一种安全单元及电化学装置的制作方法

1.本发明涉及电池技术领域，特别涉及一种安全单元及电化学装置。


背景技术：

2.锂离子电池广泛应用于移动电话、笔记本电脑、电动汽车等领域，然而现有的锂离子电池在受到挤压、碰撞或穿刺等异常情况时很容易发生着火、爆炸，从而引起严重危害，因此提高锂离子电池的安全性能至关重要。
3.目前，为了改善电池的安全性能，通常在电芯的表面和/或内部设置铝箔-隔膜-铜箔结构(马甲结构)，在电池受到挤压、碰撞或穿刺等异常情况时，马甲结构中的铜箔和铝箔会先接触迅速将电池内部的能量释放出去，从而避免了电池内部发生热失控，提高了电池的安全性能。然而现有的马甲结构中，导电颗粒或边缘毛刺容易刺穿隔膜从而产生微短路，进而使电池发生自放电；并且现有的马甲结构通常在电芯本体已经发生断裂时才会释放电池内部的能量，其安全作用效果不佳；同时，包括马甲结构的电池在跌落过程中，马甲结构中的隔膜容易发生错位或收缩，从而引起铜箔和铝箔接触发生短路，影响了电池的跌落性能。


技术实现要素：

4.本发明提供一种安全单元，该安全单元在用于电化学装置时，安全单元可以在机械受压时提前放电释能，可以有效提高电化学装置的安全性能以及跌落性能，并且能够降低由电化学装置的自放电率。
5.本发明提供一种电化学装置，该电化学装置兼具优异的安全性能以及跌落性能，而且自放电率更低。
6.本发明提供一种安全单元，其中，所述安全单元包括第一导电层、力敏元件以及第二导电层，所述力敏元件设置于所述第一导电层与所述第二导电层之间；
7.所述力敏元件包括第三导电层以及设置于所述第三导电层至少一个表面的所述绝缘层；
8.所述第三导电层包括导电颗粒以及粘结剂。
9.如上所述的安全单元，其中，所述第三导电层包括第一力敏导电层以及第二力敏导电层；
10.所述绝缘层位于所述第一力敏导电层与所述第二力敏导电层之间。
11.如上所述的安全单元，其中，所述绝缘层包括第一绝缘层以及第二绝缘层；
12.所述第三导电层位于所述第一绝缘层与所述第二绝缘层之间。
13.如上所述的安全单元，其中，所述导电颗粒的粒径为1μm-30μm。
14.如上所述的安全单元，其中，所述第三导电层还包括导电添加剂。
15.如上所述的安全单元，其中，所述第三导电层中，导电颗粒的质量百分含量为40％-98％。
16.如上所述的安全单元，其中，所述绝缘层的厚度与所述第三导电层的厚度之比为(0.05-1)：1。
17.如上所述的安全单元，其中，所述绝缘层的厚度为1-20μm；和/或，
18.所述第三导电层的厚度为1-100μm。
19.本发明提供一种电化学装置，其中，包括上述的安全单元。
20.如上所述的电化学装置，所述电化学装置还包括电芯本体，所述电芯本体包括层叠设置的正极片、隔膜以及负极片；
21.所述第一导电层与所述正极电连接，所述第二导电层与所述负极电连接。
22.如上所述的电化学装置，其中，所述正极片包括正极耳，所述负极片包括负极耳；
23.所述第一导电层通过所述正极耳与所述正极片电连接，所述第二导电层通过所述负极耳与所述负极片电连接。
24.如上所述的电化学装置，其中，所述安全单元设置于所述电芯本体的外表面。
25.如上所述的电化学装置，其中，至少一对相邻的所述正极片与所述负极片之间层叠设置有所述安全单元。
26.如上所述的电化学装置，其中，所述正极片包括正极集流体和正极活性层；
27.所述负极片包括负极集流体，所述负极集流体和负极活性层；
28.沿层叠方向，所述正极活性层与所述负极活性层相对设置；
29.本发明提供一种安全单元，安全单元包括第一导电层、第二导电层以及位于第一导电层与第二导电层之间的力敏元件，力敏元件包括第三导电层以及设置于第三导电层至少一个表面的绝缘层，第三导电层包括导电颗粒以及粘结剂。力敏元件的设置可以避免第一导电层和第二导电层的毛刺相互接触，减少了电化学装置发生自放电的可能性，并且在电化学装置的跌落过程中，包括第三导电层以及绝缘层的力敏元件不容易发生错位或收缩，电化学装置的跌落性能优异；而当电化学装置受到挤压等滥用时，第三导电层中的导电颗粒在大压强作用下会刺穿绝缘层，使第一导电层和第二导电层接触而引发短路，迅速将电化学装置内部的能量释放出去，避免电化学装置内部发生热失控，提高电化学装置的安全性能，因此，本发明的安全单元可以降低电化学装置的自放电率，提高电化学装置的安全性能以及跌落性能。
