CN114843525B - 一种多孔集流体及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多孔集流体及其制备方法,所述制备方法包括:提供金属基材;将所述金属基材输送至挤压辊进行挤压,所述挤压辊的表面设有刺针,所述刺针用于穿刺所述金属基材;对挤压后的金属基材进行清洗处理,以在所述金属基材上形成通孔;将刻蚀后的金属基材进行烘干处理。本发明的制备方法操作简单,通孔的尺寸可调且精度高,孔隙率可以调,成本低,良率高。
Description
技术领域
本申请涉及锂电池技术领域,尤其涉及一种多孔集流体及其制备方法。
背景技术
锂离子电池作为一种环境友好的锂二次电池,因其高比能量、高比功率、长循环寿命、高低温性能良好等特点,已经广泛应用于各种电子领域中如3C领域、EV领域等。
多孔集流体具有巨大的表面积,一方面能够承载更多的电极活性物质,从而增大电池的容量;另一方面可以为电极反应提供更大的反应界面来提升电池的功率。
现有多孔集流体的制备方法主要包括两种,一种的化学腐蚀的方法,另一种是机械冲孔的方法。其中,化学腐蚀的方法需要在酸性溶液中阳极电解进行,这种方法环境污染大,孔洞的尺寸难以控制,精度低。机械冲孔的方法形成的孔洞尺寸大,容易撕裂金属箔材,良率低,且通过容易有毛刺,影响集流体的性能。
发明内容
本申请所要解决的技术问题在于,提供一多孔集流体的制备方法,操作简单,孔洞的尺寸可调且精度高,成本低,良率高。
本申请还要解决的技术问题在于,提供一种多孔集流体,成本低,良率高。
为了解决上述技术问题,本申请提供了一种多孔集流体的制备方法,包括:
提供金属基材;
将所述金属基材输送至挤压辊进行挤压,所述挤压辊的表面设有刺针,所述刺针用于穿刺所述金属基材;
对挤压后的金属基材进行清洗处理,以在所述金属基材上形成通孔;
将刻蚀后的金属基材进行烘干处理。
作为上述方案的改进,所述挤压辊分为第一挤压辊和第二挤压辊,所述第一挤压辊和所述第二挤压辊平行设置,所述金属基材输送至所述第一挤压辊和所述第二挤压辊之间进行穿刺处理。
作为上述方案的改进,所述刺针的直径≤50μm。
作为上述方案的改进,所述刺针的长度为所述金属基材厚度的1~1.5倍。
作为上述方案的改进,对挤压后的金属基材进行清洗处理的方法包括:
将挤压后的金属基材输送至清洗槽,所述清洗槽内含有酸洗液、碱洗液、刻蚀液中的一种;
所述金属基材进过所述清洗槽的速度为40~70m/min。
作为上述方案的改进,所述酸洗液包括HF和H2SO4,所述HF和H2SO4的总质量为酸洗液总质量的4%~6%;
所述碱洗液包括Ca(OH)2和/或LiOH,所述Ca(OH)2和/或LiOH的总质量为碱洗液总质量的4%~6%;
所述刻蚀液包括3~5mol/L的HCl和0.5~0.8mol/L的Al2(SO4)3。
作为上述方案的改进,对挤压后的金属基材进行清洗处理的方法包括:
将挤压后的金属基材依次输送至酸洗槽、碱洗槽和刻蚀槽;
所述金属基材经过所述酸洗槽、碱洗槽和刻蚀槽的速度均为40~70m/min。
作为上述方案的改进,酸洗槽内的酸洗液包括HF和H2SO4,HF和H2SO4的总质量为酸洗液总质量的2%~4%;碱洗液包括Ca(OH)2和/或LiOH,Ca(OH)2和/或LiOH的总质量为碱洗液总质量的4%~6%;刻蚀槽内的刻蚀液包括1~3mol/L的HCl和0.2~0.5mol/L的Al2(SO4)3。
作为上述方案的改进,所述金属基材为铝箔或铜箔。
相应地,本申请还提供了一种多孔集流体,包括金属箔材,所述金属箔材由上述的制备方法制得,所述金属箔材设有多个通孔,所述金属箔材的孔隙率≤25%。
实施本申请,具有如下有益效果:
本申请的制备方法通过刺穿穿刺金属基材以及对金属基材进行清洗处理两个步骤的相互配合,生产成本低,生产效率高,还可以通过调节刺针的尺寸和清洗速度来调节通孔的尺寸,以形成不同尺寸的通孔,且通孔的精度高。本申请可以通过调节刺针的数量、间距等来精准控制集流体的孔隙率和通孔的位置。
