JP2023503694A - リチウムイオン電池に用いられる高配向性コレクタおよびその製造方法並びに使用 - Google Patents
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Abstract
リチウムイオン電池に用いられる高配向性コレクタおよびその製造方法並びに使用であって、前記コレクタは、導電粒子を添加した樹脂材料で製造される。コレクタは、Ｘ-Ｙ方向において導電粒子が十分な導電性ネットワークを形成していないが、Ｚ方向において良好な導電性ネットワークを形成した。短絡が発生した場合、コレクタは、Ｘ-Ｙ方向において多くの活物質を活性化しにくくて熱暴走が発生しにくいが、Ｚ方向において十分に導電することができ、電池が正常に充放電することができる。これにより、電池の安全性が向上する。
Description
本発明は、リチウムイオン電池に用いられる高配向性コレクタおよびその製造方法並びに使用に関する。
過去２０年において、リチウムイオン電池は、既に新エネルギー自動車の最も重要な動力源となった。リチウムイオン電池を広く普及させるために、リチウムイオン電池の性能を向上させると同時にそのコストをさらに低減する必要がある。また、電気自動車の航続距離を向上させるために、業界ではリチウムイオン電池がより高いエネルギー密度を備えることを絶え間なく求め続けている。電気自動車の設計に対して、単一のセルのエネルギー密度の向上と比較して、電気自動車によるパックの設計に対する要求に合致するために、安全が保証される場合にパック全体のエネルギー密度を向上させる必要がある。また、現在の電池パックの設計は、セル→モジュール→パックで構成され、設計の複雑性および空間利用率がさらに増加した。
本発明の１つの目的は、操作が簡易であるとともに配向度が高いコレクタを大規模に製造可能な方法を提供することにある。
本発明の別の目的は、上記の方法によって製造される高配向性コレクタを提供することにある。
本発明のまた別の目的は、上記のコレクタの使用を提供することにある。
本発明は、以下の技術方案によって実現される。
本発明の一側面によれば、導電粒子を添加した樹脂材料で製造されるコレクタを提供する。
本発明のコレクタでは、導電粒子と樹脂材料とが間隔を隔てて分布しており、そのうち、導電粒子は、導電パスを形成し、Ｘ-Ｙ方向において、導電パスを形成する導電粒子の個数が導電粒子の総数（個数）の２０％以下であり、Ｚ方向において、導電パスを形成する導電粒子の個数が導電粒子の総数（個数）の６０％以上である。
本発明の具体的な実施形態によれば、本発明のコレクタにおいて、導電粒子の材料は、炭素材料ナノ粒子であって、例えばカーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン、炭素繊維、気相成長炭素繊維（ＶＧＣＦ）のうちの１種または２種以上の組み合わせであってもよい。そのうち、グラフェンの粒子サイズは、５ｎｍ-１００ｎｍであり、カーボンブラック、ケッチェンブラックの粒子サイズは、１ｎｍ-１００ｎｍであり、カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブまたは多層カーボンナノチューブを選択可能であり、その直径が１ｎｍ-５ｎｍであり、長さが１０ｎｍ-５００ｎｍであり、炭素繊維、ＶＧＣＦの直径が８０ｎｍ-２００ｎｍであり、ＢＥＴが５ｍ２/ｇ-３０ｍ２/ｇであり、長さが２００ｎｍ-５μｍである。２種以上の組み合わせである炭素材料を採用する場合、炭素材料の固体含有量は、１０ｗｔ％-７０ｗｔ％であり、例えば、グラフェン+カーボンナノチューブの混合、またはカーボンブラック+ケッチェンブラックの混合、またはカーボンブラック+ケッチェンブラック+カーボンナノチューブの混合などであってもよい。
