CN110993886A

CN110993886A - 一种锂电池集流体的制备装置

Info

Publication number: CN110993886A
Application number: CN201911366423.4A
Authority: CN
Inventors: 廖斌; 欧阳晓平; 张旭; 罗军; 陈琳; 庞盼; 吴先映; 英敏菊
Original assignee: Beijing Normal University
Current assignee: Beijing Normal University
Priority date: 2019-12-26
Filing date: 2019-12-26
Publication date: 2020-04-10
Anticipated expiration: 2039-12-26
Also published as: CN110993886B

Abstract

本发明涉及一种锂电池集流体的制备装置，用于在聚合物表面制备集流体，包括：真空腔室上开设有第一法兰接口以及第二法兰接口；离子源模块设于第一法兰接口上；磁过滤模块设于第二法兰接口上；每个转轴均设于真空腔室中，每个转轴的形状均为中空圆环柱，每个转轴均与聚合物接触，每个转轴均用于传送聚合物通过真空腔室。本发明通过大幅降低集流体制备过程中对材料处理难度，在物体上覆盖沉积金属离子实现集流体的制备，大幅降低制成的集流体厚度，实现对6微米以下的集流体的制备，不需对铜箔进行压延处理，制备的集流体硬度与韧度均衡，所以不易撕裂、破损，由此，本发明制备的集流体可以批量生产，成品率高，在表面打孔时也不易破损。

Description

一种锂电池集流体的制备装置

技术领域

本发明涉及锂电池领域，特别是涉及一种锂电池集流体的制备装置。

背景技术

在20世纪后半期，制造印刷线路板几乎是电解铜箔的唯一用途，而随着电池技术发展，锂电池逐渐兴起并普及，此时，电解铜箔有了新的应用领域，即将电解铜箔应用到锂离子电池中。作为锂离子电池的负极集流体，铜箔在电池中既充当负极活性物质的载体，又充当负极电子流的收集与传输体，因此，铜箔集流体对锂离子电池的电化学性能有很大的影响。早期的锂离子电池多采用压延铜箔作为负极集流体，采用压延铜箔作为负极集流体时，由于制备过程中采用压制延伸等步骤，需要对材料进行压制延伸以减低材料的厚度，扩大材料的面积，但是得到的集流体硬度高韧度低，容易撕裂破损。但随着电池生产技术的发展和电解铜箔性能的提高，目前国内外大部分锂离子电池厂家多采用电解铜箔制作电池负极集流体，在电解铜箔制备过程中，由于铜箔在电解时是依靠含铜电解液在钛辊上沉积形成铜箔的，铜箔上与钛辊表面相接触的一面是光滑的，另一面是凹凸不平的结晶组织面，相对粗糙，需要对粗糙的结晶组织面进行处理，然而，在对结晶组织面进行去除电解液、表面抗氧化以及干燥处理时，往往会影响铜箔的质量以及自支撑性能，所以，电解铜箔制备得到的集流体难以满足对厚度在6微米以下且高质量的集流体需求。随着便携式电子产品的迅速发展，以及未来对降低内阻、提高能量密度的需求，市场对锂离子内正极、负极、集流体、隔膜等厚度和质量的要求也越来越高。

而在现有的制备集流体的技术中，传统的集流体基本采用压延和电解铜箔，但铜箔在厚度上很难进行突破，关键问题在于：第一，在传统的集流体制备技术中，难以制备6微米以下的铜箔；第二，现有集流体的制备过程中，采用的铜箔厚度最薄为6-8微米，而6-8微米以及6微米以下的电解铜自支撑性能差，在制备成集流体时铜箔容易撕裂、破损等，导致成品率严重降低并且无法量产；第三，6-8微米电解铜可加工性能差，为增加比表面积在表面打孔时也容易发生破损等，不能降低整体电池的质量，同时很难提高电池集流体的比表面积和能量密度；第四，当前市面上制备集流体的设备往往都难以实现长时间高速高效制备，工作效率难以提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种锂电池集流体制备装置，用于解决现有技术中制备的锂电池集流体质量差的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种锂电池集流体的制备装置，用于在聚合物表面制备集流体，所述锂电池集流体的制备装置包括：真空腔室、离子源模块、磁过滤模块以及多个转轴；

