一種自鉚式的通孔導電塗層金屬箔及其製備方法
2023-07-15 10:16:01 1
一種自鉚式的通孔導電塗層金屬箔及其製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種具有自鉚能力的多孔導電塗層金屬箔及其製備方法，採用塗覆，燒結等措施在具有貫穿的多孔金屬箔表面和孔內壁表面生成導電材料塗層，製備具有導電塗層的金屬箔材料。屬於高性能的化學電源材料及相關領域。通過採用塗布，浸漬等方式將導電材料及添加劑分布到多孔金屬箔的表面和其中孔的內表面，再經過一定溫度的熱處理即得到在多孔金屬箔的表面和內孔表面均勻分布的導電塗層的導電塗層金屬箔。由於導電塗層作為一個整體，其內部的作用力用作自鉚的作用力，將導電塗層材料牢固的」鉚接」在通孔金屬箔上。本發明具有可操作性強，導電塗層與金屬箔基底之間結合力強，導電塗層表面積大，穩定性好等優點。
【專利說明】一種自鉚式的通孔導電塗層金屬箔及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及高性能化學能源及其相關領域，具體來說是具有通孔的多孔金屬箔和導電碳材料塗層材料構築的導電塗層金屬箔及其製備方法。
【背景技術】
[0002]塗碳金屬箔就是將分散好的納米導電材料顆粒，均勻、細膩地塗覆在金屬箔/銅箔上。它能提供極佳的靜態導電性能，收集活性物質的微電流，從而可以大幅度降低正/負極材料和集流體之間的接觸電阻，並能提高兩者之間的附著能力，可減少粘結劑的使用量，進而使電池的整體性能產生顯著的提升。導電塗層金屬箔由金屬箔基底和包覆在基地上的導電塗層構成。其中導電塗層分水性(水劑體系)和油性(有機溶劑體系)兩種類型。導電塗層金屬箔可用作電池和電容的電極基片。具有降低電極電阻；提高活性材料和集流體的粘接附著力；減少極化，提高功率性能；保護集流體，延長電池使用壽命。由於導電塗層金屬箔用作電極或則電極基片。所以技術要求包括:厚度在1-1Oum範圍內，與金屬箔基底和電解液良好的相容性，高導電性，表面高的附著力，高比表面積以及微納米的微觀結構等。
[0003]由於碳元素和很多導電材料之間不生成化合物，所以需要用某種方式將導電材料跟金屬基底結合起來。目前製備導電塗層金屬箔的方法主要有粘接劑塗覆、氣相沉積、離子濺射等方法。由於成本原因，實際生產使用的多是粘接劑塗覆。但是由於該方法不能都為導電塗層提供很好的附著力，所以目前比較的研究集中在為了提高導電塗層材料在金屬箔基底表面附著力的方面。目前我們沒有發現從導電塗層結構設計出發提高導電塗層附著力的研究報導。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是為了克服以上的不足，提供一種具有自鉚功能的導電塗層金屬箔製備的全新工藝方法，採用具有貫穿孔和大比表面積的金屬箔為基體。
[0005]本發明的目的通過以下技術方案來實現:一種自鉚式的通孔導電塗層金屬箔，導電塗層金屬箔由具有貫穿孔的金屬箔基底和導電塗層組成，導電塗層由碳材料、粘接劑、添加劑組成。
[0006]本發明的進一步改進在於:所述金屬箔基底的孔徑為10?2000nm，厚度為50-200um,孔密度在10E5-10E9個/cm2，並且貫穿孔垂直於金屬箔表面方向。
[0007]製備一種自鉚式的通孔導電塗層金屬箔的方法，包括以下步驟:採用孔徑為10?2000nm的多孔金屬箔為基底，將導電材料、粘接劑、添加劑和溶劑混合研磨成的漿料塗覆在具有貫穿孔的多孔金屬箔基底上經過乾燥製備成自鉚式的通孔導電塗層金屬箔。
[0008]本發明的進一步改進在於:其製備方法具體包括以下步驟:
A、多孔金屬箔的前處理:
a、將多孔金屬箔在1%的氫氧化鈉溶液中處理0.5-1分鐘；
b、用純水清洗處氫氧化鈉溶液理過的多孔金屬箔； B、漿料的製備:按照配比，導電顆粒材料:乙醇:粘接劑的質量比為4:5:1，將導電材料、粘接劑、添加劑以及溶劑混合，通過外力研磨成漿料；
