正极极片、电化学装置及包含其的电子装置的制作方法

正极极片、电化学装置及包含其的电子装置
1.本发明是申请号为201811309416.6，申请日为2018年11月5日，发明名称为“正极极片、电化学装置及包含其的电子装置”的分案申请。
技术领域
2.本技术的实施例涉及电化学装置技术领域，更具体地，涉及正极极片和锂离子电池。


背景技术：

3.电化学装置(例如，锂离子电池)已伴随着科技的进步及环保要求的提高进入了我们日常的生活。随着锂离子电池的大量普及，在用户端偶尔会出现因外力刺破锂离子电池导致的安全问题，其安全性能越来越受到人们的重视，尤其是一些手机爆炸事件的持续发酵，使得包括使用者、售后端及锂离子电池生产厂商都对锂离子电池的安全性能提出了新的要求。
4.目前改善锂离子电池安全的方法都是以牺牲锂离子电池的能量密度为代价，因此，急需提供一种在较高能量密度的条件下，能够显著提高锂离子电池安全性能的技术手段。


技术实现要素：

5.本技术的实施例的目的之一在于提供一种正极极片，其活性物质层采用双层结构并在上下活性物质层间形成一个过渡层以提升上下活性物质层间的粘结力，进而使其电化学装置在具有较高的能量密度及良好的循环特性下，有效提升电化学装置在穿刺测试中的安全性能表现。
6.本技术的一些实施例提供了一种正极极片，所述正极极片包括正极集流体、第一正极活性物质层及第二正极活性物质层。所述第一正极活性物质层包括第一正极活性物质。所述第二正极活性物质层包括第二正极活性物质。其中，所述第一正极活性物质层设置于所述正极集流体和所述第二正极活性物质层之间，所述第一正极活性物质层形成在所述正极集流体至少一个表面上。其中，所述第二正极活性物质嵌入所述第一正极活性物质层中并在所述第一正极活性物质层与所述第二正极活性物质层的交界处与所述第一正极活性物质形成连续的过渡层。
7.根据本技术的一些实施例，所述第一正极活性物质层的厚度在约0.5μm～约30μm的范围内，且所述第二正极活性物质层的厚度在约30μm～约80μm的范围内。
8.根据本技术的一些实施例，所述第一正极活性物质的体积累积90％的粒径为约30μm以下，所述体积累积90％的粒径是指，在体积基准的粒度分布中，从小粒径测起、达到体积累积90％的粒径。
9.根据本技术的一些实施例，所述第一正极活性物质的平均粒径为约0.2μm～约15μm，且所述第一正极活性物质与所述第二正极活性物质的平均粒径的比为约1:1～约1:40。
10.根据本技术的一些实施例，所述第一正极活性物质和所述第二正极活性物质各自独立地选自由钴酸锂、磷酸铁锂、磷酸铁钠、磷酸锰铁锂、磷酸钒锂、磷酸钒钠、磷酸钒氧锂、磷酸钒氧钠、钒酸锂、锰酸锂、镍酸锂、镍钴锰酸锂、富锂锰基材料、镍钴铝酸锂、钛酸锂及其组合所组成的群组。
11.根据本技术的一些实施例，所述第一正极活性物质层、所述第二正极活性物质层及所述过渡层包括粘结剂，所述粘结剂选自由聚偏氟乙烯、偏氟乙烯
‑
六氟丙烯的共聚物、聚酰胺、聚丙烯腈、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸、聚丙烯酸盐、羧甲基纤维素钠、聚乙烯呲咯烷酮、聚乙烯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚六氟丙烯、丁苯橡胶及其组合所组成的群组。
12.根据本技术的一些实施例，所述第一正极活性物质层的所述粘结剂的含量以所述第一正极活性物质层的总重量计为约1.5重量％～约6重量％，所述第二正极活性物质层的所述粘结剂的含量以所述第二正极活性物质层的总重量计为约0.5重量％～约4重量％。
13.根据本技术的一些实施例，所述第一正极活性物质层的所述粘结剂的含量大于所述第二正极活性物质层的所述粘结剂的含量。
14.根据本技术的一些实施例，所述过渡层的所述粘结剂的含量大于所述第一正极活性物质层和所述第二正极活性物质层的所述粘结剂的含量。
15.根据本技术的一些实施例，所述第一正极活性物质层包括第一导电剂，以及所述第二正极活性物质层包括第二导电剂，其中所述第一导电剂及所述第二导电剂各自独立地选自由碳纳米管、导电炭黑、乙炔黑、石墨烯、科琴黑及其组合所组成的群组。
16.根据本技术的一些实施例，所述第一导电剂的含量以所述第一正极活性物质层的总重量计为约0.5重量％～约5重量％，及所述第二导电剂的含量以所述第二正极活性物质层的总重量计为约0.5重量％～约5重量％。
17.根据本技术的一些实施例，所述第一导电剂的比表面积与所述第一正极活性物质的比表面积的比值约小于或等于11。
18.根据本技术的一些实施例，所述第一正极活性物质的比表面积为约0.2m2/g至约18m2/g。
19.本技术的一些实施例提供了一种电化学装置，其包括上述实施例中所述的正极极片。
20.本技术的一些实施例提供了一种电子装置，其包括上述实施例中所述的电化学装置。
附图说明
21.在下文中将简要地说明为了描述本技术实施例或现有技术所必要的附图以便于描述本技术的实施例。显而易见地，下文描述中的附图仅只是本技术中的部分实施例。对本领域技术人员而言，在不需要创造性劳动的前提下，依然可以根据这些附图中所例示的结构来获得其他实施例的附图。
22.图1是采用双重冷压制程的正极极片的结构示意图。
