CN112663097B - 一种三维多孔金属材料、制备方法和应用 - Google Patents

一种三维多孔金属材料、制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于一种电池正极材料，具体是涉及到一种三维多孔金属材料、制备方法和应用，所述三维多孔金属材料的孔隙率是依次变化的，制备方法为，将待加工材料进行非双向电镀上镍，沿着待加工材料的前进方向，电镀的电流密度依次升高，电镀完成之后，烧结，然后对产品进行压缩，得到所述三维多孔金属材料；所述三维多孔金属材料的抗拉强度高，在金属延展方向的延展性低，压缩界限值低，在碾压后不易反弹，方便加工。

Description

一种三维多孔金属材料、制备方法和应用
技术领域
本发明属于一种电池正极材料，具体是涉及到一种三维多孔金属材料、制备方法和应用。
背景技术
由于正极材料是一种三维多孔金属材料，其孔型是均匀分布，因此在填充的过程中会出现催化剂从产品的一面填充的时候，催化剂会溢出在产品的另一面，而产品的另一面需要粘贴防水透气膜，从而导致溢出的催化剂与防水透气膜产生冲突，使得透气膜掉落。
中国专利申请号为CN201180027111.6公开了一种三维网状铝多孔体、分别使用了该铝多孔体的集电体和电极；以及制造这些部件的方法，在所述三维网状铝多孔体中，所述多孔体中的小室的直径在所述多孔体的厚度方向上是不均匀的。所述多孔体为用于集电体的、片状的三维网状铝多孔体，其中所述多孔体中的小室的直径在所述多孔体的厚度方向上是不均匀的。当所述三维网状铝多孔体的厚度方向上的截面被依次分割为区域1、区域2和区域3这三个区域时，优选区域1和区域3的平均小室直径与区域2的小室直径不同。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种三维多孔金属材料、制备方法和应用，所述三维多孔金属材料的抗拉强度高，在金属延展方向的延展性低，压缩界限值低，在碾压后不易反弹，方便加工。
本发明的内容为一种三维多孔金属材料，所述三维多孔金属材料的孔隙率是依次变化的。
所述三维多孔金属材料的孔隙率的变化率是递增或递减的，，更优选的，所述三维多孔金属材料的孔隙率是均匀变化的。
本发明的三维多孔金属材料的制备方法为，将待加工材料进行非双向电镀上镍，沿着待加工材料的前进方向，电镀的电流密度依次升高，电镀完成之后，烧结，然后对产品进行压缩，得到所述三维多孔金属材料。所述非双向电镀上镍，即只从待加工材料的一面上镍。所述代加工材料为导电海绵，过了一级之后就是电镀半成品。
优选的，最初级的电镀的电流密度低于300A/㎡。
优选的，随着电流密度的升高，施镀时间也依次延长。
优选的，对产品进行压缩的压缩比(压缩厚度/原始厚度)为0.1-0.5，优选为0.1-0.3。
优选的，待加工材料的电镀上镍的走速为0.05-0.1m/min。
沿着待加工材料的前进方向，电镀的电流密度依次升高，施镀时间也依次延长，具体的，优选为：第一级：电流密度为100-300A/㎡，施镀时间为1-5min；第二级：电流密度为800-1100A/㎡，施镀时间为为15-20min；第三极：电流密度为1000-1500A/㎡，施镀时间为为15-30min。
所述三维多孔金属材料的整体面密度为200g/㎡-500g/㎡。
本发明提供一种三维多孔金属材料用于作为金属空气电池的正极材料的应用。
本发明的有益效果是，本发明的三维多孔金属材料，具有较好的抗拉强度，使其在特定的条件下能够抵抗更大的拉力，以便产品成型；在金属延展方向具有较低的延展性，防止降低催化剂的接触面；具有较低的塑性形变与弹性形变的界限值，防止产品碾压之后出现厚度反弹，材料碾压后出现厚度反弹的现象在高面密度材料上表现尤其明显，降低塑性形变与弹性形变的界限值，可以有效的防止这种现象的发生。
抗拉强度更好的益处：这种材料在生产的时候会经过机器设备进行连续性的运转，在加工的过程中产品需要受到其横向或者纵向的拉力，而这个时候如果产品的抗拉强度很差的话，在加工的时候很容易造成材料生产过程中导致受力原因而产生变形，从而导致材料的均匀性变差，甚至出现筋丝断裂的现象，非常不利于材料生产过程中保持其结构稳定性的定型操作。
