单体电池、电池组及用电设备

摘要

本发明公开一种单体电池、电池组及用电设备。单体电池包括：壳体，具有收容腔；至少1个卷芯，收容于收容腔，卷芯包括正极片、负极片以及隔离膜，卷芯压合后形成有相对设置的平坦表面，以及连接相对设置的平坦表面两侧的拐角区域，相对设置的平坦表面之间的距离为h，相对设置的平坦表面和拐角区域连接的四个端点与相对设置的平坦表面合围形成中间区域，中间区域成矩形结构，中间区域沿卷绕方向的长度为d，拐角区域沿卷绕方向的最大厚度为a，0.015≤2a²/dh≤0.1。本发明中的单体电池，由于两个拐角区域的面积和中间区域的面积在合适的范围内，Li离子在拐角区域具有较大的传输速率，保证了单体电池的功率密度和能量密度。

权利要求

1.单体电池，其特征在于，所述单体电池为棱柱型电池，所述单体电池包括：壳体，所述壳体具有收容腔；

至少1个卷芯，收容于所述收容腔，所述卷芯包括正极片、负极片以及隔离膜，所述正极片和所述负极片之间设有所述隔离膜，所述卷芯压合后形成有相对设置的平坦表面，以及连接于所述相对设置的平坦表面两侧的拐角区域，所述相对设置的平坦表面之间的距离为h，所述相对设置的平坦表面和所述拐角区域连接的四个端点与所述相对设置的平坦表面合围形成中间区域，所述中间区域呈矩形结构，所述中间区域沿卷绕方向的长度为d，所述拐角区域沿卷绕方向的最大厚度为a，其中，0.015≤2a²/dh≤0.1。

2.根据权利要求1所述的单体电池，其特征在于，0.02≤2a²/dh≤0.08。

3.根据权利要求2所述的单体电池，其特征在于，100mm≤d≤300mm。

4.根据权利要求1所述的单体电池，其特征在于，所述卷芯的膨胀率为x，所述单体电池的最大膨胀厚度为h1，其中，0.01＜2a²（1+x）n/dh1＜0.05，10%≤x≤40%，n为所述单体电池中的所述卷芯的个数。

5.根据权利要求1所述的单体电池，其特征在于，所述拐角区域的弧边为椭圆弧或圆弧。

6.根据权利要求5所述的单体电池，其特征在于，所述卷芯为中空结构，所述中空结构呈跑道型。

7.根据权利要求6所述的单体电池，其特征在于，所述中空结构的高度介于0.001‑

1.0mm之间。

8.根据权利要求1所述的单体电池，其特征在于，所述单体电池为四棱柱电池。

9.电池组，其特征在于，包括如权利要求1至8任一项所述的单体电池。

10.用电设备，其特征在于，包括如权利要求9所述的电池组。

说明书

单体电池、电池组及用电设备

技术领域

[0001] 本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种单体电池、电池组及用电设备。

背景技术

[0002] 随着各种电子产品的发展，对锂离子电池的需求量呈现迅速增长的态势。锂离子电池是一种二次电池，能够进行循环充电和放电。通常一个锂离子单体电池包括包装壳、卷芯以及电解液，卷芯包括正极片、负极片以及隔离膜，依靠电解液中的锂离子在正极片和负极片之间来回移动以实现充放电的过程。

[0003] 在卷芯的制备过程中，通过隔离膜分别把正极片和负极片分隔后，通过卷针卷绕形成卷芯，后进行热压成型。但是现有的卷芯中，由于卷芯成型结构和Li离子在不同区域的传输速率不匹配，导致锂离子电池在使用的过程中，Li离子传输速率较慢，影响电池整体的倍率性能和能量密度。

发明内容

[0004] 为解决上述现有技术中所存在的至少一个问题，根据本发明的一个方面，提供了一种单体电池，单体电池为棱柱型电池，包括：壳体，所述壳体具有收容腔；至少1个卷芯，收容于所述收容腔，所述卷芯包括正极片、负极片以及隔离膜，所述正极片和所述负极片之间设有所述隔离膜，所述卷芯压合后形成有相对设置的平坦表面，以及连接于所述相对设置的平坦表面两侧的拐角区域，所述相对设置的平坦表面之间的距离为h，所述相对设置的平坦表面和所述拐角区域连接的四个端点与所述相对设置的平坦表面合围形成中间区域，所述中间区域呈矩形结构，所述中间区域沿卷绕方向的长度为d，所述拐角区域沿卷绕方向的最大厚度为a，其中，0.015≤2a²/dh≤0.1。

