CN111575520A - 一种微孔泡沫金属及其制备方法、泡沫金属集流体 - Google Patents

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Abstract

本发明属于泡沫金属技术领域，特别涉及一种微孔泡沫金属及其制备方法，以及基于该微孔泡沫金属的集流体，所述的方法包括：(1)将高分子聚合物泡沫放入金属模具内，将石膏基浆料填充进金属模具的内腔，将金属模具放在振动装置上保持振动；(2)将模具烘干、固化、烧除高分子聚合物泡沫，得到石膏模具；(3)获得金属熔液；(4)将石膏模具置于浇注模具中，将金属熔液浇注到浇注模具中，通入压缩空气，置于振动装置上保持振动；(5)待金属熔液凝固后，用水冲洗石膏模具使其溃散并与泡沫金属脱离，得到微孔泡沫金属；本发明通过以高分子聚合物泡沫作为牺牲模，复制高分子聚合物泡沫的孔洞结构，获得孔径小于0.5mm的微孔泡沫金属材料。

Description

一种微孔泡沫金属及其制备方法、泡沫金属集流体
技术领域
本发明属于泡沫金属技术领域，特别涉及一种微孔泡沫金属及其制备方法，以及基于该微孔泡沫金属的集流体。
背景技术
集流体是锂离子电池的重要组成部件之一，它能承载电极活性物质，并且可以将电极活性物质产生的电流汇集起来，从而产生较大的电流输出，提高锂离子电池的充/放电效率。原则上，理想的锂离子电池集流体应满足以下几个条件：化学与电化学稳定性好，电导率高，与电极活性物质的兼容性和结合力好，质量轻，力学性能好以及成本低、易制造。目前可用作锂离子电池集流体的材料有不锈钢、铜、铝、镍等金属导体材料、半导体材料以及复合材料等。但在实际应用过程中，这些集流体材料仍存在这样或那样的问题，不能完全满足上述多种需求。开孔泡沫金属是一种具有规则的，类似于海绵的三维网状结构，它既继承了其基体材料(如铜、铝等)良好的化学与电化学稳定性、高电导率以及与电极活性物质的兼容性，又由于其结构特性，具有质量轻、比强度/比刚度高等显著优点，特别是由于其多孔结构特征，具有较大的比表面积，可以与活性物质充分接触，增加电流的输入/输出，因此是一种非常具有潜力的集流体材料。研究表明，泡沫铜集流体可以抑制硅、锡负极活性物质在充放电过程中的体积变化，减缓其粉化现象，从而提高锂离子电池的性能。泡沫铜集流体电极的放电比容量明显优于铜箔/硅电极。因此，泡沫金属集流体在锂离子电池领域极具前景。
目前制约泡沫金属作为锂离子电池集流体材料的主要因素是制备不易，由于体积因素的制约，锂离子电池集流体用泡沫金属的三维网状结构需为微孔结构，泡沫孔洞必须很小，为微孔泡沫金属。而受当前制造工艺的限制，目前能制备的泡沫金属的孔洞大小有限，以开孔泡沫铝为例，目前国内所能制备的开孔泡沫铝的孔洞最小约为1.2mm，而国外目前能制备的开孔泡沫铝的孔洞最小能达到0.5-0.6mm。所以，目前亟需一种可以制备微孔(孔径小于0.5mm)泡沫金属的方法，为微孔泡沫金属在锂离子电池集流体领域的应用打下基础。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微孔泡沫金属的制备方法，以解决目前微孔泡沫金属制备不易，孔洞大小有限的技术问题，获得孔径小于0.5mm的微孔泡沫金属材料。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供了一种微孔泡沫金属的制备方法，所述的方法包括以下步骤：
(1)模具准备：将高分子聚合物泡沫放入金属模具内，然后将石膏基浆料缓慢的填充进所述金属模具的内腔，期间将所述的金属模具放在振动装置上保持振动；
(2)将步骤(1)中准备好的模具放入烘箱中，先升温至100-150℃，保温8小时干燥，然后升温至250-400℃，保温4-6小时固化，再升温至600-700℃，保温4-8小时将所述的高分子聚合物泡沫烧除，得到内腔形状与所述的高分子聚合物泡沫相一致的石膏模具；
