电化学装置及其制备方法和电子装置

1023 编辑：中冶有色技术网来源：宁德新能源科技有限公司

2022-08-18 15:07:39

权利要求

1.电化学装置，其包括电极组件，所述电极组件包括正极极片和负极极片，所述正极极片包括正极集流体和设置在所述正极集流体表面的第一正极活性材料层，所述负极极片包括负极集流体和设置在所述负极集流体表面的第一负极活性材料层，所述第一负极活性材料层包括补锂区和未补锂区，所述未补锂区为所述第一负极活性材料层区域内与所述补锂区无面积重叠的区域；其中，

所述第一负极活性材料层在宽度方向的尺寸为B1 mm，所述第一正极活性材料层在所述宽度方向的尺寸为B2 mm，

所述第一负极活性材料层沿长度方向延伸的一个边缘和与其相邻的沿所述长度方向延伸的补锂区边缘之间的距离为B4 mm，0.15≤B4≤1/2×（B1-B2）+1。

2.根据权利要求1所述的电化学装置，其中，所述第一负极活性材料层在所述长度方向的尺寸为A1 mm，所述第一正极活性材料层在所述长度方向的尺寸为A2 mm，

所述第一负极活性材料层沿所述宽度方向延伸的一个边缘和与其相邻的沿所述宽度方向延伸的补锂区边缘之间的距离为A4 mm，0.15≤A4≤1/2×（A1-A2）+1。

3. 根据权利要求1所述的电化学装置，其中，所述补锂区在宽度方向的尺寸为B3 mm，B4=（B1-B3）/2。

4.根据权利要求2所述的电化学装置，其中，所述补锂区在长度方向的尺寸为A3 mm，A4=（A1-A3）/2。

5.根据权利要求1所述的电化学装置，从所述负极极片的厚度方向观察，所述补锂区具有条纹部；

沿多个条纹部的排列方向，所述条纹部的尺寸为0.1 mm至2 mm；和/或

在所述负极极片的厚度方向上，所述条纹部的厚度为0.04 μm至0.5 μm。

6.根据权利要求1所述的电化学装置，其中，所述补锂区的材料包括碳酸锂、氧化锂、氮化锂或氟化锂中的至少一者。

7.根据权利要求1所述的电化学装置，其中，所述第一负极活性材料层包括负极活性材料，所述负极活性材料包括硅基材料。

8.根据权利要求2所述的电化学装置，其中，所述电极组件为卷绕结构，所述宽度方向为电极极片展开后短边的延伸方向，所述长度方向为所述电极极片展开后长边的延伸方向，所述电极极片包括正极极片和负极极片。

9.根据权利要求8所述的电化学装置，其中，0.15≤A4≤5，0.15≤B4≤1.75。

10.根据权利要求2所述的电化学装置，其中，所述电极组件为叠片结构，所述宽度方向为电极极片的短边的延伸方向，所述长度方向为所述电极极片的长边的延伸方向，所述电极极片包括正极极片和负极极片。

11.根据权利要求10所述的电化学装置，其中，0.15≤A4≤1.75，0.15≤B4≤1.6。

12.一种制备权利要求1~11中任一项所述的电化学装置的方法，包括以下步骤：

在所述负极集流体表面设置所述第一负极活性材料层，在所述第一负极活性材料层上设置补锂区和未补锂区，得到所述负极极片；

在所述正极集流体表面设置所述第一正极活性材料层，得到所述正极极片；

将所述负极极片和所述正极极片组装得到所述电极组件，所述电极组件经封装后得到所述电化学装置，其中，所述第一负极活性材料层与所述第一正极活性材料层相面对。

13.根据权利要求12所述的制备方法，其中，组装所述电极组件的过程包括：将所述负极极片和所述正极极片叠置得到所述电极组件，或者，将所述负极极片和所述正极极片叠置并卷绕得到所述电极组件。

14.根据权利要求12所述的制备方法，其中，在所述第一负极活性材料层的表面使用锂箔或锂粉中的至少一种以在所述第一负极活性材料层设置补锂区。

15.一种电子装置，包括权利要求1~11中任一项所述的电化学装置。

说明书

技术领域

[0001]本申请涉及电化学技术领域，特别是涉及一种电化学装置及其制备方法和电子装置。

背景技术

[0002]锂离子电池具有工作电压高，能量密度高、循环寿命长、工作温度范围宽等特性，这些优异的特性使锂离子电池在消费电子、动力电池和储能三大领域都实现了广泛应用。

[0003]为了进一步提高锂离子电池的能量密度，可以通过在负极极片的表面进行补锂实现。但是上述补锂后的负极极片可能容易发生析锂，尤其是边缘容易发生析锂，影响锂离子电池安全性。

发明内容

[0004]本申请的目的在于提供一种电化学装置及其制备方法和电子装置，以降低负极极片的析锂风险，提高电化学装置的安全可靠性。具体技术方案如下：

本申请的第一方面提供了一种电化学装置，其包括电极组件，电极组件包括正极极片和负极极片，正极极片包括正极集流体和设置在正极集流体表面的第一正极活性材料层，负极极片包括负极集流体和设置在负极集流体表面的第一负极活性材料层，第一负极活性材料层包括补锂区和未补锂区，未补锂区为第一负极活性材料层区域内与补锂区无面积重叠的区域；其中，第一负极活性材料层在宽度方向的尺寸为B1 mm，第一正极活性材料层在宽度方向的尺寸为B2 mm，第一负极活性材料层沿长度方向延伸的一个边缘和与其相邻的沿长度方向延伸的补锂区边缘之间的距离为B4 mm，0.15≤B4≤1/2×（B1-B2）+1。

