CN111755700A - 复合集流体、应用该复合集流体的电极极片及电芯 - Google Patents

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Abstract

一种复合集流体，其包括高分子基体层，所述高分子基体层包括主体区及由所述主体区的边缘向外延伸的极耳区；所述主体区包括第一表面及与所述第一表面相对的第二表面；所述极耳区包括由所述第一表面延伸的第一延伸面及由所述第二表面延伸的第二延伸面；所述复合集流体还包括覆盖所述第一表面的第一导电层及由所述第一导电层延伸并覆盖所述第一延伸面的延伸导电层，所述极耳区及所述延伸导电层构成极耳。所述极耳弯折时无需担心是否与相邻电极极片接触短路的问题。本申请还提供一种复合集流体及一种电芯。

Description

复合集流体、应用该复合集流体的电极极片及电芯
技术领域
本申请涉及电池领域，尤其涉及一种复合集流体以及一种应用该复合集流体的电极极片及应用该电极极片的电芯。
背景技术
锂离子电池具有体积和质量能量密度大、循环寿命长、标称电压高、自放电率低、体积小、重量轻等许多优点，在消费电子领域具有广泛的应用。随着近年来电动汽车和可移动电子设备的高速发展，人们对电池的能量密度、安全性、循环性能等相关需求越来越高。其中，为了避免电池中折极耳与相邻的极片接触造成短路的情形，往往通过增大折极耳与极片之间的距离的方式来解决。然而，上述方法在受到外力作用时，极耳还是容易与极耳接触进而使得电池短路。
发明内容
鉴于上述情况，本申请有必要提供一种防短路的复合集流体。
另外，本申请还有必要提供一种应用上述复合集流体的电极极片及一种应用上述电极极片的电芯。
一种复合集流体，其包括：
高分子基体层，包括主体区及由所述主体区的边缘向外延伸的极耳区；所述主体区包括第一表面及与所述第一表面相对的第二表面；所述极耳区包括由所述第一表面延伸的第一延伸面及由所述第二表面延伸的第二延伸面；
第一导电层，覆盖所述第一表面；及
延伸导电层，由所述第一导电层延伸并覆盖所述第一延伸面；
所述极耳区及所述延伸导电层构成极耳。
进一步的，所述复合集流体设置有贯穿所述主体区或者贯穿所述主体区及所述第一导电层的连通孔。
进一步的，所述复合集流体还包括第二导电层，所述第二导电层设置于所述第二表面且不设置于所述第二延伸面。
进一步的，所述复合集流体设置有连通孔，所述连通孔贯穿所述主体区、或者贯穿所述主体区及所述第一导电层、或者贯穿所述主体区及所述第二导电层、或者贯穿所述主体区、所述第一导电层及所述第二导电层。
进一步的，所述连通孔内还设有导电结构。
进一步的，所述复合集流体还包括贯穿所述极耳区或者贯穿所述极耳区及所述延伸导电层的连接孔。
进一步的，远离所述主体区的所述连接孔内还设有导电结构。
进一步的，所述极耳的数量为多个且间隔分布。
一种电极极片，包括活性材料层，所述电极极片还包括如上所述的复合集流体，所述活性材料层设置于所述第一导电层背离所述高分子基体层的表面。
进一步的，所述活性材料层还设置于所述第二导电层背离所述高分子基体层的表面。
进一步的，所述连通孔进一步贯穿所述活性材料层。
一种电芯，其包括第一极片、第二极片以及设置于所述第一极片与所述第二极片之间的隔离膜，所述第一极片为如上所述的电极极片。
本申请的复合集流体，其在应用于电芯/电池中时，由于所述复合集流体中包含由极耳区及延伸导电层构成极耳，使得极耳弯折时无需担心是否与相邻电极极片接触短路的问题，所述极耳区还能够降低极耳在弯折时断裂的风险，提高了所述电芯/电池的安全可靠性，延长了电芯/电池的使用寿命。
进一步地，在所述复合集流体上开设连通孔及/或连接孔，能够有效地减轻所述复合集流体本身的重量，也便于复合集流体进行形变，例如弯折、卷绕。进一步地，当在所述连通孔中设置导电结构时，有利于第一导电层及第二导电层形成电子导通，降低复合集流体自身电阻，增强所述复合集流体本身的载流能力。
进一步地，当所述连接孔中设置导电结构时，在极耳进行焊接时，能够通过所述导电结构进行极耳间的电连接而无需进行转接焊，简化了工艺。
附图说明
图1为本申请一实施方式的电极极片的局部结构示意图。
图2为本申请另一实施方式的电极极片的局部结构示意图。
图3为本申请又一实施方式的电极极片的局部结构示意图。
图4为本申请再一实施方式的电极极片的局部结构示意图。
