CN112310407A - 集流体、极片、电化学装置、电动汽车和电子产品 - Google Patents

集流体、极片、电化学装置、电动汽车和电子产品 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种集流体、极片、电化学装置、电动汽车和电子产品。集流体包括绝缘层和导电层，导电层位于绝缘层的至少一个表面上，集流体还包括设置于导电层的背离绝缘层的表面上的第一保护层，以及设置于导电层朝向绝缘层的表面上的第二保护层；集流体中设置有多个贯穿绝缘层、导电层及第一保护层和第二保护层的孔，多个孔具有孔壁，第二保护层、导电层和第一保护层除了设置于集流体的平面部分外，还依次设置在多个孔的全部孔壁表面上，且位于绝缘层的至少一个表面上的导电层与位于孔壁表面的导电层部分或全部相互连接；第一保护层和第二保护层为金属氧化物保护层。

Description

集流体、极片、电化学装置、电动汽车和电子产品
本发明是基于申请号为201811158483.2、申请日为2018年09月30日、申请人为宁德时代新能源科技股份有限公司、发明名称为“一种集流体，极片和电化学装置”的发明提出的分案申请。
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、电化学装置、电动汽车和电子产品。
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。然而锂离子电池在受到挤压、碰撞或穿刺等异常情况时很容易发生着火、爆炸，从而引起严重危害。因此锂离子电池的安全问题很大程度地限制了锂离子电池的应用和普及。
发明内容
大量实验结果表明，电池内短路是造成锂离子电池安全隐患的根本所在。为了避免发生电池内短路，研究者们试图改进隔膜结构、电池机械结构等。其中有些研究是从改善集流体的设计方面来提升锂离子电池的安全性能。
当由于发生碰撞、挤压、穿刺等异常情况而导致电池发生内短路时，电池温度会上升。在金属集流体的材料中加入低熔点合金的技术方案，随着电池温度的上升，该集流体中的低熔点合金发生熔融，从而造成极片断路，由此切断电流，从而改善了电池的安全性。或采用具有树脂层两面复合有金属层的多层结构的集流体，随着电池温度的上升，当达到树脂层的材料的熔点时，该集流体的树脂层熔融而使极片破损，由此切断电流，从而改善电池的安全问题。
然而这些方法都无法有效地阻止锂离子电池内短路的发生，而且也无法保证在异常情况发生后电池还可以继续工作。在上述这些改进方法中，电池发生内短路后，电池温度依然会急剧升高。当电池温度骤升时，若安全构件不能快速响应的话，则依然会发生不同程度的危险。而且在上述这些改进方法中，在安全构件响应后，虽然电池的安全隐患得以解决，然而电池却无法继续工作。
因此，发明人进行了大量的研究，旨在提供一种能在碰撞、挤压、穿刺等异常情况发生后，有效地防止电池由于内短路的发生而引起的着火、爆炸等事故且不影响电池正常工作的正极集流体和电池设计。
鉴于此，本申请提出一种集流体、极片、电化学装置、电动汽车和电子产品。
第一方面，本申请提出一种集流体，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，所述第一保护层为金属氧化物保护层。
本申请的技术方案至少具有以下有益的效果：
本申请的集流体在绝缘层表面设置有导电层及金属氧化物的第一保护层，一方面，本申请的集流体可提高电池异常情况下发生短路时的短路电阻，使短路电流大幅度减小，从而极大地降低短路产热量，改善电池的安全性能。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，进一步提高电池的安全性能，同时还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。另外，集流体设置有多个贯穿所述绝缘层、所述导电层及第一保护层的孔，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；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。
本申请一些实施例中，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，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。在一些实施例中，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。因此，进一步提高了该集流体的导电性能，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。
本申请一些实施例中，集流体包括绝缘层和导电层，导电层位于绝缘层的至少一个表面上，集流体还包括设置于导电层的背离绝缘层的表面上的第一保护层，以及设置于导电层朝向绝缘层的表面上的第二保护层；集流体中设置有多个贯穿绝缘层、导电层及第一保护层和第二保护层的孔，多个孔具有孔壁，第二保护层、导电层和第一保护层除了设置于集流体的平面部分外，还依次设置在多个孔的全部孔壁表面上，且位于绝缘层的至少一个表面上的导电层与位于孔壁表面的导电层部分或全部相互连接；第一保护层和第二保护层为金属氧化物保护层。
在这些实施例中，集流体能获得更高的整体强度和更好的导电性能。并且，采用该集流体能进一步改善电化学装置的安全性能，还有利于改善电化学装置的高倍率充放电性能、循环寿命等电化学性能。
