CN213692111U

CN213692111U - 电芯、电池及电子装置

Info

Publication number: CN213692111U
Application number: CN202023149204.1U
Authority: CN
Inventors: 史骁
Original assignee: Ningde Amperex Technology Ltd
Current assignee: Ningde Amperex Technology Ltd
Priority date: 2020-12-23
Filing date: 2020-12-23
Publication date: 2021-07-13
Anticipated expiration: 2030-12-23

Abstract

本申请提供一种电芯，包括电极组件和收容所述电极组件的壳体，所述电极组件包括极片，所述极片包括集流体和设置于所述集流体表面的活性材料层。所述活性材料层包括第一活性材料层和第二活性材料层，所述第一活性材料层和所述第二活性材料层并列设置于所述集流体的表面，所述第一活性材料层的厚度T1大于所述第二活性材料层的厚度T2，使极片表面形成台阶状结构，从而在电芯内部形成一定的空间，可以提供电解液的浸润通道，也可以为充电过程中负极的膨胀预留空间，从而改善活性材料膨胀造成的电芯内部空间不足，改善电解液的浸润与电芯的循环性能。本申请还提供一种具有上述电芯的电池和具有该电池的电子装置。

Description

电芯、电池及电子装置

技术领域

本申请涉及电池技术领域，尤其涉及一种电芯、具有该极片的电池和具有该电池的电子装置。

背景技术

锂离子电池中的活性材料在充放电过程中，往往伴随着体积的膨胀与收缩，而体积的膨胀需要一定的空间，活性材料的膨胀会导致电芯整体厚度的增加或者电芯内部空间受挤压。电芯内部空间受挤压会导致界面变差，电解液浸润变差，使电芯内部的阻抗增加，从而导致析锂等一系列问题。

现有电池的极片大都为均匀平整的结构，极片表面与隔离膜紧密接触，没有足够的空间来缓释活性材料在充电过程中的膨胀体积。

实用新型内容

鉴于上述状况，本申请提供了一种电芯、具有该电芯的电池和具有该电池的电子装置，通过在集流体表面设置厚度不同的第一活性材料层和第二活性材料层，使极片表面形成台阶状结构，从而在电芯内部形成一定的空间，可以提供电解液的浸润通道，也可以为充电过程中负极的膨胀预留空间，从而改善活性材料膨胀造成的电芯内部空间不足，改善电解液的浸润与电芯的循环性能。

本申请的实施例提供了电芯，包括电极组件和收容所述电极组件的壳体，所述电极组件包括极片，所述极片包括集流体和设置于所述集流体表面的活性材料层。所述活性材料层包括第一活性材料层和第二活性材料层，所述第一活性材料层和所述第二活性材料层并列设置于所述集流体的表面，所述第一活性材料层的厚度T1大于所述第二活性材料层的厚度T2，其中1μm＜T1-T2≤100μm。

在一些实施例中，所述第一活性材料层的厚度T1和所述第二活性材料层的厚度T2满足：3μm≤T1-T2≤30μ。

在一些实施例中，对所述极片冷压后，所述第一活性材料层的厚度T1等于所述第二活性材料层的厚度T2；经过冷压的所述极片静置后，所述第一活性材料层的反弹厚度大于所述第二活性材料层的反弹厚度。

在一些实施例中，在充电过程中，所述第二活性材料层的体积膨胀率大于所述第一活性材料层的体积膨胀率。

在一些实施例中，在充电过程中，所述第二活性材料层的体积膨胀率为1.08-1.5，所述第一活性材料层的体积膨胀率为1.01-1.2。

在一些实施例中，所述极片包括多个所述第一活性材料层和多个所述第二活性材料层，多个所述第一活性材料层和多个所述第二活性材料层之间相互交错且并排设置于所述集流体的表面。

