TW202406204A - 複合集流體及其製備方法、電池 - Google Patents

Abstract

本發明揭露了一種複合集流體及其製備方法、電池，包括：基材層；複合層，複合層設於基材層的至少一個表面上，複合層包括：結合層，結合層附著於基材層的表面；導電層，導電層位於結合層的表面；阻隔層，阻隔層設於結合層與導電層之間，阻隔層的一側表面與結合層相連，阻隔層的另一側表面與導電層相連，阻隔層用於阻斷結合層與導電層發生反應。本發明透過在結合層與導電層之間設置阻隔層以阻斷結合層與阻隔層發生反應，可以避免結合層與基材層之間結合強度降低，有效防止結合層及導電層剝離，提高了複合集流體安全性和使用壽命。

Description

複合集流體及其製備方法、電池

本發明屬於複合集流體技術領域，具體涉及一種複合集流體及其製備方法、電池。

集流體是一種彙集電流的結構或零件，目前鋰離子電池上的集流體通常採用銅箔或鋁箔製作而成。而採用金屬材料製作集流體時，用到的原材料成本較高，製作的電池重量較重。目前現有技術開發出來了一種PET複合銅/鋁箔來替代傳統的銅箔或鋁箔。PET複合銅/鋁箔是在PET表面濺射一層結合層，然後在結合層表面加工出導電層，結合層主要作用是連接PET和導電層。然而由於電池在充放電時，溫度升高，加快了導電層與結合層的擴散反應，導致結合層與PET的結合力降低，最終導致導電層剝離，電池的安全性和可靠性變差，電池壽命變短。

本發明旨在至少解決現有技術中存在的技術問題之一。

為此，本發明提出一種複合集流體及其製備方法、電池，該複合集流體具有阻隔結合層與導電層進行擴散反應，以提升電池安全性和使用壽命的優點。

根據本發明實施例的複合集流體，包括：基材層；複合層，所述複合層設於所述基材層的至少一個表面上，所述複合層包括：結合層，所述結合層附著於所述基材層的表面；導電層，所述導電層位於所述結合層的表面；阻隔層，所述阻隔層設於所述結合層與所述導電層之間，所述阻隔層的一側表面與所述結合層相連，所述阻隔層的另一側表面與所述導電層相連，所述阻隔層用於阻斷所述結合層與所述導電層發生反應。

根據本發明一個實施例，所述阻隔層為銅、鋁、鉻、錫、鈷、鎢、鋅、鎳的金屬及其合金中的至少一種。

根據本發明一個實施例，所述阻隔層的厚度為2至50奈米。

根據本發明一個實施例，所述基材層為PET、PP、PI、PC、PMMA中的一種，所述基材層的厚度為2至15微米。

根據本發明一個實施例，所述結合層為銅、鋁、鉻、鈦、釩、鈮、鈷、鎢、鉬、鋅、鎳的金屬及其合金中的至少一種，所述結合層的厚度為2至50奈米。

根據本發明一個實施例，所述導電層為銅、鋁、鋰、金、銀、鈦、鉬、鋅、鎳中的至少一種。

根據本發明一個實施例，所述阻隔層的材料與所述導電層的材料不同。

根據本發明一個實施例，所述導電層的外表面還設置有耐候層，所述耐候層為銅、鋁、鋰、金、銀、鈦、鉻、錫、鈷、鎢、鉬、鋅、鎳的金屬，及其合金，及其金屬氧化物，及有機抗氧化劑中的至少一種，所述耐候層的厚度為2至100奈米。

根據本發明一個實施例，所述複合集流體的製備方法，包括以下步驟，S1：在基材層上濺射出結合層；S2：在結合層上濺射出阻隔層；S3：在阻隔層上濺射加工出種子層；S4：在種子層上加工出金屬層，金屬層與種子層構成導電層；S5：在金屬層表面加工出耐候層。

