CN114759192B - 层状复合导电材料、制备工艺及集流体 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于揭示一种层状复合导电材料、制备工艺及集流体，包括高分子聚合物层，所述高分子聚合物层的两侧分别设置第一金属层和第二金属层；所述第一金属层的表面设置第三金属层，所述第二金属层表面设置第四金属层；所述第三金属层的表面设置第五金属层，所述第四金属层表面设置第六金属层，有益效果是：第一金属层和第二金属层以真空溅射方法涂覆于高分子聚合物层的两侧，作为初生层，初生层太薄，高分子聚合物层的导电性依然不足，电阻过大而影响电镀效率；第三金属层和第四金属层以化学镀方式使初生层快速变厚，增加高分子聚合物层的导电性；高分子聚合物层具有导电性后，再以电镀工艺复合第五金属层和第六金属层，提高电镀的效率。
Description
技术领域
本发明涉及层状聚合物基体金属复合材料技术领域，尤其涉及一种层状复合导电材料、制备工艺及集流体。
背景技术
锂离子电池因具有高的能量密度和长的循环寿命被广泛应用于电子设备、电动汽车以及电网储能等领域。随着锂电池行业的迅速发展，人们不断对锂电池的能量密度提出了更高的需求，锂电池的能量密度和更高的循环效率是其发展提升的关键。随着国际社会对能源的关注和重视，提高锂离子电池能量密度，成为行业重点关注的问题之一。为了提高能量密度，使用轻质集流体材料也成为一个理论上可行的选择。
在现有技术中，在保持集流体导电性能的同时，人们在轻质薄膜的两侧设置铜层的方式进一步降低集流体的厚度及重量，其存在的问题是，薄膜集流体的铜层以电镀工艺复合，但电镀时因溅射的金属薄膜极薄，复合膜的电阻大，导致电镀生产效率很低，影响了复合导电材料的生产效率；鉴于此，有必要对现有的复合导电材料生产工艺过程及工艺参数予以改进优化，以解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的在于揭示一种层状复合导电材料、制备工艺及集流体。
本发明的第一个发明目的，是提供一种层状复合导电材料。
本发明的第二个发明目的，是提供一种层状复合导电材料制备工艺。
本发明的第三个发明目的，是提供一种集流体。
为实现上述第一个发明目的，本发明提供了一种层状复合导电材料，包括高分子聚合物层，所述高分子聚合物层的两侧分别设置第一金属层和第二金属层；所述第一金属层的表面设置第三金属层，所述第二金属层表面设置第四金属层；所述第三金属层的表面设置第五金属层，所述第四金属层表面设置第六金属层。
优选地，所述高分子聚合物层为聚丙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺中的一种。
优选地，所述高分子聚合物层厚度为4μm-6μm。
优选地，所述第一金属层、第二金属层、第三金属层、第四金属层、第五金属层和第六金属层为相同材质，所述第一金属层、第二金属层、第三金属层、第四金属层、第五金属层和第六金属层的材质均为铜、镍、铂、铅、金、银中的一种。
优选地，所述第一金属层和所述第二金属层以真空溅射方法涂覆于所述高分子聚合物层的两侧，所述第一金属层与所述第二金属层厚度均为0.01μm-0.08μm。
优选地，所述第三金属层以化学镀方法镀于所述第一金属层表面，所述第四金属层以化学镀方法镀于所述第二金属层表面，所述第一金属层与所述第三金属层的总厚度为0.3μm-0.5μm，所述第二金属层与所述第四金属层的总厚度为0.3μm-0.5μm。
优选地，所述第五金属层以电镀方法镀于所述第三金属层表面，所述第六金属层以电镀方法镀于所述第四金属层表面，所述第一金属层、所述第三金属层与所述第五金属层的总厚度为0.75μm-1.5μm，所述第二金属层、所述第四金属层与所述第六金属层的总厚度为0.75μm-1.5μm。
为实现上述第二个发明目的，本发明提供了一种层状复合导电材料制备工艺，包括以下步骤：