本申请一些实施例中，绝缘层包括厚度方向上相对的第一表面和第二表面，孔壁包括由绝缘层形成的第一壁部；第二保护层包括层叠于绝缘层的第一表面和/或第二表面的第一膜部、以及设置于第一壁部的全部表面的第二膜部；可选的，第一膜部与第二膜部部分或全部相互连接；导电层包括层叠于第一膜部背离绝缘层的表面的第一导电膜部、以及设置于第二膜部背离第一壁部的全部表面的第二导电膜部，且第一导电膜部与第二导电膜部部分或全部相互连接；第一保护层包括层叠于第一导电膜部背离绝缘层的表面的第一层部、以及设置于第二导电膜部背离第一壁部的全部表面的第二层部；可选的，第一层部与第二层部部分或全部相互连接。
在这些实施例中，集流体能获得更高的整体强度和更好的导电性能。并且，采用该集流体能进一步改善电化学装置的安全性能，还有利于改善电化学装置的高倍率充放电性能、循环寿命等电化学性能。
本申请任意实施例中，孔的孔径为0.001mm-3mm。孔径在该范围的孔在改善安全、改善极化效果较好的同时，还易于加工，不易发生断带现象。
本申请任意实施例中，孔的面积占比为0.1％-30％。孔的面积占比在该范围内，孔在改善安全、改善极化效果较好的同时，还易于加工，不易发生断带现象。
本申请任意实施例中，相邻两个孔的间距为0.2mm-5mm。孔间距在该范围内，孔在改善安全、改善极化效果较好的同时，还易于加工，不易发生断带现象。
本申请任意实施例中，第一保护层为氧化铝保护层、氧化钴保护层、氧化铬保护层、氧化镍保护层中的至少一种。第一保护层采用合适的金属氧化物，能进一步增大集流体的机械强度，还能更好地保护导电层，并且能增加集流体与电极活性材料层之间的结合力。尤其是，该第一保护层能进一步改善电化学装置的安全性能。
本申请任意实施例中，第二保护层中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。第二保护层采用合适的金属氧化物，能更好地保护导电层，还能增加导电层与绝缘层之间的结合力，进一步提高集流体的机械强度。尤其是，该第二保护层能进一步改善电化学装置的安全性能。
本申请任意实施例中，第一保护层的厚度为D3，D3满足：D3≤0.1D2且1nm≤D3≤200nm。可选的，10nm≤D3≤50nm。其中，D2为导电层的厚度。第一保护层的厚度在适当范围内，既能有效地保护导电层和改善集流体的机械强度，还有利于电化学装置获得较高的能量密度。
本申请任意实施例中，第二保护层的厚度为D3'，D3'满足：D3'≤0.1D2且1nm≤D3'≤200nm。可选的，10nm≤D3'≤50nm。其中，D2为所述导电层的厚度。第二保护层的厚度在适当范围内，既能有效地保护导电层和改善集流体的机械强度，还有利于电化学装置获得较高的能量密度。
本申请任意实施例中，第一保护层的厚度大于第二保护层的厚度。第一保护层和第二保护层在保护导电层和改善集流体机械强度的同时，能进一步提高电化学装置的能量密度。
本申请任意实施例中，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。第一保护层和第二保护层在保护导电层和改善集流体机械强度的同时，能进一步提高电化学装置的能量密度。
本申请任意实施例中，导电层的厚度为D2，D2满足：30nm≤D2≤3μm。可选的，300nm≤D2≤2μm。进一步可选的，500nm≤D2≤1.5μm。导电层的厚度D2适当，能进一步改善电化学装置的安全性能，还有利于提升电化学装置的能量密度。
本申请任意实施例中，绝缘层的厚度为D1，D1满足：1μm≤D1≤20μm。可选的，2μm≤D1≤10μm。进一步可选的，2μm≤D1≤6μm。厚度在适当范围内的绝缘层不仅具有更好的加工性能，而且有利于使用该集流体的电化学装置获得较高的体积能量密度。
本申请任意实施例中，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。
本申请任意实施例中，绝缘层的材料选自有机聚合物绝缘材料。由于该绝缘层的密度较小，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，该绝缘层可对位于其表面的导电层起到良好的承载和保护作用，因而不易产生极片断裂现象。
本申请任意实施例中，有机聚合物绝缘材料选自聚酰胺、聚对苯二甲酸酯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚对苯二甲酰对苯二胺、环氧树脂、聚甲醛、酚醛树脂、聚丙乙烯、聚四氟乙烯、硅橡胶、聚偏氟乙烯、聚碳酸酯、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。
本申请任意实施例中，复合材料由有机聚合物绝缘材料和无机绝缘材料组成。在一些实施例中，复合材料选自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。
本申请任意实施例中，无机绝缘材料选自氧化铝、碳化硅、二氧化硅中的至少一种。
本申请任意实施例中，所述绝缘层的透光率T满足：0≤T≤98％。可选的，15％≤T≤95％。进一步可选的，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。
本申请任意实施例中，着色剂选自无机颜料及有机颜料中的一种或多种。
