CN113922000A - 卷绕式电芯及电化学装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种卷绕式电芯及电化学装置，电化学装置包括正极片和负极片，所述正极片和负极片中的至少一者为如下电极结构：所述电极结构包括集流体和位于集流体至少一个表面的活性物质层，所述集流体包括两层金属层和位于所述两层金属层之间的聚合物层；所述电极结构具有至少三个直部、以及连接在每两个直部之间的弯折部，所述电极结构通过所述弯折部弯折形成卷绕式结构；所述电极结构设有至少两个第一极耳，所述第一极耳设置在所述集流体设有活性物质层的表面且分布在所述直部上。本发明能够兼顾提高电化学装置的能量密度和倍率性等性能。

Description

卷绕式电芯及电化学装置

技术领域

本发明属于电池领域，具体涉及一种卷绕式电芯及电化学装置。

背景技术

目前，以锂离子电池为代表的电化学装置已广泛应用于消费电子、电动汽车以及储能等方面，其中，锂离子电池逐渐成为现阶段的研究热点。常规锂离子电池采用金属箔作为电极集流体，例如采用铝箔作为正极集流体、铜箔作为负极集流体等，为优化电池的能量密度和安全性等性能，逐渐发展出由金属箔与聚合物膜(或称聚合物层)复合而成的镀膜集流体，镀膜集流体中，采用更轻质的聚合物材料形成的聚合物层替代部分金属箔，可以提高电池的能量密度，同时，当电池升温至一定温度后，聚合物层容易被破坏，从而导致集流体结构被破坏，进而中断短路风险，提升电池的安全性，然而，镀膜集流体方阻大，导致电池内阻大，影响电池的倍率性等性能。因此，优化电极结构，提高电化学装置的安全性，同时降低方阻，提高电化学装置的倍率性等性能，仍然是本领域技术人员面临的重要课题。

发明内容

本发明提供一种卷绕式电芯及电化学装置，能够提高电池的安全性，同时降低方阻，提高电池的倍率性等性能，有效克服现有技术存在的缺陷，

本发明的一方面，提供一种卷绕式电芯，包括正极片和负极片，所述正极片和负极片中的至少一者为如下电极结构：所述电极结构包括集流体和位于集流体至少一个表面的活性物质层，所述集流体包括两层金属层和位于所述两层金属层之间的聚合物层；所述电极结构具有至少三个直部、以及连接在每两个直部之间的弯折部，所述电极结构通过所述弯折部弯折形成卷绕式结构；所述电极结构设有至少两个第一极耳，所述第一极耳设置在所述集流体设有活性物质层的表面且分布在所述直部上。

根据本发明的一实施方式，还包括外接极耳，所述第一极耳的一侧伸出所述集流体外缘并与所述外接极耳焊接，其余侧被所述活性物质层包围。

根据本发明的一实施方式，在垂直于所述直部的集流体表面的方向上，所述外接极耳的第一侧和第二侧均存在设有第一极耳的直部，所述第一侧与所述第二侧相对。

根据本发明的一实施方式，至少两个直部上分布有所述第一极耳，在所述电极结构的卷绕方向上，每两个设有所述第一极耳的直部之间具有n个未设有所述第一极耳的直部，所述n为奇数。

根据本发明的一实施方式，所述至少两个第一极耳中的每两个第一极耳在第一平面上的投影均至少部分重叠，所述第一平面为平行于所述卷绕式结构中所述直部的集流体表面的平面。

根据本发明的一实施方式，所述n包括1、3、5中的至少一者。

根据本发明的一实施方式，所述至少部分重叠满足：k＝w1/w2，k≥80％，k表示重叠度，w1是所述两个第一极耳在第一平面上的投影的重叠部分在第一方向上的宽度，w2是第一极耳在所述第一方向上的宽度，所述第一方向为从所述直部一端的弯折部至该直部另一端的弯折部的方向。

根据本发明的一实施方式，所述集流体的两个表面均设有所述活性物质层；所述电极结构的集流体的两个表面均分布有所述第一极耳。

根据本发明的一实施方式，所述电极结构的直部数量与第一极耳的数量比为3～10：1。

根据本发明的一实施方式，所述电极结构的直部数量为8～30。

根据本发明的一实施方式，所述金属层包含铝、铜、镍、银、金、铁中的至少一种。

根据本发明的一实施方式，所述聚合物层包含聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚乙烯、聚酰亚胺、聚醚酮、聚苯硫醚中的至少一种。

根据本发明的一实施方式，所述金属层与所述聚合物层之间存在或不存在过渡层，所述过渡层包含氧化铝、氧化镁、氧化钛中的至少一种。

本发明的另一方面，提供一种电化学装置，包括上述卷绕式电芯。

本发明中，采用由金属层和聚合物层复合而成的集流体，聚合物层为基体层，其正反两个表面的金属层为导电层，通过该导电层-基体层-导电层三明治结构，能够提高电极结构的安全性及质量能量密度，同时在电极结构的直部上分布至少两个第一极耳，能够降低方阻，进而降低电化学装置的内阻，提高电化学装置的倍率性等性能。由此，本发明能够兼顾提高电池的安全性及倍率性等性能，对于实际产业化应用具有重要意义。

