KR101612473B1 - 화학적으로 처리된 알루미늄제 또는 알루미늄 합금제 전류 집전체 포일 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 전류 집전체 포일과, 전지 또는 축전지, 특히 리튬-이온 축전지용 전류 집전체 포일의 용도와, 전류 집전체 포일을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. 전도도와 인장 강도와 관련하여 매우 양호한 특성을 구비하고 경제적으로 또한 제조될 수 있는 전류 집전체 포일을 제공하는 목적은, 전류 집전체 포일이 산-세정되거나 알칼리-세정된 표면 구비하는 구성에 의하여 달성된다.

Description

화학적으로 처리된 알루미늄제 또는 알루미늄 합금제 전류 집전체 포일{CHEMICALLY TREATED CURRENT COLLECTOR FOIL PRODUCED OF ALUMINUM OR AN ALUMINUM ALLOY}
본 발명은, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 전류 집전체 포일과, 전지(battery) 또는 축전지(accumulator), 특히 리튬-이온 축전지를 위한 전류 집전체 포일의 용도와, 전류 집전체 포일을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
전류 집전체 포일은 흔히 알루미늄 포일로 이루어지고, 일반적으로 금속 산화물, 예를 들면 리튬 코발트(III) 산화물로 이루어진 피막을 추가로 구비한다. 알루미늄 포일은 이하에서 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 포일을 의미하기 위한 것으로 이해되어야 한다. 제조 중에, 예를 들면 압연 작업 중에 마찰 효과, 압연기 마모 또는 압연 제품의 점착을 최소화하기 위하여, 알루미늄 포일은 압연 공정 중에 일반적으로 압연유(rolling oil)로 습윤된다. 그러나, 그 후에 알루미늄 포일의 사용 전에, 압연유는 일반적으로 다시 제거되어야 한다. 특히, 리튬-이온 축전지를 위한 알루미늄 포일의 용도, 예를 들면 전류 집적 포일로서의 용도와 관련하여, 알루미늄 포일의 품질은 제조된 리튬-이온 축전지의 품질에 영향을 미친다. 종래 기술로부터, 포일 권취체(foil winding), 이른바 "코일"을 열처리함으로써, 압연유로 피복된 알루미늄 포일을 정화, 특히 탈지하는 것이 공지되어 있다. 그러나, 압연-경화된 포일(hard-rolled foil)은 온도와 처리 시간에 따라 연화되고 재결정된다. 알루미늄 포일은 상당량의 강도를 상실하고 처리하기가 더욱 곤란해진다. 또한, 열처리의 결과로서, 온도와 산소의 영향으로 인하여 산화물 층은 두꺼워지고 전류 집전체 포일의 전기 저항 증가를 야기한다. 압연유가 완전히 제거되지 않으면, 금속 산화물 층의 부착과 관련된 문제에 직면할 수도 있다.
연화의 문제를 해결하기 위하여, 미국 공개 특허 공보 제US 2009/0269609호에는 80oC와 160oC 사이의 온도에서 열처리를 실시하는 것이 제안되어 있다. 그러나, 온도, 코일의 권취 구조 및 알루미늄 포일의 표면 조도에 의존하여, 열처리는 포일 권취체로부터 압연유를 완전히 제거할 수는 없는 것으로 밝혀졌다. 특히, 80oC 내지 160oC의 낮은 온도에서는, 압연유 잔사(residue)가 알루미늄 포일 상에 잔류할 위험이 있으며, 이는 후속 처리, 예를 들면 금속 산화물 피복에 있어서 문제가 된다.
또한, 예를 들면 코일-투-코일(coil-to-coil) 방법으로 알루미늄 스트립을 산 또는 알칼리 세척하는 것이 공지되어 있다. 알루미늄 스트립은 일반적으로 두께가 100μm보다 크고, 통상적으로 200μm보다 크다. 그러나, 전류 집전체 포일은 습식-화학적 방법에 의하여 미리 세척된 알루미늄 스트립보다 2배 내지 8배 이상 얇다.
예를 들어, 축전지에 사용되는 알루미늄 전류 집전체가 일본 공개특허공보 제2008-258010호에 공지되어 있다. 압연 후에 알루미늄 포일을 세정하기 위하여 탈지 처리가 실행되며, 산 및 염기가 사용될 수 있다. 산 및 염기는 재료를 손상시키지 않고 압연유를 분해하기 위해 사용된다.
