本發(fā)明屬于新能源電池，涉及一種復合集流體及其制備方法和應用。

背景技術(shù)：

1、目前，基于高分子聚合物膜的復合集流體得到新能源行業(yè)的廣泛關注和應用。該復合集流體的制備通常采用在物理氣相沉積(pvd)的方法在高分子薄膜(如聚酯類、聚烯烴類等)上沉積一層金屬，從而制備出導電良好的復合集流體。相比傳統(tǒng)的集流體，基于高分子聚合物膜的復合集流體具備成本低、質(zhì)量輕、內(nèi)部絕緣性好等特點。這些特點使得復合集流體在電池中應用時能夠降低電池的成本、并提升電池的能量密度及安全性。

2、目前的復合集流體主要借助中間層即高分子膜層的絕緣及阻燃性能提升電池的安全性，然而，這雖然對電池安全性能有所提升，但提升有限。

3、因此，提供一種具有高安全性能，且不影響電池性能發(fā)揮的集流體結(jié)構(gòu)，是亟待解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種復合集流體及其制備方法和應用。本發(fā)明提供的復合集流體結(jié)構(gòu)，在針刺過程中導電層產(chǎn)生微裂紋，并迅速蔓延發(fā)生大面積斷裂，從而實現(xiàn)了導電層與鋼針分離，避免正負極集流體導通形成閉合回路以及因此而產(chǎn)生的電池熱失控，從而大幅提升了電池的安全性能。

2、為達到此發(fā)明目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、第一方面，本發(fā)明提供一種復合集流體，所述復合集流體包括導電層，所述導電層在針刺過程中會產(chǎn)生微裂紋，微裂紋蔓延發(fā)生大面積斷裂，實現(xiàn)了導電層與鋼針分離。

4、本發(fā)明提供的復合集流體結(jié)構(gòu)，其中的導電層針刺過程中產(chǎn)生微裂紋，并迅速蔓延發(fā)生大面積斷裂，從而實現(xiàn)了導電層與鋼針分離，避免正負極集流體導通形成閉合回路以及因此而產(chǎn)生的電池熱失控，從而提升電池的安全性能，促進復合集流體的推廣及應用。

5、優(yōu)選地，所述復合集流體包括基膜以及位于基膜至少一側(cè)的功能層；所述功能層包括導電層；所述導電層包括交替層疊的金屬層和中間層。

6、本發(fā)明提供的復合集流體結(jié)構(gòu)，通過功能層中的各個結(jié)構(gòu)層的協(xié)同配合，可實現(xiàn)在針刺過程中導電層產(chǎn)生微裂紋，并迅速蔓延發(fā)生大面積斷裂，從而實現(xiàn)導電層與鋼針分離，避免正負極集流體導通形成閉合回路以及因此而產(chǎn)生的電池熱失控，從而提升電池的安全性能，促進復合集流體的推廣及應用。

7、導電層中的中間層抑制了金屬層晶粒的持續(xù)生長，制備出具有不貫通、小尺寸金屬晶粒的導電層，從而保證了導電層在針刺過程中產(chǎn)生的裂紋易發(fā)生大面積蔓延，進而引起導電層大面積斷裂，避免了正負極集流體導通所帶來的電池安全問題，而如果導電層中只含有金屬層，則無法實現(xiàn)針刺過程中產(chǎn)生的裂紋發(fā)生大面積蔓延；且中間層和金屬層均為無孔隙結(jié)構(gòu)，如果彼此間通過孔隙連通，則不能抑制金屬層晶粒的持續(xù)生長，則不利于電池安全性能的提升；保護層隔絕了電解液與導電層的直接接觸，避免了電解液的侵蝕。

8、優(yōu)選地，所述基膜的厚度為1～10μm，例如1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm或10μm等。

9、優(yōu)選地，所述基膜的材料包括聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚對苯二甲酸丁二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚乙烯、聚丙乙烯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚苯硫醚、聚苯醚、聚苯乙烯或聚酰亞胺中的任意一種或至少兩種的組合。

10、本發(fā)明中的基膜材料不僅僅限于上述提供的材料種類，可用于集流體結(jié)構(gòu)的基膜材料，本發(fā)明均適用。

11、優(yōu)選地，所述基膜與所述導電層之間還設置有打底層。

12、本發(fā)明中，在功能層中再引入打底層，打底層輔助配合導電層，打底層為復合集流體導電層與聚合物膜之間提供合適的粘結(jié)力，使得復合集流體變形過程中導電層與聚合物膜之間發(fā)生一定的相對運動，從而促進導電層的變形裂變，進而提升電池的安全性能，如果缺少打底層，則會導致電池安全性能變差。

13、優(yōu)選地，所述打底層與導電層之間的粘結(jié)力為100～900n/m，例如100n/m、150n/m、200n/m、250n/m、300n/m、350n/m、400n/m、450n/m、500n/m、550n/m、600n/m、650n/m、700n/m、750n/m、800n/m、850n/m或900n/m等。

