JP2018181823A - 負極集電体、その製造方法及びその応用 - Google Patents

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Abstract

【課題】電池の軽量化を実現し、エネルギー密度を向上させ、コストを低減することができるだけでなく、銅メッキ層が抜け落ち難く、酸化し難い負極集電体及び製造方法の提供。
【解決手段】多層構造を有し、プラスチック薄膜１を含み、プラスチック薄膜１の上面及び下面には、接着力補強層２、銅金属メッキ層３及び酸化防止層４がこの順にメッキした負極集電体である。プラスチック薄膜１は、ＯＰＰ、ＰＩ、ＰＥＴ、ＣＰＰ又はＰＶＣであり、厚さは２〜１２μｍである。接着力補強層２は、Ｎｉ又はニッケル合金の金属コーティング、又は、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４又はＡｌ２Ｏ３の非金属コーティングである。
【選択図】図１

Description

本発明は、負極集電体、その製造方法及びその応用に関する。
伝統的なリチウムイオン電池の負極集電体は、銅箔である。リチウム電池技術の発展に従って、リチウムイオン電池の高エネルギー密度、軽量化及び柔軟化が求められている。銅箔を薄くすることにより、リチウムイオン電池の軽量化を実現し、エネルギー密度を向上させ、コストを低減することができる。しかし、製造技術の制限のため、銅箔の厚さをさらに薄くすることが困難であり（現在、銅箔は、6μmの厚さまで量産できる）、また、銅箔が薄くなると、機械的強度が低下し、加工性能が低下するので、新しい「薄化技術」が必要となっている。
従来技術には、集電体としてプラスチック（例えば、PET）に銅メッキを施すことにより電池のエネルギー密度を向上させ、コストを低減し、電池を軽量化するものがある。しかし、その銅メッキの最大厚さが1.5μmに達する（満足できる導電性を達成するには、一定の厚さが必要である）。この厚さは伝統的なパッケージ材料である銅メッキフィルムのメッキ層の厚さよりもはるかに厚く、しかもメッキ層が厚いほど、銅メッキ層がプラスチックから抜け落ちやすくなる。
また、銅箔の表面は、酸化防止処理を行うことが必要である。これは、銅箔が負極材料と直接に接触し、時間が経つと、電解液によって腐食され、リチウムイオン電池の耐用年数を低減するからである。プラスチックに直接銅メッキを施した後、伝統的な酸化防止方法を利用することは、銅メッキ層の抜け落ちを招きやすいことが見出された。
この状況に鑑みて、上記した技術課題を克服するために、本発明は、一つの局面において、電池の軽量化を実現し、エネルギー密度を向上させ、コストを低減することができるだけでなく、銅メッキ層が抜け落ち難く、酸化し難い負極集電体を提供することを目的とする。
本発明は、別の局面において、負極集電体の製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、また別の局面において、負極集電体の応用を提供することを目的とする。
本発明で提供される負極集電体は、プラスチック薄膜を含む多層構造を有し、前記プラスチック薄膜の上面及び下面には、接着力補強層、銅金属メッキ層及び酸化防止層がこの順にメッキされている。
さらに、前記プラスチック薄膜は、OPP、PI、PET、CPP又はPVCである。
さらに、前記プラスチック薄膜の厚さは、2〜12μmである。
さらに、前記接着力補強層は、金属コーティング又は非金属コーティングであり、金属コーティングである場合、前記金属はNi又はニッケル合金であり、非金属コーティングである場合、前記非金属はSiC、Si3N4又はAl2O3である。
さらに、前記接着力補強層が金属コーティングである場合、前記ニッケル合金は、NiCu合金、NiCr合金又はNiV合金であり、質量百分率で、NiCu合金である場合、60%〜80%のNi及び20%〜40%のCuからなり、NiCr合金である場合、10%〜30%のNi及び70%〜90%のCrからなり、NiV合金である場合、80%〜95%のNi及び5%〜20%のVからなる。
さらに、前記接着力補強層の厚さは、10〜100nmである。
