CN220984651U - 一种方形电池和用电设备 - Google Patents

Abstract

本申请提出了一种方形电池和用电设备，方形电池包括：方形壳体，具有容纳腔；电芯，位于容纳腔内，电芯具有面积最大的第一表平面和第二表平面；凝胶电解质；其中，在第一表平面和/或第二表平面与方形壳体之间存在间隙，凝胶电解质在间隙上的投影覆盖间隙，且凝胶电解质在第一表平面上的投影覆盖第一表平面。通过如此，电芯化成发生膨胀会通过挤压凝胶电解质对方形壳体进行挤压，根据力的相互作用，此时方形壳体为电芯提供反作用力，也就是说，方形壳体对第一表平面和第二表平面施加压力，以此避免第一表平面和第二表平面化成时的松散问题，进而避免了电芯负极片的黑斑、析锂的问题。

Description

一种方形电池和用电设备

技术领域

本申请涉及电池技术领域，具体涉及一种方形电池和用电设备。

背景技术

锂离子电池化成是锂离子电池制程中的一个关键工序，电池化成就是电池组装完成后，通过给电池施加一定的电流和电压，促使正负极材料表面形成固体电解质膜(SEI)，并激活电极上的活性物质。在化成过程中，电解液在电极表面发生化学发应形成的SEI膜可以防止电解液的溶剂分子进入电极，造成电极结构破坏，因此，化成效果的好坏也决定了电池性能的优劣。

现有的方形锂离子电池在化成时，负极片容易发生黑斑和析锂的问题，导致该问题的原因如下：电芯化成时，电芯的最大表平面未受到压力，或者最大表平面受到的压力不均，甚至于未受到压力，上述情况均会电芯的最大表平面松散，进而引起负极片的黑斑、析锂。

实用新型内容

有鉴于此，本申请提供了一种方形电池，解决了电芯负极片化成产生的黑斑、析锂的问题，提高了电池的性能。另外，本申请还提供了具有上述方形电池的用电设备。

为了达到上述目的，本申请提供如下技术方案：

一种方形电池，包括：

方形壳体，具有容纳腔；

电芯，位于所述容纳腔内，所述电芯具有面积最大的第一表平面和第二表平面；

凝胶电解质；

其中，在所述第一表平面和/或所述第二表平面与所述方形壳体之间存在间隙，所述凝胶电解质在所述间隙上的投影覆盖所述间隙，且所述凝胶电解质在所述第一表平面上的投影覆盖所述第一表平面。

可选的，上述方形壳体中，所述凝胶电解质在所述第一表平面的投影，与所述第一表平面重合。

可选的，上述方形壳体中，在所述方形壳体的高度方向上，所述凝胶电解质的高为H₁，所述电芯的高为H₂，所述容纳腔的高度为H₃，其满足以下关系：H₃＝H₂+H₁。

可选的，上述方形壳体中，在所述方形壳体的高度方向上，所述凝胶电解质具有压缩比例，所述压缩比例为60％-90％。

可选的，上述方形壳体中，在所述方形壳体的长度方向上，所述凝胶电解质的长为L₁，所述电芯的长为L₂，在所述方形壳体的宽度方向上，所述凝胶电解质的宽为W₁，所述电芯的宽为W₂，其满足以下关系：L₁＝L₂+(0-5)mm，W₁＝W₂。

可选的，上述方形壳体中，在所述方形壳体的长度方向上，所述凝胶电解质具有压缩变化量为T，其满足以下关系：T＝L₂+(0-4)mm-L₁。

可选的，上述方形壳体中，所述凝胶电解质设置在所述第一表平面和所述第二表平面中的至少一者上。

可选的，上述方形壳体中，所述电芯包括层叠设置的正极片、隔膜、负极片，在所述电芯的最外侧表面设置有隔膜，并在所述隔膜外侧依次设置有所述凝胶电解质和绝缘膜，其中，所述凝胶电解质设置在所述隔膜上。

可选的，上述方形壳体中，在所述电芯最外侧表面的所述隔膜上设置有胶纸，所述凝胶电解质覆盖在所述胶纸上。

一种用电设备，包括上述权利要求中任一项所述的方形电池。

本申请提供的一种方形电池，包括方形壳体、电芯和凝胶电解，电芯位于方形壳体的容纳腔内，并具有面积最大的第一表平面和第二表平面，在第一表平面和/或第二表平面与方形壳体之间存在间隙，凝胶电解质在间隙上的投影能覆盖间隙，在第一表平面上的投影能覆盖第一表平面，通过如此，电芯化成发生膨胀会通过挤压凝胶电解质对方形壳体进行挤压，根据力的相互作用，凝胶电解质设置在第一表平面和/或第二表平面与壳体之间，此时方形壳体为电芯提供反作用力，也就是说，方形壳体通过凝胶电解质对第一表平面和第二表平面施加压力，以此避免第一表平面和第二表平面化成时的松散问题，进而避免了电芯负极片的黑斑、析锂的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的叠片电芯和壳体之间无凝胶电介质存在的主视图；

