集流体、电池极片和电池的制作方法

文档序号：15717986发布日期：2018-10-19 22:20阅读：320来源：国知局

本实用新型属于电池技术领域，具体涉及一种集流体、电池极片和电池。

背景技术：

锂离子电池以其高电压、高能量密度和长循环寿命等优异性能而被广泛应用于手机和笔记本电池、动力电池及储能电池等。其中手机和笔记本电池已完全被锂离子电池占据，其他种类的电池根本无法达到这些便携式智能设备的严苛要求。随着锂离子电池的应该越来越广，对锂离子电池的要求也越来越高。如对锂离子电池的能量密度等性能要求也越来越高。

然而现有的锂离子电池极片绝大部分是将活性物质浆料均匀涂覆在集流体表面，这种传统的工艺方法制备的极片存在一定的弊端：当极片活性物质层较厚时，极片易折断，加工性能差，制备的电芯内阻会偏大；当极片太薄时，又降低了能量密度。

为了解决所述极片存在的问题，本领域也做出了一些尝试和改进，如采用金属泡沫作为集流体，将活性物质填充至金属泡沫的孔隙内。该金属泡沫虽然能有效的提高的极片的面密度，提高了电芯的能量密度，增加了极片的导电性能，但是该种工艺所诉集流体每次涂覆只针对单一活性物质，对金属泡沫的利用率较低，且集流体孔隙尺寸分布不均匀，很难充分利用其空间。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种集流体和含有所述集流体的电池极片，以解决在现有电池极片存在的缺陷而导致电池容量密度不理想的技术问题。

本实用新型的另一目的在于提供一种电池，以解决现有电池能量密度不理想的技术问题。

为了实现上述实用新型目的，本实用新型一方面，提供了一种集流体。所述集流体为多孔结构，所述多孔结构的孔隙包括第一类孔隙和第二类孔隙，所述第一类孔隙的尺寸大于所述第二类孔隙的尺寸。

优选地，所述第一类孔隙的尺寸为(15μm-20μm]；第二类孔隙的尺寸为 [9μm-15μm]；

优选的，所述第一类孔隙与所述第二类孔隙分别的比例(60％-80％): (40％-20％)。

本实用新型另一方面，提供了一种电池极片。所述电池极片包括集流体和电极材料，所述集流体为所述本实用新型集流体，所述电极材料包括第一类电极材料和第二类电极材料，且所述第一类电极材料的粒径小于或等于所述第一类孔隙的尺寸，大于所述第二类孔隙的尺寸，并填充在所述第一类孔隙中；所述第二类电极材料的粒径小于或等于所述第二类孔隙的尺寸，并填充在所述第二类孔隙中。

优选地，所述电池极片还包括导电剂层，所述导电剂层结合在填充有所述第一类电极材料和第二类电极材料的集流体表面上。

优选地，所述导电剂层的厚度为10-30μm。

进一步优选地，所述电池极片为正电极片或负电极片。

本实用新型再一方面，提供了一种电池。所述电池包括正极片和负极片，所述正极片为所述本实用新型电池极片，且所述本实用新型电池极片为正电池极片；和/或

所述负极片为所述本实用新型电池极片，且所述本实用新型电池极片为负电池极片。

与现有技术相比，本实用新型集流体为多孔结构，而且所述多孔结构含有尺寸不同的两类，这样，能够有效将相应粒径的电极材料分别填充至多孔结构中，从而有效提高多孔结构的集流体的利用率，以实现提高相应电池的能量密度。

本实用新型电池极片由于是将相应两类粒径不同的电极材料分别填充至本实用新型所述多孔结构集流体相应的孔隙中，有效提高了多孔结构集流体的利用率，增加了电极材料的含量，从而提高相应电池的能量密度。而且避免了现有极片由于活性层的制约从而提高了本实用新型电池极片的加工性能。

