CN219180585U

CN219180585U - 一种二次电池

Info

Publication number: CN219180585U
Application number: CN202223577445.5U
Authority: CN
Inventors: 尹小强; 刘平; 李翔宇; 孙田成; 刘世法
Original assignee: BYD Co Ltd
Current assignee: BYD Co Ltd
Priority date: 2022-12-30
Filing date: 2022-12-30
Publication date: 2023-06-13
Anticipated expiration: 2032-12-30

Abstract

为克服现有厚电极电池存在电池内阻大，影响充放电效率的问题，本实用新型提供了一种二次电池，包括正极层、负极层和绝缘层，所述绝缘层位于所述正极层和所述负极层之间，所述正极层的厚度为10～200mm，所述负极层的厚度为5～150mm，所述二次电池满足以下条件：20％≤a‑(b/20)×5％≤35％；其中，所述绝缘层的孔隙率为a；所述正极层的厚度为b mm。本实用新型提供的二次电池能够明显降低二次电池的阻抗，在长期循环的过程中提高电池容量保持率。

Description

一种二次电池

技术领域

本实用新型属于电池技术领域，具体涉及一种二次电池。

背景技术

近年来，锂离子电池为代表的二次电池由于其能量转换效率高，建设安装便捷，环境兼容性强，工况独立稳定等一系列优点，在储能换能领域逐渐得到规模化应用推广。然而，与现有主流储能技术抽水蓄能相比，锂离子电池的度电成本相对较高，这极大地限制了其进一步推广。在锂离子电池降本中，一个重要的方向是通过设计厚电极及电池，来减少非必要的辅材如过量的箔材、隔膜纸、外壳及电解液的使用，以达到电芯降本的目的，同时也有利于提高电池活性材料的占比，以提高能量密度。

在厚电极及厚电池的设计中，电极厚度的增加会影响其内部电解质离子在正负极之间的扩散效率，增大了电解质离子的扩散阻力，从而导致电池内阻增大，导致电池的充放电效率较低，如何减小电极模块厚度增加对内部锂离子传导带来的阻力，对实现合理的电池性能至关重要。

实用新型内容

针对现有厚电极电池存在电池内阻大，影响充放电效率的问题，本实用新型提供了一种二次电池。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

本实用新型提供了一种二次电池，包括正极层、负极层和绝缘层，所述绝缘层位于所述正极层和所述负极层之间，所述正极层的厚度为10～200mm，所述负极层的厚度为5～150mm，所述二次电池满足以下条件：

20％≤a-(b/20)×5％≤35％

其中，所述绝缘层的孔隙率为a；

所述正极层的厚度为b mm。

可选的，所述二次电池满足以下条件：

25％≤a-(b/20)×5％≤30％。

可选的，所述a为20％～85％。

可选的，所述正极层和所述负极层的厚度比为(1～2.5)：1。

可选的，所述绝缘层的厚度为2～10mm。

可选的，所述绝缘层选自绝缘填料层、多孔膜或多孔块体。

可选的，所述绝缘填料层选自Al₂O₃粉料层、AlOOH粉料层、SiO₂粉料层、PVDF粉料层或PTFE粉料层；所述多孔膜选自PP膜、PE膜、PET膜、PAN膜或玻璃纤维膜；所述多孔块体选自多孔PE块、多孔PVDF块或多孔PTFE块。

可选的，所述正极层包括正极材料以及嵌入于所述正极材料中的正极集流体，所述负极层包括负极材料以及嵌入于所述负极材料中的负极集流体。

可选的，所述正极集流体和所述负极集流体各自独立地选自线状结构、平面网络状结构或三维网络状结构。

可选的，所述正极层、所述负极层和所述绝缘层的数量均为多层，多层所述正极层、多层所述绝缘层和多层所述负极层层叠设置，且多层所述正极层和多层所述负极层一一交错间隔设置，相邻的所述正极层和所述负极层之间均设置所述绝缘层。

