CN113258077A

CN113258077A - 一种正极集流体和锂离子电池

Info

Publication number: CN113258077A
Application number: CN202110714679.0A
Authority: CN
Inventors: 王宣; 邹浒
Original assignee: Zhuhai Cosmx Battery Co Ltd
Current assignee: Zhuhai Cosmx Battery Co Ltd
Priority date: 2021-06-25
Filing date: 2021-06-25
Publication date: 2021-08-13
Also published as: WO2022267764A1

Abstract

本发明提供一种正极集流体和锂离子电池。本发明第一方面提供一种正极集流体，所述正极集流体包括聚合物层以及设置在所述聚合物层至少一个功能表面的金属层；其中，所述金属层的致密度≥80％。本发明通过提高正极集流体中金属层的致密度，降低了正极集流体的方阻，提高了正极集流体的导电性能。

Description

一种正极集流体和锂离子电池

技术领域

本发明涉及一种正极集流体和锂离子电池，涉及二次电池技术领域。

背景技术

锂离子电池具有能量密度高、工作电压高、重量轻，体积小、绿色环保等优点，被广泛应用于各个领域，正极集流体作为锂离子电池的重要组成部分，起到传输电子、附着正极活性物质以及为正极片提供一定机械强度的作用。传统的正极集流体主要是铝合金材料通过铸轧、冷轧、箔轧等工艺制备得到，其面密度较大，会影响锂离子电池的能量密度。

为了提高锂离子电池的能量密度，目前有一种复合集流体，其包括聚合物层和设置在聚合物层上表面和/或下表面的金属层，表层金属层起到传输电子、附着活性物质的作用；中间聚合物层具有较高的延伸率，可保证正极集流体在后续制备过程中不发生断裂的问题。

复合集流体的面密度明显优于传统金属集流体，此外，当锂离子电池发生短路时，聚合物会产生热收缩，造成局部断路，阻止内部回路形成，从而提高锂离子电池的安全性能，然而，该种结构的正极集流体导电性能较差，导致正极集流体以及包括该正极集流体的锂离子电池的内阻较大，因此，如何对该种结构的正极集流体进行改进，以提高正极集流体的导电性能受到了越来越多的关注。

发明内容

本发明提供了一种正极集流体，用于改善其导电性能。

本发明还提供了一种锂离子电池，用于降低锂离子电池的内阻，提高其导电性能。

本发明第一方面提供了一种正极集流体，所述正极集流体包括聚合物层以及设置在所述聚合物层至少一个功能表面的金属层；

其中，所述金属层的致密度≥80％。

本发明提供了一种正极集流体，所述正极集流体包括聚合物层和设置在聚合物层至少一个功能表面的金属层，其中，功能表面是指聚合物层中，相对的两个用于设置金属层的表面，具体为聚合物层上表面和下表面，例如，图1为本发明一实施例提供的正极集流体的结构示意图，如图1所示，正极集流体包括聚合物层101和设置在聚合物层101上表面的金属层102；图2为本发明又一实施例提供的正极集流体的结构示意图，如图2所示，正极集流体包括聚合物层101和设置在聚合物层101上表面和下表面的金属层102。本领域技术人员知晓，随着金属层厚度的增加，金属层的方阻会降低，正极集流体的导电性能也会相应提高，但是金属层厚度的增加会影响正极集流体的厚度，进而影响锂离子电池的能量密度，因此，为了不影响正极集流体的厚度，本发明通过提高金属层的致密度降低金属层的方阻，进而提高正极集流体的导电性能，具体地，金属层的致密度≥80％，由于目前行业并无金属层致密度的相关测试方法，因此，本发明提供了一种致密度的计算方法，即本发明中金属层的致密度通过式1所示的方法计算得到：

其中，ρ为室温下金属的电阻率，该金属为制备金属层所使用的金属材料，R₁为金属层的四探针方阻，L₁为金属层的厚度，可以理解的是，式1仅为致密度的计算方法，致密度作为金属层的固有参数，与四探针方阻和厚度无关。在制备过程中，本领域技术人员可以根据机械辊轧、粘结、气相沉积法、化学镀、电镀中的至少一种方法在聚合物层表面形成金属层，并通过控制工艺参数控制金属层的致密度，其中，制备方法优选气相沉积法。本发明通过提高正极集流体表面金属层的致密度，降低了正极集流体的方阻，提高了正极集流体的导电性能。

