CN215418233U

CN215418233U - 一种集流体、电极极片和锂离子电池

Info

Publication number: CN215418233U
Application number: CN202121075142.6U
Authority: CN
Inventors: 姚毅; 黄海旭; 江柯成; 姜斌
Original assignee: Dongguan Tafel New Energy Technology Co Ltd; Jiangsu Tafel New Energy Technology Co Ltd; Jiangsu Tafel Power System Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Zenergy Battery Technologies Co Ltd
Priority date: 2021-05-19
Filing date: 2021-05-19
Publication date: 2022-01-04
Anticipated expiration: 2031-05-19

Abstract

本实用新型提供了一种集流体、电极极片和锂离子电池，包括绝缘基底层、第一导电层、第二导电层和聚合物层；第一导电层复合于绝缘基底层沿厚度方向的一面；第二导电层复合于绝缘基底层沿厚度方向的另一面，且与第一导电层电连接；聚合物层设置于绝缘基底层与第一导电层之间，和/或设置于绝缘基底层与第二导电层之间；其中，绝缘基底层的熔点小于第一导电层的熔点，且小于第二导电层的熔点。相比于现有技术，本实用新型的集流体，解决了目前锂离子电池因隔离膜破损导致正负极片被导通而发生微短路的问题，由此避免了电池的热失控而引发的安全事故。

Description

一种集流体、电极极片和锂离子电池

技术领域

本实用新型涉及锂电池领域，具体涉及一种集流体、电极极片和锂离子电池。

背景技术

锂电子电池因具有高能量密度、优异的循环寿命、高工作电压、较低的自放电率以及环境友好等优点，已成为当下电动汽车和储能领域的理想电源。然而随着正负极材料能量密度的提升，锂离子电池的安全性逐渐成为制约其进一步推广的重要问题。高能量密度及高容量的单体电芯在过充、过热、穿刺等滥用条件下非常容易发生热失控现象，进而导致起火甚至燃爆事故，严重威胁使用者的人身安全。

电池的热失控往往源自于内部剧烈的化学反应或电化学反应。当电池中出现由于内部存在异物或者外部穿刺等原因导致的隔离膜破损时，破损处两侧的正负极片可能被导通进而发生微短路现象。短路电流会引起电池局部升温，进而引发更为剧烈的反应，导致电池内的电解液等可燃物质发生燃烧、爆炸。引发隔离膜破损的异物可能是电池材料中引入的颗粒、极片上产生的毛刺或者电池使用过程中析出的金属锂枝晶等。

有鉴于此，确有必要提供一种解决上述问题的技术方案。

实用新型内容

本实用新型的目的之一在于：提供一种集流体，以解决目前锂离子电池因隔离膜破损导致正负极片被导通而发生微短路的问题，由此避免了电池的热失控而引发的安全事故。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种集流体，包括：

绝缘基底层；

第一导电层，复合于所述绝缘基底层沿厚度方向的一面；

第二导电层，复合于所述绝缘基底层沿厚度方向的另一面，且与所述第一导电层电连接；

聚合物层，设置于所述绝缘基底层与所述第一导电层之间，和/或设置于所述绝缘基底层与所述第二导电层之间；

其中，所述绝缘基底层的熔点小于所述第一导电层的熔点，且小于所述第二导电层的熔点。

优选的，所述绝缘基底层的熔点可为50～100℃、100～120℃、120～150℃、150～180℃、180～200℃、200～220℃、220～250℃、250～300℃、300～350℃、或350～400℃。选择熔点在上述范围内的绝缘物质作为基底层，可以在电池内部产热初期即转变为熔融状态，从而阻断第一导电层和第二导电层的电连接，避免因隔离膜破损而导致正负极片被导通。如选择熔点过大的绝缘基底层，虽保证了绝缘基底层的熔点小于第一导电层或第二导电层的熔点，但无法在电池产热初期即快速将第一导电层和第二导电层阻断掉，电池的安全性能仍有所欠缺。而如选择熔点过小的绝缘基底层，基底层被融化过快，可能会造成误判，致使电池的使用寿命过短，增加企业的生产成本，不利用工业上的大批量使用。