이에 기초하여, 본 발명의 목적은 전도도와 인장 강도와 관련하여 물성이 매우 양호하고 경제적으로도 제조될 수 있는 전류 집전체 포일을 제공하는 것이다. 또한 본 발명의 목적은 전류 집전체 포일을 제조하는 방법 및 전류 집전체 포일의 바람직한 용도를 제안하는 것이다.
본 발명의 목적은, 제1 교시에 따라 전류 집전체 포일이 산-세정되거나 알칼리-세정된 표면을 구비한다는 점에서, 그 전류 집전체 포일에 의하여 달성된다.
산-세정되거나 알칼리-세정된 표면을 구비하는 전류 집전체 포일은 더욱 낮은 전기 저항 및 금속 산화물 피복과 관련하여 개선된 부착 특성을 갖는 것으로 밝혀졌다. 특히, 열처리가 생략되므로, 연화가 발생하지 않는다. 이는 전류 집전체 포일로서 비교적 높은 기계적 강도를 갖는 포일이 사용될 수 있다는 것을 의미한다. 전류 집전체 포일은 더욱 박육화되는 것이 가능하다. 전류 집전체 포일을 세정할 때에, 산, 예를 들면 황산 또는 염기, 예를 들면 수산화나트륨 용액이 세정에 이용될 수 있다. 이 세정제들 모두는 충분한 세정 속도(pickling rate)를 나타낼 수 있다.
바람직하게는, 세정 속도는 제거 두께가 1μm 미만, 특히 0.5μm 미만, 또는 바람직하게는 0.01μm 내지 0.1μm이도록 설정된다. 따라서, 압연 후에 존재하는 포일의 산화물 층은 실질적으로 세정 부식에 의하여 제거되고, 그에 따라 새로운 알루미늄 산화물 층이 주위 산소에 의하여 형성된다. 이러한 표면 제거의 결과로서, 압연유 잔사는 신뢰적으로 제거될 수 있고, 따라서 소둔에 의한 탈지를 생략하는 것이 가능하다. 따라서, 전술한 바와 같이, 전류 집전체 포일의 기계적 강도는 변화 없이 유지된다. 표면 제거 후에 형성되는 알루미늄 산화물 층은 열간-압연 및 후속 압연 공정의 결과로서 형성되는 산화물 층보다도 훨씬 얇다. 따라서, 본 발명에 따른 전류 집전체 포일의 전기 저항은 종래의 전류 집전체 포일의 전기 저항보다 작다.
본 발명에 따른 전류 집전체 포일의 바람직한 실시 형태에 따르면, 표면은 코일-투-코일 방법으로 산-세정되거나 알칼리-세정된다. 이러한 구성의 장점에 의하면, 전류 집전체 포일은 특히 경제적으로 제조될 수 있고 특히 균일한 표면 특성을 가지며, 따라서 일정한 품질의 전류 집전체 포일이 제공될 수 있다. 경이롭게도, 알루미늄 스트립을 산-세정 또는 알칼리-세정에 의하여 탈지하기 위하여 사용되는 장치는 매우 얇은 전류 집전체 포일의 경우에도 사용에 적합한 것으로 밝혀졌다.
전류 집전체 포일의 다른 실시 형태에 따르면, 상기 포일은 두께가 5μm 내지 50μm, 바람직하게는 10μm 내지 30μm, 특히 바람직하게는 15μm 내지 25μm이다. 전류 집전체 포일의 작은 두께는 특히 소형 전지 또는 축전지, 예를 들면 리튬-이온 축전지를 제조하는 것을 가능하게 한다. 두께가 5μm의 극박 전류 집전체 포일은 처리하기가 비교적 곤란하지만 최소한의 재료를 필요로 한다. 대조적으로, 두께가 50μm보다 큰 전류 집전체 포일을 사용하면, 축전지 또는 전지의 크기가 미리 설정된 경우에, 층의 수와 관련하여 제한을 받게 된다.
전류 집전체 포일의 다른 실시 형태에 따르면, 상기 포일은 압연-경화 상태 H18에서 135MPa을 초과하는 인장 강도를 가지며, 따라서 전류 집전체 포일은 작은 두께에도 불구하고 후속 처리 단계에서, 예를 들면 전지 또는 축전지를 형성하기 위한 피복 및 후속 처리에서도 용이하게 이용될 수 있다.
