CN215496792U - 一种电池用铝箔及其制备装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种电池用铝箔及其制备装置。所述电池用铝箔包括自下而上依次连接的铝箔、Al4C3层和碳包覆层；所述Al4C3层的厚度为10～250nm；所述碳包覆层的厚度为0.1～5μm。该电池用铝箔，提高了碳涂层和铝箔的粘结强度和集流体的稳定性，提高了碳涂层的导电性和热导率，降低极片阻抗，同时由于制备过程中无传统烘干过程，制造成本节省30‑40％，且制造过程中不采用对环境有污染的NMP等溶剂材料，环境友好。
Description
技术领域
本实用新型属于电池用铝箔制备技术领域，具体涉及一种电池用铝箔及其制备装置。
背景技术
铝箔可用作锂离子二次电池的正极集流体，但存在如下问题：首先，铝箔与正极活性物质界面存在接触阻抗，导致充放电过程中，极化过大，发热较重；其次，铝箔与活性物质及导电剂之间粘结力薄弱，随着充放电的进行，活性物质体积不断碰撞与收缩，容易与铝箔剥离，加速电池容量和寿命的衰减；最后，电解液与铝箔发生反应，进一步加速了电池寿命的衰减。
为解决上述问题，近年来对铝箔进行了大量改性研究，比如化学刻蚀、电晕处理、表面涂碳等，其中表面涂碳的铝箔(简称涂碳铝箔)得到了广泛引用，原因是降低了正极集流体与活性物质的接触阻抗，减轻极化，在一定程度上提升了电池的充放电性能及倍率性能。
涂碳铝箔分水性和油性两种类型，就是将分散好的炭黑、碳纳米管等导电碳材料涂覆在铝箔上，由于这些导电碳材料在溶剂体系中的分散性较差，因此制备涂碳铝箔过程中，涂覆时很难使涂层均匀、细腻地涂覆在铝箔上，降低了涂层和铝箔的结合强度和集流体的稳定性，采用此类涂碳铝箔制成的锂离子二次电池循环过程中极易出现循环跳水现象。
实用新型内容
本实用新型提供一种电池用铝箔及其制备装置，其能够提高碳涂层和铝箔的粘结强度和集流体的稳定性，同时提高涂层的导电性和热导率，降低极片阻抗。
具体来说，本实用新型提供了如下技术方案：
一种电池用铝箔，包括自下而上依次连接的铝箔、Al4C3层和碳包覆层；
所述Al4C3层的厚度为10～250nm；
所述碳包覆层的厚度为0.1～5μm。
发明人在电池用铝箔制作工艺的研发过程中发现，铝箔表面电晕后，具有很强的吸附能力，可以吸附碳源高温裂解形成的碳，形成涂层均匀的碳包覆层；然后在特定功率的高能激光作用下，铝箔与碳包覆层最内层碳原子反应生成特定厚度的Al4C3化合物，这层化合物提高了碳包覆层与铝箔的粘结强度，同时，其余碳源子在该高能激光作用下，部分或全部石墨化，进一步提高了碳层的导电性与散热性能。
优选的，上述电池用铝箔中，所述铝箔的厚度为3～30μm。
优选的，上述电池用铝箔中，所述碳包覆层的厚度为0.5～2.5μm。
优选的，上述电池用铝箔中，所述碳包覆层为热解碳材料。
优选的，上述电池用铝箔中，所述热解碳的石墨化程度为30～100％，更优选为80～100％。
本实用新型还提供一种制备上述电池用铝箔的方法，包括以下步骤：
提供一铝箔；
对所述铝箔的至少部分表面进行高压电晕处理；
形成一碳包覆层于所述高压电晕处理后的铝箔表面；
提供一激光光源，照射于所述碳包覆层上使其穿越所述碳包覆层至所述碳包覆层与所述铝箔接触面上，以形成一Al4C3层。
优选的，上述制备方法中，所述铝箔的厚度为3～30μm；
和/或，所述碳包覆层的厚度为0.1～5μm，进一步优选为0.5～2.5μm；
和/或，所述Al4C3层的厚度为10～250nm。
优选的，上述制备方法中，所述高压电晕处理的功率为20～30KW，电压为10～15KV，频率为15～20KHZ，高压电晕处理后铝箔表面达因值为36～38dyn。
优选的，上述制备方法中，所述碳包覆层的材料为热解碳，所述热解碳是由碳源经热解得到的碳材料；
进一步优选的，所述碳源为石蜡，所述热解温度为800～1000℃；
