CN113193163A

CN113193163A - 电芯及用电装置

Info

Publication number: CN113193163A
Application number: CN202110470292.5A
Authority: CN
Inventors: 戴志芳; 张森; 龙海
Original assignee: Ningde Amperex Technology Ltd
Current assignee: Ningde Amperex Technology Ltd
Priority date: 2021-04-28
Filing date: 2021-04-28
Publication date: 2021-07-30
Anticipated expiration: 2041-04-28
Also published as: WO2022227729A1; CN113193163B

Abstract

本申请提供一种电芯及用电装置，所述电芯由第一极片、隔膜和第二极片卷绕而成，所述第一极片包括第一集流体、设置于所述第一集流体表面上的第一活性物质层、第一极耳；所述第一活性物质层设置有第一凹槽，所述第一极耳设置于所述第一凹槽内，且与所述第一集流体电连接；所述第二极片包括第二集流体、设置于第二集流体表面上的第二活性物质层、第二极耳；所述第二极耳与所述第二集流体一体成型。本申请提供的电芯满足大倍率温升的需求，有利于能量密度的提升。

Description

电芯及用电装置

技术领域

本申请涉及电池技术领域，尤其涉及一种电芯及用电装置。

背景技术

集流体上涂覆了活性物质层后，在活性物质层上挖槽露出空白集流体，将极耳焊接在空白集流体上，这种极耳通常被称为内嵌式极耳。内嵌式极耳可以避免在极片上预留焊接极耳的空箔区，提升了电芯的能量密度。通常在阳极极片上设置内嵌式单极耳结构，但内嵌式单极耳结构造成电流通道拥挤，电芯内阻过大，充电温升高，无法满足5C及5C以上的倍率充电温升需求。

集流体上涂覆活性物质层后，将极片边缘的空白集流体模切出极耳(即极耳与集流体一体成型)，这种极耳通常被称为外置极耳，外置极耳结构可以显著降低内阻，满足大倍率温升需求。现有技术中，通常在阴极极片的边缘空白集流体上设置绝缘涂层来防止模切极耳时产生毛刺，同时在阴极极耳的尾部也会设置绝缘涂层，防止阴极极耳与阳极极片接触而产生短路，但绝缘层的存在导致了在对阴极极耳进行折弯时，需要在电芯头部留更大空间，造成电芯的能量密度损失。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种电芯及用电装置以解决现有技术的电芯及用电装置不能同时满足大倍率升温需求以及保证高能量密度的问题。

本申请一实施方式的技术方案是：一种电芯，包括第一极片、第二极片和隔膜，所述隔膜设置在所述第一极片和所述第二极片之间，所述电芯由所述第一极片、所述隔膜和所述第二极片卷绕而成，所述第一极片包括第一集流体、设置于所述第一集流体表面上的第一活性物质层、第一极耳；所述第一活性物质层设置有第一凹槽，所述第一极耳设置于所述第一凹槽内，且与所述第一集流体电连接；所述第二极片包括第二集流体、设置于第二集流体表面上的第二活性物质层、第二极耳；所述第二极耳与所述第二集流体一体成型。

第一极片采用内嵌式极耳结构，第二极片采用外置极耳结构。内嵌式极耳可以避免在极片上预留焊接极耳的空箔区，外置极耳不占用极片上活性物质层的空间，内嵌式极耳和外置极耳均可提升电芯的能量密度。

一些实施方式中，所述第一极耳的数量为1至10个。在一些实施方式中，所述第一极耳选择为1个、2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个或10个。多个第一极耳可以增加第一极片的电流通道，电芯内阻降低，充电温升低，满足大倍率温升的需求。一些实施方式中，当所述第一极耳的数量大于1时，沿所述电芯的厚度方向，所述第一极耳的投影重叠。如此，将重叠的第一极耳弯折并与转接片焊接，转接片伸出包装袋。

在一些实施方式中，当所述第一极耳的数量大于1时，沿所述电芯的厚度方向，部分的所述第一极耳的投影相互重叠，其他的所述第一极耳的投影互不重叠。因为内嵌式极耳是通过在极片上挖槽实现，内嵌式极耳所在的极片区域的厚度通常小于极片的正常厚度，沿着电芯的厚度方向，如果重叠的内嵌式极耳超过一定的数量，则该重叠区域的电芯厚度将过薄，电芯界面不良，有析锂风险。

