CN113517444A - 集流体、集流体制造方法、电极极片及锂离子电池 - Google Patents

集流体、集流体制造方法、电极极片及锂离子电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种集流体、集流体制造方法、电极极片及锂离子电池，集流体包括：控温薄膜，控温薄膜具有第一表面和与第一表面相对的第二表面，第一表面和第二表面均镀有导电增强层；控温薄膜的材质为非金属吸热导电材料，导电增强层的材料为铜或铝。实现减轻电池集流体质量，提高电池能量密度和安全性，同时吸收电池在循环过程中产热，降低电池温度，提升电池的循环性能。

Description

集流体、集流体制造方法、电极极片及锂离子电池
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，更具体地，涉及一种集流体、集流体制造方法、电极极片及锂离子电池。
背景技术
传统锂离子电池制造业中，负极多选用铜箔、正极选用铝箔作为集流体，集流体只具有传导电子的作用，集流体功能相对单一。铜的密度为8.9g/cm3，铝的密度为2.7g/cm3正负极集流体的总质量约占单体电池总质量的14％-18％左右，不能满足锂离子电池的高能量密度、轻量化的追求。同时，锂离子电池充放电过程中也会产生热量，导致电池本身温度过高，存在安全隐患。
目前可替代传统箔材的轻量化集流体大多是将塑料薄膜上通过加设导电层。现有的一种方案中采用多层结构集流体，包括塑料薄膜，在所述塑料薄膜的上、下表面依次镀有粘接力增强层和金属镀层，从而实现电池的轻量化，提高能量密度。此类方法过于依赖支撑层的稳定性，即需要一种耐高温、耐腐蚀、机械强度好的塑料薄膜，综合具备这些条件的塑料薄膜很难找到。并且在电池破损等危险发生时，由于塑料本身为易燃材料，相比于箔材安全性能更差。
在现有的另一种方案中，锂离子电池正极极片包括正极集流体和涂覆在正极集流体上的电极材料层，正极集流体包括间隔平行叠置的至少两层铝箔，相邻铝箔之间设有粘结剂层。一方面，较薄厚度的铝箔在外力等机械破坏时产生的毛刺较小，不容易刺穿隔膜，短路的风险会显著降低；另一方面，粘结剂层可以对挤压、撞击或刺穿等机械破坏产生一定的缓冲作用，减少集流体破坏时毛刺的产生量，进而进一步降低电池短路的风险。但此方案导致增大了集流体厚度，不能满足电池轻量化的现代需求。
因此，需要提出一种集流体，能够减轻电池集流体质量，提高电池能量密度和安全性，同时吸收电池在循环过程中产热，降低电池温度，提升电池的循环性能。
发明内容
本发明的目的是提出一种集流体、集流体制造方法、电极极片及锂离子电池，实现减轻电池集流体质量，提高电池能量密度和安全性，同时吸收电池在循环过程中产热，降低电池温度，提升电池的循环性能。
为实现上述目的，本发明提出了一种集流体，包括：
控温薄膜，所述控温薄膜具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，所述第一表面和所述第二表面均镀有导电增强层；
所述控温薄膜的材质为非金属吸热导电材料，所述导电增强层的材料为铜或铝。
可选地，所述非金属吸热导电材料包括碳纤维、石墨烯和固-固相变复合材料。
可选地，所述固-固相变复合材料包括石蜡石墨相变复合材料。
可选地，所述控温薄膜的厚度为1μm至2μm。
可选地，所述导电增强层的厚度为100nm至500nm。
本发明还提出一种集流体制造方法，包括：
提供由非金属吸热导电材料制备的控温薄膜，所述控温薄膜具有第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面；
清洗并吹净所述控温薄膜的所述第一表面和所述第二表面；
将铜或铝以原子形式通过镀膜方法分别在所述第一表面和所述第二表面上形成导电增强层。
可选地，所述非金属吸热导电材料包括碳纤维、石墨烯和固-固相变复合材料，所述固-固相变复合材料包括石蜡石墨相变复合材料；所述控温薄膜的厚度为1μm至2μm。
