JP2019077891A - 二次電池負極集電体用圧延銅箔、それを用いた二次電池負極及び二次電池並びに二次電池負極集電体用圧延銅箔の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
さらに、特許文献1には、銅合金箔の製造方法として、0.04質量%以上0.20質量%以下のスズ、0.01質量%以上の銀の少なくともいずれかを含有し、スズ及び銀の両方を含有する場合はスズ及び銀の合計含有量が0.20質量%以下であり、残部が銅及び不可避不純物からなる鋳塊を鋳造する鋳造工程と、前記鋳塊に対して所定の熱間圧延を行い、熱間圧延材を形成する熱間圧延工程と、前記熱間圧延材に対して冷間圧延処理及び焼鈍処理を行い、焼鈍材を形成する第1の冷間圧延工程と、前記焼鈍材に対して、1回の加工度が60%以下である冷間圧延を、総加工度が95%以上になるように所定回数連続して行う第2の冷間圧延工程と、を有する銅合金箔の製造方法が記載されている。かかる方法によって、銅合金箔が、所定の引張強さだけでなく、所定の伸びも有することで、所定の引張強さを有する銅合金箔では抑制することができなかった銅合金箔の破断を抑制することができる。
また、本発明者らは、二次電池負極集電体用圧延銅箔の製造に当たり、インゴットを熱間圧延した後、特定の径を有するワークロールを用いて、1パスあたりの最小加工度が24%以上であり、総加工度が99.9%を超える最終冷間圧延を行うことによって、銅箔の加工硬化により強度と伸びの両方を向上させることで、活物質の体積変化に伴う応力の発生による銅箔の破断を抑制することができるとの知見を得た。
(1)圧延平行方向の引張強さが600MPa以上、破断伸びが2.0%以上、かつ、圧延直角方向の引張強さが640MPa以上、破断伸びが3.5%以上である二次電池負極集電体用圧延銅箔。
(2)200℃×60分間の熱処理後、圧延平行方向の引張強さが600MPa以上、破断伸びが2.0%以上、かつ、圧延直角方向の引張強さが640MPa以上、破断伸びが3.5%以上である、(1)に記載の二次電池負極集電体用圧延銅箔。
(3)圧延平行方向の0.2%耐力が480MPa以上、圧延直角方向の0.2%耐力が510MPa以上である、(1)又は(2)に記載の二次電池負極集電体用圧延銅箔。
(4)200℃×60分間の熱処理後、圧延平行方向の0.2%耐力が480MPa以上、圧延直角方向の0.2%耐力が510MPa以上である(1)〜(3)のいずれかに記載の二次電池負極集電体用圧延銅箔。
(5)Snを0.05〜0.20質量%含有する(1)〜(4)のいずれかに記載の二次電池負極集電体用圧延銅箔。
(6)さらに、Agを0.01〜0.10質量%含有する(1)〜(5)のいずれかに記載の二次電池負極集電体用圧延銅箔。
(7)(1)〜(6)のいずれか一項に記載の二次電池負極集電体用圧延銅箔を有する二次電池負極集電体。
(8)(1)〜(6)のいずれか一項に記載の二次電池負極集電体用圧延銅箔を有する二次電池負極。
(9)(1)〜(6)のいずれか一項に記載の二次電池負極集電体用圧延銅箔を有する二次電池。
(10)インゴットを熱間圧延した後、所定厚みに仕上げる最終冷間圧延工程を含む(1)〜(6)のいずれか一項に記載の二次電池負極集電体用圧延銅箔の製造方法であって、前記最終冷間圧延工程において、下記式で示される各パス終了時点における加工度ηと、当該パスで用いるワークロールの直径r(mm)とが、η×r≦250の関係を満たし 、前記最終冷間圧延工程の1パスあたりの加工度は24%以上 であり、総加工度が99.9%を超えることを特徴とする二次電池負極集電体用圧延銅箔の製造方法。
η=ln(T0/Tn)
