一种锂离子电池用的多孔铜箔制造技术

本发明专利技术公开了一种锂离子电池用的多孔铜箔。多孔铜箔上规律分布着穿透铜箔上下表面的微孔；微孔包括两种孔径不同的微孔；大小微孔的排列呈硼酸盐玻璃中硼氧三元环排列的形状，其中大微孔位于所述硼氧三元环排列形状的氧位置、小微孔位于所述硼氧三元环排列形状的硼位置。小微孔的孔径为大微孔孔径的四分之一，最近邻两个大微孔间的距离为大微孔直径的3倍。本发明专利技术的设计有效的增加了单位面积的孔面积，在保证强度足够的前提下有效提升了电池容量，达到了有效提高单位面积铜箔上负极材料的负载量和吸附能力、且兼顾电极质量及性能的要求以满足电路集成化发展需求的发明专利技术目的。

A Porous Copper Foil for Lithium Ion Batteries

The invention discloses a porous copper foil for lithium ion batteries. The porous copper foil is regularly distributed with micro-holes penetrating the upper and lower surfaces of the copper foil; the micro-holes include two kinds of micro-holes with different apertures; the arrangement of the micro-holes is in the shape of boron-oxygen ternary ring arrangement in borate glass, in which the large micro-holes are in the oxygen position of the boron-oxygen ternary ring arrangement shape, and the small micro-holes are in the boron position of the boron-oxygen ternary ring arrangement shape. The aperture of the small micropore is one fourth of that of the large micropore, and the distance between the nearest two large micropores is three times of that of the large micropore. The design of the invention effectively increases the pore area per unit area, effectively enhances the battery capacity on the premise of sufficient strength, and achieves the invention purpose of effectively improving the load and adsorption capacity of the negative material on copper foil per unit area, taking into account the requirements of the quality and performance of the electrode to meet the requirements of the development of circuit integration.

