一种双极性集流体及其制备方法
技术领域：
本发明属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种双极性集流体及其制备方法。
背景技术：
能源危机和环境恶化已成为传统汽车发展的最大障碍，而发展电动汽车是能够缓解这些问题的有效手段。电动汽车的关键技术之一是动力电池。目前，由于锂离子电池具有比能量高、工作电压高、循环寿命长、自放电低、无记忆效应等优点已作为电动汽车用动力电池备受关注。然而，目前电动汽车用动力电池的安全性和一致性问题已经成为电动汽车产业规模发展的技术瓶颈。内部叠加串联电极制备高电压电池是上述问题的一个较好的解决思路。但是，现有内部串联高电压电池的集流体一般采用的是铜铝复合箔膜，箔膜厚度小于100微米，所以达到所用复合薄膜中铜箔和铝箔没有孔洞是一个很难解决的技术问题。如果一旦箔膜中存在微小的孔洞，电解液进入，则使电池发生短路。倘若是铝箔有孔洞，则会导致铜箔负极不断被氧化。另外，由于单电池很薄，如果采用铜铝复合箔膜，则很容易导致两个集流体边缘部分接触，致使电池发生短路，这些问题的存在都会增加高电压电池的安全隐患。
发明内容
为解决高电压电池制备过程中存在的上述问题，本发明提供一种双极性集流体和其制备方法。本发明采用以下技术方案:本发明提供的双极性集流体I包括非铝导电层2、铝箔4以及位于非铝导电层2和铝箔4之间的聚合物阻隔层3 ;为了实现电池的内部串联，双极性集流体I的非铝导电层2和铝箔4必须导电性接触，所以非铝导电层2和铝箔4为单边、双边或全部边缘导电接触，边缘导电接触区5宽度为0.1 1.5厘米。所述非铝导电层为铜箔或填充有导电粒子的聚合物层；该聚合物为聚偏氟乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、改性聚烯烃或各种合成树脂；所述导电粒子选自炭黑、碳纤维和金属粒子。所述非铝导电层的厚度为5 30微米，铝箔的厚度为0.01 30微米，聚合物阻隔层的厚度为0.05 10微米。所述聚合物阻隔层的材料为聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚偏氟乙烯、聚氨酯、聚酯、乙烯-醋酸乙烯、改性聚烯烃中的一种或几种，上述材料对于电解液的阻隔性强，但导电性差。在双极性集流体两面热压复合绝缘框构成复合双极性集流体6，该复合双极性集流体6包括上、下两个中间开有方孔或圆孔的绝缘框7，双极性集流体I的尺寸大于绝缘框7的开孔区域，双极性集流体I与两个绝缘框7之间粘接固定的区域宽度为0.2 2厘米，并且该区域宽度必须大于所述非铝导 电层2和铝箔4的边缘导电接触区5的宽度；单个绝缘框 的厚度为10 500微米。所述绝缘框为双层复合结构，两层材料的熔点相差不小于30°C，熔点较低一层的厚度为I 10微米，且低熔点层与双极性集流体粘合固定；熔点较高一层的材料选自双轴向聚丙烯、双向拉伸尼龙、聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种；熔点较低一层的材料选自流延聚丙烯、马来酸接枝聚丙烯、改性聚乙烯中的一种。本发明还提供一种双极性集流体的制备方法，其特征在于:非铝导电层为铜箔的双极性集流体的制备:在铜箔表面涂布胶粘剂，复合聚合物薄膜，再真空蒸镀厚度为0.01 30微米的铝箔，或在铜箔和铝箔表面涂布胶粘剂，辊压复合聚合物薄膜，或直接将铜箔、铝箔和聚合物薄膜热压复合制得双极性集流体；将上述制得的双极性集流体裁剪成方形或圆形的小片，小片边缘的非铝导电层和铝箔导电接触。