[0005]本申请实施例的有益效果：本申请通过在负极极片的边缘区域的第一负极活性材料层设置未补锂区来降低负极极片的析锂风险，在电化学装置的循环过程中，未补锂区相对于补锂区可以嵌入更多的来自正极的锂离子，负极极片的边缘区域局部容量比增大，可以容纳更多来自对面正极极片边缘的锂离子，从而可以降低负极极片宽度方向边缘的析锂风险，提高电化学装置的安全可靠性，以及平衡电化学装置的能量密度。

[0006]在本申请的一种实施方案中，第一负极活性材料层在长度方向的尺寸为A1 mm，第一正极活性材料层在长度方向的尺寸为A2 mm，第一负极活性材料层沿宽度方向延伸的一个边缘和与其相邻的沿宽度方向延伸的补锂区边缘之间的距离为A4 mm，0.15≤A4≤1/2×（A1-A2）+1。通过调控A4在上述范围内，可以降低负极极片长度方向边缘的析锂风险，提高电化学装置的安全可靠性。

[0007]在本申请的一种实施方案中，补锂区在宽度方向的尺寸为B3 mm，B1、B3、B4之间满足：B4=（B1-B3）/2。采用上述技术方案，可以降低宽度方向正极极片超出负极极片的风险，降低负极极片的析锂风险，提高电化学装置的安全可靠性。

[0008]在本申请的一种实施方案中，补锂区在长度方向的尺寸为A3 mm，A1、A3、A4之间满足：A4=（A1-A3）/2。采用上述技术方案，可以降低长度方向正极极片超出负极极片的风险，降低负极极片的析锂风险，提高电化学装置的安全可靠性。

[0009]在本申请的一种实施方案中，从负极极片的厚度方向观察，补锂区具有条纹部，沿多个条纹部的排列方向，条纹部的尺寸为0.1 mm至2 mm；和/或在负极极片的厚度方向上，条纹部的厚度为0.04 μm至0.5 μm。具有上述特征的负极极片，可以提高负极极片的首次库伦效率，有利于提高电化学装置的能量密度，且有利于提高补锂区的制造效率。

[0010]在本申请的一种实施方案中，补锂区的材料包括碳酸锂、氧化锂、氮化锂或氟化锂中的至少一者。负极极片补锂过程中，由于锂金属的高活性，其与空气环境发生反应以及在电化学装置化成工艺中发生反应，在第一负极活性材料层表面形成一层含锂化合物，含锂化合物的主要成分包括碳酸锂、氧化锂、氮化锂或氟化锂中的至少一者。具有上述特征的负极极片，可以提高负极极片的首次库伦效率，有利于提高电化学装置的能量密度；且可以提升负极极片表面的电阻，有利于降低短路风险和短路电流；此外覆盖在负极活性材料表面的补锂区的材料可以降低其固体电解质界面膜破坏的风险。

[0011]在本申请的一种实施方案中，第一负极活性材料层包括负极活性材料，负极活性材料包括硅基材料，有利于提高电化学装置的能量密度。

[0012]在本申请的一种实施方案中，电极组件为卷绕结构，则宽度方向为电极极片展开后短边的延伸方向，长度方向为电极极片展开后长边的延伸方向；电极极片包括正极极片和负极极片。卷绕结构有利于电极组件的大规模快速制造。

[0013]在本申请的一种实施方案中，0.15≤A4≤5，0.15≤B4≤1.75。设置A4和B4满足此范围，可以在长度方向设置较大且合适的余量，在宽度方向设置较小且合适的余量，有利于提高制造效率和满足制造要求，进一步降低负极极片的析锂风险以及降低对电化学装置容量的影响。

[0014]在本申请的一种实施方案中，电极组件为叠片结构，则宽度方向为电极极片的短边的延伸方向，长度方向为电极极片的长边的延伸方向；电极极片包括正极极片和负极极片。叠片结构有利于电极组件对空间的利用，提高电化学装置的设计容量。

[0015]在本申请的一种实施方案中，0.15≤A4≤1.75，0.15≤B4≤1.6。设置A4和B4满足此范围，可以在长度方向和宽度方向设置合适的余量，降低负极极片的析锂风险以及降低对电化学装置容量的影响。

[0016]本申请的第二方面提供了一种制备本申请第一方面提供的电化学装置的方法，包括以下步骤：

在负极集流体表面设置第一负极活性材料层，在第一负极活性材料层上设置补锂区和未补锂区，得到负极极片；

在正极集流体表面设置第一正极活性材料层，得到正极极片；

将负极极片和正极极片组装得到电极组件，电极组件经封装后得到电化学装置，其中，第一负极活性材料层与第一正极活性材料层相面对。

[0017]采用本申请第二方面提供的方法制备的电化学装置，可以降低负极极片的析锂风险，提高锂离子电池的安全可靠性。

[0018]在本申请的一种实施方案中，组装电极组件的过程包括：将负极极片和正极极片叠置得到电极组件，或者，将负极极片和正极极片叠置并卷绕得到电极组件。

[0019]在本申请的一种实施方案中，在第一负极活性材料层的表面使用锂箔或锂粉中的至少一种以在第一负极活性材料层设置补锂区。通过上述方式设置补锂区，可以提高负极极片的首次库伦效率，有利于提高电化学装置的能量密度。

