一种负极新型复合铜箔集流体制备方法与流程

1.本发明涉及锂离子电池技术领域，特别是涉及一种负极新型复合铜箔集流体制备方法。


背景技术：

2.近年来，铜箔行业随着锂电池市场飞速发展而同步起飞。有机构预计2025年全球电动车销量将达到1800万辆，2021-2025年复合增速为36％。在此背景下，预计锂离子电池用铜箔到2025年的总需求约为109万吨。锂离子动力电池是电动车的核心供能部件。提高锂电池能量密度将延长电动汽车续航里程，对发展电动汽车技术具有重要意义。目前传统锂离子电池正极材料的能量密度已逼近理论值，如何进一步提升锂离子电池的能量密度是锂电池企业亟需解决的问题。铜箔是锂电池负极材料的载体与集流体，属于非活性物质。从提高锂电池质量能量密度/体积能量密度的需求出发，铜箔在锂电池中的质量占比/体积占比应当尽量低。因此，锂电铜箔朝着更薄、微孔、高抗拉强度、高延伸率和复合化方向发展，但铜箔厚度降低将带来加工难度的增加和良率的降低。目前厚度为6μm和4.5μm锂电铜箔成为市场主流产品。锂电铜箔的厚度能否进一步降低成为摆在铜箔生产企业面前的重要课题。
3.复合铜箔由支撑层和导电层组成，类似三明治结构(如图1所示)。支撑层是处于中间的具有一定厚度的pet(聚对苯二甲酸乙二醇酯)或pp(聚丙烯)膜，导电层是在支撑层两面镀上去的铜层。复合铜箔的核心工艺为磁控溅射和水电镀，即在高分子薄膜pet或pp基膜两面上先用真空磁控溅射的方式，制作一层金属导电层(图1中黄色标注)；然后采用水介质电镀将铜层加厚至1μm或以上厚度，制成复合铜箔,但是复合铜箔极片极耳位容易焊穿或焊接不上，作业人员的操作带来了不便。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对传统正极材料存在的问题，提供一种负极新型复合铜箔集流体的制备方法，以解决现有复合铜箔极片极耳位极易焊穿或焊接不上的技术问题。
5.为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
6.一种负极新型复合铜箔集流体，包括复合铜箔和pet膜，所述复合铜箔的长度为l，复合铜箔宽度为a，复合铜箔的厚度为b，所述复合铜箔包括中部的pet膜设置区段和分别设置在pet膜设置区段两侧的极耳；所述pet膜设置在pet膜设置区段的内部，所述pet膜的长度为e，所述pet膜的厚度为c；在pet膜设置区段上沿复合铜箔的厚度方向开设有若干个通孔。
7.在其中一个实施例中，所述极耳为极片焊接区域，每个极耳的宽度d为5mm-50mm；所述复合铜箔宽度为a为40mm-900mm，复合铜箔的厚度b为4μm-8μm，pet膜的厚度为c为2μm-6μm；pet膜的长度e为30mm-800mm pet膜上镀铜厚度为(b-c)/2，其中每个通孔的直径φ为8μm-30μm，且pet膜设置区段的通孔截面积为pet膜设置区段截面积的5％-40％。
8.一种负极新型复合铜箔集流体制备方法，包括以下步骤：
9.s1:将pp树脂、pet树脂、活性石墨、表面活性剂和偶联剂混合，获得复合料；
10.s2:将混合的复合料通过熔融、螺杆挤出、流延和铸片工艺，形成片材；
11.s3:将所述片材通过双向拉伸工艺形成复合基膜；
12.s4:将复合基膜通过磁控溅射和水电镀工艺，形成表面具有金属层的复合集流体。
13.s5:将复合铜箔通过激光打孔，形成微孔复合铜箔；
14.在其中一个实施例中，所述双向拉伸工艺包括异步双向拉伸或同步双向拉伸。
15.在其中一个实施例中，所述复合料中，活性石墨、表面活性剂、偶联剂，pp树脂和pet树脂分别占复合料总体质量的5-10％、0.5-5％、0.1-1％、64.4％-34.4％和30％-60％。
16.在其中一个实施例中，所述水电镀工艺的溶液包括ph值为27的硫酸铜溶液，所述硫酸铜溶液的浓度为0.2-1.5mol/l，电流密度为1-8asd。
17.在其中一个实施例中，所述磁控溅射包括惰性气体为0.1-10pa，直流负高压为3kv。