C、漿料的塗覆:
a、將多孔金屬箔浸入到漿料中；
b、採用刮刀將表面多餘的漿料刮去，留下漿料層厚度l_2mm；
C、採用滾筒在其表面反覆滾壓，操壓力為0.5-5MPa ；
D、漿料塗層的熱處理:在50-500V下保溫2-10小時，氣氛條件可以是大氣條件或者保護氣氛。
[0009]本發明的進一步改進在於:所述導電材料指的是在漿料中用作導電的微納米顆粒，包括碳材料、金屬顆粒和導電高分子其中的一種或幾種。
[0010]本發明的進一步改進在於:所述多孔金屬箔為多孔鋁箔、多孔銅箔其中其中一種或幾種。
[0011]本發明的進一步改進在於:所述粘結劑指環氧樹脂、PVB其中的一種或幾種。
[0012]本發明的進一步改進在於:所述是指水、無水乙醇的一種或幾種。
[0013]本發明與現有技術相比具有以下優點:採用具有貫穿孔的金屬模板，從而製得具有貫穿孔的導電塗層，利用導電塗層材料本身的內聚力增加導電塗層在金屬箔基底上的穩定性，並且提供更大的比表面積。由於貫穿孔的存在，使導電金屬箔做具有更大的電容容量。由於貫穿孔的存在，導電金屬箔具有更大的比表面積，有利於電極材料在該導電塗層金屬箔上的塗覆，並且有利於降低電極材料與導電塗層金屬箔之間的接觸電阻。由於貫穿孔的存在，電解液可以浸入到導電金屬箔貫穿孔中，使電解液與電極材料的接觸面積增大，有利於電解液和電極材料之間的充分接觸並且降低極化作用，製成的導電塗層金屬箔的導電塗層附著力大，比表面積大，導電塗層與金屬箔基底之間的接觸電阻小，金屬箔電容容量大，在電解液中傳質和擴散過程好，適應於大功率高倍率使用的高能量密度電源場合。
[0014]【專利附圖】
【附圖說明】:
圖1為本發明的流程圖；
圖中標號:1-貫穿孔、2-多孔金屬、3-漿料、4-導電塗層。
[0015]【具體實施方式】:
為了加深對本發明的理解，下面將結合實施例對本發明作進一步詳述，該實施例僅用於解釋本發明，並不構成對本發明保護範圍的限定。
[0016]本發明示出了一種自鉚式的通孔導電塗層金屬箔及其製備方法的【具體實施方式】:
用具垂直表面貫穿通孔的金屬箔為基底，採用塗覆的方法，將導電材料和添加劑的混合物分布到金屬箔的表面和內孔的表面，在經過乾燥等步驟，使導電塗層固定在金屬的表面上。由於金屬箔的模板作用，生成的導電塗層即像鉚釘一樣的固定在貫穿孔中，這種導電塗層由於具有貫穿孔金屬箔而產生的特殊形狀使其在金屬箔表面附著更加牢固，此處稱之為「自鉚作用」。這種自鉚作用的實質是特俗形狀的導電塗層材料的內聚力作用，這種作用有利於保持導電塗層在金屬箔基底上的穩定性，並且可以提供額外的比表面積。
[0017]由於該貫穿孔金屬箔是通過化學和電化學過程生產的，通過調整特定參數，可以控制金屬箔的厚度，孔徑，空密度等參數，進而對導電塗層金屬箔的形貌和尺寸參數經行有效控制。該方法強化了導電塗層材料在金屬箔基底表面的結合力，使製備的導電塗層金屬箔具有導電塗層結合力好，比表面積大，形貌和尺寸參數可控等優點。
[0018]本發明利用具有貫穿孔的金屬箔做為模板，合成具有特殊形貌的導電塗層。金屬模板在製作導電塗層金屬箔的過程中用作模板，在導電塗層金屬箔中作為基底或者說集流體。在合成的導電塗層金屬箔中，利用導電塗層材料的內聚力增加導電塗層在金屬基底表面的附著力。並且具有貫穿孔的金屬箔還增加了導電塗層金屬箔的表面積。
[0019]本發明所述的自鉚式的通孔導電塗層金屬箔的製備方法，具體工藝步驟如下: 採用孔徑為10?2000nm的多孔金屬箔為基底，將含有碳材料，粘結劑、添加劑以及溶劑的混合物漿料通過外力塗布到金屬箔表面以及貫穿孔內壁的表面，經過乾燥等步驟得到自鉚式的通孔導電塗層金屬箔。
[0020]本發明中，所述的多孔金屬箔指多孔鋁箔、多孔銅箔其中其中一種或幾種。
[0021]本發明中，導電材料指的是在漿料中用作導電的微納米顆粒，包括碳材料、金屬顆粒和導電高分子其中的一種或幾種。
