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CN109449478A - 电化学装置 - Google Patents

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CN109449478A
CN109449478A CN201811308809.5A CN201811308809A CN109449478A CN 109449478 A CN109449478 A CN 109449478A CN 201811308809 A CN201811308809 A CN 201811308809A CN 109449478 A CN109449478 A CN 109449478A
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CN
China
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insulating layer
current collector
pole piece
positive electrode
lithium
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CN201811308809.5A
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陶强
高潮
郑强
方占召
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Ningde Amperex Technology Ltd
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Ningde Amperex Technology Ltd
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Publication date
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Abstract

本申请涉及电化学装置。具体而言，本申请提供一种电芯，其特征在于，所述电芯通过间隔设置的第一极片和第二极片卷绕或堆叠形成，所述第一极片和所述第二极片之间设置有隔离膜；其中，所述第一极片包括第一集流体，所述第一集流体包括设置有第一活性物质的涂覆区和未设置所述第一活性物质的未涂覆区；所述未涂覆区至少部分设置有绝缘层；并且，所述绝缘层与所述第一集流体的粘结力不小于约0.5N/m。本申请提供的电化学装置具有改善的安全性能。

Description

电化学装置
技术领域
本申请涉及电化学装置，且更具体来说涉及一种具有改进的安全性能的电化学装置。
背景技术
目前，电化学装置(例如，电池)的应用越来越广泛，已经与人们的日常生活息息相关。然而，电池的安全性的技术目前并不成熟，在用户端偶尔会出现因外力刺破电池导致的安全问题，例如电池爆炸。因此，随着电池的大量普及，其使用者、售后端及电池生产厂商都对电池的安全性能提出了新的要求。
有鉴于此，确有必要提供一种改进的安全性能良好的电化学装置，例如，锂离子电池。
发明内容
本申请实施例通过提供一种电化学装置以试图在至少某种程度上解决至少一种存在于相关领域中的问题。
在一个实施例中，本申请提供一种电芯，其特征在于，所述电芯通过间隔设置的第一极片和第二极片卷绕或堆叠形成，所述第一极片和所述第二极片之间设置有隔离膜；其中，所述第一极片包括第一集流体，所述第一集流体包括设置有第一活性物质的涂覆区和未设置所述第一活性物质的未涂覆区；所述未涂覆区至少部分设置有绝缘层；并且，所述绝缘层与所述第一集流体的粘结力不小于约0.5N/m。在一些实施中，所述绝缘层与所述第一集流体的粘结力不小于约0.8N/m。在一些实施中，所述绝缘层与所述第一集流体的粘结力在约0.5N/m至约15N/m的范围内。在一些实施中，所述绝缘层与所述第一集流体的粘结力大于等于约0.8N/m，且小于等于约15N/m。在一些实施中，所述绝缘层至少覆盖于将所述电芯结构的外圈的未设置所述第一活性物质层的未涂覆区。
