紋理化的集電箔的製作方法

2023-05-22 22:35:51 1

紋理化的集電箔的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種用於電池、蓄電池或電容器的集電箔，該集電箔包含基底材料和至少一個金屬製成的導電層。本發明還涉及相應的集電箔的生產方法及其有利應用。本發明的目的在於提供一種用於電池、蓄電池或電容器的集電箔，其接觸面和粘合性得以優化從而使用壽命得以改善，本發明的目的通過至少一個導電層來實現，該導電層至少部分由金屬電沉積生產並具有紋理。
【專利說明】紋理化的集電箔

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用於電池、蓄電池或電容器的集電箔，該集電箔包含基底材料和至少一個金屬製成的導電層。本發明還涉及相應的集電箔的生產方法及其有利應用。

【背景技術】
[0002]提供高效、成本划算且耐久的手段來儲存電能乃是在機動車電力驅動改裝和可再生能源開發上具有重要意義的關鍵性技術之一。時下，電池、蓄電池或電容器都作為儲存電能的手段。尤其蓄電池，優選鋰離子蓄電池，具有高能量密度因而可高效儲存電能。鋰離子蓄電池陰極的集電箔可以由材料成本低而導電性能非常好的鋁箔製成。另外，陰極的集電箔由金屬氧化物塗覆，例如鋰-鈷氧化物、鋰-錳氧化物、鋰-鐵-磷酸鹽或其他活性電極材料。金屬氧化物是活性電極材料，其可以在放電過程中得到鋰離子並在充電過程中再次將其釋放到陽極，而陽極的活性電極材料是例如石墨。活性電極材料和集電箔間的接觸面大小和粘合能夠影響鋰離子蓄電池的耐久性及其電容量保持。活性電極材料和集電箔間的粘合以及集電箔與活性電極材料的接觸面乃是鋰離子蓄電池持久的充電和放電性能的一個重要前提。活性電極材料部分分離會降低電容量直至蓄電池徹底失效。此外，為了產生最大的電容量，期望將集電箔與活性電極材料間的接觸面的最大化。同樣原則上適用於其他類別的具有集電箔並且構造類似的蓄電池、電池和電容器。
[0003]此外，由德語的公開文獻DE10108893A1已知一種金屬的電化學沉積方法，特別是由離子液體中的鋁的電化學沉積方法。


