CN117497699A - 一种正极片和电池 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电池领域,具体涉及一种正极片。本发明提供的正极片,包括正集流体和在所述正集流体至少一侧表面的活性物质层,其中,活性物质层包括第一凹槽,正集流体包括位于第一凹槽的极耳连接区,正极耳位于第一凹槽内并与极耳连接区连接,正极耳位于第一凹槽内并与极耳连接区连接;活性物质层包括第二凹槽,第二凹槽位于正集流体宽度方向的一侧或两侧边缘区域;极耳连接区包括第三凹槽,第三凹槽中包含的元素有Al。本发明提供的正极片能够有效缓解大倍率充电制度下的边缘析锂现象,并且提升电池的循环性能和容量保持率。
Description
技术领域
本发明涉及电池技术领域,具体涉及一种正极片和包括所述正极片的电池。
背景技术
锂离子电池是一种高容量长寿命的环保电池,被广泛应用于新能源领域和电动汽车领域。随着社会经济的发展,对电池的能量密度、寿命、安全及成本提出了更高的要求,开发出高比能、长寿命、高安全和低成本的锂离子电池迫在眉睫。
然而,目前的锂离子电池的极片边缘在大倍率充电制度下会产生析锂行为,导致电芯厚度异常增大,电池性能快速衰减,而且还会影响到电池的容量和循环性能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中极片边缘析锂的问题,提供一种正极片,包含该正极片可以有效缓解大倍率充电制度下极片或极片组件的边缘析锂现象。本发明还提供一种包括上述正极片的电池。
为了达到上述目的,本发明提供如下技术方案:
本发明的第一方面提供了一种正极片,包括正集流体和在所述正集流体至少一侧表面的活性物质层,所述活性物质层含有第一凹槽,所述正集流体包括位于所述第一凹槽的极耳连接区,正极耳位于所述第一凹槽内并与所述极耳连接区连接,所述正极耳位于所述第一凹槽内并与所述极耳连接区连接;所述活性物质层含有第二凹槽,所述第二凹槽位于所述正集流体宽度方向的一侧或两侧边缘区域;所述极耳连接区含有第三凹槽,所述第三凹槽中包含的元素有Al。
本发明的第二方面提供了一种电池,所述电池包括本发明第一方面的正极片。
通过上述技术方案,本发明与现有技术相比至少具有以下有益效果:
(1)本发明的正极片在极耳连接区开设第三凹槽,能够增大极耳连接区的表面积,在将极耳焊接到极耳连接区时,有效提升极耳连接区的散热效率,提升极耳正极片的极片性能;而且,能够提升正极耳的焊接稳定性,避免电池阻抗增大。
(2)本发明的正极片在极耳连接区开设第三凹槽,通过进一步调整第三凹槽的各元素含量分布,能够将在开设第三凹槽时激光对极耳连接区的高温刻蚀作用所带来的不利影响降到最低,保证正极耳在焊接时第三凹槽的各元素含量适当,从而避免极耳正极片焊接不良而影响极片性能,进而避免电池阻抗增大,提高电池的容量和循环性能。
(3)本发明的正极片同时在活性物质层和极耳连接区开设第二凹槽和第三凹槽,一方面,能够提高第二凹槽的NP比,避免极耳连接区出现析锂现象,另一方面,整体开设凹槽能够减少制备工序,提高极耳极片的生产效率。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值,这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说,各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间,以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围,这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
附图说明
图1为现有技术中正极片的侧视图;
图2为本实施例提供的正极片的俯视图;
图3为图1中A-A处剖面图;
图4为图3中B处放大图;
图5为正极片安装正极耳的俯视图;
图6为另一种实施方式下正极片俯视图;
图7为又一种实施方式下正极片俯视图;
图8为活性物质层开设第二凹槽的局部示意图;
图9为极耳连接区开设第三凹槽的局部示意图;
图10为极耳连接区连接正极耳并开设第三凹槽的局部示意图;
图11为图3的一处局部放大图;
图12为图3的另一处局部放大图;
图13为另一种实施方式下极耳连接区开设第三凹槽的示意图;
图14为激光阵列的示意图;
图15为一种实施方式下的激光开槽示意图;
图16为另一种实施方式下的激光开槽示意图;
图17为设置正极耳后一种实施方式下的激光开槽示意图;
图18为设置正极耳后另一种实施方式下的激光开槽示意图;
图19为又一种实施方式下极耳连接区开设第三凹槽的示意图;
图20为极耳连接区开设第三凹槽的结构示意图;
图21为图20的局部放大图;
图22为活性物质层开设第二凹槽及极耳连接区开设第三凹槽的结构示意图;
图23为图22的局部放大图;
图24所示为本发明一实施例提供的极耳连接区的第三凹槽的EDS分析示意图。
在图1-图23中:
