TWI815669B

TWI815669B - 集流體

Info

Publication number: TWI815669B
Application number: TW111135506A
Authority: TW
Inventors: 李柏堅
Original assignee: 利紳科技股份有限公司
Priority date: 2022-09-20
Filing date: 2022-09-20
Publication date: 2023-09-11
Also published as: TW202414891A

Abstract

本發明關於一種用於電化學電池的集流體，包含一金屬箔，該金屬箔的至少一表面上設有分隔開的複數孔洞且界定一非開孔區域，該非開孔區域設有一凸出結構，該凸出結構包含分隔開的複數第一凸部。各孔洞的孔徑為20奈米(nm)~250微米(μm)，各第一凸部的凸出高度為20奈米(nm)~250微米(μm)。據此，該集流體具有大表面積三維結構，能增加電化學反應速度以及加快充放電的功效，且能減輕電池的重量以及降低成本。

Description

集流體

本發明關於一種集流體，尤指一種適用於電化學電池的集流體/集電體。

集流體是電化學電池(例如鋰離子電池)中不可或缺的主要部件之一。具體而言，集流體不僅用來承載活性材料，並可將電化學反應產生的電子導至外電路以形成電流，使得化學能可轉化為電能。因此，集流體的構造與電化學電池的性能密切相關。

鋰離子電池中的集流體一般係由金屬箔片構成，例如以鋁箔構成正極集流體，以銅箔構成負極集流體。集流體約佔鋰離子電池重量的15-20%和成本的10-15%。因此，更薄、更輕、成本低、高導電率、高穩定性的金屬箔將是理想集流體的發展趨勢。然而，現今的集流體存在以下幾個問題：1.由於金屬箔片容易摺皺和撕裂，較薄的金屬箔往往昂貴且更難使用。2.由於技術限制，很難大量製造小於6μm(Cu)或小於12μm(Al、Ni、不銹鋼箔)的金屬箔。3.由於電解質引起的集流體的持續腐蝕會導致電池的內阻逐漸增加，導致容量的持續損失。4.一般集流體的表面粗糙度較低，比表面積較小，在塗覆負極漿料後箔和漿料間的粘結力會比較差，成本增加；另一方面，集流體與活性材料層之間的接觸電阻過大，會大大縮短電池的使用壽命。

此外，習用電池的能量出入端子(極耳)通常是利用超音波或雷射技術焊接於集流體。然而，焊接部產生的內電阻問題會降低電池效能。

緣此，本發明主要目的在提供一種集流體，該集流體用於電化學電池並具有大表面積三維結構，達成減輕電池的重量、降低成本、增加電化學反應速度，以及快速充放電等功效。

本發明之集流體包含一金屬箔，該金屬箔具有在一厚度方向分隔的第一與第二表面，該金屬箔的第一表面設有分隔開的複數孔洞且界定一非開孔區域，各孔洞的孔徑介於20nm~250μm，該非開孔區域設有一凸出結構，該凸出結構具有分隔開的複數第一凸部，該複數第一凸部與該複數孔洞係隔開，各第一凸部係從該第一表面向外凸出且高度介於20nm~250μm。

