CN217062160U - 电芯结构和全固态电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电池技术领域，具体涉及一种电芯结构和全固态电池。电芯结构，包括交替层叠的复合正极片和负极片；复合正极片包括正极集流体以及设置于正极集体至少一侧的正极活性层和电解质隔膜层，电解质隔膜层的一侧表面包括与正极活性层相适配的凹陷区域和围合凹陷区域的平面区域，平面区域与正极集流体的一侧面相连接，正极活性层位于凹陷区域，且正极活性层的两侧表面分别连接正极集流体和电解质隔膜层；负极片包括负极集流体及负极活性层；负极活性层与电解质隔膜层的另一侧面相连；单侧面积关系为：电解质隔膜层＝正极集流体＞负极活性层＝负极集流体＞正极活性层。本电芯结构可提高全固态电芯的安全性能、成品率、循环性能及制作效率。

Description

电芯结构和全固态电池

技术领域

本实用新型涉及电池技术领域，具体而言，涉及一种电芯结构和全固态电池。

背景技术

全固态电池在手套箱内制备流程和操作极为复杂，导致生产效率较低，并且，在全固态电池测试或工作中通常加有很大的压力，硫化物电解质膜抗剪切力能力差，传统的多层叠片制备大容量全固态电芯较易出现边缘微短路现象，且由于电池内结构通常是负极面积大于正极面积，多出的负极及电解质膜面积束缚力或压力小于与正极复合部分，因此多出的面积会因为剪切力和充放电过程膨胀收缩而出现掉料粉化现象，进而导致全固态电池的安全性较差，成品率较低。

有鉴于此，特提出本实用新型。

实用新型内容

本实用新型的一个目的在于提供一种电芯结构，以解决现有技术中的全固态电池成品率及安全性能低的问题。本电芯结构具有提高电芯的安全性能、成品率和循环性能的优点。

本实用新型的第二目的在于提供一种全固态电池，具有优异的电化学性能。

为了实现本实用新型的上述目的，特采用以下技术方案：

一种电芯结构，包括交替层叠的复合正极片和负极片；

所述复合正极片包括正极集流体以及设置于所述正极集体至少一侧的正极活性层和电解质隔膜层，所述电解质隔膜层的一侧表面包括与所述正极活性层相适配的凹陷区域和围合所述凹陷区域的平面区域，所述平面区域与所述正极集流体的一侧表面相连接，所述正极活性层位于所述凹陷区域，且所述正极活性层的两侧表面分别连接所述正极集流体和所述电解质隔膜层；

所述负极片包括负极集流体以及设置有所述负极集流体至少一侧表面的负极活性层；所述负极活性层与所述电解质隔膜层的另一侧表面相连；

沿层叠方向，所述负极活性层的投影和所述负极集流体的投影重合，所述正极集流体的投影与所述电解质隔膜层的投影重合，投影面积关系为：所述正极活性层的面积<所述负极活性层的面积<所述电解质隔膜层的面积。

在一种实施方式中，所述凹陷区域位于所述电解质隔膜层的中心区域。

在一种实施方式中，所述正极集流体的单侧表面中的各边的长度比其所对应的负极集流体的各边长度大0.5～4mm。

在一种实施方式中，所述负极集流体的单侧表面中的各边长度比其所对应的正极活性层的各边长度大0.5～4mm。

在一种实施方式中，所述电解质隔膜层的厚度为15～50μm。

在一种实施方式中，所述正极活性层的厚度为30～200μm。

在一种实施方式中，所述负极活性层的厚度为10～150μm。

在一种实施方式中，所述正极集流体包括涂炭铝箔。

在一种实施方式中，所述负极集流体包括涂炭铜箔。

全固态电池，包括所述的电芯。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

(1)本电芯的结构能够防止负极及隔膜边缘与正极活性层产生高度落差而掉料，减小电池内部剪切力，大大减小电池内部剪切力的存在，各部件平行面积接触面积内拟制膨胀，可有效增加安时级大容量大面积全固态硫化物电芯的循环性能、安全性、成品率。

