一种涂碳铝箔及其制备方法与流程

1.本发明属于锂离子电池领域；尤其涉及一种涂碳铝箔及其制备方法。


背景技术：

2.与传统电池相比，锂离子电池的具有以下优点：体积能量密度和质量能量密度大，无记忆效应。锂离子电池的应用范围也很广，如：电动车船、电动工具、储能、可穿戴设备等方面。在锂离子电池中集流体具有重要的作用，它不仅是活性物质的载体，还肩负着将电池活性物质产生的电流汇集起来向外输出的使命。因此，集流体应与活性物质充分接触，并且内阻应越小越好。
3.活性物质浆料直接涂敷在集流体上，由于活性颗粒和集流体或导电层接触不充分，会导致电池的内阻增大，最终严重影响电池的倍率和循环性能。目前，行业内解决上述技术问题的方法主要为：(1)通过使用导电剂对铝箔进行涂覆改性，为增加涂覆效果，会使用大量粘结剂、分散剂、表面活性剂等，该方法会隔绝正极活性物质和铝箔及导电层之间的导电接触，则会不利于提升电池的性能；同时，还增加了制备成本；(2)直接在铝箔上气相沉积导电碳，该方法需要高温真空设备才可以完成，大大地增加设备投入和能源的消耗；(3)利用高温下，将混合碳粉涂敷在铝箔上，再升高温度进行热处理制备涂碳铝箔，该方法需要使用高温设备才可以完成，不仅增加了设备成本，而且还会消耗大量能源；同时，该方法制备的铝箔效果不佳，有涂层易脱落的现象；(4)直接将有机碳源涂覆在铝箔表面，再进行高温碳化处理，该方法需要使用高温设备，消耗大量能源。
4.基于上述现有技术存在的不足，急需一种既不影响正极活性物质和铝箔及导电层之间的导电接触，又能解决涂布效果差，涂层易脱落问题，且成本低，无需高成本设备的制备方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供了一种涂碳铝箔及其制备方法。本发明提出了一种不使用粘结剂、碳涂层与铝箔以机械互锁方式结合的涂碳铝箔及其制备方法。本发明先将铝箔进行表面预处理，使铝箔表面出现微凹坑，有助于前期碳粉的附着，而且也是构造碳粉和铝箔的机械互锁结构的必备条件；使用溶剂将碳粉临时吸附在铝箔上，避免了粘结剂、分散剂和表面活性剂的使用，节省了原料成本，同时也会提升涂碳铝箔的导电性能；利用机械辊压的方式，迫使碳粉和铝箔紧密结合在一起并产生不可逆形变，在微凹坑处构建机械互锁结构，增强涂碳层的附着强度。
6.本发明是通过以下技术方案实现的：
7.本发明涉及一种涂碳铝箔，由以机械互锁方式结合的涂碳铝箔的碳层和铝箔构成。
8.本发明还涉及前述的涂碳铝箔的制备方法，包括以下步骤：
9.步骤1，将铝箔表面进行表面处理：物理毛化或化学刻蚀处理；将铝箔进行表面预
处理，使铝箔表面出现微凹坑，有助于前期碳粉的附着，而且也是构造碳粉和铝箔的机械互锁结构的必备条件。
10.步骤2，将铝箔表面喷涂溶剂；使用溶剂用于将碳粉吸附在铝箔上，避免了粘结剂、分散剂和表面活性剂的使用，节省了原料成本，同时也会提升涂碳铝箔的导电性能；使用溶剂利用机械辊压的方式，迫使碳粉和铝箔紧密结合在一起并产生不可逆形变，在微凹坑处构建机械互锁结构，增强涂碳层的附着强度。
11.步骤3，将碳粉均匀喷涂在铝箔表面，进行第一次烘烤干燥，碳粉的用量为0.1-5g/m2；第一次烘烤干燥是控制涂碳后的溶剂量，防止辊压时过多溶剂将碳粉带走的现象。
12.步骤4，将铝箔进行辊压处理；辊压处理是为了迫使碳粉压和铝箔紧密结合，也是为了使碳粉和铝箔发生不可逆形变，在微凹坑处构建机械互锁结构，增强涂层和铝箔的附着力。