18.在其中一个实施例中，所述表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠、油酰氯多缩氨基酸钠雷米邦a或肪醇聚氧乙烯醚硫酸酯盐。
19.在其中一个实施例中，所述偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-脲基丙基三乙氧基硅烷或3-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷。
20.优点及效果：
21.1、安全性高。复合铜箔中间为有机绝缘层，降低电池燃烧起火爆炸的可能性。
22.2、能量密度高。与铜相比，pet材料密度小，所以pet铜箔整体质量较小，提升电池的能量密度。在总体厚度基本不增加的情况下，比原来的传统铜箔减轻了60％左右。
23.3、减少铜使用量，降低原材料成本。复合铜箔的中间层pet减少了铜用量，降低了成本；同时，与复合铜箔相比新型复合铜箔具有传统铜箔优良焊接能力。
附图说明
24.图1为本发明实施例的负极新型复合铜箔集流体的结构示意图，其中上侧图为本发明实施例的负极新型复合铜箔集流体的侧视图，下侧图为本发明实施例的负极新型复合铜箔集流体的俯视图；
25.图2为传统的复合铜箔集流体的结构示意图。
具体实施方式
26.为了使本领域的技术人员更好地理解本技术中的技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
27.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上，它可以直接在另一个元件上或者间接设置在另一个元件上；当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至另一个元件上。
28.需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
29.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”、“若干个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
30.须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本技术可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本技术所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本技术所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
31.如图1所示，一种负极新型复合铜箔集流体，包括复合铜箔和pet膜，所述复合铜箔的长度为l，复合铜箔宽度为a，复合铜箔的厚度为b，所述复合铜箔包括中部的pet膜设置区段和分别设置在pet膜设置区段两侧的极耳；所述pet膜设置在pet膜设置区段的内部，所述pet膜的长度为e，所述pet膜的厚度为c；在pet膜设置区段上沿复合铜箔的厚度方向开设有若干个通孔。本发明设计的复合铜箔中间为有机绝缘层，降低电池燃烧起火爆炸的可能性；同时，能量密度高。与铜相比，pet材料密度小，所以pet铜箔整体质量较小，提升电池的能量密度。在总体厚度基本不增加的情况下，比原来的传统铜箔减轻了60％左右；另外，还减少铜使用量，降低原材料成本。复合铜箔的中间层pet减少了铜用量，降低了成本；同时，与复合铜箔相比新型复合铜箔具有传统铜箔优良焊接能力。
32.本发明实施例的极耳为极片焊接区域，每个极耳的宽度d为5mm-50mm，复合铜箔宽度为a为40mm-900mm，复合铜箔的厚度b为4μm-8μm，pet膜的厚度为c为2μm-6μm；pet膜的长度e为30mm-800mm pet膜上镀铜厚度为(b-c)/2，其中每个通孔的直径φ为8μm-30μm，且pet膜设置区段的通孔截面积为pet膜设置区段截面积的5％-40％；其中pet膜的上表面到复合铜箔顶面的距离与pet膜的下表面到复合铜箔底面的距离相等。
