极片及电化学装置和电子装置的制作方法

本发明涉及电化学装置领域，具体涉及一种极片及电化学装置和电子装置。

背景技术：

锂离子二次电池等电化学装置应用广泛，随着科技发展，对电化学装置的能量密度提出越来越高的要求，为保证或提高电化学装置的能量密度，通常需要极片涂层具有更大的压实密度，因此在极片的冷压制作工序中，需要施加很大的压力。现有的极片通常采用间隙涂布的方式制作，即集流体表面存在功能涂层和无涂层区域，然后再沿着无涂层区域进行分切，制成极片。制成的极片具有功能涂层和无涂层区域，鉴于功能涂层和无涂层区域的厚度差异，使得极片在受到外界较大压力(如冷压制作工序中的压力或其他外界压力)作用时，功能涂层靠近无涂层区域的部分(或称过渡区域)会存在由上述压力导致的应力集中，从而导致过渡区域的集流体发生不可逆的形变，弱化集流体的力学性能，影响电化学装置内部的电流导通效果。

技术实现要素：

本发明提供一种极片及电化学装置和电子装置，以至少克服现有技术存在的极片涂层靠近无涂层区的过渡区域在冷压制作工序中存在应力集中、以及由此导致的集流体力学性能差、电流导通效果差等问题。

本发明的一方面，提供一种极片，包括集流体，集流体的至少一个表面具有功能涂层和无涂层区域。功能涂层具有功能区域、以及由功能区域向无涂层区域延伸的延伸区域。延伸区域的最小厚度大于0且其最大厚度小于功能区域的厚度。

根据本发明的一实施方式，无涂层区域包括位于功能涂层一侧的空箔区域、以及在功能涂层上开设的露出集流体表面的凹槽中的至少一种，该凹槽的底面为集流体，且凹槽的至少两个侧面为功能涂层。

根据本发明的一实施方式，延伸区域向无涂层区域延伸方向厚度大致不变或降低。

根据本发明的一实施方式，延伸区域在沿功能区域至无涂层区域的方向上的宽度为0.1mm至3mm。

根据本发明的一实施方式，沿功能区域至无涂层区域的方向上，延伸区域的1/2宽度处的厚度小于延伸区域与功能区域相连接处的厚度。

根据本发明的一实施方式，沿功能区域至无涂层区域的方向上，延伸区域的2/3宽度处的厚度小于延伸区域的1/3宽度处的厚度。

根据本发明的一实施方式，延伸区域的表面为平面、斜面、弧面中的一种。

根据本发明的一实施方式，功能区域厚度均匀，满足t1是功能区域的厚度，t2是延伸区域的最小厚度。

根据本发明的一实施方式，功能区域的厚度为50μm至150μm。

根据本发明的一实施方式，延伸区域的最小厚度为10μm至70μm。

根据本发明的一实施方式，极片为负极片，满足或者，极片为正极片，满足其中，t1是功能区域的厚度，单位以μm计；t2是延伸区域的最小厚度，单位以μm计；w是延伸区域在沿功能区域至无涂层区域的方向上的厚度，单位以mm计；cw表示功能区域的面密度，单位以mg/1540.25mm²计；a表示大于等于10、小于等于35的一个随机数；b表示大于等于20、小于等于60的一个随机数。

本发明的另一方面，提供一种电化学装置，包括上述极片。

本发明的再一方面，提供一种电子装置，包括上述电化学装置。

本发明通过上述极片结构设计，在极片受到外界压力作用时，延伸区域(功能区域靠近无涂层区域的过渡区域)不会产生过压，从而可以缓解过渡区域的应力集中，避免集流体变形，保证集流体的力学性能以及电化学装置内部的电流导通效果，从而提高电化学装置的循环性、安全性和使用寿命等品质；此外，本发明在保证极片上述性能的同时，也不会影响极片冷压制作工序的效率，对于实际产业化应用具有重要意义。

附图说明

图1为示出功能涂层与凹槽的极片结构的平面示意图(未示出延伸区域)；

图2为示出功能涂层与凹槽的极片结构的截面示意图(未示出延伸区域)；

图3为本发明一实施方式的极片结构的截面示意图；

图4为本发明另一实施方式的极片结构的截面示意图；

图5为本发明再一实施方式的极片结构的截面示意图；

图6为本发明一实施方式的极片结构的平面示意图。

附图标记说明：1：集流体；2：功能涂层；21：功能区域；22：延伸区域；3：无涂层区域；w：延伸区域的宽度。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的方案，下面结合附图对本发明作进一步地详细说明。

