双极性集流体以及用于制备其的设备的制作方法

1.本实用新型涉及电池技术领域，具体提供了一种双极性集流体以及用于制备其的设备。


背景技术：

2.锂离子电池作为一种二次电池，其主要的工作原理是借助于锂离子在电池的正极和负极之间的移动来工作。具体而言，在充电过程中，锂离子从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，因此负极处于富锂状态。相对应地，在放电过程中，锂离子从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极，因此正极处于富锂状态。作为一种高电压、高能量密度、长循环寿命的储能器件，锂离子电池在消费电子、电动工具、新能源汽车以及储能等领域得到了广泛的应用。
3.集流体作为锂离子电池中不可或缺的组成部件之一，主要用于收集正、负极活性材料在充放电过程中的电流。目前广泛地运用于锂离子电池的电芯生产的集流体为正极金属铝箔集流体(正极集流层)、负极金属铜箔集流体(负极集流层)。为持续提高锂离子电池的能量密度,减轻箔材重量、降低箔材厚度、保证导电率/抗拉强度/柔韧性是业界持续努力的方向。在此基础上，也存在这样的问题：采用何种制备制得相应结构的集流体。
4.相应地，本领域需要一种新的技术方案来解决上述问题。


技术实现要素：

5.技术问题
6.为了至少一定程度地解决上述技术问题，或者说为了解决上述技术问题中的至少一部分，提出本实用新型。
7.技术方案
8.有鉴于此，本实用新型第一方面提供了一种用于制备双极性集流体的设备,所述双极性集流体包括正极集流层和负极集流层，所述设备包括：镀膜处理部，镀膜处理部，其能够在第一载体层的一侧和第二载体层的一侧上分别镀设所述正极集流层和所述负极集流层；涂胶处理部，其用于对所述正极集流层和/或所述负极集流层远离相应的所述第一载体层和/或所述第二载体层的一侧涂布绝缘粘结剂；以及复合部，其用于将所述正极集流层和所述负极集流层通过绝缘粘结剂形成复合组件；其中，所述第一载体层和所述第二载体层分别以可移除的方式设置于所述正极集流层和所述负极集流层，以便：在生产所述双极性集流体期间，分别通过所述第一载体层和所述第二载体层提高所述正极集流层和所述负极集流层的机械强度。
9.通过这样的构成，能够谋求增加双极性集流体的机械强度。
10.具体而言，在第一/第二载体层未被移除的生产阶段，由于第一/第二载体层的存在从而使得双极性集流体具有足够的机械强度。而在第一/第二载体层被移除之后的使用阶段，由于正极集流层和负极集流层的减薄因此有望提高包含双极性集流体的锂离子电池的能量密度。
11.对于上述用于制备双极性集流体的设备，在一种可能的实施方式中，所述镀膜处理部包括：正极单元，其包括第一放卷机构和第一镀膜机；其中，所述第一放卷机构能够发放所述第一载体层，所述第一镀膜机能够向所述第一载体层的一侧镀设所述正极集流层；负极单元，其包括第二放卷机构和第二镀膜机；其中，所述第二放卷机构能够发放所述第二载体层，所述第二镀膜机能够向所述第二载体层的一侧镀设所述负极集流层。
12.对于上述用于制备双极性集流体的设备，在一种可能的实施方式中，所述镀膜处理部包括传送机构，所述第一放卷机构和所述第二放卷机构通过所述传送机构将所述第一载体层和所述第二载体层相应地发放至所述第一镀膜机和所述第二镀膜机。
13.通过这样的构成，给出了镀膜处理部的一种可能的结构形式。
14.可以理解的是，本领域技术人员可以根据实际需求确定传送机构的具体形式及其与第一/第二放卷机构的对应关系，如传送机构为带传送机构等，可以为第一/第二放卷机构分别配置一传送机构或者第一/第二放卷机构共用一传送机构等。
15.对于上述用于制备双极性集流体的设备，在一种可能的实施方式中，所述第一镀膜机和/或所述第二镀膜机为真空镀膜机。
16.通过这样的构成，给出了镀膜处理部的一种具体的结构形式。
