CN114686961B - 一种电铸成型、打孔一体化的多孔铜箔制造系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电铸成型、打孔一体化的多孔铜箔制造系统及方法，属于多孔铜箔加工技术领域。该系统包括电铸成型单元Ⅰ，含有铜箔传送辊、铜箔压辊、圆弧状永磁铁、铜箔收卷辊、活动掩膜带、弧形状阴极、第一掩膜带张紧辊、第二掩膜带张紧辊、掩膜带驱动辊、电解电源的电解制孔单元Ⅱ和电解液循环单元Ⅲ。加工时，铜箔经过各辊子及活动掩膜带后缠卷在收卷辊上，调整各辊子空间位置，使铜箔与各部分紧密压贴；打开溢流阀，电解液高速喷射向活动掩膜带；开启电源，裸露区域的铜材被溶解随掩模带的前移由微坑逐渐形成通孔。本发明可实现铜箔成型与打孔一体化、连续化和同步化，提高工艺柔性和适应性，满足海量孔铜箔的优质高效制备需求。

Description

一种电铸成型、打孔一体化的多孔铜箔制造系统及方法

技术领域

本发明涉及一种电铸成型、打孔一体化的多孔铜箔制造系统及方法，属于多孔铜箔加工领域。

背景技术

铜箔是锂电池制造的重要材料，在铜箔的表面打微孔，能够降低锂电池中所需铜箔的重量，提高锂电池的容量和循环性能，增加表面电极材料涂覆量，确保电池的可靠性。

目前，铜箔微孔的制作方法包括：机械钻孔(见中国专利CN214110666U)、化学刻蚀(见中国专利CN109440108B)、激光穿孔(见中国专利CN109877470A)。机械钻孔采用打孔机，由于铜箔较薄，机械钻孔存在箔材易变形、受力不均匀，通孔边沿产生毛刺、效率偏低的问题。化学刻蚀打孔，效率高，但需专门贴敷掩模，工艺控制难度大，成本高，且存在环境污染问题。当前，激光打孔是多孔铜箔主要采用的技术手段，激光能够实现一排一排的高效制孔加工，尺寸精确，便于控制，但是现有的激光打孔速度仍不能满足海量孔高效加工的需求。

针对这一问题，申请号为201922433845.0的专利介绍一种一次成型的多孔铜箔制造装备，该装备采用打印机和紫外线烘干机来制作阴极环表面绝缘凸点，通过带有电绝缘凸点的阴极环进行多孔铜箔电沉积，可一次成型高密度、孔径尺寸可调的多孔铜箔，但实时打印会整体上降低了铜箔的制备效率，孔的质量无法保证。申请号为201811468960.5的专利提出一种锂离子电池负极用多孔铜箔的制备技术，该技术将带孔的绝缘薄膜裹覆在钛阴极辊表面，同时铜箔绕过钛阴极辊，在脉冲电压与电解液共同作用下，绝缘薄膜镂空孔对应位置铜箔溶解，从而得到多孔铜箔，此方法虽然能提高制孔质量，实现海量孔的成形，但铜箔、绝缘薄膜、钛阴极辊之间无法保证紧密贴合，且绝缘薄膜不能反复利用，工艺柔性偏低，无法满足应用需求。因此，本发明提出一种电铸成型、打孔一体化的多孔铜箔制造系统及方法，以提高工艺柔性和适应性并实现铜箔成型与打孔一体化、同步化、连续化和高效化，进而满足海量孔铜箔的优质高效制备需求。