(3)将构成泡沫金属的基体金属材料熔化，得到金属熔液；
(4)将步骤(2)中获得的石膏模具置于浇注模具中，将步骤(3)准备好的金属熔液浇注到所述的浇注模具中并将其密封，通入压缩空气并保压3-10min，且在此过程中，所述的浇注模具置于振动装置上保持振动；
(5)待金属熔液凝固且冷却至室温后，用水冲洗石膏模具使其溃散并与泡沫金属脱离，得到所述的微孔泡沫金属。
优选条件下，所述高分子聚合物泡沫的孔径大小为0.1-0.4mm。
优选条件下，所述石膏基浆料是由石膏粉、柠檬酸、工业盐、乙醇和水混合而成。
优选条件下，以石膏基浆料的总量为基准，所述石膏粉的含量为30-70重量％，所述柠檬酸的含量为0.1-2重量％，所述工业盐的含量为10-40重量％，所述乙醇的含量为5-15重量％，所述水的含量为10-40重量％。
优选条件下，所述振动装置的振动频率为10-3000Hz。
优选条件下，步骤(3)中，所述的基体金属材料选自铝、镁、铜、铁、钛、镍的一种，或其组合。
优选条件下，步骤(3)中，在所述的基体金属材料熔化前，对其进行清洗烘干处理。
优选条件下，步骤(4)中，所述压缩空气的压力为2-20个大气压。
本发明第二方面提供了一种采用上述方法制备得到的微孔泡沫金属。
本发明第三方面提供了一种泡沫金属集流体，所述的泡沫金属集流体经由上述的微孔泡沫金属材料制作而成。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：本发明提供的泡沫金属的制备方法，通过以高分子聚合物泡沫作为牺牲模，复制高分子聚合物泡沫的孔洞结构，可方便的获得孔径小于0.5mm的微孔泡沫金属材料。
附图说明
图1示出为根据本发明的实施方式提供的一种用于微孔泡沫金属成型的浇筑模具的示意图；
图2示出为本发明实施例1制备得到的微孔泡沫铝的电镜照片。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明提供了一种微孔泡沫金属的制备方法，所述的方法包括以下步骤：
(1)模具准备：将高分子聚合物泡沫放入金属模具内，然后将石膏基浆料缓慢的填充进所述金属模具的内腔，期间将所述的金属模具放在振动装置上保持振动；
(2)将步骤(1)中准备好的模具放入烘箱中，先升温至100-150℃，保温8小时干燥，然后升温至250-400℃，保温4-6小时固化，再升温至600-700℃，保温4-8小时将所述的高分子聚合物泡沫烧除，得到内腔形状与所述的高分子聚合物泡沫相一致的石膏模具；
(3)将构成泡沫金属的基体金属材料熔化，得到金属熔液；
(4)将步骤(2)中获得的石膏模具置于浇注模具中，将步骤(3)准备好的金属熔液浇注到所述的浇注模具中并将其密封，通入压缩空气并保压3-10min，且在此过程中，所述的浇注模具置于振动装置上保持振动；
(5)待金属熔液凝固且冷却至室温后，用水冲洗石膏模具使其溃散并与泡沫金属脱离，得到所述的微孔泡沫金属。
需要指出的是，上述步骤(3)，即基体金属材料的熔化过程与步骤(1)、(2)制作石膏模具的步骤可同时进行，即没有明确的先后之分。
本发明提供的微孔泡沫金属的制备方法中，以高分子聚合物泡沫作为牺牲模，将其放入到金属模具中，将配制好的石膏基浆料填充到模具的内腔中，在振动装置提供的振动作用下，石膏基浆料可填充进高分子聚合物泡沫的孔隙中，接着再固化石膏基浆料，烧除高分子聚合物泡沫，得到内腔形状与高分子聚合物泡沫的泡孔结构相一致的石膏模具；然后将石膏模具置于浇注模具中，将金属熔液倒入浇注模具中，在压缩空气的作用下使金属熔液渗入到石膏模具的孔隙中，最后利用水冲洗去除石膏模具即可得到泡沫金属。本发明提供的方法，解决了现有技术中微孔泡沫金属制备不易，以及孔洞大小有限的问题，通过“复制”高分子聚合物泡沫的孔洞结构，可快速获得孔径小于0.5mm的微孔泡沫金属材料。具体的，本发明中，所述的高分子聚合物泡沫为聚氨酯泡沫，更为具体的，所述的聚氨酯泡沫为开孔结构。
