CN115425235A - 载体铜箔、制备工艺、用途及动力电池负极片的制备工艺 - Google Patents

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CN115425235A CN202211069699.8A CN202211069699A CN115425235A CN 115425235 A CN115425235 A CN 115425235A CN 202211069699 A CN202211069699 A CN 202211069699A CN 115425235 A CN115425235 A CN 115425235A
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Abstract

本发明的目的在于揭示一种载体铜箔、制备工艺、用途及动力电池负极片的制备工艺，自下而上依次包括薄膜载体层、磁控溅射金属剥离层/真空蒸镀金属剥离层、磁控溅射种子层/真空蒸镀种子层、电镀铜层，所述薄膜载体层厚为10μm‑25μm，所述金属剥离层为0.1nm‑10nm，所述电镀铜层厚为1.5μm‑4μm，与现有技术相比，本实施例的有益效果是：载体铜箔的薄膜载体层厚为10μm‑25μm，该厚范围的薄膜载体层选材范围广，价格适中，可以作为现有薄膜与铜复合材料的替代方案，采用较大厚度的薄膜载体层，保障了在薄膜载体层表面进行连续化、规模化镀铜，克服了较薄厚度的薄膜容易出现褶皱、断裂的技术难题；另外，电镀铜层为1.5μm‑4μm，更薄的电镀铜层能够降低重量，提高动力电池的能量密度。

Description

载体铜箔、制备工艺、用途及动力电池负极片的制备工艺
技术领域
本发明涉及铜箔复合材料技术领域，尤其涉及一种载体铜箔、制备工艺、用途及动力电池负极片的制备工艺。
背景技术
锂离子电池等动力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，使用更薄的铜箔作为集流体材料也成为一个理论上可行的选择。
近年来，铜的价格随着行业发展逐步抬高，如何以最高效率使用铜也成为关键，现有技术工业化生产并直接应用的电解铜箔最薄4.5微米已达到极限。此外，传统的铜箔密度大，重量大，现有的工艺能力已接近极限，无法更进一步提升电池能量密度。如何将更薄的铜箔用作动力电池的集流体已经成为行业难题。
当前，人们尝试采用薄膜与铜层的复合材料代替铜箔作为电池的集流体，复合材料质轻，一定程度上能提高动力电池的能量密度。但因所采用的薄膜厚度较小(3μm-8μm)，在薄膜表面附着/电镀铜层时，薄膜容易起皱，也容易断裂，面临着连续化生产的难题，在规模化量产方面还存在很大的障碍。
鉴于此，有必要开发一种更薄的可规模化、连续化生产的铜箔并将该铜箔规模化应用于动力电池集流体，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载体铜箔、制备工艺、用途及动力电池负极片的制备工艺。
本发明的第一个发明目的，是提供一种载体铜箔。
本发明的第二个发明目的，是提供一种载体铜箔制备工艺。
本发明的第三个发明目的，是提供一种载体铜箔的用途。
本发明的第四个发明目的，是提供一种动力电池负极片的制备工艺。
为实现上述第一个发明目的，本发明提供了一种载体铜箔，自下而上依次包括薄膜载体层、磁控溅射金属剥离层/真空蒸镀金属剥离层、磁控溅射种子层/真空蒸镀种子层、电镀铜层，所述薄膜载体层厚为10μm-25μm，所述磁控溅射金属剥离层/真空蒸镀金属剥离层厚为0.1nm-10nm，所述磁控溅射种子层/真空蒸镀种子层厚为20nm～80nm，所述电镀铜层厚为1.5μm-4μm。
