CN116247218A - 一种复合集流体以及制备方法、电池 - Google Patents

一种复合集流体以及制备方法、电池 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种复合集流体以及制备方法、电池，形成的复合集流体包括相对设置的第一金属层和第二金属层以及设置在第一金属层和第二金属层之间的绝缘层，其中绝缘层包括主区域和边缘区域，边缘区域内填充有导电颗粒，第一金属层和第二金属层通过边缘区域电连接。复合集流体的边缘区域可以充当复合集流体的极耳，可以避免引入金属带用作转移极耳。边缘区域的尺寸相对较小，其内填充导电颗粒不会导致电池的重量明显增加，对电池的能量密度影响较小，同时主区域仍保持绝缘性能，使得电池安全性能不受影响。

Description

一种复合集流体以及制备方法、电池
技术领域
本发明涉及电池技术领域，具体涉及一种复合集流体以及制备方法、电池。
背景技术
锂离子电池由于其能量密度高、循环寿命长、自放电率低、绿色环保等优势广泛应用于新能源汽车、储能、通信基站等领域。其中，集流体在电池中起着附着电极材料并传输电子的作用。现有的集流体普遍采用金属材料制成，但由于金属材料密度较大，质量较重，在电池总重量中占比较大，影响了电池的能量密度。
在此基础上，发展了一种以聚合物材料为中间层、金属层为上层和下层的复合集流体，大幅度降低了集流体的重量和提升了电池整体的能量密度。但复合集流体的中间层具有绝缘性能，多层复合集流体的极耳焊接时，两侧的金属层无法导通连接。复合集流体通常通过在两侧的金属层焊接金属带，用作转移极耳，将电池中的电流进行对外传输。但是复合集流体引入金属带作为转移极耳，工序复杂、成本较高，同时金属带的重量和占据电池内部空间使得电池整体的重量增加、能量密度降低。
发明内容
有鉴于此,本发明实施例提供了一种复合集流体以及制备方法、电池，复合集流体的边缘区域可以充当复合集流体的极耳，可以避免引入金属带用作转移极耳，不会导致电池的重量明显增加和能量密度降低。
第一方面，本发明实施例提供了一种复合集流体，所述复合集流体包括：
相对设置的第一金属层和第二金属层，以及
绝缘层，设置在所述第一金属层和所述第二金属层之间，所述绝缘层包括主区域和边缘区域，所述边缘区域内填充有导电颗粒，所述第一金属层和所述第二金属层通过所述边缘区域电连接。
进一步地，所述主区域的面积大于所述边缘区域的面积。
进一步地，所述导电颗粒的材料为炭黑类、乙炔黑类、碳纳米管类、石墨类、铝金属和铜金属中的至少一种。
进一步地，所述导电颗粒的填充比例为1-10mg/cm2。
进一步地，所述第一金属层和所述第二金属层的材料包括铜或铝，所述绝缘层的材料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯和聚酰亚胺中的至少一种。
进一步地，所述第一金属层和所述第二金属层通过溅射或真空蒸镀形成。
第二方面，本发明实施例还提供了一种电池，所述电池包括如第一方面所述的复合集流体。
第三方面，本发明实施例还提供了一种制备复合集流体的方法，所述方法包括：
提供绝缘层，所述绝缘层包括主区域和边缘区域；
在所述绝缘层的边缘区域填充预定比例的导电颗粒；
在所述绝缘层的上下表面通过溅射或真空蒸镀分别形成第一金属层和第二金属层。
本发明实施例公开了一种复合集流体以及制备方法、电池，形成的复合集流体包括相对设置的第一金属层和第二金属层以及设置在第一金属层和第二金属层之间的绝缘层，其中绝缘层包括主区域和边缘区域，边缘区域内填充有导电颗粒，第一金属层和第二金属层通过边缘区域电连接。复合集流体的边缘区域可以充当复合集流体的极耳，可以避免引入金属带用作转移极耳。边缘区域的尺寸相对较小，其内填充导电颗粒不会导致电池的重量明显增加，对电池的能量密度影响较小，同时主区域仍保持绝缘性能，使得电池安全性能不受影响。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1是本发明实施例的复合集流体的结构示意图；
