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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines elektrischen
Leiters, der zur Verwendung in einer Vorrichtung zum Umwandeln von
Energie geeignet ist.
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Kupfernetzmaterial,
das, falls gewünscht,
mit Nickel plattiert sein kann, zur Verwendung als Stromleiter in
Batterien und Speicherbatterien, ist per se im Stand der Technik
bekannt. Zum Beispiel offenbart das US-Patent 4,328,293 eine positive
Elektrode für
eine elektrochemische Zelle (Generator), wobei die Elektrode ein
leitendes Substrat aufweist, das, zum Beispiel, eine perforierte
und mit Nickel plattierte Kupferbahn ausweist. Weiterhin offenbart
die US-A-4,228,224 ein Kupfernetzmaterial mit 80 Mesh, das in einer
positiven Elektrode verwendet wird.
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Diese
Netzmaterialien zur Verwendung als Elektroden sind gewöhnlich durch
Prägen/Stanzen
oder Ätzen
einer massiven Kupferbahn gebildet. Allerdings hinterlässt ein
Prägen
und Stanzen danach scharfe gerändelte
oder geschnittene Kanten, was Probleme bei einer weiteren Verarbeitung
und Handhabung verursacht. Ein Ätzen
ist ein weniger genauer Vorgang und demzufolge ist die Gleichförmigkeit
der Dicke und der Lochgröße nicht
zufriedenstellend. Weiterhin liegen diese Herstelltechniken unerwünschte Grenzen
der Anzahl von Öffnungen
pro Einheitsflächenbereich
auf, was nachteilig in Bezug auf das Volumen für und zu der Kontaktoberfläche mit
einem aktiven, chemischen Material, wie beispielsweise einer Elektrolyt-Paste,
die darauf aufgebracht werden soll, in Bezug auf eine Adhäsion, ist.
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Aus
der JP-A-51136535 ist eine poröse
Metallfolie, zum Beispiel aus Kupfer, zur Verwendung als Elektrodenmaterial
bekannt, die durch Galvanoformung eines mechanisch aufgerauten Substrats,
um eine Metallfolie mit einer Dicke, die von ein paar zehn bis ein
paar hundert Mikrometern reicht, zu bilden, erhalten ist. Die Folie,
die auf diese Art und Weise gebildet ist, wird von dem Substrat
abgelöst,
oder das Substrat wird aufgelöst.
Allerdings ist die Reproduzierbarkeit einer Bearbeitung des Substrats
niedrig, sodass Produkte mit unterschiedlichen Charakteristika der
Poren, wie beispielsweise den Dimensionen davon, und deshalb auch
der gesamten Leitfähigkeit,
in jedem Fall erhalten werden.
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Allerdings
ist es nicht klar, wie die Poren entsprechend dieser japanischen
Patentanmeldung erhalten werden.
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Die
vorliegende Erfindung basiert auf der allgemeinen Aufgabe, die vorstehenden
Nachteile zu vermeiden. Insbesondere ist es die Aufgabe der Erfindung,
elektrische Leiter zu schaffen, die einen Kontaktflächenbereich
mit großem
Umfang und einer guten Adhäsion
für aktives,
chemisches Material haben. Zusätzlich ist
es eine Aufgabe der Erfindung, eine alternative Art und Weise zum
Aufrauen des Leiters zu schaffen.
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Hierzu
ist, gemäß der Erfindung,
ein Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Leiters, wobei der Leiter
ein Kupfer enthaltendes Netzmaterial aufweist, dadurch gekennzeichnet,
dass das Verfahren die Schritte aufweist:
- a)
Verwendung einer galvanischen Abscheidung, um ein Kupferskelett
auf leitenden Teilen einer Galvanoformungs-Matrix in einem galvanischen
Abscheidungsbad abzuscheiden, und
- b) Entfernen des abgeschiedenen Kupferskeletts von der Galvanoformungs-Matrix,
- d) ein weiteres Anwachsen des Skeletts durch galvanisches Abscheiden
von Blei, um das Netzmaterial zu bilden,
wobei das Netzmaterial
eine Dichte von Öffnungen
besitzt, die in dem Bereich von 1–20.000/cm2 liegt.
