CN109554738A - 一种锂离子电池负极铜箔生产设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种锂离子电池负极铜箔生产设备及方法，将含有纳米铜层的PET膜从放卷机构处放卷，进入电镀槽B中，电镀后进入电镀槽C中，再连续经过各级电镀槽D‑I电镀后，进入水洗槽中水洗，挤水后进入第一干燥设备烘干后，进入钝化槽中进行钝化处理，而后再进行烘干，最后经收卷机构收卷。采用本发明提供的生产设备及方法生产的极薄铜箔有效降低了锂离子电池的重量，为实现300Wh/kg的动力电池比能量提供一种轻质负极材料，同时解决了国内现有技术和设备的不足，填补了国内极薄铜箔生产领域的空缺。此外，本发明提供的极薄电解铜箔生产方法和设备，取代了电解铜箔生产中昂贵而庞大的阴极辊设备，降低了企业的生产成本且更易于操作，便于企业进行大规模生产。

Description

一种锂离子电池负极铜箔生产设备及方法

技术领域

本发明涉及电解铜箔生产技术领域，特别是涉及一种锂离子电池负极铜箔生产设备及方法。

背景技术

现有生产锂离子电池用铜箔的一体机生产工艺流程为：依次经过阴极辊-酸洗-水洗-剥离-烘干-钝化处理-烘干-收卷，此种方法普遍存在以下问题：

(1)阴极辊及控制系统限制，生产出的铜箔最薄厚度为6μm，很难生产6微米或以下铜箔，单位重量54-88g/m²。

(2)经常出现撕边问题，以及由撕边引起的阴极辊电击问题。

(3)经常出现折、螺旋纹、黑点等质量问题，成品率低。

(4)阴极辊尺寸固定，裁切时如果尺寸搭配不好，会降低成品率。

(5)锂电铜箔的抗拉强度和延展性差，难满足快速充电高端锂离子电池的需要。

目前，上述问题就是制约铜箔生产企业的几大瓶颈，如何快速有效解决上述问题，成为铜箔领域技术人员的研究方向。

发明内容

本发明的目的是提供一种锂离子电池负极铜箔生产设备及方法，能够大批量、高效率地生产高质量的极薄铜箔。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种锂离子电池负极铜箔生产设备，所述锂离子电池负极铜箔生产设备包括：依次设置的放卷机构、电镀装置、水洗槽、第一干燥设备、钝化槽、第二干燥设备和收卷机构；所述电镀装置包括多个电镀槽；所述多个电镀槽包括依次设置的电镀槽B、电镀槽C、电镀槽D、电镀槽E、电镀槽F、电镀槽G、电镀槽H和电镀槽I；多个所述电镀槽的宽度相同；所述电镀槽B、电镀槽C、电镀槽D、电镀槽E的高度依次增大；所述电镀槽E、电镀槽F、电镀槽G、电镀槽H和电镀槽I的高度相同。

可选的，各所述电镀槽尺寸依次为：电镀槽B高800mm*宽800mm，电镀槽C高950mm*宽800mm，电镀槽D高1100mm*宽800mm，电镀槽E-电镀槽I高1250mm*宽800mm。

可选的，每个所述电镀槽中设置四块阳极板，下降段两面各有一块，上升段两面各有一块，用于进行单面电镀或双面电镀铜箔；所述电镀槽B、电镀槽C、电镀槽D、电镀槽E中阳极板的宽度依次增大；所述电镀槽E、电镀槽F、电镀槽G、电镀槽H和电镀槽I中阳极板的宽度相同。

可选的，所述阳极板为DSA阳极。

可选的，各所述电镀槽中所述阳极板的宽度依次为：电镀槽B300mm，电镀槽C450mm，电镀槽D600mm，电镀槽E-电镀槽I750mm。

可选的，各所述电镀槽中的电解液的组分包括：硫酸铜80-200g/L、硫酸60-200g/L、氯根10-80ppm、光亮剂0.01-0.05g/L，胶原蛋白0.01-0.05g/L。

可选的，所述电解液的温度为15-45℃。

一种锂离子电池负极铜箔生产方法，所述方法应用于所述锂离子电池负极铜箔生产设备；所述生产方法包括：

准备PET薄膜；

在所述PET薄膜表面磁控溅射上厚度为100nm的铜层，生成含有纳米铜层的PET膜；

对所述含有纳米铜层的PET膜进行多级电镀处理，生成极薄铜箔；

对所述极薄铜箔依次进行水洗、一次烘干、钝化、二次烘干处理，生成所述铜箔。

可选的，所述对所述含有纳米铜层的PET膜进行多级电镀处理，生成极薄铜箔，具体包括：

将所述含有纳米铜层的PET膜从所述放卷机构处放卷，进入所述电镀槽B中进行第一次电镀；第一次电镀后进入所述电镀槽C中进行第二次电镀；第二次电镀后依次连续经过各级电镀槽D-电镀槽I进行第三-第八次电镀后，生成所述极薄铜箔。

