一种锂离子电池及其制备方法和用电装置与流程

本发明涉及锂离子电池，具体而言，涉及一种锂离子电池及其制备方法和用电装置。

背景技术：

1、高镍层状含锂过渡金属氧化物具有较高的放电比容量和工作电压，是获得高比能圆柱锂离子电池的重要正极材料。为兼顾压实密度、倍率性能和机械稳定性，正极活性物质层可同时包含大粒径多晶二次颗粒和小粒径单晶颗粒。大粒径多晶二次颗粒由多个一次颗粒聚集形成，能够提供较高的压实密度，但其一次颗粒边界在辊压、卷绕约束及循环晶格变化作用下容易产生裂纹；小粒径单晶颗粒可填充部分颗粒间隙并改善局部接触，却不能完全消除正极表层的应力集中。

2、在圆柱电芯中，为提高隔膜耐热性和抗穿刺能力，通常在多孔基膜表面设置无机多孔涂层。勃姆石颗粒形成的多孔涂层与高镍正极相对设置时，涂层表面起伏、隔膜卷绕张力和卷芯定型约束共同决定勃姆石多孔涂层与正极活性物质层之间的接触、间隙和嵌入状态。接触不足会造成局部电解液通道过长、离子流分布不均和正极表层反应不一致；接触过强或嵌入过深又会将径向载荷集中到多晶二次颗粒表面，使一次颗粒边界张开、颗粒局部粉化并形成新的副反应界面。

3、现有技术通常分别限定高镍正极颗粒粒径、单晶与多晶比例、隔膜陶瓷层材料、陶瓷层厚度或隔膜透气度，难以表征陶瓷层与正极在装配状态下形成的真实接触关系，也难以区分界面近表层损伤与辊压引起的体相基础损伤。单独采用全层裂纹比例容易掩盖界面局部应力；单独采用隔膜层厚或颗粒粒径也不能说明载荷是否已经传递到高镍颗粒。因此，需要建立界面接触状态、不同颗粒类别的局部损伤响应以及正极电化学动力学之间的定量关系，以改善高温存储、倍率放电和循环性能。

4、鉴于此，特提出本发明。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种锂离子电池及其制备方法和用电装置，旨在改善高温存储、倍率放电和循环性能。

2、本发明是这样实现的：

3、第一方面，本发明提供一种锂离子电池，包括正极极片、负极极片、隔膜和电解液，正极极片包括正极集流体和设置于正极集流体表面的正极活性物质层，正极活性物质层包含大粒径多晶二次颗粒和小粒径单晶颗粒，大粒径多晶二次颗粒和小粒径单晶颗粒均为层状含锂过渡金属氧化物颗粒；层状含锂过渡金属氧化物颗粒中，镍在过渡金属总量中的摩尔占比大于等于88%；

4、隔膜包括多孔基膜和设置于多孔基膜至少一个表面的勃姆石多孔涂层，勃姆石多孔涂层面对正极活性物质层；

5、在保持勃姆石多孔涂层与正极活性物质层装配关系的截面上，将二者间局部间距不大于0.20μm且沿界面方向连续长度不小于0.50μm的区段认定为真实接触区段，以全部真实接触区段的投影长度之和l1占统计界面投影总长度l2的比例作为真实接触长度比例c1，c1=l1/l2×100%，且c1的范围为20%～70%；

6、以正极活性物质层面对勃姆石多孔涂层的表面为z=0，将0≤z≤10μm的区域定义为界面近表层z1，将15μm≤z≤25μm的区域定义为体相区z2，分别以f1、f2、f3和f4表示z1中的受损大粒径多晶二次颗粒数量比例、z2中的受损大粒径多晶二次颗粒数量比例、z1中的受损小粒径单晶颗粒数量比例和z2中的受损小粒径单晶颗粒数量比例，并按δf=∣(f1f2)(f3f4)∣计算分类损伤差，δf为以百分数表示的数量比例之间的差值，范围为2%~15%。

