极活性材料、可选的粘结剂、可选的导电剂以及其他可选的助剂。负极膜层通常是将负极浆料涂布在负极集流体上,经干燥、冷压而成的。负极浆料涂通常是将负极活性材料、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。作为示例,用于负极膜层的粘结剂可包括选自丁苯橡胶(SBR)、水溶性不饱和树脂SR-1B、水性丙烯酸树脂(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)、羧甲基壳聚糖(CMCS)中的一种或几种。作为示例,用于负极膜层的导电剂可包括选自超导碳、乙炔黑、炭黑、科琴黑、碳点、碳纳米管、石墨烯、碳纳米纤维中一种或几种。其他可选的助剂可包括增稠剂(例如,羧甲基纤维素钠CMC-Na)、PTC热敏电阻材料等。
负极活性材料可采用本领域公知的用于二次电池的负极活性材料。作为示例,负极活性材料可包括选自天然石墨、人造石墨、软炭、硬炭、硅基材料、锡基材料、钛酸锂中的一种或几种。硅基材料可包括选自单质硅、硅氧化物、硅碳复合物、硅氮复合物、硅合金材料中的一种或几种。锡基材料可包括选自单质锡、锡氧化物、锡合金材料中的一种或几种。本申请并不限定于这些材料,还可以使用其他可被用作二次电池负极活性材料的传统公知的材料。这些负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。
本申请的负极极片12并不排除除了负极膜层之外的其他附加功能层。例如在某些实施例中,本申请的负极极片12还包括夹在负极集流体和负极膜层之间、设置于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,本申请的负极极片12还包括覆盖在负极膜层表面的保护层。
在一些实施例中,电极组件52还包括隔离膜13,隔离膜13设置在正极极片11和负极极片12之间,起到隔离的作用。本申请对隔离膜13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。在一些实施例中,隔离膜13的材质可以选自玻璃纤维、无纺布、聚乙烯、聚丙烯及聚偏二氟乙烯中的一种 或几种。隔离膜13可以是单层薄膜,也可以是多层复合薄膜。隔离膜13为多层复合薄膜时,各层的材料相同或不同。
电极组件52可以是多种形状,例如,电极组件52可呈扁平体、长方体或其它形状。
如图1所示,在一些实施例中,电极组件52呈扁平体,正极极片11和负极极片12沿卷绕方向A卷绕并形成卷绕结构,卷绕结构包括弯折区B和与弯折区B相连的平直区C。在本申请实施例中,卷绕方向A即为正极极片11和负极极片12从内向外周向卷绕的方向。在图1中,卷绕方向A为顺时针方向。
正极极片11和负极极片12均包括位于弯折区B的一个以上的弯折部。弯折区B为电极组件52具有弯折结构的区域,正极极片11的位于弯折区B的部分(即正极极片11的正极弯折部111)和负极极片12的位于弯折区B的部分(即负极极片12的负极弯折部121)均弯折设置。示例性地,正极极片11的正极弯折部111和负极极片12的负极弯折部121大体弯折为圆弧形。
示例性地,在弯折区B,正极极片11的正极弯折部111和负极极片12的负极弯折部121交错排布,即在弯折区B,以负极极片12的一个负极弯折部121、正极极片11的一个正极弯折部111、负极极片12的一个负极弯折部121……的顺序依次排布。可选地,正极极片11最内侧的一个正极弯折部111位于负极极片12最内侧的一个负极弯折部121的外侧。
正极极片11和负极极片12还均包括位于平直区C的一个以上的平直部。平直区C为电极组件52具有平直结构的区域。可选地,弯折区B为两个且分别连接于平直区C的两端。
正极极片11的位于平直区C的部分(即正极极片11的正极平直部112)和负极极片12的位于平直区C的部分(即负极极片12的负极平直部122)基本平直设置。正极极片11的正极平直部112和负极极片12的负极平直部122的表面均大体为平面。
正极极片11中的至少一个正极弯折部111为第一弯折部111a。在正极极片11中,第一弯折部111a可以为一个或多个。在正极极片11中,可以是全部正极弯折部111均为第一弯折部111a,也可以是部分正极弯折部111为第一弯折部111a。例如,正极极片11中的一部分正极弯折部111为第一弯折部111a,另一部分正极弯折部111为第三弯折部。
负极极片12中的至少一个负极弯折部121为与第一弯折部111a相邻的第二弯折部121a。在负极极片12中,第二弯折部121a可以为一个或多个。在负极极片12中,可以是全部负极弯折部121均为第二弯折部121a,也可以是部分负极弯折部121为第二弯折部121a。例如,负极极片12中的一部分负极弯折部121为第二弯折部121a,另一部分负极弯折部121为第四弯折部。
第一弯折部111a的至少一部分正极活性材料具有能够阻挡活性离子迁移的聚合物包覆层,而第三弯折部的正极活性材料不具有能够阻挡活性离子迁移的聚合物包覆层,并且正极平直部112的正极活性材料也不具有能够阻挡活性离子迁移的聚合物包覆层。第一弯折部111a的离子电导率λ
1与正极平直部112的离子电导率λ
2之比满足0≤λ
1/λ
2<1。本申请通过简单的正极极片处理工艺,能够有效减少电极组件弯折区出现活性离子还原形成金属单质的情况,从而显著改善电极组件的安全性能。第一弯折部111a的至少一部 分正极活性材料具有能够阻挡活性离子迁移的聚合物包覆层,从而第一弯折部111a具有更低的离子电导率。在充电时,第一弯折部111a脱出的活性离子的至少一部分由于被聚合物包覆层阻挡而不能嵌入相邻的第二弯折部121a中,从而能有效降低电极组件弯折区出现活性离子还原形成金属单质的情况,显著改善电极组件的安全性能。
在一些实施例中,正极极片11中的至少最内侧的一个正极弯折部111为第一弯折部111a,负极极片12中的至少最内侧的一个负极弯折部121为第二弯折部121a。卷绕结构最内侧的负极弯折部121出现活性离子还原形成金属单质的概率最高,因此,这样设置能够显著改善电极组件的安全性能。
在一些实施例中,0≤λ
