CN116207217A - 集流体、电极极片及其制备方法、和包含电极极片的装置 - Google Patents

集流体、电极极片及其制备方法、和包含电极极片的装置 Download PDF

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Abstract

本申请实施方式涉及一种集流体、电极极片及其制备方法、和包含电极极片的装置，所述制备集流体的方法包括提供有机碳源溶液；将有机碳源溶液提供至集流体基材的表面上，热处理有机碳源溶液形成碳源膜层；采用激光源刻蚀碳源膜层为石墨烯层，制备得到包含石墨烯层的集流体。

Description

集流体、电极极片及其制备方法、和包含电极极片的装置
技术领域
本申请涉及电池技术领域，更具体地，涉及集流体、电极极片及其制备方法、和包含电极极片的装置。
背景技术
电池单体具有工作性能可靠，以及无污染、无记忆效应等优点，因而被广泛应用。例如，随着环境保护问题日益受到重视，新能源汽车日益普及，动力型电池单体的需求将呈现爆发式增长。
随着电池应用范围越来越广泛，对电池性能的要求也逐渐严苛。但是，电池单体的能量密度较差，需要对能量密度进行改善。
发明内容
本申请提供一种集流体、电极极片及其制备方法、和包含电极极片的装置，能够提高电池单体的能量密度。
第一方面，本申请实施方式提出了一种制备集流体的方法，所述方法包括：
提供有机碳源溶液；
将有机碳源溶液提供至集流体基材的表面上，热处理有机碳源溶液形成碳源膜层；
采用激光源刻蚀碳源膜层为石墨烯层，制备得到包含石墨烯层的集流体。
由此，根据本申请实施方式的方法获得的集流体，其整体厚度较小，有利于提升电池单体的能量密度；集流体的导电性较好，有利于提升电池单体的倍率性能。
在一些实施方式中，有机碳源溶液的厚度为1.5μm至15.0μm。满足上述厚度范围的有机碳源溶液更有利于制造轻薄的集流体，能够给予活性物质层更多的空间，使得电池单体能量密度得到提升。
在一些实施方式中，热处理有机碳源溶液形成碳源膜层的步骤，包括：第一热处理有机碳源溶液，以去除有机碳源溶液中的至少部分溶剂，并留存有机碳源溶液中的有机碳源；第二热处理有机碳源，并提供外部作用力至有机碳源，以使有机碳源形成碳源膜层。
由此，本申请实施方式通过对有机碳源溶液进行热处理等，有机碳源溶液中的溶剂逐步挥发，有机碳源溶液中的有机碳源均匀分布于集流体基材的表面，有利于有机碳源在集流体基材表面上形成厚度均匀的碳源膜层，且碳源膜层的热膨胀系数相对较低，且不容易存在针孔形态。
在一些实施方式中，碳源膜层的厚度为1μm至10μm。碳源膜层的厚度在上述范围时，有利于制造轻薄的集流体，能够给予活性物质层更多的空间，使得电池单体能量密度的提升。
在一些实施方式中，提供有机碳源溶液的步骤，包括：将有机碳源溶解于溶剂中得到有机碳源溶液，其中，有机碳源包括聚酰胺酸、聚乙烯吡咯烷酮、异丁基乙烯醚、聚醋酸乙烯酯、纤维素酯类化合物、聚烯醇类化合物、聚烯烃类化合物和多糖类化合物中的一种或多种。上述有机碳源所制成的薄膜致密均匀，机械强度高。
在一些实施方式中，纤维素酯类化合物包括乙酸纤维素、乙酸丁酸纤维素和乙酸丙酸纤维素中的一种或多种。
在一些实施方式中，聚烯醇类化合物包括聚乙烯醇和/或聚丙烯醇。
在一些实施方式中，聚烯烃类化合物包括聚丙烯和/或聚苯乙烯。
在一些实施方式中，多糖类化合物包括纤维素、壳聚糖和几丁质中的一种或多种。
在一些实施方式中，集流体基材包括金属基材。
在一些实施方式中，金属基材的主体材质包括铜和铝中的至少一种。
在一些实施方式中，集流体基材包括有机高分子层和设置于有机高分子层表面的金属层；其中，有机碳源溶液提供至金属层的表面上。
在一些实施方式中，金属层的主体材质包括铜和铝中的至少一种。
在一些实施方式中，激光源包括二氧化碳激光源、二极管激光源、氩离子激光源、氮气激光源、红光激光源、蓝光激光源、飞秒激光源中的一种或多种。
在一些实施方式中，激光源包括二氧化碳激光源。
在一些实施方式中，二氧化碳激光源满足以下条件中的至少一个：
（1）二氧化碳激光源的激光波长为2μm至50μm；
（2）二氧化碳激光源的脉冲宽度为10μs至20μs；
（3）二氧化碳激光源每英寸的脉冲数量为800至1200；
（4）二氧化碳激光源的输出功率为1W至10W；
（5）二氧化碳激光源的光束半径为50μm至150μm；
（6）二氧化碳激光源的扫描速度为5cm/s至15cm/s；
（7）沿集流体基材的厚度方向，二氧化碳激光源与碳源膜层之间的尺寸为2mm至4mm；
（8）碳源膜层面向二氧化碳激光源的表面的激光强度范围为6J/cm2至50J/cm2。
由此，本申请实施方式在满足上述条件中的至少一个时，可以进一步提高所制备的石墨烯层的性能，例如，可以提升石墨烯层整层性能的均一性，并可以使得石墨烯层背离集流体基材表面具有适度的凹凸不平，并提升石墨烯层和活性物质之间的结合强度。
第二方面，本申请实施方式提出了一种集流体，集流体包括集流体基材和石墨烯层，石墨烯层位于集流体基材至少一个表面上，石墨烯层经激光刻蚀有机碳源形成。
在一些实施方式中，石墨烯层的厚度为1μm至10μm。石墨烯层的厚度在上述范围时，有利于制造轻薄的集流体，能够给予活性物质层更多的空间，使得电池单体能量密度的提升。
在一些实施方式中，石墨烯层具有孔状结构。
在一些实施方式中，孔状结构的孔径为1nm至80nm。
在一些实施方式中，石墨烯层的孔隙率为5%至30%。石墨烯层的孔隙率在上述范围时能够提升电极极片的振实密度，提高电池单体的能量密度。
在一些实施方式中，石墨烯层的比表面积为30m2/g至500m2/g。石墨烯层的比表面积在上述范围时，能够提升石墨烯层的粘结性，并提升电极极片的振实密度，由此提高电池单体的能量密度。
第三方面，本申请实施方式提出了一种制备电极极片的方法，包括：提供如本申请第一方面任一实施方式所述的集流体；于所述石墨烯层的表面上设置活性物质浆料，干燥所述活性物质浆料形成活性物质层。
第四方面，本申请实施方式提出了一种电极极片，包括集流体和活性物质层，集流体包括本申请第二方面任一实施方式所述的集流体；活性物质层至少设置于石墨烯层的表面上。
在一些实施方式中，活性物质层包括正极活性物质，活性物质层的压实密度为2.5g/cm3至3.50g/cm3。活性物质层的压实密度在上述范围时，能够有效提升电池单体的能量密度。
在一些实施方式中，活性物质层包括负极活性物质，活性物质层的压实密度为1.55g/cm3至1.80g/cm3。活性物质层的压实密度在上述范围时，能够有效提升电池单体的能量密度。
第五方面，本申请实施方式提出了一种电池单体，包括如本申请第四方面所述的电极极片。
第六方面，本申请实施方式提出了一种电池，包括如本申请第五方面所述的电池单体。
第七方面，本申请实施方式提出了一种用电装置，包括如本申请第六方面所述的电池。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据附图获得其他的附图。
图1是本申请制备集流体的一实施方式的流程示意图。
图2是本申请集流体的一实施方式的示意图。
图3是本申请集流体的另一实施方式的示意图。
图4是本申请电极极片的一实施方式的示意图。
图5是本申请的电池单体的一实施方式的示意图。
图6是图5的电池单体的实施方式的分解示意图。
图7是本申请的电池模块的一实施方式的示意图。
图8是本申请的电池包的一实施方式的示意图。
图9是图8所示的电池包的实施方式的分解示意图。
图10是包含本申请的电池包作为电源的用电装置的一实施方式的示意图。
图11是本申请实施例1中激光刻蚀形成石墨烯的X射线衍射XRD图。
图12是本申请实施例1的负极极片的石墨烯层的拉曼光谱Raman图。
图13是本申请实施例1的负极极片的石墨烯层的透射电镜TEM图。
图14是本申请实施例1的负极极片的石墨烯层的扫描电镜SEM图。
附图未必按照实际的比例绘制。
附图标记说明如下：
1、电池包；2、上箱体；3、下箱体；4、电池模块；
5、电池单体；51、壳体；52、电极组件；
53、盖板；
6、用电装置；
7、电极极片；
71、集流体；711、集流体基材；712、石墨烯层；
72、活性物质层。
具体实施方式
