CN117810460A - 电池包以及用电设备 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了电池包以及用电设备，所述电池包包括多个第一电芯，所述第一电芯的下限电压为2.5V‑3.0V；多个第二电芯，所述第二电芯和所述第一电芯串联设置，所述第二电芯的下限电压≤2.0V，其中，所述第二电芯的负极集流体包括金属，所述金属包括铝、镍、钼、钛、铌、铁中的至少一种，基于所述第二电芯的负极集流体的总质量，所述金属的质量占比≥40%。由此，可降低第二电芯的负极集流体被氧化的概率，使第二电芯可以持续放电至较低的电压，从而提高第二电芯的容量的发挥。
Description
技术领域
本申请涉及电池领域，具体地，涉及电池包以及用电设备。
背景技术
电池不仅被应用于水力、火力、风力和太阳能电站等储能电源系统，而且还被广泛应用于电动自行车、电动摩托车、电动汽车等电动交通工具，以及军事装备和航空航天等多个领域。相关技术中的电池包同时具有锂离子电池和钠离子电池时，钠离子电池的下限电压较高，导致钠离子电池中部分电压区间内的容量无法发挥，降低了电池包整体容量的发挥。
发明内容
鉴于背景技术中存在的技术问题，本申请提供一种电池包，可以提高电池包容量的发挥。
本申请的第一方面提出一种电池包，包括多个第一电芯，所述第一电芯的下限电压为2.5V-3.0V；多个第二电芯，所述第二电芯和所述第一电芯串联设置，所述第二电芯的下限电压≤2.0V，其中，所述第二电芯的负极集流体包括金属，所述金属包括铝、镍、钼、钛、铌、铁中的至少一种，基于所述第二电芯的负极集流体的总质量，所述金属的质量占比≥40%。由此，当第二电芯在较低的电压下继续放电时，可降低第二电芯的负极集流体被氧化的概率，使第二电芯可以持续放电至较低的电压，从而提高第二电芯的容量的发挥，进而提高电池包整体的容量的发挥。
根据本申请的一些实施例，基于所述第二电芯的负极集流体的总质量，所述金属的质量占比为75%-100%。由此，通过使金属的质量占比在上述范围，降低第二电芯放电至较低的电压时，第二电芯的负极集流体被氧化的概率。
根据本申请的一些实施例，所述金属包括铝或钛中的至少一种。由此，放电过程中第二电芯的负极电位升高时，铝或钛被氧化后的产物具有强抗氧化性，可降低负极集流体被持续氧化导致腐蚀的概率。
根据本申请的一些实施例，所述第二电芯的下限电压为1.0V-2.0V。由此，使第二电芯可以在低电压下使用，同时，降低第二电芯的负极集流体被氧化的概率。
根据本申请的一些实施例，所述第一电芯的下限电压为V1，所述第一电芯的数量为n1，所述第二电芯的下限电压为V2，所述第二电芯的数量为n2，且满足V1×n1+V2×n2≥200V。由此，当第一电芯和第二电芯放电至下限电压时，仍可提供一定的电压以启动电机。
根据本申请的一些实施例，n1：n2=0.125-8。由此，通过使n1和n2的比值在上述范围，使第一电芯和第二电芯放电至下限电压时，多个第一电芯和多个第二电芯仍可提供一定的电压以启动电机。
根据本申请的一些实施例，所述第二电芯放电至下限电压时的荷电状态小于所述第一电芯放电至下限电压时的荷电状态。由此，提高第二电芯的容量的发挥。
根据本申请的一些实施例，所述第一电芯放电至下限电压时的荷电状态为3%-20%；和/或，所述第二电芯放电至下限电压时的荷电状态为0%-10%。由此，提高电池包的容量的发挥。
根据本申请的一些实施例，所述第一电芯包括锂离子电芯、钾离子电芯中的至少一种，所述第二电芯与所述第一电芯不同，所述第二电芯包括钠离子电芯、锌离子电芯、镁离子电芯中的至少一种。由此，提高电池包的容量。
本申请的第二方面提供了一种用电设备，包括本申请第一方面提出的电池包。
本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
通过阅读对下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在全部附图中，用相同的附图标号表示相同的部件。在附图中：
图1是本申请一实施方式的电芯的示意图。
图2是图1所示的本申请一实施方式的电芯的分解图。
图3是本申请一实施方式的电池模块的示意图。
图4是本申请一实施方式的电池包的示意图。
图5是图4所示的本申请一实施方式的电池包的分解图。
图6是本申请一实施方式的电池包用作电源的用电设备的示意图。
附图标记说明：
1电池包；2上箱体；3下箱体；4电池模块；5第一电芯；6第二电芯；51壳体；52第一电极组件；53盖板。
具体实施方式
下面对本申请技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本申请的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本申请的保护范围。
