WO2025152241A1 - 电池单体、电池以及用电装置 - Google Patents

电池单体、电池以及用电装置

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WO2025152241A1
WO2025152241A1 PCT/CN2024/079316 CN2024079316W WO2025152241A1 WO 2025152241 A1 WO2025152241 A1 WO 2025152241A1 CN 2024079316 W CN2024079316 W CN 2024079316W WO 2025152241 A1 WO2025152241 A1 WO 2025152241A1
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WO
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limiting portion
electrode assembly
battery cell
face
limiting
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PCT/CN2024/079316
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王利钦
钟韡
谢勇锋
周文林
李全坤
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Contemporary Amperex Technology Co Ltd
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Contemporary Amperex Technology Co Ltd
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    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
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Definitions

  • a length direction of the notch groove has an angle with the first direction.
  • the length direction of the notched groove has an angle with the first direction, that is, the length direction of the notched groove is inconsistent with the first direction, so that the notched groove can have a component in the direction parallel to the third end face and perpendicular to the first direction, thereby reducing the tensile strength of the third limiting portion when subjected to the tensile force in the first direction, so that in the first direction, the third limiting portion and the first strength weakening zone are more likely to break completely when subjected to the tensile force generated by the expansion of the electrode assembly, and after the volume of the electrode assembly expands to a certain proportion along the first direction, the third limiting portion can promptly and quickly reduce or remove the restraining effect on the electrode assembly.
  • the notch groove passes through both ends of the third limiting portion.
  • the multiple notched grooves are arranged at intervals along a third direction, and the third direction has an angle with the second direction.
  • the multiple notched grooves refer to two or more notched grooves, and the multiple notched grooves arranged at intervals along the third direction work together to reduce the tensile strength of the location, so that the tensile strength of the first strength weakening area is less than the tensile strength of the third limit portion located near the first strength weakening area in the circumferential direction, and when the expansion coefficient of the electrode assembly along the first direction exceeds a preset value, the first strength weakening area can be torn or broken at the position of the notched grooves.
  • the arrangement of multiple notched grooves can meet the strength requirements of the connection and fixation of the electrode assembly in the unexpanded state, while taking into account the requirements that the electrode assembly can be freed from restraint and expand freely after expanding to a certain proportion.
  • a plurality of notched grooves are arranged at intervals along the length direction of the notched grooves, and L is the length dimension of the notched grooves.
  • the total size of all notched grooves in the third direction is increased, thereby increasing the size of the notched grooves parallel to the third end face and perpendicular to the first direction, which is conducive to further reducing the tensile strength of the third limiting portion in the first direction, and can be disconnected when the electrode assembly expands to a certain extent and the first strength weakening zone is subjected to tension in the first direction.
  • the size L of the notched groove can be adaptively adjusted according to parameters such as the number of required notched grooves and the distance between two adjacent notched grooves in the third direction.
  • 0.05 mm ⁇ L ⁇ 2 mm 0.05 mm ⁇ L ⁇ 2 mm.
  • the volume expansion ratio or thickness expansion ratio (i.e., the preset value of the expansion coefficient) of the electrode assembly in the first direction that is allowed to be constrained by the first limiter can be determined, and then the tensile strength of the first strength weakening zone can be determined.
  • the number of notch grooves, the size L of the notch grooves in the third direction, the distance between two adjacent notch grooves in the third direction, etc. can be selected according to the tensile strength.
  • the strength requirement for connection and fixation of the electrode assembly in the unexpanded state can be better met, and it is more conducive to reducing the tensile strength of the third limiting portion in the first direction.
  • the sum of the dimensions of the plurality of notched grooves in the third direction is D 1
  • the dimension of the third limiting portion in the third direction is D 2 , satisfying: 0.3 ⁇ D 1 /D 2 ⁇ 0.9.
  • D1 / D2 can obtain a value less than 1, which can characterize the tear resistance of the third limiting portion to a certain extent.
  • the dimension of the notch groove in the fourth direction is W, satisfying: 0.01mm ⁇ W ⁇ 8mm, and the fourth direction is the width direction of the notch groove and has an angle with the third direction.
  • the fourth direction is the width direction of the notch groove, and the fourth direction has an angle with the third direction, that is, the spacing direction of the multiple notch grooves is inconsistent with the width direction of the notch grooves, which can increase the area occupied by all the notch grooves on the third limiting portion to a certain extent, which is beneficial to reducing the tensile strength of the first strength weakening zone.
  • the first limiting portion includes a stacked first adhesive layer and a first substrate layer, and two sides of the first adhesive layer are respectively connected to the first end face and the first substrate layer; along the first direction, the second limiting portion includes a stacked second adhesive layer and a second substrate layer, and two sides of the second adhesive layer are respectively connected to the second end face and the second substrate layer.
  • the first limiting portion and the first end face are connected by bonding
  • the second limiting portion and the second end face are connected by bonding, which can protect the surface structure of the first end face and the second end face, and can effectively reduce the damage of the first limiting portion and the second limiting portion to the electrode assembly when the electrode assembly undergoes a large volume expansion due to temperature increase, thereby protecting the electrode assembly, reducing the probability of failure of the electrode assembly due to structural damage, and is beneficial to improving performance stability and reliability.
  • the third limiting portion includes a stacked third substrate layer and a third adhesive layer, two sides of the third adhesive layer are respectively connected to the third end surface and the third substrate layer, and at least a portion of the notched groove is disposed on the third substrate layer;
  • the third base material layer connects the first base material layer and the second base material layer
  • the third adhesive layer connects the first adhesive layer and the second adhesive layer
  • the third limiting portion and the third end face are also connected by bonding.
  • the first limiting portion, the second limiting portion and the third limiting portion are all bonded to the corresponding first end face, the second end face and the third end face, so that the first limiting portion, the second limiting portion and the third limiting portion can respond to the relative position change of the first end face and the second end face in the first direction when the electrode assembly expands, so that when the third limiting portion is stretched, in addition to the tensile force of the first limiting portion and the second limiting portion, it is also subjected to the resistance of the third end face, which increases the force form of the first strength weakened zone, thereby enabling the first strength weakened zone to better respond to the change of the expansion coefficient of the electrode assembly along the first direction, so that it can be torn or broken in time.
  • the working principle is the same as that of the first limiter.
  • the second strength weakening zone on the sixth limiter, the overall tensile strength of the sixth limiter is reduced.
  • the sixth limiter is opposite to the fourth end face in the second direction, and the second strength weakening zone is also located in the thickness direction of the electrode assembly. When the electrode assembly is heated or expands due to thermal runaway, the relative positions of the first end face and the second end face in the first direction are related.
  • the first limit member and the second limit member are integrally wound around the electrode assembly, and the first strength weakening zone and the second strength weakening zone are respectively arranged on the third limit portion and the sixth limit portion located in the thickness direction, so that the first strength weakening zone and the second strength weakening zone are stretched as the electrode assembly expands in the first direction, and the third limit portion and the sixth limit portion can be torn when the expansion coefficient of the electrode assembly along the first direction exceeds a preset value, so that the electrode assembly is no longer constrained in the first direction, that is, the thickness direction, and can expand freely, which can effectively protect the structure of the electrode assembly and improve the reliability and safety performance of the battery cell.
  • the electrode assembly is a wound electrode assembly or a stacked electrode assembly.
  • the electrode assembly when the electrode assembly is a wound electrode assembly, the electrode assembly is wound to form a multi-layer structure, and the first direction is the stacking direction of the multi-layer structure, that is, the direction from the winding center axis to the outside.
  • the first direction is the stacking direction of the pole pieces and the separators alternately stacked.
  • the principle of the lamination process determines that the pole pieces and separators of the battery cell will not bend during the manufacturing process, and can be fully unfolded and stacked together, which can not only reduce the internal resistance of the battery cell, improve the power of the battery cell, but also improve the energy density of the battery.
  • the overall shape and structure of the electrode assembly are relatively regular, which facilitates the arrangement of a first limiting member to smoothly connect the first limiting portion and the first end face, and the second limiting portion and the second end face.
  • the battery cell further includes a shell, the shell is provided with a receiving cavity, and the electrode assembly and the first limiting member are both arranged in the receiving cavity.
  • the shell provides a housing cavity for the electrode assembly connected with the first stopper, and the housing cavity is also used to accommodate electrolyte and other components, so that the electrode assembly connected and fixed by the first stopper can be conveniently put into the shell as a whole.
  • the shell has a certain hardness and strength, and the shell is not easy to deform when squeezed and collided, so that the battery cell can have a higher structural strength and the safety performance can also be improved.
  • a battery cell 20 including an electrode assembly 21 and a first stopper 22.
  • the electrode assembly 21 includes a first end face 211, a second end face 212 and a third end face 213. Along a first direction, the first end face 211 and the second end face 212 are arranged opposite to each other, and the third end face 213 is connected to the first end face 211 and the second end face 212 on the same side of the second direction.
  • the first weakened strength area 224 is used to reduce the local structural strength and tensile strength of the third limit portion 223. Since the third limit portion 223 is opposite to the third end face 213 in the second direction, the first weakened strength area 224 is opposite to the side surface in the thickness direction of the electrode assembly 21.
  • Tensile strength also known as tensile strength and tear strength, refers to the ratio of the maximum load to the cross-sectional area of the sample when the sample is stretched and broken, indicating the crushing force per unit area, symbol ⁇ t, which represents the ability of the material or component to resist damage when subjected to tension, and can be expressed by the strength limit, which is an indicator of the mechanical properties of metal materials and non-metal materials.
  • the volume of the electrode assembly 21 will expand, and the expansion mainly occurs in the thickness direction of the electrode assembly 21, that is, in the first direction. Since the third limiting portion 223 is opposite to the third end face 213, when the electrode assembly 21 expands in the thickness direction, the relative distance between the first end face 211 and the second end face 212 will increase, and the relative positions of the first limiting portion 221 and the second limiting portion 222 will also change accordingly, thereby acting on both ends of the third limiting portion 223 in the first direction and stretching the third limiting portion 223.
  • the tensile strength matching of the limiting portion 223 is as follows: when the expansion coefficient of the electrode assembly 21 along the first direction (i.e., the Z direction) exceeds a preset value, the third limiting portion 223 is partially torn or even completely broken by the first strength weakening zone 224, so that the connection and fixing relationship between the first limiting portion 221 and the second limiting portion 222 is invalidated, and then the binding effect of the first limiting member 22 on the electrode assembly 21 in the first direction is invalidated, so that the diaphragm and the pole piece of the electrode assembly 21 can both expand adaptively in the first direction, thereby protecting the diaphragm and the pole piece, reducing the probability of tearing the diaphragm and the pole piece and the probability of overall failure of the electrode assembly 21, thereby improving the reliability and safety performance of the battery 100.
  • the first strength reduction zone 224 may be made of a material with a lower strength than other parts of the third position limiting portion 223, that is, the part of the third position limiting portion 223 corresponding to the first strength reduction zone 224 and the part other than the first strength reduction zone 224 may be made of materials with different strengths.
  • the first strength reduction zone 224 may also be formed by providing some structures that can reduce the strength on the third position limiting portion 223.
  • the third position limiting portion 223 and the third end surface 213 may be connected or may be relatively unconnected.
  • the projection of the notched groove 25 falls within the projection of the third end surface 213 , that is, the projection of the notched groove 25 in the second direction is directly opposite to the third end surface 213 in the second direction, that is, the setting position of the notched groove 25 corresponds to the position of the third end surface 213 .
  • the length direction of the notch groove 25 has an angle with the first direction.