[0005] 这样，单个卷芯中的两个拐角区域的面积的和近似为2a2，中间区域的面积为dh,2
通过控制2a/dh的比值介于0.015‑0.1之间，从而控制拐角区域的面积不过大也不过于小，在合适的范围内，以避免当拐角区域的面积与中间区域的面积的比值过小时，卷芯整体的压缩不够，导致中间区域的Li离子传输速率较慢，从而影响单体电池整体的能量密度，也影
2
响单体电池整体的倍率性能的问题；同时控制2a/dh的比值介于0.015‑0.1之间，拐角区域
2
不至于接近直角，从而避免了卷芯难以安装于壳体内部的情况；同时，控制2a/dh的比值介于0.015‑0.1之间，拐角区域面积与中间区域面积的比值也不过大，从而避免了当拐角区域占比较大时，由于拐角区域的Li离子传输速率较慢，拐角处的电量不能很好的进行释放而导致单体电池整体的能量密度和倍率性能较差的问题，同时当拐角区域面积与中间区域面积的比值不过大时，避免了由于卷芯的压缩量过大，卷芯被过度压缩而导致电芯充放电过程中难以膨胀，内部产气严重而影响电芯内部的安全的问题，且避免了过度压缩而导致拐角处的极片容易掉粉以及析锂的现象。

[0006] 本发明的另一个方面，提供了一种电池组，包括上述的单体电池。

[0007] 这样，由于电池组中的单个单体电池，具有较大的功率密度和能量密度，能够保证电池组具有足够的功率密度和能量密度。

[0008] 本发明的再一个方面，提供了用电设备，包括上述的电池组。

[0009] 这样，由于采用的电池组具有较大的功率密度和能量密度，因此能够提升用电设备的使用便利性，从而提升用户的使用体验感。

附图说明

[0010] 图1为本发明实施例的单体电池的结构示意图；

[0011] 图2为图1中的卷芯的立体示意图；

[0012] 图3为图2中的卷芯的结构示意图。

[0013] 其中，附图标记含义如下：

[0014] 100‑单体电池，10‑壳体，11‑收容腔，20‑卷芯，21‑中间区域，22‑拐角区域，23‑隔离膜，24‑平坦表面。

具体实施方式

[0015] 为了更好地理解和实施，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。

[0016] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0017] 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的实施例的目的，不是旨在限制本发明。

[0018] 下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

[0019] 请参阅图1至图3，为本发明第一实施例提供的单体电池100，包括壳体10和收容于壳体10中的至少1个卷芯20。

[0020] 其中，本实施例中的单体电池100为棱柱型电池，壳体10具有收容腔11，至少1个卷芯20收容于收容腔11，卷芯20包括正极片、负极片以及隔离膜23，正极片和负极片之间设有隔离膜23，卷芯20压合后形成有相对设置的平坦表面24，以及连接于相对设置的平坦表面24两侧的拐角区域22，相对设置的平坦表面24之间的距离为h，相对设置的平坦表面24和拐角区域22连接的四个端点与相对设置的平坦表面24合围形成中间区域21，中间区域21呈矩形结构，中间区域21沿卷绕方向的长度为d，拐角区域22沿卷绕方向的最大厚度为a，其中，
0.015≤2a²/dh≤0.1。

[0021] 上述单体电池100中，单个卷芯20中的两个拐角区域22的面积的和近似为2a2，中2
间区域21的面积为dh,通过控制2a /dh的比值介于0.015‑0.1之间，从而控制拐角区域22的面积不过大也不过于小，在合适的范围内，以避免当拐角区域22的面积与中间区域21的面积的比值过小时，卷芯20整体的压缩不够，导致中间区域21的Li离子传输速率较慢，从而影响单体电池100整体的能量密度，也影响单体电池100整体的倍率性能的问题；同时控制
2
2a/dh的比值介于0.015‑0.1之间，拐角区域22不至于接近直角，从而避免了卷芯20难以安
2
装于壳体10内部的情况；同时，控制2a/dh的比值介于0.015‑0.1之间，拐角区域22面积与中间区域21面积的比值也不过大，从而避免了当拐角区域22占比较大时，由于拐角区域22的Li离子传输速率较慢，拐角处的电量不能很好的进行释放而导致单体电池100整体的能量密度和倍率性能较差的问题，同时当拐角区域22面积与中间区域21面积的比值不过大时，避免了由于卷芯20的压缩量过大，卷芯20被过度压缩而导致电芯充放电过程中难以膨胀，内部产气严重而影响电芯内部的安全的问题，且避免了过度压缩而导致拐角处的极片容易掉粉以及析锂的现象。

