CN112216842B - 复合集流体及包括所述复合集流体的电极极片和电芯 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种复合集流体，包括：聚合物层，包括第一表面，和与所述第一表面相对设置的第二表面；以及第一金属层，设置于所述第一表面，所述第一金属层包括第一区域及连接所述第一区域的第二区域；其中，在所述复合集流体的厚度方向上，所述第二区域的厚度大于所述第一区域的厚度。本申请还提供包括所述复合集流体的电极极片和电芯。通过增加所述第二区域的厚度，大大减小了极耳的电荷传输电阻。

Description

复合集流体及包括所述复合集流体的电极极片和电芯
技术领域
本申请涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种复合集流体及具有所述复合集流体的电极极片和电芯。
背景技术
锂离子电池具有比能量大、工作电压高、自放电率低、体积小、重量轻等优势，在消费电子领域具有广泛的应用。然而随着电动汽车和可移动电子设备的高速发展，人们对电池安全性的关注度与要求也越来越高。
众所周知，锂电池中需要使用金属箔材(铜箔、铝箔、镍箔等等)作为集流体，实现电子的传导。目前，有一种新型的复合集流体，它是一种三层结构，中间层为高分子层，上下各有一层金属层。使用这种集流体的优势在于，它可以大大提高电池的安全性，并且降低电池的重量。然而，这种集流体的使用过程中，存在一些问题：由于这种集流体的电阻相对普通的纯金属箔材要大上许多，因此，电芯内部通常需要设计多层极耳的结构来降低电池的内阻。即使这样，仅多层极耳结构中的极耳区的电阻就占了整个电芯20％左右的内阻，那么减少极耳区的内阻变得十分重要。
发明内容
基于以上现有技术的不足，本申请提供一种具有较小的极耳区电阻的复合集流体以及具有所述复合集流体的电极极片和电芯。
本申请提供一种复合集流体，包括：
聚合物层，包括第一表面，和与所述第一表面相对设置的第二表面；以及
第一金属层，设置于所述第一表面，所述第一金属层包括第一区域及连接所述第一区域的第二区域；
其中，在所述复合集流体的厚度方向上，所述第二区域的厚度大于所述第一区域的厚度。
上述复合集流体中，所述第一区域的表面用于设置活性物质，所述第二区域用于裁切形成极耳。
本申请还提供一种电极极片，包括如前所述的复合集流体；及第一活性层，设置于所述第一区域。
本申请还提供一种电芯，包括第一极片，第二极片，和设置于所述第一极片和所述第二极片之间的隔离膜，所述第一极片和所述第二极片堆叠或卷绕形成所述电芯，所述第一极片为如前所述的电极极片，所述电芯进一步包括：
第一极耳，设置于所述第一极片的第二区域；
第二极耳，设置于所述第二极片。
其中，所述第一极耳由所述第二区域裁切形成。
本申请提供的复合集流体、电极极片及电芯，通过增加用于设置极耳的第二区域的厚度，大大减小了极耳的电荷传输电阻；减小了金属层破碎的概率，进一步减小了金属层上的电阻的不一致性；且使得能量密度损失小于0.5％。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请一实施方式的复合集流体的剖视图。
图2为本申请一实施方式的正极极片的剖视图。
图3为本申请另一实施方式的正极极片的剖视图。
图4为本申请一实施方式的负极极片的剖视图。
主要元件符号说明
复合集流体 100
聚合物层 10
第一金属层 30
第一表面 11
第二表面 12
第一区域 31
第二区域 32
第二金属层 50
第三区域 51
第四区域 52
正极极片 200、300
第一活性层 210、310
绝缘层 230、330
负极极片 400
第二活性层 420
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本申请。
具体实施方式
下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅是本申请的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本申请实施方式中使用的术语是仅仅出于描述特定实施方式的目的，而非旨在限制本申请。
下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述各实施方式中的特征可以相互组合。
