一种静电激光吸附石墨烯技术制备涂碳铝箔装置及方法与流程

本发明涉及表面处理及薄膜制备技术领域，尤其涉及一种静电激光吸附石墨烯技术制备涂碳铝箔装置及方法。

背景技术：

众所周知，由铸造铝锭经过压延能够得到性能优良的铝箔产品，其用途根据使用环境、人类需求及特殊要求等广泛应用于食品、饮料、香烟、药品、照相底板、家庭日用品等不同领域，是人类生活中不可缺少的材料之一。特别是在电池、电容器领域，由高纯铝加工得到的光箔在经过腐蚀化成或表面涂层后得到性能优良的正负极材料，应用极为普遍。

电极箔作为电池、电解电容器的主要正负极材料已经普及产业化，目前向着高容量、大存储的方向发展，而影响其性能的关键因素是经过腐蚀的表面空洞数量和深度，考虑到流经铝箔的电流大小不同可能造成穿孔短路等现象，一直制约着电极箔的发展。应用于电池及电容器的涂碳铝箔，目前成为行业的热点开发材料，其制备方法和工艺也在不断的改进和创新，传统的涂碳铝箔制备工艺主要有以下几个主要步骤：首先，采用高纯铝经过轧制、退火、表面处理等得到不同厚度要求的光箔；其次，通过涂覆工艺得到涂碳铝箔；最后再经过后处理得到满足技术要求的产品。

涂碳铝箔近年来发展迅速，利用功能涂层对电池导电基材进行表面处理是一项突破性的技术创新，涂碳铝箔就是将分散好的c颗粒、石墨等导电性能良好的纳米颗粒通过涂覆工艺，均匀地涂覆或粘附在基体表面，提供较好的静态导电性能的同时聚集有效物质颗粒产生的微电流，大幅降低接触电阻，并能提高两者之间的附着能力，可减少粘结剂的使用量，进而使电池的整体性能产生显著的提升。业内关于涂碳铝箔的相关产品正在逐渐发展创新，如山东精工电子科技有限公司公开了一种倍率循环改善型磷酸铁锂电池及其制备方法(申请号：cn104577012a)，采用涂碳箔，可以大幅度降低正负极材料与集流体之间的接触内阻，提高两者之间的粘附力，有效地提高材料的倍率放电性能。北理工邓龙征等人针对涂碳铝箔的性能进行了分析，发现与使用普通铝箔作为集流体相比，通过使用涂碳铝箔可以使得电池的内阻降低65％左右，，容量提高约15％左右，10c放电倍率下,平台增加0.3～0.4v，使用涂碳铝箔电芯的常温自放电率、容量恢复率也较高，但在电池低温性能方面，使用涂碳铝箔对低温性能并无改善。

针对涂碳铝箔的缺点，如导电性还不够好、材料强度不够高以及低温下涂碳铝箔的性能不稳定或性能指标无明显改善等问题，近年来新的涂覆材料孕育而生，具有二维晶体结构特征的石墨烯，因具有良好的导电性、低电阻率、高强度和韧性等众多优点而成为研究的热点和焦点。随着批量化生产以及大尺寸等难题的逐步突破，石墨烯的产业化应用步伐正在加快，基于已有的研究成果，最先实现商业化应用的领域可能会是移动设备、航空航天、新能源电池领域。

近年，美国加州大学洛杉矶分校的研究人员就开发出一种以石墨烯为基础的微型超级电容器，该电容器不仅外形小巧，而且充电速度为普通电池的1000倍，可以在数秒内为手机甚至汽车充电，同时可用于制造体积较小的器件。微型石墨烯超级电容技术突破可以说是给电池带来了革命性发展。当前主要制造微型电容器的方法是平板印刷技术，需要投入大量的人力和成本，阻碍了产品的商业应用。

目前涂碳铝箔普遍使用传统的涂覆工艺及网格涂覆法，如何将石墨烯以涂层的形式与基体相结合并使复合材料具有优良的性能也是当年今研究的焦点与技术难题，尽管美国等开发的石墨烯电容器已具雏形，但离产业化还较远，且未具体详尽说明或公开石墨烯涂覆的相关技术。