以下，适当地参照附图详细说明具体公开了本申请的集流体、电极极片及其制备方法、和包含电极极片的装置的实施方式。但是会有省略不必要的详细说明的情况。例如，有省略对已众所周知的事项的详细说明、实际相同结构的重复说明的情况。这是为了避免以下的说明不必要地变得冗长，便于本领域技术人员的理解。此外，附图及以下说明是为了本领域技术人员充分理解本申请而提供的，并不旨在限定权利要求书所记载的主题。
本申请所公开的“范围”以下限和上限的形式来限定，给定范围是通过选定一个下限和一个上限进行限定的，选定的下限和上限限定了特别范围的边界。这种方式进行限定的范围可以是包括端值或不包括端值的，并且可以进行任意地组合，即任何下限可以与任何上限组合形成一个范围。例如，如果针对特定参数列出了60-120和80-110的范围，理解为60-110和80-120的范围也是预料到的。此外，如果列出的最小范围值1和2，和如果列出了最大范围值3，4和5，则下面的范围可全部预料到：1-3、1-4、1-5、2-3、2-4和2-5。在本申请中，除非有其他说明，数值范围“a-b”表示a到b之间的任意实数组合的缩略表示，其中a和b都是实数。例如数值范围“0-5”表示本文中已经全部列出了“0-5”之间的全部实数，“0-5”只是这些数值组合的缩略表示。另外，当表述某个参数为≥2的整数，则相当于公开了该参数为例如整数2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12等。
如果没有特别的说明，本申请的所有实施方式以及可选实施方式可以相互组合形成新的技术方案。
如果没有特别的说明，本申请的所有技术特征以及可选技术特征可以相互组合形成新的技术方案。
如果没有特别的说明，本申请的所有步骤可以顺序进行，也可以随机进行，优选是顺序进行的。例如，所述方法包括步骤(a)和(b)，表示所述方法可包括顺序进行的步骤(a)和(b)，也可以包括顺序进行的步骤(b)和(a)。例如，所述提到所述方法还可包括步骤(c)，表示步骤(c)可以任意顺序加入到所述方法，例如，所述方法可以包括步骤(a)、(b)和(c)，也可包括步骤(a)、(c)和(b)，也可以包括步骤(c)、(a)和(b)等。
如果没有特别的说明，本申请所提到的“包括”和“包含”表示开放式，也可以是封闭式。例如，所述“包括”和“包含”可以表示还可以包括或包含没有列出的其他组分，也可以仅包括或包含列出的组分。
如果没有特别的说明，在本申请中，术语“或”是包括性的。举例来说，短语“A或B”表示“A，B，或A和B两者”。更具体地，以下任一条件均满足条件“A或B”：A为真（或存在）并且B为假（或不存在）；A为假（或不存在）而B为真（或存在）；或A和B都为真（或存在）。
电池单体包括正极极片和负极极片以及隔离膜，隔离膜位于正极极片和负极极片之间以隔绝正极极片和负极极片，活性离子经电解液在正极极片和负极极片之间迁移，由此实现电池单体的充放电。
正极极片可以包括正极集流体和含有正极活性物质的正极活性物质层，正极活性物质层通常涂覆于正极集流体的表面；由于正极活性物质和正极集流体之间的粘结性较差，导致涂布脱模、爆边、裂纹等问题，而且涂层的均匀性、可塑性和强度等对冷压、卷绕等工艺的可加工性影响较大；在相关技术中，为了解决上述问题，例如提升正极活性物质和正极集流体的粘结性，通常在正极活性物质层和正极集流体之间设置有底涂涂层，该底涂涂层包括粘结剂、导电剂、增塑剂等材料，虽然底涂涂层能够提高正极活性物质层和正极集流体之间的粘结力，但是对电池单体能量密度的提升影响有限。
负极极片包括负极集流体和含有负极活性物质的负极活性物质层，负极极片可能面临和正极极片相同的上述问题，在相关技术中，为了提升负极活性物质和负极集流体的粘结性，通常在负极活性物质层和负极集流体之间设置有底涂涂层，但是该底涂涂层，对电池单体能量密度的提升影响有限。
换言之，正极极片和负极极片中的至少一者可能面临上述问题，提升正极极片和负极极片中至少一者的性能即可以提升电池单体的性能。
鉴于上述技术问题，本申请实施方式从改善集流体性能的角度出发，提出了一种制备集流体的方法，该集流体适用于正极极片和/或负极极片，该方法在集流体基材的表面上设置有机碳源溶液，通过激光源对有机碳源溶液进行刻蚀处理，可以获得结合在集流体基材上的石墨烯层，该方法所制备的集流体的整体厚度较薄，有利于提升电池单体的能量密度。
制备集流体的方法
第一方面，本申请实施方式提出了一种制备集流体的方法，所述方法包括：
步骤S100，提供有机碳源溶液；
步骤S200，将有机碳源溶液提供至集流体基材的表面上，热处理有机碳源溶液形成碳源膜层；
步骤S300，采用激光源刻蚀碳源膜层为石墨烯层，制备得到包含石墨烯层的集流体。
根据本申请实施方式的方法获得的集流体，有利于提升电池单体的能量密度。
在步骤S100中，有机碳源溶液包括溶质和溶剂，将有机碳源溶解于溶剂中得到有机碳源溶液。溶质为有机碳源，溶剂为能够溶解有机碳源的溶剂。在本申请实施方式中，溶解是指溶质和溶剂能够混合形成状态均匀的相；或者说，有机碳源在溶剂中的溶解度大于或等于10g。由于溶剂溶解有机碳源，有机碳源在溶剂中的分布较为均匀，有利于后续均匀成膜。有机碳源溶液由于仅包含有机碳源作为溶质，更有利于均匀溶解于溶剂中，有利于形成轻薄化的石墨烯层结构。当然，本申请实施方式中的有机碳源溶液还可以包括其他有利于成膜的物质。
示例性地，将有机碳源溶质加入溶剂中，搅拌20min至60min，获得有机碳源溶液。
在一些实施方式中，有机碳源为有机化合物，该有机化合物可以包括有机高分子化合物（例如聚合物），也可以包括有机低分子化合物（例如小分子化合物），有机化合物更有利于在集流体基材上形成性能和厚度均一的石墨烯层。集流体包括石墨烯层，石墨烯层的导电性较好，且能够在一定程度上发挥活性物质的。
在一些实施方式中，有机碳源包括聚酰胺酸、聚乙烯吡咯烷酮、异丁基乙烯醚、聚醋酸乙烯酯、纤维素酯类化合物、聚烯醇类化合物、聚烯烃类化合物和多糖类化合物中的一种或多种。上述有机碳源所制成的薄膜致密均匀，机械强度高。
作为一些示例，纤维素酯类化合物包括乙酸纤维素、乙酸丁酸纤维素和乙酸丙酸纤维素中的一种或多种。
作为一些示例，聚烯醇类化合物包括聚乙烯醇和/或聚丙烯醇。
作为一些示例，聚烯烃类化合物包括聚丙烯和/或聚苯乙烯。
作为一些示例，多糖类化合物包括纤维素、壳聚糖和几丁质中的一种或多种。
在本申请实施方式中，对溶剂的种类没有特定限定，溶剂能够溶解相应有机化合物即可，在一些实施方式中，溶剂可以包括水、醇类溶剂、酮类溶剂、N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺、二氯甲烷、三氯甲烷、醋酸甲酯、醋酸中的一种或多种。
示例性地，有机碳源溶液可以包括聚酰胺酸溶液，其溶质为聚酰胺酸，其溶剂为N-甲基吡咯烷酮。
示例性地，有机碳源溶液可以包括聚丙烯溶液，其溶质为聚丙烯，其溶剂为丙酮。
示例性地，有机碳源溶液可以包括聚乙烯醇溶液，其溶质为聚乙烯醇，其溶剂为水。
示例性地，有机碳源溶液可以包括聚丙烯醇溶液，其溶质为聚丙烯醇，其溶剂为乙醇。
示例性地，有机碳源溶液可以包括聚乙烯吡咯酮溶液，其溶质为聚乙烯吡咯酮，其溶剂为水。
示例性地，有机碳源溶液可以包括聚苯乙烯溶液，其溶质为聚苯乙烯，其溶剂为N,N-二甲基甲酰胺和三氯甲烷的混合物。
示例性地，有机碳源溶液可以包括异丁基乙烯醚溶液，其溶质为异丁基乙烯醚，其溶剂为乙醚。
示例性地，有机碳源溶液可以包括乙酸纤维素溶液，其溶质为乙酸纤维素，其溶剂包括二氯甲烷和醋酸甲酯中的至少一者。
示例性地，有机碳源溶液可以包括乙酸丁酸纤维素溶液，其溶质为乙酸丁酸纤维素，其溶剂包括二氯甲烷和醋酸甲酯中的至少一者。
示例性地，有机碳源溶液可以包括乙酸丙酸纤维素溶液，其溶质为乙酸丙酸纤维素，其溶剂包括二氯甲烷和醋酸甲酯中的至少一者。
示例性地，有机碳源溶液可以包括聚醋酸乙烯酯溶液，其溶质为聚醋酸乙烯酯，其溶剂为乙醇。
示例性地，有机碳源溶液可以包括纤维素醋酸溶液，其溶质为纤维素，其溶剂为醋酸。
示例性地，有机碳源溶液可以包括壳聚糖醋酸溶液，其溶质为壳聚糖，其溶剂为醋酸。
示例性地，有机碳源溶液可以包括几丁质醋酸溶液，其溶质为几丁质，其溶剂为醋酸。
