CN111799471A - 集流体、集流体的制备方法、固态电池及汽车 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集流体、集流体的制备方法、固态电池及汽车。其中，集流体包括：依次层叠的阴极箔材、集流体间导电层和阳极箔材；所述阴极箔材远离所述集流体间导电层的一侧表面涂覆有阴极导电层；所述阳极箔材远离所述集流体间导电层的一侧表面涂覆有阳极导电层。实现复合箔材界面接触电阻的问题，提高复合箔材的键合强度，改善其使用稳定性，以及实现固态电池内部多个充放电单元的串联，实现较高电压和容量的单体形式。
Description
技术领域
本发明涉及动力电池技术领域，更具体地，涉及一种集流体、集流体的制备方法、固态电池及汽车。
背景技术
随着当今传统化石能源日益短缺，寻找可替代的清洁能源已然成为全球性课题，而电能是目前人们可利用的再生清洁能源之一。电池是一种通过内部的化学反应将化学能转换为电能的一种装置，因其高效，便捷的优点而广泛的应用于人类的生产生活中。锂离子电池因其材料体系灵活、技术更新快等特点而成为最受关注地储能体系并且已经在各类示范工程中得到广泛应用。传统的锂离子电池在长期应用过程中电池品质下降明显，循环寿命有限，且其采用的液态有机电解质可能会产生泄露。有机电解质存在易挥发、易燃和易爆的安全隐患，一旦电池出现不正常状态如过充导致电解质分解和温度升高时，可能会引发爆炸。此外，传统液态电解质锂电池，常常需要通过多个单体的外部串并联来满足整个电池系统的电压和容量要求，在成组过程中，外部结构件及连接件一方面增加了电池系统的接触电阻，另一方面更为重要的是降低了电池系统的体积和质量能量密度。
以固态电解质代替液态电解质的大容量全固态锂离子电池，在解决传统锂离子电池能量密度偏低和使用寿命偏短这两个关键问题的同时，有望彻底解决电池的安全性问题，是未来电动汽车和规模化储能理想的化学电源。相比较传统的液态锂离子电池，全固态电池采用固态电解质，固态电解质具有较强的机械性能，能够抑制锂支晶生长，避免热收缩等，具有明显的安全方面的优势。除此之外，库伦效率高、循环性能好也是其优点。因为在全固态电池中只存在锂离子的迁移，不存在形成SEI膜之类的副反应，提高了库伦效率，增强了循环寿命，更为重要的是为组装大容量，高电压的电池，降低电池内阻，提高电池体积利用率提供了理论上的可行性。
目前市场上动力电池的成组，主要通过电芯单体间的外部串并联成组来实现整个电池系统的电压和容量要求。然而外部连接实现串并联的方式，无论是通过金属导柄还是导线等连接方式，都会使得电池组整体接触电阻增大，且外部极耳和导柄的焊接可靠性要求较高。并且，封装及外部连接所占体积大，质量能量密度较低。
发明内容
本发明的目的是提出一种集流体、集流体的制备方法、固态电池及汽车，实现固态电池内部充电单元的串联，降低电池的内阻，提升能量密度。
第一方面，本发明提出了一种集流体，应用于固态电池，包括：
依次层叠的阴极箔材、集流体间导电层和阳极箔材；
所述阴极箔材远离所述集流体间导电层的一侧表面涂覆有阴极导电层；
所述阳极箔材远离所述集流体间导电层的一侧表面涂覆有阳极导电层。
可选地，所述集流体间导电层、所述阴极导电层和所述阳极导电层的材质均由多维导电复合材料和粘结剂构成。
可选地，所述集流体间导电层中所述多维导电复合材料的占比为90％-95％，所述粘结剂的占比为10％-5％；
和/或，
所述阴极导电层、所述阳极导电层中所述多维导电复合材料的占比为90％-99％，所述粘结剂的占比为10％-1％。
可选地，所述多维导电复合材料包括导电炭黑、碳纳米管和石墨烯。
可选地，所述多维导电复合材料中所述导电炭黑、所述碳纳米管、所述石墨烯的配比分别为：30％-50％、10％-30％和20％-40％。
可选地，所述阴极箔材为铝箔，所述阴极箔材的厚度为1-20μm；所述阳极箔材为镍箔或铜箔，所述阳极箔材的厚度为1-15μm；所述集流体间导电层的厚度为3-10μm；所述阴极导电层的厚度为1-3μm；所述阳极导电层的厚度为1-3μm。
第二方面，本发明还提出一种集流体的制备方法，包括：
提供阴极箔材和阳极箔材；
采用清洗液对所述阴极箔材和所述阳极箔材的表面进行清洗；
烘干所述阴极箔材和所述阳极箔材的表面；
提供集流体间导电层；
将所述阴极箔材、所述集流体间导电层、所述阳极箔材依次层叠设置；
