CN105762365A - 一种锂离子电池用集流体及其制备方法 - Google Patents

一种锂离子电池用集流体及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种锂离子电池用集流体及其制备方法，所述集流体由金属涂层和多微孔薄膜层构成，其中，所述金属涂层双面对称地涂覆于多微孔薄膜层上。本发明的集流体质量密度仅为常规铝箔、铜箔金属质量密度的1/3?1/2，明显降低了锂离子电池质量，提高电池的能量密度，解决动力电池续航里程短的问题；涂覆层使集流体表面粗糙度增加，可与活性物质充分接触；双面对称性涂覆结构使得活性物容量均匀释放，减小电池充放电过程中的电化学极化，电池循环性能稳定。

Description

一种锂离子电池用集流体及其制备方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池领域，尤其涉及一种锂离子电池用集流体及其制备方法。
背景技术
随着锂离子电池技术的不断进步，锂离子在大功率、高能量的动力电池领域的应用前景更是可观。对动力用锂离子电池能量密度以及安全性提出更高要求。
现有技术对锂离子电池的改进表现为：寻求高能量正负极活性材料、改善电解液和隔膜、改进制作工艺、改进集流体等提高电池性能，现有技术对集流体的改性表现为集流体表面涂覆导电碳黑等以降低电池内阻。
集流体的表面处理、涂覆改性技术，若改性后的集流体两面结构不对称会导致集流体两面活性物涂层接触电阻不对称，使两面活性物容量不能均匀释放；同时也会导致两面活性物涂层粘结强度不一致，而使充放电循环寿命严重失衡，加快电池容量衰减。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种锂离子电池用集流体及其制备方法，旨在解决现有集流体两面结构不对称导致集流体两面活性物涂层接触电阻不对称，及两面活性物涂层粘结强度不一致的问题。
本发明的技术方案如下：
一种锂离子电池用集流体，所述集流体由金属涂层和多微孔薄膜层构成，其中，所述金属涂层双面对称地涂覆于多微孔薄膜层上。
所述的锂离子电池用集流体，其中，所述金属涂层为金属铝涂层或金属铜涂层。
所述的锂离子电池用集流体，其中，金属涂层中金属为粉末状金属铝或粉末状金属铜，所述粉末状金属铝或粉末状金属铜的中粒度范围为15-25nm。
所述的锂离子电池用集流体，其中，所述金属涂层的厚度为1-10μm。
所述的锂离子电池用集流体，其中，所述金属涂层的厚度为2-6μm。
所述的锂离子电池用集流体，其中，所述多微孔薄膜层为多微孔无纺布、多微孔高分子聚合物膜和多微孔碳纤维纸中的一种。
所述的锂离子电池用集流体，其中，所述多微孔薄膜层的厚度为8-50μm。
所述的锂离子电池用集流体，其中，所述多微孔薄膜层的厚度为20-50μm。
所述的锂离子电池用集流体，其中，所述多微孔高分子聚合物膜为单层PP、单层PE、双层PP/PE、双层PP/PP、三层PP/PE/PP中的一种。
一种如上任一所述的锂离子电池用集流体的制备方法，其中，包括步骤：
A、将金属于涂覆前在100～120℃烘干1～2h；
B、对基体多微孔薄膜层表面用丙酮或酒精清洗去除油污；
C、对清洗后的基体多微孔薄膜层于60～80℃下预热；
D、将经过步骤A后的金属双面对称地涂覆于步骤C后的基体多微孔薄膜层上，得到集流体。
有益效果：本发明所述集流体是将金属双面对称地涂覆于多微孔薄膜层上制成的轻质集流体。本发明轻质集流体质量密度仅为常规铝箔、铜箔金属质量密度的1/3~1/2，明显降低了锂离子电池质量，提高电池的能量密度，且电池的循环性能稳定。
附图说明
图1为本发明的一种锂离子电池用集流体较佳实施例的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种锂离子电池用集流体及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为本发明的一种锂离子电池用集流体较佳实施例的结构示意图，如图1所示，所述集流体由金属涂层2和多微孔薄膜层1构成，其中，所述金属涂层2双面对称地涂覆于多微孔薄膜层1上。本发明所述集流体是将金属双面对称地涂覆于多微孔薄膜层上制成的轻质集流体。本发明轻质集流体质量密度仅为常规铝箔、铜箔金属质量密度的1/3~1/2，明显降低了锂离子电池质量，提高电池的能量密度，且电池的循环性能稳定。