23.图2是根据本技术一些实施例的正极极片的结构示意图。
24.图3是根据本技术实施例的正极极片的电子显微镜的横截面放大图。
25.图4是根据本技术实施例的正极极片经过剥离测试后的电子显微镜的横截面放大
图。
26.图5是未经过任何冷压处理的正极极片的电子显微镜的横截面放大图。
具体实施方式
27.本技术的实施例将会被详细的描示在下文中。在本技术说明书全文中，将相同或相似的组件以及具有相同或相似的功能的组件通过类似附图标记来表示。在此所描述的有关附图的实施例为说明性质的、图解性质的且用于提供对本技术的基本理解。本技术的实施例不应该被解释为对本发明的限制。
28.在本说明书中，除非经特别指定或限定之外，相对性的用词例如：“中央的”、“纵向的”、“侧向的”、“前方的”、“后方的”、“右方的”、“左方的”、“内部的”、“外部的”、“较低的”、“较高的”、“水平的”、“垂直的”、“高于”、“低于”、“上方的”、“下方的”、“顶部的”、“底部的”以及其衍生性的用词(例如“水平地”、“向下地”、“向上地”等等)应该解释成引用在讨论中所描述或在附图中所描示的方向。这些相对性的用词仅用于描述上的方便，且并不要求将本技术以特定的方向建构或操作。
29.另外，有时在本文中以范围格式呈现量、比率和其它数值。应理解，此类范围格式是用于便利及简洁起见，且应灵活地理解，不仅包含明确地指定为范围限制的数值，而且包含涵盖于所述该范围内的所有个别数值或子范围，如同明确地指定每一数值及子范围一般。
30.再者，为便于描述，“第一”、“第二”、“第三”等等可在本文中用于区分一个图或一系列图的不同组件。除非经特别指定或限定之外，“第一”、“第二”、“第三”等等不意欲描述对应组件。
31.如本文中所使用，术语“约”用以描述及说明小的变化。当与事件或情形结合使用时，所述术语可指代其中事件或情形精确发生的例子以及其中事件或情形极近似地发生的例子。举例来说，当结合数值使用时，术语可指代小于或等于所述数值的
±
10％的变化范围，例如小于或等于
±
5％、小于或等于
±
4％、小于或等于
±
3％、小于或等于
±
2％、小于或等于
±
1％、小于或等于
±
0.5％、小于或等于
±
0.1％、或小于或等于
±
0.05％。另外，有时在本文中以范围格式呈现量、比率和其它数值。应理解，此类范围格式是用于便利及简洁起见，且应灵活地理解，不仅包含明确地指定为范围限制的数值，而且包含涵盖于所述范围内的所有个别数值或子范围，如同明确地指定每一数值及子范围一般。
32.本技术的实施例通过提供一种正极极片，其活性物质层采用双层结构且该活性物质层在制备过程中采用先涂覆两层活性物质层再一同冷压的工艺，使其在第一正极活性物质层与第二正极活性物质层之间形成一层过渡层，有效的提高了其第一正极活性物质层与第二正极活性物质层之间的粘结力并降低了第一正极活性物质层与第二正极活性物质层相互脱落的可能性，从而确保其电化学装置(如锂离子电池)在具有较高的能量密度及循环特性下，提升了锂离子电池在相应的测试(即穿钉(nail)测试)中的安全性能表现。
33.锂离子电池的电极组件通常包括正极极片、负极极片、隔离膜以及电解液等。负极极片包括负极集流体和涂覆在负极集流体上的负极活性物质层。正极极片包括正极集流体、正极活性物质层等。其中，通过在正极集流体上形成具有双层结构的正极活性物质层，即具有高粘结性、高电阻的下层正极活性物质层与较低粘结性、低电阻的上层正极活性物
质层，可以使锂离子电池维持在一个较高的能量密度的情况下，有效的避免当其受到外力破坏时(如钉子穿透)出现正极集流体与负极活性物质层间的短路模式，从而避免锂离子电池的燃烧失效。
34.然而，在制备具有双层结构活性物质层的正极极片时，倘若先对下层正极活性物质层进行烘干后冷压，再涂覆上层正极活性物质层以进行烘干及再冷压，上述过程会造成该下层正极活性物质层与该上层正极活性物质层间形成一个明显的界面，使得该上下层正极活性物质层间的接触面积减少，从而降低该上层正极活性物质层与该下层正极活性物质层的粘结力，同时会导致上层正极活性物质层和下层正极活性物质层之间的界面阻抗增大，影响锂离子电池的电化学性能。
35.以下将结合图1与图2说明本技术实施例提供的正极活性物质层的技术优势。图1是采用双重冷压制程所获得的具有双层结构活性物质层的正极极片的结构示意图。图2是根据本技术一些实施例的正极极片的结构示意图。
36.图1所示为采用双重冷压制程所获得的具有双层结构活性物质层的正极极片，其正极集流体11的表面上设置了两层活性物质层12及13，且活性物质层12与13之间存在一个明显的交界面。为了更好地区分，下文将活性物质层12称为第一正极活性物质层，将活性物质层13称为第二正极活性物质层，本领域技术人员应理解这仅是为了更好地描述因而并不对本技术进行限制。
37.图1所示具有双层结构活性物质层的正极极片的制备工艺采用了两次的冷压处理，即在正极集流体11的表面上先涂覆一层第一正极活性物质层浆料，其中该第一正极活性物质层浆料可以包含粘结剂及第一导电剂，并将该第一正极活性物质层浆料烘干，随后对其进行第一次冷压形成第一正极活性物质层，再在冷压后的第一正极活性物质层上涂覆第二正极活性物质层浆料，其中该第二正极活性物质层浆料可以包含粘结剂及第二导电剂，将其烘干后再进行第二次冷压形成第二正极活性物质层。