30.本发明提供一种电化学装置，包括上述的安全单元，因此该电化学装置不仅自放电率更低，而且兼具优异的安全性能以及跌落性能。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例或相关技术中的技术方案，下面对本发明实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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它的附图。
32.图1为本发明第一种实施方式中安全单元的结构示意图；
33.图2为本发明第二种实施方式中力敏元件的结构示意图；
34.图3为本发明第三种实施方式中力敏元件的结构示意图；
35.图4为本发明一些实施方式中第三导电层的电阻-压强曲线图；
36.图5为本发明一些实施方式中叠片结构的电化学装置的结构示意图；
37.图6为本发明另一些实施方式中叠片结构的电化学装置的结构示意图；
38.图7为本发明第一种实施方式中卷绕结构的电化学装置的结构示意图；
39.图8为本发明第二种实施方式中卷绕结构的电化学装置的结构示意图；
40.图9为本发明第三种实施方式中卷绕结构的电化学装置的结构示意图；
41.图10为本发明第四种实施方式中卷绕结构的电化学装置的结构示意图；
42.图11为本发明第五种实施方式中卷绕结构的电化学装置的结构示意图。
43.附图标记说明：
44.1：安全单元；
45.2：电芯本体；
46.11：第二导电层；
47.12：第一导电层；
48.13：力敏元件；
49.21：正极片；
50.22：负极片；
51.23：隔膜；
52.131：第三导电层；
53.132：绝缘层；
54.1311：第一力敏导电层；
55.1312：第二力敏导电层；
56.1321：第一绝缘层；
57.1322：第二绝缘层。
具体实施方式
58.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
59.图1为本发明第一种实施方式中安全单元的结构示意图；图2为本发明第二种实施方式中力敏元件的结构示意图；图3为本发明第三种实施方式中力敏元件的结构示意图；图4为本发明一些实施方式中第三导电层的电阻-压强曲线图。如图1-4所示，本发明提供一种安全单元，其中，安全单元1包括第一导电层12、力敏元件13以及第二导电层11，力敏元件13设置于第一导电层12与第二导电层11之间；；
60.力敏元件13包括第三导电层131以及设置于第三导电层至少一个表面的绝缘层132；
61.第三导电层131包括导电颗粒以及粘结剂。
62.示例性地，本发明的安全单元1包括层叠设置的第一导电层12、力敏元件13以及第二导电层11，力敏元件13包括层叠设置第三导电层131以及绝缘层132。可以理解，第三导电层131可以与第二导电层11相邻，也可以与第一导电层12相邻；绝缘层132可以与第二导电
层11相邻，也可以与第一导电层12相邻。在一些实施方式中，本发明的安全单元1在层叠方向上可以依次包括第二导电层11、第三导电层131、绝缘层132以及第一导电层12；本发明的安全单元1在层叠方向也可以依次包括第一导电层12、第三导电层131、绝缘层132以及第二导电层11。
63.本发明的第三导电层131包括导电颗粒以及粘结剂。其中，导电颗粒用于在安全单元受到挤压等滥用时，刺穿绝缘层132，以使第二导电层11和第一导电层12导电而引发短路；粘结剂用于粘接导电颗粒形成第三导电层131，在正常情况下，第二导电层11和第一导电层12的毛刺不容易刺穿包括第三导电层131的力敏元件13，并且力敏元件13不容易发生错位或收缩。从图4可以看出，当压强较低时(＜1.2mpa时)，第三导电层131的电阻非常高，能够保证安全单元中第一导电层和第二导电层处于电子通路断开的状态。当压强较大时(≥12mpa时)，第三导电层131的电阻显著降低，能够将安全单元中的第一导电层和第二导电层导通。
64.本发明中，能够使第一导电层和第二导电层发生短路的最小压强称为临界压强。通常情况临界压强大于锂离子电池的化成压强(0.8-1.2mpa)，例如，临界压强可以为5-20mpa。
65.本发明的安全单元在用于电化学装置中时，第一导电层与电化学装置中的第一电极片电连接，第二导电层与电化学装置中的第二电极片电连接，第一电极片与第二电极片电性相反。包括本发明的力敏元件13的电化学装置兼具优异的安全性能(重物冲击测试通过率高、挤压测试通过率高)以及跌落性能，并且自放电率低。
66.本发明对第一导电层以及第二导电层不做特别限定，可以为本领域常用的导电层。第一导电层的材料与第二导电层的材料可以相同，也可以不同。示例性地，第一导电层可以为铝箔，第二导电层可以为铜箔。
