[发明专利]使用表面改性铜箔集流器的锂电池电极

说明书

一种旨在用作用于锂基电化学电池的含锂电极中的集流器的铜箔，其经受一系列化学氧化和还原处理步骤，以形成从集流器(并且从箔的铜含量)表面向外延伸的一体铜线的区域，集流器表面待涂覆活性电极材料颗粒的树脂粘合的多孔层。铜线用于锚定较厚的多孔电极材料层并增强液体电解质与电极颗粒和集流器的接触以改善电池的能量输出及其有效寿命。

技术领域

铜集流器箔通常用于承载电极颗粒的粘合多孔层作为锂基电池和电容器中的电极结构。根据本公开内容，铜箔的表面通过形成一体的向外延伸的微米尺寸的铜线而被化学改性，铜线之间具有空间或通道，用于增强颗粒电极材料的附着力、增强与液体电解质溶液的接触并降低电极粒子与集流器之间的电阻。

背景技术

锂基电池和电容器电池被用于许多制造物品中。这些电池的一些较大的实施例被用作机动车辆中以及其他相对较大功耗的消费品的电源。用于许多锂离子基电化学电池的电极通常通过将活性电极材料的树脂粘合颗粒的多孔层沉积到合适的金属集流器箔的相对主表面上来形成。虽然箔的部分可以在电池组的电极组件中弯曲或折叠，但是电极材料所涂覆的集流器箔的表面通常是平坦且光滑的。通常使用这种电极的电池通过堆叠或滚动形成类似形状的交替的薄的多孔负极和正极材料层，由共同延伸的薄的多孔电阻聚合物隔离层保持分开，并且通过用电解质溶液浸润，该电解质溶液由溶解在非水锂离子导电溶剂中的合适的锂盐电解质形成。

在锂离子电池放电期间，锂离子从含锂负极材料脱嵌入周围电解质中，同时释放电子进入负极集流器，然后进入外部直流电路，外部直流电路包括功耗设备。在电池内部，锂离子通过电解质溶液传输，通过隔膜的孔，并且随着电子从外部电路进入正极材料时嵌入到正极材料的锂化合物颗粒(也承载在金属集流器上)。在锂电容器放电期间，随着吸附的锂离子从阳极材料释放并且吸附的阴离子从阴极材料释放时，发生电子放电。这种锂电池的总能量和效率在很大程度上取决于粘合到它们的集流器上的各个电极材料与电解质溶液相互作用以及取决于接收和释放锂离子的能力。这种锂电池的能量和效率还取决于电子从颗粒电极材料流入和流出其金属集流器箔的能力。

锂电池用负极通常通过在其集流器箔的两个主表面上形成石墨颗粒(其可以保持锂原子)或钛酸锂之类的锂化合物颗粒的多孔树脂粘合层来制备。负极集流器箔通常是铜箔。铜箔通常由厚度在约5至15微米范围内的电沉积铜形成。适合粘合到铜箔集流器的相对表面的颗粒负极材料的粘附多孔层的厚度通常高达约100至150微米。锂电池的能量产生能力取决于其铜集流器的平坦表面上负极材料涂层的组成、性质、厚度和面积(量)。仍然需要改进铜集流器表面的结构以及粘结涂覆到其表面的颗粒负极材料的多孔层的粘合。

发明内容

根据本公开的实践，旨在用作锂基电化学电池中的集流器的铜片或箔的表面被化学处理将通常平坦光滑的铜表面改变成特征在于通过许多紧密间隔的铜线的表面，每根铜线在一端一体连接到剩余的铜表面，具有向外延伸的具有上端或外端的线长度。线(或类似形状的细长突起)从下面的支撑铜表面向外以大体向上的方向随机延伸。铜线的长度可以从几微米到约三十微米。线或突起的直径通常在几百纳米的范围内，高至微米左右。

向外延伸的铜线通常在箔基部的表面上紧密间隔(但是分离)并且类似于铜基底上的线区域。这些线与它们之间的小空间提供用于不规则形状的纳米尺寸的电极材料的干或湿浆料的机械连接部，其作为薄多孔层涂覆到改性铜箔表面上，流入直立线之间的空间或通道，并且粘合到线以及线之间的支撑铜箔接地空间。

在说明性实施例中，将石墨颗粒或钛酸锂颗粒与导电碳颗粒的混合物分散在例如溶解于N-甲基-2-吡咯烷(NMP)中的聚偏二氟乙烯(PVDF)的粘合剂溶液中。以前，将可涂抹的湿颗粒混合物(或浆料)简单地涂敷并平整到铜箔的每个相对的平坦表面上，以同时或顺序地形成通常均匀厚的多孔负极材料层。蒸发溶剂，留下聚合物粘合剂薄膜，以将有点球形但不规则形状的电极材料颗粒的无规表面彼此粘合并粘合到铜箔的光滑平坦表面上。在许多应用中，这种颗粒电极材料的多孔层的厚度限制在约50μm至约150μm，以保持多孔涂层与铜集流器的大致平坦的表面的合适的一体性和粘附性。