CN220526953U - 极片、电池和用电装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了极片、电池和用电装置。该极片包括集流体和活性物质层，集流体在沿厚度方向设有多个通孔，通孔中填充有水凝胶；活性物质层设在集流体沿其厚度方向相对设置的两个表面中的至少一个上。该极片具有较高的安全性能，能够避免或降低电池发生热失控的风险。
Description
技术领域
本实用新型属于电池领域，具体而言，涉及极片、电池和用电装置。
背景技术
锂离子电池作为电化学储能方式的典型产品，在多个领域得到了广泛应用。随着锂离子电池技术的发展，单体电池容量及能量密度持续提升，其安全性能也越发受到关注，尤其是动力电池导致的电动汽车起火爆炸及储能电站起火爆炸等事故会带来较大的财产损失，甚至导致人员伤亡。提高锂离子电池安全性能的核心问题是避免发生热失控，目前控制电芯热失控的方法通常是对正负极材料、隔膜或电解液进行改进，延缓热失控发生的时间，但现有的方法难以完全避免电芯发生起火现象，且通常制备工艺复杂，成本较高。
实用新型内容
本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本实用新型的一个目的在于提出极片、电池和用电装置。该极片具有较高的安全性能，能够避免或降低电池发生热失控的风险。
在本实用新型的一个方面，本实用新型提出了一种极片。根据本实用新型的实施例，该极片包括：
集流体，所述集流体沿其厚度方向设有多个通孔，所述通孔中填充有水凝胶；
活性物质层，所述活性物质层设在所述集流体沿其厚度方向相对设置的两个表面中的至少一个上。
根据本实用新型上述实施例的极片，通过在集流体上沿其厚度方向开设多个通孔，并在多个通孔中填充水凝胶，当电芯发生热失控时，集流体通孔内的水凝胶可以吸收热量从凝胶状转化为液体，不仅能够减少电芯内部热量的累积，还可以对着火点进行熄灭，降低热量进一步扩散的风险，并阻止燃烧起火现象的发生。
另外，根据本实用新型上述实施例的极片还可以具有如下附加的技术特征：
任选地，所述通孔中还填充有阻燃材料。
任选地，所述水凝胶为聚乙烯醇水凝胶。
任选地，所述阻燃材料为磷酸三苯酯。
任选地，所述集流体的厚度为10μm～16μm。
任选地，所述通孔的孔径为15μm～35μm。
任选地，所述集流体的孔隙率为40％～60％。
任选地，所述活性物质层的厚度为10μm～100μm。
任选地，所述极片还包括耐热导电层，所述耐热导电层设在所述活性物质层远离所述集流体的表面上。
任选地，所述耐热导电层的厚度为10μm～100μm。
任选地，所述耐热导电层的孔隙率为10％～35％。
任选地，所述耐热导电层分散有纳米氧化锑和云母。
任选地，所述耐热导电层分散有导电剂。
任选地，所述耐热导电层的厚度不大于所述活性物质层的厚度。
在本实用新型的再一个方面，本实用新型提出了一种电池。根据本实用新型的实施例，该电池包括上述极片。该电池具有上述极片的全部特征和效果，此处不再赘述。总的来说，该电池发生燃烧起火风险较低，具有较高的安全性能。
在本实用新型的又一个方面，本实用新型提出了一种用电装置。根据本实用新型的实施例，该用电装置包括上述电池或上述极片。该用电装置具有上述电池和上述极片的全部特征和效果，此处不再赘述。总的来说，该用电装置安全性能较好，需求度高。
本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本实用新型一个实施例的极片的结构示意图；
图2是根据本实用新型再一个实施例的极片的结构示意图；
图3是根据本实用新型又一个实施例的极片的结构示意图；
图4是根据本实用新型另一个实施例的极片的结构示意图。
附图说明如下：
10-集流体；11-通孔；20-活性物质层；30-耐热导电层。
具体实施方式
下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“厚度”、“上”、“下”、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，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。
