WO2023184362A1 - 电化学装置及含有该电化学装置的电子装置 - Google Patents
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Abstract
提供一种电化学装置，其包括电极组件和用于封装所述电极组件的封装膜，该封装膜呈闭合形态，该封装膜的弹性模量为a，5GPa≤a≤400GPa。本申请的电化学装置中的封装膜体积占比小且力学性能优良，能够在提升电化学装置的体积能量密度的同时，提升电化学装置的耐膨胀性能。
Description
本申请涉及储能领域，具体涉及一种电化学装置及含有该电化学装置的电子装置。
二次电池在消费电子领域具有广泛的应用。随着近年来可移动电子设备的高速发展，二次电池终端市场呈现出小型化、高能量密度的需求。目前，二次电池的主流封装形式有两种，软包和金属壳封装。但这两种主流封装工艺存在空间利用率相对较低的问题。软包二次电池普遍存在顶封和侧封边，封印边没有活性物质却占有一定的体积，因此降低软包电池的能量密度，并且电极组件容量越小，能量密度降低越多。侧边封和顶边封步骤为传统软包封装的关键工艺，尽管可以使用侧封折边工艺减小能量密度损失，但顶封处由于连接极耳热熔层和包装袋热熔层，存在漏液的风险。金属壳二次电池普遍存在密封法兰边，或者为避免电极组件与壳体短路，需要添加塑料垫片或胶纸做绝缘处理，该部分同样对储存能量没有贡献却占据了电极组件的体积。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本申请提供一种电化学装置及包括该电化学装置的电子装置。本申请的电化学装置中的封装膜体积占比小且力学性能优良，能够在提升电化学装置的体积能量密度的同时，提升电化学装置的耐膨胀性能。
在第一方面，本申请提供了一种电化学装置，其包括电极组件和用于封装电极组件的封装膜，该封装膜呈闭合形态，封装膜的弹性模量为a，5GPa≤a≤400Gpa。本申请的封装膜呈闭合形态，不存在对储存能量没有贡献的封边等结构，能够提高电化学装置的空间利用率，进而提升其体积能量密度；同时，本申请的封装膜具有较高的力学性能，一方面提供保护电极组件的作用，另一方面提供极高的机械强度以抑制电化学装置的膨胀，从而提升电化学装置的耐膨胀性能。
根据本申请的一些实施方式，封装膜中的金属元素的质量含量占比小于80％。
根据本申请的一些实施方式，封装膜包括合成树脂和填料。
根据本申请的一些实施方式，封装膜通过将合成树脂和填料的混合物涂覆于电极组件外侧形成。根据本申请的一些实施方式，涂覆可以采取的方式包括喷涂、刮涂、浸涂或刷涂等。在本申请的一些实施方式中，封装膜通过将合成树脂和填料的混合物在电极组件外侧原位固化或加热熔融形成。本申请中，利用涂覆封装的方式，使封装膜在电极组件表面一体化成型，无需再进行例如热封或焊接等操作，进而不存在对储存能量没有贡献的封边等结构，能够极大的提高电化学装置的空间利用率，提升其体积能量密度。此外，本申请的涂覆封装方式还能够更好地满足异形电化学装置的封装。
根据本申请的一些实施方式，以封装膜的质量计，合成树脂的质量百分含量为15％至90％，填料的重量百分含量为10％至85％。
根据本申请的一些实施方式，合成树脂包括热固性树脂或热塑性树脂中的一种或多种。根据本申请的一些实施方式，热固性树脂包括酚醛树脂、环氧树脂、氨基树脂、丙烯酸树脂、有机硅树脂或交联的聚烯烃树脂中的一种或多种。根据本申请的一些实施方式，热塑性树脂包括聚烯烃或聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种或多种。本申请中的合成树脂由由热固性树脂前驱体溶液或热塑性树脂分散液，经固化或熔融方式形成。
根据本申请的一些实施方式，填料包括纤维或无机颗粒中的一种或多种。根据本申请的一些实施方式，无极颗粒进一步提升了封装膜的刚性，从而提升封装膜的力学性能。