可选的，所述对所述极薄铜箔依次进行水洗、一次烘干、钝化、二次烘干处理，生成所述铜箔，具体包括：

所述极薄铜箔经水洗、挤水后进入所述第一干燥设备；经所述第一干燥设备进行第一次烘干后进入所述钝化槽中进行钝化处理；而后再通过所述第二干燥设备进行第二次烘干后，生成所述铜箔；所述铜箔经所述收卷机构进行收卷。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供一种锂离子电池负极铜箔生产设备及方法，将含有纳米铜层的PET膜从放卷机构处放卷，进入电镀槽B中，电镀后进入电镀槽C中，再连续经过各级电镀槽(D-I)电镀后，进入水洗槽中经水洗、挤水后进入第一干燥设备，烘干后进入钝化槽中进行钝化处理，而后再进行烘干，最后经收卷机构收卷。与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

(1)以PET膜为载体，生产极薄铜箔时，不会出现撕边、断箔等问题；

(2)在PET膜上进行电镀，便于生产1-2μm极薄电解铜箔；

(3)可以根据所需铜箔的宽度，选择适宜宽度的PET进行电镀，最大程度上降低成本；

(4)本发明提供的极薄电解铜箔的生产工艺和生产设备，取代了电解铜箔生产中昂贵而庞大的阴极辊设备，降低了企业的生产成本且更易于操作，便于企业进行大规模生产；

(5)本发明的一种极薄高性能锂离子电池负极铜箔的生产工艺和生产设备，解决了国内现有技术和设备的不足，填补了国内极薄铜箔生产领域的空缺。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据本发明提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的锂离子电池负极铜箔生产设备的结构示意图；

图2为本发明提供的锂离子电池负极铜箔生产方法的方法流程图；

图3为采用本发明提供的生产设备及方法生产的铜箔的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种锂离子电池负极铜箔生产设备及方法，以解决现有电解铜箔生产方法生产效率低、铜箔质量差、无法大批量生产、且无法生产1-2μm极薄铜箔的问题。本发明公开的一种极薄(单面1-2μm)高性能锂离子电池负极铜箔的生产方法及生产设备，采用的材料为3-4μm的PET薄膜，用磁控溅射方法在PET薄膜上溅射厚度为100nm的铜层，然后再采用本发明的生产设备和工艺进行增厚处理，其生产工艺为：经导辊依次进入各电镀槽的电解液中进行电镀增厚铜层，然后对铜箔进行水洗、干燥、防氧化处理，从而降低锂离子电池的重量，为实现300Wh/kg的动力电池比能量提供一种轻质负极材料，同时解决了国内现有技术和设备的不足，填补了国内极薄铜箔生产领域的空缺。此外，本发明提供的极薄电解铜箔生产工艺和生产设备，取代了电解铜箔生产中昂贵而庞大的阴极辊设备，降低了企业的生产成本且更易于操作，便于企业进行大规模生产。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明提供的锂离子电池负极铜箔生产设备的结构示意图。本发明提供的锂离子电池负极铜箔生产设备是放卷——电镀处理——钝化处理及收卷一体机，如图1所示，按照铜箔的前进方向，所述锂离子电池负极铜箔生产设备包括：依次设置的放卷机构、电镀装置、水洗槽J、第一干燥设备K、钝化槽L、第二干燥设备M和收卷机构。所述放卷机构包括放卷轴A和导辊、张力辊。所述电镀装置包括多个电镀槽，所述多个电镀槽包括依次设置的电镀槽B、电镀槽C、电镀槽D、电镀槽E、电镀槽F、电镀槽G、电镀槽H和电镀槽I。多个所述电镀槽的宽度相同；所述电镀槽B、电镀槽C、电镀槽D、电镀槽E的高度依次增大；所述电镀槽E、电镀槽F、电镀槽G、电镀槽H和电镀槽I的高度相同。所述收卷机构包括导辊和收卷轴N。

具体的，各所述电镀槽尺寸依次为：电镀槽B高800mm*宽800mm，电镀槽C高950mm*宽800mm，电镀槽D高1100mm*宽800mm，电镀槽E-电镀槽I高1250mm*宽800mm。

