CN112234210A - 一种复合集流体及其制备方法及电池 - Google Patents

一种复合集流体及其制备方法及电池 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种复合集流体，涉及二次电池技术领域。所述的复合集流体包括：支撑体层，该支撑体层采用聚合物制成；第一导体层，该第一导体层设置在支撑体层的一侧；第二导体层，该第二导体层设置在支撑体层的另一侧；焊接区域；其中，在该焊接区域内，第一导体层和第二导体层之间没有聚合物。本申请通过设置没有聚合物的焊接区域，在焊接极耳时，不需要穿透支撑体层即可实现第一导体层和第二导体之间的相互电连接，进而将第一导体层和第二导体层上产生的电流导出，解决现有技术中复合集流体的极耳焊接问题和导体层导通问题。

Description

一种复合集流体及其制备方法及电池
技术领域
本申请涉及二次电池技术领域，特别涉及到一种复合集流体及其制备方法及电池。
背景技术
锂离子电池由基本单元结构卷绕或者叠加构成，基本单元结构为正极/隔膜/负极。其中正极和负极是发生电化学反应的地方，通过正极和负极中的集流体，将电化学反应生成的电流收集并导出；隔膜负责将正极和负极分隔开，避免正负极发生接触出现短路。
集流体常见的配置方式是，负极使用铜箔材料，正极使用铝箔材料。由于使用金属材料的缘故，正负极集流体在电芯全重中占据较大的比例(8％左右)，因此降低集流体的重量是一个提高锂离子电池能量密度(kWh/kg)的有效做法，中国专利申请CN106654285A、CN101071860A通过在柔性基底表面制备导电镀层的方法，可以制备低密度集流体。还例如公布号为CN110277532A的中国专利申请，公开了一种二次电池集流体的加工方法及加工设备，通过箔材与复合集流体的转接，箔材作为复合集流体的极耳，从而能够将电芯中的电流输送出来。但是上述技术方案的缺点在于：1、极耳只与一侧的金属导体层连接，难以实现两侧的金属导体层都能将电流导出；2、由于复合集流体两侧的金属导体层通常较薄，因此很难进行焊接。
技术人员为了解决这些问题，从集流体结构和焊接方式上做出很多努力。申请公布号CN110165223A的发明公开了一种复合集流体，具有多孔结构，在孔的内部具有导体层，可以实现复合集流体两侧的金属导体层导通。然而这种集流体需要进行打孔，且孔内部的导体层制作困难，导通效果差，不利于复合集流体的推广应用。授权公告号CN208051145U的实用新型公开了一种超声波焊头及焊接设备。通过焊头的锥形结构在焊接时的挤出作用，穿透焊接区域的聚合物层，将焊接区域的金属导体层焊接在一起，实现焊接的同时实现两层金属导体层互相导通。然而这种焊接过程很容易导致过焊，破坏焊接区域的金属导体层，焊接强度低，导电能力差。
发明内容
本申请的目的是提供一种复合集流体，解决现有技术中复合集流体的极耳焊接问题，同时解决复合集流体两侧导体层难以实现导通的问题。
为实现上述目的，本申请实施例采用以下技术方案：一种复合集流体，包括：支撑体层，该支撑体层采用聚合物制成；第一导体层，该第一导体层设置在支撑体层的一侧；第二导体层，该第二导体层设置在支撑体层的另一侧；焊接区域；其中，在该焊接区域内，第一导体层和第二导体层之间没有聚合物。
在上述技术方案中，本申请实施例通过设置没有聚合物的焊接区域，在焊接极耳时，不需要穿透支撑体层即可实现第一导体层和第二导体层之间的相互电连接，进而将第一导体层和第二导体层上产生的电流导出，解决现有技术中复合集流体的极耳焊接问题和导体层导通问题。
进一步地，根据本申请实施例，其中，支撑体层采用PET、PP、PE、PI、聚芳砜中的一种或多种材料制成。
进一步地，根据本申请实施例，其中，第一导体层和第二导体层采用铝、铜、镍、银、金、碳、不锈钢或其合金制成。
