一种锂离子电池多孔铜箔的制备方法与流程

本发明属于锂离子电池负极集流体材料的制备领域，特别涉及一种锂离子电池多孔铜箔的制备方法。

背景技术：

随着新能源汽车行业的蓬勃发展，锂离子电池的研究也受到极大的关注。但当前的研究大都针对锂离子电池电极材料，而面向电极材料载体—集流体材料的研究为数不多。目前，广泛采用的石墨负极比容量低(372mah/g)，不能适应新能源汽车对锂离子电池高比容量的需求，而一些金属基负极材料，如sn(994mah/g)、si(4200mah/g)具有更高的比容量，能满足新能源汽车对锂离子电池容量的要求，但在充、放电过程中，金属基负极材料体积膨胀严重。若采用普通铜箔作为负极集流体材料，难以适应这种巨大的体积变化，容易引起负极活性材料的粉化、脱落，集流体材料的塑性变形，导致锂离子电池不可逆容量增加，循环性能减弱。而采用多孔铜箔作为锂离子电池负极集流体材料正是解决上述问题的良好技术方法。多孔铜箔有利于锂离子在电极中的扩散以及电解液在负极活性材料中的浸润效果，并能有效增强负极活性材料与铜箔的接触性能，使其与负极材料之间形成相互紧密结合的状态，从而使负极活性材料不易脱落，抑制充、放电过程中因电极材料脱落、粉化而引起的电池不可逆容量增加的现象，延长锂离子电池的循环寿命。同时，多孔铜箔因其具有三维微孔结构，与无微孔的普通二维平面铜箔相比，其比表面积显著增加，因此能够承载更多的负极活性材料，从而使锂离子电池的初始容量大幅提高。

目前制备多孔箔材主要有模板法和去合金法两种方法。模板法是将颗粒物(如sio2)作为模板，利用电沉积将金属沉积至模板上，最后采取物理或化学方法去除颗粒物模板，形成多孔箔材。这种工艺加工成本较低，但模板颗粒尺寸的不均匀将导致制备的微孔孔径一致性欠佳。去合金法则利用了合金中不同金属元素活泼性质不同的特点，活泼性强的金属首先在腐蚀液中发生溶解，活泼性较弱的金属经扩散和沉积效应，最终形成多孔箔材。去合金法具有工艺简单、微孔孔径控制方便等优点，但其加工成本较高，且使用的腐蚀液易造成环境污染，同时这种加工方式也难以控制沉积层的微观结构。

激光加工技术以激光作为加工工具，基于高能激光束的烧蚀效应，能够在材料表面制备出形状规则的微孔阵列。其工艺过程主要分为四个步骤：(1)材料吸收激光能量；(2)材料达到熔点，熔化；(3)材料持续受热蒸发，形成等离子蒸气；(4)熔化材料受蒸气作用，沿孔壁向外喷溅。该技术具有加工精度高、易于控制、加工效率高、对环境无污染、易于实现自动化等显著优点。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种锂离子电池多孔铜箔的制备方法，以克服现有技术中锂离子电池多孔铜箔制备方法可控性差、工艺复杂、对环境不友好等缺点。本发明为锂离子电池性能的提升提供了一种有效手段。

本发明基于激光加工技术在铜箔表面制备的微孔阵列具有良好的一致性和可控性。而且，如果采用皮秒或飞秒激光等超快激光，激光加工技术将具有“冷加工”效应，能够有效减小热影响区、抑制熔融物堆积。

本发明的一种锂离子电池多孔铜箔的制备方法，包括：

(1)运用计算机辅助设计出微孔阵列的二维数字模型，将二维数字模型导入激光加工系统；

(2)将铜箔固定，将含有步骤(1)中导入二维数字模型的激光加工系统的激光器发射高能激光束，激光束通过光导装置辐照在固定的铜箔表面，激光加工系统根据所设计的微孔阵列二维数字模型自动生成加工路径，采用环切法制备微孔，得到多孔铜箔，其中环切法是利用激光光斑中心沿加工路径轨迹烧蚀材料来制取微孔。