请参阅图1，本实施方式提供一种复合集流体100，包括聚合物层10以及第一金属层30。所述聚合物层10包括第一表面11和与所述第一表面11相对设置的第二表面12。所述第一金属层30设置于所述第一表面11。所述第一金属层30包括第一区域31及连接所述第一区域31的第二区域32。所述第一区域31用于设置活性材料(图未示)，如，正极材料、负极材料。所述第二区域32用于设置极耳(图未示)，以导出所述第一金属层30的电子。本实施方式中，所述第二区域32的数量为两个，所述两个第二区域32设置于所述第一区域31相对的两侧。根据本申请的另一个实施例，所述第二区域32可用于裁切形成极耳；进一步的，所述第二区域32可以包括相互间隔的复数个子区域，所述复数个子区域可用于裁切形成极耳。
在所述复合集流体100的厚度方向上，所述第二区域32的厚度大于所述第一区域31的厚度。本实施方式中，所述第一区域31的厚度为0.1～5um，使得具有所述复合集流体100的电芯的主体区能量密度没有损失；所述第二区域32的厚度为1～20um。可选地，所述第一区域31的厚度为0.5～3um，所述第二区域32的厚度为2～8um。相较于传统的具有三层结构的复合集流体，所述第一金属层30的第二区域32的厚度比第一区域31的厚度大，通过欧姆定律可知，设置于所述第二区域32的极耳的电荷传输电阻大大减小；且厚度较大的第二区域32破碎的概率减小，进一步减小所述第一金属层30上的电阻的不一致性。本申请所提供的第二区域32的厚度增加，活性材料区的厚度无增加，采用本申请提供的极片的电芯能量密度损失小于0.5％。
所述聚合物层的材质选自聚对苯二甲酸亚乙酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚醚醚酮、聚酰亚胺、聚酰胺、聚乙二醇、聚酰胺酰亚胺、聚碳酸酯、环状聚烯烃、聚苯硫醚、聚乙酸乙烯酯、聚四氟乙烯，聚亚甲基萘、聚偏二氟乙烯，聚萘二甲酸亚乙酯、聚碳酸亚丙酯、聚偏二氟乙烯-六氟丙烯、聚(偏二氟乙烯-共-三氟氯乙烯)、有机硅、维尼纶、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚醚腈、聚氨酯、聚苯醚、聚酯以及聚砜及其衍生物中的至少一种。
所述第一金属层30可通过溅射法、真空沉积法、离子电镀法、激光脉冲沉积法等方法形成。由于制备时仅需对所述聚合物层10进行裁剪，能够避免传统集流体在裁切时产生的金属毛刺，改善单位时间内电池的电压降(K值)，提高电池安全性能。所述第一金属层30的材质可选自Ni、Ti、Cu、Ag、Au、Pt、Fe、Co、Cr、W、Mo、Al、Mg、K、Na、Ca、Sr、Ba、Si、Ge、Sb、Pb、In、Zn及其组合物(合金)中的至少一种。
进一步地，所述复合集流体100还包括第二金属层50。所述第二金属层50设置于所述聚合物层10的第二表面12。所述第二金属层50包括第三区域51及连接所述第三区域51的第四区域52。其中，所述第三区域51的位置与所述第一区域31的位置相对应，所述第四区域52的位置与所述第二区域32的位置相对应。所述第三区域51用于设置活性材料，所述第四区域52用于设置极耳。本实施方式中，所述第四区域52的数量为两个，所述两个第四区域52设置于所述第三区域51相对的两侧。根据本申请的另一个实施例，所述第四区域52可用于裁切形成极耳；进一步的，所述第四区域52可以包括相互间隔的复数个子区域，所述复数个子区域可用于裁切形成极耳。
在所述复合集流体100的厚度方向上，所述第四区域52的厚度大于所述第三区域51的厚度。本实施方式中，所述第三区域51的厚度为0.1～5um，所述第四区域52的厚度为1～20um。可选地，所述第三区域51的厚度为0.5～3um，所述第四区域52的厚度为2～8um。所述第二金属层50的第三区域51的厚度与所述第一金属层30的第一区域31的厚度可以相同，也可以不同。所述第二金属层50的第四区域52的厚度与所述第一金属层30的第二区域32的厚度可以相同，也可以不同。本实施方式中，所述第三区域51的厚度与所述第一区域31的厚度相同，所述第四区域52的厚度与所述第二区域32的厚度相同。
所述第二金属层50通过溅射法、真空沉积法、离子电镀法、激光脉冲沉积法等方法形成。所述第二金属层50的材质可选自Ni、Ti、Cu、Ag、Au、Pt、Fe、Co、Cr、W、Mo、Al、Mg、K、Na、Ca、Sr、Ba、Si、Ge、Sb、Pb、In、Zn及其组合物(合金)中的至少一种。所述第一金属层30以及所述第二金属层50的材质不同，可选地，所述第一金属层30的材质为Cu，所述第二金属层50的材质为Al，此时，所述复合集流体100为双侧异质复合集流体。在其它实施方式中，所述第一金属层30以及所述第二金属层50的材质也可以相同，如，所述第一金属层30和所述第二金属层50的材质均为Al。