发明内容

针对现有多孔铜箔制备所存在的工艺柔性偏低、所制备的铜箔孔的效率和表面质量不高等不足，本发明提出一种电铸成型、打孔一体化的多孔铜箔制造系统及方法。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种电铸成型、打孔一体化的多孔铜箔制造系统及方法，包括由电铸电源、铜箔、导向辊组成的电铸成型单元Ⅰ，由电解液、隔板、电解槽、离心泵、溢流阀组成的电解液循环单元Ⅲ，其特征在于：还包括电解制孔单元Ⅱ；所述的电解制孔单元Ⅱ包括铜箔传送辊、铜箔压辊、圆弧状永磁铁、铜箔收卷辊、活动掩膜带、弧形状阴极、溶液槽、第一掩膜带张紧辊、第二掩膜带张紧辊、掩膜带驱动辊、电解电源；所述的铜箔传送辊、铜箔收卷辊分别对称置于铜箔压辊的两侧；所述的第一掩膜带张紧辊、第二掩膜带张紧辊对称安设于铜箔压辊的两侧，且置于铜箔传送辊、铜箔收卷辊的下方；所述的掩膜带驱动辊置于铜箔压辊的正下方，且处于第一掩膜带张紧辊、第二掩膜带张紧辊的中间；所述的铜箔呈张紧状态依次经导向辊、铜箔传送辊、铜箔压辊后缠卷在铜箔收卷辊上；所述的活动掩膜带包括掩膜带和涂覆于掩膜带下表面的磁粉层；所述的活动掩膜带呈张紧态闭环缠绕在第一掩膜带张紧辊、第二掩膜带张紧辊和掩膜带驱动辊上；所述的活动掩膜带的无磁粉层一侧紧密压贴在铜箔上；所述的圆弧状永磁铁静止地固定于铜箔压辊的内部下方；所述的弧形状阴极设在活动掩膜带的正下方，弧形状阴极的内弧面设有电解液入口和电解液出口；所述的铜箔压辊和掩膜带驱动辊均可可控地转动，它们的转向相反；所述的导向辊与电解电源的接地线相连接；所述的铜箔传送辊与电解电源的正极相连接；所述的弧形状阴极与电解电源的负极相连接。

所述的活动掩膜带设有镂空的孔群结构。

所述的铜箔压辊、第一掩膜带张紧辊、第二掩膜带张紧辊、掩膜带驱动辊均由耐酸耐碱腐蚀的电绝缘固体材料制成，它们均可绕各自的旋转轴线转动。

所述的弧形状阴极的内表面与活动掩膜带间的间隙为2~5mm。

所述的弧形状阴极、导向辊、铜箔传送辊均为电化学惰性导电材料制成。

所述的电解液出口为若干个，直径为0.05~0.1mm，均匀分布地安设在弧形状阴极的内表面。

一种电铸成型、打孔一体化的多孔铜箔制造系统的方法，其特征在于：包括以下按顺序实施的步骤：

S1. 由电铸成型单元Ⅰ制备的铜箔，依次经过导向辊、铜箔传送辊、铜箔压紧辊和活动掩膜带，最终缠卷在铜箔收卷辊上，调整铜箔压辊、第一掩膜带张紧辊、第二掩膜带张紧辊、掩膜带驱动辊的空间位置，使铜箔处于张紧状态，且紧密压贴在所经过的上述各部分，并使铜箔、铜箔压辊、活动掩膜带三者也相互紧密压贴；

S2. 调整铜箔压辊和掩膜带驱动辊的转速，使它们以相同的线速度转动，调整铜箔收卷辊的转速使之与铜箔的移动速度协调；

S3. 将导向辊、铜箔传送辊、弧形状阴极分别与电解电源的接地线、正极、负极相连接；

S4. 打开溢流阀，使从入口流入的电解液高速喷射向活动掩膜带，电解液再经过孔群结构与铜箔接触，然后再返回到溶液槽中，最后流入带有隔板的电解槽内；

S5. 启动电解电源，此时铜箔带电，它的未被掩膜带覆盖的裸露区域的铜材在电解液和电场的共同作用下发生电化学溶解反应而被溶解去除形成微坑，同一区域被溶解的铜材随掩模带的前移而不断增大，直到被完全溶解掉进而形成通孔；

S6. 当完成铜箔的制孔任务时，断开电铸电源和电解电源，关闭电解液溢流阀，同时停止铜箔压辊和掩膜带驱动辊的转动。

本发明与现有技术相比,具有以下突出优点。

(1) 铜箔电铸成型与打孔并行，实现一体化加工，无需二次装夹，提高制孔精度，降低生产成本。本专利通过将导向辊与电解电源接地线相连，使铜箔的电位值接地成为0V的方法，解决了同一导电金属(铜箔)无法同时作为阴极(电铸成型步骤)和阳极(电解制孔步骤)的难题，实现了铜箔电铸成型和电解制孔在同一系统(装置)的一体化、同步化和连续化。该发明既能实现电铸成型的铜箔在收卷前完成制孔，还可易于实现电铸成型速度与制孔速度的协同与配合，无需二次安装，减少操作环节，提高制孔精度，降低生产成本。