本实用新型电池所含的极片为本实用新型所述的电池极片，因此，所述电池能量密度高，而且电化学性能稳定。

附图说明

图1为本实用新型实施例集流体的结构示意图；

图2为本实用新型实施例电池极片的结构示意图；

图3为本实用新型实施例电池极片制备方法工艺流程图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，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，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型实施例说明书中所提到的相关成分的重量份不仅仅可以指代各组分含量，也可以表示各组分间重量比例，因此，只要是按照本实用新型实施例说明书相关组分的含量按比例放大或缩小均在本实用新型实施例说明书公开的范围之内。具体地，本实用新型实施例说明书中所述的重量可以是μg、mg、 g、kg等化工领域公知的质量单位。

一方面，本实用新型实施例提供了一种集流体。所述集流体的结构如图1 所示，所述集流体01为多孔结构，所述多孔结构包括孔隙包括第一类孔隙11 和第二类孔隙12，所述第一类孔隙11的尺寸是大于所述第二类孔隙12的尺寸。

一实施例中，所述第一类孔隙11的尺寸为(15μm-20μm]；第二类孔隙12 的尺寸为[9μm-15μm]。其中，(15μm-20μm]表示的是大于15μm，小于或等于 20μm；[9μm-15μm]表示的是大于或等于9μm，小于或等于15μm。所述尺寸可以理解为孔隙的直径。在另一实施例中，所述第一类孔隙11与所述第二类孔隙 12分别的比例(60％-80％):(40％-20％)，而且所述第一类孔隙11与所述第二类孔隙12可以是随机分布。

所述集流体01的材料根据集流体的用途不同进行选用，如当其作为正极片集流体时，所述集流体01的材料可以选用常规的多孔结构正极集流体材料；当其作为负极片集流体时，所述集流体01的材料可以选用常规的多孔结构负极集流体材料。因此，在具体实施例中，所述多孔结构集流体01的材料可以选用铝、铜、镍、银等金属泡沫。

另外，所述具有第一类孔隙11和第二类孔隙12的多孔结构集流体01可以按照如下方法制备形成：该集流体采用粒状物料周围浇铸法制备，首先准备直径大小为第一类孔隙尺寸的粒状模料和直径大小为第二类孔隙尺寸的粒状模料按一定比例混合均匀，均匀分散放置于铸模之内，在其周围浇铸熔融好的金属，待其冷却后将粒状模料进行溶解，得到所需金属泡沫，也即是所述集流体01。

由于所述多孔结构集流体01含有尺寸不同的孔隙，这样，能够有针对性的将相应粒径的电极材料分别填充至多孔结构中，从而有效提高多孔结构集流体 01的利用率，以实现提高相应电池的能量密度。

在所述多孔结构集流体01的基础上，本实用新型实施例还提供了一种电池极片。所述电池极片结构如图2所示，所述电池极片02包括包括集流体01和电极材料。

其中，所述集流体01为上文所述的，具体如图1所述的集流体01，为了节约篇幅，在此不再赘述。

所述电极材料包括第一类电极材料21和第二类电极材料22，且所述第一类电极材料21的粒径小于或等于所述第一类孔隙11的尺寸，大于所述第二类孔隙12的尺寸，并填充在所述第一类孔隙11中；所述第二类电极材料22的粒径小于或等于所述第二类孔隙12的尺寸，并填充在所述第二类孔隙12中。

在一实施例中，所述电极材料根据所述电池极片02的极性而定，理所当然的是，所述所述电极材料的极性与所述集流体01的极性保持一致。如当所述电池极片02为正极片时，所述电极材料为正电极材料，因此，所述第一类电极材料21和第二类电极材料22均为正电极材料；当所述电池极片02为负极片时，所述电极材料为负电极材料，因此，第一类电极材料21和第二类电极材料22 均为负电极材料，如在一实施例中，所述第一类电极材料21为石墨或针状焦中的至少一种，所述第二类电极材料22为硅或氧化硅中的至少一种。