请参阅图2，本申请一实施方式还提供一种正极极片200，所述正极极片200包括所述复合集流体100及设置于所述复合集流体100表面的第一活性层210。所述第一活性层210为正极材料层。其中，所述正极材料层可通过涂覆、烘干以及冷压等工艺形成于所述复合集流体100表面。本实施方式中，所述第一活性层210设置于所述第一金属层30的第一区域31。
进一步地，所述正极极片200还包括设置于所述复合集流体100表面的绝缘层230，所述绝缘层230设置于所述第一活性层210靠近所述第二区域32的侧面。本实施方式中，所述绝缘层230设置于所述第一区域31上并与所述第二区域32的边缘相连接。所述绝缘层230的厚度h1与所述第一活性层210的厚度h2之间的关系为：0＜h1≤1.1*h2。
进一步地，所述第一活性层210还设置于所述第二金属层50的第三区域51上。所述绝缘层230还设置于所述第三区域51上并与所述第四区域52的边缘相连接。
请参阅图3，本申请另一实施方式又提供一种正极极片300，所述正极极片300与所述正极极片200的区别在于：所述第一活性层310以及绝缘层330的设置位置不同。具体的，所述第一活性层310设置于所述第一区域31上并与所述第二区域32的边缘相连接，即所述第一活性层310完全覆盖所述第一区域31；所述绝缘层330设置于所述第二区域32上，并与所述第一活性层310靠近所述第二区域32的侧面相连接。所述绝缘层330的厚度h3、所述第一区域31的厚度h4、所述第二区域32的厚度h5以及所述第一活性层310的厚度h6之间的关系为：0＜h3≤1.1*(h4+h6-h5)。
进一步地，所述第一活性层310还设置于所述第三区域51上并与所述第四区域52的边缘相连接，即所述第一活性层310完全覆盖所述第三区域51；所述绝缘层330还设置于所述第四区域52上，并与所述第一活性层310靠近所述第四区域52的侧面相连接。
请参阅图4，本申请一实施方式还提供一种负极极片400，所述负极极片400包括所述复合集流体100及设置于所述复合集流体100表面的第二活性层420。所述第二活性层420为负极材料层。其中，所述负极材料层可通过涂覆、烘干以及冷压等工艺形成于所述复合集流体100表面。本实施方式中，所述第二活性层420设置于所述第一金属层30的第一区域31并完全覆盖所述第一区域31。
进一步地，所述第二活性层420还设置于所述第二金属层50的第三区域51并完全覆盖所述第三区域51。
本申请一实施方式还提供一种电芯，所述电芯包括第一极片、第二极片、隔离膜、第一极耳和第二极耳。所述隔离膜设置于所述第一极片和所述第二极片之间。所述第一极片和所述第二极片堆叠或卷绕形成所述电芯。根据本申请的一个实施例，所述第一极片可以为所述正极极片200、300中的一种。所述第二极片可以为所述负极极片400。所述第一极耳设置于所述第一极片的第二区域的边缘处，或者所述第二区域裁切形成所述第一极耳，所述第一极耳用于导出所述第一金属层的电子。所述第二极耳设置于所述第二极片的第四区域的边缘处，或者所述第四区域裁切形成所述第二极耳，所述第二极耳用于导出所述第一金属层的电子。所述电芯中，所述第二极片的第二活性层靠近所述第二极耳的侧面可以不设置有绝缘层。根据本申请的一个实施例，上述电芯中，所述第二极片的第二活性层靠近所述第二极耳的侧面也可以设置有绝缘层。实际制造中，所述电芯经注液，封装，化成后得到电池。
下面通过实施例以及对比例对本申请进行具体说明。
实施例1
正极极片的制备：在厚度为12um的PET薄膜表面，通过真空沉积法在所述PET薄膜的两侧分别制备Al镀层作为正极集流体，其中所述Al镀层的第一区域及第三区域的厚度为0.36um，所述Al镀层的第二区域及第四区域的厚度为1um。将钴酸锂的活性材料均匀涂覆在所述正极集流体的第一区域及第三区域上，在所述正集流体的第二区域及第四区域上涂覆宽度为5mm的绝缘层，其中所述绝缘层与钴酸锂活性材料层相连接。烘干后进行切极耳，分条和裁切，获得所述正极极片。
负极极片的制备：使用普通铜箔作为负极集流体，将石墨的活性材料均匀涂覆于所述负极集流体上，烘干后冷压，切极耳，分条和裁切，获得所述负极极片。
电芯的制备：在所述正极极片和所述负极极片之间放置隔离膜，通过卷绕的方式做成干电芯。极耳处通过转接焊焊接极耳(tab leader)，获得干电芯。所述干电芯经注液，封装，化成后形成所述电芯。