技术实现要素：

本发明提供了一种静电激光吸附石墨烯技术制备涂碳铝箔装置及方法，将石墨烯与碳粉混合均匀，利用激光吸附技术完成与铝箔基体的结合，通过计算机精准控制完成涂碳铝箔的生产加工过程，从而得到导电良好、强度韧性好、容量大的涂碳铝箔材料。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种静电激光吸附石墨烯技术制备涂碳铝箔装置，包括传送装置、清洁烘干装置、检测单元、激光单元、涂覆单元、计算机、机体；传送装置的传输方向上依次设有清洁烘干装置、检测单元、激光单元、涂覆单元，清洁烘干装置、检测单元、激光单元、涂覆单元安装于机体上，计算机通过电缆连接并控制传送装置、清洁烘干装置、检测单元、激光单元、涂覆单元。

所述清洁烘干装置包括自动铝箔刷、清洗装置、烘干吸雾装置；所述清洗装置安装于传送装置的传动轴上，清洗装置设有喷淋装置，喷淋装置位于自动铝箔刷后部；所述自动铝箔刷通过电缆与计算机相连，计算机根据铝箔表面附着油污、杂质的多少，调节辊刷柄与铝箔的距离，调节涂刷力度与涂刷速度。

所述检测单元设有进料探测器，进料探测器设有棱镜，棱镜通过电缆与计算机及激光单元相连。所述激光单元设有激光扫描器，激光扫描器通过电缆与计算机相连。所述涂覆单元从左至右依次设有感光辊、存储辊鼓、充电辊、定影辊；存储辊鼓设有碳粉腔与碳粉管，石墨烯与碳粉放置于碳粉腔内，碳粉通过碳粉腔下部的碳粉管均匀喷出。

一种静电激光吸附石墨烯技术制备涂碳铝箔的方法，具体包括如下步骤：

(1)石墨烯与碳粉的预处理：以粒度20-～50nm的石墨烯粉末与粒度1-2um的碳粉作为原料；将石墨烯粉末与碳粉分别放入真空均热炉进行加热处理，真空均热炉上下左右及中间配8～12个热电偶，真空度0.8～1.2kpa，以1-2℃/min的升温速率升温至50-80℃，保温5～10h。

(2)装载处理：将石墨烯与碳粉按照(0.8～1.2)：(3.5～4.3)的质量比装入体积为500～800ml的混合罐中并抽真空，真空度为1～2mpa；开启混料机，混料机的振动频率为300～500hz，转速为1800-2500r/min，混料时间为10-20min，保持混料罐温度≤80～100℃；混料结束后通过自动填装设备将混合粉末装入涂有金属硒的存储辊鼓中，同时将存储辊鼓装载在涂覆单元上准备涂覆。

(3)铝箔基体的处理及检测：光箔宽800～1200cm、厚10～100um，铝箔卷放置于铝箔卷辊槽中；首先通过开卷机将铝箔卷开卷，开卷速度为10～15m/min，开卷后通过传动装置传送至清洁烘干装置；通过自动铝箔刷对待涂碳铝箔进行清理，辊刷柄距光箔高度为0.1～1.5cm，毛刷距离光箔的距离为0.01～1.0cm，；通过清洗装置对铝箔表面进行清洗处理，喷淋液体为乙醇、去离子水、表面活性剂组成的水性清洗液，喷淋流量为70-200ml/min；喷淋后的铝箔由输送装置输送至烘干吸雾装置，烘干温度为50～120℃，吹起流速为1～2l/min；通过输送装置将处理后的铝箔基体输送至涂覆单元；

(4)激光吸附喷涂：保持涂覆单元各类辊的温度为70℃～90℃，首先将要涂覆的光箔尺寸、形状参数输入计算机，由制图软件辅助完成产品的定型设计图纸，同时将处理后的光箔放入吸涂覆入口处；通过电极丝对感光鼓充电，光导材料可选用硫化镉(cds)、硒-砷(se-as)或有机光导材料(opc)，充电的放电时间为5～120s。

