CN115084789A - 复合集流体及其制备方法、电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合集流体及其制备方法、电池，包括：基材层；复合层，复合层设于基材层的至少一个表面上，复合层包括：结合层，结合层附着于基材层的表面；导电层，导电层位于结合层的表面；阻隔层，阻隔层设于结合层与导电层之间，阻隔层的一侧表面与结合层相连，阻隔层的另一侧表面与导电层相连，阻隔层用于阻断结合层与导电层发生反应。本发明通过在结合层与导电层之间设置阻隔层以阻断结合层与导电层发生反应，可以避免结合层与基材层之间结合强度降低，有效防止结合层及导电层剥离，提高了复合集流体安全性和使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于复合集流体技术领域，具体涉及一种复合集流体及其制备方法、电池。
背景技术
集流体是一种汇集电流的结构或零件，目前锂离子电池上的集流体通常采用铜箔或铝箔制作而成。而采用金属材料制作集流体时，用到的原材料成本较高，制作的电池重量较重。目前现有技术开发出来了一种PET复合铜/铝箔来替代传统的铜箔或铝箔。PET复合铜/铝箔是在PET表面溅射一层结合层，然后再结合层表面加工出导电层，结合层主要作用是连接PET和导电层。然而由于电池在充放电时，温度升高，加快了导电层与结合层的扩散反应，导致结合层与PET的结合力降低，最终导致导电层剥离，电池的安全性和可靠性变差，电池寿命变短。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
为此，本发明提出一种复合集流体及其制备方法、电池，该复合集流体具有阻隔结合层与导电层进行扩散反应，以提升电池安全性和使用寿命的优点。
根据本发明实施例的复合集流体，包括：基材层；复合层，所述复合层设于所述基材层的至少一个表面上，所述复合层包括：结合层，所述结合层附着于所述基材层的表面；导电层，所述导电层位于所述结合层的表面；阻隔层，所述阻隔层设于所述结合层与所述导电层之间，所述阻隔层的一侧表面与所述结合层相连，所述阻隔层的另一侧表面与所述导电层相连，所述阻隔层用于阻断所述结合层与所述导电层发生反应。
根据本发明一个实施例，所述阻隔层为铜、铝、铬、锡、钴、钨、锌、镍的金属及其合金中的至少一种。
根据本发明一个实施例，所述阻隔层的厚度为2-50纳米。
根据本发明一个实施例，所述基材层为PET、PP、PI、PC、PMMA中的一种，所述基材层的厚度为2-15微米。
根据本发明一个实施例，所述结合层为铜、铝、铬、钛、钒、铌、钴、钨、钼、锌、镍的金属及其合金中的至少一种，所述结合层的厚度为2-50纳米。
根据本发明一个实施例，所述导电层为铜、铝、锂、金、银、钛、钼、锌、镍中的至少一种。
根据本发明一个实施例，所述阻隔层的材料与所述导电层的材料不同。
根据本发明一个实施例，所述导电层的外表面还设置有耐候层，所述耐候层为铜、铝、锂、金、银、钛、铬、锡、钴、钨、钼、锌、镍的金属，及其合金，及其金属氧化物，及有机抗氧化剂中的至少一种，所述耐候层的厚度为1-100纳米。
根据本发明一个实施例，所述复合集流体的制备方法，包括以下步骤，S1：在基材层上溅射出结合层；S2：在结合层上溅射出阻隔层；S3：在阻隔层上溅射加工出种子层；S4：在种子层上加工出金属层，金属层与种子层构成导电层；S5：在金属层表面加工出耐候层。
根据本发明一个实施例，在S4中金属层的加工方式为电镀或蒸镀，在S5中，耐候层的加工方式为电镀、药液化学反应或涂覆。
根据本发明一个实施例，所述金属层的材料与所述种子层的材料相同，所述种子层的厚度为2-200纳米，所述金属层的厚度为0.5-5微米。
根据本发明一个实施例，一种电池，包括所述的复合集流体。
本发明的有益效果是，本发明通过在结合层与导电层之间设置阻隔层以阻断结合层与导电层发生反应，可以避免结合层与基材层之间结合强度降低，有效防止结合层和导电层剥离，提高了复合集流体安全性和使用寿命，本发明利用溅射的方式在基材层上依次加工结合层和阻隔层，溅射加工方式使得各层之间结合强度高。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明实施例的复合集流体的截面示意图；
附图标记：
基材层10、复合层20、结合层30、阻隔层40、导电层50、耐候层60、种子层501、金属层502。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
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，或一体地连接；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。
