JP2015060749A

JP2015060749A - 多孔質体

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Publication number: JP2015060749A
Application number: JP2013194337A
Authority: JP
Inventors: 秋草　順; Jun Akikusa; 順秋草; 賢一木津; Kenichi Kizu; 磯部　毅; Takeshi Isobe; 毅磯部; 和田　正弘; Masahiro Wada; 正弘和田
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2013-09-19
Filing date: 2013-09-19
Publication date: 2015-03-30
Also published as: KR20150032624A; CN104466194A

Abstract

【課題】十分な機械的強度を得ることができる多孔質体を提供する。【解決手段】金属で形成された多孔質体７において、前記多孔質体７の少なくとも外面の一部にガラスで形成された補強部１１を設けたことを特徴とする。多孔質体の空隙率を低下させなくても、多孔質体の外面の一部にガラスで形成された補強部を設けることで、十分な機械的強度を得ることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、金属で形成された多孔質体に関する。

近時、鉄製のパンチングメタルや多数の孔を設けたスポンジ状の金属体などを用いた３次元網目構造の金属体（以下、多孔質体とよぶ）が提案されている。このような多孔質体は、例えばリチウムイオン二次電池の集電体として用いることが試みられている。

多孔質体をリチウムイオン二次電池の集電体に用いる場合には、金属としての電気伝導性を有するだけでなく、多孔質体に有する多数の孔に活物質などの微細な粒子を充填させて高容量化を図ることが必要となる。

多孔質体は、通常、空隙率が７０％以上である場合が多いが、空隙率を高めることで物理的透過性を高めることが可能となる。従って、多孔質体の空隙率を高めることは、活物質などの微細な粒子をより多く充填できる点で好ましい。ところが、多孔質体は、空隙率を高め過ぎると、機械的強度の低下をもたらすとともに、孔の部分により多くの微細粒子を充填することで、重量も増加してしまう。その結果、空隙率を高めた多孔質体は、輸送や搬送する際に割れたり裂けたりする虞が高まる。このような事情から、上述の多孔質体にあっては、空隙率を低下させることなく、機械的強度を向上させる手段の開発が各種検討されている。

多孔質体の強度を高める手段として、多孔質体の厚さ方向の端面に沿って略Ｕ時形状に接着テープを取り付けた構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、これ以外の強度向上の手段として、多孔質体の一面に補強線材を縫い付けた構成も知られている（例えば、特許文献２参照）。

さらに、多孔質体の外周縁全体を樹脂で被覆した構成も知られている（例えば、特許文献３参照）。

特開２００１−１７６５０６号公報（第４頁［００３２］及び図２参照）特開平４−３５１８５３号公報（第３頁［００１９］及び図１乃至図３参照）特許第４８９４１３１号公報（第４頁［００２４］及び図１、図３、図７参照）

しかしながら、特許文献１に記載の接着テープによる補強手段では、接着テープの分だけ厚みが増加してしまう。したがって、接着テープの厚さを薄くした場合、接着テープの幅や厚さが強度に比例するため、十分な機械的強度が得られないという問題がある。

また、特許文献２に記載の補強手段では、多孔質体に補強線材が通過する穴が形成されるため、当該穴の部分において強度が低下してしまうという懸念がある。

さらに、特許文献３に記載の補強手段では、樹脂が薬品によって劣化してしまう場合があり、十分な機械的強度が得られない懸念がある。

そこで本発明は、十分な機械的強度を得ることができる多孔質体を提供することを目的とする。

本発明の第１の観点は、金属で形成された多孔質体において、前記多孔質体の少なくとも外面の一部にガラスで形成された補強部を設けたことを特徴とする。

本発明の第２の観点は、第１の観点に基づく発明であって、前記補強部は、前記多孔質体の互いに対向する少なくとも２側面を覆うように形成されたことを特徴とする。

本発明の第３の観点は、第２の観点に基づく発明であって、前記２側面は、それぞれ、前記多孔質体の表面の縁部を厚さ方向に押し潰して形成された凸部を有し、前記補強部は、前記凸部の天面を覆うように形成されていることを特徴とする。

