CN113422066B - 集流体、电极片及锂离子电池 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种集流体，所述集流体包括金属骨架层和载体层，载体层与金属骨架层连接，金属骨架层上设置有镂空孔，金属骨架层的组成材料包括导电金属材料，载体层上开设有孔洞，载体层的组成材料包括非金属材料，通过金属骨架层和非金属材料的载体层的组合而成集流体，降低了传统金属载流体的重量，从而提高了电池质量能量密度，并且金属骨架层位于载体层的外侧，保证了良好的导电性，从而降低了集流体的电阻，降低了集流体和电极的发热量，保证了电池可以大电流充放电。本发明还提供了一种包括所述集流体的电极片，降低了电极片的整体重量和发热量。本发明还提供了一种包括所述电极片的锂离子电池，提升了电极片和锂离子电池的使用寿命。

Description

集流体、电极片及锂离子电池

技术领域

本发明涉及电池领域，尤其涉及一种集流体、电极片及锂离子电池。

背景技术

集流体，在锂离子电池上主要指的是金属箔，如铜箔、铝箔，其主要功能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：

第一方面，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；

第二方面，由于其材料均采用铜铝箔材料，其成本占比相对较高；

第三方面，其结构设计单一，一般集流体的重量占整个电池的10％～25％，则电极材料占整个电池的比重大大减少，使得电池质量能量密度低，降低了电池循环寿命。

公开号为CN 109950511 A的发明专利公开了一种具有碳纤维集流体的硅碳负极材料，所述硅碳负极材料是由圆柱形纤维丝交织成片状结构，所述圆柱形纤维丝具有三层结构，内层为碳纤维集流体，中间层为纳米硅，外层为碳。碳纤维由圆柱形纤维丝交织成片状结构。该片状结构作为基底，容易沉积硅碳材料，便于封装。碳纤维交织成片状结构，其内部疏松，增加硅碳材料的吸附量，提高锂电池的容量和导电性。但是碳纤维集流体电阻大，发热量大，只能进行简单的小电流充放电。

因此，有必要提供一种以解决上述的现有技术中存在的问题。

发明内容

本发明的目的在于一种集流体、电极片及锂离子电池，以解决集流体重量大使得电池质量能量密度下降、集流体电阻大的问题。

为实现上述目的，本发明的所述集流体包括至少一个金属骨架层和至少一个载体层，所述载体层与所述金属骨架层连接，所述金属骨架层上设置有若干镂空孔，所述金属骨架层的组成材料包括导电金属材料，所述载体层上开设有若干孔洞，所述载体层的组成材料包括非金属材料。

本发明的所述集流体的有益效果在于：

通过金属骨架层和非金属材料的载体层的组合而成集流体，降低了传统金属载流体的重量，从而提高了电池质量能量密度；金属骨架层包括导电金属材料层，保证了良好的导电性，有利于集流体中电子的传输，提高锂离子电池的比容量和倍率性能，降低了集流体的电阻和电极的发热量。金属骨架层设置有镂空孔，载体层内开设有若干孔洞，提高了集流体承载正极活性物质或负极活性物质的总量及离子流通数量，使锂电池可以大电流充放电，提升了锂电池的使用寿命。

优选地，所述载体层设置在所述金属骨架层的顶面或底面或若干个所述金属骨架层之间，所述载体层和所述金属骨架层通过真空电镀、电解电镀和复合粘贴的任意一种方式复合连接。

优选地，所述金属骨架层的厚度为0.1-40微米，所述载体层的厚度为0.1-50微米。

优选地，所述非金属材料占所述载体层的重量百分比为30％-100％。

优选地，还包括至少一个导电层，所述导电层与所述金属骨架的顶面或底面连接。其有益效果在于，进一步提高集流体的导电能力，降低了金属骨架的损耗，在金属骨架和导电层均具有导电性的情况下，即使导电层损耗，金属骨架层依然能起到导电的作用，从而提升了集流体的容错性和使用寿命。

优选地，还包括至少一个活性材料层，所述活性材料层与所述金属骨架层的顶面或底面连接，所述活性材料层包括正极活性物质或负极活性物质。其有益效果在于：活性材料层与金属骨架层直接连接，从而缩短了集流体与正极活性物质或负极活性物质的距离，从而提高了集流体的聚集电流的效率。

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、石墨烯中任意一种或者多种的复合；

所述导电金属材料为金、钨、铂、铁、钴、铜、镍、镁、锌、铝、钛、铬中的一种或多种的复合。

本发明还提供一种电极片，包括正极片和负极片，所述正极片和所述负极片上均设置有本发明所述的集流体。

优选地，所述正极片包括正极活性物质，所述正极活性物质与所述正极片上的集流体接触，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，所述负极片包括负极活性物质，所述负极活性物质与所述负极片上的集流体接触，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。