此外,本申请在挤压辊的表面设置刺针,并通过刺针来刺穿金属基材,不需要增加额外的设备和工艺,只要将原本的张力辊换成本申请的挤压辊即可,操作简单,成本低且效率高。
其次,本申请对挤压后的进行基材进行清洗处理,不仅有效去除金属基材上的金属碎屑,形成有效的通孔,还可以去除金属基材上的油污、杂质等,提高金属基材的表面润湿张力,进而提高金属基材与导电材料或电极材料的附着力。
附图说明
图1是本申请挤压辊的结构示意图;
图2是本申请金属基材输送至第一挤压辊和第二挤压辊的结构示意图;
图3是本申请第一种多孔集流体的结构示意图;
图4是本申请第二种多孔集流体的结构示意图;
图5是本申请第三种多孔集流体的结构示意图;
图6是在本申请第二种多孔集流体上形成电极层的结构示意图;
图7是在本申请第三种多孔集流体上形成电极层的结构示意图;
图8是在本申请第一种多孔集流体上形成电极层的结构示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本申请作进一步地详细描述。
本申请提供的一种多孔集流体的制备方法,包括以下步骤:
S1、提供金属基材;
本申请的金属基材为铝箔或铜箔,但不限于此。在本申请中金属基材的厚度优选为10~20μm。在本申请的其他实施例中,金属基材的厚度还可以小于10μm或大于20μm。
S2、将金属基材输送至挤压辊进行挤压;
参见图1,本申请挤压辊1的表面设有刺针11,本申请的刺针11用于穿刺金属基材,以使金属基材形成穿孔或机械损伤。
由于金属基材的厚度很薄,成卷的金属基材采购回来后,需要进行裁剪、清洗、涂布涂层等工序,以制成不同功能的集流体。而成卷的金属基材在制成集流体的过程中,本申请就需要使用放卷机将成卷铝箔基材放出至张力辊,再经过张力辊依次输送至裁剪、清洗、涂布等工序中。
本申请在挤压辊1的表面设置刺针11,并通过刺针11来刺穿金属基材,不需要增加额外的设备和工艺,只要将原本的张力辊换成本申请的挤压辊1即可,操作简单,成本低,且效率高。
为了提高效率和便于控制集流体的孔隙率,参见图2,本申请的挤压辊分为第一挤压辊101和第二挤压辊102,即第一挤压辊101和第二挤压辊102均设有刺针11,其中,第一挤压辊101和第二挤压辊102平行设置,金属基材2输送至第一挤压辊101和第二挤压辊102之间进行穿刺处理。
需要说明的是,金属基材上形成的通孔直径主要由刺针的直径决定,若刺穿的直径大,则金属基材上形成的通孔直径大;若刺针的直径小,则金属基材上形成的通孔直径小。但是,若刺针的直径过大,则容易撕裂金属基材,且降低金属基材的拉伸强度。因此,根据申请人的研究发现,刺针的直径≤50μm可以获得优选的良率。优选地,刺针的直径≤20μm。
此外,刺针的长度对通孔的形成效果、生产效率、良品率等也起着重要的影响。若刺针的长度过短,则无法有效形成通孔;若刺针的长度过长,则挤压辊在转动的时候,容易划破金属基材不需要形成通孔的地方。因此,根据申请人的研究发现,刺针的长度优选为金属基材厚度的1~1.5倍。更优地,刺针的长度为金属基材厚度的1.05~1.3倍。
S3、对挤压后的金属基材进行清洗处理,以在所述金属基材上形成通孔;刺针穿刺金属基材后会形成一些金属碎屑,这些金属碎屑部分会附着在金属基材上,而部分的金属碎屑还连着通孔的边缘上。为了避免这些金属碎屑影响后续导电材料或电极材料的涂布和集流体的性能,以及保证通孔的形成效果,本申请需要对挤压后的金属基材进行清洗处理,以除去穿刺形成的金属碎屑。此外,比刺针损伤的位置还没有形成通孔,需要清洗来除去损伤位置的金属基材,以形成所需的通孔。
由于集流体的制作工艺一般都需要对金属基材进行清洗,因此本申请在清洗步骤前先对金属基材进行穿刺处理,然后再进行清洗处理,不需要额外增加设备,也不需要增加额外的步骤,有效降低了通孔集流体的生产成本,以及提高生产效率。
