纹理化的集电箔的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于电池、蓄电池或电容器的集电箔，该集电箔包含基底材料和至少一个金属制成的导电层。本发明还涉及相应的集电箔的生产方法及其有利应用。本发明的目的在于提供一种用于电池、蓄电池或电容器的集电箔，其接触面和粘合性得以优化从而使用寿命得以改善，本发明的目的通过至少一个导电层来实现，该导电层至少部分由金属电沉积生产并具有纹理。
【专利说明】纹理化的集电箔
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于电池、蓄电池或电容器的集电箔，该集电箔包含基底材料和至少一个金属制成的导电层。本发明还涉及相应的集电箔的生产方法及其有利应用。
【背景技术】
[0002]提供高效、成本划算且耐久的手段来储存电能乃是在机动车电力驱动改装和可再生能源开发上具有重要意义的关键性技术之一。时下，电池、蓄电池或电容器都作为储存电能的手段。尤其蓄电池，优选锂离子蓄电池，具有高能量密度因而可高效储存电能。锂离子蓄电池阴极的集电箔可以由材料成本低而导电性能非常好的铝箔制成。另外，阴极的集电箔由金属氧化物涂覆，例如锂-钴氧化物、锂-锰氧化物、锂-铁-磷酸盐或其他活性电极材料。金属氧化物是活性电极材料，其可以在放电过程中得到锂离子并在充电过程中再次将其释放到阳极，而阳极的活性电极材料是例如石墨。活性电极材料和集电箔间的接触面大小和粘合能够影响锂离子蓄电池的耐久性及其电容量保持。活性电极材料和集电箔间的粘合以及集电箔与活性电极材料的接触面乃是锂离子蓄电池持久的充电和放电性能的一个重要前提。活性电极材料部分分离会降低电容量直至蓄电池彻底失效。此外，为了产生最大的电容量，期望将集电箔与活性电极材料间的接触面的最大化。同样原则上适用于其他类别的具有集电箔并且构造类似的蓄电池、电池和电容器。
[0003]此外，由德语的公开文献DE10108893A1已知一种金属的电化学沉积方法，特别是由离子液体中的铝的电化学沉积方法。
【发明内容】
[0004]由此，本发明的目的在于提供一种用于电池、蓄电池或电容器的集电箔，其接触面和粘合性能得以优化从而改善了使用寿命。
[0005]根据本发明的第一个教导，上面指出的集电箔的目的这样实现，即，至少一个导电层至少部分由铝的电沉积生产并具有纹理。
[0006]电沉积是一种沉积方法，该方法一方面允许高纯度金属在表面沉积与此同时将沉积的金属表面纹理化。表面的结构化导致了例如锂离子蓄电池的以及电容器电解质的活性电极材料的接触面的明显增大以及粘合性能的改善。由于金属的高纯度沉积，电沉积同时可以降低铝电沉积的电阻。
[0007]优选地根据本发明的集电箔的第一个设计方案，纹理的尺寸与活性电极材料的颗粒尺寸处于同一数量级。根据本发明，适应可以理解为纹理具有这样的性能，如表面粗糙度、表面波度或表面结构，其尺寸与活性电极材料的颗粒尺寸处于同一数量级。例如，如果活性电极材料具有0.1 μ m的颗粒大小，相同的数量级可以理解为在大于0.01 μ m到小于I μ m的大小范围的结构。于是，活性电极材料可以特别好的粘合到集电箔上。
[0008]根据另一个设计方案，集电箔设置为阴极，导电层至少部分由铝的电沉积生产。足够的量的铝在基底材料上沉积，从而产生出带纹理的导电层。产生出的纹理明显增大了例如与蓄电池的活性电极材料的接触面。沉积的铝例如具有决定集电箔表面的纹理的、纳米、亚微米或微米范围的结构。由于电势比，铝也可作为阳极，例如，蓄电池的活性阳极材料如锂-钛-氧化物在具有高功率的同时具有更少的能量，这样的情况下纹理化的箔当然也可以用于阳极集电箔。
