CN112756790B - 一种基于错位毛化轧制的穿孔集流体箔材制备方法及装置 - Google Patents

一种基于错位毛化轧制的穿孔集流体箔材制备方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于错位毛化轧制的穿孔集流体箔材制备方法及装置，该制备方法步骤包括：先将两根轧辊分别架在数控车床上，在轧辊表面加工环形凸起；将制作好的轧辊对组装在轧机上，使两根轧辊表面的环形凸起相互错开，再将箔材从两根轧辊的夹缝间穿过，施加轧制力在箔材上下表面形成不穿透凹坑构成的表面毛化结构；在轧机出口处安装激光打孔模块，利用激光打孔模块的平移机构驱动扫描头沿垂直箔材运动的方向移动，移动过程中，扫描头沿箔材的运动方向扫描，形成扫描带，并对箔材实施激光打孔，最终得到表面毛化、穿孔集流体箔材。本发明轧制的穿孔基箔双面凹坑互不重叠，利用轧辊表面凸起的错位挤压作用形成表面形貌，具有良好的力学性能和高表面粗糙度。

Description

一种基于错位毛化轧制的穿孔集流体箔材制备方法及装置
技术领域
本发明涉及电化学储能领域，尤其是涉及一种基于错位轧制的表面毛化、穿孔集流体箔材的制备方法及装置。
背景技术
在电化学储能器件中，集流体箔材表面涂布活性材料制备成极片，箔材起到承载活性材料和传输电子的作用。箔材的表面粗化能够增大比表面积，提高活性层与箔材的粘附性能。箔材的表面通孔能够连接双面涂布的活性层，既能一定程度提高活性层与集流体的粘附性能，又能促进电解液的浸润，平衡极片双面锂离子浓度及预嵌锂。显然，如果集流体箔材的表面粗化改性和穿孔结合起来，将通过点和面的结合最大程度提高活性层与箔材的粘附性能并提供锂离子传输通道，改善电化学储能器件的性能。
箔材表面粗化改性和穿孔都会降低箔材的力学性能，而穿孔对箔材力学性能的损失更大，因此要求箔材表面粗化改性后保持足够的力学性能。毛化轧制方法适合对箔材实施表面粗化改性，但现有的毛化轧制方法或者存在箔材双面凹坑重叠现象，或者辊面凸起形状不佳，造成箔材局部明显减薄，降低箔材的延伸率，因此需要优化毛化轧制方法，保证集流体箔材的力学性能。
目前集流体箔材表面穿孔技术主要有以下几种：1.冲孔法，利用凸、凹模匹配和凸针实施集流体表面穿孔；2.蚀刻法，利用光刻腐蚀、电解腐蚀实施集流体表面穿孔。3.激光打孔法，利用激光的烧蚀作用实施穿孔。但各方法存在如下的问题：冲孔法制备的孔径通常在300μm以上，且箔材表面有毛刺，如进一步缩少冲孔尺寸，则凸模和凸针强度将出现问题；蚀刻法工艺复杂，大规模生产成本高；激光打孔法或者使用固定激光点和导轨组合打孔，或者使用扫描器打孔，导轨移动式打孔需要解决效率问题，而扫描式打孔的加工幅面和孔径不能独立设置。
综合来看，现有的集流体箔材表面毛化轧制方法和穿孔方法具有缺陷，且没有有效的一体化表面毛化、穿孔方法和装置，不能满足电化学储能器件的使用要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于错位毛化轧制的穿孔集流体箔材制备方法及装置，以使制备的穿孔箔材具有良好的力学性能和高表面粗糙度。
具体的，本发明公开一种基于错位毛化轧制的穿孔集流体箔材制备方法，包括如下步骤：
步骤100，将表面光滑的两根轧辊分别架在数控车床上，使用激光毛化工艺在轧辊表面加工预定尺寸和分布位置的环形凸起；
步骤200，将制作好的轧辊对组装在轧机上，调整两根轧辊的相对位置，使两根轧辊表面的环形凸起相互错开，再将箔材从两根轧辊的夹缝间穿过，施加轧制力在箔材上下表面形成不穿透凹坑构成的表面毛化结构；
步骤300，在轧机出口处安装激光打孔模块，利用激光打孔模块的平移机构驱动扫描头沿垂直箔材运动的方向移动，移动过程中，扫描头沿箔材的运动方向扫描，形成扫描带，并对箔材实施激光打孔，最终得到表面毛化、穿孔集流体箔材。
在本发明的一个实施方式中，公开一种用于前述制备方法的装置，包括：
轧机，包括两根相对夹持设置的轧辊，在两根轧辊表面设置有相互错开的环形凸起，且环形凸起在两根轧辊上呈螺旋线形分布；
激光打孔模块，安装在轧机的出口处，对轧制后的箔材进行激光打孔，包括对箔材进行扫描以形成扫描带的扫描头，和驱动扫描头移动的平移机构，及通过扫描头对扫描带内箔材进行打孔的激光器。
