改性集流体及其制备方法、锂离子电池与流程

本发明涉及集流体，具体而言，涉及一种改性集流体及其制备方法、锂离子电池。

背景技术：

1、随着锂离子电池技术的快速发展，如今对锂离子电池的功率性能、倍率性能和循环寿命等提出了更高的要求。磷酸盐体系功率型电池由于材料结构本身的电导率和电子导电性较低，通常采用碳包覆方式进行优化改性，然而锂离子电池集流体和活性材料的接触情况也是影响充放电性能的重要因素，因此，对集流体的改性也成为提高锂离子电池性能的有效方法。常用的改性手段是利用功能涂层对其进行表面处理，例如，将分散好的纳米导电石墨和炭黑颗粒均匀的涂覆在铝箔或铜箔上制备涂炭箔材，从而降低电池内阻和减小极化，进而提高锂离子电池的倍率性能和循环寿命。但是较低孔隙率的功能涂层阻碍了li+在电极中的扩散速率，从而降低了锂离子电池的倍率性能和循环寿命。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种改性集流体及其制备方法、锂离子电池，以解决现有技术中孔隙率较低的功能涂层阻碍li+在电极中扩散导致锂离子电池的倍率性能和循环寿命较差的问题。

2、为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种改性集流体，该改性集流体包括依次层叠设置的第一功能改性涂层、第一纳米碳涂层、集流体、第二纳米碳涂层以及第二功能改性涂层；第一纳米碳涂层和第二纳米碳涂层各自独立地包括纳米碳涂层材料；第一功能改性涂层和第二功能改性涂层各自独立地包括纳米碳涂层材料和功能化改性材料。

3、进一步地，改性集流体的弯曲因子比为其中，为第一纳米碳涂层或第二纳米碳涂层的弯曲因子，为第一功能改性涂层或第二功能改性涂层的弯曲因子；改性集流体的弯曲因子比为5～90％，优选为10～80％；和/或，改性集流体的电子电导率比为其中，δc为第一纳米碳涂层或第二纳米碳涂层的电子电导率，δf为第一功能改性涂层或第二功能改性涂层的电子电导率；改性集流体的电子电导率比为2～85％，优选为5～80％。

4、进一步地，第一功能改性涂层中功能化改性材料的质量含量为0.05～50％；和/或，第二功能改性涂层中功能化改性材料的质量含量为0.05～50％；和/或，纳米碳涂层材料选自导电石墨、炭黑、石墨烯、碳纳米管和vgcf中的任意一种或多种；和/或，功能化改性材料选自过渡金属氧化物纳米线、过渡金属氧化物纳米纤维、导电聚合物纳米线、导电聚合物纳米纤维、mxene和mofs中的任意一种或多种。

5、进一步地，过渡金属氧化物纳米线和过渡金属氧化物纳米纤维各自独立地选自ruo2、mno2、v2o5、nio2及其相应衍生物中的任意一种或多种；和/或，导电聚合物纳米线和导电聚合物纳米纤维各自独立地选自聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩及其相应衍生物中的任意一种或多种；和/或，mxene选自化学通式为mn+1xntx的过渡金属碳化物衍生的二维层状材料、化学通式为mn+1xntx的过渡金属氮化物衍生的二维层状材料、化学通式为mn+1xntx的过渡金属碳氮化物衍生的二维层状材料中的任意一种或多种，其中，m为过渡金属元素，m选自ti、v、cr、zr和nb中的任意一种或多种；x为碳元素和/或氮元素，tx为表面基团，表面基团选自羟基、氟基、羰基中的任意一种或多种，1≤n≤4；和/或，mofs为金属和有机配体组成的多孔材料，金属为金属离子和/或金属团簇，mofs选自网状金属-有机骨架材料、类沸石咪唑酯骨架材料、来瓦希尔骨架材料和孔-通道式骨架材料中的任意一种或多种。

6、进一步地，第一纳米碳涂层和第二纳米碳涂层的厚度各自独立地为0.5～80μm；和/或，第一纳米碳涂层和第二纳米碳涂层的宽度各自独立地为50～1000mm；和/或，第一功能改性涂层和第二功能改性涂层的厚度各自独立地为0.5～80μm；和/或，第一功能改性涂层和第二功能改性涂层的宽度各自独立地为50～1000mm；和/或，第一功能改性涂层、第一纳米碳涂层和集流体的厚度比为10～60：10～60：10～15；和/或，第二功能改性涂层、第二纳米碳涂层和集流体的厚度比为10～60：10～60：10～15；和/或，集流体的厚度为6～16μm；集流体为铜箔或铝箔；和/或，铝箔的厚度为12～16μm；和/或，铜箔的厚度为6～12μm；和/或，改性集流体的孔隙率为20～80％，优选为40～80％。

