CN116864779B - 电池芯、扣式电池及其制备方法和应用 - Google Patents

电池芯、扣式电池及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电池芯、扣式电池及其制备方法和应用。上述电池芯包括辊压复合后的正极片、隔膜和负极片所形成的一体化结构，正极片包括正极集流体及设置在正极集流体相对的第一表面和第二表面的正极材料，设置在第一表面的正极材料与正极集流体的边缘平齐，设置在第二表面的正极材料相对于正极集流体内缩，隔膜设置在正极材料表面，负极片设置在隔膜远离正极材料的一侧表面，且隔膜和负极片在正极集流体的第二表面的正投影落入第二表面的内部。上述电池芯能够应用在扣式电池中，提高其在宽温域下的大倍率放电性能。

Description

电池芯、扣式电池及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及扣式电池领域，特别是涉及一种电池芯、扣式电池及其制备方法和应用。
背景技术
扣式电池是指外形尺寸像一颗小纽扣的电池，一般来说直径较大，厚度较薄，因体形较小，故在各种微型电子产品中得到了广泛的应用，例如，用于各类电子产品的后备电源，如电脑主板、电子表、电子词典、电子秤、遥控器、电动玩具、心脏起搏器、电子助听器、计数器等。
随着共享经济、移动经济的不断发展，人们对便携式移动电源的性能要求越来越高，各种便携式电子产品配套电源向高容量、大功率、高安全性、宽温域适宜性的方向发展。而传统的扣式电池的大电流放电性能提升有限，无法在低温环境下持续大电流放电。因此，亟需开发一种能够在宽温域下具有较好的大电流放电能力的扣式电池。
发明内容
基于此，本发明一些实施例提供一种电池芯及其制备方法，该电池芯能够应用在扣式电池中，提高其在宽温域下的大电流放电能力。
此外，本发明另一些实施例还提供一种包括上述电池芯的扣式电池及其制备方法和应用。
一种电池芯，所述电池芯包括辊压复合后的正极片、隔膜和负极片所形成的一体化结构，所述正极片包括正极集流体及设置在所述正极集流体相对的第一表面和第二表面的正极材料，设置在所述第一表面的正极材料与所述正极集流体的边缘平齐，设置在所述第二表面的正极材料相对于所述正极集流体内缩，所述隔膜设置在所述正极材料表面，所述负极片设置在所述隔膜远离所述正极材料的一侧表面，且所述隔膜和所述负极片在所述正极集流体的第二表面的正投影落入所述第二表面的内部。
在其中一些实施例中，所述正极材料包括氟化碳材料、导电剂和粘结剂。
在其中一些实施例中，所述正极材料满足如下条件中的至少一个：
（1）所述氟化碳材料包括氟化石墨、氟化石墨烯、氟化炭黑和氟化针状焦中的一种或几种的组合；
（2）所述导电剂包括导电炭黑、碳纳米管及石墨烯中的一种或几种的组合；
（3）所述导电剂的比表面积为300m2/g~1500m2/g；
（4）按质量百分比计，所述正极材料包括氟化碳材料85%~95%、导电剂2%~10%及粘结剂2%~5%。
在其中一些实施例中，在所述正极片中，所述正极材料的单面负载量为12mg/cm2~25mg/cm2。
在其中一些实施例中，所述正极片包括多个相连的正极子片，位于一端的一个正极子片的单侧设有正极材料，其余正极子片的双侧均设有正极材料。
在其中一些实施例中，所述负极片包括锂片，厚度为40μm~80μm。
在其中一些实施例中，所述隔膜包括隔膜基体和设置在所述隔膜基体一侧的陶瓷层，所述隔膜基体与所述正极材料接触，所述陶瓷层与所述负极片接触，所述隔膜基体的厚度为7μm~16μm，所述陶瓷层的厚度为2μm~4μm。
在其中一些实施例中，所述电池芯为卷绕状或叠片状，卷绕或叠片后的电池芯的一侧为裸露的正极集流体，另一侧为负极片。
一种电池芯的制备方法，包括如下步骤：
提供正极片，所述正极片包括正极集流体及设置在所述正极集流体相对的第一表面和第二表面的正极材料，设置在所述第一表面的正极材料与所述正极集流体的边缘平齐，设置在所述第二表面的正极材料相对于所述正极集流体内缩；
在所述正极材料表面附上隔膜和负极片，经辊压复合得到电池芯，所述隔膜设置在所述正极材料表面，所述负极片设置在所述隔膜远离所述正极材料的一侧表面，且所述隔膜和所述负极片在所述正极集流体的第二表面的正投影落入所述第二表面的内部。
在其中一些实施例中，所述制备方法满足如下条件中的一个或两个：
（1）所述正极片的制备步骤包括：在所述正极集流体相对的第一表面和第二表面设置所述正极材料，经辊压复合，制备所述正极片；
（2）所述隔膜包括隔膜基体和设置在所述隔膜基体一侧的陶瓷层，在所述正极材料表面附上隔膜和负极片，经辊压复合得到电池芯的步骤包括：
将所述隔膜以所述隔膜基体一侧附着在所述正极材料表面，且所述隔膜相对所述正极材料外延，辊压得到复合结构；
将所述负极片附着在所述复合结构设有所述陶瓷层的一侧，所述负极片在所述正极材料表面的正投影不超出所述正极材料，经辊压得到所述电池芯。
在其中一些实施例中，还包括：对电池芯进行卷绕或折叠，使卷绕或折叠后的电池芯的一侧为裸露的正极集流体，另一侧为负极片。
