CN207353383U

CN207353383U - 集流体、电极极片及锂离子电池

Info

Publication number: CN207353383U
Application number: CN201721501127.7U
Authority: CN
Inventors: 林明翔; 龙熙桂; 张小细
Original assignee: Contemporary Amperex Technology Co Ltd
Current assignee: Contemporary Amperex Technology Co Ltd
Priority date: 2017-11-10
Filing date: 2017-11-10
Publication date: 2018-05-11
Anticipated expiration: 2027-11-10

Abstract

本实用新型涉及集流体、电极极片及锂离子电池。该集流体包括：金属箔，该金属箔包括相对的第一表面和第二表面，第一表面和第二表面至少一者包括交替分布的第一区域和第二区域，第一区域为将金属箔腐蚀化处理形成之腐蚀区域，第一区域的面积占第一区域和第二区域面积之和的33％～75％，第一区域分布有多个孔，平均孔径为3μm～20μm；底涂层，形成于第一表面和第二表面至少一者上。本实用新型提供的集流体、电极极片及锂离子电池能够有效且稳定地抑制电芯热失控，改善电芯安全性能，同时兼具良好的电学性能。

Description

集流体、电极极片及锂离子电池

技术领域

本实用新型属于电池技术领域，尤其涉及一种集流体、电极极片及锂离子电池。

背景技术

随着锂离子电池的广泛应用，其安全性能是消费者非常关注的性能之一，也是非常难解决的问题。目前，在锂离子电池安全性能方面采用的新工艺是，在集流体上涂覆保护材料对集流体进行保护，同时利用保护材料层能够增大短路电阻，降低短路功率，抑制热失控，从而改善锂离子电池的安全性能。

然而，上述在集流体与活性物质材料层之间设置保护材料层的技术方案，只是较大程度上降低了挤压、撞击、被尖锐物体刺穿时造成锂离子电池内部短路的概率，仍然存在导致电芯热失控的风险。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种集流体、电极极片及锂离子电池，能够显著增强底涂层对集流体的安全保护作用，在挤压、撞击、被尖锐物体刺穿时，集流体不会与相反电极接触，从而减少电芯短路发热，有效且稳定地抑制电芯热失控，并在改善锂离子电池安全性能的同时兼具良好的电学性能。

本实用新型实施方式一方面提供一种集流体，包括：金属箔，该金属箔包括相对的第一表面和第二表面，第一表面和第二表面至少一者包括交替分布的第一区域和第二区域，第一区域为将金属箔腐蚀化处理形成之腐蚀区域，第一区域的面积占第一区域和第二区域面积之和的33％～75％，第一区域分布有多个孔，平均孔径为3μm～20μm；底涂层，形成于第一表面和第二表面至少一者上。

本实用新型实施方式提供的集流体，在金属箔的表面进行局部腐蚀化处理形成多孔结构区域，一方面，使得金属箔的延展率降低，能够减少因尖锐物体刺破电池形成的毛刺，并且使得表面底涂层的延展率大于金属箔的延展率，拉伸时不会露出金属箔；另一方面，底涂时底涂材料能够渗透进入多孔结构中，使得金属箔与底涂层之间有更好的粘结力；因此，底涂层能够更好的保护住金属箔。通过控制多孔区域的腐蚀程度及面积，使金属箔的延展率，以及多孔区域的粗糙度、平均孔直径、孔密度，控制在预定的范围内，用其制成的电芯中，穿钉过程形成的毛刺显著减少，底涂层对金属箔的粘结力显著增强，进而使得底涂层对金属箔起到安全保护作用，金属箔不会与其相反电极接触，改善电芯短路发热，产热显著减少，从而有效且稳定地抑制电芯热失控，100％通过穿钉测试。与此同时能够保证锂离子电池的电学性能。

根据本实用新型实施方式的一个方面，第一区域和第二区域在金属箔的宽度方向上交替分布。

根据本实用新型实施方式的一个方面，第一区域及第二区域均呈条形并沿金属箔的长度方向延伸；第一表面和/或第二表面在其宽度方向上的中间位置为第一区域，该第一区域的两侧均分布有第二区域；或者，第一表面和/或第二表面在其宽度方向上包括三个第一区域和两个第二区域相互交替分布。

