CN116670847A - 电极及其制备方法、电池及用电装置 - Google Patents

电极及其制备方法、电池及用电装置 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种电极及其制备方法、电池及用电装置。电极包括集流体层，所述集流体层具有多孔结构，所述集流体层是气体可渗透的；和活性材料层，所述活性材料层层叠于所述集流体层的至少部分表面，且所述活性材料层位于所述多孔结构的孔外。

Description

电极及其制备方法、电池及用电装置 技术领域
本申请涉及电池领域，具体涉及一种电极及其制备方法、电池及用电装置。
背景技术
节能减排是汽车产业可持续发展的关键，电动车辆由于其节能环保的优势成为汽车产业可持续发展的重要组成部分。对于电动车辆而言，电池技术又是关乎其发展的一项重要因素。
电池在充放电的使用过程中，因电解液与正负极接触等原因发生化学反应，产生气体，影响电池的使用。
发明内容
鉴于上述问题，本申请提供一种电极及其制备方法、电池及用电装置，该电极具有改善的透气性，能够缓解电池使用过程中因产生气体导致的电芯膨胀，进而能够改善电池的综合性能。
第一方面，本申请提供了一种电极，包括集流体层，集流体层具有多孔结构，集流体层是气体可渗透的；和活性材料层，活性材料层层叠于集流体层的至少部分表面，且活性材料层位于多孔结构的孔外。
本申请实施例的技术方案中，集流体层是气体可渗透的。这样的设计使得在电池因电解液与正负极接触等原因产生气体时，气体能够顺利地通过集流体层溢出到电芯之外，避免电芯内部因胀气发生变形或结构失效，进而改善了电池的性能。
在一些实施例中，所述集流体层的材质包括导电材料，例如金属材料、碳基导电材料、导电高分子材料、或其组合。通过采用导电材料，集流体具有较好的导电性。
在一些实施例中，所述集流体层包括多孔基体和导电层，所述导电层覆盖所述多孔基体的至少部分表面。本申请实施例的集流体具有包括多孔基体和导电层的复合结构。多孔基体起到支撑集流体结构的作用，导电层起到导电的作用，二者各有优势，协同作用，赋予集流体层改善的综合性能。
在一些实施例中，所述导电层的电导率大于所述多孔基体的电导率。这样的设计使得导电层采用较高电导率材料，多孔基体采用较低电导率的材料，如此降低了高电 导率材料的用量，降低了成本，同时基本不影响集流体表面的电导率，不影响集流体与活性材料界面处的电子传输。
在一些实施例中，所述多孔基体的密度小于所述导电层的密度。这样的设计使得导电层采用较高电导率材料(如金属材料)，多孔基体采用较低密度的材料(如聚合物材料)，如此降低了集流体层的整体密度，同时基本不影响集流体表面的电导率，不影响集流体与活性材料界面处的电子传输。
在一些实施例中，所述多孔基体的材质包括聚合物。可选地，所述聚合物选自聚酰胺、聚酰亚胺、聚酯、聚烯烃、聚炔烃、硅氧烷聚合物、聚醚、聚醇、聚砜、多糖聚合物、氨基酸聚合物、聚氮化硫、芳环聚合物、芳杂环聚合物、环氧树脂、酚醛树脂、它们的衍生物、它们的交联物及它们的共聚物中的一种或多种或其组合。这样的设计能够降低集流体层的整体密度。
在一些实施例中，所述导电层的材质包括金属；可选地，所述金属选自铝、铜、镍、铁、钛、银、镍或其中任一种的合金。这样的设计能够提升集流体层的导电性能。
在一些实施例中，集流体层的孔隙率为20％以上，例如20％-95％。集流体层的孔隙率在20％-95％时，电极既具有较好的透气性，还具有好的结构强度和稳定性。
在一些实施例中，集流体层的厚度为4μm以上，例如4μm-500μm。通过设置集流体层的厚度为4μm以上，集流体具有好的结构强度和稳定性。通过设置集流体层的厚度为4μm-500μm，电极既具有好的结构强度和稳定性，还在电池中具有较低的重量和体积占比，进而电池具有高的体积能量密度或重量能量密度。
在一些实施例中，所述集流体层的透气率为1000-5000cm 3/m 2·24h·0.1Mpa(例如1000-2000cm 3/m 2·24h·0.1Mpa、2000-3000cm 3/m 2·24h·0.1Mpa、3000-4000cm 3/m 2·24h·0.1Mpa或4000-5000cm 3/m 2·24h·0.1Mpa)。通过该设计，集流电极具有高的透气率，有助于气体排出。测试标准可以参照GB/T1038-2000《塑料薄膜和薄片气体透过性试验方法压差法》，
在一些实施例中，所述集流体层的曲折度为≥1，例如1.0～6.0(例如1.0～2.0、2.0～3.0、3.0～4.0、4.0～5.0或5.0～6.0)。通过该设计，电极容易被电解液浸润，而且电解液容易沿电极爬升。曲折度测试标准取用Bruggeman关系式：τ＝ε α获得，其中τ为曲折度，ε为孔隙率，α为Bruggeman系数(-1≤α≤-0.5)。
在一些实施例中，电极还包括电连接构件(例如极耳)，所述电连接构件安装于所述集流体层，并与所述集流体层电连接。在该方案中，电连接构件是用于导出电极 电流的构件。
