CN112072117A - 用于锂电池的集电体及电极结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于锂电池的集电体及电极结构。用于锂电池的集电体包括一塑料基板和两个金属层，塑料基板具有相对设置的两个表面，两个所述金属层分别设置于所述塑料基板的两个所述表面上，并通过一导电结构相互电性连接。用于锂电池的电极结构包括前述集电体和两个电极材料，两个所述电极材料分别形成于集电体的两个所述金属层上。本发明的集电体可取代现有的金属集电体，且具有较轻的重量和较小的体积，以根据电子产品轻薄化的趋势。

Description

用于锂电池的集电体及电极结构

技术领域

本发明涉及一种集电体及电极结构，特别是涉及一种用于锂电池的集电体及电极结构。

背景技术

随着科技的进步，电子产品的功能逐渐多样化，但也导致电子产品需要更高的电量以维持其运作功能。为了提供足够的电量，电池的选用就更为重要。相较于其他可充电电池而言，锂电池因具有高电容量和高电压的特性，而因此被广泛使用。

在实际使用上，单一个锂电池所能提供的电量有限。因此，于一些高耗电的电子产品中，会将多个锂电池并联形成一电池组。但如此一来，电池组的体积会相当巨大且重量也会增加，反而影响电子产品的携带便利性，有违电子产品轻薄化的目标。因此，为了兼顾电池组高电容量以及电子产品轻薄化的效果，现有技术中，致力于降低锂电池的体积以及重量，以维持电子产品轻薄化的优势。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足提供一种用于锂电池的集电体及电极结构。

为了解决上述的技术问题，本发明所采用的其中一技术方案是，提供一种用于锂电池的集电体。用于锂电池的集电体包括一塑料基板和两个金属层，两个金属层分别设置于塑料基板的两个相对表面，且两个金属层相互电性连接。

优选地，塑料基板的材料为聚酰亚胺、聚丙烯、液晶高分子、聚乙烯对苯二甲酸酯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸酯、乙烯醋酸乙烯酯共聚物、丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物或聚胺基甲酸酯。

优选地，当两个金属层的材料为铜，用于锂电池的集电体为一负极集电体。

优选地，当两个金属层的材料为铝，用于锂电池的集电体为一正极集电体。

优选地，塑料基板具有连接两个表面的一侧面，导电结构为一外导电结构，外导电结构邻近设置于侧面，外导电结构与两个金属层电性连接。

优选地，外导电结构的材料与两个金属层的材料相同。

优选地，外导电结构与两个金属层一体成型。

优选地，塑料基板形成有多个导通孔，且多个导通孔连通塑料基板的两个表面。

优选地，导电结构为一内导电结构，每一导通孔中设置有一内导电结构，内导电结构与两个金属层电性连接。

优选地，两个金属层是用化学电镀、溅镀或蒸镀的方式形成于塑料基板的两个表面上。

优选地，金属层的厚度为0.2微米至3微米，集电体的电阻值为小于或等于0.15Ohm/square。

为了解决上述的技术问题，本发明所采用的另外一技术方案是，提供一种用于锂电池的电极结构。用于锂电池的电极结构包括一集电体和两个电极材料。集电体包括一塑料基板和两个金属层，两个金属层分别设置于塑料基板的两个相对表面，且两个金属层相互电性连接。两个电极材料分别形成于集电体的两个金属层上。

为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而所提供的附图仅用于提供参考与说明，并非用来对本发明加以限制。

附图说明

图1为本发明的锂电池的立体结构示意图。

图2为本发明的部分锂电池的侧视剖面示意图。

图3为本发明的集电体的侧视剖面示意图。

图4为本发明另一实施例的集电体的侧视剖面示意图。

图5为本发明的塑料基板的立体示意图。

图6为本发明又一实施例的集电体的立体示意图。

图7为图6的VII-VII剖面的剖面示意图。

具体实施方式

以下是通过特定的具体实例来说明本发明所公开有关“用于锂电池的集电体及电极结构”的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容了解本发明的优点与效果。本发明可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用，在不悖离本发明的构思下进行各种修改与变更。另外，本发明的附图仅为简单示意说明，并非依实际尺寸的描绘，事先声明。以下的实施方式将进一步详细说明本发明的相关技术内容，但所公开的内容并非用以限制本发明的保护范围。