实施例2
正极极片的制备：与实施例1大致相同，不同之处在于，所述Al镀层的第二区域及第四区域的厚度为5um。
负极的制备：与实施例1相同。
电芯的制备：与实施例1相同。
实施例3
正极极片的制备：与实施1大致相同，不同之处在于，所述Al镀层的第二区域及第四区域的厚度为10um。
负极的制备：与实施例1相同。
电芯的制备：与实施例1相同。
实施例4
正极极片的制备：与实施1大致相同，不同之处在于，所述Al镀层的第二区域及第四区域的厚度为15um。
负极的制备：与实施例1相同。
电芯的制备：与实施例1相同。
实施例5
正极极片的制备：与实施1大致相同，不同之处在于，所述Al镀层的第二区域及第四区域的厚度为20um。
负极的制备：与实施例1相同。
电芯的制备：与实施例1相同。
对比例
正极极片的制备：在厚度为12um的PET薄膜表面，通过真空沉积法在所述PET薄膜的两侧分别制备Al镀层作为正极集流体，其中所述Al镀层的厚度为0.36um。将钴酸锂的活性材料均匀涂覆在所述正极集流体的表面，在所述正集流体的表面涂覆宽度为5mm的绝缘层，其中所述绝缘层与钴酸锂活性材料层相连接。烘干后进行切极耳，分条和裁切，获得所述正极极片。
负极的制备：与实施例1相同。
电芯的制备：与实施例1相同。
将实施例1-5及对比例获得的电芯进行测试计算极耳电阻及体积能量密度损失(Ved loss)。其中，极耳电阻通过欧姆定律进行计算，Ved loss的计算公式为：第二区域厚度的增加*极耳层数/(第二区域厚度的增加*极耳层数+电芯的长度)。测试条件及测试结果如表1所示。
表1
Figure BDA0002128272930000101
Figure BDA0002128272930000111
由表1测试结果知，相较于对比例，实施例1-5通过增加所述Al镀层上用于设置极耳的第二区域及第四区域的厚度，显著减小了电芯的极耳电阻。
以上所揭露的仅为本申请较佳实施方式而已，当然不能以此来限定本申请之权利范围，因此依本申请权利要求所作的等同变化，仍属本申请所涵盖的范围。

Claims (12)

1.一种复合集流体，包括：
聚合物层，包括第一表面，和与所述第一表面相对设置的第二表面；以及
第一金属层，设置于所述第一表面，所述第一金属层包括第一区域及连接所述第一区域的第二区域；
其中，在所述复合集流体的厚度方向上，所述第二区域的厚度大于所述第一区域的厚度。
2.如权利要求1所述的复合集流体，其特征在于，所述复合集流体进一步包括第二金属层，设置于所述第二表面，所述第二金属层包括第三区域及连接所述第三区域的第四区域；在所述复合集流体的厚度方向上，所述第四区域的厚度大于所述第三区域的厚度。
3.如权利要求1所述的复合集流体，其特征在于，所述第二区域的厚度为1～20um，所述第一区域的厚度为0.1～5um。
4.如权利要求3所述的复合集流体，其特征在于，所述第二区域的厚度为2～8um。
5.如权利要求1-4中任一项所述的复合集流体，其特征在于，所述第一区域的表面用于设置活性物质，所述第二区域用于裁切形成极耳。
6.一种电极极片，包括：
权利要求1-5中任一项所述的复合集流体；及
第一活性层，设置于所述第一区域。
7.如权利要求6所述的电极极片，其特征在于，所述电极极片进一步包括绝缘层，所述绝缘层设置于所述第一活性层靠近所述第二区域的侧面。
8.如权利要求7所述的电极极片，其特征在于，所述绝缘层设置于所述第一区域上并与所述第二区域的边缘相连接；或者，所述绝缘层设置于所述第二区域上。
9.如权利要求7所述的电极极片，其特征在于，在所述电极极片的厚度方向上，所述绝缘层的厚度h1和所述第一活性层的厚度h2的关系为：0≤h1≤1.1*h2。
10.一种电芯，包括第一极片，第二极片，和设置于所述第一极片和所述第二极片之间的隔离膜，所述第一极片和所述第二极片堆叠或卷绕形成所述电芯，其特征在于：所述第一极片为权利要求6-9中任一项所述的电极极片；所述电芯进一步包括：
第一极耳，设置于所述第一极片的第二区域；
第二极耳，设置于所述第二极片。
11.如权利要求10所述的电芯，其特征在于，所述第二极片的表面设置有第二活性层，所述第二活性层靠近所述第二极耳的侧面不设置有绝缘层。
12.如权利要求10所述的电芯，其特征在于，所述第一极耳由所述第二区域裁切形成。
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