TW201704487A - 用於鋰二次電池的電解銅箔及包含此電解銅箔的鋰二次電池 - Google Patents

用於鋰二次電池的電解銅箔及包含此電解銅箔的鋰二次電池 Download PDF

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Abstract

揭露一種用於鋰二次電池的電解銅箔，該電解銅箔具有30 kgf/mm2 至60 kgf/mm2 的降伏強度、1至3的表面積比率、以及3%或以下的重量偏差。

Description

用於鋰二次電池的電解銅箔及包含此電解銅箔的鋰二次電池
本揭露書關於用於鋰二次電池的電解銅箔及包含此電解銅箔的鋰二次電池，且尤其關於藉由將降伏強度(yield strength)、表面積比率及重量偏差(weight deviation)限制在預定範圍之內而具有改良性質的用於鋰二次電池的電解銅箔及包含此電解銅箔的鋰二次電池。
鋰二次電池具有許多優點，諸如與其他二次電池相比而言相對高的能量密度、高工作電壓、優異保存及長壽命，而因此鋰二次電池廣泛地使用於各種可攜式電子裝置，諸如個人電腦、錄影機、行動電話、CD播放器、PDA或類似者。
一般而言，鋰二次電池包括一正電極與一負電極，有一電解質放入於兩者之間。在此，正電極係經組態使得正電極活性材料係附貼至一正電極電流收集器，且負電極係經組態使得負電極活性材料係附貼至一負電極電流收集器。
在鋰二次電池中，負電極電流收集器通常係以一電解銅箔製成。在此種情況中，若設備條件未經嚴格控制，許多機械方向(machine direction, MD)挫曲(buckle)會發生。
MD挫曲意指不均勻形狀的缺陷，出現在箔製備過程後壓延(rolled)銅箔時在一MD方向上產生。
MD挫曲可能引起在產品交付時客戶退回，且亦可能在活性材料被塗佈時引起塗佈偏差及活性材料分離。
在目前為止被披露的MD挫曲的成因中，已知材料成因與重量偏差有關係。然而，在銅箔的情況中，雖然重量偏差經嚴格控制，MD挫曲仍大量產生，且因此需要解決此問題的一方案。
技術問題
本揭露書之設計係用以解決相關領域之問題，且因此本揭露書係關於提供一種藉由控制銅箔之各種因子而可具有優異性質的用於鋰二次電池之電解銅箔。
然而，欲藉由本揭露書所完成的技術目的不限於上述，且其他未於上提及之目的可從以下詳細描述被清楚地瞭解。
技術解決方案
本揭露書之發明人已努力研究以解決上述技術問題，且作為結果得到了用於鋰二次電池的電解銅箔，該鋰二次電池的電解銅箔藉由適當地將降伏強度、表面積比率及重量偏差控制在預定範圍之內，而在MD挫曲方面具有優異的性質。
根據本揭露書之實施例的具有優異性質的用於鋰二次電池的電解銅箔係一經應用作為一鋰二次電池的負電極電流收集器之用於鋰二次電池的電解銅箔，其中該電解銅箔具有30 kgf/mm2 至60 kgf/mm2 之降伏強度、1至3的表面積比率、以及3%或以下的重量偏差。
同時，用於鋰二次電池的電解銅箔可具有以Rz為基礎的0.2 μm至2 μm的表面粗糙度。
用於鋰二次電池的電解銅箔可具有3%或以上的一伸長率(elongation)。
用於鋰二次電池的電解銅箔可具有3 μm至30 μm的厚度。
同時，根據本揭露書之實施例的鋰二次電池係藉由應用以上所述之用於鋰二次電池的電解銅箔作為一負電極電流收集器來製造的。
再者，用於製造根據本揭露書之實施例的用於鋰二次電池的電解銅箔之方法，係一種用於製造具有30 kgf/mm2 至60 kgf/mm2 之降伏強度、1至3的表面積比率、以及3%或以下的重量偏差的用於鋰二次電池的電解銅箔的方法，該方法包含：(a)製備一硫酸銅溶液；(b)添加0.1 ppm至3 ppm的基於硫脲的化合物、少於5 ppm的氯、以及50 ppm或以下的TOC到該硫酸銅溶液；以及(c)以一10 ASD至80 ASD的電流密度電鍍一銅箔至一滾筒，使得一重量偏差經控制為小於3%。
有利效果
在本揭露書之一實施例中，在MD挫曲不發生下獲得用於一鋰二次電池的電解銅箔係可能的，且因此對使用該用於鋰二次電池的電解銅箔所製造的鋰二次電池改善效能係可能的。
