TW201403932A - 集流體、 鋰離子電池電極及鋰離子電池 - Google Patents

Abstract

本發明涉及一種應用於電池中的集流體，其包括一石墨烯膜及一支撐結構，該石墨烯膜設置於該支撐結構的表面，所述石墨烯膜包括至少一層石墨烯。本發明進一步提供一種應用該集流體的鋰離子電池電極及鋰離子電池。

Description

集流體、 鋰離子電池電極及鋰離子電池

本發明涉及一種集流體，使用該集流體的鋰離子電池電極及鋰離子電池。

先前的鋰離子電池可分為捲繞式及層疊式兩類，其包括外殼體、封裝於外殼體內的正極片、負極片、隔膜及電解液。該隔膜設置於正極片與負極片之間。該電解液充分浸潤正極片、負極片及隔膜。所述正極片包括一正極集流體及形成於該正極集流體表面的正極材料層。所述負極片包括一負極集流體及形成於該負極集流體表面的負極材料層。

電池中的集流體係用於彙集電流的結構。集流體的功用主要係將電池活性物質產生的電流彙集起來以便形成較大的電流對外輸出，因此集流體應與活性物質充分接觸，並且內阻應盡可能小為佳。先前的鋰離子電池中，集流體通常採用金屬薄片，如銅箔、鋁箔。然而，這些金屬薄片一般具有較大的重量，從而使鋰離子電池的能量密度較小；同時，由於金屬材料易被腐蝕，進一步影響了鋰離子電池的使用壽命。

有鑒於此，確有必要提供一種密度較小、不易被腐蝕的集流體及應用該集流體的鋰離子電池電極和鋰離子電池。

一種應用於電池中的集流體，其包括一石墨烯膜及一支撐結構，該石墨烯膜設置於該支撐結構的表面，所述石墨烯膜包括至少一層石墨烯。

一種鋰離子電池電極，其包括一電極材料層及一集流體層疊設置，其中，該集流體包括一石墨烯膜及一支撐結構，該石墨烯膜設置於該支撐結構表面，該石墨烯膜與該電極材料層相互接觸。

相較於先前技術，所述集流體由石墨烯膜和支撐體組成，石墨烯膜的密度較小，因此，集流體的重量較小，同時，由於石墨烯膜的化學穩定性高，不易被腐蝕，因此，集流體不易被破壞。使用該集流體的鋰離子電池電極和鋰離子電池具有較高的能量密度和較長的使用壽命。

下面將結合附圖及具體實施例對本發明提供的集流體及應用該集流體的鋰離子電池作進一步的詳細說明。

請參閱圖1，本發明第一實施例提供一種集流體100，其包括一支撐結構102一石墨烯膜104。所述石墨烯膜104設置於支撐結構102的一個表面。集流體100可以由石墨烯膜104和支撐結構102組成。

所述支撐結構102用於支撐石墨烯膜104。該支撐結構102的材料為密度較小且具有較強抗腐蝕能力的材料，如高分子材料、陶瓷或玻璃。所述支撐結構102可以為一層狀結構，所述支撐結構102的厚度優選為1微米至1毫米。

所述石墨烯膜104為一個二維結構的具有一定面積的膜結構。該石墨烯膜104的厚度為10奈米至10微米。該石墨烯膜104包括至少一層石墨烯。所述石墨烯膜104係由石墨烯組成。當石墨烯膜104包括多層石墨烯時，該多層石墨烯可以相互搭接形成石墨烯膜104，以使石墨烯膜104具有更大的面積；或者該多層石墨烯可以相互疊加形成石墨烯膜104，以使石墨烯膜104的厚度增加。優選地，該石墨烯膜104為一單層石墨烯。所述石墨烯為由複數個碳原子通過sp²鍵雜化構成的單層的二維平面結構。該石墨烯的厚度可以為單層碳原子的厚度。所述石墨烯膜104為一自支撐結構，所述自支撐為石墨烯膜104不需要大面積的載體支撐，而只要相對兩邊提供支撐力即能整體上懸空而保持自身膜狀狀態，即將該石墨烯膜104置於（或固定於）間隔一固定距離設置的兩個支撐體上時，位於兩個支撐體之間的石墨烯膜104能夠懸空保持自身膜狀狀態。