一种扣式电池，包括：正极盖、电池芯、电解液和负极盖，所述正极盖和所述负极盖之间形成密封腔体，所述电池芯和所述电解液设置在所述密封腔体内；
所述电池芯包括上述的电池芯或通过上述的制备方法制备的电池芯；
所述正极盖与所述电池芯中的正极集流体接触，所述负极盖与所述电池芯中的负极片接触。
在其中一些实施例中，所述电池芯的包络外径≤所述负极盖的内径。
在其中一些实施例中，所述电池芯的厚度与所述密封腔体的高度的差的绝对值≤0.15mm。
在其中一些实施例中，所述扣式电池能够在-55℃~70℃放电，在-55℃~-30℃下最大持续放电倍率不小于1C，持续时间大于40分钟。
一种扣式电池的制备方法，包括如下步骤：
将电池芯的负极片接触负极盖，加入电解液，盖上正极盖，密封，制备扣式电池，其中，所述电池芯包括上述的电池芯或通过上述的制备方法制备的电池芯。
如上述的扣式电池在制备电子产品中的应用。
一种电子产品，包括上述的扣式电池。
上述电池芯包括辊压复合后的正极片、隔膜和负极片所形成的一体化结构，经辊压复合使正极材料与正极集流体紧密结合，降低接触电阻，正极材料与隔膜紧密结合，降低欧姆电阻，同时减少电池芯在折叠或卷绕过程中的隔膜移位，防止短路，隔膜与负极片之间紧密结合，能够提高负极表面的反应面积，进而提高电池大电流放电能力。采用非对称附着正极材料的正极片，提高了正极与负极的容量比，有利于提高正极放电电流，同时，上述设置使得电池芯经卷绕或折叠后，电池芯的一侧为裸露的正极集流体，另一侧为负极片，在组装成扣式电池的过程中，电池芯中的正极集流体与正极盖正对接触，负极片与负极盖正对接触，在有效降低接触电阻的基础上省略了正极极耳、负极极耳结构，提高了空间利用率，降低了电池重量。因此，上述电池芯从降低界面电阻和提高空间利用率两方面出发，使其应用在扣式电池中，能够提高其在宽温域下的大电流放电能力。
附图说明
图1为一些实施例中，正极片、隔膜与负极片所形成的一体化结构的一种示意图；
图2为一些实施例中，电池芯的制备方法的工艺流程图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将结合具体实施方式对本发明进行更全面的描述。具体实施方式中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
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发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体地实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
除非另外说明或存在矛盾之处，本发明中使用的术语或短语具有以下含义：
本发明中，“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
本发明中，“一种或几种”指所列项目的任一种、任两种或任两种以上。其中，“几种”指任两种或任两种以上。
本发明中，涉及的百分比浓度，如无特别说明，均指终浓度。所述终浓度，指添加成分在添加该成分后的体系中的占比。
本发明中的词语“优选地”、“更优选地”等是指，在某些情况下可提供某些有益效果的本发明实施方案。然而，在相同的情况下或其他情况下，其他实施方案也可能是优选的。此外，对一个或多个优选实施方案的表述并不暗示其他实施方案不可用，也并非旨在将其他实施方案排除在本发明的范围之外。
当本发明中公开一个数值范围时，上述范围视为连续，且包括该范围的最小值及最大值，以及这种最小值与最大值之间的每一个值。进一步地，当范围是指整数时，包括该范围的最小值与最大值之间的每一个整数。此外，当提供多个范围描述特征或特性时，可以合并该范围。换言之，除非另有指明，否则本发明中所公开之所有范围应理解为包括其中所归入的任何及所有的子范围。
本发明中，以开放式描述的技术特征中，包括所列举特征组成的封闭式技术方案，也包括包含所列举特征的开放式技术方案。
本发明实施例中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或组件。
在本发明中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本发明所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
本发明的第一方面提供一种电池芯，电池芯包括辊压复合后的正极片、隔膜和负极片所形成的一体化结构，正极片包括正极集流体及设置在正极集流体相对的第一表面和第二表面的正极材料，设置在第一表面的正极材料与正极集流体的边缘平齐，设置在第二表面的正极材料相对于正极集流体内缩，隔膜设置在正极材料表面，负极片设置在隔膜远离正极材料的一侧表面，且隔膜和负极片在正极集流体的第二表面的正投影落入第二表面的内部。