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。
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。
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。
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。
目前，从市场形势的发展来看，电池的应用越加广泛。电池不仅被应用于水力、火力、风力和太阳能电站等储能电源系统，而且还被广泛应用于电动自行车、电动摩托车、电动汽车等电动交通工具，以及军事装备和航空航天等多个领域。随着电池应用领域的不断扩大，其市场的需求量也在不断地扩增。
钠元素资源丰富，分布广泛，成本更低，且与锂离子电池具有相似的工作原理，受到广泛的关注和研究。钠离子电池放电过程中负极电位升高后，负极集流体容易被持续氧化导致腐蚀，导致钠离子电池下限电压较高，低电压区间内的容量无法利用，降低了钠离子电池容量的发挥。
本申请提出了一种电池包，包括多个第一电芯和多个第二电芯。第二电芯的负极集流体上的金属包括铝、镍、钼、钛、铌、铁中的至少一种，同时限定了上述种类的金属的含量，上述种类的金属被氧化后的产物具有强的抗氧化性，可降低负极集流体被持续氧化发生腐蚀的概率，使第二电芯可以放电至较低的电压使用，从而可以提高第二电芯的容量的发挥，进而提高电池包整体的容量发挥。第一电芯的下限电压大于第二电芯的下限电压，当第一电芯和第二电芯放电至下限电压时，即使第二电芯的下限电压较低，通过第一电芯和第二电芯的搭配，也可为用电设备的启动提供充足的电压。也即是说，本申请提供的电池包，可在提高第二电芯的容量的发挥的基础上，通过第一电芯和第二电芯的搭配，根据用电设备的需求输出相应的电压以启动用电设备。
本申请提出的电池包可以用于使用电池包作为电源的用电设备或者使用电池包作为储能元件的各种储能系统。用电设备可以包括但不限于手机、平板、笔记本电脑、电动玩具、电动工具、电瓶车、电动汽车、轮船、航天器等等。其中，电动玩具可以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，航天器可以包括飞机、火箭、航天飞机和宇宙飞船等等。
本申请第一方面提出了一种电池包，包括多个第一电芯，所述第一电芯的下限电压为2.5V-3.0V；多个第二电芯，所述第二电芯和所述第一电芯串联设置，所述第二电芯的下限电压≤2.0V，其中，所述第二电芯的负极集流体包括金属，所述金属包括铝、镍、钼、钛、铌、铁中的至少一种，基于所述第二电芯的负极集流体的总质量，所述金属的质量占比≥40%。由此，当第二电芯在较低的电压下继续放电时，可降低第二电芯的负极集流体被氧化的概率，使第二电芯可以持续放电至较低的电压，从而提高第二电芯的容量的发挥，进而提高电池包整体的容量的发挥。
本申请中，下限电压是指电芯放电的最低电压。
下面对本申请能够实现上述有益效果的原理进行详细说明：
本申请提出的电池包包括多个第一电芯和多个第二电芯，充电后，第一电芯和第二电芯具有不同的初始电压（例如，第一电芯的初始电压为3.8V，第二电芯的初始电压为3V）。放电时，串联的第一电芯和第二电芯以相同的速率进行放电，由于初始电压不同，第一电芯和第二电芯可放电至不同的下限电压（例如，第一电芯的下限电压为2.8V，第二电芯的下限电压为1V），第一电芯和第二电芯放电至下限电压后，多个第一电芯和多个第二电芯的电压之和大于或等于电机的启动电压以启动电机。本申请中，通过使第二电芯的负极集流体上的金属包括铝、镍、钼、钛、铌、铁中的至少一种，同时限定上述种类金属的含量，上述种类的金属被氧化后的产物具有强的抗氧化性，可降低负极集流体被持续氧化发生腐蚀的概率，使第二电芯即使放电至较低的电压时，也可以降低第二电芯的负极集流体上的金属被氧化的概率，从而进一步利用第二电芯在低电压下的容量，提高第二电芯的容量的发挥，进而提高电池包的容量的发挥。
本申请中负极集流体上金属的含量可通过电感耦合等离子体(ICP)光谱法进行测试。例如可以参考标准YS/T 1006.2-2014、GB/T 23367.2-2009或YS/T 1028.5-2015。具体的，根据本申请的实施例，可以采用电感耦合等离子体发射光谱仪（设备型号：iCAP 7400），按照制造商的说明书进行测量。具体的，对于不同类型的集流体材料，分别通过ICP分析确定各成分的组成。
本申请中，下限电压的测试方法为：以第二电芯为例，第二电芯以0.33C进行放电，直到电池管理系统进行放电保护，记录多个第二电芯的电压值，取平均值作为第二电芯的下限电压。
