CN207504104U - 一种集流体及使用该集流体的二次电池 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种集流体，其包括至少一个支撑层和位于支撑层至少一个表面的有孔层，支撑层具有连续平整结构，有孔层设置有若干通孔。其中，支撑层能够提升集流体的机械强度。有孔层当电芯被刺穿时，能够减小正极与负极之间的接触面积，降低电芯内部发生短路的几率，从而改善电池的安全性能。同时将该集流体用于电芯时，基本不会影响电芯的倍率性能。本申请还涉及一种二次电池，所述电池包括正、负极极片，所述正、负极极片中至少一种包括本申请所述的集流体。

Description

一种集流体及使用该集流体的二次电池

技术领域

本申请涉及二次电池技术领域，具体讲，涉及一种集流体及使用该集流体的二次电池。

背景技术

目前对于二次电池来说，正极极片一般采用铝箔作为集流体，负极极片一般采用铜箔作为集流体。在电动车逐渐普及的过程中，电池的能量密度也在不断提升。能量密度的提升一方面提升了电池的使用寿命，但另一方面高能量密度意味着相对较低的安全性和较高的安全风险，尤其是电池在受到硬物刺穿时，其安全性有待提升。

目前动力电池在穿刺方面的安全改进主要集中于隔膜处理。表面涂布陶瓷材料的隔离膜在一定程度提高了电芯的安全性能，降低了由于滥用导致的正极和负极发生短路的风险。但缺陷在于大大提高了电芯成本，也会在一定程度上恶化电芯性能，并且不能完全改善电芯的安全性能。

鉴于此，特提出本申请。

实用新型内容

本申请的第一目的在于提供一种集流体。

本申请的第二目的在于提供使用该集流体的二次电池。

本申请涉及一种集流体，所述集流体包括至少一个支撑层和位于所述支撑层至少一个表面的有孔层，所述支撑层具有连续平整结构，所述有孔层设置有若干通孔。

优选地，所述集流体包括两层所述有孔层，以及位于两层所述有孔层之间的所述支撑层。

优选地，所述通孔为圆形通孔或多边形通孔。

优选地，所述若干通孔组成通孔阵列，所述通孔阵列内的所述通孔沿第一方向均匀排列并沿第二方向延伸，和/或所述通孔阵列内的所述通孔沿第一方向排列并沿第二方向均匀延伸，和/或所述通孔阵列内的所述通孔沿第一方向均匀排列并沿第二方向均匀延伸。

优选地，所述第一方向为所述集流体的长度方向，所述第二方向为所述集流体的宽度方向。

优选地，当所述通孔沿第一方向均匀排列时，所述通孔之间的距离为0.5～5mm，当所述通孔沿第二方向均匀延伸时，所述通孔之间的距离为0.5～10mm。

优选地，所述圆形通孔的直径为0.5-3mm，所述多边形通孔的边长为0.5-3mm。

优选地，所述有孔层上设置有所述通孔阵列的部分构成通孔阵列区，所述通孔阵列区的面积占所述有孔层整体面积的80～100％，优选为80～90％。

优选地，所述支撑层和所述有孔层的厚度均为5-20μm，所述集流体厚度为6-30μm。

本申请还涉及一种二次电池，所述电池包括正、负极极片，所述正、负极极片中至少一种包括本申请所述的集流体。

本申请的技术方案至少具有以下有益的效果：

本申请的集流体包括至少一个支撑层和设置在支撑层至少一个表面的有孔层，其中支撑层具有连续平整结构，能够提升集流体的机械强度。有孔层上设置有由若干通孔组成的通孔阵列，当电芯被刺穿时，能够减小正极与负极之间的接触面积，控制热累积，降低电芯内部发生短路的几率，从而改善电池的安全性能。同时，将该集流体用于电芯时，基本不会影响电芯的倍率性能。

