TWI502798B - 集流體及鋰離子電池 - Google Patents

Description

集流體及鋰離子電池

本發明涉及一種鋰離子電池。

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，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實為必要。

一種應用於電池中的集流體，其包括一奈米碳管結構及一支撐結構，該奈米碳管結構設置於該支撐結構的表面，所述奈米碳管結構包括複數個均勻分佈的奈米碳管。

相較於先前技術，所述集流體由奈米碳管層和保護層組成，奈米碳管層中的奈米碳管密度較小，因此，集流體的重量較小，同時，由於奈米碳管化學穩定性高，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具有較高的能量密度和較長的使用壽命。

100，200，300‧‧‧集流體

102，202，302‧‧‧支撐結構

104，304‧‧‧奈米碳管層

204a‧‧‧第一奈米碳管層

204b‧‧‧第二奈米碳管層

106，206‧‧‧極耳

206a‧‧‧第一分支

206b‧‧‧第二分支

10‧‧‧鋰離子電池

14，14’‧‧‧正極

142，142’‧‧‧正極集流體

144，144’‧‧‧正極材料層

16，16’‧‧‧負極

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為圖1中集流體所採用的奈米碳管拉膜的掃描電鏡照片。

圖3為圖1中的集流體採用的奈米碳管層包括複數個沿同一方向延伸的奈米碳管時的結構的俯視圖。

圖4為圖1中的集流體採用的奈米碳管層包括複數個各向同性奈米碳管時的結構的俯視圖。

圖5為本發明第二實施例提供的集流體的側面示意圖。

圖6為本發明第三實施例提供的集流體的側面示意圖。

圖7為本發明實施例提供的鋰離子電池的剖面示意圖。

圖8為另一實施例中鋰離子電池正極的側視圖。

圖9為另一實施例中鋰離子電池負極的側視圖。

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及一奈米碳管層104。所述奈米碳管層104設置於支撐結構102的一個表面。集流體100可以由奈米碳管層104和支撐結構102組成。

所述支撐結構102用於支撐奈米碳管層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。

所述奈米碳管層104包括複數個均勻分佈的奈米碳管。該奈米碳管可以為單壁奈米碳管、雙壁奈米碳管、多壁奈米碳管中的一種或幾種。所述奈米碳管層104中的奈米碳管之間可以通過凡得瓦力緊密結合。該奈米碳管層104中的奈米碳管為無序或有序排列。這裏的無序排列指奈米碳管的排列方向無規律，這裏的有序排列指至少多數奈米碳管的排列方向具有一定規律。具體地，當奈米碳管層104包括無序排列的奈米碳管時，奈米碳管可以相互纏繞或者各向同性排列；當奈米碳管層104包括有序排列的奈米碳管時，奈米碳管沿一個方向或者複數個方向擇優取向排列。該奈米碳管層104的厚度不限，可以為0.5奈米~1釐米，優選地，該奈米碳管層104的厚度可以為1微米~1毫米。該奈米碳管層104進一步包括複數個微孔，該微孔由奈米碳管之間的間隙形成。所述奈米碳管層104中的微孔的孔徑可以小於等於50微米。所述奈米碳管層104可包括至少一層奈米碳管拉膜、奈米碳管絮化膜或奈米碳管碾壓膜。該奈米碳管層104也可以由一層或多層奈米碳管拉 膜、奈米碳管絮化膜或奈米碳管碾壓膜組成。

請參閱圖2，該奈米碳管拉膜包括複數個通過凡得瓦力相互連接的奈米碳管。奈米碳管拉膜可以為由奈米碳管組成的純結構。所述複數個奈米碳管基本沿同一方向擇優取向排列。所述擇優取向係指在奈米碳管拉膜中大多數奈米碳管的整體延伸方向基本朝同一方向。而且，所述大多數奈米碳管的整體延伸方向基本平行於奈米碳管拉膜的表面。進一步地，所述奈米碳管拉膜中多數奈米碳管係通過凡得瓦力首尾相連。具體地，所述奈米碳管拉膜中基本朝同一方向延伸的大多數奈米碳管中每一奈米碳管與在延伸方向上相鄰的奈米碳管通過凡得瓦力首尾相連。當然，所述奈米碳管拉膜中存在少數隨機排列的奈米碳管，這些奈米碳管不會對奈米碳管拉膜中大多數奈米碳管的整體取向排列構成明顯影響。所述奈米碳管拉膜為一自支撐的膜。所述自支撐為奈米碳管拉膜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，即將該奈米碳管拉膜置於(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奈米碳管拉膜能夠懸空保持自身膜狀狀態。所述自支撐主要通過奈米碳管拉膜中存在連續的通過凡得瓦力首尾相連延伸排列的奈米碳管而實現。所述奈米碳管拉膜的厚度可以為0.5奈米~100微米，寬度與長度不限。當奈米碳管層104包括多層奈米碳管拉膜時，相鄰兩層奈米碳管拉膜中的奈米碳管的延伸方向之間形成的交叉角度大於等於0度小於等於90度，可以為15度、45度、60度或90度等。

