JP2018116910A - 負極集電体の製造方法およびリチウムイオン二次電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】安価で安定性が高い導電活物質を用いつつ、リチウムイオンの合金化を抑制できる負極集電体の製造方法を提供する。
【解決手段】アルミニウム箔１２を所定の幅に裁断し、アルミニウム箔１２の主面１２ａにタブ１５を溶接し、アルミニウム箔１２の表面１２ｓおよびアルミニウム箔１２とタブ１５との溶接部１６に、ニッケル又は銅からなる被覆膜１８をそれぞれ製膜して集電準備体１１を形成し、集電準備体１１の主面１２ａの少なくとも一方に、炭素系材料からなる導電活物質Ｃを塗布して担持させて負極集電体１０を形成する。
【選択図】図５

Description

本発明は、負極集電体の製造方法およびリチウムイオン二次電池の製造方法に関する。

従来から、下記特許文献１に記載されたようなリチウムイオン二次電池の製造方法が知られている。特許文献１には、鋼シートに銅めっきを被覆する負極電極の製造工程が記載されている。
具体的には、銅めっきした鋼板に活物質を塗布し、ロールプレスした後に所定寸法に裁断して電極材を形成する。そして、この電極材に絶縁用のセパレータを挟んで巻き取る若しくは積層する。次いで、電極材と電池の端子を電気的に接続する金属製のタブを、電極材の主面に溶接（溶着）する。さらに、これらをケースに挿入し、電解液を注液して封止する。最後、外装を仕上げて完成する。

リチウムイオン二次電池では、更なる高出力化、軽量化、安全性向上が求められている。負極集電体を軽量化等するために、銅箔よりも比重が小さいアルミニウム箔を使用するものがある。
下記特許文献２には、負極集電体をアルミニウム箔で形成し、その主面をリチウムイオンがドープしない金属（例えばＣｕまたはＮｉ）で被覆する技術が開示されている。

特許第５３０６５４９号公報 特開２０１５−１４０４５号公報

しかしながら、負極集電体にアルミニウム箔を用いたリチウムイオン二次電池の製造方法では、以下に挙げる課題がある。
まず、ニッケルや銅でめっきしたアルミニウム箔にタブを溶接すると、溶接時の熱によりめっき皮膜が破壊され、溶接部の防食性が低下するという問題がある。

また、アルミニウム箔の裁断面にはアルミニウムの素地が露出するものの、負極集電体は正極集電体よりも若干大きいので、リチウムイオンが合金化しないと考えられていた。ところが、電解液と接触していない裁断面であっても電解液のリチウムイオンと反応してしまい、電池性能が低下することが判明した。

さらに、ニッケルや銅を被覆したアルミニウム箔に負極活物質を塗布する際に、負極活物質のぬれ性が悪いために塗布が難しいという問題がある。

本発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、安価で安定性が高い導電活物質を用いつつ、リチウムイオンの合金化を抑制できる負極集電体の製造方法およびリチウムイオン二次電池の製造方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
本願の請求項１に係る負極集電体の製造方法は、アルミニウム箔を所定の幅に裁断し、前記アルミニウム箔の主面にタブを溶接し、前記アルミニウム箔の表面および前記アルミニウム箔と前記タブとの溶接部に、ニッケル又は銅からなる被覆膜をそれぞれ製膜して集電準備体を形成し、前記集電準備体の主面の少なくとも一方に、炭素系材料からなる導電活物質を塗布して担持させて負極集電体を形成することを特徴とする。

この発明によれば、アルミニウム箔にタブを溶接した後に、集電準備体の全体にニッケル又は銅からなる被覆膜を形成するので、アルミニウム箔の裁断面に被覆膜が形成されて、防食性を良好に維持できる。また、溶接部に形成された被覆膜が熱等で破壊されることがなく、防食性を良好に維持できる。

