CN113066986A - 集流体及其制备方法以及极片 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种集流体及其制备方法以及极片,所述集流体包括第一金属层和与第一金属层复合的第二金属层,第一金属层具有第一部分和第二部分,第二金属层层具有第三部分和第四部分,第一部分和第三部分之间通过涂胶层连接,第二部分和第四部分通过焊接连接。本发明能够有效提高电池的安全性,使电池具有更低的内阻,同时可改善该集流体在后续电池制造过程中的焊接加工性能,主要表现为可沿用纯金属集流体的常规焊接工艺,无需特殊的焊接工艺或焊接结构设计,即可获得较高的焊接强度。
Description
技术领域
本发明属于电池领域,具体涉及一种集流体及其制备方法、以及采用该集流体的极片。
背景技术
锂离子电池的能量密度高、功率密度高,是一种用途非常广泛的二次电池,在消费类电子产品、电动交通工具以及储能等领域有着广阔的应用前景。然而,现有锂离子电池安全性有待进一步提高,例如,在一些滥用条件(如针刺、挤压、撞击等)下,往往会导致电池内部短路进而引起热失控引发安全事故,因此,改善电池的安全性能受到越来越高的关注,而在改善电池安全性的同时兼顾保证电池具有较低的内阻等特性是本领域技术人员所面临的重要课题。
发明内容
本发明提供一种集流体及其制备方法、以及采用该集流体的极片,能够有效提高电池的安全性,同时使电池具有更低的内阻。
本发明的一方面,提供一种集流体,包括第一金属层和与第一金属层复合的第二金属层,第一金属层具有第一部分和第二部分,第二金属层层具有第三部分和第四部分,第一部分和第三部分之间通过涂胶层连接,第二部分和第四部分通过焊接连接。
根据本发明的一实施方式,第一部分的表面面积是第一金属层表面面积的50-98%,第三部分的表面面积是第二金属层表面面积的50-98%。
根据本发明的一实施方式,第一部分包括第一减薄部,第一减薄部的厚度小于第二部分的厚度;和/或,第三部分包括第二减薄部,第二减薄部的厚度小于第四部分的厚度。
根据本发明的一实施方式,第一减薄部是由第一金属层经腐蚀减薄处理形成,和/或,第二减薄部是由第二金属层经腐蚀减薄处理形成。
根据本发明的一实施方式,在进行腐蚀减薄处理时,第一金属层上包括第二部分的第一非减薄区域设置有保护层,保护层用于防止第一非减薄区域被腐蚀减薄;和/或,在进行腐蚀减薄处理时,第二金属层上包括第四部分的第二非减薄区域设置有保护层,保护层用于防止第二非减薄区域被腐蚀减薄。
根据本发明的一实施方式,第一部分包括远离第二部分的第一减薄部和靠近第二部分的第一未减薄部,在沿第一减薄部至第一未减薄部的方向上,第一未减薄部的长度为d1,0.3mm≤d1≤3mm,第二部分的厚度、第一未减薄部的厚度大于第一减薄部的厚度;和/或,第三部分包括远离第四部分的第二减薄部和靠近第四部分的第二未减薄部,在沿第二减薄部至第二未减薄部的方向上,第二未减薄部的长度为d2,0.3mm≤d2≤3mm,第四部分的厚度、第二未减薄部的厚度大于第二减薄部的厚度。
根据本发明的一实施方式,第一减薄部、第二减薄部的厚度分别为0.1~5μm,第二部分的厚度、第一未减薄部的厚度、第四部分的厚度、第二未减薄部的厚度分别为1~20μm。
根据本发明的一实施方式,涂胶层的厚度为0.5~5μm。
本发明的另一方面,提供一种上述集流体的制备方法,包括:将第一金属层的第一部分和第二金属层的第三部分中的至少一者的一个表面进行涂胶;将第一金属层和第二金属层复合,使第一部分和第三部分通过经涂胶形成的涂胶层相连;将第一金属层的第二部分和第二金属层的第四部分焊接在一起,得到集流体。
本发明的再一方面,提供一种极片,包括上述集流体和位于集流体至少一个表面的活性物质层;极片上还设有极耳,极耳焊接在集流体的第一金属层的第一部分和第二金属层的第三部分形成的焊接部。
本发明的集流体,通过上述结构设计,相对于传统纯金属箔体类集流体具有显著的安全性,同时相对于常规聚合物层-金属箔体层或其他“三明治”式结构的集流体具有更低的内阻,由此能够有效提高电池的安全性、稳定性、循环性等品质,利于实际产业化应用。此外,相对于常规聚合物层-金属箔体层或其他“三明治”式结构的集流体,本发明还可以改善集流体在后续电池制造过程中的焊接加工性能,主要表现为可沿用纯金属集流体的常规焊接工艺,无需特殊的焊接工艺或焊接结构设计,即可获得较高的焊接强度。
附图说明
图1为本发明一实施方式的集流体的结构示意图;
图2为本发明另一实施方式的集流体的结构示意图;
图3为本发明再一实施方式的集流体的结构示意图;
图4为本发明再一实施方式的集流体的结构示意图;
图5为一对比例的金属层-聚合物层-金属层三层复合结构集流体的结构示意图。
附图标记说明:
1:涂胶层;1’:聚合物层;11:第一涂胶层;12:第二涂胶层;21、21’:第一金属层;22、22’:第二金属层;211:第一部分;212:第二部分;221:第三部分;222:第四部分;2111:第一减薄部;2112:第一未减薄部;2211:第二减薄部、2212:第二未减薄部。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的方案,下面结合附图对本发明作进一步地详细说明。