图2为卷芯和方形壳体之间无凝胶电介质存在的主视图；

图3为电芯的俯视图；

图4为电芯的侧视图；

图5为凝胶电解质的主视图；

图6为凝胶电解在长度方向和宽度方向上覆盖电芯的主视图；

图7为凝胶电解质在长度方向上覆盖电芯的主视图；

图8为凝胶电解质充满的第一表平面和壳体之间的主视图；

图9为凝胶电解质充满的第二表平面和壳体之间的主视图；

图10为凝胶电解质充满的第一表平面和壳体之间，以及充满的第二表平面和壳体之间的主视图。

在图1-图10中：

1、方形壳体；2、电芯；3、第一表平面；4、第二表平面；5、凝胶电解质。

具体实施方式

本申请提供了一种方形电池，解决了电芯负极片化成产生的黑斑、析锂的问题，提高了电池的性能。另外，本申请还提供了具有上述方形电池的用电设备。

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1-图10所示，本申请实施例提供了一种方形电池，包括方形壳体1、电芯2和凝胶电解质5，电芯2位于方形壳体1的容纳腔内，并具有面积最大的第一表平面3和第二表平面4，在第一表平面3和/或第二表平面4与方形壳体1之间存在间隙，或者说，在第一表平面3和/或第二表平面4与方形壳体1相对设置的面之间存在间隙，凝胶电解质5在间隙上的投影能覆盖间隙，在第一表平面3上的投影能覆盖第一表平面3，也就是说，凝胶电解质5充满在第一表平面3和方形壳体1之间，和/或，充满在第二表平面4和方形壳体1之间，也就是说，凝胶电解质5可以同时充满在第一表平面3和第二表平面4与壳体之间，也可仅充满在第一壳体和第一表平面3或第二表平面4之间，需要说明的是，凝胶电解质5是均匀充满在表平面(第一表平面3和/或第二表平面4)和壳体之间的，以此使得电芯2化成膨胀时，第一表平面3和第二表平面4均受到来自于壳体的均匀挤压力，避免表平面受力不均时，电芯2负极片发生黑斑、析锂的问题。同时，电芯2可以是层叠设置的叠芯、卷芯等形式，多个极耳可以是分布在电芯2的同一侧，也可以是分布在电芯2相对设置的两侧，第一表平面3和第二表平面4的形状、大小均相同，且第一表平面3和第二表平面4指的是叠芯、卷芯等的最大面放置在方形壳体1中时与方形壳体1互相平行设置的部分。

进一步的，如图5所示，凝胶电解质5在第一表平面3的投影，与第一表平面3重合。实际生产中，第一表平面3为矩形，由此凝胶电解质5也为矩形，可根据实际需求对凝胶电解质5的各个尺寸例如长、宽、高等进行选择，以使凝胶电解质5能满足不同规格的方形壳体1的使用，以便于更好的发挥作用。

更进一步的，如图8-图10所示，在方形壳体的高度方向上，凝胶电解质5的高为H₁，电芯2的高为H₂，容纳腔的高为H₃，其满足以下关系：H₃＝H₂+H₁。需要说明的是，容纳腔的高度指的是除去壳体的大壁面(即与第一表平面3和第二表平面4相对设置的壁面)的厚度和麦拉膜的厚度，凝胶电解质5的高H₁指的是凝胶电解质5未压缩前的高度。在实际生产中优选的，电芯2的高度H₂与凝胶电解质5的高度H₁之和为容纳腔的高度，或者说，凝胶电解质5的高度H₁与第一表平面3和/或第二表平面4之间的间隙的高度相同，利于凝胶电解质5与电芯2的放置，在电芯2化成的过程中，电芯2膨胀挤压凝胶电解质5，并将上述挤压力传递给方形壳体1，方形壳体1通过凝胶电解质5施加反作用力于电芯，以此避免电芯的黑斑、析锂，在此过程中电芯2的高度与凝胶电解质5的高度之和始终与壳体的高度相同。