根据本申请的一些实施方式，纤维包括连续纤维或短切纤维中的一种或多种。根据本申请的一些实施方式，纤维包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维或聚乙烯纤维中的一种或多种。根据本申请的一些实施方式，纤维为纤维织物。根据本申请的一些实施方式，纤维的单丝直径在2μm至30μm。根据本申请的一些实施方式，纤维的厚度为0.01μm至1000μm。
根据本申请的一些实施方式，无机颗粒包括氧化铝、氧化硅或硅溶胶中的一种或多种。根据本申请的一些实施方式，无机颗粒的粒径范围为0.04μm至100μm。
根据本申请的一些实施方式，封装膜还包括位于电极组件和封装膜之间的封闭层，封闭层包括合成树脂。
根据本申请的一些实施方式，封闭层通过将含有合成树脂的原料液涂覆于电极组件的表面形成。
在第二方面，本申请提供了一种电子装置，其包括第一方面的电化学装置。
本申请的电化学装置的封装膜呈闭合形态，不存在对储存能量没有贡献的封边等结构，能够提高电化学装置的空间利用率，进而提升其体积能量密度；同时，本申请的封装膜具有较高的力学性能提升，一方面提供保护电极组件的作用，另一方面提供极高的机械强度以抑制电化学装置膨胀，从而提升电化学装置的耐膨胀性能。
图1为现有技术中铝塑膜封装电极组件的X-ray CT图像。
图2为现有技术中金属壳封装电极组件的X-ray CT图像。
图3为根据本申请的一个实施方式的封装膜封装电极组件的X-ray CT图像。
图4为根据本申请的一个实施方式的封装膜的示意图。
图5为根据本申请的一个实施方式的封装膜与电极组件的结构示意图。
图6为根据本申请的一个实施方式的封装膜的结构示意图。
图7为根据本申请的另一个实施方式的封装膜的结构示意图。
图8为根据本申请的另一个实施方式的封装膜的结构示意图。
附图标记说明如下：10-封装膜；20-电极组件；1-合成树脂；2-连续纤维；3-短切纤维；4-无机填料。
为了简明，本文仅具体地公开了一些数值范围。然而，任意下限可以与任何上限组合形成未明确记载的范围；以及任意下限可以与其它下限组合形成未明确记载的范围，同样任意上限可以与任意其它上限组合形成未明确记载的范围。此外，每个单独公开的点或单个数值自身可以作为下限或上限与任意其它点或单个数值组合或与其它下限或上限组合形成未明确记载的范围。
术语“中的至少一个”、“中的至少一种”或其他相似术语所连接的项目的列表可意味着所列项目的任何组合。例如，如果列出项目A及B，那么短语“A及B中的至少一者”意味着仅A；仅B；或A及B。在另一实例中，如果列出项目A、B及C，那么短语“A、B及C中的至少一者”意味着仅A；或仅B；仅C；A及B(排除C)；A及C(排除B)；B及C(排除A)；或A、B及C的全部。项目A可包含单个组分或多个组分。项目B可包含单个组分或多个组分。项目C可包含单个组分或多个组分。
术语“电极组件”指的是电化学装置中由正极、负极和隔离膜组成的部分。
术语“闭合形态”是封装膜各处的形貌均一，不存在通过热封或焊接形成的结构，例如，通过X-ray CT观察该电化学装置时，在不包含极耳或极柱的任意CT截面图范围内，封装膜每一层中无明显的焊接和热封痕迹，呈现闭合的特征。更为清晰地，可以通过光学显微镜，及其他任意显微成像方式对上述截面进行观察。
术语“热固性树脂”指的是具有热固性的树脂。所述热固性是指具有加热后产生化学变化，逐渐硬化成型，硬化成型后，再加热到玻璃化转变温度Tg或熔点Tm以上时，也不能溶解的性能。根据标准《GB/T 3682.1-2018》的测试标准，熔融指数应＜1g/10min。包含但不限于酚醛树脂、环氧树脂、三聚氰胺树脂、聚酰亚胺树脂、聚酯树脂、丙烯酸树脂、有机硅树脂、交联的聚烯烃树脂及其混合物。