石墨烯膜104可以通過黏結劑固定於支撐結構102的表面。當支撐結構102的材料為高分子材料時，石墨烯膜104可以通過熱壓的方式固定於支撐結構102的表面。

所述集流體100進一步包括一極耳（圖未示），該極耳與石墨烯膜104電連接。所述極耳的材料為導電材料，可以為金屬。為防止極耳被電解液腐蝕，在極耳與石墨烯膜104電連接之後，可以在極耳表面塗覆一層保護層，保護層的材料可以為絕緣材料，如高分子材料。

本發明所提供的集流體100包括石墨烯膜104和支撐結構102，支撐結構102的材料為密度小、抗腐蝕性能好的材料，石墨烯膜中的石墨烯密度較小且化學性能穩定，因此，集流體的重量較小，且集流體100不易被腐蝕，具有較長的使用壽命。

請參見圖2，本發明第二實施例提供一種集流體200，其包括一支撐結構202及一第一石墨烯膜204a及一第二石墨烯膜204b。所述第一石墨烯膜204a和第二石墨烯膜204b分別設置於該支撐結構202的兩個相對的表面上。所述第一石墨烯膜204a的結構與第一實施例揭示的石墨烯膜104的結構相同。所述第二石墨烯膜204b與第一實施例揭示的石墨烯膜104的結構相同。在同一集流體200中，所述第一石墨烯膜204a和第二石墨烯膜204b的結構可以相同，也可以不同。

所述集流體200進一步包括一極耳206，該極耳206與石墨烯膜電連接。具體地，極耳206包括兩個分支，第一分支206a和第二分支206b。第一分支206a和第一石墨烯膜204a電連接，電連接方式與第一實施例提供的極耳和石墨烯膜104的電連接方式相同。第二分支206b與第二石墨烯膜204b電連接，電連接方式與第一實施例提供的極耳和石墨烯膜104的電連接方式相同。

本實施例提供的集流體200的其他結構和性質與第一實施例提供的集流體100相同。

請參見圖3，本發明第三實施例提供一種集流體300，其包括一支撐結構302及一石墨烯膜304。該支撐結構302包括兩個相對的表面及一側面，該側面位於該兩個相對的表面之間。該石墨烯膜304彎折後設置於支撐結構302的兩個表面及位於該兩個表面之間的側面上，將支撐結構302半包圍，即，呈U字型。所述石墨烯膜304的結構與第一實施利提供的石墨烯膜104的結構相同。

所述集流體300進一步包括一極耳（圖未示）與石墨烯膜電連接。所述極耳與石墨烯膜304的電連接方式與第一實施例提供的集流體100中極耳與石墨烯膜104的電連接方式相同。

本實施例提供的集流體300的其他結構和性質與第一實施例提供的集流體100相同。

當第一至第三實施例中的集流體應用於鋰離子電池的電極上時，該鋰離子電池電極包括一電極材料層和該集流體層疊設置。該集流體中的石墨烯膜與該電極材料層相互接觸。當採用第一實施例提供的集流體100時，石墨烯膜104位於支撐結構102和電極材料層之間，石墨烯膜直接設置於電極材料層的表面。當採用第二或者第三實施例的集流體時，只要使該集流體設置於電極材料層的表面即可。

請參見圖4，本發明進一步提供一種應用上述集流體的的鋰離子電池10，其包括：一殼體12及置於殼體12內的鋰離子電池正極片14，負極片16，電解液18和隔膜20。鋰離子電池10中，電解液18置於殼體12內，正極片14、負極片16和隔膜20置於電解液18中，隔膜20置於正極片14與負極片16之間，正極片14與隔膜20之間以及負極片16與隔膜20之間均保持間隔。可以理解，雖然圖4僅示出一片正極片14及一片負極片16的結構，該鋰離子電池10可包括複數個正極片14與複數個負極片16交替層疊設置，每相鄰的正極片14與負極片16之間具有一隔膜。該正極片14和負極片16的數量不限，正極片14和負極片16可以分別為1層~100層或更多層，優選為20層~50層。

