CN109786755A - 一种双极性电池复合集流体结构及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双极性电池复合集流体结构及制备方法，属于电化学储能技术领域，上述双极性电池复合集流体结构的特征在于：在基体的单面或者是双面涂布有保护层。上述双极性电池复合集流体结构的制备方法的特征在于：使用物理气相沉积或化学气相或电化学沉积或表面熔融或喷涂或3D打印或匀浆制备在基体的单面或双面涂布保护层。通过采用上述技术方案，该双极性电池复合集流体结构及制备方法用于提升电芯能量密度，提高电芯输出特性。

Description

一种双极性电池复合集流体结构及制备方法

技术领域

本发明属于电化学储能技术领域，尤其涉及一种双极性电池复合集流体结构及制备方法。

背景技术

电化学能源的发展与人民生活，国防工业密不可分。生活中使用的消费电子产品、电驱动新能源车、分布式电网都离不开化学储能。随着人们对消费电子产品依赖程度增加，对电子设备待机时间的要求与日俱增。另一方面，目前主流动力电池能量密度大约为250-300Wh/Kg，我国计划电动车用动力电池能量密度2025年实现400Wh/Kg。同时，近年来快速发展的分布式电网系统(特别是分布式光伏发电)在配备了储能部分后，通过调峰输出可以实现经济效益最大化。以上各方面的客户需求对电池能量密度，输出电压等性能提出了严峻的挑战。

提高电池能量密度可以大致分为提升材料性能及优化电池结构两条技术路线。本发明专利涉及技术路线为优化电池结构。通过发明一种新型双极性集流体结构及制备方法最终实现优化电芯结构、减少结构件重量、增强电芯输出电压及提升电芯能量密度。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种双极性电池复合集流体结构及制备方法。该双极性电池复合集流体结构及制备方法用于提升电芯能量密度，提高电芯输出特性。

