CN119108561A - 二次电池的集电体与二次电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种二次电池的集电体与二次电池。集电体包括绝缘支撑层以及两个叠层结构。绝缘支撑层具有第一表面及与第一表面相对的第二表面。两个叠层结构分别设置于第一表面与第二表面；其中，各叠层结构包括重叠的金属层与第一导电复合层，金属层的电阻率≦1x10^‑7Ω·m，且第一导电复合层包括复合材料、偶联材料及黏结材料，复合材料包括石墨烯与碳基材料。

Description

二次电池的集电体与二次电池

技术领域

本发明涉及一种集电体，特别涉及一种二次电池的集电体与二次电池。

背景技术

二次电池(Secondary battery)又称充电电池，例如锂离子电池(Li-ionBattery)自1990年问世以来，性能不断进步，在过去二十余年被广泛使用于计算机、通讯及消费电子等产品，对人类社会产生莫大影响。另外，为了减少人类对石化及煤碳燃料的依赖、降低污染排放、减缓全球暖化问题，各种锂离子电池车辆、太阳能与风力再生能源成为世界各先进国家发展的重点。由于锂离子电池正负极材料种类丰富，使得锂离子电池能在不同使用情境下展现出优异的特性。以目前发展趋势来看，锂离子电池也已成为二次电池及储能应用所需大型储电系统的主流。

在锂离子电池中，集电体(Current collector)扮演的角色是在电池充放电时做为集中发电电力的导电体和支持体角色。以集电体为铜箔为例，各种研究机构也持续的进行在铜箔上涂布有碳系导电物质的集电体的研究。然而，不论是使用铜箔或在铜箔上涂布碳系导电物质作为集电体，当电池被异物刺入时，都会产生相当大的安全问题，例如集电体短路造成电池燃烧或爆炸。另外，由于现有集电体所使用的铜箔比较厚(例如8～10微米)也比较重，也会降低电池的重量能量密度(Energy density)。

因此，如何提供一种集电体与二次电池，可提升安全性，同时还可提升电池的重量能量密度，是业者相当重视的问题之一。

发明内容

鉴于上述课题，本发明的目的为提供一种二次电池的集电体与二次电池，可提升电池的安全性及重量能量密度。

为达上述目的，本发明提出一种二次电池的集电体，包括绝缘支撑层以及两个叠层结构。绝缘支撑层具有第一表面及与第一表面相对的第二表面。两个叠层结构分别设置于第一表面与第二表面；其中，各叠层结构包括重叠的金属层与第一导电复合层，金属层的电阻率≦1x10^-7Ω·m，且第一导电复合层包括复合材料、偶联材料及黏结材料，复合材料包括石墨烯与碳基材料。

在一个实施例中，绝缘支撑层的材质包含聚对苯二甲酸乙二酯、聚酰亚胺或聚丙烯、或其组合。

在一个实施例中，金属层的材质包括铜或铝。

在一个实施例中，碳基材料包括石墨烯、纳米碳黑、纳米碳管或纳米碳纤维、或其组合。

在一个实施例中，复合材料的含量占第一导电复合层的55wt％至70wt％之间。

在一个实施例中，偶联材料为硅烷偶联剂，且硅烷偶联剂的含量占第一导电复合层的5wt％至10wt％之间。

在一个实施例中，黏结材料包括丙烯酸、亚克力，环氧树脂、聚丙烯腈、聚乙烯基吡咯烷酮，聚乙烯醇或甲基纤维素、或其共聚物。

在一个实施例中，黏结材料的含量占第一导电复合层的20wt％至40wt％之间。

在一个实施例中，金属层夹置于第一导电复合层与绝缘支撑层之间。

在一个实施例中，第一导电复合层夹置于金属层与绝缘支撑层之间。

在一个实施例中，各叠层结构还包括第二导电复合层，各金属层夹置于各第二导电复合层与各第一导电复合层之间。

为达上述目的，本发明还提出一种二次电池，包括前述的集电体、两个第一电极、两个第二电极以及两个隔离膜。集电体具有相对的两个表面。两个第一电极分别设置于集电体的两个表面。各第二电极设置于各第一电极远离集电体的一侧。各隔离膜设置于各第一电极与各第二电极之间。