更优选的，所述石蜡的牌号为52#、54#、56#或60#。
优选的，上述制备方法中，所述激光光源的功率为10～30KW，波长为375-1650nm。
优选的，上述制备方法中，所述激光光源照射后，碳包覆层的石墨化程度为30～100％，更优选为80～100％。
优选的，上述制备方法中，对所述激光光源照射后的铝箔进行热处理，优选的，所述热处理在100～150℃下进行1～10分钟。在该条件下进行热处理，可有效消除激光光源照射过程中产生的应力。
本实用新型还提供上述电池用铝箔或上述制备方法制备得到的电池用铝箔在锂离子电池正极集流体上的应用。
本实用新型还提供一种上述电池用铝箔的制备装置，包括依次布置的铝箔放卷机、电晕处理单元、碳包覆单元、碳固化单元和铝箔收卷机；
其中，所述电晕处理单元用于对所述铝箔的一侧表面进行高压电晕处理；
所述碳包覆单元用于形成一碳包覆层于所述高压电晕处理后的铝箔表面；
所述碳固化单元包括激光发生器，所述激光发生器用于提供一激光光源，照射于所述碳包覆层上使其穿越所述碳包覆层至所述碳包覆层与所述铝箔接触面上，以形成一Al4C3层。
优选的，上述制备装置中，所述激光发生器的功率为10～30KW，波长为375-1650nm。
优选的，上述制备装置中，所述碳包覆单元包括石蜡裂解设备，所述石蜡裂解设备用于提供形成所述碳包覆层的石蜡裂解碳。
优选的，上述制备装置中，所述碳固化单元还包括冷却设备，所述冷却设备用于紧贴铝箔上未经激光光源照射的一侧表面。
本实用新型所取得的有益效果：
本实用新型提供的电池用铝箔及其制备装置，提高了碳涂层和铝箔的粘结强度和集流体的稳定性，提高了碳涂层的导电性和热导率，降低极片阻抗，同时由于制备过程中无传统烘干过程，制造成本节省30-40％，且制造过程中不采用对环境有污染的NMP等溶剂材料，环境友好。
附图说明
图1为本实用新型的电池用铝箔的制备装置结构示意图，其中，1-放卷轴，2-转移轴，3-电晕处理单元，4-电晕设备，5-碳包覆单元，6-进气口、7-石蜡裂解设备，8-出气口，9-碳固化单元，10-冷却设备，11-激光发生器，12-热处理装置，13-收卷轴。
具体实施方式
以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行。
以下实施例中，所用仪器等未注明生产厂商者，均为可通过正规渠道商购买得到的常规产品。所述方法如无特别说明均为常规方法，所用原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。
实施例1
实施例1提供一种制备电池用铝箔的装置(部分参考图1)，包括依次布置的放卷轴1、转移轴2、电晕处理单元3、碳包覆单元5、碳固化单元9、热处理装置12、收卷轴13；
所述电晕处理单元3包括电晕设备4；
所述碳包覆单元5包括石蜡裂解设备7、进气口6和出气口8；
所述碳固化单元9包括激光发生器11和冷却设备10。
实施例2
采用实施例1所述装置制备电池用铝箔的方法，具体包括以下步骤：
(1)放卷：将12μm厚的铝箔经过放卷轴1进行放卷，然后由转移轴2转移至电晕处理单元3中，走带速度100m/s，；
(2)电晕处理：通过电晕设备4对铝箔下表面进行高压电晕处理，电晕设备4功率25KW，电压12KV，频率20KHZ，高压电晕处理后铝箔表面达因值达到38dyn；
(3)碳包覆：电晕处理后的铝箔转移至碳包覆单元5，经过石蜡裂解设备7，铝箔下表面吸附一层1μm厚的热解碳，形成碳包覆层；碳包覆单元5中，保护气的流速控制在2m3/min，由进气口6进入，出气口8排出；石蜡裂解设备7所用石蜡牌号为52#，裂解温度控制在920℃；