优选的，所述绝缘基底层为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚丙烯酰胺、聚氨酯中的任意一种。当然，也可采用上述至少两种物质进行混合使用，根据实际情况在不同的位置设置不同熔点的聚合物，通过分熔点对第一导电层和第二导电层进行分段阻隔，一方面可以更大程度的延长电池的使用寿命，另一方面也可以达到及时阻断正负极片连接的目的。

优选的，所述聚合物层的熔点大于或等于所述绝缘基底层的熔点。更优选的，将聚合物层的熔点设置大于所述绝缘基底层的熔点。当电池内部产热逐渐增加时，绝缘基底层融化后首先破坏电池的内部结构，而后如果产热继续快速增加，到达聚合物层的熔点后，聚合物层融化，进一步破坏电池的内部结构，以更大程度的阻止电化学反应以及内短路的进一步发展，防止热失控的发生。

优选的，所述聚合物层为丁苯橡胶、聚丙烯酰胺、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、聚酰亚胺中的任意一种。聚合物层采用的材料均是具有粘接作用的物质，一方面可以加强绝缘基底层与导电层的粘接，防止因受电解液影响在高温下导电层从绝缘基底层上剥落的问题；另一方面该聚合物层在电池产热持续增加时，还可以接连绝缘基底层继续融化，进一步破坏电池内部结构的目的，防止热失控。

优选的，所述第一导电层至少存在一部分未与所述绝缘基底层复合，和/或所述第二导电层至少存在一部分未与所述绝缘基底层复合。即是将绝缘基底层的面积设置小于导电层的面积，具体的可以是所述绝缘基底层的长度小于所述第一导电层的长度，和/或小于所述第二导电层的长度；所述绝缘基底层的宽度小于所述第一导电层的宽度，和/或小于所述第二导电层的宽度。

优选的，未与所述绝缘基底层复合的所述第一导电层至少存在一部分用于形成极耳，和/或未与所述绝缘基底层复合的所述第二导电层至少存在一部分用于形成极耳。将未复合的至少一部分导电层用于形成极耳，可以利用超声焊接、激光焊接等方法导通第一导电层和第二导电层，以形成电流通路。

优选的，所述绝缘基底层的厚度可为1～3μm、3～5μm、5～8μm、8～10μm、10～12μm、12～15μm、15～18μm、或18～20μm。将绝缘基底层的厚度设置在上述范围内，一方面不应厚度过大而大大增加电池的整体厚度，降低电池的能量密度；另一方面不应厚度过小融化后无法有效破坏电池的内部结构。合适的厚度范围在满足集流体机械强度的情形下还可以大大减少导电层金属的使用，从而减轻电池的重量，提升电池的能量密度。

优选的，所述聚合物层的厚度小于所述绝缘基底层的厚度。将聚合物的厚度设置低于绝缘基底层的厚度，避免集流体的整体厚度过大，进而影响电池的整体厚度。其中，该聚合物层的厚度可为0.1～0.3μm、0.3～0.5μm、0.5～0.8μm、0.8～1μm、1～1.2μm、1.2～1.5μm、1.5～1.8μm、或1.8～2.0μm。

优选的，所述第一导电层和所述第二导电层的厚度均可为0.05～0.1μm、0.1～1μm、1～2μm、2～3μm、3～4μm、4～5μm、5～6μm、6～7μm、7～8μm、8～9μm、或9～10μm。第一导电层和第二导电层可以设置相同的厚度，也可以设置不同的厚度，保持在上述范围内即可，如此一方面可尽可能的降低集流体的整体厚度，但仍能保证集流体的整体硬度；另一方面相比于常规的金属箔片集流体，还降低了金属导电层的用量，不仅减轻了电池的重量，提升了能量密度，还降低了企业的生产成本。