  • the length direction of the notched groove 25 has an angle with the first direction, that is, the length direction of the notched groove 25 is inconsistent with the first direction, so that the notched groove 25 can have a component in the direction parallel to the third end face 213 and perpendicular to the first direction, thereby reducing the tensile strength of the third limiting portion 223 when subjected to the tensile force in the first direction, so that in the first direction, the third limiting portion 223 and the first strength weakening zone 224 are more likely to break completely when subjected to the tensile force generated by the expansion of the electrode assembly 21, and after the volume of the electrode assembly 21 expands to a certain proportion along the first direction, the third limiting portion 223 can promptly and quickly reduce or remove the restraining effect on the electrode assembly 21.
  • the two ends of the length direction of the notched groove 25 are open structures. Since the length direction of the notched groove 25 is inconsistent with the first direction, a long recessed area is formed on the third limiting portion 223 by setting a notched groove 25 that passes through the two ends of the third limiting portion 223 along the length direction of the notched groove 25.
  • the two ends of the length direction of the notched groove 25 are open structures, that is, the two ends of the recessed area corresponding to the length direction of the notched groove 25 are also open structures, that is, the physical structure of the third limiting portion 223 corresponding to the two ends of the length direction of the notched groove 25 is removed.
  • the notched groove 25 only includes a groove bottom and two opposite groove walls, which reduces the number of circumferential groove walls of the notched groove 25, and only relies on the groove bottom of the notched groove 25 to maintain the overall connection of the third limiting portion 223, thereby further weakening the tensile strength of the third limiting portion 223 at the notched groove 25, which can improve the accuracy and stability of the third limiting portion 223 being torn or even broken in time, and further improve the reliability of the battery cell 20.
  • the second direction is the width direction of the electrode assembly 21, i.e., the X direction
  • the third direction is the length direction of the notch groove 25, i.e., the length direction of the electrode assembly 21, i.e., the Y direction.
  • the first direction, the second direction, and the third direction are perpendicular to each other.
  • a plurality of score grooves 25 refers to two or more score grooves 25 .
  • a plurality of notched grooves 25 arranged at intervals along the third direction work together to reduce the tensile strength of the location, so that the tensile strength of the first weakened strength area 224 is less than the tensile strength of the third limiting portion 223 located near the first weakened strength area 224 in the circumferential direction, and when the expansion coefficient of the electrode assembly 21 along the first direction exceeds a preset value, the first weakened strength area 224 can be torn or broken at the position of the notched grooves 25.
  • the arrangement of the plurality of notched grooves 25 can meet the strength requirements of the connection and fixation of the electrode assembly 21 in the unexpanded state, while taking into account the requirements that the electrode assembly 21 can be freed from restraint and expand freely after expanding to a certain proportion.
  • the third direction is the length direction of the notch groove 25 , and the dimension of the notch groove 25 in the third direction is L, satisfying: 0.01 mm ⁇ L ⁇ 10 mm.
  • L can be selected from 0.01mm, 0.03mm, 0.05mm, 1mm, 2mm, 3mm, 4mm, 4.5mm, 5mm, 5.5mm, 6mm, 7mm, 7.8mm, 8mm, 8.3mm, 9mm, 9.5mm, 10mm, etc.
  • a plurality of notched grooves 25 are arranged at intervals along the length direction of the notched groove 25 , and L is the length dimension of the notched groove 25 .
  • the size L of the notched groove 25 can be adaptively adjusted according to parameters such as the number of notched grooves 25 required and the distance between two adjacent notched grooves 25 in the third direction.
  • 0.05 mm ⁇ L ⁇ 2 mm 0.05 mm ⁇ L ⁇ 2 mm.
  • L can be selected from 0.05mm, 0.08mm, 0.12mm, 0.15mm, 0.2mm, 0.3mm, 0.35mm, 0.40mm, 0.45mm, 0.5mm, 0.7mm, 0.9mm, 1mm, 1.3mm, 1.5mm, 1.8mm, 2mm, etc.
  • the volume expansion ratio or thickness expansion ratio (i.e., the preset value of the expansion coefficient) of the electrode assembly 21 in the first direction that is allowed to be constrained by the first limiter 22 can be determined, and then the tensile strength of the first strength weakening zone 224 can be determined.
  • the number of notch grooves 25, the size L of the notch grooves 25 in the third direction, the distance between two adjacent notch grooves 25 in the third direction, etc. can be selected according to the tensile strength.
  • the strength requirement for connection and fixation of the electrode assembly 21 in the unexpanded state can be better met, and it is more conducive to reducing the tensile strength of the third limiting portion 223 in the first direction.
  • the dimension of the notch groove 25 in the fourth direction is W, satisfying: 0.01 mm ⁇ W ⁇ 8 mm, and the fourth direction is the width direction of the notch groove 25 and has an angle with the third direction.
  • the volume expansion ratio or thickness expansion ratio (i.e., the preset value of the expansion coefficient) of the electrode assembly 21 in the first direction that is allowed to be constrained by the first limiter 22 can be determined, and then the tensile strength of the first strength weakening zone 224 can be determined.
  • the number of notch grooves 25, the size W of the notch grooves 25 in the fourth direction, the spacing between two adjacent notch grooves 25 in the third direction, etc. can be selected according to the tensile strength.
  • the first limiting portion 221 includes a stacked first adhesive layer 2212 and a first substrate layer 2211, and two sides of the first adhesive layer 2212 are respectively connected to the first end face 211 and the first substrate layer 2211;
  • the second limiting portion 222 includes a stacked second adhesive layer 2222 and a second substrate layer 2221, and two sides of the second adhesive layer 2222 are respectively connected to the second end face 212 and the second substrate layer 2221.
  • the main function of the first substrate layer 2211 and the second substrate layer 2221 is to provide a certain structural strength for the first limiting part 221 and the second limiting part 222.
  • the first limiting part 22 as a whole can connect and fix the electrode assembly 21 as a whole, so that the relative position between the internal structures of the electrode assembly 21 is fixed, so as to facilitate overall transportation, transfer, shelling, etc.
  • the first limiting part 221 and the first end face 211, and the second limiting part 222 and the second end face 212 are bonded and fixed, so that the manufacture of the battery cell 20 is more convenient and the manufacturing cost can also be reduced.
  • the first limiting portion 221 and the first end face 211 are connected by bonding
  • the second limiting portion 222 and the second end face 212 are connected by bonding, which can protect the surface structure of the first end face 211 and the second end face 212, and can effectively reduce the damage of the first limiting portion 221 and the second limiting portion 222 to the electrode assembly 21 when the electrode assembly 21 undergoes a large volume expansion due to temperature increase, thereby protecting the electrode assembly 21, reducing the probability of failure of the electrode assembly 21 due to structural damage, and is beneficial to improving performance stability and reliability.
  • the third adhesive layer 2232 bonds the third substrate layer 2231 and the third end surface 213 together, and connects the first adhesive layer 2212 and the second adhesive layer 2222 , so that when the relative positions of the first limiting portion 221 and the second limiting portion 222 change, the third limiting portion 223 can be acted on and stretched.
  • the third limiting portion 223 and the third end face 213 are also connected by bonding.
  • the first limiting portion 221, the second limiting portion 222 and the third limiting portion 223 are all bonded to the corresponding first end face 211, the second end face 212 and the third end face 213, so that the first limiting portion 221, the second limiting portion 222 and the third limiting portion 223 can respond to the relative position change of the first end face 211 and the second end face 212 in the first direction when the electrode assembly 21 expands, so that when the third limiting portion 223 is stretched, in addition to the tensile force of the first limiting portion 221 and the second limiting portion 222, it is also subjected to the resistance of the third end face 213, thereby increasing the force form of the first strength weakening zone 224.
  • the notch groove 25 is disposed on the third substrate layer 2231, that is, the notch groove 25 is mainly used to reduce the tensile strength of the third substrate layer 2231 in the first strength weakened area 224, so that the third substrate layer 2231 can be torn under preset conditions, thereby enabling the first strength weakened area 224 to better respond to changes in the expansion coefficient of the electrode assembly 21 along the first direction, so as to be able to tear or break in a timely manner.
  • the opening of the notched groove 25 is located in the second direction, and the opening can be facing the third end face 213 or away from the third end face 213.
  • the third substrate layer 2231 can be made of PET, which is a thermoplastic resin made of polyethylene terephthalate (PETP) or polytrimethylene terephthalate (PETG). PET material has excellent physical properties, such as high strength, high transparency, good wear resistance and chemical corrosion resistance.
  • the material of the first substrate layer 2211 , the second substrate layer 2221 , and the third substrate layer 2231 may also be selected from materials such as PP.
  • the material of the first substrate layer 2211 and the second substrate layer 2221 may be the same as or different from that of the third substrate layer 2231 , which is not specifically limited in this embodiment.
  • the first limit member 22 can also be a rigid structure with a certain structural strength, such as a clamp-like shape, which can fix the electrode assembly 21 under non-expansion conditions and limit the relative movement of the internal structure of the electrode assembly 21.
  • a certain structural strength such as a clamp-like shape
  • the thickness of the third substrate layer 2231 is h, satisfying: 5 ⁇ m ⁇ h ⁇ 50 ⁇ m.
  • the thickness h of the third substrate layer 2231 can be 5 ⁇ m, 8 ⁇ m, 10 ⁇ m, 12 ⁇ m, 15 ⁇ m, 18 ⁇ m, 25 ⁇ m, 30 ⁇ m, 35 ⁇ m, 37 ⁇ m, 39 ⁇ m, 43 ⁇ m, 45 ⁇ m, 48 ⁇ m, 50 ⁇ m, etc.
  • the thickness of the third substrate layer 2231 By setting the thickness of the third substrate layer 2231 between 5 ⁇ m and 50 ⁇ m, on the one hand, at least the size of the first limiter 22 in the second direction can be controlled within a smaller range, thereby effectively controlling the total size of the first limiter 22 and the electrode assembly 21 in the second direction, which is beneficial to controlling the total size of the battery cell 20 in the second direction as a whole, and is beneficial to improving the spatial energy density of the battery 100; on the other hand, the thickness of the third substrate layer 2231 is relatively small.
  • the thickness at the first strength weakening zone 224 is reduced, so that the tensile strength of the first strength weakening zone 224 is effectively reduced, so that the third substrate layer 2231 can be torn under preset conditions.
  • the electrode assembly 21 further includes a fourth end surface 214, which is connected to the other end of the first end surface 211 and the second end surface 212 on the same side in the second direction.
  • the battery cell 20 further includes a second stopper 23, which includes a fourth stopper 231, a fifth stopper 232 and a sixth stopper 233, and the fourth stopper 231 is connected to the first end surface 211.
  • the fifth limiting portion 232 is connected to the second end face 212
  • the sixth limiting portion 233 connects the fourth limiting portion 231 and the fifth limiting portion 232
  • the sixth limiting portion 233 is arranged opposite to the fourth end face 214 in the second direction.
  • the sixth limiting portion 233 is provided with a second strength weakening area 234 so that the third limiting portion 223 is torn when the expansion coefficient of the electrode assembly 21 along the first direction exceeds a preset value.
  • the second direction is the X direction, i.e., the width direction of the electrode assembly 21.
  • the electrode assembly 21 has a first end 215 and a second end 216 opposite to each other in the second direction.
  • the fourth end face 214 is connected to the other end of the first end face 211 and the second end face 212 on the same side in the second direction.
  • the other end on the same side here refers to the end of the first end face 211 corresponding to the second end 216 and the end of the second end face 212 corresponding to the first end 215.
  • one end of the fourth end face 214 in the first direction is connected to the end of the first end face 211 corresponding to the second end 216, and the other end of the fourth end face 214 in the first direction is connected to the end of the second end face 212 corresponding to the second end 216. That is, the third end face 213 and the fourth end face 214 are two opposite end faces of the electrode assembly 21 in the second direction.
