CN103545530B - 集流体、锂离子电池电极及锂离子电池 - Google Patents

集流体、锂离子电池电极及锂离子电池 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种应用于电池中的集流体，其包括一石墨烯膜及一支撑结构，该石墨烯膜设置于该支撑结构的表面，所述石墨烯膜包括至少一层石墨烯。本发明进一步提供一种应用该集流体的锂离子电池。

Description

集流体、锂离子电池电极及锂离子电池
技术领域
本发明涉及一种集流体，使用该集流体的锂离子电池电极及锂离子电池。
背景技术
现有的锂离子电池可分为卷绕式及层叠式两类，其包括外壳体、封装于外壳体内的正极片、负极片、隔膜及电解液。该隔膜设置于正极片与负极片之间。该电解液充分浸润正极片、负极片及隔膜。所述正极片包括一正极集流体及形成于该正极集流体表面的正极材料层。所述负极片包括一负极集流体及形成于该负极集流体表面的负极材料层。
电池中的集流体是用于汇集电流的结构。集流体的功用主要是将电池活性物质产生的电流汇集起来以便形成较大的电流对外输出，因此集流体应与活性物质充分接触，并且内阻应尽可能小为佳。现有的锂离子电池中，集流体通常采用金属薄片，如铜箔、铝箔。然而，这些金属薄片一般具有较大的重量，从而使锂离子电池的能量密度较小；同时，由于金属材料易被腐蚀，进一步影响了锂离子电池的使用寿命。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种密度较小、不易被腐蚀的集流体及应用该集流体的锂离子电池电极和锂离子电池。
一种应用于电池中的集流体，其包括一石墨烯膜及一支撑结构，该石墨烯膜设置于该支撑结构的表面，所述石墨烯膜包括至少一层石墨烯。
一种锂离子电池电极，其包括一电极材料层及一集流体层叠设置，其中，该集流体包括一石墨烯膜及一支撑结构，该石墨烯膜设置于该支撑结构表面，该石墨烯膜与该电极材料层相互接触。
相较于现有技术，所述集流体由石墨烯膜和支撑体组成，石墨烯膜的密度较小，因此，集流体的重量较小，同时，由于石墨烯膜的化学稳定性高，不易被腐蚀，因此，集流体不易被破坏。使用该集流体的锂离子电池电极和锂离子电池具有较高的能量密度和较长的使用寿命。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的集流体的侧面示意图。
图2为本发明第二实施例提供的集流体的侧面示意图。
图3为本发明第三实施例提供的集流体的侧面示意图。
图4为本发明第四实施例提供的锂离子电池的剖面示意图。
图5为本发明第四实施例中正极材料层的结构示意图。
图6为本发明第四实施例中正极材料层的扫描电镜照片。
图7为另一实施例中锂离子电池正极的侧视图。
图8为另一实施例中锂离子电池负极的侧视图。
主要元件符号说明
集流体 100，200，300
支撑结构 102，202，302
石墨烯膜 104，304
第一石墨烯膜 204a
第二石墨烯膜 204b
极耳 206
第一分支 206a
第二分支 206b
锂离子电池 10
正极片 14，14’
正极集流体 142，142’
正极材料层 144，144’
正极活性物质颗粒 144a
碳纳米管 144b
负极片 16，16’
负极集流体 162，162’
负极材料层 164，164’
电解液 18
隔膜 20
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例对本发明提供的集流体及应用该集流体的锂离子电池作进一步的详细说明。
请参阅图1，本发明第一实施例提供一种集流体100，其包括一支撑结构102一石墨烯膜104。所述石墨烯膜104设置于支撑结构102的一个表面。集流体100可以由石墨烯膜104和支撑结构102组成。