根据本申请的一些实施例，所述第二电芯的负极集流体可以为金属箔片，形成所述金属箔片的材料包括铝、镍、钼、钛、铌、铁中的至少一种。
根据本申请的一些实施例，基于所述第二电芯的负极集流体的总质量，所述金属的质量占比≥40%。例如，可以为40%、50%、60%、70%、80%、90%或100%等，或可以为上述任意数值组成的范围。由此，通过使所述金属的含量在上述范围，上述种类的金属被氧化后的产物具有强抗氧化性，可防止负极集流体上的金属被持续氧化发生腐蚀的概率，从而使第二电芯可以在较低的下限电压使用。通过使上述金属的质量占比≥50%，当负极集流体上包括其他容易发生腐蚀的金属时，可减小容易发生腐蚀的金属的质量占比，进一步减小负极集流体上被腐蚀的概率。根据本申请的一些实施例，基于所述第二电芯的负极集流体的总质量，所述金属的质量占比为75%-100%。
根据本申请的一些实施例，所述金属包括铝或钛中的至少一种。由此，放电过程中负极电位升高后，铝被氧化成Al2O3和AlF3，Ti被氧化成TiO2，Al2O3、AlF3和TiO2具有强抗氧化性，可降低负极集流体被进一步腐蚀的概率，从而使第二电芯在低电压下使用，进而提高第二电芯的容量的发挥。
作为示例，所述第二电芯的负极集流体可以为铝箔或钛箔。
根据本申请的一些实施例，所述第二电芯的负极集流体还可以为复合集流体，复合集流体可包括高分子材料基材和形成于所述高分子材料基材至少一个表面上的金属层，形成所述金属层的材料包括铝、镍、钼、钛、铌、铁中的至少一种。
作为示例，形成所述高分子材料基材的材料包括聚酰胺、聚对苯二甲酸酯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、芳纶、聚二甲酰苯二胺、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚对苯二甲酰对苯二胺、聚丙乙烯、聚甲醛、环氧树脂、酚醛树脂、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、硅橡胶、聚碳酸酯、纤维素及其衍生物、淀粉及其衍生物、蛋白质及其衍生物、聚乙烯醇及其交联物、聚乙二醇及其交联物中的至少一种。
根据本申请的一些实施例，所述第一电芯的负极集流体（简称第一负极集流体）和所述第二电芯的负极集流体（简称第二负极集流体）的厚度分别独立地为3μm-100μm，例如，可以为3μm、10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm或100μm等，或可以为上述任意数值组成的范围。根据本申请的一些具体实施例，所述第一负极集流体的厚度和所述第二负极集流体的厚度分别独立地为3μm-60μm。
本申请中负极集流体的厚度可以采用微米千分尺进行测量。
根据本申请的一些实施例，所述第一电芯的下限电压可以为2.5V-3.0V。例如，可以为2.5V、2.6V、2.7V、2.8V、2.9V或3.0V，或可以为上述任意数值组成的范围。
根据本申请的一些实施例，所述第二电芯的下限电压≤2.0V。例如，可以为2.0V、1.8V、1.6V、1.4V、1.2V、1.0V、0.8V、0.6V、0.4V、0.2V或0V等，或可以为上述任意数值组成的范围。由此，第二电芯低电压下的容量可以被进一步利用，从而提高第二电芯的容量的发挥，进而提高整个电池包的容量的发挥。根据本申请的一些具体实施例，所述第二电芯的下限电压可以为1.0V-2.0V。
根据本申请的一些实施例，所述第一电芯的数量为n1，所述第二电芯的数量为n2，且满足n1：n2=0.125-8。例如，可以为0.125、0.5、1、2、3、4、5、6、7或8等，或可以为上述任意数值组成的范围。由此，可根据第一电芯和第二电芯放电时的下限电压，设计电池包中第一电芯和第二电芯的数量，使多个第一电芯的电压之和与多个第二电芯的电压之和大于或等于电机的启动电压。
根据本申请的一些实施例，当电机的启动电压为200V时，所述第一电芯的下限电压为V1，所述第一电芯的数量为n1，所述第二电芯的下限电压为V2，所述第二电芯的数量为n2，且满足V1×n1+V2×n2≥200V。由此，可以启动电机。
根据本申请的一些实施例，所述第二电芯放电至下限电压时的荷电状态小于所述第一电芯放电至下限电压时的荷电状态。例如，当所述第一电芯放电至下限电压时，所述第一电芯为20%SOC，所述第二电芯放电至下限电压时，所述第二电芯为10%SOC。由此，提高电池包整体容量的发挥。
本申请中荷电状态是指：电池使用一段时间或长期搁置不用后的剩余容量与其完全充电状态的容量的比值。
根据本申请的一些实施例，所述第一电芯放电至下限电压时的荷电状态可以为3%-20%；和/或，所述第二电芯放电至下限电压时的荷电状态可以为0%-10%。由此，提高电池包整体容量的发挥。
