CN115084534B - 一种带极耳复合集流体的制备方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种带极耳复合集流体的制备方法及装置，所述方法包括聚合物薄膜转运、局部打孔、薄膜表面改性、非均匀溅射镀膜及电镀加厚五个步骤。所述装置主要包括设于真空仓室内的卷绕系统、张力系统、打孔装置、离子源处理模块、溅射处理模块及外置的电镀加厚模块。本发明利用薄膜打孔和非均匀溅射结合的技术，能够有效地将聚合物薄膜两面的铜层导通，再通过已经成熟的电镀加厚技术，最终实现免焊接极耳的复合集流体薄膜的批量生产，避免了极耳焊接的繁杂步骤，从而有效简化生产工序，提高生产效率。
Description
技术领域
本发明属于动力电池制造领域，特别涉及一种带极耳复合集流体的制备方法及装置。
背景技术
铜箔一方面作为载体，承载活性材料；另一方面作为集流体，实现电流的传导和集流。但是铜箔作为集流体并不完美，一方面铜资源日趋紧张，且我国铜储量较少，容易受到国际关系和贸易的影响；另一方面，铜箔作为集流体很难避免锂电池起火的发生。因此开发新型集流体成为一项重要任务。真空镀膜技术的快速发展使绝缘基材表面金属化过程越来越成熟。因此在PET/PP等聚合物薄膜表面通过磁控溅射铜制备的复合集流体应运而生。复合集流体有以下几个优点：首先，复合集流体大大减少了铜的使用量，能够大幅降低电池组的总重，使动力电池的质量能量密度大幅提高；其次，复合集流体能够有效提高电池使用的安全性。但是复合集流体并不完美，其薄膜两面不能导通的问题使其必须单独焊接极耳才能够在电池组中使用。目前一些研究团队采用辊焊技术成功实现了整卷复合铜箔集流体的极耳焊接，但是辊焊技术操作复杂，严重增大复合集流体的使用成本，限制了其向市场快速推广。因此如何解决复合集流体极耳的问题是当前复合集流体发展的重大挑战。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种带极耳复合集流体的制备方法及装置，以解决目前复合集流体应用前必须进行极耳焊接的问题。
本发明提供了一种带极耳复合集流体的制备方法，包括以下步骤：
S1：聚合物薄膜转运，
将聚合物薄膜的两端分别置于卷绕系统上，启动卷绕系统以持续转运所述聚合物薄膜；
S2：局部打孔，
对聚合物薄膜进行局部打孔；
S3：薄膜表面改性，
对进行过局部打孔的聚合物薄膜的两面进行离子源处理；
S4：非均匀溅射，
对离子源处理清洁及改性后的聚合物薄膜的两面进行非均匀溅射镀膜，控制镀层达到目标厚度后通过所述卷绕系统收卷；
S5：电镀加厚，
对处理完成的聚合物薄膜电镀加厚，控制金属层厚度达到目标厚度后收卷，获得带极耳复合集流体。
在上述方法中，所述S1中，所述聚合物薄膜为聚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚萘二甲酸乙二酯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈中的一种或几种形成的薄膜，厚度范围为2～150μm。
所述S2中，所述局部打孔形成打孔区域，所述打孔区域中孔的密度为10～200pcs/cm2，打孔区域的宽度为1～10cm，打孔区域在薄膜的两侧边缘区域，打孔区域距离薄膜的边缘还有预留区域，预留区域的宽度为1～20cm。
所述S3中，所述离子源处理采用的设备包括霍尔离子源、阳极层离子源、考夫曼离子源、ICP离子源或者使用具有与离子源预处理类似效果的电弧预处理、电晕预处理和电浆轰击预处理；离子源处理所用的气体为氩气、氮气、氧气、一氧化二氮、二氧化碳或一氧化碳，气体流量控制范围为200～2000sccm。
所述S4中，所述非均匀溅射镀膜中溅射的金属包括Cu、Cr、Ti、Ni、Fe、Mo、Co中的一种或几种的合金。