式中、T0:最終冷間圧延工程を行う前のインゴットの厚さ、Tn:当該パス終了時点におけるインゴットの厚さ。
(11)前記最終冷間圧延工程の前、さらに熱間圧延した後のインゴットに対して冷間圧延処理及び焼鈍処理を行い、次いで前記最終冷間圧延工程を行うことを特徴とする(10)に記載の二次電池負極集電体用圧延銅箔の製造方法。
(圧延銅箔の組成)
本発明の二次電池負極集電体用圧延銅箔の材料としては、JIS−H3100−C1100に規格するタフピッチ銅、又は、JIS−H3100−C1020に規格する無酸素銅が好ましい。これらの組成は純銅に近いため、銅箔の導電率が低下せず、集電体に適する。銅箔に含まれる酸素濃度は、タフピッチ銅の場合は0.01〜0.02質量%、無酸素銅の場合は0.001質量%以下である。
本発明に係る銅箔は、工業的に使用される銅で形成されており、不可避的不純物を含んでいる。この不可避的不純物としてのP、Fe、Zr、Mg、S、Ge及びTiは、微少量存在していても、銅箔の曲げ変形によって結晶方位が回転し易くなり、剪断帯も入り易く、集電体が曲げ変形を繰返した時にクラックや破断が発生しやすくなるため好ましくない。このため、本発明に係る銅箔は、不可避的不純物としてのP、Fe、Zr、Mg、S、Ge及びTiからなる群から選択された1種又は2種以上を合計で20質量ppm以下に制御することが好ましい。
また、材料の特性改善のためにSnを0.05〜0.20質量%含んでもよく、さらにAgを0.01〜0.10質量%含んでもよい。銅箔にAg又はSnを添加すると、仕上げ圧延後の材料強度が高くなり、材料の取り扱い性が良好となるものの、Agの添加量が0.10質量%、Snの添加量が0.20質量%をそれぞれ超えると、導電率が低下すると共に再結晶温度が上昇し、銅合金の表面酸化を抑えつつ再結晶焼鈍することが困難、あるいは負極材の製造工程で、活物質塗工後の乾燥時に集電体である銅箔が再結晶し難くなることで、本発明の特性を発現できなくなる。また、Agは高価であるため、コストの関係から、Agを多く添加することは望ましくない。従って、Agの添加量は0.10質量%以下、Snの添加量は0.20質量%以下がそれぞれ好ましい。
ここで、AgはCuよりも酸化しにくいので、タフピッチ銅および無酸素銅のどちらの溶湯中でも添加可能である。ただし、酸素濃度については、500質量ppmを超えると酸化銅粒子が増大し、電池の充放電サイクル試験における銅箔の亀裂発生の起点となるなどの悪影響が考えられるため、500質量ppm以下に調整することが好ましい。
また、SnはCuよりも酸化しやすいので、銅箔中で酸化物を形成して電池の充放電サイクル試験における亀裂発生の起点となるなどの悪影響が考えられるため、無酸素銅の溶湯中に添加するのが一般的である。
なお、本明細書において用語「銅箔」を単独で用いたときには銅合金箔も含むものとし、「タフピッチ銅及び無酸素銅」を単独で用いたときにはタフピッチ銅及び無酸素銅をベースとした銅合金箔を含むものとする。
本発明の圧延銅箔の特徴の一つは、圧延平行方向の引張強さが600MPa以上、破断伸びが2.0%以上、かつ、圧延直角方向の引張強さが640MPa以上、破断伸びが3.5%以上というところである。
しかし、伸びの大きい銅箔を負極集電体に用いても、充放電によって銅箔にクラックや破断が発生する場合がある。具体的には、充放電によって活物質が膨張、収縮することにより、集電体である銅箔が繰返し応力集中を受けて集電体が部分的に曲げ変形を起こすようになり、充放電によって曲げ変形が繰り返される。曲げ変形は、活物質の膨張、収縮に伴うものであり、曲げ及び曲げ戻しが交互に繰り返される。このような過酷な条件では、集電体である銅箔にクラックや破断が発生し、通電抵抗が上昇して電池のサイクル特性が劣化する場合がある。
