CN220358124U - 一种复合集流体及二次电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种复合集流体及二次电池，复合集流体包括：基体层；导电金属层，设置于基体层的一侧或两侧；导离子电子层，设置于导电金属层背离基体层的一侧；导离子电子层包括导电子部和多个导离子部，导电子部均匀设置有多个预留孔，多个导离子部分别设置于多个预留孔内，多个导离子部与多个预留孔一一对应。复合集流体的导离子电子层能为导电金属层和基体层提供一定的缓冲和支撑作用，从而减缓复合集流体极片辊压时的打皱现象；复合集流体能减少二次电池充放电时的极化，从而缩短电芯的充电时间，降低充电温升，提高倍率性能、低温性能和循环性能。

Description

一种复合集流体及二次电池

技术领域

本实用新型涉及电池技术领域，特别涉及一种复合集流体及二次电池。

背景技术

锂离子电池因为具有能量密度高、无记忆效应、循环寿命长、环境友好等优点，广泛应用于3C、电动汽车和电动工具等产品中。随着锂电池行业的竞争越来越激烈，对锂电池能量密度的要求也越来越高，而采用复合集流体是业内针对该问题采用的一种主流方法。其中，常见的复合集流体为典型的三明治结构，其中间为一层高分子材料，一侧或两侧通过蒸镀的方式沉积金属导电层。以8μm复合铝箔(1μm+6μm+1μm，即两侧镀铝层厚度为1μm，高分子材料厚度为6μm)为例，相较于8μm常规铝箔，可减重40％，电芯质量可减少1.2％(电芯中铝箔占比按3％计)，而质量能量密度则可以增加1.2％。此外，复合集流体的使用还可以减少极片断裂时端面毛刺的产生，从而降低电芯发生短路的概率，提升电池的安全性能。

但常规复合集流体在使用过程中还存在如下问题：

1.复合集流体两侧金属层很薄(一般1μm～2μm)，电阻较常规集流体大，使得电芯在充放电时的极化也较大，充电时间和充电温升明显增加，倍率性能、低温性能和循环性能降低；

2.高分子基材在辊压时的形变大于金属层，形变的不一致性导致复合集流体辊压后极易打皱，影响后续的加工性能。

上述问题的存在限制了复合集流体的使用，是复合集流体大规模应用时迫切需要解决的问题。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型提出一种复合集流体，能减少电芯充放电时的极化，从而缩短电芯的充电时间，降低充电温升，提高倍率性能、低温性能和循环性能。

本实用新型还提出一种具有上述复合集流体的二次电池。

根据本实用新型第一方面实施例的一种复合集流体，包括：

基体层；

导电金属层，设置于所述基体层的一侧或两侧；

导离子电子层，设置于所述导电金属层背离所述基体层的一侧；所述导离子电子层包括导电子部和多个导离子部，所述导电子部分散设置有多个预留孔，多个所述导离子部分别设置于多个所述预留孔内，多个所述导离子部与多个所述预留孔一一对应。

根据本实用新型实施例的复合集流体，至少具有如下有益效果：

通过在导电金属层背离基体层的一侧设置导离子电子层，能为导电金属层和基体层提供一定的缓冲和支撑作用，从而减缓复合集流体极片辊压时的打皱现象；导离子电子层包括导离子部和导电子部，导离子部能提供良好的离子电导率，导电子部能够提高电子电导率，从而有效地减少电芯充放电时的极化，从而缩短电芯的充电时间，降低充电温升，提高倍率性能、低温性能和循环性能。