进一步地，根据本申请实施例，其中，第一导体层和第二导体层的厚度为0.2-5微米。
进一步地，根据本申请实施例，其中，焊接区域的面积占第一导体层的面积的0.5-30％。
进一步地，根据本申请实施例，其中，焊接区域的形状为矩形、圆形、椭圆形、扇形、多边形或者不规则图形。
进一步地，根据本申请实施例，其中，焊接区域位于复合集流体的边缘。
进一步地，根据本申请实施例，其中，焊接区域由第一导体层和第二导体层的长度长于支撑体层而形成。
进一步地，根据本申请实施例，其中，焊接区域由支撑体层镂空形成。
进一步地，根据本申请实施例，其中，在焊接区域，第一导体层和第二导体层通过导电胶连接。
进一步地，根据本申请实施例，其中，在焊接区域，第一导体层和/或第二导体层的厚度大于其剩余部分，形成加厚区域。
进一步地，根据本申请实施例，其中，加厚区域的的边缘宽于焊接区域0.5-10mm。
为了实现上述目的，本申请实施例还公开了一种复合集流体的制备方法，包括以下步骤：将导体层材料压制成导体层后，将导体层复合在支撑体层的两侧。
进一步地，根据本申请实施例，其中，导体层与支撑体层通过胶黏剂连接。
进一步地，根据本申请实施例，其中，导体层通过化学或者电化学方法进行减薄。
为了实现上述目的，本申请实施例还公开了一种电池，其特征在于，包括正极极片、负极极片、隔膜和电解质，其中，正极极片和/或负极极片包括如上所述的集流体。
为了实现上述目的，本申请实施例还公开了一种物体，其特征在于，物体包括如上所述的一种二次电池。
进一步地，根据本申请实施例，其中，物体为电子产品或电动车。
与现有技术相比，本申请具有以下有益效果：本申请通过设置没有聚合物的焊接区域，在焊接极耳时，不需要穿透支撑体层即可实现第一导体层和第二导体之间的相互电连接，进而将第一导体层和第二导体层上产生的电流导出，解决现有技术中复合集流体的极耳焊接问题和导体层导通问题。
附图说明
下面结合附图和实施例对本申请进一步说明。
图1是本申请一种实施方式中的复合集流体的结构示意图。
图2是图1所示的复合集流体的俯视图。
图3是本申请第二种实施方式中的复合集流体的结构示意图。
图4是本申请第三种实施方式中的复合集流体的结构示意图。
图5是本申请第四种实施方式中的复合集流体的结构示意图。
图6是本申请第五种实施方式中的复合集流体的结构示意图
附图中
1、支撑体层 2、第一导体层 3、第二导体层
4、焊接区域 5、导电胶
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案进行清楚、完整地描述，及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明实施例进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅仅用以解释本发明实施例，并不用于限定本发明实施例，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，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“中”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“顶”、“底”、“侧”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“一”、“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”、“第六”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