[0020]本申请的第三方面提供了一种电子装置，其包括本申请第一方面提供的电化学装置。本申请提供的电化学装置具有良好的安全可靠性，从而本申请提供的电子装置具有良好的安全可靠性。

[0021]本申请提供了一种电化学装置及其制备方法和电子装置，通过在负极极片的边缘区域的第一负极活性材料层设置未补锂区来降低负极极片的析锂风险，未补锂区相对于补锂区可以嵌入更多的来自正极的锂离子。在电化学装置的循环过程中，负极极片的边缘区域局部容量比增大，可以容纳更多来自对面正极极片边缘的锂离子，从而可以降低负极极片宽度方向边缘的析锂风险，提高电化学装置的安全可靠性。当然，实施本申请的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

[0022]为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面对实施例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申请的一些实施例。

[0023]图1为本申请的一种实施方案中的电极组件的结构示意图；

图2为本申请的一种实施方案的正极极片的结构示意图；

图3为本申请的一种实施方案的负极极片的结构示意图；

图4为本申请的一种实施方案中的正极极片沿其厚度方向观察的结构示意图；

图5为本申请的一种实施方案中的负极极片A-A截面沿其厚度方向的剖面图，A-A截面的位置如图3所示；

图6为本申请的另一种实施方案中的正极极片沿其厚度方向观察的结构示意图；

图7为本申请的另一种实施方案中的负极极片A-A截面沿其厚度方向的剖面图，A-A截面的位置如图3所示；

图8为本申请的实施例1-1制备的负极极片的补锂区的扫描电镜（SEM）照片；

图9为本申请的实施例1-1制备的负极极片沿长度方向（x方向）的边缘区域未补锂区的SEM照片；

图10为本申请的实施例1-1制备的负极极片表面的含锂化合物层的SEM照片。

具体实施方式

[0024]为使本申请的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，以下参照附图和实施例，对本申请进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅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所获得的所有其他技术方案，都属于本申请保护的范围。

[0025]需要说明的是，本申请的具体实施方式中，以锂离子电池作为电化学装置的例子来解释本申请，但是本申请的电化学装置并不仅限于锂离子电池。

[0026]为了降低使用过程中发生析锂的风险，电化学装置设计一般要求负极极片面积比正极极片面积大，负极极片超出正极极片的部分称为负极极片边缘超出部。负极极片边缘超出部在电化学装置化成和容量阶段无法受压，导致该区域的隔离膜与负极极片粘接力变弱，隔离膜与负极极片的界面间隙变大。在电化学装置的循环过程中，随着电解液的消耗，负极极片边缘容易出现电解液断桥，导致负极极片边缘发生析锂问题。

[0027]此外，电化学装置在循环过程中会发生膨胀现象，使得极片向宽度方向和长度方向延展，电极组件不断挤压壳体，导致电化学装置发生变形问题。因此，电极组件与壳体之间需要设计预留一定的间隙，但注液后电极组件边缘的电解液比较多，导致边缘处的电解液中成膜添加剂含量增加，在化成和容量阶段导致极片边缘的成膜阻抗较大，因此在循环过程中，负极极片边缘容易析锂。

[0028]为了提高电化学装置的容量，一般会采用对负极极片进行补锂的方案，提高负极极片的首次库伦效率。

[0029]有鉴于此，本申请的第一方面提供了一种电化学装置，如图1、图2和图3所示，其包括电极组件10，电极组件10包括正极极片11和负极极片12，正极极片11沿其厚度方向观察的结构示意图如图4所示，负极极片12按照图3中所示的A-A截面沿自身厚度方向的剖面图如图5所示。正极极片11包括正极集流体110和设置在正极集流体110表面的第一正极活性材料层111；负极极片12包括负极集流体120和设置在负极集流体120表面的第一负极活性材料层121，第一负极活性材料层121包括补锂区122和未补锂区123，未补锂区123为第一负极活性材料层121区域内与补锂区122无面积重叠的区域。参见图3，第一负极活性材料层121在宽度方向（y方向）的尺寸为B1 mm，第一正极活性材料层111在宽度方向（y方向）的尺寸为B2 mm，第一负极活性材料层121沿长度方向（x方向）延伸的一个边缘1211和与其相邻的沿长度方向（x方向）延伸的补锂区边缘1221之间的距离为B4 mm，0.15≤B4≤1/2×（B1-B2）+1。

[0030]本申请通过调控负极极片12表面不同区域的补锂量，实现负极极片12边缘不补锂，而正常区进行均匀补锂。由于负极极片12边缘不补锂，该位置的局部容量比较大，可以容纳更多来自正极极片11的锂离子。电化学装置在化成和容量的阶段，负极极片12边缘接收来自对应正极极片11的锂离子，参与形成固体电解质膜和硅酸盐等，而这部分锂离子成为死锂，无法回到正极极片11，导致正极极片11边缘的可逆锂离子减少。因此，即使负极极片12边缘电解液发生断桥或负极极片12边缘成膜阻抗大，但由于该位置的容量比较大，且对应的正极极片11边缘活性锂少，负极极片12边缘可以完成接受来自对面正极极片11边缘锂离子，因此可以降低电化学装置在循环过程中负极极片12边缘发生析锂的风险。

