權(quán)利要求
1.電化學裝置，其包括電極組件，所述電極組件包括正極極片和負極極片，所述正極極片包括正極集流體和設(shè)置在所述正極集流體表面的第一正極活性材料層，所述負極極片包括負極集流體和設(shè)置在所述負極集流體表面的第一負極活性材料層，所述第一負極活性材料層包括補鋰區(qū)和未補鋰區(qū)，所述未補鋰區(qū)為所述第一負極活性材料層區(qū)域內(nèi)與所述補鋰區(qū)無面積重疊的區(qū)域；其中，
所述第一負極活性材料層在寬度方向的尺寸為B1 mm，所述第一正極活性材料層在所述寬度方向的尺寸為B2 mm，
所述第一負極活性材料層沿長度方向延伸的一個邊緣和與其相鄰的沿所述長度方向延伸的補鋰區(qū)邊緣之間的距離為B4 mm，0.15≤B4≤1/2×（B1-B2）+1。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學裝置，其中，所述第一負極活性材料層在所述長度方向的尺寸為A1 mm，所述第一正極活性材料層在所述長度方向的尺寸為A2 mm，
所述第一負極活性材料層沿所述寬度方向延伸的一個邊緣和與其相鄰的沿所述寬度方向延伸的補鋰區(qū)邊緣之間的距離為A4 mm，0.15≤A4≤1/2×（A1-A2）+1。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學裝置，其中，所述補鋰區(qū)在寬度方向的尺寸為B3 mm，B4=（B1-B3）/2。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電化學裝置，其中，所述補鋰區(qū)在長度方向的尺寸為A3 mm，A4=（A1-A3）/2。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學裝置，從所述負極極片的厚度方向觀察，所述補鋰區(qū)具有條紋部；
沿多個條紋部的排列方向，所述條紋部的尺寸為0.1 mm至2 mm；和/或
在所述負極極片的厚度方向上，所述條紋部的厚度為0.04 μm至0.5 μm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學裝置，其中，所述補鋰區(qū)的材料包括碳酸鋰、氧化鋰、氮化鋰或氟化鋰中的至少一者。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電化學裝置，其中，所述第一負極活性材料層包括負極活性材料，所述負極活性材料包括硅基材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電化學裝置，其中，所述電極組件為卷繞結(jié)構(gòu)，所述寬度方向為電極極片展開后短邊的延伸方向，所述長度方向為所述電極極片展開后長邊的延伸方向，所述電極極片包括正極極片和負極極片。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電化學裝置，其中，0.15≤A4≤5，0.15≤B4≤1.75。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電化學裝置，其中，所述電極組件為疊片結(jié)構(gòu)，所述寬度方向為電極極片的短邊的延伸方向，所述長度方向為所述電極極片的長邊的延伸方向，所述電極極片包括正極極片和負極極片。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的電化學裝置，其中，0.15≤A4≤1.75，0.15≤B4≤1.6。
12.一種制備權(quán)利要求1~11中任一項所述的電化學裝置的方法，包括以下步驟：
在所述負極集流體表面設(shè)置所述第一負極活性材料層，在所述第一負極活性材料層上設(shè)置補鋰區(qū)和未補鋰區(qū)，得到所述負極極片；
在所述正極集流體表面設(shè)置所述第一正極活性材料層，得到所述正極極片；
將所述負極極片和所述正極極片組裝得到所述電極組件，所述電極組件經(jīng)封裝后得到所述電化學裝置，其中，所述第一負極活性材料層與所述第一正極活性材料層相面對。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的制備方法，其中，組裝所述電極組件的過程包括：將所述負極極片和所述正極極片疊置得到所述電極組件，或者，將所述負極極片和所述正極極片疊置并卷繞得到所述電極組件。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的制備方法，其中，在所述第一負極活性材料層的表面使用鋰箔或鋰粉中的至少一種以在所述第一負極活性材料層設(shè)置補鋰區(qū)。
15.一種電子裝置，包括權(quán)利要求1~11中任一項所述的電化學裝置。
說明書
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本申請涉及電化學技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種電化學裝置及其制備方法和電子裝置。
背景技術(shù)
[0002]鋰離子電池具有工作電壓高，能量密度高、循環(huán)壽命長、工作溫度范圍寬等特性，這些優(yōu)異的特性使鋰離子電池在消費電子、動力電池和儲能三大領(lǐng)域都實現(xiàn)了廣泛應用。
[0003]為了進一步提高鋰離子電池的能量密度，可以通過在負極極片的表面進行補鋰實現(xiàn)。但是上述補鋰后的負極極片可能容易發(fā)生析鋰，尤其是邊緣容易發(fā)生析鋰，影響鋰離子電池安全性。
發(fā)明內(nèi)容
