DE112012002350T5

DE112012002350T5 - Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumstruktur und Aluminiumstruktur

Info

Publication number: DE112012002350T5
Application number: DE112012002350.1T
Authority: DE
Inventors: Junichi Nishimura; Hajime Ota; Kengo Goto; Koutarou Kimura; Akihisa Hosoe; Kazuki Okuno
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2011-06-03
Filing date: 2012-05-22
Publication date: 2014-02-20
Also published as: CN103582721B; JP5648588B2; WO2012165214A1; US20130121873A1; KR20140018896A; JP2012251211A; CN103582721A

Abstract

Ein Ziel ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumstruktur unter Verwendung eines porösen Harzkörpers mit einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur bereit zu stellen, mit dem eine Aluminiumstruktur mit einem geringen Verunreinigungsgehalt gebildet werden kann, und insbesondere ein poröser Aluminiumkörper mit einer großen Fläche erhalten werden kann. Ein Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumstruktur schließt einen Leitfähigkeitsübertragungsschritt des Auftragens eines leitfähigen Beschichtungsmaterials, das leitfähigen Kohlenstoff enthält, auf einer Oberfläche eines Harzkörpers zur Übertragung elektrischer Leitfähigkeit auf den Harzkörper, einen Plattierungsschritt zum Plattieren einer Oberfläche des Harzformkörpers, auf den elektrische Leitfähigkeit übertragen wurde, mit Aluminium in einem Schmelzsalz zur Bildung einer Aluminiumschicht und einen Wärmebehandlungsschritt zur Durchführung einer Wärmebehandlung zur Entfernung des Harzformkörpers ein, wobei der leitfähige Kohlenstoff Ruß mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 0,003 μm oder mehr und 0,05 μm oder weniger ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Aluminiumstruktur, die zur Verwendung als poröser Metallkörper geeignet ist, der in verschiedenen Filtern, Batterieelektroden usw. verwendet wird, und ein Verfahren zur Herstellung der Aluminiumstruktur.
Stand der Technik
Poröse Metallkörper mit einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur werden in verschiedenen Anwendungen, wie Filtern, Katalysatorträgern und Batterieelektroden, verwendet. Beispielsweise wird Celmet (hergestellt von Sumitomo Electric Industries, Ltd.: eingetragene Handelsmarke), das aus Nickel zusammengesetzt ist, als Elektrodenmaterial für eine Batterie, wie eine Nickel-Metallhydrid-Batterie oder eine Nickel-Cadmium-Batterie, verwendet. Celmet ist ein poröser Metallkörper mit kontinuierlichen Poren und weist das Merkmal auf, dass seine Porosität höher (90% oder mehr) als die von anderen Metallkörpern, wie z. B. Metallvliesstoffen, ist. Celmet wird durch Bildung einer Nickelschicht auf einer Oberfläche eines Skeletts aus einem Harzschaumkörper mit kontinuierlichen Poren, wie ein Urethanschaum, Zersetzen des Harzschaumkörpers durch Wärmebehandlung und anschließende Durchführung einer Reduktionsbehandlung an Nickel hergestellt. Die Nickelschicht wird mittels Durchführung einer Leitfähigkeitsübertragungsbehandlung durch Auftragen eines Kohlenstoffpulvers oder dergleichen auf der Oberfläche des Skeletts aus dem Harzschaumkörper und anschließendes Abscheiden von Nickel durch Elektroplattierung gebildet.
Aluminium ist bezüglich der elektrischen Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit ausgezeichnet und ist ein leichtgewichtiges Material. Was die Anwendungen von Aluminium für Batterien betrifft, so wird z. B. eine Aluminiumfolie, dessen Oberfläche mit einem aktiven Material, wie Lithiumkobaltoxid, beschichtet ist, als positive Elektrode für eine Lithium-Ionen-Batterie verwendet. Ein denkbares Verfahren zur Verbesserung der Kapazität einer positiven Elektrode ist die Verarbeitung von Aluminium zu einem porösen Körper, so dass sich die Oberfläche vergrößert, und das Befüllen des Inneren des porösen Aluminiumkörpers mit einem aktiven Material. Denn mit dieser Struktur kann das aktiven Material auf effiziente Weise, selbst in einer Elektrode mit einer großen Dicke, genutzt werden und das Nutzungsanteil des aktiven Materials pro Flächeneinheit verbessert werden.
Als Verfahren zur Herstellung eines porösen Aluminiumkörpers beschreibt PTL 1 ein Verfahren zur Bildung einer metallischen Aluminiumschicht von 2 bis 20 μm auf einer Kunststoffbasis mit kontinuierlichen Innenräumen und der Form eines dreidimensionalen Netzwerks mittels Durchführung eines Aluminium-Dampfphasenabscheidungsverfahrens durch ein Lichtbogen-Verdampfungsverfahren (arc ion plating method). PTL 2 beschreibt ein Verfahren zum Erhalten eines porösen Metallkörpers durch Bildung eines Beschichtungsfilms aus einem Metall (wie Kupfer), das eine eutektische Legierung bei einer Temperatur bildet, die gleich oder niedriger als der Schmelzpunkt von Aluminium ist, auf einem Skelett aus einem Harzschaumkörper mit einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur, anschließendes Auftragen einer Aluminiumpaste darauf und Durchführung einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 550°C oder höher und 750°C oder niedriger in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre zur Entfernung einer organischen Komponente (Harzschaum) und Sinterung eines Aluminiumpulvers. Was die Plattierung von Aluminium betrifft, so ist es schwierig, eine Aluminium-Elektroplattierung in einem Plattierbad auf Basis einer wässrigen Lösung durchzuführen, da Aluminium eine hohe Affinität zu Sauerstoff und ein geringeres elektrisches Potential als das von Wasserstoff aufweist. Für die Aluminium-Elektroplattierung wurden daher Plattierbäder auf Basis nicht-wässriger Lösungen untersucht. Als Aluminiumplattierungstechnik zum Zwecke der Verhinderung der Oxidation einer Metalloberfläche oder dergleichen offenbart PTL 3 ein Verfahren zur Elektroplattierung von Aluminium, in dem eine Zusammensetzung mit niedrigem Schmelzpunkt, die durch Mischen und Schmelzen eines Oniumhalogenids und eines Aluminiumhalogenids hergestellt wird, als Plattierbad verwendet wird und Aluminium auf einer Kathode abgeschieden wird, während der Wassergehalt in dem Bad bei 2 Gew.% oder niedriger gehalten wird.
