CN221057462U - 一种集流体和电池 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种集流体和电池，涉及锂离子电池技术领域。具体而言：所述集流体的表面设置有第一区域和第二区域；所述第二区域至少部分地被所述第一区域包围；其中，所述第一区域设置有若干贯穿所述集流体的通孔结构，所述第二区域设置有若干凹陷结构。所述集流体同时具备毛化及微孔集流体特点，增加涂覆量的同时提高活性层结合力，增加集流体与活性材料的接触面积，提高了循环性能，同时可降低粘结剂含量。所述集流体抗拉和延伸性能均满足锂电池工艺制作要求，相较于涂炭集流体或其他改性集流体，成本更低廉，在锂电池提升能量密度方面发挥作用更大。
Description
技术领域
本实用新型涉及锂离子电池技术领域，具体而言，涉及一种集流体和电池。
背景技术
锂离子电池因具有能量密度大、工作电压高、工作温度范围大，重量较轻，可快速充放电等优点，广泛应用于动力汽车、航空航天以及电子设备等新能源领域。其中，集流体是锂离子电池的重要组成部分，主要用于承载活性物质，并为其吸收和释放的电子提供传导。
目前电动汽车行业不断提高续航里程要求，提高锂电池能量密度成为趋势。提升锂电池能量密度有三个方向：第一，提升活性物质的单位质量或体积的比能量，例如提升正负极的压实密度；第二，压缩非活性物质所占的质量或体积比例，如降低集流体箔片或是隔膜的厚度，降低导电剂或粘结剂等的含量；第三，减少或弥补成膜损失，如正负极或电解液材料优化，预补锂技术。
具体而言，目前已经存在一些针对集流体的改性方法，以下给出三种现有技术作为示例。第一，在磷酸铁锂中应用的涂碳铝箔，就是利用功能涂层对电池导电基材进行表面处理的一项技术，在铝箔的表面涂覆上一层纳米导电石墨，它能提供极佳的静态导电性能，降低正极材料和集流体之间的接触内阻。第二，微孔集流体也被广泛所关注，通过化学或物理方法在普通箔材上制备微孔，同规格的箔材下，减轻了箔材的重量，提升电池的能量密度，同时通过孔隙间形成的“工”型咬合，提升铜箔、铝箔表面粘结力。第三，通过化学腐蚀或机械加工方式得到毛化集流体，使集流体表面形成凹凸面，提高涂层的粘附性。
但是，集流体越薄，箔材的抗拉强度越低，涂布以及辊压工序易褶皱断带，能承受的极片压实密度无法提高，锂电池能量密度无法提升。上述提出的现有技术也存在有对应的缺陷，如涂炭集流体虽能提高活性材料和集流体的粘结附着力，但本身成本高，相较于光箔增加了涂炭层成本，同时涂炭表面涂层厚度通常为微米级，涂层厚度不可忽略。再如微孔集流体经过打孔处理后力学性能下降，抗拉强度明显降低，在涂布辊压工序容易断带。再如毛化集流体化学腐蚀操作复杂，清洗不干净，箔材表面容易引入杂质，机械加工多为激光毛化，成本高。
有鉴于此，特提出本实用新型。
实用新型内容
本实用新型的第一目的在于提供一种集流体；所述集流体表面同时分布有凹陷和通孔，通孔分布在两侧边缘而凹坑分布在中间，同时具备毛化集流体和微孔集流体的特点，增加涂覆量的同时提高活性层结合力，增加集流体与活性材料的接触面积，降低粘结剂含量，提高循环性能。
本实用新型的第二目的在于提供一种电池，优选为锂离子电池，包括有上述第一目的中的所述集流体。
为了实现本实用新型的上述目的，特采用以下技术方案：
一种集流体，其表面设置有第一区域和第二区域；所述第二区域至少部分地被所述第一区域包围；其中，所述第一区域设置有若干贯穿所述集流体的通孔结构，所述第二区域设置有若干凹陷结构。
优选地，所述第一区域和所述第二区域的面积比为(40％～60％)：(40％～60％)。
优选地，在所述第一区域中，所述通孔结构的孔洞直径为90μm～180μm，或者，所述通孔结构的外切圆的直径为90μm～180μm。
优选地，在所述第二区域中，所述凹陷结构为圆形或椭圆形；所述凹陷结构的凹坑直径为30μm～60μm，所述凹陷结构的凹坑深度为0.5μm～1.5μm。
优选地，所述第二区域的正面和背面同时具有所述凹陷结构，且正面的凹陷结构和背面的凹陷结构在水平面的投影中不重合。
优选地，所述通孔结构和所述凹陷结构为点阵式排列；具体地，相邻的所述通孔结构的距离为250μm～600μm；或者，相邻的所述凹陷结构的距离为250μm～600μm。
更优选地，在所述集流体的长边方向上，相邻的所述通孔结构的距离为250μm～300μm，或者，相邻的所述凹陷结构的距离为250μm～300μm。
更优选地，在所述集流体的短边方向上，相邻的所述通孔结构的距离为400μm～600μm，或者，相邻的所述凹陷结构的距离为400μm～600μm。
优选地，所述集流体为长方形金属箔片；其中，当所述集流体为铜箔时，厚度为6μm～10μm；当所述集流体为铝箔时，厚度为12μm～15μm。