根据本申请的实施例，所述绝缘层包含绝缘物质。
根据本申请的实施例，所述绝缘层进一步包含粘结剂。
根据本申请的实施例，所述绝缘层具有约3％-约60％的孔隙率。在一些实施中，所述绝缘层具有约20％-约60％的孔隙率。在一些实施中，所述绝缘层具有约25％的孔隙率。
根据本申请的实施例，所述绝缘物质与所述粘结剂的重量百分比为约50％:50％-约90％:10％。在一些实施中，所述绝缘物质与所述粘结剂的重量百分比为约50％:50％-约80％:20％。
根据本申请的实施例，所述绝缘层为热熔胶。
根据本申请的实施例，所述绝缘物质包括无机氧化物、高分子材料和非金属单质中的至少一种。
根据本申请的实施例，所述无机氧化物包括三氧化二铝、氧化硅、氧化钙、勃母石和碳酸钙中的至少一种；所述高分子材料包括聚四氟乙烯、橡胶和树脂中的至少一种；并且所述非金属单质为硅。
根据本申请的实施例，所述粘结剂包括丁苯橡胶、丁腈橡胶、羧基丁腈橡胶、羧基丁苯橡胶、酚醛树脂胶、聚丁烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、聚酰亚胺和聚乙酸乙烯酯中的至少一种。
根据本申请的实施例，所述第一极片为正极极片，且所述第二极片为负极极片。
在另一个实施例中，本申请提供一种制备根据本申请的实施例的电芯的方法，包括以下步骤：将所述绝缘层涂覆于所述第一集流体上；烘干涂覆有所述绝缘层的所述第一集流体；和在10-25T的压力下辊压涂覆有所述绝缘层的所述第一集流体。
根据本申请的实施例，将所述绝缘层涂覆于所述第一集流体上的步骤包括以下子步骤：辊压所述第一集流体；和将所述绝缘层涂覆于所述第一集流体上。
在另一个实施例中，在另一个实施例中，本申请提供一种电池，包括：根据本申请的实施例的电芯、电解液和壳体，其中，所述壳体收容所述电芯。
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是阳极(负极)极片2和未涂覆绝缘层的阴极(正极)极片1的示意图。其中，未涂覆绝缘层的阴极(正极)极片1包括Al箔1a、涂覆在Al箔1a上的钴酸锂1b以及Al极耳1c，阳极(负极)极片2包括Cu箔2a、涂覆在Cu箔2a上的石墨2b和Ni极耳2c。
图2是将图1所示的阳极(负极)极片2和阴极(正极)极片1卷绕后的电芯结构的示意图。
图3是阳极(负极)极片2和涂覆绝缘层的阴极(正极)极片3的示意图。其中，涂覆绝缘层的阴极(正极)极片3包括Al箔3a、涂覆在Al箔3a上的钴酸锂3b、Al极耳3c以及保护层/绝缘层3d。
图4是将图3所示的阳极(负极)极片2和阴极(正极)极片3卷绕后的电芯结构的示意图。
图5展示了绝缘层3d与阴极(正极)集流体5a的粘结力的测试方法。其中，涂覆有绝缘层3d的集流体5a用双面胶5b固定在钢板5c上，其中绝缘层一侧粘结在双面胶上。箭头f所示的方向为提拉方向。
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。
如本申请中所使用，术语“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％。另外，有时在本申请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。
在有效评估电化学装置(例如锂离子电池，下文以锂离子电池为例进行说明)安全性能的测试中，最严格的测试为穿钉测试：用一定直径的尖头钢钉以一定的速度刺穿锂离子电池，使锂离子电池发生短路。短路类型可概括为两种：锂离子电池极片的内短路，即锂离子电池极片在穿钉过程中接触、导通以形成短路；和，极片通过钉子间接产生的短路，即锂离子电池极片未直接导通，但是均与穿钉的钉子接触；由于钉子本身是钢质材料可以导电，从而将极片导通。
