电池单体、电池装置和用电装置的制作方法

本技术涉及一种电池单体、电池装置和用电装置。

背景技术：

1、电池单体具有容量高、寿命长等特性，因此广泛应用于电子设备，例如手机、笔记本电脑、电瓶车、电动汽车、电动飞机、电动轮船和电动工具等等。

2、随着锂离子电池应用领域的发展，对电池单体的性能，比如电池单体的能量密度和循环性能等无法兼顾。

技术实现思路

1、本技术提供一种电池单体、电池装置和用电装置，能够兼顾电池单体的能量密度和循环性能。

2、第一方面，本技术提出了一种电池单体，电池单体包括电极组件，电极组件包括正极极片、隔离膜和负极极片，正极极片包括正极集流体和设置于正极集流体至少一侧的正极活性材料层，其中，正极活性材料层包括橄榄石结构的含锂磷酸盐；电池单体于0％荷电状态下，正极活性材料层的压实密度为2.60g/cm3至2.85g/cm3；正极集流体的厚度为10μm至15μm；正极集流体包括铝基合金，铝基合金包括铁元素和硅元素，铁元素在正极集流体中的质量含量与硅元素在正极集流体中的质量含量的比值为1.2至1.5。

3、在本技术实施方式中，通过提高含有橄榄石结构的含锂磷酸盐的正极活性材料层的压实密度，使得正极活性材料层中的颗粒紧密度得到提升；配合正极活性材料层的上述压实密度，本技术实施方式还进一步使用相对较薄的正极集流体，使得正极活性材料层的占用空间进一步提升，有利于提高正极极片的容量，从而提升电池单体的能量密度；正极集流体在厚度较薄的基础上，进一步调控正极集流体的组分，使得正极集流体具有相对较高的抗拉强度和适当的断裂延伸率，正极集流体的机械强度较高，且具有一定的延展性，在电池单体循环充放电过程中，正极集流体即使受到挤压作用力也不易产生裂纹，降低发生断裂的风险，循环稳定性较为优异，由此有利于增加电池单体的循环寿命。综上，本技术实施方式通过对正极活性材料层的压实密度、正极集流体的厚度和材质的共同调控，能够有效平衡电池单体的能量密度和循环性能。

4、在一些实施方式中，正极活性材料层的压实密度为2.65g/cm3至2.80g/cm3。正极活性材料层的压实密度在上述范围时，能够兼顾改善电池单体的能量密度和循环性能。

5、在一些实施方式中，含锂磷酸盐在30000n下的粉体压实密度为2.45g/cm3至2.75g/cm3。含锂磷酸盐的粉体压实密度在上述范围时，能够兼顾改善电池单体的能量密度和循环性能。

6、在一些实施方式中，正极活性材料层平行于其自身厚度方向的截面中，粒径大于等于1.5μm的含锂磷酸盐的面积占比为8％至20％。上述颗粒的面积占比在上述范围的情况下，占据面积相对较小，含锂磷酸盐的粒径相对较小，有利于提高正极活性材料层的压实紧密度，提升电池单体的能量密度。

7、在一些实施方式中，正极活性材料层平行于其自身厚度方向的截面中，粒径为1.5μm至5μm的含锂磷酸盐的面积占比为9％至20％，可选为10％至20％。上述颗粒的占据面积相对较小，含锂磷酸盐的粒径相对较小，有利于提高正极活性材料层的压实紧密度，提升电池单体的能量密度。

8、在一些实施方式中，正极活性材料层平行于其自身厚度方向的截面中，粒径大于等于5μm的含锂磷酸盐的面积占比为0。上述颗粒的面积占比在上述范围的情况下，含锂磷酸盐的粒径相对较小，有利于提高正极活性材料层的压实紧密度，提升电池单体的能量密度。

9、在一些实施方式中，正极活性材料层平行于其自身厚度方向的截面中，粒径大于等于1μm且小于1.5μm的含锂磷酸盐的面积占比为15％至25％，可选为16％至24％。上述颗粒的面积占比在上述范围的情况下，含锂磷酸盐的粒径相对较小，有利于提高正极活性材料层的压实紧密度，提升电池单体的能量密度。

10、在一些实施方式中，含锂磷酸盐的比表面积为9m2/g至15m2/g。橄榄石结构的含锂磷酸盐的比表面积在上述范围内，活性表面不会过高，能够缓解界面副反应，提高电池单体的循环性能。