[0031]在本申请的一种实施方案中，如图3所示，第一负极活性材料层121在长度方向（x方向）的尺寸为A1 mm，第一正极活性材料层111在长度方向（x方向）上的尺寸为A2 mm，第一负极活性材料层121沿宽度方向（y方向）延伸的一个边缘1212和与其相邻的沿宽度方向（y方向）延伸的补锂区边缘1222之间的距离为A4 mm，0.15≤A4≤1/2×（A1-A2）+1。通过调控A4在上述范围内，可以降低负极极片12长度方向边缘的析锂风险，提高电化学装置的安全可靠性。

[0032]在本申请的一种实施方案中，补锂区122在宽度方向（y方向）的尺寸为B3 mm，B1、B3、B4之间满足：B4=（B1-B3）/2。采用上述技术方案，可以降低宽度方向正极极片11超出负极极片12的风险，降低负极极片12的析锂风险，提高电化学装置的安全可靠性。

[0033]在本申请的一种实施方案中，补锂区122在长度方向（x方向）的尺寸为A3 mm，A1、A3、A4之间满足：A4=（A1-A3）/2。采用上述技术方案，可以降低长度方向正极极片11超出负极极片12的风险，降低负极极片12的析锂风险，提高电化学装置的安全可靠性。

[0034]在本申请的一种实施方案中，电极组件10为卷绕结构，0.15≤A4≤5，0.15≤B4≤1.75。通过调控未补锂区123尺寸满足上述关系，可以降低负极极片12的析锂风险，提高电化学装置的安全可靠性，以及降低未补锂区123尺寸太大对电化学装置容量的影响。

[0035]在本申请的一种实施方案中，电极组件10为叠片结构，0.15≤A4≤1.75，0.15≤B4≤1.6。通过调控未补锂区123尺寸满足上述关系，可以进一步降低未补锂区123尺寸太大对电化学装置容量的影响。

[0036]在本申请的一种实施方案中，正极极片11沿其厚度方向观察的结构示意图如图6所示，负极极片A-A截面（如图3）沿其厚度方向的剖面图如图7所示，正极极片11包括正极集流体110和设置在正极集流体110的一个表面的第一正极活性材料层111，负极极片12包括负极集流体120和设置在负极集流体120的一个表面的第一负极活性材料层121，也能够实现本申请目的。

[0037]在本申请的一种实施方案中，从负极极片12的厚度方向（z方向）观察，补锂区122具有条纹部，沿多个条纹部的排列方向，条纹部的尺寸为0.1 mm至2 mm；和/或在负极极片12的厚度方向上，条纹部的厚度为0.04 μm至0.5 μm。具有上述特征的负极极片，可以提高负极极片12的首次库伦效率，有利于提高电化学装置的能量密度。具体地，在一种实施方案中，在第一方向上，条纹部的宽度为0.1 mm至2 mm，且在厚度方向上，条纹部的厚度为0.04μm至0.5 μm；在一种实施方案中，在第一方向上，条纹部的宽度为0.1 mm至2 mm；在一种实施方案中，在厚度方向上，条纹部的厚度为0.04 μm至0.5 μm。

[0038]可以理解的是，条纹部是指通过金属锂箔补锂时，锂金属在进行压延过程中形成的具有条纹间隙的锂带。锂箔在与负极极片12复合的过程中，上述形成的具有条纹间隙的锂带可以保持，所以从负极极片12的展开状态下的厚度方向（z方向）可以观察到条纹部。补锂的负极极片12和正极极片11组装成电化学装置后，随着锂金属被负极极片12吸收及后续的化成、容量处理，负极极片12表面的条纹部会一直保留。电化学装置经过循环过程后，负极极片12上的补锂区122具有条纹部，如图8所示，而负极极片12边缘区域的未补锂区123则没有条纹部，如图9所示。

[0039]在本申请的一种实施方案中，补锂区122的材料包括碳酸锂、氧化锂、氮化锂或氟化锂中的至少一者。负极极片12补锂过程中，由于锂金属的高活性，其与空气（如氧气和微量的水分）发生反应，以及在电化学装置化成工艺中与电解液中含氟物质发生反应，在第一负极活性材料层121表面形成一层含锂化合物，主要成分包括碳酸锂、氧化锂、氮化锂或氟化锂中的至少一者。组装电极组件10注入电解液后，锂金属迅速与负极活性材料发生反应，但是含锂化合物层不与负极活性材料发生反应，活性锂金属与负极活性材料反应后，含锂化合物层留在负极极片12的表面。补锂区122在负极活性材料表面形成一层含锂化合物层，参见图10中两黑色虚线中间所示层状结构，含锂化合物层的厚度为0.04 μm至0.5 μm。具有上述特征的负极极片12，可以提高负极极片12的首次库伦效率，有利于提高电化学装置的能量密度；且可以提升负极极片12表面的电阻，有利于降低短路风险和短路电流；此外覆盖在负极活性材料表面的补锂区122的材料可以降低其固体电解质界面膜破坏的风险。

