一种锂电池负极集流体镶碳装置及其镶碳工艺的制作方法

本发明涉及一种锂电池制作设备，具体涉及一种锂电池负极集流体镶碳装置及其镶碳工艺。

背景技术：

锂离子电池由于具有工作电压高、重量轻、比能量大、循环寿命长、无记忆效应、无环境污染等突出优点，是未来电动汽车用轻型高能动力电池的首选能源。锂离子蓄电池是电动汽车的重要部件，其市场与电动汽车具有同样的前景。随着环境污染和石油资源的日益匮乏，发展低碳环保、可持续利用的能源作为交通工具已迫在眉睫；锂离子动力电池作为电动汽车的关键零部件之一，其市场前景广泛，发展潜力巨大。因此提高锂离子蓄电池的循环寿命，降低电池制作的生产成本，提高电池的安全性和减少电池生产和使用过程中的环境污染是电池从业人员必须解决的课题，本发明通过在负极集流体表面镶碳研究，提高石墨负极与集流体之间的结合力，解决了电池在充放电过程中极化内阻增大现象，进而提高电池充放电效率，提高电池的循环寿命。

锂离子电池的负极集流体采用铜箔，铜箔在锂离子电池内既充当负极材料的载体，又充当负极电子收集与传输载体，在锂离子电池发展初期，选择压延铜箔来制作电池负极集流体。由于锂离子电池用压延铜箔价格高，且涂有活性物质的负极电极在干燥、辊压、切片等制造工序中的操作性较差，易产生皱纹、甚至断裂、活性物质脱落、生产效率较低等缺陷。近年来随着铜箔制作装备水平的提升和制造技术的进步，电解铜箔的物理、化学、机械和冶金等性能得到大幅提高，再加上生产控制连续、生产效率较高、价格相对便宜及铜箔的纯度能够得到保证等优势，采用高性能电解铜箔代替压延铜箔已在锂离子电池实际生产中得以广泛应用。目前，国内外大部分锂离子电池厂家都采用电解铜箔作为锂离子电池的负极集流体；铜箔在锂离子电池中既充当负极活性物质的载体，又充当负极电子流的收集与传输体。因此，电解铜箔的抗拉强度、延伸性、致密性、表面粗糙度、厚度均匀性及外观质量等对锂离子电池负极制作工艺和锂离子电池的电化学性能有着很大的影响。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决技术所存在的问题，提供一种锂电池负极集流体镶碳装置及其镶碳工艺。

本发明是通过以下技术方案予以实现的：

一种锂电池负极集流体镶碳装置，包括铜箔、碳棒、真空吸盘、抽真空装置、移动架、脉冲电源，所述真空吸盘与抽真空装置相连，所述真空吸盘均匀分布有吸孔，所述铜箔吸附在真空吸盘上，所述真空吸盘一端设有移动架，所述移动架上安装有碳棒，所述碳棒与真空吸盘分别与脉冲电源的两极相接。

进一步的，所述真空吸盘采用导电材料制作，所述真空吸盘的厚度不小于5mm，所述真空吸盘上均布有直径不大于0.5mm的吸孔。

进一步的，所述碳棒为直径4mm-8mm的实心或空心碳纤维棒。

进一步的，所述碳棒倾斜安装在移动架上，所述移动架带动碳棒匀速地在铜箔表面上方移动，其移动速度为0.05m-0.08m/min。

进一步的，所述铜箔的厚度为10μm至30μm，所述铜箔表面平滑、无油渍污渍。

进一步的，所述脉冲电源的电压控制在140V-180V，所述脉冲电源的电流＜0.5A。

进一步的，所述移动架包括滑动板、支架、燕尾滑块、悬臂、竖向滑块，所述滑动板安装在真空吸盘边缘，所述滑动板上设有燕尾滑动槽，所述支架底部设有燕尾滑块，所述燕尾滑块安装在燕尾滑动槽中并可沿燕尾滑动槽来回滑动，所述支架上设有可沿支架上下滑动的竖向滑块，所述竖向滑块上设有悬臂，所述悬臂上安装有碳棒。

