DE102012200607A1

DE102012200607A1 - Kathodenstrommabnehmer für elektrische energiespeichereinrichtung und verfahren zur herstellung desselben

Info

Publication number: DE102012200607A1
Application number: DE102012200607A
Authority: DE
Inventors: Sam Ick Son; Hee Yeon Ryu; Jin Dae Gun
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2011-10-20
Filing date: 2012-01-17
Publication date: 2013-04-25
Also published as: US9837666B2; US9190656B2; US20130101902A1; US20160056473A1

Abstract

Es wird ein Kathodenstromabnehmer für eine elektrische Energiespeichereinrichtung und ein Verfahren zur Herstellung desselben offenbart, die die Haftung zwischen einem Stromabnehmer und ein Elektrodenmaterial verbessern und eine Oberfläche mit hoher Reaktion zur Verfügung stellen, wodurch die Leistung der elektrischen Energiespeichereinrichtung verbessert wird. Insbesondere wird ein erster Aluminiumoxidfilm auf der Oberfläche einer Aluminiumfolie unter Verwendung eines anodischen Oxidations-Prozesses gebildet. Als nächstes wird der erste Aluminiumoxidfilm, welcher auf einer Oberfläche der Aluminiumfolie gebildet wurde, durch Ätzen entfernt und ein zweiter Aluminiumoxidfilm wird auf der Oberfläche der Aluminiumfolie gebildet, von welcher der erste Aluminiumoxidfilm entfernt wurde, unter wiederholter Verwendung des anodischen Oxidation-Prozesses. Anschließend wird eine Kohlenstoffschicht auf einer Oberfläche der Aluminiumfolie beschichtet, auf der der zweite Aluminiumoxidfilm gebildet wurde.

Description

HINTERGRUND
(a) Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kathodenstromabnehmer für eine elektrische Energiespeichereinrichtung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Kathodenstromabnehmer für eine elektrische Energiespeichereinrichtung und ein Verfahren zur Herstellung desselben, welche die Haftung zwischen einem Stromabnehmer und ein Elektrodenmaterial verbessern können und einen Oberflächenbereich mit einer hoher Reaktion zur Verfügung stellen, wodurch die Leistung der elektrischen Energiespeichereinrichtung verbessert wird.
(b) Technischer Hintergrund
Eine elektrische Energiespeichereinrichtung ist eine Einrichtung, die elektrische Energie zwischen Elektroden erzeugt. Typischerweise wird eine Elektrode durch Auftragen einer Elektrodensuspension auf einen Stromabnehmer gebildet, und die Elektrodensuspension wird hergestellt durch Mischen eines Elektrodenmaterials, das ein aktives Elektrodenmaterial für die Speicherung von Energie, ein leitfähiges Material zum Verleihen einer elektrischen Leitfähigkeit, und ein Bindemittel zum Binden des leitfähigen Materials mit dem Stromabnehmer aufweist, und zum Bereitstellen einer Bindungskraft zwischen ihnen mit einem Lösungsmittel.
Der Stromabnehmer funktioniert, um Elektronen zu sammeln, welche durch eine elektrochemische Reaktion des aktiven Materials erzeugt wurden und die Elektronen zu einer externen Schaltung in der Speichereinrichtung für elektrische Energie, wie z. B. eine Batterie, einen elektrochemischer Kondensator, etc. zu übertragen. Um die Elektronen, welche in dem aktiven Material erzeugt wurden, so weit wie möglich aufzunehmen, muss der Stromabnehmer stark an das aktive Material gebunden sein und eine höhere Kontaktfläche aufweisen. Darüber hinaus ist es erforderlich, dass der Stromabnehmer eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist, um reibungslos die aus dem aktiven Material emittierten Elektronen zu der externen Schaltung zu übertragen.
Jedoch haben das Elektrodenmaterial und der Stromabnehmer in herkömmlichen Elektroden eine begrenzte Kontaktfläche und daher ist die Haftung zwischen dem Elektrodenmaterial und dem Stromabnehmer reduziert. Als ein Ergebnis wird das Elektrodenmaterial an der Oberfläche des Stromabnehmers während des Betriebs des elektrischen Energiespeichers entfernt. Die Verringerung der Haftung und die Entfernung des Elektrodenmaterials erhöht den Innenwiderstand des elektrischen Energiespeichers, wodurch die Ausgangseigenschaften verringert und die Kapazität reduziert wird, wodurch eine wesentliche Verschlechterung der Leistung des elektrischen Energiespeichers einhergeht.