さらに、前記銅金属メッキ層の厚さは、100〜1000nmである。
さらに、前記酸化防止層は、緻密な金属層又は非金属層であり、金属層である場合、前記金属はNi又はニッケル合金であり、非金属層である場合、前記非金属はAl2O3、Si3N4又はSiCである。
さらに、前記酸化防止層が金属層である場合、前記ニッケル合金は、NiCu合金、NiCr合金又はNiV合金であり、質量百分率で、NiCu合金である場合、60%〜80%のNi及び20%〜40%のCuからなり、NiCr合金である場合、10%〜30%のNi及び70%〜90%のCrからなり、NiV合金である場合、80%〜95%のNi及び5%〜20%のVからなる。
さらに、前記酸化防止層の厚さは、10〜100nmである。
本発明で提供される負極集電体の製造方法は、
まず、コーティングする必要のあるプラスチック薄膜の表面に対してコロナ処理を行い、その後、ロールプラスチック薄膜を両面往復マグネトロンスパッタリングコーティング機の真空チャンバー内に置き、真空チャンバーを封止し、真空度が3×10-3〜6×10-3Paに達するまで段階的に真空引きし、マグネトロンスパッタリングによりプラスチック薄膜に両面往復高速コーティングを行い、ターゲット材を純度≧99.9%のニッケルとし、繰り出し速度、巻き取り速度を調整し、これにより、スパッタされたニッケル原子が移動する薄膜にニッケルメッキ層、つまり接着力補強層を形成するステップS1と、
S1で得られたニッケルメッキフィルムを両面往復蒸着コーティング機の真空チャンバー内に置き、真空チャンバーを封止し、真空度が5×10-3〜8×10-3Paに達するまで段階的に真空引きし、蒸着により純度≧99.9%の銅を加熱し、繰り出し速度、巻き取り速度及び蒸着量を調整し、これにより、蒸着機構において、銅が持続的に溶解して蒸発し、移動する薄膜の表面に銅メッキ層、つまり銅金属メッキ層を形成するステップS2と、
S2で得られた銅メッキフィルムを両面往復電子ビーム蒸着コーティング機の真空チャンバー内に置き、真空チャンバーを封止し、真空度が3×10-3〜6×10-3Paに達するまで段階的に真空引きし、電子銃による加速電子を蒸着原料Al2O3に衝突させ、繰り出し速度、巻き取り速度及び蒸着量を調整し、これにより、Al2O3が吸熱して気化し、移動する薄膜の表面にAl2O3メッキ層、つまり酸化防止層を形成するステップS3、或いは
S2で得られた銅メッキフィルムを両面往復マグネトロンスパッタリングコーティング機の真空チャンバー内に置き、真空チャンバーを封止し、真空度が3×10-3〜6×10-3Paに達するまで段階的に真空引きし、マグネトロンスパッタリングによりプラスチック薄膜にコーティングし、ターゲット材を純度≧99.9%のニッケルとし、繰り出し速度、巻き取り速度を調整し、これにより、スパッタされたニッケル原子が移動する薄膜の表面にニッケルメッキ層、つまり酸化防止層を形成するステップS3と、を含む。
本発明で提供される負極集電体の応用は、主に電池における応用であり、特にリチウムイオン電池における応用である。
本発明の有益な効果は、以下の点にある。
（1）プラスチック薄膜層により重量の減少を実現し、銅メッキフィルム集電体は伝統的な銅箔集電体よりも70%の重量の減少を実現し、電池のエネルギー密度を顕著に向上させることができる。
（2）プラスチック薄膜は、ベースとしてより強い引張強度を有するので、製造プロセスにおけるテンション、圧力などのウィンドウがより大きくなり、原料準備段階では、より高い圧力でより大きい圧密密度を実現し、製造工程能力を向上させることができる。
（3）接着力補強層をメッキすることにより、銅金属メッキ層の抜け落ちを低減することでき、銅金属メッキ層が抜け落ちやすいことによって集電体の性能が失われることを効果的に防止することができる。
（4）従来のリチウム電池における銅箔集電体の代わりにこのような新たな銅メッキプラスチックフィルム集電体を使用することにより、伝統的な6μmの純銅箔から1μmより薄い銅メッキ層まで低減し、銅の使用量が大幅に減少し、集電体のコストを50%以上低減することができる。
