一种集流体和隔膜的一体化结构及其制作方法

本发明属于锂电池能量存储领域，特别涉及一种锂电池集流体和隔膜的一体化结构及其制作方法。

背景技术：

1、可充电的锂电池（包括锂离子电池、锂金属电池）是目前各类电子设备重要的能量存储与能量供应器件，在可穿戴电子设备、移动通讯、电子计算机、平板显示、物联网、电动汽车、以及医疗电子设备中具有广泛的应用。其中，锂电池的使用安全性、能量密度、以及循环稳定性是反应电池综合性能的关键技术指标。

2、传统的电池结构为正极集流体//正极//隔膜//负极//负极集流体，其中传统的集流体如铝箔、铜箔由于其较高的质量与厚度造成电池能量密度的显著降低，与此同时，在电池的充放电过程中，因锂负极（包括石墨、锂金属箔）表面枝晶的生长而造成的隔膜刺穿是导致电池短路甚至起火爆炸等安全问题的主要原因；另外，正极的多硫化物的穿梭效应是限制锂硫电池进一步应用的主要障碍。因此，如何大幅提高锂电池的能量密度、安全性以及循环稳定性是目前储能领域关注的焦点，也是进一步拓展锂电池在各领域广泛应用的关键。

3、专利文献cn109088045b提供了一种高能量密度锂离子电池的制备方法，通过采用磁控溅射技术将铜金属溅射至高分子纤维纺织布上，得到多孔铜箔，将负极浆料涂布在所述多孔铜箔上得到负极片，采用磁控溅射技术将铝金属溅射至高分子纤维纺织布上得到多孔铝箔，将正极浆料涂布在所述多孔铝箔上得到正极片，将所述正极片、隔膜和所述负极片进行层叠、卷绕以得到电芯，再对电芯进行注液、封装，以及老化和分容等操作，制备工艺简单易操作，流程短，显著节约了制造成本，同时得到的高能量密度电池的重量大大降低，相比于现有的锂离子电池，能量密度得到了大大提高，同时具有更好的循环稳定性。但是，其主要是通过采用更轻的集流体来替代传统铜箔和铝箔，以此来提高电池的能量密度，这种提升方式具有一定的局限性，且并未考虑电池的安全性能，例如其不能用于解决因锂枝晶生长而引起的电池安全性隐患，随着电池充放电循环的进行，负极表面所产生的锂枝晶仍会造成隔膜的刺穿，进而导致电池短路，并没有对电池的安全性进行改进。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种锂电池中的集流体和隔膜的一体化结构及其制作方法，以解决现有技术难以同时解决锂电池在使用安全性、能量密度、循环稳定性方面存在的不足，且本发明制作的集流体和隔膜一体化结构制备简单，大幅简化了电池组装工艺，并能同时满足各类型锂电池对集流体与隔膜性能的要求。

2、第一方面，本发明提供一种集流体和隔膜的一体化结构，所述集流体和隔膜的一体化结构是通过在隔膜两侧分别或仅在一侧涂覆/沉积一层导电材料形成集流体，以同时用作锂电池的导电集流体与隔膜；

3、在上述技术方案中，所述集流体-隔膜一体化结构为负极集流体-隔膜、正极集流体-隔膜、正极集流体-隔膜-负极集流体中的任意一种。

4、其中，所述导电材料选自金属微米（纳米）颗粒、金属微米（纳米）线、导电聚合物、石墨烯、碳纳米管、碳颗粒中的任意一种或任意两种及以上材料的复合材料；且所述导电材料形成的所述集流体厚度为10 nm~200 μm，孔径范围为0.01μm ~ 1μm。