可选地，所述镀膜方法包括磁控溅射镀膜方法、蒸发镀膜方法和离子镀膜方法；所述导电增强层的厚度为100nm至500nm。
本发明还提出一种电极极片，该电极极片包括依次层叠设置的集流体和活性物质材料层，其中，所述集流体为上述的集流体。
本发明还提出一种锂离子电池，包括：阴极极片、阳极极片、隔离膜及电解液，其中所述阴极极片和/或阳极极片为上述的电极极片。
本发明的有益效果在于：
本发明的集流体为多层结构，采用非金属吸热导电材料的控温薄膜作为支撑载体，并在控温薄膜两侧表面以铜或铝形成导电增强层，其中非金属吸热导电材料的控温薄膜能够有效降低锂离子电池集流体重量并提高安全性，还能提高电池单体的能量密度，并且控温薄膜还具有导电性能，配合两层导电增强层提高电流汇集性能，同时在电池充放电温度升高时，控温薄膜能够吸收电池充放电过程的产热，降低电池温度，提高电池的循环性能。
本发明的装置具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1为根据本发明的一个实施例的一种集流体的结构示意图；
图2示出了根据本发明的一种集流体制造方法的步骤图。
附图标记说明：
10、集流体；101、控温薄膜；102、导电增强层。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
图1为根据本发明的一个实施例的一种集流体的结构示意图。
如图1所示，根据本发明的一种集流体10，包括：
控温薄膜101，控温薄膜101具有第一表面和与第一表面相对的第二表面，第一表面和第二表面均镀有导电增强层102；
控温薄膜101的材质为非金属吸热导电材料，导电增强层102的材料为铜或铝。
具体地，集流体10为多层结构，采用非金属吸热导电材料的控温薄膜101作为支撑载体，并在控温薄膜101两侧表面以铜或铝形成导电增强层102，其中非金属吸热导电材料的控温薄膜101能够有效降低锂离子电池集流体10重量并提高安全性，还能提高电池单体的能量密度，并且控温薄膜101还具有导电性能，配合两层导电增强层102提高电流汇集性能，同时在电池充放电温度升高时，控温薄膜101能够吸收电池充放电过程的产热，降低电池温度，提高电池的循环性能。
在一个示例中，制备控温薄膜101的非金属吸热导电材料可以选择碳纤维、石墨烯或固-固相变复合材料。本实施例中优选固-固相变复合材料为石蜡石墨相变复合材料。
具体地，碳纤维、石墨烯均具有良好的导热和导电性能，能够满足锂离子电池活性物质材料电流汇集性能的同时提供良好的导热性能，能够及时将电池内部产生的热量散发至电池外部，同时还可以采用固-固相变复合材料，如石蜡石墨相变复合材料作为制备控温薄膜101的材料，固-固相变复合材料能够在其相变温度附近发生相变，释放或吸收大量热量，从而达到对电池降温的目的。石蜡石墨相变复合材料为质量占比为70％的石蜡和质量占比为30％的石墨混合物，其中的石蜡成分具有无腐蚀、化学性能稳定性高以及储能密度大的特点，其参入一定比例的石墨形成的混合物具有良好的导热和导电性能。在本发明的其他实施例中，固-固相变复合材料也可以选择其他具有导热和导电的固-固相变复合材料，此处不再赘述。
在一个示例中，控温薄膜101的厚度为1μm至2μm，导电增强层102的厚度为100nm至500nm。本实施例中优选控温薄膜101的厚度为1.5μm，导电增强层102的厚度为200nm至300nm。
本发明实施例还提出一种电极极片，该电极极片包括依次层叠设置的集流体10和活性物质材料层，其中，集流体10为上述的集流体10。
具体地，该电极极片除采用上述实施例的集流体10外，活性物质材料层和底涂层等均与现有技术相同，本领域技术人员容易实现，此处不再赘述。
本发明实施例还提出一种锂离子电池，包括：阴极极片、阳极极片、隔离膜及电解液，其中阴极极片和/或阳极极片为上述的电极极片。