(2) 孔成型的质量和精度高，孔大小与排布易于调整。基于电化学溶解成形的孔无应力、无变形、无毛刺，孔表面质量高。采用圆弧状永磁铁固定于铜箔压辊的内部下方，磁场作用使铜箔压辊、铜箔、活动掩膜带三者柔性且紧密贴合，大幅提高溶解定域性(相应地提高加工精度)的同时，显著降低了铜箔因受力过大或变形过大产生撕裂的风险；更换活动掩模带可实现不同孔径和排布方式海量孔的高效制造。

(3) 加工效率高。铜箔打孔与电铸铜箔成型的速度相匹配，且电化学溶解速度高，达到每秒数十微米，可一次多排孔同步溶解成形，加工效率高。

(4) 综合成本低，绿色环保。该装置使用的活动掩膜带可反复利用，且制作工艺简单；制孔单元使用的电解液为常规中性电解液，无环境污染问题，且可循环利用。此外，同一系统，都用电化学方法实现成型和制孔，易于控制，无需额外增设新系统。综合成本低，绿色环保。

附图说明

图1为本发明的电铸成型、打孔一体化的多孔铜箔制造系统图。

图2为本发明的活动掩膜带表面的结构图。

图3为本发明的弧形状阴极结构示意图。

图中标号及名称：1、阳极槽；2、阴极辊；3、铜箔；4、导向辊；5、铜箔传送辊；6、铜箔压辊；7、圆弧状永磁铁；8、铜箔收卷辊；9、活动掩膜带；10、弧形状阴极；11、溶液槽；12、第一掩膜带张紧辊；13、第二掩膜带张紧辊；14、掩膜带驱动辊；15、电铸电源；16、电解电源；17、电解液；18、隔板；19、电解槽；20、离心泵；21、溢流阀；22、通孔。

具体实施方式

下面结合具体附图对本发明做进一步的解释说明。

如图1、图2和图3所示，一种电铸成型、打孔一体化的多孔铜箔制造系统，包括由电铸电源15、铜箔3、导向辊4组成的电铸成型单元Ⅰ，由电解液17、隔板18、电解槽19、离心泵20、溢流阀21组成的电解液循环单元Ⅲ，其特征在于：还包括电解制孔单元Ⅱ；电解制孔单元Ⅱ包括铜箔传送辊5、铜箔压辊6、圆弧状永磁铁7、铜箔收卷辊8、活动掩膜带9、弧形状阴极10、溶液槽11、第一掩膜带张紧辊12、第二掩膜带张紧辊13、掩膜带驱动辊14、电解电源16；宽度为100mm，厚度为0.006mm的铜箔3呈张紧状态依次经导向4、铜箔传送辊5、铜箔压辊6后缠卷在铜箔收卷辊8上；导向辊4、铜箔传送辊5、铜箔收卷辊8、第一掩膜带张紧辊12、第二掩膜带张紧辊13、掩膜带驱动辊14直径为20mm，长度为110mm的圆柱状工件；铜箔压辊6材质为不锈钢，直径为60mm，长度为110mm；铜箔传送辊5、铜箔收卷辊8分别对称置于铜箔压辊6的两侧；第一掩膜带张紧辊12、第二掩膜带张紧辊13对称安设于铜箔压辊6的两侧，且置于铜箔传送辊5、铜箔收卷辊8的下方；活动掩膜带9由掩膜带9-1、孔群结构9-2和磁粉层9-3组成，磁粉层9-3为电绝缘高分子材料薄膜，厚度为0.01mm；弧形状阴极10的内表面与活动掩膜带9间的间隙为2~5mm；电解液出口10-2为若干个，直径为0.08mm，均匀分布地安设在弧形状阴极10的内表面，电解液从电解液出口10-2喷出，实现大面积接触铜箔。

