电池极片、电池及电动汽车和储能装置的制作方法

1.本发明涉及一种锂离子电池极片、电池及电动汽车和储能装置。


背景技术：

2.锂离子电池具有比能量大、自放电率低等优点，被广泛应用于便携式电子设备和电动汽车等领域。随着锂离子电池的大范围应用，其安全性问题也逐渐显露，大多数表现在电池的内部短路上，内部短路主要是电池内部正极片与负极片直接接触而发生短路。
3.为防止正负极片接触引发的短路，在锂电池的制作工艺中，通常会在正极片与负极片之间设置隔膜，但隔膜在锂电池充放电过程中会发生热收缩，导致正极片与负极片接触，存在较大的安全隐患。通常采用的办法是在活性物质边缘处设置绝缘层阻止隔膜收缩时正负极片直接接触，但现有技术中的绝缘层具有一定的重量、占用极片体积且不传导离子，降低了电池整体的比容量。如何使绝缘层既达到防止正负极接触短路的效果，又尽可能小地降低电池的比容量，是本领域技术人员需要解决的问题。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种电池极片，所述电池极片包括集流体、以及设置在集流体上的活性物质层和绝缘层，所述集流体上未设置活性物质层和绝缘层的区域为空箔区，所述空箔区位于所述集流体远离活性物质层的一侧，后续可作为电连接部。所述活性物质层设置于集流体的至少一个表面上，所述活性物质层与所述绝缘层相邻，并且部分所述活性物质层可以被部分所述绝缘层覆盖，所述绝缘层位于所述活性物质层与所述空箔区之间，所述绝缘层包括具有传导锂离子功能的固态绝缘颗粒，所述绝缘层在保障电池安全性的同时降低了对电池比容量的影响。
5.在某些实施方式中，所述固态绝缘颗粒包括锂钛氧化合物、锂镧钛氧化合物、锂镧锆氧化合物、磷酸钛铝锂、氯化铝锂、氯化锆锂、锂磷氧氮化合物、li2s-p2s5、锂锗磷硫化合物和锂锡磷硫化合物中的一种或多种。
6.在某些实施方式中，所述固态绝缘颗粒的离子导电系数范围大于等于10-4
s/cm，或者为10-2-10-4
s/cm，或者为10-3-10-4
s/cm。
7.在某些实施方式中，所述绝缘层还包括粘结剂，所述固态绝缘颗粒与所述粘结剂的重量比为(60％-90％)：(10％-40％)。所述粘结剂包括聚偏氟乙烯、聚酰胺、聚丙烯腈、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸、羧甲基纤维素钠、聚乙烯呲咯烷酮、聚乙烯醚、聚甲基丙烯酸甲酯和聚四氟乙烯中的一种或多种。
8.在某些实施方式中，所述活性物质层包括第一区域和第二区域，所述第一区域设置于远离所述绝缘层一侧，所述第二区域设置于靠近所述绝缘层的一侧，所述第二区域与所述绝缘层邻接并被部分所述绝缘层覆盖。绝缘层包括具有传导锂离子功能的固态绝缘颗粒，活性物质层第二区域的中的锂离子可通过绝缘层进入电解液，充分发挥了活性物质层的容量，所述绝缘层在保障电池安全性的同时降低了绝缘层对电池比容量的影响。
9.在某些实施方式中，所述第二区域在所述集流体厚度方向和宽度方向构成平面的投影可以是矩形、三角形或者梯形。
10.在某些实施方式中，所述活性物质层第一区域的厚度为h1，所述活性物质层第二区域的最小厚度为h2，所述第一区域的厚度h1和所述第二区域的最小厚度h2满足如下关系：0≤h2/h1≤1，或者0.2≤h2/h1≤0.8，或者0.3≤h2/h1≤0.6。在某些实施方式中，所述活性物质层第一区域厚度h1的范围是30-120μm，40-100μm，或者60-80μm，所述活性物质层第二区域最小厚度h2的范围是0-120μm，40-80μm，或者40-60μm。
11.在某些实施方式中，所述第二区域与所述集流体直接接触的宽度为w2，所述绝缘层与所述集流体直接接触的宽度为w3，所述w2与所述w3的关系为：w2/w3≤0.5。在某些实施方式中，所述w2的范围是0.5-1mm，所述w3的范围是0.5-5mm，或者1-3mm，或者1-2mm。
12.在某些实施方式中，所述绝缘层的厚度为h3，所述第一区域的厚度为h1，所述第二区域的最小厚度为h2，h2≤h3且(h3-h1)≤15μm。
13.在某些实施方式中，所述绝缘层还包括延展区域，所述绝缘层的厚度为h3，所述第一区域的厚度为h1，h1＜h3，所述绝缘层中h3大于h1的部位为所述延展区域。在某些实施方式中，部分所述延展区域覆盖部分所述第一区域。
