JP2004522856A - 電気導体、太陽集熱器、電気化学セルの製造方法およびこのような方法で製造した導体の使用 - Google Patents

Abstract

バッテリ、蓄電池、および太陽集熱器で使用する導体を電解によって製造する。本発明によれば、銅含有スクリーン材料からなるこのタイプの電気導体の製造方法は、電着によって電着浴中の電鋳型の導電部に銅骨格を被着させるステップと、被着させた銅骨格を電鋳型から取り外すステップと、また望むならさらに骨格を成長させるステップを含む。このスクリーン材料の開口密度は１〜２０，０００／ｃｍ^２の範囲内であり、定義された最小値よりも大きい開表面積を与える。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギー変換装置での使用に適した電気導体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
バッテリおよび蓄電池の電流導体として使用する、望むならニッケルメッキしていてよい銅スクリーン材料は、それ自体が当技術分野で知られている。例えば、米国特許第４，３２８，２９３号は、電気化学セル（変換器）の正極を開示しており、その電極は、例えばニッケルメッキした多孔の銅ストリップからなる伝導性基材で構成されている。さらに、米国特許第４，２２８，２２４号は、正極で用いられる８０メッシュの銅スクリーン材料を開示している。
【０００３】
電極として使用されるこれらのスクリーン材料は、通常固体の銅ストリップを型打ち／打ち抜きまたはエッチングして成形する。しかし、型打ちや打ち抜き後に尖ったギザギザのあるまたは切断した端面が残り、それらはその後の加工や取り扱いで問題を起こす。エッチングはあまり正確でないプロセスであり、そのため厚さおよび空孔径の均一性が不十分である。さらに、これらの製造技法は、単位表面積当りの開口数に望ましくない制限があり、それはボリュームに関して、また電解質ペーストなど活性な化学物質を塗布する接触面に関して、また接着に関して不利である。
【０００４】
特開昭５１−１３６５３５から、例えば銅などの多孔質金属箔を電極材料として用いることが知られており、それは機械的に粗面化させた基材の電鋳によって得られ、数十から数百マイクロメートルの厚さの金属箔を形成する。このような方法で形成した箔を基材から剥離し、あるいは基材を溶解させる。しかし、基材の機械加工再現性は低く、その結果大きさなど細孔の特徴が異なり、したがって全体的な導電性の特徴も異なる製品がその都度得られる。さらに、この日本特許出願によれば、どのようにして細孔が得られたのかはっきりしない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記の欠点を防止するという全般的な目的に基づくものである。詳細には、本発明の目的は、大きなボリュームと、活性な化学物質に対する接触表面積および優れた接着性を有する電気導体を提供することである。さらに、本発明の目的は、導体を粗面化する代替法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目的を達成するために、本発明によれば、銅含有スクリーン材料からなる電気導体の製造方法は、以下のステップを含み、
ａ）電着によって電着浴中の電鋳型の導電部に銅骨格を被着させ、かつ
ｂ）被着させた銅骨格を電鋳型から取り外す
このスクリーン材料は１〜２０，０００／ｃｍ^２の範囲内の開口密度を有することを特徴とする。
【０００７】
より大きいメッシュ数のものには、ステップｂ）の後に電着させ、骨格をさらに成長させるステップｃ）を適用すると有利である。
【０００８】
好ましくは、本発明による方法は、ステップｃ）の後に鉛を電着させ、骨格をさらに成長させてスクリーン材料を形成するステップｄ）を含む。例えば、スクリーン材料をメタンスルホン酸鉛とメタンスルホン酸を含む電着浴に入れて電着させる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明による方法では、最初のステップで、スクリーン材料の骨格を、銅の析出に適した電着浴によって、陰極として接続された電鋳型に被着させる。このタイプの電鋳型は、例えば平らなまたは円柱状であってもよく、一般に金属バンクが相互に連結した規則的な網状組織の形で導電部を含む表面からなる。