申请/专利权人：宁德时代新能源科技股份有限公司

申请日：2017-12-25

公开（公告）日：2021-09-21

公开（公告）号：CN109962244B

主分类号：H01M4/76(20060101)

分类号：H01M4/76(20060101);H01M4/133(20100101);H01M10/0525(20100101);H01M10/0587(20100101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2021.09.21#授权;2019.07.26#实质审查的生效;2019.07.02#公开

摘要：本发明提供一种集流体、电芯、电池，所述集流体表面上设置有未贯通的刻痕凹槽形成的刻蚀图案，所述刻蚀图案由多个连续或不连续的闭合曲线围成的图形组成，闭合曲线为直线形成的闭合曲线、曲线形成的闭合曲线、或直线和曲线组合形成的闭合曲线。本发明的集流体能有效改善电池受到硬物穿刺时的安全性，同时不会影响电池的正常使用。

主权项：1.一种集流体，其特征在于，所述集流体表面上设置有未贯通的刻痕凹槽形成的刻蚀图案，所述刻蚀图案由多个连续或不连续的闭合曲线围成的图形组成，闭合曲线为直线形成的闭合曲线、曲线形成的闭合曲线、或直线和曲线组合形成的闭合曲线；所述闭合曲线围成的图形包括正方形外接圆。

