CN111276701B - 一种集流体及含有该集流体的锂离子电池 - Google Patents

一种集流体及含有该集流体的锂离子电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种集流体及含有该集流体的锂离子电池，该集流体包括导电层、绝缘层和增强层；导电层为两个，两个导电层之间设有绝缘层，导电层和绝缘层之间还设有用于增强导电性的增强层；导电层、增强层、绝缘层之间采用真空电镀或者电解电镀复合；导电层采用金属材料制成，且厚度为0.1～1μm；绝缘层采用有机聚合物绝缘材料制成，且厚度为2～8μm；增强层采用碳基导电材料、纳米导电陶瓷材料中的至少一种制成，且厚度为0.1～1μm。本发明通过在两个导电层之间设置绝缘层，并在导电层和绝缘层之间设置增强层，既在降低集流体重量的同时保证集流体的导电性，又能够提高集流体的韧性，提高产品的一致性和安全性。

Description

一种集流体及含有该集流体的锂离子电池
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种集流体及含有该集流体的锂离子电池。
背景技术
锂离子电池因具有能量密度大、输出功率高、循环寿命长和环境污染小等优点，不仅被广泛作为手机、笔记本电脑、数码相机等便携式电子设备的电源，还在电动工具、电动车等动力装置领域具有良好的前景。锂离子电池由正极、负极和电解质组成，其中电极极片是锂离子电池电极的重要组成部分，电极极片中的集流体是电池正极或负极用于附着活性物质的基体金属，用于在充电的时候将电流导入到活性物质上，放电的时候将活性物质的电流导出给负载。
现有的集流体普遍采用铝箔材料或者铜箔材料制成，采用现有的铝箔或铜箔材料可以满足锂离子电池的制造要求，但是还存在以下三点缺陷：第一，铝箔或铜箔材料本身质量较大，作为集流体增加了锂离子二次电池的重量；第二，铝箔材料或者铜箔材料具有脆性及韧性低的特性，导致锂离子电池正负极材料在生产过程的涂布、烘干、切片工艺流程中会发生断裂、破边、毛刺等不良现象，存在产品一致性差以及安全问题；第三，当电池遭受外部冲击如针刺时，极易造成电池内部短路，从而引起电池着火、爆炸等安全事故。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种集流体，通过在两个导电层之间设置绝缘层，并在导电层和绝缘层之间设置增强层，既在降低集流体重量的同时保证集流体的导电性，又能够提高集流体的韧性，提高产品的一致性和安全性。
本发明的另一个目的是提供含有上述集流体的锂离子电池。
本发明所采用的技术方案是，一种集流体，包括导电层、绝缘层和增强层；
所述导电层为两个，两个所述导电层之间设置有所述绝缘层，所述导电层和所述绝缘层之间还设置有用于增强导电性的所述增强层；所述导电层、所述增强层、所述绝缘层之间采用真空电镀或者电解电镀复合；
所述导电层的厚度为0.1～1μm；所述绝缘层采用有机聚合物绝缘材料制成，且厚度为2～8μm；所述增强层采用碳基导电材料、纳米导电陶瓷材料中的至少一种制成，且厚度为0.1～1μm。
优选地，所述导电层的厚度为0.2～0.6μm。
优选地，所述导电层采用金属材料制成。
具体实施例中，金属材料可以为铜、铝或者银。
优选地，所述碳基导电材料为炭黑、碳纳米管、气相沉积碳纤维、石墨、石墨烯中的至少一种。
优选地，所述纳米导电陶瓷材料为纳米金属碳化物、纳米金属氮化物、纳米金属硅化物中的至少一种。
优选地，所述纳米金属碳化物为碳化钨、碳化锆、碳化二钼中的至少一种，所述纳米金属氮化物为氮化锆、氮化钛、氮化钼中的至少一种，所述纳米金属硅化物为二硅化锆、二硅化钼、二硅化钨中的至少一种。
优选地，所述绝缘层的厚度为3～5μm。
优选地，所述有机聚合物绝缘材料为聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、环氧树脂、酚醛树脂中的任意一种。
优选地，所述真空电镀包括真空蒸镀、溅射镀或者离子镀。
本发明还保护含有上述集流体的锂离子电池，所述集流体为正极集流体和/或负极集流体。
本发明的有益效果是：
