CN113089032A - 一种微米级多孔铜箔及其制备方法与应用 - Google Patents

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徐宏刚
杨超
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Abstract

本发明公开了一种微米级多孔铜箔及其制备方法与应用，对钛片进行预处理，然后将光刻胶均匀涂布在钛片上，将具有多孔矩阵形状的掩模版放置在钛片上进行光刻处理；然后对钛片进行显影处理；将显影处理后的钛片作为电镀阴极基底放入电镀液中进行电镀；再将铜箔从钛片上剥下；制得微米级多孔铜箔。本发明方法光刻的设备、电解的设备、条件简单，原材料易取，操作工艺简单，时间短，钛基底作为模板可重复使用，适宜大规模生产。

Description

一种微米级多孔铜箔及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于金属箔制作技术领域，具体涉及一种微米级多孔铜箔及其制备方法与应用。
背景技术
铜箔是锂电池负极集流体关键材料，对电池能量密度等性能有着重要影响，约占锂电池成本的5％～8％，在当前电池行业提质降本的大背景下，超薄化、超轻化、高端化的新型负极集流体的研究也受到了更多的关注。多孔铜箔具有巨大的表面积，一方面能够承载更多的负极活性物质，从而增大电池的容量；另一方面可以为电极反应提供更大的反应界面来提升电池的功率。而且，锂电用多孔铜箔相对于普通铜箔质量更轻，则相应的电池质量也将约轻，不仅能够有效降低铜箔原材料成本，还能将整个电池的能量密度从器件角度有所提升。
多孔铜的制备方法有多种，常用的有去合金化法、粉末冶金法、溶胶凝胶法和氢气泡模板法等。去合金化法、粉末冶金法、溶胶/凝胶法等均能成功制得高孔隙率的多孔铜材料，但其操作和制备过程都比较繁琐，孔的大小和分布密度很难控制，一致性也难以保证，所得多孔铜箔机械强度差或制备成本高。
总之，目前这几种方法制备的多孔铜箔无法达到相关行业使用要求，或成本较高，工艺较为复杂，对环境不友好等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种微米级多孔铜箔及其制备方法与应用，多孔铜箔的微观结构为数个大小均等的圆孔构成的矩阵，具有45～50微米的孔径及10～100微米的孔间距，铜箔厚度为10～20微米；相对于氢气泡模板法等方法制备出的多孔铜箔具有更佳的机械性能。
本发明采用以下技术方案：
一种微米级多孔铜箔制备方法，包括以下步骤：
S1、对钛片进行预处理，然后将光刻胶均匀涂布在钛片上，将具有多孔矩阵形状的掩模版放置在钛片上进行光刻处理；然后对钛片进行显影处理；
S2、将步骤S1显影处理后的钛片作为电镀阴极基底放入电镀液中进行电镀；再将铜箔从钛片上剥下；制得微米级多孔铜箔。
具体的，步骤S1中，预处理具体为：
对钛片进行抛磨处理；然后用无水乙醇和蒸馏水清洗，然后对清洗后的钛片用等离子氧处理2次，每次处理3～4min，最后控制温度90～98℃对钛片进行烘干处理。
具体的，步骤S1中，光刻处理的厚度为20微米，光刻时间为35～40s。
具体的，步骤S1中，显影处理使用的溶液为浓度5％的NaOH溶液。
进一步的，显影处理后对钛片进行烘干处理，烘干处理的温度为90～98℃。
具体的，步骤S2中，电镀处理的时间为450～600s。
具体的，步骤S2中，电镀液包括浓度80～100g/L的无水硫酸铜溶液，浓度110～130g/L的硫酸和浓度25～35mg/L的明胶。
具体的，步骤S2中，将铜箔从钛片上剥下后先进行清洗和干燥处理，铜箔从钛片上剥下先用蒸馏水清洗2～3次，然后放入60℃真空干燥相中干燥。
本发明的另一个技术方案是，一种微米级多孔铜箔，其特征在于，根据权利要求1所述方法制备而成，微米级多孔铜箔为厚度10～20微米的矩形结构，矩形结构上间隔设置有多个大小均等的圆孔，圆孔的孔径为45～50微米，孔间距为10～100微米。
本发明的另一个技术方案是，根据所述方法制备的微米级多孔铜箔或根据所述的微米级多孔铜箔在电极领域、传感器领域或催化载体领域中的应用。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种微米级多孔铜箔制备方法，通过光刻技术在预处理过后的钛片上光刻下孔径为几微米或至几十微米的绝缘圆形点，再以此为电镀阴极基底在电镀液中进行电镀形成孔径为几微米或至几十微米的多孔铜箔，可制备出微米级多孔铜箔，可用于电池电极领域、传感器领域或催化载体领域。做锂离子电池负极集流体，可大大改善电池性能。
进一步的，通过预处理除去钛片上杂质，便于涂光刻胶与光刻。
进一步的，光刻处理的厚度为20微米，光刻时间为35～40s，根据光刻的厚度和时间确定铜箔厚度。
进一步的，光刻时光刻胶会使用氯气，从而在光刻胶中产生卤代烷反应生成氯化物，而氢氧化钠会使氯原子发生脱落，而剩下的有机物在温水和氢氧化钠共同作用下被溶解然后就被冲洗掉了。
