CN117117204A - 一种锂离子电池集流体、其制备方法及电池 - Google Patents

一种锂离子电池集流体、其制备方法及电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池集流体、其制备方法及电池，包括活性物质涂覆区、安全结构区和极耳区，其中，安全结构区位于活性物质涂覆区与极耳区之间，且安全结构区贯穿集流体的宽度方向设置；所述安全结构区均布微孔，微孔内填充有导电阻燃包覆物；所述导电阻燃包覆物的基本单元包括含氟丙烯酸酯阻燃聚合物芯层以及导电聚合物包覆层。本发明采用的新型集流体制作的电池安全性能相较于普通集流体制作的电池得到了较大的改善。

Description

一种锂离子电池集流体、其制备方法及电池
技术领域
本发明属于电池集流体技术领域，具体涉及一种锂离子电池集流体、其制备方法及电池。
背景技术
这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
目前常规的复合集流体能很好的改善锂电池的热失控安全，但是复合集流体同时也会大大的增加锂电池的内阻，严重降低其电性能。虽然有些现有技术中将集流体分为不同的功能区域，并且在极耳区与活性物质涂覆区中间区域添加了功能涂覆层，但是没有很好的利用集流体本身结构，从而改善电芯安全方面效果难以达到使用要求。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种锂离子电池集流体、其制备方法及电池。本发明的集流体可以在不降低电池内阻(不影响电池电性能)的基础上有效提高锂离子电池的安全性能。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明提供一种锂离子电池集流体，包括活性物质涂覆区、安全结构区和极耳区，其中，安全结构区位于活性物质涂覆区与极耳区之间，且安全结构区贯穿集流体的宽度方向设置；
所述安全结构区均布微孔，微孔内填充有导电阻燃包覆物；
所述导电阻燃包覆物的基本单元包括含氟丙烯酸酯阻燃聚合物芯层以及导电聚合物包覆层。
此处的集流体一般是指铜箔等箔材，集流体的宽度方向是指安装形成电池时，与电流方向垂直的方向。安全结构区贯穿集流体的宽度方向设置，使得微孔在电流的流通截面上分布，且微孔垂直于电流方向设置。
极耳区用于与极耳进行点焊。
在安全结构区的微孔及表面涂覆的导电阻燃包覆物具备良好的导电性能，从而本发明的集流体相比于普通的集流体在正常使用时导电性能基本一致。
但是在锂电池过流时集流体温度升高，此时安全结构区中微孔及表面涂覆的导电阻燃包覆物中的阻燃聚合物会迅速融化，当导电阻燃包覆物中阻燃聚合物融化后，其会丧失导电能力(原因为导电阻燃包覆物的导电能力为表面的聚合物导电层，芯层的阻燃聚合物融化后，失去或降低对外层聚合物导电层的支撑作用，使聚合物导电层发生形变，联通集流体的导电性会大大减小)从而急剧增加集流体安全结构区的内阻，因为集流体安全结构区的结构为多孔的形状(集流体横截面积小)其导电性能弱于无孔的极耳区和活性物质涂覆区，从而在高温时(120～150℃)安全结构区会率先熔断，从而阻断锂离子电池进一步热失控，提升锂离子电池安全性能。
同时因为安全结构区的集流体含有多孔结构，其在极片辊压时，可以大大缓解辊压造成的极片打皱，从而进一步提升锂离子电池的综合性能。
在一些实施例中，安全结构区的宽度为1-10mm，极耳区的宽度为10-30mm。
在一些实施例中，所述安全结构区的表面涂覆有所述导电阻燃包覆物层。
优选的，安全结构区的表面涂覆有所述导电阻燃包覆物层的厚度为0～2μm。涂覆的最重要的目的是填充满微孔，所以安全结构区的表面涂覆厚度不能太厚，太厚会造成材料的浪费。
在一些实施例中，所述微孔为通孔。
优选的，微孔的孔径为0.1～5mm。微孔的形状可以是圆柱形、方形、三角形、六边形等。
优选的，微孔之间的间距为0.1-5mm。
在一些实施例中，安全结构区的开孔率为30-80％。开孔率为微孔总面积占安全结构区总面积的百分比。
在一些实施例中，所述的活性物质涂覆区的表面涂覆有活性物质，活性物质选自钴酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰酸锂、磷酸锰铁锂、钛酸锂、人造石墨、天然石墨、硬碳或软碳中的一种或其组合。
第二方面，本发明提供所述锂离子电池集流体的制备方法，包括如下步骤：
将含氟丙烯酸酯单体进行聚合，得到阻燃聚合物；
将阻燃聚合物分散到导电聚合物单体溶液中，进行包覆聚合，得到导电阻燃包覆物；
将导电阻燃包覆物与粘结剂混合后，得到混合浆料；
