CN113314697A - 一种电芯和电池 - Google Patents

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孙雷明
谭沐初
王翔
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Abstract

本发明提供一种电芯和电池，电芯包括：正极片、负极片和隔膜，所述隔膜位于所述正极片和所述负极片之间，所述正极片包括第一极片部和第二极片部，所述第一极片部位于所述电芯的中间位置，所述第二极片部位于所述第一极片部的外侧，所述第一极片部包括的涂层的金属元素的含量大于所述第二极片部包括的涂层的金属元素的含量，所述金属元素包括铝元素和镁元素。这样，通过使得第一极片部包括的涂层的金属元素的含量大于第二极片部包括的涂层的金属元素的含量，即第一极片部包括的涂层的金属元素的含量较高，可以使得正极片在充放电时的稳定性较好，从而改善整个电芯的循环性能。

Description

一种电芯和电池
技术领域
本发明涉及电池技术领域，特别涉及一种电芯和电池。
背景技术
随着电池技术的发展，电池在人们的生活中得到了广泛的应用。同时，电池的种类也越来越多。在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中存在以下问题：当前电池一般为可充电电池，但是在充放电的过程中，电池的电芯内部容易形成高温热区，从而使得电芯容易出现过度脱锂现象，导致电芯的充放电稳定性较差。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种电芯和电池，解决了电芯的充放电稳定性较差的问题。
为了达到上述目的，本发明实施例提供一种电芯，包括：正极片、负极片和隔膜，所述隔膜位于所述正极片和所述负极片之间，所述正极片包括第一极片部和第二极片部，所述第一极片部位于所述电芯的中间位置，所述第二极片部位于所述第一极片部的外侧，所述第一极片部包括的涂层的金属元素的含量大于所述第二极片部包括的涂层的金属元素的含量，所述金属元素包括铝元素和镁元素。
可选地，所述正极片包括的涂层的铝元素的含量为4000-9000ppm。
可选地，所述正极片包括的涂层的镁元素的含量为500-3000ppm。
可选地，所述电芯为卷绕式电芯，所述第一极片部构成所述卷绕式电芯的中心区域，所述第二极片部构成与所述中心区域相邻的外部区域。
可选地，所述第一极片部和所述第二极片部的折数的比值范围为1/9至9/1。
可选地，所述电芯为叠片式电芯，所述叠片式电芯包含多个所述正极片，多个所述正极片包括第一正极片和第二正极片，所述第一正极片为位于多个所述正极片中间位置的正极片，所述第二正极片为位于多个所述正极片外部位置的正极片，且所述第一正极片包括的涂层的金属元素的含量大于所述第二正极片包括的涂层的金属元素的含量。
可选地，沿着从所述第一正极片至所述第二正极片的方向，所述叠片式电芯包含的正极片包括的涂层的金属元素的含量逐渐降低。
可选地，所述第一极片部包括的涂层的铝元素的含量为6000-9000ppm，所述第二极片部包括的涂层的铝元素的含量为5000-8000ppm。
可选地，所述第一极片部包括的涂层的镁元素的含量为1000-3000ppm，所述第二极片部包括的涂层的镁元素的含量为500-2000ppm。
本发明实施例还提供一种电池，包括上述的电芯。
上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：
本发明实施例中，电芯包括：正极片、负极片和隔膜，所述隔膜位于所述正极片和所述负极片之间，所述正极片包括第一极片部和第二极片部，所述第一极片部位于所述电芯的中间位置，所述第二极片部位于所述第一极片部的外侧，所述第一极片部包括的涂层的金属元素的含量大于所述第二极片部包括的涂层的金属元素的含量，所述金属元素包括铝元素和镁元素。这样，通过使得第一极片部包括的涂层的金属元素的含量大于第二极片部包括的涂层的金属元素的含量，即第一极片部包括的涂层的金属元素的含量较高，可以使得正极片在充放电时的稳定性较好，从而改善整个电芯的循环性能。
