JP2013541139A - 電気化学セル用の電気導体 - Google Patents

Abstract

電気化学セルにおけるフォイル電気導体の使用であって、そのフォイルが、電気導体で被覆された基材を含み、かつその基材が導体よりも低い単位面積当たりの質量を有する、電気化学セルにおけるフォイル電気導体の上記使用。

Description

本発明は、導電性多層フォイルの新規な使用、ならびに前記多層フォイルを有する電気化学セルに関する。

二次および一次電気化学セルには、様々な材料が電気導体として使用されている。電気導体によって満たされるべき必要条件は特に、非常に優れた導電性、機械的安定性および熱安定性、ならびに電気活性材料により機械的および化学的に永久に安定なコーティングができること、である。さらに、ナイフコーティング、ペーストコーティングまたは積層などの従来のコーティング法から生じる加工の技術的理由から、電気導体用の相当する材料およびその電気導体の相当する層厚が選択されなければならない。したがって、リチウムイオン電池用のアノードの場合には、電気導体は好ましくは、銅で作られる。銅電気導体の不利点は、その密度が高い（８．９２ｇ／ｃｍ^３）ため、電気化学セルの総重量が比較的高く、したがって電気化学セル全体のエネルギー密度の減少が起こることである。

したがって、リチウムイオン電池の開発における１つの目標は特に、高い酸化電位を有する新規なカソード材料によってエネルギー密度を高めることである。その結果として、例えば、電気化学セルの電気化学的安定性に関し、具体的な要求は、カソードの電気導体によって満たされるべきである。多くの場合には、耐熱金属のみが十分な電気化学的安定性を有する。

リチウムの電気化学的析出に近い還元電位を有する（例えば、従来から使用されているグラファイトアノード等の）アノード材料に関しては、例えば、アルミニウムなど軽金属の合金形成の電位が、リチウムおよびグラファイトの望ましい層間化合物よりもより正であることから、リチウムと合金を形成しない電気導体材料を使用すべきである。かかる材料を使用すると、リチウム合金の形成によって電気導体の機械的破壊が起こる。したがって、リチウムイオン電池のアノードに使用されることが多い金属は、化学的および機械的必要条件を満たす銅である。その密度が高いため、銅は好ましくは、電気化学セルのエネルギー密度を高く維持するために、できる限り薄くフォイルとして加工される。しかしながら、製造・加工方法、およびその結果得られる銅導体の機械的強度によって、実際的な制限が生じる。８μｍ未満のフォイル厚は、技術的理由から賢明ではない。

したがって、本発明の目的は、低密度で良好な導電性を有し、熱的および機械的に安定であり、したがって電気化学セルのエネルギー密度の増大に寄与する電気導体、特にリチウムイオン電池などの電気化学セルのアノード用電気導体を開発することである。

本発明は、電気導体が、優れた電気導体で被覆された、安定であるが軽量の基材材料から構成されなければならないという知見に基づくものである。

したがって、本発明は、フォイル（Ｆ）が、電気導体（Ｌ）で被覆された基材（Ｔ）を有し、かつ上記基材（Ｔ）が、導体（Ｌ）よりも低い比重（ｍｇ／ｃｍ^３）を有することを特徴とする、電気化学セル（Ｚ）の電気導体としてのフォイル（Ｆ）の使用に関する。

上記電気化学セル（Ｚ）は一次または二次電池であってもよい。好ましくは、上記電気化学セルは二次電池である。一次電池とは、再充電ができない電気化学セルを意味するのに対して、二次電池は再充電可能である。

具体的な実施形態の１つにおいて、電気化学セル（Ｚ）は、リチウムイオン電池、特に二次リチウムイオン電池である。リチウムイオン電池は一般に知られている。中でも、「Ｃｈｅｍｉｓｃｈｅ Ｔｅｃｈｎｉｋ，Ｖｏｌｕｍｅ ６ｂ，Ｗｉｎｎａｃｋｅｒ，ｅｔ ａｌｌ．，５^ｔｈｅｄｉｔｉｏｎ，２００６」を参照されたい。

