專利名稱：具有異形盲孔陣列結(jié)構(gòu)的鋰離子電池集流體及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋰離子電池集流體及其工藝，尤其涉及具有異形盲孔陣列結(jié)構(gòu)的鋰離子電池集流體及制造方法。
背景技術(shù)：
隨著社會(huì)的進(jìn)步，能源問(wèn)題日益成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵因素。鋰離子電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)；不僅已廣泛作為手機(jī)、筆記本電腦、數(shù)碼照相機(jī)和攝像機(jī)等便攜式電子設(shè)備的電源，而且在電動(dòng)工具、電動(dòng)助力車以及電動(dòng)汽車等領(lǐng)域顯示出良好的應(yīng)用前景。目前鋰離子電池集流體材料主要有石墨類碳和金屬錫。而石墨類碳作為鋰離子電池的負(fù)極材料幾乎已達(dá)到其理論比容量，不能滿足人們對(duì)鋰離子電池日益增長(zhǎng)的需求。金屬錫因具有質(zhì)量比容量和體積比容量大等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注和研究。但金屬錫在與鋰合金化的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生巨大的體積膨脹，造成活性材料粉化、脫落，活性材料與基底的電子接觸電阻增大，最終導(dǎo)致容量衰減速度增大。研究發(fā)現(xiàn)，與目前使用的光滑銅片集流體電極相比具有三維結(jié)構(gòu)的集流體電極不僅可緩解電極在充放電過(guò)程中的體積變化，而且可改善合金電極的高倍率充放電性能。此外，目前大都采用發(fā)泡技術(shù)來(lái)制造具有孔槽結(jié)構(gòu)的金屬薄片，這種制造方法僅限于對(duì)總體的孔隙率和孔徑的大體尺寸進(jìn)行控制，而無(wú)法在金屬薄片上加工出具有介觀尺度規(guī)則三維形貌的孔槽結(jié)構(gòu)及陣列。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的缺點(diǎn)和不足，本發(fā)明的目的在于提供具有異形盲孔陣列結(jié)構(gòu)的鋰離子電池集流體及制造方法，具有更好的循環(huán)性能，能顯著提高鋰離子電池的使用性能。本發(fā)明具體技術(shù)方案如下具有異形盲孔陣列結(jié)構(gòu)的鋰離子電池集流體的制造方法，其特點(diǎn)在于包括如下步驟(1)根據(jù)所需制備的集流體厚度及異形盲孔深度來(lái)確定使用的金屬箔片的厚度及層數(shù)，金屬箔片厚度為1 5 μ m、層數(shù)為4 10層；(2)制備所需尺寸和數(shù)量的金屬箔片，各金屬箔片外形尺寸相同；金屬箔片形狀為矩形或圓形；(3)將所使用的夾具的凹模固定在激光器或電火花加工機(jī)床工作臺(tái)面上，夾具的凹模的模腔形狀和尺寸與金屬箔片的形狀和尺寸相對(duì)應(yīng)；(4)根據(jù)所要制造的異形盲孔陣列結(jié)構(gòu)，通過(guò)離散分層方法設(shè)計(jì)出每一層金屬箔片對(duì)應(yīng)的二維結(jié)構(gòu)，將已制備好的金屬箔片中的一片放入夾具的凹模內(nèi)作為第一層，用激光或電火花加工方法在金屬箔片上加工出設(shè)定的孔槽結(jié)構(gòu)；(5)依次放入下一層金屬箔片，利用步驟(4)所述的激光或電火花加工方法在這一層金屬箔片上加工出所設(shè)定的異形盲孔槽結(jié)構(gòu)；依次重復(fù)上述操作直至完成所有金屬箔片上二維結(jié)構(gòu)的加工；(6)各層金屬箔片加工好后，利用夾具的凸模與凹模將重疊放置的金屬箔片壓實(shí)， 具體是通過(guò)逐漸鎖緊夾具四周的螺栓實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬箔片的擠壓；(7)將夾具整體放入真空燒結(jié)爐或者氣氛保護(hù)爐中，進(jìn)行保溫?zé)Y(jié)，保溫?zé)Y(jié)完成后，隨爐冷卻至室溫；(8)燒結(jié)完成后拆開夾具即可得到所需要的具有異形盲孔陣列結(jié)構(gòu)的鋰離子電池集流體。上述步驟(7)燒結(jié)溫度為金屬材料熔點(diǎn)的0. 7 0. 