Zitatliste
Patentliteratur

PTL 1: japanisches Patent Nr. 3413662
PTL 2: ungeprüfte japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 8-170126
PTL 3: japanisches Patent Nr. 3202072

Zusammenfassung der Erfindung
Technische Aufgabe
PTL 1 beschreibt, dass ein poröser Aluminiumkörper mit einer Dicke von 2 bis 20 μm durch das darin offenbarte Verfahren erhalten wird. Es ist allerdings schwierig, einen porösen Aluminiumkörper mit einer großen Fläche herzustellen, da ein Gasphasenverfahren eingesetzt wird, und es ist außerdem schwierig, eine Schicht zu bilden, die in Abhängigkeit von der Dicke und der Porosität der Basis selbst im Innern der Basis gleichmäßig ist. Zusätzlich weist dieses Verfahren die Probleme auf, dass die Bildungsrate der Aluminiumschicht niedrig ist und die Produktionskosten zunehmen, da die Ausrüstung kostspielig ist. Darüber hinaus können im Falle der Bildung eines dicken Films Risse in dem Film gebildet werden, und der Aluminiumfilm kann abgelöst werden. Gemäß dem in PTL 2 offenbarten Verfahren wird eine Schicht gebildet, die eine eutektische Legierung mit Aluminium bildet, und daher kann keine Aluminiumschicht mit einer hohen Reinheit gebildet werden. Obgleich Aluminium-Elektroplattierungsverfahren bekannt sind, können lediglich Metalloberflächen mittels dieser Verfahren plattiert werden, und ein Verfahren zur Elektroplattierung einer Oberfläche eines Harzkörpers, insbesondere ein Verfahren zur Elektroplattierung einer Oberfläche eines porösen Harzkörpers mit einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur, ist bisher nicht bekannt. Es wird angenommen, dass dies mit Problemen, wie der Auflösung von porösen Harzen in Plattierbädern zusammenhängt.
Die Erfinder der vorliegenden Erfinder haben sich als Verfahren, mit dem eine Aluminium-Plattierung selbst auf einem porösen Harzkörper mit einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur durchgeführt werden kann und ein poröser Aluminiumkörper mit einer hohen Reinheit durch gleichmäßige Bildung eines dicken Films gebildet werden kann, ein Verfahren zur Herstellung eines porösen Aluminiumkörpers erdacht, dass die Übertragung von elektrischer Leitfähigkeit auf einer Oberfläche eines Harzkörpers, der eine dreidimensionale Netzwerkstruktur aufweist und aus Polyurethan, einem Melaminharz oder dergleichen zusammengesetzt ist, und das anschließende Plattieren von Aluminium in einem Schmelzsalzbad einschließt, und haben eine Patentanmeldung eingereicht. Beispiele für das Verfahren zur Übertragung von elektrischer Leitfähigkeit auf eine Oberfläche eines Harzkörpers schließen eine nicht-elektrolytische Plattierung eines leitfähigen Metalls, wie Nickel, die Abscheidung eines Metalls, wie Aluminium, durch ein Gasphasenverfahren (wie das Sputtern oder die Dampfabscheidung) und die Auftragung eines leitfähigen Beschichtungsmaterials, das leitfähige Partikel, wie Kohlenstoffpartikel, enthält, ein. Nach der Aluminiumplattierung wird der Harzkörper entfernt. Auf diese Weise wird eine Aluminiumstruktur erhalten, die hauptsächlich aus Aluminium zusammengesetzt ist.
Wenn elektrische Leitfähigkeit auf einen Harzkörper unter Verwendung eines von Aluminium verschiedenen Metalls, wie Nickel, übertragen wird, verbleibt das von Aluminium verschiedene Metall als Verunreinigung in der resultierenden Aluminiumstruktur. Für eine Anwendung, für die die Reinheit des Aluminiums erforderlich ist, z. B. für die Verwendung als Batterieelektrode, ist dieses Verfahren zur Übertragung von elektrischer Leitfähigkeit nicht geeignet, da die Gegenwart einer solchen Verunreinigung verhindert, dass zufriedenstellende Eigenschaften realisiert werden. Eine Aluminiumstruktur mit einer hohen Reinheit kann durch Übertragung von elektrischer Leitfähigkeit unter Verwendung von Aluminium hergestellt werden. Zur Übertragung von elektrischer Leitfähigkeit unter Verwendung von Aluminium ist es allerdings notwendig, ein Gasphasenverfahren, wie die Dampfabscheidung oder das Sputtern, einzusetzen, und auf diese Weise werden die Herstellungskosten erhöht.
Die Auftragung eines leitfähigen Beschichtungsmaterials, das leichtfähigen Kohlenstoff enthält, ist ein relativ einfaches Verfahren, und die Herstellung kann bei niedrigen Kosten durchgeführt werden. Außerdem bleibt ein von Aluminium verschiedenes Material, wie Nickel, nicht zurück. Wenn elektrische Leitfähigkeit unter Verwendung von leitfähigem Kohlenstoff übertragen wird, ist es allerdings schwierig, den leitfähigen Kohlenstoff in einem Schritt zur Entfernung eines Harzkörpers nach einem Aluminium-Plattierungsschritt vollständig zu entfernen, und Kohlenstoff bleibt als Verunreinigung in der resultierenden Aluminiumstruktur zurück. Wenn die Menge an in der Aluminiumstruktur verbleibendem Kohlenstoff zunimmt, zerbricht die Aluminiumstruktur leicht an einem Ansatzpunkt aufgrund des restlichen Kohlenstoffs, was zu einer Abnahme der Festigkeit der Aluminiumstruktur führen kann. Restlicher Kohlenstoff kann außerdem zu Schweißfehlern in einem Schritt zur Herstellung einer Batterieelektrode führen.
Demzufolge ist es ein erfindungsgemäßes Ziel, ein Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumstruktur unter Verwendung eines Harzkörpers, insbesondere eines porösen Harzkörpers mit einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur, bereitzustellen, wobei das Verfahren geeignet ist, eine Aluminiumstruktur mit einem niedrigen Verunreinigungsgehalt herzustellen und eine Aluminiumstruktur zu erhalten, die eine große Fläche aufweist und insbesondere zur Verwendung als Elektrode geeignet ist.
Lösung der Aufgabe
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumstruktur bereit, wobei das Verfahren einen Leitfähigkeitsübertragungsschritt des Auftragens eines leitfähigen Beschichtungsmaterials, das leitfähigen Kohlenstoff enthält, auf der Oberfläche eines Harzkörpers zur Übertragung von elektrischer Leitfähigkeit auf dem Harzkörper, einen Plattierungsschritt zur Plattierung einer Oberfläche des Harzkörpers, auf den die elektrische Leitfähigkeit übertragen wurde, mit Aluminium in einem Schmelzsalz zur Bildung einer Aluminiumschicht und einen Wärmebehandlungsschritt zur Durchführung einer Wärmebehandlung zur Entfernung des Harzkörpers einschließt, wobei der leitfähige Kohlenstoff Ruß mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 0,003 μm oder mehr und 0,05 μm oder weniger ist.
Bis hierher wurde zur Übertragung von elektrischer Leitfähigkeit auf einem Harzkörper bei der Herstellung von Nickel-Celmet oder dergleichen Graphit mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von etwa 1,5 μm als leitfähiger Kohlenstoff verwendet. Bei der Herstellung von Nickel-Celmet wird ein Harzkörper in einer Hoch-Temperatur-Atmosphäre bei etwa 600°C bis 800°C an Luft entfernt, und ferner wird eine Reduktionsbehandlung bei 1000°C durchgeführt. In einer solchen Hoch-Temperatur-Atmosphäre kann der leitfähige Kohlenstoff in zufriedenstellender Weise zersetzt und entfernt werden, selbst wenn Graphit mit einem relativ großen durchschnittlichen Partikeldurchmesser verwendet wird. Der Schmelzpunkt von Aluminium beträgt allerdings 660°C, und es ist notwendig, einen Harzkörper bei einer Temperatur, die gleich oder niedriger als diese Temperatur ist, zu entfernen. Darüber hinaus wird Aluminium leicht oxidiert, und sobald Aluminium oxidiert ist, kann eine Reduktionsbehandlung bei einer Temperatur, die gleich oder niedriger als der Schmelzpunkt ist, nicht durchgeführt werden. Die Wärmebehandlungstemperatur ist daher vorzugsweise niedrig. Als Ergebnis von Untersuchungen bezüglich des Typs des leitfähigen Kohlenstoffs, der auf zufriedenstellende Weise durch eine solche Niedrigtemperaturbehandlung entfernt werden kann, wurde herausgefunden, dass Kohlenstoff in zufriedenstellender Weise durch eine Behandlung bei einer relativ niedrigen Temperatur entfernt werden kann und eine Aluminiumstruktur mit einem geringen Restkohlenstoffgehalt erhalten werden kann, indem leitfähiger Ruß, der keine Kristallinität aufweist sondern amorph ist und einen durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 0,003 μm oder mehr und 0,05 μm oder weniger aufweist, verwendet wird.