全文数据：集流体、电芯、电池技术领域本发明涉及电池领域，尤其涉及一种集流体、电芯、电池。背景技术在电动汽车逐渐普及的进程中，电池的能量密度成为未来开发热点。提升能量密度可以极大地提升电池的使用寿命，增加电动汽车的续航里程，但同时电池的安全性会降低，电动汽车的安全风险也会增加。尤其是电池在受到硬物等刺穿时，电动汽车存在极大的安全隐患，因此需要有效的手段提升电池的安全性。隔离膜表面陶瓷涂层的广泛使用一定程度提升了电池的安全性，降低了使用过程中由于滥用导致的阴阳极短路的风险，但缺陷在于电池的成本有很大程度的提高，且隔离膜表面陶瓷涂层的存在也会一定程度恶化电池的电化学性能。此外，陶瓷涂层对电池安全性的改善效果也有限，尤其是电池在受到硬物穿刺时的安全性仍旧没有得到有效解决。发明内容鉴于背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种集流体、电芯、电池，其能有效改善电池受到硬物穿刺时的安全性，同时不会影响电池的正常使用。为了达到上述目的，在本发明的一方面，本发明提供了一种集流体，所述集流体表面上设置有未贯通的刻痕凹槽形成的刻蚀图案，所述刻蚀图案由多个连续或不连续的闭合曲线围成的图形组成，闭合曲线为直线形成的闭合曲线、曲线形成的闭合曲线、或直线和曲线组合形成的闭合曲线。在本发明的另一方面，本发明提供了一种电芯，其包括阴极极片、阳极极片以及隔离膜。其中，所述阴极极片使用根据本发明一方面所述的集流体；或所述阳极极片使用根据本发明一方面所述的集流体；或所述阴极极片使用根据本发明一方面所述的集流体且所述阳极极片也使用根据本发明一方面所述的集流体。在本发明的又一方面，本发明提供了一种电池，其包括阴极极片、阳极极片、隔离膜、电解液以及包装壳。其中，所述阴极极片使用根据本发明一方面所述的集流体；或所述阳极极片使用根据本发明一方面所述的集流体；或所述阴极极片使用根据本发明一方面所述的集流体且所述阳极极片也使用根据本发明一方面所述的集流体。相对于现有技术，本发明至少包括如下所述的有益效果：在本发明的集流体中，对集流体预先进行刻蚀，在集流体表面上形成由多个连续或不连续的闭合曲线围成的图形组成的刻蚀图案，刻蚀处理后的集流体表面可以正常涂覆活性物质浆料并通过冷压等工序制成极片，并不影响电池正常使用，不会影响电池的电化学性能。在本发明的集流体中，在电池受到穿钉等硬物刺穿时，在穿刺区域的部分集流体受力较其它区域的集流体大，由于刻蚀图案刻痕凹槽处的厚度较薄，这样在穿刺区域内的部分集流体很容易从集流体主体上脱落，集流体主体上的其它部分避免与对电极接触短路，仅脱落区域与对电极形成短路点，极大地缩小了阴阳极的短路面积，降低短路回路产热量，有效控制热积累，从而能极大地改善电池的安全性，尤其是改善电池受到硬物穿刺时的安全性。附图说明图1至图9为本发明的闭合曲线围成的图形的各种形状。图10为本发明实施例1激光刻蚀的集流体的示意图。图11为本发明实施例2激光刻蚀的集流体的示意图。图12为本发明实施例3激光刻蚀的集流体的示意图。具体实施方式下面详细说明根据本发明的集流体、电芯、电池。首先说明根据本发明第一方面的集流体，所述集流体表面上设置有未贯通的刻痕凹槽形成的刻蚀图案，所述刻蚀图案由多个连续或不连续的闭合曲线围成的图形组成。其中，闭合曲线为直线形成的闭合曲线、曲线形成的闭合曲线、或直线和曲线组合形成的闭合曲线。从目前穿钉测试的机理来看，提升电池安全性的关键点在于如何控制穿钉短路点的热积累，短路点的热积累源于阴阳极短路，阴阳极在穿钉瞬间的短路将导致热量的大量积累，导致热失效。在本发明第一方面的集流体中，对集流体预先进行刻蚀，在集流体表面上形成由多个连续或不连续的闭合曲线围成的图形组成的刻蚀图案，刻蚀处理后的集流体表面可以正常涂覆活性物质浆料并通过冷压等工序制成极片，并不影响电池正常使用，不会影响电池的电化学性能；同时在电池受到穿钉等硬物刺穿时，在穿刺区域的部分集流体受力较其它区域的集流体大，由于刻蚀图案刻痕凹槽处的厚度较薄，这样在穿刺区域内的部分集流体很容易从集流体主体上脱落，即一个或若干个闭合曲线围成的图形直接从集流体主体上脱落，集流体主体上的其它部分避免与对电极接触短路，仅脱落区域与对电极形成短路点，极大地缩小了阴阳极的短路面积，降低短路回路产热量，有效控制热积累，从而能极大地改善电池的安全性，尤其是改善电池受到硬物穿刺时的安全性。在本发明第一方面的集流体中，刻蚀的方法不受限制，优选地，所述刻蚀图案可通过激光刻蚀形成。优选地，激光走速为30mms～500mms，激光频率为20Hz～500Hz，激光占空比为5％～95％。在本发明第一方面的集流体中，所述闭合曲线围成的图形包括规则或不规则图形。