本发明制备的表面毛化、穿孔集流体具有以下特点：1.箔材的双面凹坑互不重叠，利用轧辊表面凸起的错位挤压作用形成表面形貌，具有良好的力学性能和高表面粗糙度；2.表面通孔孔径由激光打孔模块的扫描头参数和激光参数控制，打孔幅面由激光打孔模块的平移机构控制，实现孔径和打孔幅面的独立设置；3.通过点和面的结合提高涂层对箔材的粘附性能，并提供锂离子传输通道。以上特点，赋予了表面毛化、穿孔集流体箔材优异的综合性能。
附图说明
图1是本发明一个实施方式的制备方法流程示意图
图2是本发明一个实施方式的箔材轧制过程示意图；
图3是本发明一个实施方式中，在轧制过程中两只轧辊表面螺旋线相位差的示意图；
图4是本发明一个实施方式中制备的箔材上下表面凹坑分布示意图；
图5是本发明一个实施方式的装置结构示意图；
图6是本发明一个实施方式制备的箔材表面照片示意图。
具体实施方式
以下通过具体实施例和附图对本方案的具体结构和实施过程进行详细说明。
如图1所示，在本发明的一个实施方式中，公开一种基于错位毛化轧制的穿孔集流体箔材制备方法及装置，该制备方法包括如下步骤：
步骤100，将表面光滑的两根轧辊分别架在数控车床上，使用激光毛化工艺在轧辊表面加工预定尺寸和分布位置的环形凸起；
在此步骤中，轧辊对分别采用相同的激光毛化参数沿螺旋线轨迹加工，在两根轧辊1、2的表面形成相同高度和直径的环形凸起1-1、2-1，但两根轧辊1、2表面的螺旋线旋向相反，如图2所示，其中一根轧辊1表面上的各环形凸起1-1在周向上的相互间隔距离固定，另一根轧辊2表面上各环形凸起2-1的周向相互间隔距离随机，即在一圈中各环形凸起2-1相互之间的平均周向距离与相对轧辊1的周向间隔距离相等，但各环形凸起2-1相互之间的间隔距离不相同；此外，两根轧辊1、2上环形凸起1-1、2-1的轴向间隔距离相等。该结构可降低轧制后箔材3表面粗糙度的方向性。通过调整激光毛化参数可获得不同的环形凸起1-1、2-1尺寸。此外，整个激光毛化过程可编制相应的控制程序，输入数控机床中，以根据轧辊1、2的尺寸和转速自动对轧辊表面进行环形凸起1-1、2-1的加工。
这里的环形凸起1-1、2-1形状可以是现有技术中任意一种能够在箔材3表面形成相应痕迹的结构。
步骤200，将制作好的轧辊对组装在轧机上，调整两根轧辊的相对位置，使两根轧辊表面的环形凸起相互错开，再将箔材从两根轧辊的夹缝间穿过，施加轧制力在所述箔材上下表面形成不穿透凹坑构成的表面毛化结构；
在该步骤中，由于两根轧辊1、2表面凸起螺旋线的旋向相反，相位相差180度，如图3所示，同时螺旋线的导程为环形凸起1-1、2-1直径的2.5～5倍，因此能够保证轧制过程中两根轧辊1、2表面的环形凸起1-1、2-1相互错开，可避免因箔材3上下两个表面轧制后的凹坑3-1、3-2相互重叠而造成的局部异常减薄，从而保证箔材3的力学性能，如图4所示；轧辊1、2表面环形凸起1-1、2-1的高度可为箔材3厚度的1～3倍，因此可通过两根轧辊1、2表面环形凸起1-1、2-1的错位挤压作用，在箔材3表面形成高粗糙度。
步骤300，在轧机出口处安装激光打孔模块，利用激光打孔模块的平移机构驱动扫描头沿垂直箔材运动的方向移动，移动过程中，扫描头沿箔材的运动方向扫描，形成扫描带，并对箔材实施激光打孔，最终得到表面毛化、穿孔集流体箔材。
在此步骤中，如图5所示，通过调整扫描头4的焦距和激光6的参数可控制激光打孔直径，然后再参考扫描头4的焦距确定扫描线的长度，激光打孔的幅面由平移机构5的行程确定。扫描头4在箔材3上形成的扫描带7沿箔材3运动方向的移动距离一次为10～200mm，沿垂直箔材运动方向的移动距离为箔材3宽度，然后按预定参数在扫描带7上打激光孔8。激光6打孔时的脉冲能量为1～10mJ，脉冲宽度为0.5～5μs，焦斑功率密度为108～109W/cm2，重复频率为1～50kHz。
本实施方式制备的箔材材质可为常用的集流体材料，如：铝、铜，厚度一般为6～30μm；激光打孔的孔径为20～60μm；孔分布为0.1×0.1mm～1×1mm；表面粗糙度Ra为1.5～2.5μm。
本发明的一个实施方式中，公开一种实现前述制备方法的装置，该装置基本包括含有轧辊1、2的轧机，和安装在轧机出口处的激光打孔模块，激光打孔模块包括在箔材3表面形成扫描带7的扫描头4，通过扫描头4在扫描带7内进行打孔的激光6，以及驱动扫描头4在箔材3表面移动的平移机构5。具体的激光打孔模块可以采用现有的激光打孔装置。该装置既能够一体化制备表面毛化、穿孔的集流体箔材，也能单独制备表面毛化箔材和穿孔箔材。