如图1至图6所示，本发明的极片包括集流体1，集流体1的至少一个表面具有功能涂层2和无涂层区域3，功能涂层2具有功能区域21以及由功能区域21向无涂层区域3延伸的延伸区域22，延伸区域22的最小厚度(即延伸区域22最薄处的厚度)大于0且其最大厚度(即延伸区域22最厚处的厚度)小于功能区域21的厚度。

延伸区域22的厚度为其表面上的点到集流体1之间的垂直距离，具体实施时，可以通过显微镜测量延伸区域22厚度方向上的截面，以测定延伸区域22不同位置处的厚度，例如测定其最大厚度、最小厚度以及下述的1/2宽度处的厚度、1/3宽度处的厚度、2/3宽度处的厚度等，但不局限于此，也可通过其他常规方式测定。

无涂层区域3是没有涂层的空箔区，一般情况下，功能涂层界面厚度(功能区域21厚度与集流体1厚度之和)可以是无涂层区域3厚度(即集流体厚度)的5倍至20倍，但不以此为限。具体地，无涂层区域3可以是为焊接极耳预留的空箔区，也可以是根据需要设计的其他没有涂层的区域，在一些实施例中，无涂层区域3包括位于功能涂层2一侧的空箔区域(如图6所示，左侧为包括两个极片的基材的结构示意图；右侧为将基材分切后得到的两个极片的结构示意图)、以及在功能涂层2上开设的露出集流体表面的凹槽(凹槽结构如图1和图2所示)中的至少一种，凹槽的底面为集流体，且凹槽的至少两个侧面为所述功能涂层。无涂层区域的横截面形状例如是长方形/正方形(如图6所示)、圆形或其他形状，无涂层区域3的数量可以是一个或多个，具体实施时，可以根据需要设置。

在一些实施例中，延伸区域22向无涂层区域3的延伸方向厚度大致不变或降低，利于缓解功能涂层与无涂层区域之间的过渡区域应力集中问题，提高集流体强度，进一步保证极片的功能发挥。具体来说，延伸区域22最靠近无涂层区域3处的厚度为其最小厚度，最远离无涂层区域2处的厚度为其最大厚度，延伸区域22的最小厚度大于0，即延伸区域22靠近无涂层区域3的一侧存在平行于功能涂层厚度方向的侧面。在一些实施例中，所述延伸区域22向无涂层区域3的延伸方向厚度大致不变是指延伸区域22向无涂层区域3的延伸方向厚度差值范围在2μm以内(即延伸区域22的最大厚度与最小厚度差值在2μm以内，例如差值在1μm或更小范围以内)。

举例来说，如图3所示，延伸区域22的表面为平面，即延伸区域22的厚度沿向无涂层区域3的延伸方向不变，无涂层区域3的厚度均匀(其最小厚度与最大厚度大致相等，大致相等定义为厚度差范围在1μm以内)；或者，如图4所示，延伸区域22的表面为斜面，即延伸区域22的厚度沿靠近无涂层区域3的方向逐渐降低，且降低幅度不变；或者，如图5所示，延伸区域22的表面为弧面，具体可以为弧形凹面(弧面为凹面型)，即延伸区域22的厚度沿靠近无涂层区域3的方向逐渐降低，且降低幅度沿靠近无涂层区域3的方向逐渐变小，或者为弧形凸面(弧面为凸面型)，即延伸区域22的厚度沿靠近无涂层区域3的方向逐渐降低，且降低幅度沿靠近无涂层区域3的方向逐渐变大。本实施例附图仅示出了弧面为凹面型的极片结构，弧面为凸面型的极片结构未于附图中示出。

在一些实施例中，沿功能区域21至无涂层区域3的方向上，延伸区域22的1/2宽度处的厚度小于延伸区域22与功能区域21相连接处的厚度。

在一些实施例中，沿功能区域21至无涂层区域3的方向上，延伸区域22的2/3宽度处的厚度小于延伸区域22的1/3宽度处的厚度。

在一些实施例中，功能区域的厚度均匀，满足t1是功能区域21的厚度，t2是延伸区域22的最小厚度，例如是0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7或这些数值中的任意两者组成的范围等，利于进一步缓解过渡区域的应力集中问题，同时兼顾提高极片的能量密度等性能。

