一种复合集流体及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种复合集流体及其制备方法，属于二次电池技术领域。本发明专利技术提供的复合集流体的形状记忆聚合物支撑层具有尖锥的原始结构，支撑层的开孔内填充有发泡剂和发泡助剂。本发明专利技术提供的一类复合集流体，能降低重量，提高电池的能量密度；其次，本发明专利技术提供的复合集流体，增加了热敏功能，一方面在电池出现热失控和外部冲击后，具有自阻断设计可以截断二次电池内部的电化学反应；另一方面，在二次电池高温时可以降低二次电池的发热，对电池的安全性能有着三重保障。性能有着三重保障。性能有着三重保障。

【技术实现步骤摘要】
一种复合集流体及其制备方法


[0001]本专利技术属于二次电池
，更具体地，涉及一种复合集流体及其制备方法，尤其涉及一种复合集流体、电极极片和二次电池。

技术介绍

[0002]绿色能源的不断发展对锂离子电池(LIB)的能量密度提出了更高的要求。为满足高能量密度，锂离子电池中的所有电池组件(包括电化学非活性组件)已经趋于极限。例如：在集电器中将铜箔的厚度为20μm和铝箔的厚度为18μm减少到铜箔的厚度为6～10μm和铝箔的厚度为10～15μm。这一举措降低了材料成本，提高了电池的能量密度，但进一步降低集电器的厚度在技术上具有挑战性(尤其是在卷装生产中实现优异的表面光洁度和均匀性)，并使电池组装和操作的处理复杂化。因此，如何进一步降低集流体的质量成为未来优化电池结构的重点。
[0003]此外，随着锂离子电池在不同领域中的广泛应用，其表现出的安全隐患问题也逐渐成为人们讨论的焦点。如负极析出锂枝晶、隔膜收缩或熔化等情况，极易造成电池短路，产生大量热。通常而言，当电池内部温度在90℃左右时，电极表面SEI膜开始分解，电池热失控触发条件开始成立。随着一系列链式放热反应的发生，电池内部升温速率呈指数增加，温度会迅速接近易燃电解质的燃点，从而引发电池的燃烧和爆炸。因此，防止锂离子电池热失控，建立电池安全防控系统，是未来进一步升级优化锂离子电池的重要前提。
[0004]目前，电池研究者们主要从电池“外部”和“内部”防控设计出发，来预防电池安全隐患。然而，当电池发生热失控时，温度会在极短的时间内迅速上升，外部检测设备很难迅速响应。相比而言，改善内部构造防止热失控的策略更受研究者青睐。比如，商业化PP
‑
PE
‑
PP隔膜中，多孔结构PE层在热失控过程中会首先熔融，造成孔结构塌陷实现传质受阻，但过热仍有可能会导致隔膜收缩，引起电池内部短路。此外，在易燃电解液中添加阻燃剂或制备不易燃固态电解质来增加阻燃性，也是一项有利的策略。然而，阻燃剂或固态电解质的引入降低了锂离子电导率和迁移率，削弱了电池电化学性能。因此，在不影响电池电化学性能的前提下，设计一种能对热失控做出迅速响应的电池“内部”防控材料是解决电池安全问题的必要手段。
[0005]因此，确有必要设计一种技术方案来解决上述能量密度和安全性的问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供的复合集流体的形状记忆聚合物支撑层具有尖锥的原始结构，支撑层的开孔内填充有发泡剂和发泡助剂。本专利技术提供的一类复合集流体，能降低重量，提高电池的能量密度；其次，本专利技术提供的复合集流体，增加了热敏功能，一方面在电池出现热失控和外部冲击后，具有自阻断设计可以截断二次电池内部的电化学反应；另一方面，在二次电池高温时可以降低二次电池的发热，对电池的安全性能有着三重保障。由此解决现有技术中电池能量密度低，以及电池对热失控的安全问题。
[0007]根据本专利技术第一方面，提供了一种复合集流体的制备方法，包括以下步骤：
[0008](1)将具有形状记忆的高分子聚合物采用流延法制备成表面具有尖锥结构的薄膜；
[0009](2)将步骤(1)得到的表面具有尖锥结构的薄膜进行热压和冷却处理，得到表面平整的形状记忆聚合物支撑层；
[0010](3)在步骤(2)得到的表面平整的形状记忆聚合物支撑层上开孔，然后浸入含有发泡剂和发泡助剂的悬浮液中，并使发泡剂和发泡助剂向开孔内沉淀；然后将支撑层从悬浮液中取出，加热蒸干溶剂，完成发泡剂和发泡助剂填充；
[0011](4)在步骤(3)得到的支撑层的上下表面制备粘接层；在上粘接层的上表面和下粘接层的下表面制备金属镀层，即得到复合集流体。
[0012]优选地，所述支撑层的形变温度T的范围为90℃≤T≤120℃，达到形变温度后形变量S的范围为100％≤S≤300％。
[0013]优选地，所述具有形状记忆的高分子聚合物为聚氨酯、聚乙烯醇、聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚苯乙烯类和环氧树脂中的至少一种。
