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CN114556613A - 使用激光蚀刻的电极制造方法及用于执行该方法的电极制造设备 - Google Patents

使用激光蚀刻的电极制造方法及用于执行该方法的电极制造设备 Download PDF

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CN114556613A CN202080073093.4A CN202080073093A CN114556613A CN 114556613 A CN114556613 A CN 114556613A CN 202080073093 A CN202080073093 A CN 202080073093A CN 114556613 A CN114556613 A CN 114556613A
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Abstract

本发明涉及一种电极制造方法及用于执行该方法的电极形成装置，在该电极制造方法中，在切割电极片之前执行激光烧蚀，从而提高通过使用激光来切割电极片的加工速度。

Description

使用激光蚀刻的电极制造方法及用于执行该方法的电极制造 设备
技术领域
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年10月24日提交的韩国专利申请第10-2019-0132663号的优先权的权益，通过引用将上述专利申请整体结合在此。
技术领域
本发明涉及一种使用激光蚀刻的电极制造方法，更具体地，涉及一种通过激光烧蚀减小电极的厚度以提高激光蚀刻速度的电极制造方法及用于执行该方法的电极制造设备。
背景技术
二次电池通常由其中在集流体的一个表面或两个表面上施加有活性材料的正极和负极以及隔膜构成。在此，通过将在一个表面或两个表面的每一个上施加有电极混合物的电极片切割成期望尺寸来形成正极和负极。
当切割电极片时，已广泛使用利用模具和冲头执行切割工序的剪切模具技术。当使用模具时，必须定期维护模具，以使电极的剪切表面平滑。此外，当使用模具时，在电极的端面上会形成毛刺(Burr)，并且在使用中会产生大量的灰尘颗粒，从而引起电池性能的劣化和安全性的劣化。
此外，难以通过使用模具的切割方法来执行精确切割，并且因为模具的形状是固定的，所以必须使用多个模具执行多次切割工序来获得具有所需形状和尺寸的电极。
近来，为了解决模具的这些局限性，如专利文献1中那样执行使用激光束的电极制造方法。如图1中所示，使用从电极加工单元20发射到电极10的表面上的激光束来一次切割电极混合物层11和电极集流体12的全部。当使用上述方法时，可进行精确切割，并且减小了灰尘颗粒的产生率。然而，使用激光束的该电极制造方法是适于切割薄电极的方法，并且当如专利文献1中那样通过发射激光束来切割电极时，在发射激光束的范围和时间方面存在限制。因而，如表1中所示，随着电极厚度的增加，切割速度降低。
[表1]
厚度 激光的开槽速度(㎜/s) 模具的开槽速度(㎜/s)
90μm 1000 1000
120μm 600 1000
200μm 300 1000
在专利文献2中，与激光束一起使用热风机来蚀刻电极的活性材料膜。然而，该方法是用于去除电极的活性材料膜的工序，并不是提高执行电极切割工序的速度。
因此，当切割电极片时，需要一种提高工序速度且同时克服模具的限制的切割方法。
发明内容
技术问题
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种电极制造方法及用于执行该方法的电极形成装置，其中，当切割形成有电极混合物层的电极片时，通过激光烧蚀来蚀刻电极片的一部分，将其厚度调整为特定厚度，然后执行切割。
