JP2022079083A - Electrode structure and power storage device - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書では、電極構造体及び蓄電デバイスを開示する。 This specification discloses an electrode structure and a power storage device.
従来、蓄電デバイスとしては、正極板および負極板のそれぞれ複数箇所に接続されたリード線から集電を行い、電池内部の電流路には、電池温度が所定温度以上に上昇したときに、溶融して電流路を遮断する電流遮断機構としての低融点合金部材を嵌挿したものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。この蓄電デバイスでは、電池の内部抵抗を低減し、短絡電流等の発生により電池温度が上昇した場合の電流遮断機構を備えた充放電特性と安全性に優れたリチウム二次電池を提供することができるとしている。 Conventionally, as a power storage device, current is collected from lead wires connected to a plurality of positions of a positive electrode plate and a negative electrode plate, and the current path inside the battery melts when the battery temperature rises above a predetermined temperature. A low melting point alloy member is inserted as a current cutoff mechanism for cutting off the current path (see, for example, Patent Document 1). This power storage device can provide a lithium secondary battery with excellent charge / discharge characteristics and safety, which reduces the internal resistance of the battery and has a current cutoff mechanism when the battery temperature rises due to the generation of a short-circuit current or the like. It is said that it can be done.
しかしながら、特許文献1では、帯状の集電箔上に電極材料を形成した一対の正/負シート電極の所々から熱ヒューズ機能を有する集電体で集電するものであるが、この熱ヒューズの作動により停止可能なのは外部回路を介した充放電に限られ、電極内で内部短絡が発生した場合の放電反応を抑制することはできなかった。その理由は、電極全体が低抵抗な集電箔でつながっているため、内部短絡が発生した場合には、対向する全ての正/負電極からの放電電流が低抵抗な集電箔を通じて、短絡箇所に集中することになるからである。このように、電極の内部短絡に対処することができる集電構造が求められていた。 However, in Patent Document 1, a pair of positive / negative sheet electrodes having an electrode material formed on a strip-shaped current collecting foil is used to collect electricity with a current collector having a thermal fuse function. Only charging and discharging via an external circuit can be stopped by operation, and it was not possible to suppress the discharge reaction when an internal short circuit occurs in the electrode. The reason is that the entire electrodes are connected by a low resistance current collector foil, so if an internal short circuit occurs, the discharge current from all the opposite positive / negative electrodes will be short-circuited through the low resistance current collector foil. This is because you will concentrate on the part. As described above, there has been a demand for a current collecting structure capable of coping with an internal short circuit of an electrode.
本開示は、このような課題に鑑みなされたものであり、シート状の電極において内部短絡時の徐放電機構を発現することができる電極構造体及び蓄電デバイスを提供することを主目的とする。 The present disclosure has been made in view of such a problem, and an object of the present disclosure is to provide an electrode structure and a power storage device capable of exhibiting a slow discharge mechanism at the time of an internal short circuit in a sheet-shaped electrode.
上述した目的を達成するために鋭意研究したところ、本発明者らは、櫛歯状の集電線を活物質内部に埋設し、この集電線を接続部に並列接続させ、正負極において逆向きの櫛歯構造を有するものとすれば、シート状の電極構造において、効率的に集電可能であり、且つ内部短絡時の徐放電機構を発現することができることを見いだし、本明細書で開示する発明を完成するに至った。 As a result of diligent research to achieve the above-mentioned object, the present inventors embedded a comb-shaped collector wire inside the active material, connected the collector wire in parallel to the connection portion, and reversed the direction in the positive and negative electrodes. It has been found that, if it has a comb-toothed structure, it is possible to efficiently collect electricity in a sheet-shaped electrode structure and to develop a slow discharge mechanism at the time of an internal short circuit, and the invention disclosed in the present specification. Has been completed.
即ち、本明細書で開示する電極構造体は、
正極活物質と、前記正極活物質に隣接する複数の集電線と該集電線が並列接続する接続部とを備える櫛歯構造の正極集電部と、を有する正極と、
負極活物質と、前記負極活物質に隣接する複数の集電線と該集電線が並列接続する接続部を備え前記正極集電部の櫛歯構造と逆向きに配設された櫛歯構造の負極集電部と、を有する負極と、
を備えたものである。
That is, the electrode structure disclosed in the present specification is:
A positive electrode having a positive electrode active material, a positive electrode current collector having a comb-teeth structure including a plurality of collectors adjacent to the positive electrode active material and a connection portion in which the collectors are connected in parallel,
A negative electrode having a negative electrode active material, a plurality of collector wires adjacent to the negative electrode active material, and a connection portion in which the collector wires are connected in parallel, and arranged in the opposite direction to the comb tooth structure of the positive electrode current collector. A negative electrode with a current collector, and
It is equipped with.
本明細書で開示する蓄電デバイスは、
上述の電極構造体と、
前記正極と前記負極との間に介在しイオンを伝導するイオン伝導媒体と、
を備えたものである。
The power storage device disclosed in this specification is
With the above-mentioned electrode structure,
An ion conduction medium that is interposed between the positive electrode and the negative electrode and conducts ions,
It is equipped with.
本開示は、シート状の電極において内部短絡時の徐放電機構を発現することができる。このような効果が得られる理由は、以下のように推察される。例えば、従来のシート状電極で構成されるリチウム電池などの蓄電デバイスは、正負電極からの集電を連続した集電箔で行っている。そのために、正負電極間で内部短絡が発生した場合には、対向する正/負シート電極からの全て電流が連続した集電箔を通じて内部短絡箇所に集中することがある。これに対して、本開示の電極構造体及び蓄電デバイスでは、通常使用領域の電流は問題なく流れる程度の抵抗の櫛歯状集電体(ストライプ状)に配置しているので、通常の充放電は問題なく行われる。一方、電極内で内部短絡が発生し、全ての電流が短絡箇所に集中する状況では、短絡箇所近傍の櫛歯状集電体に電流が集中しようとする。このとき、1本の櫛歯集電体は、連続した集電箔よりも体積が極めて小さいため、同じ体積抵抗率の金属を用いても抵抗が極めて大きくなる。このため、短絡箇所に集中して流れる電流値は小さくなり、長い時間をかけてゆっくり放電する、いわゆる徐放電となり、短絡箇所のジュール発熱が大幅に抑制されるので熱暴走領域まで昇温せず、安全な電池となる。ちなみに、1本の櫛歯集電体の抵抗は大きくなるが、通常使用時に1本の櫛歯状集電体に流れる電流は集電体近傍の電極分のみの小電流であるので、問題なく流れることになる。言い換えれば、電池全体での電極内の集電抵抗は、一本の櫛歯状集電体の抵抗を多数の櫛歯の本数で除した値まで小さくなるということである。すなわち、比較的高抵抗の櫛歯を超多数並列接続することで、電池全体の集電抵抗は低く設計し、円滑な充放電を可能とし、どこかで内部短絡が発生した場合は高抵抗の1本の櫛歯を通るため徐放電になり、高安全を担保することができる。 The present disclosure can develop a slow discharge mechanism at the time of an internal short circuit in a sheet-shaped electrode. The reason why such an effect is obtained is presumed as follows. For example, in a conventional storage device such as a lithium battery composed of a sheet-shaped electrode, current is collected from positive and negative electrodes by a continuous current collecting foil. Therefore, when an internal short circuit occurs between the positive and negative electrodes, all the currents from the opposite positive / negative sheet electrodes may be concentrated at the internal short circuit location through the continuous current collector foil. On the other hand, in the electrode structure and the power storage device of the present disclosure, since the current in the normal use area is arranged in a comb-shaped current collector (striped shape) having a resistance that allows the current to flow without any problem, normal charging / discharging is performed. Is done without problems. On the other hand, in a situation where an internal short circuit occurs in the electrode and all the current is concentrated at the short-circuited portion, the current tends to concentrate on the comb-shaped current collector near the short-circuited portion. At this time, since the volume of one comb-tooth current collector is much smaller than that of the continuous current collector foil, the resistance becomes extremely large even if a metal having the same volume resistivity is used. For this reason, the current value that flows concentrated in the short-circuited part becomes small, and it becomes a so-called slow discharge that slowly discharges over a long period of time. , Becomes a safe battery. By the way, the resistance of one comb-toothed current collector increases, but there is no problem because the current flowing through one comb-toothed current collector during normal use is a small current only for the electrodes near the current collector. It will flow. In other words, the current collector resistance in the electrodes of the entire battery is reduced to the value obtained by dividing the resistance of one comb-shaped current collector by the number of many comb teeth. In other words, by connecting a large number of relatively high resistance comb teeth in parallel, the current collection resistance of the entire battery is designed to be low, enabling smooth charging and discharging, and if an internal short circuit occurs somewhere, the resistance is high. Since it passes through one comb tooth, it becomes a slow discharge, and high safety can be guaranteed.
