CN219800916U - 集流体和极片及电池 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种集流体和极片及电池，集流体包括基材层和导电层，基材层采用的材料包括聚合物高分子材料；导电层设置于基材层自身厚度方向上的至少一个面上，导电层的断裂延伸率低于基材层的断裂延伸率。其中，基材层可起支撑作用；由于导电层的断裂延伸率低于基材层的断裂延伸率，在受冲击时基材层会先延展再断裂，导电层会在基材层断裂前就出现断裂，由于基材层的延展形变和导电层的断裂使得正极集流体局部绝缘，这可有效阻止具有该集流体的电池正负极间的短路大电流通过。因此，本申请的集流体可降低用户的使用风险。

Description

集流体和极片及电池

技术领域

本申请涉及新能源电池技术领域，具体涉及一种集流体和极片及电池。

背景技术

随着新能源的发展，锂离子电池因电池容量大，循环寿命长等优点，被广泛应用于不同的产品，如笔记本电脑、便携手机、新能源车等。

目前锂离子电池一般使用压延铝箔作为正极集流体，但受限于比容量高的正负极材料的开发技术瓶颈，轻量化正极集流体的需求日渐凸显，在使用过程中，锂离子电池普遍存在受到挤压、撞击或者穿刺时极易发生电池内部短路，起火甚至爆炸的安全隐患。

基于以上原因，为了降低用户的使用风险，需研发一种新的正极集流体。

实用新型内容

本申请的目的是为了解决轻量化正极集流体并降低用户使用风险的问题。有鉴于此，本申请实施例致力于提供一种集流体和极片及电池，该集流体能够降低用户的使用风险。

为了解决上述问题，第一方面，本申请提供一种集流体，集流体包括基材层和导电层；导电层设置于基材层自身厚度方向上的至少一个面上，导电层的断裂延伸率低于基材层的断裂延伸率。

一种可能的实施例中，基材层为聚合物高分子材料聚合物膜层。

一种可能的实施例中，基材层的厚度为1μm≤T1≤35μm，优选地，基材层的厚度为1.5μm≤T1≤10μm。

一种可能的实施例中，基材层的表面粗糙度为0.05μm≤Ra≤1.0μm，优选地，基材层的表面粗糙度为0.1μm≤Ra≤0.5μm。

一种可能的实施例中，集流体包括位于基材层和导电层间的粘接层。

一种可能的实施例中，粘接层的厚度为10nm≤T2≤2000nm,优选地，粘接层的厚度为100nm≤T2≤1000nm。

一种可能的实施例中，集流体包括固着导电层的保护层，保护层包括固着于导电层的内表面的内保护层，其中，导电层的内表面靠近基材层。

一种可能的实施例中，内保护层的厚度为1nm≤T3≤100nm，优选地，内保护层的厚度为6nm≤T2≤50nm。

一种可能的实施例中，集流体包括固着导电层的保护层，保护层包括固着于导电层的外表面的外保护层，其中，导电层的外表面位于导电层背离基材层的一侧，进一步的，外保护层的厚度为10nm≤T5≤180nm，优选地，外保护层的厚度为20nm≤T5≤50nm。

一种可能的实施例中，保护层为通过电镀钝化法或者通过高功率磁控溅射法固着导电层的金属氧化物镀层；或者，保护层为通过物理气相沉积法固着导电层的金属镀层。

一种可能的实施例中，导电层的厚度为400nm≤T4≤1600nm，优选地，导电层的厚度为700nm≤T4≤1300nm。

一种可能的实施例中，集流体的厚度为2μm≤T0≤40μm，优选地，集流体的厚度为2μm≤T0≤12μm。

本申请第二方面提供一种极片，极片包括以上所述的集流体及设置于集流体上的活性物质层。

本申请第三方面提供一种电池，电池包括电解液及以上所述的极片。

通过设置基材层起支撑作用，并设置为导电层的断裂延伸率低于基材层的断裂延伸率，可以使得集流体在受到重物冲击过程中，基材层会先延展再断裂甚至不断裂；由于导电层的断裂延伸率低于基材层的断裂延伸率，导电层会在基材层断裂前就出现断裂，由于基材层的延展形变和导电层的断裂使得片集流体局部绝缘，这可在受到冲击时有效阻止具有该集流体的电池正负极间的短路大电流通过。因此，可以降低甚至避免电池发生热失控、冒烟、起火爆炸等事故的发生，可有效提高具有该集流体的电池的安全性。进而降低用户的使用风险。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种集流体的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为了更方便的了解本申请，下面根据具体实施例并结合附图描述本申请。

