CN111430719A - 一种基于锂电池极片的集流体微结构制备***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于锂电池极片的集流体微结构制备***及方法，该制备***包括平台以及固定设于平台上用于输送集流体的输送装置，在输送装置的上方设有用于加工集流体微结构的激光加工装置和用于监测定位集流体的电荷耦合器件，激光加工装置包括设于输送装置上方的激光烧蚀头和用于发射激光光束的激光器；根据锂电池极片的电极材料的尺寸确定集流体上所需制备的微结构的尺寸，然后通过控制激光烧蚀头在集流体上加工出相应尺寸的集流体微结构，集流体微结构能够增大电极材料与集流体之间的结合面积，提高了电极材料与集流体之间的粘附力，从而能够增加电池寿命，并且降低了电池极片的制造成本。

Description

一种基于锂电池极片的集流体微结构制备***及方法
技术领域
本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种基于锂电池极片的集流体微结构制备***及方法。
背景技术
锂电池以其单位能量密度高、可适用范围广泛以及优异的大电流放电性能等优势成为二次电池中的佼佼者，近年来，随着新能源动力汽车的研制与发展，以替代基于化石燃料的陈旧能源结构为目的能源改革正在推进，以锂电池为核心的能源构架正获得广泛的认同与接受。
锂电池的集流体应具有重量轻、机械强度高、表面积大、在电解液中电化学稳定性好、与活性物质接触性好等特点，正极及负极材料需要涂覆在电池极片上，正极及负极材料一般为锂离子聚合物和石墨等，集流体一般为铝、铜等金属材料，其中，正极及负极材料与金属极片基材的附着力对电池性能有显著的影响，如附着力较差会导致极片脱层、接触电阻过大导致放电能力弱、电池电压平台低等缺点；目前商业化的集流体表面结构过于单一，活性物质直接涂覆在缺乏特殊表面结构的集流体上，两者只是简单的机械结合，存在结合强度不高，结合有效面积低等缺点，导致活性物质与集流体的接触电阻过大，并进一步造成电池可逆容量低、倍率性能差和容量稳定性差等问题，从而影响电池的综合性能。
为了提高活性物质与集流体的结合强度和电极导电性能，研究具有特殊表面功能结构的集流体及其关键制造技术，使集流体与活性物质颗粒之间形成相互紧密啮合的界面，从而减小活性物质与集流体之间的接触电阻、降低活性物质体积变化带来的容量衰减问题具有重要的意义。
发明内容
本发明目的在于为克服现有的技术缺陷，提供一种基于锂电池极片的集流体微结构制备***及方法，增大电极材料与集流体之间的结合面积，提高电极材料与集流体之间的粘附力，从而增加电池寿命。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于锂电池极片的集流体微结构制备***，包括平台以及固定设于所述平台上用于输送集流体的输送装置，所述输送装置的上方设有用于加工集流体微结构的激光加工装置和用于监测定位集流体的电荷耦合器件，所述激光加工装置包括设于所述输送装置上方的激光烧蚀头和用于发射激光光束的激光器。
进一步的，所述激光器的输出端设有光闸。
进一步的，所述光闸与所述激光烧蚀头之间设有用于扩大激光光束的扩束器。
进一步的，所述激光烧蚀头包括由上往下依次设置的扫描振镜和用于聚焦激光光束的场镜，通过所述扫描振镜接收所述扩束器传输来的激光光束。
进一步的，还包括工控机，所述输送装置、电荷耦合器件、激光器、光闸、扩束器、扫描振镜和场镜分别与所述工控机连接。
进一步的，所述输送装置包括分设于所述平台左右两端的主动轴和从动轴以及卷绕设于所述主动轴和从动轴上的传送带，还包括与所述主动轴传动连接的电机，所述电机与工控机连接。
进一步的，所述激光器为皮秒激光器或飞秒激光器。
进一步的，所述扫描振镜为X-Y方向的两轴扫描振镜。
还提供了一种基于锂电池极片的集流体微结构制备方法，包括以下步骤：
S1、根据锂电池极片的电极材料的尺寸确定集流体上所需制备的微结构的尺寸，并输入至工控机；
S2、将待加工集流体放置在输送装置上，并启动输送装置，通过电荷耦合元件对待加工集流体进行实时监测定位；
S3、通过工控机控制激光器发射激光光束，打开光闸，激光光束经过光闸、扩束器后到达扫描振镜；
S4、按照所确定的微结构的尺寸，通过工控机控制扫描振镜进而控制激光光束的运动轨迹后使激光光束到达场镜；
S5、通过场镜对激光光束聚焦后到达待加工集流体的表面，对待加工集流体进行扫描加工，形成集流体微结构。
进一步的，所述集流体为铜箔或锡箔。
本发明具有以下有益效果：