出于简明和说明的目的，实施例的原理主要通过参考例子来描述。在以下描述中，很多具体细节被提出用以提供对实施例的彻底理解。然而明显的是，对于本领域普通技术人员，这些实施例在实践中可以不限于这些具体细节。在一些实例中，没有详细地描述公知方法和结构，以避免无必要地使这些实施例变得难以理解。另外，所有实施例可以互相结合使用。
本申请通过图1显示了一种复合集流体的结构示意图，图2为图1所示的复合集流体的俯视图。如图1-2所示，所述的复合集流体包括支撑体层1、第一导体层2和第二导体层3，第一导体层2和第二导体层3分别复合在支撑体层1的两侧。其中，支撑体层1采用聚合物材料制成，用于提供支撑力。第一导体层2和第二导体层3一般采用同种导电材料，用于将电流导出。
对此，为了解决复合集流体的极耳焊接问题，上述的复合集流体还包括至少一个焊接区域4，在该焊接区域4内，第一导体层2和第二导体层3之间没有用于制备支撑体层1的聚合物。设置没有聚合物的焊接区域4，在焊接极耳时，不需要穿透支撑体层1即可实现第一导体层2和第二导体层3之间的相互电连接，进而将第一导体层2和第二导体层3上产生的电流导出，解决现有技术中复合集流体的极耳焊接问题和导体层导通问题。
其中，支撑体层1采用的聚合物材料具体为PET、PP、PE、PI、聚芳砜中的一种或多种，或者也可以采用其他质量轻、强度大的绝缘材料作为替代。优选地，支撑体层1的厚度为2微米-6微米。
第一导体层2和第二导体层3可以采用铝、铜、镍、银、金、碳、不锈钢或其合金制成。优选地，用作正极集流体的第一导体层2和第二导体层3一般采用铝或铝合金材料制成，而作为负极集流体的第一导体层2和第二导体层3一般采用铜或铜合金材料制成。
其中，第一导体层2和第二导体层3的厚度为0.2-5微米。若第一导体层2和第二导体层3的厚度小于0.2微米，则导电能力不足，内阻大；若厚度超过5微米，则厚度和重量过大，影响电池能量密度。
其次，在本申请中，焊接区域4的面积占第一导体层2(或第二导体层3)的面积的0.5-30％。若焊接区域4的面积占比超过30％，则第一导电层2和第二导体层3没有足够的支撑面积(支撑体层1提供的)，容易损坏。若焊接区域的面积占比小于0.5％，则不能够提供足够的面积进行焊接极耳。
其中，焊接区域4可以具体实施为矩形、圆形、椭圆形、扇形、多边形或者不规则图形等各种形状，并不限制本申请。焊接区域4也可以设置在复合集流体上的任何位置，但优选设置在复合集流体的边缘，这样便于后续进行焊接极耳。
具体地，如图1-2所示，根据本申请最优的一个实施方式，所述的焊接区域4由第一导体层2和第二导体层3的长度长于支撑体层4而形成，这样可以在将第一导体层2和第二导体层3复合在支撑体层4两侧时，自然地在复合集流体的边缘形成焊接区域4，不需要对支撑体层4进行额外的操作。
图3显示了本申请第二种实施方式中的复合集流体的具体结构。如图3所示，所述的焊接区域4也能够由支撑体层镂空形成。
图4显示了本申请第三实施方式中的复合集流体的具体结构。图4在图1的基础上，使焊接区域4内的第一导体层2和/或第二导体层3的厚度大于其剩余部分，形成加厚区域。具体地，在第一导体层1上，焊接区域4内的加厚区域的厚度为h2，剩余部分的厚度为h1，h2>h1。这样设置，可以增强焊接区域4的强度，避免在加工过程中损坏；还可以增强焊接的第一导体层2和第二导体层3的厚度，提升焊接强度。
图5显示了本申请第四种实施方式中的复合集流体的具体结构。图5在图4的基础上，加厚区域的边缘宽于焊接区域4，宽度为0.5-10mm，使得加厚区域的边缘与支撑体层1的边缘重叠，进一步增强焊接区域4的强度，避免在焊接区域4的边缘出现导体层断裂的情况。
图6显示了本申请第五种实施方式中的复合集流体的具体结构。图6在图4的基础上，在焊接区域4内的第一导体层2和第二导体层3之间填充了导电胶5，通过导电胶5的粘接可以提高焊接区域4的强度，避免损坏，也能提升焊接后第一导体层2和第二导体层3的强度。
