CN209045678U - 正极极片、电化学装置及包含其的电子装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及了一种正极极片、电化学装置及包含其的电子装置。正极极片包括：正极集流体、第一正极活性物质层、第二正极活性物质层；以及绝缘层；其中所述第一正极活性物质层覆盖所述正极集流体的第一表面的第一部分，所述绝缘层覆盖所述正极集流体的第一表面的不同于所述第一部分的第二部分，其中所述绝缘层与所述第一正极活性物质层在所述正极集流体长度方向上存在第一距离。本申请通过在正极极片中具有双层结构的活性物质层与绝缘层间设置间隙，改善了具有双层结构的活性物质层与绝缘层在正极极片上设置时可能的重叠问题，确保了电化学装置在刺破的情况下不会着火失效，从而确保了电化学装置的机械安全性能。

Description

正极极片、电化学装置及包含其的电子装置

技术领域

本申请的实施例涉及电化学装置技术领域，更具体地，涉及正极极片和锂离子电池。

背景技术

电化学装置(例如，锂离子电池)已伴随着科技的进步及环保要求的提高进入了我们日常的生活。随着锂离子电池的大量普及，在用户端偶尔会出现因外力刺破锂离子电池导致的安全问题，其安全性能越来越受到人们的重视，尤其是一些手机爆炸事件的持续发酵，使得包括使用者、售后端及锂离子电池生产厂商都对锂离子电池的安全性能提出了新的要求。

目前改善锂离子电池安全的方法都是以牺牲锂离子电池的能量密度为代价，因此，急需提供一种在较高能量密度的条件下，能够显著提高锂离子电池安全性能的技术手段。

实用新型内容

本申请的实施例的目的之一在于提供一种正极极片，其正极极片在正极集流体上的活性物质层覆盖的区域采用双层结构的活性物质层并在无活性物质层覆盖的区域设置一层绝缘层，通过调整在活性物质层与绝缘层间的间隙大小可以有效的改善活性物质层及绝缘层设置时所可能产生的重叠问题，避免电化学装置受外力刺穿时所产生的内短路从而造成的失效，进而有效提升电化学装置在穿刺测试中的安全性能表现。

本申请的一些实施例提供了一种正极极片，其特征在于，其包括正极集流体、第一正极活性物质层、第二正极活性物质层及绝缘层。其中，所述第一正极活性物质层，包括第一正极活性物质，且第二正极活性物质层，包括第二正极活性物质。所述正极集流体具有第一表面，其中所述第一正极活性物质层设置于所述正极集流体和所述第二正极活性物质层之间且覆盖所述正极集流体的第一表面的第一部分，所述绝缘层覆盖所述正极集流体的第一表面的不同于所述第一部分的第二部分。

根据本申请的一些实施例，所述绝缘层与所述第一正极活性物质层在所述正极集流体长度方向上存在第一距离，所述绝缘层与所述第二正极活性物质层在所述正极集流体长度方向上存在第二距离，所述第一距离及所述第二距离大于或等于0且所述第二距离小于或等于所述第一距离。

根据本申请的一些实施例，所述第二正极活性物质层完全覆盖所述第一正极活性物质层的表面。

根据本申请的一些实施例，所述第一距离为约0mm～约83mm。

根据本申请的一些实施例，所述第一正极活性物质层的厚度为约0.1 μm～约20μm。

根据本申请的一些实施例，所述绝缘层的厚度大于所述第一正极活性物质层的厚度。

根据本申请的一些实施例，所述第一正极活性物质和所述第二正极活性物质各自独立地为钴酸锂、磷酸铁锂、磷酸锰铁锂、磷酸铁钠、磷酸钒锂、磷酸钒钠、磷酸钒氧锂、磷酸钒氧钠、钒酸锂、锰酸锂、镍酸锂、镍钴锰酸锂、富锂锰基材料、镍钴铝酸锂或钛酸锂。

根据本申请的一些实施例，所述第一正极活性物质层和所述第二正极活性物质层各自独立地包括粘结剂及导电剂，所述粘结剂为聚偏氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯的共聚物、聚酰胺、聚丙烯腈、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸、聚丙烯酸盐、羧甲基纤维素钠、聚乙烯呲咯烷酮、聚乙烯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚六氟丙烯或丁苯橡胶，及

所述导电剂为碳纳米管、导电炭黑、乙炔黑、石墨烯、科琴黑或碳纤维。

根据本申请的一些实施例，所述绝缘层为无机粒子或聚合物，其中所述无机粒子为氧化铝、二氧化硅、氧化镁、氧化钛、二氧化铪、氧化锡、二氧化铈、氧化镍、氧化锌、氧化钙、二氧化锆、氧化钇、碳化硅、勃姆石、氢氧化铝、氢氧化镁、氢氧化钙或硫酸钡，所述聚合物为偏氟乙烯的均聚物、偏氟乙烯的共聚物、六氟丙烯的共聚物、聚苯乙烯、聚苯乙炔、聚乙烯酸钠、聚乙烯酸钾、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚丙烯或聚四氟乙烯。

本申请的一些实施例提供了一种电化学装置，其特征在于，其包括负极极片、隔离膜及正极极片，其中所述正极极片包括正极集流体，其具有第一表面；第一正极活性物质层，其包括第一正极活性物质；第二正极活性物质层，其包括第二正极活性物质；以及绝缘层，其中所述第一正极活性物质层设置于所述正极集流体和所述第二正极活性物质层之间且覆盖所述正极集流体的第一表面的第一部分，所述绝缘层覆盖所述正极集流体的第一表面的不同于所述第一部分的第二部分；以及所述隔离膜间隔于所述负极极片与所述正极极片之间，且所述负极极片、所述隔离膜及所述正极极片卷绕形成电极组件。

根据本申请的一些实施例，所述绝缘层与所述第一正极活性物质层在所述正极集流体长度方向上存在第一距离，所述绝缘层与所述第二正极活性物质层在所述正极集流体长度方向上存在第二距离，所述第一距离及所述第二距离大于或等于0且所述第二距离小于或等于所述第一距离。

