一种复合集流体、电极极片和电池的制作方法

1.本实用新型涉及电池技术领域，具体而言，涉及一种复合集流体、电极极片和电池。


背景技术：

2.锂离子电池具有高能量密度、高循环性能、高电压、低自放电和重量轻等优点，不仅在便携式电子设备(如手机、数码相机和笔记本电脑等)上得到广泛应用，而且也广泛应用于电动汽车、电动自行车以及电动工具等大中型电动设备方面。随着对电子产品和新能源汽车的要求越来越高，对锂离子电池的安全性能的要求也越来越高。
3.集流体是电池中的活性材料的载体，是电池的重要组成部分。传统的集流体以单一金属箔材作为集流体，该集流体在使用过程中韧性、力学性能和机械性能较差，降低了电池的安全性。将传统的单一金属箔材集流体改性为包括聚合物层的复合集流体可以增强集流体的韧性，使集流体具有较高的力学性能和机械性能，进而提升电池的安全性能。但是由于聚合物材料和金属材料的差异较大，使金属层在聚合物层的附着力较差，金属层和聚合物层之间连接不紧密。随着电池循环过程中极片膨胀造成的应力积累，金属层有发生剥离脱离的风险，影响电池的安全性。


技术实现要素：

4.本实用新型旨在解决现有的复合集流体中金属层易脱落的问题。
5.为解决上述问题，本实用新型第一方面提供一种复合集流体，包括基体层和导电层；
6.所述导电层设置于所述基体层相对的两侧表面；
7.至少一个所述导电层和所述基体层之间设置有多个线形结构。
8.进一步地，所述线形结构在所述导电层和所述基体层之间形成多个网孔，所述导电层填充所述网孔。
9.进一步地，所述线形结构内嵌设置在所述基体层的至少部分表面，和/或，所述线形结构内嵌设置在所述导电层的至少部分表面。
10.进一步地，所述线形结构嵌入所述基体层的内部的深度大于或者等于0.2μm，且小于或者等于3μm，和/或，所述线形结构嵌入所述导电层的内部的深度为大于或者等于0.2μm，且小于或者等于3μm。
11.进一步地，所述基体层为聚合物层。
12.进一步地，所述基体层为非金属导电基体层，所述非金属导电基体层含有含碳材料。
13.进一步地，所述线形结构的至少部分为金属材质。
14.进一步地，所述基体层的一侧表面设置有一个所述导电层，所述导电层连续设置所述基体层上；
15.和/或，所述基体层的一侧表面设置有至少两个所述导电层，至少两个所述导电层间隔设置在所述基体层上。
16.本实用新型第二方面提供一种电极极片，包括活性物质层以及上述任一项所述的复合集流体，所述活性物质层设置在所述导电层的表面和/或所述基体层的表面。
17.本实用新型第三方面提供一种电池，包括上述所述的电极极片。
18.本实用新型所述的复合集流体、电极极片和电池，通过在导电层和基体层之间设置多个线形结构，线形结构在基体层和导电层之间形成多个网孔，增大了基体层的表面积，从而增大了导电层和基体层的接触面积，提高了导电层与基体层之间的结合力，能够有效避免导电层发生脱落的现象，提高了复合集流体的稳定性；此外，在导电层和基体层之间设置多个线形结构，能够提高复合集流体的机械强度，提升电池在机械滥用工况(如针刺或重物冲击等)下的安全性。
附图说明
19.图1为本实用新型实施例中提供的复合集流体的一种结构示意图；
20.图2为本实用新型实施例中提供的复合集流体的另一种结构示意图。
21.附图标记说明：
22.1-基体层；2-导电层；3-线形结构。
具体实施方式
23.下面结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、详尽地描述。在本实用新型地描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“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”仅用于描述目的，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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。此外，在本实用新型的描述中，“至少一个”的含义是一个或一个以上。
