DE112012000875T5

DE112012000875T5 - Luft-Batterie und Elektrode

Info

Publication number: DE112012000875T5
Application number: DE112012000875T
Authority: DE
Inventors: Akihisa Hosoe; Hideaki SAKAIDA; Junichi Nishimura; Kengo Goto; Kazuki Okuno; Koutarou Kimura
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd; Sumitomo Electric Toyama Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd; Sumitomo Electric Toyama Co Ltd
Priority date: 2011-02-18
Filing date: 2012-02-13
Publication date: 2013-12-24
Also published as: US20120295169A1; KR20140004645A; WO2012111615A1; JP2012186140A; CN103270629A

Abstract

Es wird eine Struktur zur effektiven Nutzung eines neuen porösen Metallkörpers, wie einem porösen Aluminiumkörper, mit einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur als Batterieelektrode bereitgestellt. Eine Luft-Batterie, die Sauerstoff als aktives Material der positiven Elektrode verwendet, schließt einen porösen Aluminiumkörper mit einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur ein, wobei der poröse Aluminiumkörper als Kollektor der positiven Elektrode fungiert, wobei eine Elektrode verwendet wird, die eine positive Elektrodenschicht einschließt, die einen Katalysator und ein Bindemittel enthält und auf einer Oberfläche eines Skeletts aus dem porösen Aluminiumkörper vorgesehen ist. Des Weiteren werden eine Elektrode mit kontinuierlichen Poren in einem Zustand, in dem eine positive Elektrodenschicht auf einer Oberfläche eines Skeletts aus einem porösen Aluminiumkörper vorgesehen ist, eine Elektrode mit einem kontinuierlichen Hohlteil im Inneren seines Skeletts und eine Luft-Batterie, die eine der Elektroden einschließt, bereitgestellt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Luft-Batterie, in der ein poröser Aluminiumkörper als Kollektor verwendet wird, und eine Elektrode dafür.
STAND DER TECHNIK
Poröse Metallkörper mit einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur wurden in verschiedenartigen Anwendungen, wie Filtern, Katalysatorträgern und Batterieelektroden, verwendet. Zum Beispiel wurde Celmet (hergestellt von Sumitomo Electric Industries, Ltd.: eingetragene Handelsmarke), das aus Nickel zusammengesetzt ist, als Elektrodenmaterial für eine Batterie, wie eine Nickel-Wasserstoff-Batterie oder eine Nickel-Cadmium-Batterie, verwendet. Celmet ist ein poröser Metallkörper mit kontinuierlichen Poren und weist das Merkmal auf, dass die Porosität (90% oder mehr) höher ist als die von anderen porösen Körpern, wie Metallvliesen. Celmet wird durch Bildung einer Nickelschicht auf einer Skelettoberfläche eines Harzschaumkörpers mit kontinuierlichen Poren, wie einem Polyurethanschaum, Zersetzung des Harzschaumkörpers durch Wärmebehandlung und Durchführung einer Reduktionsbehandlung an dem Nickel hergestellt. Die Nickelschicht wird mittels Durchführung einer Leitfähigkeitsbehandlung gebildet, indem ein Kohlenstoffpulver oder dergleichen auf der Skelettoberfläche des Harzschaumkörpers aufgetragen wird und dann Nickel durch Elektroplattierung abgeschieden wird.
Was die Anwendungen von Aluminium in Batterien betrifft, wird z. B. eine Aluminiumfolie mit einem aktiven Material, wie Lithium-Kobaltoxid, auf einer Oberfläche davon als positive Elektrode einer Lithiumbatterie verwendet. Um die Kapazität einer positiven Elektrode zu erhöhen, kann ein Aluminiummaterial zu einem porösen Körper verarbeitet werden, so dass er eine große Oberfläche aufweist, und das Innere des porösen Aluminiumkörpers kann mit einem aktiven Material gefüllt werden. In diesem Fall kann das aktive Material selbst in einer Elektrode mit einer großen Dicke benutzt werden, und der Nutzungsanteil des aktiven Materials pro Einheitsfläche kann verbessert werden.
Ein Verfahren zur Herstellung eines porösen Aluminiumkörpers, auf das ein Verfahren zur Herstellung eines porösen Nickelkörpers angewendet wird, wurde ebenso entwickelt. Zum Beispiel offenbart PTL 2 ein Herstellungsverfahren. Insbesondere offenbart PTL 2 „ein Verfahren zur Herstellung eines porösen Metallkörpers, das die Bildung eines Films aus einem Metall, das eine eutektische Legierung beim Schmelzpunkt von Al oder niedriger bildet, auf einem Skelett eines Harzschaums mit einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur durch ein Plattierungsverfahren oder ein Gasphasenverfahren, wie ein Dampfabscheidungsverfahren, ein Sputterverfahren oder ein chemisches Gasphasenabscheidungs(CVD)-Verfahren, das anschließende Imprägnieren und Beschichten des Harzschaums mit dem Film darauf mit einer Paste, die als Hauptkomponenten ein Al-Pulver, ein Bindemittel und ein organisches Lösungsmittel enthält, und die Durchführung einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 550°C oder höher und 750°C oder niedriger in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre einschließt”.
Zitatliste
Patentliteratur

PTL 1: ungeprüfte japanische Patentanmeldungsveröffentlichung 2002-371327
PTL 2: ungeprüfte japanische Patentanmeldungsveröffentlichung 8-170126

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Technische Aufgabe
Poröse Aluminiumkörper des Stands der Technik weisen Probleme auf, wenn sie als Kollektor einer Batterieelektrode verwendet werden. Insbesondere unter den porösen Aluminiumkörpern weisen Schaumkörper aufgrund der Charakteristika ihrer Herstellungsverfahren geschlossene Poren auf. Demzufolge kann, selbst wenn die Oberfläche eines Aluminiumschaumkörpers durch Schäumen erhöht wird, nicht die gesamte Oberfläche des Aluminiumschaumkörpers effektiv genutzt werden. Außerdem weist der oben beschriebene poröse Aluminiumkörper ein Problem auf, dass zusätzlich zu Aluminium unweigerlich ein Metall enthalten ist, das eine eutektische Legierung mit Aluminium bildet.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die obigen Probleme gemacht. Ein erfindungsgemäßes Ziel ist es, eine Struktur zur effektiven Nutzung eines neuen porösen Aluminiumkörpers, der von den Erfindern der vorliegenden Anmeldung entwickelt wurde, als Batterieelektrode bereitzustellen, und eine Luft-Batterie mit einer hohen Effizienz bereitzustellen.
