无金属集流体及其制备方法和应用与流程

本发明涉及锂离子电池，具体涉及一种无金属集流体及其制备方法和应用。

背景技术：

1、集流体是锂离子电池中电极极片的重要组成之一，是电极用于承载电极活性材料的载体，主要用于将电池活性物质产生的电流汇集起来以便形成较大的电流进行传输。集流体对锂离子电池的能量密度、安全性和成本等方面都有着重要影响。

2、现有的集流体普遍是由金属箔例如铝箔或者铜箔制成，但是存在以下三点缺陷：1，铝箔或铜箔材料本身质量较大，作为集流体占据了锂离子二次电池不小的质量比例，不利于锂离子电池能能量密度的提高和成本的降低；2，铝箔材料或者铜箔材料具有脆性及韧性低的特性，导致正负极材料在生产过程会发生断裂、破边、毛刺等，使得产品一致性差以及可能出现安全问题；3，当电池遭受外部冲击如针刺时，极易造成电池内部短路，从而引起电池着火、爆炸等安全事故。

3、因此，人们通常对集流体进行减薄来实现集流体的轻量化从而优化性能，但铜箔和铝箔需要保持一定的机械性能，不可能无限减薄。为此，目前研究人员设计出了复合集流体来进一步提高电池的安全性和能量密度，并降低成本。复合集流体的结构主要为三层，上层和下层分别为厚度几纳米的铜层或铝层，中间层为厚度几纳米的高分子层。高分子层的基材可分pi/pet/pp等。综合性能以及成本看，目前行业内主要选用pet(耐高温聚酯薄膜)为主。但这些复合集流体仍然使用了金属层作为导电层，所以可能存在金属腐蚀、制造过程中产生毛刺的问题，且金属材料与高分子材料之间界面的结合力较弱，对复合集流体的制备工艺要求高，成本也相对较高。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种不含金属材料的集流体，通过对基底层表面进行粗糙化处理，增强基底层和导电层之间的结合力，从而使得集流体具有良好的力学性能和导电性能，且轻质安全，成本低，能更好地满足锂离子电池对集流体的要求。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种无金属集流体，包括基底层和导电层，所述导电层为非金属材料且位于所述基底层相对的两个粗糙表面上。

4、本发明中，所述基底层的粗糙表面可以通过本领域常规的方法处理基底层表面得到，例如可以使用等离子体处理或者使用电晕机进行处理。

5、在一些实施方式中，所述基底层的粗糙表面通过等离子体处理所述基底层的表面得到。在一些实施方式中，所述等离子体处理的功率为0.5-10w，例如0.5w、1w、2w、3w、4w、5w、6w、7w、8w、9w、10w或它们之间的任意值，优选为1-6w。等离子体处理时，若功率过大，会造成基底表面的粗糙度过大，不利于浆料的涂覆和附着，因此，需要将功率控制在合适的范围。在一些实施方式中，所述等离子体处理的时间为5-20min。

6、根据本发明的一些实施方式，所述粗糙表面的粗糙度ra为0.03μm-0.5μm，例如0.03μm、0.05μm、0.08μm、0.1μm、0.15μm、0.2μm、0.25μm、0.3μm、0.35μm、0.4μm、0.45μm、0.5μm或者它们之间的任意值，优选0.05μm-0.3μm。

7、根据本发明的一些实施方式，所述粗糙表面的表面张力为0.03-0.5n/m，例如0.03n/m、0.05n/m、0.08n/m、0.1n/m、0.15n/m、0.2n/m、0.25n/m、0.3n/m、0.35n/m、0.4n/m、0.45n/m、0.5n/m或它们之间的任意值，优选0.05-0.2n/m。

8、根据本发明的一些实施方式，所述粗糙表面的nmp(n-甲基吡咯烷酮)接触角为10°-40°，例如10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°或它们之间的任意值。接触角是表征液体在物体表面润湿性的指标。若接触角过小，意味着液体极易在表面铺展开，将浆料倒在基底上，还没有用刮刀等工具刮涂就自动铺开，不利于导电浆料在高分子基底上的涂覆控制；若接触角过大，润湿性不足够好，刮涂后，浆料与基底的接触不好，结合力不强。

9、根据本发明的一些实施方式，所述基底层包括高分子聚合物，高分子聚合物优选为聚酰亚胺(pi)、聚丙烯(pp)、聚对苯二甲酸乙二酯(pet)中的至少一种。本发明选择的高分子聚合物中，pi具有良好的力学、电学、化学、抗辐射性能、耐高温和耐低温性能。pp具有很好的光学性能，透明度好，且在高温下不释放有毒物质。pet具有良好的耐高温、耐低温性能且机械性能优异，韧性是所有热塑性材料中最好的。本发明中以上三种高分子聚合物与导电层的结合力相差不大，均可以实现本发明的技术效果。

10、根据本发明的一些实施方式，所述导电层包括碳纳米管、石墨烯、石墨、碳纤维、碳黑中的至少一种，优选碳纳米管和/或石墨烯。碳纳米管的直径和长度影响其在溶剂中的分散难易程度，以及最终得到的导电层的力学柔韧性，因此，本发明中所述碳纳米管的直径优选为2-50nm和/或长度优选为10-1000μm。g/d比是表征碳材料缺陷的重要指标，g/d比越高，碳材料缺陷越少，其相应的电导率会越高，因此，本发明所述碳纳米管的拉曼光谱中的g/d比优选大于2，和/或纯度优选大于99.5％。石墨烯的厚度和层数与其电导率和力学柔韧性也有关系，因此，本发明所述石墨烯的厚度优选为0.5-5nm，和/或层数优选为10层以下。所述石墨烯的拉曼光谱中的g/d比优选大于3，和/或纯度优选大于99.5％。

