DE112012000901T5

DE112012000901T5 - Stromkollektor unter Verwendung eines porösen Aluminiumkörpers mit dreidimensionalem Netzwerk, Elektrode unter Verwendung des Stromkollektors und nicht-wässrige Elektrolytbatterie, Kondensator und Lithiumionenkondensator mit nicht-wässriger elektrolytischer Lösung, die jeweils die Elektrode verwenden, und Verfahren zur Erzeugung der Elektrode

Info

Publication number: DE112012000901T5
Application number: DE112012000901T
Authority: DE
Inventors: Akihisa Hosoe; Kengo Goto; Hideaki SAKAIDA; Kazuki Okuno; Hajime Ota; Koutarou Kimura; Junichi Nishimura
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd; Sumitomo Electric Toyama Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd; Sumitomo Electric Toyama Co Ltd
Priority date: 2011-02-18
Filing date: 2012-02-13
Publication date: 2013-12-05
Anticipated expiration: 2032-02-14
Also published as: JPWO2012111608A1; DE112012000901B4; US8497037B2; DE112012000901T8; US20120328941A1; KR20140012066A; CN103348519B; CN103348519A; WO2012111608A1; KR101766738B1

Abstract

Es ist ein Ziel dieser Erfindung, eine Elektrode, einschließlich einem Stromkollektor, aus einem porösen Aluminiumkörper, der geeignet für eine Elektrode für eine nicht-wässrige Elektrolytbatterie verwendet wird, und eine Elektrode für einen Kondensator und ein Verfahren zur Erzeugung der Elektrode anzugeben. Bei dem Stromkollektor dieser Erfindung wird ein streifenförmiges komprimiertes Teil, das in einer Dickenrichtung komprimiert ist, an einem Endteil eines porösen Aluminiumkörpers mit dreidimensionalem Netzwerk gebildet, bei dem eine Anschlussleitung an das komprimierte Teil durch Schweißen gebunden ist. Die Breite des komprimierten Teils ist 2 bis 10 mm. Weiterhin wird die Elektrode durch Füllen des Stromkollektors mit einem Aktivmaterial gefüllt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft einen Stromkollektor, der einen porösen Aluminiumkörper mit dreidimensionalem Netzwerk enthält, und eine Elektrode, die einen porösen Aluminiumkörper mit dreidimensionalem Netzwerk enthält, die für eine nicht-wässrige Elektrolytbatterie (Lithiumbatterie, etc.) verwendet werden, und einen Kondensator (nachfolgend einfach als Kondensator bezeichnet) und einen Lithiumionenkondensator (nachfolgend einfach als Lithiumionenkondensator bezeichnet), die jeweils eine nicht-wässrige elektrolytische Lösung enthalten, und ein Verfahren zu deren Erzeugung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Poröse Metallkörper mit dreidimensionaler Netzwerkstruktur werden in einem großen Anwendungsgebiet verwendet, wie verschiedene Filter, Katalysatorträger und Batterieelektroden. Beispielsweise wurde Celmet (hergestellt von Sumitomo Electric Industries, Ltd. eingetragene Marke), das sich aus einem porösen Nickelkörper mit dreidimensionalem Netzwerk (nachfolgend als poröser Nickelkörper bezeichnet) zusammensetzt, als Elektrodenmaterial für Batterien verwendet, wie Nickel-Metallhydridbatterien und Nickel-Cadmiumbatterien. Celmet ist ein poröser Metallkörper mit kontinuierlichen Poren und hat charakteristisch eine höhere Porosität (90% oder mehr) als andere poröse Körper wie metallische Vliese. Celmit kann erhalten werden durch Bilden einer Nickelschicht auf der Oberfläche des Gerüstes eines porösen Harzes mit kontinuierlichen Poren wie Urethanschaum, anschließende Zersetzung des Harzschaumformkörpers durch Wärmebehandlung und Reduzieren des Nickels. Die Nickelschicht wird gebildet durch Durchführen einer leitenden Behandlung unter Auftragung eines Kohlenstoffpulvers oder dergleichen auf die Oberfläche des Gerüstes des Harzschaumformkörpers und anschließendes Niederschlagen von Nickel durch Elektroplattieren.
Auf der anderen Seite hat wie Nickel Aluminium ausgezeichnete Eigenschaften wie leitende Eigenschaft, Korrosionsresistenz und leichtes Gewicht, und für Anwendungen in Batterien wird beispielsweise eine Aluminiumfolie, worin ein aktives Material wie Lithium-Kobaltoxid auf die Oberfläche davon aufgetragen ist, als positive Elektrode für eine Lithiumbatterie verwendet. Zur Erhöhung der Kapazität einer positiven Elektrode wird überlegt, dass ein poröser Aluminiumkörper mit dreidimensionalem Netzwerk (nachfolgend als poröser Aluminiumkörper bezeichnet), worin die Oberfläche von Aluminium erhöht ist, verwendet und das Innere des Aluminiums mit einem aktiven Material gefüllt wird. Der Grund hierfür liegt darin, dass dies ermöglicht, dass das aktive Material selbst in einer Elektrode mit einer großen Dicke verwendet werden kann und das Verfügbarkeitsverhältnis des aktiven Materials pro Einheitsfläche vergrößert.
Als Verfahren zur Erzeugung eines porösen Aluminiumkörpers beschreibt Patentliteratur 1 ein Verfahren zum Durchführen eines Aluminium-Dampfniederschlagsverfahrens mit einem Kunststoffsubstrat mit dreidimensionalem Netzwerk mit einem inneren kontinuierlichen Raum durch ein Bogenionenplattierverfahren zur Bildung einer metallischen Aluminiumschicht mit einer Dicke von 2 bis 20 μm.
Es wird gesagt, dass entsprechend diesem Verfahren ein poröser Aluminiumkörper mit einer Dicke von 2 bis 20 μm erhalten wird, aber weil dieses Verfahren auf einem Dampfphasenverfahren basiert, ist es schwierig, einen porösen Körper mit großer Fläche zu erzeugen, und es ist schwierig, eine intern gleichmäßige Schicht in Abhängigkeit von der Dicke oder Porosität des Substrates zu bilden. Dieses Verfahren hat weiterhin Probleme, dass eine Bildungsrate der Aluminiumschicht gering ist und die Produktionskosten hoch sind, weil die Anlage für die Produktion teuer ist. Wenn ein dicker Film gebildet wird, gibt es auch eine Möglichkeit, dass Risse in dem Film erzeugt werden können oder Aluminium abblättern kann.
Patentliteratur 2 beschreibt ein Verfahren für den Erhalt eines porösen Aluminiumkörpers, das die Bildung eines Filmes aus einem Metall (wie Kupfer) auf dem Gerüst eines Harzschaumformkörpers mit einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur beinhaltet, wobei das Metall eine Fähigkeit hat, eine eutektische Legierung bei einer Temperatur zu bilden, die gleich oder niedriger ist als der Schmelzpunkt von Aluminium, anschließendes Auftragen einer Aluminiumpaste auf den Film und Durchführen einer Wärmebehandlung in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre bei einer Temperatur von 550°C oder mehr und 750°C oder weniger, zur Entfernung eines organischen Bestandteils (Harzschaum), und zum Sintern eines Aluminiumpulvers.
Gemäß diesem Verfahren wird eine Schicht, die eine eutektische Legierung aus dem genannten Metall und Aluminium bildet, erzeugt und eine Aluminiumschicht mit hoher Reinheit kann nicht erzeugt werden.
Als andere Verfahren wird überlegt, dass ein Harzformkörper mit einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur einem Aluminiumplattieren unterworfen wird. Ein Elektroplattierverfahren von Aluminium selbst ist bekannt, aber weil Aluminium eine hohe chemische Affinität für Sauerstoff und ein niedrigeres elektrisches Potential als Wasserstoff hat, ist das Elektroplattieren in einem Plattierbad, das eine wässrige Lösung enthält, schwierig. Somit wurde konventionell das Aluminiumelektroplattieren in einem Plattierbad untersucht, das eine nicht-wässrige Lösung enthält. Als Technik zum Plattieren einer Metalloberfläche mit Aluminium zum Zwecke der Antioxidation der Metalloberfläche offenbart beispielsweise die Patentliteratur 3 ein Aluminiumelektroplattierverfahren, worin eine niedrigschmelzende Zusammensetzung, die eine Mischungsschmelze aus einem Oniumhalogenid und einem Aluminiumhalogenid ist, als Plattierbad verwendet und Aluminium auf einer Kathode niedergeschlagen wird, während der Wassergehalt des Plattierbades bei 2 Massen-% oder weniger gehalten wird.
Bei dem Aluminiumelektroplattieren ist das Plattieren nur einer Metalloberfläche möglich, und es gibt kein bekanntes Verfahren zum Elektroplattieren auf der Oberfläche eines Harzformkörpers, insbesondere Elektroplattieren auf der Oberfläche eines Harzformkörpers mit einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur.
Diese Erfinder haben intensive Untersuchungen bezüglich eines Verfahrens zum Elektroplattieren der Oberfläche eines Urethanharzformkörpers mit einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur mit Aluminium durchgeführt und festgestellt, dass es möglich ist, die Oberfläche eines Urethanharzformkörpers zu elektroplattieren, indem der Urethanharzformkörper, worin zumindest die Oberfläche elektrisch leitend gemacht ist, mit Aluminium in einem geschmolzenen Salzbad plattiert wird. Diese Feststellungen haben zur Vollendung eines Verfahrens zur Erzeugung eines porösen Aluminiumkörpers geführt. Gemäß diesem Produktionsverfahren kann eine Aluminiumstruktur mit einem Urethanharzformkörper als Kern des Gerüstes erhalten werden. Für einige Anwendungen wie verschiedene Filter und Katalysatorträger kann die Aluminiumstruktur als Harzmetallkomposit so wie sie ist verwendet werden, aber wenn die Aluminiumstruktur als Metallstruktur ohne Harz verwendet wird wegen der Einschränkungen, die von der Verwendungsumgebung resultieren, muss ein poröser Aluminiumkörper durch Entfernen des Harzes gebildet werden.
Die Entfernung des Harzes kann durch irgendein Verfahren durchgeführt werden, einschließlich Zersetzung (Auflösung) mit einem organischen Lösungsmittel, einem geschmolzenen Salz oder superkritischem Wasser, Zersetzung durch Erwärmen oder dergleichen.
Ein Verfahren zur Zersetzung durch Erwärmen bei hoher Temperatur und dergleichen ist angemessen, aber beinhaltet die Oxidation von Aluminium. Weil Aluminium im Gegensatz zu Nickel schwierig zu reduzieren ist, wenn es einmal oxidiert ist, wenn es beispielsweise in einem Elektrodenmaterial einer Batterie oder dergleichen verwendet wird, verliert die Elektrode eine leitende Eigenschaft aufgrund der Oxidation und daher kann Aluminium nicht als Elektrodenmaterial verwendet werden. Somit haben diese Erfinder ein Verfahren zur Erzeugung eines porösen Aluminiumkörpers vollendet, worin eine Aluminiumstruktur, erhalten durch Bilden einer Aluminiumschicht auf der Oberfläche eines porösen Harzformkörpers auf eine Temperatur erwärmt wird, die gleich oder unterhalb des Schmelzpunktes von Aluminium ist, während es in ein geschmolzenes Salz getaucht und ein negatives Potential auf die Aluminiumschicht auferlegt wird, um den porösen Harzformkörper durch thermische Zersetzung zu entfernen, unter Erhalt eines porösen Aluminiumkörpers, wobei dies ein Verfahren zur Entfernung eines Harzes ist, ohne dass die Oxidation von Aluminium verursacht wird.
Um den somit erhaltenen porösen Aluminiumkörper als Elektrode zu verwenden, ist es notwendig, einen Leitungsdraht an den porösen Aluminiumkörper zu befestigen, um einen Stromkollektor zu bilden, den porösen Aluminiumkörper, der als Stromkollektor dient, mit einem Aktivmaterial zu füllen und den resultierenden porösen Aluminiumkörper Behandlungen wie Komprimieren und Schneiden durch ein Verfahren, das in 1 gezeigt ist, zu unterwerfen, aber eine Technologie für die praktische Verwendung zur industriellen Erzeugung von Elektroden für nicht-wässrige Elektrolytbatterien und Kondensatoren und dergleichen, die eine nicht-wässrige elektrolytische Lösung enthalten, aus einem porösen Aluminiumkörper sind bisher noch nicht bekannt.
LISTE DER DRUCKSCHRIFTEN
PATENTLITERATUR

Patentliteratur 1: japanisches Patent 3413662
Patentliteratur 2: japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung 8-170126
Patentliteratur 3: japanisches Patent 3202072
Patentliteratur 4: japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung 56-86459

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
(TECHNISCHES PROBLEM)
Es ist ein Ziel dieser Erfindung, ein Verfahren zur Erzeugung eines Stromkollektors und einer Elektrode durch Schweißen einer Leitung an einen porösen Aluminiumkörper in einem Verfahren zur industriellen Erzeugung eines Stromkollektors und einer Elektrode aus einem porösen Aluminiumkörper und einen Stromkollektor und eine Elektrode, die durch dieses Verfahren erzeugt sind, anzugeben.
(LÖSUNG DES PROBLEMS)
Die Konstitution dieser Erfindung ist wie folgt.

