專利名稱：二次電池集電體用金屬箔及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及適用于二次電池集電體的金屬箔及其制造方法，該集電體主要以鎳、銅、鐵、鋁及其合金等金屬為原材料。
背景技術：
近年來，隨著個人電腦和手提電話等電子儀器的急速普及，人們大量使用可充放電的電池，例如，鎳氫二次電池、鋰離子二次電池和鋰聚合物二次電池等。最近，這些電池也被用作電動汽車等的動力電源。
該二次電池的基本構造由(1)箔狀金屬集電體、(2)涂布有在集電體上可發(fā)生可逆性電化學反應的物質(zhì)的電極，即涂布有活性物質(zhì)的電極、(3)將正極及負極分離的隔層、(4)電解液及電池外殼構成。
在這樣的二次電池中，上述(1)的箔狀金屬集電體所需特性為可載持活性物質(zhì)。作為對該活性物質(zhì)的載持性的改良方法，一般已知的有如下方法在金屬箔上開有多個貫穿孔，利用金屬箔兩面所附著的活性物質(zhì)與活性物質(zhì)相互的粘合力來改善載持性(參考日本特許公開公報平11-323593號)。
如上所述，為適用于各種電子儀器，二次電池的大小和形狀可以是多種多樣的。尤其是在小型化便攜式電子儀器中，可以使用小型鈕扣狀二次電池。但開有多孔的金屬箔作為集電體的體積有所減少，所以集電能力降低。
對于上述(2)涂有活性物質(zhì)的電極，由下述方法制成將活性物質(zhì)涂布金屬箔的兩面后，將其加熱，干燥及焙燒，此后，經(jīng)過壓涂加工工序而制成。為此，在金屬箔上開有多個貫穿孔會導致強度降低，在上述工序中會有斷裂。為防止這樣的斷裂，就必須根據(jù)箔強度的降低情況來對制造設備進行相應的改進等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種即使不使用多孔金屬箔也能得到良好的活性物質(zhì)載持性的、不產(chǎn)生上述斷裂等問題的二次電池集電體用金屬箔及其制造方法。
本發(fā)明者對作為電極的、活性物質(zhì)載持性優(yōu)異的金屬箔進行了深入研究，結果發(fā)現(xiàn)下面所述方面能使金屬箔具有相應性能，而完成了本發(fā)明。
對于電極，可將活性物質(zhì)涂布在金屬箔上，干燥后，用軋輥等進行壓涂加工而制成。該壓涂工序中的金屬箔被活性物質(zhì)粒子擠壓而產(chǎn)生塑性變形，粒子嵌入，可使可載持力(附著力)提高；另外，壓涂工序中的金屬箔因許多粒子形成的凹凸而彎曲變形，包圍粒子，可使載持力提高；再者，壓涂工序中，要使金屬箔進行壓延，金屬箔必須被連續(xù)輸送，金屬箔也必須具有拉伸強度。
即，構成電極集電體的金屬箔的厚度要薄，要具有易變形的特性，同時必須具有一定強度。本發(fā)明者通過將金屬箔的厚度和材料特性控制在最適合程度來實現(xiàn)上述要求。
本發(fā)明的要旨為下述所示二次電池集電體用金屬箔及其制造方法。
二次電池集電體用金屬箔為電解析出法所形成的金屬箔，厚度(T)為8-40μm，并且設斷裂強度為S(MPa)、斷裂延伸率為ε(％)及楊氏模量為Y(MPa)時，要滿足下式4.9×108≤T×S×Y≤31×1084.5≤ε-(0.0005×T2)≤15上述的金屬箔最好為鎳箔，是通過將電解析出法所形成的金屬箔進行軟化退火而制成的。退火爐可以用連續(xù)式爐和間歇式爐。
具體實施例方式
本發(fā)明的二次電池集電體用金屬箔的厚度較薄、柔軟并且具有一定強度。
(1)金屬箔的厚度(T)為8-40μm若金屬箔厚度(T)超過40μm時，活性物質(zhì)的載持性變差，若要使金屬箔載有足夠的電池活性物質(zhì)，金屬箔的厚度(T)必須在40μm以下。但是，若金屬箔厚度(T)不滿8μm，作為電極時的電阻變大，是不合適作為電池的集電體的。另外，在制造金屬箔時，箔會在活性物質(zhì)的壓涂工序中斷裂。因此，將本發(fā)明的金屬箔厚度(T)定為8-40μm。
