DE102022122200A1

DE102022122200A1 - Verfahren zum Herstellen einer Kupferfolie für einen elektrochemischen Speicher, Kupferfolie und Verwendung einer Kupferfolie

Info

Publication number: DE102022122200A1
Application number: DE102022122200.4A
Authority: DE
Inventors: Kirstin Riener
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2022-09-01
Filing date: 2022-09-01
Publication date: 2024-03-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Kupferfolie für einen elektrochemischen Speicher, umfassend folgende Schritte: Herstellen einer Rohfolie aus Kupfer mittels elektrolytischer Abscheidung, und Behandeln der Rohfolie mittels eines Kaltverfestigungsprozesses unter Erhalt der Kupferfolie. Ferner wird eine nach dem Verfahren erhaltene Kupferfolie und die Verwendung der Kupferfolie als Elektrodenfolie in einem elektrochemischen Speicher angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Kupferfolie für einen elektrochemischen Speicher, eine auf diese Weise erhaltene Kupferfolie sowie die Verwendung einer solchen Kupferfolie als Elektrodenfolie.
Ein elektrochemischer Speicher ist ein Energiespeicher auf elektrochemischer Basis, der insbesondere wieder aufladbar ist und angepasst ist, elektrische Energie zu speichern und Verbrauchern bereitzustellen, beispielsweise Verbrauchern in einem Fahrzeug.
Ein elektrochemischer Speicher hat mindestens zwei verschiedene Elektroden, eine positive (Kathode) und eine negative Elektrode (Anode). Jede dieser Elektroden weist zumindest ein Aktivmaterial auf, wahlweise zusammen mit Zusätzen wie Elektrodenbindern und elektrischen Leitfähigkeitszusätzen, welches auf einen elektrisch leitenden Träger der jeweiligen Elektroden aufgebracht wird.
Als elektrisch leitender Träger kommen insbesondere massive, nicht poröse und feste Ableiterfolien aus Aluminium (für die positive Elektrode) oder Kupfer (für die negative Elektrode) zum Einsatz, die im technischen Sprachgebrauch auch unter dem Begriff „solid foils“ bekannt sind.
Derartige Kupferfolien werden insbesondere über einen Walzprozess hergestellt, bei dem ein Kupferbarren einer Vielzahl von Walzzyklen unterworfen wird, wobei jeder Walzzyklus eine Behandlung mit einer Walze und ein Erwärmen der Kupferfolie umfasst. Typischerweise werden weit mehr als zehn derartiger Walzzyklen benötigt, um eine Kupferfolie der benötigten Dicke im niedrigen Mikrometerbereich erhalten zu können.
Der Walzprozess zeichnet sich dadurch aus, dass Kupferfolien hoher Zugfestigkeit erhalten werden. Nachteilig ist jedoch, dass die über den Walzprozess hergestellte Kupferfolie eine vergleichsweise niedrige Bruchdehnung aufweist, sodass die Kupferfolie im Herstellungsprozess von Elektroden für elektrochemische Speicher zerreißen kann. Zudem müssen im Walzprozess Walzöle eingesetzt werden, die aufwendig von der Kupferfolie entfernt werden müssen.
Eine alternative Variante zum Herstellen von Kupferfolien ist die elektrolytische Abscheidung von Kupfer auf eine rotierende Trommel, die als Elektrode fungiert.
Das Elektrolyseverfahren kann als einstufiger Prozess durchgeführt werden, sodass aufwändige Nachbearbeitungsschritte nicht notwendig sind. Jedoch weisen elektrolytisch hergestellte Kupferfolien eine deutlich geringere Zugfestigkeit auf als im Walzprozess hergestellte Kupferfolie, sodass derartige Kupferfolien bei der Verarbeitung zum Faltenwurf neigen. Diese Neigung zum Faltenwurf wirkt sich nachteilig auf die Eignung als Material für die Elektrodenherstellung aus.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Möglichkeit anzugeben, mit der eine reißfeste Kupferfolie bereitgestellt werden kann, die zugleich eine hohe Zugfestigkeit aufweist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer Kupferfolie für einen elektrochemischen Speicher, umfassend folgende Schritte: Herstellen einer Rohfolie aus Kupfer mittels elektrolytischer Abscheidung, und Behandeln der Rohfolie mittels eines Kaltverfestigungsprozesses unter Erhalt der Kupferfolie.
Die Erfindung basiert auf dem Grundgedanken, zwei bisher lediglich getrennt angewandte Bearbeitungsverfahren zum Herstellen einer Kupferfolie zu kombinieren. Die Herstellung der Rohfolie erfolgt erfindungsgemäß durch elektrolytische Abscheidung, sodass die Rohfolie eine hohe Bruchdehnung, jedoch eine vergleichsweise geringe Zugfestigkeit aufweist. Durch den anschließenden Kaltverfestigungsprozess kann die Zugfestigkeit auf das gewünschte Maß erhöht werden, um einen optimalen Kompromiss aus Bruchdehnung und Zugfestigkeit in der hergestellten Kupferfolie zu realisieren.