考虑到正极集流体的不同制备需要，部分聚合物层的表面可以不设置金属层，即所述金属层的长度小于等于所述聚合物层的长度。

图3为本发明又一实施例提供的正极集流体的结构示意图，如图3所示，该正极集流体包括聚合物层101和设置在聚合物层101上表面和下表面的金属层102，且金属层102的长度小于聚合物层101的长度，聚合物层101上表面和下表面的金属层的长度可以相同或不同，具体根据实际生产需要进行设置，此外，本领域技术人员也可以根据实际需要在聚合物层表面设置其他涂层，以满足锂离子电池的不同制备需求，例如，设置安全涂层，以提高锂离子电池的安全性。

为了进一步提高正极集流体的导电性能，可以在所述正极集流体上设置若干个贯通孔，所述贯通孔连通所述正极集流体的上表面和下表面。

图4为本发明又一实施例提供的正极集流体的结构示意图，如图4所示，该正极集流体包括聚合物层101和设置在聚合物层101上表面和下表面的金属层102，并且正极集流体上设置有若干个贯通孔103，该贯通孔103贯穿整个正极集流体，连通正极集流体的上表面和下表面，贯通孔103内可以填充导电剂等有利于导电的材料，位于正极集流体上表面的电子可通过该贯通孔内的导电剂移动至正极集流体的下表面，进一步提高正极集流体的导电性能。

本领域技术人员可根据常规技术手段选择聚合物层和金属层的材料，具体地，所述聚合物层包括高分子材料及高分子基复合材料中的至少一种，进一步地，高分子材料为聚酰胺、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚丙乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚乙烯醇、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯磺酸钠、聚乙炔、硅橡胶、聚甲醛、聚苯醚、聚苯硫醚、聚乙二醇、聚氮化硫、聚苯、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩、聚吡啶、纤维素、淀粉、蛋白质、环氧树脂、酚醛树脂中的一种或多种，高分子基复合材料为上述高分子材料的衍生物、交联物、共聚物中的一种或多种；所述金属层包括铝、镍、钛、银、镍铜合金、铝锆合金中的一种或多种。

为了进一步提高锂离子电池的能量密度，所述金属层的厚度为0.1-10μm，进一步地，所述金属层的厚度为0.5-1.5μm；所述聚合物层的厚度为0.1-20μm，进一步地，所述聚合物层的厚度为6-12μm。

综上，本发明通过提高正极集流体表面金属层的致密度，降低了正极集流体的方阻，提高了正极集流体的导电性能。

本发明第二方面提供一种锂离子电池，所述锂离子电池包括正极片、负极片和隔膜，所述正极片包括上述任一所述的正极集流体，以及设置在所述正极集流体至少一个功能表面的正极活性物质层；所述负极片包括负极集流体和设置在所述负极集流体至少一个功能表面的负极活性物质层，所述负极集流体的断裂延伸率大于等于7％。

本发明提供一种锂离子电池，本领域技术人员知晓，锂离子电池包括正极片、负极片和隔膜，其中，正极片包括正极集流体以及设置在正极集流体至少一个功能表面的正极活性物质层，正极集流体为本发明第一方面提供的高致密度正极集流体，在上述正极集流体的基础上，将正极活性物质、导电剂和粘结剂混合均匀制备得到正极活性浆料，并将正极活性浆料均匀涂布在正极集流体表面，经烘干、辊压后制备得到正极片；负极片包括负极集流体以及设置在负极集流体至少一个功能表面的负极活性物质层，常规的负极集流体为断裂伸长率为3％左右的金属箔材，所述金属箔包括铜，本发明发明人研究发现，选用断裂延伸率较高的负极集流体有利于防止负极集流体发生断裂，提高锂离子电池的安全性能，具体地，所述负极集流体的断裂延伸率大于等于7％，断裂延伸率可根据本领域常规测试方法测试得到，在上述负极集流体的基础上，将负极活性物质、导电剂、粘结剂和增稠剂混合均匀制备得到负极活性浆料，并将负极活性浆料均匀涂布在负极集流体表面，经烘干、辊压后制备得到负极片，正极片与负极片的材料均可根据本领域常规技术手段进行，例如，正极活性物质包括钴酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰酸锂(三元材料)中的一种或多种，负极活性物质包括石墨、炭黑中的一种或两种。将正极片和负极片搭配隔膜并结合本领域常规技术手段制备得到电芯，并经封装、注液、化成后制备得到锂离子电池。