本発明のコレクタにおいて、樹脂材料（基質が有機物）は、ポリオレフィン系の材料を採用することができる。例えば、高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン、ポリメチルペンテンなどのうちの１種または２種以上の組み合わせで形成される共重合物または混合物であってもよい。相対密度に応じて、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）と高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）とに分けられ、ＬＤＰＥの密度が０.９１-０.９２５ｇ/ｃｍ３であり、ＨＤＰＥの密度が０.９４ｇ/ｃｍ３より大きい。
上記の樹脂材料は、正極および負極の電位に対してより安定し、かつその密度が金属より低く、電池の重量エネルギー密度の向上に寄与する。例えば、充放電電圧の範囲は、２.５-３.８Ｖ（ＬＦＰ）、２.５-４.２Ｖ（ＮＣＭ）であり、正極のタップ密度は、２.３-２.６ｇ/ｃｃ(ＬＦＰ)、３.５-３.８ｇ/ｃｃ(ＮＣＭ)であり、負極のタップ密度は、１.３-１.７ｇ/ｃｃ（黒鉛）である。
本発明のコレクタにおいて、導電粒子の体積パーセントは、３０ｗｔ％-７０ｗｔ％である。
本発明の高配向性樹脂コレクタの厚みは、５-３０μｍであることが好ましい。より好ましくは、コレクタの厚みは、２０μｍより小さく、１５μｍより小さいことが好ましく、１０μｍより小さいことがより好ましい。
本発明のコレクタにおいて、導電粒子で幅が５００ｎｍ-５μｍの導電パスが形成され、
隣り合う導電パスの間に樹脂材料で充填され、樹脂材料は、導電しなく、隣り合う導電パスの距離は、５００ｎｍ-５μｍである。
隣り合う導電パスの間に樹脂材料で充填され、樹脂材料は、導電しなく、隣り合う導電パスの距離は、５００ｎｍ-５μｍである。
本発明の具体的な実施形態によれば、本発明のコレクタの表面インピーダンスは、１５ｍｏｈｍ/ｓｑより低く、または１０ｍｏｈｍ/ｓｑより低い。
本発明のコレクタは、導電粒子が充填される樹脂をコレクタとして採用し、Ｘ-Ｙ方向において低い導電性を有する一方、Ｚ方向において高い導電性を有し、短絡が発生した場合、Ｘ-Ｙ方向において極めて少ない活物質のみを活性化することができ、最終に熱暴走が発生しない。本発明では、Ｘ-Ｙ方向は、コレクタの水平方向であり、Ｚ方向は、コレクタの厚み方向である。
本発明のコレクタは、密度が金属より小さいので、高い重量エネルギー密度を実現することができる。コレクタの密度は、０.７ｇ/ｃｃより小さく、ＬＦＰ（リン酸鉄リチウム電池）のエネルギー密度は、１９０Ｗｈ/ｋｇより大きく、ＮＣＭ（リチウムニッケルコバルトマンガン酸化物電池）は、３００Ｗｈ/ｋｇより大きくてもよい。
本発明の別の側面によれば、主に溶融引張法によって高配向性樹脂コレクタを製造するための方法であって、
樹脂を溶融温度以上に加熱して、導電粒子と均一に混合するステップと、
溶融した導電粒子が添加された混合物を回転中の冷間ローラに押し込み、混合物が冷やされ粘度が迅速に向上して成膜し、その後、１組の引張りローラによって、該当する厚みおよび内部構造となるようにフィルムを引張るステップと、を含むコレクタの製造方法を提供する。
樹脂を溶融温度以上に加熱して、導電粒子と均一に混合するステップと、
溶融した導電粒子が添加された混合物を回転中の冷間ローラに押し込み、混合物が冷やされ粘度が迅速に向上して成膜し、その後、１組の引張りローラによって、該当する厚みおよび内部構造となるようにフィルムを引張るステップと、を含むコレクタの製造方法を提供する。
本発明のコレクタの厚みおよび配向度はそれぞれ、樹脂と導電粒子との比例、溶融炉の予熱温度、および機械ローラの引張りレートによって決定する。
溶融引張法によって、特定の導電パス構造を有する高配向性樹脂コレクタを形成する（図２）。
本発明の具体的な実施方式によれば、溶融炉の予熱温度は、６０℃-８０℃であってもよい。
本発明の具体的な実施形態によれば、機械ローラの引張速度は、５ｍ/ｍｉｎ-３０ｍ/ｍｉｎであってもよく、引張張力は、４０Ｎ-８０Ｎであってもよい。
本発明の製造方法では、機械ローラによる引張を制御することによって、コレクタを横方向に引っ張り、粒子ピッチを制御することができ、導電パスの幅を制御することができる。本発明の１つの具体的な実施形態では、導電パスの幅を５００ｎｍ-５μｍとなるように制御する。