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Für höhere Mesh-Zahlen
ist es vorteilhaft, einen Schritt c) eines weiteren Wachstums des
Skeletts durch galvanische Abscheidung nach dem Schritt b) anzuwenden.
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Das
Verfahren gemäß der Erfindung
weist nach Schritt c), oder nach Schritt b), wenn Schritt c) nicht angewandt
wird, weiterhin ein Anwachsen des Skeletts durch galvanische Abscheidung
von Blei, um Netzmaterial zu bilden, auf; zum Beispiel durch Einführen des
Netzmaterials in ein galvanisches Bad, das Bleimethansulfonat und
Methansolfonsäure
enthält.
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Bei
dem Verfahren gemäß der Erfindung
wird in einem ersten Schritt ein Skelett des Netzmaterials auf einer
Galvanoformungs-Matrix niedergeschlagen, die als Kathode verbunden
ist, von einem geeigneten, galvanischen Bad für das Niederschlagen des Kupfers.
Eine Galvanoformungs-Matrix dieses Typs, die, zum Beispiel, flach
oder zylindrisch sein kann, weist eine Oberfläche auf, die leitende Teile,
allgemein in der Form eines regelmäßigen Netzwerks von miteinander
verbundenen Metalldämmen,
umfasst, wobei die Däm me
durch nicht leitende Teile, hergestellt aus einem isolierenden Material,
zum Beispiel aus Fotoresist, begrenzt sind. Auf diese Art und Weise
wird ein Skelett aus Kupfernetzmaterial gebildet, wobei die Netzöffnungen
durch Kupferdämme
entsprechend zu dem Muster der Galvanoformungs-Matrix begrenzt sind.
In Abhängigkeit
von den Zuständen
kann ein bestimmtes, laterales Überwachsen über die
nicht leitenden Teile der Galvanoformungs-Matrix auftreten. Falls
es erwünscht
ist, kann, nachdem das Skelett entfernt ist, es weiter anwachsen, bis
es die erwünschte
Dicke erreicht, unter Berücksichtigung
der Erfordernisse in Bezug auf die Dichte von Löchern und einen Durchgangsflächenbereich
(offener Flächenbereich/gesamter
offener und geschlossener Flächenbereich).
Der offene Flächenbereich
des Netzmaterials, der erhalten ist, wird vorzugsweise mindestens gleich
zu einem minimalen offenen Flächenbereich
sein, der experimentell bestimmt ist, um die erwünschten, vorteilhaften Charakteristika
des Leiters zu erhalten. Je niedriger die Dichte der Löcher ist,
desto höher
ist der minimale offene Oberflächenbereich.
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Hier
sollte angemerkt werden, dass ein Verfahren zum Bilden eines Netzmaterials
durch Verdicken eines zuvor gebildeten, elektrisch leitenden Netzskeletts
durch einen Metallniederschlag in einem Elektrolysebad per se aus
der EP-A1-0 492 731 bekannt ist. Als Ausgangsmaterialien des elektrisch
leitenden Skeletts werden Nickel und Eisen in bevorzugten Ausführungsformen
genannt, während
im Prinzip alle elektrolytisch niederschlagbaren Metalle in dem
Verdickungsschritt verwendet werden können. Das Netzmaterial, das
so hergestellt ist, ist für
verschiedene Zwecke, wie beispielsweise Siebdrucken und Sieben,
geeignet. Obwohl Kupfer als eines der galvanisch niederschlagbaren
Metalle erwähnt
ist, wird es nicht beim Siebdrucken verwendet, da sich Kupfer in
der Druckfarbe und den Druckpasten, herkömmlich verwendet beim Siebdrucken, auflösen wird.