[0004]本申請的目的在于提供一種電化學裝置及其制備方法和電子裝置，以降低負極極片的析鋰風險，提高電化學裝置的安全可靠性。具體技術(shù)方案如下：
本申請的第一方面提供了一種電化學裝置，其包括電極組件，電極組件包括正極極片和負極極片，正極極片包括正極集流體和設(shè)置在正極集流體表面的第一正極活性材料層，負極極片包括負極集流體和設(shè)置在負極集流體表面的第一負極活性材料層，第一負極活性材料層包括補鋰區(qū)和未補鋰區(qū)，未補鋰區(qū)為第一負極活性材料層區(qū)域內(nèi)與補鋰區(qū)無面積重疊的區(qū)域；其中，第一負極活性材料層在寬度方向的尺寸為B1 mm，第一正極活性材料層在寬度方向的尺寸為B2 mm，第一負極活性材料層沿長度方向延伸的一個邊緣和與其相鄰的沿長度方向延伸的補鋰區(qū)邊緣之間的距離為B4 mm，0.15≤B4≤1/2×（B1-B2）+1。
[0005]本申請實施例的有益效果：本申請通過在負極極片的邊緣區(qū)域的第一負極活性材料層設(shè)置未補鋰區(qū)來降低負極極片的析鋰風險，在電化學裝置的循環(huán)過程中，未補鋰區(qū)相對于補鋰區(qū)可以嵌入更多的來自正極的鋰離子，負極極片的邊緣區(qū)域局部容量比增大，可以容納更多來自對面正極極片邊緣的鋰離子，從而可以降低負極極片寬度方向邊緣的析鋰風險，提高電化學裝置的安全可靠性，以及平衡電化學裝置的能量密度。
[0006]在本申請的一種實施方案中，第一負極活性材料層在長度方向的尺寸為A1 mm，第一正極活性材料層在長度方向的尺寸為A2 mm，第一負極活性材料層沿寬度方向延伸的一個邊緣和與其相鄰的沿寬度方向延伸的補鋰區(qū)邊緣之間的距離為A4 mm，0.15≤A4≤1/2×（A1-A2）+1。通過調(diào)控A4在上述范圍內(nèi)，可以降低負極極片長度方向邊緣的析鋰風險，提高電化學裝置的安全可靠性。
[0007]在本申請的一種實施方案中，補鋰區(qū)在寬度方向的尺寸為B3 mm，B1、B3、B4之間滿足：B4=（B1-B3）/2。采用上述技術(shù)方案，可以降低寬度方向正極極片超出負極極片的風險，降低負極極片的析鋰風險，提高電化學裝置的安全可靠性。
[0008]在本申請的一種實施方案中，補鋰區(qū)在長度方向的尺寸為A3 mm，A1、A3、A4之間滿足：A4=（A1-A3）/2。采用上述技術(shù)方案，可以降低長度方向正極極片超出負極極片的風險，降低負極極片的析鋰風險，提高電化學裝置的安全可靠性。
[0009]在本申請的一種實施方案中，從負極極片的厚度方向觀察，補鋰區(qū)具有條紋部，沿多個條紋部的排列方向，條紋部的尺寸為0.1 mm至2 mm；和/或在負極極片的厚度方向上，條紋部的厚度為0.04 μm至0.5 μm。具有上述特征的負極極片，可以提高負極極片的首次庫倫效率，有利于提高電化學裝置的能量密度，且有利于提高補鋰區(qū)的制造效率。
[0010]在本申請的一種實施方案中，補鋰區(qū)的材料包括碳酸鋰、氧化鋰、氮化鋰或氟化鋰中的至少一者。負極極片補鋰過程中，由于鋰金屬的高活性，其與空氣環(huán)境發(fā)生反應以及在電化學裝置化成工藝中發(fā)生反應，在第一負極活性材料層表面形成一層含鋰化合物，含鋰化合物的主要成分包括碳酸鋰、氧化鋰、氮化鋰或氟化鋰中的至少一者。具有上述特征的負極極片，可以提高負極極片的首次庫倫效率，有利于提高電化學裝置的能量密度；且可以提升負極極片表面的電阻，有利于降低短路風險和短路電流；此外覆蓋在負極活性材料表面的補鋰區(qū)的材料可以降低其固體電解質(zhì)界面膜破壞的風險。
[0011]在本申請的一種實施方案中，第一負極活性材料層包括負極活性材料，負極活性材料包括硅基材料，有利于提高電化學裝置的能量密度。
[0012]在本申請的一種實施方案中，電極組件為卷繞結(jié)構(gòu)，則寬度方向為電極極片展開后短邊的延伸方向，長度方向為電極極片展開后長邊的延伸方向；電極極片包括正極極片和負極極片。卷繞結(jié)構(gòu)有利于電極組件的大規(guī)?？焖僦圃臁?/span>
[0013]在本申請的一種實施方案中，0.15≤A4≤5，0.15≤B4≤1.75。設(shè)置A4和B4滿足此范圍，可以在長度方向設(shè)置較大且合適的余量，在寬度方向設(shè)置較小且合適的余量，有利于提高制造效率和滿足制造要求，進一步降低負極極片的析鋰風險以及降低對電化學裝置容量的影響。
[0014]在本申請的一種實施方案中，電極組件為疊片結(jié)構(gòu)，則寬度方向為電極極片的短邊的延伸方向，長度方向為電極極片的長邊的延伸方向；電極極片包括正極極片和負極極片。疊片結(jié)構(gòu)有利于電極組件對空間的利用，提高電化學裝置的設(shè)計容量。
[0015]在本申請的一種實施方案中，0.15≤A4≤1.75，0.15≤B4≤1.6。設(shè)置A4和B4滿足此范圍，可以在長度方向和寬度方向設(shè)置合適的余量，降低負極極片的析鋰風險以及降低對電化學裝置容量的影響。
[0016]本申請的第二方面提供了一種制備本申請第一方面提供的電化學裝置的方法，包括以下步驟：
在負極集流體表面設(shè)置第一負極活性材料層，在第一負極活性材料層上設(shè)置補鋰區(qū)和未補鋰區(qū)，得到負極極片；
在正極集流體表面設(shè)置第一正極活性材料層，得到正極極片；
將負極極片和正極極片組裝得到電極組件，電極組件經(jīng)封裝后得到電化學裝置，其中，第一負極活性材料層與第一正極活性材料層相面對。
[0017]采用本申請第二方面提供的方法制備的電化學裝置，可以降低負極極片的析鋰風險，提高鋰離子電池的安全可靠性。
[0018]在本申請的一種實施方案中，組裝電極組件的過程包括：將負極極片和正極極片疊置得到電極組件，或者，將負極極片和正極極片疊置并卷繞得到電極組件。