Lösung der Aufgabe
Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung entwickeln auf intensive Weise eine Aluminiumstruktur, die eine dreidimensionale Netzwerkstruktur aufweist und die weit verbreitet in Batterien einschließlich Lithium-Sekundärbatterien verwendet werden kann. Ein Verfahren zur Herstellung der Aluminiumstruktur schließt die Übertragung von elektrischer Leitfähigkeit auf einer Oberfläche eines blattartigen Schaums auf Polyurethan, Melaminharz oder dergleichen mit einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur, die Durchführung einer Aluminiumplattierung auf der Oberfläche und die anschließende Entfernung des Polyurethans, des Melaminharzes oder dergleichen ein.
Eine Erfindung der vorliegenden Anmeldung stellt eine Luft-Batterie bereit, die Sauerstoff als aktives Material der positiven Elektrode verwendet, wobei die Luftelektrode als Kollektor der positiven Elektrode einen porösen Aluminiumkörper mit einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur einschließt.
Als Kollektoren der positiven Elektrode, die in existierenden Luft-Batterien verwendet werden, wurden neben porenfreien Metallplatten leitfähige Substrate (wie ein Netz, gestanztes Metall oder ein Streckmetall) mit Poren zum Zwecke der Sauerstoffpermeation untersucht. Im Gegensatz zu diesen existierenden porösen Körpern weist der erfindungsgemäß verwendete Kollektor der positiven Elektrode eine dreidimensionale Netzwerkstruktur mit einem großen Raum und eines dreidimensional kontinuierlichen Skeletts auf. Der erfindungsgemäß verwendete Kollektor der positiven Elektrode ist daher hinsichtlich des Tragens einer positiven Elektrodenschicht, der Permeation von Sauerstoff, einer Erhöhung der Kontaktfläche zwischen Sauerstoff und einer Katalysatorsubstanz der positiven Elektrode usw. vorteilhaft.
Insbesondere wird vorzugsweise eine positive Elektrode verwendet, die eine auf der Oberfläche eines Skeletts aus dem porösen Aluminiumkörper vorgesehene positive Elektrodenschicht einschließt. In diesem Fall können die Merkmale der dreidimensionalen Netzwerkstruktur genutzt werden, und eine große Menge der positiven Elektrodenschicht kann geträgert werden. Darüber hinaus ist die positive Elektrode vorzugsweise ein poröser Elektrodenkörper, der eine dreidimensionale Netzwerkstruktur in einem Zustand bildet, in dem die positive Elektrode mit der positiven Elektrodenschicht bedeckt ist. Insbesondere ist die positive Elektrode eine poröse Struktur mit kontinuierlichen Poren in einem Zustand, in dem die positive Elektrodenschicht auf der Oberfläche des Skeletts vorgesehen ist. Unter Nutzung der Merkmale, dass das Skelett eine große Oberfläche aufweist und dass Sauerstoff durch die Lücken im Netzwerk dringt, kann eine positive Elektrodenschicht auf effektive Weise genutzt werden. Die positive Elektrodenschicht enthält als Hauptkomponenten einen Katalysator, ein Leitfähigkeitshilfsmittel, wie Kohlenstoff, und ein Bindemittel.
Der poröse Aluminiumkörper weist vorzugsweise eine Porosität von 90% oder mehr und weniger als 99% auf. Mit einer solchen hohen Porosität kann der poröse Aluminiumkörper weiterhin Netzwerkräume aufweisen, während eine ausreichende Menge an positiver Elektrodenschicht auf der Oberfläche des Skeletts aufliegt. Es ist daher möglich, den Kontakt zwischen Sauerstoff und der positiven Elektrodenschicht in ausreichendem Maße zu sichern.
Die auf der Oberfläche des Skeletts vorgesehene positive Elektrodenschicht weist vorzugsweise eine Dicke von 1 μm oder mehr und 50 μm oder weniger auf. Wenn die Dicke der positiven Elektrodenschicht kleiner als 1 μm ist, ist die Menge der positiven Elektrodenschicht, die als positive Elektrodenschicht fungiert, übermäßig klein. Wenn die Dicke der positiven Elektrodenschicht 50 μm übersteigt, ist, obwohl die positive Elektrodenschicht auf der Oberfläche funktioniert, der Abstand von der Oberfläche der positiven Elektrode zu dem porösen Aluminiumkörper, der als Kollektor fungiert, groß, und dies ist hinsichtlich der Wanderung der Elektronen nachteilhaft. Im Standpunkt der Beziehung mit den Durchmessern der Poren des porösen Aluminiumkörpers mit einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur werden die Netzwerkräume, die die Poren sind, übermäßig eng, wenn die positive Elektrodenschicht eine übermäßig große Dicke aufweist und die Poren nach der Bildung der positiven Elektrodenschicht übrig gelassen werden. Dies ist hinsichtlich der Sauerstoffaufnahme nachteilhaft. Besonders bevorzugt beträgt die untere Grenze 5 μm oder mehr, und die obere Grenze beträgt 30 μm oder weniger.
Der poröse Aluminiumkörper kann einen kontinuierlichen Hohlteil im Inneren seines Skeletts aufweisen. In diesem Fall kann Sauerstoff durch das Innere des Skeletts in die positive Elektrodenschicht aufgenommen werden. Diese Struktur ist für eine Luft-Batterie besonders bevorzugt.
Die erfindungsgemäße Elektrode kann in einer Lithium-Luft-Batterie verwendet werden, in der metallisches Lithium als aktives Material der negativen Elektrode verwendet wird. Wenn Lithiumtitanat (LTO) als negative Elektrode verwendet wird, kann ein poröser Aluminiumkörper mit einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur auch als Kollektor der negativen Elektrode verwendet werden. Auf diese Weise kann eine weitere Verbesserung der Batterieleistung erwartet werden.
Die vorliegende Anmeldung stellt eine in einer Luft-Batterie verwendete Elektrode bereit, wobei die Elektrode einen Kollektor einschließt, der aus einem porösen Aluminiumkörper mit einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur und einer auf einer Oberfläche des Kollektors aufliegenden positiven Elektrodenschicht zusammengesetzt ist. Die Elektrode ist vorzugsweise ein poröser Elektrodenkörper mit kontinuierlichen Poren in einem Zustand, in dem die positive Elektrodenschicht auf der Oberfläche eines Skeletts aus dem porösen Aluminiumkörper vorgesehen ist. Der poröse Aluminiumkörper weist vorzugsweise einen kontinuierlichen Hohlteil im Inneren seines Skeletts auf. Darüber hinaus weist der poröse Aluminiumkörper vorzugsweise eine Porosität von 90% oder mehr und weniger als 99% auf, und die positive Elektrodenschicht weist vorzugsweise eine Dicke von 1 μm oder mehr und 50 μm oder weniger auf.
Vorteilhafte erfindungsgemäße Wirkungen
Erfindungsgemäß ist es möglich, eine Batterie zu erhalten, in der ein poröser Aluminiumkörper auf effektive Weise in einer Batterieelektrode eingesetzt werden kann, und eine Luft-Batterie mit hoher Effizient bereitzustellen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Ansicht, die eine Grundstruktur einer erfindungsgemäßen Luft-Batterie veranschaulicht.
