CN109873160B - 一种集流体，其极片和电池 - Google Patents

Abstract

本申请涉及电池领域，具体地讲，涉及一种集流体，其极片和电池。本申请的集流体包括绝缘层和导电层，绝缘层用于承载导电层；导电层用于承载电极活性材料层，导电层位于绝缘层的至少一个表面上，导电层的厚度为D2，D2满足：300nm≤D2≤2μm，集流体还包括设置于导电层的至少一个表面上的保护层。本申请的集流体可提高电池异常情况下发生短路时的短路电阻，使短路电流大幅度减小，极大地降低短路产热量，改善电池的安全性能，同时保护层可以提高导电层的机械强度，进一步提高电池的安全性能，同时还可以防止导电层被破坏，或者发生氧化、腐蚀等现象，显著改善集流体的工作稳定性和使用寿命。

Description

一种集流体，其极片和电池

技术领域

本申请涉及电池领域，具体地讲，涉及一种集流体，其极片和电池。

背景技术

锂离子电池由于具备能量密度大、输出功率高、循环寿命长和环境污染小等优点而被广泛应用于电动汽车以及消费类电子产品中。然而锂离子电池在受到挤压、碰撞或穿刺等异常情况时很容易发生着火、爆炸，从而引起严重危害。因此锂离子电池的安全问题很大程度地限制了锂离子电池的应用和普及。

大量实验结果表明，电池内短路是造成锂离子电池安全隐患的根本所在。为了避免发生电池内短路，研究者们试图改进隔膜结构、电池机械结构等。其中有些研究是从改善集流体的设计方面来提升锂离子电池的安全性能。

当由于发生碰撞、挤压、穿刺等异常情况而导致电池发生内短路时，电池温度会上升；已有技术中有采用在金属集流体的材料中加入低熔点合金的技术方案，随着电池温度的上升，该集流体中的低熔点合金发生熔融，从而造成极片断路，由此切断电流，从而改善了电池的安全性；或采用具有树脂层两面复合有金属层的多层结构的集流体，随着电池温度的上升，当达到树脂层的材料的熔点时，该集流体的树脂层熔融而使极片破损，由此切断电流，从而改善电池的安全问题。

然而已有技术中的这些方法都无法有效地阻止锂离子电池内短路的发生，而且也无法保证在异常情况发生后电池还可以继续工作。在上述这些改进方法中，电池发生内短路后，电池温度依然会急剧升高，当电池温度骤升时，若安全构件不能快速响应的话，则依然会发生不同程度的危险；而且在上述这些改进方法中，在安全构件响应后，虽然电池的安全隐患得以解决，然而电池却无法继续工作。

因此，有必要提供一种能在碰撞、挤压、穿刺等异常情况发生后，有效地防止电池由于内短路的发生而引起的着火、爆炸等事故且不影响电池正常工作的集流体和电池设计。

发明内容

鉴于此，本申请提出一种集流体，其极片和电池。

第一方面，本申请提出一种集流体；包括绝缘层和导电层，所述绝缘层用于承载所述导电层；所述导电层用于承载电极活性材料层，且所述导电层位于所述绝缘层的至少一个表面上，所述集流体还包括设置于所述导电层的至少一个表面上的保护层，且所述导电层的厚度为D2，D2满足：300nm≤D2≤2μm。

第二方面，本申请提出一种极片，包括第一方面的集流体。

第三方面，本申请提出一种电池，包含第二方面的极片。

本申请的技术方案至少具有以下有益的效果：

本申请的集流体在绝缘层表面设置具有保护层的导电层，且导电层的厚度D2满足300nm≤D2≤2μm的条件，一方面，本申请的集流体可提高电池异常情况下发生短路时的短路电阻，使短路电流大幅度减小，从而极大地降低短路产热量，改善电池的安全性能。另一方面，本申请集流体的保护层可以提高导电层的机械强度，进一步提高电池的安全性能，同时还可以防止导电层被破坏，或者发生氧化、腐蚀等现象，显著改善集流体的工作稳定性和使用寿命。

在本申请可选的技术方案中，在正极集流体上，保护层设置于导电层的背离绝缘层的一面上，且材料为金属氧化物，从而进一步提高电池在异常情况下发生短路时的短路电阻，改善电池的安全性能。