此外，锂离子电池还包括极耳，且极耳的位置对锂离子电池的内阻具有较大的影响，例如，当正极耳和负极耳位于极片头部时，锂离子电池的内阻较大，但其安全性和能量密度较高，当正极耳和负极耳位于极片中间时，锂离子电池的内阻较小，但其安全性和能量密度较差，本领域技术人员可结合实际生产需要设置极耳的位置。

综上，本发明提供的锂离子电池，在使用高致密度正极集流体的基础上，搭配断裂延伸率大于等于7％的负极集流体，有助于提高锂离子电池的安全性能。

本发明的实施，至少具有以下优势：

1、本发明通过提高正极集流体中金属层的致密度，降低了正极集流体的方阻，提高了正极集流体的导电性能。

2、本发明提供的锂离子电池，在使用高致密度正极集流体的基础上，搭配断裂延伸率大于等于7％的负极集流体，有助于提高锂离子电池的安全性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的正极集流体的结构示意图；

图2为本发明又一实施例提供的正极集流体的结构示意图；

图3为本发明又一实施例提供的正极集流体的结构示意图；

图4为本发明又一实施例提供的正极集流体的结构示意图；

图5为本发明一实施例提供的电芯的结构示意图；

图6为本发明又一实施例提供的电芯的结构示意图；

图7为本发明又一实施例提供的电芯的结构示意图。

附图标记说明：

101-聚合物层；

102-金属层；

103-贯通孔；

200-正极片；

300-负极片；

400-正极耳；

500-负极耳。

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实施例，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。

实施例1

本实施例提供的正极集流体包括聚合物层以及设置在聚合物层上表面和下表面的金属层，总厚度为11μm，其中：

金属层(购买自溧阳卓越新材料科技有限公司)为铝层，金属铝层的致密度为80％，厚度为1μm；

使用四探针电阻测试仪对金属铝层的方阻进行测试，测试结果显示，该金属铝层的四探针方阻为31.3mΩ/□；

聚合物层为PET层，厚度为9μm。

对比例1

本对比例提供的正极集流体可参考实施例1，区别在于金属铝层的致密度为50％，厚度为1.2μm；

经测试，该金属铝层的四探针方阻为50mΩ/□。

对比例2

本对比例提供的正极集流体可参考实施例1，区别在于金属铝层的致密度为30％，厚度为1.3μm；

经测试，该金属铝层的四探针方阻为75mΩ/□。

综上，实施例1提供的金属层的方阻明显低于对比例1-2，说明本发明提供的正极集流体具有更好的导电性能。

实施例2

本实施例提供的锂离子电池包括正极片、负极片和隔膜，其结构如图5所示，其中：

正极片200包括实施例1提供的正极集流体以及设置在正极集流体上表面和下表面的正极活性物质层，正极活性物质层包括97质量份的正极活性物质钴酸锂、2质量份的粘结剂PVDF和1质量份的导电炭黑；

制备过程中，将上述材料分散在N-甲基吡咯烷酮中，混合均匀制备得到正极活性浆料；将所述正极活性浆料均匀地涂在正极集流体的上表面和下表面，在90-130℃下干燥6小时后经辊压机辊压，并在正极集流体表面焊接正极耳400后得到正极片200；

负极片300包括负极集流体和设置在负极集流体上表面和下表面的负极活性物质层，负极集流体为铜箔，断裂延伸率为7％，负极活性物质层包括97质量份的负极活性物质石墨、1质量份的粘结剂丁苯橡胶、1.5质量份的增稠剂羧甲基纤维素钠和0.5质量份的导电剂导电炭黑；

制备过程中，将上述材料分散在去离子水中，混合均匀得到负极活性浆料；将所述负极活性浆料均匀地涂在负极集流体铜箔的上表面和下表面，在90-130℃下干燥6小时后经辊压机辊压，并焊接负极耳500后得到负极片300；