本发明还提供一种锂离子电池，包括本发明所述的电极片。

本发明的所述电极片和所述锂离子电池的有益效果均在于：

本发明的所述电极片包括所述集流体，所述锂离子电池包括所述电极片，所述集流体通过金属骨架层和非金属材料的载体层的组合，降低了传统金属载流体的重量，从而提高了电池质量能量密度，并且金属骨架层位于载体层的外侧，保证了良好的导电性，从而降低了集流体的电阻，降低了集流体和电极的发热量，使得锂离子电池可以大电流充放电，提升了电极片和锂离子电池的使用寿命。

附图说明

图1为本发明实施例一的集流体结构示意图；

图2为本发明实施例一集流体的俯视图；

图3为本发明实施例一第二种实施方式中集流体的俯视图；

图4为本发明实施例一第三种实施方式中集流体的结构示意图；

图5为本发明实施例二的集流体结构示意图；

图6为本发明实施例三的集流体的结构示意图；

图7为本发明实施例的电极片结构图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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属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。

实施例一

针对现有技术存在的问题，本发明实施例一提供了一种集流体，图1为本发明实施例一的集流体结构示意图。参照图1，图1所示的集流体包括至少一个金属骨架层1和至少一个载体层2，金属骨架层1上设置若干镂空孔10，金属骨架层1的组成材料包括导电金属材料，保证集流体的导电性；载体层2与金属骨架层1连接，载体层2内开设有若干孔洞20，若干孔洞20在载体层2上均匀分布，若干孔洞20使得载体层2的孔隙率为3％-95％。在载体层2上设置孔洞20，在金属骨架层1上设置若干镂空孔10，不仅可以进一步降低载体层2和集流体的重量，提高了电池质量能量密度，且镂空孔10和孔洞20易于形成导通结构，便于离子的流动，从而保证集流体的汇集电流的速度。载体层2的组成材料为非金属材料，非金属材料占载体层2的重量百分比为30％-100％，进一步降低集流体的重量。非金属材料重量占比不可太低，若非金属材料重量占比太低将无法起到减重的效果，影响电池的重量能量密度。

本发明的集流体的优点在于：

通过金属骨架层1和非金属材料的载体层2的组合而成集流体，降低了传统金属载流体的重量，从而提高了电池质量能量密度；金属骨架层1包括导电金属材料层，保证了良好的导电性，有利于集流体中电子的传输，提高锂离子电池的比容量和倍率性能，降低了集流体的电阻和电极的发热量。载体层2内开设有若干孔洞20，提高了集流体承载正极活性物质或负极活性物质的总量及离子流通数量，使锂电池可以大电流充放电，提升了锂电池的使用寿命。

作为本发明实施例一的一种优选的实施方式，载体层2和金属骨架层1通过真空电镀、电解电镀和复合粘贴的任意一种方式复合连接。

作为本发明实施例一的一种优选的实施方式，金属骨架层1的厚度为0.1-40微米，载体层2的厚度为0.1-50微米。

作为本发明实施例一的一种优选的实施方式，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、石墨烯中任意一种或者多种的复合。

作为本发明实施例一的一种优选的实施方式，导电金属材料为金、钨、铂、铁、钴、铜、镍、镁、锌、铝、钛、铬中的一种或多种的复合。

参照图1，集流体的金属骨架层1和载体层2的数量均为一个，载体层2设置于金属骨架层1的顶面或底面。其优点在于：金属骨架层1和载体层2结构简单，易于加工。

图2为本发明实施例一的集流体的俯视图，参照图2，在发明实施例一的第一种实施方式中，金属骨架层1上的镂空孔10形状为矩形，且矩形的镂空孔10在金属骨架层1上均匀分布，镂空孔10的外径比孔洞20的外径大，这样一个镂空孔10可以与多个孔洞20连通，保证了集流体的集流效率，保证集流体聚集电流的均匀性和稳定性。

图3为本发明实施例一的第二种实施方式中集流体的俯视图。参照图3，在发明实施例一的第二种实施方式中，镂空孔10的形状还可以为圆形，圆形的镂空孔10在金属骨架层1上均匀分布，每个镂空孔10与若干个孔洞20连通。

