CN219642868U - 一种电池集流体及锂电池 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出了一种电池集流体及锂电池，包括正极集流体和负极集流体，正极集流体包括第一斜面和第二斜面，第一斜面的延伸面和第二斜面的延伸面相交叉，正极集流体具有厚度H1的第一端和厚度H2的第二端，第一端处的第一斜面和第二斜面相互靠近，第二端处的第一斜面和第二斜面相互远离；负极集流体包括第三斜面和第四斜面，第三斜面的延伸面和第四斜面的延伸面相交叉，负极集流体具有厚度H3的第三端和厚度H4第四端，第三端处的第三斜面和第四斜面相互靠近，第四端处的第三斜面和第四斜面相互远离；所述正极集流体和所述负极集流体满足关系式1.6≤(H1+H2)/(H3+H4)≤2.2。电池集流体解决了电池极耳处电流大、局部温度高，影响电池快充寿命的问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及电池技术领域，尤其涉及一种电池集流体及锂电池。
背景技术
锂离子电池具有能量密度高、工作电压高、循环寿命次数多等优点，被广泛应用于生活中的各个领域。随着新能源领域的快速发展，消费者对锂电池的快充性能的需求不断提高，电池大倍率的充电能力也得到了广泛的关注。集流体作为锂电池的重要组成部分，扮演着承载正负极活性材料并在充放电过程中将电子传递给活性物质的作用；集流体的过流能力决定电池是否具备大倍率充电的重量影响因素。
现有的如叠片组装的电池，极片包括活性物质层和极耳，其中极耳是由无活性物质层的集流体形成，在电池大倍率充电时，极耳及极耳附近的集流体厚度薄，流经极耳的电流大，极耳处的热量大、温度高，影响了电池的快充寿命。
为了解决这一问题，当前主要是选用箔材较厚且均匀的箔材，来提高集流体整体的过流能力，这些措施会导致电芯的能量密度的下降和成本的增加。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题：现有的电池极耳处电流大、局部温度高，影响电池快充寿命的问题，提供一种电池集流体及锂电池。
本实用新型提供了一种电池集流体，包括正极集流体和负极集流体，所述正极集流体包括第一斜面和第二斜面，所述第一斜面的延伸面和所述第二斜面的延伸面相交叉，所述正极集流体具有厚度为H1的第一端和厚度为H2的第二端，所述第一端处的所述第一斜面和所述第二斜面相互靠近，所述第二端处的所述第一斜面和所述第二斜面相互远离；
所述负极集流体包括第三斜面和第四斜面，所述第三斜面的延伸面和所述第四斜面的延伸面相交叉，所述负极集流体具有厚度为H3的第三端和厚度为H4第四端，所述第三端处的所述第三斜面和所述第四斜面相互靠近，所述第四端处的所述第三斜面和所述第四斜面相互远离；
所述正极集流体和所述负极集流体满足以下关系式：
1.6≤(H1+H2)/(H3+H4)≤2.2。
优选的，所述H2的范围为12μm≤H2≤20μm。
优选的，所述H1的范围为10μm≤H1＜12μm。
优选的，所述H4的范围为6μm≤H4≤10μm。
优选的，所述H3的范围为4.5μm≤H3＜6μm。
优选的，所述正极集流体的长度与所述正极集流体的宽度的比值≥2；
所述负极集流体的长度与所述负极集流体的宽度的比值≥2。
优选的，所述正极集流体上设置有正极耳，所述正极耳设置于所述第二端。
优选的，所述负极集流体上设置有负极耳，所述负极耳设置于所述第四端。
另一方面，本申请提供一种锂电池，包括正极片和负极片，所述正极片包括正极活性物质层，所述负极片包括负极活性物质层，且所述正极片和所述负极片还包括上述所述的电池集流体，所述电池还包括正极活性物质层和负极活性物质层，所述第一斜面至少部分表面和所述第二斜面至少部分表面分别设置有所述正极活性物质层，所述第三斜面至少部分表面和所述第四斜面至少部分表面分别设置有所述负极活性物质层。