本発明の第４の観点は、第１の観点に基づく発明であって、前記補強部は、前記多孔質体の一表面に設けられた線状部であることを特徴とする。

本発明の第５の観点は、第４の観点に基づく発明であって、前記線状部は、蛇行した形状に形成されていることを特徴とする。

本発明の第６の観点は、第４の観点に基づく発明であって、前記補強部は、直線状の前記線状部を複数有し、前記複数の線状部は互いに平行に配置されていることを特徴とする。

本発明の第１の観点の多孔質体では、多孔質体の空隙率を低下させなくても、多孔質体の外面の一部にガラスで形成された補強部を設けることで、十分な機械的強度を得ることができる。

本発明の第２の観点の多孔質体では、多孔質体の互いに対向する少なくとも２側面を覆う補強部が形成されたことで、補強部が設けられた側面部分での強度が高まる。

本発明の第３の観点の多孔質体では、補強部を凸部の天面に設けたことにより、スラリーを充填した後の圧延によって補強部が破壊されるのを防ぐことができる。

本発明の第４及び第５の観点の多孔質体では、多孔質体の一表面に設けられた線状部が補強部を構成することで、一表面の強度が高まる。

本発明の第６の観点の多孔質体では、互いに平行に配置される直線状の線状部を複数有する補強部が設けられることで、線状部が配置される方向に対して直交する方向について、多孔質体の曲げ強度が高まる。

図１Ａは本発明の第１実施形態に係る多孔質体を示す概略斜視図、図１Ｂは図１ＡにおけるＩＢ−ＩＢ矢視断面図である。図２Ａは本発明の第２実施形態に係る多孔質体を示す概略斜視図、図２Ｂは図２ＡにおけるＩＩＢ−ＩＩＢ矢視断面図である。多孔質体の凸部の製造方法を示す概略斜視図であり、図３Ａは凸部の形成位置、図３Ｂは凸部の形成後を示す図である。図２に示す多孔質体の圧縮方法を示す説明図である。本発明の第３実施形態に係る多孔質体を示す概略斜視図である。図５におけるＶ−Ｖ線矢視断面図であり、図６Ａは補強部の形態（１）、図６Ｂは補強部の形態（２）、図６Ｃは補強部の形態（３）を示す図である。本発明の第３実施形態に係る変形例１を示す斜視図である。本発明の第３実施形態に係る変形例２を示す斜視図である。比較例４を示す斜視図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。

１．第１実施形態
図１に示す多孔質体１は、三次元網目構造の板状の金属骨格３Ａと、当該金属骨格３Ａに設けられた補強部５とを備える。多孔質体１は、７０％以上の空隙率を有する金属骨格３Ａが、好ましく用いられる。

金属骨格３Ａは、アルミニウム、銅、銀、金、白金、ニッケル、チタン、鉄、ステンレスなどで形成される。金属骨格３Ａは、金属骨と、無数に形成された孔とを有する。金属骨格３Ａは、所望の空隙率を得るために、孔径が種々選択される。無数の孔は、互いに繋がっている。

補強部５は、板状の金属骨格３Ａの側面を囲むように形成されている。すなわち補強部５は、金属骨格３Ａの４つの側面をそれぞれ覆うように設けられている。補強部５は、ガラスを金属骨格３Ａの孔に浸透させて形成されている。

次に上記のように構成された多孔質体１の製造方法について説明する。まず、ガラスフリットを溶媒に分散させたガラスペーストを金属骨格３Ａの４つの側面に塗布する。次いで、金属骨格３Ａを所定温度、例えば１００℃以下に加熱することにより、溶媒を蒸発させ、ガラスフリットを金属骨格上に固化する。その後、金属骨格３Ａをガラスの軟化点以上の温度に加熱する。そうすると、ガラスフリットが溶解し、金属骨格３Ａの表面から孔を通り内部へ浸透する。所定時間経過後、金属骨格を冷却して室温に戻す。これにより、ガラスが金属骨格３Ａの４つの側面から内部へ浸透した状態で固化して、補強部５が形成される。上記のようにして多孔質体１を製造することができる。