[0019]在本申請的一種實施方案中，在第一負極活性材料層的表面使用鋰箔或鋰粉中的至少一種以在第一負極活性材料層設(shè)置補鋰區(qū)。通過上述方式設(shè)置補鋰區(qū)，可以提高負極極片的首次庫倫效率，有利于提高電化學裝置的能量密度。
[0020]本申請的第三方面提供了一種電子裝置，其包括本申請第一方面提供的電化學裝置。本申請?zhí)峁┑碾娀瘜W裝置具有良好的安全可靠性，從而本申請?zhí)峁┑碾娮友b置具有良好的安全可靠性。
[0021]本申請?zhí)峁┝艘环N電化學裝置及其制備方法和電子裝置，通過在負極極片的邊緣區(qū)域的第一負極活性材料層設(shè)置未補鋰區(qū)來降低負極極片的析鋰風險，未補鋰區(qū)相對于補鋰區(qū)可以嵌入更多的來自正極的鋰離子。在電化學裝置的循環(huán)過程中，負極極片的邊緣區(qū)域局部容量比增大，可以容納更多來自對面正極極片邊緣的鋰離子，從而可以降低負極極片寬度方向邊緣的析鋰風險，提高電化學裝置的安全可靠性。當然，實施本申請的任一產(chǎn)品或方法并不一定需要同時達到以上所述的所有優(yōu)點。
附圖說明
[0022]為了更清楚地說明本申請的技術(shù)方案，下面對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本申請的一些實施例。
[0023]圖1為本申請的一種實施方案中的電極組件的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本申請的一種實施方案的正極極片的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為本申請的一種實施方案的負極極片的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為本申請的一種實施方案中的正極極片沿其厚度方向觀察的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5為本申請的一種實施方案中的負極極片A-A截面沿其厚度方向的剖面圖，A-A截面的位置如圖3所示；
圖6為本申請的另一種實施方案中的正極極片沿其厚度方向觀察的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖7為本申請的另一種實施方案中的負極極片A-A截面沿其厚度方向的剖面圖，A-A截面的位置如圖3所示；
圖8為本申請的實施例1-1制備的負極極片的補鋰區(qū)的掃描電鏡（SEM）照片；
圖9為本申請的實施例1-1制備的負極極片沿長度方向（x方向）的邊緣區(qū)域未補鋰區(qū)的SEM照片；
圖10為本申請的實施例1-1制備的負極極片表面的含鋰化合物層的SEM照片。
具體實施方式
[0024]為使本申請的目的、技術(shù)方案、及優(yōu)點更加清楚明白，以下參照附圖和實施例，對本申請進一步詳細說明。顯然，所描述的實施例僅僅是本申請一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒旧暾堉械膶嵤├?，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所獲得的所有其他技術(shù)方案，都屬于本申請保護的范圍。
[0025]需要說明的是，本申請的具體實施方式中，以鋰離子電池作為電化學裝置的例子來解釋本申請，但是本申請的電化學裝置并不僅限于鋰離子電池。
[0026]為了降低使用過程中發(fā)生析鋰的風險，電化學裝置設(shè)計一般要求負極極片面積比正極極片面積大，負極極片超出正極極片的部分稱為負極極片邊緣超出部。負極極片邊緣超出部在電化學裝置化成和容量階段無法受壓，導致該區(qū)域的隔離膜與負極極片粘接力變?nèi)?，隔離膜與負極極片的界面間隙變大。在電化學裝置的循環(huán)過程中，隨著電解液的消耗，負極極片邊緣容易出現(xiàn)電解液斷橋，導致負極極片邊緣發(fā)生析鋰問題。
[0027]此外，電化學裝置在循環(huán)過程中會發(fā)生膨脹現(xiàn)象，使得極片向?qū)挾确较蚝烷L度方向延展，電極組件不斷擠壓殼體，導致電化學裝置發(fā)生變形問題。因此，電極組件與殼體之間需要設(shè)計預留一定的間隙，但注液后電極組件邊緣的電解液比較多，導致邊緣處的電解液中成膜添加劑含量增加，在化成和容量階段導致極片邊緣的成膜阻抗較大，因此在循環(huán)過程中，負極極片邊緣容易析鋰。
[0028]為了提高電化學裝置的容量，一般會采用對負極極片進行補鋰的方案，提高負極極片的首次庫倫效率。
[0029]有鑒于此，本申請的第一方面提供了一種電化學裝置，如圖1、圖2和圖3所示，其包括電極組件10，電極組件10包括正極極片11和負極極片12，正極極片11沿其厚度方向觀察的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，負極極片12按照圖3中所示的A-A截面沿自身厚度方向的剖面圖如圖5所示。正極極片11包括正極集流體110和設(shè)置在正極集流體110表面的第一正極活性材料層111；負極極片12包括負極集流體120和設(shè)置在負極集流體120表面的第一負極活性材料層121，第一負極活性材料層121包括補鋰區(qū)122和未補鋰區(qū)123，未補鋰區(qū)123為第一負極活性材料層121區(qū)域內(nèi)與補鋰區(qū)122無面積重疊的區(qū)域。參見圖3，第一負極活性材料層121在寬度方向（y方向）的尺寸為B1 mm，第一正極活性材料層111在寬度方向（y方向）的尺寸為B2 mm，第一負極活性材料層121沿長度方向（x方向）延伸的一個邊緣1211和與其相鄰的沿長度方向（x方向）延伸的補鋰區(qū)邊緣1221之間的距離為B4 mm，0.15≤B4≤1/2×（B1-B2）+1。