需要说明的是，方形壳体1的长度方向与电芯2的长度方向、凝胶电解质5的长度方向一致，长度用字母L表示；方形壳体1的宽度方向与电芯2的宽度方向、凝胶电解质5的宽方向一致，宽度用字母W表示；方形壳体1的高度方向与电芯2的高度方向、凝胶电解质5的高度方向一致，高度用字母H表示。

在其他一些实施例中，电芯2的高度和凝胶电介质的高度之和可以大于容纳腔的高度，前提是，凝胶电介质不能被完全挤压，需要保留有一定的挤压空间，首先是有利于电芯2与凝胶电解质5的安置，其次是，利于电芯2化成膨胀时，方形壳体1可以通过凝胶电解质5对电芯2的第一表平面3和/或第二表平面4进行挤压。

本申请优选的，压缩比例为60％-90％。一般常用的凝胶电解质5的聚合物包括:聚偏氟乙烯(PVDF)、偏氟乙烯六氟丙烯共聚物[P(VDFHFP)]、聚氧化乙烯(PEO)、聚丙烯腈(PAN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、纳米纤维等一种或多种组合体；聚合物电解质常用的增塑剂有二甲基甲酰胺(DMF)、碳酸二乙酯(DEC)、γ丁内酯(BL)、碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、聚乙二醇(PEG400)、碳酸二甲酯(DMC)中的一种或多种混合溶液；采用的锂盐可以是LiPF6、LiTFSI、NaPF6、LiClO4、LiAsF6、LiBF4的一种或多种混合，根据项目需求选择即可。一般的，凝胶电解质5的压缩比例在60％～90％之间，本申请优选的，凝胶电解质5的压缩比例为70％，由于该凝胶电介质的压缩比例较为常见，所以价格相对便宜，获取也更为方便。同时，为提高电池的可阻燃性和热稳定性，凝胶电解质5中也加入纳米大小的二氧化硅和纳米粒子作为无机填料组成。

在一可选的实施例中，如图2-图7所示，在方形壳体1的长度方向上，凝胶电解质5的长为L₁，电芯2的长为L₂，在方形壳体1的宽度方向上，宽度为W₁，宽度为W₂，其满足以下关系：L₁＝L₂+(0-5)mm，W₁＝W₂，由此可见，凝胶电解质5在方形壳体的长度方向上能完全覆盖电芯2，可能的，凝胶电解质5的长度与电芯2长度相同或凝胶电解质5长度较电芯2长度多出(0-5)mm，需要说明的是，凝胶电解介质的长度减去电芯2的长度的差值应保持在(0-5)mm为优选，若是不在此范围内，例如凝胶电解质5的长度大于电芯2的长度的值为10mm，可能存在，在方形壳体1的长度方向上的盖板无法对壳体进行盖合，导致电池组装失败。因为凝胶电解质5需要覆盖第一表平面3和第二表平面4，所以凝胶电解质5的长度必定大于等于电芯2的长度，同时凝胶电解质5的宽度，一般的，与电芯2宽度相同，在实际生产中凝胶电解质5的宽度可大于电芯2的宽度，并多出(0-3)mm，以此对电芯2的宽度方向具有紧固作用。

进一步的，在方形壳体1的长度方向上，凝胶电解质5具有压缩变化量T，其满足以下关系：T＝L₂+(0-4)mm-L₁。根据上述可知，L₁＝L₂+(0-5)mm，那么上述关系式合并后，T＝(0-4)mm-(0-5)mm，从而可见，压缩变化量可能大于零，可能等于零，可能小于零。当压缩量大于零时，在长度方向上对电芯2具有紧固作用，使得电芯2更为稳固、安全。当压缩变化量等于零或者小于零时，凝胶电解质5在长度方向上未被压缩，但是由于凝胶电介质在高度方向上能被压缩，所以电芯2在方形壳体1内依然稳固，此时，凝胶电介质的长度小于压缩变化量大于零时的凝胶电介质的长度，节省了凝胶电解质5的用材量，降低了造价。

在一可选的实施例中，如图8-图10所示，凝胶电解质5设置在在第一表平面3和第二表平面4中的至少一者上，可以理解为，凝胶电解质5首先被第一表平面3和/或第二表平面4覆盖，然后再将其放置于容纳腔内，利于电芯2与凝胶电解质5的更便捷放置。凝胶电解质5可以同时覆盖在第一表平面3和第二表平面4上，也可以仅覆盖在第一表平面3或者第二表平面4上，不论上述哪种覆盖方式，凝胶电解质5的总高度不变，仅覆盖在第一表平面3或者第二表平面4的凝胶电解质5的厚度与同时覆盖在第一表平面3和第二表平面4上的凝胶电解质5总厚度一致，以此保证电芯2化成时，第一表平面3和第二表平面4被均匀挤压，避免负极片产生黑斑、析锂等问题。同时，凝胶电解质5覆盖在第一表平面3和第二表平面4，利于凝胶电解质5的布置。