在一个实施例中，第一电极的材质包括铜，第二电极的材质包括铝。

在一个实施例中，第一电极的材质包括铝，第二电极的材质包括铜。

在一个实施例中，各第一电极为铜箔，二次电池还包括两个第三导电复合层，各隔离膜面向各第一电极的表面设置有各第三导电复合层。

如上所述，在本发明的集电体与二次电池中，透过两个叠层结构分别设置于绝缘支撑层的第一表面与第二表面，各叠层结构分别包括重叠的第一导电复合层与金属层，且金属层的电阻率≦1x10^-7Ω·m，以及第一导电复合层包括复合材料、偶联材料及黏结材料，且复合材料包括石墨烯与碳基材料的结构及材料设计，当本发明的集电体应用于二次电池且被异物刺入时，集电体可以从材料层面(绝缘支撑层)降低或切断短路电流，提升电池的安全性。另外，由于集电体的有机材料密度较低，因此可提升电池的重量能量密度。

附图说明

图1为本发明一个实施例的二次电池的集电体的示意图。

图2与图3分别为本发明不同实施例的集电体的示意图。

图4与图5分别为本发明不同实施例的二次电池的局部示意图。

具体实施方式

以下将参照相关附图，说明依本发明一些实施例的二次电池的集电体与二次电池，其中相同的组件将以相同的参照符号加以说明。以下实施例出现的各组件只是用以说明其相对关系，并不代表真实组件的比例或尺寸。

图1为本发明一个实施例的二次电池的集电体的示意图。

如图1所示，本实施例的二次电池的集电体1包括绝缘支撑层11以及两个叠层结构(Laminated structure)12。

绝缘支撑层11具有第一表面111及与第一表面111相对的第二表面112。在一些实施例中，绝缘支撑层11的材质可例如但不限于包含聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚酰亚胺(PI)或聚丙烯(PP)、或其组合，而绝缘支撑层11的厚度可例如但不限于为3微米(μm)。

两个叠层结构12分别设置于绝缘支撑层11，并且个别直接接触绝缘支撑层11的第一表面111与第二表面112。其中，各叠层结构12分别包括重叠的第一导电复合层121与一金属层122，在本实施例中，金属层122夹置于第一导电复合层121与绝缘支撑层11之间。其中，金属层122的电阻率≦1x10^-7Ω·m。在一些实施例中，金属层122的材质可包括铜或铝。在一些实施例中，用于负极的金属层122可例如为铜箔，用在正极的金属层122可例如为铝箔。在一些实施例中，较佳的金属层122厚度可例如为1μm。

第一导电复合层121包括复合材料、偶联材料及黏结材料。其中，复合材料可包括石墨烯与碳基材料，比例不限。在此，碳基材料可包括石墨烯、纳米碳黑、纳米碳管或纳米碳纤维、或其组合。换句话说，是在石墨烯中加入石墨烯、纳米碳黑、纳米碳管或纳米碳纤维、或其组合的碳基材料，以构成前述的复合材料(即石墨烯碳基复合材料)。在一些实施例中，复合材料的含量可占第一导电复合层121含量的55wt％至70wt％之间，较佳者例如为65wt％。

偶联材料可例如但不限于为硅烷偶联剂。在一些实施例中，硅烷偶联剂的含量可占第一导电复合层121含量的5wt％至10wt％之间，较佳者例如为9wt％。黏结材料可例如包括丙烯酸(acrylic acid)、亚克力(acrylic)、环氧树脂(Epoxy)、聚丙烯腈(PAN)、聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)，聚乙烯醇(PVA)或甲基纤维素(CMC)、或其组合、或其共聚物。在一些实施例中，黏结材料的含量可占第一导电复合层121含量的20wt％至40wt％之间，较佳者例如为26wt％。