於下文中，本揭露書之較佳實施例將參考隨附圖式來詳細描述。在描述之前，應瞭解到，在說明書及後附申請專利範圍中所使用的術語不應被視為限制於一般以及字典中的意義，而應基於對應至本揭露書之技術態樣的意義和概念來詮釋，該詮釋係以允許發明人適當地定義術語以用於最佳闡釋的原則為基礎。因此，本文中所提出之描述僅係用於闡釋目的而已的較佳實例，而不意欲用以限制本揭露書之範疇，所以應瞭解到，在不偏離本揭露書之範疇下可能做出其他修飾以及均等物。
首先，參考第1圖描述根據本揭露書之一實施例的用於鋰二次電池的電解銅箔。
第1圖係展示根據本揭露書之一實施例的用於鋰二次電池的電解銅箔之截面圖。
根據本揭露書之實施例的用於鋰二次電池的電解銅箔1（顯示於第1圖中），可使用作為鋰二次電池的一負電極電流收集器。換句話說，在該鋰二次電池中，耦接至一負電極活性材料的負電極電流收集器可採用該電解銅箔。
同時，當製造一鋰二次電池時，耦接至正電極活性材料的一正電極電流收集器一般採用一以鋁(Al)製成的箔。
據此，本揭露書所基於的情況是：用於鋰二次電池的電解銅箔1對應到應用於鋰二次電池的負電極電流收集器。
用於鋰二次電池的電解銅箔1在製造過程期間將降伏強度、表面積比率以及重量偏差限制在預定範圍內，從而避免因為MD挫曲而塗佈偏差及活性材料分離所產生的任何不良（在機械方向中所產生的不均勻形狀的缺陷，在箔製備過程後出現於銅箔處）。
用於鋰二次電池的電解銅箔1係使用一用於電解沉積的裝置所製造，該裝置在一電解浴中包括一旋轉筒以及與該筒相距離一預定間隔的位置處的正電極板。
在使用此一電解沉積裝置的銅箔製備過程中，置入電鍍溶液（電解溶液）之內的添加物之量可在一預定範圍內調整，以控制電解銅箔的降伏強度及表面積比率，且當一銅箔係電鍍在該滾筒上時，一遮蔽板或一輔助正電極可安裝在偏離核心的一區域處，以將重量偏差控制在一預定範圍內。
在本揭露書中，置入電鍍溶液（電解溶液）之內的添加物之量經調整，使得基於硫脲的化合物具有0.1 ppm至3 ppm之濃度、氯具有小於5 ppm之濃度、且總有機碳(total organic carbon, TOC)具有50 ppm 或以下之濃度。藉由以量被控制的添加物來製造電解銅箔，可能獲得具有30 kgf/mm2 或以上且60 kgf/mm2 或以下的降伏強度、以及1或以上且3或以下的表面積比率（實際測量面積/測量單位面積）的電解銅箔。
同時，在本揭露書中，重量偏差可經控制至3%或以下。
降伏強度、表面積比率以及重量偏差被限制在預定範圍內的根據本揭露書之實施例的用於鋰二次電池的電解銅箔1，可防止MD挫曲的產生，且因此防止當活性材料在被塗佈時由於塗佈偏差或活性材料分離所引起的任何不良。
若用於鋰二次電池的電解銅箔1具有小於30 kgf/mm2 的降伏強度，當電解銅箔被壓延時，可能會因為塑膠變形而產生越來越多的MD挫曲。若降伏強度大於60 kgf/mm2 ，不會有MD挫曲的產生，但該電解銅箔可能因為強的脆度(brittleness)而不被使用作為商用電解銅箔。
再者，若用於鋰二次電池的電解銅箔1具有小於1的表面積比率（實際測量面積/測量單位面積），可能由於在活性材料與電解銅箔的表面1a之間的滑動現象而引入一空氣層，其可能產生更多MD挫曲。若表面積比率大於3，可能由於空氣截留(air trapping)而產生更多MD挫曲。此處，空氣截留意指由於銅箔的表面特徵或設備條件而在銅箔壓延過程期間在銅層之間引入空氣層。
同時，若用於鋰二次電池的電解銅箔1具有大於3%的重量偏差，可能由於空氣截留而產生越來越多的MD挫曲，與以上的表面積比率大於3的情況類似。
以下將參照實驗性實例以及比較實例，取決於降伏強度、表面積比率以及重量偏差來詳細描述是否產生MD挫曲或電解銅箔的開裂(tear)。
同時，用於鋰二次電池的電解銅箔1可具有以Rz為基礎的約0.2 μm至2 μm的表面粗糙度（十點平均粗糙度）。
若表面粗糙度小於約0.2 μm，在電解銅箔與活性材料之間的黏著力可能變差。若在電解銅箔與活性材料之間的黏著力如上述所言變差，活性材料較可能在鋰二次電池正在使用中時分離。