Die obigen Informationen, welche in diesem Hintergrund-Abschnitt offenbart sind, sind nur für die Verbesserung des Verständnisses des Hintergrunds der Erfindung und daher können Informationen enthalten sein, die nicht zu dem Stand der Technik gehören, die bereits in diesem Land einem Fachmann in der Technik bekannt sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
Die vorliegende Erfindung stellt einen Kathodenstromabnehmer für eine elektrische Energiespeichereinrichtung und ein Verfahren zur Herstellung desselben zur Verfügung, welche die Oberflächenstruktur des Kathodenstromabnehmers durch einen anodischen Oxidation-Prozess verbessern können, um die Reaktions-Oberfläche zu vergrößern. Ferner verbessert der Kathodenstromabnehmer der vorliegenden Erfindung die elektrische Leitfähigkeit und die Adhäsion mit einem aktiven Kathodenmaterial durch Beschichten einer leitfähigen Kohlenstoffschicht auf der Oberfläche des Kathodenstromabnehmers.
In einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Kathodenstromabnehmers zur Verfügung, wobei das Verfahren umfasst: Bilden eines ersten Aluminiumoxidfilms auf der Oberfläche einer Aluminiumfolie durch einen anodischen Oxidation-Prozess; Entfernen des ersten Aluminiumoxidfilms, welcher auf der Oberfläche der Aluminiumfolie gebildet wude, durch Ätzen; Bilden eines zweiten Aluminiumoxidfilms auf der Oberfläche der Aluminiumfolie, von welcher der erste Aluminiumoxidfilm entfernt wurde, durch den anodischen Oxidations-Prozess; und Beschichten einer Kohlenstoffschicht auf der Oberfläche der Aluminiumfolie, auf der der zweite Aluminiumoxidfilm gebildet ist.
In einer beispielhaften Ausführungsform kann das Verfahren ferner umfassen: vor dem Bilden des zweiten Aluminiumoxidfilms, Waschen der Aluminiumfolie, von der der erste Aluminiumoxidfilm entfernt wurde, mit entionisiertem Wasser und Trocknen des resultierenden Aluminiumfolie in einem vorgeheizten Ofen.
In einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung einen Kathodenstromabnehmer für eine elektrische Energiespeichereinrichtung zu Verfügung, wobei der Kathodenstromabnehmer umfasst: eine Aluminiumfolienschicht mit einer hohen spezifischen Oberfläche, auf der ein Aluminiumoxidfilm mit einer nanoporösen Struktur gebildet ist; und eine leitende Kohlenstoffschicht, welche auf der Oberfläche der Aluminiumfolie beschichtet ist.
In noch einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Kathode für eine elektrische Energiespeichereinrichtung zur Verfügung, wobei das Verfahren umfasst: Bilden eines ersten Aluminiumoxidfilms auf der Oberfläche einer Aluminiumfolie durch einen anodischen Oxidations-Prozess; Entfernen des ersten Aluminiumoxid, welcher auf der Oberfläche der Aluminiumfolie gebildet wurde, durch Ätzen; Bilden eines zweiten Aluminiumoxidfilms auf der Oberfläche der Aluminiumfolie, von der der erste Aluminiumoxidfilm entfernt wurde, durch den anodischen Oxidations-Prozess; Beschichten einer Kohlenstoffschicht auf der Oberfläche der Aluminiumfolie, auf der der zweite Aluminiumoxidfilm gebildet wurde, und Beschichten einer Kathodensuspension auf der Oberfläche der Kohlenstoffschicht.
In noch einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Kathode für eine elektrische Energiespeichereinrichtung zur Verfügung, wobei die Kathode umfasst: einen Kathodenstromabnehmer einschließlich einer Aluminiumfolienschicht mit einem hohen spezifischen Oberflächenbereich, auf der ein Aluminiumoxidfilm mit einer nanoporösen Struktur gebildet ist, und eine leitende Kohlenstoffschicht, welche auf der Oberfläche der Aluminiumfolie beschichtet ist, und eine Kathodenmaterialschicht, welche auf der Oberfläche des Kathodenstromabnehmers beschichtet ist. Genauer gesagt umfasst die Kathodenmaterialschicht, welche auf der Oberfläche der Kathodenstromabnehmer beschichtet ist, ein aktives Kathodenmaterial, ein leitfähiges Material und ein Bindemittel.
In noch einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine elektrische Energiespeichereinrichtung zu Verfügung, beinhaltend eine Kathode mit einem Kathodenstromabnehmer mit einer Aluminiumfolienschicht mit einer hohen spezifischen Oberfläche, auf der ein Aluminiumoxidfilm mit einer nanoporösen Struktur gebildet ist, und eine leitfähige Kohlenstoffschicht, welche auf der Oberfläche der Aluminiumfolie beschichtet ist; und eine Kathodenmaterialschicht, welche auf der Oberfläche des Kathodenstromabnehmers beschichtet ist, wobei die Kathodenmaterialschicht ein aktives Kathodenmaterial, ein leitfähiges Material und ein Bindemittel umfasst.
