CN117976917A

CN117976917A - 一种多孔集流体及其制备方法、电极片及电池

Info

Publication number: CN117976917A
Application number: CN202410015581.XA
Authority: CN
Inventors: 刘福海
Original assignee: Foshan Zhongji Ximi New Material Co ltd
Current assignee: Foshan Zhongji Ximi New Material Co ltd
Priority date: 2024-01-03
Filing date: 2024-01-03
Publication date: 2024-05-03

Abstract

本发明提供了一种多孔集流体及其制备方法、电极片及电池，其中，该多孔集流体包括金属箔材，所述金属箔材为多孔结构，孔密度为60～30000个/cm²，孔径≤10μm；其中，所述金属箔材设有多个通孔和盲孔，所述通孔和所述盲孔的数量比为(6～7)：1。本发明的多孔集流体与电极材料的附着力大，内阻低。

Description

一种多孔集流体及其制备方法、电极片及电池

技术领域

本发明涉及锂电池技术领域，尤其涉及一种多孔集流体及其制备方法、电极片及电池。

背景技术

锂离子电池一般包括：活性材料、隔膜、电解质及集流体等。锂离子电池负极集流体一般用铜箔，正极集流体一般用铝箔。由于一般金属箔的轧制表面比较平滑，涂覆活性材料时会产生一些问题，如浸润性差、结合不紧密、结合强度小、结合面积小、不容易粘附等，从而导致活性材料与集流体之间界面电阻大，容易脱落，并且涂覆难度大。以上问题会导致电池性能下降，如界面电阻大导致极化严重，影响活性材料的储锂能力、倍率性能及循环稳定性能等，从而难以满足目前对于高倍率、高能量密度及长循环寿命的需求。因此，改善金属箔带的表面状态和性质，对于提高活性材料与集流体的相容性、提高结合强度、增大结合面积，进而提高电池性能具有重要意义。

现有中国专利如CN111180741A、CN111180741A、CN116742007A所公开的方案均是在金属箔材上涂覆一层碳材料来增加集流体的比表面积。但是目前广泛使用的碳材料存在着导电性欠佳、分散不易、涂层与金属箔材的结合强度弱及涂层较厚等缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种多孔集流体，与电极材料的附着力大，内阻低。

本发明还要解决的技术问题在于，提供一种多孔集流体的制备方法，可以有效控制通孔和凹孔的比例，且孔径一致性高。

本发明还要解决的技术问题在于，提供一种电极片，具有良好的电液浸润性和电子通道。

本发明还要解决的技术问题在于，提供一种电池，库伦效率、循环稳定性和倍率性能佳。

为了解决上述问题，第一方面，本发明提供了一种多孔集流体，包括金属箔材，所述金属箔材为多孔结构，孔密度为60～30000个/cm²，孔径≤10μm；其中，

所述金属箔材设有多个通孔和盲孔，所述通孔和所述盲孔的数量比为(6～7)：1。

作为上述方案的改进，所述金属箔材的厚度为8～30μm；

和/或，所述金属箔材为铜箔或铝箔。

作为上述方案的改进，所述金属箔材的开孔率为20％～70％。

作为上述方案的改进，所述多孔集流体的拉伸强度为140～180MPa；

和/或，所述多孔集流体的延伸率为1.8％～2.3％。

作为上述方案的改进，所述多孔集流体的达因值≥60dyne/cm。

作为上述方案的改进，所述金属箔材的孔密度为1000～10000个/cm²；

和/或，所述金属箔材的开孔率为40％～60％。

第二方面，本发明提供了一种多孔集流体的制备方法，用于制备上述所述的多孔集流体，包括以下步骤：

S1、提供光面金属箔材；

S2、采用交流电和直流电对所述光面金属箔材进行电晕处理，得到所述多孔集流体。

作为上述方案的改进，步骤S2中，采用交流电和直流电交替对所述光面金属箔材进行电晕处理；其中，

采用交流电对所述光面金属箔材进行电晕处理，以在所述光面金属箔材上获得目标数量的凹孔；

采用直流电对所述光面金属箔材进行电晕处理，以在所述光面金属箔材上获得目标数量的通孔。

第三方面，本发明提供了一种电极片，包括集流体和电极材料，所述集流体为上述所述的多孔集流体，所述电极材料为正极材料或负极材料。

第四方面，本发明提供了一种电池，包括上述所述的电极片。

实施本发明，具有如下有益效果：

本发明的多孔集流体通过盲孔和通孔的相互配合，实现了提高集流体与电极材料的附着力、缩短离子迁移距离并增强离子自由迁移的能力，并具有较高的表面张力以及极佳的电液浸润性和良好的电子通道，有助于降低锂离子电池的内阻，从而提高电池的库伦效率、循环稳定性和倍率性能。

本发明的多孔集流体通过盲孔和通孔的相互配合，使得拉伸强度为140～180MPa，延伸率为1.8％～2.3％，不仅可以满足电极片的制作工艺要求，还可以减轻集流体和电极片的重量。