可选的，所述正极层的孔隙率为30％～80％，所述负极层的孔隙率为30％～80％。

可选的，由所述正极层的内芯至所述正极层的外表面，所述正极层的孔隙率逐渐增大；由所述负极层的内芯至所述负极层的外表面，所述负极层的孔隙率逐渐增大。

可选的，还包括有外壳，所述正极层、所述负极层和所述绝缘层位于所述外壳中。

可选的，所述外壳为金属壳体，所述外壳的内壁设置有绝缘内衬层。

可选的，所述二次电池还包括有正极集流端子和负极集流端子，所述正极集流端子连接所述正极集流体并引出至所述外壳的外部，所述负极集流端子连接所述负极集流体并引出至所述外壳的外部。

可选的，所述二次电池为锂离子电池或钠离子电池。

根据本发明提供的二次电池，采用了厚度为10～200mm的正极层和厚度为5～150mm的负极层组成超厚电极电池，以提高二次电池的能量密度，减少非必要辅材的使用；同时，发明人基于解决厚电极导致的电池内阻增大的问题，对正极层和绝缘层进行试验发现：绝缘层的孔隙率a和正极层的厚度b对于电解质离子的扩散起到相互影响的作用，具体的，当绝缘层的孔隙率a和正极层的厚度b满足条件20％≤a-(b/20)×5％≤35％时，能够明显降低二次电池的阻抗，在长期循环的过程中提高电池容量保持率，推测是由于在上述条件的限制下，绝缘层的孔隙率与正极层的厚度相适配，利于提高电解质离子在正极层的嵌入脱出效率以及在绝缘层中的离子穿梭效率，进而适配不同厚度正极层的电解质迁移需求，使得二次电池的倍率性能和充放电效率得到提升。

附图说明

图1是本实用新型提供的二次电池的结构示意图；

说明书附图中的附图标记如下：

1、负极层；2、绝缘层；3、正极层；4、负极集流端子；5、正极集流端子。

具体实施方式

为了使本实用新型所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

在本实用新型的描述中，术语“厚度”指的是层状结构两个面积最大的表面之间的距离，在本实用新型中，所述正极层、所述绝缘层和所述负极层沿其厚度方向层叠。

参见图1所示，本实用新型实施例提供了一种二次电池，包括正极层3、负极层1和绝缘层2，所述绝缘层2位于所述正极层3和所述负极层1之间，所述正极层3的厚度为10～200mm，所述负极层1的厚度为5～150mm，所述二次电池满足以下条件：

20％≤a-(b/20)×5％≤35％

其中，所述绝缘层的孔隙率为a；

所述正极层的厚度为b mm。

根据本发明提供的二次电池，采用了厚度为10～200mm的正极层3和厚度为5～150mm的负极层1组成超厚电极电池，以提高二次电池的能量密度，减少非必要辅材的使用；同时，发明人基于解决厚电极导致的电池内阻增大的问题，对正极层3和绝缘层2进行试验发现：绝缘层2的孔隙率a和正极层3的厚度b对于电解质离子的扩散起到相互影响的作用，具体的，当绝缘层2的孔隙率a和正极层3的厚度b满足条件20％≤a-(b/20)×5％≤35％时，能够明显降低二次电池的阻抗，在长期循环的过程中提高电池容量保持率，推测是由于在上述条件的限制下，绝缘层2的孔隙率与正极层3的厚度相适配，利于提高电解质离子在正极层3的嵌入脱出效率以及在绝缘层2中的离子穿梭效率，进而适配不同厚度正极层3的电解质迁移需求，使得二次电池的倍率性能和充放电效率得到提升。

在一些实施例中，所述二次电池满足以下条件：

25％≤a-(b/20)×5％≤30％。

通过以上对于关系式范围的进一步限制，有利于进一步改善电极增厚带来的电解质传导阻抗增加的问题，实现小倍率下较好的容量发挥。

在一些实施例中，所述正极层3的厚度可以为10mm、20mm、30mm、40mm、50mm、60mm、70mm、80mm、90mm、100mm、110mm、120mm、130mm、140mm、150mm、170mm、190mm或200mm。

