本发明属于锂离子电池，具体涉及一种复合集流体、复合极片及电化学装置。
背景技术：
1、锂离子电池具有能量密度高、无记忆效应、循环寿命长、能快速充放电以及自放电少等突出的优点，被广泛应用于消费类电子产品、电动汽车以及储能等领域。随着市场对锂离子电池的能量密度、充电速率的需求越来越高。厚电极设计方法可大幅增加活性材料负载，降低了非活性组分比率，从而提高电池能量密度，同时降低成本。
2、但是，厚电极也无法满足当今市场对快充的需求；电极厚度增加还会延长电子和锂离子传输路径，增加了电池阻抗，导致电池倍率性能和电极反应动力学差等一系列问题。而且，目前常规的电池结构，使用的金属集流体(如铜箔、铝箔)缺乏孔隙率，不渗透电解液。此外，这些金属集流体不能够促进锂离子的传输，并限制正、负电极之间的锂离子传输只能单边进行，严重影响电池的快速充电。
技术实现思路
1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的上述技术问题之一。为此，本发明提供了一种复合集流体，减少了辅材的空间占用率，提升了电池能量密度，缩短了锂离子的传输距离，加快了锂离子的脱嵌。
2、本发明还提供了一种复合极片。
3、本发明还提供了一种电化学装置。
4、本发明的第一方面提供了一种复合集流体，所述多孔基膜两侧分别设有阳极多孔聚合物层和阴极多孔聚合物层，所述阳极多孔聚合物层和阴极多孔聚合物层中填充有导热材料，所述阳极多孔聚合物层表面设有多孔负极集流体，所述阴极多孔聚合物层表面设有多孔正极集流体。
5、本发明关于集流体的技术方案中的一个技术方案，至少具有以下有益效果：
6、本发明的集流体，减少了辅材的空间占用率，提升了电池能量密度，缩短了锂离子的传输距离，加快了锂离子的脱嵌。尤其是对于厚电极体系，可以提高靠近集流体一侧的活性物质利用率，减小靠近集流体一侧与远离集流体一侧的锂离子浓度差，减弱电极极化。
7、所述阳极多孔聚合物层和阴极多孔聚合物层中填充有导热材料，可以加快电池内部的散热速度，消除正负极片彼此传热影响电池性能表现，还可避免极片过热发生形变引发安全问题。采用结晶度较高的聚合物可以进一步提升导热率。
8、多孔基膜作为基底层，具备隔电子通离子性质。由于多孔基膜、多孔聚合物层具备通离子性质，多孔正极集流体和多孔负极流体可以通过多孔基膜、多孔聚合物层进行锂离子传输，因此靠近集流体一侧的锂离子传输距离大大缩短，极片的锂离子浓度差减小，电极极化现象减弱，大幅度提升电池的倍率性能。
9、根据本发明的一些实施方式，所述多孔基膜的厚度为4～8μm。
10、根据本发明的一些实施方式，所述多孔基膜的孔隙率为30～60％。
11、根据本发明的一些实施方式，所述多孔基膜的孔径为0.01～0.5μm。
12、根据本发明的一些实施方式，所述阳极多孔聚合物层和阴极多孔聚合物层的厚度分别为3～5μm。
13、根据本发明的一些实施方式，所述阳极多孔聚合物层和阴极多孔聚合物层的孔隙率为30～50％。
14、根据本发明的一些实施方式，所述阳极多孔聚合物层和阴极多孔聚合物层的孔径为1～4μm。
15、设置多孔基膜和多孔聚合物层的孔径不一致，一方面促进孔径的迂曲度增加，可以有效避免正负极金属箔材接触发生短路；另一方面可以增强多孔复合集流体的力学性能。同时多孔聚合物填充导热材料可以加快电池内部的散热速度，消除正负极片彼此传热影响电池性能表现，还可避免极片过热发生形变引发安全问题。具体而言，两个膜层孔径不一样，孔隙重叠贯穿两个膜层的概率就会减小，可以避免金属箔材通过孔隙接触。膜层的孔隙大小也会影响集流体的力学性能，孔隙大集流体的力学性能差，孔隙过小则不利于离子的传输。
16、根据本发明的一些实施方式，所述阳极多孔聚合物层和阴极多孔聚合物层中填充有导热材料，导热材料的质量分数为5～10％，并具备隔电子通离子性质。