如图1至图4所示,本发明的集流体包括第一金属层21和与第一金属层21复合的第二金属层22,第一金属层21具有第一部分211和第二部分212,第二金属层22层具有第三部分221和第四部分222,第一部分211和第三部分221之间通过涂胶层1连接,第二部分212和第四部分222通过焊接连接。
一般情况下,第一金属层21平行于集流体表面所在平面的投影与第二金属层22平行于集流体表面所在平面的投影相互覆盖(即第一金属层21的边缘与第二金属层22的边缘对齐),所述集流体表面为集流体的上表面或下表面,所述上表面至所述下表面的方向平行于第一金属层21至第二金属层22的方向,亦即集流体的厚度方向。
在一些实施例中,第一部分21的面积是第一金属层21面积的50-98%,第三部分221的表面面积是第二金属层22表面面积的50-98%,意即,第一金属层21的一面与第二金属层22的一面相连接,其连接方式为:50%至98%的区域(第一部分/第三部分)通过涂胶层1连接,剩余区域(第二部分/第四部分)通过二者的焊接实现连接,利于进一步提高集流体安全性及降低内阻。
进一步综合考虑对集流体安全性和内阻的改善效果,在一些实施例中,第二部分212的厚度不小于第一部分211的厚度,和/或,第四部分222的厚度不小于第三部分221的厚度。
具体地,在一些实施例中,如图1和图3所示,第一部分211的厚度与第二部分212的厚度相等,第三部分221的厚度与第四部分222的厚度相等,第一部分211的厚度、第三部分221的厚度分别可以为1~20μm,例如1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、11μm、12μm、13μm、14μm、15μm、16μm、17μm、18μm、19μm、20μm或这些数值中的任意两者组成的范围。
在另一些实施例中,第一部分211包括第一减薄部2111,第一减薄部2111的厚度小于第二部分212的厚度,第三部分221包括第二减薄部2211,第二减薄部2211的的厚度小于第四部分222的厚度,第一减薄部2111的厚度、第二减薄部2211的厚度可以分别为0.1~5μm,例如0.1μm、0.3μm、0.5μm、0.8μm、1μm、1.5μm、2μm、2.5μm、3μm、3.5μm、4μm、4.5μm、5μm或这些数值中的任意两者组成的范围,第二部分212的厚度、第四部分222的厚度分别可以为1~20μm,例如1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、11μm、12μm、13μm、14μm、15μm、16μm、17μm、18μm、19μm、20μm或这些数值中的任意两者组成的范围。
在一些实施例中,第一减薄部2111可以是由第一金属层21经腐蚀减薄处理形成;第二减薄部2211可以是由第二金属层22经腐蚀减薄处理形成。可选地,该腐蚀减薄处理例如是采用金属腐蚀液腐蚀或者电化学腐蚀或者二者的配合等。
具体地,在一些实施例中,在进行所述腐蚀减薄处理时,第一金属层21上包括第二部分212的第一非减薄区域设置有保护层,该保护层用于防止第一非减薄区域被腐蚀减薄,从而实现预设的第一减薄部区域的减薄处理,形成第一减薄部;在进行腐蚀减薄处理时,第二金属层22上包括第四部分222的第二非减薄区域设置有保护层,该保护层用于第二非减薄区域被腐蚀减薄,从而实现预设的第二减薄部区域的减薄处理,形成第二减薄部。减薄处理完成后,再去除设置在第一非减薄区域、第二非减薄区域的保护层。
可选地,第一减薄部2111可以是第一部分211的部分区域(即第一部分包括第一减薄部和厚度大于第一减薄部的第一未减薄部,第一非减薄区域包括第一未减薄部和第二部分),也可以是第一部分211的全部区域(即第一部分全部是第一减薄部,第一非减薄区域包括第二部分);第二减薄部2211可以是第三部分221的部分区域(即第三部分包括第二减薄部和厚度大于第二减薄部的第二未减薄部,第二非减薄区域包括第二未减薄部和第四部分),也可以是第三部分221的全部区域(即第三部分全部是第二减薄部,第二非减薄区域包括第四部分)。
为进一步保证第一部分211与第二部分212交接处的强度、以及第三部分221和第四部分222交接处的强度,提高集流体的安全性等性能,在一些实施例中,如图2和图4所示,第一部分211包括远离第二部分212的第一减薄部2111和靠近第二部分212的第一未减薄部2112,在沿第一减薄部2111至第一未减薄部2112的方向上,第一未减薄部2112的长度为d1,0.3mm≤d1≤3mm,d1例如为0.3mm、0.5mm、0.8mm、1mm、1.2mm、1.5mm、1.8mm、2mm、2.2mm、2.5mm、2.8mm、3mm或这些数值中的任意两者组成的范围,第二部分212的厚度、第一未减薄部2112的厚度大于第一减薄部2111的厚度;和/或,第三部分221包括远离第四部分222的第二减薄部2211和靠近第四部分222的第二未减薄部2212,在沿第二减薄部2211至第二未减薄部2212的方向(与第一减薄部2111至第一未减薄部2112的方向相同)上,第二未减薄部2212的长度为d2,0.3mm≤d2≤3mm,d2例如为0.3mm、0.5mm、0.8mm、1mm、1.2mm、1.5mm、1.8mm、2mm、2.2mm、2.5mm、2.8mm、3mm或这些数值中的任意两者组成的范围,第四部分222的厚度、第二未减薄部2212的厚度大于第二减薄部2211的厚度。通过第一未减薄部2112、第二未减薄部2212的设置,可以提高金属层(第一金属层21/第二金属层22)通过涂胶层粘结部分(第一部分211/第三部分221)和焊接部分(第二部分212/第四部分222)连接处的机械强度,进而进一步提高集流体的安全性等特性。