本发明首先根据锂电池极片的电极材料的尺寸确定集流体上所需制备的微结构的尺寸，并输入至工控机，然后按照所确定的微结构的尺寸，通过工控机控制扫描振镜进而控制激光光束的运动轨迹后，使激光光束到达场镜，通过场镜对激光光束聚焦后到达待加工集流体的表面，对待加工集流体进行扫描加工，形成集流体微结构，集流体微结构能够增大电极材料与集流体之间的结合面积，提高电极材料与集流体之间的粘附力，从而能够增加电池寿命，同时能够抑制电池极化、减小接触电阻过大、提高了电池的放电能力，并且降低了锂电池极片的制造成本。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1为实施例1中基于锂电池极片的集流体微结构制备***的示意图；
图2为实施例1中锂电池极片的制作流程示意图；
图3为实施例2中提供的基于锂电池极片的集流体微结构制备方法的流程图。
具体实施方式
为了更充分的理解本发明的技术内容，下面将结合附图以及具体实施例对本发明作进一步介绍和说明。
实施例1
如图1-2所示，本实施例所示的一种基于锂电池极片的集流体微结构制备***，包括设置在工作面上的平台1，在平台1上固定设有用于输送集流体2的输送装置3，在输送装置3的上方设有用于在集流体2上加工出集流体微结构的激光加工装置，在输送装置3的上方位于激光加工装置的一侧设有用于对集流体2进行检测定位的电荷耦合器件4，激光加工装置包括设于输送装置3上方的激光烧蚀头和用于发射出激光光束的激光器5；电荷耦合器件4能够对输送装置3上的集流体2进行检测定位，实现了激光光束的定位加工及实时监测功能。
具体的，在激光器5的输出端设有光闸6，光闸6能够对激光器5发射出的激光光束进行隔断，打开或者关闭光闸6能够控制激光光束能否进入激光烧蚀头，进而控制激光光束能否到达集流体2的上表面，进行集流体微结构的加工与否，图1中的箭头方向即为激光光束的传导路径。
具体的，在光闸6与激光烧蚀头之间设有扩束器7，激光器5发射出激光光束后经过光闸6后到达扩束器7，扩束器4能够扩大激光光束，从而缩小聚焦光斑，激光光束从激光器5中发出后经过扩束器7的扩束和准直后再横向传输至激光烧蚀头，激光光束从激光烧蚀头的侧面进入后被其约束继续向下纵向传输并聚焦在输送装置3上方的集流体2上。
具体的，激光烧蚀头包括由上往下依次设置的扫描振镜8和场镜9，扫描振镜8为X-Y方向的两轴扫描振镜，扫描振镜8能够控制激光光束的运动，通过扫描振镜8的侧面接收到经过扩束器7的扩束和准直后传输来的激光光束，而后依靠扫描振镜8内的两片反射镜的摆动实现激光束的移动扫描；场镜9的作用是聚焦激光光束，能够将激光光束聚焦成微米级的光斑并作用在集流体2的加工面上。
具体的，该制备***还包括用于对整个***的运行进行检测与控制的工控机10，输送装置3、电荷耦合器件4、激光器5、光闸6、扩束器7、扫描振镜8和场镜9分别与工控机10连接，工控机10能够对各个部件进行检测与控制，从而实现了整个***的自动化运行，增加了加工的便利性。
具体的，输送装置3包括分设于平台1左右两端的主动轴31和从动轴32，在主动轴31和从动轴32上卷绕设有用于传输集流体2的传送带33，与主动轴31传动连接设有电机(图中未示出)，电机设在平台上并与工控机10连接，通过工控机10控制电机驱动主动轴31转动，可带动传送带33在主动轴31和从动轴32之间转动，进而带动位于传送带33上的集流体2向前移动，从而实现由前往后的在集流体表面上加工出集流体微结构；并且输送装置3通过主动轴31和从动轴32控制传送带33的这种卷对卷的传送方式形成对集流体2的流水线加工，能够提高加工效率，降低制造成本。
具体的，激光器5为皮秒激光器或者飞秒激光器，皮秒激光器和飞秒激光器都能够发射出超快激光，采用超快激光在集流体2的表面加工集流体微结构21，加工精度能够达到纳米级别，并且可以根据需要加工出不同的形状和尺寸的集流体微结构21；皮秒激光器和飞秒激光器能以极快的速度将其全部能量(最大峰值功率可达1012W甚至1015W量级)注入到很小的作用区域，瞬间内产生的高能量密度(其峰值功率密度达到1022W/cm2以上)的沉积将使电子的吸收和运动方式发生变化，可以避免线性吸收、能量转移及扩散过程等的影响，从根本上改变了激光光束与物质相互作用的机制，采用皮秒激光器或飞秒激光器在金属表面加工微结构，可以实现超高精度、超高分辨率的加工，且具有无热效应、无残渣的优点。
本发明的其它实施例中，如图2所示，经过本实施例所示的基于锂电池极片的集流体微结构制备***的加工制备，在集流体2的上表面和/或下表面加工出集流体微结构21，然后将电极材料22分别涂覆在集流体2的上表面和下表面上，其中一面涂覆的是正极材料，另一面涂覆的是负极材料，最后通过干燥、压实和切片后形成锂电池极片；具体的，集流体微结构21的形状与尺寸与所匹配的电极材料22的形状尺寸相适应，电极材料22与集流体微结构21在形状与尺寸上的配合，使得电极材料22与集流体2的结合面积更大，增加附着力，从而能够增加电池寿命，同时能够抑制电池极化、减小接触电阻过大、提高电池的放电能力。