本申请任意实施例中，无机颜料选自炭黑、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。
本申请任意实施例中，有机颜料选自酞菁类颜料、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；进一步可选的，所述有机颜料选自塑料红、塑料紫、耐晒黄、永固黄、橡胶大红、酞菁蓝及酞菁绿中的一种或多种。
本申请任意实施例中，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％。
绝缘层的厚度D1与透光率T满足上述关系，使激光照射绝缘层时，绝缘层能够尽可能多地吸收激光能量，使得集流体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，使得集流体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，避免发生胶连。绝缘层的厚度D1与透光率T满足上述关系，还有利于使绝缘层具有合适的机械强度，防止绝缘层在集流体、极片及电化学装置的加工过程中发生断裂。
第二方面，本申请提出一种极片，包括第一方面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。
本申请的极片由于采用上述的集流体，因而能使采用其的电化学装置获得较高的安全性能，还可以获得较高的高倍率充放电性能、循环寿命、重量能量密度等电化学性能。
本申请任意实施例中，电极活性材料层还填充于多个孔中；形成于集流体的至少一个表面的电极活性材料层与填充于多个孔中的电极活性材料层相互连接。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。
第三方面，本申请提出一种电化学装置，包括正极极片、隔膜和负极极片，所述正极极片和/或负极极片为第二方面的极片。
本申请的电化学装置由于采用上述的极片，因而能获得较高的安全性能，还可以获得较高的高倍率充放电性能、循环寿命、重量能量密度等电化学性能。
第四方面，本申请提出一种电动汽车，包括第三方面的电化学装置。
本申请的电动汽车采用上述的电化学装置，因而至少能获得较高的安全性能，以及与电化学装置的高倍率充放电性能、循环寿命、重量能量密度等电化学性能相应的有益效果。
第五方面，本申请提出一种电子产品，包括第三方面的电化学装置。在一些实施例中，电子产品包括消费类电子产品。
本申请的电子产品采用上述的电化学装置，因而能至少能获得较高的安全性能，以及与电化学装置的高倍率充放电性能、循环寿命、重量能量密度等电化学性能相应的有益效果。
附图说明
图1为本申请某一具体实施方式的正极集流体的俯视图；
图2为图1所示正极集流体的剖视图；
图3为图1所示正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正极集流体的剖视图；
图5为本申请某一具体实施方式的负极集流体的剖视图；
图6为本申请某一具体实施方式的负极集流体的剖视图；
图7为本申请某一具体实施方式的正极极片的剖视图；
图8为本申请某一具体实施方式的负极极片的剖视图。
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；
202a-第一导电膜部；
202b-第二导电膜部；
2031-第一保护层；
2031a-第一层部；
2031b-第二层部；
2032-第二保护层；
2032a-第一膜部；
2032b-第二膜部；
21-负极活性材料层；
401-孔
401a-第一壁部。
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。
下面对本申请实施例第一方面提出的集流体的结构和性能进行详细描述。
本申请实施例涉及一种集流体，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，所述第一保护层为金属氧化物保护层。
本申请的集流体在绝缘层表面设置有导电层及金属氧化物的第一保护层。一方面，本申请的集流体中的绝缘层不导电，因此其电阻较大，可提高电池异常情况下发生短路时的短路电阻，使短路电流大幅度减小，从而降低短路产热量，改善电池的安全性能。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，进一步提高电池的安全性能，同时还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。此外，采用绝缘层与导电层的复合集流体代替传统的金属箔集流体还可以提高电池的重量能量密度。
另外，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。集流体中的孔也可以便于电解液的通过，改善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。集流体中设置的多个孔也可进一步减轻集流体的重量，提升电池的重量能量密度。
在一些实施例中，导电层还可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，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。可选的，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。