优选地，在所述电镀铜层的表面设置铬钝化层，所述铬钝化层厚为0.1nm-10nm。
优选地，所述薄膜载体层的表面粗糙度为0.05μm-0.1μm，所述薄膜载体层为聚丙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺中的一种。
为实现上述第二个发明目的，本发明提供了一种载体铜箔的制备工艺，包括以下步骤：
在薄膜载体层的表面通过磁控溅射方法/真空蒸镀方法设置金属剥离层，所述金属剥离层厚为0.1nm-10nm；
在所述金属剥离层表面通过磁控溅射方法/真空蒸镀方法设置种子层，所述种子层厚为20nm～80nm；
在所述种子层表面通过电镀工艺设置电镀铜层，所述电镀铜层厚为1.5μm-4μm。
优选地，还包括以下步骤：
在所述电镀铜层的表面电镀铬钝化层，所述铬钝化层厚为0.1nm-10nm。
优选地，所述薄膜载体层的表面粗糙度为0.05μm-0.1μm，所述薄膜载体层为聚丙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺中的一种。
为实现上述第三个发明目的，本发明的载体铜箔用于动力电池负极集流体。
为实现上述第三个发明目的，本发明的载体铜箔用于光伏电池负极集流体。
为实现上述第四个发明目的，本发明提供一种动力电池负极片的制备工艺，包括以下步骤：
在第一发明创造所述的载体铜箔的铜箔面涂覆负极材料；
剥离第一发明创造所述的载体铜箔的薄膜载体层，形成负极片。
优选地，所述薄膜载体层的表面粗糙度为0.05μm-0.1μm，所述薄膜载体层为聚丙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺中的一种。
与现有技术相比，本实施例的有益效果是：
(1)载体铜箔的薄膜载体层厚为10μm-25μm，该厚度范围的薄膜载体层选材范围广，价格适中，可以作为现有薄膜(3μm-8μm)与铜复合材料的替代方案，采用较大厚度的薄膜载体层，保障了在薄膜载体层表面进行连续化、规模化镀铜，克服了较薄厚度(3μm-8μm)的薄膜容易出现褶皱、断裂的技术难题；另外，电镀铜层厚为1.5μm-4μm，将如此薄的电镀铜层用于动力电池集流体，小于现有的电解铜箔的极限厚度4.5μm，更薄的电镀铜层能够降低重量，提高动力电池的能量密度。
(2)载体铜箔的制备工艺，首先在薄膜载体层通过磁控溅射方法或真空蒸镀方法设置金属剥离层和种子层，种子层为铜，使薄膜金属化，提高了薄膜载体层的导电性，再进行镀铜，能够提高镀铜效率，且磁控溅射方法或真空蒸镀方法设置的金属剥离层与铜层之间的结合力较弱，成为了易剥离层，使1.5μm-4μm得电镀铜层容易被剥离。
(3)将本发明的载体铜箔用于动力电池负极集流体或光伏电池负极集流体，因在作为集流体时，薄膜载体层将被玻璃，仅1.5μm-4μm的电镀铜层作为负极集流体，相比现有的电解铜箔的极限厚度4.5μm，1.5μm-4μm的电镀铜层能够降低重量，提高动力电池的能量密度。
(4)载体铜箔用于动力电池负极集流体时，首先，在载体铜箔的铜箔面涂覆负极材料，如石墨等；其次，剥离载体铜箔的薄膜载体层，留下1.5μm-4μm的电镀铜层作为负极集流体，形成负极片；相比现有的电解铜箔的极限厚度4.5μm，1.5μm-4μm的电镀铜层能够降低重量，提高动力电池的能量密度。
附图说明
图1为本发明载体铜箔剖视图。
图2为本发明载体铜箔剖视图。
其中，1、薄膜载体层；2、磁控溅射金属剥离层；3、电镀铜层；4、铬钝化层；5、真空蒸镀金属剥离层；6、磁控溅射种子层；7、真空蒸镀种子层。