このバンクは、例えばフォトレジストなどの絶縁材で作られた非導電部で境界が定められている。このようにして銅スクリーン材料の骨格が形成され、スクリーンの開口部は電鋳型のパターンに相当する銅バンクで境界が定められる。条件によっては、電鋳型の非導電部上である種の横方向過剰成長が起こるかもしれない。望むなら、骨格を取り外した後、空孔密度および通路面積（開表面積／開表面積と閉表面積の合計）に関する要件を考慮して、その骨格を所望の厚さに達するまでさらに成長させてもよい。得られたスクリーン材料の開表面積は、好ましくは少なくとも最小開表面積と同等なはずであり、それを導体の所望の有利な特徴を得るために実験で決定する。空孔密度が低いほど、最小開表面積が大きい。
【００１０】
ここで、あらかじめ形成した導電性篩骨格を、電解槽中で金属を析出させて厚くすることによって篩材料を形成する方法自体が、ＥＰ−Ａ１−０ ４９２ ７３１で知られていることに留意されたい。好ましい実施形態では、導電性骨格の出発物質としてニッケルと鉄が記載されているが、原則として、電解析出可能な金属はすべて肥厚ステップで使用できる。このようにして形成した篩材料は、スクリーン印刷や篩分析など様々な目的に適している。銅は電解析出可能な金属の１つとして記載されているが、銅は、スクリーン印刷に好都合に使用される印刷インクおよびペーストに溶解するので、印刷スクリーンには用いられていない。
【００１１】
使用する銅浴は、酸性Ｃｕ浴、または硫酸銅、シアン化銅、フルオロホウ酸銅、ピロリン酸銅などの電解質浴といった従来の電着浴であってよい。このタイプの浴の一例には以下のものが含まれる。
【００１２】
ＣｕＳＯ_４・５Ｈ_２Ｏ １５０〜２５０ ｇ／ｌ
Ｈ_ＳＳＯ_４ ５０〜１００ ｇ／ｌ
Ｃｌ⁻ ０〜５０ ｍｇ／ｌ
電流密度は、１〜７０Ａ／ｄｍ^２、好ましくは１０〜５０Ａ／ｄｍ^２である。
【００１３】
ステップｃ）を適用しない場合は、骨格の厚さは、したがってスクリーン材料の厚さは、好ましくは１０〜４５マイクロメートルである。この厚さのレベルは、骨格を型から取り外すのに十分な強度を与える。
【００１４】
開口の大きさと形状は様々であってよい。断面が円形の開口に関しては、好ましくは直径が５０〜１００マイクロメートルの範囲内にある。この好ましい範囲は、開表面積、メッシュ数および技術的可能性などの要因によって決定する。
【００１５】
任意選択のステップｃ）を適用する場合、従来の析出技術によって、好ましくはＡｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｎｉ、ＰｂおよびＣｕまたは合金からなる群から選択される金属の析出によって、骨格をさらに成長させる。ＣｕおよびＰｂが、この群のより好ましい金属である。この骨格を有利には、（電気で）その骨格を陰極として接続して、電着浴中でＣｕでさらに成長させる。メタンスルホン酸鉛とメタンスルホン酸を含む電着浴中にスクリーン材料を入れることによって、Ｐｂでこの骨格をさらに成長させることができる。そうすると、スクリーン材料の最終的な厚さは、有利には１５マイクロメートルより大きく、好ましくは２０〜７０マイクロメートルであり、したがってスクリーン材料は依然として変形しやすく、例えば曲がりやすい。この変形に関しては、一般論として、材料が薄いほど変形が容易であると言うことができる。
【００１６】
有利には、ステップｃ）によって、かつ該当する場合ステップｄ）によって実現されるさらなる成長は、条件０．５≦（ａ＋ｂ）／（ｃ＋ｄ）≦５に従う。式中、ａ＋ｂは骨格の厚さ方向のさらなる成長を示し、ｃ＋ｄは骨格の平面方向のさらなる成長を示す。この条件に従うスクリーン材料は、導電性ペーストを片側からスクリーン開口部に塗布することができる。値がさらに高い場合、すなわち比較的厚くさらに成長させた場合、両側からでもペーストを塗布することが困難になり、ペースト中に気泡が含まれる可能性が高い。これは、伝導性に関して望ましくない。
【００１７】
このさらなる成長は、電着浴の組成物に添加剤（光沢剤）を加えることによって、例えば骨格の開口部を通る液体の強制流を適用することによって、また電流密度を調節することによって制御できる。これらの効果の例は、本出願人の名義でＥＰ−Ａ−０，０３８，１０４に記載されている。
【００１８】