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实用新型的一个方面，本实用新型提出了一种极片。根据本实用新型的实施例，结合图1～2理解，该极片包括集流体10和活性物质层20，集流体10在其厚度方向设有多个通孔11，通孔中填充有水凝胶；活性物质层20设在集流体10沿其厚度方向相对设置的两个表面中的至少一个上。
根据本实用新型上述实施例的极片，通过在集流体上沿其厚度方向开设多个通孔，并在多个通孔中填充水凝胶，当电芯发生热失控时，集流体通孔内的水凝胶可以吸收热量从凝胶状转化为液体，不仅能够减少电芯内部热量的累积，还可以对着火点进行熄灭，降低热量进一步扩散的风险，并阻止燃烧起火现象的发生。
根据本实用新型的一些实施例，本实用新型中对于水凝胶的具体类型没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际情况灵活选择，例如，可以采用聚乙烯醇水凝胶，聚乙烯醇水凝胶的降解温度较低，可以在较低的温度下由凝胶态转变为液态，更有利于在热失控发展初期降低热量的聚集，从而可以进一步避免或降低电芯发生燃烧起火的风险。
根据本实用新型的一些实施例，结合图1～2理解，通孔11中还可以填充有阻燃材料。通过在通孔11中填充阻燃材料，可以结合水凝胶防护电芯起火提供双重屏障，有利于进一步阻碍着火点的扩散和火势的蔓延，避免或降低电芯发生失控燃烧的风险。需要说明的是，本实用新型中对于阻燃材料的具体类型没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际情况灵活选择，例如阻燃材料可以包括但不限于磷酸三苯酯等，其中，采用磷酸三苯酯不仅可以具有较高的阻燃效率和较好的阻燃效果，而且毒性较低，对环境危害较小。
根据本实用新型的一些实施例，结合图1～2理解，集流体10的厚度可以为10μm～16μm，例如可以为11μm、12μm、13μm、14μm或15μm等，若集流体的厚度过小，一方面难以提供足够的机械支撑，另一方面，还会减少水凝胶的用量，影响水凝胶对热量的阻隔效果；若集流体的厚度过大，则会降低电池的能量密度。本实用新型通过控制集流体厚度在所给范围，有利于兼顾电池的能量密度和安全性能。
根据本实用新型的一些实施例，结合图1～2理解，通孔11的孔径可以为15μm～35μm，例如可以为16μm、18μm、20μm、22μm、24μm、26μm、28μm、30μm、32μm或34μm等，若通孔11的孔径过大，容易影响集流体的支撑强度；若通孔11的孔径过小，可能会限制集流体中水凝胶的用量，影响水凝胶对热量的阻隔效果。本实用新型通过控制通孔11的孔径在所给范围，有利于兼顾极片的结构稳定性和安全性能。
根据本实用新型的一些实施例，结合图1～2理解，集流体10的孔隙率可以为40％～60％，例如可以为42％、45％、48％、50％、52％、55％或58％等，若集流体的孔隙率过小，容易导致水凝胶的含量不足，难以有效阻隔热量的聚集与扩散，同时也不利于电池的轻量化；若集流体的孔隙率过大，不仅容易使得集流体的机械强度下降，还会影响集流体与活性物质层之间的结合力，导致极片的长期使用稳定性降低。本实用新型通过控制集流体10的孔隙率为所给范围，有利于兼顾极片的长期使用稳定性和安全性能。
根据本实用新型的一些实施例，结合图1～2理解，活性物质层20的厚度可以为10μm～100μm，例如可以为15μm、20μm、30μm1、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm或95μm等，若活性物质层20的厚度过小，容易导致电池的能量密度下降；若活性物质层20的厚度过大，可能影响离子的迁移，增大电池内阻，影响电池的电化学性能。本实用新型通过控制活性物质层20的厚度为所给范围，有利于兼顾电池的电化学性能和能量密度。需要说明的是，本实用新型中对活性物质层的具体组成没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际情况灵活选择，例如，根据本实用新型的一些具体示例，当极片为正极极片时，活性物质层中可以包括正极活性材料、导电剂、粘结剂等，其中正极活性材料可以包括磷酸锰铁锂等，导电剂可以包括导电炭黑和/或碳纳米管等，粘结剂可以包括聚偏二氟乙烯等；当极片为负极极片时，活性物质层中可以包括负极活性材料、导电剂、粘结剂等，其中负极活性材料可以包括人造石墨、天然石墨、硬碳、软碳、硅碳材料等，导电剂可以包括导电炭黑SP等，粘结剂可以包括丁苯橡胶等。