本申请以两头出极柱方形铝壳叠片电池举例。

电池尺寸长*宽*厚度＝300*100*50mm，扣除电池壳体的大面壁厚0.35mm，小面壁厚0.5mm和麦拉膜的厚度0.15mm等尺寸，壳体的内腔H₃＝50-0.35*2-0.15*2＝49mm；根据壳体尺寸和装配间隙，电池的内部叠芯最优设计：L₂长*W₂宽*H₂高＝287*98*45.5mm；选用的凝胶电解质5的尺寸：L₁长*W₁宽＝287.5*98.5mm，凝胶电解质5的高H_1＝H₃-H₂＝49-45.5＝3.5mm，其中压缩量为70％。

本实施例采用聚氧化乙烯(PEO)为凝胶聚合物基底，碳酸二乙酯(DEC)、碳酸乙烯酯(EC)纳以及LiPF6为电解质，融入二氧化硅和纳米粒子作为无机填料组成凝胶电解质5。

如图10所示，实施例一采用两层凝胶电解质5，分别贴合在叠芯的上表面和下表面，每层高度H＝H₁/2＝1.75mm(位于上下表面的凝胶电解质5的高度之和为1.75即可)；如图8所示，实施例二采用一层凝胶电解质5，贴合在叠芯的上表面，高度H＝H₁＝3.5mm；如图9所示，实施例三采用一层凝胶电解质5，贴合在叠芯的下表面，高度H＝H₁＝3.5mm。电池组装完成后，将凝胶电解质5，贴合在叠芯的上和/或下表面，套上麦拉膜后塞入壳体中，随后将电池密封焊接。然后按照正常流程，进行烘烤、注液、搁置后按正常化成工艺对电池充电，化成结束后，拆解观察负极界面情况，对电池进行循环测试，观察寿命和测试安全，统计电池外观情况。

对比例，和上述实施例不同的是，取消凝胶电解质5预填充在叠芯表面的设计，可参考图1-图2。整个叠芯入壳后，在高度方向，叠芯和壳壁之间有一定间隙存在，没有形成束缚力。随后将电池密封焊接，然后按照正常流程做成电池分析。

将上诉实施例和对比例统计负极满电界面如下，每个方案选三颗电池；

实施例一、实施例二以及实施例三中的九颗电池的负极界面均无黑斑和析锂，对比例中的三颗电池，负极界面均出现了不同程度的黑斑和析锂现象。从而可知，电池化成时，凝胶电解质5覆盖在第一表平面3和第二表平面4被均匀挤压，避免负极片产生黑斑、析锂等问题。

在其他一些实施例中，凝胶电解质5可直接贴合在方形壳体1上，贴合时，需预判第一表平面3和第二表平面4的位置，并将凝胶电解质5放置于第一表平面3和第二表平面4的相对放置，再将电芯2放置于方形壳体1，以便于电芯2化成时，第一表平面3和第二表平面4受到均匀的压力。

在一可选的实施例中，电芯2包括层叠设置的正极片、隔膜、负极片，在电芯2的最外侧表面设置有隔膜，并在隔膜外侧依次设置有凝胶电解质5和绝缘膜，其中，凝胶电解质设置在隔膜上。需要说明的是，此处的绝缘层可以是但不限于指的是麦拉膜，其形状类似于袋装结构。隔膜将层叠设置的正极片、隔膜、负极片组成的电芯2进行固定，并在隔膜外侧依次设置有凝胶电解质5和绝缘层，而后放置于方形壳体1中，如此设置，绝缘膜具有两个作用，第一可以固定内部的电芯2，第二可以绝缘电芯2与方形壳体1，防止导电，需要说明的是，方形壳体1一般为具有一定强度的金属壳体；液体电解质也是存在于绝缘膜的包裹中，并充满的电芯2、隔膜、凝胶电解质5以及绝缘膜之间，在电芯2隔膜外贴合凝胶电解质5再包裹绝缘膜，具有诸多优点，凝胶电解质5的存在，增加了电芯2的电解质的容量，延长了电芯2的循环寿命，同时，凝胶电解质5具有一定的耐热阻燃特性，提高了电芯2的安全性，且随着电芯2的工作，凝胶电解质5的孔隙率增加，可以吸附电芯2产生的气体，缓解电芯2的膨胀变形。

