CN118231673A - 一种复合铜箔集流体制备方法、负极极片及锂离子电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合铜箔集流体制备方法、负极极片及锂离子电池，本发明包括如下步骤首先取长度为A，宽度为B，厚度为C的PET膜，然后沿着PET膜的厚度方向开设若干个均匀的小孔，使其均匀的分布在PET膜长度与宽度围成的区域内，完成对PET膜的打孔工作；然后在完成打孔工作后的PET膜两侧利用PVD真空溅射或蒸镀一定厚度的金属层，进而使金属层附着在PET膜表面；然后再将PET膜放置在以硫酸为主的水溶液中浸泡预定时间；本发明在沿厚度方向开设若干个均匀的小孔，中间以及两侧都镀上了金属导电层，如此，层层导通，从根源上解决了不导电和焊接不良的问题，从而解决了上下层不导电以及极耳焊接不良的难题。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合铜箔集流体制备，具体是一种复合铜箔集流体制备方法、负极极片及锂离子电池，涉及电池加工的技术领域。
背景技术
近年来，锂离子电池由于其能量密度相对较大，使用寿命较长，环境效益和经济效益高等优势，在便携式设备、电动汽车、智能电网以及储能系统等动力设备中得到了十分广泛的应用。然而，日益增长的市场需求对锂离子电池有着更高的期望，如何提高锂离子电池的安全性和能量密度已经成为当前最关键的问题之一。由于开发核心材料体系需要投入大量的时间来研究和验证。因此，可从设计新型集流体的角度着手，致力于提高锂离子电池的安全性和能量密度。
复合铜箔是一种锂电池负极材料的集流体，中间的支撑层为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜，两侧的导电层为均匀较薄的铜涂层，类似于三明治夹层结构。这种复合集流器不仅具有优异的延展性，还减少了金属铜的用量，降低了电池的重量，从而提高了电池的能量密度，同时安全性能也大大提高。但是由于复合铜箔的上下层之间不导电，以及极耳焊接经常会出现焊接不良或者焊接不上的情况，会严重影响电池性能。
因此，如何克服复合铜箔的上下层之间不导电，以及极耳焊接经常会出现焊接不良或者焊接不上的情况，是目前要解决的一个问题。
发明内容
发明目的：提供一种复合铜箔集流体制备方法、负极极片及锂离子电池，以解决现有技术存在的上述问题。
技术方案：一种复合铜箔集流体制备方法、负极极片及锂离子电池，包括：
S1：首先取长度为A，宽度为B，厚度为C的PET膜，然后沿着PET膜的厚度方向开设若干个均匀的小孔，使其均匀的分布在PET膜长度与宽度围成的区域内，完成对PET膜的打孔工作；
S2：然后在完成打孔工作后的PET膜两侧利用PVD（物理气相沉积）真空溅射或蒸镀一定厚度的金属层，进而使金属层附着在PET膜表面；
S3：然后再将PET膜放置在以硫酸为主的水溶液中浸泡预定时间；
S4：接着使用硫酸铜作为电镀液，使PET膜两侧电镀一定的厚度，使PET膜表面包裹有铜膜，形成铜箔；
S5：然后将铜箔放置在水洗池中水洗一定的时间；
S6：接着将铜箔送入钝化液中，钝化数秒以确保铜箔与钝化液充分接触，再转入设置一定温度的干燥箱中脱水固化处理一段时间；
S7：然后再将钝化后的铜箔放置在水洗池中水洗一定的时间；
S8：最后再将清洗后的铜箔送入一定温度的干燥箱中进行干燥，从而制成铜箔集流体。
在进一步的实施例中，步骤S1中所述PET膜的长度为600-800 m，PET膜的宽度为300-400 mm，PET膜的厚度为4-5μm；
步骤S1中，若干个均匀的小孔中每个孔的直径为10-20μm，孔的总面积占整个PET基膜总面积的30-40%。
在进一步的实施例中，步骤S2中，金属层厚度为40-60 nm。
在进一步的实施例中，步骤S3中，水溶液为40-50 g/L的硫酸溶液。
在进一步的实施例中，步骤S4中，两侧电镀厚度为1-1.2μm。
在进一步的实施例中，步骤S5和步骤S7中，水洗时间为10-20 s。
在进一步的实施例中，步骤S6中，钝化时长为20-40 s；
步骤S6中，所述干燥箱温度为100-110℃，脱水固化时长1-1.5 h。
在进一步的实施例中，所述铜箔集流体为中间PET膜，两侧铜箔的三明治夹层结构，PET膜在沿厚度方向开设有若干个均匀的小孔，两侧铜箔是用PVD溅射或蒸镀技术制作而成，两层金属导电层通过PET膜的小孔上下连接导通。
一种负极极片，包括，负极材料负载在新型复合铜箔集流体上。
一种锂离子电池，包括，正极极片、隔膜、电解液以及负极极片。
