一种高性能阻燃复合集流体及其制备方法、电极和电池技术

本发明专利技术公开了一种高性能阻燃复合集流体及其制备方法、电极和电池，该集流体包括高分子聚合物薄膜以及设置在所述高分子聚合物薄膜厚度方向上的金属层；所述高分子聚合物薄膜包括基膜以及覆盖在所述基膜上的阻燃层；所述基膜上设置有供离子传输的通孔；所述阻燃层中含有阻燃粒子，所述阻燃粒子包括闭孔绝缘聚合物和阻燃剂，所述阻燃剂通过聚合物外壳进行包覆，且所述聚合物外壳的熔点不低于闭孔绝缘聚合物的熔点，不高于基膜的熔点；该集流体通过对结构的针对性设计和材料性能的针对性选择，从而显著提高了集流体的防热失控性能，使集流体具有了更好的安全性，进而更有利于电池的大规模生产和应用。规模生产和应用。规模生产和应用。

【技术实现步骤摘要】
一种高性能阻燃复合集流体及其制备方法、电极和电池


[0001]本专利技术涉及电池集流体阻燃
，特别涉及一种高性能阻燃复合集流体及其制备方法、电极和电池。

技术介绍

[0002]随着电池行业的持续发展和大规模应用，人们对电池的质量密度、轻量化和安全性的要求也越来越高，进而要求电池企业对电池的各个部件都进行优化和改进，以此提高电池的各项性能。
[0003]集流体作为电池的核心组成部件之一，其性能的高低直接影响了电池性能的高低。其中，传统的电池用集流体多为金属集流体，重量很大，导致集流体的质量在电池的总质量中占据了一个较大的比重，因而降低集流体的质量是电池轻量化的有效途径之一。同时，金属集流体电池在遭受机械应力（尤其是挤压、针刺、撞击）、热应力或是电应力等损伤时，也很容易发生内部短路，从而造成电池的热失控，导致安全事故，因而提高电池集流体的力学性以及赋予电池集流体阻燃性能是减少集流体出现内部短路问题、阻止热失控的有效手段之一。
[0004]现有技术中，为了提高电池集流体的力学性能、降低集流体质量以及赋予集流体阻燃性能，利用高分子聚合物薄膜为支撑层并与导电金属、阻燃成分进行复合制备成的复合集流体成为电池集流体的研究热点和发展方向。如：专利公开号CN114156486A 公开的一种轻量阻燃型集流体及其制备方法、电极、电池，该集流体包括高分子聚合物膜以及所述高分子聚合物膜两侧的金属层，而高分子聚合物膜包含高分子聚合物基底材料、导电颗粒和微血管型阻燃剂，该集流体虽然改善了集流体力学性能差、重量大、电性能差和阻燃性差的问题，但由于其中的微血管型阻燃剂仅采用常规阻燃剂进行阻燃，不能快速、有效的切断集流体的离子传输功能，从而延缓热失控的发生；专利公开号CN108777308A 公开的一种集流体及其制备方法、电化学储能装置，该集流体包括聚合物层和金属箔层，聚合物层包括绝缘聚合物微球和导电剂，该集流体虽然通过绝缘聚合物微球受热熔融形成绝缘层而减弱离子在金属箔层与金属层之间传输的原理具有延缓热失控发生的效果，但其并不含有常规阻燃剂，不能有效降低温度升高速率，不具有阻燃效果；专利公开号CN113394406A 公开的一种集流体、电极极片及锂离子电池，该集流体包括基材和涂覆于所述基材至少一表面的安全涂层，安全涂层包括阻燃颗粒、耐热添加剂、导电剂和粘结剂，该集流体虽然利用阻燃颗粒转化为介于所述基材与所述安全涂层之间的绝缘层来改善了电池短路持续发热的问题，但由于涂层中阻燃颗粒的含量较低，其具有的延缓热失控发生的效果以及阻燃效果均有限。
[0005]因此，急需开发一种轻量化、厚度薄、高机械性能、电阻率小且高安全性能高的复合集流体，以改善电芯的能量密度以及针刺等安全性能，提高电池的热箱和针刺测试通过率。