本发明只限定机列各电镀槽槽体的宽度和高度，并没有限定各电镀槽长度，槽体中各导辊有效长度可以达到1600mm，理论上可以电镀PET膜幅宽在1600mm以内的所有规格。例如，锂电池用铜箔的幅宽为700mm，可以选用幅宽为750mm或1500mm(两个750mm)的PET膜来生产，最大限度降低浪费，降低成本，选择幅宽灵活。而目前电解铜箔生产采用的阴极辊幅宽都为1400mm，搭配不好会造成较大浪费，增加成本。

每个所述电镀槽中设置四块阳极板，下降段两面各有一块，上升段两面各有一块，用于进行单面电镀或双面电镀铜箔；所述电镀槽B、电镀槽C、电镀槽D、电镀槽E中阳极板的宽度依次增大；所述电镀槽E、电镀槽F、电镀槽G、电镀槽H和电镀槽I中阳极板的宽度相同。

具体的，各所述电镀槽中所述阳极板的宽度依次为：电镀槽B300mm，电镀槽C450mm，电镀槽D600mm，电镀槽E-电镀槽I750mm。所述阳极板为DSA阳极(DimensionallyStable Anode，习惯称为尺寸稳定阳极)。

各所述电镀槽中的电解液的组分包括：硫酸铜80-200g/L、硫酸60-200g/L、氯根10-80ppm、光亮剂0.01-0.05g/L，胶原蛋白0.01-0.05g/L。所述电解液的温度为15-45℃。所述光亮剂为复合添加剂，包括聚二硫二丙烷磺酸钠SPS、二甲基甲酰胺基丙烷磺酸钠TPS、3-巯基-1-丙磺酸钠盐MPS、苯基二硫丙烷磺酸钠BSP、聚乙烯亚胺烷基盐PN、N,N-二甲基二硫代甲酰胺丙烷磺酸钠DPS、聚乙二醇PEG中的一种或几种组分。

具体的，所述电镀槽B中的电解液组分包括：硫酸铜80-140g/L、硫酸60-100g/L、氯根10-40ppm、光亮剂0.03-0.05g/L、胶原蛋白0.03-0.05g/L。

所述电镀槽C-电镀槽I中的电解液组分包括：硫酸铜120-200g/L、硫酸100-200g/L、氯根30-80ppm、光亮剂0.01-0.03g/L、胶原蛋白0.01-0.03g/L。

本发明采用的材料为3-4μmPET薄膜，用磁控溅射方法在PET薄膜上溅射厚度为100nm的铜层，纳米铜层经导辊进入电镀装置中，电镀后得到的极薄铜箔，再依次经水洗、烘干、钝化、烘干、收卷后得到成品铜箔。

本发明还提供一种锂离子电池负极铜箔生产方法，所述生产方法应用于所述锂离子电池负极铜箔生产设备。图2为本发明提供的锂离子电池负极铜箔生产方法的方法流程图，参见图2，所述生产方法包括：

步骤201：准备PET薄膜；所述PET薄膜为3-4μm厚度的PET薄膜。

步骤202：在所述PET薄膜表面磁控溅射上厚度为100nm的铜层，生成含有纳米铜层的PET膜。

在所述PET膜表面磁控溅射上厚度为100nm的铜层，可以单面溅射，也可以双面溅射。然后采用本发明的电镀装置在溅射铜层的PET膜上，进行单面或双面电镀铜箔。单面电镀铜箔时，是对单面阳极板进行通电；双面电镀铜箔时，是同时对双面阳极板进行通电。

步骤203：对所述含有纳米铜层的PET膜进行多级电镀处理，生成极薄铜箔。

将所述含有纳米铜层的PET膜从所述放卷机构处放卷，进入所述电镀槽B中进行第一次电镀；第一次电镀后进入所述电镀槽C中进行第二次电镀；第二次电镀后依次连续经过各级电镀槽D-电镀槽I进行第三-第八次电镀后，生成所述极薄铜箔。