有益效果：本发明公开了一种复合铜箔集流体制备方法、负极极片及锂离子电池，由于PET为有机高分子绝缘材料，熔点较低，局部受热时部位迅速收缩坍塌，由于复合铜箔导电层较薄，短路时会直接熔断可以快速切断失效电路，因此提高了锂离子电池的安全性；然后与普通铜箔相比，所述PET膜的密度更小，使得复合铜箔质量更轻，如此，降低了电池的整体质量从而提高了电池的能量密度；进而提高了锂离子电池的能量密度；同时由于所述PET膜在沿厚度方向开设若干个均匀的小孔，中间以及两侧都镀上了金属导电层，如此，层层导通，从根源上解决了不导电和焊接不良的问题，从而解决了上下层不导电以及极耳焊接不良的难题。
附图说明
图1为新型复合铜箔中间层PET膜的多孔效果示意图。
图2为新型复合铜箔的燃烧前后对比图。
图3为普通铜箔软包电池与新型复合铜箔软包电池的针刺对比图。
图4为普通铜箔软包电池与新型复合铜箔软包电池的倍率性能图。
图5为普通铜箔软包电池与新型复合铜箔软包电池的首圈充放电曲线图。
具体实施方式
经过申请人的研究分析，出现这一问题（复合铜箔的上下层之间不导电，以及极耳焊接经常会出现焊接不良或者焊接不上的情况，会严重影响电池性能）的原因在于复合铜箔是一种锂电池负极材料的集流体，中间的支撑层为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜，两侧的导电层为均匀较薄的铜涂层，类似于三明治夹层结构。这种复合集流器不仅具有优异的延展性，还减少了金属铜的用量，降低了电池的重量，从而提高了电池的能量密度，同时安全性能也大大提高。但是由于复合铜箔的上下层之间不导电，以及极耳焊接经常会出现焊接不良或者焊接不上的情况，会严重影响电池性能，本发明在沿厚度方向开设若干个均匀的小孔，中间以及两侧都镀上了金属导电层，如此，层层导通，从根源上解决了不导电和焊接不良的问题，从而解决了上下层不导电以及极耳焊接不良的难题；同时由于PET为有机高分子绝缘材料，熔点较低，局部受热时部位迅速收缩坍塌，由于复合铜箔导电层较薄，短路时会直接熔断可以快速切断失效电路，因此提高了锂离子电池的安全性；然后与普通铜箔相比，所述PET膜的密度更小，使得复合铜箔质量更轻，如此，降低了电池的整体质量从而提高了电池的能量密度；进而提高了锂离子电池的能量密度。
本方法包括如下步骤S1：首先取长度为A，宽度为B，厚度为C的PET膜，然后沿着PET膜的厚度方向开设若干个均匀的小孔，使其均匀的分布在PET膜长度与宽度围成的区域内，完成对PET膜的打孔工作；
S2：然后在完成打孔工作后的PET膜两侧利用PVD真空溅射或蒸镀一定厚度的金属层，进而使金属层附着在PET膜表面；
S3：然后再将PET膜放置在以硫酸为主的水溶液中浸泡预定时间；
S4：接着使用硫酸铜作为电镀液，使PET膜两侧电镀一定的厚度，使PET膜表面包裹有铜膜，形成铜箔；
S5：然后将铜箔放置在水洗池中水洗一定的时间；
S6：接着将铜箔送入钝化液中，钝化数秒以确保铜箔与钝化液充分接触，再转入设置一定温度的干燥箱中脱水固化处理一段时间；
S7：然后再将钝化后的铜箔放置在水洗池中水洗一定的时间；
S8：最后再将清洗后的铜箔送入一定温度的干燥箱中进行干燥，从而制成铜箔集流体；
所述铜箔集流体为中间PET膜，两侧铜箔的三明治夹层结构，PET膜在沿厚度方向开设有若干个均匀的小孔，两侧铜箔是用PVD溅射或蒸镀技术制作而成，两层金属导电层通过PET膜的小孔上下连接导通。
在进一步的实施例中，步骤S1中所述PET膜的长度为600-800 m，PET膜的宽度为300-400 mm，PET膜的厚度为4-5μm；
步骤S1中，若干个均匀的小孔中每个孔的直径为10-20μm，孔的总面积占整个PET基膜总面积的30-40%。
在进一步的实施例中，步骤S2中，金属层厚度为40-60 nm。
在进一步的实施例中，步骤S3中，水溶液为40-50 g/L的硫酸溶液。
在进一步的实施例中，步骤S4中，两侧电镀厚度为1-1.2μm。
在进一步的实施例中，步骤S5和步骤S7中，水洗时间为10-20 s。
在进一步的实施例中，步骤S6中，钝化时长为20-40 s；
步骤S6中，所述干燥箱温度为100-110℃，脱水固化时长1-1.5 h。
一种负极极片，包括，负极材料负载在新型复合铜箔集流体上。
一种锂离子电池，包括，正极极片、隔膜、电解液以及负极极片。
在进一步的实施例中，图1中的铜箔集流体制备方法为（1）准备长度为800 m，宽度为340 mm，厚度为4.5 μm的PET膜，沿厚度方向开设若干个均匀的小孔,每个孔的直径为15μm，孔的总面积占整个PET基膜总面积的30%；
