CN113594467A - 一种复合集流体和锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种复合集流体和锂离子电池，其中，所述复合集流体包括：基材、第一导热层和第一导电层，所述第一导热层设置于所述基材和所述第一导电层之间；所述第一导热层的导热系数大于所述基材的导热系数，且所述第一导热层的导热系数大于所述第一导电层的导热系数。本申请所提供的复合集流体，利用导热系数更高的第一导热层的设置，使锂离子电池在充放电过程中的热量均匀传导，避免热量聚焦导致的析锂现象的发生，确保锂离子电池在应用时的安全性。

Description

一种复合集流体和锂离子电池
技术领域
本申请涉及电池技术领域，具体涉及一种复合集流体和锂离子电池。
背景技术
锂离子电池技术的不断发展，使得锂离子电池的多极耳卷绕结构和叠片结构得到了广泛的应用。
在锂离子电池的充放电过程中，锂离子电池的表面有时会出现金属锂析出的情况，这使得锂离子电池在应用时的安全隐患较大。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种复合集流体和锂离子电池，用于解决锂离子电池在应用时的安全隐患较大的问题。
第一方面，本申请实施例提供一种复合集流体，包括：基材、第一导热层和第一导电层，所述第一导热层设置于所述基材和所述第一导电层之间；
所述第一导热层的导热系数大于所述基材的导热系数，且所述第一导热层的导热系数大于所述第一导电层的导热系数。
可选的，所述第一导电层包括第一导电子层和第二导电子层；
所述第一导热层和所述第一导电子层均设置于所述基材上，且所述第一导电子层与所述第一导热层相邻，所述第二导电子层设置于所述第一导电子层与所述第一导热层上。
可选的，所述第一导热层包括平铺于所述基材上的第一导热子层和第二导热子层；
所述第一导电子层位于所述第一导热子层和所述第二导热子层之间，所述第一导热子层、所述第二导热子层和所述第一导电子层均位于所述第二导电子层和所述基材之间。
可选的，所述第一导热子层的面积和所述第二导热子层的面积相同。
可选的，所述第一导热层在所述基材的第一面上的面积占比大于或等于5％，且小于或等于20％；和/或，所述第一导热层在复合集流体的宽度方向上的宽度大于或等于4毫米，且小于或等于40毫米。
可选的，所述第一导热层的导热系数为所述第一导电层的导热系数的5-15倍；和/或，所述第一导热层的导热系数为1500～5000W/mK，所述第一导电层的导热系数为150～500W/mK。
可选的，所述第一导热子层和/或所述第二导热子层的厚度大于或等于2微米，且小于或等于10微米；所述第一导电子层与所述第二导电子层的厚度之和大于或等于5微米，且小于或等于20微米。
可选的，所述第一导热层的数量为多个，多个所述第一导热层阵列设置于所述基材和所述导电层之间。
第二方面，本申请实施例还提供一种锂离子电池，所述锂离子电池包括正极片、隔膜、负极片、电解质，以及包装外壳，所述正极片包括正极集流体和集流体表面的正极活性物质层，所述负极片包括负极集流体和集流体表面的负极活性物质层；所述正极集流体和所述负极集流体中的至少一种包括如上述第一方面所述的复合集流体。
可选的，所述锂离子电池还包括极耳，所述极耳包括设置于正极集流体或负极集流体表面的连接部、以及从所述连接部向外延伸的触点部，所述连接部在所述复合集流体厚度方向的投影位于所述第一导热层内。
上述技术方案具有如下优点或有益效果：
本申请实施例所提供的复合集流体，利用导热系数更高的第一导热层的设置，使锂离子电池在充放电过程中的热量均匀传导，避免热量聚焦导致的析锂现象的发生，确保锂离子电池在应用时的安全性。
附图说明
图1是本申请实施例提供的一种复合集流体的结构示意图；
图2是图1中A-A向的剖视图；
图3是图1中B-B向的剖视图；