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子电池用的多孔铜箔
本专利技术涉及一种锂离子电池用铜箔，尤其涉及一种多孔铜箔。
技术介绍
随着环境危机的到来，煤炭资源日益短缺，并且通过燃烧煤炭发电会排放大量有害气体污染大气环境，雾霾等灾害天气越来越严重，环境保护刻不容缓。随着新能源汽车的发展，锂离子电池的需求急剧增大。此外，锂离子电池还被广泛应用于移动电话、笔记本电脑等电器中，成为一种新型可持续的环保型发电方法。锂离子电池主要依靠锂离子在正极或负极材料的镶嵌或脱嵌来进行工作。负极通常由活性石墨附着在约8微米厚的铜箔上。铜箔除起到载体作用外，还起到集流体的作用，将电子汇集起来并传导。由于铜是良好的导体，具有较低的电阻，可以降低电池内阻动态增幅，延长电池寿命。随着电子器件集成化发展，发展具有更小体积、更轻质量、更优性能的锂离子电池，有效提升锂离子电池综合性能的需求越来越迫切。现阶段，传统无孔铜箔表面积有限，吸附能力一般，难以承载更多负极材料，直接影响锂离子电池使用性能和寿命；传统无孔铜箔，电解液对高密度负极材料的浸润性难以提高；传统无孔铜箔也无法兼顾质量、体积与性能的要求，难以满足电路集成化发展的要求。
技术实现思路
基于现有技术存在的锂离子电池用的传统铜箔难以承载更多负极材料以及无法兼顾质量、体积与性能要求的技术问题，本专利技术拟提供一种高比表面积、高负载能力的多孔铜箔，通过设计一种新型孔洞分布方案，以多孔铜箔为负极材料承载体，能够有效提高单位面积铜箔上负极材料的负载量和吸附能力，且能兼顾质量、体积及性能的要求，以满足电路集成化发展的需求。基于上述专利技术目的，本专利技术的专利技术人通过设计一种具有多孔的铜箔以实现负极材料承载能力增加、同时减轻质量、体积以满足集成化需求。专利技术人通过计算及模拟等方法，设计了一种具有特定孔洞分布方案的多孔铜箔，以实现上述专利技术目的。本专利技术人通过反复研究、计算及模拟测试不同孔洞设计的机械性能、负极材料的承载能力等，由此得出本专利技术的技术方案为：一种锂离子电池用的多孔铜箔，所述铜箔上规律分布着穿透铜箔上下表面的微孔；所述微孔包括两种孔径不同的微孔即大微孔及小微孔；所述规律分布指大微孔及小微孔的排列呈硼酸盐玻璃中硼氧三元环排列的形状，其中大微孔位于所述硼氧三元环排列形状的氧位置、小微孔位于所述硼氧三元环排列形状的硼位置。满足锂离子电池使用需求，铜箔优选厚度为6~100μm。专利技术人通过反复的理论计算及模拟分析，优选的，所述小微孔的孔径为大微孔孔径的四分之一，大微孔的孔径为10~1000μm；最近邻两个大微孔间的距离为大微孔直径的3倍。进一步优选的，大微孔孔径为40μm，小微孔的孔径为10μm，最近邻两个大微孔间的距离为120μm。本专利技术多孔铜箔的孔洞分布设计，是基于有限元模拟分析和理论优化结果。通常等边三角形排列的孔洞的形式是一种普遍采用的设计方案，但是这样的孔构型受到外载荷时将在该三角形的正中心产生压应力区，由于锂离子电池用铜箔厚度仅数十微米，受压应力容易失稳，从而导致整体孔构型失稳。本专利技术采用硼酸盐玻璃中硼氧三元环排列方式分布两种孔径的微孔，处于硼氧三元环排列形状中氧位置的大微孔正好形成一个等边三角形、位于氧三元环排列形状中硼位置的小微孔相当于位于大微孔形成的等边三角形的中心，通过合理设计大微孔及小微孔的孔径及孔径比例，恰好满足在受到外载荷时，大微孔在等边三角形中心形成的压应力，由于小微孔的引入产生的拉应力区，将原压应力消除。由此不仅能避免失稳问题，同时也有效的增加了单位面积的孔面积，即增加了孔隙率；在保证强度足够的前提下有效提升了电池容量，达到了有效提高单位面积铜箔上负极材料的负载量和吸附能力、且能兼顾电极质量及性能的要求以满足电路集成化发展需求的专利技术目的。本专利技术还提供了一种锂离子电池用的多孔铜箔的制备方法，包括以下步骤：1）通过电解法制得铜箔；制得的铜箔厚度优选6~100μm；2）通过机械打孔或者电化学制孔方法，在铜箔上按规律制作两种孔径不同的微孔，微孔的排列为硼酸盐玻璃中硼氧三元环排列形状，其中孔径大的微孔位于所述硼氧三元环排列形状的氧位置、孔径小的微孔位于所述硼氧三元环排列形状的硼位置。附图说明图1为采用Matlab分析验证本专利技术多孔铜箔设计的相对抗拉强度与孔隙率的变化关系图。图2为本专利技术实施例1多孔铜箔微孔设计图。图3为本专利技术实施例2多孔铜箔微孔设计图。图4为本专利技术实施例3多孔铜箔微孔设计图。图5为采用ANSYS分析模拟实施例1的多孔铜箔设计的模拟结果图。