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、随着电池单体应用领域的发展，对电池单体的性能，比如电池单体的能量密度下和快速充电性能等无法兼顾。

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快速充电性能。

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，正极活性材料层包括橄榄石结构的含锂磷酸盐；负极极片包括负极集流体和设置于负极集流体至少一侧的负极活性材料层，负极活性材料层包括碳基材料和硅基材料，

3、其中，负极活性材料层沿电池单体的长度方向的尺寸为100mm至650mm，基于负极活性材料层的质量计，硅基材料的硅元素的质量含量为0.5％至5％；正极活性材料层的单侧面容量为4.10ah/cm2至6.99ah/cm2；负极活性材料层的单侧面容量为4.30ah/cm2至9.09ah/cm2。

4、本技术实施方式中，正极极片提升正极活性材料层的单侧面容量；负极极片增加负极活性材料层的尺寸，并引入硅基材料以进一步提升负极活性材料层的单侧面容量；进一步调控硅元素在负极活性材料层中的质量含量，并优化负极活性材料层的尺寸，以确保放电电压平台在适当范围内。同时，通过合理控制正负极的面容量，避免过高面容量导致的正负极活性材料层动力学性能恶化，从而降低内阻，减少极化，从而使得电池单体能够在兼顾高能量密度的同时，实现优异的快速充电能力。

5、在一些实施方式中，基于负极活性材料层的质量计，硅基材料的硅元素的质量含量为0.7％至3.5％。硅元素的质量含量满足上述范围时，能够提升负极活性材料层的单侧面容量，从而提高电池单体的能量密度。

6、在一些实施方式中，正极活性材料层的单侧面容量为5.27ah/cm2至6.80ah/cm2。正极活性材料层的单侧面容量在上述范围时，能够兼顾电池单体的能量密度和快速充电性能。

7、在一些实施方式中，负极活性材料层的单侧面容量为5.80ah/cm2至7.50ah/cm2。负极活性材料层的单侧面容量在上述范围时，能够兼顾改善电池单体的能量密度和快速充电性能。

8、在一些实施方式中，于常温下，电池单体以0.33倍率放电的放电电压平台为3.059v至3.195v。电池单体的放电电压平台在上述范围时，能够兼顾电池单体的能量密度和快速充电性能。

9、在一些实施方式中，电极组件为叠片式电极组件，正极极片、隔离膜和负极极片层叠设置，负极活性材料层沿电池单体的长度方向的尺寸为200mm至650mm；于常温下，电池单体以0.33倍率放电的放电电压平台为3.059v至3.183v，可选为3.111v至3.180v。

10、负极活性材料层的尺寸在适当范围内，使得电子传输路径不会过长，内阻相对较小，能够减小极化，使得放电电压平台在适当范围内，能够兼顾电池单体的能量密度和快速充电性能。

11、在一些实施方式中，电极组件为卷绕式电极组件，正极极片、隔离膜和负极极片沿同一方向卷绕设置，负极活性材料层沿电池单体的长度方向的尺寸为100mm至300mm；于常温下，电池单体以0.33倍率放电的放电电压平台为3.079v至3.195v，可选为3.131v至3.185v。

12、负极活性材料层的尺寸在适当范围内，使得电子传输路径不会过长，内阻相对较小，能够减小极化，使得放电电压平台在适当范围内，能够兼顾电池单体的能量密度和快速充电性能。

13、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。

14、在一些实施方式中，正极活性材料层的压实密度为2.60g/cm3至2.85g/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快速充电性能。

15、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。含锂磷酸盐在30000n下的粉体压实密度在上述范围时，有利于兼顾电池单体的能量密度和快速充电性能。

16、在一些实施方式中，含锂磷酸盐的比表面积为9m2/g至15m2/g。含锂磷酸盐的比表面积在上述范围内，有利于含锂磷酸盐与电解液相界面处锂离子的传输，改善离子传导能力，提高电池单体的快速充电性能。

17、在一些实施方式中，基于正极活性材料层的质量计，含锂磷酸盐的质量含量为96％至98.5％。含锂磷酸盐的质量含量满足上述范围时，能够提升正极活性材料层的单侧面容量，从而提高电池单体的能量密度。

18、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。

19、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。

20、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。

21、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。

22、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。

23、在一些实施方式中，正极集流体的厚度为10μm至15μm。正极集流体的厚度在上述范围时，有利于提升过流能力，改善电池单体的快速充电性能。

24、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。

25、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。

26、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。

27、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。

28、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。

29、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。

30、在一些实施方式中，基于负极活性材料层的质量计，碳基材料和硅基材料的质量含量为95％至98.5％。负极活性材料的质量含量满足上述范围时，能够提升负极活性材料层的单侧面容量，从而提高电池单体的能量密度。

