DE112012000890T5 - Poröser Aluminiumkörper mit dreidimensionalem Netzwerk für Stromabnehmer, Elektrode, bei der der poröse Aluminiumkörper verwendet wird, und Batterie, Kondensator und Lithiumionen-Kondensator, die jeweils die Elektrode verwenden - Google Patents

Poröser Aluminiumkörper mit dreidimensionalem Netzwerk für Stromabnehmer, Elektrode, bei der der poröse Aluminiumkörper verwendet wird, und Batterie, Kondensator und Lithiumionen-Kondensator, die jeweils die Elektrode verwenden Download PDF

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Kazuki Okuno
Hajime Ota
Junichi Nishimura
Hideaki SAKAIDA
Koutarou Kimura
Akihisa Hosoe
Kengo Goto
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Sumitomo Electric Toyama Co Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
Sumitomo Electric Toyama Co Ltd
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Abstract

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen blechförmigen porösen Aluminiumkörper mit dreidimensionalem Netzwerk für einen Stromabnehmer, der geeigneterweise für Elektroden für Batterien mit nicht-wässrigen Elektrolyten und Elektroden für Kondensatoren verwendet wird, eine Elektrode und einen Kondensator, die jeweils diesen verwenden, bereitzustellen. In einem solchen porösen Aluminiumkörper mit dreidimensionalem Netzwerk für einen Stromabnehmer ist der poröse Aluminiumkörper so eingerichtet, dass er eine Druckfestigkeit von 0,2 MPa oder mehr in Dickenrichtung aufweist, um effizient ein aktives Material in den blechförmigen porösen Aluminiumkörper mit dreidimensionalem Netzwerk einzufüllen. Auch weist das Gerüst, das den porösen Aluminiumkörper bildet, eine Oberflächenrauheit (Ra) von 0,5 μm oder mehr und 10 μm oder weniger auf und der poröse Aluminiumkörper weist einen mittleren Zelldurchmesser von 50 μm oder mehr und 800 μm oder weniger auf.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen porösen Aluminiumkörper mit dreidimensionalem Netzwerk für einen Stromabnehmer, der verwendet wird für eine Batterie mit nicht-wässrigem Elektrolyten (Lithiumbatterie usw.), einen Kondensator, einen Lithiumionenkondensator und dergleichen, bei denen eine nicht-wässrige Elektrolytlösung verwendet wird.
  • Stand der Technik
  • Poröse Metallkörper mit einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur sind in einem großen Anwendungsbereich eingesetzt worden, wie z. B. als verschiedene Filter, Katalysatorträger und Batterieelektroden. Zum Beispiel ist Celmet (hergestellt von Sumitomo Electric Industries, Ltd., registrierte Handelsmarke), das aus einem porösen Nickelkörper mit dreidimensionalem Netzwerk aufgebaut ist (nachstehend als ”poröser Nickelkörper” bezeichnet) als ein Elektrodenmaterial für Batterien, wie z. B. Nickel-Wasserstoff-Batterien und Nickel-Cadmium-Batterien, verwendet worden. Celmet ist ein poröser Metallkörper, der kontinuierliche Poren aufweist und charakteristischerweise eine größere Porosität (90% oder mehr) als andere poröse Körper aufweist, wie z. B. metallische Vliesstoffe. Celmet kann durch Bilden einer Nickelschicht auf der Oberfläche eines Gerüsts aus einem porösen Harz mit kontinuierlichen Poren, wie z. B. ein Urethanschaum, dann Zersetzen des Harzschaum-Formkörpers durch eine Wärmebehandlung und Reduzieren des Nickels erhalten werden. Die Nickelschicht wird durch Durchführen einer Leitfähigkeitsbehandlung, worin ein Kohlenstoffpulver oder dergleichen auf die Oberfläche des Gerüst des Harzschaum-Formkörpers aufgetragen wird, und dann Abscheiden des Nickels durch Elektroplattieren gebildet.
  • Andererseits besitzt Aluminium, wie Nickel, herausragende Eigenschaften, wie z. B. Leitfähigkeitseigenschaften, Korrosionsbeständigkeit und geringes spezifisches Gewicht, und für die Anwendung in Batterien ist z. B. eine Aluminiumfolie, bei der ein aktives Material, wie z. B. Lithium-Kobalt-Oxid, auf die Oberfläche hiervon aufgetragen ist, als positive Elektrode einer Lithiumbatterie verwendet worden. Um die Kapazität einer positiven Elektrode zu erhöhen, wird die Verwendung eines porösen Aluminiumkörpers mit dreidimensionalem Netzwerk (nachstehend als ”poröser Aluminiumkörper” bezeichnet) in Betracht gezogen, worin die Oberfläche des Aluminiums vergrößert ist und das Innere des Aluminium mit einem aktiven Material gefüllt ist. Der Grund hierfür ist, dass dies die Ausnutzung des aktiven Materials sogar in einer Elektrode mit einer großen Dicke ermöglicht und den verfügbaren Anteil von aktivem Material je Einheitsfläche verbessert.
  • Als ein Verfahren zur Herstellung eines porösen Aluminiumkörpers beschreibt Patentliteratur 1 ein Verfahren, in dem ein Kunststoffsubstrat mit dreidimensionalem Netzwerk, welches einen inneren kontinuierlichem Raum aufweist, einem Aluminium-Dampfabscheidungsprozess durch ein Bogen-Ionenplattierungsverfahren unterzogen wird, um eine metallische Aluminiumschicht mit einer Dicke von 2 bis 20 μm zu bilden.
  • Es wird angeführt, dass gemäß diesem Verfahren ein poröser Aluminiumkörper mit einer Dicke von 2 bis 20 μm erhalten wird, weil jedoch dieses Verfahren auf einem Gasphasenprozess beruht, ist es schwierig, einen großflächigen porösen Körper herzustellen, und in Abhängigkeit von der Dicke oder Porosität des Substrats ist es schwierig, eine Schicht zu bilden, die intern gleichmäßig ist. Ferner weist dieses Verfahren die Probleme auf, dass die Bildungsgeschwindigkeit der Aluminiumschicht klein ist und dass die Produktionskosten hoch sind, weil die Herstellungsgeräte teuer sind. Wenn ein dicker Film gebildet wird, besteht darüber hinaus die Möglichkeit, dass Risse in dem Film hergestellt werden oder sich das Aluminium ablöst.
  • Patentliteratur 2 beschreibt ein Verfahren zum Erhalt eines porösen Aluminiumkörpers, welches das Bilden eines Film aus einem Metall (wie z. B. Kupfer) auf dem Gerüst eines Harzschaum-Formkörpers mit einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur, wobei das Metall die Fähigkeit zur Bildung einer eutektischen Legierung bei einer Temperatur gleich oder niedriger als der Schmelzpunkt von Aluminium aufweist, dann Auftragen einer Aluminiumpaste auf den Film und Durchführen einer Wärmebehandlung in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre bei einer Temperatur von 550°C oder höher und 750°C oder niedriger, um organische Aufbaustoffe (Harzschaum) zu entfernen und ein Aluminiumpulver zu sintern, umfasst.
  • Jedoch wird gemäß diesem Verfahren eine Schicht hergestellt, die eine eutektische Legierung aus dem vorstehend erwähnten Metall und Aluminium bildet, und eine Aluminiumschicht mit hoher Reinheit kann nicht gebildet werden.
  • Als andere Verfahren wird angedacht, dass ein Harzschaum-Formkörper mit einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur einer Aluminiumplattierung unterzogen wird. Der Elektroplattierungsprozess von Aluminium selbst ist bekannt, weil jedoch Aluminium eine hohe chemische Affinität zu Sauerstoff aufweist und ein niedrigeres elektrisches Potenzial als Wasserstoff besitzt, ist die Elektroplattierung in einem Plattierungsbad, das eine wässrige Lösung enthält, schwierig. Somit wurde konventionell die Aluminium-Elektroplattierung in einem Plattierungsbad, das ein nichtwässriges Lösungssystem enthält, untersucht. Zum Beispiel offenbart Patentliteratur 3 als eine Technik zum Plattieren einer Metalloberfläche mit Aluminium zum Zweck der Antioxidation der Metalloberfläche ein Aluminium-Elektroplattierungsverfahren, worin eine niedrigschmelzende Zusammensetzung, die eine Mischschmelze eines Oniumhalogenids und eines Aluminiumhalogenids ist, als ein Plattierungsbad verwendet wird und worin das Aluminium auf einer Kathode abgeschieden wird, während der Wassergehalt des Plattierungsbads bei 2 Masse% oder weniger gehalten wird.
  • Jedoch ist mit der Aluminium-Elektroplattierung nur das Plattieren einer Metalloberfläche möglich, und es gibt kein bekanntes Verfahren zum Elektroplattieren auf der Oberfläche eines Harz-Formkörpers, insbesondere zum Elektroplattieren auf der Oberfläche eines Harz-Formkörpers mit einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur.
  • Die hiesigen Erfinder haben ernsthafte Untersuchungen bezüglich eines Verfahrens zum Elektroplattieren der Oberfläche eines Urethanharz-Formkörpers mit einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur mit Aluminium durchgeführt und haben herausgefunden, dass es möglich ist, die Oberfläche eines Urethanharz-Formkörpers zu elektroplattieren, indem der Urethanharz-Formkörper, bei dem mindestens die Oberfläche elektrisch leitfähig gestaltet ist, in einem Salzschmelzebad mit Aluminium plattiert wird. Diese Befunde haben zur Vollendung eines Verfahrens zur Herstellung eines porösen Aluminiumkörpers geführt. Gemäß diesem Herstellungsverfahren kann eine Aluminiumstruktur erhalten werden, die einen Urethanharz-Formkörper als Kern ihres Gerüsts aufweist. Für einige Anwendungen, wie z. B. als verschiedene Filter und Katalysatorträger, kann die Aluminiumstruktur so wie sie ist als Harz-Metall-Komposit verwendet werden, wenn jedoch wegen Einschränkungen, die sich aus der Verwendungsumgebung ergeben, die Aluminiumstruktur als eine Metallstruktur ohne ein Harz verwendet wird, muss durch Entfernen des Harzes ein poröser Aluminiumkörper gebildet werden.
  • Die Entfernung des Harzes kann durch irgendein Verfahren durchgeführt werden, inklusive Zersetzung (Auflösung) mit einem organischen Lösungsmittel, einer Salzschmelze oder superkritischem Wasser, Zersetzung durch Erwärmen oder dergleichen.
  • Hier ist ein Verfahren zur Zersetzung durch Erwärmen bei hoher Temperatur oder dergleichen praktisch, geht jedoch mit der Oxidation von Aluminium einher. Weil im Unterschied zu Nickel Aluminium schwer zu reduzieren ist, nachdem es einmal oxidiert worden ist, falls es z. B. in einem Elektrodenmaterial einer Batterie oder dergleichen verwendet wird, verliert die Elektrode ihre elektrisch leitende Eigenschaft aufgrund der Oxidation und daher kann Aluminium nicht als Elektrodenmaterial verwendet werden. Daher haben die hiesigen Erfinder als ein Verfahren zum Entfernen eines Harzes, ohne die Oxidation von Aluminium zu verursachen, ein Verfahren zur Herstellung eines porösen Aluminiumkörpers entwickelt, worin eine Aluminiumstruktur, die durch Bilden einer Aluminiumschicht auf der Oberfläche eines porösen Harz-Formkörpers erhalten ist, auf eine Temperatur gleich oder niedriger als der Schmelzpunkt von Aluminium in einem Zustand erwärmt wird, in dem sie in eine Salzschmelze eingetaucht ist, während ein negatives Potenzial an die Aluminiumschicht angelegt wird, um den porösen Harz-Formkörper durch thermische Zersetzung zu entfernen, um eine porösen Aluminiumkörper zu erhalten.
  • Um den somit erhaltenen porösen Aluminiumkörper als eine Elektrode zu verwenden, ist es im Übrigen notwendig, einen Anschlussdraht mit dem porösen Aluminiumkörper zu verbinden, um einen Stromabnehmer zu bilden, den porösen Aluminiumkörper, der als Stromabnehmer dient, mit einem aktiven Material zu füllen, und den resultierenden porösen Aluminiumkörper Behandlungen, wie z. B. Komprimieren und Schneiden, durch ein Verfahren, wie in 1 gezeigt, zu unterziehen, jedoch war bisher keine Technologie zur praktischen Verwendung zur industriellen Herstellung von Elektroden für nicht-wässrige Elektrolytbatterien und für Kondensatoren, Lithiumionen-Kondensatoren und dergleichen, bei denen jeweils eine nicht-wässrige Elektrolytlösung verwendet wird, aus einem porösen Aluminiumkörper bekannt.
  • Quellenverzeichnis
  • Patentliteratur
    • Patentliteratur 1: Japanisches Patent Nr. 3413662
    • Patentliteratur 2: Veröffentlichung der ungeprüften japanischen Patentanmeldung Nr. 8-170126
    • Patentliteratur 3: Japanisches Patent Nr. 3202072
    • Patentliteratur 4: Veröffentlichung der ungeprüften japanischen Patentanmeldung Nr. 56-86459 .
  • Zusammenfassung der Erfindung Technisches Problem
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen porösen Aluminiumkörper mit dreidimensionalem Netzwerk, der als ein Stromabnehmer einer Elektrode für eine Batterie mit nicht-wässrigem Elektrolyten, für einen Kondensator (nachstehend einfach als ”Kondensator” bezeichnet), bei dem eine nichtwässrige Elektrolytlösung verwendet wird, und für einen Lithiumionen-Kondensator (nachstehend einfach als Lithiumionen-Kondensator bezeichnet), bei dem eine nichtwässrige Elektrolytlösung eingesetzt wird, und dergleichen verwendet werden kann.
  • Lösung des Problems
  • Der Aufbau der Erfindung ist wie folgt.
    • (1) Poröser Aluminiumkörper mit dreidimensionalem Netzwerk für einen Stromabnehmer, umfassend einen blechförmigen porösen Aluminiumkörper mit dreidimensionalem Netzwerk, der eine Druckfestigkeit in Dickenrichtung von 0,2 MPa oder mehr aufweist.
    • (2) Poröser Aluminiumkörper mit dreidimensionalem Netzwerk für einen Stromabnehmer gemäß (1), worin ein Gerüst, das den porösen Aluminiumkörper bildet, eine Oberflächenrauheit (Ra) von 0,5 μm oder mehr und 10 μm oder weniger aufweist.
    • (3) Poröser Aluminiumkörper mit dreidimensionalem Netzwerk für einen Stromabnehmer gemäß (1) oder (2), worin der poröse Aluminiumkörper einen mittleren Zelldurchmesser von 50 μm oder mehr und 800 μm oder weniger aufweist.
    • (4) Poröser Aluminiumkörper mit dreidimensionalem Netzwerk für einen Stromabnehmer gemäß (3), worin der mittlere Zelldurchmesser 200 μm oder mehr und 500 μm oder weniger beträgt.
    • (5) Elektrode, umfassend eine Füllung des porösen Aluminiumkörpers mit dreidimensionalem Netzwerk für einen Stromabnehmer gemäß irgendeinem von (1) bis (4) mit einem aktiven Material.
    • (6) Batterie mit nicht-wässrigem Elektrolyten, umfassend die Verwendung der Elektrode gemäß (5).
    • (7) Kondensator, bei dem eine nicht-wässrige Elektrolytlösung verwendet wird, umfassend die Verwendung der Elektrode gemäß (5).
    • (8) Lithiumionen-Kondensator, bei dem eine nicht-wässrige Elektrolytlösung verwendet wird, umfassend die Verwendung der Elektrode gemäß (5).
  • Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
  • Die unter Verwendung des erfindungsgemäßen porösen Aluminiumkörpers für einen Stromabnehmer hergestellte Elektrode erhöht den verfügbaren Anteil eines aktiven Materials je Einheitsvolumen und kann eine höhere Kapazität realisieren, und sie kann die Anzahl der Schichten eines Laminats verringern, um die Verarbeitungskosten bei der Verarbeitung des porösen Aluminiumkörpers zu einer Elektrode zu reduzieren.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine Ansicht, die ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenmaterials aus einem porösen Aluminiumkörper darstellt.
  • 2 ist eine Ansicht, die einen Schritt zum Komprimieren des Endteils eines porösen Aluminiumkörpers, um einen komprimierten Teil zu bilden, zeigt.
  • 3 ist eine Ansicht, die einen Schritt zum Komprimieren des Zentralbereichs eines porösen Aluminiumkörpers, um einen komprimierten Bereich zu bilden, zeigt.
  • 4(a) und 4(b) sind Ansichten, die einen Zustand zeigen, worin ein Schlaufendraht (tab lead) an den komprimierten Teil im Endteil eines porösen Aluminiumkörpers gebunden ist.
