复合铜箔集流体及其制备方法、生产系统与流程

本发明涉及导电薄膜，特别是涉及一种复合铜箔集流体及其制备方法、生产系统。

背景技术：

1、导电金属薄膜是一类具有多种良好性能的材料，现已广泛应用于电池中作为正极集流体或者负极集流体。

2、复合铜箔集流体是目前锂离子电池等领域不可或缺的材料。在电子电路领域，电互连是超大规模集成电路和纳米机电设备的重要组成部分，它们需要高导电性、强而稳定的导线。新兴的三维集成电路技术还需要在垂直堆叠的集成电路芯片之间通过硅通孔布线系统进行信号传输、供电和散热，这些导线必须通过电介质包围的结构以高纵横比沉积。在锂离子电池中，铜箔被广泛用作锂离子电池阳极的集电器，在充放电期间，石墨被用作阳极时膨胀约13％，硅被用作阳极时体积可以显著增加到300％，这可能会导致普通电解铜箔失效。因此，要解决上述问题，必须在获得铜高导热及导电特性的同时提高铜箔的力学性能。

3、在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：纳米栾晶铜层结构具有非常好的力学性能以及导电性能，并且纳米栾晶铜是对铜自身纳米级微观结构的控制，故此纳米孪晶铜非常适用于复合集流体领域的应用。现有技术多通过磁控溅射后做电化学沉积(电镀)得到纳米孪晶铜层，但该工艺方法得到的纳米孪晶铜包含了具有(111)晶面择优取向的孪晶铜以及具有(220)晶面择优取向的栾晶铜，使得纳米孪晶铜层在靠近基材一侧形成细晶过渡层，细晶过渡层的存在影响了复合铜箔集流体的导电性能。由于磁控溅射工艺得到具有(111)晶面择优取向的孪晶铜的工艺难道较大，导致后工序的电化学沉积难以得到完全的具有(111)晶面择优取向的孪晶铜。现有技术中虽然已有一些通过热处理方式来消除细晶过渡层的方法，但其在消除细晶过渡层的同时，会造成纳米孪晶铜层晶粒的粗化，降低了复合铜箔集流体的力学性能。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种复合铜箔集流体及其制备方法、生产系统，以进一步提高复合铜箔集流体材料的力学性能，使其应用范围更加广泛。

2、第一方面，本发明实施例提供了一种复合铜箔集流体的制备方法，包括以下步骤：

3、提供基材：所述基材包括高分子薄膜和分别设在所述高分子薄膜两侧表面的铜种子层，所述铜种子层采用磁控溅射方式形成；

4、电镀：通过电镀的方式在所述铜种子层上形成纳米孪晶铜层，得到半成品膜；所用电镀液包括：硫酸铜、硫酸、盐酸、添加剂和水；所述纳米孪晶铜层包括具有(111)晶面择优取向的孪晶铜和具有(220)晶面择优取向的孪晶铜；

5、热处理：对所述半成品膜进行退火或自然冷却，所述退火的加热温度范围为不高于150℃，使所述具有(220)晶面择优取向的孪晶铜部分转变为具有(111)晶面择优取向的孪晶铜。

6、进一步地，所述高分子薄膜包括pp膜、pet膜或ao膜中的一种；

7、和/或，所述基材的厚度为3.5μm-12μm。

8、进一步地，所述磁控溅射的起镀真空度小于0.005pa，氩气流量为80-100ml/min，普通冷却温度为-30℃-0℃，磁控溅射的时间为90-100s。

9、进一步地，所述硫酸铜的浓度为50-80g/l，所述硫酸的浓度为130-150g/l，所述盐酸的浓度为30-80mg/l；所述添加剂包括聚二硫二丙烷磺酸钠和聚乙二醇，所述聚二硫二丙烷磺酸钠的浓度为12-25mg/l，所述聚乙二醇的浓度为180-280mg/l，所述聚乙二醇的分子量为8000。

