一种整体导电的复合集流体薄膜制造技术

本发明专利技术公开了一种整体导电的复合集流体薄膜，包括聚合物支撑层和位于聚合物支撑层两侧的导电镀层，聚合物支撑层上分布有多个通孔。通孔被导电镀层材料填充，使两侧的导电镀层连通，导电镀层材料在通孔中的填充密度为99.8％以上。通孔包括开口位于聚合物支撑层上表面的上口大下口小的第一表面和与第一表面的小开口首尾衔接的第三表面，以及与第一、三表面相对于聚合物支撑层的中面对称的第二、四表面，第三、四表面的小开口衔接构成通孔的喉部。在被导电镀层材料填充之前，通孔内壁具有从通孔的喉部向聚合物支撑层表面方向逐渐增强的阶梯疏水特性。该复合集流体薄膜具有的电导率为2

【技术实现步骤摘要】
一种整体导电的复合集流体薄膜


[0001]本专利技术涉及电池储能
，特别涉及一种整体导电的复合集流体薄膜。

技术介绍

[0002]锂离子电池作为能源提供装置，在移动通信、可穿戴电子器件、新能源汽车、固定储能等领域发挥着不可替代的作用。目前，在电化学反应层面，锂离子电池的能量密度已经被开发至接近其理论极限，然而电芯的质量能量密度和体积能量密度仍存在进一步提升的空间。
[0003]近来，研究人员尝试使用一种复合集流体，其中间是轻薄、绝缘的聚合物支撑层，聚合物支撑层上、下表面是铜或铝导电镀层，以期代替目前产业化中采用的铜箔、铝箔集流体。然而，由于这种复合集流体的聚合物支撑层将上、下表面导电镀层绝缘隔离，隔断了复合集流体厚度方向上的电子传输，充放电时，每一片复合集流体上、下表面的活性物质只能分别通过该面上的导电镀层进行电子转移，所以，为使每一面的电子横向传输面积满足电池的电导率需求，聚合物支撑层上、下表面上沉积的导电镀层均需要达到1μm以上厚度，为制备如此厚度的导电镀层，与之匹配的聚合物支撑层厚度也需要达到4
‑
6μm，这使这种复合集流体存在一些问题，例如：较厚的导电镀层一方面给产业化中的真空镀膜工艺实现带来了压力，另一方面，还限制了集流体的进一步轻薄化；由于上、下表面导电镀层互相不导通，所以需要在复合集流体上、下表两面分别焊接极耳，而双面焊接极耳一方面降低了极耳焊接工序良率，另外还给当前铜、铝箔集流体产业化工艺中已采用的单面焊接极耳工序带来工艺及设备改造压力；此外，铜、铝导电镀层只是与聚合物支撑层之间简单附着，结合力较弱，在电池充放电循环过程中，电极反复相变容易导致发生集流体变形、导电镀层脱落、电解液浸泡腐蚀等问题，造成电极失效及电池安全隐患。以上问题在很大程度上限制了复合集流体的产业化推广应用。

