一种双面异质集流体及其制备方法，锂电池与流程

本发明涉及电化学领域，尤其涉及一种双面异质集流体及其制备方法，锂电池。

背景技术：

目前商业化的锂离子电池中普遍采用有机液态电解质，由于有机溶剂具有可燃性、并且在较高的电位下容易被氧化分解，因此存在潜在的安全性，同时限制了高电压正极材料的应用。因此，开发高性能的固态电解质材料对于解决电池的安全性和提高电池的能量密度具有重要的意义。

由于目前的锂电池集流体通常只有单一功能，如负极集流体使用含铜或铜合金材料，正极集流体使用铝或铝合金，这两类材料不能兼顾正负极集流体需要的特性，因此无法从结构上设计单体电池内部串连结构。另外，现有技术中，锂电池采用液态电解质，也导致电池内部无法采用串联方式，因为液态电解质的流动性，会出现自放电、电压反极和内短路等情况。

因此，现有技术中，为了获得稳定的高输出电压，通常将单体电池设计为外部串联形成电池组的方式。这对于需要高空间利用率的设备来说是非常不利的。

技术实现要素：

针对上述问题，第一方面，本发明实施例提供了一种集流体，所述集流体具有负极集流体面和正极集流体面，所述负极集流体面由负极集流体材料制备，所述正极集流体面由正极集流体材料制备。

优选地，在所述负极集流体面和/或所述正极集流体面具有导电涂层， 所述导电涂层材料为导电子的碳颗粒、天然石墨、人造石墨、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯中的一种材料或多种材料复合物。

优选地，所述导电涂层包含粘结剂，所述粘接剂为聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素、聚丙烯酸甲酯、聚酰胺酰亚胺、聚酰亚胺、聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、丁苯橡胶、聚丙烯腈、环糊精和果胶中的一种或多种。

优选地，所述导电涂层的厚度为50nm-5μm。

优选地，所述负极集流体材料为铜、铜质量百分比大于等于80％的铜合金、不锈钢、钛、钛合金、镍、镍合金、铁和铁合金中的一种或多种。

优选地，所述负极集流体面和所述正极集流体面的厚度为0.5μm-50μm。

优选地，所述正极集流体材料为铝、钛、不锈钢、铝合金和钛合金中的一种或多种。

优选地，所述集流体为膜状或箔状结构。

第二方面，本发明实施例提供了一种集流体的制备方法，包括以下步骤：

通过辊压或碾压将负极集流体材料和正极集流体材料复合，制备得到具有负极集流体面和正极集流体面的集流体。

优选地，该制备方法还包括以下步骤：在所述负极集流体面和/或所述正极集流体面上涂覆导电涂层。

第三方面，本发明实施例提供了另一种集流体的制备方法，包括以下步骤：通过热蒸发、电子束蒸发、磁控溅射、脉冲激光沉积、等离子增强气相沉积、化学气相沉积、化学镀、电化学镀中的一种或多种方式，在负极集流体材料上沉积一层正极集流体材料，制备得到具有负极集流体面和正极集流体面的集流体；或者，通过热蒸发、电子束蒸发、磁控溅射、脉冲激光沉积、等离子增强气相沉积、化学气相沉积、化学镀、电化学镀中的一种或多种方式，在膜状或箔状正极集流体材料上沉积一层负极集流体材料，制备得到具有负极集流体面和正极集流体面的集流体。

优选地，该制备方法还包括以下步骤：在所述负极集流体面和/或所述正极集流体面上涂覆导电涂层。

第四方面，本发明实施例提供了一种电极极片，所述电极极片包括负极材料、正极材料，以及第一方面提供的集流体。

第五方面，本发明实施例提供了一种锂电池，包括电解质、一个或多个第四方面提供的电极极片；所述电解质包括液体电解质、凝胶类聚合物电解质或固体电解质；其中，所述液体电解质包含在隔膜中。

第六方面，本发明实施例提供了一种锂电池的制备方法，所述方法包括：将多个第四方面的电极极片同方向排列；在所述电极极片之间，插入电解质；所述电解质为液体电解质、凝胶类聚合物电解质或固体电解质。

本发明实施例提供的双面异质集流体兼顾正负极集流体所需要的特性，能够实现在单体电池内部设计串联式结构，从而提高了单体电池的输出电压；并且，采用固体电解质或隔膜包覆的液体电解质，在电池内部进行串联设计时，避免了电压反极、自放电和内短路等情况。另外，本发明实施例提供的双面异质集流体具有涂覆层，该涂覆层改善了集流体的导电特性和对电极层的粘附力，防止电极层与集流体脱落，减小了电池内阻。

附图说明

图1为本发明对比例提供的单体电池结构示意图；

图2为本发明实施例提供的单体电池内部串联的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的电解方法制备铜箔工序示意图；

