电芯及具有该电芯的电池的制作方法

本申请涉及电化学领域，具体涉及一种电芯及具有该电芯的电池。

背景技术：

随着能量密度和使用电压的不断提升，电芯在受到机械外力(例如：高速撞击、重物挤压、跌落等)的情况下安全性能将逐步下降，使得用户在使用过程中存在风险。

技术实现要素：

有鉴于此，有必要提供一种具有高机械强度的电芯，以提高其安全性能。

本申请实施例提供了一种电芯，该电芯包括电极组件、收容所述电极组件的包装袋及电解液，所述电解液容纳于所述包装袋内，所述电极组件通过阴极极片、隔膜及阳极极片依序卷绕或堆叠形成，所述阳极极片包括第一集流体及设置于所述第一集流体上的第一活性物质层，所述电解液包括锂盐，将一所述阳极极片、与所述阳极极片相邻的一所述阴极极片和与所述阳极极片或所述阴极极片相邻的两层隔膜定义为所述电极组件中的一层，所述第一集流体的厚度a(单位为mm)满足以下公式：0.02t/(l+5)×c≤a≤(0.3l²)/(gt²)，以各参数的数值来计算；其中，t为所述电芯的厚度(单位为mm)，c为所述锂盐的浓度(单位为mol/l)，g为所述电芯在宽度方向上的刚度(单位为n/mm)，l为所述电极组件的层数。

在一些实施例中，所述电芯的厚度为1mm～12mm。

在一些实施例中，所述第一集流体的厚度为0.003mm～0.04mm。

在一些实施例中，所述电芯在宽度方向的刚度为50n/mm～400n/mm。

在一些实施例中，所述锂盐的浓度为0.5mol/l～2mol/l。

在一些实施例中，所述第一集流体的横向强度为50mpa～600mpa。

在一些实施例中，所述第一集流体的纵向强度为50mpa～600mpa。

在一些实施例中，所述阴极极片包括第二集流体及设置于所述第二集流体上的第二活性物质层，所述第二集流体的横向强度为50mpa～300mpa。

在一些实施例中，所述第二集流体的纵向强度为50mpa～300mpa。

在一些实施例中，所述第一活性物质层包括第一活性物质和第一粘接剂，所述第一活性物质的质量分数为97％～99％，所述第一粘接剂的质量分数为0.5％～1.5％。

在一些实施例中，所述第一粘结剂经过裂解气相色谱质谱联用仪(py-gcms)测试后的单体产物包括丁二烯、丙烯腈、苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、乙烯基吡咯烷酮、甲基丙烯酸异辛酯、丙烯酸异辛酯、聚偏二氟乙烯、9-十八烯腈、丙酸丙酯、丙酸乙酯、聚丙烯酸(paa)、n-甲基吡咯烷酮、4-苯基环己酮中的一种或几种。

在一些实施例中，所述第二活性物质层包括第二活性物质和第二粘接剂，所述第二活性物质的质量分数为96％～99％，所述第二粘结剂的质量分数0.5％～2％。

在一些实施例中，所述第二粘结剂包括聚环氧乙烷、聚偏二氟乙烯、丁苯橡胶、偏二氟乙烯与六氟丙烯的共聚物中的一种或几种。

在一些实施例中，所述第二粘结剂经过裂解气相色谱质谱联用仪(py-gcms)测试后的单体产物包括丁二烯、丙烯腈、苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、乙烯基吡咯烷酮、甲基丙烯酸异辛酯、丙烯酸异辛酯、聚偏二氟乙烯、9-十八烯腈、丙酸丙酯、丙酸乙酯、聚丙烯酸(paa)、n-甲基吡咯烷酮、4-苯基环己酮中的一种或几种。

在一些实施例中，所述第二活性物质层还包括导电剂，所述导电剂的质量分数为0.5％～2％。

在一些实施例中，所述导电剂包括乙炔黑、炭黑、导电炭黑(superp)、科琴黑、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、纳米碳纤维、石墨烯中的一种或几种。