附图说明

图1为本申请某一具体实施方式的正极集流体的结构示意图；

图2为本申请又一具体实施方式的正极集流体的结构示意图；

图3为本申请又一具体实施方式的正极集流体的结构示意图；

图4为本申请又一具体实施方式的正极集流体的结构示意图；

图5为本申请某一具体实施方式的负极集流体的结构示意图；

图6为本申请又一具体实施方式的负极集流体的结构示意图；

图7为本申请又一具体实施方式的负极集流体的结构示意图；

图8为本申请又一具体实施方式的负极集流体的结构示意图；

图9为本申请某一具体实施方式的正极极片的结构示意图；

图10为本申请又一具体实施方式的正极极片的结构示意图；

图11为本申请某一具体实施方式的负极极片的结构示意图；

图12为本申请又一具体实施方式的负极极片的结构示意图；

图13为本申请一次穿钉实验示意图；

图14为电池1#和电池4#在一次穿钉实验后的温度变化曲线；

图15为电池1#和电池4#在一次穿钉实验后的电压变化曲线；

其中：

1-正极极片；

10-正极集流体；

101-正极绝缘层；

102-正极导电层；

103-正极保护层；

11-正极活性材料层；

2-负极极片；

20-负极集流体；

201-负极绝缘层；

202-负极导电层；

203-负极保护层；

21-负极活性材料层；

3-隔膜；

4-钉子。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本申请。应理解，这些实施例仅用于说明本申请而不用于限制本申请的范围。

下面对本申请实施例第一方面提出的集流体的结构和性能进行详细描述。

本申请实施例涉及一种集流体，包括绝缘层和导电层，绝缘层用于承载导电层，导电层用于承载电极活性材料层，导电层位于绝缘层的至少一个表面上，且导电层的厚度为D2，D2满足：300nm≤D2≤2μm，导电层的至少一个表面上设置有保护层。

本申请实施例集流体中的绝缘层不导电，因此其电阻较大，可以提高电池在异常情况下发生短路时的短路电阻，使短路电流大幅度减小，因此可极大地降低短路产热量，从而改善电池的安全性能，此外采用绝缘层代替传统的金属箔集流体还可以提高电池的重量能量密度。同时，本申请的集流体还包括绝缘层表面的具有保护层且具有特定厚度的导电层，该导电层一方面可以保证集流体能够为电极活性材料层提供电子，即起到导电和集流的作用，另一方面该特定的厚度可以进一步保证该集流体具有较大的电阻，从而保证电池具有良好的安全性能，且可以进一步保证电池具有较高的重量能量密度；第三，保护层还可以整体提高集流体的机械强度，进一步提高电池的安全性能，同时还有效防止导电层被破坏，或者发生氧化、腐蚀等现象，显著改善集流体的工作稳定性和使用寿命。

[导电层]

在本申请实施例集流体中，导电层的厚度为D2，D2满足：300nm≤D2≤2μm。

导电层的材料选自金属导电材料、碳基导电材料中的至少一种；金属导电材料优选铝、铜、镍、钛、银、镍铜合金、铝锆合金中的至少一种，所述碳基导电材料优选石墨、乙炔黑、石墨烯、碳纳米管中的至少一种。

在现有的锂离子电池中，当在异常情况下发生电池内短路时，瞬间产生大电流，并伴随着大量的短路产热，这些热量通常还会引发正极铝箔集流体处的铝热反应，进而使电池发生着火、爆炸等。

在本申请实施例中，通过采用具有绝缘层支撑、且具有特定厚度的导电层的特殊集流体从而解决了上述技术问题。由于绝缘层不导电，因此本申请集流体的电阻较大，可以提高电池异常情况下发生短路时的短路电阻，使短路电流大幅度减小，因此可极大地降低短路产热量，从而改善电池的安全性能。

电池的内阻通常包括电池欧姆内阻和电池极化内阻，其中活性物质电阻、集流体电阻、界面电阻、电解液组成等均会对电池内阻产生较明显的影响。在异常情况下发生短路时，由于发生内短路，电池的内阻会大大降低。因此增大集流体的电阻，可增大电池短路后的内阻，由此改善电池的安全性能。

导电层的厚度足以起到导电和集流的作用即可。如果导电层的厚度太小，则导电和集流的效果太差，电池极化会较大，也易在极片加工工艺等过程中发生破损；如果导电层的厚度太大，则会影响电池的重量能量密度，且会降低该集流体的电阻，从而不利于改善电池的安全性能。

在本申请实施例中，导电层的厚度D2的上限可为2μm、1.8μm、1.5μm、1.2μm、1μm、900nm，导电层的厚度D2的下限可为800nm、700nm、600nm、500nm、450nm、400nm、350nm、300nm；导电层的厚度D2的范围可由上限或下限的任意数值组成。优选地，500nm≤D2≤1.5μm。