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。尤其是当导电层设置于绝缘层的上表面和下表面以及多个孔的孔壁表面上时，导电层与绝缘层之间的结合力更强。在该集流体中，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，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，从而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；例如位于全部孔壁表面上。在一些实施例中，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。
在一些实施例中，孔的孔径为0.001mm-3mm。在该范围的孔在改善安全、改善极化效果较好的同时，还易于加工，不易发生断带现象。
在一些实施例中，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0.1％-30％。在该范围的孔在改善安全、改善极化效果较好的同时，还易于加工，不易发生断带现象。
在一些实施例中，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。例如为等间距分布。
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。
在一些实施例中，所述导电层的厚度为D2，D2满足：30nm≤D2≤3μm。
本申请实施例集流体中的绝缘层不导电，且本申请的集流体的导电层较薄(30nm≤D2≤3μm)，因此其电阻较大，可以进一步提高电池在异常情况下发生短路时的短路电阻，使短路电流大幅度减小，因此可极大地降低短路产热量，从而改善电池的安全性能。
另一方面，由于本申请的集流体的导电层较薄，因此在穿钉等异常情况下，在电芯内部产生的金属毛刺较小，从而可降低金属毛刺刺穿隔离膜与负极直接接触而导致短路的风险，因此可改善电池的安全性能。
再者，导电层较薄可进一步减轻集流体的重量，提升电池的重量能量密度。
在一些实施例中，金属氧化物可选自氧化铝、氧化钴、氧化铬、氧化镍中的至少一种。首先，金属氧化物材料的第一保护层具有较大电阻，因此该类型的保护层可以在一定程度上进一步增大集流体的电阻，从而进一步地提高电池异常情况下发生短路时的短路电阻，改善电池的安全性能。其次，由于金属氧化物的延展性小、硬度大，因此该第一保护层可进一步增大集流体的机械强度。第三，相对于保护层材料选用金属来讲，金属氧化物的比表面积更大，所以金属氧化物材料的保护层与导电层之间的结合力更强，更能起到保护导电层的作用。再者，比面积增大的保护层与活性物质层之间的结合力也进一步增大。因此，尤其当本申请实施例的集流体为正极集流体时，相对于不设置第一保护层或第一保护层材料选用金属的正极集流体，本申请实施例的正极集流体可以进一步增加与正极活性物质层之间的结合力，从而可提高电池的整体强度。
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。第二保护层的材料为金属、金属氧化物或导电碳。在一些实施例中，金属选自镍、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。在一些实施例中，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。在一些实施例中，可选的，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。
在一些实施例中，第二保护层为金属氧化物保护层。
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。
金属氧化物材料具有较大电阻，因此该类型的第二保护层可以在一定程度上进一步增大正极集流体的电阻，从而进一步的提高电池异常情况下发生短路时的短路电阻，改善电池的安全性能。此外，由于金属氧化物的比表面积更大，所以金属氧化物材料的第二保护层与绝缘层之间的结合力增强。同时由于金属氧化物的比表面积更大，因此金属氧化物材料的第二保护层可以增加绝缘层表面的粗糙度，起到增强导电层与绝缘层之间的结合力的作用，从而提高了集流体整体的强度。
在一些实施例中，所述第一保护层的厚度为D3，D3满足：D3≤0.1D2且1nm≤D3≤200nm。可选的，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。可选的，10nm≤D3'≤50nm。
在一些实施例中，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。
在一些实施例中，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。这有利于提升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。绝缘层的厚度为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。
例如，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。可选的，2μm≤D1≤10μm。进一步可选的，2μm≤D1≤6μm。