本发明通过将有机聚合物作为绝缘层置于导电层中间，既能有效提高集流体整体的韧性，提高电池极片制作过程的加工性能，又能提高电池的质量能量密度；另外，绝缘层的存在可以十分有效地提高电池的安全性能：针刺时，局部短路产生大量热，熔断导电镀层，起到保险丝的作用；同时，本发明通过在导电层和绝缘层之间设置增强层，能够进一步提高导电层的导电性和集流效果，一定程度上有利于集流体厚度的进一步减薄，从而起到提高电池体积能量密度的效果。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种集流体的结构图；
图2是本发明对比例1提供的一种集流体的结构图；
图3是本发明对比例2提供的一种集流体的结构图；
图4是本发明对比例3提供的一种集流体的结构图。
图中：1、导电层；2、绝缘层；3、增强层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种集流体，如图1所示，包括导电层1、绝缘层2和增强层3，所述导电层1为两个，两个所述导电层1之间设置有绝缘层2，所述导电层1和所述绝缘层2之间还设置有用于增强导电性的所述增强层3；
所述导电层1、所述增强层3、所述绝缘层2之间采用真空电镀或者电解电镀复合；所述真空电镀包括真空镀、溅射镀或者离子镀；
所述导电层1采用铜、铝或者银制成，厚度为0.1～1μm，优选为 0.2～0.6μm；
所述绝缘层2采用聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、环氧树脂或者酚醛树脂等有机聚合物绝缘材料制成，且厚度为2～8μm，优选为3～5μm；
所述增强层3采用碳基导电材料或者纳米导电陶瓷材料制成，所述碳基导电材料为炭黑、碳纳米管、气相沉积碳纤维、石墨、石墨烯中的至少一种；所述纳米导电陶瓷材料为纳米金属碳化物、纳米金属氮化物、纳米金属硅化物中的至少一种；所述增强层3的厚度为0.1～1μm。
实施例1
本实施例提供一种集流体，包括导电层1、绝缘层2和增强层3，所述导电层1为两个，两个所述导电层1之间设置有绝缘层2，所述导电层1和所述绝缘层2之间还设置有用于增强导电性的所述增强层3；具体为所述集流体由依次层叠设置的导电层1、增强层3、绝缘层2、增强层3和导电层1，所述导电层1、所述增强层3、所述绝缘层2通过溅射镀复合；
所述导电层1为铝箔，厚度为0.6μm，所述铝箔经过热风吹、酸洗、电晕、等离子、喷砂、打磨中的一种或多种组合进行表面处理；
所述绝缘层2为聚对苯二甲酸乙二醇酯，所述绝缘层2的厚度为2μm；
所述增强层3为碳纳米管，所述增强层3的厚度为0.5μm。
实施例2
本实施例提供一种集流体，包括导电层1、绝缘层2和增强层3，所述导电层1为两个，两个所述导电层1之间设置有绝缘层2，所述导电层1和所述绝缘层2之间还设置有用于增强导电性的所述增强层3；具体为所述集流体由依次层叠设置的导电层1、增强层3、绝缘层2、增强层3和导电层1，所述导电层1、所述增强层3、所述绝缘层2通过真空蒸镀复合；
所述导电层1为铝箔，厚度为0.8μm，所述铝箔经过热风吹、酸洗、电晕、等离子、喷砂、打磨中的一种或多种组合进行表面处理；
所述绝缘层2为环氧树脂，所述绝缘层2的厚度为4μm；
所述增强层3为氮化锆，所述增强层3的厚度为0.2μm。
实施例3
本实施例提供一种集流体，包括导电层1、绝缘层2和增强层3，所述导电层1为两个，两个所述导电层1之间设置有绝缘层2，所述导电层1和所述绝缘层2之间还设置有用于增强导电性的所述增强层3；具体为所述集流体由依次层叠设置的导电层1、增强层3、绝缘层2、增强层3和导电层1，所述导电层1、所述增强层3、所述绝缘层2通过离子镀复合；
所述导电层1为铝箔，厚度为1μm，所述铝箔经过热风吹、酸洗、电晕、等离子、喷砂、打磨中的一种或多种组合进行表面处理；
所述绝缘层2为聚酰亚胺，所述绝缘层2的厚度为5μm；
所述增强层3为碳化钨和炭黑按照1:2的质量比的混合物，所述增强层 3的厚度为0.2μm。
实施例4
本实施例提供一种集流体，包括导电层1、绝缘层2和增强层3，所述导电层1为两个，两个所述导电层1之间设置有绝缘层2，所述导电层1和所述绝缘层2之间还设置有用于增强导电性的所述增强层3；具体为所述集流体由依次层叠设置的导电层1、增强层3、绝缘层2、增强层3和导电层1，所述导电层1、所述增强层3、所述绝缘层2通过电解电镀复合；
