一種鋰電池集流體及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明適用于鋰電池領(lǐng)域，提供了一種鋰電池集流體及其制備方法。所述鋰電池集流體，包括集流體箔材和涂敷在所述集流體箔材至少一表面的惰性緩沖層，所述惰性緩沖層包括涂層粉末和粘結(jié)劑，所述涂層粉末包括金屬氮化物、金屬碳化物中的至少一種。所述鋰電池集流體的制備方法，包括以下步驟：將涂層粉末和粘結(jié)劑在溶劑中分散，形成惰性緩沖漿料，其中，所述涂層粉末包括金屬氮化物、金屬碳化物中的至少一種；將所述惰性緩沖漿料涂敷于集流體箔材的至少一個(gè)表面上，形成惰性緩沖漿料的涂層；干燥處理。
【專利說(shuō)明】
-種裡電池集流體及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于裡電池領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種裡電池集流體及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 裡二次電池作為一種高容量、長(zhǎng)壽命的儲(chǔ)能系統(tǒng)，在小型便攜式電子產(chǎn)品中得到 了廣泛使用，尤其在手機(jī)W及3C電子消費(fèi)產(chǎn)品領(lǐng)域，應(yīng)用尤為廣泛;而裡二次電池在高功率 動(dòng)力電池和大容量?jī)?chǔ)能電池中的應(yīng)用前景更吸引了全世界的目光。高性能裡離子電池的研 發(fā)是電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域的一項(xiàng)重要任務(wù)。
[0003] 在裡二次電池中，活性材料均勻涂布于侶錐或銅錐集流體表面，集流體通過(guò)與活 性材料的物理接觸發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生電子傳導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)化學(xué)能向電能的轉(zhuǎn)化?？梢?jiàn)，集流 體與活性材料間的界面接觸是裡離子電池充放電性能的重要影響因素。
[0004] 目前常規(guī)的裡二次電池極片制作工藝中，活性材料漿料直接涂布于侶錐或銅錐表 面，干燥后通過(guò)粘結(jié)劑實(shí)現(xiàn)活性材料固定于集流體表面。然而，運(yùn)樣的制備方法存在W下問(wèn) 題:第一，作為半導(dǎo)體材料的電極活性物質(zhì)與集流體的直接接觸的功函數(shù)匹配存在一定的 問(wèn)題，造成電阻增大，對(duì)于電池性能特別是大電流充放電條件下的性能存在負(fù)面影響；第 二，粘結(jié)劑的粘結(jié)強(qiáng)度有限，在持續(xù)的充放電過(guò)程中，很容易發(fā)生活性材料與集流體間的膨 脹脫離，導(dǎo)致電池內(nèi)阻進(jìn)一步加大，使得循環(huán)壽命和電池的安全性能受到影響。因此，降低 集流體與活性材料間的界面電阻，提高兩者之間的粘結(jié)強(qiáng)度是提升裡二次電池功率性能的 重要手段。
[0005] 對(duì)集流體進(jìn)行表面處理是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的主要途徑。目前已報(bào)道的方法主要有兩 種，一種是通過(guò)化學(xué)或物理的方法對(duì)集流體進(jìn)行表面刻蝕，形成凹凸不明的粗糖表面，從而 提高集流體與活性材料的接觸面積，并增強(qiáng)附著力。但該方法技術(shù)工藝要求較高，成本較為 昂貴，不利于大規(guī)模的生產(chǎn)需要。另一種方法是在集流體表面涂覆含導(dǎo)電碳材料的薄層，該 薄層需要有良好的導(dǎo)電能力，較高的比表面積，優(yōu)良的粘結(jié)性能，并且相對(duì)于金屬集流體具 有更好的形變能力，從而增加活性材料與集流體間的導(dǎo)電接觸，減小界面電阻，并提高兩者 間的粘結(jié)強(qiáng)度。運(yùn)種方法有一定的效果，但是僅對(duì)于一些電極材料有效，有一定的選擇性， 不能很好地適用于所有的電極材料。因此，為了很好地做到電極活性物質(zhì)層與集流體之間 的功函數(shù)匹配，降低電極的內(nèi)阻，提高電池的功率密度，集流體涂層的選擇W及涂層的制備 方法顯得至關(guān)重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種裡電池集流體，通過(guò)在集 流體錐材表面設(shè)置惰性緩沖層，使得所述集流體與活性物質(zhì)層之間的功函數(shù)能夠很好地匹 配，從而有利于電子的轉(zhuǎn)移，降低了集流體與活性材料間的接觸電阻，提高兩者間的粘結(jié) 力，最終實(shí)現(xiàn)電池的高功率特性。