具体地,第一减薄部2111、第二减薄部2211的厚度分别可以为0.1~5μm,例如0.1μm、0.3μm、0.5μm、0.8μm、1μm、1.5μm、2μm、2.5μm、3μm、3.5μm、4μm、4.5μm、5μm或这些数值中的任意两者组成的范围,第二部分212的厚度、第一未减薄部2112的厚度、第四部分222的厚度、第二未减薄部2212的厚度分别可以为1~20μm,例如1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、11μm、12μm、13μm、14μm、15μm、16μm、17μm、18μm、19μm、20μm或这些数值中的任意两者组成的范围。其中,第二部分212的厚度与第一未减薄部2112的厚度可以相等,第四部分222的厚度与第二未减薄部2212的厚度可以相等。
在一些实施例中,涂胶层1的厚度可以为0.5~5μm,例如0.5μm、1μm、1.5μm、2μm、2.5μm、3μm、3.5μm、4m、4.5μm、5μm或这些数值中的任意两者组成的范围,利于进一步提高集流体的安全性及兼顾降低其内阻。其中,涂胶层1可以是一体成型,例如,在第一金属层21的第一部分211或者第二金属层22的第三部分221上涂覆形成涂胶层,再将第一金属层21和第二金属层22复合(如图1和图2所示),或者,涂胶层1也可以包括第一涂胶层11和第二涂胶层12,例如,在第一金属层21的第一部分211上涂覆形成第一涂胶层11,在第二金属层22的第三部分221上涂覆形成第二涂胶层12,再将第一金属层21和第二金属层22复合,第一涂胶层11和第二涂胶层12相互贴合,使第一涂胶层11平行于集流体表面所在平面的投影覆盖第二涂胶层12平行于集流体表面所在平面的投影(第一涂胶层11与第二涂胶层12的形状、面积大小等参数均相同),即第一涂胶层11与第二涂胶层12的形状、面积大小等参数均相同,且位置对应(如图3和图4所示),第一涂胶层11和第二涂胶层12的厚度可以相等或不等,只要满足涂胶层1的总厚度在上述范围内即可。
上述涂胶层1的原料可以是本领域常规材料,例如具有粘结作用的聚合物等,在一些优选实施例中,涂胶层的原料可以包括聚氨酯型胶黏剂、丙烯酸树脂型胶黏剂、脲醛树脂型胶黏剂、环氧树脂型胶黏剂、硅胶型胶黏剂、聚硫型胶黏剂、氨基树脂型胶黏剂、酚醛树脂型胶黏剂、甲醛树脂型胶黏剂、呋喃树脂型胶黏剂、聚乙烯醇缩醛胶、氯丁橡胶类胶黏剂、聚酰亚胺型胶黏剂、不饱和聚酯型胶黏剂、复合型树脂胶黏剂中的至少一种,采用该原料形成涂胶层1,利于增强第一金属层21和第二金属层22的结合程度,进一步提高集流体的安全性等特性。
具体地,如图1至图4所示,第一部分211位于第一金属层21的一端,第二部分212位于第一金属层21的另一端,第三部分221位于第二金属层22的一端,第四部分222位于第二金属层22的另一端。
一般情况下,极片上设有极耳,极耳设置在极片的一端,本发明的集流体在应用时,尤其可以使极耳焊接在由第一金属层21的第一部分211和第二金属层22的第三部分221形成的焊接部,利于提高焊接强度,进而提高极片的安全性和低内阻等特性。具体地,由于涂胶层1的存在,在第一部分211和第二部分212的交接处、第三部分221和第四部分222的交接处之间可能还会存在缝隙,该缝隙的一端连接涂胶层,另一端连接第一部分212和第三部分222形成的焊接部(如图1至图4所示),极耳焊接在焊接部上。具体实施时,可以根据极耳大小设计上述第一部分211、第三部分221的表面面积,一般满足能够在第一部分211和第三部分221焊接极耳即可。其中,极耳的焊接方式可以是超声波焊接,亦可以是本领域其他常规方式,本发明对此不作特别限制。
本发明对集流体的属性不做特别限定,其可以是正极集流体或负极集流体,具体实施时,可以根据集流体的属性选择合适材质的第一金属层21、第二金属层22。具体地,在一些实施例中,第一金属层21、第二金属层22的组成材料可以包括铝、铜、镍、钛、银、镍铜合金、铝锆合金、不锈钢中的至少一种。
本发明的另一方面,提供一种集流体的制备方法,包括:将第一金属层的第一部分和第二金属层的第三部分中的至少一者的一个表面进行涂胶;将第一金属层和第二金属层复合,使第一部分和第三部分通过经上述涂胶形成的涂胶层相连(即粘结在一起);将第一金属层的第二部分和第二金属层的第四部分焊接在一起,得到集流体。
具体地,第一金属层、第二金属层的形状、表面面积大小等参数相等,可以根据预设涂胶层面积大小设定涂胶区(第一部分和/或第三部分),在涂胶区涂一层具有粘结作用的胶,随后可以采用复合机将第一金属层和第二金属层进行复合,使第一金属层和第二金属层通过涂胶层相连,复合时,第一金属层和/或第二金属层上涂有胶层的一面位于第一金属层和第二金属层之间,且第一金属层的边缘和第二金属层的边缘对齐;复合之后,可以采用超声焊接和/或激光焊接将第一金属层的第二部分和第二金属层的第四部分焊接在一起,从而制得集流体。上述复合、超声焊接、激光焊接等过程可以是本领域常规工序,本发明对此不作特别限制,不再赘述。