根据本实用新型实施方式的一个方面，第一区域的宽度之和为第二区域的宽度之和的78％～300％。

根据本实用新型实施方式的一个方面，第一区域的表面粗糙度为3μm～10μm。

根据本实用新型实施方式的一个方面，第一区域的孔密度为100个孔/cm²～200个孔/cm²。

根据本实用新型实施方式的一个方面，第一区域的厚度与第二区域的厚度的比值为25％～80％，第一区域的厚度为3μm～12μm。

根据本实用新型实施方式的一个方面，底涂层形成于第一区域和/或第二区域上，底涂层的厚度为6μm～9μm。

本实用新型实施方式另一方面提供一种电极极片，该电极极片包括依次层叠设置的集流体和活性物质材料层，其中，集流体为上述提供的集流体。

本实用新型实施方式又一方面提供一种锂离子电池，包括：阴极极片、阳极极片、隔离膜及电解液，其中，阴极极片和/或阳极极片为上述提供的电极极片。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对本实用新型实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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是本实用新型实施方式提供的一种集流体的结构示意图。

图2是本实用新型实施方式提供的另一种集流体的结构示意图。

图3是本实用新型实施方式提供的一种电极极片的结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的发明目的、技术方案和有益技术效果更加清晰，以下结合实施例对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的实施例仅仅是为了解释本实用新型，并非为了限定本实用新型。

为了简便，本文仅明确地公开了一些数值范围。然而，任意下限可以与任何上限组合形成未明确记载的范围；以及任意下限可以与其它下限组合形成未明确记载的范围，同样任意上限可以与任意其它上限组合形成未明确记载的范围。此外，尽管未明确记载，但是范围端点间的每个点或单个数值都包含在该范围内。因而，每个点或单个数值可以作为自身的下限或上限与任意其它点或单个数值组合或与其它下限或上限组合形成未明确记载的范围。

在本文的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“第一”“第二”仅是为了表述的方便，不应理解为对本实用新型的限定；术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本文的限制。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型的上述发明内容并不意欲描述本实用新型中的每个公开的实施方式或每种实现方式。如下描述更具体地举例说明示例性实施方式。在整篇申请中的多处，通过一系列实施例提供了指导，这些实施例可以以各种组合形式使用。在各个实例中，列举仅作为代表性组，不应解释为穷举。

集流体

请一并参阅图1和图2，根据本实用新型实施方式的第一方面，提供了一种集流体，包括：金属箔11，该金属箔11包括相对的第一表面111和第二表面112，第一表面111包括交替分布的第一区域121和第二区域122，第一区域121为将金属箔11腐蚀化处理形成之腐蚀区域，第一区域121的面积占第一区域121和第二区域122面积之和的33％～75％，第一区域121分布有多个孔，平均孔径为3μm～20μm；底涂层12，形成于第一表面111上，并覆盖第一区域121和第二区域122。

具体的，作为一种例子，如图1所示，集流体包括金属箔11、底涂层12。

金属箔11具有预定的长度和宽度，金属箔11的长度方向为将用其制作的电极极片卷曲形成电芯的方向。金属箔11的第一表面111在其宽度方向X上包括一个第一区域121和两个第二区域122，且在宽度方向上，第一区域121位于第一表面111的中心位置，两个第二区域122分布于第一区域121的两侧，第一区域121和第二区域122均呈条形并沿金属箔1的长度方向延伸，其中，第一区域121为将金属箔11腐蚀化处理形成之腐蚀区域，第二区域122为非腐蚀区域。

上述一个第一区域121的宽度W1为两个第二区域122的宽度之和(V1+V2)的78％～300％，优选的为100％～150％。第一区域121的厚度D2为3μm～12μm，与第二区域122的厚度D1的比值为25％～80％。第一区域121分布有多个孔，平均孔径为3μm～20μm、孔密度为100个孔/cm²～200个孔/cm²，第一区域的表面粗糙度为3μm～10μm。

底涂层12形成于金属箔11的第一表面111上，并覆盖第一区域121和第二区域122。底涂层12的厚度为6μm～9μm，其可以为有机物涂层，可以很牢固的粘结在金属箔11上。可以理解的是，底涂层还可以选择性的形成在金属箔的与第一区域或第二区域对应的位置上。

金属箔11为铝箔。

作为另一种例子，如图2所示，集流体包括金属箔11、底涂层12。

金属箔11具有预定的长度和宽度，金属箔11的长度方向为将用其制作的电极极片卷曲形成电芯的方向。金属箔11的第一表面111在其宽度方向X上包括三个第一区域121及两个第二区域122，且在宽度方向X上，三个多孔区域121和两个非多孔区域122相互交替分布，第一区域121和第二区域122均呈条形并沿金属箔1的长度方向延伸，其中，第一区域111为将金属箔11腐蚀化处理形成之腐蚀区域，第二区域112为非腐蚀区域。