在一些实施例中，从所述第一活性材料层朝向所述第二活性材料层延伸的方向，所述第一活性材料层的宽度与所述第二活性材料层的宽度相等。

在一些实施例中，从所述第一活性材料层朝向所述第二活性材料层延伸的方向，所述第一活性材料层的宽度与所述第二活性材料层的宽度不相等。

在一些实施例中，所述第一活性材料层与所述第二活性材料层之间相互接触。

本申请的实施例还提供了一种电池，包括上述实施例所述的电芯。

本申请的实施例还提供了一种电子装置，所述电子装置包括外壳和上述电池，所述电池设置在所述外壳内部。

本申请提供的电芯通过在集流体表面设置厚度不同的第一活性材料层和第二活性材料层，使极片表面形成台阶状结构，从而在电芯内部形成一定的空间，可以提供电解液的浸润通道，也可以为充电过程中负极的膨胀预留空间，从而改善活性材料膨胀造成的电芯内部空间不足，改善电解液的浸润与电芯的循环性能。

附图说明

图1为极片在一实施例中的俯视结构示意图。

图2为图1所示极片的侧视结构示意图。

图3为极片在一实施例中的俯视结构示意图。

图4为图3所示极片的侧视结构示意图。

图5为极片在一实施例中的俯视结构示意图。

图6为图5所示极片的侧视结构示意图。

图7为电芯在一实施例中的局部结构示意图。

主要元件符号说明：

具体实施方式：

下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。当一个元件被认为是“设置于”另一个元件，它可以是直接设置在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

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。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本申请提供了一种电芯，包括电极组件和收容所述电极组件的壳体，所述电极组件包括极片，所述极片包括集流体和设置于所述集流体表面的活性材料层。所述活性材料层包括第一活性材料层和第二活性材料层，所述第一活性材料层和所述第二活性材料层并列设置于所述集流体的表面，所述第一活性材料层的厚度T1大于所述第二活性材料层的厚度T2，其中，1μm＜T1-T2≤100μm。

上述电芯通过在集流体表面设置厚度不同的第一活性材料层和第二活性材料层，使极片表面形成台阶状结构，从而在电芯内部形成一定的空间，可以提供电解液的浸润通道，也可以为充电过程中负极的膨胀预留空间，从而改善活性材料膨胀造成的电芯内部空间不足，改善电解液的浸润与电芯的循环性能。

本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。

请参阅图1和图2，极片100包括集流体10和活性材料层20，所述活性材料层20设置于所述集流体10的表面。所述活性材料层20包括第一活性材料层21和第二活性材料层22，所述第一活性材料层21和所述第二活性材料层22并列设置于所述集流体10的表面。所述第一活性材料层21的厚度T1大于所述第二活性材料层22的厚度T2，从而使极片100表面形成高低起伏的台阶状结构，用以提供电解液的浸润通道，也可以为充电过程中电极材料的膨胀预留空间。进一步地，所述第一活性材料层21与所述第二活性材料层22之间的厚度差为3μm-30μm，即3μm≤T1-T2≤30μm。请参阅图7，电芯200包括电极组件和收容电极组件的壳体(图未示)，依序设置的第一极片201、隔离膜202和第二极片203卷绕或堆叠形成所述电极组件。所述第一极片201或所述第二极片202采用上述极片100制成。

所述活性材料层20包括质量分数为80％-100％的活性材料，质量分数为0％-10％的导电剂，和质量分数为0％-10％的粘接剂。所述活性材料可以是人造石墨、天然石墨、中间相碳球(MCMB)、硅(Si)、氧化硅(SiO)、钛酸锂、锡(Sn)、氧化锡(SnO)等材料中的一种或几种的组合。所述导电剂可以是导电炭黑、乙炔黑、碳纳米管、纳米碳纤维(VGCF)等材料中的一种或几种的组合。所述粘接剂包括羧甲基纤维素钠(CMC)、丁苯橡胶(SBR)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚丙烯酸、聚丙烯酸酯、聚酰胺等材料中的一种或几种组合。

所述活性材料层20涂敷于集流体10表面并烘干处理后，极片100需要进冷压和静置处理。对所述极片100冷压后，所述第一活性材料层21的厚度T1等于所述第二活性材料层22的厚度T2；经过冷压处理的所述极片100静置后，所述第一活性材料层21的反弹厚度大于所述第二活性材料层22的反弹厚度，从而在极片100表面形成台阶状结构。在充电过程中，所述第二活性材料层22，的体积膨胀率为1.08-1.5，所述第一活性材料层的体积膨胀率为1.01-1.2，且所述第二活性材料层22的体积膨胀率大于所述第一活性材料层21的体积膨胀率。第一活性材料层21于第二活性材料层22之间的厚度差形成的空间为第二活性材料层22的膨胀空间。