铜箔压辊 6和掩膜带驱动辊14均与外部驱动源(图中未示出)相连接，它们均可可控地转动，且转向相反。

铜箔3、铜箔压辊6、活动掩膜带9始终紧密接触，且铜箔压辊6 向下轻压铜箔3。

活动掩膜带9由厚度为50μm的聚氯乙烯薄膜材料制成，上面设置有直径为15μm、中心距为100μm的镂空圆孔，且受到第一掩膜带张紧辊12、第二掩膜带张紧辊13的大小相等的侧向张力。

导向辊4与电解电源16的接地线相连，铜箔传送辊5与电解电源16的正极进行电气连接，弧形状阴极10与电解电源16的负极进行电气连接。

下面结合图1、图2和图3对发明的实施步骤进一步描述：

S1. 由电铸成型单元Ⅰ制备的宽度为100mm，厚度为0.006mm的铜箔3依次经过导向辊4、铜箔传送辊5、活动掩膜带9和铜箔压紧辊6，最终缠卷在直径为20mm，长度为110mm的不锈钢圆柱状的铜箔收卷辊8上，调整铜箔压辊6、第一掩膜带张紧辊12、第二掩膜带张紧辊13、掩膜带驱动辊14的空间位置，使铜箔3处于张紧状态，且紧密压贴在所经过的上述各部分，并使铜箔3、铜箔压辊6、活动掩膜带9三者也相互紧密压贴；

S2. 启动掩膜带驱动辊14以0.006r/min的转速顺时针匀速转动，活动掩膜带9在摩擦力作用下匀速移动并带动第一掩膜带张紧辊12、第二掩膜带张紧辊13匀速转动，铜箔以0.00628mm/s的线速度缓慢移动，且铜箔3、铜箔压辊6、掩膜带驱动辊14三者的线速度保持一致，同时调整铜箔收卷辊8的转速使之与铜箔3的移动速度协调；

S3. 将导向辊4、铜箔传送辊5、弧形状阴极10分别与输出电压为10V的电解电源16的接地线、正极、负极相连接；

S4. 将电解液加热到30℃时，打开溢流阀，使从弧形状阴极入口10-1 流入质量分数为10%的NaCl电解液17高速喷射向活动掩膜带9，电解液17再经过含有孔径为15μm、中心距100μm的镂空孔群结构9-2与铜箔3接触，然后再返回到溶液槽11中，最后流到电解槽19，通过隔板18过滤电解液17，实现电解液17循环使用；

S5. 启动电解电源16，此时铜箔3带电，它的未被掩膜带覆盖的裸露区域的铜材在电解液17和电场的共同作用下发生电化学溶解反应而被溶解去除形成微坑，同一区域被溶解的铜材随掩模带的前移而不断增大，直到被完全溶解掉进而形成直径为40±2μm的通孔22；

S6. 当完成铜箔3的制孔任务时，断开电铸电源14和电解电源15，关闭溢流阀21，同时停止铜箔压辊6和掩膜带驱动辊13的转动。

Claims (6)

1.一种电铸成型、打孔一体化的多孔铜箔制造系统，包括由电铸电源(15)、铜箔(3)、导向辊(4)组成的电铸成型单元(Ⅰ)，由电解液(17) 、隔板(18)、电解槽(19)、离心泵(20)、溢流阀(21)组成的电解液循环单元(Ⅲ)，其特征在于：还包括电解制孔单元(Ⅱ)；所述的电解制孔单元(Ⅱ)包括铜箔传送辊(5)、铜箔压辊(6)、圆弧状永磁铁(7)、铜箔收卷辊(8)、活动掩膜带(9)、弧形状阴极(10)、溶液槽(11)、第一掩膜带张紧辊(12)、第二掩膜带张紧辊(13)、掩膜带驱动辊(14)、电解电源(16)；所述的铜箔传送辊(5)、铜箔收卷辊(8)分别对称置于铜箔压辊(6)的两侧；所述的第一掩膜带张紧辊(12)、第二掩膜带张紧辊(13)对称安设于铜箔压辊(6)的两侧，且置于铜箔传送辊(5)、铜箔收卷辊(8)的下方；所述的掩膜带驱动辊(14)置于铜箔压辊(6)的正下方，且处于第一掩膜带张紧辊(12)、第二掩膜带张紧辊(13)中间；所述的铜箔(3)呈张紧状态依次经导向辊(4)、铜箔传送辊(5)、铜箔压辊(6)后缠卷在铜箔收卷辊(8)上；所述的活动掩膜带(9)包括掩膜带(9-1)和涂覆于掩膜带(9-1)下表面的磁粉层(9-3)；所述的活动掩膜带(9)设有镂空的孔群结构(9-2)；所述的活动掩膜带(9)呈张紧态闭环缠绕在第一掩膜带张紧辊(12)、第二掩膜带张紧辊(13)和掩膜带驱动辊(14)上；所述的活动掩膜带(9)的无磁粉层一侧紧密压贴在铜箔(3)上；所述的圆弧状永磁铁(7)静止地固定于铜箔压辊(6)的内部下方；所述的弧形状阴极 (10)设在活动掩膜带(9)的正下方，弧形状阴极 (10)的内弧面设有电解液入口(10-1)和电解液出口(10-2)；所述的铜箔压辊(6)和掩膜带驱动辊(14)均可可控地转动，它们的转向相反；所述的导向辊(4)与电解电源(16)的接地线相连接；所述的铜箔传送辊(5)与电解电源(16)的正极相连接；所述的弧形状阴极(10)与电解电源(16)的负极相连接。

