JP2020057584A - 集電体、極シート及び電気化学デバイス - Google Patents
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Abstract
Description
第1態様において、本発明は、絶縁層と導電層とを備える集電体を提供し、前記導電層は、前記絶縁層の少なくとも1つの表面に位置し、前記集電体は、前記導電層における前記絶縁層から離間する表面に設けられる第1保護層をさらに備え、前記集電体には、前記絶縁層と前記導電層と前記第1保護層とを貫通する複数の孔が設けられ、前記第1保護層は、金属酸化物保護層である。
本発明に係る集電体は、絶縁層の表面に導電層及び金属酸化物の第1保護層が設けられていることにより、本発明に係る集電体は、電池に異常状況で短絡が発生した時の短絡抵抗を大きくし、短絡電流を大幅に低減することにより、短絡時の発熱量を大きく低減して、電池の安全性を改善することができる。一方で、本発明に係る集電体における保護層により、導電層の機械的強度を向上させることが可能であり、電池の安全性をさらに向上させるとともに、導電層が破壊され、又は酸化や腐食などの現象が生じることを防止して、集電体の長期間にわたる信頼性と使用寿命を著しく改善することができる。また、集電体に、前記絶縁層と前記導電層と第1保護層とを貫通する複数の孔が設けられていることにより、導電層での応力のリリースが容易になり、導電層と絶縁層との間の結合力を著しく改善することができ、電解液も通過しやすくなり、当該集電体的極シートの電解液濡れ性を改善し、さらに極シート及び電池の分極を減少させ、高倍率充放電性能、サイクル寿命などの電池の電気化学性能を改善することができる。集電体に設けられた複数の孔により、集電体の重量をさらに軽くして、電池の重量エネルギー密度を向上させることができる。
以下、本発明に係る実施例の第1態様で提供される集電体の構成及び性能を詳細に説明する。
本発明に係る実施例における集電体では、絶縁層は主に導電層を支持・保護する作用を発揮し、その厚さがD1であり、D1は1μm≦D1≦20μmを満たし、この範囲での絶縁層はより良い加工性を有するだけではなく、当該集電体が用いられた電池の体積エネルギー密度を低下させることもない。
12μm≦D1≦30μmであるとき、30%≦T≦80%を満たし、及び/又は、
8μm≦D1<12μmであるとき、40%≦T≦90%を満たし、及び/又は、
1μm≦D1<8μmであるとき、50%≦T≦98%を満たす。
本発明に係る実施例集電体では、好ましくは、導電層の厚さがD2であり、D2は30nm≦D2≦3μmを満たし、好ましくは、300nm≦D2≦2μmを満たす。
本発明に係る実施例では、導電層の厚さが小さい場合、化学的腐食又は機械的なダメージを受けやすい。従って、本発明に係る集電体における導電層は第1保護層を備え、好ましくは、第2保護層をさらに備える。保護層により導電層の機械的強度を向上させることができ、電池の安全性をさらに向上させるとともに、導電層が破壊され、又は酸化、腐食などの現象が生じることを効果的に防止して、集電体の長期間にわたる信頼性と使用寿命を著しく改善することができる。
1.特定の光透過率を有する絶縁層の製造
絶縁層材料はPETであり、PETに一定の含有量の着色剤カーボンブラックを添加して、均一に混合する。PETをホットメルト状態で押し出して注ぎかけ、冷間ローラでロール圧延することにより、双方向延伸してから、特定の光透過率を有する絶縁層を得る。
2.1 一定の厚さを有する絶縁層を選択し、絶縁層に孔を開け、そして、真空蒸着の方式で一定の厚さを有する導電層を形成した。これにより、導電層が絶縁層の少なくとも1つの表面及び孔の孔壁表面に堆積する。
2.2 一定の厚さを有する絶縁層を選択し、その表面に、真空蒸着の方式で一定の厚さを有する導電層を形成して、そして、孔を開けた。これにより、前記絶縁層と前記導電層とを貫通する孔を複数形成する。
2.3 一定の厚さを有する絶縁層を選択し、その表面に、真空蒸着の方式で一定の厚さを有する導電層を形成して、そして、孔を開けた。その後、平面表面、孔壁表面又は孔壁表面及び平面表面に導電層を堆積する。
