JP6936864B2 - アルミニウム箔および電極用アルミニウム部材 - Google Patents
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Description
次世代二次電池における正極用の電極材料は、水系の塗布液として調製され、集電体となる貫通箔に塗布される。そのため正極用の貫通箔は、親水性であることが望ましい。親水性を示す金属としては、アルミニウムやクロムが公知であり、この内、環境影響が少ないアルミニウムを正極集電体に使用することが望ましい。
すなわち、以下の構成により上記課題を達成することができることを見出した。
アルミニウム箔の表面に厚さ25nm以下のアルミニウム酸化皮膜を有し、さらにアルミニウム酸化皮膜の表面の少なくとも一部に親水化層を有するアルミニウム箔。
[2] アルミニウム酸化皮膜の密度が2.7〜4.1g/cm3である[1]に記載のアルミニウム箔。
[3] 厚さ25nm以下のアルミ酸化皮膜が、酸化アルミニウム、酸化アルミニウム1水和物、および、酸化アルミニウム3水和物の少なくとも1つを含む[1]または[2]に記載のアルミニウム箔。
[4] アルミニウム酸化皮膜の厚みが、1nm〜15nmである[1]〜[3]のいずれかに記載のアルミニウム箔。
[5] 親水化層が、ケイ酸塩、リン酸塩、スルホン酸、スルホン酸塩、ホスホン酸、ホスホン酸塩、リン酸エステル、リン酸エステル塩、および、フッ化ジルコン酸からなる群から選択される構造を少なくとも1つ有する化合物を含む[1]〜[4]のいずれかに記載のアルミニウム箔。
[6] 貫通孔の平均開口径が1μm〜500μmである[1]〜[5]のいずれかに記載のアルミニウム箔。
[7] 貫通孔の孔密度が1〜1000個/mm2である[1]〜[6]のいずれかに記載のアルミニウム箔。
[8] アルミニウム箔の厚みが5μm〜100μmである[1]〜[7]のいずれかに記載のアルミニウム箔。
[9] アルミニウム箔の両面にアルミニウム酸化皮膜を有し、さらに、両面のアルミニウム酸化皮膜それぞれの表面の少なくとも一部に親水化層を有する[1]〜[8]のいずれかに記載のアルミニウム箔。
[10] [1]〜[9]のいずれかに記載のアルミニウム箔を用いた電極用アルミニウム部材。
以下に記載する構成要件の説明は、本発明の代表的な実施態様に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施態様に限定されるものではない。
なお、本明細書において、「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。
本発明のアルミニウム箔は、
貫通孔を有するアルミニウム箔であって、
アルミニウム箔の表面に厚み25nm以下のアルミニウム酸化皮膜を有し、さらにアルミニウム酸化皮膜の表面の少なくとも一部に親水化層を有するアルミニウム箔である。
次に、本発明のアルミニウム箔の構成について、図1を用いて説明する。
図1に示すように、アルミニウム箔10は、アルミニウム基材3の両主面それぞれに厚み25nm以下のアルミニウム酸化皮膜14が形成されており、さらに、アルミニウム酸化皮膜14の表面に親水化層16を有する。また、アルミニウム箔10は、アルミニウム基材3およびアルミニウム酸化皮膜14を厚み方向に貫通する複数の貫通孔5を有する。すなわち、アルミニウム箔10は、厚み方向に貫通する貫通孔を有するアルミニウム基材3と、厚み方向に貫通する貫通孔を有するアルミニウム酸化皮膜14とを積層した構成を有し、アルミニウム酸化皮膜14の表面には親水化層16が形成された構成を有する。
アルミニウム箔が、厚み方向に貫通する複数の貫通孔を有することで、集電体として用いる場合に、リチウムイオンの移動を容易にすることができる。また、多数の貫通孔を有することで、活物質との密着性を向上することができる。
例えば、アルミニウム箔の表面に存在するアルミニウム酸化皮膜の厚みが25nm超の場合には、空孔を多数有するポーラス状(多孔質)の層となるため、親水化層が空孔内に浸入してアルミニウム酸化皮膜に多量に付着するため、親水性は向上するが電気抵抗が高くなってしまい電極材料と貫通箔との導電性が低くなってしまう。
アルミニウムは酸化され易く、大気にさらされると酸化してしまうため、常時、酸化皮膜を有する。酸化皮膜は絶縁性が高いため、アルミニウム基材の表面に厚い酸化皮膜が存在すると、アルミニウム基材と電極材料(活物質)との間の電気抵抗が増大するおそれがある。
