一种复合集流体及其制备方法与流程

本发明属于锂电池，具体地，本发明涉及一种复合集流体及其制备方法。

背景技术：

1、随着电动汽车的快速普及以及近年来随着新能源快速发展，锂离子电池的装机容量呈爆发式增长态势。随着技术的进步，锂离子电池的能量密度、功率密度、环境适应性等特性都有显著提升，然而能量密度的提升不可避免地增加了锂离子电池的安全隐患。锂离子电池在遭受机械应力或热应力等损伤时，可能发生内部短路，从而造成电池热失控；或是电池的不一致性被放大时某单体电池遭受电滥用时也易发生电池的起火甚至爆炸。因此改善锂离子电池的安全性是当前研究的热点。

2、锂离子电池电芯通常由正负极材料，隔膜，集流体，电解液等组成。目前大量研究关注于向电解液中添加阻燃剂以达到及时抑制电池着火爆炸的目的，但是电解液直接参与电池中的电化学反应，阻燃剂往往是有机分子，极易在电极所处电位下发生氧化还原副反应，影响了电池的正常运行，而集流体作为不直接参与电化学反应的辅助材料，是良好的消防灭火载体。集流体不直接提供容量，因此需要尽可能减少其重量以提高电池整体的能量密度。传统的锂离子电池集流体为金属集流体，即正极用铝箔，负极用铜箔。纯金属集流体不仅质量大而且刚性集流体易破裂，容易生成毛刺刺穿隔膜从而发生短路。

3、采用复合集流体可以改善锂离子电池的安全性。传统复合集流体中利用高分子材料作为基底，在表面镀金属层实现导电功能。但在安全性方面，大量高分子物质的存在往往易燃且发烟情况严重，现有相关技术一般通过在高分子基底中添加一些阻燃剂，试图增加集流体的安全性，但是该种以高分子聚合物为基底的复合集流体结构在机械强度、耐热性方面较差，并且金属层过薄导致极耳焊接困难。

技术实现思路

1、本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明实施例提出一种复合集流体及其制备方法。

2、本发明实施例一方面提出一种复合集流体，包括泡沫铜基底，所述泡沫铜基底的上表面和下表面设置有金属层，所述泡沫铜基底中填充有阻燃聚合物。

3、本发明实施例复合集流体，通过以泡沫铜为集流体基底，并在其孔隙中填充阻燃聚合物，同时在泡沫铜基底表面设置均匀平整的金属层，可以在保证集流体导电能力的同时，又赋予其较强的机械性能，且兼具阻燃性能，提升了集流体在电芯中的安全防护能力。

4、在本发明的一些实施例中，所述泡沫铜基底的厚度为4~20μm；所述泡沫铜基底的孔隙率为80%~99.5%，孔径尺寸为0.05~10mm。

5、在本发明的一些实施例中，所述阻燃聚合物中包括阻燃剂和聚合物，所述阻燃剂在所述阻燃聚合物中的质量占比为1%~30%，优选为10%～15%；

6、其中，所述阻燃剂包括磷酸三甲酯、三氧化二锑、氢氧化镁、氢氧化铝、羟基铝、磷酸锌、硼酸锌、聚磷酸铵、磷酸三丁酯、磷酸三(2-乙基己基)酯、磷酸三(2-氯乙基)酯、磷酸三(2,3-二氯丙基)酯、磷酸三(2,3-二溴丙基)酯、磷酸甲苯-二苯酯、磷酸三甲苯酯、磷酸三苯酯、磷酸(2-乙基己基)-二苯酯、磷酸三(二溴丙基)酯、八溴二苯基氧化物、五溴乙基苯、四溴双酚a、氯丹酸酐、环磷酰胺聚合物、三聚氰胺尿酸盐、三聚氰胺聚磷酸盐、季戊四醇磷酸酯、三(2,4,6-三溴苯氧基)-三嗪、全氟己酮中的至少一种，优选为磷酸三甲酯或磷酸三丁酯；

7、和/或，所述聚合物包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氨酯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚偏氟乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、环氧树脂、羧甲基纤维素中的至少一种，优选为聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚酰亚胺。