承上，在本实施例的集电体1中，透过两个叠层结构12分别设置于绝缘支撑层11的第一表面111与第二表面112，各叠层结构12分别包括重叠的第一导电复合层121与金属层122，金属层122夹置于第一导电复合层121与绝缘支撑层11之间，且金属层122的电阻率≦1x10^-7Ω·m，以及第一导电复合层121包括复合材料、偶联材料及黏结材料，且复合材料包括石墨烯与碳基材料的结构及材料设计，当本实施例的集电体1应用于二次电池且被异物刺入时，通过集电体1的设计可从材料层面(绝缘支撑层11)降低或切断短路电流，提升电池的安全性。另外，由于集电体1的有机材料密度较低，因此可提升电池的重量能量密度。

另外，当应用于二次电池时，由于本实施例的集电体1的上、下表面皆可与负极材料或正极材料接触，因此，借助第一导电复合层121高比表面积的特性可增加异质材料(即金属层122与负极材料，或金属层122与正极材料)之间的附着力，同时可提高导电性、提升导热散热能力、增加热辐射散热功能，而且，也可提升耐化学腐蚀的能力。此外，也可利用第一导电复合层121内含的石墨烯的高密度负电荷，防止锂金属形成晶枝(dendrite)现象。

图2与图3分别为本发明不同实施例的集电体的示意图。

如图2所示，本实施例的集电体1a与集电体1大致相同，与集电体1主要的不同在于，本实施例的集电体1a的第一导电复合层121夹置于金属层122与绝缘支撑层11之间。借此，一样可以从材料层面降低或切断短路电流，提升电池的安全性，还可提升电池的重量能量密度，同时增加金属层122与绝缘支撑层11之间的附着力。

在一些实施例中，第一导电复合层121可以涂布方式设置，例如可以转印、微凹、凹版涂布等方式设置于金属层122或绝缘支撑层11上。

另外，如图3所示，本实施例的集电体1b与集电体1a大致相同，与集电体1a主要的不同在于，本实施例的集电体1b的各叠层结构12还可包括第二导电复合层123，且各金属层122夹置于各第二导电复合层123与各第一导电复合层121之间。在此，第二导电复合层123与第一导电复合层121可具有相同的材料组成，而各材料的含量比例可以相同或不相同，本发明不限制。

图4与图5分别为本发明不同实施例的二次电池的局部示意图。

请先参考图4，本实施例的二次电池2为锂离子电池，并可包括集电体21、两个第一电极22、两个第二电极23以及两个隔离膜24。集电体21具有相对的两个表面S1、S2。两个第一电极22分别设置于集电体21的表面S1、S2，并且个别接触集电体21的表面S1、S2。各第二电极23设置于各第一电极22远离集电体21的一侧。且各隔离膜24设置于各第一电极22与各第二电极23之间，在此，隔离膜24可隔开第一电极22与第二电极23，避免两个电极接触而短路。

集电体21可为上述实施例的集电体1、1a或1b，具体技术内容已于上述中详述，在此不再多作说明。

在一些实施例中，第一电极22与第二电极23的材料不同。其中，第一电极22可为负极，其材质可包括铜，而第二电极23可为正极，其材质可包括铝；或者，第一电极22可为正极，其材质可包括铝，而第二电极23可为负极，其材质包括铜。在一些实施例中，负极可为对铜箔涂布例如高导电性碳材料(例如石墨、钛酸锂等)的电极，而正极可为铝箔涂布例如锂复合氧化物(例如锂、锰、钴、镍、磷酸铁等)的电极。在一些实施例中，隔离膜24可由聚烯烃的化合物，例如聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)等制成的微多孔膜。另外，在不同的实施例中，如图5所示，可以在微多孔隔离膜24面向第一电极22(铜箔)的表面涂覆前述的导电复合层材料(形成第三导电复合层25)，一样可利用导电复合层内含的石墨烯的高密度负电荷，防止锂金属形成晶枝现象，而且还可增加隔离膜24的强度。此外，二次电池2还可包括例如有机溶剂溶解锂盐后制成的电解液(未示出)。

