CN114824262A - 导电结构与电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种导电结构及包括该导电结构的电池。导电结构包括金属基体、第一导电层、石墨烯层以及第二导电层。第一导电层设置于金属基体，第一导电层包括多个纳米碳管。石墨烯层设置在金属基体与第一导电层之间。第二导电层设置于第一导电层，且第二导电层的材料位于这些纳米碳管之间的间隙。本发明除了具有极佳的导电性外，还可提高电池的能量密度。

Description

导电结构与电池
技术领域
本发明涉及一种导电结构，特别涉及一种应用于电池正极的导电结构与电池。
背景技术
锂离子电池是目前电动车，乃至于时下绝大多数电子产品中最常用的电池种类，它从1970年诞生至今将近半个世纪了，其优势是能量密度高、循环使用寿命长。市面上出现的六类锂电池分别是钛酸锂、钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰和镍钴铝锂电池(镍钴锰和镍钴铝锂电池可称为三元锂电池)。从能量密度和安全性综合来看，综合性能较好的磷酸铁锂电池和三元锂电池已成为了目前电动车动力电池的主流。
目前锂电池主要是按照正极材料的不同来分类，因为负极材料(主要以碳材料为主)对电池能量密度的影响不大，所以现在主要是通过不断改进正极材料来提升电池的性能。在公知技术中，正极材料一般是以锰酸锂(LiMn2O4)、磷酸铁锂(LiFePO4)、或镍钴锂(LiNiCOO2)等为主要材料，并在正极活性物质中再加入导电剂(例如碳黑)，并涂覆在金属基体(例如铝)上。
发明内容
本发明的目的为提供一种应用于电池正极的导电结构与包括该导电结构的电池。本发明的导电结构除了具有极佳的导电性外，还可提高电池的能量密度。
本发明提出一种导电结构，包括金属基体、第一导电层、石墨烯层以及第二导电层。第一导电层设置于金属基体，第一导电层包括多个纳米碳管；石墨烯层设置在金属基体与第一导电层之间；第二导电层设置于第一导电层，且第二导电层的材料位于这些纳米碳管之间的间隙。
在一个实施例中，金属基体的材料包括铝。
在一个实施例中，第二导电层的材料进一步覆盖第一导电层远离石墨烯层的表面。
在一个实施例中，石墨烯层至少覆盖金属基体的部分表面。
在一个实施例中，这些纳米管体的轴向方向垂直于石墨烯层的表面。
在一个实施例中，这些纳米管体的轴向方向垂直于石墨烯层及金属基体的表面。
在一个实施例中，第二导电层的材料包括石墨烯、人造石墨、天然石墨、碳黑(Carbon black)、导电金属粒子或其组合。
在一个实施例中，导电金属粒子的材料包括银、铜、金、铝、或铂，或其组合。
在一个实施例中，导电结构可应用于锂电池的正极。
本发明还提出一种电池，包括正极及负极，负极与正极对应设置；其中，正极包括上述实施例的导电结构。
承上所述，在本发明的导电结构与包括该导电结构的电池中，第一导电层设置于金属基体，并包括多个纳米碳管；石墨烯层设置在金属基体与第一导电层之间；第二导电层设置于第一导电层，且第二导电层的材料位于第一导电层的这些纳米碳管之间的间隙。由此，本发明并不以碳黑做为导电剂，而是以第一导电层(包括纳米碳管)、石墨烯层及第二导电层(例如包括石墨烯)作为金属基体的导电剂，由于第一导电层、石墨烯层及第二导电层都具有极佳的导电性，因此可使导电结构也具有相当好的导电性而可应用于电池的正极，由此提升电池的能量密度。
附图说明
图1为本发明一个实施例的导电结构的示意图。
图2为本发明另一实施例的导电结构的示意图。
具体实施方式
以下将参照相关附图，说明依本发明一些实施例的应用于电池正极的导电结构与包括该导电结构的电池，其中相同的元件将以相同的附图标记加以说明。
本发明的导电结构可应用于锂电池的正极，除了具有极佳的导电性外，还可提高锂电池的能量密度。
图1为本发明一个实施例的导电结构的示意图。如图1所示，本实施例的导电结构1包括金属基体11、第一导电层12、石墨烯层13以及第二导电层14。
金属基体11例如但不限于高电导率的金属片或金属箔，其材料可例如但不限于包括铝。
第一导电层12设置于金属基体11，并包括多个纳米碳管121。而石墨烯层13设置在金属基体11与第一导电层12之间。于此，石墨烯层13设置于金属基体11的表面111，使第一导电层12可通过石墨烯层13间接设置在金属基体11上。本实施例的石墨烯层13包括多个石墨烯微片，其位于金属基体11与第一导电层12之间，且石墨烯层13至少可覆盖金属基体11的部分表面111。具体来说，石墨烯层13可全面性地覆盖在金属基体11的表面111，或是团聚成岛状且彼此分离地覆盖在金属基体11的部分表面111。本实施例的石墨烯层13是以全面性地覆盖在金属基体11的表面111为例。因此，第一导电层12的这些纳米碳管121的轴向方向是垂直于石墨烯层13的表面。
在一些实施例中，如果石墨烯层13是团聚成岛状且彼此分离地覆盖在金属基体11的部分表面111的话，则有部分的纳米碳管121的轴向方向垂直于石墨烯层13，但另一部分的纳米碳管121的轴向方向则垂直于材料例如是铝的金属基体11的表面111。另外，如果石墨烯层13覆盖在金属基体11的部分表面111，且金属基体11的材料是铜的话，则纳米碳管121只会成长在石墨烯层13(即轴向方向垂直于石墨烯层13)，并不会成长在铜材料的金属基体11，视金属基体11的材料及石墨烯层13的覆盖率来决定纳米碳管121的轴向方向的垂直方式。
在一些实施例中，前述的石墨烯微片的厚度可大于等于0.3纳米(nm)，且小于等于3纳米(0.3nm≤厚度≤3nm)，而各石墨烯微片的片径(即最大宽度)可大于等于1微米，且小于等于30微米(1μm≤片径≤30μm)。
第二导电层14设置于第一导电层12，且第二导电层14的材料位于第一导电层12的这些纳米碳管121之间的间隙。第二导电层14的材料可例如但不限于包括石墨烯、人造石墨、天然石墨、碳黑、导电金属粒子或其组合。而导电金属粒子的材料包括银、铜、金、铝、或铂，或其组合，并不限制。本实施例的第二导电层14的材料例如是以石墨烯为例。具体来说，可将石墨烯微片与溶剂(例如但不限于水)均匀混合后形成浆料，并将具有流动性的浆料以例如涂布、印刷或其他适当的方式设置在第一导电层12上，使第二导电层14的材料填入纳米碳管121之间的间隙(优选者为填满所有间隙)，待干燥(去除溶剂)、固化后形成第二导电层14，由此提高导电性。当然，因工艺或其他因素，纳米碳管121之间的间隙可能无法被第二导电层14的材料(石墨烯)完全填满。
承上，在公知技术中，是以碳黑作为金属基体11的导电剂，但在本实施例的导电结构1中，第一导电层12设置于金属基体11，并包括多个纳米碳管121，石墨烯层13设置在金属基体11与第一导电层12之间，第二导电层14设置于第一导电层12，且第二导电层14的材料位于第一导电层12的这些纳米碳管121之间的间隙。由此，本实施例并不以碳黑作为导电剂，而是以第一导电层12(包括纳米碳管121)、石墨烯层13及第二导电层14(例如包括石墨烯)作为金属基体11的导电剂，由于第一导电层12、石墨烯层13及第二导电层14都具有极佳的导电性，因此可使导电结构1也具有相当好的导电性而可应用于锂电池的正极，由此提升锂电池的能量密度。
请参照图2所示，其为本发明另一实施例的导电结构的示意图。如图2所示，本实施例的导电结构1a与前述实施例的导电结构1其元件组成及各元件的连接关系大致相同。不同之处在于，本实施例的导电结构1a的第二导电层14的材料除了填满纳米碳管121之间的间隙外，还覆盖第一导电层12远离石墨烯层13的表面(即覆盖第一导电层12的表面)。
此外，本发明还提出一种电池，其可包括两个电极：正极及与该正极对应设置的负极。其中，正极可包括上述的导电结构1或1a，或其变化方式，具体技术内容请参照上述，在此不再多作说明。前述的电池例如但不限于钛酸锂、钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰或镍钴铝等锂电池。
综上所述，在本发明的导电结构与包括该导电结构的电池中，第一导电层设置于金属基体，并包括多个纳米碳管；石墨烯层设置在金属基体与第一导电层之间；第二导电层设置于第一导电层，且第二导电层的材料位于第一导电层的这些纳米碳管之间的间隙。由此，本发明并不以碳黑作为导电剂，而是以第一导电层(包括纳米碳管)、石墨烯层及第二导电层(例如包括石墨烯)作为金属基体的导电剂，由于第一导电层、石墨烯层及第二导电层都具有极佳的导电性，因此可使导电结构也具有相当好的导电性而可应用于电池的正极，由此提升电池的能量密度。
以上所述仅为举例性，而非为限制性。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于随附的权利要求中。