本願の請求項２に係る負極集電体の製造方法は、アルミニウム箔を所定の幅に裁断し、前記アルミニウム箔の表面にニッケル又は銅からなる被覆膜を製膜し、前記アルミニウム箔の主面にタブを溶接し、前記アルミニウム箔と前記タブとの溶接部に、ニッケル又は銅からなる被覆膜を製膜して集電準備体を形成し、前記集電準備体の主面の少なくとも一方に、炭素系材料からなる導電活物質を塗布して担持させて負極集電体を形成することを特徴とする。

この発明によれば、アルミニウム箔を所定の幅に裁断した後に被覆膜を形成するので、アルミニウム箔の裁断面に被覆膜が形成されて、防食性を良好に維持できる。また、アルミニウム箔にタブを溶接した後に、溶接部にニッケル又は銅からなる被覆膜を再度形成するので、被覆膜が熱等で破壊されることがなく、溶接部の防食性を良好に維持できる。

本願の請求項３に係る負極集電体の製造方法は、ニッケル又は銅からなる被覆膜に被膜されたアルミニウム箔を所定の幅に裁断し、前記アルミニウム箔の主面にタブを溶接し、前記アルミニウム箔の裁断面および前記アルミニウム箔と前記タブとの溶接部に、ニッケル又は銅からなる被覆膜をそれぞれ製膜して集電準備体を形成し、前記集電準備体の主面の少なくとも一方に、炭素系材料からなる導電活物質を塗布して担持させて負極集電体を形成することを特徴とする。

この発明によれば、アルミニウム箔にタブを溶接した後に、アルミニウム箔の裁断面と溶接部にニッケル又は銅からなる被覆膜を再度形成するので、アルミニウム箔の裁断面に被覆膜が形成されて、防食性を良好に維持できる。また、溶接部に形成された被覆膜が熱等で破壊されることがなく、防食性を良好に維持できる。

本願の請求項４に係る負極集電体の製造方法は、前記集電準備体の主面の両方に配置された前記被覆膜をそれぞれ平均膜厚０．５μｍ以上に形成し、前記負極集電体の平均厚さを、前記被覆膜を含めて３〜１００μｍに形成し、前記被覆膜を被覆したアルミニウム箔の表面粗さをＲａ０．３μm以上に形成することを特徴とする。

この発明によれば、アルミニウム箔に負極活物質を塗布する際に、被覆膜を被覆したアルミニウム箔の表面粗さが大きいため、負極活物質のぬれ性が向上して、負極活物質を良好に塗布できる。

本願の請求項５に係るリチウムイオン二次電池の製造方法は、本発明に係る負極集電体の製造方法の後に、前記負極集電体、正極集電体およびセパレータを順に重ねて、平坦な状態に配置又は巻回した状態に配してケースに収容し、前記ケースにリチウム電解液を充填させてリチウムイオン二次電池を形成することを特徴とする。

この発明によれば、負極集電体の全体に被覆膜が形成されているので、電解液のリチウムイオンと反応することなく、電池性能が向上する。

本願の請求項１〜３に係る負極集電体の製造方法によれば、アルミニウム箔とタブの溶接部やアルミニウム箔の裁断面に被覆膜が形成されているので、リチウムイオンの合金化を抑制できる。

本願の請求項５に係るリチウムイオン二次電池の製造方法によれば、安価で安定性が高い導電活物質を用いつつ、電池性能を向上できる。

本発明の第一実施形態に係る負極集電体の製造方法を示す図である。 裁断工程を示す図であり、（ａ）アルミニウムの原反の平面図、（ｂ）アルミニウム箔の側面図である。 タブ溶接工程を示す図である。 メッキ工程を示す図である。 活物質塗布工程を示す図である。 本発明の実施形態に係るリチウムイオン二次電池の製造方法を示す図である。 積層工程を示す図である。 ケース挿入工程および電解液注入工程を示す図である。 人造黒鉛の濡れ性を比較する図であり、（ａ）第一実施形態、（ｂ）従来例を示す。 本発明の第二実施形態に係る負極集電体の製造方法を示す図である。 本発明の第三実施形態に係る負極集電体の製造方法を示す図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態に係る負極集電体の製造方法、リチウムイオン二次電池の製造方法を説明する。