在一些实施方式中，所述第一极耳设置在电芯卷绕面的同一侧。如此，在用铝塑膜封装电芯时，所述第一极耳不用过度弯折便可伸出包装袋。

一种实施方式中，所述第一极耳的数量为1个，沿所述第一极片的长度方向，所述第一极耳到所述第一极片的一端的距离为所述第一极片的长度的三分之一至三分之二。

一种实施方式中，所述第一极耳的数量为1个，沿所述第一极片的长度方向，所述第一极耳到所述第一极片的一端的距离为所述第一极片的长度的二分之一。

一种实施方式中，所述第一极耳的数量为2个，沿所述第一极片的长度方向，所述第一极耳到所述第一极片的一端的距离为所述第一极片的长度的四分之一至四分之三。

一种实施方式中，所述第一极耳的数量为2个，沿所述第一极片的长度方向，所述第一极耳分别到所述第一极片的一端的距离为所述第一极片的长度的三分之一和三分之二。

即所述第一极耳设置在第一极片相对中间的位置，这样可以克服当极片膨胀时凹槽设置在极片端部时带来的凹槽周围区域粘结不牢、厚度变化大和膜片易脱落等缺陷，同时第一极片被第一极耳分成了并联的若干部分，通过极片每部分的电流减小，降低了电池的发热量。

一种实施方式中，所述第一极片为阴极极片。由于第一极耳为内嵌式极耳，阴极极片的极片边缘不需要设置绝缘层，第一极片的活性物质层可以设置更宽，即第一极片的宽度相比设置有绝缘层的极片的宽度更宽，A/C overhang(通常情况下，阳极极片的宽度大于阴极极片的宽度，A/C overhang为阳极极片宽度与阴极极片宽度的差值)减小，有利于电芯能量密度的提升。

一些实施方式中，所述第二极耳的数量为至少1个。一些实施方式中，所述第二极耳的数量还可以为1个至N个，如1个、2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个等，N为所述第二极片沿所述电芯厚度方向的层数。一种实施方式中，沿所述电芯的厚度方向，每一层所述第二极片上设置有1个所述第二极耳。多个第二极耳可以增加第二极片的电流通道，电芯内阻降低，充电温升低，满足大倍率温升的需求。

在一些实施方式中，所述第二极耳设置在电芯卷绕面的同一侧。如此，在用铝塑膜封装电芯时，所述第二极耳不用过度弯折便可伸出包装袋。

一种实施方式中，当所述第二极耳的数量大于1时，沿所述电芯的厚度方向，所述第二极耳的投影重叠。如此，将重叠的第二极耳弯折并与转接极耳焊接，转接极耳伸出包装袋。

一种实施方式中，所述第二极片为阳极极片，所述阳极极片的边缘未设置绝缘层，同时，阳极极片上有多个电流通道，电芯内阻降低，充电温升低，满足大倍率温升的需求。

本申请还提供一种用电装置，所述用电装置包括如上任一项所述的电芯。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

图1为本申请一实施方式提供的电芯的卷绕结构示意图。

图2为本申请一实施方式提供的第一极片的结构示意图。

图3为本申请一实施方式提供的第一极片的结构示意图。

图4为本申请一实施方式提供的第一极片的结构示意图。

图5为本申请一实施方式提供的第二极片的结构示意图。

图6为本申请一实施方式提供的电芯的卷绕结构示意图。

图7为本申请实施例1提供的电芯的卷绕结构示意图

图8为本申请实施例2提供的电芯的卷绕结构示意图。

图9为对比例1提供的电芯的卷绕结构示意图。

图10为对比例2提供的电芯的卷绕结构示意图。

主要元件符号说明：

电芯 100

第一极片 10

第二极片 30

隔膜 50

第一集流体 101

第一活性物质层 102

第一极耳 103

第一凹槽 104

第二集流体 301

第二活性物质层 302

第二极耳 303

绝缘层 500

第一方向 X

第二方向 Y

第三方向 Z

卷绕面 α

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本申请实施例。

具体实施方式

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请实施例的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请实施例。

空间相关术语，比如“上”等可在本文用于方便描述，以描述如图中阐释的一个要素或特征与另一要素(多个要素)或特征(多个特征)的关系。应理解，除了图中描述的方向之外，空间相关术语旨在包括设备或装置在使用或操作中的不同方向。例如，如果将图中的设备翻转，则描述为在其他要素或特征“上方”或“上”的要素将定向在其他要素或特征的“下方”或“下面”。因此，示例性术语“上”可包括上面和下面的方向。