将制备得到的正极片200、负极片300和隔膜按图5所示的卷绕方式制备得到锂离子电池。

实施例3

本实施例提供的锂离子电池采用图6所示的结构，即正极片和负极片与实施例2相同，不同之处在于极耳位置不同。

实施例4

本实施例提供的锂离子电池采用图7所示的结构，即正极片和负极片与实施例2相同，不同之处在于极耳位置不同。

对比例3

本对比例提供的锂离子电池可参考实施例2，不同之处在于，负极集流体的断裂延伸率为3％。

对比例4

本对比例提供的锂离子电池可参考实施例3，不同之处在于，负极集流体的断裂延伸率为3％。

对比例5

本对比例提供的锂离子电池可参考实施例4，不同之处在于，负极集流体的断裂延伸率为3％。

对比例6

本对比例提供的锂离子电池可参考对比例3，区别在于正极集流体为对比例1提供的正极集流体。

对比例7

本对比例提供的锂离子电池可参考对比例3，区别在于正极集流体为对比例2提供的正极集流体。

本发明进一步对实施例2-4以及对比例3-7提供的锂离子电池的内阻、重物冲击性能、能量密度以及正极活性物质层与金属层之间的附着力进行测试，测试结果见表1：

其中，锂离子电池的交流内阻通过1KHz内阻测试仪测试得到；

重物冲击测试包括：取锂离子电池充满电，并放置于一平面，将一个直径15.8±0.2mm的钢柱置于电芯中心，钢柱的纵轴平行于平面，让质量为9.1±0.1kg的重物从610±25mm的高度自由落到卷芯中心上方的钢柱上，每个实施例/对比例测试20只锂离子电池，以卷芯不起火不爆炸视为通过。

能量密度测试包括：对锂离子电池以0.2C恒流充电到4.45V后恒压充电，恒压充电至截止电流为0.02C，以0.2C恒流放电至截止电压3.0V，计算锂离子电池的容量；根据能量密度＝(容量*平均电压)/重量，计算得到锂离子电池的能量密度。

附着力测试包括：取辊压后的正极片平铺于桌面，使用24mm宽的透明胶沿极片边缘贴于极片上，使用刀片截切出相同宽度的样件；将截切好的样件通过双面胶贴在OPP膜上，使用2Kg压辊来回压三遍，进行附着力测试。

表1实施例2-4以及对比例3-7提供的测试结果

根据对比例3以及对比例6-7提供的数据可知，使用本发明提供的正极集流体可有效降低锂离子电池的内阻，提高锂离子电池的导电性能，并且由于金属层厚度降低，也有利于提高锂离子电池的能量密度；根据实施例3-4以及对比例4-5提供的数据可知，使用断裂延伸率较高的负极集流体有利于进一步提高锂离子电池的安全性能。通过实施例2-4或对比例3-5提供的数据可知，不同的极耳位置导致锂离子电池的内阻、安全性能和能量密度也不相同，可以需要根据实际需要设置电芯的结构。

综上，本发明通过提高正极集流体中金属层的致密度，降低了正极集流体的方阻，提高了正极集流体的导电性能，同时搭配断裂延伸率大于等于7％的负极集流体，有助于提高锂离子电池的安全性能。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种正极集流体，其特征在于，所述正极集流体包括聚合物层以及设置在所述聚合物层至少一个功能表面的金属层；

其中，所述金属层的致密度≥80％。

2.根据权利要求1所述的正极集流体，其特征在于，所述金属层的长度小于等于所述聚合物层的长度。

3.根据权利要求1所述的正极集流体，其特征在于，所述正极集流体设置有若干个贯通孔，所述贯通孔连通所述正极集流体的上表面和下表面。

4.根据权利要求1-3任一项所述的正极集流体，其特征在于，所述金属层包括铝、镍、钛、银、镍铜合金、铝锆合金中的一种或多种。

5.根据权利要求1-3任一项所述的正极集流体，其特征在于，所述金属层的厚度为0.1-10μm。

6.根据权利要求1-3任一项所述的正极集流体，其特征在于，所述金属层的厚度为0.5-1.5μm。

7.根据权利要求1-6任一项所述的正极集流体，其特征在于，所述聚合物层包括聚酰胺、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚丙乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚乙烯醇、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯磺酸钠、聚乙炔、硅橡胶、聚甲醛、聚苯醚、聚苯硫醚、聚乙二醇、聚氮化硫、聚苯、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩、聚吡啶、纤维素、淀粉、蛋白质、环氧树脂、酚醛树脂以及以上材料的衍生物、交联物、共聚物中的一种或多种。

8.根据权利要求1-6任一项所述的正极集流体，其特征在于，所述聚合物层的厚度为0.1-20μm。

9.一种锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池包括正极片、负极片和隔膜，所述正极片包括权利要求1-8任一项所述的正极集流体，以及设置在所述正极集流体至少一个功能表面的正极活性物质层；所述负极片包括负极集流体和设置在所述负极集流体至少一个功能表面的负极活性物质层，所述负极集流体的断裂延伸率大于等于7％。

10.根据权利要求9所述的锂离子电池，其特征在于，所述负极集流体包括金属箔材，所述金属箔材包括铜。