[0040]在本申请的一种实施方案中，第一负极活性材料层121包括负极活性材料，负极活性材料包括硅基材料。硅基材料包含硅、硅氧化合物（SiOx，0＜x≤2）、硅合金或硅-碳复合物中的至少一种。本申请的负极活性材料还可以包含石墨、中间相微碳球（MCMB）、硬碳、软碳、Li-Sn合金、Li-Sn-O合金、Sn、SnO、SnO2、尖晶石结构的钛酸锂Li4Ti5O12、Li-Al合金或金属锂等中的至少一种。选择上述范围内的材料，有利于提高电化学装置的能量密度。

[0041]可以理解的是，对于卷绕结构电极组件，其电极极片展开后通常具有长边和短边。在本申请的一种实施方案中，电极组件为卷绕结构，则宽度方向为电极极片展开后短边的延伸方向，长度方向为电极极片展开后长边的延伸方向。本申请的电极极片包括正极极片11和负极极片12。

[0042]可以理解的是，对于叠片结构电极组件，电极极片通常是一层一层地堆叠设置。在本申请的一种实施方案中，电极组件为叠片结构，则宽度方向为电极极片的短边的延伸方向，长度方向为电极极片的长边的延伸方向。上述电极极片包括正极极片11和负极极片12。

[0043]在本申请的一种实施方案中，对于叠片结构电极组件，当电极极片的各边尺寸相同时，则宽度方向为电极极片的一条边长的延伸方向，长度方向为电极极片所在平面内垂直于宽度方向的方向。

[0044]本申请的电化学装置没有特别限制，其可以包括发生电化学反应的任何装置。在本申请的一种实施方案中，电化学装置可以包括但不限于：锂离子二次电池（锂离子电池）、锂聚合物二次电池或锂离子聚合物二次电池等。在本申请的一种实施方案中，本申请的锂离子电池的电极组件结构包括卷绕型结构或叠片型结构等。本申请的锂离子电池结构包括但不限于软包型锂离子电池、方形硬壳电池或圆柱形硬壳电池等。

[0045]本申请对负极集流体120没有特别限制，只要能够实现本申请目的即可。例如，负极集流体120可以包含铜箔、铜合金箔、镍箔、不锈钢箔、钛箔、泡沫镍、泡沫铜或复合集流体等。本申请对负极集流体120的厚度没有特别限制，只要能够实现本申请目的即可。例如，负极集流体120的厚度为4μm至10μm。在本申请中，第一负极活性材料层121可以设置于负极集流体120厚度方向上的一个表面上，也可以设置于负极集流体120厚度方向上的两个表面上。需要说明，这里的“表面”可以是负极集流体120的全部区域，也可以是负极集流体120的部分区域，本申请没有特别限制，只要能实现本申请目的即可。

[0046]本申请中，在负极集流体120表面具有第一负极活性材料层121，或者，负极集流体120与第一负极活性材料层121之间还包括功能层，例如，功能层包括但不限于导电粘接层。其中，导电粘接层中可以包括导电剂和粘结剂。

[0047]本申请对第一负极活性材料层121的厚度没有特别限制，只要能够实现本申请目的即可。例如，单面第一负极活性材料层的厚度为30 μm至160 μm。

[0048]本申请对导电剂没有特别限制，只要能够实现本申请目的即可，例如可以包括但不限于基于碳的材料、基于金属的材料或导电聚合物中的至少一种。上述基于碳的材料选自天然石墨、人造石墨、导电碳黑、乙炔黑、科琴黑或碳纤维中的至少一种。上述基于金属的材料可以包括但不限于金属粉和/或金属纤维，具体地，金属可以包括但不限于铜、镍、铝或银中的至少一种。导电聚合物可以包括但不限于聚亚苯基衍生物、聚苯胺、聚噻吩、聚乙炔或聚吡咯中的至少一种。

[0049]本申请对粘结剂没有特别限制，只要能够实现本申请目的即可，例如可以包括但不限于聚乙烯醇、羧甲基纤维素、羟丙基纤维素、二乙酰基纤维素、聚氯乙烯、羧化的聚氯乙烯、聚氟乙烯、含亚乙基氧的聚合物、聚乙烯吡咯烷酮、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸、丁苯橡胶、丙烯酸(酯)化的丁苯橡胶、环氧树脂或尼龙中的至少一种。

[0050]本申请对正极集流体110没有特别限制，只要能够实现本申请目的即可。例如，正极集流体110可以包含铝箔、铝合金箔或复合集流体等。本申请对正极集流体110的厚度没有特别限制，只要能够实现本申请目的即可。例如，正极集流体110的厚度为5 μm至20 μm，优选为6 μm至18 μm。

[0051]本申请的第一正极活性材料层111可以包括正极活性材料。本申请对正极活性材料的种类没有特别限制，只要能够实现本申请目的即可。例如，正极活性材料可以包含镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、磷酸铁锂、富锂锰基材料、钴酸锂、锰酸锂或磷酸锰铁锂等中的至少一种。在本申请中，正极活性材料还可以包含非金属元素，例如非金属元素包括氟、磷、硼、氯、硅或硫等中的至少一种，这些元素能进一步提高正极活性材料的稳定性。