Der Wärmebehandlungsschritt wird vorzugsweise bei einer Temperatur von 500°C oder höher und 640°C oder niedriger in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre durchgeführt. Wenn die Temperatur 640°C überschreitet, geht die Aluminiumoxidation leicht vonstatten. Wenn die resultierende Aluminiumstruktur als Elektrodenmaterial für Batterien verwendet wird, verschlechtern sich daher die Stromkollektoreigenschaften. Wenn die Temperatur niedriger als 500°C ist, nimmt die Menge an zurückbleibendem leitfähigen Kohlenstoff zu. Die Wärmebehandlungstemperatur beträgt vorzugsweise 580°C oder höher und 620°C oder niedriger. Wenn der Wärmebehandlungsschritt in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre durchgeführt wird, kann leichtfähiger Kohlenstoff innerhalb kurzer Zeit entfernt werden.
Insbesondere kann ein Harzkörper mit einer komplexen Skelettstruktur, wie ein poröser Harzkörper mit einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur, verwendet werden. In diesem Fall kann eine Aluminiumstruktur mit einer hohen Porosität erhalten werden und in geeigneter Weise in einer Anwendung als Elektrode usw. verwendet werden. Außerdem ist der Harzkörper vorzugsweise aus Polyurethan zusammengesetzt, das einen porösen Harzformkörper mit einer hohen Porosität bereitstellen kann und auf zufriedenstellende Weise in den Wärmebehandlungsschritt zersetzt werden kann.
Eine Aluminiumstruktur wird durch die obigen Schritte hergestellt. Die Aluminiumstruktur weist eine hohe Reinheit auf, und ein Kohlenstoffgehalt der Aluminiumstruktur kann 2 Gew.% oder weniger betragen. Der Kohlenstoffgehalt in der Aluminiumstruktur kann durch ein Hochfrequenz-Verbrennungs-Infrarotabsorptionsverfahren unter Verwendung eines Hochfrequenz-Induktionsofens gemessen werden.
Vorteilhafte erfindungsgemäße Wirkungen
Erfindungsgemäß ist es möglich, ein Verfahren zur Bildung einer Aluminiumstruktur mit einem geringen Verunreinigungsgehalt unter Verwendung eines Harzkörpers, insbesondere eines porösen Harzkörpers mit einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur, und die Aluminiumstruktur bereitzustellen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Ablaufdiagramm, das die Schritte zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Aluminiumstruktur zeigt.
2 schließt schematische Querschnittsansichten ein, die die Schritte zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Aluminiumstruktur veranschaulichen.
3 ist eine vergrößerte Aufnahme einer Oberfläche, die die Struktur von Urethanschaum zeigt, der ein Beispiel für einen porösen Harzkörper ist.
4 ist eine Ansicht, die ein Beispiel für einen kontinuierlichen Schritt zur Übertragung von elektrischer Leitfähigkeit auf eine Oberfläche eines Harzformkörpers unter Verwendung eines leitfähigen Beschichtungsmaterials veranschaulicht.
5 ist eine Ansicht, die ein Beispiel für einen kontinuierlichen Schritt der Aluminiumplattierung mittels Schmelzsalzplattierung veranschaulicht.
6 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein strukturelles Beispiel veranschaulicht, in dem ein poröser Aluminiumkörper für eine Schmelzsalzbatterie verwendet wird.
7 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein strukturelles Beispiel veranschaulicht, in dem ein poröser Aluminiumkörper für einen elektrischen Doppelschichtkondensator verwendet wird.
Beschreibung der Ausführungsformen
Es werden nun erfindungsgemäße Ausführungsformen beschrieben. In den Zeichnungen, auf die im Folgenden Bezug genommen wird, sind Teile, die denselben Ziffern zugeordnet sind, dieselben oder entsprechende Teile. Es ist zu bemerken, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die Ausführungsformen beschränkt ist, sondern durch die Ansprüche definiert wird, und alle Modifikationen innerhalb des Umfangs und der Bedeutung von Äquivalenten der Ansprüche eingeschlossen sein sollen.
Schritte zur Herstellung einer Aluminiumstruktur
1 ist ein Ablaufdiagramm, das die Schritte zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Aluminiumstruktur zeigt. 2 veranschaulicht schematisch die Schritte der Bildung der Aluminiumstruktur unter Verwendung eines Harzkörpers als Kernmaterial gemäß dem Ablaufdiagramm. Der Gesamtablauf der Herstellungsschritte wird unter Bezugnahme auf die beiden Figuren beschrieben. Zunächst wird die Herstellung 101 eines Harzkörpers, der als Basis dient, durchgeführt. 2(a) ist eine vergrößerte schematische Ansicht einer vergrößerten Oberfläche eines Harzschaumkörpers mit kontinuierlichen Poren. Poren werden durch einen Harzschaumkörper 1 gebildet, der als Skelett dient. Als Nächstes wird die Übertragung von elektrischer Leitfähigkeit 102 auf die Oberfläche des Harzkörpers durchgeführt. In diesem Schritt wird eine dünne elektrisch leitfähige Schicht 2 auf der Oberfläche des Harzkörpers 1 gebildet, wie in 2(b) veranschaulicht wird. Nachfolgend wird die Aluminiumplattierung 103 in einem Schmelzsalz durchgeführt, um eine Aluminiumplattierungsschicht 3 auf der Oberfläche des Harzkörpers mit der elektrisch leitfähigen Schicht darauf zu bilden (2(c)). Auf diese Weise wird ein aluminiumbeschichteter Harzkörper hergestellt, in dem die Aluminiumplattierungsschicht 3 auf der Oberfläche des als Basis dienenden Harzkörpers gebildet ist. Nachfolgend wird die Entfernung 104 des Harzkörpers durchgeführt. Der aluminiumbeschichtete Harzkörper wird zur Zersetzung und Entfernung des Harzschaumkörpers 1 wärmebehandelt, wodurch eine Aluminiumstruktur (poröser Körper) erhalten wird, der lediglich durch eine Metallschicht konstituiert ist (2(d)). Diese Schritte werden nachfolgend nacheinander beschrieben.