17.如通常情形下，真空镀膜机内的真空环境是通过与之配套的气锁装置形成的。这样一来，便可根据实际需求调节真空环境的品质。
18.对于上述用于制备双极性集流体的设备，在一种可能的实施方式中，所述涂胶处理部用于在所述正极集流层远离所述第一载体层的一侧涂布绝缘粘结剂。
19.通过这样的构成，给出了一种具体的涂胶处理方式。具体而言，仅在正极集流层上涂布绝缘粘结剂，以先涂正极集流层、负极集流层面向正极集流层涂布绝缘粘结剂的一侧放置然后复合的方式的形成复合组件。
20.对于上述用于制备双极性集流体的设备，在一种可能的实施方式中，所述设备还包括：固化部，其沿第一放卷机构发放第一载体层的方向设置于所述复合部的下游侧，所述固化部用于对所述复合组件中的绝缘粘结剂进行固化处理，从而在涂布绝缘粘结剂的位置形成双极性集流体的绝缘层。
21.通过这样的构成，能够谋求形成形态、性能稳定的绝缘层。
22.可以理解的是，本领域技术人员可以根据实际情形确定固化部的具体结构形式及其固化方式，如固化部通常具有能够提供一定高温环境的烘道，通过将复合组件置于烘道内一定时长，便可在涂布绝缘粘结剂的位置形成稳定的绝缘层。
23.对于上述用于制备双极性集流体的设备，在一种可能的实施方式中，所述设备还包括：撕膜部，所述撕膜部包括：对应于正极单元的第一撕膜机，所述第一载体层能够经所述第一撕膜机从所述正极集流层移除；以及对应于负极单元的第二撕膜机，所述第二载体层能够经所述第二撕膜机从所述负极集流层移除。
24.通过这样的构成，能够谋求将双极性集流体的第一/第二载体层移除。
25.对于上述用于制备双极性集流体的设备，在一种可能的实施方式中，所述设备还包括：清洗部，其沿第一放卷机构发放第一载体层的方向设置于所述撕膜部的下游侧，所述清洗部用于对移除了第一载体层和第二载体层的所述复合组件进行清洗，从而获得双极性集流体。
26.通过这样的构成，能够谋求将复合组件中由于撕膜操作残留的物质。
27.可以理解的是，本领域技术人员可以根据实际需求确定清洗部的具体结构及其清洗方式，如采用等离子清洗等方式对复合组件进行清洗。
28.对于上述用于制备双极性集流体的设备，在一种可能的实施方式中，所述设备还包括：收卷部，其沿第一放卷机构发放第一载体层的方向设置于所述清洗部的下游侧，所述收卷部用于以卷绕的方式收纳所述双极性集流体。
29.通过这样的构成，能够谋求对制得的双极性集流体(撕膜之后)进行合理的收纳。
30.本实用新型第二方面提供了一种双极性集流体，该双极性集流体是采用前述任一项所述的用于制备双极性集流体的设备制得的，其中，所述正极集流层的厚度为0.1-10μm；和/或所述负极集流层的厚度为0.1-10μm。
31.可以理解的是，该双极性集流体具有前述任一项所述的用于制备双极性集流体的设备的所有技术效果，在此不再赘述。
32.如采用该设备制得的双极性集流体的结构应当包括：绝缘层；正极集流层，其设置于所述绝缘层的第一侧；以及负极集流层，其设置于所述绝缘层的第二侧；其中，所述正极集流层和所述负极集流层在远离所述绝缘层的一侧分别设置有第一载体层和第二载体层，并且所述第一载体层和所述第二载体层分别以可移除的方式设置于所述正极集流层和/或所述负极集流层，以便：在生产所述双极性集流体期间，通过第一/第二载体层提高对应于其的正极集流层和/或负极集流层的机械强度。
33.可以看出，通过第一/第二载体层的附设来保证双极性集流体具有足够的机械强度。
34.具体而言，由于第一/第二载体层的附加，使得包含双极性集流体的电极在涂布、干燥、辊压等过程(生产阶段)中，由于第一/第二载体层未被移除因此双极性集流体能够具有必须的机械强度。这样一来，由于第一/第二载体层的附加，便可在强度足够的前提下降低使用阶段的双极性集流体中的正/负极集流层的厚度，因此有望提高锂离子电池的能量密度。