  • the third end face 213 and the fourth end face 214 are located at the opposite ends of the first end face 211 and the second end face 212, and the second limiter 23 and the first limiter 22 are also located at the opposite ends of the first end face 211 and the second end face 212, that is, the end where the third end face 213 is located is connected and fixed to the electrode assembly 21 by the first limiter 22, and the end where the fourth end face 214 is located is connected and fixed to the electrode assembly 21 by the second limiter 23, the first limiter 22 and the second limiter 23 act together on the electrode assembly 21 to connect and fix the electrode assembly 21 as a whole, limit the relative position between the internal structures of the electrode assembly 21, and improve the connection and fixing effect.
  • the first limiting member 22 and the second limiting member 23 are integrally formed parts, which may refer to that after the first limiting member 22 and the second limiting member 23 are integrally formed, since the first limiting portion 221 is connected to the fourth limiting portion 231, and the second limiting portion 222 is connected to the fifth limiting portion 232, a closed coil structure is directly formed, or the first limiting portion 221 and the fourth limiting portion 231 are an integral structure, and the first limiting member 22 and the second limiting member 23 are both flexible structures with adhesiveness (for example, the above-mentioned substrate layer and adhesive layer).
  • the electrode assembly 21 when the electrode assembly 21 is a wound electrode assembly 21, the electrode assembly 21 is wound to form a multi-layer structure, and the first direction is the stacking direction of the multi-layer structure, that is, the direction from the winding center axis to the outside.
  • the first direction is the stacking direction of the pole pieces and the separators alternately stacked.
  • the principle of the lamination process determines that the pole pieces and separators of the battery cell will not bend during the manufacturing process, and can be fully unfolded and stacked together, which can not only reduce the internal resistance of the battery cell and improve the power of the battery cell, but also improve the energy density of the battery 100.

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Abstract

本申请涉及一种电池单体、电池以及用电装置，属于电池技术领域。该电池单体包括电极组件和第一限位件，电极组件包括第一端面、第二端面和第三端面，沿第一方向，第一端面和第二端面相对设置，第三端面连接在第一端面和第二端面在第二方向上的同侧一端，第一方向为电极组件的厚度方向，第二方向与电极组件的厚度方向垂直；第一限位件包括第一限位部、第二限位部和第三限位部，第一限位部与第一端面连接，第二限位部与第二端面连接，第三限位部连接第一限位部和第二限位部，第三限位部与第三端面在第二方向上相对设置，第三限位部上设置有第一强度减弱区，以使第三限位部在电极组件沿第一方向上的膨胀系数超出预设值时撕裂。

Description

电池单体、电池以及用电装置
相关申请的交叉引用
本申请要求享有2024年01月16日提交的名称为“电池单体、电池以及用电装置”的中国专利申请(2024200993738)的优先权，该申请的全部内容通过引用并入本文中。
技术领域
本申请涉及电池技术领域，具体而言，涉及一种电池单体、电池以及用电装置。
背景技术
车辆使用节能减排是汽车产业可持续发展的关键，电动车辆由于其节能环保的优势成为汽车产业可持续发展的重要组成部分。对于电动车辆而言，电池技术又是关乎其发展的一项重要因素。
电池的制造过程中，电池的可靠性是一个不可忽视的问题。因此，如何提高电池的可靠性，是电池技术中一个亟需解决的技术问题。
发明内容
本申请的目的在于针对上述问题，提供一种电池单体、电池以及用电装置，使上述问题得到改善，能有效提高电池的可靠性。
第一方面，本申请提供了一种电池单体，包括电极组件和第一限位件，电极组件包括第一端面、第二端面和第三端面，沿第一方向，第一端面和第二端面相对设置，第三端面连接在第一端面和第二端面在第二方向上的同侧一端，第一方向为电极组件的厚度方向，第二方向与电极组件的厚度方向垂直；第一限位件包括第一限位部、第二限位部和第三限位部，第一限位部与第一端面连接，第二限位部与第二端面连接，第三限位部连接第一限位部和第二限位部，第三限位部与第三端面在第二方向上相对设置；其中，第三限位部上设置有第一强度减弱区，以使第三限位部在电极组件沿第一方向上的膨胀系数超出预设值时撕裂。
在上述方案中，一方面，第一限位件可以实现对电极组件的连接固定作用，以将电极组件连接为整体的形态，以便于对电极组件整体进行拾取、搬运、转移和入壳等工作，提高生产效率。
另一方面，通过在第三限位部上设置第一强度减弱区，降低了第三限位部整体的抗拉强度，第三限位部与第三端面在第二方向相对，则第一强度减弱区与电极组件的厚度方向上的侧面相对。
在正常循环过程中、或者发生热失控时，电极组件会出现体积膨胀，而膨胀主要发生在电极组件的厚度方向上即第一方向上，由于第三限位部与第三端面相对，当电极组件在厚度方向上发生膨胀时，第一端面和第二端面的相对距离会增大，第一限位部和第二限位部的相对位置也相应变化，进而作用于第三限位部并拉伸第三限位部，只需要根据实际需求，对应设置第一强度减弱区的具体结构，以将第三限位部的抗拉强度匹配为：电极组件沿第一方向上的膨胀系数超出预设值时，第三限位部由第一强度减弱区的部分撕裂甚至是完全断裂，使第一限位部和第二限位部的连接固定关系失效，进而第一限位件在第一方向上对电极组件的束缚作用失效，使电极组件的隔膜、极片均能在第一方向上自适应膨胀，进而保护隔膜和极片，降低隔膜和极片的撕裂概率以及电极组件整体失效的概率，从而提高了电池的可靠性和安全性能。
根据本申请的一些实施例，第一强度减弱区包括刻痕槽，沿第二方向，刻痕槽的投影落入到第三端面的投影内。
在上述方案中，第一强度减弱区的强度减弱至少通过刻痕槽实现，刻痕槽减小了第三限位部的局部厚度，通过部分镂空的结构破坏了第三限位部整体的结构完整性，进而减小了第三限位部的抗拉强度。沿第二方向，刻痕槽的投影落入到第三端面的投影内，即刻痕槽在第二方向的投影与 第三端面在第二方向上正对，即刻痕槽的设置位置对应于第三端面的位置，使得电极组件在第一方向上的膨胀量超出预设值时，刻痕槽能够被撕裂，能提高第三限位部及时撕裂甚至断裂的精准度和稳定性，进一步提高了电池单体的可靠性。
根据本申请的一些实施例，刻痕槽的长度方向与第一方向具有夹角。
在上述方案中，刻痕槽的长度方向与第一方向具有夹角，也就是说，刻痕槽的长度方向与第一方向不一致，可以使得刻痕槽在平行于第三端面且垂直于第一方向的方向上具有分量，降低了第三限位部受到第一方向上的拉伸力时的抗拉强度，使得在第一方向上，第三限位部以及第一强度减弱区受到因电极组件膨胀而产出的拉伸作用力时更易完全断裂，能在电极组件的体积沿第一方向膨胀至一定的比例后，使第三限位部及时地、快速地减小或撤掉对电极组件的束缚作用。
根据本申请的一些实施例，沿刻痕槽的长度方向，刻痕槽贯通第三限位部的两端。
在上述方案中，刻痕槽的长度方向的两端为敞开开口的结构，由于刻痕槽的长度方向与第一方向不一致，通过设置沿刻痕槽的长度方向贯通第三限位部的两端的刻痕槽，在第三限位部上形成了长条的凹陷区，也就是去掉了第三限位部对应于刻痕槽长度方向两端的实体结构，换言之，刻痕槽仅包括槽底和两个相对的槽壁，减少了刻痕槽的周向槽壁的数量，仅靠刻痕槽的槽底保持第三限位部的整体连接，进而进一步减弱了第三限位部在刻痕槽处的抗拉强度，能提高第三限位部及时撕裂甚至断裂的精准度和稳定性，进一步提高了电池单体的可靠性。
根据本申请的一些实施例，刻痕槽为多个，且多个刻痕槽沿第三方向间隔设置，第三方向与第二方向具有夹角。
在上述方案中，多个刻痕槽指两个及两个以上的刻痕槽，通过多个沿第三方向间隔设置的刻痕槽共同作用，以减小所在部位的抗拉强度，使得第一强度减弱区的抗拉强度小于第三限位部位于第一强度减弱区周向附近的部分的抗拉强度，并满足在电极组件沿第一方向上的膨胀系数超出预设值时，第一强度减弱区可以由刻痕槽的位置撕裂或断裂。多个刻痕槽的设置方式可以满足电极组件未膨胀状态下的连接固定的强度需求，同时兼顾电极组件膨胀至一定比例后能脱离束缚、自由膨胀的需求。
根据本申请的一些实施例，第三方向为刻痕槽的长度方向，刻痕槽在第三方向上的尺寸为L，满足：0.01mm≤L≤10mm。
在上述方案中，多个刻痕槽沿刻痕槽的长度方向间隔设置，L即为刻痕槽的长度尺寸。
