經化學處理的、由鋁或鋁合金構成的集電箔的製作方法

2023-07-03 20:24:01

經化學處理的、由鋁或鋁合金構成的集電箔的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種由鋁或鋁合金構成的集電箔以及這種集電箔的製造方法，該集電箔應用於電池或蓄電池，特別是鋰離子蓄電池。本發明的目的在於，提供一種集電箔，該集電箔在導電性和抗拉強度方面具有非常好的性能並且同時能夠以低成本進行製造，通過使該集電箔具有經酸浸蝕或經鹼浸蝕的表面從而實現了該目的。
【專利說明】經化學處理的、由鋁或鋁合金構成的集電箔
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種由鋁或鋁合金構成的集電箔以及這種集電箔的製造方法，該集電箔應用於電池或蓄電池，特別是鋰離子蓄電池。
【背景技術】
[0002]集電箔通常由鋁箔構成並且額外地具有一層通常由金屬氧化物構成的塗層，例如鋰鈷(III)氧化物。鋁箔在下文中是指由鋁或鋁合金構成的金屬箔。在製造鋁箔時通常在軋制過程中以軋制油潤溼鋁箔，以在軋制過程中使得例如軋制產品的摩擦效應、軋制磨損或粘附效果最小化。然而，在繼續使用鋁箔之前通常必須再次去除軋制油。特別是在將鋁箔例如作為集電箔應用於鋰離子蓄電池時，鋁箔的品質影響著製成的鋰離子蓄電池的品質。由現有技術已知，通過對金屬箔卷、即所謂的卷材形式的鋁箔進行熱處理來淨化以軋制油進行塗層的鋁箔，特別是去脂。然而要根據溫度和處理時間對軋制硬化的金屬箔進行軟化和重結晶。鋁箔明顯降低了強度並且更加難以進行加工。除此之外，由於熱處理通過溫度和氧氣的影響使得氧化層加厚，從而導致集電箔的電阻的提高。如果沒有完全去除掉軋制油，那麼還會進一步產生金屬氧化層的粘附問題。
[0003]為了解決軟化問題，在公開的美國專利申請文獻US2009/0269609中提出在80°C和160°C之間的溫度下進行熱處理。然而已證實，根據溫度、時間、卷材的纏繞結構以及鋁箔的表面粗糙度，通過熱處理並不能將軋制油從金屬箔卷上完全且均勻地去除。特別是在從80V至160°C的低溫下有剩餘軋制油殘留在鋁箔上的風險並且這對於繼續加工、例如塗敷金屬氧化物層是成問題的。
[0004]此外，已知例如在卷對卷方法中以酸或鹼清洗鋁帶。但是鋁帶的帶厚度通常大於100 μ m，大多超過200 μ m。然而，集電箔比迄今為止以溼法化學清洗的鋁帶薄至少2至8倍。

【發明內容】

[0005]以此為基礎，本發明的目的在於，提供一種集電箔，該集電箔在導電性和抗拉強度方面具有非常好的性能並且同時能夠以低成本進行製造。此外，本發明的目的還在於，提出一種製造該集電箔的方法以及該集電箔的有利用途。
[0006]根據第一啟示，該目的通過集電箔這樣得到實現，S卩，該集電箔具有經酸浸蝕或經鹼浸蝕的表面。
[0007]已證實具有經酸浸蝕或經鹼浸蝕的表面的集電箔具有較小的電阻以及對金屬氧化物塗層具有改善的粘附性能。特別是由於取消了熱處理過程，所以不存在軟化過程。這意味著，具有較高機械抗拉強度的金屬箔可以用作集電箔。可以更薄地構造集電箔。在浸蝕集電箔的過程中可以用酸、例如硫酸，或者也可以用鹼、例如氫氧化鈉溶液來進行浸蝕。兩種浸蝕劑可以引起充分的浸蝕量。