图2是本发明实施例的多层复合集流体的结构示意图；
图3是本发明实施例的复合集流体制备过程的结构示意图；
图4是本发明实施例的制备复合集流体的方法流程示意图。
附图说明标记：
1-第一金属层；2-第二金属层；3-绝缘层；31-主区域；32-边缘区域。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
除非上下文明确要求，否则在说明书的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，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。
除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1为本实施例的复合集流体的结构示意图。参考图1，复合集流体包括第一金属层1、第二金属层2和绝缘层3。其中，第一金属层1和第二金属层2相对设置，绝缘层3设置在第一金属层1和第二金属层2之间。绝缘层3沿宽度方向包括相连接的主区域31和边缘区域32，第一金属层1以及第二金属层2分别覆盖在主区域31以及边缘区域32的上下两侧，如图1所示。其中，主区域31具有绝缘性能，边缘区域32先由绝缘性能材料制成，然后在其内的孔隙中填充有导电颗粒材料，使得该边缘区域32具有一定的导电性能，从而使得第一金属层1和第二金属层2通过该边缘区域32电连接，实现电子导通。
由此，该复合集流体的边缘部分可以作为复合集流体极耳和电池的外部极耳焊接连接。由此复合集流体的第一金属层1和第二金属层2可以通过边缘区域32实现与外部极耳电连接，电连接效果好，可以提高电池的充放电性能，并且适用范围广，生产成本较低。所述复合集流体的边缘部分是指边缘区域32沿厚度方向所对应的复合集流体的区域。
外部极耳是电池与外界进行能量传递的载体。复合集流体极耳与外部极耳可以通过焊接(超声波焊接)实现良好的电连接，使得电池可以实现良好的充、放电的储能功能。
在本实施例中，首先通过使用聚合物材料形成绝缘层3，如图3所示。绝缘层3绝缘，可以切断短路电流回路，阻断内短路的进一步发生。同时绝缘层3大幅度降低了集流体的重量和提升了电池整体的能量密度。其中，绝缘层3具有孔隙。然后在绝缘层3的边缘区域32的孔隙中填充导电颗粒材料，使得绝缘层3的边缘区域32具有导电性能，主区域31保持绝缘性能。也即，主区域31由绝缘材料单独形成，边缘区域32由绝缘材料和导电颗粒材料混合形成。最后在绝缘层3(主区域31和边缘区域32)的上表面和下表面分别形成第一金属层1和第二金属层2，第一金属层1和第二金属层2通过边缘区域32电连接，从而得到一种新型的复合集流体。复合集流体的边缘部分用来当作复合集流体的极耳，与外部极耳焊接，从而使得外部极耳可以通过边缘区域32与第一金属层1和第二金属层2实现电子导通。复合集流体可以避免引入金属带用作转移极耳，降低了电池整体的重量以及电池的体积，提高了电池的能量密度。
在本实施例中，所述主区域31的面积大于所述边缘区域32的面积，使得在边缘区域32内填充导电颗粒后，不会导致电池的重量明显增加，且对电池的能量密度影响较小。同时，绝缘层3的主区域31仍保持原状(绝缘性能)，其安全性能不受影响。优选地，所述边缘区域32的面积与外部极耳的面积相同，外部极耳叠置在第一金属层1或第二金属层2的外侧，且位于与边缘区域32相对应位置进行焊接(例如进行超声波焊接)，可以提高复合集流体和外部极耳的焊接紧密程度，进一步提高该复合集流体的电子传导效果以及电流对外输出的效率，进一步提高电池的充放电性能。