67.本发明对导电颗粒不做特别限定，只要可以刺穿绝缘层132引发第二导电层11和第一导电层12短路即可。在一些实施方式中，导电颗粒可以选自硬碳颗粒、导电聚合物颗粒(聚乙炔、聚噻吩、聚吡咯和聚苯胺中的至少一种)、石墨烯颗粒、硅碳颗粒、金属颗粒、导电陶瓷颗粒以及金属包覆的复合导电颗粒中的至少一种。
68.本发明中，力敏元件在临界压强下的接触电阻越小，越能够提高安全单元的综合性能。在一些实施方式中，力敏元件的接触电阻可以为0.1mω-100ω，进一步地，力敏元件的接触电阻为0.1mω-5ω。
69.本发明对粘结剂不做特别限定，可以选用本领域常用的粘结剂，示例性地，粘结剂可以选自聚偏氟乙烯、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、羧甲基纤维素纳、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至少一种。
70.如图2所示，在本发明的一些实施方式中第三导电层131包括第一力敏导电层1311以及第二力敏导电层1312；
71.绝缘层132位于第一力敏导电层131与第二力敏导电层1312之间。
72.示例性地，在层叠方向上，安全单元1依次包括第二导电层11、第一力敏导电层1311、绝缘层132、第二力敏导电层1312以及第一导电层12。本发明中，第一力敏导电层1311与第二力敏导电层1312的材料可以相同，也可以不同。
73.当第三导电层131包括分别设置于绝缘层132两侧的第一力敏导电层1311以及第二力敏导电层1312时，在电化学装置受到挤压等滥用时，第一力敏导电层1311以及第二力敏导电层1312中的导电颗粒会共同作用，更快的刺穿绝缘层132，使第二导电层11和第一导电层12快速导电而引发短路，实现电化学装置的外部短路，通过外部短路迅速将电化学装置内部的能量释放出去，避免电化学装置内部发生热失控，提高电化学装置的安全性能。
74.如图3所示，在本发明的一些实施方式中，绝缘层132包括第一绝缘层1321以及第二绝缘层1322；
75.第三导电层131位于第一绝缘层1321与第二绝缘层1322之间。
76.示例性地，在层叠方向上，安全单元1依次包括第二导电层11、第一绝缘层1321、第三导电层131、第二绝缘层1322以及第一导电层12。
77.本发明中，第一绝缘层1321与第二绝缘层1322的材料可以相同，也可以不同。在一些实施方式中，第一绝缘层1321和/或第二绝缘层1322的材料可以选自pet、pp、pe、pi、pek和pps中的至少一种。
78.当绝缘层132包括分别设置于第三导电层131两侧的第一绝缘层1321以及第二绝缘层1322时，在正常情况下，第二导电层11和第一导电层12的毛刺更不容易刺穿力敏元件13，因而可以进一步降低电化学装置的自放电率，并且在电化学装置的跌落过程中，力敏元件13更不容易发生错位或收缩，提高电化学装置的跌落性能。
79.在本发明的一些实施方式中，导电颗粒的粒径为1μm-30μm。
80.本发明中，导电颗粒的粒径指的是导电颗粒的平均粒径。本发明中，当力敏导电层131中的导电颗粒的粒径为上述范围时，可以更好的提高电化学装置的安全性能以及跌落性能，更好的降低电化学装置的自放电率。
81.在本发明的一些实施方式中，第三导电层131中还包括导电添加剂。
82.当第三导电层131中还包括导电添加剂时，在导电颗粒刺穿绝缘层132时，导电添加剂可以提高第三导电层131的导电性，使第二导电层11和第一导电层12电连接后短路电阻更小更快的释放能量，提高电化学装置的安全性能。
83.本发明对导电添加剂不做特别限定，只要可以提高第三导电层131的导电性即可。示例性地，导电添加剂可以选自mxene、导电炭黑、碳纳米管、导电石墨、石墨烯、碳纳米纤维、金属颗粒和金属纤维中的至少一种。
84.可以理解，第三导电层131中，力敏颗粒的含量会直接影响电化学装置的综合性能。在本发明的一些实施方式中，当第三导电层131中，导电颗粒的质量百分含量为40％-98％时，可以使电化学装置兼具优异的安全性能以及跌落性能，并且具有较低的自放电率。
85.本发明还可以对力敏元件13中，第三导电层131以及绝缘层132的厚度进行进一步地限定，以期进一步提高电化学装置的安全性能以及跌落性能，降低电化学装置的自放电率。
86.在本发明的一些实施方式中，绝缘层132的厚度与第三导电层131的厚度之比为(0.05-1)：1。
87.本发明中，绝缘层132的厚度指的是绝缘层132的总厚度，第三导电层131的厚度指的是第三导电层131的总厚度。以绝缘层132的厚度为例进行示例性说明，例如，当力敏元件13中含有一个绝缘层132时，绝缘层132的厚度即为该绝缘层132的厚度；当力敏元件13中含