（5）コーティングにより得られる酸化防止層は、プラスチックにおける銅メッキ層が抜け落ちる問題を解決するとともに、酸化防止の目的を達成することができる。
本発明の実施例又は従来技術における技術手段をより明らかに説明するために、以下、実施例又は従来技術を述べるために使用する必要のある添付図面を簡単に紹介する。以下で述べる添付図面は、本発明の実施例に過ぎず、当業者にとって、創造的な労働を払わない前提で、これらの添付図面により他の添付図面を得ることもできることは自明である。
本発明の負極集電体の多層構造の模式図である。
以下、本発明の実施例における添付図面を組み合わせて本発明の実施例における技術手段を明らかに、完全に述べる。述べられる実施例は、本発明の好ましい実施例に過ぎず、すべての実施例ではないことは明らかである。本発明における実施例に基づき、当業者が創造的労働を払わない前提で得られる他の実施例のすべては、いずれも本発明の保護範囲に属する。
図1に示すように、負極集電体は、多層構造を有し、プラスチック薄膜1を含み、前記プラスチック薄膜1の上面及び下面には、接着力補強層2、銅金属メッキ層3及び酸化防止層4がこの順にメッキされている。
プラスチック薄膜層により重量の減少を実現し、銅メッキフィルム集電体は伝統的な銅箔集電体よりも70%の重量の減少を実現し、電池のエネルギー密度を顕著に向上させることができる。プラスチック薄膜は、OPP、PI、PET、CPP又はPVCであることが好ましい。OPPは、延伸配向ポリプロピレンプラスチックであり、PIは、ポリイミドプラスチックであり、PETは、ポリエチレンテレフタレートプラスチックであり、CPPは、キャストポリプロピレンプラスチックであり、PVCは、ポリ塩化ビニルプラスチックである。PET、PI、CPPであることがさらに好ましい。プラスチック薄膜の厚さは、2〜12μmであることが好ましく、4〜8μmであることがさらに好ましい。プラスチック薄膜の耐温性は、120〜300℃である。
接着力補強層をメッキすることにより、銅金属メッキ層の抜け落ちを低減することでき、銅金属メッキ層が抜け落ちやすいことによって集電体の性能が失われることを効果的に防止することができる。当該接着力補強層は、金属コーティング又は非金属コーティングであることが好ましく、金属コーティングである場合、前記金属はNi又はニッケル合金であり、前記ニッケル合金は、NiCu合金、NiCr合金又はNiV合金であり、質量百分率で、NiCu合金である場合、60%〜80%のNi及び20%〜40%のCuからなり、好ましくは60%のNi及び40%のCuからなり、或いは70%のNi及び30%のCuからなり、或いは80%のNi及び20%のCuからなり、NiCr合金である場合、10%〜30%のNi及び70%〜90%のCrからなり、好ましくは10%のNi及び90%のCrからなり、或いは20%のNi及び80%のCrからなり、30%のNi及び70%のCrからなり、NiV合金である場合、80%〜95%のNi及び5%〜20%のVからなり、好ましくは91%のNi及び9%のVからなり、93%のNi及び7%のVからなり、95%のNi及び5%のVからなる。
接着力補強層は、ニッケル合金金属コーティングを用いることが好ましい。これは、リチウム電池の使用過程において、電解液に化学反応が発生してHFが生じ、ニッケル合金の効果は、貯蔵時間の推移に従って、リチウム電池の重量減少が基本的に0であることにあるからである。Ni金属コーティングを用いると、貯蔵時間の推移に従って、リチウム電池の重量減少が1500時間になる時点で最高で20%に達することがある。
非金属コーティングである場合、前記非金属はSiC、Si3N4又はAl2O3であり、Al2O3であることがさらに好ましい。Ni又はAl2O3とプラスチック薄膜層及び銅金属メッキ層との接着性能がよく、これにより、銅メッキ層が一層抜け落ち難くなる。接着力補強層の厚さは、10〜100nmであることが好ましく、10〜50nmであることがさらに好ましい。
銅金属メッキ層の厚さは、100〜1000nmであってもよく、200〜600nmであることがさらに好ましい。従来のリチウム電池における銅箔集電体の代わりにこの銅メッキプラスチックフィルム集電体を使用することにより、伝統的な6μmの純銅箔から1μmより薄い銅メッキ層まで低減し、銅の使用量が大幅に減少し、集電体のコストを50%以上低減することができる。