33.一种负极新型复合铜箔集流体制备方法，包括以下步骤：
34.s1:将pp树脂、pet树脂、活性石墨、表面活性剂和偶联剂混合，获得复合料；
35.s2:将混合的复合料通过熔融、螺杆挤出、流延和铸片工艺，形成片材；
36.s3:将所述片材通过双向拉伸工艺形成复合基膜；
37.s4:将复合基膜通过磁控溅射和水电镀工艺，形成表面具有金属层的复合集流体。
38.s5:将复合铜箔通过激光打孔，形成微孔复合铜箔；
39.本发明与传统铜箔相比，复合微孔铜箔具有复合铜箔的优点，如下：1、安全性高。复合铜箔中间为有机绝缘层，降低电池燃烧起火爆炸的可能性。2、能量密度高。与铜相比，pet材料密度小，所以pet铜箔整体质量较小，提升电池的能量密度。在总体厚度基本不增加的情况下，比原来的传统铜箔减轻了60％左右。3、减少铜使用量，降低原材料成本。复合铜箔的中间层pet减少了铜用量，有效应对金属价格上涨。4、与复合铜箔相比，复合微孔铜箔具有传统铜箔优良焊接能力；同时与复合铜箔相比，复合微孔铜箔焊接区域为铜，而复合铜箔焊接区域主要为pet高分子材料，其次为铜。铜原材料内阻与铜厚度成反比，即铜越厚，铜
内阻越小。所以复合微孔铜箔焊接区域内阻远远小于复合铜箔焊接区域，即同电流强度通过复合微孔铜箔焊接区域与复合铜箔焊接区域时，根据焦耳定律q＝i2rt，复合微孔铜箔焊接区域产热和温升均小于复合铜箔焊接区域。5、与复合铜箔相比，复合微孔铜箔涂料区域有直通孔。在相同规格下，复合微孔铜箔长度方向铜原料长度小于复合铜箔。而铜原材料内阻与铜长度成正极，即铜越长，铜内阻越大。所以在相同规格下，复合微孔铜箔内阻小于复合铜箔，根据焦耳定律q＝i2rt，复合微孔铜箔涂料区域产热和温升均小于复合铜箔涂料区域。6、与复合铜箔相比，复合微孔铜箔涂料区域有直通孔。直通孔可储存电解液，同时增大集流体与电解液的接触面积，有利于散热。
40.本发明实施例的双向拉伸工艺包括异步双向拉伸或同步双向拉伸。
41.本发明实施例的复合料中，复合料中，活性石墨、表面活性剂、偶联剂，pp树脂和pet树脂分别占复合料总体质量的5-10％、0.5-5％、0.1-1.6％、64.4％-34.4％和30％-49％。
42.本发明实施例的水电镀工艺的溶液包括ph值为27的硫酸铜溶液，所述硫酸铜溶液的浓度为0.2-1.5mol/l，电流密度为1-8asd。
43.本发明实施例的磁控溅射包括惰性气体为0.1-10pa，直流负高压为3kv。
44.本发明实施例的表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠、油酰氯多缩氨基酸钠雷米邦a或肪醇聚氧乙烯醚硫酸酯盐。
45.本发明实施例的所述偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-脲基丙基三乙氧基硅烷或3-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷。
46.实施例1
47.一种负极新型复合铜箔集流体制备方法如下：
48.活性石墨、表面活性剂、偶联剂，pp树脂和pet树脂分别占复合料总体质量的5％、0.5％、0.1％、64.4％和30％。
49.s1:将64.4kg pp树脂、30kg pet树脂、5kg活性石墨、0.5kg十二烷基苯磺酸钠和0.1kgγ-氨丙基三乙氧基硅烷一次加入混料机中，以25rpm/min公转和1000rpm/min自转搅拌15h，获得复合料；
50.s2:将s1混合的复合料通过320℃高温熔融、300℃螺杆挤出、310℃流延和25℃铸片辊铸片工艺，形成一定规格的片材；
51.s3:双向拉伸工艺参数，纵拉温度为115℃、横拉温度为140℃、热定型温度为245℃、纵向拉伸倍率为6、横向拉伸倍率为9，将所述片材通过双向拉伸工艺形成得到的pp/pet/活性石墨复合膜的厚度为4.5μm、纵向断裂强度为252mpa、横向断裂强度为268mpa、纵向断裂伸长率为151％、横向断裂伸长率为124％、电导率为9.1