图4是本申请实施例提供的一种电芯的结构示意图；
图5是本申请实施例提供的另一种复合集流体的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
请参阅图1，图1是本申请实施例提供的一种复合集流体的结构示意图，如图1所示，所述复合集流体包括：基材10、第一导热层20和第一导电层，所述第一导热层20设置于所述基材10和所述第一导电层之间；
所述第一导热层20的导热系数大于所述基材10的导热系数，且所述第一导热层20的导热系数大于所述第一导电层的导热系数。
在锂离子电池的充放电过程中，相较于非极耳部分来说，极耳部分的电流密度更大且电阻更高，这会使极耳部分的温升高于非极耳部分的温升；过大的温升差将使极耳部分和非极耳部分的电流密度差增大，并导致锂离子电池的电芯表面析锂。
通过应用本申请实施例所提供的复合集流体来制作锂离子电池，能在锂离子电池的充放电过程中，利用导热系数更高的第一导热层20的设置，使极耳部分在充放电过程中的热量迅速传导至电芯内部和电池腔体中，以平衡极耳部分的温升和非极耳部分的温升，避免热量聚集导致的析锂现象的发生，确保锂离子电池在应用时的安全性。
实际应用中，所述第一导热层20的导热系数与所述第一导电层的导热系数的比值大于或等于5，且小于或等于15；
所述第一导热层20一般会通过涂覆的方式设置于基材10上，优选设置所述第一导热层20的涂覆材料为高导热系数材料，例如，石墨烯、多孔碳材料、气相碳纤维、碳纳米管等；
所述第一导电层一般会通过电镀或沉积的方式设置于所述第一导热层20和基材10上，优选设置所述第一导电层为金属材料，例如，纯铝、铝合金、纯铜、镀镍铜等；
所述基材为聚合物，例如聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、尼龙66、乙烯-丙烯共聚物等。
需要说明的是，如图2所示，图2中的虚线框部分为用于放置极耳的空箔位置，即在极耳放置于复合集流体的情况下，极耳与复合集流体的连接位置；该空箔位置在复合集流体厚度方向的投影位于第一导热层20内。通过上述设置，以确保极耳处所产生的热量能被第一导热层20迅速向外传导。实际应用中，极耳在复合集流体的宽度方向上的宽度为2-20毫米，复合集流体的宽度方向为图2中任一双向箭头所指示方向。
可选的，所述第一导电层包括第一导电子层41和第二导电子层42；
所述第一导热层20和所述第一导电子层41均设置于所述基材10上，且所述第一导电子层41与所述第一导热层20相邻，所述第二导电子层42设置于所述第一导电子层41与所述第一导热层20上。
通过第一导电子层41、第二导电子层42和第一导热层20的配合设置，在确保复合集流体能迅速传导极耳部分的热量的前提下，使复合集流体仍能保有较好的导电性能。
可选的，所述第一导热层20包括平铺于所述基材10上的第一导热子层21和第二导热子层22；
所述第一导电子层41位于所述第一导热子层21和所述第二导热子层22之间，所述第一导热子层21、所述第二导热子层22和所述第一导电子层41均位于所述第二导电子层42和所述基材10之间。
如图1和图2所示，在所述复合集流体的切片过程中，操作人员会沿图1中的虚线将所述复合集流体进行切割，所述第一导热子层21和所述第二导热子层22将分别位于复合集流体切割后形成的不同子体上，即通过第一导热子层21和第二导热子层22的配合设置，对复合集流体的基材10空间进行充分利用，确保复合集流体经过切割后的子体仍能具备迅速传导极耳部分的热量的功能。
实际应用中，应用复合集流体切割后形成的子体所制作电芯可以如图4所示。
可选的，所述第一导热子层21的面积和所述第二导热子层22的面积相同。