附图说明

图1为本申请的一种实施方式中，集流体的剖面结构示意图。

图2为本申请的另一种实施方式中，集流体的剖面结构示意图。

图3为本申请的一种实施方式中，有孔层的平面结构示意图。

图4为本申请的另一种实施方式中，有孔层的平面结构示意图。

图5为本申请的再一种实施方式中，有孔层的平面结构示意图。

其中，

1-集流体；

11-支撑层；

12-有孔层；

120-通孔阵列区；

121-通孔。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本申请做进一步的详细描述。文中所述“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中的集流体及有孔层的放置状态为参照。

当二次电池的正极和负极之间发生短路时，会瞬间在正极和负极之间引起热量积累，导致热失效。因此，为提高二次电池的安全性能，应减小穿钉导致的短路点面积，并降低穿钉引起的热量累积。

本申请提供了一种集流体。其包括至少一个支撑层11和位于支撑层11至少一个表面的有孔层12。如图1所示，集流体1由依次设置的支撑层11和有孔层12组成。集流体1可以进一步包括集流体本体和与集流体本体连接的极耳阵列(图中未示出)。可以将支撑层11与有孔层12进行压合，得到用于制作集流体的基材，再用切割刀具在基材上进行切割，形成一体式的集流体本体和与集流体本体连接的多个极耳。也可以将支撑层11与有孔层12压合后得到基材，切割基材得到集流体本体，再采用固定件或焊接方式，实现多个极耳与集流体本体的固定和电性连接。

选择作为支撑层11和有孔层12的材料应具有良好的电导性，例如金属。其中，支撑层11具有连续平整结构，在集流体1内作为骨架支撑，以增加集流体1的机械强度。有孔层12上设置有若干通孔121，这些通孔121不会影响集流体和极片的电学性能。进一步在该集流体本体表面涂覆正极活性物质或负极活性物质，通过冷压等流程制作电芯，对电芯在满电状态进行穿钉测试。由于在集流体1的表面和/或内部存在大量孔洞，使得穿钉后集流体1延伸导致正负极发生短路的几率降低，从而可以降低穿钉引起的热量累积，改善电池的安全性能。

为了进一步降低穿钉后集流体1的延伸程度，将集流体1的至少一侧设置为有孔层12。即可以将集流体1两侧的表面均设置为有孔层12，也可以将集流体1一侧的表面设置为有孔层12。优选将集流体1两侧的表面均设置为有孔层12，并在表面两侧的有孔层12之间继续插入若干个支撑层11和有孔层12。为简化工艺步骤并较好地实现本申请的技术效果，如图2所示，集流体1可以由两层有孔层12以及位于两层有孔层12之间的支撑层11组成。

有孔层12上的通孔形状可以为圆形或多边形。如图3所示，在有孔层12上设置有圆形的通孔121。如图4所示，在有孔层12上设置有正方形的通孔121。如图5所示，在有孔层12上设置有正五边形的通孔121。与采用其它形状的通孔相比，在集流体1上设置圆形的通孔121的制作工艺简单，而且设置圆形的通孔121不易产生毛刺，不影响电池的导电性能。当然，多边形的通孔121或不规则性状的通孔121也能够实现本申请的技术效果。

在多边形通孔121中，边的数量并不是越多越好，过多的边数会导致制作工艺困难。在极限情况下，多边形通孔121的边的数量为3-40，本申请中优选为3-6。进一步优选多边形通孔121的形状为正三角形、正方形、正五边形或正六边形。

本申请中，圆形通孔121的直径可以为0.5-3mm，多边形通孔121的边长可以为0.5-3mm。如果通孔121的尺寸过大，会导致有孔层12的强度过低，即使将其与支撑层11复合，集流体1也容易发生断裂。如果通孔121的尺寸过小，为保证有孔层12具有一定的孔隙率，需要增加有孔层12中的通孔121数目，同时过小的通孔121也会增加加工难度。

进一步地，若干通孔规则排布组成通孔阵列。通孔阵列内的通孔121可以沿一定方向排列和延伸。进一步地，通孔阵列内的通孔121可以沿第一方向均匀排列并沿第二方向延伸，也可以沿第一方向排列并沿第二方向均匀延伸，还可以沿第一方向均匀排列并沿第二方向均匀延伸。其中，“第一方向”可以解释为集流体1的长度方向，“第二方向”可以解释为集流体1的宽度方向。当然，“第一方向”和“第二方向”也可以有其它的解释方式，比如沿倾斜方向。