在上述技术方案中，所述的复合集流体的制备方法可以包括以下步骤：将导体层材料压制成导体层后，将导体层与支撑层材料复合。其中，导体层与支撑层可以通过胶粘剂连接复合。完成复合的导体层可以通过化学或者电化学方法进行减薄。
对此，若想要在复合集流体上形成上述的加厚区域，只需要在焊接区域上的导体层表面设置遮挡物，阻断在焊接区域上对导体层的腐蚀。遮挡物可以是胶带，在完成减薄后需要将该胶带去除。
在上述技术方案中，上述的复合集流体可以用于制作极片：在集流体表面涂布正极活性材料，制得正极极片；在集流体表面涂布负极活性材料，制得负极极片。以卷绕方式将正极极片、隔膜和负极极片组装形成干电芯。将干电芯装入电池壳体内并注电解液，经过充电化成，制得二次电池。
下面通过实施例对本申请进行说明，但本申请不限于这些实施例。
【实施例1】
将纯度99.7％的铝材进行轧制加工，获得5微米铝箔。将5微米铝箔通过胶黏剂复合在5微米的PET的两侧，形成正极集流体。其中PET分子量192.17，胶黏剂为无锡宇科生产的WB888胶，复合的温度为95摄氏度，复合压力0.5兆帕，复合后静置时间为150小时。5微米铝箔宽度为100mm，PET宽度为80mm。焊接区域的面积占比为20％。
采用20％NaOH溶液进行化学腐蚀，温度为45摄氏度，腐蚀时间为1分钟，然后使用去离子水冲洗烘干。上述的单侧铝层厚度经过化学腐蚀后为3微米。
【实施例2】
实施例2与实施例1的区别在于，采用4微米的PET材料作为支撑体层，3微米的铝箔为导体层；铝箔宽度为100mm，PET宽度为90mm，焊接区域的面积占比为10％。
在采用20％NaOH溶液进行化学腐蚀减薄时，在焊接区域上的导体层表面覆盖胶带，形成加厚区域，且加厚区域的宽度比焊接区域宽1mm。铝箔完成减薄后，加厚区域的厚度为3微米，剩余区域的厚度为2微米。
【实施例3】
实施例3与实施例1的区别在于，采用3微米的PP材料作为支撑体层，5微米的铝箔作为导体层；铝箔宽度为100mm，PET宽度为95mm，焊接区域的面积占比为5％。
在采用20％NaOH溶液进行化学腐蚀减薄时，在焊接区域上的导体层表面覆盖胶带，形成加厚区域。铝箔完成减薄后，加厚区域的厚度为5微米，剩余区域的厚度为2微米。
【实施例4】
实施例4与实施例1的区别在于，采用2微米的PE材料作为支撑体层，10微米的铝箔作为导体层；铝箔宽度为100mm，PET宽度为70mm，焊接区域的面积占比为30％。
在采用20％NaOH溶液进行化学腐蚀减薄时，在焊接区域上的导体层表面覆盖胶带，形成加厚区域。铝箔完成减薄后，加厚区域的厚度为10微米，剩余区域的厚度为5微米。此外，在焊接区域内填充导电胶。
【实施例5】
实施例5与实施例1的区别在于，采用6微米的PI材料作为支撑体层，2微米的铝箔作为导体层；铝箔宽度为100mm，PET宽度为75mm，焊接区域的面积占比为25％。
在采用20％NaOH溶液进行化学腐蚀减薄时，在焊接区域上的导体层表面覆盖胶带，形成加厚区域。铝箔完成减薄后，加厚区域的厚度为2微米，剩余区域的厚度为0.5微米。此外，在焊接区域内填充导电胶。
【实施例6】
将纯度99.7％的铜进行轧制加工，获得5微米铜箔。将5微米铜箔通过胶黏剂复合在5微米的PET的两侧，形成正极集流体。其中PET分子量192.17，胶黏剂为无锡宇科生产的WB888胶，复合的温度为95摄氏度，复合压力0.5兆帕，复合后静置时间为150小时。4微米铜箔的宽度为100mm，PET宽度为80mm，焊接区域的面积占比为20％。
采用20％NaOH溶液进行化学腐蚀，温度为45摄氏度，腐蚀时间为1分钟，然后使用去离子水冲洗烘干。上述的单侧铜箔厚度经过化学腐蚀后为4微米.
