CN107154499B - 一种含有集流体的锂电池及其制备方法 - Google Patents

一种含有集流体的锂电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含有集流体的锂电池及其制备方法，锂电池包括依次层叠的正极极片、隔膜与负极极片，正极极片含有正极集流体，正极集流体具有多层结构，包括第一塑料薄膜，在第一塑料薄膜的上、下表面依次镀有第一粘接力增强层、铝金属镀层和第一防氧化层；负极极片含有负极集流体，负极集流体具有多层结构，包括第二塑料薄膜，在第二塑料薄膜的上、下表面依次镀有第二粘接力增强层、铜金属镀层和第二防氧化层。制备方法包括将正极极片、隔膜、负极极片进行层叠，通过铝塑膜包装后，注入适量电解液，对铝塑膜进行热压封装得到。本发明锂电池既能实现电池轻量化，提高能量密度，降低成本，又能使镀铜/铝层不容易脱落、不容易氧化。

Description

一种含有集流体的锂电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种含有集流体的锂电池及其制备方法。
背景技术
传统锂离子电池负极集流体是铜箔，正极集流体是铝箔。随着锂电技术的发展，锂离子电池的高能量密度、轻量化和柔性化成为人们的追求。减薄铜/铝箔(正负极集流体的总质量约占电池总质量的14％-18％左右)，可实现锂离子电池的轻量化，提高能量密度，降低成本，但由于制备技术的局限，铜/铝箔的厚度很难再降低(目前铜箔可量产到6μm，铝箔可量产到8μm)；另外铜/铝箔变薄之后，机械强度降低，致使加工性能降低，因此需要新的“减薄技术”。
现有技术有将铜/铝镀在塑料(例如PET)上作为集流体来提高电池能量密度、降低成本、让电池轻量化。但其镀铜的最厚厚度为1.5μm，镀铝的最厚厚度为2.0μm(无论是镀铜还是镀铝，均需要一定的厚度来达到令人满意的导电性)，这相对于传统包装材料镀铜/铝膜镀层厚度来说要厚很多，而镀层越厚，镀铜/铝层越容易从塑料上脱落。
铜/铝箔的表面需要进行防氧化处理，因为铜/铝箔直接与负极/正极材料接触，时间长后，会被电解液腐蚀，从而降低锂离子电池的使用寿命。另外，我们发现在塑料上镀铜/铝后，再采用传统的防氧化方法容易致使铜/铝镀层的脱落。
发明内容
有鉴于此，为克服上述技术问题，本发明的目的一方面在于提供一种既能实现电池的轻量化，提高能量密度，降低成本，又能使镀铜/铝层不容易脱落、不容易氧化的含有型集流体的锂电池。
本发明的另一方面在于，提供一种含有集流体的锂电池的制备方法。
本发明的一种含有集流体的锂电池,包括依次层叠的正极极片、隔膜与负极极片，所述正极极片含有正极集流体，所述正极集流体具有多层结构，包括第一塑料薄膜，在所述第一塑料薄膜的上、下表面依次镀有第一粘接力增强层、铝金属镀层和第一防氧化层；所述负极极片含有负极集流体，所述负极集流体具有多层结构，包括第二塑料薄膜，在所述第二塑料薄膜的上、下表面依次镀有第二粘接力增强层、铜金属镀层和第二防氧化层。
进一步地，所述第一塑料薄膜或第二塑薄膜为OPP、PI、PET、CPP或PVC。
进一步地，所述第一粘接力增强层或第二粘接力增强层为金属镀膜或非金属镀膜，当为金属镀膜时，所述金属为Ni；当为非金属镀膜时，所述非金属为SiC、Si3N4或Al2O3。
进一步地，所述第一防氧化层或第二防氧化层是致密的金属层或非金属层，当为金属层时，所述金属为Ni；当为非金属层时，所述非金属为Al2O3、Si3N4或SiC。
进一步地，所述第一塑料薄膜或第二塑薄膜的厚度为2-12μm；所述第一粘接力增强层或第二粘接力增强层的厚度为10-100nm；所述铜金属镀层的厚度为100-1000nm，铝金属镀层的厚度为100-2000nm；所述第一防氧化层或第二防氧化层的厚度为10-100nm。
