CN117413378A - 电池单体、电池以及用电装置 - Google Patents

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CN117413378A CN202280038989.8A CN202280038989A CN117413378A CN 117413378 A CN117413378 A CN 117413378A CN 202280038989 A CN202280038989 A CN 202280038989A CN 117413378 A CN117413378 A CN 117413378A
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陈兴布
毛国安
李全坤
王鹏
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Abstract

一种电池单体(7)、电池(2)以及用电装置。电池单体(7)包括外壳(20)和正极片(11)。外壳(20)的熔点为N。正极片(11)容纳于外壳(20)内且包括正极活性材料，正极活性材料包含锂镍钴锰氧化物，锂镍钴锰氧化物中的镍元素的重量为G1，镍元素、钴元素和锰元素的的重量之和为G2，G1/G2的值记为M。M和N满足：0.1≤M≤0.65，N≥(50M+500)℃；或者，M和N满足：0.65＜M＜1，N≥(950M+500)℃。

Description

电池单体、电池以及用电装置 技术领域
本申请涉及电池技术领域，并且更具体地，涉及一种电池单体、电池以及用电装置。
背景技术
电池单体广泛用于电子设备，例如手机、笔记本电脑、电瓶车、电动汽车、电动飞机、电动轮船、电动玩具汽车、电动玩具轮船、电动玩具飞机和电动工具等等。
在电池技术的发展中，如何提高电池单体的安全性，是电池技术中的一个研究方向。
发明内容
本申请提供了一种电池单体、电池以及用电装置，其能提高电池单体的安全性。
第一方面，本申请实施例提供了一种电池单体，其包括外壳和正极片。外壳的熔点为N。正极片容纳于外壳内且包括正极活性材料，正极活性材料包含锂镍钴锰氧化物，锂镍钴锰氧化物中的镍元素的重量为G1，镍元素、钴元素和锰元素的的重量之和为G2，G1/G2的值记为M。M和N满足：0.1≤M≤0.65，N≥(50M+500)℃；或者，M和N满足：0.65＜M＜1，N≥(950M+500)℃。
M的值越高，电极组件在热失控时产气的速率越高、产热越多，外壳需要的熔点越高；反之，M的值越小，电池单体在热失控时产生的热量越少，外壳需要的熔点越低。在上述技术方案中，对于满足0.1≤M≤0.65的电池单体，外壳的熔点至少应该大于或等于(50M+500)℃，以降低外壳在电池单体热失控时被熔穿的风险。对于满足0.65＜M＜1的电池单体， 电池单体的外壳的熔点至少应该大于或等于(950M+500)℃，以降低外壳在电池单体热失控时被熔穿的风险。
在一些实施例中，M和N满足：0.1≤M≤0.65，N≥(200M+500)℃。
在一些实施例中，M和N满足：0.1≤M≤0.65，(50M+500)℃≤N≤(15000M+500)℃。
上述技术方案将外壳的熔点限定为小于或等于(15000M+500)℃，可降低外壳熔点的过量设计，便于外壳材料的选型。
在一些实施例中，M和N满足：0.65＜M＜1，N≥(1000M+500)℃。
在一些实施例中，M和N满足：0.65＜M＜1，(950M+500)℃≤N≤(3000M+500)℃。
上述技术方案将将外壳的熔点限定为小于或等于(3000M+500)℃，可降低外壳熔点的过量设计，便于外壳材料的选型。
在一些实施例中，M和N满足：N≤(1800M+500)℃。
在一些实施例中，电池单体还包括容纳于外壳内的负极片。负极片包括负极活性材料，负极活性材料包括石墨和含硅材料，含硅材料的重量为B1，石墨的重量为B2，B1/(B1+B2)的值记为P。P满足：0＜P＜0.6。
相较于石墨，含硅材料具有较高的比容量；上述技术方案通过利用含硅材料来代替部分的石墨，这样可以有效地提高电池单体的能量密度。但是，含硅材料在充电时的膨胀较大，如果含硅材料的含量过高，那么将会导致电池单体在充电时的膨胀力过大，影响电池单体的安全性和循环寿命。上述技术方案将P的值限定为大于0小于0.6，以平衡电池单体的能量密度和膨胀力。
在一些实施例中，外壳的抗拉强度为Q，Q和M满足：0.1≤M≤0.65，Q≥(50M+50)MPa。对于满足0.1≤M≤0.65的电池单体，外壳的拉伸强度应至少大于或等于(50M+50)MPa，以减小外壳在电池单体热失控时的拉伸量，降低外壳开裂的风险，提高安全性。
在一些实施例中，Q和M满足：0.1≤M≤0.65，Q≤(1100M+50)MPa。将外壳的抗拉强度限定为小于或等于(1100M+50)MPa，可降低外壳的抗拉强度的过量设计，便于外壳材料的选型。
