CN110660999A - 一种集流体，极片和电化学装置 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及电池领域，具体地讲，涉及一种集流体，极片和电化学装置。本申请的集流体包括绝缘层和导电层，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背离所述绝缘层的表面上的第一保护层，所述第一保护层为金属保护层，所述集流体中设置有多个贯穿所述绝缘层、所述导电层及所述第一保护层的孔。本申请的集流体为轻质集流体，具有良好的机械强度和导电性，从而保证该集流体良好的机械稳定性、工作稳定性和使用寿命。

Description

一种集流体，极片和电化学装置
技术领域
本申请涉及电池领域，具体地讲，涉及一种集流体，极片和电化学装置。
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。随着锂离子电池的应用范围不断扩大，大家对锂离子电池的重量能量密度和体积能量密度的要求也越来越高。
为了得到质量能量密度和体积能量密度较高的锂离子电池，通常对锂离子电池进行如下改进：(1)选择放电比容量高的正极材料或负极材料；(2)优化锂离子电池的机械设计，使其体积最小化；(3)选择高压实密度的正极极片或负极极片；(4)对锂离子电池的各部件进行减重。
其中，对集流体的改进通常是选择重量较轻或厚度较小的集流体，例如镀有金属层的塑料集流体等。
对于镀有金属层的塑料集流体来说，要得到导电性能好、重量轻、厚度小的集流体，还需要很多方面的改进。
基于此，提出本申请。
发明内容
鉴于此，本申请第一方面提出一种集流体，其兼具良好的导电性、工作稳定性、较高的重量能量密度和机械强度。该集流体包括绝缘层和导电层，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背离所述绝缘层的表面上的第一保护层，所述第一保护层为金属保护层，所述集流体中设置有多个贯穿所述绝缘层、所述导电层及所述第一保护层的孔。
本申请第二方面提出一种极片，包括本申请第一方面的集流体和形成于该集流体表面的电极活性材料层。
本申请第三面提出一种电化学装置，包括正极极片、隔膜和负极极片，其中，正极极片和/或负极极片为本申请第二方面的极片。
本申请的技术方案至少具有以下有益的效果：
相对于传统集流体，本申请的集流体重量小，从而可以有效改善电池的重量能量密度，从而获得一种轻质集流体。本申请的轻质集流体还具有良好的机械强度和导电性，从而保证该集流体良好的机械稳定性、工作稳定性和使用寿命，并且还具有良好的倍率性能。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，可以防止导电层被破坏，或者发生氧化、腐蚀等现象，显著改善集流体的导电性、长期可靠性和使用寿命。
另外，上述集流体设置有多个贯穿所述绝缘层及所述导电层的孔，从而可以便于导电层释放应力，进而明显改善导电层与绝缘层之间的结合力，也可以便于电解液的通过，改善基于该集流体的极片的电解液浸润性，进而减小极片和电池的极化，改善电池的高倍率充放电性能、循环寿命等电化学性能；另外，集流体中设置的多个孔可进一步减轻集流体的重量，提升电池的重量能量密度。
本申请的极片和电化学装置，既具有较高的重量能量密度，也同时具有良好的倍率性能、循环性能等电化学性能，同时具有优异的工作稳定性和使用寿命。
进一步地，所述绝缘层的透光率T满足：0≤T≤98％，优选为15％≤T≤95％，更优选为15％≤T≤90％。因此可以改善绝缘层对于激光的吸收效率，从而改善所述集流体在形成孔时采用激光切割处理时的可加工性能
附图说明
图1为本申请某一具体实施方式的负极集流体的俯视图；
图2为图1所示负极集流体的剖视图；
图3为图1所示负极集流体的立体剖视图；
图4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5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6为本申请某一具体实施方式的负极极片的结构示意图；
图7为本申请某一具体实施方式的正极极片的结构示意图。
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；
1031-第一保护层；
1032-第二保护层
11-正极活性材料层；
201-孔
2-负极极片；
20-负极集流体；
201-负极绝缘层；
202-负极导电层；
2031-第一保护层；
2032-第二保护层
21-负极活性材料层；
401-孔。
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。
