一种复合集流体、制备方法及其制得的电极和电池技术

本发明专利技术公开了一种复合集流体、制备方法及其制得的电极和电池，属于锂离子电池领域。该复合集流体包括基底层、第一导电金属层、高分子PTC层和第二导电金属层，所述第一导电金属层设于基底层的上下两侧，所述高分子PTC层设于第一导电金属层外侧，所述第二导电金属层设于高分子PTC层外侧。当电池由于短路等原因造成电池内部温度升高时，复合集流体内阻急剧上升，短路电流下降，可降低电池内部短路热量，提升电池的热安全性能，利用本发明专利技术的方法制得的复合集流体使电池更加轻量化，提升了电池的针刺通过率和热安全性能。刺通过率和热安全性能。刺通过率和热安全性能。

【技术实现步骤摘要】
一种复合集流体、制备方法及其制得的电极和电池


[0001]本专利技术属于锂离子电池领域，更具体地说，涉及一种复合集流体、制备方法及其制得的电极和电池。

技术介绍

[0002]随着锂电子电池行业的持续发展，人们在越来越追求电池的高能量密度和轻量化，同时随着锂离子电池能量密度越来越高，安全性是限制高能量密度锂离子电池的应用的最大瓶颈。锂离子电池的安全问题主要是由于电池热失控产生的。电池内部因为异常产热反应，导致电池内部温度持续升高，继而引发更多产热副反应，导致电池起火甚至爆炸，从而严重威胁使用者的生命财产安全。
[0003]为提升电池的能量密度并使之轻量化，经检索，公开号为CN106898729A的中国专利技术专利申请，公开了“一种柔性集流体、包含该柔性集流体的电极及电池”，包括纺织物和金属导电镀层，金属导电镀层包覆在纺织物基底的纤维上，以使电池轻量化并提升电池能量密度。为提升电池的安全性能，公开号为CN108511761A的中国专利技术专利申请，公开了“一种含PTC涂层的集流体及含该集流体的锂离子电池”，包括铝、铜箔及两侧的PTC涂层，以提高电池的针刺性能。
[0004]但以上技术方案具有以下缺点：(1)集流体轻量化时，电池的安全性能未提升，仍具风险；(2)铝、铜箔表面涂PTC涂层，阻流效果不明显，且PTC层易被正极活性材料的有机溶剂溶解。
[0005]PTC材料是具有正温度系数的材料，利用其温度效应，在温度升高时提高内阻，可以及时阻断各类副反应，提高电池的安全特性，经检索，专利CN108511761A和CN111276701A公开了引入PTC材料，但其PTC材料为陶瓷或改性陶瓷，居里温度较高，灵敏度低，与锂离子电池适配性差，专利CN103762012A和CN113224315A公开了引入PTC材料，其中PTC材料由高分子聚合物和导电材料组成，但PTC层易被正极活性材料中的有机溶剂溶解，且采用金属箔贴覆，制得的集流体过厚，无法实现轻量化。