〔第一実施形態〕
リチウムイオン二次電池１は、小型・軽量・高性能化が常に求められるモバイル電子機器に最適な充電式の電池である。
リチウムイオン二次電池１は、正極にリチウム金属酸化物、負極にカーボン系材料が用いられる。そして、図８に示すように、リチウムイオン二次電池１は、電池ケース２の内部で、リチウムイオンが電解液３を介して正極と負極の間を行き来することで、充放電が行われる。

リチウムイオン二次電池１は、図５および８に示すように、負極側に負極集電体１０を備える。
負極集電体１０は、導電活物質である人造黒鉛（炭素系材料）Ｃを主面１２ａ（図２（ｂ）参照）に塗布した複数のアルミニウム箔１２を積層（重畳）させたものである。なお、図８ではアルミニウム箔１２を１層のみ示している。
複数のアルミニウム箔１２には、それぞれ金属製のタブ１５が溶接される。なお、符号１６として、アルミニウム箔１２とタブ１５とを溶接した部分である溶接部を示す。このタブ１５は、リチウムイオン二次電池１の負極端子と負極集電体１０を接続して、電力を取出す配線部材である。

図１は、本発明の一実施形態に係る負極集電体１０の製造方法Ｓ１を示す図である。
負極集電体１０の製造方法Ｓ１は、裁断工程Ｓ１１、タブ溶接工程Ｓ１２、メッキ工程Ｓ１３および活物質塗布工程Ｓ１４を有する。

図２は、裁断工程Ｓ１１を示す図であり、（ａ）アルミニウムの原反Ａの平面図、（ｂ）アルミニウム箔１２の側面図である。
図３は、タブ溶接工程Ｓ１２を示す図である。
図４は、メッキ工程Ｓ１３を示す図である。
図５は、活物質塗布工程Ｓ１４を示す図である。

図２（ａ）に示すように、裁断工程Ｓ１１では、帯状のアルミニウムの原反Ａを所定の幅に裁断して、同一形状のアルミニウム箔１２を複数枚形成する。
アルミニウム箔１２は、表面１２ｓがメッキ処理されたものではなく、アルミニウムの素地がそのまま露出する。
例えば、図２（ｂ）に示すように、矩形状のアルミニウム箔１２を複数枚形成する。したがって、アルミニウム箔１２の表面１２ｓ（主面１２ａ、端面１２ｂおよび裁断面１２ｃ）には、アルミニウムの素地がそのまま露出する。

次に、図３に示すように、タブ溶接工程Ｓ１２では、アルミニウム箔１２の主面１２ａに、金属製のタブ１５を溶接（溶着）する。具体的には、アルミニウム箔１２の主面１２ａの端部とタブ１５の端部を重ねて超音波溶接をする。これにより、アルミニウム箔１２とタブ１５が接合（溶着）する。

次に、図４に示すように、メッキ工程Ｓ１３では、アルミニウム箔１２とタブ１５をメッキ処理する。すなわち、アルミニウム箔１２とタブ１５の全体に、ニッケル又は銅からなるメッキ膜（被覆膜）１８を製膜する。
具体的には、アルミニウム箔１２とタブ１５を不図示のメッキ処理槽に浸漬する。これにより、アルミニウム箔１２の主面１２ａ、端面１２ｂおよび裁断面１２ｃや、アルミニウム箔１２とタブ１５の溶接部１６がメッキ膜１８で被覆される。
このようにして、ニッケル又は銅からなるメッキ膜１８により完全に被覆された集電準備体１１が形成される。

なお、集電準備体１１の主面１２ａの両方に成膜されるメッキ膜１８は、平均膜厚が０．５μｍ以上に形成される。また、集電準備体１１は、平均厚さが、メッキ膜１８を含めて、３〜１００μｍに形成される。さらに、集電準備体１１は、表面粗さがＲａ０．３μm以上に形成される。
噴流時間、流速、通電時間、電流密度、液温等を調整して、メッキ膜１８の膜厚等を変化させる。