在另一些实施例中，电芯2为隔膜外包，并在隔膜外侧设置有绝缘膜，凝胶电解质5设置在绝缘膜外侧或者设置在方形壳体1上，此时凝胶电解质5仅用于电芯2化成时，增加电芯2与壳体之间的压力，解决负极片的黑斑和析锂的问题。

在一可选的实施例中，在电芯2最外侧表面的隔膜上设置有胶纸，凝胶电解质5覆盖在所述胶纸上。需要说明的是，电芯2为叠芯时，包裹叠芯的隔膜的终止位置为未设置极耳的两侧，此时胶纸设置在叠芯的未设置极耳的两则位置，电芯2为卷芯时，包裹卷芯的隔膜的终止位置为卷芯的最大面的中间位置，此时胶纸位于卷芯的最大面的中间位置。本实施例中，电芯2为隔膜外包结构，隔膜对电芯2包裹完成后需利用胶纸将隔膜粘合在电芯2上，防止隔膜脱落或者翘起，导致电芯2发生短路，凝胶电解质5覆盖在胶纸上，加强了胶纸与隔膜粘合的牢固性。

在其他一些实施例中，胶纸存在位置上也可以不覆盖凝胶电解质5，而是加宽原有的胶纸，或者在原有的胶纸上粘贴上多条与之垂直的胶纸，以加强隔膜与电芯2粘合的牢固性。

另外，本申请实施例还提供了一种用电设备，该用电设备包括上述的方形电池。用电设备由上述方形电池带来的有益效果，请参见上述有关方形电池的描述内容，在此不再赘述。

以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。

本申请中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。

还需要指出的是，在本申请的装置、设备和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本申请的等效方案。

提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本申请。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本申请的范围。因此，本申请不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。

应当理解，本申请实施例描述中所用到的限定词“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”和“第六”仅用于更清楚的阐述技术方案，并不能用于限制本申请的保护范围。

为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。

Claims (10)

1.一种方形电池，其特征在于，包括：

方形壳体，具有容纳腔；

电芯，位于所述容纳腔内，所述电芯具有面积最大的第一表平面和第二表平面；

凝胶电解质；

其中，在所述第一表平面和/或所述第二表平面与所述方形壳体之间存在间隙，所述凝胶电解质在所述间隙上的投影覆盖所述间隙，且所述凝胶电解质在所述第一表平面上的投影覆盖所述第一表平面。

2.根据权利要求1所述的方形电池，其特征在于，所述凝胶电解质在所述第一表平面的投影，与所述第一表平面重合。

3.根据权利要求2所述的方形电池，其特征在于，在所述方形壳体的高度方向上，所述凝胶电解质的高为H₁，所述电芯的高为H₂，所述容纳腔的高度为H₃，其满足以下关系：H₃＝H₂+H₁。

4.根据权利要求3所述的方形电池，其特征在于，在所述方形壳体的高度方向上，所述凝胶电解质具有压缩比例，所述压缩比例为60％-90％。

5.根据权利要求3所述的方形电池，其特征在于，在所述方形壳体的长度方向上，所述凝胶电解质的长为L₁，所述电芯的长为L₂，在所述方形壳体的宽度方向上，所述凝胶电解质的宽为W₁，所述电芯的宽为W₂，其满足以下关系：L₁＝L₂+(0-5)mm，W₁＝W₂。

6.根据权利要求5所述的方形电池，其特征在于，在所述方形壳体的长度方向上，所述凝胶电解质具有压缩变化量为T，其满足以下关系：T＝L₂+(0-4)mm-L₁。

7.根据权利要求3所述的方形电池，其特征在于，所述凝胶电解质设置在所述第一表平面和所述第二表平面中的至少一者上。

8.根据权利要求1所述的方形电池，其特征在于，所述电芯包括层叠设置的正极片、隔膜、负极片，在所述电芯的最外侧表面设置有隔膜，并在所述隔膜外侧依次设置有所述凝胶电解质和绝缘膜，其中，所述凝胶电解质设置在所述隔膜上。

9.根据权利要求8所述的方形电池，其特征在于，在所述电芯最外侧表面的所述隔膜上设置有胶纸，所述凝胶电解质覆盖在所述胶纸上。

10.一种用电设备，其特征在于，包括权利要求1-9中任一项所述的方形电池。