酸化防止層の役割や目的は、銅金属メッキ層が酸化されることを防止するためである。酸化防止層は、緻密な金属層又は非金属層であってもよく、金属層である場合、前記金属はNi又はニッケル合金であり、前記ニッケル合金は、NiCu合金、NiCr合金又はNiV合金であり、質量百分率で、NiCu合金である場合、60%〜80%のNi及び20%〜40%のCuからなり、好ましくは60%のNi及び40%のCuからなり、或いは70%のNi及び30%のCuからなり、或いは80%のNi及び20%のCuからなり、NiCr合金である場合、10%〜30%のNi及び70%〜90%のCrからなり、好ましくは10%のNi及び90%のCrからなり、或いは20%のNi及び80%のCrからなり、30%のNi及び70%のCrからなり、NiV合金である場合、80%〜95%のNi及び5%〜20%のVからなり、好ましくは91%のNi及び9%のVからなり、93%のNi及び7%のVからなり、95%のNi及び5%のVからなる。
酸化防止層及び接着力補強層は、同様にニッケル合金金属コーティングを用いることが好ましい。これは、リチウム電池の使用過程において、電解液に化学反応が発生してHFが生じ、ニッケル合金の効果は、貯蔵時間の推移に従って、リチウム電池の重量減少が基本的に0であることにあるからである。酸化防止層及び接着力補強層は、いずれもニッケル合金金属コーティングを用いるので、この効果をより一層保証する。Ni金属コーティングを用いると、貯蔵時間の推移に従って、リチウム電池の重量減少が1500時間になる時点で最高で20%に達することがある。
非金属層である場合、前記非金属はAl2O3、Si3N4又はSiCであり、Al2O3であることがさらに好ましい。コーティングにより得られる酸化防止層は、プラスチックにおける銅メッキ層が抜け落ちる問題を解決するとともに、酸化防止の目的を達成することができる。酸化防止層の厚さは、10〜100nmであってもよく、さらに好ましくは10〜50nmであってもよい。
以下、具体的な実施例により本発明をさらに説明する。
実施例1
負極集電体の製造方法は、
まず、コーティングする必要のあるプラスチック薄膜の表面に対してコロナ処理を行い、その後、ロールプラスチック薄膜を両面往復マグネトロンスパッタリングコーティング機の真空チャンバー内に置き、真空チャンバーを封止し、真空度が3×10-3〜6×10-3Paに達するまで段階的に真空引きし、マグネトロンスパッタリングによりプラスチック薄膜に両面往復高速コーティングを行い、ターゲット材を純度≧99.9%のニッケルとし、繰り出し速度、巻き取り速度を調整し、これにより、スパッタされたニッケル原子が移動する薄膜にニッケルメッキ層、つまり接着力補強層を形成するステップS1と、
S1で得られたニッケルメッキフィルムを両面往復蒸着コーティング機の真空チャンバー内に置き、真空チャンバーを封止し、真空度が5×10-3〜8×10-3Paに達するまで段階的に真空引きし、蒸着により純度≧99.9%の銅を加熱し、繰り出し速度、巻き取り速度及び蒸着量を調整し、これにより、蒸着機構において、銅が持続的に溶解して蒸発し、移動する薄膜の表面に銅メッキ層、つまり銅金属メッキ層を形成するステップS2と、
S2で得られた銅メッキフィルムを両面往復電子ビーム蒸着コーティング機の真空チャンバー内に置き、真空チャンバーを封止し、真空度が3×10-3〜6×10-3Paに達するまで段階的に真空引きし、電子銃による加速電子を蒸着原料Al2O3に衝突させ、繰り出し速度、巻き取り速度及び蒸着量を調整し、これにより、Al2O3が吸熱して気化し、移動する薄膜の表面にAl2O3メッキ層、つまり酸化防止層を形成するステップS3と、を含む。
これにより、多層構造を有する負極集電体が得られる。
実施例2
負極集電体の製造方法は、