通过上述设置，对第一导热子层21和第二导热子层22的面积进行限定，一方面能规整第一导热子层21和第二导热子层22在基材10上的涂覆动作，使所述涂覆动作适于工业应用；另一方面，则能确保复合集流体经过分割后的子体所具备的迅速传导极耳部分的热量的功能的一致。
实际应用中，优选设置所述第一导热子层21的厚度和所述第二导热子层22的厚度相同，所述第一导热子层21的厚度和所述第一导电子层41的厚度相同。
可选的，所述复合集流体还包括第二导热层30和第二导电层；
所述第一导热层20设置于所述基材10的第一面和所述第一导电层之间；
所述第二导热层30设置于所述基材10的第二面和所述第二导电层之间；
所述第一面和所述第二面为所述基材10的相背两面；
所述第二导热层30的导热系数大于所述基材10的导热系数，且所述第二导热层30的导热系数大于所述第二导电层的导热系数。
如图2和图3所示，通过上述设置，提升复合集流体的适用性；即利用第一导热层20、第二导热层30、第一导电层和第二导电层的配合设置，在操作人员应用所述复合集流体制作电芯的过程中，使操作人员能基于实际需求，适应性调整极耳在所述复合集流体上的放置位置，例如，将极耳设置于第一导电层上，或者，将极耳设置于第二导电层上。
优选设置所述第一导热层20的材料与所述第二导热层30的材料相同，所述第一导电层的材料与所述第二导电层的材料相同。
可选的，所述第一导热层20在所述基材10的第一面上的面积占比大于或等于5％，且小于或等于20％，和/或，所述第一导热层20在复合集流体的宽度方向上的宽度大于或等于4毫米，且小于或等于40毫米。
实际应用中，在第一导热层20在所述基材10的第一面上的面积占比过小(面积占比小于5％)的情况下，第一导热层20的热量传导作用将无法充分发挥，这会导致复合集流体的散热性能差；而在第一导热层20在所述基材10的第一面上的面积占比过大(面积占比大于20％)的情况下，第一导热层20在基材10上的设置将挤占第一导电子层41在基材10的第一面上的面积占比，这会导致复合集流体导电性能差；即通过上述设置，能在确保复合集流体具备较好的导电性能的前提下，使第一导热层20的热量传导作用得到充分发挥。
其中，所述第一导热层20的宽度大于或等于4毫米，且小于或等于40毫米；也即第一导热子层21的宽度大于或等于2毫米，且小于或等于20毫米；同时第二导热子层22的宽度大于或等于2毫米，且小于或等于20毫米。
可选的，所述第一导热层20和所述第二导热层30以所述基材10为中心对称分布，所述第一导电层和所述第二导电层以所述基材10为中心对称分布。
通过上述设置，避免极耳在所述复合集流体上的不同放置位置的导电性能和散热性能出现差异。
需要说明的是，如图2所示，在第一导热层20包括第一导热子层21和第二导热子层22，第一导电层包括第一导电子层41和第二导电子层42的情况下，即所述第一导热子层21和第二导热子层22均平铺于所述基材10的第一面，所述第一导电子层41也设置于所述基材10的第一面，所述第一导电子层41位于所述第一导热子层21和所述第二导热子层22之间，所述第一导热子层21、所述第二导热子层22和所述第一导电子层41位于所述基材10的第一面和所述第二导电子层42之间。
所述第二导热层30可以包括第三导热子层31和第四导热子层32，所述第二导电层可以包括第三导电子层51和第四导电子层52。其中，所述第一导热子层21和所述第三导热子层31以所述基材10为中心对称分布，所述第二导热子层22和所述第四导热子层32以所述基材10为中心对称分布，所述第一导电子层41和所述第三导电子层51以所述基材10为中心对称分布，所述第二导电子层42和所述第四导电子层52以所述基材10为中心对称分布。
可选的，所述第一导热层20的导热系数为所述第一导电层的导热系数的5-15倍；和/或，所述第一导热层20的导热系数为1500～5000W/mK，所述第一导电层的导热系数为150～500W/mK。