一方面，相邻的两个刻痕槽的型腔之间具有实体结构，该实体结构构成两个刻痕槽的槽壁，同时将第一强度减弱区与位于第一强度减弱区周边的第三限位部的实体结构连接为一体，以满足电极组件未膨胀状态下的连接固定的强度需求；另一方面，增加了所有刻痕槽在第三方向上的总尺寸，进而增加了刻痕槽的平行于第三端面且垂直于第一方向的尺寸，有利于进一步降低第三限位部在第一方向上的抗拉强度，能在电极组件膨胀到一定程度、第一强度减弱区受到第一方向上的拉伸作用时断开。
刻痕槽的尺寸L可以根据所需刻痕槽的数量以及相邻两个刻痕槽在第三方向上的间距等参数做适应性调整。
根据本申请的一些实施例，0.05mm≤L≤2mm。
在上述方案中，根据安全性能的需求，可以确定电极组件在第一方向上允许被第一限位件约束的体积膨胀比例或者厚度膨胀比例(即，膨胀系数的预设值)，进而来确定第一强度减弱区的抗拉强度，根据抗拉强度来对应选择刻痕槽的数量、刻痕槽在第三方向上的尺寸L、相邻两个刻痕槽在第三方向上的间距等。
通过使刻痕槽在第三方向上的尺寸满足0.05mm≤L≤2mm，能更好地满足电极组件未膨胀状态下的连接固定的强度需求，同时更有利于降低第三限位部在第一方向上的抗拉强度。
根据本申请的一些实施例，多个刻痕槽在第三方向上的尺寸之和为D1，第三限位部在第三方向上的尺寸为D2，满足：0.3≤D1/D2≤0.9。
由于多个刻痕槽是间隔设置于第三限位部上的，D1/D2能得到一个小于1的数值，该数值可以一定程度上表征第三限位部的抗撕裂难易度，一般地，该数值越大，第三限位部越容易由刻痕槽处撕裂。
将D1与D2相除得到的数值控制在0.3～0.9之间，既能使第三限位部自身具有一定的结构强度，能满足电极组件沿第一方向上的膨胀系数低于预设值时的连接固定和束缚需求，同时也能更有利于降低第三限位部在第一方向上的抗拉强度，以满足电极组件沿第一方向上的膨胀系数高于预设值时的解除束缚的需求。
根据本申请的一些实施例，刻痕槽在第四方向上的尺寸为W，满足：0.01mm≤W≤8mm，第四方向为刻痕槽的宽度方向、且与第三方向具有夹角。
在上述方案中，第四方向为刻痕槽的宽度方向，第四方向与第三方向具有夹角，也就是说多个刻痕槽的间隔设置方向与刻痕槽的宽度方向不一致，可以一定程度上增加所有刻痕槽在第三限位部上占据的面积，有利于降低第一强度减弱区的抗拉强度。
W即刻痕槽的宽度尺寸，可以在刻痕槽的长度确定的情况下，决定刻痕槽的型腔的大小，进而可以大致确定出刻痕槽被拉断的难易程度，通过将W设置在0.01mm～8mm之间，满足电极组件未膨胀状态下的连接固定的强度需求，又能在电极组件膨胀到一定程度、第一强度减弱区受到第一方向上的拉伸作用时断开。
根据本申请的一些实施例，0.02mm≤W≤2mm。
在上述方案中，根据安全性能的需求，可以确定电极组件在第一方向上允许被第一限位件约束的体积膨胀比例或者厚度膨胀比例(即，膨胀系数的预设值)，进而来确定第一强度减弱区的抗拉强度，根据抗拉强度来对应选择刻痕槽的数量、刻痕槽在第四方向上的尺寸W、相邻两个刻痕槽在第三方向上的间距等。
通过使刻痕槽满足0.02mm≤W≤2mm，进一步满足电极组件未膨胀状态下的连接固定的强度需求，同时能进一步提高第三限位部及时撕裂甚至断裂的精准度和稳定性。
根据本申请的一些实施例，第一强度减弱区包括多个刻痕槽组，每个刻痕槽组包括多个沿第三方向间隔设置的刻痕槽，第三方向与第二方向具有夹角，多个刻痕槽组在第四方向上间隔开，第四方向与第三方向垂直。
在上述方案中，多个刻痕槽组指两个及两个以上的刻痕槽组，通过多个沿第四方向间隔设置的刻痕槽组共同作用，以减小第三限位部的抗拉强度，使得第一强度减弱区的抗拉强度小于第三限位部位于第一强度减弱区周向附近的部分的抗拉强度，能进一步提高第一强度减弱区达到失效条件时，可以由刻痕槽的位置撕裂或断裂的及时性和准确性，进而提高电池单体的可靠性。
多个刻痕槽组和多个刻痕槽的设置方式可以增加可能发生撕裂或断裂的部位，每个刻痕槽的周向槽壁处均有可能因受到拉伸力而撕裂或断裂，可以满足电极组件未膨胀状态下的连接固定的强度需求，同时兼顾电极组件膨胀至一定比例后能脱离束缚、自由膨胀的需求。
根据本申请的一些实施例，沿第一方向，第一限位部包括叠置的第一粘接层和第一基材层，第一粘接层的两侧分别与第一端面和第一基材层连接；沿第一方向，第二限位部包括叠置的第二粘接层和第二基材层，第二粘接层的两侧分别与第二端面和第二基材层连接。
在上述方案中，第一限位部与第一端面之间采用的是粘接的连接方案，第二限位部与第二端面之间采用的也是粘接的连接方案，能保护第一端面和第二端面的表面结构，能在电极组件因温度升高而发生较大的体积膨胀时，有效减小第一限位部和第二限位部对电极组件的损伤，进而起到保护电极组件的效果，减少因结构受损导致的电极组件失效的概率，有利于提高性能稳定性和可靠性。
另外，第一基材层和第二基材层的主要作用是为第一限位部和第二限位部提供一定的结构强度，进而使第一限位件的整体能将电极组件连接固定为一体，使电极组件的内部结构之间的相对位置固定，以便于整体搬运、转移、入壳等。同时，第一限位部和第一端面之间、第二限位部与第 二端面之间粘接固定，电池单体的制造更加方便，且制造成本也可以得到降低。
根据本申请的一些实施例，沿第二方向，第三限位部包括叠置的第三基材层和第三粘接层，第三粘接层的两侧分别与第三端面和第三基材层连接，刻痕槽的至少部分设置于第三基材层；
第三基材层连接第一基材层和第二基材层，第三粘接层连接第一粘接层和第二粘接层。
在上述方案中，第三限位部与第三端面之间采用的也是粘接的连接方案，第一限位部、第二限位部和第三限位部均与对应的第一端面、第二端面和第三端面粘接，使第一限位部、第二限位部和第三限位部均能响应到电极组件膨胀时第一端面和第二端面在第一方向上的相对位置变化，使第三限位部被拉伸时除了受到第一限位部和第二限位部的拉伸作用力，还受到第三端面的阻力，增加了第一强度减弱区的受力形式，进而使第一强度减弱区能更好地响应电极组件沿第一方向上的膨胀系数的变化而变化，以能及时地撕裂或断裂。
第三基材层作为第三限位部的主要强度结构件，与第一基材层和第二基材层共同将电极组件连接固定为一体，使电极组件的内部结构之间的相对位置固定，以便于整体搬运、转移、入壳等。刻痕槽的至少部分设置于第三基材层，即刻痕槽主要用于降低第一强度减弱区部分的第三基材层的抗拉强度，使第三基材层能在预设条件下撕裂。
根据本申请的一些实施例，第三基材层的厚度为h，满足：5μm≤h≤50μm。
在上述方案中，第三限位部的整体强度主要由第三基材层决定，而第一强度减弱区的具体结构的设计也与第三基材层的结构强度有关，第一强度减弱区能否及时地断裂也主要由基材层决定。通过将第三基材层的厚度设置在5μm～50μm之间，一方面，至少可以将第一限位件在第二方向上的尺寸控制在较小的范围内，进而有效控制第一限位件和电极组件在第二方向上的总尺寸，有利于控制电池单体整体在第二方向上的总尺寸，有利于提高电池空间能量密度；另一方面，第三基材层的厚度较小，在第三基材层上设置刻痕槽后，第一强度减弱区处的厚度减小，使第一强度减弱区的抗拉强度得到有效降低，使第三基材层能在预设条件下撕裂。
根据本申请的一些实施例，电极组件还包括第四端面，第四端面连接在第一端面和第二端面在第二方向上的同侧另一端；
电池单体还包括第二限位件，第二限位件包括第四限位部、第五限位部和第六限位部，第四限位部与第一端面连接，第五限位部与第二端面连接，第六限位部连接第四限位部和第五限位部，第六限位部与第四端面在第二方向上相对设置；
其中，第六限位部上设置有第二强度减弱区，以使第三限位部在电极组件沿第一方向上的膨胀系数超出预设值时撕裂。
在上述方案中，在第二方向上，第三端面和第四端面位于第一端面和第二端面的相对两端，第二限位件和第一限位件也位于第一端面和第二端面的相对两端，也就是说，第三端面所在的一端由第一限位件将电极组件连接固定，第四端面所在的一端由第二限位件将电极组件连接固定，第一限位件和第二限位件共同作用于电极组件，将电极组件连接固定为一体，限制电极组件的内部结构之间的相对位置，提高连接固定效果。
与第一限位件的工作原理相同，通过在第六限位部上设置第二强度减弱区，降低了第六限位部整体的抗拉强度，第六限位部与第四端面在第二方向相对，则第二强度减弱区也位于电极组件的厚度方向上，当电极组件受热或者因热失控发生膨胀时，第一方向上第一端面和第二端面相对位置发生关系，待电极组件在第一方向上的膨胀系数超过预设值时，第一端面和第二端面的相对距离增大并拉伸第六限位部，使第六限位部由第二强度减弱区的部分撕裂或断裂，第二限位件对第一端面和第二端面的作用力减小或降为零，进而第二限位件在第一方向上对电极组件的束缚作用失效，使电极组件的隔膜、极片均能在第一方向上自适应膨胀，进而保护隔膜和极片，降低隔膜和极片的撕裂概率以及电极组件整体失效的概率，从而提高了电池的可靠性和安全性能。
根据本申请的一些实施例，第一限位部与第四限位部连接，第二限位部与第五限位部连接，第一限位件和第二限位件为一体成型件。
在上述方案中，即第一限位件和第二限位件整体绕设于电极组件上，并在位于厚度方向上的第三限位部和第六限位部上分别设置第一强度减弱区和第二强度减弱区，使第一强度减弱区和第二强度减弱区随着电极组件在第一方向上发生的膨胀而被拉伸，第三限位部和第六限位部能在电极组件沿第一方向上的膨胀系数超出预设值时撕裂，进而电极组件在第一方向即厚度方向上不再受束缚，可以自由膨胀，能有效保护电极组件的结构、提高电池单体的可靠性和安全性能。
根据本申请的一些实施例，第二方向为电极组件的长度方向或宽度方向。
在上述方案中，第二方向为电极组件的长度方向或宽度方向，则第三端面位于电极组件的长度方向的一端，或者位于电极组件的宽度方向的一端，也就是说，第三限位部设置于电极组件长度方向的一侧或者宽度方向的一侧，第一限位件能较稳定地连接固定电极组件，也能更精准地感知到电极组件在第一方向即厚度方向上的尺寸变化，有利于提高第三限位部及时撕裂、断裂的准确性和可靠性。
根据本申请的一些实施例，电极组件为卷绕式电极组件或叠片式电极组件。
在上述方案中，当电极组件为卷绕式电极组件时，电极组件卷绕后形成多层结构，第一方向为多层结构的层叠方向，也即由卷绕中心轴向外的方向。当电极组件为叠片式电极组件时，第一方向则为极片与隔离膜交替堆叠的堆叠方向，叠片工艺的原理决定了电芯的极片和隔膜不会在制造过程中发生弯曲，能够充分展开堆叠在一起，不仅能减少电芯内阻、提升电芯功率，还能提高电池能量密度。
不管是卷绕式电极组件还是叠片式电极组件，电极组件的整体形状和结构都是较为规则的，便于设置第一限位件，以顺利连接第一限位部和第一端面、连接第二限位部和第二端面。
根据本申请的一些实施例，电池单体还包括外壳，外壳设置有容纳腔，电极组件和第一限位件均设于容纳腔内。
在上述方案中，外壳为连接有第一限位件的电极组件提供容纳腔，同时容纳腔还用于容纳电解液以及其他部件，通过第一限位件连接固定后的电极组件整体入壳方便。另外，外壳具有一定硬度和强度，外壳在受挤压碰撞时就不易发生形变，使电池单体能够具备更高的结构强度，安全性能也可以有所提高。
第二方面，提供了一种电池，其包括上述实施例中的电池单体。
第三方面，提供了一种用电装置，其包括上述实施例中的电池单体和/或上述实施例中的电池，电池单体和/或电池用于提供电能。
本申请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，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本申请一些实施例提供的车辆的结构示意图。
图2为本申请一些实施例提供的电池的结构示意图。
图3为本申请一些实施例提供的电池单体的电极组件与第一限位件的整体结构的示意图。
图4为图3的电极组件与第一限位件的整体结构的正视图。
图5为图3的电极组件与第一限位件的整体结构的右视图。
图6为图3的电极组件与第一限位件的整体结构的后视图。