延展性较低的益处：与抗拉强度相对应的，降低材料在生产过程中产生的变形量。
压缩界限值(弹性形变至塑性形变之间的拐点)降低的益处：材料在压缩成型之前对压缩界限值要求很高，因为产品需要承受其弹性形变的到塑型形变的拐点之后(即最小的塑性形变的压强)才能保证材料被碾压之后材料的结构不发生弹性形变(主要体现在厚度反弹)，如果材料的压缩界限值过大的话，说明拐点值越高，材料受到的压强越大，它的塑性形变与压强大小成正比，而人工来控制这种微观上的塑性形变的可行性很难(主要体现在反应时间)。因此，如果能够降低其压缩界限值，使其降低其塑性形变的压强，在更小的压强之下，能够给人工进行塑性形变控制的缓冲时间就越多。如果降低这个界限值能够使得材料在较低的压强之下而产生的塑性形变，同时又能够防止材料塑性形变量过大而破坏其结构，因此一个压缩界限值的降低能够很好的解决这个问题。
一般而言，泡沫金属讲究空隙均匀是因为其作为一个骨架材料，需要在其里面均匀的填充电池浆料或者催化剂，以达到一个材料内部结构的均一性，而本专利的需要达到的是一种梯度增加或者降低的均匀性，与常规的泡沫材料讲究的整体均匀性还是有很大的差异，通过孔隙率的变化，可以有效的提高三维多孔金属材料的抗拉强度，降低其延展性，且不易反弹。
附图说明
图1为现有的三维多孔金属材料的扫描电镜图。
图2为本发明的三维多孔金属材料的扫描电镜图。
具体实施方式
实施例1
本发明的三维多孔金属材料的完整的制备方法为，
1.通过常规的PVD磁控溅射的技术将海绵进行导电化处理，得到导电海绵，即待加工材料。
2.电镀液：常规电镀体系。将待加工材料进行非双向电镀上镍，沿着待加工材料的前进方向(电镀走速为0.05m/min)，电镀的电流密度依次升高，具体的，采用如下的电镀工艺：第一级：电流密度为200A/㎡，施镀时间为3min；第二级：电流密度为1000A/㎡，施镀时间为为15min；第三极：电流密度为1500A/㎡，施镀时间为为25min。
3.烧结：将产品置于有氧的环境下进行充分焚烧，以此除去电镀半成品中的海绵基体；然后在氮气和氢气的氛围中进行充分还原，得到还原后的纯金属泡沫材料。
焚烧温度：500-1000℃具体温度由施镀金属决定，还原温度：800-1500℃具体温度由施镀金属决定。烧结操作为常规手段。
4.通过碾压装置对产品进行碾压，使得其压缩比控制在(压缩厚度/原始厚度)0.1，后通过分切装置将产品分切至指定的宽度，从而得到三维多孔金属材料。
实施例2
本发明的三维多孔金属材料的制备方法为，将待加工材料进行非双向电镀上镍，沿着待加工材料的前进方向(电镀走速为0.01m/min)，电镀的电流密度依次升高，具体的，采用如下的电镀工艺：第一级：电流密度为300A/㎡，施镀时间为5min；第二级：电流密度为800A/㎡，施镀时间为为15min；第三极：电流密度为1000A/㎡，施镀时间为为30min。电镀完成之后，烧结，然后对产品进行压缩(压缩比为0.5)，得到所述三维多孔金属材料。
实施例3
本发明的三维多孔金属材料的制备方法为，将待加工材料进行非双向电镀上镍，沿着待加工材料的前进方向(电镀走速为0.1m/min)，电镀的电流密度依次升高，具体的，采用如下的电镀工艺：第一级：电流密度为400A/㎡，施镀时间为3min；第二级：电流密度为1200A/㎡，施镀时间为为15min；第三极：电流密度为1800A/㎡，施镀时间为为20min。电镀完成之后，烧结，然后对产品进行压缩(压缩比为0.3)，得到所述三维多孔金属材料。
对比例1
本发明的三维多孔金属材料的制备方法为，将待加工材料进行双向电镀上镍，沿着待加工材料的前进方向(电镀走速为0.05m/min)，电镀的电流密度依次升高，具体的，采用如下的电镀工艺：第一级：电流密度为200A/㎡，施镀时间为3min；第二级：电流密度为1000A/㎡，施镀时间为为15min；第三极：电流密度为1500A/㎡，施镀时间为为25min。电镀完成之后，对产品进行压缩(压缩比为0.3)，得到所述三维多孔金属材料。