1/λ
2≤0.9,0≤λ
1/λ
2≤0.8,0≤λ
1/λ
2≤0.7,0≤λ
1/λ
2≤0.6,0≤λ
1/λ
2≤0.5,0≤λ
1/λ
2≤0.4,0≤λ
1/λ
2≤0.3,0≤λ
1/λ
2≤0.2,或0≤λ
1/λ
2≤0.1。
在一些实施例中,λ
1/λ
2=0。此时,第一弯折部111a的正极活性材料均具有能够阻挡活性离子迁移的聚合物包覆层,并且所述聚合物包覆层不具有传导离子的功能,从而在充电时没有活性离子嵌入相邻的第二弯折部121a中,进而有效避免电极组件弯折区出现活性离子还原形成金属单质的情况,显著改善电极组件的安全性能。
在另一些实施例中,0<λ
1/λ
2<1,0<λ
1/λ
2≤0.9,0<λ
1/λ
2≤0.8,0<λ
1/λ
2≤0.7,0<λ
1/λ
2≤0.6,0<λ
1/λ
2≤0.5,0<λ
1/λ
2≤0.4,0<λ
1/λ
2≤0.3,0<λ
1/λ
2≤0.2,或<λ
1/λ
2≤0.1。此时,第一弯折部111a的至少部分正极活性材料具有能够阻挡活性离子迁移的聚合物包覆层,并且至少部分正极活性材料不具有能够阻挡活性离子迁移的聚合物包覆层;或第一弯折部111a的正极活性材料均具有能够阻挡活性离子迁移的聚合物包覆层,但所述聚合物包覆层具有一定的传导离子的功能。第一弯折部111a具有一定的离子传导能力,从而在充电时可以使第一弯折部111a脱出的部分活性离子嵌入相邻的第二弯折部121a中,进而在不过分降低电极组件能量密度的同时有效避免电极组件弯折区出现活性离子还原形成金属单质的情况。
在一些实施例中,所述聚合物包覆层的厚度为0.01μm~50μm。可选地,所述聚合物包覆层的厚度为1μm~50μm,1μm~45μm,1μm~40μm,1μm~35μm,1μm~30μm,1μm~25μm,1μm~20μm,1μm~15μm,或1μm~10μm。所述聚合物包覆层的厚度在合适的范围内时,能在不过分降低电极组件能量密度的同时有效避免电极组件弯折区出现活性离子还原形成金属单质的情况。
在一些实施例中,所述聚合物包覆层位于所述正极活性材料颗粒的80%~100%的表面。可选地,所述聚合物包覆层位于所述正极活性材料颗粒的95%~100%的表面。所述聚合物包覆层位于所述正极活性材料颗粒几乎全部表面,从而能够有效能够阻挡活性离子迁移,有效避免电极组件弯折区出现活性离子还原形成金属单质的情况。
在一些实施例中,所述聚合物包覆层还包括选自增塑剂和电解质盐中的一种或几种。所述增塑剂的存在还有利于形成凝胶型聚合物包覆层。所述电解质盐可以增加所述聚合物包覆层的离子电导率,从而在不过分降低电极组件能量密度的同时有效避免电极组件弯折区出现活性离子还原形成金属单质的情况。
本申请对所述增塑剂的种类没有特别的限制,在一些实施例中,所述增塑剂包括选自碳酸甲乙酯(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)、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)、二甲砜(MSM)、甲乙砜(EMS)、二乙砜(ESE)中的一种或几种。
本申请对所述电解质盐的种类没有特别的限制,在一些实施例中,所述电解质盐包括但不限于锂盐、钠盐中的一种或几种。可选地,所述锂盐包括选自六氟磷酸锂(LiPF
6)、四氟硼酸锂(LiBF
4)、高氯酸锂(LiClO
4)、六氟砷酸锂(LiAsF
6)、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(LiPO
2F
2)、二氟二草酸磷酸锂(LiDFOP)、四氟草酸磷酸锂(LiTFOP)中的一种或几种。可选地,所述钠盐包括选自NaPF
6、NaClO
4、NaBCl
4、NaSO
3CF
3、Na(CH
3)C
6H
4SO
3中的一种或几种。
在一些实施例中,基于所述聚合物包覆层的总质量计,所述聚合物包覆层包括:聚合物,5%~100%;增塑剂,0%~80%;电解质盐,0%~20%。
在一些实施例中,所述聚合物包覆层仅包括聚合物。
在一些实施例中,基于所述聚合物包覆层的总质量计,所述聚合物包覆层包括:聚合物,大于等于80%且小于100%;电解质盐,大于0%且小于等于20%。可选地,基于所述聚合物包覆层的总质量计,所述聚合物包覆层包括:聚合物,81%~99%;电解质盐,1%~19%。
在一些实施例中,基于所述聚合物包覆层的总质量计,所述聚合物包覆层包括:聚合物,大于等于20%且小于100%;增塑剂,大于0%且小于等于80%。可选地,基于所述聚合物包覆层的总质量计,所述聚合物包覆层包括:聚合物,21%~99%;增塑剂,1%~79%。
在一些实施例中,基于所述聚合物包覆层的总质量计,所述聚合物包覆层包括:聚合物,大于等于5%且小于100%;增塑剂,大于0%且小于等于80%;电解质盐,大于0%且小于等于20%。可选地,基于所述聚合物包覆层的总质量计,所述聚合物包覆层包括:聚合物,6%~99%;增塑剂,0.5%~79%;电解质盐,0.5%~19%。
在一些实施例中,所述聚合物包覆层通过包括至少一种单体的涂层组合物的原位聚合固化而形成。
作为示例,所述第一单体可开环聚合或具有可聚合的不饱合键,例如碳碳双键、碳碳三键等。可选地,所述第一单体选自碳酸酯类单体、硫酸酯类单体、磺酸酯类单体、磷酸酯类单体、羧酸酯类单体、砜类单体、酰胺类单体、腈类单体、醚类单体中的一种或几种。