8倍，保溫時(shí)間為30min 90mino上述金屬箔片的選取材料為銅、鋼或者鋁。上述制造方法所制得的具有異形盲孔陣列結(jié)構(gòu)的鋰離子電池集流體，所述鋰離子電池集流體由數(shù)層具有異形盲孔陣列結(jié)構(gòu)的金屬箔片疊加構(gòu)成，所述鋰離子電池集流體整體厚度為10 μ m 20 μ m，異形盲孔孔徑為100 μ m 200 μ m、異形盲孔深度為集流體整體厚度的4/5 9/10、異形盲孔間距為200 μ m 400 μ m。上述鋰離子電池集流體的異形盲孔截面形狀為鼓形孔、錐形或者燕尾槽形。上述異形盲孔陣列結(jié)構(gòu)為矩形陣列或環(huán)形陣列。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明具有異形盲孔陣列結(jié)構(gòu)的鋰離子電池集流體，不僅可緩解鋰離子電池電極在充放電過(guò)程中的體積變化，而且還可改善合金電極的高倍率充放電性能，與光滑銅片集流體電極相比，具有更好的循環(huán)性能，能顯著提高鋰離子電池的使用性能。本發(fā)明工藝手段簡(jiǎn)便易行、成本低廉。


圖1為本發(fā)明具有異形盲孔陣列結(jié)構(gòu)的鋰離子電池集流體的單片金屬箔片的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2(a)為本發(fā)明具有異形盲孔陣列結(jié)構(gòu)的鋰離子電池集流體的鼓形孔結(jié)構(gòu)示意圖，圖加-1是圖加的俯視結(jié)構(gòu)。圖2(b)為本發(fā)明具有異形盲孔陣列結(jié)構(gòu)的鋰離子電池集流體的錐形孔結(jié)構(gòu)示意圖，圖2b-l是圖2b的俯視結(jié)構(gòu)。圖2(c)為本發(fā)明為本發(fā)明具有異形盲孔陣列結(jié)構(gòu)的鋰離子電池集流體的燕尾槽形結(jié)構(gòu)示意圖，圖2c_l是圖2c的俯視結(jié)構(gòu)。圖3為本發(fā)明單個(gè)金屬箔片的加工示意圖。圖4為本發(fā)明多層金屬箔片疊加后置于夾具內(nèi)的模壓示意圖。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。如圖1、圖2所示。具有異形盲孔陣列結(jié)構(gòu)的鋰離子電池集流體的制造方法，包括如下步驟(1)根據(jù)所需制備的集流體厚度及異形盲孔深度來(lái)確定使用的金屬箔片1的厚度及層數(shù)，金屬箔片1厚度為1 5 μ m、層數(shù)為4 10層；(2)制備所需尺寸和數(shù)量的金屬箔片，各金屬箔片1外形尺寸相同；金屬箔片1形狀為矩形或圓形；便于加工時(shí)的安置和定位；金屬箔片1可利用激光割?。?3)如圖3所示。將所使用的夾具的凹模固定在激光器或電火花加工機(jī)床工作臺(tái)面上，夾具的凹模的模腔形狀和尺寸與金屬箔片的形狀和尺寸相對(duì)應(yīng)；以保證金屬箔片1 的定位精確；(4)根據(jù)所要制造的異形盲孔陣列結(jié)構(gòu)，通過(guò)離散分層方法設(shè)計(jì)出每一層金屬箔片1對(duì)應(yīng)的二維結(jié)構(gòu)，將已制備好的金屬箔片1中的一片放入夾具的凹模8內(nèi)作為第一層， 用激光或電火花加工方法在金屬箔片1上加工出設(shè)定的孔槽結(jié)構(gòu)；(5)依次放入下一層金屬箔片，利用步驟(4)所述的激光或電火花加工方法在這一層金屬箔片1上加工出所設(shè)定的異形盲孔槽結(jié)構(gòu)；依次重復(fù)上述操作直至完成所有金屬箔片1上二維結(jié)構(gòu)的加工；本步驟加工過(guò)程中要注意放入金屬箔片1時(shí)要保證定位精準(zhǔn)； 其次激光加工功率要加以控制，根據(jù)金屬箔片1的材料和厚度選擇特定的加工功率，加工功率太低則無(wú)法完成此層金屬箔片1上所需要的結(jié)構(gòu)的加工；加工功率過(guò)高則會(huì)導(dǎo)致激光穿過(guò)上層金屬箔片1而灼燒到下層金屬金屬1，使下層金屬箔片1上已加工好的結(jié)構(gòu)受損；(6)如圖4所示。各層金屬箔片1加工好后，利用夾具的凸模9與凹模8將重疊放置的金屬箔片1壓實(shí)，具體是通過(guò)逐漸鎖緊夾具四周的螺栓實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬箔片1的擠壓；凸模 9與凹模8為相適配結(jié)構(gòu)；(7)將夾具整體放入真空燒結(jié)爐或者氣氛保護(hù)爐中，進(jìn)行保溫?zé)Y(jié)，保溫?zé)Y(jié)完成后，隨爐冷卻至室溫；所述燒結(jié)溫度為金屬材料熔點(diǎn)的0. 