(1) Stromkollektor, erhalten durch Bilden eines streifenförmigen komprimierten Teils, komprimiert in einer Dickenrichtung an einem Endteil eines porösen Aluminiumkörpers mit dreidimensionalem Netzwerk und Binden einer Anschlussleitung an das komprimierte Teil durch Schweißen, worin das komprimierte Teil eine Breite von 2 bis 10 mm hat.
(2) Stromkollektor gemäß (1), worin ein Material der Anschlussleitung Aluminium enthält.
(3) Elektrode, umfassend das Füllen eines porösen Anteils des Stromkollektors gemäß (1) oder (2) mit einem aktiven Material.
(4) Verfahren zur Erzeugung der Elektrode gemäß (3), umfassend die Schritte zum Füllen eines porösen Aluminiumkörpers mit dreidimensionalem Netzwerk mit einem Aktivmaterial, Entfernen des Aktivmaterials in einem Bereich innerhalb einer 2 bis 10 mm Breite von einer Endseite an einem Endteil des porösen Aluminiumkörpers mit dreidimensionalem Netzwerk, der mit dem Aktivmaterial gefüllt ist, Komprimieren des Bereiches, von dem das Aktivmaterial entfernt ist, zur Bildung eines streifenförmigen komprimierten Teils; und Schweißen einer Anschlussleitung an das komprimierte Teil.
(5) Verfahren zur Erzeugung der Elektrode gemäß (3), umfassend die Schritte des Komprimierens eines Bereiches innerhalb einer Breite von 2 bis 10 mm von einer Endseite an einem Endteil eines porösen Aluminiumkörpers mit dreidimensionalem Netzwerk zur Bildung eines streifenförmigen komprimierten Teils; Maskieren des komprimierten Teils; Füllen des porösen Aluminiumkörpers mit dreidimensionalem Netzwerk, mit dem das Maskieren durchgeführt ist, mit einem Aktivmaterial; Entfernen der Maskierung von dem porösen Aluminiumkörper mit dreidimensionalem Netzwerk, der mit dem Aktivmaterial gefüllt ist; und Schweißen einer Anschlussleitung an das komprimierte Teil, von dem die Maskierung entfernt ist.
(6) Verfahren zur Erzeugung der Elektrode gemäß (3), umfassend die Schritte des Komprimierens eines Bereiches innerhalb einer Breite von 2 bis 10 mm von einer Endseite an einem Endteil eines porösen Aluminiumkörpers mit dreidimensionalem Netzwerk zur Bildung eines streifenförmigen komprimierten Teils; Schweißen einer Anschlussleitung an das komprimierte Teil und Füllen des porösen Aluminiumkörpers mit dreidimensionalem Netzwerk mit der Anschlussleitung, die an das komprimierte Teil geschweißt ist, mit einem Aktivmaterial.
(7) Nicht-wässrige Elektrolytbatterie, umfassend die Elektrode gemäß (3).
(8) Kondensator, umfassend die nicht-wässrige elektrolytische Lösung, umfassend die Elektrode gemäß (3).
(9) Lithiumionenkondensator, umfassend eine nicht-wässrige elektrolytische Lösung, die die Elektrode gemäß (1) enthält.