技术方案
为了实现以上目的，本发明可提供一种电极制造方法，包括：工序(1)，制备其中在电极集流体的一个表面或两个表面的每一个上形成有电极混合物层的电极片；工序(2)，在不暴露所述电极集流体的范围内通过激光烧蚀蚀刻所述电极混合物层的一部分；以及工序(3)，切割所述电极片的所述电极混合物层的被蚀刻的部分，以制造电极。
在此，所述电极制造方法可进一步包括与所述工序(2)和/或所述工序(3)同时执行或者在所述工序的每一个之后执行的抽吸和/或吹气工序。
可通过使用激光执行所述工序(3)中的切割。
在所述工序(3)中使用的激光可与在所述工序(2)的激光烧蚀中使用的光源相同。
在此，所述工序(1)中的所述电极片的厚度可以是100μm或更大。
以在所述电极集流体的一个表面上的所述电极混合物层为准，在所述工序(2)中所述电极混合物层被蚀刻的厚度可以是所述电极片的总厚度的0.1倍至0.3倍。
所述工序(3)中的切割速度可以是600mm/S或更大。
所述工序(3)中的所述切割包括开槽、冲切和分切中的一种。
所述工序(2)的激光烧蚀中的激光束可具有1ns至300ns的脉冲宽度。
可在所述电极片的一个表面上执行所述工序(2)的激光烧蚀。
可在执行所述工序(2)之后的1秒至10秒之间执行所述工序(3)。
本发明提供一种作为用于执行上述电极制造方法的电极制造设备的电极形成装置，所述电极形成装置包括：片传送单元，所述片传送单元配置为以恒定速度移动所述电极片；激光照射单元，所述激光照射单元配置为执行在不暴露所述电极集流体的范围内蚀刻所述电极混合物层的一部分的激光烧蚀；以及电极加工单元，所述电极加工单元配置为切割被激光照射的部分。
所述电极加工单元可执行开槽、冲切和分切中的一种。
此外，所述电极加工单元发射激光。
所述电极形成装置可设置为使得在行进方向上首先执行所述激光烧蚀，然后执行所述切割。
所述激光照射单元与所述电极加工单元之间的距离可以是20mm至300mm。
本发明可通过选择和组合上述特征中的一个或两个或更多个不冲突的特征来实现。
有益效果
在如上所述的根据本发明的电极制造方法中，通过激光烧蚀蚀刻电极混合物层的一部分，然后执行切割。因而，可像在使用模具的制造方法中那样快速切割电极片，甚至可切割厚电极。
由于切割通过激光烧蚀而被蚀刻的部分，所以与现有的激光烧蚀相比，切割深度可增加而切割面积减小。因而，可提高切割精度。此外，由于活性材料层通过激光烧蚀被部分地蚀刻，所以在切割时产生的异物减少，从而提高电池性能。
此外，由于在切割时使用激光束，所以与模具不同，不需要单独的维护，并且在使用模具时可能产生毛刺(Burr)的可能性降低。
因为使用激光束来克服模具切割的限制，所以根据本发明的上述电极制造方法是经济可行且有效的，并且与现有的激光切割相比，可快速切割具有各种厚度的电极。
附图说明
图1是相关技术的电极制造方法的示意图。
图2是根据本发明的电极制造方法的示意图。
图3示出了根据本发明的电极制造方法中的电极的横截面，其图解了当使用激光束蚀刻电极时，根据激光束的蚀刻宽度的电极的蚀刻深度。
图4是根据本发明的电极制造设备的示意图。
具体实施方式
下文中，将详细地描述本发明所属领域的技术人员可容易执行的实施方式。然而，在详细描述本发明示例性实施方式的操作原理时，当确定相关的公知功能或配置的详细描述将不必要地模糊本发明的主题时，将省略对相关的公知功能或配置的描述。
在整个申请中，当一个部件被称为连接至另一个部件时，该一个部件可直接连接至该另一个部件或在它们之间具有中间部件的情况下间接连接至该另一个部件。此外，除非另外提及，否则包括某个要素是指不排除其他要素，而是可进一步包括其他要素。
