CN109440108B - 一种基于化学刻蚀的铜箔穿孔机及其生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于化学刻蚀的铜箔穿孔机，包括铜箔放箔轮、不锈钢下模板、密封圈、穿孔机外套、可上下移动的刻蚀槽、铜箔收箔轮、不锈钢上模板、可上下移动的上模板连接杆以及刻蚀槽内压压力表。基于该铜箔穿孔机，本发明还提供了一种穿孔铜箔的生产工艺，包括如下步骤：1)在刻蚀槽中注满刻蚀液，将下模板安放在穿孔机外套上沿，将铜箔平铺在下模板上，放置上模板压，上下模板对齐；2)推动刻蚀槽上升，液面上升并与铜箔接触，进行穿孔刻蚀；3)当刻蚀液从上模板的孔溢出，降低刻蚀槽，结束穿孔刻蚀。本发明铜箔穿孔机及其生产工艺，能够生产穿孔质量高、机械性能受损程度小的多孔铜箔，提高了成品质量，且连续生产提高了生产效率，生产工艺过程更加环保。

Description

一种基于化学刻蚀的铜箔穿孔机及其生产工艺

技术领域：

本发明涉及一种铜箔穿孔机及其生产工艺，尤其是涉及一种基于化学刻蚀的铜箔穿孔机及其生产工艺。

背景技术：

锂离子电池具有单位电池工作电压高、循环寿命长、比能量大等优点，随着手机电池、移动电源、新能源汽车等热门产业的不断发展，锂离子电池的需求量不断扩大，对锂离子电池各项性能指标的要求也不断提高。

目前锂离子电池最常用的负极材料基体为铜箔，在铜箔上涂抹负极材料用于电池工作，常遇到负极表面材料附着能力弱、易脱落等问题，影响锂离子电池的工作效率和使用寿命。使用多孔铜箔作为负极材料基体能够极大地改善上述问题，从物理上增加了负极材料的附着空间，使得负极材料不易脱落。同时孔洞填充负极材料，也提高了电池容量。

目前常用的铜箔穿孔方式主要有机械打孔、激光穿孔和化学刻蚀等。由于锂离子电池用铜箔通常较薄，机械打孔会造成铜箔内应力分布，对铜箔机械性能带来不利影响，同时孔的毛刺尺寸较大，不利于负极材料的涂覆。激光穿孔效率低，成型面质量差，不利于负极材料的涂覆和电池工作过程中电子的迁移。传统的化学刻蚀方式实现铜箔穿孔成本较高，工作效率低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于化学刻蚀的铜箔穿孔机及其生产工艺，提高刻蚀穿孔效率，改善传统化学刻蚀穿孔方式工作效率低、铜箔成品质量差的缺陷，降低制造成本，在试剂选择上避免污染性气体产物的产生，更加环保，对孔径的控制更加精确，提高穿孔铜箔成品质量。

为实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案。

一种基于化学刻蚀的铜箔穿孔机，包括铜箔放箔轮、下模板、密封圈、穿孔机外套、刻蚀槽、铜箔收箔轮、上模板、上模板连接杆；

其中铜箔放箔轮和铜箔收箔轮处于同一水平位置，其下缘与下模板上表面平齐；且铜箔放箔轮和铜箔收箔轮两者的转动方式为同时转动，且转动步距相同，以实现次转动时放箔/收箔同步进行、放箔/收箔的长度相同；所述铜箔穿孔机工作时，铜箔的待穿孔刻蚀部分置于铜箔放箔轮、铜箔的已穿孔刻蚀部分置于铜箔收箔轮、铜箔进行穿孔刻蚀的部分夹持于所述上模板及下模板间；所述上模板连接杆与上模板连接，控制上模板在垂直方向上下移动；所述上模板和下模板上分布若干穿透模板的孔，且上模板和下模板上的孔的分布和孔径完全一致、且在上模板和下模板契合时，上下模板上的孔位置一一对应；且所述上模板和下模板的孔分布及孔径根据铜箔化学刻蚀后的预设穿孔进行布置；所述刻蚀槽位于所述穿孔机外套内侧，且沿着穿孔机外套内侧上下移动；所述刻蚀槽的上沿与穿孔机外套接触位置，设置有所述密封圈，以确保在刻蚀液液面超过刻蚀槽上沿时，刻蚀液不会从刻蚀槽和穿孔机外套之间渗漏。

进一步地，所述上模板、下模板为不锈钢材质；厚度为1～5㎜，模板上的孔为直径50～1000μm圆孔，分布为矩形分布或者蜂巢型，孔间距100～2000μm。模板表面经过精密抛光，表面粗糙度小于2μm；上模板及下模板预设定位孔，便于上下模板定位。采用上下分离的模板具有以下有益效果：