进一步的，所述极片100包括多个所述第一活性材料层21和多个所述第二活性材料层22，多个所述第一活性材料层21和多个所述第二活性材料层22之间相互交错，且并排设置于所述集流体10的表面。所述第一活性材料层21与所述第二活性材料层22之间相互接触，使集流体10表面可以尽可能多的涂敷活性材料层20。在其他实施例中，所述第一活性材料层21于所述第二活性材料层22之间也可以间隔设置，以预留更多的膨胀空间，本申请不限定于此。

所述极片100包括相对设置的第一端101和第二端102，所述第一端101向所述第二端102延伸的方向为所述极片100的长度方向，即图1中箭头A指示的方向。在本申请的实施例中，所述第一活性材料层21和所述第二活性材料层22呈长条形，且沿所述极片100的长度方向平行设置。在其他实施例中，所述第一活性材料层21和所述第二活性材料层22还可以倾斜设置、竖直设置或曲线型设置，本申请不限定于此。

从所述第一活性材料层21朝向所述第二活性材料层22延伸的方向，即图1中箭头B指示的方向，所述第一活性材料层21的宽度与所述第二活性材料层22的宽度相等。

请参阅图3至图6，在本申请的其他实施例中，从所述第一活性材料层21朝向所述第二活性材料层22延伸的方向，所述第一活性材料层21的宽度与所述第二活性材料层22的宽度不相等。所述第一活性材料层21的宽度可以大于或小于所述第二活性材料层22的宽度。

以下内容将结合具体实施例对极片100的结构作详细说明。

实施例一

请再次参阅图1至图6，第一活性材料层21中，活性材料为质量分数89.95％的石墨和质量分数5％的氧化硅(SiO)；导电剂为质量分数1％的超细碳粉(SP)和质量分数0.05％的碳纳米管(CNT)；粘结剂1.5％的羧甲基纤维素钠(CMC)和质量分数为2.5％的丁苯橡胶(SBR)。第二活性材料层22中，活性材料为质量分数92.9％的硬碳和质量分数3％纳米硅(Si)；导电剂为质量分数1％的SP和质量分数0.05％碳纳米管(CNT)；粘结剂为质量分数1.5％的羧甲基纤维素钠(CMC)和质量分数2.5％的丁苯橡胶(SBR)。

多个所述第一活性材料层21先间隔涂布至集流体10的表面，所述第二活性材料层22再涂布至相邻第一活性材料层21之间，以形成活性材料层20至集流体10的表面。活性材料层20烘干后，极片100进行冷压处理，冷压刚结束后，第一活性材料层21的厚度和第二活性材料层22的厚度一致，均为100μm。由于石墨的回弹性能比硬碳的回弹性能强，极片100静置处理24h及以上后，第一活性材料层21的厚度增加为110μm，而第二活性材料层22的厚度增加为102μm，第一活性材料层21与第二活性材料层22之间形成了8μm的厚度差，极片100表面呈现微观上高低起伏的台阶状结构。

请参阅图7，极片100进行的裁切、卷绕(或叠片)，封装、注液等工序制成电芯200。电芯200中，第一活性材料层21抵接隔离膜202，第二活性材料层22与隔离膜202之间的区域为膨胀空间。充电过程中，第二活性材料层22因为包含有硅-碳材料，其体积膨胀率要大于第一活性材料层21，由于厚度差而在第二活性材料层22上方的形成的空间可以为其膨胀提供缓冲，为电解液浸润提供通道。同时，包含硬碳材料的第一活性材料层21具有更好的电解液浸润性，对于改善电芯体系的动力学性能有很好的帮助。

实施例二

实施例二与实施例一大致相同，区别在于，实施例二中，第一活性材料层21的主材料为石墨，第二活性材料层22的主材料为硬碳。

第一活性材料层21中，活性材料为质量分数95.9％的石墨；导电剂为质量分数0.5％的超细碳粉(SP)；粘结剂为质量分数1.3％的羧甲基纤维素钠(CMC)和质量分数2.3％的丁苯橡胶(SBR)。第二活性材料层22中，活性材料为质量分数95.7％的硬碳；导电剂为质量分数1％的超细碳粉(SP)；粘结剂为质量分数1.3％的羧甲基纤维素钠(CMC)和质量分数2％的丁苯橡胶(SBR)。