2 ist eine Aufnahme, die ein Strukturbeispiel eines erfindungsgemäß verwendeten porösen Aluminiumkörpers zeigt.
3 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine Struktur einer erfindungsgemäßen positiven Elektrode veranschaulicht.
4 ist eine schematische Querschnittsansicht entlang der Linie A-A in 3 und veranschaulicht eine Struktur eines Querschnitts des Skeletts der erfindungsgemäßen positiven Elektrode.
5 ist ein Ablaufdiagramm zur Erläuterung eines Beispiels für Schritte zur Herstellung eines erfindungsgemäß verwendeten porösen Aluminiumkörpers.
6 schließt schematische Querschnittsansichten ein, die ein Beispiel für Schritte zur Herstellung eines erfindungsgemäß verwendeten porösen Aluminiumkörpers veranschaulichen.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden nun erfindungsgemäße Ausführungsformen beschrieben. Es ist zu verstehen, dass der Umfang der vorliegenden Erfindung nicht auf diese Ausführungsform beschränkt ist, sondern durch die Beschreibung der Ansprüche definiert wird und Äquivalente der Beschreibung der Ansprüche und alle Modifikationen innerhalb des Umfangs der Ansprüche einschließt. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Luft-Batterie nicht nur auf die unten beschriebenen Strukturbeispiele angewendet werden, sondern auch auf Strukturen von bekannten Luft-Batterien, solange die Luft-Batterien einen Kollektor der positiven Elektrode einschließen, der aus einem porösen Aluminiumkörper mit einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur zusammengesetzt sind.
(Struktur der Luft-Batterie)
1 ist eine Ansicht, die ein Beispiel für eine Grundstruktur einer erfindungsgemäßen Luft-Batterie veranschaulicht. Die Batterie weist eine Gesamtstruktur auf, in der ein Kollektor der negativen Elektrode 1, ein aktives Material der negativen Elektrode 2, eine Elektrolytlösung 3, ein Separator 4, eine positive Elektrode 5 und eine sauerstoffdurchlässige Membran 6 in dieser Reihenfolge gestapelt sind. Wie in einer typischen Batterie sind ein Gehäuse, eine vorlaufende Elektrode usw. ebenfalls notwendig, jedoch werden diese Komponenten in dieser Ausführungsform nicht veranschaulicht oder beschrieben. Eine Luft-Batterie, in der metallisches Lithium als aktives Material der negativen Elektrode 2 verwendet wird, wird nun als Beispiel beschrieben. Auch für Fall, dass andere Materialien verwendet werden, beispielsweise in Falle einer Zink-Luft-Batterie oder dergleichen, können dieselben Vorteile wie die von dieser Luft-Batterie durch Verwendung der erfindungsgemäßen Elektrode erzielt werden.
Der Kollektor der negativen Elektrode 1 ist nicht besonders beschränkt, solange der Kollektor der negativen Elektrode 1 eine elektrische Leitfähigkeit aufweist. Beispiele für den Kollektor der negativen Elektrode 1 schließen Edelstahl, Nickel und Kohlenstoff ein. Aluminium kann ebenso verwendet werden, wenn Lithiumtitanat als aktives Material der negativen Elektrode 2 verwendet wird.
Die positive Elektrode und die negative Elektrode werden durch den ionenleitfähigen Separator 4 und die Elektrolytlösung 3 getrennt. Für den Fall, dass metallisches Lithium als aktives Material der negativen Elektrode verwendet wird, ist es notwendig, eine organische Elektrolytlösung als Elektrolytlösung zu verwenden. Der in der Elektrolytlösung enthaltene Elektrolyt ist nicht besonders beschränkt, solange Lithiumionen in der Elektrolytlösung gebildet werden. Jegliches als organisches Lösungsmittel bekanntes Lösungsmittel, das in diesem Batterietyp verwendet wird, kann verwendet werden.
Der Separator 4 hat die Funktion, die positive Elektrode und die negative Elektrode elektrisch zu trennen. Beispielsweise kann ein poröser Film, der Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylidenfluorid (PVdF) oder dergleichen enthält, verwendet werden. In der Luft-Batterie mit der Struktur dieser Ausführungsform können außerdem bekannte feste Elektrolyte, die lediglich die Durchlässigkeit von Lithiumionen erlauben, auch als Material für den Separator verwendet werden.
Die sauerstoffdurchlässige Membran 6 ist zum Zwecke der Unterdrückung der Durchdringung von Feuchtigkeit aus Luft und zur Ermöglichung des effizienten Permeation von Sauerstoff dadurch vorgesehen. Jegliches poröses Material mit dieser Funktion kann verwendet werden. Zum Beispiel kann Zeolith vorzugsweise verwendet werden.
Die positive Elektrode 5 schließt einen porösen Aluminiumkörper, der eine dreidimensionale Netzwerkstruktur aufweist und als Kollektor der positiven Elektrode fungiert, und eine positive Elektrodenschicht, die auf der Oberfläche des porösen Aluminiumkörpers aufliegt, ein. Die positive Elektrodenschicht ist eine Schicht, in der ein Katalysator und Kohlenstoff mit einem Bindemittel fixiert sind, und wird durch Auftragen eines Beschichtungsmaterials auf der Oberfläche des Skeletts aus dem Kollektor der positiven Elektrode gebildet. Beispiele für den Katalysator schließen Oxide von Mangan, Oxide von Kobalt, Nickeloxid, Eisenoxid und Kupferoxid ein. Typische Beispiele für das Bindemittel schließen Harze, wie Polyvinylidenfluorid (PVdF) und Polytetrafluorethylen (PTFE) ein, sind jedoch nicht auf diese beschränkt.
2 ist eine vergrößerte Aufnahme, die ein Beispiel für einen porösen Aluminiumkörper zeigt, der eine dreidimensionale Netzwerkstruktur aufweist und vorzugsweise in der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Ein im Wesentlichen Dreiecksprisma-förmiges hohles Skelett ist zur Bildung einer Netzwerkstruktur mit großen Poren dreidimensional verbunden. Der Durchmesser einer Pore, die von Zweigen des Skeletts umgeben ist, beträgt üblicherweise mehrere 10 μm bis 500 μm, und das Skelett ist ein hohles, im Wesentlichen dreieckiges Prisma im Querschnitt mit einer Seite von mehreren 10 μm.