[0030]本申請通過調(diào)控負極極片12表面不同區(qū)域的補鋰量，實現(xiàn)負極極片12邊緣不補鋰，而正常區(qū)進行均勻補鋰。由于負極極片12邊緣不補鋰，該位置的局部容量比較大，可以容納更多來自正極極片11的鋰離子。電化學裝置在化成和容量的階段，負極極片12邊緣接收來自對應正極極片11的鋰離子，參與形成固體電解質(zhì)膜和硅酸鹽等，而這部分鋰離子成為死鋰，無法回到正極極片11，導致正極極片11邊緣的可逆鋰離子減少。因此，即使負極極片12邊緣電解液發(fā)生斷橋或負極極片12邊緣成膜阻抗大，但由于該位置的容量比較大，且對應的正極極片11邊緣活性鋰少，負極極片12邊緣可以完成接受來自對面正極極片11邊緣鋰離子，因此可以降低電化學裝置在循環(huán)過程中負極極片12邊緣發(fā)生析鋰的風險。
[0031]在本申請的一種實施方案中，如圖3所示，第一負極活性材料層121在長度方向（x方向）的尺寸為A1 mm，第一正極活性材料層111在長度方向（x方向）上的尺寸為A2 mm，第一負極活性材料層121沿寬度方向（y方向）延伸的一個邊緣1212和與其相鄰的沿寬度方向（y方向）延伸的補鋰區(qū)邊緣1222之間的距離為A4 mm，0.15≤A4≤1/2×（A1-A2）+1。通過調(diào)控A4在上述范圍內(nèi)，可以降低負極極片12長度方向邊緣的析鋰風險，提高電化學裝置的安全可靠性。
[0032]在本申請的一種實施方案中，補鋰區(qū)122在寬度方向（y方向）的尺寸為B3 mm，B1、B3、B4之間滿足：B4=（B1-B3）/2。采用上述技術(shù)方案，可以降低寬度方向正極極片11超出負極極片12的風險，降低負極極片12的析鋰風險，提高電化學裝置的安全可靠性。
[0033]在本申請的一種實施方案中，補鋰區(qū)122在長度方向（x方向）的尺寸為A3 mm，A1、A3、A4之間滿足：A4=（A1-A3）/2。采用上述技術(shù)方案，可以降低長度方向正極極片11超出負極極片12的風險，降低負極極片12的析鋰風險，提高電化學裝置的安全可靠性。
[0034]在本申請的一種實施方案中，電極組件10為卷繞結(jié)構(gòu)，0.15≤A4≤5，0.15≤B4≤1.75。通過調(diào)控未補鋰區(qū)123尺寸滿足上述關(guān)系，可以降低負極極片12的析鋰風險，提高電化學裝置的安全可靠性，以及降低未補鋰區(qū)123尺寸太大對電化學裝置容量的影響。
[0035]在本申請的一種實施方案中，電極組件10為疊片結(jié)構(gòu)，0.15≤A4≤1.75，0.15≤B4≤1.6。通過調(diào)控未補鋰區(qū)123尺寸滿足上述關(guān)系，可以進一步降低未補鋰區(qū)123尺寸太大對電化學裝置容量的影響。
[0036]在本申請的一種實施方案中，正極極片11沿其厚度方向觀察的結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示，負極極片A-A截面（如圖3）沿其厚度方向的剖面圖如圖7所示，正極極片11包括正極集流體110和設(shè)置在正極集流體110的一個表面的第一正極活性材料層111，負極極片12包括負極集流體120和設(shè)置在負極集流體120的一個表面的第一負極活性材料層121，也能夠?qū)崿F(xiàn)本申請目的。
[0037]在本申請的一種實施方案中，從負極極片12的厚度方向（z方向）觀察，補鋰區(qū)122具有條紋部，沿多個條紋部的排列方向，條紋部的尺寸為0.1 mm至2 mm；和/或在負極極片12的厚度方向上，條紋部的厚度為0.04 μm至0.5 μm。具有上述特征的負極極片，可以提高負極極片12的首次庫倫效率，有利于提高電化學裝置的能量密度。具體地，在一種實施方案中，在第一方向上，條紋部的寬度為0.1 mm至2 mm，且在厚度方向上，條紋部的厚度為0.04μm至0.5 μm；在一種實施方案中，在第一方向上，條紋部的寬度為0.1 mm至2 mm；在一種實施方案中，在厚度方向上，條紋部的厚度為0.04 μm至0.5 μm。
[0038]可以理解的是，條紋部是指通過金屬鋰箔補鋰時，鋰金屬在進行壓延過程中形成的具有條紋間隙的鋰帶。鋰箔在與負極極片12復合的過程中，上述形成的具有條紋間隙的鋰帶可以保持，所以從負極極片12的展開狀態(tài)下的厚度方向（z方向）可以觀察到條紋部。補鋰的負極極片12和正極極片11組裝成電化學裝置后，隨著鋰金屬被負極極片12吸收及后續(xù)的化成、容量處理，負極極片12表面的條紋部會一直保留。電化學裝置經(jīng)過循環(huán)過程后，負極極片12上的補鋰區(qū)122具有條紋部，如圖8所示，而負極極片12邊緣區(qū)域的未補鋰區(qū)123則沒有條紋部，如圖9所示。
[0039]在本申請的一種實施方案中，補鋰區(qū)122的材料包括碳酸鋰、氧化鋰、氮化鋰或氟化鋰中的至少一者。負極極片12補鋰過程中，由于鋰金屬的高活性，其與空氣（如氧氣和微量的水分）發(fā)生反應，以及在電化學裝置化成工藝中與電解液中含氟物質(zhì)發(fā)生反應，在第一負極活性材料層121表面形成一層含鋰化合物，主要成分包括碳酸鋰、氧化鋰、氮化鋰或氟化鋰中的至少一者。組裝電極組件10注入電解液后，鋰金屬迅速與負極活性材料發(fā)生反應，但是含鋰化合物層不與負極活性材料發(fā)生反應，活性鋰金屬與負極活性材料反應后，含鋰化合物層留在負極極片12的表面。補鋰區(qū)122在負極活性材料表面形成一層含鋰化合物層，參見圖10中兩黑色虛線中間所示層狀結(jié)構(gòu)，含鋰化合物層的厚度為0.04 μm至0.5 μm。具有上述特征的負極極片12，可以提高負極極片12的首次庫倫效率，有利于提高電化學裝置的能量密度；且可以提升負極極片12表面的電阻，有利于降低短路風險和短路電流；此外覆蓋在負極活性材料表面的補鋰區(qū)122的材料可以降低其固體電解質(zhì)界面膜破壞的風險。
