无金属集流体及其制备方法和应用技术

本申请提供一种无金属集流体及其制备方法和应用。所述无金属集流体包括基底层和导电层，所述导电层为非金属材料且位于所述基底层相对的两个粗糙表面上。所述制备方法通过对基底层表面进行粗糙化处理后，再经热压工艺，提高了基底层与导电层之间的结合力，得到的集流体具有良好的力学性能和导电性能，且轻质安全，成本低。成本低。

【技术实现步骤摘要】
无金属集流体及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及锂离子电池
，具体涉及一种无金属集流体及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]集流体是锂离子电池中电极极片的重要组成之一，是电极用于承载电极活性材料的载体，主要用于将电池活性物质产生的电流汇集起来以便形成较大的电流进行传输。集流体对锂离子电池的能量密度、安全性和成本等方面都有着重要影响。
[0003]现有的集流体普遍是由金属箔例如铝箔或者铜箔制成，但是存在以下三点缺陷：1，铝箔或铜箔材料本身质量较大，作为集流体占据了锂离子二次电池不小的质量比例，不利于锂离子电池能能量密度的提高和成本的降低；2，铝箔材料或者铜箔材料具有脆性及韧性低的特性，导致正负极材料在生产过程会发生断裂、破边、毛刺等，使得产品一致性差以及可能出现安全问题；3，当电池遭受外部冲击如针刺时，极易造成电池内部短路，从而引起电池着火、爆炸等安全事故。
[0004]因此，人们通常对集流体进行减薄来实现集流体的轻量化从而优化性能，但铜箔和铝箔需要保持一定的机械性能，不可能无限减薄。为此，目前研究人员设计出了复合集流体来进一步提高电池的安全性和能量密度，并降低成本。复合集流体的结构主要为三层，上层和下层分别为厚度几纳米的铜层或铝层，中间层为厚度几纳米的高分子层。高分子层的基材可分PI/PET/PP等。综合性能以及成本看，目前行业内主要选用PET(耐高温聚酯薄膜)为主。但这些复合集流体仍然使用了金属层作为导电层，所以可能存在金属腐蚀、制造过程中产生毛刺的问题，且金属材料与高分子材料之间界面的结合力较弱，对复合集流体的制备工艺要求高，成本也相对较高。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本专利技术提供了一种不含金属材料的集流体，通过对基底层表面进行粗糙化处理，增强基底层和导电层之间的结合力，从而使得集流体具有良好的力学性能和导电性能，且轻质安全，成本低，能更好地满足锂离子电池对集流体的要求。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]第一方面，本专利技术提供一种无金属集流体，包括基底层和导电层，所述导电层为非金属材料且位于所述基底层相对的两个粗糙表面上。
[0008]本专利技术中，所述基底层的粗糙表面可以通过本领域常规的方法处理基底层表面得到，例如可以使用等离子体处理或者使用电晕机进行处理。
[0009]在一些实施方式中，所述基底层的粗糙表面通过等离子体处理所述基底层的表面得到。在一些实施方式中，所述等离子体处理的功率为0.5
‑
10W，例如0.5W、1W、2W、3W、4W、5W、6W、7W、8W、9W、10W或它们之间的任意值，优选为1
‑
6W。等离子体处理时，若功率过大，会
造成基底表面的粗糙度过大，不利于浆料的涂覆和附着，因此，需要将功率控制在合适的范围。在一些实施方式中，所述等离子体处理的时间为5
‑
20min。
[0010]根据本专利技术的一些实施方式，所述粗糙表面的粗糙度Ra为0.03μm
‑
0.5μm，例如0.03μm、0.05μm、0.08μm、0.1μm、0.15μm、0.2μm、0.25μm、0.3μm、0.35μm、0.4μm、0.45μm、0.5μm或者它们之间的任意值，优选0.05μm
‑
0.3μm。
[0011]根据本专利技术的一些实施方式，所述粗糙表面的表面张力为0.03
‑
0.5N/m，例如0.03N/m、0.05N/m、0.08N/m、0.1N/m、0.15N/m、0.2N/m、0.25N/m、0.3N/m、0.35N/m、0.4N/m、0.45N/m、0.5N/m或它们之间的任意值，优选0.05
‑
0.2N/m。
[0012]根据本专利技术的一些实施方式，所述粗糙表面的NMP(N
‑
甲基吡咯烷酮)接触角为10
°‑
40
°
，例如10
°
、15
°
、20
°
、25
°
、30
°
、35
°
、40
°