在一些实施例中，所述多孔基体的至少一侧表面包括至少一个边缘区，所述导电层覆盖所述边缘区以外的区域。在该方案中，边缘区没有被导电层所覆盖，边缘区部分是非导电的。边缘区部分没有被活性材料层覆盖，边缘区避免活性材料层直接与电池端盖接触，能够起到保护活性材料层的作用。另外，由于极耳通常安装在集流体层的边缘，非导电的边缘区一方面起到保护极耳的作用，另一方面还避免极耳接触到相反电极发生短路。
在一些实施例中，所述集流体层的表面包括活性材料区和支撑区；所述活性材料层层叠于所述集流体层的活性材料区；所述电极还包括支撑层，所述支撑层层叠于所述表面的支撑区。在一些实施例中，所述支撑层的材质包括陶瓷(例如含有陶瓷颗粒的涂层)。在该方案中，支撑层具有结构增强作用，这样的设计能够提高电极的结构强度和结构稳定性。
在一些实施例中，所述活性材料层包括电化学活性材料；可选地，所述电化学活性材料选自锂离子电池正极活性材料或锂离子电池负极活性材料；可选地，所述锂离子电池正极活性材料选自橄榄石结构的含锂磷酸盐、锂过渡金属氧化物、或其组合；可选地，所述锂离子电池负极活性材料选自人造石墨、天然石墨、软炭、硬炭、硅基材料、锡基材料、钛酸锂、锂金属、或其组合。在该方案中，本申请的电极能够与各种电化学活性材料配合使用。
第二方面，本申请提供一种制备电极的方法，包括：提供集流体层，所述集流体层具有多孔结构，所述集流体层是气体可渗透的；提供活性材料层；将所述活性材料层层叠在所述集流体层的至少部分表面，使所述活性材料层位于所述多孔结构的孔外。该方法获得的电极具有改善的透气率
在一些实施例中，制备电极的方法包括制备集流体层的步骤，该步骤包括：提供多孔基体；在所述多孔基体的至少部分表面沉积导电层；可选地，所述沉积选自电镀、化学镀、蒸镀、磁控溅射、或其组合。该方法获得的电极具有改善的透气率。
在一些实施例中，所述多孔基体的电导率小于所述导电层的电导率。该方法获得的电极具有改善的电导率。
在一些实施例中，所述多孔基体的密度小于所述导电层的密度。该方法获得的电极具有降低的密度。
第三方面，本申请提供了一种电池，包括上述实施例中的电极或上述实施例中的 方法制备获得的电极。
第四方面，本申请提供了一种用电装置，其包括上述实施例中的电池，所述电池用于提供电能。
上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本申请的具体实施方式。
附图说明
通过阅读对下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在全部附图中，用相同的附图标号表示相同的部件。在附图中：
图1为本申请一些实施例的车辆的结构示意图；
图2为本申请一些实施例的电池的分解结构示意图；
图3为本申请一些实施例的电池单体的示意图
图4为本申请一些实施例的电池单体的分解示意图；
图5为本申请一些实施例的电池单体采用卷绕式电极组件沿图4中xz平面的截面图；
图6为本申请一些实施例的采用叠片式电极组件沿图4中xz平面的截面图；
图7为本申请一些实施例的电极的截面图；
图8为本申请又一些实施例的电极的截面图；
图9为本申请又一些实施例的电极的截面图；
图10为本申请又一些实施例的电极的俯视图；
图11为本申请又一些实施例的电极的俯视图；
图12为本申请又一些实施例的电极的截面图；
图13为本申请又一些实施例的电极的俯视图；
图14为本申请又一些实施例的电极的俯视图。
具体实施方式中的附图标号如下：
车辆1000；
电池100，控制器200，马达300；
箱体10，第一部分11，第二部分12；电池单体20；
壳体21；电极组件22；第一极片221；第二极片222；隔膜223；2扁平面224；转接片23；盖板组件24；盖板241；第一电极端子242；第二电极端子243；
集流体层710，多孔基体711，导电层712，边缘区713，多孔结构715，第一活性材料层721，第二活性材料层722，支撑层730；
电连接构件810，连接区815。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本申请的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本申请的保护范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请；本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
在本申请实施例的描述中，技术术语“第一”“第二”等仅用于区别不同对象，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量、特定顺序或主次关系。在本申请实施例的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
在本申请实施例的描述中，术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
在本申请实施例的描述中，术语“多个”指的是两个以上(包括两个)，同理，“多组”指的是两组以上(包括两组)，“多片”指的是两片以上(包括两片)。
在本申请实施例的描述中，技术术语“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申请实施例和简化描述，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申请实施例的限制。
