CN113224315A - 集流体及锂电池 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种集流体及锂电池，本发明的所述集流体包括复合载体层和表面固定层，所述复合载体层由非金属材料和导电化合物组成，所述复合载体层开设有若干孔洞，所述复合载体层的表面连接所述表面固定层。复合载体层由非金属材料和导电化合物组成，带孔的复合载体层和非金属材料的组合使得本发明的集流体成本比金属集流体低，也降低了集流体的重量，从而提高了电池能量密度，提高电池循环寿命，也提升了集流体整体的结构稳定性。所述锂电池包括外壳和固定于所述外壳内的电芯，所述电芯包括正极和负极，所述正极和负极均包括本发明的所述的集流体，提高了锂电池能量密度和循环寿命，降低了锂离子电池的生产成本。

Description

集流体及锂电池

技术领域

本发明涉及储能器件领域，尤其涉及一种集流体及锂电池。

背景技术

集流体，指汇集电流的结构或零件，在锂电池上主要指的是金属箔，如铜箔、铝箔。泛指也可以包括极耳。其功用主要是将电池活性物质产生的电流汇集起来以便形成较大的电流对外输出，因此集流体应与活性物质充分接触。

在锂电池制造行业中，需要在锂离子二次电池的正极和负极设置集流体，现有的集流体普遍采用铝箔材料或者铜箔材料制成，采用现有的铝箔材料或者铜箔材料制成的集流体能够满足锂离子二次电池的制造要求，但是还存在以下缺陷：

一方面，由于铜铝箔材料本身较重，因此无形当中增加了锂离子二次电池的重量；另一方面，由于其材料均采用铜铝箔材料，其成本占比相对较高；一般集流体的重量占整个电池的20％～25％，则电极材料占整个电池的比重大大减少，使得电池能量密度低，降低了电池循环寿命。

公开号为CN 109786755 A的发明专利申请，公开了双极性电池集流体结构及制备方法，属于电化学储能技术领域，上述双极性电池集流体结构的特征在于：在基体的单面或者是双面涂布有保护层。上述双极性电池集流体结构的制备方法的特征在于：使用物理气相沉积或化学气相或电化学沉积或表面熔融或喷涂或3D打印或匀浆制备在基体的单面或双面涂布保护层。通过采用上述技术方案，该双极性电池集流体结构及制备方法用于提升电芯能量密度，提高电芯输出特性。该发明的集合流体结构在基体的单面或者是双面涂布有保护层，由于保护层是涂布设置于基体上的，因此固定方式并不稳定，集合流体的整体结构稳定性较低，降低了电池的使用寿命。

因此，有必要提供一种集流体及锂电池以解决现有技术中存在的上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种集流体及锂电池，以解决现有技术中集流体成本高、重量大而造成的电池能量密度低、影响电池循环寿命、集流体结构不稳定的问题。

为实现上述目的，本发明的所述集流体包括复合载体层和表面固定层，所述复合载体层的表面连接所述表面固定层，所述复合载体层开设有若干孔洞，所述复合载体层由非金属材料和导电化合物复合而成。

本发明的所述集流体的有益效果在于：

复合载体层开设有若干孔洞并由非金属材料和导电化合物组成，带孔的复合载体层和非金属材料的组成成分使得本发明的所述集流体成本比金属集流体低，也降低了集流体的重量，从而提高了电池能量密度，提高电池循环寿命。复合载体层表面连接表面固定层，从而提升了集流体整体的结构稳定性，成本低。

优选地，导电化合物占所述复合载体层上的重量百分比为3～95％。其有益效果在于：在复合载体层上设置导电化合物，保证其导电性，保证集流体的汇集电流的速度。

优选地，所述若干孔洞使所述复合载体层的孔隙率为3％-95％。其有益效果在于：在复合载体层上设置孔洞，不仅可以进一步降低集流体的重量，提高了电池能量密度，而且可以提高复合载体层内离子的导通率，从而保证集流体的汇集电流的速度。

