一种复合金属箔及包含其的复合集流体和电池的制作方法

本技术属于复合集流体，涉及一种复合金属箔及包含其的复合集流体和电池。

背景技术：

1、随着新能源行业的深入发展，储能设备越来越受到行业的关注。铜箔是锂离子电池的负极集流材料，其成本占据了锂离子电池的5～10％，锂离子电池的负极集流体要求具有较高的能量密度、较高的安全性能、较长的使用寿命以及轻量化，这也成为负极集流体的发展趋势。

2、现有技术公开了一种新的薄膜复合铜箔，采用薄膜作为支持体，其中一侧或两侧设置金属箔。即，在薄膜的侧面生成铜箔，进而制备复合金属箔。与传统纯金属箔相比，复合金属箔的重量实现大幅度降低，进而应用新能源电池中时，有利于提升其能量密度。

3、然而，在现有技术中的薄膜复合金属箔存在如下问题：复合金属箔作为集流体制备电池时，电池内部会产生收缩或膨胀，需要集流体满足一定强度的拉力，而由于金属箔与中间支撑体薄膜之间的相界面差异大，使得金属箔在薄膜上的断裂伸长率与常规金属箔集流体相比大幅降低，在使用过程中会导致断裂情况发生，使得电池内部的正负极界面发生变化，导致电池的电性能变差，同时也影响电池的安全性。因此，亟需设计开发一种复合金属箔，克服现有技术缺陷，以满足实际应用需求。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种复合金属箔及包含其的复合集流体和电池，能够显著提高复合金属箔的断裂伸长率，从而提高韧性，提升电池的整体品质和使用安全性。

2、为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

3、第一方面，本实用新型提供了一种复合金属箔，所述复合金属箔包括支撑层以及设置在所述支撑层至少一个表面的金属层；

4、所述支撑层和所述金属层满足：

5、

6、其中，d1为支撑层的厚度；d2为金属层的厚度。

7、a的取值范围为0.3～1.2，例如可以是0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、1.1、1.2等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

8、b的取值范围为2～21.3，例如可以是2、5、8、10、12、14、16、18、20、21、21.2、21.3等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

9、需要说明的是，本实用新型中复合金属箔的结构包括支撑层及金属层，金属层与支撑层连接，在拉伸形变时，由于支撑层的韧性远远大于金属层的韧性，因此当金属层应力集中产生断裂时会引起支撑层的断裂。本实用新型发现，复合金属箔的整体韧性和断裂伸长率与金属层厚度、支撑层厚度存在密切联系。通过提供金属层和支撑层之间满足上述关系式，能够提升复合金属箔的整体断裂伸长率，从而提高材料韧性，满足电池内集流体应用时的工作可靠性。

10、需要说明的是，a代表的含义是自变量d1/d2的第一相关系数，b代表的含义是整体函数关系式的第二相关系数，d1、d2作为两个自变量，形成多元回归关系，a、b两者的取值范围由本实用新型技术方案中的统计数据决定。

11、作为本实用新型一种优选的技术方案，所述金属层设置有至少两层，例如可以是2层、3层、4层、6层、8层、9层等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

12、需要说明的是，本实用新型中通过多层金属层的设置，能够提升金属层之间的结合力和焊接能力，避免金属层脱落。

13、优选地，所述金属层设置在所述支撑层相对的两侧面上。

14、需要说明的是，本实用新型中金属层设置在支撑层相对的两侧面上，形成双面的复合金属箔结构，满足不同的使用场景，有利于提高能量密度。同时，双面均为铜层还能够组成fccl(软性铜箔基材)，满足不同的使用需求。其中，金属层的材质可以为铜、铝、金、银、铁、锌、钨、镍、铬或包含其中元素的合金。当金属层为铜时，能够作为锂电池的负极集流体材料；金属层为铝时，能够作为锂电池的正极集流体材料。

15、作为本实用新型一种优选的技术方案，所述金属层上开设有槽体和/或孔，所述槽体为至少一个，和/或，所述孔为至少一个。

16、需要说明的是，本实用新型中槽的形状可以为条形、波浪形或其他特殊形状，槽的形式可以贯穿金属层，或不贯穿金属层。孔可以为盲孔或通孔，孔的形状可以为圆形、方形、三角形、椭圆形、菱形、梯形、正多边形或其他不规则形状。重要的是，本实用新型通过在金属层上开设槽体或开孔，均有利于释放应力，从而提高延伸率。