在本申请实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，技术术语“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；也可以是机械连接，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。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申请实施例中的具体含义。
目前，从市场形势的发展来看，动力电池的应用越加广泛。动力电池不仅被应用于水力、火力、风力和太阳能电站等储能电源系统，而且还被广泛应用于电动自行车、电动摩托车、电动汽车等电动交通工具，以及军事装备和航空航天等多个领域。随着动力电池应用领域的不断扩大，其市场的需求量也在不断地扩增。
电池的电芯一般包括由多层电极层叠的层叠体或由多层电极卷绕的卷绕体。本发明人注意到，在电池的充放电循环进行，电极附近的可能会因发生副反应(如电解液的氧化分解)而产生气体。产生的气体如果不及时从多层电极的层叠体或卷绕体排出，可能会造成电芯内部的局部气压过大，进而可能会造成电芯的膨胀变形，进而对电池的性能及使用寿命有不利影响。例如，电芯的膨胀变形可能会导致部分电极与电极之间的距离增加，进而造成电池容量的损失。
基于以上考虑，为了解决电芯因电极附近发生的产气副反应而发生膨胀变形的问题，发明人经过深入研究，设计了一种电极，该电极包括集流体层和活性材料层，所述集流体层具有多孔结构，所述集流体层是气体可渗透的；所述活性材料层层叠于所述集流体层的至少部分表面，且所述活性材料层位于所述多孔结构的孔外。
在这样的电池单体中，由于集流体层具有多孔结构，所述集流体层是气体可渗透的，能够有效排出电极附近产生的气体，避免了气体排出受阻造成的电芯胀气，进而避免了电芯的膨胀变形。
本申请实施例公开的电池单体可以但不限用于车辆、船舶或飞行器等用电装置中。可以使用具备本申请公开的电池单体、电池等组成该用电装置的电源系统，这样，有利于缓解并自动调节电芯膨胀力恶化，补充电解液消耗，提升电池性能的稳定性和电池寿命。
本申请实施例提供一种使用电池作为电源的用电装置，用电装置可以为但不限于 手机、平板、笔记本电脑、电动玩具、电动工具、电瓶车、电动汽车、轮船、航天器等等。其中，电动玩具可以包括固定式或移动式的电动玩具，例如，游戏机、电动汽车玩具、电动轮船玩具和电动飞机玩具等等，航天器可以包括飞机、火箭、航天飞机和宇宙飞船等等。
以下实施例为了方便说明，以本申请一实施例的一种用电装置为车辆1000为例进行说明。
请参照图1，图1为本申请一些实施例提供的车辆1000的结构示意图。车辆1000可以为燃油汽车、燃气汽车或新能源汽车，新能源汽车可以是纯电动汽车、混合动力汽车或增程式汽车等。车辆1000的内部设置有电池100，电池100可以设置在车辆1000的底部或头部或尾部。电池100可以用于车辆1000的供电，例如，电池100可以作为车辆1000的操作电源。车辆1000还可以包括控制器200和马达300，控制器200用来控制电池100为马达300供电，例如，用于车辆1000的启动、导航和行驶时的工作用电需求。
在本申请一些实施例中，电池100不仅可以作为车辆1000的操作电源，还可以作为车辆1000的驱动电源，代替或部分地代替燃油或天然气为车辆1000提供驱动动力。
请参照图2，图2为本申请一些实施例提供的电池100的爆炸图。电池100包括箱体10和电池单体20，电池单体20容纳于箱体10内。其中，箱体10用于为电池单体20提供容纳空间，箱体10可以采用多种结构。在一些实施例中，箱体10可以包括第一部分11和第二部分12，第一部分11与第二部分12相互盖合，第一部分11和第二部分12共同限定出用于容纳电池单体20的容纳空间。第二部分12可以为一端开口的空心结构，第一部分11可以为板状结构，第一部分11盖合于第二部分12的开口侧，以使第一部分11与第二部分12共同限定出容纳空间；第一部分11和第二部分12也可以是均为一侧开口的空心结构，第一部分11的开口侧盖合于第二部分12的开口侧。当然，第一部分11和第二部分12形成的箱体10可以是多种形状，比如，圆柱体、长方体等。
在电池100中，电池单体20可以是多个，多个电池单体20之间可串联或并联或混联，混联是指多个电池单体20中既有串联又有并联。多个电池单体20之间可直接串联或并联或混联在一起，再将多个电池单体20构成的整体容纳于箱体10内；当然，电池100也可以是多个电池单体20先串联或并联或混联组成电池模块形式，多个电 池模块再串联或并联或混联形成一个整体，并容纳于箱体10内。电池100还可以包括其他结构，例如，该电池100还可以包括汇流部件，用于实现多个电池单体20之间的电连接。
其中，每个电池单体20可以为二次电池或一次电池；还可以是锂硫电池、钠离子电池或镁离子电池，但不局限于此。电池单体20可呈圆柱体、扁平体、长方体或其它形状等。