此外，本申请中的电极片通常可表示在电极集流体的一个表面或两个表面的每一个上形成有电极混合物层，但是也可仅包括电极集流体。
下文中，将更详细地描述本发明。
图2是根据本发明的电极制造方法的示意图。如图2中所示，根据本发明，提供了电极制造方法，该方法包括：工序(1)，制备其中在电极集流体120的一个表面或两个表面的每一个上形成有电极混合物层110的电极片100；工序(2)，在不暴露电极片的电极集流体的范围内蚀刻电极混合物层的一部分(图2的(a))；以及工序(3)，切割被蚀刻的部分(图2的(b))，以制造电极。
可进一步包括与工序(2)和/或工序(3)同时执行或者在工序的每一个之后执行的抽吸和/或吹气工序。通过抽吸和/或吹气工序，可去除在电极混合物层的部分蚀刻和切割工序期间产生的残留物质，并且可提高每个工序的效率。
电极集流体没有特别限制，只要其是具有高导电性而不会引起电池的化学变化的金属即可。正极集流体可包括不锈钢；铝；镍；钛；焙烧碳；或用碳、镍、钛或银表面处理过的铝或不锈钢，特别是包括铝。负极集流体可包括铜；不锈钢；铝；镍；钛；焙烧碳；用碳、镍、钛或银表面处理过的铜或不锈钢；或铝镉合金。
这些集流体可具有形成在其表面中的细微凹凸，以提高与活性材料的结合强度，并且可包括各种形状，诸如膜、片、箔、网、多孔体、泡沫体或无纺布体。
电极的集流体通常可被制造为具有3μm至500μm的厚度，优选地，为了电极的容量和效率来说，厚度为3μm至100μm。
电极片可具有其中在电极集流体的一个表面或两个表面的每一个上形成有电极混合物层的结构。电极片可包括其中在其一个表面或两个表面的每一个上未形成电极混合物层的电极片，但是理想的是设置电极混合物层，因为不具有电极混合物层的电极集流体在使用激光束切割时热变形。可通过混合电极活性材料、导电材料和粘合剂形成电极混合物层。
在此，正极活性材料可包括但不限于：层状化合物，如锂钴氧化物(LiCoO2)、或由一种或多种过渡金属所取代的化合物；锂锰氧化物，诸如化学式Li1+xMn2-xO4(其中，x是0～0.33)、LiMnO3、LiMn2O3、和LiMnO2；锂铜氧化物(Li2CuO2)；钒氧化物，诸如LiV3O8、LiV3O4、V2O5、和Cu2V2O7；由化学式LiNi1-xMxO2(其中M＝Co、Mn、Al、Cu、Fe、Mg、B、或Ga，并且x＝0.01～0.3)所表示的Ni位型的锂镍氧化物；由化学式LiMn2-xMxO2(其中M＝Co、Ni、Fe、Cr、Zn、或Ta，并且x＝0.01～0.1)或化学式Li2Mn3MO8(其中M＝Fe、Co、Ni、Cu、或Zn)所表示的锂锰复合氧化物；其中化学式的一部分Li被碱土金属离子所取代的LiMn2O4；二硫化合物；以及Fe2(MoO4)3。
负极活性材料可包括：碳，诸如非石墨化碳和石墨化碳；复合金属氧化物，诸如LixFe2O3(0≤x≤1)、LixWO2(0≤x≤1)、SnxMe1-xMe'yOz(Me：Mn、Fe、Pb或Ge；Me'：Al、B、P、Si、第1、11和11I族元素或卤素；0<x≤1；1≤y≤3；1≤z≤8)；锂金属；锂合金；硅基合金；锡基合金；金属氧化物，诸如SnO、SnO2、PbO、PbO2、Pb2O3、Pb3O4、Sb2O3、Sb2O4、Sb2O5、GeO、GeO2、Bi2O3、Bi2O4和Bi2O5；导电聚合物，诸如聚乙炔；以及Li-Co-Ni基材料。
导电材料通常以基于包含电极活性材料的混合物的总重量的0.1wt％至30wt％添加。导电材料没有特别限制，只要其具有导电性而不会在相应电池中引起化学变化即可。例如，导电材料可包括：石墨，诸如天然石墨和人造石墨；炭黑，诸如炭黑、乙炔黑、科琴黑、槽法炭黑、炉法炭黑、灯黑、以及热炭黑；导电纤维，诸如碳纤维或金属纤维；金属粉末，诸如氟化碳粉末、铝粉以及镍粉；导电晶须，诸如氧化锌和钛酸钾；导电金属氧化物，诸如氧化钛；以及导电材料，诸如聚苯撑的衍生物。
