JP7083029B2 - 高温寸法安全性及び集合組職安全性を有する電解銅箔及びその製造方法 - Google Patents

高温寸法安全性及び集合組職安全性を有する電解銅箔及びその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は電解銅箔に関するもので、より詳しくはLi二次電池の製造工程の高温環境で高い寸法安全性及び集合組職安全性を有する電解銅箔及びその製造方法に関するものである。
携帯電話、ノートブック型パソコンなどの携帯用家電の使用増加とハイブリッド自動車の普及につれてLi二次電池の需要が急激に増加している。
リチウム二次電池において、陰極集電体の素材としては、主に電解銅箔が使われる。電解銅箔は電気メッキ法による製箔工程を介して製造される。電解銅箔の製造の際、生産条件を精密に制御しなければ、薄い薄膜を製造するときに発生し得るしわ又は引裂の不良が多量発生することになる。このような銅箔製品の不良は銅箔の生産時に製造コストを上昇させる主な原因となり、カール及びしわはLi二次電池の品質を低下させる主要因であり、全体的な製造コストを高める原因となることができる。
一方、製造された電解銅箔からLi二次電池を製造する工程においてもしわ又は引裂の現象が発生し得る。このような現象は銅箔自体の物性に起因するものもあるが、Li二次電池の製造環境又は製造環境に露出された電解銅箔の経時的変化に起因したものでもあり得る。
したがって、本発明はこのような関連技術の制限及び欠点に起因する問題点を防止することができる電解銅箔及びその製造方法に関するものである。
本発明の一観点は、二次電池の製造工程に露出されるとき、しわ及び/又は引裂の発生を減少させる電解銅箔を提供することである。
本発明の他の観点は、二次電池の製造工程に露出されるとき、しわ及び/又は引裂の発生を減少させる電解銅箔を製造する方法を提供することである。
このような本発明の一観点によって、第1表面及び前記第2表面を有する電解銅箔であって、前記電解銅箔は5℃/minの速度で30℃から190℃まで昇温させながら測定される熱膨張係数が17.1~22μm/(m・℃)であり、190℃で30分間の熱処理による(220)面半値全幅変動率が0.81~1.19であり、前記(220)面半値全幅変動率は次の数学式1によって計算され、
〔数学式1〕
(220)面半値全幅変動率=熱処理後(220)面半値全幅/熱処理前(220)面半値全幅
幅方向重量偏差が5%以下であることを特徴とする電解銅箔が提供される。
前記電解銅箔は、前記第1表面及び前記第2表面のRz差が0.65μm以下であり、前記第1表面及び前記第2表面のRa差が0.18μm以下であることが好ましい。
本発明で、前記電解銅箔は、前記第1表面を形成する第1保護層及び前記第2表面を形成する第2保護層を防錆層として含むことができる。
本発明で、前記電解銅箔の厚さは4~30μmであることが好ましい。
また、前記第1表面のRz及び第2表面のRzは2.5μm以下であることが好ましい。
本発明の他の観点によって、電解槽の電解液内に互いに離隔して配置された陽極板及び回転陰極ドラムの間に電流を印加して前記回転陰極ドラム上に銅膜を電気メッキして電解銅箔を製造する方法であって、前記電解液は、70~100g/Lの銅イオン、80~130g/Lの硫酸、55ppm以下のPb2+イオン、及び2~17ppmの4-メルカプトピリジン(4-mercaptopyridine)を含み、前記電解液内の全有機体炭素(TOC)含量が450ppm以下であり、前記陽極板と前記回転陰極ドラムとの間の間隔は5~15mmであり、前記陽極板と前記回転陰極ドラムとの間の最大間隔と最小間隔の差は0.2mm以下であることを特徴とする電解銅箔の製造方法が提供される。
本発明によれば、電解銅箔の製造工程で電解銅箔の物性を制御することにより、後続の二次電池製造環境でしわ及び/又は引裂の発生可能性を減少させることができる特性を有する電解銅箔を提供することができる。
本発明の実施例による電解銅箔の断面を示した模式図である。 本発明の電解銅箔製箔装置を模式的に示す図である。
以下、図面に基づいて本発明の好適な実施例を説明する。
