JP2021518038A - リチウムイオン電池用の複合微細構造集電体及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
プラウ切削ナイフの前角α=40°〜50°、後角κ=20°〜30°、押し出し刃の傾斜角β=15°〜30°、成形角θ=10°〜20°、プラウ切削ナイフの幅B0=10〜20mm及び厚さLt=2〜4mmとするプラウ切削ナイフ設計のステップ(1)と、
サンドペーパーで銅シートを研磨して、銅シートの両面を平坦にした後、銅シートを銅張積層板表面洗浄剤に入れて浸し、連続的に撹拌して銅シートの両面を滑らかにする銅シートの前処理のステップ(2)と、を含む。
プラウ切削ナイフを平削り盤にクランピングして、金属用502接着剤を用いて銅シートをステンレス製正方状テーブルに貼り付け、次に、正方状テーブルを平削り盤の万力に固定し、その後、ナイフの垂直方向及び銅シートの表面をダイヤルゲージで校正する、ナイフをクランピングしてワークを固定するステップ(1)と、
プラウ切削ナイフの作動ストロークが銅シートの輪郭をカバーするように平削り盤の作動ストロークを設定し、次にツール設定を行う、平削り盤の作動パラメータを調整するステップ(2)と、
切削深さを100〜150μm、ワーク送り量を250〜400μmに調節して、銅シートの縁部から一次プラウ切削を行うことで、銅シートの表面にアレイ状トレンチ構造を形成する、一次プラウ切削−押し出しのステップ(3)と、
正方状テーブルを回転させ、ダイヤルゲージで銅シートの平面を再度校正し、ツール設定後、ステップ(3)の前記切削深さ及び送り量で二次プラウ切削−押し出しを行い、二次プラウ切削−押し出しにより銅シートの基体に切削を行うとともに、一次プラウ切削−押し出しによるトレンチに対して、二次プラウ切削−押し出しを垂直に行い、トレンチ、凹孔、鱗状バリ、窪みなどの複合微細構造を得る、二次プラウ切削−押し出しのステップ(4)と、
プラウ切削後のワークを正方状テーブルから取り出し、正方状テーブルを送風乾燥オーブンに入れて加熱し、次に室温に降温した後、接着剤が機能しなくなると、加工済みの銅シートを取り出し、アルコールで洗浄し、複合微細構造集電体を得る、プラウ切削済みワークに対する処理のステップ(5)と、を含む。
(1)本発明の集電体の複合微細構造の表面上のトレンチ、凹孔、鱗状バリ、窪みなどの複合微細構造は、活物質の体積変化のための緩衝空間を提供し、活物質と集電体の結合力を高め、それにより電池の可逆容量と容量安定性を向上させる。
(2)本発明の複合微細構造集電体の構造は、集電体と活物質との間の接触表面積を増加させ、活物質の担持量を増加させ、電極の導電性を改善し、電池インピーダンスを低下させ、それにより容量を増加させて、レート特性を向上させるという目的を達成させる。
(3)本発明は、簡単なプラウ切削機械加工法を用いて、複合微細構造を有する集電体を加工するものであり、他の化学加工法に比べて、加工が簡単であり、低コストであり、環境に優しいなどの特徴を有する。
リチウムイオン電池用の複合微細構造集電体及びその製造方法であって、下記ステップ(1)〜ステップ(7)を含む。
(1)ナイフの設計
ナイフの材料はW18Cr4Vである。主なナイフの角度には、前角α=40°、後角κ=20°、押し出し刃傾斜角β=30°及び成形角θ=20°が含まれる。ほかのナイフパラメータとしては、ナイフ幅B0=20mmと厚さLt=4mmが含まれる(図4参照)。
(2)円状銅シートの表面前処理
サンドペーパーで0.5mm厚の銅シートを研磨して、その両面を平坦にした。次に、銅シートを銅張積層板表面の洗浄剤に入れて浸し、5min連続して撹拌し、銅シートの両面を滑らかにする。
(3)ナイフのクランピング及びワークの固定
プラウ切削ナイフを平削り盤にクランピングし、金属用502接着剤を用いて円状銅シートをステンレス正方状テーブルに貼り付けた後、正方状テーブルを平削り盤の万力に固定し、次に、ナイフの垂直方向以及び円状銅シートの表面をダイヤルゲージで校正する。
(4)平削り盤の作動パラメータの調整
プラウ切削ナイフの作動ストロークが銅シートの輪郭をカバーするように、平削り盤の作動ストロークを設定し、次にツール設定を行う。
(5)一次プラウ切削−押し出し
切削深さを150μm、ワーク送り量を250μmに調節して、銅シートの縁部から一次プラウ切削を行うことで、銅シートの表面にアレイ状トレンチ構造を形成する。
(6)二次プラウ切削−押し出し
正方状テーブルを90°回転させ、ダイヤルゲージでアルミ板の平面を再度校正し、ツール設定後、同じ切削深さ及び送り量で二次プラウ切削−押し出しを行った。二次プラウ切削−押し出しは銅シートの基体を切削するだけでなく、一次プラウ切削一押し出しによるトレンチに対して二次プラウ切削−押し出しを垂直に行い、最終的にトレンチ、凹孔、鱗状バリ、窪みなどの複合微細構造が得られ、製造プロセスは図5に示される。