有两个绝缘层132时，绝缘层132的厚度为第一绝缘层1321的厚度与第二绝缘层1322的厚度之和。
88.当绝缘层132的厚度与第三导电层131的厚度之比为上述的范围时，可以更好的保障电化学装置的安全性能、跌落性能，降低电化学装置的自放电率。进一步地，绝缘层132的厚度与第三导电层131的厚度之比可以为(0.1-0.3)：1。
89.在本发明的一些实施方式中，绝缘层132的厚度为1-20μm；和/或，
90.第三导电层131的厚度为1-100μm时，能够在保证电化学装置的能量密度的前提下，保障电化学装置的安全性能、跌落性能，降低电化学装置的自放电率。
91.进一步地，绝缘层132的厚度可以为4～7μm，第三导电层131的厚度可以为6～60μm。
92.图5为本发明一些实施方式中叠片结构的电化学装置的结构示意图；图6为本发明另一些实施方式中叠片结构的电化学装置的结构示意图；图7为本发明第一种实施方式中卷绕结构的电化学装置的结构示意图；图8为本发明第二种实施方式中卷绕结构的电化学装置的结构示意图；图9为本发明第三种实施方式中卷绕结构的电化学装置的结构示意图；图10为本发明第四种实施方式中卷绕结构的电化学装置的结构示意图；图11为本发明第五种实施方式中卷绕结构的电化学装置的结构示意图。如图5-11所示，本发明的第二方面提供一种电化学装置，包括上述的安全单元。
93.本发明的电化学装置可以为锂离子电池、锂金属电极、锂硫电池、锂空电池、钠离子电池中的任一种。
94.本发明的电化学装置，由于包括上述的安全单元，因此该电化学装置不仅自放电率更低，而且兼具优异的安全性能以及跌落性能。
95.在本发明的一些实施方式中，电化学装置还包括电芯本体，电芯本体包括层叠设置的正极片、隔膜以及负极片；
96.第一导电层与正极片电连接，第二导电层与负极片电连接。
97.本发明中，当正极片21、隔膜23以及负极片22沿正极片21的厚度方向层叠设置时，可以获得叠片结构的电芯本体2，进而获得叠片结构的电化学装置；当正极片21、隔膜23以及负极片22沿周向层叠设置时，可以获得卷绕结构的电芯本体2，进而获得卷绕结构的电化学装置。
98.本发明的正极片21、隔膜23以及负极片22可以为本领域常用的正极片21、隔膜23以及负极片22。可以理解，本发明的电化学装置还包括电解液以及外包装，外包装具有电芯容纳腔，电芯本体2以及安全单元1容置于电芯容纳腔中，并且电芯容纳腔中还填充有电解液。本发明对电解液不做特别限定，可以选用本领域常用的电解液；本发明对外包装不做特别限定，可以选自本领域常用的外包装。
99.本发明中，第一导电层12与正极片21电连接，可以理解为第一导电层12的电性与正极片21的电性相同。本发明对第一导电层12的具体材料不做特别限定，只要能够与正极片21的电性相同即可，示例性地，第一导电层12可以为铝箔。
100.本发明中，第二导电层11与负极片22电连接，可以理解为第二导电层11的电性与负极片22的电性相同。本发明对第二导电层11的具体材料不做特别限定，只要能够与负极片22的电性相同即可，示例性地，第二导电层11可以为铜箔。
101.当电化学装置受到挤压等滥用时，第三导电层131中的导电颗粒在大压强作用下会刺穿绝缘层，使第一导电层和第二导电层接触而引发短路，迅速将电化学装置内部的能量释放出去，避免电化学装置内部发生热失控，提高电化学装置的安全性能。
102.本发明不限定第一导电层12与正极片21的电连接方式，也不限定第二导电层11与负极片22的电连接方式。在本发明的一些实施方式中，正极片21包括正极耳，负极片22包括负极耳；
103.第一导电层12通过正极耳与正极片21电连接，第二导电层11通过负极耳与负极片22电连接。
104.本发明对正极耳不做特别限定，只要能够实现正极片21与外电路导通即可。在一些实施方式中，正极片21包括正极集流体，对正极集流体进行模切处理可以得到正极耳。本发明对负极耳不做特别限定，只要能够实现负极片22与外电路导通即可。在一些实施方式中，负极片22包括负极集流体，对负极集流体进行模切处理可以得到负极耳。
105.本发明不限定第一导电层12与正极耳的连接方式，只要第一导电层12通过正极耳能够与正极片21电连接即可。在一些实施方式中，第一导电层12可以与正极耳焊接，从而通过正极耳实现与正极片21的电连接。
106.本发明不限定第二导电层11与负极耳的连接方式，只要第二导电层11通过负极耳能够与负极片22电连接即可。在一些实施方式中，第二导电层11可以与负极耳焊接，从而通过负极耳实现与负极片22的电连接。