所述真空腔室上开设有第一法兰接口以及第二法兰接口，所述第一法兰接口用于安装所述离子源模块，所述第二法兰接口用于安装所述磁过滤模块；

所述离子源模块设于所述第一法兰接口上，所述离子源模块用于向所述聚合物发射离子，形成金属层；

所述磁过滤模块设于所述第二法兰接口上，所述磁过滤模块用于对所述金属层进行磁过滤沉积；

每个所述转轴均设于所述真空腔室中，每个所述转轴的形状均为中空圆环柱，每个所述转轴均与所述聚合物接触，每个所述转轴均用于传送所述聚合物通过所述真空腔室。

可选的，所述锂电池集流体的制备装置还包括：控制器、温度传感器以及张力传感器；

所述温度传感器与所述聚合物表面接触，用于检测所述聚合物的温度；

所述张力传感器与所述聚合物表面接触，用于检测所述聚合物的张力；

所述控制器分别与所述温度传感器以及所述张力传感器连接，所述传感器用于在所述温度高于设定范围上限值或者低于设定范围下限值时发出警报，所述控制器用于在所述张力高于设定范围上限值或者低于设定范围下限值时发出警报。

可选的，所述锂电池集流体的制备装置还包括：冷却轴，所述冷却轴设于所述真空腔室中，所述冷却轴的形状为中空圆环柱，所述冷却轴与所述聚合物接触，所述冷却轴用于降低所述金属层的温度；所述磁过滤模块对冷却后的金属层进行磁过滤沉积。

可选的，所述锂电池集流体的制备装置还包括：磁过滤弯管；所述磁过滤弯管的一端与所述磁过滤模块连接，所述磁过滤弯管的另一端与所述第二法兰接口连接。

可选的，所述磁过滤弯管的弯曲角度为45度。

可选的，所述转轴具体包括：第一转轴、第二转轴、多个第三转轴以及多个第四转轴；

所述第一转轴设于所述真空腔室的一端，所述第一转轴上套设有待处理的所述聚合物；

所述第二转轴设于所述真空腔室的另一端，所述第二转轴用于收集处理结束的所述聚合物；

多个所述第三转轴与多个所述第一法兰接口一一对应，多个所述第四转轴与多个所述第二法兰接口一一对应。

可选的，所述真空腔室还包括：分子泵，所述真空腔室上还开设有多个第三法兰接口；

所述分子泵设于任一个所述第三法兰接口上；所述分子泵用于抽取所述真空腔室中的空气。

可选的，所述聚合物的材料为聚酰亚胺。

可选的，所述聚合物上设有多个通孔。

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：

本发明通过使用离子沉积的方式制备锂电池集流体，大幅降低集流体制备过程中对材料处理难度，通过离子沉积的方式，在物体上覆盖沉积实现集流体的制备，从而大幅降低了制成的集流体的厚度，实现了对6微米以下的集流体的制备，同时由于未采用压延等方法，不需要对铜箔进行压延处理，制备得到的集流体硬度与韧度均衡，所以本发明制备得到的集流体不易撕裂、破损，由此，本发明制备的集流体可以批量生产，成品率高，在表面打孔时也不易破损。

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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的装置结构图；

图2为本发明所提供的离子源模块电路原理图；

图3为本发明所提供的磁过滤模块结构主视图；

图4为本发明所提供的磁过滤模块结构俯视图；

图5为本发明所提供的磁过滤弯管结构主视图；

图6为本发明所提供的磁过滤弯管结构侧视图；

图7为本发明所提供的磁过滤弯管接口剖面图；

图8为本发明所提供的磁过滤沉积幅宽主视图示意图；

图9为本发明所提供的磁过滤沉积幅宽侧视图示意图；

图10为本发明所提供的集流体结构示意图；

图11为本发明所提供的带有通孔的双面铜集流体截面示意图；

图12为本发明所提供的带有通孔的双面铜集流体表面示意图；

图13为本发明所提供的双面铜集流体的通孔金属化示意图。

符号说明：真空腔室1、离子源模块2、磁过滤模块3、冷却轴4、第一转轴5、第二转轴6、第三转轴7、第四转轴8、分子泵9、聚合物10、金属层11、通孔12、内壁13。

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用于制备超薄铜集流体的装置，特别是针对6微米以下铜集流体的制备，并在实现对超薄铜集流体的制备的情况下，解决其自支撑性能差、良品率低、能量密度低以及安全性较低的问题。