【發明內容】

[0004]由此，本發明的目的在於提供一種用於電池、蓄電池或電容器的集電箔，其接觸面和粘合性能得以優化從而改善了使用壽命。
[0005]根據本發明的第一個教導，上面指出的集電箔的目的這樣實現，即，至少一個導電層至少部分由鋁的電沉積生產並具有紋理。
[0006]電沉積是一種沉積方法，該方法一方面允許高純度金屬在表面沉積與此同時將沉積的金屬表面紋理化。表面的結構化導致了例如鋰離子蓄電池的以及電容器電解質的活性電極材料的接觸面的明顯增大以及粘合性能的改善。由於金屬的高純度沉積，電沉積同時可以降低鋁電沉積的電阻。
[0007]優選地根據本發明的集電箔的第一個設計方案，紋理的尺寸與活性電極材料的顆粒尺寸處於同一數量級。根據本發明，適應可以理解為紋理具有這樣的性能，如表面粗糙度、表面波度或表面結構，其尺寸與活性電極材料的顆粒尺寸處於同一數量級。例如，如果活性電極材料具有0.1 μ m的顆粒大小，相同的數量級可以理解為在大於0.01 μ m到小於I μ m的大小範圍的結構。於是，活性電極材料可以特別好的粘合到集電箔上。
[0008]根據另一個設計方案，集電箔設置為陰極，導電層至少部分由鋁的電沉積生產。足夠的量的鋁在基底材料上沉積，從而產生出帶紋理的導電層。產生出的紋理明顯增大了例如與蓄電池的活性電極材料的接觸面。沉積的鋁例如具有決定集電箔表面的紋理的、納米、亞微米或微米範圍的結構。由於電勢比，鋁也可作為陽極，例如，蓄電池的活性陽極材料如鋰-鈦-氧化物在具有高功率的同時具有更少的能量，這樣的情況下紋理化的箔當然也可以用於陽極集電箔。
[0009]根據本發明集電箔的另一個設計方案，基底材料是由鋁或者鋁合金製成的鋁箔。可以通過沉積的鋁明顯降低活性電極材料和集電箔間的接觸電阻。此外，構成基底材料的鋁箔理想地適合於鋁的電沉積。該鋁箔還可以以更小的電阻改善電流流失。此外，鋁箔成本划算並且以5 μ m到50 μ m，優選10 μ m到25 μ m的所需寬度和厚度生產，而後通過電沉積電鍍。
[0010]優選沉積的招的晶體尺寸為lnm-5000nm,優選為25nm-500nm。晶體尺寸和沉積的晶體數量決定了沉積的導電層的粗糙度。通過表面粗糙度與待電鍍的活性電極材料的各個顆粒結構相適應來使得集電箔和活性電極材料間非常好的粘合。另外，沉積的鋁的晶體增大了集電箔和活性電極材料間的接觸面。
[0011]為了使用於電容器、電池或者蓄電池的集電箔的加工更加簡易，根據另一個設計方案，鋁箔是處於軋制狀態的。軋制狀態的意思是鋁箔在冷軋後不進行最終退火或熱脫脂。軋制狀態的鋁箔在機械抗拉強度上具有最大值，所以就此而言更適合於加工。
[0012]典型地，集電箔由ENAW 1050、ENAW 1200或ENAW 1058類型的鋁合金製成。已提到的鋁合金全部都是低合金化從而具有非常好的導電性。此外，三種鋁合金都非常容易冷軋為厚度為5 μ m到50 μ m或者15 μ m到25 μ m的鋁箔。
[0013]同樣可以優選將帶有鹼性或酸性侵蝕的表面的鋁箔用於電沉積。這些鋁箔不必為了脫脂而退火，因此其具有能夠達到的最大的機械抗拉強度。例如在135Mpa以上。