×
10-10s/m。
52.s4:将s3复合基膜通过磁控溅射和水电镀工艺，形成复合铜箔。其中：磁控溅射设置惰性气体为0.1pa，直流负高压为3kv。水电镀选用0.2mol/l的硫酸铜溶液，其中硫酸铜溶液ph值为27，电流密度为1asd，复合基膜上下层金属层厚度为1μm，复合基膜两侧焊接区金属层厚度为6.5μm。
53.s5:将复合铜箔通过激光打孔，形成复合微孔铜箔，其中pet膜设置区段的通孔截面积为pet膜设置区段截面积的5％，φ为8μm。
54.实施例2
55.一种负极新型复合铜箔集流体制备方法如下：
56.活性石墨、表面活性剂、偶联剂，pp树脂和pet树脂分别占复合料总体质量的10％、5％、1.6％、34.4％和49％。
57.s1:将34.4kg pp树脂、49kg pet树脂、10kg活性石墨、5kg十二烷基苯磺酸钠和1.6kgγ-脲基丙基三乙氧基硅烷一次加入混料机中，以25rpm/min公转和1000rpm/min自转搅拌15h，获得复合料；
58.s2:将s1混合的复合料通过320℃高温熔融、300℃螺杆挤出、310℃流延和25℃铸片辊铸片工艺，形成一定规格的片材；
59.s3:双向拉伸工艺参数，纵拉温度为115℃、横拉温度为140℃、热定型温度为245℃、纵向拉伸倍率为6、横向拉伸倍率为9，将所述片材通过双向拉伸工艺形成得到的pp/pet/活性石墨复合膜的厚度为2.5μm、纵向断裂强度为202mpa、横向断裂强度为218mpa、纵向断裂伸长率为141％、横向断裂伸长率为114％、电导率为8.1
×
10-10s/m。
60.s4:将s3复合基膜通过磁控溅射和水电镀工艺，形成复合铜箔。其中：磁控溅射设置惰性气体为10pa，直流负高压为3kv。水电镀选用1.5mol/l的硫酸铜溶液，其中硫酸铜溶液ph值为27，电流密度为8asd，复合基膜上下层金属层厚度为1μm，复合基膜两侧焊接区金属层厚度为4.5μm。
61.s5:将复合铜箔通过激光打孔，形成复合微孔铜箔，pet膜设置区段的通孔截面积为pet膜设置区段截面积的30％，φ为30μm。
62.实施例3
63.一种负极新型复合铜箔集流体制备方法如下：
64.活性石墨、表面活性剂、偶联剂，pp树脂和pet树脂分别占复合料总体质量的9％、5％、1.6％、36.4％和48％。
65.s1:将36.4kg pp树脂、48kg pet树脂、9kg活性石墨、5kg十二烷基苯磺酸钠和1.6kg3-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷一次加入混料机中，以25rpm/min公转和1000rpm/min自转搅拌15h，获得复合料；
66.s2:将s1混合的复合料通过320℃高温熔融、300℃螺杆挤出、310℃流延和25℃铸片辊铸片工艺，形成一定规格的片材；
67.s3:双向拉伸工艺参数，纵拉温度为115℃、横拉温度为140℃、热定型温度为245℃、纵向拉伸倍率为6、横向拉伸倍率为9，将所述片材通过双向拉伸工艺形成得到的pp/pet/活性石墨复合膜的厚度为2.5μm、纵向断裂强度为202mpa、横向断裂强度为218mpa、纵向断裂伸长率为141％、横向断裂伸长率为114％、电导率为8.1
×
10-10s/m。
68.s4:将s3复合基膜通过磁控溅射和水电镀工艺，形成复合铜箔。其中：磁控溅射设置惰性气体为6pa，直流负高压为3kv。水电镀选用1.5mol/l的硫酸铜溶液，其中硫酸铜溶液ph值为27，电流密度为5asd，复合基膜上下层金属层厚度为1μm，复合基膜两侧焊接区金属层厚度为4.5μm。
69.s5:将复合铜箔通过激光打孔，形成复合微孔铜箔，pet膜设置区段的通孔截面积为pet膜设置区段截面积的40％，φ为20μm。
70.如图2所示，传统复合铜箔集流体有pet层的地方焊接不上，铜箔太薄了，会焊穿；而本实施例的新型复合铜箔可以在两侧的极耳位置焊接，焊接性能良好，焊接拉力与传统
电解铜箔极片相当。本发明的电池新型复合铜箔集流体，具有传统复合铜箔优点，又同时具有传统电解液铜箔优点。