通过上述设置，对第一导热层20和第一导电层的导热系数进行限定，在确保第一导热层20的导热性能充分发挥的情况下，降低第一导热层的材料获取成本。
可选的，所述第一导热子层21和/或所述第二导热子层22的厚度大于或等于2微米，且小于或等于10微米；所述第一导电子层41与所述第二导电子层42的厚度之和大于或等于5微米，且小于或等于20微米。
通过限制所述第一导热子层21和第二导热子层22的厚度的方式，一方面能确保第一导热子层21或第二导热子层22对极耳部分的热量的迅速传导，另一方面能避免复合过厚的问题；同理，对所述第一导电子层41和所述第二导电子层42的厚度的限制，是为了在确保复合集流体具有良好的导电性能的前提下，避免复合集流体过厚的问题。
如图2所示，实际应用中，所述D1的数值大于或等于2毫米，所述D2的数值大于或等于10毫米。
可选的，所述第一导热层20的数量为多个，多个所述第一导热层20阵列设置于所述基材10和所述导电层之间。
即多个所述第一导热子层21阵列设置于所述基材10和所述导电层之间，且多个所述第二导热子层22阵列设置于所述基材10和所述导电层之间。
如图5所示，相邻的两个所述第一导热子层21之间的间距为一预设间距，所述预设间距可基于实际需求进行适应性调整，即通过阵列设置多个第一导热层21的方式，来降低第一导热层20在复合集流体中的质量占比，缩减复合集流体的制作成本，并使复合集流体得以具备较优的导电能力。
同样的，在复合集流体还包括第二导电层和第二导热层30的情况下，也可以相应设置第二导热层30的数量为多个，且使多个第二导热层30间隔设置于第二导电层和基材10的第二面之间。
需要说明的是，在应用本申请实施例提供的复合集流体制作电芯和锂离子电池，且复合集流体中的多个第一导热层20阵列设置于基材10和导电层之间的情况下，优选设置电芯的极耳正投影于切片后的复合集流体的第一导热子层21或第二导热子层22内。
本申请实施例还提供一种锂离子电池，所述锂离子电池包括正极片、隔膜、负极片、电解质，以及包装外壳，所述正极片包括正极集流体和集流体表面的正极活性物质层，所述负极片包括负极集流体和集流体表面的负极活性物质层；所述正极集流体和所述负极集流体中的至少一种包括如上所述的复合集流体。
可选的，所述锂离子电池还包括极耳，所述极耳包括设置于正极集流体或负极集流体表面的连接部、以及从所述连接部向外延伸的触点部，所述连接部在所述复合集流体厚度方向的投影位于所述第一导热层内。
通过上述设置，缩短极耳与第一导热层之间的距离，使极耳处所产生的热量能通过第一导热层的设置向外快速传导，确保第一导热层的热量传导功能得到充分应用。
如图2所示，实际应用中，对所述复合集流体的性能测试如下：
设定实验组1的锂离子电池由下述步骤制作得到：
步骤1、先以聚合物材料作为基材10，并在基材10的第一面上涂覆石墨烯材料(导热系数为3500W/mK)，以分别形成第一导热子层21(宽度D1为5毫米，厚度H1为2微米)和第二导热子层22(宽度D1为5毫米，厚度H1为2微米)；在基材10的第一面、第一导热子层21和第二导热子层22上通过电镀或沉积的方式，设置第一导电子层41(宽度D2为120毫米，厚度H1为2微米)和第二导热子层22(宽度D1为130毫米，厚度H2为6微米)，以制得复合集流体；需要注意的是，若复合集流体用于制作正极片，则第一导电子层41和第二导电子层42为纯铝材料(导热系数为200W/mK)，若复合集流体用于制作负极片，则第一导电子层41和第二导电子层42为纯铜材料(导热系数为400W/mK)。
步骤2、将钴酸锂(正极活性物质)、导电炭黑(导电剂)、聚偏氟乙烯(粘接剂)按96.9：1.8：1.3的质量比进行混合，并利用N-甲基吡咯烷酮将混合后物质调制成正极浆料，之后将正极浆料涂布在用于制作正极片的复合集流体上，并经过烘干、辊压、分切和制片操作，以获得正极片。