所述奈米碳管絮化膜為通過一絮化方法形成的奈米碳管膜。該奈 米碳管絮化膜包括相互纏繞且均勻分佈的奈米碳管。奈米碳管絮化膜可以為由奈米碳管組成的純結構。所述奈米碳管之間通過凡得瓦力相互吸引、纏繞，形成網路狀結構。所述奈米碳管絮化膜各向同性。所述奈米碳管絮化膜的長度和寬度不限。由於在奈米碳管絮化膜中，奈米碳管相互纏繞，因此該奈米碳管絮化膜具有很好的柔韌性，且為一自支撐結構，可以彎曲折疊成任意形狀而不破裂。所述奈米碳管絮化膜的面積及厚度均不限，厚度為1微米~1毫米。

所述奈米碳管碾壓膜包括均勻分佈的奈米碳管，奈米碳管沿同一方向或不同方向擇優取向排列。奈米碳管碾壓膜可以為由奈米碳管組成的純結構。奈米碳管也可以係各向同性的。所述奈米碳管碾壓膜中的奈米碳管相互部分交疊，並通過凡得瓦力相互吸引，緊密結合。所述奈米碳管碾壓膜中的奈米碳管與形成奈米碳管陣列的生長基底的表面形成一夾角β，其中，β大於等於0度且小於等於15度。依據碾壓的方式不同，該奈米碳管碾壓膜中的奈米碳管具有不同的排列形式。當沿同一方向碾壓時，奈米碳管沿一固定方向擇優取向排列。可以理解，當沿不同方向碾壓時，奈米碳管可沿複數個方向擇優取向排列。該奈米碳管碾壓膜厚度不限，優選為為1微米~1毫米。該奈米碳管碾壓膜的面積不限，由碾壓出膜的奈米碳管陣列的大小決定。當奈米碳管陣列的尺寸較大時，可以碾壓制得較大面積的奈米碳管碾壓膜。

奈米碳管層104可以通過黏結劑固定於支撐結構102的表面。當奈米碳管層由奈米碳管拉膜組成時，由於奈米碳管拉膜係直接從一奈米碳管陣列中拉取獲得，沒有經過任何溶劑，因此奈米碳管拉 膜的表面具有良好的黏性，因此，奈米碳管層104可以直接黏附於支撐結構102的表面。當支撐結構102的材料為高分子材料時，奈米碳管層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106，該極耳106與奈米碳管層104電連接。所述極耳106的材料為導電材料，可以為金屬。為防止極耳106被電解液腐蝕，在極耳106與奈米碳管層104電連接之後，可以在極耳106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。極耳106與奈米碳管層104電連接的方式不限，舉例如下：

請參見圖3，當奈米碳管層104中的奈米碳管沿同一方向延伸時，極耳106可以為一長條狀導電片，設置於奈米碳管層104的表面並與奈米碳管層104的一個邊重合。奈米碳管的延伸方向垂直於極耳106的延伸方向，即，奈米碳管的軸向與極耳106的延伸方向相互垂直。由於奈米碳管的軸嚮導電性能良好，這種設置方式可以使集流體產生的電流更好的傳遞給極耳106。

請參見圖4，當奈米碳管層104中的奈米碳管各向同性排列時或者相互交叉排列時，如奈米碳管層104包括兩層相互垂直的奈米碳管拉膜時，極耳106的端部設置於奈米碳管層104的表面。優選地，極耳與奈米碳管層104的邊緣點接觸。如，當奈米碳管層104包括一邊角時，極耳106的一端與奈米碳管層104的一個邊角接觸。

本發明所提供的集流體100包括奈米碳管層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，奈米碳管層中的奈米碳管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5，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及一第一奈米碳管層204a及一第二奈米碳管層204b。所述第一奈米碳管層204a和第二奈米碳管層204b分別設置於該支撐結構202的兩個相對的表面上。所述第一奈米碳管層204a的結構與第一實施例揭示的奈米碳管層104的結構相同。所述第二奈米碳管層204b與第一實施例揭示的奈米碳管層104的結構相同。在同一集流體200中，所述第一奈米碳管層204a和第二奈米碳管層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與奈米碳管層電連接。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和第一奈米碳管層204a電連接，電連接方式與第一實施例提供的極耳106和奈米碳管層104的電連接方式相同。第二分支206b與第二奈米碳管層204b電連接，電連接方式與第一實施例提供的極耳106和奈米碳管層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6，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及一奈米碳管層304。該奈米碳管層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。所述奈米碳管層304的結構與第一實施利提供的奈米碳管層104的結構相同。

