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JP-2026514972-A - 電池と電力消費装置

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Abstract

電池と電力消費装置であって、前記電池は、電極極板を含み、電極極板は、集電体と集電体の少なくとも一方側上に設置される膜層とを含み、膜層は、活物質と親液性ポリマーとを含み、ここで、電池のエネルギー密度≧300Wh/Kgである。 【選択図】図1

Inventors

  • ペン シュアンジュアン
  • ペン リン
  • リー バイチン
  • ジン ハイツー
  • チャオ フェンガン
  • ウー カイ

Assignees

  • 寧徳時代新能源科技股▲分▼有限公司

Dates

Publication Date
20260513
Application Date
20240507
Priority Date
20231103

Claims (13)

  1. 電池であって、電極極板を含み、前記電極極板は、集電体と前記集電体の少なくとも一方側上に設置される膜層とを含み、前記膜層は、活物質と親液性ポリマーとを含み、 ここで、前記電池のエネルギー密度≧300Wh/Kgである、電池。
  2. 前記電池のエネルギー密度は、300Wh/Kg~500Wh/Kgである、請求項1に記載の電池。
  3. 前記電極極板は、正極極板を含み、前記正極極板における活物質は、分子式Li x Ni a Co b M (1-a-b) O 2 の化合物及びその改質化合物を含み、ここで、0.60≦x≦1.20、0.85≦a<1.00、0<b≦0.10、且つa+b<1.00であり、Mは、Mn、Al、B、Zr、Sr、Y、Sb、W、Ti、LaとNbのうちの少なくとも一つを含み、 選択的に、0.90≦a<1.0であり、 さらに選択的に、前記正極極板における活物質は、分子式LiNi 0.85 Co 0.10 M 0.05 O 2 、LiNi 0.92 Co 0.04 M 0.04 O 2 、LiNi 0.92 Co 0.05 M 0.03 O 2 、LiNi 0.92 Co 0.06 M 0.02 O 2 、LiNi 0.93 Co 0.03 M 0.04 O 2 とLiNi 0.93 Co 0.025 M 0.045 O 2 のうちの少なくとも一つの化合物を含む、請求項1又は2に記載の電池。
  4. 前記正極極板における活物質は、単結晶粒子と多結晶粒子とを含み、前記単結晶粒子の体積平均粒径Dv50は、前記多結晶粒子の体積平均粒径Dv50よりも小さく、 選択的に、 前記単結晶粒子の体積平均粒径Dv50は、2μm~5μmであり、 選択的に、 前記多結晶粒子の体積平均粒径Dv50は、5μm~10μmであり、 選択的に、 前記正極極板における活物質総質量を基準として、前記単結晶粒子の質量含有量は、10%~30%である、請求項3に記載の電池。
  5. 前記正極極板における膜層の圧密密度≧3.6g/cm 3 であり、選択的には3.6g/cm 3 ~3.8g/cm 3 である、請求項3又は4に記載の電池。
  6. 前記電極極板は、負極極板を含み、前記負極極板における活物質は、少なくともシリコーン系材料を含み、 選択的に、前記シリコーン系材料は、シリコーン単体と、シリコーン酸化物と、シリコーン炭素複合体と、シリコーン窒素複合体と、シリコーン合金材料とのうちの少なくとも一つを含み、 選択的に、前記負極極板における活物質の総質量を基準として、前記シリコーン系材料の質量含有量≧5%であり、選択的には15%~50%であり、 選択的に、負極膜層の圧密密度≧1.5g/cm 3 であり、選択的には1.5g/cm 3 ~2.0g/cm 3 である、請求項1から5のいずれか1項に記載の電池。
  7. 前記膜層の総質量を基準として、前記親液性ポリマーの質量含有量≦5%であり、選択的には0.05%~5%であり、及び/又は 前記親液性ポリマーの塗布重量は、0.5mg/1540.25mm 2 ~5mg/1540.25mm 2 である、請求項1から6のいずれか1項に記載の電池。
  8. 前記親液性ポリマーは、フッ素化ポリマーを含み、前記フッ素化ポリマーの示差走査熱量測定法で測定した結晶化度は、Xc 1 %であり、0<Xc 1 ≦28であり、 前記フッ素化ポリマーの溶融温度は、T m1 ℃であり、0<T m1 ≦130であり、 さらに選択的に、前記フッ素化ポリマーのガラス化転移温度は、T g1 ℃であり、-30≦T g1 ≦40であり、 よりさらに選択的に、前記フッ素化ポリマーは、式(AI)に示す化合物~式(AIII)に示す化合物のうちの少なくとも一つを含み、 式(AI)と式(AII)において、R 11 、R 12 、R 13 及びR 14 は、それぞれ独立して水素原子、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、置換又は非置換のC1-C3アルキル基又は置換又は非置換のC1-C3アルコキシ基を含み、且つR 11 、R 12 、R 13 及びR 14 のうちの少なくとも一つは、フッ素原子を含み、 式(AIII)において、R 15 は、単結合、置換又は非置換のC1-C3アルキル基を含み、 pは、1~3の正の整数から選択され、 nは、1000~30000の正の整数から選択される、請求項1から7のいずれか1項に記載の電池。
