含有导热纳米材料的集流体及其制备方法、电极极片

技术领域

本发明属于集流体技术领域，具体涉及一种含有导热纳米材料的集流体及其制备方法、电极极片。

背景技术

集流体是二次电池中的一个重要组成部分，在集流体上附着活性物质之后，即可得到电池极片，集流体可将活性物质发生化学反应产生的电流进行收集并导出，而二次电池在工作过程中会产生大量的热量，需要及时将热量散发出去，如果热量不能及时释放，过高的热量可能会导致二次电池性能受损，甚至会引发安全事故。采用导热性能良好的集流体可以在导出电流的同时，将二次电池内部的热量也一并导出，从而提高二次电池的使用性能。

而目前的集流体导热能力有限，采用传统的集流体时，在二次电池的充放电倍率逐渐增大时，会产生较大的极化，从而降低二次电池的安全性能和使用寿命。

由此可见，提高集流体的导热性能具有至关重要的意义。中国发明专利申请（CN113594467A，一种复合集流体和锂离子电池）中，公开了一种复合集流体，包括基材、第一导电层和设置在基材和第一导电层之间的第一导热层，第一导热层的导热系数大于基材和第一导电层的导热系数，利用导热性能优异的第一导热层，可将锂离子电池充放电过程中的热量及时传导出去。但是上述发明专利申请中，将第一导热层和第一导电层分开设置，不可避免地会降低集流体的导电性能，从而导致集流体整体性能的下降。因此需要设计一种兼具高导热性能和高导电性能的集流体，以满足实际生产和使用的需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含有导热纳米材料的集流体及其制备方法、电极极片，以解决上述背景技术中提到的技术问题。

为了实现上述目的，本发明公开了一种含有导热纳米材料的集流体，包括基体集流体和设置在基体集流体上下表面的导热涂碳层，

所述导热涂碳层中包括导电碳材料、导热纳米材料和粘结剂，所述导电碳材料、导热纳米材料和粘结剂的用料质量比为1:0.5-1:0.1-0.3。

进一步的，所述导电碳材料选自导电炭黑、碳纳米管、石墨烯和碳纳米纤维中的一种或几种的混合物。

进一步的，所述导热纳米材料选自碳化硅、氮化铝和氮化镓中的一种或几种的混合物。

进一步的，所述粘结剂选自聚乙烯醇胶黏剂、聚偏氟乙烯胶黏剂、乙烯乙酸酯胶黏剂、丙烯酸胶黏剂、聚氨酯胶黏剂、环氧胶黏剂、有机硅胶黏剂、酚醛胶黏剂和橡胶胶黏剂中的一种或几种的混合物。

进一步的，所述导热涂碳层的制备方法包括：将导电碳材料加入溶剂中，搅拌均匀；然后加入导热纳米材料，继续搅拌均匀；随后加入粘结剂，搅拌均匀。

进一步的，所述溶剂为水和/或有机溶剂。

进一步的，所述有机溶剂选自甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、乙二醇、丙二醇、丙三醇、丙酮、二甲醚和乙酸中的一种或几种的混合物。

进一步的，所述基体集流体选自铜箔、铝箔、铜铝合金箔、掺杂铜箔、掺杂铝箔、复合铜集流体和复合铝集流体中的一种。

本发明同时要求保护一种上述含有导热纳米材料的集流体的制备方法，包括如下步骤：

（1）制备导热涂碳层浆料；

（2）对基体集流体进行放卷，并通过涂布系统将制备好的导热涂碳层浆料涂布于基体集流体的上下表面上；

（3）对涂布有导热涂碳层浆料的基体集流体进行烘干，收卷。

本发明同时要求保护一种电极极片，包括采用上述制备方法得到的含有导热纳米材料的集流体。

与现有技术相比，本发明的含有导热纳米材料的集流体及其制备方法、电极极片具有以下优点：

（1）本发明中，在基体集流体的上下表面均涂布有导热涂碳层浆料，导热涂碳层浆料中含有导热性能优异的导热纳米材料，可提高集流体的导热性能，同时导热涂碳层中还含有导电碳材料，又可提高集流体的导电性能，因此最终得到的集流体兼具良好的导电性和导热性。

（2）本发明的含有导热纳米材料的集流体的制备方法简单，操作方便，易于实现。

具体实施方式

下面通过具体实施例进行详细阐述，说明本发明的技术方案。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

含有导热纳米材料的集流体，包括基体集流体和设置在基体集流体上下表面的导热涂碳层，所述导热涂碳层中包括导电碳材料、导热纳米材料和粘结剂。

其中导电碳材料选自导电炭黑、碳纳米管、石墨烯和碳纳米纤维中的一种或几种的混合物；碳材料性能稳定，导电性能优异，导电碳材料的存在能够显著降低集流体的内阻，对二次电池容量的发挥、倍率性能和安全性能具有优异的保障作用，同时碳材料的存在能够显著改善集流体与二次电池的活性物质之间的结合力，确保由此制备而成的电极极片上的活性物质不易脱落，保证电极极片结构的完整性。本发明中，导电碳材料的尺寸为0.3-25微米。