(2)本全固态电池具有高循环性能、高安全性能和高成品率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例1中的电芯结构的单元结构的截面示意图；

图2为实施例3中的电芯结构的单元结构的截面示意图；

图3为整平正极活性层高度落差后的截面图正极片截面图；

图4为间歇涂布正极片的效果图；

图5为极片模切效果图；

图6为堆叠后的全固态电芯结构的示意图。

附图标记：

1-复合正极片、101-正极集流体、102-正极活性层、103-电解质隔膜层、2-负极片、201-负极集流体、202-负极活性层。

具体实施方式

下面将结合实施例对本实用新型的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本实用新型，而不应视为限制本实用新型的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

一方面，一种电芯结构，包括交替层叠的复合正极片和负极片；

所述复合正极片包括正极集流体以及设置于所述正极集体至少一侧的正极活性层和电解质隔膜层，所述电解质隔膜层的一侧表面包括与所述正极活性层相适配的凹陷区域和围合所述凹陷区域的平面区域，所述平面区域与所述正极集流体的一侧表面相连接，所述正极活性层位于所述凹陷区域，且所述正极活性层的两侧表面分别连接所述正极集流体和所述电解质隔膜层；

所述负极片包括负极集流体以及设置于所述负极集流体至少一侧表面的负极活性层；所述负极活性层与所述电解质隔膜层的另一侧表面相连；

沿层叠方向，所述负极活性层的投影和所述负极集流体的投影重合，所述正极集流体的投影与所述电解质隔膜层的投影重合，投影面积关系为：所述正极活性层的面积<所述负极活性层的面积<所述电解质隔膜层的面积。

该电芯结构负极及隔膜边缘与正极活性层产生高度落差而掉料，减小电池内部剪切力，大大减小电池内部剪切力的存在，各部件平行面积接触面积内拟制膨胀，提升安时级大容量大面积全固态硫化物电芯的循环性能、安全性及成品率。无需引入其他边缘绝缘材料，省去该工艺步骤。

需要说明的是，正极活性层、负极活性层和电解质隔膜层均分别为现有技术中的正极活性层、负极活性层和电解质隔膜层。

在一种实施方式中，正极层包含现有技术中的正极活性物质(含离子包覆层的LiNi_xCo_yM_zO₂(x≥0，y≥0，z≥0，且x+y+z＝1)中的至少一种，其中M选自Mn、Al、Zr、Ti、V、Mg、Fe或Mo)、电解质、导电剂、粘结剂，使用溶剂溶胶后采用球磨或真空搅拌混料匀浆涂布制备。

在一种实施方式中，负极活性层包含硅碳复合材料。在一种实施方式中，负极活性物质(硅、石墨类)、粘结剂、电解质、导电剂、合金材料等，采用溶剂溶胶球磨混合或真空搅拌混合匀浆涂布制备，或直接使用锂金属负极；电解质膜为硫化物电解质膜，包含硫化物电解质和粘结剂，采用溶剂溶胶，球磨混合或真空搅拌混合匀浆涂布制备。

投影重合是指完全重合，即投影的两个面积形状相同，大小相等。例如，所述负极活性层的投影和所述负极集流体的投影重合是指：负极活性层的单侧表面与负极集流体的单侧表面形状相同，面积相同。

沿层叠方向是指电芯叠加的厚度垂直方向。

在一种实施方式中，复合正极片可以为单面设置或者双面设置。例如双面设置为：在正极集流体的一侧表面依次层叠设置正极活性层和电解质隔膜层；另一侧表面同样依次层叠设置正极活性层和电解质隔膜层。