これに対して、アルミニウム酸化皮膜の膜密度を2.7〜4.1g/cm3とすることにより、水分がアルミニウム酸化皮膜に浸透してアルミニウム基材に到達するのを抑制できるので、アルミニウム基材の酸化の進行を抑制してアルミニウム酸化皮膜の厚みが厚くなるのを抑制できる。これにより、電気抵抗が低い状態を安定して維持することができる。
なお、無孔質酸化皮膜の膜厚は、透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope:TEM)により断面を観察して、3箇所で膜厚を測定して平均値を膜厚として算出する。
貫通孔の平均開口径を上記範囲とすることで、アルミニウム箔に電極材料を塗布する際に塗布液の裏抜けが発生するのを防止でき、また、塗布した電極材料活物質との密着性を向上できる。また、アルミニウム箔が多数の貫通孔を有するものとした場合でも、十分な引張強度を有するものとすることができる。
また、開口径は、貫通孔部分の端部間の距離の最大値を測定した。すなわち、貫通孔の開口部の形状は略円形状に限定はされないので、開口部の形状が非円形状の場合には、貫通孔部分の端部間の距離の最大値を開口径とする。従って、例えば、2以上の貫通孔が一体化したような形状の貫通孔の場合にも、これを1つの貫通孔とみなし、貫通孔部分の端部間の距離の最大値を開口径とする。
アルミニウム基材は、特に限定はされず、例えば、JIS規格H4000に記載されている合金番号1085、1N30、3003等の公知のアルミニウム基材を用いることができる。なお、アルミニウム基材は、アルミニウムを主成分とし、微量の異元素を含む合金板である。
上記厚さ25nm以下のアルミニウム酸化皮膜は、厚みが15nm以下の無孔質の酸化皮膜単独、あるいは、無孔質の酸化皮膜と薄いポーラス状(多孔質)の酸化皮膜の両方からなる酸化皮膜であり、酸化アルミニウム(Al2O3)等のアルミニウム酸化物を含有する層であることが好ましい。
ここで、酸化アルミニウムは、酸化アルミニウム1水和物(Al2O3・1H2O)、酸化アルミニウム3水和物(Al2O3・3H2O)等のアルミニウムの水和物として存在しうる。
従って、上記厚み25nm以下のアルミニウム酸化皮膜は、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化アルミニウム1水和物(Al2O3・1H2O)、および、酸化アルミニウム3水和物(Al2O3・3H2O)の少なくとも1つを含む層であることが好ましい。
特許文献1にも記載されるように、微細な貫通孔をアルミニウム箔に形成する方法として、アルミニウム基材に電解溶解処理を施して、貫通孔を形成する方法が知られている。このような電解溶解処理を施す際には、アルミニウム基材の表面には水酸化アルミニウム皮膜が形成される。そのため、電解溶解処理後のアルミニウム基材を乾燥すると、その表面には厚い酸化アルミニウム皮膜が形成される。そのため電気抵抗が高くなってしまう。
これに対して、後に詳述するように、貫通孔を形成するための電解溶解処理の際に形成された水酸化アルミニウム皮膜を除去し、その後、自然酸化等によって、アルミニウム基材の表面にアルミニウム酸化皮膜を形成することで、好適に厚み25nm以下のアルミニウム酸化皮膜を形成することができる。
酸化アルミニウム(Al2O3)の密度は、4.1g/cm3程度であり、酸化アルミニウム1水和物(Al2O3・1H2O)の密度は、3.07g/cm3程度であり、酸化アルミニウム3水和物(Al2O3・3H2O)の密度は、2.42g/cm3程度である。
従って、水和物の比率が低くなるほど厚み25nm以下のアルミニウム酸化皮膜の密度は高くなる。例えば、厚み25nm以下のアルミニウム酸化皮膜の密度が3.95g/cm3未満の場合は、厚み25nm以下のアルミニウム酸化皮膜は水和物を3%以上含んでいる。
また、厚み25nm以下のアルミニウム酸化皮膜中に含まれる酸化アルミニウム1水和物(Al2O3・1H2O)および、酸化アルミニウム3水和物(Al2O3・3H2O)は、45%以下が好ましく、30%以下がより好ましく、15%以下がさらに好ましい。
上記親水化層は、アルミニウム箔の表面に親水性を付与する層であり、親水性成分を含有する層であることが好ましい。
ここで、親水性成分とは、アルミニウム箔の表面に存在することで、アルミニウム箔の表面に存在しなかった場合よりも、表面の親水性を向上させうる成分のことをいう。