5、其中，所述隔膜为聚烯烃微孔膜、纤维素膜、涂层处理的聚酯膜、聚酰胺膜、聚酰亚胺膜、多孔聚合物膜、氨纶或芳纶膜、无纺布隔膜、无机复合膜中的一种。

6、第二方面，本发明提供基于上述集流体和隔膜的一体化结构的制作方法，具体步骤为：如图1中的步骤s1所示，在隔膜1的两侧分别涂覆/沉积第一导电材料和第二导电材料，制备正极集流体2-隔膜1-负极集流体3的一体化结构；或仅在隔膜的一侧涂覆/沉积第一导电材料或第二导电材料作为正极集流体2或负极集流体3，制备正极集流体2-隔膜1、负极集流体3-隔膜1的一体化结构。

7、优选的，所述沉积方式为磁控溅射。

8、第三方面，本发明还提供了基于上述集流体和隔膜的一体化结构的锂电池的制作方法，具体步骤为：

9、在上述负极集流体-隔膜的一体化结构的负极集流体一侧涂覆/放置负极材料，负极材料作为负极活性层，然后在一体化结构的另一侧即隔膜侧放置含正极活性层的铝金属箔，且使含正极活性层的铝金属箔的正极活性层贴合隔膜，注入电解液后封口组装成结构为正极集流体//正极活性层//隔膜-负极集流体//负极活性层的锂电池，由于负极集流体位置在负极与隔膜之间，从而实现了隔膜与负极之间的空间分离，集流体的微小孔径可允许锂离子的顺利穿过，但对锂枝晶6可起到抑制与物理阻挡的作用，显著提高锂电池的使用安全性；

10、在上述正极集流体-隔膜的一体化结构的正极集流体一侧涂覆锂电池正极材料，正极材料作为正极活性层，然后在一体化结构的另一侧即隔膜侧放置含负极活性层的铜金属箔，且使含负极活性层的铜金属箔的负极活性层贴合隔膜，注入电解液后封口组装成结构为正极活性层//正极集流体-隔膜//负极活性层//负极集流体的锂电池；进一步地，若正极材料为硫，由于隔膜表面涂覆/沉积的导电材料形成了连续的薄膜，有利于抑制多硫化物的穿梭，从而提高锂硫电池的循环性能。

11、如图1所示，在上述正极集流体-隔膜-负极集流体的一体化结构的正极极集流体和负极集流体表面分别涂覆/放置锂电池正极材料和负极材料，其正极材料和负极材料分别作为正极活性层5和负极活性层4，注入电解液后封口组装成结构为正极活性层//正极集流体-隔膜-负极集流体//负极活性层的锂电池；上述正极集流体-隔膜-负极集流体的一体化结构用于锂电池，在充放电过程中，锂离子可同时穿过隔膜和由所述导电材料形成的集流体，在正极和负极之间循环，且负极集流体对锂枝晶的形核与生长起到了抑制与阻挡功能，可保证锂电池以更加安全稳定的方式进行工作；若正极材料为硫，还能够实现锂枝晶和多硫化物的双重抑制效果；

12、其中，所述负极活性层是由负极材料构成，所述负极材料选自锂金属箔、锂合金箔、石墨、硬炭和软炭碳材料、钛酸锂、硅基和锡基材料中的任意一种。

13、其中，所述正极活性层是由正极材料构成，所述正极材料选自磷酸铁锂、三元锂（镍钴锰酸锂）、锰酸锂、钴酸锂、硫正极中的任意一种。

14、有益效果：

15、本发明第一方面提供的集流体和隔膜的一体化结构，较传统金属箔集流体与隔膜的总重量与总厚度更轻、更薄，可显著提高锂电池的能量密度。并且，采用集流体和隔膜的一体化结构制备锂电池，可大幅简化制备工艺即电池组装流程更加简单，对提高电池组装效率并降低组装成本有较大改进。

16、除此之外，本发明制备的锂电池集流体-隔膜一体化结构还能提高电池的安全性以及循环稳定性，满足各种电子器件，如移动通讯、平板显示、电动汽车、便携式电子器件、医疗电子等对新型电池器件的要求，具备重要的产业化优势。

