CN103620839A - 经化学处理的、由铝或铝合金构成的集电箔 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种由铝或铝合金构成的集电箔以及这种集电箔的制造方法，该集电箔应用于电池或蓄电池，特别是锂离子蓄电池。本发明的目的在于，提供一种集电箔，该集电箔在导电性和抗拉强度方面具有非常好的性能并且同时能够以低成本进行制造，通过使该集电箔具有经酸浸蚀或经碱浸蚀的表面从而实现了该目的。

Description

经化学处理的、由铝或铝合金构成的集电箔
技术领域
本发明涉及一种由铝或铝合金构成的集电箔以及这种集电箔的制造方法，该集电箔应用于电池或蓄电池，特别是锂离子蓄电池。
背景技术
集电箔通常由铝箔构成并且额外地具有一层通常由金属氧化物构成的涂层，例如锂钴（III）氧化物。铝箔在下文中是指由铝或铝合金构成的金属箔。在制造铝箔时通常在轧制过程中以轧制油润湿铝箔，以在轧制过程中使得例如轧制产品的摩擦效应、轧制磨损或粘附效果最小化。然而，在继续使用铝箔之前通常必须再次去除轧制油。特别是在将铝箔例如作为集电箔应用于锂离子蓄电池时，铝箔的品质影响着制成的锂离子蓄电池的品质。由现有技术已知，通过对金属箔卷、即所谓的卷材形式的铝箔进行热处理来净化以轧制油进行涂层的铝箔，特别是去脂。然而要根据温度和处理时间对轧制硬化的金属箔进行软化和重结晶。铝箔明显降低了强度并且更加难以进行加工。除此之外，由于热处理通过温度和氧气的影响使得氧化层加厚，从而导致集电箔的电阻的提高。如果没有完全去除掉轧制油，那么还会进一步产生金属氧化层的粘附问题。
为了解决软化问题，在公开的美国专利申请文献US2009/0269609中提出在80℃和160℃之间的温度下进行热处理。然而已证实，根据温度、时间、卷材的缠绕结构以及铝箔的表面粗糙度，通过热处理并不能将轧制油从金属箔卷上完全且均匀地去除。特别是在从80℃至160℃的低温下有剩余轧制油残留在铝箔上的风险并且这对于继续加工、例如涂敷金属氧化物层是成问题的。
此外，已知例如在卷对卷方法中以酸或碱清洗铝带。但是铝带的带厚度通常大于100μm，大多超过200μm。然而，集电箔比迄今为止以湿法化学清洗的铝带薄至少2至8倍。
发明内容
以此为基础，本发明的目的在于，提供一种集电箔，该集电箔在导电性和抗拉强度方面具有非常好的性能并且同时能够以低成本进行制造。此外，本发明的目的还在于，提出一种制造该集电箔的方法以及该集电箔的有利用途。
根据第一启示，该目的通过集电箔这样得到实现，即，该集电箔具有经酸浸蚀或经碱浸蚀的表面。
已证实具有经酸浸蚀或经碱浸蚀的表面的集电箔具有较小的电阻以及对金属氧化物涂层具有改善的粘附性能。特别是由于取消了热处理过程，所以不存在软化过程。这意味着，具有较高机械抗拉强度的金属箔可以用作集电箔。可以更薄地构造集电箔。在浸蚀集电箔的过程中可以用酸、例如硫酸，或者也可以用碱、例如氢氧化钠溶液来进行浸蚀。两种浸蚀剂可以引起充分的浸蚀量。
优选这样设置浸蚀量，即，腐蚀厚度低于1μm，特别是低于0.5μm或优选为0.01-0.1μm。通过浸渍腐蚀从而基本上去除经轧制之后所存在的金属箔的氧化层，由此通过空气中的氧气形成新的氧化铝层。通过这种表面腐蚀可以可靠地去除轧制油残留物，因此可以取消通过退火处理进行的去脂过程。如前所述，集电箔的机械强度由此保持不变。此外，表面腐蚀之后形成的氧化铝层明显比由于轧制过程和进一步的轧制工艺过程所形成的氧化层更薄。从而根据本发明的集电箔的电阻比传统集电箔的电阻更小。
依据根据本发明的集电箔的优选实施方式，在卷对卷方法中以酸浸蚀或以碱浸蚀表面。这样做的优势在于，能够特别有利地制造集电箔并且该集电箔此外具有特别均匀的表面性质，因此可以提供稳定的集电箔品质。此外，令人惊奇地发现，为铝带所使用的、用于通过酸浸蚀或碱浸蚀去脂的装置也适用于非常薄的集电箔。
依据集电箔的另一个实施方式，该集电箔具有5μm-50μm、优选10μm-30μm、特别优选15-25μm的厚度。具有低厚度的集电箔能够制造特别紧凑的电池或蓄电池，例如锂离子蓄电池。具有5μm厚度的超薄集电箔比较难进行加工，但只消耗最少量的材料。与此相反，使用具有大于50μm厚度的集电箔在预先规定了蓄电池或电池尺寸的情况下有可能引起在涂层数量上的限制。