まず、コーティングする必要のあるプラスチック薄膜の表面に対してコロナ処理を行い、その後、ロールプラスチック薄膜を両面往復マグネトロンスパッタリングコーティング機の真空チャンバー内に置き、真空チャンバーを封止し、真空度が3×10-3〜6×10-3Paに達するまで段階的に真空引きし、マグネトロンスパッタリングによりプラスチック薄膜に両面往復高速コーティングを行い、ターゲット材を純度≧99.9%のニッケルとし、繰り出し速度、巻き取り速度を調整し、これにより、スパッタされたニッケル原子が移動する薄膜にニッケルメッキ層、つまり接着力補強層を形成するステップS1と、
S1で得られたニッケルメッキフィルムを両面往復蒸着コーティング機の真空チャンバー内に置き、真空チャンバーを封止し、真空度が5×10-3〜8×10-3Paに達するまで段階的に真空引きし、蒸着により純度≧99.9%の銅を加熱し、繰り出し速度、巻き取り速度及び蒸着量を調整し、これにより、蒸着機構において、銅が持続的に溶解して蒸発し、移動する薄膜の表面に銅メッキ層、つまり銅金属メッキ層を形成するステップS2と、
S2で得られた銅メッキフィルムを両面往復マグネトロンスパッタリングコーティング機の真空チャンバー内に置き、真空チャンバーを封止し、真空度が3×10-3〜6×10-3Paに達するまで段階的に真空引きし、マグネトロンスパッタリングによりプラスチック薄膜にコーティングし、ターゲット材を純度≧99.9%のニッケルとし、繰り出し速度、巻き取り速度を調整し、これにより、スパッタされたニッケル原子が移動する薄膜の表面にニッケルメッキ層、つまり酸化防止層を形成するステップS3と、を含む。
これにより、多層構造を有する負極集電体が得られる。
実施例1及び実施例2で得られた負極集電体をリチウムイオン電池に用いる。その最も基本的な機能は、電流を収集するとともに、キャリアとして負極材料を保存し、即ち、負極材料（電池活性物質）により生じる電流を収集することで大きい電流を形成して外部に出力することである。
実施例1及び実施例2で得られた負極集電体に対してテストを行い、テストの結果から以下の結論を得ることができる。
（1）プラスチック薄膜層により重量の減少を実現し、銅メッキフィルム集電体は伝統的な銅箔集電体よりも70%の重量の減少を実現し、エネルギー密度を顕著に向上させることができる。
（2）プラスチック薄膜は、ベースとしてより強い引張強度を有するので、製造プロセスにおけるテンション、圧力などのウィンドウがより大きくなり、原料準備段階では、より高い圧力でより大きい圧密密度を実現し、製造工程能力を向上させることができる。
（3）接着力補強層をメッキすることにより、銅金属メッキ層の抜け落ちを低減することでき、銅金属メッキ層が抜け落ちやすいことによって集電体の性能が失われることを効果的に防止することができる。
（4）従来のリチウム電池における銅箔集電体の代わりにこのような新たな銅集電体を使用することにより、伝統的な6μmの純銅箔から1μmより薄い銅メッキ層まで低減し、銅の使用量が大幅に減少し、集電体のコストを50%以上低減することができる。
（5）コーティングにより得られる酸化防止層は、プラスチックにおける銅メッキ層が抜け落ちる問題を解決するとともに、酸化防止の目的を達成することができる。
以上で列記する一連の詳細な説明は、本発明の実行可能な実施例に対する具体的な説明に過ぎず、それらは本発明の保護範囲を制限するためのものではない。本発明の技術精神から逸脱することなくなされる等価の実施例又は変更は、いずれも本発明の保護範囲内に含まれるべきである。

Claims (12)

  1. 多層構造を有し、プラスチック薄膜を含み、前記プラスチック薄膜の上面及び下面には、接着力補強層、銅金属メッキ層及び酸化防止層がこの順にメッキされていることを特徴とする負極集電体。
  2. 前記プラスチック薄膜は、OPP、PI、PET、CPP又はPVCであることを特徴とする請求項1に記載の負極集電体。
  3. 前記プラスチック薄膜の厚さは、2〜12μmであることを特徴とする請求項1又は請求項２に記載の負極集電体。
  4. 前記接着力補強層は、金属コーティング又は非金属コーティングであり、金属コーティングである場合、前記金属はNi又はニッケル合金であり、非金属コーティングである場合、前記非金属はSiC、Si3N4又はAl2O3であることを特徴とする請求項1乃至請求項３のいずれか一項に記載の負極集電体。