优选地，所述闭合曲线围成的图形可选自圆形图1、椭圆形图2、多边形图3至图6、多边形外接圆图7、图8、多边形内切圆图9、扇形中的一种或几种。优选地，多边形的边数可为3～40，多边形的各边长可相等或不相等，优选为相等即正多边形。从便于实际操作的角度考虑，优选地，所述闭合曲线围成的图形可为圆形、正三角形、正方形。在本发明第一方面的集流体中，所述闭合曲线中直线线段的线长为0.5mm～5mm，所述闭合曲线中曲线线段的曲率半径为0.25mm～2.5mm。对应地，当闭合曲线围成的图形为圆形时，圆形的直径为0.5mm～5mm；当闭合曲线围成的图形为椭圆形时，椭圆形的长轴和短轴均在0.5mm～5mm之间，且短轴长度小于长轴长度；当闭合曲线围成的图形为多边形时，多边形的各边长为0.5mm～5mm；当闭合曲线围成的图形为多边形外接圆、多边形内切圆时，圆形的直径可为0.5mm～5mm，多边形的边长可为0.5mm～5mm；当闭合曲线围成的图形为扇形时，扇形的半径为0.25mm～2.5mm。在本发明第一方面的集流体中，每个闭合曲线围成的图形的面积为1mm2～15mm2。在本发明第一方面的集流体中，优选地，所述刻痕凹槽的深度为所述集流体的厚度的14～23，优选为12～23。在本发明第一方面的集流体中，优选地，所述集流体的厚度可为5μm～20μm。在本发明第一方面的集流体中，优选地，所述刻痕凹槽的宽度为所述刻痕凹槽的深度的0.5～5。在本发明第一方面的集流体中，优选地，当所述刻蚀图案由多个不连续的闭合曲线围成的图形组成时，相邻两个闭合曲线围成的图形之间的间距为0.5mm～3mm。在本发明第一方面的集流体中，优选地，所述集流体为铝箔或铜箔。其次说明根据本发明第二方面的电芯，其包括阴极极片、阳极极片以及隔离膜。其中，所述阴极极片使用根据本发明第一方面所述的集流体；或所述阳极极片使用根据本发明第一方面所述的集流体；或所述阴极极片使用根据本发明第一方面所述的集流体且所述阳极极片也使用根据本发明第一方面所述的集流体。隔离膜用于间隔阴极极片和阳极极片，隔离膜的材质可选自聚乙烯、聚丙烯、无纺布、聚纤维材质中一种或几种材质制成的薄膜。再次说明根据本发明第三方面的电池，其包括阴极极片、阳极极片、隔离膜、电解液以及包装壳。其中，所述阴极极片使用根据本发明第一方面所述的集流体；或所述阳极极片使用根据本发明第一方面所述的集流体；或所述阴极极片使用根据本发明第一方面所述的集流体且所述阳极极片也使用根据本发明第一方面所述的集流体。根据本发明第三方面的电池的类型不受限制，可为锂离子电池、锂金属电池、钠离子电池、锌离子电池、镁离子电池等。以锂离子电池为例：阴极极片包括阴极集流体以及设置在阴极集流体的表面且含有阴极活性物质的阴极膜片，其中，阴极活性物质可选自化学式为LiaM1-xM’xO2的层状锂过渡金属氧化物、化学式为LiFeyMn1-y-zM”zPO4的磷酸铁锂类材料中的一种或几种的混合物，其中，0.9≤a≤1.1，0≤x≤0.1，M选自Co、Mn、Ni中的一种或几种，M’选自Al、Mg、B、Zr、Si、Ti、Cr、Fe、V、Cu、Ca、Zn、Nb、Mo、Sr、Sb、W、Bi中的一种或几种，0y≤1，0≤z1，M”选自Cr、Mg、Ti、Al、Zn、W、Nb、Zr中一种或几种。阳极极片包括阳极集流体以及设置在阳极集流体的表面且含有阳极活性物质的阳极膜片，其中，阳极活性物质可选自能接受、脱出锂离子的材料，例如软碳、硬碳、人造石墨、天然石墨、硅、硅氧化合物、硅碳复合物、钛酸锂、能与锂形成合金的金属中的一种或几种。电解液包括有机溶剂以及锂盐，有机溶剂和锂盐的具体种类并不受到具体的限制，可根据实际需求进行选择。优选地，有机溶剂选自电子绝缘、离子传导的碳酸酯溶剂、羧酸酯溶剂，例如有机溶剂选自碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、甲酸乙酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯中的一种或几种。优选地，锂盐可选自LiPF6、LiBF4、LiBOB、LiAsF6、LiCF3SO22N、LiCF3SO3、LiClO4中一种或几种。下面结合实施例，进一步阐述本申请。应理解，这些实施例仅用于说明本申请而不用于限制本申请的范围。实施例11集流体的制备参照图10，将厚度为13μm的铝箔预先使用激光进行刻蚀，激光走速控制为100mms，激光频率控制为300Hz，激光占空比控制为65％，激光刻蚀图案由多个连续或不连续的圆形组成，圆形直径为3mm，刻痕凹槽的深度为6μm，刻痕凹槽的宽度为10μm，处理过程注意控制粉尘，激光刻蚀结束后，对集流体进行表面清理，除去表面的金属粉屑，之后可进行活性物质浆料的涂覆。