导热纳米材料选自碳化硅、氮化铝和氮化镓中的一种或几种的混合物，上述几种导热纳米材料均为半导体材料，自身具有一定的导电能力，同时还具有较高的导热系数，能够将二次电池中的热量及时地传导出去，此外碳化硅、氮化铝和氮化镓的耐磨性能优异，热膨胀系数低，导热纳米材料的加入可以在提升集流体的导热性能的同时，又不会损坏集流体的其他性能。

本发明中，导热纳米材料的粒度为15-100nm，选用导热纳米材料，是因为其不仅具有导热材料自身的高导热性能，还具有纳米材料的小尺寸效应，导热纳米材料由于其尺寸较小，可以与尺寸较大的导电碳材料（0.3-25微米）形成更好的堆积形态，降低导热涂碳层的孔隙率，能够进一步提升最终得到的集流体产品的导电性能和导热性能。

粘结剂选自聚乙烯醇胶黏剂、聚偏氟乙烯胶黏剂、乙烯乙酸酯胶黏剂、丙烯酸胶黏剂、聚氨酯胶黏剂、环氧胶黏剂、有机硅胶黏剂、酚醛胶黏剂和橡胶胶黏剂中的一种或几种的混合物。粘结剂可将导电碳材料和导热纳米材料牢牢地粘附于基体集流体的表面。

在涂布之前，需要首先制备导热涂碳层浆料，具体地，制备导热涂碳层浆料包括如下步骤：首先将导电碳材料加入溶剂中，搅拌均匀；然后加入导热纳米材料，继续搅拌均匀；随后加入粘结剂，搅拌均匀。

制备导热涂碳层浆料所需的溶剂为水和/或有机溶剂，其中有机溶剂选自甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、乙二醇、丙二醇、丙三醇、丙酮、二甲醚和乙酸中的一种或几种的混合物。

导电涂碳层中，导电碳材料、导热纳米材料和粘结剂的用料质量比为1:0.5-1:0.1-0.3，在这样的用料质量比例下，导电涂碳层的导电性能和导热性能达到最优，并且能够牢固地涂布于基体集流体的上下表面上，且涂层不易脱落。优选的，上述比例为1:0.7-0.8:0.15-0.2，更优选的，为1:0.75:0.15。

本发明中，基体集流体选自铜箔、铝箔、铜铝合金箔、掺杂铜箔、掺杂铝箔、复合铜集流体和复合铝集流体中的一种；其中铜箔、铝箔、铜铝合金箔、掺杂铜箔、掺杂铝箔为纯金属箔材，为传统型的集流体；复合铜集流体和复合铝集流体为新型的复合集流体，为在高分子薄膜的表面设置铜层或铝层所形成的，复合铜集流体和复合铝集流体中由于含有绝缘的高分子薄膜层，因此具有质轻、可防止二次电池短路的优异性能，在本发明中，优选基体集流体为复合铜集流体或复合铝集流体。

制备完导热涂碳层浆料，并选取恰当的基体集流体之后，即开始进行含有导热纳米材料的集流体的制备过程，具体为：对基体集流体进行放卷，并通过涂布系统将制备好的导热涂碳层浆料涂布于基体集流体的上下表面上；然后对涂布有导热涂碳层浆料的基体集流体进行烘干，收卷。

其中，基体集流体的放卷张力为50-150N/m，涂布速度为80-120m/min，收卷张力为50-150N/m；烘干过程在三段式烘箱内完成，其中第一段烘箱的温度为50-80℃，第二段烘箱的温度为60-90℃，第三段烘箱的温度为50-80℃。

收卷即得到含有导热纳米材料的集流体，本发明中，得到的含有导热纳米材料的集流体中，总厚度为3-20微米，基体集流体的厚度为2-18微米，每一个导热涂碳层的厚度为0.05-5微米；含有导热纳米材料的集流体的机械强度为：穿刺强度≧50gf；拉伸强度MD≧150MPa，TD≧150MPa；延伸率MD≧1%，TD≧1%，导热涂碳层的涂层剥离力≧5N/m。

实施例1

含有导热纳米材料的集流体的制备方法，包括如下步骤：

首先，制备导热涂碳层浆料，具体为：

将8kg的导电碳材料加入80kg的溶剂中，搅拌2h直至搅拌均匀；然后加入8kg的导热纳米材料，继续搅拌1.5h直至搅拌均匀；随后加入2kg的粘结剂，搅拌3h直至搅拌均匀。

