CN102306800B - 集流体及锂离子电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于电池中的集流体，其包括一碳纳米管结构及一支撑结构，该碳纳米管结构设置于该支撑结构的表面，所述碳纳米管结构包括多个均匀分布的碳纳米管。本发明进一步提供一种应用该集流体的锂离子电池。

Description

集流体及锂离子电池

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池。

背景技术

现有的锂离子电池可分为卷绕式及层叠式两类，其包括外壳体、封装于外壳体内的正极片、负极片、隔膜及电解液。该隔膜设置于正极片与负极片之间。该电解液充分浸润正极片、负极片及隔膜。所述正极片包括一正极集流体及形成于该正极集流体表面的正极材料层。所述负极片包括一负极集流体及形成于该负极集流体表面的负极材料层。

电池中的集流体是用于汇集电流的结构。集流体的功用主要是将电池活性物质产生的电流汇集起来以便形成较大的电流对外输出，因此集流体应与活性物质充分接触，并且内阻应尽可能小为佳。现有的锂离子电池中，集流体通常采用金属薄片，如铜箔、铝箔。然而，这些金属薄片一般具有较大的重量，从而使锂离子电池的能量密度较小；同时，由于金属材料易被腐蚀，进一步影响了锂离子电池的使用寿命。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种密度较小、不易被腐蚀的集流体及应用该集流体的锂离子电池。

一种应用于电池中的集流体，其包括一碳纳米管结构及一支撑结构，该碳纳米管结构设置于该支撑结构的表面，所述碳纳米管结构包括多个均匀分布的碳纳米管。

相较于现有技术，所述集流体由碳纳米管层和保护层组成，碳纳米管层中的碳纳米管密度较小，因此，集流体的重量较小，同时，由于碳纳米管化学稳定性高，不易被腐蚀，因此，集流体不易被破坏。使用该集流体的锂离子电池具有较高的能量密度和较长的使用寿命。

附图说明

图1为本发明第一实施例提供的集流体的侧面示意图。

图2为图1中集流体所采用的碳纳米管拉膜的扫描电镜照片。

图3为图1中的集流体采用的碳纳米管层包括多个沿同一方向延伸的碳纳米管时的结构的俯视图。

图4为图1中的集流体采用的碳纳米管层包括多个各向同性碳纳米管时的结构的俯视图。

图5为本发明第二实施例提供的集流体的侧面示意图。

图6为本发明第三实施例提供的集流体的侧面示意图。

图7为本发明实施例提供的锂离子电池的剖面示意图。

图8为另一实施例中锂离子电池正极的侧视图。

图9为另一实施例中锂离子电池负极的侧视图。

主要元件符号说明

集流体	100，200，300
		支撑结构	102，202，302
碳纳米管层	104，304
		第一碳纳米管层	204a
第二碳纳米管层	204b
		极耳	106，206
第一分支	206a
		第二分支	206b
锂离子电池	10
		正极	14，14’
正极集流体	142，142’
		正极材料层	144，144’
负极	16，16’
		负极集流体	162，162’
负极材料层	164，164’
		电解液	18
隔膜	20

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例对本发明提供的集流体及应用该集流体的锂离子电池作进一步的详细说明。

请参阅图1，本发明第一实施例提供一种集流体100，其包括一支撑结构102及一碳纳米管层104。所述碳纳米管层104设置于支撑结构102的一个表面。集流体100可以由碳纳米管层104和支撑结构102组成。

所述支撑结构102用于支撑碳纳米管层104。该支撑结构102的材料为密度较小且具有较强抗腐蚀能力的材料，如高分子材料、陶瓷或玻璃。所述支撑结构102可以为一层状结构，所述支撑结构102的厚度优选为1微米至1毫米。

所述碳纳米管层104包括多个均匀分布的碳纳米管。该碳纳米管可以为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管中的一种或几种。所述碳纳米管层104中的碳纳米管之间可以通过范德华力紧密结合。该碳纳米管层104中的碳纳米管为无序或有序排列。这里的无序排列指碳纳米管的排列方向无规律，这里的有序排列指至少多数碳纳米管的排列方向具有一定规律。具体地，当碳纳米管层104包括无序排列的碳纳米管时，碳纳米管可以相互缠绕或者各向同性排列；当碳纳米管层104包括有序排列的碳纳米管时，碳纳米管沿一个方向或者多个方向择优取向排列。该碳纳米管层104的厚度不限，可以为0.5纳米~1厘米，优选地，该碳纳米管层104的厚度可以为1微米~1毫米。该碳纳米管层104进一步包括多个微孔，该微孔由碳纳米管之间的间隙形成。所述碳纳米管层104中的微孔的孔径可以小于等于50微米。所述碳纳米管层104可包括至少一层碳纳米管拉膜、碳纳米管絮化膜或碳纳米管碾压膜。该碳纳米管层104也可以由一层或多层碳纳米管拉膜、碳纳米管絮化膜或碳纳米管碾压膜组成。

