JP2013242973A - リチウムイオン二次電池用負極集電銅箔、リチウムイオン二次電池用負極、及びリチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 少なくとも片面に負極活物質層が形成されてリチウムイオン二次電池用負極に組み込まれるリチウムイオン二次電池用負極集電銅箔であって、リチウムイオン二次電池用負極に組み込まれるときには、負極活物質層が少なくとも片面側に形成され、負極活物質層の体積変化による塑性変形を抑制する塑性変形抑制層と、塑性変形抑制層および負極活物質層の間に配置され、負極活物質層の体積変化による応力を緩和する応力緩和層と、を備えることとなる。
【選択図】図1
Description
り、結着剤に対する熱処理の後でも銅箔の軟化による引張強さの低下を抑制し、充放電サイクルの向上を図ることができるとある。
少なくとも片面に負極活物質層が形成されてリチウムイオン二次電池用負極に組み込まれるリチウムイオン二次電池用負極集電銅箔であって、
前記リチウムイオン二次電池用負極に組み込まれるときには、
前記負極活物質層が少なくとも片面側に形成され、前記負極活物質層の体積変化による塑性変形を抑制する塑性変形抑制層と、
前記塑性変形抑制層および前記負極活物質層の間に配置され、前記負極活物質層の体積変化による応力を緩和する応力緩和層と、を備えることとなる
リチウムイオン二次電池用負極集電銅箔が提供される。
少なくとも片面に負極活物質層が形成されてリチウムイオン二次電池用負極に組み込まれるリチウムイオン二次電池用負極集電銅箔であって、
前記リチウムイオン二次電池用負極に組み込まれるときには、
前記負極活物質層が少なくとも片面側に形成され、平均粒径が小さく微細な結晶粒を持つ結晶組織を含む小粒結晶組織層と、
前記小粒結晶組織層および前記負極活物質層の間に配置され、前記小粒結晶組織層の結晶粒より平均粒径が大きな結晶粒を持つ結晶組織を含む大粒結晶組織層と、を備えることとなる
リチウムイオン二次電池用負極集電銅箔が提供される。
少なくとも片面に負極活物質層が形成されてリチウムイオン二次電池用負極に組み込まれるリチウムイオン二次電池用負極集電銅箔であって、
前記リチウムイオン二次電池用負極に組み込まれるときには、
前記負極活物質層が少なくとも片面側に形成され、圧延加工により生成した圧延組織を含む圧延組織層と、
前記圧延組織層および前記負極活物質層の間に配置され、前記負極活物質層を形成するときの熱処理により生成される再結晶組織を含む再結晶組織層と、を備えることとなる
リチウムイオン二次電池用負極集電銅箔が提供される。
前記塑性変形抑制層および前記応力緩和層にはそれぞれ異なる結晶組織が含まれ、
前記塑性変形抑制層の結晶組織中に含有される結晶粒の平均粒径より、前記塑性変形抑制層の結晶組織とは異なる前記応力緩和層の結晶組織中に含有される結晶粒の平均粒径が大きい
第1の態様に記載のリチウムイオン二次電池用負極集電銅箔が提供される。
前記塑性変形抑制層に含まれる結晶組織は、圧延加工により生成した圧延組織であり、
前記応力緩和層に含まれ、前記圧延組織とは異なる結晶組織は、前記負極活物質層を形成するときの熱処理により生成されることとなる再結晶組織である
第4の態様に記載のリチウムイオン二次電池用負極集電銅箔が提供される。
前記リチウムイオン二次電池用負極に組み込まれるときには、
矩形状に形成されており、
前記矩形状の一辺に平行な断面と、前記断面に直交する断面と、の少なくともいずれかにおいて、
前記所定の断面全体に対して前記再結晶組織が占める領域の面積比率が5%超90%未満である
第3又は第5の態様に記載のリチウムイオン二次電池用負極集電銅箔が提供される。
無酸素銅を主成分とする
第1〜第6の態様のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池用負極集電銅箔が提供される。
0.01質量%以上0.20質量%以下のZrを含有する
第1〜第7の態様のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池用負極集電銅箔が提供される。
第1〜第8の態様のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池用負極集電銅箔が組み込まれ、
前記リチウムイオン二次電池用負極集電銅箔の少なくとも片面に形成され、Si又はSnの少なくともいずれかを含む前記負極活物質層と、
前記リチウムイオン二次電池用負極集電銅箔に接続されたタブリードと、を備える
リチウムイオン二次電池用負極が提供される。
第9の態様に記載のリチウムイオン二次電池用負極と、
リチウムイオン二次電池用正極と、
前記リチウムイオン二次電池用負極及び前記リチウムイオン二次電池用正極の間に挿入されたセパレータと、
前記セパレータが間に挿入された前記リチウムイオン二次電池用負極及び前記リチウムイオン二次電池用正極が収容され、電解液が封入された容器と、を備える
リチウムイオン二次電池が提供される。
