电池单体、电池和用电设备的制作方法

本技术涉及电池领域，更为具体地，涉及一种电池单体、电池和用电设备。

背景技术：

1、节能减排是汽车产业可持续发展的关键。在这种情况下，电动车辆由于其节能环保的优势成为汽车产业可持续发展的重要组成部分。而对于电动车辆而言，电池技术又是关乎其发展的一项重要因素。

2、在电池技术的发展中，除了提高电池的性能外，安全问题也是一个不可忽视的问题。如果电池的安全问题不能保证，那该电池就无法使用。因此，如何既能提高电池的性能，又可以保证电池的安全性，已经成为电池技术发展中尤为重要的问题。

技术实现思路

1、本技术实施例提供了一种电池单体、电池和用电设备，能够提高电池单体的可靠性。

2、第一方面，提供了一种电池单体，该电池单体包括：电极组件，该电极组件包括负极极片，该负极极片包括能够可逆脱出-嵌入金属离子的负极活性材料，该负极活性材料包括硅基材料；壳体，用于容纳该电极组件，该壳体的至少部分区域在温度为25℃的条件下的抗拉强度为rm，rm满足：250mpa≤rm≤2000mpa，该壳体的至少部分区域在温度为25℃的条件下的屈服强度为re，re满足：140mpa≤re≤1000mpa。

3、因此，本技术实施例的电池单体，在负极极片上设置硅基材料可以容纳更多金属离子，可以有效增加电池单体的能量密度。另外，在负极极片的负极活性材料具有硅基材料的情况下，还会增加电池单体内电极组件在使用过程中的变形量，尤其是电池单体的充电过程中，金属离子嵌入负极极片的硅基材料，会使得电极组件发生体积膨胀，进而增加了该电极组件对电池单体的壳体的压力。因此，增加壳体的至少部分区域在常温25℃条件下的抗拉强度rm，可以提高壳体的变形能力，使得壳体在电池单体的使用过程中不易发生破损，进而提高电池单体的结构稳定性，进而提高电池单体的使用寿命。但该壳体的至少部分区域的常温25℃条件下的抗拉强度rm也不宜过大，以降低该壳体的材料的选择难度和加工难度，节省成本，便于加工。

4、另外，增加壳体的至少部分区域在常温25℃条件下的屈服强度re，可以提高壳体的变形能力，进而提高电池单体的结构稳定性，进而提高电池单体的使用寿命。在电池单体充放电过程中，电极组件会循环发生体积膨胀和体积缩小的情况下，增加壳体的至少部分区域的常温屈服强度re，能够提高壳体承受的最大挤压力，不超过该壳体的屈服强度的极限的情况下，壳体不易被破坏，且壳体的变形可恢复，提高了壳体的使用寿命。但该壳体的至少部分区域的常温条件下的屈服强度re也不宜过大，以降低该壳体的材料的选择难度和加工难度，节省成本，便于加工。

5、在一些实施例中，该负极活性材料中，该硅基材料的质量占比为g，该壳体的至少部分区域的材料包括铁元素，rm和g满足2%≤g≤40%，300mpa＜rm＜2000mpa。

6、在一些实施例中，该壳体的至少部分区域的材料包括碳钢或不锈钢，rm和g满足2.5%≤g≤15%，315mpa≤rm＜800mpa。

7、在一些实施例中，该壳体的至少部分区域的材料包括碳钢或不锈钢，rm和g满足4.5%≤g≤40%，380mpa≤rm＜2000mpa。

8、在一些实施例中，rm和g满足8%≤g≤40%，400mpa≤rm＜2000mpa。

9、在一些实施例中，rm和g满足10%≤g≤40%，480mpa≤rm＜2000mpa。

10、在一些实施例中，rm和g满足15%≤g≤40%，520mpa≤rm＜2000mpa。

11、在一些实施例中，rm和g满足20%≤g≤40%，600mpa≤rm＜2000mpa。

12、在一些实施例中，该硅基材料包括单质硅、硅氧化合物、硅碳复合物、硅氮复合物、含硅合金或硅氧碳复合材料中的至少一种，以便于实现。

13、上述各材料既便于加工，又可以满足设计需求。具体地，在负极极片的负极活性材料中添加硅基材料，由于硅基材料相比于其他元素可以容纳更多金属离子，例如，硅基材料的容量是石墨的十倍左右，所以可以有效提高电池单体的能量密度。同时该硅基材料的质量占比g也不宜设置过大，否则会增加电极组件的加工难度，另外还会增加电池单体内电极组件在使用过程中的变形量，尤其是电池单体的充电过程中，金属离子嵌入负极极片的硅基材料，会使得电极组件发生体积膨胀，进而增加了该电极组件对电池单体的壳体的压力，进而增加电池单体的加工难度。因此，可以通过合理选择材料，以适当增加壳体的至少部分区域在常温条件下的抗拉强度rm，提高该部分壳体的变形能力，以抵抗电极组件的膨胀量，令该部分壳体不易被破坏，进而提高电池单体的结构稳定性和使用寿命。另一方面，控制该壳体的至少部分区域的常温条件下的抗拉强度rm不会过大，可以降低该壳体的材料的选择难度和加工难度，节省成本，便于加工。