附图说明
图1为本发明实施例提供的电芯的正极片的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的电芯的结构示意图之一；
图3为本发明实施例提供的电芯的结构示意图之二。
具体实施方式
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。
参见图1-3，图2和图3分别为本发明实施例提供的一种电芯的结构示意图，如图1所示，电芯，包括：正极片10、负极片20和隔膜30，所述隔膜30位于所述正极片10和所述负极片20之间，参见图1，所述正极片10包括第一极片部11和第二极片部12，所述第一极片部11位于所述电芯的中间位置，所述第二极片部12位于所述第一极片部11的外侧，所述第一极片部11包括的涂层的金属元素的含量大于所述第二极片部12包括的涂层的金属元素的含量，所述金属元素包括铝元素和镁元素。
本发明中金属元素的含量是质量含量，ppm的含义是part per million(百万分之一)。在电池产品中，可以将正极片上的涂层刮下后经ICP检测获得金属元素的含量。
其中，正极片10包括集流体(该集流体可以为铝箔)和位于集流体表面的涂层，同时，正极片10包括第一极片部11和第二极片部12，因此，可理解为第一极片部11包括第一集流体部和第一涂层部，第二极片部12包括第二集流体部和第二涂层部，而第一集流体部和第二集流体部构成上述集流体，第一涂层部和第二涂层部构成上述涂层，也就是说：本发明实施例中的第一极片部11包括的涂层可以理解为第一涂层部，第二极片部12包括的涂层可以理解为第二涂层部。
其中，本发明实施例的工作原理可以参见以下表述：
在充放电的过程中，电芯的中间位置容易形成高温热区，本发明实施例中，第一极片部11位于电芯的中间位置，且通过使得第一极片部11包括的涂层的金属元素的含量大于第二极片部12包括的涂层的金属元素的含量，即第一极片部11包括的涂层的金属元素的含量较高，从而可以使得正极片10在充放电(特别是高温高电压充放电)时的稳定性较好，从而改善整个电芯的循环性能。同时，由于第一极片部11包括的涂层的金属元素的含量大于第二极片部12包括的涂层的金属元素的含量，相当于只增加了第一极片部11包括的涂层的金属元素的含量，减少了正极片10克容量的损失等现象的出现，降低了电芯的能量密度的损失，即本发明实施例可以同时兼顾电芯的循环性能较好以及能量密度较好。
其中，第一极片部11和第二极片部12可以相邻设置，即第一极片部11和第二极片部12可以相互连接，例如：第一极片部11和第二极片部12可以位于同一水平面(该水平面可以认为是正极片10所在的平面)上，而第一极片部11和第二极片部12所在的区域可以分别为该水平面的两个不同区域。需要说明的是，当第一极片部11位于电芯的中间位置时，可以理解为正极片10位于电芯的中间位置，而第一极片部11和第二极片部12可以均位于电芯的中间位置，例如：第一极片部11可以位于电芯的中间偏左位置，而第二极片部12可以位于电芯的中间偏右位置。
另外，第一极片部11和第二极片部12也可以间隔设置，例如：第一极片部11和第二极片部12可以通过中间极片部连接。这样，第一极片部11和第二极片部12可以分别位于正极片10的相对两端。
作为一种可选的实施方式，正极片10的正极材料中的金属元素可以通过掺杂或者包覆得到的。
需要说明的是，正极片10包括的涂层的铝元素和镁元素的具体含量在此不做限定，例如：作为一种可选的实施方式，所述正极片10包括的涂层的铝元素的含量为4000-9000ppm。作为另一种可选的实施方式，所述正极片10包括的涂层的镁元素的含量为500-3000ppm。这样，通过上述方式，既可以增强电芯充电过程中的稳定性，同时又可以增强铝元素和镁元素含量设置方式的多样性和灵活性。
其中，上述ppm可以指的是百万分之一，且金属元素的含量也可以通过百分比来表示，具体在此不再赘述。
另外，作为另一种可选的实施方式，所述正极片10包括的涂层的铝元素的含量为5500-7500ppm；作为另一种可选的实施方式，所述正极片10包括的涂层的镁元素的含量为1000-2000ppm。这样，可以进一步增强铝元素和镁元素含量设置方式的多样性和灵活性。