Weitere Aspekte und exemplarische Ausführungsbeispiele der Erfindung werden unten erörtert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun im Detail unter Bezugnahme auf bestimmte beispielhafte Ausführungsformen davon beschrieben und durch die beigefügten Zeichnungen veranschaulicht, die nachstehend nur zur Veranschaulichung gegeben sind, und somit nicht einschränkend für die vorliegende Erfindung, und wobei:
1 ein schematisches Diagramm ist, das einen anodischen Oxidation-Prozess unter Verwendung einer elektrochemischen Einrichtung darstellt;
2 ein schematisches Diagramm ist, welches die Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines Kathodenstromabnehmers für eine elektrische Energiespeichereinrichtung in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, bei der ein Aluminium-Stromabnehmer mit einer hohen spezifischen Oberfläche durch einen Anodischen-Aluminium-Oxid-Prozess (AAO) hergestellt wird;
3 ein schematisches Diagramm ist, das die Berechnung einer Verstärkung der Oberfläche durch eine nanoporöse Struktur, welche auf der Oberfläche eines Kathodenstromabnehmers ausgebildet ist, in Übereinstimmung mit der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
4 eine schematische Darstellung der spezifischen Oberfläche eines Kathodenstromabnehmers in Übereinstimmung mit der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist und das eines bestehenden Kathodenstromabnehmers; und
5 ein schematisches Diagramm ist, das die Querschnittstrukturen eines Kathodenstromabnehmers und einer Kathode in Übereinstimmung mit der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
Die Bezugszeichen, die in den Zeichnungen verwendet werden, beinhalten eine Bezugnahme auf die folgenden Elemente wie weiter unten erläutert:
Bezugszeichenliste

1: Elektrolyseur
2: Anodenelektrode
3: Aluminiumfolie
4: Gegenelektrode
5: Platinfolie
6: Elektrolyt
7: Rührer
10: Aluminiumfolienschicht
11: Aluminiumoxidfilm
12: Kohlenstoffschicht
13: Kathodenstromabnehmer
14: Kathodenmaterial Schicht
15: Kathode

Es versteht sich, dass die beigefügten Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind, und eine etwas vereinfachte Darstellung verschiedener bevorzugte Merkmale darstellen und Grundsätze der Erfindung illustrieren. Die spezifischen Konstruktionsmerkmale der vorliegenden Erfindung, wie hierin offenbart, einschließlich, zum Beispiel, bestimmte Abmessungen, Orientierungen, Zielen, und Formen werden zum Teil durch den jeweiligen Anwendungszweck und Anwendungsumgebung bestimmt.
In den Figuren beziehen sich Bezugszeichen auf gleiche oder äquivalente Teile der vorliegenden Erfindung in den verschiedenen Figuren der Zeichnung.
DETALIERTE BESCHREIBUNG
Nun folgenden wird Bezug im Detail auf verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung genommen, von denen Beispiele in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und nachfolgend beschrieben werden. Während die Erfindung in Verbindung mit beispielhaften Ausführungsformen beschrieben wird, versteht es sich, dass die vorliegende Beschreibung nicht dazu gedacht ist, die Erfindung auf diese Ausführungsbeispiele zu beschränken. Im Gegenteil dazu soll die Erfindung nicht nur die beispielhaften Ausführungsformen, sondern auch verschiedene Alternativen, Modifikationen, Äquivalente und andere Ausführungsformen, die in den Geist und Umfang der Erfindung, wie durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, abdecken.
Es wird davon ausgegangen, dass der Begriff ”Fahrzeug” oder ”Fahrzeug...” oder ähnliche Begriffe, wie hierin verwendet, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen, wie Personenkraftwagen einschließlich Sport Utility Vehicles (SUV), Busse, Lastwagen, verschiedene Nutzfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielzahl von Booten und Schiffen, Flugzeugen und dergleichen, einschließen und Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-in Hybrid-Elektrofahrzeugen, mit Wasserstoff betriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge mit alternativen Treibstoffen (z. B. Kraftstoffe, die aus anderen Ressourcen als Erdöl gewonnen wurden) umfassen. Wie hierin bezeichnet, ist ein Hybrid-Fahrzeug ein Fahrzeug, das zwei oder mehr Energiequellen hat, zum Beispiel ein sowohl benzin- und elektrobetriebenes Fahrzeug.