在一些实施例中，外壳的抗拉强度为Q，Q和M满足：0.65＜M＜1，Q≥(300M+50)MPa。对于满足0.65＜M＜1的电池单体，外壳的拉伸强度应至少大于或等于(300M+50)MPa，以降低外壳在电池单体热失控时的拉伸量，降低外壳开裂的风险，提高安全性。
在一些实施例中，Q和M满足：0.65＜M＜1，Q≤(950M+50)MPa。将外壳的抗拉强度限定为小于或等于(950M+50)MPa，可降低外壳的抗拉强度的过量设计，便于外壳材料的选型。
在一些实施例中，外壳包括壳体和端盖，壳体具有开口，端盖用于盖合开口。
在一些实施例中，壳体的壁厚为0.05mm-2mm。壳体的壁厚越小，壳体在电池单体热失控时越容易被熔穿；而壳体的壁厚越大，壳体的重量也越大，电池单体的能量密度越低。上述技术方案将壳体的壁厚设置为0.05mm-2mm，以平衡电池单体的安全性和能量密度。
在一些实施例中，壳体和端盖由同种材料制成。
在一些实施例中，壳体包括沿第一方向设置的两个第一侧板和沿第二方向设置的两个第二侧板，第二侧板连接两个第一侧板，第一方向垂直于第二方向。壳体沿第二方向的尺寸与壳体沿第一方向的尺寸之比为1-50。
在一些实施例中，外壳的材质包括钢或镍。钢、镍等材料的熔点较高，这样可以有效地降低外壳被熔穿的风险。
第二方面，本申请实施例提供了一种电池，包括多个第一方面任一实施例的电池单体。
第三方面，本申请实施例提供了一种用电装置，包括第一方面任一实施例的电池单体，电池单体用于提供电能。
附图说明
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例，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为本申请一些实施例提供的车辆的结构示意图；
图2为本申请一些实施例提供的电池的爆炸示意图；
图3为图2所示的电池模块的结构示意图；
图4为本申请一些实施例提供的电池单体的爆炸示意图；
图5为本申请一些实施例提供的电池单体的剖视示意图；
图6为本申请一些实施例提供的电池单体的正极片的结构示意图；
图7为本申请一些实施例提供的电池单体的负极片的结构示意图。
具体实施方式的附图标记如下：
1、车辆；2、电池；3、控制器；4、马达；5、箱体；5a、第一箱体部；5b、第二箱体部；5c、容纳空间；6、电池模块；7、电池单体；10、电极组件；11、正极片；111、正极集流体；112、正极活性物质层；12、负极片；121、负极集流体；122、负极活性物质层；13、隔离件；20、外壳；21、壳体；211、第一侧板；212、第二侧板；22、端盖；30、电极端子；D1、第一方向；D2、第二方向；D3、第三方向。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
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；本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。本申请的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”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。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、 “长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“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的限制。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“附接”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。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
本申请中出现的“多个”指的是两个以上(包括两个)。
在本申请的实施例中，“平行”不仅包括绝对平行的情况，也包括了工程上常规认知的大致平行的情况；同时，“垂直”也不仅包括绝对垂直的情况，还包括工程上常规认知的大致垂直的情况。示例性地，两个方向的夹角为80°-90°，可认为两个方向垂直；两个方向的夹角为0°-10°，可认为两个方向平行。
本申请中，电池单体可呈圆柱体、扁平体、长方体或其它形状等，本申请实施例对此也不限定。
本申请的实施例所提到的电池是指包括一个或多个电池单体以提供更高的电压和容量的单一的物理模块。例如，本申请中所提到的电池可以包括电池模块或电池包等。电池一般包括用于封装一个或多个电池单体的箱体。箱体可以避免液体或其他异物影响电池单体的充电或放电。