术语“热塑性树脂”指的是具有热塑性的树脂。所述热塑性是指具有反复受热软化，冷却固化而不发生化学反应的性能。根据标准《GB/T 3682.1-2018》，熔融指数应大于1g/10min。包括但不限于聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲醛、聚碳酸酯、聚苯醚、聚砜、聚对苯二甲酸乙二醇酯及其混合物。
下面结合具体实施方式，进一步阐述本申请。应理解，这些具体实施方式仅用于说明本申请而不用于申请限制本申请的范围。
一、电化学装置
在第一方面，本申请提供了一种电化学装置，其包括电极组件和用于封装电极组件的封装膜，该封装膜呈闭合形态，封装膜的弹性模量为a，5GPa≤a≤400Gpa。本申请的封装膜呈闭合形态，不存在对储存能量没有贡献的封边等结构，能够提高电化学装置的空间利用率，进而提升其体积能量密度；同时，本申请的封装膜具有较高的力学性能提升，一方面提供保护电极组件的作用，另一方面提供极高的机械强度以抑制电化学装置膨胀，从而提升电化学装置的耐膨胀性能。
本申请中的封装膜为多层结构，封装膜呈“闭合形态”是指封装膜的每一层各处的形貌均一，不存在通过热封或焊接形成的结构，例如，通过X-ray CT观察该电化学装置时，在不包含极耳或极柱的任意CT截面图范围内，每一层中无明显的焊接和热封痕迹，呈现闭合的特征。更为清晰地，可以通过光学显微镜，及其他任意显微成像方式对上述截面进行观察。
根据本申请的一些实施方式，封装膜的弹性模量a为5GPa、10GPa、50GPa、100GPa、150GPa、200GPa、250GPa、300GPa、350GPa、400GPa或这些值中任意两者组成的范围。 根据本申请的一些实施方式，60GPa≤a≤400Gpa。
根据本申请的一些实施方式，封装膜中的金属元素的质量含量占比小于80％。在本申请的一些实施方式中，封装膜中的金属元素的质量含量小于75％、小于70％、小于65％、小于60％、小于55％、小于50％、小于45％、小于40％、小于35％、小于30％、小于25％、小于20％、小于15％、小于10％、小于5％或小于1％。
根据本申请的一些实施方式，封装膜包括合成树脂和填料。
根据本申请的一些实施方式，封装膜通过将合成树脂和填料的混合物涂覆于电极组件外侧形成。在本申请的一些实施方式中，封装膜通过将合成树脂和填料的混合物在电极组件外侧原位固化或加热熔融形成。本申请中，利用涂覆封装的方式，使封装膜在电极组件表面一体化成型，无需再进行例如热封或焊接等操作，进而不存在对储存能量没有贡献的封边等结构，能够极大的提高电化学装置的空间利用率，提升其体积能量密度。此外，本申请的涂覆封装方式还能够更好地满足异形电化学装置的封装。
根据本申请的一些实施方式，本申请提供的电化学装置中的封装膜10为合成树脂和填料复合而成，如图4所示，封装膜10直接涂覆于电极组件20外表面上，使电极组件封闭(图5)。封装膜10包括3种主要的复合结构：(1)如图6所示，封装膜10由合成树脂1和连续纤维2复合而成，可由连续纤维2缠绕于电极组件表面后涂覆合成树脂1；(2)如图7所示，封装膜10由合成树脂1和短切纤维3复合而成，可由短切纤维3与合成树脂1的液态前驱体均匀混合后，涂覆与电极组件外表面；(5)如图8所示，封装膜10由合成树脂1和无机填料4复合而成，可由无机填料4与合成树脂1的液态前驱体均匀混合后，涂覆与电极组件外表面。本申请提供的封装膜主要包括上述三种中的任意一种或其复合结构。
根据本申请的一些实施方式，以封装膜的质量计，合成树脂的质量百分含量为15％至90％，填料的质量百分含量为10％至85％。在本申请的一些实施方式中，以封装膜的质量计，合成树脂的质量百分含量为15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％或这些值中任意两者组成的范围。在本申请的一些实施方式中，以封装膜的质量计，填料的质量百分含量为10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％或这些值中任意两者组成的范围。
