[发明专利]碳集流体及包括该碳集流体的电化学装置和电子装置

说明书

本申请涉及一种碳集流体和包含所述碳集流体的电化学装置和电子装置。本申请的碳集流体包括碳材料膜和导电纤维，其中，所述导电纤维沿所述碳集流体的长度方向分布在碳材料膜中。本申请的碳集流体具有更高的拉伸强度(纤维长度方向)和更低的内阻。使用该集流体的锂离子电池可以具有更高的能量密度和更好的倍率性能。

技术领域

本申请涉及储能领域，具体涉及一种碳集流体、其制备方法及使用其的电化学装置和电子装置。

背景技术

锂离子电池具有能量密度高，循环寿命长、自放电小等优势，得到了非常广泛的应用；随着技术的不断进步，人们对锂离子电池的能量密度的要求越来越高，如何提升锂离子电池的能量密度成为了人们研究的热点。

随着锂离子电池材料的克容量和上限电压趋向于极限，电池能量密度的提升变得越来越困难。更薄的金属集流体如铜箔和铝箔，在满足电池使用要求的前提下，其厚度基本达到工艺上限，再继续减薄会极大的增加成本；使用密度更低的石墨纸替代传统金属集流体可提升电池的重量能量密度；使用厚度更薄的碳集流体可以同时提升电池的重量能量密度和体积能量密度；然而当碳集流体厚度变薄时其强度大幅度降低，无法满足电池的量产加工要求；此外石墨电导率差于传统金属集流体，充放电过程中电子在极片长度方向上的极化严重，影响极片整体充放电的一致性，影响电池倍率性能。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本申请提供一种碳集流体，该碳集流体具有更高的拉伸强度、更低的内阻，使用该集流体的锂离子电池可以具有更高的能量密度和更好的倍率性能。本申请还提供了包括该碳集流体的电化学装置和电子装置。

在第一方面，本申请提供了一种碳集流体，其包括碳材料膜和导电纤维，其中，所述导电纤维沿所述碳集流体的长度方向分布在碳材料膜中。

根据本申请的一些实施方式，所述导电纤维在碳材料膜上的投影与碳集流体长度方向的夹角为0°至5°。

根据本申请的一些实施方式，所述碳集流体沿长度方向的拉伸强度为200MPa至500MPa。

根据本申请的一些实施方式，所述碳集流体沿长度方向的电阻为3mΩ至30mΩ。

根据本申请的一些实施方式，所述导电纤维为片状。在一些实施方式中，所述导电纤维的宽度为0.01mm至5mm。根据本申请的一些实施例，所述导电纤维的厚度为0.5μm至20μm。

根据本申请的一些实施方式，所述导电纤维满足以下特征中的至少一者：相邻的导电纤维沿所述碳集流体宽度方向的间距为0.1mm至9mm；所述导电纤维的电导率为30×10⁶S/m至60×10⁶S/m；所述导电纤维的强度为220MPa至1400MPa。

根据本申请的一些实施方式，所述导电纤维在所述碳材料膜上的投影面积占所述碳材料膜的总面积的比例为10％至90％。

根据本申请的一些实施方式，所述导电纤维为金属纤维。在本申请的一些实施方式中，所述金属纤维的材质包括铜、铝或镍中的至少一种。

根据本申请的一些实施方式，所述碳集流体的厚度为2μm至10μm。

在第二方面，本申请还提供了如上述第一方面的碳集流体的制备方法，其包括以下步骤：

(1)将导电纤维平铺在基体表面，得到负载导电纤维的基体；

(2)将聚合物溶液涂覆至所述负载导电纤维的基体上，干燥后得到聚合物和导电纤维复合的薄膜；

(3)将所述聚合物和导电纤维复合的薄膜从基体表面脱离，进行碳化；

(4)将碳化后的薄膜进行压制，得到所述碳集流体。