一种电芯、对称电池及其应用

技术领域

本申请涉及锂离子电池技术领域，具体而言，涉及一种电芯、对称电池及其应用。

背景技术

锂离子电池的组成部分包括正极极片、负极极片、隔膜、电解液以及电池外壳，其中正极极片和负极极片均包括电极活性材料、粘结剂和导电剂。在锂离子电池的开发过程中，为满足不同的应用需求，需要对锂离子电池中的正负极活性材料、导电剂、粘结剂、电解液或者隔膜进行改进，并在锂离子电池制作完成后经过大量的测试分析以验证改进后制得的锂离子电池的性能，最终进行生产应用。由于对锂离子电池性能的影响因素较多，导致锂离子电池的开发以及测试过程耗费巨大。

目前，通常采用极性相同的两片极片作为锂离子电池的正极和负极，并且在两片极片上焊接极耳，以组装成对称电池，进而用于评价改进后的锂离子电池的性能。但是，现有的对称电池的制备一致性差且存在较大的极耳焊接内阻，无法准确获知电极极片的真实内阻情况以及电极涂层内部锂离子的传输状况，无法为电极设计尤其是电极涂层结构的优化以及极片的制备工艺提供准确的反馈和有效的参考依据。

发明内容

本申请的目的在于提供一种电芯、对称电池及其应用，其旨在改善现有的对称电池制备一致性差而无法准确测试评价锂离子电池的电极极片性能的技术问题。

第一方面，本申请提供一种电芯，电芯具有相对的第一端和第二端；电芯包括隔膜、两片极耳以及两片极性相同的极片。

极片包括集流体和电极涂层；沿集流体的长度方向，集流体的一表面包括涂覆区和空箔区；电极涂层设置于涂覆区。

隔膜设置于两片极片之间且隔膜的两个表面分别与两片极片的电极涂层抵触，两片极片的空箔区分别位于电芯的第一端和第二端。

两片极耳分别与两片极片的空箔区焊接，定义极耳上与极片焊接的区域为焊接区，焊接于每片极片上的焊接区的面积均至少为空箔区面积的80％。

采用极性相同的极片作为电芯的正极和负极，并将两片极片的空箔区分别设置于电芯的第一端和第二端，形成对称电池的电芯基体，有利于测试出电极极片自身的阻抗信息。极耳与极片的空箔区焊接，且焊接于极片上的焊接区的面积至少为空箔区面积的80％，可以有效降级由于焊接极耳于极片上而导致的焊点内阻以及提高焊接一致性，使得后续制成的对称电池可以更加准确地测量锂离子电池电极极片的欧姆阻抗和电极涂层中的离子传输阻抗，有利于准确评价锂离子电池的电极极片性能，为电极设计尤其是电极涂层结构的优化以及极片的制备工艺提供反馈和参考依据。

在一种可能的实施方式中，焊接于每片极片上的焊接区的面积均至少为空箔区面积的90％。

上述设置方式，可以进一步降低由于焊接极耳于极片上而导致的焊点内阻。

在一种可能的实施方式中，两片极片的空箔区的面积相等。

上述设置方式，可以在有效降低焊点内阻的情况下，进一步提高两片极耳的焊接一致性，使得后续制成的对称电池可以更加准确地测量锂离子电池电极极片的欧姆阻抗和电极涂层中的离子传输阻抗。

在一种可能的实施方式中，电芯还包括两块绝缘夹持板，两片极片设置于两块绝缘夹持板之间，且绝缘夹持板与集流体的背离电极涂层的表面抵触。

绝缘夹持板的设置，不仅使得极片与隔膜之间能够紧密贴合，以有效避免极片与隔膜之间的滑动错位而影响测试准确性；还可以提高电芯的结构强度，有效避免由于电芯较薄而导致的极易弯折、损坏的情况，有利于提高电芯的可操作性和实用性，提高对称电池制备的一致性。