(VORTEILHAFTE WIRKUNGEN DER ERFINDUNG)
Die Elektrode, die den porösen Aluminiumkörper für einen Stromkollektor der Erfindung enthält, erhöht das Verfügbarkeitsverhältnis eines aktiven Materials pro Einheitsvolumen und kann eine höhere Kapazität realisieren und die Zahl der Schichten eines Laminates vermindern, zur Verminderung der Prozesskosten bei der Verarbeitung des porösen Aluminiumkörpers zu einer Elektrode.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Ansicht, die ein Verfahren zur Erzeugung eines Elektrodenmaterials aus einem porösen Aluminiumkörper zeigt.
2 ist eine Ansicht, die einen Schritt zum Komprimieren eines Endteils eines porösen Aluminiumkörpers zur Bildung eines komprimierten Teils zeigt.
3 ist eine Ansicht, die einen Schritt zum Komprimieren des zentralen Teils eines porösen Aluminiumkörpers zur Bildung eines komprimierten Teils zeigt.
4 ist eine Ansicht, die einen Zustand zeigt, bei dem eine Anschlussleitung an das komprimierte Teil im Endteil eines porösen Aluminiumkörpers gebunden ist.
5 ist eine Ansicht, die einen Zustand zeigt, bei dem eine Anschlussleitung an das komprimierte Teil in dem Endteil eines porösen Aluminiumkörpers gebunden ist.
6 ist ein Fließdiagramm, das einen Schritt zur Erzeugung eines porösen Aluminiumkörpers zeigt.
7 ist eine schematische Schnittansicht, die einen Schritt zur Erzeugung eines porösen Aluminiumkörpers zeigt.
8 ist eine vergrößerte Fotografie, die die Oberfläche der Struktur eines Urethanharzformkörpers zeigt.
9 ist eine Ansicht, die ein Beispiel eines Schritts einer kontinuierlichen leitenden Behandlung der Oberfläche eines Harzformkörpers mit einem leitenden Beschichtungsmaterial zeigt.
10 ist eine Ansicht, die ein Beispiel eines Schritts zum kontinuierlichen Aluminiumplattieren unter Anwendung des geschmolzenen Salzplattierens erläutert.
11 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel einer Struktur zeigt, bei der ein poröser Aluminiumkörper für eine Lithiumbatterie verwendet wird.
12 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel einer Struktur zeigt, bei der ein poröser Aluminiumkörper für einen Kondensator verwendet wird, der eine nicht-wässrige elektrolytische Lösung enthält.
13 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel einer Struktur zeigt, bei der ein poröser Aluminiumkörper für einen Lithiumionenkondensator verwendet wird.
14 ist eine schematische Schnittansicht, die ein Beispiel einer Struktur zeigt, bei der ein poröser Aluminiumkörper für eine geschmolzene Salzbatterie verwendet wird.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
Zunächst wird ein Verfahren zur Erzeugung des porösen Aluminiumkörpers dieser Erfindung beschrieben. Das Herstellungsverfahren wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, falls erforderlich, beschrieben, wobei ein Beispiel, bei dem ein Aluminiumplattierverfahren als Verfahren zum Bilden eines Aluminiumfilmes auf der Oberfläche eines Urethanharzformkörpers angewandt wird, als repräsentatives Beispiel genommen wird. In den Referenzfiguren bedeuten die Teile mit den gleichen Bezugszeichen die gleichen oder entsprechenden Teile. Diese Erfindung ist nicht hierauf beschränkt, sondern durch die Ansprüche definiert, und alle Modifizierungen, die in den Umfang der Ansprüche fallen und die Äquivalente davon, sollen durch die Ansprüche erfasst sein.
(Schritt zur Erzeugung der Aluminiumstruktur)
6 ist ein Fließdiagramm, das einen Schritt zur Erzeugung einer Aluminiumstruktur zeigt. 7 zeigt eine schematische Ansicht der Bildung eines Aluminiumplattierfilmes unter Verwendung eines Harzformkörpers als Kernmaterial entsprechend dem Fließdiagramm. Das gesamte Fließdiagramm der Produktionsschritte wird unter Bezugnahme auf beide Figuren erläutert. Zunächst wird die Herstellung 101 eines Harzformkörpers, der als Basismaterial dient, durchgeführt. 7(a) ist eine vergrößerte schematische Ansicht der Oberfläche eines Harzformkörpers mit kontinuierlichen Poren als Beispiel eines Harzformkörpers, der als Basismaterial dient. Poren werden im Gerüst eines Harzformkörpers 1 gebildet. Dann wird eine leitende Behandlung 102 der Oberfläche des Harzformkörpers durchgeführt. Wie in 7(b) gezeigt ist, wird durch diesen Schritt eine dünne leitende Schicht 2 aus einem elektrischen Leiter auf der Oberfläche des Harzformkörpers 1 gebildet.
Anschließend wird das Aluminiumplattieren 103 in einem geschmolzenen Salz durchgeführt, zur Bildung einer aluminiumplattieren Schicht 3 auf der Oberfläche der leitenden Schicht des Harzformkörpers (7(c)). Hierdurch wird eine Aluminiumstruktur erhalten, worin die aluminiumplattierte Schicht 3 auf der Oberfläche des Harzformkörpers gebildet ist, der als Basismaterial dient. Die Entfernung 104 des Harzformkörpers, der als Basismaterial dient, wird durchgeführt.
Der Harzformkörper 1 kann entfernt werden durch Zersetzung oder dergleichen, unter Erhalt einer Aluminiumstruktur (poröser Körper), der nur eine verbleibende Metallschicht enthält (7(d)). Nachfolgend wird jeder dieser Schritte unten beschrieben.
(Herstellung des porösen Harzformkörpers)
Ein poröser Harzformkörper mit einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur und kontinuierlichen Poren wird hergestellt. Ein Material des porösen Harzformkörpers kann irgendein Harz sein. Als Material kann ein Harzschaumformkörper aus Polyurethan, Melamin, Polypropylen oder Polyethylen veranschaulicht werden. Obwohl der Harzschaumformkörper veranschaulicht wurde, kann ein Harzformkörper mit irgendeiner Form ausgewählt werden, solange der Harzformkörper kontinuierlich gebildete Poren hat (kontinuierliche Poren). Beispielsweise kann ein Harzformkörper mit einer Form wie einem Vlies, gebildet durch Verwirbeln von faserigem Harz, anstelle des Harzschaumformkörpers verwendet werden. Der Harzschaumformkörper hat bevorzugt eine Porosität von 80 bis 98% und einen Porendurchmesser von 50 bis 500 μm. Urethanschäume und Melaminschäume haben eine hohe Porosität, Kontinuität der Poren und ausgezeichnete thermische Zersetzungseigenschaften und können daher bevorzugt als Harzschaumformkörper verwendet werden. Urethanschäume sind angesichts der Gleichmäßigkeit der Poren, Leichtigkeit, der Verfügbarkeit und dergleichen bevorzugt, und dahingehend bevorzugt, dass Urethanschäume mit einem kleinen Porendurchmesser verfügbar sein können.
Poröse Harzformkörper enthalten häufig Restmaterialien, wie Schäummittel und nicht-reagiertes Monomer bei der Produktion des Schaumes und werden daher bevorzugt einer Waschbehandlung für die anschließenden Schritte unterworfen. Als Beispiel des porösen Harzformkörpers ist ein Urethanschaum in 8 gezeigt, mit dem eine Waschbehandlung als vorläufige Behandlung durchgeführt wurde. Im Harzformkörper ist ein dreidimensionales Netzwerk als Gerüst konfiguriert, und daher werden kontinuierliche Poren insgesamt konfiguriert. Das Gerüst des Urethanschaumes hat eine nahezu dreieckige Form in einem Querschnitt senkrecht zu seiner sich erstreckenden Richtung. Hierin wird die Porosität durch folgende Gleichung definiert: Porosität = (1 – (Gewicht des porösen Materials [g]/(Volumen des porösen Materials [cm³] × Materialdichte))) × 100[%]
Weiterhin wird der Porendurchmesser durch Vergrößern der Oberfläche des Harzformkörpers in einer Fotomikrografie oder dergleichen, Zählen der Anzahl der Poren pro inch (25,4 mm) als Zahl der Zellen und Berechnen eines durchschnittlichen Porendurchmessers durch folgende Gleichung bestimmt: Durchschnittlicher Porendurchmesser = 25,4 mm/Zahl der Zellen
(Leitende Behandlung bei der Oberfläche des Harzformkörpers)
Zum Durchführen des Elektroplattierens wird die Oberfläche des Harzschaumes vorher einer leitenden Behandlung unterworfen. Ein Verfahren der leitenden Behandlung ist nicht besonders beschränkt, solange dies eine Behandlung ist, durch die eine Schicht mit einer leitenden Eigenschaft auf der Oberfläche des Harzformkörpers angeordnet werden kann, und irgendein Verfahren, einschließlich einem elektrolosen Plattieren eines leitenden Metalls wie Nickel, Dampfniederschlag und Sputtern von Aluminium oder dergleichen und die Anwendung eines leitenden Beschichtungsmaterials, das leitende Teilchen wie Kohlenstoff oder Aluminiumpulver enthält, kann ausgewählt werden. Als Beispiel der leitenden Behandlung werden nachfolgend ein Verfahren, mit dem die Oberfläche des Harzschaumes elektrisch leitend durch Sputtern von Aluminium gemacht wird, und ein Verfahren, bei dem die Oberfläche des Harzschaumes unter Verwendung von Kohlenstoff als leitende Teilchen elektrisch leitend gemacht wird, beschrieben.
– Sputtern von Aluminium –
Eine Sputterbehandlung unter Verwendung von Aluminium ist nicht beschränkt, solange Aluminium als Target verwendet wird, und dies kann entsprechend einem üblichen Verfahren durchgeführt werden. Ein Sputterfilm von Aluminium wird beispielsweise durch Halten eines geschäumten Harzes mit einem Substrathalter und anschließendes Auflegen einer direkten Spannung zwischen dem Halter und einem Target (Aluminium) unter Einführen eines Inertgases in die Sputteranlage, um dafür zu sorgen, dass ionisiertes Inertgas auf das Aluminiumtarget aufschlägt und die gesputterten Aluminiumteilchen auf die Oberfläche des geschäumten Harzes niedergeschlagen werden, gebildet. Die Sputterbehandlung wird bevorzugt unterhalb einer Temperatur durchgeführt, bei der das geschäumte Harz nicht schmilzt, 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 –
Ein Kohlenstoffbeschichtungsmaterial wird als leitendes Beschichtungsmaterial hergestellt. Eine Suspensionslösung, die als leitendes Beschichtungsmaterial dient, enthält bevorzugt Kohlenstoffteilchen, ein Bindemittel, Dispergiermittel und ein Dispersionsmedium. Die gleichmäßige Auftragung von Kohlenstoffteilchen erfordert die Beihaltung einer gleichmäßigen Suspension der Suspensionslösung. Somit wird die Suspensionslösung bevorzugt bei einer Temperatur von 20 bis 40°C gehalten. Der Grund hierfür liegt darin, dass die Temperatur der Suspensionslösung unterhalb von 20°C zu einem Mangel der gleichmäßigen Suspension führt, und nur das Bindemittel wird konzentriert, zur Bildung einer Schicht auf der Oberfläche des Gerüstes, das die Netzwerkstruktur des Harzformkörpers konstituiert. In diesem Fall neigt eine Schicht von aufgetragenen Kohlenstoffteilchen zum Abschälen, und eine Metallplattierung, die fest an dem Substrat haftet, wird kaum gebildet. Wenn auf der anderen Seite eine Temperatur der Suspensionslösung höher als 40°C ist, wird, weil die Menge des Dispersionsmittels, das verdampft, groß ist, im Verlaufe der Zeit der Auftragungsbehandlung die Suspensionslösung konzentriert und die Menge von aufzutragendem Kohlenstoff neigt zur Variation. Die Kohlenstoffteilchen haben einen Teilchendurchmesser von 0,01 bis 5 μm und bevorzugt 0,01 bis 0,5 μm. Ein großer Teilchendurchmesser kann zum Verstopfen von Löchern des Harzformkörpers führen oder das glatte Plattieren beeinträchtigen, und ein zu kleiner Teilchendurchmesser macht es schwierig, eine ausreichende leitende Eigenschaft sicherzustellen.
Die Auftragung der Kohlenstoffteilchen auf den Harzformkörper kann durchgeführt werden durch Tauchen des Harzformkörpers, der ein Subjekt ist, in die Suspensionslösung und Abquetschen und Trocknen des Harzformkörpers. 9 ist eine schematische Ansicht, die die Konfiguration einer Behandlungsanlage für die leitende Behandlung eines streifenförmigen Harzformkörpers, der als Gerüst dient, als Beispiel eines praktischen Produktionsschrittes zeigt. Wie in der Figur gezeigt ist, umfasst diese Anlage eine Zuführspule 12 zum Zuführen eines streifenförmigen Harzes 11, ein Bad 15, das eine Suspensionslösung 14 aus einem leitenden Beschichtungsmaterial enthält, ein Paar von Abquetschwalzen 17, die oberhalb des Bades 15 angeordnet sind, eine Vielzahl von Heißluftdüsen 16, die auf entgegengesetzten Seiten des sich fortbewegenden streifenförmigen Harzes 11 angeordnet sind, und eine Aufnahmespule 18, zum Aufnehmen des behandelten streifenförmigen Harzes 11. Weiter ist eine Führungswalze 13 zum Führen des streifenförmigen Harzes 11 angemessen angeordnet. In der somit konfigurierten Anlage wird das streifenförmige Harz 11 mit einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur von der Zuführspule 12 abgewickelt, durch die Führungswalze 13 geführt und in die Suspensionslösung im Bad 15 getaucht. Das streifenförmige Harz 11, das in die Suspensionslösung 14 in dem Bad 15 getaucht ist, ändert seine Richtung aufwärts und läuft zwischen den Abquetschwalzen 17, die oberhalb der Flüssigoberfläche der Suspensionslösung 14 angeordnet sind. In diesem Fall ist der Abstand zwischen den Abquetschwalzen 17 kleiner als die Dicke des streifenförmigen Harzes 11, und daher wird das streifenförmige Harz 11 komprimiert. Somit wird eine überschüssige Suspensionslösung, mit der das streifenförmige Harz 11 imprägniert ist, in das Bad 15 abgequetscht.
Anschließend ändert das streifenförmige Harz 11 seine Laufrichtung erneut. Das Dispersionsmedium oder dergleichen der Suspensionslösung wird durch Heißluft, die von den Heißluftdüsen 16 initiiert wird, die durch eine Vielzahl von Düsen konfiguriert sind, entfernt und das vollständig getrocknete streifenförmige Harz 11 wird um die Aufnahmespule 18 gewickelt. Die Temperatur der heißen Luft, die von den Heißluftdüsen 16 initiiert wird, liegt bevorzugt im Bereich von 40 bis 80°C. Wenn eine solche Anlage verwendet wird, kann die leitende Behandlung automatisch und kontinuierlich durchgeführt werden und ein Gerüst mit einer Netzwerkstruktur ohne Verstopfen und mit einer gleichmäßigen leitenden Schicht wird gebildet, und daher kann der anschließende Metallplattierschritt glatt durchgeführt werden.
(Bildung der Aluminiumschicht: geschmolzenes Salzplattieren)
Nachfolgend wird eine aluminiumplattierte Schicht auf der Oberfläche des Harzformkörpers durch Elektroplattieren in einem geschmolzenen Salz gebildet. Durch Plattieren von Aluminium in dem geschmolzenen Salzbad kann eine dicke Aluminiumschicht gleichmäßig insbesondere auf der Oberfläche einer komplizierten Gerüststruktur, wie dem porösen Harzformkörper mit einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur gebildet werden. Ein Direktstrom wird zwischen einer Kathode des Harzformkörpers mit einer Oberfläche, mit der die leitende Behandlung durchgeführt ist, und einer Anode aus einer Aluminiumplatte mit einer Reinheit von 99,0% in dem geschmolzenen Salz auferlegt. Als geschmolzenes Salz kann ein organisches geschmolzenes Salz, das ein eutektisches Salz aus einem organischen Halogenid und einem Aluminiumhalogenid ist, oder ein anorganisches geschmolzenes Salz, das ein eutektisches Salz aus einem Alkalimetallhalogenid und einem Aluminiumhalogenid ist, verwendet werden. Die Verwendung eines organischen geschmolzenen Salzbades, das bei einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur schmilzt, ist bevorzugt, weil es das Plattieren ohne Zersetzung des Harzformkörpers, eines Basismaterials, ermöglicht. Als organisches Halogenid kann ein Imidazoliumsalz, Pyridiniumsalz oder dergleichen verwendet werden, und spezifisch sind 1-Ethyl-3-methylimidazoliumchlorid (EMIC) und Butylpyridiniumchlorid (BPC) bevorzugt. Weil die Kontamination des geschmolzenen Salzes mit Wasser oder Sauerstoff einen Abbau des geschmolzenen Salzes verursacht, wird das Plattieren bevorzugt in einer Atmosphäre aus einem Inertgas wie Stickstoff oder Argon und in einer abgedichteten Umgebung durchgeführt.