本申请实施例涉及一种集流体，所述集流体包括绝缘层和导电层，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背离所述绝缘层的表面上的第一保护层，所述第一保护层为金属保护层，所述集流体中设置有多个贯穿所述绝缘层、所述导电层及所述第一保护层的孔。
相对于传统金属集流体(如铜箔负极集流体或铝箔正极集流体)，本申请的集流体重量小，从而可以有效改善电池的重量能量密度，从而获得一种轻质集流体。本申请的轻质集流体还具有良好的机械强度和导电性，从而保证该集流体良好的机械稳定性、工作稳定性和使用寿命，并且还具有良好的倍率性能。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，可以防止导电层被破坏，或者发生氧化、腐蚀等现象，显著改善集流体的长期可靠性和使用寿命。再者，上述集流体设置有多个贯穿所述绝缘层及所述导电层的孔，从而可以便于导电层释放应力，进而明显改善导电层与绝缘层之间的结合力，也可以便于电解液的通过，改善基于该集流体的极片的电解液浸润性，进而减小极片和电池的极化，改善电池的高倍率充放电性能、循环寿命等电化学性能；另外，集流体中设置的多个孔可进一步减轻集流体的重量，提升电池的重量能量密度。
优选地，导电层还位于多个孔的孔壁表面上，且在每一个孔壁表面设置有导电层的孔中，导电层位于部分或全部所述孔壁表面上。优选地，位于所述绝缘层的至少一个表面上的所述导电层与位于所述孔壁表面的所述导电层部分或全部相互连接；优选的，所述导电层位于所述绝缘层的上表面和下表面，位于所述绝缘层的上表面和下表面的导电层与位于所述孔壁表面的所述导电层部分或全部相互连接。优选地，导电层不仅位于绝缘层的至少一个表面上，还位于多个孔的孔壁表面上，因此导电层从绝缘层的至少一个表面以及多个孔牢牢“抓住”绝缘层，绝缘层与导电层之间的结合不仅限于平面方向，还有深度方向，使导电层与绝缘层之间的结合力加强，从而改善了该集流体的长期可靠性和使用寿命；在该集流体中，由于绝缘层不导电，因此导电性能成为了该复合集流体的“短板”，通过设置导电层位于绝缘层的至少一个表面及多个孔的孔壁表面上，从而可以在集流体中形成立体的、多点位的导电网络，大大改善该复合集流体的导电性能，减小极片和电池的极化，改善电池的高倍率充放电性能、循环寿命等电化学性能。此外，该特殊的打孔设计还可以使得绝缘层两个表面上的导电层中的电子可以“汇流”到一起，从而可以避免使用需要在两个导电层上分别引出电流引子的设计。
可以理解，位于所述多个孔的孔壁表面上的导电层的厚度与位于绝缘层的至少一个表面的导电层的厚度可相同或不同；材料可相同或不同。在每一个所述孔壁表面设置有所述导电层的所述孔中，所述导电层位于部分或全部所述孔壁表面上；优选位于全部孔壁表面上。优选的，位于所述绝缘层的至少一个表面上的所述导电层与位于所述孔壁表面的所述导电层相互连接。
孔的孔径为0.001mm-3mm，在该范围的孔在改善安全、改善激化效果较好的同时，还易于加工，不易发生断带现象。
基于位于所述绝缘层的表面上的导电层的整个表面，孔的面积占比为0.1％-30％，在该范围的孔在改善安全、改善激化效果较好的同时，还易于加工，不易发生断带现象。
相邻两个孔的间距为0.2mm-5mm。所述间距可以为等间距或者所述范围内的多间距分布。优选等间距分布。
孔的形状可以为平行四边形、类平行四边形、圆形、类圆形、椭圆形、类椭圆形中的一种。设置于导电层的背离绝缘层的一面(即导电层的上表面)上的保护层为第一保护层。第一保护层的材料为金属，具体的，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。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。金属材质的第一保护层不仅可以进一步改进导电层的机械强度和耐蚀性，还能降低极片的极化。尤其当本申请实施例的集流体为负极集流体时，由于该金属第一保护层具有良好的导电性，因此可以更好地为与之接触的电极活性材料层提供电子，从而降低电极活性材料层中的极化，改善电池的电化学性能，防止析锂等现象的产生。
优选地，所述集流体还包括第二保护层。设置于导电层的朝向绝缘层的一面(即导电层的下表面)上的保护层为第二保护层。所述第二保护层为金属保护层、金属氧化物保护层或导电碳保护层，所述金属优选镍、铬、镍基合金、铜基合金中的至少一种，所述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，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；所述第二保护层优选为金属保护层。