上述三个第一区域121的宽度之和(W1+W2+W3)为两个第二区域122的宽度之和(V1+V2)的78％～300％，优选的为100％～150％。第一区域121的厚度D2为3μm～12μm，与第二区域122的厚度D1的比值为25％～80％。第一区域121分布有多个孔，平均孔径为3μm～20μm、孔密度为100个孔/cm²～200个孔/cm²，第一区域121的表面粗糙度为3μm～10μm。

底涂层2形成于金属箔1的第一表面111上，并覆盖第一区域121和第二区域122。底涂层12的厚度为6μm～9μm，其可以为有机物涂层，可以很牢固的粘结在金属箔1上。可以理解的是，底涂层还可以选择性的形成在金属箔的与第一区域或第二区域对应的位置上。

金属箔11为铝箔。

本实用新型实施方式提供的集流体，在金属箔11的表面进行局部腐蚀化处理形成多孔结构区域，一方面，使得金属箔11的延展率降低，能够减少因尖锐物体刺破电池形成的毛刺，并且使得表面底涂层12的延展率大于金属箔11的延展率，拉伸时不会露出金属箔11；另一方面，底涂时底涂材料能够渗透进入多孔结构中，使得金属箔11与底涂层12之间有更好的粘结力；因此，底涂层12能够更好的保护住金属箔11。通过控制腐蚀区域的腐蚀程度及面积，使金属箔11的延展率，以及腐蚀区域的表面粗糙度、平均孔直径、孔密度，控制在预定的范围内，用其制成的电芯中，穿钉过程形成的毛刺显著减少，底涂层12对金属箔11的粘结力显著增强，进而使得底涂层12对金属箔11起到安全保护作用，金属箔11不会与其相反电极接触，改善电芯短路发热，产热显著减少，从而有效且稳定地抑制电芯热失控，100％通过穿钉测试。与此同时能够保证锂离子电池的电学性能。

集流体的制造方法

根据本实用新型实施方式的第二方面，提供了一种集流体的制造方法，包括：

S1，制备腐蚀铝箔，包括：S101，将铝箔表面部分区域覆盖保护薄膜，对暴露区域进行打磨预处理；S102，对预处理的铝箔进行发孔腐蚀，发孔腐蚀液为0.5mol/L的硫酸溶液，温度为35℃～45℃，时间为6h；S103，再进行扩孔腐蚀，扩孔腐蚀液为1mol/L的硝酸溶液，温度为35℃～45℃，时间为12h；S104，使用纯度为100％的乙醇进行清洗2次；S105，在80℃下干燥12h，得到腐蚀铝箔。S2，将腐蚀铝箔上覆盖的保护薄膜撕掉，将底涂材料涂覆于腐蚀铝箔上，烘干，形成底涂层。

电极极片

请一并参阅图3，根据本实用新型实施方式的第三方面，提供了一种电极极片，包括依次层叠设置的集流体和活性物质材料层。集流体包括：金属箔11，该金属箔11包括相对的第一表面111和第二表面112，第一表面111包括交替分布的第一区域121和第二区域122，第一区域121为将金属箔11腐蚀化处理形成之腐蚀区域，第一区域121的面积占第一区域121和第二区域122面积之和的33％～75％，第一区域121分布有多个孔，平均孔径为3μm～20μm；底涂层12，形成于第一表面111上，并覆盖第一区域121和第二区域122。活性物质材料层13形成于底涂层12上。

具体的，作为一种例子，如图3所示，电极极片包括金属箔11、底涂层12、活性物质材料层13。可以理解的是，金属箔11具有预定的长度和宽度，金属箔11的长度方向为将用其制作的电极极片卷曲形成电芯的方向。金属箔11的第一表面111在其宽度方向X上包括一个第一区域121和两个第二区域122，且在宽度方向上，第一区域121位于第一表面111的中心位置，两个第二区域122分布于第一区域121的两侧，第一区域121和第二区域122均呈条形并沿金属箔1的长度方向延伸，其中，第一区域111为将金属箔11腐蚀化处理形成之腐蚀区域，第二区域112为非腐蚀区域。