优选的，所述正极活性物质层的厚度自所述第二端沿着靠近所述第一端的方向逐渐增加，所述正极活性物质层背离所述正极集流体的一面为水平面。
优选的，所述负极活性物质层的厚度自所述第四端沿着靠近所述第三端的方向逐渐增加，所述负极活性物质层背离所述负极集流体的一面为水平面。
优选的，所述正极片和所述负极片满足以下关系式：216×负极片克容量≥(1.06×(H2-H1)×1.9+450)×正极片克容量。
有益效果：
在本实用新型中，本申请提供的电池集流体，在不影响集流体整体重量的前提下，通过局部增厚、局部减薄的方式，使得集流体过流最密集处能够有足够的过流面积，确保在大倍率快速充电下，集流体的局部温度不会升温过高而限制快充策略的实施，大幅度提升电池的过流能力和快充性能。通过两个斜面延伸交叉形成厚度递减的正极集流体和负极集流体，且正极集流体和负极集流体满足关系式1.6≤(H1+H2)/(H3+H4)≤2.2，在电池充电过程中，流经正、负极集流体的电流密度分布呈线性递减趋势，使得集流体各处发热更加均匀，大幅提高了电芯的均温性，使得电极活性料区的电流分布更加均匀，避免了局部因为温度过高而老化加速，以及局部温度过低而导致嵌锂能力不足而出现析锂等失效情况的出现，提高电池的循环寿命。此外，因为正极集流体、负极集流体厚度递减，在满足相同过流能力的前提下可大幅减少集流体重量，进而可提升电芯质量能量密度及降低集流体的成本。
附图说明
图1是本实用新型一实施例提供的电池集流体的正极集流体结构示意图；
图2是本实用新型一实施例提供的电池集流体的负极集流体结构示意图；
图3是本实用新型一实施例提供的锂电池结构示意图。
1、正极集流体；101、第一斜面；102、第二斜面；103、第一端；104、第二端；2、负极集流体；201、第三斜面；202、第四斜面；203、第四端；204、第三端；3、正极活性物质层；4、负极活性物质层；5、正极耳；6、负极耳；7、隔膜。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
为了说明本实用新型的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
如图1-图3所示，本实用新型提供一种电池集流体，包括正极集流体1和负极集流体2，正极集流体1包括第一斜面101和第二斜面102，第一斜面101的延伸面和第二斜面102的延伸面相交叉，正极集流体1具有厚度为H1的第一端103和厚度为H2的第二端104，第一端103处的第一斜面101和第二斜面102相互靠近，第二端104处的第一斜面101和第二斜面102相互远离；负极集流体2包括第三斜面201和第四斜面202，第三斜面201的延伸面和第四斜面202的延伸面相交叉，负极集流体2具有厚度为H3的第三端204和厚度为H4第四端203，第三端204处的第三斜面201和第四斜面202相互靠近，第四端203处的第三斜面201和第四斜面202相互远离；
正极集流体1和负极集流体2满足以下关系式：
1.6≤(H1+H2)/(H3+H4)≤2.2。
本申请提供的电池集流体，在不影响集流体整体重量的前提下，通过局部增厚、局部减薄的方式，使得集流体过流最密集处能够有足够的过流面积，确保在大倍率快速充电下，集流体的局部温度不会升温过高而限制快充策略的实施，大幅度提升电池的过流能力和快充性能。正极集流体1和负极集流体2的电导率不同，相同尺寸规格下正负极极化不一致，导致正极和负极动力学性能不匹配，需要以不同的正负极厚度来匹配，发明人经过大量研究发现，通过两个斜面延伸交叉形成厚度递减的正极集流体1和负极集流体2，且正极集流体1和负极集流体2满足关系式1.6≤(H1+H2)/(H3+H4)≤2.2，在电池充电过程中，流经正负极集流体2的电流密度分布呈线性递减趋势，使得集流体各处发热更加均匀，大幅提高了电芯的均温性，使得电极活性料区的电流分布更加均匀，避免了局部因为温度过高而老化加速，以及局部温度过低而导致嵌锂能力不足而出现析锂等失效情况的出现，提高电池的循环寿命。此外，因为正极集流体1、负极集流体2厚度递减，在满足相同过流能力的前提下可大幅减少集流体重量，进而可提升电芯质量能量密度及降低集流体的成本。