  • 5 ist ein Flussdiagramm, das einen Schritt zum Herstellen eines porösen Aluminiumkörpers zeigt.
  • 6(a), 6(b), 6(c) und 6(d) sind schematische Querschnittsansichten, die einen Schritt zum Herstellen eines porösen Aluminiumkörpers veranschaulichen.
  • 7 ist eine vergrößerte Fotografie der Oberfläche der Struktur eines Urethanharz-Formkörpers.
  • 8 ist eine Ansicht, die ein Beispiel eines Schritts einer kontinuierlichen Leitfähigkeitsbehandlung auf der Oberfläche eines Harz-Formkörpers mit einem leitfähigen Beschichtungsmaterial veranschaulicht.
  • 9 ist eine Ansicht, die ein Beispiel eines Schritts zum kontinuierlichen Aluminiumplattieren veranschaulicht, wobei Salzschmelzeplattieren eingesetzt wird.
  • 10 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel einer Struktur zeigt, worin ein poröser Aluminiumkörper in einer Lithiumbatterie eingesetzt wird.
  • 11 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel einer Struktur zeigt, worin ein poröser Aluminiumkörper in einem Kondensator eingesetzt wird.
  • 12 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel einer Struktur zeigt, worin ein poröser Aluminiumkörper in einem Lithiumionen-Kondensator eingesetzt wird.
  • 13 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel einer Struktur zeigt, worin ein poröser Aluminiumkörper in einer Salzschmelzebatterie eingesetzt wird.
  • Beschreibung der Ausführungsformen
  • Als erstes wird ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen porösen Aluminiumkörpers beschrieben. Nachstehend wird das Herstellungsverfahren unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, falls notwendig, beschrieben, wobei ein Beispiel als ein repräsentatives Beispiel herangezogen wird, worin ein Aluminium-Plattierungsverfahren als ein Verfahren zum Bilden eines Aluminiumfilms auf der Oberfläche eines Urethanharz-Formkörpers eingesetzt wird. In den gesamten nachfolgenden Figurbezügen sind die Teile, die mit der gleichen Zahl bezeichnet werden, gleiche Teile oder sich entsprechende Teile. Die vorliegende Erfindung ist nicht hierauf beschränkt, sondern wird durch die Ansprüche definiert, und alle Modifikationen, die in den Umfang der Ansprüche fallen, und deren Äquivalente sollen von den Ansprüchen umfasst sein.
  • Schritt zur Herstellung einer Aluminiumstruktur
  • 5 ist ein Flussdiagramm, das einen Schritt zur Herstellung einer Aluminiumstruktur zeigt. 6(a) bis 6(d) zeigen schematische Ansichten der Bildung eines Aluminium-Plattierungsfilms unter Verwendung eines Harz-Formkörpers als ein Kernmaterial, entsprechend dem Flussdiagramm. Der Gesamtablauf des Herstellungsschritts wird unter Bezugnahme auf beide Figuren beschrieben. Zunächst wird die Herstellung 101 eines Harz-Formkörpers, der als Basismaterial dient, durchgeführt. 6(a) ist eine vergrößerte schematische Ansicht der Oberfläche eines Harz-Formkörpers mit kontinuierlichen Poren als ein Beispiel eines Harz-Formkörpers, der als Basismaterial dient. In dem Gerüst des Harz-Formkörpers 1 sind Poren gebildet. Als Nächstes wird eine Leitfähigkeitsbehandlung 102 auf der Oberfläche des Harz-Formkörpers durchgeführt. Wie in 6(b) veranschaulicht, wird durch diesen Schritt eine dünne leitfähige Schicht 2, die aus einem elektrischen Leiter hergestellt ist, auf der Oberfläche des Harz-Formkörpers 1 gebildet.
  • Anschließend wird eine Aluminiumplattierung 103 in einer Salzschmelze durchgeführt, um eine plattierte Aluminiumschicht 3 auf der Oberfläche der leitfähigen Schicht des Harz-Formkörpers zu bilden (6(c)). Hierdurch wird eine Aluminiumstruktur erhalten, worin die plattierte Aluminiumschicht 3 auf der Oberfläche des Harz-Formkörpers gebildet ist, der als Basismaterial dient. Es wird die Entfernung 104 des Harz-Formkörpers, der als Basismaterial dient, durchgeführt.
  • Der Harz-Formkörper 1 kann durch Zersetzung oder dergleichen entfernt werden, um eine Aluminiumstruktur (poröser Körper) zu erhalten, die nur eine verbleibende Metallschicht enthält (6(d)). Nachstehend wird jeder dieser Schritte nacheinander beschrieben.
  • Herstellung eines porösen Harz-Formkörpers
  • Es wird ein poröser Harz-Formkörper hergestellt, der eine dreidimensionale Netzwerkstruktur und kontinuierliche Poren aufweist. Das Material des porösen Harz-Formkörpers kann irgendein Harz sein. Als Material kann ein Harzschaum-Formkörper beispielhaft genannt werden, der aus Polyurethan, Melamin, Polypropylen oder Polyethylen hergestellt ist. Obwohl der Harzschaum-Formkörper exemplarisch angegeben ist, kann ein Harz-Formkörper mit jeglicher Struktur ausgewählt werden, solange der Harz-Formkörper kontinuierlich gebildete Poren (kontinuierliche Poren) aufweist. Zum Beispiel kann anstelle des Harzschaum-Formkörpers ein Harz-Formkörper eingesetzt werden, der eine Form wie ein Vliesstoff aufweist, der durch verheddertes, faseriges Harz gebildet wird. Der Harzschaum-Formkörper weist bevorzugt eine Porosität von 80 bis 98 und einen Porendurchmesser von 50 μm bis 500 μm auf. Urethanschäume und Melaminschäume besitzen eine hohe Porosität, kontinuierliche Poren und herausragende thermische Zersetzungseigenschaften und können daher bevorzugt als Harzschaum-Formkörper eingesetzt werden. Urethanschäume sind bezüglich der Gleichmäßigkeit der Poren, der leichten Verfügbarkeit und dergleichen bevorzugt, und dahingehend bevorzugt, dass Urethanschäume mit einem kleinen Porendurchmesser verfügbar sein können.
  • Poröse Harz-Formkörper enthalten oft Rückstandsmaterialien, wie z. B. ein Schäummittel und ein unreagiertes Monomer aus der Herstellung des Schaums, und sie werden daher für die nachfolgenden Schritte bevorzugt einer Waschbehandlung unterzogen. Als Beispiel des porösen Harz-Formkörpers ist in 7 ein Urethanschaum gezeigt, der als einer vorläufigen Behandlung einer Waschbehandlung unterzogen worden ist. In dem Harz-Formkörper ist ein dreidimensionales Netzwerk als Gerüst aufgebaut, und daher werden insgesamt kontinuierliche Poren erreicht. Das Gerüst des Urethanschaums weist in einem Querschnitt rechtwinklig zu seiner Ausdehnungsrichtung eine nahezu dreieckige Form auf. Hierin ist die Porosität durch die folgende Gleichung definiert: Porosität = (1 – (Gewicht des porösen Materials [g]/(Volumen des porösen Materials [cm3] × Materialdichte))) × 100 [%]
  • Ferner wird der Porendurchmesser durch Vergrößern der Oberfläche des Harz-Formkörpers in einer Fotomikrografie oder dergleichen, Zählen der Anzahl der Poren je Inch (25,4 mm) als Anzahl der Zellen und Berechnen des mittleren Porendurchmessers durch die folgende Gleichung bestimmt: Mittlerer Porendurchmesser = 25,4 mm/Anzahl der Zellen.
  • Leitfähigkeitsbehandlung der Oberfläche des Harz-Formkörpers Um eine Elektroplattierung durchzuführen, wird die Oberfläche des Harzschaums vorher einer Leitfähigkeitsbehandlung unterzogen. Das Verfahren zur Leitfähigkeitsbehandlung ist nicht besonders beschränkt, solange es eine Behandlung ist, durch die eine Schicht mit leitender Eigenschaft auf der Oberfläche des Harz-Formkörpers abgeschieden werden kann, und es kann jegliches Verfahren ausgewählt werden, inklusive stromlosem Plattieren eines leitfähigen Materials, wie z. B. Nickel, Gasabscheidung und Sputtern von Aluminium oder dergleichen, und Auftragung eines leitfähigen Beschichtungsmaterials, das leitfähige Partikel enthält, wie z. B. Kohlenstoff.
  • Als ein Beispiel der Leitfähigkeitsbehandlung werden ein Verfahren, worin die Oberfläche des Harzschaums durch Sputtern von Aluminium elektrisch leitfähig gestaltet wird, und ein Verfahren, in dem die Oberfläche des Harzschaums unter Verwendung von Kohlenstoff als leitfähigem Partikel elektrisch leitfähig gemacht wird, nachstehend beschrieben.
  • Sputtern von Aluminium
  • Die Sputterbehandlung unter Verwendung von Aluminium ist nicht beschränkt, solange Aluminium als ein Target verwendet wird, und es kann gemäß einem herkömmlichen Verfahren durchgeführt werden. Ein Sputterfilm aus Aluminium wird z. B. gebildet, indem ein geschäumtes Harz mit einem Substrathalter gehalten wird und dann eine Gleichspannung zwischen dem Halter und einem Target (Aluminium) angelegt wird, während ein Inertgas in die Sputtervorrichtung eingeführt wird, so dass ionisiertes Inertgas auf das Aluminiumtarget einschlägt und die gesputterten Aluminiumpartikel auf der Oberfläche des geschäumten Harzes abgeschieden werden. Die Sputterbehandlung wird bevorzugt unterhalb einer Temperatur durchgeführt, bei der das Harz nicht geschmolzen ist, und spezifisch kann die Sputterbehandlung bei einer Temperatur von etwa 100 bis 200°C, und bevorzugt bei einer Temperatur von etwa 120 bis 180°C, durchgeführt werden.
  • Kohlenstoffauftragung
  • Als leitfähiges Beschichtungsmaterial wird ein Kohlenstoff-Beschichtungsmaterial hergestellt. Eine Suspensionsflüssigkeit, die als leitfähiges Beschichtungsmaterial dient, enthält bevorzugt Kohlenstoffpartikel, ein Bindemittel, ein Dispergiermittel und ein Dispersionsmedium. Die gleichförmige Auftragung der leitfähigen Partikel erfordert die Beibehaltung einer gleichmäßigen Suspension der Suspensionsflüssigkeit. Somit wird die Suspensionsflüssigkeit bevorzugt bei einer Temperatur von 20°C bis 40°C gehalten. Der Grund hierfür ist, dass eine Temperatur der Suspensionsflüssigkeit von weniger als 20°C zu einem Versagen der gleichmäßigen Suspension führt, und nur das Bindemittel wird konzentriert, um eine Schicht auf der Oberfläche des Gerüsts, das die Netzwerkstruktur des Harz-Formkörpers aufbaut, zu bilden. In diesem Fall neigt eine Schicht von aufgetragenen Kohlenstoffpartikeln zum Ablösen, und eine Metallplattierung, die fest an das Substrat anhaftet, wird kaum gebildet. Wenn andererseits die Temperatur der Suspensionsflüssigkeit höher als 40°C ist, wird über den Verlauf der Zeit der Auftragungsbehandlung die Suspensionsflüssigkeit konzentriert und die aufgetragene Menge an Kohlenstoff neigt zu Variationen, weil die verdampfende Menge des Dispergiermittels groß ist. Der Kohlenstoffpartikel weist einen Partikeldurchmesser von 0,01 bis 5 μm, und bevorzugt 0,01 bis 0,5 μm auf. Ein großer Partikeldurchmesser kann zum Verstopfen der Löcher in dem Harz-Formkörper führen oder mit der glatten Plattierung interferieren, und zu kleine Partikel machen es schwierig, eine hinreichende Leitereigenschaft sicherzustellen.
  • Die Auftragung der Kohlenstoffpartikel auf den Harz-Formkörper kann durch Eintauchen des Harz-Formkörpers von Interesse in die Suspensionsflüssigkeit und Ausdrücken und Trocknen des Harz-Formkörpers durchgeführt werden. 8 ist eine schematische Ansicht, die als ein Beispiel eines praktischen Herstellungsschritts die Konfiguration einer Behandlungsvorrichtung für die Leitfähigkeitsbehandlung eines streifenförmigen Harz-Formkörpers zeigt, der als Gerüst dienen soll. Wie in der Figur gezeigt, umfasst die Vorrichtung eine Zuführrolle 12 zum Zuführen eines streifenförmigen Harzes 11, ein Bad 15, das eine Suspensionsflüssigkeit 14 eines leitfähigen Beschichtungsmaterials enthält, ein Paar Quetschwalzen 17, die oberhalb des Bads 15 angeordnet sind, eine Vielzahl von Heißluftdüsen 16, die auf gegenüberliegenden Seiten des laufenden streifenförmigen Harzes 11 angeordnet sind, und eine Aufnahmerolle 18 zum Aufnehmen des behandelten streifenförmigen Harzes 11. Ferner ist eine Umlenkrolle 13 zum Führen des streifenförmigen Harzes 11 geeignet angeordnet. In der so konfigurierten Vorrichtung wird das streifenförmige Harz 11 mit einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur von der Zuführrolle 12 abgewickelt, wird durch die Umlenkrolle 13 geführt und in die Suspensionsflüssigkeit in dem Bad 15 eingetaucht. Das streifenförmige Harz 11, das in die Suspensionsflüssigkeit 14 in dem Bad 15 eingetaucht ist, verändert seine Richtung nach oben und läuft zwischen den Quetschwalzen 17, die oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche der Suspensionsflüssigkeit 14 angeordnet sind. In diesem Fall ist der Abstand zwischen den Quetschwalzen 17 kleiner als die Dicke des streifenförmigen Harzes 11, und daher wird das streifenförmige Harz 11 komprimiert. Somit wird überflüssige Suspensionsflüssigkeit, mit der das streifenförmige Harz 11 imprägniert ist, in das Bad 15 ausgequetscht.
  • Anschließend ändert das streifenförmige Harz 11 seine Laufrichtung wieder. Das Dispersionsmedium oder dergleichen der Suspensionsflüssigkeit wird durch die aus den Heißluftdüsen 16, die von einer Vielzahl von Düsen konfiguriert werden, ausgestoßene Heißluft entfernt, und das vollständig getrocknete streifenförmige Harz 11 wird um die Aufnahmerolle 18 gewickelt. Die Temperatur der aus den Heißluftdüsen 16 ausgestoßenen Heißluft liegt bevorzugt im Bereich von 40°C bis 80°C. Wenn solch eine Vorrichtung verwendet wird, kann die Leitfähigkeitsbehandlung automatisch und kontinuierlich durchgeführt werden, und es wird ein Gerüst mit einer Netzwerkstruktur ohne Verstopfen und mit einer gleichmäßigen leitfähigen Schicht gebildet, und daher kann der anschließende Metallplattierungsschritt problemlos durchgeführt werden.
  • (Bildung einer Aluminiumschicht: Salzschmelzeplattieren)
  • Als Nächstes wird durch Elektroplattieren in einer Salzschmelze eine Aluminium-plattierte Schicht auf der Oberfläche des Harz-Formkörpers gebildet. Durch das Plattieren von Aluminium in einem Salzschmelzebad kann eine dicke Aluminiumschicht gleichmäßig gebildet werden, insbesondere auf der Oberfläche einer komplizierten Gerüststruktur wie dem Harz-Formkörper mit dreidimensionaler Netzwerkstruktur. Zwischen einer Kathode aus dem Harz-Formkörper, der eine der Leitfähigkeitsbehandlung unterzogene Oberfläche aufweist, und einer Anode aus einer Aluminiumplatte mit einer Reinheit von 99,0% wird in einer Salzschmelze ein Gleichstrom angelegt. Als Salzschmelze kann eine organische Salzschmelze, die ein eutektisches Salz eines organischen Halogenids und einem Aluminiumhalogenids ist, oder eine anorganische Salzschmelze, die ein eutektisches Salz eines Alkalimetallhalogenids und eines Aluminiumhalogenids ist, verwendet werden. Die Verwendung eines organischen Salzschmelzebads, welches bei relativ niedriger Temperatur schmilzt, ist bevorzugt, weil dies das Plattieren ohne die Zersetzung des Harz-Formkörpers, eines Basismaterials, ermöglicht. Als organisches Halogenid kann ein Imidazoliumsalz, ein Pyridiniumsalz oder dergleichen verwendet werden, und spezifisch sind 1-Ethyl-3-methylimidazoliumchlorid (EMIC) und Butylpyridiniumchlorid (BPC) bevorzugt. Da die Kontamination der Salzschmelze mit Wasser oder Sauerstoff einen Abbau der Salzschmelze verursacht, wird das Plattieren bevorzugt in einer Atmosphäre eines Inertgases, wie z. B. Stickstoff oder Argon, und in einer abgeschlossenen Umgebung durchgeführt.