根據本發明一個實施例，在S4中金屬層的加工方式為電鍍或蒸鍍，在S5中，耐候層的加工方式為電鍍、藥液化學反應或塗覆。

根據本發明一個實施例，所述金屬層的材料與所述種子層的材料相同，所述種子層的厚度為2至200奈米，所述金屬層的厚度為0.5至5微米。

根據本發明一個實施例，一種電池，包括所述的複合集流體。

本發明的有益效果是，本發明透過在結合層與導電層之間設置阻隔層以阻斷結合層與阻隔層發生反應，可以避免結合層與基材層之間結合強度降低，有效防止結合層和導電層剝離，提高了複合集流體安全性和使用壽命，本發明利用濺射的方式在基材層上依次加工結合層和阻隔層，濺射加工方式使得各層之間結合強度高。

本發明的其他特徵和優點將在隨後的說明書中闡述，並且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者透過實施本發明而瞭解。本發明的目的和其他優點在說明書以及圖式中所特別指出的結構來實現和獲得。

為使本發明的上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示意在圖式中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面透過參考圖式描述的實施例是示意性的，僅用於解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。

在本發明的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“長度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“後”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內”、“外”、“順時針”、“逆時針”、“軸向”、“徑向”、“周向”等指示的方位或位置關係為基於圖式所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特徵可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特徵。在本發明的描述中，除非另有說明，“多個”的含義是兩個或兩個以上。

在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電性連接；可以是直接相連，也可以透過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域中具有通常知識者而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

下面參考圖式具體描述根據本發明實施例的複合集流體。

如圖1所示，根據本發明實施例的複合集流體，包括：基材層10和複合層20，複合層20設於基材層10的至少一個表面上，複合層20包括：結合層30、導電層50和阻隔層40，結合層30附著於基材層10的表面；導電層50位於結合層30的表面；阻隔層40設於結合層30與導電層50之間，阻隔層40的一側表面與結合層30相連，阻隔層40的另一側表面與導電層50相連，阻隔層40用於阻斷結合層30與導電層50發生反應。

根據本發明一個實施例，阻隔層40為銅、鋁、鉻、錫、鈷、鎢、鋅、鎳的金屬及其合金中的至少一種。進一步地，阻隔層40的厚度為2至50奈米。也就是說，阻隔層40可以是銅、鋁、鉻、錫、鈷、鎢、鋅、鎳、銅合金、鋁合金、鉻合金、錫合金、鈷合金、鎢合金、鋅合金、鎳合金中的任意一種或多種。阻隔層40優選為合金材料，合金相較於單純的金屬而言，更加不易與其他金屬發生反應，阻隔的效果更好。

根據本發明一個實施例，基材層10為PET、PP、PI、PC、PMMA中的一種，基材層10的厚度為2至15微米。也就是說，相較於傳統銅箔或鋁箔而言，將基材層10由金屬替換為非金屬材料，使得整個複合集流體的重量和厚度得到大幅度降低。

根據本發明一個實施例，結合層30為銅、鋁、鉻、鈦、釩、鈮、鈷、鎢、鉬、鋅、鎳的金屬及其合金中的至少一種，結合層30的厚度為2至50奈米。基材層10為非金屬材料，而導電層50為金屬材料，為了使金屬材料能夠固定在非金屬材料上，先設置結合層30，使基材層10的表面金屬化，從而便於在基材層10上加工出其他金屬層。

優選地，阻隔層40的材料與導電層50的材料不同。阻隔層40與導電層50的材料不同時，阻隔層40的阻隔效果較好，進一步地，阻隔層40為合金時，阻隔效果最優。

根據本發明一個實施例，導電層50為銅、鋁、鋰、金、銀、鈦、鉬、鋅、鎳中的至少一種。導電層50優選為單種金屬，導電效果較好。不同電池所優選的導電層50的材料不同，對於鋰電池而言，複合集流體用於負極時導電層50通常為銅，複合集流體用於正極時導電層50通常為鋁。

根據本發明一個實施例，導電層50的外表面還設置有耐候層60，耐候層60為銅、鋁、金、銀、鈦、鉻、錫、鈷、鎢、鉬、鋅、鎳的金屬，及其合金，及其金屬氧化物，及抗氧化劑中的至少一種，耐候層60的厚度為2至100奈米。