图6为采用ANSYS分析模拟实施例2的多孔铜箔设计的模拟结果图。图7为采用ANSYS分析模拟实施例3的多孔铜箔设计的模拟结果图。其中图2~图4中数字的单位为μm。具体实施方式以下结合附图及具体实施例进一步说明本专利技术。但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明使用，而不应理解为用于以任何形式限制本专利技术。专利技术人通过理论计算、模拟及反复的结构优化等方法构建了以硼酸盐玻璃中硼氧三元环结构为排列形状的多孔排列方案以及确定大小微孔的孔径比例及孔径优选方案。并通过进一步的性能模拟测试，证明所构建的多孔铜箔在保证强度足够的前提下有效提升了电池容量，达到了有效提高单位面积铜箔上负极材料的负载量和吸附能力、且能兼顾电极质量及性能的要求以满足电路集成化发展需求的专利技术目的。首先，专利技术人通过理论计算，确定硼酸盐玻璃中硼氧三元环结构为排列形状的多孔排列方案，以及孔径大的微孔位于硼氧三元环排列形状的氧位置、孔径小的微孔位于硼氧三元环排列形状的硼位过置的大小微孔分布方式；并通过有限元模拟分析等方法优选大微孔的孔径为小微孔孔径的4倍，以及最近邻两个大微孔间的距离为大微孔直径的3倍。专利技术人采用Matlab进行分析验证该设计选择的相对抗拉强度与孔隙率的变化。具体的，如下所述：用Matlab进行验证分析，设最近邻的两个大微孔的孔间距为，大微孔孔径为，小微孔孔径为，根据孔的分布情况计算孔隙率q：；根据孔的分布，不考虑铜箔的变形，经过线性简化，计算相对抗拉强度k：。在专利技术人获得的大微孔与小微孔的孔径比为4:1的情况下，使用matlab绘制孔隙率与相对抗拉强度的图像如附图1。最近邻两个大微孔间的距离为大微孔直径的3倍、大微孔的孔径为小微孔孔径的4倍，即:=3:1，:=4:1时，根据附图1以及上面相对抗拉强度k和孔隙率q的计算公式，最接近的为相对抗拉强度k取70，此时相应孔隙率q=12.24%；::=1:0.34:0.085，近似为本专利技术的设计即:=3:1，:=4:1。从附图1可以看到，该设计既保证了力学性能没有过大损失，又尽可能的提高了孔隙率，达到了有效提高单位面积铜箔上负极材料的负载量和吸附能力、且能兼顾电极质量及性能的要求以满足电路集成化发展需求的专利技术目的。为获得最佳铜箔多孔设计参数，专利技术人通过反复的计算及模拟分析。具体的，构建各优选多孔设计方案的实例如下。实施例1多孔铜箔微孔设计为如附图2，大微孔孔径为30μm，小微孔孔径为7.5μm，两最近邻大微孔的间距为90μm，大小微孔构成硼氧三元环排列形状，大微孔位于硼氧三元环排列的氧位置，即每三个大微孔构成等边三角形形状，小微孔位于硼氧三元环排列的硼位置，即置于每三个大微孔构建的等边三角形的中心分布一小微孔，由此，最近邻的两小微孔间距为51.96μm；如本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂离子电池用的多孔铜箔，其特征在于：所述铜箔上规律分布着穿透铜箔上下表面的微孔；所述微孔包括两种孔径不同的微孔即大微孔及小微孔；所述规律分布指大微孔及小微孔的排列呈硼酸盐玻璃中硼氧三元环排列的形状，其中大微孔位于所述硼氧三元环排列形状的氧位置、小微孔位于所述硼氧三元环排列形状的硼位置。

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池用的多孔铜箔，其特征在于：所述铜箔上规律分布着穿透铜箔上下表面的微孔；所述微孔包括两种孔径不同的微孔即大微孔及小微孔；所述规律分布指大微孔及小微孔的排列呈硼酸盐玻璃中硼氧三元环排列的形状，其中大微孔位于所述硼氧三元环排列形状的氧位置、小微孔位于所述硼氧三元环排列形状的硼位置。2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池用的多孔铜箔，其特征在于：所述小微孔的孔径为大微孔孔径的四分之一；最近邻两个大微孔间的距离为大微孔直径的3倍。3.根据权利要求2所述的一种锂离子电池用的多孔铜箔，其特征在于：大微孔的孔径为10~1000μm。4.根据权利要求3所述的一种锂离子电池用的多孔铜箔，其特征在于：大微孔孔径为40μm，小微孔的孔径为10μm，最近邻两个大微...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚悦，胡春咏，姜子玮，韩屾，程远，王宏涛，刘嘉斌，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33