  9. 前記親液性ポリマーは、エーテル系ポリマーを含み、前記エーテル系ポリマーをシート状構造体に作製し、前記シート状構造体を(T m2 +20)℃で動的周波数掃引試験によって弾性率G’-エネルギー損失弾性率G”曲線を得、前記弾性率G’-エネルギー損失弾性率G”曲線の傾きは、K 1 であり、1<K 1 <∞であり、T m2 ℃は、前記エーテル系ポリマーの溶融温度を表し、選択的に、1<K 1 ≦100であり、さらに選択的に、1<K 1 ≦10であり、 選択的に、前記エーテル系ポリマーのガラス化転移温度は、T g2 ℃であり、-20≦T g2 ≦35であり、 さらに選択的に、前記エーテル系ポリマーは、式(BI)に示す化合物と式(BII)に示す化合物のうちの少なくとも一つを含み、 式(BI)において、R 21 及びR 22 は、それぞれ独立して水素原子、置換又は非置換のC1-C3アルキル基又は置換又は非置換のC1-C3アルコキシ基を含み、R 23 は、置換又は非置換のC1-C5アルキレン基を含み、 式(BII)において、R 24 ~R 27 は、それぞれ独立して水素原子、置換又は非置換のC1-C3アルキル基、置換又は非置換のC1-C3アルコキシ基又はエーテル基を含み、且つR 24 ~R 27 のうちの少なくとも一つは、置換又は非置換のC1-C3アルコキシ基又はエーテル基を含み、 前記エーテル系ポリマーの重合度nは、1500~25000の正の整数から選択される、請求項1から8のいずれか1項に記載の電池。
  10. 前記親液性ポリマーは、エステル系ポリマーを含み、前記エステル系ポリマーをシート状構造体に作製し、前記シート状構造体を(T m3 +20)℃で動的周波数掃引試験によって弾性率G’-エネルギー損失弾性率G”曲線を得、前記弾性率G’-エネルギー損失弾性率G”曲線の傾きは、K 2 であり、1<K 2 <∞であり、T m3 ℃は、前記エステル系ポリマーの溶融温度を表し、選択的に、1<K 2 ≦100であり、さらに選択的に、1<K 2 ≦10であり、 選択的に、前記エステル系ポリマーのガラス化転移温度は、T g3 ℃であり、-20≦T g3 ≦35であり、 さらに選択的に、前記エステル系ポリマーは、式(CI)に示す化合物~式(CIII)に示す化合物のうちの少なくとも一つを含み、 式(CI)において、R 31 、R 32 及びR 33 は、それぞれ独立して水素原子、又は置換又は非置換のC1-C8アルキル基を含み、R 34 は、置換又は非置換のC1-C8アルキル基、又は置換又は非置換のC1-C8ヒドロキシアルキル基を含み、 式(CII)において、R 35 は、置換又は非置換のC2-C6メチレン基を含み、選択的に、R 35 は、置換又は非置換のC2-C4メチレン基を含み、 式(CIII)において、R 36 、R 37 及びR 38 は、それぞれ独立して水素原子、又は置換又は非置換のC1-C8アルキル基を含み、R 39 は、置換又は非置換のC1-C8アルキル基を含み、 選択的に、R 36 、R 37 及びR 38 は、それぞれ独立して水素原子、置換又は非置換のC1-C4アルキル基を含み、 前記エステル系ポリマーの重合度nは、800~20000の正の整数から選択される、請求項1から9のいずれか1項に記載の電池。
  11. 前記親液性ポリマーは、アルデヒド・ケトンポリマーを含み、前記アルデヒド・ケトンポリマーをシート状構造体に作製し、前記シート状構造体を(T m4 +20)℃で動的周波数掃引試験によって弾性率G’-エネルギー損失弾性率G”曲線を得、前記弾性率G’-エネルギー損失弾性率G”曲線の傾きは、K 3 であり、0.8≦K 3 <∞であり、T m4 ℃は、前記アルデヒド・ケトンポリマーの溶融温度を表し、選択的に、0.8≦K 3 ≦100であり、さらに選択的に、0.8≦K 3 ≦10であり、 選択的に、前記アルデヒド・ケトンポリマーのガラス化転移温度は、T g4 ℃であり、-20≦T g4 ≦35であり、 さらに選択的に、前記アルデヒド・ケトンポリマーは、式(DI)に示す化合物と式(DII)に示す化合物のうちの少なくとも一つを含み、 式(DI)において、R 41 は、単結合、置換又は非置換のC1-C6メチレン基を含み、R 42 は、水素原子、置換又は非置換のC1-C6アルキル基を含み、 式(DII)において、R 43 ~R 46 は、それぞれ独立して水素原子、ヒドロキシ基、置換又は非置換のC1-C3アルキル基、置換又は非置換のC1-C3ヒドロキシアルキル基又は置換又は非置換のC1-C3アルコキシ基を含み、 rとsは、それぞれ独立して0~5のうちの整数から選択され、且つrとsのうちの少なくとも一つは、正の整数から選択され、 前記アルデヒド・ケトンポリマーの重合度nは、500~15000の正の整数から選択される、請求項1から10のいずれか1項に記載の電池。
  12. 前記親液性ポリマーの分子量は、2.0×10 5 g/mol~1.2×10 6 g/molである、請求項1から11のいずれか1項に記載の電池。
  13. 請求項1から12のいずれか1項に記載の電池を含む、電力消費装置。