在一些实施例中，第一集流体中包括al、ni、mn、cr、cu、fe、mg、si、ti、zr、v、zn、pb、s、p、sn、as、bi、sb中的一种或几种元素。

在一些实施例中，第二集流体包括al、ni、mn、cr、cu、fe、mg、si、ti、zr、v、zn、pb、s、p、sn、as、bi、sb中的一种或几种元素。

在一些实施例中，所述隔膜与所述阳极极片的粘接力为0.5n/m～40n/m。

在一些实施例中，所述隔膜与所述阴极极片的粘接力为0.5n/m～80n/m。

在一些实施例中，所述隔膜包括聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、改性聚偏氟乙烯、聚丙烯酸酯、改性聚丙烯酸酯、改性聚乙烯、改性聚丙烯中的一种或几种。

本申请实施例还提供了一种电池，该电池包括壳体及如上述所述的电芯，所述电芯收容于所述壳体内。

综上所述，本申请的电芯通过调整第一集流体的厚度a、电芯的厚度t、电芯的刚度g、电极组件的层数l以及锂盐的浓度c，以使得第一集流体的厚度a满足该关系式，从而大大提高所述电芯的机械强度，进而提高所述电芯的安全性能。

附图说明

图1为本申请一实施方式的电芯的示意图。

图2为本申请另一实施方式的电芯的示意图。

图3为图1所示电芯的平面示意图。

图4为所述压头下压的位移量与所述电芯所承受的载荷之间的关系图。

图5为图3所示电芯在进行钝针测试时的平面示意图。

主要元件符号说明

电芯10

电极组件11

阳极极片111

第一集流体1111

第一活性物质层1112

隔膜112

阴极极片113

第二集流体1131

第二活性物质层1132

包装袋12

电解液13

第一极耳14

第二极耳15

钝针200

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本申请。

具体实施方式

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。

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的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本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，不是旨在于限制本申请。

下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

参阅图1，本申请实施方式提供了一种电芯10。所述电芯10包括电极组件11、收容所述电极组件11的包装袋12及电解液13。所述电解液13容纳于所述包装袋12内。所述电解液13包括锂盐。在其他实施方式中，所述电解液13还可包括一些常见的有机溶剂，例如：碳酸亚乙酯、碳酸丙烯酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯等。

参阅图1和图2，所述电极组件11通过阳极极片111、隔膜112及阴极极片113依序卷绕或堆叠形成。

在本实施方式中，所述阳极极片111包括第一集流体1111及设置于所述第一集流体1111上的第一活性物质层1112。所述第一集流体1111的横向强度为50mpa～600mpa。所述第一集流体1111的纵向强度为50mpa～600mpa。其中，所述第一集流体1111中包括al、ni、mn、cr、cu、fe、mg、si、ti、zr、v、zn、pb、s、p、sn、as、bi、sb中的一种或几种元素。所述第一集流体1111中的元素可经电感耦合等离子体发射光谱仪测试得到。

在一实施方式中，所述第一活性物质层1112包括第一活性物质和第一粘接剂。所述第一活性物质的质量分数为97％～99％。所述第一粘接剂的质量分数为0.5％～1.5％。其中，所述第一粘结剂经过裂解气相色谱质谱联用仪(py-gcms)测试后的单体产物包括丁二烯、丙烯腈、苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、乙烯基吡咯烷酮、甲基丙烯酸异辛酯、丙烯酸异辛酯、聚偏二氟乙烯、9-十八烯腈、丙酸丙酯、丙酸乙酯、聚丙烯酸(paa)、n-甲基吡咯烷酮、4-苯基环己酮中的一种或几种。

在本实施方式中，将一所述阳极极片111、与所述阳极极片111相邻的一所述阴极极片113和与所述阳极极片111或所述阴极极片113相邻的两层隔膜112定义为所述电极组件11中的一层(参阅图1中的k区域，或参阅图2中的k区域)。所述第一集流体1111的厚度a满足以下公式：

0.02t/(l+5)×c≤a≤(0.3l²)/(gt²)，以各参数的数值来计算。

其中，t为所述电芯10的厚度(单位为mm)，c为所述锂盐的浓度(单位为mol/l)，g为所述电芯10在宽度方向上的刚度(单位为n/mm)，l为所述电极组件11的层数。

在本实施方式中，所述电芯10的厚度t为1mm～12mm。在一实施方式中，所述电芯10的厚度t为3mm～6mm。在另一实施方式中，所述电芯10的厚度t为1mm～5mm。在另一实施方式中，所述电芯10的厚度t为2mm～10mm。