实验例1
测试实施例1和对比例1的三维多孔金属材料的抗拉强度，在金属延展方向的延展性，以及压缩界限值，得到如表1所述的性能测试表。
抗拉强度检测方法为，样块尺寸为2cm(横向)*14cm(纵向)；测样标准距离定为10cm；拉样速度：100mm/min，产品产生裂纹那瞬间所受到的力为产品抗拉强度。
延伸率的测试方法为，样块尺寸为2cm(横向)*14cm(纵向)；测样标准距离定为10cm；拉样速度：100mm/min，产品产生裂纹那瞬间所延长的长度为延伸率。
压缩界限值的测试方法为，样块尺寸为3cm(横向)*3cm(纵向)，压样机的下台面面积为5cm*5cm；上运动台面为3cm*3cm；开启压缩设备之后，压样机的上运动台面缓慢的压向产品，待产品与上台面接触(但是未受力)的时候，对压缩距离清零，上运动台面以10mm/min速度压向下台面，直到产品由弹性形变转为塑性形变(在这个变化过程中，运动曲线会出现一个拐点)，通过压样机转化的运动曲线，读取曲线上的拐点值作为压缩界限值。
厚度反弹的评估方法为，将产品用同样的碾压设备碾压至规定的厚度后，将其静置放置在台面上，并测量其厚度，记录厚度数据。待其静置一天之后，重新检测产品的厚度，并记录下厚度数据。用这两组数据做对比，如果出现偏差值＞0.01mm，则判定产品产生了厚度反弹。
表1性能测试表
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本公开的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本申请中一个或多个实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
本申请中一个或多个实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本申请中一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种三维多孔金属材料的制备方法，其特征是，将海绵进行导电化处理，得到导电海绵，即待加工材料，将待加工材料进行非双向电镀上镍，所述非双向电镀上镍，即只从待加工材料的一面上镍；沿着待加工材料的前进方向，电镀的电流密度依次升高，电镀完成之后，烧结，然后对产品进行压缩，得到所述三维多孔金属材料；
最初级的电镀的电流密度低于300A/㎡；
随着电流密度的升高，施镀时间也依次延长；
所述三维多孔金属材料的孔隙率是依次变化的。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征是，所述三维多孔金属材料的孔隙率的变化率是递增或递减的。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征是，所述三维多孔金属材料的孔隙率是均匀变化的。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征是，所述压缩，即控制压缩厚度与原始厚度的比值为0.1-0.5。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征是，待加工材料的电镀上镍的走速为0.05-0.1m/min。
6. 如权利要求1所述的制备方法，其特征是，电镀的具体工艺参数为：第一级：电流密度为100-300A/㎡，施镀时间为1-5min；第二级：电流密度为800-1100 A/㎡，施镀时间为为15-20min；第三极：电流密度为1000-1500 A/㎡，施镀时间为为15-30min。
7.一种如权利要求1-6任一项所述的三维多孔金属材料的制备方法得到的三维多孔金属材料的应用，其特征是，三维多孔金属材料用于作为金属空气电池的正极材料。
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