14、在一些实施例中，该壳体包括焊缝，该壳体的至少部分区域包括该壳体距离该焊缝预设距离以内的区域，该预设距离为l，l满足：l=10mm。在电极组件的负极极片的负极活性材料包括硅基材料的情况下，由于硅基材料可以容纳更多金属离子，会增加电池单体内电极组件在使用过程中的变形量，使得电极组件发生体积膨胀，进而增加了该电极组件对电池单体的壳体的压力，而相同条件下，壳体的靠近焊缝的区域的结构强度相对于壳体的其他区域的结构强度较小，所以壳体的靠近焊缝的区域更容易在电池单体的使用过程中发生破损。因此，设置距离焊缝预设距离l以内的区域满足常温条件下的抗拉强度rm的要求，可以提高壳体的靠近焊缝的区域的变形能力，使得壳体的该部分区域不易发生破损，进而提高电池单体的结构稳定性和使用寿命。

15、在一些实施例中，该壳体的至少部分区域包括该壳体的全部壁。在电极组件的负极极片的负极活性材料包括硅基材料的情况下，由于硅基材料可以容纳更多金属离子，会增加电池单体内电极组件在使用过程中的变形量，使得电极组件发生体积膨胀，进而增加了该电极组件对电池单体的壳体的压力。因此，设置壳体的全部区域均满足常温条件下的抗拉强度rm的要求，可以提高壳体整体的变形能力，还可以限制内部电极组件沿各个方向上对壳体的挤压力，使得壳体各部分强度均衡，不易在局部薄弱区发生破损，进而提高电池单体的结构稳定性和使用寿命。

16、在一些实施例中，该壳体呈圆柱体形或多棱柱体形，以便于加工。

17、在一些实施例中，该电极组件还包括正极极片，该正极极片包括能够可逆脱出-嵌入金属离子的正极活性材料，该正极活性材料包括含镍元素化合物；该壳体的至少部分区域的熔点为p，p满足：1200℃≤p≤2000℃。在正极极片的正极活性材料包括含镍元素化合物的情况下，可以有效增加电池单体的能量密度和长循环寿命，也会增加电池单体使用过程中产生的气体，尤其是电池单体发生热失控的情况下，电池单体内部温度迅速增加并会产生大量气体。因此，适当提高该壳体的至少部分区域的熔点p，会使得壳体不易被熔化，减少该电池单体发生爆炸的可能，进而减少相邻电池单体发生热失控的风险，以提高电池的可靠性。但该壳体的熔点p也不宜过大，以降低该壳体的材料的选择难度和加工难度，节省成本，便于加工。

18、在一些实施例中，该电极组件还包括正极极片，该正极极片包括能够可逆脱出-嵌入金属离子的正极活性材料，该正极活性材料包括含镍元素化合物；该壳体的至少部分区域在温度为500℃的条件下的抗拉强度为rn，rn满足：100mpa≤rn≤1200mpa。在正极极片的正极活性材料包括含镍元素化合物的情况下，可以有效增加电池单体的能量密度和长循环寿命，也会增加电池单体使用过程中产生的气体，尤其是电池单体发生热失控的情况下，电池单体内部温度迅速增加并会产生大量气体。因此，适当提高该壳体的至少部分区域在高温500℃条件下抗拉强度rn，可以提高该部分壳体在电池单体发生热失控时的变形能力，会使得壳体不易被迅速破坏和爆炸，进而减少相邻电池单体发生热失控的风险，以提高电池的可靠性。但该壳体的至少部分区域在高温500℃条件下抗拉强度rn也不宜过大，以节省成本，便于加工。

