一种电池及电子设备的制作方法

1.本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种电池及电子设备。


背景技术：

2.软包锂电池具有优异的能量密度和循环性能，在动力和储能领域得到了广泛的应用。但电池内部的电解液经常出现与电芯反应生成氢氟酸的情况，由于氢氟酸的存在，会加速电池膜壳的老化，从而减少电池的使用寿命。
3.可见，现有技术中电池存在使用寿命较短的问题。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种电池及电子设备，以解决现有技术中电池使用寿命较短的问题。
5.本发明实施例提供了一种电池，包括卷芯、电解液和膜壳，所述膜壳包括相对设置的上膜壳和下膜壳，所述上膜壳和所述下膜壳相连接形成容置腔，所述卷芯和所述电解液设置于所述容置腔中，所述卷芯包括正极材料；
6.所述正极材料包括相互混合的正极活性物质和含硼化合物。
7.可选地，所述上膜壳与所述下膜壳相连接位置形成封边，所述封边用于密封所述膜壳，且所述封边包括顶封和侧封，所述顶封设置在所述膜壳上靠近所述卷芯的顶边的位置，所述侧封设置在所述膜壳上靠近所述卷芯的侧边的位置；
8.所述顶封与所述侧封之间满足以下关系：
[0009][0010]
其中，所述x1、x2、x3和x4均为常数，h为所述顶封或所述侧封的厚度，w1为所述顶封的宽度，w2为所述侧封的宽度。
[0011]
可选地，所述含硼化合物中硼元素与所述顶封和所述侧封之间满足以下关系：
[0012][0013]
其中，所述x5和x6均为常数，a为所述硼元素在所述正极材料中的百分比，b为所述电解液的注液系数。
[0014]
可选地，所述含硼化合物在所述正极材料中的百分比为a1，所述硼元素在所述含硼化合物中的百分比为a2，所述硼元素在所述正极材料中的百分比a满足以下关系：
[0015]
a＝a1×
a2；
[0016]
其中，所述a1的范围为300ppm至2500ppm，a2的范围为10％至32％。
[0017]
可选地，所述电解液的注液系数b的范围为1.2ah/g至4.5ah/g。
[0018]
可选地，所述x5的数值为0.036，所述x6的数值为45。
[0019]
可选地，所述膜壳为铝塑膜。
[0020]
可选地，所述铝塑膜包括依次层叠设置的第一层、第二层和第三层，所述第一层包括尼龙pa和聚对苯二甲酸乙二醇酯pet，所述第二层包括铝材，所述第三层包括聚丙烯pp。
[0021]
可选地，所述含硼化合物包括硼酸、偏硼酸、氧化硼、硼酸锂、偏硼酸锂中的至少一种。
[0022]
本发明实施例还提供了一种电子设备，所述电子设备包括上述的电池。
[0023]
本发明实施例中，通过在正极材料中添加含硼化合物，含硼化合物可以与氢氟酸反应，从而，减少电池中氢氟酸的含量，减少氢氟酸对膜壳的老化作用；同时，减少氢氟酸在电池内部聚集导致电池鼓包的情况，提高了电池的使用寿命。
附图说明
[0024]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0025]
图1是本发明实施例提供的电池的结构示意图之一；
[0026]
图2是本发明实施例提供的电池的结构示意图之二；
[0027]
图3是本发明实施例提供的不同封边厚度下顶封宽度和侧封宽度之间的关系示意图；
[0028]
图4是本发明实施例提供的15年寿命要求下顶封宽度和侧封宽度的模拟结果之一；
[0029]
图5是本发明实施例提供的15年寿命要求下顶封宽度和侧封宽度的模拟结果之二；
[0030]
图6是本发明实施例提供的15年寿命要求下顶封宽度和侧封宽度的模拟结果之三；
[0031]
图7是本发明实施例提供的电池的膜壳的结构示意图之一；
[0032]
图8是本发明实施例提供的电池的膜壳的结构示意图之二。
具体实施方式
[0033]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0034]
本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的结构在适当情况下可以互换，以便本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
[0035]
本发明实施例提供了一种电池，如图1至图8所示，包括卷芯10、电解液和膜壳20，
