CN108281666A - 一种纸基复合结构及电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纸基复合结构及电池，该纸基复合结构包括纸质基材，在所述纸质基材的上、下表面分别依次镀有粘接力增强层和金属镀层。本发明既能实现电池的轻量化，提高能量密度，又能使金属镀层不容易脱落，还可以实现同等压实密度下，较低的延展率。

Description

一种纸基复合结构及电池
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种纸基复合结构及电池。
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、实现电池轻量化的效果。然而采用塑料延展率较高，较高的延展率容易变形。
将铜/铝镀在塑料上作为集流体时，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。
发明内容
有鉴于此，为克服上述技术问题，本发明的目的在于提供一种既能实现电池的轻量化，又能使金属镀层不容易脱落，提高能量密度，降低成本的纸基复合结构及电池。
根据本发明的一方面，提供一种纸基复合结构，其特征在于，包括纸质基材，在所述纸质基材的上、下表面分别依次镀有粘接力增强层和金属镀层。
进一步地，所述金属镀层的外侧还镀有防氧化层。
进一步地，所述金属镀层为铜金属镀层或铝金属镀层。
进一步地，所述纸质基材的厚度为2-12μm。
进一步地，所述纸质基材为超薄纤维纸、石墨纸或纳米纸。
进一步地，所述超薄纤维纸为特定超薄纤维纸或耐高温超薄纤维纸，所述特定超薄纤维纸由如下重量份的组分制成：复合纤维40-100份、混合湿强剂5-20份、竹炭粉1-3份、纳米二氧化钛0.1-1份、硬脂酸甘油酯各0.1-1份、聚丙烯酰胺羧2-6份、甲基纤维素钠2-6份，聚乙二醇3-15份、聚乙烯醇2-10份、高岭土2-8份、碳酸钙2-8份、变性淀粉2-8份、硼砂2-8份、丁苯胶乳2-8份。
进一步地，所述复合纤维为木纤维、竹纤维、马尼拉麻纤维和波里诺西克纤维中的任意至少两种的混合；混合湿强剂为PAE树脂、聚酰胺树脂、聚丙烯酸丁酯和PEI树脂中任意至少两种的混合。
进一步地，所述粘接力增强层为金属镀膜或非金属镀膜。
进一步地，当所述金属镀层为铜金属镀层时，所述粘接力增强层为Zn、Ni、Sn或Fe金属镀膜，或为SiC、Si3N4、SiO2、Al2O3或SiO非金属镀膜。
进一步地，当所述金属镀层为铝金属镀层时，所述粘接力增强层为Ni金属镀膜，或为SiC、Si3N4或Al2O3非金属镀膜。
进一步地，所述粘接力增强层的厚度为10-100nm。
进一步地，所述铜金属镀层的厚度为100-1000nm；或者所述铝金属镀层的厚度为100-2000nm。
进一步地，所述防氧化层为金属层或非金属层。
进一步地，所述金属镀层为铜金属镀层时，所述防氧化层是致密的Al、Fe、Ni、Zn或Ti金属层，或为Fe2O3、Al2O3、Si3N4、SiC或SiO2非金属层。
进一步地，当所述金属镀层为铝金属镀层时，所述防氧化层是致密的Ni金属层，或为Al2O3、Si3N4或SiC非金属层。
进一步地，所述防氧化层的厚度为10-100nm。
根据本发明的另一方面，提供一种电池，所述电池采用如上所述的任意一种纸基复合结构作为电极。
本发明的有益效果至少在于：
(1)通过以超薄纤维纸、石墨纸或纳米纸等作为纸质基材实现减重，其中，以镀铝膜集流体为例，可实现减重70％，厚度降低45％，以镀铜膜集流体为例，可实现减重75％，显著提高电池能量密度；