次に、図５に示すように、活物質塗布工程Ｓ１４では、アルミニウム箔１２の主面１２ａの少なくとも一方（この例では、主面１２ａの両面）に、導電活物質である人造黒鉛Ｃを塗布して担持させる。
人造黒鉛は安価で安定性が高いため、導電活物質として人造黒鉛Ｃを用いることにより、リチウムイオン二次電池１の製造コストを低く抑えることができる。つまり、低価格のリチウムイオン二次電池１を提供し続けることができる。
このようにして、人造黒鉛Ｃに被覆された負極集電体１０が形成される。

図６は、本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池１の製造方法Ｔを示す図である。
負極集電体１０の製造方法Ｓ１に続いて、リチウムイオン二次電池１の製造方法Ｔが行われる。
リチウムイオン二次電池１の製造方法Ｔは、積層工程Ｔ１、ケース挿入工程Ｔ２、電解液注入工程Ｔ３および外装組立工程Ｔ４を有する。

図７は、積層工程Ｔ１を示す図である。
図８は、ケース挿入工程Ｔ２および電解液注入工程Ｔ３を示す図である。

まず、図７に示すように、積層工程Ｔ１では、正極集電体５、セパレータ６および負極集電体１０を順に重ねて、平坦な状態に配置する。
正極集電体５は、リチウム金属酸化物である。セパレータ６は、例えばポリオレフィンにより形成され、正極材と負極材の間でリチウムイオンを行き来できる多数の微小孔が形成される。

次に、図８に示すように、ケース挿入工程Ｔ２では、正極集電体５、セパレータ６および負極集電体１０を、電池ケース２に挿入（収容）する。
次いで、図８に示すように、電解液注入工程Ｔ３では、電池ケース２にリチウム電解液を注入（充填）して密封する。
最後に、外装組立工程Ｔ４では、電池ケース２の表面に装飾等を施す。
このようにして、リチウムイオン二次電池１が製造される。

以上説明したように、第一実施形態に係る負極集電体１０の製造方法Ｓ１、リチウムイオン二次電池１の製造方法Ｔによれば、アルミニウム箔１２にタブ１５を溶接した後に、集電準備体１１（アルミニウム箔１２）の全体にニッケル又は銅からなるメッキ膜１８膜を形成するので、アルミニウム箔１２の裁断面１２ｃにメッキ膜が形成される。このため、集電準備体１１（アルミニウム箔１２）の防食性を良好に維持できる。また、溶接部１６に形成されたメッキ膜１８が熱等で破壊されることがなく、防食性を良好に維持できる。したがって、リチウムイオンの合金化を抑制できる。
よって、安価で安定性が高い人造黒鉛Ｃを用いつつ、電池性能を向上できる。

図９は、人造黒鉛Ｃの濡れ性を比較する図であり、（ａ）第一実施形態、（ｂ）従来例を示す。第一実施形態では、集電準備体の表面粗さがＲａ（算術平均粗さ）０．５８μｍ（Ｒｚ（十点平均粗さ）５．２μｍ）である。従来例では、集電準備体の表面粗さがＲａ０．２７μｍ（Ｒｚ２．９μｍ）である。
従来例では人造黒鉛Ｃが均一に塗布できず、人造黒鉛Ｃの無い領域Ｒが形成されることが分かった。一方で、第一実施形態の集電準備体では、人造黒鉛Ｃが均一に塗布されることが分かった。
第一実施形態と従来例を比較すると、第一実施形態の方が人造黒鉛Ｃの濡れ性が高いことが確認できる。
第一実施形態に係る負極集電体１０の製造方法Ｓ１によれば、アルミニウム箔１２に人造黒鉛Ｃを塗布する際に、メッキ膜１８を被覆したアルミニウム箔１２の表面粗さが大きいため、人造黒鉛Ｃのぬれ性が向上して、人造黒鉛Ｃを良好に塗布できる。
具体的には、集電準備体１１の主面１２ａの両方に成膜されるメッキ膜１８の平均膜厚が０．５μｍ以上、集電準備体１１の平均厚さがメッキ膜１８を含めて３〜１００μｍ、集電準備体１１の表面粗さがＲａ０．３μｍ以上に形成される。