在箔材的安全结构区加工微孔，将制备的导电阻燃包覆物填充安全结构区的微孔；
将电池活性物质涂布于活性物质涂覆区；
对涂布完成的集流体进行辊压，即得。
在一些实施例中，所述含氟丙烯酸酯单体选自甲基丙烯酸三氟乙酯、2,2,3,3-四氟丙基丙烯酸酯或甲基丙烯酸十二氟庚酯。
含氟丙烯酸酯单体加引发剂(过氧化苯甲酰、过氧化月桂酰、偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈等)进行聚合成聚合物，该合成的阻燃聚合物熔点在120～150℃同时具有优异的阻燃效果。
在一些实施例中，导电聚合物单体选自噻吩、吡咯、苯胺、苯撑、苯撑乙烯或双炔。
优选的，包覆聚合的条件为：向其中添加氧化剂，在0～5℃进行聚合，得到导电聚合物包覆层。包覆层厚度0.1～1μm。
进一步优选的，所述氧化剂选自过硫酸铵、氯化铁或过氧化氢。
在一些实施例中，导电阻燃包覆物与粘结剂的质量比为90-98：2-10。
优选的，所述粘结剂为PVDF、SBR或聚丙烯酸。
第三方面，本发明提供一种电池，其正极片和/或负极片为所述集流体。
上述本发明的一种或多种实施例取得的有益效果如下：
本发明采用的新型集流体制作的电池安全性能相较于普通集流体制作的电池得到了较大的改善。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例制备的导电阻燃包覆物的结构示意图；
图2是本发明实施例制备的微孔箔材主视图结构示意图；
图3是本发明实施例制备的微孔箔材剖面图结构示意图；
图4是本发明实施例制备的涂覆有导电阻燃包覆物的微孔箔材平面图结构示意图；
图5是本发明实施例制备的涂覆有导电阻燃包覆物的微孔箔材剖面图结构示意图。
其中，1、阻燃聚合物；2、导电包覆层；4、极耳区；5、安全结构区；6、活性物质涂覆区；7、微孔；8、导电阻燃包覆物。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
将甲基丙烯酸三氟乙酯单体，加引发剂过氧化苯甲酰进行聚合成聚合物，将所制备的聚合物分散到导电聚合物单体溶液吡咯里面进行包覆聚合，包覆聚合的条件为采用添加过硫酸铵在0～5℃进行聚合，得到导电阻燃包覆物，如图1所示。将导电阻燃包覆物与粘结剂PVDF按照比例为导电阻燃包覆物96％：粘结剂4％在甲基吡咯烷酮混合均匀得到混合浆料。
如图2和图3所示，选用12μm铝箔总宽度为105mm，其中铝箔极耳区4宽度20mm，安全结构区5宽度为5mm，活性物质涂覆区6宽度为80mm。对安全结构区5采用激光打孔，微孔为0.5mm的贯穿式微孔。相邻微孔的间距为1mm，开孔率为40％。
将制备的上述混合浆料涂覆于安全结构区5上，安全结构区5的微孔中填充混合浆料，同时混合浆料在安全结构区表面厚度小于1μm，如图4和图5所示。
制备型号6575115容量为6Ah三元电芯。电芯正极片采用以上制备的新型集流体，正极片活性物质涂层宽度为80mm，覆盖新型集流体活性物质涂覆区。负极片、隔膜、电解液等为常规材料。对比例1同为型号6575115容量为6Ah三元电芯，对比例1采用常规铝箔，其余材料一样。对实施例1和对比例1电池进行过充测试，性能对比如表1所示。
表1
从实施例1和对比例1的对比可以看出，本发明采用的集流体制作的电池安全性能相较于普通集流体制作的电池得到了较大的改善。
实施例2
将甲基丙烯酸十二氟庚酯单体，加引发剂偶氮二异庚腈进行聚合成聚合物，将所制备的聚合物分散到导电聚合物单体溶液苯胺里面进行包覆聚合，包覆聚合的条件为采用添加过硫酸铵在0～5℃进行聚合，得到导电阻燃包覆物。将导电阻燃包覆物与粘结剂PVDF按照比例为导电阻燃包覆物97％：粘结剂3％在甲基吡咯烷酮混合均匀得到混合浆料。
选用13μm铝箔总宽度为151mm，其中铝箔极耳区宽度25mm，安全结构区宽度为6mm，活性物质涂覆区宽度为120mm。对安全结构区采用激光打孔，微孔为0.6mm的贯穿式微孔。相邻微孔的间距为0.5mm，开孔率为60％。
将制备的混合浆料涂覆于安全结构区上，安全结构区的微孔中填充混合浆料，同时混合浆料在安全结构区表面厚度小于1μm。
制备型号7082140容量为14Ah三元电芯。电芯正极片采用以上制备的新型集流体，正极片活性物质涂层宽度为120mm，覆盖新型集流体活性物质涂覆区。负极片、隔膜、电解液等为常规材料。对比例同为型号7082140容量为14Ah三元电芯，对比例2采用常规铝箔，其余材料一样。对实施例2和对比例2电池进行过充测试，性能对比如表2所示。
表2
从实施例2和对比例2的对比可以看出，本发明采用的集流体制作的电池安全性能相较于普通集流体制作的电池得到了较大的改善。