本发明所采用的具体技术方案为：

本专利的发明目的一是提供一种双极性电池复合集流体结构，在基体的单面或者是双面涂布有保护层。

进一步：上述保护层的材料为碳或导电聚合物或金属氧化物或单一金属或金属合金中的一种或多种。

更进一步：所述基体为铜铝导电基体；在铜铝导电基体的上表面和下表面均涂布电子导通保护层。

更进一步：所述基体为Al导电基体，仅在Al导电基体的上表面涂布电子导通保护层。

更进一步：上述保护层为单层结构，上述保护层的厚度范围是0.1μm～10μm。

更进一步：上述电子导通保护层为多层，此时，每层电子导通保护层的厚度范围是

0.1μm～5μm。

一种双极性电池复合集流体结构的制备方法，至少包括如下步骤：

使用物理气相沉积或化学气相或电化学沉积或表面熔融或喷涂或3D打印或匀浆制备在基体的单面涂布保护层。

一种双极性电池复合集流体结构的制备方法，至少包括如下步骤：

使用物理气相沉积或化学气相或电化学沉积或表面熔融或喷涂或3D打印或匀浆制备在基体的双面涂布保护层。

本发明的优点及积极效果为：

1、本发明专利与已有相关专利最大区别在于双极性集流体可以在保证具有低接触电阻的同时，整体实现电子导通。在结构上实现了IR降最小化。

2、引入了保护层结构。通过保护层对导电基体进行保护，扩大了导电基体材料的选择范围，扩大了工艺窗口范围。

3、使用本发明专利制备的双极性集流体组装的电芯可以实现直接串联，对于提升电芯输出电压有着极为显著的效果。

4、由于实现了电芯的直接串联，提升了电池模块输出电压。对简化电源控制系统提供了帮助，进而提高运载设备的有效载荷。

5、本专利提供了一种带有保护层的双极性复合集流体结构，可以显著提升电池(特别是双极性电池)的循环寿命及安全性。

6、同时由于本发明专利对双极性复合集流体结构得到了大幅简化。显著提高了电池的能量密度。进而提升了用电设备的续航里程或待机时间。

附图说明

图1：制备完成的碳-铜铝-碳双侧保护双极性集流体；

图2：于正极侧电子导通保护层上进行非连续涂布正极材料；

图3：于负极侧电子导通保护层上进行非连续涂布负极材料；

图4：将涂布好的集流体裁切为电极片；

图5：将裁切好的极片与隔膜堆叠组成电芯。

图6：碳-铜铝-碳双极性复合集流体电芯；

图7：制备完成的碳-铝单侧保护双极性集流体；

图8：在单侧保护双极性集流体Al导电基体侧涂布正极材料。

图9：在单侧保护双极性集流体电子导通保护层侧涂布负极材料；

图10：将涂布好的集流体裁切为电极片；

图11：将裁切好的极片与隔膜堆叠组成电芯。

图12：碳-铝双极性复合集流体电芯。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。

请参阅图1至图12：一种双极性电池复合集流体结构，在基体的单面或者是双面涂布有保护层.。

图1为一种具有正极侧电子导通保护层-导电基体-负极侧电子导通保护层结构或保护层-导电基体结构的双极性复合集流体。其中负极侧碳保护层1和正极侧碳保护层2可以为单层或多层复合结构。导电基体可以为一种或多种材料复合构成。当正极保护层为多层结构时，层材料可以选用同种材料或不同材料复合。当保护层为单层时厚度控制在0.1-10μm。当保护层为多层时根据工艺需求，单层厚度控制在0.1-5μm之间；当负极保护层为多层结构时，层材料可以选用同种材料或不同材料复合。当保护层为单层时厚度控制在0.1-10μm。当保护层为多层时根据工艺需求，单层厚度控制在0.1-5μm之间；

下面以真空磁控溅射法制备结构为碳-(铜铝)-碳型双极性集流体，碳-铝型双极性集流体制备及使用进行举例说明。

实施方案中涉及到带保护层双极性集流体两种基本结构：①保护层-导电基体-保护层；②保护层-导电基体。

保护层可以为单层或多层复合结构。导电基体可以为一种或多种材料复合构成。双极性复合集流体相关制备工艺可以使用物理气相沉积(真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀、离子镀膜，及分子束外延等)、化学气相(常压化学气相沉积、低压化学气相沉积、超高真空化学气相沉积、激光化学气相沉积、金属有机物化学气相沉积，等离子体增强化学气相沉积等)、电化学沉积、表面熔融、喷涂、3D打印、匀浆等制备手段，但不仅仅限于以上制备方式。

保护层可以为单层或多层结构。保护层为多层结构时，层材料可以选用同种材料或不同材料复合。当保护层为单层时厚度控制在0.1-10μm。当保护层为多层时根据工艺需求，单层厚度控制在0.1-5μm之间，并根据沉积面粗糙度确定沉积层数。

双极性集流体正极侧保护层所用材料可以使用碳(其类型包括但不仅限于石墨、碳黑、科琴黑、石墨烯、碳纳米管、碳纤维、无定形碳等)、导电聚合物(聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔等)、金属氧化物(SnO₄、ITO、i·ZnO、AZO等)、单一金属(Al、Ag、Au、Sn、Ni、Ti、Pt等)及金属合金(铝合金、镍铝、不锈钢等)等导电材质中的一种，或由上述多种类型材料组成多层复合保护层。

双极性集流体负极侧保护层所用材料可以使用碳(其类型包括但不仅限于碳黑、科琴黑、石墨烯、碳纳米管、碳纤维、无定形碳等)、导电聚合物(聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔等)、单一金属(Cu、Ag、Au、Ni、Pt等)及金属合金(不锈钢、铝铜、铜银、铜锌、锂硅、锂镁、锂锡等)等导电材质中的一种，或由上述多种类型材料组成多层复合保护层。

导电基体材料可以使用单一金属(Ni、Ti、Cu、Ag、Sn、Al等)、合金(镀锡铜、铜铝、镀镍铜、镀银铜、不锈钢、合金铝、镍铝、不锈钢、合金钛、锂硅、锂硅等)、碳(其类型包括但不仅限于碳黑、科琴黑、石墨烯、碳纳米管、碳纤维、无定形碳等)、导电聚合物(聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔等)或聚合物与导电材质复合材料。厚度控制在1～20μm之间。

上述聚合物与导电材质复合材料可以通过使用导电聚合物与导电材质或不导电聚合物与导电材质匀浆制得。涉及的导电材质包括但不限于碳(其类型包括但不仅限于碳黑、科琴黑、石墨烯、碳纳米管、碳纤维、无定形碳等)、金属粉(Ni、Ti、Cu、Ag、Sn、Al、等)、合金粉(锡铜、铝铜、镍铝、镍铜、铜锌、铜银、锂硅、锂锡、锂镁、硅碳、锂碳等)等导电粉材。涉及的不导电聚合物包括但不限于聚丙烯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚氯乙烯等。涉及的导电聚合物包括但不限于聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔等。