功能区域21的厚度均匀，所述厚度均匀是指其最小厚度与最大厚度大致相等，此处，大致相等定义为厚度差范围在3μm以内，例如在2μm、1μm或更小范围以内。

具体地，在一些实施例中，功能区域21的厚度t1可以为50μm至150μm，例如50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、110μm、120μm、130μm、140μm、150μm或这些数值中的任意两者组成的范围，延伸区域22的最小厚度t2可以为10μm至70μm，例如10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm或这些数值中的任意两者组成的范围。

在一些实施例中，延伸区域22在沿功能区域21至无涂层区域3的方向上的宽度w为0.1mm至3mm，例如0.1mm、0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm或这些数值中的任意两者组成的范围，利于缓解过渡区域的应力集中问题及兼顾提高极片的能量密度等性能。一般情况下，在上述范围内，w设置越小，越有利于极片的制作，加工效率更高。

本发明中，上述极片可以是正极片或负极片，在一些实施例中，极片为负极片，满足或者，极片为正极片，满足其中，t1是功能区域的厚度，单位以μm计；t2是延伸区域的最小厚度，单位以μm计；w是延伸区域在沿功能区域至无涂层区域的方向上的厚度，单位以mm计；cw表示功能区域的面密度，单位以mg/1540.25mm²计；a表示大于等于10、小于等于35的一个随机数；b表示大于等于20、小于等于60的一个随机数，根据本发明的研究，该条件利于进一步缓解过渡区域的应力集中问题，提高集流体强度，进一步保证极片功能发挥。

本发明可以采用本领域常规集流体，例如，当上述极片为正极片时，集流体可以是铝箔；当上述极片为负极片，集流体可以是铜箔等。

本发明中，可以只在集流体1的一个表面设置功能涂层2和无涂层区域3，也可以在集流体1的正反两个表面均设置功能涂层2和无涂层区域3，相对而言，后者更利于提高极片的能量密度等特定，具体实施时，可以根据需要选择。例如，在一些实施例中，集流体1的两个表面均具有功能涂层2和无涂层区域3，且集流体1两个表面的功能涂层2位置对应，集流体1两个表面的无涂层区域3位置对应，意即，集流体1一个表面的功能涂层2平行于极片表面的正投影与集流体1另一个表面的功能涂层2平行于极片表面的正投影重合，集流体1一个表面的无涂层区域3平行于集流体1表面的正投影与集流体1另一个表面的无涂层区域3平行于集流体表面的正投影重合(如图3至图5所示)，其中，集流体正反两个表面的功能区域位置对应，集流体正反两个表面的延伸区域位置对应，但不局限于此，也可以根据需要在集流体正反两个表面的其他位置设置功能涂层和无涂层区域，只要满足功能区域与无涂层区域之间具有上述延伸区域即可。

本发明中，功能涂层例如包括活性物质层，还可以根据需要包括和活性物质层配合的保护层等其他涂层，在一些实施例中，功能区域和延伸区域的组分分别包括活性物质、导电剂和粘结剂，其中，活性物质的质量含量为85-98％，导电剂的质量含量为0.01-3％，粘结剂的质量含量为0.1-5％，功能区域和延伸区域的组分及各组分含量可以相同或不同，一般优选相同，利于在缓解过渡区域的应力集中问题的同时简化极片的制作工艺。

本发明中，举例来说，导电剂可以包括导电碳黑(sp)、乙炔黑、科琴黑、碳纤维等中的至少一种，粘结剂可以包括聚偏氟乙烯(pvdf)、聚乙烯醇、羟丙基纤维素、二乙酰基纤维素、聚氯乙烯、羧化的聚氯乙烯、聚氟乙烯、含亚乙基氧的聚合物、聚乙烯吡咯烷酮、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚偏1,1-二氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、丁苯橡胶(sbr)、丙烯酸(酯)化的丁苯橡胶、环氧树脂、尼龙等中的至少一种；当极片为正极片时，活性物质可以包括钴酸锂(lco)、磷酸铁锂(lfp)、锰酸锂、镍钴锰(ncm)三元材料、镍钴铝(nca)三元材料中的至少一种，当极片为负极片时，活性物质可以包括石墨、中间相微碳球(mcmb)、硬碳、软碳、硅、硅-碳复合物(或称硅碳化合物)中的至少一种，石墨具体可以包括人造石墨和/或天然石墨。

本发明的极片可以按照本领域常规方法制得，例如，可以将含有功能涂层组分的浆料涂敷于金属箔材(集流体)表面，然后经干燥、辊压后，在金属箔材表面形成功能涂层；再根据无涂层区域的预设位置，采用激光清洗等方式除去无涂层区域预设位置的涂层，露出集流体表面，形成无涂层区域，同时根据延伸区域的形状等参数，减薄功能涂层靠近无涂层区域的部分区域，以形成延伸区域，再根据极片的预设形状、大小等参数，分切成极片。