本发明多孔集流体的制备方法采用交流电和直流电交替对光面金属箔材进行电晕处理，不仅可以获得目标比例的凹孔和通孔，且孔径的一致性高，更重要的是无需采用化学试剂，更加环保。

附图说明

图1是本发明采用直流电对光面金属箔材进行电晕处理形成通孔的放大图；

图2是本发明采用交流电对光面金属箔材进行电晕处理形成凹孔的放大图；

图3是采用化学刻蚀方法所形成的孔洞的放大图；

图4是本发明电极片的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。仅此声明，本发明在文中出现或即将出现的上、下、左、右、前、后、内、外等方位用词，仅以本发明的附图为基准，其并不是对本发明的具体限定。

本发明提供的一种多孔集流体，包括金属箔材，金属箔材为多孔结构，孔密度为60～30000个/cm²，孔径≤10μm；其中，金属箔材设有多个通孔和盲孔，通孔和盲孔的数量比为(6～7)：1。

需要说明的是，通孔的孔径≤10μm，且盲孔的孔径≤10μm。本发明的多孔集流体通过盲孔和通孔的相互配合，有效提高集流体与电极材料的附着力、缩短离子迁移距离并增强离子自由迁移的能力。

一方面，集流体中的通孔作为液体和离子的主要流动通道，不仅能够让离子实现自由迁移，还能够显著缩短离子迁移的距离，这种设计不仅优化了离子传输的效率，还降低了电池内部电阻，提高了电池的充放电性能。此外，由于通孔的存在，集流体可以容纳更多的电极材料，增加了电池的能量密度。

另一方面，集流体中的凹孔主要是为了增强集流体与电极材料的附着力。这些凹孔通过增加集流体的表面积，使得电极材料能够更均匀、更紧密地附着在集流体的表面，这种设计不仅提高了电池的机械稳定性，也增强了电池的抗腐蚀能力。同时，凹孔的设计也使得集流体能够储存更多的电极材料，为电池的能量密度的提升提供了可能。

总体来说，本发明通过一定数量的盲孔和通孔的相互配合，在不影响集流体拉伸强度的同时，还可以减轻集流体的重量。本发明的多孔集流体在提高电池性能、安全性和寿命方面展现出了显著的优势。

其中，铜箔集流体通过盲孔和通孔的配合，还可以减少晶枝的生产或者影响晶枝的生长方向。

本发明的金属箔材为铜箔或铝箔。其中，铜箔一般作为负极材料的集流体，铝箔一般作为正极材料的集流体。

需要说明的是，金属箔材的厚度对电池的能量密度具有重要的重要。金属箔材的厚度越薄，电极的能量密度越高，这是因为锂电池的能量主要集中在正极材料中，而金属箔材的厚度过大会导致电池内部电阻增加，从而降低了电池的能量密度。另外，金属箔材还需要承载活性物质(电极材料、碳材料等)，这对其厚度有一定的要求。如果金属箔材的厚度太薄，会影响其承载能力，进而影响电极的稳定性。优选地，金属箔材的厚度为8～30μm。更优地，金属箔材的厚度为12～20μm。

金属箔材的具体厚度需要根据具体使用场景进行选择和优化，以达到最佳的电极性能。

在锂离子电池的生产过程中，涂布、辊压、卷绕、压芯整形等工艺要求金属箔材集流体和极片保持完整，对金属箔材集流体的拉伸强度、伸长率和折弯性能有一定的要求。为了提高锂离子电池的能量密度，金属箔材集流体的厚度优选为12～15μm，另外，金属箔材的开孔率优选为20％～70％，金属箔材的开孔率若过高，则会降低金属箔材的力学性能，无法满足极片制作工艺要求；金属箔材的开孔率过低，则无法有效提高集流体的附着力，降低内阻，减轻重量等。

研究发现，对电池循环性能来说，孔密度并不是越大越好，伴随着孔密度的增大，电池的循环稳定性出现先提高再降低的变化，在某一范围电池时达到性能最大值，电荷传递电阻值出现先减小后增大的变化，在某一范围电池时达到阻抗最小值。优选地，金属箔材的孔密度为1000～10000个/cm²，金属箔材的开孔率为40％～60％。另外，凹孔的直径也会影响金属箔材的力学性能，以及金属箔材与活性物质之间的附着力。因此凹孔的直径≤10μm。

相应地，本发明还提供了一种多孔集流体的制备方法，包括以下步骤：

S1、提供光面金属箔材；

S2、采用交流电和直流电对光面金属箔材进行电晕处理，得到所述多孔集流体。

具体的，步骤S2中，采用交流电和直流电交替对光面金属箔材进行电晕处理，可以获得目标比例的凹孔和通孔。由于交流电的功率小，因此采用交流电对光面金属箔材进行电晕处理，可以在光面金属箔材上获得目标数量的凹孔，而采用直流电对光面金属箔材进行电晕处理，可以在光面金属箔材上获得目标数量的通孔。最终通过交流电和直流电的相互重要，可以在光面金属箔材上获得目标数量的凹孔和通孔。