17、作为本实用新型一种优选的技术方案，所述支撑层开设有槽体和/或孔，所述槽体为至少一个，和/或，所述孔为至少一个。

18、需要说明的是，本实用新型中在支撑层上开设槽或孔同样能够进一步释放应力，提升整体复合金属箔的延伸率。并且，在支撑层上开设孔时，金属层可以延伸至孔中，达到提高结合力的效果。孔为通孔时，支撑层两侧的金属层可以通过孔连接起来。作为本实用新型一种优选的技术方案，所述金属层的厚度为0.5～5μm，例如可以是0.5μm、1μm、1.5μm、2μm、2.5μm、3μm、3.5μm、4μm、4.5μm、5μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

19、需要说明的是，本实用新型中金属层的厚度会影响金属层的韧性和刚性，从而复合金属箔的整体韧性。金属层越厚，其方阻越小，但是韧性越差，拉伸强度越低。金属层越薄，其方阻越大，会影响其整体导电性能，并且会影响极耳的焊接强度。将金属层厚度设置在上述范围，能够满足其整体断裂伸长率，使得复合金属箔具有较高的拉伸强度，满足电池正负极材料在充放电过程中的膨胀问题。并且能够保证电池的电流传输和电极极耳的稳定焊接。

20、进一步需要说明的是，本实用新型中的金属层与支撑层的连接方式可以为粘接，也可以通过特殊加工方式加工在支撑层上。例如，金属层通过真空溅射、高温蒸镀等方式形成于支撑层上。或者先通过真空溅射在支撑层上形成导电层，再通过电镀液的电镀形成最终的金属层。

21、重要的是，本实用新型中的金属层可以包括连接部与导电部，连接部层叠连接于导电部与支撑层之间。

22、需要说明的是，本实用新型中支撑层为有机材料，无法导电，所以不能直接在支撑层上通过电镀液电镀金属层。通过真空溅射等方式在支撑层上设置连接部，使得支撑层能够导电，另一方面还能够使得金属层与支撑层的结合力稳定且均匀。后续经过电镀液进行镀金属导电部，将整体金属层加厚至预设厚度，这一工艺可靠性高，且有利于控制生产成本。

23、连接部为纳米级别的厚度，其结构可以为平整的结构、波浪形、带孔结构、网状结构、kirigami剪纸结构等。例如，连接部的中间有单一切口，其破坏应变与未形成图形的原始材料相似进一步地，例如连接部的切口为木纹切割，符合金属箔整体试样具有明显不同的拉伸性能。在初始弹性区域(应变<5％)，与未剪切的试样基本一致。随着应变的增加，观察到一个弹性平台状态，在此期间，切口开始张开，并出现平面外变形，利用切口的张开来提升整体的延伸率、open-mesh结构(通过引入具有各种形状孔洞的开孔结构，还可以获得高的拉伸性能。当网格结构被拉伸时，开放孔随着向拉伸方向旋转的条带的变形而变形，同时应力在开口结构的连接顶点处上升)，网状结构的镂空单元形状可以是各种形状，其目的在于引导形变，增加伸长率。

24、其中，导电部的结构可以与连接部一致，也可以与连接部不一致。例如连接部为网状结构，导电部为平整结构，表面粗糙度可以小于连接部。

25、作为本实用新型一种优选的技术方案，所述支撑层的厚度为2.5～70μm，例如可以是2.5μm、5μm、10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

26、本实用新型中支撑层的厚度为2.5～70μm，在此范围内的支撑层能够满足电池中复合集流体的使用，并且能够保证其机械强度，提高其耐用性。

27、优选地，所述支撑层的材质为pet、pi、pp和pvc中的任意一种或两种及以上的组合。

28、需要说明的是，本实用新型中支撑层可以选用pet、pi、pp和pvc，具体选择哪种材料需要根据实际应用需求和成本考虑。例如，pet具有较好的机械强度和绝缘性能，同时成本较低，适合大规模生产；pp则具有优秀的耐腐蚀性和绝缘性，与金属层的结合力稳定，但成本相对较高；pi则具有出色的耐高温性和机械强度，适用于高温环境下的应用；pvc成本低，但是由于含氟元素具有毒性，不利于满足环保要求，且耐高温性能较差，不利于提升整体使用寿命。

