一种复合集流体及应用该集流体的锂离子二次电池的制作方法

本发明涉及一种集流体及其集流体在锂离子电池中的应用，具体地说是一种复合集流体及应用该集流体的锂离子二次电池。

背景技术：

在锂电池制造行业，需要在锂离子二次电池的正极和负极设置集流体，现有的集流体普遍采用铝箔材料制成，采用现有的铝箔材料制成的集流体能够满足锂离子二次电池的制造要求，但是还存在以下缺陷，一方面，由于铝箔材料本身较重，因此无形当中增加了锂离子二次电池的重量，再者，由于其材料采用铝箔材料，其成本占比相对较高，另外，更重要的一方面，其结构设计单一，使得电池质量能量密度低，降低了电池循环寿命，另外，现有技术中也存在多层结构的复合集流体，但是其各层结构设计不合理，其制造成本高，安全可靠性差。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种制造成本低，安全可靠性高并且能够显著提升电池质量能量密度并提高电池循环寿命的复合集流体及应用该集流体的锂离子二次电池。

为了解决上述技术问题，本发明的复合集流体，包括上金属层、下金属层以及设置在上金属层和下金属层之间的非金属层，上金属层和非金属层之间以及非金属层和下金属层之间采用真空电镀、电解电镀或复合粘结复合，非金属层的厚度控制在2um-20um之间；上金属层和下金属层的厚度控制在1um-10um之间。

所述非金属层为聚酯、聚丙烯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚乙烯、聚氧化乙烯、聚氯乙烯、求丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物﹑聚碳酸酯﹑聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚乙烯醇或无纺布。

所述上金属层和下金属层采用金属银、金属铜、金属铝制成或分别由以金属银、金属铜或金属铝为金属主体的金属合金材料制成。

所述金属合金材料内添加有金属单质，所述添加的金属单质包括金、钨、铂、铁、钴、镍、镁、锌、铬中的一种或多种，添加比例控制在与金属主体相比质量分数的5％以内。

所述真空电镀包括真空蒸镀、溅射镀、离子镀。

所述非金属层的表面设置有均匀分布的贯穿孔，所述贯穿孔的孔径在0.1mm-2mm之间。

一种应用上述复合集流体的锂离子二次电池，该电池包括外壳以及外壳内设置的由正极、负极和隔离膜形成的电芯，所述正极和负极均采用权利要求1-3之一所述的复合集流体。

所述正极包括有正极活性物质，所述正极活性物质为锂的复合氧化物，包括钴酸锂(lco)、锰酸锂(lmo)、磷酸铁锂(lfp)、磷酸锰铁锂(lfmp)、镍钴锰酸锂(ncm)、镍钴铝三元材料、富锂层状材料或镍锰尖晶石材料。

所述负极包括有活性物质，所述负极活性物质为天然石墨、人造石墨、中间相碳微球、钛酸锂、硅或硅碳合金、锡合金以及活性锂金属

采用上述的结构后，由于设置的上金属层、下金属层以及设置在上金属层和下金属层之间的非金属层以及合理控制了各结构层的厚度，由此一方面，减轻了集流体的重量，而且保证了复合集流体具备优异的抗拉强度和柔韧性，其外层为金属膜层，起到了导电功效，另外，其合理的结构设计使得制备的锂离子二次电池可以显著提升电池质量能量密度，有效提高了电池循环寿命。

附图说明

图1为本发明中复合集流体的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明的复合集流体及应用该集流体的锂离子二次电池作进一步详细说明。

如图所示，本发明的复合集流体及应用该集流体的锂离子二次电池，包括上金属层1、下金属层3以及设置在上金属层和下金属层之间的非金属层2，其中，非金属层作为结构基础，要求具备一定的抗拉强度和柔韧性以满足实际产业化要求，上金属层1和下金属层3作为导电介质，选择的金属要求具备优异的电导率，上金属层和非金属层之间以及非金属层和下金属层之间采用真空电镀、电解电镀或复合粘结复合，其中，所采用的复合粘结复合优选为高温复合粘结，所采用的真空电镀可以为真空蒸镀、溅射镀或离子镀几种类型等方式实现，所说的电解电镀利用电解原理在某些金属表面上镀上一薄层其它金属或合金的过程，是利用电解作用使金属或其它材料制件的表面附着一层金属膜的工艺，所说的复合粘结是利用金属层和非金属层通过热压直接或者间接复合而成，间接复合需要在非金属层与金属层之间添加一些粘胶粘剂，胶粘剂选择为常用有机胶粘剂和无机胶粘剂，非金属层的厚度控制在2um-20um之间，要求基体的抗拉强度不小于30n/mm²；上金属层和下金属层的厚度控制在1um-10um之间，要求金属层的电阻率小于10.0*10^-8ω.m。