导电层可通过机械辊轧、粘结、气相沉积法(vapor deposition)、化学镀(Electroless plating)中的至少一种形成于绝缘层上，气相沉积法优选物理气相沉积法(Physical Vapor Deposition，PVD)；物理气相沉积法优选蒸发法、溅射法中的至少一种；蒸发法优选真空蒸镀法(vacuum evaporating)、热蒸发法(Thermal EvaporationDeposition)、电子束蒸发法(electron beam evaporation method，EBEM)中的至少一种，溅射法优选磁控溅射法(Magnetron sputtering)。

[保护层]

本申请集流体的导电层的至少一个表面上设置有保护层。保护层可以提高导电层的机械强度，进一步提高电池的安全性能，同时还有效防止导电层被破坏，或者发生氧化、腐蚀等现象，显著改善集流体的工作稳定性和使用寿命。

保护层的材料选自金属、金属氧化物、导电碳中的至少一种；金属优选镍、铬、镍基合金(如镍铬合金)、铜基合金(如铜镍合金)中的至少一种；金属氧化物优选氧化铝、氧化钴、氧化铬、氧化镍中的至少一种；导电碳优选导电炭黑、碳纳米管、乙炔黑、石墨烯中的至少一种。

其中，镍铬合金是金属镍和金属铬形成的合金，可选的，镍元素与铬元素的摩尔比为1：99～99：1。

铜基合金是以纯铜为基体加入一种或几种其他元素所构成的合金。优选为铜镍合金，可选的，在铜镍合金中，镍元素与铜元素的摩尔比为1：99～99：1。

在本申请实施例中为了描述方便，当保护层设置于导电层的背离绝缘层的面(即导电层的上表面)上时，称为上保护层，当保护层设置于导电层的朝向绝缘层的面(即导电层的下表面)上时，称为下保护层。

作为本申请实施例集流体的进一步改进，上保护层的厚度为D3，D3满足：D3≤1/10D2且1nm≤D3≤200nm，即厚度满足小于等于D2厚度的1/10且在1nm～200nm范围内。下保护层的厚度为D3'，D3'满足：D3'≤1/10D2且1nm≤D3'≤200nm。

其中，保护层的厚度D3、D3'的上限可为200nm、180nm、150nm、120nm、100nm、80nm、60nm、55nm、50nm、45nm、40nm、30nm、20nm，保护层的厚度D3的下限可为1nm、2nm、5nm、8nm、10nm、12nm、15nm、18nm；保护层的厚度D3、D3'的范围可由上限或下限的任意数值组成。如果保护层太薄，则对导电层的保护作用有限；如果保护层太厚，则会降低电池的重量能量密度和体积能量密度。优选的，10nm≤D3≤50nm，优选10nm≤D3'≤50nm。

从保护层占整个导电层的厚度来看，D3满足：1/2000D2≤D3≤1/10D2，即厚度是D2的1/2000～1/10，更优选的，D3满足：1/1000D2≤D3≤1/10D2。D3'满足：1/2000D2≤D3'≤1/10D2，即厚度是D2的1/2000～1/10。更优选的，D'3满足：1/1000D2≤D3'≤1/10D2。

保护层可通过气相沉积法、原位形成法、涂布法等形成于导电层上。气相沉积法优选物理气相沉积法(Physical Vapor Deposition，PVD)；物理气相沉积法优选蒸发法、溅射法中的至少一种；蒸发法优选真空蒸镀法(vacuum evaporating)、热蒸发法(ThermalEvaporation Deposition)、电子束蒸发法(electron beam evaporation method，EBEM)中的至少一种，溅射法优选磁控溅射法(Magnetron sputtering)。原位形成法优选原位钝化法，即在金属表面原位形成金属氧化物钝化层的方法。涂布法优选辊压涂布、挤压涂布、刮刀涂布、凹版涂布等中的一种。

图1至图8为本申请实施例集流体的结构示意图。

正极集流体的示意图如图1至图4所示。

在图1中，正极集流体10包括正极绝缘层101和设置于正极绝缘层101相对的两个表面上的正极导电层102，正极导电层102包括正极导电层102以及设置于正极导电层102的上表面(即背离正极绝缘层101的面)上的正极保护层103(即上保护层)。

