JP2012059418A - 二次電池用集電体 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】導電性を有する樹脂層と、前記樹脂層の表面に配置されるイオン遮断層と、を含む二次電池用集電体であって、前記イオン遮断層は扁平状の導電性フィラーを含み、前記扁平状の導電性フィラーの長辺方向が前記樹脂層の面方向に配置される、二次電池用集電体である。
【選択図】なし
Description
集電体は、正極活物質層が形成される一方の面から、負極活物質層が形成される他方の面へと電子の移動を媒介する機能を有する。本実施形態に係る集電体は、導電性を有する樹脂層(以下、単に「樹脂層」とも称する)と、前記導電性を有する樹脂層の表面に配置されるイオン遮断層と、を含む。
導電性を有する樹脂層は、電子移動媒体としての機能を有することは勿論のこと、集電体の軽量化に寄与しうる。該樹脂層は、高分子材料からなる基材、ならびに必要により導電性フィラーおよびその他の部材を含みうる。
料にも十分な導電性を付与することができる。
イオン遮断層3は、電解質中のイオンまたは溶媒の透過を抑制する性質を有する材料からなる。ここで、溶媒の透過について言及するのは、イオンの移動は電解質中の溶媒を媒体として起こるために、溶媒の透過を抑制することによって、間接的にイオンの透過を抑制することができるからである。
導電性を有する樹脂層の表面に、扁平状の導電性フィラーを、その長辺方向が樹脂層の面方向に配置されたイオン遮断層を積層して集電体を作製する方法は、特に制限されない。既存の樹脂薄膜や金属薄膜の成膜技術や積層、貼合わせ技術などを適宜組み合わせて利用することができる。
上記集電体は、積層型(内部並列接続タイプ)電池および双極型(内部直列接続タイプ)電池のいずれにも適用しうるものである。ここで、積層型電池では、バインダなどを用いて正極活物質または負極活物質等を正極用集電体または負極用集電体にそれぞれ塗布して電極(正極または負極)を構成する。双極型電池の場合には、集電体の一方の面に正極活物質等を塗布して正極活物質層を、反対側の面に負極活物質等を塗布して負極活物質層を積層して双極型電極を構成する。ここで、双極型電池においては、負極側で発生した電荷は集電体の反対側の正極に直接供給されるため、電流は集電体の面直方向(厚さ方向)に流れるが、面方向(平面方向)の流れは必要としない。したがって、本実施形態の集電体は双極型電極に用いられることが好ましい。
[正極活物質層]
正極活物質層13は正極活物質を含む。正極活物質は、放電時にイオンを吸蔵し、充電時にイオンを放出する組成を有する。好ましい一例としては、遷移金属とリチウムとの複合酸化物であるリチウム−遷移金属複合酸化物が挙げられる。具体的には、LiCoO2などのLi・Co系複合酸化物、LiNiO2などのLi・Ni系複合酸化物、スピネルLiMn2O4などのLi・Mn系複合酸化物、LiFeO2などのLi・Fe系複合酸化物およびこれらの遷移金属の一部を他の元素により置換したものなどが使用できる。これらリチウム−遷移金属複合酸化物は、反応性、サイクル特性に優れ、低コストな材料である。そのためこれらの材料を電極に用いることにより、出力特性に優れた電池を形成することが可能である。この他、前記正極活物質としては、LiFePO4などの遷移金属とリチウムのリン酸化合物や硫酸化合物;V2O5、MnO2、TiS2、MoS2、MoO3などの遷移金属酸化物や硫化物;PbO2、AgO、NiOOHなど、を用いることもできる。上記正極活物質は、単独で使用されてもあるいは2種以上の混合物の形態で使用されてもよい。