检测单元的棱镜检测到铝箔进入涂覆入口后将信号传递给计算机主机模块，激光扫描器发射激光束，激光束光源为：氦-氖(he-ne)气体激光器，其波长为632.8nm或镓砷-镓铝砷(gaas-gaalas)系列，所发射出的激光束一般为近红外光，波长780nm。

激光束照射到铝箔基体上使铝箔基体表面带有正电荷；同时激光束反射到装有石墨烯与碳粉的碳粉腔内，使碳粉混合物带上等量负电荷，由于异性电荷相互吸引，碳粉通过碳粉腔下部碳粉管均匀喷出，均匀致密地涂覆在铝箔基体表面。

通过计算机缓慢调节铝箔进料速度10～5m/min，以及搭配15％-30％的纳米碳粉石墨混合物的使用，可控制铝箔表面碳粉厚度较薄，同时可确保碳粉颗粒在铝箔表面厚度分布均匀一致，铝箔与碳粉结合紧密，进而大幅度地提高涂碳铝箔导电性。

(5)后处理及性能指标要求：将涂覆后的铝箔放入常温均热炉中，以3～5℃/min的升温速率升温至150～200℃，保温1～2h；涂覆的石墨烯及碳粉涂层厚度为20～30nm，厚差0.2～0.4％，平面度为15～20μm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明所述装置为自动化装置，自动化完成涂碳铝箔的生产，大大提高了生产效率,降低了加工成本；

2)在涂碳前预处理阶段采用自动铝箔刷，根据铝箔表面状态，调节刷子的力度和速度，去除铝箔表面的油污杂质，进而提高铝箔表面质量，提高了可涂性；

3)在铝箔进入涂覆单元时，设置了进料探测器，检测到铝箔进入后，迅速的将信号传递给激光单元，促使激光单元发射激光束，整个过程耗时间短，进而提高了生产效率；

4)本发明采用一定比例的纳米碳粉颗粒与石墨混合物作为涂覆原料，保证了涂碳后铝箔表面碳粉分布的均匀性与致密性，并增强了碳粉在铝箔表面的吸附性；

5)本发明采用纳米碳粉腔，腔体底部由数个微米级的碳粉管组成，保证碳粉从腔体底部均匀流出，使铝箔表面碳粉厚度均匀一致，同时增强了铝箔的导电性。

附图说明

图1是本发明所述装置的结构示意图；

图2是本发明所述方法的工艺流程图。

图中：1-传送装置2-清洁烘干装置3-检测单元4-激光单元5-涂覆单元6-计算机7-机体8-自动铝箔刷9-清洗装置10-烘干吸雾装置11-喷淋装置12-棱镜13-进料探测器14-激光扫描器15-感光辊16-存储辊鼓17-充电辊18-定影辊19-碳粉腔20-碳粉管

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

如图1所示，一种静电激光吸附石墨烯技术制备涂碳铝箔装置，包括传送装置1、清洁烘干装置2、检测单元3、激光单元4、涂覆单元5、计算机6、机体7。传送装置1的传输方向上依次设有清洁烘干装置2、检测单元3、激光单元4、涂覆单元5，清洁烘干装置2、检测单元3、激光单元4、涂覆单元5安装于机体上。计算机6通过电缆连接并控制传送装置1、清洁烘干装置2、检测单元3、激光单元4、涂覆单元5。

铝箔卷放置于卷铝箔卷辊槽中，首先通过开卷机将铝箔卷开卷，开卷速度为10～15m/min，铝箔开卷后通过传动装置1依次传送至清洁烘干装置2、检测单元3、激光单元4、涂覆单元5。

清洁烘干装置2包括自动铝箔刷8、清洗装置9、烘干吸雾装置10。清洗装置9安装于传送装置1的传动轴上，清洗装置9设有喷淋装置11，喷淋装置11位于自动铝箔刷8后部。自动铝箔刷8通过电缆与计算机6相连，计算机6根据铝箔表面附着油污、杂质的多少，调节辊刷柄与铝箔的距离，调节涂刷力度与涂刷速度。

