集流体及电化学储能装置的制作方法

本实用新型涉及储能装置领域，更具体涉及一种集流体及电化学储能装置。

背景技术：

目前，虽然锂离子电池已被广泛用于电动汽车上，但是电动汽车却尚未获得消费者的广泛认可。造成这一现状的一大原因是电动汽车成本较高且电动汽车存在较严重的里程焦虑问题。而提升锂离子电池的能量密度可降低电池组成本并且增加电动汽车的续航里程，因此高能量密度的锂离子电池成为各个电池厂商争相研究的热点。采用高镍正极材料(例如，NCM622、NCM811等)能有效提高锂离子电池的能量密度，但随着正极材料中Ni含量的增加，其在脱锂态的热稳定性逐渐变差，表现为释氧温度降低、放热量升高，因此将高镍正极材料应用于锂离子电池的最大障碍是其安全问题，尤其是其穿钉过程中的安全问题。

对于穿钉问题并无太好的办法，常用手段有隔离膜涂布陶瓷、负极/正极表面涂布陶瓷、增加正极膜片中粘结剂PVDF含量、在集流体铝箔表面增加底涂层等，但这些方法一方面会影响锂离子电池的能量密度，另一方面也会对锂离子电池的电化学性能产生影响(例如，通常会恶化DCR，使DCR升高)。另外对于高镍正极材料而言，即使将上述方法全部用于锂离子电池上也解决不了穿钉失效的难题，因此需要开发新的技术方案。

技术实现要素：

鉴于背景技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种集流体及电化学储能装置，所述集流体能够改善电化学储能装置的穿钉通过率，改善电化学储能装置的安全性能，尤其能够解决将多孔金属箔应用于电化学储能装置集流体过程中的加工断带的难题。

为了达到上述目的，在本实用新型的一方面，本实用新型提供了一种集流体，其包括聚合物层以及多孔金属箔。所述多孔金属箔设置于所述聚合物层沿厚度方向的两个表面上。

在本实用新型的另一方面，本实用新型提供了一种电化学储能装置，其包括本实用新型一方面所述的集流体。

相对于现有技术，本实用新型的有益效果如下：

本实用新型的集流体易于加工，且当其应用于电化学储能装置中后能够改善电化学储能装置的穿钉通过率，改善电化学储能装置的安全性能，尤其能够解决将多孔金属箔应用于电化学储能装置集流体过程中的加工断带的难题。

附图说明

图1为本实用新型的集流体的截面图；

图2为本实用新型的集流体的一实施例的俯视图，其中，多孔金属箔的孔为圆形孔，且多孔金属箔的孔的面密度较小；

图3为本实用新型的集流体的另一实施例的俯视图，其中，多孔金属箔的孔为圆形孔，且多孔金属箔的孔的面密度较大；

图4为本实用新型的集流体的又一实施例的俯视图，其中，多孔金属箔的孔为矩形孔；

图5为本实用新型的集流体的又一实施例的俯视图，其中，多孔金属箔的孔为椭圆形孔。

其中，

1 集流体

2 多孔金属箔

3 聚合物层

4 圆形孔

5 矩形孔

6 椭圆形孔

具体实施方式

下面详细说明根据本实用新型的集流体及电化学储能装置。

首先说明根据本实用新型第一方面的集流体。

根据本实用新型第一方面所述的集流体包括聚合物层以及多孔金属箔。所述多孔金属箔设置于所述聚合物层沿厚度方向的两个表面上。

在根据本实用新型第一方面所述的集流体中，所述集流体的结构如图1所示，一方面，通过设计多孔结构的金属箔，可在穿钉时减少正极集流体的金属箔产生毛刺并减少毛刺刺穿隔离膜而直接接触负极集流体的金属箔或负极膜片的概率，即降低出现内部短路的概率，进而降低电化学储能装置的短路功率，改善电化学储能装置的安全性能。另一方面，多孔金属箔上孔结构的存在使多孔金属箔的强度变低，在电极浆料涂布和冷压的过程中极易出现加工断带的问题，导致其加工困难，聚合物层的存在则可有效改善其加工困难的问题。因此通过使多孔金属箔与聚合物层复合作为集流体可在改善电化学储能装置的安全性能的同时，解决将多孔金属箔应用于电化学储能装置集流体过程中的加工断带的难题。

