CN106757198A - 一种制备多孔铝过程中具有均匀镀层且无裂纹产生的方法 - Google Patents

一种制备多孔铝过程中具有均匀镀层且无裂纹产生的方法 Download PDF

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Abstract

一种制备多孔铝过程中具有均匀镀层且无裂纹产生的方法，该方法经历聚氨酯海绵的预处理、导电化处理和电沉积三个过程，预处理液采用1.0～2.0g/L的KMnO4与0.3～1.0ml/L的H2SO4的混合液，经预处理后的海绵骨架要求其尖端圆角半径≥2.0μm，再经导电化处理使海绵骨架具有导电性，采用环形铝板为阳极对海绵骨架进行电沉积后即可制备出多孔铝，多孔铝三维网状结构具有均匀镀层且无裂纹产生。

Description

一种制备多孔铝过程中具有均匀镀层且无裂纹产生的方法
技术领域
本发明属于电化学技术领域，尤其涉及到一种制备多孔铝过程中具有均匀镀层且无裂纹产生的方法。
背景技术
近年来，全球锂离子电池产业规模保持高速增长，2015年，全球锂离子电池总体产量达到100.75Gwh，动力电池占比28.26%，随着动力电池的高速发展，人们对锂离子电池容量提出了更高的需求。
根据相关研究报道，通过增大集流体的表面积可以增大活性物质的量并且使得活性物质更加有效的利用，而多孔铝具有大的比表面积及大的孔隙率，作为集流体应用到锂离子电池中可以有效增大锂离子电池的容量，从而有助于增加电动汽车行驶里程，对电动汽车行业具有很大的推动作用。
常规方法制备多孔铝的流程为：以具有均匀孔径的海绵为基体，经过导电化处理，用电沉积方法制备多孔铝。在制备过程中若关键技术处理不好，其获得的多孔铝镀层厚度不均匀，并且海绵骨架尖端处存在裂纹，影响使用性能。多孔铝镀层沉积不均匀及产生裂纹是电沉积法制备多孔铝存在的主要问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种制备多孔铝过程中具有均匀镀层且无裂纹产生的方法，该方法通过改进聚氨酯海绵的预处理、导电化处理以及电沉积来获得具有均匀镀层且无裂纹的多孔铝，通过控制海绵骨架的尖端圆角半径≥2.0μm以及使用环形铝板为阳极，保证获得具有均匀镀层且无裂纹存在的多孔铝，该多孔铝可作为锂离子电池尤其是电动汽车或者大功率储能设备用锂离子电池的正极集流体、催化剂的载体以及过滤材料等使用。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种制备多孔铝过程中具有均匀镀层且无裂纹产生的方法，该方法经历聚氨酯海绵的预处理、导电化处理和电沉积三个过程，其中聚氨酯海绵的孔径要求控制在0.35～1.0mm，厚度为0.5～2.0mm， 导电化处理过程中使用到导电胶，电沉积过程中使用到电溶液，电溶液由无水AlCl3和1-乙基-3-甲基氯化咪唑EMIC配置而成，其特征是：
预处理：预处理液采用强氧化性的酸性溶液，所述酸性溶液是1.0～2.0g/L的KMnO4与0.3～1.0ml/L 的H2SO4的混合液；用酒精清洗聚氨酯海绵5min以除去其表面杂质，在20～40℃条件下将聚氨酯海绵浸泡在所述酸性溶液中并超声波振动3～10min，之后取出并得到海绵骨架，将海绵骨架放入40～60℃的干燥箱中干燥0.5～1.5h，经预处理后的海绵骨架要求其尖端圆角半径≥2.0μm；
导电化处理：将海绵骨架浸入到导电胶中，通过超声波对海绵骨架振动10～20分钟，之后取出海绵骨架并挤出导电胶，然后加热海绵骨架至80～90℃并固化30～60min；
电沉积：将导电化处理的海绵骨架与直流电源的负极连接形成阴极，将环形铝板与直流电源的正极连接形成阳极，此时环形铝板的面积与海绵骨架的面积比要大于2：1，即环形铝板的面积：海绵骨架的面积﹥2：1，之后将所述阴极置于所述阳极的环形中并一同放入盛有电溶液的容器中，接通直流电源，直流电源的电压小于4 V而电流密度控制在30～40mA/cm2，在20～30℃条件下通过电磁搅拌器搅拌80～120 min，电磁搅拌器的搅拌速度要小于400r/min，搅拌过程中向容器内通入氩气或是氮气，电沉积后即可制备出镀层厚度差异＜30%的多孔铝。
由于采用如上所述技术方案，本发明产生如下积极效果：
1、本发明通过预处理和导电化处理过程使得聚氨酯海绵的尖端角处得到钝化，从而利于导电材料在其尖端角的镀覆，确保导电材料均匀涂覆在海绵骨架表面和尖端角处，通过预处理和导电化处理过程可以有效抑制裂纹的产生。
2、采用环形铝板为阳极对海绵骨架进行电沉积，从而获得具有均匀镀层及无裂纹存在的多孔铝。
附图说明
图1是本发明的制备过程简图。
图2是本发明多孔铝的三维网状扫描电镜图。
图3是聚氨酯海绵未经预处理但经过电沉积后多孔铝截面金相图。
图4是聚氨酯海绵经本发明后的多孔铝截面金相图。
图1中：1-直流电源；2-环形铝板；3-海绵；4-电磁搅拌器；5-电溶液；6-容器。
具体实施方式
本发明是一种制备多孔铝过程中具有均匀镀层且无裂纹产生的方法，该方法经历聚氨酯海绵的预处理、导电化处理及电沉积三个过程，通过预处理和导电化处理过程使得聚氨酯海绵的尖端角处得到钝化，从而利于导电材料在尖端角的镀覆，确保导电材料均匀涂覆在海绵骨架表面和尖端角处，可以有效抑制裂纹的产生，其中聚氨酯海绵的孔径要求控制在0.35～1.0mm，厚度为0.5～2mm。