上記親水性成分としては、例えば、ケイ酸塩、リン酸塩、スルホン酸、スルホン酸塩、ホスホン酸、ホスホン酸塩、リン酸エステル、リン酸エステル塩、および、フッ化ジルコン酸からなる群から選択される構造を少なくとも1つ有する化合物が好適に挙げられ、中でも、ケイ酸塩、リン酸エステル、リン酸エステル塩からなる群から選択される構造を少なくとも1つ有する化合物が好ましい。
ケイ酸ナトリウム水溶液による親水化処理は、水洗水や廃液処理が容易なため、工業生産上望ましい。
親水化層の厚みは、エッチングESCA(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis)で測定することができる。
次に、本発明のアルミニウム箔の製造方法について説明する。
本発明のアルミニウム箔の製造方法は、
アルミニウム基材に貫通孔を形成する工程と、
貫通孔が形成されたアルミニウム基材に厚み25nm以下のアルミニウム酸化皮膜を形成する工程と、
厚み25nm以下のアルミニウム酸化皮膜が形成されたアルミニウム基材の表面に親水化層を形成する工程とを有するのが好ましい。
アルミニウム箔の製造方法は、
アルミニウム基材を陰極として、第1の酸性水溶液中で電解処理を行い、アルミニウム基材の表面に水酸化アルミニウム皮膜を形成する皮膜形成工程と、
アルミニウム基材を陽極として、第2の酸性水溶液で電解処理を行い、アルミニウム基材および水酸化アルミニウム皮膜に貫通孔形成処理を行って貫通孔を形成する貫通孔形成工程と、
皮膜形成工程後のアルミニウム基材をアルカリ性水溶液に浸漬して水酸化アルミニウム皮膜を除去する皮膜除去工程と、
皮膜除去工程後のアルミニウム基材の表面に自然酸化によって厚み25nm以下のアルミニウム酸化皮膜を形成する酸化皮膜形成工程と、
アルミニウム酸化皮膜の表面に親水化層を形成する親水化層形成工程と、を有することが好ましい。
酸化皮膜形成工程により、アルミニウム基材に、厚み25nm以下のアルミニウム酸化皮膜を形成する。
また、皮膜除去工程により、不要な皮膜や油分等を除去し、アルミニウム基材を露出させて、自然酸化による厚み25nm以下のアルミニウム酸化皮膜の形成を容易にする。
また、最終の水洗処理の後には、乾燥処理を行う乾燥工程を有するのが好ましい。
アルミニウム箔の製造方法は、図2〜図5に示すように、アルミニウム基材1の両方の主面に対して皮膜形成処理を施し、水酸化アルミニウム皮膜2を形成する皮膜形成工程(図2および図3)と、皮膜形成工程の後に電解溶解処理を施して貫通孔5を形成し、貫通孔を有するアルミニウム基材3および貫通孔を有する水酸化アルミニウム皮膜4を形成する貫通孔形成工程(図3および図4)と、貫通孔形成工程の後に、貫通孔を有する水酸化アルミニウム皮膜4を除去し、貫通孔を有するアルミニウム基材3を作製する皮膜除去工程(図4および図5)と、皮膜除去工程の後に、自然酸化によって、貫通孔を有するアルミニウム基材3の両方の主面に、厚み25nm以下のアルミニウム酸化皮膜14を形成する酸化皮膜形成工程(図5および図6)と、酸化皮膜形成工程の後の表面に親水化層16を形成する親水化層形成工程(図6および図1)と、を有する製造方法である。
皮膜形成工程は、アルミニウム基材を陰極として、第1の酸性水溶液中で電解処理(皮膜形成処理)を施し、アルミニウム基材の表面に水酸化アルミニウム皮膜を形成する工程である。
上記皮膜形成処理は特に限定されず、例えば、従来公知の水酸化アルミニウム皮膜の形成処理と同様の処理を施すことができる。
皮膜形成処理としては、例えば、特開2011−201123号公報の[0013]〜[0026]段落に記載された条件や装置を適宜採用することができる。
硝酸、塩酸を含む電解液中で電気化学的処理を行う場合には、アルミニウム基材と対極との間に直流を印加してもよく、交流を印加してもよい。アルミニウム基材に直流を印加する場合においては、電流密度は、1〜60A/dm2であるのが好ましく、5〜50A/dm2であるのがより好ましい。連続的に電気化学的処理を行う場合には、アルミニウム基材に、電解液を介して給電する液給電方式により行うのが好ましい。
貫通孔形成工程は、皮膜形成工程の後に、アルミニウム基材を陽極として、第2の酸性水溶液で電解処理(電解溶解処理)を施し、アルミニウム基材および水酸化アルミニウム皮膜に貫通孔を形成する工程である。