導電層の真空蒸着方式による形成条件は、以下の通りである。表面洗浄処理された絶縁層を真空蒸着チャンバ内に配置し、1600℃〜2000℃という高温で金属蒸発室内における高純度の金属ワイヤを溶融し蒸発させ、蒸発後の金属が真空蒸着チャンバ内の冷却システムを通過し、最後に絶縁層の表面に堆積して、導電層が形成される。
3.1 第1保護層の形成
導電層を有する集電体の表面に、気相成長法、インサイチュ形成法または塗布法で導電層における絶縁層から離間する表面に保護層を形成する。
3.2 第2保護層の形成
絶縁層の表面に、気相成長法又は塗布法で保護層を形成し、そして、真空蒸着の方式で、上述した保護層を有する絶縁層の表面に一定の厚さを有する導電層を形成することにより、第2保護層を有する集電体を製造する。なお、これに加え、導電層の上表面に第1保護層をさらに形成する。
通常の電池塗布プロセスにより、集電体の表面に正極スラリー又は負極スラリーを塗布し、100℃で乾燥させた後、正極シート又は負極シートを得る。
通常の負極シートでは、集電体が厚さ8μmのCu箔片であり、電極活物質層が一定の厚さを有するグラファイト材料層である。
通常の電池製造プロセスにより、正極シート(圧密密度:3.4g/cm3)、PP/PE/PPセパレータ及び負極シート(圧密密度:1.6g/cm3)を一緒にベアセルに巻き取り、その後に電池ケースに入れ、電解液(EC:EMC体積比が3:7、LiPF6が1mol/Lである)を注入してから、密封や、化成などの工程を行い、最後にリチウムイオン電池を得た。
まず、実施例で孔を開けることによる技術的効果を説明する。
1.電池サイクル寿命のテスト方法
リチウムイオン電池に対して、サイクル寿命テストを行い、具体的なテスト方法は以下の通りである。
リチウムイオン電池を25℃と45℃との2種類の温度でそれぞれ充放電し、即ち、1Cの電流で4.2Vに充電してから、1Cの電流で2.8Vに放電して、第1サイクルの放電容量を記録した。その後、電池を1000サイクルだけ1C/1Cの充放電循環させ、1000サイクル目の電池の放電容量を記録して、1000サイクル目の放電容量を1サイクル目の放電容量で除し、1000サイクル目の容量保持率を得た。
実験結果は、表3に示す。
釘刺し実験:電池を満充電した後に固定して、常温で直径8mmの鋼針を25mm/sの速度で電池を貫通し、鋼針を電池に残しておき、釘刺しが完了した。その後、観察及びテストを行った。
電池温度のテスト:マルチ温度計を使用して、釘刺す電池の釘刺し面と裏面の幾何学中心にそれぞれ感温線を付け、釘刺しが完了した後、5分間の電池温度追従テストを行って、5分間を経た時の電池温度を記録した。
電池電圧のテスト:釘刺す電池の正極と負極を内部抵抗計の計測端に接続し、釘刺しが完了した後、5分間の電池電圧追従テストを行って、5分間を経た時の電池電圧を記録した。
記録された電池の温度と電圧のデータは、表4に示す。
極シートを炭酸ジメチルとフッ化水素酸との混合溶媒に浸漬し、ここで、フッ化水素酸含有量は0.1wt%であり、そして、真空密封を行い、70℃の恒温箱に数日間保管し、保管完了後、極シートを取り出し、極シートを長手方向に二つ折りにするとともに、2Kgの分銅を二つ折りの箇所に配置して、圧密を10秒間行い、圧密完了後、極シートを伸ばし、折り目に導電層の脱落が生じたかどうかを観察して、脱落が生じ始めたときの保管日数を記録し、テストの結果は表5に示す。
LS117光透過率計を用いて、GB2410−80標準に準拠して支持層の光透過率を測定することは以下のステップを含み、まず、光透過率計を起動して、自己校正が行われ、画面にT=100%と表示されると、校正が完了する。その後、支持層のサンプルを探触子と受信機との間に挟み、画面に支持層の光透過率の数値が自動的に表示される。
IPG社製の型番YLP−V2−1−100−100−100のファイバレーザーを用いて、出力を100W、周波数を150kHzと設定し、集電体をレーザーの切断装置に配置して切断を行い、集電体の最大切断可能な速度を測定する。ここで、集電体の最大の切断可能な速度とは、レーザ光で当該集電体を切断して、粘着現象が生じないときに達すことが可能な最大の切断速度を指す。
10 正極集電体
101 正極絶縁層