本发明的电化学装置包括上述极片，该电化学装置可以是发生电化学反应的任何装置，尤其可以是具备具有能够吸留、放出金属离子(如锂离子)的正极活性物质的正极以及具有能够吸留、放出金属离子的负极活性物质的负极的电化学装置，其具体实例可以是包括所有种类的一次电池、二次电池、燃料电池、太阳能电池或电容器，特别地，该电化学装置可以是锂离子二次电池。

上述极片可以是正极片，或者可以是负极片，或者可以包括正极片和负极片。当该极片为正极片时，上述电化学装置还包括负极片，该负极片可以是含石墨负极片、含硅负极片等本领域常规负极片；当该极片为负极片时，上述电化学储能装置还包括正极片，该正极片亦可以是本领域常规正极片，本发明对此不做特别限制。

上述电化学装置还包括位于正极片和负极片之间的隔离膜，该隔离膜用于间隔正极片和负极片，其可以是本领域常规隔离膜，本发明对此亦不做特别限制。

本发明的电子装置包括上述电化学装置，采用上述电化序装置作为储能装置。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的具体实施例和对比例对本发明作进一步的说明，显然，所描述的实施例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他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下实施例中及对比例中，按照如下过程测得冷压后的极片拉伸强度：调整上夹具和下夹具的位置，用镊子将极片样品夹入至夹具中，调整高铁拉力软件，以20mm/min的稳定速度拉伸极片，记录剪切破坏的最大载荷p，根据抗拉强度＝p/(极片样品宽度w×极片样品厚度h)计算极片的拉伸强度；按照上述过程，对同一极片进行多次测试，得到该极片的平均拉伸强度n(n表示多次测试的平均值)。

实施例

(1)以下实施例6至实施例10中提供的负极片按照如下过程制得：

将以质量百分比计的96％石墨、1％炭黑、3％丁苯橡置于去离子水中混合制成负极浆料；将该负极浆料涂敷于铜箔表面，经干燥、辊压后，在铜箔表面形成负极活性物质层；采用激光清洗的方式在负极活性物质层上开设用于安装负极耳、露出铜箔表面的凹槽(如图1和图2所示)，并减薄负极活性物质层靠近凹槽的部分区域，以形成延伸区域(如图3至图5)，制得负极片。

(2)以下实施例1至实施例5中提供的正极片按照如下过程制得：

将以质量百分比计的95％钴酸锂、2％炭黑、3％聚偏氟乙烯置于n-甲基吡咯烷酮中混合制成正极浆料；将该正极浆料涂敷于铝箔表面，经干燥、辊压后，在铝箔表面形成正极活性物质层；采用激光清洗的方式在正极活性物质层上开设用于安装正极耳、露出铝箔表面的凹槽(如图1和图2所示)，并减薄正极活性物质层靠近凹槽的部分区域，以形成延伸区域(如图3至图5所示)，制得正极片。

对比例1

对比例1提供的负极片结构与实施例1至实施例5的区别在于，在功能区域和凹槽之间不设置延伸区域。

对比例2

对比例2提供的正极片结构与实施例6至实施例10的区别在于，在功能区域和凹槽之间不设置延伸区域。

实施例1至5及对比例1中，延伸区域表面状态(图3所示平面/图4所示斜面/图5所示弧形凹面)、延伸区域的最小厚度t2、延伸区域的宽度w、功能区域的厚度t1、以及测得的各实施例及对比例极片的拉伸强度见表1。

实施例6至10及对比例2中，延伸区域表面状态(平面/斜面/弧形凹面)、延伸区域的最小厚度t2、延伸区域的宽度w、功能区域的厚度t1、以及测得的各实施例及对比例极片的拉伸强度见表2。

表1实施例1至实施例5及对比例1负极片的参数及拉伸强度

表2实施例6至实施例10及对比例2正极片的参数及拉伸强度

根据测试结果，实施例1至实施例5的正极片拉伸强度显著优于对比例1的正极片，实施例6至实施例10的负极片的拉伸强度显著优于对比例2的负极片，尤其是实施例1至实施例3、实施例6至实施例8对极片强度的改善效果更为优异。说明在增加了延伸区域后，极片在冷压的过程中应力集中的状况大大减小，相应过渡区域的形变减小，使极片在冷压后表现出优良的拉伸强度。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例以及试验验证。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。