根据本发明的方法，所述高分子聚合物泡沫的孔径大小影响到最终成型的泡沫金属材料中孔径的大小，若高分子聚合物泡沫的孔径过大会导致最终得到的泡沫金属材料的孔径过大，无法满足使用要求；若高分子聚合物泡沫的孔径过小，会导致石膏基浆料进入到孔隙中的难度增大，且在最后步骤中去除石膏模具变得困难。优选条件下，所述高分子聚合物泡沫的孔径大小为0.1-0.4mm。
根据本发明的方法，所述石膏基浆料应具备较好的流动能力，且在一定条件下固化成型，作为优选的，所述的石膏基浆料是由石膏粉、柠檬酸、工业盐、乙醇和水混合而成。
更为优选的，根据本发明的方法，以石膏基浆料的总量为基准，所述石膏粉的含量为30-70重量％，所述柠檬酸的含量为0.1-2重量％，所述工业盐的含量为10-40重量％，所述乙醇的含量为5-15重量％，所述水的含量为10-40重量％。
根据本发明的方法，所述振动装置的作用在于提高石膏基浆料进入到高分子聚合物泡沫的孔隙中的效率，以及，在金属熔液的浇注过程中，通过振动装置的协助，提高金属熔液进入到石膏模具中孔隙的效率。本发明对该振动装置的具体选择不做特殊要求，可采用本领域技术人员所公知的提供一定振动频率的振动装置；具体的，所述的振动装置为振动筛、振动器或其它可以产生振动载荷的装置。更为优选的，根据本发明的方法，所述振动装置的振动频率为10-3000Hz，优选为20-1000Hz。
根据本发明的方法，步骤(3)中，所述的基体金属材料选自铝、镁、铜、铁、钛、镍的一种，或其组合。具体的，例如所述的基体金属材料为纯铝或铝合金时，采用电阻炉，在680-800℃的温度下将其熔化形成铝液，接着保温处理1-4小时，以促使金属材料完全熔解；例如所述的基体金属材料为纯镁或镁合金，控制电阻炉的熔炼温度为650-800℃；例如所述的基体金属材料为纯铜或铜合金时，控制电阻炉的熔炼温度为1080-1200℃。
进一步的，根据本发明的方法，在所述的基体金属材料熔化前，对其进行清洗烘干处理。如此，去除基体金属材料表面携带的杂质、油污等，避免对微孔泡沫金属的成型产生影响。具体的，对所述的基体金属材料清洗完成后，在180-200℃的温度条件下烘烤处理2-4h。
根据本发明的方法，为了确保基体金属材料的熔液快速、可靠的渗入到石膏模具的孔隙中，在熔液浇注完成后对模具进行密封，通入压缩空气，通过气压的作用使熔液能高效的渗入，作为优选的，步骤(4)中，所述压缩空气的压力为2-20个大气压。
根据本发明的方法，结合图1示出了本发明中用于微孔泡沫金属成型的浇注模具，所述的浇注模具整体上呈正方体或圆柱体，自上而下的包括有顶盖1、中框2和底座3，其中，所述的顶盖1上设有通气管5，通气管5的另一端连接至空气压塑机，所述的底座3上设置有排气孔。在具体的工作过程中，将顶盖1打开，把制作好的石膏模具至于浇注模具中，然后将金属熔液浇注到浇注模具中，盖上顶盖1，利用空气压缩机向浇注模具内通入压缩空气，同时，将该浇注模具放到振动装置6上保持振动，该浇注模具通过固定装置4固定在振动装置6上。
以下通过具体的实施例对本发明提供的微孔泡沫金属的制备方法做出进一步的说明。
实施例1
一种微孔泡沫金属的制备方法，包括以下步骤：
S1：模具准备，将孔径大小为0.3mm的高分子聚合物泡沫放入金属模具内，然后将石膏基浆料缓慢的填充进所述金属模具的内腔，期间将所述的金属模具放在振动筛上保持振动，所述振动筛的振动频率为500Hz；
所述的石膏基浆料是由石膏粉、柠檬酸、工业盐、乙醇和水混合而成，其中，以石膏基浆料的总量为基准，所述石膏粉的含量为50重量％，所述柠檬酸的含量为1.0重量％，所述工业盐的含量为15重量％，所述乙醇的含量为8重量％，所述水的含量为26重量％。