应理解，尽管术语第一、第二、第三等可在本文用于描述各种要素、组分、区域、层和/或部分，但是这些要素、组分、区域、层和/或部分不应受这些术语的限制。这些术语用于区分一个要素、组分、区域、层或部分与另一要素、组分、区域、层或部分。因此，下面讨论的第一要素、组分、区域、层或部分可称为第二要素、组分、区域、层或部分，而不背离示例性实施方式的教导。

请参阅图1，本申请提供一种电芯100，包括第一极片10、第二极片30和隔膜，所述隔膜设置在所述第一极片10和所述第二极片30之间，所述电芯100由所述第一极片10、所述隔膜和所述第二极片30卷绕而成。如图1所示，定义所述电芯100的宽度方向为第一方向X，所述电芯100的厚度方向为第二方向Y。如图2-5所示，定义所述电芯100的长度方向(即第一极片10或第二极片30的宽度方向)为第三方向Z。

请参阅图2，所述第一极片10包括第一集流体101、设置于所述第一集流体101表面上的第一活性物质层102、第一极耳103。所述第一活性物质层102设置有第一凹槽104，所述第一极耳103设置于所述第一凹槽104内，且与所述第一集流体101电连接，即所述第一极耳103为内嵌极耳。

一些实施方式中，所述第一极耳103的数量为1至10个。一些实施方式中，如图3所示，所述第一极耳103的数量为1个，沿所述第一极片10的长度方向(即第一方向X)，所述第一极耳103到所述第一极片10的一端的距离为所述第一极片10的长度的三分之一至三分之二。在一个具体实施方式中，上述距离选择二分之一，即第一极耳103大致位于第一极片10第一方向X上的中间位置。

一些实施方式中，所述第一极耳103的数量为2个，沿所述第一极片10的长度方向，所述第一极耳103到所述第一极片10的一端的距离为所述第一极片10的长度的四分之一至四分之三。请参阅图4，作为一种具体实施方式，所述第一极耳的个数为2个，沿第一方向X，所述第一极耳103分别到所述第一极片10的一端的距离为所述第一极片10的长度的三分之一和三分之二，即2个第一极耳103大致均匀排布在第一极片10的第一方向X上。如此，所述的第一极片10被所述的第一极耳103分成了并联的三部分，通过第一极片10每部分的电流减小，降低了电池的发热量。

本申请中，所述第一极片10的长度指的是在第一方向X上第一活性物质层102的长度，即不包括空箔区(不涂覆第一活性物质层102的第一集流体101)的长度；所述第一极片10的一端为所述第一活性物质层102的起始端或末端。

请参阅图5，所述第二极片30包括第二集流体301、设置于第二集流体301表面上的第二活性物质层302、第二极耳303，所述第二极耳303与所述第二集流体301一体成型，即所述第二极耳303为外置极耳。

一些实施方式中，如图6所示，沿所述电芯100的厚度方向(即第二方向Y)，3个所述第一极耳103的投影互相重叠，2个所述第一极耳103的投影互不重叠。第一极耳103为内嵌式极耳，重叠的内嵌式极耳超过一定的数量，则该重叠区域的电芯厚度将过薄，容易引起电芯界面不良，有析锂风险。此外，请参阅图8，所述第一极耳103设置在电芯100卷绕面的同一侧，如此，所述第一极耳103不用过度弯折即可伸出壳体(图未示)，有利于壳体的封装。在本申请中，电芯100的卷绕面α指的最内圈隔膜所在的平面。一些实施方式中，所述第二极耳303的数量为至少1个。一些实施方式中，所述第二极耳303的数量还可以为1个至N个，N为所述第二极片沿所述电芯厚度方向的层数。如图1所示，电芯100有所述第二极耳7个，沿第二方向Y，所述第二极片30共7层(即N＝7)，每一层所述第二极片30上设置有1个所述第二极耳303。如此，每一层极片在充放电时的倍率温升接近，有利于充分发挥每一层极片的性能。本申请中，第二极片30每卷绕一周，沿电芯100的厚度方向，则具有两层第二极片30。

一种实施方式中，如图6所示，所述第二极耳303设置在电芯100卷绕面α的同一侧。并且，所述第二极耳303和所述第一极耳103均设置在电芯100卷绕面α的同一侧，如此，在用铝塑膜封装电芯100时，所述第二极耳303和第一极耳103均不用过度弯折便可伸出壳体(图未示)，有利于壳体的封装。

