一種新型多孔銅箔的制備工藝及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鋰離子電池，特別提供一種新型多孔銅箔制備工藝，所得具有三維通孔結(jié)構(gòu)的銅箔可用于鋰離子二次電池的負極集電體或集流體。
【背景技術(shù)】
[0002]鋰離子電池被稱為21世紀的理想能源、綠色能源和主導(dǎo)電源，顯示出了廣闊的應(yīng)用前景和潛在的巨大經(jīng)濟效益。而隨著電子工業(yè)、電動汽車及航空航天技術(shù)的進步，對為其提供能量的鋰離子電池的性能則提出了更高的要求。
[0003]鋰離子二次電池是將正極、負極和隔膜一起卷成筒狀裝入外殼中而構(gòu)成的。根據(jù)鋰離子電池的工作原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計，石墨和石油焦等負極材料需涂敷于導(dǎo)電集流體上。銅箔由于具有導(dǎo)電性好、質(zhì)地較軟、制造技術(shù)較成熟、價格相對低廉等特點，成為鋰離子電池負極集流體首選。銅箔在鋰離子電池內(nèi)既當負極活性材料的載體，又充當負極電子收集與傳導(dǎo)體。但是鋰離子二次電池在充放電過程中經(jīng)常因活性物質(zhì)和集電體的剝離會導(dǎo)致充放電效率的降低。為了解決以往技術(shù)中存在的問題，希望作為負極的集電體的銅箔表面具有適度的凹凸或具有通孔。
[0004]制作通孔集電體，通常的方法是采用機械沖孔的方法制備通孔銅箔集電體。此外，日本專利(公開公報平8-124575號)采用厚度為40?80 μ m的金屬箔上形成鋸齒狀裂縫后將其展開，并形成為網(wǎng)眼狀，但是這種集電體開孔率較大，為使極板單位面積上承載等量的活性物質(zhì)，必須使糊狀物的涂布厚度增大，其結(jié)果往往是造成集電效率降低，不能夠獲得高性能電池。
[0005]中國專利申請CN1275176A公開了一種多孔銅箔及其制備方法，該多孔銅箔是由平均粒徑為I?50 μ m的銅粒子在平面方向互相結(jié)合而形成的，其透光率在0.01%以上，且成箔時的陰極側(cè)表面的表面粗糙度和其相反側(cè)表面的表面粗糙度之差Rz在5?20 μ m的范圍內(nèi)。也曾有研究者用其它方法制備多孔銅箔，但是大多數(shù)多孔銅箔的制造工序較復(fù)雜，或者作為鋰離子二次電池用集電體使用時不能使其性能獲得充分的發(fā)揮，所以，人們希望研制出一種性能更好的多孔銅箔。
[0006]本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題提出一種全新的制備多孔銅箔的工藝，其目的是提供一種作為鋰離子二次電池用集電體使用的具有三維通孔結(jié)構(gòu)的銅箔，并且相對于傳統(tǒng)銅箔，本發(fā)明可以有效降低銅箔的重量，從而減輕電池重量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種制備具有三維通孔結(jié)構(gòu)的銅箔的制備工藝，旨在用于鋰離子二次電池的負極集電體或集流體，從而減少電池的重量。
[0008]本發(fā)明具體提供了一種制備三維通孔結(jié)構(gòu)銅箔的制備工藝，其特征在于:選用傳統(tǒng)黃銅合金箔片為原材料，在真空條件下，將原材料在400°C -800°C溫度區(qū)間內(nèi)處理，將黃銅合金中鋅元素逐漸脫出，最終獲得多孔銅箔。
[0009]本發(fā)明所述所述新型多孔銅箔的制備工藝，其特征在于:所述黃銅合金箔片原材料的厚度為5-200微米，其鋅元素的原子百分比控制在20-80%之間(優(yōu)選35% -65%之間)以形成不同的孔隙率。
[0010]本發(fā)明所述新型多孔銅箔的制備工藝，其特征在于:優(yōu)選的處理溫度為4500C _650°C，持續(xù)抽真空1-2小時，真空度小于10Pa。
[0011]鋰離子電池負極集電體常用厚度為15-40微米的銅箔，因此最優(yōu)多孔銅箔制備工藝為:選擇厚度為15-40微米、鋅含量控制在35%-65at.%的黃銅合金箔片，在持續(xù)抽真空條件下，將黃銅合金箔片在450°C -650°C下處理1-2小時。
[0012]采用本發(fā)明所述新型多孔銅箔制備工藝制備的多孔銅箔，其特征在于:所得多孔銅箔的孔徑在0.1-20微米之間。
[0013]在制備多孔銅箔的原材料內(nèi)可以添加活性嵌鋰金屬以提高鋰離子電池的性能，活性嵌鋰金屬指與鋰能形成金屬間化合物或合金的金屬元素，如硅、鎂、鈣、鋁、鍺、錫、鉛、砷、銻、鉍、鉬、銀、金、鋅、鎘、銦等，鑒于環(huán)保要求和經(jīng)濟成本，建議優(yōu)選為硅、錫、鎂和鋁中的任意一種或兩種以上的組合，多孔銅箔中加入活性嵌鋰金屬能夠和離子電池負極材料一起形成復(fù)合負極材料，共同提高電池的充放電能力。
[0014]采用本發(fā)明所述工藝制備的多孔銅箔可以應(yīng)用于鋰離子二次電池的負極集電體或集流體，也可以用于制備其它電池和超級電容器的電極材料。
[0015]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0016](I)、原材料黃銅箱片成本較低,制備容易。
[0017](2)、真空熱處理工藝成熟，容易大工業(yè)生產(chǎn)。