負極活物質層15は負極活物質を含む。負極活物質は、放電時にイオンを放出し、充電時にイオンを吸蔵できる組成を有する。負極活物質は、リチウムを可逆的に吸蔵および放出できるものであれば特に制限されないが、負極活物質の例としては、SiやSnなどの金属、あるいはTiO、Ti2O3、TiO2、もしくはSiO2、SiO、SnO2などの金属酸化物、Li4/3Ti5/3O4もしくはLi7MnNなどのリチウムと遷移金属との複合酸化物、Li−Pb系合金、Li−Al系合金、Li、または天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック、活性炭、カーボンファイバー、コークス、ソフトカーボン、もしくはハードカーボンなどの炭素材料などが好ましく挙げられる。また、負極活物質は、リチウムと合金化する元素を含むことが好ましい。リチウムと合金化する元素を用いることにより、従来の炭素系材料に比べて高いエネルギー密度を有する高容量および優れた出力特性の電池を得ることが可能となる。上記負極活物質は、単独で使用されてもあるいは2種以上の混合物の形態で使用されてもよい。
図5は、本発明の一実施形態である双極型二次電池の全体構造を模式的に表した断面図である。図5に示す本実施形態の双極型二次電池10は、実際に充放電反応が進行する略矩形の発電要素21が、電池外装材であるラミネートフィルム29の内部に封止された構造を有する。
電解質層を構成する電解質に特に制限はなく、液体電解質、ならびに高分子ゲル電解質および高分子固体電解質等のポリマー電解質を適宜用いることができる。
シール部(絶縁層)は、集電体同士の接触や単電池層の端部における短絡を防止する機能を有する。シール部を構成する材料としては、絶縁性、固体電解質の脱落に対するシール性や外部からの水分の透湿に対するシール性(密封性)、電池動作温度下での耐熱性等を有するものであればよい。例えば、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリイミド樹脂、ゴム等が用いられうる。なかでも、耐蝕性、耐薬品性、作り易さ(製膜性)、経済性等の観点から、ポリエチレン樹脂やポリプロピレン樹脂が、絶縁層の構成材料として好ましく用いられる。
電池外装材としては、従来公知の金属缶ケースを用いることができるほか、発電要素を覆うことができる、アルミニウムを含むラミネートフィルムを用いた袋状のケースが用いられうる。該ラミネートフィルムには、例えば、ポリプロピレン、アルミニウム、ナイロンをこの順に積層してなる3層構造のラミネートフィルム等を用いることができるが、これらに何ら制限されるものではない。本形態では、高出力化や冷却性能に優れ、EV、HEV用等の大型機器用電池に好適に利用することができるラミネートフィルムが望ましい。
高分子材料であるポリイミド(PI)100質量%に対して、導電性フィラーであるケッチェンブラック(平均一次粒子径:35nm)5質量%を分散させた、厚さ50μmのフィルム状の樹脂層を溶融キャスト法を用いて作製した。
樹脂層の両面にイオン遮断層を作製したことを除いては、上述した実施例1と同様の手法により電池を作製した。
長辺の平均長さ:50nm、短編の平均長さ:5nm、平均アスペクト比:10の扁平状窒化チタン粒子を用いたことを除いては、上述した実施例1と同様の手法により集電体を作製した。
扁平状窒化チタン粒子(長辺の平均長さ:600nm、短辺の平均長さ:2nm、平均アスペクト比:300)と、バインダであるポリフッ化ビニリデン(PVDF)とを質量比9:1で混合した。さらに溶媒であるN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を固形分が75質量%となるように加えて溶解させた。その後、導電性樹脂フィルムの片面に厚さ3μmで塗工してイオン遮断層を作製したことを除いては、上述した実施例1と同様の手法により集電体を作製した。
扁平状窒化チタン粒子(長辺の平均長さ:100nm、短辺の平均長さ:2nm、平均アスペクト比:50)と、等方状窒化チタン粒子(日本金属株式会社製、平均粒子径:0.7〜0.84nm、平均アスペクト比:1.2)と、PVDFとを混合して用いた。混合比(質量比)は、8:1:1(扁平状窒化チタン粒子:等方状窒化チタン粒子:PVDF)であった。その他の条件は上述した実施例4と同様の手法により集電体を作製した。
扁平状窒化チタン粒子(長辺の平均長さ:100nm、短辺の平均長さ:2nm、平均アスペクト比:50)と、等方状窒化チタン粒子(平均粒子径:0.7〜0.84nm、平均アスペクト比:1.2)と、PVDFとを質量比3:6:1で混合した。その他の条件は上述した実施例4と同様の手法により集電体を作製した。
