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下和快速充电性能以及循环性能等提出了更高的要求，但是相关技术无法兼顾电池单体的能量密度和快速充电性能以及循环性能。

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以及循环性能。

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和电解液，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，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，其中，

3、正极活性材料层包括橄榄石结构的含锂磷酸盐；

4、负极活性材料层包括线性聚合物碱金属盐、硅基材料和碳基材料，线性聚合物碱金属盐在负极活性材料层中的质量含量为0.3％至2％，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％。

5、在本技术实施方式通过限定硅元素的质量含量在适当范围，电池单体的体积能量密度得以提升，同时能够减少因硅基材料引入过多可能带来的体积膨胀问题；负极活性材料层中添加了适当含量的线性聚合物碱金属盐，其粘性能够有效粘结负极活性材料层中的颗粒，缓解硅基材料在充放电过程中的体积膨胀，其线性主链结构能够紧密包裹硅基材料，降低体积膨胀对固态电解质界面sei膜的不利影响；通过合理控制线性聚合物碱金属盐的用量，在改善硅基材料体积膨胀的同时，其粘结性不会显著影响电池单体的动力学性能，且基本不会降低负极极片的容量；此外，虽然硅基材料本身动力学性能较差，但线性聚合物碱金属盐的碱金属离子能够为负极活性材料层提供额外的碱金属离子，改善离子传输速率，进而提升电池单体的动力学性能，改善快速充电性能。综上，电池单体能够兼顾高能量密度、优异的循环性能和快速充电性能。

6、在一些实施方式中，线性聚合物碱金属盐在负极活性材料层中的质量含量为0.5％至2％，可选为0.7％至1.3％。线性聚合物碱金属盐的质量含量在上述范围时，对硅基材料的包裹效果更优异，更有利于兼顾电池单体的能量密度、循环性能和快速充电性能。

7、在一些实施方式中，线性聚合物碱金属盐的碱金属元素在线性聚合物碱金属盐中的质量含量为3％至7.5％；碱金属元素元素的质量含量在上述范围时，能够使得负极活性材料层中自由移动的碱金属离子数量相对较多，能够进一步缩短碱金属离子扩散至负极活性材料层表面的距离，提升碱金属离子的脱嵌速率，提升电池单体的快速充电性能。

8、在一些实施方式中，线性聚合物碱金属盐的碱金属元素包括锂、钠和钾的一种或多种元素。上述材质能够提供碱金属离子，改善负极活性材料层的动力学性能，提升电池单体的快速充电性能。

9、在一些实施方式中，线性聚合物碱金属盐的数均分子量为3kda至1000kda。线性聚合物碱金属盐的数均分子量在上述范围时，使得线性聚合物碱金属盐具有适当的粘度，一方面可以增加负极活性材料层中各颗粒的紧密程度，降低接触内阻，另一方面能够有效包裹硅基材料，缓解硅基材料的体积膨胀，改善电池单体的循环性能和快速充电性能。

10、在一些实施方式中，线性聚合物碱金属盐的多分散系数为1至1.5。线性聚合物碱金属盐的多分散系数在上述范围时，线性聚合物碱金属盐的分子量分布较为集中，线性聚合物碱金属盐的性能更均一，能够更有效地改善负极活性材料层的性能，有利于改善电池单体的循环性能和快速充电性能。

11、在一些实施方式中，线性聚合物碱金属盐包括聚丙烯酸碱金属盐和聚甲基丙烯酸碱金属盐的一种或多种。上述材质对硅基材料的包裹效果更优异，更有利于兼顾电池单体的能量密度、循环性能和快速充电性能。

12、在一些实施方式中，负极活性材料层还包括负极粘结剂，负极粘结剂包括包括丁苯橡胶、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。负极粘结剂能够提升负极活性材料层和负极集流体的结合力，能够提升负极极片的结构稳定性，改善电池单体的循环性能。

13、在一些实施方式中，负极粘结剂在负极活性材料层中的质量含量为0.5％至3.5％。负极粘结剂的质量含量在上述范围时，能够兼顾电池单体的能量密度和循环性能。

14、在一些实施方式中，负极活性材料层还包括碳纳米管，碳纳米管在负极活性材料层中的质量含量为0.01％至1％。碳纳米管一方面能够提升负极极片的导电性，另一方面，碳纳米管为线性结构，能够缠绕于硅基材料的表面，缓解硅基材料的体积膨胀，改善电池单体的快速充电性能和循环性能。

