CN114695900B - 复合集流体、正极极片以及正极极片的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及锂电池技术领域，尤其涉及一种复合集流体、正极极片以及正极极片的制备方法，包括依次层叠设置的第一铝箔层、PET层和第二铝箔层，第一铝箔层和第二铝箔层均和PET层固定连接，第一铝箔层的上端面设置有若干第一凹槽，第二铝箔层的下端面设置有若干第二凹槽。本发明的复合集流体、正极极片以及正极极片的制备方法，能够保留具有贯通孔铝箔的优点的同时解决涂覆正极材料漏料以及断带的问题，且便于极耳的焊接，在针刺实验中，能够有效减少铝箔刺穿隔膜接触负极的概率，满足电池安全性能的要求。

Description

复合集流体、正极极片以及正极极片的制备方法

技术领域

本发明涉及锂电池技术领域，尤其涉及一种复合集流体、正极极片以及正极极片的制备方法。

背景技术

现有新能源行业中的电池是由一些电池单体叠加或卷绕构成，一个电池单体的内有正极4’、隔膜3’、负极1’以及电解液2’。现有常见的可重复充放电电池，如锂离子电池，在电池单体放电的过程中，Li+从负极1’穿过隔膜3’到正极4’，电子则从负极1’经过外部电路回到正极4’形成了电流。电池的充电过程则刚好相反。锂离子电池单体图如图1所示。

在电池单体进行卷绕或叠加过程中，为了提高电池的能量密度等原因，小动力锂电池或消费类电子产品大都使用了集流体技术，即作为正、负极材料的载体，将电化学反应产生的电流收集并导出。对于锂离子电池来说，通常使用的正极集流体是铝箔5’，铝箔5’上涂覆正极材料层6’，负极集流体是铜箔7’，铜箔7’上涂覆负极材料层8’，这样可以满足高电导率，高稳定性，结合性强，成本较低，轻薄柔韧的要求，现有集流体如图2所示。

为验证电池安全性以解决机械滥用等情况，会对电池做针刺实验，针刺实验如图3所示，在此种集流体结构下，在针刺实验中集流体被刺穿，正极4’和负极5’接触导致了内短路，导电层在短路的时候会发生大量的热聚集，由于无法迅速截断短路电流回路，导致无法有效散热，进而触发热失控连锁反应。

为了解决现有的集流体针刺实验不通过的问题，以及能够进一步提高电池的能量密度，现有的集流体选用具有贯通孔40’的铝箔5’，如图4所示，使用此种使用此结构的正极集流体，由于铝箔上存在贯通孔，能够有效地促进电解液在电池中扩散。并且在电池使用过程中，能够降低电池中锂离子扩散的不均匀性，从而提高电池性能。然而，在正极浆料的涂覆过程中漏料，降低电池性能。

为了进一步减轻集流体的重量，进而提高锂电池能量密度的同时提高电池的安全性，技术人员还开发了一种复合集流体，结构如图5所示，图5所示的集流体中间为聚合物支撑层20’，上层为第一金属层10’，下层为第二金属层30’，金属导体层厚度从1μm~15μm不等，聚合物为高分子结构，如PET,PP类，通过金属层与高分子层机械-电-热性能的多重耦合关系，突破了传统集流体功能局限。

此种复合集流体可以在“点接触”内短路时，导电层在短路点受力开裂剥离或在短路大电流瞬间熔断，毫秒内切断短路电流回路；在“面接触”内短路时，支撑层在短路面受热熔融收缩形成集流体结构局部坍塌，在热失控前切断短路电流回路。

综上所述，现有技术存在的问题：1、具有贯通孔40’铝箔的正极集流体在铝箔5’上涂覆正极材料时极容易漏料，同时由于具有贯通孔40’，铝箔5’强度会大幅度下降，在涂覆正极浆料时容易产生断带等情况。2.复合集流体需要有高电导率的同时预留焊接极耳的焊接位，如果金属导体层过薄就不易焊接，若导体层过厚就无法满足复合集流体的安全要求，无法在熔断的情况下具有短路保护的效果。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了解决上述技术问题，本发明提供一种复合集流体、正极极片以及正极极片的制备方法，能够保留具有贯通孔铝箔的优点的同时解决涂覆正极材料漏料以及断带的问题，且便于极耳的焊接，在针刺实验中，能够有效减少铝箔刺穿隔膜接触负极的概率，满足电池安全性能的要求。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种复合集流体，包括：