根据本申请的一些实施方式，合成树脂包括热固性树脂或热塑性树脂中的一种或多种。根据本申请的一些实施方式，热固性树脂包括酚醛树脂、环氧树脂、氨基树脂、丙 烯酸树脂、有机硅树脂或交联的聚烯烃树脂中的一种或多种。根据本申请的一些实施方式，热塑性树脂包括聚烯烃或聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种或多种。
根据本申请的一些实施方式，填料包括纤维或无机颗粒中的一种或多种。
根据本申请的一些实施方式，纤维包括连续纤维或短切纤维中的一种或多种。根据本申请的一些实施方式，纤维包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维或聚乙烯纤维中的一种或多种。根据本申请的一些实施方式，纤维为纤维织物。根据本申请的一些实施方式，纤维的单丝直径在2μm至30μm。根据本申请的一些实施方式，纤维的厚度为0.01μm至1000μm。在本申请的一些实施方式中，纤维的单丝直径为2μm、5μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm或这些值中任意两者组成的范围。在本申请的一些实施方式中，纤维的厚度为0.01μm、0.1μm、1μm、10μm、100μm、200μm、500μm、1000μm或这些值中任意两者组成的范围。
根据本申请的一些实施方式，无机颗粒包括氧化铝、氧化硅或硅溶胶中的一种或多种。根据本申请的一些实施方式，无机颗粒的粒径范围为0.04μm至100μm。在本申请的一些实施方式中，无机颗粒的粒径为0.04μm、1μm、5μm、10μm、20μm、40μm、60μm、80μm、100μm或这些值中任意两者组成的范围。
根据本申请的一些实施方式，封装膜还包括位于电极组件和封装膜之间的封闭层，封闭层包括合成树脂。
根据本申请的一些实施方式，封闭层通过将含有合成树脂的原料液涂覆于电极组件的表面形成。
根据本申请的一些实施方式，电极组件包括正极、负极和位于正极和负极之间的隔离膜。
根据本申请的一些实施方式，正极包括正极活性材料层和正极集流体。
根据本申请的一些实施方式，正极活性材料层包括正极活性材料、粘结剂和导电剂。在一些实施方式中，正极活性材料可以包括钴酸锂、镍锰钴酸锂、镍锰铝酸锂、磷酸铁锂、磷酸钒锂、磷酸钴锂、磷酸锰锂、磷酸锰铁锂、硅酸铁锂、硅酸钒锂、硅酸钴锂、硅酸锰锂、尖晶石型锰酸锂、尖晶石型镍锰酸锂和钛酸锂中的至少一种。在一些实施方式中，粘结剂可以包括各种粘合剂聚合物，例如聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚烯烃类、羧甲基纤维素钠、羧甲基纤维素锂、改性聚偏氟乙烯、改性SBR橡胶或聚氨酯中的至少一种。在一些实施例中，可以使用任何导电的材料作为导电剂，只要它不引起化学变化即可。导电剂的示例包括：碳基材料，例如天然石墨、人造石墨、炭黑、乙炔黑、科琴黑、碳纤维等； 金属基材料，例如包括铜、镍、铝、银等的金属粉或金属纤维；导电聚合物，例如聚亚苯基衍生物等；或它们的混合物。
根据本申请的一些实施方式，正极集流体可以采用金属箔片或复合集流体。例如，可以使用铝箔。复合集流体可以通过将金属材料(铜、铜合金、镍、镍合金、钛、钛合金、银及银合金等)形成在高分子基材上而形成。
根据本申请的一些实施方式，负极包括负极活性材料层和负极集流体。