3 ist eine Ansicht, die eine Struktur der positiven Elektrode 5 einschließlich eines porösen Aluminiumkörpers als Kollektor veranschaulicht. 3 veranschaulicht zweidimensional die positive Elektrode 5, die durch Auftragen und Trägern einer positiven Elektrodenschicht auf der Oberfläche eines Aluminiumskeletts mit der in 2 gezeigten Struktur hergestellt wird, als Längsschnitt entlang des Skeletts. Ein Skelett 52 des porösen Aluminiumkörpers weist einen Hohlteil 53 darin auf und ist dreidimensional kontinuierlich. Eine positive Elektrodenschicht 51 wird auf der Oberfläche des Skeletts 52 auf. Die Struktur wird ferner unter Bezugnahme auf 4 beschrieben, die eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A in 3 ist. Insbesondere veranschaulicht 4 einen Querschnitt eines einzelnen Zweigs des Skeletts und dass das aus Aluminium zusammengesetzte Skelett 52 ein hohles, im Wesentlichen dreieckiges Prisma ist und die positive Elektrodenschicht 51 auf der Oberfläche des Skeletts 52 aufliegt.
Mit dieser Struktur der positiven Elektrode 5 kann die positive Elektrode eine extrem große Oberfläche aufweisen, und Poren in dem Netzwerk werden nicht mit der positiven Elektrodenschicht gefüllt, sondern weisen Lücken darin auf, und auf diese Weise kann Sauerstoff auf effektive Weise in die positive Elektrodenschicht aufgenommen werden. Diese Elektrodenstruktur funktioniert auf effektive Weise nicht nur in einer Luft-Batterie mit einer Struktur, in der Sauerstoff als Gas in die Poren aufgenommen wird, sondern auch in einer Luft-Batterie mit einer Struktur, in der eine Elektrolytlösung auf der Luftelektroden-(positiven Elektroden)-Seite geladen wird.
Da der erfindungsgemäß verwendete poröse Aluminiumkörper den Hohlteil 53 im Inneren des Skeletts aufweist, ist die positive Elektrode vorzugsweise so konfiguriert, dass Sauerstoff dem Inneren der positiven Elektrode durch den Hohlteil zugeführt wird. Das Skelett 52 kann einen Teil aufweisen, wo das Innere und das Äußere des Skeletts miteinander kommunizieren, z. B. ein Endteil oder ein Nadelloch in einer Wandfläche des Skeletts. In einem solchen Teil erreicht Sauerstoff, der durch das Innere dringt, die positive Elektrodenschicht und kann als aktives Material fungieren.
In der oben beschriebenen Struktur tritt, während das Entladen abläuft, eine Auflösungsreaktion, die durch Li → Li⁺ + e^– dargestellt wird, an der Oberfläche des metallischen Lithiums auf, das als negative Elektrode fungiert, und eine Reaktion, die Lithiumoxid erzeugt, wobei die Reaktion durch O₂ + 4Li⁺ + 4e^– → 2Li₂O dargestellt wird, tritt in der Oberfläche des Katalysators des geträgerten porösen Aluminiumkörpers auf, der als Luftelektrode fungiert. Während das Laden abläuft, tritt eine Niederschlagsreaktion, die durch Li⁺ + e⁺ → Li dargestellt wird, an der Oberfläche des metallischen Lithiums auf, das als negative Elektrode fungiert, und eine Reaktion, die durch 2Li₂O → O₂ + 4Li⁺ + 4e^– dargestellt wird, tritt an der Oberfläche der Luftelektrode auf.
(Herstellung des porösen Aluminiumköpers)
Ein Verfahren zur Herstellung eines porösen Aluminiumkörpers, der ein spezifisches Beispiel für einen porösen Metallkörper ist, wird nun als typisches Beispiel unter Bezugnahme der Zeichnungen, sofern erforderlich, beschrieben.
(Schritte zur Herstellung der Aluminiumstruktur)
5 ist ein Ablaufdiagramm zur Erläuterung der Schritte zur Herstellung einer Aluminiumstruktur. 6 veranschaulicht schematisch die Schritte zur Bildung der Aluminiumstruktur unter Verwendung eines Harzkörpers als Kernmaterial gemäß dem Ablaufdiagramm. Der Gesamtablauf der Herstellungsschritte wird unter Bezugnahme auf diese Figuren beschrieben. Als Erstes wird die Herstellung 101 des Harzkörpers durchgeführt, der als Basis fungiert. 6(a) ist eine vergrößerte schematische Ansicht einer Oberfläche eines Harzschaumkörpers mit kontinuierlichen Poren. Poren werden in einem Harzschaumkörper 11 gebildet, der als Skelett fungiert. Als Nächstes wird die Übertragung von elektrischer Leitfähigkeit 102 auf die Oberfläche des Harzkörpers durchgeführt. In diesem Schritt wird eine dünne elektrisch leitfähige Schicht 12, die aus einem elektrischen Leiter zusammengesetzt ist, auf der Oberfläche des Harzkörpers 11 gebildet, wie in 6(b) veranschaulicht wird. Anschließend wird die Aluminiumplattierung 103 in einem Schmelzsalz zur Bildung einer Aluminiumplattierungsschicht 13 auf der Oberfläche des Harzkörpers mit der elektrisch leitfähigen Schicht darauf durchgeführt (6(c)). Auf diese Weise wird eine Aluminiumstruktur hergestellt, die mit dem als Basis fungierenden Harzkörper und die auf der Oberfläche des Harzkörpers gebildete Aluminiumplattierungsschicht 13 einschließt. Des Weiteren kann die Entfernung 104 des als Basis fungierenden Harzkörpers durchgeführt werden. Durch Zersetzen und Eliminieren des Harzkörpers 11 kann eine Aluminiumstruktur (poröser Körper) erhalten werden, die lediglich die Metallschicht einschließt (6(d)). Diese Schritte werden unten nacheinander beschrieben.
(Herstellung des porösen Harzkörpers)
Als Harzkörper, der als Basis fungiert, wird ein poröser Harzkörper mit einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur und kontinuierlichen Poren hergestellt. Jegliches Harz kann als Material für den porösen Harzkörper ausgewählt werden. Beispiele für das Material schließen Harzschaumkörper aus Polyurethan, Melaminharz, Polypropylen, Polyethylen oder dergleichen ein. Obgleich der Harzkörper als „Harzschaumkörper” bezeichnet wird, kann ein Harzkörper mit jeglicher Form ausgewählt werden, solange der Harzkörper kommunizierende Poren (kontinuierliche Poren) aufweist. Zum Beispiel kann auch ein Vlies, das verwickeltes faserartiges Harz enthält, anstelle des Harzschaumkörpers verwendet werden. Der Harzschaumkörper weist vorzugsweise eine Porosität von 80 bis 98% und einen Zellendurchmesser von 50 bis 500 μm auf. Polyurethanschäume und Melaminharzschäume werden bevorzugt als Harzschaumkörper verwendet, da sie eine hohe Porosität, kontinuierliche Poren und eine gute thermische Zersetzungseigenschaft aufweisen. Polyurethanschäume sind im Hinblick auf die Gleichmäßigkeit der Poren und die Verfügbarkeit bevorzugt. Melaminharzschäume sind im Hinblick darauf bevorzugt, dass ein Harzschaumkörper mit einem kleinen Zellendurchmesser erhalten werden kann.