依次层叠设置的第一铝箔层、PET层和第二铝箔层，所述第一铝箔层和所述第二铝箔层均和PET层固定连接，所述第一铝箔层的上端面设置有若干第一凹槽，所述第二铝箔层的下端面设置有若干第二凹槽。

进一步地，所述第一铝箔层的厚度为6-20μm，所述第一凹槽的底壁距所述第一铝箔层下端面的距离≤2μm；所述第二铝箔层的厚度为6-20μm，所述第二凹槽的底壁距所述第二铝箔层的上端面的距离≤2μm。

进一步地，若干所述第一凹槽和若干所述第二凹槽分别沿PET层对称分布。

进一步地，所述第一凹槽和所述第二凹槽均为柱状槽，所述柱状槽的槽底内径＞10μm。

进一步地，若干所述第一凹槽均布在所述第一铝箔层的上表面，相邻两个第一凹槽的间距为0.1mm-1cm，若干所述第二凹槽均布在所述第二铝箔层的下表面，相邻两个第二凹槽的间距为0.1mm-1cm。

进一步地，所述柱状槽的槽口面积大于所述柱状槽的槽底面积，所述柱状槽的槽口至槽底逐渐内收。

进一步地，所述第一凹槽和所述第二凹槽均包括：若干横向线槽和若干纵向线槽，若干横向线槽和若干纵向线槽交错分布。

进一步地，所述横向线槽的槽口面积大于所述横向线槽的槽底面积，所述横向线槽的槽口至槽底逐渐内收；所述纵向线槽的槽口面积大于所述纵向线槽的槽底面积，所述纵向线槽的槽口至槽底逐渐内收。

本发明还提供一种正极极片，包括上述的复合集流体，还包括：

第一正极材料层，所述第一正极材料层固设在所述第一铝箔层的上端面上；

第二正极材料层，所述第二正极材料层固设在所述第二铝箔层的下端面上。

本发明还提供一种正极极片的制备方法，制备上述的正极极片，包括以下步骤，

步骤S1、分别在两片铝箔的表面开槽；

步骤S2、对槽内进行化学腐蚀，除去槽内形成的熔渣，并且软化槽底壁；

步骤S3、将两片表面开槽的铝箔背向设置，中间通过PET连接，上方的铝箔形成第一铝箔层，第一铝箔层上的槽为第一凹槽，中间为PET层，下方的铝箔形成第二铝箔层，第二铝箔层上的槽为第二凹槽；

步骤S4、在第一铝箔层的表面和第二铝箔层的表面分别涂覆正极浆料，第一铝箔层上涂覆的正极浆料烘干后形成第一正极材料层，第二铝箔层上涂覆的正极浆料烘干后形成第二正极材料层；

步骤S5、将步骤4得到的多层结构进行辊压，由于第一正极材料层和第二正极材料层的硬度高于第一铝箔层和第二铝箔层的硬度，在辊压时能够压穿槽底，所述第一凹槽和所述第二凹槽贯通，形成具有多孔铝箔的正极极片。

进一步地，在所述步骤S2中，软化后，槽底壁的维氏硬度小于35。

本发明的有益效果是，本发明的复合集流体，本发明的复合集流体采用开槽设计，相较于现有技术的贯通孔，本发明在涂覆正极浆料时，不产生漏料问题，在辊压过程也不易断带，且在辊压过程中，本发明的凹槽能够被压穿，第一凹槽和第二凹槽贯通，保留了具有贯通铝箔集流体的优点的同时，解决了涂敷正极时漏料及实际生产中因拉伸强度过低而产生的断带等的问题。

在机械滥用或针刺实验时，集流体容从相邻两个凹槽之间断裂，能够减少铝箔刺穿隔膜接触负极的概率，满足了电池的安全要求，且由于使用的铝箔结构较厚，能够便于极耳的焊接并具有较高的导电率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是现有技术电池结构示意图；