在一些实施例中，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。可选的，复合材料由有机聚合物绝缘材料和无机绝缘材料组成。
在一些实施例中，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。
在一些实施例中，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。
在一些实施例中，复合物可选自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。
在一些实施例中，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。
在一些实施例中，所述绝缘层的透光率T满足：0≤T≤98％。可选的，15％≤T≤95％。进一步可选的，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。
在一些实施例中，无机颜料例如选自炭黑、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。
在一些实施例中，有机颜料可以选自酞菁类颜料、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。
在一些实施例中，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，导电层的厚度为D2，在一些实施例中，D2满足：30nm≤D2≤3μm。可选的，300nm≤D2≤2μm。
在一些实施例中，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。作为示例，金属导电材料可选自铝、铜、镍、钛、银、镍铜合金、铝锆合金中的至少一种。作为示例，所述碳基导电材料可选自石墨、乙炔黑、石墨烯、碳纳米管中的至少一种。
在现有的锂离子电池中，铝箔或铜箔为集流体，当在异常情况下发生电池内短路时，瞬间产生大电流，并伴随着大量的短路产热，这些热量通常还会引发正极铝箔集流体处的铝热反应，进而使电池发生着火、爆炸等。
在本申请实施例中，通过采用具有绝缘层支撑的导电层的集流体解决了上述技术问题。由于绝缘层不导电，且导电层远比传统集流体(厚度约9μm～14μm)薄，因此本申请集流体的电阻较大，可以提高电池异常情况下发生短路时的短路电阻，使短路电流大幅度减小，因此可极大地降低短路产热量，从而改善电池的安全性能。
电池的内阻通常包括电池欧姆内阻和电池极化内阻，其中活性物质电阻、集流体电阻、界面电阻、电解液组成等均会对电池内阻产生较明显的影响。在异常情况下发生短路时，由于发生内短路，电池的内阻会大大降低。因此增大集流体的电阻，可增大电池短路后的内阻，由此改善电池的安全性能。
导电层的厚度足以起到导电和集流的作用即可。如果导电层的厚度太小，则导电和集流的效果太差，电池极化会较大，也易在极片加工工艺等过程中发生破损。如果导电层的厚度太大，则会影响电池的重量能量密度，且会降低该集流体的电阻，从而不利于改善电池的安全性能。
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。在一些实施例中，300nm≤D2≤2μm。在一些实施例中，500nm≤D2≤1.5μm。
在一些实施例中，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。作为示例，气相沉积法可选自物理气相沉积法(Physical Vapor Deposition，PVD)。物理气相沉积法可选自蒸发法、溅射法中的至少一种。蒸发法可选自真空蒸镀法(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。溅射法可选自磁控溅射法(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。导电层还位于孔壁表面时，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。在一些实施例中，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]
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，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。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。
第一保护层为金属氧化物保护层。可选的，第二保护层也为金属氧化物保护层。
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D3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。
例如，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。可选的，10nm≤D3≤50nm。可选的，10nm≤D3'≤50nm。
