CN121546292A - 一种碳基集流体与金属极耳的连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及异质构件连接技术领域，尤其涉及一种碳基集流体与金属极耳的连接方法。其技术方案包括以下步骤：提供碳基集流体，并预留电镀区域；在所述电镀区域电镀金属镀层；将金属极耳焊接在所述电镀区域上。本发明通过电镀与焊接相结合的工艺，实现了碳基集流体与金属极耳之间牢固的机械连接和稳定的电连接，有效提高了界面结合强度并显著改善了电子传导效率；该方法具有广泛的材料兼容性，能适应不同材质的极耳与多种碳基集流体，同时避免了使用环境有害物质，符合绿色制造要求，且其工艺简单可行。

Description

一种碳基集流体与金属极耳的连接方法

技术领域

本发明涉及异质构件连接技术领域，尤其涉及一种碳基集流体与金属极耳的连接方法。

背景技术

水系电池凭借其高安全性、低成本和环境友好性等优势，在大规模储能领域展现出广阔的应用前景。然而，与采用有机电解质的电池体系相比，水系电池的工作电压窗口较窄，电化学稳定性面临挑战，这对电极与集流体之间的界面相容性提出了更为苛刻的要求。

目前，锂离子电池采用铝、铜金属集流体。然而，这些金属材料在水系电解液中长期工作时，容易发生电化学腐蚀、析氢或氧化等副反应。这些问题会导致集流体性能衰减、界面接触电阻增大，进而引起电池循环寿命缩短和整体电化学性能下降。而铅酸电池中的铅制集流体虽然抗腐蚀性能强，但是存在环境污染的风险。

为解决上述问题，碳基材料（如碳布、碳纸、碳毡等）被视为理想的替代集流体。它们具有优异的化学惰性，能够耐受酸碱性电解液的腐蚀，有效抑制副反应的发生。同时，碳材料具有良好的导电性、较低的密度以及可调控的多孔结构。这种多孔结构不仅有利于电解质的浸润和离子传输，还能改善电极/集流体界面的反应动力学。

但是，碳基集流体固有的多孔性和粗糙表面，使其难以像致密的金属箔那样实现高气密性的封装，存在电解液渗漏或水分挥发的风险。因此，通常需要外接金属极耳以完成电池的最终封装。然而，碳基集流体与金属极耳在物理性质（如热膨胀系数、硬度、熔点）和化学性质上存在显著差异，导致两者界面不相容，难以通过传统的焊接方法（如熔焊）实现牢固、低电阻的连接。

现有技术中，碳基集流体与金属极耳通常仅依靠外部机械压力进行压接。这种连接方式虽然能够传导电流，但其机械强度低，在电池长期运行或受到振动时容易松动，导致接触电阻增大，甚至失效。更重要的是，界面存在的高欧姆电阻会降低电池的充放电效率和功率密度。

为了改善连接性能，现有技术提出了一些解决方案。例如，专利文献CN106602077B公开了一种采用低熔点铅质极耳的方法，通过将熔融的铅在气压下压入导电碳毡的孔隙中，形成嵌合结构。另一篇专利文献CN106695193B则通过电阻点焊使片状铅质极耳局部熔化，熔融铅渗入碳毡缝隙后冷却固化实现连接。这些方法在一定程度上改善了连接强度与导电性。

然而，上述现有技术均依赖于低熔点的铅作为连接介质。这带来了两个显著缺陷：首先，铅是有毒重金属，其使用和废弃可能引发环境污染问题，与绿色储能的发展理念相悖；其次，铅质极耳并非适用于所有类型的水系电池，例如，在水系锌离子电池等体系中可能不兼容。因此，本申请提出一种碳基集流体与金属极耳的连接方法。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术中存在现有技术均依赖于低熔点的铅作为连接介质引发环境污染的问题，提出一种碳基集流体与金属极耳的连接方法。

本发明的技术方案：一种碳基集流体与金属极耳的连接方法，包括以下步骤：

S1、提供碳基集流体，并预留电镀区域；

S2、在所述电镀区域电镀金属镀层；

S3、将金属极耳焊接在所述电镀区域上。

可选的，所述碳基集流体选自碳布、碳毡或碳纸。

可选的，所述电镀的金属镀层材质为任意金属，比如铜、镍、锡中的任一种或多种。

可选的，所述焊接为点焊、激光焊或锡焊。

可选的，所述电镀步骤中，金属镀层的沉积量为50 mAh至1000 mAh。

可选的，所述金属极耳材质为任意金属，比如不锈钢、镍、钛、铜、锡。

可选的，所述电镀步骤使用电镀液，所述电镀液包括硫酸铜溶液、氯化镍或氯化镍溶液。

可选的，所述电镀区域通过电镀沉积金属后，进行洗净和烘干处理，再进行焊接。

与现有技术相比，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

本发明的方法实现了碳基集流体与金属极耳之间的牢固连接，显著提高了连接的机械强度和可靠性。

通过在碳基表面形成金属镀层，有效改善了界面接触特性，降低了接触电阻，提升了电子传导效率。

本发明具有广泛的适用性，能够兼容不同材质的金属极耳与多种类型的碳基集流体之间的连接。避免了使用对环境有害的金属材料，更加符合绿色制造的要求。该连接工艺简单可行，与现有电池制造工艺具有良好的兼容性。