优选地，在所述集流体的短边方向上设置有两个不相邻的所述第一区域，所述第二区域设置于两个所述第一区域的中间；其中，两个所述第一区域的面积比为1：(0.5～2)。
优选地，所述第一区域环绕于全部或部分的所述第二区域。
一种电池，其内部设置有所述的集流体。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：
(1)本实用新型所提供的集流体同时具备毛化集流体和微孔集流体的优势，通过增加所负载的活性物质的含量、降低粘接剂的含量，以实现提高电池的能量密度。
(2)本实用新型所提供的集流体具有凹陷和通孔结构特点，可保证正负极浆料能均匀涂覆于表面且不渗漏，能够增加集流体与活性材料的接触面积，即使粘接剂含量降低，也能够在增加涂覆量的同时提高活性层结合力，进而降低接触电阻，提高循环性能。
(3)本实用新型所提供的集流体抗拉延伸性能均满足锂电池工艺制作要求，相较于涂炭集流体或其他改性集流体，成本更低廉，在锂电池提升能量密度方面发挥作用更大。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型提供的一种表面分布示意图，包括图1(a)、图1(b)和图1(c)；
图2为本实用新型提供的一种表面分布示意图，包括图2(d)、图2(e)和图2(f)；
图3为本实用新型提供的一种表面分布示意图，包括图3(g)、图3(h)和图3(i)；
图4为本实用新型提供的一种表面分布示意图，包括图4(j)、图4(k)和图4(l)；
图5为本实用新型实施例提供的表面分布俯视示意图；
图6为本实用新型实施例的充电情况下电阻性能测试图；
图7为本实用新型实施例的放电情况下电阻性能测试图；
图8为本实用新型实施例的循环性能测试图。
附图标记：
100-第一区域；
200-第二区域；
101-通孔结构；
201-凹陷结构。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本实用新型，而不应视为限制本实用新型的范围。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
本实用新型是通过如下技术方案实现的：一种集流体，其表面设置有第一区域100和第二区域200；所述第二区域200至少部分地被所述第一区域100包围；其中，所述第一区域100设置有若干贯穿所述集流体的通孔结构101，所述第二区域200设置有若干凹陷结构201。
本实用新型中关于所述第一区域100和所述第二区域200大体上存在如下两种位置关系：作为第一种优选的实施方式，在所述集流体的短边方向上设置有两个不相邻的所述第一区域100，所述第二区域200设置于两个所述第一区域100的中间；作为第二种优选的实施方式，所述第一区域100环绕于全部或部分地所述第二区域200。
在本实用新型给出了如图1、图2、图3、图4所示的若干种构型关系对所述第一区域100和所述第二区域200的位置进行说明；但需要注意的是，图1、图2、图3、图4仅仅是列举了一些典型的位置关系，并不代表本实用新型能够实施的全部的位置关系。
图1和图2对应于第一种优选的实施方式的位置关系；如图所示，存在有两个不相邻的所述第一区域100并设置于所述第二区域200的左右两侧，所述第一区域100和所述第二区域200的形状并不受限制，可以是如图1(a)所示的三角形，或是如图1(b)、图1(c)所示的四边形，也可以采用如图2(d)所示的折线，或是如图2(e)所示的曲线等不规则线条作为所述第一区域100和所述第二区域200的边界线。此外，在第一种优选的实施方式中，两个不相邻的所述第一区域100的形状或是面积不必要保持完全相同，如图2(f)所示。
在第一种优选的实施方式中，作为一种更优选的实施方式，两个所述第一区域100的面积比为1：(2～3)；即对于两个所述第一区域100存在一个较大和一个较小的区域，二者的面积比在1：2～1：3之间。
图3对应于第二种优选的实施方式的位置关系；如图3所示，仅存有一个所述第一区域100和一个所述第二区域200；如图3(g)、图3(i)所示，所述第一区域100全部地包围所述第二区域200，或是如图3(h)所示，所述第一区域100部分地包围所述第二区域200。同样地，所述第一区域100和所述第二区域200的形状并不受限制，所述第一区域100的形状受集流体外形和所述第二区域200的形状的影响而变化，而所述第二区域200的形状包括但不限于圆形、方形、多边形，或是任何不规则线条所构成的封闭式区域。