31、在一些实施方式中，硅基材料包括单质硅、硅碳材料、硅氧材料、硅氮材料和硅合金的一种或多种。上述材料的克容量较高，有利于提高电池单体的能量密度。

32、在一些实施方式中，硅基材料包括硅碳材料、硅氧材料、硅氮材料和硅合金的一种或多种。上述材料的克容量较高，有利于提高电池单体的能量密度。

33、在一些实施方式中，基于硅基材料的总质量计，硅元素的质量含量为40％至80％；硅基材料满足上述条件时，有利于兼顾电池单体的能量密度、快速充电性能和循环性能。

34、在一些实施方式中，硅基材料的体积平均粒径dv50为3.0μm至10μm；硅基材料满足上述条件时，有利于兼顾电池单体的能量密度、快速充电性能和循环性能。

35、在一些实施方式中，硅基材料的比表面积为1m2/g至3.6m2/g；硅基材料满足上述条件时，有利于兼顾电池单体的能量密度、快速充电性能和循环性能。

36、在一些实施方式中，硅基材料在25000n下的粉体压实密度0.7g/cm3至1.2g/cm3。硅基材料满足上述条件时，有利于兼顾电池单体的能量密度、快速充电性能和循环性能。

37、在一些实施方式中，碳基材料包括石墨本体颗粒和包覆于石墨本体颗粒表面的负极包覆层，石墨本体颗粒包括二次颗粒，负极包覆层包括碳元素。负极包覆层的碳元素能够改善电池单体的快速充电性能。

38、在一些实施方式中，石墨本体颗粒包括人造石墨和天然石墨的至少一种。人造石墨的循环性能更为优异，有利于改善电池单体的循环性能。

39、在一些实施方式中，基于石墨颗粒的质量计，负极包覆层的碳元素的质量含量为2％至5％。负极包覆层的碳元素的质量含量在上述范围时，能够进一步降低负极极片的内阻，能够改善电池单体的快速充电性能；内阻较小的情况下，使得电池单体内部产热量减少，有利于提升电解液的稳定性，改善电池单体的循环性能。

40、在一些实施方式中，负极活性材料层包括第一负极活性材料层和第二负极活性材料层，第一负极活性材料层设置于负极集流体上；第二负极活性材料层设置于第一负极活性材料层远离负极集流体的一侧，其中，第一负极活性材料层和第二负极活性材料层均包括碳基材料，第一负极活性材料层和第二负极活性材料层的至少一者包括硅基材料。负极活性材料层包括至少两层膜层，有利于兼顾电池单体的快速充电性能和能量密度。

41、在一些实施方式中，第一负极活性材料层的碳基材料的体积平均粒径dv50大于等于第二负极活性材料层的碳基材料的体积平均粒径dv50。第一负极活性材料层和第二负极活性材料层中的颗粒粒径存在差异，能够提升电池单体的快速充电性能。

42、在一些实施方式中，第一负极活性材料层的碳基材料的体积平均粒径dv50为10μm至20μm。碳基材料的体积平均粒径dv50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。

43、在一些实施方式中，第二负极活性材料层的碳基材料的体积平均粒径dv50为9.5μm至14.5μm。碳基材料的体积平均粒径dv50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。

44、在一些实施方式中，负极集流体的厚度为4μm至6μm。负极集流体的厚度在上述范围时，有利于提升过流能力，改善电池单体的快速充电性能。

45、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。

46、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。

47、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。

48、在一些实施方式中，负极导电层的厚度为0.5μm至2μm。负极导电层能够兼顾电池单体的快速充电性能和能量密度。

49、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。

50、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。

51、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。

52、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二功能层，第二功能层包括粘结剂。第二功能层能够提升隔离膜中相邻膜层的结合能力，且能够降低负极和正极短接风险，提升电池单体的使用可靠性。

53、在一些实施方式中，第二功能层位于第一功能层远离基膜的一侧。第一功能层和第二功能层能够改善电池单体的使用可靠性。

54、在一些实施方式中，无机颗粒包括氧化硅、氧化铝、勃姆石、硫酸钡、氧化钙、氧化钛、氧化锌、氧化镁、氧化锆和氧化锡的一种或多种。无机颗粒能够提升隔离膜的耐热能力。

55、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。

56、在一些实施方式中，沿电池单体的长度方向，负极活性材料层的尺寸大于正极活性材料层的尺寸，且负极活性材料层的尺寸与正极活性材料层的尺寸差值为oh1；沿电池单体的宽度方向，负极活性材料层的尺寸大于正极活性材料层的尺寸，且负极活性材料层的尺寸与正极活性材料层的尺寸差值为oh2，oh1大于oh2。该种结构能够提升电池单体的使用可靠性。

57、在一些实施方式中，oh1为1mm至4mm；该种结构能够提升电池单体的使用可靠性。

58、在一些实施方式中，oh2为1.0mm至3.0mm。该种结构能够提升电池单体的使用可靠性。

59、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。

60、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。