[0007] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種裡電池集流體的制備方法。
[0008] 本發(fā)明是運(yùn)樣實(shí)現(xiàn)的，一種裡電池集流體，包括集流體錐材和涂敷在所述集流體 錐材至少一表面的惰性緩沖層，所述惰性緩沖層包括涂層粉末和粘結(jié)劑，所述涂層粉末包 括金屬氮化物、金屬碳化物中的至少一種。
[0009] W及，一種裡電池集流體的制備方法，包括W下步驟：
[0010] 將涂層粉末和粘結(jié)劑在溶劑中分散，形成惰性緩沖漿料，其中，所述涂層粉末包括 金屬氮化物、金屬碳化物中的至少一種；
[0011] 將所述惰性緩沖漿料涂敷于集流體錐材的至少一個(gè)表面上，形成惰性緩沖漿料的 涂層；
[0012] 干燥處理。
[0013] 本發(fā)明提供的裡電池集流體，含有包括金屬氮化物或碳化物的惰性緩沖層，所述 惰性緩沖層導(dǎo)電性能極為優(yōu)異，其電導(dǎo)率可達(dá)l〇 6S/cm，因此，可W增強(qiáng)集流體與活性材料 之間的導(dǎo)電性，同時(shí)與電極材料能很好進(jìn)行功函數(shù)匹配，降低電池的內(nèi)阻。同時(shí)，由于涂層 粉末比表面積較大，因此平鋪于所述集流體錐材表面的所述惰性緩沖層與所述集流體錐材 之間的接觸面積大，相互之間作用力強(qiáng)，不易脫落，粘著力強(qiáng)，因此，在充放電過(guò)程中不會(huì)發(fā) 生活性材料與集流體間的脫離，有利于降低內(nèi)阻，提高電池的功率特性，從而大幅度提高電 池的性能，最終實(shí)現(xiàn)電池的高功率特性。
[0014] 本發(fā)明提供的裡電池集流體的制備方法，操作簡(jiǎn)單易控，易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 為了使本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，W下結(jié)合 實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用W解釋 本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0016] 本發(fā)明實(shí)施例提供了一種裡電池集流體，包括集流體錐材和涂敷在所述集流體錐 材至少一表面的惰性緩沖層，所述惰性緩沖層包括涂層粉末和粘結(jié)劑，所述涂層粉末包括 金屬氮化物、金屬碳化物中的至少一種。
[0017] 具體的，本發(fā)明實(shí)施例中，所述集流體錐材可選用常規(guī)的集流體錐材，作為優(yōu)選實(shí) 施例，所述集流體錐材為銅錐或侶錐。
[0018] 不同于常規(guī)的直接W集流體錐材作為集流體，然后在集流體錐材上涂覆活性材 料。本發(fā)明實(shí)施例中，在所述集流體錐材的至少一表面涂敷惰性緩沖層，所述集流體錐材和 所述惰性緩沖層共同形成集流體。具體的，所述惰性緩沖層包括涂層粉末和粘結(jié)劑，更具體 的，所述涂層粉末包括金屬氮化物、金屬碳化物中的至少一種。
[0019] 作為優(yōu)選實(shí)施例，所述涂層粉末的粒徑<100nm;更優(yōu)選的，選優(yōu)形貌為片層狀的 所述涂層粉末，該優(yōu)選的涂層粉末有利于所述惰性緩沖層的覆蓋。具體的，該優(yōu)選的所述涂 層粉末，比表面積較大，平鋪于所述集流體錐材表面的所述惰性緩沖層與所述集流體錐材 之間的接觸面積大，相互之間作用力強(qiáng)，不易脫落，粘著力強(qiáng)，因此，在充放電過(guò)程中不會(huì)發(fā) 生活性材料與集流體間的脫離。作為具體優(yōu)選實(shí)施例，所述涂層粉末包括TiN、TiC、TaN、 化C、VC、VN中的至少一種，該優(yōu)選的所述涂層粉末電導(dǎo)率高，有利于緩解應(yīng)力。本發(fā)明實(shí)施 例中，W所述惰性緩沖層的總重為100%計(jì)，所述涂層粉末的重量百分含量為50-98%。若所 述涂層粉末的重量百分含量過(guò)低，則難W達(dá)到完全覆蓋的作用;若涂層粉末的重量百分含 量過(guò)高，會(huì)影響涂覆均勻的效果。