本发明的其它实施例中，集流体的材料为金属箔；具体的，集流体的材料为铜箔或者锡箔；铜箔和锡箔的导电性好、质地比较软同时也比较廉价，并且铜箔和锡箔的表面都能形成一层氧化物薄膜；电极材料为锂离子聚合物或石墨等颗粒制成的浆料。
在本发明的其它实施例中，当电极材料为粒径10微米、高度10微米的柱状颗粒锂离子聚合物，且电极材料在集流体上的涂覆厚度为100微米时，集流体微结构(即容纳电极材料的盲槽)的深度为10微米，直径为10微米，相邻集流体微结构间的距离为20微米。
实施例2
如图3所示，本实施例所示的一种基于锂电池极片的集流体微结构制备方法，采用如实施例1所述的制备***进行制作，具体包括以下步骤：
Ⅰ、先根据锂电池极片所使用的电极材料的具体尺寸参数，确定在集流体上所需制备的微结构的尺寸参数，并输入至工控机；
Ⅱ、然后将待加工集流体放置在输送装置上，并启动输送装置与电荷耦合元件，通过电荷耦合元件对待加工集流体进行实时监测定位；
Ⅲ、而后通过工控机控制激光器发射激光光束，打开光闸，激光光束经过光闸到达扩束器、经过扩束器扩大激光光束、缩小聚焦光斑后到达扫描振镜；激光器选用皮秒激光器或飞秒激光器；
Ⅳ、按照步骤Ⅰ中所确定的需要加工的微结构的尺寸参数，通过工控机控制扫描振镜进而控制激光光束的运动轨迹后使激光光束到达场镜；
Ⅴ、最后通过场镜对激光光束聚焦后使激光光束到达待加工集流体的表面，对待加工集流体进行加工，形成集流体微结构。
实施例3
本实施例所示的一种锂电池极片的制备方法，在实施例2所述制备方法的基础上，步骤V之后还包括以下步骤：
Ⅵ、先在制作了集流体微结构的集流体的上下两表面上涂一层导电涂层，可进一步提高后期电池的导电性能；
Ⅶ、而后在集流体上下表面分别涂覆正负电极材料，并通过干燥、压实和切片，形成锂电池极片。
以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于锂电池极片的集流体微结构制备***，其特征在于，包括平台以及固定设于所述平台上用于输送集流体的输送装置，所述输送装置的上方设有用于加工集流体微结构的激光加工装置和用于监测定位集流体的电荷耦合器件，所述激光加工装置包括设于所述输送装置上方的激光烧蚀头和用于发射激光光束的激光器。
2.根据权利要求1所述的基于锂电池极片的集流体微结构制备***，其特征在于，所述激光器的输出端设有光闸。
3.根据权利要求2所述的基于锂电池极片的集流体微结构制备***，其特征在于，所述光闸与所述激光烧蚀头之间设有用于扩大激光光束的扩束器。
4.根据权利要求3所述的基于锂电池极片的集流体微结构制备***，其特征在于，所述激光烧蚀头包括由上往下依次设置的扫描振镜和用于聚焦激光光束的场镜，通过所述扫描振镜接收所述扩束器传输来的激光光束。
5.根据权利要求4所述的基于锂电池极片的集流体微结构制备***，其特征在于，还包括工控机，所述输送装置、电荷耦合器件、激光器、光闸、扩束器、扫描振镜和场镜分别与所述工控机连接。
6.根据权利要求5所述的基于锂电池极片的集流体微结构制备***，其特征在于，所述输送装置包括分设于所述平台左右两端的主动轴和从动轴以及卷绕设于所述主动轴和从动轴上的传送带，还包括与所述主动轴传动连接的电机，所述电机与工控机连接。
7.根据权利要求6所述的基于锂电池极片的集流体微结构制备***，其特征在于，所述激光器为皮秒激光器或飞秒激光器。
8.根据权利要求7所述的基于锂电池极片的集流体微结构制备***，其特征在于，所述扫描振镜为X-Y方向的两轴扫描振镜。
9.一种基于锂电池极片的集流体微结构制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据锂电池极片的电极材料的尺寸确定集流体上所需制备的微结构的尺寸，并输入至工控机；
S2、将待加工集流体放置在输送装置上，并启动输送装置，通过电荷耦合元件对待加工集流体进行实时监测定位；
S3、通过工控机控制激光器发射激光光束，打开光闸，激光光束经过光闸、扩束器后到达扫描振镜；
S4、按照所确定的微结构的尺寸，通过工控机控制扫描振镜进而控制激光光束的运动轨迹后使激光光束到达场镜；
S5、通过场镜对激光光束聚焦后到达待加工集流体的表面，对待加工集流体进行扫描加工，形成集流体微结构。
10.根据权利要求9所述的基于锂电池极片的集流体微结构制备方法，其特征在于，所述集流体为铜箔或锡箔。
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