該正極片14包括一片狀的正極集流體142及形成於該正極集流體142表面的正極材料層144，即，正極集流體142和正極材料層144層疊設置。該正極材料層144包括均勻混和的正極活性物質、導電劑及黏結劑。該正極活性物質可以為錳酸鋰、鈷酸鋰、鎳酸鋰或磷酸鐵鋰等。該正極片14的整體厚度約為100微米~300微米，優選為200微米。該導電劑可以為乙炔黑、碳纖維或奈米碳管等，該黏結劑可以為聚偏氟乙烯(PVDF)或聚四氟乙烯(PTFE)等。所述正極材料層144還可以為由正極活性物質和奈米碳管組成，即，正極材料層144中不含有黏結劑。所述正極材料層144中還可以進一步含有其他導電顆粒，如炭黑顆粒或碳纖維等。本實施例中，所述正極材料層144由正極活性物質和複數個奈米碳管組成。請參見圖5及圖6，正極活性物質可以以正極活性物質顆粒144a的形式存在，奈米碳管144b均勻分佈。正極活性物質顆粒144a的形狀不限，正極活性物質顆粒144a的粒徑不限。優選地，正極活性物質顆粒144a的粒徑小於15微米。所述奈米碳管144b之間均相互纏繞或者通過凡得瓦力相互結合，從而構成一個整體的網路結構。正極活性物質顆粒144a分佈在奈米碳管144b組成的網路結構中，大部分正極活性物質顆粒144a與奈米碳管接觸。正極活性物質顆粒144a可以被奈米碳管黏附或者纏繞。奈米碳管144b不僅作為導電材料，也係作為多孔性載體。由於奈米碳管144b組成的網路結構為一多孔的結構，大部分正極活性物質顆粒144a被該網路結構所包圍和固定。該網路結構將正極活性物質顆粒144a包覆或纏繞，奈米碳管144b在作為導電劑的同時，可以起到黏合正極活性物質顆粒144a的作用。奈米碳管144b具有較長的長度，一般大於200微米，因此，奈米碳管144b可以相互纏繞形成網路結構。這樣，正極活性物質顆粒144a便可以通過奈米碳管144b固定於一體。因此，正極材料層144不需要黏結劑。由於正極材料層144無需黏結劑，正極活性材料的比重可以進一步提高，同時由於正極活性材料之間沒有絕緣物質的阻隔，電極材料層整體的導電性也會相應得到提高。且，由於黏結劑一般為有機物，對環境有污染，本實施例的正極材料層無需黏結劑，更加環保。

該負極片16包括一片狀的負極集流體162及形成於該負極集流體162表面的負極材料層164。正極片14的設有正極材料層144的正極集流體142表面與負極片16的設有負極材料層164的負極集流體162表面相向設置。該負極材料層164包括均勻混合的負極活性物質、導電劑及黏結劑。所述負極材料可包括鈦酸鋰、氧化矽、奈米矽顆粒及奈米合金中的一種或幾種。該負極片16的整體厚度約為50微米~200微米，優選為100微米。所述負極材料層164還可以為由負極活性物質和奈米碳管組成，即，負極材料層164中不含有黏結劑。所述負極材料層164中還可以進一步含有其他導電顆粒，如炭黑顆粒或碳纖維等。本實施例中，所述負極材料層164由負極活性物質和複數個奈米碳管組成。負極活性物質可以以負極活性物質顆粒的形式存在，奈米碳管均勻分佈。負極活性物質顆粒的形狀不限，負極活性物質顆粒的粒徑不限。優選地，負極活性物質顆粒的粒徑小於15微米。所述奈米碳管之間均相互纏繞或者通過凡得瓦力相互結合，從而構成一個整體的網路結構。負極活性物質顆粒分佈在奈米碳管組成的網路結構中，大部分負極活性物質顆粒與奈米碳管接觸。負極活性物質顆粒可以被奈米碳管黏附或者纏繞。由於奈米碳管組成的網路結構為一多孔的結構，大部分負極活性物質顆粒被該網路結構所包圍和固定。該網路結構將負極活性物質顆粒包覆或纏繞，奈米碳管在作為導電劑的同時，可以起到黏合負極活性物質顆粒的作用。因此，負極材料層164不需要黏結劑。

所述正極集流體142和負極集流體162中至少一個的結構採用第一至第三實施例中的一種集流體。本實施例中，正極集流體142和負極集流體162都採用第一至第三實施例中的一種或組合之集流體結構。