[0014]根據本發明的第二個教導，上面指出的集電箔的生產方法的目的這樣實現，S卩，導電層至少部分通過鋁電沉積在基底材料上生產。
[0015]通常考慮金屬箔作為基底材料。鋁的電沉積導致了在基底材料上結構化的紋理的產生，其提供了儘可能大的接觸面並具有儘可能大的粘合力，以及由於沉積的金屬的高純度而優化的電阻。由此，導電層在例如與鋰離子蓄電池的活性電極材料的結合中能夠具有最佳的性能。
[0016]如果基底物質由鋁或鋁合金製成的鋁箔製成，其通過鋁的電沉積而紋理化，則可以提供延長電池或蓄電池的使用壽命的集電箔。
[0017]根據另一個設計方案，在基底材料上沉積的鋁的紋理的尺寸與活性電極材料的顆粒尺寸處於同一數量級，於是優化了集電箔和活性電極材料間的接觸面和粘合。
[0018]優選在由離子液體進行電沉積，以使得非貴重金屬，例如鋁可以沉積。離子液體、低熔點鹽或者由咪唑鹽的氟磷酸或磺酸鹽以及金屬滷化物添加物組成的鹽混合物可作為電解質。
[0019]為了控制和調整待設置的紋理，電沉積可以在恆定電位或恆定電流情況下進行。在恆定電位的電沉積中，電極電位在電沉積過程中保持恆定。相反，在恆定電流的電沉積中，電流強度保持恆定。
[0020]根據本發明方法的另一個設計方案，通過電流恆定或電位恆定的單極或雙極脈衝沉積來進行電沉積，其中至少由脈衝高度、脈衝寬度、間歇長度或頻率或者結合已提到的變量來控制金屬沉積。由於提到的參數值，該方法可用於優化的紋理在基底材料上的成型。於是可以優化電沉積產生的、在使用的活性電極材料上的紋理。
[0021]通過沉積，集電箔的表面增大並且與活性電極材料具有較大的接觸面。優選通過沉積參數，如脈衝高度、脈衝寬度、間歇長度或頻率，根據電解質材料將沉積的鋁的晶體尺寸設為lnm-5000nm，優選為25nm_500nm。晶體尺寸和產生的紋理可以與活性電極材料的顆粒尺寸相適應，從活性電極材料和集電箔間的粘合性能方面考慮需要這種尺寸適應。
[0022]提供根據本發明的集電箔的特別經濟的方法可以這樣得到，S卩，根據另一個設計方案，用卷到卷方法來進行電沉積。相應的卷到卷方法特別高效，因為電沉積以帶狀進行，可以簡單地將如此生產的帶有紋理化的集電箔的卷輸送到進一步的帶狀加工步驟，例如塗覆金屬氧化物。因此短時間內可以大量生產集電箔。
[0023]最後，上面指出的目的通過根據本發明的集電箔在電池、蓄電池、鋰離子蓄電池或電容器中的應用來達到。根據本發明的用於上述工具的集電箔在用於儲存電能的過程中，可以預期，根據本發明的集電箔的亞微米紋理明顯地積極影響了電池、蓄電池、鋰離子蓄電池或電容器的使用壽命。此外，電沉積增大了集電箔與活性電極材料或者電解質間的接觸面，因而導致了電池、蓄電池或者電容器的電容量的增大。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]接下來，根據結合附圖的實施例來詳細闡明本發明。附圖中:
[0025]附圖1示出了鋰離子蓄電池的示意圖，
[0026]附圖2示出了根據本發明的集電箔的第一實施例的示意圖，
[0027]附圖3示出了用卷到卷方法來生產集電箔的裝置示意圖。