当然，第一极片部11包括的涂层和第二极片部12包括的涂层的铝元素和镁元素的含量也可以不同，例如：作为一种可选的实施方式，第一极片部11包括的涂层的铝元素的含量为6000-9000ppm；作为一种可选的实施方式，第二极片部12包括的涂层的铝元素的含量为5000-8000ppm。
作为另一种可选的实施方式，第一极片部11包括的涂层的铝元素的含量为6500-8500ppm；作为另一种可选的实施方式，第二极片部12包括的涂层的铝元素的含量为5500-7500ppm。
作为另一种可选的实施方式，第一极片部11包括的涂层的镁元素的含量为1000-3000ppm；作为另一种可选的实施方式，第二极片部12包括的涂层的镁元素的含量为500-2000ppm。
作为另一种可选的实施方式，第一极片部11包括的涂层的镁元素的含量为1500-2500ppm；作为另一种可选的实施方式，第二极片部12包括的涂层的镁元素的含量为700-1500ppm。
这样，通过上述方式，可以进一步增强铝元素和镁元素含量设置方式的多样性和灵活性。
需要说明的是，电芯的具体结构在此不做限定，例如：电芯可以为卷绕式电芯或者叠片式电芯。其中，卷绕式电芯可以指的是将一整块正极片10、负极片20和隔膜30经过多次弯折，从而构成多层结构(每一层结构中可以包括一部分正极片10、一部分负极片20和一部分隔膜30，上述一部分正极片10、一部分负极片20和一部分隔膜30可以被称作为一层电芯结构)。而叠片式电芯可以认为是由多块正极片10、多块负极片20和多块隔膜30叠加形成，而每一块正极片10、与对应的负极片20和对应的隔膜30可以被称为一组叠片。
作为一种可选的实施方式，参见图2，所述电芯为卷绕式电芯，所述第一极片部11构成所述卷绕式电芯的中心区域，所述第二极片部12构成与所述中心区域相邻的外部区域。这样，由于第一极片部11位于电芯的中心区域，通过使得中心区域包括的涂层的金属元素的含量较高，从而可以使得正极片10在充放电(特别是高温高电压充放电)时的稳定性较好，从而改善整个电芯的循环性能。
需要说明的是，中心区域与上述实施方式的中间位置存在区别：中间位置可以指的是位于电芯的中间的一个水平面上所有的位置，而中心区域则可以指的是该水平面的中心位置所在的区域。
而第二极片部12位于外部区域可以指的是除中心区域之外的其他区域，例如：第二极片部12可以围绕第一极片部11设置。
另外，折次可以理解为：第一极片部11和第二极片部12的折叠次数，第一极片部11的折叠次数可以用m表示，第二极片部12的折叠次数可以用n表示，其中，m和n的比值在此不做限定，例如：作为一种可选的实施方式，n/m的范围可以为1/9～9/1，即所述第一极片部11和所述第二极片部12的折数的比值范围为1/9至9/1。这样，增强了第一极片部11和第二极片部12的折叠次数的灵活性，当然，第一极片部11和第二极片部12的折叠次数可以根据设计要求来确定。
作为另一种可选的实施方式，参见图3，所述电芯为叠片式电芯，所述叠片式电芯包含多个所述正极片10，多个所述正极片10包括第一正极片和第二正极片，所述第一正极片为位于多个所述正极片中间位置的正极片，所述第二正极片为位于多个所述正极片外部位置的正极片，且所述第一正极片包括的涂层的金属元素的含量大于所述第二正极片包括的涂层的金属元素的含量。
这样，由于位于多个正极片10中间位置的第一正极片包括的涂层的金属元素大于位于多个正极片10外部位置的第二正极片包括的涂层的金属元素的含量，同样可以使得正极片在充放电时的稳定性较好，从而改善整个电芯的循环性能。同时，还增加了电芯的多样性。
需要说明的是，上述外部位置可以指的是除中间位置之外的其他位置。
作为一种可选的实施方式，沿着从所述第一正极片至所述第二正极片的方向，所述叠片式电芯包含的正极片包括的涂层的金属元素的含量逐渐降低。即从电芯的中间位置至电芯的外部位置，正极片包括的涂层的金属元素的含量呈梯度下降，从而可以进一步增强电芯充放电时的稳定性。上述梯度的具体取值在此不做限定。