Harzschaumkörper enthalten häufig Rückstände, wie z. B. ein Schaummittel und in dem Verfahren zur Herstellung des Schaums nicht umgesetztes Monomer. Es daher bevorzugt, eine Waschbehandlung vor den nachfolgenden Schritten durchzuführen. Der Harzkörper weist ein Skelett mit einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur auf, wodurch kontinuierliche Poren als Ganzes gebildet werden. Das Skelett eines Polyurethanschaums weist eine im Wesentlichen dreieckige Form in einem Querschnitt senkrecht zur Richtung auf, in der sich das Skelett ausdehnt. Hierin wird die Porosität durch die folgende Formel definiert. Porosität = (1 – (Gewicht des porösen Materials [g]/(Volumen des porösen Materials [cm³] × Dichte des Rohmaterials)) × 100[%]
Der Zellendurchmesser wird durch Vergrößerung einer Oberfläche des Harzkörpers einer Mikroaufnahme oder dergleichen, Zählen der Porenzahl pro inch (25,4 mm) als Zellenzahl und Berechnung des durchschnittlichen Zellendurchmessers durch die folgende Gleichung bestimmt: durchschnittlicher Zellendurchmesser = 25,4 mm/Zellenzahl
(Übertragung von elektrischer Leitfähigkeit auf Oberfläche des Harzkörpers)
Zur Durchführung der elektrolytischen Plattierung wird die Oberfläche des Harzschaums im Voraus einer Leitfähigkeitsbehandlung unterzogen. Die Leitfähigkeitsbehandlung ist nicht besonders beschränkt, solange eine Schicht mit elektrischer Leitfähigkeit durch die Behandlung auf der Oberfläche des Harzschaums gebildet werden kann. Es ist möglich, ein Verfahren, wie nicht-elektrolytische Plattierung eines leitfähigen Metalls, wie Nickel, Dampfabscheidung oder Sputtering von Aluminium oder dergleichen, oder Auftragung eines leitfähigen Beschichtungsmaterials, das leitfähige Partikel, wie Kohlenstoffpartikel, enthält, auszuwählen.
Als Beispiele für die Leitfähigkeitsbehandlung wird eine Beschreibung einer Leitfähigkeitsbehandlung, die eine Sputter-Behandlung von Aluminium einschließt, und einer Leitfähigkeitsbehandlung auf einer Oberfläche eines Harzschaums unter Verwendung von Kohlenstoffpartikeln als leitfähige Partikel gegeben.
– Sputtern von Aluminium –
Eine Sputter-Behandlung unter Verwendung von Aluminium ist nicht besonders beschränkt, solange Aluminium als Target verwendet wird, und kann durch ein gewöhnliches Verfahren durchgeführt werden. Zum Beispiel haftet ein Harzschaum an einem Substrathalter, und eine Gleichstromspannung wird dann zwischen dem Halter und einem Target (Aluminium) angelegt, während ein inertes Gas eingeführt wird, wodurch das ionisierte inerte Gas dazu gebracht wird, mit Aluminium zu kollidieren und sich gesputterte Aluminiumpartikel auf der Oberfläche des Harzschaums abscheiden. Auf diese Weise wird ein gesputterter Film aus Aluminium gebildet. Die Sputter-Behandlung wird vorzugsweise bei einer Temperatur durchgeführt, bei der der Harzschaum nicht schmilzt, insbesondere etwa 100°C bis 200°C und vorzugsweise etwa 120°C bis 180°C.
– Kohlenstoffauftragung –
Ein Kohlenstoffbeschichtungsmaterial, das als leitfähiges Beschichtungsmaterial verwendet wird, wird hergestellt. Eine Suspension als leitfähiges Beschichtungsmaterial enthält vorzugsweise Kohlenstoffpartikel, ein Bindemittel, ein Dispergiermittel und ein Dispersionsmedium. Um die leitfähigen Partikel gleichmäßig aufzutragen, ist es notwendig, dass die Suspension einen gleichmäßig suspendierten Zustand aufrechterhält. Zu diesem Zweck wird die Suspension vorzugsweise bei 20°C bis 40°C gehalten. Dies geschieht, weil der gleichmäßig suspendierte Zustand beeinträchtigt wird, und nur das Bindemittel an der Oberfläche des Skeletts konzentriert ist, das die Netzwerkstruktur des Harzschaums bildet, um eine Schicht davon zu bilden, wenn die Temperatur der Suspension niedriger als 20°C ist. In diesem Fall wird die aufgetragene Kohlenstoffpartikelschicht leicht abgetrennt, und es ist schwierig, eine Metallplattierungsschicht zu bilden, die auf der Kohlenstoffpartikelschicht stark haftet. Wenn andererseits die Temperatur der Suspension 40°C übersteigt, nimmt die Menge an verdampftem Dispergiermittel zu.
Demzufolge wird die Suspension mit dem Ablauf der Auftragungsverfahrensdauer konzentriert, und die Menge an aufgetragenem Kohlenstoff neigt zu variieren. Die Kohlenstoffpartikel weisen einen Partikeldurchmesser von 0,01 bis 5 μm und vorzugsweise 0,01 bis 0,05 μm auf. Wenn der Partikeldurchmesser übermäßig groß ist, können die Kohlenstoffpartikel die Poren des Harzschaums zusetzen und eine flache und glatte Plattierung stören. Wenn der Partikeldurchmesser übermäßig klein ist, ist es schwierig, eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit zu sichern.
Die Kohlenstoffpartikel können auf einem porösen Harzkörper durch Eintauchen des Zielharzkörpers in die Suspension und Durchführung eines Quetschens und Trocknens aufgetragen werden. Ein Beispiel für ein praktisches Herstellungsverfahren wird beschrieben. Als Erstes wird ein langes blattartiges streifenförmiges Harz mit einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur kontinuierlich aus einer Zuführrolle zugeführt und in eine Suspension in einen Behälter eingetaucht. Das in der Suspension eingetauchte streifenförmige Harz wird mit einer Abquetschwalze zum Ausquetschen von überschüssiger Suspension gequetscht. Das streifenförmige Harz wird dann ausreichend getrocknet, indem z. B. heiße Luft aus einer Heißluftdüse zur Entfernung des Dispersionsmediums usw. in die Suspension injiziert wird, und dann durch eine Aufnahmerolle aufgenommen. Die Temperatur der heißen Luft liegt vorzugsweise im Bereich von 40°C bis 80°C. Solch eine Vorrichtung kann automatisch und kontinuierlich die Leitfähigkeitsbehandlung durchführen und ein Skelett mit einer Netzwerkstruktur ohne Verstopfung und mit einer gleichmäßigen elektrisch leitfähigen Schicht bilden, so dass die Metallplattierung im nachfolgenden Schritt glatt durchgeführt wird.