電解銅箔の製造には、薄膜の特性を制御するために、多様な有機添加剤及び金属添加剤が使われる。このような有機添加剤及び金属添加剤は、電解メッキ工程で銅薄膜内に銅とともに共析する。一般に、銅の温度変化による寸法変化、つまり熱膨張係数(Coefficient of Thermal Expansion;CTE)は16.5μm/(m・℃)程度と知られている。しかし、銅薄膜の製造時に添加されて共析する添加剤成分によって、熱膨張係数は理論的な値とは差がある。よって、電解銅箔の製造時に添加される添加剤の種類及び濃度は後続のLi二次電池の製造工程を考慮して適切に制御する必要がある。
図1は本発明の実施例による電解銅箔の断面を示した模式図である。
図1を参照すると、電解銅箔110は、第1表面110a及び第2表面110bを備える。
前記電解銅箔110は、銅膜111を含む。選択的に、本発明の電解銅箔110は、前記第1表面110aを形成する第1保護層112、及び前記第2表面110bを形成する第2保護層113をさらに含むことができる。前記第1及び第2保護層112、113のそれぞれは防錆層であり得る。
本発明で、前記電解銅箔110は、所定の厚さ、例えば4~30μmの厚さを有する。銅箔の厚さが4μm未満の場合、電池製造工程の作業性低下をもたらし、30μmを超える場合、Li二次電池製造の際、銅箔の大きい厚さによって高容量の実現が難しくなる。
前記電解銅箔110は回転陰極ドラムで電気メッキによって形成される。電気メッキ過程で、前記回転陰極ドラムと直接接触する表面は、シャイニー面(S面)とその反対側のマット面(M面)とを有する。例えば、本発明で、前記第1表面110aはS面であり得、前記第2表面110bはM面であり得る。
二次電池の製造工程でしわ及び引裂の発生を抑制するために、本発明の電解銅箔110は制御された範囲の熱膨張係数を有する。
具体的に、本発明の電解銅箔は、Li二次電池製造工程の温度である30℃~190℃の温度区間で熱膨張係数が17.1~22μm/(m・℃)の値を有する。30℃~190℃の温度区間での熱膨張係数は5℃/minの速度で30℃から190℃まで昇温させながら測定することができる。この温度区間での熱膨張係数が17.1μm/(m・℃)未満の場合、温度上昇による寸法変化が小さくて二次電池の製造工程中に受ける熱及び外力によって引裂が発生し得る。一方、熱膨張係数が22μm/(m・℃)を超える場合には、Li二次電池の製造工程中に受ける熱による変形によって銅箔にしわが発生し得る。
また、本発明の電解銅箔は、二次電池の製造工程で受ける温度条件で結晶組織の変化が所定範囲内に維持される。具体的に、本発明は、電解銅箔の(220)面に対応するXRDパターン上の特徴ピーク(characteristic peak)の半値全幅(full width at half maximum)(以下、“(220)面半値全幅”)が所定範囲内の値に維持されるように制御する。
本発明で、電解銅箔は190℃で30分間熱処理した場合、第1表面110a及び第2表面110bの両方で、次の数学式で表される熱処理による(220)面半値全幅変動率が0.81~1.19であることが好ましい。
〔数学式1〕
(220)面半値全幅変動率=熱処理後(220)面半値全幅/熱処理前(220)面半値全幅
前記(220)面半値全幅の変動率が0.81~1.19の範囲を外れれば、熱履歴を受けた後、結晶粒の変動があまりにも大きくて、ロールツーロール工程で作業性が著しく低下する。具体的に、前記(220)面半値全幅変動率が1.19より大きくなれば、結晶粒があまりにも微細になってロールツーロール工程でしわが発生しやすく、0.81未満であれば、結晶粒があまりにも大きくなってロールツーロール工程で熱履歴を受けた後に張力が印加されれば、破れやすくなる。本発明で、電解銅箔の幅方向への重量偏差は5%以下に維持される。重量偏差が5%を超える場合、Li二次電池の製造工程のロールツーロール(Roll to Roll)工程で銅箔が張力を受ければ、重量偏差の大きい部分でしわが発生することになる。
また、本発明の電解銅箔は、M面及びS面の表面粗度が一定の範囲に維持される。本発明の明細書で、表面粗度はJIS B 0601(2001)規格にしたがって測定した値である。
本発明の電解銅箔は、第1表面110a及び第2表面110bのRz差が0.65μm以下であり得、第1表面110a及び第2表面110bのRa差が0.18μm以下であり得る。前記Rz差が0.65μmを超えるか又は前記Ra差が0.18μmを超える場合、陰極材のコーティングの後、第1表面110a及び第2表面110bで陰極材と銅箔との間の密着力に差が発生し、よって電極製造の後、密着力の大きい方向に電極が撓むことになる。また、本発明で、第1表面110a及び第2表面110bのそれぞれのRzは2.5μm以下であることが好ましい。前記Rzが2.5μmを超える場合、陰極材との密着力が低下することができる。