(2)4.9×108≤T×S×Y≤31×108金屬箔在壓延活性物質(zhì)以制成電極時，利用金屬壓延機之類的軋輥裝置給金屬箔施加拉力，在此狀態(tài)下進行輸送，而進行上下軋輥的壓涂加工。為此，就要求金屬箔具有高強度和高延伸率。但是，金屬材料在強度越高時，延伸率趨向于越低。
因此，本發(fā)明者就現(xiàn)有生產(chǎn)線上所存在的力學問題進行了詳細研究，結果發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)有的電極生產(chǎn)線上，因生產(chǎn)線的張力會使金屬箔斷裂，因塑性變形而產(chǎn)生平整度較差的問題。對于金屬箔的斷裂問題，若金屬箔的總抵抗力，即厚度T和斷裂強度S的積大于生產(chǎn)線張力時，即不發(fā)生斷裂。另外，楊氏模量越大，塑性變形越難。
本發(fā)明者由此發(fā)現(xiàn)，可用(T×S×Y)來將金屬箔的厚度T(μm)、斷裂強度S(MPa)及楊氏模量Y(MPa)和金屬箔的斷裂特性的關系進行歸納，具體地說，若滿足下式(A)的條件，金屬箔則不會斷裂，另外，楊氏模量Y為室溫下(25℃)的楊氏模量。
4.9×108≤T×S×Y≤31×108……(A)(3)4.5≤ε-(0.0005×T2)≤15要改善活性物質(zhì)的載持性，就需要這樣的效果，即利用壓涂工序中金屬箔的變形包圍活性物質(zhì)的效果。金屬箔的延伸率ε越大，其厚度T越薄，這種變形就越大。由此，本發(fā)明者以(ε-(0.0005×T2))來將斷裂延伸率ε(％)及金屬箔的厚度T(μm)和活性物質(zhì)的載持性的關系進行了總結。具體地說發(fā)現(xiàn)了若滿足下式(B)，就可以高效地在壓涂工序中載持活性物質(zhì)。
4.5≤ε-(0.0005×T2)≤15……(B)若滿足上述(1)、(2)及(3)所示各特性的話，無論金屬箔的材質(zhì)是鎳、銅、鐵及其合金中的任一種，都可以。另外，也可以將這些金屬層壓。本發(fā)明雖然可利用電解析出法來制成金屬箔，但最好在利用電解析出法來形成金屬箔后，將其軟化退火。
經(jīng)電解析出法形成金屬箔后，金屬箔晶體較為細小，斷裂延伸率較小。若將其軟化退火的話，就可將晶體粒徑進行調(diào)整，從而對斷裂延伸率和斷裂強度等物理性質(zhì)進行調(diào)整。雖未對軟化退火條件進行特別限制，但可以這樣進行軟化退火例如，以10℃/分以下的升溫速度將金屬箔加熱到500-900℃，在此溫度下，進行10秒鐘以下的均熱后，以10℃/分以下的冷卻速度將其慢慢冷卻。
實施例在本例中，采用轉(zhuǎn)筒式電解析出裝置來制成表1所示的金屬箔。
表1

另外，表1所示的各金屬箔的楊氏模量Y采用室溫下(25℃)的楊氏模量值。另外，此時的電解液及電解條件如下述。
(1)鎳金屬箔電解液硫酸鎳250g/l氯化鎳45g/l硼酸 40g/lpH3.5溫度 50℃電流密度 80A/dm2(2)鐵箔電解液硫酸亞鐵250g/l硫酸銨 45g/lpH 2.2溫度50℃電流密度10A/dm2(3)銅箔電解液硫酸銅 200g/l硫酸50g/l溫度35℃電流密度40A/dm2所得金屬箔的退火為利用氫還原爐(10％H2+N2)，以10℃/分的材料升溫速度、以表1所示材料溫度進行10秒鐘保溫時間的加熱，此后，用N2氣體慢慢進行冷卻以進行退火。這模擬了連續(xù)式退火爐的退火條件。
利用如下所述試驗來對活性物質(zhì)的載持性進行評價。
將活性物質(zhì)涂布在寬為50mm、長為150mm的長方形金屬箔的兩面，加熱、壓涂，制成電極。活性物質(zhì)的涂布指的是進行總厚度(涂布在金屬箔兩面的活性物質(zhì)厚度的總量)為干燥狀態(tài)500μm的活性物質(zhì)的涂布。