38.其中，由于在上述制备工艺中对第一正极活性物质层先进行了第一次冷压，因此该第一正极活性物质层中的第一正极活性物质的颗粒堆积较为密集，使得该第一正极活性物质的颗粒间的孔隙较小，从而使得该第一正极活性物质层的表面变的较为光滑平整。当进行第二正极活性物质层浆料的涂覆时，第二正极活性物质层浆料(例如，第二正极活性物质颗粒)会较难渗入或嵌入到第一正极活性物质层中，从而导致第一正极活性物质层与第二正极活性物质层间的接触面积小、相互作用力弱以及粘结力不足的状况。此外，由于第一正极活性物质层中的粘结剂在通过第一次冷压后对第一正极活性物质层内的粘结效果增强，当进行第二正极活性物质层浆料的涂覆时，第二正极活性物质层中的粘结剂不容易与第一正极活性物质层中的粘结剂互溶，使得第一正极活性物质层与第二正极活性物质层间的粘结力进一步下降。
39.如图1所示，由于第一正极活性物质层与第二正极活性物质层间的接触面积小、作用力弱及粘结力低，其明显的交界面往往会导致第二正极活性物质层的脱落，破坏锂离子电池内电极组件的导电网路，从而导致电极组件中的阻抗增大，加快电极组件的容量衰减和降低电极组件的使用寿命。
40.本技术的一些实施例通过改善具有双层结构活性物质层的正极极片的制备工艺，提供了一种正极极片以改善第一正极活性物质层与第二正极活性物质层间粘结力低的问
题。
41.如图2所示，所述正极极片包含正极集流体11、第一正极活性物质层12以及第二正极活性物质层13，其中所述第一正极活性物质层12设置于所述正极集流体11和所述第二正极活性物质层13之间，所述第一正极活性物质层12形成在所述正极集流体11至少一个表面上。所述第一正极活性物质层12和所述第二正极活性物质层13分别含有第一正极活性物质和第二正极活性物质，其中所述第二正极活性物质嵌入所述第一正极活性物质层12中并在所述第一正极活性物质层12与所述第二正极活性物质层13的交界处与所述第一正极活性物质形成连续的过渡层14。
42.相对于双重冷压制程，本技术实施例采用如下工艺制备具有双层结构活性物质层的正极极片。首先在正极集流体11的表面上先涂覆一层第一正极活性物质层浆料，其中所述第一正极活性物质层浆料可以包含粘结剂及第一导电剂，并将所述第一正极活性物质层浆料烘干，随后形成颗粒堆叠较为松散且具有大量孔隙的第一正极活性物质层12。接着在第一正极活性物质层12上涂覆第二正极活性物质层浆料，其中所述第二正极活性物质层浆料可以包含粘结剂及第二导电剂，并将其烘干后形成第二正极活性物质层13。随后对所述第二正极活性物质层13及所述第一正极活性物质层12一同进行冷压形成具有双层结构活性物质层的正极极片，其中所述冷压的压力范围为约10t～约120t且冷压的走带速度(即冷压速度)为约1m/min～约50m/min。
43.图3是根据本技术实施例的正极极片的电子显微镜的横截面放大图。
44.相较于双重冷压制程的制备工艺，本技术实施例中的正极极片的制备工艺省略了在第二正极活性物质层浆料涂覆前的冷压处理，由于所述第一正极活性物质层12没有进行过冷压处理，所述第一正极活性物质层12中的孔隙较大、颗粒堆积较松散且表面较为粗糙，当在所述第一正极活性物质层12上涂覆所述第二正极活性物质层浆料时，所述第二正极活性物质层浆料会渗入所述第一正极活性物质层12中且所述第二正极活性物质层13中的粘结剂会与所述第一正极活性物质层12中的粘结剂互溶。如图3所示，在通过后续的烘干以及冷压处理所形成的正极极片中，其第二正极活性物质会嵌入到所述第一正极活性物质层12中并在所述第一正极活性物质层12与所述第二正极活性物质层13的交界处与其周遭的第一正极活性物质形成一连续的过渡层14。在所述过渡层中，第一正极活性物质与第二正极活性物质彼此呈不规则交错排列，其导致了所述第一正极活性物质层12与所述第二正极活性物质层13间不存在明显的交界面。此外，由于所述过渡层14的形成，所述第一正极活性物质层12与所述第二正极活性物质层13间的第一正极活性物质与第二正极活性物质彼此的接触面积增大、相互作用力增强以及粘结力提升，从而使所述第二正极活性物质层13在受到外力的状况下(如钉子穿透)从所述第一正极活性物质层12脱落的机率降低，有效的避免了正极集流体与负极活性物质层直接接触导致的产热功率最大的短路方式出现。最后，由于第一正极活性物质与第二正极活性物质彼此的接触面积增大及相互作用力增强，所述第一正极活性物质与所述第二正极活性物质交界处的阻抗降低，从而提高锂离子电池中电极组件的锂离子交换，进而提升锂离子电池的循环性能。
45.图4是根据本技术实施例的正极极片经过剥离测试后的电子显微镜的横截面放大图。如图4所示，当对本技术正极极片进行剥离测试时，剥离位置主要在所述第二正极活性物质层13中，而所述正极集流体11与所述第一正极活性物质层12的界面、所述第一正极活
性物质层12以及所述过渡层14不会发生剥离，其说明了所述过渡层中的所述第一正极活性物质与所述第二正极活性物质通过“相互咬合”作用，提升了其粘结力。