本发明的一种含有集流体的锂电池的制备方法，包括如下步骤：
S1.正极集流体制备好后，将正极浆料涂敷在正极集流体上，真空干燥后得到正极极片；
S2.负极集流体制备好后，将负极浆料涂敷在负极集流体上，真空干燥后得到负极极片；
S3.依次将正极极片、隔膜、负极极片进行层叠，通过铝塑膜包装后，注入电解液，对铝塑膜进行热压封装，得到锂离子电池。
进一步地，所述正极浆料是将将磷酸铁锂、钛酸锂和三元材料中的一种、PVDF和C材料加入到溶剂N-甲基吡咯烷酮中混合搅拌而得到的；其中将磷酸铁锂、钛酸锂和三元材料中的一种、PVDF和C的质量比为86％-92％∶6％-9％∶2％-6％；所述负极浆料是将石墨、PVDF和VGCF加入到溶剂水混合搅拌而得到的；其中石墨、PVDF和VGCF的质量比为87％-92％∶5％-9％∶3％-5％。
进一步地，所述正极浆料涂敷厚度为0.1-0.2mm；所述负极浆料涂敷厚度为0.05-0.12mm。
进一步地，所述隔膜为PP或PE。
进一步地，所述电解液含有的锂盐为LiPF6或LiBF4；当为LiPF6时，电解液中EC：DMC＝1∶1，LiPF6在电解液中的摩尔浓度为1.1mol/L。
本发明的有益效果在于，
(1)通过塑料薄膜层实现减重，其中镀铝膜集流体可实现减重50％，厚度降低30％，镀铜膜集流体可实现减重70％，显著提高电池能量密度；
(2)塑料薄膜作为基底具有更强的拉伸强度，使得制备工序中的张力，压力等窗口会更大，从而备料段可采用更高的压力实现更大压实密度，提高过程制造能力；
(3)镀上一层粘接力增强层，可减少铜/铝金属镀层的脱落，可有效防止铜/铝金属镀层容易脱落导致集流体的性能丧失；
(4)用这种新镀铜塑料膜集流体替代原有锂电池中的铜箔集流体，由传统的6μm的纯铜箔减少到不到1μm的镀铜层，铜的用量大大减少，集流体成本可降低50％以上。
(5)采用镀膜的方式得到的防氧化层，可解决塑料上铜/铝镀层脱落的问题，同时达到防氧化的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有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他的附图。
图1为本发明的含有集流体的锂电池的结构示意图。
具体实施方式
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优选的实施例，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作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。
参见图1所示，本发明的一种含有集流体的锂电池,包括依次层叠的正极极片1、隔膜3与负极极片2，所述正极极片1含有正极集流体10，所述正极集流体10具有多层结构，包括第一塑料薄膜11，在所述第一塑料薄膜11的上、下表面依次镀有第一粘接力增强层12、铝金属镀层13和第一防氧化层14；所述负极极片2含有负极集流体20，所述负极集流体具有多层结构，包括第二塑料薄膜21，在所述第二塑料薄膜21的上、下表面依次镀有第二粘接力增强层22、铜金属镀层23和第二防氧化层24。
在正极集流体10和隔膜3之间有正极活性物质15；正极极片1是由正极集流体10和涂覆在正极集流体上的用于参与化学反应的正极活性物质15构成的。
在负极集流体20和隔膜3之间有负极活性物质25；负极极片2是由负极集流体20和涂覆在负极集流体上的用于参与化学反应的负极活性物质25构成的。
针对正极集流体：