所述支撑结构102用于支撑石墨烯膜104。该支撑结构102的材料为密度较小且具有较强抗腐蚀能力的材料，如高分子材料、陶瓷或玻璃。所述支撑结构102可以为一层状结构，所述支撑结构102的厚度优选为1微米至1毫米。
所述石墨烯膜104为一个二维结构的具有一定面积的膜结构。该石墨烯膜104的厚度为10纳米至10微米。该石墨烯膜104包括至少一层石墨烯。所述石墨烯膜104是由石墨烯组成。当石墨烯膜104包括多层石墨烯时，该多层石墨烯可以相互搭接形成石墨烯膜104，以使石墨烯膜104具有更大的面积；或者该多层石墨烯可以相互叠加形成石墨烯膜104，以使石墨烯膜104的厚度增加。优选地，该石墨烯膜104为一单层石墨烯。所述石墨烯为由多个碳原子通过sp2键杂化构成的单层的二维平面结构。该石墨烯的厚度可以为单层碳原子的厚度。所述石墨烯膜104为一自支撑结构，所述自支撑为石墨烯膜104不需要大面积的载体支撑，而只要相对两边提供支撑力即能整体上悬空而保持自身膜状状态，即将该石墨烯膜104置于（或固定于）间隔一固定距离设置的两个支撑体上时，位于两个支撑体之间的石墨烯膜104能够悬空保持自身膜状状态。
石墨烯膜104可以通过粘结剂固定于支撑结构102的表面。当支撑结构102的材料为高分子材料时，石墨烯膜104可以通过热压的方式固定于支撑结构102的表面。
所述集流体100进一步包括一极耳（图未示），该极耳与石墨烯膜104电连接。所述极耳的材料为导电材料，可以为金属。为防止极耳被电解液腐蚀，在极耳与石墨烯膜104电连接之后，可以在极耳表面涂覆一层保护层，保护层的材料可以为绝缘材料，如高分子材料。
本发明所提供的集流体100包括石墨烯膜104和支撑结构102，支撑结构102的材料为密度小、抗腐蚀性能好的材料，石墨烯膜中的石墨烯密度较小且化学性能稳定，因此，集流体的重量较小，且集流体100不易被腐蚀，具有较长的使用寿命。
请参见图2，本发明第二实施例提供一种集流体200，其包括一支撑结构202及一第一石墨烯膜204a及一第二石墨烯膜204b。所述第一石墨烯膜204a和第二石墨烯膜204b分别设置于该支撑结构202的两个相对的表面上。所述第一石墨烯膜204a的结构与第一实施例揭示的石墨烯膜104的结构相同。所述第二石墨烯膜204b与第一实施例揭示的石墨烯膜104的结构相同。在同一集流体200中，所述第一石墨烯膜204a和第二石墨烯膜204b的结构可以相同，也可以不同。
所述集流体200进一步包括一极耳206，该极耳206与石墨烯膜电连接。具体地，极耳206包括两个分支，第一分支206a和第二分支206b。第一分支206a和第一石墨烯膜204a电连接，电连接方式与第一实施例提供的极耳和石墨烯膜104的电连接方式相同。第二分支206b与第二石墨烯膜204b电连接，电连接方式与第一实施例提供的极耳和石墨烯膜104的电连接方式相同。
本实施例提供的集流体200的其它结构和性质与第一实施例提供的集流体100相同。
请参见图3，本发明第三实施例提供一种集流体300，其包括一支撑结构302及一石墨烯膜304。该支撑结构302包括两个相对的表面及一侧面，该侧面位于该两个相对的表面之间。该石墨烯膜304弯折后设置于支撑结构302的两个表面及位于该两个表面之间的侧面上，将支撑结构302半包围，即，呈U字型。所述石墨烯膜304的结构与第一实施利提供的石墨烯膜104的结构相同。
所述集流体300进一步包括一极耳（图未示）与石墨烯膜电连接。所述极耳与石墨烯膜304的电连接方式与第一实施例提供的集流体100中极耳与石墨烯膜104的电连接方式相同。