图5为本申请另一实施方式的电极极片的局部结构示意图。
图6为本申请一实施方式的复合集流体的局部结构示意图。
图7为本申请又一实施方式的电极极片的局部结构示意图。
图8为本申请一实施方式的电芯的局部结构示意图。
图9为本申请一实施方式的极耳转接焊的结构示意图。
图10为本申请另一实施方式的电芯的局部结构示意图。
主要元件符号说明
复合集流体 100
高分子基体层 10
第一导电层 21
延伸导电层 23
主体区 11
极耳区 13
第一表面 111
第二表面 113
第一延伸面 131
第二延伸面 132
极耳 30
连通孔 40
导电结构 42、45
第二导电层 25
连接孔 43
电极极片 200
活性材料层 50
电芯 300
第一极片 301
第二极片 305
隔离膜 307
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本申请。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
请参阅图1至图7，复合集流体100包括高分子基体层10、第一导电层21及延伸导电层23。
所述高分子基体层10包括主体区11及极耳区13，所述极耳区13由所述主体区11的边缘向外延伸而成。
优选的，所述高分子基体层的厚度为1微米至15微米。更优选的，所述高分子基体层的厚度为5微米。
所述主体区11包括第一表面111及第二表面113，所述第二表面113与所述第一表面111相对设置。
所述极耳区13包括第一延伸面131及第二延伸面132，所述第一延伸面131由所述第一表面111延伸而成，所述第二延伸面132由所述第二表面113延伸而成。
所述第一导电层21覆盖所述第一表面111，所述延伸导电层23由所述第一导电层21延伸并覆盖所述第一延伸面131。所述极耳区13及所述延伸导电层23构成极耳30。
在一些实施方式中，所述复合集流体100还可设置贯穿所述主体区11或者贯穿所述主体区11及所述第一导电层21的连通孔40。
优选的，所述连通孔40的孔径大小为50微米至3000微米，所述连通孔40的孔密度为1个/cm2至25个/cm2。在其他实施方式中，所述连通孔40的孔径及孔密度可根据需要进行调整。
在本实施方式中，请参阅图1，所述连通孔40贯穿所述主体区11。
在一实施方式中，请参阅图2，所述连通孔40中还可设置有导电结构42，例如导电颗粒、导电胶、导电膏或金属层等，以实现与所述第一导电层21的电连接。
在一些实施方式中，所述复合集流体100还包括第二导电层25，所述第二导电层25设置于所述第二表面113且不设置于所述第二延伸面132。即所述复合集流体100中，所述第二延伸面132裸露。
所述连通孔40可电连接所述第一导电层21及所述第二导电层25。
所述连通孔40还可进一步贯穿所述第二导电层25。在一些实施方式中，请参阅图3，所述连通孔40贯穿所述第一导电层21、所述主体区11及所述第二导电层25。
在一些实施方式中，请参阅图4，所述复合集流体100还可设置贯穿所述极耳区13或者贯穿所述极耳区13及所述延伸导电层23的连接孔43。
优选的，所述连接孔43的孔径为500微米，所述连接孔43的孔密度为10个/cm2。在其他实施方式中，所述连接孔43的孔径及孔密度可根据需要进行调整。
请参阅图5，所述极耳区13远离所述主体区11的一侧上的连接孔43中还可设有导电结构45，所述导电结构45贯穿所述极耳区13或者贯穿所述极耳区13及所述延伸导电层23以电连接所述延伸导电层23。
在一些实施方式中，请参阅图6，所述复合集流体100可包括多个且间隔分布的所述极耳30。
请参阅图1，上述一实施方式的复合集流体100应用于电极极片200。所述电极极片200还包括活性材料层50，所述活性材料层50设置于所述第一导电层21背离所述高分子基体层10的表面。
在本实施方式中，所述活性材料层50还可设置于所述第二导电层25背离所述高分子基体层10的表面。
在一些实施方式中，请参阅图7，所述连通孔40还可进一步地贯穿所述活性材料层50。具体的，所述连通孔40可进一步贯穿设置于所述第一导电层21背离所述高分子基体层10的表面的所述活性材料层50及设置于所述第二导电层25背离所述高分子基体层10的表面的所述活性材料层50中的至少一个。