(電極構造体)
実施形態で説明する本開示の電極構造体は、蓄電デバイスに用いられるシート状の正極及び負極を対向させたものである。この電極構造体は、正極活物質と正極活物質に隣接し集電線とこの集電線が接続する接続部を備える櫛歯構造の正極集電部とを有する正極と、負極活物質と負極活物質に隣接し正極集電部の櫛歯構造と逆向きに配設され集電線とこの集電線が接続する接続部を備える櫛歯構造の負極集電部とを有する負極と、を備える。
(Electrode structure)
The electrode structure of the present disclosure described in the embodiment is a sheet-shaped positive electrode and a negative electrode used in a power storage device facing each other. This electrode structure includes a positive electrode having a positive electrode active material and a positive electrode current collector having a comb-toothed structure having a collecting wire adjacent to the positive electrode active material and a connection portion to which the collecting wire is connected, and a negative electrode active material and a negative electrode active material. A negative electrode having a negative electrode current collector having a comb-tooth structure, which is adjacent to the positive electrode and is arranged in the opposite direction to the comb-tooth structure of the positive electrode current collector and has a connection portion to which the collector wire is connected, is provided.
本実施形態で開示する蓄電デバイスについて図面を用いて説明する。図1は、電極構造体10の一例を示す模式図であり、図1Aが図1BのA-A断面図、図1Bが電極構造体10の側面図、図1Cが図1BのB-B断面図であり、図1Dが正極集電部30の説明図である。図2は、電極構造体10の集電線23,33の長手方向に直交する断面の一例を示す模式図である。図3は、別の電極構造体10Bの一例を示す模式図であり、図3Aが電極構造体10Bの側面図、図3Bが正極集電部30Bの説明図である。図4は、別の電極構造体10Cの一例を示す模式図である。電極構造体10は、負極12と、正極16とを備えている。電極構造体10は、負極12と正極16との間にセパレータ15を備えるものとしてもよい。この電極構造体10は、シート状の負極12と、シート状のセパレータ15と、シート状の正極16とが積層された構造を有する。また、この電極構造体10は、負極12とセパレータ15と正極16とを有する単セル11を更に積層した構造を有するものとしてもよい(図2参照)。
The power storage device disclosed in this embodiment will be described with reference to the drawings. 1 is a schematic view showing an example of the
負極12は、負極活物質層13と、負極集電部20とを含む。この負極12は、負極活物質層13と負極集電部20とを密着させて形成したものとしてもよいし、例えば負極活物質と導電材と結着材とを混合し、適当な溶剤を加えてペースト状の負極合材としたものを、負極集電部20が埋設されるように塗布乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成してもよい。負極活物質層13には、負極活物質と、導電材と、結着材とを含むものとしてもよい。負極活物質としては、リチウム、リチウム合金、スズ化合物などの無機化合物、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な炭素質材料、複数の元素を含む複合酸化物、導電性ポリマーなどが挙げられる。炭素質材料は、例えば、コークス類、ガラス状炭素類、グラファイト類、難黒鉛化性炭素類、熱分解炭素類、炭素繊維などが挙げられる。このうち、人造黒鉛、天然黒鉛などのグラファイト類が、金属リチウムに近い作動電位を有し、高い作動電圧での充放電が可能であり支持塩としてリチウム塩を使用した場合に自己放電を抑え、且つ充電時における不可逆容量を少なくできるため、好ましい。複合酸化物としては、例えば、リチウムチタン複合酸化物やリチウムバナジウム複合酸化物などが挙げられる。負極活物質としては、このうち、炭素質材料が安全性の面から見て好ましい。
The
導電材は、正極の電池性能に悪影響を及ぼさない電子伝導性材料であれば特に限定されず、例えば、天然黒鉛(鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛)や人造黒鉛などの黒鉛、アセチレンブラック、カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンウィスカ、ニードルコークス、炭素繊維、金属(銅、ニッケル、アルミニウム、銀、金など)などの1種又は2種以上を混合したものを用いることができる。これらの中で、導電材としては、電子伝導性及び塗工性の観点より、カーボンブラック及びアセチレンブラックが好ましい。結着材は、活物質粒子及び導電材粒子を繋ぎ止める役割を果たすものであり、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、或いはポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、エチレンプロピレンジエンゴム(EPDM)、スルホン化EPDMゴム、天然ブチルゴム(NBR)等を単独で、あるいは2種以上の混合物として用いることができる。また、水系バインダーであるセルロース系やスチレンブタジエンゴム(SBR)の水分散体等を用いることもできる。正極活物質、導電材、結着材を分散させる溶剤としては、例えばN-メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、アクリル酸メチル、ジエチレントリアミン、N,N-ジメチルアミノプロピルアミン、エチレンオキシド、テトラヒドロフランなどの有機溶剤を用いることができる。また、水に分散剤、増粘剤等を加え、SBRなどのラテックスで活物質をスラリー化してもよい。増粘剤としては、例えば、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロースなどの多糖類を単独で、あるいは2種以上の混合物として用いることができる。塗布方法としては、例えば、アプリケータロールなどのローラコーティング、スクリーンコーティング、ドクターブレイド方式、スピンコーティング、バーコータなどが挙げられ、これらのいずれかを用いて任意の厚さ・形状とすることができる。 The conductive material is not particularly limited as long as it is an electronically conductive material that does not adversely affect the battery performance of the positive electrode, and for example, graphite such as natural graphite (scaly graphite, scaly graphite) or artificial graphite, acetylene black, carbon black, etc. One or a mixture of one or more of Ketjen black, carbon whisker, graphite coke, carbon fiber, metal (copper, nickel, aluminum, silver, gold, etc.) can be used. Among these, carbon black and acetylene black are preferable as the conductive material from the viewpoint of electron conductivity and coatability. The binder serves to hold the active material particles and the conductive material particles together, and is, for example, a fluororesin such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), fluororubber, or polypropylene. A thermoplastic resin such as polyethylene, ethylene propylene diene rubber (EPDM), sulfonated EPDM rubber, natural butyl rubber (NBR) and the like can be used alone or as a mixture of two or more kinds. Further, an aqueous dispersion of cellulose-based binder or styrene-butadiene rubber (SBR), which is an aqueous binder, can also be used. Examples of the solvent for dispersing the positive electrode active material, the conductive material, and the binder include N-methylpyrrolidone, dimethylformamide, dimethylacetamide, methylethylketone, cyclohexanone, methyl acetate, methyl acrylate, diethylenetriamine, and N, N-dimethylaminopropylamine. , Ethylene oxide, tetrahydrofuran and other organic solvents can be used. Further, a dispersant, a thickener or the like may be added to water, and the active material may be slurryed with a latex such as SBR. As the thickener, for example, polysaccharides such as carboxymethyl cellulose and methyl cellulose can be used alone or as a mixture of two or more kinds. Examples of the coating method include roller coating such as applicator roll, screen coating, doctor blade method, spin coating, bar coater, and the like, and any of these can be used to obtain an arbitrary thickness and shape.