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。

如图1所示，一种锂电池集流体的制备装置，用于在聚合物10表面制备集流体，所述锂电池集流体的制备装置包括：真空腔室1、离子源模块2、磁过滤模块3以及多个转轴；

所述真空腔室1上开设有第一法兰接口以及第二法兰接口，所述第一法兰接口用于安装所述离子源模块2，所述第二法兰接口用于安装所述磁过滤模块3；

所述离子源模块2设于所述第一法兰接口上，所述离子源模块2用于向所述聚合物10发射离子，形成金属层11；所述离子源模块2的电路原理图如图2所示；

所述离子源模块2向所述聚合物10发射的离子为高能量离子，所述高能量离子的能量不低于8KeV；在离子注入过程中其表面产生的温度不高于30度，温差在±5％以内；处理的范围在100-520mm，处理的速度不低于0.5m/min，离子源寿命大于30h；

所述磁过滤模块3设于所述第二法兰接口上，所述磁过滤模块3用于对所述金属层11进行磁过滤沉积；所述磁过滤模块3的结构如图3和图4所示；在所述磁过滤模块3对所述金属层11进行沉积的过程中，引出束流不大于100mA，在聚合物10如PET等上沉积温度不高于40度，沉积膜层致密性高；沉积时引出为100％离子，无金属颗粒；膜层厚度大于200nm时就能够实现无孔洞，膜层为连续膜层。

此外，在实际应用中，所述离子源模块2与所述磁过滤模块3均可以单独开启，在保证所述金属层11质量的情况下，尽可能的缩小设计尺寸，减小空间，进一步优化整体设计。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，所述离子源模块2的数量为2，所述第一转轴5的数量为2，其中，一个所述第一转轴5的外表面与所述聚合物10的一面接触，与上述第一转轴5对应的离子源模块2用于对所述聚合物10的一面发射高能量离子；另一个所述第一转轴5的外表面与所述聚合物10的另一面接触，与上述第一转轴5对应的离子源模块2用于对所述聚合物10的另一面发射高能量离子。

每个所述转轴均设于所述真空腔室1中，每个所述转轴的形状均为中空圆环柱，每个所述转轴均与所述聚合物10接触，每个所述转轴均用于传送所述聚合物10通过所述真空腔室1。

在实际应用中，所述锂电池集流体的制备装置还包括：控制器、温度传感器以及张力传感器；

所述温度传感器与所述聚合物10表面接触，用于检测所述聚合物10的温度；

所述张力传感器与所述聚合物10表面接触，用于检测所述聚合物10的张力；

在实际应用中，所述锂电池集流体的制备装置还包括：冷却轴4，所述冷却轴4设于所述真空腔室1中，所述冷却轴4的形状为中空圆环柱，所述冷却轴4与所述聚合物10接触，所述冷却轴4用于降低所述金属层11的温度；所述磁过滤模块3对冷却后的金属层11进行磁过滤沉积。当所述聚合物10通过所述第一转轴5以及所述离子源模块2时，所述冷却轴4对所述聚合物10进行降温冷却，在工作人员发现所述控制器发出报警信号时，关闭装置，并对装置内的冷却轴4以及张力进行检测并修复。在所述聚合物10通过冷却轴4之后，所述磁过滤模块3对所述聚合物10表面的金属层11进行磁过滤沉积。所述冷却轴4对所述聚合物10表面的金属层11进行冷却的过程为：在所述冷却轴4中通入冷却液，所述冷却液的温度为-25至25摄氏度；所述聚合物10随转轴以及冷却轴4转动而运动，在经过所述冷却轴4时，所述冷却液即可吸收所述聚合物10表面的金属层11的热量，以实现降温效果。

所述磁过滤模块3的数量为偶数个，将所述磁过滤模块3按顺序排列，并按照阿拉伯数字编号，其中，编号为奇数的磁过滤模块3用于对所述聚合物10的一面上的金属层11进行磁过滤沉积，编号为偶数的磁过滤模块3用于对所述聚合物10的另一面的金属层11进行磁过滤沉积。