在一种实施方式中，所述负极片包括负极集流体以及设置有所述负极集流体两侧表面的负极活性层。

在一种实施方式中，所述凹陷区域位于所述电解质隔膜层的中心区域。

在一种实施方式中，负极活性层、正极活性层、电解质隔膜层正极集流体、负极集流体的形状分别为矩形。

在一种实施方式中，所述正极集流体的单侧表面中的各边的长度比其所对应的负极集流体的各边长度大0.5～4mm。

在一种实施方式中，所述正极集流体(矩形情况)的长度和宽度分别比负极集流体(矩形情况)的长度和宽度大0.5～4mm。例如，多出的长度可以为0.5mm、0.8mm、1mm、1.2mm、1.4mm、1.8mm、2.1mm、2.2mm、2.3mm、2.4mm、2.5mm、2.6mm、2.8mm、3mm、3.2mm、3.4mm、3.6mm、3.8mm或4mm。

在一种实施方式中，所述负极集流体的单侧表面中的各边长度比其所对应的正极活性层的各边长度大0.5～4mm。

在一种实施方式中，所述负极集流体(矩形情况)的长度和宽度分别比正极活性层(矩形)的长度和宽度大0.5～4mm。例如，多出的长度可以为0.5mm、0.8mm、1mm、1.2mm、1.4mm、1.8mm、2.1mm、2.2mm、2.3mm、2.4mm、2.5mm、2.6mm、2.8mm、3mm、3.2mm、3.4mm、3.6mm、3.8mm或4mm。

在一种实施方式中，所述电解质隔膜层的厚度为20～50μm。在一种实施方式中，所述电解质隔膜层的厚度包括但不限于21μm、22μm、23μm、24μm、25μm、26μm、27μm、28μm、29μm、30μm、31μm、32μm、33μm、34μm、35μm、36μm、37μm、38μm、39μm、40μm、41μm、42μm、43μm、44μm、45μm、46μm、47μm、48μm、49μm或50μm。

在一种实施方式中，所述正极活性层的厚度为30～200μm。在一种实施方式中，所述正极活性层的厚度包括但不限于31μm、32μm、33μm、34μm、35μm、36μm、37μm、38μm、39μm、40μm、41μm、42μm、43μm、44μm、45μm、46μm、47μm、48μm、49μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、110μm、120μm、130μm、140μm、150μm、160μm、170μm、180μm、19μm或195μm。

在一种实施方式中，所述负极活性层的厚度为10～150μm。

在一种实施方式中，所述负极活性层的厚度包括但不限于15μm、20μm、25μm、31μm、32μm、33μm、34μm、35μm、36μm、37μm、38μm、39μm、40μm、41μm、42μm、43μm、44μm、45μm、46μm、47μm、48μm、49μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm或110μm。

在一种实施方式中，所述正极集流体包括涂炭铝箔。在一种实施方式中，所述正极集流体包括涂炭铝箔。所涉及的涂炭铝箔即为现有技术中常规的涂炭铝箔。相比传统的铝箔，涂炭铝箔拥有导电性良好和内阻率小，机械性能强和韧性好等优点，可避免毛刺造成短路，改善电极材料的粘附，增大电池的放电能力和延长锂离子电池使用寿命。

在一种实施方式中，所述负极集流体包括涂炭铜箔。在一种实施方式中，所述负极集流体包括涂炭铜箔。涂炭铜箔即为现有技术中常规的涂炭铜箔，导电性好，内阻率小，机械性能强，韧性好，改善电极材料的粘附，增大电池的放电能力和延长锂离子电池使用寿命。

在一种实施方式中，所述负极集流体上设置负极耳，所述正极集流体上设置正极耳。所述正极耳和所述负极耳分别位于电芯的两个相对端。

在一种实施方式中，正极耳的长度为0.8～2cm，例如可以包括1cm、1.1cm、1.2cm。在一种实施方式中，负极耳的长度为0.6～1.9cm，例如可以包括0.8cm、1cm、1.5cm、1.8cm。