根据本申请的一些实施例，所述第一距离及所述第二距离设置在所述电极组件的拐角处。

根据本申请的一些实施例，所述电极组件的厚度D为约1.5mm～约50mm。

根据本申请的一些实施例，所述绝缘层与所述第一正极活性物质层在所述正极集流体长度方向上的第一距离满足以下公式:

根据本申请的一些实施例，所述绝缘层与所述第二正极活性物质层在所述正极集流体长度方向上的第二距离满足以下公式:

本申请的一些实施例提供了一种电子装置，其特征在于，其包含上述实施例所述的电化学装置。

附图说明

在下文中将简要地说明为了描述本申请实施例或现有技术所必要的附图以便于描述本申请的实施例。显而易见地，下文描述中的附图仅只是本申请中的部分实施例。对本领域技术人员而言，在不需要创造性劳动的前提下，依然可以根据这些附图中所例示的结构来获得其他实施例的附图。

图1是根据本申请一些实施例的活性物质层与绝缘层重叠的正极极片的结构示意图。

图2是根据本申请一些实施例的正极极片的结构示意图。

图3是根据本申请一些实施例的第二正极活性物质层的端部短于第一正极活性物质层的端部的正极极片的结构示意图。

图4A是根据本申请一些实施例中所述第一距离与所述第二距离为其最小范围的电极组件的结构示意图。

图4B是根据本申请一些实施例中所述第一距离与所述第二距离为其最大范围的电极组件的结构示意图。

具体实施方式

本申请的实施例将会被详细的描述在下文中。在本申请说明书全文中，将相同或相似的组件以及具有相同或相似的功能的组件通过类似附图标记来表示。在此所描述的有关附图的实施例为说明性质的、图解性质的且用于提供对本申请的基本理解。本申请的实施例不应该被解释为对本申请的限制。

在本说明书中，除非经特别指定或限定之外，相对性的用词例如：“中央的”、“纵向的”、“侧向的”、“前方的”、“后方的”、“右方的”、“左方的”、“内部的”、“外部的”、“较低的”、“较高的”、“水平的”、“垂直的”、“高于”、“低于”、“上方的”、“下方的”、“顶部的”、“底部的”以及其衍生性的用词(例如“水平地”、“向下地”、“向上地”等等)应该解释成引用在讨论中所描述或在附图中所描示的方向。这些相对性的用词仅用于描述上的方便，且并不要求将本申请以特定的方向建构或操作。

另外，有时在本文中以范围格式呈现量、比率和其它数值。应理解，此类范围格式是用于便利及简洁起见，且应灵活地理解，不仅包含明确地指定为范围限制的数值，而且包含涵盖于所述该范围内的所有个别数值或子范围，如同明确地指定每一数值及子范围一般。

再者，为便于描述，“第一”、“第二”、“第三”等等可在本文中用于区分一个图或一系列图的不同组件。除非经特别指定或限定之外，“第一”、“第二”、“第三”等等不意欲描述对应组件。

如本文中所使用，术语“约”用以描述及说明小的变化。当与事件或情形结合使用时，所述术语可指代其中事件或情形精确发生的例子以及其中事件或情形极近似地发生的例子。举例来说，当结合数值使用时，术语可指代小于或等于所述数值的±10％的变化范围，例如小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％、或小于或等于±0.05％。另外，有时在本文中以范围格式呈现量、比率和其它数值。应理解，此类范围格式是用于便利及简洁起见，且应灵活地理解，不仅包含明确地指定为范围限制的数值，而且包含涵盖于所述范围内的所有个别数值或子范围，如同明确地指定每一数值及子范围一般。

本申请的实施例通过提供一种正极极片，其在有正极活性物质层覆盖的区域中的活性物质层采用双层结构，在无正极活性物质层覆盖的区域设置了一层绝缘层，并通过调整设置在活性物质层与绝缘层之间的间隙大小，改善由于活性物质层与绝缘层的重叠设置所导致的正极极片的破损问题，使其在受到外力产生破损时能够有效的提高正极集流体与负极活性物质层之间的接触电阻，从而提升了锂离子电池在相应测试(即穿钉(nail)测试)中的安全性能表现。

锂离子电池在穿钉测试过程中通常会发生四种短路模式：正极活性物质层-负极活性物质层，正极活性物质层-负极集流体，正极集流体-负极集流体，正极集流体-负极活性物质层。在这四种短路模式中，正极集流体- 负极活性物质层的短路模式是四种短路模式中最为危险的，因为这种短路模式发生时的短路功率非常大。

在电化学装置(如锂离子电池)中，锂离子电池包括正极极片、负极极片、隔离膜以及电解液等。正极极片包括正极集流体、正极活性物质层等。其中，正极集流体上除了活性物质层覆盖的区域外，还包括没有活性物质层覆盖的区域(也称作空箔区域)。举例来说，当锂离子电池的电极组件为卷绕式电极组件时，其空箔区域包括电极组件的外层区域以及电极组件的内层极耳焊接区域。

在正极活性物质层覆盖区域中，可以通过涂布双层结构的正极活性物质层，实现对正极集流体的保护。但是在穿钉测试的过程中，空箔区域的正极集流体也会直接和钉子接触，而钉子会和电极组件内部的负极活性物质层导通，从而形成正极集流体-负极活性物质层或正极集流体-钉子-负极活性物质层的短路模式。因此，通过在空箔区上设置一层绝缘层可以有效的保护正极极片中的正极集流体的空箔区域，进而避免出现正极集流体-负极活性物质层或正极集流体-钉子-负极活性物质层的短路模式，其中绝缘层对正极集流体的空箔区域的覆盖度越高，避免短路的作用越明显。但是由于绝缘层的厚度大于活性物质层底层的第一正极活性物质层的厚度，当在第一正极活性物质层上涂布第二正极活性物质层时会由于加工公差的波动，使得第二正极活性物质层容易与绝缘层发生重叠，并导致绝缘层覆盖在第二正极活性物质层的上方或下方