具体地，电解液的溶剂包括碳酸乙稀酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯及碳酸甲乙酯中的至少一种，溶质包括LiPF6、LiBF4、LiBOB、LiAsF6、Li(CF3SO2)2N、LiCF3SO3、LiClO4中的至少一种。
根据本发明的一种集流体制造方法，包括：
提供由非金属吸热导电材料制备的控温薄膜，控温薄膜具有第一表面以及与第一表面相对的第二表面；
清洗并吹净控温薄膜的第一表面和第二表面；
将铜或铝以原子形式通过镀膜方法分别在第一表面和第二表面上形成导电增强层。
具体地，控温薄膜的制备可以根据选择的非金属吸热导电材料选择对应的制备方法制备成满足设计需求的控温薄膜，也可以选择现有满足设计需求的非金属吸热导电材料的控温薄膜；其中，非金属吸热导电材料可以选择碳纤维、石墨烯或固-固相变复合材料，固-固相变复合材料可以为石蜡石墨相变复合材料；控温薄膜的厚度为1μm至2μm，优选1.5μm。在镀膜前需要通过超声波对控温薄膜清洗并通过离子风枪吹干吹净，使控温薄膜表面保持清洁干燥；然后选择磁控溅射镀膜、蒸发镀膜或离子镀膜方法将铜材或铝材以原子形式沉积在石墨烯薄膜两侧表面上，形成导电增强层，两侧沉积厚度都为100nm，对其进行扫描电子显微镜(SEM)测试，检查形成的导电增强层是否满足工艺要求。其中，通过磁控溅射镀膜、蒸发镀膜或离子镀膜方法能够在控温薄膜表面形成致密的金属薄膜，能够大大提高集流体汇集电流的性能并减轻整体重量。制备用于电池负极的集流体的导电增强层采用铜，制备电池正极的集流体的导电增强层采用铝。导电增强层的厚度为100nm至500nm，优选200至300nm。
以下通过具体实施例对本发明的集流体制造方法做进一步描述。
实施例1
一种集流体制造方法，包括以下步骤：
S1：称量质量占比为70％的石蜡和质量占比为30％的石墨，机械搅拌混合，得到石蜡石墨复合相变材料；
S2：制备控温薄膜：将石蜡石墨复合相变材料通过压延制得1μm厚度的石蜡-石墨薄膜；
S3：清洗控温薄膜：将步骤S2所得的石蜡-石墨薄膜在镀膜前进行清洗，超声波清洗15分钟以上，然后用离子风枪吹净石蜡-石墨薄膜表面；
S4：制备导电增强层：通过磁控溅射方法制备导电增强层薄膜，通过控制溅射功率和时间，在石蜡-石墨薄膜两侧表面溅射铜材，两侧溅射厚度都为200nm，完成负极集流体的制备，并对其进行SEM测试；
S5：重复S1至S3，制备另一个厚度为1μm蜡-石墨薄膜，并在两侧溅射厚度为200nm的铝材，完成正极集流体的制备，并对其进行SEM测试。
采用三元镍钴锰酸锂(NCM811)作为正极材料，采用石墨(中间相微球)作为负极材料，将正极材料和负极材料分别涂敷在上述制得的正、负集流体上，制成22Ah的软包电池，并对其模拟充放电温度分布、循环、能量密度和重量测试。
实施例2
一种集流体制造方法，包括以下步骤：
S1：通过现有的氧化还原法制备石墨烯材料；
S2：制备控温薄膜：将石蜡石墨复合相变材料通过热压制得2μm厚度的石墨烯薄膜；
S3：清洗控温薄膜：将步骤S2所得的石墨烯薄膜在镀膜前进行清洗，超声波清洗15分钟以上，然后用离子风枪吹净石墨烯薄膜表面；
S4：制备导电增强层：通过磁控溅射方法制备导电增强层薄膜，通过控制溅射功率和时间，在石墨烯薄膜两侧表面溅射铜材，两侧溅射厚度都为100nm，完成负极集流体的制备，并对其进行SEM测试；
S5：重复S1至S3，制备另一个厚度为1μm石墨烯薄膜，并在两侧溅射厚度为100nm的铝材，完成正极集流体的制备，并对其进行SEM测试。
采用三元镍钴锰酸锂(NCM811)作为正极材料，采用石墨(中间相微球)作为负极材料，将正极材料和负极材料分别涂敷在上述制得的正、负集流体上，制成22Ah的软包电池，并对其模拟充放电温度分布、循环、能量密度和重量测试。
实施例3
一种集流体制造方法，包括以下步骤：
S1：基于热解法制备碳纤维吸热导电材料；
S2：制备控温薄膜：将碳纤维吸热导电材料通过热压得1.5μm厚度的碳纤维薄膜；