19、在一些实施例中，该壳体至少部分包括第三壳体壁，该第三壳体壁的平均厚度为t，t满足：0.05mm≤t≤0.5mm，60 mm·mpa≤t×rm≤500 mm·mpa。增加壳体的至少部分区域在常温25℃条件下的抗拉强度rm，可以提高壳体的变形能力，使得壳体在电池单体的使用过程中不易发生破损，进而提高电池单体的结构稳定性和使用寿命。但该壳体的至少部分区域的常温条件下的抗拉强度rm也不宜过大，以降低该壳体的材料的选择难度和加工难度，节省成本，便于加工。而在壳体第三壳体壁的平均厚度t较薄的情况下，可以通过提高壳体的第三壳体壁的常温25℃条件下的抗拉强度rm，来增加该第三壳体壁的结构强度，这样既可以提高电池单体的能量密度，又可以提高电池单体的结构强度和稳定性；相反地，在壳体第三壳体壁的平均厚度t较厚的情况下，可以提高壳体的结构强度，还可以通过适当降低壳体的第三壳体壁的常温条件下的抗拉强度rm，来降低壳体的材料的选择难度，进而降低电池单体的加工难度以及加工成本。并且，t×rm表示了该第三壳体壁的刚度，限制该第三壳体壁的刚度不宜过小或者过大，既可以使得第三壳体壁具有较好的变形能力，又可以降低加工难度，减少成本。

20、在一些实施例中，该电池单体的容量为c，c满足：25ah≤c≤550ah。一方面，提高电池单体的容量c，可以提高包括多个该电池单体的电池的容量密度，或者，在电池的总容量不变的情况下，若提高单个电池单体的容量c，则可以减少电池单体的设置数量，对应也可以减少多个电池单体之间的电连接的数量，降低电连接发生故障的概率，有助于提升电池的可靠性。并且，在电池单体的容量c较大的情况下，还可以通过增加壳体的至少部分区域在常温25℃条件下的抗拉强度rm以满足高容量电池单体对壳体的结构强度的要求，进而提高电池单体的可靠性和使用寿命。另一方面，若电池单体具有较大容量，其内部的反应会加剧，进而增加了对壳体的结构强度的要求。因此，该电池单体的容量c也不宜过大，以限制对壳体的结构强度的设计需求，也就可以降低电池单体的选材难度和加工难度，降低成本并提高加工效率。

21、在一些实施例中，该壳体具有开口，该壳体包括与该开口相对设置的第一壳体壁和至少两个第二壳体壁，该第一壳体壁和该第二壳体壁相交设置；该至少两个第二壳体壁中相邻的两个第二壳体壁之间具有过渡区域，该过渡区域的最大厚度t1与该两个第二壳体壁中厚度最大的第二壳体壁的最大厚度t0之间满足：t1＞t0。

22、在该实施例中，通过在相邻的两个第二壳体壁之间设置过渡区域，能够减少相邻的两个第二壳体壁之间的应力集中，降低因应力集中而导致的结构失效风险；另外，将过渡区域的最大厚度t1设置为大于相邻的两个第二壳体壁中厚度最大的第二壳体壁的最大厚度t0，增厚的过渡区域可以增强壳体的结构强度，有利于解决在电池单体的生产装配过程中壳体发生变形的问题，以及电池单体在使用过程中由于产气膨胀导致的壳体发生形变的问题。

23、在一些实施例中，该壳体为一体成型结构，该壳体具有开口，该壳体包括与该开口相对设置的第一壳体壁和至少两个第二壳体壁，该第一壳体壁和该第二壳体壁相交设置，该至少两个第二壳体壁中的两个第二壳体壁通过第一圆角连接，该壳体的深度h与该第一圆角的内径r1之间满足：2.5mm≤r1≤20mm，50mm<h≤250mm，能够在不影响电池单体的能量密度的情况下，尽可能降低壳体在一体成型过程中因受力造成的开裂风险，进而降低了壳体的成型难度。

24、在一些实施例中，该壳体为一体成型结构，该壳体具有开口，该壳体包括与该开口相对设置的第一壳体壁和至少两个第二壳体壁，该第一壳体壁和该第二壳体壁相交设置，该至少两个第二壳体壁中的两个第二壳体壁通过第一圆角连接，该壳体在温度为25℃的条件下的屈服强度re与该第一圆角的内径r1之间满足：140mpa≤re≤1000mpa，2.5mm≤r1≤20mm。

25、在该实施例中，通过采用屈服强度re满足140mpa≤re≤1000mpa的材料制作壳体，能够在不降低壳体的强度的情况下减薄壳体的壁厚，从而可以提高电池单体的容量空间；此外，通过将相邻的第二壳体壁之间的第一圆角的内径r1设置为满足2.5mm≤r1≤20mm，尽可能降低壳体在一体成型过程中因受力造成的开裂风险，并降低壳体的成型难度。