具体来说，锂离子电池在穿钉过程中会发生四种短路模式：第一活性物质层(例如，正极活性物质层)-第二活性物质层(例如，负极活性物质层)、第一活性物质层(例如，正极活性物质层)-第二集流体(例如，负极集流体(通常为铜箔))、第一集流体(例如，正极集流体(通常为铝箔))-第二集流体(例如，负极集流体(通常为铜箔))和第一集流体(例如，正极集流体(通常为铝箔))-第二活性物质层(例如，负极活性物质层)。下文中，以正极极片作为第一极片、正极活性物质层作为第一活性物质层并且以正极集流体作为第一集流体进行说明。下文中，以负极极片作为第二极片、负极活性物质层作为第二活性物质层并且以负极集流体作为第二集流体进行说明。在上述四种短路模式中，正极集流体(通常为铝箔)-负极活性物质层这种短路模式由于短路时产热功率非常大、负极活性物质层易失效等原因，是最为危险的一种短路模式，因此，避免正极集流体(通常为铝箔)-负极活性物质层的这种短路模式在穿钉过程中出现是改善锂离子电池穿钉安全最有效的手段。
现有技术中通常通过在负极活性物质层的表面设置电阻率更大的涂层或者在正极集流体的表面设置电阻率更大的涂层(例如，绝缘层)以避免负极活性物质层和正极集流体直接接触，从而避免正极集流体(通常为铝箔)-负极活性物质层这种最危险的短路模式。
然而，在现有技术中，在正极集流体的表面设置电阻率更大的涂层(例如，绝缘层)时，在电解液的浸泡下，涂层与正极集流体之间的粘结力显著下降，导致锂离子电池在被外力刺破的过程中容易发生涂层与正极集流体的剥离，导致涂层无法起到保护作用。因此，涂层(例如，绝缘层)和正极集流体在电解液浸泡后必须保持较高的粘结力才能实现涂层的保护作用。
本申请通过将特定的绝缘层涂覆在正极极片的正极集流体的未设置活性物质的未涂覆区(如图3所示)来有效地改善绝缘层与集流体之间的粘结性，或通过控制绝缘层的孔隙率，从而使锂离子电池在受到外力撞击、穿钉或挤压时不发生正极集流体-负极活性物质层这一短路模式，确保了锂离子电池的机械安全性能。
绝缘层与正极集流体之间的粘结力和绝缘层的孔隙率可通过选择绝缘物质的类型、粘结剂的类型、绝缘物质与粘结剂的重量百分比或者施加压力来实现。在一些实施例中，绝缘层被涂覆至所述正极集流体后，经涂覆的所述正极集流体在约10-约25T的压力下通过辊压。
在本申请的一些实施例中，在绝缘层与正极集流体之间的粘结力相同的情况下，绝缘层的孔隙率越小，锂离子电池的安全性能越好。在本申请的一些实施例中，在绝缘层的孔隙率相同的情况下，绝缘层与正极集流体之间的粘结力越高，锂离子电池的安全性能越好。
如图4所示，本申请的绝缘层3d可至少覆盖于正极集流体的未被活性物质层覆盖的区域。在一些实施例中，绝缘层3d至少覆盖于电芯结构的外圈的未设置活性物质层的未涂覆区。
根据本申请的实施例，所述绝缘层与正极集流体的粘结力不小于约0.5N/m。在一些实施中，所述绝缘层与所述正极集流体的粘结力不小于约0.8N/m。在一些实施中，所述绝缘层与所述正极集流体的粘结力在约0.5N/m至约10N/m的范围内。
根据本申请的实施例，所述绝缘层具有约3％-约60％的孔隙率。在一些实施中，所述绝缘层具有约20％-约60％的孔隙率。在一些实施中，所述绝缘层具有约25％、约30％、约35％、约40％、约45％、约50％或约55％的孔隙率。
根据本申请的实施例，绝缘层包含绝缘物质。在一些实施例中，绝缘层进一步包含粘结剂。
根据本申请的实施例，绝缘物质包括，但不限于，无机氧化物或陶瓷材料、高分子材料和非金属单质。在一些实施例中，无机氧化物或陶瓷材料包括，但不限于，三氧化二铝、氧化硅、氧化钙、勃母石和碳酸钙。在一些实施例中，高分子材料包括，但不限于，聚四氟乙烯、橡胶和树脂。在一些实施例中，非金属单质包括，但不限于，硅。在一些实施例中，绝缘层包括，但不限于，热熔胶。
根据本申请的实施例，粘结剂包括，但不限于，丁苯橡胶、丁腈橡胶、羧基丁腈橡胶、羧基丁苯橡胶、酚醛树脂胶、聚丁烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、聚酰亚胺和聚乙酸乙烯酯。
根据本申请的实施例，绝缘物质与粘结剂的重量百分比为约50％:50％-约90％:10％。在一些实施中，绝缘物质与粘结剂的重量百分比为约50％:50％-约80％:20％。在一些实施中，绝缘物质与粘结剂的重量百分比为约50％:50％-约70％:30％。在一些实施中，绝缘物质与粘结剂的重量百分比为约50％:50％-约60％:40％。
根据本申请的实施例，电池包括，但不限于，锂离子电池。