检测单元3设有进料探测器13，进料探测器13设有棱镜12，棱镜12通过电缆与计算机6及激光单元4相连。激光单元4设有激光扫描器14，激光扫描器14通过电缆与计算机6相连。涂覆单元5从左至右依次设有感光辊15、存储辊鼓16、充电辊17、定影辊18。存储辊鼓16设有碳粉腔19与碳粉管20，石墨烯与碳粉放置于碳粉腔19内，碳粉通过碳粉腔19下部的碳粉管20均匀喷出。

如图2所示，一种静电激光吸附石墨烯技术制备涂碳铝箔的方法，具体包括如下步骤：

(1)石墨烯与碳粉的预处理：以粒度20-～50nm的石墨烯粉末与粒度1-2um的碳粉作为原料；将石墨烯粉末与碳粉分别放入真空均热炉进行加热处理，真空均热炉上下左右及中间配8～12个热电偶，真空度0.8～1.2kpa，以1-2℃/min的升温速率升温至50-80℃，保温5～10h。

(2)装载处理：将石墨烯与碳粉按照(0.8～1.2)：(3.5～4.3)的质量比装入体积为500～800ml的混合罐中并抽真空，真空度为1～2mpa；开启混料机，混料机的振动频率为300～500hz，转速为1800-2500r/min，混料时间为10-20min，保持混料罐温度≤80～100℃；混料结束后通过自动填装设备将混合粉末装入涂有金属硒的存储辊鼓16中，同时将存储辊鼓16装载在涂覆单元5上准备涂覆。

(3)铝箔基体的处理及检测：光箔宽800～1200cm、厚10～100um；铝箔卷放置于铝箔卷辊槽中，首先通过开卷机将铝箔卷开卷，开卷速度为10-15m/min，铝箔卷开卷后通过传动装置1传送至清洁烘干装置2。

先通过自动铝箔刷8对待涂碳铝箔进行清理，辊刷为毛织体，根据铝箔表面附着的油污、杂质的多少，调节辊刷距光箔的高度在0.1～1.5cm之间，毛刷距离光箔的距离为0.01～1.0cm之间。根据铝箔表面状态，调节刷子的力度和速度，去除铝箔表面的油污杂质，进而提高铝箔表面质量，提高了可涂性。

通过传动轴上的清洗装置9对铝箔表面进行清洗处理，喷淋装置11位于辊刷后部，喷淋液体为乙醇、去离子水、表面活性剂组成的水性清洗液，喷淋流量在70-200ml/min之间；喷淋后的铝箔由输送装置1输送至烘干吸雾装置10，烘干温度为50～120℃，吹起流速为1～2l/min；通过输送装置1将处理后的铝箔基体输送至涂覆单元5；

(4)激光吸附喷涂：保持涂覆单元5各类辊的温度为70℃～90℃，首先将要涂覆的光箔尺寸、形状参数输入计算机6，由制图软件辅助完成产品的定型设计图纸，同时将处理后的光箔放入吸涂覆入口处；通过电极丝对感光鼓15充电，光导材料可选用硫化镉(cds)、硒-砷(se-as)或有机光导材料(opc)，充电的放电时间为5～120s。

检测单元3检测到铝箔基体进入涂覆入口后将信号传递给计算机6主机模块，激光扫描器14发射激光束，激光束光源为：氦-氖(he-ne)气体激光器，其波长为632.8nm或镓砷-镓铝砷(gaas-gaalas)系列，所发射出的激光束一般为近红外光，波长780nm。

激光束照射到铝箔上使铝箔表面带有正电荷；同时激光束反射到装有石墨烯与碳粉的碳粉腔19内，使碳粉混合物带上等量负电荷，由于异性电荷相互吸引，碳粉通过碳粉腔19下部碳粉管20均匀喷出，均匀致密地涂覆在铝箔表面。

通过计算机6缓慢调节铝箔进料速度10-15m/min，以及搭配15％-30％的纳米碳粉石墨混合物的使用，可控制铝箔表面碳粉厚度较薄，同时可确保碳粉颗粒在铝箔表面厚度分布均匀一致，铝箔与碳粉结合紧密，进而大幅度地提高涂碳铝箔导电性。