Die hierin verwendete Terminologie dient zum Zwecke der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen und ist nicht dazu bestimmt, die Erfindung einzuschränken. Wie hierin verwendet, sind die Singularformen ”ein” und ”die” dazu gedacht, um die Pluralformen ebenso zu umfassen, falls der Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes andeutet. Es versteht sich ferner, dass die Begriffe ”umfasst” und/oder ”umfassend”, wenn in dieser Beschreibung verwendet, die Anwesenheit der angegebenen Merkmale, Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten spezifiziert, aber nicht das Vorhandensein oder die Addition von einer oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Operationen, Elemente, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließt. Wie hierin verwendet, schließt der Begriff ”und/oder” jede und alle Kombinationen von einem oder mehreren der zugeordneten angebotenen Gegenstände ein.
Die vorliegende Erfindung stellt einen Kathodenstromabnehmer und ein Verfahren zur Herstellung desselben zur Verfügung, die die Oberflächenstruktur des Kathodenstromabnehmers verbessern, um die Reaktionsoberfläche zu vergrößern, in dem eine Nano-Wabenstruktur auf der Oberfläche des Stromabnehmers durch eine anodische Oxidation gebildet ist, wie z. B. ein Anodisches-Aluminium-Oxid-Verfahren (AAO), wodurch der spezifische Oberflächenbereich vergrößert wird.
Wenn der Oberflächenbereich des Stromabnehmers zunimmt, nimmt die Oberfläche, an denen ein Elektrodenmaterial befestigt ist, ebenfalls zu, was wiederum die Haftung zwischen dem Elektrodenmaterial und dem Stromabnehmer verbessert, und ferner den Oberflächenbereich des Elektrodenmaterials steigert, wodurch die Reaktionsoberfläche der elektrischen Energiespeichereinrichtung vergrößert wird. Als solches, wenn der Oberflächenbereich des Stromabnehmers vergrößert wird, ist es möglich, die Kontaktfläche zwischen dem Elektrodenmaterial und dem Stromabnehmer ohne Komponenten des Elektrodenmaterials zu vergrößern, wodurch der Reaktionsoberflächenbereich vergrößert wird.
Wenn der anodische Oxidation-Prozess verwendet wird, ist es möglich, die Porengröße und Tiefe, auf der Oberfläche des Stromabnehmers durch Ändern der Zeit und der Bedingungen der anodischen Oxidation zu steuern, und somit ist es möglich, die Porengröße des Nano-Wabenstruktur von einigen Nanometern bis einigen hundert Nanometern und Porentiefe zu mehreren hundert Mikrometern mit einer kostengünstige Ausrüstung zu steuern.
Gemäß der veranschaulichenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Aluminiumoxidfilm mit einer hohen spezifischen Oberfläche mit einer nanoporösen Struktur (z. B. Nano-Wabenstruktur) auf der Oberfläche des Stromabnehmers durch anodisches Oxidieren eines Aluminiumstromabnehmer gebildet, und die Oberfläche des Aluminiumoxidfilms wird mit einem leitfähigen Kohlenstoffmaterial beschichtet, wodurch ein Kathodenstromabnehmer hergestellt wird.
Eine Kohlenstoffschicht, welche auf der Oberfläche des Aluminiumoxidfilms ausgebildet ist, verbessert die elektrische Leitfähigkeit des Stromabnehmers, und verhindert, dass der Aluminiumstromabnehmer durch ein Elektrolyt der elektrischen Energiespeichereinrichtung beschädigt wird, und verbessert die Haftung mit einem Kathodenmaterial.
1 ist eine schematische Darstellung, die einen anodische Oxidations-Prozess unter Verwendung einer elektrochemischen Einrichtung darstellt. Eine Aluminiumfolie 3, die anodisch oxidiert werden soll, ist mit einer Anodenelektrode 2 in einem Elektrolyseur 1, enthaltend ein Elektrolyt 6, wie beispielsweise Oxalsäure, Phosphorsäure, Schwefelsäure usw. verbunden, und eine Platinfolie 5 ist mit einer Gegenelektrode 4 verbunden.
Das Elektrolyt 6 wird kontinuierlich mit einem Rührer 7 gerührt, um eine lokale Erhöhung der Konzentration des Elektrolyts zu verhindern, und die Aluminiumfolie 3 wird anodisch durch Elektrolyse oxidiert, wodurch ein Aluminiumoxidfilm mit einer hexagonalen Struktur, wie z. B. eine Nano-Wabenstruktur, auf der Oberfläche der Aluminiumfolie 3 gebildet wird. Der Aluminiumoxidfilm, welcher auf der Oberfläche der Aluminiumfolie 3 gebildet wurde, ist ein poröser Film mit einer Wabenstruktur mit einer Vielzahl von Poren, und die Porengröße und die Tiefe des Aluminiumoxidfilms kann durch Änderung der Ätzbedingungen des Aluminiumoxidfilms gesteuert werden. Andernfalls kann die Größe und der Abstand zwischen den Poren von der Art des Elektrolyt gesteuert werden. Das heißt, dass die nanoporöse Struktur auf der Oberfläche der Aluminiumfolie, die während der anodischen Oxidation gebildet wurde, durch die Art des Elektrolyt und/oder durch die Änderung der Ätzbedingungen gesteuert werden kann.