优选地，所述导电化合物为石墨、碳纳米管、石墨烯、炭黑、金属粉末中的任意一种或多种的复合。

优选地，所述非金属材料为聚酯、聚丙烯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚乙烯、聚氧化乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物﹑聚碳酸酯﹑聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚乙烯醇、无纺布或聚酯、碳纤维、碳管、石墨烯中的任意一种或者多种的复合。

优选地，所述复合载体层的厚度为0.1-100um。其有益效果在于：单层的复合载体层，保证了载流体完整的功能的同时，也保证了较薄的厚度，从而使集流体的重量和体积更小，降低了成本，集流体占电池正极和负极的面积较小，方便了电池集流体的装配。

优选地，所述表面固定层包括至少两个金属箔，所述至少两个金属箔在所述复合载体层上对称设置。其有益效果在于：金属箔在保证集流体结构稳定的同时，也起到导电的作用，从而使集流体与锂电池的正极之间或集流体与负极之间的电流流动。

进一步优选地，所述金属箔的组成材料为金、钨、铂、铁、钴、镍、镁、锌、铝、钛、铬中的一种或多种的复合。

本发明还提供一种锂电池，包括外壳和固定于所述外壳内的电芯，所述电芯包括正极和负极，所述正极和负极均包括本发明的所述的集流体。

本发明的锂电池的有益效果在于：

本发明的锂电池的正极和负极均包括本发明所述集流体，提高了锂电池能量密度，提高锂电电池的循环寿命，降低了锂离子电池的生产成本。

优选地，所述正极还包括正极活性物质，所述正极上的所述集流体与所述正极活性物质接触，所述正极活性物质包括钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、磷酸锰铁锂、镍钴锰酸锂、镍锰尖晶石中的任意一种或多种的组合。

优选地，所述负极还包括负极活性物质，所述负极上的所述集流体与所述负极活性物质接触，所述负极活性物质包括天然石墨、人造石墨、中间相碳微球、钛酸锂、硅或硅碳合金、锡合金中的任意一种或多种的组合。

附图说明

图1为本发明的集流体的正剖结构示意图；

图2为本发明的实施例二的集流体正面结构示意图；

图3为本发明的实施例二另一种实施方式中的集流体的正面结构示意图；

图4为本发明的实施例三的集流体的正面结构示意图；

图5为本发明的锂电池内部结构示意图。

图中：1-表面固定层；10-金属箔；101-L型金属箔；11-间隙；

2-复合载体层；20-孔洞；21-导电化合物；22-非金属材料；

3-正极；30-正极集流体；31-正极活性物质；

4-负极；40-负极集流体；41-负极活性物质；5-外壳。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所述领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。

针对现有技术存在的问题，本发明的实施例提供了一种集流体，可说明的是，本发明的图1至图4为集流体的结构位置示意图，而非产品结构或尺寸图，因此图1至图4中的形状结构和尺寸大小均不代表本发明的集流体和锂电池产品的实际形状结构和尺寸大小。

图1为本发明的集流体的正剖结构示意图，参照图1，本发明的集流体包括复合载体层2和表面固定层1，复合载体层2的表面连接表面固定层1，复合载体层2由非金属材料22和导电化合物21复合而成，复合载体层2开设有若干孔洞20。

本发明的集流体的有益效果在于：

复合载体层2由非金属材料22和导电化合物21组成，带孔的复合载体层2和非金属材料的组成成分使得本发明的集流体成本比金属集流体低，也降低了集流体的重量，从而提高了电池能量密度，提高电池循环寿命。复合载体层2表面连接表面固定层1，提升了集流体整体的结构稳定性，成本低。

作为本发明一种优选的实施方式，若干孔洞20使复合载体层2的孔隙率为3％-95％。其优点为：在复合载体层2上设置孔洞20，不仅可以降低集流体的重量，提高了电池能量密度，而且可以提高复合载体层内离子的导通率，从而保证集流体的汇集电流的速度。需注意的是，复合载体层2的孔隙率不可太大或太小，不可超过3％-95％的范围；若孔隙率太大，则复合载体层2的强度无法满足电池装配过程的要求；若孔隙率太小，则使复合载体层2无法形成导通结构，会降低复合载体层2中离子流动速度。