根据本实用新型的一些实施例，结合图3～4理解，极片还可以包括耐热导电层30，耐热导电层30设在活性物质层20远离集流体10的表面上。可以理解的是，当活性物质层20设在集流体10的一个表面上时(结合图1理解)，极片可以包括一个耐热导电层30，设在活性物质层20远离集流体10一侧的表面上(结合图3理解)，当活性物质层20设在集流体10的两个表面上时(结合图2理解)，极片可以包括两个耐热导电层30，分别设在两个活性物质层20远离集流体10一侧的表面上(结合图4理解)，也可以包括一个耐热导电层30，设在其中一个活性物质层20远离集流体10一侧的表面上。通过在活性物质层远离集流体的表面上设置耐热导电层，有利于进一步避免热失控时热量持续的扩散，可以有效避免或降低极片发生燃烧或爆炸的风险。
根据本实用新型的一些实施例，结合图3～4理解，耐热导电层30的厚度可以为10μm～100μm，例如可以为15μm、20μm、30μm、50μm、60μm、70μm、80μm或90μm等，若耐热导电层的厚度过小，可能导致耐热材料的含量不足，难以有效阻止热量的扩散；若耐热导电层的厚度过大，不仅容易使极片的能量密度下降，还会增大离子的脱嵌难度，影响电池的倍率性能。本实用新型通过控制耐热导电层的厚度为所给范围，有利于兼顾极片的安全性能和电化学性能。进一步地，根据本实用新型的一些具体示例，耐热导电层30的厚度可以不大于活性物质层20的厚度，由此更有利于避免因耐热导电层的存在而使得极片的能量密度大幅下降，可以更好地兼顾电池的能量密度和安全性能。
根据本实用新型的一些实施例，耐热导电层30中可以分散有耐热材料，本实用新型中对于耐热材料的具体类型没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际情况灵活选择，例如，耐热导电层可以分散有纳米氧化锑和云母，纳米氧化锑和云母混合后不会发生化学反应，可以通过物理机械混合均匀分散于耐热导电层中，云母耐高温性能好，氧化锑具有一定的脱嵌活性离子(如锂离子、钠离子等)的能力，将二者用于耐热导电层中，可以在提高耐热导电层耐热效果的同时，降低对极片的能量密度的影响。进一步地，耐热导电层30中还可以分散有导电剂，通过在耐热导电层中引入导电剂，有利于在极片中形成较好的导电通路，降低极片的电阻，不仅可以使得电池具有较好的安全性能，还可以兼顾电池的充放电效率。需要说明的是，本实用新型中对于导电剂的具体类型也没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际情况灵活选择，例如，耐热导电层中可以分散有导电炭黑等。
根据本实用新型的一些实施例，耐热导电层30的孔隙率可以为10％～35％，例如可以为10％、15％、20％、25％、30％或35％等，提高耐热导电层的孔隙率，有利于离子的脱嵌，有利于降低离子在极片内的扩散阻抗，但若耐热导电层的孔隙率过大，则难以使其具有较好的耐热效果，影响极片的安全稳定性。本实用新型通过控制耐热导电层的孔隙率为所给范围，有利于兼顾电池的电化学性能和安全性能。
为方便理解本实用新型上述实施例的极片，下面对制备该极片的方法进行详细说明。根据本实用新型的实施例，以正极极片为例，该方法包括：提供沿其厚度方向设有多个通孔的集流体，将水凝胶填充至上述集流体的通孔中；将正极活性浆料涂覆在上述填充有水凝胶的集流体沿厚度方向相对设置的两个表面中的一个上，干燥后得到极片。进一步地，集流体的孔隙率可以为40％～60％，通孔的孔径可以为15μm～35μm，水凝胶可以为聚乙烯醇水凝胶等。进一步地，在将水凝胶填充至上述集流体的通孔中之前，还可以先将水凝胶(如聚乙烯醇等)和阻燃材料(如磷酸三苯酯等)混合，再将含有阻燃材料的水凝胶填充至集流体的通孔中。进一步地，可以在正极活性物质层远离集流体一侧的表面设置耐热导电层，例如，可以将纳米氧化锑、云母粉和导电剂与粘结剂和溶剂进行物理机械混合，得到耐热导电涂层浆料，将该耐热导电涂层浆料涂覆在活性物质层远离集流体的一侧表面上，干燥后形成耐热导电层。其中，控制集流体的孔隙率、通孔的孔径和采用聚乙烯醇水凝胶的目的和效果、添加阻燃材料的效果、设置该耐热导电层的目的和效果已在前述部分进行了详细描述，此处也不再赘述。