本発明による方法を用いて製造した電気導体は、尖った端面が少しもなく、したがって、打ち抜いたまたは型打ちした電極材料に比べて電極として取り扱いやすい。エッチングした電極材料に比べて、本発明に従って製造した電気導体は、厚さ、空孔の形状および空孔径がより均一なことを特徴とする。本発明による方法はまた、開口部のグリッドがより微細な電極の製造を可能にする。
【００１９】
電極として用いる場合、スクリーン材料は活性な化学物質により多くのスペースをもたらし、スクリーン材料と活性な化学物質との接触面はより大きい。例えば、厚さが３５マイクロメートル、六角形の開口部のグリッドが１５５メッシュ、開表面積が約１０％（約３８００開口／ｃｍ^２）の銅箔は、固体材料に比べて約１５％多い接触表面積を有する。
【００２０】
さらに、この接触表面積は、本発明による方法の、得られた導体表面への粗面化効果によってさらに増大している。この粗面化効果は、表層として鉛を析出させた場合に特に強い。一般に、粗面化効果は、本発明による方法の作業条件に左右される。
【００２１】
また、この目的で現在使用されている銅製品に比べて勝る、活性な化学物質のより優れた接着性や片側にだけ塗布できる可能性などの利点は、電極を組み立てる間に得られる。
【００２２】
本発明はまた、銅骨格を含む、開口密度が１〜２０，０００開口／ｃｍ^２の範囲内の電鋳したスクリーン材料で作られた集電器を含む太陽集熱器に関する。
【００２３】
本発明はさらに、銅骨格を含む、開口密度が１〜２０，０００開口／ｃｍ^２の範囲内の電鋳したスクリーン材料で作られた電極を含む電気化学セルに関する。
【００２４】
本発明による方法を用いて製造した電気導体は、リチウムイオン、リチウムポリマー、ニッケルカドミウム、ニッケル水素、亜鉛空気、ニッケル亜鉛および鉛に基づいたタイプを含むバッテリおよび蓄電池の導電性電極材料として使用できる。考えられる別の応用例は、太陽集熱器中の集電器としての応用例である。
【００２５】
添付の図を参照して、本発明を以下に説明する。
【００２６】
図１を参照すると、この図は骨格バンク１０の断面を示す。明確にするために、この骨格の薄い金属板だけを網掛けした形で示してある。この骨格は、本発明の第１の態様に基づいて上記の方法で製造した。骨格バンク１０の平面状の下面は、電鋳型の金属導体上で成長させた面であり、いわばその導体形状の印象を含む。形成した骨格を使用した型から取り外した後、骨格の開口部を通る液体の強制流を維持しながら、この骨格を電着浴中でさらに成長させて、銅バンク１２を含むスクリーン材料を形成する。その結果、液体の流れ方向、すなわちａとｂで示した骨格の厚さ方向へのさらなる成長は、この図ではｃとｄで示した液体の流れに垂直な方向へのさらなる成長よりも大きくなる。
【００２７】
図２〜９は、第１の態様による方法で使用する型中で形成することができる非伝導性の島１６で分離した、相互に連結した伝導性のバンク１４のパターンの例を示す。はっきりと明らかなように、形成すべき開口に対応する非伝導性の島１６は、パターン内でも様々な形状や大きさをとることができる。
【００２８】
図９に示したパターンは、バンク１４の間にある長穴形状の開口１６を含むグリッドを示し、そこで矢印３２は導体の高伝導度の配向を、矢印３０は導体の低伝導度の配向をそれぞれ示す。例えば、導体を電動工具やＥＶで使用する場合には、導体のパターンによるこうした伝導度の識別は重要である。
【００２９】
以下の表Ｉには、図２に示した六角形のグリッドを含む、最小バンク幅が１５マイクロメートルの電鋳型上で製造した、合計厚さ２０マイクロメートルのスクリーン材料の最大開表面積を、空孔数／ｃｍ^２の関数として示す。
【００３０】
【表１】
【００３１】
図１０は、このデータを表すグラフである。本発明による導体は、特定の厚さおよびメッシュ数と組み合わせて開表面積が最小値を有する（最小開表面積）。そうしない場合には固体材料と比較した利点がほんのわずかになるからである。使用する技術によって、最大値が決まる。図に示すように、２段階でスクリーン材料を形成することによって、開表面積を増大させることができ、それは特に、より大きいメッシュ数（一般に、空孔密度１０，０００以上）で利点をもたらす。明らかに、２段階法を用いた場合でさえ、得られる導体は、最小開表面積に関する条件に従わなければならない。
【００３２】
最大開表面積（ＯＡ）は、六角形のグリッドを含むスクリーン材料では式１を適用して計算することができる。
