CN112909264A - 集流体及锂离子电池 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及电池技术领域,具体是涉及集流体及锂离子电池。集流体包括基材层、电极层和导电层;电极层的数量为两个并分别贴设于所述基材层的相背两侧表面;导电层位于所述基材层与所述电极层之间,其中所述导电层的电阻率小于或等于所述电极层的电阻率,以提高所述集流体的导电性。锂离子电池包括所述集流体及涂覆于所述电极层上的电极活性材料。通过上述方式,能够不增加集流体厚度的情况下提高集流体的导电性,提高了锂离子电池的体积能量密度;另外基材层能够在外力破坏的情况下融化切断集流体的电流,以提高锂离子电池的安全性。
Description
技术领域
本申请涉及电池技术领域,具体是涉及集流体及锂离子电池。
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极易发生电池短路,进而发生着火、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。
现有技术中采用具有树脂层两面复合有铜或者铝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。但是上述方式增大了集流体的方阻,降低了电池的体积能量密度。
发明内容
本申请提供一种集流体及锂离子电池。
本申请实施例提供一种集流体,包括:
基材层;
电极层,所述电极层的数量为两个并分别贴设于所述基材层的相背两侧表面;以及
导电层,所述导电层位于所述基材层与所述电极层之间,其中所述导电层的电阻率小于或等于所述电极层的电阻率,以提高所述集流体的导电性。
优选地,所述基材层为绝缘的高分子聚合物,以支撑并隔断所述两个电极层。
优选地,所述基材层的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚酰胺、酚醛树脂、聚苯、聚吡咯、聚噻吩、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚乙二醇、聚甲醛和聚乙炔的衍生物、交联物及聚物中的一种或多种。
优选地,所述基材层的厚度为1μm-15μm。
优选地,所述电极层的材料为铜或者铝。
优选地,,所述电极层通过物理气相沉积中的磁控溅射镀在所述导电层背离所述基材层的表面形成。
优选地,所述电极层的厚度为100nm-300nm。
优选地,所述导电层的材料可为铜、银中的一种或多种组合。
优选地,所述导电层通过物理气相沉积中的真空蒸镀在所述基材层表面形成。
优选地,所述导电层的厚度为200nm-5μm。
优选地,所述集流体还包括无机涂层,以增强所述基材层的附着力。
优选地,所述无机涂层的材料可采用氧化硅、碳化硅、氧化铝中的一种或几种组合。
优选地,所述无机涂层可通过物理气相沉积中的磁控溅射镀膜形成。
优选地,所述无机涂层厚度为100nm-500nm。
优选地,所述集流体的厚度为5μm-15um。
本申请实施例还提供一种锂离子电池,包括所述集流体及涂覆于所述电极层上的电极活性材料。
与现有技术相比,本申请的有益效果是:能够不增加集流体厚度的情况下提高集流体的导电性,提高了锂离子电池的体积能量密度;另外基材层能够在外力破坏的情况下融化切断集流体的电流,以提高锂离子电池的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的锂离子电池部分结构的截面示意图;
图2是图1所示的区域A的局部放大图;
图3是现有技术一提供的集流体的截面示意图;
图4是图3所示的区域B的局部放大图;
图5时现有技术二提供的集流体的截面示意图;
图6是图5所示的区域C的局部放大图;
图7是本申请实施例提供的集流体一个变形的截面示意图;
图8是图7所示的区域D的局部放大图;
图9是本申请实施例提供的集流体又一个变形的截面示意图;
图10是图9所示的区域E的局部放大图;
图11是本申请提供的集流体有一个实施例的截面示意图;
图12是图11所示的区域F的局部放大图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例,对本申请作进一步的详细描述。特别指出的是,以下实施例仅用于说明本申请,但不对本申请的范围进行限定。同样的,以下实施例仅为本申请的部分实施例而非全部实施例,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它实施例,都属于本申请保护的范围。
在本文中提及“实施例”意味着,结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例,也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是,本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