膜壳20包括相对设置的上膜壳201和下膜壳202，上膜壳201和下膜壳202相连接形成容置腔203，卷芯10和电解液设置于容置腔203中，卷芯10包括正极材料；
[0036]
正极材料包括相互混合的正极活性物质和含硼化合物。
[0037]
本实施方式中，通过在正极材料中添加含硼化合物，含硼化合物可以与氢氟酸反应，从而，减少电池中氢氟酸的含量，减少氢氟酸对膜壳20的老化作用；同时，减少氢氟酸在电池内部聚集导致电池鼓包的情况，提高了电池的使用寿命。
[0038]
在电池的循环过程中，水汽容易通过膜壳20渗入电池内部，水汽在电池内部与六氟磷酸锂或五氟化磷反应生成氢氟酸，由于氢氟酸的存在会加速膜壳20的老化，并破坏固体电解质界面(solid electrolyte interface，简称sei膜)，sei膜通常包裹在负极颗粒表面，用于阻止电解液与负极的副反应发生，从而缩短电池的使用寿命。
[0039]
其中，含硼化合物包括硼酸、偏硼酸、氧化硼、硼酸锂、偏硼酸锂中的至少一种。
[0040]
硼酸和偏硼酸可以与电解液中的残留碱反应，例如：硼酸可以与氢氧化锂和碳酸锂反应生成硼酸锂，偏硼酸可以与氢氧化锂和碳酸锂反应生成偏硼酸锂，以降低正极材料表面残留碱的含量；同时，硼酸锂和偏硼酸锂可以与氢氟酸反应，例如：硼酸锂可以与氢氟酸反应生成硼酸和氟化锂，偏硼酸锂可以与氢氟酸反应生成偏硼酸和氟化锂。硼酸和偏硼酸是一种电解液低溶解度的弱酸，氟化锂是sei膜的重要成分。硼酸锂还可以与氢氟酸反应生成四氟硼酸锂或四氟硼酸。从而，减少电池中氢氟酸的含量，提高电池的使用寿命。并且硼酸锂和/或偏硼酸锂具有离子导通能力，可以提高电池的导电率。
[0041]
氧化硼、硼酸锂和偏硼酸锂等可以在正极活性物质表面形成一层包覆，从而减少正极材料和电液的直接接触，减少了正极与电解液的产气情况，提高了电池的使用寿命。
[0042]
可选地，上膜壳201与下膜壳202相连接位置形成封边，封边用于密封膜壳20，且封边包括顶封204和侧封205，顶封204设置在膜壳20上靠近卷芯10的顶边的位置，侧封205设置在膜壳20上靠近卷芯10的侧边的位置；
[0043]
顶封204与侧封205之间满足以下关系：
[0044][0045]
其中，x1、x2、x3和x4均可以是常数，h可以是顶封204或侧封205的厚度，w1可以是顶封204的宽度，w2可以是侧封205的宽度。
[0046]
卷芯10通常包括正极片、负极片和隔膜，其中，正极片、负极片和隔膜的设置方式在此不做限定。例如，在一些实施例中，卷芯10可以是正极片、负极片和隔膜叠片设置而形成。在另一些实施例中，卷芯10可以是正极片、负极片和隔膜卷绕设置而形成。在另一些实施例中，卷芯10可以是正极片、负极片和隔膜通过其他工艺制备而形成。
[0047]
本实施方式中，如图1和图8所示，卷芯10和电解液设置于容置腔203中，上膜壳201与下膜壳202相连接位置形成封边，封装后得到的电池的结构示意图如图1所示。卷芯10上通常设有极耳101，极耳101的结构可以是图1中所示的两头出极耳的结构。顶封204设置在膜壳20上靠近卷芯10的顶边的位置，极耳101延伸出顶封204，侧封205设置在膜壳20上靠近卷芯10的侧边的位置，顶边与侧边可以相互垂直；顶封204和侧封205的厚度可以相等，记为h。
[0048]
水汽渗入电池内部的原理和由外界渗入电池内部的水的质量的计算可参见水汽
渗透模型，其中，水汽渗透模型可以通过如下公式一进行描述：
[0049][0050]
其中，t可以是时间；m可以是t时间后由外界渗入电池内部的水的质量；j可以是水汽扩散通量；l可以是封边的宽度，如图8所示，封边的宽度l可以是膜壳20外侧边缘到内侧内未封区的距离，内未封区对应图8中平行线变成圆弧开始扩张的那一段距离，通常是0.3-2.5mm，锂电池业内人士均应知道的常识；s可以是pp暴露在面积，其中pp暴露在面积可以是封边的厚度与电池有效长度的乘积，电池有效长度可以是侧封205的长度与顶封204的宽度之和。
[0051]
j可以根据菲克第一扩散定律进行计算，其中，菲克第一扩散定律可以通过如下公式二进行描述：
[0052][0053]
根据公式一和公式二，可以得到如下公式三：
[0054][0055]
其中，d可以是扩散系数，表示沿扩散方向，在单位时间每单位浓度梯度的条件下，垂直通过单位面积所扩散的物质的质量或摩尔数；cs可以是膜壳20暴露在外界环境中的主体吸附水汽后的表面浓度。通过上述公式三可以知道，通过增大l的取值以及减少s的取值可以降低m的值。电池尺寸固定后，s与封边的厚度h成正比，减小s的方法就是减小h。