在步骤S200中，将有机碳源溶液提供至集流体基材的表面上，可以通过涂布等方式将有机碳源溶液设置于集流体基材的表面上，经过去除有机碳源溶液中的溶剂，并对有机碳源进行热处理，将有机碳源制备为碳源膜层。
如图1所示，将有机碳源溶液涂布于集流体基材表面可以采用刮刀涂布，具体地，采用刮刀涂布的具体步骤包括：
步骤S210，将有机碳源溶液涂覆于集流体基材的表面上；
步骤S220，调节刮刀和集流体基材表面之间的间距，调节有机碳源溶液的厚度。
将有机碳源溶液涂敷于集流体基材的表面上，由于有机碳源溶液具有一定的流动性，涂敷于集流体基材表面上的有机碳源溶液的厚度趋近于均匀；为了进一步提高厚度的均匀性，可以去除有机碳源溶液的一部分；例如，采用刮刀移除有机碳源溶液的一部分，在移除过程中，沿集流体基材的厚度方向上，刮刀和集流体基材表面之间的距离保持基本不变，将刮刀沿第一方向移动，以去除部分有机碳源溶液。在本申请实施方式中，第一方向与集流体基材的厚度方向垂直，第一方向可以为集流体基材的长度方向或者宽度方向。
在一些实施方式中，有机碳源溶液的厚度为1.5μm至15.0μm。满足上述厚度范围的有机碳源溶液更有利于制造轻薄的集流体，能够给予活性物质层更多的空间，使得电池单体能量密度得到提升。在本申请实施方式中，有机碳源溶液的厚度为通过刮刀调整后的厚度。
示例性地，有机碳源溶液的厚度可以为1.5μm、2.0μm、3.0μm、3.5μm、4.0μm、5.0μm、6.0μm、7.0μm、8.0μm、9.0μm、10.0μm、11.0μm、12.0μm、13.0μm、14.0μm、15.0μm或是上述任意两个数值组成的范围。
在一些实施方式中，热处理有机碳源溶液形成碳源膜层的步骤，包括：
步骤S230，第一热处理有机碳源溶液，以去除有机碳源溶液中的至少部分溶剂，并留存有机碳源溶液中的有机碳源；
步骤S240，第二热处理有机碳源，并提供外部作用力至有机碳源，以使有机碳源形成碳源膜层。
有机碳源溶液经过多工序的热处理，例如包括第一热处理和第二热处理；具体地，有机碳源溶液在第一温度下进行第一热处理，能够去除有机碳源溶液中的至少部分溶剂，并能够使得有机碳源初步成膜；换言之，第一温度的温度范围应该大于或等于溶剂的沸点。示例性地，第一温度可以为50℃至100℃。例如，将有机碳源溶液置于真空烘箱中，于50℃至100℃下真空烘干2小时。
有机碳源在第二温度下进行第二热处理，并在有机碳源上提供外部作用力，可以理解为有机碳源经热压处理形成碳源膜层。第二温度的温度范围应该大于或等于有机碳源的熔点。示例性地，第二温度可以为150℃至350℃。例如，将有机碳源于200℃下，经0.5MPa至5.0MPa的压力下热压成膜。
本申请实施方式通过对有机碳源溶液进行热处理等，有机碳源溶液中的溶剂逐步挥发，有机碳源溶液中的有机碳源均匀分布于集流体基材的表面，有利于有机碳源在集流体基材表面上形成厚度均匀的碳源膜层，且碳源膜层的热膨胀系数相对较低，且不容易存在针孔形态。
在一些实施方式中，碳源膜层的厚度为1μm至10μm。碳源膜层的厚度在上述范围时，有利于制造轻薄的集流体，能够给予活性物质层更多的空间，使得电池单体能量密度的提升。
示例性地，碳源膜层的厚度可以为1μm、1.5μm、2.0μm、3.0μm、3.5μm、4.0μm、5.0μm、6.0μm、7.0μm、8.0μm、9.0μm、10.0μm或是上述任意两个数值组成的范围。
本申请实施方式的有机碳源溶液可以采用单面涂布或者双面涂布。
在一些实施方式中，采用单面涂布的形式，即将有机碳源溶液提供至集流体基材的一个表面上。在另一些实施方式中，采用双面涂布的形式，集流体基材包括沿其自身厚度方向彼此相对的两个表面，将有机碳源溶液提供至集流体基材的两个表面中的其中一个表面上，热处理有机碳源溶液形成碳源膜层，然后将有机碳源溶液提供至集流体基材的另一个表面上，热处理有机碳源溶液形成碳源膜层。
本申请实施方式的方法适用于制备正极集流体或负极集流体。
在一些实施方式中，集流体基材为负极集流体基材，负极集流体基材可采用金属箔片或复合集流体基材。作为金属箔片的示例，可采用铜箔。集流体基材也可以为复合基材，复合基材可包括有机高分子层以及形成于有机高分子层至少一个表面上的金属层。金属层可以设置于有机高分子层的其中一个表面，或者设置于两个表面。
作为示例，金属层中的主体材料可包括铜、铜合金、镍、镍合金、钛、钛合金、银和银合金中的至少一种。作为示例，有机高分子层可包括聚丙烯（PP）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）、聚苯乙烯（PS）和聚乙烯（PE）中的至少一种。需要说明的是，在集流体基材采用复合集流体基材的情况下，有机碳源溶液设置于金属层的表面。
在一些实施方式中，集流体基材为正极集流体基材，正极集流体基材可采用金属箔片或复合集流体基材。例如，作为金属箔片，可采用铝箔。集流体基材也可以为复合基材，复合基材可包括有机高分子层和形成于有机高分子层至少一个表面上的金属层。复合集流体可通过将金属材料（铝、铝合金、镍、镍合金、钛、钛合金、银及银合金等）形成在高分子材料基材（如聚丙烯（PP）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）、聚苯乙烯（PS）、聚乙烯（PE）等的基材）上而形成。需要说明的是，在集流体基材采用复合集流体基材的情况下，有机碳源溶液可以设置于金属层的表面。
在步骤S300中，采用激光源刻蚀碳源膜层得到石墨烯层。
碳源膜层在高能量的激光光斑的刻蚀下发生形态变化，形成石墨烯层。石墨烯具有优异的导电能力，能够有效降低电池单体的内阻，减少欧姆极化，提升电池单体的倍率性能。
石墨烯层背离集流体基材的表面呈现为凹凸不平的状态，有利于该表面和活性物质的结合，提高和活性物质之间的粘结力，降低层剥落的风险，提高电极极片的结构稳定性。可选地，石墨烯层呈现为三维立体结构，石墨烯片层之间的间距相对较大，空间和比表面积相对较大，有利于和活性物质的结合；另外该结构具有孔状结构，孔状结构有利于和活性物质进行结合，提高和活性物质之间的粘结力，降低了在制备电极极片过程中发生脱模、裂纹等风险，提高电极极片的质量。
石墨烯层由于衍生自碳源膜层（有机材料），碳源膜层的厚度较为均匀，使得石墨烯层的均一性和一致性较好，有利于进一步提升石墨烯层和活性物质之间的结合强度，也可以降低集流体基材被电解液腐蚀的风险，延长电池单体的循环寿命。
在一些实施方式中，激光源可以包括二氧化碳激光源、二极管激光源、氩离子激光源、氮气激光源、红光激光源、蓝光激光源和飞秒激光源中的一种或多种。可选地，激光源包括二氧化碳激光源。将激光源按照预设路径进行扫描，直至扫描完成整个碳源膜层；例如，激光源可以沿集流体基材的长度方向进行直线扫描，直至扫描完成整个碳源膜层；当然，激光源也可以沿集流体基材的宽度方向进行直线扫描等。
本申请实施方式在满足以下条件中的至少一个时，可以进一步提高所制备的石墨烯层的性能，例如，可以提升石墨烯层整层性能的均一性，并可以使得石墨烯层背离集流体基材表面具有适度的凹凸不平，并提升石墨烯层和活性物质之间的结合强度。
在一些实施方式中，二氧化碳激光源的激光波长为2μm至50μm。
示例性地，二氧化碳激光源的激光波长可以为2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、12μm、13μm、15μm、16μm、17μm、18μm、20μm、22μm、23μm、25μm、26μm、28μm、30μm、32μm、33μm、35μm、36μm、38μm、40μm、42μm、45μm、46μm、48μm、50μm或是上述任意两个数值组成的范围。
在一些实施方式中，二氧化碳激光源的脉冲宽度为10μs至20μs。
示例性地，二氧化碳激光源的脉冲宽度可以为10μs、11μs、12μs、13μs、14μs、15μs、16μs、17μs、18μs、19μs、20μs或是上述任意两个数值组成的范围。
在一些实施方式中，二氧化碳激光源每英寸的脉冲数量为800至1200。
示例性地，二氧化碳激光源每英寸的脉冲数量可以为800、820、850、880、890、900、910、920、930、950、980、1000、1050、1100、1120、1150、1200或是上述任意两个数值组成的范围。