Herstellung des porösen Harzkörpers
Ein Harzschaumkörper, der aus Polyurethan zusammengesetzt ist und eine dreidimensionale Netzwerkstruktur und kontinuierliche Poren aufweist, wird hergestellt. Ein Harzkörper mit jeglicher Form kann ausgewählt werden, solange der Harzkörper Poren aufweist, die kontinuierlich sind (kontinuierliche Poren). Zum Beispiel kann auch ein Vliesstoff, der miteinander verwobene Harzfasern einschließt, anstelle des Harzschaumkörpers verwendet werden. Der Harzschaumkörper weist vorzugsweise eine Porosität von 80% bis 98% und einen Porendurchmesser von 50 bis 500 μm auf. Urethanschaum wird vorzugsweise als Harzschaumkörper verwendet, da Urethanschaum eine hohe Porosität und Porenkontinuität aufweist und bezüglich der Gleichmäßigkeit der Proben gut ist.
Ein Harzschaumkörper enthält oft Rückstände, wie ein Schäumungsmittel und in dem Verfahren zur Herstellung des Schaums nicht umgesetztes Monomer. Daher wird für die nachfolgenden Schritte vorzugsweise eine Waschbehandlung durchgeführt. 3 zeigt als ein Beispiel für einen Harzschaumkörper Urethanschaum, der einer Waschbehandlung unterzogen wurde. Der Harzkörper, der als Skelett dient, bildet ein dreidimensionales Netzwerk, wodurch im Ganzen kontinuierliche Poren gebildet werden. Das Skelett aus Polyurethanschaum weist eine im Wesentlichen dreieckige Form in einem Querschnitt senkrecht zu einer 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 Porendurchmesser wird durch Vergrößerung einer Oberfläche des Harzkörpers mittels einer Mikroaufnahme oder dergleichen, Zählen der Zellenzahl pro inch (25,4 mm) und Berechnen eines Durchschnittswerts als mittlerer Porendurchmesser = 25,4 mm/Zellenzahl bestimmt.
Übertragung von elektrischer Leitfähigkeit auf die Harzkörperoberfläche: Auftragung von leitfähigem Beschichtungsmaterial
Ein leitfähiges Beschichtungsmaterial wird hergestellt, indem Ruß mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 0,003 μm oder mehr und 0,05 μm oder weniger als leitfähiger Kohlenstoff verwendet wird. Das leitfähige Beschichtungsmaterial ist eine Suspension, die leitfähigen Kohlenstoff, ein Bindemittel, ein Dispergiermittel und ein Dispersionsmedium enthält. Um die leitfähigen Partikel gleichmäßig aufzutragen, ist es notwendig, dass die Suspension einen gleichmäßigen Suspensionszustand beibehält.
Demzufolge wird die Suspension vorzugsweise bei 20°C bis 40°C gehalten. Dies geschieht, weil ein gleichmäßiger Suspensionszustand gefährdet ist und lediglich das Bindemittel an einer Oberfläche des Skeletts, das eine streifenförmige Struktur des Harzkörpers bildet, konzentriert ist und eine Schicht bildet, wenn die Temperatur der Suspension niedriger als 20°C ist. In einem solchen Fall wird die aufgetragene Schicht aus Kohlenstoffpartikeln leicht abgeblättert, und es ist schwierig, eine Metallplattierung zu bilden, die fest an der Schicht der Kohlenstoffpartikel haftet. Wenn die Temperatur der Suspension andererseits 40°C übersteigt, ist die Verdampfungsmenge des Dispersionsmediums groß. Demzufolge wird die Suspension mit dem Ablauf der Auftragungsverfahrensdauer konzentriert und die Menge an aufgetragenem Kohlenstoff neigt zu variieren.
Ruß, der amorpher Kohlenstoff ist, wird als leitfähiger Kohlenstoff verwendet. Der durchschnittliche Partikeldurchmesser des leitfähigen Kohlenstoffs beträgt 0,003 μm oder mehr und 0,05 μm oder weniger und vorzugsweise 0,005 μm oder mehr und 0,02 μm oder weniger. Wenn der durchschnittliche Partikeldurchmesser übermäßig groß ist, nimmt die Zersetzbarkeit in einem Wärmebehandlungsschritt ab. Wenn der durchschnittliche Partikeldurchmesser übermäßig klein ist, wird es schwierig, eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit zu sichern. Es ist zu bemerken, dass der durchschnittliche Partikeldurchmesser ein Wert ist, der aus einer spezifischen Oberfläche berechnet wird, die unter Verwendung einer Messvorrichtung für die spezifische Oberfläche gemessen wird.
Der poröse Harzkörper kann mit Kohlenstoffpartikeln durch Eintauchen eines Zielharzkörpers in eine Suspension und Quetschen und Trocknen des Harzkörpers beschichtet werden. 4 ist eine Ansicht, die als ein Beispiel für einen praktischen Herstellungsprozess schematisch die Struktur einer Behandlungsvorrichtung veranschaulicht, die elektrische Leitfähigkeit auf einen streifenförmigen als Skelett dienenden porösen Harzkörper überträgt. Wie in der Figur veranschaulicht wird, schließt diese Vorrichtung eine Zuführspule 12, die ein streifenförmiges Harz 11 zuführt, ein Gefäß 15, das eine Suspension 14 aus einem leitfähigen Beschichtungsmaterial enthält, ein Paar von Quetschwalzen 17, die oberhalb des Gefäßes 15 angebracht sind, eine Vielzahl von Warmluftdüsen 16, die so angebracht sind, dass sie an den Seiten des sich fortbewegenden streifenförmigen Harzes 11 einander gegenüber stehen, und eine Aufnahmespule 18 ein, die das streifenförmige Harz 11 nach einer Behandlung aufnimmt. Umlenkrollen 13 zum Führen des streifenförmigen Harzes 11 sind an geeigneten Stellen angebracht. In der Vorrichtung mit der obigen Struktur wird das streifenförmige Harz 11 mit einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur von der Zuführspule abgewickelt, durch die Umlenkrollen 13 geführt und in die Suspension in dem Gefäß 15 getaucht. Das in der Suspension 14 in dem Gefäß 15 eingetauchte streifenförmige Harz 11 bewegt sich aufwärts und bewegt sich zwischen den Quetschwalzen 17 oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche der Suspension 14 fort. Zu diesem Zeitpunkt ist der Spalt zwischen den Quetschwalzen 17 kleiner als die Dicke des streifenförmigen Harzes 11, und das streifenförmige Harz 11 wird komprimiert. Auf diese Weise wird überschüssige Suspension, die in dem streifenförmigen Harz 11 imprägniert ist, ausgequetscht und kehrt zu dem Gefäß zurück.
Anschließend wird die Richtung, in der sich das streifenförmige Harz 11 fortbewegt, wieder geändert. Hier wird das Dispersionsmedium usw. in der Suspension entfernt, indem Warmluft aus den Warmluftdüsen 16 geblasen wird, die durch eine Vielzahl von Düsen gebildet werden, und das streifenförmige Harz 11, das sorgfältig getrocknet wird, wird von der Aufnahmespule 18 aufgenommen. Die Temperatur der aus den Warmluftdüsen 16 geblasenen Warmluft liegt vorzugsweise im Bereich von 40 bis 80°C. Mit der oben beschriebenen Vorrichtung kann eine Leitfähigkeitsübertragungsbehandlung automatisch und kontinuierlich durchgeführt werden, und ein Skelett mit einer Netzwerkstruktur ohne Verstopfen und einer gleichmäßigen leitfähigen Schicht wird gebildet. Auf diese Weise kann die mit Teilplattierung, die der nächste Schritt ist, glatt durchgeführt werden.