1-正极片,2-第一凹槽,3-正极耳,4-第二凹槽,5-第三凹槽,6-第四凹槽,7-过渡区域;
11-正集流体,12-活性物质层,41-凸起部,42-凹槽部,51-凹陷部,52-凸出部;
111-极耳连接区。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是,此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明,并不用于限制本发明。
常规的锂离子电池孔隙复杂程度较高,不利于锂离子的扩散,因此在较大的充电电流下会导致极化增加,可能会在负极表面产生析锂行为,尤其是在大倍率充电制度下,沿负极片宽度的上下边缘,容易产生析锂问题,会导致析锂处的极化增大,电解液持续消耗,阻抗增大,导致电芯厚度异常增大,电池性能快速衰减;另外由于普通锂离子电池的极片较厚,电解液无法渗入到极片内部,导致极片的保液量不足,从而影响锂离子电池的容量和循环寿命。
基于此,如图2至图23所示,本发明实施例提供了一种正极片1,该正极片1和负极片及隔膜形成卷绕结构或叠片结构,然后卷绕结构可以和壳体、电解液等结构共同组成电池。一种正极片1,包括正集流体11和在正集流体11至少一侧表面的活性物质层12,活性物质层12含有第一凹槽2,正集流体11包括位于第一凹槽2的极耳连接区111,正极耳3位于第一凹槽2内并与极耳连接区111连接,正极耳3位于第一凹槽2内并与极耳连接区111连接;活性物质层12包括第二凹槽4,第二凹槽4位于正集流体11宽度方向的一侧或两侧边缘区域;极耳连接区111含有第三凹槽4,第三凹槽中包含的元素有Al。
在本发明中,在活性物质层12上开设的第二凹槽4,既可以开设在正集流体11一侧的活性物质层12上,又可以开设在正集流体11两侧的活性物质层12上。通过在活性物质层上设置第二凹槽,能够降低极片的孔隙迂曲度,有利于Li+在电极中的快速扩散,提高Li+的扩散系数,有利于增强正极的传质,降低离子阻抗;而且,通过在活性物质层上开设第二凹槽能够增加电解液的浸润效果和浸润速度,增加极片的储液量,从而有效缓解极片边缘的析锂现象,提升大倍率下的电池循环寿命和容量保持率。
进一步的,在一些实施例中,第二凹槽4设置于正集流体11宽度方向的一侧或两侧边缘区域,这样就减少了正极片1在正集流体11宽度方向一侧或两侧边缘区域活性物质层12的含量,相当于增加了电芯在正集流体宽度方向一侧或两侧边缘区域的CB值,这样在充电时,正极片1宽度方向一侧或两侧边缘区域向对应区域的负极片移动的锂离子的含量减少,从而能缓解负极片的宽度方向的边缘处析锂。优选的,第二凹槽4设置于正集流体11宽度方向的两侧边缘区域。
更进一步的,在极耳连接区111开设第三凹槽4,能够增大极耳连接区的表面积,在将极耳焊接到极耳连接区时,有效提升极耳连接区的散热效率,从而提升极耳正极片的极片性能,改善电池的循环性能和容量保持率;而且,极耳连接区的表面积增大,还能提升正极耳的焊接稳定性,避免电池阻抗增大。
而且,由于本发明的正极片为包括第一凹槽和极耳连接区的极耳正极片,所以正极耳的焊接稳定性会直接影响到极片及电池的性能,因此,为了更进一步提升正极耳的焊接稳定性,本发明的正极片进一步控制第三凹槽的各元素含量分布,将在开设第三凹槽时激光对极耳连接区的高温刻蚀作用所带来的影响降到最低,保证正极耳在焊接时第三凹槽的各元素含量适当,从而避免极耳正极片焊接不良而影响极片性能,进而避免电池阻抗增大,提高电池的容量和循环性能。此外,同时在活性物质层和极耳连接区开设第二凹槽和第三凹槽,能够减少制备工序,提高极耳极片的生产效率。
在本发明中,并不对第一凹槽2的数量进行限定,第一凹槽2设置一个,开设在正集流体11一侧的活性物质层12上;第一凹槽2也可以设置两个,第一凹槽2开设在正集流体11两侧的活性物质层12上。相应的,也不对第二凹槽4和第三凹槽5的数量进行限定,第二凹槽4可以设置一个或多个,第三凹槽5也可以设置一个或多个。
在本发明中,正集流体11的宽度方向指的是正极片1处于展开状态下的宽度方向,也就是图2中双向箭头Y所示的方向,则M为第二凹槽4所在区域在正集流体11宽度方向的尺寸,N为活性物质层12在正集流体11宽度方向的尺寸。还需要说明的是,第二凹槽4所在区域指的是活性物质层12上设置有第二凹槽4的区域。
为了进一步调整第三凹槽的元素分布,提升极片性能,在一些实施例中,在所述第三凹槽中还包含元素O、Co、C和F以各元素的质量百分比计,Al的含量为70%~85%,O的含量为1%~5%,C的含量为10%~20%,Co的含量为0.5%~2%,F的含量为0.1%~1%。
示例性的,Al的含量可以为70%、71%、72%、73%、74%、75%、76%、77%、78%、79%、80%、81%、82%、83%、84%、85%。
示例性的,O的含量可以为1%、2%、3%、4%、5%。
示例性的,C的含量可以为10%、11%、12%、13%、14%、15%、16%、17%、18%、19%、20%。