전해 축전기(electrolytic capacitor)에 사용되는 알루미늄 포일과는 대조적으로, 전류 집전체 포일(RA)의 표면 조도는 0.01μm 내지 1μm, 바람직하게는 0.2μm 내지 0.3μm이다. 따라서, 전류 집전체 포일은 바람직하게 광택 또는 고광택 표면을 구비한다. 전류 집전체 포일로서의 사용을 위하여, 이러한 표면 특성은 전기 저항 및 피복 특성에 있어서 결과를 향상시키는 것으로 밝혀졌다.
전류 집전체 포일의 경제적 경쟁성을 향상시키기 위하여, 상기 포일은 폭이 400mm 내지 1450mm, 바람직하게는 450mm 내지 1200mm이다. 이러한 매우 광폭의 전류 집전체 포일은, 예를 들면 전기 차량용으로 대응 폭을 구비하는 고-용량의 전지 또는 축전지의 제조에도 이용될 수 있다. 전술한 전류 집전체 포일의 폭은 압연된 알루미늄 포일에 의하여 용이하게 제공될 수 있다.
EN AW 1050, EN AW 1200 또는 EN AW 1085 유형의 알루미늄 합금은 전류 집전체 포일용 재료로서 효과적인 것으로 입증되었다. 이러한 합금은 순수 알루미늄에 비하여 기계적 특성이 개선되며, 소량의 합금 첨가제에 의하여, 금속 산화물 피막과 전류 집전체 포일 사이의 바람직하지 않은 화학 공정, 예를 들면 부식에 미치는 매우 낮은 수준의 영향을 보장한다.
본 발명에 따른 전류 집전체 포일의 다른 실시 형태에 따르면, 상기 포일은 편면 또는 양면에 표면 안정화 층(surface passivation)을 구비한다. 예를 들면, 표면 안정화는 크로메이트 처리(chromating)에 의하여 또는 무-크롬 안정화 층으로 피복함으로써 달성될 수 있다. 예를 들면, 무-크롬 안정화 층의 여러 형태는 실란(silane), 티타늄 또는 지르코늄 또는 기타 원소, 또는 이들의 조합에 기초하여 제공될 수 있다. 특히, 안정화 층은 표면 상태, 특히 알루미늄 산화물의 형성을 억제하기 위하여 이용되며, 따라서 전류 집전체 포일의 전기적 특성은 안정화 후에 일정하게 유지된다. 동시에, 안정화 층은 금속 산화물 피복의 부착성을 또한 향상시킨다.
본 발명에 따른 제2 교시에 따르면, 위에 제시된 목적은, 전지, 축전지 또는 리튬-이온 축전지를 위한 전류 집전체 포일을 제조하는 방법에 의하여 달성되는데, 그 방법에 있어서, 알루미늄 합금으로 이루어진 포일은 우선 열간-압연 및/또는 냉간-압연에 의하여 5μm 내지 50μm의 최종 두께로 제조되고 나서, 압연 작업 후에, 포일에는 습식-화학적 산 또는 습식-화학적 알칼리 표면 세정(surface pickling)이 실시된다. 전술한 바와 같이, 그와 같이 제조된 전류 집전체 포일은 훨씬 양호한 전기적 및 기계적 특성을 겸비하며, 따라서 전지 또는 축전지를 형성하기 위하여 더욱 용이하게 처리될 수 있다.
습식-화학적 산 또는 습식-화학적 알칼리 표면 세정이 코일-투-코일 방법으로 실시되면, 해당 전류 집전체 포일을 생산하기 위하여 제조 비용은 더욱 감소할 수 있다.
전술한 바와 같이, 전류 집전체 포일은 바람직하게는 EN AW 1050, EN AW 1200 또는 EN AW 1085 유형의 알루미늄 합금으로 제조된다. 이러한 알루미늄 합금의 장점에 관해서는 위에서의 설명이 참조된다.
전류 집전체 포일이 최종 마무리 제품으로 광택-압연되거나 고광택-압연되면, 표면 세정과 관련하여, 전류 집전체 포일로서의 용도를 위하여 바람직한 표면이 제공될 수 있다. 표면 조도(RA)는 바람직하게는 0.01μm 내지 1μm, 더욱 바람직하게는 0.2μm 내지 0.3μm이다.