进一步的，显影处理后对钛片进行烘干处理，快速除去上面的氢氧化钠溶液和水。
进一步的，电镀处理的时间为450～600s，制备出的多孔铜箔正好可从钛基地上剥离且厚度合适。
进一步的，电镀液包括浓度80～100g/L的无水硫酸铜溶液，浓度110～130g/L的硫酸和浓度25～35mg/L的明胶，可制备出表面光滑的铜箔。
进一步的，将铜箔从钛片上剥下后先进行清洗和干燥处理，防止铜箔被氧化。
一种微米级多孔铜箔，铜箔厚度更薄，质量更轻，成本更低且物理性能良好。
进一步的，微米级多孔铜箔相对于其他商用铜箔质量更轻，成本更低，做为锂离子电池负极集流体，可以有效提高锂电池能量密度，倍率性能及循环稳定性。
综上所述，本发明方法光刻的设备、电解的设备、条件简单，原材料易取，操作工艺简单，时间短，钛基底作为模板可重复使用，适宜大规模生产。
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。
附图说明
图1为本发明制备多孔铜箔的流程示意图；
图2为本发明掩模版示意图；
图3为本发明光刻后钛片光学显微镜下的照片；
图4为本发明多孔铜箔光学显微镜下的照片；
图5为本发明多孔铜箔的照片，其中，(a)为光面，(b)为毛面。
其中：a.阳极铜片；b.阴极钛片；c.电镀液。
具体实施方式
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
请参阅图1，本发明一种微米级多孔铜箔制备方法，包括以下步骤：
S1、对钛片进行预处理，然后用等离子氧处理2次，每次处理3min，然后控制温度为90～98℃进行烘干处理；再将光刻胶均匀涂布在烘干的钛片上，再将具有多孔矩阵形状的掩模版放在钛片上光刻35s，光刻厚度为20微米，光刻胶为AZ4620；最后使用5％NaOH溶液处理钛片；
预处理具体为：选择不同型号的砂纸在抛磨机上对钛片进行抛磨；然后用无水乙醇和蒸馏水清洗干净。
请参阅图2，为掩模版示意图。
请参阅图3和图4，分别为光镜下的多孔铜箔毛面图与光面图，多孔铜上面的孔分布均匀且大小均相等。
S2、将步骤S1显影处理后的钛片作为电镀阴极基底放入电镀液中电镀450～600s；然后将铜箔从钛片上剥下；最后清洗，干燥，即得多孔铜箔。
请参阅图1，将阳极铜片a和阴极钛片b一起放入电镀液c中，电镀液c包括：浓度80～100g/L的无水硫酸铜溶液，浓度110～130g/L的硫酸和浓度25～35mg/L的明胶。
请参阅图5，为多孔铜箔实物图。本发明方法制备的微米级多孔铜箔的微观结构为数个大小均等的圆孔构成的矩阵，圆孔的孔径为5～30微米，孔间距为10～100微米，铜箔的厚度为18～30微米。
本发明方法制备的微米级多孔铜箔在电极领域、传感器领域或催化载体领域中的应用。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
实施例1
S1、选择不同型号的砂纸在抛磨机上对钛片进行抛磨；然后用无水乙醇和蒸馏水清洗干净，然后用等离子氧处理2次，每次处理3min，然后控制温度为90℃进行烘干处理；再将光刻胶均匀涂布在烘干的钛片上，再将具有多孔矩阵形状的掩模版放在钛片上光刻35s，光刻厚度为20微米，光刻胶为AZ4620；最后使用5％NaOH溶液处理钛片；
S2、将步骤S1显影处理后的钛片作为电镀阴极基底放入电镀液中电镀600s，电镀液包括：浓度80g/L的无水硫酸铜溶液，浓度110g/L的硫酸和浓度25mg/L的明胶；然后将铜箔从钛片上剥下；最后清洗，干燥，即得多孔铜箔。
实施例2
S1、选择不同型号的砂纸在抛磨机上对钛片进行抛磨；然后用无水乙醇和蒸馏水清洗干净，然后用等离子氧处理2次，每次处理4min，然后控制温度为98℃进行烘干处理；再将光刻胶均匀涂布在烘干的钛片上，再将具有多孔矩阵形状的掩模版放在钛片上光刻35s，光刻厚度为20微米，光刻胶为AZ4620；最后使用5％NaOH溶液处理钛片；
S2、将步骤S1显影处理后的钛片作为电镀阴极基底放入电镀液中电镀450s，电镀液包括：浓度100g/L的无水硫酸铜溶液，浓度130g/L的硫酸和浓度35mg/L的明胶；然后将铜箔从钛片上剥下；最后清洗，干燥，即得多孔铜箔。
实施例3
S1、选择不同型号的砂纸在抛磨机上对钛片进行抛磨；然后用无水乙醇和蒸馏水清洗干净，然后用等离子氧处理2次，每次处理4min，然后控制温度为95℃进行烘干处理；再将光刻胶均匀涂布在烘干的钛片上，再将具有多孔矩阵形状的掩模版放在钛片上光刻35s，光刻厚度为20微米，光刻胶为AZ4620；最后使用4％NaOH溶液处理钛片；
S2、将步骤S1显影处理后的钛片作为电镀阴极基底放入电镀液中电镀500s，电镀液包括：浓度90g/L的无水硫酸铜溶液，浓度120g/L的硫酸和浓度30mg/L的明胶；然后将铜箔从钛片上剥下；最后清洗，干燥，即得多孔铜箔。
实施例4
