JP2022057593A

JP2022057593A - 集電体用アルミニウム合金箔

Info

Publication number: JP2022057593A
Application number: JP2020165924A
Authority: JP
Inventors: 祐一田中; Yuichi Tanaka; 成人佐藤; Shigeto Sato
Original assignee: UACJ Corp; UACJ Foil Corp
Current assignee: UACJ Corp; UACJ Foil Corp
Priority date: 2020-09-30
Filing date: 2020-09-30
Publication date: 2022-04-11

Abstract

【課題】リチウムイオン電池等の二次電池や電気二重層コンデンサなどの集電体として好適な特性を有する集電体用アルミニウム合金箔を提供する。【解決手段】集電体用アルミニウム合金箔は、１４０ＭＰａ以上の引張強さと、１．０％以上の伸びとを有している。集電体用アルミニウム合金箔の少なくとも一方の面における濡れ張力が２８ｍＮ／ｍ以上であり、かつ、算術平均粗さＲａが０．０５μｍ以上４．０μｍ以下である。【選択図】なし

Description

本発明は、集電体用アルミニウム合金箔に関する。

リチウムイオン電池等の二次電池や電気二重層コンデンサなどの集電体は、アルミニウム箔から構成されていることがある。例えば、リチウムイオン二次電池は、正極、セパレータおよび負極を有している。また、リチウムイオン二次電池の正極は、アルミニウム箔からなる正極集電体と、正極集電体の表面に固定された正極活物質とを有している。

リチウムイオン二次電池の正極は、例えば以下の方法により作製されている。まず、ＬｉＣｏＯ_２などの正極活物質と、カーボンなどの導電剤と、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）などの結着剤とを混合して正極合材を作製する。次いで、正極集電体の表面に、正極合材を５０～２００μｍ程度の厚みとなるように塗布し、乾燥させることにより正極活物質層を形成する。正極集電体としては、例えば、１０～３０μｍ程度の厚みを有するアルミニウム合金箔（アルミニウム合金硬質箔及びアルミニウム合金軟質箔を含む。以下同様である。）が用いられる。このようにして得られた正極シートにプレス、スリット加工及び裁断を順次行うことにより、正極を得ることができる。

また、前記の方法により作製された正極と、別途準備されたセパレータ及び負極とを重ね合わせた後に捲回し、電極捲回体を作製する。この電極捲回体をケースに収容することにより、リチウム二次電池を得ることができる。

前述した正極及びリチウムイオン二次電池の製造過程においては、生産性を向上させるため、正極集電体への正極合材の塗布から電池の組立までの工程が、正極集電体に高い張力を加えつつ高速で搬送しながら連続的に実施されることが多い。また、正極の製造過程において正極活物質層をプレスする際には、正極活物質層を十分に圧縮するために、正極に比較的高い圧力が加わる。それ故、正極集電体となるアルミニウム合金箔には、製造ライン内での破断や変形等を起こりにくくするため、高い強度や伸びが要求されている。

また、正極集電体上に正極合材を塗布する際に正極合材の塗布位置及び塗布量を精度よく制御するため、正極集電体となるアルミニウム合金箔の表面には、正極合材に対する濡れ性に優れていることが求められる。さらに、正極集電体上に正極活物質層を形成した後に正極活物質層が剥離すると、正極の製造における歩留まりの悪化を招いたり、正極が組み込まれた二次電池などの特性の劣化を招くおそれがある。これらの問題を回避するため、正極集電体となるアルミニウム合金箔の表面には、正極活物質層との密着性に優れていることが求められる。

集電体に用いられるアルミニウム合金箔としては、例えば特許文献１に、箔圧延後のアルミニウム箔に、１００～２００℃で５～１５分間保持する低温熱処理を施すことにより脱脂されており、箔表面のぬれ張力値は、２５℃における表面張力がＪＩＳＫ６７６８に記載された試験方法によって測定された値で、４０ｍＮ／ｍ以上であるアルミニウム合金箔が記載されている。