（2）将开设有若干个均匀小孔的PET基膜送入PVD镀膜腔真空溅射镀膜，溅射Cu靶，金属层厚度为50 nm；
（3）转入酸浸槽，在50 g/L的硫酸溶液中浸泡时间10 s；
（4）转入电镀池，以硫酸铜体系为电镀液，两面电镀厚度均控制在1μm；
（5）送入水洗池中水洗20 s；
（6）将铜箔送入钝化液中，钝化30 s以确保铜箔与钝化液充分接触，再转入105 ℃的干燥箱中脱水固化1 h；
（7）送入水洗池中水洗20 s；
（8）烘干：送入105 ℃的干燥箱中至干燥完全；从图1中可以看出，PET膜上分布着排布均匀的小孔，该孔可成为上下金属导电层之间的连接通道。
在进一步的实施例中，本实施例中以普通铜箔集流体为对照组，普通铜箔集流体和新型复合铜箔集流体分别制备5 Ah软包电池，考察了实施例1中新型复合铜箔集流体的安全性以及电化学性能；其中，普通铜箔从市场上购得。
在进一步的实施例中，从图2可以得出，由于新型复合铜箔中间的高分子有机材料层PET熔点较低，局部受热时部位迅速收缩坍塌，复合铜箔导电层较薄，短路时会直接熔断可以快速切断失效电路。
在进一步的实施例中，从图3a-b中可以看出，当钉子刺穿以普通铜箔为集电流体的电池时，电池内部迅速发生剧烈膨胀，立即爆炸并伴有起火现象，从图3c-d中可以看出，当钉子刺穿以新型复合铜箔为集电流体的电池时，没有发生热失控，无燃烧迹象。
在进一步的实施例中，从图4中可以看出，在常温倍率循环测试中，与普通铜箔软包电池相比，新型复合铜箔软包电池随着倍率的增长，电池的容量保持率更优异。
在进一步的实施例中，从图5中可以看出，新型复合铜箔软包电池的放电容量比普通铜箔软包电池更高。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种复合铜箔集流体制备方法，其特征是，包括如下步骤：
S1：首先取长度为A，宽度为B，厚度为C的PET膜，然后沿着PET膜的厚度方向开设若干个均匀的小孔，使其均匀的分布在PET膜长度与宽度围成的区域内，完成对PET膜的打孔工作；
S2：然后在完成打孔工作后的PET膜两侧利用PVD真空溅射或蒸镀一定厚度的金属层，进而使金属层附着在PET膜表面；
S3：然后再将PET膜放置在以硫酸为主的水溶液中浸泡预定时间；
S4：接着使用硫酸铜作为电镀液，使PET膜两侧电镀一定的厚度，使PET膜表面包裹有铜膜，形成铜箔；
S5：然后将铜箔放置在水洗池中水洗一定的时间；
S6：接着将铜箔送入钝化液中，钝化数秒以确保铜箔与钝化液充分接触，再转入设置一定温度的干燥箱中脱水固化处理一段时间；
S7：然后再将钝化后的铜箔放置在水洗池中水洗一定的时间；
S8：最后再将清洗后的铜箔送入一定温度的干燥箱中进行干燥，从而制成铜箔集流体。
2.根据权利要求1所述的一种复合铜箔集流体制备方法，其特征是：步骤S1中所述PET膜的长度为600-800 m，PET膜的宽度为300-400 mm，PET膜的厚度为4-5μm；
步骤S1中，若干个均匀的小孔中每个孔的直径为10-20μm，孔的总面积占整个PET基膜总面积的30-40%。
3.根据权利要求1所述的一种复合铜箔集流体制备方法，其特征是：步骤S2中，金属层厚度为40-60 nm。
4.根据权利要求1所述的一种复合铜箔集流体制备方法，其特征是：步骤S3中，水溶液为40-50 g/L的硫酸溶液。
5.根据权利要求1所述的一种复合铜箔集流体制备方法，其特征是：步骤S4中，两侧电镀厚度为1-1.2μm。
6.根据权利要求1所述的一种复合铜箔集流体制备方法，其特征是：步骤S5和步骤S7中，水洗时间为10-20 s。
7.根据权利要求1所述的一种复合铜箔集流体制备方法，其特征是：步骤S6中，钝化时长为20-40 s；
步骤S6中，所述干燥箱温度为100-110℃，脱水固化时长1-1.5 h。
8.根据权利要求5所述的一种复合铜箔集流体制备方法，其特征是：所述铜箔集流体为中间PET膜，两侧铜箔的三明治夹层结构，PET膜在沿厚度方向开设有若干个均匀的小孔，两侧铜箔是用PVD溅射或蒸镀技术制作而成，两层金属导电层通过PET膜的小孔上下连接导通。
9.一种负极极片，其特征在于，包括：负极材料负载在如权利要求1所述的新型复合铜箔集流体上。
10.一种锂离子电池，其特征在于，包括：正极极片、隔膜、电解液以及权利要求9所述的负极极片。
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