在根据本实用新型第一方面所述的集流体中，所述多孔金属箔的厚度为1μm～6μm，多孔金属箔的厚度越小，穿钉时多孔金属箔产生的毛刺越小，电化学储能装置的穿钉短路电阻也会越大，则穿钉通过率越高，但随着多孔金属箔厚度的减小，其强度也相应地降低，在电极浆料涂布和冷压的过程中不可避免地出现集流体加工断带的问题，因此多孔金属箔厚度若过小则不利于集流体的加工。优选地，所述多孔金属箔的厚度为2μm～4μm。

在根据本实用新型第一方面所述的集流体中，所述多孔金属箔的孔的面密度为10％～50％，多孔金属箔的孔的面密度越高，则所述集流体应用于电化学储能装置中后其穿钉通过率越高，但随着多孔金属箔的孔的面密度的增大，多孔金属箔的强度也会相应地降低，在电极浆料涂布和冷压的过程中不可避免地出现集流体加工断带的问题，因此多孔金属箔的孔的面密度若过大会对集流体的加工产生不利影响。优选地，所述多孔金属箔的孔的面密度为10％～30％。

在根据本实用新型第一方面所述的集流体中，所述聚合物层的厚度为2μm～6μm。聚合物层的厚度过低，无法有效改善集流体加工断带的问题，厚度过大，会影响使用该集流体的电化学储能装置的体积能量密度。

在根据本实用新型第一方面所述的集流体中，所述聚合物层选自聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚酯、聚丙烯腈中的一种或几种。所述聚酯优选可为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。

在根据本实用新型第一方面所述的集流体中，所述多孔金属箔的种类没有具体的限制，根据所选用的多孔金属箔的不同，所述集流体既可以用于正极也可以用于负极。具体地，所述多孔金属箔选自铝箔、铜箔、镍箔、钛箔、银箔、镍铜合金箔、铝锆合金箔、不锈钢箔中的一种或几种。

在根据本实用新型第一方面所述的集流体中，所述多孔金属箔的孔的形状没有具体限制，具体地，所述多孔金属箔的孔可选自圆形孔(如图2、图3所示)、矩形孔(如图4所示)、菱形孔、椭圆形孔(如图5所示)中的一种或几种。

在根据本实用新型第一方面所述的集流体中，所述集流体可通过电镀法、蒸镀法及压合法制备得到：

当采用电镀法制备集流体时，可分别先在聚合物层的两个表面上喷射一层具有特定孔形状的薄层金属，然后再将薄层金属电镀加厚至目标厚度，获得集流体。

当采用蒸镀法制备集流体时，可通过在真空环境下加热金属丝使金属丝蒸发形成金属蒸汽，然后通过模板控制金属蒸汽沉积在聚合物层的两个表面上获得集流体。

当采用压合法制备集流体时，可分别先在聚合物层的两个表面上涂覆胶黏剂，再将多孔金属箔与涂覆有胶黏剂的聚合物层热压在一起，获得集流体，其中，所述胶黏剂的种类没有具体限制，可根据实际需求选择。此时，聚合物层与多孔金属箔之间设置有胶黏剂。

其次说明根据本实用新型第二方面的电化学储能装置。

根据本实用新型第二方面所述的电化学储能装置包括根据本实用新型第一方面所述的集流体。

在根据本实用新型第二方面所述的电化学储能装置中，所述电化学储能装置包括正极片、负极片、隔离膜、包装壳以及电解质等。根据本实用新型第一方面所述的集流体既可以用于电化学储能装置的正极片也可以用于负极片。在本实用新型的实施例中，仅示出本实用新型第一方面所述的集流体用于电化学储能装置的正极的实施例，但本实用新型不限于此。

在根据本实用新型第二方面所述的电化学储能装置中，需要说明的是，所述电化学储能装置可为锂离子电池、金属锂电池或超级电容器。在本实用新型的实施例中，仅示出储能装置为锂离子电池的实施例，但本实用新型不限于此。

在锂离子电池中，正极活性材料选自能够脱出、嵌入锂离子的材料，具体地，所述正极活性材料选自锂过渡金属氧化物，包含锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂锰氧化物、锂镍锰氧化物、锂镍钴锰氧化物、锂镍钴铝氧化物以及上述锂过渡金属氧化物添加其他过渡金属或非过渡金属或非金属得到的化合物中的一种或几种。正极导电剂选自乙炔黑、导电炭黑(Super P、Super S、350G等)、碳纤维(VGCF)、碳纳米管(CNT)、科琴黑中的一种或几种。