(2)以超薄纤维纸、石墨纸或纳米纸等作为纸质基材的纸基复合结构，在压实密度为3.5-3.6g/cm3的情况下，延展率在0.2％-0.5％，同等情况下铝箔或铜箔的延展率均大于0.7％；也就是，在实现需要的压实密度下，纸基复合结构的延展率更低。
(3)超薄纤维纸、石墨纸或纳米纸等纸基无需打孔，可以直接镀上一层粘接力增强层，从而可减少铜/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)超薄纤维纸、石墨纸或纳米纸等纸基有利于电解液的浸润，在电池加工过程中可以提高注液工序的速度，在加工成电池后电解液的充分浸润又能加速锂离子的通过率，从而进一步提锂电池倍率性能。
(5)采用镀膜的方式得到的防氧化层，可进一步防止铜/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示出根据本发明一实施例的纸基复合结构的示意图。
图2示出根据本发明一实施例的纸基复合结构的示意图。
图3示出根据本发明一实施例的纸基复合结构的示意图。
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。
图1示出根据本发明一实施例的纸基复合结构的示意图。该纸基复合结构可以应用于电池中，作为集流体，也可以用于其他场景，本发明对此不作限定。
参见图1所示，该纸基复合结构可以包括：纸质基材1，在所述纸质基材1的上、下表面分别依次镀有粘接力增强层2和金属镀层3。
通过在纸质基材1上的两面分别依次镀有粘接力增强层2和金属镀层3，纸质基材实现减重，且能够获得更低的延展性。粘接力增强层2可减少金属镀层的脱落，可有效防止金属镀层容易脱落导致集流体的性能丧失的问题。根据本发明的纸基复合结构可以实现电池的轻量化，金属镀层不容易脱落，还能提高能量密度，降低成本。
其中，纸质基材1可以为超薄纤维纸、石墨纸或纳米纸等，纸质基材1的厚度可以为2-12μm。
可选的，所述超薄纤维纸可为特定超薄纤维纸或耐高温超薄纤维纸。
在一个示例中，所述特定超薄纤维纸由如下重量份的组分制成：复合纤维40-100份、混合湿强剂5-20份、竹炭粉1-3份、纳米二氧化钛0.1-1份、硬脂酸甘油酯0.1-1份、聚丙烯酰胺羧2-6份、甲基纤维素钠2-6份，聚乙二醇3-15份、聚乙烯醇2-10份、高岭土2-8份、碳酸钙2-8份、变性淀粉2-8份、硼砂2-8份、丁苯胶乳2-8份。
可选的，所述复合纤维可以为木纤维、竹纤维、马尼拉麻纤维和波里诺西克纤维中的任意至少两种的混合；混合湿强剂可以为PAE树脂、聚酰胺树脂、聚丙烯酸丁酯和PEI树脂中任意至少两种的混合。
例如，混合湿强剂可以是PAE树脂、聚酰胺树脂、聚丙烯酸丁酯和PEI树脂四种的混合，四者的混合比例可为：PAE树脂20-30wt％、聚酰胺树脂20-30wt％、聚丙烯酸丁酯20-30wt％和PEI树脂20-30wt％。本发明的四种树脂可发挥协同作用，不仅能更大地提高纸的湿、干强度，还可提高特定超薄纤维纸配方中对复合纤维、竹炭粉、高岭土、变性淀粉、硼砂等的附着力，提高粗糙度，可以直接镀上一层粘接力增强层。
特定超薄纤维纸可以采用相关的湿法或干法工艺，例如利用气流或梳理成网的工艺，首先将原料各组分混合后，均匀地铺设成网，再经过轧光机热轧、热风穿透干燥工艺制得厚度可控、均匀的特定超薄纤维纸。
纳米纸和石墨纸可以采用相关现有技术中的方式获得，本发明对此不作限定。
超薄纤维纸、石墨纸或纳米纸等纸基无需打孔，可以直接镀上一层粘接力增强层2，从而可减少金属镀层3的脱落，可有效防止金属镀层3容易脱落导致集流体的性能丧失。
以超薄纤维纸、石墨纸或纳米纸等作为纸质基材的纸基复合结构，例如纸膜或集流体，在压实密度3.5-3.6g/cm3的情况下，延展率在0.2％-0.5％，同等情况下铜箔的延展率大于0.7％；也就是，在实现需要的压实密度下，纸基复合结构的延展率更低。