本申请对挤压后的金属基材进行清洗处理的方法有多种,其中,第一种清洗处理方法简单、成本低,效率高。具体的,本申请第一种对挤压后的金属基材进行清洗处理的方法包括:将挤压后的金属基材输送至清洗槽,清洗槽内含有酸洗液、碱洗液、刻蚀液中的一种。
其中,酸洗液包括HF和H2SO4,HF和H2SO4的总质量为酸洗液总质量的4%~6%。碱洗液包括Ca(OH)2和/或LiOH,其中,碱洗液可以只有Ca(OH)2,也可以只有LiOH,也可以同时有LiOH和Ca(OH)2;Ca(OH)2和/或LiOH的总质量为碱洗液总质量的4%~6%,其中,若碱洗液包括Ca(OH)2,则Ca(OH)2的质量为碱洗液总质量的4%~6%;若碱洗液包括LiOH,则LiOH的质量为碱洗液总质量的4%~6%;若碱洗液包括Ca(OH)2和LiOH,则Ca(OH)2和LiOH的总质量为碱洗液总质量的4%~6%。刻蚀液包括3~5mol/L的HCl和0.5~0.8mol/L的Al2(SO4)3。
优选地,金属基材经过清洗槽的速度为40~70m/min。
这种清洗方式速度快,可以快速去除金属基材上的金属碎屑、杂质以及一些油污等,且试剂用量少。
本申请第二种对挤压后的金属基材进行清洗处理的方法包括:将挤压后的金属基材依次输送至酸洗槽、碱洗槽和刻蚀槽。其中,酸洗槽内的酸洗液包括HF和H2SO4,HF和H2SO4的总质量为酸洗液总质量的2%~4%。碱洗槽内的碱洗液包括Ca(OH)2和/或LiOH,Ca(OH)2和/或LiOH的总质量为碱洗液总质量的4%~6%。刻蚀槽内的刻蚀液包括1~3mol/L的HCl和0.2~0.5mol/L的Al2(SO4)3。优选地,金属基材经过酸洗槽、碱洗槽和刻蚀槽的速度均为40~70m/min。
与一般清洗方法不同的是,本申请先进行酸洗后进行碱洗,其中,酸洗主要用于去除金属基材上的极性物质,碱洗主要用于去除金属基材上的油类物质,根据发明人的大量实验和研究发现,若将酸洗和碱洗的顺序掉换,虽然只是简单的顺序掉换,但对清洗效果的影响非常大,不仅影响金属基材的表面润湿张力,还影响金属基材的拉伸强度等。本申请先进行酸洗后进行碱洗,可以有效提高金属基材的清洁度和表面润湿张力,还不影响金属基材的拉伸强度。
本申请酸洗槽内的酸洗液、碱洗槽内的碱洗液、以及刻蚀槽内的刻蚀液均是由特定的组分组成。与第一种清洗方法相比,第二种清洗方法不仅有效去除金属基材上的金属碎屑,形成有效的通孔,还可以去除金属基材上的油污、杂质等,提高金属基材的表面润湿张力,进而提高金属基材与导电材料或电极材料的附着力。
S4、将刻蚀后的金属基材进行烘干处理,得到多孔集流体。
优选地,金属基材的烘干温度为130~160℃。更优地,金属基材的烘干温度为140~150℃。
本申请还提供了一种多孔集流体,包括金属箔材,该金属箔材由上述的制备方法制得。参见图3,本申请的金属箔材3设有多个通孔31。根据申请人的研究发现,金属箔材3的通孔31的直径≤20μm,且金属箔材的孔隙率≤25%,不仅可以提高金属箔材3与导电材料或电极材料的接触面积和附着力,还不影响金属箔材3的拉伸强度。若金属箔材的通孔直径>20μm或孔隙率>25%,则金属箔材3的拉伸强度下降明显,难以满足客户的需求。
本申请的多孔集流体可以通过通孔来控制电解液的组分通过,以减少枝晶的生长和影响枝晶的生长方向,让枝晶生长在孔隧里面,从而降低枝晶对锂电池的影响。
需要说明的是,本申请可以通过调节刺针的数量、间距等来精准控制集流体的孔隙率和通孔的位置。此外,本申请还可以通过调节通孔的位置,以形成具有加强筋结构的金属箔材。
参见图4和图5,在本申请的其他实施例中,多孔集流体包括金属箔材3和导电涂层4,该金属箔材3由上述的制备方法制得,导电涂层4涂布在金属箔材3的一侧或两侧上。本申请的金属箔材设有多个通孔,通孔的直径≤20μm,孔隙率≤25%。参见图6和图7,电极材料可以直接涂布在金属箔材3的一侧或两侧上以形成电极层5。参见图8,电极材料也可以涂布在导电涂层4上以形成电极层5。
下面将以具体实施例来进一步阐述本发明
实施例1
一种多孔集流体的制备方法,包括以下步骤:
S1、提供厚度为15μm的铜箔基材;