35.可以理解的是，本领域技术人员可以根据实际需求确定第一/第二载体层的材质、层数、厚度、正/负极集流层搭载至其的方式、其从正/负极集流层上的移除方式等。示例性地，对应于正极集流层的载体层包括叠置的层a和层b，对应于负极集流层的载体层包括层a。其中，二者的厚度可以相同或者不同。如两个层a的厚度相同，因此对应于正极集流层的载体层的厚度大于对应于负极集流层的载体层的厚度。
36.如第一/第二载体层可以为金属箔层、塑料膜层或者离型纸。以第一/第二载体层为离型纸为例，在完成了需要其的工艺流程后，通过剥离的方式将离型纸从相应的正/负极集流层上移除即可。如塑料膜层可以包括但不限于pet、pe、opp、bopet、bopp、bopa、pvc、cpp、尼龙等。以及如第一/第二载体层的厚度为10-200μm。示例性地，第一/第二载体层为150μm的金属铝箔层。通过真空镀膜机的方式将作为正极集流层的铝层以及作为负极集流层的铜层镀设至相应的第一载体层和第二载体层。
37.如绝缘层可以使用热固性绝缘胶作为绝缘粘结剂进行涂胶操作，最终形成厚度为0.1-10μm的、稳定的绝缘层。如热固性绝缘胶可以采用包括但不限于聚酯、环氧、聚氨酯、聚丁二烯酸、有机硅、聚酯亚胺、聚酰亚胺或聚丙烯酸中的一种或多种。
附图说明
38.下面参照附图来描述本实用新型。附图中：
39.图1示出本实用新型一种实施例的双极性集流体的结构示意图；以及
40.图2示出本实用新型一种实施例的用于制备双极性集流体的设备的结构示意图。
41.附图标记列表：
42.100、双极性集流体；1、绝缘层；21、正极集流层；22、负极集流层；31、第一载体层；32、第二载体层；
43.200、设备；20111、第一放卷机构；20112、第一镀膜机；20121、第二放卷机构；20122、第二镀膜机；202、涂胶机；203、复合机；204、固化机；2051、第一撕膜机；2052、第二撕膜机；206、等离子清洗装置；207、收卷机构。
具体实施方式
44.下面参照附图来描述本实用新型的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本实用新型的技术原理，并非旨在限制本实用新型的保护范围。如虽然实施例是结合为正/负极集流层配置第一/第二载体层的情形为来进行说明的，显然，本实用新型的方案也可以只为正极集流层和负极集流层中的一个配置载体层。
45.需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。单数形式的术语“一个”、“这个”也可以包含复数形式。
46.此外，还需要说明的是，在本实用新型的描述中，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；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
47.另外，为了更好地说明本实用新型，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节，本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本实用新型同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的锂离子电池、真空镀膜机、等离子清洗装置等的工作原理未作详细描述，以便于凸显本实用新型的主旨。
48.参照图1，图1示出本实用新型一种实施例的双极性集流体的结构示意图。如图1所示，双极性集流体100主要包括绝缘层1、设置于绝缘层的第一侧(图1中的下侧)的正极集流层21以及设置于绝缘层的第二侧(图1中的上侧)的负极集流层22。在正极集流层和负极集流层上分别涂覆正极活性涂层和负极活性涂层的基础上，再通过引入隔膜或者与隔膜功能等同的结构，便可构成作为锂离子电池的基础卷绕单元的卷芯。
