CN218896659U - 一种具有锂枝晶防护功能的高导电纳米涂碳集流体、电池极片、电池以及用电装置 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及锂电池技术领域，一种具有锂枝晶防护功能的高导电纳米涂碳集流体，包括箔层和涂覆在箔层外表面的碳纳米管层，其中箔层外表面设有凸起，碳纳米管层由碳纳米管均匀涂布在凸起的表面而形成。箔层为金属层或者两表面带有金属层的基材层，箔层的厚度为1‑10μm，箔层外表面上的凸起呈阵列分布。一种电池极片，包括上述具有锂枝晶防护功能的高导电纳米涂碳集流体。一种电池，包括上述电池极片。一种用电装置，包括上述电池。本申请棱锥骨架为锂沉积提供了均匀的形核点，抑制锂枝晶生成，提高集流体导电能力具有导电性能好、相比较与传统的使用粘结剂将碳材料和金属箔粘结起来的方式，具有不增加接触电阻以及粘接力高的优点。
Description
技术领域
本申请涉及锂电池技术领域，尤其是涉及一种具有锂枝晶防护功能的高导电纳米涂碳集流体、电池极片、电池以及用电装置。
背景技术
锂离子电池广泛应用于各类便携式电子设备及电动汽车等需要高比能电池的场合中。锂离子电池在结构上包括正极、负极、电解液、隔膜、外壳与电极引线五大块。箔材作为电极活性物质的载体，一方面可以起到将活性物质中产生的电流汇集并连通到外电路，从而实现化学能转化为电能的过程。另一方面也可以将外电路的电流输入给活性物质，实现电能转化为化学能的过程。因此，作为集流体的箔材对锂电池性能具有重要影响。
涂碳箔材是新能源化学储能用电池、新能源汽车动力电池、超级电容器等锂电池集流体的重要基础材料，相比于传统的箔材，涂碳箔材预先在箔材上涂覆了一层纳米碳导电剂，使其在附着力、内阻等指标上优于传统箔材，综合提升了电池的充放电性能与循环寿命，可满足储能电池循环寿命与安全性要求高的需求。涂碳箔材有助于改善锂电池性能，在电池密度不断提升的背景下，涂碳箔材市场需求将不断释放，我国是锂电池生产大国，涂碳箔材市场需求空间广阔。涂碳箔材加工成本较高，在平价时代下，涂碳箔材加工工艺有待进一步优化，同时市场需求升级，也将带动涂碳箔材向高性能、功能化方向发展。
与光箔相比，涂碳箔材能够降低电池内阻，抑制电池极化，并提高活性物质与集流体的粘附力，从而提升电池性能。但目前涂碳箔材制备工艺面临制备过程繁琐，需要使用粘接剂将碳材料和金属箔粘接起来，目前使用的粘接剂主要是有机化合物，存在不导电、增加接触电阻、粘接力较低的问题。此外，负极析出的锂金属沿着隔膜空隙生长，接触正极形成的锂枝晶，容易造成电池短路。
实用新型内容
为了克服现有技术中存在的问题，本申请提供一种具有锂枝晶防护功能的高导电纳米涂碳集流体、电池极片、电池以及用电装置。
本申请提供的一种具有锂枝晶防护功能的高导电纳米涂碳集流体、电池极片、电池以及用电装置采用如下的技术方案：
一种具有锂枝晶防护功能的高导电纳米涂碳集流体，包括箔层和涂覆在箔层外表面的碳纳米管层，其中箔层外表面设有凸起，碳纳米管层由碳纳米管均匀涂布在凸起的表面而形成。
优选的，箔层为金属层或者两表面设有金属层的基材层，箔层的厚度为1-10μm，箔层外表面上的凸起呈阵列分布。
优选的，凸起的形状为三棱锥状、四棱锥状、圆锥状、圆柱状中的一种或者多种，其中凸起的高度为0.01-2μm，底边宽度或者底面直径为0.01-2μm。
通过采用上述技术方案，三棱锥结构稳定，机械性能较好，易于加工，而且能够避免充放电过程在产生的锂枝晶刺穿箔层，增大集流体的比表面积，提升集流体与纳米涂碳之间的粘结力、以及活性材料颗粒与集流体之间的粘结力。高度相同的锥状凸起，使集流体表面的锂离子浓度均匀,从而使得集流体上各处都可以均匀沉积，而且集流体中的棱锥骨架为锂沉积提供了均匀的形核点，抑制锂枝晶生成，提高集流体导电能力。