技术实现思路

[0006]1.要解决的问题
[0007]针对现有PTC层易被正极活性材料的有机溶剂溶解的问题，本专利技术提供一种复合集流体，在高分子PTC层的外层包覆第二导电金属层，保护高分子聚合物不被溶剂腐蚀，提高复合集流体的稳定性和安全性。
[0008]本专利技术的另一目的在于针对采用金属箔贴覆制得的集流体过厚的问题，提供一种复合集流体的制备方法，利用该方法制得的复合集流体厚度低，轻量化。
[0009]2.技术方案
[0010]为了解决上述问题，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0011]一种复合集流体，包括基底层、第一导电金属层、高分子PTC层和第二导电金属层，
所述第一导电金属层设于基底层的上下两侧，所述高分子PTC层设于第一导电金属层外侧，所述第二导电金属层设于高分子PTC层外侧。
[0012]所述基底层为聚合物薄膜基底层，所述基底层的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚苯乙烯中的一种或多种，所述基底层的厚度为1
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12μm，优选地为3
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12μm。
[0013]所述第一导电金属层的材质为金属铝、金属铜、铝合金或铜合金中的一种或多种，所述第一导电金属层的厚度为0.5μm
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5μm，优选地，第一导电金属层的厚度为0.8
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2μm。
[0014]所述高分子PTC层由高分子聚合物和导电颗粒组成，所述高分子聚合物为聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯中的一种或多种，所述导电颗粒为导电炭黑、碳纤维、导电石墨、纳米金属粉末中的一种或多种，所述纳米金属粉末优选地为纳米镍粉，也可以为纳米银粉，导电颗粒占高分子PTC层体积分数的10％
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40％，所述高分子PTC层的厚度为1μm
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5μm，优选地，高分子PTC层的厚度为1.5
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3μm。
[0015]所述第二导电金属层的材质为金属铝、金属铜、铝合金或铜合金中的一种或多种，所述第二导电金属层的厚度为10nm
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200nm，优选地，第二导电层金属的厚度为20nm
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200nm，当第二导电金属层的厚度小于10nm时，难以涂布均匀，无法有效保护高分子PTC层，当第二导电金属层的厚度大于200nm时，厚度过高，通电时电流从第二导电金属层直接传递，不经过高分子PTC层，无法起到过热保护的作用。
[0016]本专利技术采用聚合物薄膜为基底层，首先在基底层上制备第一导电金属层，使基底层满足导电要求，同时起到集流、减小内阻的作用，但高能量密度的锂离子电池存在热失控的安全问题，因此本专利技术在第一导电金属层上增设高分子PTC层，在高温情况下高分子PTC层内阻瞬间升高，达到隔绝电流的作用。其中，高分子PTC层由高分子聚合物和导电颗粒组成，常温状态下，高分子聚合物作为导电颗粒的载体，多孔结构使导电颗粒之间相互联接，保证了高分子PTC层的导电性，当电池由于短路等原因造成内部温度升高时，高分子聚合物在高温下熔融，孔隙收缩，包裹在导电颗粒表面，复合集流体内阻急剧上升，短路电流下降，达到阻流的目的，防止电池内部温度持续升高继而引发更多产热副反应，提高锂离子电池的热安全性能。但锂离子电池的正极活性材料含有的有机溶剂，如N
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甲基吡咯烷酮，对高分子PTC层中的高分子聚合物具有良好的溶解性，因此为提高高分子PTC层的稳定性，本专利技术在高分子PTC层的外层包覆第二导电金属层，保护高分子聚合物不被溶剂腐蚀。此外，高分子PTC层的引入使得集流体的内阻增大，第二导电金属层的引入能降低复合集流体的内阻。制得的复合集流体具有较高的热安全性能和能量密度。
[0017]此外，本专利技术将导电颗粒的含量设为高分子PTC层体积分数的10％
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40％，相较于现有技术(CN103762012A)，本专利技术制得的高分子PTC层具有更高的导电性能和强度，且涂覆时不易发生断带，使电芯具有更好的加工性能。
[0018]本专利技术还公开了制备上述复合集流体的方法，具体包括以下步骤：
[0019]S1、在基底层的两侧制备第一导电金属层；
[0020]S2、在第一导电金属层外侧制备高分子PTC层；
[0021]S3、在高分子PTC层外侧制备第二导电金属层。
[0022]其中，所述PTC层的制备方式为涂布、喷涂中的一种或多种，所述第一导电金属层和第二导电金属层的制备方式为真空蒸发镀膜、真空溅射镀膜、真空电子束镀膜、电镀中的
一种或多种。
[0023]本专利技术在聚合物薄膜基底层上设置两层导电金属层，并在导电金属层之间增设高分子PTC层，相较于现有技术中未增设PTC层的结构，如CN106654285A，本专利技术的复合集流体具有更好的安全性能，在内部温度升高时能迅速阻流，防止热失控引发更多产热副反应。其中，PTC材料如陶瓷(CN111276701A)，其居里温度较高，达到居里温度电阻才会明显本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合集流体，其特征在于，包括基底层(1)、第一导电金属层(2)、高分子PTC层(3)和第二导电金属层(4)，所述第一导电金属层(2)设于基底层(1)的上下两侧，所述高分子PTC层(3)设于第一导电金属层(2)外侧，所述第二导电金属层(4)设于高分子PTC层(3)外侧。2.根据权利要求1所述一种复合集流体，其特征在于，所述基底层(1)的厚度为1
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12μm，所述第一导电金属层(2)的厚度为0.5μm
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5μm，所述高分子PTC层(3)的厚度为1μm
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5μm，所述第二导电金属层(4)的厚度为10nm
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200nm。3.根据权利要求1所述一种复合集流体，其特征在于，所述高分子PTC层(3)由高分子聚合物和导电颗粒组成，所述导电颗粒的体积分数占高分子PTC层(3)的10％
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40％。4.根据权利要求3所述一种复合集流体，其特征在于，所述高分子聚合物为聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯中的一种或多种，所述导电颗粒为导电炭黑、碳纤维、导电石墨、纳米金属粉末中的一种或多种。5.根据权利要求1所述一种复合集流体，其特征在于，所述基底...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈启武，许涛，王磊，张江伟，王义飞，
申请(专利权)人：合肥国轩高科动力能源有限公司，
类型：发明
国别省市：