(Bildung der Aluminiumschicht: Schmelzsalzplattierung)
Als Nächstes wird die elektrolytische Plattierung in einem Schmelzsalz zur Bildung einer Aluminiumplattierungsschicht auf der Oberfläche des Harzkörpers durchgeführt. Indem eine Aluminiumplattierung in einem Schmelzsalzbad durchgeführt wird, kann eine Aluminiumschicht mit einer großen Dicke gleichmäßig gebildet werden, insbesondere auf der Oberfläche einer komplexen Skelettstruktur, wie einem Harzschaumkörper mit einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur. Ein Gleichstrom wird zwischen einer Kathode aus dem Harzkörper mit einer Oberfläche, auf die elektrische Leitfähigkeit übertragen wurde, und einer Anode aus Aluminium mit einer Reinheit von 99,0% an einem Schmelzsalz angelegt. Das Schmelzsalz kann ein organisches Schmelzsalz sein, das ein eutektisches Salz aus einem organischen Halogenid und einem Aluminiumhalogenid ist, oder ein anorganisches Schmelzsalz, das ein eutektisches Salz aus einem Alkalimetallhalogenid und einem Aluminiumhalogenid ist. Die Verwendung eines Bads aus einem organischen Schmelzsalz, das bei einer relativ niedrigen Temperatur schmilzt, wird bevorzugt, da die Plattierung ohne Zersetzung eines als Basis fungierenden Harzkörpers durchgeführt werden kann. Das organische Halogenid kann ein Imidazoliumsalz oder ein Pyridiniumsalz sein. Insbesondere werden 1-Ethyl-3-methylimidazoliumchlorid (EMIC) und Butylpyridiniumchlorid (BPC) bevorzugt. Die Verunreinigung des Schmelzsalzes durch Wasser oder Sauerstoff verursacht den Abbau des Schmelzsalzes. Die Plattierung wird daher vorzugsweise in einer Atmosphäre eines inerten Gases, wie Stickstoff oder Argon, in einer versiegelten Umgebung durchgeführt.
Ein Bad aus einem Schmelzsalz, das Stickstoff enthält, wird als Schmelzsalzbad bevorzugt. Unter solchen Bädern wird ein Imidazoliumsalzbad vorzugsweise verwendet. Für den Fall, dass ein Salz, das bei einer hohen Temperatur schmilzt, als Schmelzsalz verwendet wird, ist die Geschwindigkeit der Auflösung oder Zersetzung des Harzes in dem Schmelzsalz höher als die Wachstumsgeschwindigkeit einer Plattierungsschicht, und daher kann keine Plattierungsschicht auf der Oberfläche des Harzkörpers gebildet werden. Ein Imidazoliumsalzbad kann selbst bei einer relativ niedrigen Temperatur ohne Beeinträchtigung eines Harzes verwendet werden. Ein Salz, das ein Imidazoliumkation mit Alkylgruppen an den 1- und 3-Positionen enthält, wird vorzugsweise als Imidazoliumsalz verwendet. Insbesondere werden Aluminiumchlorid-1-Ethyl-3-methylimidazoliumchlorid(AlCl₃-EMIC)-Schmelzsalze bevorzugt verwendet, da sie eine hohe Stabilität aufweisen und nicht leicht zersetzt werden. Die Plattierung auf einem Polyurethanschaum oder einem Melaminharzschaum kann unter Verwendung eines solchen Imidazoliumsalzbades durchgeführt werden. Die Temperatur des Schmelzsalzbades liegt im Bereich von 10°C bis 65°C und vorzugsweise 25°C bis 60°C. Mit der Abnahme der Temperatur wird der Stromdichtebereich zur Plattierung eng, und das Plattieren der gesamten Oberfläche des Harzkörpers wird schwierig. Bei einer hohen Temperatur von mehr als 65°C neigt die Form des Harzkörpers dazu, deformiert zu werden.
Im Hinblick auf die Schmelzsalz-Aluminiumplattierung auf einer Metalloberfläche wurde berichtet, dass ein Additiv, wie Xylol, Benzol, Toluol oder 1,10-Phenanthrolin, zu AlCl₃-EMIC hinzugefügt werden kann, um die Glätte der plattierten Oberfläche zu verbessern. Die Erfinder der vorliegenden Erfinder haben herausgefunden, dass bei der Aluminiumplattierung auf einem Harzkörper, insbesondere mit einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur, die Zugabe von 1,10-Phenanthrolin eine besondere Wirkung auf die Bildung der Aluminiumstruktur aufweist. Insbesondere ist es möglich, ein erstes Merkmal zu erhalten, das die Glätte des Plattierungsfilms verbessert und das einen porösen Körper bildende Aluminiumskelett zäh wird, und ein zweites Merkmal, das eine gleichmäßige Plattierung mit einem kleinen Unterschied in der Plattierungsdicke zwischen einem Oberflächenteil und einem Innenteil des porösen Körpers erzielt werden kann.
Für den Fall, dass z. B. ein hergestellter poröser Aluminiumkörper gepresst wird, können diese Merkmale der Zähigkeit und der gleichmäßigen Plattierungsdicke auf dem Oberflächenteil und dem Innenteil einen porösen Körper bereitstellen, der ein zähes Skelett als Ganzes aufweist und gleichmäßig gepresst ist. Wenn ein poröser Aluminiumkörper als Elektrodenmaterial von Batterien oder dergleichen verwendet wird, wird eine mit einem aktiven Material der Elektrode gefüllte Elektrode zur Erhöhung ihrer Dichte gepresst, und das Skelett neigt dazu, in dem Füllschritt des aktiven Materials oder während des Pressens zu zerbrechen. Diese beiden Merkmale sind daher äußerst wirksam in einer solchen Anwendung.
Aus den oben beschriebenen Gründen ist es bevorzugt, ein organisches Lösungsmittel zu einem Schmelzsalzbad hinzuzufügen, und 1,10-Phenanthrolin wird besonders bevorzugt verwendet. Die Menge an organischem Lösungsmittel, das dem Plattierbad hinzugefügt wird, beträgt vorzugsweise 0,2 bis 7 g/l. Wenn die Menge 0,2 g/l oder weniger beträgt, weist die resultierende Plattierungsschicht eine schlechte Glätte auf und ist spröde, und es ist schwierig, die Wirkung der Reduzierung des Unterschieds in der Plattierungsdicke zwischen einer Oberflächenschicht und einem Innenteil zu erzielen. Wenn die Menge 7 g/l oder mehr beträgt, nimmt die Plattierungseffizienz ab, und es wird schwierig, eine vorbestimmte Plattierungsdicke zu erhalten.