Unter einer Kaltverfestigung wird hier eine Kaltumformung verstanden, das heißt eine Bearbeitung der Rohfolie aus Kupfer unterhalb der Rekristallisationstemperatur von Kupfer. Es versteht sich jedoch, dass auch ein Erwärmen der Rohfolie im Kaltverfestigungsprozess stattfinden kann, solange die Rekristallisationstemperatur nicht erreicht wird.
Die elektrolytische Abscheidung kann aus einer schwefelsauren Kupfersulfatlösung erfolgen. Derartige Elektrolyseverfahren sind im Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der DE 10 2021 214 877 A1 , und ermöglichen es in besonderem Maße, eine Rohfolie herzustellen, die eine gewünschte Bruchdehnung aufweist und sich für den nachfolgenden Kaltverfestigungsprozess eignet.
Die elektrolytische Abscheidung des Kupfers wird mit einer durchschnittlichen Stromdichte durchgeführt, die so gewählt wird, dass eine ausreichende Abscheidegeschwindigkeit des Kupfers im Elektrolyseverfahren erzielt werden kann.
Die Rohfolie kann eine Dicke im Bereich von 10,0 µm bis 15,0 µm aufweisen. Bei einer Dicke von unter 10,0 µm kann mit üblichen Walzprozessen keine ausreichende Kaltverfestigung mehr erreicht werden, um die notwendige Zugfestigkeit zu erzeugen. Bei einer Dicke von mehr als 15,0 µm steigt der Aufwand im Kaltverfestigungsprozess übermäßig an, um die Kupferfolie mit einer Dicke zu erhalten, die sich für den Einsatz in elektrochemischen Speichern eignet.
Bevorzugt ist der Kaltverfestigungsprozess ein Walzprozess. Walzprozesse sind in der Herstellung von Kupferfolien etabliert und erlauben über den gewählten Anpressdruck der eingesetzten Walzen und dem daraus resuliterenden Verformungsgrad der Folie eine präzise Steuerung des Kaltverfestigungsprozesses.
Der Anpressdruck der Walzen im Kaltverfestigungsprozess liegt insbesondere im Bereich von 300 bis 1000 MPa.
Insbesondere erfolgt im Walzprozess eine Zunahme der Zugfestigkeit der Kupferfolie im Vergleich zur Zugfestigkeit der Rohfolie um 25 bis 500 %.
Die Zugfestigkeit kann analog zu DIN 50154 ermittelt werden.
Durch den vorgelagerten Schritt zum Herstellen der Rohfolie kann die Anzahl der Walzzyklen im Walzprozess reduziert werden im Vergleich zu konventionellen Walzprozessen, in denen von einem Kupferbarren ausgegangen wird.
Insbesondere wird die Rohfolie im Walzprozess höchstens fünf Walzzyklen unterworfen, bevorzugt nur einem einzelnen Walzzyklus.
Jeder Walzzyklus kann eine Behandlung mit einer Walze und ein Erwärmen der Kupferfolie auf eine Temperatur unterhalb der Rekristallisationstemperatur von Kupfer umfassen. Die Temperatur wird insbesondere derart gewählt, dass die Zugfestigkeit der Kupferfolie im Walzprozess steigt, jedoch noch kein Abfall der Bruchfestigkeit festgestellt werden kann.
Die Bruchfestigkeit kann ebenfalls analog zu DIN 50154 ermittelt werden.
In einer Variante ist der Kaltverfestigungsprozess ein Kugelstrahlprozess. Kugelstrahlen stellt ein besonders effizientes Verfahren zum Verfestigen der Rohfolie dar.
Um eine Kupferfolie zu erhalten, die sich besonders für den Einsatz in einem elektrochemischen Speicher eignet, kann die Dicke der Kupferfolie während des Kaltverfestigungsverfahrens auf eine Dicke im Bereich von 6,0 bis 8,0 µm eingestellt werden.
Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch eine Kupferfolie erhalten nach einem Verfahren wie zuvor beschrieben.
Die Merkmale und Eigenschaften des erfindungsgemäßen Verfahrens gelten für die erfindungsgemäße Kupferfolie und umgekehrt und es wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.
Die Kupferfolie zeichnet sich insbesondere durch eine ausgezeichnete Zugfestigkeit bei gleichzeitig hoher Bruchdehnung aus.
Insbesondere hat die Kupferfolie eine Zugfestigkeit im Bereich von 250 bis 600 MPa und eine Bruchdehnung im Bereich von 3 bis 30%.
Die Dicke der Kupferfolie liegt bevorzugt im Bereich von 6,0 bis 8,0 µm.
Weiter wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch die Verwendung einer Kupferfolie wie zuvor beschrieben als Elektrodenfolie in einem elektrochemischen Speicher.
Weitere Merkmale und Eigenschaften ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform, die nicht in einem einschränkenden Sinn verstanden werden soll, sowie den Zeichnungen. In diesen zeigen:

- 1 schematisch einen Aufbau zum Herstellen einer Rohfolie aus Kupfer mittels elektrolytischer Abscheidung in dem Verfahren zum Herstellen einer Kupferfolie,
- 2 schematisch einen Aufbau für einen Kaltverfestigungsprozess zum Herstellen einer Kupferfolie aus der Rohfolie aus 1, und
- 3 ein Blockschema des Verfahrens.