[0020] 本發(fā)明實(shí)施例中，所述粘結(jié)劑在所述惰性緩沖層中的作用是使金屬碳化物或碳化 物粉末能夠牢固附著于所述集流體錐材上，不至于在使用過(guò)程中脫落。作為優(yōu)選實(shí)施例，所 述粘結(jié)劑為簇甲基纖維素鋼、聚偏氣乙締、聚四氣乙締、下苯橡膠和LA系列粘結(jié)劑中的一種 或幾種。由于所述粘結(jié)劑本身為絕緣體，其加入量會(huì)影響涂層的導(dǎo)電性，具體的，所述粘結(jié) 劑過(guò)多會(huì)導(dǎo)致集流體電阻過(guò)高;過(guò)少會(huì)影響涂層的粘附強(qiáng)度。因此，作為優(yōu)選實(shí)施例，W所 述惰性緩沖層的總重為100%計(jì)，所述粘結(jié)劑的百分含量為2-50wt%。
[0021] 本發(fā)明實(shí)施例包括金屬氮化物或金屬碳化物的緩沖層是惰性的，不參與反應(yīng)，不 能作為活性物質(zhì)發(fā)揮作用，其僅僅發(fā)揮導(dǎo)電、緩沖應(yīng)力的作用。為了使涂層具有良好的導(dǎo)電 性，作為優(yōu)選實(shí)施例，所述涂層粉末與所述粘結(jié)劑的質(zhì)量比為(1-49): 1。
[0022] 由于所述惰性緩沖層作為電極中的非活性材料，本身對(duì)于電池的容量沒(méi)有貢獻(xiàn)， 反而隨著涂層厚度的增加而降低電池的能量密度，因此，理論上，涂層越薄越好。然而，隨著 涂層減薄，有可能對(duì)其性能有不利影響。經(jīng)過(guò)發(fā)明人反復(fù)試驗(yàn)研究，為了保證高能量密度的 同時(shí)不影響其他性能，作為優(yōu)選實(shí)施例，所述惰性緩沖層的厚度為0.005-10皿，更優(yōu)選為 0.1-姐HId
[0023] 本發(fā)明實(shí)施例提供的裡電池集流體，含有包括金屬氮化物或碳化物的惰性緩沖 層，所述惰性緩沖層導(dǎo)電性能極為優(yōu)異，其電導(dǎo)率可達(dá)l〇 6S/cm，因此，可W增強(qiáng)集流體與活 性材料之間的導(dǎo)電性，同時(shí)與電極材料能很好進(jìn)行功函數(shù)匹配，降低電池的內(nèi)阻。同時(shí)，由 于涂層粉末比表面積較大，因此平鋪于所述集流體錐材表面的所述惰性緩沖層與所述集流 體錐材之間的接觸面積大，相互之間作用力強(qiáng)，不易脫落，粘著力強(qiáng)，因此，在充放電過(guò)程中 不會(huì)發(fā)生活性材料與集流體間的脫離，有利于降低內(nèi)阻，提高電池的功率特性，從而大幅度 提高電池的性能，最終實(shí)現(xiàn)電池的高功率特性。
[0024] 本發(fā)明實(shí)施例所述裡電池集流體可W通過(guò)下述方法制備獲得。
[0025] 相應(yīng)地，本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種裡電池集流體的制備方法，包括W下步驟：
[0026] SOI.將涂層粉末和粘結(jié)劑在溶劑中分散，形成惰性緩沖漿料，其中，所述涂層粉末 包括金屬氮化物、金屬碳化物中的至少一種；
[0027] S02.將所述惰性緩沖漿料涂敷于集流體錐材的至少一個(gè)表面上，形成惰性緩沖漿 料的涂層；
[0028] S03.干燥處理。
[0029] 具體的，上述步驟SOl中，本發(fā)明實(shí)施例中，所述涂層粉末和粘結(jié)劑即為上述裡電 池集流體中提及的涂層粉末和粘結(jié)劑，其中，所述涂層粉末包括金屬氮化物、金屬碳化物中 的至少一種。優(yōu)選的，所述溶劑為水、水和乙醇的混合溶劑或N-甲基化咯燒酬。將涂層粉末 和粘結(jié)劑在溶劑中分散，所述分散的方法優(yōu)選為攬拌、高速剪切、乳化、球磨中的一種或幾 種。
[0030] 在集流體的制備方法中，為了使涂層中石墨締和粘結(jié)劑更加細(xì)小均勻，作為優(yōu)選 方案，將涂層粉末和粘結(jié)劑在溶劑中分散后，還包括脫泡和過(guò)篩處理，從而保證在集流體錐 材上形成均勻致密的涂層。
[0031] 進(jìn)一步的，由于所述惰性緩沖漿料固含量過(guò)低會(huì)造成集流體覆蓋不全，過(guò)高會(huì)造 成涂覆不均勻。作為優(yōu)選實(shí)施例，所述惰性緩沖漿料的固含量為0.2-20wt %。