Ein anorganisches Salzbad kann ebenso als Schmelzsalz verwendet werden, solange das Harz nicht gelöst wird. Ein typisches anorganisches Salzbad enthält ein Zweikomponenten-Salz von AlCl₃-XCl (X: Alkalimetall) oder ein Multikomponenten-Salz. Obgleich solche anorganischen Salzbäder im Allgemeinen einen höheren Schmelzpunkt als organische Salzbäder, wie ein Bad, das Imidazolium enthält, aufweisen, weisen die anorganischen Salzbäder weniger Beschränkungen der Umgebungsbedingungen, wie Wasser und Sauerstoff, auf und können im Allgemeinen bei geringen Kosten in die praktische Verwendung umgesetzt werden. Für den Fall, dass das Harz ein Melaminharzschaum ist, kann der Melaminharzschaum bei einer Temperatur verwendet werden, die höher ist als für den Fall, dass ein Urethanschaum verwendet wird, und ein anorganisches Salzbad wird im Bereich von 60°C bis 150°C verwendet.
Eine Aluminiumstruktur, die einen Harzkörper als Kernmaterial seines Skeletts einschließt, wird durch die obigen Schritte hergestellt. In einigen Anwendungen, wie einem Filter oder einem Katalysatorträger, kann die Aluminiumstruktur als Harz-Metall-Verbund ohne weitere Behandlung verwendet werden. Alternativ für den Fall, dass die Aluminiumstruktur als harzfreier poröser Metallkörper aufgrund von Einschränkungen, die aus der Nutzungsumgebung oder dergleichen herrühren, verwendet wird, kann das Harz entfernt werden. Um die Oxidation von Aluminium zu verhindern, wird das Harz erfindungsgemäß durch Zersetzung in einem Schmelzsalz entfernt, wie unten beschrieben.
(Entfernung des Harzes: Behandlung im Schmelzsalz)
Die Zersetzung in einem Schmelzsalz wird durch das folgende Verfahren durchgeführt. Ein Harzkörper mit einer Aluminiumplattierungsschicht auf seiner Oberfläche wird in ein Schmelzsalz getaucht. Der Harzschaumkörper wird durch Erhitzen entfernt, während ein negatives Potential (weniger edles Potential als das Standard-Elektrodenpotential von Aluminium) an der Aluminiumschicht angelegt ist. Das Anlegen des negativen Potentials, während der Harzschaumkörper in dem Schmelzsalz eingetaucht ist, ermöglicht die Zersetzung des Harzschaumkörpers ohne Oxidation des Aluminiums. Die Erwärmungstemperatur kann in angemessener Weise anhand des Typs des Harzschaumkörpers ausgewählt werden. Für den Fall, dass der Harzkörper aus Urethan zusammengesetzt ist, ist es notwendig, die Temperatur des Schmelzsalzbades auf 380°C oder höher einzustellen, da die Zersetzung bei etwa 380°C auftritt. Die Behandlung sollte allerdings bei einer Temperatur durchgeführt werden, die gleich oder niedriger als der Schmelzpunkt (660°C) von Aluminium ist, so dass das Aluminium nicht schmilzt. Ein bevorzugter Temperaturbereich liegt bei 500°C oder höher und 600°C oder niedriger. Das anzulegende negative Potential liegt auf der Minusseite des Reduktionspotentials von Aluminium und auf der Plusseite des Reduktionspotentials des Kations in dem Schmelzsalz. Dieses Verfahren kann einen porösen Aluminiumkörper bereitstellen, der kontinuierliche Poren, eine dünne Oberflächenoxidschicht und somit einen niedrigen Sauerstoffgehalt aufweist.
Ein Alkalimetallhalogenidsalz oder ein Erdalkalimetallhalogenidsalz können als Schmelzsalz ausgewählt werden, das in der Zersetzung des Harzes verwendet wird, so dass das Aluminiumelektrodenpotential weniger edel ist. Insbesondere enthält es vorzugsweise mindestens eins, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Lithiumchlorid (LiCl), Kaliumchlorid (KCl), Natriumchlorid (NaCl) und Aluminiumchlorid (AlCl₃). Dieses Verfahren kann einen porösen Aluminiumkörper bereitstellen, der kontinuierliche Poren, eine dünne Oberflächenoxidschicht und somit einen niedrigen Sauerstoffgehalt aufweist.
BEISPIEL
(Bildung einer elektrisch leitfähigen Schicht)
Ein Beispiel für die Herstellung eines porösen Aluminiumkörpers wird nun genauer beschrieben. Ein Polyurethanschaum mit einer Dicke von 1 mm, einer Porosität von 95% und einer Porenzahl (Zellenzahl) pro inch von etwa 50 wurde als Harzschaumkörper hergestellt und in ein Rechteck von 100 mm × 30 mm geschnitten. Der Polyurethanschaum wurde in eine Kohlenstoffsuspension getaucht und dann zur Bildung einer elektrisch leitfähigen Schicht getrocknet, wobei dessen gesamte Oberfläche darauf aufgetragene Kohlenstoffpartikel aufwies. Die Suspension enthielt als Komponenten 25 Masse-% Graphit und Ruß, ein Harzbindemittel, ein Durchdringungsmittel und einen Entschäumer. Der Ruß wies einen Partikeldurchmesser von 0,5 μm auf.
(Schmelzsalzplattierung)
Der Polyurethanschaum mit der elektrisch leitfähigen Schicht auf seiner Oberfläche wurde als Werkstück an eine Vorrichtung mit einer Elektrizitätszufuhrfunktion angebracht. Der Polyurethanschaum wurde dann in eine Glovebox in einer Argonatmosphäre bei geringer Feuchtigkeit (Taupunkt von –30°C oder niedriger) platziert und in ein Schmelzsalz-Aluminiumplattierbad (33 mol-% EMIC-67 mol-% AlCl₃) bei einer Temperatur von 40°C getaucht. Die das Werkstück haltende Vorrichtung war mit der Kathode eines Gleichrichters verbunden, und eine Aluminiumplatte (Reinheit: 99,99%) der Gegenelektrode war mit der Anode verbunden. Ein Gleichstrom wurde bei einer Stromdichte von 3,6 A/dm² für 90 Minuten zur Durchführung der Plattierung angelegt, so dass eine Aluminiumstruktur erhalten wurde, in der 150 g/m² einer Aluminiumplattierungsschicht auf der Oberfläche des Polyurethanschaums gebildet wurden. Das Rühren wurde mit einem Rührer unter Verwendung eines Teflon-(eingetragene Handelsmarke)-Rotors durchgeführt. Die Stromdichte wurde auf Basis der scheinbaren Fläche des Polyurethanschaums berechnet.