若表面粗糙度大於約2 μm，活性材料可能由於高粗糙度而不會均勻塗佈在電解銅箔的表面1a上。若活性材料如上述所言未均勻塗佈，所製造的鋰二次電池可能具有一變差的放電容量恢復率(discharge capacity retention rate)。
再者，用於鋰二次電池的電解銅箔1可具有約3%或以上的一伸長率。
若電解銅箔具有小於約3%的伸長率(elongation)，當鋰二次電池被組裝時，該電解銅箔所應用至的電流收集器很有可能有裂縫(fractured)。
鋰二次電池的電解銅箔1可具有約3 μm至30 μm的厚度。
若電解銅箔具有太小的小於約3 μm的厚度，在電池製造過程期間，該電解銅箔可能不容易處理。若電解銅箔具有大於約30 μm的厚度，當電解銅箔被使用作為一電流收集器時，電流收集器的體積可能因為該厚度而增加，而使製造一高容量的電池困難。
同時，請參考第2圖，根據本揭露書之實施例的用於鋰二次電池的電解銅箔1可進一步包括形成於該電解銅箔的表面1a上的保護層2。
為了用於鋰二次電池的電解銅箔1之腐蝕控制，保護層2係選擇性地形成在電解銅箔的表面1a上，且保護層2可用選自以下群組的至少一者製成：鉻酸鹽、苯并三唑(BTA)、以及一矽烷耦合劑。
在腐蝕控制之上，保護層2亦可扮演提供抗熱性及／或增強活性材料耦接至用於鋰二次電池的電解銅箔1的角色。
揭露書之模式
接下來，參考以下表1，將描述用於製造根據本揭露書之實施例的用於鋰二次電池的電解銅箔之方法、以及根據實例以及比較實例的用於鋰二次電池的電解銅箔的製造條件。
製造過程
一銅箔係使用一用於電解沉積的裝置所製備，該裝置在一電解浴中包括一旋轉滾筒以及與該滾筒相距離一預定間隔的位置處的正電極板。硫酸銅使用作為用於電鍍的電解溶液，且基於硫脲的化合物含有硫脲(thiourea, TU)、氯(Cl)以及TOC經使用作為置入硫酸銅的添加物。基於硫脲的化合物中的各成分之濃度經控制，使得硫脲具有0.1 ppm至3 ppm的濃度、氯具有小於5 ppm的濃度、且TOC具有小於50 ppm的濃度。
未處理銅箔（亦即，沒有表面處理的銅箔）以10 ASD至80 ASD的電流密度電鍍至滾筒上。此時，重量偏差之控制係藉由在偏離核心的區域處安裝遮蔽板或輔助正電極來進行。
實例以及比較實例的製造條件
在實例和比較實例兩者中，使用包括寬度1,400 mm之滾筒的電解浴，且根據在下列表1中所顯示的製造條件製備具有8 μm的厚度的電解銅箔（在70 g/L的銅(Cu)、80 g/L的硫酸、55 ∘C的電解溶液溫度、以及55 A/dm2 的電流密度的條件下）。
再者，所製備電解銅箔以3,000 m之長度經壓延，且接著檢查MD挫曲是否發生。
量測方法
(1).降伏強度係使用廣用測試機台(universal testing machine, UTM)測量，且標距係5 cm。此時，十字頭速度係設為50 mm/min，且用於此量測的樣品係切割為12.7 mm的寬度。
(2).表面積比率係使用由Kyence所生產的3D雷射掃描顯微鏡(VK-X100)來測量。
此處，表面積比率對應至一值，該值係藉由將相對於一量測表面進行三維測量的實際表面積除以單位量測面積所獲得。再者，實際表面積係藉由以3D顯微鏡對銅箔樣品的第一表面1a的量測區域進行三維測量所獲得的面積，亦即藉由將3D顯微鏡之透鏡在Z軸方向上移動以偏移焦點所獲得的面積。換句話說，表面積比率對應至外露表面的實際表面積與單位量測面積間的比率。
(3).重量偏差係藉由切割10 cm×10 cm的L部分（左）、R部分（右）以及C部分（中）三個部分而定義為[(最大重量 - 最小重量)/(平均重量)×100]。 