应当可以理解的是，本文中所使用的术语“或”，应视实际情况可能包括相关联的列出项目中的任一个或者多个的组合。

首先，请参阅图1和图2所示。图1为锂电池的立体示意图，而图2为锂电池内部构造的侧视剖面图。具体而言，图1的锂电池是由正极1、隔离膜2和负极3卷绕而成。锂电池中的正极1和负极3相互间隔排列，且每个正极1和负极3之间皆设置有隔离膜2。隔离膜2为一绝缘材料，隔离膜2的设置，可防止正极1和负极3在卷绕的状态下相互接触，避免正极1和负极3因电性连接而短路。并且，成卷的正极1、隔离膜2和负极3是以一绝缘体4包覆封装，与外界隔绝。绝缘体4内充填有电解液，可帮助离子传递，并维持电荷平衡。

为方便说明，以下将正极1和负极3统称为电极结构。根据图2所示，电极结构(正极1或负极3)包含有一集电体C以及设置于集电体C上的一电极材料5。锂电池在充放电时，集电体C可作为电子的导体，而电极材料5可提供参与反应的锂离子。在本实施例中，正极1的集电体C为铝箔，而负极3的集电体C为铜箔，但集电体C可根据所需的电气特性而选用其他的导电材料。电极结构的制造方式，是先将电极材料5均匀涂布于集电体C上，再烘干电极材料5，然后通过辗压的方式使电极材料5与集电体C紧密接触。然而，上述步骤只是其中一可行的实施例而并非用以限定本发明。

为了使锂电池的电容量符合预期，且不影响电子产品轻薄化的特性。本发明用于锂电池的集电体C及电极结构，不仅可具有较低的体积以及重量，以符合电子产品轻薄化的要求，并具有不逊于市售金属集电体的电阻特性，而可直接取代市售的金属集电体。

请参阅图3所示，本发明的集电体C包括一塑料基板6和两个金属层7。本发明通过配合使用塑料基板6和金属层7，可兼具塑料基板6质轻以及金属层7导电效果良好的优点。为了使集电体C相对两侧的电子自由移动，两个金属层7分别设置于塑料基板6的两个相对的表面上，且两个金属层7通过一导电结构相互电性连接。

塑料基板6的材料可以是聚酰亚胺(Polyimide，PI)、聚丙烯(Polypropylene，PP)、液晶高分子(Liquid Crystal Polymer，LCP)、聚乙烯对苯二甲酸酯(PolyethyleneTerephthalate，PET)、聚苯乙烯(Polystyrene，PS)、聚乙烯(Polyethylene，PE)、聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride，PVC)、聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)、乙烯醋酸乙烯酯共聚物(Ethylene-vinyl Acetate Copolymer，EVA)、丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物(AcrylonitrileButadiene Styrene Copolymer，ABS)或聚胺基甲酸酯(polyurethane，PU)，但不限于此。于本实施例中，塑料基板6的材料优选为聚酰亚胺。另外，塑料基板6可以是一多孔塑料基板，且塑料基板6的材料可以是聚苯乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸酯、乙烯醋酸乙烯酯共聚物、丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物或聚胺基甲酸酯。

塑料基板6相较于金属具有较低的密度，因此，就相同体积的集电体C而言，本发明的集电体C因包含了塑料基板6，故相较于金属集电体，可具有较轻的重量以及较低的制造成本。于本实施例中，塑料基板6的厚度为2微米至8微米，但本发明不以此为限。

所述两个金属层7分别设置于塑料基板6的一上表面601和一下表面602，以使集电体C两侧的电子可自由移动。两个金属层7的材料可以是相同或不同的金属。于一较佳实施例中，两个金属层7的材料是相同的金属。当集电体C为一负极集电体时，两个金属层7的材料为铜。当集电体C为一正极集电体时，两个金属层7的材料为铝。