S1、选择不同型号的砂纸在抛磨机上对钛片进行抛磨；然后用无水乙醇和蒸馏水清洗干净，然后用等离子氧处理2次，每次处理3.5min，然后控制温度为90℃进行烘干处理；再将光刻胶均匀涂布在烘干的钛片上，再将具有多孔矩阵形状的掩模版放在钛片上光刻35s，光刻厚度为20微米，光刻胶为AZ4620；最后使用3％NaOH溶液处理钛片；
S2、将步骤S1显影处理后的钛片作为电镀阴极基底放入电镀液中电镀550s，电镀液包括：浓度85g/L的无水硫酸铜溶液，浓度115g/L的硫酸和浓度28g/L的明胶；然后将铜箔从钛片上剥下；最后清洗，干燥，即得多孔铜箔。
实施例5
S1、选择不同型号的砂纸在抛磨机上对钛片进行抛磨；然后用无水乙醇和蒸馏水清洗干净，然后用等离子氧处理2次，每次处理3min，然后控制温度为95℃进行烘干处理；再将光刻胶均匀涂布在烘干的钛片上，再将具有多孔矩阵形状的掩模版放在钛片上光刻35s，光刻厚度为20微米，光刻胶为AZ4620；最后使用5％NaOH溶液处理钛片；
S2、将步骤S1显影处理后的钛片作为电镀阴极基底放入电镀液中电镀510s，电镀液包括：浓度95g/L的无水硫酸铜溶液，浓度120g/L的硫酸和浓度30mg/L的明胶；然后将铜箔从钛片上剥下；最后清洗，干燥，即得多孔铜箔。
实施例6
S1、选择不同型号的砂纸在抛磨机上对钛片进行抛磨；然后用无水乙醇和蒸馏水清洗干净，然后用等离子氧处理2次，每次处理3min，然后控制温度为95℃进行烘干处理；再将光刻胶均匀涂布在烘干的钛片上，再将具有多孔矩阵形状的掩模版放在钛片上光刻35s，光刻厚度为20微米，光刻胶为AZ4620；最后使用5％NaOH溶液处理钛片；
S2、将步骤S1显影处理后的钛片作为电镀阴极基底放入电镀液中电镀490s，电镀液包括：浓度90g/L的无水硫酸铜溶液，浓度125g/L的硫酸和浓度33mg/L的明胶；然后将铜箔从钛片上剥下；最后清洗，干燥，即得多孔铜箔。
表1 实施例1～6所得铜箔的测试数据
Figure BDA0002993268510000081
Figure BDA0002993268510000091
综上所述，本发明一种微米级多孔铜箔及其制备方法与应用，多孔铜箔的微观结构为数个大小均等的圆孔构成的矩阵，具有45～50微米的孔径及10～100微米的孔间距，铜箔厚度为10～20微米；相对于氢气泡模板法等方法制备出的多孔铜箔具有更佳的机械性能。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微米级多孔铜箔制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对钛片进行预处理，然后将光刻胶均匀涂布在钛片上，将具有多孔矩阵形状的掩模版放置在钛片上进行光刻处理；然后对钛片进行显影处理；
S2、将步骤S1显影处理后的钛片作为电镀阴极基底放入电镀液中进行电镀；再将铜箔从钛片上剥下；制得微米级多孔铜箔。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，预处理具体为：
对钛片进行抛磨处理；然后用无水乙醇和蒸馏水清洗，然后对清洗后的钛片用等离子氧处理2次，每次处理3～4min，最后控制温度90～98℃对钛片进行烘干处理。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，光刻处理的厚度为20微米，光刻时间为35～40s。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，显影处理使用的溶液为浓度5％的NaOH溶液。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，显影处理后对钛片进行烘干处理，烘干处理的温度为90～98℃。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，电镀处理的时间为450～600s。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，电镀液包括浓度80～100g/L的无水硫酸铜溶液，浓度110～130g/L的硫酸和浓度25～35mg/L的明胶。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，将铜箔从钛片上剥下后先进行清洗和干燥处理，铜箔从钛片上剥下先用蒸馏水清洗2～3次，然后放入60℃真空干燥相中干燥。
9.一种微米级多孔铜箔，其特征在于，根据权利要求1所述方法制备而成，微米级多孔铜箔为厚度10～20微米的矩形结构，矩形结构上间隔设置有多个大小均等的圆孔，圆孔的孔径为45～50微米，孔间距为10～100微米。
10.根据权利要求1所述方法制备的微米级多孔铜箔或根据权利要求9所述的微米级多孔铜箔在电极领域、传感器领域或催化载体领域中的应用。
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