根据本申请的一些实施方式，负极活性材料层包括负极活性材料、粘结剂和导电剂。在一些实施方中，负极活性材料可以包括可逆地嵌入/脱嵌锂离子的材料、锂金属、锂金属合金或过渡金属氧化物。在一些实施方式中，负极活性材料包括碳材料或硅材料中的至少一种，碳材料包括石墨、硬碳中的至少一种，硅材料包括硅、硅氧化合物、硅碳化合物或硅合金中的至少一种。在一些实施方式中，粘结剂包括丁苯橡胶、聚丙烯酸、聚丙烯酸盐、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚偏氟乙烯、聚二氟乙烯、聚四氟乙烯、水性丙烯酸树脂、聚乙烯醇缩甲醛或苯乙烯-丙烯酸共聚树脂中的至少一种。在一些实施方式中，可以使用任何导电的材料作为该导电材料，只要它不引起化学变化即可。在一些实施方式中，导电材料包括导电炭黑、乙炔黑、碳纳米管、科琴黑、导电石墨或石墨烯中的至少一种。
根据本申请的一些实施方式，负极集流体可以为铜箔、镍箔、不锈钢箔、钛箔、泡沫镍、泡沫铜、包覆有导电金属的聚合物基板或它们的组合。
本申请的电化学装置中使用的隔离膜的材料和形状没有特别限制，其可为任何现有技术中公开的技术。在一些实施例中，隔离膜包括由对本申请的电解液稳定的材料形成的聚合物或无机物等。例如隔离膜可包括基材层和表面处理层。基材层为具有多孔结构的无纺布、膜或复合膜，基材层的材料选自聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚酰亚胺中的至少一种。具体的，可选用聚丙烯多孔膜、聚乙烯多孔膜、聚丙烯无纺布、聚乙烯无纺布或聚丙烯-聚乙烯-聚丙烯多孔复合膜。
基材层的至少一个表面上设置有表面处理层，表面处理层可以是聚合物层或无机物层，也可以是混合聚合物与无机物所形成的层。
无机物层包括无机颗粒和粘结剂，无机颗粒选自氧化铝、氧化硅、氧化镁、氧化钛、二氧化铪、氧化锡、二氧化铈、氧化镍、氧化锌、氧化钙、氧化锆、氧化钇、碳化硅、勃姆石、氢氧化铝、氢氧化镁、氢氧化钙和硫酸钡中的至少一种。粘结剂选自聚偏氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯的共聚物、聚酰胺、聚丙烯腈、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸、聚丙烯酸盐、聚乙烯呲咯烷酮、聚乙烯烷氧、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯和聚六氟丙烯中的至少一 种。
聚合物层中包含聚合物，聚合物的材料选自聚酰胺、聚丙烯腈、丙烯酸酯聚合物、聚丙烯酸、聚丙烯酸盐、聚乙烯呲咯烷酮、聚乙烯烷氧、聚偏氟乙烯、聚(偏氟乙烯-六氟丙烯)中的至少一种。
可用于本申请的电解液可以为现有技术中已知的电解液。在一些实施方式中，电解液包括有机溶剂、电解质盐和可选的添加剂。根据本申请的电解液的有机溶剂可为现有技术中已知的任何可作为电解液的溶剂的有机溶剂。根据本申请的电解液中使用的电解质没有限制，其可为现有技术中已知的任何电解质。根据本申请的电解液的添加剂可为现有技术中已知的任何可作为电解液添加剂的添加剂。在一些实施例中，有机溶剂包括，但不限于：碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸亚丙酯或丙酸乙酯。在一些实施例中，有机溶剂包括醚类溶剂，例如包括1，3-二氧五环(DOL)和乙二醇二甲醚(DME)中的至少一种。在一些实施例中，电解质盐可以是锂盐、钠盐等。在一些实施例中，锂盐包括有机锂盐或无机锂盐中的至少一种。在一些实施例中，锂盐包括，但不限于：六氟磷酸锂(LiPF
6)、四氟硼酸锂(LiBF
4)、二氟磷酸锂(LiPO
2F
2)、双三氟甲烷磺酰亚胺锂LiN(CF
3SO
2)
2(LiTFSI)、双(氟磺酰)亚胺锂Li(N(SO
2F)
2)(LiFSI)、双草酸硼酸锂LiB(C
2O
4)
2(LiBOB)或二氟草酸硼酸锂LiBF
2(C
2O
4)(LiDFOB)。在一些实施例中，钠盐包括，但不限于：NaClO
4、NaPF
6、NaBF
4、Na(FSO
2)