Bildung einer Aluminiumschicht: Schmelzsalzplattierung
Als Nächstes wird eine elektrolytische Plattierung in einem Schmelzsalz zur Bildung einer Aluminiumplattierungsschicht 3 auf der Oberfläche des Harzkörpers durchgeführt. Ein Gleichstrom wird zwischen dem Harzkörper mit einer Oberfläche, auf der elektrische Leitfähigkeit übertragen wird, wobei der Harzkörper als Kathode dient, und einer Aluminiumplatte, die eine Reinheit von 99,99% aufweist und als Anode dient, in einem Schmelzsalz angelegt. Die Aluminiumplattierungsschicht weist eine Dicke von 1 bis 100 μm und vorzugsweise 5 bis 20 μm auf. Das Schmelzsalz kann ein organisches Schmelzsalz sein, das ein eutektisches Salz aus einem Organohalogenid und einem Aluminiumhalogenid ist, oder ein anorganisches Schmelzsalz, das ein eutektisches Salz aus einem Alkalimetallhalogenid und einem Aluminiumhalogenid ist. Ein organisches Schmelzsalzbad, das bei einer relativ niedrigen Temperatur schmilzt, wird vorzugsweise verwendet, da die Plattierung ohne Zersetzung eines als Basis dienenden Harzkörpers durchgeführt werden kann. Ein Imidazoliumsalz, ein Pyridiniumsalz oder dergleichen kann als Organohalogenid verwendet werden. Insbesondere werden 1-Ethyl-3-methylimidazoliumchlorid (EMIC) und Butylpyridiniumchlorid (BPC) bevorzugt. Ein Salz, das ein Imidazoliumkation mit Alkylgruppen an den 1- und 3-Positionen enthält, wird vorzugsweise als Imidazoliumsalz verwendet. Insbesondere wird ein Schmelzsalz aus Aluminiumchlorid und 1-Ethyl-3-methylimidazoliumchlorid (AlCl₃-EMIC) am meisten bevorzugt verwendet, da es eine hohe Stabilität aufweist und nicht leicht zersetzt wird.
Beimengungen von Feuchtigkeit oder Sauerstoff in dem Schmelzsalz bauen das Schmelzsalz ab. Die Plattierung wird daher vorzugsweise in einer Inertgasatmosphäre, wie Stickstoff oder Argon, in einer abgeschlossenen Umgebung durchgeführt. Wenn ein EMIC-Bad als organisches Schmelzsalzbad verwendet wird, beträgt die Temperatur des Schmelzsalzbades 10°C bis 60°C und vorzugsweise 25°C bis 45°C.
Wenn ein Imidazoliumsalzbad als Schmelzsalzbad verwendet wird, wird dem Schmelzsalzbad vorzugsweise ein organisches Lösungsmittel hinzugefügt. Xylol wird besonders bevorzugt als organisches Lösungsmittel verwendet. Die Zugabe eines organischen Lösungsmittels, insbesondere Xylol, führt zu Vorteilen, insbesondere für die Bildung eines porösen Aluminiumkörpers. Insbesondere ist es möglich, ein erstes Merkmal, dass das einen porösen Körper bildende Aluminiumskelett nicht leicht zerbricht, und ein zweites Merkmal zu erhalten, dass eine gleichmäßige Plattierung durchgeführt werden kann, bei der ein Unterschied in der Plattierungsdicke zwischen einem Oberflächenteil und einem Innenteil des porösen Körpers gering ist. Das erste Merkmal ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass die Zugabe eines organischen Lösungsmittels die Form der Plattierung auf der Skelettoberfläche von einem granularen Zustand (der signifikant ungleichmäßig ist und in der Wahrnehmung der Oberfläche als Granalien erscheint) zu einer flachen Form verbessert, wodurch die Festigkeit des Skeletts mit einer geringen Dicke und einer geringen Breite zunimmt. Das zweite Merkmal ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass die Zugabe eines organischen Lösungsmittels zu einem Schmelzsalzbad die Viskosität des Schmelzsalzbades verringert und das Plattierbad problemlos durch den Innenteil der feinen Netzwerkstruktur laufen kann. Insbesondere wenn die Viskosität hoch ist, wird ein frisches Plattierbad der Oberfläche des porösen Körpers problemlos zugeführt jedoch nicht dem Innenteil. Im Gegensatz dazu wird das Plattierbad durch Verringerung der Viskosität dem Innenteil problemlos zugeführt, und auf diese Weise kann eine Plattierung durchgeführt werden, die für eine gleichmäßige Dicke sorgt. Die Menge an organischem Lösungsmittel, das dem Plattierbad zugefügt wird, beträgt vorzugsweise 25 bis 57 mol%. Wenn die Menge an organischem Lösungsmittel 25 mol% oder weniger beträgt, wird es schwierig, die Wirkung der Verringerung des Unterschieds in der Plattierungsdicke zwischen einer Oberflächenschicht und einem Innenteil zu erzielen. Wenn die Menge an organischem Lösungsmittel 57 mol% oder mehr beträgt, wird das Plattierbad instabil und eine Plattierlösung und Xylol trennen sich teilweise.
Ferner wird im Anschluss an den Schritt zur Durchführung einer Plattierung unter Verwendung des Schmelzsalzbades, das ein organisches Lösungsmittel enthält, vorzugsweise ein Waschschritt durchgeführt, in dem das organische Lösungsmittel, als Waschflüssigkeit verwendet wird. Es ist notwendig, eine Oberfläche eines plattierten Harzes zu waschen, um ein Plattierbad abzuwaschen. Ein solches Waschen nach der Plattierung wird gewöhnlich mit Wasser durchgeführt. Es ist allerdings essentiell, dass Feuchtigkeit in einem Imidazoliumsalzbad vermieden wird. Wenn das Waschen mit Wasser durchgeführt wird, wird Wasser in Form von Wasserdampf oder dergleichen in eine Plattierungslösung aufgenommen. Das Waschen mit Wasser sollte daher vermieden werden, um nachteilige Wirkungen auf die Plattierung zu verhindern. Demzufolge ist das Waschen mit einem organischen Lösungsmittel effektiv. Ferner kann für den Fall, dass ein organisches Lösungsmittel dem Plattierbad hinzugefügt wird, wie oben beschrieben, ein besonders vorteilhafter Effekt erhalten werden, indem das Waschen mit dem dem Plattierbad hinzugefügten organischen Lösungsmittel durchgeführt wird. Insbesondere kann die gewaschene Plattierungslösung relativ einfach entfernt und wiederverwendet werden, und Kosten können reduziert werden. Zum Beispiel ist es vorgesehen, dass ein plattierter Körper, der in einem Bad gebildet wird, das durch Zugabe von Xylol zu einem Schmelzsalz AlCl₃-EMIC hergestellt wurde, mit Xylol gewaschen wird. Die resultierende Flüssigkeit nach dem Waschen ist eine Flüssigkeit, die Xylol in einer Menge enthält, die größer ist als die des Plattierbades, das ursprünglich verwendet wurde. Eine gewisse Menge oder mehr des Schmelzsalzes AlCl₃-EMIC wird mit Xylol nicht gemischt. Daher trennt sich die Flüssigkeit nach dem Waschen in Xylol in der oberen Hälfte und dem Schmelzsalz AlCl₃-EMIC, das etwa 57 mol% Xylol enthält, in der unteren Hälfte. Die geschmolzene Flüssigkeit kann deshalb durch Sammeln der getrennten Flüssigkeit der unteren Hälfte zurückgewonnen werden. Da der Siedepunkt von Xylol lediglich 144°C beträgt, wird ferner die Xylolkonzentration in dem zurückgewonnenen Schmelzsalz auf die Xylolkonzentration in der Plattierungslösung durch Anwendung von Wärme eingestellt, und die resultierende Lösung kann wiederverwendet werden. Nach dem Waschen mit einem organischen Lösungsmittel ist es außerdem bevorzugt, ferner ein Waschen mit Wasser an einem von dem Plattierbad separierten Ort durchzuführen.