所述碳酸酯类单体的示例包括但不限于碳酸亚乙烯酯(VC)、碳酸乙烯亚乙酯(VEC)、碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸丁烯酯、氟代碳酸乙烯酯、氯代碳酸乙烯酯中的一种或几种。所述硫酸酯类单体的示例包括但不限于乙烯基亚硫酸乙烯酯、亚硫酸乙烯酯、4-甲基硫酸乙烯酯、4-乙基硫酸乙烯酯。所述磺酸酯类单体的示例包括但不限于1,3-丙烯磺酸内酯、1,3-丙烷磺酸内酯、1,4-丁烷磺酸内酯、甲烷二磺酸亚甲环酯。所述磷酸酯类单体的示例包括但不限于二甲基乙烯基磷酸酯、二乙基乙烯基磷酸酯、二乙基丙烯基磷酸酯、二乙基丁烯基磷酸酯、二乙基1-丁烯-2-基膦酸酯、二乙基乙炔基磷酸酯、乙烯基三氟代甲基磷酸酯、乙烯基-1-三氟代乙基磷酸酯、二乙基氟代乙烯 基磷酸酯、1-三氟代丙烯基乙基磷酸酯中的一种或几种。所述羧酸酯类单体的示例包括但不限于醋酸乙烯酯。所述砜类单体的示例包括但不限于甲基乙烯基砜、乙基乙烯基砜、环丁烯砜、环丁砜、环乙亚砜中的一种或几种。所述酰胺类单体的示例包括但不限于丙烯酰胺。所述腈类单体的示例包括但不限于丙烯腈、丁二腈、戊二腈、己二腈中的一种或几种。所述醚类单体的示例包括但不限于1,3-二氧五环、环氧乙烷、1,2-环氧丙烷、4-甲基-1,3-二氧五环、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、1,4-二氧六环、乙二醇二甲醚、乙二醇二缩水甘油醚、三乙二醇二乙烯基醚中的一种或几种。
作为示例,所述第二单体可交联。可选地,所述第二单体选自丙烯酸酯类单体中的一种或几种。
所述丙烯酸酯类单体的示例包括但不限于丙烯酸、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸异癸酯、丙烯酸异辛酯、丙烯酸月桂酯、丙烯酸异冰片酯、甲基丙烯酸异冰片酯、丙烯酸乙氧基乙氧基乙酯、氰基丙烯酸酯、己内酯丙烯酸酯、2-苯氧基乙基丙烯酸酯、丙烯酸四氢呋喃酯、乙氧化四氢呋喃丙烯酸酯、环三羟甲基丙烷丙烯酸酯、2-羧乙基丙烯酸酯、环己基丙烯酸酯、乙二醇二丙烯酸酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯、丙二醇二甲基丙烯酸酯、二乙二醇二丙烯酸酯、二乙二醇二甲基丙烯酸酯、三乙二醇二丙烯酸酯、三乙二醇二甲基丙烯酸酯、四乙二醇二丙烯酸酯、四乙二醇二甲基丙烯酸酯、1,4-丁二醇二丙烯酸酯、1,4-丁二醇二甲基丙烯酸酯、1,3-丁二醇二丙烯酸酯、1,3-丁二醇二甲基丙烯酸酯、1,6-己二醇二丙烯酸酯、1,6-己二醇二甲基丙烯酸酯、二丙二醇二丙烯酸酯、二丙二醇二甲基丙烯酸酯、二缩三丙二醇二丙烯酸酯、二缩三丙二醇二甲基丙烯酸酯、新戊二醇二丙烯酸酯、新戊二醇二甲基丙烯酸酯、2(丙氧化)新戊二醇二丙烯酸酯、聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、聚丙二醇二甲基丙烯酸酯、聚环己基丙烯酸酯、甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯、乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯、丙氧基化甘油三丙烯酸酯(GPTA)、三(2-羟乙基)异氰脲酸三丙烯酸酯、二(三羟甲基丙烷)四丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯、4(乙氧基)季戊四醇四丙烯酸酯、双季戊四醇六丙烯酸酯中的一种或几种。
可选地,所述丙烯酸酯类单体包括选自乙二醇二丙烯酸酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯、丙二醇二甲基丙烯酸酯、二乙二醇二丙烯酸酯、二乙二醇二甲基丙烯酸酯、三乙二醇二丙烯酸酯、三乙二醇二甲基丙烯酸酯、四乙二醇二丙烯酸酯、四乙二醇二甲基丙烯酸酯、1,4-丁二醇二丙烯酸酯、1,4-丁二醇二甲基丙烯酸酯、1,3-丁二醇二丙烯酸酯、1,3-丁二醇二甲基丙烯酸酯、1,6-己二醇二丙烯酸酯、1,6-己二醇二甲基丙烯酸酯、二丙二醇二丙烯酸酯、二丙二醇二甲基丙烯酸酯、二缩三丙二醇二丙烯酸酯、二缩三丙二醇二甲基丙烯酸酯、新戊二醇二丙烯酸酯、新戊二醇二甲基丙烯酸酯、2(丙氧化)新戊二醇二丙烯酸酯、聚乙二醇二丙烯酸酯、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、聚丙二醇二甲基丙烯酸酯、聚环己基丙烯酸酯、甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯、乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯、丙氧基化甘油三丙烯酸酯、三(2-羟乙基)异氰脲酸三丙烯酸酯、二(三羟甲基丙烷)四丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯、4(乙氧基)季戊四醇四丙烯酸酯、双季戊四醇六丙烯酸酯中的 一种或几种。这些丙烯酸酯类单体具有多官能度,活性高、固化速率快、耐化学性好。
在一些实施例中,所述单体包括第一单体、第二单体中的一种或几种。例如,所述单体为所述第一单体,或所述单体同时包括所述第一单体和所述第二单体。可选地,所述第一单体和所述第二单体的质量比为(1~99):(99~1)。进一步地,所述第一单体和所述第二单体的质量比为(5~95):(95~5),(10~90):(90~10),(15~85):(85~15),(20~80):(80~20),(25~75):(75~25),(30~70):(70~30),(35~65):(65~35),(40~60):(60~40),或(45~55):(55~45)。
在一些实施例中,所述涂层组合物还包括选自增塑剂和电解质盐中的一种或几种。所述增塑剂可以调节所述涂层组合物的粘度,便于涂布,同时所述增塑剂的存在还有利于形成凝胶型聚合物包覆层。所述电解质盐可以增加所述聚合物包覆层的离子电导率,从而在不过分降低电极组件能量密度的同时有效避免电极组件弯折区出现活性离子还原形成金属单质的情况。
本申请对所述增塑剂的种类没有特别的限制,在一些实施例中,所述增塑剂包括选自碳酸甲乙酯(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)、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)、二甲砜(MSM)、甲乙砜(EMS)、二乙砜(ESE)中的一种或几种。
本申请对所述电解质盐的种类没有特别的限制,在一些实施例中,所述电解质盐包括但不限于锂盐、钠盐中的一种或几种。可选地,所述锂盐包括选自六氟磷酸锂(LiPF