下面参考附图具体描述根据本发明实施例的复合集流体。
如图1所示，根据本发明实施例的复合集流体，包括：基材层10和复合层20，复合层20设于基材层10的至少一个表面上，复合层20包括：结合层30、导电层50和阻隔层40，结合层30附着于基材层10的表面；导电层50位于结合层30的表面；阻隔层40设于结合层30与导电层50之间，阻隔层40的一侧表面与结合层30相连，阻隔层40的另一侧表面与导电层50相连，阻隔层40用于阻断结合层30与导电层50发生反应。
根据本发明一个实施例，阻隔层40为铜、铝、铬、锡、钴、钨、锌、镍的金属及其合金中的至少一种。进一步地，阻隔层40的厚度为2-50纳米。也就是说，阻隔层40可以是铜、铝、铬、锡、钴、钨、锌、镍、铜合金、铝合金、铬合金、锡合金、钴合金、钨合金、锌合金、镍合金中的任意一种或多种。阻隔层40优选为合金材料，合金相较于单纯的金属而言，更加不易与其他金属发生反应，阻隔的效果更好。
根据本发明一个实施例，基材层10为PET、PP、PI、PC、PMMA中的一种，基材层10的厚度为2-15微米。也就是说，相较于传统铜箔或铝箔而言，将基材层10由金属替换为非金属材料，使得整个复合集流体的重量和厚度得到大幅度降低。
根据本发明一个实施例，结合层30为铜、铝、铬、钛、钒、铌、钴、钨、钼、锌、镍的金属及其合金中的至少一种，结合层30的厚度为2-50纳米。基材层10为非金属材料，而导电层50为金属材料，为了使金属材料能够固定在非金属材料上，先设置结合层30，使基材层10的表面金属化，从而便于在基材层10上加工出其他金属层。
优选地，阻隔层40的材料与导电层50的材料不同。阻隔层40与导电层50的材料不同时，阻隔层40的阻隔效果较好，进一步地，阻隔层40为合金时，阻隔效果最优。
根据本发明一个实施例，导电层50为铜、铝、锂、金、银、钛、钼、锌、镍中的至少一种。导电层50优选为单种金属，导电效果较好。不同电池所优选的导电层50的材料不同，对于锂电池而言，复合集流体用于负极时导电层50通常为铜，复合集流体用于正极时导电层50通常为铝。
根据本发明一个实施例，导电层50的外表面还设置有耐候层60，耐候层60为铜、铝、金、银、钛、铬、锡、钴、钨、钼、锌、镍的金属，及其合金，及其金属氧化物，及抗氧化剂中的至少一种，耐候层60的厚度为1-100纳米。
换言之，耐候层60主要作用是对导电层50进行保护，避免受到腐蚀，耐候层60可以是铜、铝、锂、金、银、钛、铬、锡、钴、钨、钼、锌、镍、铜合金、铝合金、锂合金、金合金、银合金、钛合金、铬合金、锡合金、钴合金、钨合金、钼合金、锌合金、镍合金、铜的金属氧化物、铝的金属氧化物、锂的金属氧化物、金的金属氧化物、银的金属氧化物、钛的金属氧化物、铬的金属氧化物、锡的金属氧化物、钴的金属氧化物、钨的金属氧化物、钼的金属氧化物、锌的金属氧化物、镍的金属氧化物、具有导电性的有机抗氧化剂中的至少一种。
本发明还公开了一种复合集流体的制备方法，包括以下步骤，S1：在基材层10上溅射出结合层30；S2：在结合层1上溅射出阻隔层40；S3：在阻隔层40上溅射加工出种子层501；S4：在种子层501上加工出金属层502，金属层502与种子层501构成导电层50；S5：在金属层502表面加工出耐候层60。进一步地，在S4中，金属层502的加工方式为电镀或蒸镀，在S5中，耐候层60的加工方式为电镀、药液化学反应或涂覆。更进一步地，金属层502的材料与种子层501的材料相同，种子层501的厚度为2-200纳米，金属层502的厚度为0.5-5微米。也就是说，导电层50包括种子层501和金属层502，种子层501的作用是提高阻隔层40表面导电性，提高了电镀效果，使得金属层502能够被迅速电镀上。
本发明还公开了一种电池，包括上述的复合集流体。将上述的复合集流体运用于电池中，极大地减轻了电池的重量，增加了电池的电性能。
本发明通过在结合层30与导电层50之间设置阻隔层40以阻断结合层30与导电层50发生反应，可以避免结合层30与基材层10之间结合强度降低，有效防止结合层30和导电层50剥离，提高了复合集流体安全性和使用寿命，本发明利用溅射的方式在基材层10上依次加工结合层30和阻隔层40，溅射加工方式使得各层之间结合强度高。
对比例1
基材层10为4.5微米厚的PET，导电层50为1微米厚的铜，导电层50直接设置在基材层10上。
对比例2
基材层10为4.5微米厚的PET，结合层30为20纳米厚的铬，导电层50为1微米厚的铜，对比例2相较于对比例1增加了结合层30。
实施例1
基材层10为4.5微米厚的PET，结合层30为20纳米厚的铬，阻隔层40为15纳米厚的Ni80Cr20，导电层50为1微米厚的铜。实施例1相较于对比例2增加了阻隔层40。加工时溅射机的参数为：输送速度为2m/min，结合层30的溅射功率为4KW，阻隔层40的溅射功率为3KW，种子层501的溅射功率为3KW且种子层501进行6次溅射。Ni80Cr20是电阻电热合金，此类合金组织稳定，电气物理特性稳定、高温力学性能好，冷变形塑性好，焊接性好，长期使用不会产生脆性断裂。
