一種鋰電池負極集流體鑲碳裝置及其鑲碳工藝的制作方法

本發明涉及一種鋰電池制作設備，具體涉及一種鋰電池負極集流體鑲碳裝置及其鑲碳工藝。

背景技術：

鋰離子電池由于具有工作電壓高、重量輕、比能量大、循環壽命長、無記憶效應、無環境污染等突出優點，是未來電動汽車用輕型高能動力電池的首選能源。鋰離子蓄電池是電動汽車的重要部件，其市場與電動汽車具有同樣的前景。隨著環境污染和石油資源的日益匱乏，發展低碳環保、可持續利用的能源作為交通工具已迫在眉睫；鋰離子動力電池作為電動汽車的關鍵零部件之一，其市場前景廣泛，發展潛力巨大。因此提高鋰離子蓄電池的循環壽命，降低電池制作的生產成本，提高電池的安全性和減少電池生產和使用過程中的環境污染是電池從業人員必須解決的課題，本發明通過在負極集流體表面鑲碳研究，提高石墨負極與集流體之間的結合力，解決了電池在充放電過程中極化內阻增大現象，進而提高電池充放電效率，提高電池的循環壽命。

鋰離子電池的負極集流體采用銅箔，銅箔在鋰離子電池內既充當負極材料的載體，又充當負極電子收集與傳輸載體，在鋰離子電池發展初期，選擇壓延銅箔來制作電池負極集流體。由于鋰離子電池用壓延銅箔價格高，且涂有活性物質的負極電極在干燥、輥壓、切片等制造工序中的操作性較差，易產生皺紋、甚至斷裂、活性物質脫落、生產效率較低等缺陷。近年來隨著銅箔制作裝備水平的提升和制造技術的進步，電解銅箔的物理、化學、機械和冶金等性能得到大幅提高，再加上生產控制連續、生產效率較高、價格相對便宜及銅箔的純度能夠得到保證等優勢，采用高性能電解銅箔代替壓延銅箔已在鋰離子電池實際生產中得以廣泛應用。目前，國內外大部分鋰離子電池廠家都采用電解銅箔作為鋰離子電池的負極集流體；銅箔在鋰離子電池中既充當負極活性物質的載體，又充當負極電子流的收集與傳輸體。因此，電解銅箔的抗拉強度、延伸性、致密性、表面粗糙度、厚度均勻性及外觀質量等對鋰離子電池負極制作工藝和鋰離子電池的電化學性能有著很大的影響。

技術實現要素：

本發明的目的是為了解決技術所存在的問題，提供一種鋰電池負極集流體鑲碳裝置及其鑲碳工藝。

本發明是通過以下技術方案予以實現的：

一種鋰電池負極集流體鑲碳裝置，包括銅箔、碳棒、真空吸盤、抽真空裝置、移動架、脈沖電源，所述真空吸盤與抽真空裝置相連，所述真空吸盤均勻分布有吸孔，所述銅箔吸附在真空吸盤上，所述真空吸盤一端設有移動架，所述移動架上安裝有碳棒，所述碳棒與真空吸盤分別與脈沖電源的兩極相接。

進一步的，所述真空吸盤采用導電材料制作，所述真空吸盤的厚度不小于5mm，所述真空吸盤上均布有直徑不大于0.5mm的吸孔。

進一步的，所述碳棒為直徑4mm-8mm的實心或空心碳纖維棒。

進一步的，所述碳棒傾斜安裝在移動架上，所述移動架帶動碳棒勻速地在銅箔表面上方移動，其移動速度為0.05m-0.08m/min。

進一步的，所述銅箔的厚度為10μm至30μm，所述銅箔表面平滑、無油漬污漬。

進一步的，所述脈沖電源的電壓控制在140V-180V，所述脈沖電源的電流＜0.5A。

進一步的，所述移動架包括滑動板、支架、燕尾滑塊、懸臂、豎向滑塊，所述滑動板安裝在真空吸盤邊緣，所述滑動板上設有燕尾滑動槽，所述支架底部設有燕尾滑塊，所述燕尾滑塊安裝在燕尾滑動槽中并可沿燕尾滑動槽來回滑動，所述支架上設有可沿支架上下滑動的豎向滑塊，所述豎向滑塊上設有懸臂，所述懸臂上安裝有碳棒。