Das geschmolzene Salzbad ist bevorzugt ein geschmolzenes Salzbad, das Stickstoff enthält, und insbesondere wird ein Imidazoliumsalzbad bevorzugt verwendet. Wenn ein Salz, das bei hoher Temperatur schmilzt, als geschmolzenes Salz verwendet wird, ist die Auflösung oder Zersetzung des Harzes im geschmolzenen Salz schneller als das Wachstum einer plattierten Schicht, und daher kann eine plattierte Schicht nicht auf der Oberfläche des Harzformkörpers gebildet werden. Das Imidazoliumsalzbad kann ohne irgendeine Wirkung auf das Harz selbst bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen verwendet werden. Als Imidazoliumsalzbad wird ein Salz, das ein Imidazoliumkation mit Alkylgruppen an 1,3-Position enthält, bevorzugt verwendet, und besonders werden geschmolzene Salze auf Basis von Aluminiumchlorid + 1-Ethyl-3-methylimidazoliumchlorid (AlCl₃ + EMIC) am meisten bevorzugt wegen ihrer hohen Stabilität und Resistenz gegenüber Zersetzung verwendet. Das Imidazoliumsalzbad ermöglicht das Plattieren von Urethanschaumharzen und Melaminschaumharzen, und die Temperatur des geschmolzenen Salzbades liegt von 10 bis 65 und bevorzugt 25 bis 60°C. Mit einer Verminderung der Temperatur wird der Stromdichtebereich, bei dem ein Plattieren möglich ist, eingeengt, und das Plattieren der gesamten Oberfläche eines porösen Harzformkörpers wird schwierig. Der Mangel, dass die Form eines Harzformkörpers beeinträchtigt wird, scheint bei einer hohen Temperatur von mehr als 65°C aufzutreten.
In Bezug auf das geschmolzene Salz-Aluminiumplattieren auf einer Metalloberfläche wird berichtigt, dass ein Additiv wie Xylol, Benzol, Toluol und 1,10-Phenanthrolin zu AlCl₃-EMIC gegeben wird, um die Glätte der plattierten Oberfläche zu verbessern. Diese Erfinder haben festgestellt, dass insbesondere beim Aluminiumplattieren eines porösen Harzformkörpers mit einer dreidimensionalen Netzwerkstruktur die Addition von 1,10-Phenanthrolin charakteristische Wirkungen auf die Bildung eines porösen Aluminiumkörpers ausübt. Das heißt, es wird ein erstes Charakteristikum erhalten, dass die Glätte eines Plattierfilmes verbessert wird und das Aluminiumgerüst, das den porösen Körper bildet, kaum bricht, und ein zweites Charakteristik, dass ein gleichmäßiges Plattieren mit einem kleinen Unterschied der Plattierdicke zwischen der Oberfläche und dem Inneren des porösen Körpers erzielt werden kann.
Beim Pressen des vollendeten porösen Aluminiumkörpers oder dergleichen können die oben erwähnten zwei Charakteristiken des kaum zu brechenden Gerüstes und der gleichmäßigen Plattierdicke im Inneren und Äußeren einen porösen Körper ergeben, der ein kaum zu brechendes Gerüst insgesamt hat und gleichmäßig gepresst wird. Wenn der poröse Aluminiumkörper als Elektrodenmaterial für Batterien oder dergleichen verwendet wird, wird dies durchgeführt, dass eine Elektrode mit einem Elektrodenaktivmaterial gefüllt und gepresst wird, um die Dichte zu erhöhen. Weil das Gerüst häufig beim Füllschritt des Aktivmaterials oder beim Pressen bricht, sind die beiden Eigenschaften extrem wirksam bei einer solchen Anwendung.
Gemäß der obigen Beschreibung ist die Zugabe eines organischen Lösungsmittels zum geschmolzenen Salzbad bevorzugt, und insbesondere wird 1,10-Phenanthrolin bevorzugt verwendet. Die Menge des organischen Lösungsmittels, das zum Plattierbad gegeben ist, liegt bevorzugt im Bereich von 0,2 bis 7 g/l. Wenn die Menge 0,2 g/l oder weniger ist, ist das resultierende Plattieren schlecht bezüglich Glätte und ist spröde, und es ist schwierig, eine Wirkung zur Verminderung eines Unterschiedes der Dicke zwischen der Oberflächenschicht und dem Inneren zu erhalten. Wenn die Menge 7 g/l oder mehr ist, wird die Plattiereffizienz vermindert, und es ist schwierig, eine bestimmte Plattierdicke zu erzielen.
10 ist eine Ansicht, die schematisch die Konfiguration einer Anlage zum kontinuierlichen Plattieren des oben erwähnten streifenförmigen Harzes mit Aluminium zeigt. Diese Ansicht zeigt eine Konfiguration, bei der ein streifenförmiges Harz 22 mit einer Oberfläche, mit der eine leitende Behandlung durchgeführt ist, von links nach rechts in der Figur transferiert wird. Ein erstes Plattierbad 21a wird durch eine zylindrische Elektrode 24, eine Aluminiumanode 25, die auf der Innenwand eines Behälters angeordnet ist, und ein Plattierbad 23 konfiguriert. Das streifenförmige Harz 22 gelangt durch das Plattierbad 23 entlang der zylindrischen Elektrode 24, und hierdurch kann ein gleichmäßiger elektrischer Strom leicht durch den gesamten Harzformkörper fließen und ein gleichmäßiges Plattieren kann erzielt werden. Ein Plattierbad 21b ist ein Bad zum weiteren Durchführen eines dicken gleichmäßigen Plattierens und ist konfiguriert durch eine Vielzahl von Bädern, so dass das Plattieren mehrere Male durchgeführt werden kann. Das streifenförmige Harz 22 mit einer Oberfläche, mit der eine leitende Behandlung durchgeführt ist, gelangt durch ein Plattierbad 28, während es durch Elektrodenwalzen 26 transferiert wird, die als Zuführrollen und Energiezuführkathoden auf der Außenseite des Bades funktionieren, um hierdurch das Plattieren durchzuführen. Die Vielzahl der Bäder umfassen Anoden 27 aus Aluminium, die beiden Flächen des Harzformkörpers über das Plattierbad 28 gegenüberliegen, was ein gleichmäßigeres Plattieren auf beiden Flächen des Harzformkörpers ermöglicht. Eine Plattierlösung wird adäquat von dem plattierten porösen Aluminiumkörper durch Stickstoffgasblasen entfernt und dann wird der plattierte poröse Aluminiumkörper mit Wasser gewaschen, unter Erhalt eines porösen Aluminiumkörpers.
Auf der anderen Seite kann ein anorganisches Salzbad ebenfalls als geschmolzenes Salz in einem Ausmaß verwendet werden, dass ein Harz nicht schmilzt oder dergleichen. Das anorganische Salzbad ist ein Salz aus einem Zweikomponentensystem, typischerweise AlCl₃-XCl (X: Alkalimetall) oder einem Multikomponentensystem. Ein solches anorganisches Salzbad hat üblicherweise eine höhere geschmolzene Temperatur als ein organisches Salzbad wie einem Imidazoliumsalzbad, hat aber weniger Umweltbeschränkungen wie Wassergehalt oder Sauerstoff und kann praktisch mit niedrigen Kosten insgesamt verwendet werden. Wenn das Harz ein Melaminschaumharz ist, wird ein anorganisches Salzbad bei 60 bis 150°C verwendet, weil das Harz bei einer höheren Temperatur als ein Urethanschaumharz verwendet werden kann. Eine Aluminiumstruktur mit einem Harzformkörper als Kern des Gerüstes wird erhalten durch die erwähnten Schritte. Für einige Anwendungen wie verschiedene Filter und einen Katalysatorträger kann die Aluminiumstruktur als Harzmetallkomposit so wie sie ist verwendet werden, aber wenn die Aluminiumstruktur als poröser Metallkörper ohne ein Harz wegen der Einschränkungen, die von der Verwendungsumgebung resultieren, verwendet wird, wird das Harz entfernt. Erfindungsgemäß wird zur Vermeidung der Verursachung einer Oxidation von Aluminium das Harz durch Zersetzung in einem geschmolzenen Salz wie unten beschrieben entfernt.
(Entfernung des Harzes: Behandlung durch geschmolzenes Salz)
Die Zersetzung in einem geschmolzenen Salz wird auf folgende Weise durchgeführt. Ein Harzformkörper mit einer Aluminiumplattierschicht, die auf der Oberfläche davon gebildet ist, wird in ein geschmolzenes Salz getaucht und erwärmt, während ein negatives Potential (Potential ist niedriger als ein Standard-Elektrodenpotential von Aluminium) auf die Aluminiumschicht auferlegt wird, um den Harzschaumformkörper zu entfernen. Wenn ein negatives Potential auf die Aluminiumschicht auferlegt wird, wobei der Harzformkörper in das geschmolzene Salz getaucht ist, kann der Harzschaumformkörper zersetzt werden, ohne dass Aluminium oxidiert wird. Eine Erwärmungstemperatur kann angemessen entsprechend dem Typ des Harzschaumformkörpers ausgewählt werden. Wenn der Harzformkörper Urethan ist, muss eine Temperatur des geschmolzenen Salzbades 380°C oder mehr sein, weil die Zersetzung von Urethan bei etwa 380°C auftritt, aber die Behandlung muss bei einer Temperatur von gleich oder weniger als dem Schmelzpunkt (660°C) von Aluminium durchgeführt werden, um das Schmelzen von Aluminium zu vermeiden. Ein bevorzugter Temperaturbereich ist 500°C oder mehr und 600°C oder weniger. Ein aufzuerlegendes negatives Potential ist auf der Minusseite des Reduktionspotentials von Aluminium und auf der Plusseite des Reduktionspotentials des Kations im geschmolzenen Salz. Auf diese Weise kann ein poröser Aluminiumkörper, der kontinuierliche Poren hat und eine dünne Oxidschicht auf der Oberfläche und einen niedrigen Sauerstoffgehalt aufweist, erhalten werden.
Das bei der Zersetzung des Harzes verwendete geschmolzene Salz kann ein Halogenidsalz aus einem Alkalimetall oder Erdalkalimetall sein, so dass das Aluminiumelektrodenpotential niedriger ist. Mehr spezifisch enthält das geschmolzene Salz bevorzugt ein oder mehrere Salze, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Lithiumchlorid (LiCl), Kaliumchlorid (KCl) und Natriumchlorid (NaCl). Auf diese Weise kann ein poröser Aluminiumkörper, der kontinuierliche Poren und eine dünne Oxidschicht auf der Oberfläche und einen niedrigen Sauerstoffgehalt hat, erhalten werden.
Nachfolgend wird ein Verfahren zur Erzeugung einer Elektrode von dem somit erhaltenen porösen Aluminiumkörper beschrieben.
1 ist eine Ansicht, die ein Beispiel eines Prozesses zum kontinuierlichen Erzeugen einer Elektrode von einem porösen Aluminiumkörper erläutert. Das Verfahren umfasst einen Abwickelschritt A für eine poröse Körperlage zum Abwickeln einer porösen Körperlage von einer Abspulwalze 41, einen Dickeneinstellschritt B unter Verwendung einer Kompressionswalze 42, einen Leitungsschweißschritt C unter Verwendung einer Kompressions-/Schweißwalze 43 und einer Leitungsschweißwalze 49, einen Auffüllschritt D unter Verwendung einer Füllwalze 44, einer Aufschlämmungszuführdüse 50 und einer Aufschlämmung 51, einen Trocknungsschritt E unter Verwendung einer Trocknungsmaschine 45, einen Kompressionsschritt F unter Verwendung einer Kompressionswalze 46, einen Schneidschritt G unter Verwendung einer Schneidwalze 47 und einen Aufwickelschritt H unter Verwendung einer Aufwickelwalze 48. Nachfolgend werden diese Schritte spezifisch beschrieben.
(Dickeneinstellschritt)
Eine poröse Aluminiumkörperlage wird von einer Rohlagenwalze, um die die Lage aus einem porösen Aluminiumkörper gewickelt war, abgewickelt und wird eingestellt, so dass sie eine optimale Dicke und flache Oberfläche durch Walzenpressen in dem Dickeneinstellschritt hat. Die endgültige Dicke des porösen Aluminiumkörpers wird angemessen entsprechend der Anwendung einer Elektrode bestimmt, und dieser Dickeneinstellschritt ist ein Vorkompressionsschritt eines Kompressionsschrittes zum Erreichen der Enddicke und komprimiert den porösen Aluminiumkörper auf ein Ausmaß der Dicke, bei der eine Behandlung in dem folgenden Schritt leicht durchgeführt wird. Eine Flachplattenpresse oder eine Walzenpresse wird als Pressmaschine verwendet. Die Flachplattenpresse ist bevorzugt zum Unterdrücken der Dehnung eines Stromkollektors, ist aber nicht geeignet für die Massenproduktion, und daher wird eine Walzenpresse bevorzugt verwendet, die eine kontinuierliche Behandlung durchführen kann.
(Leitungsschweißschritt)
Die Eigenschaften dieser Erfindung liegen in diesem Leitungsschweißschritt. Der Leitungsschweißschritt umfasst Schritte zum Komprimieren eines Endteils des porösen Aluminiumkörpers und bindet eine Anschlussleitung an das komprimierte Endteil durch Schweißen.
Nachfolgend werden die oben erwähnten Schritte beschrieben.
– Kompression des Endteils des porösen Aluminiumkörpers –
Wenn ein poröser Aluminiumkörper als Elektrodenstromkollektor einer Sekundärbatterie oder dergleichen verwendet wird, muss eine Anschlussleitung für externe Extraktion an den porösen Aluminiumkörper geschweißt werden. Bei einer Elektrode, die den porösen Aluminiumkörper enthält, ist es unmöglich, weil ein robustes Metallteil nicht in dem porösen Aluminiumkörper vorhanden ist, ein Leitungsstück direkt an den porösen Aluminiumkörper zu schweißen. Daher wird ein Endteil des porösen Aluminiumkörpers in die Form einer Folie durch Komprimieren zum Verleihen einer mechanischen Festigkeit verarbeitet, und eine Anschlussleitung wird an dieses Teil angeschweißt.
Ein Beispiel eines Verfahrens zum Verarbeiten des Endteils des porösen Aluminiumkörpers wird nun beschrieben.
2 ist eine Ansicht, die den Kompressionsschritt schematisch zeigt.
Eine Rotationswalze kann als Kompressionsspannrahmen verwendet werden.
Wenn das komprimierte Teil eine Dicke von etwa 0,05 mm oder mehr und etwa 0,02 mm oder weniger (z. B. 0,1 mm) hat, kann eine bestimmte mechanische Festigkeit erzielt werden.
In 3 wird der zentrale Teil eines porösen Aluminiumkörpers 34 mit einer Breite von zwei porösen Aluminiumkörpern durch eine Rotationswalze 35 als Kompressionsspannrahmen komprimiert, zur Bildung eines komprimierten Teils (Anschlussteil) 33. Nach der Kompression wird das komprimierte Teil 33 entlang der Mittellinie des zentralen Teils geschnitten unter Erhalt von zwei Lagen des Elektronenstromkollektors mit einem komprimierten Teil am Ende des Stromkollektors.
Weiterhin kann eine Vielzahl von Stromkollektoren erhalten werden zum Bilden einer Vielzahl von streifenförmigen komprimierten Teil am zentralen Teil des porösen Aluminiumkörpers durch Verwendung einer Vielzahl von Rotationswalzen und Schneiden entlang den jeweiligen Mittellinien dieser streifenförmigen komprimierten Teile.
– Bindung einer Anschlussleitung an das komprimierte Endteil –
Eine Anschlussleitung wird an das komprimierte Endteil des somit erhaltenen Stromkollektors gebunden. Es ist bevorzugt, dass eine Metallfolie als Anschlussleitung verwendet wird, um den elektrischen Widerstand einer Elektrode zu vermindern, und die Metallfolie wird an die Oberfläche von zumindest einer Seite von Peripherien der Elektrode gebunden. Zur Verminderung des elektrischen Widerstandes wird das Schweißen bevorzugt als Bindeverfahren durchgeführt.
Eine schematische Ansicht des erhaltenen Stromkollektors ist in 4(a) und 4(b) gezeigt. Eine Anschlussleitung 37 wird an ein komprimiertes Teil 33 eines porösen Aluminiumkörpers 34 geschweißt. 4(b) ist eine Schnittansicht von 4(a), wenn die Linie A-A gezogen wird.
Der poröse Aluminiumkörper wird in die Form einer langen Lage zur Massenproduktion geformt, und die lange Lage aus dem porösen Aluminiumkörper wird in einer Richtung (longitudinale Richtung) getragen und schließlich um eine Aufwickelwalze aufgewickelt. Daher kann der poröse Aluminiumkörper manchmal eine Anisotropie aufweisen, und eine anisotrope Eigenschaft wird bei der elektrischen Leitfähigkeit erzeugt. Demzufolge wird eine Auswahl angemessen zwischen dem Fall, bei dem eine Anschlussleitung 37 an ein komprimiertes Teil, gebildet in einer Breitenrichtung, wie in 5(a) gezeigt, gebunden wird, und dem Fall gemacht, bei dem eine Anschlussleitung 37 an ein komprimiertes Teil gebunden wird, das in einer longitudinalen Richtung gebildet ist, wie in 5(b) gezeigt ist.
Das komprimierte Teil zum Schweißen einer Metallfolie hat bevorzugt eine Breite L von 10 mm oder weniger, weil eine zu breite Metallfolie verlorenen Raum in einer Batterie erhöht und die Kapazitätsdichte der Batterie vermindert wird. Wenn die Elektrode zu eng ist, wird das Schweißen schwierig, und die Wirkung zum Sammeln eines Stromes wird verschlechtert und die Breite ist daher bevorzugt 2 mm oder mehr.
Als Verfahren zum Schweißen kann ein Verfahren zum Widerstandsschweißen oder Ultraschallschweißen verwendet werden, aber das Ultraschallschweißen wird bevorzugt wegen der größeren Bindefläche.
– Metallfolie –
Ein Material der Metallfolie ist bevorzugt Aluminium angesichts des elektrischen Widerstandes und der Toleranz für eine elektrolytische Lösung. Weiterhin verursachen Verunreinigungen in der Metallfolie die Elution oder Reaktion der Verunreinigungen in einer Batterie, einem Kondensator oder einem Lithiumionenkondensator, so dass eine Aluminiumfolie mit einer Reinheit von 99,99% oder mehr bevorzugt verwendet wird. Die Dicke des geschweißten Bereiches ist bevorzugt kleiner als die der Elektrode selbst.
Die Aluminiumfolie wird bevorzugt so gemacht, dass sie eine Dicke von 20 bis 500 μm hat.
Das Schweißen einer Anschlussleitung kann vor dem Füllen eines Stromkollektors mit einem Aktivmaterial oder nach dem Füllen durchgeführt werden. Beispiele eines Verfahrens zum Schweißen einer Anschlussleitung umfassen die folgenden drei Verfahren.