根据本实用新型的一些实施例，多个所述预留孔的面积相同，对应的多个所述导离子部的面积相同。

根据本实用新型的一些实施例，多个所述导离子部的厚度一致。

根据本实用新型的一些实施例，所述导离子部与所述导电子部的厚度一致

根据本实用新型的一些实施例，所述预留孔的面积为0.1mm2至2500mm2。

根据本实用新型的一些实施例，多个所述预留孔均匀设置于所述导电子部。

根据本实用新型的一些实施例，单个所述导离子电子层中，所述导离子部占所述导离子电子层总面积的10％至50％，所述导电子层的面积不小于所述导离子层的面积。

根据本实用新型的一些实施例，所述基体层的两侧均设置有导电金属层。

根据本实用新型的一些实施例，所述基体层的厚度为2μm至30μm，所述导电金属层的厚度为0.5μm至10μm，所述导离子电子层的厚度为0.5μm至20μm。

根据本实用新型第二方面实施例的二次电池，包括上述的复合集流体。

根据本实用新型实施例的二次电池，至少具有如下有益效果：

通过加入具有导离子电子层的复合集流体，也即具有了复合集流体的全部有益效果；复合集流体通过在导电金属层背离基体层的一侧设置导离子电子层，能为导电金属层和基体层提供一定的缓冲和支撑作用，从而减缓复合集流体极片辊压时的打皱现象；导离子电子层包括导离子部和导电子部，导离子部能提供良好的离子电导率，导电子部能够提高电子电导率，从而有效地减少电芯充放电时的极化，从而缩短电芯的充电时间，降低充电温升，提高倍率性能、低温性能和循环性能。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步的说明，其中：

图1为本实用新型一种实施例的复合集流体的结构示意图；

图2为本实用新型一种实施例的具有复合集流体的二次电池的测试数据表；

图3为本实用新型一种实施例的导离子电子层的展开示意图。

附图标号：

基体层100；

导电金属层200；

导离子电子层300、导电子部310、预留孔311、导离子部320。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下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。

在本实用新型的描述中，多个指的是两个以上。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，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或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本实用新型的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用新型中的具体含义。

参照图1至图3，本实用新型一种实施例的复合集流体，包括基体层100、导电金属层200和导离子电子层300，导电金属层200设置于基体层100的一侧或两侧，导离子电子层300设置于导电金属层200背离基体层100的一侧。通过设置导离子电子层300，能为导电金属层200和基体层100提供一定的缓冲和支撑作用，从而减缓复合集流体极片辊压时的打皱现象。

在本实用新型的一些实施例中，参照图1所示，基体层100的两侧均设置有导电金属层200，两个导电金属层200背离基体层100的一侧均设置有导离子电子层300；导离子电子层300通过喷涂或凹版印刷或挤压涂布的方式涂覆于导电金属层200表面。

具体的，导离子电子层300优选为采用凹版印刷的方式涂覆于导电金属层200表面

在本实用新型的一些实施例中，基体层100通常采用高分子材质制成，例如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚对苯二甲酰对苯二胺(PPA)、聚酰亚胺(PI)中的一种或多种。

在本实用新型的一些具体实施例中，基体层100优选为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，其厚度一般在2μm至30μm之间，优选为3μm至10μm，可选4μm或6μm或8μm。

在本实用新型的一些实施例中，导电金属层200选自铝、铜、镍、铜合金、镍合金、铝合金中的一种或几种，优选为铝层，一般通过电阻式真空蒸镀沉积的方法得到，蒸镀时保持2.7*10^-3Pa的真空度，蒸发舟温度为1300℃至1600℃。

需要注意的是，在基体层100采用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)材料时，为了保证在导电金属层200进行真空蒸镀时，PET基材不受热形变，蒸镀铝的过程中必须保证较快的膜运转速度和一定的送丝速度，根据生产经验，单层厚度在50～100nm之间时，PET基材不会出现打皱和卷曲形变现象，蒸镀铝层平整。为满足集流体导电性能需求，通常需要通过多次分步式蒸镀法沉积铝层厚度至指定厚度。

在本实用新型的一些实施例中，导离子电子层300包括导电子部310和多个导离子部320。导离子部320用于提供良好的离子电导率，导电子部310用于提高电子电导率，从而有效地减少电芯充放电时的极化，进而缩短电芯的充电时间、降低充电时的温升，提高电芯的倍率性能、低温性能和循环性能。

在本实用新型的一些实施例中，导离子电子层300的厚度为0.5μm至20μm，可根据实际使用场景及需求而采用不同的厚度；但若导离子电子层300的厚度过小，涂覆过程中极易出现漏涂；而导离子电子层300厚度过大则会造成较大的能量密度损失。