[0032] 上述步驟S02中，將所述惰性緩沖漿料涂敷的涂布方法優(yōu)選為涂布機(jī)涂敷、誘鑄、 浸潰涂敷或印刷;可采用連續(xù)或非連續(xù)的涂敷方式。由于漿料固含量過(guò)低會(huì)造成集流體覆 蓋不全，過(guò)高會(huì)造成涂覆不均勻，本發(fā)明實(shí)施例中，所述涂層在所述集流體錐材表面的覆蓋 率優(yōu)選為20-100 %。
[0033] 上述步驟S03中，所述干燥處理的溫度優(yōu)選為30-200°C。進(jìn)一步優(yōu)選的，所述干燥 可緊接涂布過(guò)程同步進(jìn)行，亦可在涂布結(jié)束后一并干燥。
[0034] 本發(fā)明實(shí)施例提供的裡電池集流體的制備方法，操作簡(jiǎn)單易控，易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模 產(chǎn)業(yè)化。
[0035] 下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明。
[0036] 實(shí)施例1
[0037] 稱取Sg粒徑為50nm的TiN粉末加入到500g氮甲基化咯燒酬中浸泡8小時(shí)，然后超聲 分散10分鐘，超聲頻率為15KHZ;稱取1.5g聚偏氣乙締加入1000 g氮甲基化咯燒酬中，采用攬 拌機(jī)混合均勻，然后再加入超聲分散后的SOSgTiN漿料攬拌混合均勻，加入1500g氮甲基化 咯燒酬調(diào)節(jié)漿料粘度，粘度控制為1000 mPa. S;將該漿料通過(guò)轉(zhuǎn)移式涂布機(jī)均勻的涂覆于侶 錐表面，并在鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)烘干，得到單面涂層厚度為3WI1的導(dǎo)電涂層。
[0038] 將上述所制得的集流體采用剝離強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)測(cè)得剝離強(qiáng)度為0.45N，采用四探針 法測(cè)試極片的電阻率為2.362 X ICT6Ohm. cm。
[0039] 實(shí)施例2
[0040] 稱取Sg粒徑為1皿的TiN粉末加入到500g氮甲基化咯燒酬中浸泡8小時(shí)，然后超聲 分散10分鐘，超聲頻率為15KHZ;稱取1.5g聚偏氣乙締加入1000 g氮甲基化咯燒酬中，采用攬 拌機(jī)混合均勻，然后再加入超聲分散后的508g TiN漿料攬拌混合均勻，加入1500g氮甲基化 咯燒酬調(diào)節(jié)漿料粘度，粘度控制為1000 mPa. S;將該漿料通過(guò)轉(zhuǎn)移式涂布機(jī)均勻的涂覆于侶 錐表面，并在鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)烘干，得到單面涂層厚度為3WI1的導(dǎo)電涂層。
[0041] 將上述所制得的集流體采用剝離強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)測(cè)得剝離強(qiáng)度為0.26N，采用四探針 法測(cè)試極片的電阻率為5.362 X ICT6Ohm. cm。
[0042] 實(shí)施例3
[0043] 稱取Sg粒徑為IOOnm的TiC粉末加入到500g氮甲基化咯燒酬中浸泡8小時(shí)，然后超 聲分散10分鐘，超聲頻率為15KHZ;稱取1.5g聚偏氣乙締加入1000 g氮甲基化咯燒酬中，采用 攬拌機(jī)混合均勻，然后再加入超聲分散后的508g TiN漿料攬拌混合均勻，加入1500g氮甲基 化咯燒酬調(diào)節(jié)漿料粘度，粘度控制為1000 mPa. S;將該漿料通過(guò)轉(zhuǎn)移式涂布機(jī)均勻的涂覆于 侶錐表面，并在鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)烘干，得到單面涂層厚度為3WI1的導(dǎo)電涂層。
[0044] 將上述所制得的集流體采用剝離強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)測(cè)得剝離強(qiáng)度為0.44N，采用四探針 法測(cè)試極片的電阻率為2.162 X IQ-6Ohm. cm。
[0045] 實(shí)施例4