第二保护层与第一保护层一起可构成完整的支撑结构来保护导电层，从而更好的对导电层形成保护作用，从而防止导电层被氧化、腐蚀或破坏。并且，第二保护层还可以提高绝缘层与导电层之间的结合力，从而提高集流体的机械强度。
由于金属材质良好的导电性能、机械强度和耐腐蚀性能，因此金属材质的第二保护层不仅可以进一步改进导电层的机械强度和耐蚀性，还能降低极片的极化。
尤其当本申请实施例的集流体为负极集流体时，由于金属的良好导电性，因此金属第一保护层和金属第二保护层可以可以更好地为与之接触的电极活性材料层提供电子，从而降低电极活性材料层中的极化，改善电池的电化学性能，防止析锂等现象的产生。
进一步可选的，所述第一保护层的厚度为D3，D3满足：D3≤0.1D2且1nm≤D3≤200nm，优选10nm≤D3≤50nm；所述第二保护层的厚度为D3'，D3'满足：D3'≤0.1D2且1nm≤D3'≤200nm，优选10nm≤D3'≤50nm。
进一步可选的，第一保护层的厚度大于第二保护层的厚度，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。
在第二保护层的厚度足以保护导电层时，尽量减小第二保护层的厚度，可以提高电池的重量能量密度。
进一步可选的，第二保护层的厚度D3'与第一保护层的厚度D3的比例关系为：0.5D3≤D3'≤0.8D3。第二保护层的厚度增加，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，在该范围的绝缘层不仅具有更好的加工性能，而且不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)、芳纶、聚二甲酰苯二胺、纤维素及其衍生物、淀粉及其衍生物、蛋白质及其衍生物、聚乙烯醇及其交联物、聚乙二醇及其交联物中的至少一种。
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。另外，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。
为了在本申请所述的集流体中设置多个贯穿所述绝缘层、所述导电层及所述第一保护层的孔，就需要以某种方法在绝缘层中形成多个孔结构，例如激光打孔。而当采用激光法处理高分子材料或高分子复合材料时，易发生胶连且切割效率低，而提高激光功率则会导致导电层烧焦及绝缘层熔融的不良现象。
因此优选地，所述绝缘层的透光率T满足：0≤T≤98％，优选为15％≤T≤95％，更优选为15％≤T≤90％。满足上述透光率，可提高绝缘层对激光能量的吸收率，从而在激光切割处理时具有较高的可加工性能及加工效率，特别地，在低功率激光切割处理时具有较高的可加工性能及加工效率。前述激光切割处理时的激光功率例如是小于或等于100W。
可通过在绝缘层中添加用于调节透光率的着色剂，并可通过调控着色剂的含量来调节绝缘层的透光率。
着色剂可以使得绝缘层显示一定程度的黑色、蓝色或红色，但并不限于此，例如还可以是使得绝缘层显示一定程度的黄色、绿色或紫色等。
着色剂可以是无机颜料及有机颜料中的一种或多种。
无机颜料例如是炭黑、钴蓝、群青、氧化铁、镉红、铬橙、钼橙、镉黄、铬黄、镍钛黄、钛白、锌钡白及锌白中的一种或多种。
有机颜料可以是酞菁类颜料、偶氮类颜料、蒽醌类颜料、靛类颜料及金属络合颜料中的一种或多种。作为示例，有机颜料可以为塑料红GR、塑料紫RL、耐晒黄G、永固黄、橡胶大红LC、酞菁蓝及酞菁绿中的一种或多种。
优选地，绝缘层的厚度D1与绝缘层的透光率T满足：
当12μm≤D1≤30μm时，30％≤T≤80％；和/或，
当8μm≤D1＜12μm时，40％≤T≤90％；和/或，
当1μm≤D1＜8μm时，50％≤T≤98％。
[导电层]
在本申请实施例集流体中，优选的，导电层的厚度为D2，D2满足：30nm≤D2≤3μm，优选地，300nm≤D2≤2μm，在该范围内的导电层，导电性性能较好的同时，也不会降低电池重量能量密度和体积能量密度。
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。
在本申请实施例中，导电层的厚度D2的上限可为3μm、2.8μm、2.5μm、2.3μm、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、250nm、200nm、150nm、100nm、30nm；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，300nm≤D2≤2μm，更有选地，500nm≤D2≤1.5μm。