在一些实施方式中，二氧化碳激光源的输出功率为1W至10W。
示例性地，二氧化碳激光源的输出功率可以为1W、2W、3W、4W、5W、6W、7W、8W、9W、10W或是上述任意两个数值组成的范围。
在一些实施方式中，二氧化碳激光源的光束半径为50μm至150μm。
示例性地，二氧化碳激光源的光束半径可以为50μm、51μm、52μm、53μm、54μm、55μm、56μm、58μm、60μm、62μm、65μm、68μm、70μm、72μm、75μm、78μm、80μm、82μm、85μm、88μm、90μm、95μm、100μm、120μm、130μm、140μm、150μm或是上述任意两个数值组成的范围。
在一些实施方式中，二氧化碳激光源的扫描速度为5cm/s至15cm/s。
示例性地，二氧化碳激光源的扫描速度可以为5cm/s、6cm/s、7cm/s、8cm/s、9cm/s、10cm/s、11cm/s、12cm/s、13cm/s、14cm/s、15cm/s或是上述任意两个数值组成的范围。
在一些实施方式中，沿集流体基材的厚度方向，二氧化碳激光源与碳源膜层之间的尺寸为2mm至4mm。
示例性地，二氧化碳激光源与碳源膜层之间的尺寸可以为2mm、3mm、4mm或是上述任意两个数值组成的范围。
在一些实施方式中，碳源膜层面向二氧化碳激光源的表面的激光强度范围为6J/cm2至50J/cm2。
示例性地，碳源膜层面向二氧化碳激光源的表面的激光强度范围可以为6J/cm2、7J/cm2、8J/cm2、10J/cm2、12J/cm2、13J/cm2、15J/cm2、16J/cm2、18J/cm2、20J/cm2、22J/cm2、25J/cm2、26J/cm2、28J/cm2、30J/cm2、32J/cm2、35J/cm2、36J/cm2、38J/cm2、40J/cm2、42J/cm2、45J/cm2、48J/cm2、50J/cm2或是上述任意两个数值组成的范围。碳源膜层表面接收到的激光强度范围和集流体基材表面接收的范围相差不大。
本申请实施方式的石墨烯层在制备过程中可以不添加其他导电剂、增稠剂和粘结剂等，在提高石墨烯层和活性物质的粘结力的基础上，可以显著降低集流体的内阻，并且石墨烯层的厚度更容易调节，有利于集流体的轻薄化设置；并且制备工艺较为简化。
集流体
第二方面，本申请实施方式提出了一种集流体，集流体可以由本申请第一方面任一实施方式的方法制备得到。当然，集流体也可以采用其他方法制备得到。
如图2所示，在一些实施方式中，集流体71包括集流体基材711和石墨烯层712，石墨烯层712位于集流体基材711至少一个表面上，石墨烯层712经激光刻蚀有机碳源形成。
集流体基材711包括沿其自身厚度方向彼此相对的两个表面，石墨烯层712可以设置于两个表面中的任一个表面，石墨烯层712也可以设置于两个表面上。图2示出了石墨烯层712可以设置于两个表面中的其中一个表面，图3示出了石墨烯层712设置于两个表面。
在一些实施方式中，石墨烯层712的厚度可以为1μm至10μm。石墨烯层712的厚度在上述范围时，有利于制造轻薄的集流体71，能够给予活性物质层更多的空间，使得电池单体能量密度的提升。示例性地，石墨烯层712的厚度可以为1μm、1.5μm、2.0μm、3.0μm、3.5μm、4.0μm、5.0μm、6.0μm、7.0μm、8.0μm、9.0μm、10.0μm或是上述任意两个数值组成的范围。
在一些实施方式中，石墨烯层712呈现为多层的石墨烯片，每石墨烯片具有孔状结构。在本申请实施方式中，孔状结构包括孔；孔表示相对于石墨烯片的外表面凹陷并凹陷至石墨烯层712内部的凹陷结构，或者体现为贯穿石墨烯片层的通孔。石墨烯片内可以具有多个孔，多个孔之间可以平行设置和/或交叉设置。多孔结构的组成包括孔径、孔长度和孔径分布等。孔径可以为微孔、介孔或大孔。微孔是指具有小于约2纳米直径的孔。中孔是指具有约2纳米至约50纳米直径的孔。大孔是指具有大于50纳米直径的孔。
在本申请实施方式中，孔状结构的孔可以为纳米孔，一方面有利于提升石墨烯片的结构强度，另一方面有利于与活性物质的结合。可选地，孔状结构的孔径为1nm至80nm。示例性地，孔状结构的孔径可以为1nm、2 nm、5 nm、8 nm、10nm、12nm、15nm、18nm、20nm、25nm、30nm、35nm、40nm、45nm、50nm、55nm、60nm、70nm、80nm或是上述任意两个数值组成的范围。
在一些实施方式中，石墨烯层712的孔隙率为5%至30%。石墨烯层712的孔隙率在上述范围时能够提升电极极片的振实密度，提高电池单体的能量密度。示例性地，石墨烯层712的孔隙率可以为5%、8%、10%、12%、15%、18%、20%、25%、28%、30%或是上述任意两个数值组成的范围。
在本申请实施方式中，孔隙率是指石墨烯层712内孔体积占据石墨烯层712总体积的比率。孔隙率可以按照GB/T24586，采用气体置换法测量。孔隙率W＝(L1-L2)/L1*100％，其中L1是样品的表观体积，L2是样品的真实体积。）
在一些实施方式中，石墨烯层712的比表面积为30m2/g至500m2/g。石墨烯层712的比表面积在上述范围时，能够提升石墨烯层712的粘结性，并提升电极极片的振实密度，由此提高电池单体的能量密度。示例性地，石墨烯层712的比表面积可以为30 m2/g、50 m2/g、80 m2/g、100 m2/g、120 m2/g、150 m2/g、180 m2/g、200 m2/g、250 m2/g、280 m2/g、300 m2/g、320 m2/g、350 m2/g、380 m2/g、400 m2/g、420 m2/g、450 m2/g、480 m2/g、500 m2/g或是上述任意两个数值组成的范围。
在本申请实施方式中，比表面积为本领域公知的含义，通常比表面积以m2/g的单位表示，可采用本领域已知的方法和仪器测试。例如可参照GB/T 19587-2017，采用惰性气体(例如氮气)吸附比表面积分析测试方法测试，并用BET (Brunauer Emmett Teller) 法计算得出，其中氮气吸附比表面积分析测试可以通过美国Micromeritics 公司的Tri-Star3020型比表面积孔径分析测试仪进行。孔径分布可以通过BJH(Barrett-Joiner- Halenda)模型进行分析。
制备电极极片的方法
第三方面，本申请提出了一种制备电极极片的方法，方法包括：
提供集流体，该集流体可以为本申请第一方面任一实施方式所制备的集流体或者本申请第二方面任一实施方式的集流体；
于石墨烯层的表面上设置活性物质浆料，干燥活性物质浆料形成活性物质层。
在活性物质浆料包括正极浆料的情况下，所制备的活性物质层为正极活性物质层，对应的集流体为正极集流体，电极极片为正极极片。
在活性物质浆料包括负极浆料的情况下，所制备的活性物质层为负极活性物质层，对应的集流体为负极集流体，电极极片为负极极片。
如图4所示，在一些实施方式中，电极极片7包括集流体71和设置于集流体71至少一个表面上的活性物质层72，其中，集流体71包括集流体基材711和设置于集流体基材711至少一个表面上的石墨烯层712，活性物质层72至少设置于石墨烯层712背离集流体基材711的表面上。
正极极片
第四方面，本申请实施方式还提出了一种正极极片。正极极片包括正极集流体以及设置在正极集流体至少一个表面的正极活性物质层，正极集流体包括本申请第一方面任一实施方式的正极集流体。
在一些实施方式中，正极活性物质层的压实密度为2.5 g/cm3至3.50 g/cm3。正极活性物质层的压实密度在上述范围时，能够有效提升电池单体的能量密度。由于激光刻蚀形成的石墨烯层具有三维立体结构，且石墨烯层中层间距较大，空间大，比表面积大，能够更好地与活性物质结合，从而降低活性物质层剥落的风险；另外，石墨烯层由于来源于厚度均匀的有机碳源，其和活性物质层之间的结合更为紧密，有利于提升正极活性物质层的压实密度。