上記電解溶解処理は特に限定されず、直流または交流を用い、酸性溶液(第2の酸性水溶液)を電解液に用いることができる。中でも、硝酸、塩酸の少なくとも1以上の酸を用いて電気化学処理を行うのが好ましく、これらの酸に加えて硫酸、燐酸、シュウ酸の少なくとも1以上の混酸を用いて電気化学的処理を行うのが更に好ましい。
また、上記酸を主体とする水溶液には、鉄、銅、マンガン、ニッケル、チタン、マグネシウム、シリコン等のアルミニウム合金中に含まれる金属が溶解していてもよい。好ましくは、酸の濃度0.1〜2質量%の水溶液にアルミニウムイオンが1〜100g/Lとなるように、塩化アルミニウム、硝酸アルミニウム、硫酸アルミニウム等を添加した液を用いることが好ましい。
本発明においては、硝酸を主体とする電解液を用いた電気化学的溶解処理(以下、「硝酸溶解処理」とも略す。)により、容易に、平均開口径が0.1μm以上100μm未満の貫通孔を形成することができる。
ここで、硝酸溶解処理は、貫通孔形成の溶解ポイントを制御しやすい理由から、直流電流を用い、平均電流密度を5A/dm2以上とし、かつ、電気量を50C/dm2以上とする条件で施す電解処理であるであるのが好ましい。なお、平均電流密度は100A/dm2以下であるのが好ましく、電気量は10000C/dm2以下であるのが好ましい。
また、硝酸電解における電解液の濃度や温度は特に限定されず、高濃度、例えば、硝酸濃度15〜35質量%の硝酸電解液を用いて30〜60℃で電解を行ったり、硝酸濃度0.7〜2質量%の硝酸電解液を用いて30〜80℃で電解を行うことができる。
また、上記硝酸電解液に濃度0.1〜50質量%の硫酸、シュウ酸、燐酸の少なくとも1つを混ぜた電解液を用いて電解を行うことができる。
本発明においては、塩酸を主体とする電解液を用いた電気化学的溶解処理(以下、「塩酸溶解処理」とも略す。)によっても、容易に、平均開口径が1μm以上100μm未満の貫通孔を形成することができる。
ここで、塩酸溶解処理は、貫通孔形成の溶解ポイントを制御しやすい理由から、直流電流を用い、平均電流密度を5A/dm2以上とし、かつ、電気量を50C/dm2以上とする条件で施す電解処理であるであるのが好ましい。なお、平均電流密度は100A/dm2以下であるのが好ましく、電気量は10000C/dm2以下であるのが好ましい。
また、塩酸電解における電解液の濃度や温度は特に限定されず、高濃度、例えば、塩酸濃度10〜35質量%の塩酸電解液を用いて30〜60℃で電解を行ったり、塩酸濃度0.7〜2質量%の塩酸電解液を用い30〜80℃で電解を行うことができる。
また、上記塩酸電解液に濃度0.1〜50質量%の硫酸、シュウ酸、燐酸の少なくとも1つを混ぜた電解液を用いて電解を行うことができる。
皮膜除去工程は、化学的溶解処理を行って水酸化アルミニウム皮膜を除去する工程である。
上記皮膜除去工程は、例えば、後述する酸エッチング処理やアルカリエッチング処理を施すことにより水酸化アルミニウム皮膜を除去することができる。
アルカリエッチング処理は、上記水酸化アルミニウム皮膜をアルカリ溶液に接触させることにより、表層を溶解させる処理である。
酸エッチング処理は、前記アルカリエッチング処理後の表面に残った残渣を完全に除去するために行う。また、同時に、その後で行う酸化皮膜形成処理で、不要に厚い酸化皮膜が形成される可能性を排除するため、酸エッチング処理後に残渣が残りにくいことも必要である。
ジルコニウム系化合物としては、例えば、フッ化ジルコンアンモニウム、フッ化ジルコニウム、塩化ジルコニウムが挙げられる。
チタン化合物としては、例えば、酸化チタン、硫化チタンが挙げられる。
リチウム塩としては、例えば、フッ化リチウム、塩化リチウムが挙げられる。
セリウム塩としては、例えば、フッ化セリウム、塩化セリウムが挙げられる。
マグネシウム塩としては、例えば、硫化マグネシウムが挙げられる。
マンガン化合物としては、例えば、過マンガン酸ナトリウム、過マンガン酸カルシウムが挙げられる。
モリブデン化合物としては、例えば、モリブデン酸ナトリウムが挙げられる。
マグネシウム化合物としては、例えば、フッ化マグネシウム・五水和物が挙げられる。
バリウム化合物としては、例えば、酸化バリウム、酢酸バリウム、炭酸バリウム、塩素酸バリウム、塩化バリウム、フッ化バリウム、ヨウ化バリウム、乳酸バリウム、シュウ酸バリウム、過塩素酸バリウム、セレン酸バリウム、亜セレン酸バリウム、ステアリン酸バリウム、亜硫酸バリウム、チタン酸バリウム、水酸化バリウム、硝酸バリウム、あるいはこれらの水和物等が挙げられる。