本申请中荷电状态（SOC）的测试方法为：基于电池当前的电压，按照电池规格书指定的工作电流放电至下限电压，得到的容量除以当下从下限电压充电至上限电压的容量，即为电池的SOC值。例如，电池的工作电压为2.8V（下限电压）-3.65V（上限电压），当前电池处于3.0V，工作倍率为0.33C，则将电池从3.0V按照0.33C放电至2.8V，记录Cn1,将电池再从2.8V充电至3.65V得到充电容量Cn，则SOC=Cn1/Cn*100%。
根据本申请的一些实施例，所述第一电芯包括锂离子电芯、钾离子电芯中的至少一种，所述第二电芯与所述第一电芯不同，所述第二电芯包括钠离子电芯、锌离子电芯、镁离子电芯中的至少一种。
作为示例，第一电芯为锂离子电芯，第二电芯为钠离子电芯。由此，通过使钠离子电芯的负极集流体上的金属包括铝、镍、钼、钛、铌、铁中的至少一种，同时限定上述种类金属的含量，上述种类的金属被氧化后的产物具有强的抗氧化性，可降低负极集流体被持续氧化发生腐蚀的概率，使钠离子电芯即使放电至较低的电压时，也可以降低钠离子电芯的负极集流体上的金属被氧化的概率，从而进一步利用钠离子电芯在低电压下的容量，提高钠离子电芯的容量的发挥，进而提高电池包的容量的发挥。同时，本申请提出的电池包包括多个锂离子电芯和多个钠离子电芯，充电后，锂离子电芯和钠离子电芯具有不同的初始电压。放电时，串联的锂离子电芯和钠离子电芯以相同的速率进行放电，由于初始电压不同，锂离子电芯和钠离子电芯可放电至不同的下限电压，锂离子电芯和钠离子电芯放电至下限电压后，多个锂离子电芯提供的电压之和和多个钠离子电芯提供的电压之和仍可以启动电机。
电芯（包括第一电芯和第二电芯）包括正极极片、负极极片、电解质和隔离膜。在电芯充放电过程中，活性离子在正极极片和负极极片之间往返嵌入和脱出。电解质在正极极片和负极极片之间起到传导离子的作用。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，同时可以使离子通过。
[正极极片]
正极极片（第一电芯的正极极片和第二电芯的正极极片）包括正极集流体以及设置在正极集流体至少一个表面的正极活性材料层，所述正极活性材料层包括正极活性材料。
作为示例，正极集流体具有在其自身厚度方向相对的两个表面，正极活性材料层设置在正极集流体相对的两个表面的其中任意一者或两者上。
在一些实施方式中，所述正极集流体可采用金属箔片或复合集流体。例如，作为金属箔片，可采用铝箔。复合集流体可包括高分子材料基层和形成于高分子材料基层至少一个表面上的金属层。复合集流体可通过将金属材料（铝、铝合金、镍、镍合金、钛、钛合金、银及银合金等）形成在高分子材料基材（如聚丙烯（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）等的基材）上而形成。
在一些实施方式中，当第一电芯为锂离子电芯时，正极活性材料可采用本领域公知的用于锂离子电芯的正极活性材料。作为示例，正极活性材料可包括以下材料中的至少一种：橄榄石结构的含锂磷酸盐、锂过渡金属氧化物及其各自的改性化合物。但本申请并不限定于这些材料，还可以使用其他可被用作电池正极活性材料的传统材料。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。其中，锂过渡金属氧化物的示例可包括但不限于锂钴氧化物（如LiCoO2）、锂镍氧化物（如LiNiO2）、锂锰氧化物（如LiMnO2、LiMn2O4）、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（如LiNi1/3Co1/ 3Mn1/3O2（也可以简称为NCM333）、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2（也可以简称为NCM523）、LiNi0.5Co0.25Mn0.25O2（也可以简称为NCM211）、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2（也可以简称为NCM622）、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2（也可以简称为NCM811）、锂镍钴铝氧化物（如LiNi0.8Co0.15Al0.05O2）及其改性化合物等中的至少一种。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（如LiFePO4（也可以简称为LFP））、磷酸铁锂与碳的复合材料、磷酸锰锂（如LiMnPO4）、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中的至少一种。