本实施例提供的集流体300的其它结构和性质与第一实施例提供的集流体100相同。
当第一至第三实施例中的集流体应用于锂离子电池的电极上时，该锂离子电池电极包括一电极材料层和该集流体层叠设置。该集流体中的石墨烯膜与该电极材料层相互接触。当采用第一实施例提供的集流体100时，石墨烯膜104位于支撑结构102和电极材料层之间，石墨烯膜直接设置于电极材料层的表面。当采用第二或者第三实施例的集流体时，只要使该集流体设置于电极材料层的表面即可。
请参见图4，本发明进一步提供一种应用上述集流体的的锂离子电池10，其包括：一壳体12及置于壳体12内的锂离子电池正极片14，负极片16，电解液18和隔膜20。锂离子电池10中，电解液18置于壳体12内，正极片14、负极片16和隔膜20置于电解液18中，隔膜20置于正极片14与负极片16之间，正极片14与隔膜20之间以及负极片16与隔膜20之间均保持间隔。可以理解，虽然图4仅示出一片正极片14及一片负极片16的结构，该锂离子电池10可包括多个正极片14与多个负极片16交替层叠设置，每相邻的正极片14与负极片16之间具有一隔膜。该正极片14和负极片16的数量不限，正极片14和负极片16可以分别为1层~100层或更多层，优选为20层~50层。
该正极片14包括一片状的正极集流体142及形成于该正极集流体142表面的正极材料层144，即，正极集流体142和正极材料层144层叠设置。该正极材料层144包括均匀混和的正极活性物质、导电剂及粘结剂。该正极活性物质可以为锰酸锂、钴酸锂、镍酸锂或磷酸铁锂等。该正极片14的整体厚度约为100微米~300微米，优选为200微米。该导电剂可以为乙炔黑、碳纤维或碳纳米管等，该粘结剂可以为聚偏氟乙烯(PVDF)或聚四氟乙烯(PTFE)等。所述正极材料层144还可以为由正极活性物质和碳纳米管组成，即，正极材料层144中不含有粘结剂。所述正极材料层144中还可以进一步含有其他导电颗粒，如炭黑颗粒或碳纤维等。本实施例中，所述正极材料层144由正极活性物质和多个碳纳米管组成。请参见图5及图6，正极活性物质可以以正极活性物质颗粒144a的形式存在，碳纳米管144b均匀分布。正极活性物质颗粒144a的形状不限，正极活性物质颗粒144a的粒径不限。优选地，正极活性物质颗粒144a的粒径小于15微米。所述碳纳米管144b之间均相互缠绕或者通过范德华力相互结合，从而构成一个整体的网络结构。正极活性物质颗粒144a分布在碳纳米管144b组成的网络结构中，大部分正极活性物质颗粒144a与碳纳米管接触。正极活性物质颗粒144a可以被碳纳米管粘附或者缠绕。碳纳米管144b不仅作为导电材料，也是作为多孔性载体。由于碳纳米管144b组成的网络结构为一多孔的结构，大部分正极活性物质颗粒144a被该网络结构所包围和固定。该网络结构将正极活性物质颗粒144a包覆或缠绕，碳纳米管144b在作为导电剂的同时，可以起到粘合正极活性物质颗粒144a的作用。碳纳米管144b具有较长的长度，一般大于200微米，因此，碳纳米管144b可以相互缠绕形成网络结构。这样，正极活性物质颗粒144a便可以通过碳纳米管144b固定于一体。因此，正极材料层144不需要粘结剂。由于正极材料层144无需粘结剂，正极活性材料的比重可以进一步提高，同时由于正极活性材料之间没有绝缘物质的阻隔，电极材料层整体的导电性也会相应得到提高。且，由于粘结剂一般为有机物，对环境有污染，本实施例的正极材料层无需粘结剂，更加环保。