(1) Ein Verfahren, bei dem nach dem Füllen eines porösen Aluminiumkörpers mit einem Aktivmaterial das Aktivmaterial von einem zu schweißenden Bereich durch Ultraschallvibrationsverfahren oder dergleichen entfernt, der zu schweißende Bereich durch Pressen komprimiert, unter Bildung eines komprimierten Teils, und eine Anschlussleitung an das komprimierte Teil geschweißt wird.
(2) Ein Verfahren, bei dem ein zu schweißender Bereich eines porösen Aluminiumkörpers durch Pressen irgendeines komprimierten Teils komprimiert, das komprimierte Teil mit einem Maskierband maskiert wird, der poröse Aluminiumkörper mit einem Aktivmaterial gefüllt, das Maskierband dann entfernt, und eine Anschlussleitung an das komprimierte Teil geschweißt wird.
(3) Ein Verfahren, bei dem ein zu schweißender Bereich eines porösen Aluminiumkörpers durch Pressen zur Bildung eines komprimierten Teils komprimiert wird, eine Anschlussleitung an das komprimierte Teil angeschweißt wird und dann der poröse Aluminiumkörper mit einem Aktivmaterial gefüllt wird.

Weil Aluminium eine passive Schicht an der Oberfläche aufweist, erzielt es kaum eine Schweißfestigkeit. Weiterhin gibt es ein Problem, dass die Schweißfestigkeit weiterhin vermindert wird, wenn ein aktives Material auf der Oberfläche der passiven Schicht existiert.
Entsprechend dem obigen Verfahren (1) tritt das oben erwähnte Problem nicht auf, weil das Aktivmaterial, das im zu schweißenden Bereich vorhanden ist, entfernt wurde.
Entsprechend dem obigen Verfahren (2) wird die Schweißfestigkeit verbessert, weil das aktive Material nicht in dem komprimierten Teil durch Maskieren des komprimierten Teils existiert, und weiterhin ist das komprimierte Teil hoch bezüglich der Dichte von existierendem Aluminium, und eine Kontaktfläche zwischen der Anschlussleitung und Aluminium erhöht sich.
Entsprechend dem obigen Verfahren (3) wird das Schweißen nicht durch das Aktivmaterial beeinflusst, weil das Schweißen vor dem Füllen des Aktivmaterials durchgeführt wird, und die Schweißfestigkeit wird verbessert, weil das komprimierte Teil eine hohe Dichte von existierendem Aluminium aufweist und eine Kontaktfläche zwischen der Anschlussleitung und Aluminium sich erhöht.
Obwohl in der obigen Beschreibung der Komprimierschritt des Endteils und der Bindeschritt der Anschlussleitung als separate Schritte beschrieben wurden, können der Komprimierschritt und der Bindeschritt gleichzeitig durchgeführt werden. In diesem Fall wird eine Walze, worin ein Walzenbereich, der als Kompressionswalze mit einem Endteil zum Binden einer Anschlussleitung der porösen Aluminiumkörperlage in Kontakt gebracht werden soll, das Resistenzschweißen durchführen kann, verwendet, und die poröse Aluminiumkörperlage und die Metallfolie werden gleichzeitig zu der Walze geführt, zum gleichzeitigen Durchführen des Komprimierens des Endteils und des Metallfolienschweißens an das komprimierte Teil.
Als Verfahren zum gleichzeitigen Durchführen des Komprimierschrittes und des Bindeschrittes sind die folgenden Verfahren denkbar.
Ein Verfahren, bei dem nach dem Füllen eines porösen Aluminiumkörpers mit dreidimensionalem Netzwerk mit einem Aktivmaterial das Aktivmaterial in einem Bereich innerhalb einer Breite von 2 bis 10 mm von einer Endseite an einem Endteil des porösen Aluminiumkörpers mit dreidimensionalem Netzwerk, der mit dem Aktivmaterial gefüllt ist, entfernt und eine Anschlussleitung geschweißt wird, während der Bereich, von dem das Aktivmaterial entfernt ist, komprimiert wird.
Ein Verfahren zur Erzeugung der Elektrode nach Anspruch 3, umfassend Schritte zum Schweißen einer Anschlussleitung unter Komprimieren eines Bereiches innerhalb einer Breite von 2 bis 10 mm von einer Endseite an einem Endteil des porösen Aluminiumkörpers mit dreidimensionalem Netzwerk; und Füllen des porösen Aluminiumkörpers mit dreidimensionalem Netzwerk mit der an das komprimierte Teil geschweißten Anschlussleitung mit einem Aktivmaterial.
Wie oben beschrieben, wird es, wenn der Komprimierschritt und der Anschlussleitungs-Schweißschritt in einem Schritt durchgeführt werden, möglich, die Kosten zu reduzieren, weil ein Teil eines Gerüstes in die Anschlussleitung penetriert, was zur festeren Bindung des porösen Aluminiumkörpers an die Anschlussleitung beim Komprimieren des porösen Körpers führt, so dass die Anzahl der Schritte vermindert wird.
Weiterhin kann das folgende Verfahren anstelle des Verfahrens zur Durchführung einer Maskierung wie im obigen Schritt (2) beschrieben verwendet werden.
Ein Verfahren, bei dem ein Bereich innerhalb einer Breite von 2 bis 10 mm von einer Endseite an einem Endteil eines porösen Aluminiumkörpers mit dreidimensionalem Netzwerk komprimiert wird, zur Bildung eines streifenförmigen komprimierten Teils, der poröse Aluminiumkörper mit dreidimensionalem Netzwerk mit einem Aktivmaterial gefüllt wird, das Aktivmaterial von dem streifenförmigen komprimierten Teil des porösen Aluminiumkörpers mit dreidimensionalem Netzwerk, der mit dem Aktivmaterial gefüllt ist, entfernt wird und eine Anschlussleitung an das komprimierte Teil, von dem das Aktivmaterial entfernt ist, geschweißt wird.
Wenn diese Verfahren durchgeführt werden, wird es möglich, die Kosten zu reduzieren, weil die Schritte zum Durchführen der Maskierung und zur Entfernung der Maskierung eliminiert werden.
(Schritt zum Füllen des Aktivmaterials)
Eine Elektrode wird erhalten durch Füllen des Stromkollektors mit einem Aktivmaterial. Ein Typ des Aktivmaterials wird angemessen entsprechend dem Zweck der Verwendung der Elektrode ausgewählt.
Zum Füllen des Aktivmaterials können allgemein bekannte Verfahren wie ein Verfahren zum Füllen durch Eintauchen und ein Beschichtungsverfahren verwendet werden. Beispiele des Beschichtungsverfahrens umfassen ein Walzenbeschichtungsverfahren, Applikatorbeschichtungsverfahren, elektrostatisches Beschichtungsverfahren, Pulverbeschichtungsverfahren, Sprühbeschichtungsverfahren, Sprühbeschichter-Beschichtungsverfahren, Stangenbeschichter-Beschichtungsverfahren, Walzenbeschichter-Beschichtungsverfahren, Tauchbeschichter-Beschichtungsverfahren, Rakelbeschichtungsverfahren, Drahtstangenbeschichtungsverfahren, Messerstreichbeschichtungsverfahren, Blattbeschichtungsverfahren und Siebdruckbeschichtungsverfahren.
Wenn das Aktivmaterial gefüllt wird, wird eine Leitungshilfe oder ein Bindemittel nach Bedarf zugegeben, und ein organisches Lösungsmittel wird zugemischt, zur Herstellung einer Aufschlämmung, und die hergestellte Aufschlämmung wird in den porösen Aluminiumkörper gefüllt, indem das oben erwähnte Füllverfahren angewandt wird.
1 zeigt ein Verfahren zum Füllen eines porösen Körpers mit einer Aufschlämmung durch ein Walzenbeschichtungsverfahren. Wie in der Figur gezeigt ist, wird die Aufschlämmung auf eine poröse Körperlage geführt und diese Lage wird zwischen einem Paar von Rotationswalzen, die einander bei einem bestimmten Intervall gegenüberliegen, durchgeleitet. Die Aufschlämmung wird gepresst und in den porösen Körper gefüllt, wenn er zwischen den Rotationswalzen durchgeleitet wird.
(Trocknungsschritt)
Der mit dem Aktivmaterial gefüllte poröse Körper wird zu einer Trocknungsmaschine transferiert und erwärmt, zum Verdampfen/Entfernen des organischen Lösungsmittels, und hierdurch wird ein Elektrodenmaterial erhalten, bei dem das Aktivmaterial in dem porösen Körper fixiert ist.
(Komprimierschritt)
Das getrocknete Elektrodenmaterial wird zu einer Enddicke in dem Kompressionsschritt komprimiert. Eine Flachplattenpresse oder eine Walzenpresse wird als Pressmaschine verwendet. Die Flachplattenpresse ist bevorzugt zum Unterdrücken der Dehnung eines Stromkollektors, ist aber nicht zur Massenproduktion geeignet, und daher wird eine Walzenpresse bevorzugt verwendet, die eine kontinuierliche Behandlung durchführen kann.
1 zeigt den Fall des Komprimierens durch Walzenpressen.
(Schneidschritt)
Zur Verbesserung der Fähigkeit der Massenproduktion des Elektrodenmaterials ist es bevorzugt, dass die Breite einer Lage aus dem porösen Aluminiumkörper auf die Breite einer Vielzahl von Endprodukten eingestellt wird, und die Lage wird entlang der Bewegungsrichtung mit einer Vielzahl von Messern geschnitten, zur Bildung einer Vielzahl von langen Lagen aus Elektrodenmaterialien. Dieser Schneidschritt ist ein Schritt zum Unterteilen 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 Lagen von Elektrodenmaterialien, erhalten im oben erwähnten Schneidschritt, um eine Aufwickelwalze.
Nachfolgend werden Anwendungen des Elektrodenmaterials, das in dem oben erwähnten Schritt erhalten ist, beschrieben.
Beispiele der Hauptanwendungen des Elektrodenmaterials, bei dem ein poröser Aluminiumkörper als Stromkollektor verwendet wird, umfassen Elektroden für nicht-wässrige Elektrolytbatterien, wie Lithiumbatterie und geschmolzene Salzbatterie, Elektroden für Kondensatoren, umfassend eine nicht-wässrige elektrolytische Lösung, und Elektroden für Lithiumionenkondensatoren, umfassend nicht-wässrige elektrolytische Lösungen. Nachfolgend werden diese Anwendungen beschrieben.
(Lithiumbatterie)
Nachfolgend wird ein Elektrodenmaterial für Batterien beschrieben, umfassend einen porösen Aluminiumkörper und eine Batterie. Wenn beispielsweise der poröse Aluminiumkörper in einer positiven Elektrode für eine Lithiumbatterie (umfassend eine Lithiumionen-Sekundärbatterie, etc.) verwendet wird, wird Lithiumkobaltoxid (LiCoO₂), Lithiummanganoxid (LiMn₂O₄), Lithiumnickeldioxid (LiNiO₂) oder dergleichen als Aktivmaterial verwendet. Das Aktivmaterial wird in Kombination mit einer Leitungshilfe und einem Bindemittel verwendet.
In einem konventionellen positiven Elektrodenmaterial für Lithiumbatterien wird eine Elektrode verwendet, die durch Auftragen eines Aktivmaterials auf die Oberfläche einer Aluminiumfolie gebildet ist. Obwohl eine Lithiumbatterie eine höhere Kapazität als eine Nickelhydridbatterie oder einen Kondensator hat, ist eine weitere Erhöhung der Kapazität in Automobilanwendungen erforderlich. Zur Erhöhung einer Batteriekapazität pro Einheitsfläche wird die Auftragungsdicke des Aktivmaterials erhöht. Zur effektiven Verwendung des Aktivmaterials muss das Aktivmaterial im elektrischen Kontakt mit der Aluminiumfolie, einem Stromkollektor, sein, und daher wird das Aktivmaterial mit einer zu verwendenden Leitungshilfe gemischt.
Im Gegensatz dazu hat der poröse Aluminiumkörper dieser Erfindung eine hohe Porosität und große Oberfläche pro Einheitsfläche. Somit wird eine Kontaktfläche zwischen dem Stromkollektor und dem aktiven Material erhöht und daher kann das aktive Material effektiv verwendet werden, die Batteriekapazität kann verbessert und die Menge der zuzumischenden Leitungshilfe kann vermindert werden. In einer Lithiumbatterie werden die oben erwähnten positiven Elektrodenmaterialien für eine positive Elektrode verwendet, und für eine negative Elektrode werden eine Folie, ein gestanztes Metall oder ein poröser Körper aus Kupfer oder Nickel als Stromkollektor verwendet, und ein negatives Elektrodenaktivmaterial, wie Graphit, Lithiumtitanoxid (Li₄Ti₅O₁₂), eine Legierung aus Sn oder Si, Lithiummetall oder dergleichen werden verwendet. Das negative Elektrodenaktivmaterial wird ebenfalls in Kombination mit einer Leitungshilfe und einem Bindemittel verwendet.
Eine solche Lithiumbatterie kann eine erhöhte Kapazität selbst mit einer kleinen Elektrodenfläche haben und demzufolge eine höhere Energiedichte als eine konventionelle Lithiumbatterie, die eine Aluminiumfolie enthält, aufweisen. Die Wirkungen dieser Erfindung in einer Sekundärbatterie wurden hauptsächlich oben beschrieben, aber die erfindungsgemäßen Wirkungen in einer Primärbatterie sind gleich wie bei einer Sekundärbatterie, und eine Kontaktfläche wird erhöht, wenn der poröse Aluminiumkörper mit dem Aktivmaterial gefüllt wird, und eine Kapazität der Primärbatterie kann verbessert werden.
(Konfiguration der Lithiumbatterie)
Ein in einer Lithiumbatterie verwendeter Elektrolyt umfasst eine nicht-wässrige elektrolytische Lösung und einen festen Elektrolyten. 11 ist eine vertikale Schnittansicht einer Lithiumbatterie im festen Zustand, umfassend einen festen Elektrolyten. Eine Fest-Zustand-Lithiumbatterie 60 umfasst eine positive Elektrode 61, eine negative Elektrode 62 und eine Festelektrolytschicht (SE-Schicht) 23, die zwischen beiden Elektroden angeordnet ist. Die positive Elektrode 61 umfasst eine positive Elektrodenschicht (positiver Elektrodenkörper) 64 und einen Stromkollektor 65 der positiven Elektrode, und die negative Elektrode 62 umfasst eine negative Elektrodenschicht 66 und einen Stromkollektor 67 der negativen Elektrode.
Als Elektrolyt wird eine nicht-wässrige elektrolytische Lösung, die später beschrieben ist, neben dem festen Elektrolyten verwendet. In diesem Fall wird ein Separator (poröser Polymerfilm, Vliestuch, Papier, etc.) zwischen beiden Elektroden angeordnet und beide Elektroden und der Separator werden mit der nicht-wässrigen elektrolytischen Lösung imprägniert.
(Aktivmaterial, das in den porösen Aluminiumkörper gefüllt ist)
Wenn ein poröser Aluminiumkörper in einer positiven Elektrode für eine Lithiumbatterie verwendet wird, kann ein Material, das Lithium extrahieren/einfügen kann, als Aktivmaterial verwendet werden, und ein poröser Aluminiumkörper, der mit einem solchen Material befüllt ist, kann eine Elektrode ergeben, die für eine Lithiumsekundärbatterie geeignet ist. Als Material des positiven Elektrodenaktivmaterials wird beispielsweise Lithiumkobaltoxid (LiCoO₂), Lithiumnickeldioxid (LiNiO₂), Lithiumkobaltnickeloxid (LiCo_0,3Ni_0,7O₂), Lithiummanganoxid (LiMn₂O₄), Lithiumtitanoxid (Li₄Ti₅O₁₂), Lithiummanganoxid-Verbindung (LiMyMn_2-yO₄); M=Cr, Co, Ni) oder Lithiumsäure verwendet. Das Aktivmaterial wird in Kombination mit einer Leitungshilfe und einem Bindemittel verwendet. Beispiele des Materials des positiven Elektrodenaktivmaterials umfassen Übergangsmetalloxide, wie konventionelles Lithiumeisenphosphat und Olivinverbindungen, die Verbindungen (LiFePO₄, LiFe_0,5Mn_0,5PO₄) von Lithiumeisenphosphat sind. Weiterhin können Übergangsmetallelemente, die in diesen Materialien enthalten sind, teilweise durch andere Übergangsmetallelemente substituiert sein.
Darüber hinaus umfassen Beispiele von anderen positiven Elektrodenaktivmaterialien Lithiummetall, worin ein Gerüst ein Chalcogenid auf Sulfidbasis ist, wie TiS₂, V₂S₃, FeS, FeS₂ und LiMSx (M ist ein Übergangsmetallelement wie Mo, Ti, Cu, Ni oder Fe, oder Sb, Sn oder Pb) und ein Metalloxid wie TiO₂, Cr₃O₈, V₂O₅ oder MnO₂. Das oben erwähnte Lithiumtitanat (Li₄Ti₅O₁₂) kann ebenfalls als negatives Elektrodenaktivmaterial verwendet werden.
(Elektrolytische Lösung, die in der Lithiumbatterie verwendet wird)
