CN105336912A - 一种增强锂离子电池集流体与活性物质粘结力的方法 - Google Patents

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付传凯
王龙
曹毅
徐延明
刘春阳
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Abstract

本发明公开了一种增强锂离子电池集流体与活性物质粘结力的方法，其步骤如下：一、对集流体表面进行等离子清洗，清洗过程中通入空气或者惰性气体；二、待集流体表面清洗完毕之后，向等离子处理腔体内通入碳源。本发明以含碳元素气体作为碳源，真空状态下，调节等离子沉积的射频功率和工作时间，利用等离子辉光放电原理，等离子轰击含碳元素气体，碳原子脱离原分子结构，变为等离子体，在集流体表面沉积一层碳层。等离子沉积碳层致密而均匀，与集流体金属表面原子级接触；该碳层与活性物质材料具有良好的界面相容性，配合粘结剂的使用能够极大地提高活性物质与集流体之间的粘结力。该工艺方法操作简单、效果显著，适合规模化生产。

Description

一种增强锂离子电池集流体与活性物质粘结力的方法
技术领域
本发明涉及一种在锂离子电池集流体表面等离子沉积制备碳层的方法。
背景技术
锂离子电池自上市以来因其倍率性能好、循环稳定性强、能量密度高，目前已经在航空航天、电子通信、数码电子设备以及人们的日常工作生活中得到广泛应用，人们对锂离子电池的依赖性越来越高。但目前上市的锂离子电池仍有一些缺陷，活性物质与集流体结合力差，活性物质从集流体表面脱离，最终导致电池无法正常充放电就是其中之一。目前常用的改性方法为配制电极浆料时添加粘结剂，例如粘结剂CMC、SBR及PVDF的使用，能一定程度增强金属集流体与活性物质材料的粘结力，改善二者界面相容性，但效果并不显著。
等离子沉积技术主要用于在基底表面沉积一层改性沉积层，沉积层能与基底材料紧密接触，起到防护作用，又能对基底表面进行改性。
发明内容
本发明的目的是提供一种增强锂离子电池集流体与活性物质粘结力的方法，将等离子沉积应用于锂离子电池集流体表面改性，充分发挥了等离子沉积的优势。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种增强锂离子电池集流体与活性物质粘结力的方法，包括如下步骤：
一、将集流体置于等离子化学气相沉积机内，抽真空，控制真空度为0.001Pa-1000Pa，通入空气或者惰性气体进行等离子清洗，空气或者惰性气体的进气量为20-200mL/min，射频功率控制在30-40%，对应45-60W，清洗时间控制在30s-5min，清洗时间越长，表面清洁度越高，有利于碳原子沉积。
二、待集流体表面清洗完毕之后，向等离子处理腔体内通入碳源，射频功率设置为40-80%，对应功率60-120W。处理时间由沉积碳层厚度来确定，沉积时间越长，碳层厚度越大，但高射频功率作用下腔体温度迅速上升，因此等离子沉积时间不宜过长，时间控制在20s-10min。
上述方法中，使用的集流体材料为商业化正极集流体铝箔或负极集流体铜箔，集流体厚度在6-15μm，等离子沉积所得碳层厚度在10nm-2μm。
上述方法中，等离子沉积碳层过程中使用的碳源为高纯度（95-99.999%）含碳元素气体，气体流量和碳层沉积厚度可控。
上述方法中，等离子沉积碳层过程中使用的碳源气体包含甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、乙炔中的至少一种。
上述方法中，通入等离子处理腔体内的碳源气体流量要严格控制，流量过大，会导致真空度降低，沉积效果下降；流量过小，易被真空泵抽离腔体。具体流量由等离子处理配套真空泵的真空度和腔体的体积大小来控制，在0.001Pa-1000Pa的真空度下，每L腔体体积对应约20-200mL/min的进气量。
上述方法中，等离子沉积碳层致密均匀，厚度可以控制在10nm-2μm，与金属集流体表面原子级别接触，能够很好的隔离集流体与涂覆活性物质材料，又能发挥碳材料与活性物质材料粘结力好的优势，起到了桥梁作用，配合粘结剂的使用，极大的提升了集流体与活性物质材料之间的结合强度，拉伸测试结果显示，粘结力可提升10倍以上。
本发明以含碳元素气体作为碳源，真空状态下，调节等离子沉积的射频功率和工作时间，利用等离子辉光放电原理，等离子轰击含碳元素气体，碳原子脱离原分子结构，变为等离子体，在集流体表面沉积一层碳层。等离子沉积碳层致密而均匀，与集流体金属表面原子级接触；该碳层与活性物质材料具有良好的界面相容性，配合粘结剂的使用能够极大地提高活性物质与集流体之间的粘结力。该工艺方法操作简单、效果显著，适合规模化生产。
附图说明
图1为等离子清洗与等离子沉积腔体侧面结构示意图；
图2为等离子沉积碳层与金属集流体结构示意图；
图中：1-集流体，2-碳层，3-进气口，4-抽气口，5-等离子发生板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例1
等离子清洗与等离子沉积腔体结构示意图如图1所示，裁剪与等离子处理腔体内载片同等大小的铜箔，尺寸为8cm*20cm，使用真空泵将腔体抽至真空状态，真空度为10Pa，通入空气，气体流量控制在100mL/min，进行等离子清洗，射频功率设置为30%，清洗时间3min。
真空等离子清洗后，关闭空气，通入高纯度（99.9%）乙炔气体，气体流量控制在40mL/min，射频功率设置为50%，等离子沉积2min，等离子沉积辉光放电过程，能够观测到腔体内呈粉色，处理后的铜箔表面沉积碳层结构如图2所示，与处理前铜箔相比，处理后铜箔表面有一层粉色沉积碳层，扫描电子显微镜测试碳层厚度约60nm，使用万用表测试碳层导电性良好。
拉伸测试：
配制石墨：CMC粘结剂质量比98:2的负极膏，去离子水为溶剂，磁力搅拌10h后分别涂覆在等离子沉积碳层和未处理的铜箔上，涂覆厚度为120μm，转移至真空干燥箱，80℃真空干燥12h，干燥后将极片进行辊压得到的活性物质厚度约为20μm。
使用白色双面胶黏贴在等离子沉积碳层和未处理的干燥极片表面，将极片裁剪成与双面胶同等尺寸，尺寸为25mm*100mm。辊压机压实后进行拉伸测试，拉伸结果显示，经等离子沉积碳层的集流体表面涂覆石墨活性物质后粘结力约为0.33N，未处理的集流体表面涂覆石墨活性物质后粘结力约为0.03N，粘结力提高10倍。
实施例2
裁剪与等离子处理腔体内载片同等大小的铝箔，尺寸为8cm*20cm，使用真空泵将腔体抽至真空状态，真空度为10Pa，通入空气，气体流量控制在100mL/min，进行等离子清洗，射频功率设置为35%，清洗时间3min。
真空等离子清洗后，关闭空气，通入高纯度（99.9%）乙炔气体，气体流量控制在50mL/min，射频功率设置为60%，等离子沉积3min，等离子沉积辉光放电过程，能够观测到腔体内呈粉色，与处理前铝箔相比，处理后铝箔表面有一层粉色沉积碳层，扫描电子显微镜测试碳层厚度约100nm，使用万用表测试碳层导电性良好。
拉伸测试：
配制磷酸铁锂：PVDF粘结剂质量比98:2的正极膏，NMP为溶剂，磁力搅拌10h后分别涂布在等离子沉积碳层和未处理的铝箔表面，涂布厚度为120μm，转移至真空干燥箱，100℃真空干燥10h，干燥后将极片进行辊压得到的活性物质厚度约为18μm。
使用白色双面胶分别黏贴在等离子沉积碳层和未处理的干燥极片表面，将极片裁剪成与双面胶同等尺寸，尺寸为25mm*100mm。辊压机压实后进行拉伸测试，拉伸结果显示，经过等离子沉积碳层的集流体表面涂覆磷酸铁锂活性物质后粘结力约为0.48N，未处理的集流体表面涂覆磷酸铁锂活性物质后粘结力约为0.04N，粘结力提高11倍。
实施例3
对正负极集流体不同沉积厚度的碳层，涂覆活性物质后分别进行拉升测试，拉伸测试结果如表1和表2所示，由表1和表2可知，正负极集流体等离子沉积碳层后，与活性物质之间的粘结力均可提升10倍以上。
表1铜箔表面等离子沉积碳层后与活性物质之间粘结力的变化
表2铝箔表面等离子沉积碳层后与活性物质之间粘结力的变化