或者:非铝导电层为填充有导电粒子的聚合物材料的双极性集流体的制备:在铝箔表面涂布聚合物阻隔层，再涂布填充有导电粒子的聚合物或在铝箔表面涂布胶粘剂，辊压复合聚合物薄膜，再涂布填充有导电粒子的聚合物或在铝箔表面热压复合聚合物薄膜，再涂布填充有导电粒子的聚合物；将上述制得的双极性集流体裁剪成方形或圆形的小片，小片边缘的非铝导电层和铝箔导电接触。双极性集流体制备方法中若采用胶粘的方式制备聚合物阻隔层，则使用的胶粘剂对电解液为惰性胶粘剂，包括聚氨酯胶粘剂、乙烯-醋酸乙烯共聚物热熔胶、改性聚烯烃
坐寸ο本发明还提供复合双极性集流体的制备方法，其步骤包括:a、制备双极性集流体；b、绝缘框的制备:将两种熔点相差不小于30°C的材料共挤复合得到厚度为10 500微米的双层膜，在双层膜中心开方孔或圆孔，裁剪后制得绝缘框；C、双极性集流体与绝缘框的复合:将步骤a制得的双极性集流体置于上下两片绝缘框之间，并完全将绝缘框中心孔覆盖，直接热压使绝缘框的低熔点面与双极性集流体的边缘粘合固定。利用本发明复合双极性集流体制作的高电压电池:a、按上述方法制备复合双极性集流体6 ；b、复合电极对8的制备:将正极活性材料、导电剂、胶粘剂混合于溶剂中得到正极混合物10，涂布于隔膜11的一面，烘干；然后，将负极活性材料、导电剂、胶粘剂混合于溶剂中得到负极混合物9，涂布于隔膜11的另一面，烘干；然后在压力为6 20MPa范围内压片后裁剪制得复合电极对8，隔膜11的四周边缘留有宽度大于2_的未涂布空白区域。C、电子导电胶粘层的制备:将导电剂和胶粘剂混合于溶剂中，制成浆料，涂覆在上述制备的复合电极对8的两面形成厚度小于10微米的电子导电胶粘层；d、将多个两面涂布有电子导电胶粘层的复合电极对8和复合双极性集流体6交替叠加，其中，复合电极队正极混合物10的一面与复合双极性集流体6的铝箔4由电子导电胶粘层固定，复合电极队负极混合物9的一面与复合双极性集流体6的非铝导电层2由电子导电胶粘层固定，且每两个复合双极性集流体6的绝缘框之间衬有一个胶粘框12，热压复合制成一个块体；抽真空干燥 后，注入电解液，封装后包裹外壳形成高电压电池。
步骤a中所述隔膜11材料为聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯或其它电子不导电的多孔聚合物材料，或者，所述的隔膜11材料为玻璃纤维无纺布、合成纤维无纺布、陶瓷纤维纸或其它电子不导电的无机非金属材料与有机聚合物的复合多孔材料，或者所述隔膜11材料为含可部分除去的少孔或无孔聚合物隔膜。步骤d中所述胶粘框12的开孔尺寸大于双极性集流体尺寸I小于绝缘框7的尺寸，厚度为0.5 2微米；胶粘框12的材料选自流延聚丙烯、改性聚乙烯、马来酸接枝聚丙烯。高电压电池制备过程中所述胶粘剂包括聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素钠、再生纤维素、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、丁苯橡胶及各类合成粘合剂材料的一种或几种混合物。