(5)后处理及性能指标要求：将涂覆后的铝箔放入常温均热炉中，以3～5℃/min的升温速率升温至150～200℃，保温1～2h；涂覆的石墨烯及碳粉涂层厚度为20～30nm，厚差0.2～0.4％，平面度为15-20μm。

实施例1：

基体为高纯铝箔，铝箔规格为：长度400cm，宽度为800cm，厚度为10微米。采用静电激光吸附石墨烯技术制备涂碳铝箔，其步骤如下：

(1)石墨烯及碳粉的预处理：

将石墨烯处理成粒度为20nm的粉末，选取1um的石墨碳粉作为原材料，将石墨烯粉末及碳粉分别放入真空均热炉进行加热处理，真空均热炉上下左右及中间所配的热电偶8个，真空度0.8kpa，以1℃/min的升温速率升温至50℃，保温5h备用。

(2)装载处理：

混料罐体积在500ml，将石墨烯与碳粉按照0.8:3.5的质量比装入罐中并抽真空，真空度在1mpa。开启混料机，混料机的振动频率为300赫兹，混料机转速为1800转/分钟，混料时间为10min，保持混料罐温度不高于80℃，混料结束后采用自动填装设备将混合粉末装入涂有金属硒的存储辊鼓16中，同时将存储辊鼓装载在涂覆单元5上准备涂覆。

(3)铝箔基体的处理及检测

光箔的尺寸长度不限，宽度为800cm，光箔厚度为10um。铝箔卷位于铝箔卷辊槽中，首先通过开卷机将铝光箔传动送入主体设备中，开卷机的开卷速度为10m/min，开卷后经过传动装置6传送至清洁烘干装置2，先利用自动铝箔刷8对待涂碳铝箔进行清理，根据铝箔表面实际情况，调节铝箔刷工作条件，辊刷为毛织体，滚刷柄距铝箔高度在0.1cm，毛刷距离铝箔的距离为0.01cm，通过传动轴上的清洗装置9对铝箔表面进行清洗处理，喷淋装置11位于滚刷附近，喷淋液体为乙醇、去离子水、表面活性剂等常用试剂组成的水性清洗液，喷淋流量为70ml/min，经过喷淋的铝箔在传动装置6传送带的带动下进入烘干吸雾装置10，烘干温度为50℃，吹起流速为1l/min，通过传送装置1将经过前期处理后的铝箔基体传送至涂碳单元5。

(4)激光吸附喷涂

打开喷涂设备的电源，保持各类辊的温度在70℃，首先在计算机6上将要涂覆的产品尺寸、形状等参数输入，光箔的尺寸长度不限，宽度为800cm，光箔厚度为10um，由cad计算机辅助完成产品的定型设计图纸，同时将准备好的光箔放入吸涂覆入口处。通过电极丝对感光鼓15(光导材料用硫化镉(cds))进行充电，充电的放电时间为5-120秒之间，棱镜12检测到到铝箔的进入的同时将信号传递给计算机6主机模块，由激光扫描器14发射的激光束(光源为：氦-氖(he-ne)气体激光器，其波长为632.8nm)照射到铝箔上，促使铝箔表面带上一定量的正电荷，同时，激光束反射到装有石墨烯和碳粉的碳粉腔19内，使碳粉混合物带上等量负电荷，由于异性电荷相互吸引，碳粉通过碳粉腔19下部碳粉管20均匀喷出，均匀致密地分布在铝箔表面上。

(5)后处理及性能指标要求

涂覆完成后放入常温均热炉中处理，以3℃/min的升温速率升温至150℃，保温1小时；涂覆的石墨烯及碳粉涂层厚度20纳米，厚差0.2％，平面度为15μm。

实施例2：

基体为高纯铝箔，铝箔规格为：长度1000cm，宽度为1200cm，厚度为100微米。采用静电激光吸附石墨烯技术制备涂碳铝箔，其步骤如下：

(1)石墨烯及碳粉的预处理

将石墨烯处理成粒度为50nm的粉末，选取2微米的石墨碳粉作为原材料，将石墨烯粉末及碳粉分别放入真空均热炉进行加热处理，真空均热炉上下左右及中间所配的热电偶12个，真空度1.2kpa，以2℃/min的升温速率升温至80℃，保温10h备用。