图3为单个电池单体的结构示意图，图4为单个电池单体的分解示意图，每个电池单体20均包括：壳体21和设在壳体21内的电极组件22，壳体21可具有六面体形状或其他形状，且具有开口。电极组件22容纳于壳体21内。壳体21的开口覆盖有盖板组件24。盖板组件24包括盖板241和设置于盖板上的两个电极端子，两个电极端子分别为第一电极端子242和第二电极端子243。其中，第一电极端子242可以为正电极端子，第二电极端子243为负电极端子。在其他的实施例中，第一电极端子242还可以为负电极端子，而第二电极端子243为正电极端子。在盖板组件24与电极组件22之间设置有转接片23，电极组件22的极耳通过转接片23与盖板241上的电极端子电连接。本实施例中，转接片23有两个，即分别为正极转接片和负极转接片。
如图4所示，壳体21内设置有两个电极组件22，两个电极组件22沿电池单体2的高度方向(z向)堆叠，其中，电池单体2的高度方向与电池包的高度方向一致。当然，在其他实施例中，在壳体21内也可设置有一个电极组件22，或者在壳体21内设置有三个以上的电极组件22。多个电极组件22沿电池单体2的高度方向(z向)堆叠。
如图5和图6所示，电极组件22包括第一电极221、第二电极222以及设置于所述第一电极221和所述第二电极222之间的隔膜223。其中，第一电极221可以为正电极，第二电极222为负电极。在其他的实施例中，第一电极221还可以为负电极，而第二电极222为正电极。其中，隔膜223是介于第一电极221和第二电极222之间的绝缘体。正电极的活性物质可被涂覆在正电极的涂覆区上，负电极的活性物质可被涂覆到负电极的涂覆区上。由正电极的涂覆区延伸出的部分则作为正极极耳；由负电极的涂覆区延伸出的部分则作为负极极耳。正极极耳通过正极转接片连接于盖板组件24上的正电极端子，同样地，负极极耳通过负极转接片连接于盖板组件24上的负电极端子。
如图5所示，电极组件22为卷绕式结构。其中，第一电极221、隔膜223以及第二电极222均为带状结构，将第一电极221、隔膜223以及第二电极222依次层叠 并卷绕两圈以上形成电极组件22，并且电极组件22呈扁平状。在电极组件22制作时，电极组件22可直接卷绕为扁平状，也可以先卷绕成中空的圆柱形结构，卷绕之后再压平为扁平状。图8为电极组件22的外形轮廓示意图，电极组件22的外表面包括两个扁平面224，两个扁平面224沿电池单体2的高度方向(z向)相对设置。其中，电极组件22大致为六面体结构，扁平面224大致平行于卷绕轴线且为面积最大的外表面。扁平面224可以是相对平整的表面，并不要求是纯平面。
如图6所示，电极组件22为叠片式结构，即电极组件22中包括多个第一电极221以及多个第二电极222，隔膜223设置在第一电极221和第二电极222之间。第一电极221和第二电极222沿着电池单体2的高度方向(z向)层叠设置。
根据本申请的一些实施例，参照图7，本申请提供了一种电极，包括集流体层710和第一活性材料层721。集流体层710具有多孔结构715，集流体层是气体可渗透的。第一活性材料层721层叠于集流体层710的至少部分表面，且第一活性材料层721位于多孔结构715的孔外。
集流体层710例如是指能够将电流携带至活性材料层以及从活性材料层携带出电流的任何导电基底。
多孔结构715例如是指集流体层710的具有从一侧通向另一侧的孔道。多孔结构例如是通孔结构，例如是三维网络结构。
气体可渗透是指具有比金属箔(如厚度4～8μm铜箔)更高的透气率率。
第一活性材料层721是指含有电化学活性材料的层。电化学活性材料可以是正极活性材料或负极活性材料。
负极活性材料可采用本领域公知的用于电池的负极活性材料。作为示例，负极活性材料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、锡基材料和钛酸锂等。所述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。所述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材料的传统材料。这些负极活性材料可以仅单独使用一种，也可以将两种以上组合使用。
正极活性材料可采用本领域公知的用于电池的正极活性材料。作为示例，正极活性材料可采用本领域公知的用于电池的正极活性材料。作为示例，正极活性材料可包括以下材料中的至少一种：橄榄石结构的含锂磷酸盐、锂过渡金属氧化物及其各自的 改性化合物。但本申请并不限定于这些材料，还可以使用其他可被用作电池正极活性材料的传统材料。这些正极活性材料可以仅单独使用一种，也可以将两种以上组合使用。其中，锂过渡金属氧化物的示例可包括但不限于锂钴氧化物(如LiCoO 2)、锂镍氧化物(如LiNiO 2)、锂锰氧化物(如LiMnO 2、LiMn 2O 4)、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(如LiNi 1/3Co 1/3Mn 1/3O 2(也可以简称为NCM333)、LiNi 0.5Co 0.2Mn 0.3O 2(也可以简称为NCM523)、LiNi 0.5Co 0.25Mn 0.25O 2(也可以简称为NCM 211)、LiNi 0.6Co 0.2Mn 0.2O 2(也可以简称为NCM 622)、LiNi 0.8Co 0.1Mn 0.1O 2(也可以简称为NCM 811)、锂镍钴铝氧化物(如LiNi 0.85Co 0.15Al 0.05O 2)及其改性化合物等中的至少一种。橄榄石结构的含锂磷酸盐的示例可包括但不限于磷酸铁锂(如LiFePO 4(也可以简称为LFP))、磷酸铁锂与碳的复合材料、磷酸锰锂(如LiMnPO 4)、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中的至少一种。