电池单体包括电极组件和电解液，电极组件包括正极片、负极片和隔离件。电池单体主要依靠金属离子在正极片和负极片之间移动来工作。正极片包括正极集流体和正极活性物质层，正极活性物质层涂覆于正极集流体的表面；正极集流体包括正极集流部和正极极耳，正极集流部涂覆有正极活性物质层，正极极耳未涂覆正极活性物质层。以锂离子电池为例，正极集流体的材料可以为铝，正极活性物质层包括正极活性材料，正极活性材料可以为钴酸锂、磷酸铁锂、三元锂或锰酸锂等。负极片包括负极集流体和负极活性物质层，负极活性物质层涂覆于负极集流体的表面；负极集流体包括负极集流部和负极极耳，负极集流部涂覆有负极活性物质层，负极极耳未涂覆负极活性物质层。负极集流体的材料可以为铜，负极活性物质层包括负极活性材料，负极活性材料可以为碳或硅等。隔离件的材质可以为PP(polypropylene，聚丙烯)或PE(polyethylene，聚乙烯)等。
电池单体还包括外壳，外壳内形成有用于容纳电极组件和电解液的密封空间。外壳可以从外侧保护电极组件，降低电极组件失效地风险。
电池技术的发展要同时考虑多方面的设计因素，例如，能量密度、循环寿命、放电容量、充放电倍率等性能参数。为了提高电池单体的可逆容量和低温稳定性，正极片的正极活性材料采用了三元锂材料。示例性地，正极活性材料包含锂镍钴锰氧化物。
在电池技术的发展中，还需要考虑电池的安全性。
在电池中，多个电池单体成组使用。当某个电池单体因意外情况(例如碰撞、短路或其它情况)而出现热失控时，电极组件急剧产热并产生出高温高压物质。电池单体通常设置有泄压机构，泄压机构可以在电池单体内部的压力或温度达到阈值时破坏，从而形成供高温高压物质排出的通道。泄压机构能够在可控压力或温度的情况下使电池单体发生泄压，从而避免潜在的更严重的事故发生。
然而，发明人注意到，电极组件释放的高温高压物质会作用在外壳上，如果外壳被熔化，那么高温高压物质可能会经由外壳熔化形成的开口排出。经由外壳熔化形成的开口排出的高温高压物质会作用在其它正常的电池单体上，这会导致其它电池单体接连出现热失控，造成安全事故。
发明人经过大量的研究发现，电极组件在热失控时产热与正极活性材料的锂镍钴锰氧化物中的镍元素含量相关，镍元素的含量越高，电极组件在热失控时产气的速率越高、产热越多，外壳被熔化的风险也越高。
鉴于此，发明人提出了一种电池单体，其根据正极活性材料中镍元素含量来选择外壳，以降低外壳在电池单体出现热失控时熔化的风险，提高安全性。具体地，电池单体包括外壳和正极片。外壳的熔点为N。正极片容纳于外壳内且包括正极活性材料，正极活性材料包含锂镍钴锰氧化物，锂镍钴锰氧化物中的镍元素的重量为G1，镍元素、钴元素和锰元素的的重量之和为G2，G1/G2的值记为M。M和N满足：0.1≤M≤0.65，N≥(50M+500)℃；或者，M和N满足：0.65＜M＜1，N≥(950M+500)℃。
本申请实施例描述的电池单体适用于电池以及使用电池的用电装置。
用电装置可以是车辆、手机、便携式设备、笔记本电脑、轮船、航天器、电动玩具和电动工具等等。车辆可以是燃油汽车、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；航天器包括飞机、火箭、航天飞机和宇宙飞船等等；电动玩具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；电动工具包括金属切削电动工具、研磨电动工具、装配电动工具和铁道用电动工具，例如，电钻、电动砂轮机、电动扳手、电动螺丝刀、电锤、冲击电钻、混凝土振动器和电刨等等。本申请实施例对上述用电装置不做特殊限制。
以下实施例为了方便说明，以用电装置为车辆为例进行说明。
图1为本申请一些实施例提供的车辆的结构示意图。
如图1所示，车辆1的内部设置有电池2，电池2可以设置在车辆1的底部或头部或尾部。电池2可以用于车辆1的供电，例如，电池2可以作为车辆1的操作电源。
车辆1还可以包括控制器3和马达4，控制器3用来控制电池2为马达4供电，例如，用于车辆1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2不仅仅可以作为车辆1的操作电源，还可以作为车辆1的驱动电源，代替或部分地代替燃油或天然气为车辆1提供驱动动力。
图2为本申请一些实施例提供的电池的爆炸示意图。
如图2所示，电池2包括箱体5和电池单体(图2未示出)，电池单体容纳于箱体5内。
箱体5用于容纳电池单体，箱体5可以是多种结构。在一些实施例中，箱体5可以包括第一箱体部5a和第二箱体部5b，第一箱体部5a与第二箱体部5b相互盖合，第一箱体部5a和第二箱体部5b共同限定出用于容纳电池单体的容纳空间5c。第二箱体部5b可以是一端开口的空心结构，第一箱体部5a为板状结构，第一箱体部5a盖合于第二箱体部5b的开口侧，以形成具有容纳空间5c的箱体5；第一箱体部5a和第二箱体部5b也均可以是一侧开口的空心结构，第一箱体部5a的开口侧盖合于第二箱体部5b的开口侧，以形成具有容纳空间5c的箱体5。当然，第一箱体部5a和第二箱体部5b可以是多种形状，比如，圆柱体、长方体等。