[0046] 稱取Sg粒徑為1皿的VN粉末加入到500g氮甲基化咯燒酬中浸泡8小時(shí)，然后超聲分 散10分鐘，超聲頻率為15KHZ;稱取1.5g聚偏氣乙締加入1000 g氮甲基化咯燒酬中，采用攬拌 機(jī)混合均勻，然后再加入超聲分散后的508g TiN漿料攬拌混合均勻，加入1500g氮甲基化咯 燒酬調(diào)節(jié)漿料粘度，粘度控制為1000 mPa. S;將該漿料通過(guò)轉(zhuǎn)移式涂布機(jī)均勻的涂覆于侶錐 表面，并在鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)烘干，得到單面涂層厚度為3WI1的導(dǎo)電涂層。
[0047]將上述所制得的集流體采用剝離強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)測(cè)得剝離強(qiáng)度為0.44N，采用四探針 法測(cè)試極片的電阻率8.662 X ICT6Ohm. cm。
[004引比較例1
[0049]采用從市場(chǎng)上購(gòu)得的侶金屬錐片作為集流體。
[0化0] 分別采用實(shí)施例1-4、對(duì)比例1的集流體制備正極為L(zhǎng)iFe化的18650圓柱型動(dòng)力裡 離子電池，編號(hào)分別為1-5。測(cè)試所述18650圓柱型動(dòng)力裡離子電池的內(nèi)阻、放電容量、和容 量保持率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表1所示。
[0化1] 表1 [00521
[0053] 從上表測(cè)試結(jié)果可知，相對(duì)于采用常規(guī)集流體制備的電池而言，采用本發(fā)明實(shí)施 例的集流體制備的電池，在使用過(guò)程中內(nèi)阻較小，穩(wěn)定性較好，降低了內(nèi)阻，增強(qiáng)了循環(huán)穩(wěn) 定性，特別是實(shí)施例3,能夠很好地提高電池的功率特性，使電池的性能得到了提高。
[0054] W上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用W限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精 神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種鋰電池集流體，其特征在于，包括集流體箱材和涂敷在所述集流體箱材至少一 表面的惰性緩沖層，所述惰性緩沖層包括涂層粉末和粘結(jié)劑，所述涂層粉末包括金屬氮化 物、金屬碳化物中的至少一種。2. 如權(quán)利要求1所述的鋰電池集流體，其特征在于，所述涂層粉末與所述粘結(jié)劑的質(zhì)量 比為（1_49): 1。3. 如權(quán)利要求1所述的鋰電池集流體，其特征在于，以所述惰性緩沖層的總重為100% 計(jì)，所述涂層粉末的重量百分含量為50-98%;所述粘結(jié)劑的重量百分含量為2-50%。4. 如權(quán)利要求1所述的鋰電池集流體，其特征在于，所述涂層粉末包括TiN、TiC、TaN、 TaC、VC、VN中的至少一種。5. 如權(quán)利要求1-4任一所述的鋰電池集流體，其特征在于，所述涂層粉末的粒徑< 100nm〇6. 如權(quán)利要求1-4任一所述的鋰電池集流體，其特征在于，所述惰性緩沖層的厚度為 0.005-10um〇7. -種鋰電池集流體的制備方法，包括以下步驟： 將涂層粉末和粘結(jié)劑在溶劑中分散，形成惰性緩沖漿料，其中，所述涂層粉末包括金屬 氮化物、金屬碳化物中的至少一種； 將所述惰性緩沖漿料涂敷于集流體箱材的至少一個(gè)表面上，形成惰性緩沖漿料的涂 層； 干燥處理。8. 如權(quán)利要求7所述的鋰電池集流體的制備方法，其特征在于，所述惰性緩沖漿料的固 含量為 0.2-20wt%。9. 如權(quán)利要求7所述的鋰電池集流體的制備方法，其特征在于，所述涂層在所述集流體 箱材表面的覆蓋率為20-100%。10. 如權(quán)利要求7-9任一所述的鋰電池集流體的制備方法，其特征在于，將涂層粉末和 粘結(jié)劑在溶劑中分散后，還包括脫泡和過(guò)篩處理。
【文檔編號(hào)】H01M4/64GK105826569SQ201610349744
【公開(kāi)日】2016年8月3日
【申請(qǐng)日】2016年5月24日
【發(fā)明人】張全生, 解晶瑩, 茆勝
【申請(qǐng)人】深圳市國(guó)創(chuàng)新能源研究院, 上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)