CN110102915A - 一种锂离子电池负极用多孔铜箔的激光加工技术 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池负极用铜箔的激光穿孔装置，包括放箔辊、收箔辊、机架、负压装置、钨板、辅助水冷装置、激光器导板以及激光器，辅助水冷装置设置于钨板的两侧，实现对钨板和铜箔的连续水冷。加工时，待加工的铜箔经放箔辊放料，铜箔经过钨板的中部表面，钨板的中部与铜箔接触的区域，均匀分布有通孔，通过该通孔以及设置在钨板下方机架内的负压装置，使得铜箔平整地贴附于钨板表面并展开，保证了激光穿孔过程中铜箔的平整度。本发明通过具有高热容、高熔点的金属钨结合水冷装置实现铜箔穿孔过程中的冷却，在此基础上通过负压装置使铜箔展平，两者叠加同时解决了热变形和机械变形对铜箔的影响，避免了褶皱的产生，提高了铜箔穿孔的加工质量。

Description

一种锂离子电池负极用多孔铜箔的激光加工技术
技术领域
本发明涉及激光穿孔技术领域，尤其是涉及一种锂离子电池负极用铜箔的激光穿孔装置及穿孔工艺。
背景技术
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。
激光穿孔是目前常用的铜箔穿孔技术之一，激光具有能量密度高、方向性好的特点，可通过脉冲激光烧蚀铜箔实现铜箔指定位置的穿孔，用这种方式进行铜箔的穿孔加工，加工精度高，可加工的孔径小，且可进行较复杂孔排布方式的加工。
锂离子电池负极用铜箔的厚度通常为较薄的微米级，这导致在穿孔加工过程中易导致铜箔受力产生褶皱，影响铜箔作为负极集流体的使用。且在激光穿孔过程中，由于缺乏有效的冷却手段，激光产生的高热量同样会导致铜箔产生热变形和褶皱。
发明内容
针对现有技术的问题，本发明的目的是提供一种用于锂离子电池负极铜箔的激光穿孔装置及激光穿孔生产工艺，通过改良激光穿孔过程的冷却方式，解决在激光穿孔过程中铜箔产生热变形和褶皱的技术问题，提高锂离子电池负极用铜箔的穿孔加工质量。
本发明的技术方案如下。
本发明提供了一种锂离子电池负极用铜箔的激光穿孔装置，包括放箔辊、收箔辊，激光穿孔机构，铜箔通过放箔辊和收箔辊进行传输，激光穿孔机构位于放箔辊和收箔辊之间的铜箔传输通道上，铜箔在激光穿孔机构中完成激光穿孔；其中激光穿孔机构包括机架、位于机架内的负压装置、位于机架上方通过机架支撑的钨板、以及包裹钨板两侧安装的辅助水冷装置、以及激光器导板和激光器；工作时，铜箔从放箔辊输出，从所述钨板的中部经过，放箔辊与收箔辊之间保持适当的张力。所述钨板的中部在铜箔经过区域设置了通孔；启动所述负压装置，并在所述负压装置和钨板中部通孔的作用下，铜箔平整展开并紧贴钨板表面，这时激光器导板置于该处铜箔上，在激光器导板的控制下，激光器在铜箔上进行穿孔工艺，同时置于钨板两侧的辅助水冷装置对钨板和铜箔进行冷却，之后完成穿孔后的铜箔传输至收箔辊收起。
进一步地，所述激光器导板可控制激光器进行x, y两个自由度的平面运动，激光器最小移动精度0.05 mm。
进一步地，所述激光器为CO2激光器，激光功率10~300W，最小穿孔直径0.03mm。
进一步地，所述钨板厚度为10~50mm；钨板中部设置的通孔为均匀分布，孔径为1~5mm, 相邻两孔孔中心间距5~10 mm。
进一步地，所述负压装置，通过机械泵实现持续稳定的100~1000 Pa的负压。通过负压吸附方式实现铜箔在钨板表面的平整展开和紧密贴附，从而保证激光穿孔过程中铜箔的平整度，提高穿孔的精确度和铜箔的加工质量。