[0056]
水分子通过膜壳20从外侧向内侧渗透，l越大、h越小，水分子渗透的越慢越艰难。在其他参数已知的情况下，根据公式三可以得到任意t对应的m。
[0057]
封边包括顶封204和侧封205，顶封204的宽度记为w1；侧封205的宽度记为w2。同理，w1越大、h越小，水分子渗透的越慢越艰难，w2越大、h越小，水分子渗透的越慢越艰难。顶封204与侧封205之间满足如下公式四：
[0058][0059]
其中，x1、x2、x3和x4均可以是常数，h可以是顶封204或侧封205的厚度，在理论上顶封204和侧封205的厚度相等，但是，实际上由于工艺限制，各处的厚度值会有一定波动。这样，通过对膜壳20的封边进行设计，使得顶封204的宽度w1、侧封205的宽度w2以及封边的厚度h满足上述公式四的关系，以减少通过膜壳20进入电池内部的水汽的含量，从而减少氢氟酸的生成，提高了电池的使用寿命。
[0060]
应理解的是，x1、x2、x3和x4的取值在此不做限定。例如，在一些实施例中，x1的取值范围可以是0.001～0.01，进一步的，x1的取值范围可以是0.005～0.01。在另一些实施例中，x2的取值范围可以是0.001～0.01，进一步的，x2的取值范围可以是0.001～0.005。在另一些实施例中，x3的取值范围可以是0.001～0.01，进一步的，x3的取值范围可以是0.005～0.01。在另一些实施例中，x4的取值范围可以是0.01～0.1，进一步的，x4的取值范围可以是0.01～0.05。
[0061]
在一些实施例中，x1的取值可以是0.0092721、x2的取值可以是0.0039685、x3的取
值可以是0.0062564、x4的取值为0.0194843，则公式四可以表示为：
[0062][0063]
上述公式四反映了顶封204的宽度w1和侧封205的宽度w2之间的关联关系，根据公式四可以得到如图3所示的不同封边厚度下，顶封204的宽度和侧封205的宽度之间的关系示意图。图3包括曲线a1、曲线a2，曲线a3和曲线a4。
[0064]
曲线a1显示的是在封边厚度是210um的情况下，顶封204的宽度和侧封205的宽度之间的关系曲线；曲线a2显示的是在封边厚度为230um的情况下，顶封204的宽度和侧封205的宽度之间的关系曲线；曲线a3显示的是在封边厚度为250um的情况下，顶封204的宽度和侧封205的宽度之间的关系曲线；曲线a4显示的是在封边厚度为270um的情况下，顶封204的宽度和侧封205的宽度之间的关系曲线。
[0065]
需要说明的是，在图3中仅示出了封边厚度是210um、230um、250um以及270um的情况。在不同的封边厚度下对应的其他顶封204的宽度和侧封205的宽度之间的关系可以根据上述公式四计算得到。
[0066]
在一些实施例中，如图4所示，图4是15年寿命要求下顶封宽度和侧封宽度的模拟结果之一。在图4中的点状结构表示满足15年寿命要求的封边宽度设计。图4中对应的封印厚度为250um。在图4中形成有曲线b，曲线b可以是对应的安全边界，在曲线b的右侧区域内的封边宽度设计均满足15年寿命要求，在曲线b的左侧区域内的封边宽度设计均不满足15年寿命要求。
[0067]
考虑到工程可行性，对顶封204和侧封205的宽度的取值范围进行优化，在图4的基础上，通过设置顶封204和侧封205的宽度的上限值，可得到如图5所示的15年寿命要求下顶封宽度和侧封宽度的模拟结果之二。图5中，如直线c1所示，设置顶封204的宽度小于或等于9mm，如直线c2所示，设置侧封205的宽度小于或等于10mm。在图5中形成有曲线c3，曲线c3可以是对应的安全边界，在直线c1、直线c2和曲线c3围合形成的区域内的封边宽度设计均可以满足15年寿命要求同时兼备工程可行性。
[0068]
进一步地，对顶封204和侧封205的宽度取值范围进行优化，通过设置顶封204的宽度的上限值和下限值，以及侧封205的宽度的上限值和下限值，可得到如图6所示的15年寿命要求下顶封宽度和侧封宽度的模拟结果之三。
[0069]
本实施方式中，顶封204的宽度取值范围可以是4mm～8mm，侧封205的宽度取值范围6mm～8mm。在图6中，如直线d1所示，设置顶封204的宽度小于或等于8mm；如直线d2所示，设置侧封205的宽度小于或等于8mm；如直线d3所示，设置顶封204的宽度大于或等于4mm；如直线d4所示，设置侧封205的宽度大于或等于6mm。