请参照图1和图2,图1是本申请实施例提供的锂离子电池部分结构的截面示意图,图2是图1所示的区域A的局部放大图。
本申请提供一种锂离子电池1000,包括集流体100及涂覆于集流体100上的电极活性材料200。其中,集流体100可包括正极集流体和负极集流体,正极集流体表面涂覆正极活性材料,负极集流体的表面涂覆负极活性材料。
需要说明的是,本申请中的术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。本申请的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三个等,除非另有明确具体的限定。
本申请实施例提供一种集流体100,可包括基材层10、电极层20和导电层30。基材层10可包括相背的第一表面11和第二表面12,电极层20的数量为两个并分别贴设于基材层10的第一表面11和第二表面12。导电层30位于基材层10和电极层20之间,其中导电层30的电阻率小于或等于电极层20的电阻率,以提高集流体100的导电性。
请一并参照图3和图4,图3是现有技术一提供的集流体的截面示意图,图4是图3所示的区域B的局部放大图。
现有技术一中,集流体400包括第一基材层401及贴合于第一基材层401相背两侧表面的两个第一电极层402,其中集流体400的方阻大致等于两个第一电极层402的方阻之和。当锂离子电池1000受到外力破坏(挤压、冲击、刺破等)时提高了锂离子电池1000发生短路的短路电阻,降低了锂离子电池1000的短路电流,降低了短路产热,进而改善了锂离子电池1000安全性能。
相较于现有技术一,由于本申请的集流体100的电极层20与导电层30贴合设置且导电层30的电阻率小于或者等于电极层20的电阻率,使得电极层20与导电层30复合后的电阻率小于或者等于现有技术中第一导电层30的电阻率,进而电极层20与导电层30复合后的方阻小于或者等于第一导电层30的方阻。当锂离子电池1000受到外力破坏(挤压、冲击、刺破等)时提高了锂离子电池1000发生短路的短路电阻,既能够降低了锂离子电池1000的短路电流,降低了短路产热,又能够降低达到相同方阻时集流体100的厚度,提高了锂离子电池1000的体积能量密度,在保证锂离子电池1000安全性能不损失的前提下,提高了锂离子电池1000的电性能。
请一并参照图5和图6,图5时现有技术二提供的集流体的截面示意图,图6是图5所示的区域C的局部放大图。
现有技术二中,集流体500包括第二基材层501及贴合于第二基材层501相背两侧表面的两个第二电极层502,其中集流体100上设置有多个贯穿第二基材层501和两个第二电极层502的多个贯穿孔503,集流体100还包括收容于贯穿孔503中并连接两个第二电极层502的导电结构504,以使两个第二电极层502并联连接。集流体500的方阻大致等于每个第二电极层502方阻的一半。由于导电结构504连接两个第二电极层502,降低了集流体100的内阻,在保证锂离子电池1000安全性能不损失的前提下,提高了锂离子电池1000的电性能(锂离子电池1000充放电速度、循环性能、锂离子电池1000极化降低等)。
但是,由于集流体500的厚度较薄,在集流体500的贯穿孔503中设置连接第二电极层502的导电结构504,一方面工艺复杂,不适于大批量生产,另一方面影响集流体500的结构强度。相较于现有技术二,本申请集流体500的结构相对简单,工艺可实现性更强。
其中,基材层10为绝缘的高分子材料,以用于支撑并隔断两个电极层20。当锂离子电池1000受到外力破坏(挤压、冲击、刺破等)异常情况导致锂离子电池1000发生短路时,集流体100中的电极层20、导电层30会产生铝屑、铜屑等碎屑或者微小的毛刺,而基材层10能够降低碎屑、毛刺互相接触的概率,进而降低锂离子电池1000安全失效概率;同时,随着短路时锂离子电池1000温度急剧升高,当温度达到基材层10的熔点时,基材层10发生融化从而使集流体100破损,切断整个锂离子电池1000电流,改善锂离子电池1000安全。
具体地,基材层10的材料可以是聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚酰胺、酚醛树脂、聚苯、聚吡咯、聚噻吩、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚乙二醇、聚甲醛和聚乙炔的衍生物、交联物及聚物中的一种或多种。
可选地,基材层10的厚度为1μm-15μm。如果基材层10的厚度较薄,在锂离子电池1000的极片加工过程中容易出现断裂等问题;如果基材层的厚度较厚,则会影响锂离子电池1000的体积能量密度。