进一步地，所述辅助水冷装置采用循环水对钨板两侧进行连续水冷，保证钨板的温度恒定。由于钨板中部与被加工铜箔紧密贴合，在铜箔穿孔过程中吸收激光作用下铜箔产生的热量，通过钨板迅速被两侧的冷却装置吸收，实现对铜箔迅速冷却，防止铜箔受热发生褶皱，从而保证激光穿孔过程中铜箔的平整度。
进一步地，所述放箔辊与收箔辊轴向有效长度为1~1.5 m，辊轴直径0.5~0.8 m，配合实际锂离子电池用电解铜箔的加工需要。
本发明的激光穿孔装置，通过具有高热容、高熔点的金属钨结合水冷装置实现铜箔穿孔过程中的冷却，一方面：通过循环冷却水实现对钨板的连续冷却，利用了水冷冷却效率高的优势，保证钨板的温度恒定，以确保钨板对被加工铜箔的冷却效果，防止铜箔受热发生褶皱，从而保证激光穿孔过程中铜箔的平整度，提高了穿孔的精确度和铜箔的加工质量。另一方面高熔点的钨基板避免了其他金属介质易出现的在激光下的损耗和对铜箔表面的污染；另外，在改良冷却方式的基础上通过负压装置使铜箔展平，两者叠加同时解决了热变形和机械变形对铜箔的影响，避免了褶皱的产生，提高了铜箔穿孔的加工质量。
使用上述激光穿孔装置，制作锂离子负极用多孔铜箔，包括如下工艺步骤：
步骤1，放箔辊放料，保持放箔辊与收箔辊之间张力为1~100 N，启动负压装置，待铜箔平整地贴附于钨板表面，启动辅助水冷装置，同时对激光器进行预热。
步骤2，计算机端设定好穿孔参数，包括穿孔尺寸、孔间距、待加工铜箔厚度及孔分布形状，启动穿孔程序，控制激光器及激光器导板进行
连续穿孔；
步骤3，待穿孔结束，关闭激光器，复位激光器导板位置，关闭负压装置，关闭辅助水冷装置，收箔辊收料因此，本发明采用上述激光穿孔装置及其生产工艺，能够优化激光打孔的冷却效果，避免机械作用与热作用导致的铜箔褶皱，有效地改善了穿孔过程中铜箔的平整度，提高穿孔的精确度和铜箔的加工质量。
附图说明
图1为本发明激光穿孔装置的结构示意图。
图2为激光穿孔装置的局部示意图。
图3为钨板的示意图。
其中：1、激光器；2、激光器导板；3、辅助水冷装置；4、钨板；5、负压装置；6、放箔辊；7、收箔辊；8、机架；9、铜箔；10、钨板中部的通孔。
图4为实施例1铜箔经激光穿孔后的SEM图片。
图5为未采用本发明技术方案的常规激光穿孔后的SEM图片。
具体实施方法
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明各实施例使用的激光穿孔装置，如附图1所示，为本发明实施例中使用的铜箔激光穿孔装置的结构示意图，包括放箔辊、收箔辊、机架、负压装置、钨板、辅助水冷装置、激光器导板以及激光器。加工时，待加工的铜箔经放箔辊放料，如附图2的激光穿孔装置的局部示意图可以看到，铜箔经过钨板的中部表面，辅助水冷装置设置于钨板的两侧，对钨板两侧呈包裹式安装，以便在激光加工时，及时实现对钨板的连续冷却，利用了水冷冷却效率高的优势，保证钨板的温度恒定，以确保钨板对被加工铜箔的冷却效果，防止铜箔受热发生褶皱，从而保证激光穿孔过程中铜箔的平整度。另外，如附图3所示，为钨板的示意图，可以看到，钨板的中部即与铜箔接触的区域，均匀分布有通孔；加工时，通过该通孔以及设置在钨板下方机架内的负压装置，使得铜箔平整地贴附于钨板表面并展开，进一步的保证了激光穿孔过程中铜箔的平整度。
实施例1
在本实施例中，所使用的铜箔激光穿孔装置，更为具体的：激光器为CO2激光器，激光功率30W，最小穿孔直径0.03mm；激光器导板可控制激光器进行x, y两个自由度的平面运动，激光器最小移动精度0.05mm；钨板厚度为15mm；钨板中部与铜箔接触的区域，均匀分布着直径为5mm的通孔；置于钨板下方机架内的负压装置通过机械泵实现持续稳定的负压；辅助水冷装置通过循环水对钨板两侧进行连续水冷；放箔辊与收箔辊轴向有效长度为1.5m，直径0.8m。