在通孔阵列中，通孔121的数量和排布方式可以根据集流体1的强度要求来变化。考虑加工性能和边缘毛刺，通孔阵列的边缘距离集流体本体的边缘1～5mm。如通孔阵列的边缘距离集流体本体边缘过近，在制造通孔121和电池卷绕过程中，集流体1由于受力不均衡导致边缘易碎裂，不能保证其具有足够的机械加工强度。如通孔阵列的边缘距离集流体本体边缘过远，集流体1中的通孔121数目较少，不能有效降低穿钉后集流体本体1的延伸程度，对电池安全性能的改善有限。

由于集流体1是沿长度方向进行卷绕，因此更有可能沿宽度方向发生断裂，优选通孔121沿集流体1长度方向之间的间距小于通孔121沿集流体1宽度方向之间的间距。进一步地，当通孔121沿集流体1的长度方向均匀排列时，通孔121之间的距离为0.5～5mm，当通孔121沿集流体1的宽度方向均匀延伸时，通孔121之间的距离为0.5～10mm。通孔121之间的距离过大，对穿钉后集流体1的延伸程度，以及电池的安全性能改善有限。通孔121之间的距离过小，会进一步降低有孔层12的强度过低，即使将其与支撑层11复合，集流体1也容易发生断裂。

作为本申请集流体的一种改进，有孔层12上设置有通孔阵列的部分构成通孔阵列区120，通孔阵列区120的面积占有孔层12整体面积的80～100％，优选为80～90％。这一面积比例不仅可以有效降低穿钉后集流体1的延伸程度，改善电池的安全性能，而且经过涂布工艺后，在集流体1上能形成稳定的涂层。如果通孔阵列区120的面积比例过高，会降低有孔层12和集流体1的强度，也容易导致位于集流体1表面的活性材料层的塌陷。

本申请的集流体1中，支撑层11和有孔层12的厚度均可以为5-20μm，集流体1的厚度可以为6-30μm。

本申请还涉及一种二次电池，包括正、负极极片，正、负极极片中至少一种包含本申请的集流体。

进一步地，正极集流体可以采用厚度为8-30μm的铝箔，负极集流体可以采用厚度为6-20μm的铜箔。

电池的制备无特殊要求，可以将正极极片、负极极片和隔离膜形成卷绕电芯并注入电解液，将至少一个卷绕电芯置于包装袋内构成本申请的电池。

正极极片包括正极集流体和正极活性物质层，在正极集流体表面涂布有正极活性物质层。正极活性物质层包括正极活性材料、粘结剂和导电剂。其中，正极活性材料可选自化学式为Li_aM_1-xM’_xO₂的层状锂过渡金属氧化物、化学式为LiFe_yMn_1-y-zM”_zPO₄/C_b的磷酸铁锂材料、钴酸锂中的至少一种，其中0.9≤a≤1.1，0≤x≤0.1，M选自Co、Mn、Ni的至少一种，M’选自Al、Mg、B、Zr、Si、Ti、Cr、Fe、V、Cu、Ca、Zn、Nb、Mo、Sr、Sb、W及Bi中的至少一种，b≥0，M”选自Cr、Mg、Ti、Al、Zn、W、Nb、Zr中的至少一种。

负极极片包括负极集流体和负极活性物质层，在负极集流体表面涂布有负极活性物质层，其包括负极活性材料和粘结剂。其中，负极活性材料为能接受、脱出锂离子的材料，例如软碳、硬碳、人造石墨、天然石墨、硅、硅氧化合物、硅碳复合物、钛酸锂，能与锂形成合金的金属等。

电解液包括有机溶剂和作为溶质的锂盐。其中，有机溶剂选自碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯中的至少一种。锂盐选自LiPF₆、LiBF₄、LiBOB、LiAsF₆、Li(CF₃SO₂)₂N、LiCF₃SO₃、LiClO₄中的至少一种。

