一种具有通孔结构的复合集流体、电极和锂离子电池

本发明属于锂离子电池，更具体地，涉及一种具有通孔结构的阻燃复合集流体、电极和锂离子电池。

背景技术：

1、锂离子电池由于其较高能量密度，得到了广泛的应用，其应用范围包括移动设备、笔记本电脑、电动汽车、航空航天技术。尽管有这些优点，锂离子电池现在也面临一些问题与挑战。例如，制造成本过高；温度升高时不稳定，容易带来安全问题；以及需要突破现有的能量密度。而集流体是组成电池的必要结构单元，在电池工作中起着至关重要的作用。集流体有着改善电池的导电性、电流分布以及散热方式等优势，近年来被市场所关注。目前商业化的锂离子电池集流体主要为纯铜箔与纯铝箔，但铜箔与铝箔都具有非常高的密度，对电池的能量密度提升作用很小，因而人们在减薄集流体厚度上进行着深入的研究，使得常见的铜集流体的厚度已经降到了6微米，常见的铝集流体的厚度已经降到了12微米。为了进一步减轻集流体的质量，现有技术还采用金属塑料膜来替代纯金属薄膜作为锂离子电池的集流体。与金属集流体相比，金属塑料膜复合集流体质量更轻，成本更低，安全性能更好。

2、现有技术在初步制备负极集流体时，通过在高分子原始基膜上进行磁控溅射、气相沉积或化学镀的方法得到初步的镀层，然后通过电镀池进行电镀，后对其进行烘干和抗氧化处理得到“金属层-高分子层-金属层”的夹心结构的铜集流体。这样的集流体由于中间高分子层不导电使得其在电池内还是有着较高的电阻，以及在电池温度升高支晶引起短路或其他问题时往往会产生较大的安全隐患。

3、因此，如何改进传统“金属层-高分子层-金属层”夹心结构，以降低集流体的重量、提升集流体的电导率和电池的安全性，成为本领域的技术难题。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种具有通孔结构的阻燃复合集流体、电极和锂离子电池，其目的在于，通过引入通孔结构、在通孔处沉积铜，以及在高分子薄膜层中掺杂阻燃剂，使集流体的质量变的更轻、集流体电导率更高、阻燃性能更好，由此解决现有集流体质量大、由于中间高分子层不导电使得其在电池内有着较高的电阻、以及安全隐患大的技术问题。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了以下技术方案：

3、一种具有通孔结构的阻燃复合集流体，包括高分子薄膜层和金属层，所述金属层设置于所述高分子薄膜层相背对的两个表面；设有沿厚度方向贯穿所述高分子薄膜层和金属层的多个通孔，所述通孔内壁沉积铜层；所述高分子薄膜层内掺杂不含卤素的阻燃剂。

4、优选地，所述通孔的直径为10-100微米，相邻通孔的间距为10-100微米。

5、优选地，所述相邻通孔的间距与所述通孔的直径相等。

6、优选地，所述高分子薄膜层内均匀掺杂两种以上不含卤素的阻燃剂。

7、优选地，所述阻燃剂为磷系阻燃剂、金属氢氧化物阻燃剂或膨胀型阻燃剂；所述高分子薄膜层中，基材：金属氢氧化物阻燃剂：磷系协同阻燃剂＝(1:0.5:1-1:2:1)，所述磷系添加剂为所述磷系阻燃剂和所述膨胀型阻燃剂组成的协同阻燃剂。

8、优选地，所述磷系阻燃剂包括聚磷酸铵、磷酸三苯酯或磷酸酯，所述金属氢氧化物阻燃剂包括氢氧化镁、氢氧化铝或碱式碳酸铜，所述膨胀型阻燃剂包括季戊四醇、乙二醇或酚醛树脂。

9、优选地，所述铜层通过化学沉积、气相沉积和/或激光催化工艺沉积得到。

10、优选地，所述金属层包括铜、铝、铁、钴、镍或钛，所述金属层的单层厚度不超过1微米。

11、优选地，所述高分子薄膜层的材质包括聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚酰亚胺、聚乙烯或聚萘二甲酸乙二醇酯，所述高分子薄膜层的厚度为1-40μm。