示例性地，正极活性物质层的压实密度可以为2.5g/cm3、2.6g/cm3、2.7g/cm3、2.8g/cm3、2.9g/cm3、3.0g/cm3、3.18 g/cm3、3.19 g/cm3、3.20 g/cm3、3.22 g/cm3、3.25 g/cm3、3.28 g/cm3、3.30 g/cm3、3.32 g/cm3、3.35 g/cm3、3.36 g/cm3、3.37 g/cm3、3.38 g/cm3、3.39 g/cm3、3.40 g/cm3、3.50 g/cm3或是上述任意两个数值组成的范围。
作为示例，正极集流体具有在其自身厚度方向相对的两个表面，正极活性物质层设置在正极集流体相对的两个表面的其中任意一者或两者上。
正极集流体包括正极集流体基材和设置于正极集流体基材至少一个表面上的石墨烯层，其中，正极活性物质层至少设置于石墨烯层的表面上。
示例性地，石墨烯层设置于正极集流体基材的其中一个表面上，正极活性物质层设置于石墨烯层背离正极集流体基材的表面上，在此情况下，正极浆料为单层涂布。
或者，石墨烯层设置于正极集流体基材的其中一个表面上，正极活性物质层设置于石墨烯层背离正极集流体基材的表面上，还设置于正极集流体基材的另一个表面上，在此情况下，正极浆料为双层涂布。
又或者，石墨烯层设置于正极集流体基材的两个表面上，正极活性物质层设置于石墨烯层背离正极集流体基材的表面上，在此情况下，正极浆料为双层涂布。
当本申请实施方式的电池单体为锂离子电池时，正极活性物质可包括但不限于含锂过渡金属氧化物、含锂磷酸盐及其各自的改性化合物中的至少一种。锂过渡金属氧化物的示例可包括但不限于锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂锰氧化物、锂镍钴氧化物、锂锰钴氧化物、锂镍锰氧化物、锂镍钴锰氧化物、锂镍钴铝氧化物及其各自的改性化合物中的至少一种。含锂磷酸盐的示例可包括但不限于磷酸铁锂、磷酸铁锂与碳的复合材料、磷酸锰锂、磷酸锰锂与碳的复合材料、磷酸锰铁锂、磷酸锰铁锂与碳的复合材料及其各自的改性化合物中的至少一种。
在一些实施方式中，为了进一步提高电池单体的能量密度，用于锂离子电池的正极活性物质可以包括通式为LiaNibCocMdOeAf的锂过渡金属氧化物及其改性化合物中的至少一种。0.8≤a≤1.2，0.5≤b＜1，0＜c＜1，0＜d＜1，1≤e≤2，0≤f≤1，M包括Mn、Al、Zr、Zn、Cu、Cr、Mg、Fe、V、Ti和B中的至少一种，A包括N、F、S和Cl中的至少一种。
作为示例，用于锂离子电池的正极活性物质可包括LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiMn2O4、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2（NCM333）、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2（NCM523）、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2（NCM622）、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2（NCM811）、LiNi0.85Co0.15Al0.05O2、LiFePO4、LiMnPO4中的至少一种。
在一些实施方式中，正极活性物质层包括LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2（NCM333）、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2（NCM523）、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2（NCM622）、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2（NCM811）、LiNi0.85Co0.15Al0.05O2中的至少一种时，正极活性物质层的压实密度为3.22至3.50g/cm3，可选的为3.22 g/cm3至3.39 g/cm3，其压实密度得到明显的提升。
在一些实施方式中，正极活性物质层包括LiFePO4时，正极活性物质层的压实密度为2.5g/cm3至2.80g/cm3，其压实密度得到明显的提升。
当本申请的电池单体为钠离子电池时，正极活性物质可包括但不限于含钠过渡金属氧化物、聚阴离子材料（如磷酸盐、氟磷酸盐、焦磷酸盐、硫酸盐等）、普鲁士蓝类材料中的至少一种。
作为示例，用于钠离子电池的正极活性物质可包括NaFeO2、NaCoO2、NaCrO2、NaMnO2、NaNiO2、NaNi1/2Ti1/2O2、NaNi1/2Mn1/2O2、Na2/3Fe1/3Mn2/3O2、NaNi1/3Co1/3Mn1/3O2、NaFePO4、NaMnPO4、NaCoPO4、普鲁士蓝类材料、通式为XpM’q(PO4)rOxY3-x的材料中的至少一种。在通式XpM’q(PO4)rOxY3-x中，0＜p≤4，0＜q≤2，1≤r≤3，0≤x≤2，X包括H+、Li+、Na+、K+和NH4 +中的至少一种，M’为过渡金属阳离子，可选地为V、Ti、Mn、Fe、Co、Ni、Cu和Zn中的至少一种，Y为卤素阴离子，可选地为F、Cl和Br中的至少一种。
在本申请实施方式中，上述各正极活性物质的改性化合物可以是对正极活性物质进行掺杂改性和/或表面包覆改性。
在一些实施方式中，正极活性物质层还可选地包括正极导电剂。本申请实施方式对正极导电剂的种类没有特别的限制，作为示例，正极导电剂包括超导碳、导电石墨、乙炔黑、炭黑、科琴黑、碳点、碳纳米管、石墨烯和碳纳米纤维中的至少一种。在一些实施方式中，基于正极活性物质层的总质量，正极导电剂的质量百分含量为≤5%。
在一些实施方式中，正极活性物质层还可选地包括正极粘结剂。本申请实施方式对正极粘结剂的种类没有特别的限制，作为示例，正极粘结剂可包括聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚四氟乙烯（PTFE）、偏氟乙烯-四氟乙烯-丙烯三元共聚物、偏氟乙烯-六氟丙烯-四氟乙烯三元共聚物、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物和含氟丙烯酸酯类树脂中的至少一种。在一些实施方式中，基于正极活性物质层的总质量，正极粘结剂的质量百分含量为≤5%。
在一些实施方式中，可以通过以下方式制备正极极片：将上述用于制备正极极片的组分，例如正极活性物质、导电剂、粘结剂和任意其他的组分分散于溶剂（例如N-甲基吡咯烷酮）中，形成正极浆料；将正极浆料涂覆在正极集流体上，经烘干、冷压等工序后，即可得到正极极片。
负极极片
第五方面，本申请实施方式提供了一种负极极片。负极极片包括负极集流体以及设置在负极集流体至少一个表面的负极活性物质层，负极集流体包括本申请第一方面任一实施方式的负极集流体。
在一些实施方式中，负极活性物质层的压实密度为1.55g/cm3至1.80g/cm3，可选为1.55g/cm3至1.60g/cm3。负极活性物质层的压实密度在上述范围时，能够有效提升电池单体的能量密度。
示例性地，负极活性物质层的压实密度可以为1.52g/cm3、1.53 g/cm3、1.54 g/cm3、1.55 g/cm3、1.56 g/cm3、1.57 g/cm3、1.58 g/cm3、1.59 g/cm3、1.60 g/cm3、1.61 g/cm3、1.62 g/cm3、1.63 g/cm3、1.64 g/cm3、1.65 g/cm3、1.66g/cm3或是上述任意两个数值组成的范围。
作为示例，负极集流体具有在其自身厚度方向相对的两个表面，负极活性物质层设置在负极集流体相对的两个表面的其中任意一者或两者上。
负极集流体包括负极集流体基材和设置于负极集流体基材至少一个表面上的石墨烯层，其中，负极活性物质层至少设置于石墨烯层的表面上。
示例性地，石墨烯层设置于负极集流体基材的其中一个表面上，负极活性物质层设置于石墨烯层背离负极集流体基材的表面上，在此情况下，负极浆料为单层涂布。
或者，石墨烯层设置于负极集流体基材的其中一个表面上，负极活性物质层设置于石墨烯层背离集流体基材的表面上，还设置于负极集流体基材的另一个表面上，在此情况下，负极浆料为双层涂布。