[0040]在本申請的一種實施方案中，第一負極活性材料層121包括負極活性材料，負極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-碳復合物中的至少一種。本申請的負極活性材料還可以包含石墨、中間相微碳球（MCMB）、硬碳、軟碳、Li-Sn合金、Li-Sn-O合金、Sn、SnO、SnO2、尖晶石結(jié)構(gòu)的鈦酸鋰Li4Ti5O12、Li-Al合金或金屬鋰等中的至少一種。選擇上述范圍內(nèi)的材料，有利于提高電化學裝置的能量密度。
[0041]可以理解的是，對于卷繞結(jié)構(gòu)電極組件，其電極極片展開后通常具有長邊和短邊。在本申請的一種實施方案中，電極組件為卷繞結(jié)構(gòu)，則寬度方向為電極極片展開后短邊的延伸方向，長度方向為電極極片展開后長邊的延伸方向。本申請的電極極片包括正極極片11和負極極片12。
[0042]可以理解的是，對于疊片結(jié)構(gòu)電極組件，電極極片通常是一層一層地堆疊設(shè)置。在本申請的一種實施方案中，電極組件為疊片結(jié)構(gòu)，則寬度方向為電極極片的短邊的延伸方向，長度方向為電極極片的長邊的延伸方向。上述電極極片包括正極極片11和負極極片12。
[0043]在本申請的一種實施方案中，對于疊片結(jié)構(gòu)電極組件，當電極極片的各邊尺寸相同時，則寬度方向為電極極片的一條邊長的延伸方向，長度方向為電極極片所在平面內(nèi)垂直于寬度方向的方向。
[0044]本申請的電化學裝置沒有特別限制，其可以包括發(fā)生電化學反應的任何裝置。在本申請的一種實施方案中，電化學裝置可以包括但不限于：鋰離子二次電池（鋰離子電池）、鋰聚合物二次電池或鋰離子聚合物二次電池等。在本申請的一種實施方案中，本申請的鋰離子電池的電極組件結(jié)構(gòu)包括卷繞型結(jié)構(gòu)或疊片型結(jié)構(gòu)等。本申請的鋰離子電池結(jié)構(gòu)包括但不限于軟包型鋰離子電池、方形硬殼電池或圓柱形硬殼電池等。
[0045]本申請對負極集流體120沒有特別限制，只要能夠?qū)崿F(xiàn)本申請目的即可。例如，負極集流體120可以包含銅箔、銅合金箔、鎳箔、不銹鋼箔、鈦箔、泡沫鎳、泡沫銅或復合集流體等。本申請對負極集流體120的厚度沒有特別限制，只要能夠?qū)崿F(xiàn)本申請目的即可。例如，負極集流體120的厚度為4μm至10μm。在本申請中，第一負極活性材料層121可以設(shè)置于負極集流體120厚度方向上的一個表面上，也可以設(shè)置于負極集流體120厚度方向上的兩個表面上。需要說明，這里的“表面”可以是負極集流體120的全部區(qū)域，也可以是負極集流體120的部分區(qū)域，本申請沒有特別限制，只要能實現(xiàn)本申請目的即可。
[0046]本申請中，在負極集流體120表面具有第一負極活性材料層121，或者，負極集流體120與第一負極活性材料層121之間還包括功能層，例如，功能層包括但不限于導電粘接層。其中，導電粘接層中可以包括導電劑和粘結(jié)劑。
[0047]本申請對第一負極活性材料層121的厚度沒有特別限制，只要能夠?qū)崿F(xiàn)本申請目的即可。例如，單面第一負極活性材料層的厚度為30 μm至160 μm。
[0048]本申請對導電劑沒有特別限制，只要能夠?qū)崿F(xiàn)本申請目的即可，例如可以包括但不限于基于碳的材料、基于金屬的材料或?qū)щ娋酆衔镏械闹辽僖环N。上述基于碳的材料選自天然石墨、人造石墨、導電碳黑、乙炔黑、科琴黑或碳纖維中的至少一種。上述基于金屬的材料可以包括但不限于金屬粉和/或金屬纖維，具體地，金屬可以包括但不限于銅、鎳、鋁或銀中的至少一種。導電聚合物可以包括但不限于聚亞苯基衍生物、聚苯胺、聚噻吩、聚乙炔或聚吡咯中的至少一種。
[0049]本申請對粘結(jié)劑沒有特別限制，只要能夠?qū)崿F(xiàn)本申請目的即可，例如可以包括但不限于聚乙烯醇、羧甲基纖維素、羥丙基纖維素、二乙酰基纖維素、聚氯乙烯、羧化的聚氯乙烯、聚氟乙烯、含亞乙基氧的聚合物、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、丁苯橡膠、丙烯酸(酯)化的丁苯橡膠、環(huán)氧樹脂或尼龍中的至少一種。
[0050]本申請對正極集流體110沒有特別限制，只要能夠?qū)崿F(xiàn)本申請目的即可。例如，正極集流體110可以包含鋁箔、鋁合金箔或復合集流體等。本申請對正極集流體110的厚度沒有特別限制，只要能夠?qū)崿F(xiàn)本申請目的即可。例如，正極集流體110的厚度為5 μm至20 μm，優(yōu)選為6 μm至18 μm。
[0051]本申請的第一正極活性材料層111可以包括正極活性材料。本申請對正極活性材料的種類沒有特別限制，只要能夠?qū)崿F(xiàn)本申請目的即可。例如，正極活性材料可以包含鎳鈷錳酸鋰、鎳鈷鋁酸鋰、磷酸鐵鋰、富鋰錳基材料、鈷酸鋰、錳酸鋰或磷酸錳鐵鋰等中的至少一種。在本申請中，正極活性材料還可以包含非金屬元素，例如非金屬元素包括氟、磷、硼、氯、硅或硫等中的至少一種，這些元素能進一步提高正極活性材料的穩(wěn)定性。
[0052]本申請對第一正極活性材料層111的厚度沒有特別限制，只要能夠?qū)崿F(xiàn)本申請目的即可。例如，單面第一正極活性材料層111的厚度為30 μm至120 μm。
