一种用于锂离子电池的棋盘状复合集流体制造技术

本实用新型专利技术公开了一种用于锂离子电池的棋盘状复合集流体。该棋盘状复合集流体主要包括铜基体和碳纳米纤维；所述铜基体的顶面布置有纵横交错的沟槽结构，底面为光滑镀镍表面；所述碳纳米纤维互相缠绕，沿着所述沟槽结构规则分布。本实用新型专利技术的棋盘状复合集流体结构简单，容易实现，其增加了锂离子电池集流体与活性物质之间的有效接触面积，提高了两者之间的结合强度和电极导电性，从而提高了锂离子电池的充放电容量、倍率性能和循环寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种用于锂离子电池的棋盘状复合集流体
本技术涉及锂离子电池
，具体涉及一种用于锂离子电池的棋盘状复合集流体。
技术介绍
在锂离子电池中，集流体既作为活性物质的载体，又充当电流的收集器与传输体，其表面结构对锂离子电池的电极强度以及电荷传输效率有着重要的影响。目前，商业化锂离子电池的负极集流体基本上都是铜箔，然而普通的铜箔只具有双面光、双面毛、单面毛等几种类型，这使集流体表面结构的多样性受到了严重的限制。无特殊表面结构的集流体不易与活性物质颗粒形成“啮合”界面，容易出现两种物相界面之间粘附不牢、接触程度不均匀的问题，从而造成电极界面阻抗增加、导电性降低，甚至引起活性材料的粉化或脱落，直接导致电池性能的下降。因此，为了提高集流体与活性物质之间的结合强度、降低活性物质体积变化带来的容量衰减、提高锂离子电池的综合性能，研究具有特殊表面结构的复合集流体及其关键制造技术引起了国内外研究者的广泛兴趣。
技术实现思路
本技术的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种用于锂离子电池的棋盘状复合集流体。该棋盘状复合集流体能有效提高集流体与活性物质的结合强度，减小两者之间的接触电阻，从而提高锂离子电池的充放电容量、倍率性能和循环寿命。本技术的目的通过如下技术方案实现。一种用于锂离子电池的棋盘状复合集流体，主要包括铜基体和碳纳米纤维；所述铜基体的顶面布置有棋盘状沟槽结构，底面为光滑镀镍表面；所述碳纳米纤维互相缠绕，沿着所述棋盘状沟槽结构规则分布。进一步地，所述棋盘状沟槽结构包括多个纵横交错的沟槽。进一步地，所述棋盘状沟槽结构为方格棋盘沟槽结构。采用上述的棋盘状复合集流体制作电极片时，以所述棋盘状复合集流体作为电极片的基体，集流体布置有纵横交错的棋盘状沟槽结构的顶面直接与活性物质相结合形成电极片，而光滑镀镍表面直接与电池壳紧密接触。本技术的上述用于锂离子电池的棋盘状复合集流体可以采用如下方法制得：（1）棋盘状沟槽结构的设计成形（1-1）图案设计及转印：使用绘图软件设计棋盘状图案，并将棋盘状图案转印到A4菲林纸上；（1-2）铜片表面预处理：用细砂纸对铜片进行打磨，使其两表面平整；随后将打磨后的铜片置于覆铜板表面清洗剂中浸泡搅拌，使铜片两表面光滑；（1-3）结构制备成形：在步骤（1-2）预处理后的铜片的一面贴PCB感光蓝膜，并在其另一面贴耐腐蚀胶布；将转印到A4菲林纸的图案紧贴于PCB感光蓝膜表面，然后使用紫外线曝光机进行曝光；曝光完成后，配制显影液进行显影，并将显影后的铜片置于环保蚀刻剂溶液中进行蚀刻；蚀刻完毕后，对铜片进行清洗、烘干，去除另一面的耐腐蚀胶布后，得到具有棋盘状沟槽结构的铜基体；（2）催化剂的装载与活化（2-1）催化剂的装载：将预清洗后的镍片置入由NaH2PO2·H2O、NiSO4·6H2O、NaC6H5O7·2H2O和NH4Cl组成的镀液中，并将镀液加热；待镍片表面产生大量气泡后，将步骤（1-3）得到的具有棋盘状沟槽结构的铜基体置于镀液中浸泡，完成催化剂的装载；（2-2）催化剂的活化：配制脱膜剂溶液对步骤（2-1）完成催化剂装载的铜基体进行脱膜，然后将脱膜后的铜基体具有棋盘状沟槽结构的一面朝上地置于由CuCl2·2H2O和HCl组成的混合溶液中浸泡，最后进行清洗、烘干，完成催化剂的活化；（3）碳纳米纤维的原位生长（3-1）将经过步骤（2-2）处理的铜基体具有棋盘状沟槽结构的一面朝上地置于管式炉中，抽真空，通入氩气作为载气，同时对管式炉进行加热升温；（3-2）加热升温后，打开氢气流量阀通入氢气，对具有棋盘状沟槽结构的铜基体进行还原；（3-3）还原完成后，继续加热升温，打开碳氢气源流量阀，通入碳氢气源，保温，在棋盘状沟槽结构表面生长碳纳米纤维；保温结束后，降至室温，完成碳纳米纤维的原位生长过程，得到所述用于锂离子电池的棋盘状复合集流体。