附图说明

图1为本发明一实施例中示出空箔区的电极结构在形成卷绕式结构之前的第一表面的示意图；

图2为本发明一实施例中示出空箔区的电极结构在形成卷绕式结构之前的第二表面的示意图；

图3为本发明一实施例中示出第一极耳的电极结构第一表面的示意图；

图4为本发明一实施例中卷绕式电芯的结构示意图；

图5为图4中虚线x围设成的区域的结构示意图；

图6为本发明一实施例中示出电极结构上第一极耳重叠部分的电芯结构示意图；

图7为对比例2的第一电极极片的结构示意图；

图8为对比例3的电芯结构示意图。

附图标记说明：1、第一集流体；1’、第二集流体；2、第一活性物质层；2’、第二活性物质层；3、直部；4、弯折部；5、第一极耳；5’、第二极耳；6、空箔区；7、重叠部分；8、外接极耳；9、焊接部；10、极耳胶；11、第一电极极片；12、第二电极极片；13、隔膜；31、31’：第一个直部；33：第三个直部；34’：第四个直部。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的方案，下面对本发明作进一步地详细说明。以下所列举具体实施方式只是对本发明的原理和特征进行描述，所举实例仅用于解释本发明，并非限定本发明的范围。基于本发明实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，例如区分各部件，以更清楚说明/解释技术方案，而不能理解为指示或暗示所指示的技术特征的数量或具有实质性意义的顺序等含义。

本发明的卷绕式电芯包括正极片和负极片，正极片和负极片中的至少一者为如下电极结构：该电极结构包括集流体(如图4中的第一集流体1)和位于集流体表至少一个表面的活性物质层(如图4中的第一活性物质层2)，集流体包括两层金属层和位于该两层金属层之间的聚合物层；电极结构具有至少三个直部(如图1至图4中的直部3)、以及连接在每两个直部之间的弯折部(如1至图4中的弯折部4)，电极结构通过弯折部弯折形成卷绕式结构；电极结构具有至少两个第一极耳(如图3和图4中的第一第一极耳5)，第一极耳设置在集流体设有活性物质层的表面，且分布在直部上。

一般情况下，在上述卷绕式结构中，直部层叠设置，即各个直部的集流体表面所在的平面基本相互平行(该集流体表面是指集流体设有活性物质层的功能表面)，弯折部发生弯折，其一端和一个直部连接，另一端与另一个直部连接，一般从卷绕式结构一端的弯折部至其另一端的弯折部的方向(亦为连接在某个直部一端的弯折部至连接在该直部另一端的弯折部的方向)是卷绕式结构的长度方向，从卷绕式结构的一个直部至其另一个直部的方向是卷绕式结构的宽度方向(亦为直部的厚度方向，如图4所示)，卷绕式结构的长度方向通常也为卷绕式结构中每个直部的长度方向，卷绕式结构的长度方向也是卷绕式电芯的长度方向，卷绕式结构的宽度方向也是卷绕式电芯的宽度方向。

本发明中，第一极耳一般是设置在电极结构的中部(即非端部)，第一极耳的一侧伸出集流体的外缘，其余侧被活性物质层包围，举例来说，第一极耳垂直于其厚度方向的横截面为长方形或正方形，该长方形的一个边伸出集流体表面的外缘，其余三个边均与活性物质层相接。在一些实施例中，上述卷绕式电芯还包括外接极耳，第一极耳的一侧伸出集流体外缘并与外接极耳焊接，其余侧被活性物质层包围，通过设置外接极耳，可以将电芯内的电路导出，以实现与外围电路连通。

具体地，设有第一极耳的直部的集流体表面具有空箔区(如图1和图2中的空箔区6)，第一极耳设置在空箔区；在平行于集流体表面的投影中，空箔区的一个边(记为A边)与设有该空箔区的集流体表面的一个边(记为B边)在同一条直线上，空箔区的其余边与活性物质层相接，如图1和图2所示，空箔区的形状为长方形或正方形，其A边与集流体表面的B边在同一条直线上，其余三个边均与活性物质层相接。第一极耳焊接在空箔区，第一极耳的一侧从空箔区的A边伸出集流体外缘与外接极耳焊接在一起(如图4所示)。其中，B边一般是集流体的长边，集流体是由依次层叠设置的金属层、聚合物层、金属层复合而成的复合集流体，空箔区没有活性物质层，其表面是金属层，第一极耳焊接在空箔区的金属层上，电极结构中空箔区的数量与第一极耳的数量相同，即一个第一极耳设置在一个空箔区。此外，第一极耳的厚度可以与活性物质层的厚度基本相同，利于进一步提高电芯的体积能量密度。

在一些实施例中，第一极耳包括第一连接部和第二连接部，第一极耳通过第一连接部焊接在集流体表面(即焊接在上述空箔区的集流体表面)，且第一连接部的一侧伸出集流体外缘，其余侧被活性物质层包围，第二连接部的一端与第一连接部相连，第二连接部的另一端与外接极耳焊接，以实现第一极耳与外接极耳焊接，其中，第一连接部、第二连接部、外接极耳均为直型结构(即基本不弯折)。