107.本发明对安全单元的设置位置不做特别限定，安全单元可以位于电芯本体的任意位置。如图5-7所示，在本发明的一些实施方式中，安全单元设置于电芯本体的外表面。
108.本发明中的电芯本体可以为叠片结构的电芯本体，也可以为卷绕结构的电芯本体。示例性地，如图5所示，本发明可以在叠片结构的电芯本体2的一个外表面设置安全单元1，形成沿层叠方向依次包括安全单元1以及电芯本体2的电化学装置；如图6所示，本发明也可以在叠片结构的电芯本体2的两个外表面皆设置安全单元1，形成沿层叠方向依次包括安全单元1、电芯本体2以及安全单元1的电化学装置；如图7所示，本发明还可以在卷绕结构的电芯本体2的一个外表面设置安全单元1，得到包括安全单元的卷绕结构的电化学装置。
109.在本发明的一些实施方式中，如图8所示，至少一对相邻的正极片21与负极片22之间层叠设置有安全单元1。即安全单元1位于电芯本体2的内部。
110.具体地，为了避免安全单元1与正极片和/或负极片接触而引发短路，当安全单元1的第二导电层11和正极片21相邻时，安全单元1与正极片之间设置隔膜；当安全单元1的第一导电层12和负极片22相邻时，安全单元1与负极片之间设置隔膜。
111.本发明中，当电芯本体2的两个外表面分别包括安全单元1时，所获得的电化学装置在受到挤压等滥用时，能够更快速的发生外部短路(安全单元1短路)，具有更优异的安全性能。
112.如图9-11所示，在本发明的一些实施方式中，正极片21包括正极集流体，正极集流体包括相互连接的正极涂覆区以及正极空箔区，正极涂覆区用于设置正极活性层，正极空箔区作为安全单元中的第一导电层；
113.负极片22包括负极集流体，负极集流体包括相互连接的负极涂覆区以及负极空箔区，负极涂覆区用于设置负极活性层，负极空箔区作为安全单元中的第二导电层；
114.沿层叠方向，正极活性层与负极活性层相对设置，正极空箔区与负极空箔区相对设置；
115.力敏元件13位于正极空箔区与负极空箔区之间，形成安全单元。
116.以电芯本体为卷绕结构进行示例性说明。本发明中，沿周向层叠方向(卷绕方向)，正极集流体包括依次连接的卷绕始段、卷绕中段以及卷绕尾段；负极集流体包括依次连接的卷绕始段、卷绕中段以及卷绕尾段；力敏元件13包括依次连接的卷绕始段以及卷绕尾段。
117.本发明的正极空箔区可以位于正极集流体的卷绕始段、卷绕中段以及卷绕尾段中的任意位置；负极空箔区可以位于负极集流体的卷绕始段、卷绕中段以及卷绕尾段中的任意位置。
118.当正极空箔区位于正极集流体的卷绕始段，负极空箔区位于负极集流体的卷绕始段时，沿周向层叠方向，隔膜23包括依次连接的卷绕始段以及卷绕尾段，在正极空箔区和负极空箔区之间设置力敏元件(可以使力敏元件13的卷绕尾段与隔膜23的卷绕始段至少部分连接，也可以使力敏元件不与隔膜连接)，形成了卷绕中心具有安全单元1的卷绕结构的电芯(包括电芯本体2以及安全单元1)。
119.如图9-11所示，当正极空箔区位于正极集流体的卷绕尾段，负极空箔区位于负极集流体的卷绕尾段时，沿卷绕方向，隔膜23包括依次连接的卷绕始段以及卷绕尾段，在正极空箔区和负极空箔区之间设置力敏元件(可以使力敏元件13的卷绕始段与隔膜23的卷绕尾段至少部分连接，也可以使力敏元件不与隔膜连接)，形成了卷绕尾段具有安全单元1的卷绕结构的电芯(卷绕结构的电芯本体2以安全单元1收尾)。
120.当正极空箔区位于正极集流体的卷绕中段，负极空箔区位于负极集流体的卷绕中段时，沿卷绕方向，隔膜23依次包括第一段以及第二段，第一段包括相互连接的卷绕始段以及卷绕尾段，第二段包括相互连接的卷绕始段以及卷绕尾段，在正极空箔区和负极空箔区之间设置力敏元件13(可以使力敏元件13的卷绕始段与第一段的卷绕尾段至少部分连接，力敏元件13的卷绕尾段与第二段的卷绕始段至少部分连接；也可以使力敏元件不与隔膜连接)，形成了卷绕中段具有安全单元1的卷绕结构的电芯。
121.本发明不限定安全单元1的卷绕尺寸，如图8和图10所示，安全单元1可以绕卷绕结构的电芯本体2卷绕半周，如图9所示，安全单元1可以绕卷绕结构的电芯本体2卷绕一周。当安全单元1绕卷绕结构的电芯本体2卷绕一周时，能够更好的提高电化学装置的安全性能。
122.本发明中，正极活性层可以包括正极活性物质、导电剂以及粘结剂；负极活性层可以包括负极活性物质、导电剂以及粘结剂。
123.本发明对正极活性物质、负极活性物质、导电剂以及粘结剂均不做特别限定，正极活性物质、负极活性物质、导电剂以及粘结剂可以为本领域常用的正极活性物质、负极活性物质、导电剂以及粘结剂。