在一些实施例中，正极集流体包括铝箔。铝箔可以但不限于涂炭铝箔、普通铝箔及打孔铝箔中的任一种。具体地，正极集流体的厚度为12μm~20μm。例如，正极集流体的厚度可以但不限于为12μm、13μm、14μm、15μm、16μm、17μm、18μm、19μm、20μm或这些取值中任意两者所组成的范围。
在其中一些实施例中，正极材料包括氟化碳材料、导电剂和粘结剂。
具体地，氟化碳材料包括但不限于为氟化石墨、氟化石墨烯、氟化炭黑和氟化针状焦中的一种或几种的组合。
进一步地，在正极材料中，氟化碳材料的质量百分比为85%~95%。例如，氟化碳材料的质量百分比可以但不限于为85%、86%、87%、88%、89%、90%、91%、92%、93%、94%、95%或这些取值中任意两者所组成的范围。
利用氟化碳材料的高比容量特性能够提高电池的容量，同时氟化碳材料对维持电池低温环境放电过程中的热平衡具有重要作用，然而氟化碳材料作为正极材料的倍率性能较差，在本实施方式中，通过对电池芯的结构进行优化，使得在扣式电池中以氟化碳材料为正极材料在具有较好低温性能的同时，改善了倍率性能。
具体地，导电剂包括导电炭黑、碳纳米管及石墨烯中的一种或几种的组合。进一步地，导电剂的比表面积为300m2/g~1500m2/g。例如，导电剂的比表面积可以但不限于为300m2/g、400m2/g、500m2/g、600m2/g、700m2/g、800m2/g、900m2/g、1000m2/g、1100m2/g、1200m2/g、1300m2/g、1400m2/g、1500m2/g或这些取值中任意两者所组成的范围。
进一步地，在正极材料中，导电剂的质量百分比为2%~10%。例如，导电剂的质量百分比可以但不限于为2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%或这些取值中任意两者所组成的范围。
采用比表面积为300m2/g~1500m2/g的高比表面积导电剂，显著提高正极材料对电解液的吸液、保液能力，降低离子传输电阻和反应极化。同时，高比表面积的导电剂有助于改善正极片的柔性，减少极片掉粉，便于电池芯的折叠或卷绕加工。
具体地，粘结剂包括但不限于为聚四氟乙烯。
进一步地，在正极材料中，粘结剂的质量百分比为2%~5%。例如，粘结剂的质量百分比可以但不限于为2%、2.5%、3%、3.5%、4%、4.5%、5%或这些取值中任意两者所组成的范围。
在其中一些实施例中，按质量百分比计，正极材料包括氟化碳材料85%~95%、导电剂2%~10%及粘结剂2%~5%。进一步地，按质量百分比计，正极材料由氟化碳材料85%~95%、导电剂2%~10%及粘结剂2%~5%组成。
在一些实施例中，在正极片中，正极材料的单面负载量为12mg/cm2~25mg/cm2。例如，正极材料的单面负载量可以但不限于为12mg/cm2、13mg/cm2、14mg/cm2、15mg/cm2、16mg/cm2、17mg/cm2、18mg/cm2、19mg/cm2、20mg/cm2、21mg/cm2、22mg/cm2、23mg/cm2、24mg/cm2、25mg/cm2或这些取值中任意两者所组成的范围。通过优化正极材料的单面负载量能够平衡电池电阻和空间利用率，进一步提高扣式电池的低温大倍率放电性能。可以理解，在本文中，大倍率放电与大电流放电具有相同的含义，可以相互替换。
在一些实施例中，正极片包括多个相连的正极子片，位于一端的一个正极子片的单侧设有正极材料，其余正极子片的双侧均设有正极材料。采用上述设置一方面使得正极材料在正极集流体表面非对称设置，另一方面，便于后续对电池芯进行卷绕或折叠。
在一些实施例中，隔膜包括隔膜基体和设置在隔膜基体一侧的陶瓷层，隔膜基体与正极材料接触，陶瓷层与负极片接触。隔膜基体包括但不限于为PP（聚丙烯）/PE（聚乙烯）复合膜、PP膜、PE膜、PP/PE/PP复合膜等。隔膜包括隔膜基体和设置在隔膜基体一侧的陶瓷层能够改善热稳定性，同时提高机械强度，防止刺穿。可以理解，在其他实施例中，隔膜还可以为不含有陶瓷层的PP/PE复合膜、PP膜、PE膜、PP/PE/PP复合膜等。
具体地，隔膜基体的厚度为7μm~16μm。例如，隔膜基体的厚度可以但不限于为7μm、8μm、9μm、10μm、11μm、12μm、13μm、14μm、15μm、16μm或这些取值中任意两者所组成的范围。
具体地，陶瓷层的厚度为2μm~4μm。例如，陶瓷层的厚度可以但不限于为2μm、2.5μm、3μm、3.5μm、4μm或这些取值中任意两者所组成的范围。
在其中一些实施例中，隔膜包括隔膜基体和设置在隔膜基体单侧的陶瓷层。进一步地，隔膜包括厚度为7μm~16μm的隔膜基体和设置在隔膜基体单侧的陶瓷层，陶瓷层的厚度为2μm~4μm。
在一些实施例中，隔膜还包覆在正极片的一个侧面。通过上述设置以降低短路风险。