所述导电层1为铝箔，厚度为0.4μm，所述铝箔经过热风吹、酸洗、电晕、等离子、喷砂、打磨中的一种或多种组合进行表面处理；
所述绝缘层2为聚氯乙烯，所述绝缘层2的厚度为8μm；
所述增强层3为石墨，所述增强层3的厚度为0.3μm。
实施例5
本实施例提供一种集流体，包括导电层1、绝缘层2和增强层3，所述导电层1为两个，两个所述导电层1之间设置有绝缘层2，所述导电层1和所述绝缘层2之间还设置有用于增强导电性的所述增强层3；具体为所述集流体由依次层叠设置的导电层1、增强层3、绝缘层2、增强层3和导电层1，所述导电层1、所述增强层3、所述绝缘层2通过溅射镀复合；
所述导电层1为铝箔，厚度为0.2μm，所述铝箔经过热风吹、酸洗、电晕、等离子、喷砂、打磨中的一种或多种组合进行表面处理；
所述绝缘层2为酚醛树脂，所述绝缘层2的厚度为6μm；
所述增强层3为氮化钛和石墨烯按照2:1的质量比的混合物，所述增强层3的厚度为0.7μm。
实施例6
本实施例提供一种集流体，包括导电层1、绝缘层2和增强层3，所述导电层1为两个，两个所述导电层1之间设置有绝缘层2，所述导电层1和所述绝缘层2之间还设置有用于增强导电性的所述增强层3；具体为所述集流体由依次层叠设置的导电层1、增强层3、绝缘层2、增强层3和导电层1，所述导电层1、所述增强层3、所述绝缘层2通过溅射镀复合；
所述导电层1为铝箔，厚度为0.1μm，所述铝箔经过热风吹、酸洗、电晕、等离子、喷砂、打磨中的一种或多种组合进行表面处理；
所述绝缘层2为聚对苯二甲酸丁二醇酯，所述绝缘层2的厚度为5μm；
所述增强层3为气相沉积碳纤维，所述增强层3的厚度为1μm。
实施例7
本实施例提供一种集流体，包括导电层1、绝缘层2和增强层3，所述导电层1为两个，两个所述导电层1之间设置有绝缘层2，所述导电层1和所述绝缘层2之间还设置有用于增强导电性的所述增强层3；具体为所述集流体由依次层叠设置的导电层1、增强层3、绝缘层2、增强层3和导电层1，所述导电层1、所述增强层3、所述绝缘层2通过溅射镀复合；
所述导电层1为铜箔，厚度为0.3μm，所述铜箔经过热风吹、酸洗、电晕、等离子、喷砂、打磨中的一种或多种组合进行表面处理；
所述绝缘层2为聚乙烯，所述绝缘层2的厚度为8μm；
所述增强层3为氮化钼和碳化二钼按照1:1的质量比的混合物，所述增强层3的厚度为0.5μm。
实施例8
本实施例提供一种集流体，包括导电层1、绝缘层2和增强层3，所述导电层1为两个，两个所述导电层1之间设置有绝缘层2，所述导电层1和所述绝缘层2之间还设置有用于增强导电性的所述增强层3；具体为所述集流体由依次层叠设置的导电层1、增强层3、绝缘层2、增强层3和导电层1，所述导电层1、所述增强层3、所述绝缘层2通过溅射镀复合；
所述导电层1为铜箔，厚度为0.8μm，所述铜箔经过热风吹、酸洗、电晕、等离子、喷砂、打磨中的一种或多种组合进行表面处理；
所述绝缘层2为聚乙烯，所述绝缘层2的厚度为2μm；
所述增强层3为石墨烯和炭黑按照1:0.5的质量比的混合物，所述增强层3的厚度为0.4μm。
实施例9
本实施例提供一种集流体，包括导电层1、绝缘层2和增强层3，所述导电层1为两个，两个所述导电层1之间设置有绝缘层2，所述导电层1和所述绝缘层2之间还设置有用于增强导电性的所述增强层3；具体为所述集流体由依次层叠设置的导电层1、增强层3、绝缘层2、增强层3和导电层1，所述导电层1、所述增强层3、所述绝缘层2通过溅射镀复合；
所述导电层1为铜箔，厚度为0.6μm，所述铜箔经过热风吹、酸洗、电晕、等离子、喷砂、打磨中的一种或多种组合进行表面处理；
所述绝缘层2为聚对苯二甲酸乙二醇酯，所述绝缘层2的厚度为5μm；
所述增强层3为碳纳米管和氮化钛按照1:3的质量比的混合物，所述增强层3的厚度为0.2μm。
对比例1
与实施例1的结构相同，不同的是不加入增强层3，如图2所示，集流体由依次层叠的导电层1、绝缘层2和导电层1组成，所述导电层1、绝缘层2的厚度和材料与实施例1相同。
对比例2