图4同样对应于第二种优选的实施方式的位置关系；如图4所示，仅存有一个所述第一区域100，但是如图4(j)所示，可以存在有多个所述第二区域200，且所述第一区域100和所述第二区域200可以是全部或部分包围的，也可以如图4(k)所示，同时存在有全部和部分包围的情况；在这种实施方式时，所述第二区域200的数量不受限制，数量≥2即可；同样地，所述第一区域100和所述第二区域200的形状并不受限制，所述第一区域100的形状受集流体外形和所述第二区域200的形状的影响而变化，而所述第二区域200的形状包括但不限于圆形、方形、多边形，或是任何不规则线条所构成的封闭式区域，且多个所述第二区域200的外形也不必是相同的，如图4(l)所示，多个所述第二区域200可以独立地选择外形。
尽管存在诸多如上列举的形状外观分布，但是，所述第一区域100和所述第二区域200的面积比应当是恒定的；当存在有多个所述第一区域100和所述第二区域200时，应当以各区域的面积和进行统计计算；作为一种优选的实施方式，所述第一区域100和所述第二区域200的面积比为(40％～60％)：(40％～60％)。
作为一种更优选的实施方式，综合考虑集流体在电池中的电性能和制备工艺的复杂程度，采用如图1(b)所示的形状外观；即：在集流体的短边方向上依次存在有第一区域100、第二区域200和第一区域100，各区域均为长方形；两个所述第一区域100完全相同，分别占集流体短边长度的20％～30％，所述第二区域200占集流体短边长度的40％～60％。
本实用新型兼具毛化集流体(凹凸结构)和微孔集流体(通孔结构101)的特征，第一区域100对应于通孔结构101，第二区域200对应于凹陷结构201。
作为一种优选的实施方式，所述通孔结构101具有如下特征：所述通孔结构101的孔洞直径或是所述通孔结构101的外切圆的直径为90μm～180μm，包括但不限于90、100、110、120、130、140、150、160、170、180(μm)中的任意一种或任意两种构成的数值区间。
作为一种优选的实施方式，所述凹陷结构201具有如下特征：所述凹陷结构201为圆形或椭圆形；所述凹陷结构201的凹坑直径为30μm～60μm，包括但不限于30、35、40、45、50、55、60(μm)中的任意一种或任意两种构成的数值区间；所述凹陷结构201的凹坑深度为0.5μm～1.5μm，包括但不限于0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5(μm)中的任意一种或任意两种构成的数值区间。
作为一种优选的实施方式，所述第二区域200的正面和背面同时具有所述凹陷结构201，且正面的凹陷结构201和背面的凹陷结构201在水平面的投影中不重合；通过采用双面的毛化能够进一步增大导电涂层与集流体材料的接触面积，在当集流体的双面均涂布有活性材料时具有更好的平衡性，增强导电涂层的附着效果。
作为一种优选的实施方式，所述通孔结构101和所述凹陷结构201为点阵式排列；具体地，相邻的所述通孔结构101的距离为250μm～600μm，包括但不限于250、260、270、280、290、300、350、400、425、450、475、500、525、550、575、600(μm)中的任意一种或任意两种构成的数值区间；或者，相邻的所述凹陷结构201的距离为250μm～600μm，包括但不限于250、260、270、280、290、300、350、400、425、450、475、500、525、550、575、600(μm)中的任意一种或任意两种构成的数值区间。
需要注意的是，所述凹陷结构201的间距指的是：在针对正面或背面的其中一面中的凹陷结构201中，任意两个最为邻近的凹陷结构201之间的距离；在以下更优选的实施方式中所给出的距离也是同理。即：当所述第二区域的正面和背面同时具有所述凹陷结构201时，在所述集流体的正面或是背面，相邻的所述凹陷结构201的距离为250μm～600μm。
还需要注意的是，所述通孔结构101的距离和所述凹陷结构201的距离指的是：相邻的两个所述通孔结构101的边缘之间的距离，或是，相邻的两个所述凹陷结构201的边缘之间的距离，而并非指：所述通孔结构101或是所述凹陷结构201的中心之间的距离；在以下更优选的实施方式中所给出的距离也是同理。
作为一种更优选的实施方式，在所述集流体的长边方向上，相邻的所述通孔结构101的距离为250μm～300μm，或者，相邻的所述凹陷结构201的距离为250μm～300μm；在所述集流体的短边方向上，相邻的所述通孔结构101的距离为400μm～600μm，或者，相邻的所述凹陷结构201的距离为400μm～600μm。
作为一种优选的实施方式，所述集流体为长方形金属箔片；其中，当所述集流体为铜箔时，厚度为6μm～10μm；当所述集流体为铝箔时，厚度为12μm～15μm；当采用其他材质的集流体时，依据材质特性适应性地调整厚度范围。