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"、"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
参见图1，本实施例提供了一种载体铜箔，自下而上依次包括薄膜载体层1、磁控溅射金属剥离层2、磁控溅射种子层6和电镀铜层3，所述薄膜载体层1厚为10μm-25μm，所述磁控溅射金属剥离层2为0.1nm-10nm，所述磁控溅射种子层6厚为20nm～80nm，所述电镀铜层3厚为1.5μm-4μm。
具体地，载体铜箔的薄膜载体层厚为10μm-25μm，优选10μm、12μm、14μm、16μm、18μm、20μm、25μm，该厚度范围的薄膜载体层选材范围广，价格适中，可以作为现有薄膜(3μm-8μm)与铜复合材料的替代方案，采用较大厚度的薄膜载体层，保障了在薄膜载体层表面进行连续化、规模化镀铜，克服了较薄厚度的薄膜容易出现褶皱、断裂的技术难题；另外，电镀铜层为1.5μm-4μm，将如此薄的电镀铜层用于动力电池集流体，小于现有的电解铜箔的极限厚度4.5μm，更薄的电镀铜层能够降低重量，提高动力电池的能量密度，载体铜箔的各层厚度见表1。
表1载体铜箔的各层厚度
Figure BDA0003828492220000051
另外，在薄膜载体层1设置磁控溅射金属剥离层2和磁控溅射种子层6，金属剥离层的金属为镍、铬、钼、钒中的一种，磁控溅射种子层6为铜层，磁控溅射金属剥离层2和磁控溅射种子层6使薄膜金属化，提高了薄膜载体层的导电性，再进行镀铜，能够提高镀铜效率，且磁控溅射方法设置的金属剥离层与磁控溅射种子层之间的结合力较弱，金属剥离层成为了易剥离层，使1.5μm-4μm得电镀铜层容易被剥离；另外，磁控溅射金属剥离层2被剥离后，磁控溅射种子层6的剥离面会残留少量的金属剥离层，能够起到防止铜层的剥离面被氧化的作用，如当金属剥离层为镍剥离层时。
作为优选实施例，参见图2，在所述电镀铜层3的表面设置铬钝化层4，所述铬钝化层4厚为0.1nm-10nm。具体地，磁控溅射方法在薄膜载体层1表面形成的磁控溅射金属剥离层2附着力较大，不容易剥离，但磁控溅射种子层6和磁控溅射金属剥离层2之间的附着力较小，容易被剥离，因此磁控溅射金属剥离层2起到了助剥离作用；铬钝化层4的主要作用是防止电镀铜层3的表面被氧化。
在后续将载体铜箔用于负极集流体时，为了方便将薄膜载体层1表面的磁控溅射金属剥离层2更加光滑，以减少磁控溅射金属剥离层2与种子层之间的结合力，更加容易剥离，薄膜载体层1表面也需要光滑，从而有助于磁控溅射金属剥离层2和种子层更容易剥离，为此，所述薄膜载体层1的表面粗糙度为0.05μm-0.1μm，优选粗糙度为0.05μm、0.06μm、0.07μm、0.08μm、0.09μm、0.1μm；所述薄膜载体层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。薄膜载体层1能够满足耐腐蚀、具有一定抗拉强度、表面光滑就能满足薄膜载体层1的基本要求，因此，薄膜载体层1的材质实际上并不限于上述几种。
实施例二
与实施例1的不同之处在于，载体铜箔，自下而上依次包括薄膜载体层1、真空蒸镀金属剥离层5、真空蒸镀种子层7和电镀铜层3，真空蒸镀金属剥离层5是以真空镀膜的方法附着于薄膜载体层1的表面，真空蒸镀种子层7以真空镀膜的方法附着于真空蒸镀金属剥离层5的表面。