【实施例7】
实施例7与实施例6之间的区别在于，采用4微米PP材料作为支撑体层，6微米铜箔作为导体层；铜箔的宽度为100mm，PET宽度为90mm，焊接区域的面积占比为10％；完成减薄的单侧铜箔厚度为5微米。
【实施例8】
实施例8与实施例6之间的区别在于，采用3微米的PET材料作为支撑体层，3微米铜箔作为导体层；铜箔的宽度为100mm，PET宽度为99mm，焊接区域的面积占比为1％
在采用20％NaOH溶液进行化学腐蚀减薄时，在焊接区域上的导体层表面覆盖胶带，形成加厚区域，且加厚区域的宽度比焊接区域宽0.5mm。铝箔完成减薄后，加厚区域的厚度为3微米，剩余区域的厚度为1微米。
【实施例9】
实施例9与实施例6的区别在于，采用2微米的聚芳砜材料作为支撑体层，3微米铜箔作为导体层；铜箔的宽度为100mm，PET宽度为85mm，焊接区域的面积占比为15％。
在采用20％NaOH溶液进行化学腐蚀减薄时，在焊接区域上的导体层表面覆盖胶带，形成加厚区域。铝箔完成减薄后，加厚区域的厚度为3微米，剩余区域的厚度为0.5微米。此外，在焊接区域内填充导电胶。
【实施例10】
实施例10与实施例6的区别在于，采用5微米的PE材料作为支撑体层，6微米的铜箔作为导体层；铜箔的宽度为100mm，PET宽度为70mm，焊接区域的面积占比为30％。
在采用20％NaOH溶液进行化学腐蚀减薄时，在焊接区域上的导体层表面覆盖胶带，形成加厚区域。铝箔完成减薄后，加厚区域的厚度为6微米，剩余区域的厚度为2微米。此外，在焊接区域内填充导电胶。
【对比例1】
对比例1与实施例1之间的区别在于，铝箔的宽度与PET的宽度一致，无焊接区域。
【对比例2】
对比例2与实施例1之间的区别在于，采用4微米的PP材料作为支撑体层，且铝箔的厚度减薄至1.5微米。
【对比例3】
对比例3与实施例6之间的区别在于，铜箔的宽度与PET的宽度一致，无焊接区域。
【对比例4】
对比例4与实施例6之间的区别在于，采用4微米的PE材料作为支撑体层，且铜箔的厚度减薄至1微米。
为了说明本申请技术方案的技术凉，将上述实施例及对比例中的集流体制得各300片，进行极耳的焊接，并计算焊接成功率。同时，对完成的集流体进行拉伸强度测试，测试方法采用HB 5280-1996中记载的金属箔材的拉伸强度的测试标准。测试结果如表1所示。
表1
Figure BDA0002711679770000081
如表1所示，由对比实施例1和对比例2、实施例6和对比例3可知，通过设置没有聚合物的焊接区域，能够大大提高极耳的焊接成功率，同时也保证了焊接后的集流体的拉伸强度。同时，导体层的厚度也是影响极耳焊接及集流体拉伸强度的因素之一，但可以通过设置加厚区域、扩大加厚区域的范围或填充导电胶等技术手段克服导体层过薄的影响，进一步提高极耳焊接的成功率及集流体的拉伸强度。
下面，将上述实施例1-10及对比例1-4制得的集流体制成电池，并进行震动测试失效比例以及300次循环失效比例，集流体的组合以及测试结果如表2所示。其中，震动测试失效比例采用国标31241-2014中7.3振动测试获得；300次循环失效比例通过以下方式获得：在温度为25℃的条件下进行1C/1C充放电测试，记录经过300次循环次数下无电压输出的失效电池比例。
表2
正极集流体 负极集流体 震动测试失效比例 300次循环失效比例
实施例11 实施例1 实施例6 10％ 3％
实施例12 实施例2 实施例7 0％ 0％
实施例13 实施例3 实施例8 0％ 0％
实施例14 实施例4 实施例9 0％ 0％
实施例15 实施例5 实施例10 0％ 0％
实施例16 实施例1 实施例8 2％ 0％
对比例5 实施例1 对比例3 75％ 13％