11、以高分子材料作为基底层，同时选择与高分子材料界面相容性好的非金属导电材料尤其是碳纳米管、石墨烯等作为导电层，不仅可以大大减轻集流体的重量，还可以提高材料的力学性能特别是柔韧性，降低成本。

12、本发明中对基底层和导电层的厚度不作特殊限定，遵循适中的原则进行选择即可。如果基底层厚度过薄，则基底的强度较低，无法承受相应的外界力的作用，如果厚度过大，则基底占据的质量分数会偏大，不利于起到减重的目的，同时也会占据较多体积，会降低电芯的体积能量密度。在一些优选实施方式中，所述基底层的厚度为3-10μm。在一些优选实施方式中，所述导电层的厚度为1-5μm。

13、根据本发明的一些实施方式，所述导电层的压实密度为1-2g/cm3。若导电层的压实密度过低，碳纳米管或者石墨烯可能会太过松散，难以形成完整且连接良好的导电网络，不利于导电层的电导率提高；若压实密度过高，可能会让碳纳米管或石墨烯出现严重的团聚现象，不利于导电网络的构建，且由于纳米材料比表面积大，密度普遍偏低，实现较高压实密度，需要施加足够大的压力，而高分子的基底往往难以承受较大的压力，加大操作实施的难度。

14、根据本发明的一些实施方式，所述导电层中还含有粘结剂。本发明对所述粘结剂的具体种类不作特殊限定，使用本领域常规粘结剂即可，例如所述粘结剂可以是聚偏氟乙烯、聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶中的一种或者多种。在一些具体实施方式中，所述粘结剂在导电层中的质量占比为0.5％-10％。

15、在一些实施方式中，所述导电层经涂布和热压的方式与所述基底层的粗糙表面结合。优选地，所述热压的压力为0.5-5mpa，例如0.5mpa、0.8mpa、1mpa、1.5mpa、2mpa、2.5mpa、3mpa、3.5mpa、4mpa、4.5mpa、5mpa或者它们之间的任意值，优选0.5-3mpa。优选地，所述热压的温度为90-120℃，例如90℃、95℃、100℃、105℃、110℃、115℃、120℃或者它们之间的任意值，优选100-110℃。

16、第二方面，本发明提供一种无金属集流体的制备方法，包括如下步骤：

17、s1.对基底层进行预处理，得到具有至少两个粗糙表面的基底层；

18、s2.将非金属导电材料与粘结剂混合，得到导电浆料，将导电浆料涂布在所述基底层的两个粗糙表面上，热压，得到无金属集流体。

19、根据本发明的一些实施方式，步骤s1中，所述基底层包括高分子聚合物，优选聚酰亚胺、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二酯中的至少一种。

20、根据本发明的一些实施方式，步骤s1中，所述预处理包括：使用等离子体处理基底表面，优选地，所述等离子体处理的功率为0.5-10w，例如0.5w、1w、2w、3w、4w、5w、6w、7w、8w、9w、10w或它们之间的任意值，优选为1-6w。优选地，所述等离子体处理的时间为5-20min。

21、根据本发明的一些实施方式，步骤s2中，所述非金属导电材料包括碳纳米管、石墨烯、石墨、碳纤维、碳黑中的至少一种，优选碳纳米管和/或石墨烯。

22、根据本发明的一些实施方式，步骤s2中，所述粘接剂选自聚偏氟乙烯、聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶中的至少一种。

23、根据本发明的一些实施方式，所述粘结剂在导电层中的质量占比为0.5％-10％。

24、根据本发明的一些实施方式，步骤s2中，所述涂布为旋涂、狭缝式涂布或刮刀涂布。

25、根据本发明的一些实施方式，步骤s2中，所述热压的压力为0.5-5mpa，例如0.5mpa、0.8mpa、1mpa、1.5mpa、2mpa、2.5mpa、3mpa、3.5mpa、4mpa、4.5mpa、5mpa或者它们之间的任意值。

26、根据本发明的一些实施方式，步骤s2中，所述热压的温度为90-120℃，例如90℃、95℃、100℃、105℃、110℃、115℃、120℃或者它们之间的任意值。

27、第三方面，本发明提供一种电极极片，其包括第一方面所述的无金属集流体或者第二方面所述的制备方法得到的无金属集流体。

28、优选地，所述电极极片还包括设置于所述无金属集流体上含有活性物质的材料层。本发明所述含有活性物质的材料层优选包括磷酸铁锂、镍钴锰三元复合材料、镍钴铝三元复合材料、磷酸锰铁锂、镍锰酸锂、锰酸锂、钴酸锂等正极活性材料中的至少一种。

29、第四方面，本发明提供一种锂离子电池，其包括本发明第三方面所述的电极极片。

30、本发明所述电极极片优选在锂离子电池中作为正极极片使用。

31、第五方面，本发明提供第一方面所述的无金属集流体或者第二方面所述的制备方法得到的无金属集流体在锂离子电池中的应用。

32、本发明的有益效果是：本发明的集流体不含金属材料，通过使用表面具有一定粗糙度的高分子基底层，提高了基底层与非金属导电层之间的结合力，提高了材料的力学性能尤其是柔韧性和导电性能，且轻质安全，成本低，能更好地满足锂离子电池对集流体的要求。