Typischerweise sind die Größe und Tiefe der Poren, welche auf der Oberfläche der Aluminiumfolie während der anodischen Oxidation gebildet wurden, proportional zu der Dauer des anodischen Oxidationsprozesses, welcher angewendet wird, und der Abstand zwischen den Poren ist proportional zu der Spannung, welche während der anodischen Oxidation angelegt wird.
In der dargestellten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Porengröße und Tiefe auf der Oberfläche der Aluminiumfolie, d. h. der Stromabnehmer, proportional zu der Zeit eines zweiten anodischen Oxidations-Prozesses. Im Detail, während der Herstellung des Anodenstromabnehmers der vorliegenden Erfindung, weist die während des ersten anodischen Oxidations-Prozesses gebildete Aluminiumoxidschicht eine unregelmäßige poröse Struktur auf. Somit wird der erste gebildet Aluminiumoxidfilm durch einen Ätzprozess entfernt, und somit wird eine zweite anodische Oxidation durchgeführt, um einen gleichmäßigen nanoporösen zweiten Aluminiumoxidfilm auf der Oberfläche des Stromabnehmers bilden.
Das heißt, um eine gleichmäßige nanoporöse Oberflächenstruktur auf dem Stromabnehmer zu bilden, wird der Aluminiumoxidfilm, welcher durch die erste anodische Oxidation gebildet wurde, durch das Ätzen entfernt, und die zweite anodische Oxidation wird durchgeführt, um eine Nano-Wabenstruktur mit einer regelmäßigen und gleichmäßigen Oberfläche zu bilden. Daher sind in der dargestellten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Porengröße und die Oberflächentiefe der Poren des Stromabnehmers proportional zur Länge der Zeit, mit der der zweite anodische Oxidations-Prozess angewendet wird.
Nach dem anodischen Oxidations-Prozess wird ein nicht-leitender Aluminiumoxidfilm auf der Oberfläche des Stromabnehmers gebildet, und somit wird ein Kohlenstoffmaterial mit einer hohen spezifischen Oberfläche auf der Oberfläche des Stromabnehmers beschichtet unter Verwendung eines Plasmas-Coaters, um eine leitende Kohlenstoffschicht zu bilden, wodurch eine elektrische Leitfähigkeit zu Verfügung gestellt wird. Die Kohlenstoffschicht auf der Oberfläche des Stromabnehmers stellt eine elektrische Leitfähigkeit dem Stromabnehmer zur Verfügung, und verhindert die Korrosion des Stromabnehmers, und verbessert die Haftung mit dem Elektrodenmaterial.
Bezugnehmend auf 5 umfasst der Anodenstromabnehmer, welcher durch das oben beschriebenen Verfahren gebildet wurde, eine Aluminiumfolienschicht 10 mit einer hohen spezifischen Oberfläche, auf der ein Aluminiumoxidfilm 11 mit einer Nano-Wabenstruktur gebildet ist, und eine Kohlenstoffschicht 12 mit einem hohen spezifischen Oberflächenbereich, und auf der Oberfläche der Aluminiumfolienschicht 10 beschichtet ist.
Als nächstes zeigen die folgenden Beispiele die Erfindung und sind nicht beabsichtigt, die Erfindung zu begrenzen.
[Beispiel 1: Herstellung von Anodenstromabnehmer]
Zuerst wurde ein anodischer Oxidations-Prozess unter Verwendung einer elektrochemischen Einrichtung, wie in 1 gezeigt, ausgeführt.
Eine Aluminiumfolie wurde mit einer Anodenelektrode (d. h. eine positive Elektrode) der elektrochemischen Einrichtung verbunden, und eine Platinfolie wurde mit einer Gegenelektrode verbunden. Um das Potential zwischen den zwei Elektroden auf einem konstanten Niveau zu halten, wurde der Abstand zwischen der Aluminiumfolie und der Platin-Folie bei 50 mm gehalten. Eine konstante Spannung wurde von einer Stromversorgung zwischen den beiden Elektroden zugeführt, um eine anodische Oxidation bei einer konstanten Temperatur zu induzieren, und ein Elektrolyt wurde kontinuierlich mit einem Rührer gerührt, um eine lokale Erhöhung der Konzentration des Elektrolyt zu verhindern.