综上所述，本发明通过电镀与焊接相结合的工艺，实现了碳基集流体与金属极耳之间牢固的机械连接和稳定的电连接，有效提高了界面结合强度并显著改善了电子传导效率；该方法具有广泛的材料兼容性，能适应不同材质的极耳与多种碳基集流体，同时避免了使用环境有害物质，符合绿色制造要求，且其工艺简单可行。

附图说明

图1为一种碳基集流体与金属极耳的连接方法的流程图；

图2a为实施例1中碳布沉积铜示意图，图2b为实施例1中沉积铜碳布与不锈钢极耳焊接图；

图3a为实施例3中碳毡沉积镍示意图，图3b为实施例3中沉积镍碳毡与金属镍极耳焊接图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1：如图1，本实施例提供一种碳基集流体与金属极耳的连接方法，具体为碳布集流体与不锈钢极耳的连接。

准备碳基集流体：将商用碳布裁剪成尺寸为1 cm×2.5 cm的长方形片材，并明确预留出1 cm×1 cm的区域作为电镀连接区。

配置电镀液：配制100 mL的酸性硫酸铜电镀液，其中五水硫酸铜（CuSO₄·5H₂O）的浓度为200 g/L，硫酸（H₂SO₄）的浓度为50 g/L。

电镀金属层：以预处理后的碳布作为阴极，纯铜板作为阳极，在室温下进行电镀沉积。采用恒电流模式，控制沉积电量为100 mAh。此时，金属铜被均匀地沉积到碳布的电镀区域内，填充其纤维孔隙，形成一层致密且结合牢固的铜镀层。

后处理：电镀完成后，取出沉积有铜的碳布，用去离子水充分冲洗以去除残留的电镀液，随后在60°C的真空烘箱中干燥2小时。

焊接极耳：如图2a所示，将一片材质为304不锈钢、尺寸适宜的金属极耳准确地覆盖在碳布的铜镀层区域。使用商用点焊机，调整合适的焊接参数（如电流、压力和时间），对极耳与铜镀层进行点焊连接，如图2b所示。

性能测试：采用四探针法测量连接后极片的界面电阻。测试结果表明，与仅依靠外部机械压力连接的同等极片相比，采用本发明方法制备的样品其界面电阻下降了超过30%，显著改善了电子传导效率。

实施例2：碳布集流体与镍极耳的连接及强度测试

准备碳基集流体：同样将碳布裁剪成1 cm×2.5 cm的长方形，预留1 cm×1 cm的电镀区。

配制电镀液：配制100 mL的瓦茨型镍电镀液，其主要成分为：六水合氯化镍（NiCl₂·6H₂O）150 g/L，硼酸（H₃BO₃）40 g/L。

电镀金属层：以碳布为阴极，镍板为阳极，在沉积电量为100 mAh的条件下进行电镀，在碳布表面形成镍镀层。

后处理：电镀完成后，取出样品用去离子水洗净并于60°C下烘干。

焊接极耳：将一片镍金属极耳贴附于碳布的镍镀层上，采用点焊工艺进行牢固连接。

机械强度测试：采用万能拉力试验机对连接点进行剥离强度测试。测试结果显示，该连接点可承受至少10 N的垂直拉力而未发生脱落或破坏，证明了本发明方法所能实现的优异机械连接强度。

实施例3：碳毡集流体与镍极耳的连接

准备碳基集流体：取一块厚度为5 mm的碳毡材料，裁剪成1 cm×2.5 cm的长方体块材，并预留出1 cm×1 cm的电镀区域。由于碳毡厚度较大、孔隙更多，需要沉积更多的金属以确保形成有效的连接通道。

