CN214254496U - 电极组件、电池单体、电池以及用电装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种电极组件、电池单体、电池以及用电装置。电极组件包括：正极极片、负极极片和隔膜；隔膜设置于正极极片和负极极片之间，正极极片、负极极片和隔膜卷绕后形成弯折区；隔膜包括阻挡区，至少一部分阻挡区位于弯折区，阻挡区被配置为阻挡正极极片脱出的至少一部分锂离子嵌入弯折区的负极极片。本申请的电极组件旨在解决电极组件发生扭曲变形或正极极片、负极极片和隔膜层间错动的问题。

Description

电极组件、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，特别是涉及一种电极组件、电池单体、电池以及用电装置。

背景技术

可再充电电池是指在电池放电后可通过充电的方式使活性物质激活而继续使用的电池。可再充电电池广泛用于手机、笔记本电脑、电动汽车、电动飞机、电动轮船、电动玩具和电动工具等等。目前，锂离子电池作为一种可再充电电池，具有体积小、能量密度高、功率密度高、循环使用次数多和存储时间长等优点。

锂离子电池包括电极组件和电解质溶液。电极组件包括正极极片、负极极片和位于正极极片和负极极片之间的隔膜。目前，锂离子电池在使用过程中，出现电极组件扭曲变形的情况，或者，出现正极极片、负极极片和隔膜层间错动的情况，从而影响锂离子电池的使用寿命和安全性。

实用新型内容

本申请提供一种电极组件、电池单体、电池以及用电装置，旨在解决电极组件发生扭曲变形或正极极片、负极极片和隔膜层间错动的问题。

一方面，本申请提出了一种电极组件，其包括：

正极极片、负极极片和隔膜；

隔膜设置于正极极片和负极极片之间，正极极片、负极极片和隔膜卷绕后形成弯折区；

隔膜包括阻挡区，至少一部分阻挡区位于弯折区，阻挡区被配置为阻挡正极极片脱出的至少一部分锂离子嵌入弯折区的负极极片。

根据本申请实施例的电极组件，由于隔膜包括阻挡区，因此正极极片在弯折区的正极活性物质层脱出的锂离子至少一部分被阻挡区阻挡，使得被阻挡区阻挡的锂离子不能嵌入负极极片在弯折区的负极活性物质层。相对于负极极片在其它区域的负极活性物质层，负极极片在弯折区的部分体积膨胀小，从而相应的膨胀应力小而且容易得到释放，降低膨胀应力过大或过于集中而导致电极组件发生扭曲变形、层间极片错动或者负极极片在内应力作用下发生断裂的可能性，有利于提高电极组件的使用寿命和安全性。

根据本申请的一个实施例，阻挡区的孔隙率小于隔膜其它区域的孔隙率。

隔膜的阻挡区的孔隙率小于隔膜的其它区域的孔隙率，使得阻挡区可以有效地阻挡锂离子通过，减少了从阻挡区通过的锂离子数量。

根据本申请的一个实施例，阻挡区的孔隙率为0至50％。

阻挡区的孔隙率为0，即阻挡区没有锂离子可以通过的微孔时，与阻挡区对应的所有锂离子被阻挡区阻挡，有效降低极片嵌锂发生膨胀的可能性。当阻挡区的孔隙率小于等于50％时，通过阻挡区的锂离子数量既可以保证电极组件的安全又可以保证电极组件能量密度，从而在安全性能和能量密度之间取得一个较好的平衡。

根据本申请的一个实施例，在弯折区，阻挡区与负极极片的曲率最大的区域相对设置。

在弯折区，阻挡区与负极极片的曲率最大的区域相对设置，从而可以覆盖负极极片上曲率最大的部分，使得负极极片上曲率最大的部分不嵌入锂离子或嵌入少量锂离子，有利于降低负极极片上曲率最大的部分体积膨胀过大，产生的应力过大而导致扭曲变形、层间错动或负极极片发生断裂的可能性。

根据本申请的一个实施例，在弯折区，阻挡区的数量小于隔膜的卷绕圈数，并且各阻挡区从内侧至外侧的方向设置。

由于电极组件越靠近内圈，极片越不易释放应力，因此在弯折区，至少最内圈的正极极片和负极极片之间设置阻挡区，而靠外圈的极片之间的隔膜可以正常通过锂离子，从而电极组件可以在安全性能和能量密度之间取得一个较好的平衡。

根据本申请的一个实施例，阻挡区包括两个以上的子阻挡区，两个以上的子阻挡区沿弯折方向间隔分布；或者，阻挡区包括两个以上的子阻挡区，两个以上的子阻挡区沿与垂直于弯折方向的方向间隔分布。