图1是根据本申请一些实施例的活性物质层与绝缘层重叠的正极极片的结构示意图。如图1所示，正极极片10包含正极集流体11、第一正极活性物质层12、第二正极活性物质层13及绝缘层14。所述第一正极活性物质层12设置于所述正极集流体11和所述第二正极活性物质层13之间并覆盖在所述正极集流体11的一个表面上的第一部分，所述绝缘层设置在该表面上沿着所述正极集流体11的长度方向上没有被所述第一正极活性物质层12覆盖的第二部分，其中所述绝缘层与所述第一正极活性物质层12 在所述正极集流体11的长度方向上不存在任何的间隙，且所述绝缘层与所述第二正极活性物质层在所述正极集流体11的长度方向上发生重叠，以上技术方案可以显著提高锂离子电池的穿钉测试表现。但是，由于所述第二正极活性物质层13与所述绝缘层14的重叠部分的厚度偏大，在后续的冷压步骤时，会导致所述第二正极活性物质层13中的第二正极活性物质超过其压实密度的极限，使得所述第二正极活性物质层13中的所述第二正极活性物质的颗粒破裂。而所述第二正极活性物质的破裂会影响其锂离子的嵌入及脱出，导致电极组件会出现电池容量偏低等不良现象。

本申请的一些实施例提供了一种正极极片，所述正极极片通过设置位于正极活性物质层与绝缘层之间的间隙大小以避免上述正极极片设计不良所导致的重叠问题。

图2是根据本申请一些实施例的正极极片的结构示意图。

如图2所示，正极极片10包含正极集流体11、第一正极活性物质层 12、第二正极活性物质层13及绝缘层14。特别的，所述正极极片通过调整所述第一正极活性物质层12、所述第二正极活性物质层13以及所述绝缘层14在所述正极集流体长度方向上的设置位置，使第一正极活性物质层 12及所述第二正极活性物质层13与所述绝缘层14的中间分别存在第一距离15与第二距离16。其中，所述第一正极活性物质层12设置于所述正极集流体11和所述第二正极活性物质层13之间并覆盖在所述正极集流体11 的一个表面上的第一部分，所述绝缘层设置在该表面上沿着所述正极集流体11的长度方向上没有被所述第一正极活性物质层12覆盖的第二部分；所述绝缘层14与所述第一正极活性物质层12在所述正极集流体11长度方向上存在第一距离15，所述绝缘层14与所述第二正极活性物质层13在所述正极集流体11长度方向上存在第二距离16，所述第一距离及所述第二距离大于或等于0且所述第二距离小于或等于所述第一距离。上述所述第一距离15与所述第二距离16的设置有效的避免了所述第一正极活性物质层12及所述第二正极活性物质层13与所述绝缘层14的重叠，从而提高所述正极极片在制备过程中的可靠性，并降低所述第二正极活性物质层13中的第二正极活性物质在冷压工艺中可能的破裂问题。

在本申请的一些实施例中，所述第二正极活性物质层13在所述正极集流体长度方向上的端部长于或等于所述第一正极活性物质层12在所述正极集流体长度方向上的端部，使得所述第二正极活性物质层13完全覆盖所述第一正极活性物质层12的表面。

图3是根据本申请一些实施例的第二正极活性物质层13的端部短于第一正极活性物质层12的端部的正极极片的结构示意图。如图3所示，所述第二正极活性物质层13在所述正极集流体长度方向上的端部短于所述第一正极活性物质层12在所述正极集流体长度方向上的端部，使得所述第一正极活性物质层12在所述正极集流体长度方向上的尾端出现未受所述第二正极活性物质层13覆盖的暴露部分。以上技术方案可以显著提高锂离子电池的穿钉测试表现。但是，所述第一正极活性物质层12的暴露部分在充电过程中会导致锂离子从第一正极活性物质层中脱出，脱出的锂离子会在与所述暴露部分相对的负极集流体上形成锂金属颗粒，并随者锂离子电池循环次数的增多不断加剧，从而导致电极组件外观出现锂金属颗粒麻点，并降低锂离子电池的容量。

在本申请的一些实施例中，所述第一距离为约0mm～约83mm，其确保正极极片在制备过程中的可靠性，且不会降低所述正极极片在穿钉测试中的安全性能表现。在本申请的一些实施例中，所述第一距离为约6mm～约83mm。

在本申请的一些实施例中，所述第二距离为约0mm～约83mm，其确保正极极片在制备过程中的可靠性，且不会降低所述正极极片在穿钉测试中的安全性能表现。在本申请的一些实施例中，所述第二距离为约6mm～约83mm。

在本申请的一些实施例中，对于正极活性物质颗粒度的测量，可以通过马尔文粒度测试仪进行测量：将正极活性物质分散在分散剂中(乙醇或丙酮，或其他的表面活性剂中)，超声30min后，将样品加入到马尔文粒度测试仪内，开始测试。所述第一正极活性物质在体积基准的粒度分布中，从小粒径侧起、达到体积累积50％的粒径(Dv50)，即平均粒径，的范围为约0.2μm～约15μm，同时所述第一正极活性物质在体积基准的粒度分布中，从小粒径侧起、达到体积累积90％的粒径(Dv90)的范围为小于或等于约40μm。当所述第一正极活性物质具有较小的Dv90，能够对所述正极集流体11实现较高的覆盖度和粘结作用，其中所述覆盖度为待涂覆区域的总涂覆面积减去通过涂覆层中的孔隙暴露的待涂覆层的暴露面积与所述总涂覆面积的百分比。在本申请的一些实施例中，所述第二正极活性物质的平均粒径(Dv50)：所述第一正极活性物质平均粒径(Dv50)为约1：1～约40：1。所述第一正极活性物质的颗粒越小，所述第一正极活性物质层的厚度可以做得越薄。

在本请一些实施例中，所述第一正极活性物质层12的厚度为约0.1μm～约20μm。在本申请一些实施例中，所述第一正极活性物质层12的厚度为约0.5μm～约15μm。在本申请一些实施例中，所述第一正极活性物质层12 的厚度为约2μm～约8μm。特别的，所述第一正极活性物质层12的厚度不小于所述第一正极活性物质的颗粒度Dv90，这是为了保证所述第一正极活性物质层12的覆盖度。

在本申请的一些实施例中，所述第一正极活性物质层12的厚度小于或等于所述绝缘层14的厚度。在本申请的一些实施例中，所述绝缘层14的厚度大于约0.1μm，以达到一定的绝缘效果。在本申请的一些实施例中，所述绝缘层14的厚度为约8μm～约30μm。