[0053]在本申請中，第一正極活性材料層111可以設(shè)置于正極集流體110厚度方向上的一個表面上，也可以設(shè)置于正極集流體110厚度方向上的兩個表面上。需要說明，這里的“表面”可以是正極集流體110的全部區(qū)域，也可以是正極集流體110的部分區(qū)域，本申請沒有特別限制，只要能實現(xiàn)本申請目的即可。
[0054]本申請對隔離膜和電解液沒有特別限制，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)實際情況進行選擇，只要能夠?qū)崿F(xiàn)本申請目的即可。
[0055]本申請的第二方面提供了一種制備本申請第一方面提供的電化學裝置的方法，包括以下步驟：
在負極集流體120表面設(shè)置第一負極活性材料層121，在第一負極活性材料層121上設(shè)置補鋰區(qū)122和未補鋰區(qū)123，得到負極極片12；
在正極集流體110表面設(shè)置第一正極活性材料層111，得到正極極片11；
將負極極片12和正極極片11組裝得到電極組件10，電極組件10經(jīng)封裝后得到電化學裝置，其中，第一負極活性材料層121與第一正極活性材料層111相面對。
[0056]本申請對在負極集流體120表面設(shè)置第一負極活性材料層121的方法沒有特別限制，例如將負極漿料涂覆在負極集流體120表面從而形成第一負極活性材料層121。本申請對在正極集流體110表面設(shè)置第一正極活性材料層111的方法沒有特別限制，例如將正極漿料涂覆在正極集流體110表面從而形成第一正極活性材料層111。
[0057]本申請對調(diào)控補鋰區(qū)122和未補鋰區(qū)123的尺寸的方法沒有特別限制，可以采用本領(lǐng)域的方法。示例性地，可以在負極極片12表面不需要補鋰的區(qū)域貼附膠紙，該膠紙的尺寸可以根據(jù)設(shè)計的未補鋰區(qū)123尺寸進行調(diào)整，然后將鋰箔與負極極片12表面進行復合、碾壓處理，補鋰完成后去除膠紙，即可得到部分區(qū)域補鋰的負極極片12。
[0058]采用本申請第二方面提供的方法制備的電化學裝置，可以降低負極極片12的析鋰風險，提高電化學裝置的安全可靠性。
[0059]在本申請的一種實施方案中，組裝電極組件10的過程包括：將負極極片12和正極極片11疊置得到電極組件10，或者，將負極極片12和正極極片11疊置并卷繞得到電極組件10。
[0060]在本申請中，電極組件10經(jīng)過封裝得到電化學裝置，本申請對封裝過程沒有沒有特別限制，只要能實現(xiàn)本申請的目的即可。
[0061]在本申請的一種實施方案中，在第一負極活性材料層121的表面使用鋰箔或鋰粉中的至少一種以在第一負極活性材料層121設(shè)置補鋰區(qū)122。通過上述方式設(shè)置補鋰區(qū)122，可以提高負極極片12的首次庫倫效率，有利于提高電化學裝置的能量密度。
[0062]本申請對補鋰的方法沒有特別限制，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)實際情況進行選擇，只要能夠?qū)崿F(xiàn)本申請目的即可。例如，在干燥房（環(huán)境濕度＜1.7%）將鋰箔碾壓至微米級厚度，然后與負極極片12表面進行復合、碾壓處理。
[0063]本申請的第三方面提供了一種電子裝置，其包括本申請第一方面提供的電化學裝置。本申請?zhí)峁┑碾娀瘜W裝置具有良好的安全可靠性，從而本申請?zhí)峁┑碾娮友b置具有良好的安全可靠性。
[0064]本申請對電子裝置沒有特別限制，其可以是用于現(xiàn)有技術(shù)中已知的任何電子裝置。在一些實施例中，電子裝置可以包括但不限于筆記本電腦、筆輸入型計算機、移動電腦、電子書播放器、便攜式電話、便攜式傳真機、便攜式復印機、便攜式打印機、頭戴式立體聲耳機、錄像機、液晶電視、手提式清潔器、便攜CD機、迷你光盤、收發(fā)機、電子記事本、計算器、存儲卡、便攜式錄音機、收音機、備用電源、電機、汽車、摩托車、助力自行車、自行車、照明器具、玩具、游戲機、鐘表、電動工具、閃光燈、照相機、家庭用大型蓄電池或鋰離子電容器等。
[0065]以下，舉出實施例及對比例來對本申請的實施方式進行更具體地說明。各種的試驗及評價按照下述的方法進行。另外，只要無特別說明，“份”、“%”為質(zhì)量基準。
[0066]測試方法與設(shè)備：
負極極片形貌測試：
在干燥房（濕度＜1.7%）拆解循環(huán)后的負極極片，使用碳酸二甲酯（DMC）清洗3次，然后晾干負極極片，通過掃描電鏡（SEM）觀察負極極片的形貌，拍攝SEM照片并測量條紋部的寬度。
[0067]負極極片截面形貌測試：
拆解的負極極片在氬離子作用下進行拋光制樣，通過SEM拍攝截面形貌，并測量條紋部的厚度以及負極極片表面的含鋰化合物層的厚度。
[0068]循環(huán)測試：
環(huán)境溫度：25±5℃
循環(huán)測試流程：將鋰離子電池以最大額定電流充電至滿充狀態(tài)，靜置5min，以0.5C（倍率）恒流放電至3.0V，重復上述充放電流程500圈，再以最大額定電流充電至滿充狀態(tài)，循環(huán)至500圈分別拆解鋰離子電池，觀察負極極片邊緣的析鋰情況。
[0069]析鋰程度判斷：
在干燥房（濕度＜1.7%）拆解循環(huán)后的負極極片，拍照記錄負極極片邊緣析鋰情況。未發(fā)現(xiàn)析鋰或析鋰面積＜2%稱為不析鋰；析鋰面積在2%至20%之間稱為輕微析鋰；析鋰面積＞20%稱為嚴重析鋰，其中析鋰面積的百分數(shù)基于單面負極極片的面積計算。
[0070]容量測試：
在25℃的環(huán)境中，在0.5C（倍率）的充電電流下進行充電，直到上限電壓為4.2V，然后在0.2C的放電電流下進行恒流放電，直到最終電壓為2.8V，計算0.2C首次的放電容量作為該鋰離子電池的容量。