13.步骤5，将铝箔进行第二次烘烤干燥，即制得所述涂碳铝箔。
14.优选地，步骤1中，所述表面处理为物理毛化或化学刻蚀处理。
15.优选地，所述物理毛化方法具体为：用气体携带铝粉吹扫铝箔表面或直接对铝箔表面拉丝处理，然后用去离子水清洗干净再晾干；所述化学刻蚀处理方法具体为：使用0.2-2mol/l hcl和0.05-0.5mol/l al2(so4)3水溶液进行刻蚀1-20min，然后用去离子水清洗干净再晾干。
16.优选地，步骤2中，所述溶剂的用量为：1-50ml/m2。
17.优选地，步骤2中，所述溶剂为庚烷、己烷、环己烷、二硫化碳、四氯化碳、苯、甲苯、氯丙烷、溴乙烷、氯仿、二氯甲烷、二氯乙烷、异丙醚、乙醚、四氢呋喃中的至少一种。
18.优选地，步骤3中，所述第一次烘烤干燥的温度为30-100℃，时间为1-10min。
19.优选地，步骤3中，所述碳粉为炭黑、碳纳米管、气相生长碳纤维、石墨烯、天然石墨、人造石墨中的至少一种。
20.优选地，步骤4中，所述辊压压力为10-200t，辊压速度为5-150m/min。
21.优选地，步骤5中，所述第二次烘烤干燥的温度为60-150℃，时间为0.5-10min。
22.本发明具有以下优点：
23.(1)本发明方法将铝箔进行表面预处理，使铝箔表面出现微凹坑，有助于前期碳粉的附着，而且也是构造碳粉和铝箔的机械互锁结构的必备条件。
24.(2)本发明方法溶剂代替了粘结剂、分散剂和表面活性剂，从而制备电导率较高的涂碳铝箔。
25.(3)本发明方法在铝箔表面喷涂溶剂；溶剂用于将碳粉吸附在铝箔上，避免了粘结剂、分散剂和表面活性剂的使用，节省了原料成本，同时也会提升涂碳铝箔的导电性能；使用溶剂利用机械辊压的方式，迫使碳粉和铝箔紧密结合在一起并产生不可逆形变，在微凹坑处构建机械互锁结构，增强涂碳层的附着强度。
26.(4)本发明方法采用辊压处理，为了迫使碳粉压和铝箔紧密结合，也是为了使碳粉和铝箔发生不可逆形变，在微凹坑处构建机械互锁结构，增强涂层和铝箔的附着力，从而实现了涂层牢固，不易脱落的目的。
附图说明
27.图1是本发明所涉及的涂碳铝箔的碳层和铝箔机械互锁结构截面示意图；
28.图2是本发明制备方法流程图。
具体实施方式
29.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。应当指出的是，以下的实施实例只是对本发明的进一步说明，但本发明的保护范围并不限于以下实施例。
30.实施例1
31.本实施例涉及一种涂碳铝箔，所述涂碳铝箔的碳层和铝箔以机械互锁方式结合，其机械互锁结构示意图见图1。
32.本实施例还涉及前述的涂碳铝箔的制备方法，如图2所示，包括以下步骤：
33.步骤1，用二氧化碳气体携带铝粉，对铝箔表面进行吹扫毛化，用去离子水冲洗干净，晾干备用；
34.步骤2，在晾干后的铝箔表面喷涂庚烷，喷涂溶剂量为每平方米铝箔喷庚烷10ml；
35.步骤3，把乙炔炭黑粉末均匀喷涂在涂有庚烷的铝箔表面,每平方米铝箔乙炔炭黑用量为1g，然后进行一次烘烤，温度为50℃，烘烤时间为5min；
36.步骤4，把烘烤后的涂碳铝箔进行辊压处理，辊压压力为20t，辊压速度为10m/min,；
37.步骤5，将铝箔进行第二次90℃烘烤10min，即制得，涂层为乙炔炭黑的涂碳铝箔。
38.实施例2
39.本实施例涉及涂碳铝箔的制备方法，如图2所示，包括以下步骤：