[0070]
其中，曲线d5可以是在封边厚度是250um的情况下对应的安全边界，在直线d1、直线d2、直线d3、直线d4和曲线d5围合形成的区域内的封边宽度设计均可以满足15年寿命要求、具备工程的可行性并同时兼顾到客户的满意度。
[0071]
其中，曲线d6可以是在封边厚度是280um的情况下对应的安全边界，在直线d1、直线d2、直线d3和曲线d6围合形成的区域内的封边宽度设计均可以满足15年寿命要求、具备工程的可行性并同时兼顾到客户的满意度。
[0072]
需要说明的是，极耳101的结构还可以是图2中所示的一头出极耳的结构。顶封204
还可以设置在膜壳20上靠近卷芯10的底边的位置，顶边和底边分别是卷芯10的高度方向上相对设置的两端面的边界，底边与顶边可以平行，且底边与侧边可以垂直。在一头出极耳结构的电池中，进行上述封边宽度设计同样可以达到相同的技术效果，为避免重复，在此不再赘述。
[0073]
可选地，膜壳20可以是铝塑膜或钢塑膜。铝塑膜具有良好的冲压成型性以及稳定的耐电解液性能等优点，膜壳20优选的采用铝塑膜制成。
[0074]
其中，如图7所示，铝塑膜可以包括依次层叠设置的第一层701、第二层702和第三层703，第一层701可以包括尼龙pa和聚对苯二甲酸乙二醇酯pet，第二层702可以包括铝材，第三层703可以包括聚丙烯pp。通过将铝材设置在第二层702，使得pet材料和pp材料对铝材进行包覆，减少铝材与氢氟酸反应导致膜壳20老化的问题，提高电池的使用寿命。
[0075]
上膜壳201的周边与下膜壳202的周边通过pp在热压下相粘合形成封边，以将卷芯10和电解液包裹在容置腔203中，阻隔水汽、空气渗入电池内部，从而减少水汽与六氟磷酸锂或五氟化磷反应生成氢氟酸的情况，提高电池的使用寿命。
[0076]
可选地，含硼化合物中硼元素与顶封204和侧封205之间关系，可以满足以下公式五：
[0077][0078]
其中，x5和x6均可以是常数，a可以是硼元素在正极材料中的百分比，b可以是电解液的注液系数。
[0079]
本实施方式中，x5的数值可以是0.036，x6的数值可以是45，则公式五可以表示为：
[0080][0081]
含硼化合物中硼元素与顶封204和侧封205之间关系满足上述公式五时，含硼化合物可以与氢氟酸反应，减少电池中氢氟酸的含量具有较佳的效果，以提高电池的使用寿命。
[0082]
在另一些实施方式中，含硼化合物在正极材料中的百分比可以是a1，硼元素在含硼化合物中的百分比可以是a2，硼元素在正极材料中的百分比a满足以下公式六：
[0083]
a＝a1×
a2；
[0084]
根据公式五和公式六，可以得到如下公式七：
[0085][0086]
其中，a1的范围可以是300ppm至2500ppm；a2的范围可以是10％至32％；b的范围可以是1.2ah/g至4.5ah/g。
[0087]
这样，提高了含硼化合物与氢氟酸的反应速率，减少了电池中氢氟酸的含量，以减少氢氟酸对膜壳20的老化作用；同时，含硼化合物包覆正极活性物质，减少了正极活性物质直接接触电解液并反应生成氢氟酸的情况。从而，提高电池的使用寿命。
[0088]
更进一步的，在含硼化合物中硼元素与顶封204和侧封205之间关系满足公式七的情况下，提高电池使用寿命的效果较佳，在不满足公式七的情况下，性能显著下降。在x5的数值是0.06，x6的数值是9的情况下，提高电池的使用寿命具有更佳的效果，则公式七可以表示为：
[0089][0090]
本发明实施例还提供了一种电子设备，电子设备包括上述的电池。
[0091]
要说明的是，上述电池实施例的实现方式同样适应于该电子设备的实施例中，并能达到相同的技术效果，在此不再赘述。
[0092]
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。此外，需要指出的是，本发明实施方式中的方法和装置的范围不限于按所讨论的顺序来执行功能，还可包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序来执行功能，例如，可以按不同于所描述的次序来执行所描述的方法，并且还可以添加、省去、或组合各种步骤。另外，参照某些示例所描述的特征可在其他示例中被组合。
[0093]
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本发明的保护之内。