17、根据本发明的一些实施方式，所述导热材料包括beo、mgo、al2o3、zno、cao、nio、sio2、aln、bn和sic中的至少一种。
18、根据本发明的一些实施方式，所述阳极多孔聚合物层和阴极多孔聚合物层的结晶度为30～60％。
19、根据本发明的一些实施方式，所述阳极多孔聚合物层和阴极多孔聚合物层的材质包括聚四氟乙烯、聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚乙烯和聚丙烯。
20、根据本发明的一些实施方式，所述多孔基膜的材质包括芳纶或聚合物纤维。
21、根据本发明的一些实施方式，所述多孔负极集流体具有多孔或泡沫结构。
22、根据本发明的一些实施方式，所述多孔负极集流体的厚度为1～4μm。
23、根据本发明的一些实施方式，所述多孔负极集流体的孔径为60～100μm。
24、根据本发明的一些实施方式，所述多孔负极集流体的孔隙率为30～50％。
25、根据本发明的一些实施方式，所述多孔正极集流体具有多孔或泡沫结构。
26、根据本发明的一些实施方式，所述多孔正极集流体的厚度为1～6μm。
27、根据本发明的一些实施方式，所述多孔正极集流体的孔径为50～80μm。
28、根据本发明的一些实施方式，所述多孔正极集流体的孔隙率为20～40％。
29、根据本发明的一些实施方式，正极材料包括钴酸锂、三元材料、富锂材料中的至少一种。
30、本发明的第二方面提供了一种复合极片，包括本发明的复合集流体，其中，所述多孔负极集流体表面设有负极活性材料层，所述多孔正极集流体表面设有正极活性材料层。
31、本发明关于复合极片的技术方案中的一个技术方案，至少具有以下有益效果：
32、由于多孔基膜、多孔聚合物层具备通离子性质，多孔正极集流体和多孔负极流体可以通过多孔基膜、多孔聚合物层进行锂离子传输，因此靠近集流体一侧的锂离子传输距离大大缩短，极片的锂离子浓度差减小，电极极化现象减弱，大幅度提升电池的倍率性能。此外，正极极片、负极极片合二为一体，电池可以减少隔膜和金属基材的使用，减小辅材的体积占用率，进一步提升电池能量密度；同时还可以降低材料成本。本方案的多孔基膜、多孔聚合物还能够提升电池的保液量，为电池的长循环提供保障。
33、本发明的复合极片，通过减少辅材的空间占用率，增加了活性材料的体积比例，从而提升了电池的整体能量密度。多孔结构的集流体设计使得锂离子可以通过多孔基膜和多孔聚合物层快速传输，显著缩短了锂离子的传输路径。缩短的传输距离和高导电率材料的使用，加速了锂离子的脱嵌过程，提高了电池的充放电效率。尤其在厚电极体系中，靠近集流体一侧的活性物质利用率得到显著提升，减少了靠近集流体一侧与远离集流体一侧的锂离子浓度差。此外，通过减少锂离子浓度差和缩短传输路径，电极极化现象得到有效减弱，进而提升了电池的倍率性能和循环稳定性。填充导热材料的阳极和阴极多孔聚合物层能够加速电池内部的热量散发，防止正负极片相互影响，提升电池性能，并减少极片过热导致的安全风险。高结晶度聚合物的使用不仅提高了导热率，还减少了电池内部的热积聚，降低了过热引发形变和其他安全问题的风险。
34、根据本发明的一些实施方式，所述多孔正极集流体与所述多孔负极集流体的孔径、孔隙率满足如下关系式：1.02≤(da×θa)/(dc×θc)≤1.5，其中，da为多孔负极集流体孔径，θa为多孔负极集流体孔隙率，dc为多孔正极集流体孔径，θc为多孔正极集流体孔隙率。
35、若(da×θa)/(dc×θc)≤1.02，正极的锂离子过多嵌入，负极无法快速将锂离子转移，导致析锂的发生；若(da×θa)/(dc×θc)≥1.5，会影响空隙处n/p比的平衡状态，恶化高温性能。
36、本发明的制备方法，无需昂贵的设备和复杂的过程控制，反应条件不苛刻，原料易得，生产成本低，容易工业化生产。