第一方面，参见图1所示，本申请提供一种集流体，集流体包括基材层1和导电层2，导电层2为锂离子电池的主要电子传输通道；基材层1可起到支撑的作用；导电层2设置于基材层1自身厚度方向上的至少一个面上，导电层2的断裂延伸率低于基材层1的断裂延伸率。导电层的断裂延伸率设置为低于基材层的断裂延伸率，可以使得集流体在受到重物冲击过程中，基材层会先延展再断裂，当基材层的断裂延伸率远远高于导电层的断裂延伸率时，在收到冲击时基材层甚至只延展不断裂；由于导电层的断裂延伸率低于基材层的断裂延伸率，导电层会在基材层断裂前就出现断裂，由于基材层的延展形变和导电层的断裂使得集流体局部绝缘，这在受到冲击时可有效阻止具有该集流体的电池正负极间的短路大电流通过。因此，可以降低甚至避免电池发生热失控、冒烟、起火爆炸等事故的发生，可有效提高具电池的安全性。进而可降低用户的使用风险。

又一种实施例中，集流体的断裂延伸率大于等于2％。

优选地，集流体的断裂延伸率大于等于30％。

又一种实施例中，集流体拉伸强度大于240Mpa。

又一种实施例中，基材层1为聚合物高分子材料经双向拉伸形成的聚合物膜层。由于聚合物高分子材料的延展性优于常规压延铝箔，通过在集流体中设置聚合物高分子材料作为基材层1用材料，能够起支撑作用并可以提高基材层1的延展性还可减轻集流体的重量，有利于集流体轻量化。

其中，聚合物高分子材料可采用聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚对苯二甲酸酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰亚胺(PI)、聚碳酸脂(PC)及以上材料的共聚物中的一种或多种的混合。

又一种实施例中，基材层1的厚度为1μm≤T1≤35μm。

优选地，基材层1的厚度为1.5μm≤T1≤10μm。

又一种实施例中，基材层1的表面粗糙度为0.05μm≤Ra≤1.0μm。

优选地，基材层1的表面粗糙度为0.1μm≤Ra≤0.5μm。

又一种实施例中，集流体包括位于基材层1和导电层2间的粘接层3。粘接层3主要作用是增加基材层1和导电层2之间的结合力，能够抵御热冲击、力冲击或者电解液腐蚀而不脱落。如果没有粘接层3，比如，在经过电池制作工艺辊压时基材层1和导电层2会由于延伸率差异大出现剥离分层现象，导致导电层2容易受到电解液的渗透腐蚀，通过在导电层2与基材层1之间设计粘接层3可以降低甚至避免这种现象的发生。

又一种实施例中，粘接层3采用的材料为丁苯橡胶、顺丁橡胶、天然橡胶、聚硫橡胶、丁腈橡胶中的一种或多种的混合。

又一种实施例中，粘接层3的厚度为10nm≤T2≤2000nm。

优选地，粘接层3的厚度为100nm≤T2≤1000nm。

又一种实施例中，粘接层3的乳液固含量为3～40％。

又一种实施例中，集流体包括固着导电层2的保护层。保护层主要作用是防止导电层2遭受氧气的氧化和电解液的腐蚀，改善电池的工作稳定性和使用寿命。保护层通过镀膜工艺处理覆盖于导电层2靠近基材层1的一侧或远离基材层1的一侧，或者，保护层通过镀膜工艺处理同时覆盖于导电层2的两侧。