6)、四氟硼酸锂(LiBF
4)、高氯酸锂(LiClO
4)、六氟砷酸锂(LiAsF
6)、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(LiPO
2F
2)、二氟二草酸磷酸锂(LiDFOP)、四氟草酸磷酸锂(LiTFOP)中的一种或几种。可选地,所述钠盐包括选自NaPF
6、NaClO
4、NaBCl
4、NaSO
3CF
3、Na(CH
3)C
6H
4SO
3中的一种或几种。
在一些实施例中,基于所述涂层组合物的总质量计,所述涂层组合物包括:单体,5%~100%;增塑剂,0%~80%;电解质盐,0%~20%。
在一些实施例中,所述涂层组合物仅包括单体。
在一些实施例中,所述涂层组合物包括单体和电解质盐。基于所述涂层组合物的总质量计,所述涂层组合物包括:单体,大于等于80%且小于100%;电解质盐,大于0%且小于等于20%。可选地,基于所述涂层组合物的总质量计,所述涂层组合物包括:单体,81%~99%;电解质盐,1%~19%。
在一些实施例中,所述涂层组合物包括单体和增塑剂。基于所述涂层组合物的总质量计,所述涂层组合物包括:单体,大于等于20%且小于100%;增塑剂,大于0%且小于等于80%。基于所述涂层组合物的总质量计,所述涂层组合物包括:单体,21%~99%;增塑剂,1%~79%。
在一些实施例中,所述涂层组合物包括单体、增塑剂和电解质盐。基于所述涂层组合物的总质量计,所述涂层组合物包括:单体,大于等于5%且小于100%;增塑剂,大于0%且小于等于80%;电解质盐,大于0%且小于等于20%。基于所述涂层组合物的总 质量计,所述涂层组合物包括:单体,6%~99%;增塑剂,0.5%~79%;电解质盐,0.5%~19%。
在一些实施例中,所述涂层组合物的粘度为3cp~100cp。所述涂层组合物的粘度可以通过调节所述第一单体的种类、所述第一单体的含量、所述第二单体的种类、所述第二单体的含量、所述电解质盐的种类、所述电解质盐的含量、所述增塑剂的种类、所述增塑剂的含量等中的一个或几个得到,并且所述涂层组合物的粘度控制在合适的范围内时,有利于在所述第一弯折部的大部分正极活性材料表面形成聚合物包覆层,以及有利于更好地调节所述第一弯折部的离子电导率。
在一些实施例中,所述单体通过原位聚合固化形成所述聚合物包覆层的聚合方式包括选自光引发聚合、辐照引发聚合、引发剂引发聚合中的一种或几种。
例如,所述单体通过原位聚合固化形成所述聚合物包覆层的聚合方式为光引发聚合。本申请对所述光的功率密度没有特别的限制,只要能使所述单体聚合即可。可选地,所述光的功率密度为2W/cm
2~5W/cm
2。本申请对所述光引发聚合时间也没有特别的限制,只要能使所述单体聚合即可。可选地,所述光引发聚合时间为10s~300s。在一些实施例中,所述涂层组合物还可以包括光敏剂(Photosensitizer),光敏剂是指一类能在紫外光区(250~420nm)或可见光区(400~800nm)吸收能量产生自由基、阳离子等,从而引发单体聚合固化的化合物。基于所述单体的总质量,所述光敏剂的质量百分含量≤5%。可选地,所述光敏剂的质量百分含量≤2%。本申请对所述光敏剂的种类没有特别的限制,只要能使所述单体聚合即可。作为示例,所述光敏剂可包括但不限于安息香及其衍生物、苯乙酮衍生物、α-羟基酮衍生物、α-氨基酮衍生物、酰基磷氧化物、二苯甲酮及其衍生物、硫杂蒽酮及其衍生物中的一种或几种。
例如,所述单体通过原位聚合固化形成所述聚合物包覆层的聚合方式为辐照引发聚合。本申请对所述辐照聚合采用的辐射线没有特别的限制,只要能使所述单体聚合即可。在一些实施例中,所述辐射线包括选自α射线、β射线、γ射线、X射线、中子、电子束中的一种或几种。本申请对所述辐照聚合的辐照总剂量没有特别的限制,只要能使所述单体聚合即可。在一些实施例中,所述辐照总剂量为30Gy~30kGy。
例如,所述单体通过原位聚合固化形成所述聚合物包覆层的聚合方式为引发剂引发聚合。在一些实施例中,所述引发剂引发聚合的温度为50℃~85℃,时间为1h~12h。基于所述单体的总质量,所述引发剂的质量百分含量≤5%。可选地,所述引发剂的质量百分含量≤2%。本申请对所述引发剂的种类没有特别的限制,只要能使所述单体聚合即可。在一些实施例中,所述引发剂包括有机过氧类引发剂、无机过氧类引发剂、偶氮类引发剂中的一种或几种。所述有机过氧类引发剂的示例可包括但不限于过氧化二苯甲酰(BPO)、过氧化月桂酰、过氧化苯甲酸特丁酯、过氧化特戊酸特丁酯、过氧化二碳酸二异丙酯、过氧化二碳酸二环己酯中的一种或几种。所述无机过氧类引发剂的示例可包括但不限于过硫酸钾、过硫酸铵中的一种或两种。所述偶氮类引发剂的示例可包括但不限于偶氮二异丁腈(AIBN)、偶氮二异庚腈中的一种或两种。
在本申请的电极组件中,通过调节所述第一单体的种类、所述第一单体的含量、所述第二单体的种类、所述第二单体的含量、所述电解质盐的种类、所述电解质盐的含量、所述增塑剂的种类、所述增塑剂的含量、所述引发剂的种类、所述引发剂的含量、 所述单体引发聚合方式、所述单体引发聚合工艺参数等中的一个或几个,可以使所述第一弯折部的离子电导率λ
1与所述正极平直部的离子电导率λ
2之比满足0≤λ
1/λ
2<1。
根据公式λ=d/RS,λ表示离子电导率,d表示厚度,R表示离子电阻,S表示面积,相同规格正极极片的离子电导率之比等价于其离子电阻之比的倒数,因此可以通过分别测试第一弯折部的离子电阻R
1和正极平直部的离子电阻R
2,进而计算得到第一弯折部的离子电导率λ
1和正极平直部的离子电导率λ
2之比λ
1/λ
2,并且λ
1/λ
2=R
2/R
1。正极极片第一弯折部的离子电阻R
1和正极平直部的离子电阻R
2可采用本领域公知的仪器及方法进行测定,例如采用交流阻抗法进行测定。为了便于计算,可以分别从正极极片的第一弯折部和正极平直部裁切出相同面积的圆片,之后分别与隔离膜、锂金属片组装成半电池;注入电解液,采用电化学工作站的电化学交流阻抗法进行测试,绘制Nyquist图;利用等效电路曲线拟合法对所得到的Nyquist图进行分析,以半圆直径,即电荷转移电阻Rct作为测试正极极片的离子电阻。测试电压可为10mV,测试频率可为0.1Hz~100KHz。
