一种三维集流体结构和一种电极的制作方法

1.本文涉及但不限于电化学电池技术领域，涉及但不限于一种三维集流体结构和一种电极，尤其涉及但不限于一种具有凹槽的三维集流体结构和一种电极。


背景技术：

2.传统的湿法电极制作过程中，一方面，匀浆会用到有毒的溶剂n-甲基吡咯烷酮(nmp)，nmp的回收设备昂贵且能耗巨大，还会有部分泄漏到环境中，对人体健康和环境造成危害；另一方面，无论采用何种溶剂，均需烘箱蒸发，不仅占用大量场地空间，而且能耗巨大。此外，由于湿法成型工艺使用了溶剂，与粘结剂形成粘结剂层，活性炭整个颗粒被粘结剂层包围，阻碍了活性炭颗粒之间以及与导电剂颗粒间的接触，电极导电性差，而且电极中残留的溶剂会与电解液发生副反应，导致性能下降，如容量降低、产生气体、寿命衰减等。而干法成型工艺过程中不使用溶剂，粘结剂是以纤维状态存在，电极密度大、导电性好、容量高。这种特性特别有利于高能量密度电极的高倍率性能。
3.但是上述干法电极的干法膜片仍存在易脱落的问题，主要有以下三种解决措施：(1)在集流体表面涂一层胶层；(2)采用三维多孔基集流体材料；(3)在干法制备原料中加入热塑性高分子添加剂，采用热辊压技术将干法膜片与集流体复合。在方法(1)中，集流体表面涂敷的胶层，不利于活性材料与集流体间的界面接触，阻碍电子传输，增大电芯内阻。方法(2)是将均匀的混合粉体推实到三维多孔基材的微孔隙内，然后，将嵌入了混合粉体的多孔材料置于热辊中辊轧，并控制厚度，即制成相应的极片。该方法虽然没有在集流体表面涂胶，但是该方法将混合粉体推实到三维多孔基材的微孔隙，存在漏粉和粉料在基材上分布不均匀问题，难以实现干法极片厚度均匀。方法(3)在制备原料中加入热塑性高分子添加剂，一方面会增加电极的重量，降低电池的能量密度；另一方面，热塑性高分子添加剂可能会不利于活性材料与导电碳及集流体的接触，阻碍电子传输，增加电池内阻。
4.干法技术制备电极片是一种新型锂电池制备工艺。maxwell的干法电极技术包括干粉末混合，从粉末到干法膜片成型，干法膜片到集流体压合这三个步骤。干法电极工艺过程简单、无溶剂化、电极更厚，是一种节省材料、时间、人工等生产成本的环境友好型绿色工艺。然而，干法膜片与集流体存在压合不紧密，干法膜片易脱落的问题。尤其，在圆柱形电池中，电极片需要经过卷绕，弯折出一定的弧度，集流体表面的干法膜片更易脱落，电极导电性变差，集流体与干法膜片间的阻抗增大，电芯的容量降低。目前的解决方案，如集流体表面涂胶、原料中加入热塑性高分子添加剂，未能很好根除脱落的风险，以至于存在电芯能量密度下降、电芯电阻增大的问题。


技术实现要素：

5.以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。
6.本技术设计了一种凹槽型的三维集流体，用以解决集流体表面干法膜片脱落的问
题。
7.本技术提供了一种三维集流体，所述集流体表面设置凹槽，从所述凹槽的口部向所述凹槽的内部方向，所述凹槽的至少部分的体积增长率增大或不变。
8.在本技术提供的一种实施方式中，相邻的所述凹槽的间距为0.5倍至100倍的所述凹槽的宽度，优选地，相邻的所述凹槽的间距为1倍至10倍的所述凹槽的宽度。
9.在本技术提供的一种实施方式中，全部所述凹槽的口部的面积占所述凹槽所在的集流体的面的面积的0.01％至50％。
10.在本技术提供的一种实施方式中，所述凹槽宽为0.2μm至20000μm，优选地，所述凹槽宽度为1μm至200μm。
11.在本技术提供的一种实施方式中，通过所述凹槽使得所述集流体的总表面积增大0.1％至100％。
12.在本技术提供的一种实施方式中，通过所述凹槽使得所述集流体的总表面积增大1％至10％。
13.在本技术提供的一种实施方式中，所述凹槽的深度占所述三维集流体总厚度的0.2％至50％。
14.在本技术提供的一种实施方式中，所述三维集流体的总厚度为4μm至100μm；在本技术提供的一种实施方式中，所述凹槽的深度为0.2μm至10μm。
15.又一方面，本技术提供了一种电极，所述电极为干法电极，所述电极包括上述的三维集流体以及干法膜片，所述干法膜片的表面设置有与所述集流体中的所述凹槽对应的凸起；
16.或者，所述电极为湿法电极，所述湿法电极包括上述的三维集流体以及覆于所述三维集流体凹槽内和所述三维集流体表面的电极材料粉末；
17.或者，所述电极为复合电极，所述复合电极包括上述的三维集流体。
18.在本技术提供的一种实施方式中，所述复合电极可以为铜锂复合带，锂和铜的结合部设置有所述凹槽和楔形结构，通过将铜带和锂带压制出凹槽和楔形结构使得铜锂复合带复合的更加紧密。
19.在本技术提供的一种实施方式中，所述电极为干法电极，所述三维集流体的凹槽包括与楔形结构契合的内部空间；所述干法膜片的表面包括所述楔形结构，所述集流体和所述干法膜片形成钩嵌结构。
20.在本技术提供的一种实施方式中，所述凹槽的横截面(可以是厚度方向上的横截面)的形状为平行四边形、梯形、不规则四边形、弧形和不规则五边形中的任意一种。
21.又一方面，本技术提供了一种电化学电池，所述电化学电池包括正极、负极以及位于所述正极和所述负极之间的隔膜和电解液，所述正极和/或所述负极包括上述的干法电极、湿法电极或复合电极。
22.又一方面，本技术提供了一种设备，所述设备包括设备壳体，以及位于所述设备壳体内部的电动机和/或电路板，所述设备壳体内部还包括电池，所述电池与所述电动机和/或电路板电连接用于为所述电动机和/或电路板供电，所述电池包括上述的电化学电池。
23.又一方面，本技术提供了上述的三维集流体的制备装置，所述装置包括凹槽压具、压力杆和滑块，
24.所述压力杆与所述滑块相接，所述滑块和所述凹槽压具相接，
25.所述凹槽压具被配置成在集流体表面压制出特定的凹槽；
26.所述滑块被配置成向凹槽压具传导垂直于所述集流体长度方向的力；
27.所述压力杆被配置成向所述滑块提供动力。
28.在本技术提供的一种实施方式中，所述装置还设置有支撑体，所述压力杆与所述支撑体接触。所述支撑体被配置成支撑所述压力杆沿着所述集流体的长度方向移动。所述压力杆被配置成提供的动力与所述集流体的长度方向相同。所述滑块被配置成将所述压力杆传导来的力转为垂直于所述集流体长度方向的力。
29.本技术相对于现有技术的有益效果为：
30.1)本技术提供了一种具有凹槽的三维集流体，可以通过热压钩嵌的物理方法，将干法膜片紧密嵌合到集流体表面，无需采用涂胶或者添加热塑性高分子添加剂的方式，实现干法膜片与集流体的紧密嵌合，不以牺牲能量密度和电极中电子传导的代价，是一种环境友好型的方法。
31.2)本技术提供的具有凹槽的三维集流体，在一定程度上提高了干法膜片与集流体间的接触面积，有效提高了界面电子传输，尤其是在充放电过程中，可有效降低干法膜片的脱落程度，降低电芯的阻抗，提高电池的循环稳定性和容量保持率。相比涂胶和添加热塑性高分子工艺，本设计不会额外增加极片的重量，保证了电芯的能量密度。
32.3)本技术采用具有凹槽的三维集流体可设计成干法膜片的楔形结构难以从凹槽口部分离的形状，例如，能提高表面材料在集流体上的整体附着力。
33.4)本技术提供的具有凹槽型三维集流体可通过挤压、切削、铸造等方式形成，本技术提供的凹槽性三维结构也适用于有粘接剂的粉体，进一步提高附着力。
34.5)本技术提供的具有凹槽型三维集流体适用于锂离子电池、钠离子电池等，可用在圆柱型电池、刀片型电池、方壳电池以及软包电池中，尤其是在圆柱型电池中，可有效解决干法膜片在充放电循环过程中的脱落问题。图3为截面为平行四边形的凹槽在圆柱型电池中的形态，在卷绕的作用的下，原本的平行四边形凹槽发生形变，变成不规则的四边形凹槽，进一步加深了凹槽中的干法膜片中的楔形结构难以脱出的特征，干法膜片从集流体表面脱出的阻力增大，进而增强了集流体对干法膜片的钩嵌作用。
35.本技术的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本技术而了解。本技术的其他优点可通过在说明书中所描述的方案来发明实现和获得。
附图说明
36.附图用来提供对本技术技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本技术的实施例一起用于解释本技术的技术方案，并不构成对本技术技术方案的限制。
37.图1为本技术一种实施方式的三维集流体的制备装置，该装置的凹槽压块可以在集流体表面制备截面为平行四边形的凹槽。
38.图2为本技术一种实施方式的三维集流体的制备装置的局部示意图，该装置的凹槽压块通过两次压制可以制备特殊形状的干法膜片难以脱出的凹槽。
39.图3为平行四边形凹槽在圆柱型电池中的形态。
40.附图标记：1、支撑体；2、压力杆；3、滑块；4、凹槽压具；5、集流体；6、支撑物；7、集流体外侧干法膜片；8、集流体内侧干法膜片；9、在圆柱型电池中的集流体外侧的平行四边形凹槽；10、在圆柱型电池中的集流体内侧的平行四边形凹槽。
具体实施方式
41.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文对本技术的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
42.本技术实施例提供了一种三维集流体，所述集流体表面设置凹槽，从所述凹槽的口部向所述凹槽的内部方向，所述凹槽的至少部分的体积增长率增大(凹槽的口小肚大)或不变(凹槽的口肚一样大)。
43.示例性地，所述凹槽的尺寸可根据所组装软包或圆柱电池的大小来确定。
44.示例性地，相邻的所述凹槽的间距为0.5倍至100倍的所述凹槽的宽度，优选地，相邻的所述凹槽的间距为1倍至10倍的所述凹槽的宽度。
45.示例性地，全部所述凹槽的口部的面积占所述凹槽所在的集流体的面的面积的0.01％至50％。
46.示例性地，所述凹槽宽为0.2μm至20000μm，优选地，所述凹槽宽度为1μm至200μm。
47.示例性地，通过所述凹槽使得所述集流体的总表面积增大0.1％至100％。
48.示例性地，通过所述凹槽使得所述集流体的总表面积增大1％至10％。
49.示例性地，所述凹槽的深度占所述三维集流体总厚度的0.2％至50％。
50.示例性地，所述三维集流体的总厚度为4μm至100μm；示例性地，所述凹槽的深度为0.2μm至10μm。
51.示例性地，所述集流体的材质可以为铜、铝等单质及其与其他金属(如镁、银、金、铂、镍、钛和钯等)的合金。
52.又一方面，本技术实施例提供了一种电极，所述电极为干法电极，所述电极包括上述的三维集流体以及干法膜片，所述干法膜片的表面设置有与所述集流体中的所述凹槽对应的凸起；
53.或者，所述电极为湿法电极，所述湿法电极包括上述的三维集流体以及覆于所述三维集流体凹槽内和所述三维集流体表面的电极材料粉末；
54.或者，所述电极为复合电极，所述复合电极包括上述的三维集流体。
55.示例性地，所述干法膜片的制备方法可以为粉末压片法、气相沉积法、粉末喷涂法、粘结剂原纤化法和聚合物热挤出法。
56.示例性地，所述干法电极的制备方法可以通过挤压等的方式将干法膜片附着、钩嵌在三维集流体表面。还可通过喷涂等方法将活性材料、导电剂和粘结剂等的混合物粘附钩嵌在三维集流体表面。包括但不限于上述所述方法。
57.示例性地，干法膜片的厚度可以为5μm至500μm；示例性地，所述干法电极的总厚度可以为9μm至600μm。
58.示例性地，所述复合电极可以为铜锂复合带，锂和铜的结合部设置有所述凹槽和楔形结构，通过将铜带和锂带压制出凹槽和楔形结构使得铜锂复合带复合的更加紧密。
59.示例性地，所述电极为干法电极，所述三维集流体的凹槽包括与楔形结构契合的内部空间；所述干法膜片的表面包括所述楔形结构，所述集流体和所述干法膜片形成钩嵌结构。
60.示例性地，所述凹槽的横截面的形状(可以是厚度方向上的横截面)为平行四边形、梯形、不规则四边形、弧形和不规则五边形中的任意一种。
61.又一方面，本技术提供了上述的三维集流体的制备装置，所述装置包括凹槽压具、压力杆和滑块，
62.所述压力杆与所述滑块相接，所述滑块和所述凹槽压具相接，
63.所述凹槽压具被配置成在集流体表面压制出特定的凹槽；
64.所述滑块被配置成向凹槽压具传导垂直于所述集流体长度方向的力；
65.所述压力杆被配置成向所述滑块提供动力。
66.示例性地，所述装置还设置有支撑体，所述压力杆与所述支撑体接触。所述支撑体被配置成支撑所述压力杆沿着所述集流体的长度方向移动。所述压力杆被配置成提供的动力与所述集流体的长度方向相同。所述滑块被配置成将所述压力杆传导来的力转为垂直于所述集流体长度方向的力。
67.示例性地，所述装置以所述集流体为中心线，对称设置两套所述凹槽压具、所述压力杆和所述滑块。使得凹槽的两个面可以被均匀地压制出凹槽结构。所述装置通过可拆卸的凹槽压具可根据集流体的大小以及客户需求的不同，更换不同尺寸、不同形状的凹槽压具。凹槽压具是一次性投入成本，可多次重复利用，降低了工业化生产成本。
68.示例性地，集流体上的凹槽是通过外力挤压实现，在集流体同一位置的两侧分别放置一个压具，施以两个压具大小相等、方向相反的力，即可在两侧得到相同形状和大小的凹槽。通过压力的作用，集流体表面的微小尖端会被进一步压平，并且凹槽会增加集流体和干法膜片的接触面积，降低了集流体与干法膜片之间的阻抗，提高了界面处的电子传输能力。
69.挤压力及材料的掺混比例会影响扩张长度，需要根据实际生产及经验来确定挤压力的大小。示例性地，可以通过调整干法膜片的泊松比(即材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的比值)使得干法膜片填充满内部空间大开口小的沟槽。
70.对比例1
71.中国专利cn100399604a的说明书第0005段，该现有技术为在于对集流体表面进行粗化处理，通过对铜箔进行粗化处理，以及后续的覆盖处理和防锈处理提高了铜箔与活性物质的粘结力。
72.相较于该现有技术，本技术提供的技术方案的集流体表面积更大，在充放电循环过程中电流密度更小，可以提高电池的循环稳定性。而本技术提供的集流体表面的干法膜片不易脱落，剥离强度高，且界面电阻更小，又可以进一步提升电池的循环稳定性和寿命。
73.对比例2
74.中国专利cn106425110a的说明书第0006段，该现有技术为对集流体表面进行刻蚀处理。通过改变箔材表面形貌，将平整的箔材表面压制出成凹坑或花纹，使表面粗糙化，增大箔材表面积粗糙的表面积能更好地粘结活性物质，减少粘结剂用量和内阻。
75.相较于该现有技术，本技术提供的技术方案的集流体表面的干法膜片不易脱落，
剥离强度高，且界面电阻更小，又可以进一步提升电池的循环稳定性和寿命。
76.对比例3
77.中国专利cn1275820a的说明书第2页第1段至第8段。该现有技术为采用常规的集流体，并在集流体表面涂胶。
78.与对比例3对比，本技术提供的技术方案的集流体表面积更大，在充放电循环过程中电流密度更小，可以提高电池的循环稳定性。而本技术提供的集流体表面的干法膜片不易脱落，剥离强度高，且界面电阻更小，又可以进一步提升电池的循环稳定性和寿命。虽然对比例3可以一定程度上防止集流体表面的活性物质脱落。但这种方式存在电芯能量密度降低、界面阻抗大、极片厚度不均匀的缺点。
79.对比例4
80.中国专利cn106159277a的说明书第0008段，该现有技术为采用三维多孔集流体材料。
81.与对比例4对比，本技术提供的技术方案的集流体不仅适用于湿法电极，也适用于干法电极，对防止干法膜片脱落有显著效果，而对比例4中的三维集流体不适用于干法电极(流动性差是干法膜片的固有属性)，很难将干法电极均匀地压入具有多孔结构的三维集流体中。
82.对比例5
83.中国专利cn114759158a的实施例第0005至0009段，该现有技术在所述干法膜片的制备过程中还加入热塑性高分子添加剂，采用热辊压技术将干法膜片与未经粗化处理，没有实施例中凹槽结构的集流体复合。
84.与对比例5对比，本技术提供的集流体表面积更大，在充放电循环过程中电流密度更小，可以提高电池的循环稳定性。而本技术提供的集流体表面的干法膜片不易脱落，剥离强度高，且界面电阻更小，又可以进一步提升电池的循环稳定性和寿命。

技术特征：
1.一种三维集流体，其特征在于，所述集流体表面设置凹槽，从所述凹槽的口部向所述凹槽的内部方向，所述凹槽的体积增长率增大或不变。2.根据权利要求1所述的三维集流体，其特征在于，相邻的所述凹槽的间距为0.5倍至100倍的所述凹槽的宽度，优选地，相邻的所述凹槽的间距为1倍至10倍的所述凹槽的宽度。3.根据权利要求1所述的三维集流体，其特征在于，全部所述凹槽的口部的面积占所述凹槽所在的集流体的面的面积的0.01％至50％；可选地，所述凹槽宽为0.2μm至20000μm，优选地，所述凹槽宽度为1μm至200μm。4.根据权利要求1至3中任一项所述的三维集流体，其特征在于，通过所述凹槽使得所述集流体的总表面积增大0.1％至100％；可选地，通过所述凹槽使得所述集流体的总表面积增大1％至10％。5.根据权利要求1至3中任一项所述的集流体，其特征在于，所述凹槽的深度占所述三维集流体总厚度的0.2％至50％；可选地，所述三维集流体的总厚度为4μm至100μm；可选地，所述凹槽的深度为0.2μm至10μm。6.一种电极，其特征在于，所述电极为干法电极，所述电极包括权利要求1至5中任一项所述的三维集流体以及干法膜片，所述干法膜片的表面设置有与所述集流体中的所述凹槽对应的凸起；或者，所述电极为湿法电极，所述湿法电极包括权利要求1至5中任一项所述的三维集流体以及覆于所述三维集流体凹槽内和所述三维集流体表面的电极材料粉末；或者，所述电极为复合电极，所述复合电极包括权利要求1至5中任一项所述的三维集流体。7.根据权利要求6所述的电极，其特征在于，所述电极为干法电极，所述三维集流体的凹槽包括与楔形结构契合的内部空间；所述干法膜片的表面包括所述楔形结构，所述集流体和所述干法膜片形成钩嵌结构。8.根据权利要求7所述的电极，其特征在于，所述凹槽的横截面的形状为平行四边形、梯形、不规则四边形、弧形和不规则五边形中的任意一种。9.一种电化学电池，其特征在于，包括正极、负极以及位于所述正极和所述负极之间的隔膜和电解液，所述正极和/或所述负极包括权利要求6至8中任一项所述的干法电极、湿法电极或复合电极。10.一种设备，所述设备包括设备壳体，以及位于所述设备壳体内部的电动机和/或电路板，所述设备壳体内部还包括电池，所述电池与所述电动机和/或电路板电连接用于为所述电动机和/或电路板供电，其特征在于，所述电池包括权利要求9所述的电化学电池。

技术总结
本申请提供了一种三维集流体结构和一种电极，所述三维集流体表面设置凹槽，从所述凹槽的口部向所述凹槽的内部方向，所述凹槽的至少部分的体积增长率增大或不变。本申请提供的具有凹槽的三维集流体，在一定程度上提高了干法膜片与集流体间的接触面积，有效提高了界面电子传输，尤其是在充放电过程中，可有效降低干法膜片的脱落程度，降低电芯的阻抗，提高电池的循环稳定性和容量保持率。相比涂胶和添加热塑性高分子工艺，本设计不会额外增加极片的重量，保证了电芯的能量密度。保证了电芯的能量密度。保证了电芯的能量密度。


技术研发人员：张莹 金则兵 邓晓龙 陈春辉 门方 刘文强 卞灿灿 潘裕 王鹏 赵福成
受保护的技术使用者：浙江吉利动力总成有限公司
技术研发日：2023.04.21
技术公布日：2023/7/25