Eine nicht-wässrige elektrolytische Lösung wird in einem polaren organischen Lösungsmittel verwendet, und spezifische Beispiele der nicht-wässrigen elektrolytischen Lösungen umfassen Ethylencarbonat, Diethylcarbonat, Dimethylcarbonat, Propylencarbonat, γ-Butyrolacton und Sulfolan. Als Tragesalze werden Lithiumtetrafluoroborat, Lithiumhexafluorophosphat, ein Imidsalz oder dergleichen verwendet. Die Konzentration des Tragesalzes, das als Elektrolyt dient, ist bevorzugt höher, aber ein Tragesalz mit einer Konzentration von etwa 1 mol/l wird im Allgemeinen verwendet, weil es eine Auflösegrenze gibt.
(Fester Elektrolyt, der in den porösen Aluminiumkörper gefüllt ist)
Der poröse Aluminiumkörper kann zusätzlich mit einem festen Elektrolyten neben dem Aktivmaterial gefüllt sein. Der poröse Aluminiumkörper kann für eine Elektrode für eine Feststoff-Lithiumbatterie zum Füllen des porösen Aluminiumkörpers mit dem Aktivmaterial und dem festen Elektrolyten geeignet sein. Jedoch wird das Verhältnis des Aktivmaterials zu den in den porösen Aluminiumkörper gefüllten Materialien bevorzugt auf 50 Massen-% oder mehr und mehr bevorzugt 70 Massen-% oder mehr angesichts der Sicherstellung einer Entladungskapazität eingestellt.
Ein Festelektrolyt auf Sulfidbasis mit hoher Lithiumionenleitfähigkeit wird bevorzugt für den festen Elektrolyten verwendet, und Beispiele des festen Elektrolyten auf Sulfidbasis umfassen Festelektrolyte auf Sulfidbasis, die Lithium, Phosphat und Schwefel enthalten. Der Festelektrolyt auf Sulfidbasis kann weiterhin ein Element wie O, Al, B, Si oder Ge enthalten.
Ein solcher Festelektrolyt auf Sulfidbasis kann durch ein allgemein bekanntes Verfahren erhalten werden. Beispiele eines Verfahrens zum Bilden des festen Elektrolyten auf Sulfidbasis umfassen ein Verfahren, bei dem Lithiumsulfid (Li₂S) und Diphosphorpentasulfid (P₂S₅) als Ausgangsmaterialien hergestellt, Li₂S und P₂S₅ in Anteilen von etwa 50:50 bis etwa 80:20, ausgedrückt als Molverhältnis, vermischt werden und die resultierende Mischung verschmolzen und abgeschreckt wird (Schmelz- und schnelles Abschreckverfahren), und ein Verfahren zum mechanischen Mahlen des abgeschreckten Produktes (mechanisches Mahlverfahren).
Der feste Elektrolyt auf Sulfidbasis, erhalten durch das oben erwähnte Verfahren, ist amorph. Der Festelektrolyt auf Sulfidbasis kann ebenfalls in diesem amorphen Zustand verwendet werden, kann aber auch einer Wärmebehandlung unterworfen werden, zur Bildung eines kristallinen Festelektrolyten auf Sulfidbasis. Es wird erwartet, dass dies die Lithiumionenleitfähigkeit durch diese Kristallisierung verbessert.
(Füllen des Aktivmaterials in den porösen Aluminiumkörper)
Zum Füllen des Aktivmaterials (Aktivmaterial und fester Elektrolyt) können allgemein bekannte Verfahren, wie ein Verfahren zum Füllen durch Eintauchen und ein Beschichtungsverfahren verwendet werden. Beispiele des Beschichtungsverfahrens umfassen ein Walzenbeschichtungsverfahren, Applikatorbeschichtungsverfahren, elektrostatisches Beschichtungsverfahren, Pulverbeschichtungsverfahren, Sprühbeschichtungsverfahren, Sprühbeschichter-Beschichtungsverfahren, Stangenbeschichter-Beschichtungsverfahren, Walzenbeschichter-Beschichtungsverfahren, Tauchbeschichter-Beschichtungsverfahren, Rakelbeschichtungsverfahren, Drahtstangenbeschichtungsverfahren, Messerstreichbeschichtungsverfahren, Blattbeschichtungsverfahren und Siebdruckverfahren.
Wenn das Aktivmaterial (Aktivmaterial und fester Elektrolyt) gefüllt wird, wird beispielsweise eine Leitungshilfe oder ein Bindemittel nach Bedarf zugegeben und ein organisches Lösungsmittel oder Wasser wird mit diesem vermischt, zur Herstellung einer Aufschlämmung aus einer positiven Elektrodenmischung. Ein poröser Aluminiumkörper wird mit dieser Aufschlämmung durch das erwähnte Verfahren gefüllt. Als Leitungshilfe kann beispielsweise Ruß wie Acetylen-Ruß (AB) oder Ketjen-Ruß (KB) oder Kohlenstofffasern wie Kohlenstoffnanoröhren (CNT) verwendet werden. Als Bindemittel kann beispielsweise 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 angemessen ausgewählt werden, solange es nicht nachteilig Materialien beeinflusst (d. h. ein Aktivmaterial, Leitungshilfe, Bindemittel und Festelektrolyt, falls erforderlich), die in den porösen Aluminiumkörper gefüllt werden. 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 weiterhin ein Tensid zur Verstärkung der Füllleistung verwendet werden.
Zusätzlich wird bei einem konventionellen positiven Elektrodenmaterial für Lithiumbatterien eine Elektrode durch Auftragen eines Aktivmaterials auf die Oberfläche einer Aluminiumfolie gebildet. Zur Erhöhung einer Batteriekapazität pro Einheitsfläche wird die Auftragungsdicke des Aktivmaterials erhöht. Zur effektiven Nutzung des Aktivmaterials muss das Aktivmaterial in elektrischem Kontakt mit der Aluminiumfolie sein, und daher wird das Aktivmaterial mit einer zu verwendenden Leitungshilfe vermischt. Im Gegensatz dazu hat der poröse Aluminiumkörper dieser Erfindung eine hohe Porosität und große Oberfläche pro Einheitsfläche. Somit wird eine Kontaktfläche zwischen dem Stromkollektor und dem Aktivmaterial erhöht, und daher kann das Aktivmaterial effektiv verwendet werden, die Batteriekapazität kann verbessert und die Menge der zuzugebenden Leitungshilfe kann vermindert werden.
(Elektrode für Kondensator)
12 ist eine schematische Schnittansicht, die ein Beispiel eines Kondensators zeigt, der durch Verwendung des Elektrodenmaterials für einen Kondensator erzeugt ist. Ein Elektrodenmaterial, gebildet durch Tragen eines Elektrodenaktivmaterials auf einem porösen Aluminiumkörper, wird als polarisierbare Elektrode 141 in einem organischen Elektrolyt 143, der mit einem Separator 142 getrennt ist, angeordnet. Die polarisierbare Elektrode 141 wird an einen Leitungsdraht 144 gebunden, und all diese Komponenten werden in einem Gehäuse 145 untergebracht. Wenn der poröse Aluminiumkörper als Stromkollektor verwendet wird, wird die Oberfläche des Stromkollektors erhöht und eine Kontaktfläche zwischen dem Stromkollektor und Aktivkohle als aktives Material wird erhöht und daher kann ein Kondensator erhalten werden, der eine hohe Leistung und Kapazität realisieren kann.
Zur Erzeugung einer Elektrode für einen Kondensator wird ein Stromkollektor eines porösen Aluminiumkörpers in der Aktivkohle als Aktivmaterial gefüllt. Die Aktivkohle wird in Kombination mit einer Leitungshilfe oder einem Bindemittel verwendet.
Zur Erhöhung der Kapazität des Kondensators ist die Menge der Aktivkohle als Hauptkomponente bevorzugt groß, und die Menge der Aktivkohle ist bevorzugt 90% oder mehr, ausgedrückt als Zusammensetzungsverhältnis nach dem Trocknen (nach Entfernung eines Lösungsmittels). Die Leitungshilfe und das Bindemittel sind notwendig, aber die Mengen davon sind bevorzugt möglichst klein, weil sie Ursachen einer Verminderung der Kapazität sind und das Bindemittel eine Ursache einer Erhöhung des internen Widerstandes ist. Bevorzugt ist die Menge der Leitungshilfe 10 Massen-% oder weniger und die Menge des Bindemittels ist 10 Massen-% oder weniger.
Wenn die Oberfläche der Aktivkohle größer ist, wird die Kapazität des Kondensators größer und daher hat die Aktivkohle bevorzugt eine spezifische Oberfläche von 1000 m²/g oder mehr. Als Material der Aktivkohle kann eine Palmhülle, die von Pflanzen stammt, ein Material auf Petroleumbasis oder dergleichen, verwendet werden. Zur Erhöhung der Oberfläche der Aktivkohle wird das Material bevorzugt durch Dampf oder Alkali aktiviert.
Das Elektrodenmaterial, das sich hauptsächlich aus der Aktivkohle zusammensetzt, wird gemischt und gerührt, unter Erhalt einer Aktivkohlepaste. Diese Aktivkohlepaste wird in den oben erwähnten Stromkollektor gefüllt und getrocknet und dessen Dichte wird durch Komprimieren mit einer Walzenpresse oder dergleichen nach Bedarf erhöht, unter Erhalt einer Elektrode für einen Kondensator.
(Füllen der Aktivkohle in den porösen Aluminiumkörper)
Zum Füllen der Aktivkohle können allgemein bekannte Verfahren, wie ein Verfahren zum Füllen durch Eintauchen und ein Beschichtungsverfahren, angewandt werden. Beispiele des Beschichtungsverfahrens umfassen ein Walzenbeschichtungsverfahren, Applikatorbeschichtungsverfahren, elektrostatisches Beschichtungsverfahren, Pulverbeschichtungsverfahren, Sprühbeschichtungsverfahren, Sprühbeschichter-Beschichtungsverfahren, Stangenbeschichter-Beschichtungsverfahren, Walzenbeschichter-Beschichtungsverfahren, Tauchbeschichter-Beschichtungsverfahren, Rakelbeschichtungsverfahren, Drahtstangenbeschichtungsverfahren, Messerstreichbeschichtungsverfahren, Blattbeschichtungsverfahren und Siebdruckverfahren.
Wenn das Aktivmaterial gefüllt ist, wird beispielsweise eine Leistungshilfe oder ein Bindemittel nach Bedarf zugegeben, und ein organisches Lösungsmittel oder Wasser wird zugemischt, zur Herstellung einer Aufschlämmung aus einer positiven Elektrodenmischung. Ein poröser Aluminiumkörper wird mit dieser Aufschlämmung durch das oben genannte Verfahren gefüllt. Als Leitungshilfe wird beispielsweise Ruß, wie Acetylen-Ruß (AB) oder Ketjen-Ruß (KB) oder Kohlenstofffasern, wie Kohlenstoffnanoröhren (CNT) verwendet. Als Bindemittel kann beispielsweise Polyvinylidenchlorid (PVDF) oder Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylalkohol (PVA), Carboxymethylcellulose (CMC), Xanthangummi oder dergleichen verwendet werden.
Das organische Lösungsmittel, das bei der Herstellung der Aufschlämmung einer positiven Elektrodenmischung verwendet wird, kann angemessen ausgewählt werden, solange es nicht nachteilig Materialien (d. h. ein Aktivmaterial, Leitungshilfe, Bindemittel und Festelektrolyt nach Bedarf), die in den porösen Aluminiumkörper gefüllt werden, beeinflusst. 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 ein Tensid zur Verstärkung der Füllleistung verwendet werden.
(Herstellung des Kondensators)
Die auf obige Weise erhaltene Elektrode wird zu einer angemessenen Größe zur Herstellung von zwei Lagen gestanzt und diese beiden Elektroden werden einander gegenüber gelegt, wobei ein Separator dazwischen gelegt wird. Ein poröser Film oder Vlies aus Cellulose oder einem Polyolefinharz wird bevorzugt als Separator verwendet. Dann werden die Elektroden in einem Zellgehäuse durch Verwendung der erforderlichen Abstandshalter untergebracht und mit einer elektrolytischen Lösung imprägniert. Schließlich wird ein Deckel auf das Gehäuse angeordnet, wobei eine Isolierdichtung zwischen dem Deckel und dem Gehäuse angeordnet wird und wird abgedichtet und hierdurch kann ein elektrischer Doppelschichtkondensator hergestellt werden. Wenn ein nicht-wässriges Material verwendet wird, werden die Materialien der Elektrode und dergleichen bevorzugt adäquat zur möglichst starken Verminderung des Wassergehaltes im Kondensator getrocknet. Die Herstellung des Kondensators wird in einer Umgebung mit niedriger Feuchtigkeit durchgeführt, und das Abdichten kann in Umgebungen mit reduziertem Druck durchgeführt werden. Zusätzlich ist der Kondensator nicht besonders beschränkt, solange der Stromkondensator und die Elektrode dieser Erfindung verwendet werden, und Kondensatoren können verwendet werden, die durch ein anderes Verfahren als dieses Verfahren hergestellt werden.
Obwohl als elektrolytische Lösung sowohl eine wässrige elektrolytische Lösung als auch eine nicht-wässrige elektrolytische Lösung verwendet werden können, wird die nicht-wässrige elektrolytische Lösung bevorzugt verwendet, weil die Spannung auf einen höheren Wert als bei der wässrigen elektrolytischen Lösung eingestellt werden kann. In der wässrigen elektrolytischen Lösung kann Kaliumhydroxid oder dergleichen als Elektrolyt verwendet werden. Beispiele der nicht-wässrigen elektrolytischen Lösung umfassen viele ionische Flüssigkeiten in Kombination mit einem Kation und einem Anion. Als Kation wird niedriges aliphatisches quaternäres Ammonium, niedriges aliphatisches quaternäres Phosphonium, Imidazolium oder dergleichen verwendet, und als Anion sind Ionen von Metallchloriden, Ionen von Metallfluoriden und Imidverbindungen, wie Bis(fluorosulfonyl)imid und dergleichen bekannt. Als nicht-wässrige elektrolytische Lösung gibt es ein polares aprotisches organisches Lösungsmittel, und spezifische Beispiele davon umfassen Ethylencarbonat, Diethylcarbonat, Dimethylcarbonat, Propylencarbonat, γ-Butyrolacton und Sulfolan. Als Tragesalz in der nicht-wässrigen elektrolytischen Lösung wird Lithiumtetrafluoroborat, Lithiumhexafluorophosphat oder dergleichen verwendet.
(Lithiumionenkondensator)
13 ist eine schematische Schnittansicht, die ein Beispiel eines Lithiumionenkondensators zeigt, der durch Verwendung des Elektrodenmaterials für einen Lithiumionenkondensator erzeugt ist. In einer organischen elektrolytischen Lösung 143, die mit einem Separator 142 getrennt ist, wird ein Elektrodenmaterial, gebildet durch Tragen eines positiven Elektrodenaktivmaterials auf einen porösen Aluminiumkörper, als positive Elektrode 146 angeordnet, und ein Elektrodenmaterial, gebildet durch Tragen eines negativen Elektrodenaktivmaterials auf einem Stromkollektor, wird als negative Elektrode 147 angeordnet. Die positive Elektrode 146 und die negative Elektrode 147 werden an einem Leitungsdraht 148 bzw. einen Leitungsdraht 149 gebunden, und all diese Komponenten werden in einem Gehäuse 145 untergebracht. Wenn der poröse Aluminiumkörper als Stromkollektor verwendet wird, wird die Oberfläche des Stromkollektors erhöht, und wenn Aktivkohle als Aktivmaterial auf dem porösen Aluminiumkörper dünn aufgetragen wird, kann ein Kondensator erhalten werden, der eine hohe Leistung und hohe Kapazität realisieren kann.
(Positive Elektrode)
Zur Erzeugung einer Elektrode für einen Lithiumionenkondensator wird ein Stromkollektor des positiven Aluminiumkörpers mit Aktivkohle als Aktivmaterial gefüllt. Die Aktivkohle wird in Kombination mit einer Leitungshilfe oder einem Bindemittel verwendet.
Zur Erhöhung der Kapazität des Lithiumionenkondensators ist die Menge der Aktivkohle als Hauptkomponente bevorzugt groß, und die Menge der Aktivkohle ist bevorzugt 90% oder mehr, ausgedrückt als Zusammensetzungsverhältnis nach dem Trocknen (nach Entfernung eines Lösungsmittels). Die Leitungshilfe und das Bindemittel sind notwendig, aber die Mengen davon sind bevorzugt möglichst klein, weil sie Ursachen einer Verminderung der Kapazität sind und weiterhin das Bindemittel eine Ursache für eine Erhöhung des internen Widerstandes ist. Bevorzugt ist die Menge der Leitungshilfe 10 Massen-% oder weniger und die Menge des Bindemittels ist 10 Massen-% oder weniger.