在本实施方式中，所述第一集流体1111的厚度a为0.003mm～0.04mm。在一实施方式中，所述第一集流体1111的厚度a为0.003mm～0.02mm。在另一实施方式中，所述第一集流体1111的厚度a为0.004mm～0.16mm。

在本实施方式中，所述电芯10在宽度方向的刚度g为50n/mm～400n/mm。在一实施方式中，所述电芯10在宽度方向的刚度g为100n/mm～400n/mm。在另一实施方式中，所述电芯10在宽度方向的刚度g为50n/mm～200n/mm。在另一实施方式中，所述电芯10在宽度方向的刚度g为100n/mm～300n/mm。

在本实施方式中，所述锂盐的浓度c为0.5mol/l～2mol/l。在一实施方式中，所述锂盐的浓度c为0.5mol/l～1.5mol/l。另一实施方式中，所述锂盐的浓度c为0.8mol/l～1.5mol/l。在另一实施方式中，所述锂盐的浓度c为1.0mol/l～2.0mol/l。

在本实施方式中，所述阴极极片113包括第二集流体1131及设置于所述第二集流体1131上的第二活性物质层1132。所述第二集流体1131的横向强度为50mpa～300mpa。所述第二集流体1131的纵向强度为50mpa～300mpa。其中，第二集流体1131中包括al、ni、mn、cr、cu、fe、mg、si、ti、zr、v、zn、pb、s、p、sn、as、bi、sb中的一种或几种元素。所述第二集流体1131中的元素经电感耦合等离子体发射光谱仪测试得到。

所述第二活性物质层1132包括第二活性物质和第二粘接剂。所述第二活性物质的质量分数为96％～99％。所述第二粘结剂的质量分数0.5％～2％。其中，所述第二粘结剂可选自，但不限于选自聚环氧乙烷、聚偏二氟乙烯、丁苯橡胶、偏二氟乙烯与六氟丙烯的共聚物中的一种或几种。所述第二粘结剂经过裂解气相色谱质谱联用仪(py-gcms)测试后的单体产物包括丁二烯、丙烯腈、苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、乙烯基吡咯烷酮、甲基丙烯酸异辛酯、丙烯酸异辛酯、聚偏二氟乙烯、9-十八烯腈、丙酸丙酯、丙酸乙酯、聚丙烯酸(paa)、n-甲基吡咯烷酮、4-苯基环己酮中的一种或几种。

进一步地，所述第二活性物质层1132还包括导电剂。所述导电剂的质量分数为0.5％～2％。其中，所述导电剂可选自，但不限于选自乙炔黑、炭黑、导电炭黑(superp)、科琴黑、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、纳米碳纤维、石墨烯中的一种或几种。

在一些实施例中，所述隔膜112包括聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、改性聚偏氟乙烯、聚丙烯酸酯、改性聚丙烯酸酯、改性聚乙烯、改性聚丙烯中的一种或几种。其中，所述隔膜112与所述阳极极片111的粘接力为0.5n/m～40n/m。所述隔膜112与所述阴极极片113的粘接力为0.5n/m～80n/m。

进一步地，参阅图1、图2和图3，所述电芯10还包括第一极耳14和第二极耳15。在一些实施例中，所述第一极耳14连接所述阳极极片111，并延伸出所述包装袋12外；所述第二极耳15连接所述阴极极片113，并延伸出所述包装袋12外。

下面通过实施例及对比例对本申请的电芯10进行具体说明。

实施例1

参阅图1，所述电芯10包括电极组件11、收容所述电极组件11的包装袋12、电解液13、第一极耳14和第二极耳15。所述电解液13容纳于所述包装袋12内。所述电解液13包括锂盐。

所述电极组件11通过阳极极片111、隔膜112及阴极极片113依序卷绕形成。所述第一极耳14连接所述阳极极片111，并延伸出所述包装袋12外。所述第二极耳15连接所述阴极极片113，并延伸出所述包装袋12外。其中，所述阳极极片111包括第一集流体1111及设置于所述第一集流体1111上的第一活性物质层1112。

在本实施方式中，所述电芯10的厚度t为3.3mm。所述电极组件11的层数l为11层。所述电芯10在宽度方向的刚度g为86.6n/mm。所述锂盐的浓度c为1.2mol/l。所述第一集流体1111的厚度a为0.008mm。在实施例1中，所述第一集流体1111的厚度a满足以下公式：