图7为图3中的第一限位件连接于电极组件后的整体结构示意图。
图8为本申请一些实施例提供的第一限位件的产品成卷示意图。
图9为图8的局部示意图。
图10为图9的轴测示意图。
在附图中，附图并未按照实际的比例绘制。
图标：1000-车辆；100-电池；200-马达；300-控制器；10-箱体；11-第一部分；12-第二部分；20-电池单体；21-电极组件；211-第一端面；212-第二端面；213-第三端面；214-第四端面；215-第一端部；216-第二端部；22-第一限位件；221-第一限位部；2211-第一基材层；2212-第一粘接层；222-第二限位部；2221-第二基材层；2222-第二粘接层；223-第三限位部；2231-第三基材层；2232-第三粘接层；224-第一强度减弱区；23-第二限位件；231-第四限位部；232-第五限位部；233-第六限位部；234-第二强度减弱区；24-第三限位件；241-第三强度减弱区；25-刻痕槽。
具体实施方式
需要为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
除非另有定义，本申请所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本申请中在申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限定本申请；本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。本申请的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序或主次关系。
在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“附接”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，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请实施例的描述中，术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如A和/或B，可以表示：存在A，同时存在A和B，存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
本申请中出现的“多个”指的是两个以上(包括两个)，同理，“多组”指的是两组以上(包括两组)，“多片”指的是两片以上(包括两片)。
在本申请中，所提及的电池100是指包括一个或多个电池单体20以提供更高的电压和容量的单一的物理模块。例如，本申请中所提及的电池100可以包括电池模块或电池包等。
目前，从市场形势的发展来看，动力电池100的应用越加广泛。动力电池100不仅被应用于水力、火力、风力和太阳能电站等储能电源系统，而且还被广泛应用于电动自行车、电动摩托车、电动汽车等电动交通工具，以及军事装备和航空航天等多个领域。随着动力电池100应用领域的不断扩大，其市场的需求量也在不断地扩增。
对于电池单体来说，电极组件即裸电芯通常会先由胶纸或连接件等其他结构进行连接固定，以便于整体转运和入壳。在电池单体投入使用后，在正常循环过程中、或者发生热失控时，电极组件会出现体积膨胀，但相关技术中的电池单体，不管电极组件膨胀到何种程度，就算是热失控 体积膨胀比例较大时，胶纸或连接件仍然始终连接固定电极组件，始终在电极组件的膨胀方向上束缚住电极组件。由于连接件的束缚作用，以及电极组件的极片与连接件的膨胀系数不一致，连接件的膨胀系数更小，使得由连接件限制的部分的膨胀比例会小于未由连接件限制的部分的膨胀比例，从而会引起电极组件的隔膜或极片撕裂，甚至引起电极组件整体失效，所以相关技术中存在可靠性较低的问题。
基于以上考虑，为了提高电池的可靠性，有效保护电极组件的结构，设计了一种电池单体20，包括电极组件21和第一限位件22，电极组件21包括第一端面211、第二端面212和第三端面213，沿第一方向，第一端面211和第二端面212相对设置，第三端面213连接在第一端面211和第二端面212在第二方向上的同侧一端，第一方向为电极组件21的厚度方向，第二方向与电极组件21的厚度方向垂直；第一限位件22包括第一限位部221、第二限位部222和第三限位部223，第一限位部221与第一端面211连接，第二限位部222与第二端面212连接，第三限位部223连接第一限位部221和第二限位部222，第三限位部223与第三端面213在第二方向上相对设置；其中，第三限位部223上设置有第一强度减弱区224，以使第三限位部223在电极组件21沿第一方向上的膨胀系数超出预设值时撕裂。
相比于相关技术中的电池单体，本申请提供的电池单体20中，电极组件21由第一限位件22连接固定为一体，可以整体进行搬运、转移、入壳等操作。第三限位部223与第三端面213相对，第三限位部223位于第一方向即电极组件21的厚度方向上，通过在第三限位部223上设置第一强度减弱区224，第一强度减弱区224也位于第一方向上，降低了第三限位部223在第一方向上的整体的抗拉强度。当电极组件21膨胀时，膨胀以及尺寸变化主要发生在厚度方向上，第一端面211和第二端面212在第一方向上的相对距离增大，进而第一限位部221和第二限位部222在第一方向上的相对距离也增大，且作用于第三限位部223在第一方向上的两端并拉伸第三限位部223，将第三限位部223的抗拉强度匹配为：电极组件21沿第一方向上的膨胀系数超出预设值时，第三限位部223由第一强度减弱区224的部分撕裂甚至是完全断裂，使第一限位部221和第二限位部222的连接固定关系失效，进而第一限位件22在第一方向上对电极组件21的束缚作用失效，使电极组件21的隔膜、极片均能在第一方向上自适应膨胀，进而保护隔膜和极片，降低隔膜和极片的撕裂概率以及电极组件21整体失效的概率，从而提高了电池100的可靠性和安全性能。
本申请实施例公开的电池单体20可以但不限用于车辆1000、船舶或飞行器等用电装置中。可以使用具备本申请公开的电池单体20、电池100等组成该用电装置的电源系统，这样，有利于提升电池单体20的安全性，便于电池100的推广。
本申请实施例提供一种使用电池100作为电源的用电装置，用电装置可以为但不限于手机、平板、笔记本电脑、电动玩具、电动工具、电瓶车、电动汽车、轮船、航天器等等。其中，电动玩具可以包括固定式或移动式的电动玩具，例如，游戏机、电动汽车玩具、电动轮船玩具和电动飞机玩具等等，航天器可以包括飞机、火箭、航天飞机和宇宙飞船等等。
以下实施例为了方便说明，以本申请一实施例的一种用电装置为车辆1000为例进行说明。
请参照图1，图1为本申请一些实施例提供的车辆1000的结构示意图。车辆1000可以为燃油汽车、燃气汽车或新能源汽车，新能源汽车可以是纯电动汽车、混合动力汽车或增程式汽车等。车辆1000的内部设置有电池100，电池100可以设置在车辆1000的底部或头部或尾部。电池100可以用于车辆1000的供电，例如，电池100可以作为车辆1000的操作电源。车辆1000还可以包括控制器300和马达200，控制器300用来控制电池100为马达200供电，例如，用于车辆1000的启动、导航和行驶时的工作用电需求。
在本申请一些实施例中，电池100不仅可以作为车辆1000的操作电源，还可以作为车辆1000的驱动电源，代替或部分地代替燃油或天然气为车辆1000提供驱动动力。
请参照图2，图2为本申请一些实施例提供的电池100的爆炸图。电池包括箱体10和电池单体20，电池单体20容纳于箱体10内。其中，箱体10用于为电池单体20提供容纳空间，箱体10可以采用多种结构。在一些实施例中，箱体10可以包括第一部分11和第二部分12，第一部分11与第二部分12相互盖合，第一部分11和第二部分12共同限定出用于容纳电池单体20的容 纳空间。第二部分12可以为一端开口的空心结构，第一部分11可以为板状结构，第一部分11盖合于第二部分12的开口侧，以使第一部分11与第二部分12共同限定出容纳空间；第一部分11和第二部分12也可以是均为一侧开口的空心结构，第一部分11的开口侧盖合于第二部分12的开口侧。当然，第一部分11和第二部分12形成的箱体10可以是多种形状，比如，圆柱体、长方体等。
在电池100中，电池单体20可以是多个，多个电池单体20之间可串联或并联或混联，混联是指多个电池单体20中既有串联又有并联。多个电池单体20之间可直接串联或并联或混联在一起，再将多个电池单体20构成的整体容纳于箱体10内；当然，电池100也可以是多个电池单体20先串联或并联或混联组成电池模块形式，多个电池模块再串联或并联或混联形成一个整体，并容纳于箱体10内。电池100还可以包括其他结构，例如，该电池100还可以包括汇流部件，用于实现多个电池单体20之间的电连接。
其中，每个电池单体20可以为二次电池或一次电池；还可以是锂硫电池、钠离子电池或镁离子电池，但不局限于此。电池单体20可呈圆柱体、扁平体、长方体或其它形状等。
电池单体20内部可以包含一个或更多个电极组件21，电极组件21是电池单体20中发生电化学反应的部件。转接片是电池单体20中传递电流的部件。电极组件21主要由正极极片和负极极片卷绕或层叠放置形成，并且通常在正极极片与负极极片之间设有隔膜。正极极片和负极极片具有活性物质的部分构成电极组件21的主体部，正极极片和负极极片不具有活性物质的部分各自设置有极耳。正极极耳和负极极耳可以共同位于主体部的一端或是分别位于主体部的两端。在电池100的充电过程和放电过程中，正极活性物质和负极活性物质与电解液发生反应，转接片连接于极耳和电极端子之间以形成电流回路。
在一些实施例中，电池单体20上可以设置有如电极端子等的功能性部件。电极端子可以用于电连接电极组件21和汇流构件，以用于输出或输入电池单体20的电能。在一些实施例中，电池单体20还可以设置有用于在电池单体20的内部压力或温度达到阈值时泄放内部压力的泄压机构。
根据本申请的一些实施例，如图3～图10所示，本申请提供了一种电池单体20，包括电极组件21，电极组件21包括第一端面211、第二端面212和第三端面213，沿第一方向，第一端面211和第二端面212相对设置，第三端面213连接在第一端面211和第二端面212在第二方向上的同侧一端，第一方向为电极组件21的厚度方向，第二方向与电极组件21的厚度方向垂直。电极组件21是电池单体20中发生电化学反应的部件。电极组件21主要由正极极片和负极极片卷绕或层叠放置形成，并且通常在正极极片与负极极片之间设有隔膜。正极极片和负极极片具有活性物质的部分构成电极组件21的主体部，正极极片和负极极片不具有活性物质的部分各自设置有极耳。正极极耳和负极极耳可以共同位于主体部的一端或是分别位于主体部的两端。在电池100的充电过程和放电过程中，正极活性物质和负极活性物质与电解液发生反应，转接片连接于极耳和电极端子之间以形成电流回路。
如图3所示，第一方向为电极组件21的厚度方向，对应图中的Z向，第一端面211和第二端面212在厚度方向上相对。当电极组件21为卷绕式电极组件21时，电极组件21卷绕后形成多层结构，第一方向为多层结构的层叠方向，也即由卷绕中心轴向外的方向。当电极组件21为叠片式电极组件21时，第一方向则为正极极片和负极极片交替堆叠的堆叠方向。
如图3所示，第二方向为X向21，电极组件21在第二方向上具有相对的第一端部215和第二端部216。第三端面213连接在第一端面211和第二端面212在第二方向上的同侧一端，此处的同侧一端指的是，第一端面211对应于第一端部215的端部和第二端面212对应于第一端部215的端部位于同侧，也就是说，第三端面213在第一方向上的其中一端连接于第一端面211对应于第一端部215的端部，第三端面213在第一方向上的另一端连接于第二端面212对应于第一端部215的端部。
