一种改变锂电池集流体铜箔表面形貌的方法与流程

本发明涉及一种提高锂电池性能的方法，特别是一种通过改变锂电池集流体铜箔表面形貌，进而提高锂电池性能的方法，属于能源材料技术领域。

背景技术：

锂离子电池，也简称锂电池。其作为一种新型清洁的能源，具有工作电压稳定，循环寿命长，安全性好，充电迅速等优点，在手机、笔记本电脑、数码相机等电子设备中得到了广泛应用。在锂电池中，铜箔是负极材料的集流体，其主要作用是传输在放电时负极活性物质所产生的电流,以及在充电时外电源传输给负极活性物质的电流。但由于铜箔表面非常光滑，致使负极活性物质与铜箔的结合力较弱，在一些特殊情况下，负极活性物质会从铜箔集流体上脱落，严重影响电池的容量和循环使用寿命。因此，对铜箔集流体表面的形貌进行适当的改变，增加其粗糙程度，可显著改善铜箔与负极活性物质之间的结合力，达到优化电池性能的目的。现有技术中，对铜箔表面形貌的改进通常有物理方法和化学方法。物理方法主要是利用器械在铜箔表面进行雕刻从而形成凹凸有序的形貌；化学方法则主要是通过化学反应在铜箔表面形成氧化物，或采用电沉积的方法在铜箔表面镀上铜，达到改变形貌增加其粗糙度的目的。物理方法对设备要求高，工艺条件苛刻，制备成本高。而化学方法使用的原料多，制备工艺复杂，批量生产质量不稳定。因此研发新的改变锂电池集流体铜箔表面形貌的方法仍是目前锂电池领域的重要研究课题之一。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种改变锂电池集流体铜箔表面形貌的方法。通过改变铜箔表面形貌，实现提高锂电池性能的目的。

具体的，本发明给出的一种改变锂电池集流体铜箔表面形貌的方法，包括以下步骤：

（1）材料的准备

浓h2so4，cuso4·5h2o，离子液体，锂电池集流体用铜箔，备用；

（2）样品的制备

配制浓度20g/l~110g/l的硫酸溶液，然后加入一定量的硫酸铜成混合溶液，使混合溶液中硫酸铜的浓度为90g/l~210g/l，取50ml混合溶液于烧杯中，加入0.5~2.5ml的离子液体并搅拌均匀，将铜箔放置于烧杯溶液中，浸泡5~30min后，取出用蒸馏水清洗干净，便得到表面形貌改变的铜箔。

其中，所说的离子液体是1-丁基-3-甲基咪唑氯盐、1,3-二甲基咪唑氯盐、1-苄基-2-氯甲基咪唑氯盐中的一种。

本发明中，离子液体的选择和加入是本发明的关键。实验证明，在未加入离子液体时，将铜箔置于硫酸铜溶液中，不论多长时间，铜箔表面都没有明显变化。而加入离子液体后，改变铜箔形貌的溶液体系中含有硫酸、硫酸铜、离子液体和铜箔。形貌改变后的铜箔表面物质主要为单质铜和氯化亚铜。

在铜箔表面则显示出凹凸有序的形貌，达到了迅速改变铜箔表面形貌的目的。所制备的铜箔表面发生了显著的变化，有明显的凹凸形貌出现，极大地增大了铜箔的粗糙程度。

本发明取得的有益效果如下：在常温常压下，且未加入其他强氧化剂或强还原剂的情况下，将铜箔置于含有一定量离子液体的硫酸铜溶液中，浸泡一段时间后，即可实现对铜箔表面形貌的改变。该方法无需使用其他强氧化剂或强还原剂，简单易行，绿色环保，适合规模化生产。

附图说明

图1为原始铜箔表面和改变形貌后铜箔表面放大两万倍后的sem照片。

图2为原始铜箔表面和改变形貌后铜箔表面物质的xrd谱图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明。

实施例1

配制浓度为80g/l的硫酸溶液，然后加入一定量的硫酸铜，使硫酸铜的浓度为200g/l，取50ml该溶液于烧杯中，然后加入2ml的1-丁基-3甲基咪唑氯盐并搅拌均匀。将铜箔放置于该溶液中，浸泡10min后，取出用蒸馏水清洗干净，则可得到表面形貌改变的铜箔。