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Das
Kupferbad, das verwendet ist, kann ein herkömmliches, elektrolytisches
Bad, wie beispielsweise Säure-Cu-Bäder oder
Bäder,
mit einem Elektrolyt, wie beispielsweise Kupfersulfat, Kupfercyanit,
Kupferfluorborat, Kupferpyrophosphat, und dergleichen, sein. Ein
Beispiel eines Bads dieses Typs weist auf:
| CuSO4·5H2O | 150–250 g/l |
| H2SO4 | 50–100 g/l |
| CL– | 0–50 mg/l. |
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Die
Stromdichte liegt in dem Bereich von 1–70 A/dm2,
vorzugsweise bei 10–50
A/dm2.
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Wenn
Schritt c) nicht angewandt wird, liegt die Dicke des Skeletts, und
deshalb des Netzmaterials, vorzugsweise in dem Bereich von 10–45 Mikrometern.
Dieses Niveau einer Dicke liefert eine ausreichende Festigkeit,
um das Skelett von der Matrix zu entfernen.
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Die
Dimensionen und die Form der Öffnungen
können
variieren. In dem Fall von Öffnungen,
die im Querschnitt kreisförmig
sind, liegt der Durchmesser vorzugsweise in dem Bereich von 50–100 Mikrometern. Dieser
bevorzugte Bereich wird durch Faktoren, wie beispielsweise den offenen
Oberflächenbereich,
die Mesh-Zahl und die technische Durchführbarkeit, bestimmt.
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Wenn
der optionale Schritt c) angewandt wird, wird das Skelett weiter
durch herkömmliche
Niederschlagstechniken durch Niederschlagen eines Metalls, das vorzugsweise
aus der Gruppe ausgewählt
ist, die Ag, Zn, Cd, Ni, Pb und Cu, oder Legierungen, aufweist,
wobei Cu und Pb die bevorzugtesten Metalle dieser Gruppe sind, angewachsen.
Das Skelett wird in vorteilhafterweise weiterhin mit Cu in einem
galvanischen Bad angewachsen, wobei das Skelett (elektrisch) als
Kathode verbunden ist. Ein weiteres Wachstum des Skeletts mit Pb
kann durch Einführen
des Netzmaterials in ein galvanisches Bad, das Bleimethansulfonat
und Methansulfonsäure
enthält,
vorgenommen werden. Die Enddicke des Netzmaterials liegt dann vorteilhafterweise über 15 Mikrometer;
vorzugsweise indem Bereich von 20–70 Mikrometern, sodass das
Netzmaterial noch einfach zu deformieren ist, zum Beispiel um es
zu wickeln. In Bezug auf diese Deformation kann allgemein angegeben werden,
dass, je dünner
das Material ist, desto einfacher die Deformation ist.
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Weiterhin
stimmt das Wachstum, durchgeführt
durch Schritt d), mit der Bedingung 0,5 ≤ (a + b)/(c + d) ≤ 5 überein,
wobei a + b das weitere Wachstum in der Dickenrichtung des Skeletts
bezeichnet und c + d das weitere Wachstum in der Ebene des Skeletts
bezeichnet. Ein Netzmaterial, das mit der Bedingung übereinstimmt,
ermöglicht
das Aufbringen einer elektrisch leitenden Paste in den Netzöffnungen
von einer Seite aus. Falls die Werte höher sind, d. h. ein relativ
dickes, weiteres Wachstum, wird die Aufbringung von Paste, gerade von
zwei Seiten, schwieriger, mit einer hohen Wahrscheinlichkeit, dass
Luftblasen in die Paste eingeschlossen werden. Dies ist nicht in
Bezug auf die Leitfähigkeit
erwünscht.
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Dieses
weitere Wachstum kann durch Hinzufügen von Additiven (Aufhellungsmitteln)
zu der Zusammensetzung des galvanischen Abscheidungsbads, durch
Anwenden einer erzwungenen Strömung
von Flüssigkeit,
die zum Beispiel durch die Öffnungen
in dem Skelett hindurchführt,
und durch Einstellen der Stromdichte kontrolliert werden. Bei spiele
dieser Effekte sind in der EP-A-0,038,104, in dem Namen des vorliegenden
Anmelders, beschrieben.