优选地，所述金属涂层为金属铝涂层或金属铜涂层。更优选地，金属涂层中金属为粉末状金属铝或粉末状金属铜，所述粉末状金属铝或粉末状金属铜的中粒度范围为15-25nm。
优选地，所述金属涂层的厚度为1-10μm。更优选地，所述金属涂层的厚度为2-6μm。
优选地，所述多微孔薄膜层为多微孔无纺布、多微孔高分子聚合物膜和多微孔碳纤维纸中的一种。
优选地，所述多微孔薄膜层的厚度为8-50μm。更优选地，所述多微孔薄膜层的厚度为20-50μm。
优选地，所述多微孔高分子聚合物膜为单层PP、单层PE、双层PP/PE、双层PP/PP、三层PP/PE/PP中的一种。
基于上述锂离子电池用集流体，本发明还提供一种如上任一所述的锂离子电池用集流体的制备方法，其中，包括步骤：
S1、将金属于涂覆前在100-120℃烘干1-2h；
例如，所述金属为铝或铜时，则将高纯铝粉或铜粉于涂覆前在100-120℃烘干1-2h，备用。
S2、对基体多微孔薄膜层表面用丙酮或酒精清洗去除油污；
S3、对清洗后的基体多微孔薄膜层于60-80℃下预热；
S4、将经过步骤S1后的金属双面对称地涂覆于步骤C后的基体多微孔薄膜层上，得到集流体。
其中，所述步骤S4具体包括：
S41、将经过步骤S1后的粉末状的金属装进涂覆装置的送粉器中；
S42、将步骤C后的基体多微孔薄膜层装在夹具上，调试程序，准备涂覆；
S43、设置涂覆工艺参数，电压：35-65V；电流：500-700A；氩气气体流量：30-50L/min；送粉速率：2-6g/min；涂覆距离：80-150mm；涂覆速率50-80cm/min。
本发明将金属双面对称地涂覆于多微孔薄膜层上制成集流体，所述集流体质量密度仅为常规铝箔、铜箔金属质量密度的1/3~1/2，明显降低了锂离子电池质量，提高电池的能量密度，且电池的循环性能稳定。
下面通过具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
对厚度为8μm的多微孔无纺布基体表面用丙酮或酒精清洗去除油污，清洗后的基体于70℃下预热，将处理好的基体装在夹具上，调试程序，准备涂覆；将D50为23nm的高纯铝粉于涂覆前在100℃烘干1h，装进送粉器中；设置涂覆工艺参数，电压：35V；电流：500A；氩气气体流量：30L/min；送粉速率：2g/min；涂覆距离：150mm；涂覆速率50cm/min；执行程序，进行涂覆；金属涂层单面厚度为2μm，金属涂层总厚度为4μm。上述工艺制备的双面对称涂覆铝的集流体的质量密度为1.4g/cm3。
对厚度为12μm的多微孔高分子聚合物双层PP/PE基体表面用丙酮或酒精清洗去除油污，清洗后的基体于60℃下预热，将处理好的基体装在夹具上，调试程序，准备涂覆；将D50为23nm的高纯铜粉于涂覆前在120℃烘干2h，装进送粉器中；设置涂覆工艺参数，电压：60V；电流：650A；氩气气体流量：45L/min；送粉速率：5g/min；涂覆距离：100mm；涂覆速率60cm/min；执行程序，进行涂覆；涂层单面厚度为3μm，涂层总厚度为6μm。上述工艺制备的双面对称涂覆铜的集流体的质量密度为3.9g/cm3。
以上述集流体制作的磷酸铁锂/碳体系的电池，能量密度为153Wh/Kg（0.2C）；循环500次，容量保持率为95.6%。
实施例2：
对厚度为9μm的多微孔高分子聚合物双层PP/PP基体表面用丙酮或酒精清洗去除油污，清洗后的基体于60℃下预热，将处理好的基体装在夹具上，调试程序，准备涂覆；将D50为18nm的高纯铝粉于涂覆前在100℃烘干1h，装进送粉器中；设置涂覆工艺参数，电压：35V；电流：500A；氩气气体流量：30L/min；送粉速率：2g/min；涂覆距离：150mm；涂覆速率50cm/min；执行程序，进行涂覆；涂层单面厚度为1μm，涂层总厚度为2μm。上述工艺制备的双面对称涂覆铝的集流体的质量密度为0.8g/cm3。
对厚度为16μm的多微孔无纺布基体表面用丙酮或酒精清洗去除油污，清洗后的基体于70℃下预热，将处理好的基体装在夹具上，调试程序，准备涂覆；将D50为15nm的高纯铜粉于涂覆前在120℃烘干2h，装进送粉器中；设置涂覆工艺参数，电压：60V；电流：650A；氩气气体流量：45L/min；送粉速率：5g/min；涂覆距离：100mm；涂覆速率60cm/min；执行程序，进行涂覆；涂层单面厚度为5μm，涂层总厚度为10μm。上述工艺制备的双面对称涂覆铜的集流体的质量密度为4.5g/cm3。