其中，导电碳材料选用导电炭黑，溶剂选用水，导热纳米材料选用质量比为1:1的碳化硅和氮化铝的混合物。

制备完成的导热涂碳层浆料留作备用。

然后，对基体集流体进行放卷，并通过涂布系统将制备好的导热涂碳层浆料涂布于基体集流体的上下表面上；

其中，基体集流体选择复合铜集流体，厚度为8微米；涂布过程中，基体集流体的放卷张力为80N/m，涂布速度为100m/min。

随后，涂布完成后，对涂布有导热涂碳层浆料的的基体集流体进行烘干，收卷，

烘干过程在三段式烘箱内完成，其中第一段烘箱的温度为70℃，第二段烘箱的温度为80℃，第三段烘箱的温度为70℃；烘干完成后，进行收卷，收卷张力为100N/m。

最终得到的含有导热纳米材料的集流体中，基体集流体的厚度为8微米，导热涂碳层的厚度为1微米。

实施例2

含有导热纳米材料的集流体的制备方法，包括如下步骤：

首先，制备导热涂碳层浆料，具体为：

将10kg的导电碳材料加入100kg的溶剂中，搅拌1h直至搅拌均匀；然后加入7.5kg的导热纳米材料，继续搅拌2.5h直至搅拌均匀；随后加入1.5kg的粘结剂，搅拌2h直至搅拌均匀。

其中，导电碳材料选用质量比为1:1的导电炭黑和石墨烯的混合物，溶剂选用体积比为1:1的水和乙醇的混合溶剂，导热纳米材料选用碳化硅。

制备完成的导热涂碳层浆料留作备用。

然后，对基体集流体进行放卷，并通过涂布系统将制备好的导热涂碳层浆料涂布于基体集流体的上下表面上；

其中，基体集流体选择复合铝集流体，厚度为6微米；涂布过程中，基体集流体的放卷张力为100N/m，涂布速度为110m/min。

随后，涂布完成后，对涂布有导热涂碳层浆料的的基体集流体进行烘干，收卷，

烘干过程在三段式烘箱内完成，其中第一段烘箱的温度为60℃，第二段烘箱的温度为90℃，第三段烘箱的温度为70℃；烘干完成后，进行收卷，收卷张力为100N/m。

最终得到的含有导热纳米材料的集流体中，基体集流体的厚度为6微米，导热涂碳层的厚度为0.3微米。

实施例3

含有导热纳米材料的集流体的制备方法，包括如下步骤：

首先，制备导热涂碳层浆料，具体为：

将8kg的导电碳材料加入90kg的溶剂中，搅拌1.5h直至搅拌均匀；然后加入6kg的导热纳米材料，继续搅拌3.5h直至搅拌均匀；随后加入1.6kg的粘结剂，搅拌4h直至搅拌均匀。

其中，导电碳材料选用质量比为2:1的石墨烯和碳纳米纤维的混合物，溶剂选用乙醇，导热纳米材料选用碳化硅。

制备完成的导热涂碳层浆料留作备用。

然后，对基体集流体进行放卷，并通过涂布系统将制备好的导热涂碳层浆料涂布于基体集流体的上下表面上；

其中，基体集流体选择复合铝集流体，厚度为8微米；涂布过程中，基体集流体的放卷张力为80N/m，涂布速度为100m/min。

随后，涂布完成后，对涂布有导热涂碳层浆料的的基体集流体进行烘干，收卷，

烘干过程在三段式烘箱内完成，其中第一段烘箱的温度为70℃，第二段烘箱的温度为80℃，第三段烘箱的温度为70℃；烘干完成后，进行收卷，收卷张力为100N/m。

最终得到的含有导热纳米材料的集流体中，基体集流体的厚度为8微米，导热涂碳层的厚度为1微米。

对比例1

制备一种不含有导热纳米材料的集流体，即普通型涂碳集流体，其制备方法包括如下步骤：

首先，制备涂碳层浆料，具体为：

将6kg的导电碳材料加入80kg的溶剂中，搅拌2h直至搅拌均匀；随后加入2kg的粘结剂，搅拌3h直至搅拌均匀。

其中，导电碳材料选用导电炭黑，溶剂选用水。

制备完成的涂碳层浆料留作备用。

然后，对基体集流体进行放卷，并通过涂布系统将制备好的涂碳层浆料涂布于基体集流体的上下表面上；

其中，基体集流体选择复合铜集流体，厚度为8微米；涂布过程中，基体集流体的放卷张力为80N/m，涂布速度为100m/min。

随后，涂布完成后，对涂布有涂碳层浆料的的基体集流体进行烘干，收卷，

烘干过程在三段式烘箱内完成，其中第一段烘箱的温度为70℃，第二段烘箱的温度为80℃，第三段烘箱的温度为70℃；烘干完成后，进行收卷，收卷张力为100N/m。

最终得到的集流体中，基体集流体的厚度为8微米，涂碳层的厚度为0.4微米。

对上述实施例1-3和对比例1得到的集流体进行导热系数和方阻测试，以评价集流体的导热性能和导电性能，测试结果如表1所示。

表1 集流体的导热性能和导电性能测试结果

由表1可看出，相对于未设置导热材料的普通型涂碳集流体，采用本发明的方法得到的含有导热涂碳层的集流体导热系数高，方阻低，可见本发明得到的集流体兼具高导热性能和高导电性能，综合性能优异，能够确保二次电池在较高的充放电倍率下，不会发生较大的变化，因此可确保二次电池的安全性能，延长二次电池的使用寿命。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。