为了使两个金属层7相互电性连接，本发明用于锂电池的集电体C还包括一导电结构，导电结构可以是一外导电结构和/或一内导电结构。然而，外导电结构和内导电结构的名称差异，仅是为了方便说明，并不会对导电结构造成实质限制。以下将以实施例具体说明导电结构的细部特征。

在图3中，本实施例的集电体C还进一步包括一外导电结构8，用以提供两个金属层7之间的电性导通路径。进一步而言，塑料基板6具有至少一连接于上表面601和下表面602之间的侧面603，而外导电结构8邻近设置于塑料基板6的侧面603。于其中一实施例，外导电结构8设置于塑料基板6的侧面603，并与塑料基板6相接触。

于另一实施例，外导电结构8邻近于塑料基板6的侧面603，但不与塑料基板6相接触。但无论外导电结构8与塑料基板6是否接触，外导电结构8连接于两个金属层7之间，以使分开设置两个金属层7电性连接。外导电结构8可以片状、条状或带体的形式存在。只要可使两个金属层7电性连接，外导电结构8的形状和结构并不限制。

具体而言，外导电结构8具有相对的一第一端部、一第二端部以及连接于第一端部和第二端部之间的主体部。外导电结构8分别通过第一端部和第二端部与两个金属层7连接，而主体部邻近设置于塑料基板6的侧面603，且可沿着塑料基板6的侧面603弯折延伸。如此一来，分开设置的两个金属层7，可通过外导电结构8的设置，而相互导通且电性连接，以便于达到维持集电体C两侧的电位一致的效果。

本发明的外导电结构8和两个金属层7的材料可以是相同或不同的金属。于本实施例中，外导电结构8和两个金属层7的材料是相同的金属。也就是说，当集电体C为一负极集电体时，外导电结构8的材料为铜。当集电体C为一正极集电体时，外导电结构8的材料为铝。于本实施例中，两个金属层7和外导电结构8可在同一工艺步骤中形成，以减少工艺步骤。

本发明的金属层7是以化学电镀、溅镀或蒸镀的方式形成于塑料基板6上，故金属层7的厚度可轻易调整，但不以此为限。就上述化学电镀、溅镀或蒸镀的形成方式而言，金属层7的厚度越薄，集电体C的制造成本就越低、生产时间也越短。并且，由于塑料的密度低于金属的密度，就相同体积的集电体C而言，当金属层7的厚度越薄时，集电体C可具有较轻的重量。

如前所述，两个金属层7和外导电结构8可在同一工艺步骤中形成。如此方式，两个金属层7和外导电结构8可以是一体成型，即如图3所示意。在图3中，两个金属层7和外导电结构8一体成型的结构，完整包覆于塑料基板6外，但本发明不以此为限。

图3中的外导电结构8设置于塑料基板6的整个侧面603，但本发明不以此为限。只要可使原本不相连通的两个金属层7相互电性连接，外导电结构8也可只部分覆盖塑料基板6的侧面603，即如图4所示。

在图4中，外导电结构8仅邻近设置于塑料基板6的部分侧面603，外导电结构8同样分别通过第一端部和第二端部与两个金属层7连接，外导电结构8的主体部沿着塑料基板6的侧面603弯折延伸。

此外，请参阅图5所示，于另一实施例中，本发明的塑料基板6上可形成有多个导通孔60，多个导通孔60连通塑料基板6的上表面601和下表面602。塑料基板6上的导通孔60，可以通过激光加工的方式形成，但不以此为限。值得注意的是，于塑料基板6上形成有导通孔60后，可减轻集电体C的重量，可提升集电体C与电极材料5之间的密着性，增加可填充的电极材料5，并可达到提升锂电池电容量的效果。

本发明又一实施例的集电体C，即是使用如图5所示的塑料基板6，而两个金属层7同样设置于塑料基板6的上表面601和下表面602。请合并参阅图6和图7所示，当多个导通孔60形成之后，本发明的集电体C可另包括一内导电结构9，用以提供两个金属层7之间的电性导通路径。内导电结构9设置于多个导通孔60中，并与两个金属层7电性连接。