对比例6 实施例1 对比例4 100％ 25％
对比例7 对比例1 实施例6 75％ 11％
对比例8 对比例2 实施例6 100％ 19％
如表2所示，采用了现有复合集流体制成的电池(对比例5-8)的震动测试失效比例及300次循环失效比例均明显高于采用本申请所述的复合集流体制成的电池(实施例11-16)，说明本申请所述的复合集流体，应用于二次电池中，能够大大提高二次电池的安全性能和使用寿命。
尽管上面对本申请说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本申请，但是本申请不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本申请精神和范围内，一切利用本申请构思的申请创造均在保护之列。

Claims (18)

1.一种复合集流体，其特征在于，包括：
支撑体层，所述支撑体层采用聚合物制成；
第一导体层，所述第一导体层设置在所述支撑体层的一侧；
第二导体层，所述第二导体层设置在所述支撑体层的另一侧；
焊接区域；
其中，在所述焊接区域内，所述第一导体层和第二导体层之间没有所述聚合物。
2.根据权利要求1所述的一种复合集流体，其特征在于，所述支撑体层采用PET、PP、PE、PI、聚芳砜中的一种或多种材料制成。
3.根据权利要求1所述的一种复合集流体，其特征在于，所述第一导体层和第二导体层采用铝、铜、镍、银、金、碳、不锈钢或其合金制成。
4.根据权利要求1所述的一种复合集流体，其特征在于，所述第一导体层和第二导体层的厚度为0.2-5微米。
5.根据权利要求1所述的一种复合集流体，其特征在于，所述焊接区域的面积占第一导体层的面积的0.5-30％。
6.根据权利要求1所述的一种复合集流体，其特征在于，所述焊接区域的形状为矩形、圆形、椭圆形、扇形、多边形或者不规则图形。
7.根据权利要求1所述的一种复合集流体，其特征在于，所述焊接区域位于所述复合集流体的边缘。
8.根据权利要求1所述的一种复合集流体，其特征在于，所述焊接区域由所述第一导体层和所述第二导体层的长度长于所述支撑体层而形成。
9.根据权利要求1所述的一种复合集流体，其特征在于，所述焊接区域由所述支撑体层镂空形成。
10.根据权利要求1所述的一种复合集流体，其特征在于，在所述焊接区域中，所述第一导体层和所述第二导体层之间具有导电胶。
11.根据权利要求1所述的一种复合集流体，其特征在于，在所述焊接区域内，所述第一导体层和/或所述第二导体层的厚度大于其剩余部分，形成加厚区域。
12.根据权利要求11所述的一种复合集流体，其特征在于，所述加厚区域的边缘宽于所述焊接区域0.5-10mm。
13.一种如权利要求1所述的一种复合集流体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将导体层材料压制成导体层后，将所述导体层复合在所述支撑体层的两侧。
14.根据权利要求13所述的一种复合集流体的制备方法，其特征在于，所述导体层与所述支撑体层通过胶黏剂连接。
15.根据权利要求13所述的一种复合集流体的制备方法，其特征在于，所述导体层通过化学或者电化学方法进行减薄。
16.一种电池，其特征在于，包括正极极片、负极极片、隔膜和电解质，其中，
所述正极极片和/或所述负极极片包括如权利要求1-15中任一项所述的集流体。
17.一种物体，其特征在于，所述物体包括如权利要求16所述的一种电池。
18.根据权利要求17所述的一种物体，其中，所述物体为电子产品或电动车。
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