在一些实施例中，负极片包括锂片。负极片的厚度为40μm~80μm。例如，负极片的厚度可以但不限于为40μm、45μm、50μm、55μm、60μm、65μm、70μm、75μm、80μm或这些取值中任意两者所组成的范围。采用超薄金属锂片直接作为负极片，简化了传统铜网、铜箔等集流片结构，提高了空间利用率并降低了电池重量。同时，超薄金属锂具有良好的柔性和粘性，便于与隔膜复合以及折叠或卷绕加工，降低极片移位或集流网破损带来的短路风险，提高电池良品率。此外，在本实施方式的扣式电池中，金属锂片还可以直接作为负极极耳，而省略了焊接负极极耳的步骤。
可以理解，隔膜和负极片在正极集流体的第二表面的正投影落入第二表面的内部是指隔膜和负极片在正极集流体的第二表面的正投影的面积小于第二表面的面积，也即在正极集流体的第二表面上有部分区域未设置有正极材料、隔膜和负极片，为裸露状，以使得电池芯经卷绕或折叠后，电池芯的一侧为裸露的正极集流体。
请参阅图1，由正极片、隔膜和负极片所形成的一体化结构的一种侧面示意图，在图中，正极集流体110的两面非对称设置有正极材料120，隔膜130包括隔膜基体132和设置在隔膜基体132一侧的陶瓷层134，隔膜基体132包覆在正极材料120表面，负极片140包覆在陶瓷层134表面，且隔膜130和负极片140在正极集流体110的第二表面的正投影落入第二表面的内部。此外，隔膜130相对于正极材料120外延，负极片140在正极材料120表面的正投影不超出正极材料120。
在一些实施例中，电池芯为卷绕状或叠片状，卷绕或叠片后的电池芯的一侧为裸露的正极集流体，另一侧为负极片。
上述电池芯至少具有以下优点：
（1）上述电池芯包括辊压复合后的正极片、隔膜和负极片所形成的一体化结构，经辊压复合使正极材料与正极集流体紧密结合，降低接触电阻，正极材料与隔膜紧密结合，降低欧姆电阻，同时减少电池芯在折叠或卷绕过程中的隔膜移位，防止短路，隔膜与负极片之间紧密结合，能够提高负极表面的反应面积，进而提高电池大电流放电能力。采用非对称附着正极材料的正极片，提高了正极与负极的容量比，有利于提高正极放电电流，同时，上述设置使得电池芯经卷绕或折叠后，电池芯的一侧为裸露的正极集流体，另一侧为负极片，在组装成扣式电池的过程中，电池芯中的正极集流体与正极盖正对接触，负极片与负极盖正对接触，在有效降低接触电阻的基础上省略了正极极耳、负极极耳结构，提高了空间利用率，降低了电池重量。因此，上述电池芯从降低界面电阻和提高空间利用率两方面出发，使其应用在扣式电池中，能够提高其在宽温域下的大电流放电能力。
（2）上述电池芯采用超薄金属锂带直接作为负极片，简化了传统铜网、铜箔等集流片结构，提高空间利用率并降低了电池重量。同时，超薄金属锂带具有良好的柔性和粘性，便于与隔膜复合以及折叠或卷绕加工，降低极片移位或集流网破损带来的短路风险，提高电池良品率。
（3）上述电池芯中正极材料的单面负载量为12mg/cm2~25mg/cm2，其中氟化碳质量百分比85~95%，利用氟化碳材料的高比容量特性提高电池的容量，同时，正极材料中的氟含量对维持电池低温环境放电过程中的热平衡具有重要作用，通过对负载量进行优化，能够进一步提升电池低温大倍率放电性能。
（4）上述电池芯采用比表面积为300m2/g~1500m2/g的高比表面积导电剂，显著提高正极材料对电解液的吸液、保液能力，减低离子传输电阻和反应极化。同时，高比表面的导电剂有助于改善正极片的柔性，减少极片掉粉，便于电池芯折叠或卷绕加工。
本发明的第二方面提供一种电池芯的制备方法，请参阅图2，包括如下步骤：
步骤S210：提供正极片，正极片包括正极集流体及设置在正极集流体相对的第一表面和第二表面的正极材料，设置在第一表面的正极材料与正极集流体的边缘平齐，设置在第二表面的正极材料相对于正极集流体内缩。
正极集流体、正极材料等如前所述，在此不再赘述。
在一些实施例中，正极片的制备步骤包括：在正极集流体相对的第一表面和第二表面设置正极材料，经辊压复合，制备正极片。通过上述步骤有利于降低接触电阻。具体地，步骤S210包括：将正极材料辊压附着在正极集流体表面，将正极片模切为多个相连的正极子片，位于一端的一个正极子片的单侧设有正极材料，其余正极子片的双侧均设有正极材料。
可以理解，在模切时，根据后续所要组装的扣式电池的尺寸调整单个正极子片的最大包络外径，使单个正极子片的最大包络外径不大于负极盖的内径。此外，单个正极子片的形状并无特别限定，可以为本领域常用的形状。
步骤S220：在正极材料表面附上隔膜和负极片，经辊压复合得到电池芯，隔膜设置在正极材料表面，负极片设置在隔膜远离正极材料的一侧表面，且隔膜和负极片在正极集流体的第二表面的正投影落入第二表面的内部。
具体地，隔膜包括隔膜基体和设置在隔膜基体一侧的陶瓷层，步骤S220包括：将隔膜以隔膜基体一侧附着在正极材料表面，且隔膜相对正极材料外延，辊压得到复合结构；
将负极片附着在复合结构设有陶瓷层的一侧，负极片在正极材料表面的正投影不超出正极材料，经辊压得到电池芯。通过上述设计有利于形成优化的隔膜与负极界面结构，增大负极反应面积，从而利于大电流放电。
传统的大部分电池设计中是负极区域大于正极区域，而在本实施方式中设计负极区域不大于正极区域，一方面避免正极负极接触，另一方面优化正极与负极的容量比，提高电池腔空间利用率，提高电池放电性能。