由于导电层的密度大于绝缘层的密度，因此导电层的厚度D2越小，则越有利于降低负极集流体的重量，有利于改善电池的能量密度。然而D2过于小，则导电层的导电和集流的效果变差，从而会影响电池的内阻、极化和循环寿命等。因此当导电层的厚度满足30nm≤D2≤3μm时，导电层既可以有效降低集流体的重量，又可以使电池具有较好的倍率性能、充放电性能等。优选地，300nm≤D2≤2μm，更优选地，500nm≤D2≤1.5μm。
导电层可通过气相沉积法(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 VaporDeposition，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 Evaporation 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)。
导电层可以仅位于所述绝缘层的至少一个表面上也可以位于多个孔的孔壁表面，可以位于全部孔壁表面也可以位于部分孔壁表面，位于所述多个孔的孔壁表面上的导电层的厚度与位于绝缘层的至少一个表面的导电层的厚度可相同或不同，材料可相同或不同。优选的，位于所述绝缘层的至少一个表面上的所述导电层与位于所述孔壁表面的所述导电层相互连接。
[保护层]
本申请集流体的导电层包括第一保护层，优选地还包括第二保护层。
在本申请实施例中，当导电层的厚度较小时，易受到化学腐蚀或机械损坏。因此，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，显著改善集流体的长期可靠性和使用寿命。
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，称为第一保护层，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，称为第二保护层。
第一保护层为金属保护层。金属选自镍、铬、镍铬合金、铜基合金(如镍铜合金)中的至少一种，因为金属材质的导电性能优于金属氧化物或导电碳的导电性能。更进一步的，金属材质可选自金属镍或镍基合金，因为金属镍或镍基合金的耐腐蚀性较好，且硬度高、导电性好。
本申请实施例的第二保护层可选自金属保护层、金属氧化物保护层或导电碳保护层。可选的，金属选自镍、铬、镍铬合金、铜基合金(如镍铜合金)中的至少一种；可选的，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；可选的，导电碳选自导电炭黑、碳纳米管中的至少一种。
其中，镍铬合金是金属镍和金属铬形成的合金，可选的，镍元素与铬元素的质量比为：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。铜基合金优选为镍铜合金，可选的，在镍铜合金中，镍元素与铜元素的质量比为：1：99～99：1。
优选地，第二保护层也为金属保护层。
作为本申请实施例集流体的进一步改进，第一保护层的厚度为D3，D3满足：D3≤0.1D2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。第二保护层的厚度为D3'，D3'满足：D3'≤0.1D2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。
作为本申请实施例集流体的进一步改进，优选第一保护层的厚度大于第二保护层的厚度，优选的，D3'与D3的比例关系为：0.5D3≤D3'≤0.8D3。
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。
第一保护层的厚度与第二保护层的厚度可相同或不同。
保护层可仅位于导电层的一个表面上，也可设置于导电层的两个表面上；保护层可仅设置于集流体的平面部分，也可设置于集流体的平面部分以及多个孔的孔壁表面上。
本申请实施例的负极集流体的示意图如图1至图4所示，本申请实施例的正极集流体的示意图如图5所示，本申请实施例的负极极片示意图如图6所示，本申请实施例的正极极片示意图如图7所示。
在图1-3中，负极集流体20包括负极绝缘层201、第一保护层2031及设置于负极绝缘层201与第一保护层2031之间的负极导电层202，即负极导电层202设置于负极绝缘层201的一个表面上，第一保护层2031设置负极导电层202在背离负极绝缘层201的表面上。负极集流体20上开设有多个孔401，多个孔401贯穿负极绝缘层201、负极导电层202、第一保护层203，且负极导电层202未形成在多个孔401的孔壁表面上。