粘合剂是辅助电极活性材料与导电材料的粘合以及辅助与集流体的粘合的物质，并且通常以基于包括电极活性材料的混合物的总重量的0.1wt％至30wt％来添加。例如，粘合剂可包括：聚氟乙烯、聚乙烯醇、羧甲基纤维素(CMC)、淀粉、羟丙基纤维素、再生纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、乙烯-丙烯-二烯三元共聚物(EPDM)、磺化EPDM、苯乙烯-丁二烯橡胶、氟橡胶、以及各种共聚物。
电极混合物层的厚度可以是0.3μm至100μm。具体地，厚度可以是0.5μm至40μm。电极混合物层的厚度可以是电极的总厚度的10％至70％。
在工序(2)中，在不暴露电极片的电极集流体的范围内通过激光烧蚀来蚀刻电极混合物层的一部分。蚀刻电极混合物层的一部分的工序是如图2中所示去除存在于电极集流体上的电极混合物层的一部分，从而减小电极片的特定区域的厚度。
当如上所述去除电极混合物层的一部分时，减少了当切割现有电极时产生的诸如飞溅物(Spatter)之类的异物的量。电池性能由于飞溅物(Spatter)而劣化，因而最小化并去除飞溅物是重要的。为此，在本发明中，在切割电极片之前，通过激光烧蚀来去除电极混合物层的一部分。当如上所述使用激光烧蚀时，产生诸如烟尘(Fume)之类的重量轻且容易去除的异物，而不是诸如飞溅物(Spatter)之类的几乎不可去除的异物，因而可去除异物。随后，当切割通过激光烧蚀而被蚀刻的部分时，因为与现有方法相比切割更薄的电极片，所以也还减少诸如飞溅物之类的异物的量。
在工序(2)中，在不暴露电极集流体的范围内蚀刻电极混合物层。这样做是因为，当在工序(2)中完全蚀刻电极混合物层时，工序(3)的激光切割会损坏电极集流体，导致质量劣化。此外，激光束会使电极混合物层的外围区域热变形或使电极混合物层分解，导致电极的质量和性能劣化。
可仅在电极片的一个表面上执行电极混合物层的部分蚀刻。当对电极片的两个表面执行工序(2)时，两个表面作为不同部分来被部分地蚀刻，因而难以形成均匀的切割表面。此外，两个表面上的被部分蚀刻的部分会由于机器的误差而不同地形成，导致产品中的缺陷。
可使用诸如紫外光、可见光、红外光和微波之类的各种光源作为在工序(2)的激光烧蚀中使用的激光束。然而，紫外光由于其高性价比而是优选的，或者红外光由于其精确工作而是优选的。
此外，为了防止如上所述的工序(2)中的电极的质量和功能的劣化，激光烧蚀的激光的输出波长可以是500nm至1080nm。此外，激光束的焦点直径可以是15μm至300μm。当激光束的焦点直径小于15μm时，激光的强度太高而使得会暴露电极集流体。此外，当超过300μm时，激光的强度太低而使得无法蚀刻电极混合物层。
相对于平均激光输出功率来说，激光的输出功率可以是50kW至300kW。在此，当激光的输出功率太高时，会暴露电极集流体。此外，当功率太低时，难以去除电极混合物层。因而，超过上述功率是不理想的。
理想的是，激光的脉冲宽度为1ns至300ns。当激光脉冲宽度大于上述数值范围时，激光给电极的热传输时间增加，因而会损坏外围电极混合物层和电极集流体。此外，当小于该范围时，蚀刻效率会劣化。
在工序(1)中，电极片的厚度可以是100μm或更大。电极片的厚度可小于100μm。然而，当其厚度小于100μm时，即使在电极片中未部分地蚀刻电极混合物层，电极制造速度也较快。因而，理想的是厚度为100μm或更大。