作为本发明一种优选的实施方式，导电化合物21占复合载体层1上的重量百分比为3～95％。其优点为：在复合载体层上设置导电化合物，保证其导电性，保证集流体的汇集电流的速度。

可说明的是，导电化合物21占复合载体层1上的重量百分比不宜低于3％，因为若导电化合物21重量占比太低，导电能力受到很大影响，电池内阻大，发热严重。另外，导电化合物占21复合载体层1上的重量百分比也不宜高于95％，若导电化合物21重量占比太高，会加大复合载体层加工难度，载体层的强度无法满足产线要求。

作为本发明一种优选的实施方式，导电化合物21为石墨、碳纳米管、石墨烯、炭黑、金属粉末中的任意一种或多种的复合。可说明的是，金属粉末为导电的粉末状的金属，如金粉、银粉、铜粉和铝粉等一种或多种的混合金属粉末。

导电化合物21还可以为金属化合物，如氧化锡、氧化锌和硫化铁等化合物。

作为本发明一种优选的实施方式，非金属材料22为聚酯、聚丙烯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚乙烯、聚氧化乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物﹑聚碳酸酯﹑聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚乙烯醇、无纺布或聚酯、碳纤维、碳管、石墨烯中的任意一种或者多种的复合。

作为本发明一种优选的实施方式，复合载体层2的厚度为0.1-100um。其优点为：单层的复合载体层2，保证了载流体完整的功能的同时，也保证了较薄的厚度，从而使集流体的重量和体积更小，降低了成本，集流体占电池正极和负极的面积较小，方便了电池集流体的装配。

作为本发明一种优选的实施方式，表面固定层1包括至少两个金属箔10，至少两个金属箔10在复合载体层2上对称设置。其优点为：金属箔10在保证集流体结构稳定的同时，也起到导电的作用，从而使集流体与锂电池的正极之间或集流体与锂电池的负极之间的离子流动更加顺畅。

作为本发明一种优选的实施方式，金属箔10的组成材料为金、钨、铂、铁、钴、镍、镁、锌、铝、钛、铬中的一种或多种的复合。

实施例一

参照图1，本发明的集流体包括一层复合载体层2和两个表面固定层1。表面固定层1均可为金属箔10。两个金属箔10分别与复合载体层2的顶面和底面连接。两个金属箔10关于复合载体层2上下对称。在保证本发明集流体结构稳定性的前提下，也保证了集流体较薄的厚度，两个金属箔10和复合载体层2均呈长方体形状，金属箔10均覆盖在复合载体层2的表面，金属箔10稳定的形状和结构保证了复合载体层2结构的稳定性，保证其稳定的汇集电流的作用。金属箔10的底面和顶面均为平面，使得本发明的集流体与正极或负极紧密接触，保证了离子的流动速度，也保证了集流体上离子的均匀流动。

实施例二

如图2所示，图2为本发明的实施例二的集流体正面结构示意图。本发明的集流体包括一层复合载体层2和表面固定层1，表面固定层1包括至少四个金属箔10。四个金属箔10中的任意两个均关于复合载体层2的中心对称。四个金属箔10和复合载体层2的正面均呈矩形结构。四个金属箔10分别固定装配于复合载体层2的顶面左端、顶面右端、底面左端和底面右端。实施例二的金属箔10结构可以节省本发明的集流体的金属箔10的面积和覆盖度，从而进一步减轻了集流体的重量，节省了成本。