在上述各实施例的基础上，所述电池极片02的表面上还结合有导电剂层 23，如图2所示。此时，所述所述第一类电极材料21和第二类电极材料22是填充在集流体01的多孔结构中，而导电剂层23则是结合在集流体01的表面上，当然，在第一类电极材料21和第二类电极材料22处，是导电剂层23是与第一类电极材料21和第二类电极材料22接触的。该导电剂层23的存在不仅能有效将第一类电极材料21和第二类电极材料22束缚在多孔结构内，防止表面孔隙颗粒的脱落，而且能有效提高所述电池极片02的导电性能，降低其内阻。

在一实施例实施例中，所述导电剂层23的厚度可以是10-30μm。在另一实施例中，所述导电剂层23包括导电剂和粘结剂。如在进一步实施例中，所述导电剂和粘结剂的比例可以是3：1。在具体实施例中，所述导电剂导电剂可以但不仅仅为CNT(碳纳米管)、Super-p、石墨烯一种或多种的复合导电剂体系，所述粘结剂可以但不仅仅为聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、聚氧乙烯等中的至少一种。

因此，所述电池极片02由于是将相应两类粒径不同的电极材料如第一类电极材料21和第二类电极材料22分别填充至所述多孔结构集流体01相应的孔隙第一类孔隙11和第二类孔隙12中，有效提高了多孔结构集流体01的利用率，增加了电极材料的含量，从而提高相应电池的能量密度。而且避免了现有极片由于活性层的制约从而提高了本实用新型电池极片的加工性能。

另一方面，本实用新型实施例还提供了上文所述电池极片02的一种制备方法。所述制备方法流程如图3所示，包括如下步骤：

S01：将第一类电极材料配制成分散液，并填充至上文所述集流体01所含的所述第一类孔隙11内，干燥处理；再

S02：将第二类电极材料配制成分散液，并填充至经步骤S01处理后的所述集流体01所含的所述第二类孔隙12内，干燥处理。

其中，所述步骤S01中的第一类电极材料如上文所述电池极片02所含的第一类电极材料21。因此，将含有所述第一类电极材料的分散液填充至所述集流体01所含的所述第一类孔隙11的过程中，由于所述第一类电极材料的粒径如上文所述的，其粒径小于或等于所述第一类孔隙11的尺寸，大于所述集流体 01所含的所述第二类孔隙12的尺寸。因此，所述第一类电极材料只能填充至所述第一类孔隙11内，不能填充至所述第二类孔隙12内。

在一实施例中，可以将所述集流体01直接没入含有所述第一类电极材料的所述分散液内，使得所述第一类电极材料进入所述第一类孔隙11内。如果一次没入所负载的第一类电极材料重量小于理论计算值，则继续浸入所述分散液第后取出干燥，重复该操作直至其负载的所述第一类电极材料重量等于或接近理论计算值。其中，该理论计算值为制备该集流体时所用不同直径粒状模料得到的体积计算得到，为吸附电极材料的最大量。其中，所述分散液的重量浓度为 50％-70％。分散液的溶剂可以是常规配制电极材料浆料所用的溶剂，如选用但不仅仅选用NMP和水。具体的如当为正电极极片时，所述溶剂选用但不仅仅选用NMP；当为负电极极片时，所述溶剂选用但不仅仅选用水。

所述步骤S02中的第二类电极材料如上文所述电池极片02所含的第二类电极材料22。因此，将含有所述第二类电极材料的分散液填充至所述集流体01 所含的所述第二类孔隙12的过程中，由于所述第二类电极材料的粒径如上文所述的，其小于或等于所述第二类孔隙12的尺寸，而且所述集流体01经过所述步骤S01中处理后，所述集流体01所含的所述第一类孔隙11已经被所述第一类电极材料填充。因此，所述第二类电极材料只能填充至所述第二类孔隙12 内，不能填充至所述第一类孔隙11内。

在一实施例中，可以将经步骤S01处理后的所述集流体01直接没入含有所述第二类电极材料的所述分散液内，使得所述第二类电极材料进入所述第二类孔隙12内。如果一次没入所负载的第二类电极材料重量小于理论计算值，则继续浸入所述分散液第后取出干燥，重复该操作直至其负载的所述第二类电极材料重量等于或接近理论计算值。其中，所述分散液的重量浓度为50％-70％。分散液的溶剂可以是常规配制电极材料浆料所用的溶剂，如选用但不仅仅选用 NMP和水。具体的如当为正电极极片时，所述溶剂选用但不仅仅选用NMP；当为负电极极片时，所述溶剂选用但不仅仅选用水。