另外，作为一种可选的实施方式，所述电芯为叠片式电芯，所述叠片式电芯包含多个所述正极片10，多个所述正极片10包括第一正极片和第二正极片，所述第一正极片为位于多个所述正极片中间位置的正极片，所述第二正极片为位于多个所述正极片边缘位置的正极片，且所述第一正极片的第一极片部11包括的涂层的金属元素的含量大于所述第二正极片的第一极片部11包括的涂层的金属元素的含量。这样，可以进一步增强正极片在充放电时的稳定性较好，从而改善整个电芯的循环性能。
本发明实施例还提供一种电池，包括上述实施方式中的电芯，由于本发明实施例提供的电池包括上述实施方式中的电芯，因而具有与上述实施方式中的电芯相同的有益技术效果，而电芯的具体结构可以参见上述实施方式的相应表述，在此不再赘述。
下面以具体实施例来举例说明本发明。
叠片式电芯的加工步骤可以参见以下步骤：
步骤401、将正极活性物质1、粘结剂PVDF、导电剂按照一定质量比混合(质量比的具体取值在此不做限定，例如：质量比可以为97.8：1.1：1.1)混合，然后加入N-甲基吡咯烷酮搅拌分散制成适当固含量的正极浆料1，将其涂覆到集流体上，经烘干、辊压、分切、制片等工序，得到正极片1；
步骤402、将正极活性物质2、粘结剂PVDF、导电剂按照一定质量比混合(质量比的具体取值在此不做限定，例如：质量比可以为97.8：1.1：1.1)，然后加入N-甲基吡咯烷酮搅拌分散制成适当固含量的正极浆料2，将其涂覆到集流体上，经烘干、辊压、分切、制片等工序，得到正极片2；
步骤403、在96.9wt％负极活性物质中加入0.5wt％导电炭、1.3wt％丁苯橡胶、1.3wt％羧甲基纤维素，然后用水调节制成负极浆料。经烘干、辊压、分切、制片等工序，得到负极片。
步骤404、将得到的正极片和负极片20与隔膜30一起堆叠，再用铝塑膜封装成电芯，然后经过注液、化成、二次封装、分选、老化等工序，最后对电池进行电性能测试。
电池性能测试可以包括高温充放电测试和能量密度两个参数，而高温充放电测试可以参见以下表述：在环境温度45±2℃条件下搁置2h后，将电芯进行充放电：3C倍率下恒流充电至4.25V，在4.25V电压下恒压充电至2.5C，在2.5C倍率下恒流充电至4.35V，在4.35V电压下恒压充电至2C，在2C倍率下恒流充电至4.4V，在4.4V电压下恒压充电至1.5C，在1.5C倍率下恒流充电至4.48V，在4.48V电压下恒压充电至0.025C，搁置5min，然后进行0.7C放电，截止电压3.0V，搁置5min。以此步骤循环，监控充放电循环过程中电池的容量保持率。
能量密度可以为体积能量密度，能量密度(wh/L)＝常***容量(Ah)×体系平台电压(V)/电芯体积(L)。
需要说明的是，可以通过调节正极片1和正极片2的层数、铝的含量、锰的含量的不同，然后观察每个实施例的性能。具体参见表1。
Figure BDA0003087122580000081
表1
从表1中的实施例1-3可以看出，随着正极片1层数的增大，电池循环300cls的保持率逐渐升高，相应的能量密度损失增大。
从表1中的实施例1-3和对比例1对比可以看出，正极片1中Al含量增加，循环保持率有提升，相应的能量密度有损失。
从表1中的实施例2和实施例4对比可以看出，正极片1中Mg含量增加，循环保持率有提升，相应的能量密度有损失。
卷绕式电芯的加工步骤可以参见以下步骤：
步骤501、将正极活性物质1、粘结剂PVDF、导电剂按照一定质量比混合(质量比的具体取值在此不做限定，例如：质量比可以为97.8：1.1：1.1)混合，然后加入N-甲基吡咯烷酮搅拌分散制成适当固含量的正极浆料1，将其涂覆到集流体上，经烘干、辊压、分切、制片等工序，得到正极片1；
步骤502、将正极活性物质2、粘结剂PVDF、导电剂按照一定质量比混合(质量比的具体取值在此不做限定，例如：质量比可以为97.8：1.1：1.1)，然后加入N-甲基吡咯烷酮搅拌分散制成适当固含量的正极浆料2，将其涂覆到集流体上，经烘干、辊压、分切、制片等工序，得到正极片2；
步骤503、将浆料1和浆料2依次涂覆到正极集流体上，浆料1涂覆的位置为区域1，浆料2涂覆的位置为区域2。区域1和区域2的面积比为1:1。经烘干、辊压、分切、制片等工序，得到正极片。