根据本申请的一个实施例，阻挡区位于弯折区。

阻挡区沿弯折方向相对的两个边缘均不超出弯折区，从而阻挡区可以在弯折区阻挡锂离子通过，同时又不影响平直区锂离子的通过性，可以有效降低弯折区的极片发生体积膨胀的可能性，同时可以使得电极组件在安全性能和能量密度之间取得一个较好的平衡。

根据本申请的一个实施例，电极组件具有与弯折区连接的平直区，沿弯折方向，阻挡区的一部分位于平直区，另一部分位于弯折区。

阻挡区横跨平直区和弯折区，从而在卷绕过程中，阻挡区的一部分可以位于平直区，有利于在阻挡区满足阻挡锂离子要求的前提下，降低阻挡区位置精度要求，降低加工难度。

根据本申请的一个实施例，阻挡区沿弯折方向相对的两个边缘均超出弯折区并且阻挡区超出的部分位于平直区。

阻挡区覆盖整个弯折区，有利于进一步提高阻挡区在弯折区的阻挡性能，同时在卷绕过程中，阻挡区的一部分可以位于平直区，有利于在阻挡区满足阻挡锂离子要求的前提下，降低阻挡区位置精度要求，降低加工难度。

另一个方面，本申请提供一种电池单体，其包括：

壳体、端盖和至少一个如上述实施例的电极组件；

壳体具有容纳腔和开口，电极组件容纳于容纳腔中；端盖用于封闭壳体的开口。

又一个方面，本申请提供一种电池，其包括如上述实施例的电池单体。

再一个方面，本申请提供一种用电装置，其包括如上述实施例的电池，电池用于提供电能。

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是本申请一实施例的车辆结构示意图；

图2是本申请一实施例的电池的分解结构示意图；

图3是本申请一实施例的电池模块的结构示意图；

图4是本申请一实施例的电池单体的分解结构示意图；

图5是本申请一实施例的电极组件的剖视结构示意图；

图6是本申请另一实施例的电极组件的剖视结构示意图；

图7是本申请再一实施例的电极组件的剖视结构示意图；

图8是本申请一实施例的隔膜的局部结构示意图；

图9是本申请另一实施例的隔膜的局部结构示意图；

图10是本申请又一实施例的隔膜的局部结构示意图；

图11是本申请再一实施例的隔膜的局部结构示意图。

在附图中，附图未必按照实际的比例绘制。

标记说明：

1、车辆；1a、马达；1b、控制器；

10、电池；11、第一外壳；12、第二外壳；

20、电池模块；

30、电池单体；

31、壳体；

32、电极组件；32a、平直区；32b、弯折区；

321、正极极片；322、负极极片；323、隔膜；3231、阻挡区；3231a、子阻挡区；3232、正常区；

33、端盖；

34、电极端子；

35、转接部件；

X、弯折方向。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本申请的原理，但不能用来限制本申请的范围，即本申请不限于所描述的实施例。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。“垂直”并不是严格意义上的垂直，而是在误差允许范围之内。“平行”并不是严格意义上的平行，而是在误差允许范围之内。

在本申请中提及“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，本申请所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”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。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

申请人发现电池单体包括电极组件和电解质溶液。电极组件包括正极极片、负极极片和位于正极极片和负极极片之间的隔膜。正极极片也可以称为阴极极片。正极极片的表面具有正极活性物质层，例如，正极活性物质层的正极活性物质可为锰酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂或者镍钴锰酸锂；负极极片也可以称为阳极极片。负极极片的表面具有负极活性物质层，例如，负极活性物质层的负极活性物质可以是石墨或硅。电池单体的电极活性材料在不同的脱锂或嵌锂状态下，宏观表现为活性材料的体积变化。以石墨材料为例，从完全脱锂状态到完全嵌锂状态，其体积会有超过10％的膨胀。活性材料的膨胀会导致正极极片、负极极片和隔膜之间的层间产生内应力。活性材料膨胀越多，内应力越大，层间挤压作用也越明显。当达到一定程度时，就导致电极组件的扭曲变形或导致层间极片错动，从而影响电池单体的使用寿命和安全性。进一步研究发现，电极组件在弯折区受到膨胀作用力时更不易释放该内应力，使得电极组件容易出现扭曲变形或层间极片错动的问题。