一般情况下，电极结构的所有第一极耳均与同一个外接极耳焊接，该外接极耳的一端与第一极耳焊接，在外接极耳的一端与其另一端之间贴附有胶纸(或称极耳胶，如图5所示)，便于电芯的封装，组装成电池等电化学装置。在一些实施例中，在垂直于直部的集流体表面的方向上，外接极耳的第一侧和第二侧均存在设有第一极耳的直部，第一侧与所述第二侧相对，即设有第一极耳的直部分布在外接极耳的第一侧和第二侧，外接极耳位于至少两个设有第一极耳的直部之间，利于节约电芯空间，提高电芯的能量密度等性能。

可选地，在垂直于直部的集流体表面的方向上，分布在外接极耳第一侧的设有第一极耳的直部中离外接极耳最远的一者至外接极耳的距离基本等于分布在外接极耳第二侧的设有第一极耳的直部中离外接极耳最远的一者至外接极耳的距离，即外接极耳设置在所有设有第一极耳的直部中间。示例性地，所有设有第一极耳的直部中，每相邻两者之间的未设有极耳的直部的数量相同，则可以控制位于外接极耳第一侧的设有第一极耳的直部的数量与位于外接极耳第二侧的设有第一极耳的直部的数量的差值不大于1，优选为0，具体来说，当电极结构中设有第一极耳的直部为偶数个时，该偶数个设有第一极耳的直部在第二方向上平均分布在外接极耳的两侧(如图5所示)，当设有第一极耳的直部为奇数个时，该奇数个设有第一极耳的直部中的一者位于外接极耳的正下方，剩余者平均分布在外接极耳的两侧。

在一些实施例中，第一极耳的一侧伸出集流体外缘并与外接极耳焊接，由该焊接形成的焊接部在外接极耳长度方向上的长度为0.2～2mm，该外接极耳的长度方向基本平行于直部的集流体表面所在的平面。

在一些实施例中，至少两个直部上分布有第一极耳，在电极结构的卷绕方向上(即按该卷绕方向的直部顺序计算)，每两个设有第一极耳的直部之间具有n个未设有第一极耳的直部，n为奇数，不仅利于降低方阻、优化电芯性能，而且可以使电极结构上的所有第一极耳均位于卷绕式结构/卷绕式电芯的同一侧，利于将第一极耳与外接极耳焊接，节约电芯空间，提高电芯的能量密度。

具体地，至少两个直部上分布有第一极耳，即至少有两个极耳分别分布在不同的直部上，举例来说，当极耳的数量为两个时，该两个极耳分别分布在不同的直部上。按电极结构的卷绕方向的直部顺序计算，每两个相邻的设有第一极耳的直部(记为第一直部)之间具有n个未设有第一极耳的直部(记为第二直部)，相当于在电极结构卷绕之前，从电极结构的一端至其另一端的顺序计算，所有第一直部中的每两者之间均存在n个第二直部，优选地，n可以包括1、3、5中的至少一者，如图4所示，第一直部的数量为两个，该两个第一直部之间存在1个(即n＝1)第二直部，当第一直部的数量多于两个时，所有第一直部中的每两者之间存在的第二直部的数量可以相同或不同，举例来说，第一直部的数量为三个，按卷绕方向的直部顺序分别记为第一直部A、第一直部B、第一直部C，第一直部A和第一直部B之间的第二直部的数量为n1，第一直部B与第一直部C之间的第二直部的数量为n2，n1、n2均分别取自1、3、5中的一者，n1与n2可以相同或不同，例如n1、n2均为1，或者n1＝1、n2＝3等。

具体地，以电极结构卷绕起始端的直部为第一个直部(第一个直部位于卷绕式结构/电芯的最内圈)，沿卷绕式结构由内而外的卷绕方向计算直部的顺序，第一极耳可以分布在第奇数个直部上，例如分布在第一个直部、第三个直部、第五个直部、第七个直部中的至少两者上(如图1至图4所示，电极结构的两个第一极耳分布在第一个直部和第三个直部上)，第一极耳也可以分布在第偶数个直部上，例如分布在第二个直部、第四个直部、第六个直部、第八个直部中的至少两者上，在一些实施例中，以电极结构卷绕起始端的直部为第一个直部，沿卷绕式结构由内而外的卷绕方向计算直部的顺序，位于电芯最内侧的设有第一极耳的直部为第m个直部，m≥3。

在一些实施例中，电极结构的所有第一极耳中的每两个第一极耳在第一平面上的投影均至少部分重叠(如图6所示)，第一平面为平行于卷绕式结构中直部的集流体表面的平面，该第一平面与卷绕式结构的宽度方向垂直且与卷绕式结构的长度方向平行，利于进一步降低电芯方阻，同时利于第一极耳与外接极耳焊接，节约电芯空间，提高电芯的能量密度。