負極集電部20は、集電線23と、接続部21とを有する櫛歯構造の部材である。集電線23は、負極活物質に隣接し負極活物質と接触している部分では互いに電気的に接続していない複数の線状の部材である。集電線23は、その断面形状が正方形や長方形の矩形としてもよいし、円柱や楕円柱、六角柱や八角形柱など多角形柱としてもよい。接続部21は、集電線23と負極活物質とが接触していない外部で複数の集電線23を並列接続する連続体である部材である。接続部21は、集電線23の配列方向を長手方向とする箔状又は板状の部材である。
The negative electrode
集電線23には、銅、ニッケル、ステンレス鋼、チタン、アルミニウム、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラス、Al-Cd合金などのほか、接着性、導電性及び耐還元性向上の目的で、例えば銅などの表面をカーボン、ニッケル、チタンや銀などで処理したものも用いることができる。これらについては、表面を酸化処理することも可能である。負極集電部20は、図2に示すように、端部以外では集電線23が負極活物質層13に埋設された構造を有するものとしてもよい。
The
負極12は、複数の集電線23を並列接続する接続部21を有する正極集電部20を備えている。この接続部21は、本数Nが100本以上である集電線23が並列接続されているものとしてもよいし、200本以上や、500本以上の集電線23が並列接続されているものとしてもよい。並列接続の本数Nに応じて、接続部21を介して単セル11にかかる抵抗が決定されるため、所望の充放電特性に応じて、集電線23の並列接続の本数Nや接続部21及び集電線23の体積抵抗率などを適宜設定すればよい。また、集電線23の本数Nが多くなると単位体積あたりの負極活物質の量が減少することから、エネルギー密度の観点もふまえて、この集電線23の本数Nを適宜設定すればよい。この負極集電部20は、体積抵抗率が1.0×10-7Ωm以下であるものとしてもよい。また、負極集電部20は、体積抵抗率が5.0×10-8Ωm以下であるものとしてもよいし、体積抵抗率が2.0×10-8Ωm以下であるものとしてもよい。集電線23と接続部21の体積抵抗率は、同じであってもよいし、異なってもよい。
The
負極集電部20は、集電線23の幅tが2mm以下であり、集電線23のピッチPが2mm以下であることが好ましい。この範囲では、放電容量の低下をより抑制することができる。幅tとピッチPとは、同じ値であるものとしてもよいし、異なる値であるものとしてもよいが、積層時の支持性を考慮すると、同じ値である方が望ましい。この集電線の幅tは、100μm以上であることが好ましく、200μm以上がより好ましく、400μm以上としてもよい。また、この幅tは、1mm以下であることが好ましく、750μm以下がより好ましく、500μm以下としてもよい。集電線のピッチPは、100μm以上であることが好ましく、200μm以上がより好ましく、400μm以上としてもよい。また、このピッチPは、1mm以下であることが好ましく、750μm以下がより好ましく、500μm以下としてもよい。
In the negative electrode
セパレータ15は、キャリアイオン(例えばリチウムイオン)のイオン伝導を阻害せず負極12と正極16とを絶縁するものである。セパレータ15としては、電極構造体10の使用範囲に耐えうる組成であれば特に限定されないが、例えば、ポリプロピレン製不織布やポリフェニレンスルフィド製不織布などの高分子不織布、ポリエチレンやポリプロピレンなどのオレフィン系樹脂の薄い微多孔膜が挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、複数を混合して用いてもよい。このセパレータ15の厚さは、例えば、5μm以上であることが好ましく、8μm以上であることがより好ましく、10μm以上であるものとしてもよい。この厚さが5μm以上では、絶縁性を確保する上で好ましい。また、セパレータ15の厚さは、15μm以下であることが好ましく、10μm以下であることがより好ましい。この厚さが15μm以下では、イオン伝導性の低下を抑制できる点や、セルに占める体積をより低減する上で好ましい。
The
正極16は、正極活物質層17と、正極集電部30とを有するものとしてもよい。正極活物質層17は、正極活物質と、必要に応じて導電材と、結着材とを含むものとしてもよい。正極16は、例えば正極活物質と導電材と結着材とを混合し、適当な溶剤を加えてペースト状の正極合材としたものを、正極集電部30が埋設されるように塗布乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成してもよい。正極活物質は、例えば、キャリアであるリチウムを吸蔵放出可能な材料が挙げられる。正極活物質としては、例えば、リチウムと遷移金属とを有する化合物、例えば、リチウムと遷移金属元素とを含む酸化物や、リチウムと遷移金属元素とを含むリン酸化合物などが挙げられる。具体的には、基本組成式をLi(1-x)MnO2(0≦x≦1など、以下同じ)やLi(1-x)Mn2O4などとするリチウムマンガン複合酸化物、基本組成式をLi(1-x)CoO2などとするリチウムコバルト複合酸化物、基本組成式をLi(1-x)NiO2などとするリチウムニッケル複合酸化物、基本組成式をLi(1-x)CoaNibMncO2(a>0、b>0、c>0、a+b+c=1)、Li(1-x)CoaNibMncO4(0<a<1、0<b<1、1≦c<2、a+b+c=2)などとするリチウムコバルトニッケルマンガン複合酸化物、基本組成式をLiV2O3などとするリチウムバナジウム複合酸化物、基本組成式をV2O5などとする遷移金属酸化物などを用いることができる。また、基本組成式をLiFePO4とするリン酸鉄リチウム化合物などを正極活物質として用いることができる。これらのうち、リチウムコバルトニッケルマンガン複合酸化物、例えば、LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2やLiNi0.4Co0.3Mn0.3O2などが好ましい。なお、「基本組成式」とは、他の元素、例えば、AlやMgなどの成分を含んでもよい趣旨である。また、正極に用いられる導電材、結着材、溶剤などは、それぞれ負極12で例示したものを用いることができる。
The
正極16において、正極活物質の含有量は、より多いことが好ましく、正極16の質量全体に対して70質量%以上であることが好ましく、80質量%以上であることがより好ましい。導電材の含有量は、正極16の全体の質量に対して0質量%以上20質量%以下の範囲であることが好ましく、0質量%以上10質量%以下の範囲であることがより好ましい。このような範囲では、電池容量の低下を抑制し、導電性を十分に付与することができる。また、結着材の含有量は、正極16の質量全体に対して0.1質量%以上5質量%以下の範囲であることが好ましく、0.2質量%以上3質量%以下の範囲であることがより好ましい。
In the
正極集電部30は、集電線33と、接続部31とを有する櫛歯構造の部材である。集電線33は、正極活物質に隣接し正極活物質と接触している部分では互いに電気的に接続していない複数の線状の部材である。集電線33は、その断面形状が正方形や長方形の矩形としてもよいし、円柱や楕円柱、六角柱や八角形柱など多角形柱としてもよい。接続部31は、集電線33と正極活物質とが接触していない外部で複数の集電線33を並列接続する連続体である部材である。接続部31は、集電線33の配列方向を長手方向とする箔状又は板状の部材である。
The positive electrode
集電線33には、銅、ニッケル、ステンレス鋼、チタン、アルミニウム、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラス、Al-Cd合金などのほか、接着性、導電性及び耐還元性向上の目的で、例えば銅などの表面をカーボン、ニッケル、チタンや銀などで処理したものも用いることができる。これらについては、表面を酸化処理することも可能である。正極集電部30は、図2に示すように、端部以外では集電線33が正極活物質層17に埋設された構造を有するものとしてもよい。
The
