CN105018776B - 一种多孔铜箔的制备工艺及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种制备具有三维通孔结构铜箔的制备工艺，其特征在于：选用传统黄铜合金箔片为原材料，在真空条件下，将原材料在400℃‑800℃温度区间内处理，将黄铜合金中锌元素逐渐脱出，最终获得多孔铜箔。该方法旨在用于锂离子二次电池的负极集电体或集流体，从而减少电池的重量，也可以用于制备其它电池和超级电容器的电极材料。且所述方法工艺简单，适合大规模生产，且所得产品比同样尺寸普通铜箔质量降低20％‑80％，可以有效降低整个电池的重量。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池，特别提供一种多孔铜箔制备工艺，所得具有三维通孔结构的铜箔可用于锂离子二次电池的负极集电体或集流体。
背景技术
锂离子电池被称为21世纪的理想能源、绿色能源和主导电源，显示出了广阔的应用前景和潜在的巨大经济效益。而随着电子工业、电动汽车及航空航天技术的进步，对为其提供能量的锂离子电池的性能则提出了更高的要求。
锂离子二次电池是将正极、负极和隔膜一起卷成筒状装入外壳中而构成的。根据锂离子电池的工作原理和结构设计，石墨和石油焦等负极材料需涂敷于导电集流体上。铜箔由于具有导电性好、质地较软、制造技术较成熟、价格相对低廉等特点，成为锂离子电池负极集流体首选。铜箔在锂离子电池内既当负极活性材料的载体，又充当负极电子收集与传导体。但是锂离子二次电池在充放电过程中经常因活性物质和集电体的剥离会导致充放电效率的降低。为了解决以往技术中存在的问题，希望作为负极的集电体的铜箔表面具有适度的凹凸或具有通孔。
制作通孔集电体，通常的方法是采用机械冲孔的方法制备通孔铜箔集电体。此外，日本专利(公开公报平8-124575号)采用厚度为40～80μm的金属箔上形成锯齿状裂缝后将其展开，并形成为网眼状，但是这种集电体开孔率较大，为使极板单位面积上承载等量的活性物质，必须使糊状物的涂布厚度增大，其结果往往是造成集电效率降低，不能够获得高性能电池。
中国专利申请CN1275176A公开了一种多孔铜箔及其制备方法，该多孔铜箔是由平均粒径为1～50μm的铜粒子在平面方向互相结合而形成的，其透光率在0.01％以上，且成箔时的阴极侧表面的表面粗糙度和其相反侧表面的表面粗糙度之差Rz在5～20μm的范围内。也曾有研究者用其它方法制备多孔铜箔，但是大多数多孔铜箔的制造工序较复杂，或者作为锂离子二次电池用集电体使用时不能使其性能获得充分的发挥，所以，人们希望研制出一种性能更好的多孔铜箔。
本发明为解决现有技术中存在的问题提出一种全新的制备多孔铜箔的工艺，其目的是提供一种作为锂离子二次电池用集电体使用的具有三维通孔结构的铜箔，并且相对于传统铜箔，本发明可以有效降低铜箔的重量，从而减轻电池重量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备具有三维通孔结构的铜箔的制备工艺，旨在用于锂离子二次电池的负极集电体或集流体，从而减少电池的重量。
本发明具体提供了一种制备三维通孔结构铜箔的制备工艺，其特征在于：选用传统黄铜合金箔片为原材料，在真空条件下，将原材料在400℃-800℃温度区间内处理，将黄铜合金中锌元素逐渐脱出，最终获得多孔铜箔。
本发明所述所述多孔铜箔的制备工艺，其特征在于：所述黄铜合金箔片原材料的厚度为5-200微米，其锌元素的原子百分比控制在20-80％之间(优选35％-65％之间)以形成不同的孔隙率。
本发明所述多孔铜箔的制备工艺，其特征在于：优选的处理温度为450℃-650℃，持续抽真空1-2小时，真空度小于10Pa。
锂离子电池负极集电体常用厚度为15-40微米的铜箔，因此最优多孔铜箔制备工艺为：选择厚度为15-40微米、锌含量控制在35％-65at.％的黄铜合金箔片，在持续抽真空条件下，将黄铜合金箔片在450℃-650℃下处理1-2小时。
采用本发明所述多孔铜箔制备工艺制备的多孔铜箔，其特征在于：所得多孔铜箔的孔径在0.1-20微米之间。