步骤504、在96.9wt％负极活性物质中加入0.5wt％导电炭、1.3wt％丁苯橡胶、1.3wt％羧甲基纤维素，然后用水调节制成负极浆料。经烘干、辊压、分切、制片等工序，得到负极片。
步骤505、将得到的正极片和负极片与隔膜30一起卷绕成卷芯，再用铝塑膜封装成电芯，然后经过注液、化成、二次封装、分选、老化等工序，最后对电池进行电性能测试。
同样，电性能测试可以参见上述叠片式电芯的相应表述，而同样可以调节正极片区域1(本实施例的区域1指的可以是第一极片部11)和区域2(本实施例的区域2指的可以是第二极片部12)的折数、铝元素的含量、镁元素的含量，然后观察每个实施例的性能。具体参见表1。
Figure BDA0003087122580000091
表2
从表2中实施例5-7可以看出，随着正极片区域1折数的增大，电池循环300cls的保持率逐渐升高，相应的能量密度损失增大。
从表2中实施例5-7和对比例2对比可以看出，正极片区域1中Al含量增加，循环保持率有提升，相应的能量密度有损失。
从表2中实施例6和实施例8对比可以看出，正极片区域1中Mg含量增加，循环保持率有提升，相应的能量密度有损失。
因此，综合表1和表2可知：本发明实施例中通过提高电池的中间位置的正极片(或者极片部)中金属元素的含量，可以改善锂离子电池在高温高电压下循环性能，同时还可以兼顾能量密度。
需要说明的是，表1中的E1和表2中的E2可以分别指的是对应的对比例中的能量密度，具体数值在此不做限定。
以上所述，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。

Claims (10)

1.一种电芯，其特征在于，包括：正极片、负极片和隔膜，所述隔膜位于所述正极片和所述负极片之间，所述正极片包括第一极片部和第二极片部，所述第一极片部位于所述电芯的中间位置，所述第二极片部位于所述第一极片部的外侧，所述第一极片部包括的涂层的金属元素的含量大于所述第二极片部包括的涂层的金属元素的含量，所述金属元素包括铝元素和镁元素。
2.根据权利要求1所述的电芯，其特征在于，所述正极片包括的涂层的铝元素的含量为4000-9000ppm。
3.根据权利要求1所述的电芯，其特征在于，所述正极片包括的涂层的镁元素的含量为500-3000ppm。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电芯，其特征在于，所述电芯为卷绕式电芯，所述第一极片部构成所述卷绕式电芯的中心区域，所述第二极片部构成与所述中心区域相邻的外部区域。
5.根据权利要求4所述的电芯，其特征在于，所述第一极片部和所述第二极片部的折数的比值范围为1/9至9/1。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的电芯，其特征在于，所述电芯为叠片式电芯，所述叠片式电芯包含多个所述正极片，多个所述正极片包括第一正极片和第二正极片，所述第一正极片为位于多个所述正极片中间位置的正极片，所述第二正极片为位于多个所述正极片外部位置的正极片，且所述第一正极片包括的涂层的金属元素的含量大于所述第二正极片包括的涂层的金属元素的含量。
7.根据权利要求6所述的电芯，其特征在于，沿着从所述第一正极片至所述第二正极片的方向，所述叠片式电芯包含的正极片包括的涂层的金属元素的含量逐渐降低。
8.根据权利要求1所述的电芯，其特征在于，所述第一极片部包括的涂层的铝元素的含量为6000-9000ppm，所述第二极片部包括的涂层的铝元素的含量为5000-8000ppm。
9.根据权利要求1所述的电芯，其特征在于，所述第一极片部包括的涂层的镁元素的含量为1000-3000ppm，所述第二极片部包括的涂层的镁元素的含量为500-2000ppm。
10.一种电池，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述的电芯。
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