以在电极集流体的一个表面上的电极混合物层为准，在工序(2)中电极混合物层被蚀刻的厚度可以是电极片的总厚度的0.1倍至0.3倍。图3示出了根据本发明的电极制造方法中的电极的横截面，其图解了当使用激光束蚀刻电极时，根据激光束的蚀刻宽度的电极的蚀刻深度。图3中使用的电极是具有120μm厚度的正极。在此，激光束的蚀刻宽度可根据电极的厚度而不同，但是优选设定为使得对于具有120μm厚度的正极来说，激光束的焦点直径为15μm至300μm。图3中使用的激光器是IR脉冲激光器。相对于平均输出功率来说，激光的输出功率为50至300W，并且其脉冲宽度为1至300ns。
在图3的(A)中，示出了在从基准点上方4mm的高度发射激光束的情况下的电极横截面。在图3的(B)中，示出了在从基准点上方2mm的高度发射激光束的情况下的电极横截面。在图3的(C)中，示出了在从基准点发射激光束的情况下的电极横截面。在图3的(D)中，示出了在从基准点下方2mm的高度发射激光束的情况下的电极横截面。(A)至(D)中的基准点表示激光束的焦点直径变为80μm的点。下面的表2中示出了在图3的(A)至(D)中被蚀刻的电极的横截面中的蚀刻深度和蚀刻宽度。
[表2]
蚀刻宽度(μm) 蚀刻深度(μm)
(A) 303 20
(B) 197 25
(C) 80 26
(D) 172 17
如表2中所示，可以发现，当从基准点发射激光束时，蚀刻深度最大。此外，可以发现，具有最大蚀刻深度的点与具有最小蚀刻宽度的点相同。当通过使用激光执行蚀刻时，蚀刻焦点可根据随后的切割工序以及电极的材料和厚度而不同。然而，可以发现，电极混合物层被蚀刻的厚度优选为电极片的总厚度的0.1倍至0.3倍，以便最精确地蚀刻电极。
尽管可在工序(3)的电极片切割方法中使用模具，但是模具会引起电池的性能和安全性的劣化。因而，理想的是通过激光执行切割。
当在工序(3)中通过激光切割电极片时，可根据工序(3)中的激光输出功率、脉冲宽度、频率、期望的蚀刻速度、脉冲重复率以及孵化间隙来确定工序(2)中的电极混合物层的蚀刻程度。激光输出功率、脉冲宽度、频率、期望的蚀刻速度、脉冲重复率以及孵化间隙可根据电极片的厚度而不同。
本发明在工序(2)之后包括切割电极混合物层的被蚀刻的部分的工序。
可以以600mm/S或更大的速度执行切割，切割方法可包括开槽、冲切或分切。在此，在工序(3)中使用的激光的光源可与在工序(2)的激光烧蚀中使用的光源相同。在此，在工序(3)中使用的激光的光源优选为具有较高非热处理因素的紫外光。
理想的是，在工序(3)中使用的激光的输出功率变得更高，但是其也可以是50W至300W。考虑到性价比，更理想的是70W至200W。
此外，理想的是，电极切割中的光斑尺寸是10μm至100μm。当超过上述范围时，会影响电池的质量。此外，当小于该范围时，这是不期望的，因为不容易切割。
此外，理想的是，当切割时激光的速度为600mm/S或更大，并且没有上限，就是说，越快越好。但是，当考虑电极片的行进速度时，其可以是1500mm/S或更小。此外，理想的是，工序(3)中的脉冲宽度为1ns至300ns并且脉冲重复率为10Khz至300Khz。
激光的输出波长可以是500nm至1080nm。
可在执行工序(2)之后的1秒至10秒之间执行工序(3)。这样做不仅是因为在激光烧蚀期间通过部分去除电极活性材料而使得电极的加工更加容易，而且还因为通过激光烧蚀加热电极而容易进行加工。
图4是根据本发明的电极制造设备的示意图。
用于执行根据本发明的电极制造方法的电极制造设备可以是电极形成装置，该电极形成装置包括：用于以恒定速度移动电极片100的片传送单元200；用于执行激光烧蚀的激光照射单元300；以及用于切割被激光照射的部分的电极加工单元400。
理想的是，激光照射单元和电极加工单元之间的距离设置为300mm或更小，并且越近越好。然而，考虑到激光设备的尺寸，该距离可以是20mm或更大。当超过300mm时，激光烧蚀位置与激光开槽位置之间的对准(Alligment)公差会增加，导致质量问题。