Wenn die Oberfläche der Aktivkohle größer ist, wird die Kapazität des Lithiumionenkondensators größer und daher hat die Aktivkohle bevorzugt eine spezifische Oberfläche von 1000 m²/g oder mehr. Als Material der Aktivkohle kann eine Palmhülle, die von Pflanzen stammt, ein Material auf Petroleumbasis oder dergleichen verwendet werden. Zur Erhöhung der Oberfläche der Aktivkohle wird das Material bevorzugt durch Verwendung von Dampf oder Alkali aktiviert. Als Leitungshilfe kann Ketjen-Ruß, Acetylen-Ruß, Kohlenstofffasern oder Kompositmaterialien davon verwendet werden. Als Bindemittel kann Polyvinylidenchlorid, Polytetrafluorethylen, Polyvinylalkohol, Carboxymethylcellulose, Xanthangummi oder dergleichen verwendet werden. Ein Lösungsmittel kann angemessen aus Wasser und einem organischen Lösungsmittel in Abhängigkeit vom Typ des Bindemittels ausgewählt werden. Im organischen Lösungsmittel wird N-Methyl-2-pyrrolidon häufig verwendet. Wenn Wasser als Lösungsmittel verwendet wird, kann weiterhin ein Tensid zur Verstärkung der Füllleistung zugegeben werden.
Das Elektrodenmaterial setzt sich hauptsächlich aus der Aktivkohle zusammen und wird gemischt und gerührt, unter Erhalt einer Aktivkohlepaste. Diese Aktivkohlepaste wird in den oben erwähnten Stromkollektor gefüllt und getrocknet und dessen Dichte erhöht durch Kompression mit einer Walzenpresse oder dergleichen nach Bedarf, unter Erhalt einer Elektrode für einen Lithiumionenkondensator.
(Füllen von Aktivkohle in den porösen Aluminiumkörper)
Zum Füllen der Aktivkohle können allgemein bekannte Verfahren, wie ein Verfahren zum Füllen durch Eintauchen und ein Beschichtungsverfahren verwendet werden. Beispiele des Beschichtungsverfahren umfassen ein Walzenbeschichtungsverfahren, Applikatorbeschichtungsverfahren, elektrostatisches Beschichtungsverfahren, Pulverbeschichtungsverfahren, Sprühbeschichtungsverfahren, Sprühbeschichter-Beschichtungsverfahren, Stangenbeschichter-Beschichtungsverfahren, Walzenbeschichter-Beschichtungsverfahren, Tauchbeschichter-Beschichtungsverfahren, Rakelbeschichtungsverfahren, Drahtstangenbeschichtungsverfahren, Messerstreichbeschichtungsverfahren, Blattbeschichtungsverfahren und Siebdruckverfahren.
Wenn das Aktivmaterial gefüllt wird, wird beispielsweise eine Leitungshilfe oder ein Bindemittel nach Bedarf zugegeben, und ein organisches Lösungsmittel oder Wasser wird zugemischt, zur Herstellung einer Aufschlämmung einer positiven Elektrodenmischung. Ein poröser Aluminiumkörper wird mit dieser Aufschlämmung durch das oben erwähnte Verfahren gefüllt. Als Leitungshilfe können beispielsweise Ruß wie Acetylen-Ruß (AB) oder Ketjen-Ruß (KB) oder Kohlenstofffasern wie Kohlenstoffnanoröhren (CNT) verwendet werden. Als Bindemittel können beispielsweise 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 angemessen ausgewählt werden, solange es nicht nachteilig Materialien (d. h. ein Aktivmaterial, Leitungshilfe, Bindemittel und Festelektrolyt nach Bedarf), die in den porösen Aluminiumkörper gefüllt werden sollen, beeinflusst. 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 ein Tensid zur Verstärkung der Füllleistung verwendet werden.
(Negative Elektrode)
Eine negative Elektrode ist nicht besonders beschränkt und eine konventionelle negative Elektrode für Lithiumbatterien kann verwendet werden, aber eine Elektrode, bei der ein Aktivmaterial in einem porösen Körper aus Kupfer oder Nickel wie das oben beschriebene geschäumte Nickel gefüllt wird, ist bevorzugt, weil eine konventionelle Elektrode, bei der eine Kupferfolie als Stromkollektor verwendet wird, eine kleine Kapazität hat. Zur Durchführung der Vorgänge als Lithiumionenkondensator wird die negative Elektrode bevorzugt mit Lithiumionen vorher dotiert. Als Dotierverfahren können allgemein bekannte Verfahren angewandt werden. Beispiele des Dotierverfahrens umfassen ein Verfahren, bei dem eine Lithiummetallfolie an die Oberfläche einer negativen Elektrode fixiert und diese in eine elektrolytische Lösung zum Dotieren getaucht wird, ein Verfahren, bei dem eine Elektrode mit daran fixiertem Lithiummetall in einem Lithiumionenkondensator angeordnet und nach Zusammenbauen einer Zelle ein elektrischer Strom zwischen der negativen Elektrode und der Lithiummetallelektrode zum elektrischen Dotieren der Elektrode geleitet wird, und ein Verfahren, bei dem eine elektrochemische Zelle von einer negativen Elektrode und Lithiummetall zusammengebaut und eine negative Elektrode, die elektrisch mit Lithium dotiert ist, herausgenommen und verwendet wird.
In jedem Verfahren ist es bevorzugt, dass die Menge des Lithiumdotierens groß ist, um adäquat das Potential der negativen Elektrode zu vermindern, aber die negative Elektrode wird bevorzugt ohne Dotieren durch die Kapazität der positiven Elektrode gelassen, weil dann, wenn die restliche Kapazität der negativen Elektrode kleiner ist als die der positiven Elektrode, die Kapazität des Lithiumionenkondensators klein wird.
(Elektrolytische Lösung, die beim Lithiumionenkondensator verwendet wird)
Die gleiche nicht-wässrige elektrolytische Lösung, die in einer Lithiumbatterie verwendet wird, wird für eine elektrolytische Lösung verwendet. Eine nicht-wässrige elektrolytische Lösung wird in einem polaren aprotischen organischen Lösungsmittel verwendet, und spezifische Beispiele der nicht-wässrigen elektrolytischen Lösung umfassen Ethylencarbonat, Diethylcarbonat, Dimethylcarbonat, Propylencarbonat, γ-Butyrolacton und Sulfolan. Als Tragesalz wird Lithiumtetrafluoroborat, Lithiumhexafluorophosphat, ein Imidsalz oder dergleichen verwendet.
(Herstellung, des Lithiumionenkondensators)
Die auf obige Weise erhaltene Elektrode wird zu einer angemessenen Größe gestanzt und der negativen Elektrode gegenübergelegt, wobei ein Separator zwischen der ausgestanzten Elektrode und der negativen Elektrode gelegt wird. Die negative Elektrode kann eine Elektrode sein, die mit Lithiumionen durch das oben erwähnte Verfahren dotiert ist, und wenn das Verfahren zum Dotieren der negativen Elektrode nach dem Zusammenbauen einer Zelle angewandt wird, kann eine Elektrode mit daran gebundenem Lithiummetall in der Zelle angeordnet werden. Ein poröser Film oder Vlies aus Cellulose oder einem Polyolefinharz wird bevorzugt als Separator verwendet. Dann werden die Elektroden in einem Zellgehäuse durch Verwendung von erforderlichen Abstandshaltern untergebracht und mit einer elektrolytischen Lösung imprägniert. Schließlich wird ein Deckel auf das Gehäuse gegeben, wobei eine Isolierdichtung zwischen dem Deckel und dem Gehäuse angeordnet wird, und es wird abgedichtet, und hierdurch kann ein Lithiumionenkondensator erzeugt werden. Materialien der Elektrode und dergleichen werden bevorzugt adäquat getrocknet, um den Wassergehalt im Lithiumionenkondensator möglichst stark zu vermindern. Die Herstellung des Lithiumionenkondensators wird in einer Umgebung mit niedriger Feuchtigkeit durchgeführt, und das Abdichten kann in einer Umgebung mit reduzierter Feuchtigkeit durchgeführt werden. Zusätzlich ist der Lithiumionenkondensator nicht besonders beschränkt, solange der Stromkollektor und die Elektrode dieser Erfindung verwendet werden, und Kondensatoren können verwendet werden, die durch ein anderes Verfahren als dieses Verfahren hergestellt sind.
(Elektrode für geschmolzene Salzbatterie)
Der poröse Aluminiumkörper kann ebenfalls als Elektrodenmaterial für geschmolzene Salzbatterien verwendet werden. Wenn der poröse Aluminiumkörper als positives Elektrodenmaterial verwendet wird, wird eine Metallverbindung wie Natriumchromit (NaCrO₂) oder Titandisulfid (TiS₂), in die ein Kation eines geschmolzenen Salzes, das als Elektrolyt dient, interkaliert werden kann, als Aktivmaterial verwendet. Das Aktivmaterial wird in Kombination mit einer Leitungshilfe und einem Bindemittel verwendet. Als Leitungshilfe kann Acetylen-Ruß oder dergleichen verwendet werden. Als Bindemittel kann Polytetrafluorethylen (PTFE) und dergleichen verwendet werden. Wenn Natriumchromit als Aktivmaterial und Acetylen-Ruß als Leitungshilfe verwendet werden, ist das Bindemittel bevorzugt PTFE, weil PTFE Natriumchromit und Acetylen-Ruß dicht binden kann.
Der poröse Aluminiumkörper kann ebenfalls als negatives Elektrodenmaterial für geschmolzene Salzbatterien verwendet werden. Wenn der poröse Aluminiumkörper als negatives Elektrodenmaterial verwendet wird, kann Natrium alleine, eine Legierung aus Natrium und einem anderen Metall, Kohlenstoff oder dergleichen als Aktivmaterial verwendet werden. Natrium hat einen Schmelzpunkt von etwa 98°C, und ein Metall wird weicher mit einer Erhöhung der Temperatur. Somit ist es bevorzugt, Natrium mit einem anderen Metall (Si, Sn, In, etc.) zu legieren. Insbesondere ist eine Legierung aus Natrium und Sn wegen der leichten Handhabbarkeit bevorzugt. Natrium oder eine Natriumlegierung kann auf der Oberfläche des porösen Aluminiumkörpers durch Elektroplattieren, Heißtauchen oder ein anderes Verfahren getragen werden. Alternativ kann ein Metall (Si, etc.), das mit Natrium legiert werden soll, auf den porösen Aluminiumkörper niedergeschlagen und dann in eine Natriumlegierung durch Laden in eine geschmolzene Salzbatterie umgewandelt werden.
14 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel einer geschmolzenen Salzbatterie zeigt, worin das oben erwähnte Elektrodenmaterial für Batterien verwendet wird. Die geschmolzene Salzbatterie umfasst eine positive Elektrode 121, bei der ein positives Elektrodenaktivmaterial auf der Oberfläche eines Aluminiumgerüstes eines porösen Aluminiumkörpers getragen wird, eine negative Elektrode 122, bei der ein negatives Elektrodenmaterial auf der Oberfläche eines Aluminiumgerüstes auf einem porösen Aluminiumkörper getragen ist, und einen Separator 123, der mit einem geschmolzenen Salz einer Elektrode imprägniert ist, die in einem Gehäuse 127 untergebracht sind. Ein Pressteil 126, umfassend eine Pressplatte 124 und eine Feder 125 zum Pressen der Pressplatte, ist zwischen der oberen Oberfläche des Gehäuses 127 und der negative Elektrode angeordnet. Durch Vorsehen der Pressplatte, des Pressteils können die positive Elektrode 121, die negative Elektrode 122 und der Separator 123 gleichmäßig gepresst werden, um miteinander in Kontakt gebracht zu werden, selbst wenn ihre Volumina sich geändert haben. Ein Stromkollektor (poröser Aluminiumkörper) der positiven Elektrode 121 und ein Stromkollektor (poröser Aluminiumkörper) der negativen Elektrode 122 werden mit einem positiven Elektrodenende 128 und einem negativen Elektrodenende 129 durch einen Leitungsdraht 130 verbunden.
Das geschmolzene Salz, das als Elektrolyt dient, kann ein anorganisches Salz oder ein organisches Salz sein, die bei der Arbeitstemperatur schmelzen. Als Kation des geschmolzenen Salzes können ein oder mehrere Kationen, ausgewählt aus Alkalimetallen wie Lithium (Li), Natrium (Na), Kalium (K), Rubidium (Rb) und Cäsium (Cs) und Erdalkalimetalle wie Beryllium (Be), Magnesium (Mg), Calcium (Ca), Strontium (Sr) und Barium (Ba) verwendet werden.
Zur Verminderung des Schmelzpunktes des geschmolzenen Salzes ist es bevorzugt, eine Mischung aus zumindest zwei Salzen zu verwenden. Beispielsweise kann die Verwendung von Kaliumbis(fluorosulfonyl)amid (K-N(SO₂F)₂; KFSA) und Natriumbis(fluorosulfonyl)amid (Na-N(SO₂)F)₂; NaFSA) in Kombination die Arbeitstemperatur der Batterie auf 90°C oder weniger vermindern.
Das geschmolzene Salz wird in der Form eines Separators verwendet, der mit dem geschmolzenen Salz imprägniert ist. Der Separator verhindert den Kontakt zwischen der positiven und der negativen Elektrode und kann ein Glasvlies, ein poröser Harzformkörper oder dergleichen sein. Ein Laminat der positiven Elektrode, der negativen Elektrode und des Separators, imprägniert mit dem geschmolzenen Salz, die in dem Gehäuse untergebracht sind, wird als Batterie verwendet.
BEISPIELE
Nachfolgend wird diese Erfindung detailliert unter Bezugnahme auf die Beispiele erläutert, aber diese Erfindung ist nicht hierauf beschränkt.
[Beispiel 1]
(Bildung einer leitenden Schicht)
Ein Urethanschaum mit einer Porosität von 95% etwa 50 Poren (Zellen) pro inch, einem Porendurchmesser von etwa 550 μm und einer Dicke von 1 mm wurde als Urethanharzformkörper hergestellt und zu einem Rechteck mit 100 mm × 30 mm geschnitten. Ein Aluminiumfilm wurde auf der Oberfläche des Polyurethanschaums in einem Gewicht pro Einheitsfläche von 10 g/m² durch Sputtern gebildet, zur Bildung einer leitenden Schicht.
(Geschmolzenes Salzplattieren)
Der Urethanschaum mit einer leitenden Schicht, die auf der Oberfläche davon gebildet war, wurde als Arbeitsstück in einem Spannrahmen mit einer Elektrizitätszuführfunktion beladen und dann wurde der Spannrahmen in eine Handschuhbox gegeben, deren Inneres auf eine Argonatmosphäre und niedrige Feuchtigkeit eingestellt war (Taupunkt –30°C oder weniger) und wurde in ein geschmolzenes Salz-Aluminiumplattierbad (33 mol% EMIC-67 mol% AlCl₃) bei einer Temperatur von 40°C getaucht. Der Spannrahmen, der das Arbeitsstück hält, wurde an die Kathode eines Rektifizierers gebunden, und eine Aluminiumplatte (Reinheit 99,99%) der Gegenelektrode wurde an die Anode gebunden. Das Arbeitsstück wurde durch Auferlegen eines Direktstroms bei einer Stromdichte von 3,6 A/dm² 90 Minuten lang plattiert, unter Erhalt einer Aluminiumstruktur, worin 150 g/m² einer aluminiumplattierten Schicht auf der Oberfläche des Urethanschaumes gebildet wurden. Das Rühren wurde mit einem Rührer unter Verwendung eines Teflon(eingetragene Marke)-Rotors durchgeführt. Die Stromdichte wurde auf der Basis der scheinbaren Fläche des Urethanschaumes berechnet.
(Zersetzung des porösen Harzformkörpers)
Jede der oben erwähnten Aluminiumstrukturen wurde in ein eutektisches geschmolzenes Salz aus LiCl-KCl bei einer Temperatur von 500°C getaucht und ein negatives Potential von –1 V wurde auf die Aluminiumstruktur 30 Minuten auferlegt. Luftblasen, die von der Zersetzungsreaktion des Polyurethanschaumes resultierten, wurde in dem geschmolzenen Salz erzeugt. Dann wurde die Aluminiumstruktur auf Raumtemperatur in der Atmosphäre gekühlt und mit Wasser gewaschen, zur Entfernung des geschmolzenen Salzes, unter Erhalt eines porösen Aluminiumkörpers, von dem das Harz entfernt worden war. Der erhaltene poröse Aluminiumkörper hatte kontinuierliche Poren und eine hohe Porosität wie der Urethanschaum, der als Kernmaterial verwendet wurde.
(Verarbeitung des Endteils des porösen Aluminiumkörpers)
Die Dicke des erhaltenen porösen Aluminiumkörpers wurde auf 0,96 mm durch Walzenpressen eingestellt, und der poröse Aluminiumkörper wurde in ein Stück mit einem Quadrat mit 5 cm geschnitten.
Zur Herstellung des Schweißens wurde ein SUS-Block (Stab) mit einer Breite von 5 mm und ein Hammer als Kompressionsrahmen hergestellt, und der SUS-Block wurde bei einer Stelle 5 mm von einem Ende des porösen Aluminiumkörpers angeordnet und der poröse Körper wurde durch Erwärmen des SUS-Blocks mit dem Hammer zur Bildung eines komprimierten Teils mit einer Dicke von 100 μm komprimiert.
Danach wurde eine Anschlussleitung durch Punktschweißen unter den folgenden Bedingungen geschweißt.
<Schweißbedingung>