超薄纤维纸、石墨纸或纳米纸等纸基有利于电解液的浸润，在电池加工过程中可以提高注液工序的速度，在加工成电池后电解液的充分浸润又能加速锂离子的通过率，从而进一步提锂电池倍率性能。
可选的，金属镀层3可以为铜金属镀层或铝金属镀层，在一个示例中，铜金属镀层的厚度可为100-1000nm，进一步可以选为200-600nm；铝金属镀层的厚度可为100-2000nm，进一步可以选为500-1000nm。
可选的，粘接力增强层2可以为金属镀膜或非金属镀膜，所述粘接力增强层2的厚度可以为10-100nm，进一步地，可以为10-50nm。
当所述金属镀层3为铜金属镀层时，该纸基复合结构可以用作锂离子电池的负极集流体。在一个示例中，粘接力增强层2可以为Zn、Ni、Sn或Fe金属镀膜，或，在另一个示例中，粘接力增强层2可以为SiC、Si3N4、SiO2、Al2O3或SiO非金属镀膜，例如，可以为Al2O3非金属镀膜。
当所述金属镀层3为铝金属镀层时，该纸基复合结构可以用作锂离子电池的正极集流体。在一个示例中，粘接力增强层2可以为Ni金属镀膜，或，在另一个示例中，粘接力增强层2可以为SiC、Si3N4或Al2O3非金属镀膜。
需要说明的是，以上对粘接力增强层2和金属镀层3的说明仅仅是本发明的几种示例，不以任何方式限制本发明的范围，本领域技术人员可以根据实际的应用场景选择粘接力增强层2和金属镀层3的材料、厚度等参数。
图2示出根据本发明一实施例的纸基复合结构的示意图。如图2所示，该纸基复合结构还可以包括：防氧化层4，防氧化层4可以镀在如图1所示的金属镀层3的外侧。
防氧化层4的作用或目的是为了防止金属镀层被氧化，采用镀膜的方式得到的防氧化层4，还可以防止金属镀层脱落。防氧化层4可以是致密的金属层或非金属层。
所述金属镀层为铜金属镀层时，所述防氧化层可以为致密的Al、Fe、Ni、Zn或Ti金属层，或为Fe2O3、Al2O3、Si3N4、SiC或SiO2非金属层；
所述金属镀层为铝金属镀层时，所述防氧化层可以为致密的Ni金属层，或为Al2O3、Si3N4或SiC非金属层。
在一个示例中，防氧化层的厚度可为10-100nm，可进一步选为10-50nm。
需要说明的是，以上对防氧化层4的说明仅仅是本发明的几种示例，不以任何方式限制本发明的范围，本领域技术人员可以根据实际的应用场景选择防氧化层的材料、厚度等参数。
另外，纸质基材1、粘接力增强层2、金属镀层3以及防氧化层4的厚度可以根据实际的应用场景进行调整，本发明对此不作限定。
图3示出根据本发明一实施例的纸基复合结构的示意图。
如上所述，采用镀膜的方式得到的防氧化层4时，防氧化层4既可以防止金属镀层被氧化，还可以防止金属镀层脱落。在本实施方式中，所述纸基复合结构可以不包括粘接力增强层2，例如，在所述纸质基材1的上、下表面分别依次镀有金属镀层3和防氧化层4。
纸质基材实现减重，且能够获得更低的延展性。防氧化层4既可以防止金属镀层被氧化，还可以防止金属镀层脱落，可有效防止金属镀层容易脱落导致集流体的性能丧失的问题。因此，根据本发明实施例的纸基复合结构可以实现电池的轻量化，金属镀层不容易脱落，还能提高能量密度，降低成本。
将本发明得到的纸基复合结构作为负极集流体用于锂离子电池中，其最基本的功能是汇集电流，同时作为载体来存放负极材料，即将负极材料(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。
将本发明得到的纸基复合结构作为正极集流体用于锂离子电池中，其最基本的功能是汇集电流，同时作为载体来存放正极材料，即将正极材料(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。