上記バリウム化合物の中でも、酸化バリウム、酢酸バリウム、炭酸バリウムが好ましく、酸化バリウムが特に好ましい。
ハロゲン単体としては、例えば、塩素、フッ素、臭素が挙げられる。
酸濃度としては、0.01mol/L以上であるのが好ましく、0.05mol/L以上であるのがより好ましく、0.1mol/L以上であるのが更に好ましい。上限は特にないが、一般的には10mol/L以下であるのが好ましく、5mol/L以下であるのがより好ましい。
酸化皮膜形成工程は、水酸化アルミニウム皮膜を除去したアルミニウム基材の表面を自然酸化させることで、アルミニウム基材の両主面に厚み25nm以下のアルミニウム酸化皮膜を形成する工程である。
前述のとおり、貫通孔を形成するための電解溶解処理の際にアルミニウム基材の表面に形成された水酸化アルミニウム皮膜を、アルカリエッチング処理で除去し、更にその残渣を酸エッチング処理で除去し、その後、自然酸化等によって、アルミニウム基材の表面に酸化皮膜を形成することで、好適に厚み25nm以下のアルミニウム酸化皮膜を形成することができる。
親水化層形成工程は、厚み25nm以下のアルミニウム酸化皮膜の表面に親水化層を形成する工程である。
前述のとおり、親水化層は、親水化層となる化合物等を、水又は水と有機溶剤の混合溶剤に溶解又は分散して親水化層用液を調製し、この親水化層用液をアルミニウム酸化皮膜を有するアルミニウム基材の表面に、塗布、浸漬等の公知の方法で形成することができる。
前述のとおり、本発明においては、上述した皮膜形成工程、貫通孔形成工程、皮膜除去工程、酸化皮膜形成工程、および、親水化層形成工程それぞれの工程終了後には水洗処理を行う水洗工程を有するのが好ましい。水洗には、純水、井水、水道水等を用いることができる。処理液の次工程への持ち込みを防ぐためにニップ装置を用いてもよい。
前述のとおり、各工程後の水洗工程の後には、乾燥処理を設けてもよい。
乾燥の方法には限定はなく、エアナイフ等により水分を吹き飛ばす方法、加熱による方法等の公知の乾燥方法が適宜利用可能である。また、複数の乾燥方法を行なってもよい。
例えば、アルミニウム基材の表面にレジスト材料を塗布したのちに、レジスト材料にリソグラフィーを行い、その後、エッチング加工を行うことで、貫通孔を形成することができる。あるいは、アルミニウム基材をエッチャントに接触させて、アルミニウム基材中の金属間化合物(析出物あるいは晶出物)を起点に局所的に溶解を生じさせて貫通孔を形成する方法がある。この方法の場合、アルミニウム基材の材質ごとに金属間化合物の存在状況は異なるため、材質ごとに事前に条件出しを行い、エッチャントの条件、エッチングの時間等の条件を調整すればよい。
また、パンチング、針加工などの物理的接触による機械加工方法で貫通孔を形成することができる。
上述のとおり、本発明のアルミニウム箔は、電極用アルミニウム部材として利用可能であり、蓄電デバイス用集電体(以下、「集電体」ともいう)として利用可能である。
集電体は、アルミニウム箔が厚み方向に複数の貫通孔を有していることにより、例えば、リチウムイオンキャパシタに用いた場合においては短時間でのリチウムのプレドープが可能となり、リチウムをより均一に分散させることが可能となる。また、活物質層や活性炭との密着性が良好となり、サイクル特性や出力特性、塗布適性等の生産性に優れる蓄電デバイスを作製することができる。
また、本発明のアルミニウム箔を用いる集電体は、親水化層を有するので、活物質層(電極材料)との密着性が良好になり剥離を抑制でき優れたサイクル特性が得られる。一方で、親水化層を薄いアルミニウム酸化皮膜の表面に形成するので、活物質層との間の電気抵抗が高くなるのを抑制でき、効率の良い蓄電デバイスを作製することができる。
活物質層としては特に限定はなく、従来の蓄電デバイスにおいて用いられる公知の活物質層が利用可能である。
具体的には、アルミニウム箔を正極の集電体として用いる場合の、活物質および活物質層に含有していてもよい導電材、結着剤、溶媒等については、特開2012−216513号公報の[0077]〜[0088]段落に記載された材料を適宜採用することができ、その内容は本明細書に参照として取り込まれる。
また、アルミニウム箔を負極の集電体として用いる場合の、活物質については、特開2012−216513号公報の[0089]段落に記載された材料を適宜採用することができ、その内容は本明細書に参照として取り込まれる。
本発明のアルミニウム箔を集電体として利用する電極は、蓄電デバイスの正極あるいは負極として用いることができる。