请参阅图8，上述一实施方式中的电极极片200应用于电芯300，所述电芯300包括第一极片301、第二极片305及设置于所述第一极片301与所述第二极片305之间的隔离膜307。所述第一极片301为本申请所述提供的电极极片100。
所述第一极片301可为正极极片或者负极极片。
所述电芯300可为堆叠式电芯，也可为卷绕式电芯。
所述第一极片301(100)中的极耳30弯折并与其他极耳焊接。
如图8所示，所述极耳30之间可通过一所述极耳30中的导电结构45与另一极耳30中的延伸导电层23接触的方式实现电连接，如图9所示，也可通过转接焊的方式使得两极耳30的延伸导电层23焊接从而实现电连接。
如图10所示，所述极耳30可通过导电结构45及/或所述延伸导电层23与其他极耳之间实现电连接，同样也可通过转接焊的方式实现电连接。
下面通过实施例及对比例对本申请进行具体说明。
实施例1
本实施例中，复合集流体100及应用上述复合集流体100的电池可通过以下方法制备：
复合集流体的制作：以厚度为5微米的聚对苯二甲酸乙二酯(PET)薄膜作为高分子基体层，在所述高分子基体层的主体区的相对两表面通过真空沉积法分别形成一厚度为0.5微米的金属铝层(或金属铜层)作为第一导电层及第二导电层，在所述高分子基体层的的极耳区的一表面沉积0.5微米的金属铝层(或金属铜层)作为延伸导电层。通过高能激光开连通孔，所述连通孔的孔径为500微米，孔密度为5个/cm2。所述高分子基体层在相对两表面开孔的面积占所述两表面的总面积的2.0％。将导电碳粉加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)中并调配成固含量为0.5的浆料，搅拌均匀。利用刮涂的方法将所述浆料涂布于第二导电层上并填满所述连通孔，在90℃下烘干制得所述复合集流体。
正极极片的制作：将钴酸锂(LiCoO2)、导电炭黑(Super P)、聚偏二氟乙烯(PVDF)按照重量比97.5:1.0:1.5进行混合，加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)作为溶剂，调配成为固含量为0.75的浆料，并搅拌均匀；将所述浆料均匀涂布于一沉积有金属铝层的复合集流体的第一导电层及第二导电层上形成正极活性材料层，且所述正极活性材料层中活性物质的含量为180g/m2。90℃下烘干，并将所述正极活性材料层中活性物质的密度冷压至4.1g/cm3；进行激光切割形成正极极耳，最终制得正极极片。
负极极片的制作：将石墨、导电炭黑、丁苯橡胶按照重量比96:1.5:2.5进行混合，加入去离子水作为溶剂，调配成为固含量为0.7的浆料，并搅拌均匀；将所述浆料均匀涂布于另一沉积有金属铜层的复合集流体的第一导电层及第二导电层上形成负极活性材料层，且所述负极活性材料层中活性物质的含量为95g/m2。110℃下烘干，并将所述负极活性材料层中活性物质的密度冷压至1.7g/cm3，进行激光切割形成负极极耳，从而制得负极极片。
所述负极极耳及正极极耳中，仅一正极极耳由所述极耳区及第一延伸导电层构成，仅一负极极耳由所述极耳区及第二延伸导电层构成，该正负极耳设于层叠设置的多极耳结构的最外层或者多极耳卷绕结构的最外层，从而降低折极耳过程中短路风险；其他负极极耳及正极极耳均仅由第一延伸导电层和第二延伸导电层构成。
电解液的制作：在干燥氩气气氛中，先将有机溶剂碳酸乙烯酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二乙酯(DEC)以质量比EC:EMC:DEC＝30:50:20混合，然后向有机溶剂中加入锂盐六氟磷酸锂(LiPF6)溶解并混合均匀，得到锂盐的浓度为1.15M的电解液。
电池的制作：将正极极片、隔离膜及负极极片以卷绕或叠层的方式做成电芯，其中，所述隔离膜为厚度为15微米的聚乙烯膜。而后折极耳、分别对正极极耳及负极极耳转接焊，其中，由所述极耳区及延伸导电层构成的负极极耳弯折后到正极极片的距离小于其他负极极耳到正极极片的距离，且其他负极极耳弯折后弯折区到相邻的正极极片的最高高度为2毫米，正极极耳弯折后弯折区到相邻的负极极片的最高高度为2毫米。之后将电芯置于铝塑膜中，注电解液并用封装膜封装。其中，封装膜封装后顶部与正极极片边缘之间的间隙及与负极极片边缘之间的间隙的宽度分别为2.2毫米。对封装后的电芯进行化成，具体为：以0.02C的恒定电流充电至3.3V，再以0.1C的恒定电流充电至3.6V；最终得到所述电池。