以上述集流体制作的锰酸锂/钛酸锂体系的电池的能量密度为87Wh/Kg（0.2C）；循环500次，容量保持率92.7%。
实施例3：
对厚度为20μm的多微孔碳纤维纸基体表面用丙酮或酒精清洗去除油污，清洗后的基体于80℃下预热，将处理好的基体装在夹具上，调试程序，准备涂覆；将D50为18nm的高纯铝粉于涂覆前在100℃烘干1h，装进送粉器中；设置涂覆工艺参数，电压：40V；电流：550A；氩气气体流量：35L/min；送粉速率：3g/min；涂覆距离：80mm；涂覆速率80cm/min；执行程序，进行涂覆；涂层单面厚度为1.5μm，涂层总厚度为3μm。上述工艺制备的双面对称涂覆铝的集流体的质量密度为1.3g/cm3。
对厚度为20μm的多微孔碳纤维纸基体表面用丙酮或酒精清洗去除油污，清洗后的基体于80℃下预热，将处理好的基体装在夹具上，调试程序，准备涂覆；将D50为25nm的高纯铜粉于涂覆前在120℃烘干2h，装进送粉器中；设置涂覆工艺参数，电压：65V；电流：700A；氩气气体流量：50L/min；送粉速率：6g/min；涂覆距离：80mm；涂覆速率80cm/min；执行程序，进行涂覆；涂层单面厚度为0.5μm，涂层总厚度为1μm。上述工艺制备的双面对称涂覆铜的集流体的质量密度为2.9g/cm3。
以上述集流体制作的磷酸铁锂/碳体系的电池，能量密度为146Wh/Kg（0.2C）；循环500次，容量保持率为97.4%。
对比实施例1
分别以12μm铝箔、18μm铜箔为正、负极集流体制作的磷酸铁锂/碳体系的电池的能量密度为115Wh/Kg（0.2C）；循环500次，容量保持率为97.6%。
对比实施例2
分别以11μm铝箔、26μm铜箔为正、负极集流体制作的锰酸锂/钛酸锂体系的电池的能量密度为63Wh/Kg（0.2C）；循环500次，容量保持率95.8%。
综上所述，本发明提供一种锂离子电池用集流体及其制备方法，本发明所述集流体是将金属铝或金属铜双面对称地涂覆于多微孔无纺布、多微孔高分子聚合物或多微孔碳纤维纸上制成的轻质集流体。本发明轻质集流体质量密度仅为常规铝箔、铜箔金属质量密度的1/3~1/2，明显降低了锂离子电池质量，提高电池的能量密度，且电池的循环性能稳定。另外，本发明涂覆层使集流体表面粗糙度增加，可与活性物质充分接触；双面对称性涂覆结构使得活性物容量均匀释放，减小电池充放电过程中的电化学极化，电池循环性能稳定。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种锂离子电池用集流体，所述集流体由金属涂层和多微孔薄膜层构成，其特征在于，所述金属涂层双面对称地涂覆于多微孔薄膜层上。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池用集流体，其特征在于，所述金属涂层为金属铝涂层或金属铜涂层。
3.根据权利要求2所述的锂离子电池用集流体，其特征在于，金属涂层中金属为粉末状金属铝或粉末状金属铜，所述粉末状金属铝或粉末状金属铜的中粒度范围为15-25nm。
4.根据权利要求1所述的锂离子电池用集流体，其特征在于，所述金属涂层的厚度为1-10μm。
5.根据权利要求4所述的锂离子电池用集流体，其特征在于，所述金属涂层的厚度为2-6μm。
6.根据权利要求1所述的锂离子电池用集流体，其特征在于，所述多微孔薄膜层为多微孔无纺布、多微孔高分子聚合物膜和多微孔碳纤维纸中的一种。
7.根据权利要求1所述的锂离子电池用集流体，其特征在于，所述多微孔薄膜层的厚度为8-50μm。
8.根据权利要求7所述的锂离子电池用集流体，其特征在于，所述多微孔薄膜层的厚度为20-50μm。
9.根据权利要求6所述的锂离子电池用集流体，其特征在于，所述多微孔高分子聚合物膜为单层PP、单层PE、双层PP/PE、双层PP/PP、三层PP/PE/PP中的一种。
10.一种如权利要求1-9任一所述的锂离子电池用集流体的制备方法，其特征在于，包括步骤：
A、将金属于涂覆前在100-120℃烘干1-2h；
B、对基体多微孔薄膜层表面用丙酮或酒精清洗去除油污；
C、对清洗后的基体多微孔薄膜层于60-80℃下预热；
D、将经过步骤A后的金属双面对称地涂覆于步骤C后的基体多微孔薄膜层上，得到集流体。
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