124.示例性地，正极活性物质可以选自钴酸锂(lco)、镍钴锰三元材料(ncm)、镍钴铝三元材料(nca)、镍钴锰铝四元材料(ncma)、磷酸铁锂(lfp)、磷酸锰锂(lmp)、磷酸钒锂(lvp)、锰酸锂(lmo)、富锂锰基、硫、naxmo2(m为fe、co、ni、mn、cr、ti等过渡金属元素)、硫酸铁钠、氟磷酸钒钠和磷酸钒钠中的一种。
125.负极活性物质可以选自石墨、中间相碳微球、软碳、硬碳、硅材料、硅氧材料、硅碳材料、钛酸锂和锂金属中的一种。
126.导电剂可以选自导电炭黑、碳纳米管、导电石墨和石墨烯中的一种。
127.粘结剂可以与第三导电层131中的粘结剂相同，也可以不相同。
128.以下，结合具体的实施例进一步说明本发明的技术方案。
129.实施例1
130.本实施例的锂离子电池通过以下步骤获得：
131.1)正极片的制备
132.将正极活性物质钴酸锂、粘结剂pvdf和导电炭黑分散在n-甲基吡咯烷酮得到均匀的正极浆料，使用涂布机将正极浆料涂布于铝箔的两个功能表面，经烘干，辊压，分切得到包含正极活性层的正极片；在正极片的尾部留有空箔区，作为安全单元的第一导电层。
133.正极活性层中，钴酸锂、pvdf和导电炭黑的质量比为97：2：1。
134.2)负极片的制备
135.将石墨、粘结剂丁苯橡胶、增稠剂羧甲基纤维素钠和导电剂导电炭黑混合分散在去离子水中得到负极浆料，将正极浆料均匀地涂布于铜箔的两个功能表面，经过90～130℃干燥6小时、辊压机辊压，分切后得到包含负极活性层的负极片；在负极片的尾部留有空箔区，作为安全单元的第二导电层。
136.负极浆料的固含量为40～45wt％，负极活性层中，石墨、羧甲基纤维素钠、导电炭黑以及丁苯橡胶的质量比为97：1.5：0.5：1。
137.3)力敏元件的制备
138.将硬碳、粘结剂丁苯橡胶和碳管进行混合分散在去离子水中得到导电浆料，将导电浆料分别涂敷于pet绝缘层的两个表面，经过60℃干燥6h、再分切得到包括第一力敏导电层以及第二力敏导电层的力敏元件；
139.其中，第一力敏导电层和第二力敏导电层中，硬碳、丁苯橡胶以及碳管的质量比为93：4：3；
140.硬碳的粒径为12μm；
141.第一力敏导电层和第二力敏导电层的总厚度为20μm，pet绝缘层的厚度为6μm。
142.4)锂离子电池的制备
143.将步骤1)的正极片、隔膜和步骤2)的负极片层叠放置进行卷绕，将步骤3)制备的力敏元件放置在正极片和负极片尾部空箔正对位置处的箔材中间，使隔膜的卷绕尾段和力敏元件的卷绕始段部分连接，经卷绕得到卷绕尾段具有安全单元的电芯，将电芯置于铝塑膜中进行封装，真空状态下烘烤24h去除水分后，注入解液，再对电池进行化成、真空封口、分选，得到锂离子电池；
144.其中，隔膜的卷绕尾段和力敏元件的卷绕始段的连接尺寸为2.5mm，
145.电解液包括lipf6、ec、dmc以及dec，其中，lipf6的浓度为1mol/l，ec、dmc以及dec的质量比为1:1:1。
146.实施例2
147.本实施例的锂离子电池的制备方法与实施例1的锂离子电池的制备方法基本相同，不同之处在于：
148.1)正极片的制备
149.在铝箔的宽度方向上包括相互连接的涂覆区域和未涂覆区域，在涂覆区域设置正
极浆料，未涂覆区域模切正极耳；
150.2)负极片的制备
151.在铜箔的宽度方向上包括相互连接的涂覆区域和未涂覆区域，在涂覆区域设置正极浆料，未涂覆区域模切负极耳；
152.4)锂离子电池的制备
153.在步骤3)力敏元件的两个表面分别设置铜箔和铝箔，形成安全单元；
154.将步骤1)的正极片、隔膜以及步骤2)的负极片层叠设置得到叠片结构的电芯本体，在电芯本体的两个外表面分别设置安全单元，安全单元中的铜箔通过与负极耳焊接实现与负极片电连接，安全单元中的铝箔通过与正极耳焊接实现与正极片电连接，从而得到具有安全单元的叠片结构的电芯。
155.实施例3
156.本实施例的锂离子电池的制备方法与实施例1的锂离子电池的制备方法基本相同，不同之处在于：
157.步骤3)力敏元件的制备中，将导电浆料涂敷于第一pet绝缘层的一个表面，经过60℃干燥6h、分切，在第一pet绝缘层的表面形成力敏导电层，在力敏导电层远离第一pet绝缘层的表面层叠设置第二pet绝缘层，得到包括第一pet绝缘层以及第二pet绝缘层的力敏元件。
158.实施例4
159.本实施例的锂离子电池的制备方法与实施例1的锂离子电池的制备方法基本相同，不同之处在于：
160.步骤3)力敏元件的制备中，硬碳的粒径为500nm。
161.实施例5
162.本实施例的锂离子电池的制备方法与实施例1的锂离子电池的制备方法基本相同，不同之处在于：