在高分子聚合物的两个面以真空溅射方法涂覆第一金属层和第二金属层；
在第一金属层的表面通过化学镀方法设置第三金属层，在第二金属层的表面通过化学镀方法设置第四金属层；
在第三金属层表面通过电镀方法设置第五金属层，在第四金属层表面通过电镀方法设置第六金属层。
优选地，所述高分子聚合物层为聚丙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺中的一种。
所述第一金属层、第二金属层、第三金属层、第四金属层、第五金属层和第六金属层为相同材质，所述第一金属层、第二金属层、第三金属层、第四金属层、第五金属层和第六金属层的材质均为铜、镍、铂、铅、金、银中的一种；
所述层状复合导电材料总厚度为5.5μm-9μm。
为实现上述第三个发明目的，本发明提供了一种集流体，集流体的导电基材采用第一发明创造所述的层状复合导电材料，所述层状复合导电材料总厚度为5.5μm-9μm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)为了提高层状复合导电材料的电镀效率，在聚合物高分子层的两侧分别设置第一金属层、第二金属层、第三金属层和第四金属层；第一金属层和第二金属层以真空溅射方法涂覆于高分子聚合物层的两侧，作为初生层，初生层太薄，高分子聚合物层的导电性依然不足，电阻过大而影响电镀效率；第三金属层和第四金属层以化学镀方式使初生层快速变厚，增加高分子聚合物层的导电性；高分子聚合物层具有导电性后，再以电镀工艺复合第五金属层和第六金属层，提高电镀的效率。
(2)与相同厚度的铜箔集流体相比，层状复合导电材料更轻，进而降低集流体的重量，也就是降低了锂电池的重量，有助于进一步提高锂电池的能量密度。
(3)层状复合导电材料在作为集流体使用时，既可以用于充电电池的正极集流体，也可以用于充电电池负极的集流体；避免了铝箔及铝箔复合材料作为负极集流体时出现的易腐蚀、易发生LiAl合金化反应等。
附图说明
图1为本发明层状复合导电材料的剖视图；
图2为本发明层状复合导电材料制备工艺流程图；
图3为本发明层状复合导电材料的厚度分布图。
其中，1、高分子聚合物层；2、第一金属层；3、第二金属层；4、第三金属层；5、第四金属层；6、第五金属层；7、第六金属层。
具体实施方式
下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例一：
本实施例揭示了一种层状复合导电材料，参见图1，包括高分子聚合物层1，所述高分子聚合物层1的两侧分别设置第一金属层2和第二金属层3；所述第一金属层2的表面设置第三金属层4，所述第二金属层3表面设置第四金属层5；所述第三金属层4的表面设置第五金属层6，所述第四金属层5表面设置第六金属层7。
具体地，所述第一金属层、第二金属层、第三金属层、第四金属层、第五金属层和第六金属层为相同材质，所述第一金属层、第二金属层、第三金属层、第四金属层、第五金属层和第六金属层的材质均为铜、镍、铂、铅、金、银中的一种。具体地，优选铜，以金属层均为铜层作为具体例子，所述第一金属层2和所述第二金属层3以真空溅射方法涂覆于所述高分子聚合物层1的两侧，所述第一金属层2与所述第二金属层3厚度均为0.01μm-0.08μm，厚度很薄的所述第一金属层2和所述第二金属层3作为初生层或种子层，溅射效率高，且溅射方法能够使第一金属层2和第二金属层3牢固地附着于高分子聚合物层1的两侧，具体附着方式为沉积，结合力大；初生层或种子层因太薄，高分子聚合物层1的导电性依然不足，电阻过大而影响直接电镀的效率，为此，所述第三金属层4以化学镀方法镀于所述第一金属层2表面，所述第四金属层5以化学镀方法镀于所述第二金属层3表面，所述第一金属层2与所述第三金属层4的总厚度为0.3μm-0.5μm，所述第二金属层3与所述第四金属层5的总厚度为0.3μm-0.5μm，化学镀方法能够使初生层快速生长至0.3μm-0.5μm的厚度，使