5 ist eine Ansicht, die schematisch die Struktur einer Vorrichtung für die kontinuierliche Durchführung einer Metallplattierungsbehandlung an einem streifenförmigen Harz veranschaulicht. Diese Figur veranschaulicht eine Struktur, in der ein streifenförmiges Harz 22 mit einer Oberfläche, auf die elektrische Leitfähigkeit übertragen wurde, von rechts nach links in der Figur transportiert wird. Ein erstes Plattiergefäß 21a schließt eine zylindrische Elektrode 24, eine positive Elektrode 25, die an der Innenwand des Behälters angebracht ist, und ein Plattierbad 23 ein. Das streifenförmige Harz 22 durchläuft das Plattierbad 23 entlang der zylindrischen Elektrode 24. Auf diese Weise kann ein elektrischer Strom gleichmäßig und auf einfache Weise in dem gesamten Harzkörper fließen und eine gleichförmige Plattierung erhalten werden. Ein zweites Plattiergefäß 21b ist ein Gefäß zur weiteren Bildung einer dicken und gleichförmigen Plattierung und ist so konfiguriert, dass die Plattierung wiederholt in einer Vielzahl von Gefäßen durchgeführt wird. Die Plattierung wird durchgeführt, indem man das streifenförmige Harz 22 mit einer dünnen Metallschicht auf seiner Oberfläche ein Plattierbad 28 durchlaufen lässt, während sequenziell das streifenförmige Harz 22 unter Verwendung von Elektrodenwalzen 26 zugeführt wird, die sowohl als Übertragungswalzen als auch als negative Stromversorgungselektroden außerhalb des Gefäßes fungieren. Positive Elektroden 27 sind in der Vielzahl von Gefäßen so angebracht, dass sie zwei Oberflächen des Harzes mit dem dazwischen liegenden Plattierbad 28 gegenüberliegen. Mit dieser Struktur können die beiden Oberflächen des Harzes mit einem gleichmäßigeren Plattierfilm beschichtet werden.
Zersetzung des Harzes: Wärmebehandlung
Durch die obigen Schritte wird ein aluminiumbeschichteter Harzkörper hergestellt, der einen Harzkörper als Kern des Skeletts enthält. Als Nächstes wird der Harzkörper entfernt. Der aluminiumbeschichtete Harzkörper wird bei einer Temperatur von 500°C oder höher und 640°C oder niedriger zur Zersetzung des Harzkörpers und des leitfähigen Kohlenstoffs wärmebehandelt. Wenn die Wärmebehandlung in Gegenwart von Sauerstoff durchgeführt wird, geht auf einfache Weise eine Urethanzersetzungsreaktion vonstatten und der leitfähige Kohlenstoff kann ebenso auf zufriedenstellende Weise zersetzt werden. Die mit einer Gasströmung durchgeführte Wärmebehandlung ist bevorzugt, da die Zersetzungsprodukte auf effektive Weise entfernt werden.
Lithium-Ionen-Batterie
Als Nächstes werden ein Batterieelektrodenmaterial und eine Batterie, die eine Aluminiumstruktur verwendet, beschrieben. Wenn z. B. eine Aluminiumstruktur in einer positiven Elektrode einer Lithium-Ionen-Batterie verwendet wird, wird Lithiumkobaltoxid (LiCoO₂), Lithiummanganoxid (LiMn₂O₄), Lithiumnickeloxid (LiNiO₂) oder dergleichen als aktives Material verwendet. Das aktive Material wird in Kombination mit einem Leitfähigkeitshilfsmittel und einem Bindemittel verwendet. Ein bekanntes Elektrodenmaterial für eine Lithium-Ionen-Batterie wird erhalten, indem eine Oberfläche einer Aluminiumfolie mit einem aktiven Material beschichtet wird. Die Dicke der Beschichtung auf dem aktiven Material wird erhöht, um die Batteriekapazität pro Flächeneinheit zu verbessern. Zur effektiven Nutzung des aktiven Materials ist es erforderlich, dass die Aluminiumfolie und das aktive Material elektrisch miteinander in Kontakt sind, und daher wird das aktive Material mit einem Leitfähigkeitshilfsmittel gemischt. Im Gegensatz dazu weist die erfindungsgemäße Aluminiumstruktur eine hohe Porosität und eine große Oberfläche pro Flächeneinheit auf. Demzufolge kann das aktive Material auf effiziente Weise genutzt werden, selbst wenn ein aktives Material mit einer geringen Dicke auf der Oberfläche der Aluminiumstruktur geträgert wird, die Kapazität der Batterie kann verbessert werden und die Menge an beigemengtem Leitfähigkeitshilfsmittel kann reduziert werden. In einer Lithium-Ionen-Batterie wird das oben beschriebene positive Elektrodenmaterial als positive Elektrode verwendet, Graphit wird als negative Elektrode verwendet und eine organische Elektrolytlösung wird als Elektrolyt verwendet. Solch eine Lithium-Ionen-Batterie kann eine verbesserte Kapazität aufweisen, selbst wenn sie eine kleine Elektrodenfläche aufweist. Die Energiedichte der Batterie kann daher höher als die Energiedichten von bekannten Lithium-Ionen-Batterien sein.
Schmelzsalzbatterie
Eine Aluminiumstruktur kann außerdem als Elektrodenmaterial für eine Schmelzsalzbatterie verwendet werden. Wenn ein poröser Aluminiumkörper als positives Elektrodenmaterial verwendet wird, wird eine Metallverbindung, die ein Kation eines Schmelzsalzes, das als Elektrolyt dient, z. B. Natriumchromat (NaCrO₂) oder Titandisulfid (TiS₂) als aktives Material verwendet. Das aktive Material wird in Kombination mit einem Leitfähigkeitshilfsmittel und einem Bindemittel verwendet. Ruß und dergleichen können als Leitfähigkeitshilfsmittel verwendet werden. Polytetrafluorethylen (PTFE) und dergleichen können als Bindemittel verwendet werden. Wenn Natriumchromat als aktives Material verwendet wird und Ruß als Leitfähigkeitshilfsmittel verwendet wird, ist PTFE bevorzugt, da es die beiden Substanzen fester aneinander binden kann.