在薄膜载体层1设置真空蒸镀金属剥离层5和真空蒸镀种子层7，金属剥离层的金属为镍、铬、钼、钒中的一种，种子层为铜层，真空蒸镀金属剥离层2和种子层7使薄膜金属化，提高了薄膜载体层的导电性，再进行镀铜，能够提高镀铜效率，且真空蒸镀方法设置的金属剥离层与种子层之间的结合力较弱，成为了易剥离层，使1.5μm-4μm得电镀铜层容易被剥离；另外，真空蒸镀金属剥离层2被剥离后，种子层的剥离面会残留少量的金属剥离层，能够起到防止铜层的剥离面被氧化的作用，如当金属剥离层为镍剥离层时；载体铜箔的各层厚度见表2。
表2载体铜箔的各层厚度
Figure BDA0003828492220000071
本实施例所揭示的载体铜箔与实施例1中具有相同部分的技术方案，请参实施例1所述，在此不再赘述。
实施例三
本实施例提供了一种载体铜箔的制备工艺，包括以下步骤：
S1：在薄膜载体层的表面通过磁控溅射方法设置金属剥离层，所述金属剥离层厚为0.1nm-10nm。具体地，薄膜载体层为不导电材质，在薄膜载体层的光滑面通过磁控溅射方法设置金属剥离层，金属剥离层即为磁控溅射金属剥离层，金属剥离层厚为0.1nm-10nm，使薄膜载体层成为导体，为后续电镀提供基础；载体铜箔的薄膜载体层厚为10μm-25μm，该厚度范围的薄膜载体层选材范围广，价格适中，可以作为现有薄膜(3μm-8μm)与铜复合材料的替代方案，采用较大厚度的薄膜载体层，保障了在薄膜载体层表面进行连续化、规模化镀铜，克服了较薄厚度的薄膜容易出现褶皱、断裂的技术难题。
S2：在所述金属剥离层表面通过磁控溅射方法设置种子层，所述种子层厚为20nm～80nm。种子层的材质为铜，其主要目的是作为后续电镀铜层的生长层，有助于电镀铜层的电镀效率。
S3：在种子层表面通过电镀工艺设置电镀铜层，所述电镀铜层厚为1.5μm-4μm。具体地，电镀铜层厚度控制在1.5μm-4μm，将如此薄的电镀铜层用于动力电池集流体，小于现有的电解铜箔的极限厚度4.5μm，更薄的电镀铜层能够降低重量，提高动力电池的能量密度。
需要进一步说明的是，在薄膜载体层设置磁控溅射金属剥离层和磁控溅射种子层，金属剥离层的金属为镍、铬、钼、钒中的一种，磁控溅射种子层为铜层，磁控溅射金属剥离层和磁控溅射种子层使薄膜金属化，提高了薄膜载体层的导电性，再进行镀铜，能够提高镀铜效率，且磁控溅射方法设置的金属剥离层与磁控溅射种子层之间的结合力较弱，成为了易剥离层，使1.5μm-4μm得电镀铜层容易被剥离；另外，磁控溅射金属剥离层被剥离后，磁控溅射种子层的剥离面会残留少量的金属剥离层，能够起到防止铜层的剥离面被氧化的作用，如当金属剥离层为镍剥离层时。
作为优选实施例，载体铜箔的制备工艺，还包括以下步骤：
在所述电镀铜层的表面电镀铬钝化层，所述铬钝化层厚度为0.1nm-10nm。具体地，铬钝化层4的主要作用是防止电镀铜层的表面被氧化，之所以选择电镀铜层的外表面电镀铬钝化层，而在电镀铜层的内表面磁控溅射方法设置的金属剥离层(被剥离后的残留的金属剥离层也能起到一定的防氧化作用)，是因为电镀铜层的外表面暴露在空气中时间更长，而在电镀铜层的内表面在剥离后才暴露于空气，需要防氧化能力更强的电镀铬钝化层对电镀铜层的外表面进行防护。
在后续将载体铜箔用于负极集流体时，为了方便使薄膜载体层表面的金属剥离层更加光滑，薄膜载体层表面也需要光滑，从而有助于磁控溅射金属剥离层2和种子层更容易剥离，从而有助于金属剥离层2和种子层之间更容易剥离，为此，所述薄膜载体层1的表面粗糙度为0.05μm-0.1μm，优选粗糙度为0.05μm、0.06μm、0.07μm、0.08μm、0.09μm、0.1μm。
作为优选实施例，所述薄膜载体层为聚丙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺中的一种。薄膜载体层能够满足耐腐蚀、具有一定抗拉强度、表面光滑就能满足薄膜载体层的基本要求，因此，薄膜载体层的材质实际上并不限于上述几种。
