CN216671689U - 复合集流体、极片和锂电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种复合集流体、极片和锂电池。复合集流体包括：依次层叠布置的第一多孔导电片、基材片和第二多孔导电片，第一多孔导电片和第二多孔导电片上的孔为微孔且分布均匀，基材片为高分子绝缘材料，第一多孔导电片和第二多孔导电片在极耳区导通。第一多孔导电片和第二多孔导电片表面形成有微孔，能够为活性材料提供较好地吸附作用力。其次，由于第一多孔导电片和第二多孔导电片的微孔分布均匀，因此一方面能够使得活性材料在其上面附着时分布均匀，较好地避免了锂晶枝的形成；另一方面，能够使得复合集流体具有较好地缓冲效果。最后，基材板采用高分子绝缘材料能够提供较好的支撑作用防止二者变形还能够绝缘活性材料。

Description

复合集流体、极片和锂电池

技术领域

本实用新型涉及电池技术领域，特别是涉及复合集流体、极片和锂电池。

背景技术

由于锂电池的高能量密度以及相比于其他可充电电池来说极为优越的循环稳定性，因此锂离子电池被广泛应用于各种商业电子产品之中。

现有的锂电池在使用过程中，负极采用的是光滑的金属铜箔，由于该金属铜箔表面光滑，因此不利于负极活性材料在其表面附着。另外，光滑的金属铜箔较难使得负极活性材料在其表面分布均匀，因此容易使得在充电的过程中，在负极处形成锂晶枝。锂晶枝形成后容易穿透锂电池中的隔膜与正极接触或者从负极脱落形成死锂，从而影响锂电池的安全性和使用寿命。

实用新型内容

基于上述提到的问题，有必要提出一种复合集流体，以提高正极活性材料或负极活性材料在其表面的附着力，同时也能够较好地抑制生成锂枝晶的问题。进而还提出一种包括该复合集流体的极片以及二次电池。

一种复合集流体，所述复合集流体包括：

依次层叠布置的第一多孔导电片、基材片和第二多孔导电片，所述第一多孔导电片和所述第二多孔导电片上的孔为微孔且分布均匀，所述基材片为高分子绝缘材料，所述第一多孔导电片和所述第二多孔导电片在极耳区导通。

上述复合集流体，第一多孔导电片和第二多孔导电片表面形成有微孔，在其与活性材料接触时，例如锂电池中的负极的活性材料，能够为活性材料提供较好地吸附作用力，从而使得活性材料能够较好地附着在第一多孔导电片或第二多孔导电片。其次，由于第一多孔导电片和第二多孔导电片的微孔分布均匀，因此一方面能够使得活性材料在其上面附着时分布均匀，较好地避免了锂晶枝的形成；另一方面，能够使得复合集流体具有较好地缓冲效果，例如复合集流体作为负极时，锂离子进入负极活性材料时会导致复合集流体体积膨胀，而设置的微孔能够较好地吸收因负极活性材料膨胀而产生的应力。最后，设置的基材板采用高分子绝缘材料能够为第一多孔导电片和第二多孔导电片提供较好的支撑作用防止二者变形，此外还能绝缘活性材料。

在其中一个实施例中，所述第一多孔导电片的材质为铝、铜、镍、钛、银、镍铜合金或铝锆合金或铜锌合金。

在其中一个实施例中，所述第二多孔导电片的材质为铝、铜、镍、钛、银、镍铜合金或铝锆合金或铜锌合金。

在其中一个实施例中，所述第一多孔导电片和所述第二多孔导电片的材质相同，且均为铜锌合金。

在其中一个实施例中，所述第一多孔导电片的厚度为0.8μm～2μm。

在其中一个实施例中，所述第二多孔导电片的厚度为0.8μm～2μm。

在其中一个实施例中，所述基材片的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚乙烯、聚酰亚胺或聚醚醚酮。

在其中一个实施例中，所述基材片的厚度为2μm～10μm。

一种极片，包括所述的复合集流体。

一种锂电池，包括所述的极片。

附图说明

图1为本实用新型一实施例中的复合集流体的结构示意图；

图2为图1中复合集流体的爆炸结构示意图；

图3为本实用新型一实施例中制造方法的流程图。

附图标号说明：

100、第一多孔导电片；200、基材片；300、第二多孔导电片。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，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；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，除非另有明确的限定。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实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