[0022] 在本发明的一个优选的实施例中，0.02≤2a²/dh≤0.08，从而此时拐角区域22的面积保持在适当的范围内，a、h以及d值保持在适当的范围内，卷芯20具有足够的压缩量，保证了拐角区域22的Li离子传输速率，从而保证了整个单体电池100整体的能量密度和倍率性能，同时也保证了整个电池在使用时的安全性，在电芯充放电的过程中能够进行膨胀而避免内部充气的问题。

[0023] 其中，本实施例中控制100mm≤d≤300mm，从而保证电芯具有一定厚度，保证中间区域21的Li离子的传输速率，以保证单体电池100整体的能量密度和倍率性能。

[0024] 在本发明的一个实施例中，卷芯20的膨胀率为x，单体电池100的最大膨胀厚度为h1，其中，0.01＜2a²（1+x）n/dh1＜0.05，10%≤x≤40%,其中，单体电池100的最大膨胀厚度h1是指当单体电池100在受热时，沿单体电池100的厚度方向能够发生膨胀的最大厚度，n为单体电池100中的卷芯20的个数，从而将卷芯20的a值、h值以及膨胀率x的关系保持在上述的关系式的范围内，使得电芯的膨胀在适当范围内，避免了当电芯膨胀过大时，拐角处的电芯受到较大的应力，在拐角处的隔膜因应力集中而发生断裂，电芯内部导致短路的问题；同时也避免了当电芯膨胀过小时，由于单个电芯体积过小而占据电池内部较小空间，影响电池内部空间利用率的问题。

[0025] 请参阅图2和图3，在本发明的一个实施例中，卷芯20为中空结构，中空结构为跑道型，其中，中空结构具有高度H，从而便于在正极片、负极片以及隔离膜的卷绕成型后的热压成型，以及跑道型的中空结构能够和拐角区域22、中间区域21的形状相适配。即，跑道型的中空结构的两侧的圆弧端部对应位于拐角区域22，中空结构的呈方形的中部部分对应位于中间区域21，从而使得跑道型的中空结构和卷芯20的结构相适配，即使得拐角区域22为弧形结构，弧形的拐角区域22便于卷芯20安装入壳，避免卷芯20在装配入壳时出现拐角区域被压扁的情况，从而避免了拐角处因挤压而造成的极片掉料以及析锂的情况，从而延长了电池的使用寿命。

[0026] 具体地，本实施例中的中空结构的高度H介于0.001‑1.0mm之间，从而将中空结构的高度H设置在该范围内，避免了当中空结构的高度H设置过小时，导致卷芯20压缩严重而导致卷芯20拐角处发生析锂的问题，从而引发电池内部发生短路的风险；避免了当中空结构的高度H设置过大时，导致卷芯20压缩不够而导致卷芯20内部之间的空间利用率较低的问题，同时当中空结构的高度H设置高度过大时，正极片和负极片之间的距离较大，易导致离子迁移速率较慢而影响电池的充放电速率和电池整体的能量密度的问题。

[0027] 具体地，由于卷芯20在成型时最内层和最外层均为隔离膜23，因此本实施例中的数值a的大小指的最内层的隔离膜23和最外层的隔离膜23之间的距离大小；中空结构的高度H指的是最内层的隔离膜23之间的间距大小。

[0028] 其中，本实施例中的拐角区域22和中间区域21为平滑过渡，并且拐角区域22可为椭圆弧或者圆弧，从而通过设置拐角区域22相对中间区域21平滑过渡，使得拐角区域22具有一定的曲率半径，改善了其拐角处因过分弯曲和挤压导致的极片掉料的现象，能有效防止循环过程中的拐角处析锂现象，因此提高了电芯的循环性能。