在上述步骤S01和步骤S02的基础上，包括步骤S03：

在将经过所述步骤步骤S02处理后的所述集流体01表面形成导电剂层的步骤。

其中，所述导电剂层如上文所述电池极片02所含的导电剂层23，为了篇幅，不再对所述导电剂层进行赘述。

在一实施例中，形成所述导电剂层的方法如下：

将经步骤S02处理后的所述集流体01直接没入导电剂层浆料中，进行浸润后取出干燥，从而在所述集流体01表面形成导电剂层。

其中，所述导电剂层的浆料是将导电剂和粘结剂加入溶剂中进行配制均匀分散的导电剂层浆料。所述导电剂层浆料的重量浓度为30％-50％。导电剂层浆料的溶剂可以是常规配制电极材料浆料所用的溶剂，如选用但不仅仅选用NMP 和水。具体的如当为正电极极片时，所述溶剂选用但不仅仅选用NMP；当为负电极极片时，所述溶剂选用但不仅仅选用水。

因此，所述电池极片02制备方法分步将两类粒径的电极材料分别填充至集流体相应孔隙尺寸的多孔结构中，有效提高了电极材料的填充量，提高了多孔结构集流体01的利用率。另外，所述电池极片02制备方法工艺条件易控，有效保证了制备的电池极片02性能的稳定性。

再一方面，在上文集流体01和电池极片02的基础上，本实用新型实施例还提供了一种电池。所述电池包括必要的部件，如正极片和负极片。其中，所述正极片为上文所述的电池极片02，且所述电池极片02为正极片；或者，所述负极片为上文所述的电池极片02，且所述电池极片02为负极片；或者，所述电池所含的正负极片均为上文所述的电池极片02，所述电池极片02一个为正电片，另一个为负极片。这样，由于所述电池所含的极片为上文所述电池极片02，因此，所述电池能量密度高，而且电化学性能稳定。在具体实施例中，所述电池可以但不仅仅为锂离子电池，只要是基于上文所述的集流体01和电池极片02相同的思路，均在本实用新型实施例说明书公开的范围。

现提供多个具体实施例对本实用新型进行进一步详细说明。

1.多孔结构集流体实施例

实施例11

本实施例提供了一种集流体，所述集流体结构如图1所示，其为多孔结构的泡沫镍材料，其多孔结构包括孔隙尺寸为20μm的第一类孔隙11和孔隙尺寸为15μm的第二类孔隙12。所述第一类孔隙11和第二类孔隙12的分布为随机均匀分布，第一类孔隙11和第二类孔隙12比例为60％：40％。

实施例12

本实施例提供了一种集流体，所述集流体结构如图1所示，其为多孔结构的泡沫镍材料，其多孔结构包括孔隙尺寸为18μm的第一类孔隙11和孔隙尺寸为12μm的第二类孔隙12。所述第一类孔隙11和第二类孔隙12的分布为随机均匀分布，第一类孔隙11和第二类孔隙12比例为70％：30％。

实施例13

本实施例提供了一种集流体，所述集流体结构如图1所示，其为多孔结构的泡沫镍材料，其多孔结构包括孔隙尺寸为16μm的第一类孔隙11和孔隙尺寸为9μm的第二类孔隙12。所述第一类孔隙11和第二类孔隙12的分布为随机均匀分布，第一类孔隙11和第二类孔隙12比例为80％：20％。

实施例14

本实施例提供了一种集流体，所述集流体结构如图1所示，其为多孔结构的泡沫铜材料，其多孔结构包括孔隙尺寸为16μm的第一类孔隙11和孔隙尺寸为9μm的第二类孔隙12。所述第一类孔隙11和第二类孔隙12的分布为随机均匀分布，第一类孔隙11和第二类孔隙12比例为60％：40％。