本实用新型的目的之二在于，提供一种电极极片，包括集流体和涂覆于所述集流体至少一表面的活性物质层，所述集流体为上述任一项所述的集流体。

本实用新型的目的之三在于，提供一种锂离子电池，包括正极片、负极片和间隔于所述正极片和所述负极片的隔离膜，所述正极片和/或所述负极片为上述所述的电极极片。

相比于现有技术，本实用新型的有益效果在于：

1)本实用新型设置的集流体，以绝缘基底层作为底，将常规的导电层分为第一导电层和第二导电层，并复合于绝缘基底层的两面，同时在绝缘基底层与导电层之间还设置了聚合物层，在电池正常工作时，绝缘基底层、第一导电层和第二导电层通过聚合物层紧密连接，可以防止第一导电层和第二导电层从绝缘基底层上脱落的问题；而当隔离膜破损时，电池内部产热，内部温度优先到达绝缘基底层的熔点，基底层融化破坏电池的内部结构，避免了正负极片被导通，从而阻止了电池内部电化学反应及内短路的进一步发展，达到防止热失控的目的。

2)本实用新型集流体的结构设计，在保证绝缘基底层作用的同时，可以减少导电层金属的用量，从而减轻电池的整体重量，进而达到提升能量密度的目的。

附图说明

图1为本实用新型集流体的结构示意图之一。

图2为本实用新型集流体的结构示意图之二。

图3为本实用新型实施例3锂离子电池针刺实验的结果示意图。

图4为对比例1锂离子电池针刺实验的结果示意图。

图中：1-绝缘基底层；2-第一导电层；3-第二导电层；4-聚合物层。

具体实施方式

为使本实用新型的技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施方式和说明书附图，对本实用新型及其有益效果作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例1

如图1～2所示，一种集流体，包括绝缘基底层1、第一导电层2、第二导电层3和聚合物层4；第一导电层2复合于所述绝缘基底层1沿厚度方向的一面；第二导电层3复合于所述绝缘基底层1沿厚度方向的另一面，且与所述第一导电层2电连接；聚合物层4设置于所述绝缘基底层1与所述第一导电层2之间，和/或设置于所述绝缘基底层1与所述第二导电层3之间；其中，所述绝缘基底层1的熔点小于所述第一导电层2的熔点，且小于所述第二导电层3的熔点。

其中，该导电层可为金属箔材，金属箔材可选自Al、Cu、Mn、Ni、Ti、Mg、Zn中的一种或者多种；该导电层可为具有导电能力的高分子复合层，该高分子复合层可为聚苯胺、聚噻吩、聚乙炔中的至少一种，也可为掺杂、覆盖有碳材料或者纳米金属的前述导电高分子复合层。该导电层可延伸一部分通过分切形成极耳，两个导电层的极耳可采用超声焊、激光焊等方法复合焊接在一起。

当该集流体为正极集流体时，第一导电层2和第二导电层3可以是包括但不限于金属箔，更具体的可以是铝箔。当该集流体为负极集流体时，第一导电层2和第二导电层3可以是包括但不限于金属箔，更具体的可以是铜箔。

在一些具体的实施方式中，绝缘基底层1的熔点可为50～100℃、100～120℃、120～150℃、150～180℃、180～200℃、200～220℃、220～250℃、250～300℃、300～350℃、或350～400℃。选择熔点在上述范围内的绝缘物质作为基底层，可以在电池内部产热初期即转变为熔融状态，从而阻断第一导电层2和第二导电层3的电连接，避免因隔离膜破损而导致正负极片被导通。如选择熔点过大的绝缘基底层1，虽保证了绝缘基底层1的熔点小于第一导电层2或第二导电层3的熔点，但无法在电池产热初期即快速将第一导电层2和第二导电层3阻断掉，电池的安全性能仍有所欠缺。而如选择熔点过小的绝缘基底层1，基底层被融化过快，可能会造成误判，致使电池的使用寿命过短，增加企业的生产成本，不利用工业上的大批量使用。