在一些实施例中,在涂胶之前,还包括对第一金属层和/或第二金属层进行预处理,预处理包括:依次采用有机溶剂、酸溶液清洗第一金属层和第二金属层的表面,然后采用偶联剂对第一金属层和第二金属层的表面进行改性处理。通过该预处理过程,更利于集流体后续的制作,以及提高集流体的安全性和低内阻等特性。其中,经酸溶液清洗后,还可以进一步采用水进行清洗,然后再采用偶联剂进行改性处理,随后再采用水清洗,经冷风吹干,即完成预处理过程。
具体地,所用有机溶剂可以包括乙醇、乙腈、丙酮、碳酸二甲酯、乙二醇二甲醚中的至少一种;酸溶液具体可以是稀酸溶液,例如包括稀硫酸、稀盐酸、稀醋酸、稀磷酸中的至少一种;偶联剂可以包括硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、锆酸酯偶联剂、双金属偶联剂、磷酸酯偶联剂、硼酸酯偶联剂中的至少一种,一般优选包括硅烷偶联剂和钛酸酯偶联剂中的至少一种,优选地,硅烷偶联剂可以包括3-氨丙基三甲氧基硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷、3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷、3-缩水甘油醚氧基丙基三乙氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷、3-巯丙基三甲氧基硅烷、3-巯丙基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷、二乙烯三胺基丙基三乙氧基硅烷、3-硫氰基丙基三乙氧基硅烷、3-氯丙基甲基二甲氧基硅烷、苯胺甲基三乙氧基硅烷中的至少一种,钛酸酯偶联剂包括四异丙基二(二辛基亚磷酸酰氧基)钛酸酯、异丙氧基三(乙二胺基-N-乙氧基)钛酸酯、异丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯中的至少一种。
在一些实施例中,将第一金属层的第二部分和第二金属层的第四部分焊接在一起之后,还可以对第一金属层的第一部分、第二金属层的第三部分进行腐蚀减薄处理,以使第一部分的至少部分区域厚度减薄、第三部分的至少部分区域厚度减薄,以获得第一部分厚度小于第二部分厚度、第三部分厚度小于第四部分厚度的集流体,或者获得上述第二部分厚度和第一未减薄部厚度大于第一减薄部厚度、第四部分厚度和第二未减薄部厚度大于第二减薄部厚度的集流体。
具体地,可以采用化学腐蚀或电化学腐蚀进行上述腐蚀减薄处理,一般优选化学腐蚀,具体实施时,可以根据第一金属层、第二金属层的金属材质选择合适的金属腐蚀液,例如,当其材质为铝时,可以选择铝腐蚀液,铝腐蚀液可以包括强碱溶液,例如主要成分为碱金属氢氧化物(如氢氧化钠)的溶液;当其材质为铜时,可以选择铜腐蚀液,铜腐蚀液可以包括酸溶液,例如主要成分为硝酸的酸溶液;当其材质为镍时,可以选择镍腐蚀液,镍腐蚀液可以包括酸溶液,例如主要成分为硝酸的酸溶液。
例如,在一些实施例中,腐蚀减薄处理过程可以包括:在经上述焊接之后形成的复合基体的无需减薄区域(如第二部分、第四部分、第一未减薄部、第二未减薄部)涂覆保护层,然后将复合基体置于金属腐蚀液中,使预设减薄区域与金属腐蚀液接触反应,实现对预设减薄区域(如第一减薄部、第三减薄部)进行腐蚀减薄处理,或者,在上述复合基体的无需减薄区域涂覆保护层后,将复合基体***盛有电解液的电解槽内,使预设减薄区域进行电化学腐蚀,实现对预设减薄区域(如第一减薄部、第三减薄部)进行腐蚀减薄处理;其中,可以根据预设减薄区域厚度等参数调控金属腐蚀液浓度、腐蚀处理时间等条件或者调控电化学腐蚀条件。
具体地,上述保护层是用于避免无需减薄区域被金属腐蚀液腐蚀或电化学腐蚀减薄,具体可以是聚合物保护层,其原料例如包括偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)、聚碳酸酯、聚苯乙烯中的至少一种,保护层的厚度可以为0.5-1.5μm。具体实施时,经金属腐蚀液腐蚀或电化学腐蚀结束后,将复合基体取出,再采用有机溶剂将复合基体上的保护层溶解去除,该有机溶剂可以包括丙酮、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、甲苯中的至少一种。
上述制备过程中,可以只在第一金属层的第一部分、第二金属层的第三部分中的一者上涂胶,也可以在两者上均进行涂胶,再经复合、焊接等处理后,制得集流体。
例如,在一些实施例中,集流体的制备过程包括:在第一金属层的第一部分表面进行涂胶,然后将第一金属层和第二金属层进行复合,使金属层的第一部分和第二金属层的第三部分通过经所述涂胶形成的涂胶层相连,再将第一金属层的第二部分和第二金属层的第四部分焊接在一起,得到集流体;其中,第一部分的表面面积占第一金属层表面面积的至少50%(即涂胶层的表面面积占第一金属层表面面积的至少50%),复合时,涂胶层位于第一金属层和第二金属层之间,并使第一金属层和第二金属层边缘完全对齐,经复合、焊接后形成的集流体中,第一部分和第三部分之间涂胶层的厚度为0.5-5μm。