  • Das Salzschmelzebad ist bevorzugt ein Salzschmelzebad, das Stickstoff enthält, und insbesondere wird bevorzugt ein Imidazoliumsalzbad verwendet. Wenn ein Salz, das bei einer hohen Temperatur schmilzt, als Salzschmelze verwendet wird, ist die Auflösung oder Zersetzung des Harzes in der Salzschmelze schneller als das Wachstum einer plattierten Schicht und daher kann auf der Oberfläche des Harz-Formkörpers keine plattierte Schicht gebildet werden. Das Imidazoliumsalzbad kann sogar bei relativ niedrigen Temperaturen verwendet werden, ohne dass dies irgendeine Auswirkung auf das Harz hat. Als Imidazoliumsalz wird bevorzugt ein Salz eingesetzt, das ein Imidazoliumkation mit Alkylgruppen an 1,3-Position enthält, und insbesondere werden wegen ihrer großen Stabilität und der Beständigkeit gegenüber Zersetzung Aluminiumchlorid + 1-ethyl-3-methylimidazoliumchlorid(AlCl3 + EMIC)-basierte Salzschmelzen am stärksten bevorzugt verwendet. Das Imidazoliumsalzbad erlaubt das Plattieren von Urethanschaum-Harzen und Melaminschaum-Harzen, und die Temperatur des Salzschmelzebads reicht von 10°C bis 65°C, und bevorzugt 25 bis 60°C. Mit einem Abnehmen der Temperatur verkleinert sich der Stromdichtebereich, in dem Plattieren möglich ist, und das Plattieren der gesamten Oberfläche eines porösen Harz-Formkörpers wird schwierig. Der Fehler, dass eine Form von einem Basisharz beeinträchtigt wird, wird bei hohen Temperaturen von höher als 65°C wahrscheinlicher.
  • In Bezug auf die Aluminiumplattierung auf einer Metalloberfläche in der Salzschmelze wird berichtet, dass ein Additiv, wie z. B. Xylol, Benzol, Toluol oder 1,10-Phenanthrolin, zu AlCl3-EMIC zugegeben wird, um die Glattheit der plattierten Oberfläche zu verbessern. Die hiesigen Erfinder haben herausgefunden, dass insbesondere bei der Aluminiumplattierung eines porösen Harz-Formkörpers mit einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur die Zugabe von 1,10-Phenanthrolin charakteristische Wirkungen auf die Bildung eines porösen Aluminiumkörpers ausübt. Das heißt, es stellt eine erste Eigenschaft zur Verfügung, dass die Glattheit eines Plattierungsfilms verbessert wird und das Aluminiumgerüst, das den porösen Körper bildet, kaum gebrochen ist, und eine zweite Eigenschaft, dass eine gleichmäßige Plattierung mit einem geringen Unterschied in der Plattierungsdicke zwischen der Oberfläche und dem Inneren des porösen Körpers erreicht werden kann.
  • Falls der vollendete poröse Aluminiumkörper gepresst wird oder dergleichen, können die zwei vorstehend erwähnten Eigenschaften des schwer zu brechenden Gerüsts und der gleichmäßigen Plattierungsdicke im Inneren und Äußeren einen porösen Körper bereitstellen, der insgesamt ein schwer zu brechendes Gerüst aufweist und gleichmäßig gepresst ist. Wenn der poröse Aluminiumkörper als ein Elektrodenmaterial für Batterien oder dergleichen verwendet wird, werden die Schritte durchgeführt, dass eine Elektrode mit einem aktiven Elektrodenmaterial gefüllt wird und gepresst wird, um dessen Dichte zu erhöhen. Da jedoch das Gerüst oft im Schritt des Füllens mit aktivem Material oder während des Pressens bricht, sind die zwei Eigenschaften in solch einer Anwendung extrem effektiv.
  • Gemäß der vorstehenden Beschreibung ist die Zugabe eines organischen Lösungsmittels zu dem Salzschmelzebad bevorzugt, und insbesondere wird 1,10-Phenanthrolin bevorzugt verwendet. Die zu dem Plattierungsbad zugegebene Menge an organischen Lösungsmittel liegt bevorzugt im Bereich von 0,2 bis 7 g/l. Wenn die Menge 0,2 g/l oder weniger beträgt, weist die resultierende Plattierung eine schlechte Glattheit auf und ist brüchig, und es ist schwierig, die Wirkung zur Verringerung des Unterschieds in der Dicke zwischen der Oberflächenschicht und dem Inneren zu erreichen. Wenn die Menge 7 g/l oder mehr beträgt, verringert sich die Plattierungseffizienz und es ist schwierig, eine vorbestimmte Plattierungsdicke zu erreichen.
  • 9 ist eine Ansicht, die schematisch die Konfiguration einer Vorrichtung zum kontinuierlichen Plattieren des vorstehend erwähnten streifenförmigen Harzes mit Aluminium zeigt. Diese Ansicht zeigt eine Konfiguration, worin ein streifenförmiges Harz 22 mit einer Oberfläche, die einer Leitfähigkeitsbehandlung unterzogen worden ist, von links nach rechts in der Figur transportiert wird. Ein erstes Plattierungsbad 21a wird durch eine zylindrische Elektrode 24, eine Aluminiumanode 25, die an der inneren Wand eines Behälters angeordnet ist, und ein Plattierungsbad 23 gebildet. Das streifenförmige Harz 22 läuft durch das Plattierungsbad 23 entlang der zylindrischen Elektrode 24, und hierdurch kann ein gleichmäßiger elektrischer Strom leicht durch den gesamten Harz-Formkörper fließen und es kann eine gleichmäßige Plattierung erreicht werden. Ein Plattierungsbad 21b ist ein Bad zum weiteren Durchführen einer dicken, gleichmäßigen Plattierung und wird von einer Vielzahl von Bädern aufgebaut, so dass die Plattierung mehrere Male durchgeführt werden kann. Das streifenförmige Harz 22 mit einer Oberfläche, die einer Leitfähigkeitsbehandlung unterzogen worden ist, läuft durch ein Plattierungsbad 28, während es durch Elektrodenrollen 26 transportiert wird, die als Zuführrollen und Stromzuführkathoden an der Außenseite des Bades fungieren, um hierdurch die Plattierung durchzuführen. Die Vielzahl von Bädern umfassen Anoden 27, die aus Aluminium hergestellt sind, die beiden Seiten des Harz-Formkörpers über das Plattierungsbad 28 zugewandt sind, was eine gleichmäßigere Plattierung auf beiden Seiten des Harz-Formkörpers ermöglicht. Die Plattierungsflüssigkeit wird zweckgemäß durch Blasen von Stickstoffgas von dem porösen plattierten Aluminiumkörper entfernt, und dann wird der poröse plattierte Aluminiumkörper mit Wasser gewaschen, um einen porösen Aluminiumkörper zu erhalten.
  • Andererseits kann auch ein anorganisches Salzbad als Salzschmelze bis zu einem Grad verwendet werden, bei dem das Harz nicht schmilzt oder dergleichen. Das anorganische Salzbad ist ein Salz aus einem Zweikomponentensystem, typischerweise AlCl3-XCl (X: Alkalimetall), oder ein Multikomponentensystem. Solch ein anorganisches Salzbad besitzt gewöhnlich eine höhere Schmelztemperatur als in einem organischen Salzbad, wie einem Imidazoliumsalzbad, jedoch besitzt es kleinere Umgebungsbeschränkungen, wie z. B. Wassergehalt oder Sauerstoff, und kann insgesamt bei niedrigen Kosten praktisch verwendet werden. Wenn das Harz ein Melaminschaumharz ist, wird ein anorganisches Salzbad bei 60°C bis 150°C eingesetzt, weil das Harz bei höheren Temperaturen verwendet werden kann als ein Urethanschaumharz.
  • Durch die vorstehenden Schritte wird eine Aluminiumstruktur, die einen Harz-Formkörper als Kern ihres Gerüsts aufweist, erhalten. Für einige Anwendungen, wie z. B. verschiedene Filter und Katalysatorträger, kann die Aluminiumstruktur als ein Harz-Metallkomposit so wie sie ist verwendet werden, wenn jedoch die Aluminiumstruktur wegen Beschränkungen, die aus der Verwendungsumgebung resultieren, als poröser Metallkörper ohne ein Harz verwendet wird, wird das Harz entfernt. Erfindungsgemäß wird das Harz durch Zersetzung in einer Salzschmelze, wie nachstehend beschrieben, entfernt, um eine Oxidation des Aluminiums zu vermeiden.
  • (Entfernung des Harzes: Behandlung mit Salzschmelze)
  • Die Zersetzung in einer Salzschmelze wird auf die folgende Weise durchgeführt. Ein Harz-Formkörper, der eine auf dessen Oberfläche gebildete plattierte Aluminiumschicht aufweist, wird in eine Metallschmelze eingetaucht und wird erwärmt, während ein negatives Potenzial (ein niedrigeres Potenzial als das Standard-Elektrodenpotenzial von Aluminium) an die Aluminiumschicht angelegt wird, um den Harzschaum-Formkörper zu entfernen. Wenn das negative Potenzial an die Aluminiumschicht angelegt wird, während der Harzschaum-Formkörper in die Salzschmelze eingetaucht ist, kann der Harzschaum-Formkörper zersetzt werden, ohne das Aluminium zu oxidieren. Die Erwärmungstemperatur kann gemäß der Art des Harzschaum-Formkörpers geeignet ausgewählt werden. Wenn der Harz-Formkörper ein Urethan ist, muss die Temperatur des Salzschmelzebads 380°C oder höher sein, weil die Zersetzung von Urethan bei etwa 380°C abläuft, jedoch muss die Behandlung bei einer Temperatur von gleich oder niedriger als der Schmelzpunkt (660°C) von Aluminium durchgeführt werden, um das Schmelzen von Aluminium zu vermeiden. Der bevorzugte Temperaturbereich beträgt 500°C oder höher und 600°C oder niedriger. Das anzulegende negative Potenzial ist auf der Minus-Seite des Reduktionspotenzials von Aluminium und auf der Plus-Seite des Reduktionspotenzials des Kations in der Salzschmelze. Auf diese Weise kann ein poröser Aluminiumkörper erhalten werden, der kontinuierliche Poren aufweist und eine dünne Oxidschicht auf der Oberfläche und einen niedrigen Sauerstoffgehalt aufweist.
  • Die bei der Zersetzung des Harzes verwendete Salzschmelze kann ein Halogenidsalz eines Alkalimetalls oder Erdalkalimetallsalzes sein, so dass das Aluminium-Elektrodenpotenzial kleiner ist. Spezifischer enthält die Salzschmelze bevorzugt ein oder mehr Salze, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Lithiumchlorid (LiCl), Kaliumchlorid (KCl) und Natriumchlorid (NaCl). Auf diese Weise kann ein poröser Aluminiumkörper mit dreidimensionalem Netzwerk erhalten werden, der kontinuierliche Poren aufweist und eine dünne Oxidschicht auf der Oberfläche und einen niedrigen Sauerstoffgehalt besitzt.
  • Der so erhaltene poröse Aluminiumkörper mit dreidimensionalem Netzwerk (nachstehend als ”poröser Aluminiumkörper” bezeichnet) kann für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, und nachstehend werden geeignete Anwendungen beschrieben.
  • Stromabnehmer für Batterien (Lithiumbatterien (LIB), Kondensator, Lithiumionen-Kondensator und Salz schmelzebatterie)
  • Weil der poröse Aluminiumkörper eine dreidimensionale poröse Struktur aufweist (große spezifische Oberfläche), weist der poröse Aluminiumkörper eine Struktur zum Fixieren eines Batteriematerials auf, und daher kann er eine dicke Elektrode mit großer Kapazität bilden und kann die Elektrodenfläche verringern, um die Kosten zu reduzieren. Darüber hinaus kann der poröse Aluminiumkörper die Menge eines zusätzlichen Bindemittels oder eines zu verwendenden Leitfähigkeitshilfsstoffs verringern und kann die Kapazität einer Batterie erhöhen.
  • Der poröse Aluminiumkörper kann in engen Kontakt mit dem Batteriematerial gebracht werden, um die Batterieleistung zu erhöhen, und kann verhindern, dass das Elektrodenmaterial abfällt, um die Lebensspanne einer Batterie, eines Kondensators und eines Lithiumionen-Kondensators zu verlängern, und daher kann er für Anwendungen als Elektroden-Stromabnehmer einer LIB, eines Kondensators, eines Lithiumionen-Kondensators, einer Salzschmelzebatterie und dergleichen verwendet werden.
  • Träger für Katalysatoren (industrieller Deodorisierungskatalysator, Sensorkatalysator)
  • Weil der poröse Aluminiumkörper eine poröse dreidimensionale Struktur (große spezifische Oberfläche) aufweist, erhöht er die Fläche zum Trägern eines Katalysators oder eine Kontaktfläche mit einem Gas, um die Wirkung eines Katalysatorträgers zu verstärken, und daher kann der poröse Aluminiumkörper für Anwendungen als Trägermaterialien für Katalysatoren eingesetzt werden, wie z. B. ein industrieller Deodorierungskatalysator und ein Sensorkatalysator.
  • Erwärmungsinstrument (Verdampfung/Atomisierung von Kerosin)
  • Da der poröse Aluminiumkörper eine dreidimensionale poröse Struktur (große spezifische Oberfläche) aufweist, kann er im Fall der Verwendung als ein Heizmittel Kerosin effizient erwärmen und verdampfen und daher kann der poröse Aluminiumkörper für Anwendungen von Erwärmungsinstrumenten eingesetzt werden, wie z. B. als Verdampfer oder Atomisierer von Kerosin.
  • Verschiedene Filter (Ölnebelabscheider, Fettfilter)
  • Da der poröse Aluminiumkörper eine dreidimensionale poröse Struktur (große spezifische Oberfläche) aufweist, erhöht er die Kontaktfläche mit Ölnebeln oder Fett und kann Öl oder Fett effizient sammeln, und daher kann der poröse Aluminiumkörper für Anwendungen von verschiedenen Filtern eingesetzt werden, wie z. B. als Ölnebelabscheider und Fettfilter.
  • Filtrationsfilter für strahlungsbelastetes Wasser
  • Weil Aluminium die Eigenschaft besitzt, Strahlung zu blockieren, wird es als ein Material zum Verhindern des Austritts von Strahlung verwendet. Derzeit stellt es ein Problem dar, Radioaktivität von kontaminiertem Wasser zu entfernen, das von einem Kernkraftwerk erzeugt wird, weil jedoch eine Aluminiumfolie, die als Material zum Verhindern von Strahlungsaustritt verwendet wird, Wasser nicht durchlässt, kann sie Radioaktivität von strahlungsbelastetem Wasser nicht entfernen. Weil im Gegensatz hierzu der poröse Aluminiumkörper eine dreidimensionale poröse Struktur (große spezifische Oberfläche) aufweist, kann er Wasser hindurchlassen und kann als Reinigungsfilter für strahlungsbelastetes Wasser verwendet werden. Darüber hinaus kann die Abtrennung von Verunreinigungen durch Filtration durch Bilden einer Membran mit einer Doppelschichtstruktur aus Poreflon (Handelsmarke: poröser Polytetrafluorethylen-(PTFE)-körper) und einem porösen Aluminiumkörper verbessert werden.
  • Schalldämpfer (Schallverminderung von Maschinen und Luftausrüstung, Verringerung von Windgeräuschen; Schallabsorption von Pantographen (Oberleitungsstromabnehmern))
  • Der poröse Aluminiumkörper weist eine große Schallabsorptionswirkung auf, weil er eine poröse dreidimensionale Struktur (große spezifische Oberfläche) aufweist, und er umfasst als ein Material Aluminium und ist leicht, und daher kann der poröse Aluminiumkörper für Anwendungen von Schalldämpfern von Maschinen und Luftausrüstung und zur Anwendungen der Verringerung von Windgeräuschen, wie z. B. als Schallabsorptionsmaterial eines Pantographen, verwendet werden.
  • Abschirmung von elektromagnetischen Wellen (abgeschirmter Raum, verschiedene Abschirmungen)
  • Da der poröse Aluminiumkörper eine kontinuierliche Porenstruktur (hohe Gasdurchlässigkeit) aufweist, besitzt er eine höhere Gasdurchlässigkeit als ein plattenartiges, elektromagnetische Wellen abschirmendes Material, und da sein Porendurchmesser frei ausgewählt werden kann, kann er auf eine Vielzahl von Frequenzbändern ansprechen, und daher kann der poröse Aluminiumkörper für Anwendungen zur Abschirmung von elektromagnetischen Wellen eingesetzt werden, wie z. B. für einen abgeschirmten Raum und verschiedene Abschirmungen für elektromagnetische Wellen.