24.在本说明书的描述中，术语“在上述实施例的基础上”的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本实用新型的至少一个优选实施例或优选示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
25.结合图1所示，本实施例提供了一种复合集流体，该复合集流体包括基体层1和导电层2，导电层2设置在基体层1相对的两侧表面；至少一个导电层2和基体层1之间设置有多个线形结构3，线形结构3在基体层1和导电层2之间形成多个网孔，导电层2填充在这些网孔中。作为一种可选实施方式，线形结构3的一端均内嵌设置在基体层1上，线形结构3的另一端均内嵌设置在导电层2上，且线形结构3之间形成多个网孔，导电层3填充在这些网孔中。
26.本实施例中，通过在导电层和基体层之间设置多个线形结构，线形结构在基体层
和导电层之间形成多个网孔，增大了基体层的表面积，从而增大了导电层和基体层的接触面积，提高了导电层与基体层之间的结合力，能够有效避免导电层发生脱落的现象，提高了复合集流体的稳定性；此外，在导电层和基体层之间设置多个线形结构，能够提高复合集流体的机械强度，提升电池在机械滥用工况(如针刺或重物冲击等)下的安全性。
27.本实施例中，两个导电层2和基体层1之间均设置有多个线形结构3。线形结构3可以均匀分布在基体层1和导电层2的整个表面，线形结构3也可以设置在基体层1和导电层2的部分表面，例如线形结构3可以设置在基体层1和导电层2的四周边缘，以增大基体层1的边缘和导电层2的边缘之间的结合力。线形结构3可以呈规则排列，线形结构3也可以不规则排列。较佳地，线形结构3不规则排列在基体层1和导电层2的整个表面，以增大导电层2和基体层1之间的接触面积。
28.本实施例中，线形结构3嵌入基体层1的内部的深度可以大于或者等于0.2μm，且小于或者等于3μm，线形结构3嵌入导电层2内部的深度可以大于或者等于0.2μm，且小于或者等于3μm，由此，能够使线形结构3和基体层1结合地更加牢固，以及使线形结构3和导电层2结合地更加牢固，从而进一步提高导电层2和基体层1之间的结合强度。
29.作为一种可选实施方式，本实施例中可以采用高温压制的方法将线形结构3与基体层1连接，基体层1在高温下加热软化后具有粘性，能够与线形结构3粘接在一起，从而使线形结构3嵌设在基体层1上。
30.本实施例中，线形结构3的长度大于线形结构3的直径，较佳地，线形结构3的直径小于或者等于2μm，线形结构3的长度大于或者等于2μm。
31.本实施例中，线形结构3可以呈弯折状，以进一步增大导电层2和基体层1之间的接触面积，从而进一步提高导电层2和基体层1之间的结合力。线形结构3可以为金属材质和/或非金属材质，且线形结构3可以呈弯折状，若线形结构3为金属材质，则线形结构3的材质可以为li、al、ag、au、ti、v、mn、fe、co、ni、cu、zn、mo、w、na、k、mg、ca、sr、ba、ga、in、ge、sn、la中的一种或多种，若线形结构3为非金属材质，则线形结构3的材质可以为碳纤维。作为一种可选实施方式，线形结构3为铝线、铜线、银线或者铜线和碳纤维。
32.本实施例中，基体层1为聚合物层，其中的聚合物为绝缘材质，聚合物可以选自聚甲醛、聚乙烯、聚乙烯基甲醚、聚乙烯基乙醚、乙烯与丙烯共聚物、聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯、聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯与六氟丙烯共聚物、聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯酸乙酯、聚(α-腈基丙烯酸丁酯)、聚丙烯腈、聚异丁烯基橡胶、氯丁橡胶、天然橡胶、古塔橡胶、丁苯橡胶、聚亚癸基甲酰胺、聚己二酰己二胺、聚癸二酰己二胺、聚对苯二甲酸乙二酯、聚环氧乙烷、聚苯硫醚、聚[双(三氟代乙氧基)磷腈]、聚二甲基硅氧烷、聚乙烯基咔唑、聚四氟乙烯、聚丙烯酰胺、聚碳酸酯中的一种或多种。