將該電極卷繞在直徑為1mm的不銹鋼制金屬絲上，打開該卷繞。利用電子秤測定活性物質(zhì)的脫落量(剝離量)。這些試驗結果表示在表1中。
評價標準是將活性物質(zhì)剝離量在0-0.5％以下定為◎，超過0.5％但在1.0％以下定為○，超過1.0％但在3.0％以下的定為△，超過3.0％的定為×。
從表1可知因發(fā)明例1號-23號的金屬箔的斷裂強度(S)為150-530MPa、斷裂延伸率(ε)為5.5-15.0(％)、25℃的楊氏模量(Y)為136000-205000MPa，并且(T×S×Y)為5.4×108-30.9×108、ε-(0.0005×T2)為5.5-14.8，所以它們的活性物質(zhì)的載持性都好。
而比較例24號Ni箔因在820℃下進行過退火，所以斷裂延伸率(ε)增大為16.0％，ε-(0.0005×T2)增到16.0，活性物質(zhì)的載持性變差。
25號Ni箔在470℃下進行過退火，所以斷裂延伸率(ε)減小到4.6％，而ε-(0.0005×T2)減小到4.4，因此，活性物質(zhì)的載持性較差。
26號Ni箔在820℃進行過退火，所以斷裂延伸率(ε)增大為16.2％，ε-(0.0005×T2)增大到16.0，由此活性物質(zhì)的載持性較差。
27號Ni箔沒進行過退火，所以斷裂強度增到700MPa，斷裂延伸率(ε)減到2.1％、(T×S×Y)增到43.1×108、ε-(0.0005×T2)減小到1.7，由此活性物質(zhì)的載持性較差。
28號Ni箔厚度增厚到42μm，(T×S×Y)就增到31.4×108，活性物質(zhì)的載持性較差。
29號Ni箔厚度增厚到50μm，(T×S×Y)就增到36.9×108，活性物質(zhì)的載持性較差。
30號Fe箔在450℃進行過退火，所以斷裂延伸率(ε)減小為3.1％，ε-(0.0005×T2)減小為2.7，活性物質(zhì)的載持性較差。
31號Cu箔在450℃進行過退火，所以斷裂延伸率(ε)減小為4.4％，ε-(0.0005×T2)減小到4.0，活性物質(zhì)的載持性較差。
產(chǎn)業(yè)上應用的可能性本發(fā)明的金屬箔，因?qū)⑵浜穸取嗔褟姸?、斷裂延伸率及楊氏模量?guī)定在較好的關系范圍，所以在電極制造過程中，不發(fā)生斷裂，且活性物質(zhì)的載持性和導電性都優(yōu)異。利用這樣的金屬箔作為二次電池集電體的材料時，就能將電池的性能提高。
權利要求
1.二次電池集電體用金屬箔，它是經(jīng)電解析出法所形成的金屬箔，其特征在于，厚度(T)為8-40μm，并且設斷裂強度為S(MPa)、斷裂延伸率為ε(％)及楊氏模量為Y(MPa)時，滿足下式4.9×108≤T×S×Y≤31×1084.5≤ε-(0.0005×T2)≤15。
2.根據(jù)權利要求1所述的二次電池集電體用金屬箔，其特征在于，金屬箔為鎳箔。
3.權利要求1或2所述的二次電池集電體用金屬箔的制造方法，其特征在于，將電解析出法所形成的金屬箔進行軟化退火。
全文摘要
本發(fā)明的金屬箔為二次電池集電體用金屬箔，厚度(T)為8－40μm，設斷裂強度為S(MPa)、斷裂延伸率為ε(％)、楊氏模量為Y(MPa)時，它滿足下式4.9×10
文檔編號H01M4/64GK1554129SQ0280453
公開日2004年12月8日 申請日期2002年9月12日 優(yōu)先權日2002年6月20日
發(fā)明者瀨戶宏久, 玉置忠之, 鹽田俊明, 能見亮一, 福井國博, 木本雅也, 一, 之, 也, 博, 明 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社