电池单体20还包括第一限位件22，第一限位件22包括第一限位部221、第二限位部222和第三限位部223，第一限位部221与第一端面211连接，第二限位部222与第二端面212连接，第三限位部223连接第一限位部221和第二限位部222，第三限位部223与第三端面213在第二方 向上相对设置；其中，第三限位部223上设置有第一强度减弱区224，以使第三限位部223在电极组件21沿第一方向上的膨胀系数超出预设值时撕裂。
第一限位件22，用于将正极极片和负极极片卷绕后的端部固定、以使电极组件21不会开卷，或者用于限制层叠的正极极片和负极极片相对位置，使多层的正极极片和负极极片形成整体结构，第一限位件22可以实现对电极组件21的连接固定作用，以将电极组件21连接为整体的形态，以便于对电极组件21整体进行拾取、搬运、转移和入壳等工作，提高生产效率。
第一限位件22的数量可以为一个，也可以为多个。
第一限位部221连接第一端面211，第二限位部222连接第二端面212，再由第三限位部223连接第一限位部221和第二限位部222，进而限制第一端面211和第二端面212在第一方向上的相对移动。
第一强度减弱区224用于降低第三限位部223局部的结构强度和抗拉强度，由于第三限位部223与第三端面213在第二方向相对，则第一强度减弱区224与电极组件21的厚度方向上的侧面相对。抗拉强度(tensile strength)，即抗张强度，又称拉伸强度、扯断强度，是指式样被拉伸断裂时承受最大载荷与试样横断面积的比值，表示单位面积的破碎力，符号σt，表征的是材料或构件受拉力时抵抗破坏的能力，可用强度极限来表示，是金属材料和非金属材料的机械性能的一项指标。
在正常循环过程中、或者发生热失控时，电极组件21会出现体积膨胀，而膨胀主要发生在电极组件21的厚度方向上即第一方向上，由于第三限位部223与第三端面213相对，当电极组件21在厚度方向上发生膨胀时，第一端面211和第二端面212的相对距离会增大，第一限位部221和第二限位部222的相对位置也相应变化，进而作用于第三限位部223在第一方向上的两端并拉伸第三限位部223，只需要根据实际需求，对应设置第一强度减弱区224的具体结构，以将第三限位部223的抗拉强度匹配为：电极组件21沿第一方向上(即，Z向)的膨胀系数超出预设值时，第三限位部223由第一强度减弱区224的部分撕裂甚至是完全断裂，使第一限位部221和第二限位部222的连接固定关系失效，进而第一限位件22在第一方向上对电极组件21的束缚作用失效，使电极组件21的隔膜、极片均能在第一方向上自适应膨胀，进而保护隔膜和极片，降低隔膜和极片的撕裂概率以及电极组件21整体失效的概率，从而提高了电池100的可靠性和安全性能。
需要说明的是，在一些实施例中，第一强度减弱区224可以由强度较第三限位部223的其他部分的强度更弱的材料构成，即第三限位部223对应第一强度减弱区224的部分和对应除第一强度减弱区224以外的部分采用强度不同的材料。在另一些实施例中，第一强度减弱区224的形成还可以是通过在第三限位部223上做一些可以降低强度的结构。另外，第三限位部223与第三端面213之间可以为连接关系，也可以为仅相对不连接的设置方式。
根据本申请的一些实施例，第一强度减弱区224包括刻痕槽25，沿第二方向，刻痕槽25的投影落入到第三端面213的投影内。
刻痕槽25，为减弱第三限位部223的局部的强度的结构，进而在第三限位部223上形成强度更小的区域，即构成第一强度减弱区224。也就是说，第一强度减弱区224的强度减弱至少通过刻痕槽25实现，刻痕槽25减小了第三限位部223的局部厚度，通过部分镂空的结构破坏了第三限位部223整体的结构完整性，进而减小了第三限位部223的抗拉强度。
沿第二方向，刻痕槽25的投影落入到第三端面213的投影内，即刻痕槽25在第二方向的投影与第三端面213在第二方向上正对，即刻痕槽25的设置位置对应于第三端面213的位置。
在上述方案中，一方面，至少通过刻痕槽25的结构破坏了第三限位部223整体的结构完整性，实现使第一强度减弱区224的强度小于第三限位部223其他部分的强度的效果，进而减小了第三限位部223的抗拉强度。另一方面，通过使刻痕槽25的沿第二方向投影完全落入到第三端面213的投影内，电极组件21在第一方向上的膨胀量超出预设值时，刻痕槽25能够被撕裂，能提高第三限位部223及时撕裂甚至断裂的精准度和稳定性，进一步提高了电池单体20的可靠性。
根据本申请的一些实施例，刻痕槽25的长度方向与第一方向具有夹角。
如图3和图5所示，本实施例中，刻痕槽25的长度方向垂直于第一方向、且为电极组件21的长度方向。当然，在其他的实施方式中，刻痕槽25的长度方向可以与第一方向和电极组件21的长度方向均呈角度设置，本申请不做限定。例如，在一些实施例中，刻痕槽25的长度方向可以与第一方向垂直。
在上述方案中，刻痕槽25的长度方向与第一方向具有夹角，也就是说，刻痕槽25的长度方向与第一方向不一致，可以使得刻痕槽25在平行于第三端面213且垂直于第一方向的方向上具有分量，降低了第三限位部223受到第一方向上的拉伸力时的抗拉强度，使得在第一方向上，第三限位部223以及第一强度减弱区224受到因电极组件21膨胀而产出的拉伸作用力时更易完全断裂，能在电极组件21的体积沿第一方向膨胀至一定的比例后，使第三限位部223及时地、快速地减小或撤掉对电极组件21的束缚作用。
根据本申请的一些实施例，沿刻痕槽25的长度方向，刻痕槽25贯通第三限位部223的两端。
刻痕槽25的长度方向的两端为敞开开口的结构，由于刻痕槽25的长度方向与第一方向不一致，通过设置沿刻痕槽25的长度方向贯通第三限位部223的两端的刻痕槽25，在第三限位部223上形成了长条的凹陷区，且刻痕槽25的长度方向的两端为敞开开口的结构，即凹陷区对应刻痕槽25的长度方向的两端也为敞开开口的结构，也就是去掉了第三限位部223对应于刻痕槽25长度方向两端的实体结构。
在上述方案中，刻痕槽25仅包括槽底和两个相对的槽壁，减少了刻痕槽25的周向槽壁的数量，仅靠刻痕槽25的槽底保持第三限位部223的整体连接，进而进一步减弱了第三限位部223在刻痕槽25处的抗拉强度，能提高第三限位部223及时撕裂甚至断裂的精准度和稳定性，进一步提高了电池单体20的可靠性。
根据本申请的一些实施例，刻痕槽25为多个，且多个刻痕槽25沿第三方向间隔设置，第三方向与第二方向具有夹角。
如图3所示，第二方向为电极组件21的宽度方向，即X向，第三方向即为刻痕槽25的长度方向，也就是电极组件21的长度方向，即Y向。该实施例中，第一方向、第二方向和第三方向两两垂直。
多个刻痕槽25指两个及两个以上的刻痕槽25。
在上述方案中，通过多个沿第三方向间隔设置的刻痕槽25共同作用，以减小所在部位的抗拉强度，使得第一强度减弱区224的抗拉强度小于第三限位部223位于第一强度减弱区224周向附近的部分的抗拉强度，并满足在电极组件21沿第一方向上的膨胀系数超出预设值时，第一强度减弱区224可以由刻痕槽25的位置撕裂或断裂。多个刻痕槽25的设置方式可以满足电极组件21未膨胀状态下的连接固定的强度需求，同时兼顾电极组件21膨胀至一定比例后能脱离束缚、自由膨胀的需求。
根据本申请的一些实施例，第三方向为刻痕槽25的长度方向，刻痕槽25在第三方向上的尺寸为L，满足：0.01mm≤L≤10mm。
L可选0.01mm、0.03mm、0.05mm、1mm、2mm、3mm、4mm、4.5mm、5mm、5.5mm、6mm、7m m、7.8mm、8mm、8.3mm、9mm、9.5mm、10mm等。
在上述方案中，多个刻痕槽25沿刻痕槽25的长度方向间隔设置，L即为刻痕槽25的长度尺寸。
一方面，相邻的两个刻痕槽25的型腔之间具有实体结构，该实体结构构成两个刻痕槽25的槽壁，同时将第一强度减弱区224与位于第一强度减弱区224周边的第三限位部223的实体结构连接为一体，以满足电极组件21未膨胀状态下的连接固定的强度需求；另一方面，增加了所有刻痕槽25在第三方向上的总尺寸，进而增加了刻痕槽25的平行于第三端面213且垂直于第一方向的尺寸，有利于进一步降低第三限位部223在第一方向上的抗拉强度，能在电极组件21膨胀到一定程度、第一强度减弱区224受到第一方向上的拉伸作用时断开。
刻痕槽25的尺寸L可以根据所需刻痕槽25的数量以及相邻两个刻痕槽25在第三方向上的间距等参数做适应性调整。
根据本申请的一些实施例，0.05mm≤L≤2mm。
L可选0.05mm、0.08mm、0.12mm、0.15mm、0.2mm、0.3mm、0.35mm、0.40mm、0.45mm、0.5mm、0.7mm、0.9mm、1mm、1.3mm、1.5mm、1.8mm、2mm等。
在上述方案中，根据安全性能的需求，可以确定电极组件21在第一方向上允许被第一限位件22约束的体积膨胀比例或者厚度膨胀比例(即，膨胀系数的预设值)，进而来确定第一强度减弱区224的抗拉强度，根据抗拉强度来对应选择刻痕槽25的数量、刻痕槽25在第三方向上的尺寸L、相邻两个刻痕槽25在第三方向上的间距等。
通过使刻痕槽25在第三方向上的尺寸满足0.05mm≤L≤2mm，能更好地满足电极组件21未膨胀状态下的连接固定的强度需求，同时更有利于降低第三限位部223在第一方向上的抗拉强度。
比如在第一强度减弱区224的抗拉强度确定的情况下，能通过增加刻痕槽25的数量，更好地满足电极组件21沿第一方向上的膨胀系数低于预设值时的连接固定需求。
根据本申请的一些实施例，如图5和图9所示，多个刻痕槽25在第三方向上的尺寸之和为D1，第三限位部223在第三方向上的尺寸为D2，满足：0.3≤D1/D2≤0.9。
由于多个刻痕槽25是间隔设置于第三限位部223上的，D1/D2能得到一个小于1的数值，该数值可以一定程度上表征第三限位部223的抗撕裂难易度，一般地，该数值越大，第三限位部223越容易由刻痕槽25的型腔处撕裂。在第一强度减弱区224的抗拉强度确定的情况下，可以从D1和D2的大小关系以及比值关系入手，以进一步确定刻痕槽25的数量、单个刻痕槽25在第三方向上的尺寸L、相邻两个刻痕槽25在第三方向上的间距等参数。
将D1与D2相除得到的数值控制在0.3～0.9之间，既能使第三限位部223自身具有一定的结构强度，能满足电极组件21沿第一方向上的膨胀系数低于预设值时的连接固定和束缚需求，同时也能更有利于降低第三限位部223在第一方向上的抗拉强度，以满足电极组件21沿第一方向上的膨胀系数高于预设值时的解除束缚的需求。
比如D1与D2之间的比值可以为0.3、0.4、0.45、0.5、0.6、0.66、0.7、0.8、0.85、0.9等。
根据本申请的一些实施例，刻痕槽25在第四方向上的尺寸为W，满足：0.01mm≤W≤8mm，第四方向为刻痕槽25的宽度方向、且与第三方向具有夹角。
W可选0.01mm、0.05mm、1mm、2mm、2.5mm、3.5mm、4mm、4.5mm、5.3mm、5.8mm、6mm、7mm、7.5mm、8mm等。
如图3和图5所示，该实施例中，第四方向为刻痕槽25的宽度方向，也就是电极组件21的厚度方向，即第一方向与第四方向一致。
在上述方案中，第四方向与第三方向具有夹角，也就是说多个刻痕槽25的间隔设置方向与刻痕槽25的宽度方向不一致，可以一定程度上增加所有刻痕槽25在第三限位部223上占据的面积，有利于降低第一强度减弱区224的抗拉强度。
W即刻痕槽25的宽度尺寸，可以在刻痕槽25的长度确定的情况下，决定刻痕槽25的型腔的大小，进而可以大致确定出刻痕槽25被拉断的难易程度，通过将W设置在0.01mm～8mm之间，满足电极组件21未膨胀状态下的连接固定的强度需求，又能在电极组件21膨胀到一定程度、第一强度减弱区224受到第一方向上的拉伸作用时断开。
根据本申请的一些实施例，0.02mm≤W≤2mm。