在上述锂离子电池中，正极集流体可以为铝箔或镍箔，负极集流体可为铜箔或镍箔。
在上述锂离子电池中，正极活性物质层包括能够吸收和释放锂(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”)。能够吸收/释放锂(Li)的正极材料的实例可以包括钴酸锂、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、钛酸锂或者富锂锰基材料中的至少一种。
在上述正极材料中，钴酸锂的化学式可以为LixCoaM1bO2-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)或者硅(Si)中的至少一种，x、a、b和c值分别在以下范围内：0.8≤x≤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LiyNidM2eO2-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)或者硅(Si)中的至少一种，y、d、e和f值分别在以下范围内：0.8≤y≤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LizMn2-gM3gO4-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)或者钨(W)中的至少一种，z、g和h值分别在以下范围内：0.8≤z≤1.2、0≤g<1.0、-0.2≤h≤0.2。
负极活性物质层包括能够吸收和释放锂(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)的负极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。
碳材料的例子可以包括低石墨化的碳、易石墨化的碳、人造石墨、天然石墨、中间相碳微球、软碳、硬碳、热解碳、焦炭、玻璃碳、有机聚合物化合物烧结体、碳纤维和活性碳。其中，焦炭可以包括沥青焦炭、针状焦炭和石油焦炭。有机聚合物化合物烧结体指的是通过在适当的温度下煅烧聚合物材料例如苯酚塑料或者呋喃树脂以使之碳化获得的材料，将这些材料中的一些分成低石墨化碳或者易石墨化的碳。聚合物材料的例子可以包括聚乙炔和聚吡咯。
在能够吸收/释放锂(Li)的这些负极材料中，选择充电和放电电压接近于锂金属的充电和放电电压的材料。这是因为负极材料的充电和放电电压越低，锂离子电池越容易具有更高的能量密度。其中，负极材料可以选择碳材料，因为在充电和放电时它们的晶体结构只有小的变化，因此，可以获得良好的循环特性以及大的充电和放电容量。例如选择石墨，因为它可以给出大的电化学当量和高的能量密度。
此外，能够吸收/释放锂(Li)的负极材料可以包括单质锂金属、能够和锂(Li)一起形成合金的金属元素和半金属元素，包括这样的元素的合金和化合物等等。例如，将它们和碳材料一起使用，在这种情况中，可以获得良好的循环特性以及高能量密度。除了包括两种或者多种金属元素的合金之外，这里使用的合金还包括包含一种或者多种金属元素和一种或者多种半金属元素的合金。该合金可以处于以下状态固溶体、共晶晶体、金属间化合物及其混合物。
金属元素和半金属元素的例子可以包括锡(Sn)、铅(Pb)、铝(Al)、铟(In)、硅(Si)、锌(Zn)、锑(Sb)、铋(Bi)、镉(Cd)、镁(Mg)、硼(B)、镓(Ga)、锗(Ge)、砷(As)、银(Ag)、锆(Zr)、钇(Y)或者铪(Hf)。上述合金和化合物的例子可以包括具有化学式：MasMbtLiu的材料和具有化学式：MapMcqMdr的材料。在这些化学式中，Ma表示能够与锂一起形成合金的金属元素和半金属元素中的至少一种元素；Mb表示除锂和Ma之外的金属元素和半金属元素中的至少一种元素；Mc表示非金属元素中的至少一种元素；Md表示除Ma之外的金属元素和半金属元素中的至少一种元素；并且s、t、u、p、q和r满足s＞0、t≥0、u≥0、p＞0、q＞0和r≥0。
此外，可以在负极中使用不包括锂(Li)的无机化合物，例如MnO2、V2O5、V6O13、NiS或者MoS。