所述集流體300進一步包括一極耳(圖未示)與奈米碳管層電連接。所述極耳與奈米碳管層304的電連接方式與第一實施例提供 的集流體100中極耳106與奈米碳管層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。

請參見圖7，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14，負極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，鋰離子電池正極14、負極16和隔膜20置於電解液18中，隔膜20置於鋰離子電池正極14與負極16之間，鋰離子電池正極14與隔膜20之間以及負極16與隔膜20之間均保持間隔。可以理解，雖然圖7僅示出一片正極14及一片負極16的結構，該鋰離子電池10可包括複數個正極14與複數個負極16交替層疊設置，每相鄰的正極14與負極16之間具有一隔膜。該正極14和負極16的數量不限，正極14和負極16可以分別為1層~100層或更多層，優選為20層~50層。

該正極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。該負極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14的設有正極材料層144的正極集流體142表面與負極16的設有負極材料層164的負極集流體162表面相向設置。

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8及圖9，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14’與負極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14’與複數個負極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‧‧‧集流體

102‧‧‧支撐結構

104‧‧‧奈米碳管層

Claims (17)

1. 一種集流體，用於承載電極材料層，其包括一支撐結構，其改良在於，進一步包括至少一奈米碳管層設置於該支撐結構的表面，該奈米碳管層包括複數個均勻分佈的奈米碳管，該複數個均勻分佈的奈米碳管平行於所述支撐結構表面並沿同一方向延伸。
2. 如請求項1所述之集流體，其中，所述至少一奈米碳管層為一層奈米碳管層，該一層奈米碳管層與所述支撐結構層疊設置，奈米碳管層設置於支撐結構的一個表面上。
3. 如請求項1所述之集流體，其中，所述至少一奈米碳管層包括一第一奈米碳管層和一第二奈米碳管層分別設置於支撐結構的兩個相對的表面。
4. 如請求項1所述之集流體，其中，所述至少一奈米碳管層為一層奈米碳管層，該奈米碳管層彎折後設置於支撐結構的兩個相對的表面上及一個側面上。
5. 如請求項1所述之集流體，其中，所述集流體由該支撐結構和該奈米碳管層組成。
6. 如請求項1所述之集流體，其中，所述奈米碳管層由複數個均勻分佈的奈米碳管組成。
7. 如請求項6所述之集流體，其中，所述奈米碳管層中的奈米碳管沿同一方向延伸。
8. 如請求項7所述之集流體，其中，進一步包括一極耳與奈米碳管層電連接，該極耳為長條狀結構且與奈米碳管層中的奈米碳管相互垂直。
9. 如請求項1所述之集流體，其中，所述奈米碳管層包括多層相互疊加的奈米碳管膜，奈米碳管膜中的奈米碳管沿同一方向延伸，相鄰的兩層奈米 碳管膜之間的奈米碳管的延伸方向相互垂直。
10. 如請求項9所述之集流體，其中，進一步包括一極耳與奈米碳管層電連接，所述極耳與奈米碳管層的邊緣點接觸。
11. 一種鋰離子電池，該鋰離子電池包括一正極及一負極，所述正極包括正極集流體，所述負極包括負極集流體，其改良在於，所述正極集流體和負極集流體中至少一個採用如請求項1-9所述之任意一集流體。
12. 一種鋰離子電池，該鋰離子電池包括一正極及一負極，所述正極包括正極集流體，所述負極包括負極集流體，其改良在於，所述正極集流體和負極集流體均採用如請求項1-9所述之任意一集流體。
13. 如請求項12所述之鋰離子電池，其中，進一步包括一柔性殼體，所述正極和負極均設置於該柔性殼體中。
14. 如請求項12所述之鋰離子電池，其中，所述正極包括正極材料層，該正極材料層設置於集流體的表面。
15. 如請求項14所述之鋰離子電池，其中，所述正極包括兩層正極材料層分別設置於集流體的兩個相對的表面。
16. 如請求項12所述之鋰離子電池，其中，所述負極包括負極材料層，該負極材料層設置於集流體的表面。
17. 如請求項16所述之鋰離子電池，其中，所述負極包括兩層負極材料層分別設置於集流體的兩個相對的表面。