在一些实施例中，H2的范围为12μm≤H2≤20μm。
H2是正极集流体1厚度最厚的一端，在电池充放电过程中，流经的电流密度较大，H2的范围在12μm～20μm之间，电池大倍率充电时正极集流体1的过流能力较高，较厚的集流体有助于降低电池充电过程中正极集流体1过流处的温度差异。具体的，H2的厚度可以为12μm、13μm、14μm、15μm、16μm、17μm、18μm、19μm、20μm；只要H2的厚度在12μm～20μm之间即可。
在一些实施例中，H1的范围为10μm≤H1＜12μm。
H1是正极集流体1厚度最薄的一端，在电池充放电过程中，流经的电流密度较小，H1的范围在10μm～12μm(不包括12μm)之间，此处的正极集流体1过流能力低，H1的厚度低，具有减少正极集流体1整体重量的作用。具体的，H1的厚度可以为10μm、11μm、11.9μm；只要H1的厚度在10μm～12μm(不包括12μm)之间即可。
需要说明的是，本申请提供的正极集流体1，从第二端104到第一端103厚度呈线性递减，电池在大倍率充电过程中，对应的电流密度从第二端104到第一端103也呈线性逐渐降低。正极集流体1厚度线性递减的结构设计，电流分布更加均匀，电池大倍率充电过程中有助于降低正极集流体1过流处温度差，避免了局部因为温度过高而老化加速，以及局部温度过低而导致嵌锂能力不足而出现析锂等失效情况的出现。
在一些实施例中，H4的范围为6μm≤H4≤10μm。
H4是负极集流体2厚度最厚的一端，在电池充放电过程中，流经的电流密度较大，H4的范围在6μm～10μm之间，电池大倍率充电时负极集流体2的过流能力较高，较厚的集流体有助于降低电池充电过程中负极集流体2过流处的温度差异。具体的，H4的厚度可以为6μm、7μm、8μm、9μm、10μm；只要H4的厚度在6μm～10μm之间即可。
在一些实施例中，H3的范围为4.5μm≤H3＜6μm。
H3是负极集流体2厚度最薄的一端，在电池充放电过程中，流经的电流密度较小，H3的范围在4.5μm～6μm(不包括6μm)之间，此处的负极集流体2过流能力低，H3的厚度低，具有减少负极集流体2整体重量的作用。具体的，H3的厚度可以为4.5μm、5.0μm、5.5μm、5.9μm；只要H3的厚度在4.5μm～6μm(不包括6μm)之间即可。
需要说明的是，本申请提供的负极集流体2，从第四端203到第三端204厚度呈线性递减，电池在大倍率充电过程中，对应的电流密度从第四端203到第三端204也呈线性逐渐降低。负极集流体2厚度线性递减的结构设计，电流分布更加均匀，电池大倍率充电过程中有助于降低负极集流体2过流处温度差，避免了局部因为温度过高而老化加速，以及局部温度过低而导致嵌锂能力不足而出现析锂等失效情况的出现。
在一些实施例中，正极集流体1材质为铝箔、镍或复合铝箔等，负极集流体2材质为铜箔或复合铜箔等材质。
在一些实施例中，正极集流体1的长度与正极集流体1的宽度的比值≥2；负极集流体2的长度与负极集流体2的宽度的比值≥2。
正极集流体1的长度和宽度比值、负极集流体2的长度和宽度比值满足上述范围时，使用本申请提供的电池集流体结构，使得集流体各处电流密度分布均匀，集流体各处发热更加均匀，提升电池的过流能力，提高电池的能量密度。
