電池用銅箔について、主に今後の開発の方向性や銅箔の製造プロセスについて詳しく説明します。
リチウムイオン電池では、正極と負極の活物質を基板上にコーティングして極片を形成し、それを巻くか積み重ねて電池コアを形成します。 ここで使用される基材は主に銅箔やアルミ箔などです。 現在のリチウム電池の正極はアルミニウム箔、負極は銅箔です。 これは、電位の高い正極では銅が酸化しやすく、アルミニウム箔の表面が緻密な層となるためです。 酸化層は高電位時に内部のアルミニウムを保護します。 この記事では主に負極によく使われる銅箔について説明します。
銅は機械的強度が高く、導電性に優れています。 地殻中のその含有量は約0.01%です。 自然界にはほとんどが銅鉱石の形で存在します。 銅箔はその製造方法の違いにより電解銅と圧延銅に分けられます。 圧延銅は延性に優れ、製造上の技術的難易度が高い。 製造には多くの工程が必要であり、コストも高くつきます。 国内企業は少ない。 この方法を使用して生産性を向上させている企業には、米国のオーリン ブラス社、日本の新日本鉱業などが含まれます。
現在、電池セル工場で使用される銅箔のほとんどは電解法で製造されています。 1922年、エジソンは連続電解銅箔の製造方法を発明し、特許を申請しました。 硫酸銅電解液に浸した連続回転金属ローラーを陰極として、不溶性金属を陽極として使用しました。 この方法の誕生が電気銅産業の始まりとなりました。 始めましょう。 1937年、米国のアナコンデ銅工場はエジソンの特許を生産実践し、電解銅箔の生産に成功した。 電解銅箔の開発の歴史を振り返ると、常にプリント基板のトレンドを追いかけてきました。 家庭用電化製品におけるリチウムイオン電池の大規模な応用に伴い、電解銅箔は負極として新たな分野に導入されました。 集電体は、導電性が高く、耐潰れ性があり、低コストであるため、急速に普及し、大規模に応用されています。 現在、新エネルギー自動車、5G、エネルギー貯蔵の大規模な推進と応用により、電解銅箔の需要は新たな爆発を見せています。
安全性やサイクル性能などを確保しながら、バッテリーコアの体積エネルギー密度を可能な限り高めるために、バッテリーセルの設計者は、限られたバッテリーコアシェルにさらに多くの活物質を詰め込む必要があります。 私は、負極集電銅箔は今後次の方向に発展する可能性があると考えています。
1. 超薄銅箔: この傾向は現在、8um から 6um、そして現在は 4.5um へと明らかであり、一部のメーカーが少量ずつ導入しています。 おそらく将来的には4um以下の銅箔が量産化されることになるでしょう。 この機能も明らかであり、バッテリーコアの体積と質量エネルギー密度を可能な限り増加させることですが、これにより、銅箔の製造とバッテリーコアのコーティング制御に対するより高い要件が要求されます。 結局のところ、銅箔が薄いほど、コーティングプロセス中にストリップが破損するリスクも高くなります。
2. 穴あき銅箔: つまり、化学的腐食によって銅箔の表面に微細孔が形成され、基板の重量が軽減され、バッテリーコアの質量エネルギー密度が増加します。 細孔径の制御やエッチャントの種類の最適化が必要です。 1つは、細孔径が大きすぎて片面コーティングスラリーの維持が困難になるのを防ぐためであり、もう1つは、循環、ガス生成などの電池コアの性能に対する残留エッチング液の影響を評価することです。 、など。
3 銅箔の溶射：プラスチック基板への両面銅メッキに相当します。 これにより、集電体の電子伝導機能が維持されるだけでなく、基板の重量が軽減され、バッテリーコアの質量エネルギー密度が向上します。 ただし、製造プロセス中に、コールドプレスやタブ溶接などのプロセスの課題に直面する場合があります。
新エネルギー車の普及率が高まる中、既存の銅箔生産能力では不足が深刻化しており、需要と供給の間に一定のギャップが生じています。 銅箔業界は、電源電池市場の需要を満たすために、将来的に生産を徐々に拡大すると予想されます。
電解銅箔の製造は、主に銅の溶解、生箔、表面処理の3つの工程に分かれます。 銅の溶解工程は、銅溶解槽内で銅原料と硫酸を混合し、反応させて硫酸銅溶液を生成します。 化学反応式は次のとおりです。
Cu+O2→CuO
CuO+H2SO4→CuSO4+H2O
銅溶解工程では、銅箔表面に斑点状の汚れが残らないように、環境中の塵埃や原料液中の異物の管理に注意する必要があります。 この状況は、コーティング中にダイヘッドに引っかかり、ストリップの破損を引き起こす可能性があります。 したがって、このステップにろ過ステップを追加して、溶液中の不純物を完全にろ過する必要があります。
銅の溶解工程で得られるCuSO4溶液を電解液として使用し、大径チタンローラーを陰極として、円弧状の鉛合金板を陽極として使用します。 電気化学プロセスパラメータを制御することにより、溶液中の銅イオンが陰極で沈殿し、連続的な銅層を形成します。 陰極ローラーの連続回転により、次の図に示すように、蒸着された銅箔が連続的にロール状に剥がされ、生箔が得られます。
銅箔にはザラザラした面と滑らかな面があります。 滑らかな面は陰極ローラーと接触し、粗い面は電解液と直接接触します。 SEM写真は次のとおりです。
銅は酸化しやすいため、保管や輸送を容易にするために、生箔を取得した後、粗面化してバリア層と酸化防止層をメッキする必要があります。 具体的なプロセス図は次のとおりです。
基材となる銅箔やアルミ箔は、セルの機種やメーカーごとの巻取りや積層などの製造プロセスの違いにより、メーカーごとに共通の幅を持たせることが難しく、企業に合わせてカットする必要があるスリット工程中。 特定の幅が必要です。