其中，所述第一金属层1和所述第二金属层2通过溅射或真空蒸镀等方式形成。形成第一金属层1和第二金属层2的材料包括铜或铝，形成绝缘层3的材料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯和聚酰亚胺中的至少一种。由此，上述材料形成的复合集流体可以减小电池温升，降低热失控的发生风险，提高电池的安全性。
其中，所述导电颗粒的材料为炭黑类、乙炔黑类、碳纳米管类、石墨类、铝金属和铜金属中的至少一种。由此，上述材料形成边缘区域32可以具有良好的导电作用，从而将第一金属层1和第二金属层2电子导通。由上述材料形成的复合集流体，可以提高电池的电流传输效，减小电池温升，降低热失控的发生风险，提高电池的安全性。
优选地，在边缘区域32中填充的导电颗粒的重量根据边缘区域32的面积进行计算。其中，所述导电颗粒的填充比例为1-10mg/cm2。也即，每平方厘米的边缘区域32中需要填充1-10mg的导电颗粒。上述导电颗粒的填充比例，可以进一步提高边缘区域32的电子传导效果以及电流对外输出的效率，进一步降低复合集流体的内阻，提升了电池的电化学性能。
本发明实施例还提出了一种电池。该电池包括前面所述的复合集流体。由此，该电池具有前面所述的复合集流体所具有的全部特征以及优点，在此不再赘述。总的来说，该电池的生产成本较低，且充放电性能较好。具体地，复合集流体既可以为正极复合集流体，也可以为负极复合集流体，均用于附着电极材料(正极材料或负极材料)并传输电子。其中，复合集流体中主区域31所对应的部分第一金属层1和部分第二金属层2的外侧仍可以涂覆电极材料，形成电池的正负极片。边缘区域32所对应的部分第一金属层1和部分第二金属层2的外侧不涂覆电极材料，用于当作复合集流体的极耳与外部极耳焊接导通。
其中，电池内的正极复合集流体和负极复合集流体的具体数目不受特别限制。例如，两层或三层以上的复合集流体时，多层复合集流体以叠加的方式设置，如图2所示。多层复合集流体的极耳位于同侧，其通过超声焊接在一起。由此，多层复合集流体的第一金属层1以及第二金属层2导通。外部极耳可以较好地和多个复合集流体的第一金属层1以及第二金属层2焊接连接，进而可以提高电池的充放电性能。
在本发明实施例的另一方面，还提出了一种制备前面所述的复合集流体的方法。该方法制备的复合集流体具有前面所述的复合集流体所具有的全部特征以及优点，在此不再赘述。总的来说，该方法操作简单，生产成本低，且该复合集流体的电传高性能较好。
参考图3和图4，该制备方法包括：
步骤S10：提供绝缘层。
在该步骤中，提供绝缘层3。所述绝缘层3可以为绝缘塑料薄膜，该薄膜具有多孔隙。绝缘层3的大小以及孔隙的大小等可以根据需求选择。同时该绝缘层3可以由聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯或聚酰亚胺中的至少一种材料形成。所述绝缘层3可以进行等离子清洗，以保证其表面具有足够的粘结力，便于后续与金属层紧密结合。在本实施例中，所述绝缘层3包括主区域31和边缘区域32。其中，所述边缘区域32的面积可以选择为与电池的外部极耳的面积相同。
步骤S20：在所述绝缘层的边缘区域填充预定比例的导电颗粒。
在边缘区域32中填充导电颗粒，使得边缘区域32可以具有良好的导电作用，主区域31仍然保持绝缘性能。所述导电颗粒的材料为炭黑类、乙炔黑类、碳纳米管类、石墨类、铝金属和铜金属中的至少一种。优选地，在边缘区域32中填充的导电颗粒的重量根据边缘区域32的面积进行计算。其中，所述导电颗粒的填充比例为1-10mg/cm2。也即，每平方厘米的边缘区域32中需要填充1-10mg的导电颗粒。上述导电颗粒的填充比例，可以进一步提高边缘区域32的电子传导效果以及电流对外输出的效率，进一步降低复合集流体的内阻，提升了电池的电化学性能。
步骤S30：在所述绝缘层的上下表面通过溅射或真空蒸镀分别形成第一金属层和第二金属层。