请参阅图2，该碳纳米管拉膜包括多个通过范德华力相互连接的碳纳米管。碳纳米管拉膜可以为由碳纳米管组成的纯结构。所述多个碳纳米管基本沿同一方向择优取向排列。所述择优取向是指在碳纳米管拉膜中大多数碳纳米管的整体延伸方向基本朝同一方向。而且，所述大多数碳纳米管的整体延伸方向基本平行于碳纳米管拉膜的表面。进一步地，所述碳纳米管拉膜中多数碳纳米管是通过范德华力首尾相连。具体地，所述碳纳米管拉膜中基本朝同一方向延伸的大多数碳纳米管中每一碳纳米管与在延伸方向上相邻的碳纳米管通过范德华力首尾相连。当然，所述碳纳米管拉膜中存在少数随机排列的碳纳米管，这些碳纳米管不会对碳纳米管拉膜中大多数碳纳米管的整体取向排列构成明显影响。所述碳纳米管拉膜为一自支撑的膜。所述自支撑为碳纳米管拉膜不需要大面积的载体支撑，而只要相对两边提供支撑力即能整体上悬空而保持自身膜状状态，即将该碳纳米管拉膜置于（或固定于）间隔一固定距离设置的两个支撑体上时，位于两个支撑体之间的碳纳米管拉膜能够悬空保持自身膜状状态。所述自支撑主要通过碳纳米管拉膜中存在连续的通过范德华力首尾相连延伸排列的碳纳米管而实现。所述碳纳米管拉膜的厚度可以为0.5纳米~100微米，宽度与长度不限。当碳纳米管层104包括多层碳纳米管拉膜时，相邻两层碳纳米管拉膜中的碳纳米管的延伸方向之间形成的交叉角度大于等于0度小于等于90度，可以为15度、45度、60度或90度等。

所述碳纳米管絮化膜为通过一絮化方法形成的碳纳米管膜。该碳纳米管絮化膜包括相互缠绕且均匀分布的碳纳米管。碳纳米管絮化膜可以为由碳纳米管组成的纯结构。所述碳纳米管之间通过范德华力相互吸引、缠绕，形成网络状结构。所述碳纳米管絮化膜各向同性。所述碳纳米管絮化膜的长度和宽度不限。由于在碳纳米管絮化膜中，碳纳米管相互缠绕，因此该碳纳米管絮化膜具有很好的柔韧性，且为一自支撑结构，可以弯曲折叠成任意形状而不破裂。所述碳纳米管絮化膜的面积及厚度均不限，厚度为1微米~1毫米。

所述碳纳米管碾压膜包括均匀分布的碳纳米管，碳纳米管沿同一方向或不同方向择优取向排列。碳纳米管碾压膜可以为由碳纳米管组成的纯结构。碳纳米管也可以是各向同性的。所述碳纳米管碾压膜中的碳纳米管相互部分交叠，并通过范德华力相互吸引，紧密结合。所述碳纳米管碾压膜中的碳纳米管与形成碳纳米管阵列的生长基底的表面形成一夹角β，其中，β大于等于0度且小于等于15度(0≤β≤15°)。依据碾压的方式不同，该碳纳米管碾压膜中的碳纳米管具有不同的排列形式。当沿同一方向碾压时，碳纳米管沿一固定方向择优取向排列。可以理解，当沿不同方向碾压时，碳纳米管可沿多个方向择优取向排列。该碳纳米管碾压膜厚度不限，优选为为1微米~1毫米。该碳纳米管碾压膜的面积不限，由碾压出膜的碳纳米管阵列的大小决定。当碳纳米管阵列的尺寸较大时，可以碾压制得较大面积的碳纳米管碾压膜。