依据集电箔的另一个设计方案，该集电箔在轧制硬态H18下具有大于135MPa的抗拉强度，因此，该集电箔尽管具有小的厚度，但是也可以以简单的方式用于接下来的工序，例如涂层和进一步加工成电池或蓄电池。
与用于电解电容器的铝箔不同，该集电箔的表面粗糙度RA为0.01μm-1μm，优选为0.2μm-0.3μm。因此，集电箔优选具有抛光的或高抛光的表面。已发现，对于用作集电箔来说，这些表面性质在电阻和涂层性质上引起了更佳的效果。
为了改善集电箔的经济性，该集电箔具有400mm至1450mm、优选450mm至1200mm的宽度。使用这种非常宽的集电箔也可以制造出例如用于相应宽度的电动车的、具有高容量的电池或蓄电池。由经轧制的铝箔可以轻松地提供上述集电箔的宽度。
已证实EN AW1050、EN AW1200或EN AW1085类型的铝合金适合用作集电箔的材料。这些铝合金相对于纯铝来说具有改善的机械特性并且由于合金添加剂的成分少，因此可以确保对在金属氧化涂层和集电箔之间可能发生的、所不希望的化学变化过程（例如腐蚀）有非常小的影响。
依据根据本发明的集电箔的另一个设计方案，该集电箔单面或双面地具有表面钝化。例如可以通过铬化或者通过涂覆无铬的钝化层来完成表面钝化。可以例如以硅烷、钛或锆或其他元素或者这些元素的化合物为基础来提供无铬的钝化层。这种钝化处理特别是用于抑制表面状态，特别是抑制氧化铝的形成，从而使集电箔在钝化过程之后的电性能保持不变。该钝化处理同时也改善了金属氧化涂层的粘附性。
依据本发明的第二启示，通过用于电池、蓄电池或锂离子蓄电池的集电箔的制造方法实现了上述目的，在该方法中，首先通过热轧和/或冷轧将由铝合金构成的金属箔制成5μm-50μm的最终厚度并且在轧制之后对金属箔进行湿法化学的表面酸浸蚀或表面碱浸蚀。如前所述，这样制成的集电箔具有明显更佳的电性能和机械性能，因此该集电箔能够更容易进一步加工成电池或蓄电池。
如果在卷对卷方法中进行湿法化学的表面酸浸蚀或表面碱浸蚀，那么可以更进一步地降低制造相应集电箔的生产成本。
如前所述，集电箔优选由EN AW1050、EN AW1200或EN AW1085类型的铝合金制成。关于这种铝合金的优点参考上述说明。
如果集电箔以抛光地或者高抛光地轧制成最终厚度，那么就能够提供对用作集电箔有利的、同时结合了表面浸蚀的表面。表面粗糙度RA优选为0.01μm-1μm，特别优选为0.2-0.3μm。
如果根据另一个设计方案使集电箔经浸蚀的表面钝化，那么能够保留用于接下来的加工步骤的表面状态并从而优化集电箔的电性能。优选通过铬化或者无铬的钝化过程对金属箔的表面进行钝化，优选以浸渍法或者以免冲洗法。可以以简单的方式在一条生产线上进行这些方法，即，直接在湿法化学浸蚀之后进行。
金属箔的宽度优选为400mm-1450mm，从而可以提供具有非常大宽度的集电箔。这种非常宽的、例如具有大于700mm宽度的集电箔应用于制造汽车电驱动装置的锂离子蓄电池。
依据本发明的第三启示，最终通过使用根据本发明的、用于制造电池、蓄电池、锂离子蓄电池或锂离子电池的集电箔实现了上述目的。如前所述，根据本发明的集电箔的用途相对于传统集电箔的用途具有明显的成本优势。此外还改善了根据本发明的集电箔在机械强度和涂层性能方面的可加工性能。
附图说明
下面根据结合附图的实施例详细阐述本发明。在附图中，
图1示出了锂离子蓄电池的示意性剖面图，以及
图2示出了用于实施根据本发明的方法的实施例的装置的示意性剖面图。
具体实施方式
通过化学过程中的物质改变将锂原子和过渡金属离子中的电能存储在电池中、例如在锂离子电池或锂离子蓄电池中。在锂离子蓄电池中，锂可以以离子化的形式在两个电极1和2之间通过电解质来回游移，从而能够进行放电过程和充电过程。正如在图1中可以看到，通常在正极上使用铝电极，在该铝电极上分离出锂金属氧化物，例如锂钴氧化物。用作正极1的集电箔具有优选为15-25μm的厚度并且由EN AW1050、EN AW1200或EN AW1085类型的铝合金制成。和应用在较小型的电器（例如手机）中的锂离子蓄电池不同，为例如电动车供电的锂离子蓄电池具有相对大的宽度，以提供所需的电容量。
例如宽度在400mm至1450mm、优选450mm至1200mm都是可以考虑的。