电极层20的材料为铜或者铝。具体地,由于正极高氧化态,金属铝能够在空气中形成的致密氧化膜保护,防止电极层20和基材层10氧化,所以集流体100为正极集流体时,电极层20的材料为铝。由于金属铜在负极对应的电位下不会与锂离子电池1000活性物质锂发生嵌锂反应,形成铜锂合金,所以集流体100为负极集流体时,电极层20的材料为铜。
电极层20可通过物理气相沉积、化学气相沉积中的任意一种方法实现。可选地,电极层20可通过物理气相沉积中的磁控溅射镀在导电层30背离基材层10的表面形成,以使电极层20厚度较薄、成膜均匀、沉积速率较高、工艺重复性好且便于自动化管理。在其他实施例中,电极层20还可通过物理气相沉积中的真空蒸发镀在导电层30背离基材层10的表面形成,以使电极层20具有成膜方法简单、薄膜纯度、膜结构和性能独特的优点;或者电极层20还可通过化学气相沉积的水电镀的方法在基材层表面形成,以使电极层20具有附着性能好、成本低等优点。
可选地,电极层20的厚度为100nm-300nm,以尽可能控制电极层20的厚度,以提高锂离子电池1000的体积能量密度。
导电层30的材料不仅可为铜、银中的一种或者多种组合,还可为电阻率远小于电极层20的高分子材料譬如加入导电炭黑的聚甲醛等。
导电层30可通过通过物理气相沉积、化学气相沉积中的任意一种方法实现。可选地,导电层30可通过物理气相沉积中的真空蒸镀在基材层的表面形成,以使导电层30具有成膜方法简单、薄膜纯度、膜结构和性能独特的优点。或者导电层30可通过物理气相沉积中的磁控溅射镀在导电层30背离基材层10的表面形成,以使导电层30厚度较薄、成膜均匀、沉积速率较高、工艺重复性好且便于自动化管理。
可选地,导电层30的厚度在200nm-5μm之间,以使导电层30的方阻小于或等于90Ω。
请继续参照图2,在本申请的一个实施例中,集流体100为正极集流体,基材层10的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET),导电层30为两个且材料均为铜或者银,电极层20的材料为铝。明显地,铜的电阻率小于铝的电阻率,进而使得极大地提高了集流体100的导电性,提高了集流体100的体积能量密度。进一步地,基材层10的厚度为4μm,导电层30的维度为2μm,电极层20的厚度为500nm,以使集流体100的整体厚度大致为9um。本申请提供的集流体100的厚度5μm-15um,以使集流体100的方阻小于或者等于150Ω,进而使得极大地提高了集流体100的导电性,提高了集流体100的体积能量密度。
请参照图7和图8,图7是本申请实施例提供的集流体一个变形的截面示意图,图8是图7所示的区域D的局部放大图。
在本实施例的一个变形中,集流体100为正极集流体。导电层30的数量为两个,一个导电层30的材料为铜或者银,另一个导电层30的材料为铝。电极层20的材料为铝。具体地,集流体100的一个导电层30的材料与对应相邻的电极层20的材料相同,另一个导电层30的材料与对应相邻的电极层20材料不同。采用上述方式,可提高集流体100的导电性,提高了集流体100的体积能量密度,又简化了加工工艺,便于大批量生产。
请参照图9和图10,图9是本申请实施例提供的集流体又一个变形的截面示意图,图10是图9所示的区域E的局部放大图。
在本实施的又一个变形中,集流体100为正极集流体。导电层30的数量为一个,导电层30的材料为铜或者银,电极层20的材料为铝。其中一个电极层20通过导电层30贴合于基材层10,另一个电极层20直接贴设于基材层10上。采用上述方式,可提高集流体100的导电性,提高了集流体100的体积能量密度,又简化了加工工艺,便于大批量生产。
请继续参照图2,在本申请的另一个实施例中,集流体100为负极集流体,基材层的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET),导电层30的数量为两个且材料均为银,电极层20的材料为铜。明显地,银的电阻率小于铜的电阻率,进而使得极大地提高了集流体100的导电性,提高了集流体100的体积能量密度。进一步地,基材层10的厚度为4μm,导电层30的维度为2μm,电极层20的厚度为500nm,以使集流体100的整体厚度大致为9um。本申请提供的集流体100的厚度5μm-15um,以使集流体100的方阻小于或者等于150Ω,进而使得极大地提高了集流体100的导电性,提高了集流体100的体积能量密度。
请参照图7和图8,在本实施例的一个变形中,集流体100为负极集流体,导电层30的数量为两个,一个导电层30的材料为银,另一个导电层30的材料为铜。电极层20的材料为铜。具体地,集流体100的一个导电层30的材料与对应相邻的电极层20的材料相同,另一个导电层30的材料与对应相邻的电极层20材料不同。采用上述方式,可提高集流体100的导电性,提高了集流体100的体积能量密度,又简化了加工工艺,便于大批量生产。