上述锂离子电池还包括电解质，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。
锂盐选自LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiClO4、LiB(C6H5)4、LiCH3SO3、LiCF3SO3、LiN(SO2CF3)2、LiC(SO2CF3)3、LiSiF6、LiBOB或者二氟硼酸锂中的一种或多种。例如，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。
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。
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。
链状碳酸酯化合物的实例为碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二丙酯(DPC)、碳酸甲丙酯(MPC)、碳酸乙丙酯(EPC)、碳酸甲乙酯(MEC)及其组合。所述环状碳酸酯化合物的实例为碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚丁酯(BC)、碳酸乙烯基亚乙酯(VEC)或者其组合。所述氟代碳酸酯化合物的实例为碳酸氟代亚乙酯(FEC)、碳酸1,2-二氟亚乙酯、碳酸1,1-二氟亚乙酯、碳酸1,1,2-三氟亚乙酯、碳酸1,1,2,2-四氟亚乙酯、碳酸1-氟-2-甲基亚乙酯、碳酸1-氟-1-甲基亚乙酯、碳酸1,2-二氟-1-甲基亚乙酯、碳酸1,1,2-三氟-2-甲基亚乙酯、碳酸三氟甲基亚乙酯或者其组合。
羧酸酯化合物的实例为乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸正丙酯、乙酸叔丁酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯、γ-丁内酯、癸内酯、戊内酯、甲瓦龙酸内酯、己内酯、甲酸甲酯或者其组合。
醚化合物的实例为二丁醚、四甘醇二甲醚、二甘醇二甲醚、1,2-二甲氧基乙烷、1,2-二乙氧基乙烷、乙氧基甲氧基乙烷、2-甲基四氢呋喃、四氢呋喃或者其组合。
其它有机溶剂的实例为二甲亚砜、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、和磷酸酯或者其组合。
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，能够想到本申请所揭露的电化学装置的组成部件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。在本申请的不同实例中，电化学装置可为电池，例如铅酸电池、镍-镉电池、镍-氢电池、锂离子电池等。特别地，该电化学装置是锂二次电池，包括锂金属电池、锂离子电池、锂聚合物电池或锂离子聚合物电池。
下面以锂离子电池为例并且结合具体的实施例说明锂离子电池的制备，本领域的技术人员将理解，本申请中描述的制备方法仅是实例，其他任何合适的制备方法均在本申请的范围内。
实施例
以下说明根据本申请的锂离子电池的实施例和对比例进行性能评估。
1、锂离子电池的制备
(1)正极极片的制备
将正极活性材料钴酸锂(LiCoO2)、粘结剂、导电剂导电炭黑(Super P)按质量比94:3:3溶于分散剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，搅拌均匀制成正极浆料，然后用涂膜机将正极浆料均匀涂布在正极集流体铝箔的正反两个表面上，之后在85℃下烘干，得到正极活性材料层。根据以下实施例和对比例的设置，将绝缘物质和粘结剂按一定比例在溶剂中混合，将混合物涂覆在正极集流体的未被钴酸锂覆盖的区域，烘干，在一定压力下对正极极片进行辊压。然后进行冷压、分条、裁片、焊接正极极耳Ni，Ni极耳距正极极片端部10mm。得到正极极片。
(2)负极极片的制备