S3：清洗控温薄膜：将步骤S2所得的碳纤维薄膜在镀膜前进行清洗，超声波清洗15分钟以上，然后用离子风枪吹净碳纤维薄膜表面；
S4：制备导电增强层：通过磁控溅射方法制备导电增强层薄膜，通过控制溅射功率和时间，在碳纤维薄膜两侧溅射铜材，两侧溅射厚度都为300nm，完成负极集流体的制备，并对其进行SEM测试；
S5：重复S1至S3，制备另一个厚度为1.5μm的碳纤维薄膜，并在两侧溅射厚度为300nm的铝材，完成正极集流体的制备，并对其进行SEM测试。
采用三元镍钴锰酸锂(NCM811)作为正极材料，采用石墨(中间相微球)作为负极材料，将正极材料和负极材料分别涂敷在上述制得的正、负集流体上，制成22Ah的软包电池，并对其模拟充放电温度分布、循环、能量密度和重量测试。
对比例
正极材料采用三元镍钴锰酸锂(NCM811)材料，负极采用石墨(中间相微球)材料，将正极材料和负极材料分别涂敷传统电池集流体上制成22Ah的软包电池，并对其模拟充放电温度分布、循环、能量密度和重量测试。
上述三个实施例以及对比例软包电池的重量测试、温度分布模拟测试、能量密度测试以及循环测试结果见表1：
表1：电芯重量及能量密度对比表
Figure BDA0002446164580000081
Figure BDA0002446164580000091
由表1可以看出，采用使用本发明的集流体，电池重量明显减轻，且电芯的质量能量密度得到提升；同时可以看出使用本发明集流体电池温度低于使用传统集流体，可以实现良好的控温效果；并且使用本发明的集流体，电池循环性能更好。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (10)

1.一种集流体，其特征在于，包括：
控温薄膜，所述控温薄膜具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，所述第一表面和所述第二表面均镀有导电增强层；
所述控温薄膜的材质为非金属吸热导电材料，所述导电增强层的材料为铜或铝。
2.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述非金属吸热导电材料包括碳纤维、石墨烯和固-固相变复合材料。
3.根据权利要求2所述的集流体，其特征在于，所述固-固相变复合材料包括石蜡石墨相变复合材料。
4.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述控温薄膜的厚度为1μm至2μm。
5.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述导电增强层的厚度为100nm至500nm。
6.一种集流体制造方法，其特征在于，包括：
提供由非金属吸热导电材料制备的控温薄膜，所述控温薄膜具有第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面；
清洗并吹净所述控温薄膜的所述第一表面和所述第二表面；
将铜或铝以原子形式通过镀膜方法分别在所述第一表面和所述第二表面上形成导电增强层。
7.根据权利要求1所述的集流体制造方法，其特征在于，所述非金属吸热导电材料包括碳纤维、石墨烯和固-固相变复合材料，所述固-固相变复合材料包括石蜡石墨相变复合材料；
所述控温薄膜的厚度为1μm至2μm。
8.根据权利要求1所述的集流体制造方法，其特征在于，所述镀膜方法包括磁控溅射镀膜方法、蒸发镀膜方法和离子镀膜方法；
所述导电增强层的厚度为100nm至500nm。
9.一种电极极片，其特征在于，该电极极片包括依次层叠设置的集流体和活性物质材料层，其中，所述集流体为如权利要求1至5任意一项所述的集流体。
10.一种锂离子电池，其特征在于，包括：阴极极片、阳极极片、隔离膜及电解液，其中所述阴极极片和/或阳极极片为如权利要求9所述的电极极片。
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