2N、Na(CF
3SO
2)
2N、Na(C
2F
5SO
2)
2N、NaCF
3SO
3、NaSbF
6、NaBC
4O
8、NaFSI、NaTFSI、低级脂肪族羧酸钠盐、NaAlCl
4、NaPO
2F
2或Na
2PO
3F中的至少一种。
在一些实施例中，本申请的电化学装置包括，但不限于：所有种类的一次电池、二次电池或电容。在一些实施例中，电化学装置是锂二次电池。在一些实施例中，锂二次电池包括，但不限于：锂金属二次电池、锂离子二次电池、锂聚合物二次电池或锂离子聚合物二次电池。在一些实施例中，电化学装置是钠离子电池。
二、电子装置
本申请提供一种电子装置，包括根据本申请第一方面的电化学装置。
本申请的电子设备或装置没有特别限定。根据本申请的一些实施方式，电子装置包括，但不限于：笔记本电脑、笔输入型计算机、移动电脑、电子书播放器、便携式电话、便携式传真机、便携式复印机、便携式打印机、头戴式立体声耳机、录像机、液晶电视、手提式清洁器、便携CD机、迷你光盘、收发机、电子记事本、计算器、存储卡、便携式录音 机、收音机、备用电源、电机、汽车、摩托车、助力自行车、自行车、照明器具、玩具、游戏机、钟表、电动工具、闪光灯、照相机、家庭用大型蓄电池或锂离子电容器等。
实施例及对比例
1、电池制备
实施例以及对比例中的电池均按照下述方法进行制备：
(1)负极极片的制备
将负极活性材料石墨(Graphite)、导电炭黑(Super P)、丁苯橡胶(SBR)按照重量比96:1.5:2.5进行混合，加入去离子水(H
2O)作为溶剂，调配成为固含量为0.7的浆料，并搅拌均匀。将浆料均匀涂覆在负极集流体铜箔上，极片上有效物质的重量为95g/m
2。110℃条件下烘干，得到负极极片。以上步骤完成后，即已完成负极极片的单面涂布。之后，以完全一致的方法，在该极片背面也完成这些步骤，即得到双面涂布完成的负极极片。完成涂布后，将负极极片冷压至1.7g/cm
3的压实密度，即完成了负极极片的全部制备流程。
(2)正极极片的制备
将正极活性材料钴酸锂(LiCoO
2)、导电炭黑(Super P)、聚偏二氟乙烯(PVDF)按照重量比97.5:1.0:1.5进行混合，加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)作为溶剂，调配成为固含量为0.75的浆料，并搅拌均匀。将浆料均匀涂覆在正极集流体铝箔上，极片上有效物质的重量为180g/m
2。90℃条件下烘干，得到正极极片。以上步骤完成后，即已完成正极极片的单面涂布。之后，以完全一致的方法，在该极片背面也完成这些步骤，即得到双面涂布完成的正极极片。完成涂布后，将正极极片冷压至4.1g/cm
3的压实密度，即完成了正极极片的全部制备流程。
(3)电解液的制备
在干燥氩气气氛中，首先将有机溶剂碳酸乙烯酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二乙酯(DEC)以质量比EC:EMC:DEC＝30:50:20混合，然后向有机溶剂中加入锂盐六氟磷酸锂(LiPF
6)溶解并混合均匀，得到锂盐的浓度为1.15M的电解液。
(4)电极组件的制备
选用厚度15μm的聚乙烯(PE)作为隔离膜，将正极极片、隔离膜、负极极片按照顺序叠好，使隔离膜处于正负极之间以起到隔离的作用，然后将叠好的极片和隔离膜卷绕得到电极组件。
(5)封装电池的制备
将聚烯烃溶液溶解在环己烷中配成15％质量分数的溶液，喷涂在电极组件表面得到封闭层，喷涂压力为0.2MPa。之后将合成树脂和填料的混合物涂覆于封闭层外侧，得到封装电池，具体采用如下三种方法得到：(a)如图6所示，由连续纤维2缠绕于电极组件表面后涂覆合成树脂1形成；(b)如图7所示，由短切纤维3与合成树脂1的液态前驱体均匀混合后，涂覆与电极组件外表面；(c)如图8所示，由无机填料4与合成树脂1的液态前驱体均匀混合后，涂覆与电极组件外表面，具体为表1至表4中所示。