将负极活性材料人造石墨、粘结剂丁苯橡胶、导电剂导电炭黑(Super P)按质量比92:3:5与去离子水混合均匀制成负极浆料，之后用涂膜机将负极浆料均匀涂覆在负极集流体铜箔的正反两面上，然后在85℃下烘干，形成负极活性材料层。对负极极片进行辊压。然后进行冷压、分条、裁片、焊接负极极耳Al，Al极耳距负极极片端部12mm。得到负极极片。
(3)电解液的制备
在干燥氩环境下，使LiPF6以成为1.2M的方式溶解于将碳酸亚乙酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二乙酯(DEC)以分别成为30质量％、40质量％、30质量％的方式混合而成的非水溶剂中，添加碳酸亚乙烯酯1质量％和氟代碳酸亚乙酯5质量％，即得电解液。
(4)锂离子电池的制备
将正极极片、负极极片卷绕后，得到电芯结构，将电芯结构置于铝塑膜包装壳中，然后注入液态电解质并封装，之后化成、抽气成型，得到锂离子电池。
2、测试方法
(1)绝缘层与正极集流体之间的粘结力的测试方法
如图5所示，将涂覆有绝缘层3d的集流体5a用双面胶5b固定在钢板5c上，其中绝缘层3d一侧粘结在双面胶5b上。用高铁拉力机从集流体下方沿180度方向向上提拉，完成测试并记录数据。所得数据记为绝缘层3d与正极集流体5a之间的粘结力。
(2)绝缘层的孔隙率的测试方法
通过称重计算绝缘层的表观密度，通过下式计算绝缘层的孔隙率：
孔隙率＝表观密度/真密度
(3)锂离子电池的穿钉测试
将锂离子电池置于25℃恒温箱中，静置30分钟，使锂离子电池达到恒温。将达到恒温的锂离子电池以0.5C恒流充电至电压为截至电压，然后以截至电压恒压充电至电流为0.025C。将满充的锂离子电池转移至穿钉测试机上，保持测试环境温度25℃±2℃，用直径为4mm的钢钉，以30mm/s的速度匀速穿过锂离子电池中心，保留300s，锂离子电池不起火、不爆炸记为通过。每次测试10块锂离子电池，以通过穿钉测试的锂离子电池数量作为评价锂离子电池安全性能的指标。
依照上述方法制备并测试传统锂离子电池(对比例1-6)和根据本申请的实施例的锂离子电池(实施例1-10)。各对比例和实施例的锂离子电池如下设置：
对比例1
正极集流体的未被钴酸锂覆盖的区域裸露(不涂覆绝缘层)。正极极片未被辊压。
对比例2
正极集流体末端的未被钴酸锂覆盖的区域涂覆有绝缘层。绝缘层包含勃母石、聚偏氟乙烯和NMP。勃母石与聚偏氟乙烯的重量比为80％:20％。正极极片未被辊压。
对比例3
正极集流体末端的未被钴酸锂覆盖的区域涂覆有绝缘层。绝缘层包含勃母石、聚偏氟乙烯和NMP。勃母石与聚偏氟乙烯的重量比为95％:5％。在15T的压力下辊压经涂覆的正极极片。
对比例4
正极集流体末端的未被钴酸锂覆盖的区域涂覆有绝缘层。绝缘层包含勃母石、聚偏氟乙烯和NMP。勃母石与聚偏氟乙烯的重量比为98％:2％。在25T的压力下辊压经涂覆的正极极片。
对比例5
正极集流体末端的未被钴酸锂覆盖的区域涂覆有绝缘层。绝缘层包含BaSO4、丁苯橡胶和水。BaSO4与丁苯橡胶的重量比为55％:45％。在25T的压力下辊压经涂覆的正极极片。
对比例6
正极集流体末端的未被钴酸锂覆盖的区域涂覆有绝缘层。绝缘层为绿胶。正极极片未被辊压。
实施例1
正极集流体末端的未被钴酸锂覆盖的区域涂覆有绝缘层。绝缘层包含勃母石、聚偏氟乙烯和NMP。勃母石与聚偏氟乙烯的重量比为90％:10％。在25T的压力下辊压经涂覆的正极极片。
实施例2
正极集流体末端的未被钴酸锂覆盖的区域涂覆有绝缘层。绝缘层包含勃母石、聚偏氟乙烯和NMP。勃母石与聚偏氟乙烯的重量比为80％:20％。在10T的压力下辊压经涂覆的正极极片。
实施例3
正极集流体末端的未被钴酸锂覆盖的区域涂覆有绝缘层。绝缘层包含勃母石、聚偏氟乙烯和NMP。勃母石与聚偏氟乙烯的重量比为80％:20％。在25T的压力下辊压经涂覆的正极极片。
实施例4
正极集流体末端的未被钴酸锂覆盖的区域涂覆有绝缘层。绝缘层包含勃母石、聚偏氟乙烯和NMP。勃母石与聚偏氟乙烯的重量比为60％:40％。在15T的压力下辊压经涂覆的正极极片。
实施例5
正极集流体末端的未被钴酸锂覆盖的区域涂覆有绝缘层。绝缘层包含勃母石、聚偏氟乙烯和水。勃母石与聚偏氟乙烯的重量比为50％:50％。在10T的压力下辊压经涂覆的正极极片。
实施例6