采用上述方法有利于消除极片毛刺，降低短路风险，同时便于折叠或卷绕加工。正极材料与正极集流体辊压复合可以使正极材料与正极集流体紧密结合，降低接触电阻。隔膜与正极材料辊压复合可以减少折叠或卷绕过程中隔膜移位，防止短路，同时降低欧姆电阻。隔膜与负极片辊压复合可以使隔膜与负极片紧密接触，同时提高负极表面的反应面积，进而提高电池大电流放电能力和良品率。
可以理解，步骤S210、步骤S220并不限于上述步骤，只需要使正极材料与正极集流体的界面、正极材料与隔膜的界面、隔膜与负极片的界面均辊压复合即可。例如，还可以在正极片上附着有正极材料的区域附上隔膜、负极片后，再辊压复合，得到一体化结构。
步骤S230：对电池芯进行折叠或卷绕，使折叠或卷绕后的电池芯的一侧为裸露的正极集流体，另一侧为负极片。
具体地，以正极片的正极子片的对称线作为折痕，折叠或卷绕成电池芯。具体地，折叠或卷绕方式可以为本领域常用的，例如采用Z字折叠法。
可以理解，步骤S230也可以省略，而在将电池芯制备电池的过程中，再进行折叠或卷绕，使折叠或卷绕后的电池芯的一侧为裸露的正极集流体，另一侧为负极片。
上述电池芯的制备方法工艺简单，操作容易，能够提升大电流放电性能，实现了在宽温域下持续大电流放电，还能够提高空间和重量利用率，有利于改善小尺寸规格电池的性能。此外，上述电池芯的制备方法降低了极片错位、脱粉、集流网刺穿隔膜造成电芯短路等风险。
本发明的第三方面提供一种扣式电池，包括正极盖、电池芯、电解液和负极盖，正极盖和负极盖之间形成密封腔体，电池芯和电解液设置在密封腔体内；电池芯为上述第一方面的电池芯或通过上述第二方面的电池芯的制备方法制备得到；
正极盖与电池芯中的正极集流体接触，负极盖与电池芯中的负极片接触。
在其中一些实施例中，电池芯的包络外径小于负极盖的内径。具体地，对电池芯的形状并无特别限定，可以为本领域常用的形状，例如可以但不限于为圆形、方形、六边形等。
在其中一些实施例中，电池芯的厚度与密封腔体的高度的差的绝对值≤0.15mm。电池芯的厚度满足上述条件，利用正极材料如氟化碳材料吸收电解液后产生的体积膨胀缓冲电池芯折叠或卷绕过程中的厚度误差，使电池芯与正极盖和负极盖紧密接触，降低电池内阻。
在一些实施例中，扣式电池能够在-55℃~70℃放电，-55℃~-30℃下最大持续放电倍率不小于1C，持续时间大于40分钟。
传统技术中公开了多种扣式电池，然而传统的扣式电池仍存在如下问题：大电流放电性能提升有限，无法在低温环境下持续大电流放电；空间和重量利用率较低，对小尺寸规格电池的性能改善有限；存在极片错位、脱粉、集流网刺穿隔膜造成电芯短路等风险；结构复杂，生产过程中容错率低，操作困难等。而本实施方式的扣式电池解决了上述问题，至少具有如下优点：
（1）上述扣式电池中电池芯采用辊压复合所得到的正极片-隔膜-负极片一体化结构经卷绕或叠片而得到，使正极材料与正极集流体紧密结合，降低接触电阻，正极材料与隔膜紧密结合减少折叠或卷绕过程中的隔膜移位，防止短路，同时降低欧姆电阻，隔膜与负极片之间紧密结合，能够提高锂表面的反应面积，进而提高电池大电流放电能力。此外，还能够消除极片毛刺，降低短路风险，同时便于折叠或卷绕加工。采用非对称附着正极材料的正极片，提高了正极与负极的容量比，有利于提高正极放电电流，同时，电池芯的一侧为裸露的正极集流体，另一侧为负极片，在组装成扣式电池的过程中，电池芯中的正极集流体与正极盖正对接触，负极片与负极盖正对接触，在有效降低接触电阻的基础上省略了正极极耳、负极极耳结构，提高了空间利用率，降低了电池重量。因此，上述电池芯从降低界面电阻和提高空间利用率两方面出发，使其应用在扣式电池中，能够提高其在宽温域下的大倍率放电性能。实验证明，将上述电池芯应用在扣式电池中，扣式电池能够在-55℃~70℃放电，-55℃~-30℃下最大持续放电倍率不小于1C，持续时间大于40分钟。
（2）上述扣式电池采用锂片直接作为负极片，简化了传统铜网、铜箔等集流片结构，提高空间利用率并降低了电池重量。同时，超薄金属锂带具有良好的柔性和粘性，便于与隔膜复合以及折叠或卷绕加工，降低极片移位或集流网破损带来的短路风险，提高电池良品率。
（3）上述扣式电池采用正极材料负载量为12mg/cm2~25mg/cm2，其中氟化碳质量百分比85%~95%。利用氟化碳材料的高比容量特性提高电池的容量。同时，正极材料中的氟含量对维持电池低温环境放电过程中的热平衡具有重要作用。优选的正极负载量是提升电池低温大倍率放电性能的关键。
（4）上述扣式电池采用比表面积为300m2/g~1500m2/g的高比表面积导电剂，显著提高正极材料对电解液的吸液、保液能力，减低离子传输电阻和反应极化。同时，高比表面的导电剂有助于改善正极片的柔性，减少极片掉粉，便于电池芯折叠或卷绕加工。
（5）上述扣式电池的电池芯厚度与所述密封腔体的高度的差的绝对值≤0.15mm，利用氟化碳材料吸收电解液后产生的体积膨胀缓冲电池芯折叠或卷绕过程中的厚度误差，使电池芯与正极盖和负极盖紧密接触，降低电池内阻。