与实施例1的结构相同，不同的是不加入导电层1，如图3所示，集流体由依次层叠的增强层3、绝缘层2和增强层3组成，所述绝缘层2和增强层3的厚度和材料与实施例1相同。
对比例3
本对比例提供一种集流体，包括导电层1、绝缘层2和增强层3，如图4 所示，集流体的具体结构为：由依次层叠的增强层3、导电层1、绝缘层2、导电层1和增强层3组成，所述导电层1、绝缘层2和增强层3的厚度和材料与实施例1相同。
对比例4
与实施例1的结构相同，不同的是导电层1的厚度为5μm。
对比例5
与实施例1的结构相同，不同的是绝缘层2的厚度为15μm。
对比例6
实施例1中使用的铝箔。
本发明实施例1～实施例9的集流体用于锂电池以后具有较好的电池性能，我们以实施例1的集流体为例，与对比例1～对比例6的样品共同制备锂电池。
首先是负极片的制备，取0.14kg质量分数为1.60％的增稠剂羧甲基纤维素钠(CMC)溶液、0.22kg质量分数为40％的粘结剂丁苯橡胶乳液、9.54kg 石墨粉末和0.1kg的导电剂导电石墨充分混合搅拌得到负极浆料，之后将负极浆料均匀地涂布在实施例1制备得到的集流体上，之后在120℃烘烤1h得到负极膜片，经过压实、分切得到负极片；然后是正极片的制备，称取0.2kg 质量分数为8％的粘结剂聚偏二氟乙烯(PVDF)、0.2kg导电剂导电石墨以及 9.6kg正极活性材料NCM523充分混合搅拌得到正极浆料，之后将正极浆料均匀地涂布在实施例1制备得到的集流体上，之后在120℃烘烤1h得到正极膜片，经过压实、分切得到正极片；最后将上述正极片、负极片用聚丙烯隔离膜分隔开并卷绕成方形的裸电芯，装入铝箔包装袋，在80℃烘烤除水后，注入非水电解液、密封、化成、排气并测试容量得到成品的锂离子电池。
同时通过上述步骤得到含有对比例1～对比例6的集流体的锂离子电池。
我们对上述集流体以及锂离子电池进行了电阻率、极片剥离强度、首次库伦效率和电池内阻的测试，测试结果如表1。
表1实施例1、对比例1～对比例6的集流体及锂离子电池的性能数据表
Figure BDA0002408123100000101
从表1可以看出，对比例1的电阻率大于实施例1的电阻率，说明增强层能够提高导电性；对比例2和对比例3的电阻率、极片剥离强度、首次库伦效率和电池内阻均小于实施例1的样品，说明将增强层置于最外侧，会导致首次库伦效率、极片剥离强度、电阻率的降低；通过对比例4、对比例6 和实施例1的数据可以说明，导电层越厚，电阻率越接近纯铝的电阻率，但是加入增强层以后会降低电阻率；通过对比例5和实施例1的数据，可知，绝缘层的厚度不影响电阻率，但是绝缘层越厚，电池的内阻越大。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种集流体，其特征在于，由导电层（1）、绝缘层（2）和增强层（3）构成；
所述导电层（1）为两个，两个所述导电层（1）之间设置有所述绝缘层（2），所述导电层（1）和所述绝缘层（2）之间还设置有用于增强导电性的所述增强层（3）；所述导电层（1）、所述增强层（3）和所述绝缘层（2）之间采用真空电镀或者电解电镀复合；
所述导电层（1）采用金属材料制成，且厚度为0.2~0.6μm；所述绝缘层（2）采用有机聚合物绝缘材料制成，且厚度为3~5μm；所述增强层（3）采用碳基导电材料制成，且厚度为0.1~1μm。
2.根据权利要求1所述的一种集流体，其特征在于，所述碳基导电材料为炭黑、碳纳米管、气相沉积碳纤维、石墨、石墨烯中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的一种集流体，其特征在于，所述有机聚合物绝缘材料为聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、环氧树脂、酚醛树脂中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的一种集流体，其特征在于，所述真空电镀包括真空蒸镀、溅射镀或者离子镀。
5.一种含有权利要求1~4任一项所述的集流体的锂离子电池，其特征在于，所述集流体为正极集流体和/或负极集流体。
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