(6)注液化成
对(5)得到的封装电池进行注液，对注液完成的电池进行化成(0.02C恒流充电到3.3V，再以0.1C恒流充电到3.6V)，然后对电池的性能进行初步检测。
最终得到软包电池。
2、测试方法
(1)力学性能测试方法
力学性能测试采用多功能拉伸试验机进行，测试过程包括：裁切封装膜样条，得到长度为150mm、宽度为15mm的样品，然后将样品安装至拉伸试验机的两个夹具中，设定初始拉伸长度为50mm，以5mm/min的拉伸速度进行拉伸测试，直至样品断裂后停止拉伸。记录样品断裂时所承受的最大拉力，最大拉力和样品横截面积(可通过样品的宽度和厚度的乘积计算得到)的比值即为拉伸强度。应变为拉伸后的样条长度相对于为拉伸的样条长度的增长百分比，应力为样条所受拉力与样条横截面积的比值，做出应力-应变曲线，线性区的斜率即为弹性模量。
(2)电池膨胀测试方法
将电池在25±3℃下静置30分钟，接通外部电路，以0.5C恒定电流充电至4.4V，然后以4.4V恒定电压充电至电流0.05C，然后以0.2C电流放电至3.0V，重复上述步骤100次。
电池膨胀测试使用螺旋测微计测量厚度，测量位置为电池中央，电池状态为100％SOC。循环开始前厚度为T1，循环到100圈厚度为T100，则膨胀率为(T100-T1)/T1×100％。
(3)能量密度的测试方法
室温(25℃±2℃)环境下，将电池静置不小于30分钟；按照出货规定的充电方式 充电至出货规定的截止条件(充电时间不大于8h)；静置不小于30分钟，计量放电能量E(以Wh计)；用千分尺或游标卡尺测量电池的长宽高方向的最大值，计量体积V(以L计)；电池放电的体积能量密度VED(Wh/L)＝E/V。
(4)X-ray CT
将电池转移至配备X射线电子计算机断层扫描(X-Ray CT，型号：GE Phoenix m300)腔体内，对电池进行扫描。随后使用设备配套的软件对电池扫描后的图像进行计算合成处理。可对处理后的图像对电池做任意截面的截取，即得到合成的X-ray CT截面图像。
注意在选取截面图像过程时，避免截取的图像中电池最外侧包含极耳的区域。截取所得图像应调整亮度，直至可以区分封装膜的轮廓。
(5)光学显微镜观察封装膜轮廓
使用环氧树脂将锂离子电池进行完整包埋，随后将包埋后的电池放置液氮氛围下，对电池进行脆断处理(电池脆断位置的最外侧不含极耳)，然后使用冷冻超薄切片技术将断面断口做平整处理，即可获得适合光学显微镜观察的样品。
将上述样品置于光学显微镜(型号：Olympus BX53M)下，调整焦距至封装膜清晰位置，选取合适的放大倍数的显微镜镜头，使用图像拼接的功能得到完整的断面光学显微图像。
(6)EDS
使用环氧树脂将锂离子电池进行完整包埋，随后将包埋后的电池放置液氮氛围下，对电池进行脆断处理(电池脆断位置的最外侧不含极耳，使用冷冻超薄切片技术将断面做平整处理效果更佳)，并取封装膜区域样品转移至扫描电镜(SEM)腔体内，即可得到用于扫描电镜分析的样品。
将样品在SEM下观察，在合适的倍率下利用X射线能谱分析(EDS)进行数据采集，获得封装膜区域的元素含量。采集至少3处不同位置，取平均值。
3、测试结果
(1)封装方式对电池性能的影响
表1
由表1可以看出，对比例1-1为传统的软包电池铝塑膜封装，对比例1-2为钢壳电池的激光焊接封装，通过X-ray CT观察该电池时，在不包含极耳或极柱的CT截面图范围内，电极组件外侧封装膜不连续，存在明显的熔融封装的痕迹。实施例1-1和实施例1-2采用本申请的涂覆封装方式，通过X-ray CT观察该电池时，在不包含极耳或极柱的CT截面图范围内，电极组件外侧封装膜连续，封装膜中无明显的焊接和热封痕迹，呈现连续闭合的特征，且金属元素总含量≤80％，电池的体积能量密度提升均大于10％以上，同时，在循环过程中，具有适当弹性模量的封装膜，其连续闭合的膜结构能够较好地平衡电极组件的膨胀应力，因此相比与现有技术的采用的铝塑膜及钢壳结构，本申请所提供的封装膜能够显著改善电池的循环膨胀性能。