扁平状の導電性フィラーとして、長辺の平均長さ:50nm、短辺の平均長さ:5nm、平均アスペクト比:10の扁平状窒化クロム(Cr2N)粒子を用いたことを除いては、上述した実施例1と同様の手法により集電体を作製した。上記の扁平状窒化クロム粒子は、等方状の粒子を一度ガラス基板にスパッタして剥がし、粉砕機でサイズを調節して用いた。
イオン遮断層を設けず、上記の樹脂層のみを集電体として用いた。
平均粒子径:0.7〜0.84nm、平均アスペクト比:1.2の等方状窒化チタン(TiN)粒子を、樹脂層の片面にスパッタ法で厚さ30nmで成膜し、イオン遮断層を積層したことを除いては、上述した実施例1と同様の手法により電池を作製した。
正極活物質としてLiNi2O4 85質量%、導電助剤としてアセチレンブラック5質量%、バインダとしてPVDF10質量%、およびスラリー粘度調整溶媒としてNMP適量を混合し、正極活物質スラリーを調製した。
上記の方法で作製した電池について、25℃の雰囲気下、0.1C(8mA)の充電後ガス抜きを行い、1Cにて容量確認を実施し、その後、45℃で、1Cでサイクル評価した。具体的には、これらの電池を1C(80mA)の電流で4.2Vまで定電流(CC)充電し、その後定電圧(CV)充電して合計で2.5時間充電し、2.5Vまで定電流(CC)放電するサイクルを30サイクルまで実施した。ガス抜き後一回目の放電容量に対する30サイクル目の放電容量の百分率(%)を容量維持率とした。結果を表1に示す。
実施例1〜7および比較例1、2で作製した集電体の両面に銀ペーストを塗り、乾燥させて評価試料を作製した。試料を20mm径にカットし、20mm径の金箔(厚さ:100μm)に挟み込み、抵抗測定装置(アルバック理工社製 TER−2000SS)を用い、膜厚方向へ4端子(電流および電圧プローブは別)を当て一定法にて測定した。測定圧力は0.1〜3.0MPaであり、測定温度は室温であった。結果を表1に示す。
3 イオン遮断層、
4 扁平状の導電性フィラー(第1の導電性フィラー)、
5 等方状または針状の導電性フィラー(第2の導電性フィラー)、
6 バインダ、
10 双極型二次電池、
11 集電体、
11a 正極側の最外層集電体、
11b 負極側の最外層集電体、
13 正極活物質層、
15 負極活物質層、
17 電解質層、
19 単電池層、
21 発電要素、
23 双極型電極、
25 正極集電板、
27 負極集電板、
29 ラミネートフィルム、
31 シール部。
Claims (6)
- 導電性を有する樹脂層と、
前記樹脂層の表面に配置されるイオン遮断層と、を含む二次電池用集電体であって、
前記イオン遮断層は扁平状の導電性フィラーを含み、前記扁平状の導電性フィラーの長辺方向が前記樹脂層の面方向に配置される、二次電池用集電体。 - 前記イオン遮断層は、等方状または針状の導電性フィラーをさらに含む、請求項1に記載の二次電池用集電体。
- 前記イオン遮断層は、バインダをさらに含む、請求項1または2に記載の二次電池用集電体。
- 前記扁平状の導電性フィラーおよび/または前記等方状または針状の導電性フィラー(含まれる場合)は、金属、合金、金属炭化物、金属窒化物、金属酸化物、金属ホウ化物、金属硫化物、ダイヤモンドライクカーボン、グラッシーカーボン、およびセラミックスからなる群から選択される少なくとも1種である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の二次電池用集電体。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載の二次電池用集電体と、
前記二次電池用集電体の一方の面に形成されてなる正極活物質層と、
前記二次電池用集電体の他方の面に形成されてなる負極活物質層と、を含む双極型電極であって、
前記二次電池用集電体の前記イオン遮断層が、前記導電性を有する樹脂層の負極活物質層側の表面に配置される、双極型電極。 - 請求項5に記載の双極型電極を含む、双極型電池。
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