为提高第一箱体部5a与第二箱体部5b连接后的密封性，第一箱体部5a与第二箱体部5b之间也可以设置密封件，比如，密封胶、密封圈等。
假设第一箱体部5a盖合于第二箱体部5b的顶部，第一箱体部5a亦可称之为上箱盖，第二箱体部5b亦可称之为下箱体。
在电池2中，电池单体可以是一个，也可以是多个。若电池单体为多个，多个电池单体之间可串联或并联或混联，混联是指多个电池单体中既有串联又有并联。多个电池单体之间可直接串联或并联或混联在一起，再将多个电池单体构成的整体容纳于箱体5内；当然，也可以是多个电池单体先串联或并联或混联组成电池模块6，多个电池模块6再串联或并联或混联形成一个整体，并容纳于箱体5内。
图3为图2所示的电池模块的结构示意图。
如图3所示，在一些实施例中，电池单体7为多个，多个电池单体 7先串联或并联或混联组成电池模块6。多个电池模块6再串联或并联或混联形成一个整体，并容纳于箱体内。
电池模块6中的多个电池单体7之间可通过汇流部件实现电连接，以实现电池模块6中的多个电池单体7的并联或串联或混联。
图4为本申请一些实施例提供的电池单体的爆炸示意图；图5为本申请一些实施例提供的电池单体的剖视示意图；图6为本申请一些实施例提供的电池单体的正极片的结构示意图；图7为本申请一些实施例提供的电池单体的负极片的结构示意图。
如图4至图7所示，本申请实施例提供了一种电池单体7，其包括外壳20和正极片11。外壳20的熔点为N。正极片11容纳于外壳20内且包括正极活性材料，正极活性材料包含锂镍钴锰氧化物。锂镍钴锰氧化物中的镍元素的重量为G1，镍元素、钴元素和锰元素的的重量之和为G2，G1/G2的值记为M。M和N满足：0.1≤M≤0.65，N≥(50M+500)℃；或者，M和N满足：0.65＜M＜1，N≥(950M+500)℃。
示例性地，电池单体7包括电极组件10，电极组件10包括正极片11和负极片12。电极组件10通过锂离子在正极片11和负极片12中的嵌入/脱出时的氧化和还原反应来产生电能。
外壳20为空心结构，其内部形成用于容纳电极组件10和电解液的容纳腔。外壳20的形状可根据电极组件10的具体形状来确定。比如，若电极组件10为长方体结构，则可选用长方体外壳；若电极组件10为圆柱结构，则可选用圆柱外壳。
锂镍钴锰氧化物包括锂元素、镍元素、钴元素、锰元素和氧元素。锂镍钴锰氧化物可仅包括前述的五种元素，也可还包括其它元素。
示例性地，锂镍钴锰氧化物的分子式为Li xNi aCo bMn cZ dO 2-yA y，Z表示过渡金属位掺杂阳离子，A表示氧位掺杂阴离子。在Li xNi aCo bMn cZ dO 2-yA y中，0.8≤x≤1.2，0＜a＜1，0＜b＜1，0＜c＜1，0≤d≤0.2，a+b+c+d＝1，0≤y≤0.2。
Z包括Al元素、Si元素、Mg元素、Ti元素、V元素、Cr元素、Fe元素、Cu元素、Zn元素、Mo元素、Ge元素、Se元素、Zr元素、Nb元素、 Ru元素、Pd元素、Sb元素、Ce元素、Te元素及W元素中的至少一种。A包括F元素、N元素、P元素及S元素中的至少一种。
示例性地，锂镍钴锰氧化物可为LiNi 1/3Co 1/3Mn 1/3O 2(也可以简称为NCM 333)、LiNi 0.5Co 0.2Mn 0.3O 2(也可以简称为NCM 523)、LiNi 0.5Co 0.25Mn 0.25O 2(也可以简称为NCM 211)、LiNi 0.6Co 0.2Mn 0.2O 2(也可以简称为NCM 622)、LiNi 0.8Co 0.1Mn 0.1O 2(也可以简称为NCM 811)、LiNi 0.85Co 0.15Mn 0.05O 2。
M用于表征镍元素的含量。示例性地，在Li xNi aCo bMn cP dO 2-yA y中，可通过调整a、b、c的值来调整M。
M的值越高，电极组件10在热失控时产气的速率越高、产热越多，外壳20需要的熔点越高；反之，M的值越小，电池单体7在热失控时产生的热量越少，外壳20需要的熔点越低。本申请的发明人经过研究发现，对于满足0.1≤M≤0.65的电池单体7，外壳20的熔点至少应该大于或等于(50M+500)℃，以降低外壳20在电池单体7热失控时被熔穿的风险。对于满足0.65＜M＜1的电池单体7，电池单体7的外壳20的熔点至少应该大于或等于(950M+500)℃，以降低外壳20在电池单体7热失控时被熔穿的风险。
在一些实施例中，正极活性材料可用电感耦合等离子体发射光谱(ICP)进行元素含量的检测。
在一些实施例中，在一些实施例中，M和N满足：0.1≤M≤0.65，N≥(200M+500)℃。