可选地，绝缘夹持板的材质选自聚乙烯以及聚丙烯中的至少一种。

在一种可能的实施方式中，隔膜的延伸端伸出两片极片之间，且延伸并依次卷绕包覆两块绝缘夹持板的背离极片的表面。

上述设置方式，使得隔膜和绝缘夹持板可以相互配合以有效固定两片极片，使得极片与隔膜之间不易滑动错位。

在一种可能的实施方式中，沿集流体的宽度方向，空箔区的长度与涂覆区的长度不同。

上述设置方式，可以使得极片的空箔区与涂覆区之间形成倒角结构，在制备电芯过程中，方便两片极片的涂覆区更精准地对齐，有利于避免两片极片的电极涂层相互错位而影响测试准确性。

在一种可能的实施方式中，沿集流体的宽度方向，空箔区的长度小于涂覆区的长度。

可选地，空箔区的长度方向的相对两端分别与涂覆区之间形成倒角结构。

可选地，倒角结构为直角形倒角结构。

在一种可能的实施方式中，两片极耳对称设置于电芯的第一端和第二端。

上述设置方式，可以在有效降低焊点内阻的情况下，进一步提高两片极耳的焊接一致性。

第二方面，本申请提供一种对称电池，包括壳体、电解液以及上述第一方面提供的电芯；电解液和电芯均位于壳体内，且两片极耳的自由端位于壳体外。

本申请提供的对称电池由于具有较低的焊点内阻以及能够有效提高对称电池的制备一致性，可以用于更加准确地测量锂离子电池电极极片的欧姆阻抗和电极涂层中的离子传输阻抗，有利于准确评价锂离子电池的电极极片性能，为电极设计尤其是电极涂层结构的优化以及极片的制备工艺提供反馈和参考依据。

第三方面，本申请提供一种如上述第二方面提供对称电池在用于评价锂离子电池的电极极片性能中的应用。

可选地，锂离子电池的电极极片性能包括欧姆阻抗以及离子传输阻抗中的至少一种。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本申请提供的电芯的结构示意图。

图2示出了图1中沿A-A方向的剖视图。

图3示出了本申请提供的电芯中的提供的极片的结构示意图。

图4示出了本申请提供的电芯中的极片、隔膜以及固定元件的结构示意图。

图5示出了本申请实施例提供的对称电池的Nyquist曲线图。

图6示出了本申请对比例提供的对称电池的Nyquist曲线图。

图7示出了本申请实施例提供的对称电池在不同电极涂层厚度情况下的Nyquist曲线图。

图8示出了本申请实施例提供的对称电池在不同电极涂层压实密度情况下的Nyquist曲线图。

图9示出了本申请实施例提供的对称电池在不同粒径的电极活性材料情况下的Nyquist曲线图。

图10示出了本申请实施例提供的对称电池在不同粒径的电极活性材料在不同倍率下的容量保持率对比图。

图标：100-电芯；101-第一端；102-第二端；110-极片；111-集流体；1111-涂覆区；1112-空箔区；120-隔膜；130-极耳；131-焊接区；132-包胶区；133-外露区；140-绝缘夹持板；150-固定元件。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

锂离子电池的电极反应过程中，锂离子嵌入电极的过程主要包括以下步骤：锂离子在电极涂层孔隙中的传输、锂离子在界面膜的迁移、电荷传递以及锂离子在电极活性材料中的固态扩散。其中，锂离子在电极涂层孔隙中的传输能力对电池容量和倍率性能存在重要影响。而电极涂层的孔隙结构包括孔隙率、孔径大小与分布、连通性以及迂曲度等众多影响参数，且电极涂层中的孔结构并非均匀分布，孔结构和形态均较为复杂，导致锂离子在电极涂层中的传输能力难以得到有效的评价。

现有技术中，为高效便捷地鉴定锂离子电池电极极片性能的优劣，通常采用极性相同的两片极片作为正极和负极组装成对称电池，利用对称电池的电化学阻抗谱(EIS)信息，以评价锂离子电池电极极片的性能。