W可选0.02mm、0.05mm、0.08mm、0.12mm、0.15mm、0.2mm、0.3mm、0.35mm、0.40mm、0.45mm、0.5mm、0.7mm、0.9mm、1mm、1.3mm、1.5mm、1.8mm、2mm等。
在上述方案中，根据安全性能的需求，可以确定电极组件21在第一方向上允许被第一限位件22约束的体积膨胀比例或者厚度膨胀比例(即，膨胀系数的预设值)，进而来确定第一强度减弱区224的抗拉强度，根据抗拉强度来对应选择刻痕槽25的数量、刻痕槽25在第四方向上的尺寸W、相邻两个刻痕槽25在第三方向上的间距等。
通过使刻痕槽25满足0.02mm≤W≤2mm，进一步满足电极组件21未膨胀状态下的连接固定的强度需求，同时能进一步提高第三限位部223及时撕裂甚至断裂的精准度和稳定性。
在一些实施例中，在第一强度减弱区224的抗拉强度确定的情况下，可以选择通过增加刻痕槽25的数量，增加第一强度减弱区224的实体结构的总体积，进而能保证第一强度减弱区224的结构强度，更好地满足电极组件21沿第一方向上的膨胀系数低于预设值时的连接固定需求。
根据本申请的一些实施例，第一强度减弱区224包括多个刻痕槽组，每个刻痕槽组包括多个沿第三方向间隔设置的刻痕槽25，第三方向与第二方向具有夹角，多个刻痕槽组在第四方向上间隔开，第四方向与第三方向垂直。
多个刻痕槽组指两个及两个以上的刻痕槽组，多个刻痕槽25指两个及两个以上的刻痕槽25。第二方向为电极组件21的宽度方向，第三方向即为刻痕槽25的长度方向(也即电极组件21的长度方向)，则，第四方向可以为与第一方向一致，还可以为与第二方向一致，还可以同时具有平行于第一方向和第二方向的投影分量。
在上述方案中，多个刻痕槽组指两个及两个以上的刻痕槽组，通过多个沿第四方向间隔设置的刻痕槽组共同作用，以减小第三限位部223的抗拉强度，使得第一强度减弱区224的抗拉强度小于第三限位部223位于第一强度减弱区224周向附近的部分的抗拉强度，能进一步提高第一强度减弱区224达到失效条件时，可以由刻痕槽25的位置撕裂或断裂的及时性和准确性，进而提高电池单体20的可靠性。
多个刻痕槽组和多个刻痕槽25的设置方式可以增加可能发生撕裂或断裂的部位，每个刻痕槽25的周向槽壁处均有可能因受到拉伸力而撕裂或断裂，可以满足电极组件21未膨胀状态下的连接固定的强度需求，同时兼顾电极组件21膨胀至一定比例后能脱离束缚、自由膨胀的需求。
根据本申请的一些实施例，沿第一方向，第一限位部221包括叠置的第一粘接层2212和第一基材层2211，第一粘接层2212的两侧分别与第一端面211和第一基材层2211连接；沿第一方向，第二限位部222包括叠置的第二粘接层2222和第二基材层2221，第二粘接层2222的两侧分别与第二端面212和第二基材层2221连接。
第一基材层2211和第二基材层2221的主要作用是为第一限位部221和第二限位部222提供一定的结构强度。进而使第一限位件22的整体能将电极组件21连接固定为一体，使电极组件21的内部结构之间的相对位置固定，以便于整体搬运、转移、入壳等。同时，第一限位部221和第一端面211之间、第二限位部222与第二端面212之间粘接固定，电池单体20的制造更加方便，且制造成本也可以得到降低。
第一粘接层2212将第一基材层2211和第一端面211粘接在一起，第二粘接层2222用于将第二基材层2221和第二端面212粘接在一起。
在上述方案中，第一限位部221与第一端面211之间采用的是粘接的连接方案，第二限位部222与第二端面212之间采用的也是粘接的连接方案，能保护第一端面211和第二端面212的表面结构，能在电极组件21因温度升高而发生较大的体积膨胀时，有效减小第一限位部221和第二限位部222对电极组件21的损伤，进而起到保护电极组件21的效果，减少因结构受损导致的电极组件21失效的概率，有利于提高性能稳定性和可靠性。
根据本申请的一些实施例，沿第二方向，第三限位部223包括叠置的第三基材层2231和第三粘接层2232，第三粘接层2232的两侧分别与第三端面213和第三基材层2231连接，刻痕槽25的至少部分设置于第三基材层2231；第三基材层2231连接第一基材层2211和第二基材层2221，第三粘接层2232连接第一粘接层2212和第二粘接层2222。
第三基材层2231作为第三限位部223的主要强度结构件，与第一基材层2211和第二基材 层2221连接后共同将电极组件21连接固定为一体，使电极组件21的内部结构之间的相对位置固定，以便于整体搬运、转移、入壳等。
第三粘接层2232将第三基材层2231和第三端面213粘接在一起，同时连接第一粘接层2212和第二粘接层2222，使第一限位部221和第二限位部222相对位置发生变化时，能作用于第三限位部223并拉伸第三限位部223。
在上述方案中，第三限位部223与第三端面213之间采用的也是粘接的连接方案，第一限位部221、第二限位部222和第三限位部223均与对应的第一端面211、第二端面212和第三端面213粘接，使第一限位部221、第二限位部222和第三限位部223均能响应到电极组件21膨胀时第一端面211和第二端面212在第一方向上的相对位置变化，使第三限位部223被拉伸时除了受到第一限位部221和第二限位部222的拉伸作用力，还受到第三端面213的阻力，增加了第一强度减弱区224的受力形式。刻痕槽25的至少部分设置于第三基材层2231，即刻痕槽25主要用于降低第一强度减弱区224部分的第三基材层2231的抗拉强度，使第三基材层2231能在预设条件下撕裂，进而使第一强度减弱区224能更好地响应电极组件21沿第一方向上的膨胀系数的变化而变化，以能及时地撕裂或断裂。
需要说明的是，在采用第一限位件22与电极组件21粘接的方案时，由于第三限位部223与第三端面213粘接，且要使刻痕槽25沿第二方向的投影落入到第三端面213的投影内，则刻痕槽25的开口位于第二方向上，开口可以朝向第三端面213，也可以背离第三端面213。
第一基材层2211、第二基材层2221和第三基材层2231的材质选择可以根据实际需求进行，只需要使第三基材层2231能在预设条件下响应电极组件21在第一方向的膨胀而由刻痕槽25处撕裂、断裂即可。比如，在一些实施例中，第三基材层2231可以选择PET材质，PET(聚酯)是一种热塑性树脂，由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PETP)或聚对苯二甲酸丙二醇酯(PETG)制成。PET材料具有优异的物理性能，如高强度、高透明度、良好的耐磨性和耐化学腐蚀性等。
在一些实施方式中，第一基材层2211、第二基材层2221和第三基材层2231的材质还可以选择PP等材料。
第一基材层2211和第二基材层2221的材质可以与第三基材层2231相同，也可以不同，本实施例不做具体限定。
另外，除了上述的第一限位件22与电极组件21粘接的方案外，根据本申请的另一些实施例中，第一限位件22还可以是具有一定结构强度的刚性结构，比如类似夹具的形状，能在非膨胀工况下固定电极组件21、限制电极组件21内部结构的相对移动，而待电极组件21发生膨胀时，通过第一强度减弱区224在预设条件下断裂并解除对电极组件21的束缚，使电极组件21能在厚度方向上不受阻力。
根据本申请的一些实施例，第三基材层2231的厚度为h，满足：5μm≤h≤50μm。
第三基材层2231的厚度h可选5μm、8μm、10μm、12μm、15μm、18μm、25μm、30μm、35μm、37μm、39μm、43μm、45μm、48μm、50μm等。
在上述方案中，第三限位部223的整体强度主要由第三基材层2231决定，而第一强度减弱区224的具体结构的设计也与第三基材层2231的结构强度有关，第一强度减弱区224能否及时地断裂也主要由基材层决定。通过将第三基材层2231的厚度设置在5μm～50μm之间，一方面，至少可以将第一限位件22在第二方向上的尺寸控制在较小的范围内，进而有效控制第一限位件22和电极组件21在第二方向上的总尺寸，有利于控制电池单体20整体在第二方向上的总尺寸，有利于提高电池100空间能量密度；另一方面，第三基材层2231的厚度较小，在第三基材层2231上设置刻痕槽25后，第一强度减弱区224处的厚度减小，使第一强度减弱区224的抗拉强度得到有效降低，使第三基材层2231能在预设条件下撕裂。
根据本申请的一些实施例，电极组件21还包括第四端面214，第四端面214连接在第一端面211和第二端面212在第二方向上的同侧另一端。电池单体20还包括第二限位件23，第二限位件23包括第四限位部231、第五限位部232和第六限位部233，第四限位部231与第一端面211 连接，第五限位部232与第二端面212连接，第六限位部233连接第四限位部231和第五限位部232，第六限位部233与第四端面214在第二方向上相对设置。其中，第六限位部233上设置有第二强度减弱区234，以使第三限位部223在电极组件21沿第一方向上的膨胀系数超出预设值时撕裂。
如图3-图6所示，第二方向为X向，也即电极组件21的宽度方向，电极组件21在第二方向上具有相对的第一端部215和第二端部216。第四端面214连接在第一端面211和第二端面212在第二方向上的同侧另一端，此处的同侧另一端指的是，第一端面211对应于第二端部216的端部和第二端面212对应于第一端部215的端部，也就是说，第四端面214在第一方向上的其中一端连接于第一端面211对应于第二端部216的端部，第四端面214在第一方向上的另一端连接于第二端面212对应于第二端部216的端部，即，第三端面213和第四端面214为电极组件21在第二方向上的相对的两个端面。
在上述方案中，在第二方向上，第三端面213和第四端面214位于第一端面211和第二端面212的相对两端，第二限位件23和第一限位件22也位于第一端面211和第二端面212的相对两端，也就是说，第三端面213所在的一端由第一限位件22将电极组件21连接固定，第四端面214所在的一端由第二限位件23将电极组件21连接固定，第一限位件22和第二限位件23共同作用于电极组件21，将电极组件21连接固定为一体，限制电极组件21的内部结构之间的相对位置，提高连接固定效果。
与第一限位件22的工作原理相同，通过在第六限位部233上设置第二强度减弱区234，降低了第六限位部233整体的抗拉强度，第六限位部233与第四端面214在第二方向相对，则第二强度减弱区234也位于电极组件21的厚度方向上，当电极组件21受热或者因热失控发生膨胀时，第一方向上第一端面211和第二端面212相对位置发生关系，待电极组件21在第一方向上的膨胀系数超过预设值时，第一端面211和第二端面212的相对距离增大并拉伸第六限位部233，使第六限位部233由第二强度减弱区234的部分撕裂或断裂，第二限位件23对第一端面211和第二端面212的作用力减小或降为零，进而第二限位件23在第一方向上对电极组件21的束缚作用失效，使电极组件21的隔膜、极片均能在第一方向上自适应膨胀，进而保护隔膜和极片，降低隔膜和极片的撕裂概率以及电极组件21整体失效的概率，从而提高了电池100的可靠性和安全性能。
第二限位件23的数量可以为一个，也可以为多个。
根据本申请的一些实施例，第一限位部221与第四限位部231连接，第二限位部222与第五限位部232连接，第一限位件22和第二限位件23为一体成型件。