[0022]本發明中，所述的粘結劑指環氧樹脂，PVB其中的一種或幾種。
[0023]本發明中，所述的溶劑是指水，無水乙醇的一種或幾種。
[0024]本發明中，熱處理指的是塗覆有漿料的金屬箔在50_100°C下保溫2-10小時。
[0025]本發明中，所述自鉚式導電塗層金屬箔的製備方法包括以下幾個步驟:
A、多孔金屬箔的前處理:
a、將多孔金屬箔在1%的氫氧化鈉溶液中處理0.5-1分鐘；
b、用純水清洗處氫氧化鈉溶液理過的多孔金屬箔；
B、漿料的製備:按照配比，將導電材料、粘接劑、添加劑以及溶劑混合，通過外力研磨成漿料；
C、漿料的塗覆:
a、將多孔金屬箔浸入到漿料中；
b、採用刮刀將表面多餘的漿料刮去，留下漿料層厚度l_2mm；
C、採用滾筒在其表面反覆滾壓，操壓力為0.5-5MPa ；
D、漿料塗層的熱處理:在50-500V下保溫2-10小時，氣氛條件可以是大氣條件或者保護氣氛。
[0026]本發明跟現有技術相比，本發明解決了導電塗層金屬箔的導電塗層附著力不高，塗層機械性能不好，比表面積不夠大等問題。採用貫穿孔的結構，有利於增加導電塗層的附著力和機械性能，有利於提供更大的表面積，有利於降低導電塗層和基底之間的接觸電阻，有利於增加導電塗層的電容性能。
[0027]本發明的技術方案採用具有貫穿孔的金屬模板，從而製得具有貫穿孔的導電塗層，利用導電塗層材料本身的內聚力增加導電塗層在金屬箔基底上的穩定性，並且提供更大的比表面積。由於貫穿孔的存在，使導電金屬箔做具有更大的電容容量。由於貫穿孔的存在，導電金屬箔具有更大的比表面積，有利於電極材料在該導電塗層金屬箔上的塗覆，並且有利於降低電極材料與導電塗層金屬箔之間的接觸電阻。由於貫穿孔的存在，電解液可以浸入到導電金屬箔貫穿孔中，使電解液與電極材料的接觸面積增大，有利於電解液和電極材料之間的充分接觸並且降低極化作用。
[0028]本發明的導電塗層金屬箔具有導電塗層附著力大，比表面積大，導電塗層與金屬箔基底之間的接觸電阻小，金屬箔電容容量大，在電解液中傳質和擴散過程好，適應於大功率高倍率使用的高能量密度電源場合。
[0029]實施例一:
採用電刻蝕貫穿孔鋁箔，金屬箔厚度為lOOum、孔徑為lum、孔密度約為10E7個/cm2。
[0030]採用的導電材料為炭黑，比表面積為1000m2/g。粘接劑採用環氧樹脂。溶劑採用無水乙醇。先將炭黑在100°c條件下熱處理3小時。將乾燥後的炭黑、乙醇和PVB (質量比為4:5:1)裝入球磨罐中，球磨10小時；再加入環氧樹脂(其質量炭黑和PVB質量10%計算)，機械研磨2小時。通過以上步驟得到了分散均勻的炭黑漿料。將電刻蝕金屬箔在1%的氫氧化鈉溶液中處理0.5-1分鐘，至有大量的氣泡產生，再用純水反覆清洗多孔金屬箔以除去殘留的氫氧化鈉。用無水乙醇脫水、冷風吹乾。將處理過的多孔金屬箔浸在漿料中5分鐘，然後提出，在室溫條件下乾燥I小時，用滾輪反覆碾壓，在100°C條件下乾燥2小時，即得到具有貫穿孔和自鉚能力的導電塗層金屬箔。經過測試，該導電塗層金屬箔孔徑為0.5um左右，孔密度約為10E7個/cm2，比電容約為600yF/cm2。
[0031]實施例二:
採用電刻蝕貫穿孔鋁箔，金屬箔厚度為150um、孔徑為lum、孔密度約為10E7個/cm2。
[0032]採用的導電材料為炭黑，比表面積為1000m2/g。粘接劑採用環氧樹脂。溶劑採用無水乙醇。先將炭黑在100°c條件下熱處理3小時。將乾燥後的炭黑、乙醇和PVB (質量比為4:5:1)裝入球磨罐中，球磨10小時；再加入環氧樹脂(其質量炭黑和PVB質量10%計算)，機械研磨2小時。通過以上步驟得到了分散均勻的炭黑漿料。將電刻蝕金屬箔在1%的氫氧化鈉溶液中處理0.5-1分鐘，至有大量的氣泡產生，再用純水反覆清洗多孔金屬箔以除去殘留的氫氧化鈉。用無水乙醇脫水、冷風吹乾。將處理過的多孔金屬箔浸在漿料中5分鐘，然後提出，在室溫條件下乾燥I小時，用滾輪反覆碾壓，在100°C條件下乾燥2小時，即得到具有貫穿孔和自鉚能力的導電塗層金屬箔。經過測試，該導電塗層金屬箔孔徑為0.5um左右，孔密度約為10E7個/cm2，比電容約為800yF/cm2。