配置电镀液：采用与实施例2相同的氯化镍体系电镀液100 mL。

电镀金属层：将碳毡置于电镀液中，增大沉积电量至750 mAh，使镍金属能够充分渗透并填充碳毡内部的三维网络结构，在其内部及表面形成坚固的金属复合体。

后处理：取出样品，洗净并烘干。

焊接极耳：选用锡焊工艺，如图3a所示，将镍金属极耳焊接在已沉积镍的碳毡区域。焊锡能够与预先沉积的镍镀层良好润湿和结合，从而实现可靠连接，如图3b所示。

性能测试：电阻测试表明，本实施例中碳毡与镍极耳连接后的极片电阻，相比传统压接方式下降了超过33%，有效解决了厚碳基体与金属极耳之间的高阻连接难题。

以下是传统挤压连接与实施例1-3连接方式的性能数据对比汇总，如下表：

表1：不同金属极耳与碳基集流体连接性能对比

连接方式	样品	电阻（Ω）	拉力测试（N）
				传统挤压连接 (压强~20 kPa)	碳布-不锈钢极耳	2.2	<2.5
实施例1	碳布-不锈钢极耳	1.5	>10
				传统挤压连接 (压强~20 kPa)	碳布-镍金属极耳	1.6	<2.5
实施例2	碳布-镍金属极耳	1.0	>10
				传统挤压连接(压强~20 kPa)	碳毡-镍金属极耳	3.4	<2.5
实施例3	碳毡-镍金属极耳	2.2	>10

根据表1所示的性能对比数据，本发明所提出的电镀与焊接相结合的连接方法在电气性能与机械强度两方面均显著优于传统的挤压连接方式。在相同材料组合下，采用本发明方法的实施例样品其连接电阻均明显低于传统挤压连接样品，表明该方法有效降低了界面接触电阻，改善了电子传导效率。同时，拉力测试结果一致表明，经本发明方法连接的样品其机械承载能力远高于传统挤压连接方式，证明该方法能够实现更为牢固可靠的机械连接。这些性能优势在不同类型的碳基集流体与不同材质的金属极耳组合中均得到验证，体现了本发明连接方法的有效性与普适性。

综上所述，本发明通过先在碳基集流体上电镀金属层作为过渡界面，再与金属极耳焊接的二级连接策略，成功地克服了碳材料与金属之间因物理化学性质差异大而难以直接焊接的障碍。该方法工艺简单、适用性广，不仅能显著降低界面接触电阻，提高电子传导效率，还能赋予连接点优异的机械强度，从而全面提升使用碳基集流体的水系电池的综合性能。

值得说明的是，本发明提供的连接方法能够实现碳基集流体与金属极耳之间牢固的机械连接和稳定的电连接，显著提高了连接的可靠性。该方法通过电镀在碳基集流体表面形成金属镀层，有效降低了界面接触电阻，提升了电子传导效率，使得极片电阻相比传统压接方式下降超过30%。该方法适用性广，可实现不锈钢、镍、铜等多种材质金属极耳与碳布、碳毡等不同碳基集流体的可靠连接。该工艺避免了使用铅等对环境有害的金属，解决了现有技术中铅污染问题，同时适用于水系锌离子电池等对材料兼容性要求较高的电池体系。该连接方法工艺简单，与现有电池制造工艺兼容性好。

上述具体实施例仅仅是本发明的几种可选的实施例，基于本发明的技术方案和上述实施例的相关启示，本领域技术人员可以对上述具体实施例做出多种替代性的改进和组合。

Claims (8)

1.一种碳基集流体与金属极耳的连接方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、提供碳基集流体，并预留电镀区域；

S2、在所述电镀区域电镀金属镀层；

S3、将金属极耳焊接在所述电镀区域上。

2.根据权利要求1所述的一种碳基集流体与金属极耳的连接方法，其特征在于，所述碳基集流体选自碳布、碳毡或碳纸。

3.根据权利要求1所述的一种碳基集流体与金属极耳的连接方法，其特征在于，所述电镀的金属镀层材质为铜、镍、锡中的任一种或多种。

4.根据权利要求1所述的一种碳基集流体与金属极耳的连接方法，其特征在于，所述焊接为点焊、激光焊或锡焊。

5.根据权利要求1所述的一种碳基集流体与金属极耳的连接方法，其特征在于，所述电镀步骤中，金属镀层的沉积量为50 mAh至1000 mAh。

6.根据权利要求1所述的一种碳基集流体与金属极耳的连接方法，其特征在于，所述金属极耳材质为不锈钢、镍、钛、铜、锡中的任一种。

7.根据权利要求1所述的一种碳基集流体与金属极耳的连接方法，其特征在于，所述电镀步骤使用电镀液，所述电镀液包括硫酸铜溶液、氯化镍或氯化锡溶液。

8.根据权利要求1所述的一种碳基集流体与金属极耳的连接方法，其特征在于，所述电镀区域通过电镀沉积金属后，进行洗净和烘干处理，再进行焊接。