所述电镀槽B-I为八个独立槽体，前三个槽体(B-D)尺寸逐渐增大，电镀槽B到电镀槽D的尺寸(高*宽，mm)依次为800*800、950*800、1100*800；后五个电镀槽(E-I)的尺寸(高*宽，mm)为1250*800。在电镀时，需要根据铜箔厚度、设备精度、产量等要求来规定机列车速的范围，在此范围内可以适当增减电镀槽的数量。PET薄膜上的铜层厚度仅为100nm，电阻大、电流大，当电压过高时，会将纳米铜层电蚀掉，导致后续铜层无法继续电镀。第一个电镀槽B阳极板尺寸最小，同样电流下槽压最小，能够保证纳米铜层不被电蚀掉，可以电镀上铜层。经第一个电镀槽B电镀后，纳米铜层增厚，可以承受更高的电压或电流，故后续阳极板尺寸逐渐增大，而电流则随阳极板增大而增大。如果尺寸一致较大时，第一个槽体肯定会将纳米铜层电蚀掉，导致后续无法电镀铜；如果尺寸较小时，则需要更多的槽体，会增加成本。因此本发明优选为设置8个电镀槽B-I，能够在节约成本的前提下高效率生产1-2μm铜箔。其中电镀槽B-I均用于通过电镀增加铜层厚度，电镀槽B-D主要保证纳米铜层不被电蚀，同时增加铜层厚度；后续电镀槽E-I主要作用是增加铜层厚度。

每个所述电镀槽中有四块阳极板，下降段两面各有一块，上升段两面各有一块，可以根据要求进行单面电镀或双面电镀铜箔。前四个电镀槽(B-E)中阳极板宽度依次300mm、450mm、600mm、750mm，后四个电镀槽(F-I)中阳极板的宽度也是750mm。

电镀槽B中的电解液组分包括：硫酸铜80-140g/L、硫酸60-100g/L、氯根10-40ppm、光亮剂0.03-0.05g/L、胶原蛋白0.03-0.05g/L，电解液温度15-30℃。

电镀槽C—电镀槽I中的电解液组分包括：硫酸铜120-200g/L、硫酸100-200g/L、氯根30-80ppm、光亮剂0.01-0.03g/L、胶原蛋白0.01-0.03g/L，电解液温度25-45℃。

电镀槽B中电解液的工艺参数主要作用是保证纳米铜层不被电蚀掉，而后续槽体C-I中电解液的工艺参数设置是为了增加铜层厚度。

由于PET膜上的铜层厚度仅为100nm，很容易被酸性硫酸铜电解液溶解掉，所以对第一步电镀槽B有严格要求，这也是本发明专利的难点；纳米铜层浸入电解液的同时对下降段阳极板进行通电，电流保持5-20A的范围进行电镀，电流大会使纳米铜层瞬间被电蚀掉，使后续无法正常电镀。电镀后的铜箔经液下辊进入上升段阳极板时，马上对上升段阳极板进行通电，也是在5-20A电流强度下电镀。经过电镀槽B的电镀后，PI或PET膜上的铜层厚度会有所增加，当进入电镀槽C中时，电流强度可以比B槽稍微大点，为15-40A，以铜层不发生电蚀为标准，送电方法与电镀槽B送电相同；经过电镀槽C的电镀后，铜层厚度进一步增加，后面的电镀槽D-I的电流强度可以依次适当增大，优选电镀槽D电流为30-60A，电镀槽E-I电流为50-200A，从而提高机列处理车速，提高产量。

步骤204：对所述极薄铜箔依次进行水洗、一次烘干、钝化、二次烘干处理，生成所述铜箔。

经过各级电镀后，铜箔需要进行水洗处理，而经过钝化处理后不需要进行水洗处理。因此所述电镀槽I后有一个水洗槽J，而钝化槽L后没有水洗槽。

对所述极薄铜箔进行两次烘干处理，因此所述水洗槽J后有烘干设备K，钝化槽L后也有烘干设备M。

所述极薄铜箔经水洗、挤水后进入所述第一干燥设备；经所述第一干燥设备进行第一次烘干后进入所述钝化槽中进行防氧化处理；防氧化处理后再经挤辊直接进入所述第二干燥设备进行第二次烘干，不需要对钝化后的铜箔进行水洗，因此不会产生废水和处理成本。而铜箔经过传统的表面处理钝化后，必须经过水洗，会造成废水污染和资源浪费。生成的铜箔经所述收卷机构进行收卷，制成铜箔成品。

目前超薄铜箔都是用阴极辊生产，最薄厚度为6μm，且容易撕边、有螺旋纹、成品率低等质量问题。而采用本发明方法能够生产1-2μm超薄铜箔，且不存在撕边等问题，质量极佳，适于产业应用。