高分子聚合物层1的导电性大幅提高，但因化学镀所生成的铜晶颗粒粗大且铜晶之间较为松弛，结合力低，若通过化学电镀方式继续增厚铜层，最终的层状复合导电材料因表面的铜层附着力太小而无法使用；因此，化学镀后，继续通过电镀方式增厚铜层，具体而言，所述第五金属层6以电镀方法镀于所述第三金属层4表面，所述第六金属层7以电镀方法镀于所述第四金属层5表面，所述第一金属层2、所述第三金属层4与所述第五金属层6的总厚度为0.75μm-1.5μm，所述第二金属层3、所述第四金属层5与所述第六金属层7的总厚度为0.75μm-1.5μm，最终形成的层状复合导电材料的金属层附着力强，能够应用于充电电池的集流体。
作为优选实施例，所述高分子聚合物层为聚丙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺中的一种。具体地，高分子聚合物层1的两面在设置第一金属层2和所述第二金属层3时，需要进行连续化生产，需要高分子聚合物层1具有一定的拉伸性能及强度指标。
作为优选实施例，所述高分子聚合物层厚度为4μm-6μm。具体地，高分子聚合物层1的厚度既要考虑其满足连续化生产的强度指标，还要考虑厚度尽量小，以便满足充电电池的能量密度需求。
实施例二
本实施例揭示了一种层状复合导电材料制备工艺，参见图2，包括以下步骤：
S1：在高分子聚合物1的两个面以真空溅射方法涂覆第一金属层2和第二金属层3。具体地，第一金属层和第二金属层以铜为例进行说明，所述第一金属层2和所述第二金属层3以真空溅射方法涂覆于所述高分子聚合物层1的两侧，所述第一金属层2与所述第二金属层3厚度均为0.01μm-0.08μm，厚度很薄的所述第一金属层2和所述第二金属层3作为初生层或种子层，溅射效率高，且溅射方法能够使第一金属层2和第二金属层3牢固地附着于高分子聚合物层1的两侧，具体附着方式为沉积，结合力大。
S2：在第一金属层2的表面通过化学镀方法设置第三金属层4，在第二金属层3的表面通过化学镀方法设置第四金属层5。具体地，初生层或种子层因太薄，高分子聚合物层1的导电性依然不足，电阻过大而影响直接电镀的效率，为此，所述第三金属层4以化学镀方法镀于所述第一金属层2表面，所述第四金属层5以化学镀方法镀于所述第二金属层3表面，所述第一金属层2与所述第三金属层4的总厚度为0.3μm-0.5μm，所述第二金属层3与所述第四金属层5的总厚度为0.3μm-0.5μm，化学镀方法能够使初生层快速生长至0.3μm-0.5μm的厚度，使高分子聚合物层1的导电性大幅提高，但因化学镀所生成的铜晶颗粒粗大且铜晶之间较为松弛，结合力低，若通过化学电镀方式继续增厚铜层，最终的层状复合导电材料因表面的铜层附着力太小而无法使用。
S3：在第三金属层表面通过电镀方法设置第五金属层，在第四金属层表面通过电镀方法设置第六金属层。具体地，化学镀后，继续通过电镀方式增厚铜层，具体而言，所述第五金属层6以电镀方法镀于所述第三金属层4表面，所述第六金属层7以电镀方法镀于所述第四金属层5表面，所述第一金属层2、所述第三金属层4与所述第五金属层6的总厚度为0.75μm-1.5μm，所述第二金属层3、所述第四金属层5与所述第六金属层7的总厚度为0.75μm-1.5μm，最终形成的层状复合导电材料的金属层附着力强，能够应用于充电电池的集流体。
作为优选实施例，所述高分子聚合物层1为聚丙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺中的一种。具体地，高分子聚合物层1的两面在设置第一金属层2和所述第二金属层3时，需要进行连续化生产，需要高分子聚合物层1具有一定的拉伸性能及强度指标。
