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CN111129505B - 一种使用轻量化的集流体的锂电池 - Google Patents

一种使用轻量化的集流体的锂电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种使用轻量化的集流体的锂电池，包括由正极片、隔膜及负极片以层叠或卷绕方式而成，所述正极片包括正极集流体，所述负极片包括负极集流体，所述正极集流体和/或负极集流体包括由导电薄膜基层和金属化膜层组成，所述导电薄膜基层的厚度为5~20μm，所述导电薄膜基层的电导率为1~100s/cm，所述金属化膜层的厚度为0.2~2μm，所述正极集流体的金属化膜层为铝层或镍层，所述负极集流体的金属化膜层为铜层、铁层及钨层中的一种。本发明中正极集流体和/或负极集流体是由导电薄膜基层和金属化膜层组成，其中导电薄膜基层采用高分子基材制备而成，以此在实现集流体功能的同时有效降低集流体的质量，达到集流体轻量化的目的。

Description

一种使用轻量化的集流体的锂电池
技术领域
本发明属于电池技术领域，具体涉及一种使用轻量化的集流体的锂电池。
背景技术
传统锂离子电池集流体均为正极使用铝箔、负极使用铜箔，随着技术的发展以及国家政策的驱动，轻量化、柔性化且能量密度高的锂离子电池成为追求的方向，金属箔材在锂离子电池中回占用有效的体积，传统以铜/铝为集流体中集流体的质量占比为8%~14%左右，常用的方式是逐步降低铜箔/铝箔厚度，目前最薄的箔材为10μm铝箔和5μm铜箔，但受制于前端箔材生产工艺过程，越薄越难制备，同时厚度降低之后会导致箔材机械强度降低，不能满足锂离子电池生产制备过程的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种使用轻量化的集流体的锂电池，以克服上述技术问题。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种使用轻量化的集流体的锂电池，包括由正极片、隔膜及负极片以层叠或卷绕方式而成，所述正极片包括正极集流体，所述负极片包括负极集流体，所述正极集流体和/或负极集流体包括由导电薄膜基层和在导电薄膜基层表面上以镀膜方式制备的金属化膜层组成，所述导电薄膜基层的厚度为5~20μm，所述导电薄膜基层的电导率为1~100s/cm，所述金属化膜层的厚度为0.2~2μm，所述正极集流体的金属化膜层为铝层或镍层，所述负极集流体的金属化膜层为铜层、铁层及钨层中的一种。
进一步地，所述导电薄膜基层选自PET纤维、PI纤维、OPP纤维、CPP纤维、芳纶纤维、PP隔膜及PE隔膜中的一种。
进一步地，所述导电薄膜基层由高分子基材、导电填料及助剂混炼而成，且所述导电填料的含量为1~10%，所述助剂的含量为0.1~1%。
进一步地，所述导电填料选自D50为10~80nm的纳米级炭黑、碳纳米管、碳纤维、石墨烯中的一种。
进一步地，所述助剂选自炭黑和丙烯酸中的一种。
进一步地，所述金属化膜层包括在导电薄膜基层表面上均匀排布的多个导电孤岛和将导电弧岛彼此连接起来的导电桥梁组成，所述导电孤岛采用圆形、椭圆形、三角形、四边形、五边形、六边形、七边形及八边形中的一种。
进一步地，所述金属化膜层中导电桥梁的镀覆面积为所述导电孤岛的镀覆面积的5~40%。
进一步地，所述镀膜方式为真空蒸镀、磁控溅射镀、等离子镀、分子束外延镀、激光脉冲镀及电镀中的一种。
有益效果：
（1）本发明中正极集流体和/或负极集流体是由导电薄膜基层和在导电薄膜基层表面上镀覆的金属化膜层组成，其中的导电薄膜基层采用高分子基材制备而成，以此在实现集流体功能的同时有效降低集流体的质量，达到集流体轻量化的目的；
（2）本发明利用金属镀膜技术在导电薄膜基层表面镀上图案化的金属化膜层作为正极集流体和/或负极集流体，能有效解决由高分子基材制成的集流体导电性差的问题；
（3）本发明在导电薄膜基层制备过程中加入导电填料与助剂，控制电导率为1~100s/cm；导电填料能提升一部分的基材的导电性，同时不会损失基材的机械强度，可以有效降低金属化膜层的厚度，保证集流体的整体导电能力；