由于锂电池的高能量密度以及相比于其他可充电电池来说极为优越的循环稳定性，因此锂离子电池被广泛应用于各种商业电子产品之中。

现有的锂电池在使用过程中，负极采用的是光滑的金属铜箔，由于该金属铜箔表面光滑，因此不利于负极活性材料在其表面附着。另外，光滑的金属铜箔较难使得负极活性材料在其表面分布均匀，因此容易使得在充电的过程中在负极处形成锂晶枝。锂晶枝形成后容易穿透锂电池中的隔膜与正极接触或者从负极脱落形成死锂，从而影响锂电池的安全性和使用寿命。为此研究人员想到将集流体设置为均匀微孔结构，以使得正极活性或负极活性材料在其表面均匀附着。

参阅图1和图2所示，图1示出了本实用新型一实施例中的复合集流体的结构示意图，图2为图1中复合集流体的爆炸结构示意图，本实用新型一实施例提供了的复合集流体，包括：第一多孔导电片100、基材片200和第二多孔导电片300，其中第一多孔导电片100和第二多孔导电片300用于设置正极活性材料或负极活性材料，基材片200用于支撑第一多孔导电片100和第二多孔导电片300并能够绝缘隔离在第一多孔导电片100和第二多孔导电片300上的正极活性材料或负极活性材料。本实用新型的思路是通过在第一多孔导电片100和第二多孔导电片300上设置均匀微孔，从而为正极活性材料或负极活性材料提供较好地吸附作用力。由于微孔分布均匀，因此还能够较好地抑制锂枝晶生成的问题。

这里对锂电池的工作原理进行简单解释，锂电池的组成主要包括正极、正极活性材料、负极、负极活性材料、隔膜、电解液和电池壳体。其中，正极一般采用的是铝箔，正极活性材料一般采用的是插锂金属氧化物；负极一般采用的是铜箔，负极活性材料一般采用的是嵌锂碳基及非碳基材料。在上述描述的正极和负极可以理解为是本实用新型中提到的复合集流体，复合集流体主要起导通电流的作用，可以近似理解为导线。

在锂电池充电时，锂离子从正极活性材料中脱出进入电解液，穿过隔膜，到达并嵌入负极活性材料，同时电子通过外电路进入负极，以实现电荷平衡；放电时，锂离子从负极活性材料脱嵌进入电解质，穿过隔膜，插入正极活性材料，同样，电子从外电路进入正极。

以负极举例，由于负极一般采用光滑铜箔，因此一方面存在负极活性材料较难附着在光滑铜箔表面的问题，可以理解为光滑的铜箔附着力较小，因此负极活性材料较难在上面附着，这也导致铜箔表面上分布的负极活性材料较难均匀，例如在附着过程中部分区域未被附着，或者附着的负极活性材料从光滑铜箔脱落导致分布不均。由于负极活性材料在铜箔上分布不均匀，因此在锂电池充电的过程中，锂离子会在负极活性材料上不均匀成核和生长，因此带来的问题是使得负极活性材料出现裂纹，而裂纹处的锂离子沉积速率高于其他部位，进而加剧锂枝晶的生长。锂晶枝生长带来的主要问题是：第一，锂晶枝的生长存在刺破锂电池的隔膜并延伸至负极，从而造成电池内部短路的问题；第二，在充放电的过程中，若生成的锂枝晶从负极板脱落形成死锂，如此会影响锂电池的使用寿命。为此需要解决正极活性材料或负极活性材料在集流体上分布不均的问题。

在本实施例的复合集流体具体设计过程中，复合集流体包括依次层叠布置的第一多孔导电片100、基材片200和第二多孔导电片300，第一多孔导电片100和第二多孔导电片300上的孔为微孔且分布均匀，微孔的直径为2nm～50nm，基材片200为高分子绝缘材料，第一多孔导电片100和第二多孔导电片300在极耳区导通。极耳区可以理解为第一多孔导电片100和第二多孔导电片300在此处汇合。

在本实施例中，第一多孔导电片100和第二多孔导电片300表面形成有微孔，在其与活性材料接触时，例如锂电池中的负极的活性材料，能够为活性材料提供较好地吸附作用力，从而使得活性材料能够较好地附着在第一多孔导电片100或第二多孔导电片300。其次，由于第一多孔导电片100和第二多孔导电片300的微孔分布均匀，因此一方面能够使得活性材料在其上面附着时分布均匀，较好地避免了锂晶枝的形成；另一方面，能够使得复合集流体具有较好地缓冲效果，例如复合集流体作为负极时，锂离子进入负极活性材料时会导致复合集流体体积膨胀，而设置的微孔能够较好地吸收因负极活性材料膨胀而产生的应力。最后，设置的基材板采用高分子绝缘材料能够为第一多孔导电片100和第二多孔导电片300提供较好的支撑作用防止二者变形还能够绝缘第一多孔导电片100和第二多孔导电片300上的正极活性材料和负极活性材料。