請參見圖7及圖8，在另一實施例中，當正極集流體142’和負極集流體162’均採用第二實施例或第三實施例提供的集流體時，該正極片14’具有兩個正極材料層144’分別形成在該正極集流體142’兩個相對表面，該負極片16’具有兩個負極材料層164’分別形成在該負極集流體162’兩個相對表面。將所述正極片14’與負極片16’層疊設置後，該正極材料層144’與負極材料層164’通過所述隔膜20間隔。正極集流體142’和負極集流體162’的極耳（圖未標）用於與鋰離子電池外部的電路電連接。當複數個正極片14’與複數個負極片16’交替層疊設置時，該複數個正極集流體142’的極耳相互電連接，該複數個負極集流體162’的極耳相互電連接，且該正極集流體142’的極耳與該負極集流體162’的極耳分開設置。

本實施例所提供的鋰離子電池的正極集流體或/和負極集流體採用第一至第三實施例中的集流體，因此，鋰離子電池的重量較輕且具有較長的使用壽命。

本發明所提供的集流體可以應用在任何需要使用集流體的電池中，並不限於鋰離子電池。本發明提供的集流體可以應用於鋰電池、鎳電池、太陽能電池等。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

100，200，300．．．集流體

102，202，302．．．支撐結構

104，304．．．石墨烯膜

204a．．．第一石墨烯膜

204b．．．第二石墨烯膜

206．．．極耳

206a．．．第一分支

206b．．．第二分支

10．．．鋰離子電池

14，14’．．．正極片

142，142’．．．正極集流體

144，144’．．．正極材料層

144a．．．正極活性物質顆粒

144b．．．奈米碳管

16，16’．．．負極片

162，162’．．．負極集流體

164，164’．．．負極材料層

18．．．電解液

20．．．隔膜

圖1為本發明第一實施例提供的集流體的側面示意圖。

圖2為本發明第二實施例提供的集流體的側面示意圖。

圖3為本發明第三實施例提供的集流體的側面示意圖。

圖4為本發明第四實施例提供的鋰離子電池的剖面示意圖。

圖5為本發明第四實施例中正極材料層的結構示意圖。

圖6為本發明第四實施例中正極材料層的掃描電鏡照片。

圖7為另一實施例中鋰離子電池正極的側視圖。

圖8為另一實施例中鋰離子電池負極的側視圖。

100．．．集流體

102．．．支撐結構

104．．．石墨烯膜

Claims (10)

1. 一種集流體，其包括一支撐結構，其改良在於，進一步包括至少一石墨烯膜設置於該支撐結構的表面，該石墨烯膜包括至少一石墨烯。
2. 如申請專利範圍第1項所述之集流體，其中，所述至少一石墨烯膜包括一第一石墨烯膜和一第二石墨烯膜分別設置於支撐結構的兩個相對的表面。
3. 如申請專利範圍第1項所述之集流體，其中，所述至少一石墨烯膜為一層石墨烯膜，所述支撐體包括兩個相對的表面及位於該表面之間的側面，該石墨烯膜彎折後設置於支撐結構的該兩個相對的表面上及側面上。
4. 如申請專利範圍第1項所述之集流體，其中，所述集流體由該支撐結構和該石墨烯膜組成。
5. 如申請專利範圍第1項所述之集流體，其中，所述石墨烯膜包括多層石墨烯，該多層石墨烯相互搭接或者相互疊加設置。
6. 如申請專利範圍第1項所述之集流體，其中，所述石墨烯膜為單層石墨烯。
7. 一種鋰離子電池電極，該鋰離子電池電極包括一電極材料層及一集流體，該電極材料層和該集流體層疊設置，其中，所述集流體採用如申請專利範圍第1-6所述之任意一集流體。
8. 如申請專利範圍第7項所述之鋰離子電池電極，其中，所述鋰離子電池電極為正極，該電極材料層由正極活性材料和複數個奈米碳管組成。
9. 如申請專利範圍第7項所述之鋰離子電池電極，其中，所述鋰離子電池電極為負極，該電極材料層由負極活性材料和複數個奈米碳管組成。
10. 一種鋰離子電池，該鋰離子電池包括一正極片及一負極片，所述正極片包括正極集流體，所述負極片包括負極集流體，其中，所述正極集流體和負極集流體中至少一個採用如申請專利範圍第1-6所述之任意一集流體。