一种铜箔复合集流体及其制备方法与流程

本发明涉及电池集流体，尤其涉及一种用于锂电池、钠电池及固态电池的铜箔复合集流体及其制备方法。

背景技术：

1、集流体是电化学电池的重要组成部分，主要承担电子汇集、传输及电极活性材料支撑的作用。对于锂电池、钠电池及固态电池等体系，集流体的导电性能、机械稳定性、界面结合性能及轻量化水平，会直接影响电池的能量密度、倍率性能、循环寿命及加工适应性。

2、目前，负极集流体通常采用单层铜箔。随着电池向高能量密度和轻量化方向发展，传统单层铜箔在减薄后易出现抗拉强度下降、抗弯折能力不足、在卷绕或叠片过程中容易产生褶皱、裂纹甚至断裂等问题。为解决上述问题，采用高分子薄膜作为中间支撑层、在高分子薄膜上下表面形成铜层的复合集流体结构，成为一种重要发展方向。

3、然而，高分子薄膜本身通常为绝缘材料，复合集流体上下两层铜层之间难以自然导通。若采用后续焊接、机械连接或主体区域多点导通孔结构，往往存在工艺复杂、局部应力集中、占用有效涂覆面积或导通一致性不足等问题。因此，如何在保证主体有效区域利用率的同时，实现上下铜层之间低电阻、可批量制造的导通连接，是本领域需要解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种铜箔复合集流体及其制备方法，通过在中间聚合物膜的边缘区域设置贯穿孔，并在贯穿孔内形成与上下铜层电接触的铜连接部，从而实现上下铜层之间沿厚度方向的稳定导通，并兼顾轻量化、机械强度及连续化制造需求。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种铜箔复合集流体，包括由上至下依次设置的上铜层、上粘结剂层、中间聚合物膜层、下粘结剂层和下铜层，其中，所述中间聚合物膜层的边缘区域设有至少一个贯穿其厚度方向的孔部，所述孔部内填充铜形成导铜连接部，所述导铜连接部沿中间聚合物膜层的厚度方向延伸，其上端与上铜层电接触、下端与下铜层电接触，以构成上铜层与下铜层之间沿厚度方向的导电通路。

4、优选地，所述上铜层和下铜层的厚度分别为0.8-2.0μm。

5、优选地，所述上粘结剂层和下粘结剂层的干膜厚度分别为0.3-2.0μm。

6、优选地，所述中间聚合物膜层的厚度为2.0-5.0μm。

7、优选地，所述孔部设置于中间聚合物膜层的单侧边缘区域、双侧边缘区域、角部区域或边缘预留导通区域。

8、优选地，所述孔部的平面形状为圆形、椭圆形、条形、矩形或多边形中的任一种。

9、优选地，所述导铜连接部与孔部内壁贴合设置，且沿中间聚合物膜层厚度方向贯通。

10、优选地，所述导铜连接部的两端达到或接近孔部上下端面，并分别与上铜层和下铜层形成电接触，所述电接触可为直接接触或经复合压实形成的接触。

11、优选地，所述粘结剂层为马来酸酐接枝聚烯烃类粘结剂固化形成。

12、优选地，所述中间聚合物膜层为聚乙烯膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯膜、聚丙烯膜、聚酰亚胺膜或其他绝缘高分子薄膜。

13、优选地，在部分优选实施条件下，按本说明书性能测试部分所述测试条件测得，所述铜箔复合集流体上下铜层之间的接触阻抗可为2.1mω以下，进一步优选为2.0mω以下。

14、本发明还提供一种上述铜箔复合集流体的制备方法，包括以下步骤：

15、其中，所述第一铜层和第二铜层分别对应于最终产品中的上铜层和下铜层，或分别对应于下铜层和上铜层。

16、（1）基膜预处理：

17、提供中间聚合物膜，在所述中间聚合物膜的边缘区域形成至少一个贯穿厚度方向的孔部；在所述中间聚合物膜的上下两个表面分别涂布粘结剂，经干燥后形成上粘结剂层和下粘结剂层，得到预处理基膜；

