一种集流体及其制备方法和电池与流程

本发明属于锂离子电池，涉及一种集流体及其制备方法和电池。

背景技术：

1、锂离子电池（lib）由于使用寿命长、能效高等优点，已成为便携式电子设备、便携式设备电源和能量存储的主导技术。十年来，各领域的快速发展对lib提出了更高的要求，特别是更高的能量密度和更好的安全性。在传统的lib结构中，铜箔（ρ=8.96g/cm3）或铝箔等纯金属集流体通常分别用于支撑负极和正极的活性材料。然而，它们的质量总和约占lib总重量的15%以上，却对容量没有任何贡献，这大大阻碍了lib的整体能量密度的提高。由于裸铜表面不均匀，形成的sei膜不稳定，锂离子通量通常会集中在裸铜尖端，这就导致了局部电流密度过大，锂金属的成核和生长不均匀并促使枝晶生长。因此从锂金属成核阶段诱导锂的均匀沉积是非常有必要的。针对解决集流体过重和锂枝晶问题，科研工作者对此展开了大量的研究。

2、(1)构建三维导电骨架作为金属锂的宿主材料，可显著改善金属锂循环过程中的体积膨胀问题，同时导电骨架能减少“死锂”的产生进而提升金属锂的利用率。如si-yuanli等人[advanced functionalmaterials 2019:1808847.]在碳纤维上修饰了一层co3o4纳米线作为锂金属负极集流体，碳纤维三维骨架结构大的空间体积可以缓冲循环过程中的体积膨胀问题，co3o4锂之间的转化反应赋予了该复合集流体优异的亲锂性。然而上述文献中的三维导电骨架牺牲了材料结构强度，从而导致了集流体的结构强度变差。

3、(2)使用更薄金属集流体，如cn114164464a公开一种4-8um超薄锂电铜箔生产阴极辊及阴极辊pva工艺，包括o型圈和端板，所述o型圈和端板设置于所述阴极辊端部，所述o型圈为橡胶材质，所述端板为pvc板材。本发明通过阴极辊的特殊结构和pva方式，实现阴极辊表面粗糙度0.15-0.18um，使铜箔结晶更加细小，物理性能更加优异，同时减少了超薄锂电铜箔在生产中的撕边褶皱现象，提高了铜箔的生产效率。与此同时，铜箔的减薄也是需要充分考虑机械性能的影响，尤其是机械韧性，因为铜箔作为负极的集流体需要良好的机械韧性来缓解活性材料充放电过程中体积变化产生的应力，但是随着箔材的减薄带来的生产良率和薄箔材的机械强度问题也是超薄金属集流体的限制因素。

4、(3)通过构建亲锂涂层或者纳米阵列等促进锂离子均匀沉积，如cn115911400a公开了一种负极集流体、电芯、电池包、车辆和负极集流体的加工方法，属于电池制造技术领域。所述负极集流体包括：铜箔，所述铜箔具有三维交联的多孔结构；亲锂层，所述亲锂层覆盖在所述铜箔的至少一个表面的至少部分区域；石墨层，所述石墨层覆盖所述亲锂层，且覆盖所述铜箔的表面。但是在循环过程中亲锂涂层或亲锂纳米阵列容易脱落，进而造成循环性能的下降。

5、因此，如何实现集流体的有效减重，避免锂不均匀沉积现象，并且提升电池的电化学性能，是目前急需解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种集流体及其制备方法和电池。本发明提供的集流体，通过了结构和材料的协同配合，达到了减重的目的，提升了集流体的能量密度，还实现了锂的均匀沉积，避免了锂枝晶的产生；同时还起到了降低热失控的发生概率的作用，提升了电池的电化学性能。

2、为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种集流体，所述集流体包括：

4、聚合物层；

5、金属层，所述金属层位于所述聚合物层的两侧表面；

6、通孔结构，所述通孔结构沿所述集流体的厚度方向贯穿所述聚合物层和所述金属层；

7、所述通孔结构的孔洞填充有第一亲锂性聚合物材料。

8、本发明通过金属层和聚合物层结构的配合，使得集流体具有优异的机械柔韧性，不容易发生断裂，即使断裂，也无法达到刺穿隔膜的标准，避免了电池短路现象的发生，降低了热失控发生概率；同时特定的聚合物和金属层的结构配合，其密度远远低于纯金属层的密度，显著提升了电池的能量密度；而其中的通孔结构与第一亲锂性聚合物材料协同配合，既起到促进锂离子均匀沉积的作用，又进一步地降低了集流体的重量，同时还弥补了开孔造成的导电性；通过特定结构和材料的协同作用，保证了集流体的导电性的良好发挥，又提升了电池的能量密度和热稳定性，促进了锂离子均匀沉积，从而提升了电池的首效和循环性能。