制备半电池时,当正极极片是双面涂布时,可先使用水或其他溶剂擦拭掉其中一面的膜层;锂金属片的面积可大于正极极片的面积;此外,由于电解液对半电池电阻的贡献较低,可以忽略不计,因此本申请在制备半电池时对电解液的组成没有特别的限制,可以采用本领域常规的电解液。例如,电解液可以通过如下步骤得到:将碳酸乙烯酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)按照体积比1:1混合得到有机溶剂,然后将双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)溶解在上述有机溶剂中得到电解液,其中LiFSI的浓度为1mol/L。
需要说明的是,测试时正极极片可直接取新鲜制备的经冷压的正极极片,或从二次电池中获取正极极片。其中,从二次电池中获取正极极片的示例性方法如下:将二次电池满放后拆解出正极极片,将正极极片浸泡在有机溶剂(例如,碳酸二甲酯)中一段时间(例如,30min),然后将正极极片取出并在一定温度和时间下干燥(例如,80℃,6h)。
[电极组件的制备方法]
本申请实施方式第一方面还提供了电极组件的示例性制备方法。
图2是本申请一些实施例提供的电极组件的制备方法的流程示意图。如图2所示,本申请实施方式第一方面的电极组件的制备方法包括:S100,提供含有正极活性材料的正极极片和负极极片;S200,将所述正极极片和所述负极极片卷绕以形成电极组件。其中,所述正极极片具有一个以上的正极弯折部和一个以上的与所述正极弯折部相连的正极平直部,所述正极极片中的至少一个正极弯折部为第一弯折部,所述第一弯折部的至少一部分所述正极活性材料具有能够阻挡活性离子迁移的聚合物包覆层,并且所述第一弯折部的离子电导率λ
1与所述正极平直部的离子电导率λ
2之比满足0≤λ
1/λ
2<1。
正极极片和负极极片均为带状结构。本申请实施例可以先将正极极片和负极极片依次层叠,然后再卷绕两圈以上以形成电极组件。
图3是本申请一些实施例提供的正极极片的制备方法的流程示意图。如图3所示,本申请一些实施例的正极极片的制备方法包括:S101,将一部分正极活性材料与可选的导电剂、可选的粘结剂以及任意的其他组分分散于溶剂中搅拌均匀形成第一正极浆料;S102,将另一部分正极活性材料浸渍在包括至少一种单体的涂层组合物中,通过原位聚合固化在这一部分正极活性材料表面形成聚合物包覆层,之后将所得到的正极活性材料 与可选的导电剂、可选的粘结剂以及任意的其他组分分散于溶剂中搅拌均匀形成第二正极浆料;S103,将所述第一正极浆料和所述第二正极浆料涂布在正极集流体上对应位置,经干燥、冷压后形成正极极片。
图4是本申请另一些实施例提供的正极极片的制备方法的流程示意图。如图4所示,本申请另一些实施例的的正极极片的制备方法包括:S104,将一部分正极活性材料与可选的导电剂、可选的粘结剂以及任意的其他组分分散于溶剂中搅拌均匀形成第一正极浆料;S105,将另一部分正极活性材料、包括至少一种单体的涂层组合物与可选的导电剂、可选的粘结剂以及任意的其他组分分散于溶剂中搅拌均匀形成第二正极浆料;S106,将第一正极浆料和第二正极浆料涂布在正极集流体上对应位置,经原位聚合固化、干燥、冷压后形成正极极片。
在一些实施例中,通过使用双层涂布装置能够实现浆料的分段式涂布,例如将第二正极浆料涂布在用于形成第一弯折部的位置,将第一正极浆料涂布在用于形成正极平直部和其他正极弯折部的位置。
图5是本申请又一些实施例提供的正极极片的制备方法的流程示意图。如图5所示,本申请又一些实施例的的正极极片的制备方法包括:S107,将正极活性材料与可选的导电剂、可选的粘结剂以及任意的其他组分分散于溶剂中搅拌均匀形成正极浆料;S108,将正极浆料涂布在正极集流体上,经干燥、冷压后,形成初始正极极片;S109,将包括至少一种单体的涂层组合物涂布在初始正极极片用于通过卷绕形成第一弯折部的位置,以在第一弯折部的至少一部分正极活性材料表面形成聚合物包覆层。
本申请实施例提供的正极极片的示例性制备方法能够保证正极极片生产的连续性,与现有设备兼容性强,同时还能够在电极组件增重较小的情况下有效改善电极组件的安全性能。
本申请对浆料和涂层组合物的涂布方式没有特别的限制,例如可以为刮刀涂布、凹版涂布、狭缝式涂布、浸渍涂布、或喷涂等。
在基于上述示例性的制备方法制备电极组件时,不必按照上述步骤依次执行,也就是说,可以按照上述实施例中提及的顺序执行步骤,也可以按照不同于实施例中提及的顺序执行步骤,或者若干步骤同时执行。例如,步骤S101和步骤S102、步骤S104和步骤S105的执行不分先后,也可以同时执行。
需要说明的是,通过上述电极组件的制备方法制备出的电极组件的相关结构,可参见上述各实施例提供的电极组件。
二次电池
本申请实施方式的第二方面提供一种二次电池,包括本申请实施方式第一方面的电极组件和电解质。本申请对二次电池种类没有特别的限制,例如,二次电池可以为锂离子电池、钠离子电池等。
电解质在正极极片和负极极片之间起到传导活性离子的作用。本申请对电解质的种类没有具体的限制,可根据需求进行选择。例如,电解质可以选自固态电解质及液态电解质(即电解液)中的至少一种。
在一些实施例中,电解质采用电解液。电解液包括电解质盐和溶剂。
电解质盐的种类不受具体的限制,可根据实际需求进行选择。例如,电解质盐包 括选自用于锂离子电池的锂盐、用于钠离子电池的钠盐中的一种或几种。作为示例,所述锂盐包括选自六氟磷酸锂(LiPF
6)、四氟硼酸锂(LiBF
4)、高氯酸锂(LiClO
4)、六氟砷酸锂(LiAsF
6)、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(LiPO
2F
2)、二氟二草酸磷酸锂(LiDFOP)、四氟草酸磷酸锂(LiTFOP)中的一种或几种。作为示例,所述钠盐包括选自NaPF
6、NaClO
4、NaBCl
4、NaSO
3CF