2阴极极片的制备将阴极活性物质LiNi13Co13Mn13O2、导电剂Super-P、粘结剂聚偏二氟乙烯按重量比94:3:3在N-甲基吡咯烷酮溶剂体系中充分搅拌混合60min～150min，搅拌线速度控制为4mmin～10mmin。混合均匀后，将阴极活性物质浆料涂覆于上述激光刻蚀处理后的铝箔集流体表面，经过烘干、冷压、分条、裁切，得到阴极极片。3阳极极片的制备将阳极活性物质人造石墨、导电剂Super-P、粘结剂丁苯橡胶、增稠剂羧甲基纤维素钠按照重量比96:1:2:1在去离子水溶剂体系中充分搅拌混合均匀后，涂覆于厚度为8μm的铜箔集流体表面上，经过烘干、冷压、分条、裁切，得到阳极极片。4隔离膜的制备以PEPPPE三层多孔聚合薄膜作为隔离膜。5电池的制备将阴极极片、隔离膜、阳极极片按先后顺序进行卷绕，卷绕控制隔离膜处于阴阳极极片中间以起到隔离的作用，卷绕控制阴阳极极片之间以及与隔离膜间的错位，卷绕后得到电芯。将合格的电芯通过极耳焊接在顶盖上，完成入壳、烘烤，之后经过注液、化成等工序后得到电池。实施例2依照实施例1的方法制备电池，区别在于：1集流体的制备参照图11，将厚度为13μm的铝箔预先使用激光进行刻蚀，激光走速控制为100mms，激光频率控制为300Hz，激光占空比控制为65％，激光刻蚀图案由多个连续的正方形组成，正方形的边长为3mm，刻痕凹槽的深度为6μm，刻痕凹槽的宽度为10μm，处理过程注意控制粉尘，激光刻蚀结束后，对集流体进行表面清理，除去表面的金属粉屑，之后可进行活性物质浆料的涂覆。实施例3依照实施例1的方法制备电池，区别在于：1集流体的制备参照图12，将厚度为13μm的铝箔预先使用激光进行刻蚀，激光走速控制为100mms，激光频率控制为300Hz，激光占空比控制为65％，激光刻蚀图案由多个连续的正方形外接圆组成，圆形直径为3mm，正方形的边长为2.121mm，刻痕凹槽的深度为6μm，刻痕凹槽的宽度为10μm，处理过程注意控制粉尘，激光刻蚀结束后，对集流体进行表面清理，除去表面的金属粉屑，之后可进行活性物质浆料的涂覆。对比例1依照实施例1的方法制备电池，区别在于：未对铝箔集流体进行激光刻蚀处理，直接将阴极活性物质浆料涂覆在铝箔集流体表面。接下来说明电池的测试，各实施例和对比例中分别取20支电池在同样的条件下进行测试。1电池的穿钉性能测试常温下，将电池以0.5C即2h内完全放掉理论容量的电流值恒流充电至4.2V，之后恒压充电至0.05C，再以0.5C恒流放电至3.0V；将电池搁置24h，以0.5C恒流充电至4.2V，之后恒压充电至0.05C，然后将100％SOC的电池进行穿钉测试。穿钉速度控制为80mms，穿钉方向为垂直于电池极片表面，穿钉直径为6mm。表1为实施例1-3与对比例1的穿钉性能测试结果，在表1中，失效等级HL5表示电池防爆阀处先出现较大的火星随后起火燃烧，失效等级HL4表示电池防爆阀处出现火星但未发生起火燃烧，失效等级HL3表示电池防爆阀处无明显火星，电池无漏液现象。表1实施例1-3与对比例1的穿钉性能测试结果在表1中可以看出，与对比例1相比，实施例1-3的电池的穿钉性能得到很大的提升。对比例1中未对铝箔集流体进行处理，电池在穿钉时基本很难通过，均发生了起火燃烧，失效等级均为HL5。实施例1在铝箔集流体表面通过激光刻蚀出多个连续或不连续的圆形，电池的穿钉性能得到改善，但是仍有部分电池在穿钉时出现火星，但均未发生起火燃烧。实施例2在铝箔集流体表面通过激光刻蚀出多个连续的正方形，电池的穿钉性能得到改善，但是改善程度较低。实施例3在铝箔集流体表面通过激光刻蚀出多个连续的正方形外接圆，电池的穿钉性能较好，基本上可以全部通过，失效等级均为HL3，无明显火星出现，电池表面的最高温度不超过90℃，对电池的穿钉性能的改善效果最为明显。2电池的电化学性能测试克容量测试：卷绕后得到电芯后，将电芯入壳、烘烤，之后注液，以0.2C恒流充电到3.85V，然后以0.5C恒流充电至4.2V，之后恒压充电至0.05C，再以0.5C恒流放电至3.0V，记录放电过程的电池的容量，以此容量为分子，以阴极活性物质的质量为分母，计算得到电池的实际放电克容量。阻抗测试：将电池进行上述克容量测试后，以0.5C恒流充电至3.85V，之后恒压充电至0.05C，使用电阻测试仪测试电池的阻抗，设置频率在100Hz左右。表2实施例1-3与对比例1的电化学性能测试结果从表2中可以看出，与对比例1相比，实施例1-3的实际放电克容量和阻抗没有明显变化，说明在集流体表面上刻蚀出由多个连续或不连续的闭合曲线围成的图形组成的刻蚀图案并不会影响电池的电化学性能，不会影响电池的正常使用。