46.在本技术的一些实施例中，所述第一正极活性物质具有较小的颗粒度，从而能够对所述正极集流体实现较高的覆盖和粘结作用。对于活性物质颗粒度的测量，可以通过马尔文粒度测试仪进行测量：将活性物质分散在分散剂中(乙醇或丙酮，或其他的表面活性剂中)，超声30min后，将样品加入到马尔文粒度测试仪内，开始测试。所述第一正极活性物质在体积基准的粒度分布中，从小粒径侧起、达到体积累积50％的粒径(dv50)的范围为约0.2μm～约15μm，同时所述第一正极活性物质在体积基准的粒度分布中，从小粒径侧起、达到体积累积90％的粒径(dv90)的范围为小于或等于约30μm。
47.在本技术的一些实施例中，为了避免所述第二正极活性物质层13中的所述第二正极活性物质在冷压时对所述第一正极活性物质层12的破坏以及保证所述第一正极活性物质层12和所述第二正极活性物质层13粘结能力的最大化，所述第一正极活性物质的dv50：所述第二正极活性物质dv50为约1：1～约40：1。
48.根据本技术的一些实施例，所述第一正极活性物质和所述第二正极活性物质各自独立地选择包括的活性物质，所述活性物质选自由钴酸锂、磷酸铁锂、磷酸铁钠、磷酸锰铁锂、磷酸钒锂、磷酸钒钠、磷酸钒氧锂、磷酸钒氧钠、钒酸锂、锰酸锂、镍酸锂、镍钴锰酸锂、富锂锰基材料、镍钴铝酸锂、钛酸锂及其组合所组成的群组。
49.在本技术一些实施例中，所述第一正极活性物质层12和所述第二正极活性物质层13还包括粘结剂，所述粘结剂包括但不限于聚偏氟乙烯、偏氟乙烯
‑
六氟丙烯的共聚物、聚酰胺、聚丙烯腈、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸、聚丙烯酸盐、羧甲基纤维素钠、聚乙烯呲咯烷酮、聚乙烯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚六氟丙烯和丁苯橡胶中的一种及其组合。所述第一正极活性物质层12的粘结剂的含量以所述第一正极活性物质层12的总重量计为约1.5重量％～约6重量％，所述第二正极活性物质层13的粘结剂的含量以所述第二正极活性物质层13的总重量计为约0.5重量％～约4重量％。
50.在本技术一些实施例中，所述第一正极活性物质层12的粘结剂的含量大于所述第二正极活性物质层13的粘结剂的含量，从而确保所述第一正极活性物质层12与所述正极集流体11间的粘结力，也避免穿钉测试时发生正极集流体
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负极活性物质层或正极集流体
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钢钉
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负极活性物质层的短路方式。此外，由于所述第一正极活性物质层12的粘结剂的含量较高，因此所述第一正极活性物质层12具有高电阻性质。穿钉时短路电阻较大，短路功率较低，因此可以阻止电极组件热失控现象。
51.在本技术一些实施例中，所述第一正极活性物质层12在冷压处理前需要一定的厚度，才能确保所述第一正极活性物质层12与所述第二正极活性物质层13彼此之间的粘结力。此外，由于所述第一正极活性物质层12中的粘结剂含量比所述第二正极活性物质层13中的粘结剂含量多，因此所述第一正极活性物质层12的厚度也不能太厚，否则会降低锂离子电池的能量密度。
52.在本技术的一些实施例中，所述第一正极活性物质层12的厚度为约0.5μm～约30μm。特别的，所述第一正极活性物质层12的厚度不小于所述第一正极活性物质的dv90，从而保证所述第一正极活性物质层12在所述正极集流体11上的覆盖度。其中，所述覆盖度为待涂覆区域的总涂覆面积减去通过涂覆层中的孔隙暴露的待涂覆层的暴露面积与所述总涂
覆面积的百分比。
53.所述第一正极活性物质由于颗粒较小，其压实密度会比较低，因此锂离子电池要实现高能量密度，就要增加所述第二正极活性物质层13的厚度占比。在本技术的一些实施例中，所述第二正极活性物质层13的厚度为约30μm～约80μm，所述第二正极活性物质层13越厚，锂离子电池的能量密度越高。
54.在本技术一些实施例中，在冷压处理的过程中，由于所述第一正极活性物质层12中的粘结剂的上浮以及所述第二正极活性物质层13中的粘结剂的下渗，进而导致所述第一正极活性物质层12中的粘结剂会与所述第二正极活性物质层13中的粘结剂产生互溶。因此，在所述第一正极活性物质层12与所述第二正极活性物质层13的交界处的所述过渡层14中的粘结剂的含量大于所述第一正极活性物质层12和所述第二正极活性物质层13的所述粘结剂的含量。
55.在本技术一些实施例中，所述第一正极活性物质层包括第一导电剂且所述第二正极活性物质层包括第二导电剂，其中所述第一导电剂及所述第二导电剂包括，但不限于，碳纳米管、导电炭黑、乙炔黑、石墨烯和科琴黑中的一种及其组合。
56.在本技术一些实施例中，所述第一导电剂的含量以所述第一正极活性物质层的总重量计为约0.5重量％～约5重量％，且所述第二导电剂的含量以所述第二正极活性物质层的总重量计为约0.5重量％～约5重量％。
57.在本技术的一些实施例中，所述第一正极活性物质的比表面积为约0.2m2/g至约18m2/g。所述第一正极活性物质的比表面积过小，第一正极活性物质的颗粒较大，会导致所述第一正极活性物质层较难实现较高的覆盖度，进而降低锂离子电池的安全性能。相对的，所述第一正极活性物质的比表面积过大则会导致与电解液的副反应加剧，进而降低锂离子电池的循环性能，导致锂离子电池的电化学性能恶化。