导电化处理过程中使用到导电胶，电沉积过程中使用到电溶液，电溶液由无水AlCl3和1-乙基-3-甲基氯化咪唑EMIC配置而成，该配置比例是电沉积的常用比例，导电胶化工市场可购。
本发明的预处理方法是：预处理液采用强氧化性的酸性溶液，所述酸性溶液是1.0～2.0g/L的KMnO4与0.3～1.0ml/L 的H2SO4的混合液。用酒精清洗聚氨酯海绵5min以除去其表面杂质，在20～40℃条件下将聚氨酯海绵浸泡在所述酸性溶液中并超声波振动3～10min，超声波振动可以保证海绵尖端圆角变得更大，之后取出并得到海绵骨架，将海绵骨架放入40～60℃的干燥箱中干燥0.5～1.5h，经预处理后的海绵骨架要求其尖端圆角半径≥2.0μm，若海绵骨架的尖端圆角半径小于或远小于2.0μm，容易在尖端圆角处造成裂纹，也造成导电材料无法均匀镀覆在尖端圆角处，导致尖端圆角处不导电，从而使得后续电沉积时无法镀覆铝镀层。预处理制备出的海绵骨架其尖端圆角处变的钝化，尖端圆角的半径越大越利于导电材料的镀覆，从而有效抑制裂纹的产生。
本发明的导电化处理方法是：将海绵骨架浸入到导电胶中，通过超声波对海绵骨架振动10～20分钟，超声波振动可以保证所述海绵骨架的表面覆盖一层导电胶并使其完全导电化，之后取出海绵骨架并挤出导电胶，然后加热海绵骨架至80～90℃并固化30～60min，在保温时间段中海绵骨架得到固化并确保其全部实现导电化。
本发明的电沉积方法是：
结合图1，将导电化处理的海绵骨架3与直流电源1的负极连接形成阴极，将环形铝板2与直流电源1的正极连接形成阳极，此时环形铝板2的面积与海绵骨架3的面积比要大于2：1，即环形铝板的面积：海绵骨架的面积﹥2：1，之后将所述阴极置于所述阳极的环形中并一同放入盛有电溶液5的容器6中，将所述阴极置于所述阳极的环形中这一点非常重要，它对制备出的多孔铝具备三维网状结构并均匀镀层且无裂纹产生具有重要意义，关于此意义通过图2即可看出。接通直流电源1，直流电源1的电压小于4 V而电流密度控制在30～40mA/cm2，在20～30℃条件下通过电磁搅拌器4搅拌80～120 min，电磁搅拌器4的搅拌速度要小于400r/min，搅拌过程中向容器6内通入氩气或是氮气，电沉积后即可制备出镀层厚度差异＜30%的多孔铝，该多孔铝的三维网状结构扫描电镜图见图2所示。
上述预处理和电沉积是本发明的关键步骤，也是区别背景技术所在，通过预处理和电沉积而得到的多孔铝截面具有本质不同，从图3和图4可以得到充分验证。图3是聚氨酯海绵未经预处理但经过电沉积后的多孔铝截面金相图，从图3中的可以明显看出，在A和B处存在贯穿裂纹和微裂纹。图4是聚氨酯海绵经本发明后多孔铝截面金相图，从图4中的可以明显看出其尖端圆角处无裂纹存在。下面就具体的实施例进行说明，需要强调的是：
下述实施例只用来说明本发明的个案但不用来限制本发明的技术范围，未述部分以技术方案为准。
预处理：用酒精清洗聚氨酯海绵5min以除去其表面杂质，采用1.2g/L 的KMnO4和0.5ml/L的 H2SO4混合溶液对聚氨酯海绵进行处理，温度为20℃并超声波振动，处理时间5min，之后放入50℃的干燥箱中干燥1h以充分的除去水分。
将海绵骨架浸入导电胶中，反复挤压至海绵骨架中全部浸入了导电胶，超声波振动10min，通过超声波对海绵骨架振动10～20分钟，在85℃下固化60min。
以环形铝板为阳极，以长×宽×厚＝10mm×10mm×1mm的海绵骨架为阴极，环形铝板与海绵骨架的面积比达到5:1，直流电源的电压设定为3.5V、电流控制在35mA并在20℃和200r/min的搅拌速度下通入氩气作为保护气体进行恒电流沉积。
实施例和三个比较例的具体参数见下表，其中三个比较例是按常规处理所制。
在上表中：√号为本发明的方法，×号为常规处理方法。
试验及评价结果见下表。
海绵骨架尖端圆角半径R 镀层均匀性评价 有无裂纹评价
实施例1 ≥2.0μm A A
比较例1 ＜2.0μm B C
比较例2 ≥2.0μm C A
比较例3 ＜2.0μm C C
评价标准：
1）镀层均匀性评价：不同位置镀层厚度差在30%以内的评价为A且结果为优秀，厚度差在30～50%之间的评价为B且结果为一般，厚度差大于50%的定为C其结果为差。
2）有无裂纹评价：海绵骨架截面中裂纹从镀层内部延续到镀层外部称为贯穿裂纹如图3中A所示，镀层中裂纹没有延续到镀层内外称为局部裂纹如图3中B所示。裂纹比例统计方法为存在裂纹或局部裂纹的三角尖端数量占总体三角尖端数量的比例。将镀层中不存在贯穿裂纹，骨架中只存在小于10%局部裂纹的评价为A且结果为优秀，存在小于10%贯穿裂纹或大于10%且小于50%的局部裂纹评价为B且结果为一般，存在大于10%贯穿裂纹或大于50%局部裂纹的评价为C且结果为差。
通过上述两表的比较和图2可以看出：采用本发明的方法，制备的多孔铝具有镀层厚度均匀、结构体中无裂纹之现象。
以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (1)