电极加工单元可执行开槽、冲切或分切，并且电极加工单元可通过发射激光束来执行切割。
电极加工单元的激光和激光照射单元的激光可具有不同的强度，但是可具有相同类型的光源。
本发明的电极形成装置可设置为使得在行进方向上首先执行激光烧蚀，然后执行切割。
本发明的电极形成装置可进一步包括抽吸单元或吹气单元500。抽吸单元或吹气单元可通过抽吸或去除从激光照射单元和/或电极加工单元产生的残留物质来帮助提高激光的效率。抽吸单元可包括真空泵或抽吸装置，以抽吸电极碎片。抽吸单元或吹气单元可设置在与激光照射单元和/或电极加工单元相同的位置处、设置在激光照射单元与电极加工单元之间、或者当从行进方向上观察时设置在后侧。
虽然已经参照特定特征详细描述了本发明，但对本领域技术人员而言将显而易见的是，该描述仅用于优选实施方式，不限制本发明的范围。对本领域技术人员显而易见的是，在不背离本发明的范围和技术构思的情况下，可做出各种修改和变型，所有这些修改和变型旨在被包括在所附权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种电极制造方法，包括：
工序(1)，制备其中在电极集流体的一个表面或两个表面的每一个上形成有电极混合物层的电极片；
工序(2)，在不暴露所述电极集流体的范围内通过激光烧蚀蚀刻所述电极混合物层的一部分；以及
工序(3)，切割所述电极片的所述电极混合物层的被蚀刻的部分，以制造电极。
2.根据权利要求1所述的电极制造方法，进一步包括与所述工序(2)和/或所述工序(3)同时执行或者在所述工序的每一个之后执行的抽吸和/或吹气工序。
3.根据权利要求1所述的电极制造方法，其中通过使用激光执行所述工序(3)中的切割。
4.根据权利要求3所述的电极制造方法，其中在所述工序(3)中使用的激光与在所述工序(2)的激光烧蚀中使用的光源相同。
5.根据权利要求1所述的电极制造方法，其中所述工序(1)中的所述电极片的厚度是100μm或更大。
6.根据权利要求1所述的电极制造方法，其中，以在所述电极集流体的一个表面上的所述电极混合物层为准，在所述工序(2)中所述电极混合物层被蚀刻的厚度是所述电极片的总厚度的0.1倍至0.3倍。
7.根据权利要求1所述的电极制造方法，其中所述工序(3)中的切割速度是600mm/S或更大。
8.根据权利要求1所述的电极制造方法，其中所述工序(3)中的切割包括开槽、冲切和分切中的一种。
9.根据权利要求1所述的电极制造方法，其中所述工序(2)的激光烧蚀中的激光束具有1ns至300ns的脉冲宽度。
10.根据权利要求1所述的电极制造方法，其中在所述电极片的一个表面上执行所述工序(2)的激光烧蚀。
11.一种作为用于执行根据权利要求1至10中任一项所述的电极制造方法的电极制造设备的电极形成装置，所述电极形成装置包括：
片传送单元，所述片传送单元配置为以恒定速度移动所述电极片；
激光照射单元，所述激光照射单元配置为执行在不暴露所述电极集流体的范围内蚀刻所述电极混合物层的一部分的激光烧蚀；以及
电极加工单元，所述电极加工单元配置为切割被激光照射的部分。
12.根据权利要求11所述的电极形成装置，其中所述电极加工单元执行开槽、冲切和分切中的一种。
13.根据权利要求11所述的电极形成装置，其中所述电极加工单元发射激光。
14.根据权利要求11所述的电极形成装置，其中所述电极形成装置设置为使得在行进方向上，首先执行所述激光烧蚀，然后执行所述切割。
15.根据权利要求11所述的使用激光蚀刻的电极形成装置，其中所述激光照射单元与所述电极加工单元之间的距离是20mm至300mm。
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