在一些实施例中，M和N满足：0.1≤M≤0.65，(50M+500)℃≤N≤(15000M+500)℃。
在选择外壳20时，除了考虑外壳20的熔点外，还需要考虑其它因素，例如外壳20的强度、外壳20的成本等。发明人经过研究发现，将外壳20的熔点限定为小于或等于(15000M+500)℃，可降低外壳20熔点的过量设计，便于外壳20材料的选型。
在一些实施例中，对于M为0.1-0.65的电池单体7，外壳20的熔点N可为(50M+500)℃、(100M+500)℃、(200M+500)℃、(500M+500)℃、(1000M+500)℃、(2000M+500)℃、 (5000M+500)℃、(10000M+500)℃或(15000M+500)℃。
在一些实施例中，M和N满足：0.65＜M＜1，N≥(1000M+500)℃。
在一些实施例中，M和N满足：0.65＜M＜1，N≤(3000M+500)℃。
在选择外壳20时，除了考虑外壳20的熔点外，还需要考虑其它因素，例如外壳20的强度、外壳20的成本等。发明人经过研究发现，将外壳20的熔点限定为小于或等于(3000M+500)℃，可降低外壳20熔点的过量设计，便于外壳20材料的选型。
在一些实施例中，M和N满足：N≤(1800M+500)℃。
在一些实施例中，M和N满足：0.1≤M≤0.65，600℃≤N≤1800℃。可选地，N为600℃-800℃。
在一些实施例中，M和N满足：0.65＜M＜1，800℃≤N≤1800℃。可选地，N为1400℃-1600℃。
在一些实施例中，电池单体7还包括容纳于外壳20内的负极片12。负极片12包括负极活性材料，负极活性材料包括石墨和含硅材料，含硅材料的重量为B1，石墨的重量为B2，B1/(B1+B2)的值记为P。P满足：0＜P＜0.6。
相较于石墨，含硅材料具有较高的比容量；本实施例通过利用含硅材料来代替部分的石墨，这样可以有效地提高电池单体7的能量密度。但是，含硅材料在充电时的膨胀较大，如果含硅材料的含量过高，那么将会导致电池单体7在充电时的膨胀力过大，影响电池单体7的安全性和循环寿命。发明人将P的值限定为大于0小于0.6，以平衡电池单体7的能量密度和膨胀力。
在一些实施例中，含硅材料包括硅氧化合物、纯硅和碳硅中的至少一种。
在一些实施例中，外壳20的抗拉强度为Q，Q和M满足：0.1≤M≤0.65，Q≥(50M+50)MPa。
抗拉强度是材料由均匀塑性变形向局部集中塑性变形过渡的临界值，也是材料在静拉伸条件下的最大承载能力。对于塑性材料，抗拉强度表征材料最大均匀塑性变形的抗力，材料在承受最大拉应力之前，变形时均匀 一致的，但超出之后，材料开始出现缩颈现象，即产生集中变形。对于没有均匀塑性变形的脆性材料，或均匀塑性变形很小的脆性材料，抗拉强度反应了材料的断裂抗力。
外壳20的抗拉强度可按照下述步骤测试：在外壳20上截取一段试样，并测量出试样的横截面积S o；将试样安装到拉力试验机，拉力试验机拉伸试样并实时记录拉力值；在试样拉断后，取得试样在拉断前所承受的最大载荷F b。外壳20的抗拉强度即为F b/S o。
M的值越高，电极组件10在热失控时产气的速率越高,产气量越大。气体会增大外壳20的内部压力，使外壳20在内部压力的作用下拉伸，进而使外壳20更容易在高温高压物质的作用下开裂。
本申请的发明人经过研究发现，对于满足0.1≤M≤0.65的电池单体7，外壳20的拉伸强度应至少大于或等于(50M+50)MPa，以减小外壳20在电池单体7热失控时的拉伸量，降低外壳20开裂的风险，提高安全性。
在一些实施例中，Q和M满足：0.1≤M≤0.65，Q≤(1100M+50)MPa。可选地，Q为(50M+50)MPa、(100M+50)MPa、(200M+50)MPa、(500M+50)MPa、(800M+50)MPa、(1000M+50)MPa或(1100M+50)MPa。
在选择外壳20时，需要综合考虑外壳20的熔点、抗拉强度、成本等因素，发明人经过研究发现，将外壳20的抗拉强度限定为小于或等于(1100M+50)MPa，可降低外壳20的抗拉强度的过量设计，便于外壳20材料的选型。
在一些实施例中，外壳20的抗拉强度为Q，Q和M满足：0.65＜M＜1，Q≥(300M+50)MPa。
本申请的发明人经过研究发现，对于满足0.65＜M＜1的电池单体7，外壳20的拉伸强度应至少大于或等于(300M+50)MPa，以降低外壳20在电池单体7热失控时的拉伸量，降低外壳20开裂的风险，提高安全性。
在一些实施例中，外壳20的抗拉强度为Q，Q和M满足：0.65＜M＜1，Q≤(950M+50)MPa。可选地，Q为(300M+50)MPa、(400M+50)MPa、(500M+50)MPa、(700M+50)MPa、(900M+50)MPa或(950M+50) MPa。