随着所述正极层3的厚度增大，利于提高电池的能量密度，同时电解质离子在正极层3的扩散效率降低，需通过调整绝缘层2的孔隙率对电池性能进行综合调节，但若所述正极层3的厚度过大，则难以通过其他因素逆转其对于电池阻抗增加的影响，当所述正极层3的厚度处于上述范围中时，一方面提高了二次电池的能量密度；另一方面也利于与所述绝缘层2的孔隙率配合保证二次电池的阻抗处于合适范围中。

当所述负极层1的厚度处于上述范围中时，有利于与正极层3配合以调控负极可逆容量和正极可逆容量的比值，使二次电池具有合适的NP比，利于在保证二次电池能量密度的前提下，保证电解质离子在负极层1内部的均匀沉积，提高电池安全性能。

在一些实施例中，所述a为25％～85％，即所述绝缘层2的孔隙率为25％～85％。

具体的，所述绝缘层2的孔隙率为可以为25％、35％、45％、55％、65％、75％或85％。

当所述绝缘层2的孔隙率处于上述范围中时，能够抑制正负极副反应的发生，同时提高电解质离子在所述绝缘层2中的穿梭效率，有利于在保证电池循环性能的前提下降低电池阻抗，提高电池的容量保持率。

在一些实施例中，所述正极层3和所述负极层1的厚度比为(1～2.5)：1。

在一些实施例中，所述正极层3和所述负极层1的厚度比可以为1：1、1.2：1、1.5：1、1.6：1、1.7：1、1.8：1、1.9：1、2.0：1、2.1：1、2.2：1、2.3：1、2.4：1或2.5：1。

通过调节所述正极层3和所述负极层1的厚度比以调节所述正极层3的容量和所述负极层1的容量处于合适范围中，当所述正极层3和所述负极层1的厚度比处于上述范围中时，有利于保证所述正极层3和所述负极层1容量的充分利用，同时，避免金属枝晶的生成。

在一些实施例中，所述绝缘层2的厚度为2～10mm。

在一些实施例中，所述绝缘层2的厚度可以为2mm、4mm、6mm、8mm或10mm。

所述绝缘层2的厚度与电池的短路风险和电解质离子的穿梭效率相关，当绝缘层2的厚度处于上述范围中时，能够有效阻挡正极层3和负极层1的接触风险，同时利于电解质离子的穿梭。

在一些实施例中，所述绝缘层2选自绝缘填料层、多孔膜或多孔块体。

绝缘填料层为绝缘粉料的堆积层，当所述绝缘层2选自绝缘填料层时，只需在外壳中进行绝缘粉料填充即可得到绝缘填料层，具有操作方便的优势。

当所述绝缘层2选自多孔膜时，具有较高的离子传导效率。

多孔块体为具有多孔结构的绝缘块，当所述绝缘层2选自多孔块体时，具有较好的结构强度，有利于提高绝缘层2的抗穿刺能力，以提升二次电池的安全性。

在一些实施例中，所述绝缘填料层选自Al₂O₃粉料层、AlOOH粉料层、SiO₂粉料层、PVDF粉料层或PTFE粉料层；所述多孔膜选自PP膜、PE膜、PET膜、PAN膜或玻璃纤维膜；所述多孔块体选自多孔PE块、多孔PVDF块或多孔PTFE块。

在一些实施例中，所述正极层3包括正极材料以及嵌入于所述正极材料中的正极集流体。

所述正极集流体用于所述正极材料的电子收集和传导，通过将所述正极集流体嵌入于所述正极材料中，以提高所述正极材料和所述正极集流体的接触面积，降低电子传导阻抗。

所述正极材料包括正极活性物质、正极粘结剂和正极导电剂，所述正极活性物质可以是锂离子电池正极材料或钠离子电池正极材料，锂离子电池正极材料包括LiFePO₄、LiFe_xMn_1-xPO₄(0≤x≤1)、LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂(0≤x≤1，0≤y≤1)、LiNi_xCo_yAl_1-x-yO₂(0≤x≤1，0≤y≤1)、LiNi_xCo_yMn_zAl_1-x-y-zO₂(0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1)、LiMn₂O₄、LiMnO₂、LiNiO₂、LiCoO₂、Li₂MnO₃、LiNi_0.5Mn_1.5O₂中的一种或多种，钠离子电池正极材料包括普鲁士白、NaNi_xFe_yMn_1-x-yO₂(0≤x≤1，0≤y≤1)、Na₃V₂(PO₄)₃、Na₂FeP₂O₇、Na₂Fe₂(SO₄)₃中的一种或多种。所述正极粘结剂包括PVDF、PTFE、PEO中的一种或多种。所述正极导电剂包括石墨粉、炭黑、碳纳米管、石墨烯、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩中的一种或多种。