49.在本实用新型中，在形成双极性集流体的成品阶段之前，提供第一载体层31并在其上加载正极集流层21，其中，第一载体层设置于负极集流层远离绝缘层的一侧(下侧)。具体地，第一载体层以可移除的方式设置于正极集流层。在成品阶段，第一载体层已从正极集
流层移除。对应地，在形成双极性集流体的成品阶段之前，提供第二载体层32并在其上加载负极集流层22，其中，第二载体层设置于负极集流层远离绝缘层的一侧(上侧)。具体地，第二载体层以可移除的方式设置于负极集流层。在成品阶段，第二载体层已从负极集流层移除。之所以进行这样的设置，是为了便于在成品阶段之前的涂布、干燥、辊压等生产双极性集流体的生产阶段，通过第一/第二载体层的加持，提高正/负极集流层的机械强度。换言之，通过在第一/第二载体层上附加正/负极集流层，然后使第一/第二载体层以可移除的方式设置于正/负极集流层，能够改变生产阶段和成品阶段的双极性集流体的构成方式。具体而言，在涂布、干燥、辊压等生产双极性集流体的阶段，可以通过第一/第二载体层的加持保证了正/负极集流层的机械强度。而在成品阶段，可以通过第一/第二载体层的移除来降低正/负极集流层的厚度，从而提高包含双极性集流体的锂离子电池的能量密度。
50.具体而言，包含双极性集流体的电极在加工过程中,需要正负极集流层需具备足够的拉伸等方面的强度才能保证生产过程的顺利进行,否则，正负极集流层的箔材便会发生断裂从而导致生产无法顺利地进行。以目前通用的6μm铜箔为例,其具有的抗拉强度为250-300mpa.以目前通用的12μm铝箔为例,其具有的抗拉强度为200-250mpa。而事实上,由于铜/铝极佳的导电性能,1-2μm的厚度即可满足集流体收集电流的基本功能，且厚度的降低意味着能量密度的提高。不过，由于箔材的抗拉强度会随着厚度的减薄而降低,因此对铜/铝箔的减薄从能量密度的角度来看具有明显的所必要性但是从机械强度的角度来看存在着极大的技术挑战。
51.基于本实用新型的双极性集流体，在后期只需将第一/第二载体层从正极/负极集流层上移除即可。基于此，便可减小双极性集流体中的正极/负极集流层的厚度进而减小双极性集流体的总厚度从而提高锂离子电池的能量密度。并且，从正极/负极集流层上移除后的第一/第二载体层还具有可以被重复使用的可能性,因此本发明还具有一定的节约材料、成本节约的优点。
52.在本实施方式中，假设第一/第二载体层的材质/厚度、在其上其引入正/负极集流层及其从正/负极集流层上的移除方式大致相同，正/负极集流层采用真空镀膜的方式镀设至第一/第二载体层上。
53.在一种可能的实施方式中，形成绝缘层1的绝缘粘接剂的材质采用热固性绝缘胶，如选用聚氨酯，在绝缘层稳定后，其厚度为0.1-10μm。正极集流层21的材质为铝,厚度为0.1-10μm。负极集流层的材质为铜,厚度0.1-10μm。第一/第二载体层从正/负极集流层上移除时的剥离强度≤0.5n/mm(如优选为0.1-0.2n/mm)。
54.参照图2，图2示出本实用新型一种实施例的用于制备双极性集流体的设备的结构示意图。如图2所示，在一种可能的实施方式中，该设备主要包括：
55.1)镀膜处理部，其用于在第一/第二载体层的一侧表面分别镀设正极集流层和负极集流层。示例性地，镀膜处理部包括：
56.11)正极单元，其包括第一放卷机构20111和第一镀膜机20112。
57.其中，第一放卷机构能够通过带传动的方式向外发放第一载体层，第一镀膜机能够向第一载体层的一侧表面镀设前述的正极集流层(厚度0.1-10μm的铝层)。
58.12)负极单元，其包括第二放卷机构20121和第二镀膜机20122。
59.其中，第二放卷机构能够通过带传动的方式向外发放第二载体层，第二镀膜机能
够向第二载体层的一侧表面镀设前述的负极集流层(厚度0.1-10μm的铜层)。
60.如在本实施例中，第一镀膜机和第二镀膜机均为真空镀膜机。