（6）上述扣式电池在-55℃~-30℃下最大持续放电倍率不小于1C，持续时间大于40分钟的能力。
本发明的第四方面提供一种扣式电池的制备方法，为上述实施方式的扣式电池的一种制备方法，包括如下步骤：
将电池芯的负极片接触负极盖，加入电解液，盖上正极盖，密封，制备扣式电池，其中，电池芯为上述第一方面的电池芯或通过上述第二方面的电池芯的制备方法制备得到。
上述扣式电池的制备方法工艺简单，易于操作，能够提升大电流放电性能，实现了在宽温域下持续大电流放电，还能够提高空间和重量利用率，有利于改善小尺寸规格电池的性能。此外，上述扣式电池的制备方法还降低了极片错位、脱粉、集流网刺穿隔膜造成电芯短路等风险。
本发明的第五方面还提供一种扣式电池在制备电子产品中的应用。
本发明的第六方面还提供一种电子产品，包括上述的扣式电池。
具体地，电子产品可以但不限于为电脑主板、电子表、电子词典、电子秤、遥控器、电动玩具、心脏起搏器、电子助听器、计数器等。
为了使本发明的目的以及优点更加清楚，以下结合具体实施例对本发明的扣式电池及其效果做进一步详细的说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不得用以限定本发明。以下实施例如无特殊说明，则不包括除不可避免的杂质外的其他组分。实施例中采用药物和仪器如非特别说明，均为本领域常规选择。实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规条件，例如文献、书本中所述的条件或者生产厂家推荐的方法实现。
实施例1
本实施例提供一种BR2032型扣式电池，制备步骤如下：
（1）将氟化石墨：碳纳米管（比表面积340m2/g）：聚四氟乙烯按质量比90:6:4混合均匀得到正极材料，然后将正极材料辊压附着在15μm厚的涂炭铝箔上，得到单面负载量为16mg/cm2的正极片。将正极片模切为多个周期排列的正极子片，单个正极子片为直径16mm圆的内接正六边形，正极片的总长度为mm，首个正极子片为单侧附着正极材料，其余正极子片为双侧附着正极材料。
（2）将陶瓷层厚度为3μm，总厚度为12μm的单侧涂覆陶瓷层的PP/PE复合膜分切为18mm*（+4）mm。以PP/PE基膜侧正对正极材料，附着在正极片上，且隔膜区域外形大于正极材料区域外形，通过辊压得到正极片-隔膜复合结构。
（3）将厚度60μm，单个周期单元为直径16mm圆的内接正六变形，长度为mm的超薄金属锂带附着在隔膜上，负极片外形不大于正极片上附着正极材料区域的外形，通过辊压得到正极片-隔膜-负极片的一体化结构。
（4）将正极片-隔膜-负极片的一体化结构以正极子片的分界为折痕，Z字折叠成厚度为2600mm的电池芯，且正极片中首个正极子片的涂炭铝箔侧外露。
（5）将电池芯外露涂炭铝箔的一侧朝上放入负极盖中，加入电解液，盖上正极盖，冲压封壳即得到一种宽温域大倍率BR2032型扣式电池。
该BR2032型扣式电池可在-55℃以2mA的放电电流持续放电60小时以上。该BR2032型扣式电池可在-30℃以220mA的放电电流持续放电40分钟以上。且该扣式电池注液密封后未见发热、无电压、开路电压低等异常现象。
实施例2
本实施例提供一种BR1616型扣式电池，制备步骤如下：
（1）将氟化鳞片石墨：碳黑（比表面积1200 m2/g）：碳纳米管（比表面积300m2/g）：聚四氟乙烯按质量比91:2:3:4混合均匀得到正极材料，然后将正极材料辊压附着在13μm厚的涂炭铝箔上，得到单面负载量为15mg/cm2的正极片。将正极片模切为宽度8mm，长度27mm的长条正极片，正极片的单个正极子片的尺寸为8mm*9mm，首个正极子片为单侧附着正极材料，其余正极子片为双侧附着正极材料。
（2）将陶瓷层厚度为2μm，总厚度为8μm的单侧涂覆陶瓷层的PP/PE复合膜分切为10mm*48mm。以PP/PE基膜侧正对正极材料，附着在正极片上，且隔膜区域外形大于正极材料区域外形，通过辊压得到正极片-隔膜的复合结构。
（3）将厚度45μm、长宽为7.5mm*18mm的超薄金属锂带附着在隔膜上，负极片外形不大于正极片上附着正极材料区域的外形，通过辊压得到正极片-隔膜-负极片的一体化结构。
（4）将正极片-隔膜-负极片的一体化结构以正极片周期单元分界为折痕，卷绕成厚度1100mm的电池芯，且正极片首个正极子片的涂炭铝箔侧外露。
（5）将电池芯外露涂炭铝箔的一侧朝上放入负极盖中，加入电解液，盖上正极盖，冲压封壳即得到一种BR1616型扣式电池。
该BR1616型扣式电池可在-55℃以2mA的放电电流持续放电6小时以上。该BR1616型扣式电池可在-30℃以25mA的放电电流持续放电40分钟以上。且该扣式电池注液密封后未见发热、无电压、开路电压低等异常现象。
实施例3
实施例3提供一种BR1616型扣式电池，与实施例2的区别在于，在正极片中，正极材料的单面负载量不同，在本实施例中，正极材料的单面负载量为30mg/cm2。