一种电池，设置有正极、负极、电解液或隔膜等基础的元件；其中，正负电极内采用本实用新型所述的集流体作为汇集电流的元件；对于正负极活性材料、电解液等，本实用新型不对其进行限制。
对于本实用新型中所述的集流体的制备方法，表面凹陷结构201和微孔结构均通过辊压转印一次成型，无需增加额外打孔或凹坑设备，并且保持了箔材本身的物理机化学性能不变，且有较高的抗拉和延展性能；制备工艺简单，且易于批量化生产。
实施例1
一种铜箔集流体，长度为500mm，宽度为500mm。如图5所示提供了该集流体的俯视示意图，厚度为6μm。本实施例的铜箔集流体的上部、中部、下部依次分布有若干的通孔结构、凹陷结构和通孔结构；且正面与背面均设置有凹陷结构，在图5中横向、纵向均为相邻的通孔并不同面。在集流体的长边方向上，通孔和凹陷的间距为500μm；在集流体的短边方向上，通孔和凹陷间距为250μm。上部的通孔区域的宽度、中部的凹陷区域的宽度和下部的通孔区域的宽度之比为25％：50％：25％。凹陷结构的深度均为1μm，最大孔径均为50μm，圆形的通孔结构的孔径为120μm。
测试本实施例的铜箔集流体的理化性能，与无表面处理的铜质光箔进行对比，结果如下表1所示。经过处理的铜箔面密度基本没影响，延伸率降低了0.5％，抗拉强度降低2.7％，粗糙度提升6倍。
表1
| 性能 | 实施例1 | 光箔 |
| 面密度g/m2 | 53.2 | 53.4 |
| 抗拉强度MPa | 358 | 368 |
| 延伸率％ | 4.7 | 5.2 |
| 粗糙度Raμm | 1.3 | 0.2 |
实施例2
与实施例1基本相同，区别仅在于：本实施例采用厚度为12μm的铝箔基底作为集流体。
测试本实施例的铝箔集流体的理化性能，与无表面处理的铝质光箔进行对比，结果如下表2所示。经过处理的铝箔面密度基本没影响，延伸率降低了1.4％，抗拉强度降低6.3％，粗糙度提升6倍。
表2
| 性能 | 实施例2 | 光箔 |
| 面密度g/m2 | 32.5 | 32.8 |
| 抗拉强度MPa | 238 | 254 |
| 延伸率％ | 2.7 | 4.1 |
| 粗糙度Raμm | 1.2 | 0.2 |
试验例
(1)正极片的制备
将镍钴锰酸锂材料、导电剂(SP)和粘结剂(PVDF)按质量比96.3：2.5：1.2，充分混合均匀后得到混合浆料，将此浆料通过挤压涂布均匀涂布在光铝箔和实施例2的加工铝箔上，经烘干辊压后，模切并分别得到第一正极片和第二正极片。
(2)负极片的制备
将石墨、导电剂(SP)、分散剂(CMC)和粘结剂(SBR)按质量比95.5：1：0.4：3.1，充分混合均匀后得到混合浆料，浆料通过挤压涂布均匀涂布在光铜箔和实施例1的加工铜箔上，经烘干辊压后，模切并分别得到第一负极片和第二负极片。
另外，将石墨、导电剂(SP)、分散剂(CMC)和粘结剂(SBR)按质量比95.8：1：0.4：2.8，充分混合均匀后得到混合浆料，浆料通过挤压涂布均匀涂布在实施例1的加工铜箔上，经烘干辊压后，模切得到第三负极片。
(3)锂离子电池组装
将第一负极片与第一正极片叠片后焊接入壳、注液、封装制备成普通铜铝箔型软包电池。
将第二负极片与第二正极片叠片后焊接入壳、注液、封装制备成加工铜铝箔型软包电池。
将第三负极片与第二正极片叠片后焊接入壳、注液、封装制备成加工铜铝箔(降0.3％)型软包电池。
对得到的三个软包电池进行测试，制备得到的锂离子电池的常温交流内阻如图6、图7所示，试验证明，相同的正负极、电解液的化学体系下，50％荷电状态(SOC)下采用加工集流体的电芯比采用普通集流体的电芯充电电阻(DCR)降低4％，放电电阻(DCR)降低3.8％，降低粘结剂的电芯较参比充电电阻(DCR)降低7.6％，放电电阻(DCR)降低8.2％。
另外对得到的三个软包电池进行测试，在2.7V～4.5V的电压窗口下进行充放电循环，在100圈循环结束后，测试结果如图8所示；由上至下依次对应加工铜铝箔(降0.3％)型软包电池、加工铜铝箔型软包电池和普通铜铝箔型软包电池，三者的容量保持率分别为99.32％、97.5％、96.2％，可见本实用新型的集流体提高了循环性能，同时可降低粘结剂含量，提高能量密度。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本实用新型，然而应意识到，以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：在不背离本实用新型的精神和范围的情况下，可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部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范围；因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本实用新型范围内的所有这些替换和修改。