図2は本発明の電解銅箔製箔装置を模式的に示す図である。
図2に示すように、電解槽10内の電解液20内に互いに所定の間隔で離隔して配置された陽極板30及び回転陰極ドラム40が備えられる。回転陰極ドラム40は所定方向に回転し、回転陰極ドラム40と陽極板30との間に電源を印加すれば、電解液20を介して通電によってメッキがなされる。陰極ドラム40の表面にメッキされた銅膜110はガイドロール80を経て巻取ロール(図示せず)に巻き取られることができる。
前記電解銅箔を析出させる電解液20としては、硫酸銅電解液、ピロリン酸銅電解液又はスルファミン酸銅電解液などを使うことができる。本発明で、電解液としては、硫酸銅電解液が好ましい。
前記陽極板30は、互いに電気的に絶縁された第1陽極板31及び第2陽極板32を含むことができる。前記第1及び第2陽極板31、32によってそれぞれ提供される電流密度は30~80A/dmであり得る。
本発明の一実施例で、前記電解液20は70~100g/Lの銅イオン及び80~130g/Lの硫酸を含むことができる。
また、前記電解液20は有機添加剤をさらに含むことができる。前記有機添加剤としては、ヒドロキシエチルセルロース(HEC)、有機硫化物又は有機窒化物又はこれらの混合物を使うことができる。本発明では、前記有機添加剤として、好ましくは4-メルカプトピリジン(4-mercaptopyridine)を使うことができる。また、本発明の前記電解液20において、前記有機添加剤を含む全有機体炭素(Total Organic Carbon;TOC)の含量は450ppm以下に制限される。
本発明では、有機添加剤、特に4-メルカプトピリジン(4-mercaptopyridine)の濃度を調節して銅箔の(220)面半値全幅を調節することができる。好ましくは、4-メルカプトピリジン(4-mercaptopyridine)の濃度は2~17ppmであることが良い。後述するように、2ppm未満の4-メルカプトピリジン(4-mercaptopyridine)の濃度では、熱処理による(220)面半値全幅変動率が0.81未満になり、17ppmを超えるときには、1.19を超えることになる。
銅箔の(220)面半値全幅は、その他にも電流密度又は電解液流量などによって変動することができる。本発明で、印加される電流密度は30~80A/dmであり、前記電解液20の温度は50~70℃に維持され、前記電解槽10内に供給される前記電解液20の流量は35~46m/hourであることが好ましい。
また、本発明で、前記電解液20内のPb2+の濃度は55ppm以下であることが好ましい。本発明は、Li二次電池の製造工程中の温度変化による銅箔の熱膨張係数を管理するために、メッキ液内のPb2+の濃度を適正範囲に管理する。メッキ液内のPb2+の濃度が55ppmを超えれば、電解メッキされた銅箔にPb2+が一緒に析出して軟性が増加することになり、30℃~190℃の温度区間での熱膨張係数が22μm/(m・℃)を超えることになる。このために、動線にPbが含有されていないものを使うか、電解液に塩素を投入してPbイオンをPbClの形態に沈澱させることにより、メッキ液内のPb2+の濃度を所望範囲内に管理する。これにより、Pb2+が電解銅箔内に流入することを抑制することができる。
一方、銅箔の重量偏差を5%以下に管理するためには、回転陰極ドラム40と陽極板30との間の間隔は5~15mm範囲内で実質的に一定に維持しなければならない。また、回転陰極ドラム40と陽極板30との間の最大間隔と最小間隔の差は0.2mm以下に維持しなければならない。前記差が0.2mmを超える場合、製造された銅箔の幅方向重量偏差が5%を超えることになる。
メッキによって製造された銅膜はガイドロール80によって防錆処理槽50に投入される。本発明で、防錆処理溶液60はクロム酸塩を含む。クロム酸塩は、MCr(ここで、Mは1価金属)のような重クロム酸塩又はCrOのようなクロム酸に水酸化アルカリ及び酸の混合溶液を使うことができる。また、前記防錆処理溶液60は、ZnO又はZnSO・7HOなどの亜鉛塩をさらに含むことができる。必要によって、前記防錆処理溶液60には、シラン化合物又は窒素化合物のような有機添加剤をさらに含むことができる。
本発明で、防錆処理は、上述した浸漬方式の代わりに、電着方式で遂行することもできる。
以下、本発明の好適な実施例を詳述する。