又或者，石墨烯层设置于负极集流体基材的两个表面上，负极活性物质层设置于石墨烯层背离负极集流体基材的表面上，在此情况下，负极浆料为双层涂布。
在一些实施方式中，负极活性物质可采用本领域公知的用于电池的负极活性物质。作为示例，负极活性物质可包括以下材料中的至少一种：人造石墨、天然石墨、软炭、硬炭、硅基材料、锡基材料、钛酸锂和锂铝合金等。硅基材料可选自单质硅、硅氧化合物、硅碳复合物、硅氮复合物以及硅合金中的至少一种。锡基材料可选自单质锡、锡氧化合物以及锡合金中的至少一种。但本申请实施方式并不限定于这些材料，还可以使用其他可被用作电池负极活性物质的传统材料。这些负极活性物质可以仅单独使用一种，也可以将两种以上组合使用。
在一些实施方式中，负极活性物质层还可选地包括负极粘结剂。本申请对负极粘结剂的种类没有特别的限制，作为示例，负极粘结剂可包括选自丁苯橡胶（SBR）、水溶性不饱和树脂SR-1B、水性丙烯酸类树脂（例如，聚丙烯酸PAA、聚甲基丙烯酸PMAA、聚丙烯酸钠PAAS）、聚丙烯酰胺（PAM）、聚乙烯醇（PVA）、海藻酸钠（SA）和羧甲基壳聚糖（CMCS）中的一种或多种的组合。在一些实施方式中，基于负极活性物质层的总质量，负极粘结剂的质量百分含量在5%以下。
在一些实施方式中，负极活性物质层还可选地包括负极导电剂。本申请对负极导电剂的种类没有特别的限制，作为示例，负极导电剂可包括选自超导碳、导电石墨、乙炔黑、炭黑、科琴黑、碳点、碳纳米管、石墨烯和碳纳米纤维中的一种或多种的组合。在一些实施方式中中，基于负极活性物质层的总质量，负极导电剂的质量百分含量在5%以下。
在一些实施方式中，负极活性物质层还可选地包括其他助剂。作为示例，其他助剂可包括增稠剂，例如，羧甲基纤维素钠（CMC-Na）、PTC热敏电阻材料等。在一些实施方式中中，基于负极活性物质层的总质量，其他助剂的质量百分含量在2%以下。
在一些实施方式中，可以通过以下方式制备负极极片：将上述用于制备负极极片的组分，例如负极活性物质、导电剂、粘结剂和任意其他的组分分散于溶剂（例如N-甲基吡咯烷酮）中，形成负极浆料；将负极浆料涂覆在负极集流体上，经烘干、冷压等工序后，即可得到负极极片。
电池单体
第六方面，本申请提出了一种电池单体。电池单体包括正极极片和负极极片。
在一些实施方式中，正极极片采用如本申请第四方面任一实施方式的正极极片，负极极片采用常规负极极片。常规负极极片是指不包含石墨烯层的负极极片，例如，负极极片包括负极集流体基材和设置于负极集流体基材至少一个表面上的负极活性物质层；或者负极极片包括负极集流体基材、涂层和负极活性物质层，涂层设置于负极集流体基材至少一个表面上，负极活性物质层设置于涂层背离负极集流体基材的表面上，涂层可以包括粘结剂、导电剂和增稠剂等。
在另一些实施方式中，负极极片采用如本申请第五方面任一实施方式的负极极片，正极极片采用常规正极极片。常规正极极片是指不包含石墨烯层的正极极片，例如，正极极片包括正极集流体基材和设置于正极集流体基材至少一个表面上的正极活性物质层；或者正极极片包括正极集流体基材、涂层和正极活性物质层，涂层设置于正极集流体基材至少一个表面上，正极活性物质层设置于涂层背离正极集流体基材的表面上，涂层可以包括粘结剂、导电剂和增稠剂等。
在再一些实施方式中，正极极片采用如本申请第四方面任一实施方式的正极极片，负极极片采用如本申请第五方面任一实施方式的负极极片。
[电解质]
电池单体还包括电解质，电解质在正极极片和负极极片之间起到传导离子的作用。本申请实施方式对电解质的种类没有具体的限制，可根据需求进行选择。例如，电解质可以是液态的、凝胶态的或全固态的。
在一些实施方式中，电解质采用电解液。电解液包括电解质盐和溶剂。
当本申请实施方式的电池单体为锂离子电池时，作为示例，电解质盐可包括但不限于六氟磷酸锂（LiPF6）、四氟硼酸锂（LiBF4）、高氯酸锂（LiClO4）、六氟砷酸锂（LiAsF6）、双氟磺酰亚胺锂（LiFSI）、双三氟甲磺酰亚胺锂（LiTFSI）、三氟甲磺酸锂（LiTFS）、二氟草酸硼酸锂（LiDFOB）、二草酸硼酸锂（LiBOB）、二氟磷酸锂（LiPO2F2）、二氟二草酸磷酸锂（LiDFOP）和四氟草酸磷酸锂（LiTFOP）中的至少一种。
当本申请实施方式的电池单体为钠离子电池时，作为示例，电解质盐可包括但不限于六氟磷酸钠（NaPF6）、四氟硼酸钠（NaBF4）、高氯酸钠（NaClO4）、六氟砷酸钠（NaAsF6）、双氟磺酰亚胺钠（NaFSI）、双三氟甲磺酰亚胺钠（NaTFSI）、三氟甲磺酸钠（NaTFS）、二氟草酸硼酸钠（NaDFOB）、二草酸硼酸钠（NaBOB）、二氟磷酸钠（NaPO2F2）、二氟二草酸磷酸钠（NaDFOP）和四氟草酸磷酸钠（NaTFOP）中的至少一种。
作为示例，溶剂可包括但不限于碳酸乙烯酯（EC）、碳酸亚丙酯（PC）、碳酸甲乙酯（EMC）、碳酸二乙酯（DEC）、碳酸二甲酯（DMC）、碳酸二丙酯（DPC）、碳酸甲丙酯（MPC）、碳酸乙丙酯（EPC）、碳酸亚丁酯（BC）、氟代碳酸乙烯酯（FEC）、甲酸甲酯（MF）、乙酸甲酯（MA）、乙酸乙酯（EA）、乙酸丙酯（PA）、丙酸甲酯（MP）、丙酸乙酯（EP）、丙酸丙酯（PP）、丁酸甲酯（MB）、丁酸乙酯（EB）、1,4-丁内酯（GBL）、环丁砜（SF）、二甲砜（MSM）、甲乙砜（EMS）和二乙砜（ESE）中的至少一种。
在一些实施方式中，电解液还可选地包括添加剂。例如添加剂可以包括负极成膜添加剂、正极成膜添加剂，还可以包括能够改善电池某些性能的添加剂，例如改善电池过充性能的添加剂、改善电池高温或低温性能的添加剂等。
[隔离膜]
在一些实施方式中，电池单体还包括隔离膜。本申请实施方式对隔离膜的种类没有特别的限制，可以选用任意公知的具有良好的化学稳定性和机械稳定性的多孔结构隔离膜。
在一些实施方式中，隔离膜的材质可选自玻璃纤维、无纺布、聚乙烯、聚丙烯及聚偏二氟乙烯中的至少一种。隔离膜可以是单层薄膜，也可以是多层复合薄膜，没有特别限制。在隔离膜为多层复合薄膜时，各层的材料可以相同或不同，没有特别限制。
在一些实施方式中，正极极片、负极极片和隔离膜可通过卷绕工艺或叠片工艺制成电极组件。
在一些实施方式中，电池单体可包括外包装。该外包装可用于封装上述电极组件及电解液。
在一些实施方式中，电池单体的外包装可以是硬壳，例如硬塑料壳、铝壳、钢壳等。电池单体的外包装也可以是软包，例如袋式软包。软包的材质可以是塑料，如聚丙烯（PP）、聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）和聚丁二酸丁二醇酯（PBS）中的至少一种。
本申请实施方式对电池单体的形状没有特别的限制，其可以是圆柱形、方形或其他任意的形状。如图5是作为一个示例的方形结构的电池单体5。
在一些实施方式中，如图6所示，外包装可包括壳体51和盖板53。壳体51可包括底板和连接于底板上的侧板，底板和侧板围合形成容纳腔。壳体51具有与容纳腔连通的开口，盖板53用于盖设开口，以封闭容纳腔。正极极片、负极极片和隔离膜可经卷绕工艺和/或叠片工艺形成电极组件52。电极组件52封装于容纳腔。电解液浸润于电极组件52中。电池单体5所含电极组件52的数量可以为一个或多个，可根据需求来调节。
本申请实施方式的电池单体的制备方法是公知的。在一些实施方式中，可将正极极片、隔离膜、负极极片和电解液组装形成电池单体。作为示例，可将正极极片、隔离膜、负极极片经卷绕工艺和/或叠片工艺形成电极组件，将电极组件置于外包装中，烘干后注入电解液，经过真空封装、静置、化成、整形等工序，得到电池单体。
在本申请的一些实施方式中，根据本申请的电池单体可以组装成电池模块，电池模块所含电池单体的数量可以为多个，具体数量可根据电池模块的应用和容量来调节。
图7是作为一个示例的电池模块4的示意图。如图7所示，在电池模块4中，多个电池单体5可以是沿电池模块4的长度方向依次排列设置。当然，也可以按照其他任意的方式进行排布。进一步可以通过紧固件将该多个电池单体5进行固定。
可选地，电池模块4还可以包括具有容纳空间的外壳，多个电池单体5容纳于该容纳空间。
在一些实施方式中，上述电池模块还可以组装成电池包，电池包所含电池模块的数量可以根据电池包的应用和容量进行调节。