所述S4中，所述非均匀溅射具体为：采用一种可以提供非均匀磁场的靶芯，所述靶芯的磁场强度在对应所述聚合物薄膜非打孔区域的位置处为3000～4000GS，所述磁场强度在对应打孔区域的位置处比对应非打孔区域的位置处大500～1000GS。
本发明还提供了一种带极耳复合集流体的制备装置，包括设于真空仓室内的卷绕系统、张力系统、离子源处理模块和溅射处理模块，以及外置的电镀加厚模块。
所述卷绕系统包括通过两端轴承固定在所述真空仓室内的放卷辊1、若干过渡辊、若干控温辊及收卷辊1；所述张力系统包括若干张力辊。
聚合物薄膜的一端卷绕在所述放卷辊1上，通过所述卷绕系统及张力系统持续转运使所述聚合物薄膜的两面依次通过离子源处理模块及溅射处理模块，最后转运至收卷辊1上进行收卷。
沿所述聚合物薄膜的前进方向，在所述离子源处理模块之前的位置设有用于在所述聚合物薄膜上打孔的打孔装置，所述打孔装置的打孔区域位于所述聚合物薄膜两侧的边缘区域。
所述控温辊的两侧边缘区域设有位置与所述打孔装置打孔区域相配的凹槽。
所述溅射处理模块中设有提供非均匀磁场的靶芯，所述靶芯在所述打孔区域的磁场强度大于非打孔区域的磁场强度。
进一步地，所述孔的面积为7×103～4×106μm2；所述打孔装置为机械钻孔装置或激光打孔装置。
进一步地，所述控温辊包括第一控温辊及第二控温辊，沿所述聚合物薄膜的前进方向，所述离子源处理模块设置于所述第一控温辊之前的位置，所述溅射处理模块设置于正对所述第二控温辊的位置；所述凹槽的深度为1～5mm，凹槽的宽度与打孔区域宽度一致；所述控温辊内通有与外界交互并循环的冷媒或热媒，控温辊表面的温度为-25～120℃。
进一步地，所述电镀加厚模块包括依次相连的放卷辊2、酸洗槽、电镀加厚槽、第一水洗槽、钝化处理槽、第二水洗槽、烘箱及收卷辊2。
有益效果
(1)本发明利用局部打孔和非均匀溅射的方法，能够实现复合铜箔在两侧边缘区域上下两层导通，因此边缘位置可以作为自带的极耳，从而不用再单独设立极耳焊接工段，大大简化了工序，降低了加工成本。
(2)本发明利用非均匀溅射的方法，使得打孔区域的电镀厚度比正常区域厚，从而在保证中间层厚度均匀的前提下极耳区孔径内壁完全金属化。
(3)本发明利用非均匀溅射法的方法，使得极耳区溅射金属层较厚，导电性好，从而在电镀时极耳区域电镀加厚更充分，使得复合集流体上下两层电流传导性更好。
附图说明
图1为本发明的工艺流程示意图；
图2为本发明溅射仓的结构示意图；
图3为本发明电镀的工艺流程示意图；
图4为导电性能测试示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明提供了一种带极耳复合集流体的制备方法，包括以下步骤：
S1：聚合物薄膜转运，
将聚合物薄膜的两端分别置于卷绕系统上，启动卷绕系统以持续转运所述聚合物薄膜；
S2：局部打孔，
对聚合物薄膜进行局部打孔；
S3：薄膜表面改性，
对进行过局部打孔的聚合物薄膜的两面进行离子源处理；
S4：非均匀溅射镀膜，
对离子源处理清洁及改性后的聚合物薄膜的两面进行非均匀溅射镀膜，控制镀层达到目标厚度后通过所述卷绕系统收卷；
S5：电镀加厚，
对处理完成的聚合物薄膜电镀加厚，控制金属层厚度达到目标厚度后收卷，获得带极耳复合集流体。
如图1、图2和图3所示，本发明还提供了一种带极耳复合集流体的制备装置，包括设于真空仓室内的卷绕系统、张力系统、打孔装置、离子源处理模块和溅射处理模块，以及外置的电镀加厚模块。
其中，所述卷绕系统包括通过两端轴承固定在所述真空仓室内的放卷辊1、若干过渡辊、若干控温辊及收卷辊1；所述张力系统包括若干张力辊。所述卷绕系统通过设置控制面板的张力和张力锥度实现卷绕系统张力的统一，张力设置范围为10～80kg。
聚合物薄膜的一端卷绕在所述放卷辊1上，通过所述卷绕系统及张力系统持续转运使所述聚合物薄膜的两面依次通过离子源处理模块及溅射处理模块，最后转运至收卷辊1上进行收卷。
沿所述聚合物薄膜的前进方向，在所述离子源处理模块之前的位置设有用于在所述聚合物薄膜上打孔的打孔装置，所述打孔装置的打孔区域位于所述聚合物薄膜两侧的边缘区域。