Eine Aluminiumstruktur kann auch als negatives Elektrodenmaterial einer Schmelzsalzbatterie verwendet werden. Wenn ein poröser Aluminiumkörper als negatives Elektrodenmaterial verwendet wird, kann elementares Natrium, eine Legierung aus Natrium und einem anderen Metall, Kohlenstoff oder dergleichen als aktives Material verwendet werden. Da der Schmelzpunkt von Natrium etwa 98°C beträgt und das Metall mit einer Temperaturzunahme erweicht, wird Natrium vorzugsweise mit einem anderen Metall (wie Si, Sn oder In) legiert. Unter diesen ist eine Legierung aus Natrium und Sn besonders bevorzugt, da die Legierung leicht zu handhaben ist. Natrium oder eine Natriumlegierung kann auf der Oberfläche des porösen Aluminiumkörpers durch elektrolytische Plattierung, Feuermetallisierung oder dergleichen geträgert werden. Alternativ kann eine Natriumlegierung durch Abscheidung eines Metalls (wie Si), das mit Natrium zu legieren ist, auf einem porösen Aluminiumkörper mittels Plattierung oder dergleichen und anschließender Durchführung eines Ladevorgangs in der Schmelzsalzbatterie gebildet werden.
6 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel für eine Schmelzsalzbatterie veranschaulicht, die das oben beschriebene Elektrodenmaterial für eine Batterie verwendet. Die Schmelzsalzbatterie schließt eine positive Elektrode 121, in der ein aktives Material für eine positive Elektrode auf der Oberfläche des Aluminiumskelettteils einer Aluminiumstruktur geträgert ist, eine negative Elektrode 122, in der ein aktives Material für eine negative Elektrode auf der Oberfläche des Aluminiumskelettteils einer Aluminiumstruktur geträgert ist, und einen Separator 123 ein, der mit einem als Elektrolyt dienenden Schmelzsalz imprägniert ist. Die positive Elektrode 121, die negative Elektrode 122 und der Separator 123 sind in einem Gehäuse 127 untergebracht. Ein Andruckelement 126, das eine Andruckplatte 124 und eine Feder 125 einschließt, die die Andruckplatte andrückt, ist zwischen der oberen Oberfläche des Gehäuses 127 und der negativen Elektrode angebracht. Da das Andruckelement zur Verfügung steht, selbst wenn die positive Elektrode 121, die negative Elektrode 122 und der Separator 123 Volumenänderungen unterzogen sind, können all diese Komponenten gleichmäßig angedrückt werden und miteinander in Kontakt gebracht werden. Ein Kollektor (poröser Aluminiumkörper) der positiven Elektrode 121 und ein Kollektor (poröser Aluminiumkörper) der negativen Elektrode 122 sind jeweils mit einem Ende der positiven Elektrode 128 und einem Ende der negativen Elektrode 129 über Anschlussleitungen 130 verbunden.
Verschiedene anorganische Salze oder organische Salze, die bei einer Betriebstemperatur schmelzen, können als Schmelzsalz, das als Elektrolyt dient, verwendet werden. Mindestens eines, ausgewählt aus Alkalimetallen, wie Lithium (Li), Natrium (Na), Kalium (K), Rubidium (Rb) und Cäsium (Cs) und Erdalkalimetallen, wie Beryllium (Be), Magnesium (Mg), Calcium (Ca), Strontium (Sr) und Barium (Ba), kann als Kation des Schmelzsalzes verwendet werden.
Um den Schmelzpunkt des Schmelzsalzes zu erniedrigen, werden vorzugsweise zwei oder mehrere Salze als Mischung verwendet. Wenn z. B. Kaliumbis(fluorsulfonyl)amid (KFSA) und Natriumbis(fluorsulfonyl)amid (NaFSA) in Kombination verwendet werden, kann die Betriebstemperatur der Batterie auf 90°C oder niedriger eingestellt werden.
Das Schmelzsalz wird mittels Imprägnieren des Separators verwendet. Der Separator ist vorgesehen, um zu verhindern, dass die positive Elektrode und die negative Elektrode miteinander in Kontakt stehen. Ein Glas-Vliesstoff, ein poröses Harz und dergleichen kann als Separator verwendet werden. Die positive Elektrode, die negative Elektrode und der mit dem Schmelzsalz imprägnierte Separator werden gestapelt, in einem Gehäuse untergebracht und als Batterie verwendet.
Elektrischer Doppelschichtkondensator
Eine Aluminiumstruktur kann außerdem als Elektrodenmaterial für einen elektrischen Doppelschichtkondensator verwendet werden. Wenn eine Aluminiumstruktur als Elektrodenmaterial für einen elektrischen Doppelschichtkondensator verwendet wird, wird Aktivkohle als Aktivelektrodenmaterial verwendet. Aktivkohle wird in Kombination mit einem Leitfähigkeitshilfsmittel und einem Bindemittel verwendet. Graphit, Kohlenstoffnanoröhrchen und dergleichen können als Leitfähigkeitshilfsmittel verwendet werden.
Polytetrafluorethylen (PTFE), Styrol-Butadien-Kautschuk und dergleichen können als Bindemittel verwendet werden.
7 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel für einen elektrischen Doppelschichtkondensator veranschaulicht, der das oben beschriebene Elektrodenmaterial für einen elektrischen Doppelschichtkondensator verwendet. Ein Elektrodenmaterial, in dem ein aktives Elektrodenmaterial auf einer Aluminiumstruktur geträgert ist, ist als polarisierbare Elektroden 141 in einer organischen Elektrolytlösung 143 angeordnet, die durch einen Separator 142 unterteilt wird. Jede der polarisierbaren Elektroden 141 ist mit einer Anschlussleitung 144 verbunden. All diese Komponenten werden in einem Gehäuse 145 untergebracht. Unter Verwendung eines porösen Aluminiumkörpers als Kollektor nimmt die Oberfläche des Kollektors zu. Daher kann ein elektrischer Doppelschichtkondensator hergestellt werden, der eine hohe Leistung und eine hohe Kapazität realisieren kann, selbst wenn Aktivkohle, die als aktives Material dient, dünn aufgetragen ist.
Es wurde eine Beschreibung für den Fall gegeben, dass ein Harzschaumkörper als Harzkörper verwendet wird, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf einen Harzschaumkörper beschränkt. Eine Aluminiumstruktur mit jeglicher Form kann unter Verwendung eines Harzkörpers mit jeglicher Form erhalten werden.
Bildung einer elektrisch leitfähigen Schicht: Beispiel 1
Ein Herstellungsbeispiel für eine Aluminiumstruktur wird im Folgenden auführlich beschrieben. Ein Urethanschaum mit einer Dicke von 1 mm, einer Porosität von 95% und einer Porenzahl pro cm von etwa 20 wird als Harzschaumkörper hergestellt und in ein Quadrat von 15 mm × 15 mm geschnitten. Der Urethanschaum wurde in eine Kohlenstoffsuspension getaucht und zur Bildung einer elektrisch leitfähigen Schicht getrocknet, wobei seine gesamte Oberfläche darauf haftende Kohlenstoffpartikel aufwies. Die Suspension enthielt als Komponenten 80 Gew.% leitfähigen Ruß mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 0,01 μm, ein Harzbindemittel, das als Bindemittel diente, ein Eindringmittel, einen Entschäumer und ein Dispersionsmedium.