又一种实施例中，保护层包括固着于导电层2的内表面的内保护层41，其中，导电层2的内表面靠近基材层1。内保护层41可采用银、镍、铜、锡、铬、钽、锌金属镀层、三氧化二铝、氮化铝、氧化锌、三氧化二铬中的至少一种。

又一种实施例中，内保护层41的厚度为1nm≤T3≤100nm。

优选地，内保护层41的厚度为6nm≤T2≤50nm。

又一种实施例中，保护层包括固着于导电层2的外表面的外保护层42，导电层2的外表面位于导电层2背离基材层1的一侧，其中，导电层2的外表面位于导电层2背离基材层1的一侧。

又一种实施例中，外保护层42的厚度为10nm≤T5≤180nm。

优选地，外保护层42的厚度为20nm≤T5≤50nm。

又一种实施例中，保护层为通过电镀钝化法或者通过高功率磁控溅射法固着导电层2的金属氧化物镀层。

又一种实施例中，保护层为通过物理气相沉积法固着导电层2的金属镀层。

又一种实施例中，导电层2采用的金属材料包括铝、铜、银、镍、锌、镁、钛中的至少一种。

又一种实施例中，导电层2为铝基合金层。

又一种实施例中，导电层2的外表面为经过电晕处理的预处理面。采用这种表面，可以提高其表面的达因值，增加其湿润性，利于浆料的涂布。

又一种实施例中，导电层2的厚度为400nm≤T4≤1600nm。

优选地，导电层2的厚度为700nm≤T4≤1300nm。

又一种实施例中，导电层2的表面方阻值范围为20mΩ/□≤R0≤120mΩ/□。

优选地，导电层2的表面方阻值范围优选为30mΩ/□≤R0≤80mΩ/□。

又一种实施例中，进行断裂延伸率测试后的表面方阻值R1大于500mΩ/□。

又一种实施例中，导电层2使用X射线衍射测量的特征晶面为(111)。

又一种实施例中，集流体的厚度为2μm≤T0≤40μm。

优选地，集流体的厚度为2μm≤T0≤12μm。

为了更进一步的理解本申请。下面结合具体的实施例子和对比例做进一步的阐述，将实施例和对比例按下述的方法进行表征并进行对比，在以下实施例中的集流体采用正极集流体，具有该正极集流体的极片为正极片。

实施例1

参考结构示意图，选用厚度为6.0μm的双向拉伸PET薄膜作为正极集流体基材层1，基材层1拉伸强度和断裂延伸率分别为250Mpa和100％，基材层1熔点为266.97℃；随后在基材层1双面涂覆厚度为500nm的丁苯橡胶粘接层3；在高真空磁控溅射镀膜的工艺下，选用纯铝作为溅射靶材并在铝原子沉积至基材层1的过程中不断往真空腔中通入一定流量的氧气，使其在基材层1表面形成厚度为50nm的三氧化二铝下保护层；其后停止氧气供给，继续沉积厚度为800nm的铝作为导电层2；最后将半成品膜卷通过含有铬酸盐等强氧化剂的酸性溶液进行钝化处理，在导电层2的外表面沉积厚度为50nm的三氧化二铬外保护层42。最终得到总厚度为8.8μm、表面达因值为36mN/m、表面方阻值为50mΩ/□、拉伸强度和断裂延伸率分别为160Mpa和40％的复合铝箔正极集流体。

实施例2

参考结构示意图，选用厚度为5.8μm的双向拉伸PET薄膜作为正极集流体的基材层1，基材层1的拉伸强度和断裂延伸率分别为270Mpa和90％，基材层1的熔点为255.00℃；随后在基材层1双面涂覆厚度为500nm的丁苯橡胶粘接层3；在高真空磁控溅射镀膜的工艺下，选用纯铝作为溅射靶材并在铝原子沉积至基材层1的过程中不断往真空腔中通入一定流量的氧气，使其在基材层1表面形成厚度为50nm的三氧化二铝内保护层41；其后停止氧气供给，继续沉积厚度为1000nm的铝作为导电层2；最后将半成品膜卷通过含有铬酸盐等强氧化剂的酸性溶液进行钝化处理，在导电层2的表面沉积厚度为50nm的三氧化二铬外保护层42。最终得到总厚度为9.0μm、表面达因值为36mN/m、表面方阻值为40mΩ/□、拉伸强度和断裂延伸率分别为200Mpa和30％的复合铝箔正极集流体。