特開２００８－１５９２９７号公報

しかし、特許文献１のアルミニウム合金箔よりもさらに電極合材との濡れ性及び活物質層との密着性に優れたアルミニウム合金箔が強く望まれていた。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、リチウムイオン電池等の二次電池や電気二重層コンデンサなどの集電体として好適な特性を有する集電体用アルミニウム合金箔を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、引張強さが１４０ＭＰａ以上であり、
伸びが１．０％以上であり、
少なくとも一方の面における濡れ張力が２８ｍＮ／ｍ以上３５ｍＮ／ｍ以下であり、かつ、算術平均粗さＲａが０．０５μｍ以上４．０μｍ以下である、集電体用アルミニウム合金箔にある。

前記集電体用アルミニウム合金箔（以下、「アルミニウム箔」という。）は、前記特定の範囲の引張強さ及び伸びを有している。これにより、前記アルミニウム材は、電極の製造過程において付与される高い張力や高速の搬送等に容易に耐えることができる。

また、前記アルミニウム箔は、前記特定の範囲の濡れ張力及び算術平均粗さＲａを備えた表面を有している。かかる濡れ張力及び算術平均粗さＲａを備えた表面は、電極合材に対する濡れ性に優れているとともに、活物質層との密着力に優れている。

従って、前記の態様によれば、リチウムイオン電池等の二次電池や電気二重層コンデンサなどの集電体として好適な特性を有する集電体用アルミニウム合金箔を提供することができる。

前記アルミニウム箔の実施形態を詳説する。

（引張強さ及び伸び）
前記アルミニウム箔の引張強さは１４０ＭＰａ以上であり、伸びは１．０％以上である。前記アルミニウム箔の引張強さ及び伸びを前記特定の範囲とすることにより、電極の製造過程等において高い張力が加わったり、高速で搬送されたりする際にもアルミニウム箔の破断を抑制することができる。また、前記アルミニウム箔は高い強度と優れた延性とを有しているため、例えば、電極の製造過程において活物質層にプレスが施される際にも、アルミニウム箔の変形や破断を抑制することができる。

アルミニウム箔の引張強さ及び伸びのうち少なくとも一方が前記特定の範囲よりも小さい場合には、電極の製造過程等においてアルミニウム箔の破断や変形が起こりやすくなるおそれがある。

電極の製造過程等におけるアルミニウム箔の破断や変形をより効果的に抑制する観点からは、前記アルミニウム箔の引張強さは１５０ＭＰａ以上であることが好ましく、１６０ＭＰａ以上であることが好ましい。同様の観点から、前記アルミニウム箔の伸びは１．５％以上であることが好ましく、２．０％以上であることがより好ましい。

前記アルミニウム箔の引張強さ及び伸びは、ＪＩＳＺ２２４１：２０１１に規定された引張試験方法に準じた方法により測定される値である。具体的には、まず、アルミニウム合金箔の厚みを質量法により測定する。次いで、圧延方向と長手方向とが平行になるようにしてアルミニウム箔を幅１５ｍｍ、長さ１８０ｍｍの帯状に切断し、引張試験用の試験片を得る。

その後、引張試験機を用い、標点間距離５０ｍｍ、クロスヘッド速度１０ｍｍ／分の条件で引張試験を行い、得られた応力－ひずみ曲線に基づいて引張強さの値を決定すればよい。また、伸びの値は、得られた応力－ひずみ曲線に基づいて決定される破断点伸度の値である。引張試験機としては、例えば、島津製作所製万能試験機「ＡＧ－５ｋＮＸ」等を使用することができる。

（濡れ張力及び算術平均粗さＲａ）
前記アルミニウム箔の少なくとも一方の面は、２８ｍＮ／ｍ以上３５ｍＮ／ｍ以下の濡れ張力を有するとともに、０．０５μｍ以上４．０μｍ以下の算術平均粗さＲａを有している。前記アルミニウム箔は、表面または裏面のうちいずれか一方が前記特定の範囲の濡れ張力及び算術平均粗さＲａを有していてもよいし、表面及び裏面の両方が前記特定の範囲の濡れ張力及び算術平均粗さＲａを有していてもよい。

前記特定の範囲の濡れ張力及び算術平均粗さＲａを有する面は、電極合材に対する濡れ性に優れるとともに、活物質層との密着性にも優れている。それ故、アルミニウム箔の表面の濡れ張力と算術平均粗さＲａとの両方を前記特定の範囲とすることにより、所望の位置に所望の量の電極合材を塗布することが可能なアルミニウム箔とするとともに、アルミニウム箔と活物質層との密着性を向上させ、アルミニウム箔からの活物質層の剥離を抑制することができる。