2.根据权利要求1所述的电铸成型、打孔一体化的多孔铜箔制造系统，其特征在于：所述的铜箔压辊(6)、第一掩膜带张紧辊(12)、第二掩膜带张紧辊(13)、掩膜带驱动辊(14)均由耐酸耐碱腐蚀的电绝缘固体材料制成，它们均可绕各自的旋转轴线转动。

3.根据权利要求1所述的电铸成型、打孔一体化的多孔铜箔制造系统，其特征在于：所述的弧形状阴极(10)的内表面与活动掩膜带(9)间的间隙为2~5mm。

4.根据权利要求1所述的电铸成型、打孔一体化的多孔铜箔制造系统，其特征在于：所述的弧形状阴极(10) 、导向辊(4)、铜箔传送辊(5)均为电化学惰性导电材料制成。

5.根据权利要求1所述的电铸成型、打孔一体化的多孔铜箔制造系统，其特征在于：所述的电解液出口(10-2)为若干个，直径为0.05~0.1mm，均匀分布地安设在弧形状阴极(10)的内表面。

6.根据权利要求1所述的电铸成型、打孔一体化的多孔铜箔制造系统的使用方法，其特征在于：包括以下按顺序实施的步骤：

S1. 由电铸成型单元(Ⅰ)制备的铜箔(3)，依次经过导向辊(4)、铜箔传送辊(5)、铜箔压紧辊(6) 和活动掩膜带(9)，最终缠卷在铜箔收卷辊(8)上，调整铜箔压辊(6)、第一掩膜带张紧辊(12)、第二掩膜带张紧辊(13)、掩膜带驱动辊(14)的空间位置，使铜箔(3)处于张紧状态，且紧密压贴在所经过的上述各部分，并使铜箔(3)、铜箔压辊(6)、活动掩膜带(9)三者也相互紧密压贴；

S2. 调整铜箔压辊(6)和掩膜带驱动辊(14)的转速，使它们以相同的线速度转动，调整铜箔收卷辊(8)的转速使之与铜箔(3)的移动速度协调；

S3. 将导向辊(4)、铜箔传送辊(5)、弧形状阴极(10)分别与电解电源(16)的接地线、正极、负极相连接；

S4. 打开溢流阀(21)，使从入口(10-1) 流入的电解液(17)高速喷射向活动掩膜带(9)，电解液(17)再经过孔群结构(9-2)与铜箔(3)接触，然后再返回到溶液槽(11)中，最后流入带有隔板(18)的电解槽(19)内；

S5. 启动电解电源(16)，此时铜箔(3)带电，它的未被掩膜带覆盖的裸露区域的铜材在电解液(17)和电场的共同作用下发生电化学溶解反应而被溶解去除形成微坑，同一区域被溶解的铜材随掩模带的前移而不断增大，直到被完全溶解进而形成通孔(22)；

S6. 当完成铜箔(3)制孔任务时，断开电铸电源(15)和电解电源(16)，关闭溢流阀(21)，同时停止铜箔压辊(6)和掩膜带驱动辊(14)的转动。

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