在锂离子电池中，负极活性材料选自能够嵌入、脱出锂离子的材料，具体地，所述负极活性材料可选自软碳、硬碳、人造石墨、天然石墨、硅、硅氧化合物、硅碳复合物以及钛酸锂中的一种或几种。负极导电剂选自乙炔黑、导电炭黑(Super P、Super S、350G)、碳纤维(VGCF)、碳纳米管(CNT)、科琴黑中的一种或几种。

在锂离子电池中，所述电解质可为液体电解质，所述电解质可包括锂盐以及有机溶剂。

在锂离子电池中，所述锂盐的具体种类不受限制。具体地，所述锂盐可选自LiPF₆、LiBF₄、LiN(SO₂F)₂(简写为LiFSI)、LiN(CF₃SO₂)₂(简写为LiTFSI)、LiClO₄、LiAsF₆、LiB(C₂O₄)₂(简写为LiBOB)、LiBF₂C₂O₄(简写为LiDFOB)中的一种或几种。

在锂离子电池中，所述有机溶剂的具体种类并没有特别的限制，可根据实际需求进行选择。优选地，使用非水有机溶剂。所述非水有机溶剂可包括任意种类的碳酸酯、羧酸酯。碳酸酯可包括环状碳酸酯或者链状碳酸酯。所述非水有机溶剂还可包括碳酸酯的卤代化合物。具体地，所述有机溶剂选自碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸亚丁酯、碳酸亚戊酯、氟代碳酸亚乙酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二丙酯、碳酸甲乙酯、γ-丁内酯、甲酸甲酯、甲酸乙酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯、四氢呋喃中的一种或几种。

在锂离子电池中，所述隔离膜的种类没有具体限制，可根据实际需求进行选择。

下面结合实施例，进一步阐述本申请。应理解，这些实施例仅用于说明本申请而不用于限制本申请的范围。在实施例中仅示出电化学储能装置为锂离子电池的情况，但本实用新型不限于此。在下述实施例中，所使用到的试剂、材料以及仪器如没有特殊的说明，均可商购获得。

实施例1

(1)正极集流体的制备

采用电镀法分别在厚度为5μm的PET层的两个表面上喷射一层多孔的薄层铝并通过电镀使其逐渐加厚，获得PET层的两个表面上均设有多孔铝箔的正极集流体，其中，在PET层的两侧，多孔铝箔的厚度均为4μm，多孔铝箔的孔的面密度为30％，多孔铝箔的孔为圆形孔。

(2)正极片的制备

将正极活性材料锂镍钴锰氧化物(NCM811)、正极导电剂导电炭黑(Super P)、正极粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)按照重量比为NCM811:SuperP:PVDF＝95:2:3进行混合，加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)，在真空搅拌机作用下搅拌均匀，获得正极浆料；将正极浆料均匀涂覆于上述正极集流体上，在室温晾干后转移至120℃烘箱干燥1h，然后经过冷压、分切得到正极片。

(2)负极片的制备

将负极活性材料人造石墨、负极导电剂导电炭黑(Super P)、增稠剂羧甲基纤维素钠(CMC)、负极粘结剂丁苯橡胶(SBR)按照重量比为人造石墨:Super P:CMC:SBR＝95:1:1:3进行混合，加入到去离子水后，在真空搅拌机的搅拌作用下搅拌均匀，获得负极浆料；将负极浆料均匀涂覆于厚度为8μm的负极集流体铜箔上，在室温晾干后转移至120℃烘箱干燥1h，然后经过冷压、分切得到负极片。

(3)电解液的制备

在含水量<10ppm的氩气气氛手套箱中，将EC、PC和DEC混合均匀形成有机溶剂，将充分干燥的锂盐LiPF₆溶解于上述有机溶剂中，混合均匀，获得电解液。其中，锂盐的浓度为1mol/L，EC、PC、DEC的重量比为EC:PC:DEC＝1:1:2。

(4)锂离子电池的制备

将正极片、隔离膜、负极片按顺序叠好，使隔离膜处于正、负极片之间起到隔离的作用，然后卷绕得到裸电芯；将裸电芯置于外包装箔中，将上述制备好的电解液注入到干燥后的电芯中，经过真空封装、静置、化成、整形等工序，获得锂离子电池。