  • Wärmeableitung, Wärmeaustausch (Wärmetauscher, Kühlkörper)
  • Da der poröse Aluminiumkörper eine dreidimensionale poröse Struktur (große spezifische Oberfläche) aufweist und eine große Wärmeleitfähigkeit besitzt, die aus seinem Material Aluminium resultiert, besitzt er eine große Wirkung zur Wärmeableitung, und daher kann der poröse Aluminiumkörper für Anwendungen zur Wärmeableitung/Wärmeaustausch, wie z. B. als Wärmetauscher und Kühlkörper, eingesetzt werden.
  • Brennstoffzelle
  • Obwohl derzeit Kohlenstoffpapier hauptsächlich als Gasdiffusions-Stromabnehmer oder Separator in einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle eingesetzt wird, hat das Kohlenstoffpapier die Probleme, dass das Kohlenstoffpapier hohe Materialkosten verursacht und auch hohe Herstellungskosten verursacht, weil es die Bildung eines komplizierten Fließwegs erfordert. Weil im Gegensatz hierzu der poröse Aluminiumkörper die Merkmale einer dreidimensionalen porösen Struktur, eines niedrigen Widerstands und eines passiven Films auf dessen Oberfläche aufweist, kann er als Gasdiffusionsschicht-Stromabnehmer und als Separator in einer sauren Atmosphäre mit hohem Potenzial in einer Brennstoffzelle eingesetzt werden, ohne einen komplizierten Fließweg zu bilden. Als Ergebnis kann der poröse Aluminiumkörper eine Kostenverringerung realisieren und kann daher für Brennstoffzellenanwendungen eingesetzt werden, wie z. B. als Gasdiffusionsschicht-Stromabnehmer und als Separator in einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle.
  • Träger für Hydrokulturen
  • In einer Hydrokultur wird ein System eingesetzt, worin ein Träger durch Ferninfrarotstrahlen erwärmt wird, um das Wachstum zu beschleunigen. Derzeit wird hauptsächlich Steinwolle als Träger für Hydrokulturen eingesetzt, jedoch ist die Wärmeleitfähigkeit von Steinwolle niedrig, und daher ist die Effizienz des Wärmeaustauschs gering. Weil im Gegensatz hierzu der poröse Aluminiumkörper eine poröse dreidimensionale Struktur (große spezifische Oberfläche) aufweist, kann er als Träger für eine Hydrokultur verwendet werden, und weil der poröse Aluminiumkörper eine große Leitfähigkeit aufweist, die aus seinem Material Aluminium resultiert, und einen Träger effizient erwärmen kann, kann er darüber hinaus als ein Träger für eine Hydrokultur verwendet werden. Des Weiteren kann ein Induktions-Erwärmungssystem als System zum Erwärmen eines Trägers eingesetzt werden, wenn der poröse Aluminiumkörper für den Träger eingesetzt wird, und daher kann der poröse Aluminiumkörper als ein Träger für eine Hydrokultur verwendet werden, die effizienter erwärmt werden kann als diejenige, die durch Ferninfrarotstrahlen erwärmt wird.
  • Baustoffe
  • Konventionell sind poröse Aluminiumkörper mit geschlossenen Zellen manchmal als Baustoffe mit dem Ziel der Gewichtsverringerung verwendet worden. Weil der poröse Aluminiumkörper eine dreidimensionale poröse Struktur (große Porosität) aufweist, kann er leichter sein als poröse Aluminiumkörper mit geschlossenen Zellen. Weil der poröse Aluminiumkörper kontinuierliche Poren aufweist, ist es darüber hinaus möglich, andere Materialien, wie z. B. Harze, in die Hohlräume des porösen Aluminiumkörpers zu füllen, und durch Kombinieren mit einem Material, das eine Funktion aufweist, wie z. B. Wärmeisolierungseigenschaften, Schallisolierungseigenschaften oder Feuchtigkeitkontrollierende Eigenschaften, kann der poröse Aluminiumkörper zu einem Kompositmaterial verarbeitet werden, das Funktionen aufweist, die nicht durch konventionelle poröse Aluminiumkörper mit geschlossenen Zellen realisiert werden können.
  • Elektromagnetische Induktionsheizung
  • Es wird beschrieben, dass ein Tontopf bevorzugt ist, wenn bei Kochutensilien Wert auf den Geschmack gelegt wird. Andererseits kann eine Erwärmung durch Induktionsheizen eine genaue Wärmekontrolle bieten. Es ist daher ein Tontopf erforderlich, der zur Induktionsheizung befähigt ist, wobei beide vorstehenden Merkmale eingesetzt werden. Konventionell ist ein Verfahren vorgeschlagen worden, worin ein magnetisches Material am Boden eines Tontopfs lokalisiert ist, oder ein Verfahren, worin ein spezifischer Ton verwendet wird, jedoch ist jedes Verfahren bezüglich der Wärmeleitfähigkeit unzureichend und nutzt die Merkmale der Induktionsheizung nicht vollständig aus. Wenn im Gegensatz hierzu ein Tontopf unter Verwendung des porösen Aluminiumkörpers als Kernmaterial, Mischen von Ton in das Kernmaterial unter Kneten und Sintern der resultierenden Mischung in einer Atmosphäre aus Inertgas gebildet wird, ist der resultierende Tontopf dazu in der Lage, gleichmäßig erwärmt zu werden, weil der poröse Aluminiumkörper, der als Kernmaterial dient, exotherm ist. Es sind sowohl ein poröser Nickelkörper als auch ein poröser Aluminiumkörper effektiv, jedoch ist der poröse Aluminiumkörper unter Berücksichtigung der Gewichtsverringerung stärker bevorzugt.
  • Es sind eine Vielzahl von Anwendungen des porösen Aluminiumkörpers beschrieben worden. Nachstehend werden unter den vorstehend beschriebenen Anwendungen insbesondere die Anwendungen als Stromabnehmer, der in einer Lithiumbatterie, einem Kondensator, einem Lithiumionenkondensator und einer Metallschmelzebatterie eingesetzt wird, im Detail beschrieben werden.
  • Zunächst wird ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode aus dem somit erhaltenen porösen Aluminiumkörper beschrieben.
  • 1 ist eine Ansicht, die ein Beispiel eines Verfahrens zum kontinuierlichen Herstellen einer Elektrode aus einem porösen Aluminiumkörper veranschaulicht. Das Verfahren umfasst einen porösen Körperblech-Abwickelschritt A zum Abwickeln eines Blechs des porösen Körpers von einer Abwickelrolle 41, einen Dickeneinstellschritt B unter Verwendung einer Kompressionswalze 42, einen Drahtschweißschritt C unter Verwendung einer Kompressionsschweißwalze 43 und einer Drahtschweißwalze 49, einen Aufschlämmungs-Einfüllschritt D unter Verwendung einer Füllwalze 44, eine Aufschlämmungszuführdüse 50 und einer Aufschlämmung 51, einen Trocknungsschritt E unter Verwendung einer Trocknungsmaschine 45, einen Kompressionsschritt F unter Verwendung einer Kompressionswalze 46, einen Schneideschritt G unter Verwendung einer Schneidewalze 47 und einen Aufwickelschritt H unter Verwendung einer Aufwickelrolle 48. Im Nachstehenden werden diese Schritte spezifisch beschrieben.
  • Dickeneinstellschritt
  • Ein Blech eines porösen Aluminiumkörpers wird von einer Ausgangsblechrolle abgewickelt, um den das Blech des porösen Aluminiumkörpers gewickelt worden ist, und wird in dem Dickeneinstellschritt durch Walzenpressen so eingestellt, dass es eine optimale Dicke und eine flache Oberfläche aufweist. Die endgültige Dicke des porösen Aluminiumkörpers wird in Übereinstimmung mit der Anwendung als Elektrode geeignet eingestellt, und dieser Dickeneinstellschritt ist ein Vor-Kompressionsschritt vor einem Kompressionsschritt zum Erreichen der endgültigen Dicke und komprimiert den porösen Aluminiumkörper zu einem Dickengrad, bei dem eine Behandlung in dem folgenden Schritt leicht durchgeführt wird. Als Pressmaschine wird eine Flachplattenpresse oder eine Walzenpresse verwendet. Die Flachplattenpresse ist zum Unterdrücken der Verlängerung eines Stromabnehmers bevorzugt, ist jedoch für die Massenproduktion nicht geeignet, und daher wird bevorzugt eine Walzenpresse, mit der eine kontinuierliche Behandlung durchgeführt werden kann, verwendet.
  • Drahtschweißschritt
  • Der Drahtschweißschritt umfasst Schritte zum Komprimieren eines Endteils des porösen Aluminiumkörpers und das Verbinden eines Streifendrahts an das komprimierte Endteil durch Schweißen.
  • Im Nachstehenden werden die vorstehend erwähnten Schritte beschrieben.
  • Kompression eines Endteils eines porösen Aluminiumkörpers
  • Wenn der poröse Aluminiumkörper als ein Elektroden-Stromabnehmer einer Sekundärbatterie oder dergleichen verwendet wird, muss ein Streifendraht für die externe Extraktion an den porösen Aluminiumkörper geschweißt werden. Im Fall einer Elektrode, bei der der poröse Aluminiumkörper verwendet wird, ist es unmöglich, ein Drahtstück direkt an den porösen Aluminiumkörper zu schweißen, weil in dem porösen Aluminiumkörper kein robustes Metallteil vorliegt. Daher wird ein Endteil des porösen Aluminiumkörpers durch Kompression zu der Form einer Folie verarbeitet, um ihm mechanische Festigkeit zu verleihen, und es wird ein Streifendraht an den Teil geschweißt.
  • Es wird ein Beispiel eines Verfahrens zum Verarbeiten des Endteils des porösen Aluminiumkörpers beschrieben.
  • 2 ist eine Ansicht, die schematisch den Kompressionsschritt zeigt.
  • Als Kompressionswerkzeug kann eine rotierende Walze verwendet werden.
  • Wenn der komprimierte Teil eine Dicke von 0,05 mm oder mehr und 0,2 mm oder weniger (z. B. etwa 0,1 mm) aufweist, kann eine vorbestimmte mechanische Festigkeit erreicht werden.
  • In 3 wird der Zentralbereich des porösen Aluminiumkörpers 34, der die Breite von zwei porösen Aluminiumkörpern aufweist, durch eine rotierende Walze 35 als Kompressionswerkzeug komprimiert, um einen komprimierten Teil (Anschlussteil) 33 zu bilden. Nach der Kompression wird der komprimierte Teil 33 entlang der Mittellinie des Mitteilteils geschnitten, um zwei Bleche von Elektroden-Stromabnehmern mit einem komprimierten Teil am Ende des Stromabnehmers zu erhalten.
  • Darüber hinaus kann eine Vielzahl von Stromabnehmern durch Bilden einer Vielzahl von streifenförmigen komprimierten Teilen im Zentralbereich des porösen Aluminiumkörpers unter Verwendung einer Vielzahl von rotierenden Walzen und Schneiden entlang der entsprechenden Mittellinien von diesen streifenförmigen komprimierten Teilen erhalten werden.
  • Binden des Streifendrahts an den komprimierten Endteil
  • Mit dem somit erhaltenen komprimierten Teil des Endteils des Stromabnehmers wird ein Streifendraht verbunden. Es ist bevorzugt, dass eine Metallfolie als Streifendraht verwendet wird, um den elektrischen Widerstand einer Elektrode zu verringern, und die Metallfolie wird mit der Oberfläche auf mindestens einer Seite der Umfangsflächen der Elektrode verbunden. Um den elektrischen Widerstand zu reduzieren, wird ferner Schweißen bevorzugt als Bindungsverfahren eingesetzt.
  • In 4(a) und 4(b) ist eine schematische Ansicht des erhaltenen Stromabnehmers gezeigt. Ein Streifendraht 37 ist an einen komprimierten Teil 33 eines porösen Aluminiumkörpers 34 geschweißt. 4(b) ist eine Querschnittsansicht von 4(a) entlang der Linie A-A.
  • Der komprimierte Teil zum Schweißen einer Metallfolie weist bevorzugt eine Breite L von 10 mm oder weniger auf, da eine zu breite Metallfolie einen Anstieg von verschwendetem Raum in einer Batterie verursacht und die Kapazitätsdichte der Batterie verringert wird. Weil das Schweißen schwierig wird und der Effekt zum Sammeln eines Stroms verschlechtert wird, wenn die Elektrode zu schmal ist, beträgt die Breite bevorzugt 2 mm oder mehr.
  • Als Schweißverfahren kann ein Verfahren zum Widerstandsschweißen oder Ultraschallschweißen verwendet werden, jedoch ist wegen der größeren Bindungsfläche das Ultraschallschweißen bevorzugt.
  • Metallfolie
  • Unter Berücksichtigung des elektrischen Widerstands und der Toleranz für eine Elektrolytlösung ist das Material der Metallfolie bevorzugt Aluminium. Weil Verunreinigungen in der Metallfolie das Auswaschen oder die Reaktion der Verunreinigungen in einer Batterie, einem Kondensator oder einem Lithionionen-Kondensator verursachen, wird bevorzugt eine Aluminiumfolie mit einer Reinheit von 99,99 oder höher verwendet. Die Dicke des geschweißten Teils ist bevorzugt geringer als die der Elektrode selbst.
  • Die Aluminiumfolie ist bevorzugt so eingerichtet, dass sie eine Dicke von 20 bis 500 μm aufweist.
  • Obwohl in der vorstehenden Beschreibung der Kompressionsschritt des Endteils und der Bindungsschritt des Streifendrahts als separate Schritte beschrieben worden sind, können der Kompressionsschritt und der Bindungsschritt simultan durchgeführt werden. In diesem Fall wird eine Walze verwendet, worin ein Walzenteil, das zum Widerstandsschweißen als Kompressionswalze in Kontakt mit einem Endteil des porösen Aluminiumkörpers gebracht wird, befähigt ist, um den Streifendraht zu verbinden, und das Blech des porösen Aluminiumkörpers und die Metallfolie können simultan zu der Walze zugeführt werden, um das Komprimieren des Endteils und das Schweißen. der Metallfolie an den komprimierten Teil simultan durchzuführen.
  • Schritt zum Füllen mit aktivem Material
  • Durch Füllen des Stromabnehmers mit einem aktiven Material wird eine Elektrode erhalten. Die Art des aktiven Materials wird entsprechend dem Verwendungszweck der Elektrode geeignet ausgewählt.
  • Beispiele eines Verfahrens zum Füllen des aktiven Materials umfassen ein Verfahren zum Füllen durch Eintauchen und ein Beschichtungsverfahren. Beispiele des Beschichtungsverfahrens umfassen ein Walzenbeschichtungsverfahren, ein Spatelbeschichtungsverfahren, ein elektrostatisches Beschichtungsverfahren, ein Pulverbeschichtungsverfahren, ein Sprühbeschichtungsverfahren, ein Sprühbeschichtungs-Beschichtungsverfahren, ein Rakelbeschichtungsverfahren, ein Walzenbeschichter-Beschichtungsverfahren, ein Eintauchbeschichter-Beschichtungsverfahren, ein Dosierrakelbeschichtungsverfahren, ein Drahtstab-Beschichtungsverfahren, ein Rakelstreichbeschichtungsverfahren und ein Siebdruckverfahren.
  • Wenn das aktive Material eingefüllt wird, wird, wie erforderlich, eine Leitfähigkeitshilfe oder ein Bindemittel zugegeben, und ein organisches Lösungsmittel wird hiermit gemischt, um eine Aufschlämmung herzustellen, und die hergestellte Aufschlämmung wird unter Verwendung des vorstehend erwähnten Füllverfahrens in den porösen Aluminiumkörper eingefüllt.
  • 1 zeigt ein Verfahren zum Füllen eines porösen Körpers mit einer Aufschlämmung durch ein Walzenbeschichtungsverfahren. Wie in der Figur gezeigt, wird die Aufschlämmung zu einem Blech des porösen Körpers zugeführt, und dieses Blech wird zwischen einem Paar von rotierenden Walzen, die sich in einem vorbestimmten Abstand gegenüberliegen, hindurchgeführt. Die Aufschlämmung wird in den porösen Aluminiumkörper gepresst und gefüllt, wenn er zwischen den rotierenden Walzen hindurchläuft.