在制备多孔铜箔的原材料内可以添加活性嵌锂金属以提高锂离子电池的性能，活性嵌锂金属指与锂能形成金属间化合物或合金的金属元素，如硅、镁、钙、铝、锗、锡、铅、砷、锑、铋、铂、银、金、锌、镉、铟等，鉴于环保要求和经济成本，建议优选为硅、锡、镁和铝中的任意一种或两种以上的组合，多孔铜箔中加入活性嵌锂金属能够和离子电池负极材料一起形成复合负极材料，共同提高电池的充放电能力。
采用本发明所述工艺制备的多孔铜箔可以应用于锂离子二次电池的负极集电体或集流体，也可以用于制备其它电池和超级电容器的电极材料。
本发明的优点在于：
(1)、原材料黄铜箔片成本较低，制备容易。
(2)、真空热处理工艺成熟，容易大工业生产。
(3)、采用本工艺方法制备的三维多孔铜箔比同样尺寸普通铜箔质量降低20％-80％，在增大集电体有效表面积的同时，可以有效降低整个电池的重量。
(4)、采用本发明方法制备的多孔铜箔，也可以用于催化、过滤等领域。
附图说明
图1实施例4所得三维多孔铜箔的扫描电镜照片(5μm)。
具体实施方式
以下实施例将对本发明予以进一步的说明，但并不因此而限制本发明。
如无特殊说明，本实施例中所有百分数均表示原子百分比。
实施例1
采用市售黄铜箔片(62黄铜，含锌量38％左右)，0.1mm厚，裁成20×20mm小片，悬挂在实验室小型真空热处理炉内，在700℃保温2小时，持续高真空，真空度保持在10Pa以内，获得三维多孔铜箔，由于温度较高部分孔已经闭合，孔径为1-5微米，孔隙率为15％左右。
实施例2
采用市售黄铜箔片(62黄铜，含锌量38％左右)，0.03mm厚，裁成20×20mm小片，悬挂在实验室小型真空热处理炉内，在600℃保温1小时，持续高真空，真空度保持在6Pa以内，获得三维多孔铜箔，孔径为2-10微米，孔隙率为25％左右。
实施例3
采用市售黄铜箔片(62黄铜，含锌量38％左右)，0.03mm厚，裁成50×80mm小片，悬挂在实验室小型真空热处理炉内，在500℃保温1小时，持续高真空，真空度保持在10Pa以内，获得三维多孔铜箔，孔径为2-10微米，孔隙率为40％左右，此温度为获得多孔铜箔的最佳温度。
实施例4
采用自制的加3％硅元素的50黄铜，线切割成20×20×0.4mm薄片，砂纸磨光到0.2mm厚，悬挂在实验室小型真空热处理炉内，在500℃保温2小时，持续高真空，真空度保持在5Pa以内，获得三维多孔铜箔(图1)，孔径相对均匀，孔隙率达到50％左右。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种多孔铜箔的制备工艺，其特征在于：选用传统黄铜合金箔片为原材料，在真空条件下，将原材料在450℃-650℃温度区间内处理1-2小时，持续抽真空，真空度小于10Pa，将黄铜合金中锌元素逐渐脱出，最终获得多孔铜箔；所述黄铜合金箔片中锌元素的原子百分比控制在20-80％之间，黄铜合金箔片的厚度为5-200微米。
2.按照权利要求1所述多孔铜箔的制备工艺，其特征在于：所述黄铜合金箔片中锌元素的原子百分比控制在35％-65％之间。
3.按照权利要求1所述多孔铜箔的制备工艺，其特征在于，具体制备工艺为：选择厚度为15-40微米、锌含量控制在35％-65at.％的黄铜合金箔片，在持续抽真空条件下，将黄铜合金箔片在450℃-650℃下处理1-2小时。
4.一种按照权利要求1所述多孔铜箔制备工艺制备的多孔铜箔，其特征在于：所得多孔铜箔的孔径在0.1-20微米之间。
5.按照权利要求4所述多孔铜箔制备工艺制备的多孔铜箔，其特征在于：在制备多孔铜箔的原材料中添加一种或多种活性嵌锂金属元素，所述活性嵌锂金属元素是指与锂能形成金属间化合物或合金的金属元素。
6.按照权利要求5所述多孔铜箔制备工艺制备的多孔铜箔，其特征在于：所述活性嵌锂金属元素是硅、锡、镁和铝中的任意一种或两种以上的组合。
7.一种权利要求4～6任一所述多孔铜箔制备工艺制备的多孔铜箔作为锂离子二次电池的负极集电体或集流体的应用。
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