所述溅射处理模块中设有提供非均匀磁场的靶芯，所述靶芯在所述打孔区域的磁场强度大于非打孔区域的磁场强度，通过所述靶芯可溅射镀膜的金属包括Cu、Cr、Ti、Ni、Fe、Mo、Co中的一种或几种的合金。具体地说，所述靶芯的磁场强度在对应所述聚合物薄膜非打孔区域的位置处为3000～4000GS，所述磁场强度在对应打孔区域的位置处比对应非打孔区域的位置处大500～1000GS。
所述局部打孔形成打孔区域，所述打孔区域中孔的密度为10～200pcs/cm2，打孔区域的宽度为1～10cm，打孔区域在薄膜的两侧边缘区域，打孔区域距离薄膜的边缘还有预留区域，预留区域的宽度为1～20cm。
所述孔为圆形、近似圆形或者其他不规则形状的通孔，所述孔的面积为7×103～4×106μm2。所述打孔装置为机械钻孔装置或激光打孔装置。
所述控温辊包括第一控温辊及第二控温辊，沿所述聚合物薄膜的前进方向，所述离子源处理模块设置于所述第一控温辊之前的位置，所述溅射处理模块设置于正对所述第二控温辊的位置。
所述控温辊的两侧边缘区域设有位置与所述打孔装置打孔区域相配的凹槽，所述凹槽的深度为1～5mm，凹槽的宽度与打孔区域宽度一致。
所述控温辊内通有与外界交互并循环的冷媒或热媒，用于将控制所述控温辊的表面温度范围控制在-25～120℃。
所述电镀加厚模块包括依次相连的放卷辊2、酸洗槽、电镀加厚槽、第一水洗槽、钝化处理槽、第二水洗槽、烘箱及收卷辊2。
实施例1
将宽幅为1300mm，厚度为4.5μm的整卷PET薄膜固定于放卷辊1上，通过张力设置，实现整卷薄膜的收放卷张力平衡，张力值为25kg。预处理仓中设置有激光打孔模块，打的孔为孔径0.5mm的圆孔，孔的密度为50pcs/cm2，打孔区域靠近薄膜的两边，宽度为8cm，打孔区域与薄膜的边缘还有预留区域，预留区域的宽度为7cm，控温辊开槽深度为3mm。激光打孔模块之后是阳极层离子源预处理，所用气体为氧气，其流量为400sccm，薄膜两面统一。薄膜预处理之后转运至溅射镀膜仓，两面各镀铜30nm，控温辊温度为60℃，铜靶靶芯的磁场强度不均匀，非打孔区域对应的靶芯位置磁场强度为3400GS，打孔区域对应的靶芯位置磁场强度为4300GS。溅射完成后薄膜收卷于收卷辊1。
将溅射有金属层的复合薄膜转置于电镀加厚模块上，自放卷辊2开始，依次经过酸洗槽、电镀加厚槽、第一水洗槽、钝化处理槽、第二水洗槽、烘箱，最后收卷于收卷辊2。电镀工艺参数与CN 108677224B一致，电镀厚度为970nm。镀膜结束后测试复合集流体两面之间的导电性能。
实施例2
将宽幅为1300mm，厚度为4.5μm的整卷PET薄膜固定于放卷辊1上，通过张力设置，实现整卷薄膜的收放卷张力平衡，张力值为25kg。预处理仓中设置有激光打孔模块，打的孔为孔径1.0mm的圆孔，孔的密度为10pcs/cm2，打孔区域靠近薄膜的两边，宽度为8cm，打孔区域与薄膜的边缘还有预留区域，预留区域的宽度为7cm，控温辊开槽深度为3mm。激光打孔模块之后是阳极层离子源预处理，所用气体为氧气，其流量为400sccm，薄膜两面统一。薄膜预处理之后转运至溅射镀膜仓，两面各镀铜30nm，控温辊温度为60℃，铜靶靶芯的磁场强度不均匀，非打孔区域对应的靶芯位置磁场强度为3400GS，打孔区域对应的靶芯位置磁场强度为4300GS。溅射完成后薄膜收卷于收卷辊1。
将溅射有金属层的复合薄膜转置于电镀加厚模块上，自放卷辊2开始，依次经过酸洗槽、电镀加厚槽、第一水洗槽、钝化处理槽、第二水洗槽、烘箱，最后收卷于收卷辊2。电镀工艺参数与CN 108677224B一致，电镀厚度为970nm。镀膜结束后测试复合集流体两面之间的导电性能。
对照例1