碳纳米管层104可以通过粘结剂固定于支撑结构102的表面。当碳纳米管层由碳纳米管拉膜组成时，由于碳纳米管拉膜是直接从一碳纳米管阵列中拉取获得，没有经过任何溶剂，因此碳纳米管拉膜的表面具有良好的粘性，因此，碳纳米管层104可以直接粘附于支撑结构102的表面。当支撑结构102的材料为高分子材料时，碳纳米管层104可以通过热压的方式固定于支撑结构102的表面。

所述集流体100进一步包括一极耳106，该极耳106与碳纳米管层104电连接。所述极耳106的材料为导电材料，可以为金属。为防止极耳106被电解液腐蚀，在极耳106与碳纳米管层104电连接之后，可以在极耳106表面涂覆一层保护层，保护层的材料可以为绝缘材料，如高分子材料。极耳106与碳纳米管层104电连接的方式不限，举例如下：

请参见图3，当碳纳米管层104中的碳纳米管沿同一方向延伸时，极耳106可以为一长条状导电片，设置于碳纳米管层104的表面并与碳纳米管层104的一个边重合。碳纳米管的延伸方向垂直于极耳106的延伸方向，即，碳纳米管的轴向与极耳106的延伸方向相互垂直。由于碳纳米管的轴向导电性能良好，这种设置方式可以使集流体产生的电流更好的传递给极耳106。

请参见图4，当碳纳米管层104中的碳纳米管各向同性排列时或者相互交叉排列时，如碳纳米管层104包括两层相互垂直的碳纳米管拉膜时，极耳106的端部设置于碳纳米管层104的表面。优选地，极耳与碳纳米管层104的边缘点接触。如，当碳纳米管层104包括一边角时，极耳106的一端与碳纳米管层104的一个边角接触。

本发明所提供的集流体100包括碳纳米管层104和支撑结构102，支撑结构102的材料为密度小、抗腐蚀性能好的材料，碳纳米管层中的碳纳米管密度较小且化学性能稳定，因此，集流体的重量较小，且集流体100不易被腐蚀，具有较长的使用寿命。

请参见图5，本发明第二实施例提供一种集流体200，其包括一支撑结构202及一第一碳纳米管层204a及一第二碳纳米管层204b。所述第一碳纳米管层204a和第二碳纳米管层204b分别设置于该支撑结构202的两个相对的表面上。所述第一碳纳米管层204a的结构与第一实施例揭示的碳纳米管层104的结构相同。所述第二碳纳米管层204b与第一实施例揭示的碳纳米管层104的结构相同。在同一集流体200中，所述第一碳纳米管层204a和第二碳纳米管层204b的结构可以相同，也可以不同。

所述集流体200进一步包括一极耳206，该极耳206与碳纳米管层电连接。具体地，极耳206包括两个分支，第一分支206a和第二分支206b。第一分支206a和第一碳纳米管层204a电连接，电连接方式与第一实施例提供的极耳106和碳纳米管层104的电连接方式相同。第二分支206b与第二碳纳米管层204b电连接，电连接方式与第一实施例提供的极耳106和碳纳米管层104的电连接方式相同。

本实施例提供的集流体200的其它结构和性质与第一实施例提供的集流体100相同。

请参见图6，本发明第三实施例提供一种集流体300，其包括一支撑结构302及一碳纳米管层304。该碳纳米管层304弯折后设置于支撑结构302的两个表面及位于该两个表面之间的侧面上，将支撑结构302半包围，即，呈U字型。所述碳纳米管层304的结构与第一实施利提供的碳纳米管层104的结构相同。

所述集流体300进一步包括一极耳（图未示）与碳纳米管层电连接。所述极耳与碳纳米管层304的电连接方式与第一实施例提供的集流体100中极耳106与碳纳米管层104的电连接方式相同。

本实施例提供的集流体300的其它结构和性质与第一实施例提供的集流体100相同。

请参见图7，本发明进一步提供一种应用上述集流体的的锂离子电池10，其包括：一壳体12及置于壳体12内的锂离子电池正极14，负极16，电解液18和隔膜20。锂离子电池10中，电解液18置于壳体12内，锂离子电池正极14、负极16和隔膜20置于电解液18中，隔膜20置于锂离子电池正极14与负极16之间，锂离子电池正极14与隔膜20之间以及负极16与隔膜20之间均保持间隔。可以理解，虽然图7仅示出一片正极14及一片负极16的结构，该锂离子电池10可包括多个正极14与多个负极16交替层叠设置，每相邻的正极14与负极16之间具有一隔膜。该正极14和负极16的数量不限，正极14和负极16可以分别为1层~100层或更多层，优选为20层~50层。