所述正极活性材料为含锂的磷酸亚铁锂(LiFePO4)、掺杂锂锰氧化物(Lia ^h2Mtl Q 2Mn204，M是Na、Mg、Ca、N1、Co中的一种或几种元素)、锂钴氧化物(LiCoO2)、锂镍钴氧化物(LiNia8Coa2O2)、锂镍锰钴氧化物(LiNi1/3Mn1/3Co1/302 或 LiNi2/5Mn2/5Co1/502)以及其它含锂金属氧化物的一种或几种混合物；所述的负极活性材料为能够可逆嵌锂的铝基合金、硅基合金、锡基合金、锂钛氧化物(Li4Ti5O12)、碳材料的一种或几种混合物；所述的导电剂为炭黑、碳纤维、金属颗粒中的一种或几种混合物。本发明的技术优势体现在:双极性集流体中非铝导电层和铝箔之间设计聚合物阻隔层可以防止现有铜铝复合箔有孔洞的情况下内部短路和负极氧化的发生；在双极性集流体两面热压复合绝缘框可以防止双极性集流体边缘部分短路情况的发生，并有利于电池的封装，增加了高电压电池的安全性。
图1为双极性集流体结构不意图，其中图1a为组装不意图，图1b为首I]面图，图中:
1-双极性集流体；2_非铝导电层；3_聚合物阻隔层；4-铝箔；5_边缘导电接触区。图2为复合双极性集流体结构示意图,其中图2a为组装示意图，图2b为剖面图，图中:6_复合双极性集流体；7_绝缘框。图3为复合电极对示意图，图中:8_复合电极对；9_负极混合物；10_正极混合物；
I1-隔膜。图4为高电压电池的叠片结构示意图，图中:12_胶粘框。
具体实施例方式实施例一:双极性集流体的制备:将铜箔表面进行前处理，然后在铜箔表面涂布宽度小于铜箔的耐电解液的聚氨酯胶粘剂涂层，烘干，然后在聚氨酯粘合剂涂层表面复合一层聚乙烯薄膜，制得厚度为0.05 5微米的聚合物阻隔层；然后通过真空蒸镀铝，在具有聚合物阻隔层的铜箔面获得厚度为0.01 30微米的铝箔，将上述制得的双极性集流体裁剪成方形或圆形的小片，小片边缘的铜箔铝箔导电接触；
绝缘框的制备:将聚对苯二甲酸乙二醇酯和马来酸接枝聚丙烯共挤复合得到厚度为10 500微米的双层膜，在双层膜中心开方孔或圆孔，裁剪后制得绝缘框。将制得的双极性集流体置于上下两片绝缘框之间，并完全将绝缘框中心孔覆盖，直接热压使绝缘框的马来酸接枝聚丙烯面与铜箔和铝箔粘合固定。复合电极对的制备:将PVDF胶粘剂、炭黑和改性锰酸锂(按质量百分比组成为胶粘剂:炭黑:锰酸锂=8: 7: 85)混合于NMP (N-甲基吡咯烷酮)中，充分混合制成正极浆料。将该浆料涂布于PP/PE/PP三层隔膜的一面，在60 100°C烘干；将PVDF、钛酸锂和炭黑(按质量百分比组成为钛酸锂:炭黑:胶粘剂=90: 3: 7)混合于NMP中，充分混合制成负极浆料，再将该浆料均匀涂布在上述隔膜的另一面，在60 100°C烘干，在压力为6 20MPa范围内压片，裁剪后制得复合电极对。电子导电胶粘层的制备:将炭黑和聚偏氟乙烯按重量百分比为炭黑:聚偏氟乙烯= 7:3混合于NMP中，制成衆料，涂覆在复合电极对的两面形成厚度小于IOum的电子导电胶粘层。将若干个两面涂布有电子导电胶粘层的复合电极对和复合集流体交替叠加，每两个复合双极性集流体直接衬一个马来酸接枝聚丙烯胶粘框，热压复合制成一个块体，抽真空干燥后，在块体的上下表面施加压力小于6MPa的压力并注入电解液，然后绝缘密封，并将块体的表面正极与正极极耳连接，块体的表面负极与负极极耳连接，清洗封装后包裹外壳得到高电压电池。实施例二:以与实施例1相同的方式制备高电压电池，只是在双极性集流体制备过程中在铝箔表面涂布一层面积小于双极性集流体的改性聚乙烯，烘干；然后在改性聚乙烯面涂布含有炭黑导电粒子的聚偏氟乙烯涂层，烘干，压片。实施例三:以与实施例1相同的方式制备高电压电池，只是在复合双极性集流体制备过程中绝缘框选用的材料为双向拉伸尼龙和流延聚丙烯，高电压电池制备过程中衬的胶粘框材料为流延聚丙火布。