该电结构的制备方法，包括以下步骤：

(a)通过常规的干法转移或者湿法涂布制备正极片；

(b)通过常规的方法制备电解质浆料；

(c)将步骤(a)的正极片涂布步骤(b)的电解质浆料，烘干、模切，得到复合正极片；

(d)按常规方法制备负极浆料，负极浆料涂布负极片的至少一侧表面，烘干、热辊压、模切；

(e)将复合正极片和负极片进行交替叠片；经过焊接封装、温等静压。

温等静压目的主要为了增加正极、电解质膜、负极各层本身的颗粒及他们之间界面接触，减小界面阻抗，提高电池机械强度，有利于电池在循环过程中结构稳定和性能发挥，本方法的全固态电芯过程可全程在符合要求露点的干燥房流水线式制备，整个过程仅采用一次温等静压处理，结构简单、可大规模连续化生产，对现有设备利用率高，有利于控制成本，促进高性能全固态电池量产。

在一种实施方式中，温等静压的条件为：温度40～120℃，压强5～700MPa，保压时间1～720min，电池施压次数1～3次。

在一种实施方式中，热辊压温度为50～200℃。

采用交叉叠片方式，可连续化生产，效率高，成本低，组装便捷。

硫化物电解质浆料涂布在辊压后的正极片上，在刮涂电解质浆料过程中，直接填平正极活性层和集流体落差部分，起到整平作用，截面如图4所示，使得该双层结构表面平整，叠上负极片后，正极活性层、电解质隔膜层、负极活性层之间无高度落差，消除剪切力，并且正极活性层被电解质层完全包住，结构更加稳定，在外加高压力下，具有预防掉料、延展和降低微短路发生的概率。

另一方面，全固态电池，包括所述的电芯结构。

该全固态电池具有优异的电化学性能，例如容量保持率等。

下面将结合具体的实施例和对比例进一步说明。

图1为实施例1中的电芯结构的单元结构的截面示意图。

图2为实施例3中的电芯结构的单元结构的截面示意图。

图3为整平正极活性层高度落差后的截面图正极片截面图。

图4为间歇涂布正极片的效果图。

图5为极片模切效果图。

图6为堆叠后的全固态电芯结构的示意图。

实施例1

一种电芯结构，包括交替层叠的复合正极片1和负极片2；

所述复合正极片1包括正极集流体101以及设置于所述正极集体两侧的正极活性层102和电解质隔膜层103，所述电解质隔膜层103的一侧表面包括与所述正极活性层102相适配的凹陷区域和围合所述凹陷区域的平面区域，所述凹陷区域位于所述电解质隔膜层103的中心区域；所述平面区域与所述正极集流体101的一侧表面相连接，所述正极活性层102位于所述凹陷区域，且所述正极活性层102的两侧表面分别连接所述正极集流体101和所述电解质隔膜层103；

所述负极片2包括负极集流体201以及设置于所述负极集流体201两侧表面的负极活性层202；所述负极活性层202与所述电解质隔膜层103的另一侧表面相连；

沿层叠方向，所述负极活性层202的投影和所述负极集流体201的投影重合，所述正极集流体101的投影与所述电解质隔膜层103的投影重合；

正极集流体101为矩形，长度为15.6cm，宽度为8.6cm；

电解质隔膜与负极活性层202连接的表面为矩形，长度为15.6cm，宽度为8.6cm；

正极活性层102为矩形，长度为15cm，宽度为8cm；

负极活性层202和负极集流体201的表面分别为矩形，长度为15.4cm，宽度为8.4cm；

所述电解质隔膜层103的材质电解质材料为Li₆PS₅Cl，厚度为40μm；

所述正极活性层102的活性材料为NCM811@Li₂ZrO₃，厚度为35μm；

所述负极活性层202的材质为硅碳复合材料，厚度为30μm；

所述正极集流体101为涂炭铝箔；

所述负极集流体201为涂炭铜箔。

实施例2

一种电芯结构，除正极活性层102的长度为15.1cm，宽度为8.1cm；负极活性层202和负极集流体201的表面分别为矩形，长度为15.3cm，宽度为8.3cm；