实施例2
实施例2与实施例1的区别在于：实施例2的负极极耳及正极极耳中由所述极耳区及第一延伸导电层构成的极耳的数量占总数的25％，上述由极耳区及延伸导电层构成的极耳设置于层叠设置的多极耳结构的外侧。
实施例3
实施例3与实施例1的区别在于：实施例3的负极极耳及正极极耳中由所述极耳区及第一延伸导电层构成的极耳的数量占总数的50％，上述由极耳区及延伸导电层构成的极耳设置于层叠设置的多极耳结构的外侧。
实施例4
实施例4与实施例1的区别在于：实施例4的负极极耳及正极极耳中的每一极耳均由所述极耳区及第一延伸导电层构成。
实施例5
实施例5与实施例4的区别在于：所述正极极耳自超出相邻负极极片主体区约为1.5毫米的位置弯折，从而形成转接焊结构中正极极耳的第一个弯折区。
实施例6
实施例6与实施例4的区别在于所述正极极耳自超出相邻负极极片主体区约0.7毫米的位置弯折，从而形成转接焊结构中正极极耳的第一个弯折区。
实施例7
实施例7与实施例4的区别在于：类似的，所述正极极耳自超出相邻正极极片主体区开始弯折的距离缩减至最小，约为0.2毫米。
实施例8
实施例8与实施例7的区别在于：所述封装膜封装后顶部与正极极片边缘之间的间隙及与其负极极片边缘之间的间隙的宽度均约为1.7毫米。
实施例9
实施例9与实施例7的区别在于：所述封装膜封装后顶部与正极极片边缘之间的间隙及其与负极极片边缘之间的间隙的宽度均约为0.9毫米。
实施例10
实施例10与实施例7的区别在于：所述封装膜封装后顶部与正极极片边缘之间的间隙及其与负极极片边缘之间的间隙的宽度分别缩减至最小，均约为0.3毫米。
实施例11
实施例11与实施例10的区别在于：所述高分子基体层的厚度为1微米。
实施例12
实施例12与实施例10的区别在于：所述高分子基体层的厚度为15微米。
实施例13
实施例13与实施例10的区别在于：所述正极极耳及所述负极极耳中第一延伸导电层的厚度约为高分子层厚度的40％。示例性地，本实施例中所述延伸导电层的厚度约为2微米。
实施例14
实施例14与实施例10的区别在于：所述正极极耳及所述负极极耳中第一延伸导电层的厚度约为高分子层厚度的70％。示例性地，本实施例中所述延伸导电层的厚度约为3.5微米。
实施例15
实施例15与实施例10的区别在于：所述连通孔的孔径为50微米。
实施例16
实施例16与实施例10的区别在于：所述连通孔的孔径为3000微米。
实施例17
实施例17与实施例10的区别在于：所述连通孔的孔密度为1个/cm2。
实施例18
实施例18与实施例10的区别在于：所述连通孔的孔密度为25个/cm2。
实施例19
实施例19与实施例10的区别在于：填满所述连通孔的浆料的制作：将金属颗粒加入导电碳粉及N-甲基吡咯烷酮(NMP)的悬浊液中并调配成固含量为0.7的浆料。示例性地，本实施例中正极连通孔使用金属Al颗粒和导电碳粉，金属Al颗粒大小在0.7um-20um之间，Al颗粒与粘结剂聚偏二氟乙烯(PVDF)重量比为95：5，并与导电碳粉和NMP配制成悬浊液，调节固含量至0.73；负极连通孔使用金属Cu颗粒和导电碳粉，金属Cu颗粒大小在0.7um-20um之间，Cu颗粒与粘结剂丁苯橡胶(SBR)重量比为95：5，并与导电碳粉和去离子水配制成悬浊液，调节固含量至0.7。
实施例20
实施例20与实施例10的区别在于：填满所述连通孔的浆料的制作：将金属颗粒及导电高分子材料加入导电碳粉及N-甲基吡咯烷酮(NMP)的悬浊液中并调配成固含量为0.7的浆料。示例性地，本实施例中正极连通孔使用聚吡咯颗粒和导电碳粉，聚吡咯颗粒大小在0.7um-5um之间，聚吡咯(PPy)颗粒与粘结剂聚偏二氟乙烯(PVDF)重量比为1：10，并与导电碳粉和NMP配制成悬浊液，调节固含量至0.73；负极连通孔使用聚吡咯颗粒和导电碳粉，聚吡咯(PPy)颗粒大小在0.7um-5um之间，聚吡咯颗粒与粘结剂丁苯橡胶(SBR)的重量比为1：10，并与导电碳粉和去离子水配制成悬浊液，调节固含量至0.7。
对比例1
对比例1与实施例1的区别在于：所述高分子基体层的厚度为13微米且未开孔；所述正极极耳及所述负极极耳中每一极耳均仅由厚度为0.5微米的延伸导电层构成；所述正极极耳及所述负极极耳进行转接焊后进行贴胶。