58.在本技术的一些实施例中，所述第一导电剂的比表面积与第一正极活性物质的比表面积的比值小于或等于11。通过控制所述第一导电剂的比表面积与第一正极活性物质的比表面积的比率，可以调节所述第一正极活性物质层的电阻使其保持在合适的范围，使得穿钉测试时，所述正极集流体和钉子之间的电阻显著增加，从而避免了正极集流体
‑
钢钉
‑
负极活性物质层的短路方式的出现，防止了由于短路引起的着火或爆炸，从而提升了锂离子电池的安全性能。
59.此外，可以对所述第一正极活性物质层12或所述第二正极活性物质层13进行一些其他处理，或者对所述正极集流体11进行一些处理，如粗糙度处理、热处理等，其作用原理或者作用效果可以是增强对正极集流体的粘结，虽然本技术中未涉详细描述，但其包括在本技术的范围内。
60.本技术的一些实施例还提供了包括本技术正极极片的电化学装置。在一些实施例中，所述电化学装置为锂离子电池。锂离子电池包括含有本技术的正极极片、负极极片、隔离膜以及电解质，其中所述负极极片包括负极活性物质层与负极集流体。
61.本技术一些实施例中的正极极片的正极集流体可以为铝箔或镍箔，负极极片的负极集流体可为铜箔或镍箔，然而，可以采用本领域常用的其他正极集流体及负极集流体。
62.负极活性物质层的导电剂和粘结剂与上面描述的正极活性物质层的导电剂和粘结剂类似，在此不再赘述。所述负极活性物质层包含负极活性物质，其包括，但不限于，选自
由碳材料、金属化合物、氧化物、硫化物、锂的氮化物例如lin3、锂金属、与锂一起形成合金的金属元素和半金属元素、聚合物材料及其组合所组成的群组。
63.在上述负极活性物质中，所述碳材料的实例可以包括低石墨化的碳、易石墨化的碳、人造石墨、天然石墨、中间相碳微球、软碳、硬碳、热解碳、焦炭、玻璃碳、有机聚合物化合物烧结体、碳纤维和活性碳。其中，焦炭可以包括沥青焦炭、针状焦炭和石油焦炭。有机聚合物化合物烧结体指的是通过在适当的温度下煅烧聚合物材料例如苯酚塑料或者呋喃树脂以使之碳化获得的材料，将这些材料中的一些分成低石墨化碳或者易石墨化的碳。聚合物材料的实例可以包括聚乙炔和聚吡咯。
64.在上述负极活性物质中，更进一步地，选择充电和放电电压接近于锂金属的充电和放电电压的材料。这是因为负极活性物质的充电和放电电压越低，电池越容易具有更高的能量密度。其中，负极活性物质可以选择碳材料，因为在充电和放电时它们的晶体结构只有小的变化，因此，可以获得良好的循环特性以及大的充电和放电容量。尤其可以选择石墨，因为它可以给出大的电化学当量和高的能量密度。
65.此外，所述负极活性物质可以包括单质锂金属、能够和锂(li)一起形成合金的金属元素和半金属元素，包括这样的元素的合金和化合物等。特别地，将它们和碳材料一起使用，因为在这种情况中，可以获得良好的循环特性以及高能量密度。除了包括两种或者多种金属元素的合金之外，这里使用的合金还包括包含一种或者多种金属元素和一种或者多种半金属元素的合金。该合金可以处于以下状态固溶体、共晶晶体(共晶混合物)、金属间化合物及其混合物。
66.上述金属元素和半金属元素的实例可以包括锡(sn)、铅(pb)、铝(al)、铟(in)、硅(si)、锌(zn)、锑(sb)、铋(bi)、镉(cd)、镁(mg)、硼(b)、镓(ga)、锗(ge)、砷(as)、银(ag)、锆(zr)、钇(y)和铪(hf)。上述合金和化合物的实例可以包括具有化学式：ma
s
mb
t
li
u
的材料和具有化学式：ma
p
mc
q
md
r
的材料。在这些化学式中，ma表示能够与锂一起形成合金的金属元素和半金属元素中的至少一种元素；mb表示除锂和ma之外的金属元素和半金属元素中的至少一种元素；mc表示非金属元素中的至少一种元素；md表示除ma之外的金属元素和半金属元素中的至少一种元素；并且s、t、u、p、q和r满足s＞0、t≥0、u≥0、p＞0、q＞0和r≥0。
67.此外，可以在所述负极活性物质层中使用不包括锂(li)的无机化合物，例如mno2、v2o5、v6o
13
、nis和mos。
68.本技术一些实施例中的隔离膜包括，但不限于，选自聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺和芳纶中的至少一种。举例来说，聚乙烯包括选自高密度聚乙烯、低密度聚乙烯和超高分子量聚乙烯中的至少一种组分。尤其是聚乙烯和聚丙烯，它们对防止短路具有良好的作用，并可以通过关断效应改善电池的稳定性。
69.所述隔离膜的表面还可包括多孔层，所述多孔层设置在所述隔离膜的至少一个表面上，所述多孔层包括无机颗粒和粘结剂，所述无机颗粒选自氧化铝(al2o3)、氧化硅(sio2)、氧化镁(mgo)、氧化钛(tio2)、二氧化铪(hfo2)、氧化锡(sno2)、二氧化铈(ceo2)、氧化镍(nio)、氧化锌(zno)、氧化钙(cao)、氧化锆(zro2)、氧化钇(y2o3)、碳化硅(sic)、勃姆石、氢氧化铝、氢氧化镁、氢氧化钙和硫酸钡中的一种或多种的组合。所述粘结剂选自聚偏氟乙烯、偏氟乙烯
‑