隔离膜为电化学稳定化学稳定的薄膜，其材质选自聚乙烯、聚丙烯、无纺布、聚纤维中的至少一种。

下面结合具体实施例，进一步阐述本申请。应理解，这些实施例仅用于说明本申请而不用于限制本申请的范围。

实施例

正极集流体的制备

选用厚度为6μm的铝箔作为有孔层，厚度为6μm的平整连续铝箔作为支撑层。集流体可以采用单层有孔层与单层支撑层压合的方式制备，也可以将单层有孔层、单层支撑层与单层有孔层依次叠放，然后进行压合的方式制备，得到正极集流体P1-P6。有孔层中通孔的形状和孔径，以及单个集流体中有孔层和支撑层的复合方式见表1。

正极极片的制备

将正极活性物质镍钴锰三元材料LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂、导电剂炭黑Super-P与粘结剂聚偏二氟乙烯(PVDF)按重量比94：3：3在N-甲基吡咯烷酮溶剂中充分搅拌，搅拌混合时间60-150min，搅拌线速度控制为4-10m/min，混合均匀后得到正极浆料。将正极浆料涂覆于上述制备的正极集流体上，再依次经过烘干、冷压、分条、裁切，得到正极极片。

负极极片的制备

将负极活性物质人造石墨、导电剂炭黑Super-P、粘结剂丁苯橡胶(SBR)、增稠剂碳甲基纤维素钠(CMC)按照重量比96：1：2：1在去离子水中充分搅拌，混合均匀后得到负极浆料。将负极浆料涂覆于铜箔上，再依次经过烘干、冷压、分条、裁切，得到负极极片。

电池的制备

选用PE/PP/PE三层多孔聚合物薄膜作为隔离膜。

将上述制备得到的正极极片、隔离膜与负极极片依次叠放，然后进行卷绕。卷绕时控制隔离膜处于正极与负极中间，以起到隔离的作用。卷绕完成后得到裸电芯。将裸电芯通过极耳焊接在顶盖上，完成入壳和烘烤，得到二次电池C1-C6。

表1

对比例

对比例1

采用实施例中的方法制备集流体P1#和电池C1#，区别在于正极集流体选用厚度为12μm的连续平整铝箔。

对比例2

采用实施例中的方法制备集流体P2#和电池C2#，区别在于正极集流体选用厚度为12μm的铝箔，在铝箔上设有通孔阵列，通孔阵列的设置方式同集流体P1中的有孔层。

对比例3

采用实施例中的方法制备集流体P3#和电池C3#，区别在于正极集流体选用厚度为12μm的铝箔，在铝箔上设有通孔阵列，通孔阵列的设置方式同集流体P2中的有孔层。

对比例4

采用实施例中的方法制备集流体P4#和电池C4#，区别在于正极集流体选用厚度为12μm的铝箔，在铝箔上设有通孔阵列，通孔阵列的设置方式同集流体P3中的有孔层。

测试例

力学性能测试

通过万力拉力机，测试实施例和对比例制备的集流体的抗拉强度。具体测试方法为：将集流体切割成25mm(宽度)*100mm(长度)的条形基材并固定在万力拉伸机的上下两端，拉伸机走速为5mm/min，测试基材断裂时的拉伸力。拉伸强度等于拉伸力除以条形基材宽度，结果见表1。

表1

将上述实施例与对比例的力学性能测试数据比较可以看出，当集流体为连续平整的金属箔层时(P1#)，拉伸强度最好，说明机械强度最高。当集流体仅含有有孔层时(P2#-P4#)，拉伸强度最差，不能满足集流体的使用需要。当集流体为有孔层与支撑层的复合层时(P1-P6)，拉伸强度居于中等，说明支撑层的使用能够提升集流体的拉伸强度。

穿钉性能测试

常温下，以0.5C(即2h内完全放掉理论容量的电流值)的电流对实施例和对比例制备的电池进行第一次充电和放电。具体为以0.5C的电流对电池进行恒流充电，至电池内电压达到终止电压4.2V，然后转为恒压充电，直至截至电流为0.05C。放电过程为恒流放电，至终止电压为3.0V。然后将上述电池搁置24h后，以0.5C的电流进行恒流充电，当电压达到4.2V后再进行恒压充电，至电池内电压达到终止电压4.2V。最后对上述电池进行穿钉测试。穿钉方向为垂直于电池极片表面，穿钉直径为6mm，穿钉速度控制为80mm/s。表2即为实施例与对比例的穿钉性能测试结果。