在一些实施方式中，当第二电芯为钠离子电芯时，作为示例，所述正极活性材料可以包括但不限于层状过渡金属氧化物、聚阴离子化合物和普鲁士蓝类似物中的至少之一。
作为上述层状过渡金属氧化物的示例，例如可以列举出：
Na1-xCuhFekMnlM1 mO2-y，其中M1为Li、Be、B、Mg、Al、K、Ca、Ti、Co、Ni、Zn、Ga、Sr、Y、Nb、Mo、In、Sn及Ba中的一种或几种，0<x≤0.33，0<h≤0.24，0≤k≤0.32，0<l≤0.68，0≤m<0.1，h+k+l+m＝1，0≤y<0.2；
Na0.67Mn0.7NizM2 0.3-zO2，其中M2为Li、Mg、Al、Ca、Ti、Fe、Cu、Zn及Ba中的一种或几种，0<z≤0.1；
NaaLibNicMndFeeO2，其中0.67<a≤1，0<b<0.2，0<c<0.3，0.67<d+e<0.8，b+c+d+e＝1。
作为上述聚阴离子化合物的示例，例如可以列举出：
A1 fM3 g(PO4)iOjX1 3-j，其中A1为H、Li、Na、K及NH4中的一种或几种，M3为Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、V、Cu及Zn中的一种或几种，X1为F、Cl及Br中的一种或几种，0<f≤4，0<g≤2，1≤i≤3，0≤j≤2；
NanM4PO4X2，其中M4为Mn、Fe、Co、Ni、Cu及Zn中的一种或几种，X2为F、Cl及Br中的一种或几种，0<n≤2；
NapM5 q(SO4)3，其中M5为Mn、Fe、Co、Ni、Cu及Zn中的一种或几种，0<p≤2，0<q≤2；
NasMntFe3-t(PO4)2(P2O7)，其中0<s≤4，0≤t≤3，例如t为0、1、1.5、2或3。
作为上述普鲁士蓝类似物的示例，例如可以列举出：
AuM6 v[M7(CN)6]w·xH2O，其中A为H+、NH4 +、碱金属阳离子及碱土金属阳离子中的一种或几种，M6和M7各自独立地为过渡金属阳离子中的一种或几种，0<u≤2，0<v≤1，0<w≤1，0<x<6。例如A为H+、Li+、Na+、K+、NH4 +、Rb+、Cs+、Fr+、Be2+、Mg2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+及Ra2+中的一种或几种，M6和M7各自独立地为Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Sn及W中的一种或几种过渡金属元素的阳离子。
上述各材料的改性化合物可以是对材料进行掺杂改性和/或表面包覆改性。
在一些实施方式中，正极活性材料层还可选地包括粘结剂。作为示例，所述粘结剂可以包括聚偏氟乙烯（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-六氟丙烯共聚物及含氟丙烯酸酯树脂中的至少一种。
在一些实施方式中，正极活性材料层还可选地包括导电剂。作为示例，所述导电剂可以包括超导碳、乙炔黑、炭黑、科琴黑、碳点、碳纳米管、石墨烯及碳纳米纤维中的至少一种。
在一些实施方式中，可以通过以下方式制备正极极片：将上述用于制备正极极片的组分，例如正极活性材料、导电剂、粘结剂和任意其他的组分分散于溶剂（例如N-甲基吡咯烷酮）中，形成正极浆料；将正极浆料涂覆在正极集流体上，经烘干、冷压等工序后，即可得到正极极片。
[负极极片]
负极极片（第一电芯的负极极片和第二电芯的负极极片）包括负极集流体以及设置在负极集流体至少一个表面上的负极活性材料层，所述负极活性材料层包括负极活性材料。
作为示例，负极集流体具有在其自身厚度方向相对的两个表面，负极活性材料层设置在负极集流体相对的两个表面中的任意一者或两者上。
在一些实施方式中，所述第一电芯的所述负极集流体可采用金属箔片或复合集流体。例如，作为金属箔片，可以采用铜箔。复合集流体可包括高分子材料基层和形成于高分子材料基材至少一个表面上的金属层。复合集流体可通过将金属材料（铜、铜合金、镍、镍合金、钛、钛合金、银及银合金等）形成在高分子材料基材（如聚丙烯（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）等的基材）上而形成。
在一些实施方式中，所述第二电芯的所述负极集流体的具体设置参考前述的第二电芯的所述负极集流体的设置，在此不再赘述。
在一些实施方式中，负极活性材料可采用本领域公知的用于电池的负极活性材料。作为示例，负极活性材料可包括以下材料中的至少一种：人造石墨、天然石墨、软炭、硬炭、硅基材料、锡基材料和钛酸盐等。所述硅基材料可选自单质硅、硅氧化合物、硅碳复合物、硅氮复合物以及硅合金中的至少一种。所述锡基材料可选自单质锡、锡氧化合物以及锡合金中的至少一种。当电池为锂离子电池时，钛酸盐采用钛酸锂；当电池为钠离子电池时，钛酸盐采用钛酸钠。但本申请并不限定于这些材料，还可以使用其他可被用作电池负极活性材料的传统材料。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。