上述のように、リチウムイオン二次電池用負極集電銅箔の少なくとも片面には負極活物質層が形成される。負極活物質層の形成時には、例えば400℃で10時間程度の熱処理が施される。このとき、負極集電銅箔が軟化して塑性変形し易くなってしまう。塑性変形した負極集電銅箔は、もはや負極活物質層の収縮に追従できず、負極活物質層の剥離や脱落を招く。そこで、例えば高耐熱性、高耐力の圧延銅箔を負極集電銅箔に用いることが考えられる。
、負極活物質層の体積変化による応力を緩和する層である。これにより、負極集電銅箔が上述の優れた効果を発揮する。
(1)リチウムイオン二次電池の概略構成
まずは、本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池の概略構成について、図3及び図4を参照しながら説明する。図3は、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用負極1の平面図である。図4は、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池50の斜視断面図である。
次に、本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池用負極集電銅箔10、つまり、負極1に組み込まれて所定の層構造となる前の集電銅箔10について説明する。本実施形態において、負極集電銅箔10が備えることとなる所定の層構造は、圧延加工により生成した圧延組織と、負極活物質層11を形成するときの熱処理により生成される再結晶組織とであることとする。
の両面側に再結晶組織層10rが形成される例を示している。
次に、図2を参照しながら、リチウムイオン二次電池用負極集電銅箔10の製造方法、つまり、負極1に組み込まれて所定の層構造となる前の集電銅箔10の製造方法について説明する。図2は、本実施形態に係る負極集電銅箔10の製造工程を示すフロー図である。
図2に示すように、まずは、原材料となる銅合金材としてのインゴット(鋳塊)を用意する。係るインゴットは、銅材として例えば無酸素銅を用い、例えば0.01質量%以上0.20質量%以下のジルコニウム(Zr)を添加し、これらを溶解して鋳造したものである。或いは、Zrに加えて、例えば上述の所定濃度の範囲内でFe,Sn,Zn,Ni
,Al,Si,Cr等の添加材が適宜添加されることもある。
次に、上述のインゴットに対し、熱間圧延加工を施して板材を形成する。なお、熱間圧延工程S20に先んじて、鋳造組織中に生じている偏析を均質化する加熱処理を行っておくことが望ましい。
続いて、熱間圧延加工を施した板材に対し、冷間圧延工程S31と焼鈍工程S32とを複数回繰り返す繰返し工程S30を行う。
次に、繰り返し工程S30を施された生地に、最終冷間圧延工程S40を施して、所定の厚さ、例えば20μm以下の圧延銅箔とする。このとき、加工度を例えば82%以上90%以下として、生地中の結晶粒を微細化させ、また、加工歪みを充分に蓄積させて、高耐力の圧延組織を充分に発達させる。
面付近にのみ生成される現象が発現し易く、圧延組織層と再結晶組織層とを備える上述の構成が得られ易い。
次に、図3に示す構成を備えるリチウムイオン二次電池用負極1の製造方法について説明する。係る製造方法を行うことで、負極集電銅箔10は、負極1に組み込まれて所定の層構造を備えることとなる。
まずは、負極集電銅箔10にスラリーを塗布して圧着する方法について説明する。係る工程は、例えばコイル・ツー・コイル方式の連続ラインにより、負極集電銅箔10にスラリーを塗布するアプリケータ等の装置を用いて行う。
次に、例えば赤外線加熱炉等を用い、スラリーが圧着された負極集電銅箔10に対し、結着剤成分の熱可塑性領域の温度以上となる高温で、かつ長時間の熱処理を施す。具体的には、350℃以上450℃以下での熱処理を1時間以上16時間以下施す。また、このとき、例えば真空中(減圧下)、窒素(N2)ガスあるいはアルゴン(Ar)ガス等の非酸化雰囲気中で熱処理を行う。これにより、例えばイミド系樹脂等の前駆体からなる結着剤成分は、負極活物質粒子の凹凸内へと入り込みつつイミド化反応が進行して固化する。これにより、負極集電銅箔10の片面または両面に、負極活物質、及びイミド化されたポリイミド樹脂等の結着剤を含む負極活物質層11が形成される。
、圧延組織層の片面側にのみ再結晶組織層が生成されていても、負極活物質層11の体積変化による応力を緩和する所定の効果は得られる。
次に、図3を参照しながら、負極集電銅箔10にタブリード12を接続する方法について説明する。
次に、図4を参照しながら、リチウムイオン二次電池50の製造方法について説明する。
本実施形態によれば、以下に示す1つ又は複数の効果を奏する。
抑制することができる。また、負極集電銅箔10が延伸したり波打ったりして、リチウムイオン二次電池50内で内部短絡が発生してしまうことを抑制できる。
まずは、以下に述べる手順に従い、実施例1〜3及び比較例1〜3に係る負極集電銅箔を製作した。
次に、これらの負極集電銅箔に対して種々の測定を行った。
の円形に打ち抜いた。この円形の負極集電銅箔を負極とし、金属Li板を正極として、セルガード株式会社製のセパレータを介して単極セルを組み立てた。セルは、宝泉株式会社製のHSセルを用いた。電解液は、富山薬品工業株式会社製の電解液LIPASTE−EDMC/PF1を用いた。組立作業は、Arガス雰囲気のグローブボックス中で行った。上述と同様の充放電条件で、100サイクルのサイクル試験を実施し、放電容量維持率を測定した。また、試験後のセルを解体し、電極形状を目視観察した。