实施例四:以与实施例1相同的方式制备高电压电池，只是在复合双极性集流体制备过程中绝缘框选用的材料为双轴向聚丙烯和改性聚乙烯，高电压电池制备过程中衬的胶粘框材料为改性聚丙烯。实施例五:以与实施例1相同的方式制备高电压电池，只是在复合双极性集流体制备过程中铜箔表面涂布乙烯-醋酸乙烯共聚物热熔胶，直接胶粘复合处理好的宽度大于铜箔的铝箔，然后将铝箔反向折叠与铜箔导电性接触。实施例六:以与实施例1相同的方式制备高电压电池，只是在复合双极性集流体制备过程中通过热压将铜箔、马来酸接枝聚丙烯和铝箔复合，铜箔和铝箔边缘折叠进行导电性接触。本发明具体实施例并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改 为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护 的范围内。
权利要求
1.一种双极性集流体，包括相互叠加的铝箔和非铝导电层，其特征在于:在铝箔和非铝导电层之间增加一聚合物阻隔层，所述铝箔和非铝导电层的边缘部分或全部导电接触，边缘导电接触区宽度为0.1 1.5厘米。
2.如权利要求1所述的双极性集流体，其特征在于:所述非铝导电层为铜箔或填充有导电粒子的聚合物材料；所述聚合物材料为聚偏氟乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、改性聚烯烃或各种合成树脂；所述导电粒子选自炭黑、碳纤维和金属粒子，所述非铝导电层的厚度为5 30微米。
3.如权利要求1所述的双极性集流体，其特征在于:所述聚合物阻隔层的材料为聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚偏氟乙烯、聚氨酯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、改性聚烯烃中的一种或几种，所述聚合物阻隔层的厚度为0.05 10微米。
4.如权利要求1所述的双极性集流体，其特征在于:在双极性集流体上粘接上、下两个绝缘框:所述绝缘框的中间开有方孔或圆孔，双极性集流体的尺寸大于绝缘框开孔区域，双极性集流体的边缘由上下两个绝缘框粘接固定。
5.如权利要求4所述的双极性集流体，其特征在于:所述双极性集流体与两个绝缘框之间粘接固定的区域宽度为0.2 2厘米，并且该区域宽度必须大于所述非铝导电层和铝箔的边缘导电接触区宽度；单个绝缘框的厚度为10 500微米。
6.如权利要求4所述的双极性集流体，其特征在于:每个绝缘框为双层复合结构，两层材料的熔点相差不小于30°C，低熔点层厚度为I 10微米，且低熔点层与双极性集流体的边缘粘合固定；熔点高的材料选自双轴向聚丙烯、双向拉伸尼龙、聚对苯二甲酸乙二醇酯、流延聚丙烯中的一种；熔点 低材料选自流延聚丙烯、马来酸接枝聚丙烯、改性聚乙烯中的一种。
7.一种高电压电池，其特征在于:包括若干个如权利要求4所述的双极性集流体，以及复合电极对和电解液，多个复合电极对和双极性集流体交替叠加构成一块体，每两个双极性集流体的绝缘框之间有一个厚度为0.5 100微米的胶粘框，胶粘框的材料选自流延聚丙烯、改性聚乙烯、马来酸接枝聚丙烯。
8.一种双极性集流体的制备方法，其特征在于:非铝导电层选用铜箔，在铜箔表面涂布胶粘剂，随后涂覆复合聚合物薄膜，在真空条件下蒸镀厚度为0.01 30微米的铝箔；或在铜箔和铝箔表面涂布胶粘剂，辊压复合聚合物薄膜；或直接将铜箔、铝箔和聚合物薄膜热压复合制得双极性集流体，将上述制得的双极性集流体裁剪成方形或圆形的小片，小片边缘的铜箔和铝箔导电接触。