アルミニウム箔の表面の濡れ張力が２８ｍＮ／ｍ未満の場合には、電極合材がアルミニウム箔上に濡れ広がりにくくなり、電極合材の塗布位置や塗布量等の制御が難しくなるおそれがある。電極合材との濡れ性を高める観点からは、アルミニウム箔の表面の濡れ張力の値を大きくすることが好ましい。しかし、アルミニウム箔の表面の濡れ張力を高めるためには、アルミニウム箔を作製した後に圧延油の洗浄などの工程を行う必要があり、アルミニウム箔の製造コストの上昇を招くおそれがある。アルミニウム箔の表面の濡れ張力を３５ｍＮ／ｍ以下とすることにより、圧延油の洗浄などの工程を行うことなく、電極合材に対する濡れ性を向上させることができる。

アルミニウム箔の表面の算術平均粗さＲａが０．０５μｍ未満の場合には、アルミニウム箔の表面が過度に平滑となり、活物質層との密着性の低下を招くおそれがある。また、アルミニウム箔の表面の算術平均粗さＲａが４．０μｍを超える場合には、アルミニウム箔に傷やピンホールが形成されやすくなるおそれがある。

アルミニウム箔の表面の濡れ張力の値は、ＪＩＳＫ６７６８：１９９９に規定された濡れ張力試験方法に準じた方法により得られる値である。より具体的には、アルミニウム箔の表面の濡れ張力の値は、ＪＩＳＫ６７６８：１９９９に準拠した濡れ張力試験用混合液を綿棒によりアルミニウム箔の表面に塗り広げ、塗布から２秒経過した時点の液膜の状態を目視評価することにより決定することができる。

アルミニウム箔の表面の算術平均粗さＲａの値は、ＪＩＳＢ０６０１－１９９４に準拠した方法により測定される値である。アルミニウム箔の表面の算術平均粗さＲａは、冷間圧延の際に形成されるオイルピットの大きさや分布密度、うねりの幅及び高さ等を反映したパラメータである。アルミニウム箔の表面の算術平均粗さＲａは、その製造過程において、圧延油の動粘度や圧延速度、ロール表面粗さ、仕上げ圧延率および圧延荷重等を適切に設定することによって所望の範囲に制御することができる。

（化学成分）
前記アルミニウム箔の化学成分は、前述した引張強さ及び伸びを実現することができる限り特に限定されることはない。例えば、前記アルミニウム箔は、Ｓｉ（シリコン）：０．０１質量％以上０．６質量％以下、Ｆｅ（鉄）：０．０３質量％以上２．０質量％以下、Ｃｕ（銅）：０．０００１質量％以上０．８質量％以下、Ｍｎ（マンガン）：０．０００１質量％以上１．７質量％以下を含有し、残部Ａｌおよび不可避的不純物からなる化学成分を有していてもよい。

・Ｓｉ：０．０１質量％以上０．６質量％以下
Ｓｉは、アルミニウム箔の強度を向上させる作用を有している。Ｓｉによる強度向上の効果を十分に奏する観点からは、Ｓｉの含有量は、０．０１質量％以上であることが好ましい。一方、Ｓｉの含有量が過度に多くなると、アルミニウム箔の伸びの低下を招くおそれがある。アルミニウム箔中のＳｉの含有量を好ましくは０．６質量％以下、より好ましくは０．３質量％以下とすることにより、伸びの低下を回避しつつアルミニウム箔の強度をより高めることができる。

・Ｆｅ：０．０３質量％以上２．０質量％以下
Ｆｅは、アルミニウム箔の強度を向上させる作用を有している。Ｆｅによる強度向上の効果を十分に奏する観点からは、Ｆｅの含有量は、０．０３質量％以上であることが好ましく、０．０４質量％以上であることがより好ましい。一方、Ｆｅの含有量が過度に多くなると、アルミニウム箔の製造過程において鋳造物を作製した際に、鋳造物中に粒径数百μｍを超える粗大なＡｌ－Ｆｅ系金属間化合物が晶出しやすくなる。このような粗大なＡｌ－Ｆｅ系金属間化合物は、アルミニウム箔にピンホールが形成される原因となり得る。粗大なＡｌ－Ｆｅ系金属間化合物の形成をより確実に回避する観点からは、Ｆｅの含有量は、２．０質量％以下であることが好ましく、１．６質量％以下であることがより好ましい。