示例性的,Co的含量可以为0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1%、1.1%、1.2%、1.3%、1.4%、1.5%、1.6%、1.7%、1.8%、1.9%、2%。
示例性的,F的含量可以为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1%。
需要说明的是,第三凹槽中的C、O元素是第三凹槽开设过程中通过激光高温刻蚀而形成,Co、F元素为清洗极耳槽时残留的活性物质层材料和/或第二凹槽开设过程中,通过激光高温刻蚀活性物质层溅射并残留到极耳连接区上的活性物质层材料。但是,在开设第三凹槽的过程中陈述的上述C、O、Co、F元素的含量过多,会对正极耳与极耳连接区的焊接稳定性降低,因此,为了降低激光高温刻蚀过程对极耳连接区的影响,需要控制第三凹槽中各元素的含量分布,其中,Al元素含量越多,C、O含量越少表明激光对铝箔的高温刻蚀作用越小,能够在存在工艺误差的情况下尽量避免极耳正极片的焊接不良,从而稳定极片的性能,避免电池阻抗增大。
进一步的,所述第二凹槽中包含的元素有Al、O、Co、C和F;
在一些实施例中,在所述第二凹槽中,以各元素的质量百分比计,Al的含量为0.2%~1.2%,O的含量为25%~40%,C的含量为15%~30%,Co的含量为40%~55%,F的含量为0.01%~1%。
示例性的,Al的含量可以为0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1%、1.1%、1.2%。
示例性的,O的含量可以为25%、26%、27%、28%、29%、30%、31%、32%、33%、34%、35%、36%、37%、38%、39%、40%。
示例性的,C的含量可以为15%、16%、17%、18%、19%、20%、21%、22%、23%、24%、25%、26%、27%、28%、29%、30%。
示例性的,Co的含量可以为40%、41%、42%、43%、44%、45%、46%、47%、48%、49%、50%、51%、52%、53%、54%、55%。
示例性的,F的含量可以为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1%、1.1%、1.2%、1.3%、1.4%、1.5%、1.6%、1.7%、1.8%、1.9%、2%。
需要说明的是,第二凹槽中的C、O、Co、F元素可以表示活性物质层中活性物质材料的含量,当第二凹槽中各元素的含量分布符合上述特定的范围时,表示活性物质层在第二凹槽的开设前后成分未发生改变,激光高温刻蚀过程对活性物质层中活性物质的影响较低,从而避免对电池性能产生影响。
此外,为了进一步缓解边缘析锂,改善电池的容量和循环性能。本发明的正极片,在一些实施例中,如图2所示,在正集流体11的宽度方向上,第二凹槽4所在区域的尺寸为M,活性物质层12的尺寸为N,其中,M和N之间满足:0.1N≤M≤N。保证第二凹槽4所在区域的尺寸在上述范围内,能够使缓解负极片的宽度方向的两侧边缘析锂的效果较为明显。
示例性的,M的值可以为,0.1N、0.2N、0.3N、0.4N、0.5N、0.6N、0.7N、0.8N、0.9N、N。
在一些实施例中,请参阅图2及图5,在正集流体11的宽度方向上,正极耳3与极耳连接区111连接区域的尺寸为O,极耳连接区111的尺寸为P,其中,O和P之间满足:P≥O+k1,且2mm≤k1≤4mm。具体的,正极片1焊接到极耳连接区111以实现正极耳3与极耳连接区111的连接,从而实现正极耳3与正极片1的电连接,为了保证正极耳3和极耳连接区111的接触面积,将正极耳3和极耳连接区111满足上述关系,能够使正极耳3完全焊接到正集流体11上,避免正极耳3延伸到活性物质层12上,从而避免增大电芯的无效厚度,从而避免电芯能量密度的减小。
需要说明的是,正集流体11的宽度方向指的是正极片1处于展开状态下的宽度方向,也就是图2中双向箭头Y所示的方向,则O为正极耳3与极耳连接区111连接区域在正集流体11宽度方向的尺寸,P为极耳连接区111在正集流体11宽度方向的尺寸。
在一些实施例中,请参阅图2及图5,第三凹槽5设置于与极耳连接区111相邻的正集流体11边缘区域,在正集流体11的宽度方向上,第三凹槽5所在区域的尺寸为Q,极耳连接区111的尺寸为P,其中,P和Q之间满足:Q=(0.1P~P)+k2,且﹣0.5mm≤k2≤﹣0.1mm或0.1mm≤k2≤0.5mm。具体的,保证第三凹槽5所在区域和极耳连接区的尺寸在上述范围内,其一,保证了第三凹槽能够设置在极耳连接区的靠近边缘的区域,从而保证与活性物质层边缘整体设置凹槽,进而提高极耳连接处的NP比,同时避免极耳连接区出现析锂现象,其二,提升正极耳的焊接稳定性,避免电池阻抗增大,其三,正极耳处电流密度较大,极化较大,电解液损耗大,第三凹槽能够增加正极耳处电解液的存储量;其四,将第三凹槽设置于与极耳连接区相邻的宽度方向的边缘区域,且将第二凹槽设置于活性物质层宽度方向的一侧或两侧边缘,能够通过激光阵列同时完成第二凹槽和第三凹槽的开设,提升凹槽的开设效率,提升工作效率,进而提升电池的加工生产效率。