Eine 1 M Phosphorsäure-Lösung wurde als Elektrolyt in einem ersten anodischen Oxidations-Prozess verwendet, und eine Spannung von 40 V wurde zwischen den beiden Elektroden angelegt, um Elektrolyse zu induzieren, so dass die Oberfläche der Aluminiumfolie oxidiert wurde, wodurch ein erster Aluminiumoxidfilm gebildet wurde. Dann wurde der erste Aluminiumoxidfilm, welcher auf der Oberfläche der Aluminiumfolie gebildet wurde, durch Ätzen unter Verwendung einer gemischten Lösung aus Chromsäure und Phosphorsäure bei 65°C entfernt, wodurch eine gleichmäßige Oberflächenstruktur gebildet wurde. Hier wurde die gemischte Lösung durch Mischen von 1,8 Gew.-% Chromsäure, 6 Gew.-% Phosphorsäure und 92,2 Gew.-% HgCl₂ vorbereitet. Anschließend wurde die resultierende Aluminiumfolie mit entionisiertem Wasser für etwa 15 Minuten gewaschen und in einem vorgeheizten Ofen bei 60°C für etwa 1 Stunde getrocknet.
In einem zweiten anodischen Oxidations-Prozess wurde eine 1 M Phosphorsäure-Lösung als Elektrolyt verwendet, und eine Spannung von 165 V wurde zwischen den beiden Elektroden angelegt, um Elektrolyse für etwa 100 Minuten durchzuführen, so dass die Oberfläche der Aluminiumfolie, von welcher der erste Aluminiumoxidfilm entfernt wurde, oxidiert wurde, wodurch ein zweiter Aluminiumoxidfilm gebildet wurde. Hier wurde die Temperatur des Elektrolyseurs bei 2°C gehalten. Der zweite Aluminiumoxidfilm, welcher auf der Oberfläche der Aluminiumfolie durch das oben beschriebene Verfahren gebildet wurde, hatte eine Aluminium-Anodische-Oxid-Struktur, in der Poren einen Durchmesser von 100 nm und eine Tiefe von 3 μm hatten, wobei der Abstand zwischen den Poren etwa 180 nm betrug.
Eine leitfähige Kohlenstoffschicht wurde auf der Oberfläche der Aluminiumfolie mit der Aluminium-Anodischen-Oxid Struktur (d. h. der Aluminiumoxidfilm) unter Verwendung eines Plasma-Coaters beschichtet. Graphit mit einem hohen spezifischen Oberflächenbereich wurde als Kohlenstoffquelle verwendet, und eine hohe Spannung wurde zwischen dem anodisch oxidierten Stromabnehmer (d. h. die Aluminiumfolie) und einem Ziel angelegt, um Kohlenstoff-Plasma zu erzeugen, wodurch die Kohlenstoffschicht mit einer Dicke von einigen nm auf der Oberfläche des Stromabnehmers gebildet wurde.
[Beispiel 2: Herstellung von Kathode]
Eine Kathodensuspension (oder Kathodenmaterial) wurde durch Mischen von 60 Gew.-% Schwefel mit einer Teilchengröße von 100 mesh (entspricht einer Porenweite von 0,149 mm) als aktives Kathodenmaterial, 20 Gew.-% von Super C als leitfähiges Material, und 20 Gew.-% der Polyvinylidenfluorid (PVDF) als Bindemittel, vorbereitet. Die hergestellte Kathodensuspension wurde auf der Oberfläche des Kathodenstromabnehmers (auf dem die Kohlenstoffschicht beschichtet wurde) in Beispiel 1 gebildet, um eine Kathode zu bilden. Das Verfahren zur Herstellung der Kathode mit dem Verfahren zur Herstellung von Kathodenstromabnehmer wie in den Beispielen 1 und 2 beschrieben, kann in 2 gezeigt werden.
[Beispiel 3: Herstellung einer Lithium-Schwefel-Batterie]
Die Kathode, welche in Beispiel 2 gebildet wurde, wurde als Kathode verwendet, und ein flüssiges Elektrolyt, welches durch Lösen von LiTFSI mit einer Konzentration von 1 M in TEGDME/DIOX in einem Volumenverhältnis von 5:5 gemischt und vorbereitet wurde, wurde als ein Elektrolyt verwendet. Eine Lithium-Schwefelbatterie wurde hergestellt unter Verwendung einer Lithiumfolien-Kathode mit einer Dicke von 200 μm. Als Ergebnis eines Abziehtest war die Haftung zwischen dem Kathodenstromabnehmer von Beispiel 1 und der Kathodensuspension (d. h. das Kathodenmaterial) höher als die eines typischen Stromabnehmers aus Aluminiumfolie.