在一些具体的实施方式中，绝缘基底层1为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚丙烯酰胺、聚氨酯中的任意一种。当然，也可采用上述至少两种物质进行混合使用，根据实际情况在不同的位置设置不同熔点的聚合物，通过分熔点对第一导电层2和第二导电层3进行分段阻隔，一方面可以更大程度的延长电池的使用寿命，另一方面也可以达到及时阻断正负极片连接的目的。

在一些具体的实施方式中，聚合物层4的熔点大于或等于所述绝缘基底层1的熔点。更优选的，将聚合物层4的熔点设置大于所述绝缘基底层1的熔点。当电池内部产热逐渐增加时，绝缘基底层1融化后首先破坏电池的内部结构，而后如果产热继续快速增加，到达聚合物层4的熔点后，聚合物层4融化，进一步破坏电池的内部结构，以更大程度的阻止电化学反应以及内短路的进一步发展，防止热失控的发生。

在一些具体的实施方式中，聚合物层4为丁苯橡胶、聚丙烯酰胺、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、聚酰亚胺中的任意一种。聚合物层4采用的材料均是具有粘接作用的物质，一方面可以加强绝缘基底层1与导电层的粘接，防止因受电解液影响在高温下导电层从绝缘基底层1上剥落的问题；另一方面该聚合物层4在电池产热持续增加时，还可以接连绝缘基底层1继续融化，进一步破坏电池内部结构的目的，防止热失控。

在一些具体的实施方式中，第一导电层至少存在一部分未与所述绝缘基底层复合，和/或所述第二导电层至少存在一部分未与所述绝缘基底层复合。即是将绝缘基底层的面积设置小于导电层的面积，具体的可以是所述绝缘基底层的长度小于所述第一导电层的长度，和/或小于所述第二导电层的长度；所述绝缘基底层的宽度小于所述第一导电层的宽度，和/或小于所述第二导电层的宽度。

在一些具体的实施方式中，未与所述绝缘基底层复合的所述第一导电层至少存在一部分用于形成极耳，和/或未与所述绝缘基底层复合的所述第二导电层至少存在一部分用于形成极耳。将未复合的至少一部分导电层用于形成极耳，可以利用超声焊接、激光焊接等方法导通第一导电层和第二导电层，以形成电流通路。

在一些具体的实施方式中，所述绝缘基底层1的厚度可为1～3μm、3～5μm、5～8μm、8～10μm、10～12μm、12～15μm、15～18μm、或18～20μm。将绝缘基底层1的厚度设置在上述范围内，一方面不应厚度过大而大大增加电池的整体厚度，降低电池的能量密度；另一方面不应厚度过小融化后无法有效破坏电池的内部结构。合适的厚度范围在满足集流体机械强度的情形下还可以大大减少导电层金属的使用，从而减轻电池的重量，提升电池的能量密度。

在一些具体的实施方式中，所述聚合物层4的厚度小于所述绝缘基底层1的厚度。将聚合物的厚度设置低于绝缘基底层1的厚度，避免集流体的整体厚度过大，进而影响电池的整体厚度。其中，该聚合物层4的厚度可为0.1～0.3μm、0.3～0.5μm、0.5～0.8μm、0.8～1μm、1～1.2μm、1.2～1.5μm、1.5～1.8μm、或1.8～2.0μm。

在一些具体的实施方式中，所述第一导电层2和所述第二导电层3的厚度均可为0.05～0.1μm、0.1～1μm、1～2μm、2～3μm、3～4μm、4～5μm、5～6μm、6～7μm、7～8μm、8～9μm、或9～10μm。第一导电层2和第二导电层3可以设置相同的厚度，也可以设置不同的厚度，保持在上述范围内即可，如此一方面可尽可能的降低集流体的整体厚度，但仍能保证集流体的整体硬度；另一方面相比于常规的金属箔片集流体，还降低了金属导电层的用量，不仅减轻了电池的重量，提升了能量密度，还降低了企业的生产成本。