需要说明的是,正集流体11的宽度方向指的是正极片1处于展开状态下的宽度方向,也就是图2中双向箭头Y所示的方向,则Q为第三凹槽5所在区域在正集流体11宽度方向的尺寸,P为极耳连接区111在正集流体11宽度方向的尺寸。
在一些实施例中,请参阅图11及图12,在垂直于正集流体11的方向上,第二凹槽4的尺寸为H1,H1满足:0.03(ρ*10)/p≤H1≤(ρ*10)/p,其中,p为活性物质层的压实密度,单位为g/cm3,ρ为活性物质层的面密度,单位为mg/cm2;和/或,第三凹槽5的尺寸为H2,单位为μm,极耳连接区111的尺寸为H,其中,H2和H之间满足:0.1H≤H2<0.5H。
需要说明的是,上述关系式0.03(ρ*10)/p≤H1≤(ρ*10)/p,可以表达为0.03×正活性物质层的厚度≤H1≤正活性物质层的厚度,可以理解的是,如果槽深H1小于0.02的极片厚度,则槽深过小,在活性物质层设置第二凹槽的收益就会较小,避免析锂和提升电池性能的效果不明显;如果孔深H1大于0.3的极片厚度,则孔深太大,一方面对电池造成的容量损失较大,一方面可能会导致正集流体穿孔。正集流体的厚度H与第三凹槽的深度H2满足关系式0.1H≤H2<0.5H。通过控制第三凹槽的槽深满足上述关系,当极耳连接区两侧均开设第三凹槽时,可以避免极耳连接区被打通的现象,避免影响设置该正极片的电池的性能,而且如果极耳连接区被打通会导致槽径相应变大,会使正极耳的有效焊接面积降低,甚至导致正极耳的焊接不牢固,影响正极耳的性能。
需要说明的是,垂直于正集流体11的方向指的是正极片1处于展开状态下垂直正集流体11的方向,也就是图3中双向箭头Z所示的方向。H1为第二凹槽4在垂直正集流体11方向上的尺寸,H2为第三凹槽5在垂直正集流体11方向上的尺寸,H为极耳连接区111在垂直正集流体11方向上的尺寸。
在一些实施例中,请参阅图8,第二凹槽4设置有至少一个,且相邻第二凹槽4的间距为L1,第二凹槽4的横截面外径为D1,其中,L1和D1满足:50μm≤L1≤1000μm,优选100μm≤L1≤300μm;20μm≤D1≤500μm,优选20μm≤D1≤100μm。
示例性的,相邻第二凹槽4的间距L1为50μm、100μm、200μm、300μm、500μm、800μm、1000μm。第二凹槽4的横截面外径D1为20μm、30μm、50μm、80μm、100μm、200μm、300μm、500μm。
在一些实施例中,请参阅图9,第三凹槽5设置有至少一个,且相邻第三凹槽5的间距为L2,第三凹槽5的横截面外径为D2,其中,L2和D2满足:50μm≤L2≤1000μm,优选100μm≤L2≤300μm;20μm≤D2≤500μm,优选20μm≤D2≤100μm。
示例性的,相邻第三凹槽5的间距L2为50μm、100μm、200μm、300μm、500μm、800μm、1000μm。第三凹槽5的横截面外径D2为20μm、30μm、50μm、80μm、100μm、200μm、300μm、500μm。
具体的,将第二凹槽4的间距和第二凹槽4的横截面外径设置在上述范围内,能够保证第二凹槽4的储存电解液的能力,保证避免负极片析锂,且对活性物质层12的影响较小。将第三凹槽5规定到的范围所起到的效果亦是如此。
需要说明的是,相邻第二凹槽4的间距指的是相邻第二凹槽4的槽心之间的距离;第二凹槽4的横截面为圆形时,第二凹槽4的横截面外径为圆的直径,第二凹槽4的横截面为其他形状时,第二凹槽4的横截面外径为横截面的外接圆直径。同理,相邻第三凹槽5的间距及第三凹槽5的横截面外径亦是如此,再次不再赘述。
此外,第二凹槽4也可以设置一个,相应的第三凹槽5也可以设置一个。
在一些实施例中,请参阅图22-图23,第二凹槽4包括至少一个凸起部41及位于相邻凸起部41之间的至少一个凹槽部42,凹槽部42的横截面外径D3,凸起部41的横截面外径为D4,其中,D3和D4满足:10μm≤D3≤100μm,5μm≤D4≤30μm。在此,优选的凹槽部42的横截面外径10μm≤D3≤30μm,凸起部41的横截面外径10μm≤D4≤20μm。
需要说明的是,凸起部41及凹槽部42的横截面外径与第二凹槽4的横截面外径表述相同,在此也不再赘述。D3为凹槽部42的横截面外径,D4为凸起部41的横截面外径,D3和D4并未在图中示出。
在一些实施例中,请参阅图8-图12,在垂直正集流体11的方向上,第二凹槽4的尺寸为H1,第三凹槽5的尺寸为H2;第二凹槽4的横截面外径为D1,第三凹槽5的横截面外径为D2;其中,H1和H2之间满足:0<H1-H2≤40μm;D1和D2之间满足:0<D1-D2≤20μm。产生上述槽深关系的原因是由于激光对活性物质层12和极耳连接区111的刻蚀效果不同,但是通过进一步控制所述H1和H2的关系以及D1和D2的关系在合适的范围内,一方面可以减少活性物质层12活性物质的损失,提升电池的容量保持率;另一方面可以避极耳连接区111出现打穿正集流体11的现象,提升正极片1制作的成品率,更重要的是可以在激光开槽的过程中能够连续走带开槽,不需要单独避开极耳连接区111开槽,能够缩短制程时间,提高开槽效率。