在图2中，正极集流体10包括正极绝缘层101和设置于正极绝缘层101相对的两个表面上的正极导电层102，正极导电层102包括正极导电层102以及设置于正极导电层102的相对两个表面上的正极保护层103。

在图3中，正极集流体10包括正极绝缘层101和设置于正极绝缘层101一个表面上的正极导电层102，正极导电层102包括正极导电层102以及设置于正极导电层102的背离正极绝缘层101的面上的正极保护层103(即上保护层)。

在图4中，正极集流体10包括正极绝缘层101和设置于正极绝缘层一个表面上的正极导电层102，正极导电层102包括正极导电层102以及设置于正极导电层102的相对两个表面上的正极保护层103。

同样的，负极集流体的示意图如图5至图8所示。

在图5中，负极集流体20包括负极绝缘层201和设置于负极绝缘层201相对的两个表面上的负极导电层202，负极导电层202包括负极导电层202以及设置于负极导电层202的背离负极绝缘层201的面上的负极保护层203(即上保护层)。

在图6中，负极集流体20包括负极绝缘层201和设置于负极绝缘层201相对的两个表面上的负极导电层202，负极导电层202包括负极导电层202以及设置于负极导电层202的相对两个表面上的负极保护层203。

在图7中，负极集流体20包括负极绝缘层201和设置于负极绝缘层201一个表面上的负极导电层202，负极导电层202包括负极导电层202以及设置于负极导电层202的背离负极绝缘层201方向上的表负极保护层203(即上保护层)。

在图8中，负极集流体20包括负极绝缘层201和设置于负极绝缘层201一个表面上的负极导电层202，负极导电层202包括负极导电层202以及设置于负极导电层202的相对两个表面上的负极保护层203。

这里需要说明的是，保护层也可仅设置在导电层的朝向绝缘层的表面上。

位于导电层的两个相对的表面上的保护层的材料可相同或不同，厚度可相同或不同。

进一步可选的，本申请实施例的集流体为正极集流体，且正极集流体包括设置于导电层的背离绝缘层的一面(即导电层的上表面)上的保护层(以下简称上保护层)，且上保护层的材料为金属氧化物，具体的，金属氧化物可选自氧化铝、氧化钴、氧化铬、氧化镍中的至少一种。

首先，金属氧化物材料的上表面保护层具有较大电阻，因此该类型的保护层可以在一定程度上进一步增大正极集流体的电阻，从而进一步的提高电池异常情况下发生短路时的短路电阻，改善电池的安全性能。其次，由于金属氧化物的延展性小、硬度大，因此该上表面保护层可进一步增大正极集流体的机械强度。第三，相对于保护层材料选用金属来讲，金属氧化物的比表面积更大，所以金属氧化物材料的保护层与导电层之间的结合力更强，更能起到保护导电层的作用，并且，比面积增大的保护层与正极活性物质层之间的结合力也进一步增大，因此，相对于不设置保护层、或上保护层材料选用金属的的正极集流体来讲，本申请实施例的集流体可以进一步增加与正极活性物质层之间的结合力，从而可提高电池的整体强度。

进一步可选的，正极集流体还包括设置于导电层的朝向绝缘层的一面(即导电层的下表面)上的保护层(以下简称下保护层)，且下保护层的材料选自金属、金属氧化物、导电碳中的至少一种。

进一步可选的，上保护层和下保护层的材料均为金属氧化物，从而可以进一步增大正极集流体的电阻，从而改善电池的安全性能，且同时还可以进一步的改善正极集流体的寿命和工作可靠性。

进一步可选的，上保护层的厚度大于下保护层的厚度，即设置于导电层的背离绝缘层的一面上的保护层的厚度大于设置于导电层的朝向绝缘层的一面上的保护层的厚度。

在下表面的保护层的厚度足以保护导电层时，尽量减小下表面的保护层的厚度，可以提高电池的重量能量密度。

进一步可选的，下保护层的厚度D3'与上保护层的厚度D3的比例关系为：1/2D3≤D3'≤4/5D3。下保护层的厚度增加，对电池安全性能的改善作用有限，反而会影响电池的重量能量密度。

[绝缘层]

在本申请实施例的集流体中，绝缘层主要起到支撑和保护导电层的作用，其厚度为D1，D1满足1μm≤D1≤20μm。若绝缘层太薄的话，很容易在极片加工工艺等过程中发生断裂；太厚的话，则会降低使用该集流体的电池的体积能量密度。