图4为本发明实施例提供的集流体的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的正极集流体面涂覆的导电碳颗粒的扫描电镜图片；

图6为本发明实施例提供的正极集流体面涂覆的导电石墨烯的扫描电镜图片；

图7为本发明实施例提供的正极集流体面混涂覆的导电碳颗粒和石墨烯的扫描电镜图片。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，但并不意于限制本发明的保护范围。

第一方面，本发明实施例提供了一种集流体，所述集流体具有负极集流体面和正极集流体面，所述负极集流体面由负极集流体材料制备，所述正极集流体面由正极集流体材料制备。

本发明实施例提供的集流体兼顾正负极集流体所需要的特性，能够实现在单体电池内部设计串联式结构，从而能够提高单体电池的输出电压。

在一优选实施例中，在所述负极集流体面和/或所述正极集流体面具有导电涂层，所述导电涂层材料为导电子的碳颗粒、天然石墨、人造石墨、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯中的一种材料或多种材料复合物。

在一优选实施例中，所述导电涂层包含粘结剂，所述粘接剂为聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素、聚丙烯酸甲酯、聚酰胺酰亚胺、聚酰亚胺、聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、丁苯橡胶、聚丙烯腈、环糊精和果胶中的一种或多种。

在一优选实施例中，所述导电涂层的厚度为50nm-5μm。

本发明实施例提供的集流体具有导电涂层，该导电涂层改善了集流体的导电特性和对电极层的粘附力，防止电极层与集流体脱落，减小了电池内阻。

在一优选实施例中，所述负极集流体材料为铜、铜质量百分比大于等于80％的铜合金、不锈钢、钛、钛合金、镍、镍合金、铁和铁合金中的一种或多种。

在一优选实施例中，所述负极集流体面和所述正极集流体面的厚度为0.5μm-50μm。

在一优选实施例中，所述正极集流体材料为铝、钛、不锈钢、铝合金和 钛合金中的一种或多种。

在一优选实施例中，所述集流体为膜状或箔状结构。

第二方面，本发明实施例提供了一种集流体的制备方法，包括以下步骤：通过辊压或碾压将负极集流体材料和正极集流体材料复合，制备得到具有负极集流体面和正极集流体面的集流体。

在一优选实施例中，该制备方法还包括以下步骤：在所述负极集流体面和/或所述正极集流体面上涂覆导电涂层。

第三方面，本发明实施例提供了另一种集流体的制备方法，包括以下步骤：通过热蒸发、电子束蒸发、磁控溅射、脉冲激光沉积、等离子增强气相沉积、化学气相沉积、化学镀、电化学镀中的一种或多种方式，在负极集流体材料上沉积一层正极集流体材料，制备得到具有负极集流体面和正极集流体面的集流体；或者，通过热蒸发、电子束蒸发、磁控溅射、脉冲激光沉积、等离子增强气相沉积、化学气相沉积、化学镀、电化学镀中的一种或多种方式，在膜状或箔状正极集流体材料上沉积一层负极集流体材料，制备得到具有负极集流体面和正极集流体面的集流体。

在一优选实施例中，该制备方法还包括以下步骤：在所述负极集流体面和/或所述正极集流体面上涂覆导电涂层。

第四方面，本发明实施例提供了一种电极极片，所述电极极片包括负极材料、正极材料，以及第一方面提供的集流体。

第五方面，本发明实施例提供了一种锂电池，包括电解质、一个或多个第四方面提供的电极极片；所述电解质包括液体电解质、凝胶类聚合物电解质或固体电解质；其中，所述液体电解质包含在隔膜中。

第六方面，本发明实施例提供了一种锂电池的制备方法，所述方法包括：将多个第四方面的电极极片同方向排列；在所述电极极片之间，插入电解质；所述电解质为液体电解质、凝胶类聚合物电解质或固体电解质。

本发明实施例提供的集流体兼顾正负极集流体所需要的特性，能够实现 在单体电池内部设计串联式结构，从而提高了单体电池的输出电压；并且，采用固体电解质或隔膜包覆的液体电解质，在电池内部进行串联设计时，避免了电压反极、自放电和内短路等情况。另外，本发明实施例提供的集流体具有导电涂层，该导电涂层改善了集流体的导电特性和对电极层的粘附力，防止电极层与集流体脱落，减小了电池内阻。

以下现在将参照具体实施例和对比例更详细地描述本发明上述实施例提供的集流体及其制备方法、锂电池及其制备方法。这些实施例和对比例不意图限制本发明上述实施例的范围。

对比例1

对比1提供了一种现有技术中锂离子单体电池。如图1所示，该锂离子电池由正极极耳1、负极极耳2、正极集流体3、正极层4、电解质层5、负极层6、负极集流体8、封装材料9组成。