优选的，凸起之间设有间隙，所述间隙上设有若干贯穿的微孔。
优选的，碳纳米管层的涂布厚度为0.01-0.5μm。
通过采用上述技术方案，碳纳米管层具有很多微孔结构，因此在电池充放电过程中，碳纳米管层作为缓冲区域，使极片的膨胀受控，进而防止电池结构和性能的劣化。碳纳米管能形成良好的导电网络，并具有双电层效应，发挥超级电容器的高倍率特性，其良好的导热性能还有利于电池充放电时的散热，减少锂离子电池的极化，提高锂离子电池的高低温性能。
优选的，碳纳米管层涂布在凸起的间隙以及微孔的内壁上。
优选的，微孔的孔径为0.01-1μm，孔密度1-2000孔/mm2,,孔隙率为0.1-90％。
通过采用上述技术方案，箔层上的导电层用于传导离子，提高活性物质对基材的附着力，微孔内腔则全部填充活性物质，提高活性物质的填充量及其与箔层之间的粘合面积以及电池极片内部结构的一致性，同时水分、电解质、活性物质中的传导离子等成分可以更高效地通过微孔实现三维互通，提高电池的安全性，能量密度、生产效率、充放电倍率和循环寿命。
一种电池极片，包括上述一种具有锂枝晶防护功能的高导电纳米涂碳集流体。
一种电池，包括上述电池极片。
一种用电装置，包括上述电池。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1.利用呈列阵分布的纳米凸起，涂覆导电的碳纳米管层，使集流体表面的锂离子浓度均匀,从而使得集流体上各处都可以均匀沉积，而且集流体中的棱锥骨架为锂沉积提供了均匀的形核点，抑制锂枝晶生成，提高集流体导电能力。碳纳米管层具有很多微孔结构，因此在电池充放电过程中，碳纳米管层作为缓冲区域，使极片的膨胀受控，进而防止电池结构和性能的劣化；
2.纳米涂碳复合集流体指将分散好的纳米导电碳材料，均匀、细腻地涂覆在铝箔、铜箔集流体表面，从而提供极佳的静态导电性能，收集活性物质的微电流，可以大幅度降低正极材料和集流之间的接触电阻，并能提高两者之间的附着能力，可减少粘结剂的使用量，进而使电池的整体性能产生显著的提升。
附图说明
图1是实施例1中一种具有锂枝晶防护功能的高导电纳米涂碳集流体整体结构示意图；
图2是实施例2中一种具有锂枝晶防护功能的高导电纳米涂碳集流体整体结构示意图；
图3是实施例3中一种具有锂枝晶防护功能的高导电纳米涂碳集流体的整体结构示意图；
图4是一种具有锂枝晶防护功能的高导电纳米涂碳集流体中箔层与碳纳米管层的连接结构示意图。
附图标记说明：1、箔层；11、凸起；12、微孔；2、碳纳米管层。
具体实施方式
以下结合附图1-4对本申请作进一步详细说明。
本申请实施例公开一种具有锂枝晶防护功能的高导电纳米涂碳集流体、电池极片、电池以及用电装置。
实施例1
参照图1及图4，一种具有锂枝晶防护功能的高导电纳米涂碳集流体，包括箔层1和涂覆在箔层1外表面的碳纳米管层2，其中箔层1外表面设有凸起11，碳纳米管层2由碳纳米管均匀涂布在凸起11的表面而形成。箔层1为金属层，箔层1的厚度为10微米，箔层1外表面上的凸起11呈阵列分布。凸起11的形状为三棱锥状，其中凸起11的高度为2μm，底边宽度为2μm。三棱锥结构稳定，机械性能较好，易于加工，而且能够避免充放电过程在产生的锂枝晶刺穿箔层，增大集流体的比表面积，提升集流体与纳米涂碳之间的粘结力、以及活性材料颗粒与集流体之间的粘结力。高度相同的三棱锥状凸起，使集流体表面的锂离子浓度均匀,从而使得集流体上各处都可以均匀沉积，而且集流体中的棱锥骨架为锂沉积提供了均匀的形核点，抑制锂枝晶生成，提高集流体导电能力。