根据本申请的一些实施例，所述绝缘层包括无机粒子与聚合物中的至少一种，也可以加入适当的分散剂，所述分散剂包括，但不限于，乙醇或丙酮，或其他的表面活性剂。所述无机粒子选自由氧化铝、二氧化硅、氧化镁、氧化钛、二氧化铪、氧化锡、二氧化铈、氧化镍、氧化锌、氧化钙、二氧化锆、氧化钇、碳化硅、勃姆石、氢氧化铝、氢氧化镁、氢氧化钙、硫酸钡及其组合所组成的群组；所述聚合物选自由偏氟乙烯的均聚物、偏氟乙烯的共聚物、六氟丙烯的共聚物、聚苯乙烯、聚苯乙炔、聚乙烯酸钠、聚乙烯酸钾、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯及其组合所组成的群组。

根据本申请的一些实施例，所述第一正极活性物质和所述第二正极活性物质各自独立地选自由钴酸锂、磷酸铁锂、磷酸锰铁锂、磷酸铁钠、磷酸钒锂、磷酸钒钠、磷酸钒氧锂、磷酸钒氧钠、钒酸锂、锰酸锂、镍酸锂、镍钴锰酸锂、富锂锰基材料、镍钴铝酸锂、钛酸锂及其组合所组成的群组。

在本申请一些实施例中，所述第一正极活性物质层12和所述第二正极活性物质层13还包括粘结剂，所述粘结剂包括但不限于聚偏氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯的共聚物、聚酰胺、聚丙烯腈、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸、聚丙烯酸盐、羧甲基纤维素钠、聚乙烯呲咯烷酮、聚乙烯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚六氟丙烯和丁苯橡胶中的一种及其组合。粘结剂一方面使得活性物质层与正极集流体可以有更好的粘结，另一方面粘结剂含量增加，所述第一正极活性物质层12的压实密度更低，所述第一正极活性物质层12的粘结剂的含量以所述第一正极活性物质层12的总重量计为约 1.5重量％～约6重量％，所述第二正极活性物质层13的粘结剂的含量以所述第二正极活性物质层13的总重量计为约0.5重量％～约4重量％。

在本申请一些实施例中，所述第一正极活性物质层12和所述第二正极活性物质层13中还可以含有一定量的导电剂。所述导电剂包括，但不限于，碳纳米管、导电炭黑、乙炔黑、石墨烯、科琴黑和碳纤维中的一种及其组合。所述第一正极活性物质层的所述导电剂的含量以所述第一正极活性物质层的总重量计为约0.5重量％～约5重量％，所述第二正极活性物质层的所述导电剂的含量以所述第二正极活性物质层的总重量计为约0.5重量％～约5重量％。

此外，可以对所述第一正极活性物质层12或所述第二正极活性物质层 13进行一些其他处理，或者对所述正极集流体11进行一些处理，如粗糙度处理、热处理等，其作用原理或者作用效果可以是增强对正极集流体的粘结，虽然本申请中未涉详细描述，但其包括在本申请的范围内。

在本申请的一些实施例中，所述第一距离及所述第二距离设置在所述电极组件的侧边的拐角处。由于在具有卷绕式电极组件的锂离子电池使用过程中，所述电极组件的侧边的拐角处受到的外力冲击(如钉子穿透)的概率远小于从所述电极组件的上下外层的概率，将所述第一距离及所述第二距离设置在所述电极组件的侧边的拐角处可以有效的兼顾制备工艺的可靠性且维持所述电极组件的安全性能。

图4A和4B分别是根据本申请一些实施例中所述第一距离与所述第二距离为最小范围及最大范围的电极组件的结构示意图。如图4A所示，本申请的一些实施例提供的锂离子电池的电极组件，所述锂离子电池的电极组件为卷绕式结构，其包括本申请实施例的正极极片、负极极片及隔离膜41，其中所述负极极片包括负极活性物质层42以及负极集流体43，所述正极极片包括正极集流体11、第一正极活性物质层12、第二正极活性物质层13以及绝缘层14。所述隔离膜间隔于所述负极极片与所述正极极片之间，其中所述绝缘层与所述第一正极活性物质层在所述正极集流体长度方向上存在第一距离，所述绝缘层与所述第二正极活性物质层在所述正极集流体长度方向上存在第二距离，所述第一距离与所述第二距离等于0(即最小值)。

如图4B所示，在本申请的一些实施例中，所述电极组件的侧边的拐角处设置了具有最大范围44的所述第一距离，其中所述第一距离的最大范围如果过大则会导致暴露过多的所述正极集流体11，甚至会进一步使所述第一距离超出所述电极组件的侧边的拐角处，进而暴露在所述电极组件上下外层处的所述正极集流体11，使得所述绝缘层14对所述正极集流体11的保护下降，进一步降低所述电极组件的安全性能及穿钉测试通过率。本申请的一些实施例根据所述电极组件的厚度D来相应的调整所述第一距离与所述第二距离的最大范围44，以确保设置在所述电极组件的侧边的拐角处的所述第一距离与所述第二距离的最大范围不会超出所述电极组件的侧边的拐角处。

所述电极组件的厚度D为所述正极活性物质层末端与所述正极集流体空箔区的交界处到所述电极组件相对侧上最外层的空箔区之间的距离。

在本申请的一些实施例中，所述电极组件的厚度D为约1.5mm～约 50mm。

在本申请的一些实施例中，所述绝缘层与所述第一正极活性物质层在所述集流体长度方向上的所述第一距离15满足以下公式：

在本申请的一些实施例中，所述绝缘层与所述第二正极活性物质层在所述集流体长度方向上的所述第二距离16满足以下公式：

本领域技术人员应可清楚的理解上述公式中的4mm为对所述电极组件进行加工时所产生的误差的允许的误差范围，即加工公差，所述加工公差的数值范围可以根据实际操作过程需要进行调整，而不受其限制。

本申请一些实施例中的正极极片的正极集流体可以为铝箔或镍箔，负极极片的负极集流体可为铜箔或镍箔，然而，可以采用本领域常用的其他正极集流体及负极集流体。

本申请一些实施例中的负极活性物质层的导电剂和粘结剂与上面描述的正极活性物质层的导电剂和粘结剂类似，在此不再赘述。所述负极活性物质层包含负极活性物质，其包括，但不限于，选自由碳材料、金属化合物、氧化物、硫化物、锂的氮化物例如LiN₃、锂金属、与锂一起形成合金的金属元素和半金属元素、聚合物材料及其组合所组成的群组。