7、在可选的实施方式中，大粒径多晶二次颗粒的等效圆直径为8μm～20μm，小粒径单晶颗粒的等效圆直径为1μm～6μm；优选地，大粒径多晶二次颗粒的等效圆直径为10μm～16μm，小粒径单晶颗粒的等效圆直径为1.5μm～5.0μm；大粒径多晶二次颗粒与所述小粒径单晶颗粒的质量比为60:40～85:15。在可选的实施方式中，c1的范围为30%～60%；

8、优选地，对非真实接触区段逐点测得局部间距，并以第90百分位数作为间隙参数d1，d1的范围为0.30～2.00μm；以不含明显凹陷区的正极活性物质层表面拟合基线为基准，以勃姆石颗粒进入拟合基线下方的最大法向深度的第90百分位数作为嵌入参数d2，d2的范围为0.20μm～1.50μm。

9、在可选的实施方式中，f1的范围为8%～25%，f2的范围为3%～12%，f3的范围为1%～8%，f4的范围为0.5%～5%，且δf为3%~10%。

10、在可选的实施方式中，按g1=(r1r2)/r2×100%计算的高温正极电荷转移电阻增长率g1，g1不大于35%，r1表示60℃高温存储后正极电荷转移电阻，r2表示初始状态下正极电荷转移电阻；

11、优选地，r2为15ω·cm2～60ω·cm2；

12、优选地，按g2=(r3r2)/r2×100%计算的300周正极电荷转移电阻增长率g2，g2不大于45%。

13、在可选的实施方式中，隔膜的卷绕张力为0.28n～0.65n；

14、优选地，大粒径多晶二次颗粒的径向压碎强度为95mpa～145mpa；

15、优选地，勃姆石多孔涂层的厚度为1.0μm～4.0μm，勃姆石颗粒的体积中位粒径d50为0.10μm～3.00μm。

16、在可选的实施方式中，正极活性物质层的单面厚度为30μm～42μm，正极集流体两个表面的正极活性物质层厚度差不大于4μm；

17、优选地，负极极片包括负极集流体和设置于负极集流体表面的负极活性物质层，负极活性物质层包含人造石墨和硅氧-石墨复合材料；优选地，人造石墨与硅氧-石墨复合材料的质量比为90:10～96:4；

18、优选地，电解液包含六氟磷酸锂、碳酸酯溶剂和成膜添加剂；优选地，电解液中六氟磷酸锂的浓度为0.8mol/l～1.2mol/l；碳酸酯溶剂包括碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯和碳酸二甲酯，三者体积比为20～30:40～50:25～35；成膜添加剂包括碳酸亚乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯和二氟磷酸锂，三者的质量分数分别为1.0%～3.0%、0.5%～2.0%和0.2%～1.0%；

19、优选地，锂离子电池为直径20mm～22mm、高度69mm～72mm、额定容量4.8ah～5.2ah的圆柱锂离子电池；正极极片和负极极片的至少一个纵向边缘分别设有沿卷绕方向间隔形成的极耳单元，卷绕后形成端部集流结构。

20、在可选的实施方式中，在25±2℃下，40a平台电压差δv40不大于0.255v，40a放电期间及放电结束后300s内的最高壳体表面温度不高于75℃，60℃存储7天后的容量恢复率不低于90%，且600周容量保持率不低于76%。

21、第二方面，本发明提供一种前述实施方式中任一项锂离子电池的制备方法，包括：分别制备正极极片、负极极片、隔膜和电解液，之后进行卷绕、热定型、入壳、集流连接、注液、封口、化成和分容；

22、其中，通过隔膜卷绕张力调节c1，通过大粒径多晶二次颗粒的径向压碎强度调节δf；

23、优选地，还包括：通过隔膜卷绕张力调节d1和d2。

24、第三方面，本发明提供一种用电装置，包括前述实施方式中任一项锂离子电池或前述实施方式制备方法制备得到的锂离子电池。

25、本发明具有以下有益效果：本发明提供一种勃姆石-高镍正极配对界面受控的锂离子电池，通过限定真实接触长度比例、非接触区间隙参数和界面近表层相对体相的分类损伤差，使界面液相传输与机械载荷处于匹配状态，从而降低正极电荷转移阻抗及其增长率，并改善高温存储、倍率放电和循环性能。