在一些实施例中，所述负极层1包括负极材料以及嵌入于所述负极材料中的负极集流体。

所述负极集流体用于所述负极材料的电子收集和传导，通过将所述负极集流体嵌入于所述负极材料中，以提高所述负极材料和所述负极集流体的接触面积，降低电子传导阻抗。

所述负极材料包括负极活性物质、负极粘结剂和负极导电剂，所述负极活性物质包括石墨、硬碳、硅、氧化亚硅、Li₄Ti₅O₁₂、TiO₂、Fe₂O₃、MoS₂中的一种或多种。所述负极粘结剂包括缩甲基纤维素、丁苯橡胶、聚丙烯酸、海藻酸钠、聚酰亚胺、聚丙烯醇中的一种或多种。所述负极导电剂包括导电石墨、Super P、炭黑、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种。

在一些实施例中，所述正极材料和所述负极材料中可选择地加入功能填料，所述功能填料包括导电填料和/或绝缘填料，所述导电填料包括导电碳纤维、导电碳棒、导电碳管中的一种或多种；所述绝缘填料包括玻璃纤维、Al₂O₃、SiO₂中的一种或多种。

在一些实施例中，所述正极集流体和所述负极集流体各自独立地选自线状结构、平面网络状结构或三维网络状结构。

在一些实施例中，所述正极集流体和所述负极集流体各自独立地选自平面网络状结构或三维网络状结构。

采用平面网络状结构或三维网络状结构作为正极集流体或负极集流体有利于提高正极集流体和正极材料或负极集流体和负极材料之间的接触面积，降低界面电子传导阻抗。

所述正极集流体和所述负极集流体各自独立地选自Cu、Al、Ni、Fe、Mn、Ti及导电纤维中的一种或多种。

在一实施例中，所述正极集流体选自Al，所述负极集流体选自Cu。

在一些实施例中，所述正极层3、所述负极层1和所述绝缘层2的数量均为多层，多层所述正极层3、多层所述绝缘层2和多层所述负极层1层叠设置，且多层所述正极层3和多层所述负极层1一一交错间隔设置，相邻的所述正极层3和所述负极层1之间均设置有所述绝缘层2。

将所述正极层3、所述负极层1和所述绝缘层2设置为多层结构，有利于提高所述二次电池的空间利用率，提高总体能量密度，进一步减少非必要辅材的使用。

在其他实施例中，所述正极层3、所述负极层1和所述绝缘层2的数量也可为单层。

在一些实施例中，所述正极层3的孔隙率为30％～80％，所述负极层1的孔隙率为30％～80％。

在一些实施例中，所述正极层3的孔隙率为30％～60％，所述负极层1的孔隙率为30％～60％。

当所述正极层3的孔隙率和所述负极层1的孔隙率处于上述范围中时，一方面有利于提高电解液对于所述正极层3和所述负极层1的渗透效率，提高离子传导性能；另一方面，保证所述正极层3和所述负极层1具有一定的结构强度，保持所述正极层3和所述负极层1在充放电循环中的结构稳定性。

在一些实施例中，由所述正极层3的内芯至所述正极层3的外表面，所述正极层3的孔隙率逐渐增大；由所述负极层1的内芯至所述负极层1的外表面，所述负极层1的孔隙率逐渐增大。

将所述正极层3和所述负极层1的孔隙率设置为由内至外逐渐增大，有利于提高电解液对所述正极层3和所述负极层1的浸润效果，提高离子电导率。

在一些实施例中，所述二次电池还包括外壳，所述正极层3、所述负极层1和所述绝缘层2位于所述外壳中。

在一些实施例中，所述外壳为金属壳体或绝缘壳体，所述金属壳体包括Fe、Al及其合金件、镀件或复合件，所述绝缘壳体包括PE、PP、PTFE、PET、PAN中的一种或多种。