Das Verfahren zum Herstellen einer Kupferfolie 10 für einen elektrochemischen Speicher umfasst das Herstellen einer Rohfolie 12 aus Kupfer mittels elektrolytischer Abscheidung (vgl. Schritt S1 in 3) sowie das Behandeln der auf diese Weise erhaltenen Rohfolie 12 in einem Kaltverfestigungsprozess unter Erhalt der Kupferfolie 10 (vgl. Schritt S2 in 3).
In 1 ist schematisch ein Aufbau zum Herstellen der Rohfolie 12 dargestellt.
In einer Elektrolysezelle 14 ist eine drehbar gelagerte Trommel 16 angebracht, die elektrisch mit einer Gleichspannungsquelle 18 verbunden ist, sodass die rotierende Trommel 16 als Kathode der Elektrolysezelle 14 fungieren kann.
Ebenfalls mit der Gleichspannungsquelle 18 elektrisch verbunden ist eine Gegenelektrode 20, die als Anode der Elektrolysezelle 14 geschaltet ist.
Zwischen Trommel 16 und Gegenelektrode 20 ist eine schwefelsaure Kupfersulfatlösung 22 aufgenommen, aus der im Betrieb der Elektrolysezelle 14 Kupfer an der Trommel 16 in Form einer Rohfolie 12 abgeschieden wird.
Die Rohfolie 12 wird entlang einer Prozessierungsrichtung R von der Trommel 16 zu einer Aufnahmewalze 26 geführt und dort aufgerollt.
Zwischen Trommel 16 und Aufnahmewalze 26 können auch weitere Prozessierungsstationen vorgesehen sein, beispielsweise eine Waschstation, die anhaftende Reste der Lösung 22 von der Rohfolie 12 entfernt, und/oder eine Trocknungsstation.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die erzeugte Rohfolie 12 einem nachgelagerten Kaltverfestigungsprozess unterworfen wird, der schematisch in 2 dargestellt ist.
In der gezeigten Ausführungsform ist der Kaltverfestigungsprozess ein Walzprozess, in dem die Rohfolie 12 von einer Versorgungswalze 28, die identisch zur Aufnahmewalze 26 sein kann, abgewickelt wird und entlang der Prozessierungsrichtung R zu einem Paar Walzen 30 überführt wird.
Die Walzen 30 wirken mit einem Anpressdruck auf die Rohfolie 12 ein, um diese zu verfestigen und zur Kupferfolie 10 zu verarbeiten. Der Anpressdruck liegt insbesondere im Bereich von 300 bis 1000 MPa.
In Prozessierungsrichtung R hinter den Walzen 30 sind eine Wärmebehandlungsstation 32, in der die Kupferfolie 10 auf eine Bearbeitungstemperatur erwärmt werden kann, die unterhalb der Rekristallisationstemperatur von Kupfer liegt, sowie eine Reinigungsstation 34, in der die Kupferfolie 10 gereinigt werden kann.
Schließlich wird die erhaltene Kupferfolie 10 auf einer Sammelwalze 36 aufgewickelt.
Über das erfindungsgemäße Verfahren können auf einfache Weise Kupferfolien hergestellt werden, die eine hohe Bruchfestigkeit und gleichzeitig eine hohe Zugfestigkeit aufweisen und sich daher insbesondere als Ableiter für Elektroden in elektrochemischen Speichern eignen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102021214877 A1 [0013]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Kupferfolie (10) für einen elektrochemischen Speicher, umfassend folgende Schritte: - Herstellen einer Rohfolie (12) aus Kupfer mittels elektrolytischer Abscheidung, und - Behandeln der Rohfolie (12) mittels eines Kaltverfestigungsprozesses unter Erhalt der Kupferfolie (10).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die elektrolytische Abscheidung aus einer schwefelsauren Kupfersulfatlösung (22) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rohfolie eine Dicke im Bereich von 10,0 bis 15,0 µm aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kaltverfestigungsprozess ein Walzprozess ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Rohfolie (12) im Walzprozess höchstens fünf Walzzyklen unterworfen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kaltverfestigungsprozess ein Kugelstrahlprozess ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dicke der Kupferfolie (10) während des Kaltverfestigungsprozesses auf eine Dicke im Bereich von 6,0 bis 8,0 µm eingestellt wird.
Kupferfolie (10), erhalten nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verwendung einer Kupferfolie (10) nach Anspruch 8 als Elektrodenfolie in einem elektrochemischen Speicher.