[0033]實施例三:
採用電刻蝕貫穿孔鋁箔，金屬箔厚度為lOOum、孔徑為lum、孔密度約為10E7個/cm2。
[0034]採用的導電材料為多壁碳納米管，比表面積為500m2/g。粘接劑採用環氧樹脂。活化碳納米管:將碳納米管與KOH按質量比1:4混合，在氮氣氣氛中保溫850°C—小時，冷卻後將碳納米管清洗乾燥備用。將活化後的碳納米管、乙醇和PVB (質量比為4:5:1)裝入球磨罐中，球磨10小時；再加入環氧樹脂(其質量炭黑和PVB質量10%計算)，機械研磨2小時。通過以上步驟得到了分散均勻的炭黑漿料。將電刻蝕金屬箔在1%的氫氧化鈉溶液中處理0.5-1分鐘，至有大量的氣泡產生，再用純水反覆清洗多孔金屬箔以除去殘留的氫氧化鈉。用無水乙醇脫水、冷風吹乾。將處理過的多孔金屬箔浸在漿料中5分鐘，然後提出，在室溫條件下乾燥I小時，用滾輪反覆碾壓，在100°C條件下乾燥2小時，即得到具有貫穿孔和自鉚能力的導電塗層金屬箔。經過測試，該導電塗層金屬箔孔徑為0.5um左右，孔密度約為10E7個/cm2，比電容約為1000yF/cm2o
【權利要求】
1.一種自鉚式的通孔導電塗層金屬箔，其特徵在於:所述導電塗層金屬箔由具有貫穿孔的金屬箔基底和導電塗層組成，所述導電塗層由碳材料、粘接劑、添加劑組成。
2.根據權利要求1所述的一種自鉚式的通孔導電塗層金屬箔，其特徵在於:所述金屬箔基底的孔徑為10?2000nm，厚度為50_200um，孔密度在10E5-10E9個/cm2，並且貫穿孔垂直於金屬箔表面方向。
3.製備權利要求1或2所述的一種自鉚式的通孔導電塗層金屬箔的方法，其特徵在於，包括以下步驟:採用孔徑為10?2000nm的多孔金屬箔為基底，將導電材料、粘接劑、添加劑和溶劑混合研磨成的漿料塗覆在具有貫穿孔的多孔金屬箔基底上經過乾燥製備成自鉚式的通孔導電塗層金屬箔。
4.根據權利要求3所述製備一種自鉚式的通孔導電塗層金屬箔的方法，其特徵在於，具體包括以下步驟: A、多孔金屬箔的前處理: a、將多孔金屬箔在1%的氫氧化鈉溶液中處理0.5-1分鐘； b、用純水清洗處氫氧化鈉溶液理過的多孔金屬箔； B、漿料的製備:按照配比，導電顆粒材料:乙醇:粘接劑的質量比為4:5:1，將導電材料、粘接劑、添加劑以及溶劑混合，通過外力研磨成漿料； C、漿料的塗覆: a、將多孔金屬箔浸入到漿料中； b、採用刮刀將表面多餘的漿料刮去，留下漿料層厚度l_2mm； C、採用滾筒在其表面反覆滾壓，操壓力為0.5-5MPa ； D、漿料塗層的熱處理:在50-500V下保溫2-10小時，氣氛條件可以是大氣條件或者保護氣氛。
5.根據權利要求4所述製備一種自鉚式的通孔導電塗層金屬箔的方法，其特徵在於:所述導電材料指的是在漿料中用作導電的微納米顆粒，包括碳材料、金屬顆粒和導電高分子其中的一種或幾種。
6.根據權利要求4所述製備一種自鉚式的通孔導電塗層金屬箔的方法，其特徵在於:所述多孔金屬箔為多孔鋁箔、多孔銅箔其中其中一種或幾種。
7.根據權利要求4所述製備一種自鉚式的通孔導電塗層金屬箔的方法，其特徵在於:所述粘結劑指環氧樹脂、PVB其中的一種或幾種。
8.根據權利要求4所述製備一種自鉚式的通孔導電塗層金屬箔的方法，其特徵在於:所述是指水、無水乙醇的一種或幾種。
【文檔編號】H01M4/02GK104282872SQ201410576680
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年10月24日 優先權日:2014年10月24日
【發明者】王建中, 朱鴻偉 申請人:南通海星電子股份有限公司, 南通海一電子有限公司, 四川中雅科技有限公司