在一些实施例中，所述外壳为金属壳体，所述外壳的内壁设置有绝缘内衬层。

所述外壳的厚度为5mm～100mm，所述绝缘内衬层的厚度为1mm～10mm。

所述绝缘内衬层用于避免所述外壳与所述负极层1或所述正极层3直接接触，从而避免发生壳体短路的问题。

所述外壳包括盖板以及具有开口的壳体，所述盖板用于封闭所述壳体的开口。

在一些实施例中，所述二次电池还包括有正极集流端子5和负极集流端子4，所述正极集流端子5连接所述正极集流体并引出至所述外壳的外部，所述负极集流端子4连接所述负极集流体并引出至所述外壳的外部。

通过将正极集流端子5和负极集流端子4直接从外壳引出，可避免在所述外壳中汇流结构的设置，提高二次电池的能量密度。

在一实施例中，所述正极集流端子5为直径为5～100mm的铝柱，当所述正极层3的数量为多个时，多个所述正极层3引出有多个正极集流端子5，多个所述正极集流端子5组成铝柱阵列，所述负极集流端子4为直径为5～50mm的铜柱，所述负极层1的数量为多个时，多个所述负极层1引出有多个负极集流端子4，多个所述负极集流端子4组成铜柱阵列，所述正极集流端子5和所述负极集流端子4分别从所述外壳的两侧引出。

在一些实施例中，所述二次电池为锂离子电池或钠离子电池。

以下通过实施例对本实用新型进行进一步的说明。

表1

实施例1

本实施例用于说明本发明公开的二次电池及其制备方法，包括以下操作步骤：

①将磷酸铁锂粉料与导电剂Super P、粘结剂PVDF按质量比90％：5％：5％以50-100rmp转速进行低速球磨混合，得到正极活性粉料；将人造石墨粉料与导电剂炭黑、粘结剂PVDF按质量比95％：2％：3％以50-100rmp转速进行低速球磨混合，得到负极活性粉料；将Al₂O₃粉末与粘结剂PVDF按质量比95％：5％以50-100rmp转速进行低速球磨混合，得到绝缘层粉料。②将正负极活性粉料和绝缘粉料按铜集流网-负极活性粉料-绝缘粉料-铝集流网-正极活性粉料的方式层层灌注在尺寸为0.5×0.5×0.5米，内衬绝缘处理的铁质金属壳体中。其中负极集流体采用直径为0.5mm铜丝编制成的1×1×1cm孔径的立体三层铜网，正极集流体采用直径为1mm铝丝编制成的1×1×1cm孔径的立体四层铝网。负极层单层加料10kg，刮平后热压至层厚28.6mm；正极层单层加料20kg，刮平后热压至层厚36.4mm；绝缘层单层加料6.09kg，刮平后热压至层厚10mm，孔隙率为39.1％。整个电芯由6层负极+5层正极+10层绝缘层构成。③电芯成型后焊接盖板，移至105℃真空烘箱烘烤5天。④烘烤后进行注液，电解液为常规磷酸铁锂电解液，注液量为63kg。⑤对电芯进行正常化成分容测试。

实施例2～实施例7

实施例2～实施例7用于说明本发明公开的二次电池及其制备方法，包括实施例1中大部分操作步骤，其不同之处在于：

采用表1所示的正极层厚度、负极层的厚度和绝缘层孔隙率，电芯的总体厚度控制与实施例1相同。

对比例1～对比例7

对比例1～对比例7用于对比说明本发明公开的二次电池及其制备方法，包括实施例1中大部分操作步骤，其不同之处在于：

性能测试

对上述制备得到的正极片进行如下性能测试：

采用电化学充放电测试柜对如上制备得到的电芯单体进行模拟充放电测试，具体地，在常温环境(25±3℃)下，采用1000A测试电流，在电压区间2.0-3.65V进行模拟恒流充放电测试，得到单体的电性能数据。