Description

[関連出願の相互参照] 本出願は、2023年11月03日に提案された、名称が「電池と電力消費装置」である中国特許出願202311460053.7の優先権を主張しており、この出願のすべての内容は、援用により本明細書に取り込まれる。 本出願は、電池と電力消費装置に関する。 電池は、高容量、長寿命などの特性を有するため、電子機器、例えば携帯電話、ノートパソコン、バッテリ車、電気自動車、電気飛行機、電気汽船、電動玩具自動車、電動玩具汽船、電動玩具飛行機と電動工具などに広く応用されている。 電池の応用範囲がますます広くなるにつれて、電池性能に対する要求も徐々に厳しくなっている。しかしながら、電池は、高エネルギー密度とサイクル性能を両立させることが困難である。 本出願は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、電池と電力消費装置を提供することである。 第一の態様によれば、本出願は、電池を提案し、前記電池は、電極極板を含み、電極極板は、集電体と集電体の少なくとも一方側上に設置される膜層とを含み、膜層は、活物質と親液性ポリマーとを含み、 ここで、電池のエネルギー密度≧300Wh/Kgである。 それによって、本出願の実施の形態における活物質は、電池セルのエネルギー密度に貢献し、エネルギー密度を高めることができ、本出願の実施の形態において、電極極板の膜層に親液性ポリマーを設置することによって、親液性ポリマーは、スラリーを製造する時に活物質粒子と均一に混合した後に膜層を形成することができ、親液性ポリマーは、電解液に親和力を有し、電極極板と電解液との親和性を高めることができ、親液性ポリマーは、電解液を被覆するように構成され、活物質粒子の表面に効果的な貯液点を形成し、電極極板の貯液能力を高めることができ、電解液の膜層に対する浸潤性能を高め、濃度差分極現象を軽減させ、電池のサイクル性能を高めることができる。 いくつかの実施の形態では、電池のエネルギー密度は、300Wh/Kg~500Wh/Kgである。 いくつかの実施の形態では、電極極板は、正極極板を含み、正極極板における活物質は、分子式LixNiaCobM(1-a-b)O2の化合物及びその改質化合物を含み、ここで、0.60≦x≦1.20、0.85≦a<1.00、0<b≦0.10、且つa+b<1.00であり、Mは、Mn、Al、B、Zr、Sr、Y、Sb、W、Ti、LaとNbのうちの少なくとも一つを含み、選択的に、0.90≦a<1.0であり、さらに選択的に、正極極板における活物質は、分子式LiNi0.85Co0.10M0.05O2、LiNi0.92Co0.04M0.04O2、LiNi0.92Co0.05M0.03O2、LiNi0.92Co0.06M0.02O2、LiNi0.93Co0.03M0.04O2とLiNi0.93Co0.025M0.045O2のうちの少なくとも一つの化合物を含む。上記正極活物質の比容量が比較的高く、電池のエネルギー密度を著しく高める。 いくつかの実施の形態では、正極極板における活物質は、単結晶粒子と多結晶粒子とを含み、単結晶粒子の体積平均粒径Dv50は、多結晶粒子の体積平均粒径Dv50よりも小さく、選択的に、単結晶粒子の体積平均粒径Dv50は、2μm~5μmであり、選択的に、多結晶粒子の体積平均粒径Dv50は、5μm~10μmである。単結晶粒子と多結晶粒子との異なる粒径の連携によって、正極膜層の圧密密度を高めることができ、電池セルのエネルギー密度をさらに高めるのに有利である。 いくつかの実施の形態では、正極極板における活物質総質量を基準として、単結晶粒子の質量含有量は、10%~30%である。単結晶粒子の質量含有量が上記範囲にある場合、さらに多結晶粒子と組み合わせて、正極膜層の圧密密度を高めることによって、電池セルのエネルギー密度を高めることができる。 