在一些实施例中，正极集流体1上设置有正极耳5，正极耳5设置于第二端104。
正极集流体1第二端104厚度最大，正极耳5设置于第二端104，电池大倍率充电过程中，正极耳5处的电流密度大，较厚的集流体的过流能力高，能够承载更大的电流密度，从而使得极耳局部温度不会升高过高，保证正极集流体1的整体温度的一致性，避免了局部因为温度过高而老化加速现象的发生，提高电池性能。
在一些实施例中，负极集流体2上设置有负极耳6，负极耳6设置于第四端203。
负极耳6设置于负极集流体2第四端203，保证负极集流体2的整体温度的一致性，避免了局部因为温度过高而老化加速现象的发生，提高电池性能。
另一方面，本申请提供一种锂电池，包括正极片和负极片，正极片包括正极活性物质层3，负极片包括负极活性物质层4，且正极片和所述负极片还包括上述所述电池集流体，第一斜面101至少部分表面和第二斜面102至少部分表面分别设置有正极活性物质层3，第三斜面201至少部分表面和第四斜面202至少部分表面分别设置有负极活性物质层4。
正极活性物质层3包括正极活性材料、第一导电剂和第一粘结剂。正极活性物质包括钴酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、磷酸锰铁锂中的一种或多种。第一导电剂包括碳纳米管、炭黑、乙炔黑、石墨烯中的一种或多种。第一粘结剂包括聚偏氟乙烯。
负极活性物质层4包括负极活性物质、第二导电剂、第二粘结剂。负极活性物质包括人造石墨、天然石墨、中间相碳微球、硅、氧化亚硅中的一种或多种。第二导电剂包括炭黑、乙炔黑、石墨烯中的一种或多种。第二粘结剂包括丁苯橡胶、羧甲基纤维素钠中的一种或多种。
在一些实施例中，正极活性物质层3的厚度自第二端104沿着靠近第一端103的方向逐渐增加，正极活性物质层3背离正极集流体1的一面为水平面。
在一些实施例中，负极活性物质层4的厚度自第四端203沿着靠近第三端204的方向逐渐增加，负极活性物质层4背离负极集流体2的一面为水平面。
在一些实施例中，正极片和负极片满足以下关系式：216×负极片克容量≥(1.06×(H2-H1)×1.9+450)×正极片克容量
克容量是指电池内部活性物质所释放出的电池容量与活性物质的质量之比。正极片和负极片满足关系式216×负极片克容量≥(1.06×(H2-H1)×1.9+450)×正极片克容量，具有确保正极集流体1涂布后形成的正极活性物质层3每个区域的厚度相同，同时确保负极集流体2涂布后形成的负极活性物质层4每个区域的厚度相同，保证制备得到的电池充放电过程中，正负极正向脱嵌锂活性位点满足设计需求，电池快充循环寿命高，提高电池快充性能。
以下通过实施例对本实用新型进行进一步的说明。
实施例1
1)正极浆料制备：
将质量比为96.5:1:2.5的正极活性物质磷酸铁锂、第一导电剂炭黑、第一粘结剂聚偏氟乙烯混合，并加入溶剂N-甲基吡咯烷酮进行混合搅拌得到正极浆料。
2)正极片制备：
将上述正极浆料通过挤压涂布机涂覆在正极集流体1的第一斜面101表面和第二斜面102表面，集流体规格为第二端104，H2厚度为20μm，第一端103，H1厚度为10μm，宽度为960mm。之后经过烘箱烘烤和辊压设备处理后，获得面密度为450g/m2，厚度为192μm的正极片。
3)负极浆料制备：
将质量比为96.1:1:1.3:1.6的负极活性物质人造石墨、第二导电剂炭黑、第三粘结剂丁苯橡胶、羧甲基纤维素钠混合，并加入及溶剂水进行混合搅拌得到负极浆料。
4)负极片制备：
将上述负极浆料通过挤压涂布机涂覆在负极集流体2的第三斜面201表面和第四斜面202表面，集流体规格为第四端203，H4厚度为10μm，第三端204，H3厚度为4.5μm，宽度为960mm；经过烘箱烘烤和辊压设备处理后，获得面密度为216g/m2，厚度为146μm的负极片。