该BR1616型扣式电池在-55℃以2mA的放电电流可持续放电小于1小时。该BR1616型扣式电池在-30℃以25mA的放电电流可持续放电小于10分钟。且该扣式电池注液密封后未见发热、无电压、开路电压低等异常现象。
实施例4
实施例4提供一种BR1616型扣式电池，与实施例2的区别在于，在正极片中，正极材料的组成不同，在本实施例中，正极材料的组成为氟化鳞片石墨：碳黑（比表面积200 m2/g）：碳纳米管（比表面积100m2/g）：聚四氟乙烯按质量比80:6:6:8混合均匀。
该BR1616型扣式电池在-55℃以2mA的放电电流可持续放电小于20分钟。该BR1616型扣式电池在-30℃以25mA的放电电流可持续放电小于2分钟。且该扣式电池注液密封后未见发热、无电压、开路电压低等异常现象。
对比例1
对比例1提供一种BR1616型扣式电池，与实施例2的区别在于，电池芯的制备步骤不同，具体如下：
（1）将氟化鳞片石墨：碳黑（比表面积1200 m2/g）：碳纳米管（比表面积300m2/g）：聚四氟乙烯按质量比91:2:3:4混合均匀得到正极材料，然后将正极材料涂覆在13μm厚的涂炭铝箔上，得到单面负载量为15mg/cm2的正极片。将正极片模切为宽度8mm，长度27mm的长条正极片，正极片的单个正极子片的尺寸为8mm*9mm，首个正极子片为单侧附着正极材料，其余正极子片为双侧附着正极材料。
（2）将陶瓷层厚度为2μm，总厚度为8μm的单侧涂覆陶瓷层的PP/PE复合膜分切为10mm*48mm。以PP/PE基膜侧正对正极材料，附着在正极片上，且隔膜区域外形大于正极材料区域外形。
（3）将厚度45μm、长宽为7.5mm*18mm的超薄金属锂带附着在隔膜上，负极片外形不大于正极片上附着正极材料区域的外形。
（4）将正极片-隔膜-负极片以正极片周期单元分界为折痕，卷绕成厚度1100mm的电池芯，且正极片首个正极子片的涂炭铝箔侧外露。
（5）将电池芯外露涂炭铝箔的一侧朝上放入负极盖中，加入电解液，盖上正极盖，冲压封壳即得到一种BR1616型扣式电池。
该BR1616型扣式电池在-55℃以2mA的放电电流可持续放电小于15分钟。该BR1616型扣式电池可在-30℃以25mA的放电电流可持续放电小于2分钟。且该扣式电池注液密封后出现发热、无电压、开路电压低等异常现象。
对比例2
对比例2提供一种BR1616型扣式电池，与实施例2的区别在于，电池芯的制备步骤不同，具体如下：
（1）将氟化鳞片石墨：碳黑（比表面积1200 m2/g）：碳纳米管（比表面积300m2/g）：聚四氟乙烯按质量比91:2:3:4混合均匀得到正极材料，然后将正极材料辊压附着在13μm厚的涂炭铝箔上，得到单面负载量为15mg/cm2的正极片。将正极片模切为宽度8mm，长度27mm的长条正极片，正极片的单个正极子片的尺寸为8mm*9mm，首个正极子片为空箔，其余正极子片为双侧附着正极材料。
（2）将陶瓷层厚度为2μm，总厚度为8μm的单侧涂覆陶瓷层的PP/PE复合膜分切为10mm*48mm。以PP/PE基膜侧正对正极材料，附着在正极片上，且隔膜区域外形大于正极材料区域外形，通过辊压得到正极片-隔膜的复合结构。
（3）将厚度45μm、长宽为7.5mm*18mm的超薄金属锂带附着在隔膜上，负极片外形不大于正极片上附着正极材料区域的外形，通过辊压得到正极片-隔膜-负极片的一体化结构。
（4）将正极片-隔膜-负极片的一体化结构以正极片周期单元分界为折痕，卷绕成厚度1100mm的电池芯，且正极片首个正极子片的涂炭铝箔侧外露。
（5）将电池芯外露涂炭铝箔的一侧朝上放入负极盖中，加入电解液，盖上正极盖，冲压封壳即得到一种BR1616型扣式电池。
该BR1616型扣式电池可在-55℃以2mA的放电电流持续放电5.5小时以上。该BR1616型扣式电池可在-30℃以25mA的放电电流持续放电30分钟以上。该扣式电池注液密封后出现部分电池开路电压低的现象。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，便于具体和详细地理解本发明的技术方案，但并不能因此而理解为对发明专利保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。应当理解，本领域技术人员在本发明提供的技术方案的基础上，通过合乎逻辑的分析、推理或有限的试验得到的技术方案，均在本发明所附权利要求的保护范围内。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求的内容为准，说明书及附图可以用于解释权利要求的内容。

Claims (16)

1.一种电池芯，其特征在于，所述电池芯包括辊压复合后的正极片、隔膜和负极片所形成的一体化结构，所述正极片包括正极集流体及设置在所述正极集流体相对的第一表面和第二表面的正极材料，设置在所述第一表面的正极材料与所述正极集流体的边缘平齐，设置在所述第二表面的正极材料相对于所述正极集流体内缩，所述隔膜设置在所述正极材料表面，所述负极片设置在所述隔膜远离所述正极材料的一侧表面，且所述隔膜和所述负极片在所述正极集流体的第二表面的正投影落入所述第二表面的内部；