但是，发明人发现，由于仅存在两片电极极片，传统的对称电池结构强度低，且制备一致性差，例如同侧出极耳的对称电池，存在极耳焊接面积小导致焊点内阻较大以及焊接一致性不良，导致进行EIS测试时测得的电极极片的欧姆阻抗受到焊点内阻的影响，进而难以准确测试出电极极片自身的欧姆阻抗，更无法有效评价锂离子在电极涂层中的传输能力。

如果将同性极片的空箔区直接作为极耳以制备对称电池，这种方式无需进行焊接，可以有效避免由于焊接极耳于空箔区上而导致的增加焊点内阻的情况。但是，直接将空箔区作为极耳的方式，脆弱的箔材极易断裂进而使得对称电池极易损坏，不易进行EIS测试，且安全性不高。

所以，针对上述问题，发明人提供了一种电芯，图1示出了本申请提供的电芯100的结构示意图，图2示出了图1中沿A-A方向的剖视图，请参阅图1和图2，电芯100包括两片极性相同的极片110、隔膜120以及两片极耳130。隔膜120部分设置于两片极片110之间，且位于两片极片110之间的隔膜120的两个表面分别与两片极片110抵触。

定义电芯100具有相对的第一端101和第二端102。图1中，电芯100的左端即为第一端101，电芯100的右端即为第二端102。两片极耳130分别位于电芯100的第一端101和第二端102。

图3示出了本申请提供的电芯100中的提供的极片110的结构示意图，请参阅图3，极片110包括集流体111和设置于集流体111表面的电极涂层(图中未示出)。

定义图3中由左至右的方向为集流体111的长度方向，定义图3中由上至下的方向为集流体111的宽度方向。

沿集流体111的长度方向，集流体111的一表面包括涂覆区1111和空箔区1112，电极涂层设置于涂覆区1111内。

图4示出了本申请提供的电芯100中的极片110、隔膜120以及固定元件150的结构示意图，请参阅图1-4，电芯100中的两片极片110的涂覆区1111相对设置，且位于两片极片110之间的隔膜120的两个表面分别与两片极片110的电极涂层抵触。两片极片110的空箔区1112分别位于电芯100的第一端101和第二端102。

采用极性相同的极片110作为电芯100的正极和负极，并将两片极片110的空箔区1112分别设置于电芯100的第一端101和第二端102，形成对称电池的电芯100基体，有利于测试出极片110自身的阻抗信息。

两片极耳130分别与两片极片110的空箔区1112焊接。请参阅图1，极耳130包括焊接区131、包胶区132和外露区133。焊接区131即为极耳130上与空箔区1112焊接的区域。包胶区132和外露区133依次设置于焊接区131远离涂覆区1111的一侧，包胶区132用于在后续制备对称电池时与外壳接触并进行熔融密封。外露区133用于引出电极与外接测试装置连接。

为了有效降低由于焊接极耳130于极片110上而导致的焊点内阻，本申请设置焊接于每片极片110上的焊接区131的面积均至少为空箔区1112面积的80％。上述设置方式，可以有效降级由于焊接极耳130于极片110上而导致的焊点内阻，使得后续制成的对称电池可以更加准确地出锂离子电池电极极片110的欧姆阻抗和电极涂层中的离子传输阻抗，有利于准确评价锂离子电池的电极极片110的性能，进而可以有效获知极片110内部锂离子的传输能力，为电极设计尤其是电极涂层结构的优化以及极片110的制备工艺提供反馈和参考依据；同时，由于单独设置极耳130而未将空箔区1112直接作为电极引出元件，保证了整个电芯100的结构强度。

作为示例性地，焊接于每片极片110上的焊接区131的面积可以为空箔区1112面积的80％、85％、90％或者95％等等。

进一步地，焊接于每片极片110上的焊接区131的面积均至少为空箔区1112面积的90％，可以进一步降低由于焊接极耳130于极片110上而导致的焊点内阻。

在本申请实施例中，焊接于每片极片110上的焊接区131的面积均为空箔区1112面积的90％，且两片极片110的空箔区1112的面积也相等，可以在有效降低焊点内阻的情况下，进一步提高两片极耳130的焊接一致性，使得后续制成的对称电池可以更加准确地测量锂离子电池极片110的欧姆阻抗和电极涂层中的离子传输阻抗。