参照图1及图4，凸起11之间设有间隙，间隙上设有若干贯穿的微孔12，碳纳米管层2的涂布厚度为0.01μm。碳纳米管层2具有很多微孔12结构，因此在电池充放电过程中，碳纳米管层2作为缓冲区域，使极片的膨胀受控，进而防止电池结构和性能的劣化。碳纳米管能形成良好的导电网络，并具有双电层效应，发挥超级电容器的高倍率特性，其良好的导热性能还有利于电池充放电时的散热，减少锂离子电池的极化，提高锂离子电池的高低温性能。
参照图1及图4，碳纳米管层12涂布在凸起11的间隙以及微孔12的内壁上。微孔12的孔径为0.01μm，孔密度2000孔/mm2,孔隙率为20％。通过采用上述技术方案，箔层1上的导电层用于传导离子，提高活性物质对基材的附着力，微孔12内腔则全部填充活性物质，提高活性物质的填充量及其与箔层1之间的粘合面积以及电池极片内部结构的一致性，同时水分、电解质、活性物质中的传导离子等成分可以更高效地通过微孔12实现三维互通，提高电池的安全性，能量密度、生产效率、充放电倍率和循环寿命。
一种电池极片，包括上述一种具有锂枝晶防护功能的高导电纳米涂碳集流体。
一种电池，包括上述电池极片。
一种用电装置，包括上述电池。
实施例2
相对于实施例1，实施例2的区别点在于：
参照图2及图4，一种具有锂枝晶防护功能的高导电纳米涂碳集流体，包括箔层1和涂覆在箔层1外表面的碳纳米管层2，其中箔层1外表面设有凸起11，碳纳米管层2由碳纳米管均匀涂布在凸起11的表面而形成。箔层1为两表面设有金属层的基材层，箔层1的厚度为5微米，箔层1外表面上的凸起11呈阵列分布。凸起11的形状为圆锥状，其中凸起11的高度为1μm，底面直径为1μm。圆锥结构稳定，机械性能较好，易于加工，而且能够避免充放电过程在产生的锂枝晶刺穿箔层，增大集流体的比表面积，提升集流体与纳米涂碳之间的粘结力、以及活性材料颗粒与集流体之间的粘结力。高度相同的圆锥状凸起，使集流体表面的锂离子浓度均匀,从而使得集流体上各处都可以均匀沉积，而且集流体中的圆锥骨架为锂沉积提供了均匀的形核点，抑制锂枝晶生成，提高集流体导电能力。
参照图2及图4，凸起11之间设有间隙，间隙上设有若干贯穿的微孔12，碳纳米管层2的涂布厚度为0.25μm。碳纳米管层2具有很多微孔12结构，因此在电池充放电过程中，碳纳米管层2作为缓冲区域，使极片的膨胀受控，进而防止电池结构和性能的劣化。碳纳米管能形成良好的导电网络，并具有双电层效应，发挥超级电容器的高倍率特性，其良好的导热性能还有利于电池充放电时的散热，减少锂离子电池的极化，提高锂离子电池的高低温性能。
参照图2及图4，碳纳米管层12涂布在凸起11的间隙以及微孔12的内壁上。微孔12的孔径为0.5μm，孔密度2000孔/mm2,孔隙率为20％。通过采用上述技术方案，箔层1上的导电层用于传导离子，提高活性物质对基材的附着力，微孔12内腔则全部填充活性物质，提高活性物质的填充量及其与箔层1之间的粘合面积以及电池极片内部结构的一致性，同时水分、电解质、活性物质中的传导离子等成分可以更高效地通过微孔12实现三维互通，提高电池的安全性，能量密度、生产效率、充放电倍率和循环寿命。
实施例3
相对于实施例1，实施例3的区别点在于：
参照图3及图4，一种具有锂枝晶防护功能的高导电纳米涂碳集流体，包括箔层1和涂覆在箔层1外表面的碳纳米管层2，其中箔层1外表面设有凸起11，碳纳米管层2由碳纳米管均匀涂布在凸起11的表面而形成。箔层1为金属层，箔层1的厚度为1微米，箔层1外表面上的凸起11呈阵列分布。凸起11的形状为圆锥状和圆柱状，其中凸起11的高度为0.01μm，底面直径为0.01μm。圆锥结构稳定，机械性能较好，易于加工，而且能够避免充放电过程在产生的锂枝晶刺穿箔层，增大集流体的比表面积，提升集流体与纳米涂碳之间的粘结力、以及活性材料颗粒与集流体之间的粘结力。高度相同的圆锥状和圆柱状凸起，使集流体表面的锂离子浓度均匀,从而使得集流体上各处都可以均匀沉积，而且集流体中的圆锥骨架和圆柱骨架为锂沉积提供了均匀的形核点，抑制锂枝晶生成，提高集流体导电能力。
