CN111525194A - 电化学装置以及包括所述电化学装置的电子装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及电化学装置及包含该电化学装置的电子装置。该电化学装置包括：正极、隔离膜及负极，其中负极包括：负极集流体、负极活性材料层及负极极耳，且负极极耳设置于负极集流体的长轴侧边上并与负极活性材料层接触。负极活性材料层包含硅基材料，所述负极极耳的中心位置与所述负极活性材料层的任一端在长轴方向上的距离为第一长度，所述负极活性材料层的长轴长度为第二长度，且所述负极满足以下关系式：0.5≥D≥0.6×G，其中D为所述第一长度与所述第二长度的比值，G为所述硅基材料的重量比，且所述硅基材料的重量比小于或等于70％。本申请电化学装置能够有效的降低负极的阻抗并控制电芯的温度提升，进而降低电化学装置的循环膨胀率并提高其循环性能。

Description

电化学装置以及包括所述电化学装置的电子装置

技术领域

本申请涉及储能技术领域，尤其涉及一种负极结构以及包含所述负极结构的电化学装置与电子装置。

背景技术

随着移动电子技术的高速发展，人们使用诸如手机、平板、笔记本电脑、无人机等的移动电子装置的频率和体验要求越来越高。因此，为电子装置提供能源的电化学装置(例如，锂离子电池)需要表现出更高的能量密度、更大的倍率、更高的安全性以及在反复充放电过程后更小的容量衰减。

电化学装置的能量密度与循环效能与其负极材料有密切的关联。目前，由于硅基单质、合金或其化合物至少一者的硅基材料具有高的理论克容量，使用硅基材料来代替现有的石墨材料正被广泛的研究。然而，硅基材料本具有导电率过低及高温膨胀率过高的问题，因此有必要进一步对具有硅基材料的负极材料的负极进行结构上的改进及优化。

发明内容

本申请提供一种电化学装置以及包括所述电化学装置的电子装置以试图在至少某种程度上解决至少一个存在于相关领域中的问题。

根据本申请的一个方面，本申请提供了一种电化学装置，其包括：正极、隔离膜及负极，其中所述负极包括：负极集流体、负极活性材料层及负极极耳。所述负极活性材料层包含硅基材料，且所述负极极耳设置于所述负极集流体的长轴侧边上并与所述负极活性材料层接触，其中所述负极极耳设置于所述负极集流体的长轴侧边上，所述负极极耳的中心位置与所述负极活性材料层的任一端在长轴方向上的距离为第一长度，所述负极活性材料层的长轴长度为第二长度，且所述负极满足以下关系式(I)：

0.5≥D≥0.6×G式(I)，其中D为所述第一长度与所述第二长度的比值，G为所述硅基材料的重量比，且所述硅基材料的重量比小于或等于70％。

本申请电化学装置通过采用满足以上设置的负极极耳，能够有效的降低负极的阻抗并控制电芯的温度提升，进而降低电化学装置的循环膨胀率并提高其循环性能。

根据本申请的另一个方面，本申请提供了一种电子装置，所述电子装置包含上述的电化学装置。

本申请实施例的额外层面及优点将部分地在后续说明中描述、显示、或是经由本申请实施例的实施而阐释。

附图说明

在下文中将简要地说明为了描述本申请实施例或现有技术所必要的附图以便于描述本申请的实施例。显而易见地，下文描述中的附图仅只是本申请中的部分实施例。对本领域技术人员而言，在不需要创造性劳动的前提下，依然可以根据这些附图中所例示的结构来获得其他实施例的附图。

图1为根据现有技术的负极结构剖面示意图。

图2为根据现有技术的负极结构俯视示意图。

图3为根据现有技术的卷绕式电芯结构示意图。

图4为根据本申请实施例的负极结构剖面示意图。

图5为根据本申请实施例的负极结构俯视示意图。

图6为根据本申请实施例的卷绕式电芯结构示意图。

图7为负极极耳设置在负极长轴两端的电流分布示意图。

图8为负极极耳设置在负极长轴中间部分的电流分布示意图。

图9表示根据本申请实施例的负极极耳的设置位置和负极活性材料层中的硅基材料含量与电芯温度提升的三维曲线图。

具体实施方式

本申请的实施例将会被详细的描示在下文中。在本申请说明书全文中，将相同或相似的组件以及具有相同或相似的功能的组件通过类似附图标记来表示。在此所描述的有关附图的实施例为说明性质的、图解性质的且用于提供对本申请的基本理解。本申请的实施例不应该被解释为对本申请的限制。

如本文中所使用，术语“大致”、“大体上”、“实质”及“约”用以描述及说明小的变化。当与事件或情形结合使用时，所述术语可指代其中事件或情形精确发生的例子以及其中事件或情形极近似地发生的例子。举例来说，当结合数值使用时，术语可指代小于或等于所述数值的±10％的变化范围，例如小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％、或小于或等于±0.05％。举例来说，如果两个数值之间的差值小于或等于所述值的平均值的±10％(例如小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％、或小于或等于±0.05％)，那么可认为所述两个数值“大体上”相同。

在本说明书中，除非经特别指定或限定之外，相对性的用词例如：“中央的”、“纵向的”、“侧向的”、“前方的”、“后方的”、“右方的”、“左方的”、“内部的”、“外部的”、“较低的”、“较高的”、“水平的”、“垂直的”、“高于”、“低于”、“上方的”、“下方的”、“顶部的”、“底部的”以及其衍生性的用词(例如“水平地”、“向下地”、“向上地”等等)应该解释成引用在讨论中所描述或在附图中所描示的方向。这些相对性的用词仅用于描述上的方便，且并不要求将本申请以特定的方向建构或操作。

另外，有时在本文中以范围格式呈现量、比率和其它数值。应理解，此类范围格式是用于便利及简洁起见，且应灵活地理解，不仅包含明确地指定为范围限制的数值，而且包含涵盖于所述范围内的所有个别数值或子范围，如同明确地指定每一数值及子范围一般。

在具体实施方式及权利要求书中，由术语“中的至少一者”、“中的至少一个”、“中的至少一种”或其他相似术语所连接的项目的列表可意味着所列项目的任何组合。例如，如果列出项目A及B，那么短语“A及B中的至少一者”意味着仅A；仅B；或A及B。在另一实例中，如果列出项目A、B及C，那么短语“A、B及C中的至少一者”意味着仅A；或仅B；仅C；A及B(排除C)；A及C(排除B)；B及C(排除A)；或A、B及C的全部。项目A可包含单个元件或多个元件。项目B可包含单个元件或多个元件。项目C可包含单个元件或多个元件。

硅基材料本身具有半导体性质，由于硅基材料的粉末导电率远小于现有的石墨材料，因此包含硅基材料的负极材料不论是电子或离子的阻抗都较大。在充放电循环过程中，尤其是在高倍率的充放电条件下，含硅基材料的电芯的内阻抗较高，使得其产热能耗增多，并且电芯的温度升高非常明显，进而造成循环容量衰减加快、放电倍率降低等电化学性能的降低，还可能造成电化学装置的热失控而引发安全隐患。

图1及图2表示现有技术中商业化常用的负极结构的剖视及俯视示意图。图3表示现有技术中呈卷绕式结构的电芯的示意图。

如图1及2所示，现有技术中的负极活性材料层102设置在负极集流体101的表面上，且在负极集流体101的长度方向的两端为无负极活性材料层102设置的空箔区，负极极耳103被设置在负极集流体的一端未涂覆区。而该负极与正极及隔离膜107卷绕形成电芯后的卷绕结构如图3所示，现有技术中通过将负极极耳103设置在负极集流体101的一端空箔区以及将正极极耳106设置在正极集流体104的一端无正极活性材料层105设置的空箔区，能够确保卷绕过程中负极极耳103与正极极耳106位在电芯的最中间，该设计能有有效的提高电化学装置制备时的加工性，且制作成本较低。然而，当使用高克容量的负极活性材料(例如，硅基材料)时，负极活性材料的硅基材料含量越大负极材料层的电导率越小，导致了负极的内阻抗增加及产热功率的上升，进而降低电化学装置的循环性能并隐含的过热失控的安全问题。此外，在正极与负极上设置空箔区域，会使得电化学装置的能量密度降低。

根据本申请的一个方面，本申请通过对负极极耳的位置与硅基材料的含量进行限定以降低负极活性材料层中的阻抗，同时改良负极中各部分的电流密度，进而降低负极在充放电循环时的因内电阻所产生的热功率，从而提高电化学装置的循环性能以及安全性能。

图4及图5表示本申请部分实施例的负极结构的剖视及俯视示意图。

如图4及5所示，本申请提供了一种负极，其包括：负极集流体201、负极活性材料层202及负极极耳203，且负极极耳203设置于负极集流体201的长轴侧边上并与负极活性材料层202接触。负极活性材料层202包含硅基材料，其中负极极耳203的中心位置与负极活性材料层202的任一端在长轴方向上的距离为第一长度204，负极活性材料层的长轴长度为第二长度205。上述负极符合以下关系式(I)：

0.5≥D≥0.6×G 式(I)。

其中，D为第一长度204与第二长度205的比值，G为负极活性材料层202中硅基材料的重量比，且硅基材料的重量比G小于或等于70％。

具有符合上述关系式(I)的负极的电化学装置能够使其在操作中因充放电循环过程所提高的温度低于15℃。相较于现有技术，本申请的负极在充放电循环过程中，能够有效的降低负极活性材料层中部分电流通过负极活性材料层的传导距离，进而降低负极本身的内阻抗以及负极极耳周围极片区的电流密度，有助于降低其电芯极化。在另一些实施例中，当硅基材料的重量比G大于70％时，通过将负极极耳203的中心位置置于负极活性材料层202的中央(即第一长度204与第二长度205的比值D为0.5时)，依然能够降低电化学装置在操作中因充放电循环过程所提高的温度。

在一些实施例中，如图4所示，负极满足以下关系式(II)：

0.9×(S₁+2S₃)≤S₁+S₂≤1.1×(S₁+2S₃) 式(II)，

其中负极集流体201的厚度为S₁，负极极耳203的厚度为S₂，负极活性材料层202的厚度为S₃。通过上述设置，能够使负极极片的厚度更均匀。当其被卷绕或堆叠以形成电芯时，能够避免由于极片厚度不均匀所导致的凸起或凹陷等缺陷并提高电芯在循环过程中的结构稳定性，从而提高其电化学装置的安全性能跟循环性能。

在一些实施例中，如图5所示，所述负极活性材料层202进一步包含凹槽206，所述凹槽206由所述负极活性材料层202所界定且暴露所述负极集流体201的一部分，其中所述负极极耳203设置于所述凹槽中。在另一些实施例中，绝缘材料和/或粘结材料能够设置在所述凹槽中并环绕所述负极极耳203，以避免负极极耳与正极活性材料层或正极极耳的接触所造成的短路。应理解，所述绝缘材料及所述粘结材料可以是本领域任何常见的合适材料。

图7及8分别为负极极耳设置在负极长轴两端及中间部分的电流分布示意图。

通过以下公式能够对负极集流体的每一部分计算电流经过集流体的欧姆热量Q及其对应的电阻值R：

Q_i＝I_i ²*R_i*t，

R_i＝ρ*dx/A，

其中，Qi为负极集流体每一部分的电流热功率，Ri为负极集流体每一部分的阻抗，t为电流循环的时间，ρ为负极集流体的电阻率，dx为负极集流体每一部分长度，A为负极集流体的横截面积。如图7所示，当负极极耳设置在靠近集集流体一端时，离负极极耳最远端的X_n部分处导出的部分电流，需要经过负极集流体的X₁部分至X_n部分，从X₃部分导出出的电流需要经过负极集流体的X₁部分至X₃部分。当外部放电电流为I，每一段的反应电流为Ia，则通过负极集流体的X₁部分的电流为n*Ia，通过负极集流体的X₂部分的电流为(n-1)Ia，通过负极集流体的X₃部分的电流为(n-2)Ia，通过负极集流体的X_n部分的电流为Ia。

如图8所示，当负极极耳设置在负极集流体的中间部分时，离负极极耳最远端的X_n/2部分处导出的部分电流，仅需要通过X₁部分至X_n/2部分，其另一端X_n/2'部分处导出的部分电流，也仅需要通过X₁'部分至X_n/2'部分。在相同放电电流的强度下，本申请的负极结构能够有效降低放电过程中通过负极集流体的电流强度，进而降低负极的内阻抗，减少负极的过热升温状况，同时避免负极材料中的硅基材料的受热膨胀情形。

在一些实施例中，所述负极集流体201可为铜箔或镍箔，然而，可以采用本领域常用的其他负极集流体，而不受其限制。

在一些实施例中，所述负极集流体201的厚度为约4μm至约30μm。在另一些实施例中，所述负极集流体201的厚度大致为，例如，约4.0μm、约5.0μm、约10.0μm、约15.0μm、约20.0μm、约25.0μm、约30.0μm或这些数值中任意两者组成的范围。

所述负极活性材料层202除硅基材料外，还包含能够吸收和释放锂(Li)的负极材料(下文中，有时称为“能够吸收/释放锂Li的负极材料”)。能够吸收/释放锂(Li)的材料的例子可以包括碳材料、金属化合物、氧化物、硫化物、锂的氮化物例如LiN3、锂金属、与锂一起形成合金的金属和聚合物材料。在一些实施例中，所述硅基材料包含硅的单质、硅的化合物、硅的合金及硅氧材料中的至少一种。在一些实施例中，所述硅氧材料为通式SiO_x所代表的硅氧化物，其中x为约0.5至约1.5，且所述硅氧材料包含晶态、非晶态或以上二者的组合。

在一些实施例中，所述硅基材料进一步包含材料层，所述材料层设置在所述硅基材料的至少一部分表面上，所述材料层包含聚合物、无机粒子、无定形碳或碳纳米管中的至少一种。

在一些实施例中，所述无机粒子包括钴酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、硅单质、硅的化合物、硅的合金及硅氧材料中的至少一种，所述聚合物包含聚偏二氟乙烯、聚丙烯酸、聚氯乙烯、羧甲基纤维素、聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺及芳纶中的至少一种。

在一些实施例中，以所述负极活性材料层的总重计，所述负极活性材料层中硅基材料的重量比G大于约0％且小于等于约70％。在另一些实施例中，所述负极活性材料层中硅基材料的重量比G大致为，例如，约0％、约10％、约20％、约30％、约50％、约70％或这些数值中任意两者组成的范围。

在一些实施例中，所述负极活性材料层的长轴长度与所述所述负极集流体的长轴长度的比值为约0.8至约1.0。在另一些实施例中，所述负极活性材料层的长轴长度与所述所述负极集流体的长轴长度的比值为约0.9至约0.95。通过消除负极集流体两端负极活性材料层的无设置区的面积，以及负极极耳处的空箔面积，可有效增加负极集流体的利用率，进一步提升了其电化学装置的能量密度。

根据本申请的另一方面，本申请提供了包含本申请负极的电化学装置。在一些实施例中，所述电化学装置为锂离子电池。所述锂离子电池包括：正极、隔离膜以及上述实施例的负极，其中隔离膜设置于正极与负极之间。

图6表示本申请部分实施例的电化学装置的呈卷绕式结构的电芯的示意图。

如图6所示，在一些实施例中，所述电化学装置为卷绕式结构，其中正极、负极与隔离膜依序堆叠并卷绕，负极包含负极集流体201、负极活性材料层202及负极极耳203，且负极极耳203设置在距离所述卷绕式结构的中心三层以外的位置。

在一些实施例中，所述正极的正极极耳209设置在距离所述负极极耳203的位置自所述卷绕结构的中心向内或向外一层的位置。通过将正极极耳209与负极极耳203向外圈相差一层能够以降低正极极耳209与负极极耳203短路风险。

在一些实施例中，本申请的负极极耳在负极集流体上的设置是通过将负极极耳与负极集流体上的设置部位焊接。所述设置部位是通过超声清洗负极活性材料层以形成，因此不存在商业化的电化学装置的正极和负极的在涂布正负极活性材料层时的水印问题，且焊接的负极集流体的设置部位和负极极耳的距离可以减少，有助于进一步降低负极极耳处的阻抗。

在一些实施例中，如图6所示，所述负极活性材料层202及所述正极活性物质层208进一步包含凹槽206，所述凹槽206由所述负极活性材料层202或所述正极活性物质层208界定且暴露所述负极集流体201或正极集流体207的一部分，其中所述凹槽设置在所述负极极耳203或所述正极极耳209的周围。在另一些实施例中，所述凹槽206能够进一步设置在与所述负极极耳203或所述正极极耳209相对应的正极材料层或负极材料层的区域206'。在另一些实施例中，绝缘材料和/或粘结材料能够设置在所述凹槽206中，并填充所述凹槽。应理解，所述绝缘材料及所述粘结材料可以是本领域任何常见的合适材料。通过上述凹槽、绝缘材料及粘结材料设置，能够进一步降低电芯结构短路的风险。

在一些实施例中，所述正极还包括正极集流体207及正极活性材料层208。

在一些实施例中，所述正极集流体207可为铝箔或镍箔，然而，可以采用本领域常用的其他材料作为正极集流体，而不受其限制。

所述正极活性材料层208包含能够吸收和释放锂(Li)的正极材料(下文中，有时称为“能够吸收/释放锂Li的正极材料”)。在一些实施例中，能够吸收/释放锂(Li)的正极材料的可以包括钴酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、锰酸锂、磷酸锰铁锂、磷酸钒锂、磷酸钒氧锂、磷酸铁锂、钛酸锂和富锂锰基材料中的一种或多种。

在上述正极材料中，钴酸锂的化学式可以为Li_yCo_aM1_bO_2-c，其中，M1表示选自镍(Ni)、锰(Mn)、镁(Mg)、铝(Al)、硼(B)、钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、铁(Fe)、铜(Cu)、锌(Zn)、钼(Mo)、锡(Sn)、钙(Ca)、锶(Sr)、钨(W)、钇(Y)、镧(La)、锆(Zr)和硅(Si)中的至少一种，y、a、b和c值分别在以下范围内：0.8≤y≤1.2、0.8≤a≤1、0≤b≤0.2、-0.1≤c≤0.2；