Claims (10)

1.一种导电结构，包括：
金属基体；
第一导电层，设置于所述金属基体，所述第一导电层包括多个纳米碳管；
石墨烯层，设置在所述金属基体与所述第一导电层之间；以及
第二导电层，设置于所述第一导电层，且所述第二导电层的材料位于所述纳米碳管之间的间隙。
2.根据权利要求1所述的导电结构，其中所述金属基体的材料包括铝。
3.根据权利要求1所述的导电结构，其中所述第二导电层的材料进一步覆盖所述第一导电层远离所述石墨烯层的表面。
4.根据权利要求1所述的导电结构，其中所述石墨烯层至少覆盖所述金属基体的部分表面。
5.根据权利要求1所述的导电结构，其中所述纳米管体的轴向方向垂直于所述石墨烯层的表面。
6.根据权利要求1所述的导电结构，其中所述纳米管体的轴向方向垂直于所述石墨烯层及所述金属基体的表面。
7.根据权利要求1所述的导电结构，其中所述第二导电层的材料包括石墨烯、人造石墨、天然石墨、碳黑、导电金属粒子或其组合。
8.根据权利要求7所述的导电结构，其中所述导电金属粒子的材料包括银、铜、金、铝、或铂，或其组合。
9.根据权利要求1所述的导电结构，其应用于锂电池的正极。
10.一种电池，包括正极及负极，所述负极与所述正极对应设置；
其中，所述正极包括根据权利要求1至8中任一项所述的导电结构。
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