在一些实施方式中，负极活性材料层还可选地包括粘结剂。所述粘结剂可选自丁苯橡胶（SBR）、聚丙烯酸（PAA）、聚丙烯酸钠（PAAS）、聚丙烯酰胺（PAM）、聚乙烯醇（PVA）、海藻酸钠（SA）、聚甲基丙烯酸（PMAA）及羧甲基壳聚糖（CMCS）中的至少一种。
在一些实施方式中，负极活性材料层还可选地包括导电剂。导电剂可选自超导碳、乙炔黑、炭黑、科琴黑、碳点、碳纳米管、石墨烯及碳纳米纤维中的至少一种。
在一些实施方式中，负极活性材料层还可选地包括其他助剂，例如增稠剂（如羧甲基纤维素钠（CMC-Na））等。
在一些实施方式中，可以通过以下方式制备负极极片：将上述用于制备负极极片的组分，例如负极活性材料、导电剂、粘结剂和任意其他组分分散于溶剂（例如去离子水）中，形成负极浆料；将负极浆料涂覆在负极集流体上，经烘干、冷压等工序后，即可得到负极极片。
在一些实施方式中，第二电芯还可以包括无负极第二电芯。例如，以第二电芯为钠离子电芯为例，无负极钠电芯是指在第二负极极片的制造过程中，在第二负极集流体上不主动设置负极活性材料层，例如，在第二负极极片的制造过程中不在第二负极集流体处通过涂敷或沉积等工序设置负极活性材料层。在首次充电时，钠离子在负极侧得到电子以金属钠在第二负极集流体表面沉积形成钠金属相，放电时，金属钠能够转变为钠离子回到正极极片，实现循环充放。相比于其他钠电芯，无负极钠电芯由于没有负极活性材料层，可以获得更高的能量密度。
[电解质]
电解质在正极极片和负极极片之间起到传导离子的作用。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。
在一些实施方式中，所述电解质采用电解液。所述电解液包括电解质盐和溶剂。
在一些实施方式中，当第一电芯为锂离子电芯时，锂离子电芯中的电解质盐可包括六氟磷酸锂、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、二氟磷酸锂、二氟草酸硼酸锂、二草酸硼酸锂、二氟二草酸磷酸锂及四氟草酸磷酸锂中的至少一种。
在本申请一些实施方式中，当第二电芯为钠离子电芯时，钠离子电芯中的所述电解质钠盐可以包括六氟磷酸钠、二氟草酸硼酸钠、四氟硼酸钠、双草酸硼酸钠、高氯酸钠、六氟砷酸钠、双(氟磺酰)亚胺钠、三氟甲基磺酸钠或双(三氟甲基磺酰)亚胺钠中的至少之一。
在一些实施方式中，溶剂可选自碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、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、碳酸亚丁酯、氟代碳酸亚乙酯、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、环丁砜、二甲砜、甲乙砜及二乙砜中的至少一种。
在一些实施方式中，所述电解液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、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，例如改善电芯过充性能的添加剂、改善电芯高温或低温性能的添加剂等。
[隔离膜]
在一些实施方式中，电芯中还包括隔离膜。本申请对隔离膜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。
在一些实施方式中，隔离膜的材质可选自玻璃纤维、无纺布、聚乙烯、聚丙烯及聚偏二氟乙烯中的至少一种。隔离膜可以是单层薄膜，也可以是多层复合薄膜，没有特别限制。在隔离膜为多层复合薄膜时，各层的材料可以相同或不同，没有特别限制。
在一些实施方式中，正极极片、负极极片和隔离膜可通过卷绕工艺或叠片工艺制成电极组件。
在一些实施方式中，电芯可包括外包装。该外包装可用于封装上述正极极片、负极极片及电解质。
在一些实施方式中，电芯的外包装可以是硬壳，例如硬塑料壳、铝壳、钢壳等。电芯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，作为塑料，可列举出聚丙烯、聚对苯二甲酸丁二醇酯以及聚丁二酸丁二醇酯等。
本申请对电芯的形状没有特别的限制，其可以是圆柱形、方形或其他任意的形状。例如，图1是作为一个示例的方形结构的第一电芯5（或第二电芯6）。