3、Na(CH
3)C
6H
4SO
3中的一种或几种。
溶剂的种类不受具体的限制,可根据实际需求进行选择。在一些实施例中,作为示例,溶剂可包括选自碳酸乙烯酯(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)中的一种或几种。
在一些实施例中,电解液中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,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。
在一些实施例中,二次电池可包括外包装。该外包装可用于封装上述电极组件及电解质。
在一些实施例中,二次电池的外包装可以是硬壳,例如硬塑料壳、铝壳、钢壳等。二次电池的外包装也可以是软包,例如袋式软包。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)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)等中的一种或几种。
本申请对二次电池的形状没有特别的限制,其可以是扁平体、长方体或其他形状。如图6是作为一个示例的长方体结构的二次电池5。
在一些实施例中,如图7所示,外包装可包括壳体51和盖板53。其中,壳体51可包括底板和连接于底板上的侧板,底板和侧板合围形成容纳腔。壳体51具有与所述容纳腔连通的开口,盖板53用于盖设所述开口,以封闭所述容纳腔。本申请实施方式第一方面的电极组件52封装于所述容纳腔。电解液浸润于电极组件52中。二次电池5所含电极组件52的数量可以为一个或几个,可根据需求来调节。
本申请的二次电池的制备方法是公知的,所述方法至少包括本申请实施方式第一方面制备电极组件的步骤。在一些实施例中,可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,得到二次电池。
在本申请的一些实施例中,根据本申请的二次电池可以组装成电池模块,电池模块所含二次电池的数量可以为多个,具体数量可根据电池模块的应用和容量来调节。
图8是作为一个示例的电池模块4的示意图。如图8所示,在电池模块4中,多个二次电池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二次电池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,多个二次电池5容纳于该容纳空间。
在一些实施例中,上述电池模块还可以组装成电池包,电池包所含电池模块的数量可以根据电池包的应用和容量进行调节。
图9和图10是作为一个示例的电池包1的示意图。如图9和图10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。
用电装置
本申请实施方式还提供一种用电装置,所述用电装置包括本申请的二次电池、电池模块、或电池包中的至少一种。所述二次电池、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二次电池、电池模块或电池包。
图11是作为一个示例的用电装置的示意图。该用电装置为纯电动车、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,可以采用二次电池作为电源。
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。
对比例1
将正极活性材料LiNi
0.5Co
0.2Mn
0.3O
2(NCM523)、导电剂炭黑(SuperP)、粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)按照质量比91.6:1.8:6.6与溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)中混合均匀,制成正极浆料;将制备好的正极浆料涂覆于铝箔集流体其中一个表面上,于烘箱中干燥、冷压后,得到正极极片。
实施例1~20
将第一单体、第二单体、增塑剂和电解质盐分别按照表1所示的组成和质量百分含量混合后,加入1%的引发剂偶氮二异丁腈(AIBN)得到实施例1~20的涂层组合物。为了更加直观地观察正极极片的容量发挥情况,将上述涂层组合物喷涂在对比例1制备的正极极片的整个表面,原位聚合固化后得到实施例1~20的正极极片。
在渗流效应下,实施例1~20制备的正极极片内部正极活性材料颗粒表面同样可以被涂层组合物包覆,并在原位聚合固化后形成聚合物包覆层。通过调控喷涂液体的质 量,可以调节正极活性材料颗粒表面聚合物包覆层的厚度。
在表1中,引发剂引发聚合是将正极极片置于65℃烘箱聚合反应5h,光引发聚合是将正极极片在功率密度为5W/cm
2的紫外光下照射10s。
将对比例1和实施例1~20制备的正极极片裁切成相同面积的圆片后,分别与隔离膜、锂金属片组装成半电池;注入电解液,采用输力强(Solartron)1470ECellTest多通道电化学工作站的电化学交流阻抗法进行测试,绘制Nyquist图;采用Zview软件利用等效电路曲线拟合法对所得到的Nyquist图进行分析,以半圆直径,即电荷转移电阻Rct作为半电池的电阻。测试电压可为10mV,测试频率可为0.1Hz~100KHz。隔离膜采用多孔PE膜。电解液的制备过程如下:将碳酸乙烯酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)按照体积比1:1混合得到有机溶剂,然后将双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)溶解在上述有机溶剂中得到电解液,其中LiFSI的浓度为1mol/L。
实施例1~20制备的正极极片的离子电导率λ
1与对比例1制备的正极极片的离子电导率λ
2之比λ
1/λ
2可以用实施例1~20制备的正极极片通过上述测试方法得到的半电池的电阻与对比例1制备的正极极片通过上述测试方法得到的半电池的电阻之比的倒数表示。测试结果示出在表2中。
