[发明专利]一种负极和隔膜一体化结构及其制备方法和电池

说明书

本发明提供了一种负极和隔膜一体化结构，包括铝或铝合金箔，以及形成在所述铝或铝合金箔表面的氧化铝层，所述铝或铝合金箔同时充当负极集流体和负极活性材料，所述氧化铝层充当隔膜。该一体化设计可有效减小电池的体积及重量，简化生产过程，增加电池的整体容量以及能量密度，同时提高电池的高倍率性能和高温性能，提高安全性，解决了现有二次电池生产工艺复杂、前期投入大、电池安全性能差、能量密度低、设计组装困难等问题。本发明还提供了该负极和隔膜一体化结构的制备方法以及包含该一体化结构的电池。

技术领域

本发明涉及二次电池技术领域，特别是涉及一种负极和隔膜一体化结构及其制备方法和电池。

背景技术

近年来，随着人口的不断增加，人们对能源的消耗及需求不断增长，寻找新型的能源供给方式及高效的能源存储方式成为当今社会的迫切需求。二次电池，因其可重复充放电，可以大幅度降低使用成本，并对环境污染小，而被广泛应用于各种便携式电子设备。

目前，商用二次电池多使用石墨类材料作为负极，铜箔作为负极集流体、聚烯烃类材料作为隔膜。然而，这样的电池结构对于提高二次锂离子电池的能量密度、简化生产工艺、降低成本存在阻碍。例如，石墨负极的理论比容量较低(372mAh g^-1)，且压实密度低，不利于提高电池的能量密度；负极活性材料需要和粘结剂、导电炭黑等相复合，并涂覆在铜箔集流体上，生产工艺较为繁琐，且负极活性材料与集流体之间容易脱落；现阶段使用的聚烯烃隔膜材料热稳定及机械性能较差，容易发生热失控及穿刺现象，从而造成一定的安全隐患。

发明内容

鉴于此，本发明提供了一种负极和隔膜一体化结构，该一体化设计可有效减小电池的体积及重量，简化生产过程，增加电池的整体容量以及能量密度，同时提高电池的高倍率性能和高温性能，提高安全性。

具体地，第一方面，本发明提供了一种负极和隔膜一体化结构，包括铝或铝合金箔，以及形成在所述铝或铝合金箔表面的氧化铝层，所述铝或铝合金箔同时充当负极集流体和负极活性材料，所述氧化铝层充当隔膜。

本发明实施方式中，根据具体的应用情况，所述氧化铝层可以是形成在所述铝或铝合金箔的一侧表面，也可以是形成在所述铝或铝合金箔的整个表面。当形成在一侧表面时，可与正极构成一个电极单元，制作成扣式电池等；当形成在整个表面时，可与正极形成多个叠加的电极单元，制作成卷绕式商用电池等。

所述氧化铝层具有多孔结构，所述多孔的孔径为10-3000nm，孔隙率小于等于85％。进一步地，所述多孔的孔径为200-1000nm，孔隙率为10％-85％。氧化铝层的多孔结构有利于电解液中的金属离子与铝或铝合金箔发生合金化反应。

所述氧化铝层的厚度为铝或铝合金箔厚度的10％-200％；所述氧化铝层的厚度为5-50μm。适合的氧化铝层厚度能够保证良好的机械性能，防止穿刺现象的产生，并确保正负极的电子短路，离子导通。

所述铝或铝合金箔的厚度为10-200μm，进一步地，厚度可为50-200μm。适合的厚度可保证其同时作为负极集流体和负极活性材料性能的发挥。

所述铝或铝合金箔为致密的铝或铝合金箔，或者为多孔的铝或铝合金箔。当所述铝或铝合金箔为多孔时，可有效缓解电池的膨胀效应，提高循环性能。所述铝合金箔可以是铝铜合金箔、铝锰合金箔、铝镁合金箔、铝硅合金箔等。

本发明第一方面提供的负极和隔膜一体化结构，通过将负极集流体、负极活性材料和隔膜进行一体化设计，可显著降低电池的重量和体积，有利于增加电池中的活性物质占比，提高电池能量密度；有利于简化电池生产工艺，降低成本；结构中的氧化铝层起到隔膜作用，具有优异的机械强度，可有效防止热失控及穿刺现象的产生，提高电池安全性能；将该一体化结构应用到电池体系时，金属铝通过合金化/去合金化实现电池反应，相对于传统石墨材料具有更高比容量。

第二方面，本发明提供了一种负极和隔膜一体化结构的制备方法，包括以下步骤：