进一步需要说明的是,在将料带加工为正极片1内的过程中,首先,将活性物质层12涂布到料带上,然后对料带进行初次分切,之后再通过辊压机对极片辊压,再之后对料带进行二次分切,以形成正极片1。激光对正极片1的开槽过程可以在对料带初次分切和二次分切之间,也可以在二次分切之后。需要说明的是,当激光对正极片1开槽在初次分切和二次分切之间时,能够确保正极片1的开槽位置位于活性物质层12宽度方向的边缘区域,从而避免该正极片1组成的电芯在工作时避免负极片宽度方向的边缘区域析锂。
在一些实施例中,请参阅图20-图21,第三凹槽5包括在极耳连接区111凹陷的凹陷部51以及包围凹陷部51并相对于极耳连接区111凸出的凸出部52,其中,凸出部52的外径为0.5μm~8μm。需要说明的是,凸出部52的外径指的是在第三凹槽5的外边缘形成的凸起的一圈圆环的直径宽度,凸出部52为氧化铝,凸出部52能够进一步增大极耳连接区111与正极耳3的接触面积,从而进一步提高焊接极耳时的散热效率,而且凸出部还能够增大极耳处的阻抗,降低极耳处的电流密度,降低极耳周围的正极脱嵌速度,进一步提升极片性能。
在一些实施例中,请参阅图20-图21,凹陷部51包括至少一个同心环状部,且至少一个同心环状部的外径在第三凹槽5的槽深增大的方向递减。在使用激光对极耳连接区111开孔时,在特定激光功率下,随着孔深的增加,形成至少一个同心环状部,则随着凹槽的深度增加激光的作用是减弱的,这样能够避免穿孔。
在一些实施例中,请参阅图2-图13,位于正集流体11两侧的活性物质层12均开设有第一凹槽2,且两个第一凹槽2关于极耳连接区111所在平面对称设置。具体的,为了提升电池的充电效率,通常极耳会设置的较厚,为抵抗正极耳3产生的无效厚度,则会在正集流体11两侧的活性物质层12上均开设第一凹槽2,并将两个第一凹槽2关于极耳连接区111所在平面对称设置。
进一步的,在一些实施例中,请参阅图13,极耳连接区111的两侧均开设第三凹槽5,且垂直极耳连接区111的方向上,位于极耳连接区111两侧的第三凹槽5存在重合区域,且重合区域的面积占极耳连接区111一侧第三凹槽5总横截面积的1%~40%。具体的,在极耳连接区111的两侧均开设第三凹槽5时,位于极耳连接区111两侧的第三凹槽5沿着垂直正集流体11的方向上的投影会存在一部分的重叠区域,通过控制该重叠区域在合适的范围内,进一步降低第三凹槽5穿孔的可能性,保证极耳的焊接良率,保证重合区域的占比处于上述范围内,能够尽量避免极耳连接区111在垂直正集流体11的方向上尺寸过低占比,从而提升极耳连接区111结构的稳定性。
更进一步的,极耳连接区111的两侧均开设第三凹槽5,且垂直极耳连接区111的方向上,位于极耳连接区111两侧的第三凹槽5错位设置,如此设置,更进一步的保证极耳连接区111结构的稳定性,且完全避免极耳连接区111出现贯穿槽。
在一些实施例中,请参阅图22,活性物质层12和极耳连接区111的过渡区域7开设第四凹槽6。具体的,在活性物质层12和极耳连接区111存在的交界区域开设第四凹槽6,第四凹槽6的各种参数和性质可以与第二凹槽4相同,也可以与第三凹槽5相同,还可以一个第四凹槽6中部分区域与第二凹槽4相同部分区域与第三凹槽5相同,在此不再赘述。
此外,活性物质层12和极耳连接区111的过渡区域7也可以不开设第四凹槽6,由于过渡区域7的活性物质层12的含量小于对应的负极片上活性物质层12的含量,该区域本身发生析锂的概率就较小,过渡区域7不开设第四凹槽6也与此区域对应的负极片通常也不会析锂。
在一些实施例中,请参阅图14至图18,第二凹槽4形成至少一个阵列单元,且相邻阵列单元之间的距离L4为0~1000μm,优选相邻阵列单元之间的距离为0~200μm。和/或,第三凹槽5形成至少一个阵列单元,且相邻阵列单元之间的距离L4为0~1000μm,优选相邻阵列单元之间的距离为0~200μm。进一步地,沿着正集流体11的长度方向的正极片1的长度为L,单个阵列单元的长度为L3,可以计算出矩阵孔道区的数量N=L/(L3+L4)+1。
需要说明的是,正集流体11的长度方向指的是正极片1处于展开状态下正集流体11的长度方向,也就是图1或图2中双向箭头X所示的方向。
还需要说明的是,极耳连接区111中的第三凹槽5可以通过一个激光阵列刻蚀形成,例如:图15或图17中的激光阵列E;极耳连接区111中的第三凹槽5可以通过两个激光阵列刻蚀形成,例如:图16或图18中的激光阵列F和激光阵列G。
在一些实施例中,请参阅图19,极耳连接区111未开设第三凹槽5的区域与正极耳3连接。具体的,这样在将正极耳3焊接到极耳焊接区时,极耳能够完全和极耳连接区111贴合,保证焊接的稳定性,使正极耳3连接更牢固,使其不容易掉落。