[0033]
若基体层1为聚合物层，则线形结构3可以为金属材质，线形结构3也可以为非金属材质，线形结构3也可以为金属材质和非金属材质的混合。
[0034]
采用聚合物层作为基体层1会影响复合集流体的导电性，因此，在上述实施例的基础上，基体层1为非金属导电基体层，由此，本实施例中采用非金属导电基体层能够提高复合集流体的电子传导能力，从而有利于电流在复合集流体中的传导，有利用提高复合集流体的导电性。
[0035]
具体地，非金属导电基体层中包括非金属导电材料，非金属导电材料可以为含碳
材料，例如：人造石墨、天然石墨、中间相碳微球、石墨烯、硬碳、软碳、c60、c70、炭黑、碳纤维、碳纳米管、石油焦、沥青中的至少一种。
[0036]
在上述实施例的基础上，非金属导电基体层中碳元素的含量不低于75％，由此，非金属导电基体层中碳含量高能够提高非金属导电基体层的韧性，有利于进一步提升电池在机械滥用工况(如针刺或重物冲击等)下的安全性，并且非金属导电基体层中碳含量高能够提高复合集流体的电子传导能力。
[0037]
若基体层1为非金属导电基体层，则线形结构3的至少部分为金属材质，由此，能够促进集流体内部的电子传导，从而有利于提高复合集流体的导电性。
[0038]
本实施例中，非金属导电基体层中还包括粘接材料，粘接材料能够将非金属导电材料粘接在一起，粘接材料可以为聚氧化乙烯、聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯—六氟丙烯共聚物、聚四氟乙烯、聚丙烯酸、羧甲基纤维素、聚苯乙烯—丁二烯共聚物和橡胶中的至少一种。
[0039]
所述基体层的一侧表面设置有一个所述导电层，所述导电层连续设置所述基体层上；
[0040]
和/或，所述基体层的一侧表面设置有至少两个所述导电层，至少两个所述导电层间隔设置在所述基体层上。
[0041]
本实施例中，若基体层1为聚合物层，则导电层2连续设置在基体层1的表面；若基体层1为非金属导电基体层，则导电层2可以连续设置在基体层1的表面，导电层2也可以间隔设置在基体层1的表面。结合图1所示，基体层1的每侧表面可以均设置有一个导电层2，两个该导电层2分别连续设置在基体层1的两侧表面上；基体层2的每侧表面还可以均设置有至少两个导电层2，至少两个导电层2均间隔设置在基体层1的每侧表面上；结合图2所示，基体层2的一侧表面还可以设置一个导电层2，该导电层2连续设置在基体层1的一侧表面上，基体层2的另一侧表面设置至少两个导电层2，至少两个导电层2间隔设置在基体层1的另一侧表面上。导电层2连续设置在基体层1上有利于活性物质层涂敷的均匀性，导电层2间隔设置在基体层1上，导电层2之间的间距可以由活性物质层填充，有利于提升电池的能量密度。
[0042]
本实施例中，导电层2可以采用涂布法、气相沉积法、真空溅射法、真空镀法、电镀法或者热压合法等方式制成，且导电层2填充在线形结构形成的凹陷中。导电层2具有良好的传导电子的能力，导电层2的材质可以选自铝、铜、镍、铁、钛、银、金、钴、铬、钼、钨中的一种或多种。
[0043]
本实施例中还提供了一种电极极片，该电极极片包括上述任一种情况的复合集流体。
[0044]
本实施例中，电极极片还包括活性物质层，活性物质层设置在导电层2的表面和/或基体层1的表面，其中，活性物质层设置在导电层2的表面是指活性物质层设置在导电层2背离基体层1的表面。若复合集流体为负极片，则该活性物质层为负极活性物质层，若复合集流体为正极片，则该活性物质层为正极活性物质层。本实施例中对正极活性物质层中正极活性材料的种类不做进一步地限定，示例性地，正极活性材料可以为钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰三元材料、镍钴铝三元材料中的一种或多种。本实施例中对负极活性物质层中负极活性材料的种类不做进一步地限定，示例性地，负极活性材料可以为金属锂、天然石墨、人造石墨、硬炭、软碳、硅基材料中的一种或多种。