进一步的，所述移动架上还设有纵向气缸、竖直气缸，所述纵向气缸安装在燕尾滑动槽的端部，所述纵向气缸的推杆与支架相连，所述竖直气缸安装在支架上，所述竖直气缸的推杆与竖向滑块相连。

一种锂电池负极集流体镶碳装置的镶碳工艺，其特征在于，它包括以下步骤：

S1. 用酒精将铜箔擦拭干净并晾干，且保持平整，将铜箔平铺在真空吸盘上，启动抽真空装置，使铜箔吸附在真空吸盘上；

S2. 将碳棒倾斜安装在进给装置上；

S3. 将脉冲电源的两极分别与碳棒、真空吸盘相连接；

S4. 开启脉冲电源，并将脉冲电源的电压范围控制在140V-180V，电流＜0.5A；

S5. 移动架带动碳棒匀速地在铜箔表面移动，其移动速度为0.05m-0.08m/min，碳棒与铜箔的极间电压击穿间隙而产生火花放电，铜箔表面因熔化、气化形成大量微小的凹坑，进给装置不断运动，将碳棒的轮廓形状“复印”到铜箔凹坑内，在铜箔表面形成结合力良好的镶碳层。

进一步的，所述步骤S2中碳棒倾斜安装时，控制碳棒的中心轴线与竖直方向的夹角为0-45°。

本发明是一种自制的镶碳设备，利用工作电极和铜箔电极间瞬时火花放电所产生的高温熔蚀铜箔表面来实现加工的，主要由脉冲电源、移动架、真空吸盘等部分组成，将铜箔吸附在真空吸盘上，脉冲电源提供加工所需的能量，其两极分别接在碳棒与真空吸盘上，当碳棒与铜箔在进给机构的驱动下靠近时，极间电压击穿间隙而产生火花放电，铜箔表面因熔化甚至气化而被蚀除下来，形成一个微小的凹坑；多次放电的结果，使工件表面产生大量凹坑。碳棒在进给机构的驱动下不断下降，其轮廓形状便被“复印”到铜箔凹坑内，在铜箔表面形成结合力良好的镶碳层。

本发明通过在负极集流体表面镶碳，提高了石墨负极与集流体之间的结合力，解决了电池在充放电过程中极化内阻增大现象，进而提高了电池充放电效率，提高了电池的循环寿命。

附图说明

图1为锂电池负极集流体镶碳装置的结构示意图。

图2为移动架的结构示意图。

图3为镶碳铜箔制作的扣式电池的充放电曲线图。

图4为未镶碳铜箔制作的扣式电池的充放电曲线图。

附图中：1—铜箔，2—碳棒，3—真空吸盘，4—移动架，5—脉冲电源，6—吸孔，7—悬臂，8—滑动板，9—纵向气缸，10—燕尾滑块，11—支架，12—竖向滑块，13—竖直气缸。

具体实施方式

如图1、图2所示，一种锂电池负极集流体镶碳装置，包括铜箔1、碳棒2、真空吸盘3、抽真空装置、移动架4、脉冲电源5。

真空吸盘3采用导电材料制作，所述真空吸盘3的厚度不小于5mm，真空吸盘3上均布有直径不大于0.5mm的吸孔6。真空吸盘3与抽真空装置相连，所述铜箔1吸附在真空吸盘3上，铜箔1的厚度为10μm至30μm，铜箔1表面平滑、无油渍污渍。

真空吸盘3一端设有移动架4，所述移动架4包括滑动板8、支架11、燕尾滑块10、悬臂7、竖向滑块12。滑动板8安装在真空吸盘3边缘，滑动板8上设有燕尾滑动槽。支架11底部设有燕尾滑块10，所述燕尾滑块10安装在燕尾滑动槽中并可沿燕尾滑动槽来回滑动。支架11上设有可沿支架11上下滑动的竖向滑块12，所述竖向滑块12上固定安装有一悬臂7，所述悬臂7上安装有碳棒2。优选地，所述碳棒2采用直径为4mm-8mm的实心或空心碳纤维棒，碳棒2倾斜安装在移动架4上，碳棒2的中心轴线与竖直方向的夹角为0-45°，所述移动架4带动碳棒2匀速地在铜箔1表面上方移动，其移动速度为0.05m-0.08m/min。