其中，绝缘层的厚度D1的上限可为20μm、15μm、12μm、10μm、8μm，绝缘层的厚度D1的下限可为1μm、1.5μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm；绝缘层的厚度D1的范围可由上限或下限的任意数值组成。优选的，2μm≤D1≤10μm；更优选2μm≤D1≤6μm。

可选的，绝缘层的材料选自有机聚合物绝缘材料、无机绝缘材料、复合材料中的一种。进一步优选的，复合材料由有机聚合物绝缘材料和无机绝缘材料组成。

其中，有机聚合物绝缘材料选自聚酰胺(Polyamide，简称PA)、聚对苯二甲酸酯(Polyethylene terephthalate，简称PET)、聚酰亚胺(Polyimide，简称PI)、聚乙烯(Polyethylene，简称PE)、聚丙烯(Polypropylene，简称PP)、聚苯乙烯(Polystyrene，简称PS)、聚氯乙烯(Polyvinyl chloride，简称PVC)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(Acrylonitrile butadiene styrene copolymers，简称ABS)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(Polybutylene terephthalat，简称PBT)、聚对苯二甲酰对苯二胺(Poly-p-phenyleneterephthamide，简称PPA)、环氧树脂(epoxy resin)、聚甲醛(Polyformaldehyde，简称POM)、酚醛树脂(Phenol-formaldehyde resin)、聚丙乙烯(简称PPE)、聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene，简称PTFE)、硅橡胶(Silicone rubber)、聚偏氟乙烯(Polyvinylidenefluoride，简称PVDF)、聚碳酸酯(Polycarbonate，简称PC)中的至少一种。

其中，无机绝缘材料优选氧化铝(Al₂O₃)、碳化硅(SiC)、二氧化硅(SiO₂)中的至少一种。

其中，复合物优选环氧树脂玻璃纤维增强复合材料、聚酯树脂玻璃纤维增强复合材料中的至少一种。

优选地，绝缘层的材料选自有机聚合物绝缘材料。由于绝缘层的密度通常较金属小，因此本申请集流体，在提升电池安全性能的同时，还可以提升电池的重量能量密度。并且由于绝缘层可以对位于其表面的导电层起到良好的承载和保护作用，因而不易产生传统集流体中常见的极片断裂现象。

本申请实施例的第二方面还提供一种极片，包括本申请实施例第一方面的集流体和形成于集流体表面的电极活性材料层。

图9和图10为本申请实施例正极极片结构示意图，如图9和图10所示，正极极片1包括正极集流体10和形成于正极集流体10表面的正极活性材料层11，其中正极集流体10包括依次设置的正极绝缘层101、正极导电层102，其中，正极导电层102包括正极导电层102以及设置于正极导电层102一侧或两侧的正极保护层103(图中未示出)。

图11和图12为本申请实施例负极极片结构示意图，如图11和图12所示，负极极片2包括负极集流体20和形成于负极集流体20表面的负极活性材料层21，其中负极集流体20包括依次设置的负极绝缘层201、负极导电层202，其中，负极导电层202包括负极导电层202以及设置于负极导电层202一侧或两侧的负极保护层203(图中未示出)。

其中，如图1、图2、图5、图6所示，当绝缘层的双面设置有导电层，两层导电层表面设置有保护层，集流体双面涂覆活性物质，制备得到的正极极片和负极极片分别如图9和图11所示，可直接应用于电池中。

如图3、图4、图7、图8所示，当绝缘层的单面设置有导电层时，集流体单面涂覆活性物质，单层导电层表面设置有保护层，制备得到的正极极片和负极极片分别如图10和图12所示，可折叠后应用于电池中。

本申请实施例还提供一种电池，包括正极极片、隔膜和负极极片。

其中，正极极片和/或负极极片为上述实施例中的极片。本申请的电池可为卷绕式，也可为叠片式。本申请的电池可以为锂离子二次电池、锂一次电池、钠离子电池、镁离子电池中的一种。但并不局限于此。

进一步的，本申请实施例还提供一种电池，包括正极极片、隔膜和负极极片，仅正极极片上述实施例中的正极极片。

优选地，本申请的电池的正极极片采用上述本申请的极片。因为常规正极集流体中的铝含量高，在电池异常情况下发生短路时，短路点处产生的热量可以引发剧烈的铝热反应，从而产生大量的热并引起电池发生爆炸等事故，所以当电池的正极极片采用本申请的极片时，由于正极集流体中铝的量大大减少，因此可以避免产生铝热反应，从而显著改善电池的安全性能。