在实际应用中，所述锂电池集流体的制备装置还包括：磁过滤弯管；所述磁过滤弯管的一端与所述磁过滤模块3连接，所述磁过滤弯管的另一端与所述第二法兰接口连接。

如5至图7所示，在实际应用中，所述磁过滤弯管的弯曲角度为45度。

在实际应用中，所述转轴具体包括：第一转轴5、第二转轴6、多个第三转轴7以及多个第四转轴8；

所述第一转轴5设于所述真空腔室1的一端，所述第一转轴5上套设有待处理的所述聚合物10；

所述第二转轴6设于所述真空腔室1的另一端，所述第二转轴6用于收集处理结束的所述聚合物10；

多个所述第三转轴7与多个所述第一法兰接口一一对应，多个所述第四转轴8与多个所述第二法兰接口一一对应。

所述第四转轴8的数量为偶数个，将所述第四转轴8按顺序排列并按照阿拉伯数字编号，其中，编号为奇数的第四转轴8与所述聚合物10的一面连接，编号为偶数的第四转轴8与所述聚合物10的另一面连接。

在实际应用中，所述真空腔室1还包括：分子泵9，所述真空腔室1上还开设有多个第三法兰接口；

所述分子泵9设于任一个所述第三法兰接口上；所述分子泵9用于抽取所述真空腔室1中的空气。在所述真空腔室1的内部不是完全真空环境时，工作人员开启分子泵9，将真空腔室1中的空气抽出，保证所述真空腔室1中的真空环境。

在实际应用中，所述聚合物10的材料为聚酰亚胺。

在实际应用中，所述聚合物10上设有多个通孔12。

所述聚合物10的主要作用为提高自支撑性能，同时大幅提高将其制备为集流体时的成品率，即使发生碰撞时，所述聚合物10的高强度以及韧性也会大幅降低电池内隔膜被刺破的几率。所述聚合物10为绝缘材料，厚度为4-12微米，因为所述聚合物10具有很好的延展性，所以在拉伸过程中不容易断裂或者损坏；在现有技术中，单独以铜为集流体时，厚度在20微米以下的铜箔延展性很差，很难进行打孔或者拉伸处理。

此外，对集流体进行打孔后，在通孔12的内壁13上进行金属化处理使得所述聚合物10两面的金属层11通过孔内的金属化内壁13导通，即上下两层铜箔联通。

如图8和图9所示，所述磁过滤模块3进行磁过滤沉积的幅宽为510mm，在所述第二转轴6收集完成所述聚合物10时，制备完成的聚合物10两个表面分别覆盖有幅宽宽度可达510mm的铜箔，本装置稳定使用时间为15-20小时，稳定处理速度为1.5m/min，在此处理速度下，一次性处理的聚合物10长度为1500m。

如图10所示，经过本装置的处理的聚合物10的两个表面均覆盖有金属层11，所述金属层11即为本装置制备得到的锂电池集流体。

如图11至图13所示，经过本装置的处理的聚合物10上设有多个通孔12，所述通过为内壁13经过金属化处理的通孔12。所述聚合物10的两个表面均覆盖有金属层11，所述金属层11即为本装置制备得到的锂电池集流体。

本装置的工作过程如下：

首先，在开始制备集流体之前，将所述聚酰亚胺薄膜清洗烘干，并将所述聚酰亚胺薄膜缠绕放置在所述第一转轴5上；将所述聚酰亚胺薄膜的张力调整至0.1-3N，保持所述聚酰亚胺薄膜平整，并设置运行速度为0.5-2m/min。

其次，在本装置的实施例中，所述离子源模块2为金属蒸汽离子源，通过离子源模块2对所述聚酰亚胺薄膜表面进行金属离子注入，形成注入层，其中Ti或者Ni的注入电压为50-80kV，束流强度为1-10mA，所述注入装置包括：注入剂量为1×10¹⁵—1×10¹⁶/cm²；有效处理长度510mm。

然后，在本装置的实施例中，所述磁过滤模块3为金属弧源，通过离子弧源对所述注入层表面进行金属离子沉积，形成过渡层，其中，Cu或者Ni的沉积厚度约为50nm；有效处理长度510mm。

在传统技术中心，所述金属弧源的起弧电流均在50A以上，而本装置通过在所述金属弧源上加装稳弧装置，从而生成稳弧电场，可以将起弧电流降低至20A。起弧电流越大阴极表面温度越高，产生颗粒的可能性就越大，产生的颗粒越多，所需的磁过滤角度也就越大，所述磁过滤弯管的弯曲角度也就越大；起弧电流小产生的颗粒数就越少，所需要的磁过滤角度就越小，所以，现有技术只能采用弯曲角度不小于90度的磁过滤弯管，而本装置可以采用弯曲角度为45度的如图5至图7所示的磁过滤弯管。