实施例2

一种电极极片，包括集流体和涂覆于所述集流体至少一表面的活性物质层，所述集流体为实施例1所述的集流体。

该电极极片可为正极片和/或负极片。

当该电极极片为正极片时，其上涂覆的活性物质层包括正极活性物质、导电剂和粘结剂。正极活性物质可以是包括但不限于化学式如Li_aNi_xCo_yM_zO_2-bN_b(其中0.95≤a≤1.2，x>0，y≥0，z≥0，且x+y+z＝1,0≤b≤1，M选自Mn，Al中的一种或多种的组合，N选自F,P,S中的一种或多种的组合)所示的化合物中的一种或多种的组合，所述正极活性物质还可以是包括但不限于LiCoO₂、LiNiO₂、LiVO₂、LiCrO₂、LiMn₂O₄、LiCoMnO₄、Li₂NiMn₃O₈、LiNi_0.5Mn_1.5O₄、LiCoPO₄、LiMnPO₄、LiFePO₄、LiNiPO₄、LiCoFSO₄、CuS₂、FeS₂、MoS₂、NiS、TiS₂等中的一种或多种的组合。所述正极活性物质还可以经过改性处理，对正极活性物质进行改性处理的方法对于本领域技术人员来说应该是己知的，例如，可以采用包覆、掺杂等方法对正极活性物质进行改性，改性处理所使用的材料可以是包括但不限于Al，B，P、Zr、Si、Ti、Ge、Sn、Mg、Ce、W等中的一种或多种的组合。而导电剂可为活性炭、炭黑、碳纳米管、石墨、软碳、硬碳、无定型碳等中的至少一种。粘结剂可为用丁苯橡胶(SBR)、聚丙烯酰胺(PAA)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯腈(PAN)、聚酰亚胺(PI)等中的至少一种。

当该电极极片为负极片时，其上涂覆的活性物质层包括负极活性物质、导电剂和粘结剂。负极活性物质可以是包括但不限于石墨、软碳、硬碳、碳纤维、中间相碳微球、硅基材料、锡基材料、钛酸锂或其他能与锂形成合金的金属等中的一种或几种。其中，所述石墨可选自人造石墨、天然石墨以及改性石墨中的一种或几种；所述硅基材料可选自单质硅、硅氧化合物、硅碳复合物、硅合金中的一种或几种；所述锡基材料可选自单质锡、锡氧化合物、锡合金中的一种或几种。而导电剂可为活性炭、炭黑、碳纳米管、石墨、软碳、硬碳、无定型碳等中的至少一种。粘结剂可为用丁苯橡胶(SBR)、聚丙烯酰胺(PAA)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯腈(PAN)、聚酰亚胺(PI)等中的至少一种。

实施例3

一种锂离子电池，包括正极片、负极片和间隔于所述正极片和所述负极片的隔离膜，所述正极片和/或所述负极片为实施例2所述的电极极片。

该隔离膜可以是本领域各种适用于锂离子电池隔离膜的材料，例如，可以是包括但不限于聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、芳纶、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、聚酰亚胺、聚酰胺、聚酯和天然纤维等中的一种或多种的组合。

该锂离子电池还包括电解液，电解液包括有机溶剂、电解质锂盐和添加剂。其中，电解质锂盐可以是高温性电解液中采用的LiPF₆和/或LiBOB；也可以是低温型电解液中采用的LiBF₄、LiBOB、LiPF₆中的至少一种；还可以是防过充型电解液中采用的LiBF₄、LiBOB、LiPF₆、LiTFSI中的至少一种；亦可以是LiClO₄、LiAsF₆、LiCF₃SO₃、LiN(CF₃SO₂)₂中的至少一种。而有机溶剂可以是环状碳酸酯，包括PC、EC；也可以是链状碳酸酯，包括DFC、DMC、或EMC；还可以是羧酸酯类，包括MF、MA、EA、MP等。而添加剂包括但不限于成膜添加剂、导电添加剂、阻燃添加剂、防过充添加剂、控制电解液中H₂O和HF含量的添加剂、改善低温性能的添加剂、多功能添加剂中的至少一种。