[0071]實施例1-1
＜負極極片的制備＞
將負極活性材料石墨、硅氧化合物（SiOx，x=1）、羧甲基纖維素和丁苯橡膠按照質(zhì)量比為96.7∶10∶1.3∶1.0進行混合，然后加入去離子水作為溶劑，調(diào)配成固含量為70wt%的負極漿料，并攪拌均勻。將負極漿料均勻涂布在厚度為10 μm的負極集流體銅箔的一個表面上，110℃條件下烘干，得到涂層厚度為150 μm的單面涂布第一負極活性材料層的負極極片，然后在該負極極片的另一個表面上重復以上步驟，得到雙面涂布有第一負極活性材料層的負極極片。涂布完成后，將負極極片冷壓后裁切待用；其中，第一負極活性材料層在x方向上的尺寸A1為1258 mm，在y方向的尺寸B1為73.8 mm。
[0072]在負極極片表面不需要補鋰的區(qū)域貼附膠紙，該膠紙的尺寸可以根據(jù)設(shè)計的未補鋰區(qū)尺寸進行調(diào)整，即通過調(diào)整膠紙的尺寸來調(diào)整B4。然后在干燥房（環(huán)境濕度＜1%）將鋰箔碾壓至微米級厚度（2 μm），然后與上述制備的負極極片表面進行復合、碾壓處理，去除負極極片表面的膠紙，得到除邊緣區(qū)域外均補鋰的負極極片，補鋰區(qū)的尺寸A3為1258 mm，B3為73.6 mm，負極極片邊緣區(qū)域未補鋰區(qū)的尺寸A4為0 mm，B4為0.15 mm。負極極片的壓實密度為1.76 g/cm3。
[0073]＜正極極片的制備＞
將正極活性材料鈷酸鋰（LiCoO2）、導電劑導電炭黑、聚偏二氟乙烯（PVDF）按照質(zhì)量比97∶1.4∶1.6進行混合，加入N-甲基吡咯烷酮（NMP）作為溶劑，調(diào)配成固含量為75wt%的正極漿料，并攪拌均勻。將正極漿料均勻涂覆在厚度為10 μm的正極集流體鋁箔的一個表面上，110℃條件下烘干，得到第一正極活性材料層厚度為110μm的單面涂布正極活性材料的正極極片。之后，在正極極片的另一個表面上涂覆第一正極活性材料層，與上述步驟相同，得到雙面涂布正極活性材料的正極極片。涂布完成后，將正極極片冷壓后裁切待用，其中，第一正極活性材料層在x方向上的尺寸A2為1250 mm，在y方向的尺寸B2為72.3 mm。正極極片的壓實密度為4.15 g/cm3。
[0074]＜電解液的制備＞
在干燥氬氣氣氛手套箱中，將有機溶劑碳酸乙烯酯（EC）、碳酸亞丙酯（PC）、碳酸二乙酯（DEC）和丙酸乙酯（EP）以質(zhì)量比EC∶PC∶DEC∶EP=3∶1∶3∶3混合，然后向有機溶劑中加入鋰鹽六氟磷酸鋰（LiPF6）溶解并混合均勻，得到鋰鹽的濃度為1mol/L的電解液。
[0075]＜隔離膜的制備＞
將PVDF和氧化鋁陶瓷按照質(zhì)量比9∶1進行混合，加入去離子水作為溶劑，調(diào)配成固含量12wt%的漿料，并攪拌均勻，將漿料均勻的涂覆在厚度為15 μm的聚乙烯薄膜基材的一個表面，烘干后得到隔離膜。
[0076]＜鋰離子電池的制備＞
將上述制備的正極極片、隔離膜和負極極片按順序疊好，使隔離膜處于正極極片和負極極片中間起到隔離的作用，然后卷繞得到電極組件。將電極組件裝入鋁塑膜包裝殼中，放置在85℃真空烘箱中干燥12小時脫去水分，注入上述配好的電解液，經(jīng)過真空封裝、靜置、化成（0.02C恒流充電至3.5V，再以0.1C恒流充電至3.9V）、整形、容量處理后得到鋰離子電池，設(shè)計的電池容量為4614 mAh。
[0077]實施例1-2至實施例1-12
除了按照表1調(diào)整鋰離子電池的相關(guān)尺寸參數(shù)以外，其余與實施例1-1相同。
[0078]實施例2-1至實施例2-12
除了按照表2調(diào)整鋰離子電池的相關(guān)尺寸參數(shù)以外，其余與實施例1-1相同。
[0079]實施例3-1
除了在＜負極極片的制備＞中，第一負極活性材料層在x方向上的尺寸A1為94.1mm，在y方向的尺寸B1為42.5 mm；補鋰區(qū)的尺寸A3為94.1 mm，B3為42.1 mm，負極極片邊緣區(qū)域未補鋰區(qū)的尺寸B4為0.2 mm。在＜正極極片的制備＞中，第一正極活性材料層在x方向上的尺寸A2為92.6 mm，在y方向的尺寸B2為41.3 mm。＜鋰離子電池的制備＞與實施例1不同以外，其余與實施例1-1相同。
[0080]＜鋰離子電池的制備＞
將正極極片、隔離膜和負極極片按順序疊好，使隔離膜處于正極極片和負極極片中間起到隔離的作用，用膠帶將整個疊片結(jié)構(gòu)的四個角固定好后，置入鋁塑膜中，經(jīng)頂側(cè)封、注液、封裝后，得到鋰離子電池。
[0081]制得的鋰離子電池尺寸參數(shù)如表3所示，設(shè)計的電池容量為2926 mAh。
[0082]實施例3-2至實施例3-11
除了按照表3調(diào)整鋰離子電池的相關(guān)尺寸參數(shù)以外，其余與實施例3-1相同。
[0083]實施例4-1至實施例4-12
除了按照表4調(diào)整鋰離子電池的相關(guān)尺寸參數(shù)以外，其余與實施例3-1相同。
[0084]對比例1至對比例3
除了按照表1調(diào)整鋰離子電池的相關(guān)尺寸參數(shù)以外，其余與實施例1-1相同。
[0085]對比例4
除了按照表2調(diào)整鋰離子電池的相關(guān)尺寸參數(shù)以外，其余與實施例1-1相同。
[0086]對比例5至對比例7
除了按照表3調(diào)整鋰離子電池的相關(guān)尺寸參數(shù)以外，其余與實施例3-1相同。
[0087]對比例8至對比例9
除了按照表4調(diào)整鋰離子電池的相關(guān)尺寸參數(shù)以外，其余與實施例3-1相同。