从保护层占整个导电层的厚度来看，在一些实施例中，D3满足：1/2000D2≤D3≤1/10D2，即厚度是D2的1/2000～1/10。可选的，D3满足：1/1000D2≤D3≤1/10D2。在一些实施例中，D3'满足：1/2000D2≤D3'≤1/10D2，即厚度是D2的1/2000～1/10。可选的，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，在一些实施例中，第一保护层的厚度大于第二保护层的厚度。可选的，D3'与D3的比例关系为：0.5D3≤D3'≤0.8D3。
在一些实施例中，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。作为示例，气相沉积法可选自物理气相沉积法(Physical Vapor Deposition，PVD)。物理气相沉积法可选自蒸发法、溅射法中的至少一种。蒸发法可选自真空蒸镀法(vacuumevaporating)、热蒸发法(Thermal Evaporation Deposition)、电子束蒸发法(electronbeam evaporation method，EBEM)中的至少一种。溅射法可选自磁控溅射法(Magnetronsputtering)。原位形成法可选自原位钝化法，即在金属表面原位形成金属氧化物钝化层的方法。涂布法可选自辊压涂布、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。
本申请实施例的正极集流体的示意图如图1至图4所示，本申请实施例的负极集流体的示意图如图5和图6所示，本申请实施例的正极极片的示意图如图7所示，本申请实施例的负极极片的示意图如图8所示。
在图1-3中，正极集流体10包括正极绝缘层101、第一保护层1031及设置于正极绝缘层101与第一保护层1031之间的正极导电层102，即正极导电层102设置于正极绝缘层101的一个表面上，第一保护层1031设置正极导电层102在背离正极绝缘层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，且正极导电层102还位于多个孔201的全部孔壁表面上。
在图4中，正极集流体10包括正极绝缘层101、第一保护层1031及设置于正极绝缘层101与第一保护层1031之间的正极导电层102，即正极导电层102设置于正极绝缘层101的一个表面上，第一保护层1031设置正极导电层102在背离正极绝缘层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，且正极导电层102和第一保护层1031均位于多个孔201的部分孔壁表面上，且位于绝缘层101的导电层102与位于孔壁表面的导电层102相互连接。
在图5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，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的负极导电层202与位于孔壁表面的负极导电层202相互连接。
参照图6，负极绝缘层201包括厚度方向上相对的第一表面和第二表面，孔壁包括由负极绝缘层201形成的第一壁部401a。第二保护层2032包括层叠于负极绝缘层201的第一表面和第二表面的第一膜部2032a、以及设置于第一壁部401a的全部表面的第二膜部2032b，且第一膜部2032a与第二膜部2032b部分或全部相互连接。负极导电层202包括层叠于第一膜部2032a背离负极绝缘层201的表面的第一导电膜部202a、以及设置于第二膜部2032b背离第一壁部401a的全部表面的第二导电膜部202b，且第一导电膜部202a与第二导电膜部202b部分或全部相互连接。第一保护层2031包括层叠于第一导电膜部202a背离绝缘层201的表面的第一层部2031a、以及设置于第二导电膜部202b背离第一壁部401a的全部表面的第二层部2031b，且第一层部2031a与第二层部2031b部分或全部相互连接。
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包括正极集流体和形成于正极集流体表面的正极活性材料层11，其中，正极集流体包括正极绝缘层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，且位于绝缘层101的导电层102与位于孔壁表面的导电层102相互连接。正极活性材料层11填充于多个孔201内。
图8为本申请一实施例的负极极片结构示意图，如图8所示，负极极片2包括负极集流体和形成于负极集流体表面的负极活性材料层21，其中，负极集流体包括负极绝缘层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。
需要说明的是，上述图1-8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，制得的正极极片或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，制备得到的正极极片或负极极片可折叠后应用于电池中。
在一些实施例中，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，正极极片和/或负极极片为上述实施例中的极片。
在一些实施例中，本申请的电池的正极极片采用上述本申请的极片。因为常规集流体中的铝含量高，在电池异常情况下发生短路时，短路点处产生的热量可以引发剧烈的铝热反应，从而产生大量的热并引起电池发生爆炸等事故。所以，当电池的正极极片采用本申请的极片时，由于正极集流体中铝的量大大减少，因此可以避免产生铝热反应，从而显著改善电池的安全性能。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。