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Ein
elektrischer Leiter, der unter Verwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung
hergestellt ist, besitzt keine scharfen Kanten und ist deshalb einfach
als eine Elektrode, verglichen mit geprägten oder gestanzten Elektrodenmaterialien,
handhabbar. Verglichen mit geätztem
Elektrodenmaterial ist ein elektrischer Leiter, hergestellt gemäß der Erfindung,
durch eine gleichförmigere
Dicke, Lochform und Lochgröße charakterisiert. Das
Verfahren gemäß der Erfindung
ermöglicht
auch die Herstellung von Elektroden mit feineren Gittern aus Öffnungen.
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Das
Netzmaterial führt,
wenn es als eine Elektrode verwendet wird, zu mehr Raum für aktives,
chemisches Material, und die Kontaktfläche zwischen Netzmaterial und
aktivem, chemischem Material ist größer. Zum Beispiel besitzt eine
Kupferfolie mit einer Dicke von 35 Mikrometern und einem Gitter
aus hexagonalen Öffnungen
mit 155 Mesh und einem offenen Oberflächenbereich von ungefähr 10% (ungefähr 3800 Öffnungen/cm2) einen zusätzlichen Kontaktoberflächenbereich
von ungefähr
15%, vergleichen mit festem Material.
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Weiterhin
wird dieser Kontaktoberflächenbereich
weiterhin durch den Aufrauungseffekt des Verfahrens gemäß der Erfindung
in Bezug auf die sich ergebende Oberfläche des Leiters verstärkt. Dieser
Aufrauungseffekt ist besonders stark dann, wenn Blei als eine Oberflächenschicht
niedergeschlagen wird. Allgemein hängt der Aufrauungseffekt von
den Bearbeitungszuständen
des Verfahrens gemäß der Erfindung
ab.
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Vorteile
werden während
der Montage der Elektrode erhalten, wie beispielsweise eine bessere
Adhäsion
des aktiven, chemischen Materials und die Möglichkeit eines Aufbringens
davon auf nur eine Seite, vergleichen mit Kupferprodukten, die derzeit
für diesen
Zweck verwendet werden.
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Die
Erfindung bezieht sich auch auf einen Solar-Kollektor, der einen
Strom-Kollektor aufweist, hergestellt aus einem galvanisch gebildeten
Netzmaterial, das ein Kupferskelett aufweist, wobei das Netzmaterial eine
Dichte aus Öffnungen
besitzt, die in dem Bereich von 1–20.000 Öffnungen/cm2 liegt.
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Die
elektrischen Leiter, hergestellt unter Verwendung des Verfahrens
gemäß der Erfindung,
können als
elektrisch leitendes Elektrodenmaterial in Batterien und Speicherbatterien
verwendet werden, umfassend Typen, die auf Lithium-Ionen, Lithium-Polymer, Nickel-Cadmium,
Nickel-Metallhydrid, Zink-Luft, Nickel-Zink und Blei basieren. Eine
andere mögliche
Anwendung ist diejenige als ein Strom-Kollektor in Solar-Kollektoren.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
erläutert,
in denen:
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1 stellt einen Querschnitt
eines weiter angewachsenen Skeletts gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung
dar;
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2–9 stellen
Beispiele eines Musters von Öffnungen
in einem Leiter, hergestellt gemäß der Erfindung,
dar;
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10 stellt den offenen Oberflächenbereich
als eine Funktion der Dichte von Löchern für eine Ausführungsform eines elektrischen
Leiters gemäß der Erfindung
dar.
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1 stellt einen Skelett-Damm 10 im
Querschnitt dar. Zur besseren Deutlichkeit, ist nur diese Skelett-Bahn
in schraffierter Form dargestellt. Dieses Skelett ist in der Art
und Weise hergestellt worden, die vorstehend gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung
beschrieben ist. Die ebene Unterseite des Skelett-Damms 10 ist
die Seite, die auf den Metall-Leitern der Galvanoformungs-Matrix
angewachsen worden ist, und umfasst eine Einprägung der Form des Leiters.