在复合集流体中的第一多孔导电片100和第二多孔导电片300的材质选用过程中，被选用的材质应该具备如下几方面特征：具有良好地导电性从而便于电流的导通；材质较软使得正极活性材料或者负极活性材料能够附着；另外，还需要考虑该材质能够尽可能地容易得到且成本较低，以及需要具有较高的稳定性。为此，第一多孔导电片100的材质为铝、铜、镍、钛、银、镍铜合金或铝锆合金或铜锌合金。第二多孔导电片300的材质为铝、铜、镍、钛、银、镍铜合金或铝锆合金或铜锌合金。

当复合集流体作为正极时，可以选择铝和镍材料，铝材料作为正极时能够较好地避免与电解液发生还原反应；镍在酸或碱性电解液中均比较稳定，既可以作为正极上的集流体也可以作为负极上的集流体。

当复合集流体作为负极时，可以选择铜材料。当铜作为正极时，铜在正极的较高的电位下铜极易发生氧化，一般不作为正极。铜在作负极时，负极的活性材料一般选择石墨、硅、锡或者钴锡合金。

为了形成第一多孔导电片100和第二多孔导电片300上的微孔，现有的做法中存在采用胶晶模板法制备、激光加工盲孔的方法或者固相烧结的方法等这些方式需要相应的制造设备或者需要控制较为繁琐的工艺流程，因此在考虑制造工艺流程简单且成本较低的情况下，还可以选择铜锌合金作为负极。在一种优选的情况下，第一多孔导电片100和第二多孔导电片300的材质相同，且均为铜锌合金。其原因是现有的铜箔一般作为二次电池负极集流体，在铜箔的生产工艺主要包括两种，主要分为压延铜箔和电解铜箔。与电解铜箔相比，压延铜箔的电导率更高，延伸效果更好，但其生产工艺控制难度大，原料成本高及国外对关键技术的垄断也限制了压延铜箔的应用；而生产电解铜箔的原料则可从废铜、废电缆等废旧材料中重新提炼，成本较为低廉，有助于可持续发展战略，减轻环境压力。因此采用电解的方式获取铜后，还可以与锌制造为铜锌合金后，然后再采用酸性溶液腐蚀锌，从而只得第一多孔导电片100和第二多孔导电片300为带有微孔的铜片。

在制作锂电池时，根据锂电池的实际尺寸，在选择复合集流体时，一般第一多孔导电片100的厚度为0.8μm～2μm，第二多孔导电片300的厚度为0.8μm～2μm，且第一多孔导电片100的厚度和第二多孔导电片300的厚度可以相同。

在基材片200上设置第一多孔导电片100和第二多孔导电片300时，需要考虑三个方面，第一方面，基材片200需要具备较好地延展性，以便于在对基材片200进行拉升或者流延后，第一多孔导电片100和第二多孔导电片300能够设置在基材片200；第二方面，基材片200需要具有较高地强度，在锂电池的充放电的过程中，能够较好地支撑第一多孔导电片100和第二多孔导电片300；第三方面，基材片200需要能够较好地防止第一多孔导电片100和第二多孔导电片300上的活性材料导通。为此在选择基材片200时，基材片200可以为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚乙烯、聚酰亚胺或聚醚醚酮。

另外基材片200的厚度可以根据锂电池的尺寸来确定，在本实施例中，基材片200的厚度为2μm～10μm。

本实用新型还提出一种复合集流体，其中复合集流体主要用作锂电池中的阴极。其中复合集流体的第一多孔导电片100和第二多孔导电片300均采用铜锌合金经过酸性溶液腐蚀锌后形成的铜片，基材片200采用的是高分子绝缘材料，可以选用聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚乙烯、聚酰亚胺或聚醚醚酮。基材片200的厚度在2μm～10μm，第一多孔导电片100和第二多孔导电片300的厚度相同，且均为0.8μm～2μm。

本实用新型中提出的复合集流体用于锂电池的阴极，第一多孔导电片100和第二多孔导电片300均为铜锌合金经过酸性溶液腐蚀锌后得到的带有微孔的铜片，铜片材质作为阴极时能够较好地避免被电解液氧化；其次铜锌合金被腐蚀后的锌形成的带有微孔的铜片，其微孔分布相对均匀。当在带有微孔的铜片上设置负极活性材料后，带有微孔的铜片上的微孔能够较好地吸附负极活性材料。另外，由于带有微孔的铜片上分布的微孔相对均匀，因此一方面能够使得负极活性材料在其上面附着时分布均匀，较好地避免了锂晶枝的形成；另一方面，能够使得铜片具有较好地缓冲效果，在充电过程中能够较好地吸收锂离子进入负极活性材料后会导致铜片体积膨胀而产生的应力。另外，设置的基材板采用高分子绝缘材料能够为铜片提供较好的支撑作用，还能够防止铜片上设置的负极活性材料直接导通，起到绝缘的效果。