在一些实施方式中，如图1和图6所示，当所述第二极耳303的数量大于1时，沿第二方向Y，所述第二极耳303的投影重叠。如此，将重叠的第二极耳303弯折并与转接片焊接，转接片伸出壳体。

在一具体实施方式中，所述第一极片10为阴极极片，所述第二极片30为阳极极片；进一步地，所述第一极片10设置单个所述第一极耳103，所述第二极片设置单个所述第二极耳303。所述阴极极片的边缘未设置绝缘层，相比现有技术的设置有绝缘层的阴极极片，本申请的阴极极片具有更宽的活性物质层，可以提高电芯的能量密度。

在一具体实施方式中，所述第一极片10为阴极极片，所述第二极片30为阳极极片；进一步地，所述第一极片10设置单个所述第一极耳103，所述第二极片设置多个所述第二极耳303。所述阳极极片设置多个第二极耳，具有多个电流通道，满足大倍率充电温升需求。

在一具体实施方式中，所述第一极片10为阴极极片，所述第二极片30为阳极极片；进一步地，所述第一极片10设置多个所述第一极耳103，所述第二极片设置单个所述第二极耳303。所述阴极极片具有多个电流通道，在可以提高电芯能量密度的同时，也可以满足大倍率充电温升的需求。

在一具体实施方式中，所述第一极片10为阴极极片，所述第二极片30为阳极极片；进一步地，所述第一极片10设置多个所述第一极耳103，所述第二极片设置多个所述第二极耳303。即，阴极极片和阳极极片均具有多个电流通道，满足大倍率充电温升需求。

现有技术中，通常在阴极极片的边缘空白集流体上设置绝缘涂层来防止模切极耳时产生毛刺，同时在阴极极耳的尾部也会设置绝缘涂层，防止阴极极耳与阳极极片接触而产生短路，但绝缘层的存在导致了在对阴极极耳进行折弯时，需要在电芯头部留更大空间，造成电芯的能量密度损失。本申请中，阴极极片采用内嵌式极耳，极片边缘以及极耳尾部未设置绝缘层，因此，阴极极片上设置的极耳可以弯折，对电芯头部的空间要求相比现有技术较低，PA Gap(壳体与阳极极片之间的距离)可以减小，增加了电芯的能量密度。同时，阴极极片上的活性物质层可以设置更宽，即阴极极片的宽度相比设置有绝缘层的阴极极片的宽度更宽，A/C overhang(通常情况下，阳极极片的宽度大于阴极极片的宽度，A/Coverhang为阳极极片宽度与阴极极片宽度的差值)减小，有利于电芯能量密度的提升。

以下将结合具体实施例对本申请作进一步说明。

实施例1

阴极极片(第一极片10)的制备：在第一集流体101(铝箔)相对的第一表面和第二表面分别涂覆主材料为钴酸锂的第一活性物质层102，单面涂覆的面密度(不含集流体)为0.167g/1500mm²，其中第一表面的涂覆长度为842mm，第二表面的涂覆长度为745mm。在第一活性物质层102上开设第一凹槽104，将第一极耳103(即阴极极耳)设置于第一凹槽104中并与第一集流体101电连接，并在在第一极耳103的两侧分别贴绝缘胶纸覆盖第一凹槽104。阴极极耳的数量为1个，大致位于阴极极片长度(不包括空箔区的长度)上的中间位置。

阳极极片(第二极片30)的制备：在第二集流体301(铜箔)相对的第三表面和第四表面分别涂覆主材料为石墨的第二活性物质层302，单面涂覆的面密度(不含集流体)为0.09g/1500mm²，其中第三表面的涂覆长度为844mm，第四表面的涂覆长度为791mm。通过激光模切在第二集流体301上按照一定间隔设置10个第二极耳(即阳极极耳)，沿电芯100的厚度方向，第二极耳的投影互相重叠。

将上述制备的阴极极片、隔膜和阳极极片卷绕后得到电芯100，如图7所示。

实施例2

与实施例1的区别在于：如图8所示，第一极耳103的数量为2个，设置于阴极极片长度(不包括空箔区的长度)上的三分之一及三分之二处。

对比例1

与实施例1的区别在于：如图9所示，第二极耳303的个数为1个，第二极耳303设置的方式与第一极耳103设置的方式类似，即在第二活性物质层302上开设第二凹槽，将第二极耳303(即阳极极耳)设置于第二凹槽中并与第二集流体301电连接，并在在第二极耳303的两侧分别贴绝缘胶纸覆盖第二凹槽。第二极耳的数量为1个，大致位于阳极极片长度(不包括空箔区的长度)上的中间位置。