いくつかの実施の形態では、正極極板における膜層の圧密密度≧3.6g/cm3であり、選択的には3.6g/cm3~3.8g/cm3である。正極膜層の圧密密度が上記範囲にある場合、電池セルのエネルギー密度を著しく高めることができる。 いくつかの実施の形態では、電極極板は、負極極板を含み、負極極板における活物質は、少なくともシリコーン系材料を含み、選択的に、シリコーン系材料は、シリコーン単体と、シリコーン酸化物と、シリコーン炭素複合体と、シリコーン窒素複合体と、シリコーン合金材料とのうちの少なくとも一つを含み、選択的に、負極極板における活物質の総質量を基準として、シリコーン系材料の質量含有量≧5%であり、選択的には15%~50%である。シリコーン系材料の質量含有量が上記範囲にある場合、電池セルのエネルギー密度をさらに高めることができる。 いくつかの実施の形態では、負極膜層の圧密密度≧1.5g/cm3であり、選択的には1.5g/cm3~2.0g/cm3である。負極膜層の圧密密度が比較的高く、電池のエネルギー密度を高めるのに有利である。 いくつかの実施の形態では、膜層の総質量を基準として、親液性ポリマーの質量含有量≦5%であり、選択的には0.05%~5%であり、及び/又は親液性ポリマーの塗布重量は、0.5mg/1540.25mm2~5mg/1540.25mm2である。親液性ポリマーの質量含有量が上記範囲にある場合、親液性ポリマーは、活物質粒子の表面に複数の貯液部位を形成し、膜層の貯液能力を高め、電解液の膜層における活物質に対する浸潤性を改善することができ、それによって電池のサイクル性能を高めるのに有利である。 いくつかの実施の形態では、親液性ポリマーは、フッ素化ポリマーを含み、フッ素化ポリマーの示差走査熱量測定法で測定した結晶化度は、Xc1であり、0<Xc1≦28%であり、 フッ素化ポリマーの溶融温度は、Tm1℃であり、0<Tm1≦130であり、 さらに選択的に、フッ素化ポリマーのガラス化転移温度は、Tg1℃であり、-30≦Tg1≦40であり、 よりさらに選択的に、フッ素化ポリマーは、式(AI)に示す化合物~式(AIII)に示す化合物のうちの少なくとも一つを含み、 式(AI)と式(AII)において、R11、R12、R13及びR14は、それぞれ独立して水素原子、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、置換又は非置換のC1-C3アルキル基又は置換又は非置換のC1-C3アルコキシ基を含み、且つR11、R12、R13及びR14のうちの少なくとも一つは、フッ素原子を含み、 式(AIII)において、R15は、単結合、置換又は非置換のC1-C3アルキル基を含み、 pは、1~3の正の整数から選択され、 nは、1000~30000の正の整数から選択される。 それによって、フッ素化ポリマーは、比較的低い結晶化度、溶融温度又はガラス化転移温度を有し、フッ素化ポリマーは、ガラス化転移温度以上で一定の活動性を有し、外力作用下で鎖セグメント運動によって外部エネルギーを緩衝し、一定の柔軟性として体現することができ、電池セルのサイクル過程において正極活物質又は負極活物質の充放電過程の緩衝とすることによって、サイクル膨張を改善し、サイクル性能を向上させることができる。 