40.步骤1，用氮气碳气体携带铝粉，对铝箔表面进行吹扫毛化，用去离子水冲洗干净，晾干备用；
41.步骤2，在晾干后的铝箔表面喷涂甲苯，喷涂溶剂量为每平方米铝箔喷甲苯8ml；
42.步骤3，把超级炭黑粉末均匀喷涂在涂有庚烷的铝箔表面,每平方米铝箔超级炭黑用量为0.6g，然后进行第一次烘烤，温度为80℃，烘烤时间为3min；
43.步骤4，把烘烤后的涂碳铝箔进行辊压处理，辊压压力为30t，辊压速度为15m/min；
44.步骤5，第二次烘烤100℃烘烤10min，即制得，涂层为超级炭黑的涂碳铝箔。
45.实施例3
46.本实施例涉及涂碳铝箔的制备方法，如图2所示，包括以下步骤：
47.步骤1，用压缩空气携带铝粉，对铝箔表面进行吹扫毛化，用去离子水冲洗干净，晾干备用；
48.步骤2，在晾干后的铝箔表面喷涂苯，喷涂溶剂量为每平方米铝箔喷苯15ml；
49.步骤3，把碳纳米管和天然石墨混合碳粉末均匀喷涂在涂有苯的铝箔表面,每平方米铝箔混合碳粉用量为1.6g，进行第一次烘烤，温度为50℃，烘烤时间为3min，；
50.步骤4，把烘烤后的涂碳铝箔进行辊压处理，辊压压力为60t，辊压速度为5m/min，步骤5，进行第二次烘烤80℃烘烤5min，即制得涂层为碳纳米管和天然石墨混合的涂碳铝箔。
51.实施例4
52.本实施例涉及涂碳铝箔的制备方法，如图2所示，包括以下步骤：
53.步骤1，用1mol/l的hcl和0.1mol/l的al2(so4)3对铝箔表面刻蚀5min，用去离子水冲洗干净，晾干备用；
54.步骤2，在晾干后的铝箔表面喷涂二氯乙烷，喷涂溶剂量为每平方米铝箔喷二氯乙烷20ml；
55.步骤3，把科琴黑和石墨烯混合碳粉末均匀喷涂在涂有二氯乙烷的铝箔表面,每平方米铝箔混合碳粉末用量为0.8g，然后进行一次烘烤，温度为40℃，烘烤时间为10min；
56.步骤4，把烘烤后的涂碳铝箔进行辊压处理，辊压压力为80t，辊压速度为20m/min；
57.步骤5，进行第二次75℃烘烤8min，即制得，涂层为科琴黑和石墨烯的涂碳铝箔。
58.将磷酸铁锂正极浆料分别涂在上述实施例1-4所制备的铝箔材料上，制成4个磷酸铁锂正极极片，在万能试验机上对4个极片进行剥离强度测试，测试结果如表1所示。
59.表1
60.磷酸铁锂正极极片剥离强度/(mn/mm)实施例1835实施例2830实施例3880实施例4890
61.从剥离强度测试结果来看，本发明制备的涂碳铝箔有较强的附着力。
62.本发明上述实施例1-4制备的涂碳铝箔具有以下优点：
63.本发明方法在铝箔进行表面预处理，使铝箔表面出现微凹坑，有助于前期碳粉的附着，而且也是构造碳粉和铝箔的机械互锁结构的必备条件。本发明采用溶剂代替了粘结剂、分散剂和表面活性剂，从而制备电导率较高的涂碳铝箔；另外溶剂用于将碳粉吸附在铝箔上，避免了粘结剂、分散剂和表面活性剂的使用，节省了原料成本，同时也会提升涂碳铝箔的导电性能；使用溶剂利用机械辊压的方式，迫使碳粉和铝箔紧密结合在一起并产生不可逆形变，在微凹坑处构建机械互锁结构，增强涂碳层的附着强度。本发明采用辊压处理，为了迫使碳粉压和铝箔紧密结合，也是为了使碳粉和铝箔发生不可逆形变，在微凹坑处构建机械互锁结构，增强涂层和铝箔的附着力，从而实现了涂层牢固，不易脱落的目的。
64.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质。