(4)碳固化:碳包覆后的铝箔转移至碳固化单元9，经过激光发生器11，功率为15KW、波长为375nm的激光光源照射于铝箔下表面使其穿越所述碳包覆层至碳包覆层与铝箔接触面上，以形成一60-90nm厚的Al4C3层，增加碳层与铝箔的结合力；激光光源照射过程中，铝箔上表面紧贴冷却设备10，冷却设备10中冷却水温度控制在0-7℃，防止激光光源照射过程中过热产生变形等破坏；激光光源照射后，碳包覆层中热解碳的石墨化程度为83％；
(5)热处理：碳固化后的铝箔转移至热处理装置12，120℃下热处理6min，消除上述加工过程中产生的应力；
(6)收卷：在收卷轴13收卷得到成品电池用铝箔。
本实施例制备的电池用铝箔，包括自下而上依次连接的铝箔、Al4C3层和碳包覆层；
其中，所述铝箔的厚度为12μm；所述Al4C3层的厚度为60-90nm；所述碳包覆层的厚度为1μm，所述碳包覆层为热解碳材料，所述热解碳的石墨化程度为83％。
实施例3
采用实施例1所述装置制备电池用铝箔的方法，具体包括以下步骤：
(1)放卷：将12μm厚的铝箔经过放卷轴1进行放卷，然后由转移轴2转移至电晕处理单元3中，走带速度90m/s，；
(2)电晕处理：通过电晕设备4对铝箔下表面进行高压电晕处理，电晕设备4功率25KW，电压12KV，频率20KHZ，高压电晕处理后铝箔表面达因值达到38dyn；
(3)碳包覆：电晕处理后的铝箔转移至碳包覆单元5，经过石蜡裂解设备7，铝箔下表面吸附一层1μm厚的热解碳，形成碳包覆层；碳包覆单元5中，保护气的流速控制在1.75m3/min，由进气口6进入，出气口8排出；石蜡裂解设备7所用石蜡牌号为52#，裂解温度控制在920℃；
(4)碳固化:碳包覆后的铝箔转移至碳固化单元9，经过激光发生器11，功率为20KW、波长为450nm的激光光源照射于铝箔下表面使其穿越所述碳包覆层至碳包覆层与铝箔接触面上，以形成一50-80nm厚的Al4C3层，增加碳层与铝箔的结合力；激光光源照射过程中，铝箔上表面紧贴冷却设备10，冷却设备10中冷却水温度控制在0-7℃，防止激光光源照射过程中过热产生变形等破坏；激光光源照射后，碳包覆层中热解碳的石墨化程度为95％；
(5)热处理：碳固化后的铝箔转移至热处理装置12，120℃下热处理6min，消除上述加工过程中产生的应力；
(6)收卷：在收卷轴13收卷得到成品电池用铝箔。
本实施例制备的电池用铝箔，包括自下而上依次连接的铝箔、Al4C3层和碳包覆层；
其中，所述铝箔的厚度为12μm；所述Al4C3层的厚度为50-80nm；所述碳包覆层的厚度为1μm，所述碳包覆层为热解碳材料，所述热解碳的石墨化程度为95％。
实施例4
采用实施例1所述装置制备电池用铝箔的方法，具体包括以下步骤：
(1)放卷：将12μm厚的铝箔经过放卷轴1进行放卷，然后由转移轴2转移至电晕处理单元3中，走带速度50m/s，；
(2)电晕处理：通过电晕设备4对铝箔下表面进行高压电晕处理，电晕设备4功率25KW，电压12KV，频率20KHZ，高压电晕处理后铝箔表面达因值达到38dyn；
(3)碳包覆：电晕处理后的铝箔转移至碳包覆单元5，经过石蜡裂解设备7，铝箔下表面吸附一层2μm厚的热解碳，形成碳包覆层；碳包覆单元5中，保护气的流速控制在2m3/min，由进气口6进入，出气口8排出；石蜡裂解设备7所用石蜡牌号为52#，裂解温度控制在920℃；
(4)碳固化:碳包覆后的铝箔转移至碳固化单元9，经过激光发生器11，功率为15KW、波长为532nm的激光光源照射于铝箔下表面使其穿越所述碳包覆层至碳包覆层与铝箔接触面上，以形成一40-60nm厚的Al4C3层，增加碳层与铝箔的结合力；激光光源照射过程中，铝箔上表面紧贴冷却设备10，冷却设备10中冷却水温度控制在0-7℃，防止激光光源照射过程中过热产生变形等破坏；激光光源照射后，碳包覆层中热解碳的石墨化程度为83％；
(5)热处理：碳固化后的铝箔转移至热处理装置12，120℃下热处理8min，消除上述加工过程中产生的应力；
(6)收卷：在收卷轴13收卷得到成品电池用铝箔。
本实施例制备的电池用铝箔，包括自下而上依次连接的铝箔、Al4C3层和碳包覆层；