金属骨格３Ａの側面から内部へ浸透するガラスの深さは、ガラスの軟化点以上の温度に加熱する場合の温度、及び時間などで適宜選択することができる。因みに、金属骨格３Ａの厚さを１ｍｍ程度とした場合、金属骨格３Ａの側面から内部へ浸透するガラスの深さを同じ１ｍｍ程度にすることにより、金属骨格３Ａの孔は互いに繋がっているので、形成された補強部５は直径１ｍｍの線状ともいえる。

上記のように構成された多孔質体１は、金属骨格３Ａの側面を囲むようにガラスで形成した補強部５が設けられたことにより、十分な機械的強度を得ることができる。したがって多孔質体１は、例えばリチウムイオン二次電池の集電体として使用される場合、活物質を充填することにより重量が増加しても、製造工程における搬送時において欠落や割れなどを防止できる。

補強部５は、ガラスを金属骨格３Ａの孔に浸透させて形成されている。これにより多孔質体１は、空隙率を下げずに、かつ全体の厚さを増加させずに、機械的強度を向上することができる。補強部５は、ガラスで形成されていることにより、薬品が接触しても劣化することがないので、十分な機械的強度を得ることができる。

なお、本実施形態の場合、補強部５は、金属骨格３Ａの４つの側面を覆うように設けた場合について説明したが、本発明はこれに限らず、４つの側面の内、対向する２側面のみに設けることとしてもよい。

２．第２実施形態
次に第２実施形態に係る多孔質体について説明する。なお、上記第１実施形態と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省略する。

図２に示す多孔質体７は、三次元網目構造の板状の金属骨格３Ｂと、当該金属骨格３Ｂに設けられた補強部１１とを備える。

本実施形態に係る金属骨格３Ｂは、帯状に形成されており、幅方向の側面にそれぞれ凸部１５が形成されている点が上記第１実施形態と異なる。補強部１１は、金属骨格３Ｂの凸部１５に形成されている。特に、補強部１１は、凸部１５の厚さＷの面（これを「天面」とよぶ）１６に形成されている。すなわち補強部１１は、金属骨格３Ｂの全長にわたって凸部１５を覆うように形成されている。

上記のように構成された多孔質体７の製造方法について説明する。まず、図３Ａに示す帯状の金属骨格３Ｂを用意する。そして、金属骨格３Ｂの長尺方向に沿った両側面に対して、ロールプレス機などを用いて、幅方向の側面から一定の領域を金属骨格３Ｂの上下両面から図中矢印方向にプレスしてそれぞれ一定深さだけ押し潰す。これにより、金属骨格３Ｂの両側面に凸部１５を形成する（図３Ｂ）。凸部１５における金属骨格３Ｂの厚さ方向の変形量をそれぞれｔ_１、ｔ_２とする。

次に、金属骨格３Ｂの全長にわたって凸部１５の天面１６に補強部１１（図２参照）を形成する。補強部１１は、上述した第１実施形態の補強部５のガラスの製造方法と同様の方法で製造することができる。このようにして多孔質体７を製造することができる。

上記のように構成された多孔質体７は、金属骨格３Ｂの凸部１５の天面１６にガラスで形成した補強部１１が設けられているので、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

因みに、多孔質体７は、リチウムイオン二次電池の集電体として使用される場合、活物質や導電助剤を含むスラリーが充填され、乾燥される。次いで、多孔質体７は、図４に示すように、搬送台１９上を移動しながらローラ２１、２３の間を走行することにより、厚さ方向に圧延される。このときの金属骨格３Ｂの厚さ方向の変形量Δｔ_１、Δｔ_２は、上記凸部１５を形成するための変形量ｔ_１、ｔ_２より小さい。したがって、多孔質体７は、補強部１１を凸部１５の天面１６に設けたことにより、スラリーを充填した後の圧延によって補強部１１が破壊されるのを防ぐことができる。これにより多孔質体７は、スラリーを充填し、圧延した後においても、十分な機械的強度を得ることができる。

３．第３実施形態
次に第３実施形態に係る多孔質体について説明する。なお、上記第１実施形態と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省略する。