11、在一些实施方式中，铝基合金还包括第二相。铝基合金满足上述条件的情况下，有利于兼顾改善正极集流体的抗拉强度和断裂延伸性能。

12、在一些实施方式中，铝基合金还包括第二相，第二相包括以下一个或者多个特征：

13、(1)铝基合金的至少部分第二相的尺寸为3μm以下；

14、(2)至少部分第二相呈现弥散分布；

15、(3)第二相包括alfesi相和alfe相，基于铝基合金的质量，alfesi相的质量含量为5％至10％，alfe相的质量含量为4％至9％。

16、铝基合金满足上述条件的情况下，有利于兼顾改善正极集流体的抗拉强度和断裂延伸性能。

17、在一些实施方式中，基于铝基合金的质量，铝基合金还包括质量含量小于等于0.03％的铜元素；铝基合金满足上述条件的情况下，有利于兼顾改善正极集流体的抗拉强度和断裂延伸性能。

18、在一些实施方式中，基于铝基合金的质量，铝基合金还包括质量含量为0.015％至0.05％的钛元素；铝基合金满足上述条件的情况下，有利于兼顾改善正极集流体的抗拉强度和断裂延伸性能。

19、在一些实施方式中，基于铝基合金的质量，铝基合金还包括质量含量小于等于0.05％的锰元素、小于等于0.05％的镁元素和小于等于0.05％的锌元素。

20、在一些实施方式中，正极集流体的抗拉强度为250mpa至330mpa；可选为270mpa至300mpa。正极集流体的抗拉强度在上述范围时，正极集流体的机械强度较高，结构相对稳定，能够改善电池单体的循环性能。

21、在一些实施方式中，正极集流体的断裂延伸率为3.5％至10％；可选为4.5％至7％。正极集流体的断裂延伸率在上述范围时，正极集流体在接收作用力的过程中能够更好地吸收能量，减少正极集流体断裂的风险，能够提升正极极片整体的循环稳定性，从而改善电池单体的循环性能。

22、在一些实施方式中，正极集流体的面密度为27g/m2至46g/m2。正极集流体的面密度在上述范围的情况下，使得正极集流体具有较为优异的机械强度，不易发生断裂，能够提升正极极片的循环稳定性，从而改善电池单体的循环性能。

23、在一些实施方式中，正极集流体的表面粗糙度为0.1μm至0.3μm。正极集流体的表面粗糙度相对较小，有助于提高正极集流体和正极活性材料层的粘结力，降低层剥落风险，提高电池单体的循环性能。

24、在一些实施方式中，正极活性材料层的单侧面密度为220mg/1540.25mm2至370mg/1540.25mm2；正极活性材料层的单侧面密度在上述范围时，能够兼顾改善电池单体的能量密度和快速充电性能。

25、在一些实施方式中，含锂磷酸盐在正极活性材料层中的质量含量为96％至98.5％。含锂磷酸盐在正极活性材料层中的质量含量满足上述范围时，能够提升正极活性材料层的面容量，从而提高电池单体的能量密度。

26、在一些实施方式中，含锂磷酸盐包括磷酸盐颗粒以及正极包覆层，正极包覆层位于磷酸盐颗粒至少部分表面，正极包覆层包含碳元素。磷酸盐颗粒通过表面包覆正极包覆层，能够提升橄榄石结构的含锂磷酸盐的导电性，有利于锂离子的迁移速率，提高电池单体的快速充电性能。

27、在一些实施方式中，基于含锂磷酸盐的质量计，碳元素的质量含量为0.8％至2.3％。碳元素的质量含量在上述范围时，能够显著提高橄榄石结构的含锂磷酸盐的导电性，有利于提升橄榄石结构的含锂磷酸盐的离子电导和电子电导，且碳元素的添加量不会过多，不会过度降低容量，能够兼顾改善电池单体的快速充能能力和能量密度。

28、在一些实施方式中，正极包覆层还包括fe、ti、zr、hf、ge和sn的一种或多种元素。在磷酸盐颗粒表面包覆上述元素，能够显著提高锂离子在正极端多次脱/嵌锂的传输速率，提高正极活性材料的离子导电性，提高电池单体的快速充电性能，此外还能提高克容量，提高相应电池单体的能量密度。

29、在一些实施方式中，磷酸盐颗粒包括磷酸铁锂、磷酸锰锂、磷酸锰铁锂、磷酸镍锂和磷酸钴锂的一种或多种。上述材质的循环稳定性较为优异，有利于改善电池单体的循环性能。

30、在一些实施方式中，含锂磷酸盐包括通式为lix1ay1mea1mb1p1-c1xc1yz1的化合物，其中，0.5≤x1≤1.3，0≤y1≤1.3，0.5≤x1+y1≤1.3，0.9≤a1≤1.5，0≤b1≤0.5，0.9≤a1+b1≤1.5，0≤c1≤0.5，3≤z1≤5，a包括na、k和mg的至少一种；me包括mn、fe、co和ni的至少一种；m包括b、mg、al、si、p、s、ca、sc、ti、v、cr、cu、zn、sr、y、zr、nb、mo、cd、sn、sb、te、ba、ta、w、yb、la和ce的至少一种；x包括cl、c和n的至少一种；y包括o和f的至少一种。上述材质的循环稳定性较为优异，有利于改善电池单体的循环性能。