图4为本发明实施例一的第三种实施方式中集流体的结构示意图。参照图4，在本发明实施例一的第三种实施方式中，本发明的集流体包括两个载体层2和一个金属骨架层1，金属骨架层1上设置若干镂空孔10，两个金属骨架层1平行设置，载体层2上设置若干孔洞20，载体层2嵌在两个金属骨架层1之间。载体层2的顶面连接其中一个金属骨架层1的底面，载体层2的底面连接另一个金属骨架层1的顶面，两个金属骨架层1关于载体层2对称。两个金属骨架层1更好的保护了载体层2，金属骨架层1可以与电极连接，从而使得集流体的任意一面均可与正电极或负电极直接连接。

实施例二

图5为本发明实施例二集流体的结构示意图。参照图5，图5所示的集流体包括至少一个金属骨架层1、至少一个载体层2和至少一个导电层3，导电层3与金属骨架层1的底面或顶面连接。金属骨架层1上设置若干镂空孔10，载体层2上设置若干孔洞20，金属骨架层1的组成材料包括导电金属材料，载体层2的组成材料为非金属材料。

具体地，金属骨架层1数量为两个，载体层2数量为一个，两个金属骨架层1分别与载体层2的顶面和底面连接，导电层3可为两个，其中一个导电层3与载体层2顶部的金属骨架1的顶面连接，另一个导电层3与载体层2底部的金属骨架1的底面连接。其优点在于：进一步提高集流体的导电能力，降低了金属骨架1的损耗，在金属骨架1和导电层3均具有导电性的情况下，即使导电层3损耗，金属骨架层1依然能起到导电的作用，从而提升了集流体的容错性和使用寿命。

实施例三

图6为本发明实施例三集流体的结构示意图。参照图6，集流体包括至少一个金属骨架层1、至少一个载体层2和至少一个活性材料层4，载体层2与金属骨架层1连接，活性材料层4与金属骨架层1的顶面或底面连接。金属骨架层1上设置若干镂空孔10，载体层2上设置若干孔洞20，金属骨架层1的组成材料包括导电金属材料，载体层2的组成材料为非金属材料。

具体地，金属骨架层1的数量为两个、载体层2的数量为一个，两个金属骨架层1分别与载体层2的顶面和底面连接。活性材料层4的数量为两个，其中一个活性材料层4与载体层2顶部的金属骨架层1顶面连接，另一个活性材料层与载体层2底部的金属骨架层1底面连接，活性材料层包括正极活性物质或负极活性物质。其优点在于，活性材料层4包括正极活性物质或负极活性物质，从而可以与正极或负极直接连接，缩短了正极活性物质或负极活性物质与集流体的距离，从而提高了集流体聚集电流的效率。

本发明还提供一种电极片，图7为本发明实施例的电极片结构图。参照图7，电极片(图中未标示)包括正极片5和负极片6，正极片5和负极片6上均设置有本发明的集流体(图中未标示)。具体地，正极片5上的集流体的实施例一中的金属骨架层1与正极片5表面连接，负极片6上的集流体的金属骨架层1与负极片6表面连接。正极片5和负极片6之间夹设有隔膜7。

可说明的是，正极片1上集流体的金属骨架层1的侧面积占正极片5的侧面积的10％-70％，负极片6上的集流体的金属骨架层1与负极片6接触的侧面积占负极片6的侧面积的10％-70％，保证集流体充分的导电性，并且镂空的金属骨架层1也节省了面积和重量，从而降低了电极片的整体重量，提高了锂电池的能量密度。

作为本发明一种优选的实施方式，参照图7，正极片5包括正极活性物质50，正极活性物质50与正极片5上的集流体接触，正极活性物质50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，参照图7，负极片6包括负极活性物质60，负极活性物质60与负极片6上的集流体接触，负极活性物质60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。

本发明还提供一种锂离子电池，包括本发明的电极片。

本发明的电极片和锂离子电池的优点均在于：

本发明的集流体通过金属骨架层和非金属材料的载体层的组合，降低了传统金属载流体的重量，从而提高了电池质量能量密度，保证了良好的导电性，从而降低了集流体的电阻，降低了集流体和电极的发热量，使得锂离子电池。

为了验证本发明的优点，发明人还做了如下实验：

针对本发明实施例的锂离子电池与现有的锂离子电池进行对比说明，其具体实施例与对比例说明如下：

对比例和实施例的锂离子电池均以选择软包装5Ah磷酸铁锂电池。

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

实施例的正极和负极：正极材料选择磷酸铁锂材料，正极集流体的结构为非金属材料的载体层、金属骨架层和导电层的复合，载体层、金属骨架层和导电层依次连接。载体层的材料选择厚度为6微米、孔隙率为20％的聚丙烯，导电层的材料选择厚度为3微米的碳材料，其中碳材料的组成为碳纳米管(CNTs)和天然石墨，碳纳米管和天然石墨的重量占比分别为75％和25％。金属骨架层采用厚度为6微米的铝箔。