10、进一步地，所述电镀步骤的线速度为3-5m/min，所述纳米孪晶铜层的厚度为0.8-1.2μm。

11、进一步地，所述电镀步骤采用梯度电流的方式进行电镀，所述梯度电流包括依次衔接转换的1号电流至12号电流，所述1号电流的电流密度为0.15-0.35a/dm2，时间为20-50s；所述2号电流的电流密度为0.35-0.45a/dm2，时间为20-50s；所述3号电流的电流密度为0.45-0.55a/dm2，时间为20-50s；所述4号电流的电流密度为0.55-0.65a/dm2，时间为20-50s；所述5号电流的电流密度为0.55-0.95a/dm2，时间为40-60s；所述6号电流的电流密度为0.95-1.15a/dm2，时间为40-60s；所述7号电流的电流密度为1-1.2a/dm2，时间为60-80s；所述8号电流的电流密度为1.2-1.4a/dm2，时间为60-80s；所述9号电流的电流密度为1.4-1.6a/dm2，时间为60-80s；所述10号电流的电流密度为1.4-1.6a/dm2，时间为60-80s；所述11号电流的电流密度为1.5-1.7a/dm2，时间为60-100s；所述12号电流的电流密度为1.8-2.0a/dm2，时间为60-100s。

12、进一步地，所述退火的时间为5-10min，所述半成品膜的输送速度为30m/min，所述退火的加热温度范围为100-150℃。

13、进一步地，所述纳米孪晶铜层包括依次形成的细晶过渡层和纳米晶粒层；所述细晶过渡层位于所述铜种子层和所述纳米晶粒层之间，所述细晶过渡层包括所述具有(220)晶面择优取向的孪晶铜；所述纳米晶粒层包括具有(111)晶面择优取向的孪晶铜。

14、第二方面，本发明实施例提供了一种复合铜箔集流体，采用如上所述的复合铜箔集流体的制备方法制造而成。

15、第三方面，本发明实施例提供一种复合铜箔集流体生产系统，包括：

16、基材生产设备，用于生产基材，包括磁控溅射设备，所述基材包括高分子薄膜和分别设在所述高分子薄膜两侧表面的铜种子层，所述铜种子层经所述磁控溅射设备制成；

17、电镀设备，用于在所述铜种子层上形成纳米孪晶铜层，得到半成品膜；所用电镀液包括：硫酸铜、硫酸、盐酸、添加剂和水；所述纳米孪晶铜层包括具有(111)晶面择优取向的孪晶铜和具有(220)晶面择优取向的孪晶铜；

18、热处理设备，用于对所述半成品膜进行退火或自然冷却，所述退火的加热温度范围为不高于150℃，使所述具有(220)晶面择优取向的孪晶铜部分转变为具有(111)晶面择优取向的孪晶铜。

19、上述技术方案具有如下有益效果：本发明实施例提供的复合铜箔集流体及其制备方法、生产系统，其制备纳米孪晶铜层的方式非常简单，且通过采用特殊的电镀液生成具有较大内应力的纳米孪晶铜层，再通过后续的热处理工艺使纳米孪晶铜层的具有(220)晶面择优取向的孪晶铜部分转变为具有(111)晶面择优取向的孪晶铜，从而消除细晶过渡层，提高复合铜箔集流体的导电及力学性能。本方案的热处理采用自然冷却或低温退火工艺，在实现晶粒结构转化的基础上，减少了晶粒粗化的发生，进一步提高了力学性能。

技术特征：

1.一种复合铜箔集流体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的复合铜箔集流体的制备方法，其特征在于，所述高分子薄膜包括pp膜、pet膜或ao膜中的一种；

3.如权利要求1或2所述的复合铜箔集流体的制备方法，其特征在于，所述磁控溅射的起镀真空度小于0.005pa，氩气流量为80-100ml/min，普通冷却温度为-30℃-0℃，磁控溅射的时间为90-100s。