为了进一步改善集电箔的性能，根据本发明使该集电箔在轧制成最终厚度之后进行酸浸蚀或碱浸蚀，从而碱蚀或酸蚀表面。由此，在浸渍腐蚀为0.01μm至0.1μm的情况下去除在制造工艺中在热轧或冷轧过程中形成的自然氧化层。在这里新形成的氧化铝层要薄得多并且立即引起在电流从集电箔的涂层流入到铝箔中时电阻的减小。
图2示出了用于实施根据本发明的方法的实施例，在该方法中以卷对卷方法浸蚀铝箔、进行表面钝化并且接下来再次卷起。首先将开卷机4上的卷材3输送到去脂浸浴池5中，铝箔在该去脂浸浴池中进行表面浸蚀。例如硫酸或氢氧化钠溶液可以用作浸蚀剂。在使用碱性浸蚀剂、例如氢氧化钠溶液时优选在浸浴池5之后以酸进行冲洗并进行酸洗。由此能够更好地去除特别是附着在铝箔上的浸蚀残余物。在酸洗的过程中可以进行冲洗并且例如用水去除浸蚀剂。冲洗装置6优选直接接在浸浴池之后。在所示实施例中铝箔3在冲洗装置6之后直接进行表面钝化、例如进行铬化，由此在酸洗步骤之后保留了铝箔的表面状态。铬化装置7同样位于浸浴过程中。然后可以对铝箔3进行下一步的冲洗过程8，在该冲洗过程中去除表面钝化的多余成分。然后使经表面钝化的铝箔进行干燥过程，以干燥表面钝化层。最后在卷取机10上缠卷铝箔3。如在图2的实施例中可以看到，铝箔的表面钝化和表面浸蚀在一条直线上进行。在所示实施例中铝箔的宽度在400mm-1450mm。通过卷对卷加工工艺除了可以确保高速生产以外同时还可以确保集电箔具有特别稳定的品质并且提供了非常宽的集电箔。

Claims (14)

1.一种由铝或铝合金构成的集电箔（1），所述集电箔应用于电池、蓄电池或锂离子蓄电池，其特征在于，所述集电箔（1）具有经酸浸蚀或经碱浸蚀的表面。
2.根据权利要求1所述的集电箔，其特征在于，在卷对卷方法中以酸浸蚀或以碱浸蚀所述集电箔（1）的表面。
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（1）具有5μm至50μm的厚度。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的集电箔，其特征在于，所述集电箔在轧制硬态H18下具有大于135MPa的抗拉强度。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的集电箔，其特征在于，所述集电箔的表面粗糙度RA为0.01μm-1μm。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的集电箔，其特征在于，所述集电箔具有400mm至1450mm的宽度。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的集电箔，其特征在于，所述集电箔由EN AW1050、EN AW1200或EN AW1085类型的铝合金制成。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的集电箔，其特征在于，所述集电箔单面或双面地具有表面钝化。
9.一种用于制造电池、蓄电池或锂离子蓄电池的集电箔、特别是用于制造根据权利要求1至8中任意一项所述的集电箔的方法，在所述方法中，首先通过热轧和/或冷轧将由铝合金构成的金属箔（3）制成5μm-50μm的最终厚度并且在轧制之后在卷对卷方法中对所述金属箔进行湿法化学的表面酸浸蚀或表面碱浸蚀。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述金属箔由EN AW1050、EN AW1200或EN AW1085类型的铝合金制成。
11.根据权利要求9至10中任意一项所述的方法，其特征在于，在卷对卷方法中进行湿法化学的表面浸蚀。
12.根据权利要求9至11中任意一项所述的方法，其特征在于，对经浸蚀的金属箔表面进行钝化处理。
13.根据权利要求9至12中任意一项所述的方法，其特征在于，所述金属箔的宽度为400mm至1450mm。
14.根据权利要求1至8中任意一项所述的集电箔的用途，所述集电箔用于制造电池、蓄电池、锂离子蓄电池或锂离子电池。
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