通过第一塑料薄膜层实现减重，其中镀铝膜集流体可实现减重50％，厚度降低30％，显著提高电池能量密度。第一塑料薄膜优选为OPP、PI、PET、CPP或PVC。其中OPP为定向拉伸聚丙烯塑料；PI为聚酰亚胺塑料；PET为聚对苯二甲酸乙二醇酯塑料、CPP为流延聚丙烯塑料、PVC为聚氯乙烯塑料。进一步优选PET、PI、CPP；第一塑料薄膜的厚度优选为2-12μm，进一步优选为6-10μm。第一塑料薄膜的耐温性120-300℃。
镀上一层第一粘接力增强层，可减少铝金属镀层的脱落，可有效防止铝金属镀层容易脱落导致集流体的性能丧失。该第一粘接力增强层优选为金属镀膜或非金属镀膜，当为金属镀膜时，所述金属为Ni；当为非金属镀膜时，所述非金属为SiC、Si3N4或Al2O3,进一步优选为Al2O3。Al2O3与第一塑料薄膜层和铝金属镀层的粘接性能较好，这样镀铝层更不易脱落。第一粘接力增强层的厚度优选为10-100nm，进一步优选为10-50nm。
铝金属镀层的厚度可为100-2000nm，进一步优选为500-1000nm。
第一防氧化层的作用或目的是为了防止铝金属镀层被氧化。第一防氧化层可以是致密的金属层或非金属层，当为金属层时，所述金属为Ni；当为非金属层时，所述非金属为Al2O3、Si3N4或SiC，进一步优选为Al2O3。当采用镀膜的方式得到的第一防氧化层，可解决塑料上铝镀层脱落的问题，同时达到防氧化的目的。第一防氧化层的厚度可为10-100nm，可进一步优选为10-50nm。
一种正极集流体的制备方法，包括如下步骤：
S1.首先对需要镀膜的塑料薄膜表面进行电晕处理，然后将卷筒塑料薄膜置入双面往返电子束蒸发镀膜机真空室内，将真空室密封，逐级抽真空至真空度达到3×10-3-6×10-3Pa，采用电子枪加速电子轰击碰撞蒸镀原料Al2O3，调整好放卷速度、收卷速度和蒸发量，Al2O3吸热气化，在移动的薄膜表面形成一层Al2O3镀层，即粘接力增强层；
S2.将S1得到的镀Al2O3膜置入双面往返蒸发镀膜机真空室内，将真空室密封，逐级抽真空至真空度达到4×10-2-6×10-2Pa，将蒸发机构升温至1300℃-1400℃，然后再把铝送至蒸发机构上,调整好放卷速度、收卷速度和蒸发量，铝在蒸发机构中持续熔化、蒸发，在移动的薄膜表面形成一层镀铝层，即铝金属镀层；
S3.将S2得到的镀铝膜置入双面往返电子束蒸发镀膜机真空室内，将真空室密封，逐级抽真空至真空度达到3×10-3-6×10-3Pa，采用电子枪加速电子轰击碰撞蒸镀原料Al2O3，调整好放卷速度、收卷速度和蒸发量，Al2O3吸热气化，在移动的薄膜表面形成一层Al2O3镀层，即防氧化层。
从而得到具有多层结构的正极集流体。
针对负极集流体：
通过第二塑料薄膜层实现减重，其中镀铜膜集流体较传统铜箔集流体可实现减重70％。第二塑料薄膜优选为OPP、PI、PET、CPP或PVC。其中OPP为定向拉伸聚丙烯塑料；PI为聚酰亚胺塑料；PET为聚对苯二甲酸乙二醇酯塑料、CPP为流延聚丙烯塑料、PVC为聚氯乙烯塑料。进一步优选PET、PI、CPP；第二塑料薄膜的厚度优选为2-12μm，进一步优选为4-8μm。第二塑料薄膜的耐温性120-300℃。
镀上一层第二粘接力增强层，可减少铜金属镀层的脱落，可有效防止铜金属镀层容易脱落导致集流体的性能丧失。该第二粘接力增强层优选为金属镀膜或非金属镀膜，当为金属镀膜时，所述金属为Ni；当为非金属镀膜时，所述非金属为SiC、Si3N4或Al2O3,进一步优选为Al2O3。Ni或Al2O3与第二塑料薄膜层和铜金属镀层的粘接性能较好，这样镀铜层更不易脱落。第二粘接力增强层的厚度优选为10-100nm，进一步优选为10-50nm。
铜金属镀层的厚度可为100-1000nm，进一步优选为200-600nm；通过此铜集流体替代原有锂电池中的铜箔集流体，由传统的6μm的纯铜箔减少到不到1μm的镀铜层，铜的用量大大减少，铜成本降低50％以上。