其中，对比例1、对比例2和实施例1中的基材层10和导电层50相同，对比例2和实施例1中的结合层30相同。根据IPC-TM-650 2.4.8中的测试方法对对比例1、对比例2和实施例1进行剥离强度测试（需要注意的是，由于本发明的复合集流体厚度较薄，无法直接在对比例1、对比例2和实施例1上进行测试，因此在测试前需将导电层50增厚到一定厚度后再进行测试），得到对比例1的剥离强度为0.2-0.4kgf/cm；对比例2的剥离强度为0.4-0.7kgf/cm；实施例1的剥离强度为0.5-0.8kgf/cm。分别将对比例1、对比例2和实施例1模拟电池使用环境，在70°C的温度下经过500h的时间后，再测试剥离强度，得到对比例1的剥离强度<0.2kgf/cm；对比例2的剥离强度为0.2-0.4kgf/cm；实施例1的剥离强度为0.4-0.7kgf/cm。由此可知，经过测试后，导电层50与结合层30相连的部分会发生扩散反应，使得结合层30与基材层10连接强度降低，在加入阻隔层40后，有效避免了导电层50与结合层30发生反应。本申请通过在结合层30与导电层50之间设置阻隔层40，有效提升了整个复合层20与基材层10的连接强度，提升了复合集流体的使用寿命。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (12)
1.一种复合集流体，其特征在于，包括：
基材层（10）；
复合层（20），所述复合层（20）设于所述基材层（10）的至少一个表面上，所述复合层（20）包括：
结合层（30），所述结合层（30）附着于所述基材层（10）的表面；
导电层（50），所述导电层（50）位于所述结合层（30）的表面；
阻隔层（40），所述阻隔层（40）设于所述结合层（30）与所述导电层（50）之间，所述阻隔层（40）的一侧表面与所述结合层（30）相连，所述阻隔层（40）的另一侧表面与所述导电层（50）相连，所述阻隔层（40）用于阻断所述结合层（30）与所述导电层（50）发生反应。
2.根据权利要求1所述的复合集流体，其特征在于，所述阻隔层（40）为铜、铝、铬、锡、钴、钨、锌、镍的金属及其合金中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的复合集流体，其特征在于，所述阻隔层（40）的厚度2-50纳米。
4.根据权利要求1所述的复合集流体，其特征在于，所述基材层（10）为PET、PP、PI、PC、PMMA中的一种，所述基材层（10）的厚度为2-15微米。
5.根据权利要求1所述的复合集流体，其特征在于，所述结合层（30）为铜、铝、铬、钛、钒、铌、钴、钨、钼、锌、镍的金属及其合金中的至少一种，所述结合层（30）的厚度为2-50纳米。
6.根据权利要求2所述的复合集流体，其特征在于，所述导电层（50）为铜、铝、锂、金、银、钛、钼、锌、镍中的至少一种。
7.根据权利要求6所述的复合集流体，其特征在于，所述阻隔层（40）的材料与所述导电层（50）的材料不同。
8.根据权利要求1所述的复合集流体，其特征在于，所述导电层（50）的外表面还设置有耐候层（60），所述耐候层（60）为铜、铝、锂，金、银、钛、铬、锡、钴、钨、钼、锌、镍的金属，及其合金，及其金属氧化物，及有机抗氧化剂中的至少一种，所述耐候层（60）的厚度为1-100纳米。
9.根据权利要求1-8中任一所述复合集流体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，
S1：在基材层（10）上溅射出结合层（30）；
S2：在结合层（1）上溅射出阻隔层（40）；
S3：在阻隔层（40）上溅射加工出种子层（501）；
S4：在种子层（501）上加工出金属层（502），金属层（502）与种子层（501）构成导电层（50）；
S5：在金属层（502）表面加工出耐候层（60）。
10.根据权利要求9所述的复合集流体的制备方法，其特征在于，在S4中，金属层（502）的加工方式为电镀或蒸镀，在S5中，耐候层（60）的加工方式为电镀、药液化学反应、涂覆中的一种。
11.根据权利要求10所述的复合集流体的制备方法，其特征在于，所述金属层（502）的材料与所述种子层（501）的材料相同，所述种子层（501）的厚度为2-200纳米，所述金属层（502）的厚度为0.5-5微米。
12.一种电池，其特征在于，包括如权利要求1-8中任一所述的复合集流体。
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