图2中（a）为现有技术中正极集流体示意图，（b）为现有技术中负极集流体示意图；

图3是现有技术的针刺实验示意图；

图4是现有技术其中一种改进集流体示意图；

图5是现有技术的复合集流体示意图；

图6是本发明的复合集流体的上铝箔层示意图；

图7是本发明的复合集流体的实施例1示意图，图7中，（a）为俯视图，（b）为（a）的A-A截面图，（c）为（a）的B-B截面图；

图8是本发明的复合集流体的实施例2示意图,图8中，（a）为俯视图，（b）为主视图，（c）为左视图；

图9是本发明的复合集流体的对比例1示意图，图9中，（a）为俯视图，（b）为（a）的C-C截面图，（c）为（a）的D-D截面图；

图10是本发明的复合集流体的对比例2示意图，图10中，（a）为俯视图，（b）为主视图，（c）为左视图；

图11是本发明的正极极片的制备方法的示意图。

图中：

现有技术：1’、负极；2’、电解液；3’、隔膜；4’、正极；5’、铝箔；6’正极材料层；7’、铜箔；8’、负极材料层；10’、第一金属导体层；20’、聚合物支撑层；30’、第二金属导体层；40’、贯通孔；

本发明：10、第一铝箔层；11、第一凹槽；20、PET层；30、第二铝箔层；31、第二凹槽；40、第一正极材料层；50、第二正极材料层。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图6和7所示，根据本发明的一个实施例，一种复合集流体，包括：

依次层叠设置的第一铝箔层10、PET层20和第二铝箔层30，第一铝箔层10和第二铝箔层30均和PET层20固定连接，第一铝箔层10的上端面设置有若干第一凹槽11，第二铝箔层30的下端面设置有若干第二凹槽31。

第一铝箔层10的厚度为6-20μm，第一凹槽11的底壁距第一铝箔层10下端面的距离≤2μm；第二铝箔层30的厚度为6-20μm，第二凹槽31的底壁距第二铝箔层30的上端面的距离≤2μm。

若干第一凹槽11和若干第二凹槽31分别沿PET层20对称分布。

第一凹槽11和第二凹槽31均为柱状槽，柱状槽的槽底内径＞10μm。

若干第一凹槽11均布在第一铝箔层10的上表面，相邻两个第一凹槽11的间距为0.1mm-1cm，若干第二凹槽31均布在第二铝箔层30的下表面，相邻两个第二凹槽31的间距为0.1mm-1cm。

柱状槽的槽口面积大于柱状槽的槽底面积，柱状槽的槽口至槽底逐渐内收。

如图8所示，根据本发明的另一个实施例，和上实施例的区别在于，第一凹槽11和第二凹槽31均包括：若干横向线槽和若干纵向线槽，若干横向线槽和若干纵向线槽交错分布，横向线槽的槽口面积大于横向线槽的槽底面积，横向线槽的槽口至槽底逐渐内收；纵向线槽的槽口面积大于纵向线槽的槽底面积，纵向线槽的槽口至槽底逐渐内收。

本发明还提供一种正极极片，包括上述的复合集流体，还包括：第一正极材料层40和第二正极材料层50，第一正极材料层40固设在第一铝箔层10的上端面上，第二正极材料层50固设在第二铝箔层30的下端面上。

如图11所示，本发明还提供一种正极极片的制备方法，制备上述的正极极片，包括以下步骤，

步骤S1、分别在两片铝箔的表面开槽；

步骤S2、对槽内进行化学腐蚀，除去槽内形成的熔渣，并且软化槽底壁，软化后，槽底壁的维氏硬度小于35。

步骤S3、将两片表面开槽的铝箔背向设置，中间通过PET连接，上方的铝箔形成第一铝箔层10，第一铝箔层10上的槽为第一凹槽11，中间为PET层20，下方的铝箔形成第二铝箔层30，第二铝箔层30上的槽为第二凹槽31；

步骤S4、在第一铝箔层10的表面和第二铝箔层30的表面分别涂覆正极浆料，第一铝箔层10上涂覆的正极浆料烘干后形成第一正极材料层40，第二铝箔层30上涂覆的正极浆料烘干后形成第二正极材料层50；

步骤S5、将步骤4得到的多层结构进行辊压，由于第一正极材料层40和第二正极材料层50的硬度高于第一铝箔层10和第二铝箔层30的硬度，在辊压时能够压穿槽底，第一凹槽11和第二凹槽31贯通，形成具有多孔铝箔的正极极片。