第二防氧化层的作用或目的是为了防止铜金属镀层被氧化。第二防氧化层可以是致密的金属层或非金属层，当为金属层时，所述金属为Ni；当为非金属层时，所述非金属为Al2O3、Si3N4或SiC进一步优选为Al2O3。当采用镀膜的方式得到的第二防氧化层，可解决塑料上铜镀层脱落的问题，同时达到防氧化的目的。第二防氧化层的厚度可为10-100nm，可进一步优选为10-50nm。
一种负极集流体的制备方法，包括如下步骤：
S1.首先对需要镀膜的塑料薄膜表面进行电晕处理，然后将卷筒塑料薄膜置入双面往返磁控溅射镀膜机真空室内，将真空室密封，逐级抽真空至真空度达到3×10-3-6×10-3Pa，利用磁控溅射在塑料薄膜上双面往返高效镀膜，靶材为镍，纯度≥99.9％，调整好放卷速度、收卷速度，溅射的镍原子在移动的薄膜上形成一层镀镍层，即粘接力增强层；
S2.将S1得到的镀镍膜置入双面往返高频感应蒸发镀膜机真空室内，将真空室密封，逐级抽真空至真空度达到5×10-3-8×10-3Pa，采用高频电流对高频感应蒸发蒸发机构中纯度≥99.9％的铜进行加热，调整好放卷速度、收卷速度和蒸发量，铜在蒸发机构中持续熔化、蒸发，在移动的薄膜表面形成一层铜，即铜金属镀层；
S3.将S2得到的镀铜膜置入双面往返电子束蒸发镀膜机真空室内，将真空室密封，逐级抽真空至真空度达到3×10-3-6×10-3Pa，采用电子枪加速电子轰击碰撞蒸镀原料Al2O3，调整好放卷速度、收卷速度和蒸发量，Al2O3吸热气化，在移动的薄膜表面形成一层Al2O3镀层，即防氧化层；
或者S3.将S2得到的镀铜膜置入双面往返磁控溅射镀膜机真空室内，将真空室密封，逐级抽真空至真空度达到3×10-3-6×10-3Pa，利用磁控溅射在塑料薄膜上镀膜，靶材为镍，纯度≥99.9％，调整好放卷速度、收卷速度，溅射的镍原子在移动的薄膜表面形成一层镀镍层，即防氧化层。
从而得到具有多层结构的负极集流体。
下面通过具体实施例来进一步说明。
实施例1
一种含有集流体的锂电池的制备方法，包括如下步骤：
S1.正极集流体制备好后，将正极浆料涂敷在正极集流体上，真空干燥后得到正极极片；所述正极浆料是将磷酸铁锂(或钛酸锂、三元材料)、PVDF和C等材料加入到溶剂N-甲基吡咯烷酮中混合搅拌而得到的；其中LiFePO4、PVDF和C的质量比为86％∶8％∶6％；正极浆料涂敷厚度为0.1-0.2mm；
S2.负极集流体制备好后，将负极浆料涂敷在负极集流体上，真空干燥后得到负极极片；所述负极浆料是将石墨、PVDF和VGCF加入到溶剂水中混合搅拌而得到的；其中石墨、PVDF和VGCF的质量比为87％∶9％∶4％；负极浆料涂敷厚度为0.05-0.12mm；
S3.依次将正极极片、隔膜、负极极片进行层叠，通过铝塑膜包装后，注入适量电解液，对铝塑膜进行热压封装，得到锂离子电池。其中隔膜为PP或PE，所述电解液含有的锂盐为LiPF6，电解液中EC：DMC＝1∶1，LiPF6在电解液中的摩尔浓度为1.1mol/L。
上述中，PVDF是聚偏氟乙烯；C是石墨；VGCF(Vapor Grown Carbon Fiber)是气相成长碳纤维。
实施例2
参照实施例1，与实施例1不同的是，S1中，磷酸铁锂(或钛酸锂、三元材料)、PVDF和C的质量比为88％∶7％∶5％；S2中，石墨、PVDF和VGCF的质量比为90％∶7％∶3％。
实施例3
参照实施例1，与实施例1不同的是，S1中，磷酸铁锂(或钛酸锂、三元材料)、PVDF和C的质量比为92％∶6％∶2％；S2中，石墨、PVDF和VGCF的质量比为92％∶5％∶3％。
将实施例1-3得到的含有集流体的锂电池进行测试，测试结果可得到如下结论：
(1)通过塑料薄膜层实现减重，其中镀铝膜集流体可实现减重50％，厚度降低30％，镀铜膜集流体可实现减重70％，显著提高电池能量密度；
(2)塑料薄膜作为基底具有更强的拉伸强度，使得制备工序中的张力，压力等窗口会更大，从而备料段可采用更高的压力实现更大压实密度，提高过程制造能力；