刻蚀液通过下模板对铜箔进行穿孔后被上模板限制流动，可将刻蚀液由上模板溢出作为穿孔完成的判断依据，避免了刻蚀液对设计孔以外位置铜箔的刻蚀，提高了穿孔的准确性。

进一步地，所述刻蚀槽为不锈钢材质，通过液压杆控制，在穿孔机外套内侧进行上下移动。

进一步地，所述铜箔穿孔机还包括压力表，所述压力表设置于刻蚀槽内，用于测监穿孔过程中刻蚀液对下模板的压力。

基于使用如上所述的铜箔穿孔机，本发明还提供了一种穿孔铜箔的生产工艺，包括如下步骤：

步骤1，移动刻蚀槽，使刻蚀槽上沿低于穿孔机外套上沿；刻蚀槽中注满刻蚀液，使液面超过刻蚀槽；将下模板安放在穿孔机外套上沿，将铜箔平铺在下模板上表面，将上模板压在铜箔上方，且上下模板的孔对齐；

步骤2，推动刻蚀槽上升，液面上升并与铜箔接触，穿孔刻蚀过程中刻蚀液与铜箔始终保持接触，并使刻蚀液与下模板间压力始终保持正压，压力表示数保持在0～100Pa范围；

步骤3，当刻蚀液从上模板的孔溢出，降低刻蚀槽，使刻蚀液与铜箔脱离接触，结束穿孔刻蚀；并通过上模板连接杆使上模板升起，转动铜箔放箔轮与收箔轮，使已穿孔铜箔离开下模板表面，收卷至收箔轮，未穿孔铜箔平铺在下模板上；

重复上述步骤1-3，实现铜箔连续穿孔。

进一步地，所述刻蚀液使用20wt％三氯化铁溶液；使用该刻蚀液，避免了使用浓酸作为刻蚀液导致的氮氧化物、硫氧化物的产生；刻蚀液进入穿孔模板的孔内对铜箔特定位置进行刻蚀，在较快的刻蚀速度下可以实现对孔径的较精确的控制，同时减弱穿孔对铜箔机械性能的影响。

进一步地，铜箔的厚度控制在6～80μm。以确保刻蚀液进入穿孔模板的孔内并对铜箔能够在较快的刻蚀速度下完成穿孔刻蚀，减少侧面刻蚀，有利于对孔径的较精确的控制。

本发明采用上述结构的铜箔穿孔机及其生产工艺，能够生产穿孔质量高、机械性能受损程度小的多孔铜箔，提高了成品质量，连续生产提高了生产效率，生产工艺过程更加环保。

附图说明

图1为本发明铜箔穿孔机实施例的结构示意图。

其中：1、铜箔放箔轮；2、铜箔；3、不锈钢下模板；4、密封圈；5、穿孔机外套；6、刻蚀槽；7、铜箔收箔轮；8、不锈钢上模板；9、上模板连接杆；10、刻蚀液；11、压力表。

图2为本发明各实施例使用本发明铜箔穿孔机的生产工艺的流程图。

图3为实施例1中上模板及下模板的圆孔分布图。

图4为实施例1中制得穿孔铜箔的结构示意图。

图5为实施例2中制得穿孔铜箔的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例进一步说明本发明。以下实施例，均采用如附图1所示的铜箔穿孔机对铜箔进行穿孔刻蚀，穿孔刻蚀工艺如附图2所示。

实施例1

在刻蚀槽中注入浓度为20wt％的FeCl₃刻蚀液并使液面超过刻蚀槽上沿，将下模板安放在穿孔机外套上沿，将厚度6μm的铜箔平铺在下模板上表面，将上模板压在铜箔上方，且上下模板通过定位销使上下模板的孔对齐。上下模板均为1mm厚度不锈钢板，表面粗糙度1μm，模板内含有直径50μm的圆孔，圆孔成矩形分布，孔中心间距80μm，上模板和下模板圆孔分布如附图3所示。推动刻蚀槽上升使刻蚀液液面上升并与铜箔接触，刻蚀槽内压保持在10Pa，当刻蚀液从上模板的孔溢出，降低刻蚀槽，使刻蚀液与铜箔脱离接触。通过上模板连接杆使上模板升起，转动收箔轮及放箔轮，使已穿孔铜箔离开穿孔机卷于收箔轮，并将未穿孔铜箔平铺在下模板上；重复前述过程，实现铜箔连续穿孔。利用扫描电镜观察铜箔孔形态，如附图4所示。孔直径统计结果为51±3.2μm，孔中心间距82±5.2μm。