[0018](3)、采用本工藝方法制備的三維多孔銅箔比同樣尺寸普通銅箔質(zhì)量降低20% -80%,在增大集電體有效表面積的同時，可以有效降低整個電池的重量。
[0019](4)、采用本發(fā)明方法制備的多孔銅箔，也可以用于催化、過濾等領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0020]圖1實施例4所得三維多孔銅箔的掃描電鏡照片(5 μ m)。
【具體實施方式】
[0021]以下實施例將對本發(fā)明予以進一步的說明，但并不因此而限制本發(fā)明。
[0022]如無特殊說明，本實施例中所有百分數(shù)均表示原子百分比。
[0023]實施例1
[0024]采用市售黃銅箔片(62黃銅，含鋅量38%左右)，0.1mm厚，裁成20 X 20mm小片，懸掛在實驗室小型真空熱處理爐內(nèi)，在700°C保溫2小時，持續(xù)高真空，真空度保持在1Pa以內(nèi)，獲得三維多孔銅箔，由于溫度較高部分孔已經(jīng)閉合，孔徑為1-5微米，孔隙率為15%左右。
[0025]實施例2
[0026]采用市售黃銅箔片(62黃銅，含鋅量38%左右)，0.03mm厚，裁成20 X 20mm小片，懸掛在實驗室小型真空熱處理爐內(nèi)，在600°C保溫I小時，持續(xù)高真空，真空度保持在6Pa以內(nèi)，獲得三維多孔銅箔，孔徑為2-10微米，孔隙率為25%左右。
[0027]實施例3
[0028]采用市售黃銅箔片(62黃銅，含鋅量38%左右)，0.03mm厚，裁成50 X 80mm小片，懸掛在實驗室小型真空熱處理爐內(nèi)，在500°C保溫I小時，持續(xù)高真空，真空度保持在1Pa以內(nèi)，獲得三維多孔銅箔，孔徑為2-10微米，孔隙率為40%左右，此溫度為獲得多孔銅箔的最佳溫度。
[0029]實施例4
[0030]采用自制的加3%硅元素的50黃銅，線切割成20X20X0.4mm薄片，砂紙磨光到0.2_厚，懸掛在實驗室小型真空熱處理爐內(nèi)，在500°C保溫2小時，持續(xù)高真空，真空度保持在5Pa以內(nèi)，獲得三維多孔銅箔(圖1)，孔徑相對均勻，孔隙率達到50%左右。
[0031]上述實施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，并不能以此限制本發(fā)明的保護范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種新型多孔銅箔的制備工藝，其特征在于:選用傳統(tǒng)黃銅合金箔片為原材料，在真空條件下，將原材料在400°c -800°c溫度區(qū)間內(nèi)處理，將黃銅合金中鋅元素逐漸脫出，最終獲得多孔銅箔。2.按照權(quán)利要求1所述新型多孔銅箔的制備工藝，其特征在于:所述黃銅合金箔片的厚度為5-200微米。3.按照權(quán)利要求1或2所述新型多孔銅箔的制備工藝，其特征在于:所述黃銅合金箔片中鋅元素的原子百分比控制在20-80%之間。4.按照權(quán)利要求3所述新型多孔銅箔的制備工藝，其特征在于:所述黃銅合金箔片中鋅元素的原子百分比控制在35% -65%之間。5.按照權(quán)利要求1所述新型多孔銅箔的制備工藝，其特征在于:處理溫度為4500C _650°C，持續(xù)抽真空1-2小時，真空度小于10Pa。6.按照權(quán)利要求1所述新型多孔銅箔的制備工藝，其特征在于，具體制備工藝為:選擇厚度為15-40微米、鋅含量控制在35% -65at.%的黃銅合金箔片，在持續(xù)抽真空條件下，將黃銅合金箔片在450°C -650°C下處理1-2小時。7.一種按照權(quán)利要求1所述新型多孔銅箔制備工藝制備的多孔銅箔，其特征在于:所得多孔銅箔的孔徑在0.1-20微米之間。8.按照權(quán)利要求7所述新型多孔銅箔制備工藝制備的多孔銅箔，其特征在于:在制備多孔銅箔的原材料中添加一種或多種活性嵌鋰金屬元素，所述活性嵌鋰金屬元素是指與鋰能形成金屬間化合物或合金的金屬元素。9.按照權(quán)利要求8所述新型多孔銅箔制備工藝制備的多孔銅箔，其特征在于:所述活性嵌鋰金屬元素是硅、錫、鎂和鋁中的任意一種或兩種以上的組合。10.一種權(quán)利要求7?9任一所述新型多孔銅箔制備工藝制備的多孔銅箔作為鋰離子二次電池的負極集電體或集流體的應(yīng)用。
【專利摘要】本發(fā)明的目的在于提供一種制備具有三維通孔結(jié)構(gòu)銅箔的制備工藝，其特征在于：選用傳統(tǒng)黃銅合金箔片為原材料，在真空條件下，將原材料在400℃-800℃溫度區(qū)間內(nèi)處理，將黃銅合金中鋅元素逐漸脫出，最終獲得多孔銅箔。該方法旨在用于鋰離子二次電池的負極集電體或集流體，從而減少電池的重量，也可以用于制備其它電池和超級電容器的電極材料。且所述方法工藝簡單，適合大規(guī)模生產(chǎn)，且所得產(chǎn)品比同樣尺寸普通銅箔質(zhì)量降低20％-80％，可以有效降低整個電池的重量。
【IPC分類】C22C3/00, H01M4/80
【公開號】CN105018776
【申請?zhí)枴緾N201410182910
【發(fā)明人】任伊賓, 肖克沈, 孫玉霞, 楊柯
【申請人】中國科學(xué)院金屬研究所
【公開日】2015年11月4日
【申請日】2014年4月30日