该正极14包括一片状的正极集流体142及形成于该正极集流体142表面的正极材料层144。该负极16包括一片状的负极集流体162及形成于该负极集流体162表面的负极材料层164。正极14的设有正极材料层144的正极集流体142表面与负极16的设有负极材料层164的负极集流体162表面相向设置。

所述正极集流体142和负极集流体162中至少一个的结构采用第一至第三实施例中的一种集流体。本实施例中，正极集流体142和负极集流体162都采用第一至第三实施例中的一种或组合之集流体结构。

请参见图8及图9，在另一实施例中，当正极集流体142’和负极集流体162’均采用第二实施例或第三实施例提供的集流体时，该正极14’具有两个正极材料层144’分别形成在该正极集流体142’两个相对表面，该负极16’具有两个负极材料层164’分别形成在该负极集流体162’两个相对表面。将所述正极14’与负极16’层叠设置后，该正极材料层144’与负极材料层164’通过所述隔膜20间隔。正极集流体142’和负极集流体162’的极耳（图未标）用于与锂离子电池外部的电路电连接。当多个正极14’与多个负极16’交替层叠设置时，该多个正极集流体142’的极耳相互电连接，该多个负极集流体162’的极耳相互电连接，且该正极集流体142’的极耳与该负极集流体162’的极耳分开设置。

本实施例所提供的锂离子电池的正极集流体或/和负极集流体采用第一至第三实施例中的集流体，因此，锂离子电池的重量较轻且具有较长的使用寿命。

本发明所提供的集流体可以应用在任何需要使用集流体的电池中，并不限于锂离子电池。本发明提供的集流体可以应用于锂电池、镍电池、太阳能电池等。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (15)

1.一种集流体，其包括一支撑结构，其特征在于，进一步包括至少一碳纳米管层以及一极耳，该碳纳米管层设置于该支撑结构的表面，该碳纳米管层包括多层相互叠加的碳纳米管膜，碳纳米管膜中的碳纳米管沿同一方向延伸，相邻的两层碳纳米管膜之间的碳纳米管的延伸方向相互垂直，该碳纳米管层由多个均匀分布的碳纳米管组成，所述极耳设置于所述碳纳米管层的表面并与所述碳纳米管层形成点接触或线接触。

2.如权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述至少一包括一层碳纳米管层与所述支撑结构层叠设置，碳纳米管层设置于支撑结构的一个表面上。

3.如权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述至少一碳纳米管层包括一第一碳纳米管层和一第二碳纳米管层分别设置于支撑结构的两个相对的表面。

4.如权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述至少一碳纳米管层为一层碳纳米管层，该碳纳米管层弯折后设置于支撑结构的两个相对的表面上及一个侧面上。

5.如权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述集流体由该支撑结构和该碳纳米管层组成。

6.如权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述碳纳米管层的多个碳纳米管首尾相连。

7.如权利要求6所述的集流体，其特征在于，所述碳纳米管层中的碳纳米管沿同一方向延伸。

8.如权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述支撑结构的材料选自高分子材料、陶瓷以及玻璃。

9.一种锂离子电池，该锂离子电池包括一正极及一负极，所述正极包括正极集流体，所述负极包括负极集流体，其特征在于，所述正极集流体和负极集流体中至少一个采用如权利要求1-8所述的任意一集流体。

10.一种锂离子电池，该锂离子电池包括一正极及一负极，所述正极包括正极集流体，所述负极包括负极集流体，其特征在于，所述正极集流体和负极集流体均采用如权利要求1-8所述的任意一集流体。

11.如权利要求10所述的锂离子电池，其特征在于，进一步包括一柔性壳体，所述正极和负极均设置于该柔性壳体中。

12.如权利要求10所述的锂离子电池，其特征在于，所述正极包括正极材料层，该正极材料层设置于集流体的表面。

13.如权利要求12所述的锂离子电池，其特征在于，所述正极包括两层正极材料层分别设置于集流体的两个相对的表面。

14.如权利要求10所述的锂离子电池，其特征在于，所述负极包括负极材料层，该负极材料层设置于集流体的表面。

15.如权利要求14所述的锂离子电池，其特征在于，所述负极包括两层负极材料层分别设置于集流体的两个相对的表面。