然后，另一磁过滤模块3对所述过渡层表面进行金属离子沉积，形成金属表层，其中，Cu的沉积厚度约为50nm；有效处理长度510mm。按照工序需求，可以按照需要设置一定数量的磁过滤模块3，并进行额外的磁过滤沉积过程。

最后，在经过所有的磁过滤沉积过程之后，所述聚酰亚胺薄膜表面覆盖的铜箔厚度为3-6微米。

此外，本装置还可以对打孔完成的聚合物10进行通孔12内壁13金属化处理，具体工作流程如下：

首先，通过离子源模块2对覆铜聚合物10的通孔12内进行离子注入，注入的金属膜层为Ni或者Cu元素，注入电压为6～12kV，束流强度为5～15mA，注入剂量为1×10¹⁵～1×10¹⁶/cm²，注入深度为70～120nm；

其次，通过第一个磁过滤模块3以及第二个磁过滤模块3对覆铜聚合物孔内进行超薄层金属沉积，金属覆盖层的金属元素为Ni或Cu，且厚度为10～20nm；所述磁过滤沉积时，弧流为90～150A，弯管磁场电流为1.0～4.0A。

然后，通过剩余的其他磁过滤模块3对覆铜聚合物孔内进行金属加厚沉积，加厚层的金属元素为Ni或Cu，且厚度为100～500nm；所述磁过滤沉积时，弧流为100～150A，弯管磁场电流为2.0～4.0A。

根据上述对本装置的描述，可以很直接的得到，本装置可以实现对集流体的制备，本申可以高效的制备宽幅柔性自制成集流体基材材料，工作温度低，适用于各种聚合物10柔性基底，系统整体工作在高真空环境下，引出的等离子体密度更高，所述金属层11致密性好。

同时，由于使用了真空腔室1以及对电磁场的调整，本装置实现了等离子体的长时间、大面积稳定引出，使用性能优良。

此外，本装置制备得到的集流体铜箔的最小厚度为3微米。

由于实际应用中，集流体往往需要打孔，从而大幅降低集流体的重量，使集流体的重量下降30％-60％，同时大幅提高集流体与活性物质接触的面积，即比表面积大幅增加。对集流体打孔常常采用0.5-2mm直径的钻针进行，孔与孔之间的间距不大于1.5倍孔径。

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方法及其核心思想；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

1.一种锂电池集流体的制备装置，用于在聚合物表面制备集流体，其特征在于，所述锂电池集流体的制备装置包括：真空腔室、离子源模块、磁过滤模块以及多个转轴；

2.根据权利要求1所述的锂电池集流体的制备装置，其特征在于，所述锂电池集流体的制备装置还包括：控制器、温度传感器以及张力传感器；

3.根据权利要求1所述的锂电池集流体的制备装置，其特征在于，所述锂电池集流体的制备装置还包括：冷却轴，所述冷却轴设于所述真空腔室中，所述冷却轴的形状为中空圆环柱，所述冷却轴与所述聚合物接触，所述冷却轴用于降低所述金属层的温度；所述磁过滤模块对冷却后的金属层进行磁过滤沉积。

4.根据权利要求1所述的锂电池集流体的制备装置，其特征在于，所述锂电池集流体的制备装置还包括：磁过滤弯管；所述磁过滤弯管的一端与所述磁过滤模块连接，所述磁过滤弯管的另一端与所述第二法兰接口连接。

5.根据权利要求4所述的锂电池集流体的制备装置，其特征在于，所述磁过滤弯管的弯曲角度为45度。

6.根据权利要求1所述的锂电池集流体的制备装置，其特征在于，所述转轴具体包括：第一转轴、第二转轴、多个第三转轴以及多个第四转轴；

7.根据权利要求1所述的锂电池集流体的制备装置，其特征在于，所述真空腔室还包括：分子泵，所述真空腔室上还开设有多个第三法兰接口；

8.根据权利要求1所述的锂电池集流体的制备装置，其特征在于，所述聚合物的材料为聚酰亚胺。

9.根据权利要求1所述的锂电池集流体的制备装置，其特征在于，所述聚合物上设有多个通孔。