本出願の意味における導体（Ｌ）は、電流を輸送することができる導体である。

本発明の意味におけるフォイル（Ｆ）は、薄く、層状であり、かつ可撓性の電気導体である。好ましくは、フォイル（Ｆ）は、少なくとも７．５×１０^６Ｓ／ｍ、より好ましくは少なくとも２５．０×１０^６Ｓ／ｍ、例えば少なくとも３８．０×１０^６Ｓ／ｍの導電率を有する。特に、これらの導電率は、アノード導体として使用されるフォイル（Ｆ）に当てはまる。

フォイル（Ｆ）の単位面積当たりの質量は、従来の電気導体と比較して、特にリチウムイオン電池などの電気化学セルのアノード用導体と比較して小さい。したがって、フォイル（Ｆ）は好ましくは７．０ｍｇ／ｃｍ^２以下、より好ましくは５．０ｍｇ／ｃｍ^２以下、特に２．５〜４．２ｍｇ／ｃｍ^２の単位面積当たりの質量を有する。

リチウムイオン電池などの電気化学セルの全体的な構造を比較的小さく維持するために、フォイル（Ｆ）の厚さは２０．０μｍを超えないほうがよい。１５．０μｍ以下の厚さを有するフォイル（Ｆ）、例えば１１．５〜１３．５μｍの範囲など、特に１０．０〜１４．０μｍの範囲の厚さを有するフォイル（Ｆ）で特に有利な結果が得られる。

フォイル（Ｆ）における、導体（Ｌ）と基材（Ｔ）との層厚の比［（Ｌ）／（Ｔ）（μｍ）］は、好ましくは０．０５／１２．００〜１．００／１２．００であり、特に０．０９／１２．００〜０．５０／１２．００の間である。

特に、フォイル（Ｆ）は、基材（Ｔ）および導体（Ｌ）からなる。

上記のように、フォイル（Ｆ）は基材（Ｔ）を含む。上記基材（Ｔ）によって、低密度での機械的強度が確保される。したがって、基材（Ｔ）は、導体（Ｌ）よりも低い比重（ｍｇ／ｃｍ^３）を有することを特徴とする。

原則的に、導体（Ｌ）で被覆することができる限り、基材（Ｔ）に制限はない。さらに、基材（Ｔ）は導電性であることができるが、導電性である必要はない。特に、高い比容量（ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｃａｐａｃｉｔｙ）を有する電気化学セルの場合には、高い電流密度における低い電圧損失及び基材材料の良好な熱伝導性が要求され、それにより、その結果生じる熱損失による電池内部の過熱を防ぐ。この場合には、アルミニウムなど、熱及び電流について高い比伝導率（ｈｉｇｈ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｈｅａｔ ａｎｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ）を有する軽金属は、他の基材材料と比べて基材（Ｔ）として有利である。

基材（Ｔ）は、単位面積当たりの質量が４．５ｍｇ／ｃｍ^２以下、より好ましくは２．７ｍｇ／ｃｍ^２以下、特に１．７ｍｇ／ｃｍ^２以下であることが望ましい。単位面積当たりの質量の好ましい範囲は、１．４〜４．５ｍｇ／ｃｍ^２である。

フォイル（Ｆ）と同様に、基材（Ｔ）もまた、規定の厚さを超えないほうがよい。したがって、基材（Ｔ）は、１４．０μｍ以下、より好ましくは１３．０μｍ以下の厚さを有することが好ましい。好ましくは、その厚さは１０．０〜１４．０μｍの範囲であり、例えば１１．０〜１３．０μｍである。

ポリマー、無機材料、合金および金属、ならびに例えば繊維強化プラスチックフォイルなど、それらから作られる複合材料は、特にその価値が証明されている。中でも、好ましくは、ポリマーおよび金属が挙げられる。好ましい実施形態の１つにおいて、基材（Ｔ）は金属である。

基材（Ｔ）がポリマーである場合、熱可塑性材料の群から選択される。その材料は、繊維または布で強化されていてもよい。

金属が基材（Ｔ）として使用される場合、比重が５ｇ／ｃｍ^３未満である軽金属の群から選択される。

特に好ましい実施形態の１つにおいて、基材（Ｔ）はアルミニウムである。例えば、アルミニウムの１２μｍ基材（Ｔ）は、厚さ３．６μｍの銅フォイルに匹敵する単位面積当たりの質量を有する。しかしながら、かかる厚さの銅フォイルは、機械的安定性および加工性が乏しいため、電気化学セルの導体として不適当である。