この観点から、圧延平行方向の引張強さは616MPa以上が好ましく、620MPa以上がより好ましく、625MPa以上がさらにより好ましい。圧延平行方向の破断伸びは2.3%以上が好ましく、2.4%以上がより好ましく、2.5%以上がさらにより好ましい。圧延直角方向の引張強さは645MPa以上が好ましく、650MPa以上がより好ましく、660MPa以上がさらにより好ましい。圧延直角方向の破断伸びは3.6%以上が好ましく、3.7%以上がより好ましく、3.8%以上がさらにより好ましい。この理由は、例えば、リチウムイオン二次電池の充放電時の活物質の膨張収縮に対し密着性を維持し、かつ追随する必要が求められるためである。
コネクタ等の所定の電子材料で要求される特性を満たすため、圧延平行方向の0.2%耐力は480MPa以上が好ましい。
また、圧延直角方向の0.2%耐力は510MPa以上が好ましい。
同様の観点から、200℃×60分間の熱処理後、圧延平行方向の0.2%耐力が480MPa以上、圧延直角方向の0.2%耐力が510MPa以上であることが好ましい。
0.2%耐力は、IPC−TM−650 Test Method 2.4.18に準拠して引張試験機を用いて試験を行い、JIS Z2241に準拠して解析する。
導電率は75%IACS以上とする。これにより、電子材料として有効に用いることができる。導電率はJIS H0505に準拠して測定することができる。導電率は、80%IACS以上であることが好ましい。
本発明に用いることのできる圧延銅箔の厚さとしては、5〜20μmが好ましい。銅箔の厚さに特に下限は無いが、5μm未満であると銅箔のハンドリングが悪くなるため、5μm以上が好ましい。箔の厚さの上限も特に無いが、厚みが増すほど電池の単位重量あたりのエネルギー密度が低下し、さらに材料のコストも上昇するため、20μm以下が好ましい。
本発明において、引張強さとは、常温(23℃)において、IPC−TM−650 Test Method 2.4.18に基づく引張強さ試験をした場合の値を示す。
破断伸びとは、常温(23℃)においてIPC−TM−650に基づく引張強さ試験をしたときに、試験片が破断した際の伸び率を指す。
破断伸び(%)=(L−Lo)/Lo×100
Lo:試験前の試料長さ L:破断時の試料長さを示す。
200℃×60分間の熱処理後の引張強さとは、200℃で60分間の加熱後、常温(23℃)まで放冷してからIPC−TM−650 Test Method 2.4.18に基づく引張強さ試験をした場合の値を示す。
200℃×60分間の熱処理後の破断伸びとは、200℃で60分間の加熱後、常温(23℃)まで放冷してからIPC−TM−650に基づく引張強さ試験をしたときに、試験片が破断した際の伸び率を指す。
なお、圧延平行方向及び圧延直角方向それぞれの引張強さ及び破断伸びとはIPC−TM−650 Test Method 2.4.18に基づく引張強さ試験をした場合の値である。
本発明の実施形態に係る圧延銅箔は、例えば以下のようにして製造することができる。規定の組成で鋳造したインゴットを熱間圧延後、表面研削で酸化物を除去し、最終冷間圧延工程で所定の厚みまで加工することで銅箔を製造する。最終冷間圧延工程において、総加工度は99.9%を超えるものとする。
総加工度は、下記の数式から求められる。式中、T0は、最終冷間圧延工程を行う前のインゴットの厚さであり、Tは、最終冷間圧延工程での冷間圧延処理が終了した時の圧延材(つまり圧延銅箔)の厚さである。
総加工度(%)={(T0−T)/T0}×100