以下以具体实施例对前述制备方法和装置做出具体说明。
按照图1所示的步骤，首先在数控车床上使用激光毛化工艺沿螺旋线加工轧辊1和轧辊2，在轧辊表面形成环状凸起，然后如图2所示，将两根轧辊1、2在轧机上组装成轧辊对，两根轧辊表面的环形凸起1-1和2-1的尺寸相同，凸起高度为15μm，直径d为50μm，螺旋线导程h均为200μm。其中，轧辊1表面环形凸起1-1的周向距离st1为100μm，螺旋线1-2的旋向为左旋。轧辊2表面环形凸起2-1的周向距离st2在60～140μm之间随机变化，但平均周向距离为100μm，螺旋线2-2的旋向为右旋。
如图3所示，旋转两根轧辊使螺旋线的相位差为180度，保证两根轧辊表面的环形凸起1-1和2-1相互错开，将厚度为10μm的铝箔3穿过两根轧辊之间的夹缝，施加压力开始轧制。如图4所示，在轧制过程中轧辊1的表面环形凸起1-1压入铝箔3形成表面凹坑3-1，轧辊2的表面环形凸起2-1压入铝箔3在另一个表面形成凹坑3-2，凹坑3-1和凹坑3-2相互不重叠。
如图5所示，激光打孔模块放置在轧机出口处，基本包括扫描头4和驱动扫描头4的平移机构5，扫描头4沿箔材3的运动方向扫描，平移机构5同步驱动扫描头4沿垂直箔材3的运动方向扫描和到达边缘时沿箔材3的运动方向移动一个扫描头4的扫描间隔距离，脉冲激光6输入扫描头4后在箔材3表面形成扫描带7，调整扫描头4的焦距和脉冲激光6的参数在铝箔3表面形成通孔8。扫描头4和平移机构5均具有运动补偿功能，能够保证通孔8在铝箔3的表面分布均匀。
如图6所示，制备的表面毛化、穿孔铝箔3的表面粗糙度Ra为2.0μm，通孔8直径为60μm。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (6)

1.一种基于错位毛化轧制的穿孔集流体箔材制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤100，将表面光滑的两根轧辊分别架在数控车床上，使用激光毛化工艺在轧辊表面加工预定尺寸和分布位置的环形凸起；
其中，两根所述轧辊表面的环形凸起分别沿螺旋线分布，且两根所述轧辊表面螺旋线的旋向相反，其中一根所述轧辊表面上的环形凸起的周向间隔距离相等，另一根所述轧辊表面的环形凸起周向距离随机，但平均周向距离与前述轧辊的周向间隔距离相等，且两根所述轧辊的环形凸起轴向间隔距离相等；
步骤200，将制作好的轧辊对组装在轧机上，调整两根轧辊的相对位置，使两根轧辊表面的环形凸起相互错开，在轧机上组装后两根所述轧辊表面的螺旋线相位差为180度，再将箔材从两根轧辊的夹缝间穿过，施加轧制力在箔材上下表面形成不穿透凹坑构成的表面毛化结构；
步骤300，在轧机出口处安装激光打孔模块，利用激光打孔模块的平移机构驱动扫描头沿垂直箔材运动的方向移动，移动过程中，扫描头沿箔材的运动方向扫描，形成扫描带，然后利用激光对扫描带内的箔材实施激光打孔，最终得到表面毛化、穿孔集流体箔材。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
所述环形凸起的高度为所述箔材厚度的1～3倍，所述环形凸起的直径为50～100μm，所述螺旋线导程为所述环形凸起直径的2.5～5倍。
3.根据权利要求1-2任一项所述的制备方法，其特征在于，
所述箔材轧制后上下两个表面的凹坑位置相互不重叠。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
所述扫描带沿所述箔材的运动方向的宽度为10～200mm，沿所述箔材的垂直方向的宽度等于所述箔材的宽度。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
所述激光打孔模块的激光脉冲能量为1～10mJ，脉冲宽度0.5～5μs，焦斑功率密度为108～109W/cm2，重复频率为1～50kHz。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，
所述箔材的厚度为6～30μm；所述激光打孔的孔径为20～60μm，孔分布为0.1×0.1mm～1×1mm；表面粗糙度Ra为1.5～2.5μm。
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