基材（Ｔ）によって必要な機械的強度が確保されるため、導体（Ｌ）を薄く塗布することができる。したがって、基材（Ｔ）よりも高い比重を有する導体（Ｌ）は、電気化学セルの総エネルギー密度に対するその影響が少なくなるほどには、電気化学セルの総重量に寄与しない。

導体（Ｌ）の単位面積当たりの質量は、主に０．５〜６．０ｍｇ／ｃｍ^２、好ましくは０．７〜４．０ｍｇ／ｃｍ^２、例えば１．０〜２．０ｍｇ／ｃｍ^２の範囲である。

導体（Ｌ）の厚さは、０．５μｍ以下、特に０．４μｍ以下であるべきである。実施形態の１つにおいて、その厚さは０．１〜０．３μｍである。

導体（Ｌ）は好ましくは、少なくとも３０．０×１０^６Ｓ／ｍ、より好ましくは少なくとも５０．０×１０^６Ｓ／ｍ、例えば少なくとも５５．０×１０^６Ｓ／ｍの導電率を有する。

アノード導体用の導体（Ｌ）は、リチウムと合金を形成しない材料であることがさらに好ましい。したがって、上記導体は、好ましくは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＣｕおよびＡｇからなる群から選択される。

特に好ましい実施形態の１つにおいて、導体（Ｌ）は銅である。

基材（Ｔ）への導体（Ｌ）の塗布は、化学的または物理的処理によって行われる。特に、ガルバニック処理（ｇａｌｖａｎｉｃ ｐｒｏｃｅｓｓ）、スパッタまたはＣＶＤ処理が考えられる。アルミニウム基材上の銅導体の場合には、電解質水溶液からの電着（ｇａｌｖａｎｉｃ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）（ガルバニックコーティング（ｇａｌｖａｎｉｃ ｃｏａｔｉｎｇ））が考えられる。

本発明の意味における「被覆」または「コーティング」という用語は、導体（Ｌ）が基材（Ｔ）の表面を全体的に覆うことを表す。

本発明は、リチウムイオン電池などの電気化学セルの電気導体（Ｌ）としての、特にアノード用の電気導体としてのフォイル（Ｆ）の使用のみならず、導体（Ｌ）として、特にアノード用の導体として本発明のフォイル（Ｆ）を有するリチウムイオン電池などの電気化学セルにも関する。

以下に、本発明を実施例によりさらに説明する。

電気導体としての厚さ８μｍの銅フォイル上にグラファイトアノードを有するリチウムイオン電池において、銅フォイルは７．１４ｍｇ／ｃｍ^２の単位面積当たりの質量を有する。８μｍは現在、電解的に製造される銅フォイルの最も薄い材料厚であり、リチウムイオン電池用のグラファイトアノードはそのフォイルを用いて工業的規模で製造することができる。純粋な銅の引張り強さは約２００Ｎ／ｍｍ^２である。したがって、理想的な条件下においては、幅１０ｍｍのフォイルストリップに１６Ｎの引張り応力をかけることによって、フォイルが破断すると考えられる。長さ１ｍｍ、幅１０ｍｍのフォイルストリップの電気抵抗は約０．２オームである。

しかしながら、厚さ１２μｍのアルミニウムフォイルは、単位面積当たりの質量がわずか３．２４ｍｇ／ｃｍ^２であるが、要求される化学安定性を有さない。というのは、電位約３００ｍＶ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ^＋）でＬｉＡｌ合金を既に形成し、その結果、リチウムイオン電池のロード（ｌｏａｄｉｎｇ）中にフォイルの機械的破壊が起こるからである。純粋なアルミニウムは、銅と比較すると、かなり低い約５０Ｎ／ｍｍ^２の引張り強さを有する。したがって、幅１０ｍｍ、厚さ１２μｍのアルミニウムフォイルは、フォイルが破断するまで約６Ｎの最大引張荷重を有する。しかしながら、この引張り強さは、リチウムイオン電池の電気化学セルに加工する上でなお十分である。リチウムイオン電池用のカソードは、このような薄いアルミニウムフォイル上で、工業的規模で既に製造されている。厚さ１２μｍを有する、長さ１ｍ、幅１０ｍｍのアルミニウムフォイルストリップの電気抵抗は約０．２２オームであり、したがって、８μｍの材料厚を有する上記の銅フォイルに匹敵する。