图1为原始铜箔（图片a）和改变形貌后铜箔表面（图片b）放大两万倍后的sem图片。从图中可以看出，原始铜箔表面较为光滑平整，而浸泡后铜箔表面有很多不规则的颗粒生成，且有很多空隙出现，显示出凹凸不平的表面形貌，粗糙程度明显增大。

图2为原始铜箔表面物质（图谱a）和改变形貌后铜箔表面物质（图谱b）的xrd图谱。可见，原始铜箔中的物质与编号为1-1242单质铜的标准衍射峰相对应，而改变形貌后铜箔表面中的物质与编号为1-1241单质铜的标准衍射峰相对应，这说明经过本方法的处理后铜箔表面仍有单质铜存在，但铜的晶型发生了改变。值得注意的是，对图谱b而言，在衍射角28.1º的位置有新峰的出现，说明有新物质出现，且经核对，该峰与cucl的标准衍射峰吻合，这说明出现的新物质为cucl。需要说明的是，在缺少硫酸、硫酸铜、离子液体和铜箔中任何一种成分时，上述现象是不会出现的。分析原因，可能是在条件适当的情况下，部分硫酸铜中的cu²⁺被铜箔还原成的cu⁺，再与离子液体中的cl^-结合生成cucl。化学原理告诉我们，铜与硫酸、盐酸都是不反应的，而且即使铜与酸反应，其产物也为+2价铜。换句话说，由于+1价铜离子的不稳定，氯化亚铜的生成是较困难的。

实施例2

配制浓度为50g/l的硫酸溶液，然后加入一定量的硫酸铜，使硫酸铜的浓度为150g/l，取50ml该溶液于烧杯中，加入2.0ml的1,3-二甲基咪唑氯盐并搅拌均匀。将铜箔放置于该溶液中，浸泡20min后，取出用蒸馏水清洗干净，则可得到表面形貌改变的铜箔。

实施例3

配制浓度为80g/l的硫酸溶液，然后加入一定量的硫酸铜，使硫酸铜的浓度为150g/l，取50ml该溶液于烧杯中，加入1ml的1-苄基-2-氯甲基咪唑氯盐并搅拌均匀。将铜箔放置于该溶液中，浸泡25min后，取出用蒸馏水清洗干净，则可得到表面形貌改变的铜箔。

实施例4

配制浓度为100g/l的硫酸溶液，然后加入一定量的硫酸铜，使硫酸铜的浓度为200g/l，取50ml该溶液于烧杯中，加入2ml的1-丁基-3甲基咪唑氯盐并搅拌均匀。将铜箔放置于该溶液中，浸泡15min后，取出用蒸馏水清洗干净，则可得到表面形貌改变的铜箔。

实施例5

配制浓度为50g/l的硫酸溶液，然后加入一定量的硫酸铜，使硫酸铜的浓度为120g/l，取50ml该溶液于烧杯中，加入1.5ml的-苄基-2-氯甲基咪唑氯盐并搅拌均匀。将铜箔放置于溶液中，浸泡10min后，取出用蒸馏水清洗干净，则可得到表面形貌改变的铜箔。

实施例6

配制浓度为50g/l的硫酸溶液，然后加入一定量的硫酸铜，使硫酸铜的浓度为180g/l，取50ml该溶液于烧杯中，加入2ml的1-丁基-3甲基咪唑氯盐并搅拌均匀。将铜箔放置于该溶液中，浸泡15min后，取出用蒸馏水清洗干净，则可得到表面形貌改变的铜箔。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种改变锂电池集流体铜箔表面形貌的方法。其主要为，首先配制含有硫酸的硫酸铜溶液，然后将上述50mL溶液置于烧杯中，之后加入0.5~2.5mL的某种离子液体，搅拌均匀。将铜箔放置于该溶液中，浸泡5min~30min后，取出用蒸馏水清洗干净，则可得到表面形貌改变的铜箔。本发明所使用的条件非常温和，无需加入其他的强氧化剂或强还原剂，在常温常压下即可对铜箔的表面进行改进，形成凹凸有序的表面形貌，通过对铜箔的表面形貌的改变，提高了锂电池性能。

技术研发人员：丁克强;曲润玲;赵棉;杨胜杰;韩静玮;高晓静;周兰俊
受保护的技术使用者：河北师范大学
技术研发日：2019.03.25
技术公布日：2019.06.07