【００３３】
【数１】
最大開表面積は、実際上の諸制限によって範囲が定められている。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１の態様に基づいてさらに成長させた骨格のバンク断面を示す図である。
【図２】本発明に基づいて製造した導体の開口パターンの例を示す図である。
【図３】本発明に基づいて製造した導体の開口パターンの例を示す図である。
【図４】本発明に基づいて製造した導体の開口パターンの例を示す図である。
【図５】本発明に基づいて製造した導体の開口パターンの例を示す図である。
【図６】本発明に基づいて製造した導体の開口パターンの例を示す図である。
【図７】本発明に基づいて製造した導体の開口パターンの例を示す図である。
【図８】本発明に基づいて製造した導体の開口パターンの例を示す図である。
【図９】本発明に基づいて製造した導体の開口パターンの例を示す図である。
【図１０】本発明による電気導体の実施形態について、開表面積を空孔密度の関数として示した図である。

【０００８】
本発明による方法は、ステップｃ）の後に、又はステップＣ）が用いられない場合はステップｂ）の後に、鉛を電着させ、骨格をさらに成長させてスクリーン材料を形成するステップｄ）を含む。例えば、スクリーン材料をメタンスルホン酸鉛とメタンスルホン酸を含む電着浴に入れて電着させる。

【００１６】
有利には、ステップｄ）によって実現されるさらなる成長は、条件０．５≦（ａ＋ｂ）／（ｃ＋ｄ）≦５に従う。式中、ａ＋ｂは骨格の厚さ方向のさらなる成長を示し、ｃ＋ｄは骨格の平面方向のさらなる成長を示す。この条件に従うスクリーン材料は、導電性ペーストを片側からスクリーン開口部に塗布することができる。値がさらに高い場合、すなわち比較的厚くさらに成長させた場合、両側からでもペーストを塗布することが困難になり、ペースト中に気泡が含まれる可能性が高い。これは、伝導性に関して望ましくない。

Claims (10)

1. ａ）電着によって、電着浴中で電鋳型の導電部（１４）に銅骨格（１０）を被着させるステップと、
   ｂ）被着させた銅骨格（１０）を電鋳型から取り外すステップとを含む、
   開口密度が１〜２０，０００／ｃｍ^２の範囲内の銅含有スクリーン材料（１２）からなる、エネルギー変換装置での使用に適した電気導体の製造方法。
2. ステップｂ）の後に、電着によって骨格（１０）をさらに成長させてスクリーン材料（１２）を形成するステップｃ）を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. ステップｃ）の後に、鉛の電着によって骨格（１０）をさらに成長させてスクリーン材料（１２）を形成するステップｄ）を含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 骨格（１０）の厚さが１０〜４５マイクロメートルであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. スクリーン材料（１２）の開口直径が５０〜１００マイクロメートルであることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. ステップｃ）で、Ａｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｎｉ、好ましくはＣｕおよびＰｂ、またはその合金からなる群から選択される金属の析出によって、骨格（１０）をさらに成長させることを特徴とする請求項２または３に記載の方法。
7. ステップｃ）で、また該当する場合、ａ＋ｂが骨格の厚さ方向のさらなる成長を示し、ｃ＋ｄが骨格（１０）の平面方向のさらなる成長を示すものとして、さらなる成長が、条件０．５≦（ａ＋ｂ）／（ｃ＋ｄ）≦５に従うことを特徴とする請求項２または３に記載の方法。
8. 銅骨格を含む、開口密度が１〜２０，０００開口／ｃｍ^２の範囲内の電鋳したスクリーン材料で作られた集電器を含む太陽集熱器。
9. 銅骨格を含む、開口密度が１〜２０，０００開口／ｃｍ^２の範囲内の電鋳したスクリーン材料で作られた電極を含む電気化学セル。
10. 請求項１から７のいずれか一項に記載の方法を用いて得られた電気導体の、バッテリ、蓄電池または太陽集熱器での使用。