換言之，耐候層60主要作用是對導電層50進行保護，避免受到腐蝕，耐候層60可以是銅、鋁、鋰、金、銀、鈦、鉻、錫、鈷、鎢、鉬、鋅、鎳、銅合金、鋁合金、鋰合金、金合金、銀合金、鈦合金、鉻合金、錫合金、鈷合金、鎢合金、鉬合金、鋅合金、鎳合金、銅的金屬氧化物、鋁的金屬氧化物、鋰的金屬氧化物、金的金屬氧化物、銀的金屬氧化物、鈦的金屬氧化物、鉻的金屬氧化物、錫的金屬氧化物、鈷的金屬氧化物、鎢的金屬氧化物、鉬的金屬氧化物、鋅的金屬氧化物、鎳的金屬氧化物、具有導電性的有機抗氧化劑中的至少一種。

本發明還公開了一種複合集流體的製備方法，包括以下步驟，S1：在基材層10上濺射出結合層30；S2：在結合層30上濺射出阻隔層40；S3：在阻隔層40上濺射加工出種子層501；S4：在種子層501上加工出金屬層502，金屬層502與種子層501構成導電層50；S5：在金屬層502表面加工出耐候層60。進一步地，在S4中，金屬層502的加工方式為電鍍或蒸鍍，在S5中，耐候層60的加工方式為電鍍、藥液化學反應或塗覆。更進一步地，金屬層502的材料與種子層501的材料相同，種子層501的厚度為2至200奈米，金屬層502的厚度為0.5至5微米。也就是說，導電層50包括種子層501和金屬層502，種子層501的作用是提高阻隔層40表面導電性，提高了電鍍效果，使得金屬層502能夠被迅速電鍍上。

本發明還公開了一種電池，包括上述的複合集流體。將上述的複合集流體運用於電池中，極大地減輕了電池的重量，增加了電池的電性能。

本發明透過在結合層30與導電層50之間設置阻隔層40以阻斷結合層30與阻隔層40發生反應，可以避免結合層30與基材層10之間結合強度降低，有效防止結合層30和導電層50剝離，提高了複合集流體安全性和使用壽命，本發明利用濺射的方式在基材層10上依次加工結合層30和阻隔層40，濺射加工方式使得各層之間結合強度高。

對比例1

基材層10為4.5微米厚的PET，導電層50為1微米厚的銅，導電層50直接設置在基材層10上。

對比例2

基材層10為4.5微米厚的PET，結合層30為20奈米厚的鉻，導電層50為1微米厚的銅，對比例2相較於對比例1增加了結合層30。

實施例1

基材層10為4.5微米厚的PET，結合層30為20奈米厚的鉻，阻隔層40為15奈米厚的Ni80Cr20，導電層50為1微米厚的銅。實施例1相較於對比例2增加了阻隔層40。加工時濺射機的參數為：輸送速度為2m/min，結合層30的濺射功率為4KW，阻隔層40的濺射功率為3KW，種子層501的濺射功率為3KW且種子層501進行6次濺射。Ni80Cr20是電阻電熱合金，此類合金組織穩定，電氣物理特性穩定、高溫力學性能好，冷變形塑性好，焊接性好，長期使用不會產生脆性斷裂。

其中，對比例1、對比例2和實施例1中的基材層10和導電層50相同，對比例2和實施例1中的結合層30相同。根據IPC-TM-650 2.4.8中的測試方法對對比例1、對比例2和實施例1進行剝離強度測試（需要注意的是，由於本發明的複合集流體厚度較薄，無法直接在對比例1、對比例2和實施例1上進行測試，因此在測試前需將導電層50增厚到一定厚度後再進行測試），得到對比例1的剝離強度為0.2至0.4kgf/cm；對比例2的剝離強度為0.4至0.7kgf/cm；實施例1的剝離強度為0.5至0.8kgf/cm。分別將對比例1、對比例2和實施例1模擬電池使用環境，在70°C的溫度下經過500h的時間後，再測試剝離強度，得到對比例1的剝離強度＜0.2kgf/cm；對比例2的剝離強度為0.2至0.4kgf/cm；實施例1的剝離強度為0.4至0.7kgf/cm。由此可知，經過測試後，導電層50與結合層30相連的部分會發生擴散反應，使得結合層30與基材層10連接強度降低，在加入阻隔層40後，有效避免了導電層50與結合層30發生反應。本申請透過在結合層30與導電層50之間設置阻隔層40，有效提升了整個複合層20與基材層10的連接強度，提升了複合集流體的使用壽命。