本发明双极性复合集流体制备和使用过程：

实例1：碳-(铜铝)-碳型双极性集流体制备和使用过程

1.对需要进行工艺的铜铝箔进行表面粗糙度确定。依粗造度确定保护层膜厚。本实例选用粗糙度400nm的铜铝导电基体(5)。在铜铝导电基体(5)两侧各沉积2μm厚碳保护层(1)和(2)。

2.将选定铜铝箔卷置入卷绕式真空腔室中。

3.将溅射腔室真空度抽至10^-6mbar。调节刻蚀靶位工艺Ar气流量至工艺压强为10^-3mbar,调节刻蚀功率2130kw，碳靶位的Ar气流量至工艺压强为10^-3mbar，溅射功率1780kw。

4.打开工艺区间加热器对进入工艺区间的铜铝箔进行加热。

5.依据设计沉积厚度调节走卷速度。点击工艺开始按钮，进行碳保护层沉积。

6.待工艺停止后充气，将制备好的碳-(铜铝)-碳型双极性集流体卷由真空腔室取出。碳-(铜铝)-碳型双极性集流体结构如图1所示。至此碳-(铜铝)-碳型双极性集流体制备完成。

7.在正极侧碳保护层(2)上非连续涂布正极材料(4)。涂布后的结构如图2所示。

8.在负极侧碳保护层(1)上非连续涂布负极材料(3)。涂布后的结构如图3所示。

9.将涂布了正/负极材料的双极性集流体按照图4所示裁切为双极性电极片。其中(9)为负极侧，(10)为正极侧。

10.将双极性电极片与隔膜(8)按照图5所示结构堆叠成电芯。

11.使用封装胶(7)按照图5所示结构对电芯进行封装。封边过程中保留一边不进行封装，待电芯注液后进行二次封装。至此碳-(铜铝)-碳型双极性集流体组装完成。

实例2：碳-铝型双极性集流体制备和使用过程

本实例中碳保护层沉积工艺流程与碳-(铜铝)-碳型双极性集流体碳保护层沉积工艺一致。

1.在铝导电基体(11)光面侧使用碳-(铜铝)-碳型双极性集流体碳保护层沉积工艺沉积碳保护层(1)。沉积完成后结构如图7所示。

2.按照工艺要求在碳保护层(1)侧涂布负极材料(3)，铝毛面侧涂布正极材料(4)。涂布形状及结构如图8和9所示。

3.涂布完成后按照图10所示裁切为双极性电极片，其中(12)为负极侧，(13)为正极侧。将裁切好的双极性电极片与隔膜(8)按照图11所示结构堆叠成电芯。

4.使用封装胶(7)按照图12所示结构对电芯进行封装。封边过程中保留一边不进行封装，待电芯注液后进行二次封装。至此碳-铝型双极性集流体组装完成。

以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种双极性电池复合集流体结构，其特征在于：在基体的单面或者是双面涂布有保护层。

2.根据权利要求1所述双极性电池复合集流体结构，其特征在于：上述保护层的材料为碳或导电聚合物或金属氧化物或单一金属或金属合金中的一种或多种。

3.根据权利要求2所述双极性电池复合集流体结构，其特征在于：所述基体为铜铝导电基体；在铜铝导电基体的上表面和下表面均涂布电子导通保护层。

4.根据权利要求2所述双极性电池复合集流体结构，其特征在于：所述基体为Al导电基体，仅在Al导电基体的上表面涂布电子导通保护层。

5.根据权利要求3或4所述双极性电池复合集流体结构，其特征在于：上述保护层为单层结构，上述保护层的厚度范围是0.1μm～10μm。

6.根据权利要求3或4所述双极性电池复合集流体结构，其特征在于：上述电子导通保护层为多层，此时，每层电子导通保护层的厚度范围是0.1μm～5μm。

7.一种制备权利要求1-6任一项所述双极性电池复合集流体结构的方法，其特征在于：至少包括如下步骤：

使用物理气相沉积或化学气相或电化学沉积或表面熔融或喷涂或3D打印或匀浆制备在基体的单面涂布保护层。

8.一种制备权利要求1-6任一项所述双极性电池复合集流体结构的方法，其特征在于：至少包括如下步骤：

使用物理气相沉积或化学气相或电化学沉积或表面熔融或喷涂或3D打印或匀浆制备在基体的双面涂布保护层。