表1<TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td>   </td><td> 硫脲(TU) </td><td> 氯(Cl) </td><td> TOC </td><td> SPS </td><td> 明膠 </td><td> HEC </td><td> 備註 </td></tr><tr><td> 實例1 </td><td> 0.5 </td><td> 3 </td><td> 38 </td><td> - </td><td> - </td><td> - </td><td>   </td></tr><tr><td> 實例2 </td><td> 3 </td><td> 3 </td><td> 42 </td><td> - </td><td> - </td><td> - </td><td>   </td></tr><tr><td> 實例3 </td><td> 1.5 </td><td> 3 </td><td> 43 </td><td> - </td><td> - </td><td> - </td><td>   </td></tr><tr><td> 實例4 </td><td> 1 </td><td> 3 </td><td> 42 </td><td> - </td><td> - </td><td> - </td><td>   </td></tr><tr><td> 比較實例1 </td><td> - </td><td> - </td><td> 45 </td><td> 2 </td><td> 2 </td><td> 2 </td><td>   </td></tr><tr><td> 比較實例2 </td><td> 4 </td><td> 3 </td><td> 44 </td><td> - </td><td> - </td><td> - </td><td>   </td></tr><tr><td> 比較實例3 </td><td> 0.5 </td><td> 3 </td><td> 43 </td><td> 2 </td><td> 2 </td><td> 2 </td><td>   </td></tr><tr><td> 比較實例4 </td><td> 1.5 </td><td> 3 </td><td> 75 </td><td>   </td><td>   </td><td>   </td><td>   </td></tr><tr><td> 比較實例5 </td><td> 1.5 </td><td> 8 </td><td> 42 </td><td> - </td><td> - </td><td> - </td><td>   </td></tr><tr><td> 比較實例6 </td><td> 1.5 </td><td> 3 </td><td> 41 </td><td> - </td><td> - </td><td> - </td><td> 無遮蔽 </td></tr></TBODY></TABLE> **添加物之濃度單位：ppm
同時，參見下列之表2，顯示了根據表1的實例1至4的電解銅箔的性質以及根據比較實例1至6的電解銅箔的性質，且MD挫曲是否發生亦在各實例與比較實例中顯示。 表2<TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td>   </td><td> 降伏強度 [Kgf/mm<sup>2</sup>] </td><td> 表面積比率 </td><td> 重量偏差 [%] </td><td> MD線 </td></tr><tr><td> 實例1 </td><td> 33 </td><td> 2.5 </td><td> 2.8 </td><td> X </td></tr><tr><td> 實例2 </td><td> 58 </td><td> 1.3 </td><td> 1.5 </td><td> X </td></tr><tr><td> 實例3 </td><td> 50 </td><td> 1.5 </td><td> 2.2 </td><td> X </td></tr><tr><td> 實例4 </td><td> 40 </td><td> 1.8 </td><td> 2.5 </td><td> X </td></tr><tr><td> 比較實例1 </td><td><b>27</b></td><td> 1.4 </td><td> 2.4 </td><td> O </td></tr><tr><td> 比較實例2 </td><td><b>62</b></td><td> 