技术实现思路

[0006]本专利技术的专利技术目的在于：针对现有复合集流体存在防热失控性能较差的缺陷，提出了一种高性能阻燃复合集流体及其制备方法、电极和电池；本专利技术通过对集流体结构的针对性设计和材料性能的针对性选择，从而显著提高了集流体的防热失控性能，使集流体具有了更好的安全性，进而更有利于电池的大规模生产和应用。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术提供了一种高性能阻燃复合集流体，包括高分子聚合物薄膜以及设置在所述高分子聚合物薄膜厚度方向上的金属层；其中，所述高分子聚合物薄膜包括基膜以及覆盖在所述基膜上的阻燃层；所述基膜上设置有供离子传输的通孔；所述阻燃层中含有阻燃粒子，所述阻燃粒子包括闭孔绝缘聚合物和阻燃剂，所述阻燃剂通过聚合物外壳进行包覆，且所述聚合物外壳的熔点不低于闭孔绝缘聚合物的熔点，不高于基膜的熔点。
[0008]本专利技术一种高性能阻燃复合集流体，不仅利用闭孔绝缘聚合物低熔点、高热敏性和绝缘的特性以及基膜上通孔的设置，能在保证集流体具有优异电性能的同时，又能使闭孔绝缘聚合物在发生热失控的前期，就可以快速融化并进入通孔中，从而起到更好的阻断离子传输，显著延缓热失控发生的作用；还利用阻燃剂的吸热阻燃作用，从而能在发生热失控的中期，有效降低温度的升高速率，避免温度在短时间内急剧升高；同时，还通过控制闭孔绝缘聚合物与聚合物外壳的熔点温度的高低以及阻燃剂的存在形式，从而实现了对闭孔绝缘聚合物和阻燃剂发生作用顺序的调控，使闭孔绝缘聚合物和阻燃剂的协同配合效果更好，集流体防热失控的性能得到显著增强，有利于电池的大规模生产和应用。
[0009]其中，优选的，所述金属层厚度为1
‑
2μm，例如：厚度为1.0μm、1.2μm、1.5μm、1.8μm、2.0μm；优选的金属层厚度，集流体具有优异导电性的同时，重量更轻，更适合电池的轻量化。
[0010]其中，优选的，所述金属层为铝金属层或铜金属层；优选的金属层材质，导电性好，镀制更容易，更适合大规模应用。
[0011]其中，优选的，所述基膜上通孔的孔径为0.1
‑
1.0μm，例如：孔径为0.1μm、0.2μm、0.5μm、0.8μm、1.0μm；通孔的孔径影响离子传输的效率、防热失控的性能和基膜的机械强度，通孔孔径过小，不利于闭孔聚合物的进入，对离子的阻断效果降低，不利于延缓热失控的发生，通孔孔径过大，基膜的机械强度会急剧降低，影响集流体对机械应力的抵抗效果离子；最优选的，所述基膜上通孔的孔径为0.2
‑
0.5μm，例如：孔径为0.2μm、0.3μm、0.4μm、0.5μm。
[0012]其中，优选的，所述基膜的孔隙率为30
‑
80%，例如：孔隙率为30%、40%、50%、60%、70%、80%；基膜孔隙率体现了基膜上通孔的数量，孔隙率越高，通孔数量越多，离子传输的通道越多，集流体的能量密度越高，但基膜的机械强度越低，也更容易发生热失控；孔隙率越低，通孔数量越少，离子传输的通道越少，集流体的能量密度越小；最优选的，所述基膜的孔隙率为50
‑
60%，例如：孔隙率为50%、52%、55%、58%μm、60%。
[0013]其中，优选的，所述基膜的厚度为4
‑
8μm，例如：厚度为4.0μm、5.0μm、6.0μm、7.0μm、8.0μm；基膜的厚度影响基膜对离子的传输效率和机械强度，基膜厚度越大，机械强度越高，越不容易发生热失控，但离子的传输效率越低，集流体的能量密度越小；基膜厚度越薄，机
械强度越低，离子传输效率越高，集流体的能量密度越高，但更容易发热失控，且发生热失控后，阻断离子传输的难度也越大；最优选的，所述基膜的厚度为5
‑
6μm，例如：厚度为5.0μm、5.2μm、5.5μm、5.8μm、6.0μm。
[0014]其中，优选的，所述基膜的耐热温度不低于200℃，例如：耐热温度为250℃、300℃、400℃、500℃、600℃；基膜的耐热温度高低，直接影响集流体的耐热温度，对延缓热失控后期的导致的集流体的燃烧具有积极作用，耐热温度越高，则集流体发生爆燃的概率越小，但耐热温度过高，对基膜的材料性能要求高，成本增加，不利于本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种阻燃复合集流体，包括高分子聚合物薄膜以及设置在所述高分子聚合物薄膜厚度方向上的金属层；其特征在于，所述高分子聚合物薄膜包括基膜以及覆盖在所述基膜上的阻燃层；所述基膜上设置有供离子传输的通孔；所述阻燃层中含有阻燃粒子，所述阻燃粒子包括闭孔绝缘聚合物和阻燃剂，所述阻燃剂通过聚合物外壳进行包覆，且所述聚合物外壳的熔点不低于闭孔绝缘聚合物的熔点，不高于基膜的熔点。2.根据权利要求1所述的阻燃复合集流体，其特征在于，所述基膜上通孔的孔径为0.1
‑
1.0μm；优选的，所述基膜上通孔的孔径为0.2
‑
0.5μm。3.根据权利要求1所述的阻燃复合集流体，其特征在于，所述阻燃粒子以颗粒的形式存在于阻燃层中，且所述阻燃粒子的粒径为0.5
‑
2μm。4.根据权利要求1所述的阻燃复合集流体，其特征在于，所述阻燃粒子中，闭孔绝缘聚合物和阻燃剂的质量比为1∶0.1
‑
0.5。5.根据权利要求1所述的阻燃复合集流体，其特征在于，所述闭孔绝缘聚合物的熔点为95
‑
12...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄佳苑，冀亚娟，赵瑞瑞，
申请(专利权)人：惠州亿纬锂能股份有限公司，
类型：发明
国别省市：