图8和图9是作为一个示例的电池包1的示意图。如图8和图9所示，在电池包1中可以包括电池箱和设置于电池箱中的多个电池模块4。电池箱包括上箱体2和下箱体3，上箱体2用于盖设下箱体3，并形成用于容纳电池模块4的封闭空间。多个电池模块4可以按照任意的方式排布于电池箱中。
本申请实施方式的电池可以包括一个或多个电池单体，在电池包括多个电池单体时，电池可以包括电池模块或电池包。
用电装置
本申请实施方式第七方面提供一种用电装置，所述用电装置包括本申请的电池单体、电池模块或电池包中的至少一种。所述电池单体、电池模块或电池包可以用作所述用电装置的电源，也可以用作所述用电装置的能量存储单元。所述用电装置可以但不限于是移动设备（例如手机、笔记本电脑等）、电动车辆（例如纯电动车、混合动力电动车、插电式混合动力电动车、电动自行车、电动踏板车、电动高尔夫球车、电动卡车等）、电气列车、船舶及卫星、储能系统等。
所述用电装置可以根据其使用需求来选择电池单体、电池模块或电池包。
图10是作为一个示例的用电装置6的示意图。该用电装置6为纯电动车、混合动力电动车、或插电式混合动力电动车等。为了满足该用电装置6对高功率和高能量密度的需求，可以采用电池单体、电池包或电池模块。
作为另一个示例的用电装置可以是手机、平板电脑、笔记本电脑等。该用电装置通常要求轻薄化，可以采用电池单体作为电源。
实施例
下述实施方式更具体地描述了本申请公开的内容，这些实施方式仅仅用于阐述性说明，因为在本申请公开内容的范围内进行各种修改和变化对本领域技术人员来说是明显的。除非另有声明，以下实施方式中所报道的所有份、百分比和比值都是基于质量计，而且实施方式中使用的所有试剂都可商购获得或是按照常规方法进行合成获得，并且可直接使用而无需进一步处理，以及实施方式中使用的仪器均可商购获得。
实施例1 锂离子电池的制备
1、正极极片的制备
1.1 正极集流体的制备
（1）碳源膜层的制备
将聚酰胺酸（PAA）加入N-甲基吡咯烷酮（NMP）溶剂中，在磁力搅拌下搅拌0.5小时，获得聚酰胺酸溶液（聚酰胺酸的质量百分含量为12.8wt%）。
使用涂布机将聚酰胺酸溶液涂覆到12μm铝箔上，涂覆的聚酰胺酸溶液厚度通过调整刮刀位置为3μm（刮刀距离铝箔表面的位置为3μm），调整聚酰胺酸溶液的涂覆厚度。
将聚酰胺酸溶液置于80℃的真空烘箱中烘干2小时；然后在200℃、2MPa下热压成膜，形成碳源膜层。
（2）石墨烯层的制备
使用CO2激光发射器，沿铝箔的长度方向扫描刻蚀碳源膜层为石墨烯层，获得由石墨烯层和铝箔构成的正极集流体。CO2激光发射器的激光波长为10.6μm，脉冲宽度≈14μs，每英寸的脉冲数量为1000，输出功率范围为6W，光束半径约为100μm，扫描速度为10cm/s，铝箔表面承受的激光强度范围是20J/cm2，激光与碳源膜层之间的距离为3 mm。
1.2 正极极片的制备
将正极活性物质镍钴锰酸锂LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2（NCM811）、导电剂Super P、粘结剂PVDF、表面活性剂全氟辛酸铵按照质量比97：1：1：1在适量的溶剂N-甲基吡咯烷酮（NMP）中混合均匀，得到正极浆料；将正极浆料涂布于正极集流体的石墨烯层上，通过烘干、冷压、分条、裁切等工序，得到正极极片。
2、负极极片的制备
2.1 负极集流体的制备
（1）碳源膜层的制备
将聚酰胺酸（PAA）加入N-甲基吡咯烷酮（NMP）溶剂中，在磁力搅拌下搅拌0.5小时，获得聚酰胺酸溶液（聚酰胺酸的质量百分含量为12.8wt%）。
使用涂布机将聚酰胺酸溶液涂覆到8μm铜箔上，涂覆的聚酰胺酸溶液厚度通过调整刮刀位置为3μm（刮刀距离铝箔表面的位置为3μm），调整聚酰胺酸溶液的涂覆厚度。
将聚酰胺酸溶液置于80℃的真空烘箱中烘干2小时；然后在200℃、2MPa下热压成膜，形成碳源膜层。
（2）石墨烯层的制备
使用CO2激光发射器，沿铜箔的长度方向扫描刻蚀碳源膜层为石墨烯层，获得由石墨烯层和铜箔构成的负极集流体。CO2激光发射器的激光波长为10.6μm，脉冲宽度≈14μs，每英寸的脉冲数量为1000，输出功率范围为6W，光束半径约为100μm，扫描速度为10cm/s，铜箔表面承受的激光强度范围是20J/cm2，激光与碳源膜层之间的距离为3 mm。
2.2 负极极片的制备
将作为负极活性物质的人造石墨、导电剂Super P、分散剂羧甲基纤维素钠CMC、粘接剂丁苯橡胶在去离子水中混合均匀，制成负极浆料。负极浆料的固体成分中人造石墨、Super P、CMC及丁苯橡胶的质量比为97：1：1：1。将负极浆料涂布在负极集流体的石墨烯层上并在85℃下烘干、冷压后得到负极极片。
3、电解液的制备
在含水量小于10ppm的环境下，将非水有机溶剂碳酸乙烯酯EC、碳酸二乙酯DMC按照体积比1:1进行混合得到电解液溶剂，随后将锂盐六氟磷酸锂和混合后的溶剂混合，配置成锂盐浓度为1 mol/L的电解液。
4、锂离子电池的制备
将正极极片、PE隔离膜、负极极片按顺序堆叠并卷绕，得到电极组件；将电极组件置于外包装中，干燥后注入电解液，经过真空封装、静置、化成、整形等工序，得到锂离子电池。
对比例1
采用与实施例1相似的方法制备锂离子电池，与实施例1不同的是，对比例1的正极极片和负极极片中不设置石墨烯层。
对比例2
采用与实施例1相似的方法制备锂离子电池，与实施例1不同的是，对比例2的正极极片和负极极片的集流体上设置底涂涂层，极片的制备方法如下：
正极极片的制备
将粘结剂SBR、增稠剂CMC、导电剂Super P按照质量比1:1:8加入水溶剂中，在磁力搅拌下搅拌0.5小时，获得底涂浆料。使用涂布机将底涂浆料涂覆到12μm铝箔上，将底涂浆料置于80℃的真空烘箱中烘干2小时形成底涂涂层。
将正极活性物质-镍钴锰酸锂LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2（NCM811）、导电剂Super P、粘结剂PVDF、表面活性剂全氟辛酸铵按照质量比97：1：1：1在适量的溶剂N-甲基吡咯烷酮（NMP）中混合均匀，得到正极浆料；将正极浆料涂布于正极集流体的底涂涂层上，通过烘干、冷压、分条、裁切等工序，得到正极极片。
负极极片的制备
粘结剂SBR、增稠剂CMC、导电剂Super P按照质量比1:1:8加入水中，在磁力搅拌下搅拌0.5小时，获得底涂浆料。使用涂布机将底涂浆料涂覆到8μm铜箔上，将底涂浆料置于80℃的真空烘箱中烘干2小时形成底涂涂层。
将作为负极活性物质的人造石墨、导电剂Super P、分散剂羧甲基纤维素钠CMC、粘接剂丁苯橡胶在去离子水中混合均匀，制成负极浆料。负极浆料的固体成分中人造石墨、Super P、CMC及丁苯橡胶的质量比为97：1：1：1。将负极浆料涂布在负极集流体的底涂涂层上并在85℃下烘干、冷压后得到负极极片。
实施例2-1至实施例2-12
采用与实施例1相似的方法制备锂离子电池，与实施例1不同的是，实施例2-1至实施例2-12调整了有机碳源溶液的种类。
实施例3-1至实施例4-5
采用与实施例1相似的方法制备锂离子电池，与实施例1不同的是，实施例3-1至实施例4-5调整了有机碳源溶液的含量和激光强度中的至少一者。
实施例5-1
采用与实施例1相似的方法制备锂离子电池，与实施例1不同的是，实施例5-1的正极极片未设置石墨烯层。
实施例5-2
采用与实施例1相似的方法制备锂离子电池，与实施例1不同的是，实施例5-2的负极极片未设置石墨烯层。
对比例3
采用与实施例1相似的方法制备锂离子电池，与实施例1不同的是，对比例3的正极极片和负极极片中不设置石墨烯层，且对比例3的正极活性物质为磷酸铁锂LiFePO4。
实施例6
采用与实施例1相似的方法制备锂离子电池，与实施例1不同的是，实施例6的正极活性物质为磷酸铁锂LiFePO4。
对比例和实施例的相关参数如表1所示。
测试部分
1.极片粘结力检测
取新鲜锂离子电池，以1C放电到2.8V，随后拆解锂离子电池，抽出极片（正极极片或负极极片），以极片为正极极片为例进行说明，待正极极片表面电解液挥发后，按照如下的步骤测定正极极片上的正极活性物质层的剥离强度：