在上述负极活性物质中，所述碳材料的实例可以包括低石墨化的碳、易石墨化的碳、人造石墨、天然石墨、中间相碳微球、软碳、硬碳、热解碳、焦炭、玻璃碳、有机聚合物化合物烧结体、碳纤维和活性碳。其中，焦炭可以包括沥青焦炭、针状焦炭和石油焦炭。有机聚合物化合物烧结体指的是通过在适当的温度下煅烧聚合物材料例如苯酚塑料或者呋喃树脂以使之碳化获得的材料，将这些材料中的一些分成低石墨化碳或者易石墨化的碳。聚合物材料的实例可以包括聚乙炔和聚吡咯。

在上述负极活性物质中，更进一步地，选择充电和放电电压接近于锂金属的充电和放电电压的材料。这是因为负极活性物质的充电和放电电压越低，电池越容易具有更高的能量密度。其中，负极活性物质可以选择碳材料，因为在充电和放电时它们的晶体结构只有小的变化，因此，可以获得良好的循环特性以及大的充电和放电容量。尤其可以选择石墨，因为它可以给出大的电化学当量和高的能量密度。

此外，所述负极活性物质可以包括单质锂金属、能够和锂(Li)一起形成合金的金属元素和半金属元素，包括这样的元素的合金和化合物等。特别地，将它们和碳材料一起使用，因为在这种情况中，可以获得良好的循环特性以及高能量密度。除了包括两种或者多种金属元素的合金之外，这里使用的合金还包括包含一种或者多种金属元素和一种或者多种半金属元素的合金。该合金可以处于以下状态固溶体、共晶晶体(共晶混合物)、金属间化合物及其混合物。

上述金属元素和半金属元素的实例可以包括锡(Sn)、铅(Pb)、铝 (Al)、铟(In)、硅(Si)、锌(Zn)、锑(Sb)、铋(Bi)、镉(Cd)、镁(Mg)、硼(B)、镓(Ga)、锗(Ge)、砷(As)、银(Ag)、锆(Zr)、钇(Y)和铪(Hf)。上述合金和化合物的实例可以包括具有化学式： Ma_sMb_tLi_u的材料和具有化学式：Ma_pMc_qMd_r的材料。在这些化学式中， Ma表示能够与锂一起形成合金的金属元素和半金属元素中的至少一种元素；Mb表示除锂和Ma之外的金属元素和半金属元素中的至少一种元素； Mc表示非金属元素中的至少一种元素；Md表示除Ma之外的金属元素和半金属元素中的至少一种元素；并且s、t、u、p、q和r满足s＞0、t≥0、u≥0、 p＞0、q＞0和r≥0。

此外，可以在所述负极活性物质层中使用不包括锂(Li)的无机化合物，例如MnO₂、V₂O₅、V₆O₁₃、NiS和MoS。

本申请一些实施例中的隔离膜包括，但不限于，选自聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺和芳纶中的至少一种。举例来说，聚乙烯包括选自高密度聚乙烯、低密度聚乙烯和超高分子量聚乙烯中的至少一种组分。尤其是聚乙烯和聚丙烯，它们对防止短路具有良好的作用，并可以通过关断效应改善电池的稳定性。

所述隔离膜的表面还可包括多孔层，所述多孔层设置在所述隔离膜的至少一个表面上，所述多孔层包括无机颗粒和粘结剂，所述无机颗粒选自氧化铝(Al₂O₃)、氧化硅(SiO₂)、氧化镁(MgO)、氧化钛(TiO₂)、二氧化铪(HfO₂)、氧化锡(SnO₂)、二氧化铈(CeO₂)、氧化镍(NiO)、氧化锌(ZnO)、氧化钙(CaO)、氧化锆(ZrO₂)、氧化钇(Y₂O₃)、碳化硅(SiC)、勃姆石、氢氧化铝、氢氧化镁、氢氧化钙和硫酸钡中的一种或多种的组合。所述粘结剂选自聚偏氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯的共聚物、聚酰胺、聚丙烯腈、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸、聚丙烯酸盐、羧甲基纤维素钠、聚乙烯呲咯烷酮、聚乙烯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯和聚六氟丙烯中的一种或多种的组合。

所述多孔层可以提升所述隔离膜的耐热性能、抗氧化性能和电解液浸润性能，增强所述隔离膜与正极极片或负极极片之间的粘接性。

本申请的锂离子电池还包括电解质，所述电解质可以是凝胶电解质、固态电解质和电解液中的一种或多种，电解液包括锂盐和非水溶剂。

在本申请一些实施例中，所述锂盐选自LiPF₆、LiBF₄、LiAsF₆、LiClO₄、 LiB(C₆H₅)₄、LiCH₃SO₃、LiCF₃SO₃、LiN(SO₂CF₃)₂、LiC(SO₂CF₃)₃、LiSiF₆、 LiBOB和二氟硼酸锂中的一种或多种。举例来说，锂盐选用LiPF₆，因为它可以给出高的离子导电率并改善循环特性。

所述非水溶剂可为碳酸酯化合物、羧酸酯化合物、醚化合物、其它有机溶剂或它们的组合。

上述碳酸酯化合物可为链状碳酸酯化合物、环状碳酸酯化合物、氟代碳酸酯化合物或其组合。

上述链状碳酸酯化合物的实例为碳酸二乙酯(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)、碳酸甲乙酯(MEC)及其组合。所述环状碳酸酯化合物的实例为碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚丁酯(BC)、碳酸乙烯基亚乙酯(VEC)、丙酸丙酯(PP)及其组合。所述氟代碳酸酯化合物的实例为碳酸氟代亚乙酯(FEC)、碳酸1,2-二氟亚乙酯、碳酸1,1-二氟亚乙酯、碳酸 1,1,2-三氟亚乙酯、碳酸1,1,2,2-四氟亚乙酯、碳酸1-氟-2-甲基亚乙酯、碳酸1-氟-1-甲基亚乙酯、碳酸1,2-二氟-1-甲基亚乙酯、碳酸1,1,2-三氟-2-甲基亚乙酯、碳酸三氟甲基亚乙酯及其组合。