本发明的碳棒2与真空吸盘3分别与脉冲电源5的两极相接，所述脉冲电源5的电压控制在140V-180V，所述脉冲电源5的电流＜0.5A。

本实施例中，移动架4采用气缸驱动，移动架4上设有纵向气缸9、竖直气缸13，所述纵向气缸9安装在燕尾滑动槽的端部，所述纵向气缸9的推杆与支架11相连，所述竖直气缸13安装在支架11上，所述竖直气缸13的推杆与竖向滑块12相连。

需要说明的是，本发明移动架4上的燕尾滑块10、竖向滑块12可采用手动，或采用气缸驱动、液压缸驱动、或丝杆电机驱动。本发明移动架4上的燕尾滑块10、竖向滑块12所构成的滑动装置也可采用导轨、滚轮、行走轮、齿轮齿条进行代替。

上述锂电池负极集流体镶碳装置的镶碳工艺，包括以下步骤：

S1. 用酒精将铜箔1擦拭干净并晾干，且保持平整，将铜箔1平铺在真空吸盘3上，启动抽真空装置，使铜箔1吸附在真空吸盘3上；

S2. 将碳棒2倾斜安装在进给装置上，碳棒2的中心轴线与竖直方向的夹角为0-45°；

S3. 将脉冲电源5的两极分别与碳棒2、真空吸盘3相连接；

S4. 开启脉冲电源5，并将脉冲电源5的电压范围控制在140V-180V，电流＜0.5A；

S5. 移动架4带动碳棒2匀速地在铜箔1表面移动，其移动速度为0.05m-0.08m/min，碳棒2与铜箔1的极间电压击穿间隙而产生火花放电，铜箔1表面因熔化、气化形成大量微小的凹坑，进给装置不断运动，将碳棒2的轮廓形状“复印”到铜箔1凹坑内，在铜箔1表面形成结合力良好的镶碳层。

本发明通过自制镶碳装置在铜箔1与碳棒2之间形成电压差，通过电压差放电在铜箔1表面形成一个微小的凹坑。碳棒2电极在进给机构的驱动下均匀移动，其轮廓形状便被“复印”到铜箔1上，进而提高铜箔1的导电性和与石墨之间形成良好的结合力，达到提高其导电性和降低电池在充放电过程中极化的目的；用拉曼、XRD、EIS、CV等方法研究了铜箔1镶碳后对锂离子电池的影响，并且通过对充放电容量、电池的倍率性能、循环曲线及不同温度下的放电容量对比，结果表明，铜箔1镶碳制成的电池比未镶碳铜箔制成的电池性能有很大的提高。

下面用对镶碳铜箔制作的扣式电池和未镶碳铜箔制作的扣式电池进行比较，其结果如下。

比较一：按照本发明在铜箔表面镶碳处理后，然后分别在镶碳铜箔表面和没有处理的铜箔表面涂厚度为100μm的石墨层，制作成扣电；经过老化完成后，我们按照如下工步对扣式电池进行充放电测试：（A）恒流放电（0.35mA，0.001V）、（B）静置（1min）、（C）恒流充电（0.35mA，2.000V），测试结果见图3、图4。从图3、图4的曲线上可以看出镶碳铜箔制作的扣电石墨首次放电容量为395mAh/g，未镶碳处理的铜箔制作的扣电石墨首次放电容量为354mAh/g，说明首次放电过程中镶在铜箔内部的石墨也有锂离子的嵌入，第二圈放电容量镶碳铜箔制作的扣电放电容量为372mAh/g，未镶碳铜箔制作的扣电放电容量为342 mAh/g。

比较二：镶碳铜箔制作的电池与未镶碳处理的铜箔制作的电池经过500圈循环后，镶碳铜箔制作的电池容量保持率为96%，未镶碳铜箔制作的电池容量保持率为93%，说明镶碳铜箔制作的电池在循环过程中石墨与镶碳集流体结合力良好，能够确保锂离子在石墨嵌入及脱嵌过程中石墨与集流体具有良好的导电性，减少极化内阻，从而保证电池具有良好的循环性能。