或它们之间的任意值。接触角是表征液体在物体表面润湿性的指标。若接触角过小，意味着液体极易在表面铺展开，将浆料倒在基底上，还没有用刮刀等工具刮涂就自动铺开，不利于导电浆料在高分子基底上的涂覆控制；若接触角过大，润湿性不足够好，刮涂后，浆料与基底的接触不好，结合力不强。
[0013]根据本专利技术的一些实施方式，所述基底层包括高分子聚合物，高分子聚合物优选为聚酰亚胺(PI)、聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)中的至少一种。本专利技术选择的高分子聚合物中，PI具有良好的力学、电学、化学、抗辐射性能、耐高温和耐低温性能。PP具有很好的光学性能，透明度好，且在高温下不释放有毒物质。PET具有良好的耐高温、耐低温性能且机械性能优异，韧性是所有热塑性材料中最好的。本专利技术中以上三种高分子聚合物与导电层的结合力相差不大，均可以实现本专利技术的技术效果。
[0014]根据本专利技术的一些实施方式，所述导电层包括碳纳米管、石墨烯、石墨、碳纤维、碳黑中的至少一种，优选碳纳米管和/或石墨烯。碳纳米管的直径和长度影响其在溶剂中的分散难易程度，以及最终得到的导电层的力学柔韧性，因此，本专利技术中所述碳纳米管的直径优选为2
‑
50nm和/或长度优选为10
‑
1000μm。G/D比是表征碳材料缺陷的重要指标，G/D比越高，碳材料缺陷越少，其相应的电导率会越高，因此，本专利技术所述碳纳米管的拉曼光谱中的G/D比优选大于2，和/或纯度优选大于99.5％。石墨烯的厚度和层数与其电导率和力学柔韧性也有关系，因此，本专利技术所述石墨烯的厚度优选为0.5
‑
5nm，和/或层数优选为10层以下。所述石墨烯的拉曼光谱中的G/D比优选大于3，和/或纯度优选大于99.5％。
[0015]以高分子材料作为基底层，同时选择与高分子材料界面相容性好的非金属导电材料尤其是碳纳米管、石墨烯等作为导电层，不仅可以大大减轻集流体的重量，还可以提高材料的力学性能特别是柔韧性，降低成本。
[0016]本专利技术中对基底层和导电层的厚度不作特殊限定，遵循适中的原则进行选择即可。如果基底层厚度过薄，则基底的强度较低，无法承受相应的外界力的作用，如果厚度过大，则基底占据的质量分数会偏大，不利于起到减重的目的，同时也会占据较多体积，会降低电芯的体积能量密度。在一些优选实施方式中，所述基底层的厚度为3
‑
10μm。在一些优选实施方式中，所述导电层的厚度为1
‑
5μm。
[0017]根据本专利技术的一些实施方式，所述导电层的压实密度为1
‑
2g/cm3。若导电层的压实密度过低，碳纳米管或者石墨烯可能会太过松散，难以形成完整且连接良好的导电网络，不利于本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无金属集流体，包括基底层和导电层，所述导电层为非金属材料且位于所述基底层相对的两个粗糙表面上。2.根据权利要求1所述的无金属集流体，其特征在于，所述粗糙表面的粗糙度Ra为0.03μm
‑
0.5μm，优选0.05μm
‑
0.3μm；和/或，所述粗糙表面的表面张力为0.03
‑
0.5N/m，优选0.05
‑
0.2N/m；优选地，所述粗糙表面通过等离子体处理所述基底层表面得到，所述等离子体处理的功率为0.5
‑
10W，优选为1
‑
6W；所述等离子体处理的时间为5
‑
20min。3.根据权利要求1或2所述的无金属集流体，其特征在于，所述基底层包括高分子聚合物，优选聚酰亚胺、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二酯中的至少一种；和/或，所述导电层包括碳纳米管、石墨烯、石墨、碳纤维、碳黑中的至少一种，优选碳纳米管和/或石墨烯；和/或，所述基底层的厚度为3
‑
10μm；和/或，所述导电层的厚度为1
‑
5μm。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的无金属集流体，其特征在于，所述导电层经涂布和热压的方式与所述基底层的粗糙表面结合；优选地，所述热压的压力为0.5
‑
5MPa；优选地，所述热压的温度为90
‑
120℃。5.一种无金属集流体的制备方法，包括如下步骤：对基底层进行预处理，得到具有至少两个粗糙表面的基底层；将非金属导电材料与粘结剂混合，得到导电浆料，将所述导电浆料涂布在所...

【专利技术属性】
技术研发人员：王亚雄，万远鑫，孔令涌，
申请(专利权)人：深圳市德方纳米科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：