18、（2）第一铜层复合：

19、在阴极辊表面通过水系电镀方式形成第一铜层，将预处理基膜的一侧粘结剂层与所述第一铜层热压复合，冷却后自阴极辊剥离，得到单面复合体；

20、（3）孔部填铜：

21、在所述单面复合体已形成的第一铜层外表面设置临时保护层，以减少非孔部区域的非预期沉积；优选在孔部对应区域保留沉积暴露窗口，或通过定位使孔部对应区域处于优先沉积位置；必要时，对孔壁及孔口区域进行表面清洁、活化、粗化或等离子体处理；随后以所述第一铜层作为电沉积导电基础，通过电镀使铜自孔部与第一铜层接触的一端向孔部内逐步沉积生长，形成沿中间聚合物膜层厚度方向延伸的导铜连接部，所述导铜连接部一端与第一铜层形成稳定电接触，另一端达到或接近孔部另一端开口，以便在后续第二铜层复合时与第二铜层形成电接触；

22、（4）第二铜层复合：

23、在阴极辊表面通过水系电镀方式形成第二铜层，将所述单面复合体另一侧粘结剂层与所述第二铜层热压复合，使导铜连接部与第二铜层形成电接触，冷却后自阴极辊剥离，得到双面铜层复合结构；

24、（5）后处理：

25、去除所述临时保护层，经清洗、干燥后得到铜箔复合集流体成品。

26、优选地，所述孔部通过机械冲孔、激光打孔、模切或其组合方式形成。

27、优选地，所述水系电镀的电流密度为5-20a/dm2，电镀液温度为15-30℃。

28、优选地，所述电镀液为硫酸铜-硫酸体系电镀液，其中硫酸铜浓度为150-250g/l，硫酸浓度为40-80g/l。

29、优选地，所述热压复合温度为60-140℃，压力为0.5-2.0mpa。

30、优选地，所述临时保护层为抗酸且可去除的聚合物保护层，优选为经配方设计后可碱剥离的环氧树脂体系保护层、聚酰亚胺体系保护层或其他可剥离保护层。

31、优选地，所述后处理采用与临时保护层体系相匹配的去除工艺去除临时保护层；对于可碱剥离保护层，优选采用碱液处理，所述碱液优选为0.5-2mol/l的naoh溶液，处理温度为20-60℃，处理时间为10-60min。

32、本发明还提供上述铜箔复合集流体在锂电池、钠电池或固态电池中的应用。

33、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

34、通过在中间聚合物膜边缘区域设置填铜孔部形成导铜连接部，可在复合集流体厚度方向建立稳定导电通路，有利于实现上下铜层之间低电阻连接；

35、导通结构设置于边缘区域，可降低对主体活性物质涂覆区域的影响；

36、采用聚合物膜-铜层复合结构，在实现轻量化的同时，有利于提高集流体的整体柔韧性和弯折稳定性；

37、采用打孔、涂胶、水系电镀、热压复合和保护层去除等工艺，具有连续化制备基础，便于工业实施；

38、在优选实施条件下，所得铜箔复合集流体可兼顾较低接触阻抗、良好层间结合性能和较好的弯折耐久性。

1.一种铜箔复合集流体，其特征在于，包括自上而下依次设置的上铜层、上粘结剂层、中间聚合物膜层、下粘结剂层和下铜层，所述中间聚合物膜层的边缘区域设有至少一个贯穿其厚度方向的孔部，所述孔部内填充有铜以形成导铜连接部，所述导铜连接部沿所述中间聚合物膜层的厚度方向延伸，且其上端与所述上铜层电接触、下端与所述下铜层电接触，以将所述上铜层与所述下铜层电连接。

2.根据权利要求1所述的铜箔复合集流体，其特征在于，所述孔部和所述导铜连接部设置于所述中间聚合物膜层的一个边缘区域或相对的两个边缘区域。

3.根据权利要求1所述的铜箔复合集流体，其特征在于，所述孔部为圆形孔、椭圆形孔、条形孔或多边形孔。

4.根据权利要求1所述的铜箔复合集流体，其特征在于，所述孔部的孔径或特征尺寸为15μm-2000μm。

5.根据权利要求1所述的铜箔复合集流体，其特征在于，所述中间聚合物膜层的材料选自聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的铜箔复合集流体，其特征在于，所述上粘结剂层和下粘结剂层分别独立地包含马来酸酐接枝聚烯烃粘结剂、环氧类粘结剂、丙烯酸类粘结剂或聚氨酯类粘结剂中的一种或多种。

7.一种权利要求1至6任一项所述铜箔复合集流体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述孔部通过激光打孔、机械打孔、模切打孔或化学刻蚀形成。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤s3和步骤s5中，所述第一铜层和第二铜层分别通过以下任一种方式设置：预制铜箔与相应粘结剂层热压复合；或者先通过电镀形成铜层，再与相应粘结剂层复合。

10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤s4中，所述孔部内的铜通过电镀填充形成。