对如上所述的本发明得到的纸基复合结构作为负极集流和正极集流体进行测试，可得到如下结果：通过以超薄纤维纸、石墨纸或纳米纸等作为纸质基材实现减重，其中，以镀铝膜集流体可实现减重70％，厚度降低45％，以镀铜膜集流体为例，可实现减重75％，显著提高电池能量密度。
以超薄纤维纸、石墨纸或纳米纸等作为纸质基材的纸膜或集流体在压实密度3.5-3.6g/cm3的情况下，延展率在0.2％-0.5％，同等情况下铝箔的延展率大于0.7％；也就是，在实现需要的压实密度下，纸膜或集流体的延展率更低。
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 (15)

1.一种纸基复合结构，其特征在于，包括纸质基材，在所述纸质基材的上、下表面分别依次镀有粘接力增强层和金属镀层。
2.根据权利要求1所述的纸基复合结构，其特征在于，所述金属镀层的外侧还镀有防氧化层。
3.根据权利要求1所述的纸基复合结构，其特征在于，所述金属镀层为铜金属镀层或铝金属镀层。
4.根据权利要求1-3任一项所述的纸基复合结构，其特征在于，所述纸质基材的厚度为2-12μm。
5.根据权利要求1-3任一项所述的纸基复合结构，其特征在于，所述纸质基材为超薄纤维纸、石墨纸或纳米纸。
6.根据权利要求5所述的纸基复合结构，其特征在于，所述超薄纤维纸为特定超薄纤维纸或耐高温超薄纤维纸，所述特定超薄纤维纸由如下重量份的组分制成：复合纤维40-100份、混合湿强剂5-20份、竹炭粉1-3份、纳米二氧化钛0.1-1份、硬脂酸甘油酯各0.1-1份、聚丙烯酰胺羧2-6份、甲基纤维素钠2-6份，聚乙二醇3-15份、聚乙烯醇2-10份、高岭土2-8份、碳酸钙2-8份、变性淀粉2-8份、硼砂2-8份、丁苯胶乳2-8份。
7.根据权利要求6所述的纸基复合结构，其特征在于，所述复合纤维为木纤维、竹纤维、马尼拉麻纤维和波里诺西克纤维中的任意至少两种的混合；所述混合湿强剂为PAE树脂、聚酰胺树脂、聚丙烯酸丁酯和PEI树脂中任意至少两种的混合。
8.根据权利要求1-3任一项所述的纸基复合结构，其特征在于，所述粘接力增强层为金属镀膜或非金属镀膜。
9.根据权利要求8所述的纸基复合结构，其特征在于，所述金属镀层为铜金属镀层时，所述粘接力增强层为Zn、Ni、Sn或Fe金属镀膜，或为SiC、Si3N4、SiO2、Al2O3或SiO非金属镀膜；所述金属镀层为铝金属镀层时，所述粘接力增强层为Ni金属镀膜，或为SiC、Si3N4或Al2O3非金属镀膜。
10.根据权利要求1-3任一项所述的纸基复合结构，其特征在于，所述粘接力增强层的厚度为10-100nm。
11.根据权利要求3所述的纸基复合结构，其特征在于，
所述铜金属镀层的厚度为100-1000nm；
或者所述铝金属镀层的厚度为100-2000nm。
12.根据权利要求2所述的纸基复合结构，其特征在于，
所述防氧化层为金属层或非金属层；
所述金属镀层为铜金属镀层时，所述防氧化层为致密的Al、Fe、Ni、Zn或Ti金属层，或为Fe2O3、Al2O3、Si3N4、SiC或SiO2非金属层；
所述金属镀层为铝金属镀层时，所述防氧化层为致密的Ni金属层，或为Al2O3、Si3N4或SiC非金属层。
13.根据权利要求2或12所述的纸基复合结构，其特征在于，所述防氧化层的厚度为10-100nm。
14.根据权利要求2所述的纸基复合结构，其特征在于，当采用镀膜的方式得到所述防氧化层，所述纸基复合机构不包括所述粘接力增强层。
15.一种电池，其特征在于，所述电池采用权利要求1-14中任一所述的纸基复合结构作为电极。
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