权利要求：1.一种集流体，其特征在于，所述集流体表面上设置有未贯通的刻痕凹槽形成的刻蚀图案，所述刻蚀图案由多个连续或不连续的闭合曲线围成的图形组成，闭合曲线为直线形成的闭合曲线、曲线形成的闭合曲线、或直线和曲线组合形成的闭合曲线。2.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述刻蚀图案通过激光刻蚀形成。3.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述闭合曲线围成的图形包括规则或不规则图形，优选地，所述闭合曲线围成的图形选自圆形、椭圆形、多边形、多边形外接圆、多边形内切圆、扇形中的一种或几种。4.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，每个闭合曲线围成的图形的面积为1mm2～15mm2。5.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述刻痕凹槽的深度为所述集流体的厚度的14～23，优选为12～23。6.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述集流体的厚度为5μm～20μm。7.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，所述刻痕凹槽的宽度为所述刻痕凹槽的深度的0.5～5。8.根据权利要求1所述的集流体，其特征在于，当所述刻蚀图案由多个不连续的闭合曲线围成的图形组成时，相邻两个闭合曲线围成的图形之间的间距为0.5mm～3mm。9.一种电芯，包括阴极极片、阳极极片以及隔离膜，其特征在于，所述阴极极片使用根据权利要求1-8中任一项所述的集流体；或所述阳极极片使用根据权利要求1-8中任一项所述的集流体；或所述阴极极片使用根据权利要求1-8中任一项所述的集流体且所述阳极极片使用根据权利要求1-8中任一项所述的集流体。10.一种电池，包括阴极极片、阳极极片、隔离膜、电解液以及包装壳，其特征在于，所述阴极极片使用根据权利要求1-8中任一项所述的集流体；或所述阳极极片使用根据权利要求1-8中任一项所述的集流体；或所述阴极极片使用根据权利要求1-8中任一项所述的集流体且所述阳极极片使用根据权利要求1-8中任一项所述的集流体。

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