(7)プラウ切削済みワークの処理
正方状テーブルを取り外し、正方状テーブルを送風乾燥オーブンに入れて100℃で10min加熱し、室温に降温すると、接着剤が機能できなくなり、次に、加工済みの円状銅シートを取り出して、アルコールで洗浄し、複合微細構造集電体を得る。
本実施例で提供されるリチウムイオン電池用の銅集電体を用いて、リチウムイオン半電池を構成し、LAND電池試験システムCT2001Aを用いて、前記リチウムイオン半電池に対してサイクル充放電試験を行い、得られた試験曲線を図7に示す。同図から分かるように、複合微細構造銅集電体を備えたリチウムイオン電池は、初期放電容量が345.0mAh g−1であり、安定した容量が364.9mAh g−1と高く、集電体にこのような構造がないリチウムイオン電池は、初期放電容量が294.6mAh g−1であり、安定した容量が304.7mAh g−1である。レート試験における特性を図8に示し、同図から分かるように、複合微細構造集電体を備えたリチウムイオン電池は、0.1C、0.2C、0.5C、0.1Cのレートでは、安定した容量が順次372、374.3、276.9、379.8mAh g−1であり、一方、集電体にこのような構造がないリチウムイオン電池は、0.1C、0.2C、0.5C、0.1Cのレードでは、安定した容量が287.2、284、116.6、292.8mAh g−1であり、このことから、複合微細構造集電体を備えたリチウムイオン電池は、0.2C及び0.5Cでは、レート充放電前に対する容量維持率が100.61%及び74.43%であり、一方、集電体にこのような構造がないリチウムイオン電池は、0.2C及び0.5Cでは、レート充放電前に対する容量維持率が98.89%及び40.60%であることが示されている。交流インピーダンス試験を図9に示し、複合微細構造集電体を備えたリチウムイオン電池のインピーダンスが小さいことは明らかである。
リチウムイオン電池用の複合微細構造集電体及びその製造方法であって、下記ステップ(1)〜ステップ(7)を含む。
(1)ナイフの設計
ナイフの材料はW18Cr4Vである。主なナイフの角度には、前角α=40°、後角κ=20°、押し出し刃傾斜角β=30°及び成形角θ=20°が含まれる。ほかのナイフパラメータとしては、ナイフ幅B0=20mmと厚さLt=4mmが含まれる(図4参照)。
(2)円状銅シートの表面前処理
サンドペーパーで0.5mm厚の銅シートを研磨して、その両面を平坦にした。次に、銅シートを銅張積層板表面の洗浄剤に入れて浸し、5min連続して撹拌し、銅シートの両面を滑らかにする。
(3)ナイフのクランピング及びワークの固定
プラウ切削ナイフを平削り盤にクランピングし、金属用502接着剤を用いて円状銅シートをステンレス正方状テーブルに貼り付けた後、正方状テーブルを平削り盤の万力に固定し、次に、ナイフの垂直方向以及び円状銅シートの表面をダイヤルゲージで校正する。
(4)平削り盤の作動パラメータの調整
プラウ切削ナイフの作動ストロークが銅シートの輪郭をカバーするように、平削り盤の作動ストロークを設定し、次にツール設定を行う。
(5)一次プラウ切削−押し出し
切削深さを150μm、ワーク送り量を250μmに調節して、銅シートの縁部から一次プラウ切削を行うことで、銅シートの表面にアレイ状トレンチ構造を形成する。
(6)二次プラウ切削−押し出し
正方状テーブルを90°回転させ、ダイヤルゲージで銅シートの平面を再度校正し、ツール設定後、同じ切削深さ及び送り量で二次プラウ切削−押し出しを行った。二次プラウ切削−押し出しは銅シートの基体を切削するだけでなく、一次プラウ切削一押し出しによるトレンチに対して二次プラウ切削−押し出しを垂直に行い、最終的にトレンチ、凹孔、鱗状バリ、窪みなどの複合微細構造が得られ、製造プロセスは図5に示される。
(7)プラウ切削済みワークの処理
正方状テーブルを取り外し、正方状テーブルを送風乾燥オーブンに入れて100℃で10min加熱し、室温に降温すると、接着剤が機能できなくなり、次に、加工済みの円状銅シートを取り出して、アルコールで洗浄し、複合微細構造集電体を得る。