9.一种双极性集流体的制备方法，其特征在于:非铝导电层选用填充有导电粒子的聚合物材料，首先在铝箔表面涂布聚合物阻隔层，再涂布填充有导电粒子的聚合物；或在铝箔表面涂布胶粘剂，辊压聚合物阻隔层，再涂布填充有导电粒子的聚合物；或在铝箔表面热压聚合物阻隔层，再涂布填充有导电粒子的聚合物；将上述制得的双极性集流体裁剪成方形或圆形的小片，小片边缘的非铝导电层和铝箔导电接触。
10.一种高电压电池的制备方法，其特征在于: a、如权利要求9所述方法制备双极性集流体； b、绝缘框的制备:将两种熔点相差不小于30°C的材料共挤复合得到厚度为10 500微米的双层膜，在双层膜中心开方孔或圆孔，裁剪后制得绝缘框；C、双极性集流体与绝缘框的复合:将步骤a制得的双极性集流体置于上下两片步骤b制备的绝缘框之间，并完全将绝缘框中心孔覆盖，直接热压使绝缘框的低熔点层与双极性集流体的边缘粘合固定； d、复合电极对的制备:将正极活性材料、导电剂、胶粘剂混合于溶剂中得到正极混合物，涂布于隔膜的一面，烘干；然后，将负极活性材料、导电剂、胶粘剂混合于溶剂中得到负极混合物，涂布于隔膜的另一面，烘干；然后在压力为6 20MPa范围内压片后裁剪制得复合电极对，隔膜的四周边缘留有宽度大于2_的未涂布空白区域； e、电子导电胶粘层的制备:将导电剂和胶粘剂混合于溶剂中，制成浆料，涂覆在上述制备的复合电极对的两面形成厚度小于10微米的电子导电胶粘层； f、将多个两面涂布有电子导电胶粘层的复合电极对和双极性集流体交替叠加，其中，复合电极涂布正极混合物的一面与双极性集流体的铝箔由电子导电胶粘层固定，复合电极对涂布负极混合物的一面与双极性集流体的非铝导电层由电子导电胶粘层固定，且每两个双极性集流体之间衬有一个胶粘框,热压复合制成一个块体；抽真空干燥后,注入电解液，封装后包裹外壳形成高电压电池。
全文摘要
本发明公开了一种双极性集流体及其制备方法，属于化学储能电池技术领域。本发明提供的双极性集流体包括铝箔、非铝导电层以及位于铝箔和非铝导电层之间的聚合物阻隔层；所述铝箔和非铝导电层的边缘部分或全部导电接触，边缘导电接触区宽度为0.1～1.5厘米。本发明可以防止现有铜铝复合箔有孔洞的情况下内部短路和负极氧化的发生；且在双极性集流体两面热压复合绝缘框可以防止复合集流体边缘部分短路情况的发生，增加了高电压电池的安全性。
文档编号H01M4/66GK103219521SQ201210018640
公开日2013年7月24日 申请日期2012年1月20日 优先权日2012年1月20日
发明者陈永翀, 李彦菊, 王秋平, 张萍, 韩立 申请人:北京好风光储能技术有限公司, 中国科学院电工研究所
文档序号 :
【 7044831 】
技术研发人员：陈永翀,李彦菊,王秋平,张萍,韩立
技术所有人：北京好风光储能技术有限公司,中国科学院电工研究所
备 注：该技术已申请专利，仅供学习研究，如用于商业用途，请联系技术所有人。
声 明 ：此信息收集于网络，如果你是此专利的发明人不想本网站收录此信息请联系我们，我们会在第一时间删除
技术研发人员：陈永翀,李彦菊,王秋平,张萍,韩立
技术所有人：北京好风光储能技术有限公司,中国科学院电工研究所
备 注：该技术已申请专利，仅供学习研究，如用于商业用途，请联系技术所有人。
声 明 ：此信息收集于网络，如果你是此专利的发明人不想本网站收录此信息请联系我们，我们会在第一时间删除