将宽幅为1300mm，厚度为4.5μm的整卷PET薄膜固定于放卷辊1上，通过张力设置，实现整卷薄膜的收放卷张力平衡，张力值为25kg。预处理仓中设置有激光打孔模块，打的孔为孔径0.5mm的圆孔，孔的密度为50pcs/cm2，打孔区域靠近薄膜的两边，宽度为8cm，打孔区域与薄膜的边缘还有预留区域，预留区域的宽度为7cm，控温辊开槽深度为3mm。激光打孔模块之后是阳极层离子源预处理，所用气体为氧气，其流量为400sccm，薄膜两面统一。薄膜预处理之后转运至溅射镀膜仓，两面各镀铜30nm，控温辊温度为60℃，铜靶靶芯的磁场强度为3400GS，铜靶靶芯不区分打孔区域与非打孔区域，溅射完成后薄膜收卷于收卷辊1。
将溅射有金属层的复合薄膜转置于电镀加厚模块上，自放卷辊2开始，依次经过酸洗槽、电镀加厚槽、第一水洗槽、钝化处理槽、第二水洗槽、烘箱，最后收卷于收卷辊2。电镀工艺参数与CN 108677224B一致，电镀厚度为970nm。镀膜结束后测试复合集流体两面之间的导电性能。
对照例2
将宽幅为1300mm，厚度为4.5μm的整卷PET薄膜固定于放卷辊1上，通过张力设置，实现整卷薄膜的收放卷张力平衡，张力值为25kg。预处理仓中设置有激光打孔模块，打的孔为孔径1.0mm的圆孔，孔的密度为10pcs/cm2，打孔区域靠近薄膜的两边，宽度为8cm，打孔区域与薄膜的边缘还有预留区域，预留区域的宽度为7cm，控温辊开槽深度为3mm。激光打孔模块之后是阳极层离子源预处理，所用气体为氧气，其流量为400sccm，薄膜两面统一。薄膜预处理之后转运至溅射镀膜仓，两面各镀铜30nm，控温辊温度为60℃，铜靶靶芯的磁场强度不均匀，非打孔区域对应的靶芯位置磁场强度为3400GS，铜靶靶芯不区分打孔区域与非打孔区域。溅射完成后薄膜收卷于收卷辊1。
将溅射有金属层的复合薄膜转置于电镀加厚模块上，自放卷辊2开始，依次经过酸洗槽、电镀加厚槽、第一水洗槽、钝化处理槽、第二水洗槽、烘箱，最后收卷于收卷辊2。电镀工艺参数与CN 108677224B一致，电镀厚度为970nm。镀膜结束后测试复合集流体两面之间的导电性能。
导电性能测试方法：
将实施例和对照例中的样品沿横向取样，样品为长1300mm，宽200mm的长方形(打孔区和预留区域在长方形两端)。利用电化学工作站或具有同等功能的电学测试分析仪器测试样品导电性能：将电化学工作站的正负极各连接一片长为100mm的正方形铜板，然后将正方形铜板分别压合在长方形样品的两个面上，正方形铜板与长方形样品的对角线交点重合且四条边分别平行。实施I-V测试，电流范围设置范围为0～2A，步长0.05A，记录I-V曲线，计算电阻，电阻为I-V曲线的斜率。
表1导电性实验结果统计表
| No. | 打孔参数 | 磁场强度 | 两面导电性(电阻) |
| 实施例1 | 0.5mm×50 | 3400:4300 | 0.12Ω |
| 实施例2 | 1.0mm×10 | 3400:4300 | 0.93Ω |
| 对照例1 | 0.5mm×50 | 3400:3400 | 27.2Ω |
| 对照例2 | 1.0mm×10 | 3400:3400 | 109.3Ω |
从实施例和对照例中，可以清晰地看到，打孔密集有利于增大薄膜两面之间的电流传导，同时非均匀溅射能够使打孔区域溅射层比其他区域厚，导致打孔区域导电性相对较好，在后续的电镀加厚工段镀层更厚，从而能够实现较好的两面连接。
综上：本方法通过局部打孔和非均匀溅射的设计，增加了打孔区域的镀膜厚度，成功实现了复合集流体两个面之间的电流传导，从而可以批量生产带极耳复合集流体。本方法解决了复合集流体需要单独焊接极耳的问题，具有广泛的应用价值和重大的经济效益。
Claims (9)
1.一种带极耳复合集流体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：聚合物薄膜转运，
将聚合物薄膜的两端分别置于卷绕系统上，启动卷绕系统以持续转运所述聚合物薄膜；
S2：局部打孔，
对聚合物薄膜进行局部打孔；
S3：薄膜表面改性，
对进行过局部打孔的聚合物薄膜的两面进行离子源处理；
S4：非均匀溅射镀膜，