本実施例で提供されるリチウムイオン電池用の銅集電体を用いて、リチウムイオン半電池を構成し、LAND電池試験システムCT2001Aを用いて、前記リチウムイオン半電池に対してサイクル充放電試験を行い、得られた試験曲線を図7に示す。同図から分かるように、複合微細構造銅集電体を備えたリチウムイオン電池は、初期放電容量が345.0mAh g−1であり、安定した容量が364.9mAh g−1と高く、集電体にこのような構造がないリチウムイオン電池は、初期放電容量が294.6mAh g−1であり、安定した容量が304.7mAh g−1である。レート試験における特性を図8に示し、同図から分かるように、複合微細構造集電体を備えたリチウムイオン電池は、0.1C、0.2C、0.5C、0.1Cのレートでは、安定した容量が順次372、374.3、276.9、379.8mAh g−1であり、一方、集電体にこのような構造がないリチウムイオン電池は、0.1C、0.2C、0.5C、0.1Cのレードでは、安定した容量が287.2、284、116.6、292.8mAh g−1であり、このことから、複合微細構造集電体を備えたリチウムイオン電池は、0.2C及び0.5Cでは、レート充放電前に対する容量維持率が100.61%及び74.43%であり、一方、集電体にこのような構造がないリチウムイオン電池は、0.2C及び0.5Cでは、レート充放電前に対する容量維持率が98.89%及び40.60%であることが示されている。交流インピーダンス試験を図9に示し、複合微細構造集電体を備えたリチウムイオン電池のインピーダンスが小さいことは明らかである。
Claims (10)
- リチウムイオン電池用の複合微細構造集電体であって、
滑らかな下面(9)と、複合微細構造を有する上面とを含み、前記上面はマイクロボス(10)とトレンチ(11)を含み、前記マイクロボス(10)がトレンチ(11)により囲まれており、前記マイクロボス(10)には、凹孔、鱗状バリ及び窪み構造が設けられる、ことを特徴とするリチウムイオン電池用の複合微細構造集電体。 - 請求項1に記載のリチウムイオン電池用の複合微細構造集電体の製造方法であって、
プラウ切削ナイフの設計及び銅シートの前処理のステップ(1)と、銅集電体の表面微構造のプラウ切削加工のステップ(2)とを含む、ことを特徴とする方法。 - 前記プラウ切削ナイフの設計及び銅シートの前処理では、
プラウ切削ナイフの前角α=40°〜50°、後角κ=20°〜30°、押し出し刃の傾斜角β=15°〜30°、成形角θ=10°〜20°、プラウ切削ナイフの幅B0=10〜20mm及び厚さLt=2〜4mmとするプラウ切削ナイフ設計のステップ(1)と、
サンドペーパーで銅シートを研磨して、銅シートの両面を平坦にした後、銅シートを銅張積層板表面洗浄剤に入れて浸し、連続的に撹拌して銅シートの両面を滑らかにする、銅シート前処理のステップ(2)と、を含む、ことを特徴とする請求項2に記載の製造方法。 - 前記プラウ切削ナイフの材料がW18Cr4Vである、ことを特徴とする請求項3に記載の製造方法。
- 前記銅シートが円状である、ことを特徴とする請求項3に記載の製造方法。
- 前記銅シートの厚さが0.5〜1mmである、ことを特徴とする請求項3に記載の製造方法。
- 前記の浸漬・連続撹拌の時間が3〜5minである、ことを特徴とする請求項3に記載の製造方法。
- 前記銅集電体の表面微構造のプラウ切削加工は、
プラウ切削ナイフを平削り盤にクランピングして、金属用502接着剤を用いて銅シートをステンレス製正方状テーブルに貼り付け、次に、正方状テーブルを平削り盤の万力に固定し、その後、ナイフの垂直方向及び銅シートの表面をダイヤルゲージで校正する、ナイフをクランピングしてワークを固定するステップ(1)と、
プラウ切削ナイフの作動ストロークが銅シートの輪郭をカバーするように平削り盤の作動ストロークを設定し、次にツール設定を行う、平削り盤の作動パラメータを調整するステップ(2)と、
切削深さを100〜150μm、ワーク送り量を250〜400μmに調節して、銅シートの縁部から一次プラウ切削を行うことで、銅シートの表面にアレイ状トレンチ構造を形成する、一次プラウ切削−押し出しのステップ(3)と、
正方状テーブルを回転させ、ダイヤルゲージで銅シートの平面を再度校正し、ツール設定後、ステップ(3)の前記切削深さ及び送り量で二次プラウ切削−押し出しを行い、二次プラウ切削−押し出しにより銅シートの基体に切削を行うとともに、一次プラウ切削−押し出しによるトレンチに対して、二次プラウ切削−押し出しを垂直に行い、トレンチ、凹孔、鱗状バリ、窪みの複合微細構造を得る、二次プラウ切削−押し出しのステップ(4)と、
プラウ切削後のワークを正方状テーブルから取り出し、正方状テーブルを送風乾燥オーブンに入れて加熱し、次に室温に降温すると、接着剤が機能しなくなり、加工済みの銅シートを取り出し、アルコールで洗浄し、複合微細構造集電体を得る、プラウ切削済みワークに対する処理のステップ(5)と、を含む、ことを特徴とする請求項2に記載の製造方法。 - ステップ(4)の前記回転角度が90°である、ことを特徴とする請求項8に記載の製造方法。
- ステップ(5)では、前記加熱の温度が100〜120℃であり、加熱の時間が10〜15minである、ことを特徴とする請求項8に記載の製造方法。
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