37、本发明的第三方面提供了一种电化学装置，包括本发明的复合极片、隔离膜和电解液。
38、本发明关于电化学装置的技术方案中的一个技术方案，至少具有以下有益效果：
39、本发明的电化学装置中，复合极片的设计减少了辅材的空间占用，增加了活性材料的比例，从而提升了电化学装置的能量密度。进一步的，复合极片的多孔结构和导热材料的应用使得锂离子传输路径缩短，电极极化现象减弱，显著提升了电池的倍率性能，支持更高的充放电速率。此外，通过提高活性物质的利用率和减少锂离子浓度差，复合极片能够减轻电极极化，延长电池的循环寿命。而导热材料的填充加快了电池内部热量的散发，避免了正负极片之间的热传导影响，有效防止电池过热，提升了电池的热管理性能。
40、由于导热材料和高结晶度聚合物的应用，电化学装置的热管理得到优化，减少了过热引发的安全风险，降低了电池发生热失控的可能性。隔离膜和多孔基膜都具备优良的离子传导性，使得锂离子能够高效穿过膜结构进行传输，进一步提升电池的整体性能。复合极片的设计显著减少了锂离子的传输距离和浓度差，从而减弱了电极的极化效应，提升了电池在高倍率下的性能稳定性。
41、本发明的电化学装置中，多孔结构和高结晶度材料的使用提高了电池的机械强度和耐热性，增强了电池的整体结构稳定性，减少了因热或机械应力引发的材料变形和失效。
42、综合以上效果，本发明的电化学装置不仅在能量密度、倍率性能和循环稳定性方面具有显著优势，还通过改进热管理和结构稳定性提升了安全性，使其在实际应用中具备更高的性能和可靠性。
43、根据本发明的一些实施方式，电化学装置中的电解液包括电解质盐以及有机溶剂，其中电解质盐和有机溶剂的具体种类及组成均不受到具体的限制，包含正极成膜添加剂，负极成膜添加剂以及改善循环和低温添加剂等。
44、根据本发明的一些实施方式，电化学装置中的隔膜包含聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯以及它们的多层复合膜中的一种或者多种。
45、根据本发明的一些实施方式，电化学装置包括锂离子电池。
1.一种复合集流体，其特征在于，包括多孔基膜，所述多孔基膜两侧分别设有阳极多孔聚合物层和阴极多孔聚合物层，所述阳极多孔聚合物层和阴极多孔聚合物层中填充有导热材料，所述阳极多孔聚合物层表面设有多孔负极集流体，所述阴极多孔聚合物层表面设有多孔正极集流体。
2.根据权利要求1所述的复合集流体，其特征在于，所述多孔基膜的厚度为4～8μm。
3.根据权利要求1所述的复合集流体，其特征在于，所述多孔基膜的孔隙率为30～60％。
4.根据权利要求1所述的复合集流体，其特征在于，所述多孔基膜的孔径为0.01～0.5μm。
5.根据权利要求1所述的复合集流体，其特征在于，所述阳极多孔聚合物层和阴极多孔聚合物层的厚度分别为3～5μm。
6.根据权利要求1所述的复合集流体，其特征在于，所述阳极多孔聚合物层和阴极多孔聚合物层的孔隙率为30～50％。
7.根据权利要求1所述的复合集流体，其特征在于，所述阳极多孔聚合物层和阴极多孔聚合物层的孔径为1～4μm。
8.一种复合极片，其特征在于，包括如权利要求1至7中任一项所述的复合集流体，其中，所述多孔负极集流体表面设有负极活性材料层，所述多孔正极集流体表面设有正极活性材料层。
9.根据权利要求8所述的复合极片，其特征在于，所述多孔正极集流体与所述多孔负极集流体的孔径、孔隙率满足如下关系式：1.02≤(da×θa)/(dc×θc)≤1.5，其中，da为多孔负极集流体孔径，θa为多孔负极集流体孔隙率，dc为多孔正极集流体孔径，θc为多孔正极集流体孔隙率。
10.一种电化学装置，其特征在于，所述电化学装置包括隔离膜、电解液以及如权利要求8或9所述的复合极片。