在填充完导电颗粒后，在绝缘层3的上下层分别形成第一金属层1和第二金属层2，第一金属层1和第二金属层2通过边缘区域32电子导通。形成第一金属层1和第二金属层2的方法包括但不限于溅射和真空蒸镀方法。形成第一金属层1和第二金属层2的材料包括铜或铝。由上述材料形成的复合集流体，可以提高电池的电流传输效，减小电池温升，降低热失控的发生风险，提高电池的安全性。
实施例1：在本实施例的复合集流体主区域对应的表面涂覆电极浆料，然后烘干、碾压、裁片，最后在边缘区域对应的第一金属层部分或第二金属层部分与外部极耳进行超声波焊接，形成电池电极极片。
对比例1：在现有的复合集流体(绝缘层的边缘区域不填充导电颗粒物质)的表面涂覆电极浆料，然后烘干、碾压、裁片，在边缘位置的上层和下层分别通过超声波焊接常规铝箔的一端，两个常规铝箔的另一端通过超声波焊接在一起，常规铝箔用作转移极耳。
然后对实施例1制备的电极极片和对比例1制备的电极极片分别进行性能测试。实施例1的电极极片的电阻为38.5mΩ；对比例1的电极极片的电阻为37.5mΩ。由此可知，本申请中在复合集流体的绝缘层填充导电颗粒形成的极片与引入常规铝箔当作转移极耳的极片性能相当，可以避免引入常规铝箔当作电池的转移极耳。
本发明实施例公开了一种复合集流体以及制备方法、电池，形成的复合集流体包括相对设置的第一金属层和第二金属层以及设置在第一金属层和第二金属层之间的绝缘层，其中绝缘层包括主区域和边缘区域，边缘区域内填充有导电颗粒，第一金属层和第二金属层通过边缘区域电连接。复合集流体的边缘区域可以充当复合集流体的极耳，可以避免引入金属带用作转移极耳。边缘区域的尺寸相对较小，其内填充导电颗粒不会导致电池的重量明显增加，对电池的能量密度影响较小，同时主区域仍保持绝缘性能，使得电池安全性能不受影响。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种复合集流体，其特征在于，所述复合集流体包括：
相对设置的第一金属层(1)和第二金属层(2)，以及
绝缘层(3)，设置在所述第一金属层(1)和所述第二金属层(2)之间，所述绝缘层(3)包括主区域(31)和边缘区域(32)，所述边缘区域(32)内填充有导电颗粒，所述第一金属层(1)和所述第二金属层(2)通过所述边缘区域(32)电连接。
2.根据权利要求1所述的复合集流体，其特征在于，所述主区域(31)的面积大于所述边缘区域(32)的面积。
3.根据权利要求1所述的复合集流体，其特征在于，所述导电颗粒的材料为炭黑类、乙炔黑类、碳纳米管类、石墨类、铝金属和铜金属中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的复合集流体，其特征在于，所述导电颗粒的填充比例为1-10mg/cm2。
5.根据权利要求1所述的复合集流体，其特征在于，所述第一金属层(1)和所述第二金属层(2)的材料包括铜或铝，所述绝缘层(3)的材料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯和聚酰亚胺中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的复合集流体，其特征在于，所述第一金属层(1)和所述第二金属层(2)通过溅射或真空蒸镀形成。
7.一种电池，其特征在于，所述电池包括如权利要求1-6中任一项所述的复合集流体。
8.一种制备权利要求1-6中任一项所述的复合集流体的方法，其特征在于，所述方法包括：
提供绝缘层，所述绝缘层包括主区域和边缘区域；
在所述绝缘层的边缘区域填充预定比例的导电颗粒；
在所述绝缘层的上下表面通过溅射或真空蒸镀分别形成第一金属层和第二金属层。
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