<電解銅箔の製造>
図2に示したような装置を使い、電解槽内の電解液内に互いに離隔して配置された陽極板及び回転陰極ドラムに通電させることにより、前記回転陰極ドラム上に銅膜を形成した。
電解液は75g/Lの銅イオン及び105g/Lの硫酸から構成し、添加剤として4-メルカプトピリジン(4-mercaptopyridine)を添加した。また、塩素イオンを添加してPb濃度を調節した。
製造された銅箔の製箔条件を下記の表1に示した。
Figure 0007083029000001
製造された電解銅箔試片(実施例1~5及び比較例1~5)の特性を測定した。各特性に対する測定方法は次のようにした。
熱膨張係数
熱機械分析器(TMA)を使い、5℃/minの速度で30℃から190℃に昇温させながら銅箔試片の熱膨張係数を測定した。
(220)面半値全幅変動率
Cuターゲット(Cu Ka1線)、スキャン速度3°/min、2θ間隔0.01°にして、銅箔試片のM面に対してXRDパターンを得、得られたXRDパターンから(220)面ピークの半値全幅を求めた。
前記銅箔試片を190℃で30分間熱処理した後、同じ方法で(220)面半値全幅を求めた。次いで、次の式1によって熱処理による(220)面半値全幅変動率を計算した。
〔数学式1〕
(220)面半値全幅変動率=熱処理後(220)面半値全幅/熱処理前(220)面半値全幅
銅箔表面プロファイル
ミツトヨ社のSJ-310モデル、半径2μmのスタイラスチップを使い、測定圧力を0.75mNにし、JIS B 0601(2001)規格にしたがってRz及びRaを測定した。ここで、カットオフ(Cut off)長を除いた測定長は4mmであり、カットオフ長は初期と末期にそれぞれ0.8mmにし、それぞれ3回測定した値の平均を取った。
銅箔試片のM面及びS面に対し、Rz及びRaをそれぞれ測定した後、その差値を計算した。
幅方向重量偏差
電解銅箔の幅方向に沿って位置する左側地点、中央地点、及び右側地点から5cm×5cmのサイズのサンプルをそれぞれ取った後、これら3個のサンプルの重量をそれぞれ測定した。次いで、前記測定値の算術平均及び標準偏差を求め、下記の式2によって重量偏差を算出した。
〔数学式2〕
重量偏差(%)=(標準偏差/算術平均)×100
引裂/しわの発生有無
下記の実施例のような陰極製造条件で二次電池の製造工程のロールツーロール工程で陰極の引裂としわが発生するかを肉眼で観察した。
電極の撓み
下記の実施例のように陰極を製造した後、電極が5mm以上一面側に撓む場合、不良と判定した。電極製造の後、10×10cmに電極を切断し、平らなガラス板に載せ、水平なガラス板と4角の高さをそれぞれ測定した平均値を電極の撓み値とする。このように、両面に対して撓みを測定した後、両面のうちより高い撓み値を該当電極の撓み値とした。
<陰極の製造>
前述した実施例及び比較例で製造された電解銅箔から幅10cmの集電体を準備した。集電体上に陰極活物質用として市販される人造黒鉛及びSiO 100重量部に対してSBR(スチレンブタジエンゴム)2重量部及びCMC(カルボキシメチルセルロース)2重量部を混合し、蒸溜水を溶剤としてスラリーを製造した。
次いで、電解銅箔試片を載せた後、しわなどがないように広げておき、銅箔上に、バーコーター(Bar coater)を使い、陰極材ローディング(Loading)量が9.0±0.5mg/cmとなるようにコーティングした。ここで、バーコーターの速度は10~15mm/sの速度にして実施した。陰極材がコーティングされた銅箔を100℃で15分間乾燥し、乾燥された銅箔試片を、ロールプレスを使い、電極密度1.55±0.05g/ccとなるように4段プレスして陰極を製造した。
<Li二次電池の製造>
エチレンカーボネート(EC)及びエチルメチルカーボネート(EMC)を1:2の比率で混合した非水性有機溶媒に溶質としてLiPFを1Mの濃度に溶解させたものを基本電解液とし、この基本電解液99.5重量%と無水コハク酸(Succinic anhydride)0.5重量%を混合して非水電解液を製造した。
Li1.1Mn1.85Al0.05のリチウムマンガン酸化物とo-LiMnOの斜方晶系(orthorhombic)結晶構造のリチウムマンガン酸化物を90:10の重量比で混合して陽極活物質を製造した。前記陽極活物質とカーボンブラックを結着剤のPVDF[Poly(vinylidenefluoride)]と85:10:5の重量比にして有機溶媒のNMPと混合してスラリーを製造した。製造されたスラリーを厚さ20μmのAl箔(foil)の両面に塗布してから乾燥して陽極を製造した。製造された陽極、陰極及び電解液からLi二次電池セルを製造した。
