CN106425110A - 一种高比表面集流体的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高比表面集流体的制备方法，包括以下几个步骤：步骤A:将箔材通过牵引置于排列激光器下面;步骤B:对箔材牵引进行刻蚀；步骤C:将箔材表面的金属粉末清洗掉。本发明是通过改变箔材表面形貌，将平整的箔材表面刻蚀成凹坑或花纹，使表面粗糙化，增大箔材表面积，粗糙的表面不仅能更好地粘结活性物质，减少粘结剂用量和内阻，提高活性物质比例和容量，同时增强极片对电解液的保持量，保证后续循环。

Description

一种高比表面集流体的制备方法
技术领域
本发明属于锂离子电池领域，涉及一种高比表面集流体的制作方法。
背景技术
集流体作为正负极的主要部件之一，不仅起着载体，固定活性物质的作用，还输出输入活性物质电化学反应电流。现有锂离子电池集流体铜铝箔，通过电解或压延工艺成型，达到所需规格，也有专利技术在极片表面进行粗糙化处理。
目前的技术缺陷有：1.通过电解或压延工艺成型的集流体，表面较平整，但比表面较低，接触面积有限电阻较大，且界面粘结力小需增加粘结剂的用量。2.在极片表面上进行粗糙化处理，该技术存在制作过程掉粉的风险，易造成电池内部短路和后期循环掉料，且该技术实施过程复杂难控制。
发明内容
为了解决以上技术问题，本发明提供一种高比表面集流体的制备方法，包括以下几个步骤：
步骤A:将箔材通过牵引置于排列激光器下面;
步骤B:对箔材牵引进行刻蚀；
步骤C:将箔材表面的金属粉末清洗掉。
本发明采用以上技术方案，其优点在于，根据箔材的宽度以及箔材横向要刻蚀的凹槽点数来调整激光器的之间的距离，每个激光器可同时负责刻蚀1-5个横向凹槽，单位时间刻蚀的横向凹坑数与牵引速度相关，牵引速度越快，单位时间横向刻蚀的凹坑数越少。刻蚀后的箔材表面会残留部分金属粉末，故此箔材牵引刻蚀后经过清洗池（清洗液为酒精）将箔材表面的金属粉末清洗掉。
优选的，所述步骤A中，牵引速度是2-8m/min。
优选的，所述步骤B中，刻蚀直径为2-15um和深度2-7um的圆形凹坑。
优选的，所述步骤A中，激光器采用15-30个。
优选的，其特征在于，所述步骤A中，激光器的运行速度为7-25mm/s，激光器的功率是5-15KW。
优选的，所述箔材采用铝箔，所述箔材的厚度16±2um ，宽度为250-400mm。
优选的，所述步骤A包括：先开启激光器，预运行，箔材牵引器启动，牵引铝箔按设置速度前进，单个激光器来回左右移动，激光器按发射激光打在铝箔上，激光打在铝箔上，铝箔吸收了激光能量，铝箔被加热至熔融甚至气化状态，通过一边装有的喷头吹气，将熔融铝珠粉末吹掉，进而使铝箔形成凹坑。
优选的，预运行的时间为10-20min，所述激光器的来回左右移动速度为7-25mm/s。
优选的，激光器按每0.01秒钟发射一次激光的频率打在铝箔上。
优选的，箔材吸收激光能量与刻蚀深度公式:
D =πρd0/ 2M2λ；
其中，D是刻蚀深度，d0 是聚焦后光斑的直径;λ是激光波长;M2是激光的模式因子;变量ρ是描述刻蚀深度和宽度相关的参量。
激光刻蚀是利用数控技术为基础，激光为加工媒介。加工材料在激光照射下瞬间的熔化和气化的物理变性，达到加工的目的。激光加工特点:与材料表面没有接触，不受机械运动影响，表面不会变形，一般无需固定。
影响激光刻蚀的3个最根本的要素是：牵引速度、激光功率、材料。在特定材料上如要达到一定的刻蚀效果，就要求吸收一定能量的激光，这一能量应看作是材料吸收的激光能量=激光功率/牵引速度。即要提高材料吸收的激光能量，就应提高激光功率或是降低牵引速度。
牵引速度指的是箔材移动的速度。速度也用于控制切割的深度，对于特定的激光强度，速度越慢，切割或刻蚀的深度就越大。
箔材吸收激光能量与刻蚀深度由下式决定 :
D=πρd0/2M2 λ
式中d0 是聚焦后光斑的直径;λ是激光波长;M2是激光的模式因子;变量ρ是描述刻蚀深度和宽度相关的参量。从公式可以看出,刻蚀深度与光斑尺寸成正比,光斑尺寸愈小,焦深愈浅。例如：正极箔材刻蚀时激光波长λ= 0.633μm , d0 = 6.0μm ,ρ、M2均近似取1 ,通过合理地选择激光谐振腔实现。由此可得,此条件下刻蚀深度D= 6.0μm。
本发明是通过改变箔材表面形貌，将平整的箔材表面刻蚀成凹坑或花纹，使表面粗糙化，增大箔材表面积，粗糙的比表面不仅能更好地粘结活性物质，减少粘结剂用量和内阻，提高活性物质比例和容量，同时增强极片对电解液的保持量，保证后续循环。
附图说明
图1是本发明高比表面集流体制备的一种实施例的结构示意图；
图2是本发明图1 刻蚀之后的极片表面一种实施例的结构示意图。
图3是本发明图1 刻蚀之后的极片表面一种实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明：
实施例1
如图1至图3所示，具体流程为：
步骤A:将铝箔1通过牵引置于排列激光器2下面。
步骤B:根据箔材1的宽度以及箔材1横向要刻蚀的凹槽点数调整激光器的之间的距离，每个激光器2可同时负责刻蚀1-5个横向凹槽。