具体地，电极结构上第一极耳的分布满足：在卷绕式结构中，每两个第一极耳在第一平面上的投影均至少部分重叠，即每个第一极耳在第一平面上的投影与其余第一极耳中的每一者在第一平面上的投影均至少部分重叠，该至少部分重叠满足：k＝w1/w2，k≥80％，k表示重叠度，w1是两个第一极耳在第一平面上的投影的重叠部分在第一方向上的宽度，w2是第一极耳在第一方向上的宽度，第一方向为从直部一端的弯折部至该直部另一端的弯折部的方向(一般亦为直部/卷绕式结构/卷绕式电芯的长度方向)。举例来说，电极结构上共设有三个第一极耳，分别记为第一极耳A、第一极耳B、第一极耳C，第一极耳A与第一极耳B的重叠度、第一极耳A与第一极耳C的重叠度、第一极耳B与第一极耳C的重叠度均不低于80％。一般情况下，电极结构上所有第一极耳的宽度均基本相同，当第一极耳宽度不同时，则以k＝w1/w2计算第一极耳A相对于第一极耳B的重叠度(重叠度AB)时，w2具体可以是指第一极耳A在第一方向上的宽度，以k＝w1/w2计算第一极耳B相对于第一极耳A的重叠度(记为重叠度BA)时，w2是指第一极耳B在第一方向上的宽度，且重叠度AB、重叠度BA均不小于80％。

本发明中，可以在集流体的一个表面上设有活性物质层，也可以在集流体的正反两个表面上均设有活性物质层，相对而言，后者利于进一步提高电池的能量密度等性能。当集流体的正反两个表面均设有活性物质层时，电极结构的弯折部中的至少部分弯折部的集流体的正反两个表面均设有活性物质层，优选所有弯折部的集流体的正反两个表面均设有活性物质层；电极结构的所有直部中的至少部分直部的集流体的正反两个表面均设有活性物质层，优选设有第一极耳的直部的集流体的正反两个表面均设有活性物质层，更优选所有直部的集流体的正反两个两面设有活性物质层(如图4所示)。

当只有集流体的一个表面设有活性物质层时，第一极耳设置在直部的集流体具有活性物质层的表面，上述至少两个第一极耳分别位于不同的直部上；当集流体的两个表面均设有活性物质层时，可以在集流体的一个表面设有上述第一极耳(即电极结构中的第一极耳均位于集流体的同一个表面)，或者，也可以在集流体的两个表面均分布有第一极耳(即电极结构中的第一极耳分布在集流体的正反两个表面)，相对而言，后者使得电极结构的正反两个表面均直接与第一极耳连接，电流分布更加均匀，能够进一步减小电池的内阻。其中，设置在集流体一个表面的第一极耳与设置在集流体另一个表面的第一极耳可以位于同一个直部上，或者位于不同的直部上。本发明中，集流体正反两个表面(即上述一个表面和另一个表面)中的一者是指集流体面向卷绕式结构(电芯)内侧的表面，另一者是指集流体背离卷绕式结构内侧的表面(即面向卷绕式结构外侧的表面)。

举例来说，如图1至图3所示，电极结构上共设有两个第一极耳，该两个第一极耳分别位于集流体的正反两个表面，且位于不同的直部上，其中，图1为电极结构在卷绕之前的第一表面的结构示意图，图2为该电极结构在卷绕之前的第二表面的结构示意图，第一表面与第二表面相对(即分别是电极结构的正面和反面)，从图1和图2的左端(电极结构的卷绕起始端)算起，第一个直部的集流体的第一表面有一个空箔区，第三个直部的集流体的第二表面有一个空箔区，该两个第一极耳分别设置在第一个直部的第一表面的空箔区和第三个直部的第二表面的空箔区(图1和图2中未示出第一极耳，图3为电极结构第一表面的空箔区焊接第一极耳后的结构示意图)，即一个第一极耳位于第一个直部上，另一个第一极耳位于第三个直部上。

在一些优选实施例中，至少一个设有第一极耳的直部的集流体的两个表面均设有第一极耳，更优选每个设有第一极耳的直部的集流体的两个表面均设有第一极耳。具体来说，每个设有第一极耳的直部上可以有一个或两个极耳，当有两个极耳时，该两个极耳分别设置在该直部的集流体的正反两个表面。

在一些实施例中，上述电极结构中，直部的数量与第一极耳的数量之比可以为3～10：1，例如3:1、5:1、7:1、10:1或其中的任意两个比值组成的范围。一般情况下，电极结构中直部的数量为8～30个，弯折部的数量比直部的数量少一个。

