TW201347976A - 塗覆有導電層之鋁材及其製作方法 - Google Patents

Abstract

一種塗覆有導電層之鋁材，包含：一鋁基材及至少一固接於該鋁基材之至少一表面的導電層；其中，該鋁基材中鋁的含量係在50 wt%以上，而該導電層與該鋁基材之表面之間具有一連接結構。

Description

塗覆有導電層之鋁材及其製作方法

本發明係有關於一種鋁材及其製作方法，尤指一種塗覆有導電層之鋁材及其製作方法。

與電化學相關的電子元件相當廣泛地運用於各種領域，例如電池係利用電化學反應來達到電荷放電或重複電荷充電/放電的運作，因而被使用為各種電子機器的電源供應。

另外，電解電容器(capacitor)係能夠儲存電荷的元件，電容器可以瞬間進行儲電及放電，而在應用上，電容器主要是作為阻絕直流、耦合交流、濾波、調諧、相移、儲存能量、作為旁路、耦合電路、喇叭系統的網路等等，甚至也被應用於相機中的閃光燈等儲電/放電用途。

而在上述元件中，均需要以大面積的電極結構來提高元件的整體特性。以電解電容器為例，陽極電極與陰極電極均為鋁箔所製作，而在電極製作過程中，高純度的鋁箔需經過電蝕或化學腐蝕的方式在鋁箔上製作出不平整的表面，藉以提高鋁箔表面積，並增加電容器的相對電容量；換言之，電解電容器可經由蝕刻方法而擴大電極之表面積，而近年則有業者開發出將碳粉末附著於鋁箔之表面上而擴大電極表面積的技術。

但是，採用上述做法所獲得之批覆有碳粉末之鋁材，由於碳粉末與鋁材表面之間的密接性並不佳。因此，當此種接合不良的電極應用在二次電池或電容器時，二次電池或電容器的充電與放電過程中，可能會造成碳粉末從鋁材表面上剝離的現象之情況。

本發明之目的之一，在於提供一種可提高鋁基材與導電層之間的密接性的鋁材及其製造方法。本發明所製作之鋁材可藉由導電層之金屬粒子而具有高比表面積，故當本發明之鋁材製作為電極結構時，可提供較多的反應面積及與其他材料的接著面積，故可形成高效能的電極結構。

本發明實施例提出一種塗覆有導電層之鋁材，包含：一鋁基材及至少一固接於該鋁基材之至少一表面的導電層；其中，該鋁基材中鋁的含量係在50 wt%以上，而該導電層與該鋁基材之表面之間具有一連接結構。

本發明實施例係提供一種塗覆有導電層之鋁材的製作方法，包含以下步驟：提供一鋁基材，其中該鋁基材中鋁的含量係在50 wt%以上；將導電層附著於該鋁基材之表面，且成型連接結構於該導電層與該鋁基材之表面之間。

本發明具有以下有益的效果：本發明可利用導電層中的粒子產生相當高的表面積，以有助於提升此一 鋁材的導電度，故本發明之高比表面積鋁材可用於製作出高電性特性的電極結構；另一方面，利用前述的電極結構所製作的元件可因電極結構的特性而具有較佳的電特性，例如具有高充放電效率等優勢。

為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。

本發明提出一種塗覆有導電層之鋁材及其製作方法，本發明所提出之塗覆有導電層之鋁材，其主要在鋁基材製作出一層以上由導電層所組成之結構，該結構可具有高比表面積，其可應用於導電電極，而提高電極的反應面積，藉以提高具有上述電極之元件的特性。