进一步地，如图4所示，空箔区1112对称设置于电芯100的第一端101和第二端102，以使与空箔区1112焊接的两片极耳130也对称设置于电芯100的第一端101和第二端102，可以在有效降低焊点内阻的情况下，进一步提高两片极耳130的焊接一致性。

本申请实施例中，两片极片110的尺寸相等，且两片极片110上的涂覆区1111和空箔区1112的尺寸也分别相等，采用尺寸一致的两片同性极片110作为电芯100的正极和负极，可以进一步减小由于正极和负极的极片110尺寸不一致而带来的测试误差。

进一步地，沿位于两片极片110之间的隔膜120的厚度方向，两片极片110上的涂覆区1111对齐设置，可以进一步提高测试准确性。

为了方便两片极片110的涂覆区1111更精准地对齐，有利于避免两片极片110的电极涂层相互错位而影响测试准确性，请参阅图3，沿集流体111的宽度方向，空箔区1112的长度与涂覆区1111的长度不同。上述设置方式，可以使得极片110的空箔区1112与涂覆区1111之间形成倒角结构，进而在制备电芯100过程中，方便两片极片110的涂覆区1111更精准地对齐。

在本申请实施例中，如图3所示，沿集流体111的宽度方向，空箔区1112的长度小于涂覆区1111的长度；且沿集流体111的宽度方向，空箔区1112的长度方向的相对两端分别与涂覆区1111之间形成倒角结构。空箔区1112的长度方向的相对两端均具有倒角结构，可以更加方便、精准地将两片极片110的涂覆区1111对齐。

进一步地，倒角结构为直角形倒角结构，可以使得将两片极片110的涂覆区1111对齐时更加方便操作。

需要说明的是，在其他实施例中，沿集流体111的宽度方向，空箔区1112的长度也可以大于涂覆区1111的长度；或，也可以仅在空箔区1112的长度方向的一端上设置倒角结构；只要能够满足极片110的空箔区1112与涂覆区1111之间形成倒角结构即可。

本申请实施例中，涂覆区1111的长度为45-55mm，空箔区1112的长度方向的相对两端均比涂覆区1111短1mm。

承上所述，由于位于两片极片110之间的隔膜120的两个表面分别与两片极片110的电极涂层抵触。本申请实施例中，隔膜120完全覆盖两片极片110的电极涂层，且两片极片110的空箔区1112分别位于隔膜120沿第一端101至第二端102方向的相对两端。

请再次参阅图1和图2，电芯100还包括两块绝缘夹持板140，两片极片110设置于两块绝缘夹持板140之间，且绝缘夹持板140与集流体111的背离电极涂层的表面抵触。绝缘夹持板140的设置，不仅使得极片110与隔膜120之间能够紧密贴合，以有效避免极片110与隔膜120之间的滑动错位而影响测试准确性；还可以提高电芯100的结构强度，有效避免由于电芯100较薄而导致的极易弯折、损坏的情况，有利于提高电芯100的可操作性和实用性。

在本申请实施例中，绝缘夹持板140的尺寸与涂覆区1111的尺寸一致。

作为示例性地，绝缘夹持板140的材质选自聚乙烯以及聚丙烯中的至少一种，绝缘夹持板140的厚度为1-2mm。

进一步地，由于本申请中设置绝缘夹持板140，隔膜120的延伸端伸出两片极片110之间，且延伸并依次卷绕包覆两块绝缘夹持板140的背离极片110的表面。上述设置方式，使得隔膜120和绝缘夹持板140可以相互配合以有效固定两片极片110，使得极片110与隔膜120之间不易滑动错位，提高测试准确性。