正極16は、複数の集電線33を並列接続する接続部31を有する正極集電部30を備えている。この接続部31は、本数Nが100本以上である集電線33が並列接続されているものとしてもよいし、200本以上や、500本以上の集電線33が並列接続されているものとしてもよい。並列接続の本数Nに応じて、接続部31を介して単セル11にかかる抵抗が決定されるため、所望の充放電特性に応じて、集電線33の並列接続の本数Nや接続部31及び集電線33の体積抵抗率などを適宜設定すればよい。また、集電線33の本数Nが多くなると単位体積あたりの負極活物質の量が減少することから、エネルギー密度の観点もふまえて、この集電線33の本数Nを適宜設定すればよい。この正極集電部30は、体積抵抗率が1.0×10-7Ωm以下であるものとしてもよい。また、正極集電部30は、体積抵抗率が5.0×10-8Ωm以下であるものとしてもよいし、体積抵抗率が2.0×10-8Ωm以下であるものとしてもよい。集電線33と接続部31の体積抵抗率は、同じであってもよいし、異なってもよい。
The
正極集電部30は、集電線33の幅tが2mm以下であり、集電線33のピッチPが2mm以下であることが好ましい。この範囲では、放電容量の低下をより抑制することができる。幅tとピッチPとは、同じ値であるものとしてもよいし、異なる値であるものとしてもよいが、積層時の支持性を考慮すると、同じ値である方が望ましい。この集電線の幅tは、100μm以上であることが好ましく、200μm以上がより好ましく、400μm以上としてもよい。また、この幅tは、1mm以下であることが好ましく、750μm以下がより好ましく、500μm以下としてもよい。集電線のピッチPは、100μm以上であることが好ましく、200μm以上がより好ましく、400μm以上としてもよい。また、このピッチPは、1mm以下であることが好ましく、750μm以下がより好ましく、500μm以下としてもよい。この正極集電部30は、負極集電部20と同様の構成を有するものとしてもよいし、異なる構成を有するものとしてもよいが、負極集電部20と同様の構成を有することがより好ましい。
In the positive electrode
電極構造体10の有する満充電状態からの内部短絡時における徐放電機能は、安全性の観点では、より長いことが好ましく、例えば、30分以上であることが好ましく、1時間以上であることがより好ましく、2時間以上であることが更に好ましい。この徐放電機能がより長ければ、セル内部の部分短絡時において急激な放電をより抑制し、安全性をより確保することができる。この徐放電機能は、電極構造体10の抵抗の増加など、エネルギー密度の観点からは、5時間以下としてもよい。
From the viewpoint of safety, the slow discharge function of the
図3に示すように、集電線33が接続部31からの垂線に対して傾いて配設された正極集電部30Bを備えた正極16Bと、集電線23が接続部21からの垂線に対して傾いて配設された負極集電部20Bとを備えた電極構造体10Bを備えた負極12Bとを備えた電極構造体10Bとしてもよい。この電極構造体10Bでは、集電線23と集電線33とが、逆向きに傾いた構造を有することが好ましい。この電極構造体10Bでは、櫛歯のピッチずれに伴う充放電の反応ムラをより抑制することができる。この正極集電部30Bの集電線33と負極集電部20の集電線23とは、1回以上3回以下の範囲で交差していることが好ましい。この範囲では、充放電の反応ムラをより抑制すると共に、集電線23,33が不在となる領域をより抑制することができる。正極集電部30Bは、集電線33の長さL、集電線間のピッチP、前記接続部に直交する線に対する前記集電線の角度θとしたときに、P≦L・tanθを満たすことが好ましい。この範囲では、集電線23、33が少なくとも1回は交差する。このとき、正極集電部30Bは、3P≧L・tanθを満たすものとしてもよい。また、負極集電部20Bは、正極集電部30Bと同様の構成を有するものとしてもよいし、異なる構成を有するものとしてもよいが、正極集電部30Bと同様の構成を有することがより好ましい。ここでは、負極集電部20Bの構成は、正極集電部30Bと同様の構成を採用することができるものとして、その説明を省略する。
As shown in FIG. 3, the
図4に示すように、電子伝導性のない支持膜19上に形成された集電線33を有する正極集電部30Cを備えた正極16Cと、電子伝導性のない支持膜18上に形成された集電線23を有する負極集電部20Cを備えた負極12Cとを備えた電極構造体10Cとしてもよい。支持膜18,19上に集電線23,33を形成するものとすれば、櫛歯状の集電構造を作製しやすい。図4は、集電線23,33に直交する断面を示している。集電線33は、支持膜19の表裏に互いに重ならないよう互い違いに形成されていることが好ましい。また、セパレータ15を介して互いに向き合う集電線33及び23は、互いに重ならないよう互い違いに形成されていることが好ましい。このとき、図3に示すように、集電線23,33を接続部21,31からの垂線に対して傾斜するものとしてもよい。支持膜18,19は、例えば、樹脂膜としてもよい。この樹脂としては、例えば、耐熱性の高い樹脂などが好ましく、ポリイミド樹脂、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリスルホンなどの特殊エンジニアリング樹脂や、ポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボネートなどの汎用エンジニアリング樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデンなどの汎用樹脂などが挙げられる。支持膜18,19の厚さは、より薄いことが好ましく、10μm以下が好ましく、5μm以下がより好ましく、4μm以下としてもよい。また、支持膜18,19の厚さは、集電線23,33を形成できる程度に厚いことが必要であり、例えば2μm以上としてもよい。
As shown in FIG. 4, a
(蓄電デバイス)
実施形態で説明する本開示の蓄電デバイスは、上述した電極構造体と、正極と負極との間に介在しイオンを伝導するイオン伝導媒体と、正極と負極との間に介在するセパレータとを備えたものとしてもよい。この蓄電デバイスは、例えば、電気二重層キャパシタやハイブリッドキャパシタ、疑似電気二重層キャパシタ、アルカリ金属二次電池、アルカリ金属イオン電池などとしてもよい。蓄電デバイスのキャリアイオンは、リチウムイオンやナトリウムイオン、カリウムイオンなどのアルカリ金属イオンやマグネシウムイオンやストロンチウムイオン、カルシウムイオンなどの第2族イオンなどが挙げられる。ここでは、説明の便宜のため、リチウムイオンをキャリアとするリチウムイオン二次電池をその主たる一例として以下説明する。
(Power storage device)
The energy storage device of the present disclosure described in the embodiment includes the above-mentioned electrode structure, an ion conduction medium interposed between the positive electrode and the negative electrode to conduct ions, and a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode. It may be used as an electrode. The electric storage device may be, for example, an electric double layer capacitor, a hybrid capacitor, a pseudo electric double layer capacitor, an alkali metal secondary battery, an alkali metal ion battery, or the like. Examples of the carrier ion of the energy storage device include alkali metal ions such as lithium ion, sodium ion and potassium ion, and group 2 ions such as magnesium ion, strontium ion and calcium ion. Here, for convenience of explanation, a lithium ion secondary battery having a lithium ion as a carrier will be described below as a main example thereof.