技术实现思路

[0004]为解决上述问题，本专利技术提出一种整体导电的复合集流体薄膜，该复合集流体薄膜更加轻薄，聚合物支撑层上的导电镀层结合力更高，该复合集流体薄膜的应用有利于提高电池的质量能量密度、体积能量密度、循环稳定性和生产效率。
[0005]本专利技术的整体导电的复合集流体薄膜包括聚合物支撑层和位于聚合物支撑层两侧的导电镀层，聚合物支撑层上分布多个有通孔，通孔的孔隙率为1
‑
10％；通孔被导电镀层材料填充，使两侧的导电镀层连通；导电镀层材料在通孔中的填充密度为99.8％以上；导电镀层的厚度为0.1
‑
0.5μm；该复合集流体薄膜具有的电导率为2
×
107‑
5.7
×
107S/m；该复合集流体薄膜在使用时只需单面焊接极耳，即可导通复合集流体薄膜上、下面的活性物质。
[0006]所述的通孔包括开口位于聚合物支撑层上表面的第一表面和开口位于聚合物支撑层下表面的第二表面，第一表面为上口大下口小的倒锥面，第二表面和第一表面相对于聚合物支撑层厚度方向上的中面对称；第一表面的大开口直径小于3μm。通孔还包括相对于
聚合物支撑层厚度方向上的中面对称的第三表面和第四表面，第三表面为与第一表面的小开口首尾衔接的倒锥面，第三表面和第四表面的小开口衔接构成通孔的喉部，通孔的喉部孔径为0.5
‑
1μm；第一表面和第二表面的锥角在90
‑
180
°
范围内，第三表面和第四表面的锥角在35
‑
130
°
范围内，且第三表面和第四表面的锥角小于第一表面和第二表面的锥角。第一表面和第三表面的衔接处以及第二表面和第四表面的衔接处分别具有1个向外凸出的膝部。其中，第三表面的孔深a和聚合物支撑层的厚度h符合2a＞0.5h的关系式。
[0007]该复合集流体薄膜的厚度为0.7
‑
2.5μm，聚合物支撑层的厚度为0.5
‑
1.5μm。
[0008]在被导电镀层材料填充之前，通孔内壁具有从通孔的喉部向聚合物支撑层表面方向逐渐增强的阶梯疏水特性，且在靠近喉部的通孔内壁具有弱疏水性。通孔内壁的氧元素：碳元素的比值b在10
‑
35％范围内，且该比值b从喉部向聚合物支撑层表面方向逐渐变小；靠近聚合物支撑层表面的内壁的b值在10
‑
20％范围内，喉部的内壁的b值在25
‑
35％范围内，且喉部的内壁的b值比靠近聚合物支撑层表面的内壁的b值高10
‑
20％。
[0009]导电镀层与聚合物支撑层之间的剥离强度为650
‑
1150N/m。
[0010]所述的通孔是通过激光打孔的方式生成的，激光打孔采用的激光波长为240
‑
260nm。
[0011]所述聚合物支撑层的成分包括聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯腈(PAN)、丁二烯、苯乙烯、聚丙烯(PP)、聚乙烯、苯酚醛、聚氨酯、聚酰亚胺(PI)、聚酰胺、聚甲醛、聚苯醚、聚苯硫醚、聚砜、聚芳醚酮、聚四氟乙烯(PTFE)、四氟乙烯
‑
乙烯共聚物、四氟乙烯
‑
六氟丙烯共聚物、三氟氯乙烯
‑
乙烯共聚物、聚对苯二甲酸乙二酯腈等中的至少一种或/和其衍生物。在一种优选的实施方式中，聚合物支撑层的成分为苯二甲酸乙二酯(PET)或聚碳酸酯(PC)。导电镀层的成分为选自铜、铝、银、镍、钼、钛、铌、铁、锌、不锈钢、石墨烯、碳纳米管、科琴黑、乙炔黑、石墨粉和碳纤维中的一种或多种。在一种优选的实施方式中，导电镀层的成分为铜或铝。
[0012]本专利技术在聚合物支撑层上分布有通孔，通孔被导电镀层材料填充，使两侧的导电镀层连通，使上、下表面导电镀层互连为导电整体，这使本专利技术中的整体导电的复合集流体薄膜与
技术介绍
中的复合集流体相比，扩大了电子横向传输路径，再结合将聚合物支撑层上的通孔孔隙率设计为1
‑
10％，将导电镀层的厚度减薄至0.1
‑
0.5μm的厚度，使复合集流体薄膜达到2
×
107‑
5.7
×
107S/m的高电导率，使复合集流体薄膜的厚度进一步减薄至0.7
‑
2.5μm。而集流体的减薄，一方面降低了非活性物质成分在电芯中的重量占比，提升了电池的重量能量密度，另一方面使电极片相对更薄，提升了电池的体积能量密度。另外，在通孔中填充导电镀层可以将聚合物支撑层和上、下表面的导电镀层紧紧连接为整体，使聚合物支撑层与导电镀层之间结合力大幅提高。而提高聚合物支撑层与导电镀层的结合力，可以抑制导电镀层与聚合物支撑层的脱附，提升电极片在电解液中的稳定性，延长电池的循环寿命。
[0013]本专利技术发现，虽然在聚合物支撑层的通孔中填充导电镀层材料可提升集流体的电导率性能及聚合物支撑层和导电镀层结合力，进而提高使用该集流体的电池的能量密度及电池循环寿命，但随着导电镀层材料在通孔中的填充程度不同，会给复合集流体的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种整体导电的复合集流体薄膜，其特征在于：该复合集流体薄膜包括聚合物支撑层和位于聚合物支撑层两侧的导电镀层，聚合物支撑层上分布有多个通孔，通孔的孔隙率为1
‑
10％；通孔被导电镀层材料填充，使两侧的导电镀层连通；导电镀层材料在通孔中的填充密度为99.8％以上；导电镀层的厚度为0.1
‑
0.5μm；该复合集流体薄膜具有的电导率为2
×
107‑
5.7
×
107S/m；该复合集流体薄膜在使用时只需单面焊接极耳，即可导通复合集流体薄膜上、下面的活性物质。2.根据权利要求1所述的整体导电的复合集流体薄膜，其特征在于：通孔包括开口位于聚合物支撑层上表面的第一表面和开口位于聚合物支撑层下表面的第二表面，第一表面为上口大下口小的倒锥面，第二表面和第一表面相对于聚合物支撑层厚度方向上的中面对称；第一表面的大开口直径小于3μm。3.根据权利要求2所述的整体导电的复合集流体薄膜，其特征在于：通孔还包括相对于聚合物支撑层厚度方向上的中面对称的第三表面和第四表面，第三表面为与第一表面的小开口首尾衔接的倒锥面，第三表面和第四表面的小开口衔接构成通孔的喉部，通孔的喉部孔径为0.5
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1μm；第一表面和第二表面的锥角在90
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180
°
范围内，第三表面和第四表面的锥角在35
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130
°
范围内，且第三表面和第四表面的锥角小于第一表面和第二表面的锥角；第一表面和第三表面的衔接处以及第二表面和第四表面的衔接处分别具有1个向外凸出的膝部。4.根据权利要求3所述的整体导电的复合...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘坤，鲁现航，付云鹤，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：