71.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
72.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种负极新型复合铜箔集流体，其特征在于，包括复合铜箔和pet膜，所述复合铜箔的长度为l，复合铜箔宽度为a，复合铜箔的厚度为b，所述复合铜箔包括中部的pet膜设置区段和分别设置在pet膜设置区段两侧的极耳；所述pet膜设置在pet膜设置区段的内部，所述pet膜的长度为e，所述pet膜的厚度为c；在pet膜设置区段上沿复合铜箔的厚度方向开设有若干个通孔。2.根据权利要求1所述的复合集流体的制备方法，其特征在于，所述极耳为极片焊接区域，每个极耳的宽度d为5mm-50mm；所述复合铜箔宽度为a为40mm-900mm，复合铜箔的厚度b为4μm-8μm，pet膜的厚度为c为2μm-6μm；pet膜的长度e为30mm-800mm pet膜上镀铜厚度为(b-c)/2，其中每个通孔的直径φ为8μm-30μm，且pet膜设置区段的通孔截面积为pet膜设置区段截面积的5％-40％。3.一种负极新型复合铜箔集流体制备方法，其特征在于，包括以下步骤：s1:将pp树脂、pet树脂、活性石墨、表面活性剂和偶联剂混合，获得复合料；s2:将混合的复合料通过熔融、螺杆挤出、流延和铸片工艺，形成片材；s3:将所述片材通过双向拉伸工艺形成复合基膜；s4:将复合基膜通过磁控溅射和水电镀工艺，形成表面具有金属层的复合集流体。s5:将复合铜箔通过激光打孔，形成微孔复合铜箔。4.根据权利要求3所述的负极新型复合铜箔集流体制备方法，其特征在于，所述双向拉伸工艺包括异步双向拉伸或同步双向拉伸。5.根据权利要求3所述的负极新型复合铜箔集流体制备方法，其特征在于，所述复合料中，活性石墨、表面活性剂、偶联剂，pp树脂和pet树脂分别占复合料总体质量的5-10％、0.5-5％、0.1-1％、64.4％-34.4％和30％-60％。6.根据权利要求3所述的负极新型复合铜箔集流体制备方法，其特征在于，所述水电镀工艺的溶液包括ph值为27的硫酸铜溶液，所述硫酸铜溶液的浓度为0.2-1.5mol/l，电流密度为1-8asd。7.根据权利要求3所述的负极新型复合铜箔集流体制备方法，其特征在于，所述磁控溅射包括惰性气体为0.1-10pa，直流负高压为3kv。8.根据权利要求3所述的负极新型复合铜箔集流体制备方法，其特征在于，所述表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠、油酰氯多缩氨基酸钠雷米邦a或肪醇聚氧乙烯醚硫酸酯盐。9.根据权利要求3所述的负极新型复合铜箔集流体制备方法，其特征在于，所述偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-脲基丙基三乙氧基硅烷或3-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷。

技术总结
本发明涉及一种负极新型复合铜箔集流体制备方法，包括以下步骤：S1:将PP树脂、PET树脂、活性石墨、表面活性剂和偶联剂混合，获得复合料；S2:将混合的复合料通过熔融、螺杆挤出、流延和铸片工艺，形成片材；S3:将所述片材通过双向拉伸工艺形成复合基膜；S4:将复合基膜通过磁控溅射和水电镀工艺，形成表面具有金属层的复合集流体。S5:将复合铜箔通过激光打孔，形成微孔复合铜箔。本发明的负极新型复合铜箔集流体的PET铜箔整体质量较小，提升了电池的能量密度；同时，减少铜使用量，降低原材料成本；另外，与传统的复合铜箔相比新型复合铜箔具有传统铜箔优良焊接能力。传统铜箔优良焊接能力。传统铜箔优良焊接能力。


技术研发人员：刘林 高云 刘龙 陈昶 张承业 安富强
受保护的技术使用者：湖南领湃新能源科技有限公司 衡阳领湃新能源科技有限公司 湖南领湃新能源研究院有限公司 湖南领湃储能科技有限公司
技术研发日：2023.06.19
技术公布日：2023/9/9