取长度20cm，宽度为2cm的正极极片，正极极片的一面利用双面胶粘到钢板上，撕开正极活性物质层，使得约2cm的正极活性物质层从正极集流体上剥离开来，钢板一端固定在拉力机夹具上，夹在拉力机的夹具上，剥离的膜层固定在拉力机上端的夹子上，采用英斯特朗3365高铁拉力机以30mm/min的速度拉动，正极活性物质层缓缓地从正极集流体上剥离，在电脑上显示拉力平稳时的拉力值，即为该正极活性物质层的剥离强度值。
2．极片电阻检测
以正极极片为例，将正极极片左、中、右处裁剪面积1540 mm2的小圆片。打开元能科技极片电阻仪指示灯，将其分别置于膜片电阻仪“探头”合适位置，点击“开始”按钮，待示数稳定，读取即可。每个小圆片测试两个位置，最后计算六次测量的平均值，即为该极片的膜片电阻。
3．压实密度检测
负极活性物质层的压实密度PD＝m/V，m表示负极活性物质层的重量，V表示负极活性物质层的体积，m可使用精度为0.01g以上的电子天平称量得到，负极活性物质层的表面积与负极活性物质层厚度的乘积即为负极活性物质层的体积V，其中厚度可使用精度为0.5μm的螺旋千分尺测量得到。
正极活性物质层的压实密度如同负极活性物质层的压实密度的测试方法，在此不再赘述。
4．能量密度检测
电池单体出货后，进行1C恒流充电到4.25V，随后恒压充电到0.05C，静置30min，进行1C放电，放电到2.8V，记录放电容量D0，对电池单体进行质量称重，记录电池单体正极活性物质层的质量m0，电池单体的能量密度为D0/m0(单位质量的容量)。
测试结果
测试结果如表1和表2所示。
表1
Figure SMS_1
表2
Figure SMS_2
由表1和表2可知，相较于对比例1，对比例2在极片中设置有底涂涂层，由于底涂涂层包含有较多粘结剂，能够提高活性物质层和集流体基材之间的粘结性能，从而改善极片的剥离性能，虽然相较于对比例1，对比例2能够提升活性物质层的压实密度，但是提升的程度甚微，对电池单体能量密度的影响较小。
相较于对比例1，本申请实施例通过在极片中设置石墨烯层，能够在提升活性物质层和集流体基材之间的粘结性能，改善极片的剥离性能。并且由于石墨烯层的导电性，可以显著降低极片电阻；且能够改善极片的压实密度，提升电池单体的能量密度。相较于对比例2，本申请实施例通过设置石墨烯层，能够显著改善极片的压实密度，提升电池单体的能量密度。
相较于对比例3，实施例6通过在极片中设置石墨烯层，能够在提升活性物质层和集流体基材之间的粘结性能，改善极片的剥离性能。并且由于石墨烯层的导电性，可以显著降低极片电阻；且能够改善极片的压实密度提升电池单体的能量密度。
由图11至图14可知，图11示出的实施例1的XRD图展现出石墨烯层（碳材料）具有（002）和（100）两个标准峰，（200）处的峰较宽且角度较石墨晶体低，表明石墨烯层之间的有序化程度降低，层间距增加；图12示出的实施例1的Raman图位移展示出D峰、G峰和少层石墨烯特有的2D峰，且ID/IG=1.35，表明所得激光刻蚀石墨烯中有较多的缺陷结构，有利于与活性物质层进行结合。图13示出了实施例1的少层石墨烯的透射电镜图和堆叠的石墨层结构；图14示出了实施例1不同放大倍数和角度的激光刻蚀底涂石墨烯层的扫描电镜图，石墨烯层致密均匀，所得石墨烯具有三维结构和较大的比表面积。其中图14中石墨烯底涂表示石墨烯层。
尽管已经演示和描述了说明性实施例，本领域技术人员应该理解上述实施例不能被解释为对本申请的限制，并且可以在不脱离本申请的精神、原理及范围的情况下对实施例进行改变，替代和修改。

Claims (18)

1.一种制备集流体的方法，其特征在于，包括：
提供有机碳源溶液；
将所述有机碳源溶液提供至集流体基材的表面上，热处理所述有机碳源溶液形成碳源膜层；
采用激光源刻蚀所述碳源膜层为石墨烯层，制备得到包含所述石墨烯层的集流体。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有机碳源溶液的厚度为1.5μm至15.0μm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热处理所述有机碳源溶液形成碳源膜层的步骤，包括：
第一热处理所述有机碳源溶液，以去除所述有机碳源溶液中的至少部分溶剂，并留存所述有机碳源溶液中的有机碳源；
第二热处理所述有机碳源，并提供外部作用力至所述有机碳源，以使所述有机碳源形成碳源膜层。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳源膜层的厚度为1μm至10μm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述提供有机碳源溶液的步骤，包括：将有机碳源溶解于溶剂中得到所述有机碳源溶液，其中，所述有机碳源包括聚酰胺酸、聚乙烯吡咯烷酮、异丁基乙烯醚、聚醋酸乙烯酯、纤维素酯类化合物、聚烯醇类化合物、聚烯烃类化合物和多糖类化合物中的一种或多种。
6. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，
所述纤维素酯类化合物包括乙酸纤维素、乙酸丁酸纤维素和乙酸丙酸纤维素中的一种或多种；和/或
所述聚烯醇类化合物包括聚乙烯醇和/或聚丙烯醇；和/或
所述聚烯烃类化合物包括聚丙烯和/或聚苯乙烯；和/或
所述多糖类化合物包括纤维素、壳聚糖和几丁质中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述集流体基材包括金属基材；或
所述集流体基材包括有机高分子层和设置于有机高分子层表面的金属层，其中，所述有机碳源溶液提供至所述金属层的表面上。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光源包括二氧化碳激光源、二极管激光源、氩离子激光源、氮气激光源、红光激光源、蓝光激光源和飞秒激光源中的一种或多种。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述激光源包括二氧化碳激光源，所述二氧化碳激光源满足以下条件中的至少一个：
（1）所述二氧化碳激光源的激光波长为2μm至50μm；
（2）所述二氧化碳激光源的脉冲宽度为10μs至20μs；
（3）所述二氧化碳激光源每英寸的脉冲数量为800至1200；
（4）所述二氧化碳激光源的输出功率为1W至10W；
（5）所述二氧化碳激光源的光束半径为50μm至150μm；
（6）所述二氧化碳激光源的扫描速度为5cm/s至15cm/s；
（7）沿所述集流体基材的厚度方向，所述二氧化碳激光源与所述碳源膜层之间的尺寸为2mm至4mm；
（8）所述碳源膜层面向所述二氧化碳激光源的表面的激光强度范围为6J/cm2至50J/cm2。
10.一种集流体，其特征在于，包括集流体基材和石墨烯层，所述石墨烯层位于所述集流体基材至少一个表面上，所述石墨烯层经激光刻蚀有机碳源形成。
11.根据权利要求10所述的集流体，其特征在于，所述石墨烯层的厚度为1μm至10μm。
12. 根据权利要求10所述的集流体，其特征在于，所述石墨烯层具有孔状结构；
所述孔状结构的孔径为1nm至80nm；和/或
所述石墨烯层的孔隙率为5%至30%；和/或
所述石墨烯层的比表面积为30m2/g至500m2/g。
13.一种制备电极极片的方法，其特征在于，包括：
提供如权利要求1至9中任一项所述的方法得到的集流体；
于石墨烯层的表面上设置活性物质浆料，干燥所述活性物质浆料形成活性物质层。
14. 一种电极极片，其特征在于，包括：
如权利要求10至12中任一项所述的集流体；以及
活性物质层，至少设置于所述石墨烯层的表面上。
15. 根据权利要求14所述的电极极片，其特征在于，
所述活性物质层包括正极活性物质，所述活性物质层的压实密度为2.5g/cm3至3.50g/cm3；或
所述活性物质层包括负极活性物质，所述活性物质层的压实密度为1.55g/cm3至1.80g/cm3。
16.一种电池单体，其特征在于，包括如权利要求14或15所述的电极极片。
17.一种电池，其特征在于，包括如权利要求16所述的电池单体。
18.一种用电装置，其特征在于，包括如权利要求17所述的电池。
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