如圖1所示，其為本發明之塗覆有導電層之鋁材的一種實施態樣，其中，鋁基材1的表面上成型有多個金屬粒子21，所述之金屬粒子可為鈦粒子、氮化鈦粒子或碳化鈦粒子，且該多個金屬粒子21可層疊形成一導電層2，具體而言，導電層2可為包含有多個金屬粒子21之平滑表面鍍層或粗糙表面鍍層，用於提高鋁材的整體表面積，以提高其所應用之電性元件的特性，且導電層2具有保護鋁基材1及抗氧化之功能。但此僅為一實施利，金屬粒子並不限於以上種類，只要 可承受250~350℃的氧化溫度而不氧化變質之金屬粒子，均為本發明可應用之範疇。

或者，導電層2包含有至少一金屬薄膜(圖未示)，所述之金屬薄膜可為鈦薄膜、氮化鈦薄膜或碳化鈦薄膜，其同樣可達成上述之功效。

另外，金屬粒子21與鋁基材1的表面之間更可形成連接結構3，且連接結構3可向外延伸成型有輔助連接結構31，而輔助連接結構31亦可進一步地提升鋁材的表面積，更可加強導電層2本身的密著性及鋁基材1與導電層2之間的接合強度。

以下將說明本發明之塗覆有導電層之鋁材的製作方法的步驟：

步驟(一)：提供鋁基材1。本發明之鋁基材1並無特別限定，可使用純鋁或鋁合金，而所述之鋁基材1之鋁含量根據歐盟統一標準「EN 576-1995」記載之方法所測定值為鋁含量50 wt%以上者為佳。本發明所用之鋁基材1的組成係將鉛(Pb)、矽(Si)、鐵(Fe)、銅(Cu)、錳(Mn)、鎂(Mg)、鉻(Cr)、鋅(Zn)、鈦(Ti)、釩(V)、鎵(Ga)、鎳(Ni)及硼(B)之至少1種元素在必要範圍內之添加而成的鋁合金。

又，鋁基材1可為平板箔或具多孔性之腐蝕箔，鋁基材1之厚度並無特別限定，若為鋁箔則為5μm以上、200μm以下，若為鋁板則為200μm以上、3mm以下之範圍內為佳。

而上述之鋁基材1可使用以任何公知方法/設備所 製造者。例如，調整具有指定組成之熔融態的鋁或鋁合金，將其鑄造所得的鑄塊予以適切地均質化處理，其後，對此鑄塊施以熱軋和冷軋，則可取得所需要的鋁材。另外，在上述冷軋步驟中，可施以150℃以上、400℃以下之範圍之退火處理。

步驟(二)：將金屬粒子21附著於鋁基材1之表面。在本步驟中主要將氮化鈦(TiN)之金屬粒子批覆成型於鋁基材1之表面，以形成所述的導電層2，而本步驟所使用的方法可至少包括物理方法及化學方法，其中物理方法又稱蒸發-冷凝法，其原理是在高真空環境下和低壓的惰性氣體(如氬氣、氦氣)中，藉由蒸發源的加熱作用使鋁塊蒸發汽化，然後在鋁基材1之表面冷凝沈積出所述之金屬粒子21。另外，蒸發-冷凝法又可根據機台的設計分成雷射-感應加熱法、電漿加熱法、電子束輻射法等等。

本步驟中亦可採用物理方法中之物理氣相沈積系統製作氮化鈦之金屬粒子21所形成之導電層2，在一具體實施例中，本發明係採用陰極電弧沈積法沈積氮化鈦之金屬粒子21，其原理在於利用引弧器在靶源附近引發陰極電弧，在高真空環境中以高電流、低電壓產生輝光放電，而在靶材表面形成陰極弧點之坑洞。由於陰極弧點產生後所形成之局部高溫、高壓與爆炸現象，使靶材表面形成微坑洞的熔池，因而釋放出靶材微粒，而微粒的尺寸係由電弧電流、氣體組成及壓力所決定，在本實施例中，靶材選用100% Ti，靶材電 流為50至100安培，腔體壓力0.1至0.3Pa，通入氣體為氬氣與氮氣，即可將直徑約25um的氮化鈦之金屬粒子21可由陰極源噴出，而沈積在鋁基材1之表面。