26、在一些实施例中，该壳体具有开口，该壳体包括与该开口相对设置的第一壳体壁和第二壳体壁，该第一壳体壁和该第二壳体壁相交设置，该第一壳体壁与该第二壳体壁之间通过第二圆角连接，该第二圆角的内径r1与该至少两个第二壳体壁中厚度最小的第二壳体壁的最小厚度t2之间满足：2.0≤r1/t2≤30。通过将第一壳体壁和第二壳体壁之间的第二圆角的内径r1与壁厚最小的第二壳体壁的最小厚度t2的比值设置在[2.0，30]之间，有助于平衡壳体的加工难度与电池单体的空间容量以及强度。

27、在一些实施例中，该壳体包括：第一壳体部，形成有第一开口部，该第一壳体部包括和该第一开口部相对的第一壁和连接于该第一壁的第二壁，该第一壁和该第二壁一体成型；第二壳体部，固定连接于该第二壁；其中，在该第一壳体部的深度方向上，该壳体的至少部分区域是由该第一壳体部和该第二壳体部共同形成的。通过这种方式制备的壳体，相比于直接将壳体进行一体成型的技术方案，能够降低在一体拉深成型过程中壳体开裂的风险。

28、在一些实施例中，该电池单体用于电池，该电极组件包括极性相反的第一极耳和第二极耳；该壳体包括筒体和连接于该筒体的盖体，该盖体和该筒体为一体形成结构，该筒体环绕该电极组件的外周设置，该盖体设有电极引出孔，该盖体的至少一部分用于电连接该电池的第一连接构件和该第一极耳；该电池单体还包括：第二电极端子，用于电连接该电池的第二连接构件和该第二极耳，该第二电极端子绝缘设置于该盖体并安装于该电极引出孔，该盖体和该第二电极端子两者中的一者为该电池单体的正输出极，另一者为该电池单体的负输出极。通过将盖体和第二电极端子作为输出极，可以简化电池单体的结构，并保证电池单体的过流能力。盖体和第二电极端子位于电池单体的同一端，这样，第一连接构件和第二连接构件可以装配到电池单体的同一侧，这样可以简化装配工艺，提高多个电池单体装配成组的效率。

29、在一些实施例中，该第二极耳设于该电极组件面向该盖体的一端，该第一极耳设于该电极组件背离该盖体的另一端；该筒体用于连接该第一极耳和该盖体，以使该第一极耳电连接于该盖体。本技术实施例将第一极耳和第二极耳设于电极组件的两端，可以降低第一极耳和第二极耳导通的风险，并增大第一极耳的过流面积和第二极耳的过流面积。

30、在一些实施例中，该电极组件包括第一极耳；该壳体包括筒体和连接于该筒体的盖体，该筒体环绕该电极组件的外周设置，该盖体包括该第一电极端子，该第一极耳通过该筒体与该第一电极端子电连接，该壳体为多层结构，该多层结构的电阻率不同。该电极组件包括第一极耳，该第一极耳通过该壳体与该电池单体的第一电极端子电连接，该壳体为多层结构，该多层结构的电阻率不同。第一极耳通过筒体与第一电极端子电连接，可以简化电池单体的结构；设置壳体为多层结构，多层结构的电阻率不同，可以通过较低电阻率的一层结构提高电池单体的过流能力，并通过较高电阻率的一层结构提高壳体的结构强度，既可以提高电池单体的性能，又可以提高电池单体的结构强度，进而增加电池单体的使用寿命。

31、在一些实施例中，该壳体为多层结构，该壳体的最外层壳体的材料包括以下至少一种：铝、铝合金、铜、铜合金和铬。在最外层壳体的材料含铝的情况下，铝会被氧化成致密的氧化铝，能够防腐蚀；最外层壳体的材料含铜的情况下，铜会被氧化成氧化铜，即铜绿，能够防腐蚀；最外层壳体的材料含铬的情况下，铬会被氧化成氧化铬，也能够防腐蚀。因此，最外层壳体的材料采用上述能够防腐蚀的材料时，可以通过该最外层壳体保护位于其内侧的其他壳体层，既可以提高壳体的结构稳定性，又可以提高壳体的使用寿命。

32、第二方面，提供了一种电池，包括：多个电池单体，该电池单体为第一方面或者第一方面中任意一个实施例所述的电池单体。

33、第三方面，提供了一种用电设备，包括：电池，电池包括如第一方面或者第一方面中任意一个实施例所述的电池单体，该电池用于为该用电设备供电。

34、在一些实施例中，所述用电设备为车辆、船舶或航天器。