[0045]
本实施例中，活性物质层中还包括导电剂和粘结剂，示例性地，导电剂可以选自石
墨、乙炔黑、炭黑、科琴黑、碳纳米管、石墨烯及碳纳米纤维中一种或多种；粘结剂可以选自聚偏氟乙烯(pvdf)、聚四氟乙烯(ptfe)、丁苯橡胶(sbr)、丁腈橡胶(nbr)、水系丙烯酸树脂、聚乙烯醇、羧甲基纤维素(cmc)、聚丙烯酸(paa)中的一种或多种。
[0046]
本实施例中还提供了一种电池，该电池包括上述任一种情况的电极极片。电池可以为锂离子电池、锂聚合物电池等等。
[0047]
为说明线形结构3对导电层2与基体层1之间的结合力的改善情况，本实施例示出一例对照实验，该实验包括四组实验组和两组对照组，对照组和实验组除了集流体的材质设置不同外，尺寸等其他变量完全相同，对照组和实验组具体设置如下：
[0048]
实验组1：在pet膜相对的两侧表面均覆盖铝线，并在165℃下热压将铝线复合在pet膜的表面，再通过真空蒸镀法在pet膜的两侧表面分别覆盖一层铝层，使铝线嵌设在pet膜和铝层之间，得到复合集流体。
[0049]
将该复合集流体作为正极集流体，在正极集流体的表面涂敷正极活性物质层，得到正极片；以铜箔作为负极集流体，在负极集流体的表面涂敷负极活性物质层，得到负极片；将正极片、负极片和隔膜层叠卷绕后得到电芯，将电芯装入铝塑膜中，封口后注入电解液，经过陈化、化成和分选等工序后得到锂电池。
[0050]
实验组2：将pe和pet按照质量比1：3混合后高温挤出成膜，得到基体层1，在基体层1相对的两侧表面均覆盖铜线，并在165℃下热压将铜线复合在基体层1的表面，再通过真空蒸镀法在基体层1的两侧表面分别覆盖一层铜层，使铜线嵌设在基体层1和铜层之间，得到复合集流体。
[0051]
将该复合集流体作为负极集流体，在负极集流体的表面涂敷负极活性物质层，得到负极片；以铝箔作为正极集流体，在正极集流体的表面涂敷正极活性物质层，得到正极片；采用实验组1中的方法制备得到锂电池。
[0052]
实验组3：将pe和pet按照质量比1：3混合后高温挤出成膜，得到基体层1，以铜线和碳纤维作为线形结构3，在基体层1相对的两侧表面均覆盖线形结构3，并在165℃下热压将线形结构3复合在基体层1的表面，再通过真空蒸镀法在基体层1的两侧表面分别覆盖一层铜层，使线形结构3嵌设在基体层1和铜层之间，得到复合集流体。
[0053]
将该复合集流体作为负极集流体，在负极集流体的表面涂敷负极活性物质层，得到负极片；以铝箔作为正极集流体，在正极集流体的表面涂敷正极活性物质层，得到正极片；采用实验组1中的方法制备得到锂电池。
[0054]
实验组3：将pe和pet按照质量比1：3混合后高温挤出成膜，得到基体层1，在基体层1相对的两侧表面均覆盖银线，并在165℃下热压将银线复合在基体层1的表面，再通过真空蒸镀法在基体层1的两侧表面分别覆盖一层铜层，使银线嵌设在基体层1和铜层之间，得到复合集流体。
[0055]
将该复合集流体作为负极集流体，在负极集流体的表面涂敷负极活性物质层，得到负极片；以铝箔作为正极集流体，在正极集流体的表面涂敷正极活性物质层，得到正极片；采用实验组1中的方法制备得到锂电池。
[0056]
对照组1：以铝箔作为正极集流体，在正极集流体的表面涂敷正极活性物质层，得到正极片；以铜箔作为负极集流体，在负极集流体的表面涂敷负极活性物质层，得到负极片；采用实验组1中的方法制备得到锂电池。
[0057]
对照组2：采用常规的复合集流体作为正极集流体，即基材层1和导电层2之间未设置线形结构3，且以pet为基材层1，在基材层1的两侧表面设置导电层2；以铜箔作为负极集流体，在负极集流体的表面涂敷负极活性物质层，得到负极片；采用实验组1中的方法制备得到锂电池。
[0058]
对上述各组制备得到的电芯进行如下性能测试，测试过程为：
[0059]
(1)剥离力测试方法：将电芯放电至0％soc，取极片裁切成宽度为24mm的长方形，一面通过双面胶固定在硬质平板表面，另一面覆盖透明胶带，以180
°
剥离透明胶带，记录拉力数值。