[0008]優選這樣設置浸蝕量，即，腐蝕厚度低於I μ m,特別是低於0.5 μ m或優選為0.01-0.1 μ m。通過浸潰腐蝕從而基本上去除經軋制之後所存在的金屬箔的氧化層，由此通過空氣中的氧氣形成新的氧化鋁層。通過這種表面腐蝕可以可靠地去除軋制油殘留物，因此可以取消通過退火處理進行的去脂過程。如前所述，集電箔的機械強度由此保持不變。此外，表面腐蝕之後形成的氧化鋁層明顯比由於軋制過程和進一步的軋制工藝過程所形成的氧化層更薄。從而根據本發明的集電箔的電阻比傳統集電箔的電阻更小。
[0009]依據根據本發明的集電箔的優選實施方式，在卷對卷方法中以酸浸蝕或以鹼浸蝕表面。這樣做的優勢在於，能夠特別有利地製造集電箔並且該集電箔此外具有特別均勻的表面性質，因此可以提供穩定的集電箔品質。此外，令人驚奇地發現，為鋁帶所使用的、用於通過酸浸蝕或鹼浸蝕去脂的裝置也適用於非常薄的集電箔。
[0010]依據集電箔的另一個實施方式,該集電箔具有5 μ m-50 μ m、優選10 μ m_30 μ m、特別優選15-25 μ m的厚度。具有低厚度的集電箔能夠製造特別緊湊的電池或蓄電池，例如鋰離子蓄電池。具有5μπι厚度的超薄集電箔比較難進行加工，但只消耗最少量的材料。與此相反，使用具有大於50 μ m厚度的集電箔在預先規定了蓄電池或電池尺寸的情況下有可能引起在塗層數量上的限制。
[0011]依據集電箔的另一個設計方案，該集電箔在軋制硬態H18下具有大於135MPa的抗拉強度，因此，該集電箔儘管具有小的厚度，但是也可以以簡單的方式用於接下來的工序，例如塗層和進一步加工成電池或蓄電池。
[0012]與用於電解電容器的鋁箔不同，該集電箔的表面粗糙度Ra為0.01 μ m-Ι μ m,優選為0.2 μ m-0.3 μ m。因此,集電箔優選具有拋光的或高拋光的表面。已發現，對於用作集電箔來說，這些表面性質在電阻和塗層性質上引起了更佳的效果。
[0013]為了改善集電箔的經濟性，該集電箔具有400mm至1450mm、優選450mm至1200mm的寬度。使用這種非常寬的集電箔也可以製造出例如用於相應寬度的電動車的、具有高容量的電池或蓄電池。由經軋制的鋁箔可以輕鬆地提供上述集電箔的寬度。
[0014]已證實EN AW1050、EN AW1200或EN AW1085類型的鋁合金適合用作集電箔的材料。這些鋁合金相對於純鋁來說具有改善的機械特性並且由於合金添加劑的成分少，因此可以確保對在金屬氧化塗層和集電箔之間可能發生的、所不希望的化學變化過程(例如腐蝕)有非常小的影響。
[0015]依據根據本發明的集電箔的另一個設計方案，該集電箔單面或雙面地具有表面鈍化。例如可以通過鉻化或者通過塗覆無鉻的鈍化層來完成表面鈍化。可以例如以矽烷、鈦或鋯或其他元素或者這些元素的化合物為基礎來提供無鉻的鈍化層。這種鈍化處理特別是用於抑制表面狀態，特別是抑制氧化鋁的形成，從而使集電箔在鈍化過程之後的電性能保持不變。該鈍化處理同時也改善了金屬氧化塗層的粘附性。
[0016]依據本發明的第二啟示，通過用於電池、蓄電池或鋰離子蓄電池的集電箔的製造方法實現了上述目的，在該方法中，首先通過熱軋和/或冷軋將由鋁合金構成的金屬箔製成5 μ m-50 μ m的最終厚度並且在軋制之後對金屬箔進行溼法化學的表面酸浸蝕或表面鹼浸蝕。如前所述，這樣製成的集電箔具有明顯更佳的電性能和機械性能，因此該集電箔能夠更容易進一步加工成電池或蓄電池。
