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。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。

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，

3、其中，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硅基材料和碳基材料，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％；负极活性材料层的压实密度为1.25g/cm3至1.65g/cm3；电解液包括羧酸酯类溶剂，基于电解液的质量计，羧酸酯类溶剂在电解液中的质量含量为10％至60％。

5、在本技术实施方式中，限定硅元素的质量含量在适当范围内，能够在提高能量密度的基础上，减少因引入过多硅基材料可能带来的不利影响。配合硅元素的质量含量，将负极活性材料层的压实密度控制在较高范围内，提高颗粒紧实度，从而提升电池单体的能量密度；较高的压实密度会使负极活性材料层的曲折度增加，延长锂离子传输路径，不利于动力学性能提升。为此，本技术在电解液中添加了适当含量的羧酸酯类溶剂，提高电解液的离子电导率，加快锂离子在负极活性材料层中的液相传输速率，改善动力学性能并提升快速充电性能。同时，通过限定羧酸酯类溶剂的质量含量，配合硅元素含量，有效减缓负极侧的副反应程度，并进一步配合循环稳定的橄榄石结构的含锂磷酸盐，改善电池单体的循环性能。

6、在一些实施方式中，负极活性材料层的压实密度为1.35g/cm3至1.55g/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。

7、在一些实施方式中，负极活性材料层的孔隙率为25％至40％。负极活性材料层的孔隙率在上述范围内，能够改善负极活性材料层内电解液的浸润速率，提高液相扩散速率，有利于改善电池单体的快速充电能力。

8、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。

9、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。

10、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。

11、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。

12、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。

13、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。

14、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。

15、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。

16、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。

17、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。

18、在一些实施方式中，石墨颗粒的粉末电阻率为0.005ω·cm至0.04ω·cm。石墨颗粒的粉末电阻率在上述范围时，使得负极极片的电阻相对较低，有利于降低负极极片的内阻，改善电池单体的快速充电性能。

19、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。

20、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。

21、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。

22、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。

23、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。

24、在一些实施方式中，负极集流体的抗拉强度为300mpa至800mpa，可选为400mpa至500mpa。负极集流体的抗拉强度在上述范围时，负极集流体的机械强度较高，能够提高电池单体的循环性能。

25、在一些实施方式中，负极集流体的断裂延伸率为3％至13％，可选为5％至10％。负极集流体的断裂延伸率在上述范围时，负极集流体在接收应力的过程中能够更好地吸收能量，减少负极集流体断裂的风险，能够提升负极极片整体的循环稳定性，从而改善电池单体的循环性能。

26、在一些实施方式中，负极集流体的面密度为36g/m2至54g/m2。负极集流体的面密度在上述范围的情况下，使得负极集流体具有较为优异的机械强度，不易发生断裂，能够提升负极极片的循环稳定性，从而改善电池单体的循环性能。

27、在一些实施方式中，负极集流体包括铜或铜基合金。

28、在一些实施方式中，负极集流体包括支撑层和设置于支撑层至少一侧的导电层，支撑层包括高分子材料及高分子基复合材料的一种或多种，导电层包括铜或铜基合金。

29、在一些实施方式中，铜基合金包括铜镍合金、铜钛合金或铜银合金。

30、在一些实施方式中，高分子材料包括聚酰胺、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚丙乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚乙烯醇、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯磺酸钠、聚乙炔、硅橡胶、聚甲醛、聚苯醚、聚苯硫醚、聚乙二醇、聚氮化硫类、聚苯、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩、聚吡啶、纤维素、淀粉、蛋白质、环氧树脂、酚醛树脂的一种或多种；高分子基复合材料包括高分子材料和金属材料，金属材料包括镁、钙、锶、铅、锌、锡、锑、铋、银和钌的一种或多种。

31、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。

32、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。

33、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。

34、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。

35、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。

36、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。

37、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。

38、在一些实施方式中，电解液包括羧酸酯类溶剂，基于电解液的质量计，羧酸酯类溶剂的质量含量为30％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。

39、在一些实施方式中，羧酸酯类溶剂包括式i所示的化合物，

40、

41、式i中，

42、r1包括氢原子、c1至c5烷基或c1至c5卤代烷基，

43、r2包括c1至c5烷基或c1至c5卤代烷基。

44、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。

45、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。

46、在一些实施方式中，电解液还包括碳酸酯类溶剂，基于电解液的质量计，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。

47、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。

48、在一些实施方式中，电解液包括碳酸酯类添加剂，基于电解液的质量计，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，

49、

50、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。

51、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。

52、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。

53、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。

54、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。

55、在一些实施方式中，基于电解液的质量计，含硫添加剂的质量含量为0.3％至2％。含硫添加剂能够改善电池单体的循环性能。

56、在一些实施方式中，基于电解液的质量计，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。

57、在一些实施方式中，电解液还包括电解质锂盐，基于电解液的质量计，电解质锂盐的质量含量为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。

58、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。

59、在一些实施方式中，基于电解液的质量计，双氟磺酰亚胺锂的质量含量为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。

60、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。

61、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。

62、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。

63、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。

64、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。

65、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。

66、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。

67、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。

68、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；如此设置，有利于减少极耳占据空间，提升活性材料占据空间，从而提升电池单体的体积能量密度。

69、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，能够降低在装配过程中正负极耳的相互干涉风险。

70、在一些实施方式中，电池单体，还包括外壳，外壳包括端盖和壳体，壳体具有开口，端盖盖合于开口，壳体内容纳电极组件和电解液，壳体为长方体结构，壳体包括底壁和环绕设置于底壁外的侧壁，底壁与侧壁连接，且底壁与端盖相对设置；底壁的厚度为0.6mm至1.5mm；和/或侧壁的厚度为0.2mm至1.0mm。底壁的厚度在上述范围时，使得底壁的机械强度较高，能够提升电池单体的使用可靠性和循环性能。侧壁的厚度在上述范围时，侧壁占用空间较少，壳体内部空间较多，有利于提升电池单体的能量密度。

71、在一些实施方式中，壳体的材质包括铝、不锈钢的一种或多种。

72、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。

73、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。

74、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。