六氟丙烯的共聚物、聚酰胺、聚丙烯腈、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸、聚丙烯酸盐、羧甲基纤维素钠、聚乙烯呲咯烷酮、聚乙烯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯和聚六氟丙
烯中的一种或多种的组合。
70.所述多孔层可以提升所述隔离膜的耐热性能、抗氧化性能和电解液浸润性能，增强所述隔离膜与正极极片或负极极片之间的粘接性。
71.本技术的锂离子电池还包括电解质，所述电解质可以是凝胶电解质、固态电解质和电解液中的一种或多种，电解液包括锂盐和非水溶剂。
72.在本技术一些实施例中，所述锂盐选自lipf6、libf4、liasf6、liclo4、lib(c6h5)4、lich3so3、licf3so3、lin(so2cf3)2、lic(so2cf3)3、lisif6、libob和二氟硼酸锂中的一种或多种。举例来说，锂盐可以选用lipf6，因为它可以给出高的离子导电率并改善循环特性。
73.所述非水溶剂可为碳酸酯化合物、羧酸酯化合物、醚化合物、其它有机溶剂或它们的组合。
74.上述碳酸酯化合物可为链状碳酸酯化合物、环状碳酸酯化合物、氟代碳酸酯化合物或其组合。
75.上述链状碳酸酯化合物的实例为碳酸二乙酯(dec)、碳酸二甲酯(dmc)、碳酸二丙酯(dpc)、碳酸甲丙酯(mpc)、碳酸乙丙酯(epc)、碳酸甲乙酯(mec)及其组合。所述环状碳酸酯化合物的实例为碳酸亚乙酯(ec)、碳酸亚丙酯(pc)、碳酸亚丁酯(bc)、碳酸乙烯基亚乙酯(vec)、丙酸丙酯(pp)及其组合。所述氟代碳酸酯化合物的实例为碳酸氟代亚乙酯(fec)、碳酸1,2
‑
二氟亚乙酯、碳酸1,1
‑
二氟亚乙酯、碳酸1,1,2
‑
三氟亚乙酯、碳酸1,1,2,2
‑
四氟亚乙酯、碳酸1
‑
氟
‑2‑
甲基亚乙酯、碳酸1
‑
氟
‑1‑
甲基亚乙酯、碳酸1,2
‑
二氟
‑1‑
甲基亚乙酯、碳酸1,1,2
‑
三氟
‑2‑
甲基亚乙酯、碳酸三氟甲基亚乙酯及其组合。
76.上述羧酸酯化合物的实例为乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸正丙酯、乙酸叔丁酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯、γ
‑
丁内酯、癸内酯、戊内酯、甲瓦龙酸内酯、己内酯、甲酸甲酯及其组合。
77.上述醚化合物的实例为二丁醚、四甘醇二甲醚、二甘醇二甲醚、1,2
‑
二甲氧基乙烷、1,2
‑
二乙氧基乙烷、乙氧基甲氧基乙烷、2
‑
甲基四氢呋喃、四氢呋喃及其组合。
78.上述其它有机溶剂的实例为二甲亚砜、1,2
‑
二氧戊环、环丁砜、甲基环丁砜、1,3
‑
二甲基
‑2‑
咪唑烷酮、n
‑
甲基
‑2‑
吡咯烷酮、甲酰胺、二甲基甲酰胺、乙腈、磷酸三甲酯、磷酸三乙酯、磷酸三辛酯、和磷酸酯及其组合。
79.在本技术一些实施例中，将上述正极极片、隔离膜、负极极片按顺序卷绕或堆叠成电极组件，之后装入例如铝塑膜中，注入电解液，化成、封装，即制成锂离子电池。
80.本领域的技术人员将理解，虽然上面以锂离子电池进行了举例说明，本技术的电化学装置进一步包含其他任何合适的电化学装置。在不背离本技术公开的内容的基础上，这样的电化学装置包括发生电化学反应的任何装置，它的具体实例包括所有种类的一次电池、二次电池、燃料电池、太阳能电池或电容。特别地，所述电化学装置是锂二次电池，包括锂金属二次电池、锂离子二次电池、锂聚合物二次电池或锂离子聚合物二次电池。
81.本技术的电化学装置包含不同结构的电化学装置，实施例中以卷绕型锂离子电池作为实例，但是本技术的电化学装置可以包含叠片结构、折叠结构、多极耳结构的电化学装置，所有这些均包含在本技术的范围内。
82.本技术电化学装置的用途没有特别限定，其可用于现有技术中已知的任何用途。在一个实施例中，本技术的电化学装置可用于，但不限于，笔记本电脑、笔输入型计算机、移
动电脑、电子书播放器、便携式电话、便携式传真机、便携式复印机、便携式打印机、头戴式立体声耳机、录像机、液晶电视、手提式清洁器、便携cd机、迷你光盘、收发机、电子记事本、计算器、存储卡、便携式录音机、收音机、备用电源、电机、汽车、摩托车、助力自行车、自行车、照明器具、玩具、游戏机、钟表、电动工具、闪光灯、照相机、家庭用大型蓄电池和锂离子电容器等。
83.下面列举了一些具体实施例和对比例并分别对其进行了电池容量测试以及电池穿钉测试以更好地对本技术进行说明。本领域的技术人员将理解，本技术中描述的制备方法仅是示范实施例，其他任何合适的制备方法均在本技术的范围内。
84.实施例1
85.采用铝箔作为正极集流体，先测试磷酸铁锂颗粒(即第一正极活性物质)以及导电炭黑和碳纳米管(二者即第一导电剂)的比表面积，以便选择合适比表面积的材料。随后在铝箔表面均匀的涂布一层磷酸铁锂浆料即第一正极活性物质层浆料，其中磷酸铁锂的颗粒度dv50：3μm，dv90：10μm，且比表面积为12m2/g。第一正极活性物质层浆料的组成为96.2wt％磷酸铁锂(lifepo4)、3.0wt％聚偏氟乙烯(pvdf)、0.3wt％导电炭黑和0.5wt％碳纳米管，涂布后形成第一正极活性物质层，其中第一导电剂的比表面积与第一正极活性物质的比表面积的比值为5.3，在85℃下烘干；在烘干后的第一正极活性物质层上继续涂布一层钴酸锂浆料即第二正极活性物质层浆料(其中钴酸锂的颗粒度dv50：13μm，dv90：38μm)。第二正极活性物质层浆料组成为97wt％钴酸锂(lco)、1.6wt％聚偏氟乙烯(pvdf)和1.4wt％导电炭黑，溶剂为n
