一种复合集流体及其制备方法和应用与流程

本发明属于二次电池，具体涉及一种复合集流体及其制备方法和应用。

背景技术：

1、二次电池主要组件包括正极材料、负极材料及隔膜，正极活性材料常见涂覆在集流体铝箔上，负极活性材料常涂覆在集流体铜箔上。集流体是锂离子电池中不可或缺的组成部件之一，它不仅能承载活性物质，而且还可以将电极活性物质产生的电流汇集并输出，有利于降低锂离子电池的内阻，提高电池的库伦效率、循环稳定性和倍率性能。然而作为正、负极集流体，铝箔、铜箔存在价格昂贵，机械强度低等不足。

2、复合集流体是以聚对苯二甲酸类酯(pet)、聚丙烯(pp)、聚酰胺(pi)、聚氯乙烯(pvc)、聚碳酸酯(pc)等高分子材料作为中间层基膜，通过真空镀膜、电镀等工艺，在基膜上下面堆积出双层铝/铜导电所形成的复合材料，通过不同材料之间的复合进而最大程度集合不同材料之间的优势。

3、然而，目前的复合集流体目前存在高分子表面覆着力小，高分子材料易被电解液腐蚀的问题。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的上述技术问题之一。为此，本发明提供了一种复合集流体，该复合集流体以高分子薄膜为基体，解决了高分子表面覆着力小，高分子材料易被电解液腐蚀的问题。

2、本发明还提供了一种复合集流体的制备方法。

3、本发明还提供了一种二次电池。

4、本发明的第一方面提供了一种复合集流体，包括高分子薄膜基体，所述高分子薄膜基体表面设有原子层沉积层，所述原子层沉积层表面设有金属层，所述原子层沉积层包括金属氧化物层、碳化物层和氮化物层中的一种。

5、本发明关于复合集流体的技术方案中的一个技术方案，至少具有以下有益效果：

6、原子层沉积技术(ald)是一类先进的化学气相沉积技术，能够在原子尺度上精准控制包覆层的成分、厚度，且其生长机理基于材料表面的单原子层化学吸附。在高分子材料表面利用ald技术生长一层薄薄的金属氧化物，可以有效改变高分子材料界面性质，进而影响高分子材料的各项性能。

7、本发明的复合集流体，包括高分子薄膜基体，所述高分子薄膜基体表面设有原子层沉积层，原子层沉积层为金属氧化物层、碳化物层和氮化物层中的一种，致密性较好，可以有效避免电解液产生副产物的侵蚀，增加电池循环稳定性。原子层沉积层由于是原位生长，因此在高分子材料表面粘附力较好，不易脱膜，且可以作为高分子材料与铜/铝的粘接桥梁，降低高分子材料与铜/铝的界面电阻。此外，还有利于增加高分子材料的耐击穿电压。均匀原子层沉积层有利于蒸镀、电镀过程中铜/铝的均匀形核，同时提升形核效率。高分子材料骨架上的原子层沉积层即金属氧化物可以增加高分子材料的热稳定性，提升安全性能。

8、本发明的复合集流体，以高分子薄膜为基体，可以增加强度，降低成本。

9、本发明的复合集流体，解决了高分子表面覆着力小，高分子材料易被电解液腐蚀的问题。

10、根据本发明的一些实施方式，所述金属氧化物层包括al2o3层、tio2层、zno层、sno2层、sio2层、hfo2层和zro2层中的至少一种。

11、根据本发明的一些实施方式，所述碳化物层包括tic、vc、vc、moc和tac中的至少一种。

12、根据本发明的一些实施方式，所述氮化物层包括tin层、aln层、si3n4层、hfn层、vn层、tan层和zrn层中的至少一种。

13、根据本发明的一些实施方式，所述原子层沉积层还可以为sio2层。

14、根据本发明的一些实施方式，所述高分子薄膜基体的材质包括pet、pp、pi、pvc、pc、ps(聚苯乙烯)、abs(丙烯晴-丁二烯-苯乙烯共聚物)、pa(聚酰胺)、pvdf(聚氟乙烯)、pedot(聚噻吩)、pani(聚苯胺)和ppy(聚吡咯)中的至少一种。

15、pet(polyethylene terephthalate)是一种聚酯类塑料，具有高强度、刚度和耐热性。它广泛用于制造塑料瓶、纤维、薄膜、塑料包装、电子设备零件等。pet也是可回收的材料，对环境友好。

16、pp(polypropylene)是一种聚丙烯塑料，具有良好的耐化学腐蚀性、耐高温性和良好的抗冲击性。它常用于制造食品容器、医疗设备、汽车零件、纺织品和工业用途等。

17、pi(polyimide)是一种高性能塑料，具有出色的高温稳定性、电绝缘性和化学稳定性。它在航空航天、电子、医疗设备等领域中用于制造高性能部件，如绝缘材料和薄膜。

18、pvc(polyvinyl chloride)是一种聚氯乙烯塑料，具有良好的耐化学腐蚀性和耐候性。它广泛用于建筑材料(例如管道和窗户框架)、电线绝缘、塑料衣物和各种包装中。有刚性pvc和软质pvc两种类型，用途不同。

19、pc(polycarbonate)是一种透明的高强度塑料，具有出色的抗冲击性和耐热性。它常用于制造安全眼镜、安全头盔、光学透镜、手机屏幕和其他透明或坚固的部件。