活性材料层可选地包括粘结剂。所述粘结剂可选自丁苯橡胶(SBR)、聚丙烯酸(PAA)、聚丙烯酸钠(PAAS)、聚丙烯酰胺(PAM)、聚乙烯醇(PVA)、海藻酸钠(SA)、聚甲基丙烯酸(PMAA)及羧甲基壳聚糖(CMCS)中的至少一种。
本申请实施例的技术方案中，集流体层是气体可渗透的。并且活性材料层均位于多空结构的孔外侧，并没有进入集流体层的多孔结构，并不会堵塞多孔结构，增强了集流体层的透气性。这样的设计使得在电池因电解液与正负极接触等原因产生气体时，气体能够顺利地通过集流体层溢出到电芯之外，避免电芯内部因胀气发生变形或结构失效，进而改善了电池的性能。
在一些实施例中，集流体层是气体和液体均可渗透的。在该方案中，集流体不仅能够透过气体，具有改善的排气性能，集流体还能透过电解液，缩短电解液对电极材料层的浸润时间，提升电解液对电极材料层的浸润效果。
在一些实施例中，所述集流体层的材质包括导电材料，例如金属材料、碳基导电材料、导电高分子材料、或其组合。通过采用导电材料，集流体具有较好的导电性。
导电材料例如是电导率为10西门子/米(S/m)以上，例如10 3西门子/米(S/m)以上，例如10 6西门子/米(S/m)以上的材料。金属材料例如是铝、铜、镍、铁、钛、银、镍或其中任一种的合金。碳基导电材料例如是石墨、碳纤维、碳纳米管、石墨烯。导电高分子材料例如是聚吡咯、聚噻吩、聚苯乙炔。
根据本申请的一些实施例，参照图8，所述集流体层710包括多孔基体711和导 电层712，所述导电层712覆盖所述多孔基体711的至少部分表面。本申请实施例的集流体具有包括多孔基体711和导电层712的复合结构。多孔基体711起到支撑集流体结构的作用，导电层712起到导电的作用，二者各有优势，协同作用，赋予集流体层改善的综合性能。
在上述方案中，多孔基体711具有多孔结构，即具有从一侧通向另一侧的孔道。多孔基体例如是具有通孔结构的基体，例如是具有三维网络结构的基体。多孔基体711可由非导电材料制成。
在一些实施例中，导电层712覆盖多孔基体的孔的内表面，覆盖后多孔基体的孔结构仍得以保留，集流体层710具有多孔结构715。
在一些实施例中，导电层712覆盖所述多孔基体的孔外表面和孔内表面。这样的设计使得多孔基体的全部表面具有改善的导电性。
在一些实施例中，所述导电层712的电导率大于所述多孔基体711的电导率。这样的设计使得导电层712采用较高电导率材料，多孔基体711采用较低电导率的材料，如此降低了高电导率材料的用量，降低了成本，同时基本不影响集流体表面的电导率，不影响集流体与活性材料界面处的电子传输。
在一些实施例中，所述多孔基体711的密度小于所述导电层712的密度。这样的设计使得导电层712采用较高电导率材料(如金属材料)，多孔基体711采用较低密度的材料(如聚合物材料)，如此降低了集流体层710的整体密度，同时基本不影响集流体层710表面的电导率，不影响集流体层710与活性材料层721界面处的电子传输。
在一些实施例中，所述多孔基体711的材质包括聚合物。可选地，所述聚合物选自聚酰胺、聚酰亚胺、聚酯、聚烯烃、聚炔烃、硅氧烷聚合物、聚醚、聚醇、聚砜、多糖聚合物、氨基酸聚合物、聚氮化硫、芳环聚合物、芳杂环聚合物、环氧树脂、酚醛树脂、它们的衍生物、它们的交联物及它们的共聚物中的一种或多种或其组合。这样的设计能够降低集流体层的整体密度。
在一些实施例中，所述导电层712的材质包括金属。可选地，所述金属选自铝、铜、镍、铁、钛、银、镍或其中任一种的合金。这样的设计能够提升集流体层的导电性能。
在一些实施例中，集流体层710的孔隙率为20％以上，例如20％-95％。集流体层的孔隙率在20％-95％时，电极既具有较好的透气性，还具有好的结构强度和稳定性。集流体层710的孔隙率为20％-30％、30％-40％、40％-50％、50％-60％、60％-70％、 70％-80％、80％-90％或90％～95％。集流体层的孔隙率可以通过GB/T 33052-2016《微孔功能薄膜孔隙率测定方法十六烷吸收法》标准测量获得。
在一些实施例中，集流体层710的厚度为4μm以上，例如4μm-500μm。通过设置集流体层的厚度为4μm以上，集流体具有好的结构强度和稳定性。通过设置集流体层的厚度为4μm-500μm，电极既具有好的结构强度和稳定性，还在电池中具有较低的重量和体积占比，进而电池具有高的体积能量密度或重量能量密度。
在一些实施例中，所述集流体层710的透气率为1000-5000cm 3/m 2·24h·0.1MPa。通过该设计，集流电极具有高的透气率，有助于气体排出。测试标准可以参照GB/T1038-2000《塑料薄膜和薄片气体透过性试验方法压差法》，