在选择外壳20时，需要综合考虑外壳20的熔点、抗拉强度、成本等因素，发明人经过研究发现，将外壳20的抗拉强度限定为小于或等于(950M+50)MPa，可降低外壳20的抗拉强度的过量设计，便于外壳20材料的选型。
在一些实施例中，外壳20的材质可为金属。
在一些实施例中，外壳20的材质可为铜、铁、铝、镍、不锈钢、铝合金、铜合金、镁铝合金、锌合金、镍合金或其它材料。
在一些实施例中，外壳20包括壳体21和端盖22，壳体21具有开口，端盖22用于盖合开口。
端盖22与壳体21密封连接，以形成用于容纳电极组件10和电解液的密封空间。在一些示例中，壳体21的一端具有开口，端盖22设置为一个并盖合于壳体21的开口。在另一些示例中，壳体21相对的两端均具有开口，端盖22设置为两个，两个端盖22分别盖合于壳体21的两个开口。
不限地，端盖22的形状可以与壳体21的形状相适应以配合壳体21。可选地，端盖22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22在受挤压碰撞时就不易发生形变，使电池单体7能够具备更高的结构强度，安全性能也可以有所提高。
壳体21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，壳体21的形状可以根据电极组件10的具体形状和尺寸大小来确定。壳体21的材质可以是多种，比如，铜、铁、铝、不锈钢、铝合金等，本申请实施例对此不作特殊限制。
壳体21和端盖22可采用相同的材质，也可采用不同的材质。示例性地，壳体21和端盖22采用不同的材质，那么壳体21的熔点和端盖22的熔点都满足前述的关系式。
在一些实施例中，端盖22上可以设置有如电极端子30等的功能性部件。电极端子30可以用于与电极组件10电连接，以用于输出或输入电池单体7的电能。
在一些实施例中，电极组件10包括正极片11、负极片12以将将正极片11和负极片12隔开的隔离件13。电极组件10可以为卷绕式结构、叠片式结构或其它结构。
在一些实施例中，正极片11包括正极集流体111和涂覆于正极集流体111表面的正极活性物质层112，正极活性物质层112包括正极活性材料。可选地，正极活性物质层112还包括导电剂和粘接剂。
在一些实施例中，负极片12包括负极集流体121和涂覆于负极集流体121表面的负极活性物质层122，负极活性物质层122包括负极活性材料。负极活性物质层122还包括导电剂和粘接剂。
在一些实施例中，壳体21的壁厚t为0.05mm-2mm。
壳体21的壁厚越小，壳体21在电池单体7热失控时越容易被熔穿；而壳体21的壁厚越大，壳体21的重量也越大，电池单体7的能量密度越低。发明人经由计算和试验，将壳体21的壁厚设置为0.05mm-2mm，以平衡电池单体7的安全性和能量密度。
可选地，壳体21的壁厚为0.05mm、0.1mm、0.2mm、0.5mm、0.8mm、1mm、1.2mm、1.5mm或2mm。
在一些实施例中，端盖22的厚度大于壳体21的壁厚。
在一些实施例中，壳体21和端盖22由同种材料制成。同种材料的壳体21和端盖22更容易通过焊接相连。
在一些实施例中，壳体21包括沿第一方向D1设置的两个第一侧板211和沿第二方向D2设置的两个第二侧板212，第二侧板212连接两个第一侧板211，第一方向D1垂直于第二方向D2。壳体21沿第二方向D2的尺寸与壳体21沿第一方向D1的尺寸之比θ为1-50。
发明人将θ的值限定在1-50，便于多个电池单体7的排布。
在一些实施例中，第一侧板211的面积大于第二侧板212的面积。
在一些实施例中，壳体21沿第三方向D3的尺寸为10mm-200mm，第三方向D3垂直于第一方向D1和第二方向D2。
在一些实施例中，外壳20的材质包括钢或镍。钢、镍等材料的熔点均超过1400℃，这样可以有效地降低外壳20被熔穿的风险。
可选地，壳体21由SPCC(一般用冷轧碳钢薄板及钢带)、304不锈钢或纯镍制成。
根据本申请的一些实施例，本申请还提供了一种电池，包括多个以上任一实施例的电池单体。
根据本申请的一些实施例，本申请还提供了一种用电装置，包括以上任一实施例的电池单体，电池单体用于为用电装置提供电能。用电装置可以是前述任一应用电池单体的设备或系统。
根据本申请的一些实施例，参照图4至图7，本申请提供了一种电池单体7，其包括外壳20和容纳于外壳20的电极组件10，电极组件10包括正极片11和负极片12。外壳20的熔点为N，外壳20的抗拉强度为Q。正极片11包括正极活性材料，正极活性材料包含锂镍钴锰氧化物。锂镍钴锰氧化物中的镍元素的重量为G1，镍元素、钴元素和锰元素的的重量之和为G2，G1/G2的值记为M。负极片12包括负极活性材料，负极活性材料包括石墨和含硅材料，含硅材料的重量为B1，石墨的重量为B2，B1/(B1+B2)的值记为P。P满足：0＜P＜0.6。