12、按照本发明的另一方面，还提供了以下技术方案：

13、一种电极，所述电极包括上述的具有通孔结构的阻燃复合集流体。

14、按照本发明的另一方面，还提供了以下技术方案：

15、一种锂离子电池，所述锂离子电池包括上述的电极。

16、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

17、1、传统集流体在为锂离子电池中，因为其较薄的金属层以及中间高分子层不导电的问题，导致传统集流体的导电性能较差，其表面方阻与金属层厚度有着直接的关系，为了降低方阻会引入过厚的金属层但是会使得集流体的韧性变差重量变大电池总体的死质量变大、而且导热快使得容易出现安全性问题，同时了增大制造的成本。

18、本发明具有通孔结构的阻燃复合集流体避免了导电性差的问题同时金属层厚度可以更薄。本发明沿厚度方向贯穿高分子薄膜层和金属层设置多个通孔，通过引入通孔结构减小了集流体的质量从而能够减小电池的质量，使得电池的能量密度更大，可以得到更加优异的电化学性能；在通孔处沉积铜使集流体的电导率变大改善了由于高分子层自身性质不导电的问题，并且在集流体受到外来应力时提供了又一个缓冲地带，不会导致避免集流体受到外力时极快的形变皱缩导致隔膜穿刺短路引发安全问题；通孔结构增加了集流体的表面积更易于散热降低了集流体局部温度，避免局部温度过高。并且在为未来对复合集流体的进一步表面修饰和改性提供了新的思路。

19、本发明高分子薄膜中引掺杂不含卤素的环保型阻燃剂，通过阻止燃烧链式反应增加了集流体的阻燃性能进而提升电池的安全性能，并且无卤素的阻燃剂更加高效、价格低廉且在燃烧时不会产生有毒有害的气体和物质导致二次危害，同时为今后改性集流体提供了新的方向，比如向集流体中引入新的物质使集流体获得不同性能。

20、本发明通过引入通孔结构、在通孔处沉积铜，以及在高分子薄膜层中掺杂阻燃剂，使集流体的质量变的更轻、集流体电导率更高、阻燃性能更好，使得电池具有更高的能量密度和安全性。

21、2、本发明提供的具有通孔结构的阻燃复合集流体，通孔结构不仅可以更好的导通溶液离子而且预沉积的铜金属结构使得导电子能力也大大加强；此外，通孔结构的尺寸和密度影响导电子能力的同时也会影响集流体的整体结构强度，若通孔间距太小导致通孔过于密集或通孔直径太大，会导致集流体整体机械强度不足，若通孔间距太大而通孔直径太小，则对集流体纵向的导电性提升效果不明显，且若通孔直径太小，化学镀法沉积铜时化学镀液很难进入到通孔内，因此本发明设定通孔直径在10-100微米，通孔间距对应通孔大小同样在10-100微米之间，使得流体纵向的导电性提升效果较佳的同时保证集流体的整体强度。

22、3、本发明提供的具有通孔结构的阻燃复合集流体，相邻通孔的间距与通孔的直径相等，此时能够保证流体纵向的导电性提升效果较佳的同时集流体具有较好的整体强度，且方便机器批量生产阻燃复合集流体。

23、4、本发明提供的具有通孔结构的阻燃复合集流体，在高分子薄膜层内均匀掺杂两种以上不含卤素的阻燃剂，并设计高分子薄膜层中，基材：金属氢氧化物阻燃剂：磷系协同阻燃剂＝(1:0.5:1-1:2:1)，其中1:1.75:1的极限氧指数最高阻燃性最好1:1:1时导电性最好。通过通孔结构中沉积铜以及在高分子薄膜层中加入两种以上的阻燃剂协同阻燃，两种以上的阻燃剂相互作用提升阻燃性能，使得阻燃效果比单一阻燃剂更好，并且两种以上的阻燃剂均匀分散在高分子层中使热失控反应很难发生，进一步提升阻燃效果。

24、5、本发明提供的具有通孔结构的阻燃复合集流体，通过引入通孔结构、在通孔处沉积铜，以及在高分子薄膜层中掺杂阻燃剂，使集流体的质量变的更轻、集流体电导率更高、阻燃性能更好，有效减轻电极、电池重量，提升电极、电池能量密度和安全性能。