[0052]本申请对第一正极活性材料层111的厚度没有特别限制，只要能够实现本申请目的即可。例如，单面第一正极活性材料层111的厚度为30 μm至120 μm。

[0053]在本申请中，第一正极活性材料层111可以设置于正极集流体110厚度方向上的一个表面上，也可以设置于正极集流体110厚度方向上的两个表面上。需要说明，这里的“表面”可以是正极集流体110的全部区域，也可以是正极集流体110的部分区域，本申请没有特别限制，只要能实现本申请目的即可。

[0054]本申请对隔离膜和电解液没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际情况进行选择，只要能够实现本申请目的即可。

[0055]本申请的第二方面提供了一种制备本申请第一方面提供的电化学装置的方法，包括以下步骤：

在负极集流体120表面设置第一负极活性材料层121，在第一负极活性材料层121上设置补锂区122和未补锂区123，得到负极极片12；

在正极集流体110表面设置第一正极活性材料层111，得到正极极片11；

将负极极片12和正极极片11组装得到电极组件10，电极组件10经封装后得到电化学装置，其中，第一负极活性材料层121与第一正极活性材料层111相面对。

[0056]本申请对在负极集流体120表面设置第一负极活性材料层121的方法没有特别限制，例如将负极浆料涂覆在负极集流体120表面从而形成第一负极活性材料层121。本申请对在正极集流体110表面设置第一正极活性材料层111的方法没有特别限制，例如将正极浆料涂覆在正极集流体110表面从而形成第一正极活性材料层111。

[0057]本申请对调控补锂区122和未补锂区123的尺寸的方法没有特别限制，可以采用本领域的方法。示例性地，可以在负极极片12表面不需要补锂的区域贴附胶纸，该胶纸的尺寸可以根据设计的未补锂区123尺寸进行调整，然后将锂箔与负极极片12表面进行复合、碾压处理，补锂完成后去除胶纸，即可得到部分区域补锂的负极极片12。

[0058]采用本申请第二方面提供的方法制备的电化学装置，可以降低负极极片12的析锂风险，提高电化学装置的安全可靠性。

[0059]在本申请的一种实施方案中，组装电极组件10的过程包括：将负极极片12和正极极片11叠置得到电极组件10，或者，将负极极片12和正极极片11叠置并卷绕得到电极组件10。

[0060]在本申请中，电极组件10经过封装得到电化学装置，本申请对封装过程没有没有特别限制，只要能实现本申请的目的即可。

[0061]在本申请的一种实施方案中，在第一负极活性材料层121的表面使用锂箔或锂粉中的至少一种以在第一负极活性材料层121设置补锂区122。通过上述方式设置补锂区122，可以提高负极极片12的首次库伦效率，有利于提高电化学装置的能量密度。

[0062]本申请对补锂的方法没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际情况进行选择，只要能够实现本申请目的即可。例如，在干燥房（环境湿度＜1.7%）将锂箔碾压至微米级厚度，然后与负极极片12表面进行复合、碾压处理。

[0063]本申请的第三方面提供了一种电子装置，其包括本申请第一方面提供的电化学装置。本申请提供的电化学装置具有良好的安全可靠性，从而本申请提供的电子装置具有良好的安全可靠性。

[0064]本申请对电子装置没有特别限制，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，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、家庭用大型蓄电池或锂离子电容器等。

[0065]以下，举出实施例及对比例来对本申请的实施方式进行更具体地说明。各种的试验及评价按照下述的方法进行。另外，只要无特别说明，“份”、“%”为质量基准。

[0066]测试方法与设备：

负极极片形貌测试：

在干燥房（湿度＜1.7%）拆解循环后的负极极片，使用碳酸二甲酯（DMC）清洗3次，然后晾干负极极片，通过扫描电镜（SEM）观察负极极片的形貌，拍摄SEM照片并测量条纹部的宽度。

[0067]负极极片截面形貌测试：

拆解的负极极片在氩离子作用下进行抛光制样，通过SEM拍摄截面形貌，并测量条纹部的厚度以及负极极片表面的含锂化合物层的厚度。

[0068]循环测试：

环境温度：25±5℃

循环测试流程：将锂离子电池以最大额定电流充电至满充状态，静置5min，以0.5C（倍率）恒流放电至3.0V，重复上述充放电流程500圈，再以最大额定电流充电至满充状态，循环至500圈分别拆解锂离子电池，观察负极极片边缘的析锂情况。

[0069]析锂程度判断：

在干燥房（湿度＜1.7%）拆解循环后的负极极片，拍照记录负极极片边缘析锂情况。未发现析锂或析锂面积＜2%称为不析锂；析锂面积在2%至20%之间称为轻微析锂；析锂面积＞20%称为严重析锂，其中析锂面积的百分数基于单面负极极片的面积计算。

[0070]容量测试：

在25℃的环境中，在0.5C（倍率）的充电电流下进行充电，直到上限电压为4.2V，然后在0.2C的放电电流下进行恒流放电，直到最终电压为2.8V，计算0.2C首次的放电容量作为该锂离子电池的容量。