  5. 前記ニッケル合金は、NiCu合金、NiCr合金又はNiV合金であり、質量百分率で、NiCu合金である場合、60%〜80%のNi及び20%〜40%のCuからなり、NiCr合金である場合、10%〜30%のNi及び70%〜90%のCrからなり、NiV合金である場合、80%〜95%のNi及び5%〜20%のVからなることを特徴とする請求項4に記載の負極集電体。
  6. 前記接着力補強層の厚さは、10〜100nmであることを特徴とする請求項1乃至請求項５のいずれか一項に記載の負極集電体。
  7. 前記銅金属メッキ層の厚さは、100〜1000nmであることを特徴とする請求項1乃至請求項６のいずれか一項に記載の負極集電体。
  8. 前記酸化防止層は、緻密な金属層又は非金属層であり、金属層である場合、前記金属はNi又はニッケル合金であり、非金属層である場合、前記非金属はAl2O3、Si3N4又はSiCであることを特徴とする請求項1乃至請求項７のいずれか一項に記載の負極集電体。
  9. 前記ニッケル合金は、NiCu合金、NiCr合金又はNiV合金であり、質量百分率で、NiCu合金である場合、60%〜80%のNi及び20%〜40%のCuからなり、NiCr合金である場合、10%〜30%のNi及び70%〜90%のCrからなり、NiV合金である場合、80%〜95%のNi及び5%〜20%のVからなることを特徴とする請求項8に記載の負極集電体。
  10. 前記酸化防止層の厚さは、10〜100nmであることを特徴とする請求項1乃至請求項９のいずれか一項に記載の負極集電体。
  11. 請求項1乃至請求項１０のいずれか一項に記載の負極集電体の製造方法であって、
    まず、コーティングする必要のあるプラスチック薄膜の表面に対してコロナ処理を行い、その後、ロールプラスチック薄膜を両面往復マグネトロンスパッタリングコーティング機の真空チャンバー内に置き、真空チャンバーを封止し、真空度が3×10-3〜6×10-3Paに達するまで段階的に真空引きし、マグネトロンスパッタリングによりプラスチック薄膜に両面往復高速コーティングを行い、ターゲット材を純度≧99.9%のニッケルとし、繰り出し速度、巻き取り速度を調整し、これにより、スパッタされたニッケル原子が移動する薄膜にニッケルメッキ層、つまり接着力補強層を形成するステップS1と、
    S1で得られたニッケルメッキフィルムを両面往復蒸着コーティング機の真空チャンバー内に置き、真空チャンバーを封止し、真空度が5×10-3〜8×10-3Paに達するまで段階的に真空引きし、蒸着により純度≧99.9%の銅を加熱し、繰り出し速度、巻き取り速度及び蒸着量を調整し、これにより、蒸着機構において、銅が持続的に溶解して蒸発し、移動する薄膜の表面に銅メッキ層、つまり銅金属メッキ層を形成するステップS2と、
    S2で得られた銅メッキフィルムを両面往復電子ビーム蒸着コーティング機の真空チャンバー内に置き、真空チャンバーを封止し、真空度が3×10-3〜6×10-3Paに達するまで段階的に真空引きし、電子銃による加速電子を蒸着原料Al2O3に衝突させ、繰り出し速度、巻き取り速度及び蒸着量を調整し、これにより、Al2O3が吸熱して気化し、移動する薄膜の表面にAl2O3メッキ層、つまり酸化防止層を形成するステップS3、或いは
    S2で得られた銅メッキフィルムを両面往復マグネトロンスパッタリングコーティング機の真空チャンバー内に置き、真空チャンバーを封止し、真空度が3×10-3〜6×10-3Paに達するまで段階的に真空引きし、マグネトロンスパッタリングによりプラスチック薄膜にコーティングし、ターゲット材を純度≧99.9%のニッケルとし、繰り出し速度、巻き取り速度を調整し、これにより、スパッタされたニッケル原子が移動する薄膜の表面にニッケルメッキ層、つまり酸化防止層を形成するステップS3と、を含むことを特徴とする負極集電体の製造方法。
  12. 請求項1〜10のいずれか一項に記載の負極集電体の電池における応用。


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