图3为本发明的实施例二的另一种实施方式中的集流体正面结构示意图。参照图3，在本发明实施例二的另一种实施方式中，四个金属箔(图中未标示)可以为L型金属箔101，L型金属箔101即为正面呈“L”形的金属箔。其中，位于复合载体层2顶面的L型金属箔101的底面与复合载体层2的顶面一端连接，L型金属箔101的侧面与复合载体层2的侧面连接。位于复合载体层2底面的L型金属箔101的顶面与复合载体层2的底面一端连接，L型金属箔101的侧面与复合载体层2的侧面连接。这种结构设计既能保证集流体结构的紧凑性，L型金属箔101也能很好的保护复合载体层2的顶面的边缘及侧部，也能保护复合载体层2的边角，降低复合载体层2和集流体的磨损，从而提高集流体的整体使用寿命。

实施例三

如图4所示，图4为本发明的实施例三的集流体的正面结构示意图。本发明的集流体包括本发明的集流体包括一层复合载体层2和表面固定层1，表面固定层1包括若干金属箔10。金属箔10的数量大于四个，且为偶数。

为保证集流体上电流流动均匀性，若干金属箔10在复合载体层2上均匀分布，即复合载体层2顶面的若干金属箔10等距设置，且金属箔10的顶面在同一水平面上。复合载体层2底面的若干金属箔10也等距设置，且金属箔10的底面均在同一水平面上。

采用实施例三的设计，相邻金属箔10之间设置间隙11，在保证集流体的汇集电流的速度前提下，为复合载体层2保留了更大的散热空间，提高集流体的使用寿命。

图5为本发明的锂电池内部结构图。参照图5，本发明还提供一种锂电池，包括外壳5和固定于外壳内的电芯(图中未标示)，电芯包括正极3和负极4，正极3和负极4均包括本发明的的集流体。

本发明的锂电池的优点为：

本发明的锂电池的正极和负极均包括本发明集流体，提高了锂电池能量密度，提高锂电电池的循环寿命，降低了锂离子电池的生产成本。

作为本发明一种优选的实施方式，正极3还包括正极活性物质31，正极3上的集流体即正极集流体30与正极活性物质31接触，正极活性物质包括钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、磷酸锰铁锂、镍钴锰酸锂、镍锰尖晶石中的任意一种或多种的组合。

作为本发明一种优选的实施方式，负极4还包括负极活性物质41，负极4上的集流体即负极集流体40与负极活性物质41接触，负极活性物质包括天然石墨、人造石墨、中间相碳微球、钛酸锂、硅或硅碳合金、锡合金中的任意一种或多种的组合。

可补充的是，本发明的锂电池可以为软包电池、方形铝壳电池、方形钢壳电池、圆柱铝壳电池或圆柱钢壳电池。

针对本发明某一种具体的实施例的电池与现有的电池进行对比说明，其具体实施例与对比例说明如下：

对比例和实施例中均以选择软包装5Ah磷酸铁锂电池来验证本发明效果。

对比例的正极和负极的选择：正极材料选择磷酸铁锂材料，正极集流体选择13微米铝箔；负极材料选择石墨材料，负极集流体选择8微米铜箔。

实施例的正极和负极的选择：正极材料选择磷酸铁锂材料，正极集流体采用本发明的实施例的集流体。正极集流体的的表面固定层采用厚度为6um的铝箔，作为正极极耳焊接处。

负极材料选择石墨材料，负极集流体采用本发明的实施例的集流体。负极集流体的的表面固定层采用厚度为4um的铝箔，作为负极极耳焊接处。

上述实施例与对比例的电极组分参数选择相同，具体参数如下：

正极材料的重量配比为：正极活性材料占正极材料的96％，另外还有占正极材料2％的聚偏氟乙烯PVDF5110，2％的碳黑导电剂SP。负极材料的重量配比为：其负极活性材料占负极材料的95％，另外还有占负极材料1.60％的羟甲基纤维素钠CMC，1.00％的碳黑导电剂SP，2.50％的丁苯橡胶SBR。

上述实施例与对比例的涂布和辊压参数相同，具体参数为：正极面密度为31mg/cm²，负极面密度为15.5mg/cm²；正极压实密度为2.3g/cm³，负极压实密度为1.4g/cm³。