[0088]實施例1-1至實施例1-12、對比例1至對比例3的相關(guān)參數(shù)及性能測試如表1所示。
[0089]表1
從實施例1-1至實施例1-12、對比例2和對比例3可以看出，調(diào)控B4在本申請范圍內(nèi)，隨著負極極片沿x方向的邊緣區(qū)域設(shè)置的未補鋰區(qū)的尺寸增加，負極極片沿x方向的邊緣區(qū)域局部容量比進一步增加，可以有效容納來自對面正極極片邊緣的鋰離子，從而改善負極極片沿x方向的邊緣區(qū)域的析鋰問題，降低了負極極片的析鋰風險，從而提高了鋰離子電池的安全可靠性。
[0090]從實施例1-1至實施例1-12和對比例1可以看出，隨著未補鋰區(qū)面積的增大，該區(qū)域的局部比容量增大，由于負極活性材料硅的首次庫倫效率低，首次充放電會消耗來自正極的活性鋰離子，正極極片可以利用的鋰離子減少，鋰離子電池的容量有降低趨勢。但當未補鋰區(qū)面積過大時（例如對比例1），雖然負極極片沿x方向的邊緣區(qū)域不會發(fā)生析鋰現(xiàn)象，但是鋰離子電池容量降低程度過大，不利于鋰離子電池容量發(fā)揮性能的提高。可見調(diào)控B4在本申請范圍內(nèi)，能夠得到具有良好容量發(fā)揮性能的鋰離子電池。
[0091]實施例2-1至實施例2-12、對比例2和對比例4的相關(guān)參數(shù)及性能測試如表2所示。
[0092]表2
從實施例2-1至實施例2-12和對比例2可以看出，協(xié)同調(diào)控A4及B4在本申請范圍內(nèi)，隨著負極極片沿x方向和y方向的邊緣區(qū)域未補鋰尺寸增加，負極極片沿x方向和y方向的邊緣區(qū)域局部容量比進一步增加，可以有效容納來自對面正極極片邊緣的鋰離子，從而改善負極極片沿x方向和y方向的邊緣區(qū)域的析鋰問題，降低了負極極片的析鋰風險，從而提高了鋰離子電池的安全可靠性。
[0093]從實施例2-1至實施例2-12和對比例4可以看出，隨著未補鋰區(qū)面積的增大，鋰離子電池的容量有降低趨勢。但當未補鋰區(qū)面積過大時（例如對比例4），雖然負極極片沿x方向和y方向的邊緣區(qū)域不會發(fā)生析鋰現(xiàn)象，但是鋰離子電池容量降低程度過大，不利于鋰離子電池容量發(fā)揮性能的提高?？梢娡ㄟ^協(xié)同調(diào)控A4及B4在本申請范圍內(nèi)，能夠得到具有良好容量發(fā)揮性能的鋰離子電池。
[0094]實施例3-1至實施例3-11、對比例5至對比例7相關(guān)參數(shù)及性能測試如表3所示。
[0095]表3
從實施例3-1至實施例3-11、對比例6和對比例7可以看出，調(diào)控B4在本申請范圍內(nèi)，隨著負極極片沿x方向的邊緣區(qū)域設(shè)置的未補鋰區(qū)尺寸增加，負極極片沿x方向的邊緣區(qū)域局部容量比進一步增加，可以有效容納來自對面正極極片邊緣的鋰離子，從而改善負極極片沿x方向的邊緣區(qū)域的析鋰問題，降低了負極極片的析鋰風險，從而提高了鋰離子電池的安全可靠性。
[0096]從實施例3-1至實施例3-11和對比例5可以看出，隨著未補鋰區(qū)面積的增大，鋰離子電池的容量有降低趨勢。但當未補鋰區(qū)面積過大時（例如對比例5），雖然負極極片沿x方向的邊緣區(qū)域不會發(fā)生析鋰現(xiàn)象，但是鋰離子電池容量降低程度過大，不利于鋰離子電池容量發(fā)揮性能的提高?？梢娬{(diào)控B4在本申請范圍內(nèi)，能夠得到具有良好容量發(fā)揮性能的鋰離子電池。
[0097]實施例4-1至實施例4-12、對比例6、對比例8和對比例9的相關(guān)參數(shù)及性能測試如表4所示。
[0098]表4
從實施例4-1至實施例4-12、對比例6和對比例9可以看出，協(xié)同調(diào)控A4及B4在本申請范圍內(nèi)，隨著負極極片沿x方向的邊緣區(qū)域設(shè)置的未補鋰區(qū)尺寸增加，負極極片沿x方向的邊緣區(qū)域局部容量比進一步增加，可以有效容納來自對面正極極片邊緣的鋰離子，從而改善負極極片沿x方向的邊緣區(qū)域的析鋰問題，降低了負極極片的析鋰風險，從而提高了鋰離子電池的安全可靠性。
[0099]從實施例4-1至實施例4-12和對比例8可以看出，隨著未補鋰區(qū)面積的增大，鋰離子電池的容量有降低趨勢。但當未補鋰區(qū)面積過大時（例如對比例8），雖然負極極片沿x方向和y方向的邊緣區(qū)域不會發(fā)生析鋰現(xiàn)象，但是鋰離子電池容量降低程度過大，不利于鋰離子電池容量發(fā)揮性能的提高?？梢娡ㄟ^協(xié)同調(diào)控A4及B4在本申請范圍內(nèi)，能夠得到具有良好容量發(fā)揮性能的鋰離子電池。
[0100]綜上，本申請?zhí)峁┑募夹g(shù)方案可以有效降低負極極片的析鋰風險，提高鋰離子電池的安全可靠性，還可以在提高鋰離子電池的能量密度的同時保持良好的循環(huán)性能。
[0101]以上所述僅為本申請的較佳實施例，并不用以限制本申請，凡在本申請的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本申請保護的范圍之內(nèi)。
全文PDF
電化學裝置及其制備方法和電子裝置.pdf
聲明：
“電化學裝置及其制備方法和電子裝置” 該技術(shù)專利(論文)所有權(quán)利歸屬于技術(shù)(論文)所有人。僅供學習研究，如用于商業(yè)用途，請聯(lián)系該技術(shù)所有人。
我是此專利(論文)的發(fā)明人(作者)
1304
編輯：中冶有色技術(shù)網(wǎng)
來源：寧德新能源科技有限公司
分享 0
舉報 0
收藏 0
反對 0
點贊 0
中冶有色技術(shù)平臺
2025年03月28日 ~ 30日 