在一些实施例中,请参阅图6-图7,第二凹槽4的横截面形状为条形,且第二凹槽4的设置方向与正集流体11的宽度方向平行,和/或第二凹槽4的设置方向与正集流体11的长度度方向平行。第三凹槽5的横截面形状为条形,且第三凹槽5的设置方向与正集流体11的宽度方向平行,和/或第三凹槽5的设置方向与正集流体11的长度度方向平行。
具体的,将第二凹槽4设置为条形,第二凹槽4可以设置一条或者多条,第一凹槽2既可以与正集流体11的宽度方向平行,又可以与正集流体11的长度方向平行,将第二凹槽4设置于条形,将该正极片1组装为电芯,当向电芯内注入电解液时,电解液沿第二凹槽4流动,能够进一步提升电解液的浸润效率,加速电解液浸润正极片1。进一步的,第二凹槽4包括至少一个方向的至少一个条形槽,例如:井字形、米字形条形槽等等,如此设置,能够更进一步提升电解液的浸润效率。
在此,第三凹槽5及第四凹槽6的设置形式可以与上述第二凹槽4的设置形式类似,在此不在赘述。
此外,第二凹槽4的横截面形状可以为圆形、椭圆形或多边形。第三凹槽5及第四凹槽6亦是如此。
本发明的第二方面提供了一种电池,所述电池包括本发明第一方面的正极片。该电池由正极片1带来的有益效果请参见上述内容,在此不再赘述。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。本发明所描述的实施例仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,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例,都属于本发明保护的范围。
以下实施例为极耳中置结构电芯,负极片、正极片及电池分别按照如下过程制得:
实施例1
1、负极片的制备
将人造石墨、导电炭黑、丁苯橡胶、羧甲基纤维素钠按照质量比97.2:0.5:1.3:1置于去离子水中,搅拌均匀,制得负极浆料;将该负极浆料均匀涂覆于负极集流体上,依次经干燥、辊压、分切、清洗、制片处理,制得负极片。
2、正极片的制备
将钴酸锂、导电剂(导电炭黑与碳纳米管的混合物)、PVDF按照质量比97.60:1.35:1.05置于NMP中,搅拌均匀,制得正极浆料;将该正极活性物质浆料均匀涂布于铝箔(厚度为9μm)的正反两面,依次经干燥、辊压和分切、清洗工序,将清洗后的正极片进行激光处理,在正极片活性物质层的边缘设置多个第二凹槽,该第二凹槽所在区域的尺寸M为10μm。具体的,多个第二凹槽形成多个阵列单元,多个阵列单元中任意相邻两个矩阵的间距距离L4设为50μm;其中,任意两个相邻的第二凹槽的间距L1为150μm,单个第二凹槽的直径D1为100μm;单个第二凹槽的凹槽深H1为12μm。形成第二凹槽的激光功率为30%,激光打孔的速率为8000~20000mm/s。为了减少制程上的复杂,本实施例在极耳连接区上设置第三凹槽时所使用的激光功率和激光打孔速率相同,即第二凹槽和第三凹槽在一次高温激光刻蚀工序中同时得到,因此,该第三凹槽的相关参数与第二凹槽相同,L2为150μm,D2为100μm,H2为12μm,第三凹槽所在区域的尺寸Q为10μm。激光打孔后的正极片经过制片制得正极片;此外,本实施例1中的正极片的极耳连接区的两侧均开设有第三凹槽,且两侧采用相同高温激光刻蚀参数进行凹槽开设。
上述正极片的其他尺寸参数如下:正极片活性物质层的尺寸N为80.8μm,极耳连接区的凹槽深H为9μm,极耳连接区的尺寸P为26.5μm,正极片活性物质层的压实密度p为13.66g/cm3,正极片活性物质层的面密度ρ为4.15mg/cm2。
将实施例1制得的正极片进行能谱分析(EDS),如图24所示,测得其中一个第三凹槽中Al、O、Co、C和F各元素的含量如下所示:Al的含量为80.2%,O的含量为1.6%,C的含量为16.3%,Co的含量为1.3%,F的含量为0.6%。
其中一个第二凹槽中Al、O、Co、C和F各元素的含量如下所示:Al的含量为0.7%,O的含量为30.1%,C的含量为19.2%,Co的含量为50%,F的含量为0.01%。
当正极片的第二凹槽和第三凹槽中的各元素满足上述元素含量分布时,可继续进行电池制备步骤。
3、电池的制备
本申请隔膜采用8μm厚的基材+陶瓷+涂胶隔膜。电解液包括锂盐LiPF6和溶剂,溶剂包括碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)和碳酸甲基乙基酯(EMC),其中三者的摩尔比为DEC:EC:EMC=1:1:1。将上述制备得到的正极片、隔膜、负极片依次层叠设置后,卷绕成卷绕式结构的电芯,对电芯进行封装、注液、化成,二封等处理后,制得锂离子电池。
实施例2组
实施例2组参照实施例1进行,所不同的是,第三凹槽中各元素的含量发生改变,具体如表1所示。
对比例1
对比例1参照实施例1进行,所不同的是,活性物质层和极耳连接区不开设凹槽,表1中所对应的含量分布为不开设第二凹槽的活性物质层和不开设第三凹槽的极耳连接区的EDS测试结果,具体如表1所示。