15、在一些实施方式中，碳纳米管的长度为1μm至5μm；上述尺寸的碳纳米管能够兼顾改善电池单体的快速充电性能和循环性能。

16、在一些实施方式中，碳纳米管包括单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的一种或多种。上述材质的碳纳米管能够兼顾改善电池单体的快速充电性能和循环性能。

17、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0.7％至3.5％。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容量，从而提高电池单体的能量密度。

18、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。

19、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。

20、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。

21、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。

22、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。

23、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。

24、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。

25、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。

26、在一些实施方式中，基于碳基材料的总质量计，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。

27、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。

28、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。

29、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。

30、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。

31、在一些实施方式中，第一负极活性材料层的线性聚合物碱金属盐在第一负极活性材料层中的质量含量大于等于第二负极活性材料层的线性聚合物碱金属盐在第二负极活性材料层中的质量含量。

32、第一负极活性材料层中线性聚合物碱金属盐的质量含量相对较高，线性聚合物碱金属盐为第一负极活性材料层提供的可自由移动的碱金属离子例如锂离子数量相对更多，能够进一步提升电池单体的快速充电性能。

33、在一些实施方式中，第一负极活性材料层的线性聚合物碱金属盐在第一负极活性材料层中的质量含量为0.3％至2.5％；线性聚合物碱金属盐中锂元素能够以离子形式存在，能够提升负极活性材料层中自由移动的碱金属离子例如锂离子数量，缩短锂离子扩散至负极活性材料层表面的距离，提升锂离子的脱嵌速率，提升电池单体的快速充电性能。

34、在一些实施方式中，第二负极活性材料层的线性聚合物碱金属盐在第二负极活性材料层中的质量含量为0.2％至1.5％。线性聚合物碱金属盐中锂元素能够以离子形式存在，能够提升负极活性材料层中自由移动的碱金属离子例如锂离子数量，缩短锂离子扩散至负极活性材料层表面的距离，提升锂离子的脱嵌速率，提升电池单体的快速充电性能。

35、在一些实施方式中，第一负极活性材料层的线性聚合物碱金属盐在第一负极活性材料层中的质量含量为a1％；第一负极活性材料层包括负极粘结剂，负极粘结剂包括包括丁苯橡胶、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，第一负极活性材料层的负极粘结剂在第一负极活性材料层中的质量含量为b1％；第二负极活性材料层的线性聚合物碱金属盐在第二负极活性材料层中的质量含量为a2％；第二负极活性材料层包括负极粘结剂，负极粘结剂包括包括丁苯橡胶、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，第二负极活性材料层的负极粘结剂在第二负极活性材料层中的质量含量为b2％，a1％+b1％≥a2％+b2％。

36、第一负极活性材料层的线性聚合物碱金属盐和负极粘结剂的总质量含量较高，使得负极活性材料层和负极集流体的结合力较强，在电池单体循环过程中，负极极片的循环稳定性较为优异，有利于改善电池单体的循环性能。

37、在一些实施方式中，a1％+b1％为0.5％至3.5％；和/或a2％+b2％为0.5％至2.5％。负极活性材料层满足上述条件时，有利于兼顾改善电池单体的循环性能和能量密度。

38、在一些实施方式中，第一负极活性材料层和第二负极活性材料层的厚度比为2:8至6:4，可选为3:7至5:5。第一负极活性材料层和第二负极活性材料层的厚度比值在上述范围内，能够进一步增加上下层的梯度孔隙差异，降低锂离子传输曲折度，提升电池单体的快速充电能力。

39、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。

40、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。

41、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。

42、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。

43、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。

44、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。

45、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。

46、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。

47、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。

48、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。

49、在一些实施方式中，电池单体包括电解液，电解液包括碳酸酯类添加剂，碳酸酯类添加剂在电解液中的质量含量为0.5％至10％，碳酸酯类添加剂包括碳酸亚乙烯酯和碳酸乙烯酯衍生物中的至少一种，碳酸乙烯酯衍生物包括式a所示的化合物，

50、

51、式a中，q1、q2、q3和q4各自独立地包括氢原子、卤素原子、c1至c5烷基、或c1至c5卤代烷基的任意一种，且q1、q2、q3、q4中的至少一者包括卤素原子、c1至c5烷基、或c1至c5卤代烷基。

52、碳酸酯类添加剂能够在负极侧优化sei膜的组分，缓解硅基材料的体积膨胀，能够改善电池单体的循环性能和快速充电性能。

53、在一些实施方式中，碳酸酯类添加剂在电解液中的质量含量为2％至10％。

54、碳酸酯类添加剂能够在负极侧优化sei膜的组分，缓解硅基材料的体积膨胀，能够改善电池单体的循环性能和快速充电性能。

55、在一些实施方式中，碳酸酯类添加剂在电解液中的质量含量为0.5％至8％，可选为1％至6％。碳酸酯类添加剂能够在负极侧优化sei膜的组分，缓解硅基材料的体积膨胀，能够改善电池单体的循环性能和快速充电性能。