20、根据本发明的一些实施方式，所述高分子薄膜基体的厚度为1μm～100μm。

21、根据本发明的一些实施方式，所述原子层沉积层的厚度为0.01nm～100nm。

22、根据本发明的一些实施方式，所述金属层包括铜层或铝层。

23、根据本发明的一些实施方式，所述金属层的厚度为为1nm～1mm。

24、本发明的第二方面提供了一种制备复合集流体的方法，该方法利用原子层沉积，在所述高分子薄膜基体表面沉积形成所述原子层沉积层，所述原子层沉积层表面进行镀覆形成所述金属层，得到所述复合集流体。

25、本发明关于制备复合集流体的方法中的一个技术方案，至少具有以下有益效果：

26、本发明的制备方法，是利用原子层沉积，在所述高分子薄膜基体表面沉积形成所述原子层沉积层，所述原子层沉积层表面进行蒸镀形成所述金属层，得到所述复合集流体，具体而言，是在pet、pp、pi、pvc、pc等高分子材料表层利用ald技术长一层薄且均匀的金属氧化物，再将处理之后的材料利用镀覆工艺生长一层金属层。ald生长的金属氧化物致密性较好，可以有效避免电解液产生副产物的侵蚀，增加电池循环稳定性。原位生长的金属氧化物在高分子材料表面粘附力较好，不易脱膜，且可以作为高分子材料与铜/铝的粘接桥梁，降低高分子材料与金属层的界面电阻。原位生长的金属氧化物有利于增加高分子材料的耐击穿电压。均匀生长的金属氧化物有利于镀覆过程中金属的均匀形核，同时提升形核效率。高分子材料骨架上金属氧化物可以增加高分子材料的热稳定性，提升安全性能。

27、本发明的制备方法，无需昂贵的设备和复杂的过程控制，反应条件不苛刻，原料易得，生产成本低，容易工业化生产。

28、根据本发明的一些实施方式，制备复合集流体的方法包括以下步骤：

29、s1：将所述高分子薄膜基体置于原子层沉积系统反应腔室内，对所述高分子薄膜基体表面进行活化预处理；

30、s2：将原子层沉积层的制备原料脉冲进入反应腔室进行原子层沉积，形成所述原子层沉积层；

31、s3：在所述原子层沉积层表面进行镀覆，形成所述金属层。

32、根据本发明的一些实施方式，所述原子层沉积的步骤包括：

33、s1.将所述高分子薄膜基体置于反应腔中，抽真空后，利用等离子体对所述高分子薄膜基体表面进行活化处理；

34、s2.将前驱体即金属有机化合物和含氧反应物脉冲进入反应腔进行反应。

35、根据本发明的一些实施方式，所述原子层沉积层的制备原料包括金属有机化合物和含氧反应物。

36、根据本发明的一些实施方式，所述金属有机化合物包括三甲基铝、钛酸四异丙酯、四氯化钛、二异胺硅烷、双(二乙基氨基)硅烷、四(二甲氨基)锡、四(二甲氨基)铪、二乙基锌和四(二甲氨基)锆中的至少一种。

37、根据本发明的一些实施方式，所述含氧反应物包括o2、o3、h2o、no和no2中的至少一种。

38、根据本发明的一些实施方式，所述镀覆包括电镀、蒸镀或磁控溅射。

39、根据本发明的一些实施方式，所述蒸镀的沉积速率可以为

40、根据本发明的一些实施方式，制备复合集流体的方法主要包括如下步骤：

41、(1)将高分子薄膜材料置于原子层沉积系统腔室内，机械泵抽真空降低腔室气压至0.05torr以下；

42、(2)在25-250℃下，利用o3或o2等离子体对高分子材料表面进行活化，然后将前驱体(即金属有机化合物，可以用化学式m-rn表示，m为金属原子，r为有机基团如乙氧基，n为配位数)脉冲进入反应腔室内。反应物(主要包括h2o、o2、o3和等离子等)脉冲进入腔室；

43、(3)待反应完成后，机械泵抽真空降低腔室气压至0.05torr以下，机械泵开启状态抽取10分钟后关闭机械泵，回填至大气状态，取出样品，将取出的样品进行蒸镀、电镀，最终得到复合集流体。

44、本发明的第三方面提供了一种二次电池，包括所述的复合集流体。

45、本发明关于二次电池的技术方案中的一个技术方案，至少具有以下有益效果：

46、本发明的二次电池，由于使用了本发明的复合集流体，由此，至少具备了复合集流体的全部技术效果，具体而言：

47、电池循环稳定性更高，原子层沉积层，特别是金属氧化物层，可以提高电池的循环稳定性。它们在高分子薄膜基体表面形成均匀的保护层，减少电解液与电池材料的不必要反应，从而延长电池的寿命。

48、降低界面电阻更低，原子层沉积层还可以作为高分子材料与集流体(通常是铜或铝)之间的粘接桥梁，降低了界面电阻。这有助于提高电池的电导率，从而提高电池的性能。

49、耐击穿电压更高，原子层沉积层的存在有助于增加高分子材料的耐击穿电压，这意味着电池在外部冲击或异常情况下更不容易发生故障。

50、均匀的原子层沉积层有助于蒸镀或电镀过程中的铜或铝的均匀形核。这可以提高电池的性能一致性，并减少可能导致不均匀充电/放电的问题。

51、金属氧化物层有助于提高高分子材料的热稳定性，这对于电池在高温环境下的性能和安全性非常重要。

52、总之，使用这种复合集流体的二次电池，可以改善电池的稳定性、性能和安全性，延长电池的寿命，并提高电池的一致性。这对于广泛的应用，从电动车辆到便携式电子设备，都具有重要意义，因为电池性能和稳定性是这些应用的关键因素。