S2：将步骤S1中准备好的模具放入烘箱中，先升温至120℃，保温8小时干燥，然后升温至300℃，保温5小时固化，再升温至650℃，保温5小时将所述的高分子聚合物泡沫烧除，得到内腔形状与所述的高分子聚合物泡沫相一致的石膏模具；
S3：将纯铝锭熔化在电阻炉中熔化，保温处理2h，得到铝液；
S4：将步骤S2中获得的石膏模具置于浇注模具中，将步骤S3准备好的铝液浇注到所述的浇注模具中并将其密封，通入压缩空气并控制压力为10个大气压，保压10min，在此过程中，所述的浇注模具置于振动筛上保持振动，所述振动筛的振动频率为500Hz；
S5：待铝液凝固且冷却至室温后，用水冲洗石膏模具使其溃散并与泡沫金属脱离，得到微孔泡沫铝材料。
如图2所示为上述实施例1制备得到的微孔泡沫铝的电镜照片，该微孔泡沫铝的平均孔径为0.3mm。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的特点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种微孔泡沫金属的制备方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：
(1)模具准备：将高分子聚合物泡沫放入金属模具内，然后将石膏基浆料缓慢的填充进所述金属模具的内腔，期间将所述的金属模具放在振动装置上保持振动；
(2)将步骤(1)中准备好的模具放入烘箱中，先升温至100-150℃，保温8小时干燥，然后升温至250-400℃，保温4-6小时固化，再升温至600-700℃，保温4-8小时将所述的高分子聚合物泡沫烧除，得到内腔形状与所述的高分子聚合物泡沫相一致的石膏模具；
(3)将构成泡沫金属的基体金属材料熔化，得到金属熔液；
(4)将步骤(2)中获得的石膏模具置于浇注模具中，将步骤(3)准备好的金属熔液浇注到所述的浇注模具中并将其密封，通入压缩空气并保压3-10min，且在此过程中，所述的浇注模具置于振动装置上保持振动；
(5)待金属熔液凝固且冷却至室温后，用水冲洗石膏模具使其溃散并与泡沫金属脱离，得到所述的微孔泡沫金属。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高分子聚合物泡沫的孔径大小为0.1-0.4mm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述石膏基浆料是由石膏粉、柠檬酸、工业盐、乙醇和水混合而成。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，以石膏基浆料的总量为基准，所述石膏粉的含量为30-70重量％，所述柠檬酸的含量为0.1-2重量％，所述工业盐的含量为10-40重量％，所述乙醇的含量为5-15重量％，所述水的含量为10-40重量％。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述振动装置的振动频率为10-3000Hz。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的基体金属材料选自铝、镁、铜、铁、钛、镍的一种，或其组合。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，在所述的基体金属材料熔化前，对其进行清洗烘干处理。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中，所述压缩空气的压力为2-20个大气压。
9.一种根据权利要求1-8任意一项所述的方法制备得到的微孔泡沫金属。
10.一种泡沫金属集流体，其特征在于，所述的泡沫金属集流体采用如权利要求8所述的微孔泡沫金属制作而成。
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