正极片克容量为145mAh/g，负极片克容量为338mAh/g。将上述制备得到的负极片、隔膜7和上述制备得到的正极片依次叠片获得极芯，其中正、负极叠片层数分别为32、33层，随后将极芯套入铝壳中经过盖板焊接、套壳焊接、烘烤、注液、陈化、化成等工序得到锂离子电池。其中极芯的单张极片中，正极集流体1的长度、正极集流体1的宽度、负极集流体2的长度、负极集流体2的宽度具体数值见表2。
实施例2-4
实施例2-4与实施例1的区别在于，正极集流体1中第一端103、第二端104的厚度不同，负极集流体第四端203、第三端204厚度不同，具体见表1，其余与实施例1相同。
对比例1
对比例1与实施例1的不同之处在于，正负极集流体2不同，正极集流体1的厚度均匀，厚度为15μm；负极集流体2的厚度均匀，且厚度为4.5μm。其余与实施例1相同。
对比例2
对比例2与实施例1的不同之处在于，正负极集流体2不同，正极集流体1的厚度均匀，厚度为13μm；负极集流体2的厚度均匀，且厚度为6μm。其余与实施例1相同。
对比例3
对比例3与实施例1的不同之处在于，正负极集流体2不同，正极集流体1的厚度均匀，厚度为10μm；负极集流体2的厚度均匀，且厚度为4.5μm。其余与实施例1相同。
对比例4-5
对比例4-5与实施例1的不同之处在于，正极集流体1中第一端103、第二端104的厚度不同，负极集流体第四端203、第三端204厚度不同，具体见表1，其余与实施例1相同。
表1实施例1-4和对比例1-5中正负极集流体2规格数据表
实施例5
实施例5与实施例1的区别在于，实施例5中单张极片中正极集流体1的长度为148mm，宽度为90mm，单张极片负极集流体2的长度为152mm，宽度为92mm，其余与实施例1相同。其中正、负极集流体2的长度和宽度数据，具体见表2。
表2实施例1、实施例5正负极集流体长度、宽度数据表
电性能测试：
将实施例1-5和对比例1-5制备得到的锂电池进行如下电性能测试。
1、能量密度测试：
常温25℃条件下电池以1C恒流充电至3.8V，之后恒压充电至截止电流0.05C，电池充满电后，将电池在1/3C放电倍率下放电，计算电池在1/3C放电倍率下的能量，记录为电池能量，标记为W。同时称量电池重量，并记录，标记为M。
能量密度(Wh/kg)＝W/M
测试结果见表4。
2、温差均匀性测试：
在电池表面，分别在靠近正极盖板12mm处，负极盖板12mm处，电池X方向中等处布置热电偶，将布置好热电偶的电池在2C倍率下进行充放电，充放电电压窗口为2.0-3.8V，记录充放电过程中的温度数据，温差均匀性指电池最高温度与最低温度的差值，差值越小温差均匀性越好，反之均匀性越差。
3、快充循环测试：
常温25℃条件下，电池按照如下工步进行快充循环测试；
测试结果见表4。
表4实施例1-5和对比例1-5电性能测试数据表
通过表1、4可知，实施例1和对比例1对比，实施例2与对比例2对比，实施例3与对比例3对比可知，在保证能量密度相接近的前提下，实施例1-3采用厚度线性分布的正极集流体1、负极集流体2，正极耳5、负极耳6的温度与极芯中间温度差距小，温度均匀性低，电池快充循环寿命长，说明采用本申请提供的正极集流体1、负极集流体2，有助于降低正负极极耳侧的温度，同时大大提高电池在大倍率充电下的温度均匀性，有助于提高电池的循环性能、快充性能、能量密度，降低电池成本。通过实施例1-4与对比例4-5对比，对比例4中正极集流体1、负极集流体2不满足关系式1.6≤(H1+H2)/(H3+H4)≤2.2，电池在大倍率充放电过程中，电池极耳侧温度高，电池均匀性差，电池快充循环寿命短；对比例5中H1、H2、H3、H4不满足关系式1.6≤(H1+H2)/(H3+H4)≤2.2，电池大倍率充放电过程中正极侧温度和/或负极侧温度都较高，电池温差大；说明H1、H2、H3、H4要满足关系式1.6≤(H1+H2)/(H3+H4)≤2.2，制备得到的电池在大倍率放电过程中，流经正负极集流体的电流密度分布也成线性递减趋势，使得集流体各处发热更加均匀，大幅提高了电芯的均温性，使得电极活性料区的电流分布更加均匀，提高电池寿命和快充性能。