7 0. 8倍，保溫時(shí)間為30min 90min。(8)燒結(jié)完成后拆開夾具即可得到所需要的具有異形盲孔陣列結(jié)構(gòu)的鋰離子電池集流體。本專利金屬箔片1的選取材料為銅(或者紫銅)、鋼或者鋁。如圖1、圖2a、圖2b、圖2c所示。上述的制造方法所制得的具有異形盲孔陣列結(jié)構(gòu)的鋰離子電池集流體，所述鋰離子電池集流體由數(shù)層具有異形盲孔陣列結(jié)構(gòu)的金屬箔片疊加構(gòu)成，所述鋰離子電池集流體整體厚度為ΙΟμπι 20μπι，異形盲孔孔徑為ΙΟΟμπι 200 μ m、異形盲孔深度為集流體整體厚度的4/5 9/10、異形盲孔間距為200 μ m 400 μ m0所述鋰離子電池集流體的異形盲孔截面形狀為鼓形孔、錐形或者燕尾槽形。圖加所示異形盲孔結(jié)構(gòu)為鼓形孔3 ；圖2b所示異形盲孔結(jié)構(gòu)為錐形孔4 ；圖2c所示異形盲孔結(jié)構(gòu)為燕尾槽形。圖加-1是圖加的俯視結(jié)構(gòu)；圖2b_l是圖2b的俯視結(jié)構(gòu)；圖 2c-l是圖2c的俯視結(jié)構(gòu)；異形盲孔陣列結(jié)構(gòu)可以是矩形陣列或環(huán)形陣列分布。舉例說(shuō)明本發(fā)明的制造過(guò)程如下以制造尺寸為10*10mm，厚度為20 μ m,最小孔徑為100 μ m,孔深為16 μ m,孔間距為300μπι的具有鼓形孔陣列結(jié)構(gòu)的紫銅箔片鋰離子電池集流體為例，其工藝過(guò)程如下
(1)根據(jù)所需制備的鼓形孔深度16 μ m以及最終形成集流體的厚度20 μ m來(lái)設(shè)計(jì)使用5層厚度為4 μ m的紫銅箔片；(2)利用激光割取5片尺寸為10*10mm，厚度為4μπι的紫銅箔片，注意保持尺寸的精確；(3)將具有10*10*lmm尺寸的夾具的凹模8，固定在激光器工作臺(tái)面上，凹模8的作用在于將紫銅箔片定位；(4)根據(jù)所要制造的鼓形異形盲孔陣列結(jié)構(gòu)，通過(guò)離散分層的手段設(shè)計(jì)出每一層箔片上對(duì)應(yīng)的二維圓形結(jié)構(gòu)陣列，將已切割好紫銅箔片中的一片作為第一層放入夾具的凹模8內(nèi)，用激光在紫銅箔片上加工出設(shè)定的結(jié)構(gòu)；(5)依次放入下一層紫銅箔片，利用步驟4所述的加工方法在這一層紫銅箔片上加工出已設(shè)定的相應(yīng)大小的圓形陣列；依次重復(fù)上述操作直至完成所有紫銅箔片上二維結(jié)構(gòu)的加工；加工過(guò)程中要注意放入紫銅箔片時(shí)要保證定位精準(zhǔn)；其次激光加工功率要加以控制，根據(jù)紫銅箔片的材料和厚度選擇特定的加工功率，加工功率太低則無(wú)法完成此層紫銅箔片上所需要的結(jié)構(gòu)的加工；加工功率過(guò)高則會(huì)導(dǎo)致激光穿過(guò)上層紫銅箔片而灼燒到下層金屬，使下層紫銅箔片上已加工好的結(jié)構(gòu)受損；(6)待第5層紫銅箔片加工好后，將凹模8與之相配的特定形狀的凸模9對(duì)合、并施加一定的壓緊力將重疊放置的5層紫銅箔片壓實(shí)，并用螺栓將凹模8、凸模9四周鎖緊，保證一定的壓緊力；(7)將模具整體放入氫氣氣氛保護(hù)爐中，在800-850°C下進(jìn)行保溫?zé)Y(jié)，保溫 60min,隨爐冷卻至室溫；(8)燒結(jié)完成后拆開模具即可獲得所需要的具有異形盲孔陣列結(jié)構(gòu)的鋰離子電池集流體。如上所述便可較好地實(shí)現(xiàn)本專利。
權(quán)利要求
1.具有異形盲孔陣列結(jié)構(gòu)的鋰離子電池集流體的制造方法，其特征在于包括如下步驟(1)根據(jù)所需制備的集流體厚度及異形盲孔深度來(lái)確定使用的金屬箔片的厚度及層數(shù)，金屬箔片厚度為1 5 μ m、層數(shù)為4 