在另一些实施例中,集流体的制备过程包括:在第一金属层的第一部分的一个表面进行涂胶(记为第一涂胶),在第二金属层的第三部分的一个表面进行第二涂胶(记为第二涂胶);然后将第一金属层和第二金属层进行复合,使第一金属层的第一部分和第二金属层的第三部分通过经所述第一涂胶形成的第一涂胶层、经所述第二涂胶形成的第二涂胶层相连,然后将第一金属层的第二部分和第二金属层的第四部分焊接在一起,得到集流体;其中,第一部分的表面面积占第一金属层表面面积的至少50%(即第一涂胶层的表面面积占第一金属层表面面积的至少50%),第三部分的表面面积占第二金属层表面面积的至少50%(即第二涂胶层的表面面积占第二金属层表面面积的至少50%),复合时,第一涂胶层和第二涂胶层互相贴合,并使第一金属层和第二金属层边缘完全对齐;经复合、焊接后形成的集流体中,由第一涂胶层和第二涂胶层形成的涂胶层的总厚度为0.5-5μm。
本发明的再一方面,提供一种极片,包括上述集流体和位于集流体至少一个表面的活性物质层;极片上还设有极耳,极耳焊接在集流体的第一金属层的第一部分和第二金属层的第三部分形成的焊接部。
具体地,上述极片可以是正极片或负极片,上述活性物质层的原料可以包括活性物质、导电剂和粘结剂,当上述极片为正极片时,上述活性物质可以是本领域常规正极活性材料,例如包括钴酸锂;当上述极片为负极片时,上述活性物质可以是常规负极活性材料,例如包括石墨材料和硅基材料等中的至少一种;上述导电剂和粘结剂亦可以是本领域常规材料,例如,导电剂可以包括乙炔黑,粘结剂可以包括聚偏氟乙烯(PVDF)、丁苯橡胶(SBR)、羧甲基纤维素钠(CMC)中的至少一种。
本发明极片可以采用本领域常规方法制得,例如涂覆法,具体实施时,可以将包括上述活性物质层原料的浆料涂覆在集流体上,然后经干燥、辊压,在集流体上形成活性物质层,再根据预设极片形状、大小等参数,分切成极片;其中,在第一金属层的第一部分和第二金属层的第三部分不涂覆浆料,用于焊接极耳。
本发明还可以提供一种电池,包括上述极片。
本发明的电池可以包括具有上述结构设计的正极片(即上述极片为正极片),或者包括具有上述结构设计的负极片(即上述极片为负极片),或者可以同时包括具有上述结构设计的正极片和具有上述结构设计的负极片(即上述极片包括正极片和负极片)。当上述极片为正极片时,上述电池还包括负极片,该负极片可以是本领域常规负极片;当上述极片为负极片时,上述电池还包括正极片,该正极片可以是本领域常规正极片。上述电池还包括位于正极片和负极片之间的隔膜,该隔膜用于间隔正极片和负极片,其亦可以是本领域常规隔膜。
具体地,本发明的电池可以是锂离子电池,其可以是卷绕式或叠片式,其可以按照本领域常规方法制得,例如,可以将正极片、隔膜、负极片依次叠放后,卷绕(或叠片)形成电芯,然后经封装、注液、化成、分容、OCV(测试开路电压)等工序后,制得电池,该些步骤/工序均为本领域常规操作,本发明对此不做特别限制,不再赘述。
下面通过具体实施例和对比例对本发明作进一步的说明。如无特别说明,下述所使用到的试剂、材料以及仪器均为常规试剂、常规材料以及常规仪器,均可商购获得,所涉及的试剂、材料也可通过常规合成方法合成获得。以下所用超声波滚焊机来自东莞市耀大超声波智能机械有限公司,所用激光焊接机(型号ZXL-200W)来自东莞市正信激光科技有限公司,所用超声波金属焊接机(型号UM-20)来自深圳市斯特高能电子科技有限公司,所用拉力测试仪(型号LK-108A)来自力控仪器科技有限公司。
实施例1-8
实施例1-8的集流体(C1-C8)结构如图1所示,按照如下过程制得,其中的E1、E2、D1、D2、D3、φ、涂胶层原料等条件见表1:
(1)预处理:
将厚度D1的铜箔用丙酮洗涤3min,然后用0.1mol/L的稀硫酸洗涤2min,再用去离子水清洗2min,再用0.5%的偶联剂E1水溶液处理1h,再用去离子水清洗10min,最后用冷风吹干,得到铜箔A1;
将厚度D2的铜箔用丙酮洗涤3min,然后用0.1mol/L的稀硫酸洗涤2min,再用去离子水清洗2min,再用0.5%的偶联剂E2水溶液处理1h,再用去离子水清洗10min,最后用冷风吹干,得到铜箔B1;
(2)涂胶复合:在铜箔A1的第一部分的一个表面进行涂胶,然后通过复合机将铜箔A1和铜箔B1复合,使铜箔A1的第一部分与铜箔B1的第三部分通过经上述涂胶形成的涂胶层粘结在一起;其中,铜箔A1还具有不涂胶的第二部分,第一部分位于铜箔A1的一端,第二部分位于铜箔A1的另一端,第一部分表面面积占铜箔A1表面面积的百分比为φ,铜箔B1还具有不涂胶的第四部分,第三部分位于铜箔B1的一端,第四部分位于铜箔B1的另一端,第三部分表面面积占铜箔B1表面面积的百分比为φ;复合时,铜箔A1和铜箔B1边缘对齐;
(3)焊接:采用超声波滚焊机将铜箔A1的第二部分和铜箔B1的第四部分焊接在一起,得到集流体;其中,铜箔A1的第一部分和铜箔B1的第三部分之间的涂胶层厚度为D3。
表1
实施例9-16
实施例9-16的集流体(C9-C16)结构如图2所示,按照如下过程制得,其中的E1、E2、D1、D2、D3、φ、d、涂胶层原料等条件见表2:
(1)预处理:
将厚度D1的铝箔用乙腈洗涤3min,然后用0.02mol/L的稀醋酸洗涤1min,再用去离子水清洗2min,再用0.1%的偶联剂E1水溶液处理1h,再用去离子水清洗10min,最后用冷风吹干,得到铝箔A1;