在一實施例中，該複數孔洞係以電鑄製程形成在該金屬箔的第一表面，各孔洞的孔深為1~250微米(μm)並貫穿該第一與第二表面。

在一實施例中，該複數孔洞係以矩陣圖型或是錯位圖型配置在該金屬箔的第一表面。該複數第一凸部與該複數孔洞係間隔排列。

在一實施例中，該凸出結構係以電鑄製程形成在該金屬箔的第一表面，且該凸出結構的與該金屬箔的材質相同。

在一實施例中，該凸出結構係以電鑄製程形成在該金屬箔的第一表面，且該凸出結構的與該金屬箔的材質相異。

在一實施例中，該凸出結構具有多層結構。

在一實施例中，該第一凸部的頂面具有一凹部或是一第二凸部使得該凸出結構具有兩層結構。

在一實施例中，該集流體更包含一極耳，該極耳係以電鑄製程與該金屬箔一體成型。

關於本發明之其他目的、優點及特徵，將可由以下較佳實施例的詳細說明並參照所附圖式來了解。

10:集流體

12:金屬箔

14:第一表面

16:第二表面

18:孔洞

20:非開孔區域

22:凸出結構

24:第一凸部

26:導電基板

28:第一光阻層

30:第一光罩

32:遮柱

34:第一金屬

36:第二光阻層

38:第二光罩

40:凹槽

42:第二金屬

44:極耳

46:凹部

48:第二凸部

圖1係本發明第一實施例之集流體的放大立體圖。

圖2顯示圖1之集流體的一平面圖。

圖3顯示圖1之集流體的一剖面圖。

圖4A至4I顯示圖1之集流體的一製程示意圖。

圖5係本發明第二實施例之集流體的放大立體圖。

圖6顯示圖5之集流體的一剖面圖。

圖7係本發明第三實施例之集流體的放大立體圖。

圖8顯示圖7之集流體的一剖面圖。

圖9係本發明第四實施例之集流體的放大立體圖。

圖10顯示圖9之集流體的一剖面圖。

現將僅為例子但非用以限制的具體實施例，並參照所附圖式就本發明之較佳結構內容說明如下：參閱圖1至圖3，顯示依據本發明一實施例的集流體10，該集流體10包括一金屬箔12，該金屬箔12具有在一厚度方向分隔的第一表面14與第二表面16，該金屬箔12可為銅、鈦、鎳、金、錫、銀、鋁、鈷、鐵、鉻等金屬的箔片或是含有這些金屬的合金箔片。該金屬箔12可為鎳或鎳鈷(Ni-Co)合金箔片，以具有光滑的表面。該金屬箔在該厚度方向的厚度為20奈米(nm)~250微米(μm)，在一實施例中，該金屬箔12在該厚度方向的厚度為1~250微米(μm)，在一較佳實施例中，該金屬箔12的厚度為1~30微米(μm)。在本實施例中，該金屬箔12由電鑄製程形成，該第一表面14為電鑄終止之外露面，該第二表面16為電鑄開始之起始面。

該金屬箔12設有分隔開的複數孔洞18且界定一非開孔區域20。在本實施例中，該複數孔洞18係以矩陣圖型配置在該金屬箔12的第一表面14使得該金屬箔12上具有網孔結構，且各孔洞18的斷面為圓形。在可行的實施例中，該複數孔洞18係以錯位圖型配置在該金屬箔12的第一表面14，且各孔洞18的斷面可為橢圓形、多角形或是其他的幾何形狀。在本實施例中，各孔洞18係從該第一表面14延伸貫穿該第二表面16。在可行的實施例中，各孔洞18係從該第一表面14朝該第二表面16凹入但沒有延伸貫穿該第二表面16。各孔洞18的孔深為20奈米(nm)~250微米(μm)，在一較佳的實施例中，該複數孔洞18係以電鑄製程形成在該金屬箔12的第一表面14，各孔洞18的孔深介於1~250微米(μm)，孔徑介於20奈米(nm)~250微米(μm)。

該非開孔區域20設有一凸出結構22。該凸出結構22至少包含分隔開的複數第一凸部24，各第一凸部24係從該第一表面14向外凸出且高度為20奈米(nm)~250微米(μm)。在本實施例中，該複數第一凸部24係以矩陣圖型配置在該金屬箔12的第一表面14，且各第一凸部24的斷面為圓形。在可行的實施例中，該複數第一凸部24係以錯位圖型配置在該金屬箔12的第一表面14，且各第一凸部24的斷面可為橢圓形、多角形、長條形、或是其他的幾何形狀。在本實施例中，該複數第一凸部24與該複數孔洞18係隔開且間隔排列，亦即，相鄰二孔洞18之間有一個第一凸部24或是相鄰二第一凸部24之間有一個孔洞18。在一較佳的實施例中，該凸出結構22係以電鑄製程形成在該金屬箔12的該非開孔區域20，該凸出結構22的材質可為銅、鈦、鎳、金、錫、銀、鋁、鈷、鐵、鉻等或是含有這些金屬的合金或這些金屬氧化物。再者，該凸出結構22材質可以與金屬箔12的材質相同，也可以與金屬箔12的材質相異，例如可由鋅、鎂、鋁、鋰、鈣、錳等或是含有這些金屬的合金或這些金屬氧化物等材質製成，以具有誘發電解液之電化學反應，達到增加電容量的效果。

依據本發明的集流體10，將具有以下的優點：

1.由電鑄製程形成且具有網孔(孔洞18)結構的金屬箔12能提供較佳的光滑表面，且表面無尖刺區域，因此，由該集流體10構成的電化學電池在充放電時將能夠避免因尖刺產生尖端放電而造成活性物質剝離的效果。

2.具有網孔結構與凸出結構22的金屬箔12能大幅提高表面積，使得表面積能增加50%~100%，甚至增加100%的表面積，因而，可增加活性材料塗佈於該集流體10的接觸面積，進而可加速二次電池充放電循環速度與電量。