ここで、蓄電デバイス(特に、二次電池)の具体的な構成や適用される用途については、特開2012−216513号公報の[0090]〜[0123]段落に記載された材料や用途を適宜採用することができ、その内容は本明細書に参照として取り込まれる。
本発明のアルミニウム箔を集電体として用いた正極は、アルミニウム箔を正極に用いた正極集電体と、正極集電体の表面に形成される正極活物質を含む層(正極活物質層)とを有する正極である。
ここで、上記正極活物質や、上記正極活物質層に含有していてもよい導電材、結着剤、溶媒等については、特開2012−216513号公報の[0077]〜[0088]段落に記載された材料を適宜採用することができ、その内容は本明細書に参照として取り込まれる。
本発明のアルミニウム箔を集電体として用いた負極は、アルミニウム箔を負極に用いた負極集電体と、負極集電体の表面に形成される負極活物質を含む層とを有する負極である。
ここで、上記負極活物質については、特開2012−216513号公報の[0089]段落に記載された材料を適宜採用することができ、その内容は本明細書に参照として取り込まれる。
本発明のアルミニウム箔は、蓄電デバイス用の集電体の他、電解コンデンサ用の電極用アルミニウム部材として用いることができる。
<アルミニウム箔の作製>
(貫通孔の形成)
特開2011−208254の実施例1を参考に、以下のとおり、条件を調整し、電解法でアルミニウム基材に貫通孔を形成した。
アルミニウム純度99.99%の鋳塊を作製し、均質化処理、熱間圧延(温度400℃)及び冷間圧延、中間焼鈍、再度の冷間圧延を施すことによって厚さ30μmのアルミニウム基材を得た。表面を洗浄した後、アルゴンガス中500℃で10時間の焼鈍を実施した。この焼鈍により、アルミの結晶方位をおおむね同一方向に揃えることが出来る。次いで、塩酸5%を含む水溶液を電解液として用い、直流エッチングを行うことにより、トンネルピットを形成し、貫通させることで、平均開口径1μm、孔密度900個/mm2の貫通孔を形成した。
なお、平均開口径および孔密度は、上述の方法で測定した。
次に、貫通孔を形成したアルミニウム基材を、温度25℃、湿度7%RHで3カ月保管して自然酸化させて、アルミニウム酸化皮膜を形成した。
形成したアルミニウム酸化皮膜の厚みを上述した方法で測定したところ、5nmであった。
次に、アルミニウム酸化皮膜を形成したアルミニウム基材を、60℃のケイ酸ナトリウム水溶液に、5秒間浸漬することで親水化層を形成し、その後、20秒間水洗処理を行なうことで、アルミニウム箔を作製した。ケイ酸ナトリウム水溶液として、濃度5%の1号ケイ酸ナトリウム(JIS K1408−1966)水溶液を使用した。
また、親水化層の形成後、親水化層の構成元素であるシリコンの付着量(Si付着量)を測定した。Si付着量は、蛍光X線分析装置(XRF)を使用して、予めSi量を定量済みの材料の測定結果を元に、検量線を作成し、それを元にSi付着量を計量することが出来る。
貫通孔の形成方法を以下のように変更して、貫通孔の平均開口径を11μm、孔密度を110個/mm2とした以外は実施例1と同様にして、アルミニウム箔を作製した。
平均厚さ20μmのアルミニウム基材(JIS H−4160、合金番号:1N30−H、アルミニウム純度:99.30%)を準備した。
50℃に保温した電解液(硝酸濃度1%、硫酸濃度0.2%、アルミニウム濃度0.5%)を用いて、上記アルミニウム基材を陰極として、電気量総和が500C/dm2の条件下で電解処理を施し、アルミニウム基材に水酸化アルミニウム皮膜を形成した。なお、電解処理は、直流電源で行った。電流密度は、50A/dm2とした。
水酸化アルミニウム皮膜形成後、スプレーによる水洗を行った。
次いで、50℃に保温した電解液(硝酸濃度1%、硫酸濃度0.2%、アルミニウム濃度0.5%)を用いて、アルミニウム基材を陽極として、電気量総和が500C/dm2の条件下で電解処理を施し、アルミニウム基材及び水酸化アルミニウム皮膜に貫通孔を形成した。なお、電解処理は、直流電源で行った。電流密度は、25A/dm2とした。
貫通孔の形成後、スプレーによる水洗を行い、乾燥させた。
次いで、電解溶解処理後のアルミニウム基材を、水酸化ナトリウム濃度5質量%、アルミニウムイオン濃度0.5質量%の水溶液(液温35℃)中に30秒間浸漬した後、水洗を行い、硝酸濃度30%、アルミイオン濃度0.5質量%の水溶液(液温50℃)中に20秒間浸漬してアルカリエッチング処理の残渣を除去した。