下記の表2は本発明の実施例によって製造された電解銅箔試片の物性測定結果を示した表である。
Figure 0007083029000002
表2を参照すると、実施例1~5によって製造された電解銅箔試片は熱膨張係数が17.1~22.0μm/(m・K)であり、(220)面半値全幅変動率が0.81~1.19であった。このような熱膨張係数を有する試片は二次電池の製造工程で引裂又はしわが発生しない良好な状態を維持した。これに対し、比較例1の試片は17.00μm/(m・K)の熱膨張係数を示し、このような低い熱膨張係数によって二次電池の製造工程で引裂現象が発生した。比較例2の試片は22.20μm/(m・K)の高い熱膨張係数を示し、これからしわ現象が発生することが分かる。また、比較例3及び4の試片はそれぞれ適正範囲の熱膨張係数を有するが、(220)面半値全幅変動率が所定範囲を離脱してそれぞれ引裂又はしわ現象が発生することが分かる。
また、比較例5の場合、実施例5と類似の値の熱膨張係数及び(220)面半値全幅変動率を有するが、試片が高い重量偏差値を有することによってしわ現象を示した。
一方、比較例1~5の銅箔試片は、M面及びS面のRz差が所定範囲(0.3~0.65)を離脱するか、M面及びS面のRz差が所定範囲(0.05~0.18)を離脱し、これは電極撓み現象を誘発することになることが分かる。
以上、本発明の実施例に基づいて本発明を詳述したが、前述した実施例は本発明の技術思想を例示的に説明したものに過ぎないもので、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者であれば、本発明の本質的な特性から逸脱しない範囲内で多様な修正及び変形が可能であることが分かるであろう。したがって、本発明に開示された実施例は本発明の技術思想を限定するためのものではなくて説明するためのものであり、このような実施例によって本発明の技術思想の範囲が限定されるものではない。本発明の保護範囲は下記の請求範囲によって解釈され、それと同等な範囲内にある全ての技術思想は本発明の権利範囲に含まれるものに解釈されなければならないであろう。

Claims (6)

  1. 第1表面及び第2表面を有する電解銅箔であって、
    前記電解銅箔は5℃/minの速度で30℃から190℃まで昇温させながら測定される熱膨張係数が17.1~22μm/(m・℃)であり、
    190℃で30分間の熱処理による(220)面半値全幅変動率が0.81~1.19であり、前記(220)面半値全幅変動率は次の数学式1によって計算され、
    〔数学式1〕
    (220)面半値全幅変動率=熱処理後(220)面半値全幅/熱処理前(220)面半値全幅
    幅方向重量偏差が5%以下であることを特徴とする、電解銅箔。
  2. 前記電解銅箔は、前記第1表面及び前記第2表面のRz差が0.65μm以下であり、前記第1表面及び前記第2表面のRa差が0.18μm以下であることを特徴とする、請求項1に記載の電解銅箔。
  3. 前記電解銅箔は、前記第1表面を形成する第1保護層及び前記第2表面を形成する第2保護層を防錆層として含むことを特徴とする、請求項1に記載の電解銅箔。
  4. 前記電解銅箔の厚さは4~30μmであることを特徴とする、請求項1に記載の電解銅箔。
  5. 前記第1表面のRz及び第2表面のRzは2.5μm以下であることを特徴とする、請求項1に記載の電解銅箔。
  6. 電解槽の電解液内に互いに離隔して配置された陽極板及び回転陰極ドラムの間に電流を印加して前記回転陰極ドラム上に銅膜を電気メッキして電解銅箔を製造する方法であって、
    前記電解液は、70~100g/Lの銅イオン、80~130g/Lの硫酸、55ppm以下のPb2+イオン、及び2~17ppmの4-メルカプトピリジン(4-mercaptopyridine)を含み、
    前記電解液内の全有機体炭素(TOC)含量が450ppm以下であり、
    前記陽極板と前記回転陰極ドラムとの間の間隔は5~15mmであり、
    前記陽極板と前記回転陰極ドラムとの間の最大間隔と最小間隔の差は0.2mm以下であることを特徴とする、電解銅箔の製造方法。
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