熱処理後の実施例1〜3及び比較例1に係る負極集電銅箔の圧延方向と垂直な断面の反射電子像を、図5(a)〜(d)にそれぞれ示す。また、熱処理後の比較例2,3に係る負極集電銅箔の圧延方向と垂直な断面の反射電子像を、図6(a),(b)にそれぞれ示す。
2 リチウムイオン二次電池用正極
3 セパレータ
4 捲回体
5 電池外挿缶(容器)
6 溝
7 ガスケット
8 キャップ
8t 端子
10 リチウムイオン二次電池用負極集電銅箔
11 負極活物質層
12,22 タブリード
50 リチウムイオン二次電池
Claims (10)
- 少なくとも片面に負極活物質層が形成されてリチウムイオン二次電池用負極に組み込まれるリチウムイオン二次電池用負極集電銅箔であって、
前記リチウムイオン二次電池用負極に組み込まれるときには、
前記負極活物質層が少なくとも片面側に形成され、前記負極活物質層の体積変化による塑性変形を抑制する塑性変形抑制層と、
前記塑性変形抑制層および前記負極活物質層の間に配置され、前記負極活物質層の体積変化による応力を緩和する応力緩和層と、を備えることとなる
ことを特徴とするリチウムイオン二次電池用負極集電銅箔。 - 少なくとも片面に負極活物質層が形成されてリチウムイオン二次電池用負極に組み込まれるリチウムイオン二次電池用負極集電銅箔であって、
前記リチウムイオン二次電池用負極に組み込まれるときには、
前記負極活物質層が少なくとも片面側に形成され、平均粒径が小さく微細な結晶粒を持つ結晶組織を含む小粒結晶組織層と、
前記小粒結晶組織層および前記負極活物質層の間に配置され、前記小粒結晶組織層の結晶粒より平均粒径が大きな結晶粒を持つ結晶組織を含む大粒結晶組織層と、を備えることとなる
ことを特徴とするリチウムイオン二次電池用負極集電銅箔。 - 少なくとも片面に負極活物質層が形成されてリチウムイオン二次電池用負極に組み込まれるリチウムイオン二次電池用負極集電銅箔であって、
前記リチウムイオン二次電池用負極に組み込まれるときには、
前記負極活物質層が少なくとも片面側に形成され、圧延加工により生成した圧延組織を含む圧延組織層と、
前記圧延組織層および前記負極活物質層の間に配置され、前記負極活物質層を形成するときの熱処理により生成される再結晶組織を含む再結晶組織層と、を備えることとなる
ことを特徴とするリチウムイオン二次電池用負極集電銅箔。 - 前記塑性変形抑制層および前記応力緩和層にはそれぞれ異なる結晶組織が含まれ、
前記塑性変形抑制層の結晶組織中に含有される結晶粒の平均粒径より、前記塑性変形抑制層の結晶組織とは異なる前記応力緩和層の結晶組織中に含有される結晶粒の平均粒径が大きい
ことを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用負極集電銅箔。 - 前記塑性変形抑制層に含まれる結晶組織は、圧延加工により生成した圧延組織であり、
前記応力緩和層に含まれ、前記圧延組織とは異なる結晶組織は、前記負極活物質層を形成するときの熱処理により生成されることとなる再結晶組織である
ことを特徴とする請求項4に記載のリチウムイオン二次電池用負極集電銅箔。 - 前記リチウムイオン二次電池用負極に組み込まれるときには、
矩形状に形成されており、
前記矩形状の一辺に平行な断面と、前記断面に直交する断面と、の少なくともいずれかにおいて、
前記所定の断面全体に対して前記再結晶組織が占める領域の面積比率が5%超90%未満である
ことを特徴とする請求項3又は5に記載のリチウムイオン二次電池用負極集電銅箔。 - 無酸素銅を主成分とする
ことを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池用負極集電銅箔。 - 0.01質量%以上0.20質量%以下のZrを含有する
ことを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池用負極集電銅箔。 - 請求項1〜8のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池用負極集電銅箔が組み込まれ、
前記リチウムイオン二次電池用負極集電銅箔の少なくとも片面に形成され、Si又はSnの少なくともいずれかを含む前記負極活物質層と、
前記リチウムイオン二次電池用負極集電銅箔に接続されたタブリードと、を備える
ことを特徴とするリチウムイオン二次電池用負極。 - 請求項9に記載のリチウムイオン二次電池用負極と、
リチウムイオン二次電池用正極と、
前記リチウムイオン二次電池用負極及び前記リチウムイオン二次電池用正極の間に挿入されたセパレータと、
前記セパレータが間に挿入された前記リチウムイオン二次電池用負極及び前記リチウムイオン二次電池用正極が収容され、電解液が封入された容器と、を備える
ことを特徴とするリチウムイオン二次電池。
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