表2

从上述测试结果可知，当集流体为连续无孔铝箔时(对应电池C1#)，电池很难通过穿钉测试。具体表现为在穿钉时会出现大量火星，甚至起火燃烧，穿钉失效等级判定为HL5。

相对于电池C1#，电池C2#-C4#中使用单层有孔层作为正极集流体，对应的电池可以全部通过穿钉测试。具体表现为在穿钉时无明显火星，最高温度不超过80℃，穿钉失效等级为HL3。

电池C1-C6中含有包括支撑层和有孔层的两层或三层结构压合而成的集流体。相比电池C1#，穿钉性能亦得到较大程度的提升。但相比仅含有单层有孔层的集流体(电池C2#-C4#)，对于穿钉性能的改善有限。这是因为电池C1-C6中含有连续无孔结构的支撑层，穿钉过程中其受力延伸，导致正负极发生短路的几率相对于单层有孔层高。

综合考虑集流体的力学性能和穿钉性能，相比于单层有孔层的集流体，与支撑层复合的集流体虽然穿钉性能有所下降，但力学性能大幅提升，能够满足集流体使用的强度需要，因此优选在集流体中同时含有支撑层和有孔层。当有孔层中的通孔形状为圆形或多边形时，对穿钉性能的改善效果基本一致。

倍率性能测试

在倍率电流为0.5C、1C、2C、3C的情况下，对实施例和对比例制备的电池进行倍率充电容量比和倍率放电容量比测试，测试结果见表3。

表3

从表3数据可知，在集流体中引入多孔层后，电池的倍率性能基本没有变化，说明多孔层的使用并未恶化电池的电化学性能。

因此，通过在电池中使用有孔层与支撑层复合的集流体，可以较好的改善电池的安全性能，尤其是穿钉性能，且完全不会恶化电池的电化学性能。

本申请虽然以较佳实施例公开如上，但并不是用来限定权利要求。任何本领域技术人员在不脱离本申请构思的前提下，都可以做出若干可能的变动和修改，因此本申请的保护范围应当以权利要求所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种集流体，其特征在于，所述集流体包括至少一个支撑层和位于所述支撑层至少一个表面的有孔层，所述支撑层具有连续平整结构，所述有孔层设置有若干通孔。

2.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述集流体包括两层所述有孔层，以及位于两层所述有孔层之间的所述支撑层。

3.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述通孔为圆形通孔或多边形通孔。

4.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述若干通孔组成通孔阵列，所述通孔阵列内的所述通孔沿第一方向均匀排列并沿第二方向延伸，和/或所述通孔阵列内的所述通孔沿第一方向排列并沿第二方向均匀延伸，和/或所述通孔阵列内的所述通孔沿第一方向均匀排列并沿第二方向均匀延伸。

5.根据权利要求4所述的集流体，其特征在于，所述第一方向为所述集流体的长度方向，所述第二方向为所述集流体的宽度方向。

6.根据权利要求5所述的集流体，其特征在于，当所述通孔沿所述第一方向均匀排列时，所述通孔之间的距离为0.5～5mm，当所述通孔沿所述第二方向均匀延伸时，所述通孔之间的距离为0.5～10mm。

7.根据权利要求3所述的集流体，其特征在于，所述圆形通孔的直径为0.5-3mm，所述多边形通孔的边长为0.5-3mm。

8.根据权利要求4所述的集流体，所述有孔层上设置有所述通孔阵列的部分构成通孔阵列区，所述通孔阵列区的面积占所述有孔层整体面积的80～100％。

9.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述支撑层和所述有孔层的厚度均为5-20μm，所述集流体厚度为6-30μm。

10.一种二次电池，所述二次电池包括正、负极极片，所述正、负极极片中至少一种包括权利要求1至9任一项所述的集流体。