采用热压工艺使所述阴极箔材、所述集流体间导电层、所述阳极箔材之间的相邻表面键合；
在所述阴极箔材远离所述集流体间导电层的一侧表面涂覆阴极导电层，并在所述阳极箔材远离所述集流体间导电层的一侧表面涂覆阳极导电层。
可选地，所述热压工艺的热压温度为40-90℃，热压时间为0.5min-25min，热压压力为0.5MPa-2.5MPa。
第三方面，本发明还提出一种固态电池，包括阴极集流体、阳极集流体，所述阴极集流体、所述阳极集流体之间设有多个叠置串联的充放电单元，相邻的所述充放电单元之间通过集流体实现串联，所述集流体为第一方面所述的集流体。
第四方面，本发明还提出一种汽车，包括第三方面所述的固体电池。
本发明的有益效果在于：
1、本发明的集流体采用依次层叠的阴极箔材、集流体间导电层和阳极箔材，并在阴极箔材远离集流体间导电层的一侧表面涂覆阴极导电层，以及在阳极箔材远离集流体间导电层的一侧表面涂覆阳极导电层，以此实现了一种新形式的复合集流体，通过集流体间导电层、阴极导电层、阳极导电层的引入，能够同时承载充放电单元的正极活性物质层和负极活性物质层，一方面改善了复合箔材界面接触电阻的问题，另一方面，有助于提高复合箔材的键合强度，从而改善其使用稳定性。
2、本发明的集流体制备方法，通过采用热压的形式将多个特别薄的箔材和膜层热压键合，制备符合箔材，进而制备出复合形式的集流体，是一种制备集流体的新工艺，能够改善复合箔材界面接触电阻的问题，并提高复合箔材的键合强度，从而改善集流体的使用稳定性。
3、应用本发明集流体的固态电池，能够在化学层面实现固态电池内部多个充放电单元的串联，可以充分发挥固态电池的优势，实现较高电压和容量的单体形式，与传统的通过多个电芯外部串并联的形式相比，能够显著降低极耳与导柄焊接导致的接触电阻的影响，减小电池的内阻，提升电池倍率性能，并优化充放电过程的产热量，同时，采用此固态电池成组，还能够有效提高电池组的能量密度。
本发明的装置具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了根据本发明的一个实施例的一种集流体的结构示意图。
图2示出了根据本发明的一种集流体制备方法的步骤图。
图3示出了根据本发明的一个实施例的一种固态电池的结构示意图。
附图标记说明：
1-阴极导电层，2-阴极箔材，3-集流体间导电层，4-阳极箔材，5-阳极导电层，6-阴极集流体，7-阴极活性物质层，8-隔离膜，9-阳极活性物质层，10-集流体，11-阳极集流体，12-阴极极耳，13-阳极极耳，20-固态电池。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
实施例1
图1示出了根据本发明的一个实施例的一种集流体10的结构示意图。
如图1所示，一种集流体10，应用于固态电池，包括：
依次层叠的阴极箔材2、集流体间导电层3和阳极箔材4；
阴极箔材2远离集流体间导电层3的一侧表面涂覆有阴极导电层1；
阳极箔材4远离集流体间导电层3的一侧表面涂覆有阳极导电层5。
本实施例中，集流体间导电层3、阴极导电层1和阳极导电层5的材质均由多维导电复合材料和粘结剂构成。其中，多维导电复合材料包括导电炭黑、碳纳米管和石墨烯。选择导电炭黑(点结构)，碳纳米管(线结构)以及石墨烯(面结构)构成多维导电复合材料，能够构建同时具有点、线、面的复合三维导电网络结构，有效提升导电层的电子传导能力。
多维导电复合材料中导电炭黑、碳纳米管、石墨烯的配比分别为：30％-50％、10％-30％和20％-40％。其中，导电炭黑可以选择低电阻率的导电炭黑、科琴黑或乙炔黑。
集流体间导电层3中多维导电复合材料的占比为90％-95％，粘结剂的占比为10％-5％。本实施例中，优选集流体间导电层3由95％导电物质和5％粘结剂组成，多维导电复合材料由40％科琴黑、30％碳纳米管、30％石墨烯的组成。
阴极导电层1、阳极导电层5中多维导电复合材料的占比为90％-99％，粘结剂的占比为10％-1％。本实施例中，优选阴极导电层1和阳极导电层5均由98％多维导电复合材料和2％粘结剂组成，多维导电复合材料由50％导电炭黑、20％碳纳米管和30％石墨烯组成。