1.一种制备多孔铝过程中具有均匀镀层且无裂纹产生的方法，该方法经历聚氨酯海绵的预处理、导电化处理和电沉积三个过程，其中聚氨酯海绵的孔径要求控制在0.35～1.0mm，厚度为0.5～2.0mm， 导电化处理过程中使用到导电胶，电沉积过程中使用到电溶液，电溶液由无水AlCl3和1-乙基-3-甲基氯化咪唑EMIC配置而成，其特征是：
预处理：预处理液采用强氧化性的酸性溶液，所述酸性溶液是1.0～2.0g/L的KMnO4与0.3～1.0ml/L 的H2SO4的混合液；用酒精清洗聚氨酯海绵5min以除去其表面杂质，在20～40℃条件下将聚氨酯海绵浸泡在所述酸性溶液中并超声波振动3～10min，之后取出并得到海绵骨架，将海绵骨架放入40～60℃的干燥箱中干燥0.5～1.5h，经预处理后的海绵骨架要求其尖端圆角半径≥2.0μm；
导电化处理：将海绵骨架浸入到导电胶中，通过超声波对海绵骨架振动10～20分钟，之后取出海绵骨架并挤出导电胶，然后加热海绵骨架至80～90℃并固化30～60min；
电沉积：将导电化处理的海绵骨架(3)与直流电源(1)的负极连接形成阴极，将环形铝板(2)与直流电源(1)的正极连接形成阳极，此时环形铝板(2)的面积与海绵骨架(3)的面积比要大于2：1，即环形铝板的面积：海绵骨架的面积﹥2：1，之后将所述阴极置于所述阳极的环形中并一同放入盛有电溶液(5)的容器(6)中，接通直流电源(1)，直流电源(1)的电压小于4 V而电流密度控制在30～40mA/cm2，在20～30℃条件下通过电磁搅拌器(4)搅拌80～120 min，电磁搅拌器(4)的搅拌速度要小于400r/min，搅拌过程中向容器内通入氩气或是氮气，电沉积后即可制备出镀层厚度差异＜30%的多孔铝。
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