现有工艺中需要将较厚的铝箔5’进行削薄，但如上结构不需要削薄工艺，可直接复合后在隔膜3’上加工，具有贯通孔40’的铝箔5’强度较低，在实际生产中很容易形成波浪边或者出现断带等问题，而本发明该结构的复合集流体的拉伸强度不会损失太多，可根据腐蚀或凹槽的间隔来控制膜的拉伸强度，间隔范围可为0.1mm~1cm。

同时现有技术的贯通孔40’，可以促进电解液在电池中扩散，但是铝箔5’经过打孔后，制备正极集流体时涂覆正极浆料会发生从孔部漏料的问题，本发明的复合集流体由于没有贯通孔40’，无论是制备正极集流体还是制备此种复合集流体，不会导致漏料情况。在双面涂覆烘干后，会有正极材料辊压工序。由于烘干后的正极材料具有较高的硬度，可以从凹槽处压穿铝箔，从而形成具有多孔铝箔的正极结构。这样即可以获得具有贯通孔40’铝箔5’的所有的优势，同时解决了漏料及实际生产中断带及波浪边的问题。

此种结构的复合集流体同时具有高电导率的特点和熔断保护的作用，但是铝箔过薄又不利于焊接，故选用较厚铝箔进行腐蚀或激光打孔成如上结构，在9-12μm厚度的铝箔位置上进行焊接，同时在穿刺或挤压的情况下，从相邻凹槽之间的铝箔断开，具有熔断保护的作用。

实施例1：

如图7所示，柱状槽在第一铝箔层10的表面均匀分布，柱状槽的在第一铝箔层10上表面形成圆点状，在A-A和B-B剖面上的形状为倒梯形，开口的直径为8μm，槽底部直径为5μm，相邻两点的间距为0.8mm，深度为10μm，所用铝箔的厚度为12μm，槽底与聚合物层的间距为2μm，聚合物支撑层的厚度为4.5μm，材质为PET。

实施例2：

如图8所示，横向线槽和纵向线槽在第一铝箔层10表面交错分布，在主视图和左视图上的形状为倒梯形，线槽开口的宽度为30μm，槽底的宽度为10μm，平行且相邻的两个线槽的间距为1mm，线槽的深度为10μm，所使用的铝箔的厚度为12μm，槽底与聚合物层的间距为2μm，聚合物支撑层的厚度为4.5μm，材质为PET。

对比例1：

如图9所示，为贯通孔铝箔结构，成圆点状，在C-C和D-D剖面上的形状为倒梯形，开口的直径为8μm，槽底部直径为5μm，相邻两点的间距为0.8mm，深度为12μm，所用铝箔的厚度为12μm，聚合物支撑层的厚度为4.5μm，材质为PET。

对比例2：

如图10所示，普通复合集流体结构所用铝箔厚度为12μm，聚合物支撑层厚度为4.5μm，材质为PET。

对实施例1、实施例2、对比例1以及对比例2，做力学测试以及针刺实验（以此种实 施例制作的电池使用径10mm钢针，速度3mm/s，刺入电池后，在电池内部停留10min），测试结 果如下：

	功率/%	最大受力/N	伸长率/%	针刺结果	放电容量保持率/%
						实施例1	45	39.418	1.44	无反应	91.2
实施例2	45	33.814	1.321	无反应	89.3
						对比例1	100	11.203	0.56	无反应	84.2
对比例2	0	43.814	1.651	火星	91.2

功率为45%时为开槽，100%时为贯通孔，对比不打孔的复合集流体，贯通空铝箔复合集流体拉伸强度有明显的下降，这会导致铝箔和PET复合时会很容易发生断带等异常情况，而本发明的开槽铝箔复合集流体的拉伸度较好，不会产生断带的情况。本发明的开槽集流体和贯通孔的复合集流体所制备的电池在针刺实验中表现良好，均没有火花的产生，并且放电容量保持率都没有明显下降，对电池本身的性能没有影响。