[0029] 具体地，当拐角区域22的弧边为圆弧时，圆弧的圆心角的范围为30°‑150°，即当圆弧的圆心角为30°时，此时卷芯20被热压的压力较大，此时中间区域21的高度较小；当圆弧的圆心角为150°时，对卷芯20热压成型时施加的压力较小，从而此时中间区域21的高度较大；同时通过将拐角区域22的圆心角设置在30°‑150°的范围内，同时保证0.015≤2a²/dh≤0.1，从而使得拐角区域22的Li离子能够具有合适的传输速率，以对拐角处的电量进行很好的释放。

[0030] 此外，本实施例中的卷芯20的内侧和外侧均为隔离膜23，即通过最外层也设置为隔离膜23的方式，以将正极片和负极片包裹在卷芯20的内部，有助于Li离子的传输，并对正极片和负极片进行保护。

[0031] 在本发明的一个实施例中，单体电池100为四棱柱电池，从而便于安装形成电池模组，相互之间能够紧贴以充分利用电池模组中的箱体内的空间，从而电池模组中能够具有足够数量的单体电池100的数量，以保证电池模组的能量密度。

[0032] 其中，本实施例中的正极片和负极片的制备过程分别如下：

[0033] （1）正极片的制备：将正极活性物质钴酸锂、导电剂乙炔黑、粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)按一定质量比混合均匀，并加入到溶剂N‑甲基‑2‑吡咯烷酮(NMP)中，制成具有一定粘度的正极浆料；将正极浆料均匀涂布在正极集流体铝箔上，在高温下烘干后冷压、分条，做成电池正极片，在正极集流体的头部位置可以焊接铝极耳；

[0034] （2）负极片的制备：将负极活性物质石墨、导电剂乙炔黑、增稠剂羟甲基纤维素钠(NaCMC)、粘结剂丁苯橡胶(SBR)按一定质量比混合均匀，制成电池负极浆料；将负极浆料均匀涂布在负极集流体铜箔上，在高温下烘干后进行冷压、分条，做成电池负极片，在负极集流体的头部位置焊接镍极；

[0035] 具体地，本实施例中的电芯的制备过程如下：

[0036] （1）将正极片、隔膜和负极片通过卷针卷绕初步形成卷芯，并且卷芯的最内层和最外层均为隔离膜；

[0037] （2）在隔膜的收尾处贴上收尾胶带，以保证初成型的卷芯形状不会散开；

[0038] （3）将卷芯放到热压平台上，调节热压平台的温度和热压板的温度在70‑120℃范围内，并同时调节热压机的压力，从而通过提高热压机的压力和提升热压板的温度实现对卷芯内的正极片、负极片和隔膜的整体压实。

[0039] 从而，通过对初步成型的卷芯20进行压实，以使卷芯20的厚度降低，以达到在注液后提升正极片和负极片之间的离子的传输速率，同时在进行单体电池100的组装后，能够保证单体电池100整体的能量密度和倍率性能。

[0040] 此外，在其他实施例中，也可通过调整隔离膜上的涂层材料的颗粒粒径、隔离膜的弹性模量等参数实现对卷芯20的压实。

[0041] 完成上述卷芯20的热压之后，接下来将制备好的卷芯20依次进行铝塑膜包装、注液、封口，将制得电芯。后对制得的电芯进行测试。

[0042] 具体地，将电芯的功率密度和能量密度进行测试：

[0043] 1、将电芯置于25℃恒温箱中，使用arbin电池测试柜将电芯以1C恒流电流充电至4.2V后，恒压充电至截止电流为0.05C；后用1C恒流放电至3.0V，并从测试电脑中得到电芯的放电能量以及放电时间。