该负极片16包括一片状的负极集流体162及形成于该负极集流体162表面的负极材料层164。正极片14的设有正极材料层144的正极集流体142表面与负极片16的设有负极材料层164的负极集流体162表面相向设置。该负极材料层164包括均匀混合的负极活性物质、导电剂及粘结剂。所述负极材料可包括钛酸锂、氧化硅、纳米硅颗粒及纳米合金中的一种或几种。该负极片16的整体厚度约为50微米~200微米，优选为100微米。所述负极材料层164还可以为由负极活性物质和碳纳米管组成，即，负极材料层164中不含有粘结剂。所述负极材料层164中还可以进一步含有其他导电颗粒，如炭黑颗粒或碳纤维等。本实施例中，所述负极材料层164由负极活性物质和多个碳纳米管组成。负极活性物质可以以负极活性物质颗粒的形式存在，碳纳米管均匀分布。负极活性物质颗粒的形状不限，负极活性物质颗粒的粒径不限。优选地，负极活性物质颗粒的粒径小于15微米。所述碳纳米管之间均相互缠绕或者通过范德华力相互结合，从而构成一个整体的网络结构。负极活性物质颗粒分布在碳纳米管组成的网络结构中，大部分负极活性物质颗粒与碳纳米管接触。负极活性物质颗粒可以被碳纳米管粘附或者缠绕。由于碳纳米管组成的网络结构为一多孔的结构，大部分负极活性物质颗粒被该网络结构所包围和固定。该网络结构将负极活性物质颗粒包覆或缠绕，碳纳米管在作为导电剂的同时，可以起到粘合负极活性物质颗粒的作用。因此，负极材料层164不需要粘结剂。
所述正极集流体142和负极集流体162中至少一个的结构采用第一至第三实施例中的一种集流体。本实施例中，正极集流体142和负极集流体162都采用第一至第三实施例中的一种或组合之集流体结构。
请参见图7及图8，在另一实施例中，当正极集流体142’和负极集流体162’均采用第二实施例或第三实施例提供的集流体时，该正极片14’具有两个正极材料层144’分别形成在该正极集流体142’两个相对表面，该负极片16’具有两个负极材料层164’分别形成在该负极集流体162’两个相对表面。将所述正极片14’与负极片16’层叠设置后，该正极材料层144’与负极材料层164’通过所述隔膜20间隔。正极集流体142’和负极集流体162’的极耳（图未标）用于与锂离子电池外部的电路电连接。当多个正极片14’与多个负极片16’交替层叠设置时，该多个正极集流体142’的极耳相互电连接，该多个负极集流体162’的极耳相互电连接，且该正极集流体142’的极耳与该负极集流体162’的极耳分开设置。
本实施例所提供的锂离子电池的正极集流体或/和负极集流体采用第一至第三实施例中的集流体，因此，锂离子电池的重量较轻且具有较长的使用寿命。
本发明所提供的集流体可以应用在任何需要使用集流体的电池中，并不限于锂离子电池。本发明提供的集流体可以应用于锂电池、镍电池、太阳能电池等。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (2)

1.一种锂离子电池电极，该锂离子电池电极为正极，该锂离子电池电极包括一电极材料层及一集流体，该电极材料层和该集流体层叠设置，其特征在于，所述集流体包括一支撑结构，进一步包括至少一石墨烯膜设置于该支撑结构的表面，该石墨烯膜包括至少一石墨烯，所述电极材料层由正极活性物质和多个碳纳米管组成，该多个碳纳米管相互缠绕形成网络结构，所述正极活性物质分布在所述网络结构中，该正极活性物质被碳纳米管粘附或者缠绕。
2.一种锂离子电池电极，该锂离子电池电极为负极，该锂离子电池电极包括一电极材料层及一集流体，该电极材料层和该集流体层叠设置，其特征在于，所述集流体包括一支撑结构，进一步包括至少一石墨烯膜设置于该支撑结构的表面，该石墨烯膜包括至少一石墨烯，所述电极材料层由负极活性物质和多个碳纳米管组成，该多个碳纳米管相互缠绕形成网络结构，所述负极活性物质分布在所述网络结构中，该负极活性物质被碳纳米管粘附或者缠绕。
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