实施例3

参考结构示意图，选用厚度为5.9μm的双向拉伸PET薄膜作为正极集流体基材层1，基材层1拉伸强度和断裂延伸率分别为240Mpa和95％，基材层1熔点为265.84℃；随后在基材层1双面涂覆厚度为500nm的丁苯橡胶粘接层3；在高真空磁控溅射镀膜的工艺下，选用纯铝作为溅射靶材并在铝原子沉积至基材层1的过程中不断往真空腔中通入一定流量的氮气，使其在基材层1表面形成厚度为50nm的氮化铝内保护层41；其后停止氧气供给，继续沉积厚度为1000nm的铝作为导电层2；最后将半成品膜卷通过含有铬酸盐等强氧化剂的酸性溶液进行钝化处理，在导电层2的表面沉积厚度为50nm的三氧化二铬外保护层42。最终得到总厚度为9.1μm、表面达因值为38mN/m、表面方阻值为40mΩ/□、拉伸强度和断裂延伸率分别为170Mpa和15％的复合铝箔正极集流体。

对比例：

选择常规9μm压延纯铝箔作为正极集流体与实施例进行电池单因子对比。拉伸强度断裂延伸率分别为270Mpa和4％，表面达因值为32mN/m，方阻值为3.3mΩ/□。

拉伸强度和断裂延伸率的测试方法按照GB/T 1040.3-2006进行，表面方阻值的测试按照GB/T 15717进行，表面达因值的测试按照GB/T 14216进行。

电池的制备：

通过常规电池工艺将正极活性物质(钴酸锂浆料)均匀涂布在以上实施例与对比例中所述的正极集流体两面，干燥辊压后得到压实密度为4.0g/cm3的正极片，单面正极活性材料层厚度为40μm；将负极活性物质(石墨浆料)均匀涂布在常规6μm压延纯铜箔两面，干燥辊压后得到压实密度为1.7g/cm3的负极片，单面负极活性材料层厚度为55μm。完成极耳焊接工艺后将正极片、隔膜与负极片一起卷绕裸卷芯，然后置于软包铝塑膜外壳中并进行注液，随后进行密封、化成和分选等工序，最终得到锂离子电池。

实验例1

对实施例和对比例的正极集流体进行原材料表面方阻值测试，测试方法为将集流体平放在水平面上，使用4探针探头均匀地取10处进行测量并去平均值，记录方阻仪所显示数值，具体测试结果如下表所示。

实验例2

对实施例和对比例的正极集流体进行断裂延伸率测试，测试方法为剪取15mm宽、100mm长的样品条置于拉伸夹具上，其中初始距离为50mm，拉伸速度设置为50mm/min，记录断裂时设备的夹具位移Xmm，最后计算断裂延伸率为(X/50)*100％，具体测试结果如下表所示。

实验例3

对实施例和对比例的正极集流体进行断裂延伸率测试后的表面方阻值测试，测试方法为将样品平放在水平面上，使用4探针探头均匀地取10处进行测量并去平均值，记录方阻仪所显示数值具体测试结果如下表所示。

实验例4

对使用实施例和对比例正极集流体制作的锂离子电池进行重物冲击测试以评估电池的安全性能，测试方法为将充满点后的电芯置于水平面上，将直径为15.8mm的金属棒横置在电池几何中心表面，采用重量为9.1kg的重物从610mm的高处自由落体并撞击放有金属棒的电池表面，出现冒烟或起火则不通过测试，若不冒烟不起火则视为通过，具体测试结果如下表所示。