総加工度を99.9%を超えるとすることによって、加工硬化により圧延銅箔の引張強さ及び破断伸びを向上させ、前記圧延平行方向及び圧延直角方向の双方向における引張強さ及び破断伸びの高い圧延銅箔を得ることができる。特に、200℃×60分間の熱処理後の引張強さ及び破断伸びを高い水準で維持できる。
また、圧延では、一対のロール間に材料を繰り返し通過させて厚みを仕上げていくが、この時、ロール間に1回材料を通過させることを1パスという。材料の引張強さを高めることを目的として適切なひずみ速度で圧延するために、1パスあたりの加工度は24%以上が好ましい。1パスあたりの加工度が24%未満であると、ひずみ速度が遅く、十分な引張強さや0.2%耐力が得られず、耐熱性にも難がある。1パスあたりの加工度は、下記の数式から求められる。式中、Tn-1は、当該パスによる圧延前のインゴットの厚さであり、Tnは、当該パス終了時点におけるインゴットの厚さである。
1パスあたりの加工度(%)={(Tn-1−Tn)/Tn-1}×100
さらに、最終冷間圧延工程の前、さらに熱間圧延した後のインゴットに対して冷間圧延処理及び焼鈍処理を行うことができる。焼鈍処理を行うことにより、さらに耐折れ曲げ性などを向上させることができる。
η=ln(T0/Tn)
ηが高いと加工硬化により材料の強度が上がり、目標板厚を得るためにはより小さい径のワークロールを使用してより高い圧力を材料に与える必要がある。ηとワークロールの直径(r)の積が250を超えると、必要な圧力に対しワークロールの径が大きいため、圧延に必要な圧力が得難く、また、圧延機への負荷が大きくなることから、各パスでのηに応じてワークロールの径を小さくする必要がある。
また、ηとワークロールの径の積の値が250を超えると圧延が困難となるため、ηに応じてより径の小さいワークロールに交換して圧延することにより、より大きい圧力を材料に与えることが出来るため、圧延工程を進行させ更なる高加工度圧延を実現できる。また、ロール径の小さなワークロールを用いて圧延することで、せん断帯の発生を抑制できる。せん断帯は変形が局所的に集中した組織、すなわち歪が多くたまって転位密度が増加している部分であり、周りの組織に比べ変形しにくいため、材料中にせん断帯が発生すると伸びが悪化する。ただし、ワークロールの径が小さいほどメンテナンスの頻度が高いため、製造性の観点から、ηとワークロールの径の積の下限値は40が好ましく、上限値は250が好ましい。
このようにして得られた各試験片に対し、以下の特性評価を行った。その結果を表2−1及び2−2に示す。
長手方向100mm、幅方向12.7mmの試験片を作製し、IPC−TM−650 Test Method 2.4.18に準拠して、引張試験機により圧延方向と平行に引張試験を行い、JIS Z2241に準拠して、0.2%耐力を解析した。
試験片の長手方向が圧延方向と平行になるように試験片を採取し、JIS H0505に準拠し、4端子法で導電率(EC:%IACS)を測定した。
長手方向100mm、幅方向12.7mmの試験片を作製し、IPC−TM−650 Test Method 2.4.18に準拠して、引張試験機により圧延方向と平行に引張試験を行い、引張強さを測定した。
長手方向100mm、幅方向12.7mmの試験片を作製し、スタンプを用いて5mm間隔の印をつけた後、IPC−TM−650 Test Method 2.4.18に準拠して、引張試験機により圧延方向と平行に引張試験を行い、破断後の試料の破断部を含む部位の印の間隔を測定することにより破断伸びを測定した。
各実施例及び比較例の圧延銅箔をそれぞれ用いて形成した二次電池の特性について評価を行った。具体的には、二次電池の特性として、負極の破断箇所の有無を評価した。