步骤3、将人造石墨、导电炭黑、羧甲基纤维素钠(Carboxymethyl Cellulose，CMC)、丁苯橡胶(Polymerized Styrene Butadiene Rubber，SBR)按96.9：0.5：1.3：1.3的质量进行混合，并利用去离子水调制成负极浆料，之后将负极浆料涂布在用于制作负极片的复合集流体上，并经过烘干、辊压、分切和制片操作，以获得负极片。
步骤4、将正极片、负极片和隔膜叠放并卷绕以制成卷芯，再用铝塑膜将卷芯封装，以获得电芯，并对电芯进行注液、陈化、化成、二次封装等工序，获得锂离子电池。
设定实验组2的锂离子电池为：
实验组2的电池制作步骤与实验组1的电池制作步骤相同，区别在于，实验组2的步骤1中，采用多孔碳材料(导热系数为2000W/mK)，替换了实验组1的步骤1中的石墨烯材料。
设定实验组3的锂离子电池为：
实验组3的电池制作步骤与实验组1的电池制作步骤相同，区别在于，实验组3的步骤1中，采用碳纳米管材料(导热系数为2800W/mK)，替换了实验组1的步骤1中的石墨烯材料。
设定实验组4的锂离子电池为：
实验组4的电池制作步骤与实验组1的电池制作步骤相同，区别在于，实验组4的步骤1中，采用气相碳纤维材料(导热系数为2200W/mK)，替换了实验组1的步骤1中的石墨烯材料。
设定实验组5的锂离子电池为：
实验组5的电池制作步骤与实验组1的电池制作步骤相同，区别在于，实验组5的步骤1中，第一导热子层21和第二导热子层22的宽度D1为2毫米，厚度H1为10微米，第一导电子层41的宽度D2为20毫米，厚度H1为10微米，第二导电子层42的宽度D3为24毫米，宽度为10微米。
设定实验组6的锂离子电池为：
实验组6的电池制作步骤与实验组1的电池制作步骤相同，区别在于，实验组5的步骤1中，第一导热子层21和第二导热子层22的宽度D1为10毫米，厚度H1为2微米，第一导电子层41的宽度D2为100毫米，厚度H1为2微米，第二导电子层42的宽度D3为120毫米，宽度为3微米。
设定对照组1的锂离子电池为：
对照组1的电池制作步骤与实验组1的电池制作步骤相同，区别在于，对照组1的步骤1中，采用与第一导电子层41和第二导电子层42相同的金属材料，替换了实验组1的步骤1中的石墨烯材料。
对上述实验组1、实验组2、实验组3、实验组4、实验组5、实验组6和对照组1均进行了温升测试、快充循环寿命测试和析锂测试。
其中，快充循环寿命测试为，将电池在25摄氏度的环境温度下，以1.5C倍率恒流充电至4.45V，然后在4.45V下恒压充电，截止电流为0.025C；之后0.5C倍率恒流放电，截止电压为3V，至此完成一次电池的充放电循环；重复进行多次充放电循环，直至电池的容量保持率低于80％或循环次数达到1000次。
温升测试为，将锂离子电池放置于25℃环境中，并在在锂离子电池的正负极极耳处，以及电池中间均设置感温线，以监控锂离子电池在充放电过程中的温升变化(以25℃为基准温度)。
析锂测试为，重复上述充放电循环10次，循环结束后将电池满充，在干燥房的环境中拆解电池，观察电芯的负极表面的析锂情况，设定严重析锂情况为析锂区域大于或等于整体区域的三分之一的情况。
上述测试的测试结果如下表所示：
类别 正极耳处温升 负极耳处温升 电池中间温升 快充循环寿命 析锂情况
实验组1 10℃ 9℃ 11℃ 满足1000次 不析锂
实验组2 13℃ 11℃ 12℃ 满足1000次 不析锂
实验组3 12℃ 10℃ 12℃ 满足1000次 不析锂
实验组4 14℃ 12℃ 13℃ 满足1000次 不析锂
实验组5 11℃ 9℃ 12℃ 满足1000次 不析锂
实验组6 10℃ 9℃ 11℃ 满足1000次 不析锂
对照组1 16℃ 13℃ 10℃ 580次 严重析锂