第一限位件22和第二限位件23为一体成型件，可以是指第一限位件22和第二限位件23一体成型后，由于第一限位部221与第四限位部231连接，且第二限位部222与第五限位部232连接，所以直接形成一个封闭的绕圈结构，也可以是指第一限位部221与第四限位部231为一体结构，第一限位件22和第二限位件23均为具有粘性的柔性结构(比如上述的包括基材层和粘接层的层叠结构)，此时第一限位件22和第二限位件23一体成型后形成类似胶纸的结构，而后通过在电极组件21的周向和厚度方向上绕设粘接、固定电极组件21，且绕设方式为整圈绕设，比如第二限位部222先粘接于第二端面212，第五限位部232最后粘接于第二端面212，且第五限位部232需要延伸至第二限位部222处、并与第二限位部222粘接，以完成整圈绕胶。
在上述方案中，即第一限位件22和第二限位件23整体绕设于电极组件21上，并在位于厚度方向上的第三限位部223和第六限位部233上分别设置第一强度减弱区224和第二强度减弱区234，使第一强度减弱区224和第二强度减弱区234随着电极组件21在第一方向上发生的膨胀而被拉伸，第三限位部223和第六限位部233能在电极组件21沿第一方向上的膨胀系数超出预设值时撕裂，进而电极组件21在第一方向即厚度方向上不再受束缚，可以自由膨胀，能有效保护电极组件21的结构、提高电池单体20的可靠性和安全性能。
另外，需要说明的是，如图3所示，除了在电极组件21第二方向的两端设置第一限位件22和第二限位件23外，还可以根据需要在电极组件21沿第三方向的至少一端设置第三限位件24，第三限位件24上也设置第三强度减弱区241，以在电极组件21膨胀系数超出预设范围后撕裂、断裂，第三限位件24的结构和原理可以参考第一限位件22和第二限位件23，此处不做赘 述。
根据本申请的一些实施例，第二方向为电极组件21的长度方向或宽度方向。
在上述方案中，第二方向为电极组件21的长度方向或宽度方向，则第三端面213位于电极组件21的长度方向的一端，或者位于电极组件21的宽度方向的一端，也就是说，第三限位部223设置于电极组件21长度方向的一侧或者宽度方向的一侧，第一限位件22能较稳定地连接固定电极组件21，也能更精准地感知到电极组件21在第一方向即厚度方向上的尺寸变化，有利于提高第三限位部223及时撕裂、断裂的准确性和可靠性。
根据本申请的一些实施例，电极组件21为卷绕式电极组件21或叠片式电极组件21。
在上述方案中，当电极组件21为卷绕式电极组件21时，电极组件21卷绕后形成多层结构，第一方向为多层结构的层叠方向，也即由卷绕中心轴向外的方向。当电极组件21为叠片式电极组件21时，第一方向则为极片与隔离膜交替堆叠的堆叠方向，叠片工艺的原理决定了电芯的极片和隔膜不会在制造过程中发生弯曲，能够充分展开堆叠在一起，不仅能减少电芯内阻、提升电芯功率，还能提高电池100能量密度。
不管是卷绕式电极组件21还是叠片式电极组件21，电极组件21的整体形状和结构都是较为规则的，便于设置第一限位件22，以顺利连接第一限位部221和第一端面211、连接第二限位部222和第二端面212。
根据本申请的一些实施例，电池单体20还包括外壳，外壳设置有容纳腔，电极组件21和第一限位件22均设于容纳腔内。
在上述方案中，外壳为连接有第一限位件22的电极组件21提供容纳腔，同时容纳腔还用于容纳电解液以及其他部件，通过第一限位件22连接固定后的电极组件21整体入壳方便。另外，外壳具有一定硬度和强度，外壳在受挤压碰撞时就不易发生形变，使电池单体20能够具备更高的结构强度，安全性能也可以有所提高。
根据本申请的一些实施例，本申请还提供了一种电池100，其包括如上的电池单体20。
根据本申请的一些实施例，本申请还提供了一种用电装置，其包括如上的电池单体20和/或电池100，电池单体20和/或电池100用于提供电能。
根据本申请的一些实施例，参见图3至图9，本申请提供了一种电池单体20，包括电极组件21、第一限位件22、第二限位件23和第三限位件24，电极组件21为整体大致结构呈方形的叠片式电极组件21，第一限位件22和第二限位件23分别设于电极组件21在第二方向上的两端，第一限位件22连接第一端面211、第三端面213和第二端面212，第二限位件23连接第一端面211、第四端面214和第二端面212，第一限位件22包括一体成型的第一限位部221、第二限位部222和第三限位部223，沿第一方向，第一限位部221包括叠置的第一粘接层2212和第一基材层2211，第一粘接层2212的两侧分别与第一端面211和第一基材层2211连接；沿第一方向，第二限位部222包括叠置的第二粘接层2222和第二基材层2221，第二粘接层2222的两侧分别与第二端面212和第二基材层2221连接。沿第二方向，第三限位部223包括叠置的第三基材层2231和第三粘接层2232，第三粘接层2232的两侧分别与第三端面213和第三基材层2231连接，也就是说第一基材层2211、第二基材层2221和第三基材层2231一体成型，第一粘接层2212、第二粘接层2222和第三粘接层2232一体成型。即第一限位件22整体形成类似胶纸的结构。
第一基材层2211、第二基材层2221和第三基材层2231为PET基材，第三限位部223与第三端面213相对，第三限位部223上设有多个沿第三方向间隔设置的刻痕槽25，刻痕槽25在第二方向上的投影均落在第三端面213上，刻痕槽25位于厚度方向上，刻痕槽25至少开设在第三基材层2231，降低PET基材的拉伸强度，进而降低第一限位部221在第一方向上的拉伸强度。刻痕槽25可为圆形，方形，菱形，椭圆形等形状。
如图5和图9所示，两个第一限位件22的第三限位部223上均设有5个刻痕槽25，5个刻痕槽25的尺寸均相同、在第三方向(即单个刻痕槽25的长度方向)上设置为一排，单个刻痕槽25在第三方向上的尺寸为L，5个刻痕槽25在第三限位部223对应的尺寸之和D1则数值上等于5 个L之和。
第三限位件24设于电极组件21沿第三方向的至少一端，第三限位件24在结构和原理上与第一限位件22和第二限位件23相同，此处不做赘述。
根据安全性能的需求，可以确定需要使第一限位件22由第一强度减弱区224断裂时的电极组件21在第一方向上的体积膨胀比例或者厚度膨胀比例，进而来确定第一强度减弱区224的抗拉强度，根据抗拉强度来对应选择刻痕槽25的数量、刻痕槽25在第三方向上的长度尺寸L、刻痕槽25在第一方向上的宽度尺寸W、相邻两个刻痕槽25在第三方向上的间距等。
当电极组件21在第一方向上的尺寸膨胀到一定比例后，第三限位部223被拉伸到一定程度，达到第一强度减弱区224、第二强度减弱区234和第三强度减弱区241的抗拉强度的极限，第一限位件22、第二限位件23和第三限位件24由刻痕槽25的位置断裂，失去对电极组件21的束缚作用，电极组件21的正极极片、负极极片和隔膜均可自由膨胀，提高了电池100使用过程中的可靠性。
虽然已经参考优选实施例对本申请进行了描述，但在不脱离本申请的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本申请并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (21)

  1. 一种电池单体，包括：
    电极组件，包括第一端面、第二端面和第三端面，沿第一方向，所述第一端面和所述第二端面相对设置，所述第三端面连接在所述第一端面和所述第二端面在第二方向上的同侧一端，所述第一方向为所述电极组件的厚度方向，所述第二方向与所述电极组件的厚度方向垂直；
    第一限位件，包括第一限位部、第二限位部和第三限位部，所述第一限位部与所述第一端面连接，所述第二限位部与所述第二端面连接，所述第三限位部连接所述第一限位部和所述第二限位部，所述第三限位部与所述第三端面在所述第二方向上相对设置；
    其中，所述第三限位部上设置有第一强度减弱区，以使所述第三限位部在所述电极组件沿所述第一方向上的膨胀系数超出预设值时撕裂。
  2. 根据权利要求1所述的电池单体，其中，所述第一强度减弱区包括刻痕槽，沿所述第二方向，所述刻痕槽的投影落入到所述第三端面的投影内。
  3. 根据权利要求2所述的电池单体，其中，所述刻痕槽的长度方向与所述第一方向具有夹角。
  4. 根据权利要求3所述的电池单体，其中，沿所述刻痕槽的长度方向，所述刻痕槽贯通所述第三限位部的两端。
  5. 根据权利要求2-4中任一项所述的电池单体，其中，所述刻痕槽为多个，且多个所述刻痕槽沿第三方向间隔设置，所述第三方向与所述第二方向具有夹角。
  6. 根据权利要求5所述的电池单体，其中，所述第三方向为所述刻痕槽的长度方向，所述刻痕槽在所述第三方向上的尺寸为L，满足：0.01mm≤L≤10mm。
  7. 根据权利要求6所述的电池单体，其中，0.05mm≤L≤2mm。
  8. 根据权利要求5-7中任一项所述的电池单体，其中，多个所述刻痕槽在所述第三方向上的尺寸之和为D1，所述第三限位部在所述第三方向上的尺寸为D2，满足：0.3≤D1/D2≤0.9。
  9. 根据权利要求5-7中任一项所述的电池单体，其中，所述刻痕槽在第四方向上的尺寸为W，满足：0.01mm≤W≤8mm，所述第四方向为所述刻痕槽的宽度方向、且与所述第三方向具有夹角。
  10. 根据权利要求9所述的电池单体，其中，0.02mm≤W≤2mm。
  11. 根据权利要求1-10中任一项所述的电池单体，其中，所述第一强度减弱区包括多个刻痕槽组，每个所述刻痕槽组包括多个沿第三方向间隔设置的刻痕槽，所述第三方向与所述第二方向具有夹角，多个所述刻痕槽组在第四方向上间隔开，所述第四方向与所述第三方向垂直。
  12. 根据权利要求2-11中任一项所述的电池单体，其中，沿所述第一方向，所述第一限位部包括叠置的第一粘接层和第一基材层，所述第一粘接层的两侧分别与所述第一端面和所述第一基材层连接；
    沿所述第一方向，所述第二限位部包括叠置的第二粘接层和第二基材层，所述第二粘接层的两侧分别与所述第二端面和所述第二基材层连接。
  13. 根据权利要求12所述的电池单体，其中，沿所述第二方向，所述第三限位部包括叠置的第三基材层和第三粘接层，所述第三粘接层的两侧分别与所述第三端面和所述第三基材层连接，所述刻痕槽的至少部分设置于所述第三基材层；
    所述第三基材层连接所述第一基材层和所述第二基材层，所述第三粘接层连接所述第一粘接层和所述第二粘接层。
  14. 根据权利要求13所述的电池单体，其中，所述第三基材层的厚度为h，满足：5μm≤h≤50μm。
  15. 根据权利要求1-14中任一项所述的电池单体，其中，所述电极组件还包括第四端面，所述第四端面连接在所述第一端面和所述第二端面在所述第二方向上的同侧另一端；
    所述电池单体还包括第二限位件，所述第二限位件包括第四限位部、第五限位部和第六限位部，所述第四限位部与所述第一端面连接，所述第五限位部与所述第二端面连接，所述第六限位部连接所述第四限位部和所述第五限位部，所述第六限位部与所述第四端面在所述第二方向上相对设置；
    其中，所述第六限位部上设置有第二强度减弱区，以使所述第三限位部在所述电极组件沿所述第一方向上的膨胀系数超出预设值时撕裂。
  16. 根据权利要求15所述的电池单体，其中，所述第一限位部与所述第四限位部连接，所述第二限位部与所述第五限位部连接，所述第一限位件和所述第二限位件为一体成型件。
  17. 根据权利要求1-16中任一项所述的电池单体，其中，所述第二方向为所述电极组件的长度方向或宽度方向。
  18. 根据权利要求1-16中任一项所述的电池单体，其中，所述电极组件为卷绕式电极组件或叠片式电极组件。
  19. 根据权利要求1-16中任一项所述的电池单体，其中，所述电池单体还包括外壳，所述外壳设置有容纳腔，所述电极组件和所述第一限位件均设于所述容纳腔内。
  20. 一种电池，包括如权利要求1-19中任一项所述的电池单体。
  21. 一种用电装置，包括如权利要求1-19中任一项所述的电池单体和/或如权利要求20所述的电池，所述的电池单体和/或所述电池用于提供电能。
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