组别	原始表面方阻	断裂延伸率	拉伸断裂表面方阻	重物冲击测试通过率
					实施例1	50mΩ/□	40％	500mΩ/□	18/20
实施例2	40mΩ/□	30％	350mΩ/□	10/20
					实施例3	40mΩ/□	15％	55mΩ/□	3/20
对比例	3.3mΩ/□	4％	3.4mΩ/□	0/20

从实施例和对比例的测试结果可知，本申请中所述的正极集流体相较于常规压延铝箔能够提升电池的安全性能，实现电池受到重物冲击而不出现热失控冒烟起火的目标；从实施例的结果来看，本发明所述的正极集流体断裂延伸率越高，拉伸断裂表面方阻越大，其重物冲击测试通过率则越高，更能够保证电池的安全使用。

本申请第二方面提供一种极片，极片包括以上所述的集流体及设置于集流体上的活性物质层。该极片所具有的技术优势同上述集流体，在此不再赘述。

又一种实施例中，活性物质层涂布在上述预处理面上。

本申请第三方面提供一种电池，电池包括电解液及以上所述的极片。该电池所具有的技术优势同上述极片，在此不再赘述。

本申请中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b，或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，a-b，a-c，b-c或a-b-c，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

应理解，在本申请的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包括在本申请的保护范围之内。

Claims (19)

1.一种集流体，其特征在于，包括：

基材层(1)；为聚合物高分子材料经双向拉伸形成的聚合物膜层；

导电层(2)，设置于所述基材层(1)自身厚度方向上的至少一个面上，所述导电层(2)的断裂延伸率低于所述基材层(1)的断裂延伸率,所述基材层(1)的表面粗糙度为0.05μm≤Ra≤1.0μm。

2.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述基材层(1)的厚度为1μm≤T1≤35μm。

3.根据权利要求2所述的集流体，其特征在于，所述基材层(1)的厚度为1.5μm≤T1≤10μm，和/或，所述基材层(1)的表面粗糙度为0.1μm≤Ra≤0.5μm。

4.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述集流体包括位于所述基材层(1)和所述导电层(2)间的粘接层(3)。

5.根据权利要求4所述的集流体，其特征在于，所述粘接层(3)的厚度为10nm≤T2≤2000nm。

6.根据权利要求5所述的集流体，其特征在于，所述粘接层(3)的厚度为100nm≤T2≤1000nm。

7.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述集流体包括保护层，所述保护层包括固着所述导电层(2)的内表面的内保护层(41)，其中，所述导电层(2)的内表面靠近所述基材层(1)。

8.根据权利要求7所述的集流体，其特征在于，所述内保护层(41)的厚度为1nm≤T3≤100nm。

9.根据权利要求8所述的集流体，其特征在于，所述内保护层(41)的厚度为6nm≤T2≤50nm。

10.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述集流体包括保护层，所述保护层包括固着所述导电层(2)的外表面的外保护层(42)，其中，所述导电层(2)的外表面位于所述导电层(2)背离所述基材层(1)的一侧。

11.根据权利要求10所述的集流体，其特征在于，所述外保护层(42)的厚度为10nm≤T5≤180nm。

12.根据权利要求11所述的集流体，其特征在于，所述外保护层(42)的厚度为20nm≤T5≤50nm。

13.根据权利要求7-12任意一项所述的集流体，其特征在于，所述保护层为通过电镀钝化法或者通过高功率磁控溅射法固着所述导电层(2)的金属氧化物镀层；或者，所述保护层为通过物理气相沉积法固着所述导电层(2)的金属镀层。

14.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述导电层(2)的厚度为400nm≤T4≤1600nm。

15.根据权利要求14所述的集流体，其特征在于，所述导电层(2)的厚度为700nm≤T4≤1300nm。

16.根据权利要求14所述的集流体，其特征在于，所述集流体的厚度为2μm≤T0≤40μm。

17.根据权利要求16所述的集流体，其特征在于，所述集流体的厚度为2μm≤T0≤12μm。

18.一种极片，其特征在于，包括权利要求1至17中任一项所述的集流体及设置于所述集流体上的活性物质层。

19.一种电池，其特征在于，包括电解液及权利要求18所述的极片。