在本申请中采用穿钉实验来模拟电池的异常情况，并观察穿钉后电池的变化。图13为本申请一次穿钉实验示意图。为了简单起见，图中仅仅示出了钉子4穿透电池的一层正极极片1、一层隔膜3和一层负极极片2，需要说明的是，实际的穿钉实验是钉子4穿透整个电池，通常包括多层正极极片1、多层隔膜3和多层负极极片2。当电池因穿钉发生短路后，短路电流大幅减小，将短路产热量控制在电池可以完全吸收的范围，因此在发生内短路的位点处产生的热量可以被电池完全吸收，对电池造成的温升也很小，从而可以将短路损坏对电池的影响局限于穿钉位点，仅形成“点断路”，而不影响电池在短时间内的正常工作。

实施例

1、集流体的制备：

选取一定厚度的绝缘层，在其表面通过真空蒸镀、机械辊轧或粘结的方式形成一定厚度的导电层，保护层则通过气相沉积法、原位形成法或涂布法的方式形成。

1.1导电层的形成

导电层的形成有如下几种方式：

(1)导电层真空蒸镀方式的形成条件如下：将经过表面清洁处理的绝缘层置于真空镀室内，以1600℃至2000℃的高温将金属蒸发室内的高纯金属丝熔化蒸发，蒸发后的金属经过真空镀室内的冷却系统，最后沉积于绝缘层的表面，形成导电层。

(2)导电层机械辊轧方式的形成条件如下：将导电层材料的箔片置于机械辊中，通过施加20t至40t的压力将其碾压为预定的厚度，然后将其置于经过表面清洁处理的绝缘层的表面，最后将两者置于机械辊中，通过施加30t至50t的压力使两者紧密结合。

(3)导电层粘结方式的形成条件如下：将导电层材料的箔片置于机械辊中，通过施加20t至40t的压力将其碾压为预定的厚度；然后在经过表面清洁处理的绝缘层的表面涂布PVDF与NMP的混合溶液；最后将上述预定厚度的导电层粘结于绝缘层的表面，并于100℃下烘干。

1.2保护层的形成

保护层的形成有如下几种方式：

(1)先通过气相沉积法或涂布法在绝缘层表面设置保护层，然后通过真空蒸镀、机械辊轧或粘结的方式，在上述具有保护层的绝缘层表面形成一定厚度的导电层，以制备具有下保护层的集流体(保护层位于绝缘层与导电层之间)；此外，也可在上述基础上，再在导电层的背离绝缘层的面上通过气相沉积法、原位形成法或涂布法形成上保护层，以制备具有上保护层与下保护层的集流体(保护层位于导电层的两个相对的表面)；

(2)先通过气相沉积法、原位形成法或涂布法在导电层的一个表面上形成保护层，然后通过机械辊轧或粘结的方式，将上述具有保护层的导电层设置于绝缘层表面，且保护层设置于绝缘层与导电层之间，以制备具有下保护层的集流体(保护层位于绝缘层与导电层之间)；此外，也可在上述基础上，再在导电层的背离绝缘层的面上通过气相沉积法、原位形成法或涂布法形成上保护层，以制备具有上保护层和下保护层的集流体(保护层位于导电层的两个相对的表面)；

(3)先通过气相沉积法、原位形成法或涂布法在导电层的一个表面上形成保护层，然后通过机械辊轧或粘结的方式，将上述具有保护层的导电层设置于绝缘层表面，且保护层设置于导电层的背离绝缘层的面上，以制备具有上保护层的集流体(保护层位于导电层的背离绝缘层的表面)；

(4)先通过气相沉积法、原位形成法或涂布法在导电层的两个表面上形成保护层，然后通过机械辊轧或粘结的方式，将上述具有保护层的导电层设置于绝缘层表面，以制备具有上保护层和下保护层的集流体(保护层位于导电层的两个相对的表面)；

(5)在绝缘层的表面形成导电层，然后在导电层的背离绝缘层方向的表面上通过气相沉积法、原位形成法或涂布法形成上保护层，以制备具有上保护层的集流体(保护层位于导电层的背离绝缘层的表面)。

在制备实施例中，气相沉积法采用真空蒸镀方式，原位形成法采用原位钝化方式，涂布法采用刮刀涂布方式。

真空蒸镀方式的形成条件如下：将经过表面清洁处理的样品置于真空镀室内，以1600℃至2000℃的高温将蒸发室内的保护层材料熔化蒸发，蒸发后的保护层材料经过真空镀室内的冷却系统，最后沉积于样品的表面，形成保护层。