将厚度D2的铝箔用乙腈洗涤3min,然后用0.02mol/L的稀醋酸洗涤1min,再用去离子水清洗2min,再用0.1%的偶联剂E2水溶液处理1h,再用去离子水清洗10min,最后用冷风吹干,得到铝箔B1;
(2)参照实施例1-8的步骤(2)将铝箔A1和铝箔B1进行涂胶复合;
(3)参照实施例1-8的步骤(3)将铝箔A1和铝箔B1进行焊接,得到复合基体;
(4)复合基体部分区域腐蚀减薄:
采用涂布机在铝箔A1的第二部分、第一部分的第一未减薄部、铝箔B1的第四部分、第三部分的第二未减薄部涂一层厚度为1μm的聚合物保护层(原料为PVDF-HFP),然后将复合基体浸入铝箔腐蚀液中,对铝箔A1的第一部分的第一减薄部、铝箔B1的第三部分的第二减薄部进行腐蚀减薄,使第一减薄部、第二减薄部减薄至厚度分别为D1-2和D2-2,然后将复合基体从铝箔腐蚀液中取出,采用丙酮将复合基体上的保护层溶解去除,制得集流体;其中,在沿第一减薄部至第一未减薄部的方向上,第一未减薄部、第二未减薄部的长度为d。
表2
实施例17-24
实施例17-24的集流体(C17-C24)结构如图3所示,按照如下过程制得,其中的E1、E2、D1、D2、D3、φ、涂胶层原料等条件见表3:
(1)预处理:
将厚度D1的铝箔用乙醇洗涤3min,然后用0.01mol/L的稀磷酸洗涤1min,再用去离子水清洗2min,再用1%的偶联剂E1水溶液处理0.5h,再用去离子水清洗10min,最后用冷风吹干,得到铝箔A1;
将厚度D2的铝箔用乙醇洗涤3min,然后用0.01mol/L的稀磷酸洗涤1min,再用去离子水清洗2min,再用0.5%的偶联剂E2水溶液处理1h,再用去离子水清洗10min,最后用冷风吹干,得到铝箔B1;
(2)涂胶复合:在铝箔A1的第一部分的一个表面进行第一涂胶(胶涂层厚度为D3),在铝箔B1的第三部分的一个表面进行第二涂胶(胶涂层厚度为D3),然后通过复合机将铝箔A1与铝箔B1复合,使铝箔A1的第一部分和铝箔B1的第三部分经上述第一涂胶形成的第一涂胶层和经上述第二涂胶形成的第二涂胶层粘结在一起;其中,铝箔A1还具有不涂胶的第二部分,第一部分位于铝箔A1的一端,第二部分位于铝箔A1的另一端,第一部分表面面积占铝箔A1表面面积的百分比为φ,铝箔B1还具有不涂胶的第四部分,第三部分位于铝箔B1的一端,第四部分位于铝箔B1的另一端,第三部分表面面积占铝箔B1表面面积的百分比为φ;复合时,第一涂胶层和第二涂胶层互相贴合,铝箔A1和铝箔B1边缘对齐;
(4)焊接:采用激光焊接机将铝箔A1的第三部分和铝箔B1的第四部分焊接在一起,得到集流体;其中,铝箔A1的第一部分和铝箔B1的第三部分之间的涂胶层厚度为D3。
表3
实施例25-32
实施例25-32的集流体(C17-C24)结构如图4所示,按照如下过程制得,其中的E1、E2、D1、D2、D3、φ、d、涂胶层原料等条件见表4:
(1)预处理:
将厚度D1的铜箔用乙二醇二甲醚洗涤3min,然后用1mol/L的稀盐酸洗涤1min,再用去离子水清洗5min,再用5%的偶联剂E1水溶液处理0.2h,再用去离子水清洗20min,最后用冷风吹干,得到铜箔A1;
将厚度D2的铜箔用碳酸二甲酯洗涤3min,然后用1mol/L的稀盐酸洗涤1min,再用去离子水清洗5min,再用2%的偶联剂E2水溶液处理0.5h,再用去离子水清洗15min,最后用冷风吹干,得到铜箔B1;
(2)参照实施例17-24的步骤(2)将铜箔A1和铜箔B1进行涂胶复合;
(3)参照实施例17-24的步骤(3)将铜箔A1和铜箔B1进行焊接,得到复合基体;
(4)复合基体部分区域腐蚀减薄:
采用涂布机在铜箔A1的第二部分、第一部分的第一未减薄部、铜箔B1的第四部分、第三部分的第二未减薄部涂一层厚度为2μm的聚合物保护层(原料为聚碳酸酯),然后将复合基体浸入铜箔腐蚀液中,对铜箔A1的第一部分的第一减薄部、铜箔B1的第三部分的第二减薄部进行腐蚀减薄,使第一减薄部、第二减薄部减薄至厚度分别为D1-2和D2-2,然后将复合基体从铜箔腐蚀液中取出,采用NMP将复合基体上的保护层溶解去除,制得集流体;其中,在沿第一减薄部至第一未减薄部的方向上,第一未减薄部、第二未减薄部的长度为d。
表4
实施例33-40
实施例33-40的集流体(C33-C40)结构如图2所示,按照如下过程制得,其中的金属箔(A1/B1)种类、E1、E2、D1、D2、D3、φ、d、涂胶层原料等条件见表5:
(1)参照实施例9-16的步骤(1)中铝箔A1的预处理过程,对金属箔A1进行预处理;
参照实施例9-16的步骤(1)中铝箔B1的预处理过程,对金属箔B1进行预处理;
(2)参照实施例9-16的步骤(2)将金属箔A1和金属箔B1进行涂胶复合;
(3)参照实施例9-16的步骤(3)将金属箔A1和金属箔B1进行焊接,得到复合基体;
(4)复合基体部分区域腐蚀减薄:
采用涂布机在铜箔A1的第二部分、第一部分的第一未减薄部、铜箔B1的第四部分、第三部分的第二未减薄部涂一层厚度为0.9μm的聚合物保护层(原料为聚苯乙烯),然后将复合基体浸入电解槽的电解液中进行电化学腐蚀,对金属箔A1的第一部分的第一减薄部、金属箔B1的第三部分的第二减薄部进行腐蚀减薄,使第一减薄部、第二减薄部减薄至厚度分别为D1-2和D2-2(D1-2和D2-2相等),然后将复合基体从电解槽中取出,采用甲苯将复合基体上的保护层溶解去除,制得集流体;其中,在沿第一减薄部至第一未减薄部的方向上,第一未减薄部、第二未减薄部的长度为d。
