CN102903886A - 一种干法腐蚀去除电池极片毛刺的方法 - Google Patents
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Abstract
利用干法腐蚀去除电池极片毛刺的方法，利用电感线圈将反应气体离子化，使得离子化后的反应粒子在DC偏压下轰击电池极片毛刺表面，使电池极片工件边缘的毛刺在物理轰击效果下被消除，从而达到消除因工件加工带来的边缘毛刺。所使用的设备是电感耦合等离子体刻蚀仪（简称ICP）。本发明能完全去除电池极片上的毛刺，从而可以有效避免电池极片在卷绕过程中刺破隔膜而引起电池短路的现象发生。
Description
技术领域
本发明涉及一种电池极片的去毛刺的方法，尤其是指一种利用等离子体反应粒子刻蚀技术去除电池极片的剪切边缘毛刺。
背景技术
随着现代社会的不断快速发展，移动设备如笔记本电脑、智能手机、照相机等电子产品以及电动汽车等得到越来越广泛的应用，从而形成了对高能量密度的电池的大量需求。
如图1所示，在目前的技术中，电池制作过程中大多以隔膜2-极片1-隔膜2-极片1的顺序叠置的，其中极片1 在切割和冲裁时极易在剪切处产生毛刺3，毛刺3 易刺穿隔膜2，毛刺3在电池卷绕过程中将会刺穿隔膜2引起电池的短路，影响电池的性能，降低了电池的合格率。为解决这一问题，现有文献尝试过化学、机械等去毛刺的方法。
专利201020583670.8提供了一种极片去毛刺的装置【1】，主要采用上下挤压结构，极片从上下挤压结构之间的缝隙穿过，从而将极片的毛刺压平。专利201120316344.5公开了一种锂离子电池单体去毛刺机【2】，该去毛刺机主要由机架以及在该机架上的传送带和滚轴组成，通过滚轴挤压毛刺从而实现消除毛刺的效果。但是这种机械法都只是将毛刺压平，并没有消除，所以它对消除极片剪切处的毛刺效果很有限，效果不理想。
专利200910036707.7提出了一种锂离子电池阴极片的去毛刺方法【3】，该方法主要通过碱性物质与铝的化学反应除去阴极切割边缘的毛刺。但是这种化学方法有严重的钻蚀效应，易造成极片表面刻蚀的损失，且不能保证完全消除极片的细微毛刺，此外对于成卷的材料会产生毛细现象，会产生二次污染，造成电池品质的下降。
干法刻蚀是利用等离子体进行刻蚀的技术。等离子体刻蚀利用离子物理轰击溅蚀，离子轰击是指等离子体中被加速的高能离子对材料表面进行轰击从而溅蚀材料【4】【5】【6】。
【1】 专利号：201020583670.8 极片去毛刺装置 王胜玲 王维东
【2】 专利号：201120316344.5 锂离子电池子单体去毛刺机 黄河清
【3】 专利号：200910036707.7 锂离子电池阴极片的去毛刺方法 郭佳丽 陈伟峰 朱立彦 陈卫
【4】 M.A.Khan, J.N.Kuznia, D.T.Olson, W.J.Schaff, J.W.Burn, M.S.Shur, Appl. Phys. Lett. 65(1994) 1121-1123.
【5】M.A.Khan, Q.Chen, J.W.Yang, M.S.Shur, B.T.Dermott, J.A. Higgins, IEEE Electron Device Lett. 17(1996) 325-327.
【6】R.J. Shul, G.B. Mclellan, S.A. Casalnuovo, G.J.Rieger, S.J. Pearton, C. Constantine, R.F. Karlicek, Appl. Phys. Lett. 69(1996)1119-1121.
发明目的
本发明的目的在于，提出一种利用等离子体干法刻蚀去毛刺的方法，尤其是利用等离子体反应粒子对金属毛刺进行薄膜刻蚀的方法。利用电场对等离子体进行引导和加速，使其具备一定的物理切除能力，当其轰击极片工质的表面时，会将极片工质毛刺的原子击出，从而达到利用物理上的能力转移来实现去毛刺的目的。此外，在反应粒子的轰击下，金属边缘毛刺裸露在粒子的轰击下，增加了其与反应离子的化学反应效率。从而能得到去除毛刺的效果。
本发明的技术方案是：利用干法腐蚀去除电池极片毛刺的方法，利用电感线圈将反应气体离子化，使得离子化后的反应粒子在DC偏压下轰击电池极片毛刺表面，使电池极片工件边缘的毛刺在物理轰击效果下被消除，从而达到消除因工件加工带来的边缘毛刺。尤其是成卷结构的材料薄片在一定区域进行一定时间的去除。
作为本发明的实施方式方法，使用电感耦合等离子体刻蚀仪（简称ICP），将待去毛刺的极片置于ICP等离子体刻蚀的工作区，利用电感线圈将反应气体离子化，以增加反应气体粒子的化学活性，并且使反应粒子带电，反应气体离子化的产生区与等离子体刻蚀的工作区之间施加直流电压。带电粒子在上下偏压的影响下产生纵向的轰击速度。该发明采用反应离子轰击材料表面，使金属材料边缘的毛刺在物理轰击效果下被消除。同时，由于强化的离子气体会与金属材料发生化学反应，而边缘毛刺在反应粒子的轰击下化学活性相比具备氧化层保护膜的金属表面要活泼很多，所以首先被消除的将是切口边缘的毛刺，而金属固体材料则几乎不受影响。