在本实用新型的一些实施例中，导离子部320的组成成分包括固态电解质和粘结剂，固态电解质选自磷酸钛铝锂(LATP)、锂镧锆氧(LLZO)、磷酸锗铝锂(LAGP)中的一种或几种；固态电解质的体积分布粒径中值(Dv50)为0.1μm至20μm。若固态电解质的体积分布粒径中值(Dv50)太小，在分散时极易发生团聚；而体积分布粒径中值(Dv50)太大，又会导致导离子电子层300厚度过大。粘结剂种类和用量无特别要求，粘结剂可以是常用的聚偏二氟乙烯(PVDF)，丁苯橡胶(SBR)，羧甲基纤维素(CMC)等，用量满足使固态电解质能够牢固粘附于导电金属层200表面即可。

在本实用新型的一些实施例中，导电子部310的组成成分包括导电剂和粘结剂，导电剂选自导电炭黑、碳纳米管、碳纤维中的一种或几种，优选为导电炭黑；粘结剂种类和用量无特别要求，粘结剂可以是常用的聚偏二氟乙烯(PVDF)，丁苯橡胶(SBR)，羧甲基纤维素(CMC)等，用量满足使导电剂能够牢固粘附于导电金属层200表面即可。

在本实用新型的一些实施例中，导电子部310分散设置有多个预留孔311，多个导离子部320分别设置于多个预留孔311内，多个导离子部320与多个预留孔311一一对应。具体的，通过凹版印刷的方式往导电金属层上涂覆导离子电子层300时，需要涂覆两次，若第一次涂覆导电子部310，则第二次涂覆导离子部320；若第一次涂覆导离子部320，则第二次涂覆导电子部310；优先涂覆面积更大的部。

进一步的，以先涂覆导电子部310，后涂覆导离子部320为例，在涂覆导电子部310时，在导电金属层200上将需要涂覆导离子部320的部分进行遮蔽，或直接在印刷涂覆过程中留出以用于涂覆导离子部320的预留孔311，然后再在留出的预留孔311处印刷涂覆上导离子部320。

参照图1、图3所示，多个预留孔311的面积相同，对应的多个导离子部320的面积相同。具体的，多个预留孔311均匀设置于导电子部310，因此多个导离子部320也是均匀设置于导电子部310之间。采用同等面积且均匀设置的预留孔311和导离子部320，一方面便于生产加工，另一方面也能更好的平衡导离子部320和导电子部310，从而提升导离子电子层300的整体性能。

在本实用新型的一些实施例中，预留孔311可采用规则形状或不规则形状，优选采用规则形状，以便于生产加工。规则形状可采用圆形、正多边形等形状。

在本实用新型的一些具体实施例中，由上文可知，两个导电金属层200背离基体层100的一侧均设置有导离子电子层300，分别印刷于两个导电金属层200上的两个导离子电子层300，其上面的导离子部320可以是对称设置，也可以是非对称设置，不影响导离子电子层300的整体性能。

在本实用新型的一些实施例中，多个导离子部320的厚度一致，导离子部320与导电子部310的厚度一致。具体的，将导离子部320与导电子部310的厚度设置为一样，能保证导离子电子层300的厚度基本一致，从而保证导离子电子层300的整体性能稳定，避免电芯使用过程中出现局部析锂。

需要了解的是，导离子部320与导电子部310的连接处会有1mm至2mm的重叠区域，此区域由于面积不大，对导离子电子层300的整体性能影响不大。设置重叠区域也是为了保证导离子部320和导电子部310的连接处不会有间隙。

在本实用新型的一些实施例中，单个导离子电子层300中，导离子部320占导离子电子层300总面积的10％至50％，导电子层的面积不小于导离子层的面积。一般来说，导离子部320优选为占整个导离子电子层300面积的20％至40％，导离子电子层300的其余部分均为导电子部310。也即，导离子电子层300是以导电子部310为基础，在导电子部310中间加入导离子部320以增加导离子电子层300的整体性能。由于导离子部320优选为占整个导离子电子层300面积的20％至40％，因此导电子部310的面积大于导离子部320的面积，从而在涂覆导离子电子层300时，先印刷导电子部310，再印刷导离子部320。

参照图1至图3，本实用新型另一种实施例的二次电池，包括上述的复合集流体。根据本实用新型实施例的二次电池，通过加入具有导离子电子层300的复合集流体，也即具有了复合集流体的全部有益效果，在此不做赘述。具体的，二次电池可以为锂离子电池、钠离子电池、镁离子电池、钙离子电池、钾离子电池等。