14.所述绝缘层上表面的宽度为w31，所述绝缘层与所述集流体直接接触的宽度为w3，所述第一区域与所述集流体直接接触的宽度为w1，所述第二区域与所述集流体直接接触的宽度为w2，0≤(w31-w3)≤2％(w1+w2)。
15.在某些实施方式中，所述第二区域与绝缘层之间具有接触面，所述接触面与集流体厚度方向具有的角度为β，所述0
°
＜β＜90
°
，在某些实施方式中，所述80
°
＜β＜90
°
。
16.在某些实施方式中，所述活性物质层包含正极活性物质；所述正极活性物质包括钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、镍钴锰酸锂、磷酸铁锂、磷酸锰铁锂和镍钴铝酸锂中的一种或多种；在某些实施方式中，所述活性物质层还包括导电剂和/或粘结剂。所述导电剂包括炭黑、碳纤维、碳纳米管、石墨、石墨烯和金属粉末中一种或多种；所述粘结剂包括聚偏氟乙烯、聚酰胺、聚丙烯腈、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸、羧甲基纤维素钠、聚乙烯呲咯烷酮、聚乙烯醚、聚甲基丙烯酸甲酯和聚四氟乙烯中的一种或多种。
17.本发明提供的电池极片，通过在绝缘层中设置具有传导锂离子功能的固态绝缘颗粒，当绝缘层覆盖在活性材料层上时，被绝缘层覆盖的活性物质层中的锂离子可通过绝缘层进入电解液，充分发挥了活性物质层的容量；当绝缘层未覆盖在活性材料层上时，所述绝缘层也不会阻碍锂离子的传输路径，所述绝缘层在保障电池安全性的同时降低了绝缘层对电池比容量的影响。
18.本发明还提供一种电池，包括如前所述的电池极片。
19.本发明还提供一种电动汽车，包括如前所述的电池。
20.本发明还提供一种储能装置，包括如前所述的电池。
附图说明
21.图1是本发明实施例中电池极片的俯视图。
22.图2是本发明一种实施例中电池极片的侧视图。
23.图3是本发明另一种实施例中电池极片的侧视图。
24.图4是本发明另一种实施例中电池极片的侧视图。
25.图5是本发明另一种实施例中电池极片的侧视图。
26.其中，1-集流体，2-活性物质层，3-绝缘层，21-第一区域，22-第二区域，31-延展区域。
具体实施方式
27.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
28.本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
29.如图1-图5所示，电池极片包括集流体1、设置于所述集流体1上的活性物质层2和绝缘层3，所述集流体上未设置活性物质层2和绝缘层3的区域为空箔区，所述空箔区为集流体1本身，后续可作为电连接部。所述集流体1可以为铜箔、铝箔、复合集流体或者泡沫金属。所述活性物质层2和绝缘层3可以采用涂覆、热压等方式设置在集流体1的至少一个表面上，所述绝缘层3位于所述活性物质层2和空箔区之间，部分所述活性物质层2可以被部分所述绝缘层3覆盖，所述绝缘层3包括具有传导锂离子功能的固态绝缘颗粒，被绝缘层3覆盖的活性物质层2中的锂离子可通过绝缘层3进入电解液，充分发挥了活性物质层的容量，所述绝缘层3在保障电池安全性的同时降低了绝缘层3对电池比容量的影响。
30.所述固态绝缘颗粒包括锂钛氧化合物、锂镧钛氧化合物、锂镧锆氧化合物、磷酸钛铝锂、氯化铝锂、氯化锆锂、锂磷氧氮化合物、li2s-p2s5、锂锗磷硫化合物和锂锡磷硫化合物中的一种或多种。
31.所述固态绝缘颗粒的离子导电系数大于等于10-4
s/cm，所述固态绝缘颗粒的离子导电系数越大，固态绝缘颗粒传导锂离子的效果越好，在某些实施例中，固态绝缘颗粒的离子导电系数为10-2-10-4
s/cm，在另外一些实施例中，固态绝缘颗粒的离子导电系数为10-3-10-4
s/cm。
32.所述绝缘层3还包括粘结剂，所述固态绝缘颗粒与所述粘结剂的质量比为(60％-90％)：(10％-40％)。粘结剂包括聚偏氟乙烯、聚酰胺、聚丙烯腈、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸、羧甲基纤维素钠、聚乙烯呲咯烷酮、聚乙烯醚、聚甲基丙烯酸甲酯和聚四氟乙烯中的一种或多种。