原位钝化法的形成条件如下：将导电层置于高温氧化环境中，温度控制在160℃至250℃，同时在高温环境中维持氧气供应，处理时间为30min，从而形成金属氧化物类的保护层。

凹版涂布方式的形成条件如下：将保护层材料与NMP进行搅拌混合，然后在样品表面涂布上述保护层材料的浆料(固含量为20～75％)，其次用凹版辊控制涂布的厚度，最后在100～130℃下进行干燥。

3、极片的制备：

通过常规的电池涂布工艺，在集流体的表面涂布正极浆料或负极浆料，100℃干燥后得到正极极片或负极极片。

常规正极极片：集流体是厚度为12μm的Al箔片，电极活性材料层是一定厚度的三元(NCM)材料层。

常规负极极片：集流体是厚度为8μm的Cu箔片，电极活性材料层是一定厚度的石墨材料层。

制备得到的集流体及其极片具体参数如表1和2所示。在表1中，极片1至极片6的集流体中没有保护层。在表2中“极片3-1”表示导电层与极片3的导电层相同，依此类推；“极片6-4”表示导电层与极片6的导电层相同，依此类推。

4、电池的制备：

通过常规的电池制作工艺，将正极极片(压实密度：3.4g/cm³)、PP/PE/PP隔膜和负极极片(压实密度：1.6g/cm³)一起卷绕成裸电芯，然后置入电池壳体中，注入电解液(EC:EMC体积比为3:7，LiPF₆为1mol/L)，随之进行密封、化成等工序，最终得到锂离子电池。

本申请的实施例制作的锂离子电池以及对比例锂离子电池的具体组成如表3所示。

表1

表2：

其中，“/”代表没有设置该保护层。

表3

实验例：

1、电池测试方法：

对锂离子电池进行循环寿命测试，具体测试方法如下：

将锂离子电池分别于25℃和45℃两种温度下进行充放电，即先以1C的电流充电至4.2V，然后再以1C的电流放电至2.8V，记录下第一周的放电容量；然后使电池进行1C/1C充放电循环1000周，记录第1000周的电池放电容量，将第1000周的放电容量除以第一周的放电容量，得到第1000周的容量保有率。

实验结果如表4所示。

3、一次穿钉实验和六次连续穿钉实验的实验方法和测试方法：

(1)一次穿钉实验：电池满充后，固定，在常温下将直径为8mm的钢针，以25mm/s的速度贯穿电池，将钢针保留于电池中，穿钉完毕，然后观察和测试。

(2)六次穿钉实验：电池满充后，固定，在常温下将六根直径为8mm的钢针，以25mm/s的速度先后迅速地贯穿电池，将钢针保留于电池中，穿钉完毕，然后进行观察和测试。

(3)电池温度的测试：使用多路测温仪，分别于待穿钉的电池的针刺面和背面的几何中心附上感温线，待穿钉完毕后，进行五分钟的电池温度跟踪测试，然后记录下五分钟时的电池的温度。

(4)电池电压的测试：将待穿钉的电池的正极和负极连接至内阻仪的测量端，待穿钉完毕后，进行五分钟的电池电压跟踪测试，然后记录下五分钟时的电池的电压。

记录的电池的温度和电压的数据如表5所示。

表4

表5

注：“N/A”表示一根钢针贯穿入电池瞬间发生热失控和毁坏。

其中，电池1#和电池4#的电池温度随时间的变化曲线如图14所示，电压随时间的变化曲线如图15所示。

根据表4中的结果来看，与采用常规的正极极片和常规的负极极片的电池1#相比，采用本申请实施例集流体的电池的循环寿命良好，与常规的电池的循环性能相当。这说明本申请实施例的集流体并不会对制得的极片和电池有任何明显的不利影响。与不具有保护层的集流体相比，本申请实施例的含有保护层的集流体制成的电池，容量保有率进一步获得提升，说明电池的可靠性更好。

此外，本申请实施例的集流体可以大大改善锂离子电池的安全性能。从表5以及图14和图15中的结果来看，未采用本申请实施例的集流体的电池1#，在穿钉的瞬间，电池温度骤升几百度，电压骤降至零，这说明在穿钉的瞬间，电池发生内短路，产生大量的热，电池瞬间发生热失控和毁坏，无法继续工作；而且由于在第一根钢针穿入电池之后的瞬间，电池就发生了热失控和毁坏，因此无法对这类电池进行六根钢针连续穿钉实验。