在上述正极材料中，镍钴锰酸锂或镍钴铝酸锂的化学式可以为Li_zNi_dM2_eO_2-f，其中，M2表示选自钴(Co)、锰(Mn)、镁(Mg)、铝(Al)、硼(B)、钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、铁(Fe)、铜(Cu)、锌(Zn)、钼(Mo)、锡(Sn)、钙(Ca)、锶(Sr)、钨(W)、锆(Zr)和硅(Si)中的至少一种，z、d、e和f值分别在以下范围内：0.8≤z≤1.2、0.3≤d≤0.98、0.02≤e≤0.7、-0.1≤f≤0.2；

在上述正极材料中，锰酸锂的化学式为Li_uMn_2-gM_3gO_4-h，其中M3表示选自钴(Co)、镍(Ni)、镁(Mg)、铝(Al)、硼(B)、钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、铁(Fe)、铜(Cu)、锌(Zn)、钼(Mo)、锡(Sn)、钙(Ca)、锶(Sr)和钨(W)中的至少一种，z、g和h值分别在以下范围内：0.8≤u≤1.2、0≤g<1.0和-0.2≤h≤0.2。

在一些实施例中，所述正极能够进一步包含粘结剂及导电剂中的至少一种。应理解，本领域技术人员可以根据实际需要选择本领域常规的粘结剂及导电剂，而不受其限制。

在一些实施例中，隔离膜包括，但不限于，选自聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺和芳纶中的至少一种。举例来说，聚乙烯包括选自高密度聚乙烯、低密度聚乙烯和超高分子量聚乙烯中的至少一种组分。尤其是聚乙烯和聚丙烯，它们对防止短路具有良好的作用，并可以通过关断效应改善锂离子电池的稳定性。

本申请的电化学装置还包括电解质，所述电解质可以是凝胶电解质、固态电解质和电解液中的一种或多种，电解液包括锂盐和非水溶剂。

在一些实施例中，所述锂盐选自LiPF₆、LiBF₄、LiAsF₆、LiClO₄、LiB(C₆H₅)₄、LiCH₃SO₃、LiCF₃SO₃、LiN(SO₂CF₃)₂、LiC(SO₂CF₃)₃、LiSiF₆、LiBOB和二氟硼酸锂中的一种或多种。举例来说，锂盐选用LiPF₆，因为它可以给出高的离子导电率并改善循环特性。

所述非水溶剂可为碳酸酯化合物、羧酸酯化合物、醚化合物、其它有机溶剂或它们的组合。

上述碳酸酯化合物可为链状碳酸酯化合物、环状碳酸酯化合物、氟代碳酸酯化合物或其组合。

上述其它有机溶剂的实施例为二甲亚砜、1,2-二氧戊环、环丁砜、甲基环丁砜、1,3-二甲基-2-咪唑烷酮、N-甲基-2-吡咯烷酮、甲酰胺、二甲基甲酰胺、乙腈、磷酸三甲酯、磷酸三乙酯、磷酸三辛酯、和磷酸酯及其组合。

在一些实施例中，非水溶剂选自由碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸亚丙酯、醋酸甲酯、丙酸乙酯、氟代碳酸乙烯酯及其组合所组成的群组。

应理解，本申请实施例中的正极、负极、隔离膜以及锂离子电池的制备方法，在不违背本申请的精神下，可以根据具体需要选择本领域任何合适的常规方法，而不受其限制。在制造电化学装置的方法的一个实施方案中，所述锂离子电池的制备方法包括：将上述实施例中的正极、隔离膜及负极按顺序卷绕成电芯，将所述电芯装入例如铝塑膜中，并注入电解液，随后进行真空封装、静置、化成、整形等工序，以获得锂离子电池。

本申请电化学装置的电芯不仅包括卷绕式结构，在一些实施例中，本申请电化学装置的电芯还包括层叠结构和折叠结构。

虽然上面以锂离子电池进行了举例说明，但是本领域技术人员在阅读本申请之后，能够想到由本申请的负极可以用于其他合适的电化学装置。这样的电化学装置包括发生电化学反应的任何装置，它的具体实例包括所有种类的一次电池、二次电池、燃料电池、太阳能电池或电容。特别地，该电化学装置是锂二次电池，包括锂金属二次电池、锂离子二次电池、锂聚合物二次电池或锂离子聚合物二次电池。

本申请的一些实施例进一步提供了一种电子装置，所述电子装置包含本申请实施例中的电化学装置。

本申请实施例的电子装置没有特别限定，其可以是用于现有技术中已知的任何电子装置。在一些实施例中，所述电子装置可以包括，但不限于，笔记本电脑、笔输入型计算机、移动电脑、电子书播放器、便携式电话、便携式传真机、便携式复印机、便携式打印机、头戴式立体声耳机、录像机、液晶电视、手提式清洁器、便携CD机、迷你光盘、收发机、电子记事本、计算器、存储卡、便携式录音机、收音机、备用电源、电机、汽车、摩托车、助力自行车、自行车、照明器具、玩具、游戏机、钟表、电动工具、闪光灯、照相机、家庭用大型蓄电池和锂离子电容器等。