Claims (8)

1.一种增强锂离子电池集流体与活性物质粘结力的方法，其特征在于所述方法步骤如下：
一、将集流体置于等离子化学气相沉积机内，抽真空，控制真空度为0.001Pa-1000Pa，通入空气或者惰性气体进行等离子清洗，射频功率控制在45-60W，清洗时间控制在30s-5min；
二、待集流体表面清洗完毕之后，向等离子处理腔体内通入碳源，在集流体表面等离子沉积碳层，射频功率设置为60-120W，时间控制在20s-10min。
2.根据权利要求1所述的增强锂离子电池集流体与活性物质粘结力的方法，其特征在于所述空气或者惰性气体的进气量为20-200mL/min。
3.根据权利要求1所述的增强锂离子电池集流体与活性物质粘结力的方法，其特征在于所述集流体为正极集流体铝箔或负极集流体铜箔。
4.根据权利要求1所述的增强锂离子电池集流体与活性物质粘结力的方法，其特征在于所述集流体厚度在6-15μm。
5.根据权利要求1所述的增强锂离子电池集流体与活性物质粘结力的方法，其特征在于所述等离子沉积碳层厚度在10nm-2μm。
6.根据权利要求1所述的增强锂离子电池集流体与活性物质粘结力的方法，其特征在于所述碳源为高纯度含碳元素气体，其纯度为95-99.999%。
7.根据权利要求1或5所述的增强锂离子电池集流体与活性物质粘结力的方法，其特征在于所述碳源气体包含甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、乙炔中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的增强锂离子电池集流体与活性物质粘结力的方法，其特征在于所述碳源的进气量为20-200mL/min。
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