还需要进一步说明的是，在剥离薄膜载体层后，1.5μm-4μm的铜层在强度和韧性方面需要适应后续工艺要求；为此，在电镀时，通过电镀液配方、电流密度、电压及电镀助剂来保障铜层的韧性指标，具体是要满足伸长率和抗张强度，由于铜层的强度不是本发明要解决的技术问题，对于电镀液配方、电镀参数不再阐述。
实施例四
与实施例三的不同之处在于，在步骤S1和S2中，在薄膜载体层的表面通过真空蒸镀方法设置金属剥离层和种子层。
薄膜载体层为不导电材质，在薄膜载体层的光滑面通过真空蒸镀方法设置金属剥离层，金属剥离层厚为0.1nm-10nm，使薄膜载体层成为导体，为后续电镀提供基础；载体铜箔的薄膜载体层厚为10μm-25μm，该厚度范围的薄膜载体层选材范围广，价格适中，可以作为较薄薄膜(3μm-8μm)与铜复合材料的替代方案，采用较大厚度的薄膜载体层，保障了在薄膜载体层表面进行连续化、规模化镀铜，克服了较薄厚度的薄膜容易出现褶皱、断裂的技术难题。
本实施例所揭示的载体铜箔的制备工艺与实施例三具有相同部分的技术方案，请参实施例三所述，在此不再赘述。
实施例五
实施例五揭示一种载体铜箔的用途，具体地，实施例一或实施例二的载体铜箔用于动力电池负极集流体。
具体地，动力电池以锂电池为例，目前的负极集流体以铜箔为主，在日益追求能量密度的情况下，更薄的铜箔是趋势。但鉴于目前的电解铜箔制备工艺限制，铜箔的极限厚度为4.5μm，难以再现有工艺的基础上再使铜箔变薄。实施例一或实施例二的载体铜箔在用于锂电池负极集流体时，首先将负极材料涂覆于电镀铜层表面，然后剥离载体薄膜层，留下1.5μm-4μm的电镀铜层，形成锂电池负极片，将如此薄的电镀铜层用于锂电池集流体，小于现有的电解铜箔的极限厚度4.5μm，更薄的电镀铜层能够降低重量，提高动力电池的能量密度。
实施例六
实施例六揭示一种载体铜箔的用途，具体地，实施例一或实施例二的载体铜箔用于光伏电池负极集流体。
具体地，实施例一或实施例二的载体铜箔在用于光伏电池负极集流体时，首先将负极材料设置于电镀铜层表面，然后剥离载体薄膜层，留下1.5μm-4μm的电镀铜层，形成光伏电池负极片。
实施例七
实施例七揭示一种动力电池负极片的制备工艺，包括以下步骤：
在实施例一或实施例二所述的载体铜箔的铜箔面涂覆负极材料；
剥离实施例一或实施例二所述的载体铜箔的薄膜载体层，形成负极片。
具体地，现有的锂电池铜箔负极集流体在制备时，是在一定厚度的铜箔表面涂覆负极材料，此工艺的缺陷在于，一是铜箔的厚度无法持续下降，目前纯电解铜箔的极限厚度为4.5μm，无法再继续减薄，影响了锂电池能量密度的提升；二是对铜箔的强度和韧性需要满足涂覆工艺材料的要求，也对铜箔的厚度提出了要求，也使铜箔的厚度无法持续下降。因此，本实施例是在载体铜箔表面涂覆负极材料，因载体铜箔的载体薄膜层厚度达到了10μm-25μm，载体铜箔的韧性和强度完全满足锂电池负极片的生产工艺要求，但最终的电池负极片成品，需要将载体薄膜层剥离，这样就留下了1.5μm-4μm的电镀铜层作为锂电池负极集流体，提高了锂电池的能量密度。
另外，传统铜箔表面比较光滑，和负极材料的粘合力存在不足的问题，而本实施例的载体铜箔的铜层是电镀形成的，如此薄的铜层，难免会存在表面不平整，甚至微孔出现，但不影响导电性，而表面的不平整性及微孔，会增加电镀铜层与负极材料的粘合力。