本实施例中，阴极箔材2为铝箔，阴极箔材2的厚度为1-20μm，优选12μm；阳极箔材4为镍箔，阳极箔材4的厚度为1-15μm，优选6μm；集流体间导电层3的厚度为3-10μm，优选5μm；阴极导电层1的厚度为1-3μm，优选1μm；阳极导电层5的厚度为1-3μm，优选1μm。
在其他实施例中阳极箔材4也可以为铜箔，铜箔的厚度为1-15μm，优选8μm。
本发明的集流体采实现了一种新形式的复合集流体，通过集流体间导电层、阴极导电层、阳极导电层的引入，能够同时承载充放电单元的正极活性物质层和负极活性物质层，一方面改善了复合箔材界面接触电阻的问题，另一方面，有助于提高复合箔材的键合强度，从而改善其使用稳定性。同时承载正极活性物质层和负极活性物质层
实施例2
图2示出了根据本发明的一种集流体制备方法的步骤图。
如图2所示，一种集流体的制备方法，包括：
步骤S101：提供阴极箔材和阳极箔材；
具体地，本实施例中提供厚度为12μm的铝箔作为阴极箔材，提供厚度为6μm的镍箔作为阳极材料。
步骤S102：采用清洗液对阴极箔材和阳极箔材的表面进行清洗；
具体地，可以采用丙酮液对阴极箔材和阳极箔材进行喷淋清洗，以清洁阴极箔材和阳极箔材的表面。
步骤S103：烘干阴极箔材和阳极箔材的表面；
具体地，采用60℃的温度对阴极箔材和阳极箔材的表面进行烘干。
步骤S104：提供集流体间导电层；
具体地，提供预先制备的厚度为5μm的集流体间导电层，集流体间导电层由95％导电物质和5％粘结剂组成，多维导电复合材料由40％科琴黑、30％碳纳米管、30％石墨烯的组成。
步骤S105：将阴极箔材、集流体间导电层、阳极箔材依次层叠设置；
步骤S106：采用热压工艺使阴极箔材、集流体间导电层、阳极箔材之间的相邻表面键合；
具体地，本实施例中进行热压时，热压温度设置为80℃，热压压力设置为2MPa，持续热压时间为20min，完成热压后，阴极箔材、集流体间导电薄膜、阳极箔材之间的表面能够键合在一起，通过导电层的引入并采用热压键合工艺，能够改善阴极箔材、集流体间导电薄膜、阳极箔材形成的复合箔材界面接触电阻的问题，还能够提高复合箔材的键合强度，从而改善其使用稳定性。
步骤S107：在阴极箔材远离集流体间导电层的一侧表面涂覆阴极导电层，并在阳极箔材远离集流体间导电层的一侧表面涂覆阳极导电层。
具体地，在完成热压工艺之后，在阴极箔材远离集流体间导电层的一侧表面、阳极箔材远离集流体间导电层的一侧表面分别涂覆一层1μm厚的阴极导电层和1μm厚的阳极导电层，其中，阴极导电层和阳极导电层均由98％多维导电复合材料和2％粘结剂组成，多维导电复合材料由50％导电炭黑、20％碳纳米管和30％石墨烯组成。
以此能够制备出镍箔做为阳极箔材、铝箔作为阴极箔材的复合集流体。
实施例3
本实施例的集流体选择铜箔做为阳极箔材、铝箔作为阴极箔材，本实施例与实施例2的区别在于：
在步骤S101中，提供厚度为8μm的铜箔做为阳极箔材，选择12μm厚的铝箔作为阴极箔材；
在步骤S103中，采用50℃的温度对阴极箔材和阳极箔材的表面进行烘干；
在步骤S106中，进行热压时，热压温度设置为50℃，热压压力设置为1MPa，持续热压时间为1min；其余步骤均与实施例相同。
以此能够制备出铜箔做为阳极箔材、铝箔作为阴极箔材的复合集流体。
本发明的集流体制备方法，通过采用热压的形式将多个特别薄的箔材和膜层热压键合，制备符合箔材，进而制备出复合形式的集流体，是一种制备集流体的新工艺，具有较高的生产效率，能够改善复合箔材界面接触电阻的问题，并提高复合箔材的键合强度，从而改善集流体的使用稳定性。
实施例4
图3示出了根据本发明的一个实施例的一种固态电池的结构示意图。
参考图3，一种固态电池，包括阴极集流体6、阳极集流体11，阴极集流体6、阳极集流体11之间设有多个叠置串联的充放电单元，相邻的充放电单元之间通过集流体10实现串联，集流体10为实施例1的集流体10。
其中，充放电单元包括依次层叠的阴极活性物质层7、隔离膜8和阳极活性物质层9，集流体10的阴极导电层1与一侧相邻的充放电单元的阴极活性物质层7电连接，集流体10的阳极导电层5与另一侧相邻的充放电单元的阳极活性物质层9电连接；阴极集流体6与相邻的充放电单元的阴极活性物质层7电连接，阳极集流体11与相邻的充放电单元的阳极活性物质层9电连接。