33.根据设置在集流体1上活性物质层2厚度的不同，活性物质层2可以分为具有厚度h1的第一区域21和具有最小厚度h2的第二区域22，所述第一区域21设置于远离所述绝缘层3一侧，所述第二区域22设置于靠近所述绝缘层3的一侧。所述h2小于等于所述h1，即0≤h2≤h1，所述第二区域22其他位置的厚度也小于等于第一区域21的厚度h1。
34.第二区域22在所述集流体厚度方向和宽度方向构成平面的投影(即在长度方向的截面)可以是矩形(如图2、图3)、三角形(如图4)或者梯形(如图5)。
35.在某些实施例中，所述活性物质层2的第一区域21、第二区域22均包括正极活性物质、导电剂和/或粘结剂。所述正极活性物质包括钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、镍钴锰酸锂、磷酸铁锂、磷酸锰铁锂和镍钴铝酸锂中一种或多种；所述导电剂包括炭黑、碳纤维、碳纳米管、石墨、石墨烯和金属粉末中一种或多种；所述粘结剂包括聚偏氟乙烯、聚酰胺、聚丙烯腈、聚丙
h1)≤15μm。
42.以下实施例按照图5的方式进行涂覆。
43.实施例1：
44.将固态绝缘颗粒磷酸钛铝锂与聚偏氟乙烯以90：10比例混合在nmp溶剂中，制成导离子绝缘颗粒浆料。将镍钴锰酸锂、炭黑、聚偏氟乙烯按96：1：3的比例在nmp中混合成正极浆料，将浆料涂布在铝箔上形成如图5所示正极活性物质层2，将正极活性物质层边缘削薄形成的第二区域22；将制备好的导离子绝缘颗粒浆料涂布在紧贴活性材料层2的空白区域形成绝缘层3，绝缘层3向正极活性物质层2延展覆盖第二区域22。绝缘层3与集流体直接接触的宽度w3为2mm，第二区域22与集流体直接接触的宽度w2为1mm，涂层烘干后压延成主体厚度为120微米的正极片。
45.将石墨、炭黑、聚偏氟乙烯按93：2：5的比例在nmp中混合成负极浆料涂布在铜箔上。涂层烘干后压延成厚度135微米的负极片。将正极片、隔膜和负极片叠片封装在铝塑膜中制成软包电芯，将电解液按3.5g/ah的比例注入电芯，密封制成锂离子电池。
46.实施例2
47.与实施例1相同方式制作电池，不同的是第二区域22与集流体直接接触的宽度w2为0.5mm。
48.实施例3
49.与实施例1相同方式制作电池，不同的是固态绝缘颗粒为锂镧锆氧。
50.实施例4
51.与实施例3相同方式制作电池，不同的是第二区域22与集流体直接接触的宽度w2为0.5mm。
52.对比例1
53.与实施例1相同方式制作电池，不同的是步骤1中用固态绝缘颗粒氧化铝制备绝缘颗粒浆料。
54.性能测试
55.1.电池容量测试
56.在25℃下，将实施例1-4与对比例1制作的电池以1c电流充电至4.2v转恒压充电至电流小于0.05c；再将电池以1c电流放电至2.7，获得电池的初始容量。
57.2.电池自放电测试
58.在25℃下，将实施例1-4与对比例1制作的电池以1c电流充电至4.2v转恒压充电至电流小于0.05c，将电池静置48小时，测试电池开路电压。
59.3.电池高温安全试验
60.在25℃下，将实施例1-4与对比例1制作的电池各15只以1c电流充电至4.2v转恒压充电至电流小于0.05c。将电池置于150℃环境1小时，观察电池外观变化。
61.测试结果见表1。
62.表1
[0063][0064]
从表中结果看，实施例电池容量均高于对比例电池，说明固态电解质涂层离子传导作用使覆盖的活性物质能够发挥充放电性能，而氧化铝涂层没有锂离子传导作用所以覆盖的活性物质不能发挥性能，容量较低。各实施例电池和对比例电池充满电搁置后开路电压相差不大，说明向边缘削薄区延伸0.5mm时绝缘层宽度已经可以满足电池的绝缘性能，减少延伸宽度可以提高电池的容量。绝缘层的涂覆可以提高电池的安全性能。
[0065]
应用过程中，可根据安全性或者容量的需要进行绝缘层与活性物质层的宽度设计。情形一：设计绝缘层向已有的正极活性材料层延伸并覆盖在正极活性材料层上，增大绝缘层的上表面积，提升电池的绝缘能力；情形二：设计正极活性材料层向绝缘层延伸，减少绝缘层与集流体直接接触的宽度w3，增加正极活性物质层与集流体直接接触的宽度w2，增加电池的能量密度。
[0066]