现有的铝箔电晕工艺是通过在铝箔表面施加高电压，使得空气中的氧分子发生电离并与铝表面发应，形成致密的氧化层，从而提高铝箔的抗氧化能力，延长其使用寿命。

与现有铝箔的电晕工艺相比，本发明通过直流电和交流电的电晕工艺配合，一方面获得目标比例的凹孔和通孔；另一方面可以对金属箔材进行等离子表面活化和处理，提高金属箔材的表面能和浸润能力，同时通过电晕等离子体对金属箔材表面活化，去除部分有机物、油脂、油污等微观有机污物及氧化层。电晕处理后的金属箔材与光面金属箔材相比，改善了活性物质与集流体间的附着效果，降低了电池极化电阻，延长了电池循环寿命。

具体的，交流电电晕处理的参数如下：电晕功率10～20KW，电晕速度80～130m/min；直流电电晕处理的参数如下：电晕功率50～70KW，电晕速度150～200m/min。具体的电晕参数还要根据金属箔材的厚度，孔径的大小等因素来进一步限定。

需要说明的是，集流体的拉伸强度和延伸率对于锂电池的性能和可靠性具有重要影响，它们需要承受电池充放电过程中的各种应力和变形。一般来说，较高的拉伸强度可以提供更好的机械稳定性，而适当的延伸率则有助于缓解电池充放电过程中的应力集中，提高电池的循环寿命。

优选地，本发明的多孔集流体的拉伸强度为140～180MPa，延伸率为1.8％～2.3％。

本发明采用交流电和直流电电晕工艺开孔的方法生产效率高，与现有的金属箔材化学刻蚀开孔方法相比，本发明所形成的凹孔和通孔孔径一致性高。参见图1～图3，本发明制备方法所形成的凹孔和通孔分布均匀，且孔径一致性高，而采用化学刻蚀方法所形成的凹孔和通孔分布不均匀，且凹孔孔径大小不一。

与光面铝箔相比，本发明的多孔集流体具有以下优点：

(1)可以负载更多的电极材料，提高集流体箔材和电极材料的粘结性，更有利于厚电极、超薄电极、干法电极；

(2)可以缓和弹性体膨胀收缩时的反复形变及应力，提高电池循环寿命；

(3)可以减少及延缓正负极枝晶产生，改变枝晶生长方向，提高电池安全性；

(4)可以减少正负极阴阳面问题，提高高碾压下的高倍率电芯活性物质间电解液的渗透及浸润性，让锂离子迁移更加自由，减少活性物间的欧姆极化及浓差极化，提高电池倍率及循环使用寿命；

(5)减少箔材在电池质量中的占比，提升电池能量密度；

(6)改善电解液浸润性，提高电池生产效率及一致性、成品率。

参见图4，本发明还提供了一种电极片，包括集流体1和电极材料2，该集流体1为上述的多孔集流体。

本发明的电极片可以为正极电极片，也可以为负极电极片。若集流体的金属箔材为铝箔，电极材料为正极材料，则电极片为正极电极片。若集流体的金属箔材为铜箔，电极材料为负极材料，则电极片为负极电极片。

由于本发明的集流体具有高比表面积，因此其与电极材料的接触面积大，因此本发明的电极片电阻率低，剥离强度高。

相应地，本发明还提供了一种电池，包括上述的电极片。具体的，本发明的电池为铁锂电池。

以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种多孔集流体，其特征在于，包括金属箔材，所述金属箔材为多孔结构，孔密度为60～30000个/cm²，孔径≤10μm；其中，

2.如权利要求1所述的多孔集流体，其特征在于，所述金属箔材的厚度为8～30μm；

和/或，所述金属箔材为铜箔或铝箔。

3.如权利要求1所述的多孔集流体，其特征在于，所述金属箔材的开孔率为20％～70％。

4.如权利要求1～3任一项所述的多孔集流体，其特征在于，所述多孔集流体的拉伸强度为140～180MPa；

和/或，所述多孔集流体的延伸率为1.8％～2.3％。

5.如权利要求1～3任一项所述的多孔集流体，其特征在于，所述多孔集流体的达因值≥60dyne/cm。

6.如权利要求1所述的多孔集流体，其特征在于，所述金属箔材的孔密度为1000～10000个/cm²；

和/或，所述金属箔材的开孔率为40％～60％。

7.一种多孔集流体的制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1～6任一项所述的多孔集流体，包括以下步骤：

S1、提供光面金属箔材；

8.如权利要求7所述的多孔集流体，其特征在于，步骤S2中，采用交流电和直流电交替对所述光面金属箔材进行电晕处理；其中，

9.一种电极片，其特征在于，包括集流体和电极材料，所述集流体为权利要求1～6任一项所述的多孔集流体，所述电极材料为正极材料或负极材料。

10.一种电池，其特征在于，包括如权利要求9所述的电极片。