9、以下作为本发明优选的技术方案，但不作为对本发明提供的技术方案的限制，通过以下优选的技术方案，可以更好的达到和实现本发明的技术目的和有益效果。

10、优选地，所述聚合物层中的聚合物材料包括聚酰亚胺、聚偏氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氧化乙烯或聚乙烯醇中的任意一种或至少两种的组合。

11、优选地，所述聚合物层中的聚合物的重均分子量为5000~50000，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、优选地，所述聚合物层的厚度t1与所述金属层的厚度t2满足：2μm≤t1+t2≤6μm。

13、优选地，所述聚合物层的厚度t1与所述金属层的厚度t2满足：1/6≤t1/t1+t2≤1/2。

14、优选地，所述聚合物层的厚度t1为1~3μm。

15、优选地，所述金属层的厚度t2满足：t2为1~3μm。

16、优选地，所述通孔结构的孔径大小为5~20μm。

17、优选地，以垂直于所述集流体的厚度方向为水平方向，相邻的所述通孔在同一水平方向上的孔洞中心距为500~5000μm。

18、优选地，所述第一亲锂性聚合物材料包括聚多巴胺、聚氧化乙烯、聚乙烯醇或聚丙烯酰胺中的任意一种或至少两种的组合。

19、优选地，所述第一亲锂性聚合物材料于所述孔洞表面接枝有第二亲锂性聚合物材料；所述第二亲锂性聚合物材料包括聚多巴胺、聚氧化乙烯、聚乙烯醇或聚丙烯酰胺中的任意一种或至少两种的组合。

20、第二方面，本发明提供一种如第一方面所述的集流体的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

21、于聚合物层的两侧表面复合金属层，得到复合结构；

22、沿所述复合结构的厚度方向，造孔处理，得到贯穿所述聚合物层和所述金属层的通孔结构；

23、于所述通孔结构的孔洞中填充第一亲锂性聚合物材料，得到所述集流体。

24、优选地，所述复合金属层的方法包括真空蒸镀法。

25、优选地，所述第一亲锂性聚合物材料通过原位聚合的方法填充于所述通孔结构的孔洞中。

26、优选地，所述第一亲锂性聚合物材料于所述孔洞表面接枝有第二亲锂性聚合物材料，所述接枝的方法包括原位接枝。

27、优选地，所述原位接枝的方法包括：

28、以所述第一亲锂性聚合物材料为光引发剂，通过光照将所述第二亲锂性聚合物材料的单体与所述第一亲锂性聚合物材料进行接枝反应，使得所述第一亲锂性聚合物材料于所述孔洞表面接枝有第二亲锂性聚合物材料。

29、第三方面，本发明还提供一种电池，所述电池包括如第一方面所述的集流体或如第二方面所述的制备方法制备得到的集流体。

30、相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

31、本发明提供的集流体中，两个金属层中间复合聚合物的结构，使得集流体具有优异的机械柔韧性，不容易发生断裂，即使断裂，也无法达到刺穿隔膜的标准，避免了电池短路现象的发生，降低了热失控发生概率；同时特定的聚合物和金属层的结构配合，可有效地实现金属层的厚度减薄，使得特定的复合层结构的密度远远低于纯金属层的密度，显著提升了电池的能量密度；而第一亲锂性聚合物材料与集流体中的聚合物通过氢键和范德华力相互作用，从而牢牢固定于集流体的通孔结构中，一方面起到了促进锂离子均匀沉积的作用，另一方面填孔于通孔结构中，还弥补了开孔造成的导电性；而通孔结构保证了集流体正反两面导电性的连通，还进一步地降低了集流体的重量；即本发明通过特定结构和材料的协同作用，保证了集流体的导电性的良好发挥，又提升了电池的能量密度和热稳定性，促进了锂离子均匀沉积，从而提升了电池的首效和循环性能。