具体而言，内导电结构9具有一第一端部、一第二端部以及连接于第一端部和第二端部之间的一主体部。内导电结构9分别通过第一端部和第二端部与两个金属层7电性连接，而主体部设置于导通孔60内，且可沿着导通孔60的内壁面弯折延伸。内导电结构9的主体部可以是完整或部分填满设置于导通孔60中，亦或是环形附着于导通孔60的孔壁上。如此一来，原本不相连通的两个金属层7，可通过内导电结构9的设置而相互导通且电性连接，以便于达到维持集电体C两侧的电位一致的效果。

本发明的内导电结构9和两个金属层7的材料可以是相同或不同的金属。于本实施例中，内导电结构9和两个金属层7的材料是相同的金属。在本实施例中，当集电体C为一负极集电体时，内导电结构9的材料为铜。当集电体C为一正极集电体时，内导电结构9的材料为铝。并且，两个金属层7和内导电结构9可在同一工艺步骤中形成，以减少工艺步骤。

如前所述，两个金属层7可以是用化学电镀、溅镀或蒸镀的方式形成于塑料基板6上。因此，两个金属层7和内导电结构9可在同一工艺步骤中形成，以达到简化工艺步骤的效果。如此方式，两个金属层7和内导电结构9可以是一体成型，即如图6和图7的结构所示。

在图6和图7的实施例中，集电体C也具有与前述相似的外导电结构8，两个金属层7、外导电结构8和内导电结构9是在同一工艺步骤中形成。且两个金属层7、外导电结构8和内导电结构9一体成型的结构，完整包覆于塑料基板6外，但本发明不以此为限。值得注意的是，本发明的外导电结构8和内导电结构9不需要同时存在，即两个金属层7可以只通过外导电结构8或内导电结构9相互电性连接。

[电阻测试]

为了比较本发明的集电体C和市售铜箔的差异，本发明先制备了如图3所示的集电体C(塑料基板6上无导通孔60，金属层7和外导电结构8完全包覆塑料基板6的集电体C)，于相同的塑料基板6上形成不同厚度的金属层7。金属层7的详细厚度以及集电体C的电阻结果如下表1所示。为了与市售铜箔比较，本测试例中的金属层7为铜。另外，不同厚度的市售铜箔的电阻测量结果也列于下表1中。

表1：本发明的集电体与市售铜箔的电阻值比较。

由表1的内容可得知，本发明于塑料基板6上形成金属层7的集电体C，与市售铜箔具有差不多的电阻值。也就是说，本发明的集电体C可直接取代市售铜箔。并且，相较于市售铜箔，本发明的集电体C具有较轻的重量，可有效减轻锂电池的重量，以达到电子产品轻薄化的效果。

于本实施例中，金属层7的厚度较佳为0.2微米至3微米，但实际使用上可依需求进行调整，并不受限于此。当调控金属层7的厚度介于0.2微米至3微米之间时，集电体C可兼具轻量化的特性，并具有一定的结构强度。可避免于涂布辗压电极材料时，因受力而破碎或延伸变形。根据表1的结果可得知，当调控金属层7的厚度介于0.2微米至3微米之间时，集电体C的电阻值为0.15Ohm/sq.或0.15Ohm/sq.以下，且可达到收集电荷的效果。

另外，就制造方式而言，本发明是于塑料基板6上设置金属层7，相较于以往以压延方式设置金属层7的方式，更适用于制造厚度较薄的金属层7。详细而言，根据本发明的内容，若以化学电镀、溅镀或蒸镀的方式，于塑料基板6上形成厚度越薄的金属层7，可降低制造成本、降低制造时间并可减轻重量。并且，由于金属层7是设置于塑料基板6上，塑料基板6可作为形成金属层7的基材，以提供金属层7具有一定程度的抗撕强度(tear strength)。如此一来，金属层7不会因厚度较薄，而于后续制造或加工过程中因受力而破损或断裂。然而，相较于一般使用压延铜箔或是载体承载的超薄铜箔的方式来形成厚度较薄的金属层7，在卷对卷连续涂布设置电极材料时，只能单凭厚度极薄(约5微米至6微米)的金属层作为支撑，故金属层容易因工艺张力产生撕裂缺口或延伸变形，而导致良率低、制造成本高和电池效能降低等问题。