多个所述第一活性材料层21先间隔涂布至集流体10的表面，所述第二活性材料层22再涂布至相邻第一活性材料层21之间，以形成活性材料层20至集流体10的表面。活性材料层20烘干后，极片100进行冷压处理，冷压刚结束后，第一活性材料层21的厚度和第二活性材料层22的厚度一致，均为100μm。极片100静置处理后，第一活性材料层21的厚度增加为110μm，而第二活性材料层22的厚度增加为102μm，第一活性材料层21与第二活性材料层22之间形成了8μm的厚度差，极片100表面呈现微观上高低起伏的台阶状结构。充电过程中，第二活性材料层22的体积膨胀率与实施例一相比，相对较小，有利于减少电芯200内部产生局部挤压的风险。

实施例三

实施例三与实施例一大致相同，区别在于，实施例三中，第一活性材料层21的主材料为石墨混硅，第二活性材料层22的主材料为硬碳混硅。

第一活性材料层21中，活性材料为质量分数89.95％石墨和质量分数5％的硅(Si)；导电剂为质量分数1％的超细碳粉(SP)和质量分数0.05％的碳纳米管(CNT)；粘结剂为质量分数1.5％的羧甲基纤维素钠(CMC)和质量分数2.5％的丁苯橡胶(SBR)。第二活性材料层22中，活性材料为质量分数92.9％的硬碳和质量分数3％的纳米硅(Si)；导电剂为质量分数1％的超细碳粉(SP)和质量分数0.05％的碳纳米管(CNT)；粘结剂为质量分数1.5％的羧甲基纤维素钠(CMC)和质量分数2.5％的丁苯橡胶(SBR)。

多个所述第一活性材料层21先间隔涂布至集流体10的表面，所述第二活性材料层22再涂布至相邻第一活性材料层21之间，以形成活性材料层20至集流体10的表面。活性材料层20烘干后，极片100进行冷压处理，冷压刚结束后，第一活性材料层21的厚度和第二活性材料层22的厚度一致，均为200μm。极片100静置处理后，第一活性材料层21的厚度增加为220μm，而第二活性材料层22的厚度增加为203μm，第一活性材料层21与第二活性材料层22之间形成了17μm的厚度差，极片100表面呈现微观上高低起伏的台阶状结构。

实施例四

实施例四与实施例三大致相同，区别在于，第一活性材料层21的主材料为石墨混氧化硅，第二活性材料层22的主材料为硬碳混氧化硅。

第一活性材料层21中，活性材料为质量分数89.95％石墨和质量分数5％的氧化硅(SiO)；导电剂为质量分数1％的超细碳粉(SP)和质量分数0.05％的碳纳米管(CNT)；粘结剂为质量分数1.5％的羧甲基纤维素钠(CMC)和质量分数2.5％的丁苯橡胶(SBR)。第二活性材料层22中，活性材料为质量分数92.9％的硬碳和质量分数3％的氧化硅(SiO)；导电剂为质量分数1％的超细碳粉(SP)和质量分数0.05％的碳纳米管(CNT)；粘结剂为质量分数1.5％的羧甲基纤维素钠(CMC)和质量分数2.5％的丁苯橡胶(SBR)。

实施例五

实施例五与实施例一大致相同，区别在于，实施例五中，第一活性材料层21的主材料为石墨，第二活性材料层22的主材料为钛酸锂混硅。

第一活性材料层21中，活性材料为质量分数89.95％石墨和质量分数5％的氧化硅(SiO)；导电剂为质量分数1％的超细碳粉(SP)和质量分数0.05％的碳纳米管(CNT)；粘结剂为质量分数1.5％的羧甲基纤维素钠(CMC)和质量分数2.5％的丁苯橡胶(SBR)。第二活性材料层22中，活性材料为质量分数90.95％的钛酸锂和质量分数3％的硅(Si)；导电剂为质量分数2％的超细碳粉(SP)和质量分数0.05％的碳纳米管(CNT)；粘结为质量分数1.5％的羧甲基纤维素钠(CMC)和质量分数2.5％的丁苯橡胶(SBR)。