对离子源处理清洁及改性后的聚合物薄膜的两面进行非均匀溅射镀膜，通过非均匀溅射镀膜使打孔区域的电镀厚度比正常区域厚，从而在保证中间层厚度均匀的前提下极耳区孔径内壁完全金属化，通过所述卷绕系统收卷；
S5：电镀加厚，
对处理完成的聚合物薄膜电镀加厚，控制金属层厚度达到目标厚度后收卷，获得带极耳复合集流体
所述S4中，所述非均匀溅射具体为：采用一种可以提供非均匀磁场的靶芯，所述靶芯的磁场强度在对应所述聚合物薄膜非打孔区域的位置处为3000～4000GS，所述磁场强度在对应打孔区域的位置处比对应非打孔区域的位置处大500～1000GS。
2.根据权利要求1所述的一种带极耳复合集流体的制备方法，其特征在于，所述S1中，所述聚合物薄膜为聚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚萘二甲酸乙二酯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈中的一种或几种形成的薄膜，厚度范围为2～150μm。
3.根据权利要求1所述的一种带极耳复合集流体的制备方法，其特征在于，所述S2中，所述局部打孔形成打孔区域，所述打孔区域中孔的密度为10～200pcs/cm2，打孔区域的宽度为1～10cm，打孔区域在薄膜的两侧边缘区域，打孔区域距离薄膜的边缘还有预留区域，预留区域的宽度为1～20cm。
4.根据权利要求1所述的一种带极耳复合集流体的制备方法，其特征在于，所述S3中，所述离子源处理采用的设备包括霍尔离子源、阳极层离子源、考夫曼离子源、ICP离子源或者使用具有与离子源预处理类似效果的电弧预处理、电晕预处理和电浆轰击预处理；离子源处理所用的气体为氩气、氮气、氧气、一氧化二氮、二氧化碳或一氧化碳，气体流量控制范围为200～2000sccm。
5.根据权利要求1所述的一种带极耳复合集流体的制备方法，其特征在于，所述S4中，所述非均匀溅射镀膜中溅射的金属包括Cu、Cr、Ti、Ni、Fe、Mo、Co中的一种或几种的合金。
6.一种带极耳复合集流体的制备装置，包括设于真空仓室内的卷绕系统、张力系统、离子源处理模块和溅射处理模块，以及外置的电镀加厚模块，其特征在于，
所述卷绕系统包括通过两端轴承固定在所述真空仓室内的放卷辊(1)、若干过渡辊、若干控温辊及收卷辊(1)；所述张力系统包括若干张力辊；
聚合物薄膜的一端卷绕在所述放卷辊(1)上，通过所述卷绕系统及张力系统持续转运使所述聚合物薄膜的两面依次通过离子源处理模块及溅射处理模块，最后转运至收卷辊(1)上进行收卷；
沿所述聚合物薄膜的前进方向，在所述离子源处理模块之前的位置设有用于在所述聚合物薄膜上打孔的打孔装置，所述打孔装置的打孔区域位于所述聚合物薄膜两侧的边缘区域；
所述控温辊的两侧边缘区域设有位置与所述打孔装置打孔区域相配的凹槽；
所述溅射处理模块中设有提供非均匀磁场的靶芯，所述靶芯在所述打孔区域的磁场强度大于非打孔区域的磁场强度。
7.根据权利要求6所述的一种带极耳复合集流体的制备装置，其特征在于：所述孔的面积为7×103～4×106μm2；所述打孔装置为机械钻孔装置或激光打孔装置。
8.根据权利要求6所述的一种带极耳复合集流体的制备装置，其特征在于，所述控温辊包括第一控温辊及第二控温辊，沿所述聚合物薄膜的前进方向，所述离子源处理模块设置于所述第一控温辊之前的位置，所述溅射处理模块设置于正对所述第二控温辊的位置；所述凹槽的深度为1～5mm，凹槽的宽度与打孔区域宽度一致；所述控温辊内通有与外界交互并循环的冷媒或热媒，控温辊表面的温度为-25～120℃。
9.根据权利要求6所述的一种带极耳复合集流体的制备装置，其特征在于，所述电镀加厚模块包括依次相连的放卷辊(2)、酸洗槽、电镀加厚槽、第一水洗槽、钝化处理槽、第二水洗槽、烘箱及收卷辊(2)。
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