表1
对上述实施例1-2和对比例1得到的锂离子电池的电芯容量以及容量衰减情况和极耳位(第一凹槽周围)析锂情况进行评价(如表2所示),测试方法具体如下:
(1)锂离子电池的电芯容量测试
将上述实施例1-2和对比例1得到的锂离子电池的电芯在蓝电测试柜上进行容量测试,在电芯规定的可使用电压上下限范围内,以25℃±2℃,0.2C放电至下限电压,静置10min;0.7C充电至上限电压,截止0.025C,静置10min;0.2C放电至下限电压,然后做初始容量测试,此时所得的容量为电芯的初始容量(mAh),记录在表2。
(2)锂离子电池的容量保持率测试
将上述实施例1-2和对比例1得到的锂离子电池在蓝电测试柜电池充放电测试柜上进行充放电循环测试,测试条件为25℃±2℃、3.7C/0.7C充放电,记录电池在循环1000T时的容量保持率并将测试结果记录于表2。
(3)析锂情况测试
将上述实施例1-2和对比例1得到的锂离子电池以测试(2)的测试条件充放电。重复该充放电循环过程400T(或800T),结束后将电池满充,在干燥房的环境中拆解电芯,观察极耳位(第一凹槽周围)析锂情况表面的析锂情况。析锂程度分为无析锂、轻微析锂、析锂和严重析锂四种等级。轻微析锂表示第一凹槽周围出现类似线状的析锂现象;析锂表示在第一凹槽周围轻微析锂的基础上稍微扩散到其他区域;严重析锂表示已经由第一凹槽周围扩散到其他区域;其中,析锂为介于轻微析锂和严重析锂之间的一种析锂情况。
表2
实施例3组
实施例3组参照实施例1进行,所不同的是,改变第二凹槽的尺寸M和第三凹槽的尺寸Q,具体如表3所示。
实施例4组
实施例4组参照实施例1进行,所不同的是,改变第二凹槽的L1和第三凹槽的L2,具体如表3所示。
实施例5组
实施例5组参照实施例1进行,所不同的是,改变第二凹槽的D1和H1以及第三凹槽的D2和H2,具体如表3所示。
实施例6
实施例6参照实施例1进行,所不同的是,负极片采用与正极片相同的激光刻蚀工序开设负极片凹槽,具体如表3所示。
实施例7
实施例7参照实施例1进行,所不同的是,正极片的极耳连接区不开设第三凹槽,具体如表3所示。
对比例2
对比例2参照实施例1进行,所不同的是,负极采用与正极片相同的激光刻蚀工序开设负极片凹槽,正极不开设凹槽。
表3
(表3中“√”表示H1符合与正活性物质层的厚度关系,即0.03×正活性物质层的厚度≤H1≤正活性物质层的厚度,“×”表示H1不符合与正活性物质层的厚度关系)
实施例8组
实施例1的第二凹槽中凸起部和凹槽部的尺寸如下所示:凹槽部的横截面外径为D3为50μm,凸起部的横截面外径为D4为15μm。
实施例8-1参照实施例1进行,所不同的是,改变高温刻蚀的激光功率和激光打孔速率,使得测得的凹槽部的横截面外径为D3为10μm,凸起部的横截面外径为D4为25μm;
实施例8-2参照实施例1进行,所不同的是,改变高温刻蚀的激光功率和激光打孔速率,使得测得的使得测得的凹槽部的横截面外径为D3为90μm,凸起部的横截面外径为D4为6μm;
实施例8-3参照实施例1进行,所不同的是,改变高温刻蚀的激光功率和激光打孔速率,使得测得的使得测得的凹槽部的横截面外径为D3为120μm,凸起部的横截面外径为D4为3μm;
实施例8-4参照实施例1进行,所不同的是,改变高温刻蚀的激光功率和激光打孔速率,使得测得的使得测得的凹槽部的横截面外径为D3为50μm,凸起部的横截面外径为D4为50μm。
对上述实施例以及对比例得到的锂离子电池的电芯容量以及容量衰减情况和边缘析锂情况进行评价(如表4所示),测试方法具体如下:
(1)锂离子电池的电芯容量测试
将实施例以及对比例得到的锂离子电池的电芯在蓝电测试柜上进行容量测试,在电芯规定的可使用电压上下限范围内,以25℃±2℃,0.2C放电至下限电压,静置10min;0.7C充电至上限电压,截止0.025C,静置10min;0.2C放电至下限电压,然后做初始容量测试,此时所得的容量为电芯的初始容量(mAh),记录在表4。
(2)锂离子电池的循环性能和容量保持率测试
将实施例以及对比例得到的锂离子电池在蓝电测试柜电池充放电测试柜上进行充放电循环测试,测试条件为25℃±2℃、3.7C/0.7C充放电,考察电池在循环1000T时的容量保持率/%并将测试结果记录于表4。
(3)锂离子电池的循环性能和析锂情况测试
将实施例以及对比例得到的锂离子电池以测试(2)的测试条件充放电。重复该充放电循环过程400T(或800T),结束后将电池满充,在干燥房的环境中拆解电芯,观察正极表面的析锂情况。析锂程度分为无析锂、边缘轻微析锂、边缘析锂和边缘严重析锂四种等级。边缘轻微析锂表示边缘出现类似线状的析锂现象并呈现灰色;边缘析锂表示在边缘轻微析锂的基础上稍微往极片内部扩散,也是呈现灰色;边缘严重析锂表示已经由极片边缘扩散到极片内部,并且边缘析出的颜色为金属银色;其中,边缘析锂为介于轻微析锂和严重析锂之间的一种析锂情况。
表4