14、本發(fā)明中，通過調(diào)整打底層與導電層之間的粘結(jié)力，從而調(diào)整了復合集流體形變過程中基膜與導電層之間的相互運動，進而影響了導電層的變形裂變行為；如果粘結(jié)力過小，電池針刺過程中導電層易與聚合物膜發(fā)生過大的相對運動，不利于為導電層提供沿著面上的足夠的作用力，抑制導電層裂紋的大面積擴展蔓延，減弱電池的安全性能；而過大，局部很難發(fā)生微形變，不利于導電層裂紋的大面積擴展蔓延，又會影響電池的安全性能。

15、優(yōu)選地，所述打底層的材料包括氧化鋁、氧化硅、氧化鈦、鎳、鉻、鈦、鎳鉻合金、鎳鉻銅合金、硅鋁合金、聚丙烯酸、聚丙烯酸酯、聚丙烯酰胺或聚氨酯中的任意一種或至少兩種的組合。

16、優(yōu)選地，所述導電層的厚度為500～2000nm，例如500nm、600nm、800nm、900nm、1000nm、1100nm、1200nm、1300nm、1500nm、1800nm或2000nm等，優(yōu)選為800～1200nm。

17、本發(fā)明中，導電層的厚度為500～2000nm的數(shù)值范圍時，即能得到具有良好導電效果的集流體結(jié)構(gòu)，又不會影響電池能量密度的正常發(fā)揮，如果復合導電層太薄，會導致導電性較差；太厚，制備的復合集流體太厚重，不利于提升電池的能量密度?？紤]到導電性并兼顧能量密度的提升；進一步地調(diào)控至800～1200nm的厚度范圍內(nèi)，即保證了電池具有良好的導電性，又兼顧了能量密度的提升。

18、優(yōu)選地，所述金屬層的厚度d1滿足：20<d1≤200nm，例如20nm、30nm、50nm、80nm、100nm、130nm、150nm、180nm或200nm等。本發(fā)明中，如果金屬層過薄，為了保證導電性，會增加金屬層的層數(shù)，從而嚴重影響了集流體的生產(chǎn)效率。

19、優(yōu)選地，所述中間層的厚度d2滿足：1nm≤d2≤10nm，例如1nm、2nm、3nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm、9nm或10nm等。

20、優(yōu)選地，所述中間層d2的厚度小于等于所述金屬層d1厚度的十分之一。

21、本發(fā)明中，中間層d2的厚度小于等于所述金屬層d1厚度的十分之一，更有利于復合集流體保持良好的導電性。

22、優(yōu)選地，所述導電層中金屬層的層數(shù)為n，中間層的層數(shù)為n-1，且n滿足：5≤n≤40，例如5、8、10、13、15、18、20、23、25、28、30、33、35、38或40等。

23、本發(fā)明提及的導電層中，與更靠近打底層和保護層的層狀結(jié)構(gòu)可以為金屬層，也可以為中間層，優(yōu)選，金屬層結(jié)構(gòu)與打底層和保護層直接接觸，該層疊結(jié)構(gòu)可更好地實現(xiàn)電池安全性能的提升；且進一步地，金屬層的層數(shù)如果過小，小于5層，制備的復合集流體對電池的安全性提升效果會變差；而大于40層，不能進一步提升電池安全性能，且生產(chǎn)效率較低，生產(chǎn)難度提升。

24、優(yōu)選地，所述金屬層中的金屬的晶粒的平均粒徑≤200nm，例如10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm、130nm、150nm、180nm或200nm等，優(yōu)選為10～100nm。

25、本發(fā)明中，金屬晶粒為柱狀晶，晶粒的平均粒徑為柱狀晶的直徑，而非長度的平均粒徑。金屬層中金屬晶粒的平均粒徑大小會影響導電層中微裂紋的產(chǎn)生，如果平均粒徑過大，會導致金屬層塑性變強，不利于針刺過程中金屬層的大面積裂變，從而使得制備得到的復合集流體對電池的安全性提升效果變差；進一步調(diào)控至10～100nm時，既可以實現(xiàn)導電層微裂紋的產(chǎn)生，又不會提升制備難度，從而實現(xiàn)了復合集流體安全性能的大幅提升。

26、優(yōu)選地，所述金屬層中的金屬包括鋁、銅、金、銀、鎳或鋅及其合金中的任意一種或至少兩種的組合。

27、優(yōu)選地，所述中間層的材料包括合金、氮化物、碳化物、硫化物、氟化物、硅化物或磷化物中的任意一種或至少兩種的組合，優(yōu)選為碳化物、硅化物或氟化物中的任意一種或至少兩種的組合。