イオン伝導媒体としては、支持塩を含む非水系電解液や非水系ゲル電解液などを用いることができる。非水系電解液の溶媒としては、例えば、カーボネート類、エステル類、エーテル類、ニトリル類、フラン類、スルホラン類及びジオキソラン類などが挙げられ、これらを単独又は混合して用いることができる。具体的には、カーボネート類としてエチレンカーボネート(EC)やプロピレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ブチレンカーボネート、クロロエチレンカーボネートなどの環状カーボネート類や、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジエチルカーボネート、エチル-n-ブチルカーボネート、メチル-t-ブチルカーボネート、ジ-i-プロピルカーボネート、t-ブチル-i-プロピルカーボネートなどの鎖状カーボネート類、γ-ブチルラクトン、γ-バレロラクトンなどの環状エステル類、ギ酸メチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酪酸メチルなどの鎖状エステル類、ジメトキシエタン、エトキシメトキシエタン、ジエトキシエタンなどのエーテル類、アセトニトリル、ベンゾニトリルなどのニトリル類、テトラヒドロフラン、メチルテトラヒドロフラン、などのフラン類、スルホラン、テトラメチルスルホランなどのスルホラン類、1,3-ジオキソラン、メチルジオキソランなどのジオキソラン類などが挙げられる。この電解液には、電極構造体10のキャリアであるイオンを含む支持塩を溶解したものとしてもよい。支持塩としては、例えば、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiC(CF3SO2)3、LiSbF6、LiSiF6、LiAlF4、LiSCN、LiClO4、LiCl、LiF、LiBr、LiI、LiAlCl4などが挙げられる。このうち、LiPF6、LiBF4、LiClO4などの無機塩、及びLiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiC(CF3SO2)3などの有機塩からなる群より選ばれる1種又は2種以上の塩を組み合わせて用いることが電気特性の点から見て好ましい。この支持塩は、電解液中の濃度が0.1mol/L以上5mol/L以下であることが好ましく、0.5mol/L以上2mol/L以下であることがより好ましい。
As the ion conduction medium, a non-aqueous electrolytic solution containing a supporting salt, a non-aqueous gel electrolytic solution, or the like can be used. Examples of the solvent for the non-aqueous electrolytic solution include carbonates, esters, ethers, nitriles, furans, sulfolanes, dioxolanes and the like, and these can be used alone or in combination. Specifically, as carbonates, cyclic carbonates such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate, vinylene carbonate, butylene carbonate, and chloroethylene carbonate, dimethyl carbonate (DMC), ethylmethyl carbonate (EMC), diethyl carbonate, and ethyl are used. Chain carbonates such as -n-butyl carbonate, methyl-t-butyl carbonate, di-i-propyl carbonate, t-butyl-i-propyl carbonate, cyclic esters such as γ-butyl lactone and γ-valerolactone, Chain esters such as methyl formate, methyl acetate, ethyl acetate, methyl butyrate, ethers such as dimethoxyethane, ethoxymethoxy ethane, diethoxyethane, nitriles such as acetonitrile and benzonitrile, furan such as tetrahydrofuran and methyl tetrahydrofuran, etc. , Sulfolane, sulfolans such as tetramethylsulfolan, and dioxolans such as 1,3-dioxolane and methyldioxolan. In this electrolytic solution, a supporting salt containing ions which are carriers of the
セパレータ15をイオン伝導媒体としての固体電解質としてもよい。固体電解質としては、例えば、無機固体電解質や、高分子固体電解質などが挙げられる。固体電解質は、以下の組成や構造に限定されるものではなくLiイオンが移動可能であるものであればよい。以下に例示する化合物を基本骨格とするものであれば、一部置換体や組成比が異なっても使用可能である。無機固体電解質としては、例えば、Li3N、LISICONと呼ばれるLi14Zn(GeO4)4、硫化物のLi3.25Ge0.25P0.75S4、ペロブスカイト型のLa0.5Li0.5TiO3、(La2/3Li3x□1/3-2x)TiO3(□:原子空孔)、ガーネット型のLi7La3Zr2O12、NASICON型と呼ばれるLiTi2(PO4)3、Li1.3M0.3Ti1.7(PO3)4(M=Sc,Al)、ガラスセラミックスである80Li2S・20P2S5(mol%)組成のガラスから得られたLi7P3S11、さらに硫化物系で高い導電率を持つ物質であるLi10Ge2PS2、ガラス系無機固体電解質ではLi2S-SiS2、Li2S-SiS2-LiI、Li2S-SiS2-Li3PO4、Li2S-SiS2-Li4SiO4、Li2S-P2S5、Li3PO4-Li4SiO4、Li3BO4-Li4SiO4、そしてSiO2、GeO2、B2O3、P2O5をガラス系物質としてLi2Oを網目修飾物質とするものなどが挙げられ、チオリシコン固体電解質としてLi2S-GeS2系、Li2S-GeS2-ZnS系、Li2S-Ga2S2系、Li2S-GeS2-Ga2S3系、Li2S-GeS2-P2S5系、Li2S-GeS2-SbS5系、Li2S-GeS2-Al2S3系、Li2S-SiS2系、Li2S-P2S5系、Li2S-Al2S3系、LiS-SiS2-Al2S3系、Li2S-SiS2-P2S5系などが挙げられる。
The
高分子固体電解質としては、例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)とアルカリ金属の錯体があり、ポリマーであればPEOに限定されるものではなくリチウム塩を溶解するポリマー材料のユニット構造を例示すると、Polyether系のPEO、PPO:poly(propylene oxide)、Polyamine系のPEI:poly(ethylene imine)、PAN:poly(acrylo nitrile)、Polysulfide系のPAS:poly(alkylene sulfide)などが挙げられる。またリチウム塩としてはLiTFSI:(LiN(SO2CF3)2)、LiPEI:(COCF2SO2NLi)n、LiPPI:(COCF(CF3OCF2CF2SO2NLi))nが挙げられる。また、PVdF(PolyVinylidene DiFluoride)やPAN、HFP(Hexafluoropropylene)などを利用したゲルポリマー電解質などが挙げられる。また、有機イオン性プラスチック電解質としては、プラスチッククリスタル相を有するものなどが挙げられる。プラスチッククリスタル相の代表的な分子としては、Tetrachloromethane、Cyclohexane、Succinonitrile等が挙げられ、これらプラスチッククリスタル相にTf2N:(トリフルオロメチルスルホニル)アミド、LiBF4を添加する、または脂肪族4級アンモニウムとパーフルオロアニオンからなるプラスチッククリスタル相を有する塩の組み合わせであってもよい。イオン液体とガラス成分を分子レベルで混合した有機・無機ハイブリッド型イオンゲル、すなわちセルロースを利用した有機ホウ素系イオンゲル電解質、アミロースを用いた有機ホウ素系イオンゲル電解質、シクロデキストリンから誘導したホウ素多置換型マクロサイクルなどが挙げられる。 Examples of the polymer solid electrolyte include a complex of polyethylene oxide (PEO) and an alkali metal, and if it is a polymer, the unit structure of a polymer material that dissolves a lithium salt is not limited to PEO. PEO, PPO: poly (propylene oxide), Polyamine-based PEI: poly (ethylene imine), PAN: poly (acrylo nitrile), Polysulfide-based PAS: poly (polyethylene sulfide), and the like. Examples of the lithium salt include LiTFSI: (LiN (SO 2 CF 3 ) 2 ), LiPEI: (COCF 2 SO 2 NLi) n, and LiPPI: (COCF (CF 3 OCF 2 CF 2 SO 2 NLi)) n . Further, a gel polymer electrolyte using PVdF (PolyVinylidene DiFluoride), PAN, HFP (Hexafluoropropylene) and the like can be mentioned. Further, examples of the organic ionic plastic electrolyte include those having a plastic crystal phase. Representative molecules of the plastic crystal phase include Tetrachloromethane, Cyclohexane, Succinonitrile, etc., and Tf 2 N: (trifluoromethylsulfonyl) amide, LiBF 4 is added to these plastic crystal phases, or aliphatic quaternary ammonium is added. It may be a combination of a salt having a plastic crystal phase composed of and a perfluoroanion. Organic / inorganic hybrid ion gel in which ionic liquid and glass components are mixed at the molecular level, that is, organic boron-based ion gel electrolyte using cellulose, organic boron-based ion gel electrolyte using amylose, and boron polysubstituted macrocycle derived from cyclodextrin. And so on.