接下来观察正极极片的容量发挥情况。
首先将对比例1和实施例1~20制备的正极极片按照如下步骤制备成软包电池。
负极极片的制备:将负极活性材料石墨、导电剂炭黑(SuperP)、粘结剂丁苯橡胶(SBR)、增稠剂羧甲基纤维素钠(CMC-Na)按质量比95.4:1.5:2.5:0.6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铜箔集流体的其中一个表面上,经干燥、冷压后,得到负极极片。
隔离膜的制备:采用多孔PE膜。
电解液的制备:将碳酸乙烯酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)按照体积比1:1混合得到有机溶剂,然后将双氟磺酰亚胺锂(LiFSI)溶解在上述有机溶剂中得到电解液,其中LiFSI的浓度为1mol/L。
软包电池的制备:将正极极片、隔离膜、负极极片按顺序堆叠后,得到电极组件;将电极组件置于外包装铝塑膜中,干燥后注入电解液,经过真空封装、静置、化成、整形等工序,得到软包电池。
接下来采用电池充放电机测试软包电池的容量性能。
将软包电池静置5分钟后,以0.33C(46mA)恒流充电至4.25V,之后以4.25V恒压充电至电流小于0.05C,得到电池的首周充电容量;静置5分钟后,再以0.33C恒流放电至2.8V,得到电池的首周放电容量。测试结果示出在表2中。
图12为对比例1制备的正极极片的扫描电子显微镜图,图13为实施例3制备的正极极片的扫描电子显微镜图。如图13所示,涂层组合物在正极活性材料颗粒表面原位聚合固化后形成了一层聚合物包覆层,结合表2的测试结果可以看出,该聚合物包覆层能起到阻挡活性离子迁移和降低正极极片容量发挥的作用。
图14为对比例1制备的软包电池的循环曲线图,图15为实施例11制备的软包电池的循环曲线图。从图14和图15中可以看出,正极活性材料颗粒表面原位聚合固化形成聚合物包覆层后,扣式电池的容量大幅下降。因此,将聚合物包覆层应用于电极组件弯 折区后,可以有效降低电极组件弯折区出现活性离子还原形成金属单质的情况,显著改善电极组件的安全性能。
从实施例1~20的测试结果还可以看出,通过调节涂层组合物的组成,还可以调节软包电池的容量发挥情况,从而本申请还可以根据不同的电极组件弯折区容量的具体情况,将涂层组合物进行适当搭配,以达到最好的效果,既能显著改善电极组件的安全性能又不过分降低电极组件的能量密度。
需要说明的是,本申请不限定于上述实施方式。上述实施方式仅为示例,在本申请的技术方案范围内具有与技术思想实质相同的构成、发挥相同作用效果的实施方式均包含在本申请的技术范围内。此外,在不脱离本申请主旨的范围内,对实施方式施加本领域技术人员能够想到的各种变形、将实施方式中的一部分构成要素加以组合而构筑的其它方式也包含在本申请的范围内。
表2
Claims (21)
- 一种电极组件,包括含有正极活性材料的正极极片和负极极片,所述正极极片具有一个以上的正极弯折部和一个以上的与所述正极弯折部相连的正极平直部,其中,所述正极极片中的至少一个正极弯折部为第一弯折部,所述第一弯折部的至少一部分所述正极活性材料具有能够阻挡活性离子迁移的聚合物包覆层,并且所述第一弯折部的离子电导率λ 1与所述正极平直部的离子电导率λ 2之比满足0≤λ 1/λ 2<1。
- 根据权利要求1所述的电极组件,其中,0≤λ 1/λ 2≤0.9,可选地,0<λ 1/λ 2≤0.9。
- 根据权利要求1或2所述的电极组件,其中,所述电极组件具有卷绕结构,并且在所述卷绕结构中,所述正极极片中的至少最内侧的一个正极弯折部为所述第一弯折部。
- 根据权利要求1-3中任一项所述的电极组件,其中,所述聚合物包覆层的厚度为0.01μm~50μm,可选地为1μm~10μm。
- 根据权利要求1-4中任一项所述的电极组件,其中,所述聚合物包覆层位于所述正极活性材料颗粒的80%~100%的表面,可选地为95%~100%的表面。
- 根据权利要求1-5中任一项所述的电极组件,其中,所述聚合物包覆层还包括选自增塑剂和电解质盐中的一种或几种,可选地,所述增塑剂包括选自碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、碳酸二丙酯、碳酸甲丙酯、碳酸乙丙酯、甲酸甲酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯、丁酸甲酯、丁酸乙酯、1,4-丁内酯、二甲砜、甲乙砜、二乙砜中的一种或几种;可选地,所述电解质盐包括选自锂盐、钠盐中的一种或几种,可选地,所述电解质盐包括选自六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、高氯酸锂、六氟砷酸锂、双氟磺酰亚胺锂、双三氟甲磺酰亚胺锂、三氟甲磺酸锂、二氟草酸硼酸锂、二草酸硼酸锂、二氟磷酸锂、二氟二草酸磷酸锂、四氟草酸磷酸锂、NaPF 6、NaClO 4、NaBCl 4、NaSO 3CF 3、Na(CH 3)C 6H 4SO 3中的一种或几种。
- 根据权利要求6所述的电极组件,其中,基于所述聚合物包覆层的总质量计,所述聚合物包覆层包括:聚合物,5%~100%;增塑剂,0%~80%;电解质盐,0%~20%。
- 根据权利要求1-7中任一项所述的电极组件,其中,所述聚合物包覆层通过包括至少一种单体的涂层组合物的原位聚合固化而形成。
- 根据权利要求8所述的电极组件,其中,所述单体包括第一单体、第二单体中的一种或几种,所述第一单体可开环聚合或具有可聚合的不饱合键,可选地,所述第一单体选自碳酸酯类单体、硫酸酯类单体、磺酸酯类单体、磷酸酯类单体、羧酸酯类单体、砜类单体、酰胺类单体、腈类单体、醚类单体中的一种或几种,所述第二单体可交联,可选地,所述第二单体选自丙烯酸酯类单体中的一种或几种。
- 根据权利要求9所述的电极组件,其中,所述单体为所述第一单体。
- 根据权利要求9所述的电极组件,其中,所述单体同时包括所述第一单体和所述第二单体,并且所述第一单体和所述第二单体的质量比为(1~99):(99~1),可选地为 (25~75):(75~25)。