163.步骤3)力敏元件的制备中，不包含碳管，硬碳、丁苯橡胶的质量比为93：7。
164.实施例6
165.本实施例的锂离子电池的制备方法与实施例1的锂离子电池的制备方法基本相同，不同之处在于：
166.步骤3)力敏元件的制备中，第一力敏导电层和第二力敏导电层中，硬碳、丁苯橡胶以及碳管的质量比为35：40：25。
167.实施例7
168.本实施例的锂离子电池的制备方法与实施例1的锂离子电池的制备方法基本相同，不同之处在于：
169.步骤3)力敏元件的制备中，pet绝缘层的厚度为25μm。
170.实施例8
171.本实施例的锂离子电池的制备方法与实施例1的锂离子电池的制备方法基本相同，不同之处在于：
172.步骤1)正极片的制备中，在正极片的尾部没有空箔区。
173.步骤2)负极片的制备中，在负极片的尾部没有空箔区。
174.步骤4)锂离子电池的制备中，在步骤3)的力敏元件的两个表面分别设置铜箔和铝箔，形成安全单元；
175.将步骤1)的正极片、隔膜和步骤2)的负极片层叠放置进行卷绕，得到电芯本体，将安全单元置于电芯本体的外表面，安全单元的铜箔和铝箔分别通过极耳焊接与正极片和负极片电连接，得到具有安全单元的电芯。
176.实施例9
177.本实施例的锂离子电池的制备方法与实施例1的锂离子电池的制备方法基本相同，不同之处在于：
178.步骤1)正极片的制备中，在正极片的头部留有空箔区，作为安全单元的第一导电层；
179.步骤2)负极片的制备中，在负极片的头部留有空箔区，作为安全单元的第二导电层；
180.步骤4)锂离子电池的制备中，将步骤3)制备的力敏元件放置在正极片和负极片头部空箔正对位置处的箔材中间，经卷绕得到卷绕中心具有安全单元的电芯。
181.实施例10
182.本实施例的锂离子电池的制备方法与实施例8的锂离子电池的制备方法基本相同，不同之处在于：
183.步骤4)锂离子电池的制备中，将安全单元置于电芯本体的卷绕中段，得到卷绕中段具有安全结构的电芯。
184.实施例11-29
185.实施例11-29的锂离子电池的制备方法与实施例1的锂离子电池的制备方法基本相同，不同之处见表1。
186.对比例1
187.本对比例的锂离子电池的制备方法与实施例1的锂离子电池的制备方法基本相同，不同之处在于：
188.1)正极片的制备
189.在正极片的尾部不设置空箔区；
190.2)负极片的制备
191.在负极片的尾部不设置空箔区；
192.不包含步骤3)；
193.4)锂离子电池的制备
194.将步骤1)的正极片、隔膜和步骤2)的负极片层叠放置进行卷绕，得到电芯。
195.对比例2
196.本对比例的锂离子电池的制备方法与实施例1的锂离子电池的制备方法基本相同，不同之处在于：
197.不包括步骤3)，将步骤1)的正极片、隔膜和步骤2)的负极片层叠放置进行卷绕，得到电芯。
198.对比例3
199.本对比例的锂离子电池的制备方法与实施例2的锂离子电池的制备方法基本相
同，不同之处在于：
200.不包括步骤3)，在铜箔和铝箔之间设置隔膜形成马甲结构。
201.性能测试
202.对实施例和对比例的锂离子电池分别进行以下测试，测试结果见表1；
203.1)重物冲击测试
204.取锂离子电池充满电，将锂离子电池放置于一平面，将一个直径15.8
±
0.2mm的钢柱置于锂离子电池中心，钢柱的纵轴平行于平面，让质量为9.1
±
0.1kg的重物从610
±
25mm的高度自由落体到锂离子电池上方的钢柱上，同一实施例或对比例获得的锂离子电池平行测试15只，计算锂离子电池的重物冲击通过率。
205.2)挤压测试
206.取锂离子电池充满电，将锂离子电池置于两个平板之间，沿垂直于平板的方向进行挤压，两平板间施加13.0kn
±
0.78kn的挤压力，当挤压力达到最大值停止挤压测试。
207.3)跌落测试
208.取锂离子电池充满电，将锂离子电池从1m的高处以最容易受到损伤的方向(连接器端面)跌落到硬木表面3次。
209.4)k值测试
210.k值为每小时电池的电压衰减值，mv/h；测试不同时间的电压内阻，通过公式k＝(ocv1-ocv2)/两次测试的时间间隔。
211.5)力敏元件的膜片电阻
212.将力敏元件放置于膜片电阻仪两电极之间，使用膜片电阻测试仪器测试膜片电阻，通过在软件上设置测试压强，考察不同压强下的膜片电阻。
213.表1
214.[0215][0216]
从表1可以看出，与对比例1相比，本发明实施例的电池能够在保持较低的自放电率(k值)、较为优异的跌落性能(跌落前后电池的自放电率基本保持不变)，显著提高电池的安全性能(重物冲击测试通过率以及挤压测试通过率)；与对比例2和对比例3相比，本发明实施例的电池能够在保持较为优异的安全性能高的情况下，显著提高电池的跌落性能，降低电池的自放电率。