技术特征：

1.一种集流体和隔膜的一体化结构，其特征在于，所述集流体和隔膜的一体化结构是通过在隔膜两侧分别或仅在一侧涂覆/沉积一层导电材料形成集流体，以同时用作锂电池的导电集流体与隔膜；所述集流体-隔膜一体化结构为负极集流体-隔膜、正极集流体-隔膜、正极集流体-隔膜-负极集流体中的任意一种；

2.权利要求1所述集流体和隔膜的一体化结构的制作方法，其特征在于，具体步骤为：在隔膜的两侧分别涂覆/沉积第一导电材料和第二导电材料，制备正极集流体-隔膜-负极集流体的一体化结构；或仅在隔膜的一侧涂覆/沉积第一导电材料或第二导电材料作为正极集流体或负极集流体，制备正极集流体-隔膜、负极集流体-隔膜的一体化结构。

3.如权利要求2所述的制作方法，其特征在于，所述沉积方式为磁控溅射。

4.一种锂电池，其特征在于，所述锂电池包括权利要求1所述集流体和隔膜的一体化结构，所述锂电池为正极集流体//正极活性层//隔膜-负极集流体//负极活性层的锂电池、正极活性层//正极集流体-隔膜//负极活性层//负极集流体的锂电池或正极活性层//正极集流体-隔膜-负极集流体//负极活性层的锂电池中的任意一种；负极活性层是由负极材料构成，正极活性层是由正极材料构成。

5.如权利要求4所述锂电池，其特征在于，所述负极材料选自锂金属箔、锂合金箔、石墨、硬炭和软炭碳材料、钛酸锂、硅基和锡基材料中的任意一种。

6.如权利要求4所述锂电池，其特征在于，所述正极材料选自磷酸铁锂、镍钴锰酸锂、锰酸锂、钴酸锂、硫正极中的任意一种。

7.权利要求4所述锂电池的制作方法，其特征在于，具体步骤为：在所述负极集流体-隔膜的一体化结构的负极集流体一侧涂覆/放置负极材料，负极材料作为负极活性层，然后在一体化结构的另一侧即隔膜侧放置含正极活性层的铝金属箔，且使含正极活性层的铝金属箔的正极活性层贴合隔膜，注入电解液后封口组装成锂电池。

8.权利要求4所述锂电池的制作方法，其特征在于，具体步骤为：在正极集流体-隔膜的一体化结构的正极集流体一侧涂覆锂电池正极材料，正极材料作为正极活性层，然后在一体化结构的另一侧即隔膜侧放置含负极活性层的铜金属箔，且使含负极活性层的铜金属箔的负极活性层贴合隔膜，注入电解液后封口组装成锂电池。

9.权利要求4所述锂电池的制作方法，其特征在于，具体步骤为：在正极集流体-隔膜-负极集流体的一体化结构的正极极集流体和负极集流体表面分别涂覆/放置锂电池正极材料和负极材料，正极材料和负极材料分别作为正极活性层和负极活性层，注入电解液后封口组装成锂电池。

技术总结本发明属于锂电池能量存储领域，公开一种锂电池集流体和隔膜的一体化结构及其制作方法。所述一种集流体和隔膜的一体化结构是通过在隔膜两侧分别或仅在一侧涂覆/沉积一层导电材料形成集流体，以同时用作锂电池的导电集流体与隔膜；所述集流体‑隔膜一体化结构为负极集流体‑隔膜、正极集流体‑隔膜、正极集流体‑隔膜‑负极集流体中的任意一种。本发明提供的集流体‑隔膜一体化结构简化了电池制备工艺且提高电池能量密度；作为负极集流体‑隔膜，对锂枝晶可起到抑制与物理阻挡的作用；作为正极集流体‑隔膜，可用于抑制硫正极的多硫化物穿梭效应；作为正极集流体‑隔膜‑负极集流体，提高锂电池使用安全性、能量密度以及循环稳定性。技术研发人员：李东东,赖文勇受保护的技术使用者：南京邮电大学技术研发日：技术公布日：2024/9/26