本实施例中，加工铜箔厚度8μm，铜箔宽度0.4m；激光穿孔的设计孔径90μm,孔的排布方式为正方形规则排布，孔间距600μm；激光器移动线速0.4mm/s。
首先放箔辊放料，启动负压装置，待铜箔平整地贴附于钨板表面，启动辅助水冷装置，同时对激光器进行预热。控制程序中设置上述参数进行激光穿孔，穿孔结束后关闭激光器、激光器位置重置、关闭负压装置。如附图4为本实施例加工的铜箔上直径90μm激光穿孔的SEM图。可以看出孔周围较为光滑，无金属熔化喷溅现象。
作为对比，图5为未采用本发明技术方案的传统激光穿孔制备的铜箔，其SEM图可以清楚地观察到孔四周由于局部瞬时热效应导致铜熔化喷溅产生的颗粒，同时孔边缘出现翻卷现象。

Claims (8)

1.一种锂离子电池负极用铜箔的激光穿孔装置，其特征在于：包括放箔辊、收箔辊，激光穿孔机构，铜箔通过放箔辊和收箔辊进行传输，激光穿孔机构位于放箔辊和收箔辊之间的铜箔传输通道上，铜箔在激光穿孔机构中完成激光穿孔；
其中激光穿孔机构包括机架、位于机架内的负压装置、位于机架上方通过机架支撑的钨板、以及包裹钨板两侧安装的辅助水冷装置、以及激光器导板和激光器；
工作时，铜箔从放箔辊输出，从所述钨板的中部经过，所述钨板的中部在铜箔经过区域设置了通孔；这时，同时启动了所述负压装置，并在所述负压装置和钨板中部通孔的作用下，铜箔平整展开并紧贴钨板表面，这时激光器导板置于该处铜箔上，在激光器导板的控制下，激光器在铜箔上进行穿孔工艺，同时置于钨板两侧的辅助水冷装置对钨板和铜箔进行冷却，之后完成穿孔后的铜箔传输至收箔辊收起。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池负极用铜箔的激光穿孔装置，其特征在于：所述激光器导板能控制激光器进行x, y两个自由度的平面运动，激光器最小移动精度0.05mm。
3.根据权利要求1所述的一种锂离子电池负极用铜箔的激光穿孔装置，其特征在于：所述激光器为CO2激光器，激光功率10~300W，最小穿孔直径0.03mm。
4.根据权利要求1所述的一种锂离子电池负极用铜箔的激光穿孔装置，其特征在于：所述钨板厚度为10~50 mm，钨板中部设置的通孔为均匀分布,孔径为1~5mm,相邻两孔中心间距5~10 mm。
5.根据权利要求1所述的一种锂离子电池负极用铜箔的激光穿孔装置，其特征在于：所述负压装置，通过机械泵实现持续稳定的100~1000 Pa的负压。
6.根据权利要求1所述的一种锂离子电池负极用铜箔的激光穿孔装置，其特征在于：所述辅助水冷装置采用循环水对钨板两侧进行连续水冷。
7.根据权利要求1所述的一种锂离子电池负极用铜箔的激光穿孔装置，其特征在于：所述放箔辊与收箔辊轴向有效长度为1~1.5m，辊轴直径0.5~0.8m。
8.一种铜箔的激光穿孔工艺，其特征在于，使用权利要求1-7任一项所述的一种锂离子电池负极用铜箔的激光穿孔装置，包括如下步骤：
步骤1，放箔辊放料，保持放箔辊与收箔辊之间张力为1~100 N，启动负压装置，待铜箔平整地贴附于钨板表面，启动辅助水冷装置，同时对激光器进行预热；
步骤2，计算机端设定好穿孔参数，包括穿孔尺寸、间距及孔分布形状，启动穿孔程序，控制激光器及激光器导板进行连续穿孔；
步骤3，待穿孔结束，关闭激光器，复位激光器导板位置，关闭负压装置，关闭辅助水冷装置，收箔辊收料。
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