由于现有技术中的集流体无法兼顾正负极集流体所需要的特性，所以无法设计成内部串联式结构。另外，由于采用的液态电解质具有流动性，因此，即使采用内部串联式结构，也会出现自放电、电压反极和短路等情况。

实施例1

实施例1提供了一种采用本发明提供的双面异质集流体的固态锂离子单体电池。如图2所示，该锂离子电池由正极极耳1、负极极耳2、正极集流体3、正极层4、电解质层5、负极层6、双面异质集流体7、负极集流体8、封装材料9组成。其中，一个正极层4、一个电解质层5、一个负极层6、一个双面异质集流体7构成一组，多个组串联置于单体电池中，即该单体电池具有内部串联式结构，从而提高了该单体电池的输出电压。

实施例2

实施例2提供了一种集流体。如图3所示，该集流体包括负极集流体面导电涂层7-1、负极集流体面7-2、正极集流体面7-3、正极集流体面导电涂层7-4。

集流体在空气中制备时，表面通常会形成薄氧化层。氧化层会降低电极层与集流体之间的粘附力，因此，在集流体两侧涂覆功能性导电涂层，并在涂层中添加粘接剂，以增加电极层与集流体间的附着力，同时提高层间电子导电性，减少电池电阻，提高电压和能力输出。

实施例3

实施例3提供了一种集流体的制备方法。本实施例中以钛箔为基础，通过电镀方法，在钛箔上镀上铜箔，从而制备了一面为正极集流体钛箔、另一面为负极集流体铜箔的集流体。如图4所示，10为电镀辊阴极，11为阳极，12为电解池，13为卷取，电解池内是硫酸铜溶液。

此外，除了上述电镀方法之外，还有热蒸发、电子束蒸发、磁控溅射、脉冲激光沉积、等离子增强气相沉积、化学气相沉积、化学镀、电化学镀等方式可以制备所述集流体。

实施例4

实施例4提供了一种导电涂层为导电碳颗粒的集流体。如图5所示，该导电涂层的厚度为1um-3um，碳颗粒的平均粒径约为340nm。

实施例5

实施例5提供了一种导电涂层为石墨烯的集流体。如图6所示，该导电涂层的厚度为1um-3um。

实施例6

实施例6提供了一种导电涂层为导电碳颗粒和石墨烯混合涂覆层的集流体。如图7所示，该导电涂层的厚度为1um-3um，碳颗粒的平均粒径约为340nm。

实施例7-42

实施例7-42各提供了一种集流体及其制备方法。

在下述实施例7-42中，所用到的物料如下所示：

(1)集流体材料

正极集流体材料1:铝；正极集流体材料2：铝合金；正极集流体材料3： 不锈钢；正极集流体材料4：钛；正极集流体材料5：钛合金；正极集流体材料6：其它适合正极集流体材料

负极集流体材料1：铜；负极集流体材料2：含铜质量分数高于80％的铜合金；负极集流体材料3：镍；负极集流体材料4：镍合金；负极集流体材料5：钛；负极集流体材料6：钛合金；负极集流体材料7：铁；负极集流体材料8：铁合金；负极集流体材料9：其它适合负极集流体材料

(2)集流体制备方法

制备方法1热蒸发；制备方法2：电子束蒸发；制备方法3：磁控溅射；制备方法4：脉冲激光沉积；制备方法5：等离子增强气相沉积；制备方法6：化学气相沉积；制备方法7：化学镀；制备方法8：电化学镀；制备方法9：其它可以制备上述集流体方法。

(3)集流体导电涂层材料

导电涂层材料1：碳颗粒；导电涂层材料2：天然石墨；导电涂层材料3：人造石墨；导电涂层材料4：碳纳米管；导电涂层材料5：碳纳米纤维；导电涂层材料6：石墨烯；导电涂层材料7：导电涂层材料1-6中的一种或多种复合物

(4)导电涂层粘结剂类别

导电涂层粘结剂1：聚偏氟乙烯；导电涂层粘结剂2：羧甲基纤维素；导电涂层粘结剂3：聚丙烯酸甲酯；导电涂层粘结剂4：聚酰胺酰亚胺；导电涂层粘结剂5：聚酰亚胺；导电涂层粘结剂6：聚环氧乙烷；导电涂层粘结剂7：聚环氧丙烷；导电涂层粘结剂8：丁苯橡胶；导电涂层粘结剂9：聚丙烯腈；导电涂层粘结剂10：环糊精；导电涂层粘结剂11：果胶；导电涂层粘结剂12：上述粘结剂的不同比例复合物或者其它适合用于导电涂层粘结剂的材料。

实施例7-42提供的集流体所用的正极集流体材料、负极集流体材料、正极面导电涂层材料、负极面导电涂层材料、正极面涂层粘结剂、负极面涂层 粘结剂以及总厚度、正极面厚度、负极面厚度、正极面涂层厚度、负极面涂层厚度见表1。

表1

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，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。