本发明中，集流体由层叠设置的金属层、聚合物层、金属层复合而成，聚合物层作为基体层，间隔在作为导电层的两层金属层之间，在一些实施例中，集流体的金属层可以是由金属或合金形成的层(或称膜)，具体可以包含铝、铜、镍、银、金、铁中的至少一种，例如可以是常规的铝箔、铜箔等，集流体中的两层金属层可以相同或不同，优选相同。上述聚合物层由聚合物形成，一般可以包含聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、PP(聚丙烯)、PE(聚乙烯)、PI(聚酰亚胺)、PEK(聚醚酮)、PPS(聚苯硫醚)中的至少一种。金属层和聚合物层可以是连续的(即基本无孔隙)或者是有孔隙的，本发明对此不作特别限制。此外，金属层与聚合物层之间可以存在或不存在过渡层，过渡层包含氧化铝、氧化镁、氧化钛中的至少一种，可以是集流体的两层金属层中的一者与聚合物层之间存在过渡层(即集流体包括依次层叠设置的金属层、过渡层、聚合物层和金属层)，也可以是两层金属层与聚合物层之间均存在过渡层(即集流体包括依次层叠设置的金属层、过渡层、聚合物层、过渡层和金属层)。

本发明中，可以是正极片的结构为上述电极结构，或者负极片的结构为上述电极结构，或者正极片和负极片的结构均为上述电极结构；当正极片的结构是上述电极结构时，对应地，上述集流体为正极集流体(例如包括铝箔)，上述第一极耳为正极极耳，上述外接极耳为正极外接极耳，上述活性物质层为正极活性物质层，此时负极片可以是本领域常规负极片(例如是以铜箔为集流体、极耳数为1的负极片)；当负极片的结构是上述电极结构时，对应地，上述集流体为负极集流体(例如包括铜箔)，上述第一极耳为负极极耳，上述活性物质层为负极活性物质层，此时正极片可以是本领域常规正极片(例如以铝箔为集流体、极耳数为1的正极片)；当正极片和负极片的结构均是上述电极结构时，上述外接极耳包括正极外接极耳和负极外接极耳，正极片上的正极极耳和正极外接极耳焊接在一起，负极片上的负极极耳与负极外接极耳焊接在一起。

一般情况下，活性物质层包括活性物质、导电剂和粘结剂，可选地，导电剂可以包括导电炭黑、碳纳米管、导电石墨、石墨烯中的至少一种，粘结剂包括聚偏氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯的共聚物、聚酰胺、聚丙烯腈、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸、聚丙烯酸盐、聚乙烯呲咯烷酮、聚乙烯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚六氟丙烯和丁苯橡胶中的至少一种，当上述电极结构为正极片时，该活性物质为正极活性物质，正极活性物质可以包括钴酸锂(LCO)、镍钴锰三元材料(NCM)、镍钴铝三元材料(NCA)、镍钴锰铝四元材料(NCMA)、磷酸铁锂(LFP)、磷酸锰锂(LMP)、磷酸钒锂(LVP)、锰酸锂(LMO)、富锂锰基中的至少一种，当上述电极结构为负极片时，该活性物质为负极活性物质，负极活性物质包括石墨、中间相碳微球、软碳、硬碳、硅材料、硅氧材料、硅碳材料、钛酸锂中的至少一种，此外，上述活性物质层还可以包含分散剂，该分散剂例如包括羧甲基纤维素钠(CMC-Na)等。但本发明的活性物质层组成不局限于此。

本发明的电极结构可以按照本领域常规方法制得，例如将活性物质、导电剂和粘结剂置于溶剂中制成浆料，将浆料涂覆在集流体表面并经干燥、辊压后形成活性物质层，然后根据第一极耳分布要求在电极结构上选定空箔区，刮掉空箔区的活性物质层，在空箔区焊接第一极耳，即制得电极结构。

具体地，上述卷绕式电芯还包括位于正极片和负极片之间的隔膜，该隔膜用于间隔正极片和负极片，其可以是本领域常规隔膜，本发明对此不作特别限制。

本发明的电化学装置可以是电池，例如是锂离子电池等，其可以按照本领域常规方法制得，例如将正极片、隔膜、负极片依次叠放后，卷绕形成卷绕式电芯(其中的正极片和负极片均形成卷绕式结构)，然后经封装、注液、化成、二次封口、分容等工序后，制得电池，该些步骤/工序均为本领域常规操作，不再过多赘述。