得到的测试结果填入表2。

表2

序号	放电平均电压(V)	放电容量(Ah)
			实施例1	3.130	11920
实施例2	3.128	12038
			实施例3	3.127	12099
实施例4	3.125	12154
			实施例5	3.123	12187
实施例6	3.121	12202
			实施例7	3.125	12237
对比例1	3.003	10927
			对比例2	3.001	11138
对比例3	2.995	11212
			对比例4	2.992	11334
对比例5	2.985	11501
			对比例6	3.122	10305
对比例7	3.121	10298

从表2的测试结果可知，相比于本实用新型限制条件之外的二次电池，采用本发明提供条件限制下的二次电池具有更高的放电电压和放电容量，说明通过对正极层的厚度和绝缘层的孔隙率进行适配性调整，可改善电极增厚带来的传质阻抗增加，实现小倍率下相当的容量发挥。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种二次电池，其特征在于，包括正极层、负极层和绝缘层，所述绝缘层位于所述正极层和所述负极层之间，所述正极层的厚度为10～200mm，所述负极层的厚度为5～150mm，所述二次电池满足以下条件：

20％≤a-(b/20)×5％≤35％

其中，所述绝缘层的孔隙率为a；

所述正极层的厚度为b mm。

2.根据权利要求1所述的二次电池，其特征在于，所述二次电池满足以下条件：

25％≤a-(b/20)×5％≤30％。

3.根据权利要求1所述的二次电池，其特征在于，所述a为20％～85％。

4.根据权利要求1所述的二次电池，其特征在于，所述正极层和所述负极层的厚度比为(1～2.5)：1。

5.根据权利要求1所述的二次电池，其特征在于，所述绝缘层的厚度为2～10mm。

6.根据权利要求1所述的二次电池，其特征在于，所述绝缘层选自绝缘填料层、多孔膜或多孔块体。

7.根据权利要求6所述的二次电池，其特征在于，所述绝缘填料层选自Al₂O₃粉料层、AlOOH粉料层、SiO₂粉料层、PVDF粉料层或PTFE粉料层；所述多孔膜选自PP膜、PE膜、PET膜、PAN膜或玻璃纤维膜；所述多孔块体选自多孔PE块、多孔PVDF块或多孔PTFE块。

8.根据权利要求1所述的二次电池，其特征在于，所述正极层包括正极材料以及嵌入于所述正极材料中的正极集流体，所述负极层包括负极材料以及嵌入于所述负极材料中的负极集流体。

9.根据权利要求8所述的二次电池，其特征在于，所述正极集流体和所述负极集流体各自独立地选自线状结构、平面网络状结构或三维网络状结构。

10.根据权利要求1所述的二次电池，其特征在于，所述正极层、所述负极层和所述绝缘层的数量均为多层，多层所述正极层、多层所述绝缘层和多层所述负极层层叠设置，且多层所述正极层和多层所述负极层一一交错间隔设置，相邻的所述正极层和所述负极层之间均设置有所述绝缘层。

11.根据权利要求1所述的二次电池，其特征在于，所述正极层的孔隙率为30％～80％，所述负极层的孔隙率为30％～80％。

12.根据权利要求1所述的二次电池，其特征在于，由所述正极层的内芯至所述正极层的外表面，所述正极层的孔隙率逐渐增大；由所述负极层的内芯至所述负极层的外表面，所述负极层的孔隙率逐渐增大。

13.根据权利要求8所述的二次电池，其特征在于，还包括有外壳，所述正极层、所述负极层和所述绝缘层位于所述外壳中。

14.根据权利要求13所述的二次电池，其特征在于，所述外壳为金属壳体，所述外壳的内壁设置有绝缘内衬层。

15.根据权利要求13所述的二次电池，其特征在于，所述二次电池还包括有正极集流端子和负极集流端子，所述正极集流端子连接所述正极集流体并引出至所述外壳的外部，所述负极集流端子连接所述负极集流体并引出至所述外壳的外部。

16.根据权利要求1所述的二次电池，其特征在于，所述二次电池为锂离子电池或钠离子电池。