在一些实施方式中，参照图2，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，底板和侧板围合形成容纳腔。壳体51具有与容纳腔连通的开口，盖板53能够盖设于所述开口，以封闭所述容纳腔。正极极片、负极极片和隔离膜可经卷绕工艺或叠片工艺形成电极组件52。电极组件52封装于所述容纳腔内。电解液浸润于电极组件52中。第一电芯5（或第二电芯6）所含电极组件52的数量可以为一个或多个，本领域技术人员可根据具体实际需求进行选择。
在一些实施方式中，电芯可以组装成电池模块，电池模块所含电芯的数量可以为一个或多个，具体数量本领域技术人员可根据电池模块的应用和容量进行选择。
图3是作为一个示例的电池模块4。参照图3，在电池模块4中，多个第一电芯5和第二电芯6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第一电芯5和第二电芯6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，多个第一电芯5和第二电芯6容纳于该容纳空间。
在一些实施方式中，电池包所含电池模块的数量可以为一个或多个，具体数量本领域技术人员可根据电池包的应用和容量进行选择。
图4和图5是作为一个示例的电池包1。参照图4和图5，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能够盖设于下箱体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。
另外，本申请还提供一种用电设备，所述用电设备包括本申请提供的电池包。所述电池包可以用作所述用电设备的电源，也可以用作所述用电设备的能量存储单元。所述用电设备可以包括移动设备（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，但不限于此。
图6是作为一个示例的用电设备。该用电设备为纯电动车、混合动力电动车、或插电式混合动力电动车等。为了满足该用电设备对电池的高功率和高能量密度的需求，可以采用电池包。
为了使本申请实施例所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚，以下将结合实施例和附图进行进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有付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。
实施例1
1.制备第一电芯
1.1制备第一正极极片
将磷酸铁锂材料、导电剂碳黑、粘结剂聚偏二氟乙烯（PVDF）按重量比为95：2.5：2.5在N-甲基吡咯烷酮（NMP）溶剂体系中充分搅拌混合均匀，得到正极浆料，将正极浆料均匀涂覆于第一正极集流体铝箔的两个表面上，经过烘干、冷压、分切，得到第一正极极片。
1.2制备第一负极极片
将活性物质人造石墨、导电剂碳黑、粘结剂丁苯橡胶（SBR）、增稠剂羧甲基纤维素钠（CMC-Na）按照重量比为96.2：0.8：0.8：1.2溶于溶剂去离子水中，混合均匀后制备成负极浆料，将负极浆料一次或多次均匀涂覆在第一负极集流体铜箔的两个表面上，经过烘干、冷压、分切得到第一负极极片。
1.3制备电解液
在氩气气氛手套箱中（H2O<0.1ppm，O2<0.1ppm），将有机溶剂碳酸乙烯酯（EC）/碳酸甲乙酯（EMC）按照体积比3：7混合均匀，向其中加入LiPF6，得到LiPF6浓度为1mol/L的电解液。
1.4隔离膜
聚乙烯薄膜。
1.5制备第一电芯
第一正极极片、隔离膜、第一负极极片按顺序叠好，使隔离膜处于第一正极极片和第一负极极片之间起到隔离的作用，然后卷绕得到裸电芯，给裸电芯焊接极耳，并将裸电芯装入铝壳中，在80℃下烘烤除水，随即注入电解液并封口，得到不带电的电芯。不带电的电芯再依次经过静置、热冷压、化成、整形、容量测试等工序，获得第一电芯。
2.制备第二电芯
2.1制备第二正极极片
将焦磷酸铁钠、导电剂碳黑、粘结剂聚偏二氟乙烯（PVDF）按重量比为95：2.5：2.5在N-甲基吡咯烷酮（NMP）溶剂体系中充分搅拌混合均匀，得到正极浆料，将正极浆料均匀涂覆于第二正极集流体铝箔的两个表面上，经过烘干、冷压、分切，得到第二正极极片。
2.2制备第二负极极片
将碳纳米管分散液搅拌成2000mPa·s-10000mPa·s粘度范围的负极浆料，将负极浆料均匀涂覆在第二负极集流体铝合金的两个表面上，经过烘干、冷压、分切得到第二负极极片。
2.3制备电解液
将乙二醇二甲醚（DME ）和/或二乙二醇二甲醚（DEGDME）等体积混合得到有机溶剂，接着将NaPF6溶解于上述有机溶剂中，配制成浓度为1mol/L的电解液。
2.4隔离膜
聚乙烯薄膜。
2.5制备第二电芯
第二正极极片、隔离膜、第二负极极片按顺序叠好，使隔离膜处于第二正极极片和第二负极极片之间起到隔离的作用，然后卷绕得到裸电芯，给裸电芯焊接极耳，并将裸电芯装入铝壳中，在80℃下烘烤除水，随即注入电解液并封口，得到不带电的电芯。不带电的电芯再依次经过静置、热冷压、化成、整形、容量测试等工序，获得第二电芯。