[0044] 2、使用精度为0.01g的电子天平对电芯进行称量，获取电芯的重量，并记录电芯重量。

[0045] 3、将电芯的放电能量除以电池重量，得到电池的能量密度。将电芯的放电能量/（放电时间·重量）得到电池的功率密度。

[0046] 具体地，请参阅下方表格，为电芯的不同的a值、h值和d值对应不同的功率密度和能量密度的计算数据。

[0047] 本技术方案实施例 a h d 2a²/dh 功率密度 能量密度1 6 11 433 0.0151 1109 136
2 6 11 400 0.0164 1312 167
3 6 11 380 0.0172 1200 145
4 6 11 300 0.0218 1100 135
5 6 11 280 0.0234 910 127
6 6 11 170 0.0385 820 123
7 6 11 140 0.0468 760 117
8 6 11 132 0.0496 720 113
9 6 11 100 0.0655 670 112
10 6 11 70 0.0935 660 108
11 6 11 66 0.0992 650 105
12 24.2 48 280 0.0871 2300 287
13 24.6 48 280 0.0900 2208 276
14 25 48 280 0.0930 2167 265
15 25.2 48 280 0.0945 2012 261
16 25.8 48 280 0.0991 1078 176
17 25 47 280 0.0950 1987 231
18 25 47.4 280 0.0941 1996 243
19 25 47.8 280 0.0934 1978 221
20 25 47.9 280 0.0932 1876 209
21 25 48 280 0.0930 1930 236
22 25 49 280 0.0911 2109 263
对比实施例 　 　 　 　 　 　
1 6 11 440 0.0149 400 80
2 6 11 60 0.1091 240 54
3 30 48 280 0.1339 330 76
4 10 48 280 0.0149 310 72

[0048] 由表格中可以看出：

[0049] （1）从实施例1至实施例11中看出，当a和h的值不变时，随着d值的减小，即随着卷芯20的厚度的不断减小，2a²/dh的值在不断增加，且2a²/dh的值的范围介于0.015‑0.1之间，功率密度和能量密度都在不断减小；

[0050] （2）从实施例12至实施例16中看出，当h和d值不变，随着a值的不断增加，即拐角区域22的宽度在不断增加时，2a²/dh的值在不断增加，且2a²/dh的值的范围介于0.015‑0.1之间，功率密度和能量密度都在不断减小；

[0051] （3）从实施例17至实施例22中看出，当a和d的值不变时，随着h值的不断增加，即随着卷芯20的厚度的不断增加时，2a²/dh的值在不断减小，且2a²/dh的值的范围介于0.015‑0.1之间，功率密度和能量密度都在不断减小。

[0052] （4）从实施例1至实施例22中看出，当24＜a＜26，48＜h＜50，280＜d＜300时，电芯的功率密度和能量密度在最大的范围内。

[0053] 和对比实施例的比较：

[0054] （1）从对比实施例中1和实施例1中看出，当a和h的值相同，d的值大于435mm时，即中间区域21的宽度较大时，电芯的功率密度和能量密度均比实施例1至22中的数据小，因此，在对卷芯20进行热压时，应当控制中间区域21的宽度d值的范围处于435mm以内，即保证电芯的厚度较小，以保证电芯的功率密度和能量密度。

[0055] （2）从对比实施例2和对比实施例1中可以看出，虽然控制了d值的范围处于435mm以内，但是当d减至较小时，即中间区域21的宽度较小时，此时2a²/dh的值>0.1, 此时电芯的功率密度和能量密度的值均比实施例1至22中的数据小，因此，在对卷芯20进行热压时，应当控制中间区域21的宽度d值的范围处于大于60mm的范围内，即60

[0056] （3）从对比实施例1至4和实施例1至22的数据看出，当2a²/dh的值>0.1时，得到的功率密度和能量密度能较小，因此，为了保证电芯的功率密度和能量密度，应该保证2a²/dh的比值小于0.1的范围内，并保证在大于0.015的范围内，以保证电芯具有足够的功率密度和能量密度。

[0057] （4）为了保证电芯具有足够的功率密度和能量密度，保证0.02≤2a²/dh≤0.08，对应中间区域21的宽度d值的范围介于100‑300mm之间，从而通过对中间区域21的宽度的限制，以保证a值和h值的比值，以保证拐角区域22的锂离子具有较大的传输速率。

[0058] 此外，本发明在第二实施例中还提供一种电池组，包括上述的单体电池100。

[0059] 上述电池组，由于电池组中的单个单体电池，具有较大的功率密度和能量密度，能够保证电池组具有足够的功率密度和能量密度。

[0060] 此外，本发明在第三实施例中还提供一种用电设备，包括上述的电池组。

[0061] 上述用电设备，由于采用的电池组具有较大的功率密度和能量密度，因此能够提升用电设备的使用便利性，提升用户的使用体验感。

[0062] 本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。