实施例2

在刻蚀槽中注入浓度为20wt％的FeCl₃刻蚀液并使液面超过刻蚀槽上沿，将下模板安放在穿孔机外套上沿，将厚度80μm的铜箔平铺在下模板上表面，将上模板压在铜箔上方，且上下模板通过定位销使上下模板的孔对齐。上下模板均为5mm厚度不锈钢板，表面粗糙度2μm，模板内含有直径1000μm的圆孔，圆孔成蜂巢形分布，孔中心间距1200μm。推动刻蚀槽上升使刻蚀液液面上升并与铜箔接触，刻蚀槽内压保持在100Pa，当刻蚀液从上模板的孔溢出，降低刻蚀槽，使刻蚀液与铜箔脱离接触。通过上模板连接杆使上模板升起，动收箔轮及放箔轮，使已穿孔铜箔离开穿孔机卷于收箔轮，并将未穿孔铜箔平铺在下模板上；重复前述过程，实现铜箔连续穿孔。利用光学显微镜观察铜箔孔形态，如附图5所示。孔直径统计结果为1002±8.1μm，孔中心间距1211±9.3μm。

Claims (8)

1.一种基于化学刻蚀的铜箔穿孔机，其特征在于：所述铜箔穿孔机包括铜箔放箔轮、下模板、密封圈、穿孔机外套、刻蚀槽、铜箔收箔轮、上模板、上模板连接杆；

其中铜箔放箔轮和铜箔收箔轮处于同一水平位置，其下缘与下模板上表面平齐；且铜箔放箔轮和铜箔收箔轮两者的转动方式为同时转动时转动步距相同，以实现转动时放箔与收箔同步进行、放箔与收箔的铜箔长度相同；所述铜箔穿孔机工作时，铜箔的待穿孔刻蚀部分置于铜箔放箔轮、铜箔的已穿孔刻蚀部分置于铜箔收箔轮、铜箔进行穿孔刻蚀的部分夹持于所述上模板及所述下模板间；

所述上模板连接杆与所述上模板连接，控制上模板在垂直方向上下移动；所述上模板和下模板上分布若干穿透模板的孔，且上模板和下模板上的孔的分布和孔径完全一致、且在上模板和下模板契合时，上下模板上的孔位置一一对应；且所述上模板和下模板的孔分布及孔径根据铜箔化学刻蚀后的预设穿孔进行布置；

所述刻蚀槽位于所述穿孔机外套内侧，且沿着穿孔机外套内侧上下移动；所述刻蚀槽的上沿与穿孔机外套接触位置，设置有所述密封圈，以确保在刻蚀液液面超过刻蚀槽上沿时，刻蚀液不会从刻蚀槽和穿孔机外套之间渗漏；

所述铜箔穿孔机还包括压力表，所述压力表设置于刻蚀槽内，用于测监穿孔过程中刻蚀液对下模板的压力。

2.根据权利要求1所述一种基于化学刻蚀的铜箔穿孔机，其特征在于：所述上模板、下模板为不锈钢材质；厚度为1～5㎜，模板上的孔为直径50～1000μm圆孔，分布为矩形分布或者蜂巢型，孔间距100～2000μm。

3.根据权利要求2所述一种基于化学刻蚀的铜箔穿孔机，其特征在于：所述上模板及下模板的表面粗糙度小于2μm。

4.根据权利要求1所述一种基于化学刻蚀的铜箔穿孔机，其特征在于：上模板及下模板预设定位孔，便于上下模板定位。

5.根据权利要求1所述一种基于化学刻蚀的铜箔穿孔机，其特征在于：所述刻蚀槽为不锈钢材质，通过液压杆控制，在穿孔机外套内侧进行上下移动。

6.一种铜箔穿孔刻蚀的生产工艺，其特征在于，所述铜箔穿孔刻蚀采用权利要求1～5任一项所述的铜箔穿孔机，包括如下步骤：

步骤1，移动刻蚀槽，使刻蚀槽上沿低于穿孔机外套上沿；刻蚀槽中注满刻蚀液，使液面超过刻蚀槽；将下模板安放在穿孔机外套上沿，将铜箔平铺在下模板上表面，将上模板压在铜箔上方，且上下模板的孔对齐；

步骤2，推动刻蚀槽上升，液面上升并与铜箔接触，穿孔刻蚀过程中刻蚀液与铜箔始终保持接触，并使刻蚀液与下模板间压力始终保持正压，压力表示数保持在0～100Pa范围；

步骤3，当刻蚀液从上模板的孔溢出，降低刻蚀槽，使刻蚀液与铜箔脱离接触，结束穿孔刻蚀；并通过上模板连接杆使上模板升起，转动铜箔放箔轮与铜箔收箔轮，使已穿孔刻蚀的铜箔离开下模板表面，收卷至铜箔收箔轮，未穿孔铜箔平铺在下模板上；

步骤4，重复上述步骤1-3，实现铜箔连续穿孔刻蚀。

7.根据权利要求6所述一种铜箔穿孔刻蚀的生产工艺，其特征在于：所述刻蚀液使用20wt％三氯化铁溶液。

8.根据权利要求6所述一种铜箔穿孔刻蚀的生产工艺，其特征在于：所述铜箔的厚度控制在6～80μm。

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