  • Wenn die Aufschlämmung in den porösen Aluminiumkörper unter Verwendung von z. B. einer Füllwalze, wie in 1 gezeigt, gepresst wird, wird auf den porösen Aluminiumkörper durch die Füllwalze eine Kompressionsbelastung ausgeübt. Falls in diesem Fall der poröse Aluminiumkörper durch die Kompressionsbelastung deformiert wird, verringert sich die Dicke des porösen Aluminiumkörpers, und das Volumen, worin das aktive Material aufgenommen wird, verringert sich, was die Eigenschaften als Stromabnehmer verschlechtert.
  • Daher muss der poröse Aluminiumkörper davor geschützt werden, sich zu deformieren, sogar wenn mit einer Walze komprimiert wird. Beispiele von Mitteln hierfür umfassen die folgenden Mittel (1) bis (3).
    • (1) Der poröse Aluminiumkörper wird so eingerichtet, dass er eine Druckfestigkeit von vorbestimmtem Wert oder größer aufweist. Der poröse Aluminiumkörper wird so eingerichtet, dass er eine Druckfestigkeit von 0,2 MPa oder mehr aufweist, und der Einpressdruck auf eine Aufschlämmung beim Einfüllen der Aufschlämmung wird auf 0,2 MPa oder kleiner eingestellt. Gemäß einem Test, der von den vorliegenden Erfindern durchgeführt wurde, wurde gefunden, dass der poröse Aluminiumkörper so eingerichtet werden kann, dass er eine Druckfestigkeit von 0,2 MPa oder mehr aufweist, und die Aufschlämmung kann durch Einstellen des Einpressdrucks auf die Aufschlämmung auf etwa 0,2 MPa gut in den porösen Aluminiumkörper eingefüllt werden. Zusätzlich ist nicht bevorzugt, wenn der Einpressdruck auf die Aufschlämmung 0,2 MPa übersteigt, weil eine Deformation des porösen Aluminiumkörpers auftritt. Die Druckfestigkeit des porösen Aluminiumkörpers kann durch die Dicke des Aluminiumgerüsts oder durch die Legierungszusammensetzung kontrolliert werden. Die Dicke des Aluminiumgerüsts wird durch den Zellporendurchmesser, die Wanddicke eines Urethanschaums oder das Aluminiumgewicht je Einheitsfläche bestimmt. Darüber hinaus weist das Aluminium im Hinblick auf die Leistungsfähigkeit als Stromabnehmer bevorzugt eine hohe Reinheit auf, jedoch kann Aluminium mit anderen Elementen durch Zugabe legiert werden, um die Festigkeit des Stromabnehmers zu erhöhen. Als Element, mit dem Aluminium legiert werden kann, kann mindestens ein Element verwendet werden, das aus der Gruppe bestehend aus Übergangsmetallen, wie z. B. Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu und Ti, ausgewählt ist. In Bezug auf den porösen Aluminiumkörper ist ein poröser Aluminiumkörper, bei dem diese Elemente zugegeben sind, bezüglich der mechanischen Eigenschaften, wie z. B. Festigkeit und Elastizität, einem porösen Körper aus reinem Aluminium überlegen. Somit kann der poröse Aluminiumkörper, der diese Elemente aufweist, nicht nur die Druckfestigkeit verstärken, sondern weist auch exzellente Halte-Eigenschaften für das aktive Material auf und kann eine Verringerung der Entladungskapazität und die Ladungs-Entladungs-Effizienz einer Batterie unterdrücken.
    • (2) Die Oberfläche des Aluminiumgerüsts wird glatt gestaltet. Wenn die Oberflächenrauhigkeit (Ra) des Aluminiumgerüsts groß ist, beeinträchtigt dies die Fließeigenschaften der Aufschlämmung, und daher ist die Oberfläche des Aluminiumgerüsts bevorzugt glatt, und spezifisch wird die Oberflächenrauheit (Ra) bevorzugt auf 10 μm oder weniger eingestellt. Weil die Halte-Eigenschaften für das aktive Material oder dergleichen verschlechtert sind, wenn die Oberflächenrauheit gering ist, beträgt der Wert von Ra bevorzugt 0,5 μm oder mehr. Generell kann die Oberflächenrauheit (Ra) eines Plattierungsfilms durch die Aluminiumsalzkonzentration des Plattierungsbads, ein organisches Additiv, die Stromdichte, die Temperatur des Plattierungsbads, die Rührgeschwindigkeit eines Plattierungsbads und dergleichen kontrolliert werden.
    • (3) Der Zelldurchmesser wird kontrolliert. Der poröse Aluminiumkörper weist bevorzugt einen mittleren Zelldurchmesser von 50 μm oder mehr und 800 μm oder weniger auf. Wenn der mittlere Zelldurchmesser weniger als 50 μm beträgt, wird der poröse Aluminiumkörper kaum mit einer Aufschlämmung befüllt. Wenn der mittlere Zelldurchmesser zu groß ist, ist der Abstand zwischen einem Aluminiumgerüst als Stromabnehmer und einem aktiven Material, das in eine Pore gefüllt ist, groß, was die stromabnehmenden Eigenschaften verschlechtert, und daher beträgt der mittlere Zelldurchmesser bevorzugt 800 μm oder weniger. Der mittlere Zelldurchmesser beträgt stärker bevorzugt 200 μm oder mehr und 500 μm oder weniger. Der mittlere Zelldurchmesser des porösen Aluminiumkörpers wird durch Vergrößern der Oberfläche des porösen Körpers in einer Photomikrographie oder dergleichen, Zählen der Anzahl von Zellen je 1 inch (25,4 mm) und Berechnen eines Mittelwerts durch die folgende Gleichung bestimmt: Mittlerer Porendurchmesser = 25,4 mm/Anzahl der Zellen.
  • Trocknungsschritt
  • Der mit dem aktiven Material befüllte poröse Körper wird zu einer Trockenmaschine transferiert und erwärmt, um das organische Lösungsmittel zu verdampfen/entfernen, und hierdurch wird ein Elektrodenmaterial erhalten, das das aktive Material fixiert in dem porösen Körper aufweist.
  • Kompressionsschritt
  • Das getrocknete Elektrodenmaterial wird in dem Kompressionsschritt auf eine endgültige Dicke komprimiert. Als Pressmaschine wird eine Flachplattenpresse oder eine Walzenpresse verwendet. Die Flachplattenpresse ist bevorzugt, um die Dehnung des Stromabnehmers zu unterdrücken, ist aber nicht zur Massenproduktion geeignet, und deshalb wird bevorzugt eine Walzenpresse verwendet, mit der eine kontinuierliche Behandlung durchgeführt werden kann.
  • 1 zeigt einen Fall des Komprimierens durch Walzenpressen.
  • Schneideschritt
  • Um die Fähigkeit zur Massenproduktion des Elektrodenmaterials zu verbessern, ist es bevorzugt, dass die Breite eines Bleches des porösen Aluminiumkörpers auf die Breite einer Vielzahl der endgültigen Produkte eingestellt wird und das Blech entlang seiner Bewegungsrichtung mit einer Vielzahl von Klingen geschnitten wird, um eine Vielzahl von langen Blechen des Elektrodenmaterials zu bilden. Dieser Schneideschritt ist ein Schritt zum Teilen einer langen Länge eines Elektrodenmaterials in eine Vielzahl von langen Längen von Elektrodenmaterialien.
  • Aufwickelschritt
  • Dieser Schritt ist ein Schritt zum Aufwickeln der Vielzahl von langen Blechen von Elektrodenmaterialien, die in dem vorstehend erwähnten Schneideschritt erhalten wurden, um eine Aufwickelrolle.
  • Als Nächstes werden Anwendungen des in dem vorstehend erwähnten Schritt erhaltenen Elektrodenmaterials beschrieben.
  • Beispiele der Hautpanwendungen des Elektrodenmaterials, worin der poröse Aluminiumkörper als ein Stromabnehmer verwendet wird, umfassen Elektroden für Batterien mit nicht-wässrigem Elektrolyten, wie z. B. eine Lithiumbatterie und eine Salzschmelzbatterie, Elektroden für einen Kondensator und Elektroden für einen Lithiumionenkondensator.
  • Nachstehend werden diese Anwendungen beschrieben.
  • Lithiumbatterie
  • Als Nächstes wird nachstehend ein Elektrodenmaterial für Batterien, bei denen ein poröser Aluminiumkörper verwendet wird, und eine Batterie beschrieben. Wenn z. B. der poröse Aluminiumkörper in einer positiven Elektrode einer Lithiumbatterie (inklusive einer sekundären Lithiumionenbatterie usw.) verwendet wird, können als ein aktives Material Lithiumkobaltoxid (LiCoO2) Lithiummanganoxid (LiMn2O4), Lithiumnickeldioxid (LiNiO2) oder dergleichen verwendet werden. Das aktive Material wird in Kombination mit einem Leitfähigkeitshilfsstoff und einem Bindemittel verwendet.
  • In einem konventionellen positiven Elektrodenmaterial für Lithiumbatterien wird eine Elektrode verwendet, die durch Auftragen eines aktiven Materials auf die Oberfläche einer Aluminiumfolie gebildet ist. Obwohl eine Lithiumbatterie eine größere Kapazität als eine Nickelhydridbatterie oder ein Kondensator besitzt, ist für Automobilanwendungen eine weitere Erhöhung der Kapazität erforderlich. Um daher die Batteriekapazität je Einheitsfläche zu erhöhen, wird die Auftragungsdicke des aktiven Materials erhöht. Um ferner das aktive Material effektiv auszunutzen, muss das aktive Material in elektrischem Kontakt mit der Aluminiumfolie, einem Stromabnehmer, stehen, und daher wird das aktive Material mit einem zu verwendenden Leitfähigkeitshilfsstoff vermischt.
  • Im Gegensatz hierzu weist der erfindungsgemäße poröse Aluminiumkörper eine große Porosität und eine große Oberfläche je Einheitsfläche auf. Somit wird die Kontaktfläche zwischen dem Stromabnehmer und dem aktiven Material erhöht, und daher kann das aktive Material effizient ausgenutzt werden, die Batteriekapazität kann verbessert werden und die einzumischende Menge des Leitfähigkeitshilfsstoffs kann verringert werden. In einer Lithiumbatterie werden die vorstehend erwähnten positiven Elektrodenmaterialien für eine positive Elektrode verwendet, und für eine negative Elektrode wird eine Folie, ein gelochtes Metall oder ein poröser Körper aus Kupfer oder Nickel als ein Stromabnehmer verwendet, und es wird ein aktives Negativ-Elektrodenmaterial verwendet, wie z. B. Graphit, Lithiumtitanoxid (Li4Ti5O12), eine Legierung von Sn oder Si, Lithiummetall oder dergleichen. Das aktive Negativ-Elektrodenmaterial wird auch in Kombination mit einem Leitfähigkeitshilfsstoff und einem Bindemittel verwendet.
  • Solch eine Lithiumbatterie kann eine erhöhte Kapazität sogar mit einer kleinen Elektrodenfläche aufweisen, und entsprechend kann sie eine größere Energiedichte als eine konventionelle Lithiumbatterie aufweisen, bei der eine Aluminiumfolie verwendet wird. Die Wirkungen der vorliegenden Erfindung in einer Sekundärbatterie sind im Wesentlichen vorstehend beschrieben worden, jedoch sind die Wirkungen der vorliegenden Erfindung in einer Primärbatterie die gleichen wie in einer Sekundärbatterie, und die Kontaktfläche wird erhöht, wenn der poröse Aluminiumkörper mit dem aktiven Material gefüllt wird, und die Kapazität der Primärbatterie kann verbessert werden.
  • Konfiguration der Lithiumbatterie
  • Ein Elektrolyt, der in einer Lithiumbatterie verwendet wird, umfasst eine nicht-wässrige Elektrolytlösung und einen festen Elektrolyten.
  • 10 ist eine vertikale Querschnittsansicht einer Festkörper-Lithiumbatterie, bei der ein fester Elektrolyt verwendet wird. Eine Festkörper-Lithiumbatterie 60 umfasst eine positive Elektrode 61, eine negative Elektrode 62 und eine Festelektrolytschicht (SE-Schicht) 63, die zwischen den beiden Elektroden angeordnet ist. Die positive Elektrode 61 umfasst eine positive Elektrodenschicht (positiver Elektrodenkörper) 64 und einen Stromabnehmer 65 der positiven Elektrode, und die negative Elektrode 62 umfasst eine negative Elektrodenschicht 66 und einen Stromabnehmer 67 der negativen Elektrode.
  • Als Elektrolyt wird neben dem Festelektrolyten eine später beschriebene nicht-wässrige Elektrolytlösung verwendet. In diesem Fall ist ein Separator (poröser Polymerfilm, Vliesstoff oder Papier) zwischen den beiden Elektroden angeordnet, und beide Elektroden und der Separator sind mit der nicht-wässrigen Elektrolytlösung imprägniert.
  • Aktives Material, das in den porösen Aluminiumkörper gefüllt ist
  • Wenn ein poröser Aluminiumkörper in einer positiven Elektrode einer Lithiumbatterie verwendet wird, kann ein Material, das Lithium extrahieren/einfügen kann, als ein aktives Material verwendet werden, und ein poröser Aluminiumkörper, der mit solch einem Material gefüllt ist, kann eine Elektrode bereitstellen, die für eine Lithium-Sekundärbatterie geeignet ist. Als Material für das aktive Positiv-Elektrodenmaterial wird z. B. Lithiumkobaltoxid (LiCoO2), Lithiumnickeldioxid (LiNiO2), Lithiumkobaltnickeloxid (LiCo0,3Ni0,7O2), Lithiummanganoxid (LiMn2O4), Lithiumtitanoxid (Li4Ti5O12), eine Lithiummanganoxidverbindung (LiMyMn2-yO4); M = Cr, Co, Ni) oder Lithiumsäure verwendet. Das aktive Material wird in Kombination mit einem Leitfähigkeitshilfsstoff und einem Bindemittel verwendet. Beispiele des Materials des aktiven Positiv-Elektrodenmaterials umfassen Übergangsmetalloxide, wie z. B. konventionelles Lithiumeisenphosphat und Olivinverbindungen, die Verbindungen (LiFePO4, LiFe0,5Mn0,5PO4) des Lithiumeisenphosphats sind. Ferner können die Übergangsmetallelemente, die in diesen Materialien enthalten sind, partiell durch ein anderes Übergangsmetallelement ersetzt werden.
  • Darüber hinaus umfassen Beispiele von anderen aktiven Positiv-Elektrodenmaterialien Lithiummetalle, worin das Gerüst ein Sulfid-basiertes Chalkogenid ist, wie z. B. TiS2, V2S3, FeS, FeS2 oder LiMSx (M ist ein Übergangsmetallelement, wie z. B. Mo, Ti, Cu, Ni oder Fe, oder Sb, Sn oder Pb) oder ein Metalloxid, wie z. B. TiO2, Cr3O8, V2O5 oder MnO2. Hierin kann das vorstehend erwähnte Lithiumtitanat (Li4Ti5O12) auch als aktives Negativ-Elektrodenmaterial verwendet werden.
  • In der Lithiumbatterie verwendete Elektrolytlösung
  • Es wird eine nicht-wässrige Elektrolytlösung in einem polaren aprotischen organischen Lösungsmittel verwendet, und spezifische Beispiele der nicht-wässrigen Elektrolytlösung umfassen Ethylencarbonat, Diethylcarbonat, Dimethylcarbonat, Propylencarbonat, γ-Butyrolacton und Sulfolan. Als unterstützendes Salz wird Lithiumtetrafluorborat, Lithiumhexafluorborat, ein Imidsalz oder dergleichen verwendet. Die Konzentration des unterstützenden Salzes, das als ein Elektrolyt dient, ist bevorzugt größer, jedoch wird generell ein unterstützendes Salz mit einer Konzentration von etwa 1 mol/l verwendet, weil eine Löslichkeitsgrenze besteht.
  • Fester Elektrolyt, der in den porösen Aluminiumkörper gefüllt ist
  • Neben dem aktiven Material kann der poröse Aluminiumkörper zusätzlich mit einem Festelektrolyten befüllt sein. Der poröse Aluminiumkörper kann für eine Elektrode einer Festphasen-Lithiumbatterie geeignet sein, indem der poröse Aluminiumkörper mit dem aktiven Material und dem Festelektrolyten gefüllt wird. Jedoch wird im Hinblick auf die Sicherstellung der Entladungskapazität der Anteil des aktiven Materials an den Materialien, die in den porösen Aluminiumkörper gefüllt werden, bevorzugt auf 50 Masse% oder mehr, und stärker bevorzugt 70 Masse% oder mehr, eingestellt.
  • Für den Festelektrolyten wird bevorzugt ein Sulfid-basierter Festelektrolyt mit einer hohen Lithiumionen-Leitfähigkeit verwendet, und Beispiele des Sulfid-basierten Festelektrolyten umfassen Sulfid-basierte Festelektrolyten, die Lithium, Phosphor und Schwefel enthalten. Der Sulfid-basierte Festelektrolyt kann ferner ein Element, wie z. B. O, Al, B, Si oder Ge, enthalten.