1.2 </td><td> 2.6 </td><td> X [開裂] </td></tr><tr><td> 比較實例3 </td><td> 32 </td><td><b>0.9</b></td><td> 2.8 </td><td> O </td></tr><tr><td> 比較實例4 </td><td> 41 </td><td><b>3.1</b></td><td> 2.7 </td><td> O </td></tr><tr><td> 比較實例5 </td><td> 42 </td><td><b>3.4</b></td><td> 2.6 </td><td> O </td></tr><tr><td> 比較實例6 </td><td> 40 </td><td> 1.8 </td><td><b>3.4</b></td><td> O </td></tr></TBODY></TABLE>
若實例1及表2中的比較實例1互相比較，可發現當電解銅箔具有小於30 kgf/mm2 的降伏強度時，MD挫曲發生。類似地，若實例2與比較實例2互相比較，可發現當電解銅箔具有大於60 kgf/mm2 的降伏強度時，MD挫曲不發生，但電解銅箔在進行開延時開裂。
接下來，若實例2及表2中的比較實例3互相比較，可發現當電解銅箔具有小於1的表面積比率時，MD挫曲發生。類似地，若實例1與比較實例4及5互相比較，可發現當電解銅箔具有大於3的表面積比率時，MD挫曲發生。
再者，若實例1及4與比較實例6互相比較，可發現當電解銅箔具有大於3%的重量偏差時，MD挫曲發生。
因此，若整合考慮上述結果，可瞭解到若用於鋰二次電池的電解銅箔具有30 kgf/mm2 至60 kgf/mm2 的降伏強度、1至3的表面積比率、以及3%或以下的重量偏差，則可能獲得高品質電解銅箔用於鋰二次電池，該電解銅箔不發生MD挫曲且該銅箔在壓延過程中不開裂。
本揭露書已詳細描述。然而，應瞭解到，雖然該詳細描述以及具體實例指示本揭露書的較佳實施例，但僅提供作為闡釋，因為對本領域具通常知識者而言，從本詳細說明中可明顯得出在本揭露書之範疇內的各種修改及修飾。
工業利用性
本揭露書提供用於一鋰二次電池的電解銅箔，該電解銅箔係用於應用至一鋰二次電池的一負電極電流收集器，本揭露書而且提供包含該用於一鋰二次電池的電解銅箔的一鋰二次電池。
1‧‧‧電解銅箔
1a‧‧‧表面
2‧‧‧保護層
所附圖式繪示本揭露書之一較佳實施例，並且與前述揭露一起用於提供對本揭露書之技術精神的進一步了解之目的，且因此本揭露書不理解為被圖式限制。
第1圖係展示根據本揭露書之一實施例的用於鋰二次電池的電解銅箔之截面圖。
第2圖係展示形成於根據本揭露書之一實施例的用於鋰二次電池的電解銅箔之一表面處的一塗佈層之截面圖。
國內寄存資訊 (請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無
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1‧‧‧電解銅箔
2‧‧‧保護層

Claims (5)

  1. 一種用於一鋰二次電池的電解銅箔，該電解銅箔經應用作為一鋰二次電池的一負電極電流收集器， 其中該用於一鋰二次電池的電解銅箔具有30 kgf/mm2 至60 kgf/mm2 的降伏強度、1至3的表面積比率、以及3%或以下的重量偏差。
  2. 如請求項1所述之用於一鋰二次電池的電解銅箔， 其中該用於一鋰二次電池的電解銅箔具有以Rz為基礎的0.2 μm至2 μm的一表面粗糙度。
  3. 如請求項1所述之用於一鋰二次電池的電解銅箔， 其中該用於一鋰二次電池的電解銅箔具有3%或以上之一伸長率。
  4. 如請求項1所述之用於一鋰二次電池的電解銅箔， 其中該用於一鋰二次電池的電解銅箔具有3 μm至30 μm之一厚度。
  5. 一種鋰二次電池，該鋰二次電池中如請求項1至4中任一項之用於一鋰二次電池的電解銅箔經應用作為一負電極電流收集器。
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