いくつかの実施の形態では、親液性ポリマーは、エーテル系ポリマーを含み、エーテル系ポリマーをシート状構造体に作製し、シート状構造体を(Tm2+20)℃で動的周波数掃引試験によって弾性率G’-エネルギー損失弾性率G”曲線を得、弾性率G’-エネルギー損失弾性率G”曲線の傾きは、K1であり、1<K1<∞であり、Tm2℃は、エーテル系ポリマーの溶融温度を表し、選択的に、1<K1≦100であり、さらに選択的に、1<K1≦10であり、 選択的に、エーテル系ポリマーのガラス化転移温度は、Tg2℃であり、-20≦Tg2≦35であり、 さらに選択的に、エーテル系ポリマーは、式(BI)に示す化合物と式(BII)に示す化合物のうちの少なくとも一つを含み、 式(BI)において、R21及びR22は、それぞれ独立して水素原子、置換又は非置換のC1-C3アルキル基又は置換又は非置換のC1-C3アルコキシ基を含み、R23は、置換又は非置換のC1-C5アルキレン基を含み、 式(BII)において、R24~R27は、それぞれ独立して水素原子、置換又は非置換のC1-C3アルキル基、置換又は非置換のC1-C3アルコキシ基又はエーテル基を含み、且つR24~R27のうちの少なくとも一つは、置換又は非置換のC1-C3アルコキシ基又はエーテル基を含み、 エーテル系ポリマーの重合度nは、1500~25000の正の整数から選択される。 それによって、本出願のエーテル系ポリマーが上記範囲を満たす場合、分子鎖の絡み合い状態をさらに低減させることができ、電解液における溶媒分子が分子鎖の間で拡散するのに有利であるとともに、エーテル系ポリマーは、依然として一定の分子鎖の絡み合い状態を維持し、電解液を効果的に保存し、電池セルのサイクル性能を改善することができる。 いくつかの実施の形態では、親液性ポリマーは、エステル系ポリマーを含み、エステル系ポリマーをシート状構造体に作製し、シート状構造体を(Tm3+20)℃で動的周波数掃引試験によって弾性率G’-エネルギー損失弾性率G”曲線を得、弾性率G’-エネルギー損失弾性率G”曲線の傾きは、K2であり、1<K2<∞であり、Tm3℃は、エステル系ポリマーの溶融温度を表し、選択的に、1<K2≦100であり、さらに選択的に、1<K2≦10であり、 選択的に、エステル系ポリマーのガラス化転移温度は、Tg3℃であり、-20≦Tg3≦35であり、 さらに選択的に、エステル系ポリマーは、式(CI)に示す化合物~式(CIII)に示す化合物のうちの少なくとも一つを含み、 式(CI)において、R31、R32及びR33は、それぞれ独立して水素原子、又は置換又は非置換のC1-C8アルキル基を含み、R34は、置換又は非置換のC1-C8アルキル基、又は置換又は非置換のC1-C8ヒドロキシアルキル基を含み、 式(CII)において、R35は、置換又は非置換のC2-C6メチレン基を含み、選択的に、R35は、置換又は非置換のC2-C4メチレン基を含み、 式(CIII)において、R36、R37及びR38は、それぞれ独立して水素原子、又は置換又は非置換のC1-C8アルキル基を含み、R39は、置換又は非置換のC1-C8アルキル基を含み、 選択的に、R36、R37及びR38は、それぞれ独立して水素原子、置換又は非置換のC1-C4アルキル基を含み、 エステル系ポリマーの重合度nは、800~20000の正の整数から選択される。 それによって、本出願のエステル系ポリマーが上記範囲を満たす場合、分子鎖の絡み合い状態をさらに低減させることができ、電解液における溶媒分子が分子鎖の間で拡散するのに有利であるとともに、エステル系ポリマーは、依然として一定の分子鎖の絡み合い状態を維持し、電解液を効果的に保存し、電池セルのサイクル性能を改善することができる。 いくつかの実施の形態では、親液性ポリマーは、アルデヒド・ケトンポリマーを含み、アルデヒド・ケトンポリマーをシート状構造体に作製し、シート状構造体を(Tm4+20)℃で動的周波数掃引試験によって弾性率G’-エネルギー損失弾性率G”曲線を得、弾性率G’-エネルギー損失弾性率G”曲線の傾きは、K3であり、0.8≦K3<∞であり、Tm4℃は、アルデヒド・ケトンポリマーの溶融温度を表し、選択的に、0.8≦K3≦100であり、さらに選択的に、0.8≦K3≦10であり、 選択的に、アルデ