该锂离子电池的制备方法为：

1)正极片：将NCM523粉末、SP导电炭黑、VGCF碳纳米纤维以及PVDF以92:3:3:2的比例混合，然后在高速搅拌机中加入NMP并均匀混合成固含量为74％的正极活性浆料；然后将正极活性浆料涂覆于实施例1中正极集流体的至少一面，烘干，且保证单位面积涂层干燥后的重量为17.8g/cm²，辊压，得到厚度为120μm的正极片。其中，将一部分没有涂覆正极活性浆料的正极集流体加工制成正极极耳。

2)负极片：将人造石墨粉末、SP导电炭黑、碳纳米管、CMC以及SBR以96.5:1:1.5:1的比例混合，然后在高速搅拌机中加入去离子水并均匀混合成固含量为48％的负极活性浆料；然后将负极活性浆料涂覆于实施例1中负极集流体的至少一面，烘干，且保证单位面积涂层干燥后的重量为10.4g/cm²，辊压，烘干得到厚度为132μm的负极片。其中，将一部分没有涂覆负极活性浆料的负极集流体加工制成负极极耳。

3)将上述得到的正极片和负极片与隔离膜卷绕或叠片制成电芯，放入铝塑膜中，注入电解液，静置、化成、分容得到锂离子电池。

对比例1

与实施例3不同的是，本对比例正极片采用的正极集流体为12μm厚度的金属单面铝箔；负极片采用的负极集流体为8μm厚度的金属单面铜箔。

其余同实施例3，这里不再赘述。

将上述实施例3与对比例1得到的锂离子电池进行性能测试，测试结果见表1和图3～4所示。

表1

	1C能量密度wh/kg	针刺试验
			实施例3	172.47	通过
对比例1	166.80	不通过

由上述表1和图3的测试结果可以看出，本实施例3的锂离子电池在针刺实验中没有发生起火，电压保持良好，通过了针刺测试。

而由上述表1和图4的测试结果可以看出，对比例1的锂离子电池在针刺实验中发生起火，电压掉为零，没有通过针刺测试。

由此可见，采用本实用新型的集流体，通过绝缘基底层的融化有效破坏了电池的内部结构，从而使得电池在被刺穿后仍不易发生微短路现象，降低了电池发生热失控风险，从而提高了电池的安全性能。此外，本实用新型的集流体在保证电池安全性能的同时还降低了极片金属箔材的用量，从而降低了电池的整体重量，提高了电池的能量密度。

根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本实用新型的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本实用新型的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本实用新型构成任何限制。

Claims

1.一种集流体，其特征在于，包括：

绝缘基底层；

第一导电层，复合于所述绝缘基底层沿厚度方向的一面；

2.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述绝缘基底层的熔点为50～400℃。

3.根据权利要求2所述的集流体，其特征在于，所述绝缘基底层为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚丙烯酰胺、聚氨酯中的任意一种。

4.根据权利要求3所述的集流体，其特征在于，所述聚合物层的熔点大于或等于所述绝缘基底层的熔点。

5.根据权利要求1～4任一项所述的集流体，其特征在于，所述第一导电层至少存在一部分未与所述绝缘基底层复合，和/或所述第二导电层至少存在一部分未与所述绝缘基底层复合。

6.根据权利要求5所述的集流体，其特征在于，未与所述绝缘基底层复合的所述第一导电层至少存在一部分用于形成极耳，和/或未与所述绝缘基底层复合的所述第二导电层至少存在一部分用于形成极耳。

7.根据权利要求1～4任一项所述的集流体，其特征在于，所述绝缘基底层的厚度为1～20μm。

8.根据权利要求1～4任一项所述的集流体，其特征在于，所述第一导电层和所述第二导电层的厚度均为0.05～10μm。

9.一种电极极片，包括集流体和涂覆于所述集流体至少一表面的活性物质层，其特征在于，所述集流体为权利要求1～8任一项所述的集流体。

10.一种锂离子电池，包括正极片、负极片和间隔于所述正极片和所述负极片的隔离膜，其特征在于，所述正极片和/或所述负极片为权利要求9所述的电极极片。