在本发明的一具体实施例中，如图1至图6所示，电化学装置包括卷绕式电芯，卷绕式电芯包括第一电极片11、第二电极片12、以及位于第一电极片11和第二电极片12之间的隔膜13，第一电极片11和第二电极片12中的一者是正极片，另一者是负极片，第一电极片11的结构为上述电极结构，其中，图1为第一电极片的第一表面(正面)的结构示意图，图2为第一电极片的第二表面(反面)的结构示意图，图3为第一电极片正面焊接第一第一极耳后的结构示意图，图4为第一电极片与第二电极片经卷绕形成卷绕式电芯的结构示意图，图5为图4中虚线x围设成的区域的截面示意图，图6为示出第一电极片的第一极耳的重叠部分7的电芯结构示意图。第一电极片包括第一集流体1和位于第一集流体1表面的第一活性物质层2，第一集流体1包含两层金属层和位于该两层金属层之间的聚合物层；第一电极片具有至少三个直部3、以及连接在每两个相邻的直部之间的弯折部4，在卷绕式电芯中，第一电极片通过弯折部4弯折形成卷绕式结构(如图4所示)；第一电极片的所有直部和弯折部的集流体的正反两个表面均设有第一活性物质层；第一电极片11具有两个第一极耳5，以第一电极片11位于电芯最内圈的起始端的直部为第一个直部算起，一个第一极耳设置在第一个直部31的第一表面，另一个第一极耳设置在第三个直部33的第二表面(即n＝1，且第一电极片的集流体的正反两个表面均设有第一极耳)，第一表面是第一个直部背离电芯内侧的表面，第二表面是第三个直部面向电芯内侧的表面，该两个第一极耳5的重叠度k≥90％；相应地，第一个直部31的第一表面、第三个直部33的第二表面均设有一个空箔区6，空箔区6为长方形，其一个边与第一集流体表面的长边在同一条直线上，其余三个边均与第一活性物质层2相接；第一极耳5焊接在空箔区6的集流体表面上；该卷绕式电芯还包括外接极耳8，第一电极片上的两个第一极耳5均与外接极耳焊接，在垂直于直部的集流体表面的方向上，第一个直部31位于外接极耳8的第一侧，第三个直部33位于外接极耳8的第二侧，且在垂直于直部的集流体表面的方向上，第一个直部31至外接极耳8的距离基本等于第三个直部33至外接极耳8的距离(即外接极耳8位于第一个直部31和第三个直部33中间，如图5所示)；第一极耳5包括第一连接部51和第二连接部52，第一极耳通过第一连接部51焊接在空箔区6的集流体表面，且第一连接部51的一侧伸出集流体外缘，其余侧被活性物质层2包围，第二连接部52的一端与第一连接部51相连，第二连接部52的另一端与外接极耳8焊接，第一连接部51、第二连接部52、外接极耳8均为直型结构，由该焊接形成的焊接部9在外接极耳8长度方向上的长度为0.2～2mm，在外接极耳8的一端至另一端之间贴附有极耳胶10。第二电极片12包括第二集流体1’和位于第二集流体表面的第二活性物质层2’，第二集流体1’可以为金属箔，第二电极片12具有一个第二极耳5’，卷饶式电芯中，以第二电极片位于电芯最内圈的起始端的直部为第一个直部31’算起，第二极耳5’设置在第二电极片12的第四个直部34’上；其中，第二电极片的第一个直部31’、以及连接在第一个直部31’和第二个直部之间的弯折部的集流体的两个表面均未设有活性物质层，第二电极片的第二个直部、第三个直部、以及连接在第二个直部和第三个直部之间的弯折部、连接在第三个直部和第四个直部之间的弯折部的集流体的一个表面设有第二活性物质层，另一个表面未设有第二活性物质层(一般是背离电芯内侧的表面设有第二活性物质层，而面向电芯内侧的表面未设有第二活性物质层)。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下实施例及对比例中，按照如下过程测试电池性能：

(1)测定电池能量密度：将电池以0.5C电流充电至上限电压，然后恒压充电，截止电流0.05C，然后将充满电的电池以0.5C电流放电至3.0V，放电的能量记为电池的能量E；使用电子天平称量电池的质量，记为W，电池的质量能量密度EDW＝E/W；测定电池的长度a、宽度b和厚度c，电池的体积能量密度EDV＝E/V，V＝a×b×c；

(2)测定电池倍率性能：将电池以0.2C电流充电至上限电压，然后恒压充电，截止电流0.02C，然后将充满电的电池以0.2C电流放电至3.0V，放电容量记为初始容量C0；然后电池以0.2C电流充电至上限电压，然后恒压充电，截止电流0.02C，然后将充满电的电池以1C电流放电至3.0V，放电容量记为1C倍率容量C1，以C1与C0比值(C1/C0)表征电池的倍率性能(C1/C0越大，说明电池的倍率性能越好)；

(3)测定内阻：将电池充电至50％SOC(即将电池充至其一半的容量)，然后使用1000Hz电压-内阻测试仪测试电池的内阻。

以下实施例及对比例中，直部的第一表面均是表示在卷绕式电芯中该直部面向电芯内侧的一面，第二表面与第一表面相对，即第二表面表示在卷绕式电芯中该直部背离电芯内侧的一面。

实施例1

本实施例中，电化学装置为卷绕式锂离子电池，其包括卷绕式电芯，卷绕式电芯包括第一电极片和第二电极片；其中，

第一电极片包括第一集流体和位于第一集流体表面的第一活性物质层，第一集流体包含两层金属层和位于该两层金属层之间的聚合物层；

第一电极片具有18个直部、以及连接在每两个相邻的直部之间的弯折部，在卷绕式电芯中，第一电极片通过弯折部弯折形成卷绕式结构；第一电极片的所有直部和弯折部的集流体的正反两个表面均设有第一活性物质层；

第一电极片具有两个第一极耳，以第一电极片位于电芯最内圈的起始端的直部为第一个直部算起，一个第一极耳设置在第三个直部的第一表面，另一个第一极耳设置在第五个直部的第二表面(即n＝1，且第一电极片的集流体的正反两个表面均设有第一极耳)，该两个第一极耳的重叠度k约为90％；