進一步的，所述移動架上還設有縱向氣缸、豎直氣缸，所述縱向氣缸安裝在燕尾滑動槽的端部，所述縱向氣缸的推桿與支架相連，所述豎直氣缸安裝在支架上，所述豎直氣缸的推桿與豎向滑塊相連。

一種鋰電池負極集流體鑲碳裝置的鑲碳工藝，其特征在于，它包括以下步驟：

S1. 用酒精將銅箔擦拭干凈并晾干，且保持平整，將銅箔平鋪在真空吸盤上，啟動抽真空裝置，使銅箔吸附在真空吸盤上；

S2. 將碳棒傾斜安裝在進給裝置上；

S3. 將脈沖電源的兩極分別與碳棒、真空吸盤相連接；

S4. 開啟脈沖電源，并將脈沖電源的電壓范圍控制在140V-180V，電流＜0.5A；

S5. 移動架帶動碳棒勻速地在銅箔表面移動，其移動速度為0.05m-0.08m/min，碳棒與銅箔的極間電壓擊穿間隙而產生火花放電，銅箔表面因熔化、氣化形成大量微小的凹坑，進給裝置不斷運動，將碳棒的輪廓形狀“復印”到銅箔凹坑內，在銅箔表面形成結合力良好的鑲碳層。

進一步的，所述步驟S2中碳棒傾斜安裝時，控制碳棒的中心軸線與豎直方向的夾角為0-45°。

本發明是一種自制的鑲碳設備，利用工作電極和銅箔電極間瞬時火花放電所產生的高溫熔蝕銅箔表面來實現加工的，主要由脈沖電源、移動架、真空吸盤等部分組成，將銅箔吸附在真空吸盤上，脈沖電源提供加工所需的能量，其兩極分別接在碳棒與真空吸盤上，當碳棒與銅箔在進給機構的驅動下靠近時，極間電壓擊穿間隙而產生火花放電，銅箔表面因熔化甚至氣化而被蝕除下來，形成一個微小的凹坑；多次放電的結果，使工件表面產生大量凹坑。碳棒在進給機構的驅動下不斷下降，其輪廓形狀便被“復印”到銅箔凹坑內，在銅箔表面形成結合力良好的鑲碳層。

本發明通過在負極集流體表面鑲碳，提高了石墨負極與集流體之間的結合力，解決了電池在充放電過程中極化內阻增大現象，進而提高了電池充放電效率，提高了電池的循環壽命。

附圖說明

圖1為鋰電池負極集流體鑲碳裝置的結構示意圖。

圖2為移動架的結構示意圖。

圖3為鑲碳銅箔制作的扣式電池的充放電曲線圖。

圖4為未鑲碳銅箔制作的扣式電池的充放電曲線圖。

附圖中：1—銅箔，2—碳棒，3—真空吸盤，4—移動架，5—脈沖電源，6—吸孔，7—懸臂，8—滑動板，9—縱向氣缸，10—燕尾滑塊，11—支架，12—豎向滑塊，13—豎直氣缸。

具體實施方式

如圖1、圖2所示，一種鋰電池負極集流體鑲碳裝置，包括銅箔1、碳棒2、真空吸盤3、抽真空裝置、移動架4、脈沖電源5。

真空吸盤3采用導電材料制作，所述真空吸盤3的厚度不小于5mm，真空吸盤3上均布有直徑不大于0.5mm的吸孔6。真空吸盤3與抽真空裝置相連，所述銅箔1吸附在真空吸盤3上，銅箔1的厚度為10μm至30μm，銅箔1表面平滑、無油漬污漬。

真空吸盤3一端設有移動架4，所述移動架4包括滑動板8、支架11、燕尾滑塊10、懸臂7、豎向滑塊12。滑動板8安裝在真空吸盤3邊緣，滑動板8上設有燕尾滑動槽。支架11底部設有燕尾滑塊10，所述燕尾滑塊10安裝在燕尾滑動槽中并可沿燕尾滑動槽來回滑動。支架11上設有可沿支架11上下滑動的豎向滑塊12，所述豎向滑塊12上固定安裝有一懸臂7，所述懸臂7上安裝有碳棒2。優選地，所述碳棒2采用直徑為4mm-8mm的實心或空心碳纖維棒，碳棒2傾斜安裝在移動架4上，碳棒2的中心軸線與豎直方向的夾角為0-45°，所述移動架4帶動碳棒2勻速地在銅箔1表面上方移動，其移動速度為0.05m-0.08m/min。