56、在一些实施方式中，碳酸乙烯酯衍生物包括氟代碳酸乙烯酯、双氟代碳酸乙烯酯和三氟甲基碳酸乙烯酯的一种或多种。在碳酸乙烯酯衍生物包括氟原子的情况下，碳酸乙烯酯衍生物能够在负极侧形成富含f和li的膜层，能够在防护负极活性材料的基础上，使得膜层的阻抗较低，能够更有效地兼顾改善电池单体的能量密度、快速充电性能和循环性能。

57、在一些实施方式中，电解液还包括含硫添加剂，含硫添加剂包括硫酸乙烯酯、双硫酸乙烯酯、亚硫酸丁烯酯、1,3-丙磺酸内酯、亚硫酸乙烯酯和甲基二磺酸亚甲酯的一种或多种；含硫添加剂均能够在负极侧形成致密的sei膜，能够有效缓解电解液与负极活性材料发生副反应的风险，降低产气量，并改善电池单体的循环性能。

58、在一些实施方式中，电解液还包括锂盐类添加剂，锂盐类添加剂包括二氟磷酸锂、二氟草酸硼酸锂、四氟硼酸锂和双草酸硼酸锂的一种或多种。锂盐类添加剂配合参与成膜，能够优化sei膜的膜层组分，锂盐类添加剂能够参与形成富含无机物的sei膜，无机物能够提升sei膜的高温稳定性和高压稳定性，提升电池单体的循环性能。

59、在一些实施方式中，含硫添加剂在电解液中的质量含量为0.3％至2％。含硫添加剂能够改善电池单体的循环性能。

60、在一些实施方式中，锂盐类添加剂在电解液中的质量含量为0.1％至3％。锂盐类添加剂能够改善电池单体的循环性能。

61、在一些实施方式中，电解液包括羧酸酯类溶剂，羧酸酯类溶剂在电解液中的质量含量为10％至60％。羧酸酯类溶剂的质量含量在上述范围时，有利于锂离子的迁移，能够提升电池单体的快速充电性能和循环性能。

62、在一些实施方式中，羧酸酯类溶剂包括式i所示的化合物，

63、

64、式i中，

65、r1包括氢原子、c1至c5烷基或c1至c5卤代烷基，

66、r2包括c1至c5烷基或c1至c5卤代烷基。

67、上述羧酸酯类溶剂有利于锂离子的迁移，有利于提升电池单体的快速充电能力。

68、在一些实施方式中，羧酸酯类溶剂包括甲酸甲酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯、丁酸甲酯和丁酸乙酯的一种或多种。上述羧酸酯类溶剂有利于锂离子的迁移，有利于提升电池单体的快速充电能力。

69、在一些实施方式中，电解液还包括碳酸酯类溶剂，碳酸酯类溶剂在电解液中的质量含量为20％至70％。上述质量含量的碳酸酯类溶剂，能够进一步提高电解液于室温下的电导率，有利于锂离子的迁移，能够改善电池单体的快速充电性能和循环性能。

70、在一些实施方式中，碳酸酯类溶剂包括碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸丁烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯的一种或多种。上述碳酸酯类溶剂和羧酸酯类溶剂配合使用，有利于锂离子的迁移，能够改善电池单体的快速充电性能和循环性能。

71、在一些实施方式中，电解液还包括电解质锂盐，电解质锂盐在电解液中的质量含量为10％至18％。电解质锂盐的质量含量在上述范围时，有利于锂离子的快速迁移，且电解液体系相对稳定，不易分解，能够提升电池单体的循环性能和快速充电性能。

72、在一些实施方式中，电解质锂盐包括双氟磺酰亚胺锂和六氟磷酸锂。电解质锂盐包括上述组分时，能够兼顾改善电池单体的循环性能和快速充电性能。

73、在一些实施方式中，双氟磺酰亚胺锂在电解液中的质量含量为4％至6％。双氟磺酰亚胺锂lifsi的摩尔浓度在上述范围时，使得六氟磷酸锂的添加量相对较低，能够降低六氟磷酸锂的产酸量，改善负极侧的界面稳定，有利于改善电池单体的循环性能。

74、在一些实施方式中，电池单体的体积能量密度为440wh/l至520wh/l。

75、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。

76、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。