図５に示す多孔質体２５は、三次元網目構造の板状の金属骨格３Ａと、当該金属骨格３Ａに設けられた補強部２９Ａとを備える。

本実施形態に係る補強部２９Ａは、金属骨格３Ａの一表面にガラスで形成された線状部３０である。線状部３０は、金属骨格３Ａの一表面の一端から他端に向かって左右に蛇行する形状に形成されている。線状部３０は、折り返し部分において、ゆるやかに湾曲して形成されている。

上記のように構成された多孔質体２５の製造方法について説明する。まず、ガラスフリットを溶媒に分散させたガラスペーストを、金属骨格３Ａの一表面に、一表面の一端から他端に向かって左右に蛇行する形状に塗布する。次いで、上記第１実施形態と同様に加熱し、ガラスフリットを金属骨格３Ａ上に固化する。さらに金属骨格３Ａをガラスの軟化点以上の温度に加熱し、当該ガラスを金属骨格３Ａの内部へ浸透させる。

ガラスが金属骨格３Ａ内部へ浸透する深さは、ガラスの軟化点以上の温度に加熱する場合の温度、及び時間で適宜制御することができる。金属骨格３Ａの一表面から内部へ浸透するガラスの深さは、例えば、図６Ａに示すように金属骨格３Ａの一表面のごく近傍に浅くしてもよいし、同図Ｂに示すように金属骨格３Ａの厚さ方向の中央部付近までとしてもよい。また、同図Ｃに示すように、補強部２９Ａのガラスの深さは、金属骨格３Ａの他表面に達するまでとしてもよい。補強部２９Ａは、ガラスがすべて金属骨格３Ａ内に浸透しており、補強部２９Ａの表面が金属骨格３Ａの表面から凸となっていない。

最後に金属骨格３Ａを冷却して室温に戻す。これにより、ガラスが固化して金属骨格３Ａの一表面に、一表面の一端から他端に向かって左右に蛇行する形状に形成された線状部３０からなる補強部２９Ａが形成される。

因みに、多孔質体７がリチウムイオン二次電池の集電体として使用される場合、活物質や導電助剤を含むスラリーは、金属骨格３Ａの一表面、他表面、又は両面から充填することができる。例えば、図６Ａ及びＢのように補強部２９Ａが金属骨格３Ａの他側表面まで達していない場合には、他側表面からスラリーを充填するのが好ましい。

上記のように構成された多孔質体２５は、金属骨格３Ａの一表面にガラスで形成した補強部２９Ａが設けられているので、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

本実施形態の場合、補強部２９Ａは、線状部３０で形成されていることにより、ガラスの使用量を抑制できる。したがって、多孔質体２５は、全体の質量が増加することを抑制しながら、機械的強度を向上することができる。

本実施形態の場合、補強部は、一表面の一端から他端に向かって左右に蛇行する形状に形成された線状部である場合について説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、図７に示すように、補強部２９Ｂは、一表面の一端から他端に向かって左右に蛇行する形状に形成された線状部３５であり、折り返し部分で尖った形状に形成してもよい。

また、図８に示すように、補強部２９Ｃは、直線状の線状部４１を複数有し、当該線状部４１を互いに平行になるように配置してもよい。また帯状に形成された金属骨格３Ｂに適用する場合、金属骨格３Ｂの長手方向に平行に線状部４１を形成するのが、金属骨格３Ｂをロールに巻き付ける際に割れなどを防止できるので好ましい。

４．変形例
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。例えば、上記実施形態では、補強部は、ガラスが金属骨格に浸透して金属骨格の表面に凸とならないように形成されている場合について説明したが、本発明はこれに限らない。補強部は、ガラスの一部が金属骨格の表面に残り、金属骨格の表面から凸となっていてもよい。

５．実施例
上記第１〜第３実施形態に対応する多孔質体をそれぞれ製造し、評価を行った。金属骨格は、厚さ１．０ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ１００ｍｍ、空隙率８５％とし、アルミニウム、銅、ステンレス（ＳＵＳ３０４）でそれぞれ形成した。補強部は、ガラスフリット（旭硝子製、KP3103、軟化温度３１５℃、線膨張係数１３．５ｘ１０^−６/℃）を用いた。