在图4中，负极集流体20包括负极绝缘层201、第一保护层2031及设置于负极绝缘层201与第一保护层2031之间的负极导电层202，即负极导电层202设置于负极绝缘层201的一个表面上，第一保护层2031设置负极导电层202在背离负极绝缘层201的表面上。负极集流体20上开设有多个孔401，多个孔401贯穿负极绝缘层201、负极导电层202、第一保护层2031，且负极导电层202和第一保护层2031均位于多个孔401的部分孔壁表面上，且位于负极绝缘层201的负极导电层202与位于孔壁表面的负极导电层202相互连接。
在图5中，正极集流体10包括正极绝缘层101、正极导电层102、第一保护层1031及第二保护层1032，正极导电层102设置于正极绝缘层101的相对的两个表面上，第一保护层1031设置于每个正极导电层102的背离正极绝缘层101的表面上，第二保护层1032设置于每个正极导电层102的朝向正极绝缘层101的表面上。正极集流体10上开设有多个孔201，多个孔201贯穿正极绝缘层101、正极导电层102、第一保护层1031、第二保护层1032，且正极导电层102、第一保护层1031和第二保护层1032均位于多个孔201的全部孔壁表面上。
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6为本申请实施例负极极片结构示意图，如图6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包括负极绝缘层201、负极导电层202、第一保护层2031及第二保护层2032，负极导电层202设置于负极绝缘层201的相对的两个表面上，第一保护层2031设置于每个负极导电层202的背离负极绝缘层201的表面上，第二保护层2032设置于每个负极导电层202的朝向负极绝缘层201的表面上。负极集流体20上开设有多个孔401，多个孔401贯穿负极绝缘层201、负极导电层202、第一保护层2031、第二保护层2032、负极活性材料层21，且负极导电层202、第一保护层2031和第二保护层2032均位于多个孔401的全部孔壁表面上，且位于负极绝缘层201的导电层202与位于孔壁表面的导电层202相互连接。负极活性材料层21填充于多个孔401内。
图7为本申请实施例正极极片结构示意图，如图7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包括正极绝缘层101、正极导电层102、第一保护层1031及第二保护层1032，正极导电层102设置于正极绝缘层101的相对的两个表面上，第一保护层1031设置于每个正极导电层102的背离正极绝缘层101的表面上，第二保护层1032设置于每个正极导电层102的朝向正极绝缘层101的表面上。正极集流体10上开设有多个孔201，多个孔201贯穿正极绝缘层101、正极导电层102、第一保护层1031、第二保护层1032、正极活性材料层11，且正极导电层102、第一保护层1031和第二保护层1032均位于多个孔201的全部孔壁表面上。
需要说明的是，上述图1-7仅为示意图，图中孔的大小、形状及分布方式均为示意性地示出。
可以理解，当绝缘层的相对的两个表面均设置有导电层时，集流体双面涂覆活性物质，制得的正极极片和负极极片可直接应用于电化学装置中；当绝缘层的一个表面上设置有导电层时，集流体单面涂覆活性物质，制备得到的负极极片可折叠后应用于电池中。
优选的，电极活性材料层形成于集流体的至少一个表面，且所述电极活性材料层还可以全部或部分填充于集流体的所述多个孔中；且形成于所述集流体的至少一个表面的电极活性材料层与填充于集流体的所述多个孔中的电极活性材料层彼此连接。这样，电极活性材料层与集流体之间的结合力更强，极片和电池的长期可靠性、寿命更优；另外，由于电极活性材料层具有一定的孔隙率，因此该设置可使得该极片的电解液浸润性更好、极化更小。
本申请实施例还提供一种电化学装置，包括正极极片、隔膜和负极极片。具体地，该电化学装置可以为卷绕式或叠片式的电池，如锂离子二次电池、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。
其中，负极极片和/或负极极片为上述实施例中的极片。
实施例
1、具有特定透光率的绝缘层的制备
绝缘层材料为PET，在PET中添加一定含量的着色剂炭黑，并混合均匀，在PET热熔状态下经挤压浇注、冷辊辊轧，并双向拉伸后，获得具有特定透光率的绝缘层。
2、集流体的制备：
2.1选取一定厚度的绝缘层，在绝缘层中打孔，然后通过真空蒸镀的方式形成一定厚度的导电层，使得导电层沉积在绝缘层的至少一个表面以及孔的孔壁表面；
2.2选取一定厚度的绝缘层，在其表面通过真空蒸镀的方式形成一定厚度的导电层，然后打孔，以形成多个贯穿所述绝缘层及所述导电层的孔；
2.3选取一定厚度的绝缘层，在其表面通过真空蒸镀的方式形成一定厚度的导电层，然后打孔，随后再在平面表面、孔壁表面或孔壁表面以及平面表面上沉积导电层；
