电池单体及其制备方法、电池装置、用电装置、储能装置与流程

本发明涉及电池，具体而言，涉及一种电池单体及其制备方法、电池装置、用电装置、储能装置。

背景技术：

1、极片的制造对锂离子电池的性能表现至关重要，其中，涂布烘烤工艺是确保极片质量的核心步骤。正极极片通常采用聚偏氟乙烯（pvdf）作为粘结剂，n-甲基吡咯烷酮（nmp）作为溶剂制备浆料。在涂布烘烤过程中，nmp溶剂需要完全挥发，但实际生产中，涂布后的极片进入烘箱，在120~140℃的温度下烘烤。nmp溶剂从极片的表面向内部逐渐挥发，由于nmp的沸点较高（202℃），在以上烘烤温度下挥发速率较慢。同时，极片表面在烘烤初期快速干燥形成致密层，阻碍内部溶剂向外逸出，导致nmp的残留量较高。针对nmp的残留，通常采用提高涂布烘烤温度至140~160℃以及延长烘烤时间等方法，但这些方法存在能耗增加、pvdf老化和极片脆化、生产效率降低、设备改造成本高且极片易开裂等问题。

2、此外，pvdf粘结剂在浆料中呈随机分布状态，没有特定的取向排列。在涂布烘烤的过程中，pvdf分子链随溶剂挥发而固化，形成无定形为主的α相结晶结构。这种结构下pvdf与活性物质之间的结合主要依靠范德华力，界面结合强度有限。对于粘结力的不足，通常采用增加pvdf用量、采用改性pvdf或添加粘结促进剂等方法，但这些方法存在成本增加导致能量密度降低、工艺兼容性差、可能引入杂质影响电芯性能等问题。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种电池单体及其制备方法、电池装置、用电装置、储能装置，以解决现有技术中正极片中溶剂残留高且难以兼顾提升正极片粘结力的问题。

2、为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种电池单体，包括正极片、隔膜和负极片，正极片由正极浆料制备得到，该正极浆料包括正极活性材料、导电剂、粘结剂、添加剂和溶剂；添加剂的化学结构通式为；其中，r1和r2各自独立地为取代或未取代的c1~c18的烷基；且r1和r2中至少一个为c1~c18的氟代烷基。

3、进一步地，r1和r2各自独立地为取代或未取代的c1~c12的烷基；r1和r2中至少一个为c1~c12的氟代烷基，且r1和r2中氟原子的总数量为1~20个。

4、进一步地，添加剂选自全氟辛酸甲酯、全氟丁酸乙酯、2,2-二氟丙酸乙酯、氟乙酸甲酯和氟乙酸乙酯中的任意一种或多种；和/或，以正极浆料的干基计，添加剂的质量占比为0.3~0.5%。

5、进一步地，粘结剂包括聚偏氟乙烯，聚偏氟乙烯的数均分子量为40万da~60万da。

6、进一步地，添加剂和粘结剂的质量比为（0.15~0.3）：1。

7、进一步地，溶剂包括n-甲基吡咯烷酮，正极浆料的固含量为60~66%。

8、进一步地，正极活性材料选自磷酸铁锂材料、磷酸锰铁锂材料、镍钴锰酸锂材料、钴酸锂、锰酸锂和富锂锰基材料中的任意一种或多种；和/或，导电剂选自导电炭黑、碳纳米管、石墨烯、天然石墨和人造石墨中的任意一种或多种；和/或，正极活性材料、导电剂、粘结剂和添加剂的质量比为（96~97.5）：（0.8~1.2）：（1.6~2）：（0.3~0.5）。

9、根据本发明的另一个方面，提供了一种电池单体的制备方法，包括制备正极片，将正极片、隔膜和负极片依次叠放组装，得到电池单体，该正极片的制备方法包括：将包括正极活性材料、导电剂、粘结剂、添加剂和溶剂的原料混合，得到正极浆料；将正极浆料涂覆在正极集流体的表面后干燥，形成正极活性层，得到正极片；其中，添加剂的化学结构通式为；其中，r1和r2各自独立地为取代或未取代的c1~c18的烷基；且r1和r2中至少一个为c1~c18的氟代烷基。

10、进一步地，正极片的制备方法还包括：将包括正极活性材料、第一导电剂、粘结剂和添加剂的原料进行第一混合，得到第一混合物；将包括第一混合物和第一溶剂的原料进行第二混合，得到第二混合物；将包括第二混合物和第二溶剂的原料进行第三混合，得到第三混合物；将包括第三混合物和第二导电剂的原料进行第四混合，得到正极浆料。

11、进一步地，第一混合的温度为23~27℃，第一混合的公转速度为15~25rpm，第一混合的时间为30~45min；和/或，第四混合的方式为分散；第四混合的公转速度为20~30rpm，第四混合的分散速度为1500~2500rpm，第四混合的时间为60~75min；和/或，第一导电剂和第二导电剂的质量比为1~2:1；第一导电剂选自导电炭黑、天然石墨和人造石墨中的任意一种或多种；第二导电剂为碳纳米管和/或石墨烯。