29、作为本实用新型一种优选的技术方案，所述支撑层的抗张强度为17.5～37.8kgf/mm2，例如可以是17.5kgf/mm2、18kgf/mm2、18.5kgf/mm2、20kgf/mm2、25kgf/mm2、30kgf/mm2、35kgf/mm2、37.8kgf/mm2等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

30、作为本实用新型一种优选的技术方案，所述支撑层的断裂延伸率为20～200％，例如可以是20％、40％、60％、80％、100％、120％、140％、160％、180％、200％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

31、本实用新型中支撑层的断裂延伸率为20～200％，是因为支撑层作为支撑材料用于电池集流体中，在此范围内可以减少铜的使用，提升能量密度，大幅降低纯金属箔的重量，满足正负极集流体在正负极材料充放电过程中膨胀带来的拉伸，避免复合金属箔发生断裂，保证电池的工作可靠性。

32、作为本实用新型一种优选的技术方案，所述复合金属箔的抗张强度为15～40kgf/mm2，例如可以是15kgf/mm2、20kgf/mm2、25kgf/mm2、30kgf/mm2、35kgf/mm2、40kgf/mm2等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

33、需要说明的是，本实用新型中抗张强度是材料或构件在受到拉力时抵抗破坏的能力，反映的是材料或构件在受到拉伸力时的最大承载能力。对于复合金属箔，抗张强度可以影响其拉伸性能。在复合金属箔中，支撑层和金属层的抗张强度都将影响其整体拉伸性能。支撑层的抗张强度可以帮助抵抗外部的拉力，而金属层的抗张强度则能够提高整个复合金属箔的强度。如果支撑层的抗张强度不足，可能会导致在受到外部拉力时产生裂纹或破裂。而如果金属层的抗张强度不足，可能会导致在拉伸过程中出现塑性变形或断裂。因此，抗张强度对于复合金属箔的拉伸性能有重要影响。高抗张强度可以帮助提高材料的整体拉伸性能，使得材料能够承受更大的外部拉力而不破裂。

34、作为本实用新型一种优选的技术方案，所述复合金属箔的断裂延伸率为2～110％，例如可以是2％、3％、4％、5％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％、110％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

35、本实用新型中复合金属箔的断裂延伸率为2～110％，在此范围内，复合金属箔作为电池的集流体材料，能够满足卷绕时的拉力大小，并且在锂电池的工作环境中能够承受材料的体积膨胀，保证复合集流体的工作稳定性。

36、需要说明的是，本实用新型中断裂延伸率(elongation at break)是材料的一项机械性能指标，用于衡量材料在断裂前能够延展的程度。断裂延伸率常见的测量方法如下：

37、1、准备试样：根据所测材料的标准或要求，制备符合要求的试样。通常情况下，试样为矩形形状，尺寸有特定的要求，例如长度、宽度和厚度等。2、安装试样：使用夹具或夹具将复合金属箔试样夹紧，确保试样的一端固定，另一端能够自由伸展。3、施加加载：使用适当的加载设备，例如拉伸机，施加均匀的拉力或压力到试样上，使试样开始延展。4、测量伸长：当试样开始断裂时，使用伸长计或测量规等工具测量试样的原始长度(lo)和试样断裂后的最终长度(lf)。5、计算伸长率：使用以下公式计算断裂伸长率：elongation at break＝((lf-lo)/lo)*100％；其中，elongation at break表示断裂延伸率，lf表示试样断裂后的最终长度，lo表示试样的原始长度。其中4、5步骤中的计算过程得到的测试数据可由拉伸机在拉伸试验中同步生成。

38、第二方面，本实用新型提供了一种复合集流体，所述复合集流体包括第一方面所述的复合金属箔。

39、需要说明的是，本实用新型中的复合集流体运用于锂离子电池中，与常规铜箔铝箔作为集流体相比，具有更高的能量密度，并且能够大大减轻锂电池重量，运用在新能源电池中能够大幅增加续航。

40、第三方面，本实用新型提供了一种电池，所述电池包括第二方面所述的复合集流体。

41、与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

42、在本实用新型中，通过建立金属层和支撑层的厚度关系，能够与复合金属箔的整体韧性和断裂延伸率紧密关联，控制在该范围内可以提升复合金属箔的整体断裂伸长率，从而提高材料韧性，满足电池内集流体应用时的工作可靠性。