表5
对比例41-42
对比例41采用厚度为12μm的商业化铝箔作为集流体,记为C41;
对比例42采用厚度为5μm的商业化铜箔作为集流体,记为C42。
对比例43-44
对比例43-44的集流体(C43-C44)为由第一金属层21’、聚合物层1’、第二金属层22’组成的三层复合结构(如图5所示),其中,
对比例43:采用电子束蒸发方式在厚度为6μm的聚丙烯基膜两侧(即两个表面)各沉积1.5μm金属铝层,制得集流体,记为C43;
对比例44:采用磁控溅射法在厚度为4μm的聚对苯二甲酸乙二醇酯基膜两侧(即两个表面)各沉积1μm金属铜层,制得集流体,记为C44。
应用实施例
1、极片J1-J54的制备
极片J1-J54的极片属性、所用集流体见表6,其按照如下过程制得:
当极片属性为正极(即极片为正极片)时:将97份钴酸锂、1.5份乙炔黑、1.5份PVDF、60份NMP通过双行星搅拌机在真空下以公转30r/min、自转1500r/min的条件搅拌4h,分散成均匀的正极浆料,然后将正极浆料涂布在集流体上,在120℃下烘干(烘烤约30min),然后在40吨辊压压力下辊压;其中,在集流体的第一金属层的第一部分和第二金属层的第三部分不涂覆活性物质层,用于焊接正极极耳(铝极耳),焊接正极极耳后,得到正极片;
当极片属性为负极(即极片为负极片)时:将97.5份石墨、1份乙炔黑、0.5份CMC、1份SBR、100份去离子水通过双行星搅拌机在真空下以公转30r/min、自转1500r/min的条件搅拌4h,分散成均匀的负极浆料,然后将负极浆料涂布在集流体上,在100℃下烘干(烘烤约30min),然后在45吨辊压压力下辊压;其中,在集流体的第一金属层的第一部分和第二金属层的第三部分不涂覆活性物质层,用于焊接负极极耳(镍极耳),焊接负极极耳后,得到负极片;
上述过程中,采用超声波金属焊接机焊接极耳,焊接条件为:焊接功率3000W,焊接频率20kHz,焊接振幅40μm,焊接时间0.42s,焊接压力0.3MPa;上述铝极耳的宽度为6mm,厚度为0.1mm;上述镍极耳的宽度D为6mm,厚度为0.1mm。
极片J1-J54上的极耳焊接强度测试:将焊接在极片上的极耳用夹具夹好,然后通过拉力测试仪测试极耳从集流体上拉脱的拉力值N,计算极耳焊接强度F=N/D(N为拉力值,D为极耳宽度),结果见表6。
表6
2、电池K1-K30的制备
电池K1-K30为卷绕式锂离子电池,其分别由上述极片J1-J54、搭配用于间隔正极片和负极片的聚乙烯(PE)多孔隔膜按照本领域常规工序制成,各电池所用正极片、负极片见表7。
表7
电池 | 正极片 | 负极片 | 电池 | 正极片 | 负极片 |
K1 | J9 | J1 | K17 | J33 | J37 |
K2 | J10 | J2 | K18 | J34 | J38 |
K3 | J11 | J3 | K19 | J35 | J39 |
K4 | J12 | J4 | K20 | J36 | J40 |
K5 | J13 | J5 | K21 | J41 | J1 |
K6 | J14 | J6 | K22 | J41 | J2 |
K7 | J15 | J7 | K23 | J41 | J3 |
K8 | J16 | J8 | K24 | J41 | J4 |
K9 | J17 | J25 | K25 | J17 | J42 |
K10 | J18 | J26 | K26 | J18 | J42 |
K11 | J19 | J27 | K27 | J19 | J42 |
K12 | J20 | J28 | K28 | J20 | J42 |
K13 | J21 | J29 | K29(对比例1) | J41 | J42 |
K14 | J22 | J30 | K30(对比例2) | J43 | J44 |
K15 | J23 | J31 | |||
K16 | J24 | J32 |
3、电池性能测试
参照GB/T 31485-2015标准,将上述电池K1-K30充满电后测试电池的针刺通过率、加热通过率、过充通过率,每一组平行测试10只电池,计算通过率,测试结果见表8;另测得电池K1-K30的内阻见表8。
表8
电池 | 针刺通过率(%) | 加热通过率(%) | 过充通过率(%) | 内阻(mΩ) |
K1 | 100% | 100% | 100% | 77 |
K2 | 100% | 100% | 100% | 74 |
K3 | 100% | 100% | 100% | 75 |
K4 | 100% | 100% | 100% | 76 |
K5 | 100% | 100% | 100% | 72 |
K6 | 100% | 100% | 100% | 83 |
K7 | 100% | 100% | 100% | 69 |
K8 | 100% | 100% | 100% | 71 |
K9 | 100% | 100% | 100% | 65 |
K10 | 100% | 100% | 100% | 64 |