同时控制导电填料的添加量使导电薄膜基层只具备半导体的功能；
添加的助剂，能有效提升金属化膜层镀覆过程中的附着力；
（4）金属化膜层采用图案化设计，通过导电桥梁将所有导电孤岛连接起来，能有助于活性物质的沾附；
同时导电桥梁的存在，能在电流过大时熔断，彻底孤立导电孤岛，切断了与相邻导电孤岛的联系，而由于导电薄膜基层仅具备半导体的导电能力，因此可起到安全防护的作用。
附图说明
图1为正极集流体和/或负极集流体的截面示意图；
图2为正极集流体和/或负极集流体的平面示意图；
图中：1、导电薄膜基层；2、导电孤岛；3、导电桥梁。
具体实施方式
在本发明的描述中，除非另有说明，术语“上”“下”“左”“右”“前”“后”等指示的方位或位置关系仅是为了描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或结构必须具有特定的方位，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1所示，本发明所述的一种使用轻量化的集流体的锂电池，包括由正极片、隔膜及负极片以层叠或卷绕方式而成，所述正极片包括正极集流体，所述负极片包括负极集流体，所述正极集流体和/或负极集流体包括由导电薄膜基层和在导电薄膜基层表面上以镀膜方式制备的金属化膜层组成，且所述导电薄膜基层表面镀覆金属化膜层前需进行电晕处理；其中，所述正极集流体的金属化膜层为铝层或镍层，所述负极集流体的金属化膜层为铜层、铁层及钨层中的一种，所述镀膜方式为真空蒸镀、磁控溅射镀、等离子镀、分子束外延镀、激光脉冲镀及电镀中的一种。
其中，所述导电薄膜基层选自PET纤维、PI纤维、OPP纤维、CPP纤维、芳纶纤维、PP隔膜及PE隔膜中的一种，所述导电薄膜基层的厚度为5~20μm，所述导电薄膜基层的电导率为1~100s/cm，所述导电薄膜基层由高分子基材、导电填料及助剂混炼而成，其中，所述导电填料的含量为1~10%，所述助剂的含量为0.1~1%，所述导电填料选自D50为10~80nm的纳米级炭黑、碳纳米管、碳纤维、石墨烯中的一种，所述助剂选自炭黑和丙烯酸中的一种。
其中，所述金属化膜层的厚度为0.2~2μm，所述金属化膜层包括在导电薄膜基层表面上均匀排布的多个导电孤岛和将导电弧岛彼此连接起来的导电桥梁组成，所述导电桥梁为每个导电孤岛与相邻导电孤岛连接的接触点，所述导电孤岛采用圆形、椭圆形、三角形、四边形、五边形、六边形、七边形及八边形中的一种，其中所述金属化膜层中导电桥梁的镀覆面积为所述导电孤岛的镀覆面积的5~40%。
下面提供具体实施例1-3与对比例1对本发明进行进一步说明，下述所有实施例与对比例采用的正负极浆料均相同，区别仅在于正极集流体和/或负极集流体。
实施例与对比例中正极活性物质和负极活性物质采用下述参数而成：
正极活性物质：NCM622：PVDF5130：SP：CNT=96%：2%：1%：1%，涂布面密度为180g/cm2；
负极活性物质：人造石墨：SP：SBR：CMC=95%：2%：1.8%：1.2%，涂布面密度为92g/cm2。
实施例1-3与对比例1的集流体结构、内阻及短路通过情况如下表1所示。
表1
正极集流体 负极集流体 内阻 短路通过情况
实施例1 A B 5.02 5
实施例2 A D 4.78 3
实施例3 C B 4.52 4
对比例1 C D 4.38 0
其中，A采用本发明所述的正极集流体；B采用本发明所述的负极流体；C为厚度与A相同的常规铝箔；D为厚度与B相同的常规铜箔。
其中，电池内阻通过IT5100电池测试仪（艾德克斯）来检测，短路通过情况按照《GBT 31485-2015 电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法》的标准进行短路测试，观察电池能否通过测试，上述实施例1-3和对比例1均以5个实验电池为一组进行检测，电池内阻的数据为5个实验电池的检测结果的平均值。
其中A的制备如下：