  • Solch ein Sulfid-basierter Festelektrolyt kann durch ein öffentlich bekanntes Verfahren erhalten werden. Beispiele eines Verfahrens zum Bilden des Sulfid-basierten Festelektrolyten umfassen ein Verfahren, worin Lithiumsulfid (Li2S) und Diphosphorpentasulfid (P2S5) als Ausgangsmaterialien bereitgestellt werden, Li2S und P2S5 in Anteilen von etwa 50:50 bis etwa 80:20, ausgedrückt als molares Verhältnis, gemischt werden und die resultierende Mischung geschmolzen und gequencht (Schmelz- und rasches Quench-Verfahren) wird, und ein Verfahren, in dem das gequenchte Produkt mechanisch gemahlen wird (mechanisches Mahlverfahren).
  • Der durch das vorstehend erwähnte Verfahren erhaltene Sulfid-basierte Festelektrolyt ist amorph. Der Sulfid-basierte Festelektrolyt kann auch in diesem amorphen Zustand eingesetzt werden, jedoch kann er einer Wärmebehandlung unterzogen werden, um einen kristallinen Sulfid-basierten Festelektrolyten zu bilden. Es kann erwartet werden, dass die Lithiumionen-Leitfähigkeit durch diese Kristallisation verbessert wird.
  • Füllen des aktiven Materials in den porösen Aluminiumkörper
  • Zum Füllen des aktiven Materials (aktives Material und Festelektrolyt) können öffentlich bekannte Verfahren verwendet werden, wie z. B. ein Verfahren zum Füllen durch Eintauchen und ein Beschichtungsverfahren. Beispiele des Beschichtungsverfahrens umfassen ein Walzenbeschichtungsverfahren, ein Spatelbeschichtungsverfahren, ein elektrostatisches Beschichtungsverfahren, ein Pulverbeschichtungsverfahren, ein Sprühbeschichtungsverfahren, ein Rakelbeschichtungs-Beschichtungsverfahren, ein Walzenbeschichter-Beschichtungsverfahren, ein Rollrakelbeschichtungsverfahren, ein ”Wire-bar”-Beschichtungsverfahren, ein Messerstreich-Beschichtungsverfahren und ein Siebdruckverfahren.
  • Wenn das aktive Material (aktives Material und Festelektrolyt) eingefüllt wird, wird z. B. ein Leitfähigkeitshilfsstoff oder ein Bindemittel, wie erforderlich, zugegeben, und ein organisches Lösungsmittel oder Wasser wird hiermit gemischt, um eine Aufschlämmung einer positiven Elektrodenmischung herzustellen. Der poröse Aluminiumkörper wird mit dieser Aufschlämmung durch das vorstehend erwähnte Verfahren befüllt. Als Leitfähigkeitshilfsstoff kann z. B. Ruß, wie Acetylenruß (AB) oder Ketjen-Schwarz (KB), oder Kohlenfasern, wie z. B. Kohlenstoffnanoröhren (CNT), verwendet werden. Als Bindemittel kann z. B. Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylalkohol (PVA), Carboxymethylcellulose (CMC), Xanthangummi und dergleichen verwendet werden.
  • Das bei der Herstellung der Aufschlämmung einer positiven Elektrodenmischung verwendete organische Lösungsmittel kann geeignet ausgewählt werden, solange es die Materialien nicht nachteilig beeinflusst (d. h. ein aktives Material, einen Leitfähigkeitshilfsstoff, ein Bindemittel und ein Festelektrolyt, wie erforderlich), die in den porösen Aluminiumkörper einzufüllen sind. Beispiele des organischen Lösungsmittels umfassen n-Hexan, Cyclohexan, Heptan, Toluol, Xylol, Trimethylbenzol, Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat, Ethylmethylcarbonat, Propylencarbonat, Ethylencarbonat, Butylencarbonat, Vinylencarbonat, Vinylethylencarbonat, Tetrahydrofuran, 1,4-Dioxan, 1,3-Dioxolan, Ethylenglykol und N-Methyl-2-pyrrolidon. Wenn Wasser als ein Lösungsmittel verwendet wird, kann ferner ein Tensid verwendet werden, um die Einfülleigenschaften zu verbessern.
  • Zusätzlich wird in einem konventionellen positiven Elektrodenmaterial für Lithiumbatterien eine Elektrode durch Auftragen eines aktiven Materials auf die Oberfläche einer Aluminiumfolie gebildet. Um die Batteriekapazität je Einheitsfläche zu erhöhen, wird die Auftragungsdicke des aktiven Materials erhöht. Um ferner das aktive Material effektiv auszunutzen, muss das aktive Material in elektrischem Kontakt mit der Aluminiumfolie stehen, und daher wird das aktive Material mit einem zu verwendenden Leitfähigkeitshilfsstoff vermischt. Im Gegensatz hierzu weist der erfindungsgemäße poröse Aluminiumkörper eine große Porosität und eine große Oberfläche je Einheitsfläche auf. Somit ist die Kontaktfläche zwischen dem Stromabnehmer und dem aktiven Material erhöht, und daher kann das aktive Material effektiv ausgenutzt werden, die Batteriekapazität kann verbessert werden und die Menge des zu vermischenden Leitfähigkeitshilfsstoffs kann verringert werden.
  • 11 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel eines Kondensators zeigt, der unter Verwendung eines Elektrodenmaterials für einen Kondensator hergestellt ist. Ein Elektrodenmaterial, das durch Trägern eines aktiven Elektrodenmaterials auf einem porösen Aluminiumkörper gebildet ist, wird als polarisierbare Elektrode 141 in einen organischen Elektrolyten 143, getrennt durch einen Separator 142, angeordnet. Die polarisierbare Elektrode 141 ist mit einem Anschlussdraht 144 verbunden, und alle diese Komponenten sind in einem Gehäuse 145 untergebracht. Wenn der poröse Aluminiumkörper als ein Stromabnehmer verwendet wird, ist die Oberfläche des Stromabnehmers erhöht, und die Kontaktfläche zwischen dem Stromabnehmer und der Aktivkohle als aktives Material ist erhöht, und daher kann der Kondensator eine große Leistung realisieren und es kann eine große Kapazität erhalten werden.
  • Um eine Elektrode für einen Kondensator herzustellen, wird ein Stromabnehmer aus dem porösen Aluminiumkörper mit der Aktivkohle als einem aktivem Material gefüllt. Die Aktivkohle wird in Kombination mit einem Leitfähigkeitshilfsstoff oder einem Bindemittel verwendet.
  • Um die Kapazität des Kondensators zu erhöhen, ist die Menge der Aktivkohle als Hauptkomponente bevorzugt eine große Menge, und die Menge der Aktivkohle ist bevorzugt 90% oder mehr, ausgedrückt als Zusammensetzungsverhältnis nach dem Trocknen (nach dem Entfernen eines Lösungsmittels). Der Leitfähigkeitshilfsstoff und das Bindemittel sind notwendig, jedoch sind die Mengen hiervon bevorzugt so klein wie möglich, weil sie eine Verringerung der Kapazität verursachen, und ferner ist das Bindemittel eine Ursache für einen Anstieg des internen Widerstands. Bevorzugt beträgt die Menge des Leitfähigkeitshilfsstoffs 10 Masse% oder weniger, und die Menge des Bindemittels 10 Masse% oder weniger.
  • Wenn die Oberfläche der Aktivkohle groß ist, ist die Kapazität des Kondensators größer, und daher weist die Aktivkohle bevorzugt eine spezifische Oberfläche von 1000 m2/g oder mehr auf. Als Material der Aktivkohle kann eine aus Pflanzen erhaltene Palmenschale, ein Erdöl-basiertes Material oder dergleichen verwendet werden. Um die Oberfläche der Aktivkohle zu erhöhen, wird das Material bevorzugt unter Verwendung von Dampf oder Alkalimitteln aktiviert.
  • Das Elektrodenmaterial, das hauptsächlich aus der Aktivkohle zusammengesetzt ist, wird vermischt und gerührt, um eine Aktivkohlepaste zu erhalten. Diese Aktivkohlepaste wird in den vorstehend erwähnten Stromabnehmer eingefüllt und getrocknet und ihre Dichte wird durch Komprimieren mit einer Walzenpresse oder dergleichen, wie erforderlich, erhöht, um eine Elektrode für einen Kondensator zu erhalten.
  • Füllen der Aktivkohle in den porösen Aluminiumkörper
  • Zum Füllen der Aktivkohle können öffentlich bekannte Verfahren verwendet werden, z. B. können ein Verfahren zum Füllen durch Eintauchen und ein Beschichtungsverfahren verwendet werden. Beispiele des Beschichtungsverfahrens umfassen ein Walzenbeschichtungsverfahren, ein Auftragungsbeschichtungsverfahren, ein elektrostatisches Beschichtungsverfahren, ein Pulverbeschichtungsverfahren, ein Sprühbeschichtungsverfahren, ein Sprühbeschichter-Beschichtungsverfahren, ein Rakelbeschichtungsverfahren, ein Walzenbeschichter-Beschichtungsverfahren, ein Eintauchbeschichter-Beschichtungsverfahren, ein Dosierrakel-Beschichtungsverfahren, ein Wire-bar-Beschichtungsverfahren, ein Messerbeschichter-Beschichtungsverfahren, ein Klingenbeschichtungsverfahren und ein Siebdruckverfahren.
  • Wenn das aktive Material eingefüllt wird, wird z. B. ein Leitfähigkeitshilfsstoff oder ein Bindemittel, wie erforderlich, zugegeben, und ein organisches Lösungsmittel oder Wasser wird hiermit gemischt, um eine Aufschlämmung einer positiven Elektrodenmischung herzustellen, Der poröse Aluminiumkörper wird mit dieser Aufschlämmung mit dem vorstehend erwähnten Verfahren gefüllt. Als Leitfähigkeitshilfsstoff können z. B. Ruße, wie z. B. Acetylenruß (AB) oder Ketjen-Schwarz (KB) oder Kohlenfasern, wie z. B. Kohle-Nanoröhren (CNT), verwendet werden. Als Bindemittel können z. B. Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylalkohol (PVA), Carboxymethylcellulose (CMC), Xanthangummi und dergleichen verwendet werden.
  • Das bei der Herstellung der Aufschlämmung einer positiven Elektrodenmischung eingesetzte organische Lösungsmittel kann geeignet ausgewählt werden, solang es die Materialien (d. h. ein aktives Material, einen Leitfähigkeitshilfsstoff, ein Bindemittel und einen Festelektrolyten, wie erforderlich), die in den porösen Aluminiumkörper eingefüllt werden sollen, nicht negativ beeinträchtigt. Beispiele des organischen Lösungsmittels umfassen n-Hexan, Cyclohexan, Heptan, Toluol, Xylol, Trimethylbenzol, Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat, Ethylmethylcarbonat, Propylencarbonat, Ethylencarbonat, Butylencarbonat, Vinylencarbonat, Vinylethylencarbonat, Tetrahydrofuran, 1,4-Dioxan, 1,3-Dioxolan, Ethylenglykol und N-Methyl-2-pyrrolidon. Wenn Wasser als Lösungsmittel verwendet wird, kann ferner ein Tensid eingesetzt werden, um die Fülleigenschaften zu verbessern.
  • Herstellung eines Kondensators
  • Die auf die vorstehende Weise erhaltene Elektrode wird zu einer geeigneten Größe ausgestanzt, um zwei Bleche herzustellen, und diese zwei Elektroden werden einander gegenüberliegend mit einem hierzwischen vorgesehenen Separator angeordnet. Für den Separator wird bevorzugt eine poröse Folie oder ein Vliesstoff aus Cellulose oder einem Polyolefinharz verwendet. Dann werden die Elektroden in einem Zellengehäuse unter Verwendung von erforderlichen Abstandshaltern untergebracht und mit einer Elektrolytlösung imprägniert. Letztendlich wird ein Deckel mit einer isolierenden Dichtung zwischen dem Deckel und dem Gehäuse aufgebracht und verschlossen, und hierdurch kann ein elektrischer Doppelschichtkondensator hergestellt werden. Wenn ein nicht-wässriges Material verwendet wird, werden die Materialien der Elektrode und dergleichen bevorzugt adäquat getrocknet, um den Wassergehalt in dem Kondensator so weit wie möglich zu verringern. Die Herstellung des Kondensators wird in Umgebungen mit niedriger Feuchtigkeit durchgeführt, und das Verschließen kann in Umgebungen mit reduziertem Druck durchgeführt werden. Zusätzlich ist der Kondensator nicht besonders beschränkt, solange der Stromabnehmer und die Elektrode der vorliegenden Erfindung verwendet werden, und es können Kondensatoren verwendet werden, die durch ein anderes Verfahren als diesem Verfahren hergestellt sind.
  • Obwohl als Elektrolytlösung sowohl ein wässriges System als auch ein nicht-wässriges System verwendet werden können, wird bevorzugt das nicht-wässrige System verwendet, weil dessen Spannung auf einem höheren Grad eingestellt werden kann als die des wässrigen Systems. Im wässrigen System kann Kaliumhydroxid oder dergleichen als Elektrolyt verwendet werden. Beispiele des nicht-wässrigen Systems umfassen viele ionische Flüssigkeiten in Kombination eines Kations und eines Anions. Als Kation wird ein niederaliphatisches quaternäres Ammonium, ein niederaliphatisches quaternäres Phosphonium, Imidazolium oder dergleichen verwendet, und als Anion sind Ionen von Metallchloriden, Ionen von Metallfluoriden und Imidverbindungen, wie z. B. Bis(fluorsulfonyl)imid und dergleichen, bekannt. Ferner gibt es als nicht-wässriges System ein polares aprotisches organisches Lösungsmittel, und spezifische Beispiele hiervon umfassen Ethylencarbonat, Diethylcarbonat, Dimethylcarbonat, Propylencarbonat, γ-Butyrolacton und Sulfolan. Als unterstützendes Salz in der nicht-wässrigen Elektrolytlösung wird Lithiumtetrafluorborat, Lithiumhexafluorborat oder dergleichen verwendet.
  • Lithiumionen-Kondensator
  • 12 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel eines Lithiumionen-Kondensators zeigt, der unter Verwendung eines Elektrodenmaterials für einen Lithiumionen-Kondensator hergestellt ist. In einer organischen Elektrolytlösung 143, die von einem Separator 142 unterteilt wird, ist ein Elektrodenmaterial, gebildet durch Trägern eines aktiven Positiv-Elektrodenmaterials auf einem porösen Aluminiumkörper, als eine positive Elektrode 146 angeordnet, und ein Elektrodenmaterial, gebildet durch Trägern eines aktiven Negativ-Elektrodenmaterials auf einem Stromabnehmer, ist als eine negative Elektrode 147 angeordnet. Die positive Elektrode 146 und die negative Elektrode 147 sind mit einem Anschlussdraht 148 bzw. einen Anschlussdraht 149 verbunden, und alle diese Komponenten sind in einem Gehäuse 145 vorgesehen. Wenn der poröse Aluminiumkörper als Stromabnehmer eingesetzt wird, ist die Oberfläche des Stromabnehmers vergrößert, und daher kann ein Kondensator erhalten werden, der eine große Leistung und eine große Kapazität realisieren kann, sogar wenn Aktivkohle als aktives Material auf den porösen Aluminiumkörper auf dünne Weise aufgetragen ist.
  • Positive Elektrode
  • Um eine Elektrode für einen Lithiumionen-Kondensator herzustellen, wird ein Stromabnehmer aus dem porösen Aluminiumkörper mit Aktivkohle als aktivem Material gefüllt. Die Aktivkohle wird in Kombination mit einem Leitfähigkeitshilfsstoff oder einem Bindemittel verwendet.
  • Um die Kapazität des Lithiumionen-Kondensators zu erhöhen, ist die Menge der Aktivkohle als Hauptkomponente bevorzugt eine große Menge, und die Menge der Aktivkohle beträgt bevorzugt 90 oder mehr, ausgedrückt als Zusammensetzungsverhältnis nach dem Trocknen (nach dem Entfernen eines Lösungsmittels). Der Leitfähigkeitshilfsstoff und das Bindemittel sind notwendig, jedoch sind deren Mengen bevorzugt so klein wie möglich, weil sie Ursachen einer Verringerung der Kapazität sind und ferner das Bindemittel eine Ursache eines Anstiegs des internen Widerstands ist. Bevorzugt beträgt die Menge des Leitfähigkeitshilfsstoffs 10 Masse% oder weniger und die Menge des Bindemittels 10 Masse% oder weniger.