对比例2

与实施例1的区别在于：如图10所示，第一极耳103为外置极耳，数量为10个，沿电芯100的厚度方向，第一极耳103的投影互相重叠。第一极耳103的设置方式与第二极耳303设置的方式类似，即通过激光模切在第一集流体101上按照一定间隔设置10个第一极耳103(即阴极极耳)。该对比例中，位于第一极耳103同侧的第一极片10(即阴极极片)边缘设置有绝缘层，第一极耳103的尾部(与第一集流体101连接的部分)也设置有绝缘层。

对电芯100的容量按照如下公式计算：

容量＝(阴极极片的宽度×(第一表面涂覆长度+第二表面涂覆长度)-贴胶面积)×阴极极片的面密度×阴极克容量(即170mAh/g)，其中，贴胶面积＝内嵌极耳个数×20mm×28mm×2。

对电芯100按如下过程进行温升测试：

环境温度25℃，6C恒流充电至4.2V，转5C恒流充电至4.32V，转3C恒流充电至4.5V，4.5V恒压充电至0.1C，测试记录充电过程中电芯100的主体温度，温升＝充电过程主体温度的最高温度-环境温度。

上述各实施例和对比例的参数设置及测试结果见表1。

表1

由表1可知，相对于比较例1，阴极极片和阳极极片均设置内嵌式单极耳，实施例1和2的电芯，阳极极片设置有多个外置的阳极极耳，温升更小，并且容量并没有明显降低。相对于比较例2，阴极极片设置多个外置阴极极耳，实施例1和2的电芯，即使阴极极片采用单个内嵌式阴极极耳或两个内嵌式阴极极耳，并没有明显地提高温升，但同时却具有更大的容量，即能量密度更高。

Claims

1.一种电芯，包括第一极片、第二极片和隔膜，所述隔膜设置在所述第一极片和所述第二极片之间，所述电芯由所述第一极片、所述隔膜和所述第二极片卷绕而成，其特征在于，所述第一极片包括第一集流体、设置于所述第一集流体表面上的第一活性物质层、第一极耳；所述第一活性物质层设置有第一凹槽，所述第一极耳设置于所述第一凹槽内，且与所述第一集流体电连接；所述第二极片包括第二集流体、设置于第二集流体表面上的第二活性物质层、第二极耳；所述第二极耳与所述第二集流体一体成型。

2.如权利要求1所述的电芯，其特征在于，所述第一极片为阴极极片，所述第二极片为阳极极片。

3.如权利要求1所述的电芯，其特征在于，所述第一极耳为至少1个，和/或，所述第二极耳为至少1个。

4.如权利要求1所述的电芯，其特征在于，沿所述电芯的厚度方向，部分的所述第一极耳的投影相互重叠，和/或，全部的所述第二极耳的投影相互重叠。

5.如权利要求1所述的电芯，其特征在于，沿所述电芯的厚度方向，所述第一极耳和所述第二极耳位于电芯卷绕面的同一侧。

6.如权利要求1所述的电芯，其特征在于，沿所述电芯的厚度方向，每一层所述第二极片上设置有1个所述第二极耳。

7.如权利要求1所述的电芯，其特征在于，所述第一极耳的数量为1个，沿所述第一极片的长度方向，所述第一极耳到所述第一极片的一端的距离为所述第一极片的长度的三分之一至三分之二。

8.如权利要求1所述的电芯，其特征在于，所述第一极耳的数量为2个，沿所述第一极片的长度方向，所述第一极耳到所述第一极片的一端的距离为所述第一极片的长度的四分之一至四分之三。

9.如权利要求1所述的电芯，其特征在于，当所述第一极耳的数量为1个时，沿所述第一极片的长度方向，所述第一极耳到所述第一极片的一端的距离为所述第一极片的长度的二分之一；当所述第一极耳的数量为2个时，沿所述第一极片的长度方向，所述第一极耳分别到所述第一极片的一端的距离为所述第一极片的长度的三分之一和三分之二。

10.一种用电装置，其特征在于，所述用电装置包括如权利要求1-9任一项所述的电芯。