12、进一步地，第二混合的方式捏合，第二混合的公转速度为20~30rpm，第二混合的时间为60~75min；和/或，第三混合的方式为分散，第三混合的公转速度为20~30rpm，第三混合的分散速度为1500~2500rpm，第三混合的时间为90~120min；和/或，第一溶剂的质量为第一溶剂和第二溶剂的总质量的80~90%。

13、进一步地，干燥的温度为120~130℃；和/或，正极片的双面面密度在400~430g/m2。

14、根据本发明的又一个方面，提供了一种电池装置，该电池装置包括上述的电池单体，电池装置包括电池模组、电池包、储能电池中的任意一种或多种。

15、根据本发明的又一个方面，提供了一种用电装置，该用电装置包括上述的电池装置，电池装置用于提供电能。

16、根据本发明的又一个方面，提供了一种储能装置，该储能装置包括上述的电池装置，电池装置用于存储电能。

17、应用本发明的技术方案，本申请的正极浆料中添加具有上述化学结构通式的添加剂，能够使正极片具有低nmp残留和高粘结强度的优点。具体地，pvdf分子链中含有大量的-cf2-链段，上述种类的添加剂中的氟碳链部分也含有类似的-cf2-结构。由于氟原子具有极高的电负性，c-f键形成强极性键，使得氟碳链之间产生强烈的偶极-偶极相互作用。这种氟-氟相互作用的结合能约为-15至-27kj/mol，作用距离为0.3~0.6nm，足以在正极浆料中形成稳定的分子级缔合，但又不足以在烘烤时阻碍添加剂的挥发。这种氟-氟相互作用在正极浆料中起到分子模板的作用，能够引导pvdf分子链向活性物质-集流体界面迁移。在烘烤过程中添加剂挥发后，pvdf保持诱导形成的有利取向，形成更强的粘结网络，从而使极片剥离强度提升40~70%。添加剂含有酯基挥发端，使其具有低沸点（＜165℃）特性，在烘烤的初期优先挥发，形成连通孔隙通道，从而降低nmp逸出阻力，进而实现在烘烤工艺参数不变的前提下，使nmp残留量降低30~50%，即使降低粘结剂的用量且提高活性物质的用量，也能够使极片的剥离强度提升40~70%。此外，添加剂能够实现无残留，同时在不改变极片原有配方的基础上，进一步提升活性物质的质量占比，从而提升电芯的能量密度。综上，本申请的采用较低含量的添加剂也能够降低正极片的溶剂的残留量，同时提高极片的剥离强度，从而提高电池的能量密度和循环寿命。

1.一种电池单体，包括正极片、隔膜和负极片，所述正极片由正极浆料制备得到，其特征在于，所述正极浆料包括正极活性材料、导电剂、粘结剂、添加剂和溶剂；

2.根据权利要求1所述的电池单体，其特征在于，所述r1和所述r2各自独立地为取代或未取代的c1~c12的烷基；所述r1和所述r2中至少一个为c1~c12的氟代烷基，且所述r1和所述r2中氟原子的总数量为1~20个。

3.根据权利要求1所述的电池单体，其特征在于，所述添加剂选自全氟辛酸甲酯、全氟丁酸乙酯、2,2-二氟丙酸乙酯、氟乙酸甲酯和氟乙酸乙酯中的任意一种或多种；

4.根据权利要求1至3中任一项所述的电池单体，其特征在于，所述粘结剂包括聚偏氟乙烯，所述聚偏氟乙烯的数均分子量为40万da~60万da。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的电池单体，其特征在于，所述添加剂和所述粘结剂的质量比为（0.15~0.3）：1。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的电池单体，其特征在于，所述溶剂包括n-甲基吡咯烷酮，所述正极浆料的固含量为60~66%。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的电池单体，其特征在于，所述正极活性材料选自磷酸铁锂材料、磷酸锰铁锂材料、镍钴锰酸锂材料、钴酸锂、锰酸锂和富锂锰基材料中的任意一种或多种；

8.一种电池单体的制备方法，包括制备正极片，将所述正极片、隔膜和负极片依次叠放组装，得到所述电池单体，其特征在于，所述正极片的制备方法包括：

9.根据权利要求8所述的电池单体的制备方法，其特征在于，所述正极片的制备方法还包括：制备所述正极浆料时，将包括所述正极活性材料、第一导电剂、所述粘结剂和所述添加剂的原料进行第一混合，得到第一混合物；

10.根据权利要求9所述的电池单体的制备方法，其特征在于，所述第一混合的温度为23~27℃，所述第一混合的公转速度为15~25rpm，所述第一混合的时间为30~45min；

11.根据权利要求9所述的电池单体的制备方法，其特征在于，所述第二混合的方式捏合，所述第二混合的公转速度为20~30rpm，所述第二混合的时间为60~75min；

12.根据权利要求8至11中任一项所述的电池单体的制备方法，其特征在于，所述干燥的温度为120~130℃；和/或，所述正极片的双面面密度为400~430g/m2。

13.一种电池装置，其特征在于，所述电池装置包括权利要求1至7中任一项所述的电池单体，所述电池装置包括电池模组、电池包、储能电池中的任意一种或多种。

14.一种用电装置，其特征在于，所述用电装置包括权利要求13所述的电池装置，所述电池装置用于提供电能。

15.一种储能装置，其特征在于，所述储能装置包括权利要求13所述的电池装置，所述电池装置用于存储电能。