以上详细描述了本发明的优选实施方式,但是,本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内,可以对本发明的技术方案进行多种简单变型,包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合,这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容,均属于本发明的保护范围。
Claims (15)
1.一种正极片,包括正集流体和在所述正集流体至少一侧表面的活性物质层,其特征在于,
所述活性物质层含有第一凹槽,所述正集流体包括位于所述第一凹槽的极耳连接区,正极耳位于所述第一凹槽内并与所述极耳连接区连接,所述正极耳位于所述第一凹槽内并与所述极耳连接区连接;
其中,所述活性物质层含有第二凹槽,所述第二凹槽位于所述正集流体宽度方向的一侧或两侧边缘区域;
所述极耳连接区含有第三凹槽,所述第三凹槽中包含的元素有Al。
2.根据权利要求1所述的正极片,其特征在于,在所述第三凹槽中包含的元素有Al、O、Co、C和F,以各元素的质量百分比计,Al的含量为70%~85%,O的含量为1%~5%,C的含量为10%~20%,Co的含量为0.5%~2%,F的含量为0.1%~1%。
3.根据权利要求1所述的正极片,其特征在于,所述第二凹槽中包含的元素有Al、O、Co、C和F;
优选地,在所述第二凹槽中,以各元素的质量百分比计,Al的含量为0.2%~1.2%,O的含量为25%~40%,C的含量为15%~30%,Co的含量为40%~55%,F的含量为0.01%~1%。
4.根据权利要求1所述的正极片,其特征在于,在所述正集流体的宽度方向上,所述第二凹槽所在区域的尺寸为M,所述活性物质层的尺寸为N,其中,M和N之间满足:0.1N≤M≤N。
5.根据权利要求1所述的正极片,其特征在于,所述第三凹槽位于所述正集流体的所述极耳连接区宽度方向的边缘区域,
在所述正集流体的宽度方向上,所述第三凹槽所在区域的尺寸为Q,所述极耳连接区的尺寸为P,其中,P和Q之间满足:Q=(0.1P~P)+k2,且﹣0.5mm≤k2≤﹣0.1mm或0.1mm≤k2≤0.5mm。
6.根据权利要求1所述的正极片,其特征在于,在垂直所述正集流体的方向上,所述第二凹槽的尺寸为H1;
所述H1满足:0.03(ρ*10)/p≤H1≤(ρ*10)/p,其中,p为所述活性物质层的压实密度,ρ为所述活性物质层的面密度;
和/或,在垂直所述正集流体的方向上,所述第三凹槽的尺寸为H2,所述极耳连接区的尺寸为H,H2和H满足:0.1H≤H2<0.5H。
7.根据权利要求1所述的正极片,其特征在于,所述第二凹槽设置有至少一个,且相邻所述第二凹槽的间距为L1,所述第二凹槽的横截面外径为D1,其中,L1和D1满足:50μm≤L1≤1000μm;20μm≤D1≤500μm;
和/或,所述第三凹槽设置有至少一个,且相邻所述第三凹槽的间距为L2,所述第三凹槽的横截面外径为D2,其中,L2和D2满足:50μm≤L2≤1000μm;20μm≤D2≤500μm。
8.根据权利要求1所述的正极片,其特征在于,在垂直所述正集流体的方向上,所述第二凹槽的尺寸为H1,所述第三凹槽的尺寸为H2;
所述第二凹槽的横截面外径为D1,所述第三凹槽的横截面外径为D2;
其中,H1和H2满足:0<H1-H2≤40μm;D1和D2满足:0<D1-D2≤20μm。
9.根据权利要求1所述的正极片,其特征在于,所述第二凹槽中含有至少一个凸起部及位于相邻所述凸起部之间的至少一个凹槽部,所述凹槽部的横截面外径D3,所述凸起部的横截面外径为D4,其中,D3和D4满足:10μm≤D3≤100μm,5μm≤D4≤30μm。
10.根据权利要求1所述的正极片,其特征在于,所述第三凹槽包括在所述极耳连接区凹陷的凹陷部及包围所述凹陷部并相对于所述极耳连接区凸出的凸出部,所述凸出部的外径为0.5μm~8μm;
和/或,所述凹陷部包括至少一个同心环状部,且至少一个所述同心环状部的外径在所述第三凹槽的槽深增大的方向递减。
11.根据权利要求1所述的正极片,其特征在于,所述极耳连接区的两侧均包括所述第三凹槽,且在所述正集流体的垂直方向上,所述极耳连接区两侧的所述第三凹槽存在重叠区域,所述重叠区域的面积占所述极耳连接区一侧所述第三凹槽总横截面积的1%~40%。
12.根据权利要求1所述的正极片,其特征在于,所述活性物质层和所述极耳连接区的过渡区域包括第四凹槽。
13.根据权利要求1所述的正极片,其特征在于,所述第二凹槽形成至少一个阵列单元,且相邻所述阵列单元之间的距离为0~1000μm;
和/或,所述第三凹槽形成至少一个阵列单元,且相邻所述阵列单元之间的距离为0~1000μm。
14.根据权利要求1所述的正极片,其特征在于,所述极耳连接区未开设所述第三凹槽的区域与所述正极耳连接。
15.一种电池,其特征在于,包括权利要求1-14任一项所述的正极片。
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