[0014]优选地，所述发泡剂为偶氮类化合物、N
‑
亚硝基化合物、磺酰肼类化合物、碳酸铵、碳酸氢钠、碳酸钠、氯化铵或亚硝酸钠；
[0015]所述偶氮类化合物的发泡助剂为硬脂酸、尿素、苯甲酸、氧化锌、氧化镁、氧化铅、金属盐或有机硅类；所述N
‑
亚硝基化合物的发泡助剂为硬脂酸、水杨酸、己二酸、邻苯二甲酸、尿素或甘油；所述磺酰肼类化合物的发泡助剂为尿素或金属盐；所述碳酸铵、碳酸氢钠、碳酸钠、氯化铵和亚硝酸钠的发泡助剂各自独立地选自硬脂酸、磷酸盐、硅酮类、苯二甲酸、二元醇或金属盐。
[0016]优选地，步骤(3)中，所述开孔具体为：所述支撑层通过薄膜打孔机的辊轮传送运动至针辊与垫辊之间，在针辊和垫辊向内滚动相切过程中，使位于针辊与垫辊相交处的支撑层压印成孔。
[0017]优选地，在带有尖锥孔隙的辊轮上制备出尖锥高度为3～50μm、厚度为8～30μm的薄膜，经热压成型后得到厚度为4～20μm的形状记忆聚合物支撑层。
[0018]优选地，步骤(3)中，所述开孔得到的孔洞的直径为10～15μm。
[0019]根据本专利技术另一方面，提供了任意一项所述方法制备得到的复合集流体。
[0020]根据本专利技术另一方面，提供了一种电极极片，包括所述的复合集流体和涂布于所述复合集流体上的活性物质层。
[0021]根据本专利技术另一方面，提供了一种二次电池，包括所述的电极极片。
[0022]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
[0023](1)本专利技术提供了一种复合集流体、电极极片和二次电池，涉及电池
该复合集流体包括形状记忆聚合物支撑层、发泡剂、粘结层和金属导电层；在支撑层的垂直方向上开孔后将发泡剂填充于孔内；粘结层位于支撑层两侧，可以使发泡剂稳定储存；金属导电层位于粘结层两侧。首先，复合集流体能降低重量，提高电池的能量密度。支撑层两侧的粘结层在增强与金属导电层结合的同时，也将发泡剂封闭于孔内，避免与二次电池中的活性物质、电解液等其它物质接触，保证了二次电池的正常性能。其次，该集流体对电池具有
三种安全效应：第一，在针刺等机械滥用情况下，高分子延展封闭短路点，可以防止短路和进一步热失控；第二，在热滥用情况下，该复合集流体的形状记忆聚合物支撑层在高温下会发生膨胀，将金属导电层撕裂，破坏二次电池内部的电化学反应，阻止二次电池内部的温度持续升高；第三，金属导电层撕裂后，填充于支撑层孔内的发泡剂在支撑层受热膨胀形变应力的作用下被挤出并分解释放大量气体，隔绝氧气，可以起到阻燃防爆的效果。
[0024](2)本专利技术可以在二次电池机械滥用引发短路后，支撑层会延展并发生断路效应，可以抑制短路电流从而控制电池热失控，从根本上解决了二次电池的爆炸起火。
[0025](3)本专利技术可以在二次电池热滥用引发热失控后，该复合集流体的形状记忆聚合物支撑层在高温下会迅速发生变形，将金属导电层撕裂，破本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合集流体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将具有形状记忆的高分子聚合物采用流延法制备成表面具有尖锥结构的薄膜；(2)将步骤(1)得到的表面具有尖锥结构的薄膜进行热压和冷却处理，得到表面平整的形状记忆聚合物支撑层；(3)在步骤(2)得到的表面平整的形状记忆聚合物支撑层上开孔，然后浸入含有发泡剂和发泡助剂的悬浮液中，并使发泡剂和发泡助剂向开孔内沉淀；然后将支撑层从悬浮液中取出，加热蒸干溶剂，完成发泡剂和发泡助剂填充；(4)在步骤(3)得到的支撑层的上下表面制备粘接层；在上粘接层的上表面和下粘接层的下表面制备金属镀层，即得到复合集流体。2.如权利要求1所述的复合集流体的制备方法，其特征在于，所述支撑层的形变温度T的范围为90℃≤T≤120℃，达到形变温度后形变量S的范围为100％≤S≤300％。3.如权利要求1所述的复合集流体的制备方法，其特征在于，所述具有形状记忆的高分子聚合物为聚氨酯、聚乙烯醇、聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚苯乙烯类和环氧树脂中的至少一种。4.如权利要求1所述的复合集流体的制备方法，其特征在于，所述发泡剂为偶氮类化合物、N
‑
亚硝基化合物、磺酰肼类化合物、碳酸铵、碳酸氢钠、碳酸钠、氯化铵或亚硝酸钠；所述偶氮类化合物的发泡助剂为硬脂酸、尿...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁利霞，郝帅鹏，黄云辉，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：