3.凸出結構22的材質可以與金屬箔12的材質相異，使得該集流體10為異質結構，具有誘發電解液之電化學反應，進而增加電容量。

4.由電鑄製程形成的金屬箔12可以有效地製作出適合電化學反應之孔洞18與第一凸部24的結構與分佈，使電化學反應均勻，進而增加電池壽命。

5.由電鑄製程形成的金屬箔12可以具有較高的強度和較薄的厚度，並有利大量生產而降低成本。

圖4A至4H揭示本發明的集流體10的一種製作方法。首先，如圖4A所示，在一導電基板26上覆上一第一光阻層28，並利用一第一光罩30進行曝光，以對覆蓋在導電基板26上的第一光阻層28進行選擇性地照射；在本實施例中，該第一光阻層28包含負型光阻劑，該第一光罩30的開孔圖形對應於該複數孔洞18的配置圖案，因而，未被曝光的區域(非感光區)將可溶解於特定的顯影液中。接著，如圖4B所示，對圖4A中的第一光阻層28進行顯影，以移除第一光阻層28中未被曝光的區域而形成複數遮柱32。接著，如圖4C所示，利用電鍍原理，將預設製造該金屬箔12的第一金屬34沈積在該導電基板26上，並累積到預設厚度以形成該金屬箔12。接著，如圖4D所示，移除圖4C中的遮柱32以顯露出該複數孔洞18的配置圖案，其中該複數孔洞18之形狀係依該複數遮柱32之形狀而形成。接著，如圖4E所示，在該金屬箔12上覆上一第二光阻層36，並利用一第二光罩38進行曝光，以對第二光阻層36進行選擇性地照射；在本實施例中，該第二光阻層36包含正型光阻劑，該第二光罩38的開孔圖形對應於該凸出結構22的配置圖案，因而，未被曝光的區域(非感光區)在顯影後會被保留。接著，如圖4F所示，對該第二光阻層36進行顯影，移除該第二光阻層36中被曝光的區域而形成複數凹槽40，因而，該第二光罩38的開孔圖形就可以顯現在該第二光阻層36上。接著，如圖4G所示，利用電鍍原理，將預設製造該凸出結構22的第二金屬42沈積在該金屬箔12上，並累積到預設厚度以使該複數凹槽40內的第二金屬42形成凸出結構22。該第二金屬42材質可以與第一金屬34的材質相同或相異。接著，如圖4H所示，移除該第二光阻層36以顯露出該複數第一凸部24的配置圖案。接著，如圖4I所示，將該金屬箔12脫離該導電基板26，且可利用捲收方式收集該集流體10。

如圖1至圖3所示，依據本發明構成的集流體10還包括一極耳用以和電池外部負載或電路的電極及連接。在本實施例中，極耳44係利用電鑄製程，沉積合適金屬材質(如金、銀、鉑、鈀、銦、錫等金屬或組合)在該金屬箔12的一端，讓極耳44與該金屬箔12一體成型，因而，不需以超音波或雷射技術來焊接金屬箔12與極耳44，可減少傳統電池製程的一道步驟，並可避免焊接部產生的內電阻問題，進而避免因內電阻而產生的發熱效應。

依據本發明構成的凸出結構22可具有兩層或兩層以上的多層結構，以增加該集流體10的表面積，進而可加速充放電循環速度。圖5與圖6顯示本發明第二實施例的集流體10，在本實施例中，在該第一凸部24的頂面具有至少一凹部46使得該凸出結構22具有兩層結構以增加表面積。

圖7與圖8顯示本發明第三實施例的集流體10，在本實施例中，該凸出結構22的第一凸部24的頂面具有至少一第二凸部48使得該凸出結構22具有兩層結構以增加表面積，進而可加速充放電循環速度。在本實施例中，該第二凸部48係以電鑄製程形成在第一凸部24上且具有不同的外徑，再者，該第二凸部48材質可以與第一凸部24的材質相同或相異。在可行的實施例中，在該第二凸部48上可設有一第三凸部(未顯示)使得該凸出結構22具有三層結構。

圖9與圖10顯示本發明第四實施例的集流體10，在本實施例中，該複數孔洞18係以多行的排列方式配置在該金屬箔12的第一表面14，而該凸出結構22的第一凸部24係設計成長條形且與該多行的孔洞18係間隔排列。在一可行的實施例中，該第一凸部24的頂面可設有凹部或第二凸部使得該凸出結構22具有多層結構以增加表面積。

以上所述為本發明之較佳實施例之詳細說明與圖式，並非用來限制本發明，本發明之所有範圍應以下述之專利範圍為準，凡專利範圍之精神與其類似變化之實施例與近似結構，皆應包含於本發明之中。