在本申请中采用穿钉实验来模拟电池的异常情况，并观察穿钉后电池的变化。穿钉实验是钉子穿透整个电池，通常包括多层正极极片1、多层隔膜和多层负极极片2。当电池因穿钉发生短路后，短路电流大幅减小，将短路产热量控制在电池可以完全吸收的范围。因此在发生内短路的位点处产生的热量可以被电池完全吸收，对电池造成的温升也很小，从而可以将短路损坏对电池的影响局限于穿钉位点，仅形成“点断路”，而不影响电池在短时间内的正常工作。
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2所示。
首先，通过实施例来说明打孔的技术效果。
表1
Figure BDA0002754566670000231
表2
Figure BDA0002754566670000232
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、穿钉实验的实验方法和测试方法：
穿钉实验：电池满充后，固定，在常温下将直径为8mm的钢针，以25mm/s的速度贯穿电池，将钢针保留于电池中，穿钉完毕，然后观察和测试。
电池温度的测试：使用多路测温仪，分别于待穿钉的电池的针刺面和背面的几何中心附上感温线，待穿钉完毕后，进行五分钟的电池温度跟踪测试，然后记录下五分钟时的电池的温度。
电池电压的测试：将待穿钉的电池的正极和负极连接至内阻仪的测量端，待穿钉完毕后，进行五分钟的电池电压跟踪测试，然后记录下五分钟时的电池的电压。
记录的电池的温度和电压的数据如表4所示。
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5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。
表3
Figure BDA0002754566670000251
表4
Figure BDA0002754566670000252
注：“N/A”表示钢针贯穿入电池瞬间发生热失控和毁坏。
表5
极片编号 天数
极片1 10
极片2 18
极片3 >30
极片4 >30
极片5 >30
极片6 >30
极片7 >30
极片8 >30
根据表4中的结果来看，采用常规正极极片和常规负极极片组成的电池1，在穿钉的瞬间，电池温度骤升几百度，电压骤降至零，这说明在穿钉的瞬间，电池发生内短路，产生大量的热，电池瞬间发生热失控和毁坏，无法继续工作。
与采用常规的正极极片和常规的负极极片组成的电池相比，根据本申请的复合集流体可大大改善电池的安全性能，且导电层的厚度越小，则对于安全的改善效果越明显。此外，打孔的复合集流体相比于未打孔的复合集流体来说，可有利于安全性能的改善。
根据表3中的结果来看，与采用常规的正极极片和常规的负极极片的电池相比，采用本申请实施例集流体的电池的循环寿命良好，与常规的电池的循环性能相当。这说明本申请实施例的集流体并不会对制得的极片和电池有任何明显的不利影响。
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。
其次，通过实施例来说明第一保护层以及可选的第二保护层的技术效果。
表6
Figure BDA0002754566670000271
其中，“/”代表没有设置该保护层
表7
Figure BDA0002754566670000272
表8
Figure BDA0002754566670000281
与不具有保护层的集流体相比，本申请实施例的含有保护层的集流体制成的电池，容量保有率进一步获得提升，说明电池的可靠性更好。
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9。
表9
Figure BDA0002754566670000282
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 (19)

1.一种集流体，包括绝缘层和导电层，其特征在于，
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，以及设置于所述导电层朝向所述绝缘层的表面上的第二保护层；
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和所述第二保护层的孔，多个所述孔具有孔壁，所述第二保护层、所述导电层和所述第一保护层除了设置于集流体的平面部分外，还依次设置在多个所述孔的全部孔壁表面上，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；
所述第一保护层和所述第二保护层为金属氧化物保护层。
2.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述绝缘层包括厚度方向上相对的第一表面和第二表面，所述孔壁包括由所述绝缘层形成的第一壁部；
所述第二保护层包括层叠于所述绝缘层的第一表面和/或第二表面的第一膜部、以及设置于所述第一壁部的全部表面的第二膜部；可选的，所述第一膜部与所述第二膜部部分或全部相互连接；
所述导电层包括层叠于所述第一膜部背离所述绝缘层的表面的第一导电膜部、以及设置于所述第二膜部背离所述第一壁部的全部表面的第二导电膜部，且所述第一导电膜部与所述第二导电膜部部分或全部相互连接；