K11 | 100% | 100% | 100% | 65 |
K12 | 100% | 100% | 100% | 65 |
K13 | 100% | 100% | 100% | 63 |
K14 | 100% | 100% | 100% | 75 |
K15 | 100% | 100% | 100% | 61 |
K16 | 100% | 100% | 100% | 68 |
K17 | 100% | 100% | 100% | 78 |
K18 | 100% | 100% | 100% | 80 |
K19 | 100% | 100% | 100% | 81 |
K20 | 100% | 100% | 100% | 95 |
K21 | 100% | 100% | 100% | 62 |
K22 | 100% | 100% | 100% | 61 |
K23 | 100% | 100% | 100% | 61 |
K24 | 100% | 100% | 100% | 60 |
K25 | 100% | 100% | 100% | 58 |
K26 | 100% | 100% | 100% | 57 |
K27 | 100% | 100% | 100% | 59 |
K28 | 100% | 100% | 100% | 58 |
K29 | 0% | 0% | 0% | 64 |
K30 | 90% | 100% | 90% | 157 |
从表6和表8可以看到,相对于集流体C41-C44,采用集流体C1-C40具有更高的极耳焊接强度,能够显著提高电池的安全性,同时能够保证电池的低内阻等特性。具体来说,采用商业化的常规纯金属集流体形成的电池K29在安全性能测试时全部发生起火燃烧,无法通过安全测试,采用金属层-聚合物-金属层三层复合结构集流体形成的电池K30的针刺通过率和过充通过率为90%,且内阻高达157mΩ,而电池K1-K28的针刺通过率、加热通过率、过充通过率均达100%,同时电池内阻低,同时兼顾优异的安全性及低内阻等特性。
以上,对本发明的实施方式进行了说明。但是,本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种集流体,其特征在于,包括第一金属层和与所述第一金属层复合的第二金属层,所述第一金属层具有第一部分和第二部分,所述第二金属层层具有第三部分和第四部分,第一部分和第三部分之间通过涂胶层连接,第二部分和第四部分通过焊接连接。
2.根据权利要求1所述的集流体,其特征在于,所述第一部分的表面面积是所述第一金属层表面面积的50-98%,所述第三部分的表面面积是所述第二金属层表面面积的50-98%。
3.根据权利要求1所述的集流体,其特征在于,所述第一部分包括第一减薄部,所述第一减薄部的厚度小于所述第二部分的厚度;和/或,所述第三部分包括第二减薄部,所述第二减薄部的厚度小于所述第四部分的厚度。
4.根据权利要求3所述的集流体,其特征在于,所述第一减薄部是由第一金属层经腐蚀减薄处理形成,和/或,所述第二减薄部是由第二金属层经腐蚀减薄处理形成。
5.根据权利要求4所述的集流体,其特征在于,在进行所述腐蚀减薄处理时,第一金属层上包括所述第二部分的第一非减薄区域设置有保护层,所述保护层用于防止所述第一非减薄区域被所述腐蚀减薄;
和/或,
在进行所述腐蚀减薄处理时,第二金属层上包括所述第四部分的第二非减薄区域设置有保护层,所述保护层用于防止所述所述第二非减薄区域被所述腐蚀减薄。
6.根据权利要求1或3所述的集流体,其特征在于,
所述第一部分包括远离所述第二部分的第一减薄部和靠近所述第二部分的第一未减薄部,在沿第一减薄部至第一未减薄部的方向上,所述第一未减薄部的长度为d1,0.3mm≤d1≤3mm,所述第二部分的厚度、第一未减薄部的厚度大于所述第一减薄部的厚度;和/或,
所述第三部分包括远离所述第四部分的第二减薄部和靠近所述第四部分的第二未减薄部,在沿第二减薄部至第二未减薄部的方向上,所述第二未减薄部的长度为d2,0.3mm≤d2≤3mm,所述第四部分的厚度、第二未减薄部的厚度大于所述第二减薄部的厚度。
7.根据权利要求6所述的集流体,其特征在于,所述第一减薄部、第二减薄部的厚度分别为0.1~5μm,所述第二部分的厚度、第一未减薄部的厚度、所述第四部分的厚度、第二未减薄部的厚度分别为1~20μm。
8.根据权利要求1所述的集流体,其特征在于,所述涂胶层的厚度为0.5~5μm。
9.权利要求1-8任一项所述的集流体的制备方法,其特征在于,包括:将第一金属层的第一部分和第二金属层的第三部分中的至少一者的一个表面进行涂胶;将第一金属层和第二金属层复合,使第一部分和第三部分通过经所述涂胶形成的涂胶层相连;将第一金属层的第二部分和第二金属层的第四部分焊接在一起,得到所述集流体。
10.一种极片,其特征在于,包括权利要求1-8任一项所述的集流体和位于所述集流体至少一个表面的活性物质层;所述极片上还设有极耳,所述极耳焊接在所述集流体的第一金属层的第一部分和第二金属层的第三部分形成的焊接部。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210702 |
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