Eine Probe eines Skelettteils aus der resultierenden Aluminiumstruktur wurde extrahiert, und entlang eines Querschnitts senkrecht zur Richtung, in der sich das Skelett ausdehnt, geschnitten und beobachtet. Der Querschnitt wies eine im Wesentlichen dreieckige Form auf, was die Struktur des als Kernmaterial verwendeten Polyurethanschaums widerspiegelt.
(Zersetzung des Harzschaumkörpers)
Die Aluminiumstruktur wurde in ein eutektisches LiCl-KCl-Schmelzsalz bei einer Temperatur von 500°C getaucht, ein negatives Potential von –1 V wurde für 30 Minuten an der Aluminiumstruktur angelegt. Aus der Zersetzungsreaktion des Polyurethans resultierende Luftblasen wurden in dem Schmelzsalz erzeugt. Anschließend wurde die Struktur auf Raumtemperatur an der Atmosphäre abgekühlt und dann mit Wasser zur Entfernung des Schmelzsalzes gewaschen, so dass ein poröser Aluminiumkörper erhalten wurde, von dem das Harz entfernt wurde. 3 zeigt eine vergrößerte Aufnahme eines porösen Aluminiumkörpers. Der poröse Aluminiumkörper wies kontinuierliche Poren und eine hohe Porosität wie in dem als Kernmaterial verwendeten Polyurethanschaum auf.
Der poröse Aluminiumkörper wurde in Königswasser gelöst, und die resultierende Probe mit einem Emissionsspektrometer mit einem induktiv gekoppelten Plasma (ICP) vermessen. Die Aluminiumreinheit betrug 98,5 Masse-%. Der Kohlenstoffgehalt wurde durch ein Infrarotabsorptionsverfahren nach Verbrennung in einem Hochfrequenz-Induktionsofen gemäß JIS-G1211 gemessen. Der Kohlenstoffgehalt betrug 1,4 Masse-%. Weiterhin wurde eine Oberfläche des porösen Aluminiumkörpers durch Energie-dispersive Röntgenspektroskopie (EDX) bei einer Beschleunigungsspannung von 15 kV analysiert. Gemäß dem Ergebnis waren durch Sauerstoff bedingte Peaks vernachlässigbar, was anzeigte, dass der Sauerstoffgehalt des porösen Aluminiumkörpers niedriger als die EDX-Nachweisgrenze (3,1 Masse-%) war.
(Bildung einer Luft-Batterie)
Der poröse Aluminiumkörper, welcher der poröse Metallkörper mit einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur ist, wurde als Kollektor der positiven Elektrode verwendet. Der poröse Aluminiumkörper wurde mit einem Beschichtungsmaterial gefüllt, das Ruß, einen MnO₂-Katalysator, ein PVdF-Bindemittel und N-Methylpyrrolidon (NMP) enthielt, getrocknet und zu einem Durchmesser Φ von 16 mm zur Herstellung einer positiven Elektrode gestanzt. Ein aktives Material der positiven Elektrode ist der Sauerstoff in der Luft. Als Elektrolytlösung wurde 1M-LiClO₄/Propylencarbonat (PC) (5 ml) verwendet. Ein poröser Propylenseparator mit einem Durchmesser Φ von 18 mm wurde als Separator verwendet.
Metallisches Lithium wurde als negative Elektrode verwendet. Als Vergleichsbeispiel wurde eine Batterie mit derselben Struktur wie in diesem Beispiel hergestellt, mit der Ausnahme, dass Kohlenstoffpapier als Kollektor verwendet wurde. Gemäß den Messergebnissen für den Innenwiderstand betrug der Innenwiderstand im Beispiel 189 Ω und der Innenwiderstand im Vergleichsbeispiel 298 Ω. Somit konnte der Innenwiderstand verringert werden.
Bezugszeichenliste

1: Kollektor der negativen Elektrode
2: aktives Material der negativen Elektrode
3: Elektrolytlösung
4: Separator
5: positive Elektrode
6: sauerstoffdurchlässige Membran
10: Luft-Batterie
11: Harzschaumkörper
12: elektrisch leitfähige Schicht
13: Aluminiumplattierungsschicht
51: positive Elektrodenschicht
52: Skelett
53: Hohlteil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

JIS-G1211 [0060]

Claims

Luft-Batterie, die Sauerstoff als aktives Material der positiven Elektrode verwendet, wobei die Luft-Batterie einen porösen Aluminiumkörper mit dreidimensionaler Netzwerkstruktur umfasst, wobei der poröse Aluminiumkörper als Kollektor der positiven Elektrode fungiert.
Luft-Batterie gemäß Anspruch 1, wobei eine positive Elektrode verwendet wird, die eine auf einer Oberfläche eines Skeletts aus dem porösen Aluminiumkörper vorgesehene positive Elektrodenschicht einschließt.
Luft-Batterie gemäß Anspruch 2, wobei die positive Elektrode ein poröser Elektrodenkörper mit kontinuierlichen Poren in einem Zustand ist, in dem die positive Elektrodenschicht auf der Oberfläche des Skeletts aus dem porösen Aluminiumkörper vorgesehen ist.
Luft-Batterie gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der poröse Aluminiumkörper einen kontinuierlichen Hohlteil innerhalb seines Skeletts aufweist.
Luft-Batterie gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der poröse Aluminiumkörper eine Porosität von 90% oder mehr und weniger als 99% aufweist.
Luft-Batterie gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei die positive Elektrodenschicht eine Dicke von 1 μm oder mehr und 50 μm oder weniger aufweist.
Luft-Batterie gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, wobei metallisches Lithium als aktives Material der negativen Elektrode verwendet wird.
Luft-Batterie gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, wobei Lithiumtitanat als aktives Material der negativen Elektrode verwendet wird und ein poröser Aluminiumkörper mit dreidimensionaler Netzwerkstruktur als Kollektor der negativen Elektrode verwendet wird.
Elektrode, die in einer Luft-Batterie verwendet wird, wobei die Elektrode einen Kollektor umfasst, der aus einem porösen Aluminiumkörper mit einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur und einer auf der Oberfläche des Kollektors aufliegenden positiven Elektrodenschicht besteht.
Elektrode gemäß Anspruch 9, wobei die Elektrode ein poröser Elektrodenkörper mit kontinuierlichen Poren in einem Zustand ist, in dem die positive Elektrodenschicht auf der Oberfläche eines Skeletts aus dem porösen Aluminiumkörper vorgesehen ist.
Elektrode gemäß Anspruch 9 oder 10, wobei der poröse Aluminiumkörper einen kontinuierlichen Hohlteil im Inneren seines Skeletts aufweist.
Elektrode gemäß irgendeinem der Ansprüche 9 bis 11, wobei der poröse Aluminiumkörper eine Porosität von 90% oder mehr und weniger als 99% aufweist und die positive Elektrodenschicht eine Dicke von 1 μm oder mehr und 50 μm oder weniger aufweist.