Schweißanlage: Hi-Max 100, hergestellt von Panasonic Corporation, Modell YG-101 UD (Spannung kann bis zu 250 V auferlegt werden) Kapazität: 100 Ws, 0,6 kVA
Elektrode: Kupferelektrode mit einem Durchmesser von 2 mm
Beladung: 8 kgf
Spannung: 140 V

<Anschlussleitung>

Material: Aluminium
Dimension: Breite 5 mm, Länge 7 cm, Dicke 100 μm
Oberflächenbedingung: Boehmitbehandlung

Die Anschlussleitung wurde an das komprimierte Teil des porösen Aluminiumkörpers gut durch Schweißen gebunden.
[Beispiel 2]
In Beispiel 1 wurde nach der Bildung des komprimierten Teils ein Maskierband an das komprimierte Teil gebunden, und der poröse Aluminiumkörper wurde mit einer Aufschlämmung aus einem Aktivmaterial gefüllt.
Ein Lithiumkobaltoxidpulver (positives Elektrodenaktivmaterial) mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 5 μm wurde als Aktivmaterial hergestellt, und das Lithiumkobaltoxidpulver, Acetylen-Ruß (Leitungshilfe) und PVDF (Bindemittel) wurden in Anteilen von 90:5:5, ausgedrückt als Massen-% vermischt. N-Methyl-2-pyrrolidon (organisches Lösungsmittel) wurde tropfenweise zu der Mischung gegeben und die resultierende Mischung gemischt, zur Herstellung einer pastenartigen Aufschlämmung aus einer positiven Elektrodenmischung. Dann wurde eine poröse Aluminiumkörperprobe 1 mit der Aufschlämmung einer positiven Elektrodenmischung imprägniert, zum Füllen der Aufschlämmung einer positiven Elektrodenmischung in die poröse Aluminiumkörperprobe 1, und dann wurde die Aufschlämmung bei 100°C 40 Minuten getrocknet, zur Entfernung des organischen Lösungsmittels.
Dann wurde das Maskierband entfernt und eine Anschlussleitung an das komprimierte Teil auf gleiche Weise wie bei Beispiels 1 geschweißt.
Die Anschlussleitung wurde an das komprimierte Teil des porösen Aluminiumkörpers durch Schweißen gut gebunden.
[Beispiel 3]
Auf gleiche Weise wie bei Beispiel 2 wurde die Aufschlämmung einer positiven Elektrodenmischung in den porösen Aluminiumkörper nach Zersetzen des porösen Harzformkörpers, erhalten gemäß Beispiel 1, gefüllt und getrocknet, zur Herstellung eines porösen Aluminiumkörpers, der mit einem Aktivmaterial gefüllt war.
Ein Endteil des porösen Körpers wurde in eine Ultraschallreinigungsanlage getaucht, zur Entfernung des Aktivmaterials in einem Anteil, der in die Anlage getaucht war, durch Ultraschallschwingungen.
Dann wurde auf gleiche Weise wie bei Beispiel 1 ein komprimiertes Teil an dem Endteil des porösen Aluminiumkörpers gebildet, von dem das Aktivmaterial entfernt war, und eine Anschlussleitung wurde an das komprimierte Teil auf gleiche Weise wie bei Beispiel 1 geschweißt.
Die Anschlussleitung wurde mit dem komprimierten Teil des porösen Aluminiumkörpers gut durch Schweißen verbunden.
Diese Erfindung wurde auf der Basis von Ausführungsbeispielen beschrieben, ist aber nicht auf die obigen Ausführungsbeispiele beschränkt. Variationen für diese Ausführungsbeispiele können innerhalb des Umfangs und der Äquivalenz dieser Erfindung gemacht werden.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Die Elektrode, erzeugt durch Verwendung des porösen Aluminiumkörpers für einen Stromkollektor dieser Erfindung, erhöht das Verfügbarkeitsverhältnis eines Aktivmaterials pro Einheitsfläche und kann eine höhere Kapazität realisieren und die Anzahl der Schichten eines Laminates vermindern, zur Verminderung von Produktionskosten bei der Verarbeitung des porösen Aluminiumkörpers zu einer Elektrode, und kann daher geeignet als Elektrode für nicht-wässrige Elektrolytbatterien (Lithiumbatterie, etc.), Kondensator, Lithiumionenkondensator und dergleichen verwendet werden.
Bezugszeichenliste

1: Harzformkörper
2: leitende Schicht
3: aluminiumplattierte Schicht
21a, 21b: Plattierbad
22: streifenförmiges Harz
23, 28: Plattierbad
24: zylindrische Elektrode
25, 27: Anode
26: Elektrodenwalze
32: Kompressionsspannrahmen
33: komprimiertes Teil
34: poröser Aluminiumkörper
35: Rotationswalze
36: Rotationsachse der Walze
37: Anschlussleitung
38: Isolations-/Abdichtband
41: Abwickelwalze
42: Kompressionswalze
43: Kompressions-Schweißwalze
44: Füllwalze
45: Trocknungsmaschine
46: Kompressionswalze
47: Schneidwalze
48: Aufwickelwalze
49: Leitungszuführwalze
50: Aufschlämmungszuführdüse
51: Aufschlämmung
60: Lithiumbatterie
61: positive Elektrode
62: negative Elektrode
63: Festelektrolytschicht (SE-Schicht)
64: positive Elektrodenschicht (positiver Elektrodenkörper)
65: Stromkollektor der positiven Elektrode
66: negative Elektrodenschicht
67: Stromkollektor der negativen Elektrode
121: positive Elektrode
122: negative Elektrode
123: Separator
124: Pressplatte
125: Feder
126: Pressteil
127: Gehäuse
128: positives Elektrodenende
129: negatives Elektrodenende
130: Leitungsdraht
141: polarisierbare Elektrode
142: Separator
143: organische elektrolytische Lösung
144: Leitungsdraht
145: Gehäuse
146: positive Elektrode
147: negative Elektrode
148: Leitungsdraht
149: Leitungsdraht

Claims

Stromkollektor, umfassend: ein streifenförmiges komprimiertes Teil, das in einer Dickenrichtung an einem Ende eines porösen Aluminiumkörpers mit dreidimensionalem Netzwerk, komprimiert ist, wobei das komprimierte Teil eine Breite von 2 bis 10 mm hat; und eine Anschlussleitung, die an das komprimierte Teil durch Schweißen gebunden ist.
Stromkollektor gemäß Anspruch 2, worin ein Material der Anschlussleitung Aluminium enthält.
Elektrode, umfassend das Füllen eines porösen Anteils des Stromkollektors gemäß Anspruch 1 oder 2 mit einem Aktivmaterial.
Verfahren zur Erzeugung der Elektrode gemäß Anspruch 3, umfassend die Schritte zum Füllen eines porösen Aluminiumkörpers mit dreidimensionalem Netzwerk mit einem Aktivmaterial, Entfernen des Aktivmaterials in einem Bereich innerhalb einer 2 bis 10 mm Breite von einer Endseite an einem Endteil des porösen Aluminiumkörpers mit dreidimensionalem Netzwerk, der mit dem Aktivmaterial gefüllt ist, Komprimieren des Bereiches, von dem das Aktivmaterial entfernt ist, zur Bildung eines streifenförmigen komprimierten Teils; und Schweißen einer Anschlussleitung an das komprimierte Teil.
Verfahren zur Erzeugung der Elektrode gemäß Anspruch 3, umfassend die Schritte des Komprimierens eines Bereiches innerhalb einer Breite von 2 bis 10 mm von einer Endseite an einem Endteil eines porösen Aluminiumkörpers mit dreidimensionalem Netzwerk zur Bildung eines streifenförmigen komprimierten Teils; Maskieren des komprimierten Teils; Füllen des porösen Aluminiumkörpers mit dreidimensionalem Netzwerk, mit dem das Maskieren durchgeführt ist, mit einem Aktivmaterial; Entfernen der Maskierung von dem porösen Aluminiumkörper mit dreidimensionalem Netzwerk, der mit dem Aktivmaterial gefüllt ist; und Schweißen einer Anschlussleitung an das komprimierte Teil, von dem die Maskierung entfernt ist.
Verfahren zur Erzeugung der Elektrode gemäß Anspruch 3, umfassend die Schritte des Komprimieren eines Bereiches innerhalb einer Breite von 2 bis 10 mm von einer Endseite an einem Endteil eines porösen Aluminiumkörpers mit dreidimensionalem Netzwerk zur Bildung eines streifenförmigen komprimierten Teils; Schweißen einer Anschlussleitung an das komprimierte Teil und Füllen des porösen Aluminiumkörpers mit dreidimensionalem Netzwerk mit der Anschlussleitung, die an das komprimierte Teil geschweißt ist, mit einem Aktivmaterial.
Nicht-wässrige Elektrolytbatterie, umfassend die Elektrode gemäß Anspruch 3.
Kondensator, umfassend die nicht-wässrige elektrolytische Lösung, umfassend die Elektrode gemäß Anspruch 3.
Lithiumionenkondensator, umfassend eine nicht-wässrige elektrolytische Lösung, die die Elektrode gemäß Anspruch 3 enthält.