相应地，第三个直部的第一表面、第五个直部的第二表面均设有一个空箔区，空箔区为长方形，其一个边与第一集流体表面的长边在同一条直线上，其余三个边与第一活性物质层相接；第一极耳焊接在空箔区的集流体表面；

该卷绕式电芯还包括外接极耳，第一电极片上的两个第一极耳均与外接极耳焊接，在垂直于直部的集流体表面的方向上，第三个直部位于外接极耳的第一侧，第五个直部位于外接极耳的第二侧，且在垂直于直部的集流体表面的方向上，第三个直部至外接极耳的距离基本等于第五个直部至外接极耳8的距离(即外接极耳位于第三个直部和第五个直部中间)；其中，第一极耳包括第一连接部和第二连接部，第一极耳通过第一连接部焊接在空箔区的集流体表面，且第一连接部的一侧伸出集流体外缘，其余侧被活性物质层包围，第二连接部的一端与第一连接部相连，第二连接部的另一端与外接极耳焊接，第一连接部、第二连接部、外接极耳均为直型结构，由该焊接形成的焊接部在外接极耳长度方向上的长度为0.5mm，在外接极耳的一端至另一端之间贴附有第一极耳胶；

第二电极片包括第二集流体和位于第二集流体表面的第二活性物质层，第二电极片具有一个第二极耳，卷饶式电芯中，以第二电极片位于电芯最内圈的起始端的直部为第一个直部算起，第二极耳设置在第二电极片的第五个直部上；其中，第二电极片的第一个直部、以及连接在第一个直部和第二个直部之间的弯折部的集流体的两个表面均未设有第二活性物质层，第二电极片的第二个直部、第三个直部、以及连接在第二个直部和第三个直部之间的弯折部、连接在第三个直部和第四个直部之间的弯折部的集流体背离电芯内侧的表面设有活性物质层，面向电芯内侧的表面未设有活性物质层。

本实施例的第一电极片、第二电极片、以及电芯及锂离子电池的制备过程如下：

将第一活性物质、导电炭黑、聚偏氟乙烯按照质量比97：1.5：1.5置于第一溶剂中，混合均匀制成第一浆料；将第一浆料涂敷于第一集流体的正反两个表面，经干燥、辊压后形成第一活性物质层，根据第一极耳的预设分布位置选定空箔区，用刮刀清除空箔区的第一活性物质层，在空箔区焊接第一极耳，得到第一电极片；

将第二活性物质、导电炭黑、聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素钠按照质量比95：2：1.5：1.5置于第二溶剂中，混合均匀制成第二浆料；将第二浆料涂敷于第二集流体的正反两个表面，经干燥、辊压后形成第二活性物质层，根据第二极耳的预设位置选定空箔区，清洗掉空箔区的第二活性物质层，在空箔区焊接第二极耳，得到第二电极片。

将第一电极片、隔膜、第二电极片依次叠放后，经卷绕形成卷绕式电芯，然后经封装、注液、化成、二次封口、分容等工序后，制得锂离子电池。

本实施例中，第一电极片为正极片，第一集流体的金属层为由铝形成的铝层，聚合物层为由PET形成的PET层(即正极集流体为Al-PET-Al结构的箔材)，第一活性物质为钴酸锂，第一溶剂为N-甲基吡咯烷酮(NMP)；第二电极片为负极片，第二集流体为铜箔，第二活性物质为石墨，第二溶剂为去离子水。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，第一电极片具有4个第一极耳，其中两个第一极耳分别位于第三个直部的第一表面和第二表面，另两个第一极耳分别位于第五个直部的第一表面和第二表面，其中任意两个第一极耳的重叠度k均约为90％；其余条件与实施例1相同。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于，第一电极片具有3个第一极耳，分别设置在第三个直部的第一表面、第五个直部的第二表面、第七个直部的第二表面，其中任意两个第一极耳的重叠度k均约为80％，第一电极片中的第一极耳与外接极耳的一端焊接在一起，由该焊接形成的焊接部在外接极耳长度方向上的长度为1mm；其余条件与实施例1相同。

实施例4

本实施例与实施例1的区别在于，第一电极片具有6个第一极耳，分别设置在第三个直部的第一表面和第二表面、第五个直部的第一表面和第二表面、第七个直部的第一表面和第二表面，其中任意两个第一极耳的重叠度k均约为80％，第一电极片中的第一极耳与外接极耳的一端焊接在一起，由该焊接形成的焊接部在外接极耳长度方向上的长度为1mm；其余条件与实施例1相同。

实施例5

本实施例与实施例1的区别在于，第一电极片为负极片，第一集流体的金属层为由铜形成的铜层，聚合物层为由PET形成的PET层(即负极集流体为Al-PET-Al结构的箔材)，第一活性物质为石墨，第一溶剂为去离子水；第二电极片为正极片，第二集流体为铝箔，第二活性物质为钴酸锂，第二溶剂为NMP。

对比例1

该对比例1与实施例1的区别在于，第一集流体为铝箔，其余条件与实施例1相同。

对比例2

对比例2与实施例1的区别在于，第一电极片上的两个第一极耳分别焊接在第三个直部的第一表面和第五个直部的第一表面(即第一电极片的集流体的一个表面设有第一极耳，另一个表面没有第一极耳)，其余条件与实施例1相同。