通过表2和表4可知，实施例1与实施例5对比，实施例5中的正负极集流体长度和宽度的比值小于2，在电池温度均匀性相当的情况下，能量密度较低。说明电池的正极集流体1的长度和宽度的比值≥2，负极集流体2的长度和宽度的比值≥2，集流体各处发热更加均匀，提升电池的过流能力，电池能量密度高。
以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种电池集流体，其特征在于，包括正极集流体和负极集流体，所述正极集流体包括第一斜面和第二斜面，所述第一斜面的延伸面和所述第二斜面的延伸面相交叉，所述正极集流体具有厚度为H1的第一端和厚度为H2的第二端，所述第一端处的所述第一斜面和所述第二斜面相互靠近，所述第二端处的所述第一斜面和所述第二斜面相互远离；所述负极集流体包括第三斜面和第四斜面，所述第三斜面的延伸面和所述第四斜面的延伸面相交叉，所述负极集流体具有厚度为H3的第三端和厚度为H4第四端，所述第三端处的所述第三斜面和所述第四斜面相互靠近，所述第四端处的所述第三斜面和所述第四斜面相互远离；
所述正极集流体和所述负极集流体满足以下关系式：
1.6≤(H1+H2)/(H3+H4)≤2.2。
2.根据权利要求1所述的电池集流体，其特征在于，所述H2的范围为12μm≤H2≤20μm。
3.根据权利要求1或2所述的电池集流体，其特征在于，所述H1的范围为10μm≤H1＜12μm。
4.根据权利要求1所述的电池集流体，其特征在于，所述H4的范围为6μm≤H4≤10μm。
5.根据权利要求1或4所述的电池集流体，其特征在于，所述H3的范围为4.5μm≤H3＜6μm。
6.根据权利要求1所述的电池集流体，其特征在于，所述正极集流体的长度与所述正极集流体的宽度的比值≥2；
所述负极集流体的长度与所述负极集流体的宽度的比值≥2。
7.根据权利要求1所述的电池集流体，其特征在于，所述正极集流体上设置有正极耳，所述正极耳设置于所述第二端；所述负极集流体上设置有负极耳，所述负极耳设置于所述第四端。
8.一种锂电池，其特征在于，包括正极片和负极片，所述正极片包括正极活性物质层，所述负极片包括负极活性物质层，且所述正极片和所述负极片还包括权利要求1-7任意一项所述的电池集流体，所述第一斜面至少部分表面和所述第二斜面至少部分表面分别设置有所述正极活性物质层，所述第三斜面至少部分表面和所述第四斜面至少部分表面分别设置有所述负极活性物质层。
9.根据权利要求8所述的锂电池，其特征在于，所述正极活性物质层的厚度自所述第二端沿着靠近所述第一端的方向逐渐增加，所述正极活性物质层背离所述正极集流体的一面为水平面；所述负极活性物质层的厚度自所述第四端沿着靠近所述第三端的方向逐渐增加，所述负极活性物质层背离所述负极集流体的一面为水平面。
10.根据权利要求8所述的锂电池，其特征在于，所述正极片和所述负极片满足以下关系式：216×负极片克容量≥(1.06×(H2-H1)×1.9+450)×正极片克容量。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202321016698.7U CN219642868U (zh) | 2023-04-27 | 2023-04-27 | 一种电池集流体及锂电池 |
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