(2)装载处理

混料罐体积在800ml，将石墨烯与碳粉按照1.2:4.3的质量比装入罐中并抽真空，真空度在2mpa。开启混料机，混料机的振动频率为500赫兹，混料机转速为2500转/分钟，混料时间为20min，保持混料罐温度不高于100℃，混料结束后采用自动填装设备将混合粉末装入涂有金属硒的存储辊鼓中，同时将存储辊鼓16装载在涂覆单元5上准备涂覆。

(3)铝箔基体的处理及检测

光箔的尺寸长度不限，宽度为1200cm范围之内调整，光箔厚度为100um。铝箔卷位于铝箔卷辊槽中，首先通过开卷机将铝光箔传动送入主体设备中，开卷机的开卷速度为15m/min，开卷后经过传动装置6使光箔进入清洁烘干装置2，先利用自动铝箔刷8对待涂碳铝箔进行清理，根据铝箔表面实际情况，调节铝箔刷工作条件，辊刷为毛织体，滚刷柄距铝箔高度在1.5cm，毛刷距离铝箔的距离为1.0cm，通过传动轴上的清洗装置9对铝箔表面进行清洗处理，喷淋装置11位于滚刷附近，喷淋液体为乙醇、去离子水、表面活性剂等常用试剂组成的水性清洗液，喷淋流量为200ml/min，经过喷淋的铝箔在传动装置1传送带的带动下进入烘干吸雾装置10，烘干温度为120℃，吹起流速为2l/min之间，通过传送装置1将经过前期处理后的铝箔基体传送至涂碳单元5。

(4)激光吸附喷涂

打开涂碳单元5的电源，保持各类辊的温度在90℃，首先在计算机上将要涂覆的产品尺寸、形状等参数输入，光箔的尺寸长度不限，宽度为1200cm，光箔厚度为100微米，由cad计算机辅助完成产品的定型设计图纸，同时将准备好的光箔放入吸涂覆入口处。通过电极丝对感光鼓(光导材料用硒-砷(se-as))进行充电，充电的放电时间为120秒，棱镜检测到到铝箔的进入的同时将信号传递给主机模块，由激扫描器发射的激光束(镓砷-镓铝砷(gaas-gaalas)系列，所发射出的激光束波长一般为近红外光，波长780纳米)照射到铝箔上，促使铝箔表面带上一定量的正电荷，同时，激光束反射到装有石墨烯和碳粉的碳粉腔内，使碳粉混合物带上等量负电荷，由于异性电荷相互吸引，碳粉通过碳粉腔下部碳粉管均匀喷出，均匀致密地分布在铝箔表面上。

(5)后处理及性能指标要求

涂覆完成后放入常温均热炉中处理，以5℃/min的升温速率升温至200℃，保温2小时；涂覆的石墨烯及碳粉涂层厚度30纳米，厚差0.4％，平面度为20μm。

本发明所述装置为自动化装置，自动化完成涂碳铝箔的生产，大大提高了生产效率,降低了加工成本。在涂碳前预处理阶段采用自动铝箔刷8，根据铝箔表面状态，调节刷子的力度和速度，去除铝箔表面的油污杂质，进而提高铝箔表面质量，提高了可涂性。在铝箔进入涂覆单元5时，设置了进料探测器13，检测到铝箔进入后，迅速的将信号传递给激光单元4，促使激光单元4发射激光束，整个过程耗时间短，进而提高了生产效率。本发明采用一定比例的纳米碳粉颗粒与石墨混合物作为涂覆原料，保证了涂碳后铝箔表面碳粉分布的均匀性与致密性，并增强了碳粉在铝箔表面的吸附性。本发明采用纳米碳粉腔19，腔体底部由数个微米级的碳粉管20组成，保证碳粉从腔体底部均匀流出，使铝箔表面碳粉厚度均匀一致，同时增强了铝箔的导电性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。