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。
3、具有保护层的集流体的制备：
3.1第一保护层的形成：在具有导电层的集流体的表面，通过气相沉积法、原位形成法或涂布法在导电层的背离绝缘层的表面形成保护层；
3.2第二保护层的形成：在绝缘层的表面，通过气相沉积法或涂布法形成保护层，然后通过真空蒸镀的方式，在上述具有保护层的绝缘层表面形成一定厚度的导电层，以制备具有第二保护层的集流体；此外，也可在上述基础上，再在导电层的上表面再形成第一保护层。
可以在形成保护层之前进行打孔，也可以在形成保护层之后进行打孔。
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，涂布法采用凹版涂布方式。
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。
4、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。
在一些实施例中，电极活性材料层仅设置于集流体的平面部分；在一些实施例中，电极活性材料层设置于集流体的平面部分以及孔中。
制备得到的集流体及其极片具体参数如表1所示。极片1至极片8的集流体中绝缘层、导电层、电极活性材料参数如表1，其中，导电层设置于绝缘层的上表面和下表面，导电层形成方式为真空蒸镀方式；“仅表面”表示集流体中设置有多个贯穿绝缘层及导电层的孔，且导电层仅设置于绝缘层的上表面和下表面；“表面和孔”表示集流体中设置有多个贯穿绝缘层及导电层的孔，且导电层不仅设置于绝缘层的上表面和下表面，还设置于孔的全部孔壁表面上，且导电层形成于形成在孔壁表面的导电层与形成在绝缘层表面的导电层相互连接；孔的形状为圆形，孔径均选取0.01mm，孔的面积占比均选取5％，孔与孔之间的间距均选取0.2mm；电极活性材料填充在多个孔中。
5、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1所示。
实验例：
1、电池循环寿命测试方法：
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3所示。
2、倍率实验：
对锂离子电池进行倍率测试，具体测试方法如下：
将锂离子电池于25℃进行大倍率充放电，即先以1C的电流充电至4.2V，然后再以4C的电流放电至2.8V，记录下第一周的放电容量，将该放电容量除以25℃1C/1C充放电的第一周放电容量，得到电池的4C倍率性能。
3、导电层与绝缘层之间的结合力的测试方法
将极片浸泡于碳酸二甲酯和氢氟酸的混合溶剂中，其中氢氟酸含量为0.1wt％，并进行真空密封，在70℃恒温箱中进行若干天存储，存储结束，取出极片，对极片进行长度方向对折，同时将2Kg的砝码置于对折处进行压实10秒，压实结束后展平极片观察折痕处是否出现导电层脱落，记录开始出现脱落时的储存天数。测试结果如表4所示。
4、支撑层透光率的测试：
使用LS117透光率仪，按照GB2410-80标准检测支撑层的透光率，包括：首先仪器开机自校准，界面显示T＝100％，即校准OK，然后将支撑层样品夹在探头与接收器中间，界面自动显示支撑层的透光率数值。
5、集流体切割性能测试：
使用IPG公司型号为YLP-V2-1-100-100-100的光钎激光器，设置功率为100W、频率为150kHz，将集流体安装于激光器的切割设备上进行切割，测试集流体的最大可切断速度。其中集流体的最大可切断速度指的是激光切割该集流体、不发生胶连现象时可以达到的最大切割速度。
首先，通过实施例来说明第一保护层和可选的第二保护层的技术效果。
表1
Figure BDA0001819471970000171
表2
Figure BDA0001819471970000172
Figure BDA0001819471970000181
其中，“/”代表没有保护层；镍基合金为镍与铬以质量比为9：1形成的合金。
表3
Figure BDA0001819471970000182
表4
Figure BDA0001819471970000183
Figure BDA0001819471970000191
根据表1和表2可知，采用本申请的正极集流体和负极集流体的重量都得到大幅度减轻。正极集流体的重量百分数为常规正极集流体的30％及以下，负极集流体的重量百分数为常规负极集流体的50％以下。根据对比负极极片的重量百分数可知，当导电层的厚度大于1.5μm以后，对于集流体减重效果有限，同时集流体的整体厚度也无法得到有效的减小。虽然负极集流体3和负极集流体4的厚度未减小，但其重量也得到显著的减小。负极集流体1、负极集流体2和负极集流体5的厚度和重量均得到减小，从而可同时提升电池的体积能量密度和重量能量密度。