可以理解的是，在宽度方向X上，金属箔还可以设置成为包括三个第一区域和两个第二区域相互交替分布，第一区域为腐蚀区域，第二区域为非腐蚀区域。

活性物质材料层13形成于底涂层12上。

在一些可选实施例中，金属箔11为铝箔。

锂离子电池

根据本实用新型实施方式的第四方面，提供了一种锂离子电池，包括：阴极极片、阳极极片、隔离膜及电解液。阴极极片和/或阳极极片为上述实施方式第三方面提供的电极极片。

电解液的溶剂包括碳酸乙稀酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯及碳酸甲乙酯一种或几种，溶质包括LiPF₆、LiBF₄、LiBOB、LiAsF₆、Li(CF₃SO₂)₂N、LiCF₃SO₃、LiClO₄中一种或几种。

隔离膜选自具有电化学稳定性和化学稳定性的包括聚乙烯、聚丙烯、无纺布、聚纤维材质中一种或多种材质的薄膜。

实施例

下述实施例更具体地描述了本实用新型公开的内容，这些实施例仅仅用于阐述性说明，因为在本实用新型公开内容的范围内进行各种修改和变化对本领域技术人员来说是明显的。除非另有声明，以下实施例中所报道的所有份、百分比、和比值都是基于重量计，而且实施例中使用的所有试剂都可商购并且可直接使用而无需进一步处理。

阴极集流体

阴极极片采用如图1所述的集流体。

阴极极片

阴极极片采用如图3所述的电极极片。

阳极极片

将阳极活性材料、导电剂、粘结剂按照一定的质量百分比，在去离子水中搅拌均匀，在铜箔表面进行双面涂覆(铜箔采用定宽80mm，厚度为6μm)，经过干燥、辊压、分切、极耳焊接等工序制备得到阳极极片。

电解液及隔离膜组成

电解液包括有机溶剂和锂盐，有机溶剂为碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸乙烯酯的混合物，三种有机溶剂的体积比为1:1:1，锂盐为LiPF₆，浓度为1mol/L。

以PE/PP/PE三层多孔聚合薄膜作为隔离膜。

锂离子电池的制备

将阴极极片、阳极极片，隔离膜卷绕成电芯，用铝塑膜封装好。经过真空烘烤、注液、化成老化等工序制成的锂离子电池。

实施例1

阴极极片采用图1所示的集流体，其中：金属箔为铝箔，铝箔定宽80mm，厚度为12μm，第一区域也即腐蚀区域的宽度W1为35mm，厚度D2为6μm，第一区域的平均孔径为6μm、孔密度为100个孔/cm²、表面粗糙度为4μm；底涂层的厚度为6μm。

实施例2

在实施例1的基础上改变铝箔第一表面中第一区域也即腐蚀区域的宽度，将腐蚀区域的宽度从35mm调整到45mm，两个第二区域的宽度则分别相应减小5mm，其它制作规格与实施例1保持一致。

实施例3

在实施例1的基础上增加铝箔第一表面中第一区域也即腐蚀区域的腐蚀程度，将腐蚀区域的孔密度从100个孔/cm²增加到200个孔/cm²，其它制作规格与实施例1保持一致。

对比例1

铝箔表面不进行腐蚀处理，在铝箔表面上直接形成底涂层，再在底涂层上形成活性物质材料层，其它制作规格与实施例1保持一致。

测试部分

将阴极极片、隔离膜、阳极极片按顺序放置，使隔离膜处于阴阳极中间起到隔离的作用，并卷绕得到裸电芯。将合格裸电芯通过极耳焊接在顶盖上，完成入壳，烘烤。再经过注液、封装等工序后得到锂离子电池。

锂离子电池的穿钉测试：

将锂离子电池在25℃下充满电并上两片钢夹具以固定，用直径为3mm的尖锐钢钉以80mm/s的速度沿锂离子电池的厚度方向穿透锂离子电池，停留60min，观察是否冒烟或起火，并检测电芯表面的温度。结果见表1。