[0017]如果在卷對卷方法中進行溼法化學的表面酸浸蝕或表面鹼浸蝕，那麼可以更進一步地降低製造相應集電箔的生產成本。[0018]如前所述，集電箔優選由EN AW1050、EN AW1200或EN AW1085類型的鋁合金製成。關於這種鋁合金的優點參考上述說明。
[0019]如果集電箔以拋光地或者高拋光地軋製成最終厚度，那麼就能夠提供對用作集電箔有利的、同時結合了表面浸蝕的表面。表面粗糙度Ra優選為0.01 μ m-ι μ m,特別優選為
0.2_0.3 μ mD
[0020]如果根據另一個設計方案使集電箔經浸蝕的表面鈍化，那麼能夠保留用於接下來的加工步驟的表面狀態並從而優化集電箔的電性能。優選通過鉻化或者無鉻的鈍化過程對金屬箔的表面進行鈍化，優選以浸潰法或者以免衝洗法。可以以簡單的方式在一條生產線上進行這些方法，即，直接在溼法化學浸蝕之後進行。
[0021]金屬箔的寬度優選為400mm-1450mm，從而可以提供具有非常大寬度的集電箔。這種非常寬的、例如具有大於700_寬度的集電箔應用於製造汽車電驅動裝置的鋰離子蓄電池。
[0022]依據本發明的第三啟示，最終通過使用根據本發明的、用於製造電池、蓄電池、鋰離子蓄電池或鋰離子電池的集電箔實現了上述目的。如前所述，根據本發明的集電箔的用途相對於傳統集電箔的用途具有明顯的成本優勢。此外還改善了根據本發明的集電箔在機械強度和塗層性能方面的可加工性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]下面根據結合附圖的實施例詳細闡述本發明。在附圖中，
[0024]圖1示出了鋰離子蓄電池的示意性剖面圖，以及
[0025]圖2示出了用於實施根據本發明的方法的實施例的裝置的示意性剖面圖。
【具體實施方式】
[0026]通過化學過程中的物質改變將鋰原子和過渡金屬離子中的電能存儲在電池中、例如在鋰離子電池或鋰離子蓄電池中。在鋰離子蓄電池中，鋰可以以離子化的形式在兩個電極I和2之間通過電解質來回遊移，從而能夠進行放電過程和充電過程。正如在圖1中可以看到，通常在正極上使用鋁電極，在該鋁電極上分離出鋰金屬氧化物，例如鋰鈷氧化物。用作正極I的集電箔具有優選為15-25 μ m的厚度並且由EN AW1050、EN AW1200或EN AW1085類型的鋁合金製成。和應用在較小型的電器(例如手機)中的鋰離子蓄電池不同，為例如電動車供電的鋰離子蓄電池具有相對大的寬度，以提供所需的電容量。
[0027]例如寬度在400_至1450mm、優選450_至1200mm都是可以考慮的。
[0028]為了進一步改善集電箔的性能，根據本發明使該集電箔在軋製成最終厚度之後進行酸浸蝕或鹼浸蝕，從而鹼蝕或酸蝕表面。由此，在浸潰腐蝕為0.01 μ m至0.1 μ m的情況下去除在製造工藝中在熱軋或冷軋過程中形成的自然氧化層。在這裡新形成的氧化鋁層要薄得多並且立即引起在電流從集電箔的塗層流入到鋁箔中時電阻的減小。