在本实用新型的一些实施例中，二次电池以锂离子电池为例，锂离子电池包括正负极极片、隔离膜、电解液以及壳体，正负极极片使用上述复合集流体，隔离膜将正极极片和负极极片分隔，壳体用于装设正极极片、负极极片、隔离膜和电解液。

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型电解液中采用的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。

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DEC、DMC、或EMC；还可以是羧酸酯类，包括PP、MA、EA、EP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。

隔膜可以是本领域各种适用于锂离子电池隔膜的材料，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。

壳体的材质为不锈钢、铝塑膜中的一种。

一、锂离子电池的制备方法如下：

(1)正极片的制备：

复合铝箔制备S1：基体层100采用PET(熔点为250℃)，厚度为6μm，之后通过真空蒸镀的方式在其两侧蒸镀厚度为1μm铝制导电金属层200；导离子电子层300通过凹版印刷的方式涂覆于导电金属层200上。

正极活性物质涂布S2：将正极活性物质、导电剂(导电碳黑和碳纳米管的混合物，质量比6：5)、PVDF粘结剂、NMP按照97.6：1.1：1.3：35的质量比混合均匀制成正极浆料，将正极浆料涂布在导离子电子层300远离PET层的表面上，在85℃下烘干收卷后，再在另一面导离子电子层300上按上述方法进行正极浆料的涂布和干燥，然后将双面涂有正极活性物质层的正极片进行冷压处理；之后进行切边、分条，制成锂离子电池正极片。

(2)负极片制备：

以水为溶剂，将石墨、增稠剂、SBR粘结剂按质量比97.7：1.1：1.2混合均匀制成固含为50％，且具有一定粘度的锂离子电池负极浆料，涂布在铜箔集流体一表面上，并在80℃下烘干收卷后，再在铜箔另一面按上述方法进行负极浆料的涂布和干燥，得到双面均涂覆有活性物质的负极片。

(3)电解液的制备：

将六氟磷酸锂(LiPF₆)溶解于碳酸二甲酯(DMC)、碳酸乙烯酯(EC)和碳酸甲乙酯(EMC)的混合溶剂中(DMC、EC和EMC的质量比为3:5:2)，得到电解液。

(4)电池的制备：

将上述制备的正极片、负极片和隔膜卷绕成电芯，电芯容量约为5Ah。隔膜位于相邻的正极片和负极片之间，正极以铝极耳点焊引出，负极以镍极耳点焊引出；然后将电芯置于铝塑包装袋中，烘烤后注入上述电解液，经封装、化成、分容等工序，最后制成锂离子电池。

二、电芯测试方法如下：

为验证导离子电子层300的引入对复合集流体电芯性能的影响，对电芯的充电时长、充电温升、倍率性能、低温性能和循环性能进行了测试；

充电时长和充电温升测试方法：将电芯以0.5C恒流放电至3.0V，以1.5C恒流恒压充电至4.45V，截止倍率0.02C，记录电芯满充时间；在电芯充电的同时，通过温度探头监控电芯表面温度(电芯表面头(极耳位中间)、中、尾)，并记录电芯充电完成时的温升(取电芯表面头、中、尾三处温升的最大值)；

倍率性能测试方法：按照GB31241-2014《便携式电子产品用锂离子电池和电池组安全要求》规定的方法，将电芯以0.7C恒流恒压充电至4.45V，截止倍率0.02C，之后以2C放电至3.0V，记录放电容量；

低温性能测试方法：将电芯以0.5C恒流放电至3.0V，以1.5C恒流恒压充电至4.45V，截止倍率0.02C，之后将满充的电芯置于-20℃的温箱中保温120min，再将电芯以0.2C恒流放电至3.0V，记录放电容量；

循环性能测试方法：在环境温度为25±2℃的条件下，将电芯以0.2C恒流放电至3.0V，之后以1.5C恒流恒压充电至4.45V，截止倍率0.05C，记录电芯首次满充的内阻和容量、厚度(测厚用600gPPG)；