コンパクトな銅フォイルなど、同じ化学安定性を有する２μｍの銅層で両面が被覆された厚さ１２μｍのアルミニウムフォイルにおいて、３．６０ｍｇ／ｃｍ^２の単位面積当たりの質量が得られる。銅層によって、フォイルの引張り強さは負の影響を受けず、したがって、かかる材料をリチウムイオン電池用のアノードとして加工することができる。銅層があるために、フォイルの導電率が向上する。長さ１ｍ、幅１０ｍｍの上記のＣｕ被覆フォイルストリップの電気抵抗は約０．２１オームである。

上述の実施形態における本発明の多層フォイルの単位面積当たりの比重は、７．１４ｍｇ／ｃｍ^２から３．６０ｍｇ／ｃｍ^２に減少する。これは、アノード導体フォイルの５０％の重量減少に相当する。

市販の４Ａｈ−リチウムイオン電池に関しては、銅フォイル含有アノード電気導体の重量比率は、電池の総質量の２０％である。厚さ８μｍの銅フォイルの代わりに、基材としての１２μｍアルミニウムフォイル及びそのフォイルの両面上の厚さ０．２μｍの銅層を有する本発明の多層フォイルを使用した場合、同じエネルギー容量で、かつ性能は変わらないまま、電池の質量は１０％低減される。一方、等しい質量のバッテリーでは、エネルギーを約１１％多く蓄積することができ、さらに電力を１１％多く集めることができる。

Claims (10)

1. 電気化学セル（Ｚ）における電気導体としてのフォイル（Ｆ）の使用であって、上記フォイル（Ｆ）が、電気導体（Ｌ）で被覆された基材（Ｔ）を有し、かつ上記基材（Ｔ）が、上記導体（Ｌ）よりも低い比重（ｍｇ／ｃｍ^３）を有することを特徴とする、電気化学セル（Ｚ）における電気導体としてのフォイル（Ｆ）の上記使用。
2. （ａ）導体（Ｌ）と基材（Ｔ）の層厚の比［（Ｌ）／（Ｔ）］（μｍ）が０．０５／１２．００〜１．００／１２．００であり、かつ／または
   （ｂ）上記フォイル（Ｆ）の単位面積当たりの質量が７．０ｍｇ／ｃｍ^２以下であり、かつ／または
   （ｃ）上記フォイル（Ｆ）の厚さが１５．０μｍ以下であること、
   を特徴とする請求項１に記載の使用。
3. 上記基材（Ｔ）が、
   （ａ）４．５ｍｇ／ｃｍ^２以下の単位面積当たりの質量、および／または
   （ｂ）１４．０μｍ以下の厚さ、
   を有することを特徴とする請求項１または２に記載の使用。
4. 上記導体（Ｌ）が、
   （ａ）０．５〜６．０ｍｇ／ｃｍ^２の範囲の単位面積当たりの質量、および／または
   （ｂ）０．５μｍ以下の厚さ、
   を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の使用。
5. （ａ）上記電気化学セル（Ｚ）がリチウムイオン電池であり、かつ／または
   （ｂ）上記フォイル（Ｆ）がアノード導体として使用されること、
   を特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の使用。
6. 上記フォイル（Ｆ）の上記基材がポリマー（Ｐ）または金属（Ｍ）であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の使用。
7. （ａ）上記ポリマー（Ｐ）が熱可塑性材料の群から選択され、かつ／または
   （ｂ）上記金属（Ｍ）が軽金属の群から選択されること、
   を特徴とする請求項６に記載の使用。
8. （ａ）上記電気化学セル（Ｚ）がリチウムイオン電池であり、かつ上記導体（Ｌ）がリチウムと合金を形成せず、かつ／または
   （ｂ）上記導体（Ｌ）が、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＣｕおよびＡｇからなる群から選択されること、
   を特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の使用。
9. カソード導体とアノード導体を有する電気化学セル（Ｚ）であって、上記カソード導体または上記アノード導体のいずれかが、請求項１〜８のいずれか１項に記載のフォイルを有することを特徴とする上記電気化学セル（Ｚ）。
10. リチウムイオン電池であることを特徴とする請求項９に記載の電気化学セル（Ｚ）。