S2、将铜箔基材输送至挤压辊进行挤压,该挤压辊分为第一挤压辊和第二挤压辊,其中,第一挤压辊和第二挤压辊平行设置,金属基材输送至第一挤压辊和第二挤压辊之间进行穿刺处理,挤压辊的表面设有直径为15μm、长度为16μm的刺针;
S3、将挤压后的铜箔基材以50m/min的速度输送至1m长的清洗槽,清洗槽内含有刻蚀液,刻蚀液包括4mol/L的HCl和0.6mol/L的Al2(SO4)3;
S4、将刻蚀后的铜箔基材进行烘干处理,烘干温度为150℃,得到多孔铜箔集流体。
实施例2
一种多孔集流体的制备方法,包括以下步骤:
S1、提供厚度为20μm的铝箔基材;
S2、将铝箔基材输送至挤压辊进行挤压,该挤压辊分为第一挤压辊和第二挤压辊,其中,第一挤压辊和第二挤压辊平行设置,金属基材输送至第一挤压辊和第二挤压辊之间进行穿刺处理,挤压辊的表面设有直径为20μm、长度为22μm的刺针;
S3、将挤压后的铝箔基材以60m/min的速度依次输送至均为1m长的酸洗槽、碱洗槽和刻蚀槽,酸洗槽内的酸洗液包括HF和H2SO4,HF和H2SO4的总质量为酸洗液总质量的3%,碱洗槽内的碱洗液包括Ca(OH)2和LiOH,Ca(OH)2和LiOH的总质量为碱洗液总质量的3%,刻蚀槽内的刻蚀液包括2mol/L的HCl和0.3mol/L的Al2(SO4)3;
S4、将刻蚀后的铝箔基材进行烘干处理,烘干温度为150℃,得到多孔铝箔集流体。
对实施例1和实施例2制得的多孔铜箔集流体和多孔铝箔集流体进行检测,其中,实施例1的多孔铜箔集流体的孔隙率为25%,拉伸强度下降率为0,实施例2的多孔铝箔集流体的孔隙率为25%,拉伸强度下降率为为0。
以上所揭露的仅为本申请一种较佳实施例而已,当然不能以此来限定本申请之权利范围,因此依本申请权利要求所作的等同变化,仍属本申请所涵盖的范围。
Claims (11)
1.一种多孔集流体的制备方法,其特征在于,包括:
提供金属基材;
将所述金属基材输送至第一挤压辊和第二挤压辊进行挤压,所述第一挤压辊和第二挤压辊的表面均设有刺针,所述刺针用于穿刺所述金属基材,所述刺针的直径≤50μm;
将挤压后的金属基材依次输送至酸洗槽、碱洗槽和刻蚀槽进行清洗处理,以在所述金属基材上形成通孔;刻蚀液包括3~5mol/L的HCl和0.5~0.8mol/L的Al2(SO4)3;所述金属基材经过所述酸洗槽、碱洗槽和刻蚀槽的速度均为40~70m/min;
将刻蚀后的金属基材进行烘干处理,以获得通孔直径≤20μm、孔隙率≤25%的金属箔材。
2.如权利要求1所述的多孔集流体的制备方法,其特征在于,所述第一挤压辊和所述第二挤压辊平行设置。
3.如权利要求1所述的多孔集流体的制备方法,其特征在于,所述刺针的直径≤20μm。
4.如权利要求1或3所述的多孔集流体的制备方法,其特征在于,所述刺针的长度为所述金属基材厚度的1~1.5倍。
5.如权利要求4所述的多孔集流体的制备方法,其特征在于,所述刺针的长度为所述金属基材厚度的1.05~1.3倍。
6.如权利要求1所述的多孔集流体的制备方法,其特征在于,酸洗液包括HF和H2SO4,HF和H2SO4的总质量为酸洗液总质量的2%~4%。
7.如权利要求1所述的多孔集流体的制备方法,其特征在于,碱洗液包括Ca(OH)2,Ca(OH)2的总质量为碱洗液总质量的4%~6%。
8.如权利要求1所述的多孔集流体的制备方法,其特征在于,碱洗液包括LiOH,LiOH总质量为碱洗液总质量的4%~6%。
9.如权利要求1所述的多孔集流体的制备方法,其特征在于,碱洗液包括Ca(OH)2和LiOH,碱洗液中Ca(OH)2和LiOH总质量为碱洗液总质量的4%~6%。
10.如权利要求1所述的多孔集流体的制备方法,其特征在于,所述金属基材为铝箔或铜箔。
11.一种多孔集流体,其特征在于,包括金属箔材,所述金属箔材由权利要求1~10任一项所述的制备方法制得。
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