0.02t/(l+5)×c≤a≤(0.3l²)/(gt²)。

其中，所述电芯10在宽度方向(即图3中虚线x方向)的刚度g通过三点弯曲试验测得。所述三点弯曲试验包括如下步骤：

首先，将所述电芯10放置在有一定间距的两个支撑点上。接着，利用一压头(图未示)于两个支撑点的中点上方向所述电芯10施加一个向下的力。然后，记录所述压头下压的位移量，以及所述位移量所对应的所述电芯10所承受的载荷，如此，绘制得到所述压头下压的位移量与所述电芯10所承受的载荷之间的关系图(参阅图4)。

参阅图4，区域a为所述电芯10的弹性变形阶段。通过计算区域a处线段的直线斜率得到所述电芯10在宽度方向的刚度g为86.6n/mm。继续参阅图4可知，在区域b中，电芯10出现屈服点；在区域c中，屈服后的电芯10内各极片及隔膜之间发生分离或滑移，变形增加，随之使得电芯10所承受的载荷下降。

对实施例1中的电芯10进行重物撞击测试(即impact测试)。其中，所述重物撞击测试包括如下步骤：

首先，于常温(25℃)下，将所述电芯10的荷电状态(stateofcharge，soc)满充至100％。所述电芯10的电压为4.4v。接着，将所述电芯10放置于一平台上，再将直径为15.8mm的金属棒，例如：铁棒等，横置在电芯10的几何中心上。然后，采用质量为9.1kg的重锤从610mm的高处以自由落体状态撞击放有金属棒的电芯10的表面，待电芯10的表面温度下降到室温后停止测试。经重物撞击测试的电芯10若未出现起火、爆炸现象，则判定电芯10通过重物撞击测试。

对实施例1中的电芯10进行钝针测试。所述钝针测试包括如下步骤：

首先，于常温(25℃)下，将所述电芯10的荷电状态(stateofcharge，soc)满充至100％。所述电芯10的电压为4.4v。接着，参阅图5，采用半圆头的钝针200，并以300n/min±10n/min的升力速度压向位于所述包装袋12内的第一极耳14(如为阳极极耳)在长度方向(即y轴方向)上的中心位置处。其中，对电芯10施加的压力从0n逐渐升高至1300n后停止测试。若经钝针测试后的电芯10的表面温度小于200℃，且电芯10不冒烟、不起火、不爆炸，则判定电芯10通过钝针测试。

实施例2

实施例2与实施例1的区别在于，实施例2中的电芯10的厚度t为4.5mm，所述电极组件11的层数l为13层，所述电芯10在宽度方向的刚度g为95n/mm，所述锂盐的浓度c为1.0mol/l。所述第一集流体1111的厚度a为0.006mm。在实施例2中，所述第一集流体1111的厚度a也满足上述公式。

实施例3

实施例3与实施例2的区别在于，实施例3中的电芯10在宽度方向的刚度g为168n/mm，所述锂盐的浓度c为1.8mol/l，所述第一集流体1111的厚度a为0.012mm。在实施例3中，所述第一集流体1111的厚度a也满足上述公式。

实施例4

实施例4与实施例2的区别在于，实施例4中的电芯10的厚度t为2.5mm，所述电极组件11的层数l为9层，所述电芯10在宽度方向的刚度g为219n/mm，所述第一集流体1111的厚度a为0.016mm。在实施例4中，所述第一集流体1111的厚度a也满足上述公式。

实施例5

实施例5与实施例1的区别在于，实施例5中的所述电极组件11通过阳极极片111、隔膜112及阴极极片113依序堆叠形成。

实施例6

实施例6与实施例2的区别在于，实施例6中的所述电极组件11通过阳极极片111、隔膜112及阴极极片113依序堆叠形成。

实施例7

实施例7与实施例3的区别在于，实施例7中的所述电极组件11通过阳极极片111、隔膜112及阴极极片113依序堆叠形成。

实施例8

实施例8与实施例4的区别在于，实施例8中的所述电极组件11通过阳极极片111、隔膜112及阴极极片113依序堆叠形成。

对比例1

对比例1与实施例1的区别在于，对比例1中的电芯10的厚度t为4.5mm，所述电极组件11的层数l为15层，所述电芯10在宽度方向的刚度g为121n/mm，所述锂盐的浓度c为1.8mol/l。在对比例1中，所述第一集流体1111的厚度a不满足上述公式。