另一方面，化學方法可包括氣相化學反應法、固相化學反應法、熱分解法、液相化學反應法、燃燒合成法、電化學電鍍法等等，例如，將鈦以揮發性氯化物(如TiCl₄)與氣體碳氫化合物(如CH₄)一起通入反應室內並加熱至900至1100℃，即可在工表面發生化學反應生成碳化鈦(TiC)，並沉積在鋁基材1之表面形成所述的包含有碳化鈦薄膜之導電層2。

綜上所述，本步驟主要係將包含有鈦/鈦化合物之金屬粒子21或金屬薄膜(如鈦、氮化鈦或碳化鈦等)之導電層成型在鋁基材1之表面，而上述的方法均為舉例說明之用，並非用於限制本發明，且鈦/鈦化合物之金屬粒子21可採用任何可行的技術成型於鋁基材1上，而不受上述實施例的限制。

再一方面，連接結構3可於步驟(二)中一併進行，連接結構3係成形於金屬粒子21與鋁基材1之間，其可成形於鋁基材1之表面的一部份或全部的區域，連接結構3可包含鋁元素及鈦元素或金屬導體，例如鋁之鈦化物，以提高鋁基材1與導電層2之間的接合強度。另外，連接結構3可朝鋁基材1之外側延伸形成輔助連接結構31，輔助連接結構31可成長於該些金屬粒子21與連接結構3之間，以加強鋁基材1與導電層2之間的接合強度。

因此，藉由上述步驟，本發明即可製作出由鋁基材1與導電層2所構成的塗覆有導電層之鋁材，而導電層2的厚度可隨著應用領域的不同而改變，例如導電層2的厚度可由10奈米(nm)至數個釐米(mm)。

而本發明之塗覆有導電層之鋁材較佳地可應用於電極結構，例如電容器之電極結構，所述之電容器則可為雙層電容器、鋁電解電容器、固態電解電容器等等，而本發明之塗覆有金屬之鋁材可有效提高電容器的電容量特性、內部電阻特性、充放電特性、使用壽命等。而在應用於電容器之電極結構中，本發明之塗覆有導電層之鋁材的導電層2的厚度可選用10奈米(nm)至數個微米(um)以符合固態電解電容器的使用；或者導電層2的厚度可選用數個微米至數個釐米以符合超級電容器的使用。

又，本發明之塗覆有導電層之鋁材較佳地可應用於電極結構，例如電化學電池之電極結構，所述之電化學電池可為鋰離子電池等之電解電池，而本發明之塗覆有導電層之鋁材可有效提高電池的容量特性、內部電阻特性、充放電特性、使用壽命等。

另一方面，如圖2所示之本發明第二實施例之塗覆有導電層之鋁材，其中鋁基材1的上下兩表面均成型有所述的導電層2，而相關的製造方法可參考前文內容，在此不予贅述。

綜上所述，本發明至少具有以下優點：

1、本發明所製作之塗覆有導電層之鋁材可利用導電層中的金屬粒子產生相當高的表面積，且有助於提升此一鋁材的導電度，故利用本發明之塗覆有金屬之鋁材可製作出高電性特性的電極結構。

2、承1，本發明所製作之塗覆有導電層之鋁材具有高的表面積，故當應用於電容器時，塗覆有導電層之鋁材所製作之電極與高分子材料之間就可以形成高強度的接著性，因此可提高元件的特性與可靠性。

以上所述僅為本發明之較佳可行實施例，非因此侷限本發明之專利範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖示內容所為之等效技術變化，均包含於本發明之範圍內。

1‧‧‧鋁基材

2‧‧‧導電層

21‧‧‧金屬粒子

3‧‧‧連接結構

31‧‧‧輔助連接結構

圖1係顯示本發明第一實施例之塗覆有導電層之鋁材之示意圖。

圖2係顯示本發明第二實施例之塗覆有導電層之鋁材之示意圖。

1‧‧‧鋁基材

2‧‧‧導電層

21‧‧‧金屬粒子

3‧‧‧連接結構

31‧‧‧輔助連接結構

Claims (17)