参照图3及图4，凸起11之间设有间隙，间隙上设有若干贯穿的微孔12，碳纳米管层2的涂布厚度为0.01μm。碳纳米管层2具有很多微孔12结构，因此在电池充放电过程中，碳纳米管层2作为缓冲区域，使极片的膨胀受控，进而防止电池结构和性能的劣化。碳纳米管能形成良好的导电网络，并具有双电层效应，发挥超级电容器的高倍率特性，其良好的导热性能还有利于电池充放电时的散热，减少锂离子电池的极化，提高锂离子电池的高低温性能。
参照图3及图4，碳纳米管层12涂布在凸起11的间隙以及微孔12的内壁上。微孔12的孔径为0.01μm，孔密度2000孔/mm2,孔隙率为20％。通过采用上述技术方案，箔层1上的导电层用于传导离子，提高活性物质对基材的附着力，微孔12内腔则全部填充活性物质，提高活性物质的填充量及其与箔层1之间的粘合面积以及电池极片内部结构的一致性，同时水分、电解质、活性物质中的传导离子等成分可以更高效地通过微孔12实现三维互通，提高电池的安全性，能量密度、生产效率、充放电倍率和循环寿命。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有锂枝晶防护功能的高导电纳米涂碳集流体，其特征在于：包括箔层(1)和涂覆在箔层(1)外表面的碳纳米管层(2)，其中箔层(1)外表面设有凸起(11)，所述碳纳米管层(2)由碳纳米管均匀涂布在凸起(11)的表面而形成。
2.根据权利要求1所述的一种具有锂枝晶防护功能的高导电纳米涂碳集流体，其特征在于：所述箔层(1)为金属层或者两表面设有金属层的基材层，所述箔层(1)的厚度为1-10μm，箔层(1)外表面上的凸起(11)呈阵列分布。
3.根据权利要求2所述的一种具有锂枝晶防护功能的高导电纳米涂碳集流体，其特征在于：所述凸起(11)的形状为三棱锥状、四棱锥状、圆锥状、圆柱状中的一种或者多种，其中凸起(11)的高度为0.01-2μm，底边宽度或者底面直径为0.01-2μm。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种具有锂枝晶防护功能的高导电纳米涂碳集流体，其特征在于：所述凸起(11)之间设有间隙，所述间隙上设有若干贯穿的微孔(12)。
5.根据权利要求4所述的一种具有锂枝晶防护功能的高导电纳米涂碳集流体，其特征在于：所述碳纳米管层(2)的涂布厚度为0.01-0.5μm。
6.根据权利要求1或5所述的一种具有锂枝晶防护功能的高导电纳米涂碳集流体，其特征在于：所述碳纳米管层(2)涂布在凸起(11)的间隙以及微孔(12)的内壁上。
7.根据权利要求6所述的一种具有锂枝晶防护功能的高导电纳米涂碳集流体，其特征在于：所述微孔(12)的孔径为0.01-1μm，孔密度1-2000孔/mm2,孔隙率为0.1-90％。
8.一种电池极片，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的一种具有锂枝晶防护功能的高导电纳米涂碳集流体。
9.一种电池，其特征在于，包括权利要求8所述的一种电池极片。
10.一种用电装置，其特征在于，包括权利要求9所述的一种电池。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |