本發(fā)明屬于鋰離子電池，具體地，涉及一種涂碳集流體及應(yīng)用其的電極、鋰離子電池。

背景技術(shù)：

1、由于鋰離子電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長、綠色環(huán)保等優(yōu)勢，近年來鋰離子電池技術(shù)在近年來成為了一個(gè)熱門發(fā)展的技術(shù)領(lǐng)域。能量密度和安全性能是鋰離子電池的兩個(gè)重要的性能指標(biāo)，為了提高鋰離子電池的能量密度、改善鋰離子電池的安全性能，鋰離子電池領(lǐng)域的研究人員在鋰離子電池設(shè)計(jì)中作出了很多的嘗試。為了提高鋰離子電池的能量密度，本領(lǐng)域通常在電極活性涂層與集流體之間設(shè)置涂碳層。為了改善鋰離子電池的安全性能，可以通過在集流體的邊緣處涂布絕緣漿料以成型絕緣邊，由此防止電芯在高溫情況下隔膜產(chǎn)生熱收縮，有效地降低由于隔膜收縮導(dǎo)致正負(fù)極接觸到一起發(fā)生短路的危險(xiǎn)。

2、目前已有關(guān)于同時(shí)在集流體的表面設(shè)置絕緣邊和涂碳層的相關(guān)技術(shù)報(bào)道。然而，在集流體的邊緣設(shè)置絕緣邊的鋰離子電池加工過程中，具有導(dǎo)電性的涂碳層漿料或電極活性材料漿料與絕緣漿料串料的情況常有發(fā)生，由此會(huì)導(dǎo)致具有導(dǎo)電性的材料在絕緣漿料中發(fā)生滲透、擴(kuò)散，成型的絕緣邊中摻雜有可導(dǎo)電的材料，這使得絕緣邊的安全保護(hù)性能下降。

3、而為了避免絕緣漿料和具有導(dǎo)電性的電極活性材料漿料或涂碳層漿料相互串料，現(xiàn)有技術(shù)中常見的處理方式為，先完成絕緣漿料和涂碳層漿料的間隔涂布，使成型的絕緣邊和涂碳層之間形成間隙，然后再在涂碳層的表面涂布電極活性材料漿料，電極活性材料漿料會(huì)下滲到絕緣邊與涂碳層之間的間隙中，電極活性材料漿料烘干后成型電極活性涂層。但是，由此制得的極片往往存在活性材料層與集流體的剝離力低、電極活性材料層容易掉粉的問題，應(yīng)用這類極片會(huì)使得鋰離子電池的循環(huán)性能降低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了兼顧鋰離子電池的安全性能、能量密度以及循環(huán)性能，本發(fā)明提供一種涂碳集流體及應(yīng)用其的電極、鋰離子電池。

2、根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種涂碳集流體，該涂碳集流體包括集流體基材和涂碳絕緣層，涂碳絕緣層設(shè)置在集流體基材的表面，涂碳絕緣層包括絕緣區(qū)、過渡區(qū)和導(dǎo)電區(qū)，構(gòu)成絕緣區(qū)的物料包括無機(jī)絕緣顆粒，構(gòu)成導(dǎo)電區(qū)的物料包括導(dǎo)電顆粒，構(gòu)成過渡區(qū)的物料包括無機(jī)絕緣顆粒和導(dǎo)電顆粒；在涂碳絕緣層的寬度方向上，絕緣區(qū)、過渡區(qū)、導(dǎo)電區(qū)依次排布，絕緣區(qū)和導(dǎo)電區(qū)之間通過過渡區(qū)連接，且絕緣區(qū)分布在涂碳絕緣層在寬度方向上的至少一側(cè)邊緣。

3、在本發(fā)明中，所涉及的“集流體基材”為金屬鋁箔、金屬銅箔、復(fù)合鋁箔、復(fù)合銅箔等鋰電池所適用的各類集流體基材。

4、在本發(fā)明提供的涂碳集流體中，涂碳絕緣層為連續(xù)分布的涂層，絕緣區(qū)和導(dǎo)電區(qū)之間通過過渡區(qū)連接，當(dāng)需要在該涂碳集流體的表面進(jìn)一步成型電極活性材料層，則在涂碳絕緣層的表面涂布電極活性材料漿料。在涂碳絕緣區(qū)的阻擋作用下，電極活性材料漿料不會(huì)下滲到集流體基材的表面，成型后的電極活性材料層整體層疊于涂碳絕緣層的表面，而不會(huì)形成電極活性材料層與集流體基材的空箔直接接觸的復(fù)合界面，由此避免了電極活性材料層因與材質(zhì)差異顯著的集流體基材空箔、導(dǎo)電區(qū)同時(shí)復(fù)合而導(dǎo)致復(fù)合界面剝離力區(qū)域性差別大的問題，促進(jìn)電極活性材料層與涂碳集流體之間均勻復(fù)合，從而提高了電極活性材料層與涂碳集流體之間的整體剝離力。綜上，涂碳絕緣層的設(shè)置能夠有效地減少與涂碳集流體復(fù)合的電極活性材料層出現(xiàn)掉粉的情況，提高應(yīng)用該涂碳集流體的電化學(xué)裝置的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)電化學(xué)裝置循環(huán)性能的改善。其中，導(dǎo)電區(qū)的設(shè)置還能夠使應(yīng)用該涂碳集流體的電化學(xué)裝置的能量密度得到提升，提高后續(xù)在涂碳集流體表面形成的電極活性材料層與該復(fù)合集流體的剝離力，從而對應(yīng)用該復(fù)合集流體的電化學(xué)裝置起到對于應(yīng)用降低電芯內(nèi)阻、提高電芯倍率、提高電池循環(huán)性能的作用。而絕緣區(qū)的設(shè)置則有效地降低由于隔膜收縮導(dǎo)致正負(fù)極接觸到一起發(fā)生短路的危險(xiǎn)，對應(yīng)用該涂碳集流體的電化學(xué)裝置起到安全保護(hù)作用。

5、優(yōu)選地，過渡區(qū)包括層疊設(shè)置的第一區(qū)域和第二區(qū)域，構(gòu)成第一區(qū)域的物料包括導(dǎo)電顆粒，構(gòu)成第二區(qū)域的物料包括無機(jī)絕緣顆粒，過渡區(qū)以第一區(qū)域的底面與集流體基材的表面接觸。在上述方案中，通過對過渡區(qū)劃分為第一區(qū)域和第二區(qū)域的分層布置，過渡區(qū)以含有導(dǎo)電顆粒的第一區(qū)域?qū)崿F(xiàn)與集流體基材的直接復(fù)合，有利于提高過渡區(qū)與集流體基材之間的層間剝離力。

6、優(yōu)選地導(dǎo)電顆粒為為碳材料顆粒，比如導(dǎo)電炭黑、石墨、乙炔黑、碳納米管、摻雜碳納米管、碳纖維、石墨烯、銀顆粒、金顆粒、銅顆粒、鋁顆粒中的一種或多種，無機(jī)絕緣顆粒為鋰電池所適用的各類絕緣材料，比如氧化鋁，勃姆石，氧化鈣、碳化硅、二氧化硅、氧化鋁、氮化硼、氧化鎂、氧化鋯、鈦酸鋇中的一種或多種。

7、優(yōu)選地，在涂碳絕緣層中，第一區(qū)域的厚度沿遠(yuǎn)離導(dǎo)電區(qū)的方向呈下降趨勢，第二區(qū)域的厚度沿遠(yuǎn)離導(dǎo)電區(qū)的方向呈增大趨勢。第一區(qū)域與第二區(qū)域的厚度變化趨勢相反，二者相互配合，使過渡區(qū)的厚度保持良好的一致性，有利于后續(xù)在涂碳集流體表面順暢地涂布電極活性材料漿料，能夠提高由此制得的極片的平整度，避免基于極片表面凹凸缺陷而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)，進(jìn)而使應(yīng)用該極片的電化學(xué)裝置的循環(huán)性能得到提升。此外，使第一區(qū)域和第二區(qū)域的厚度呈漸變的趨勢，從而使第一區(qū)域和第二區(qū)域通過斜面復(fù)合，增大第一區(qū)域與第二區(qū)域的接觸面積，進(jìn)而提升界面結(jié)合力，有利于二者的穩(wěn)定復(fù)合，過渡區(qū)以及涂碳集流體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到提升?？梢愿鶕?jù)過渡區(qū)的寬度優(yōu)選角度，選擇規(guī)律是過渡區(qū)越窄，夾角越大，可以增大第一區(qū)域與第二區(qū)域的接觸面積。

8、優(yōu)選地，第一區(qū)域與第二區(qū)域相接觸的界面相對于集流體基材的表面的傾斜夾角為1°-10°。上述傾斜夾角指的是：用于形成涂碳絕緣層的漿料完全干燥后在集流體基材的表面成型的涂碳絕緣層，在該涂碳絕緣層中，第一區(qū)域與第二區(qū)域的復(fù)合界面上各點(diǎn)所構(gòu)成的平面與集流體基材表面所成角度。令第一區(qū)域和第二區(qū)域按照上述傾斜夾角范圍復(fù)合，能夠使第二區(qū)域下表面(靠近集流體基材的傾斜面)的無機(jī)絕緣顆粒均勻、穩(wěn)定地分散在第一區(qū)域的上表面，以提高第一區(qū)域與第二區(qū)域之間相互附著力，強(qiáng)化第一區(qū)域與第二區(qū)域之間的復(fù)合界面穩(wěn)定性。

9、優(yōu)選地，涂碳絕緣層包括的無機(jī)絕緣顆粒的平均粒徑d50＝0.1μm-5μm，涂碳絕緣層包括的導(dǎo)電顆粒的平均粒徑d50＝0.05μm-10μm。通過對涂碳絕緣層中的無機(jī)絕緣顆粒以及導(dǎo)電顆粒的粒徑調(diào)控至上述范圍，有利于提高涂碳絕緣層與集流體基材的層間剝離力，提高涂碳集流體與電極活性材料層的層間剝離力。

10、優(yōu)選地，涂碳絕緣層包括的無機(jī)絕緣顆粒的平均粒徑d50＝0.6μm-1μm，涂碳絕緣層包括的導(dǎo)電顆粒的平均粒徑d50＝0.05μm-2μm。

11、優(yōu)選地，導(dǎo)電顆粒的平均粒徑與無機(jī)絕緣顆粒的平均粒徑的比值為1：(0.4-0.8)。為了兼顧優(yōu)化涂碳集流體的安全性以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，令導(dǎo)電顆粒和無機(jī)絕緣顆粒當(dāng)導(dǎo)電顆粒和無機(jī)絕緣顆粒的尺寸大小滿足上述比例。一方面，可以位于第一區(qū)域和第二區(qū)域之間復(fù)合界面的無機(jī)絕緣顆粒更好地填充在導(dǎo)電顆粒之間，增強(qiáng)第一區(qū)域與第二區(qū)域之間的層間結(jié)合力，不僅保證了過渡層的硬度和強(qiáng)度，而且提高了過渡層的韌性和耐沖擊性。另一方面，基于無機(jī)絕緣顆粒比導(dǎo)電顆粒更小，有利于提升過渡層的散熱效果，而且由無機(jī)絕緣顆粒所構(gòu)成的第一區(qū)域的孔隙較小，使第一區(qū)域具備比較密致的結(jié)構(gòu)特征，由此能夠保證有無機(jī)絕緣顆粒構(gòu)成的第一區(qū)域?qū)?gòu)成第二區(qū)域的導(dǎo)電顆粒覆蓋，保證絕緣層的絕緣效果。此外，基于上述第一區(qū)域與第二區(qū)域相接觸的界面相對于集流體基材的表面的傾斜夾角的角度范圍，進(jìn)一步將導(dǎo)電顆粒的平均粒徑與無機(jī)絕緣顆粒的平均粒徑的比值達(dá)到上述范圍，可以使傾斜夾角和顆粒尺寸大小達(dá)到優(yōu)化組合時(shí)，優(yōu)選傾斜夾角可以優(yōu)化應(yīng)力分布，優(yōu)選的顆粒尺寸搭配方式則可以提高材料的致密性和抗裂性，由此達(dá)到顯著提升涂碳絕緣層的強(qiáng)度、韌性和耐磨性的效果，另外，傾斜夾角和顆粒尺寸搭配方式可以協(xié)同形成致密的保護(hù)層，防止腐蝕介質(zhì)在過渡層中的滲透，從而提高過渡層的耐腐蝕性能，避免絕緣功能失效。

12、優(yōu)選地，在涂碳集流體的寬度方向上，0mm＜過渡區(qū)的寬度≤10mm。本發(fā)明將過渡區(qū)的寬度限定至不超過10mm的范圍內(nèi)，既能夠?qū)崿F(xiàn)絕緣區(qū)和導(dǎo)電區(qū)的清楚劃分，絕緣區(qū)和導(dǎo)電區(qū)分別能夠正常發(fā)揮其作用，又能夠使涂碳絕緣層的分區(qū)保持比較好的緊湊性，避免因集流體過大導(dǎo)致后續(xù)難以放入電池殼或者入殼過程中容易受擠壓致?lián)p的情況。

13、優(yōu)選地，過渡區(qū)的寬度為1mm-10mm。

14、優(yōu)選地，絕緣區(qū)的厚度為0.5μm-100μm。優(yōu)選地，絕緣區(qū)的厚度為0.5μm-2μm。

15、優(yōu)選地，過渡區(qū)的厚度為0.2μm-105μm。

16、優(yōu)選地，導(dǎo)電區(qū)的厚度為0.2μm-5μm。優(yōu)選地，導(dǎo)電區(qū)的厚度為0.5μm-2μm。

17、優(yōu)選地，過渡區(qū)、絕緣區(qū)以及導(dǎo)電區(qū)厚度相同。由此能夠減少集流體基材在參加后續(xù)的電極加工過程中出現(xiàn)褶皺等不良情況。

18、根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)方面，提供一種如上所述涂碳集流體的制備方法，包括以下操作：s1.在集流體基材的任一表面上涂布含有導(dǎo)電顆粒的導(dǎo)電材料漿料；s2.烘干導(dǎo)電材料漿料，由此形成導(dǎo)電材料涂層；s3.沿集流體基材的延展方向，在導(dǎo)電材料涂層的邊緣涂布含有無機(jī)絕緣顆粒的無機(jī)材料漿料，并使無機(jī)材料漿料覆蓋導(dǎo)電材料涂層的邊緣及邊緣鄰接的集流體基材的表面區(qū)域；s4.烘干無機(jī)材料漿料，由此在集流體基材的表面成型涂碳絕緣層。該方法采用分步涂布、分步烘干的方式完成在集流體基材表面進(jìn)行碳材料漿料和無機(jī)陶瓷漿料的布料，由此在集流體基材表面所形成的涂碳絕緣層中，碳材料和無機(jī)陶瓷顆粒區(qū)域分布劃分明晰，不會(huì)發(fā)生相互串料，保證了導(dǎo)電區(qū)和絕緣區(qū)各自能夠充分地發(fā)揮相應(yīng)的作用。

19、優(yōu)選地，在s1中還包括以下操作：按照分區(qū)涂布的方式完成導(dǎo)電材料漿料的涂布，對應(yīng)涂布區(qū)域分為主體區(qū)域以及分設(shè)于主體區(qū)域?qū)挾确较蛏系膬蓚?cè)邊緣區(qū)域，在涂布導(dǎo)電材料漿料的過程中，控制導(dǎo)電材料漿料的涂布量，以使對應(yīng)主體區(qū)域的涂層厚度大于對應(yīng)邊緣區(qū)域的涂層厚度。為使導(dǎo)電材料漿料所形成的涂層滿足上述特征：如，采用具有特定形狀的刮刀完成上述導(dǎo)電材料漿料的涂布，所采用刮刀的形狀滿足刮刀邊緣區(qū)域的長度小于刮刀主體區(qū)域的長度，以垂直于導(dǎo)電材料漿料涂層所在平面的方向?yàn)楣蔚兜拈L度方向；又如，可以通過采用具有特定形狀的涂布輥完成上述導(dǎo)電材料漿料的涂布，所采用涂布輥上設(shè)有多個(gè)用于布施導(dǎo)電材料漿料的孔穴，接近涂布輥邊緣一定區(qū)域范圍內(nèi)的孔穴分布滿足，位于涂布輥的邊緣的孔穴孔徑小于位于涂布輥中部的孔穴孔徑，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際需求還可以進(jìn)一步通過調(diào)控相鄰孔穴的間隔以對導(dǎo)電材料漿料涂層形狀進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)控。

20、優(yōu)選地，上述制備方法具體按照流程ⅰ實(shí)施：將待涂覆的集流體基材安裝在涂布裝置中，通過放卷放出集流體基材，再使集流體基材經(jīng)過入牽機(jī)構(gòu)到達(dá)涂布操作區(qū)，在集流體基材的第一表面涂布含有導(dǎo)電顆粒的導(dǎo)電材料漿料，然后使經(jīng)過導(dǎo)電材料漿料涂布的集流體基材進(jìn)入烘箱，烘干導(dǎo)電材料漿料，由此在集流體基材的第一表面形成導(dǎo)電材料涂層；再對集流體基材的第一表面進(jìn)行無機(jī)材料漿料涂布，然后使經(jīng)過無機(jī)材料漿料涂布的集流體基材進(jìn)入烘箱，烘干無機(jī)材料漿料，由此在集流體基材的第一表面成型涂碳絕緣層；參照前述對集流體基材第一表面的涂碳絕緣層成型操作，對與第一表面背對設(shè)置的集流體基材的第二表面進(jìn)行相同的操作，以在集流體基材的第二表面成型涂碳絕緣層，最后對成品收卷。

21、優(yōu)選地，上述制備方法具體按照流程ⅱ實(shí)施：將待涂覆的集流體基材安裝在涂布裝置中，通過放卷放出集流體基材，再使集流體基材經(jīng)過入牽機(jī)構(gòu)到達(dá)涂布操作區(qū)，在集流體基材的第一表面涂布含有導(dǎo)電材料的導(dǎo)電材料漿料，然后使經(jīng)過導(dǎo)電材料漿料涂布的集流體基材進(jìn)入烘箱，烘干導(dǎo)電材料漿料，由此在集流體基材的第一表面形成導(dǎo)電材料涂層；參照前述對集流體基材第一表面的碳材料涂層成型操作，對與第一表面背對設(shè)置的集流體基材的第二表面進(jìn)行相同的操作，以在集流體基材的第二表面成型導(dǎo)電材料涂層，得到半成品，對半成品進(jìn)行收卷；接著對半成品進(jìn)行二次涂布，先在集流體基材的第一表面進(jìn)行無機(jī)材料漿料涂布，然后使經(jīng)過無機(jī)材料漿料涂布的集流體基材進(jìn)入烘箱，烘干無機(jī)材料漿料，由此在集流體基材的第一表面成型涂碳絕緣層；然后，參照前述對集流體基材第一表面的無機(jī)材料漿料涂布、烘干操作，對與第一表面背對設(shè)置的集流體基材的第二表面進(jìn)行相同的操作，以在集流體基材的第二表面成型涂碳絕緣層，最后對成品收卷。

22、根據(jù)本發(fā)明的第三個(gè)方面，提供一種電極，該電極包括如上所述涂碳集流體和電極活性材料層，電極活性材料層設(shè)置在涂碳絕緣層的表面，電極活性材料層覆蓋導(dǎo)電區(qū)。本發(fā)明提供的電極具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，電極活性材料層能夠與涂碳集流體穩(wěn)定復(fù)合，在正常的儲(chǔ)存、使用狀態(tài)下，不容易出現(xiàn)電極活性材料層掉粉或與涂碳集流體剝離的情況。作為本發(fā)明適用的電極活性材料，正極活性材料可選磷酸鐵鋰、三元材料等鋰電池所適用的各類正極活性材料，負(fù)極活性材料可選石墨、硅-碳材料等鋰電池所適用的各類負(fù)極活性材料。

23、根據(jù)本發(fā)明的第四個(gè)方面，提供一種電池，其包括如上所述電極。上述電池兼具良好的安全性能、能量密度以及循環(huán)性能。