在一些实施例中，所述集流体层710的曲折度为≥1，例如1.0～6.0(例如1.0～2.0、2.0～3.0、3.0～4.0、4.0～5.0或5.0～6.0)。通过该设计，电极容易被电解液浸润，而且电解液容易沿电极爬升。曲折度测试标准取用Bruggeman关系式：τ＝ε α获得，其中τ为曲折度，ε为孔隙率，α为Bruggeman系数(-1≤α≤-0.5)。
在一些实施例中，图9示出一些实施例的电极的截面图，如图9所示，电极包括集流体层710，集流体层710具有多孔结构715，集流体层是气体可渗透的；电极还包括第一活性材料层721和第二活性材料层722，第一活性材料层721和第二活性材料层722分别层叠于集流体层710的两侧表面，且第一活性材料层721和第二活性材料层722位于多孔结构715的孔外。所述集流体层710包括多孔基体711和导电层712，所述导电层712覆盖所述多孔基体711的至少部分表面。
在一些实施例中，如图9所示，电极还包括电连接构件810(例如极耳)，所述电连接构件810安装于所述集流体层710，并与所述集流体层710电连接。例如，电连接构件810可以通过转焊工艺安装在集流体层710上，电连接构件810与集流体层710通过连接区815电连接。
在该方案中，电连接构件810是用于导出电极电流的构件。电连接构件810可以从集流体层710的边缘伸出并延伸，从而起到电流导入或导出的作用。
在一些实施例中，如图9所示，所述多孔基体711的至少一侧表面(例如两侧表面)包括至少一个边缘区713，所述导电层712覆盖所述边缘区713以外的区域。可选地，多孔基体711的一部分或全部边缘设有边缘区。可选地，对于一个四边形的多孔基体711，多孔基体711的一个、两个、三个或四个边的边缘设有边缘区。可选地，多孔基体711的相对的两个边缘设有边缘区。
在该方案中，边缘区713没有被导电层712所覆盖，边缘区713部分是非导电的。边缘区713部分也没有被第一活性材料层721或第二活性材料层722覆盖，集流体层710的边缘区起到缓冲保护作用，避免层叠在集流体层710上的第一活性材料层721或第二活性材料层722直接与电池端盖接触。进而能够起到保护活性材料层的作用。另外，由于极耳810通常安装在集流体层710的边缘，非导电的边缘区713一方面起到保护极耳810的作用，另一方面还避免极耳810接触到相反电极发生短路。
在一个实施例中，图10和图11分别示出一个电极的俯视图。为了能够从俯视的角度观察到电极的各层，图10和11中，多孔基体711的部分表面没有被导电体层712覆盖，集流体层710的部分表面没有被第一活性材料层721覆盖。如果没有特别说明，应当理解这些未被覆盖的区域是为了方便观察而如此绘制的。需要特殊说明的是，集流体层710的边缘区713部分没有被导电层712覆盖，也没有被第一活性材料层721或第二活性材料层722覆盖。在该实施例中，边缘区713起到缓冲保护作用，避免了对导电层712、第一活性材料层721、第二活性材料层722直接与电池端盖接触。
在一些实施例中，如图10所示，以垂直于电连接构件810的伸出方向为第一方向，在第一方向上，电连接构件810的尺寸d与集流体层710的尺寸D的比值d:D可以介于1:2～5范围。该电极的电连接构件的宽度尺寸(d)较小，具有焊接工艺简单，体积小，组装方便的优点。
在一些实施例中，图11示出一个电极的俯视图。如图11所示，以垂直于电连接构件810的伸出方向为第一方向，在第一方向上，电连接构件810的尺寸d与集流体层710的尺寸D的比值d:D＝1:1。该电极的电连接构件的宽度尺寸(d)较大，这能够降低电连接构件810处的内阻，进而降低焦耳热，进而降低电极温度。
在一些实施例中，图12示出一些实施例的电极的截面图，如图12所示，电极包括集流体层710，集流体层710具有多孔结构715，集流体层是气体可渗透的；电极还包括第一活性材料层721和第二活性材料层722，第一活性材料层721和第二活性材料层722分别层叠于集流体层710的两侧表面，且第一活性材料层721和第二活性材料层722位于多孔结构715的孔外。所述集流体层710包括多孔基体711和导电层712，所述导电层712覆盖所述多孔基体711的至少部分表面。
在一些实施例中，如图12所示，电极还包括电连接构件810(例如极耳)，所述电连接构件810安装于所述集流体层710，并与所述集流体层710电连接。例如，电连接构件810通过转焊工艺安装在集流体层710上，电连接构件810与集流体层710 通过连接区815电连接。
在一些实施例中，如图12所示，所述集流体层的表面包括活性材料区和支撑区；所述活性材料层层叠于所述集流体层的活性材料区；所述电极还包括支撑层，所述支撑层层叠于所述表面的支撑区。在一些实施例中，所述支撑层的材质包括陶瓷(例如含有陶瓷颗粒的涂层)。
在该方案中，支撑层具有结构增强作用，这样的设计能够提高电极的结构强度和结构稳定性。
在一个实施例中，图13和图14分别示出一个电极的俯视图。为了能够从俯视的角度观察到电极的各层，图13和14中，多孔基体711的部分表面没有被导电体层712覆盖，集流体层710的部分表面没有被第一活性材料层721覆盖。如果没有特别说明，应当理解这些未被覆盖的区域是为了方便观察而如此绘制的。