7、根据本发明的另一个方面，提供了一种上述改性集流体的制备方法，该制备方法包括：步骤s1，将包括纳米碳涂层材料、第一分散剂、第一有机溶剂和第一粘接剂的原料进行第一混合，得到纳米碳涂层浆料；步骤s2，将包括纳米碳涂层材料、功能化改性材料、第二分散剂、第二有机溶剂和第二粘接剂的原料进行第二混合，得到功能改性涂层浆料；步骤s3，在集流体的两个相对的表面分别涂覆纳米碳涂层浆料，形成第一纳米碳涂层和第二纳米碳涂层；步骤s4，在第一纳米碳涂层和第二纳米碳涂层远离集流体的表面分别涂覆功能改性涂层浆料，形成第一功能改性涂层和第二功能改性涂层，即得到改性集流体。

8、进一步地，上述步骤s1还包括：步骤s11，将纳米碳涂层材料、第一分散剂和第一有机溶剂进行第一分散，得到第一导电浆料；步骤s12，将第一导电浆料和第一粘接剂进行第一混合，得到纳米碳涂层浆料；其中，纳米碳涂层材料、第一分散剂和第一有机溶剂的质量比为1：0.01～0.5：2～50；和/或，纳米碳涂层浆料的黏度为800～10000mpa·s，优选为850～9000mpa·s；和/或，第一分散的转速为20～10000rpm，和/或，第一分散的时间为0.5～1.5h，和/或，第一混合的时间为0.5～24h；和/或，第一分散剂选自阴离子型分散剂、阳离子型分散剂、非离子型分散剂和电中性型分散剂中的任意一种或多种；和/或，第一有机溶剂选自n-甲基吡咯烷酮、γ-丁内酯、二甲基甲酰胺中的任意一种或多种；和/或，第一粘接剂选自聚偏氟乙烯、丁苯橡胶、羧甲基纤维素、聚丙烯酸、聚丙烯腈中的任意一种或多种。

9、进一步地，上述步骤s2还包括：步骤s21，将纳米碳涂层材料、功能化改性材料、第二分散剂和第二有机溶剂进行第二分散，得到第二导电浆料；步骤s22，将第二导电浆料和第二粘接剂进行第二混合，得到功能改性涂层浆料；其中，纳米碳涂层材料、功能化改性材料、第二分散剂和第二有机溶剂的质量比为1：0.01～0.95：0.01～0.5：2～50；和/或，功能改性涂层浆料的黏度为1200～10000mpa·s，优选为1500～9500mpa·s；和/或，第二分散的转速为50～8000rpm，和/或，第二分散的时间为0.5～1.5h，和/或，第二混合的时间为0.5～24h；和/或，第二分散剂选自阴离子型分散剂、阳离子型分散剂、非离子型分散剂和电中性型分散剂中的任意一种或多种；和/或，第二有机溶剂选自n-甲基吡咯烷酮、γ-丁内酯、二甲基甲酰胺中的任意一种或多种；和/或，第二粘接剂选自聚偏氟乙烯、丁苯橡胶、羧甲基纤维素、聚丙烯酸、聚丙烯腈中的任意一种或多种。

10、进一步地，上述步骤s3还包括，在涂覆前对集流体进行清洗处理，清洗处理所用清洗剂为酸溶液，酸溶液选自0.5～50wt％的醋酸溶液、0.5～37wt％的盐酸溶液和0.5～45wt％的磷酸溶液中的任意一种或多种；和/或，酸溶液的ph值为1～6。

11、根据本发明的又一个方面，提供了一种锂离子电池，包括正极极片、负极极片、隔膜和电解液，正极极片和/或负极极片包括上述的改性集流体。

12、应用本发明的技术方案，采用本技术的以上层叠结构的改性集流体，一方面，第一纳米碳涂层和第二纳米碳涂层能够增强活性材料与集流体间的导电网络；另一方面，第一功能改性涂层和第二功能改性涂层中的纳米碳涂层材料和功能化改性材料进行复合，能够增大其孔隙率，从而能够进一步提高li+在电极中扩散速率，从而增加li+离子的传输能力，且从第一纳米碳涂层至第一功能改性涂层(或从第二纳米碳涂层至第二功能改性涂层)之间形成的电子扩散通道呈递增的梯度设计，从而改善界面接触阻抗、提高粘结强度，进而缓解长循环过程中界面应力导致的性能衰减。通过以上两方面的协同作用，既能够增强活性材料与集流体间导电网络，又能够同时增加离子传输能力，从而能够降低极化内阻并抑制锂离子电池在充放电循环过程中dcr的增长，进而提高锂离子电池的倍率性能和循环寿命。此外，具有以上结构的改性集流体具有丰富的孔隙率，从而有助于提高其在电解液中的浸润性。