多个所述第一活性材料层21先间隔涂布至集流体10的表面，所述第二活性材料层22再涂布至相邻第一活性材料层21之间，以形成活性材料层20至集流体10的表面。活性材料层20烘干后，极片100进行冷压处理，冷压刚结束后，第一活性材料层21的厚度和第二活性材料层22的厚度一致，均为100μm。极片100静置处理后，第一活性材料层21的厚度增加为110μm，第二活性材料层22的厚度增加为101μm，第一活性材料层21与第二活性材料层22之间形成了9μm的厚度差。极片100的表面呈现微观上高低起伏的台阶状。充电过程中，第二活性材料层22的体积膨胀率要大于第一活性材料层21。

实施例六

实施例六与实施例一大致相同，区别在于，实施例六中，第一活性材料层21的主材料为石墨混氧化硅(氧化硅占比0.5％～30％)，第二活性材料层22的主材料为钛酸锂。

第一活性材料层21中，活性材料为质量分数89.95％石墨和质量分数5％的氧化硅(SiO)；导电剂为质量分数1％的超细碳粉(SP)和质量分数0.05％的碳纳米管(CNT)；粘结剂为质量分数1.5％的羧甲基纤维素钠(CMC)和质量分数2.5％的丁苯橡胶(SBR)。第二活性材料层22中，活性材料为质量分数94％的钛酸锂；导电剂为质量分数2％的超细碳粉(SP)；粘结剂为质量分数1.5％的羧甲基纤维素钠(CMC)和质量分数2.5％的丁苯橡胶(SBR)。

本申请的实施例还提供了一种电池(图未示)，所述电池包括上述实施例所述的电芯200。

本申请的实施例还提供了一种电子装置(图未示)，所述电子装置包括外壳(图未示)和上述实施例所述的电池，所述电池设置在所述外壳中。

以上实施方式仅用以说明本申请的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本申请进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本申请技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种电芯，包括电极组件和收容所述电极组件的壳体，所述电极组件包括极片，所述极片包括集流体和设置于所述集流体表面的活性材料层；

其特征在于，所述活性材料层包括第一活性材料层和第二活性材料层，所述第一活性材料层和所述第二活性材料层并列设置于所述集流体的表面；

所述第一活性材料层的厚度T1大于所述第二活性材料层的厚度T2，其中1μm＜T1-T2≤100μm。

2.如权利要求1所述的电芯，其特征在于，所述第一活性材料层的厚度T1和所述第二活性材料层的厚度T2满足：3μm≤T1-T2≤30μm。

3.如权利要求1所述的电芯，其特征在于，对所述极片冷压后，所述第一活性材料层的厚度T1等于所述第二活性材料层的厚度T2；经过冷压的所述极片静置后，所述第一活性材料层的反弹厚度大于所述第二活性材料层的反弹厚度。

4.如权利要求1所述的电芯，其特征在于，在充电过程中，所述第二活性材料层的体积膨胀率大于所述第一活性材料层的体积膨胀率。

5.如权利要求1所述的电芯，其特征在于，在充电过程中，所述第二活性材料层的体积膨胀率为1.08-1.5，所述第一活性材料层的体积膨胀率为1.01-1.2。

6.如权利要求1所述的电芯，其特征在于，所述极片包括多个所述第一活性材料层和多个所述第二活性材料层，多个所述第一活性材料层和多个所述第二活性材料层之间相互交错且并排设置于所述集流体的表面。

7.如权利要求1所述的电芯，其特征在于，从所述第一活性材料层朝向所述第二活性材料层延伸的方向，所述第一活性材料层的宽度与所述第二活性材料层的宽度相等。

8.如权利要求1所述的电芯，其特征在于，从所述第一活性材料层朝向所述第二活性材料层延伸的方向，所述第一活性材料层的宽度与所述第二活性材料层的宽度不相等。

9.如权利要求1所述的电芯，其特征在于，所述第一活性材料层与所述第二活性材料层之间相互接触。

10.一种电池，其特征在于，包括如权利要求1-9任意一项所述的电芯。

11.一种电子装置，其特征在于，所述电子装置包括外壳和权利要求10所述的电池，所述电池设置在所述外壳内部。