图3为采用本发明提供的生产设备及方法生产的铜箔的结构示意图。参见图3，采用本发明设备及方法所生产的锂离子电池负极铜箔单面铜层厚度为1-2μm，两面铜层总厚度为2-4μm；表面电阻≤20mΩ，粗糙度Ra≤0.3μm，光亮度≥150GU，达因值≥38，产品总厚度5-9μm，单位重量20-40g/m²，具有厚度极薄、重量极轻的显著特点。可见，本发明提供的极薄高性能锂离子电池负极电解铜箔的生产工艺，能够高效、批量生产厚度为1-2μm极薄高性能锂离子电池负极用电解铜箔，解决了传统铜箔的生产工艺生产效率低、铜箔质量差、无法大批量生产、且无法生产1-2μm极薄铜箔的问题，填补了国内极薄铜箔生产技术的空白，为国内铜箔企业的发展提供技术支持。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的装置及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种锂离子电池负极铜箔生产设备，其特征在于，所述生产设备包括：依次设置的放卷机构、电镀装置、水洗槽、第一干燥设备、钝化槽、第二干燥设备和收卷机构；所述电镀装置包括多个电镀槽；所述多个电镀槽包括依次设置的电镀槽B、电镀槽C、电镀槽D、电镀槽E、电镀槽F、电镀槽G、电镀槽H和电镀槽I；多个所述电镀槽的宽度相同；所述电镀槽B、电镀槽C、电镀槽D、电镀槽E的高度依次增大；所述电镀槽E、电镀槽F、电镀槽G、电镀槽H和电镀槽I的高度相同。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池负极铜箔生产设备，其特征在于，各所述电镀槽尺寸依次为：电镀槽B高800mm*宽800mm，电镀槽C高950mm*宽800mm，电镀槽D高1100mm*宽800mm，电镀槽E-电镀槽I高1250mm*宽800mm。

3.根据权利要求1所述的锂离子电池负极铜箔生产设备，其特征在于，每个所述电镀槽中设置四块阳极板，下降段两面各有一块，上升段两面各有一块，用于进行单面电镀或双面电镀铜箔；所述电镀槽B、电镀槽C、电镀槽D、电镀槽E中阳极板的宽度依次增大；所述电镀槽E、电镀槽F、电镀槽G、电镀槽H和电镀槽I中阳极板的宽度相同。

4.根据权利要求3所述的锂离子电池负极铜箔生产设备，其特征在于，所述阳极板为DSA阳极。

5.根据权利要求3所述的锂离子电池负极铜箔生产设备，其特征在于，各所述电镀槽中所述阳极板的宽度依次为：电镀槽B300mm，电镀槽C450mm，电镀槽D600mm，电镀槽E-电镀槽I750mm。

6.根据权利要求1所述的锂离子电池负极铜箔生产装置，其特征在于，各所述电镀槽中的电解液的组分包括：硫酸铜80-200g/L、硫酸60-200g/L、氯根10-80ppm、光亮剂0.01-0.05g/L，胶原蛋白0.01-0.05g/L。

7.根据权利要求6所述的锂离子电池负极铜箔生产装置，其特征在于，所述电解液的温度为15-45℃。

8.一种锂离子电池负极铜箔生产方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1所述的锂离子电池负极铜箔生产设备；所述生产方法包括：

准备PET薄膜；

在所述PET薄膜表面磁控溅射上厚度为100nm的铜层，生成含有纳米铜层的PET膜；

对所述含有纳米铜层的PET膜进行多级电镀处理，生成极薄铜箔；

对所述极薄铜箔依次进行水洗、一次烘干、钝化、二次烘干处理，生成所述铜箔。

9.根据权利要求8所述的锂离子电池负极铜箔生产方法，其特征在于，所述对所述含有纳米铜层的PET膜进行多级电镀处理，生成极薄铜箔，具体包括：

将所述含有纳米铜层的PET膜从所述放卷机构处放卷，进入所述电镀槽B中进行第一次电镀；第一次电镀后进入所述电镀槽C中进行第二次电镀；第二次电镀后依次连续经过各级电镀槽D-电镀槽I进行第三-第八次电镀后，生成所述极薄铜箔。

10.根据权利要求8所述的锂离子电池负极铜箔生产方法，其特征在于，所述对所述极薄铜箔依次进行水洗、一次烘干、钝化、二次烘干处理，生成所述铜箔，具体包括：

所述极薄铜箔经水洗、挤水后进入所述第一干燥设备；经所述第一干燥设备进行第一次烘干后进入所述钝化槽中进行钝化处理；而后再通过所述第二干燥设备进行第二次烘干后，生成所述铜箔；所述铜箔经所述收卷机构进行收卷。