基于申请人发现的上述问题，申请人对电极组件的结构进行改进，下面对本申请实施例进行进一步描述。

为了更好地理解本申请，下面结合图1至图11对本申请实施例进行描述。

本申请实施例提供一种使用电池10作为电源的用电装置。该用电装置可以但不仅限于为车辆、船舶或飞行器等。参见图1所示，本申请的一个实施例提供一种车辆1。车辆1可以为燃油汽车、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。在本申请一实施例中，车辆1可以包括马达1a、控制器1b以及电池10。控制器1b用来控制电池10为马达1a供电。马达1a通过传动机构与车轮连接，从而驱动车辆1行进。电池10可以作为车辆1的驱动电源，替代或部分地替代燃油或天然气为车辆1提供驱动动力。在一个示例中，在车辆1的底部、车头或车尾可以设置电池10。电池10可以用于为车辆1供电。在一个示例中，电池10可以作为车辆1的操作电源，用于车辆1的电路系统。示例性地，电池10可以用于车辆1的启动、导航和运行时的工作用电需求。

参见图2所示，电池10可以包括两个以上的电池模块20。在一些实施例中，电池10还包括箱体。电池模块20设置于箱体内。两个以上的电池模块20排列布置于箱体内。箱体的类型不受限制。箱体可为框状箱体、盘状箱体或盒状箱体等。示例性地，箱体包括用于容纳电池模块20的第一外壳11和与第一外壳11盖合的第二外壳12。第一外壳11和第二外壳12盖合后形成容纳电池模块20的容纳部。

为了满足不同的使用电力需求，电池模块20可以包括一个或多个电池单体30。参见图3所示，多个电池单体30可以先串联、并联或混联组成电池模块，多个电池模块20再串联、并联或混联组成电池。混联是指串联和并联的混合。示例性地，电池可以包括多个电池单体30，其中，多个电池单体30之间可以串联、并联或混联。多个电池单体30可以直接设置于箱体内。也就是说，多个电池单体30可以直接组成电池10，也可以先组成电池模块20，电池模块20再组成电池10。电池单体30包括含锂离子电池、锂硫电池或钠锂离子电池，但不局限于此。

参见图4所示，本申请实施例的电池单体30包括壳体31以及设置于壳体31内的电极组件32。本申请实施例的壳体31为方形结构或其他形状。壳体31具有容纳电极组件32和电解液的容纳腔以及与容纳腔相连通的开口。壳体31可以由例如铝、铝合金或塑料等材料制造。电极组件32是电池单体30实现充放电功能的核心构件。

本申请实施例的电池单体30还包括端盖33、电极端子34和转接部件35。端盖33与壳体31相连接并封闭壳体31的开口。端盖33具有安装孔33a。示例性地，端盖33与壳体31可以焊接连接。电极端子34设置于端盖33上。电极端子34的外形可以是圆形，也可以是方形，这里不做限定。电极端子34通过转接部件35与电极组件32电连接。两个以上的电池单体30可以通过各自的电极端子34实现串联、并联或混联。

本申请实施例的电极组件32包括正极极片321、负极极片322和隔膜323。正极极片321、负极极片322和隔膜323可以进行卷绕、压实，以形成扁平状的电极组件32。隔膜323为一种绝缘膜。隔膜323设置于正极极片321和负极极片322之间，用于隔开正极极片321和负极极片322，防止正极极片321和负极极片322短路。该电极组件32沿垂直于自身卷绕轴线的方向的横截面的结构示意图可以如图5所示。

参见图5所示，本申请实施例的电极组件32包括平直区32a和位于该平直区32a两端的弯折区32b。平直区32a是指该卷绕结构中具有平行结构的区域，即在该平直区32a内的负极极片322、正极极片321和隔膜323相互基本平行。电极组件32在平直区32a的每层负极极片322、正极极片321和隔膜323的表面均为平面。弯折区32b是指该卷绕结构中具有弯折结构的区域，即在该弯折区32b内的负极极片322、正极极片321和隔膜323均弯折。电极组件32在弯折区32b的每层负极极片322、正极极片321和隔膜323的表面均为曲面。该弯折区32b具有弯折方向X，该弯折方向X可以理解为沿弯折区32b电极组件32的表面指向平直区32a的方向。

本申请实施例的正极极片321包括正极活性物质组成的正极活性物质层。例如，正极活性物质可为锰酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂或者镍钴锰酸锂。本申请实施例的负极极片322的表面包括负极活性物质组成的负极活性物质层。例如，负极活性物质可以是石墨或硅。

本申请实施例的锂离子电池在充电时，锂离子从正极脱嵌，然后经过隔膜323再嵌入负极。隔膜323具有电子绝缘性，用于隔离相邻的正极极片321和负极极片322，防止相邻的正极极片321和负极极片322短路。隔膜323具有大量贯通的微孔，能够保证电解质离子自由通过，对锂离子有很好的透过性，因此正常的隔膜323基本上不能阻挡锂离子通过。示例性地，隔膜323包括隔膜基层和位于隔膜基层表面的功能层，隔膜基层可以是聚丙烯、聚乙烯、乙烯—丙烯共聚物、聚对苯二甲酸丁二醇酯等的至少一种，功能层可以是陶瓷氧化物和粘结剂的混合物层。