4.如权利要求3所述的复合铜箔集流体的制备方法，其特征在于，所述硫酸铜的浓度为50-80g/l，所述硫酸的浓度为130-150g/l，所述盐酸的浓度为30-80mg/l；所述添加剂包括聚二硫二丙烷磺酸钠和聚乙二醇，所述聚二硫二丙烷磺酸钠的浓度为12-25mg/l，所述聚乙二醇的浓度为180-280mg/l，所述聚乙二醇的分子量为8000。

5.如权利要求1、2或4任意一项所述的复合铜箔集流体的制备方法，其特征在于，所述电镀步骤的线速度为3-5m/min，所述纳米孪晶铜层的厚度为0.8-1.2μm。

6.如权利要求1、2或4任意一项所述的复合铜箔集流体的制备方法，其特征在于，所述电镀步骤采用梯度电流的方式进行电镀，所述梯度电流包括依次衔接转换的1号电流至12号电流，所述1号电流的电流密度为0.15-0.35a/dm2，时间为20-50s；所述2号电流的电流密度为0.35-0.45a/dm2，时间为20-50s；所述3号电流的电流密度为0.45-0.55a/dm2，时间为20-50s；所述4号电流的电流密度为0.55-0.65a/dm2，时间为20-50s；所述5号电流的电流密度为0.55-0.95a/dm2，时间为40-60s；所述6号电流的电流密度为0.95-1.15a/dm2，时间为40-60s；所述7号电流的电流密度为1-1.2a/dm2，时间为60-80s；所述8号电流的电流密度为1.2-1.4a/dm2，时间为60-80s；所述9号电流的电流密度为1.4-1.6a/dm2，时间为60-80s；所述10号电流的电流密度为1.4-1.6a/dm2，时间为60-80s；所述11号电流的电流密度为1.5-1.7a/dm2，时间为60-100s；所述12号电流的电流密度为1.8-2.0a/dm2，时间为60-100s。

7.如权利要求1、2或4任意一项所述的复合铜箔集流体的制备方法，其特征在于，所述退火的时间为5-10min，所述半成品膜的输送速度为30m/min，所述退火的加热温度范围为100-150℃。

8.如权利要求1、2或4任意一项所述的复合铜箔集流体的制备方法，其特征在于，所述纳米孪晶铜层包括依次形成的细晶过渡层和纳米晶粒层；所述细晶过渡层位于所述铜种子层和所述纳米晶粒层之间，所述细晶过渡层包括所述具有(220)晶面择优取向的孪晶铜；所述纳米晶粒层包括具有(111)晶面择优取向的孪晶铜。

9.一种复合铜箔集流体，其特征在于，采用如权利要求1至8任意一项所述的复合铜箔集流体的制备方法制造而成。

10.一种复合铜箔集流体生产系统，其特征在于，包括：

技术总结
本发明实施例提供复合铜箔集流体及其制备方法、生产系统，该制备方法包括：提供基材：基材包括高分子薄膜和分别设在高分子薄膜两侧表面的铜种子层，铜种子层采用磁控溅射方式形成；电镀：通过电镀的方式在铜种子层上形成纳米孪晶铜层，得到半成品膜；电镀液包括：硫酸铜、硫酸、盐酸、添加剂和水；纳米孪晶铜层包括(111)晶面择优取向的孪晶铜和(220)晶面择优取向的孪晶铜；热处理：对半成品膜进行退火或自然冷却，退火的加热温度范围为不高于150℃，使(220)晶面择优取向的孪晶铜部分转变为(111)晶面择优取向的孪晶铜。该复合铜箔集流体及其制备方法、生产系统，其制备过程简单，力学性能优异，使复合铜箔集流体的应用范围更加广泛。

技术研发人员：臧世伟
受保护的技术使用者：深圳金美新材料科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/6