如上表所示，在对照组1中，即在基材10上仅设置金属材料的情况下，非极耳部分(即上表中的电池中间温升)与极耳部分(即上表中的正极耳处温升和负极耳处温升)之间的温升差较大，这使得电池存在较大的析锂风险；与之相对的是实验组1、2、3、4，即在基材10与金属材料之间设置如多孔碳材料、石墨烯材料、碳纳米管材料、气相碳纤维材料等高导热材料的情况下，利用高导热材料的将极耳部分的热量迅速传导，使非极耳部分的温升有所增加，极耳部分的温升有所减小，避免了极耳部分的热量聚集，使锂离子电池整体的温度均匀性得到改善，电流密度的均匀性得到提升，降低了电池在应用时的析锂风险。
另外，通过实验组1、5、6与对照组1的比较，确定高导热材料在基材10上涂敷区域变化的对电池温控性能的改善效果影响较弱，即在高导热材料不变的情况下，高导热材料在基材10上的涂敷区域的变化(宽度的增减和厚度的增减)所带来的改善效果接近，但相对于未设置高导热材料的常规集流体(对照组1)来说，设置有高导热材料的复合集流体(实验组1、5、6)均能表现出较好的温升改善效果，并使电池的析锂风险降低。
以上所述是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种复合集流体，其特征在于，包括：
基材、第一导热层和第一导电层，所述第一导热层设置于所述基材和所述第一导电层之间；
所述第一导热层的导热系数大于所述基材的导热系数，且所述第一导热层的导热系数大于所述第一导电层的导热系数。
2.根据权利要求1所述的复合集流体，其特征在于，所述第一导电层包括第一导电子层和第二导电子层；
所述第一导热层和所述第一导电子层均设置于所述基材上，且所述第一导电子层与所述第一导热层相邻，所述第二导电子层设置于所述第一导电子层与所述第一导热层上。
3.根据权利要求2所述的复合集流体，其特征在于，所述第一导热层包括平铺于所述基材上的第一导热子层和第二导热子层；
所述第一导电子层位于所述第一导热子层和所述第二导热子层之间，所述第一导热子层、所述第二导热子层和所述第一导电子层均位于所述第二导电子层和所述基材之间。
4.根据权利要求3所述的复合集流体，其特征在于，所述第一导热子层的面积和所述第二导热子层的面积相同。
5.根据权利要求1所述的复合集流体，其特征在于，所述第一导热层在所述基材上的面积占比大于或等于5％，且小于或等于20％；和/或，所述第一导热层在复合集流体的宽度方向上的宽度大于或等于4毫米，且小于或等于40毫米。
6.根据权利要求1所述的复合集流体，其特征在于，所述第一导热层的导热系数为所述第一导电层的导热系数的5-15倍；和/或，所述第一导热层的导热系数为1500～5000W/mK，所述第一导电层的导热系数为150～500W/mK。
7.根据权利要求3所述的复合集流体，其特征在于，所述第一导热子层和/或所述第二导热子层的厚度大于或等于2微米，且小于或等于10微米；所述第一导电子层与所述第二导电子层的厚度之和大于或等于5微米，且小于或等于20微米。
8.根据权利要求1所述的复合集流体，其特征在于，所述第一导热层的数量为多个，多个所述第一导热层阵列设置于所述基材和所述导电层之间。
9.一种锂离子电池，包括正极片、隔膜、负极片、电解质，以及包装外壳，所述正极片包括正极集流体和正极集流体表面的正极活性物质层，所述负极片包括负极集流体和负极集流体表面的负极活性物质层，其特征在于，所述正极集流体和所述负极集流体中的至少一种包括权利要求1至8中任一项所述的复合集流体。
10.根据权利要求9所述的锂离子电池，所述锂离子电池还包括极耳，所述极耳包括设置于正极集流体或负极集流体表面的连接部、以及从所述连接部向外延伸的触点部，其特征在于，所述连接部在所述复合集流体厚度方向的投影位于所述第一导热层内。
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