负极材料选择石墨材料，负极集流体的结构为非金属的载体层、金属骨架层和导电层的复合，载体层、金属骨架层和导电层依次连接。载体层选择厚度为6微米、孔隙率为20％的聚丙烯，导电层选择厚度为3微米的碳材料，其中碳材料的组成为碳纳米管(CNTs)和天然石墨，碳纳米管和天然石墨的重量占比分别为75％和25％。负极集流体的的金属骨架层采用厚度为4微米的铜箔，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：占正极材料的96％的正极活性材料，2％的聚偏氟乙烯(PVDF5130)，2％的碳黑导电剂(SP)。负极材料的重量配比为：占负极材料95％的负极活性材料，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、分容等工序制得锂离子电池。

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，打开抽真空泵抽取锂离子电池壳内的空气，使锂离子电池壳内的形成真空环境后关闭真空泵。将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，陈化过程中选取锂离子电池分组进行陈化作业；

化成：使化成机的输出线连接到锂离子电池，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：利用分容柜对化成过后符合标准的锂离子电池进行分容操作。

分选：经过分容后，对锂离子电池进行分选；分选过程中将锂离子电池放置在采集模块下，然后连接采集模块和锂离子电池，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，本发明实施例的锂离子电池和对比例的锂离子电池相比：电池容量一致，重量有所减轻，特别是本发明的实施例的锂离子电池能量密度得到显著提升，在能量密度具有显著优势的情况下，2C放电容量/0.2C放电容量比例体现了锂离子的大电流放电性能，由表1的数据对比可知，本发明实施例的锂离子电池的大电流放电性能并没有明显下降。因此，采用本发明的复合集流体制作的锂电池具有显著提升锂离子电池能量密度、降低集流体成本和锂离子电池的重量等优点。

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 (10)

1.一种电极片，包括正极片和负极片，其特征在于，所述正极片和所述负极片上均设置有集流体，所述集流体包括至少一个金属骨架层和至少一个载体层，所述载体层与所述金属骨架层连接，所述金属骨架层上设置有若干镂空孔，所述金属骨架层的组成材料包括导电金属材料，所述载体层上开设有若干孔洞，所述载体层的组成材料包括非金属材料，所述镂空孔的外径比所述孔洞的外径大，所述非金属材料为聚丙烯、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、聚四氟乙烯、聚乙烯醇、无纺布或聚酯、碳纤维、碳管、石墨烯中任意一种或者多种的复合，所述正极片上的所述集流体的金属骨架层与所述正极片表面连接，所述负极片上的所述集流体的金属骨架层与所述负极片表面连接，所述正极片和所述负极片之间夹设有隔膜，所述正极片上集流体的金属骨架层的侧面积占所述正极片的侧面积的10％-70％，所述负极片上的集流体的金属骨架层与所述负极片接触的侧面积占所述负极片的侧面积的10％-70％。

2.如权利要求1所述的电极片，其特征在于，所述载体层设置在所述金属骨架层的顶面或底面，或设置在若干个所述金属骨架层之间，所述载体层和所述金属骨架层通过真空电镀、电解电镀和复合粘贴的任意一种方式复合连接。

3.如权利要求2所述的电极片，其特征在于，所述金属骨架层的厚度为0.1-40微米，所述载体层的厚度为0.1-50微米。

4.如权利要求1所述的电极片，其特征在于，所述非金属材料占所述载体层的重量百分比为30％-100％。

5.如权利要求1所述的电极片，其特征在于，还包括至少一个导电层，所述导电层与所述金属骨架的顶面或底面连接。

6.如权利要求1所述的电极片，其特征在于，还包括至少一个活性材料层，所述活性材料层与所述金属骨架层的顶面或底面连接，所述活性材料层包括正极活性物质或负极活性物质。

7.如权利要求1所述的电极片，其特征在于，所述导电金属材料为金、钨、铂、铁、钴、铜、镍、镁、锌、铝、钛、铬中的一种或多种的复合。

8.如权利要求1所述的电极片，其特征在于，所述正极片包括正极活性物质，所述正极活性物质与所述正极片上的集流体接触，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。

9.如权利要求1所述的电极片，其特征在于，所述负极片包括负极活性物质，所述负极活性物质与所述负极片上的集流体接触，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。

10.一种锂离子电池，其特征在于，包括权利要求1-9任意一项所述的电极片。

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