用上述实施例和对比例的电极组分组装制成软包装电池，外壳选择铝塑膜材料进行封装成型，然后分别进行电解液注液、陈化、化成、分容等工序制得锂电池。

其具体的制作工序如下：

注液：将真空泵的抽吸口对准电池的注射口，打开抽真空泵对电池壳进行抽真空，抽真空后关闭真空泵。使注射装置的注射口插入电池的注射口，然后进行注液，为了保证注液效果，可以进行多次注液，注液完成后封口；

陈化：陈化是电池制作中重要的工序，陈化过程中选取电池分组进行陈化作业；

化成：将化成机线路按照正负极连接到电池上，利用化成机进行化成，然后根据电池型号，通过计算机完成对各个电池组进行参数的选择。

分容：把化成过的符合标准的电池进行分容，利用分容柜对电池进行分容操作。

分选：经过分容后，对电池进行分选，分选过程中将电池放在采集模块下，然后连接采集模块和电池，并经过放电、充电、放电、再充电四个步骤，检测电池的各项参数。

经过具体试验测试得到下述表1所示的电池性能参数：

表1

通过上述表1的数据可见，对比例电池的初始电池容量和本发明的实施例电池的初始电池容量一致，本发明的电池重量有所减轻，提高了电池的能量密度；依据表1还能观察到，本发明的实施例实验电池能量密度相对对比例的电池能量密度得到显著提升，且本发明的实施例的电池在能量密度具有显著优势的情况下，还显著的降低了集流体的成本，而且锂电池的循环性能也得到了改善。因此，采用本发明的集流体制作的锂电池具有显著提升电池能量密度、提高循环性能、降低集流体成本和电池的重量等优点。

虽然在上文中详细说明了本发明的实施方式，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，能够对这些实施方式进行各种修改和变化。但是，应理解，这种修改和变化都属于权利要求书中所述的本发明的范围和精神之内。而且，在此说明的本发明可有其它的实施方式，并且可通过多种方式实施或实现。

Claims (11)

1.一种集流体，其特征在于，包括复合载体层和表面固定层，所述复合载体层的表面连接所述表面固定层，所述复合载体层开设有若干孔洞，所述复合载体层由非金属材料和导电化合物复合而成。

2.如权利要求1中所述的集流体，其特征在于，所述导电化合物占所述复合载体层上的重量百分比为3～95％。

3.如权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述若干孔洞使所述复合载体层的孔隙率为3％-95％。

4.如权利要求1中所述的复合载体层，其特征在于，所述导电化合物为石墨、碳纳米管、石墨烯、炭黑、金属粉末中的任意一种或多种的复合。

5.如权利要求1中所述的复合载体层，其特征在于，所述非金属材料为聚酯、聚丙烯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚乙烯、聚氧化乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物﹑聚碳酸酯﹑聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚乙烯醇、无纺布或聚酯、碳纤维、碳管、石墨烯中的任意一种或者多种的复合。

6.如权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述复合载体层的厚度为0.1-100um。

7.如权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述表面固定层包括至少两个金属箔，所述至少两个金属箔在所述复合载体层上对称设置。

8.如权利要求7所述的集流体，其特征在于，所述金属箔的组成材料为金、钨、铂、铁、钴、镍、镁、锌、铝、钛、铬中的一种或多种的复合。

9.一种锂电池，其特征在于，包括外壳和固定于所述外壳内的电芯，所述电芯包括正极和负极，所述正极和负极均包括权利要求1-8任意一项所述的集流体。

10.如权利要求9所述的锂电池，其特征在于，所述正极还包括正极活性物质，所述正极上的所述集流体与所述正极活性物质接触，所述正极活性物质包括钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、磷酸锰铁锂、镍钴锰酸锂、镍锰尖晶石中的任意一种或多种的组合。

11.如权利要求9所述的锂电池，其特征在于，所述负极还包括负极活性物质，所述负极上的所述集流体与所述负极活性物质接触，所述负极活性物质包括天然石墨、人造石墨、中间相碳微球、钛酸锂、硅或硅碳合金、锡合金中的任意一种或多种的组合。

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