上述羧酸酯化合物的实例为乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸正丙酯、乙酸叔丁酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯、γ-丁内酯、癸内酯、戊内酯、甲瓦龙酸内酯、己内酯、甲酸甲酯及其组合。

上述醚化合物的实例为二丁醚、四甘醇二甲醚、二甘醇二甲醚、1,2- 二甲氧基乙烷、1,2-二乙氧基乙烷、乙氧基甲氧基乙烷、2-甲基四氢呋喃、四氢呋喃及其组合。

上述其它有机溶剂的实例为二甲亚砜、1,2-二氧戊环、环丁砜、甲基环丁砜、1,3-二甲基-2-咪唑烷酮、N-甲基-2-吡咯烷酮、甲酰胺、二甲基甲酰胺、乙腈、磷酸三甲酯、磷酸三乙酯、磷酸三辛酯、和磷酸酯及其组合。

在本申请一些实施例中，将上述正极极片、隔离膜、负极极片按顺序卷绕或堆叠成电极组件，之后装入例如铝塑膜中，注入电解液，化成、封装，即制成锂离子电池。随后，对制备的锂离子电池进行性能测试、电池容量测试以及电池穿钉测试。

本领域的技术人员将理解，虽然上面以锂离子电池进行了举例说明，本申请的电化学装置进一步包含其他任何合适的电化学装置。在不背离本申请公开的内容的基础上，这样的电化学装置包括发生电化学反应的任何装置，它的具体实例包括所有种类的一次电池、二次电池、燃料电池、太阳能电池或电容。特别地，所述电化学装置是锂二次电池，包括锂金属二次电池、锂离子二次电池、锂聚合物二次电池或锂离子聚合物二次电池。

本申请电化学装置的用途没有特别限定，其可用于现有技术中已知的任何用途。在一个实施例中，本申请的电化学装置可用于，但不限于，笔记本电脑、笔输入型计算机、移动电脑、电子书播放器、便携式电话、便携式传真机、便携式复印机、便携式打印机、头戴式立体声耳机、录像机、液晶电视、手提式清洁器、便携CD机、迷你光盘、收发机、电子记事本、计算器、存储卡、便携式录音机、收音机、备用电源、电机、汽车、摩托车、助力自行车、自行车、照明器具、玩具、游戏机、钟表、电动工具、闪光灯、照相机、家庭用大型蓄电池和锂离子电容器等。

下面列举了一些具体实施例和对比例并分别对其进行了电池容量测试以及电池穿钉测试以更好地对本申请进行说明。本领域的技术人员将理解，本申请中描述的制备方法仅是示范实施例，其他任何合适的制备方法均在本申请的范围内。

实施例1

采用铝箔作为正极集流体，在铝箔表面均匀的涂布一层小颗粒磷酸铁锂浆料，包括第一正极活性物质(其中磷酸铁锂的颗粒度为Dv50：3μm， Dv90：10μm)。磷酸铁锂浆料的组成为95.8wt％磷酸铁锂(LiFePO₄)、 2.8wt％聚偏氟乙烯(PVDF)和1.4wt％导电炭黑，在85℃下烘干，形成第一正极活性物质层；随后在沿正极集流体长度方向上与所述第一正极活性物质层距离3mm的位置涂布一层氧化铝浆料(即第一距离为3mm)，氧化铝浆料的组成为98wt％氧化铝(Al₂O₃)和2wt％聚偏氟乙烯(PVDF)， 85℃下烘干，形成厚度为15μm的绝缘层；随后在烘干后的第一正极活性物质层上继续涂布一层钴酸锂浆料(第二正极活性物质层的浆料)，钴酸锂浆料组成为97.8wt％钴酸锂(LCO)(其中钴酸锂的颗粒度为Dv50：13μm，Dv90：38μm)、0.8wt％聚偏氟乙烯(PVDF)和1.4wt％导电炭黑，在85℃下烘干，形成第二正极活性物质层，所述第二正极活性物质层在所述正极集流体长度方向上的末端超出所述第一正极活性物质层的末端的距离为 3mm，且没有覆盖到所述绝缘层(即第二距离为0mm)；随后对第一正极活性物质层及第二正极活性物质层进行冷压，其中冷压压力为60T，冷压速度40m/min，裁片、分切后，在85℃的真空条件下干燥4小时，制备得到正极极片。其中所述第一正极活性物质层厚度为8μm且所述第二正极活性物质层厚度为50μm。

采用铜箔作为负极集流体，在铜箔表面均匀的涂布一层石墨浆料，浆料组成为97.7wt％人造石墨、1.3wt％羧甲基纤维素钠(CMC)以及1.0wt％丁苯橡胶(SBR)的组合，在85℃下烘干，并随后进行冷压、裁片、分切，制备得到负极极片。

将锂盐LiPF₆与非水有机溶剂(碳酸乙烯酯(EC)：碳酸二乙酯(DEC)：碳酸亚丙酯(PC)：丙酸丙酯(PP)：碳酸亚乙烯酯(VC)＝20:30:20:28:2，质量比)按质量比8：92配制而成的溶液作为锂离子电池的电解液。

将正极极片和负极极片进行卷绕，正极极片和负极极片之间以聚乙烯隔离膜进行分隔，从而制备得到卷绕型电极组件，其中所述第一距离与所述第二距离设置在所述电极组件的侧边的拐角处，所述电极组件的厚度D 为3.2mm。所述电极组件经顶侧封、喷码、真空干燥、注入电解液、高温静置后进行化成及容量，即可得到成品锂离子电池。

实施例2

与实施例1的制备方法相同，不同的地方是实施例2中在沿正极集流体长度方向上与所述第一正极活性物质层距离5mm的位置涂布一层氧化铝浆料(即第一距离为5mm，且第二距离为2mm)。

实施例3

与实施例1的制备方法相同，不同的地方是实施例3中在沿正极集流体长度方向上与所述第一正极活性物质层距离9mm的位置涂布一层氧化铝浆料(即第一距离为9mm)，且所述第二正极活性物质层在所述正极集流体长度方向上的末端超出所述第一正极活性物质层的末端5mm(即第二距离为4mm)。