在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示意性實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。

儘管已經示出和描述了本發明的實施例，本領域具有通常知識者可以理解：在不脫離本發明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的範圍由請求項及其等同物限定。

10:基材層 20:複合層 30:結合層 40:阻隔層 50:導電層 60:耐候層 501:種子層 502:金屬層

圖1是根據本發明實施例的複合集流體的截面示意圖。

10:基材層

20:複合層

30:結合層

40:阻隔層

50:導電層

60:耐候層

501:種子層

502:金屬層

Claims (10)

1. 一種複合集流體，包括： 一基材層（10）； 一複合層（20），該複合層（20）設於該基材層（10）的至少一個表面上，該複合層（20）包括： 一結合層（30），該結合層（30）附著於該基材層（10）的表面； 一導電層（50），該導電層（50）位於該結合層（30）的表面； 一阻隔層（40），該阻隔層（40）設於該結合層（30）與該導電層（50）之間，該阻隔層（40）的一側表面與該結合層（30）相連，該阻隔層（40）的另一側表面與該導電層（50）相連，該阻隔層（40）用於阻斷該結合層（30）與該導電層（50）發生反應。
2. 如請求項1所述的複合集流體，其中，該阻隔層（40）為銅、鋁、鉻、錫、鈷、鎢、鋅、鎳的金屬及其合金中的至少一種。
3. 如請求項1所述的複合集流體，其中，該阻隔層（40）的厚度2至50奈米。
4. 如請求項1所述的複合集流體，其中，該基材層（10）為PET、PP、PI、PC、PMMA中的一種，該基材層（10）的厚度為2至15微米。
5. 如請求項1所述的複合集流體，其中，該結合層（30）為銅、鋁、鉻、鈦、釩、鈮、鈷、鎢、鉬、鋅、鎳的金屬及其合金中的至少一種，該結合層（30）的厚度為2至50奈米。
6. 如請求項2所述的複合集流體，其中，該導電層（50）為銅、鋁、鋰、金、銀、鈦、鉬、鋅、鎳中的至少一種。
7. 如請求項6所述的複合集流體，其中，該阻隔層（40）的材料與該導電層（50）的材料不同。
8. 如請求項1所述的複合集流體，其中，該導電層（50）的外表面還設置有一耐候層（60），該耐候層（60）為銅、鋁、鋰，金、銀、鈦、鉻、錫、鈷、鎢、鉬、鋅、鎳的金屬，及其合金，及其金屬氧化物，及有機抗氧化劑中的至少一種，該耐候層（60）的厚度為2至100奈米。
9. 如請求項1至請求項8任一項所述的複合集流體的製備方法，其中，包括以下步驟： S1：在一基材層（10）上濺射出一結合層（30）； S2：在該結合層（30）上濺射出一阻隔層（40）； S3：在該阻隔層（40）上濺射加工出一種子層（501）； S4：在該種子層（501）上加工出一金屬層（502），該金屬層（502）與該種子層（501）構成一導電層（50）； S5：在該金屬層（502）表面加工出一耐候層（60）；在S4中，該金屬層（502）的加工方式為電鍍或蒸鍍，在S5中，該耐候層（60）的加工方式為電鍍、藥液化學反應、塗覆中的一種，該金屬層（502）的材料與該種子層（501）的材料相同，該種子層（501）的厚度為2至200奈米，該金屬層（502）的厚度為0.5至5微米。
10. 一種電池，其中，包括如請求項1至請求項8中任一項所述的複合集流體。