  • Wenn die Oberfläche der Aktivkohle größer ist, ist die Kapazität des Lithiumionen-Kondensators größer, und daher weist die Aktivkohle bevorzugt eine spezifische Oberfläche von 1000 m2/g oder mehr auf. Als Material der Aktivkohle kann ein pflanzliches Palmschalenmaterial, ein Erdöl-basierendes Material oder dergleichen verwendet werden. Um die Oberfläche der Aktivkohle zu erhöhen, wird das Material bevorzugt unter Verwendung von Dampf oder Alkalimitteln aktiviert. Als Leitfähigkeitshilfsstoff können Ketjen-Schwarz, Acetylenruß, Kohlefasern oder Kompositmaterialien hiervon verwendet werden. Als Bindemittel können Polyvinylidenfluorid, Polytetrafluorethylen, Polyvinylalkohol, Carboxymethylcellulose, Xanthangummi und dergleichen verwendet werden. Das Lösungsmittel kann geeignet aus Wasser und einem organischen Lösungsmittel in Abhängigkeit von der Art des Bindemittels ausgewählt werden. Als organisches Lösungsmittel wird oft N-Methyl-2-pyrrolidon verwendet. Wenn Wasser als Lösungsmittel verwendet wird, kann ferner ein Tensid zum Verbessern der Fülleigenschaften verwendet werden.
  • Das Elektrodenmaterial, das hautsächlich aus Aktivkohle zusammengesetzt ist, wird gemischt und gerührt, um eine Aktivkohlepaste zu erhalten. Diese Aktivkohlepaste wird in den vorstehend erwähnten Stromabnehmer eingefüllt und getrocknet, und ihre Dichte wird durch Komprimieren mit einer Walzenpresse oder dergleichen, wie erforderlich, erhöht, um eine Elektrode für einen Lithiumionen-Kondensator zu erhalten.
  • Füllen der Aktivkohle in den porösen Aluminiumkörper
  • Zum Einfüllen der Aktivkohle können öffentlich bekannte Verfahren verwendet werden, wie z. B. ein Verfahren zum Füllen durch Eintauchen und ein Beschichtungsverfahren. Beispiele des Beschichtungsverfahrens umfassen ein Walzenbeschichtungsverfahren, ein Spatelbeschichtungsverfahren, ein elektrostatisches Beschichtungsverfahren, ein Pulverbeschichtungsverfahren, ein Sprühbeschichtungsverfahren, ein Sprühbeschichtungsmaschinen-Beschichtungsverfahren, ein Rakelstreichmaschinen-Beschichtungsverfahren, ein Walzenbeschichtungsmaschinen-Beschichtungsverfahren, ein Eintauchmaschinen-Beschichtungsverfahren, ein Rakel-Beschichtungsverfahren, ein. ”Wire-bar”-Beschichtungsverfahren, ein Klingenbeschichtungsverfahren, ein Rakelstreichverfahren und ein Siebdruckverfahren.
  • Wenn das aktive Material eingefüllt wird, wird z. B. ein Leitfähigkeitshilfsstoff oder ein Bindemittel, wie erforderlich, zugegeben, und ein organisches Lösungsmittel oder Wasser wird hiermit gemischt, um eine Aufschlämmung einer positiven Elektrodenmischung herzustellen. Der poröse Aluminiumkörper wird mit dieser Aufschlämmung durch das vorstehend erwähnte Verfahren gefüllt. Als Leitfähigkeitshilfsstoff kann z. B. Ruß, wie z. B. Acetylenruß (AB) oder Ketjen-Schwarz (KB) oder Kohlenstofffasern, wie z. B. Kohlenstoffnanoröhren (CNT), verwendet werden. Als Bindemittel kann z. B. Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylalkohol (PVA), Carboxymethylcellulose (CMC), Xanthangummi und dergleichen verwendet werden.
  • Das bei der Herstellung der Aufschlämmung einer positiven Elektrodenmischung verwendete organische Lösungsmittel kann geeignet ausgewählt werden, solange es die Materialien (d. h. ein aktives Material, einen Leitfähigkeitshilfsstoff, ein Bindemittel und einen Festelektrolyten, wie erforderlich), die in den porösen Aluminiumkörper eingefüllt werden sollen, nicht negativ beeinträchtigt. Beispiele des organischen Lösungsmittels umfassen n-Hexan, Cyclohexan, Heptan, Toluol, Xylol, Trimethylbenzol, Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat, Ethylmethylcarbonat, Propylencarbonat, Ethylencarbonat, Butylencarbonat, Vinylencarbonat, Vinylethylencarbonat, Tetrahydrofuran, 1,4-Dioxan, 1,3-Dioxolan, Ethylenglykol und N-Methyl-2-pyrrolidon. Wenn Wasser als Lösungsmittel verwendet wird, kann ferner ein Tensid verwendet werden, um die Fülleigenschaften zu verbessern.
  • Negative Elektrode
  • Die negative Elektrode ist nicht besonders beschränkt und es kann eine konventionelle negative Elektrode für Lithiumbatterien verwendet werden, jedoch ist eine Elektrode, worin ein aktives Material in einen porösen Körper, der aus Kupfer oder Nickel hergestellt ist, wie das vorstehend beschriebene geschäumte Nickel, gefüllt ist, bevorzugt, weil eine konventionelle Elektrode, worin eine Kupferfolie als Stromabnehmer verwendet wird, eine geringe Kapazität aufweist. Ferner wird die negative Elektrode bevorzugt vorher mit Lithiumionen dotiert, um den Betrieb als Lithiumionen-Kondensator durchzuführen. Als Dotierungsverfahren können öffentlich bekannte Verfahren eingesetzt werden. Beispiele der Dotierungsverfahren umfassen ein Verfahren, worin eine Lithiummetallfolie auf die Oberfläche einer negativen Elektrode angebracht wird und dies in eine Elektrolytlösung getaucht wird, um sie zu dotieren, ein Verfahren, worin eine Elektrode mit hieran angebrachtem Lithiummetall in einem Lithiumionen-Kondensator angeordnet wird, und nach dem Zusammensetzen einer Zelle ein elektrischer Strom zwischen der negativen Elektrode und der Lithiummetallelektrode fließen gelassen wird, um die Elektrode elektrisch zu dotieren, und ein Verfahren, worin eine elektrochemische Zelle aus einer negativen Elektrode und Lithiummetall zusammengesetzt wird, und eine negative Elektrode, die elektrisch mit Lithium dotiert ist, herausgenommen und verwendet wird.
  • In jeglichem Verfahren ist es bevorzugt, dass die Menge der Lithium-Dotierung groß ist, um das Potenzial der negativen Elektrode adäquat zu verringern, jedoch wird die negative Elektrode bevorzugt so belassen, ohne dass sie durch die Kapazität der positiven Elektrode dotiert wird, weil die Kapazität des Lithiumionen-Kondensators klein wird, wenn die Restkapazität der negativen Elektrode kleiner ist als die der positiven Elektrode.
  • Elektrolytlösung, die in einem Lithiumionen-Kondensator verwendet wird
  • Für die Elektrolytlösung wird die gleiche nicht-wässrige Elektrolytlösung verwendet, wie diejenige, die in einer Lithiumbatterie verwendet wird. Die nicht-wässrige Elektrolytlösung wird in einem polaren aprotischen organischen Lösungsmittel verwendet, und spezifische Beispiele der nicht-wässrigen Elektrolytlösung umfassen Ethylencarbonat, Diethylcarbonat, Dimethylcarbonat, Propylencarbonat, γ-Butyrolacton und Sulfolan. Als unterstützendes Salz werden Lithiumtetrafluorborat, Lithiumhexafluorborat, ein Imidsalz oder dergleichen verwendet.
  • Herstellung eines Lithiumionen-Kondensators
  • Die auf die vorstehend beschriebene Weise erhaltene Elektrode wird in einer geeigneten Größe ausgestanzt und wird der negativen Elektrode gegenüberliegend vorgesehen, wobei ein Separator zwischen der ausgestanzten Elektrode und der negativen Elektrode vorgesehen wird. Die negative Elektrode kann eine Elektrode sein, die mit Lithiumionen durch das vorstehend erwähnte Verfahren dotiert ist, und wenn das Verfahren zum Dotieren der negativen Elektrode nach dem Zusammensetzen einer Zelle eingesetzt wird, kann eine Elektrode mit hieran verbundenem Lithiummetall in der Zelle angeordnet werden. Für den Separator wird bevorzugt eine poröse Folie oder ein Vliesstoff aus Cellulose oder einem Polyolefinharz verwendet. Dann werden die Elektroden in einem Zellgehäuse unter Verwendung von erforderlichen Abstandshaltern untergebracht und mit einer Elektrolytlösung imprägniert. Letztendlich wird ein Deckel auf dem Gehäuse mit einer isolierenden Dichtung, die zwischen dem Deckel und dem Gehäuse vorgesehen ist, angebracht und verschlossen, und hierdurch kann ein Lithiumionen-Kondensator hergestellt werden. Die Materialien der Elektrode und dergleichen werden bevorzugt adäquat getrocknet, um den Wassergehalt in dem Lithiumionen-Kondensator so weit wie möglich zu verringern. Die Herstellung des Lithiumionen-Kondensators wird in Umgebungen mit geringer Feuchtigkeit durchgeführt, und das Verschließen kann in Umgebungen mit reduziertem Druck durchgeführt werden. Zusätzlich ist der Lithiumionen-Kondensator nicht besonders beschränkt, solange der Stromabnehmer und die Elektrode der vorliegenden Erfindung verwendet werden, und es können Kondensatoren verwendet werden, die durch ein Verfahren hergestellt sind, das sich von diesem Verfahren unterscheidet.
  • Elektrode für Salzschmelzebatterie
  • Der poröse Aluminiumkörper kann auch als Elektrodenmaterial für Salzschmelzebatterien verwendet werden. Wenn der poröse Aluminiumkörper für ein positives Elektrodenmaterial verwendet wird, wird eine Metallverbindung, wie Natriumchromit (NaCrO2) oder Titandisulfid (TiS2), worin ein Kation einer Salzschmelze, die als Elektrolyt dient, eingefügt werden kann, als aktives Material verwendet. Das aktive Material wird in Kombination mit einem Leitfähigkeitshilfsstoff und einem Bindemittel verwendet. Als Leitfähigkeitshilfsstoff kann Acetylenruß oder dergleichen verwendet werden. Als Bindemittel kann Polytetrafluorethylen (PTFE) und dergleichen verwendet werden. Wenn Natriumchromit als aktives Material verwendet wird und Acetylenruß als Leitfähigkeitshilfsstoff verwendet wird, ist das Bindemittel bevorzugt PTFE, weil PTFE Natriumchromit und Acetylenruß eng binden kann.
  • Der poröse Aluminiumkörper kann auch als negatives Elektrodenmaterial für Metallschmelzbatterien verwendet werden. Wenn der poröse Aluminiumkörper als negatives Elektrodenmaterial verwendet wird, kann als aktives Material allein Natrium, eine Legierung von Natrium und einem anderen Metall, Kohlenstoff oder dergleichen verwendet werden. Natrium besitzt einen Schmelzpunkt von etwa 98°C, und ein Metall wird mit einem Anstieg der Temperatur weicher. Somit ist es bevorzugt, Natrium mit einem anderen Metall (Si, Sn, In etc.) zu legieren. Insbesondere ist eine Legierung von Natrium und Sn wegen seiner leichten Handhabung bevorzugt. Natrium oder eine Natriumlegierung kann auf der Oberfläche des porösen Aluminiumkörpers durch Elektroplattieren, Heiß-Eintauchen oder ein anderes Verfahren geträgert werden. Alternativ kann ein Metall (Si usw.), das mit Natrium legiert werden soll, auf dem porösen Aluminiumkörper durch Plattieren abgeschieden werden und dann durch Laden in einer Salzschmelzebatterie in eine Natriumlegierung umgewandelt werden.
  • 13 ist eine schematische Querschnittsansicht, wie ein Beispiel einer Salzschmelzebatterie zeigt, worin das vorstehend erwähnte Elektrodenmaterial für Batterien verwendet wird. Die Salzschmelzebatterie umfasst eine positive Elektrode 121, worin ein aktives Positiv-Elektrodenmaterial auf der Oberfläche eines Aluminiumgerüsts eines porösen Aluminiumkörpers geträgert ist, eine negative Elektrode 122, worin ein aktives Negativ-Elektrodenmaterial auf der Oberfläche eines Aluminiumgerüsts eines porösen Aluminiumkörpers geträgert ist, und einen Separator 123, der mit einer Salzschmelze eines Elektrolyten imprägniert ist, die in einem Gehäuse 127 untergebracht sind. Zwischen der obersten Oberfläche des Gehäuses 127 und der negativen Elektrode ist ein pressendes Bauteil 126, das eine Pressplatte 124 und eine Feder 125 umfasst, zum Pressen der Pressplatte angeordnet. Durch Vorsehen des Pressbauteils können die positive Elektrode 121, die negative Elektrode 122 und der Separator 123 gleichmäßig gepresst werden, so dass sie in Kontakt miteinander gebracht werden, sogar wenn ihre Volumina sich verändert haben. Ein Stromabnehmer (poröser Aluminiumkörper) der positiven Elektrode 121 und der Stromabnehmer (poröser Aluminiumkörper) der negativen Elektrode 122 sind mit einem positiven Elektrodenendstück 128 bzw. einem negativen Elektrodenendstück 129 durch einen Anschlussdraht 130 verbunden.
  • Die Salzschmelze, die als Elektrolyt dient, kann aus verschiedenen anorganischen Salzen oder organischen Salzen bestehen, die bei der Betriebstemperatur schmelzen. Als Kation der Salzschmelze können ein oder mehrere Kationen verwendet werden, ausgewählt aus Alkalimetallen, wie Litium (Li), Natrium (Na), Kalium (K), Rubidium (Rb) und Cäsium (Cs), und Erdalkalimetallen, wie Beryllium (Be), Magnesium (Mg), Calcium (Ca), Strontium (Sr) und Barium (Ba).
  • Um den Schmelzpunkt der Salzschmelze zu verringern, ist es bevorzugt, eine Mischung von mindestens zwei Salzen zu verwenden. Zum Beispiel kann die Verwendung von Kalium-bis(fluorsulfonyl)amid (K-N (SO2F)2; KFSA) und Natrium-bis(fluorsulfonyl)amid (Na-N (SO2F)2; NaFSA) in Kombination die Batterie-Betriebstemperatur zu 90°C oder niedriger verringern.
  • Die Salzschmelze wird in der Form eines Separators, der mit der Salzschmelze imprägniert ist, verwendet. Der Separator verhindert den Kontakt zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode und kann ein Glas-Vliesstoff, ein poröser Harzformkörper oder dergleichen sein. Als Batterie wird ein Laminat der positiven Elektrode, der negativen Elektrode und des Separators, der mit der Salzschmelze imprägniert ist, untergebracht in einem Gehäuse, verwendet.
  • Beispiele
  • Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung genauer auf Grundlage von Beispielen beschrieben, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht hierauf beschränkt.
  • Beispiel 1
  • Verwendetes Basismaterial
  • Als Urethanharz-Formkörper wurde ein Urethanschaum mit einer Porosität von 95 etwa 46 Poren (Zellen) je Inch, einem Porendurchmesser von etwa 552 μm und einer Dicke von 1 mm hergestellt und zu einem Rechteck von 100 mm × 30 mm zugeschnitten. Auf der Oberfläche des Polyurethanschaums wurde ein Film aus Aluminium in einem Gewicht je Einheitsfläche von 10 g/m2 durch Sputtern gebildet, um eine leitfähige Schicht zu bilden. Nachstehend wird der Urethanharz-Formkörper, der einer Leitfähigkeitsbehandlung unterzogen ist, als ”gesputterter Artikel” bezeichnet.
  • Zusammensetzung des Salzschmelze-Plattierungsbads
  • Als Salzschmelze-Plattierungsbad wurden Plattierungsbäder hergestellt, die durch Zugeben von 0,25 g/l Phenanthrolin, 1,25 g/l Phenanthrolin, 2,5 g/l Phenanthrolin oder 5,0 g/l Phenanthrolin zu einem Plattierungsbad von AlCl3:EMIC = 2:1 (Molverhältnis) erhalten wurden.
  • Vorbehandlung
  • Als Aktivierungsbehandlung wurde eine Elektrolytbehandlung unter Verwendung eines Basismaterials als Anode vor dem Plattieren durchgeführt (bei 2 A/dm2 für 1 Minute).