对比例2与实施例5的区别在于，对比例1中的电芯10的厚度t为4.5mm，所述电极组件11的层数l为15层，所述电芯10在宽度方向的刚度g为121n/mm，所述锂盐的浓度c为1.8mol/l。在对比例2中，所述第一集流体1111的厚度a不满足上述公式。

将实施例1-8及对比例1-2的制备条件及相对应的测试结果列于下表1中。

表1实施例1-8及对比例1-2的制备条件及相对应的测试结果

参阅表1，比对实施例2与对比例1可知，实施例2中电极组件11的层数l较对比例1减少，实施例2中第一集流体1111的厚度a较对比例1减薄，而实施例2中电芯10在宽度方向的刚度g明显小于对比例1。由此可知，在电芯10的厚度t一定时，电芯10在宽度方向的刚度g受电极组件11的层数l及第一集流体1111的厚度a的影响。其中，电极组件11的层数l越多，第一集流体1111的厚度a越厚，则电芯10在宽度方向的刚度g越大。

比对实施例3与对比例1可知，实施例3中电极组件11的层数l较对比例1减少，实施例3中第一集流体1111的厚度a较对比例1增厚，而实施例3中电芯10在宽度方向的刚度g明显大于对比例1。由此可知，在电芯10的厚度t一定时，相较于电极组件11的层数l，电芯10在宽度方向的刚度g更受第一集流体1111的厚度a的影响。此外，相较于对比例1，实施例3中锂盐的浓度c与对比例1一致时，可在一定范围内提高电芯10在宽度方向的刚度g，可明显提升电芯10在重物撞击测试及钝针测试中的通过率。

比对实施例1与对比例1可知，实施例1中电芯10的厚度t较对比例1减薄，实施例1中电极组件11的层数l较对比例1减少，而实施例1中的电芯10在宽度方向的刚度g明显小于对比例1。由此可知，在第一集流体1111的厚度a一定时，电芯10在宽度方向的刚度g受电极组件11的层数l及电芯10的厚度t的影响。其中，电极组件11的层数l越多，电芯10的厚度t越厚，则电芯10在宽度方向的刚度g越大。

比对实施例2和实施例3可知，在电芯10的厚度t及电极组件11的层数l一定的前提下，通过增加第一集流体1111的厚度a可明显提高电芯10在宽度方向的刚度g。其中，电芯10在宽度方向的刚度g越大，当电芯10受到机械外力(例如：高速撞击、重物挤压、跌落等)后发生形变的程度就越小，其破损的断口会越整齐，那么，阳极极片111与阴极极片113相接触的几率就越小，短路点的个数就会越少，从而大大提高电芯10的使用安全性。另外，可以理解，所述电芯10的工作过程实际上是一个锂离子参与的氧化还原反应，该反应的进行需要在电解液13中添加一定量的锂盐而起到加快氧化还原反应速率的作用，但锂盐本身在氧化还原反应中并不会被消耗，所以电芯10中的单个短路点的热量，即瞬时电流的大小，可以通过锂盐的浓度进行控制。如此，在合适的范围内限定锂盐的浓度，既不会影响电芯10正常工作时的性能，又可以减小短路时氧化还原反应的速率，保证电芯10的使用安全性。

比对实施例1和实施例5、实施例2和实施例6、实施例3和实施例7以及实施例4和实施例8可知，在所述电芯10的厚度t、所述电极组件11的层数l、所述电芯10在宽度方向的刚度g、所述锂盐的浓度c以及所述第一集流体1111的厚度a一定的情况下，改变电芯10的类型不会影响到电芯10整体的机械性能。

综上所述，通过对第一集流体1111的厚度a、电芯10的厚度t、电芯10的刚度g以及锂盐的浓度c的限定，以使得第一集流体1111的厚度a满足a的关系式，从而使得电芯10在受到机械外力的作用时电芯10中出现的短路点的个数较少，且单个短路点的热量较低，那么，即使电芯10的内部发生短路，电芯10也不会出现因内部短路瞬时累积过多热量而发生热量失控的问题。

此外，本申请实施例还提供了一种电池。所述电池包括壳体(未示出)及所述电芯10。所述电芯10收容于所述壳体内。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本申请技术方案的精神和实质。