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种电池极片，所述电池极片包括集流体、以及设置在集流体上的活性物质层和绝缘层，所述集流体上未设置活性物质层和绝缘层的区域为空箔区，所述活性物质层设置于所述集流体的至少一个表面上，所述绝缘层与所述活性物质层相邻设置，所述绝缘层位于所述活性物质层与所述空箔区之间，所述绝缘层包括具有传导锂离子功能的固态绝缘颗粒。2.如权利要求1所述的电池极片，其特征在于，所述绝缘层与所述活性物质层相邻设置并且部分所述活性物质层被部分所述绝缘层覆盖。3.如权利要求1或2所述的电池极片，其特征在于，所述固态绝缘颗粒包括锂钛氧化合物、锂镧钛氧化合物、锂镧锆氧化合物、磷酸钛铝锂、氯化铝锂、氯化锆锂、锂磷氧氮化合物、li2s-p2s5、锂锗磷硫化合物和锂锡磷硫化合物中的一种或多种。4.如权利要求1或2所述的电池极片，其特征在于，所述固态绝缘颗粒的离子导电系数大于等于10-4
s/cm。5.如权利要求1或2所述的电池极片，其特征在于，所述绝缘层还包括粘结剂，所述固态绝缘颗粒与所述粘结剂的重量比为(60％-90％)：(10％-40％)。6.如权利要求1或2所述的电池极片，其特征在于，所述活性物质层包括第一区域和第二区域，所述第一区域设置于远离所述绝缘层的一侧，所述第二区域设置于靠近所述绝缘层的一侧，所述第二区域与所述绝缘层邻接并被部分所述绝缘层覆盖。7.如权利要求6所述的电池极片，其特征在于，所述第二区域在所述集流体厚度方向和宽度方向构成平面的投影为矩形、三角形或者梯形。8.如权利要求6所述的电池极片，其特征在于，所述第一区域的厚度为h1，所述第二区域的最小厚度为h2，所述第一区域的厚度h1和所述第二区域的最小厚度h2的关系为：0≤h2/h1≤1。9.如权利要求6所述的电池极片，其特征在于，所述第一区域的厚度为h1，所述第二区域的最小厚度为h2；所述h1的范围是30-120μm，所述h2的范围是0-120μm。10.如权利要求6所述的电池极片，其特征在于，所述第二区域与所述集流体直接接触的宽度为w2，所述绝缘层与所述集流体直接接触的宽度为w3，所述w2与所述w3的关系为：w2/w3≤0.5。11.如权利要求6所述的电池极片，其特征在于，所述第二区域与所述集流体直接接触的宽度为w2，所述绝缘层与所述集流体直接接触的宽度为w3，所述w2的范围是0.5-1mm，所述w3的范围是0.5-5mm。12.如权利要求6所述的电池极片，其特征在于，所述绝缘层的厚度为h3，所述第一区域的厚度为h1，所述第二区域的最小厚度为h2，h2≤h3且(h3-h1)≤15μm。13.如权利要求6所述的电池极片，其特征在于，所述绝缘层还包括延展区域，所述绝缘层的厚度为h3，所述第一区域的厚度为h1，h1＜h3，所述绝缘层中h3大于h1的部位为所述延展区域。14.如权利要求13所述的电池极片，其特征在于，部分所述延展区域覆盖部分所述第一区域。15.如权利要求6所述的电池极片，其特征在于，所述绝缘层上表面的宽度为w31，所述绝缘层与所述集流体直接接触的宽度为w3，所述第一区域与所述集流体直接接触的宽度为
w1，所述第二区域与所述集流体直接接触的宽度为w2，0≤(w31-w3)≤2％(w1+w2)。16.如权利要求6所述的电池极片，其特征在于，所述第二区域与绝缘层之间具有接触面，所述接触面与集流体厚度方向具有的角度为β，所述0
°
＜β＜90
°
。17.如权利要求1或2所述的电池极片，其特征在于，所述活性物质层包含正极活性物质；所述正极活性物质包括钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、镍钴锰酸锂、磷酸铁锂、磷酸锰铁锂和镍钴铝酸锂中的一种或多种。18.一种电池，包含如权利要求1-17任一所述的电池极片。19.一种电动汽车，包含如权利要求18所述的电池。20.一种储能装置，包含如权利要求18所述的电池。

技术总结
本发明提供了一种电池极片，所述电池极片包括集流体、以及设置在集流体上的活性物质层和绝缘层，所述集流体上未设置活性物质层和绝缘层的区域为空箔区，所述活性物质层设置于所述集流体的至少一个表面上，所述绝缘层与所述活性物质层相邻设置，所述绝缘层位于所述活性物质层与所述空箔区之间，所述绝缘层包括具有传导锂离子功能的固态绝缘颗粒。本发明的技术方案能够充分发挥活性物质层的容量，所述绝缘层在保障电池安全性的同时降低了对电池比容量的影响。本发明还提供了一种含有上述电极极片的电池，以及含有上述电池的电动汽车和储能装置。装置。装置。


技术研发人员：姚煜 邓国友 张海波 靳勇 慎晓杰
受保护的技术使用者：微宏动力系统（湖州）有限公司
技术研发日：2023.03.21
技术公布日：2023/9/26