その後、スプレーによる水洗を行い、乾燥させて、アルミニウム基材に貫通孔を形成した。
上記(a)皮膜形成工程における電気量総和を1000C/dm2、上記(b)貫通孔形成工程における電気量総和を1000C/dm2に変更して、貫通孔の平均開口径を20μm、孔密度を160個/mm2とした以外は、実施例2と同様にしてアルミニウム箔を作製した。
貫通孔の形成方法を以下のように変更して、貫通孔の平均開口径を90μm、孔密度を8個/mm2とした以外は実施例1と同様にして、アルミニウム箔を作製した。
上記アルミニウム基材の両主面に、ネガ型レジスト液(進和工業株式会社製、EF−100)をバーコーターで10μm厚に均一塗布し、80℃で10分乾燥した。続いて、80μm径の円を、1mm2あたり8個形成したネガフィルムマスク(150μm)を用意した。そのネガフィルムをレジストが積層されたアルミニウム基材の片面に真空密着させ、そこから一定の距離を置いて設けた紫外線露光機から300mJ/cm2の紫外線を照射し、レジスト層に潜像を形成した。一方、ネガフィルムマスクを形成密着させた面と異なる他方の面は、ネガフィルムマスクを介在させず全面を300mJ/cm2の紫外線で露光した。続いて、未露光箇所を1%炭酸ナトリウム水溶液により1分間/30℃の条件で現像することで除去した。
貫通孔の形成方法を以下のように変更して、貫通孔の平均開口径を300μm、孔密度を3個/mm2とした以外は実施例1と同様にして、アルミニウム箔を作製した。
ダイセットを孔径500μmのダイセットに変更して、貫通孔の平均開口径を500μm、孔密度を1個/mm2とした以外は、実施例5と同様にしてアルミニウム箔を作製した。
上記(a)皮膜形成工程における電気量総和を750C/dm2、上記(b)貫通孔形成工程における電気量総和を750C/dm2に変更して、貫通孔の平均開口径を15μm、孔密度を140個/mm2とし、酸化皮膜形成工程を下記のように変更してアルミニウム酸化皮膜の厚みを1nmとした以外は実施例2と同様にして、アルミニウム箔を作製した。
次に、貫通孔を形成したアルミニウム基材を、温度25℃、湿度7%RHで1カ月保管して自然酸化させて、アルミニウム酸化皮膜を形成した。
酸化皮膜形成工程を下記のように変更してアルミニウム酸化皮膜の厚みを4nmとした以外は実施例7と同様にして、アルミニウム箔を作製した。
次に、貫通孔を形成したアルミニウム基材を、温度25℃、湿度7%RHで2カ月保管して自然酸化させて、アルミニウム酸化皮膜を形成した。
酸化皮膜形成工程を下記のように変更してアルミニウム酸化皮膜の厚みを8nmとした以外は実施例7と同様にして、アルミニウム箔を作製した。
次に、貫通孔を形成したアルミニウム基材を、温度25℃、湿度15%RHで3カ月保管して自然酸化させて、アルミニウム酸化皮膜を形成した。
酸化皮膜形成工程を下記のように変更してアルミニウム酸化皮膜の厚みを12nmとした以外は実施例7と同様にして、アルミニウム箔を作製した。
次に、貫通孔を形成したアルミニウム基材を、温度25℃、湿度20%RHで3カ月保管して自然酸化させて、アルミニウム酸化皮膜を形成した。
酸化皮膜形成工程を下記のように変更して酸化皮膜の厚みを25nmとした以外は実施例7と同様にして、アルミニウム箔を作製した。
次に、貫通孔を形成したアルミニウム基材を、温度25℃、湿度30%RHで3カ月保管して自然酸化させて、アルミニウム酸化皮膜を形成した。
上記(a)皮膜形成工程における電気量総和を750C/dm2、上記(b)貫通孔形成工程における電気量総和を750C/dm2に変更して、貫通孔の平均開口径を11μm、孔密度を140個/mm2とし、酸化皮膜形成工程を下記のように変更してアルミニウム酸化皮膜の厚みを3nmとした以外は実施例7と同様にして、アルミニウム箔を作製した。
次に、貫通孔を形成したアルミニウム基材を、温度25℃、湿度7%RHで1.5カ月保管して自然酸化させて、アルミニウム酸化皮膜を形成した。
ダイセットを孔径300μmのダイセットに変更して、貫通孔の平均開口径を300μm、孔密度を3個/mm2とした以外は、実施例5と同様にしてアルミニウム箔を作製した。
親水化層形成工程を下記のように変更した以外は実施例12および13と同様にして、アルミニウム箔を作製した。