[0029]圖2示出了用於實施根據本發明的方法的實施例，在該方法中以卷對卷方法浸蝕鋁箔、進行表面鈍化並且接下來再次捲起。首先將開卷機4上的卷材3輸送到去脂浸浴池5中，鋁箔在該去脂浸浴池中進行表面浸蝕。例如硫酸或氫氧化鈉溶液可以用作浸蝕劑。在使用鹼性浸蝕劑、例如氫氧化鈉溶液時優選在浸浴池5之後以酸進行衝洗並進行酸洗。由此能夠更好地去除特別是附著在鋁箔上的浸蝕殘餘物。在酸洗的過程中可以進行衝洗並且例如用水去除浸蝕劑。衝洗裝置6優選直接接在浸浴池之後。在所示實施例中鋁箔3在衝洗裝置6之後直接進行表面鈍化、例如進行鉻化，由此在酸洗步驟之後保留了鋁箔的表面狀態。鉻化裝置7同樣位於浸浴過程中。然後可以對鋁箔3進行下一步的衝洗過程8，在該衝洗過程中去除表面鈍化的多餘成分。然後使經表面鈍化的鋁箔進行乾燥過程，以乾燥表面鈍化層。最後在卷取機10上纏卷鋁箔3。如在圖2的實施例中可以看到，鋁箔的表面鈍化和表面浸蝕在一條直線上進行。在所示實施例中鋁箔的寬度在400mm-1450mm。通過卷對卷加工工藝除了可以確保高速生產以外同時還可以確保集電箔具有特別穩定的品質並且提供了非常寬的集電箔。
【權利要求】
1.一種由鋁或鋁合金構成的集電箔(1)，所述集電箔應用於電池、蓄電池或鋰離子蓄電池，其特徵在於，所述集電箔(I)具有經酸浸蝕或經鹼浸蝕的表面。
2.根據權利要求1所述的集電箔，其特徵在於，在卷對卷方法中以酸浸蝕或以鹼浸蝕所述集電箔(I)的表面。
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(I)具有5μ m至50 μ m的厚度。
4.根據權利要求1至3中任意一項所述的集電箔，其特徵在於，所述集電箔在軋制硬態H18下具有大於135MPa的抗拉強度。
5.根據權利要求1至4中任意一項所述的集電箔，其特徵在於，所述集電箔的表面粗糙度 Ra 為 0.01 μ m-1 μ m。
6.根據權利要求1至5中任意一項所述的集電箔,其特徵在於,所述集電箔具有400mm至1450mm的寬度。
7.根據權利要求1至6中任意一項所述的集電箔，其特徵在於，所述集電箔由ENAW1050、EN AW1200或EN AW1085類型的鋁合金製成。
8.根據權利要求1至7中任意一項所述的集電箔，其特徵在於，所述集電箔單面或雙面地具有表面鈍化。
9.一種用於製造電池、蓄電池或鋰離子蓄電池的集電箔、特別是用於製造根據權利要求I至8中任意一項所述的集電箔的方法，在所述方法中，首先通過熱軋和/或冷軋將由鋁合金構成的金屬箔(3)製成5 μ m-50 μ m的最終厚度並且在軋制之後在卷對卷方法中對所述金屬箔進行溼法化學的表面酸浸蝕或表面鹼浸蝕。
10.根據權利要求9所述的方法，其特徵在於，所述金屬箔由ENAW1050、EN AW1200或EN AW1085類型的鋁合金製成。
11.根據權利要求9至10中任意一項所述的方法，其特徵在於，在卷對卷方法中進行溼法化學的表面浸蝕。
12.根據權利要求9至11中任意一項所述的方法，其特徵在於，對經浸蝕的金屬箔表面進行鈍化處理。
13.根據權利要求9至12中任意一項所述的方法，其特徵在於，所述金屬箔的寬度為400mm 至 1450mm。
14.根據權利要求1至8中任意一項所述的集電箔的用途，所述集電箔用於製造電池、蓄電池、鋰離子蓄電池或鋰離子電池。
【文檔編號】H01M10/0525GK103620839SQ201280030639
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2012年5月30日 優先權日:2011年6月21日
【發明者】烏爾裡希·漢佩爾, 福爾克爾·登克曼, 安德烈亞斯·西門, 卡特林·埃克哈德, 威廉·申克爾, 桑德拉·埃伯哈德, 迪特爾·伯格爾斯豪森 申請人:海德魯鋁業鋼材有限公司