1. 一種塗覆有導電層之鋁材，包含：一鋁基材及至少一固接於該鋁基材之至少一表面的導電層；其中，該鋁基材中鋁的含量係在50 wt%以上，而該導電層與該鋁基材之表面之間具有一連接結構。
2. 如申請專利範圍第1項所述之塗覆有導電層之鋁材，其中所述之導電層為包含有多個金屬粒子之平滑表面鍍層或粗糙表面鍍層的其中之一，該多個金屬粒子係為鈦粒子、氮化鈦粒子或碳化鈦粒子。
3. 如申請專利範圍第2項所述之塗覆有導電層之鋁材，其中該些金屬粒子係沉積於該鋁基材的上下表面。
4. 如申請專利範圍第1項所述之塗覆有導電層之鋁材，其中所述之導電層包含有至少一金屬薄膜，該金屬薄膜係為鈦薄膜、氮化鈦薄膜或碳化鈦薄膜。
5. 如申請專利範圍第1項所述之塗覆有導電層之鋁材，其中所述之金屬薄膜係沉積於該鋁基材的上下表面。
6. 如申請專利範圍第1項所述之塗覆有導電層之鋁材，其中所述之連接結構係包含鋁元素、鈦元素或金屬導體。
7. 如申請專利範圍第1項所述之塗覆有導電層之鋁材，更包括有由該連接結構朝該鋁基材之外側延伸之輔助連接結構。
8. 如申請專利範圍第1項所述之塗覆有導電層之鋁材，其中所述之鋁基材係為一具多孔性之腐蝕箔或一平 板箔。
9. 一種塗覆有導電層之鋁材的製作方法，包含以下步驟：提供一鋁基材，其中該鋁基材中鋁的含量係在50 wt%以上；將導電層附著於該鋁基材之表面，且成型連接結構於該導電層與該鋁基材之表面之間。
10. 如申請專利範圍第9項所述之塗覆有導電層之鋁材的製作方法，其中在將導電層附著於該鋁基材之表面的步驟中，係利用物理方法或化學方法將該導電層披覆於該鋁基材之表面。
11. 如申請專利範圍第10項所述之塗覆有導電層之鋁材的製作方法，其中所述之物理方法為雷射-感應加熱法、電漿加熱法或電子束輻射法，所述之化學方法為氣相化學反應法、固相化學反應法、熱分解法、液相化學反應法、燃燒合成法或電化學電鍍法。
12. 如申請專利範圍第9項所述之塗覆有導電層之鋁材的製作方法，其中所述之導電層包含有多個金屬粒子，該多個金屬粒子係為鈦粒子、氮化鈦粒子或碳化鈦粒子，所述之連接結構係包含鋁元素、鈦元素或金屬導體。
13. 如申請專利範圍第12項所述之塗覆有導電層之鋁材的製作方法，其中該些金屬粒子係沈積於該鋁基材的上下表面。
14. 如申請專利範圍第9項所述之塗覆有導電層之鋁材 的製作方法，其中所述之導電層包含有至少一金屬薄膜，該金屬薄膜係為鈦薄膜、氮化鈦薄膜或碳化鈦薄膜，所述之連接結構係包含鋁元素、鈦元素或金屬導體。
15. 如申請專利範圍第14項所述之塗覆有導電層之鋁材的製作方法，其中該金屬薄膜係沈積於該鋁基材的上下表面。
16. 如申請專利範圍第9項所述之塗覆有導電層之鋁材的製作方法，其中在成型連接結構的步驟中，更成形有由該連接結構朝該鋁基材之外側延伸之輔助連接結構。
17. 如申請專利範圍第9項所述之塗覆有導電層之鋁材，其中所述之鋁基材係為一具多孔性之腐蝕箔或一平板箔。