根据表4中的结果来看，含有保护层的集流体制成的电池，容量保有率比未设置保护层的集流体进一步获得提升，说明电池的可靠性更好。
表5
Figure BDA0001819471970000201
表5
极片编号 天数
负极极片3-1 10
负极极片3-2 20
负极极片3-3 >30
根据表5中的结果来看，相对于未打孔的复合集流体来说，在具有孔的复合集流体中，导电层与绝缘层之间的结合力明显增强。尤其是当导电层设置于绝缘层的表面以及多个孔的孔壁表面上时，导电层从绝缘层的至少一个表面以及多个孔牢牢“抓住”绝缘层，绝缘层与导电层之间的结合不仅限于平面方向，还有深度方向，使导电层与绝缘层之间的结合力加强，从而改善了该集流体的长期可靠性和使用寿命。
下面列举实施例以说明透光率对绝缘层的激光可加工性能的影响。这里采用未打孔的集流体进行说明，请参表6。
表6
Figure BDA0001819471970000211
可以看出，在绝缘层厚度相同情况下，通过降低绝缘层的透光率，集流体在低功率激光切割处理下、且不发生胶连现象的切割速度明显增大，使集流体在激光切割处理时的切割性能和切割速率得到显著提高。
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 (10)

1.一种集流体，其特征在于，所述集流体包括绝缘层和导电层，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背离所述绝缘层的表面上的第一保护层，所述第一保护层为金属保护层，
所述集流体中设置有多个贯穿所述绝缘层、所述导电层及所述第一保护层的孔。
2.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述孔具有孔壁，所述导电层还位于多个所述孔的孔壁表面上，且位于所述绝缘层的至少一个表面上的所述导电层与位于所述孔壁表面的所述导电层部分或全部相互连接；优选地，所述导电层位于所述绝缘层的上表面和下表面，位于所述绝缘层的上表面和下表面的导电层与位于所述孔壁表面的所述导电层部分或全部相互连接；优选地，所述孔的孔径为0.001mm-3mm，所述孔的面积占比为0.1％-30％，相邻两个所述孔的间距为0.2mm-5mm。
3.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述导电层的厚度为D2，D2满足：30nm≤D2≤3μm，优选300nm≤D2≤2μm，优选的，500nm≤D2≤1.5μm。
4.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述第一保护层为镍保护层、铬保护层、镍基合金保护层、铜基合金保护层中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述集流体还包括设置于所述导电层的朝向所述绝缘层的表面上的第二保护层，所述第二保护层为金属保护层、金属氧化物保护层或导电碳保护层，所述金属优选镍、铬、镍基合金、铜基合金中的至少一种，所述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，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；所述第二保护层优选为金属保护层。
6.根据权利要求5所述的集流体，其特征在于，
所述第一保护层的厚度为D3，D3满足：D3≤0.1D2且1nm≤D3≤200nm，优选10nm≤D3≤50nm；
所述第二保护层的厚度为D3'，D3'满足：D3'≤0.1D2且1nm≤D3'≤200nm，优选10nm≤D3'≤50nm；
所述第一保护层的厚度大于所述第二保护层，优选的，D3'与D3的比例关系为：0.5D3≤D3'≤0.8D3。
7.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，绝缘层中添加有用于调节透光率的着色剂，所述绝缘层的透光率T满足：0≤T≤98％，优选为15％≤T≤95％，更优选为15％≤T≤90％。
8.一种极片，其特征在于，包括权利要求1～7中任一权利要求所述的集流体和形成于所述集流体至少一个表面的电极活性材料层。
9.根据权利要求8所述的极片，其特征在于，所述电极活性材料层还填充于多个所述孔中；
形成于所述集流体的至少一个表面的电极活性材料层与填充于多个所述孔中的电极活性材料层相互连接。
10.一种电化学装置，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8所述的极片。
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