综上所述，本发明的复合集流体、正极极片以及正极极片的制备方法，具有以下优点：

1.本发明提出的复合集流体，保留了具有贯通铝箔集流体的优点的同时，解决了涂敷正极时漏料及实际生产中因拉伸强度过低而产生的断带等的问题。

2.本发明的复合集流体在机械滥用时从相邻凹槽处断裂，有效避免铝箔刺穿隔膜接触负极，满足了电池的安全要求。

3.本发明的复合集流体采用了较厚的铝箔，在提升安全性能的同时，便于极耳焊接。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要如权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (9)

1.一种正极极片的制备方法，其特征在于，所述正极极片包括：

依次层叠设置的第一铝箔层（10）、PET层（20）和第二铝箔层（30），所述第一铝箔层（10）和所述第二铝箔层（30）均和PET层（20）固定连接，所述第一铝箔层（10）的上端面设置有若干第一凹槽（11），所述第二铝箔层（30）的下端面设置有若干第二凹槽（31）；

第一正极材料层（40），所述第一正极材料层（40）固设在所述第一铝箔层（10）的上端面上；

第二正极材料层（50），所述第二正极材料层（50）固设在所述第二铝箔层（30）的下端面上；

所述正极极片的制备方法包括以下步骤：

步骤S1、分别在两片铝箔的表面采用激光打孔法开槽；

步骤S2、对槽内进行化学腐蚀，以除去槽内形成的熔渣，同时软化槽底壁；

步骤S3、将步骤S2处理过的两片铝箔背向设置，中间通过PET连接，上方的铝箔形成第一铝箔层（10），第一铝箔层（10）上的槽为第一凹槽（11），中间为PET层（20），下方的铝箔形成第二铝箔层（30），第二铝箔层（30）上的槽为第二凹槽（31）；

步骤S4、在第一铝箔层（10）的表面和第二铝箔层（30）的表面分别涂覆正极浆料，第一铝箔层（10）上涂覆的正极浆料烘干后形成第一正极材料层（40），第二铝箔层（30）上涂覆的正极浆料烘干后形成第二正极材料层（50）；

步骤S5、将步骤4得到的多层结构进行辊压，由于第一正极材料层（40）和第二正极材料层（50）的硬度高于第一铝箔层（10）和第二铝箔层（30）的硬度，在辊压时能够压穿槽底，所述第一凹槽（11）和所述第二凹槽（31）贯通，形成具有多孔铝箔的正极极片。

2.如权利要求1所述的正极极片的制备方法，其特征在于，所述第一铝箔层（10）的厚度为6-20μm，所述第一凹槽（11）的底壁距所述第一铝箔层（10）下端面的距离≤2μm；所述第二铝箔层（30）的厚度为6-20μm，所述第二凹槽（31）的底壁距所述第二铝箔层（30）的上端面的距离≤2μm。

3.如权利要求2所述的正极极片的制备方法，其特征在于，若干所述第一凹槽（11）和若干所述第二凹槽（31）分别沿PET层（20）对称分布。

4.如权利要求3所述的正极极片的制备方法，其特征在于，所述第一凹槽（11）和所述第二凹槽（31）均为柱状槽，所述柱状槽的槽底内径＞10μm。

5.如权利要求4所述的正极极片的制备方法，其特征在于，若干所述第一凹槽（11）均布在所述第一铝箔层（10）的上表面，相邻两个第一凹槽（11）的间距为0.1mm-1cm，若干所述第二凹槽（31）均布在所述第二铝箔层（30）的下表面，相邻两个第二凹槽（31）的间距为0.1mm-1cm。

6.如权利要求5所述的正极极片的制备方法，其特征在于，所述柱状槽的槽口面积大于所述柱状槽的槽底面积，所述柱状槽的槽口至槽底逐渐内收。

7.如权利要求3所述的正极极片的制备方法，其特征在于，所述第一凹槽（11）和所述第二凹槽（31）均包括：若干横向线槽和若干纵向线槽，若干横向线槽和若干纵向线槽交错分布。

8.如权利要求7所述的正极极片的制备方法，其特征在于，所述横向线槽的槽口面积大于所述横向线槽的槽底面积，所述横向线槽的槽口至槽底逐渐内收；所述纵向线槽的槽口面积大于所述纵向线槽的槽底面积，所述纵向线槽的槽口至槽底逐渐内收。

9.如权利要求1所述的正极极片的制备方法，其特征在于，在所述步骤S2中，软化后，槽底壁的维氏硬度小于35。

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