〔第二実施形態〕
図１０は、本発明の第二実施形態に係る負極集電体１０の製造方法Ｓ２を示す図である。
なお、この第二実施形態においては、第一実施形態における製造方法Ｓ１と同一の工程については同一の符号を付し、その説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。

負極集電体１０の製造方法Ｓ２は、裁断工程Ｓ１１、第一メッキ工程Ｓ２１、タブ溶接工程Ｓ１２、第二メッキ工程Ｓ２２および活物質塗布工程Ｓ１４を有する。

第一メッキ工程Ｓ２１では、裁断工程Ｓ１１で裁断されたアルミニウム箔１２の表面１２ｓに、ニッケル又は銅からなるメッキ膜１８を製膜する。
この第一メッキ工程Ｓ２１は、タブ溶接工程Ｓ１２とは異なって、金属製のタブ１５がアルミニウム箔１２に溶接されていない。金属製のタブ１５は、第一メッキ工程Ｓ２１に続くタブ溶接工程Ｓ１２において、メッキ膜１８が形成されたアルミニウム箔１２に溶接される。

第二メッキ工程Ｓ２２では、アルミニウム箔１２とタブ１５との溶接部１６に、ニッケル又は銅からなるメッキ膜１８を製膜する。タブ溶接工程Ｓ１２において、メッキ膜１８が形成されたアルミニウム箔１２に金属製のタブ１５を溶接すると、溶接部１６を覆う溶接部１６が剥離してしまう。
そこで、第二メッキ工程Ｓ２２では、アルミニウム箔１２とタブ１５との溶接部１６に、再度メッキ膜１８を製膜する。

第二実施形態に係る負極集電体１０の製造方法Ｓ２によれば、アルミニウム箔１２を裁断した後にメッキ膜１８を形成するので、アルミニウム箔１２の裁断面１２ｃにメッキ膜１８が形成されて、防食性を良好に維持できる。また、アルミニウム箔１２にタブ１５を溶接した後に、溶接部１６にメッキ膜１８を再度形成するので、メッキ膜１８が熱で破壊されることがなく、溶接部１６の防食性を良好に維持できる。したがって、リチウムイオンの合金化を抑制できる。
よって、安価で安定性が高い人造黒鉛Ｃを用いつつ、電池性能を向上できる。

〔第三実施形態〕
図１１は、本発明の第三実施形態に係る負極集電体１０の製造方法Ｓ３を示す図である。
なお、この第三実施形態においては、第一または第二実施形態における製造方法Ｓ１，Ｓ２と同一の工程については同一の符号を付し、その説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。

負極集電体１０の製造方法Ｓ３は、裁断工程Ｓ３１、タブ溶接工程Ｓ１２、第三メッキ工程Ｓ３２および活物質塗布工程Ｓ１４を有する。

裁断工程Ｓ３１では、帯状のアルミニウムの原反Ａを裁断して、同一形状（所定形状）のアルミニウム箔１２を複数枚形成する。このとき、アルミニウム箔１２は、予めメッキ処理されたものである。
したがって、アルミニウム箔１２の主面１２ａおよび端面１２ｂはメッキ膜１８で覆われ、裁断面１２ｃはアルミニウムの素地がそのまま露出する。

第三メッキ工程Ｓ３２では、アルミニウム箔１２の裁断面１２ｃと溶接部１６に、ニッケル又は銅からなるメッキ膜１８を製膜する。
裁断工程Ｓ３１において、メッキ膜１８に被膜されたアルミニウムの原反Ａを裁断したので、裁断面１２ｃにはアルミニウムの素地がそのまま露出する。また、タブ溶接工程Ｓ１２において、メッキ膜１８が形成されたアルミニウム箔１２に金属製のタブ１５を溶接すると、溶接部１６を覆う溶接部１６が剥離してしまう。
そこで、第三メッキ工程Ｓ３２では、裁断面１２ｃと溶接部１６にメッキ膜１８を製膜する。