所述步骤(1)中二维数字模型中微孔阵列孔间距可依据加工孔径尺寸与激光光斑大小适当调整，这样可以降低激光加工热影响区对铜箔机械性能的影响，避免激光加工的热作用区影响微孔几何精度，二维数字模型的边缘保留非加工区域，防止因微孔圆周附近产生应力集中现象，在锂离子电池充、放电过程中铜箔体积变化而导致铜箔开裂。

所述步骤(2)中铜箔的固定方法为：将铜箔固定在箔材夹具上，该夹具夹头光滑平整，在夹持过程中不会对铜箔造成损伤，且能够避免铜箔在加工过程中因热变形而导致的弯曲，影响铜箔表面质量。

所述步骤(2)中铜箔的厚度为8～12μm。

所述步骤(2)中多孔铜箔采用兆声波清洗法去除油脂、激光烧蚀后产生的熔融物，以获取表面光洁的铜箔。

申请号为cn2018107578222，名称为一种锂离子电池的多孔集流体的制备装置及其制备方法的中国发明专利，提供了一种多孔集流体的制备方法，该方法利用激光器发射激光，使激光束透过光栅上的光孔，从而制备出多孔集流体，该方法也能避免其他方法成孔的不均匀与化学污染；但该方法需要借助透光光栅成孔，工艺复杂且成本较高；当加工微孔的孔径或孔间距需要调整时，必须重新设计加工相应的光栅，不能实现微孔的灵活设计与控制，自动化程度有待提高。而本发明对微孔孔径和孔间距的调整十分方便，仅需在建立微孔阵列的二维数字时更改微孔孔径及间距。

有益效果

本发明中锂离子电池多孔铜箔受益于激光加工技术优异的工艺效果，所制取的微孔具有良好的可控性和一致性，并避免了模板法与去合金法过程中的化学污染，且本发明对微孔孔径和孔间距的调整十分方便。

附图说明

图1为本发明中激光加工铜箔的示意图，其中，1为铜箔，2为透镜，3为激光束，4为微孔，5为熔融物，6为等离子蒸气。

图2为本发明中锂离子电池打孔铜箔的示意图。

图3为实施例1中激光加工微孔阵列的实际效果图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

(1)运用计算机辅助设计技术(cad)在计算机中设计出微孔阵列，微孔孔径为20μm，微孔间距为250μm的二维数字模型，而且为了降低激光加工热影响区对铜箔机械性能的影响，应保持适宜的孔间距。同时，在二维数字模型边缘保留非加工区域，防止因微孔圆周附近产生应力集中现象，在锂离子电池充、放电过程中铜箔体积变化而导致铜箔开裂。将二维数字模型导入激光加工系统。

(2)选取厚度为12μm的电解铜箔，将待加工铜箔固定在箔材夹具上，该夹具夹头光滑平整，在夹持过程中不会对铜箔造成损伤，且能够避免铜箔在加工过程中因热变形而导致的弯曲，影响铜箔表面质量。利用上述导入二维数字模型的激光器发射高能激光束，激光束通过光导装置辐照在待加工铜箔表面，采用环切法作为激光加工方式，这种加工方式是利用激光光斑中心沿加工路径轨迹烧蚀材料来制取微孔。激光加工系统根据所设计的微孔阵列二维数字模型自动生成加工路径，从而实现微孔阵列的加工制备。加工完成后，采用兆声波清洗法去除油脂、激光烧蚀后产生的熔融物，以获取表面光洁的多孔铜箔(如图3)。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种锂离子电池多孔铜箔的制备方法。该方法包括：运用计算机辅助设计出微孔阵列的二维数字模型，将二维数字模型导入激光加工系统自动生成加工路径；利用激光器发射高能激光束，激光束通过光导装置辐照在铜箔表面，基于高能激光束的烧蚀效应，即可在铜箔上制备出形状和排布方式规则可控的微孔阵列。该方法工艺简单、对环境无污染、制孔精度高、能够实现微孔的主动设计与控制，微孔孔径和间距调整方便，并具有良好的加工一致性和稳定性。

技术研发人员：李康妹;蔡宇;高照阳;吴重军;胡俊
受保护的技术使用者：东华大学
技术研发日：2019.03.19
技术公布日：2019.06.14