まず、ペースト化されたガラスフリットをハンドガンタイプの射出機に充填し、金属骨格に塗工した。次いで、金属骨格を３３０℃の乾燥炉で１５分間加熱し、溶媒を蒸発させガラスを固化させて多孔質体を製造した。金属骨格に塗工するガラスフリットの質量は、０．１ｇ／ｃｍになるように、射出機の射出量を調整した。

第１実施形態に対応し金属骨格の幅方向の両側面（２か所）に補強部を設け、金属骨格の材質がアルミニウムの試料を実施例１、銅の試料を実施例２、ＳＵＳ３０４を実施例３とした。第２実施形態に対応し金属骨格の幅方向の両側面に凸部を形成し、当該凸部に補強部を設け、金属骨格の材質がアルミニウムの試料を実施例４とした。

第３実施形態に対応し、金属骨格の表面に幅方向に蛇行した線状部を設け、金属骨格の材質がアルミニウムであり、補強部の折り返し部の形状が湾曲状で、図６Ａの形態の試料を実施例５、図６Ｂの形態の試料を実施例６、図６Ｃの形態の試料を実施例７とした。また折り返し部の形状が尖った形状で、図６Ｂに対応した形態の試料を実施例８とした。さらに長さ方向に平行に配置された直線状の線状部を５本有する試料を実施例９とした。

実施例１〜３に対し、補強部を形成しない点のみ変更した試料を、それぞれ比較例１〜３とした。

さらに、図９に示す試料１００を作製し、比較例４とした。試料１００の金属骨格１０１は、幅１００ｍｍ、長さ１００ｍｍ、空隙率８５％の銅で形成した。金属骨格１０１の幅方向の両側部１０３，１０４から１０ｍｍの部分に、外径０．２ｍｍの銅線１０２を２本、縫い目の間隔が１０ｍｍとなるように縫い付けた。銅線１０２を縫い付けた金属骨格１０１を、隙間が１．０ｍｍのロールプレスに通し、銅線１０２部分の厚さを金属骨格１０１の厚さと同じになるように調整した。

上記のようにして製造された多孔質体の破断強度を測定することにより評価した。破断強度は、引張試験により測定した。多孔質体の長さ方向の両端部において幅１００ｍｍ×長さ１０ｍｍの領域をつかみ、５ｍｍ／ｍｉｎの速度で多孔質体に力を加えた。その結果を表１に示す。

表１の結果から、補強部を設けたことにより、補強部が無い場合に比べ、破断強度が約２倍程度に大きくなることがわかった。これにより、金属骨格にガラスが浸透して形成された補強部は、金属骨格の機械的強度を向上できることが確認できた。

銅で形成された金属骨格で比較すると、補強部が無い場合（比較例２）には破断強度が２３Ｎ、銅線２本を縫い付けて補強した場合（比較例４）には破断強度が３４Ｎであった。これに対し実施例２に係る多孔質体は、破断強度が５８Ｎであり、機械的強度が飛躍的に向上することがわかった。

１多孔質体
３Ａ、３Ｂ金属骨格
５補強部
７多孔質体
１１補強部
１５凸部
１９搬送台
２１、２３ローラ
２５多孔質体
２９Ａ、２９Ｂ、２９Ｃ補強部
３０線状部
３１多孔質体
３５線状部
３７多孔質体
４１線状部

Claims

金属で形成された多孔質体において、
前記多孔質体の少なくとも外面の一部にガラスで形成された補強部を設けた
ことを特徴とする多孔質体。
前記補強部は、前記多孔質体の互いに対向する少なくとも２側面を覆うように形成されたことを特徴とする請求項１に記載の多孔質体。
前記２側面は、それぞれ、前記多孔質体の表面の縁部を厚さ方向に押し潰して形成された凸部を有し、
前記補強部は、前記凸部の天面を覆うように形成されている
ことを特徴とする請求項２に記載の多孔質体。
前記補強部は、前記多孔質体の一表面に設けられた線状部であることを特徴とする請求項１に記載の多孔質体。
前記線状部は、蛇行した形状に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の多孔質体。
前記補強部は、直線状の前記線状部を複数有し、
前記複数の線状部は互いに平行に配置されている
ことを特徴とする請求項４に記載の多孔質体。