[0009]根据本发明集电箔的另一个设计方案，基底材料是由铝或者铝合金制成的铝箔。可以通过沉积的铝明显降低活性电极材料和集电箔间的接触电阻。此外，构成基底材料的铝箔理想地适合于铝的电沉积。该铝箔还可以以更小的电阻改善电流流失。此外，铝箔成本划算并且以5 μ m到50 μ m，优选10 μ m到25 μ m的所需宽度和厚度生产，而后通过电沉积电镀。
[0010]优选沉积的招的晶体尺寸为lnm-5000nm,优选为25nm-500nm。晶体尺寸和沉积的晶体数量决定了沉积的导电层的粗糙度。通过表面粗糙度与待电镀的活性电极材料的各个颗粒结构相适应来使得集电箔和活性电极材料间非常好的粘合。另外，沉积的铝的晶体增大了集电箔和活性电极材料间的接触面。
[0011]为了使用于电容器、电池或者蓄电池的集电箔的加工更加简易，根据另一个设计方案，铝箔是处于轧制状态的。轧制状态的意思是铝箔在冷轧后不进行最终退火或热脱脂。轧制状态的铝箔在机械抗拉强度上具有最大值，所以就此而言更适合于加工。
[0012]典型地，集电箔由ENAW 1050、ENAW 1200或ENAW 1058类型的铝合金制成。已提到的铝合金全部都是低合金化从而具有非常好的导电性。此外，三种铝合金都非常容易冷轧为厚度为5 μ m到50 μ m或者15 μ m到25 μ m的铝箔。
[0013]同样可以优选将带有碱性或酸性侵蚀的表面的铝箔用于电沉积。这些铝箔不必为了脱脂而退火，因此其具有能够达到的最大的机械抗拉强度。例如在135Mpa以上。
[0014]根据本发明的第二个教导，上面指出的集电箔的生产方法的目的这样实现，S卩，导电层至少部分通过铝电沉积在基底材料上生产。
[0015]通常考虑金属箔作为基底材料。铝的电沉积导致了在基底材料上结构化的纹理的产生，其提供了尽可能大的接触面并具有尽可能大的粘合力，以及由于沉积的金属的高纯度而优化的电阻。由此，导电层在例如与锂离子蓄电池的活性电极材料的结合中能够具有最佳的性能。
[0016]如果基底物质由铝或铝合金制成的铝箔制成，其通过铝的电沉积而纹理化，则可以提供延长电池或蓄电池的使用寿命的集电箔。
[0017]根据另一个设计方案，在基底材料上沉积的铝的纹理的尺寸与活性电极材料的颗粒尺寸处于同一数量级，于是优化了集电箔和活性电极材料间的接触面和粘合。
[0018]优选在由离子液体进行电沉积，以使得非贵重金属，例如铝可以沉积。离子液体、低熔点盐或者由咪唑盐的氟磷酸或磺酸盐以及金属卤化物添加物组成的盐混合物可作为电解质。
[0019]为了控制和调整待设置的纹理，电沉积可以在恒定电位或恒定电流情况下进行。在恒定电位的电沉积中，电极电位在电沉积过程中保持恒定。相反，在恒定电流的电沉积中，电流强度保持恒定。
[0020]根据本发明方法的另一个设计方案，通过电流恒定或电位恒定的单极或双极脉冲沉积来进行电沉积，其中至少由脉冲高度、脉冲宽度、间歇长度或频率或者结合已提到的变量来控制金属沉积。由于提到的参数值，该方法可用于优化的纹理在基底材料上的成型。于是可以优化电沉积产生的、在使用的活性电极材料上的纹理。
[0021]通过沉积，集电箔的表面增大并且与活性电极材料具有较大的接触面。优选通过沉积参数，如脉冲高度、脉冲宽度、间歇长度或频率，根据电解质材料将沉积的铝的晶体尺寸设为lnm-5000nm，优选为25nm_500nm。晶体尺寸和产生的纹理可以与活性电极材料的颗粒尺寸相适应，从活性电极材料和集电箔间的粘合性能方面考虑需要这种尺寸适应。