作为优选实施例，所述第一金属层2、第二金属层3、第三金属层4、第四金属层5、第五金属层6和第六金属层7为相同材质，所述第一金属层2、第二金属层3、第三金属层4、第四金属层5、第五金属层6和第六金属层7的材质均为铜、镍、铂、铅、金、银中的一种；所述层状复合导电材料总厚度为5.5μm-9μm。具体地，鉴于制造效率、结合强度及制造成本方面的考虑，并考虑到层状复合导电材料在集流体方面的应用时需要满足导电率高、厚度薄、密度低的需求，层状复合导电材料总厚度为5.5μm-9μm，具体参见图3，从成本、制造效率、厚度和密度方面考虑，与现有的极限厚度为4.5μm的铜箔进行对比，在保障导电率的同时，图3中序号为2的厚度为最佳实施例组合。
实施例三
本实施例揭示了一种集流体，集流体的导电基材采用实施例一所述的层状复合导电材料，所述层状复合导电材料总厚度为5.5μm-9μm。
具体地，层状复合导电材料的总体厚度，包括了高分子聚合物层1、第一金属层2、第二金属层3、第三金属层4、第四金属层5、第五金属层6和第六金属层7的厚度，层状复合导电材料的总体厚度的总厚度将决定集流体的厚度、密度及重量，选择导电率高、密度小且重量轻的集流体，对制备高能量密度的充电电池，并保证其安全性能，具有重要的意义。
图3是不同厚度的高分子聚合物层1、第一金属层2、第二金属层3、第三金属层4、第四金属层5、第五金属层6和第六金属层7组成的层状复合导电材料；层状复合导电材料最小厚度为5.5μm，相比现有铜箔集流体的极限厚度4.5μm而言，层状复合导电材料的密度降低65％，能够提高充电电池的能量密度；层状复合导电材料最大厚度为9μm，但其两侧的金属层厚度均为1.5μm，也就是金属层总厚度为3μm，即便采用厚度为9μm的层状复合导电材料，密度是铜箔的40.8％，单位面积重量是4.5μm铜箔的81.6％，同样能够提高充电电池的能量密度。优选的的复合导电材料，厚度为6.5μm，单面金属层厚度1μm，该材料单位面积重量是4.5μm铜箔的55.7％，该材料单位面积重量是6μm铜箔的41.8％。
本实施例所揭示的集流体与实施例一具有相同部分的技术方案，请参实施例一所述，在此不再赘述。
Claims (9)
1.层状复合导电材料，其特征在于，包括高分子聚合物层，所述高分子聚合物层的上下两侧分别设置第一金属层和第二金属层；
所述第一金属层的表面设置第三金属层，所述第二金属层表面设置第四金属层；
所述第三金属层的表面设置第五金属层，所述第四金属层表面设置第六金属层；
所述第一金属层和所述第二金属层以真空溅射方法涂覆于所述高分子聚合物层的上下两侧，所述第一金属层与所述第二金属层厚度均为0.01μm -0.08μm；
所述第三金属层以化学镀方法镀于所述第一金属层表面，所述第四金属层以化学镀方法镀于所述第二金属层表面，所述第一金属层与所述第三金属层的总厚度为0.3μm -0.5μm，所述第二金属层与所述第四金属层的总厚度为0.3μm -0.5μm；
所述第五金属层以电镀方法镀于所述第三金属层表面，所述第六金属层以电镀方法镀于所述第四金属层表面，所述第一金属层、所述第三金属层与所述第五金属层的总厚度为0.75μm -1.5μm，所述第二金属层、所述第四金属层与所述第六金属层的总厚度为0.75μm -1.5μm。
2.层状复合导电材料，其特征在于，包括高分子聚合物层，所述高分子聚合物层的上下两侧分别设置第一金属层和第二金属层；
所述第一金属层的表面设置第三金属层，所述第二金属层表面设置第四金属层；
所述第三金属层的表面设置第五金属层，所述第四金属层表面设置第六金属层；
所述第一金属层和所述第二金属层以真空溅射方法涂覆于所述高分子聚合物层的上下两侧，所述第一金属层与所述第二金属层厚度均为0.01μm；
所述第三金属层以化学镀方法镀于所述第一金属层表面，所述第四金属层以化学镀方法镀于所述第二金属层表面，所述第一金属层与所述第三金属层的总厚度为0.3μm，所述第二金属层与所述第四金属层的总厚度为0.3μm，所述第三金属层和所述第四金属层的厚度分别为0.29μm；
所述第五金属层以电镀方法镀于所述第三金属层表面，所述第六金属层以电镀方法镀于所述第四金属层表面，所述第一金属层、所述第三金属层与所述第五金属层的总厚度为0.75μm，所述第二金属层、所述第四金属层与所述第六金属层的总厚度为0.75μm；