[0060]
(2)电芯内阻测试方法：使用交流内阻仪测试，交流电频率1000hz。
[0061]
(3)重物冲击测试方法：使用直径15.8mm、质量9.1kg的不锈钢柱状体在610mm高度自由落下，冲击电芯中部位置。
[0062]
表1实验组和对照组的测试结果
[0063][0064]
由表1可知，与常规的金属箔材集流体相比，本实施例中通过在基材层1和导电层2之间加入线形结构3能够明显提升电芯的安全性；并且，与常规的复合集流体相比，本实施例中通过在基材层1和导电层2之间加入线形结构3，在提高电芯安全性的同时，还能够明显提升复合集流体中导电层2的附着力，能够有效避免导电层2发生脱落的现象，提高了复合集流体的稳定性。
[0065]
在一种具体的实施方式中，电池的制作流程如下：
[0066]
正极活性物质层为钴酸锂、导电剂、粘结剂质量比为97：1.5：1.5的均匀混合物；再通过涂布设备把正极活性物质涂覆于正极集流体表面，随后烘干、辊压和裁切得到正极片。
[0067]
负极活性物质为石墨、导电剂、粘结剂质量比为96：1：3的均匀混合物；再通过涂布设备把负极活性物质涂覆于负极集流体表面，随后烘干、辊压和裁切得到负极片。
[0068]
pe隔膜的厚度为8μm。
[0069]
将正极片、隔膜与负极片依次叠放在一起卷绕制成卷芯，再用铝塑膜封装制成电芯，然后进行注液、陈化、化成、二次封装等工序制得电池，最后对电池的电化学性能进行测试。其中，电解液中ec:dec:emc的质量比为2:3:5，锂盐为lipf6，锂盐浓度1mol/l。
[0070]
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本实用新型的保护范围。

技术特征：
1.一种复合集流体，其特征在于，包括基体层和导电层；所述导电层设置于所述基体层相对的两侧表面；至少一个所述导电层和所述基体层之间设置有多个线形结构。2.根据权利要求1所述的复合集流体，其特征在于，所述线形结构在所述导电层和所述基体层之间形成多个网孔，所述导电层填充所述网孔。3.根据权利要求1所述的复合集流体，其特征在于，所述线形结构内嵌设置在所述基体层的至少部分表面，和/或，所述线形结构内嵌设置在所述导电层的至少部分表面。4.根据权利要求3所述的复合集流体，其特征在于，所述线形结构嵌入所述基体层的内部的深度大于或者等于0.2μm，且小于或者等于3μm，和/或，所述线形结构嵌入所述导电层的内部的深度为大于或者等于0.2μm，且小于或者等于3μm。5.根据权利要求1所述的复合集流体，其特征在于，所述基体层为聚合物层。6.根据权利要求1所述的复合集流体，其特征在于，所述基体层为非金属导电基体层，所述非金属导电基体层含有含碳材料。7.根据权利要求6所述的复合集流体，其特征在于，所述线形结构的至少部分为金属材质。8.根据权利要求6所述的复合集流体，其特征在于，所述基体层的一侧表面设置有一个所述导电层，所述导电层连续设置所述基体层上；和/或，所述基体层的一侧表面设置有至少两个所述导电层，至少两个所述导电层间隔设置在所述基体层上。9.一种电极极片，其特征在于，包括活性物质层以及权利要求1至8任一项所述的复合集流体，所述活性物质层设置在所述导电层的表面和/或所述基体层的表面。10.一种电池，其特征在于，包括权利要求9所述的电极极片。

技术总结
本实用新型提供了一种复合集流体、电极极片和电池，复合集流体包括基体层和导电层；导电层设置于基体层相对的两侧表面；至少一个导电层和基体层之间设置有多个线形结构。本实用新型通过在导电层和基体层之间设置多个线形结构，线形结构在基体层和导电层之间形成多个网孔，增大了基体层的表面积，从而增大了导电层和基体层的接触面积，提高了导电层与基体层之间的结合力，能够有效避免导电层发生脱落的现象，提高了复合集流体的稳定性。提高了复合集流体的稳定性。提高了复合集流体的稳定性。


技术研发人员：彭冲 李俊义
受保护的技术使用者：珠海冠宇电池股份有限公司
技术研发日：2023.04.12
技术公布日：2023/8/13