8、在本发明的一些实施例中，所述金属层的厚度为2~4μm；所述金属层的材质包括铜、铝、银或金中的任一种。

9、在本发明的一些实施例中，所述泡沫铜基底由下列(1)、(2)、(3)中的任一种方法制备得到：

10、(1) 将聚合物与阻燃剂混合均匀，经熔炼后，得到混合浆料；再将泡沫铜浸泡在所述混合浆料中，冷却至室温，去除所述泡沫铜表面多余的浆料，得到所述泡沫铜基底；

11、(2) 将聚合物溶解于溶剂中，得到分散液a；将阻燃剂溶于相同的溶剂中，得到分散液b；然后将所述分散液a与所述分散液b混合均匀，得到分散液c；之后将泡沫铜浸泡在所述分散液c中，溶剂挥发后得到所述泡沫铜基底；

12、(3) 将制备聚合物的单体按比例混合，进行聚合反应，得到聚合物溶液；再将聚合物溶液与阻燃剂混合均匀，得到混合溶液；然后将泡沫铜浸泡在所述混合溶液中，得到所述泡沫铜基底。

13、在本发明的一些实施例中，所述步骤(1)中，所述熔炼的温度为270~320℃，熔炼的时间为45~90min；

14、和/或，所述步骤(2)中，所述溶剂为六氟异丙醇、六氟乙酸、四氟乙酸、三氟乙酸、或者是苯酚和四氯乙烷组成的混合液中的任一种。

15、本发明实施例另一方面还提出上述复合集流体的制备方法，包括以下步骤：

16、s1，制备泡沫铜基底；

17、s2，对泡沫铜基底的上表面和下表面进行等离子体处理；

18、s3，先采用磁控溅射在所述步骤s2处理后的泡沫铜基底的上表面和下表面镀金属层，再利用真空蒸镀增加所述金属层的厚度至目标厚度，制得所述复合集流体。

19、在本发明的一些实施例中，所述步骤s2中，所述等离子体处理的温度为25~35℃，处理时间为2~5min。

20、前述针对复合集流体所描述的特征和优点，同样适用于复合集流体的制备方法，在此不再赘述。

21、本发明实施例又一方面还提出一种电极，所述电极包括上述复合集流体，所述的电极为正极或负极。

22、本发明实施例还提出一种锂离子电池，所述锂离子电池包括上述复合集流体或上述电极。

技术特征：

1.一种复合集流体，其特征在于，包括泡沫铜基底，所述泡沫铜基底的上表面和下表面设置有金属层，所述泡沫铜基底中填充有阻燃聚合物。

2.根据权利要求1所述的复合集流体，其特征在于，所述泡沫铜基底的厚度为4~20μm；所述泡沫铜基底的孔隙率为80%~99.5%，孔径尺寸为0.05~10mm。

3.根据权利要求1所述的复合集流体，其特征在于，所述阻燃聚合物中包括阻燃剂和聚合物，所述阻燃剂在所述阻燃聚合物中的质量占比为1%~30%；

4.根据权利要求1所述的复合集流体，其特征在于，所述金属层的厚度为2~4μm；所述金属层的材质包括铜、铝、银或金中的任一种。

5.根据权利要求1所述的复合集流体，其特征在于，所述泡沫铜基底由下列(1)、(2)、(3)中的任一种方法制备得到：

6.根据权利要求5所述的复合集流体，其特征在于，所述步骤(1)中，所述熔炼的温度为270~320℃，熔炼的时间为45~90min；

7.权利要求1-6任一项所述的复合集流体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的复合集流体的制备方法，其特征在于，所述步骤s2中，所述等离子体处理的温度为25~35℃，处理时间为2~5min。

9.一种电极，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的复合集流体。

10.一种锂离子电池，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的复合集流体或权利要求9所述的电极。

技术总结
本发明提供了一种复合集流体及其制备方法，该复合集流体包括泡沫铜基底，所述泡沫铜基底的上表面和下表面设置有金属层，所述泡沫铜基底中填充有阻燃聚合物。本发明中的复合集流体，通过以泡沫铜为集流体基底，并在其孔隙中填充阻燃聚合物，同时在泡沫铜基底表面设置均匀平整的金属层，可以在保证集流体导电能力的同时，又赋予其较强的机械性能和耐热性能，且兼具阻燃性能，提升了集流体在电芯中的安全防护能力。

技术研发人员：杨超然,刘明义,裴杰,曹曦,曹传钊,雷浩东,成前,平小凡,段召容,白盼星,刘承皓,赵珈卉
受保护的技术使用者：中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13