この蓄電デバイスの形状は、特に限定されないが、例えばコイン型、ボタン型、シート型、積層型、円筒型、偏平型、角型などが挙げられる。また、こうした電池を複数直列に接続して電気自動車等に用いる大型のものなどに適用してもよい。 The shape of the power storage device is not particularly limited, and examples thereof include a coin type, a button type, a sheet type, a laminated type, a cylindrical type, a flat type, and a square type. Further, a plurality of such batteries may be connected in series and applied to a large-sized battery used for an electric vehicle or the like.
以上詳述した電極構造体10では、シート状の電極において内部短絡時の徐放電機構を発現することができる。このような効果が得られる理由は、以下のように推察される。例えば、集電線をストライプ状に配置しているので通常の充放電は問題なく行われる。一方、電極内で内部短絡が発生し、全ての電流が短絡箇所に集中する状況では、短絡箇所近傍の集電線に電流が集中しようとする。しかし、1本の集電線は、連続した集電箔よりも体積が極めて小さいため、同じ体積抵抗率の部材を用いても抵抗が大きくなる。このため、短絡箇所に集中して流れる電流値は小さくなり、長い時間をかけてゆっくり放電する、いわゆる徐放電となり、短絡箇所のジュール発熱が大幅に抑制されるので安全である。なお、1本の集電線の抵抗は大きくなるが、通常使用時に1本の集電線に流れる電流は集電体近傍の電極分のみの小電流であるので、問題なく流れることになる。言い換えれば、セル全体での電極内の集電抵抗は、一本の集電抵抗を多数の集電体の本数で除した値まで小さくなる。すなわち、集電線を多数並列接続することで、セル全体の集電抵抗は低く設計し、円滑な充放電を可能とし、どこかで内部短絡が発生した場合は比較的高抵抗の一本の集電線を通るため徐放電になり、高安全を担保することができる。
In the
また、連続体である接続部21,31を設けることによって、多数の集電線を並列接続することが可能である。接続部21,31は部材の厚さの制御により抵抗を容易に制御可能である。したがって、この電極構造体10では、効率的な集電による高エネルギー密度化と内部短絡時の徐放電機構とを両立することができる。
Further, by providing the connecting
なお、本開示は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。 It should be noted that the present disclosure is not limited to the above-described embodiment, and it goes without saying that the present disclosure can be carried out in various embodiments as long as it belongs to the technical scope of the present disclosure.
例えば、上述した実施形態では、蓄電デバイスのキャリアをリチウムイオンとしたが、特にこれに限定されず、ナトリウムイオンやカリウムイオンなどのアルカリ金属イオン、カルシウムイオンやマグネシウムイオンなどの2族元素イオンとしてもよい。また、正極活物質は、キャリアのイオンを含むものとすればよい。また、電解液を非水系電解液としたが、水溶液系電解液としてもよい。 For example, in the above-described embodiment, the carrier of the power storage device is lithium ion, but the carrier is not particularly limited to this, and it may be an alkali metal ion such as sodium ion or potassium ion, or a group 2 element ion such as calcium ion or magnesium ion. good. Further, the positive electrode active material may contain carrier ions. Further, although the electrolytic solution is a non-aqueous electrolytic solution, an aqueous solution-based electrolytic solution may be used.
上述した実施形態では、正極活物質を遷移金属複合酸化物としたが、特に限定されず、例えば、キャパシタに用いられる炭素材料としてもよい。炭素材料としては、特に限定されるものではないが、例えば、活性炭類、コークス類、ガラス状炭素類、黒鉛類、難黒鉛化性炭素類、熱分解炭素類、炭素繊維類、カーボンナノチューブ類、ポリアセン類などが挙げられる。このうち、高比表面積を示す活性炭類が好ましい。炭素材料としての活性炭は、比表面積が1000m2/g以上であることが好ましく、1500m2/g以上であることがより好ましい。比表面積が1000m2/g以上では、放電容量をより高めることができる。この活性炭の比表面積は、作製の容易性から3000m2/g以下であることが好ましく、2000m2/g以下であることがより好ましい。なお、正極では、イオン伝導媒体に含まれるアニオン及びカチオンの少なくとも一方を吸着、脱離して蓄電するものと考えられるが、さらに、イオン伝導媒体に含まれるアニオン及びカチオンの少なくとも一方を挿入、脱離して蓄電するものとしてもよい。 In the above-described embodiment, the positive electrode active material is a transition metal composite oxide, but the present invention is not particularly limited, and for example, it may be a carbon material used for a capacitor. The carbon material is not particularly limited, but for example, activated carbons, cokes, glassy carbons, graphites, graphitizable carbons, pyrolytic carbons, carbon fibers, carbon nanotubes, etc. Examples include graphite. Of these, activated carbons having a high specific surface area are preferable. Activated carbon as a carbon material preferably has a specific surface area of 1000 m 2 / g or more, and more preferably 1500 m 2 / g or more. When the specific surface area is 1000 m 2 / g or more, the discharge capacity can be further increased. The specific surface area of this activated carbon is preferably 3000 m 2 / g or less, and more preferably 2000 m 2 / g or less, from the viewpoint of ease of production. It is considered that at the positive electrode, at least one of the anion and the cation contained in the ion conduction medium is adsorbed and desorbed to store electricity, but further, at least one of the anion and the cation contained in the ion conduction medium is inserted and desorbed. It may be used to store electricity.
以下には、上述した電極構造体及び蓄電デバイスを具体的に作製した例を実施例として説明する。 Hereinafter, an example in which the above-mentioned electrode structure and power storage device are specifically manufactured will be described as examples.
(通常充放電時の櫛歯間隔の影響の考察)
シミュレーション(計算)によって、櫛歯のピッチP(間隔)が0である従来の箔状集電箔から、ピッチPが2500μmまで変化させた場合について、Cレートが0.05と1.0のときの放電容量を計算し、箔状集電箔の放電容量に対する比をプロットした。図5は、集電線の間隔と放電容量比との関係図である。なお、いずれの場合も4.1Vの満充電状態から放電を開始した。また、櫛歯の幅tとピッチPとが同じ値である集電部を想定して計算を行った。Cレートが高くなると櫛歯間隔の増加に伴う放電容量の低下が顕著になったが、1Cまで放電レートを増大させても、櫛歯間隔が2mmにおいて60%程度の放電が可能であった。なお、櫛歯間隔が500μm以下では放電容量の低下は無視できる程度に小さいことがわかった。したがって、櫛歯のピッチPは2mm以下が適切であると判断された。
(Consideration of the effect of comb tooth spacing during normal charging and discharging)
When the C rate is 0.05 and 1.0 when the pitch P is changed to 2500 μm from the conventional foil-like current collector foil in which the pitch P (interval) of the comb teeth is 0 by simulation (calculation). The discharge capacity of the foil was calculated, and the ratio to the discharge capacity of the foil-like collector foil was plotted. FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the distance between the collector wires and the discharge capacity ratio. In each case, the discharge was started from the fully charged state of 4.1 V. Further, the calculation was performed assuming a current collector in which the width t of the comb teeth and the pitch P are the same values. As the C rate increased, the discharge capacity decreased significantly with the increase in the comb tooth spacing, but even if the discharge rate was increased to 1C, it was possible to discharge about 60% when the comb tooth spacing was 2 mm. It was found that when the comb tooth spacing was 500 μm or less, the decrease in discharge capacity was negligible. Therefore, it was determined that a comb tooth pitch P of 2 mm or less is appropriate.