在一些实施例中，如图13所示，以垂直于电连接构件810的伸出方向为第一方向，在第一方向上，电连接构件810的尺寸d与集流体层710的尺寸D的比值d:D介于1:2～5范围。该电极的电连接构件的宽度尺寸(d)较小，具有焊接工艺简单，体积小，组装方便的优点。
在一些实施例中，如图14所示，以垂直于电连接构件810的伸出方向为第一方向，在第一方向上，电连接构件810的尺寸d与集流体层710的尺寸D的比值d:D＝1:1。该电极的电连接构件的宽度尺寸(d)较大，电连接构件810的电导率高、内阻低，进而降低了电连接构件的焦耳热，降低电极温度。
在一些实施例中，所述活性材料层包括电化学活性材料；可选地，所述电化学活性材料选自锂离子电池正极活性材料或锂离子电池负极活性材料；可选地，所述锂离子电池正极活性材料选自橄榄石结构的含锂磷酸盐、锂过渡金属氧化物、或其组合；可选地，所述锂离子电池负极活性材料选自人造石墨、天然石墨、软炭、硬炭、硅基材料、锡基材料、钛酸锂、锂金属、或其组合。在该方案中，本申请的电极能够与各种电化学活性材料配合使用。
在一些实施例中，提供一种制备电极的方法，包括：提供集流体层，所述集流体层具有多孔结构，所述集流体层是气体可渗透的；提供活性材料层；将所述活性材料层层叠在所述集流体层的至少部分表面，使所述活性材料层位于所述多孔结构的孔外。该方法获得的电极具有改善的透气率
在一些实施例中，制备电极的方法包括制备集流体层的步骤，该步骤包括：提供 多孔基体；在所述多孔基体的至少部分表面沉积导电层；可选地，所述沉积选自电镀、化学镀、蒸镀、磁控溅射、或其组合。该方法获得的电极具有改善的透气率。
在一些实施例中，所述多孔基体的电导率小于所述导电层的电导率。该方法获得的电极具有改善的电导率。
在一些实施例中，所述多孔基体的密度小于所述导电层的密度。该方法获得的电极具有降低的密度。
在一些实施例中，提供了一种电池，包括上述实施例中的电极或上述实施例中的方法制备获得的电极。
在一些实施例中，一种用电装置，其包括上述实施例中的电池，所述电池用于提供电能。
下面结合更具体的实施例阐述本申请的技术方案。
实施例1
下面结合图9和10说明一个电极及其制备方法。在一个实施例中，电极通过如下得方法制备：首先提供多孔基体711，具体为多孔聚丙烯(PP)膜。然后在多孔基体711的边缘处的表面划分出边缘区713。然后在边缘区713以外的区域覆盖导电层712(Al镀层或Cu镀层)。可以使用蒸镀或化学气相沉积(CVD)等方式将Al镀层覆盖到多孔聚丙烯(PP)膜的表面。可以使用磁控溅射或化学镀方式等方式将Cu镀层覆盖到多孔聚丙烯(PP)膜的表面。获得集流体层710。导电层在多孔聚丙烯膜表面形成一层导电网络。集流体层710的孔隙率为35％，厚度在30μm范围，曲折度为1.75。使用导电胶或滚焊方式将电连接构件810(材质为铜箔/铝箔)安装在集流体层710上，电连接构件810的宽度d与极片的长度D的比值为1:5。使用预先制备好的第一活性材料层721(活性材料膜)和第二活性材料层722(活性材料膜)覆盖在集流体层710的活性材料区，使用导电胶配合沿边辊压的方式将第一活性材料层721和第二活性材料层722固定在集流体层710的活性材料区上。
按照上述方法分别制备阳极和阴极，然后将阳极、阴极与隔离膜卷绕成圆柱电池裸电芯，再将电芯封装为电池。
实施例2
下面结合图9和11说明又一个电极及其制备方法。与实施例1不同之处在于，电连接构件810的宽度d与极片的长度D的比值为1:1。
按照上述方法分别制备阳极和阴极，然后将阳极、阴极与隔离膜卷绕成圆柱电池裸电芯，再将电芯封装为电池。
实施例3
下面结合图12和13说明一个电极及其制备方法。在一个实施例中，首先提供多孔基体711，具体为多孔聚丙烯(PP)膜。然后在多孔基体711的表面覆盖导电层712(Al镀层或Cu镀层)。可以使用蒸镀或化学气相沉积(CVD)等方式将Al镀层覆盖到多孔聚丙烯(PP)膜的表面。可以使用磁控溅射或化学镀方式等方式将Cu镀层覆盖到多孔聚丙烯(PP)膜的表面。获得集流体层710。导电层在多孔聚丙烯膜表面形成一层导电网络。集流体层710的孔隙率为35％，厚度在30μm，曲折度为1.69。在集流体层710上划分活性材料区和支撑区。采用涂布的方式，将支撑层730覆盖在支撑区。支撑层730的成分为99wt％勃姆石和1wt％PVDF。使用导电胶或滚焊方式将电连接构件810(材质为铜箔/铝箔)安装在集流体层710上，电连接构件810的宽度d与极片的长度D的比值为1:5。使用预先制备好的第一活性材料层721(活性材料膜)和第二活性材料层722(活性材料膜)覆盖在集流体层710的活性材料区，使用导电胶配合沿边辊压的方式将第一活性材料层721和第二活性材料层722固定在集流体层710的活性材料区上。
按照上述方法分别制备阳极和阴极，然后将阳极、阴极与隔离膜卷绕成圆柱电池裸电芯，再将电芯封装为电池。
实施例4
下面结合图12和14说明又一个电极及其制备方法。与实施例3的不同之处在于，电连接构件810的宽度d与极片的长度D的比值为1:1。