10層；(2)制備所需尺寸和數(shù)量的金屬箔片，各金屬箔片外形尺寸相同；金屬箔片形狀為矩形或圓形；(3)將所使用的夾具的凹模固定在激光器或電火花加工機(jī)床工作臺(tái)面上，夾具的凹模的模腔形狀和尺寸與金屬箔片的形狀和尺寸相對(duì)應(yīng)；(4)根據(jù)所要制造的異形盲孔陣列結(jié)構(gòu)，通過(guò)離散分層方法設(shè)計(jì)出每一層金屬箔片對(duì)應(yīng)的二維結(jié)構(gòu)，將已制備好的金屬箔片中的一片放入夾具的凹模內(nèi)作為第一層，用激光或電火花加工方法在金屬箔片上加工出設(shè)定的孔槽結(jié)構(gòu)；(5)依次放入下一層金屬箔片，利用步驟(4)所述的激光或電火花加工方法在這一層金屬箔片上加工出所設(shè)定的異形盲孔槽結(jié)構(gòu)；依次重復(fù)上述操作直至完成所有金屬箔片上二維結(jié)構(gòu)的加工；(6)各層金屬箔片加工好后，利用夾具的凸模與凹模將重疊放置的金屬箔片壓實(shí)，具體是通過(guò)逐漸鎖緊夾具四周的螺栓實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬箔片的擠壓；(7)將夾具整體放入真空燒結(jié)爐或者氣氛保護(hù)爐中，進(jìn)行保溫?zé)Y(jié)，保溫?zé)Y(jié)完成后， 隨爐冷卻至室溫；(8)燒結(jié)完成后拆開夾具即可得到所需要的具有異形盲孔陣列結(jié)構(gòu)的鋰離子電池集流體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造方法，其特征在于所述步驟(7)燒結(jié)溫度為金屬材料熔點(diǎn)的0. 7 0. 8倍，保溫時(shí)間為30min 90min。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制造方法，其特征在于所述金屬薄片的選取材料為銅、鋼或者招。
4.權(quán)利要求1 3中任一項(xiàng)所述的制造方法所制得的具有異形盲孔陣列結(jié)構(gòu)的鋰離子電池集流體，其特征在于，所述鋰離子電池集流體由數(shù)層具有異形盲孔陣列結(jié)構(gòu)的金屬箔片疊加構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制造方法所制得的具有異形盲孔陣列結(jié)構(gòu)的鋰離子電池集流體，其特征在于，所述鋰離子電池集流體的盲孔截面形狀為鼓形孔、錐形或者燕尾槽形。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制造方法所制得的具有異形盲孔陣列結(jié)構(gòu)的鋰離子電池集流體，其特征在于，所述異形盲孔陣列結(jié)構(gòu)為矩形陣列或環(huán)形陣列。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制造方法所制得的具有異形盲孔陣列結(jié)構(gòu)的鋰離子電池集流體，其特征在于，所述鋰離子電池集流體整體厚度為10 μ m 20 μ m，異形盲孔孔徑為IOOym 200μπκ異形盲孔深度為集流體整體厚度的4/5 9/10、異形盲孔間距為 200μ400μπι。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有異形孔陣列結(jié)構(gòu)的鋰離子電池集流體及制造方法制備所需尺寸和數(shù)量的金屬箔片，各金屬箔片外形尺寸相同，將所凹模固定在激光器加工臺(tái)面上，通過(guò)離散分層方法設(shè)計(jì)出每一層金屬箔片對(duì)應(yīng)的二維結(jié)構(gòu)，將已制備好的金屬箔片中的一片放入夾具的凹模內(nèi)加工出設(shè)定的孔槽結(jié)構(gòu)；依次放入下一層金屬箔片，激光器在這一層金屬箔片上加工出所設(shè)定的孔槽結(jié)構(gòu)；依次重復(fù)上述操作直至完成所有金屬箔片上二維結(jié)構(gòu)的加工；利用凸模與凹模將金屬箔片壓實(shí)后放入燒結(jié)爐進(jìn)行保溫?zé)Y(jié)，后冷卻至室溫；本發(fā)明不僅可以滿足具有異形孔陣列結(jié)構(gòu)的鋰離子電池集流體的制造要求，同時(shí)可以完成具有介觀尺度規(guī)則三維孔槽結(jié)構(gòu)的金屬薄片的制造。
文檔編號(hào)H01M4/70GK102361085SQ201110327118
公開日2012年2月22日 申請(qǐng)日期2011年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月25日
發(fā)明者萬(wàn)珍平, 劉彬, 李耀超, 湯興賢 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)