实施例15

本实施例提供了一种集流体，所述集流体结构如图1所示，其为多孔结构的泡沫铜材料，其多孔结构包括孔隙尺寸为18μm的第一类孔隙11和孔隙尺寸为12μm的第二类孔隙12。所述第一类孔隙11和第二类孔隙12的分布为随机均匀分布，第一类孔隙11和第二类孔隙12比例为70％：30％。

实施例16

本实施例提供了一种集流体，所述集流体结构如图1所示，其为多孔结构的泡沫铜材料，其多孔结构包括孔隙尺寸为20μm的第一类孔隙11和孔隙尺寸为15μm的第二类孔隙12。所述第一类孔隙11和第二类孔隙12的分布为随机均匀分布，第一类孔隙11和第二类孔隙12比例为80％：20％。

实施例17

本实施例提供了一种集流体，所述集流体结构如图1所示，其为多孔结构的泡沫铁材料，其多孔结构包括孔隙尺寸为20μm的第一类孔隙11和孔隙尺寸为15μm的第二类孔隙12。所述第一类孔隙11和第二类孔隙12的分布为随机均匀分布，第一类孔隙11和第二类孔隙12比例为60％：40％。

实施例18

本实施例提供了一种集流体，所述集流体结构如图1所示，其为多孔结构的泡沫铁材料，其多孔结构包括孔隙尺寸为18μm的第一类孔隙11和孔隙尺寸为12μm的第二类孔隙12。所述第一类孔隙11和第二类孔隙12的分布为随机均匀分布，第一类孔隙11和第二类孔隙12比例为70％：30％。

实施例19

本实施例提供了一种集流体，所述集流体结构如图1所示，其为多孔结构的泡沫铁材料，其多孔结构包括孔隙尺寸为16μm的第一类孔隙11和孔隙尺寸为9μm的第二类孔隙12。所述第一类孔隙11和第二类孔隙12的分布为随机均匀分布，第一类孔隙11和第二类孔隙12比例为80％：20％。

2.电池极片实施例

实施例21

本实施例提供了一种电池极片及其制备方法。所述电池极片包括电极材料和导电剂层以及实施例11提供的多孔结构集流体。所述电极材料包括第一类电极材料和第二类电极材料，所述第一类电极材料填充在所述第一类孔隙中，所述第二类电极材料填充在所述第二类孔隙中，所述导电剂层结合在填充有电极材料的集流体表面。其中，所述第一类电极材料为人造石墨HSG，所述第二类电极材料为硅碳复合材料S400-A。

本实施例电池极片制备方法如下：

(1)配制第一类电极材料浆料：将500g的HSG第一类电极材料加入500ml 的NMP中，乳化均质高速分散成均匀稳定的浆料；其中，所述第一类电极材料的粒径小于或等于集流体所含的所述第一类孔隙的尺寸，大于所述第二类孔隙的尺寸；

配制第二类电极材料浆料：将500g的S400-A第二类电极材料加入500ml 的NMP中，乳化均质高速分散成均匀稳定的浆料；其中，所述第二类电极材料的粒径小于或等于所述第二类孔隙的尺寸；

配制导电剂浆料：将100g导电剂和33.3g PVDF粘结剂加入133.3ml的NMP 中进行充分分散处理；

(2)先将所述实施例11提供的多孔结构集流体没入步骤(1)的配制第一类电极材料浆料中，取出集流体进行干燥后称重，如果其负载的第一类电极材料重量小于理论计算值，则继续浸入第一类电极材料浆料后取出干燥，重复该操作直至其负载的第一类电极材料浆料重量等于或接近理论计算值；

(3)将经步骤(2)处理后的负载有第一类电极材料的集流体没入步骤(1) 的配制第二类电极材料浆料中，取出集流体进行干燥后称重，如果其负载的第二类电极材料重量小于理论计算值，则继续浸入第二类电极材料浆料后取出干燥，重复该操作直至其负载的第二类电极材料浆料重量等于或接近理论计算值；