锂离子电池的循环测试：

将实施例与对比例中做出的电池进行循环测试，在25℃下以1C(150A)的电流进行充放电循环测试，测试容量衰减到80％的循环次数。结果见表1。

表1电池性能测试结果

对比例1中，底涂层与铝箔之间的粘结力为100N/m。实施例1中，底涂层与铝箔之间的粘结力为150N/m。可以明显看出，本实用新型的技术方案使得底涂层与铝箔之间的粘结力显著增大，底涂层能够对铝箔起到更好的安全保护作用。对比例1中未对铝箔表面进行腐蚀处理制作的阴极极片做出的电芯，电池穿钉测试中发生起火并燃烧，无法通过穿钉测试；其电芯内阻为0.90mΩ，电池循环次数为1000次。而实施例1中，在铝箔表面进行局部腐蚀形成多孔结构，由该铝箔制作的阴极极片做出的电芯，有效且稳定地通过穿钉测试，穿钉过程中形成的毛刺显著减少，且穿钉后电芯表面温度为50℃～60℃，显著降低，说明电芯短路产热显著减少，电池安全性能提高。实施例1中，电芯内阻为1.05mΩ，相对于对比例1增加16.7％；电池循环次数为1200次，循环性能相对于对比例1提高20％。另外，实施例1中只是在涂覆底涂材料之前对铝箔的局部区域进行腐蚀处理，工序及操作简单，后续生产容易实施。

实施例2中，底涂层与铝箔之间的粘结力为180N/m。可以明显看出，腐蚀区域的面积增加，使得底涂层与铝箔之间的粘结力增大，底涂层能够对铝箔起到更好的安全保护作用。在实施例2中得到的电芯有效且稳定地通过穿钉测试，且与实施例1相比，增加腐蚀区域的宽度，电池穿钉时穿在腐蚀区域的概率更大，穿钉过程中形成的毛刺更少，穿钉后电芯表面温度更低，为40℃～50℃。实施例2中，电芯内阻为1.15mΩ，相对于对比例1增加27.8％；电池循环次数为1100次，相对于对比例1提高了10％。但与实施例1相比，实施例2制作出的电芯内阻较大，电性能相应较差，且腐蚀区域加宽使铝箔延展率较低，容易导致铝箔断带，加工制作的优率较低。

实施例3中，底涂层与铝箔之间的粘结力为200N/m。可以明显看出，腐蚀区域的孔密度增加，使得底涂层与铝箔之间的粘结力增大，底涂层能够对铝箔起到更好的安全保护作用。在实施例3中得到的电芯有效且稳定地通过穿钉测试，且与实施例1相比，增加腐蚀区域的孔密度，电池穿钉过程中形成的毛刺更少，穿钉后电芯表面温度更低，为40℃～50℃。实施例3中，电芯内阻为1.20mΩ，相对于对比例1增加33.3％；电池循环次数为1000次，与对比例1相当。但与实施例1相比，实施例2制作出的电芯内阻较大，电性能相应较差，且腐蚀区域孔密度增加使铝箔的延展率较低，容易导致铝箔断带，加工制作的优率较低。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种集流体，其特征在于，该集流体包括：

金属箔，包括相对的第一表面和第二表面，所述第一表面和第二表面至少一者包括交替分布的第一区域和第二区域，所述第一区域为将所述金属箔腐蚀化处理形成之腐蚀区域，所述第一区域的面积占所述第一区域和第二区域面积之和的33％～75％，所述第一区域分布有多个孔，所述多个孔的平均孔径为3μm～20μm；

底涂层，形成于所述第一表面和第二表面至少一者上。

2.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述第一区域和第二区域在所述金属箔的宽度方向上交替分布。

3.根据权利要求2所述的集流体，其特征在于，所述第一区域及所述第二区域均呈条形并沿所述金属箔的长度方向延伸；

所述第一表面和/或所述第二表面在其宽度方向上的中间位置为所述第一区域，该第一区域的两侧均分布有所述第二区域；或者，

所述第一表面和/或所述第二表面在其宽度方向上包括三个第一区域和两个第二区域相互交替分布。

4.根据权利要求3所述的集流体，其特征在于，所述第一区域的宽度之和为所述第二区域的宽度之和的78％～300％。

5.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述第一区域的表面粗糙度为3μm～10μm。

6.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述第一区域的孔密度为100个孔/cm²～200个孔/cm²。

7.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述第一区域的厚度与第二区域的厚度的比值为25％～80％，所述第一区域的厚度为3μm～12μm。

8.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述底涂层形成于所述第一区域和/或第二区域上，所述底涂层的厚度为6μm～9μm。

9.一种电极极片，其特征在于，该电极极片包括依次层叠设置的集流体和活性物质材料层，其中，所述集流体为如权利要求1至8任意一项所述的集流体。

10.一种锂离子电池，其特征在于，包括：阴极极片、阳极极片、隔离膜及电解液，所述阴极极片和/或阳极极片为如权利要求9所述的电极极片。