(実施例1)
(電極構造体及び蓄電デバイスの検討)
図6は、実施例1の電極構造体の説明図である。図6に示すように、櫛歯構造の集電部を反対方向に配置して対向させた単セルを30組積層したリチウムイオン二次電池を実施例1とした。正極活物質層の厚さを片側80μm、セパレータは、厚さが15μmであるポリエチレン製セパレータを用い、負極活物質層の厚さを片側60μmとした。正極集電部は、材質をAlとし、集電線の長さを70mm、幅tを335μm、厚さを7μmとした。負極集電部は、材質をCuとし、集電線の長さを70mm、幅tを200μm、厚さを7μmとした。体積抵抗率の差から、Al、Cuとも70mmの経路長の抵抗は0.84Ωである。この電極構造体では、電極のどこで内部短絡が発生し、Al集電部とCu集電部の櫛歯が抵抗0で短絡しても、全ての電極からの電流は正極と負極とを合わせて抵抗0.84Ω分の櫛歯を通ることになる。電池の電圧は最大4.1Vなので、短絡部に流れる電流は4.9Aに制限され、発熱量は最大で20Wに留まる。また、電池容量が10Ahの場合には、2時間以上の徐放電となり、短絡部が熱暴走領域に到達せず、極めて安全な電池である。ちなみに通常の充放電反応について考える。図6の電極が30組積層された電池とすると、Al櫛歯の間隔を200μm、Cu櫛歯の間隔を330μmとすると、一枚の電極の櫛歯数は正/負極とも264本となる。電極数は30組であるので、櫛歯数は7920本である。櫛歯1本当たりの抵抗が0.84Ωであるから、正極集電抵抗は0.1mΩとなり、正/負を合わせても0.2mΩで極めて低くなるので、通常の充放電は問題なく行うことが出来る。櫛歯集電部全体では、4.1V/0.0002Ω=20500Aもの電流を流すことが出来るほど低抵抗である。なお、抵抗(0℃)は、アルミが2.80μΩcmであり、銅が1.68μΩcmであり、正極合材(面方向/プレス後)が1.0Ωcmであり、負極電極(面方向/プレス後)は、0.25Ωcmであった。
(Example 1)
(Examination of electrode structure and power storage device)
FIG. 6 is an explanatory diagram of the electrode structure of the first embodiment. As shown in FIG. 6, a lithium ion secondary battery in which 30 sets of single cells in which current collectors having a comb-tooth structure are arranged in opposite directions and opposed to each other are stacked is used as Example 1. The thickness of the positive electrode active material layer was 80 μm on one side, a polyethylene separator having a thickness of 15 μm was used as the separator, and the thickness of the negative electrode active material layer was 60 μm on one side. The material of the positive electrode current collector is Al, the length of the current collector is 70 mm, the width t is 335 μm, and the thickness is 7 μm. The negative electrode current collector was made of Cu, the length of the current collector was 70 mm, the width t was 200 μm, and the thickness was 7 μm. Due to the difference in volume resistivity, the resistance of both Al and Cu with a path length of 70 mm is 0.84 Ω. In this electrode structure, even if an internal short circuit occurs in any of the electrodes and the comb teeth of the Al and Cu current collectors are short-circuited with zero resistance, the current from all the electrodes is combined with the positive and negative electrodes. It will pass through the comb teeth with a resistance of 0.84Ω. Since the maximum voltage of the battery is 4.1V, the current flowing through the short-circuited portion is limited to 4.9A, and the calorific value remains at 20W at the maximum. Further, when the battery capacity is 10 Ah, the battery is slowly discharged for 2 hours or more, and the short-circuited portion does not reach the thermal runaway region, so that the battery is extremely safe. By the way, consider a normal charge / discharge reaction. Assuming that the battery in which 30 sets of electrodes of FIG. 6 are stacked is 200 μm between Al comb teeth and 330 μm between Cu comb teeth, the number of comb teeth of one electrode is 264 for both positive and negative electrodes. Since the number of electrodes is 30, the number of comb teeth is 7920. Since the resistance per comb tooth is 0.84Ω, the positive electrode current collection resistance is 0.1mΩ, and even if the positive and negative are combined, it is extremely low at 0.2mΩ, so normal charging and discharging should be performed without problems. Can be done. The resistance of the entire comb tooth current collector is low enough to allow a current of 4.1 V / 0.0002 Ω = 20500 A to flow. The resistance (0 ° C.) is 2.80 μΩcm for aluminum, 1.68 μΩcm for copper, 1.0 Ωcm for the positive electrode mixture (plane direction / after pressing), and the negative electrode (plane direction / after pressing). ) Was 0.25 Ωcm.
(実施例2)
図3に示した電極構造体について検討した結果を実施例2とした。正極集電部箔、負極集電部の両方を櫛歯状にした場合、正/負極対向時の櫛歯ピッチのずれによる反応ムラが懸念される。そこで、ピッチずれを抑制するために、正極と負極の櫛歯角度を逆向きに傾けて反応ムラの抑制しを図るものとした。正/負極の横ずれを解消するには、接続部からの垂線に対する傾き角θ、集電線の長さLに対する横方向のずれWが櫛歯集電のピッチPよりも大きければ良いので、P≦L・tanθを満たすものとすればよいと推察された。また、3P≧L・tanθを満たすことが好ましいと推察された。
(Example 2)
The result of examining the electrode structure shown in FIG. 3 was referred to as Example 2. When both the positive electrode current collector foil and the negative electrode current collector are comb-shaped, there is a concern that reaction unevenness may occur due to the deviation of the comb-tooth pitch when facing the positive / negative electrode. Therefore, in order to suppress the pitch shift, the comb tooth angles of the positive electrode and the negative electrode are tilted in opposite directions to suppress the reaction unevenness. In order to eliminate the lateral displacement of the positive / negative electrode, it is sufficient that the inclination angle θ with respect to the perpendicular line from the connection portion and the lateral displacement W with respect to the length L of the collector wire are larger than the pitch P of the comb tooth collection, so P ≦ It was inferred that L. tan θ should be satisfied. Further, it was presumed that it is preferable to satisfy 3P ≧ L · tan θ.
(実施例3)
図4に示した電極構造体について検討した結果を実施例3とした。櫛歯状集電構造を電子伝導性のないフィルムにパターンニングした。図7は、実施例3の電極構造体の説明図である。正極活物質層の厚さを60μm、セパレータは厚さが15μmであるポリエチレン製セパレータを用い、負極活物質層の厚さを50μmとした。また、フィルムは、厚さが10μmのポリイミド樹脂製とした。正極集電部及び負極集電部の集電線の厚さや幅、長さは、実施例1と同じとした。このように、フィルムに集電線を形成すると、厚さが比較的薄く長さが長い櫛歯状の集電部を、各集電線を電気的に接触させることなく、確実に電極を作製することができた。
(Example 3)
The result of examining the electrode structure shown in FIG. 4 was referred to as Example 3. The comb-toothed current collector structure was patterned into a film without electron conductivity. FIG. 7 is an explanatory diagram of the electrode structure of the third embodiment. A polyethylene separator having a thickness of 60 μm and a thickness of 15 μm was used for the positive electrode active material layer, and the thickness of the negative electrode active material layer was set to 50 μm. The film was made of a polyimide resin having a thickness of 10 μm. The thickness, width, and length of the current collectors of the positive electrode current collector and the negative electrode current collector were the same as in Example 1. In this way, when the current collector is formed on the film, the electrode can be reliably produced without electrically contacting each current collector with the comb-shaped current collector, which is relatively thin and long. Was made.
