阅读说明：本技术 一种负极集流体的制备方法及其装置 (Preparation method and device of negative current collector ) 是由 罗军 廖斌 陈琳 庞盼 吴先映 张旭 于 2020-07-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种负极集流体的制备方法及其装置,其结构包括基材PET、金属化层和表面铜膜。利用离子注入技术实现柔性有机材料PET表面金属化,制备膜基结合强度超过1.5N/mm,厚度3-8μm的新型PET基柔性覆铜材料锂电池负极集流体。本发明利用磁过滤技术制备的铜膜,铜膜厚度可控,能够制备传统技术难以实现的超薄型铜箔。通过离子注入优化界面晶格突变,有效地提高膜基结合力。此外,本发明技术是通过卷绕方式在柔性PET表面沉积铜膜,可以连续生产,在在重量、柔韧性以及耐用性优于传统压延法或电解法的铜箔。(The invention discloses a preparation method and a device of a negative current collector. The surface metallization of the flexible organic material PET is realized by utilizing an ion implantation technology, and the novel PET-based flexible copper-clad material lithium battery negative electrode current collector with the film-substrate bonding strength exceeding 1.5N/mm and the thickness of 3-8 mu m is prepared. The copper film prepared by the magnetic filtration technology has controllable thickness, and can be used for preparing ultra-thin copper foil which is difficult to realize by the traditional technology. And the interface lattice mutation is optimized through ion implantation, so that the film-substrate binding force is effectively improved. In addition, the technology of the invention is to deposit the copper film on the surface of the flexible PET in a winding mode, can be continuously produced, and is superior to the copper foil of the traditional rolling method or electrolytic method in weight, flexibility and durability.)

一种负极集流体的制备方法及其装置

技术领域

本发明属于材料表面改性技术领域，具体涉及一种负极集流体的制备方法及其装置。

技术背景

随着时代与科技的发展，锂离子电池在应用市场上不断拓展，已经成为了动力电池的主流。电池的高能量密度、高安全性以及高寿命是其发展的方向及市场的需求。集流体是锂电池重要组成部分，是影响电池充放电的重要因素，其作用是将电池活性物质产生的电流汇集并对外输出。包含正极集流体和负极集流体，通常使用铝箔作为正极，铜箔作为负极。

目前市场主流的铜箔一般为单面毛或双面毛为主，铜箔两面结构不能完全对称，导致两面负载的活性物质涂层接触电阻不对称，进而两面负极容量释放不均匀，冲放循环寿命将严重失衡，加快电池容量衰减。

此外，铜箔轻薄化是进一步锂电池能量密度的趋势，因薄的锂电铜箔意味着更小的电阻，更轻的重量，导致铜箔加工的难度越大，脆断性越严重。

发明内容

本发明公开了一种磁过滤离子束与离子注入复合技术在柔性基材PET表面沉积超薄、高纯度、低密度的铜膜。与传统的压延法或电解法制备铜箔不同，本发明是通过物理气相沉积(PVD)技术实现负极集流体的制备，将柔性基材PET的轻质高柔韧特性，与PVD技术制备的铜膜超薄、高纯和低密度特性有效的结合。本发明中的负极集流体结构包含基材PET、金属化层以及表面铜膜。

本发明包括以下步骤：

A对所述基材PET进行除气及表面活化：所述除气和活化包括将所述基材PET放置于温度30-80℃，湿度20-60％的环境中10-24小时；

B在真空环境中将所述基材PET在牵引力2-50N作用下通过冷辊对所述基材PET进行Ni金属化；

C注入离子源为纯度99.99％的纯Ni离子源，注入条件为：真空度1×10^-3～6×10^{- 3}Pa，注入弧压：50～70V，高压：6～12kV，弧流：3～6mA，注入剂量1×10¹⁴～1×10¹⁵Ni/cm²；

D对Ni金属化后的所述基材PET通过磁过滤离子束技术实现进行表面Cu膜沉积。

进一步地，所述Cu膜沉积的沉积弧源为纯度99.99％的Cu弧源，真空度：1×10^-3～6×10^-3Pa，沉积弧流：80～130A，负偏压：-50V～-350V，占空比10％～90％。

进一步地，其特征在于，所述冷辊的温度控制在-20-0℃。

进一步地，其特征在于，所述Cu膜沉积的厚度调控通过调整卷绕系统往复次数实现，所述卷绕系统的循环50-200次。

进一步地，所述的金属化层通过金属蒸汽真空弧离子注入所述基材PET实现，使用的金属离子源包含并不限于Ti、Ni、Zr或Cr。

一种负极集流体，为如权利要求1-5任一项所述的制备方法制备获得锂电池负极集流体，其结构包括基材PET、金属化层和表面铜膜，所述表面铜膜与基材PET结合强度大于1.5N/mm，铜膜厚度3-8μm，所述Cu膜结合强度超过1.5N/mm，厚度3-8μm。

一种负极集流体的制备装置,包括壳体，所述壳体的进口端设置有放卷仓，所述放卷仓的出口端设置有所述放卷辊通过多个所述导辊与所述冷辊的进口端连接，所述壳体内设置有真空腔体、冷辊、离子注入系统和磁过滤离子束沉积系统，所述冷辊呈上下对称结构，所述冷辊的侧边依次设置有所述离子注入系统和磁过滤离子束沉积系统用以实现金属蒸汽真空弧离子注入和铜膜沉积。