本申请实施例的隔膜323包括阻挡区3231。阻挡区3231是直接在隔膜323上加工形成的预定区域，而不是额外设置的结构件。至少一部分阻挡区3231位于弯折区32b，阻挡区3231被配置为阻挡正极极片321脱出的至少一部分锂离子嵌入弯折区32b的负极极片322。

本申请实施例的电极组件32，由于隔膜323包括阻挡区3231，因此正极极片321在弯折区32b的正极活性物质层脱出的锂离子至少一部分被阻挡区3231阻挡，使得被阻挡区3231阻挡的锂离子不能嵌入负极极片322在弯折区32b的负极活性物质层。相对于负极极片322在其它区域的负极活性物质层，负极极片322在弯折区32b的部分体积膨胀小，从而相应的膨胀应力小而且容易得到释放，降低膨胀应力过大或过于集中而导致电极组件32发生扭曲变形、层间极片错动或者负极极片322在内应力作用下发生断裂的可能性，有利于提高电极组件32的使用寿命和安全性。

在一些实施例中，参见图5所示，阻挡区3231位于弯折区32b。阻挡区3231沿弯折方向X相对的两个边缘均不超出弯折区32b，从而阻挡区3231可以在弯折区32b阻挡锂离子通过，同时又不影响平直区32a锂离子的通过性，可以有效降低弯折区32b的极片发生体积膨胀的可能性，同时可以使得电极组件32在安全性能和能量密度之间取得一个较好的平衡。

在一些实施例中，参见图6所示，沿弯折方向X，阻挡区3231的一部分位于平直区32a，另一部分位于弯折区32b。阻挡区3231横跨平直区32a和弯折区32b，从而在卷绕过程中，阻挡区3231的一部分可以位于平直区32a，有利于在阻挡区3231满足阻挡锂离子要求的前提下，降低阻挡区3231位置精度要求，降低加工难度。

在一些实施例中，参见图7所示，阻挡区3231沿弯折方向X相对的两个边缘均超出弯折区32b并且阻挡区3231超出的部分位于平直区32a，从而阻挡区3231覆盖整个弯折区32b，有利于进一步提高阻挡区3231在弯折区32b的阻挡性能，同时在卷绕过程中，阻挡区3231的一部分可以位于平直区32a，有利于在阻挡区3231满足阻挡锂离子要求的前提下，降低阻挡区3231位置精度要求，降低加工难度。

在一些实施例中，隔膜323的阻挡区3231的孔隙率小于隔膜323的其它区域的孔隙率，使得阻挡区3231可以有效地阻挡锂离子通过，减少了从阻挡区3231通过的锂离子数量。示例性地，参见图8所示，隔膜323上与阻挡区3231相邻的区域为正常区3232。隔膜323的正常区3232可以保证锂离子正常通过。需要说明的是，孔隙率是指块状材料中孔隙体积与材料在自然状态下总体积的百分比。一般情况下，孔隙率的测试方法为真密度测试方法。阻挡区3231的孔隙率越大，通过阻挡区3231的锂离子可以越多，孔隙率越小，通过阻挡区3231的锂离子可以越少。

在一些示例中，阻挡区3231的孔隙率为0至50％。阻挡区3231的孔隙率为0，即阻挡区3231没有锂离子可以通过的微孔时，与阻挡区3231对应的所有锂离子被阻挡区3231阻挡，有效降低极片嵌锂发生膨胀的可能性。示例性地，可以采用热压工艺对隔膜323上预定区域加热、加压，使隔膜323的预定区域熔融且被压实，以形成无孔道的阻挡区3231。当阻挡区3231的孔隙率小于等于50％时，通过阻挡区3231的锂离子数量既可以保证电极组件32的安全又可以保证电极组件32能量密度，从而在安全性能和能量密度之间取得一个较好的平衡。当阻挡区3231的孔隙率大于50％时，大部分的锂离子会通过该阻挡区3231，导致通过阻挡区3231的锂离子的数量过多，仍然存在嵌锂后的极片膨胀应力过大的可能性。