在所述正极片中，所述正极材料的单面负载量为12mg/cm2~25mg/cm2，所述隔膜相对于所述正极材料外延，所述负极片在所述正极材料表面的正投影不超出所述正极材料，所述电池芯为卷绕状或叠片状，卷绕或叠片后的电池芯的一侧为裸露的正极集流体，另一侧为负极片。
2.根据权利要求1所述的电池芯，其特征在于，所述正极材料包括氟化碳材料、导电剂和粘结剂。
3.根据权利要求2所述的电池芯，其特征在于，所述正极材料满足如下条件中的至少一个：
（1）所述氟化碳材料包括氟化石墨、氟化石墨烯、氟化炭黑和氟化针状焦中的一种或几种的组合；
（2）所述导电剂包括导电炭黑、碳纳米管及石墨烯中的一种或几种的组合；
（3）所述导电剂的比表面积为300m2/g~1500m2/g；
（4）按质量百分比计，所述正极材料包括氟化碳材料85%~95%、导电剂2%~10%及粘结剂2%~5%。
4.根据权利要求1所述的电池芯，其特征在于，所述正极集流体的厚度为12μm~20μm。
5.根据权利要求1所述的电池芯，其特征在于，所述正极片包括多个相连的正极子片，位于一端的一个正极子片的单侧设有正极材料，其余正极子片的双侧均设有正极材料。
6.根据权利要求1所述的电池芯，其特征在于，所述负极片包括锂片，厚度为40μm~80μm。
7.根据权利要求1所述的电池芯，其特征在于，所述隔膜包括隔膜基体和设置在所述隔膜基体一侧的陶瓷层，所述隔膜基体与所述正极材料接触，所述陶瓷层与所述负极片接触，所述隔膜基体的厚度为7μm~16μm，所述陶瓷层的厚度为2μm~4μm。
8.根据权利要求1~7任一项所述的电池芯，其特征在于，所述正极集流体包括铝箔。
9.一种电池芯的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供正极片，所述正极片包括正极集流体及设置在所述正极集流体相对的第一表面和第二表面的正极材料，设置在所述第一表面的正极材料与所述正极集流体的边缘平齐，设置在所述第二表面的正极材料相对于所述正极集流体内缩；
在所述正极材料表面附上隔膜和负极片，经辊压复合得到一体化结构的电池芯，所述隔膜设置在所述正极材料表面，所述负极片设置在所述隔膜远离所述正极材料的一侧表面，且所述隔膜和所述负极片在所述正极集流体的第二表面的正投影落入所述第二表面的内部；
在所述正极片中，所述正极材料的单面负载量为12mg/cm2~25mg/cm2，所述隔膜相对于所述正极材料外延，所述负极片在所述正极材料表面的正投影不超出所述正极材料；
所述制备方法还包括：对电池芯进行卷绕或折叠，使卷绕或折叠后的电池芯的一侧为裸露的正极集流体，另一侧为负极片。
10.根据权利要求9所述的电池芯的制备方法，其特征在于，所述制备方法满足如下条件中的一个或两个：
（1）所述正极片的制备步骤包括：在所述正极集流体相对的第一表面和第二表面设置所述正极材料，经辊压复合，制备所述正极片；
（2）所述隔膜包括隔膜基体和设置在所述隔膜基体一侧的陶瓷层，在所述正极材料表面附上隔膜和负极片，经辊压复合得到电池芯的步骤包括：
将所述隔膜以所述隔膜基体一侧附着在所述正极材料表面，且所述隔膜相对所述正极材料外延，辊压得到复合结构；
将所述负极片附着在所述复合结构设有所述陶瓷层的一侧，所述负极片在所述正极材料表面的正投影不超出所述正极材料，经辊压得到所述电池芯。
11.根据权利要求9或10所述的电池芯的制备方法，其特征在于，所述正极集流体包括铝箔。
12.一种扣式电池，其特征在于，包括：正极盖、电池芯、电解液和负极盖，所述正极盖和所述负极盖之间形成密封腔体，所述电池芯和所述电解液设置在所述密封腔体内；
所述电池芯包括权利要求1~8任一项所述的电池芯或通过权利要求9~11任一项所述的制备方法制备的电池芯；
所述正极盖与所述电池芯中的正极集流体接触，所述负极盖与所述电池芯中的负极片接触。
13.根据权利要求12所述的扣式电池，其特征在于，所述扣式电池满足如下条件中的至少一个：
（1）所述扣式电池的包络外径≤所述负极盖的内径；
（2）所述电池芯的厚度与所述密封腔体的高度的差的绝对值≤0.15mm；
（3）所述扣式电池能够在-55℃~70℃放电，在-55℃~-30℃下最大持续放电倍率不小于1C，持续时间大于40分钟。
14.一种扣式电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将电池芯的负极片接触负极盖，加入电解液，盖上正极盖，密封，制备扣式电池，其中，所述电池芯包括权利要求1~8任一项所述的电池芯或通过权利要求9~11任一项所述的制备方法制备的电池芯。
15.如权利要求12~13任一项所述的扣式电池在制备电子产品中的应用。
16.一种电子产品，其特征在于，包括权利要求12~13任一项所述的扣式电池。
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