而采用了本申请实施例集流体的电池4#～13#，无论对其进行一次穿钉实验还是六次连续穿钉实验，电池温升基本都可以被控制在6℃以下，电压基本保持稳定，电芯可以正常工作。与电池2#、3#对比可知，具有金属氧化物类的保护层的电池的安全性能更好。

由此可见，在电池发生内短路的情况下，本申请实施例的集流体可极大地降低短路产热量，从而改善电池的安全性能；此外，还可将短路损坏对电池的影响局限于“点”范围，仅形成“点断路”，而不影响电池在短时间内的正常工作。

本申请虽然以较佳实施例公开如上，但并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本申请构思的前提下，都可以做出若干可能的变动和修改，因此本申请的保护范围应当以本申请权利要求所界定的范围为准。

Claims (19)

1.一种集流体，其特征在于，包括绝缘层和导电层，

所述绝缘层用于承载所述导电层；

所述导电层用于承载电极活性材料层，所述导电层位于所述绝缘层的至少一个表面上，所述导电层的厚度为D2，D2满足：300nm≤D2≤2μm；

所述集流体还包括设置于所述导电层的至少一个表面上的保护层；

所述集流体为正极集流体，所述正极集流体包括设置于所述导电层的背离所述绝缘层的一面上的保护层；

所述正极集流体还包括设置于所述导电层的朝向所述绝缘层的一面上的保护层；

所述设置于所述导电层的背离所述绝缘层的一面上的保护层的厚度大于所述设置于所述导电层的朝向所述绝缘层的一面上的保护层的厚度。

2.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，导电层的厚度为500nm≤D2≤1.5μm。

3.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，导电层的材料选自金属导电材料、碳基导电材料中的至少一种。

4.根据权利要求3所述的集流体，其特征在于，所述金属导电材料选自铝、铜、镍、钛、银、镍铜合金、铝锆合金中的至少一种，所述碳基导电材料选自石墨、乙炔黑、石墨烯、碳纳米管中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述绝缘层的厚度为D1，D1满足：1μm≤D1≤20μm。

6.根据权利要求5所述的集流体，其特征在于，2μm≤D1≤10μm。

7.根据权利要求6所述的集流体，其特征在于，2μm≤D1≤6μm。

8.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述绝缘层为有机聚合物绝缘材料。

9.根据权利要求8所述的集流体，其特征在于，所述有机聚合物绝缘材料选自聚酰胺、聚对苯二甲酸酯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚对苯二甲酰对苯二胺、聚丙乙烯、聚甲醛、环氧树脂、酚醛树脂、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、硅橡胶、聚碳酸酯中的至少一种。

10.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述导电层的背离所述绝缘层的一面上的保护层的材料选自金属氧化物。

11.根据权利要求10所述的集流体，其特征在于，所述金属氧化物选自氧化铝、氧化钴、氧化铬、氧化镍中的至少一种。

12.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述导电层的朝向所述绝缘层的一面上的保护层的材料选自金属、金属氧化物、导电碳中的至少一种。

13.根据权利要求12所述的集流体，其特征在于，所述金属选自镍、铬、镍基合金、铜基合金中的至少一种，所述金属氧化物选自氧化铝、氧化钴、氧化铬、氧化镍中的至少一种，所述导电碳选自导电炭黑、碳纳米管、乙炔黑、石墨烯中的至少一种。

14.根据权利要求1-13任一所述的集流体，其特征在于，

所述设置于所述导电层的背离所述绝缘层的一面上的保护层的厚度为D3，D3满足：D3≤1/10D2且1nm≤D3≤200nm；

所述设置于所述导电层的朝向所述绝缘层的一面上的保护层的厚度为D3'，D3'满足：D3'≤1/10D2且1nm≤D3'≤200nm。

15.根据权利要求14所述的集流体，其特征在于，10nm≤D3≤50nm。

16.根据权利要求14所述的集流体，其特征在于，10nm≤D3'≤50nm。

17.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述设置于所述导电层的背离所述绝缘层的一面上的保护层的厚度为D3，所述设置于所述导电层的朝向所述绝缘层的一面上的保护层的厚度为D3'，D3'与D3的比例关系为：1/2D3≤D3'≤4/5D3。

18.一种极片，其特征在于，包括权利要求1～17中任一权利要求所述的集流体和形成于所述集流体表面的电极活性材料层。

19.一种电池，包括正极极片、隔膜和负极极片，其特征在于，所述正极极片和/或负极极片为权利要求18所述的极片。

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