再进一步地，采用固定元件150固定隔膜120的延伸端。本申请实施例中，固定元件150为胶带。需要说明的是，本申请不对固定元件150的种类进行具体限定。

本申请提供的电芯100至少具有以下优点：

采用极性相同的极片作为电芯100的正极和负极，并将两片极片110的空箔区1112分别设置于电芯100的第一端101和第二端102，形成对称电池的电芯基体，有利于测试出极片110自身的阻抗信息。极耳130与极片110的空箔区1112焊接，且焊接于极片110上的焊接区131的面积至少为空箔区1112面积的80％，可以有效降级由于焊接极耳130于极片110上而导致的焊点内阻，使得所制成的对称电池可以更加准确地测量锂离子电池极片110的欧姆阻抗和电极涂层中的离子传输阻抗，有利于准确评价锂离子电池的电极极片110性能，进而可以有效获知极片110内部锂离子的传输能力，为电极设计尤其是电极涂层结构的优化以及极片110的制备工艺提供反馈和参考依据。

本申请还提供一种对称电池，包括壳体、电解液以及上述提供的电芯。电解液和电芯均位于壳体内，且两片极耳的自由端(即极耳的外露区)位于壳体外。

本申请实施例中，对称电池为软包电池，壳体的材质为铝塑膜。需要说明的是，本申请不对壳体的材质进行限定。

本申请提供的对称电池至少具有以下优点：

本申请提供的对称电池由于具有较低的焊点内阻以及能够有效提高对称电池的制备一致性，可以用于更加准确地测量锂离子电池电极极片的欧姆阻抗和电极涂层中的离子传输阻抗，获知电极极片内部锂离子的传输状况，进而有效评价锂离子电池的电极极片性能，为电极设计尤其是电极涂层结构的优化以及极片的制备工艺提供反馈和参考依据。

本申请还提供一种上述提供的对称电池在用于评价锂离子电池的电极极片性能中的应用。

可选地，锂离子电池电极极片的性能包括欧姆阻抗以及离子传输阻抗中的至少一种。

实施例

本实施例提供一种对称电池，采用如下方法制备：

步骤(1)：

选取铝箔材作为集流体，铝箔材的其中一表面由涂覆区和空箔区组成，在涂覆区涂覆电极涂层，制得极片。

其中，涂覆区的长度和宽度均为50mm。空箔区的长度为48mm，宽度为10mm，且空箔区长度方向的两端均比涂覆区短1mm。电极涂层由质量比为96:2:2的镍钴锰酸锂(LiNi

步骤(2)：

将两片步骤(1)制得的极片的电极涂层相对且对齐放置，并使两片极片的空箔区对称分布于电极涂层的相对两侧。将隔膜放置于两片极片之间并使得隔膜的两面分别覆盖两片极片的电极涂层。将两块聚乙烯板分别抵持两片极片远离隔膜的一面并与电极涂层对齐，将隔膜的延伸端伸出两片极片之间并依次卷绕包覆两块聚乙烯板的背离极片的表面，用胶带固定隔膜的延伸端，制得裸电芯。热压裸电芯，将两片铝片(作为极耳)分别焊接在两片极片的空箔区上，制得电芯。

其中，隔膜的长度为180mm，宽度为51mm。两块聚乙烯板的长度和宽度均为51mm，厚度为2mm。两片铝片的长度均为48mm，宽度均为25mm；且两片极片的空箔区上焊接的铝片的面积均为48mm*9mm。

步骤(3)：

将步骤(2)制得的电芯置于壳体内，将两片极耳的自由端置于壳体外，注入电解液，制得对称电池。

其中，壳体的材质为铝塑膜。电解液为质量分数为12％的六氟磷酸锂溶液，电解液的溶剂有质量比为1:1:1.5的碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯和碳酸甲乙酯组成。

对比例

本对比例与实施例的区别在于：两片铝片的宽度均为10mm，长度均为25mm，两片极片的空箔区上焊接的铝片的面积均为10mm*9mm。

实验例1

对实施例和对比例提供的对称电池分别进行EIS测试，实施例的EIS结果如图5所示，对比例的EIS结果如图6所示。其中，图5中的P-1(1)、P-1(2)和P-1(3)分别代表按照实施例平行制备的三个对称电池，对比图6中的S-1(1)、S-1(2)和S-1(3)分别代表按照对比例平行制备的三个对称电池。EIS测试方法：将制备的新鲜同性极片按照实施例和对比例的方案制得对称电池，于25℃下静置12h，然后采用电化学工作站进行EIS测试，扰动交流电的频率为1Hz-100kHz，振幅为5mV。