(3)镀上一层粘接力增强层，可减少铜/铝金属镀层的脱落，可有效防止铜/铝金属镀层容易脱落导致集流体的性能丧失；
(4)用这种新镀铜塑料膜集流体替代原有锂电池中的铜箔集流体，由传统的6μm的纯铜箔减少到不到1μm的镀铜层，铜的用量大大减少，铜成本降低50％以上。
(5)采用镀膜的方式得到的防氧化层，可解决塑料上铜/铝镀层脱落的问题，同时达到防氧化的目的。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种含有集流体的锂电池,其特征在于，包括依次层叠的正极极片、隔膜与负极极片，所述正极极片含有正极集流体，所述正极集流体具有多层结构，包括第一塑料薄膜，在所述第一塑料薄膜的上、下表面依次镀有第一粘接力增强层、铝金属镀层和第一防氧化层；所述负极极片含有负极集流体，所述负极集流体具有多层结构，包括第二塑料薄膜，在所述第二塑料薄膜的上、下表面依次镀有第二粘接力增强层、铜金属镀层和第二防氧化层；
在正极集流体中，第一粘接力增强层为非金属镀膜，所述非金属为Al2O3。
2.根据权利要求1所述的含有集流体的锂电池,其特征在于，所述第一塑料薄膜或第二塑薄膜为OPP、PI、PET、CPP或PVC。
3.根据权利要求1所述的含有集流体的锂电池,其特征在于，所述第二粘接力增强层为金属镀膜或非金属镀膜，当为金属镀膜时，所述金属为Ni；当为非金属镀膜时，所述非金属为SiC、Si3N4或Al2O3。
4.根据权利要求1所述的含有集流体的锂电池，其特征在于，
所述第一防氧化层或第二防氧化层是致密的金属层或非金属层，当为金属层时，所述金属为Ni；当为非金属层时，所述非金属为Al2O3、Si3N4或SiC。
5.根据权利要求1所述的含有集流体的锂电池,其特征在于，所述第一塑料薄膜或第二塑料薄膜的厚度为2-12μm；所述第一粘接力增强层或第二粘接力增强层的厚度为10-100nm；所述铜金属镀层的厚度为100-1000nm，铝金属镀层的厚度为100-2000nm；所述第一防氧化层或第二防氧化层的厚度为10-100nm。
6.一种权利要求1所述的含有集流体的锂电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.正极集流体制备好后，将正极浆料涂敷在正极集流体上，真空干燥后得到正极极片；
S2.负极集流体制备好后，将负极浆料涂敷在负极集流体上，真空干燥后得到负极极片；
S3.依次将正极极片、隔膜、负极极片进行层叠，通过铝塑膜包装后，注入电解液，对铝塑膜进行热压封装，得到锂离子电池。
7.根据权利要求6所述的含有集流体的锂电池的制备方法，其特征在于，所述正极浆料是将磷酸铁锂、钛酸锂和三元材料中的一种、PVDF和C材料加入到溶剂N-甲基吡咯烷酮中混合搅拌而得到的；其中磷酸铁锂、钛酸锂和三元材料中的一种、PVDF和C的质量比为86％-92％∶6％-9％∶2％-6％；所述负极浆料是将石墨、PVDF和VGCF加入到溶剂水混合搅拌而得到的；其中石墨、PVDF和VGCF的质量比为87％-92％∶5％-9％∶3％-5％。
8.根据权利要求6所述的含有集流体的锂电池的制备方法，其特征在于，所述正极浆料涂敷厚度为0.1-0.2mm；所述负极浆料涂敷厚度为0.05-0.12mm。
9.根据权利要求6所述的含有集流体的锂电池的制备方法，其特征在于，所述隔膜为PP或PE。
10.根据权利要求6所述的含有集流体的锂电池的制备方法，其特征在于，所述电解液含有的锂盐为LiPF6或LiBF4；当为LiPF6时，电解液中EC：DMC＝1∶1，LiPF6在电解液中的摩尔浓度为1.1mol/L。
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