（1）、导电薄膜基层的制备：将高分子基材PI、质量含量为10%的导电填料、质量含量为1%的助剂混炼之后制成厚度为10μm的导电薄膜基层，所述导电填料为D50为10nm的炭黑，所述助剂为白炭黑；
（2）、金属化膜层的制备：对制备的导电薄膜基层进行电晕处理后，通过真空蒸镀方式在所述导电薄膜基层的表面镀覆一层厚度为2μm的图案化的铝镀层，所述铝镀层为相对独立的四边形导电孤岛均匀排布组成，每个导电孤岛之间通过四个起到导电桥梁分别于相邻的四个导电孤岛连接，四个导电桥梁的镀覆面积为导电孤岛的镀覆面积的20%。
其中B的制备如下：
（1）、导电薄膜基层的制备：将高分子基材PI、质量含量为8%的导电填料、质量含量0.7%的助剂混炼之后制成厚度为7μm的导电薄膜基层，所述导电填料为D50为60nm的炭黑，所述助剂为白炭黑；
（2）、金属化膜层的制备：对制备的导电薄膜基层进行电晕处理后，通过真空蒸镀方式在所述导电薄膜基层的表面镀覆一层厚度为1μm的图案化的铜镀层，所述铜镀层为相对独立的四边形导电孤岛均匀排布组成，每个导电孤岛之间通过四个起到导电桥梁分别于相邻的四个导电孤岛连接，四个导电桥梁的镀覆面积为导电孤岛的镀覆面积的20%。
对上述制备的厚度为12μm的正极集流体与厚度为12μm的常规铝箔、厚度为8μm的负极集流体与厚度为8μm的铜箔的面密度分别进行测量，具体数据为厚度为12μm的正极集流体的面密度为21 g/cm2，厚度为12μm的常规铝箔的面密度为37 g/cm2；厚度为8μm的负极集流体的面密度为34 g/cm2，厚度为8μm的铜箔的面密度为72 g/cm2。由此可知，本发明制备的正极集流体和负极集流体的面密度均有大幅度降低，应用于锂离子电池能大幅度提升电池的能量密度。
从表1的结果可知，与对比例1相比，实施例1-3的电池内阻稍有增加，但幅度不大，可知以本发明制备正、负极集流体作为电池的集流体结构并未对其导电性能产生较大的影响；而短路结果显示，使用本发明制备而成的电池，均能够有效提升短路测试的通过率。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加简洁明了，本发明用以上具体实施例进行说明，仅仅用于描述本发明，不能理解为对本发明的范围的限制。应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种使用轻量化的集流体的锂电池，由正极片、隔膜及负极片以层叠或卷绕方式而成，所述正极片包括正极集流体，所述负极片包括负极集流体，其特征在于，所述正极集流体和/或负极集流体由导电薄膜基层和在导电薄膜基层表面上以镀膜方式制备的金属化膜层组成，所述导电薄膜基层的厚度为5～20μm，所述导电薄膜基层的电导率为1～100s/cm，所述金属化膜层的厚度为0.2～2μm，所述正极集流体的金属化膜层为铝层或镍层，所述负极集流体的金属化膜层为铜层、铁层及钨层中的一种；
所述金属化膜层包括在导电薄膜基层表面上均匀排布的多个导电孤岛和将多个导电弧岛彼此连接起来的导电桥梁，所述导电孤岛采用圆形、椭圆形、三角形、四边形、五边形、六边形、七边形及八边形中的一种；
所述金属化膜层中导电桥梁的镀覆面积为所述导电孤岛的镀覆面积的5～40％。
2.根据权利要求1所述的使用轻量化的集流体的锂电池，其特征在于，所述导电薄膜基层选自PET纤维、PI纤维、OPP纤维、CPP纤维、芳纶纤维、PP隔膜及PE隔膜中的一种。
3.根据权利要求1或2所述的使用轻量化的集流体的锂电池，其特征在于，所述导电薄膜基层由高分子基材、导电填料及助剂混炼而成，且所述导电填料的含量为1～10％，所述助剂的含量为0.1～1％。
4.根据权利要求3所述的使用轻量化的集流体的锂电池，其特征在于，所述导电填料选自D50为10～80nm的纳米级炭黑、碳纳米管、碳纤维、石墨烯中的一种。
5.根据权利要求3所述的使用轻量化的集流体的锂电池，其特征在于，所述助剂选自炭黑和丙烯酸中的一种。
6.根据权利要求1所述的使用轻量化的集流体的锂电池，其特征在于，所述镀膜方式为真空蒸镀、磁控溅射镀、等离子镀、分子束外延镀、激光脉冲镀及电镀中的一种。
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