实施例

下面列举了一些实施例并分别对其电化学装置(锂离子电池)进行直流电阻测试、放电倍率测试、循环性能测试及电芯表面温升测试以更好地对本申请的技术方案进行说明。

一、测试方法

1.1直流电阻测试：

直流电阻采用如下公式计算，R＝(U_0.1C-U_1C)/(I_1C-I_0.1C)，其中R为直流电阻，I_1C为放电倍率为1C的锂离子电池的电流，I_0.1C为放电倍率为0.1C下的锂离子电池的电流，U_1C为放电倍率为1C放电1秒后的锂离子电池的末端电压，U_0.1C为放电倍率为0.1C放电10秒后的锂离子电池的末端电压。直流电阻测试流程：将以下实施例的锂离子电池满充后，以0.1C恒流放电10秒，纪录电流I_0.1C及末端电压U_0.1C，然后以1C恒流放电1秒，并纪录电流I_1C及末端电压U_1C。每组取4块锂离子电池测试，计算锂离子电池的直流电阻的平均值。

1.2放电倍率测试：

将以下实施例的锂离子电池置于25℃±2℃的恒温箱中静置2小时，以0.5C恒流充电至4.35V，然后以4.35V恒压充电至0.05C并静置15分钟；再以0.2C恒流放电至3.0V。随后在将锂离子电池以0.5C恒流充电至4.35V，然后以4.35V恒压充电至0.05C满充，随后以1.0C恒流放电至3.0V。记录锂离子电池以0.2C恒流放电及以1.0C恒流放电的放电容量。

每组取4块锂离子电池测试，计算锂离子电池的放电倍率的平均值。放电倍率＝1.0C恒流放电的放电容量(mAh)/0.2C恒流放电的放电容量(mAh)。

1.3循环性能测试：

将以下实施例的锂离子电池置于25℃±2℃的恒温箱中静置2小时，以0.5C恒流充电至4.35V，然后以4.35V恒压充电至0.05C并静置15分钟；再以0.5C恒流放电至3.0V，此为一次充放电循环过程，记录锂离子电池首次循环的放电容量；而后按上述方法重复进行多次的充放电循环过程，并记录100次循环后的放电容量。

每组取4块锂离子电池测试，计算锂离子电池的容量保持率的平均值。锂离子电池100次循环的容量保持率＝第100次循环的放电容量(mAh)/首次循环后的放电容量(mAh)×100％。

1.4电芯表面温升测试：

将以下实施例的锂离子电池置于25℃±2℃的恒温密封箱中，同时监控锂离子电池的电芯表面的四个不同位置的温度。具体温升测试流程为：先将锂离子电池以1.0C恒流放电至2.8V并静置30分钟。随后以1.0C恒流充电至4.35V并静置5分钟，再以1.0C恒流放电至2.8V，此为一次充放电循环过程。重复三次充放电循环过程。计算锂离子电池的电芯表面温升的平均值。

二、制备方法

2.1正极的制备

将钴酸锂与乙炔黑、聚偏二氟乙烯按重量比94：3：3的比例溶于N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液中，形成正极浆料。采用铝箔作为正极集流体，将正极浆料涂覆于正极集流体上，经过干燥、冷压、裁切程序后得到正极。

2.2隔离膜的制备

将聚偏二氟乙烯溶于水，通过机械搅拌形成均匀浆料，将浆料涂布到已经涂布好两面均为陶瓷涂层的多孔基材(聚乙烯)的两侧表面上，烘干后形成隔离膜。

2.3电解液的制备

在含水量小于10ppm的环境下，将六氟磷酸锂与非水有机溶剂(碳酸乙烯酯(EC)：碳酸二乙酯(DEC)：碳酸亚丙酯(PC)：丙酸丙酯(PP)：碳酸亚乙烯酯(VC)＝20；30；20；28；2，重量比)按重量比8：92配制以形成电解液。

实施例1-1

将人造石墨和单质硅以一定重量比例均匀分散在去离子水中，形成负极浆料。采用铜箔作为负极集流体，负极集流体的厚度为8μm将负极浆料涂覆于负极集流体上，涂覆质量为105mg，经过干燥、冷压、裁切程序后将负极极耳设置在负极集流体的长轴方向上的一端，其中负极极耳厚度为80μm，得到负极，负极活性材料层中单质硅的重量比为20％。将正极、隔离膜与以负极依顺序堆叠，使隔离膜处于正极与负极中间起到隔离的作用，然后卷绕成电芯，电芯层数为7层(双面正负极算一层)。随后将该电芯装入铝塑膜包装袋中，并在80℃下脱去水分后，获得干电芯。随后将上述电解液注入干电芯中，经过真空封装、静置、化成、整形等工序，得到锂离子电池。