다른 실시 형태에 따라, 전류 집전체 포일의 세정 표면이 안정화 처리되면, 표면 상태는 다음 처리 단계를 위하여 보존될 수 있고 따라서 전기적 특성은 최적화될 수 있다. 포일의 표면은, 바람직하게는 크로메이트 처리 또는 무-크롬 안정화 처리에 의하여, 바람직하게는 침지 방법으로 대안적으로는 무-세척 방법(no-rinse method)으로 안정화될 수 있다. 이러한 방법들은 인라인으로, 다시 말하자면 습식-화학적 세정 작업 직후에, 용이하게 실시될 수 있다.
포일의 폭은 바람직하게는 400mm 내지 1450mm이며, 따라서 매우 광폭의 전류 집전체 포일이 제공될 수 있다. 이러한 매우 광폭, 예를 들면 700mm를 초과하는 폭의 전류 집전체 포일은 모터 차량의 전기 구동을 위한 리튬-이온 축전지의 제조에 사용된다.
본 발명의 제3 교시에 따르면, 전지, 축전지, 리튬-이온 축전지 또는 리튬-이온 전지의 제조를 위한 본 발명에 따른 전류 집전체 포일의 용도에 의하여, 목적이 마지막으로 달성된다. 전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전류 집전체 포일의 용도는, 종래의 전류 집전체 포일의 용도에 비하여, 상당한 비용 장점을 수반한다. 또한, 본 발명에 따른 전류 집전체 포일의 기계적 강도와 관련된 처리 특성 및 피복 특성이 개선된다.
도 1은 리튬-이온 축전지의 개략적인 단면도를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 방법의 예시적 실시 형태를 실시하기 위한 장치의 개략적 단면도를 나타낸다.
본 발명은 도면과 관련된 예시적 실시 형태에 기초하여 더욱 상세히 설명될 것이다.
전지, 예를 들면 리튬-이온 전지 또는 리튬-이온 축전지에는, 물질 변화에 의한 화학적 공정으로 리튬 원자 및 천이 금속 이온의 전기 에너지가 저장된다. 리튬-이온 축전지에는, 충전 및 방전 공정이 일어나도록, 이온화된 형태의 리튬이 2개의 전극(1, 2)들 사이에서 전해질을 통해 전후로 이동한다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 양극 측에는 흔히 알루미늄 전극이 사용되며, 그 위에 리튬 금속 산화물, 예를 들면 리튬 코발트 산화물(lithium cobalt dioxide)이 부착된다. 양극(1)으로서 사용되는 전류 집전체 포일은 바람직하게는 15μm과 25μm 사이의 두께를 구비하고, EN AW 1050, EN AW 1200 또는 EN AW 1085 유형의 알루미늄 합금으로 제조된다. 소형 전기 장치, 예를 들면 휴대폰에 사용되는 리튬-이온 축전지와는 대조적으로, 전기 차량의 동력을 공급하는 데에 사용되는 리튬-이온 축전지는 필요 용량을 제공하기 위하여 예를 들면 비교적 넓은 폭을 구비한다.
예를 들면, 400mm 내지 1450mm, 바람직하게는 450mm 내지 1200mm의 폭이 상정될 수 있다.
전류 집전체 포일의 특성을 더욱 향상시키기 위하여, 상기 포일은 최종 두께로 압연된 후에 본 발명에 따라 산-세정 또는 알칼리-세정에 의해 처리됨으로써, 표면이 알칼리-세정되거나 산-세정된다. 그에 따라, 생산 공정의 열간-압연 또는 냉간 압연 중에 형성된 자연 산화 층은 0.01μm 내지 0.1μm의 세정 속도로 제거된다. 새로이 형성된 알루미늄 산화 층은 실질적으로 더욱 얇으며, 전류가 전류 집전체 층의 피막으로부터 알루미늄 포일로 흐를 때에, 바로 전기 저항의 감소를 일으킨다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 방법을 실시하기 위한 예시적 실시 형태가 도시되어 있으며, 코일-투-코일 방법으로 알루미늄 포일이 산-세정되고 표면-안정화된 후에 다시 권취된다. 권출기(decoiler)(4)의 코일(3)은 우선, 알루미늄 포일이 표면 세정되는 탈지 침지 욕(degreasing immersion bath)(5)으로 이송된다. 예를 들면, 세정 매체로서 황산 또는 수산화나트륨 용액이 사용될 수 있다. 알칼리 세정액, 예를 들면 수산화나트륨 용액이 사용되는 경우에, 침지 욕(5) 이후에, 포일은 바람직하게는 산으로 세척되고 산 침지(acid dip)가 실시된다. 따라서, 세정 잔류액, 특히 알루미늄에 부착된 잔류액은 더욱 용이하게 제거될 수 있다. 산 세정의 경우에는, 예를 들면 물에 의하여 세정액이 충분히 세척되고 그에 따라 제거된다. 