・Ｃｕ：０．０００１質量％以上０．８質量％以下
Ｃｕは、アルミニウム箔の強度を向上させる作用を有している。Ｃｕによる強度向上の効果を十分に奏する観点からは、Ｃｕの含有量は、０．０００１質量％以上であることが好ましく、０．０００２質量％以上であることがより好ましい。一方、Ｃｕの含有量が過度に多くなると、鋳造の際に割れが発生しやすくなり、生産性の低下を招くおそれがある。かかる問題をより確実に回避する観点からは、Ｃｕの含有量は０．８質量％以下であることが好ましく、０．５質量％以下であることがより好ましく、０．２質量％以下であることがさらに好ましい。

・Ｍｎ：０．０００１質量％以上１．７質量％以下
Ｍｎは、アルミニウム箔の強度を向上させる作用を有している。Ｍｎによる強度向上の効果を十分に奏する観点からは、Ｍｎの含有量は、０．０００１質量％以上であることが好ましい。一方、Ｍｎの含有量が過度に多くなると、アルミニウム箔の製造過程において、鋳塊中に粗大な金属間化合物が形成されやすくなり、アルミニウム箔の箔圧延性の低下を招くおそれがある。かかる問題をより確実に回避する観点からは、Ｍｎの含有量は１．７質量％以下であることが好ましく、１．５質量％以下であることがより好ましく、１．４質量％以下であることがさらに好ましく、１．３質量％以下であることが特に好ましい。

・不可避的不純物
前記アルミニウム箔中には、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｂ、Ｖ、Ｚｒ等の不可避的不純物が含まれ得る。不可避的不純物としてのこれらの元素の含有量は、例えば、各元素について０．０２質量％以下である。また、これらの元素の含有量の合計は、０．１５質量％以下であることが好ましい。

（アルミニウム箔の製造方法）
前記アルミニウム箔の製造方法としては、前記特定の化学成分を有するアルミニウム合金板を準備し、前記アルミニウム合金板に箔圧延を施して前記アルミニウム箔を作製する方法を採用することができる。

前記アルミニウム合金板を準備する方法は特に限定されることはなく、種々の態様によりアルミニウム合金板を準備することができる。例えば、前記アルミニウム合金板を作製するに当たっては、半連続鋳造により前記特定の化学成分を有する鋳塊を作製した後、鋳塊に均質化処理、熱間圧延及び冷間圧延を施す方法を採用することができる。

また、前述した態様に替えて、例えば、連続鋳造法により連続鋳造板を作製した後、連続鋳造板に冷間圧延を施す方法を採用してもよい。

アルミニウム合金板を作製するに当たっては、必要に応じて、熱間圧延後の圧延板や冷間圧延の途中の圧延板を加熱して中間焼鈍を行ってもよい。中間焼鈍の具体的な態様としては、例えば、バッチ式焼鈍炉を用いて圧延板を２５０～４５０℃の温度に１～１０時間保持する態様や、連続式焼鈍炉を用いて圧延板を３８０～５８０℃の温度で１秒～３分間加熱する態様等を採用することができる。

このようにして準備されたアルミニウム合金板に箔圧延を施すことにより、前記アルミニウム箔を得ることができる。箔圧延を行った後、必要に応じてアルミニウム箔に最終焼鈍を施してもよい。

以上、前記集電体用アルミニウム合金箔の実施形態について説明したが、前記集電体用アルミニウム合金箔の具体的な態様は前述の実施形態の態様に限定されるものではなく、本発明の趣旨を損なわない範囲で適宜構成を変更することができる。

Claims

引張強さが１４０ＭＰａ以上であり、
伸びが１．０％以上であり、
少なくとも一方の面における濡れ張力が２８ｍＮ／ｍ以上であり、かつ、算術平均粗さＲａが０．０５μｍ以上４．０μｍ以下である、集電体用アルミニウム合金箔。