Der Oberflächenbereich des Stromabnehmers, welcher auf die obige Weise hergestellt wird, ist vergrößert, um wiederum den Reaktionsbereich (siehe. 4) zu vergrößern, was wiederum die Haftung zwischen dem Elektrodenmaterial und dem Stromabnehmer verbessert, wodurch die Leistung des elektrischen Energiespeicher verbessert wird.
Wie in 5 gezeigt, umfasst die durch das oben beschriebenen Verfahren hergestellte Kathode 15: einen Kathodenstromabnehmer 13 mit einer Aluminiumfolienschicht 10 mit einer hohen spezifischen Oberfläche, auf der ein Aluminiumoxidfilm 11 mit einer nanoporösen Struktur gebildet ist, und eine leitfähige Kohlenstoffschicht 12 mit einer hohen spezifischen Oberfläche, und auf der Oberfläche der Aluminiumfolienschicht 10 beschichtet ist; und eine Kathodenmaterialschicht 14, welche auf der Oberfläche des Kathodenstromabnehmers 13 beschichtet ist. Die Kathodenmaterialschicht 14 enthält ein aktives Kathodenmaterial, ein leitfähiges Material und ein Bindemittel.
Darüber hinaus enthält die elektrische Energiespeichereinrichtung, die durch das oben beschriebene Verfahren hergestellt worden ist, eine erste Kathode 15 mit einem Kathodenstromabnehmer 13, der eine Aluminiumfolienschicht 10 mit einem hohen spezifischen Oberflächenbereich umfasst, auf dem eine Aluminiumoxidschicht 11 mit einer nanoporösen Struktur gebildet ist, und eine leitfähige Kohlenstoffschicht 12 mit einer hohen spezifischen Oberfläche und auf der Oberfläche der Aluminiumfolie Schicht 10 beschichtet ist, und eine Kathodenmaterialschicht 14, welche auf der Oberfläche des Kathodenstromabnehmers 13 beschichtet ist. Auch die Kathodenmaterialschicht enthält ein aktives Kathodenmaterial, ein leitfähiges Material und ein Bindemittel. Die elektrische Energiespeichereinrichtung umfasst außerdem eine zweite Kathode (nicht gezeigt), welche aus einer Kathodensuspension gebildet wurde, welche das aktive Kathodenmaterial und ein Elektrolyt umfasst.
Unterdessen, in dem Fall der Anodischen-Aluminium-Oxid-Struktur, welche auf der Oberfläche des Kathodenstromabnehmers gebildet wurde, wird eine Verstärkung in dem Oberflächebereich erreicht in Abhängigkeit der Porengröße und Tiefe des Aluminiumoxidfilms, die berechnet werden kann mit einem einfachen schematischen Modell, welches in 3 gezeigt ist. Wenn der Oberflächenbereich des Stromabnehmers vor dem Anodischen-Aluminium-Oxid-Verfahren A₀ ist und wenn eine Mehrzahl von quadratischen Poren mit einer Länge d und einer Höhe H in einem Abstand von d auf der Oberfläche des Stromabnehmers gebildet werden, kann der Oberflächenbereich A wie folgt berechnet werden: Oberflächenbereich A = A₀·(1 + H/d)
Wenn daher eine Vielzahl von Poren mit einem Durchmesser von 100 nm und einer Tiefe von 3 μm in einem Abstand von 180 nm auf der Oberfläche des Stromabnehmers gebildet sind, erreicht die Verstärkung in dem Oberflächenbereich durch die anodische Oxidation ungefähr 31.
Wie oben beschrieben, vergrößert das Verfahren zur Herstellung des Kathodenstromabnehmers gemäß der vorliegenden Erfindung den spezifischen Oberflächenbereich des Kathodenstromabnehmers, um wiederum die Kontaktfläche zwischen dem Stromabnehmer und dem Elektrodenmaterial zu vergrößern, das wiederum die Haftung zwischen das Elektrodenmaterial und der Stromabnehmer verbessert und ferner eine Oberfläche mit hoher Reaktion zur Verfügung stellt, wodurch die Leistung des elektrischen Energiespeichers verbessert wird. Darüber hinaus erhöht der Kathodenstromabnehmer gemäß der vorliegenden Erfindung die elektrische Leitfähigkeit durch die Kohlenstoffschicht, welche auf der Oberfläche davon beschichtet ist, verhindert die Korrosion des Aluminiumstromabnehmers durch den Elektrolyt, und verbessert die Haftung mit dem Elektrodenmaterial.