第三実施形態に係る負極集電体１０の製造方法Ｓ３によれば、アルミニウム箔１２を裁断した後にメッキ膜１８を形成するので、アルミニウム箔１２の裁断面１２ｃにメッキ膜１８が形成されて、防食性を良好に維持できる。また、アルミニウム箔１２にタブ１５を溶接した後に、溶接部１６にメッキ膜１８を再度形成するので、メッキ膜１８が熱で破壊されることがなく、溶接部１６の防食性を良好に維持できる。したがって、リチウムイオンの合金化を抑制できる。
よって、安価で安定性が高い人造黒鉛Ｃを用いつつ、電池性能を向上できる。

なお、本発明の技術的範囲は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、リチウムイオン二次電池１は、正極集電体５、セパレータ６および負極集電体１０を、平坦な状態で順に積層させたものに限らない。
リチウムイオン二次電池１は、正極集電体５、セパレータ６および負極集電体１０を重ねて、巻回した状態に配置するものであってもよい。

その他、本発明の趣旨に逸脱しない範囲で、前記実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、前記した変形例を適宜組み合わせてもよい。

１ リチウムイオン二次電池
２ 電池ケース
３ 電解液
５ 正極集電体
６ セパレータ
１０ 負極集電体
１１ 集電準備体
１２ アルミニウム箔
１２ｓ 表面
１２ａ 主面
１２ｃ 裁断面
１５ タブ
１６ 溶接部
１８ メッキ膜（被覆膜）
Ｃ 人造黒鉛

Claims (5)

1. アルミニウム箔を所定の幅に裁断し、
   前記アルミニウム箔の主面にタブを溶接し、
   前記アルミニウム箔の表面および前記アルミニウム箔と前記タブとの溶接部に、ニッケル又は銅からなる被覆膜をそれぞれ製膜して集電準備体を形成し、
   前記集電準備体の主面の少なくとも一方に、炭素系材料からなる導電活物質を塗布して担持させて負極集電体を形成することを特徴とする負極集電体の製造方法。
2. アルミニウム箔を所定の幅に裁断し、
   前記アルミニウム箔の表面にニッケル又は銅からなる被覆膜を製膜し、
   前記アルミニウム箔の主面にタブを溶接し、
   前記アルミニウム箔と前記タブとの溶接部に、ニッケル又は銅からなる被覆膜を製膜して集電準備体を形成し、
   前記集電準備体の主面の少なくとも一方に、炭素系材料からなる導電活物質を塗布して担持させて負極集電体を形成することを特徴とする負極集電体の製造方法。
3. ニッケル又は銅からなる被覆膜に被膜されたアルミニウム箔を所定の幅に裁断し、
   前記アルミニウム箔の主面にタブを溶接し、
   前記アルミニウム箔の裁断面および前記アルミニウム箔と前記タブとの溶接部に、ニッケル又は銅からなる被覆膜をそれぞれ製膜して集電準備体を形成し、
   前記集電準備体の主面の少なくとも一方に、炭素系材料からなる導電活物質を塗布して担持させて負極集電体を形成することを特徴とする負極集電体の製造方法。
4. 前記集電準備体の主面の両方に配置された前記被覆膜をそれぞれ平均膜厚０．５μｍ以上に形成し、
   前記負極集電体の平均厚さを、前記被覆膜を含めて３〜１００μｍに形成し、
   前記被覆膜を被覆したアルミニウム箔の表面粗さをＲａ０．３μm以上に形成することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の負極集電体の製造方法。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の負極集電体の製造方法の後に、
   前記負極集電体、正極集電体およびセパレータを順に重ねて、平坦な状態に配置又は巻回した状態に配してケースに収容し、
   前記ケースにリチウム電解液を充填させてリチウムイオン二次電池を形成することを特徴とするリチウムイオン二次電池の製造方法。