[0022]提供根据本发明的集电箔的特别经济的方法可以这样得到，S卩，根据另一个设计方案，用卷到卷方法来进行电沉积。相应的卷到卷方法特别高效，因为电沉积以带状进行，可以简单地将如此生产的带有纹理化的集电箔的卷输送到进一步的带状加工步骤，例如涂覆金属氧化物。因此短时间内可以大量生产集电箔。
[0023]最后，上面指出的目的通过根据本发明的集电箔在电池、蓄电池、锂离子蓄电池或电容器中的应用来达到。根据本发明的用于上述工具的集电箔在用于储存电能的过程中，可以预期，根据本发明的集电箔的亚微米纹理明显地积极影响了电池、蓄电池、锂离子蓄电池或电容器的使用寿命。此外，电沉积增大了集电箔与活性电极材料或者电解质间的接触面，因而导致了电池、蓄电池或者电容器的电容量的增大。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]接下来，根据结合附图的实施例来详细阐明本发明。附图中:
[0025]附图1示出了锂离子蓄电池的示意图，
[0026]附图2示出了根据本发明的集电箔的第一实施例的示意图，
[0027]附图3示出了用卷到卷方法来生产集电箔的装置示意图。
【具体实施方式】
[0028]附图1示出了锂离子蓄电池I的典型构造，其具有在阴极上的集电箔2和在阳极上的集电箔3。另外用金属氧化物，例如锂-钴氧化物4来涂覆阴极的集电箔2。只有锂离子Li+可以渗透的隔板5将阴极的金属氧化物涂层和由例如石墨6形成的阳极的活性电极材料分开。阳极3由例如铜的集电箔提供。可用于储存电荷的表面对于锂离子蓄电池的电容量以及电容器或者相应的电池来说是重要的要素。附图1中示出的阳极和阴极的集电箔因而具有导电层，其至少部分通过金属的电沉积产生并具有纹理。通过铝的电沉积在集电箔上产生的纹理导致了集电箔表面的增加因而也导致了活性电极材料4，6和所属的集电箔2，3间的接触面的增加。已表明，活性电极材料4，6的粘合性能由于集电箔2，3的纹路同样得以改善。根据电沉积生产方法，集电箔2，3的纹路具有例如微米或者亚微米的尺寸范围。
[0029]沉积的铝层结构优选为在尺寸上与金属氧化物的颗粒大小尺寸处于同一数量级，以确保金属氧化物的良好粘合。这种情况下，如表面波度、表面粗糙度或表面结构的大小在尺寸内，也即，区别最大是金属氧化物的颗粒大小的10倍或10分之一。
[0030]附图2示出了根据本发明的集电箔的实施例的截面示意图，由基底材料7和设置在基底材料上的导电层8组成。基底材料优选由铝箔制成，例如由ENAW 1085类型的铝合金制成的轧制状态的铝箔。可以提供在轧制状态的、厚度优选为5-50 μ m，特别是10-25 μ m的相应铝合金箔，因而具有相对高的抗拉强度。这也简化了铝箔到集电箔的加工。附图2示出的集电箔还具有通过电沉积而涂覆的导电层8，其具有亚微米范围的纹理。在电沉积中涂覆的铝层具有lnm-5000nm，优选25nm-500nm的晶体大小，其取决于在电沉积中使用的参数。晶体大小影响到产生的纹理，其中表面纹理与活性电极材料的颗粒大小的适应此时更加有利于锂离子蓄电池的使用寿命。
[0031]原则上也可以考虑由其他通过电沉积而得到的导电层材料来生产基底层。然而优选是相同的材料系统，也即，例如在铝沉积中选铝合金，从而防止腐蚀问题。