- 根据权利要求9-11中任一项所述的电极组件,其中,所述碳酸酯类单体包括选自碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯亚乙酯、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸丁烯酯、氟代碳酸乙烯酯、氯代碳酸乙烯酯中的一种或几种;和/或,所述硫酸酯类单体包括选自乙烯基亚硫酸乙烯酯、亚硫酸乙烯酯、4-甲基硫酸乙烯酯、4-乙基硫酸乙烯酯;和/或,所述磺酸酯类单体包括选自1,3-丙烯磺酸内酯、1,3-丙烷磺酸内酯、1,4-丁烷磺酸内酯、甲烷二磺酸亚甲环酯;和/或,所述磷酸酯类单体包括选自二甲基乙烯基磷酸酯、二乙基乙烯基磷酸酯、二乙基丙烯基磷酸酯、二乙基丁烯基磷酸酯、二乙基1-丁烯-2-基膦酸酯、二乙基乙炔基磷酸酯、乙烯基三氟代甲基磷酸酯、乙烯基-1-三氟代乙基磷酸酯、二乙基氟代乙烯基磷酸酯、1-三氟代丙烯基乙基磷酸酯中的一种或几种;和/或,所述羧酸酯类单体包括醋酸乙烯酯;和/或,所述砜类单体包括选自甲基乙烯基砜、乙基乙烯基砜、环丁烯砜、环丁砜、环乙亚砜中的一种或几种;和/或,所述酰胺类单体包括丙烯酰胺;和/或,所述腈类单体包括选自丙烯腈、丁二腈、戊二腈、己二腈中的一种或几种;和/或,所述醚类单体包括选自1,3-二氧五环、环氧乙烷、1,2-环氧丙烷、4-甲基-1,3-二氧五环、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、1,4-二氧六环、乙二醇二甲醚、乙二醇二缩水甘油醚、三乙二醇二乙烯基醚中的一种或几种;和/或,所述丙烯酸酯类单体包括选自丙烯酸、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸异癸酯、丙烯酸异辛酯、丙烯酸月桂酯、丙烯酸异冰片酯、甲基丙烯酸异冰片酯、丙烯酸乙氧基乙氧基乙酯、氰基丙烯酸酯、己内酯丙烯酸酯、2-苯氧基乙基丙烯酸酯、丙烯酸四氢呋喃酯、乙氧化四氢呋喃丙烯酸酯、环三羟甲基丙烷丙烯酸酯、2-羧乙基丙烯酸酯、环己基丙烯酸酯、乙二醇二丙烯酸酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯、丙二醇二甲基丙烯酸酯、二乙二醇二丙烯酸酯、二乙二醇二甲基丙烯酸酯、三乙二醇二丙烯酸酯、三乙二醇二甲基丙烯酸酯、四乙二醇二丙烯酸酯、四乙二醇二甲基丙烯酸酯、1,4-丁二醇二丙烯酸酯、1,4-丁二醇二甲基丙烯酸酯、1,3-丁二醇二丙烯酸酯、1,3-丁二醇二甲基丙烯酸酯、1,6-己二醇二丙烯酸酯、1,6-己二醇二甲基丙烯酸酯、二丙二醇二丙烯酸酯、二丙二醇二甲基丙烯酸酯、二缩三丙二醇二丙烯酸酯、二缩三丙二醇二甲基丙烯酸酯、新戊二醇二丙烯酸酯、新戊二醇二甲基丙烯酸酯、2(丙氧化)新戊二醇二丙烯酸酯、聚乙二醇二丙烯酸酯、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、聚丙二醇二甲基丙烯酸酯、聚环己基丙烯酸酯、甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯、乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯、丙氧基化甘油三丙烯酸酯、三(2-羟乙基)异氰脲酸三丙烯酸酯、二(三羟甲基丙烷)四丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯、4(乙氧基)季戊四醇四丙烯酸酯、双季戊四醇六丙烯酸酯中的一种或几种。
- 根据权利要求8-12中任一项所述的电极组件,其中,所述涂层组合物还包括选自增塑剂和电解质盐中的一种或几种,可选地,所述增塑剂包括选自碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、碳酸二丙酯、碳酸甲丙酯、碳酸乙丙酯、甲酸甲酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯、丁酸甲酯、丁酸乙酯、1,4-丁内酯、二甲砜、甲乙砜、二乙砜中的一种或几种;可选地,所述电解质盐包括选自锂盐、钠盐中的一种或几种,可选地,所述电解质盐包括选自六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、高氯酸锂、六氟砷酸锂、双氟磺酰亚胺锂、双三氟甲磺酰亚胺锂、三氟甲磺酸锂、二氟草酸硼酸锂、二草酸硼酸锂、二氟磷酸锂、二氟二草酸磷酸锂、四氟草酸磷酸锂、NaPF 6、NaClO 4、NaBCl 4、NaSO 3CF 3、Na(CH 3)C 6H 4SO 3中的一种或几种。
- 根据权利要求13所述的电极组件,其中,基于所述涂层组合物的总质量计,所述涂层组合物包括:单体,5%~100%;增塑剂,0%~80%;电解质盐,0%~20%。
- 根据权利要求8-14中任一项所述的电极组件,其中,所述涂层组合物的粘度为3cp~100cp。
- 根据权利要求8-15中任一项所述的电极组件,其中,所述单体通过原位聚合固化形成所述聚合物包覆层的聚合方式包括选自光引发聚合、辐照引发聚合、引发剂引发聚合中的一种或几种,可选地,所述光的功率密度为2W/cm 2~5W/cm 2,所述光引发聚合时间为10s~300s;可选的,所述辐照总剂量为30Gy~30kGy;可选地,所述引发剂引发聚合的温度为50℃~85℃,时间为1h~12h。
- 根据权利要求16所述的电极组件,其中,基于所述单体的总质量,所述引发剂的质量百分含量≤5%,可选地≤2%。
- 一种二次电池,包括根据权利要求1-17中任一项所述的电极组件。
- 一种电池模块,包括根据权利要求18所述的二次电池。
- 一种电池包,包括根据权利要求19所述的电池模块。
- 一种用电装置,包括根据权利要求18所述的二次电池、根据权利要求19所述的电池模块、根据权利要求20所述的电池包中的至少一种。
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