所述电解质隔膜层103的厚度为35μm；

所述正极活性层102的厚度为50μm；

所述负极活性层202的厚度为45μm；

其他条件同实施例1。

实施例3

一种电芯结构，除所述复合正极片1包括正极集流体101以及设置于所述正极集体一侧的负极活性层202和电解质隔膜层103；

所述负极片2包括负极集流体201以及设置有所述负极集流体201两侧表面的负极活性层202；

其他条件同实施例1。

电芯中复合正极片1的单元结构图如图1所示。

实施例4

实施例1的电芯结构的制备方法，包括以下步骤：

(a)通过常规的干法转移或者湿法涂布在正极集流体101的两侧表面设置正极活性层102，制备得到正极片；

(b)通过常规的方法制备电解质浆料；

(c)将步骤(a)的正极片涂布步骤(b)的电解质浆料，使得电解质浆料覆盖正极活性层102，并且填充正极活性层102周边的正极集流体101空白区域，经过烘干、模切，得到复合正极片1；

(d)按常规方法制备负极浆料，负极浆料涂布负极片2的两侧表面，烘干、热辊压、模切；热辊压温度为75℃；

(e)将复合正极片1和负极片2进行交替叠片；

经过焊接封装、温等静压；温等静压的条件为：400MPa，55℃，温等静压5min，施压1次。

实施例5

实施例2中的电芯结构的制备方法同实施例4。

实施例6

实施例3中的电芯结构的制备方法除单面制备正极活性层102，电解质隔膜层103，单面设置负极活性层202，其他条件同实施例4。

实验例

将实施例1中的电池在保压1MPa下，25℃，1C充电，0.33C放电，200次循环容量保持率为98.5％。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，但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实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种电芯结构，其特征在于，包括交替层叠的复合正极片和负极片；

所述复合正极片包括正极集流体以及设置于所述正极集流体至少一侧的正极活性层和电解质隔膜层，所述电解质隔膜层的一侧表面包括与所述正极活性层相适配的凹陷区域和围合所述凹陷区域的平面区域，所述平面区域与所述正极集流体的一侧表面相连接，所述正极活性层位于所述电解质层围成的凹陷区域，且所述正极活性层的两侧表面分别连接所述正极集流体和所述电解质隔膜层；

所述负极片包括负极集流体以及设置于所述负极集流体至少一侧表面的负极活性层；所述负极活性层与所述电解质隔膜层的另一侧表面相连；

沿层叠方向，所述负极活性层的投影和所述负极集流体的投影重合，所述正极集流体的投影与所述电解质隔膜层的投影重合，投影面积关系为：所述正极活性层的面积<所述负极活性层的面积<所述电解质隔膜层的面积。

2.根据权利要求1所述的电芯结构，其特征在于，所述凹陷区域位于所述电解质隔膜层的中心区域。

3.根据权利要求1所述的电芯结构，其特征在于，所述正极集流体的单侧表面中的各边的长度比其所对应的负极集流体的各边长度大0.5～4mm。

4.根据权利要求1所述的电芯结构，其特征在于，所述负极集流体的单侧表面中的各边长度比其所对应的正极活性层的各边长度大0.5～4mm。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的电芯结构，其特征在于，所述电解质隔膜层的厚度为15～50μm。

6.根据权利要求1～4中任一项所述的电芯结构，其特征在于，所述正极活性层的厚度为30～200μm。

7.根据权利要求1～4中任一项所述的电芯结构，其特征在于，所述负极活性层的厚度为10～150μm。

8.根据权利要求1所述的电芯结构，其特征在于，所述正极集流体包括涂炭铝箔。

9.根据权利要求1所述的电芯结构，其特征在于，所述负极集流体包括涂炭铜箔。

10.全固态电池，其特征在于，包括权利要求1～9中任一项所述的电芯结构。

Images