[0217]
进一步地，从实施例1和实施例4，以及实施例12和实施例23可以看出，对导电颗粒的粒径进行进一步的优选，可以在基本不影响电池的跌落性能以及自放电率的情况下，进一步提高电池的安全性能。
[0218]
从实施例1和实施例5可以看出，在第三导电层中添加导电添加剂，能够在基本不影响电池的跌落性能以及自放电率的情况下，进一步提高电池的安全性能。
[0219]
从实施例1、实施例26以及实施例27可以看出，对第三导电层中导电颗粒的质量百分含量进行进一步地选择，可以在基本不影响电池的跌落性能以及自放电率的情况下(或者提高电池的跌落性能以及降低电池的自放电率的情况下)，进一步提高电池的安全性能。
[0220]
从实施例1、实施例7以及实施例25，以及实施例17和实施例21可以看出，对绝缘层
的厚度与第三导电层的厚度之比进行特定的选择，可以使电池兼具较为优异的安全性能、跌落性能以及自放电率。
[0221]
从实施例21、实施例24以及实施例28，以及实施例4和实施例29可以看出，对第三导电层的厚度进行进一步地选择，可以提高电池的跌落性能以及安全性能，降低电池的自放电率。
[0222]
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种安全单元，其特征在于，包括第一导电层、力敏元件以及第二导电层，所述力敏元件设置于所述第一导电层与所述第二导电层之间；所述力敏元件包括第三导电层以及设置于所述第三导电层至少一个表面的绝缘层；所述第三导电层包括导电颗粒以及粘结剂。2.根据权利要求1所述的安全单元，其特征在于，所述第三导电层包括第一力敏导电层以及第二力敏导电层；所述绝缘层位于所述第一力敏导电层与所述第二力敏导电层之间。3.根据权利要求1所述的安全单元，其特征在于，所述绝缘层包括第一绝缘层以及第二绝缘层；所述第三导电层位于所述第一绝缘层与所述第二绝缘层之间。4.根据权利要求1-3任一项所述的安全单元，其特征在于，所述导电颗粒的粒径为1μm～30μm。5.根据权利要求1-4任一项所述的安全单元，其特征在于，所述第三导电层还包括导电添加剂。6.根据权利要求1-5任一项所述的安全单元，其特征在于，所述第三导电层中，导电颗粒的质量百分含量为40％-98％。7.根据权利要求1-6任一项所述的安全单元，其特征在于，所述绝缘层的厚度与所述第三导电层的厚度之比为(0.05-1)：1。8.根据权利要求7所述安全单元，其特征在于，所述绝缘层的厚度为1-20μm；和/或，所述第三导电层的厚度为1-100μm。9.一种电化学装置，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的安全单元。10.根据权利要求9所述的电化学装置，其特征在于，所述电化学装置还包括电芯本体，所述电芯本体包括层叠设置的正极片、隔膜以及负极片；所述第一导电层与所述正极片电连接，所述第二导电层与所述负极片电连接。11.根据权利要求10所述的电化学装置，其特征在于，所述正极片包括正极耳，所述负极片包括负极耳；所述第一导电层通过所述正极耳与所述正极片电连接，所述第二导电层通过所述负极耳与所述负极片电连接。12.根据权利要求10-11任一项所述的电化学装置，其特征在于，所述安全单元设置于所述电芯本体的外表面；和/或，至少一对相邻的所述正极片与所述负极片之间层叠设置有所述安全单元。13.根据权利要求10所述电化学装置，其特征在于，所述正极片包括正极集流体，所述正极集流体包括相互连接的正极涂覆区以及正极空箔区，所述正极涂覆区用于设置正极活性层；所述负极片包括负极集流体，所述负极集流体包括相互连接的负极涂覆区以及负极空箔区，所述负极涂覆区用于设置负极活性层；沿层叠方向，所述正极活性层与所述负极活性层相对设置，所述正极空箔区与所述负极空箔区相对设置；所述力敏元件位于所述正极空箔区与所述负极空箔区之间。

技术总结
本发明提供一种安全单元及电化学装置，所述安全单元包括第一导电层、力敏元件以及第二导电层，所述力敏元件设置于所述第一导电层与所述第二导电层之间；所述力敏元件包括第三导电层以及设置于所述第三导电层至少一个表面的所述绝缘层；所述力敏导电层包括导电颗粒以及粘结剂。包括该安全单元的电化学装置兼具优异的安全性能以及跌落性能，而且自放电率更低。低。低。


技术研发人员：翟艳云 赵伟 袁松
受保护的技术使用者：珠海冠宇电池股份有限公司
技术研发日：2023.05.18
技术公布日：2023/8/16