‑
甲基吡咯烷酮(nmp)，以形成覆盖在所述第一正极活性物质层上的第二正极活性物质层，在85℃下烘干，并随后进行冷压、裁片、分切，在85℃的真空条件下干燥4h，制备得到正极极片，其中冷压压力为60t，冷压速度为15m/min。在制备后的正极极片中，其第一正极活性物质层的厚度为6μm，且第二正极活性物质层的厚度为54μm。
86.图3是根据本技术实施例的正极极片的场发射扫描式电子显微镜(型号：zeiss sigma 300)下的横截面放大图(1000倍)。
87.采用铜箔作为负极集流体，在铜箔表面均匀的涂布一层石墨浆料，浆料组成为97.7wt％人造石墨、1.3wt％羧甲基纤维素钠(cmc)以及1.0wt％丁苯橡胶(sbr)的组合，在85℃下烘干，并随后进行冷压、裁片、分切，在85℃的真空条件下干燥4h，制备得到负极极片。
88.将锂盐lipf6与非水有机溶剂(碳酸乙烯酯(ec)：碳酸二乙酯(dec)：碳酸亚丙酯(pc)：丙酸丙酯(pp)：碳酸亚乙烯酯(vc)＝20:30:20:28:2，质量比)按质量比8：92配制而成的溶液作为锂离子电池的电解液。
89.正极极片和负极极片经分条后进行卷绕，正极极片和负极极片之间以聚乙烯隔离膜进行分隔，从而制备得到卷绕型电极组件。电极组件经顶侧封、喷码、真空干燥、注入电解液、高温静置后进行化成及容量，即可得到成品锂离子电池。
90.实施例2
91.与实施例1的制备方法相同，不同的地方是实施例2中的冷压压力为20t。
92.实施例3
93.与实施例1的制备方法相同，不同的地方是实施例3中的冷压压力为40t。
94.实施例4
95.与实施例1的制备方法相同，不同的地方是实施例4中的冷压压力为80t。
96.实施例5
97.与实施例1的制备方法相同，不同的地方是实施例5中的冷压压力为100t。
98.实施例6
99.与实施例1的制备方法相同，不同的地方是实施例6中的冷压速度为5m/min。
100.实施例7
101.与实施例1的制备方法相同，不同的地方是实施例7中的冷压速度为20m/min。
102.实施例8
103.与实施例1的制备方法相同，不同的地方是实施例8中的冷压速度为30m/min。
104.实施例9
105.与实施例1的制备方法相同，不同的地方是实施例9中的冷压速度为40m/min。
106.实施例10
107.与实施例1的制备方法相同，不同的地方是实施例10中的第一导电剂的比表面积与第一正极活性物质的比表面积的比值为1.3。
108.实施例11
109.与实施例1的制备方法相同，不同的地方是实施例11中的第一导电剂的比表面积与第一正极活性物质的比表面积的比值为7.6。
110.实施例12
111.与实施例1的制备方法相同，不同的地方是实施例12中的第一导电剂的比表面积与第一正极活性物质的比表面积的比值为9.1。
112.实施例13
113.与实施例1的制备方法相同，不同的地方是实施例13中的第一导电剂的比表面积与第一正极活性物质的比表面积的比值为11.0。
114.实施例14
115.与实施例1的制备方法相同，不同的地方是实施例14中的第一导电剂的比表面积与第一正极活性物质的比表面积的比值为11.6。
116.对比例1
117.采用铝箔作为正极集流体，在铝箔表面均匀的涂布一层钴酸锂浆料(其中钴酸锂的颗粒度dv50：13μm，dv90：38μm)。钴酸锂浆料组成为97wt％钴酸锂(lco)、1.6wt％聚偏氟乙烯(pvdf)和1.4wt％导电炭黑，并使用n
‑
甲基吡咯烷酮(nmp)作为溶剂，涂布后形成正极活性物质层，在85℃下烘干，并随后进行冷压、裁片、分切，在85℃的真空条件下干燥4h，制备得到正极极片，其中冷压压力范围为60t，冷压速度15m/min。在制备后的正极极片中，其正极活性物质层的厚度为60μm。
118.采用铜箔作为负极集流体，在铜箔表面均匀的涂布一层石墨浆料，浆料组成为97.7wt％人造石墨、1.3wt％羧甲基纤维素钠(cmc)以及1.0wt％丁苯橡胶(sbr)的组合，在85℃下烘干，并随后进行冷压、裁片、分切，在85℃的真空条件下干燥4h，制备得到负极极片。
119.将锂盐lipf6与非水有机溶剂(碳酸乙烯酯(ec)：碳酸二乙酯(dec)：碳酸亚丙酯(pc)：丙酸丙酯(pp)：碳酸亚乙烯酯(vc)＝20:30:20:28:2，质量比)按质量比8：92配制而成
的溶液作为锂离子电池的电解液。
120.正极极片和负极极片经分条后进行卷绕，正极极片和负极极片之间以聚乙烯隔离膜进行分隔，从而制备得到卷绕型电极组件。电极组件经顶侧封、喷码、真空干燥、注入电解液、高温静置后进行化成及容量，即可得到成品锂离子电池。
121.对比例2