本发明有以下优益效果：

本发明利用磁过滤技术制备的铜膜，理论上可以实现完全过滤杂质，沉积的铜纯度可达100％，铜膜厚度可控，能够制备传统技术难以实现的超薄型铜箔。本发明利用磁过滤离子束与离子注入复合技术制备的新型PET基柔性覆铜材料，通过离子注入优化界面晶格突变，有效地提高膜基结合力。此外，本发明技术是通过卷绕方式在柔性PET表面沉积铜膜，可以连续生产，在在重量、柔韧性以及耐用性优于传统压延法或电解法的铜箔。

附图说明

图1为本发明负极集流体的制备装置的结构示意图。

图2为本发明的负极集流体结构示意图；

图中：101－真空腔体、102－放卷仓、103－放卷辊、104-导辊、105－冷辊、106－离子注入系统、107-磁过滤离子束沉积系统、108－收卷辊、109－收卷仓，201-柔性基材PET、202-金属化层、203-Cu膜

具体实施方式

结合附图说明，以Ni注入离子源和Cu弧源为例，详细的介绍本发明利用磁过滤离子束与离子注入复合技术制备新型PET基柔性覆铜材料锂电池负极集流体工艺流程，实施步骤如下：

本发明包括壳体，所述壳体的进口端设置有放卷仓102，所述放卷仓102的出口端设置有所述放卷辊103通过多个所述导辊104与所述冷辊105的进口端连接，所述壳体内设置有真空腔体、冷辊105、离子注入系统106和磁过滤离子束沉积系统107，所述冷辊105呈上下对称结构，所述冷辊105的侧边依次设置有所述离子注入系统107和磁过滤离子束沉积系统108用以实现金属蒸汽真空弧离子注入和铜膜沉积。

1.PET除气及表面活化：

恒温恒湿处理：将一卷柔性基材PET 201卷筒放置于温度30-80℃，湿度20-60％，除气和活化10-24小时，备用。

2.柔性基材PET入仓(放卷仓)102

将PET卷筒固定于放卷辊103，在牵引带作用下绕至收卷辊108，完成PET入仓。

3.金属化层

PET在牵引力2-50N作用下，运行至离子注入系统106，开始注入工艺。注入离子源为纯度99.99％的纯Ni离子源，注入条件为：真空度1×10^-3～6×10^-3Pa，注入弧压：50～70V，高压：6～12kV，弧流：3～6mA，注入剂量1×10¹⁴～1×10¹⁵Ni/cm²。

本发明的离子注入系统能够实现PET双面同步金属化，附图1所示。由于离子注入系统产生的Ni离子是在高压加速打入至PET，Ni离子能量较高会释放热能。为防止高能Ni离子损坏PET，在卷绕系统中冷辊的温度应在-20-0℃，此外真空环境配有深冷系统，进一步降温。

4.Cu膜沉积

Ni金属化后的PET 202转至磁过滤离子束系统107，在Ni金属化层202之上沉积Cu膜203，沉积条件为：沉积弧源为纯度99.99％的Cu弧源，真空度：1×10^-3～6×10^-3Pa，沉积弧流：80～130A，负偏压：-50V～-350V，占空比10％～90％。

Cu膜203的厚度调控是通过卷绕系统往复次数实现，循环50-200次。最后通过收卷辊108和收卷仓109实现收纳。

通过以上步骤可以制备新型PET基柔性覆铜材料锂电池负极集流体，集流体光亮，平整，柔韧性优异，Cu膜结合强度超过1.5N/mm，厚度3-8μm。

通过本发明所述的磁过滤离子束与离子注入复合技术制备的新型PET基柔性覆铜材料锂电池负极集流体膜基结合强度超过1.5N/mm，铜膜厚度可控(3-8μm)。

所述金属化层是通过金属蒸汽离子源(MEVVA源)产生的金属离子，在高压电场的作用下加速轰击并进入基材表层，而在基材表层几十纳米井深区形成的注入缓冲层。所述MEVVA源为Ti、Ni、Zr、Cr等，注入剂量为1000～8000mc、注入能量为6～15kV。

金属化层是利用离子注入技术将金属离子源(Ti、Ni、Zr、Cr等)做阴极靶材，在真空环境下，通过高压触发，形成金属等离子体，等离子体中的电子被栅电极过滤后得到金属离子，金属离子通过高压加速并注入进PET表面，使绝缘的有机材质PET导电，形成的金属化层，其作用是改变PET与后续沉积的铜膜晶格失配。通过优化离子注入的能量、注入的剂量以及注入的频率形成均匀的金属化层。

所述铜膜是磁过滤离子源产生铜等离子体，经过磁过滤沉积形成的。弧流为70～130A，负偏压为50～350V，处理时间为20～40min。表面铜膜是利用磁过滤离子束技术直流触发形成真空弧，将高纯度铜靶材气化电离形成铜离子，由于真空弧产生的物质仅有有铜离子，也包含不带电的铜颗粒以及液滴，经过磁场偏转(30°-180°)将不带的铜颗粒以及液滴过滤，引出高纯的铜离子，形成铜膜。通过优化弧流、偏转磁场强度，脉冲负偏压以及沉积时间等参数在柔性基材PET表面形成超薄、高纯度、低密度的铜膜。

所述新型PET基柔性覆铜材料锂电池负极集流体膜基结合强度超过1.5N/mm，厚度3-8μm。

需要注意的是，以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形落在本发明的保护范围内。本领域技术人员应该明白，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，并非用于限制本发明。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。