所述层状复合导电材料总厚度为5.5μm。
3.如权利要求1或2所述的层状复合导电材料，其特征在于，所述高分子聚合物层为聚丙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺中的一种。
4. 如权利要求1所述的层状复合导电材料，其特征在于，所述高分子聚合物层厚度为4μm -6μm。
5.如权利要求3所述的层状复合导电材料，其特征在于，所述第一金属层、第二金属层、第三金属层、第四金属层、第五金属层和第六金属层为相同材质，所述第一金属层、第二金属层、第三金属层、第四金属层、第五金属层和第六金属层的材质均为铜、镍、铂、铅、金、银中的一种。
6.层状复合导电材料制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
在高分子聚合物层的上下两个面分别以真空溅射方法涂覆第一金属层和第二金属层；
在第一金属层的表面通过化学镀方法设置第三金属层，在第二金属层的表面通过化学镀方法设置第四金属层；
在第三金属层表面通过电镀方法设置第五金属层，在第四金属层表面通过电镀方法设置第六金属层；
所述第一金属层与所述第二金属层厚度均为0.01μm -0.08μm；
所述第三金属层以化学镀方法镀于所述第一金属层表面，所述第四金属层以化学镀方法镀于所述第二金属层表面，所述第一金属层与所述第三金属层的总厚度为0.3μm -0.5μm，所述第二金属层与所述第四金属层的总厚度为0.3μm -0.5μm；
所述第五金属层以电镀方法镀于所述第三金属层表面，所述第六金属层以电镀方法镀于所述第四金属层表面，所述第一金属层、所述第三金属层与所述第五金属层的总厚度为0.75μm -1.5μm，所述第二金属层、所述第四金属层与所述第六金属层的总厚度为0.75μm -1.5μm。
7.层状复合导电材料制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
在高分子聚合物层的上下两个面分别以真空溅射方法涂覆第一金属层和第二金属层；
在第一金属层的表面通过化学镀方法设置第三金属层，在第二金属层的表面通过化学镀方法设置第四金属层；
在第三金属层表面通过电镀方法设置第五金属层，在第四金属层表面通过电镀方法设置第六金属层；
所述第一金属层与所述第二金属层厚度均为0.01μm；
所述第三金属层以化学镀方法镀于所述第一金属层表面，所述第四金属层以化学镀方法镀于所述第二金属层表面，所述第一金属层与所述第三金属层的总厚度为0.3μm，所述第二金属层与所述第四金属层的总厚度为0.3μm，所述第三金属层和所述第四金属层的厚度分别为0.29μm；
所述第五金属层以电镀方法镀于所述第三金属层表面，所述第六金属层以电镀方法镀于所述第四金属层表面，所述第一金属层、所述第三金属层与所述第五金属层的总厚度为0.75μm，所述第二金属层、所述第四金属层与所述第六金属层的总厚度为0.75μm；
所述层状复合导电材料总厚度为5.5μm。
8.如权利要求6所述的层状复合导电材料制备工艺，其特征在于，所述高分子聚合物层为聚丙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺中的一种；
所述第一金属层、第二金属层、第三金属层、第四金属层、第五金属层和第六金属层为相同材质，所述第一金属层、第二金属层、第三金属层、第四金属层、第五金属层和第六金属层的材质均为铜、镍、铂、铅、金、银中的一种；
所述层状复合导电材料总厚度为5.5μm -9μm。
9. 集流体，其特征在于，集流体的导电基材采用权利要求1所述的层状复合导电材料，所述层状复合导电材料总厚度为5.5μm -9μm。
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