具体来说，在集流8和集流8上的凹坑9基础上，选用16±2um厚250-400mm宽的铝箔6，置于共有15-30个激光器22下面。铝箔的牵引速度是2-8m/min，激光器2的功率是5-15KW，刻蚀直径为2-15um和深度2-7um的圆形凹坑9。具体操作为先开启激光器2，预运行10-20min，箔材牵引器启动，牵引铝箔6按设置速度前进，单个激光器2按7-25mm/s速度来回左右移动，激光器2按每0.01秒钟发射一次激光的频率打在铝箔上6，激光打在铝箔6上，铝箔6吸收了激光能量，铝箔6被加热至熔融甚至气化状态，得到激光凹坑3，通过一边装有的喷头5吹气，将熔融铝珠粉末吹掉，进而使铝箔6形成集流体表面凹坑7。
由于熔融的铝珠颗粒细微，吹气方式不能完全除去铝箔表面的铝珠，需要对铝箔做进一步清洗。刻蚀后的铝箔1表面会残留部分铝珠粉末，故此铝箔1牵引刻蚀后进入另一个房间装有的箔材清洗池4（清洗液为酒精）将箔材1表面的金属粉末清洗掉。
正极铝箔刻蚀时激光波长λ= 0.633μm , d0 = 6.0μm ,ρ、M2均近似取1 ,通过合理地选择激光谐振腔实现。由此可得,此条件下刻蚀深度D= 6.0μm。
表1 不同铝箔表面积的比较（取100mm2面积箔材）：2
表面积mm2
普通铝箔 100
激光刻蚀铝箔 100.079
由此可知，铝箔经激光刻蚀后，表面积有所增大。
表2 不同铝箔涂布出来的极片测试比较（正极钴酸锂，负极人造石墨）：
（同配方下）粘结剂用量% 内阻mΩ
普通铝箔涂的极片 1.9% 29
激光刻蚀铝箔涂的极片 1.47% 23
由此可知，铝箔经激光刻蚀后，铝箔对浆料的粘接力增大，从而可降低粘结剂的使用量，由于粘结剂的用量减少，进一步降低电池的内阻。
表3 不同铝箔涂布出来的极片制作尺寸385570容量2100mAh的电池测试比较（正 极钴酸锂，负极人造石墨）：
饱液系数（g/AH） 容量mAh 循环寿命（0.5c）周次
普通铝箔涂的极片 2.0 2180 350
激光刻蚀铝箔涂的极片 2.3 2365 520
由上可知，铝箔经激光刻蚀后，制作出来的电池对电解液的饱液能力增大，同时还由于铝箔凹坑的存在，增大了单位面积铝箔上的涂覆浆料量，所以制作出来的电池容量更高，有利于提高电池的体积能量密度，此外，由于激光刻蚀后的铝箔制作的电池饱液系数加大，这大大增加了电池的循环寿命。
因此，本发明的高比表面集流体能增大极片与浆料的接触面积，降低电池内阻，同时保持更多的电解液，保证更好的倍率和循环。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高比表面集流体的制备方法，其特征在于，包括以下几个步骤： 步骤A:将箔材通过牵引置于排列激光器下面;步骤B:对箔材牵引进行刻蚀；步骤C:将箔材表面的金属粉末清洗掉。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤A中，牵引速度是2-8m/min。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤B中，刻蚀直径为2-15um和深度2-7um的圆形凹坑。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤A中，激光器采用15-30个。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤A中，激光器的运行速度为7-25mm/s，激光器的功率是5-15KW。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述箔材采用铝箔，所述箔材的厚度16±2um ，宽度为250-400mm。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤A包括：先开启激光器，预运行，箔材牵引器启动，牵引铝箔按设置速度前进，单个激光器来回左右移动，激光器按发射激光打在铝箔上，激光打在铝箔上，铝箔吸收了激光能量，铝箔被加热至熔融甚至气化状态，通过一边装有的喷头吹气，将熔融铝珠粉末吹掉，进而使铝箔形成凹坑。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，预运行的时间为10-20min，所述激光器的来回左右移动速度为7-25mm/s。
9.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，激光器按每0.01秒钟发射一次激光的频率打在铝箔上。
10.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于， 箔材吸收激光能量与刻蚀深度公式:
D =πρd0/ 2M2λ ；
其中，D是刻蚀深度，d0 是聚焦后光斑的直径;λ是激光波长;M2是激光的模式因子;变量ρ是描述刻蚀深度和宽度相关的参量。
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