【具體實施方式】
[0028]附圖1示出了鋰離子蓄電池I的典型構造，其具有在陰極上的集電箔2和在陽極上的集電箔3。另外用金屬氧化物，例如鋰-鈷氧化物4來塗覆陰極的集電箔2。只有鋰離子Li+可以滲透的隔板5將陰極的金屬氧化物塗層和由例如石墨6形成的陽極的活性電極材料分開。陽極3由例如銅的集電箔提供。可用於儲存電荷的表面對於鋰離子蓄電池的電容量以及電容器或者相應的電池來說是重要的要素。附圖1中示出的陽極和陰極的集電箔因而具有導電層，其至少部分通過金屬的電沉積產生並具有紋理。通過鋁的電沉積在集電箔上產生的紋理導致了集電箔表面的增加因而也導致了活性電極材料4，6和所屬的集電箔2，3間的接觸面的增加。已表明，活性電極材料4，6的粘合性能由於集電箔2，3的紋路同樣得以改善。根據電沉積生產方法，集電箔2，3的紋路具有例如微米或者亞微米的尺寸範圍。
[0029]沉積的鋁層結構優選為在尺寸上與金屬氧化物的顆粒大小尺寸處於同一數量級，以確保金屬氧化物的良好粘合。這種情況下，如表面波度、表面粗糙度或表面結構的大小在尺寸內，也即，區別最大是金屬氧化物的顆粒大小的10倍或10分之一。
[0030]附圖2示出了根據本發明的集電箔的實施例的截面示意圖，由基底材料7和設置在基底材料上的導電層8組成。基底材料優選由鋁箔製成，例如由ENAW 1085類型的鋁合金製成的軋制狀態的鋁箔。可以提供在軋制狀態的、厚度優選為5-50 μ m，特別是10-25 μ m的相應鋁合金箔，因而具有相對高的抗拉強度。這也簡化了鋁箔到集電箔的加工。附圖2示出的集電箔還具有通過電沉積而塗覆的導電層8，其具有亞微米範圍的紋理。在電沉積中塗覆的鋁層具有lnm-5000nm，優選25nm-500nm的晶體大小，其取決於在電沉積中使用的參數。晶體大小影響到產生的紋理，其中表面紋理與活性電極材料的顆粒大小的適應此時更加有利於鋰離子蓄電池的使用壽命。
[0031]原則上也可以考慮由其他通過電沉積而得到的導電層材料來生產基底層。然而優選是相同的材料系統，也即，例如在鋁沉積中選鋁合金，從而防止腐蝕問題。
[0032]附圖3以非常示意性的視圖示出了用卷到卷方法來生產集電箔的裝置。首先附圖3示出了開卷機9，在其之上設置卷10，該卷例如由ENAW 1085型的鋁合金製成的鋁箔製成。將箔開卷並且送入用於完成電沉積的裝置11。在裝置11中，在恆定電位或恆定電流下由離子液體中的鋁通過電沉積來塗覆基底材料，基底材料此處為鋁箔。可以考慮將例如混有無水鋁氯化物的1-乙基-3甲基-1H-咪唑氯化物(EMIC)作為離子液體。通過在作為陰極的鋁箔和例如玻碳製成的對電極之間施加電壓，可以實現由離子液體中的鋁來進行鋁箔的塗覆。接下來，用纏卷機12將已塗覆的鋁箔再次卷繞成卷。
[0033]根據本發明的集電箔，可以顯著增加蓄電池、電池和電容器的使用壽命和電容量保持。同時,通過電沉積來大面積塗覆基底材料可以經濟地生產集電箔。
【權利要求】
1.一種用於電池、蓄電池或電容器的集電箔(2，3)，所述集電箔包含基底材料(7)和至少一個金屬製成的導電層(8)， 其特徵在於，所述至少一個導電層(8)至少部分由鋁的電沉積生產並具有紋理。
2.根據權利要求1所述的集電箔，其特徵在於，紋理的尺寸與活性電極材料的顆粒尺寸處於同一數量級。
3.根據權利要求1或2所述的集電箔，其特徵在於，所述集電箔(2)設置為陰極，所述導電層(8)至少部分由鋁的電沉積生產。
4.根據權利要求1到3中的任一項所述的集電箔，其特徵在於，所述基底材料(7)是由招或者招合金製成的招猜。
5.根據權利要求1到4中的任一項所述的集電箔，其特徵在於，沉積的鋁的晶體尺寸為lnm-5000nm,優選為 25nm_500nm。
6.根據權利要求1到5中的任一項所述的集電箔，其特徵在於，所述集電箔(2)是軋制狀態的鋁箔。
7.根據權利要求1到6中的任一項所述的集電箔，其特徵在於，所述集電箔(2)由ENAW 1050、EN AW 1200 或 EN AW 1085 鋁合金製成。
8.生產根據權利要求1到7中的任一項所述的集電箔的方法，所述集電箔由基底材料和至少一個金屬製成的導電層組成，其特徵在於，所述導電層至少部分通過在基底材料上的鋁的電沉積來生產。
9.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，所述基底材料是由鋁或鋁合金製成的鋁箔，通過鋁的電沉積將所述鋁箔紋理化。
10.根據權利要求8或9所述的方法，其特徵在於，沉積在基底材料上的鋁的紋理的尺寸與活性電極材料的顆粒尺寸處於同一數量級。
11.根據權利要求8到10中的任一項所述的方法，其特徵在於，由離子液體進行電沉積。
12.根據權利要求8到11中的任一項所述的方法，其特徵在於，在恆定電位或恆定電流情況下進行電沉積。
13.根據權利要求8到12中的任一項所述的方法，其特徵在於，通過單極或雙極脈衝沉積來進行電沉積，其中至少由脈衝高度、脈衝寬度、間歇長度或頻率或者結合所述變量來控制沉積。
14.根據權利要求8到13中的任一項所述的方法，其特徵在於，沉積的鋁的晶體尺寸設置為 lnm-5000nm,優選為 50nm-500nm。
15.根據權利要求8到14中的任一項所述的方法，其特徵在於，用卷到卷方法來進行電沉積。
16.根據權利要求1到7中的任一項所述的集電箔的應用，其可應用於電池、蓄電池、鋰離子蓄電池和電容器。
【文檔編號】H01G9/00GK104335402SQ201380023133
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2013年4月30日 優先權日:2012年5月2日
【發明者】烏爾裡希·漢佩爾, 卡特林·埃克哈德, 西蒙·尤普, 安德烈亞斯·西門 申請人:海德魯鋁業鋼材有限公司