[0032]附图3以非常示意性的视图示出了用卷到卷方法来生产集电箔的装置。首先附图3示出了开卷机9，在其之上设置卷10，该卷例如由ENAW 1085型的铝合金制成的铝箔制成。将箔开卷并且送入用于完成电沉积的装置11。在装置11中，在恒定电位或恒定电流下由离子液体中的铝通过电沉积来涂覆基底材料，基底材料此处为铝箔。可以考虑将例如混有无水铝氯化物的1-乙基-3甲基-1H-咪唑氯化物(EMIC)作为离子液体。通过在作为阴极的铝箔和例如玻碳制成的对电极之间施加电压，可以实现由离子液体中的铝来进行铝箔的涂覆。接下来，用缠卷机12将已涂覆的铝箔再次卷绕成卷。
[0033]根据本发明的集电箔，可以显著增加蓄电池、电池和电容器的使用寿命和电容量保持。同时,通过电沉积来大面积涂覆基底材料可以经济地生产集电箔。
【权利要求】
1.一种用于电池、蓄电池或电容器的集电箔(2，3)，所述集电箔包含基底材料(7)和至少一个金属制成的导电层(8)， 其特征在于，所述至少一个导电层(8)至少部分由铝的电沉积生产并具有纹理。
2.根据权利要求1所述的集电箔，其特征在于，纹理的尺寸与活性电极材料的颗粒尺寸处于同一数量级。
3.根据权利要求1或2所述的集电箔，其特征在于，所述集电箔(2)设置为阴极，所述导电层(8)至少部分由铝的电沉积生产。
4.根据权利要求1到3中的任一项所述的集电箔，其特征在于，所述基底材料(7)是由招或者招合金制成的招猜。
5.根据权利要求1到4中的任一项所述的集电箔，其特征在于，沉积的铝的晶体尺寸为lnm-5000nm,优选为 25nm_500nm。
6.根据权利要求1到5中的任一项所述的集电箔，其特征在于，所述集电箔(2)是轧制状态的铝箔。
7.根据权利要求1到6中的任一项所述的集电箔，其特征在于，所述集电箔(2)由ENAW 1050、EN AW 1200 或 EN AW 1085 铝合金制成。
8.生产根据权利要求1到7中的任一项所述的集电箔的方法，所述集电箔由基底材料和至少一个金属制成的导电层组成，其特征在于，所述导电层至少部分通过在基底材料上的铝的电沉积来生产。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述基底材料是由铝或铝合金制成的铝箔，通过铝的电沉积将所述铝箔纹理化。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，沉积在基底材料上的铝的纹理的尺寸与活性电极材料的颗粒尺寸处于同一数量级。
11.根据权利要求8到10中的任一项所述的方法，其特征在于，由离子液体进行电沉积。
12.根据权利要求8到11中的任一项所述的方法，其特征在于，在恒定电位或恒定电流情况下进行电沉积。
13.根据权利要求8到12中的任一项所述的方法，其特征在于，通过单极或双极脉冲沉积来进行电沉积，其中至少由脉冲高度、脉冲宽度、间歇长度或频率或者结合所述变量来控制沉积。
14.根据权利要求8到13中的任一项所述的方法，其特征在于，沉积的铝的晶体尺寸设置为 lnm-5000nm,优选为 50nm-500nm。
15.根据权利要求8到14中的任一项所述的方法，其特征在于，用卷到卷方法来进行电沉积。
16.根据权利要求1到7中的任一项所述的集电箔的应用，其可应用于电池、蓄电池、锂离子蓄电池和电容器。
【文档编号】H01G9/00GK104335402SQ201380023133
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2013年4月30日 优先权日:2012年5月2日
【发明者】乌尔里希·汉佩尔, 卡特林·埃克哈德, 西蒙·尤普, 安德烈亚斯·西门 申请人:海德鲁铝业钢材有限公司