进一步地，步骤（1-1）中，所述绘图软件包括AutoCAD。进一步地，步骤（1-2）中，所述浸泡搅拌的时间为5~10分钟。进一步地，步骤（1-3）中，所述曝光的时间为5~6秒。进一步地，步骤（1-3）中，所述蚀刻的时间为40~60分钟。进一步地，步骤（1-3）中，所述烘干是在50~60℃温度下烘30~40分钟。进一步地，步骤（2-1）中，所述镀液中，NaH2PO2·H2O的浓度为20~25g/L，NiSO4·6H2O的浓度为40~45g/L，NaC6H5O7·2H2O的浓度为100~120g/L，NH4Cl的浓度为50~55g/L。进一步地，步骤（2-1）中，所述加热是加热至温度为70~80℃。进一步地，步骤（2-1）中，所述浸泡的时间为15~20分钟，浸泡过程中，铜基体的未具有棋盘状沟槽结构的一面与镍片的表面保持紧密接触。进一步地，步骤（2-2）中，CuCl2·2H2O和HCl组成的混合溶液中，CuCl2·2H2O的浓度为30~50g/mL，HCl的浓度为3~5mL/L。进一步地，步骤（2-2）中，所述浸泡的时间为15~20分钟。进一步地，步骤（2-2）中，所述烘干是在50~60℃温度下烘30~40分钟。进一步地，步骤（3-1）中，所述抽真空是抽真空至压强低于100Pa。进一步地，步骤（3-1）中，所述氩气的流量为40~50sccm。进一步地，步骤（3-2）中，所述加热升温是升温至400~450℃。进一步地，步骤（3-2）中，所述氢气的流量为5~6sccm。进一步地，步骤（3-2）中，所述还原的时间为30~40分钟。进一步地，步骤（3-3）中，所述继续加热升温是升温至600~650℃。进一步地，步骤（3-3）中，所述碳氢气源为乙炔、甲烷或乙烯。进一步地，步骤（3-3）中，所述碳氢气源的流量为30~40sccm。进一步地，步骤（3-3）中，所述保温的时间为20~30分钟。进一步地，步骤（3-1）、（3-2）、（3-3）中，加热升温的速率均为6~7℃/min。与现有技术相比，本技术具有如下优点和有益效果：（1）本技术的棋盘状复合集流体中，棋盘状的沟槽结构和碳纳米纤维可增加集流体与活性物质之间的有效接触面积，有利于提高电极导电性。（2）本技术的棋盘状复合集流体中，棋盘状的沟槽结构不仅可以提高活性物质的装载量，还有利于提高活性物质与集流体之间的结合强度。（3）本技术的棋盘状复合集流体中，互相缠绕的碳纳米纤维对活性物质有着包覆作用，可有效限制活性物质剧烈的体积变化，从而提高电池的充放电容量、倍率性能和循环寿命。（4）本技术棋盘状复合集流体结构简单，易于实现，且能耗低，有利于实现大规模工业化生产。附图说明图1为本技术的用于锂离子电池的棋盘状复合集流体的结构示意图；图2为实施例2中基于棋盘状复合集流体的锂离子半电池装配示意图；图3为实施例2中基于棋盘状复合集流体的锂离子半电池0.1C的循环性能曲线图；图4为基于普通平板集流体的锂离子半电池0.1C的循环性能曲线图；图5为实施例2中基于棋盘状复合集流体和基于棋盘状复合集流体的锂离子半电池的倍率性能对比曲线图。图中：1-铜基体，2-碳纳米纤维，3-上电池壳，4-垫片，5-弹片，6-锂片，7-下电池壳，8-电解液，9-电极片，10-隔膜。具体实施方式为进一步理解本技术技术方案，下面结合附图和实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于锂离子电池的棋盘状复合集流体，其特征在于，所述棋盘状复合集流体主要包括铜基体和碳纳米纤维；所述铜基体的顶面布置有棋盘状沟槽结构，底面为光滑镀镍表面；所述碳纳米纤维互相缠绕，沿着所述棋盘状沟槽结构规则分布。

【技术特征摘要】
1.一种用于锂离子电池的棋盘状复合集流体，其特征在于，所述棋盘状复合集流体主要包括铜基体和碳纳米纤维；所述铜基体的顶面布置有棋盘状沟槽结构，底面为光滑镀镍表面；所述碳纳米纤维互相缠绕，沿着所述棋盘状沟槽结构规则分布。2.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁伟，罗健，王淳，袁宇航，周宇航，王祺，汤勇，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：新型
国别省市：广东,44