其中，所述铝箔的厚度为12μm；所述Al4C3层的厚度为40-60nm；所述碳包覆层的厚度为2μm，所述碳包覆层为热解碳材料，所述热解碳的石墨化程度为83％。
试验例
将磷酸铁锂正极浆料分别涂覆在实施例2-4制备的电池用铝箔和市场上购买的普通涂碳铝箔(广州纳诺新材料技术有限公司12微米1060涂炭铝箔)上，95℃下烘干，辊压后得到正极极片，进一步分切、卷绕后得到容量为4Ah的26650圆柱锂离子二次电池。以质量分数计，正极极片的配比为：磷酸铁锂94％，Super P 3％，PVDF3％；压实密度为2.45g/cm3。
对上述制备的正极极片和26650圆柱锂离子二次电池进行性能检测，结果见下表1。
表1
| 极片粘结力(mN/mm) | 极片阻抗(Ω) | 电池内阻(mΩ) | |
| 实施例1 | 505 | 3.2 | 10.8 |
| 实施例2 | 553 | 2.7 | 10.2 |
| 实施例3 | 513 | 3.1 | 10.6 |
| 普通涂碳铝箔 | 439 | 3.9 | 12.1 |
其中，
极片粘结力测试方法：将辊压后的极片裁剪成200*20mm大小，在极片表面贴有同尺寸的高温胶纸，使用万能实验机以1mm/s速度进行剥离，剥离过程中的最小值即为极片粘结力。
极片阻抗测试方法：将辊压后的极片剪切成4cm*8cm的方形尺寸，把剪切好的极片置于BER2200测试仪探头之间，施加5MPa压力，读取数值。
电池内阻测试方法：使用RJ3563内阻测定仪在1000HZ条件下测试电池内阻。
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本实用新型作了详尽的描述，但在本实用新型基础上，可以对其作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本实用新型精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本实用新型要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种电池用铝箔，其特征在于，包括自下而上依次连接的铝箔、Al4C3层和碳包覆层；
所述Al4C3层的厚度为10～250nm；
所述碳包覆层的厚度为0.1～5μm。
2.根据权利要求1所述的电池用铝箔，其特征在于，所述铝箔的厚度为3～30μm。
3.根据权利要求1或2所述的电池用铝箔，其特征在于，所述碳包覆层的厚度为0.5～2.5μm。
4.根据权利要求1或2所述的电池用铝箔，其特征在于，所述碳包覆层为热解碳材料。
5.根据权利要求4所述的电池用铝箔，其特征在于，所述热解碳的石墨化程度为30～100％。
6.根据权利要求5所述的电池用铝箔，其特征在于，所述热解碳的石墨化程度为80～100％。
7.一种电池用铝箔的制备装置，其特征在于，包括依次布置的铝箔放卷机、电晕处理单元、碳包覆单元、碳固化单元和铝箔收卷机，其中，所述碳固化单元包括激光发生器。
8.根据权利要求7所述的制备装置，其特征在于，所述激光发生器的功率为10～30KW，波长为375-1650nm。
9.根据权利要求7或8所述的制备装置，其特征在于，所述碳包覆单元包括石蜡裂解设备。
10.根据权利要求8所述的制备装置，其特征在于，所述碳固化单元还包括冷却设备。
Priority Applications (1)
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| CN202121362803.3U CN215496792U (zh) | 2021-06-18 | 2021-06-18 | 一种电池用铝箔及其制备装置 |
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