  • Plattierungsbedingung
  • Der Urethanschaum mit einer auf der Oberfläche hiervon gebildeten leitfähigen Schicht wurde als Arbeitsstück in eine Werkstückaufnahme mit einer Elektrizität zuführenden Funktion eingebracht, und dann wurde die Werkstückaufnahme in einer Glove-Box platziert, deren Inneres mit einer Argonatmosphäre und zu geringer Feuchtigkeit (Taupunkt –30°C oder niedriger) eingestellt war, und es wurde in ein Salzschmelz-Plattierungsbad bei einer Temperatur von 40°C eingetaucht. Die Werkstückaufnahme, die das Werkstück hält, wurde mit der Kathode eines Gleichrichters verbunden und eine Aluminiumplatte (Reinheit 99,99%) der Gegenelektrode wurde mit der Anode verbunden.
  • Das Plattieren wurde unter den in Tabelle 1 gezeigten Bedingungen durchgeführt, um eine Aluminiumstruktur zu erhalten, worin ein Aluminiumfilm auf der Oberfläche des Urethanschaums gebildet war.
  • Die Plattierungsbedingungen sind in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1
    Plattierungsbedingung
    Phenanthrolin-Konzentration [g/l] Strom-dichte [A/dm2] Anode Kathode Temperatur [°C]
    Probe 1 0,25 6 Aluminiumplatte Gesputterter Artikel 60
    Probe 2 1,25 6 Aluminiumplatte Gesputterter Artikel 60
    Probe 3 2,5 6 Aluminiumplatte Gesputterter Artikel 60
    Probe 3 5,0 6 Aluminiumplatte Gesputterter Artikel 60
  • Entfernen des Urethans durch Zersetzung
  • Jede der vorstehend erwähnten Aluminiumstrukturen wurde in eine eutektische LiCl-KCl-Salzschmelze bei einer Temperatur von 500°C eingetaucht und es wurde ein negatives Potenzial von –1 V für 5 Minuten an die Aluminiumstruktur angelegt. In der Salzschmelze wurden Luftblasen, die aus der Zersetzungsreaktion des Polyurethans resultieren, gebildet. Dann wurde die Aluminiumstruktur in der Umgebung auf Raumtemperatur abgekühlt und mit Wasser gewaschen, um die Salzschmelze zu entfernen, um einen porösen Aluminiumkörper zu erhalten, von dem das Harz entfernt worden ist.
  • Von jeder erhaltenen Probe wurde die Druckbelastung untersucht. Bei der Untersuchung der Druckbelastung wurde jede Probe zu einer Größe von 20 mm Durchmesser ausgestanzt, die Veränderungen der Dicke wurden unter Ausübung einer Belastung durch einen Kompressionstester gemessen, und die Belastung, die zum Reduzieren der Dicke der Probe um 5% erforderlich war, wurde als Druckbelastung definiert. Die Messergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt.
  • Auch wurde die Oberfläche von jeder so erhaltenen Probe beobachtet. Die Messergebnisse der Oberflächenrauheit sind in Tabelle 2 gezeigt.
  • Bezüglich der Oberflächenrauheit Ra wurde eine 25 μm-Quadratfläche des porösen Aluminiumkörpers an fünf Punkten durch ein Laser-Oberflächenrauheits-Messinstrument vermessen, und der arithmetische Mittelwert der fünf Rauheiten Ra wurde als Oberflächenrauheit definiert.
  • Füllen der Aufschlämmung in den porösen Aluminiumkörper
  • Es wurden LiCoO2-Pulver (aktives Positiv-Elektrodenmaterial) mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 5 μm als aktives Material hergestellt, und das LiCoO2-Pulver, Acetylenruß (Leitfähigkeitshilfsstoff) und PVDF (Bindemittel) wurden in Anteilen von 90:5:5, ausgedrückt als Masse%, vermischt. Zu der Mischung wurde N-Methyl-2-pyrrolidon (organisches Lösungsmittel) zugetropft, und die resultierende Mischung wurde vermischt, um eine pastenartige Aufschlämmung einer positiven Elektrodenmischung herzustellen. Dann wurde die Aufschlämmung der positiven Elektrodenmischung zu der Oberfläche von jeder der Proben 1 bis 4 des porösen Aluminiumkörpers zugeführt und unter einem Druck von 0,2 MPa durch eine Walze eingepresst, und hierdurch wurde die Probe 1 des porösen Aluminiumkörpers mit der positiven Elektrodenmischung gefüllt. Danach wurde die Aufschlämmung bei 100°C für 40 Minuten getrocknet, um das organische Lösungsmittel zu entfernen, um die positiven Elektrodenproben 1 bis 4 zu erhalten.
  • Die Querschnitte der erhaltenen positiven Elektrodenproben wurden beobachtet, und folglich veränderten sich die Formen von allen Proben nicht im Vergleich mit den Formen, die vor dem Füllen beobachtet wurden.
  • Ferner wurde die Menge der aktiven Probe je Einheitsfläche der Elektroden bestimmt, basierend auf den Gewichtsveränderungen der positiven Elektrodenproben vor und nach dem Füllen.
  • Die Menge des aktiven Materials der Probe 4 wird als 100 angesehen, und das Verhältnis (Füllverhältnis) der Menge des aktiven Materials von jeder Probe zu der vorstehend erwähnten Menge ist in Tabelle 2 gezeigt.
  • Aus diesen Ergebnissen wurde gefunden, dass die Fülleffizienz der Aufschlämmung verbessert ist, wenn die Oberfläche des Aluminiumgerüsts glatt ist. Tabelle 2
    Druckbelastung (MPa) Oberflächenrauheit (Ra) (μm) Verhältnis von gefülltem aktivem Material (Probe 4 ist als 100 gesetzt)
    Probe 1 0,5 40 89
    Probe 2 0,8 9,5 95
    Probe 3 1,1 1,3 98
    Probe 4 1,3 0,6 100
  • Beispiel 2
  • Verwendetes Basismaterial
  • Als Urethanharz-Formkörper wurden ein Urethanschaum mit 30 Poren (Zellen) je Inch (Porendurchmesser 847 μm), ein Urethanschaum mit 40 Poren (Zellen) je Inch (Porendurchmesser 635 μm), ein Urethanschaum mit 50 Poren (Zellen) je Inch (Porendurchmesser 508 μm) und ein Urethanschaum mit 60 Poren (Zellen) je Inch (Porendurchmesser 423 μm), die jeweils eine Porosität von 95 und eine Dicke von 1 mm aufwiesen, hergestellt, und zu Rechtecken von 100 mm × 30 mm zugeschnitten. Auf der Oberfläche des Polyurethanschaums wurde ein Aluminiumfilm in einem Gewicht je Einheitsfläche von 10 g/m2 durch Sputtern gebildet, um eine leitfähige Schicht zu bilden.
  • Zusammensetzung das Salzschmelze-Plattierungsbads
  • Als Salzschmelze-Plattierungsbad wurde ein Plattierungsbad aus AlCl3:EMIC = 2:1 (Molverhältnis) hergestellt.
  • Unter den gleichen Bedingungen wie denjenigen von Probe 4 in Beispiel 1 wurde ein Aluminiumfilm auf der Oberfläche des Urethanschaums gebildet, und dann wurde das Urethan entfernt, um poröse Aluminiumkörper (Proben 5 bis 8) zu erhalten.
  • Die Proben 5 bis 8 wurden mit einer Aufschlämmung auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 gefüllt, und die Menge des aktiven Materials je Einheitsfläche der Elektroden wurde auf Grundlage der Gewichtsveränderungen der resultierenden Proben 5 bis 8 vor und nach dem Füllen untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt. Tabelle 3
    Druckbelastung (MPa) Oberflächenrauheit (Ra) (μm) Verhältnis von gefülltem aktivem Material (Probe 4 ist als 100 gesetzt)
    Probe 5 1,6 0,6 123
    Probe 6 1,4 0,6 110
    Probe 7 1,3 0,6 105
    Probe 8 1,3 0,6 98
  • Aus den vorstehend erwähnten Ergebnissen wird gefunden, dass ein poröser Aluminiumkörper mit einem größeren Zelldurchmesser eine höhere Fülleffizienz des aktiven Materials aufweist.
  • Es wurde eine Lithium-Sekundärbatterie vom Typ mit Elektrolytlösung unter Verwendung von jeder der vorstehend beschriebenen positiven Elektrodenproben 5 bis 8 hergestellt.
  • Die Lithium-Sekundärbatterie vom Elektrolytlösungstyp wurde auf die folgende Weise hergestellt.
  • Es wurde eine positive Elektrode verwendet, die durch Ausstanzen der positiven Elektrodenprobe zu einer Größe von 14 mm Durchmesser erhalten wurde. Es wurde eine Lithium-Aluminium-(Li-Al)-Legierungsfolie (Durchmesser: 15 mm, Dicke: 500 μm) als negative Elektrode verwendet, und die positive Elektrode (positive Elektrodenprobe) und die negative Elektrode wurden mit einem hierzwischen vorgesehenen Separator aus Polypropylen laminiert. Das Laminat wurde in einem Batteriegehäuse vom münzförmigen Typ mit einem positiven Elektrodengehäuse und einem negativen Elektrodengehäuse, die jeweils aus Edelstahl bestanden, untergebracht, und dann wurde eine organische Elektrolytlösung in das Batteriegehäuse gegossen. Als organische Elektrolytlösung wurde eine Mischung verwendet, die durch Auflösen von LiClO4 in einer Menge von 1 mol% in einem gemischten organischen Lösungsmittel aus Propylencarbonat und 1,2-Dimethoxyethan (Volumenverhältnis 1:1) erhalten wurde. Nach dem Gießen der organischen Elektrolytlösung wurde eine Dichtung aus einem Harz zwischen dem positiven Elektrodengehäuse und dem negativen Elektrodengehäuse eingefügt, und das positive Elektrodengehäuse und das negative Elektrodengehäuse wurden miteinander verstemmt, um das Innere abzudichten, um eine münzförmige Lithium-Sekundärbatterie vom Elektrolytlösungstyp herzustellen. Solch eine Batterie wurde unter Verwendung von jeder der positiven Elektrodenproben für die Bewertung hergestellt. Zusätzlich wurde in jedem Fall, bei dem die positiven Elektrodenproben verwendet wurden, keine Blattfeder zwischen der positiven Elektrodenprobe und dem positiven Elektrodengehäuse eingefügt.
  • Die Lithium-Sekundärbatterien vom Elektrolytlösungstyp, bei denen die positiven Elektrodenproben verwendet wurden, wurden auf die folgende Weise untersucht.
  • Es wurde ein Ladungs-Entladungs-Zyklus durchgeführt, worin der Ladungsstrom und der Entladungsstrom jeweils 10 μA betrugen und die Spannung im Bereich von 3,3 V bis 2,0 V lag, und es wurde die Entladungskapazität gemessen, um jede positive Elektrodenprobe zu untersuchen. Nachdem die Batterie bei einem Ladestrom von 10 μA geladen worden war, wurde die Entladekapazität bei einem Entladestrom von 20 μA und bei einem Entladestrom von 50 μA gemessen, und es wurde das Verhältnis hiervon zur Entladekapazität, die bei einem Entladestrom von 10 μA gemessen worden war, bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 gezeigt. Tabelle 4
    Entladekapazität bei Entladestrom von 20 μA Entladekapazität bei Entladestrom von 50 μA
    Probe 5 95 78
    Probe 6 99 92
    Probe 7 101 96
    Probe 8 100 100
  • Aus den vorstehend gezeigten Ergebnissen wird gefunden, dass die porösen Aluminiumkörper mit einem kleineren mittleren Zelldurchmesser bessere Eigenschaften als Batterie aufweisen.
  • Die vorliegende Erfindung ist auf Grundlage von Ausführungsformen beschrieben worden, ist jedoch nicht auf die vorstehend erwähnten Ausführungsformen beschränkt.
  • Innerhalb der Identität und der Äquivalenz der vorliegenden Erfindung können Veränderungen an diesen Ausführungsformen durchgeführt werden.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Die unter Verwendung des porösen Aluminiumkörpers für einen Stromabnehmer der vorliegenden Erfindung hergestellte Elektrode erhöht die verfügbare Menge an aktivem Material je Einheitsvolumen und kann eine höhere Kapazität realisieren, und sie kann die Anzahl der Laminatschichten verringern, um die Verarbeitungskosten beim Verarbeiten des porösen Aluminiumkörpers zu einer Elektrode zu reduzieren, und daher kann sie geeigneterweise als eine Elektrode für Batterien mit nicht-wässrigem Elektrolyten (Lithiumbatterie, usw.), für Kondensatoren und für Lithiumionen-Kondensatoren verwendet werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Harzformkörper
    2
    Leitfähige Schicht
    3
    Aluminium-plattierte Schicht
    21a, 21b
    Plattierungsbad
    22
    Streifenförmiges Harz
    23, 28
    Plattierungsbad
    24
    Zylindrische Elektrode
    25, 27
    Anode
    26
    Elektrodenwalze
    32
    Zusammendrückende Werkstückaufnahme
    33
    Komprimierter Teil
    34
    Poröser Aluminiumkörper
    35
    Rotierende Walze
    36
    Rotationsachse der Walze
    37
    Streifendraht
    38
    Isolierendes/abdichtendes Band
    41
    Abwickelrolle
    42
    Kompressionswalze
    43
    Kompressions-Schweißwalze
    44
    Füllwalze
    45
    Trockenmaschine
    46
    Kompressionswalze
    47
    Schneidewalze
    48
    Aufwickelrolle
    49
    Anschlussdraht-Zuführrolle
    50
    Aufschlämmungs-Zuführdüse
    51
    Aufschlämmung
    60
    Lithiumbatterie
    61
    Positive Elektrode
    62
    Negative Elektrode
    63
    Festelektrolytschicht (SE-Schicht)
    64
    Positive Elektrodenschicht (positiver Elektrodenkörper)
    65
    Stromabnehmer einer positiven Elektrode
    66
    Negative Elektrodenschicht
    67
    Stromabnehmer einer negativen Elektrode
    121
    Positive Elektrode
    122
    Negative Elektrode
    123
    Separator
    124
    Pressplatte
    125
    Feder
    126
    Pressbauteil
    127
    Gehäuse
    128
    Positives Elektroden-Endstück
    129
    Negatives Elektroden-Endstück
    130
    Anschlussdraht
    141
    Polarisierbare Elektrode
    142
    Separator
    143
    Organische Elektrolytlösung
    144
    Anschlussdraht
    145
    Gehäuse
    146
    Positive Elektrode
    147
    Negative Elektrode
    148
    Anschlussdraht
    149
    Anschlussdraht

Claims (8)

  1. Poröser Aluminiumkörper mit dreidimensionalem Netzwerk für einen Stromabnehmer, umfassend einen blechförmigen porösen Aluminiumkörper mit dreidimensionalem Netzwerk, der eine Druckfestigkeit in Dickenrichtung von 0,2 MPa oder mehr aufweist.
  2. Poröser Aluminiumkörper mit dreidimensionalem Netzwerk für einen Stromabnehmer gemäß Anspruch 1, worin ein Gerüst, das den porösen Aluminiumkörper bildet, eine Oberflächenrauheit (Ra) von 0,5 μm oder mehr und 10 μm oder weniger aufweist.
  3. Poröser Aluminiumkörper mit dreidimensionalem Netzwerk für einen Stromabnehmer gemäß Anspruch 1 oder 2, worin der poröse Aluminiumkörper einen mittleren Zelldurchmesser von 50 μm oder mehr und 800 μm oder weniger aufweist.
  4. Poröser Aluminiumkörper mit dreidimensionalem Netzwerk für einen Stromabnehmer gemäß Anspruch 3, worin der mittlere Zelldurchmesser 200 μm oder mehr und 500 μm oder weniger beträgt.
  5. Elektrode, umfassend eine Füllung des porösen Aluminiumkörpers mit dreidimensionalem Netzwerk für einen Stromabnehmer gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4 mit einem aktiven Material.
  6. Batterie mit nicht-wässrigem Elektrolyten, bei der die Elektrode gemäß Anspruch 5 verwendet wird.
  7. Kondensator, bei dem eine nicht-wässrige Elektrolytlösung verwendet wird, umfassend die Verwendung der Elektrode gemäß Anspruch 5.
  8. Lithiumionen-Kondensator, bei dem eine nicht-wässrige Elektrolytlösung verwendet wird, umfassend die Verwendung der Elektrode gemäß Anspruch 5.
DE112012000890T 2011-02-18 2012-02-14 Poröser Aluminiumkörper mit dreidimensionalem Netzwerk für Stromabnehmer, Elektrode, bei der der poröse Aluminiumkörper verwendet wird, und Batterie, Kondensator und Lithiumionen-Kondensator, die jeweils die Elektrode verwenden Withdrawn DE112012000890T5 (de)

Applications Claiming Priority (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011032854 2011-02-18
JP2011-032854 2011-02-18
JP2011111039 2011-05-18
JP2011-111039 2011-05-18
JP2011279172 2011-12-21
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