まず、各実施例及び比較例の各圧延銅箔のいずれかの主面上に負極活物質層を形成し、負極を作製した。具体的には、負極活物質として鱗片状の黒鉛粉末を45質量部及び一酸化ケイ素(SIO)を5質量部と、結着材としてのSBRを2質量部と、増粘剤水溶液を20質量部と、を混練分散させて負極活物質層のスラリー(ペースト)を生成した。なお、増粘剤水溶液は、増粘剤としてのCMC1質量部に対して99質量部の水を溶解させて生成した。続いて、各実施例及び比較例の各圧延銅箔のいずれかの主面(片面)上にそれぞれ、ドクターブレード方式により、生成した負極活物質層用のスラリーを厚さが100μmになるよう塗布した。その後、負極活物質層用のスラリーを塗布した各実施例及び比較例の各圧延銅箔をそれぞれ、200℃の条件下で60分間加熱し、乾燥させた。これにより、各実施例及び比較例の各圧延銅箔上にそれぞれ厚さが100μmの負極活物質層を形成した。そして、負極活物質層を加圧することで、負極活物質層の厚さを50μmに調整した。その後、圧延銅箔と負極活物質層との積層体に対して打ち抜き加工を行うことで、所定形状の負極(負極板)を作製した。
二次電池に用いられる正極板(正極)を作製した。具体的には、正極活物質としてのLiCoO2粉末を50質量部と、導電助剤としてのアセチレンブラックを1質量部と、結着剤としてのPVDFを5質量部と、を水(溶媒)中に混練分散して、正極活物質層用のスラリー(ペースト)を生成した。続いて、正極集電体としての厚さが20μmであるアルミニウム箔のいずれかの主面(片面)上に、ドクターブレード方式により、生成した正極活物質層用のスラリーを厚さが100μmになるように塗布した。その後、正極活物質層用のスラリーを塗布したアルミニウム箔を120℃の条件下で1時間加熱し、乾燥させた。これにより、アルミニウム箔上に厚さが100μmである正極活物質層を形成した。そして、正極活物質層を加圧することで、正極活物質層の厚さを50μmに調整した。その後、アルミニウム箔と正極活物質層との積層体に対して打ち抜き加工を行うことで、所
定形状の正極(正極板)を作製した。
各実施例及び比較例の各圧延銅箔を用いて形成したそれぞれの二次電池について、二次電池を充放電した後に、圧延銅箔に破断が生じている箇所を目視で確認した。具体的には、25℃の条件下で充電と放電とを50回ずつ交互に行った後の、圧延銅箔の破断の有無を目視で確認した。
各実施例及び比較例の各圧延銅箔を用いて形成したそれぞれの二次電池について、二次電池を充放電した後の容量維持率を測定した。具体的には、25℃の条件下で充電と放電とを行い、2サイクル目の放電容量に対する50サイクル目の放電容量の比率、すなわち(50サイクル目の放電容量/2サイクル目の放電容量)×100として算出した。その際、充電は、1mA/cm2の定電流密度で電池電圧が4.2Vに達するまで行った後、4.2Vの定電圧で電流密度が0.05mA/cm2に達するまで行い、放電は、1mA/cm2の定電流密度で電池電圧が2.5Vに達するまで行った。なお、充電を行う際には、負極の容量の利用率が90%となるようにし、負極に金属リチウムが析出しないようにした。測定された容量維持率の結果を表2−1及び2−2に示す。また、容量維持率に対する評価を表2−1及び2−2に示す。評価としては、◎は特に良好、○は良好、×は不良である。