[0071]实施例1-1

＜负极极片的制备＞

将负极活性材料石墨、硅氧化合物（SiOx，x=1）、羧甲基纤维素和丁苯橡胶按照质量比为96.7∶10∶1.3∶1.0进行混合，然后加入去离子水作为溶剂，调配成固含量为70wt%的负极浆料，并搅拌均匀。将负极浆料均匀涂布在厚度为10 μm的负极集流体铜箔的一个表面上，110℃条件下烘干，得到涂层厚度为150 μm的单面涂布第一负极活性材料层的负极极片，然后在该负极极片的另一个表面上重复以上步骤，得到双面涂布有第一负极活性材料层的负极极片。涂布完成后，将负极极片冷压后裁切待用；其中，第一负极活性材料层在x方向上的尺寸A1为1258 mm，在y方向的尺寸B1为73.8 mm。

[0072]在负极极片表面不需要补锂的区域贴附胶纸，该胶纸的尺寸可以根据设计的未补锂区尺寸进行调整，即通过调整胶纸的尺寸来调整B4。然后在干燥房（环境湿度＜1%）将锂箔碾压至微米级厚度（2 μm），然后与上述制备的负极极片表面进行复合、碾压处理，去除负极极片表面的胶纸，得到除边缘区域外均补锂的负极极片，补锂区的尺寸A3为1258 mm，B3为73.6 mm，负极极片边缘区域未补锂区的尺寸A4为0 mm，B4为0.15 mm。负极极片的压实密度为1.76 g/cm3。

[0073]＜正极极片的制备＞

将正极活性材料钴酸锂（LiCoO2）、导电剂导电炭黑、聚偏二氟乙烯（PVDF）按照质量比97∶1.4∶1.6进行混合，加入N-甲基吡咯烷酮（NMP）作为溶剂，调配成固含量为75wt%的正极浆料，并搅拌均匀。将正极浆料均匀涂覆在厚度为10 μm的正极集流体铝箔的一个表面上，110℃条件下烘干，得到第一正极活性材料层厚度为110μm的单面涂布正极活性材料的正极极片。之后，在正极极片的另一个表面上涂覆第一正极活性材料层，与上述步骤相同，得到双面涂布正极活性材料的正极极片。涂布完成后，将正极极片冷压后裁切待用，其中，第一正极活性材料层在x方向上的尺寸A2为1250 mm，在y方向的尺寸B2为72.3 mm。正极极片的压实密度为4.15 g/cm3。

[0074]＜电解液的制备＞

在干燥氩气气氛手套箱中，将有机溶剂碳酸乙烯酯（EC）、碳酸亚丙酯（PC）、碳酸二乙酯（DEC）和丙酸乙酯（EP）以质量比EC∶PC∶DEC∶EP=3∶1∶3∶3混合，然后向有机溶剂中加入锂盐六氟磷酸锂（LiPF6）溶解并混合均匀，得到锂盐的浓度为1mol/L的电解液。

[0075]＜隔离膜的制备＞

将PVDF和氧化铝陶瓷按照质量比9∶1进行混合，加入去离子水作为溶剂，调配成固含量12wt%的浆料，并搅拌均匀，将浆料均匀的涂覆在厚度为15 μm的聚乙烯薄膜基材的一个表面，烘干后得到隔离膜。

[0076]＜锂离子电池的制备＞

将上述制备的正极极片、隔离膜和负极极片按顺序叠好，使隔离膜处于正极极片和负极极片中间起到隔离的作用，然后卷绕得到电极组件。将电极组件装入铝塑膜包装壳中，放置在85℃真空烘箱中干燥12小时脱去水分，注入上述配好的电解液，经过真空封装、静置、化成（0.02C恒流充电至3.5V，再以0.1C恒流充电至3.9V）、整形、容量处理后得到锂离子电池，设计的电池容量为4614 mAh。

[0077]实施例1-2至实施例1-12

除了按照表1调整锂离子电池的相关尺寸参数以外，其余与实施例1-1相同。

[0078]实施例2-1至实施例2-12

除了按照表2调整锂离子电池的相关尺寸参数以外，其余与实施例1-1相同。

[0079]实施例3-1

除了在＜负极极片的制备＞中，第一负极活性材料层在x方向上的尺寸A1为94.1mm，在y方向的尺寸B1为42.5 mm；补锂区的尺寸A3为94.1 mm，B3为42.1 mm，负极极片边缘区域未补锂区的尺寸B4为0.2 mm。在＜正极极片的制备＞中，第一正极活性材料层在x方向上的尺寸A2为92.6 mm，在y方向的尺寸B2为41.3 mm。＜锂离子电池的制备＞与实施例1不同以外，其余与实施例1-1相同。

[0080]＜锂离子电池的制备＞

将正极极片、隔离膜和负极极片按顺序叠好，使隔离膜处于正极极片和负极极片中间起到隔离的作用，用胶带将整个叠片结构的四个角固定好后，置入铝塑膜中，经顶侧封、注液、封装后，得到锂离子电池。