从图5中可以看出，按照实施例平行制备的三个对称电池的Nyquist曲线重合性良好，说明实施例提供的对称电池的设计可靠、制备一致性高，可以用于评价锂离子电池电极极片的性能。按照实施例平行制备的三个对称电池的Nyquist曲线在横轴的起始点数值均为0.15左右，说明按照实施例平行制备的三个对称电池的欧姆内阻R

进一步地，图5中平行制备的三个对称电池的Nyquist曲线均由高频区的45°斜线和低频区的近似垂直的直线组成，且Nyquist曲线均未呈现出半圆弧形状，表明实施例提供的对称电池在EIS测试过程中仅存在非法拉第过程，电极-溶液界面没有电荷转移的发生(如锂离子对电极活性材料的嵌入)，而仅存在双电层电容行为。因此，本申请实施例的对称电池的Nyquist曲线在高频区的45°斜线部分反映的是锂离子在电极涂层孔隙中的传输过程。在相同的测试参数下，高频区45°斜线长度越长，说明锂离子在电极涂层孔隙中的传输越困难，即电极涂层的离子传输阻抗R

从图6可以看出，对比例中平行制备的三个对称电池的Nyquist曲线重合度不高，说明平行制备样品间的一致性不佳。通过和实施例对比发现，对比例的三组R

实验例2

分别参照实施例提供的制备对称电池的方法制备对称电池P-1、P-2和P-3，对称电池P-1、P-2和P-3的区别在于：电极涂层的面密度不同；P-1、P-2和P-3的电极涂层面密度分别为18mg/cm

从图7可以看出，P-1、P-2和P-3的Nyquist曲线在横轴的起始点数值基本一致，表明对极片上的电极涂层的厚度进行改变，对欧姆内阻R

进一步地，分别在P-1、P-2和P-3的Nyquist曲线拐点处作垂直于横轴的辅助线，可以发现，随着电极涂层厚度的增加，相应Nyquist曲线中高频区45°斜线的长度延长，说明在同等条件下，越厚的电极涂层，锂离子的传输阻抗R

实验例3

分别参照实施例提供的制备对称电池的方法制备对称电池P-4，对称电池P-4与P-1的区别在于：电极涂层的压实密度不同；P-4的电极涂层压实密度为3.6mg/cm

实验例4

分别参照实施例提供的制备对称电池的方法制备对称电池P-1和P-5，对称电池P-1和P-5的区别在于：电极涂层中活性材料的不同；P-1和P-4的电极涂层中的活性材料均为LiNi

从图9可以看出，P-5与P-1的Nyquist曲线存在较大区别，P-5具有更小的欧姆内阻R

此外，通过对P-5与P-1的Nyquist曲线拐点处做垂直于横轴的辅助线可知，P-5中高频区45°斜线的长度较P-1短，即说明P-5具有更小的R

为了进一步佐证本申请中对称电池的准确性，将P-1和P-5的电极极片制备成扣式半电池进行倍率性能验证，测试结果如图10所示。在低倍率下P-5和P-1的容量保持率相当，而在大倍率情况下，P-5显示出比P-1更优异的容量保持率，说明P-5电极涂层具有更优异的锂离子传输能力，证明了本申请实施例提供的对称电池可以用于筛选出具有更优异效果的电极活性材料，可用于评价不同电极涂层的锂离子传输能力。

综上，本申请提供的对称电池由于具有较低的焊点内阻，可以用于更加准确地出锂离子电池电极极片的欧姆阻抗和电极涂层中的离子传输阻抗，有利于准确评价锂离子电池的电极极片性能，进而可以有效获知电极极片内部锂离子的传输状况，为电极设计尤其是电极涂层结构的优化以及极片的制备工艺提供反馈和参考依据。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。