31、在一些实施方式中，正极极片还包括正极导电层，正极导电层位于正极集流体和正极活性材料层之间。正极导电层能够进一步提升正极极片的导电性能，改善电池单体的快速充电性能。

32、在一些实施方式中，正极导电层包括正极导电剂，正极导电剂包括超导碳、导电石墨、乙炔黑、炭黑、科琴黑、碳点、碳纳米管、石墨烯和碳纳米纤维的一种或多种；正极导电层的正极导电剂能够提升正极导电层的导电性，从而提升正极极片的导电性，提高电池单体的快速充电性能。

33、在一些实施方式中，正极导电层包括正极粘结剂，正极粘结剂包括聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、偏二氟乙烯-四氟乙烯-丙烯三元共聚物、偏二氟乙烯-六氟丙烯-四氟乙烯三元共聚物、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚丙烯酸和含氟丙烯酸酯类树脂的一种或多种。正极导电层的正极粘结剂能够提升正极集流体和正极活性材料层之间的粘结性能，提升正极极片的结构稳定性。

34、在一些实施方式中，正极导电层的厚度为0.5μm至2μm。正极导电层的厚度设置在适当范围内，能够兼顾电池单体的能量密度和快速充电性能。

35、在一些实施方式中，硅基材料的硅元素在负极活性材料层中的质量含量为0.5％至5％。硅元素在负极活性材料层中的质量含量满足上述范围时，能够提升负极活性材料层的面容量，从而提高电池单体的能量密度。

36、在一些实施方式中，负极活性材料层的压实密度为1.25g/cm3至1.65g/cm3。负极活性材料层的压实密度在上述范围时，能够兼顾改善电池单体的能量密度和快速充电性能。

37、在一些实施方式中，负极活性材料层的单侧面密度为80mg/1540.25mm2至160mg/1540.25mm2；负极活性材料层的单侧面密度在上述范围时，能够兼顾改善电池单体的能量密度和快速充电性能。

38、在一些实施方式中，负极极片还包括负极导电层，负极导电层位于负极集流体和负极活性材料层之间。负极导电层能够进一步提升负极极片的导电性能，改善电池单体的快速充电性能。

39、在一些实施方式中，负极导电层包括负极导电剂，负极导电剂包括超导碳、导电石墨、乙炔黑、炭黑、科琴黑、碳点、碳纳米管、石墨烯和碳纳米纤维的一种或多种；负极导电层的负极导电剂能够提升负极导电层的导电性，从而提升负极极片的导电性，降低电池单体的产热量，负极导电层的负极粘结剂能够提升负极集流体和负极活性材料层之间的粘结性能，提升负极极片的结构稳定性。

40、在一些实施方式中，负极导电层包括负极粘结剂，负极粘结剂包括丁苯橡胶、水溶性不饱和树脂、水性丙烯酸类树脂、聚乙烯醇、海藻酸钠和羧甲基壳聚糖的一种或多种。

41、在一些实施方式中，隔离膜的孔隙率为20％至70％；隔离膜的孔隙率在上述范围时，能够兼顾电池单体的快速充电性能和循环性能。

42、在一些实施方式中，隔离膜包括基膜，基膜的厚度为4μm至7μm。基膜的厚度在上述范围时，能够兼顾改善电池单体的快速充电性能和能量密度。

43、在一些实施方式中，隔离膜包括基膜和设置于基膜至少一侧的第一功能层，第一功能层包括无机颗粒。无机颗粒能够提升隔离膜的耐热能力。

44、在一些实施方式中，电极组件为叠片式结构，正极极片包括正极极耳，正极极耳连接于正极集流体沿电池单体的长度方向的至少一侧；和/或负极极片包括负极极耳，负极极耳连接于负极集流体沿电池单体的长度方向的至少一侧。

45、在一些实施方式中，正极极耳和负极极耳设置于沿电池单体的长度方向的同一端，有利于减少正负极耳的占用空间，提升电池单体的能量密度。

46、在一些实施方式中，正极极耳和负极极耳设置于沿电池单体的长度方向的相对两端。

47、第二方面，本技术提出了一种电池装置，电池装置包括本技术第一方面任一实施方式的多个电池单体。

48、第三方面，本技术提出了一种用电装置，用电装置包括本技术第二方面任一实施方式的电池装置。