请参照图9和图10,在本实施的又一个变形中,集流体100为负极集流体。导电层30的数量为一个,导电层30的材料为银,电极层20的材料为铜。其中一个电极层20通过导电层30贴合于基材层10,另一个电极层20直接贴设于基材层10上。采用上述方式,可提高集流体100的导电性,提高了集流体100的体积能量密度,又简化了加工工艺,便于大批量生产。
请参照图11和图12,图11是本申请提供的集流体有一个实施例的截面示意图,图12是图11所示的区域F的局部放大图。
集流体100还可包括无机涂层40,以增强基材层10的附着力,便于导电层30附着于基材层10上。
可选地,无机涂层40的材料可采用氧化硅、碳化硅、氧化铝中的一种或几种组合。无机涂层40可通过物理气相沉积或化学气相沉积中的任意一种方法实现。可选地,无机涂层40可通过物理气相沉积中的磁控溅射镀膜的方法形成,以使无机涂层40厚度较薄、成膜均匀、沉积速率较高、工艺重复性好且便于自动化管理。
可选地,无机涂层40厚度控制在100~500nm之间,一方面用于提高基材层10的附着性,另一方面尽可能地不增加集流体100的厚度。
可以理解地,如果金属导电层30和聚合物基材层之间粘结力很强,则不需要无机涂层40。
本申请提供的集流体100,通过在基材层与电极层20之间设置导电层30,在不增加集流体100厚度的情况下提高集流体100的导电性,提高了锂离子电池1000的体积能量密度;另外基材层10能够在外力破坏的情况下融化切断集流体100的电流,以保护所述集流体100;此外通过基材层10、导电层30和电极层20层叠设置,使得加工工艺简单、工艺实现性更强。
以上所述仅为本申请的部分实施例,并非因此限制本申请的保护范围,凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效装置或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本申请的专利保护范围内。
Claims (16)
1.一种集流体,其特征在于,包括:
基材层;
电极层,所述电极层的数量为两个并分别贴设于所述基材层的相背两侧表面;以及
导电层,所述导电层位于所述基材层与所述电极层之间,其中所述导电层的电阻率小于或等于所述电极层的电阻率,以提高所述集流体的导电性。
2.根据权利要求1所述的集流体,其特征在于,所述基材层为绝缘的高分子聚合物,以支撑并隔断所述两个电极层。
3.根据权利要求1所述的集流体,其特征在于,所述基材层的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚酰胺、酚醛树脂、聚苯、聚吡咯、聚噻吩、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚乙二醇、聚甲醛和聚乙炔的衍生物、交联物及共聚物中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的集流体,其特征在于,所述基材层的厚度为1μm-15μm。
5.根据权利要求1所述的集流体,其特征在于,所述电极层的材料为铜或者铝。
6.根据权利要求1所述的集流体,其特征在于,所述电极层通过物理气相沉积中的磁控溅射镀在所述导电层背离所述基材层的表面形成。
7.根据权利要求1所述的集流体,其特征在于,所述电极层的厚度为100nm-300nm。
8.根据权利要求1所述的集流体,其特征在于,所述导电层的材料可为铜、银中的一种或多种组合。
9.根据权利要求1所述的集流体,其特征在于,所述导电层通过物理气相沉积中的真空蒸镀在所述基材层表面形成。
10.根据权利要求1所述的集流体,其特征在于,所述导电层的厚度在200nm-5μm之间。
11.根据权利要求1所述的集流体,其特征在于,所述集流体还包括无机涂层,以增强所述基材层的附着力。
12.根据权利要求11所述的集流体,其特征在于,所述无机涂层的材料可采用氧化硅、碳化硅、氧化铝中的一种或几种组合。
13.根据权利要求11所述的集流体,其特征在于,所述无机涂层可通过物理气相沉积中的磁控溅射镀膜形成。
14.根据权利要求11所述的集流体,其特征在于,所述无机涂层厚度为100nm-500nm。
15.根据权利要求1-14任一项所述的集流体,其特征在于,所述集流体的厚度5μm-15um之间。
16.一种锂离子电池,其特征在于,包括根据权利要求1-15任一项所述的集流体及涂覆于所述电极层上的电极活性材料。
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