本发明方法控制好各个参数和时间将会达到不同的效果。不同的材料将需要不同的参数和时间控制。待去毛刺的材料可以为：铝，铁，金等大部分金属，半导体材料如氮化镓，氮化铟及其多元合金，介质材料如氧化硅，氮化硅等。ICP可刻蚀0.1mm-3mm厚度的材料，不同材料去毛刺条件不同，条件范围如下：
腔体气压：5~15帕，ICP功率: 80~250瓦，DC偏压：5-750V，等离子频率：13-14MHz，氯气、三氯化硼流量比：8：1，轰击时间：1~10分钟。
本发明的有益效果是：本发明能完全去除电池极片上的毛刺，具有较高的效率，而完全避免机械方式在去除时的质量不高，也避免化学方法去除时带来的对材料的腐蚀或对材料性质的影响（氧化区域影响导电等等），从而可以有效避免电池极片在卷绕过程中刺破隔膜而引起电池短路的现象发生。
附图说明
图1 现有技术中极片与隔膜叠放顺序图。
图2a 表示了带电粒子轰击带毛刺极片的边棱。
图2b 表示了干法腐蚀后的极片。
图2c 表示了从侧面看的带毛刺的边棱。
图3 卷绕材料置于ICP仪器中待加工的工质截面图。
图4 待加工极片的显微镜扫描图。
图5 去毛刺后的显微镜扫描图。
具体实施方式
极片在经过冲压、剪断、磨制或机械加工等工序之后，将在其表面布满如图2a、图2c所示的毛刺，这些毛刺在实际材料应用中会直接影响产品的品质。所谓去毛刺就是利用各种方法清除极片已加工部分周围所形成的刺状物或飞边，即去除图2a、图2c所示的1部分。在该发明的方法中，将待去毛刺置于ICP仪器样品台上，启动ICP，根据不同材料，不同材料厚度设定ICP参数，设定合适的参数后，控制好腔体气压后，将反应气体离子化，反应离子流3在DC偏压下产生竖直方向的轰击，即轰击图2a、2a所示的毛刺1而不影响整体极片2，达到消除毛刺1的功效，从而得到较为光滑的极片边缘4（如图2b所示）。同时，由于强化的离子气体与金属表面会发生化学反应，而毛刺1作为裸露的金属表面化学活性相比具备氧化层保护膜的金属表面要活泼很多，所以首先被消除的将是切口边缘的毛刺，而金属固体材料即整体极片2则几乎不受影响。
图3 给出了一种置于ICP仪器中待加工的工质截面图。该极片是金属薄膜，通常金属薄膜会卷成筒状，将其竖直放置于ICP仪器工作台上，反应带电粒子在DC偏压的影响下产生竖直方向上的轰击，这样使金属材料的切口在物理轰击效果下消除毛刺。本发明给出了一种极片放置方式，实际上极片有若干种置于ICP工作台上的方式，只需满足毛刺的方向与反应粒子运动方向垂直。
图4、5所示为去毛刺前后铝箔的光学显微镜图像，此处选取0.1mm厚度的铝箔为例，将其卷成筒状（如图3所示），竖直放置于ICP仪器工作台，保证此时铝箔的毛刺延伸方向与反应气体轰击方向相垂直。设定以下参数：
腔体气压：10±0.5帕，ICP功率: 150±2瓦， DC偏压：70±5V，等离子频率：13MHz，氯气、三氯化硼流量比：8：1，轰击时间：3±0.5分钟。
设备型号：oxford instrument plasmalab system 100
以上参数均是对铝制极片的详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于铝制极片，对于不同质地的材料、不同厚度的材料，参数设定都不尽相同，控制好各个参数和轰击时间将会达到不同的效果。
本发明可去除成卷极片的毛刺或者其他形式的极片毛刺且操作方便，提高效率的同时保护了电池的质量。
Claims (6)
1.一种利用干法腐蚀去除电池极片毛刺的方法，其特征在于：利用电感线圈将反应气体离子化，使得离子化后的反应粒子在DC偏压下轰击电池极片毛刺表面，使电池极片工件边缘的毛刺在物理轰击效果下被消除，从而达到消除因工件加工带来的边缘毛刺。
2.根据权利要求1所述的电池极片的去毛刺方法，其特征在于：所使用的设备是电感耦合等离子体刻蚀仪（ICP）。
3.根据权利要求2所述的去除电池极片毛刺的方法，其特征在于：电池极片毛刺的卷绕材料置于ICP的平台上，该卷绕材料薄片在平台上进行一定时间的去除毛刺。
4.根据权利要求3所述的去除电池极片毛刺的方法，其特征在于：所述的卷绕材料为：铝、铁、铜、金金属或合金材料、氮化镓，氮化铟及其多元合金半导体材料，氧化硅，氮化硅介质材料。
5.根据权利要求1至4之一所述的去除电池极片毛刺的方法，其特征在于：所述ICP刻蚀0.1mm-3mm厚度的材料，不同材料去毛刺条件不同，条件范围如下：腔体气压：5~15帕，ICP功率: 80~250瓦，DC偏压：5-750V，等离子频率：13-14MHz，氯气、三氯化硼流量比：8：1，轰击时间：1~10分钟。
6.根据权利要求5所述的去除电池极片毛刺的方法，其特征在于：0.1mm厚度的铝箔，设定以下参数：腔体气压：10±0.5帕，ICP功率: 150±2瓦， DC偏压：70±5V，等离子频率：13MHz，氯气、三氯化硼流量比：8：1，轰击时间：3±0.5分钟。
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- 2013-04-02 US US13/855,625 patent/US9276254B2/en not_active Expired - Fee Related
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