正极集流体末端的未被钴酸锂覆盖的区域涂覆有绝缘层。绝缘层包含勃母石、丁苯橡胶和水。勃母石与丁苯橡胶的重量比为50％:50％。在15T的压力下辊压经涂覆的正极极片。
实施例7
正极集流体末端的未被钴酸锂覆盖的区域涂覆有绝缘层。绝缘层包含三氧化二铝、聚偏氟乙烯和NMP。三氧化二铝与聚偏氟乙烯的重量比为75％:25％。在15T的压力下辊压经涂覆的正极极片。
实施例8
正极集流体末端的未被钴酸锂覆盖的区域涂覆有绝缘层。绝缘层包含氧化钙、丁苯橡胶和水。氧化钙与丁苯橡胶的重量比为80％:20％。在15T的压力下辊压经涂覆的正极极片。
实施例9
正极集流体末端的未被钴酸锂覆盖的区域涂覆有绝缘层。绝缘层为热熔胶。
实施例10
正极集流体末端的未被钴酸锂覆盖的区域涂覆有绝缘层。绝缘层包含硅、聚偏氟乙烯和NMP。硅与聚偏氟乙烯的重量比为80％:20％。在15T的压力下辊压经涂覆的正极极片。
表1各对比例和实施例的变量设置和测试结果
由上述结果可以看出，使用绝缘层保护正极集流体的未被活性物质覆盖的区域可以提高锂离子电池的安全性能。
如对比例1-6所示，传统的锂离子电池中的正极极片未被绝缘层保护，或者绝缘层与正极集流体的粘结力较低，在电解液浸泡后容易发生剥离，导致锂离子电池的穿钉测试通过率较低，安全性较差。如实施例1-10所示，当绝缘层与正极集流体之间的粘结力不小于0.5N/m时，穿钉测试通过率显著提高，锂离子电池具有优异的安全性能。
对比例2以及实施例2和3的锂离子电池中使用了相同绝缘层，但在不同辊压条件下，绝缘层的孔隙率和绝缘层与正极集流体之间的粘结力发生变化。结果表明，绝缘层与正极集流体之间的粘结力越大、绝缘层的孔隙率越低，绝缘层对集流体的保护越好，穿钉测试通过率越高。
根据对比例3和实施例4，在绝缘层的孔隙率相同的情况下，绝缘层与正极集流体之间的粘结力越大，穿钉测试通过率越高，锂离子电池的安全性能越好。
根据实施例5与实施例7，在绝缘层与正极集流体之间的粘结力相同的情况下，较小的绝缘层的孔隙率越小可在一定程度上改善穿钉测试通过率，从而改善锂离子电池的安全性能。
整个说明书中对“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 (11)

1.一种电芯，其特征在于，所述电芯通过间隔设置的第一极片和第二极片卷绕或堆叠形成，所述第一极片和所述第二极片之间设置有隔离膜；其中，
所述第一极片包括第一集流体，所述第一集流体包括设置有第一活性物质的涂覆区和未设置所述第一活性物质的未涂覆区；
所述未涂覆区至少部分设置有绝缘层；并且，
所述绝缘层与所述第一集流体的粘结力不小于0.5N/m。
2.根据权利要求1所述的电芯，其中，所述绝缘层包含绝缘物质。
3.根据权利要求2所述的电芯，其中所述绝缘层进一步包含粘结剂。
4.根据权利要求3所述的电芯，其中所述绝缘层具有3％-60％的孔隙率。
5.根据权利要求3所述的电芯，其中，所述绝缘物质与所述粘结剂的重量百分比为50％:50％-90％:10％。
6.根据权利要求2所述的电芯，其中，所述绝缘层为热熔胶。
7.根据权利要求2所述的电芯，其中，所述绝缘物质包括无机氧化物、高分子材料和非金属单质中的至少一种；
所述无机氧化物包括三氧化二铝、氧化硅、氧化钙、勃母石和碳酸钙中的至少一种；
所述高分子材料包括聚四氟乙烯、橡胶和树脂中的至少一种；并且
所述非金属单质为硅。
8.根据权利要求1所述的电芯，其中，所述绝缘层与所述第一集流体的粘结力大于等于0.8N/m，且小于等于15N/m。
9.一种制备根据权利要求1所述的电芯的方法，包括以下步骤：
将所述绝缘层涂覆于所述第一集流体上；
烘干涂覆有所述绝缘层的所述第一集流体；和
在10-25T的压力下辊压涂覆有所述绝缘层的所述第一集流体。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，将所述绝缘层涂覆于所述第一集流体上的步骤包括以下子步骤：
辊压所述第一集流体；和
将所述绝缘层涂覆于所述第一集流体上。
11.一种电池，包括：根据权利要求1-8中任一项所述的电芯、电解液和壳体，其中，所述壳体收容所述电芯。
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