在一些示例中，M、N、Q满足：0.1≤M≤0.65，(50M+500)℃≤N≤(15000M+500)℃，(50M+50)MPa≤Q≤(1100M+50)。在另一些示例中，M、N、Q满足：0.65＜M＜1，(950M+500)℃≤N≤(3000M+500)℃，(300M+50)MPa≤Q≤(950M+50)MPa。
以下结合实施例进一步说明本申请。
为了使本申请的发明目的、技术方案和有益技术效果更加清晰，以下结合实施例进一步详细描述本申请。但是，应当理解的是，本申请的实施例仅仅是为了解释本申请，并非为了限制本申请，且本申请的实施例并不局限于说明书中给出的实施例。实施例中未注明具体实验条件或操作条件的按常规条件制作，或按材料供应商推荐的条件制作。
实施例1可按照下述步骤制备：
(i)将正极活性材料LiNi aCo bMn cO 2、导电剂乙炔黑、粘结剂PVDF按质量比96:2:2进行混合，加入溶剂NMP，在真空搅拌机作用下搅拌至体系呈均一状，获得正极浆料；将正极浆料均匀涂覆在铝箔上，室温晾干后 转移至烘箱继续干燥，然后经过冷压、分切、裁片得到正极片。
(ii)将负极活性材料石墨、导电剂乙炔黑、增稠剂CMC、粘结剂SBR按质量比96.4:1:1.2:1.4进行混合，加入溶剂去离子水，在真空搅拌机作用下搅拌至体系呈均一状，获得负极浆料；将负极浆料均匀涂覆在铜箔上，室温晾干后转移至烘箱继续干燥，然后经过冷压、分切、裁片得到负极片。
(iii)将碳酸乙烯酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二乙酯(DEC)按照按体积比1:1:1进行混合得到有机溶剂，接着将充分干燥的锂盐LiPF 6溶解于混合后的有机溶剂中，配制成浓度为1mol/L的电解液。
(iv)以7μm厚的聚乙烯膜作为隔离件。
(v)将正极片、隔离件及负极片层叠在一起并卷绕为多圈，卷绕后再压平为扁平状，以制备出电极组件。
(ⅵ)将电极组件和加热片装入方形壳体，并焊接壳体和端盖；然后经过注液、静置、化成、整形等工序，获得电池单体。加热片附接于电极组件，加热片的导线从端盖传出。
在步骤(i)中，a+b+c＝1。在制备正极活性材料时，通过调整镍原子、钴原子、锰原子的摩尔比，可以改变镍元素的重量。镍元素的重量为G1，镍元素、钴元素和锰元素的重量之和为G2，钴原子的重量为G3，锰元素的重量为G4。在实施例1中，M＝G1/G2＝0.5，G3/G2＝0.2，G4/G2＝0.3。
在步骤(ⅵ)中，壳体和端盖均由铝合金制成，壳体的熔点N为660℃。
实施例2：
实施例2的电池单体的制备方法参照实施例1，不同之处在于：M＝G1/G2＝0.6，G3/G2＝0.2，G4/G2＝0.2。
实施例3：
实施例3的电池单体的制备方法参照实施例1，不同之处在于：M＝G1/G2＝0.65，G3/G2＝0.15，G4/G2＝0.2。
实施例4：
实施例4的电池单体的制备方法参照实施例1，不同之处在于： M＝G1/G2＝0.1，G3/G2＝0.5，G4/G2＝0.4。
实施例5：
实施例5的电池单体的制备方法参照实施例1，不同之处在于：M＝G1/G2＝0.3，G3/G2＝0.4，G4/G2＝0.3。
实施例6：
实施例6的电池单体的制备方法参照实施例1，不同之处在于：壳体和端盖均由铜锌合金制成，壳体的熔点N为550℃。
实施例7：
实施例7的电池单体的制备方法参照实施例1，不同之处在于:M＝G1/G2＝0.7，G3/G2＝0.15，G4/G2＝0.15；壳体和端盖均由钢制成，壳体的熔点N为1500℃。
实施例8：
实施例8的电池单体的制备方法参照实施例7，不同之处在于:M＝G1/G2＝0.8，G3/G2＝0.1，G4/G2＝0.1。
实施例9：
实施例9的电池单体的制备方法参照实施例7，不同之处在于:M＝G1/G2＝0.9，G3/G2＝0.05，G4/G2＝0.05。
实施例10：
实施例10的电池单体的制备方法参照实施例7，不同之处在于:M＝G1/G2＝0.96，G3/G2＝0.02，G4/G2＝0.02。
实施例11：
实施例11的电池单体的制备方法参照实施例8，不同之处在于:壳体和端盖均由铜镍合金制成，壳体的熔点N为1300℃。
实施例12：
实施例12的电池单体的制备方法参照实施例7，不同之处在于:壳体和端盖均由铜镍合金制成，壳体的熔点N为1200℃。
对比例1：
对比例1的电池单体的制备方法参照实施例1，不同之处在于:M＝G1/G2＝0.6，G3/G2＝0.2，G4/G2＝0.2；壳体和端盖均由锌合金制成， 壳体的熔点N为420℃。
对比例2：
对比例2的电池单体的制备方法参照实施例1，不同之处在于:M＝G1/G2＝0.1，G3/G2＝0.5，G4/G2＝0.4；壳体和端盖均由锌合金制成，壳体的熔点N为420℃。
对比例3：
对比例3的电池单体的制备方法参照实施例1，不同之处在于:M＝G1/G2＝0.7，G3/G2＝0.15，G4/G2＝0.15；壳体和端盖均由锌合金制成，壳体的熔点N为420℃。
对比例4：