세척 작업(6)은 침지 욕 직후에 실시되는 것이 바람직하다. 도시된 예시적 실시 형태에 있어서, 알루미늄의 표면 상태가 세정 단계 후에 보호되도록, 알루미늄 포일(3)은 세척 작업(6) 직후에 표면 안정화를 위하여, 예를 들면 크로메이트 처리를 위하여 이송된다. 크로메이트 처리(7)는 마찬가지로 침지 공정으로 실시된다. 그 후에, 표면 안정화 처리의 과잉 성분들이 제거되는 추가 세척 공정(8)이 포일(3)에 실시될 수 있다. 그 후에, 표면 안정화 층을 건조하기 위하여, 표면-안정화 처리된 알루미늄 포일에는 건조 공정이 실시된다. 마지막으로, 알루미늄 포일(3)은 권취기(recoiler)(10)에 권취된다. 도 2로부터의 예시적 실시 형태에서 알 수 있는 바와 같이, 표면 안정화는 알루미늄 포일의 세정과 함께 인라인으로 실시된다. 알루미늄 포일의 폭은 도시된 예시적 실시 형태에 있어서 400mm와 1450mm 사이일 수 있다. 코일-투-코일 처리에 의하여, 전류 집전체 포일의 특히 일정한 품질 및 높은 생산 속도가 또한 보장될 수 있으며, 매우 광폭의 전류 집전체 포일이 또한 제공될 수 있다.

Claims (15)

  1. 전지, 축전지 또는 리튬-이온 축전지의 알루미늄제 또는 알루미늄 합금제 전류 집전체 포일(1)에 있어서,
    전류 집전체 포일(1)은 산-세정 또는 알칼리-세정된 표면을 구비하며, 전류 집전체 포일의 표면 조도 RA가 0.01μm 내지 1μm이고, 전류 집전체 포일은 압연-경화 상태 H18에서 135MPa을 초과하는 인장 강도를 구비하고, 전류 집전체 포일은 편면 또는 양면에 표면 안정화 층을 구비하는 것을 특징으로 하는 전류 집전체 포일.
  2. 청구항 1에 있어서,
    전류 집전체 포일(1)의 표면은 코일-투-코일 방법으로 산-세정 또는 알칼리-세정되어 있는 것을 특징으로 하는 전류 집전체 포일.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    전류 집전체 포일(1)의 두께는 5μm 내지 50μm인 것을 특징으로 하는 전류 집전체 포일.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    전류 집전체 포일의 폭은 400mm 내지 1450mm인 것을 특징으로 하는 전류 집전체 포일.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    전류 집전체 포일은 EN AW 1050, EN AW 1200 또는 EN AW 1085 유형의 알루미늄 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전류 집전체 포일.
  6. 청구항 1에 따른 전지, 축전지 또는 리튬-이온 축전지용 전류 집전체 포일을 제조하기 위한 방법으로서,
    우선, 전류 집전체 포일이 압연-경화 상태 H18에서 135MPa을 초과하는 인장 강도를 구비하도록 알루미늄 합금으로 이루어진 포일(3)이 열간-압연 및/또는 냉간 압연에 의하여 5μm 내지 50μm의 최종 두께로 제조되고 나서, 압연 작업 후에, 포일에는 코일-투-코일 방법으로 습식-화학적 산 표면 세정 또는 습식-화학적 알칼리 표면 세정이 실시되며, 세정된 포일의 표면은 안정화 처리되는 것을 특징으로 하는 전류 집전체 포일 제조 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    포일은 EN AW 1050, EN AW 1200 또는 EN AW 1085 유형의 알루미늄 합금으로 제조되는 것을 특징으로 하는 전류 집전체 포일 제조 방법.
  8. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
    습식-화학적 산 표면 세정은 코일-투-코일 방법으로 실시되는 것을 특징으로 하는 전류 집전체 포일 제조 방법.
  9. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
    포일의 폭은 400mm 내지 1450mm인 것을 특징으로 하는 전류 집전체 포일 제조 방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    포일이 전지, 축전지, 리튬-이온 축전지 또는 리튬-이온 전지의 제조를 위한 원재료로 사용되는 것을 특징으로 하는 전류 집전체 포일.
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