在一些实施例中，在弯折区32b，负极极片322在自身曲率最大的部分发生体积膨胀时相对于自身其它部分更不容易释放应力。因此，在弯折区32b，阻挡区3231与负极极片322的曲率最大的区域相对设置，从而可以覆盖负极极片322上曲率最大的部分，使得负极极片322上曲率最大的部分不嵌入锂离子或嵌入少量锂离子，有利于降低负极极片322上曲率最大的部分体积膨胀过大，产生的应力过大而导致扭曲变形、层间错动或负极极片322发生断裂的可能性。

在一些实施例中，在弯折区32b，阻挡区3231的数量小于隔膜323的卷绕圈数，并且各阻挡区3231从内侧至外侧的方向设置。由于电极组件32越靠近内圈，极片越不易释放应力，因此在弯折区32b，至少最内圈的正极极片321和负极极片322之间设置阻挡区3231，而靠外圈的极片之间的隔膜323可以正常通过锂离子，从而电极组件32可以在安全性能和能量密度之间取得一个较好的平衡。示例性地，参见图5所示，两个隔膜323中的一者卷绕四圈，另一者卷绕三圈。左侧弯折区32b中，两个隔膜323均设置两个阻挡区3231。右侧弯折区32b中，两个隔膜323均设置一个阻挡区3231。

在一些实施例中，参见图9所示，阻挡区3231包括两个以上的子阻挡区3231a。两个以上的子阻挡区3231a沿弯折方向X间隔分布。或者，参见图10所示，两个以上的子阻挡区3231a沿与垂直于弯折方向X的方向间隔分布。阻挡区3231包括两个以上的子阻挡区3231a，使得部分锂离子没有被阻挡区3231阻挡，即部分数量的锂离子可以从相邻两个子阻挡区3231a之间穿过而嵌入到负极极片322的负极活性物质层。这样，既可以阻挡部分数量的锂离子通过，降低负极极片322嵌锂发生体积膨胀的可能性，又可以保证电极组件32的能量密度。

在一些实施例中，参见图11所示，隔膜323包括位于阻挡区3231内部的正常区3232。正常区3232的形状可以是圆形、椭圆形或方形等形状。在弯折区32b，部分锂离子没有被阻挡区3231阻挡，即部分数量的锂离子可以从正常区3232穿过而嵌入到负极极片322的负极活性物质层。这样，既可以阻挡部分数量的锂离子通过，降低负极极片322嵌锂发生体积膨胀的可能性，又可以保证电极组件32的能量密度。

虽然已经参考优选实施例对本申请进行了描述，但在不脱离本申请的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件，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)

1.一种电极组件，其特征在于，包括：

正极极片、负极极片和隔膜；

所述隔膜设置于所述正极极片和所述负极极片之间，所述正极极片、所述负极极片和所述隔膜卷绕后形成弯折区；

所述隔膜包括阻挡区，至少一部分所述阻挡区位于所述弯折区，所述阻挡区被配置为阻挡所述正极极片脱出的至少一部分锂离子嵌入所述弯折区的所述负极极片。

2.根据权利要求1所述的电极组件，其特征在于，所述阻挡区的孔隙率小于所述隔膜其它区域的孔隙率。

3.根据权利要求2所述的电极组件，其特征在于，所述阻挡区的孔隙率为0至50％。

4.根据权利要求1所述的电极组件，其特征在于，在所述弯折区，所述阻挡区与所述负极极片的曲率最大的区域相对设置。

5.根据权利要求1所述的电极组件，其特征在于，在所述弯折区，所述阻挡区的数量小于所述隔膜的卷绕圈数，并且各所述阻挡区从内侧至外侧的方向设置。

6.根据权利要求1至5任一项所述的电极组件，其特征在于，所述阻挡区包括两个以上的子阻挡区，两个以上的所述子阻挡区沿弯折方向间隔分布；或者，所述阻挡区包括两个以上的子阻挡区，两个以上的所述子阻挡区沿与垂直于弯折方向的方向间隔分布。

7.根据权利要求1至5任一项所述的电极组件，其特征在于，所述阻挡区位于所述弯折区；或者，

所述电极组件具有与所述弯折区连接的平直区，沿弯折方向，所述阻挡区的一部分位于所述平直区，另一部分位于所述弯折区；或者，所述阻挡区沿弯折方向相对的两个边缘均超出所述弯折区并且所述阻挡区超出的部分位于所述平直区。

8.一种电池单体，其特征在于，包括：

壳体、端盖和至少一个如权利要求1至7任一项所述的电极组件；

所述壳体具有容纳腔和开口，所述电极组件容纳于所述容纳腔中；所述端盖用于封闭所述壳体的所述开口。

9.一种电池，其特征在于，包括如权利要求1至8任一项所述的电池单体。

10.一种用电装置，其特征在于，包括如权利要求9所述的电池，所述电池用于提供电能。

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