(比較例1)
箔状の集電体を有する負極及び正極を備えた単セルを30組積層させたLiイオン2次電池を比較例1とし、短絡箇所に流れる電流を検討した。図8は、比較例1の電極構造体の説明図である。一枚の電極形状は、VDAサイズの縦80mm、横140mmとし、縦のうち、70mmが電極塗布部、10mmが集電部で、集電部を30枚、超音波溶接して並列に接続した。Al集電箔の厚さは15μmとした。1枚の電極の一箇所で正極と負極が短絡した時に、その他29枚の正極集電箔を通って電流が流れる時の抵抗値は、Alの体積抵抗率×電流経路長/電流経路断面積で表される。このとき、その他29枚の正極集電アルミ集電箔の抵抗は、電流経路長を平均経路長35mm+5mm=40mm、電流経路断面積を140mm×15μm×29枚とすると、抵抗値は0.018mΩである。絡部位のある電極での正極アルミ集電箔の抵抗は、電流経路長を平均経路長35mm+5mm=40mm、電流経路断面積を140mm×15μm×1枚とすると、抵抗値は0.54mΩで、上記その他29枚との和が0.558mΩである。負極集電箔のCuの厚さを9μmとすると、負極Cu集電箔の抵抗も正極の場合と同等となる。よって、短絡部位までの正/負極集電抵抗和は、1.116mΩである。集電箔のみが抵抗であると仮定すると、セルの最大4.1V時に抵抗0で短絡した場合の短絡電流は、4.1/0.001116=3674Aの電流が流れることになり、発熱量は15kWにもなる。これは前述の本開示の短絡電流、発熱量と比較すると750倍も大きい。比較例1では、電池容量が10Ahと仮定すると放電時間が約10秒で完全放電になる。このような計算結果から、実施例1~3では、通常の充放電が十分行えると共に、内部の部分短絡によっても、徐放電が可能となり、極めて安全性が高いことがわかった。
(Comparative Example 1)
A Li-ion secondary battery in which 30 sets of single cells equipped with a negative electrode having a foil-shaped current collector and a positive electrode were laminated was used as Comparative Example 1, and the current flowing through the short-circuited portion was examined. FIG. 8 is an explanatory diagram of the electrode structure of Comparative Example 1. The shape of one electrode is
なお、本開示は上述した実施例に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。 It should be noted that the present disclosure is not limited to the above-mentioned examples, and it goes without saying that the present disclosure can be carried out in various embodiments as long as it belongs to the technical scope of the present disclosure.
10,10B、10C 電極構造体、11 単セル、12,12B,12C 負極、13 負極活物質層、15 セパレータ、16,16B,16C 正極、17 正極活物質層、18,19 支持膜、20,20B,20C 負極集電部、21 接続部、23 集電線、30,30B,30C 正極集電部、31 接続部、33 集電線、N 本数、L 長さ、t 幅、P ピッチ。 10,10B, 10C electrode structure, 11 single cell, 12,12B, 12C negative electrode, 13 negative electrode active material layer, 15 separator, 16,16B, 16C positive electrode, 17 positive electrode active material layer, 18,19 support film, 20, 20B, 20C Negative electrode current collector, 21 connection part, 23 collection wire, 30, 30B, 30C Positive electrode current collector, 31 connection part, 33 collection wire, N number, L length, t width, P pitch.
Claims (9)
負極活物質と、前記負極活物質に隣接する複数の集電線と該集電線が並列接続する接続部を備え前記正極集電部の櫛歯構造と逆向きに配設された櫛歯構造の負極集電部と、を有する負極と、
を備えた電極構造体。 A positive electrode having a positive electrode active material, a positive electrode current collector having a comb-teeth structure including a plurality of collectors adjacent to the positive electrode active material and a connection portion in which the collectors are connected in parallel,
A negative electrode having a negative electrode active material, a plurality of collector wires adjacent to the negative electrode active material, and a connection portion in which the collector wires are connected in parallel, and arranged in the opposite direction to the comb tooth structure of the positive electrode current collector. A negative electrode with a current collector, and
Electrode structure with.
前記負極集電部は、前記集電線の長さL、集電線間のピッチP、前記接続部に直交する線に対する前記集電線の角度θとしたときに、P≦L・tanθを満たすか、のいずれか1以上である、請求項2又は3に記載の電極構造体。 Whether the positive electrode current collector satisfies P ≦ L · tan θ when the length L of the collector, the pitch P between the collectors, and the angle θ of the collector with respect to the line orthogonal to the connection portion.
Whether the negative electrode current collector satisfies P ≦ L · tan θ when the length L of the collector, the pitch P between the collectors, and the angle θ of the collector with respect to the line orthogonal to the connection portion. The electrode structure according to claim 2 or 3, wherein is one or more of the above.
前記負極集電部は、前記集電線の長さL、集電線間のピッチP、前記接続部に直交する線に対する前記集電線の角度θとしたときに、P≦L・tanθを満たすか、のいずれか1以上である、請求項4に記載の電極構造体。 Whether the positive electrode current collector satisfies 3P ≧ L · tan θ, where the length L of the collector, the pitch P between the collectors, and the angle θ of the collector with respect to the line orthogonal to the connection.
Whether the negative electrode current collector satisfies P ≦ L · tan θ when the length L of the collector, the pitch P between the collectors, and the angle θ of the collector with respect to the line orthogonal to the connection portion. The electrode structure according to claim 4, wherein the electrode structure is any one or more of the above.
前記負極集電部は、電子伝導性のない支持膜上に形成されるか、のいずれか1以上である、請求項1~5のいずれか1項に記載の電極構造体。 Is the positive electrode current collector formed on a support film that does not have electron conductivity?
The electrode structure according to any one of claims 1 to 5, wherein the negative electrode current collector is formed on a support film having no electron conductivity, or is one or more.
前記負極集電部は、前記集電線の幅tが2mm以下であり、前記集電線のピッチPが2mm以下であるか、のいずれか1以上である、請求項1~6のいずれか1項に記載の電極構造体。 In the positive electrode current collector, the width t of the current collector is 2 mm or less, and the pitch P of the current collector is 2 mm or less.
The negative electrode current collector has any one of claims 1 to 6, wherein the width t of the current collector is 2 mm or less and the pitch P of the current collector is 2 mm or less. The electrode structure according to.
前記負極集電部は、100本以上の前記集電線が並列接続されているか、のいずれか1以上である、請求項1~7のいずれか1項に記載の電極構造体。 Whether 100 or more of the current collectors are connected in parallel to the positive electrode current collector.
The electrode structure according to any one of claims 1 to 7, wherein the negative electrode current collector is one or more of 100 or more of the current collectors connected in parallel.
前記正極と前記負極との間に介在しイオンを伝導するイオン伝導媒体と、
を備えた蓄電デバイス。 The electrode structure according to any one of claims 1 to 8 and the electrode structure.
An ion conduction medium that is interposed between the positive electrode and the negative electrode and conducts ions,
Power storage device equipped with.
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