実施例1〜15から、所定の耐熱性を有するとともに、所定の加熱処理を行った後に所定の破断伸びを有する圧延銅箔は、二次電池の負極集電体として用いられる場合、二次電池の充放電によって圧延銅箔が破断することを抑制できると確認した。例えば、200℃の条件下での60分間の加熱後に、圧延平行方向について、600MPa以上の引張強さを有するとともに、破断伸びが2.0%以上であり、圧延直角方向について、640MPa以上の引張強さを有するとともに、破断伸びが3.5%以上である圧延銅箔が負極集電体として用いられた二次電池では、二次電池を繰り返し充放電しても、圧延銅箔の破断が抑制されることを確認した。
比較例2は、Sn濃度が過剰であるため、加熱処理前及び加熱処理後における圧延直角方向の破断伸びが不足であった。
比較例3は最終冷間圧延の総加工度が十分でないため、加熱処理前及び加熱処理後における圧延直角方向の引張強さ、加熱処理後における圧延直角方向の0.2%耐力が十分でなかった。
比較例4はワークロールの径と加工度ηの積が250を超えているため材料中にせん断帯が発生して、加熱処理前及び加熱処理後における圧延直角方向の引張強さ及び破断伸び、加熱処理後における圧延直角方向の0.2%耐力が不足であった。
比較例5は1パスあたりの最小加工度が十分でないためひずみ速度が遅く、加熱処理前および加熱処理後における圧延直角方向の引張強さ、加熱処理後における圧延直角方向の0.2%耐力が十分でなかった。
Claims (11)
- 圧延平行方向の引張強さが600MPa以上、破断伸びが2.0%以上、かつ、圧延直角方向の引張強さが640MPa以上、破断伸びが3.5%以上である二次電池負極集電体用圧延銅箔。
- 200℃×60分間の熱処理後、圧延平行方向の引張強さが600MPa以上、破断伸びが2.0%以上、かつ、圧延直角方向の引張強さが640MPa以上、破断伸びが3.5%以上である、請求項1に記載の二次電池負極集電体用圧延銅箔。
- 圧延平行方向の0.2%耐力が480MPa以上、圧延直角方向の0.2%耐力が510MPa以上である、請求項1又は2に記載の二次電池負極集電体用圧延銅箔。
- 200℃×60分間の熱処理後、圧延平行方向の0.2%耐力が480MPa以上、圧延直角方向の0.2%耐力が510MPa以上である請求項1〜3のいずれかに記載の二次電池負極集電体用圧延銅箔。
- Snを0.05〜0.20質量%含有する請求項1〜4のいずれかに記載の二次電池負極集電体用圧延銅箔。
- さらに、Agを0.01〜0.10質量%含有する請求項1〜5のいずれかに記載の二次電池負極集電体用圧延銅箔。
- 請求項1〜6のいずれか一項に記載の二次電池負極集電体用圧延銅箔を有する二次電池負極集電体。
- 請求項1〜6のいずれか一項に記載の二次電池負極集電体用圧延銅箔を有する二次電池負極。
- 請求項1〜6のいずれか一項に記載の二次電池負極集電体用圧延銅箔を有する二次電池。
- インゴットを熱間圧延した後、所定厚みに仕上げる最終冷間圧延工程を含む請求項1〜6のいずれか一項に記載の二次電池負極集電体用圧延銅箔の製造方法であって、前記最終冷間圧延工程において、下記式で示される各パス終了時点における加工度ηと、当該パスで用いるワークロールの直径r(mm)とが、η×r≦250の関係を満たし、前記最終冷間圧延工程の1パスあたりの加工度は24%以上であり、総加工度が99.9%を超えることを特徴とする二次電池負極集電体用圧延銅箔の製造方法。
η=ln(T0/Tn)
式中、T0:最終冷間圧延工程を行う前のインゴットの厚さ、Tn:当該パス終了時点におけるインゴットの厚さ。 - 前記最終冷間圧延工程の前、さらに熱間圧延した後のインゴットに対して冷間圧延処理及び焼鈍処理を行い、次いで前記最終冷間圧延工程を行うことを特徴とする請求項10に記載の二次電池負極集電体用圧延銅箔の製造方法。
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