(2)不同无机填料对电池耐膨胀性能的影响
表2
表2示出了封装膜中不同无机填料对电池耐膨胀性能的影响，实施例2-1和实施例2-2的封装膜采用传统的无机颗粒填料，实施例2-3的封装膜采用粒径更小的氧化硅无机颗粒(硅溶胶颗粒)，其对电池的耐膨胀性能改善大于30％。
(3)不同纤维对电池耐膨胀性能的影响
表3
表3示出了封装膜中不同纤维对电池耐膨胀性能的影响，实施例3-1和实施例3-2的封装膜为连续纤维缠绕电极组件形成，实施例3-3的封装膜为1mm短切纤维掺入聚酯树脂固化形成，其对电池的耐膨胀性能改善大于40％。实施例3-4和实施例3-5的封装膜均采用芳纶织物，相比于实施例3-5采用的芳纶织物的厚度更大，实施例3-4的电池的能量密度提升大于3％。
(4)无机颗粒和纤维同时加入对电池耐膨胀性能的影响
表4
表4示出了封装膜中无机颗粒和纤维同时加入对电池的耐膨胀性能的影响，实施例4-1、实施例4-2和实施例4-3均同时加入高强度纤维和无机颗粒，其对电池的耐膨胀性能改善大于50％。
Claims (10)
- 一种电化学装置，包括电极组件和用于封装所述电极组件的封装膜，其中，所述封装膜呈闭合形态，所述封装膜的弹性模量为a，5GPa≤a≤400GPa。
- 根据权利要求1所述的电化学装置，其中，所述封装膜中的金属元素的质量含量占比小于80％。
- 根据权利要求1所述的电化学装置，其中，所述封装膜包括合成树脂和填料。
- 根据权利要求3所述的电化学装置，其中，所述封装膜通过将所述合成树脂和填料的混合物在所述电极组件外侧原位固化或加热熔融形成。
- 根据权利要求3所述的电化学装置，其中，满足如下条件(a)至(c)中的至少一者：(a)以所述封装膜的质量计，所述合成树脂的质量百分含量为15％至90％，所述填料的质量百分含量为10％至85％；(b)所述合成树脂包括热固性树脂或热塑性树脂中的一种或多种；(c)所述填料包括纤维或无机颗粒中的一种或多种。
- 根据权利要求5所述的电化学装置，其中，所述热固性树脂包括酚醛树脂、环氧树脂、氨基树脂、丙烯酸树脂、有机硅树脂或交联的聚烯烃树脂中的一种或多种；和/或所述热塑性树脂包括聚烯烃或聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种或多种。
- 根据权利要求5所述的电化学装置，其中，满足如下条件(d)至(j)中的至少一者：(d)所述纤维包括连续纤维或短切纤维中的一种或多种；(e)所述纤维包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维或聚乙烯纤维中的一种或多种；(f)所述纤维为纤维织物；(g)所述纤维的单丝直径在2μm至30μm；(h)所述纤维的厚度为0.01μm至1000μm；(i)所述无机颗粒包括氧化铝、氧化硅或硅溶胶中的一种或多种；(j)所述无机颗粒的粒径范围为0.04μm至100μm。
- 根据权利要求1所述的电化学装置，其中，所述封装膜还包括位于所述电极组件和所述封装膜之间的封闭层，所述封闭层包括合成树脂。
- 根据权利要求8所述的电化学装置，其中，所述封闭层通过将含有合成树脂的原料液涂覆于所述电极组件的表面形成。
- 一种电子装置，其包括根据权利要求1-9中任一项所述的电化学装置。
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2022
- 2022-03-31 WO PCT/CN2022/084459 patent/WO2023184362A1/zh unknown
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