对比例2
对比例2与实施例1的区别在于：所述高分子基体层的厚度为8微米；所述正极极耳及所述负极极耳中每一极耳均仅由厚度为0.5微米的延伸导电层构成；所述正极极耳及所述负极极耳进行转接焊后进行贴胶。
测量实施例1-20及对比例1-2的电池在0.2C放电3.8V时的能量密度，具体如下表1所示。其中，
表1
Figure BDA0002012825760000121
Figure BDA0002012825760000131
由上表可知，由极耳区及延伸导电层构成的极耳在弯后时无需考虑其与相邻的电极极片边缘的距离，因此，在弯折时可缩减极耳与相邻的电极极片边缘之间因预防极耳与相邻的电极极片接触短路而预留的空间，甚至极耳在弯折后极耳区可直接与相邻的电极极片接触，进而可缩减封装膜封装后顶部与电极极片边缘之间的间隙，进而提高电芯的体积能量密度。
本申请的复合集流体100，其在应用于电芯300/电池中时，由于所述复合集流体100中包含由极耳区13及延伸导电层23构成极耳，使得极耳弯折时无需担心是否与相邻电极极片接触短路的问题，所述极耳区13还能够降低极耳在弯折时断裂的风险，提高了所述电芯/电池的安全可靠性，延长了电芯/电池的使用寿命。进一步地，在所述复合集流体100上开设连通孔40及/或连接孔43，能够有效地减轻所述复合集流体100本身的重量，也便于复合集流体100进行形变，例如弯折、卷绕。进一步地，当在所述连通孔40中设置导电结构42时，有利于第一导电层及第二导电层形成电子导通，进而改善电芯300内离子的传导，增强所述复合集流体100本身的载流能力。进一步地，当所述连接孔43中设置导电结构45时，在极耳进行焊接时，能够通过所述导电结构45进行极耳间的电连接而无需进行转接焊，简化了工艺。
另外，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本申请的技术构思做出其它各种相应的改变与变形，而所有这些改变与变形都应属于本申请权利要求的保护范围。

Claims (12)

1.一种复合集流体，其包括高分子基体层，其特征在于，所述高分子基体层包括主体区及由所述主体区的边缘向外延伸的极耳区；所述主体区包括第一表面及与所述第一表面相对的第二表面；所述极耳区包括由所述第一表面延伸的第一延伸面及由所述第二表面延伸的第二延伸面；所述复合集流体还包括覆盖所述第一表面的第一导电层及由所述第一导电层延伸并覆盖所述第一延伸面的延伸导电层，所述极耳区及所述延伸导电层构成极耳。
2.如权利要求1所述的复合集流体，其特征在于，所述复合集流体设置有贯穿所述主体区或者贯穿所述主体区及所述第一导电层的连通孔。
3.如权利要求1所述的复合集流体，其特征在于，所述复合集流体还包括第二导电层，所述第二导电层设置于所述第二表面且不设置于所述第二延伸面。
4.如权利要求3所述的复合集流体，其特征在于，所述复合集流体设置有连通孔，所述连通孔贯穿所述主体区、或者贯穿所述主体区及所述第一导电层、或者贯穿所述主体区及所述第二导电层、或者贯穿所述主体区、所述第一导电层及所述第二导电层。
5.如权利要求2或4所述的复合集流体，其特征在于，所述连通孔内还设有导电结构。
6.如权利要求1所述的复合集流体，其特征在于，所述复合集流体还包括贯穿所述极耳区或者贯穿所述极耳区及所述延伸导电层的连接孔。
7.如权利要求6所述的复合集流体，其特征在于，远离所述主体区的所述连接孔内还设有导电结构。
8.如权利要求1所述的复合集流体，其特征在于，所述极耳的数量为多个且间隔分布。
9.一种电极极片，包括活性材料层，其特征在于，所述电极极片还包括如权利要求1-8任意一项所述的复合集流体，所述活性材料层设置于所述第一导电层背离所述高分子基体层的表面。
10.如权利要求9所述的电极极片，其特征在于，所述活性材料层还设置于所述第二导电层背离所述高分子基体层的表面。
11.如权利要求10所述的电极极片，其特征在于，所述连通孔进一步贯穿所述活性材料层。
12.一种电芯，其包括第一极片、第二极片以及设置于所述第一极片与所述第二极片之间的隔离膜，其特征在于，所述第一极片为如权利要求9-11任意一项所述的电极极片。
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