28、優(yōu)選地，所述中間層中的合金包括鎳鉻合金、鎳鉻銅合金、鎳鉻硅合金、鎳鉻鈷合金、硅鋁合金、鋁硅銅合金、銅鎳合金、銅鎳鈦合金、銅鎵合金、銅銦合金、銅銦鎵合金、鋁錫銅合金、鋁鉻合金、鎢鈦合金、鉬銅合金、鉬鈮合金、鉬鉭合金、鉬鋯鈦合金或鉬鑭合金中的任意一種或至少兩種的組合。

29、優(yōu)選地，所述氮化物包括氮化鋁、氮化硼、氮化鉻、氮化鈦、氮化硅、氮化鈮、氮化鋯、氮化鉿、氮化鉭、氮化釩或氮化鋁鈦中的任意一種或至少兩種的組合。

30、優(yōu)選地，所述碳化物包括碳化鋁、碳化硼、碳化鉻、碳化鎳、碳化鎢、碳化鈦、碳化鉿、碳化鋯、碳化鉭、碳化鑭、碳化鉬、碳化鈮、碳化硅、碳化鈦或碳化釩中的任意一種或至少兩種的組合。

31、優(yōu)選地，所述硫化物包括硫化銅、硫化錫、硫化鋅、硫化鎢、硫化鉬、硫化鐵、硫化銻、硫化鉻、硫化鎳、硫化鈦、硫化鋁銅或硫化鐵銅中的任意一種或至少兩種的組合。

32、優(yōu)選地，所述氟化物包括氟化銥、氟化鎂、氟化鈣、氟化鋰、氟化鋁、氟化鋇、氟化釤、氟化鈰、氟化釔或氟化鈧中的任意一種或至少兩種的組合。

33、優(yōu)選地，所述硅化物包括硅化鈷、硅化鉻、硅化鎳、硅化鈦、硅化鉿、硅化鉬、硅化鈮、硅化鉭、硅化釩、硅化鎢或硅化鋯中的任意一種或至少兩種的組合。

34、優(yōu)選地，所述磷化物：磷化鋁、磷化硼、磷化銅、磷化鎳、磷化硅、磷化鎢、磷化稼、磷化鍺、磷化銦、磷化鉬、磷化鈮或磷化鉭中的任意一種或至少兩種的組合。

35、優(yōu)選地，所述導電層遠離基膜的表面還設置有保護層。

36、優(yōu)選地，所述保護層的厚度為10～100nm，例如10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm或100nm等，優(yōu)選為20～80nm。

37、優(yōu)選地，所述保護層的材料包括鎳、鉻、鎳基合金、銅基合金、氧化銅、氧化鋁、氧化鎳、氧化鉻、氧化鈷、銅鉻氧化物、石墨、炭黑、碳納米量子點、碳納米管、碳納米纖維、石墨烯或氧化石墨烯中的任意一種或至少兩種的組合。

38、第二方面，本發(fā)明提供一種如第一方面所述的復合集流體的制備方法，所述制備方法包括以下步驟：

39、在基膜至少一側(cè)的表面復合導電層；其中，導電層包括交替層疊的金屬層和中間層。

40、優(yōu)選地，所述基膜和導電層之間還設置有打底層。

41、優(yōu)選地，所述打底層的復合方法包括磁控濺射法和/或涂布法。

42、優(yōu)選地，所述金屬層的復合制備方法包括蒸鍍法和/或磁控濺射法。

43、優(yōu)選地，所述中間層的制備方法包括物理氣相沉積法。

44、優(yōu)選地，在復合得到導電層后，導電層遠離基膜一側(cè)的表面還設置保護層。

45、優(yōu)選地，所述保護層的復合制備方法包括物理氣相沉積法、化學氣相沉積法、原位成型或涂布法中的任意一種或至少兩種的組合。

46、本發(fā)明提供的復合集流體的制備方法中，其制備過程均為常規(guī)技術(shù)手段，本領域技術(shù)人員可依據(jù)實際需求，進行制備方法的適應性選擇以及參數(shù)的適應性調(diào)整。

47、第三方面，本發(fā)明還提供一種電池，所述電池中包括如第一方面所述的復合集流體。

48、本發(fā)明提供的電池，包括鋰離子電池和/或鈉離子電池，除本發(fā)明提供的復合集流體外，其余的材料、結(jié)構(gòu)及制備方法均為常規(guī)技術(shù)選擇。

49、優(yōu)選地，所述復合集流體用于所述電池的電極極片中。

50、本發(fā)明提供的復合集流體，即可用于正極極片中，也可用于負極極片中，本領域技術(shù)人員可依據(jù)需求進行適應性選擇。

51、相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：

52、本發(fā)明提供的復合集流體結(jié)構(gòu)，通過功能層中的各個結(jié)構(gòu)層的協(xié)同配合，可實現(xiàn)在針刺過程中導電層產(chǎn)生微裂紋，并迅速蔓延發(fā)生大面積斷裂，從而實現(xiàn)導電層與鋼針分離，避免正負極集流體導通形成閉合回路以及因此而產(chǎn)生的電池熱失控，從而提升電池的安全性能，促進復合集流體的推廣及應用。