实施例2

锂离子电池的制备过程同实施例1，区别在于，

(1)正极集流体的制备

PET层的厚度为6μm；

在PET层的两侧，多孔铝箔的厚度均为1μm；

多孔铝箔的孔的面密度为10％。

实施例3

锂离子电池的制备过程同实施例1，区别在于，

(1)正极集流体的制备

PET层的厚度为4μm；

在PET层的两侧，多孔铝箔的厚度均为6μm；

多孔铝箔的孔的面密度为50％。

实施例4

锂离子电池的制备过程同实施例1，区别在于，

(1)正极集流体的制备

PET层的厚度为3μm；

在PET层的两侧，多孔铝箔的厚度均为2μm；

多孔铝箔的孔的面密度为10％。

实施例5

锂离子电池的制备过程同实施例1，区别在于，

(1)正极集流体的制备

PET层的厚度为2μm；

在PET层的两侧，多孔铝箔的厚度均为3μm；

多孔铝箔的孔的面密度为10％。

实施例6

锂离子电池的制备过程同实施例1，区别在于，

(1)正极集流体的制备

PET层的厚度为4μm；

在PET层的两侧，多孔铝箔的厚度均为4μm；

多孔铝箔的孔的面密度为10％。

实施例7

锂离子电池的制备过程同实施例1，区别在于，

(1)正极集流体的制备

PET层的厚度为3μm；

在PET层的两侧，多孔铝箔的厚度均为5μm；

多孔铝箔的孔的面密度为10％。

实施例8

锂离子电池的制备过程同实施例1，区别在于，

(1)正极集流体的制备

PET层的厚度为2μm；

在PET层的两侧，多孔铝箔的厚度均为6μm；

多孔铝箔的孔的面密度为50％。

实施例9

锂离子电池的制备过程同实施例1，区别在于，

(1)正极集流体的制备

PET层的厚度为6μm；

在PET层的两侧，多孔铝箔的厚度均为6μm；

多孔铝箔的孔的面密度为50％。

对比例1

锂离子电池的制备过程同实施例1，区别在于，

(1)正极集流体的制备

PET层的厚度为5μm；

在PET层的两侧，多孔铝箔的厚度均为0.4μm；

多孔铝箔的孔的面密度为30％。

对比例2

锂离子电池的制备过程同实施例1，区别在于，

(1)正极集流体的制备

PET层的厚度为5μm；

在PET层的两侧，多孔铝箔的厚度均为4μm；

多孔铝箔的孔的面密度为2％。

对比例3

锂离子电池的制备过程同实施例1，区别在于，

(1)正极集流体的制备

PET层的厚度为5μm；

在PET层的两侧，多孔铝箔的厚度均为4μm；

多孔铝箔的孔的面密度为60％。

接下来说明锂离子电池的测试过程

(1)锂离子电池的穿钉测试

在25℃下，将锂离子电池满充，然后对锂离子电池进行穿钉测试，其中，穿钉速率为100mm/s，钢钉的直径为3mm，穿钉测试以锂离子电池不爆炸、不起火即为通过，每组测试5个锂离子电池，计算锂离子电池的穿钉测试通过率。

(2)锂离子电池的穿钉短路电阻的测量

在25℃下，对不注电解液的假电芯进行如上相同的穿钉测试，其中，穿钉速率为100mm/s，钢钉的直径为3mm，然后测试穿钉后假电芯的内阻，即为锂离子电池的穿钉短路电阻。

表1实施例1-9和对比例1-3的参数及性能测试结果

从表1的测试结果可知，锂离子电池的穿钉结果与多孔铝箔的厚度、多孔铝箔的孔的面密度密切相关。从实施例1、6及对比例2、3分析可知，当多孔铝箔的厚度一定时，多孔铝箔的孔的面密度越高，其穿钉短路时的电阻越大，锂离子电池的穿钉通过率越高，但若多孔铝箔的孔的面密度过高(对比例3)，则将多孔铝箔应用于锂离子电池集流体过程中会出现加工断带的难题。从实施例2、实施例4-7及对比例1分析可知，当多孔铝箔的孔的面密度一定时，多孔铝箔越薄，穿钉时产生的毛刺越小，其穿钉短路时的电阻越大，锂离子电池的穿钉通过率越高，而若多孔铝箔过薄(对比例1)，则将多孔铝箔应用于锂离子电池集流体过程中会出现加工断带的难题。从实施例3、实施例8-9分析可知，当聚合物层的厚度保持在本发明的范围内，并配合多孔铝箔的厚度和多孔铝箔的孔的面密度获得集流体时，锂离子电池的穿钉通过率可维持在一个较优范围内。

上述结果表明本实用新型的集流体对锂离子电池的安全性能有明显的改善效果。