在实际的研究测试过程中，本实用新型提出的复合集流体用于锂电池的阴极，同时采用石墨作为负极活性材料时，其库仑效率为98％；而采用光滑铜箔且也采用石墨作为负极活性材料时，其库仑效率为93％，因此采用本实用新型中的复合集流体作为锂电池的阴极时能够提高库伦效率。另外在锂电池经过250次循环充电和放电后，采用光滑铜箔作为阴极的锂电池的容量保留率为68％，而采用本实用新型中的复合集流体作为锂电池的阴极在300次循环充电和放电后，容量保留率仍超过90％。因此本实用新型中提出的复合集流体在提高锂电池的库伦效率以及使用寿命方面均要高于采用光滑铜箔的锂电池。

为了较好地在复合集流体的第一多孔导电片100和第二多孔导电片300形成微孔，为此研究人员还提出一种形成微孔的方法。具体地，一种制造方法，用于制造复合集流体，参阅图3所示的流程图，其中第一多孔导电片100和第二多孔导电片300的材料选择为铜锌合金，基材片200选用聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚乙烯、聚酰亚胺或聚醚醚酮。具体包括如下步骤：

S110、将基材片200拉伸为Lμm厚度；

S120、采用气相沉淀的方式在基材片200相背的两面分别沉淀Xμm厚度的铜锌合金和Yμm厚度的铜锌合金；

S130、采用酸性溶液腐蚀铜锌合金中的锌材质，使得基材片200相背的两面分别形成第一多孔导电片100和第二多孔导电片300；

S140、采用清水洗去酸性溶液；

S150、在120℃～150℃温度下，对复合集流体耐氧化处理。

其中基材片200的拉伸的厚度可以根据实际锂电池的大小以及相应的第一多孔导电片100和第二多孔导电片300的大小来确定，例如可以将基材片200拉伸为2μm～10μm；在基材片200相背的两面分别沉淀Xμm厚度的铜锌合金和Yμm厚度的铜锌合金时，X和Y的值可以相同，例如均为0.8μm～2μm。另外采用的酸性可以是5％～10％的稀盐酸，并将复合集流体在稀盐酸中沉浸1～5分钟，也可以采用卷绕系统进行连续沉淀，从而使得铜锌合金中的锌元素被稀盐酸尽可能地完全腐蚀。

上述的制造步骤相比现有的例如胶晶模板法制备、激光加工盲孔的方法或者固相烧结的方法等而言，避免了采用较为昂贵的设备，另外操作步骤也相对简单。

另外，本实用新型还提出一种极片，其中极片包括上述实用新型提出的复合集流体。极片上还可以包括例如正极活性材料或者负极活性材料，以形成锂电池的正极或者负极。

本实用新型还提出一种锂电池，其中锂电池包括上述所述的复合集流体或者极片。本实用新型中提出的锂电池相比现有的光滑铜箔锂电池在库伦效率方面以及锂电池循环充放电后的容量方面均存在较大优势。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种复合集流体，其特征在于，所述复合集流体包括：

依次层叠布置的第一多孔导电片、基材片和第二多孔导电片，所述第一多孔导电片和所述第二多孔导电片上的孔为微孔且分布均匀，所述基材片为高分子绝缘材料，所述第一多孔导电片和所述第二多孔导电片在极耳区导通。

2.根据权利要求1所述的复合集流体，其特征在于，所述第一多孔导电片的材质为铝、铜、镍、钛、银、镍铜合金或铝锆合金或铜锌合金。

3.根据权利要求2所述的复合集流体，其特征在于，所述第二多孔导电片的材质为铝、铜、镍、钛、银、镍铜合金或铝锆合金或铜锌合金。

4.根据权利要求1所述的复合集流体，其特征在于，所述第一多孔导电片和所述第二多孔导电片的材质相同，且均为铜锌合金。

5.根据权利要求1所述的复合集流体，其特征在于，所述第一多孔导电片的厚度为0.8μm～2μm。

6.根据权利要求1所述的复合集流体，其特征在于，所述第二多孔导电片的厚度为0.8μm～2μm。

7.根据权利要求1所述的复合集流体，其特征在于，所述基材片的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚乙烯、聚酰亚胺或聚醚醚酮。

8.根据权利要求1所述的复合集流体，其特征在于，所述基材片的厚度为2μm～10μm。

9.一种极片，其特征在于，包括如权利要求1～8中任意一项所述的复合集流体。

10.一种锂电池，其特征在于，包括如权利要求9中所述的极片。

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