实施例4

与实施例1的制备方法相同，不同的地方是实施例4中的绝缘层的厚度为10μm。

实施例5

与实施例1的制备方法相同，不同的地方是实施例5中的绝缘层的厚度为20μm。

实施例6

与实施例1的制备方法相同，不同的地方是实施例6中的绝缘层的厚度为5μm。

实施例7

与实施例1的制备方法相同，不同的地方是实施例7中的绝缘层的厚度为1μm。

实施例8

与实施例2的制备方法相同，不同的地方是实施例8中的电极组件的厚度D为2.8mm。

实施例9

与实施例2的制备方法相同，不同的地方是实施例9中的电极组件的厚度D为3.6mm。

实施例10

与实施例2的制备方法相同，不同的地方是实施例10中的电极组件的厚度D为4.8mm。

实施例11

与实施例1的制备方法相同，不同的地方是实施例11中在沿正极集流体长度方向上与所述第一正极活性物质层距离20mm的位置涂布一层氧化铝浆料(即第一距离为20mm)，且所述第二正极活性物质层在所述正极集流体长度方向上的末端超出所述第一正极活性物质层的末端2mm(即第二距离为18mm)。

实施例12

与实施例1的制备方法相同，不同的地方是实施例12中的所述第二正极活性物质层在所述正极集流体长度方向上的末端短于所述第一正极活性物质层的末端的距离为7mm(即第二距离为10mm)。

实施例13

与实施例1的制备方法相同，不同的地方是实施例13中在沿正极集流体长度方向上与所述第一正极活性物质层距离0mm的位置涂布一层氧化铝浆料，且所述第二正极活性物质层覆盖部分所述绝缘层(即第二距离为 -3mm)。

对比例1

采用铝箔作为正极集流体，在铝箔表面均匀的涂布一层小颗粒磷酸铁锂浆料，包括第一正极活性物质(其中磷酸铁锂的颗粒度为Dv50：3μm， Dv90：10μm)。磷酸铁锂浆料的组成为95.8wt％磷酸铁锂(LiFePO₄)、 2.8wt％聚偏氟乙烯(PVDF)和1.4wt％导电炭黑，在85℃下烘干，形成第一正极活性物质层；随后在烘干后的第一正极活性物质层上继续涂布一层钴酸锂浆料(第二正极活性物质层的浆料)，钴酸锂浆料组成为97.8wt％钴酸锂(LCO)(其中钴酸锂的颗粒度为Dv50：13μm，Dv90：38μm)、 0.8wt％聚偏氟乙烯(PVDF)和1.4wt％导电炭黑，在85℃下烘干，形成第二正极活性物质层，所述第二正极活性物质层在所述正极集流体长度方向上的末端超出所述第一正极活性物质层的末端的距离为3mm；随后对第一正极活性物质层及第二正极活性物质层进行冷压，其中冷压压力为60T，冷压速度40m/min，裁片、分切后，在85℃的真空条件下干燥4小时，制备得到正极极片。其中所述第一正极活性物质层厚度为8μm且所述第二正极活性物质层厚度为50μm。

采用铜箔作为负极集流体，在铜箔表面均匀的涂布一层石墨浆料，浆料组成为97.7wt％人造石墨、1.3wt％羧甲基纤维素钠(CMC)以及1.0wt％丁苯橡胶(SBR)，85℃下烘干，并随后进行冷压、裁片、分切，在85℃的真空条件下干燥4h，制备得到负极极片。

将锂盐LiPF₆与非水有机溶剂(碳酸乙烯酯(EC)：碳酸二乙酯(DEC)：碳酸亚丙酯(PC)：丙酸丙酯(PP)：碳酸亚乙烯酯(VC)＝20:30:20:28:2，质量比)按质量比8：92配制而成的溶液作为锂离子电池的电解液。

将正极极片和负极极片进行卷绕，正极极片和负极极片之间以聚乙烯隔离膜进行分隔，从而制备得到卷绕型电极组件，其中所述电极组件的厚度D为3.2mm。所述电极组件经顶侧封、喷码、真空干燥、注入电解液、高温静置后进行化成及容量，即可得到成品锂离子电池。

上述实施例及对比例的锂离子电池成品完成后，纪录其成品的容量、厚度、宽度、长度以确定电池的体积能量密度。随后对上述实施例及对比例的锂离子电池成品进行电池容量测试及电池穿钉测试。

电池容量测试：

将待测的电化学装置(锂离子电池)在25±3℃环境中静置30分钟，以0.5C倍率恒流充电至电压至4.4V(额定电压)，随后以恒压充电直到充放电倍率达到0.05C时停止充电，并将待测的电化学装置放置30分钟。之后再以0.2C倍率将电池放电至3.0V，并将待测的锂离子电池放置30分钟。最后取放电容量作为电池的实际电池容量。

锂离子电池能量密度＝放电容量/(锂离子电池的长度*宽度*厚度)。

电池穿钉测试：

取10枚待测的电化学装置(锂离子电池)在常温下以0.5C倍率恒定电流充电至电压4.4V，进一步在4.4V恒定电压下充电至电流0.05C，使其处于4.4V满充状态。之后在常温条件下对锂离子电池进行穿钉，采用直径为2.5mm钉子(钢钉，材质为碳钢，锥度为16.5mm，钢钉总长为100mm)，以30mm/s的穿钉速度穿钉，穿钉深度以钢钉锥度穿过锂离子电池为准，观察锂离子电池是否产烟、起火或爆炸。若没有则认为锂离子电池通过穿钉测试。

各个实施例以及对比例的实验参数和测量结果如下表1所示。

表1

通过比较对比例1和实施例1-13可知，通过结合在正极活性物质层覆盖区域中采用双层结构的正极活性物质层以及在空箔区域中采用绝缘层，锂离子电池的穿钉测试通过率会有巨大程度的改善，并且对其能量密度基本没有多大影响。