按照上述方法分别制备阳极和阴极，然后将阳极、阴极与隔离膜卷绕成圆柱电池裸电芯，再将电芯封装为电池。
经测试，相较于使用不具有多孔结构的金属箔集流体的电池，实施例1～4的电池表现出显著改善的以下性能：
(1)极片(尤其是位于电芯内部的极片)更快地电解液浸润；
(2)极片(尤其是位于电芯内部的极片)更容易排出副反应气体；
(3)电芯的空间利用率有所提高；
(4)电芯的制造性性有所提高。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本申请的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本申请并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (20)

  1. 一种电极，其特征在于，包括
    集流体层，所述集流体层具有多孔结构，所述集流体层是气体可渗透的；和
    活性材料层，所述活性材料层层叠于所述集流体层的至少部分表面，且所述活性材料层位于所述多孔结构的孔外；
    可选地，所述集流体层是气体和液体均可渗透的。
  2. 如权利要求1所述的电极，其特征在于，所述集流体层的材质包括导电材料，例如金属材料、碳基导电材料、导电高分子材料、或其组合。
  3. 如权利要求1～2任一项所述的电极，其特征在于，所述集流体层包括多孔基体和导电层，所述导电层覆盖所述多孔基体的至少部分表面。
  4. 如权利要求1～3任一项所述的电极，其特征在于，所述导电层的电导率大于所述多孔基体的电导率。
  5. 如权利要求1～4任一项所述的电极，其特征在于，所述多孔基体的密度小于所述导电层的密度。
  6. 如权利要求1～5中任一项所述的电极，其特征在于，所述多孔基体的材质包括聚合物；
    可选地，所述聚合物选自聚酰胺、聚酰亚胺、聚酯、聚烯烃、聚炔烃、硅氧烷聚合物、聚醚、聚醇、聚砜、多糖聚合物、氨基酸聚合物、聚氮化硫、芳环聚合物、芳杂环聚合物、环氧树脂、酚醛树脂、它们的衍生物、它们的交联物及它们的共聚物中的一种或多种或其组合。
  7. 如权利要求1～6任一项所述的电极，其特征在于，所述导电层的材质包括金属；
    可选地，所述金属选自铝、铜、镍、铁、钛、银、镍或其中任一种的合金。
  8. 如权利要求1～7任一项所述的电极，其特征在于，集流体层的孔隙率为20％以上，例如20％-95％。
  9. 如权利要求1～8任一项所述的电极，其特征在于，集流体层的厚度为4μm以上，例如4μm-500μm。
  10. 如权利要求1～9任一项所述的电极，其特征在于，所述集流体层的透气率为1000-5000cm 3/m 2·24h·0.1MPa。
  11. 如权利要求1～10任一项所述的电极，其特征在于，所述集流体层的曲折度为≥1，例如曲折度为1～6。
  12. 如权利要求1～12任一项所述的电极，其特征在于，还包括
    电连接构件(例如极耳)，所述电连接构件安装于所述集流体层，并与所述集流体层电连接。
  13. 如权利要求1～13任一项所述的电极，其特征在于，
    所述多孔基体的至少一侧表面包括至少一个边缘区，所述导电层覆盖所述边缘区以外的区域。
  14. 如权利要求1～13任一项所述的电极，其特征在于，所述集流体层的表面包括活性材料区和支撑区；
    所述活性材料层层叠于所述集流体层的活性材料区；
    所述电极还包括支撑层，所述支撑层层叠于所述表面的支撑区；
    可选地，所述支撑层的材质包括陶瓷。
  15. 如权利要求1～14任一项所述的电极，其特征在于，所述活性材料层包括电化学活性材料；
    可选地，所述电化学活性材料选自锂离子电池正极活性材料或锂离子电池负极活性材料；
    可选地，所述锂离子电池正极活性材料选自橄榄石结构的含锂磷酸盐、锂过渡金属氧化物、或其组合；
    可选地，所述锂离子电池负极活性材料选自人造石墨、天然石墨、软炭、硬炭、硅基材料、锡基材料、钛酸锂、锂金属、或其组合。
  16. 一种制备电极的方法，其特征在于，包括：
    提供集流体层，所述集流体层具有多孔结构，所述集流体层是气体可渗透的；
    提供活性材料层；
    将所述活性材料层层叠在所述集流体层的至少部分表面，使所述活性材料层位于所述多孔结构的孔外。
  17. 根据权利要求16所述的方法，其特征在于，包括制备集流体层的步骤，该步骤包括：
    提供多孔基体；
    在所述多孔基体的至少部分表面沉积导电层；
    可选地，所述沉积选自电镀、化学镀、蒸镀、磁控溅射、或其组合。
  18. 根据权利要求17所述的方法，其特征在于以下任一项：
    -所述多孔基体的电导率小于所述导电层的电导率。
    -所述多孔基体的密度小于所述导电层的密度。
  19. 一种电池，其特征在于，包括：如权利要求1至15中任一项所述的电极或权利要求16～18任一项所述的方法制备获得的电极。
  20. 一种用电装置，其特征在于，所述用电装置包括如权利要求19所述的电池，所述电池用于提供电能。
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