循环过程按如下HFC制式：以0.2C恒流放电至3V；以1.5C恒流充电至4.25V；以1.2C恒流充电至4.45V；以0.8C恒流恒压充电至4.48V，截止倍率0.19C；以2A恒流恒压充电至4.45V，截止倍率0.05C；以1.0C恒流放电至3V。完成以上步骤为1次循环，进行49次之后按如下制式进行小电流恢复：以1.5C恒流充电至4.25V；以1.2C恒流充电至4.45V；以0.8C恒流恒压充电至4.48V，截止倍率0.19C；以2A恒流恒压充电至4.45V，截止倍率0.05C；以0.2C恒流放电至3V。每50周记录满充电芯电压、内阻、厚度(测厚用600gPPG)。

三、参照图2，测试参数设置如下：

实施例1中，导离子部320占导离子电子层300总面积的20％，导电子部310占导离子电子层300总面积的80％，导电子部310的预留孔311面积为0.25mm2，导离子电子层300的印刷厚度为2μm；

实施例2中，导离子部320占导离子电子层300总面积的30％，导电子部310占导离子电子层300总面积的70％，其余设置与实施例1相同；

实施例3中，导离子部320占导离子电子层300总面积的40％，导电子部310占导离子电子层300总面积的60％，其余设置与实施例1相同；

对比例1中，导离子部320占导离子电子层300总面积的95％，导电子部310占导离子电子层300总面积的5％，其余设置与实施例1相同；

对比例2中，导离子部320占导离子电子层300总面积的5％，导电子部310占导离子电子层300总面积的95％，其余设置与实施例1相同；

对比例3中，导电子部310的预留孔311面积设置为3600mm²，其余设置与实施例1相同；

对比例4中，导离子电子层300的印刷厚度为0.2μm，其余设置与实施例1相同；

对比例5中，不设置导离子电子层300，其余设置与实施例1相同。

四、参照图2，测试结论如下：

1、由实施例1～3与对比例5的测试结果对比可知，在导电金属层200表面引入导离子电子层300后，电芯的充电时长明显缩短，充电温升降低，倍率性能、低温性能和循环性能均有提升；

2、由实施1与对比例1、2的测试结果对比可知，导离子部320面积或导电子部310面积过小均不利于电芯整体性能的提升；

3、由实施例1～3与对比例3的测试结果对比可知，导离子部320的单一面积过大，对电芯的充电时长，充电温升，倍率性能、低温性能和循环性能均会产生不利影响；

4、对比例3的测试结果表面，导离子电子层300过薄，涂覆时会出现漏涂、辊压时打皱的问题，导致加工优率偏低。

综上可以得出，通过在导电金属层200的表面涂覆导离子电子层300，能极大地提升电芯的各项性能，且以实施例1中的各项测试数据综合表现最优。

上面结合附图对本实用新型实施例作了详细说明，但是本实用新型不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.一种复合集流体，其特征在于，包括：

基体层；

导电金属层，设置于所述基体层的一侧或两侧；

导离子电子层，设置于所述导电金属层背离所述基体层的一侧；所述导离子电子层包括导电子部和多个导离子部，所述导电子部分散设置有多个预留孔，多个所述导离子部分别设置于多个所述预留孔内，多个所述导离子部与多个所述预留孔一一对应。

2.根据权利要求1所述的一种复合集流体，其特征在于：多个所述预留孔的面积相同，对应的多个所述导离子部的面积相同。

3.根据权利要求1所述的一种复合集流体，其特征在于：多个所述导离子部的厚度一致。

4.根据权利要求3所述的一种复合集流体，其特征在于：所述导离子部与所述导电子部的厚度一致。

5.根据权利要求1所述的一种复合集流体，其特征在于：所述预留孔的面积为0.1mm²至2500mm²。

6.根据权利要求1所述的一种复合集流体，其特征在于：多个所述预留孔均匀设置于所述导电子部。

7.根据权利要求1所述的一种复合集流体，其特征在于：单个所述导离子电子层中，所述导离子部占所述导离子电子层总面积的10％至50％，所述导电子部的面积不小于所述导离子部的面积。

8.根据权利要求1所述的一种复合集流体，其特征在于：所述基体层的两侧均设置有导电金属层。

9.根据权利要求1所述的一种复合集流体，其特征在于：所述基体层的厚度为2μm至30μm，所述导电金属层的厚度为0.5μm至10μm，所述导离子电子层的厚度为0.5μm至20μm。

10.一种二次电池，其特征在于：包括如权利要求1至9任一项所述的复合集流体。