Bildung der elektrisch leitfähigen Schicht: Vergleichsbeispiel 1
Ein Urethanschaum mit einer Dicke von 1 mm, einer Porosität von 95% und einer Porenzahl pro cm von etwa 20 wurde als Harzschaumkörper hergestellt und in ein Quadrat von 15 mm × 15 mm geschnitten. Der Urethanschaum wurde in eine Kohlenstoffsuspension getaucht und zur Bildung einer elektrisch leitfähigen Schicht getrocknet, wobei seine gesamte Oberfläche Kohlenstoffpartikel aufwies, die daran hafteten. Die Suspension enthielt als Komponenten 80 Gew.% Graphit mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 1,5 μm, ein Harzbindemittel, das als Bindemittel diente, ein Eindringmittel, einen Entschäumer und ein Dispersionsmedium.
Bildung einer elektrisch leitfähigen Schicht: Vergleichsbeispiel 2
Ein Urethanschaum mit einer Dicke von 1 mm, einer Porosität von 95% und einer Porenzahl pro cm von etwa 20 wurde als Harzschaumkörper hergestellt und in ein Quadrat von 15 mm × 15 mm geschnitten. Der Urethanschaum wurde in eine Kohlenstoffsuspension getaucht und zur Bildung einer elektrisch leitfähigen Schicht getrocknet, wobei seine gesamte Oberfläche Kohlenstoffpartikel aufwies, die daran hafteten. Die Suspension enthielt als Komponenten 80 Gew.% Graphit mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 1,0 μm, ein Harzbindemittel, das als Bindemittel diente, ein Eindringmittel, einen Entschäumer und ein Dispersionsmedium.
Schmelzsalzplattierung
Jeder der in Beispiel 1, Vergleichsbeispiel 1 und Vergleichsbeispiel 2 hergestellten Urethanschäume mit einer elektrisch leitfähigen Schicht auf seiner Oberfläche wurde auf einen Aufsatz mit einer Stromversorgungsfunktion gesetzt und dann in ein Schmelzsalz-Aluminiumplattierbad (67 mol% AlCl₃-33 mol% EMIC) bei einer Temperatur von 40°C gesetzt. Der Aufsatz, auf den der Urethanschaum gesetzt wurde, wurde mit der Kathodenseite eines Gleichrichters verbunden, und eine Aluminiumplatte (Reinheit: 99,99%), die als Gegenelektrode diente, wurde mit der Anodenseite verbunden. Eine Plattierung wurde für 90 Minuten bei einer Stromdichte von 3,6 A/dm² durchgeführt. Hierbei ist die Stromdichte ein Wert, der auf Grundlage der scheinbaren Fläche des Urethanschaums berechnet wurde. Als Ergebnis konnte eine Aluminiumplattierungsschicht mit einem Gewicht von 150 g/m² gebildet werden.
Zersetzung des Harzschaumkörpers
Die Harzschaumkörper, die jeweils eine Aluminiumplattierungsschicht aufwiesen, wurden bei einer Temperatur von 600°C für 30 Minuten an Luft zur Herstellung von Aluminiumstrukturen des Beispiels 1, Vergleichsbeispiels 1 und Vergleichsbeispiels 2 wärmebehandelt. Der Restkohlenstoffgehalt von jeder der Aluminiumstrukturen wurde durch ein Hochfrequenz-Verbrennungs-Infrarotabsorptionsverfahren gemessen. Der Restkohlenstoffgehalt der Aluminiumstruktur von Beispiel 1 war niedrig: 1,3 Gew.% (2,0 g/m²). Im Gegensatz dazu betrug der Restkohlenstoffgehalt von Vergleichsbeispiel 1 5,5 Gew.% (8,2 g/m²), und der Restkohlenstoffgehalt von Vergleichsbeispiel 2 betrug 3,0 Gew.% (4,5 g/m²).
Die obige Beschreibung umfasst die im Folgenden beschriebenen weiteren Ausführungsformen.
Weitere Ausführungsform 1
Ein Elektrodenmaterial, in dem ein aktives Material auf einer Aluminiumoberfläche einer Aluminiumstruktur getragen wird, die mittels der vorliegenden Erfindung erhalten wird.
Weitere Ausführungsform 2
Eine Batterie, in der das in der weiteren Ausführungsform 1 beschriebene Elektrodenmaterial zumindest in einer positiven Elektrode oder in einer negativen Elektrode verwendet wird.
Weitere Ausführungsform 3
Ein elektrischer Doppelschichtkondensator, in dem das in der weiteren Ausführungsform 1 beschriebene Elektrodenmaterial als eine Elektrode verwendet wird.
Weitere Ausführungsform 4
Ein Filtrationsfilter, der eine durch die vorliegende Erfindung erhaltene Aluminiumstruktur einschließt.
Weitere Ausführungsform 5
Ein Katalysatorträger, in dem ein Katalysator auf einer Oberfläche einer durch die vorliegende Erfindung erhaltenen Aluminiumstruktur getragen wird.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Wie oben beschrieben wurde, kann erfindungsgemäß eine poröse Aluminiumstruktur erhalten werden. Daher kann die vorliegende Erfindung beispielsweise weit verbreitet in verschiedenen Gebieten verwendet werden, in denen die Eigenschaften von Aluminium genutzt werden, z. B. in elektrischen Materialien, wie Batterieelektroden, Filtern für verschiedene Typen von Filtration und Katalysatorträgern.
Bezugszeichenliste

1: Harzschaumkörper
2: elektrisch leitfähige Schicht
3: Aluminiumplattierungsschicht
11: streifenförmiges Harz
12: Zuführspule
13: Umlenkrolle
14: Suspension
15: Gefäß
16: Warmluftdüse
17: Quetschwalze
18: Aufnahmespule
21a, 21b: Plattiergefäß
22: streifenförmiges Harz
23, 28: Plattierbad
24: zylindrische Elektrode
25, 27: positive Elektrode
26: Elektrodenwalze
121: positive Elektrode
122: negative Elektrode
123: Separator
124: Andruckplatte
125: Feder
126: Andruckelement
127: Gehäuse
128: Ende der positiven Elektrode
129: Ende der negativen Elektrode
130: Anschlussleitung
141: polarisierbare Elektrode
142: Separator
143: organische Elektrolytlösung
144: Anschlussleitung
145: Gehäuse

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumstruktur, umfassend: einen Leitfähigkeitsübertragungsschritt des Auftragens eines leitfähigen Beschichtungsmaterials, das leitfähigen Kohlenstoff enthält, auf einer Oberfläche eines Harzkörpers zur Übertragung elektrischer Leitfähigkeit auf den Harzkörper; einen Plattierungsschritt zum Plattieren einer Oberfläche des Harzkörpers, auf den elektrische Leitfähigkeit übertragen wurde, mit Aluminium in einem Schmelzsalz zur Bildung einer Aluminiumschicht und einen Wärmebehandlungsschritt zur Durchführung einer Wärmebehandlung zur Entfernung des Harzkörpers, wobei der leitfähige Kohlenstoff Ruß mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 0,003 μm oder mehr und 0,05 μm oder weniger ist.
Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumstruktur gemäß Anspruch 1, wobei der Wärmebehandlungsschritt bei einer Temperatur von 500°C oder höher und 640°C oder niedriger in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre durchgeführt wird.
Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumstruktur gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Harzkörper ein poröser Harzkörper mit einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur ist.
Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumstruktur gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Harzkörper aus Polyurethan zusammengesetzt ist.
Aluminiumstruktur, die durch das Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4 hergestellt wird.
Aluminiumstruktur gemäß Anspruch 5, worin ein Kohlenstoffgehalt 2 Gew.% oder weniger beträgt.