所述第一保护层包括层叠于所述第一导电膜部背离所述绝缘层的表面的第一层部、以及设置于所述第二导电膜部背离所述第一壁部的全部表面的第二层部；可选的，所述第一层部与所述第二层部部分或全部相互连接。
3.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述孔满足如下(1)～(3)中的一项或多项：
(1)所述孔的孔径为0.001mm-3mm；
(2)所述孔的面积占比为0.1％-30％；
(3)相邻两个所述孔的间距为0.2mm-5mm。
4.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述绝缘层添加有用于调节所述绝缘层的透光率的着色剂，所述绝缘层的透光率T满足：0≤T≤98％；可选的，15％≤T≤95％；进一步可选的，15％≤T≤90％。
5.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述第一保护层为氧化铝保护层、氧化钴保护层、氧化铬保护层、氧化镍保护层中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述第二保护层中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。
7.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述第一保护层的厚度为D3，D3满足：D3≤0.1D2且1nm≤D3≤200nm，可选的，10nm≤D3≤50nm；其中D2为所述导电层的厚度。
8.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述第二保护层的厚度为D3'，D3'满足：D3'≤0.1D2且1nm≤D3'≤200nm，可选的，10nm≤D3'≤50nm；其中D2为所述导电层的厚度。
9.根据权利要求1、7或8所述的集流体，其特征在于，所述第一保护层的厚度大于所述第二保护层的厚度；
可选的，所述第二保护层的厚度D3'与所述第一保护层的厚度D3的比例关系为：0.5D3≤D3'≤0.8D3。
10.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；可选的，300nm≤D2≤2μm；进一步可选的，500nm≤D2≤1.5μm。
11.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述绝缘层的厚度为D1，D1满足：1μm≤D1≤20μm；可选的，2μm≤D1≤10μm；进一步可选的，2μm≤D1≤6μm。
12.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述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；可选的，所述绝缘层的材料选自有机聚合物绝缘材料；
可选的，所述有机聚合物绝缘材料选自聚酰胺、聚对苯二甲酸酯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚对苯二甲酰对苯二胺、环氧树脂、聚甲醛、酚醛树脂、聚丙乙烯、聚四氟乙烯、硅橡胶、聚偏氟乙烯、聚碳酸酯、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；
可选的，所述复合材料由有机聚合物绝缘材料和无机绝缘材料组成，可选地选自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；
可选的，所述无机绝缘材料选自氧化铝、碳化硅、二氧化硅中的至少一种。
13.根据权利要求4所述的集流体，其特征在于，所述着色剂选自无机颜料及有机颜料中的一种或多种；
可选的，所述无机颜料选自炭黑、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；
可选的，所述有机颜料选自酞菁类颜料、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；进一步可选的，所述有机颜料选自塑料红、塑料紫、耐晒黄、永固黄、橡胶大红、酞菁蓝及酞菁绿中的一种或多种。
14.根据权利要求1、4或13所述的集流体，其特征在于，所述绝缘层的厚度D1与所述绝缘层的透光率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％。
15.一种极片，其特征在于，包括权利要求1～14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。
16.根据权利要求15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。
17.一种电化学装置，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15或16所述的极片。
18.一种电动汽车，包括如权利要求17所述的电化学装置。
19.一种电子产品，包括如权利要求17所述的电化学装置；可选的，所述电子产品包括消费类电子产品。
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