作为一些具体示例，制备正极极片的方法可以包括：(1)将磷酸三苯酯溶解在无水乙醇中，得到磷酸三苯酯溶液；将聚乙烯醇(PVA)固体加入乙二醇中，得到聚乙烯醇水凝胶：(2)将步骤(1)得到的磷酸三苯酯溶液与PVA水凝胶混合均匀，冷却至室温，得到分散有磷酸三苯酯的PVA水凝胶；(3)将步骤(2)得到的分散有磷酸三苯酯的PVA水凝胶填充至在沿厚度方向设有多个通孔的集流体中；(4)将磷酸三苯酯(LMFP)、导电炭黑SP、碳纳米管(CNT)、聚偏二氟乙烯(PVDF)与的溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)混合，得到活性涂层浆料，将活性涂层浆料涂覆在步骤(3)得到的集流体的一个表面上，干燥后形成厚度为10μm功能涂层，得到活性物质层/集流体复合体；(5)将纳米氧化锑、云母粉、导电炭黑与PVDF与和溶剂NMP混合，得到耐热导电涂层浆料，将耐热导电涂层浆料涂覆在活性物质层远离集流体的表面上，得到极片。
需要说明的是，本实用新型的实施例中，极片的类型并不受特别限制，例如，该极片既可以为正极极片，也可以为负极极片。
在本实用新型的再一个方面，本实用新型提出了一种电池。根据本实用新型的实施例，该电池包括上述极片。可选地，该电池可以包括正极极片和负极极片，正极极片和负极极片中的至少之一可以包括上述极片。该电池具有上述极片的全部特征和效果，此处不再赘述。总的来说，该电池发生热失控的风险较低，具有较高的安全性能。
在本实用新型的又一个方面，本实用新型提出了一种用电装置。根据本实用新型的实施例，该用电装置包括上述电池或上述极片。该用电装置具有上述电池和上述极片的全部特征和效果，此处不再赘述。总的来说，该用电装置安全性能较好，需求度高。需要说明的是，该用电装置的具体类型并不受特别限制，例如可以包括但不限于车辆。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种极片，其特征在于，包括：
集流体，所述集流体沿其厚度方向设有多个通孔，所述通孔中填充有水凝胶；
活性物质层，所述活性物质层设在所述集流体沿其厚度方向相对设置的两个表面中的至少一个上。
2.根据权利要求1所述的极片，其特征在于，所述通孔中还填充有阻燃材料。
3.根据权利要求2所述的极片，其特征在于，所述水凝胶为聚乙烯醇水凝胶；和/或，所述阻燃材料为磷酸三苯酯。
4.根据权利要求1所述的极片，其特征在于，满足下列条件中的至少之一：
所述集流体的厚度为10μm～16μm；
所述通孔的孔径为15μm～35μm；
所述集流体的孔隙率为40％～60％。
5.根据权利要求1所述的极片，其特征在于，所述活性物质层的厚度为10μm～100μm。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的极片，其特征在于，还包括耐热导电层，所述耐热导电层设在所述活性物质层远离所述集流体的表面上。
7.根据权利要求6所述的极片，其特征在于，所述耐热导电层的厚度为10μm～100μm；和/或，
所述耐热导电层的孔隙率为10％～35％。
8.根据权利要求7所述的极片，其特征在于，满足下列条件中的至少之一：
所述耐热导电层分散有纳米氧化锑和云母；
所述耐热导电层分散有导电剂；
所述耐热导电层的厚度不大于所述活性物质层的厚度。
9.一种电池，其特征在于，包括权利要求1～8任一项所述的极片。
10.一种用电装置，其特征在于，包括权利要求9所述的电池，或权利要求1～8任一项所述的极片。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202322037883.0U CN220526953U (zh) | 2023-07-31 | 2023-07-31 | 极片、电池和用电装置 |
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Publications (1)
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| CN220526953U true CN220526953U (zh) | 2024-02-23 |
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Family Applications (1)
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