Nachdem das Skelett, das gebildet ist, von der Matrix, die angewandt ist,
entfernt worden ist, wird dieses Skelett weiterhin in einem galvanischen
Niederschlagsbad angewachsen, während
eine erzwungene Strömung
aus Flüssigkeit
durch die Öffnungen
des Skeletts beibehalten wird, um ein Netzmaterial mit Kupferdämmen 12 zu
bilden. Als Folge ist das weitere Wachstum in der Richtung der Strömung der
Flüssigkeit,
d. h. in der Dicken-Richtung des Skeletts, bezeichnet mit a und
b, größer als
das weitere Wachstum in einer Richtung senkrecht zu der Strömung der
Flüssigkeit,
in dieser Figur mit c und d bezeichnet.
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Die 2–9 stellen
Beispiele von Mustern von miteinander verbundenen, leitfähigen Dämmen 14 dar, die
durch nicht leitende Inseln 16 getrennt sind, wie dies
in einer Matrix erreicht werden kann, die in einem Verfahren gemäß dem ersten
Aspekt verwendet wird. Wie deutlich ersichtlich ist, können die
nicht leitenden Inseln 16, die den Öffnungen entsprechen, die gebildet
werden sollen, verschiedene Formen und Dimensionen annehmen, sogar
innerhalb eines Musters.
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Das
Muster, das in 9 gezeigt
ist, stellt ein Gitter mit schlitzförmigen Öffnungen 16 zwischen
Dämmen 14 dar,
wobei der Pfeil 32 die Orientierung einer hohen Leitfähigkeit
des Leiters anzeigt und der Pfeil 30 eine niedrige Leitfähigkeit
des Leiters, jeweils, anzeigt.
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Eine
solche Unterscheidung in der Leitfähigkeit durch das Muster des
Leiters ist dann von Interesse, wenn der Leiter in elektrischen
Werkzeugen und EV's
zum Beispiel verwendet wird.
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Tabelle
I stellt nachfolgend den maximalen, offenen Oberflächenbereich
als eine Funktion der Zahl von Löchern/cm2 für
Netzmaterialien mit einer Gesamtdicke von 20 Mikrometern dar, die
auf einer Galvanoformungs-Matrix mit einer minimalen Breite eines
Damms und 15 Mikrometern und einem hexagonalen Gitter hergestellt
worden sind, wie dies in 2 dargestellt
ist.
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10 stellt eine grafische
Darstellung dar, die diese Information zeigt. Ein Leiter gemäß der Erfindung
besitzt einen minimalen Wert für
den offenen Oberflächenbereich
(MINIMALER OFFENER OBERFLÄCHENBEREICH)
in Kombination mit einer spezifischen Dicke und Mesh-Zahl, da ansonsten
die Vorteile, verglichen mit festem Material, nur marginal sind.
Der maximale Wert wird durch die Technik, die eingesetzt ist, bestimmt.
Wie gesehen werden kann, kann der offene Oberflächenbereich erhöht werden,
was Vorteile insbesondere für
die höheren
Mesh-Zahlen (allgemein eine Dichte von Löchern, die größer als
oder gleich zu 10.000 ist) durch Herstellen des Netzmaterials in
zwei Schritten bietet. Offensichtlich muss, sogar dann, wenn das
Verfahren mit zwei Schritten verwendet wird, ein Leiter, der erhalten
ist, den Zustand erfüllen,
der sich auf den minimalen, offenen Oberflächenbereich bezieht.
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Der
maximale offene Oberflächenbereich
(OA) kann für
ein Netzmaterial mit einem hexagonalen Gitter durch Anwenden von
Formel 1 berechnet werden:
- Damm
- Dammbreite (μm)
- th
- Dicke des Skeletts
(μm)
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Der
maximale offene Oberflächenbereich
ist durch praktische Grenzen begrenzt.