实施例3
将2,2,3,3-四氟丙基丙烯酸酯单体，加引发剂偶氮二异丁腈进行聚合成聚合物，将所制备的聚合物分散到导电聚合物单体溶液吡咯里面进行包覆聚合，包覆聚合的条件为采用添加氯化铁在0～5℃进行聚合，得到导电阻燃包覆物。将导电阻燃包覆物与粘结剂SBR按照比例为导电阻燃包覆物96％：粘结剂4％在甲基吡咯烷酮混合均匀得到混合浆料。
选用6μm铜箔总宽度为112mm，其中铜箔极耳区宽度18mm，安全结构区宽度为4mm，活性物质涂覆区宽度为90mm。对安全结构区采用激光打孔，微孔为0.3mm的贯穿式微孔。相邻微孔的间距为2mm，开孔率为80％。
将制备的混合浆料涂覆于安全结构区上，安全结构区的微孔中填充混合浆料，同时混合浆料在安全结构区表面厚度小于1μm。
制备型号5580100容量为5Ah三元电芯。电芯负极片采用以上制备的新型集流体，负极片活性物质涂层宽度为90mm，覆盖新型集流体活性物质涂覆区。正极片、隔膜、电解液等为常规材料。对比例同为型号5580100容量为5Ah三元电芯，对比例3采用常规铜箔，其余材料一样。对实施例3和对比例3电池进行过充测试，性能对比如表3所示。
表3
从实施例3和对比例3的对比可以看出，本发明采用的新型集流体制作的电池安全性能相较于普通集流体制作的电池得到了较大的改善。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，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 (10)

1.一种锂离子电池集流体，其特征在于：包括活性物质涂覆区、安全结构区和极耳区，其中，安全结构区位于活性物质涂覆区与极耳区之间，且安全结构区贯穿集流体的宽度方向设置；
所述安全结构区均布微孔，微孔内填充有导电阻燃包覆物；
所述导电阻燃包覆物的基本单元包括含氟丙烯酸酯阻燃聚合物芯层以及导电聚合物包覆层。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池集流体，其特征在于：安全结构区的宽度为1-10mm，极耳区的宽度为10-30mm。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池集流体，其特征在于：所述安全结构区的表面涂覆有所述导电阻燃包覆物层；
优选的，安全结构区的表面涂覆的所述导电阻燃包覆物层的厚度为0～2μm。
4.根据权利要求1所述的锂离子电池集流体，其特征在于：所述微孔为通孔；
优选的，微孔的孔径为0.1～5mm；
优选的，微孔之间的间距为0.1-5mm。
5.根据权利要求1所述的锂离子电池集流体，其特征在于：安全结构区的开孔率为30-80％。
6.根据权利要求1所述的锂离子电池集流体，其特征在于：所述的活性物质涂覆区的表面涂覆有活性物质，活性物质选自钴酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰酸锂、磷酸锰铁锂、钛酸锂、人造石墨、天然石墨、硬碳或软碳中的一种或其组合。
7.权利要求1-6任一所述锂离子电池集流体的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
将含氟丙烯酸酯单体进行聚合，得到阻燃聚合物；
将阻燃聚合物分散到导电聚合物单体溶液中，进行包覆聚合，得到导电阻燃包覆物；
将导电阻燃包覆物与粘结剂混合后，得到混合浆料；
在箔材的安全结构区加工微孔，将制备的导电阻燃包覆物填充安全结构区的微孔；
将电池活性物质涂布于活性物质涂覆区；
对涂布完成的集流体进行辊压，即得。
8.根据权利要求7所述的锂离子电池集流体的制备方法，其特征在于：所述含氟丙烯酸酯单体选自甲基丙烯酸三氟乙酯、2,2,3,3-四氟丙基丙烯酸酯或甲基丙烯酸十二氟庚酯。
9.根据权利要求7所述的锂离子电池集流体的制备方法，其特征在于：导电聚合物单体选自聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺、聚苯撑、聚苯撑乙烯或聚双炔；
优选的，包覆聚合的条件为：向其中添加氧化剂，在0～5℃进行聚合，得到导电聚合物包覆层；
进一步优选的，所述氧化剂选自过硫酸铵、氯化铁或过氧化氢；
优选的，导电阻燃包覆物与粘结剂的质量比为90-98：2-10；
优选的，所述粘结剂为PVDF、SBR或聚丙烯酸。
10.一种电池，其特征在于：其正极片和/或负极片为权利要求1-6任一所述锂离子电池集流体。
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