通过比较实施例12及实施例1可知，当第二正极活性物质层在正极集流体长度方向上的末端短于所述第一正极活性物质层的末端时，会产生析锂现象。

从实施例13和实施例1、2、3和11可知，当所述第二正极活性物质层与所述绝缘层覆盖时，会导致析锂现象。

从实施例1和4-7可知，随着绝缘层厚度的减少，锂离子电池的能量密度会不断提升；但是，绝缘层厚度过低也会导致锂离子电池的穿钉通过率下降。

从实施例2和8-10可知，对于包括不同厚度的电极组件的锂离子电池，通过第一距离和第二距离的合理设置，能够在不显著降低锂离子电池的能量密度，不产生析锂等副作用的情况下，显著提高锂离子电池的安全性能。

上文说明摘要整理出数个实施例的特征，这使得所属技术领域中具有通常知识者能够更加理解本申请的多种方面。所属技术领域中具有通常知识者可轻易地使用本申请作为基础，以设计或修改其他组合物，以便实现与此处申请的实施例相同的目的及/或达到相同的优点。所属技术领域中具有通常知识者亦可理解，这些均等的实例并未悖离本申请的精神与范畴，且其可对本申请进行各种改变、替换与修改，而不会悖离本申请的精神与范畴。虽然本文中所揭示的方法已参考以具体次序执行的具体操作加以描述，但应理解，可在不脱离本申请的教示的情况下组合、细分或重新排序这些操作以形成等效方法。因此，除非本文中特别指示，否则操作的次序及分组不是对本申请的限制。

Claims (16)

1.一种正极极片，其特征在于，其包括：

正极集流体，具有第一表面；

第一正极活性物质层，包括第一正极活性物质；

第二正极活性物质层，包括第二正极活性物质；以及

绝缘层；

其中所述第一正极活性物质层设置于所述正极集流体和所述第二正极活性物质层之间且覆盖所述正极集流体的第一表面的第一部分，所述绝缘层覆盖所述正极集流体的第一表面的不同于所述第一部分的第二部分。

2.根据权利要求1所述的正极极片，其特征在于，其中所述绝缘层与所述第一正极活性物质层在所述正极集流体长度方向上存在第一距离，所述绝缘层与所述第二正极活性物质层在所述正极集流体长度方向上存在第二距离，所述第一距离及所述第二距离大于或等于0且所述第二距离小于或等于所述第一距离。

3.根据权利要求1所述的正极极片，其特征在于，其中所述第二正极活性物质层完全覆盖所述第一正极活性物质层的表面。

4.根据权利要求2所述的正极极片，其特征在于，其中所述第一距离为0mm～83mm。

5.根据权利要求1所述的正极极片，其特征在于，其中所述第一正极活性物质层的厚度为0.1μm～20μm。

6.根据权利要求1所述的正极极片，其特征在于，其中所述绝缘层的厚度大于所述第一正极活性物质层的厚度。

7.根据权利要求1所述的正极极片，其特征在于，其中所述第一正极活性物质和所述第二正极活性物质各自独立地为钴酸锂、磷酸铁锂、磷酸锰铁锂、磷酸铁钠、磷酸钒锂、磷酸钒钠、磷酸钒氧锂、磷酸钒氧钠、钒酸锂、锰酸锂、镍酸锂、镍钴锰酸锂、富锂锰基材料、镍钴铝酸锂或钛酸锂。

8.根据权利要求1所述的正极极片，其特征在于，其中所述第一正极活性物质层和所述第二正极活性物质层各自独立地包括粘结剂及导电剂，所述粘结剂为聚偏氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯的共聚物、聚酰胺、聚丙烯腈、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸、聚丙烯酸盐、羧甲基纤维素钠、聚乙烯呲咯烷酮、聚乙烯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚六氟丙烯或丁苯橡胶，及

所述导电剂为碳纳米管、导电炭黑、乙炔黑、石墨烯、科琴黑或碳纤维。

9.根据权利要求1所述的正极极片，其特征在于，其中所述绝缘层为无机粒子或聚合物，其中所述无机粒子为氧化铝、二氧化硅、氧化镁、氧化钛、二氧化铪、氧化锡、二氧化铈、氧化镍、氧化锌、氧化钙、二氧化锆、氧化钇、碳化硅、勃姆石、氢氧化铝、氢氧化镁、氢氧化钙或硫酸钡，

所述聚合物为偏氟乙烯的均聚物、偏氟乙烯的共聚物、六氟丙烯的共聚物、聚苯乙烯、聚苯乙炔、聚乙烯酸钠、聚乙烯酸钾、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚丙烯或聚四氟乙烯。

10.一种电化学装置，其特征在于，其包括负极极片、隔离膜及正极极片，其中所述正极极片包括正极集流体，其具有第一表面；第一正极活性物质层，其包括第一正极活性物质；第二正极活性物质层，其包括第二正极活性物质；以及绝缘层，其中所述第一正极活性物质层设置于所述正极集流体和所述第二正极活性物质层之间且覆盖所述正极集流体的第一表面的第一部分，所述绝缘层覆盖所述正极集流体的第一表面的不同于所述第一部分的第二部分；

以及所述隔离膜间隔于所述负极极片与所述正极极片之间，且所述负极极片、所述隔离膜及所述正极极片卷绕形成电极组件。

11.根据权利要求10所述的电化学装置，其特征在于，其中所述绝缘层与所述第一正极活性物质层在所述正极集流体长度方向上存在第一距离，所述绝缘层与所述第二正极活性物质层在所述正极集流体长度方向上存在第二距离，所述第一距离及所述第二距离大于或等于0且所述第二距离小于或等于所述第一距离。

12.根据权利要求11所述的电化学装置，其特征在于，其中所述第一距离及所述第二距离设置在所述电极组件的拐角处。

13.根据权利要求10所述的电化学装置，其特征在于，其中所述电极组件的厚度D为1.5mm～50mm。

14.根据权利要求11所述的电化学装置，其特征在于，其中所述绝缘层与所述第一正极活性物质层在所述正极集流体长度方向上的第一距离满足以下公式:

。

15.根据权利要求11所述的电化学装置，其特征在于，其中所述绝缘层与所述第二正极活性物质层在所述正极集流体长度方向上的第二距离满足以下公式:

。

16.一种电子装置，其特征在于，其包含根据权利要求10-15中任一权利要求所述的电化学装置。