61.2)作为涂胶处理部的涂胶机202，其沿第一放卷机构发放第一载体层的方向位于第一镀膜机20112的下游侧。涂胶处理部主要用于在正极集流层的表面涂布绝缘粘结剂。
62.3)作为复合部的复合机203，其沿第一放卷机构发放第一载体层的方向位于涂胶机202和第二镀膜机20122的下游侧。在本实施例中，复合机是通过辊压的方式将正极集流层和负极集流层借助于前述涂布的绝缘粘接剂形成复合组件。
63.换言之，按照图2所示的方位，在第一载体层的上表面镀设正极集流层，在正极集流层的上表面涂布绝缘粘接剂。在第二载体层的上表面镀设负极集流层，使负极集流层的外表面通过带传动的方式转至靠近正极集流层的上表面。在此基础上，通过的将下方的正极组件和上方的负极组件进行辊压，便可形成复合组件。
64.可以理解的是，辊压与带传动的具体配合方式只是一种示例性的描述，本领域技术人员可以根据实际情形对复合机的工作原理以及相对应的第一/第二放卷机构发放第一/第二载体层的方式进行灵活地调整。
65.4)作为固化部的固化机204，其沿第一放卷机构发放第一载体层的方向位于复合机203的下游侧。固化机主要用于对复合组件中的绝缘粘结剂进行固化处理，从而使得复合组件在涂布绝缘粘结剂的位置形成作为构成双极性集流体的功能层的、稳定的绝缘层。
66.示例性地，将通过绝缘粘结剂粘合后的复合组件在固化机的烘道内，在150℃的情形下固化30min左右，便可形成稳定的绝缘层。
67.5)撕膜部，其用于将第一/第二载体层从正极集流层和负极集流层的表面以撕膜的方式移除。示例性地，撕膜部包括：
68.51)对应于正极单元的第一撕膜机2051，正极集流层下方的第一载体层能够第一撕膜机从正极集流层的下表面移除。
69.52)对应于负极单元的第二撕膜机2052，负极集流层上方的第二载体层能够经第二撕膜机从负极集流层的上表面移除。
70.6)作为清洗部的等离子清洗装置206，其沿第一放卷机构发放第一载体层的方向设置于第一/第二撕膜机的下游侧。等离子清洗装置主要用于对移除了第一/第二载体层的复合组件进行清洗，从而获得品质达标的超薄双极性集流体。
71.7)作为收卷部的收卷机构207，其沿第一放卷机构发放第一载体层的方向设置于清洗部的下游侧，即位于本设备的最下游端。收卷机构主要用于通过卷绕的方式将制得的双极性集流体进行收纳。
72.至此，便可批量制得品质达标的双极性集流体。
73.需要指出的是，尽管上述实施例中按照特定的结构形式以及相对位置对本实用新型的设备进行了描述，但是本领域技术人员可以理解，为了实现本实用新型的效果，可以对其中部分的结构形式进行变更，也可以对具有上下游的相对位置的某一个或者某几个部件进行省略。如也可以在双极性集流体的正/负极集流层远离绝缘层的外表面上引入正/负极活性涂层，形成双极性电极之后再进行收纳。
74.可以看出，在采用了本实用新型的上述设备的前提下，由于可移除的第一/第二载体层在生产阶段的引入，能够制得超薄双极性集流体。对于双极性集流体而言，在生产阶
段，由于第一/第二载体层的加持，从而使得双极性集流体的正/负极集流层具有足够的机械强度。在此前提下，在成品(使用)阶段，通过将第一/第二载体层从正/负极集流层上移除，在其仍提供足够的、用于收集正/负极活性涂层在充放电过程中电流的能力的前提下，由于双极性集流体的正/负极集流层的厚度得以降低，因此有望提高包含该双极性集流体的锂离子电池的能量密度。
75.至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本实用新型的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本实用新型的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本实用新型的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本实用新型的保护范围之内。