本發明的碳棒2與真空吸盤3分別與脈沖電源5的兩極相接，所述脈沖電源5的電壓控制在140V-180V，所述脈沖電源5的電流＜0.5A。

本實施例中，移動架4采用氣缸驅動，移動架4上設有縱向氣缸9、豎直氣缸13，所述縱向氣缸9安裝在燕尾滑動槽的端部，所述縱向氣缸9的推桿與支架11相連，所述豎直氣缸13安裝在支架11上，所述豎直氣缸13的推桿與豎向滑塊12相連。

需要說明的是，本發明移動架4上的燕尾滑塊10、豎向滑塊12可采用手動，或采用氣缸驅動、液壓缸驅動、或絲桿電機驅動。本發明移動架4上的燕尾滑塊10、豎向滑塊12所構成的滑動裝置也可采用導軌、滾輪、行走輪、齒輪齒條進行代替。

上述鋰電池負極集流體鑲碳裝置的鑲碳工藝，包括以下步驟：

S1. 用酒精將銅箔1擦拭干凈并晾干，且保持平整，將銅箔1平鋪在真空吸盤3上，啟動抽真空裝置，使銅箔1吸附在真空吸盤3上；

S2. 將碳棒2傾斜安裝在進給裝置上，碳棒2的中心軸線與豎直方向的夾角為0-45°；

S3. 將脈沖電源5的兩極分別與碳棒2、真空吸盤3相連接；

S4. 開啟脈沖電源5，并將脈沖電源5的電壓范圍控制在140V-180V，電流＜0.5A；

S5. 移動架4帶動碳棒2勻速地在銅箔1表面移動，其移動速度為0.05m-0.08m/min，碳棒2與銅箔1的極間電壓擊穿間隙而產生火花放電，銅箔1表面因熔化、氣化形成大量微小的凹坑，進給裝置不斷運動，將碳棒2的輪廓形狀“復印”到銅箔1凹坑內，在銅箔1表面形成結合力良好的鑲碳層。

本發明通過自制鑲碳裝置在銅箔1與碳棒2之間形成電壓差，通過電壓差放電在銅箔1表面形成一個微小的凹坑。碳棒2電極在進給機構的驅動下均勻移動，其輪廓形狀便被“復印”到銅箔1上，進而提高銅箔1的導電性和與石墨之間形成良好的結合力，達到提高其導電性和降低電池在充放電過程中極化的目的；用拉曼、XRD、EIS、CV等方法研究了銅箔1鑲碳后對鋰離子電池的影響，并且通過對充放電容量、電池的倍率性能、循環曲線及不同溫度下的放電容量對比，結果表明，銅箔1鑲碳制成的電池比未鑲碳銅箔制成的電池性能有很大的提高。

下面用對鑲碳銅箔制作的扣式電池和未鑲碳銅箔制作的扣式電池進行比較，其結果如下。

比較一：按照本發明在銅箔表面鑲碳處理后，然后分別在鑲碳銅箔表面和沒有處理的銅箔表面涂厚度為100μm的石墨層，制作成扣電；經過老化完成后，我們按照如下工步對扣式電池進行充放電測試：（A）恒流放電（0.35mA，0.001V）、（B）靜置（1min）、（C）恒流充電（0.35mA，2.000V），測試結果見圖3、圖4。從圖3、圖4的曲線上可以看出鑲碳銅箔制作的扣電石墨首次放電容量為395mAh/g，未鑲碳處理的銅箔制作的扣電石墨首次放電容量為354mAh/g，說明首次放電過程中鑲在銅箔內部的石墨也有鋰離子的嵌入，第二圈放電容量鑲碳銅箔制作的扣電放電容量為372mAh/g，未鑲碳銅箔制作的扣電放電容量為342 mAh/g。

比較二：鑲碳銅箔制作的電池與未鑲碳處理的銅箔制作的電池經過500圈循環后，鑲碳銅箔制作的電池容量保持率為96%，未鑲碳銅箔制作的電池容量保持率為93%，說明鑲碳銅箔制作的電池在循環過程中石墨與鑲碳集流體結合力良好，能夠確保鋰離子在石墨嵌入及脫嵌過程中石墨與集流體具有良好的導電性，減少極化內阻，從而保證電池具有良好的循環性能。