122.采用铝箔作为正极集流体，先测试磷酸铁锂颗粒(即第一正极活性物质)以及导电炭黑和碳纳米管(二者即第一导电剂)的比表面积，以便选择合适比表面积的材料。随后在铝箔表面均匀的涂布一层磷酸铁锂浆料，即第一正极活性物质层浆料，其中磷酸铁锂的颗粒度dv50：3μm，dv90：10μm，且比表面积为12m2/g。第一正极活性物质层浆料的组成为96.2wt％磷酸铁锂(lifepo4)、3.0wt％聚偏氟乙烯(pvdf)、0.3wt％导电炭黑和0.5wt％碳纳米管，涂布后形成第一正极活性物质层，其中第一导电剂的比表面积与第一正极活性物质的比表面积的比值为5.3，在85℃下烘干；在烘干后的第一正极活性物质层上继续涂布一层钴酸锂浆料，即第二正极活性物质层浆料(其中钴酸锂的颗粒度dv50：13μm，dv90：38μm)。第二正极活性物质层浆料组成为97wt％钴酸锂(lco)、1.6wt％聚偏氟乙烯(pvdf)和1.4wt％导电炭黑，溶剂为n
‑
甲基吡咯烷酮(nmp)，以形成覆盖在所述第一正极活性物质层上的第二正极活性物质层，在85℃下烘干，并随后进行裁片、分切，在85℃的真空条件下干燥4h，制备得到正极极片。在制备后的正极极片中，其第一正极活性物质层的厚度为6μm，且第二正极活性物质层的厚度为54μm。
123.图5是未经过任何冷压处理的正极极片的场发射扫描式电子显微镜(型号：zeiss sigma 300)下的横截面放大图(1000倍)。
124.采用铜箔作为负极集流体，在铜箔表面均匀的涂布一层石墨浆料，浆料组成为97.7wt％人造石墨、1.3wt％羧甲基纤维素钠(cmc)以及1.0wt％丁苯橡胶(sbr)的组合，在85℃下烘干，并随后进行冷压、裁片、分切，在85℃的真空条件下干燥4h，制备得到负极极片。
125.将锂盐lipf6与非水有机溶剂(碳酸乙烯酯(ec)：碳酸二乙酯(dec)：碳酸亚丙酯(pc)：丙酸丙酯(pp)：碳酸亚乙烯酯(vc)＝20:30:20:28:2，质量比)按质量比8：92配制而成的溶液作为锂离子电池的电解液。
126.正极极片和负极极片经分条后进行卷绕，正极极片和负极极片之间以聚乙烯隔离膜进行分隔，从而制备得到卷绕型电极组件。电极组件经顶侧封、喷码、真空干燥、注入电解液、高温静置后进行化成及容量，即可得到成品锂离子电池。
127.上述实施例及对比例的锂离子电池成品完成后，纪录其成品的容量、厚度、宽度、长度以确定锂离子电池的体积能量密度。随后对上述实施例及对比例的锂离子电池进行容量测试以及穿钉测试。
128.容量测试：
129.将待测的锂离子电池在25
±
3℃环境中静置30分钟，以0.5c倍率恒流电流充电至电池电压至4.4v(额定电压)，随后以恒压充电直到充放电倍率达到0.05c时停止充电，并将待测的锂离子电池放置30分钟。之后再以0.2c倍率将电池放电至3.0v，并将待测的锂离子电池放置30分钟。最后取放电容量作为电池的实际电池容量。
130.锂离子电池能量密度＝放电容量/(锂离子电池的长度*宽度*厚度)。
131.穿钉测试：
132.取10枚待测的锂离子电池在常温下以0.5c倍率恒定电流充电至电压4.4v，进一步在4.4v恒定电压下充电至电流0.05c，使其处于4.4v满充状态。之后在常温条件下对电池进行穿钉，采用直径为4mm钉子(钢钉，材质为碳钢，锥度为16.5mm，钢钉总长为100mm)，以30mm/s的穿钉速度穿钉，穿钉深度以钢钉锥度穿过锂离子电池为准，观察锂离子电池是否产烟、起火或爆炸。若没有则认为锂离子电池通过穿钉测试。
133.各个实施例以及对比例的实验参数和测量结果如下表1所示。
134.表1
[0135][0136]
[0137]
通过比较对比例1、2和实施例1可知，如图3所示，本技术实施例1通过在正极极片制备过程中采用先涂覆两层活性物质层再冷压的工艺，可以在第一正极活性物质层与第二正极活性物质层之间形成一层过渡层，其中第二正极活性物质的颗粒会嵌入到第一正极活性物质层中，使得第一正极活性物质与第二正极活性物质彼此呈不规则交错排列并且无明显的交界面。相对的，如图5所示，采用无冷压处理的正极极片，其在第一正极活性物质层与第二正极活性物质层之间必然会形成一明显的平直交界面，其会导致第一正极活性物质层与第二正极活性物质层间的粘结力下降，使得第一正极活性物质层与第二正极活性物质层较容易相互脱落，从而降低穿钉通过率。从实施例1
‑
5可知，冷压压力的增加可以提升锂离子电池的能量密度，相对的，锂离子电池的穿钉通过率也会随冷压压力的增加而提升。
[0138]
从实施例1和6
‑
9可知，冷压速度对于锂离子电池的能量密度影响不大。
[0139]
从实施例1和10
‑
14可知，当第一导电剂的比表面积与第一正极活性物质的比表面积的比值超过11后，会降低锂离子电池的穿钉通过率，使得锂离子电池的安全性能降低。
[0140]
上文说明摘要整理出数个实施例的特征，这使得所属技术领域中具有通常知识者能够更加理解本技术的多种方面。所属技术领域中具有通常知识者可轻易地使用本技术作为基础，以设计或修改其他组合物，以便实现与此处申请的实施例相同的目的及/或达到相同的优点。所属技术领域中具有通常知识者亦可理解，这些均等的实例并未悖离本技术的精神与范畴，且其可对本技术进行各种改变、替换与修改，而不会悖离本技术的精神与范畴。虽然本文中所揭示的方法已参考以具体次序执行的具体操作加以描述，但应理解，可在不脱离本技术的教示的情况下组合、细分或重新排序这些操作以形成等效方法。因此，除非本文中特别指示，否则操作的次序及分组不是对本技术的限制。