综上所述，在本发明的集电体与二次电池中，透过两个叠层结构分别设置于绝缘支撑层的第一表面与第二表面，各叠层结构分别包括重叠的第一导电复合层与金属层，且金属层的电阻率≦1x10^-7Ω·m，以及第一导电复合层包括复合材料、偶联材料及黏结材料，且复合材料包括石墨烯与碳基材料的结构及材料设计，当本发明的集电体应用于二次电池且被异物刺入时，集电体可以从材料层面(绝缘支撑层)降低或切断短路电流，提升电池的安全性。另外，由于集电体的有机材料密度较低，因此可提升电池的重量能量密度。

以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于所附的权利要求中。

Claims (15)

1.一种二次电池的集电体，包括：

绝缘支撑层，具有第一表面及与所述第一表面相对的第二表面；以及

两个叠层结构，分别设置于所述第一表面与所述第二表面；

其中，各所述叠层结构包括重叠的金属层与第一导电复合层，所述金属层的电阻率≦1x10^-7Ω·m，且所述第一导电复合层包括复合材料、偶联材料及黏结材料，所述复合材料包括石墨烯与碳基材料。

2.如权利要求1所述的集电体，其中所述绝缘支撑层的材质包含聚对苯二甲酸乙二酯、聚酰亚胺或聚丙烯、或其组合。

3.如权利要求1所述的集电体，其中所述金属层的材质包括铜或铝。

4.如权利要求1所述的集电体，其中所述碳基材料包括石墨烯、纳米碳黑、纳米碳管或纳米碳纤维、或其组合。

5.如权利要求1所述的集电体，其中所述复合材料的含量占所述第一导电复合层的55wt％至70wt％之间。

6.如权利要求1所述的集电体，其中所述偶联材料为硅烷偶联剂，且所述硅烷偶联剂的含量占所述第一导电复合层的5wt％至10wt％之间。

7.如权利要求1所述的集电体，其中所述黏结材料包括丙烯酸、亚克力、环氧树脂、聚丙烯腈、聚乙烯基吡咯烷酮、聚乙烯醇或甲基纤维素、或其共聚物。

8.如权利要求1所述的集电体，其中所述黏结材料的含量占所述第一导电复合层的20wt％至40wt％之间。

9.如权利要求1所述的集电体，其中所述金属层夹置于所述第一导电复合层与所述绝缘支撑层之间。

10.如权利要求1所述的集电体，其中所述第一导电复合层夹置于所述金属层与所述绝缘支撑层之间。

11.如权利要求10所述的集电体，其中各所述叠层结构还包括第二导电复合层，各所述金属层夹置于各所述第二导电复合层与各所述第一导电复合层之间。

12.一种二次电池，包括：

如权利要求1至11中任一项所述的集电体，所述集电体具有相对的两个表面；

两个第一电极，分别设置于所述集电体的所述两个表面；

两个第二电极，各所述第二电极设置于各所述第一电极远离所述集电体的一侧；以及

两个隔离膜，各所述隔离膜设置于各所述第一电极与各所述第二电极之间。

13.如权利要求12所述的二次电池，其中所述第一电极的材质包括铜，所述第二电极的材质包括铝。

14.如权利要求12所述的二次电池，其中所述第一电极的材质包括铝，所述第二电极的材质包括铜。

15.如权利要求12所述的二次电池，还包括：

两个第三导电复合层；各所述隔离膜面向各所述第一电极的表面设置有各所述第三导电复合层。