[实施例的有益效果]

本发明的其中一有益效果在于，本发明所提供的用于锂电池的集电体C和电极结构，其能通过“塑料基板6”以及“两个所述金属层7相互电性连接”的技术特征，以使本发明的集电体C可取代现有的集电体，且具有较轻的重量和较小的体积，以根据电子产品轻薄化的趋势。

更进一步来说，本发明所提供的用于锂电池的集电体C和电极结构，其能通过“所述塑料基板6形成有多个通孔60”的技术特征，减轻集电体C的重量、提升集电体C与电极材料5之间的密着性，并可增加可填充的电极材料5，以间接提升锂电池的电容量。

更进一步来说，本发明所提供的用于锂电池的集电体C和电极结构，其能通过“两个所述金属层7是以化学电镀、溅镀或蒸镀的方式形成于所述塑料基板6上”的技术特征，以较低的成本、较短的制造时间形成较薄的金属层7，达到降低集电体C重量及体积的效果，且相较于使用压延铜箔或载体承载的超薄铜箔而言，更有利于提升制造良率。

更进一步来说，本发明所提供的用于锂电池的集电体C和电极结构，其能通过“所述侧面602上设置有一外导电结构8”或“所述导通孔60中设置有一内导电结构9”的技术特征，使两个金属层7相互电性连接，以维持集电体C两侧的电位一致。

以上所公开的内容仅为本发明的优选可行实施例，并非因此局限本发明的权利要求书的保护范围，所以凡是运用本发明说明书及附图内容所做的等效技术变化，均包含于本发明的权利要求书的保护范围内。

Claims (12)

1.一种用于锂电池的集电体，其特征在于，所述用于锂电池的集电体包括：

一塑料基板，所述塑料基板具有相对设置的两个表面；以及

两个金属层，两个所述金属层分别设置于所述塑料基板的两个所述表面上，并通过一导电结构相互电性连接。

2.根据权利要求1所述的用于锂电池的集电体，其特征在于，所述塑料基板的材料为聚酰亚胺、聚丙烯、液晶高分子、聚乙烯对苯二甲酸酯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸酯、乙烯醋酸乙烯酯共聚物、丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物或聚胺基甲酸酯。

3.根据权利要求1所述的用于锂电池的集电体，其特征在于，当两个所述金属层的材料为铜，所述用于锂电池的集电体为一负极集电体。

4.根据权利要求1所述的用于锂电池的集电体，其特征在于，当两个所述金属层的材料为铝，所述用于锂电池的集电体为一正极集电体。

5.根据权利要求1所述的用于锂电池的集电体，其特征在于，所述塑料基板具有连接两个所述表面的一侧面，所述导电结构为一外导电结构，所述外导电结构邻近设置于所述侧面，所述外导电结构与两个所述金属层电性连接。

6.根据权利要求5所述的用于锂电池的集电体，其特征在于，所述外导电结构的材料与两个所述金属层的材料相同。

7.根据权利要求6所述的用于锂电池的集电体，其特征在于，所述外导电结构与两个所述金属层一体成型。

8.根据权利要求1所述的用于锂电池的集电体，其特征在于，所述塑料基板形成有多个导通孔，且多个所述导通孔连通所述塑料基板的两个所述表面。

9.根据权利要求8所述的用于锂电池的集电体，其特征在于，所述导电结构为一内导电结构，每一所述导通孔中设置有一内导电结构，所述内导电结构与两个所述金属层电性连接。

10.根据权利要求1所述的用于锂电池的集电体，其特征在于，两个所述金属层是用化学电镀、溅镀或蒸镀的方式形成于所述塑料基板的两个所述表面上。

11.根据权利要求1所述的用于锂电池的集电体，其特征在于，所述金属层的厚度为0.2微米至3微米，所述集电体的电阻值为小于或等于0.15Ohm/square。

12.一种用于锂电池的电极结构，其特征在于，所述用于锂电池的电极结构包括：

一集电体，其是如权利要求1至11中任一项所述的用于锂电池的集电体；以及

两个电极材料，两个所述电极材料分别形成于所述集电体的两个所述金属层上。

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