实施例1-2

与实施例1-1的制备方式相同，不同的地方是实施例1-2中是将人造石墨与硅碳混合后溶于去离子水中形成负极浆料，其中负极活性材料层中硅碳的重量比为40％。

实施例1-3

与实施例1-1的制备方式相同，不同的地方是实施例1-3中是将人造石墨与硅碳混合后溶于去离子水中形成负极浆料，其中负极活性材料层中硅碳的重量比为50％。

实施例1-4

与实施例1-1的制备方式相同，不同的地方是实施例1-4中是将人造石墨与硅碳混合后溶于去离子水中形成负极浆料，其中负极活性材料层中硅碳的重量比为70％。

实施例1-5

与实施例1-1的制备方式相同，不同的地方是实施例1-5中是将人造石墨与硅碳混合后溶于去离子水中形成负极浆料，其中负极活性材料层中硅碳的重量比为90％。

实施例2-1到2-5

与实施1-1的制备方式相同，不同的地方是实施例2-1到2-5中负极极耳的设置位置与负极活性物质层的长轴方向上的最接近的一端的距离为负极活性材料层的长轴长度的0.125倍，且其正极极耳设置与负极极耳自所述卷绕结构的中心向外一层的位置。实施例2-1到2-5中的负极活性材料包含人造石墨与硅碳，负极活性材料层中硅碳的重量比为依次为20％、40％、50％、70％和90％。

实施例3-1到3-5

与实施例1-1的制备方式相同，不同的地方是实施例3-1到3-5中负极极耳的设置位置与负极活性物质层的长轴方向上的最接近的一端的距离为负极活性材料层的长轴长度的0.25倍，且其正极极耳设置与负极极耳自所述卷绕结构的中心向外一层的位置,实施例3-1到3-5中的负极活性材料包含人造石墨与硅碳，负极活性材料层中硅碳的重量比为依次为20％、40％、50％、70％和90％。

实施例4-1到4-5

与实施例1-1的制备方式相同，不同的地方是实施例4-1到4-5中负极极耳的设置位置与负极活性物质层的长轴方向上的最接近的一端的距离为负极活性材料层的长轴长度的0.5倍，且其正极极耳设置与负极极耳自所述卷绕结构的中心向外一层的位置。实施例4-1到4-5中的负极活性材料包含人造石墨与硅碳，负极活性材料层中硅碳的重量比为依次为20％、40％、50％、70％和90％。

实施例5-1到5-2

与实施例1-1的制备方式相同，不同的地方是实施例5-1和实施例5-2中负极极耳的设置位置与负极活性物质层的长轴方向上的最接近的一端的距离分别为负极活性材料层的长轴长度的0.1倍和0.15倍，且涂覆于负极集流体上的负极活性物质涂覆层厚度为35μm和45μm，其正极极耳设置与负极极耳自所述卷绕结构的中心向外一层的位置。实施例5-1和5-2中的负极活性材料包含人造石墨与硅碳，负极活性材料层中硅碳的重量比为为20％。

实施例5-3到5-4

与实施例1-1的制备方式相同，不同的地方是实施例5-3和5-4中，负极极耳的设置位置与负极活性物质层的长轴方向上的最接近的一端的距离为负极活性材料层的长轴长度的0.125倍，且其正极极耳设置与负极极耳自所述卷绕结构的中心向外一层的位置。实施例5-3和5-4中负极集流体厚度分别为4μm和30μm，实施例5-3和5-4中的负极活性材料层中硅碳的重量比为为20％。

对以上实施例的对锂离子电池进行直流电阻测试、放电倍率测试、循环性能测试及电芯表面温升，并记录其测试结果。

所有实施例的锂离子电池的直流电阻测试、放电倍率测试、循环性能测试及电芯表面温升的结果如下表1-5所示。

表1

表2

表3

表4

表5

图9表示本申请表1至4实施例的负极极耳的设置位置和负极活性材料层中的硅含量与电芯温度提升的三维曲线图。如图9所示，本申请实施例明显表现了负极极耳的设置位置与硅含量对电化学装置的循环性能以及安全性能的影响。其中，根据表1的结果，实施例1-1、2-1、2-2、3-1、3-2、3-3、4-1、4-2、4-3和4-4的负极极耳中心与所述负极活性材料层的任一端在长轴方向上的距离与负极活性材料层的长轴长度的比值D与所述负极活性材料层中硅的重量比G符合以下关系式：D≥0.6×G。通过上述实施例可知，本申请实施例的电化学装置能够有效降低电芯在充放电循环过程时升高的温度使其小于15℃。