对比例4的电池单体的制备方法参照实施例1，不同之处在于:M＝G1/G2＝0.66，G3/G2＝0.22，G4/G2＝0.22。
对比例5：
对比例5的电池单体的制备方法参照实施例1，不同之处在于:M＝G1/G2＝0.7，G3/G2＝0.15，G4/G2＝0.15；壳体和端盖均由铜合金制成，壳体的熔点N为1083℃。
对比例6：
对比例6的电池单体的制备方法参照实施例1，不同之处在于:M＝G1/G2＝0.9，G3/G2＝0.05，G4/G2＝0.05；壳体和端盖均由铜镍合金制成，壳体的熔点N为1300℃。
实施例1-12和对比例1-6均制备出100个电池单体，并对各电池单体进行热失控测试。
具体地，将电池单体放置到密封箱内，利用外部电源对电池单体内部的加热片通电，加热片加热电极组件，以使电极组件热失控。在电极组件热失控后，观察电池单体的壳体是否出现熔化、破裂等情况。如果壳体出现熔化、破裂等情况，则判定壳体失效。壳体失效的数量除以电池单体的总数量，即为壳体的失效率。
实施例1-12和对比例1-6的评估结果示出于表1中。
表1
参照实施例1-12和对比例1-6，本申请实施例根据正极活性材料中镍元素含量来选择外壳，以降低外壳在电池单体出现热失控时熔化的风险，提高安全性。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述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，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，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精神和范围。

Claims (18)

  1. 一种电池单体，包括：
    外壳，所述外壳的熔点为N；
    正极片，容纳于所述外壳内且包括正极活性材料，所述正极活性材料包含锂镍钴锰氧化物，所述锂镍钴锰氧化物中的镍元素的重量为G1，镍元素、钴元素和锰元素的的重量之和为G2，G1/G2的值记为M；
    M和N满足：0.1≤M≤0.65，N≥(50M+500)℃；或者，M和N满足：0.65＜M＜1，N≥(950M+500)℃。
  2. 根据权利要求1所述的电池单体，其中，M和N满足：0.1≤M≤0.65，N≥(200M+500)℃。
  3. 根据权利要求1或2所述的电池单体，其中，M和N满足：0.1≤M≤0.65，(50M+500)℃≤N≤(15000M+500)℃。
  4. 根据权利要求1所述的电池单体，其中，M和N满足：0.65＜M＜1，N≥(1000M+500)℃。
  5. 根据权利要求1或4所述的电池单体，其中，M和N满足：0.65＜M＜1，N≤(3000M+500)℃。
  6. 根据权利要求1-5任一项所述的电池单体，其中，M和N满足：N≤(1800M+500)℃。
  7. 根据权利要求1-6中任一项所述的电池单体，还包括容纳于所述外壳内的负极片；
    所述负极片包括负极活性材料，所述负极活性材料包括石墨和含硅材料，含硅材料的重量为B1，所述石墨的重量为B2，B1/(B1+B2)的值记为P；
    P满足：0＜P＜0.6。
  8. 根据权利要求7所述的电池单体，其中，所述外壳的抗拉强度为Q，Q和M满足：0.1≤M≤0.65，Q≥(50M+50)MPa。
  9. 根据权利要求8所述的电池单体，其中，Q和M满足：Q≤(1100M+50)MPa。
  10. 根据权利要求7所述的电池单体，其中，所述外壳的抗拉强度为Q，Q和M满足：0.65＜M＜1，Q≥(300M+50)MPa。
  11. 根据权利要求10所述的电池单体，其中，Q和M满足：Q≤(950M+50)MPa。
  12. 根据权利要求1-11任一项所述的电池单体，其中，所述外壳包括壳体和端盖，所述壳体具有开口，所述端盖用于盖合所述开口。
  13. 根据权利要求12所述的电池单体，其中，所述壳体的壁厚为0.05mm-2mm。
  14. 根据权利要求12或13所述的电池单体，其中，所述壳体和所述端盖由同种材料制成。
  15. 根据权利要求12-14任一项所述的电池单体，其中，所述壳体包括沿第一方向设置的两个第一侧板和沿第二方向设置的两个第二侧板，所述第二侧板连接两个所述第一侧板，所述第一方向垂直于所述第二方向；
    所述壳体沿所述第二方向的尺寸与所述壳体沿所述第一方向的尺寸之比为1-50。
  16. 根据权利要求1-15任一项所述的电池单体，其中，所述外壳的材质包括钢或镍。
  17. 一种电池，包括多个根据权利要求1-16中任一项所述的电池单体。
  18. 一种用电装置，包括根据权利要求1-16中任一项所述的电池单体，所述电池单体用于提供电能。
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