3.组装电池包
电池包包括6个电池模组，6个电池模组之间串联，每个电池模组内包括6个第一电芯和12个第二电芯。
实施例2-实施例10、对比例1、对比例2中电池包的参数同实施例1，区别详见表1。
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性能测试
（1）电芯容量的测试方法
在25℃下，将上述制备的电芯以1C恒流充电至电压为上限电压，然后以上限电压恒压充电至电流为0.05C，静置5min之后，将电池以1C恒流放电至下限电压，此为一个充放电循环过程，记录电芯的容量。
（2）循环性能测试
在45℃下，将上述制备的电池组以1C恒流充电至电压为上限电压，然后以上限电压恒压充电至电流为0.05C，静置5min之后，将电池以1C恒流放电至下限电压，此为一个充放电循环过程，此次的放电容量为电池首次循环后的放电容量。将电池按照上述方式循环500圈。电池循环500圈的容量保持率=循环500圈后的放电容量/首次循环后的放电容量。
（3）电池包容量（满电设计）的计算方法
电池包容量（满电设计）=第一电芯的容量×单个电池模组内第一电芯的数量+第二电芯的容量×单个电池模组内第二电芯的数量。
（4）电池包容量（使用表现）的计算方法
电池包容量（使用表现）=第一电芯的容量×（1-第一电芯放电至下限电压时的荷电状态）×第一电芯的数量+第二电芯的容量×（1-第二电芯放电至下限电压时的荷电状态）×第二电芯的数量。
（5）电量利用率计算方法
电量利用率=（电池包容量（使用表现）/电池包容量（满电设计））×100%。
（6）电池包电压的计算方法
电池包电压=（单个电池模组内第一电芯的数量×第一电芯的下限电压+单个电池模组内第二电芯的数量×第二电芯的下限电压）×电池模组的数量。
实施例1-实施例10、对比例1和对比例2中的电池包的测试结果见表2。
结论：由表2可以看出，本申请通过使第二电芯的负极集流体中金属的质量占比≥40%，可以降低第二电芯的负极集流体被氧化的概率，进而提高电池包容量的发挥，提高电池的循环容量保持率。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，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范围，其均应涵盖在本申请的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本申请并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (10)
1.一种电池包，其特征在于，包括：
多个第一电芯，所述第一电芯的下限电压为2.5V-3.0V；
多个第二电芯，所述第二电芯和所述第一电芯串联设置，所述第二电芯的下限电压≤2.0V，其中，
所述第二电芯的负极集流体包括金属，所述金属包括铝、镍、钼、钛、铌、铁中的至少一种，基于所述第二电芯的负极集流体的总质量，所述金属的质量占比≥40%。
2.根据权利要求1所述的电池包，其特征在于，基于所述第二电芯的负极集流体的总质量，所述金属的质量占比为75%-100%。
3.根据权利要求1或2所述的电池包，其特征在于，所述金属包括铝或钛中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的电池包，其特征在于，所述第二电芯的下限电压为1.0V-2.0V。
5.根据权利要求1所述的电池包，其特征在于，所述第一电芯的下限电压为V1，所述第一电芯的数量为n1，所述第二电芯的下限电压为V2，所述第二电芯的数量为n2，且满足V1×n1+V2×n2≥200V。
6.根据权利要求5所述的电池包，其特征在于，n1：n2=0.125-8。
7.根据权利要求3所述的电池包，其特征在于，所述第二电芯放电至下限电压时的荷电状态小于所述第一电芯放电至下限电压时的荷电状态。
8.根据权利要求7所述的电池包，其特征在于，所述第一电芯放电至下限电压时的荷电状态为3%-20%；和/或，所述第二电芯放电至下限电压时的荷电状态为0%-10%。
9.根据权利要求1所述的电池包，其特征在于，所述第一电芯包括锂离子电芯、钾离子电芯中的至少一种，所述第二电芯与所述第一电芯不同，所述第二电芯包括钠离子电芯、锌离子电芯、镁离子电芯中的至少一种。
10.一种用电设备，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的电池包。
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