根据实施例5-1到5-4，极耳厚度为80μm时，负极集流体厚度S₁，负极极耳厚度S₂，负极活性材料层厚度为S₃，满足下述关系式，0.9(S₁+2S₃)≤S₁+S₂≤1.1(S₁+2S₃)。电芯温升随负极集流体厚度增大而减小，综合集流体强度和电芯能量密度，实施例优选了8μm集流体。通过控制负极极耳的设置位置与硅含量的关系，在具有相同硅含量的负极材料下，本申请实施例的电化学装置能够具有较低的直流电阻以及更好的放电倍率，同时还表现出更好的循环容量。此外，在符合本申请实施例的负极极耳的设置位置与硅含量的关系范围下的实施例能够有效的控制电芯表面平均升高温度，进而确保电化学装置的安全性能。

通过上述实施例的比较，可以清楚的理解本申请的电化学装置通过限制负极极耳的设置位置与其负极活性材料层中硅的重量比的关系，使得电化学装置的循环性能及安全性能能够有显著的提升。

整个说明书中对“一些实施例”、“部分实施例”、“一个实施例”、“另一举例”、“举例”、“具体举例”或“部分举例”的引用，其所代表的意思是在本申请中的至少一个实施例或举例包含了该实施例或举例中所描述的特定特征、结构、材料或特性。因此，在整个说明书中的各处所出现的描述，例如：“在一些实施例中”、“在实施例中”、“在一个实施例中”、“在另一个举例中”，“在一个举例中”、“在特定举例中”或“举例“，其不必然是引用本申请中的相同的实施例或示例。此外，本文中的特定特征、结构、材料或特性可以以任何合适的方式在一个或多个实施例或举例中结合。

尽管已经演示和描述了说明性实施例，本领域技术人员应该理解上述实施例不能被解释为对本申请的限制，并且可以在不脱离本申请的精神、原理及范围的情况下对实施例进行改变，替代和修改。

Claims (10)

1.一种电化学装置，其包括：

正极；

隔离膜；以及

负极，其中所述负极包括：

负极集流体；

负极活性材料层，其中所述负极活性材料层包含硅基材料；以及

负极极耳，其中所述负极极耳设置于所述负极集流体的长轴侧边上，所述负极极耳的中心位置与所述负极活性材料层的任一端在长轴方向上的距离为第一长度，所述负极活性材料层的长轴长度为第二长度，且所述负极满足以下关系式(I)：

0.5≥D≥0.6×G 式(I)，其中D为所述第一长度与所述第二长度的比值，G为所述硅基材料的重量比，且所述硅基材料的重量比小于或等于70％。

2.根据权利要求1所述的电化学装置，其中，所述负极集流体的厚度为4μm至30μm，且所述负极满足以下关系式(II)：

0.9×(S₁+2S₃)≤S₁+S₂≤1.1×(S₁+2S₃) 式(II)

其中所述负极集流体的厚度为S₁，所述负极极耳的厚度为S₂，所述负极活性材料层的厚度为S₃。

3.根据权利要求1所述的电化学装置，其中，所述硅基材料包含硅的单质、硅的化合物、硅的合金及硅氧材料中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的电化学装置，其中所述负极活性材料层的长轴长度与所述负极集流体的长轴长度的比值为0.8至1.0。

5.根据权利要求1所述的电化学装置，其中所述电化学装置为卷绕式结构，且所述负极极耳设置在距离所述卷绕式结构的中心三层以外的位置。

6.根据权利要求5所述的电化学装置，其中所述正极的正极极耳设置在距离所述负极极耳的位置自所述卷绕结构的中心向外一层的位置。

7.根据权利要求1所述的电化学装置，其中所述硅基材料进一步包含材料层，所述材料层设置在所述硅基材料的至少一部分表面上，所述材料层包含聚合物、无机粒子、无定形碳或碳纳米管中的至少一种。

8.根据权利要求7所述的电化学装置，其中所述无机粒子包括钴酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、硅单质、硅的化合物、硅的合金及硅氧材料中的至少一种，所述聚合物包含聚偏二氟乙烯、聚丙烯酸、聚氯乙烯、羧甲基纤维素、聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺及芳纶中的至少一种。

9.根据权利要求1所述的电化学装置，其中所述负极上设置凹槽，所述负极极耳设置于所述凹槽中。

10.一种电子装置，其包含权利要求1至9中任一项所述的电化学装置。

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