Claims (10)
1.一种集流体，其特征在于，所述集流体的表面设置有第一区域和第二区域；所述第二区域至少部分地被所述第一区域包围；
其中，所述第一区域设置有若干贯穿所述集流体的通孔结构，所述第二区域设置有若干凹陷结构。
2.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述第一区域和所述第二区域的面积比为(40％～60％)：(40％～60％)。
3.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，在所述第一区域中，所述通孔结构的孔洞直径为90μm～180μm，或者，所述通孔结构的外切圆的直径为90μm～180μm。
4.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，在所述第二区域中，所述凹陷结构为圆形或椭圆形；
所述凹陷结构的凹坑直径为30μm～60μm，所述凹陷结构的凹坑深度为0.5μm～1.5μm。
5.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述第二区域的正面和背面同时具有所述凹陷结构，且正面的凹陷结构和背面的凹陷结构在水平面的投影中不重合。
6.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述通孔结构和所述凹陷结构为点阵式排列；
相邻的所述通孔结构的距离为250μm～600μm；或者，相邻的所述凹陷结构的距离为250μm～600μm。
7.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，在所述集流体的长边方向上，相邻的所述通孔结构的距离为250μm～300μm，或者，相邻的所述凹陷结构的距离为250μm～300μm；
在所述集流体的短边方向上，相邻的所述通孔结构的距离为400μm～600μm，或者，相邻的所述凹陷结构的距离为400μm～600μm。
8.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述集流体为长方形金属箔片；
其中，当所述集流体为铜箔时，厚度为6μm～10μm；当所述集流体为铝箔时，厚度为12μm～15μm。
9.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，在所述集流体的短边方向上设置有两个不相邻的所述第一区域，所述第二区域设置于两个所述第一区域的中间；其中，两个所述第一区域的面积比为1：(2～3)；
或者，所述第一区域环绕于全部或部分的所述第二区域。
10.一种电池，其特征在于，所述电池内设置有如权利要求1～9任一项所述的集流体。
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|---|---|---|---|
| CN202322511748.5U CN221057462U (zh) | 2023-09-14 | 2023-09-14 | 一种集流体和电池 |
Applications Claiming Priority (1)
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| Publication Number | Publication Date |
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Family Applications (1)
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| CN202322511748.5U Active CN221057462U (zh) | 2023-09-14 | 2023-09-14 | 一种集流体和电池 |
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- 2023-09-14 CN CN202322511748.5U patent/CN221057462U/zh active Active
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