在后续将载体铜箔用于负极集流体时，为了方便使薄膜载体层表面的金属剥离层更加光滑，薄膜载体层表面也需要光滑，有助于金属剥离层和种子层更容易剥离，为此，所述薄膜载体层1的表面粗糙度为0.05μm-0.1μm，优选粗糙度为0.05μm、0.06μm、0.07μm、0.08μm、0.09μm、0.1μm；所述薄膜载体层为聚丙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺中的一种。薄膜载体层能够满足耐腐蚀、具有一定抗拉强度、表面光滑就能满足薄膜载体层的基本要求，因此，薄膜载体层的材质实际上并不限于上述几种。
本实施例所揭示的动力电池负极片的制备工艺与实施例一或实施例二具有相同部分的技术方案，请参实施例一或实施例二所述，在此不再赘述。

Claims (10)

1.载体铜箔，其特征在于，自下而上依次包括薄膜载体层、磁控溅射金属剥离层/真空蒸镀金属剥离层、磁控溅射种子层/真空蒸镀种子层、电镀铜层，所述薄膜载体层厚为10μm-25μm，所述磁控溅射金属剥离层/真空蒸镀金属剥离层厚为0.1nm-10nm，所述磁控溅射种子层/真空蒸镀种子层厚为20nm～80nm，所述电镀铜层厚为1.5μm-4μm。
2.如权利要求1所述的载体铜箔，其特征在于，在所述电镀铜层的表面设置铬钝化层，所述铬钝化层厚为0.1nm-10nm。
3.如权利要求1或2任一所述的载体铜箔，其特征在于，所述薄膜载体层的表面粗糙度为0.05μm-0.1μm，所述薄膜载体层为聚丙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺中的一种。
4.载体铜箔的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
在薄膜载体层的表面通过磁控溅射方法/真空蒸镀方法设置金属剥离层，所述金属剥离层厚为0.1nm-10nm；
在所述金属剥离层表面通过磁控溅射方法/真空蒸镀方法设置种子层，所述种子层厚为20nm～80nm；
在所述种子层表面通过电镀工艺设置电镀铜层，所述电镀铜层厚为1.5μm-4μm。
5.如权利要求4所述的载体铜箔的制备工艺，其特征在于，还包括以下步骤：
在所述电镀铜层的表面电镀铬钝化层，所述铬钝化层厚为0.1nm-10nm。
6.如权利要求4或5任一所述的载体铜箔的制备工艺，其特征在于，所述薄膜载体层的表面粗糙度为0.05μm-0.1μm，所述薄膜载体层为聚丙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺中的一种。
7.如权利要求1-3任一所述的载体铜箔用于动力电池负极集流体。
8.如权利要求1-3任一所述的载体铜箔用于光伏电池负极集流体。
9.动力电池负极片的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
在权利要求1-3任一所述的载体铜箔的铜箔面涂覆负极材料；
剥离权利要求1-3任一所述的载体铜箔的薄膜载体层，形成负极片。
10.如权利要求9所述的动力电池负极片的制备工艺，其特征在于，所述薄膜载体层的表面粗糙度为0.05μm-0.1μm，所述薄膜载体层为聚丙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺中的一种。
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CN117737653A (zh) * 2023-12-19 2024-03-22 深圳市知音科技有限公司 可剥铜载板及其制备方法以及其在先进封装中的应用

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