[0081]制得的锂离子电池尺寸参数如表3所示，设计的电池容量为2926 mAh。

[0082]实施例3-2至实施例3-11

除了按照表3调整锂离子电池的相关尺寸参数以外，其余与实施例3-1相同。

[0083]实施例4-1至实施例4-12

除了按照表4调整锂离子电池的相关尺寸参数以外，其余与实施例3-1相同。

[0084]对比例1至对比例3

除了按照表1调整锂离子电池的相关尺寸参数以外，其余与实施例1-1相同。

[0085]对比例4

除了按照表2调整锂离子电池的相关尺寸参数以外，其余与实施例1-1相同。

[0086]对比例5至对比例7

除了按照表3调整锂离子电池的相关尺寸参数以外，其余与实施例3-1相同。

[0087]对比例8至对比例9

除了按照表4调整锂离子电池的相关尺寸参数以外，其余与实施例3-1相同。

[0088]实施例1-1至实施例1-12、对比例1至对比例3的相关参数及性能测试如表1所示。

[0089]表1

从实施例1-1至实施例1-12、对比例2和对比例3可以看出，调控B4在本申请范围内，随着负极极片沿x方向的边缘区域设置的未补锂区的尺寸增加，负极极片沿x方向的边缘区域局部容量比进一步增加，可以有效容纳来自对面正极极片边缘的锂离子，从而改善负极极片沿x方向的边缘区域的析锂问题，降低了负极极片的析锂风险，从而提高了锂离子电池的安全可靠性。

[0090]从实施例1-1至实施例1-12和对比例1可以看出，随着未补锂区面积的增大，该区域的局部比容量增大，由于负极活性材料硅的首次库伦效率低，首次充放电会消耗来自正极的活性锂离子，正极极片可以利用的锂离子减少，锂离子电池的容量有降低趋势。但当未补锂区面积过大时（例如对比例1），虽然负极极片沿x方向的边缘区域不会发生析锂现象，但是锂离子电池容量降低程度过大，不利于锂离子电池容量发挥性能的提高。可见调控B4在本申请范围内，能够得到具有良好容量发挥性能的锂离子电池。

[0091]实施例2-1至实施例2-12、对比例2和对比例4的相关参数及性能测试如表2所示。

[0092]表2

从实施例2-1至实施例2-12和对比例2可以看出，协同调控A4及B4在本申请范围内，随着负极极片沿x方向和y方向的边缘区域未补锂尺寸增加，负极极片沿x方向和y方向的边缘区域局部容量比进一步增加，可以有效容纳来自对面正极极片边缘的锂离子，从而改善负极极片沿x方向和y方向的边缘区域的析锂问题，降低了负极极片的析锂风险，从而提高了锂离子电池的安全可靠性。

[0093]从实施例2-1至实施例2-12和对比例4可以看出，随着未补锂区面积的增大，锂离子电池的容量有降低趋势。但当未补锂区面积过大时（例如对比例4），虽然负极极片沿x方向和y方向的边缘区域不会发生析锂现象，但是锂离子电池容量降低程度过大，不利于锂离子电池容量发挥性能的提高。可见通过协同调控A4及B4在本申请范围内，能够得到具有良好容量发挥性能的锂离子电池。

[0094]实施例3-1至实施例3-11、对比例5至对比例7相关参数及性能测试如表3所示。

[0095]表3

从实施例3-1至实施例3-11、对比例6和对比例7可以看出，调控B4在本申请范围内，随着负极极片沿x方向的边缘区域设置的未补锂区尺寸增加，负极极片沿x方向的边缘区域局部容量比进一步增加，可以有效容纳来自对面正极极片边缘的锂离子，从而改善负极极片沿x方向的边缘区域的析锂问题，降低了负极极片的析锂风险，从而提高了锂离子电池的安全可靠性。

[0096]从实施例3-1至实施例3-11和对比例5可以看出，随着未补锂区面积的增大，锂离子电池的容量有降低趋势。但当未补锂区面积过大时（例如对比例5），虽然负极极片沿x方向的边缘区域不会发生析锂现象，但是锂离子电池容量降低程度过大，不利于锂离子电池容量发挥性能的提高。可见调控B4在本申请范围内，能够得到具有良好容量发挥性能的锂离子电池。

[0097]实施例4-1至实施例4-12、对比例6、对比例8和对比例9的相关参数及性能测试如表4所示。

[0098]表4

从实施例4-1至实施例4-12、对比例6和对比例9可以看出，协同调控A4及B4在本申请范围内，随着负极极片沿x方向的边缘区域设置的未补锂区尺寸增加，负极极片沿x方向的边缘区域局部容量比进一步增加，可以有效容纳来自对面正极极片边缘的锂离子，从而改善负极极片沿x方向的边缘区域的析锂问题，降低了负极极片的析锂风险，从而提高了锂离子电池的安全可靠性。

[0099]从实施例4-1至实施例4-12和对比例8可以看出，随着未补锂区面积的增大，锂离子电池的容量有降低趋势。但当未补锂区面积过大时（例如对比例8），虽然负极极片沿x方向和y方向的边缘区域不会发生析锂现象，但是锂离子电池容量降低程度过大，不利于锂离子电池容量发挥性能的提高。可见通过协同调控A4及B4在本申请范围内，能够得到具有良好容量发挥性能的锂离子电池。

[0100]综上，本申请提供的技术方案可以有效降低负极极片的析锂风险，提高锂离子电池的安全可靠性，还可以在提高锂离子电池的能量密度的同时保持良好的循环性能。

[0101]以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

全文PDF

电化学装置及其制备方法和电子装置.pdf

声明：

“电化学装置及其制备方法和电子装置” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。

我是此专利(论文)的发明人(作者)