Die Erfindung wurde im Detail mit Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben. Es wird jedoch von Fachleuten auf dem Gebiet ersichtlich, dass Änderungen in diesen Ausführungsformen gemacht werden können ohne von den Grundsätzen und dem Geist der Erfindung, deren Umfang in den beigefügten Ansprüchen und ihren Äquivalenten definiert wird, wegzutreten.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kathodenstromabnehmers, wobei das Verfahren umfasst: Bilden eines ersten Aluminiumoxidfilms auf einer Oberfläche einer Aluminiumfolie unter Verwendung eines anodischen Oxidations-Prozesses; Entfernen des ersten Aluminiumoxidfilms, welcher auf der Oberfläche der Aluminiumfolie gebildet wurde, durch Ätzen; Bilden eines zweiten Aluminiumoxidfilms auf einer Oberfläche der Aluminiumfolie, von welcher der erste Aluminiumoxidfilm entfernt wurde, unter Verwendung des anodischen Oxidations-Prozesses und Beschichten einer Kohlenstoffschicht auf einer Oberfläche der Aluminiumfolie, auf der der zweite Aluminiumoxidfilm gebildet wurde.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: vor dem Bilden des zweiten Aluminiumoxidfilms, Waschen der Aluminiumfolie, von der der erste Aluminiumoxidfilm entfernt wurde, mit entionisiertem Wasser und Trocknen der resultierenden Aluminiumfolie in einem vorgeheizten Ofen.
Kathodenstromabnehmer für eine elektrische Energiespeichereinrichtung, wobei der Kathodenstromabnehmer umfasst: eine Aluminiumfolienschicht mit einem hohen spezifischen Oberflächenbereich, auf dem ein Aluminiumoxidfilm mit einer nanoporösen Struktur gebildet ist, und eine leitfähige Kohlenstoffschicht, welche auf einer Oberfläche der Aluminiumfolie beschichtet ist.
Kathodenstromabnehmer nach Anspruch 3, wobei die nanoporöse Struktur eine Nano-Wabenstruktur ist.
Verfahren zur Herstellung einer Kathode für eine elektrische Energiespeichereinrichtung, wobei das Verfahren umfasst: Bilden eines ersten Aluminiumoxidfilms auf einer Oberfläche einer Aluminiumfolie unter Verwendung eines anodischen Oxidation-Prozesses; Entfernen des ersten Aluminiumoxidfilms, welcher auf der Oberfläche der Aluminiumfolie gebildet wurde, durch Ätzen; Bilden eines zweiten Aluminiumoxidfilms auf der Oberfläche der Aluminiumfolie, von welcher der erste Aluminiumoxidfilm entfernt wurde, unter Verwendung des anodischen Oxidation-Prozesses; Beschichten einer Kohlenstoffschicht auf der Oberfläche der Aluminiumfolie, auf der der zweite Aluminiumoxidfilm gebildet wurde, und Beschichten einer Kathodensuspension auf der Oberfläche der Kohlenstoffschicht.
Kathode für eine elektrische Energiespeichereinrichtung, wobei die Kathode umfasst: einen Kathodenstromabnehmer beinhaltend eine Aluminiumfolienschicht mit einem hohen spezifischen Oberflächenbereich, auf der ein Aluminiumoxidfilm mit einer nanoporösen Struktur gebildet ist, und eine leitfähige Kohlenstoffschicht, welche auf einer Oberfläche der Aluminiumfolie beschichtet ist, und eine Kathodenmaterialschicht, welche auf einer Oberfläche des Kathodenstromabnehmers beschichtet ist, wobei die Kathodenmaterialschicht ein aktives Kathodenmaterial, ein leitfähiges Material und ein Bindemittel aufweist.
Kathodenstromabnehmer nach Anspruch 6, wobei die nanoporöse Struktur eine Nano-Wabenstruktur ist.
Elektrische Energiespeichereinrichtung mit einer Kathode, wobei die Kathode aufweist: einen Kathodenstromabnehmer mit einer Aluminiumfolienschicht mit einem hohen spezifischen Oberflächenbereich, auf dem ein Aluminiumoxidfilm mit einer nanoporösen Struktur gebildet ist, und einer leitfähigen Kohlenstoffschicht, welche auf einer Oberfläche der Aluminiumfolienschicht beschichtet ist, und eine Kathodenmaterialschicht, welche auf einer Oberfläche des Kathodenstromabnehmers beschichtet ist, wobei die Kathodenmaterialschicht ein aktives Kathodenmaterial, ein leitfähiges Material und ein Bindemittel aufweist.
Elektrische Energiespeichereinrichtung nach Anspruch 8, wobei die nanoporöse Struktur eine Nano-Wabenstruktur ist.