对比例3

该对比例3与实施例1的区别在于，第一电极片上具有两个第一极耳，该第一极耳焊接在第一集流体的端部，即焊接第一极耳的空箔区的一边与第一活性物质层相接，其余三边分别与第一集流体表面的三个边在同一条直线上(如图7所示)，其余条件与实施例1相同。

对比例4

该对比例4与实施例1的区别在于，卷绕式电芯中，第一电极片上没有焊接第一极耳，而是由第一电极片的第三个直部和第五个直部的第一集流体向外伸出且弯折后与外接极耳焊接在一起，且两个第一极耳均位于外接极耳的同一侧，而非分别位于外接极耳的第一侧和第二侧(如图8所示)。

对比例5

该对比例5与实施例5的区别在于，第一集流体为铜箔，其余条件与实施例5相同。

测得各实施例及对比例的电池的质量能量密度、体积能量密度、表征倍率性能的C1/C0见表1。

表1

其中，对比实施例1和对比例1可以看出，实施例1中的第一电极片采用镀膜集流体，质量能量密度显著提高，同时能够保持较低的内阻及良好的倍率性能；此外，经测试，实施例1的电池的安全性能也显著优于对比例1；

对比实施例1和对比例2可以看出，实施例1中的两个第一极耳分别设置在第一集流体的正反两个表面，能够显著提高电池的能量密度及降低内阻；

对比实施例1与对比例3可以看出，实施例1中的第一极耳设置在第一集流体的中部，其只有一侧伸出第一集流体外缘，其余三侧均被第一活性物质层包围，能够提高电池的能量密度，同时降低内阻，提高电池的倍率性能；

对比实施例1与对比例4可以看出，通过实施例1中的第一极耳与外接极耳的连接方式，不仅能够节约电芯空间，提高其体积能量密度，而且能够降低内阻，提高电池的倍率性能；

对比实施例5与对比例5可以看出，实施例5中的第一电极片采用镀膜集流体，质量能量密度显著提高，同时能够保持较低的内阻及良好的倍率性能；此外，经测试，实施例5的电池的安全性能也显著优于对比例5。

以上对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种卷绕式电芯，其特征在于，包括正极片和负极片，所述正极片和负极片中的至少一者为如下电极结构：

所述电极结构包括集流体和位于集流体至少一个表面的活性物质层，所述集流体包括两层金属层和位于所述两层金属层之间的聚合物层；

所述电极结构具有至少三个直部、以及连接在每两个直部之间的弯折部，所述电极结构通过所述弯折部弯折形成卷绕式结构；

所述电极结构设有至少两个第一极耳，所述第一极耳设置在所述集流体设有活性物质层的表面且分布在所述直部上。

2.根据权利要求1所述的卷绕式电芯，其特征在于，还包括外接极耳，所述第一极耳的一侧伸出所述集流体外缘并与所述外接极耳焊接，其余侧被所述活性物质层包围。

3.根据权利要求2所述的卷绕式电芯，其特征在于，在垂直于所述直部的集流体表面的方向上，所述外接极耳的第一侧和第二侧均存在设有第一极耳的直部，所述第一侧与所述第二侧相对。

4.根据权利要求1-3任一项所述的卷绕式电芯，其特征在于，满足如下特征中的至少一者：

至少两个直部上分布有所述第一极耳，在所述电极结构的卷绕方向上，每两个设有所述第一极耳的直部之间具有n个未设有所述第一极耳的直部，所述n为奇数；

所述至少两个第一极耳中的每两个第一极耳在第一平面上的投影均至少部分重叠，所述第一平面为平行于所述卷绕式结构中所述直部的集流体表面的平面。

5.根据权利要求4所述的卷绕式电芯，其特征在于，所述n包括1、3、5中的至少一者。

6.根据权利要求4所述的卷绕式电芯，其特征在于，所述至少部分重叠满足：k＝w1/w2，k≥80％，k表示重叠度，w1是所述两个第一极耳在第一平面上的投影的重叠部分在第一方向上的宽度，w2是第一极耳在所述第一方向上的宽度，所述第一方向为从所述直部一端的弯折部至该直部另一端的弯折部的方向。

7.根据权利要求1所述的卷绕式电芯，其特征在于，

所述集流体的两个表面均设有所述活性物质层；

所述电极结构的集流体的两个表面均分布有所述第一极耳。

8.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，

所述电极结构的直部数量与第一极耳的数量比为3～10：1；和/或，

所述电极结构的直部数量为8～30。

9.根据权利要求1所述的卷绕式电芯，其特征在于，

所述金属层包含铝、铜、镍、银、金、铁中的至少一种；和/或，

所述聚合物层包含聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚乙烯、聚酰亚胺、聚醚酮、聚苯硫醚中的至少一种；和/或，

所述金属层与所述聚合物层之间存在或不存在过渡层，所述过渡层包含氧化铝、氧化镁、氧化钛中的至少一种。

10.一种电化学装置，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的卷绕式电芯。

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