次に、アルミニウム酸化皮膜を形成したアルミニウム基材を、60℃のケイ酸ナトリウム水溶液に、5秒間浸漬することで親水化層を形成し、その後、20秒間水洗処理を行なうことで、アルミニウム箔を作製した。ケイ酸ナトリウム水溶液として、濃度3%の3号ケイ酸ナトリウム(JIS K1408−1966)水溶液を使用した。
親水化層形成工程を施さなかった(親水化層を形成しなかった)以外は実施例3および13と同様にして、アルミニウム箔を作製した。
親水化層形成工程を下記のように変更した以外は実施例12および13と同様にして、アルミニウム箔を作製した。
次に、アルミニウム酸化皮膜を形成したアルミニウム基材にポリビニルホスホン酸による親水化処理を施した。
ポリビニルホスホン酸による親水化処理は、特許第3318031号の実施例(1−a)を参考にして実施した。具体的には、酸化皮膜形成工程の後に、アルミニウム基材を60℃でポリビニルホスホン酸の0.2%水溶液中に30秒間浸漬し水洗した。
実施例および比較例で作製したアルミニウム箔の両面に、電極材料として、LiCoO2を正極材として含む正極用活物質を塗布し、正極電極を作製した。
正極用活物質として、LiCoO2の粉末90質量部と、バインダー((株)クレハ製 KFポリマー)10質量部とを、水に添加して分散することにより、スラリーを調製した。
次に、調製したスラリーを、作製したアルミニウム箔の両面に、ダイコーターによって合計200μmの厚みになるように塗工し、120℃で30分間乾燥し、アルミニウム箔の表面に活物質層を形成し正極電極を作製した。
アルミニウム箔と活物質層との密着性をテープ剥離試験により評価した。
テープ剥離試験は、粘着テープとしてニチバン製両面テープ『ナイスタック』を用いた。幅15mmの粘着テープの片面を活物質層の表面に貼り、もう片面をステンレス製のブロックに貼り、ステンレスブロックをはがす際に、活物質の剥離状態を評価した。
A:剥離しない
B:全体の10%未満の範囲で剥離する。
C:全体の10%以上剥離する。
上記で作製した正極電極の表裏面にφ2.8cmの銅プローブを0.20MPaの荷重を掛けて密着させて、抵抗計(RESISTANCE HiTESTER 3541、日置電気株式会社)を用いて電気抵抗値を測定し、導電性を評価した。
評価結果を表1〜表3に示す。
また、実施例1〜6の対比から、貫通孔の平均開口径は、1μm以上500μm以下が好ましく、1μm以上100μm未満がより好ましいことがわかる。
また、実施例7〜11の対比から、アルミニウム酸化皮膜の厚みは、1nm〜12nmであるのが好ましいことがわかる。
また、実施例12〜17の対比から、親水化層は、ケイ酸塩を有する化合物を含むことが好ましいことがわかる。
以上より本発明の効果は明らかである。
2 水酸化アルミニウム皮膜
3 貫通孔を有するアルミニウム基材
4 貫通孔を有する水酸化アルミニウム皮膜
5 貫通孔
10 アルミニウム箔
14 アルミニウム酸化皮膜
16 親水化層
Claims (9)
- 貫通孔を有するアルミニウム箔であって、
前記アルミニウム箔の表面に厚み25nm以下のアルミニウム酸化皮膜を有し、さらに前記アルミニウム酸化皮膜の表面の少なくとも一部に親水化層を有し、
前記親水化層が、ケイ酸ナトリウム、および、ホスホン酸からなる群から選択される構造を少なくとも1つ有する化合物を含むアルミニウム箔。 - 前記アルミニウム酸化皮膜の密度が2.7〜4.1g/cm3である請求項1に記載のアルミニウム箔。
- 前記厚さ25nm以下のアルミ酸化皮膜が、酸化アルミニウム、酸化アルミニウム1水和物、および、酸化アルミニウム3水和物の少なくとも1つを含む請求項1または2に記載のアルミニウム箔。
- 前記アルミニウム酸化皮膜の厚みが、1nm〜15nmである請求項1〜3のいずれか一項に記載のアルミニウム箔。
- 前記貫通孔の平均開口径が1μm〜500μmである請求項1〜4のいずれか一項に記載のアルミニウム箔。
- 前記貫通孔の孔密度が1〜1000個/mm2である請求項1〜5のいずれか一項に記載のアルミニウム箔。
- 前記アルミニウム箔の厚みが5μm〜100μmである請求項1〜6のいずれか一項に記載のアルミニウム箔。
- 前記アルミニウム箔の両面に前記アルミニウム酸化皮膜を有し、さらに、両面の前記アルミニウム酸化皮膜それぞれの表面の少なくとも一部に親水化層を有する請求項1〜7のいずれか一項に記載のアルミニウム箔。
- 請求項1〜8のいずれか一項に記載のアルミニウム箔を用いた電極用アルミニウム部材。
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