102 正極導電層
1031 第1保護層
1032 第2保護層
11 正極活物質層
201 孔
2 負極シート
20 負極集電体
201 負極絶縁層
202 負極導電層
2031 第1保護層
2032 第2保護層
21 負極活物質層
401 孔
Claims (10)
- 絶縁層と導電層とを備える集電体であって、
前記導電層は、前記絶縁層の少なくとも1つの表面に位置し、前記集電体は、前記導電層における前記絶縁層から離間する表面に設けられる第1保護層をさらに備え、
前記集電体には、前記絶縁層と前記導電層と前記第1保護層とを貫通する複数の孔が設けられ、
前記第1保護層は、金属酸化物保護層であることを特徴とする集電体。 - 前記孔は、孔壁を有し、前記導電層は、複数の前記孔の孔壁表面にも位置し、且つ前記絶縁層の少なくとも1つの表面に位置する前記導電層と、前記孔壁表面に位置する前記導電層とは、一部又は全部で互いに接続されており、好ましくは、前記導電層は、前記絶縁層の上表面と下表面に位置し、前記絶縁層の上表面と下表面に位置する導電層と、前記孔壁表面に位置する前記導電層とは、一部又は全部で互いに接続されており、好ましくは、前記孔の孔径は、0.001mm〜3mmであり、前記孔の面積比率は、0.1%〜30%であり、隣り合う2つの前記孔の間隔は、0.2mm〜5mmであることを特徴とする請求項1に記載の集電体。
- 前記絶縁層には、前記絶縁層の光透過率を調整するための着色剤が添加され、前記絶縁層の光透過率(T)は、0≦T≦98%を満たし、好ましくは、15%≦T≦95%を満たし、より好ましくは、15%≦T≦90%を満たすことを特徴とする請求項1に記載の集電体。
- 前記第1保護層は、酸化アルミニウム保護層、酸化コバルト保護層、酸化クロム保護層、酸化ニッケル保護層のうちの少なくとも1種であることを特徴とする請求項1に記載の集電体。
- 前記集電体は、前記導電層における前記絶縁層に向かう表面に設けられる第2保護層をさらに備え、前記第2保護層は、金属保護層、金属酸化物保護層又は導電性カーボン保護層であり、前記金属は、ニッケル、クロム、ニッケル基合金、銅基合金のうちの少なくとも1種であることが好ましく、前記金属酸化物は、酸化アルミニウム、酸化コバルト、酸化クロム、酸化ニッケルのうちの少なくとも1種であることが好ましく、前記導電性カーボンは、導電性カーボンブラック、カーボンナノチューブ、アセチレンブラック、グラフェンから選ばれる少なくとも1種であり、
前記第2保護層は、金属酸化物保護層であることが好ましいことを特徴とする請求項1に記載の集電体。 - 前記第1保護層の厚さは、前記第2保護層の厚さよりも大きく、前記第1保護層の厚さをD3としたときに、D3は、D3≦0.1D2且つ1nm≦D3≦200nmを満たし、10nm≦D3≦50nmを満たすことが好ましく、
前記第2保護層の厚さをD3´としたときに、D3´は、D3´≦0.1D2且つ1nm≦D3´≦200nmを満たし、10nm≦D3´≦50nmを満たすことが好ましく、
好ましくは、D3´とD3との比率関係は、0.5D3≦D3´≦0.8D3であることを特徴とする請求項5に記載の集電体。 - 前記導電層の厚さをD2としたときに、D2は、30nm≦D2≦3μmを満たし、300nm≦D2≦2μmを満たすことが好ましく、500nm≦D2≦1.5μmを満たすことがより好ましいことを特徴とする請求項1に記載の集電体。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載の集電体と、前記集電体の少なくとも1つの表面に形成される電極活物質層とを備えることを特徴とする極シート。
- 前記電極活物質層は、複数の前記孔にも充填され、
前記集電体の少なくとも1つの表面に形成される電極活物質層と、複数の前記孔に充填される電極活物質層とは、互いに接続されていることを特徴とする請求項8に記載の極シート。 - 正極シートと、セパレータと、負極シートとを備える電気化学デバイスであって、
前記正極シート及び/又は負極シートは、請求項8に記載の極シートであることを特徴とする電気化学デバイス。
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