进一步地，所说的非金属层可以为聚聚酯(pet)、聚丙烯(pp)、聚酰胺(pa)、聚酰亚胺(pi)、聚乙烯(pe)、聚氧化乙烯(peo)、聚氯乙烯(pvc)、求丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(abs)﹑聚碳酸酯(pc)﹑聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚四氟乙烯(ptfe)、聚乙烯醇(pva)、无纺布等；所说的上金属层和下金属层可以选择的金属主体包括金属银、金属铜、金属铝，还可以少量添加一些其它金属单质与上述三种金属主体的一种或者多种形成金属合金，用以提高金属层的电导率和改善金属层表面的表面张力。其中，添加的金属单质包括金、钨、铂、铁、钴、镍、镁、锌、铬中的一种或多种，添加比例控制在与金属主体相比质量分数的5％以内，其中，非金属基材可以选择进行成孔处理，即在非金属层表面制备成均匀分布贯穿孔，孔径分布在0.1mm-2mm之间。

一种应用上述复合集流体的锂离子二次电池，该电池包括外壳以及外壳内设置的由正极、负极和隔离膜形成的电芯，正极和负极均采用上述的复合集流体，该电池可以为软包电池、方形铝壳、方形钢壳、圆柱铝壳以及圆柱钢壳电池。

以比较典型的软包电池为例，它包括常规软包锂电池所具有的外壳，外壳内设置的由正极、多孔质的隔离膜以及负极层叠形成的电芯以及壳体内添加注入电解液，所说的正极包括集流体以及涂覆在该集流体上的正极材料，所说的负极包括集流体以及涂覆在该集流体上的负极材料，其不同点在于，正极和负极均采用上述的复合集流体。

进一步地，上述所说的所有类型电池中的正极材料包括正极活性物质，正极活性物质为锂的复合氧化物，包括钴酸锂(lco)、锰酸锂(lmo)、磷酸铁锂(lfp)、磷酸锰铁锂(lfmp)、镍钴锰酸锂(ncm)、镍钴铝三元材料、富锂层状材料或镍锰尖晶石材料，负极材料包括有负极活性物质，负极活性物质选择为天然石墨、人造石墨、中间相碳微球、钛酸锂、硅或硅碳合金、锡合金以及活性锂金属。

鉴于本发明中公开了较多材料的电池，因此，针对其中某种典型的电池与现有的电池进行对比说明，其具体实施例与对比例说明如下：本实施例中以选择软包装5ah磷酸铁锂电池来验证本发明效果；

对比例的介绍：正极材料选择磷酸铁锂材料，正极集流体选择16微米铝箔；负极材料选择石墨材料，负极集流体选择10微米铜箔。

实施例的介绍：正极材料选择磷酸铁锂材料，正极集流体选择4微米的非金属层pet和3微米的上层铝金属层和3微米的下层铝金属层复合铝集流体；负极材料选择石墨材料，负极集流体选择4微米的非金属层pet和2微米的上层铜金属层和2微米的下层铜金属层复合铜集流体。

上述实施例与对比例的电极组分参数选择相同，具体参数如下：

对于正极的配比来说，其正极活性材料占95.70％，另外还有2％的pvdf5130，1.50％的sp，0.80％的cnts以及0.10的k30，对于负极的配比来说，其负极活性材料占94.90％，1.60％的cmc，1.00％的sp，2.50％的sbr。

上述实施例与对比例的涂布和辊压参数相同，具体参数为：正极面密度：31mg/cm²，负极面密度：15.5mg/cm²；正极压实密度：2.3g/cm³，负极压实密度：1.4g/cm³。

用上述电极组分组装制成软包装电池，外壳选择铝塑膜材料进行封装成型，然后进行电解液注液、陈化、化成、分容等工序制得锂离子电池。

其具体的制作工序如下：

注液：注射装置对准电池的注射口，打开抽真空泵进行抽真空，抽真空后关闭真空泵进行注液，为了保证注液效果，可以进行多次注液，注液完成后封口；

陈化：陈化是电池制作中重要的工序，陈化过程中选取电池分组进行陈化作业；

化成：将化成机线路按照正负极连接到电池上，利用化成机进行化成，然后利用计算机根据电池型号进行参数选择，发送。

分容：把化成过的符合标准的电池进行分容，利用分容柜对电池进行分容操作。

分选：经过分容后，对电池进行分选，分选过程中将电池放在采集模块下，然后接线，并经过放电、充电、放电、再充电四个步骤。

经过具体试验得到以下电池性能，其具体对比如下：

通过上述表格分析可见，对比例和实施例电池容量一致，重量有所减轻，特别是本发明上述配比的实施例实验电池能量密度发挥为165-175wh/kg，较对比例，能量密度有显著优势，在能量密度具有显著优势的情况下，其集流体的成本还得到了显著的降低，另外，经过对比倍率、低温、高温储存以及循环性能可知，倍率、低温、高温储存以及循环性能都在不同程度上得到了提高，因此，应用本发明复合集流体的锂离子二次电池各种性能必然更优。