本实施例中，固态电池包括四个充放电单元，其中阴极集流体6为12μm厚的铝箔，阳极集流体11为6μm厚的铜箔，充放电单元的阴极活性物质层7为45μm厚，由镍钴锰酸锂、粘结剂和导电剂组成，隔离膜8为30μm厚的固态电解质膜，阳极活性物质层9为60μm厚的石墨，集流体10的厚度为25μm，其阳极箔材4为镍箔。在其他实施例中，也可以选择阳极箔材4为铜箔的集流体10。
本实施例中，还包括阴极极耳12和阳极极耳13，阴极极耳12与阴极集流体6电连接，阳极极耳13与阳极集流体11电连接。其中，阴极极耳12为长度为20mm的长阴极极耳12，阳极极耳13选择长度为18mm的长阳极极耳13。
通过采用复合箔材形式的集流体10，能够使固态电池可以充分发挥其性能优势，能够从化学层面在单体电池内部实现多个充放电单元的串联方式，实现较高电压和容量的单体形式，与传统的多个电芯外部串并联形式相比，显著降低了极耳与导柄焊接导致的接触电阻的影响，减少了电池的内阻，提升了电池倍率性能，优化了充放电过程的产热量。
同时，对于固态电池而言，由于每一个充放电单元单独工作，不存在液态电池内部串联导致电解液在较高电压条件下工作的风险。因此，固态电池内部实现串并联以降低整体电组，提升能量密度，具有先天的优势。因此，本发明通过实现电池内部的串联以提升电池组的容量和电压，可以节约封装及外部连接所占体积，一定程度上提升电池组整体体积和质量能量密度。
实施例5
本发明实施例还提出一种汽车，该汽车采用实施例4的固态电池。
采用上述固态电池组成电池模组的汽车，由于电池组的质量能量密度较高，能够具有较高的动力性能和续航里程。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。
Claims (10)
1.一种集流体，应用于固态电池，其特征在于，包括：
依次层叠的阴极箔材、集流体间导电层和阳极箔材；
所述阴极箔材远离所述集流体间导电层的一侧表面涂覆有阴极导电层；
所述阳极箔材远离所述集流体间导电层的一侧表面涂覆有阳极导电层。
2.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述集流体间导电层、所述阴极导电层和所述阳极导电层的材质均由多维导电复合材料和粘结剂构成。
3.根据权利要求2所述的集流体，其特征在于，所述集流体间导电层中所述多维导电复合材料的占比为90％-95％，所述粘结剂的占比为10％-5％；
和/或，
所述阴极导电层、所述阳极导电层中所述多维导电复合材料的占比为90％-99％，所述粘结剂的占比为10％-1％。
4.根据权利要求2所述的集流体，其特征在于，所述多维导电复合材料包括导电炭黑、碳纳米管和石墨烯。
5.根据权利要求4所述的集流体，其特征在于，所述多维导电复合材料中所述导电炭黑、所述碳纳米管、所述石墨烯的配比分别为：30％-50％、10％-30％和20％-40％。
6.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述阴极箔材为铝箔，所述阴极箔材的厚度为1-20μm；所述阳极箔材为镍箔或铜箔，所述阳极箔材的厚度为1-15μm；所述集流体间导电层的厚度为3-10μm；所述阴极导电层的厚度为1-3μm；所述阳极导电层的厚度为1-3μm。
7.一种集流体的制备方法，其特征在于，包括：
提供阴极箔材和阳极箔材；
采用清洗液对所述阴极箔材和所述阳极箔材的表面进行清洗；
烘干所述阴极箔材和所述阳极箔材的表面；
提供集流体间导电层；
将所述阴极箔材、所述集流体间导电层、所述阳极箔材依次层叠设置；
采用热压工艺使所述阴极箔材、所述集流体间导电层、所述阳极箔材之间的相邻表面键合；
在所述阴极箔材远离所述集流体间导电层的一侧表面涂覆阴极导电层，并在所述阳极箔材远离所述集流体间导电层的一侧表面涂覆阳极导电层。
8.根据权利要求1所述的集流体的制备方法，其特征在于，所述热压工艺的热压温度为40-90℃，热压时间为0.5min-25min，热压压力为0.5MPa-2.5MPa。
9.一种固态电池，其特征在于，包括阴极集流体、阳极集流体，所述阴极集流体、所述阳极集流体之间设有多个叠置串联的充放电单元，相邻的所述充放电单元之间通过集流体实现串联，所述集流体为权利要求1-7任意一项所述的集流体。
10.一种汽车，其特征在于，包括权利要求9所述的固体电池。
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