本発明の別の側面によれば、前記のコレクタの使用をさらに提供する。
本発明のコレクタは、リチウムイオン電池の製造に用いることができる。リチウムイオン電池を製造する時、単一のセルを直列接続して積層する設計を採用し、単一の電池の間に用いられる接続タブを節約し、体積効率を向上させるとともに車載用に適合することができる。
本発明では、導電粒子をフィラーとする樹脂を採用してコレクタを製造し、当該コレクタの特徴として、Ｘ-Ｙ方向において導電粒子が十分な導電性ネットワークを形成しないが、Ｚ方向において良好な導電性ネットワークを形成したことである。このように、短絡が発生した場合、コレクタは、Ｘ-Ｙ方向において多くの活物質を活性化しにくくて熱暴走が発生しにくいが、Ｚ方向において十分に導電することができ、電池が正常に充放電することができる。これにより、電池の安全性が向上する。
以下、本発明の技術特徴、目的および有益な効果をより明確に理解するために、本発明の技術方案について図面および具体的な実施例を参照しながら詳細に説明するが、これらの実施例が本発明を説明するためのものに過ぎず、本発明の範囲を限定するものではないと理解すべきである。実施例では、具体的な条件を明記していない実験方法は、本分野でよく知られている一般的な方法および一般的な条件であり、または、機器メーカーが提案した条件に従って操作する。
比較例１
正極：ＬＦＰ（１０μｍ）
負極：人造黒鉛（２０μｍ）
ダイアフラム：１２μｍＰＥ+２μｍＡｌ２Ｏ３
サイズ：６００Ｌ×３００Ｗ×１Ｔｍｍの単一セル構造
コレクタ：正極（Ａｌ、厚さ１２μｍ）、負極（Ｃｕ、厚さ８μｍ）
ニードリング実験：２０±５℃の温度でかつ電池が満充電した状態（ＳＯＣ１００）で、直径が３ｍｍの鋼製ニードルを利用して、極板の方向に対して垂直となるように迅速に貫通し、鋼製ニードルをその中に留まらせる。
正極：ＬＦＰ（１０μｍ）
負極：人造黒鉛（２０μｍ）
ダイアフラム：１２μｍＰＥ+２μｍＡｌ２Ｏ３
サイズ：６００Ｌ×３００Ｗ×１Ｔｍｍの単一セル構造
コレクタ：正極（Ａｌ、厚さ１２μｍ）、負極（Ｃｕ、厚さ８μｍ）
ニードリング実験：２０±５℃の温度でかつ電池が満充電した状態（ＳＯＣ１００）で、直径が３ｍｍの鋼製ニードルを利用して、極板の方向に対して垂直となるように迅速に貫通し、鋼製ニードルをその中に留まらせる。
実施例１
本実施例は、以下のものを含むリチウムイオン電池を提供する。
正極：ＬＦＰ（１０μｍ）
負極：人造黒鉛（２０μｍ）
ダイアフラム：１２μｍＰＥ+２μｍＡｌ２Ｏ３
サイズ：６００Ｌ×３００Ｗ×１Ｔｍｍの単一セル構造
コレクタ：正極（５０ｗｔ％のカーボンブラック（６０ｎｍ）+５０ｗｔ％のＰＰ、厚さ１５μｍ）、負極（５０ｗｔ％のカーボンブラック（６０ｎｍ）+５０ｗｔ％のＰＰ、厚さ１５μｍ）。
本実施例は、以下のものを含むリチウムイオン電池を提供する。
正極：ＬＦＰ（１０μｍ）
負極：人造黒鉛（２０μｍ）
ダイアフラム：１２μｍＰＥ+２μｍＡｌ２Ｏ３
サイズ：６００Ｌ×３００Ｗ×１Ｔｍｍの単一セル構造
コレクタ：正極（５０ｗｔ％のカーボンブラック（６０ｎｍ）+５０ｗｔ％のＰＰ、厚さ１５μｍ）、負極（５０ｗｔ％のカーボンブラック（６０ｎｍ）+５０ｗｔ％のＰＰ、厚さ１５μｍ）。
正極用コレクタ：Ｘ-Ｙ方向において、導電パスを形成する導電粒子の個数が導電粒子の総数の２０％以下であり（Ｘ-Ｙ方向の抵抗率が５ｍｏｈｍ/ｓｑである）、Ｚ方向において、導電パスを形成する導電粒子の個数が導電粒子の総数の７０％以上であり（Ｚ方向の抵抗率が１ｍｏｈｍ/ｓｑである）、導電粒子で形成される導電パスの幅は、１μｍであり、隣り合う導電パスの距離は、１μｍであり、具体的には、図２に示すとおりである。当該コレクタは、図１に示すように、以下のステップで製造される。
樹脂を溶融温度以上に加熱して、導電粒子と均一に混合し、溶融炉の予熱温度は、８０℃である。
溶融した導電粒子が添加された混合物を回転中の冷間ローラに押し込み、混合物が冷やされ粘度が迅速に向上して成膜し、その後、１組の引張りローラ（引張り速度：５ｍ/ｍｉｎ、引張り張力：５０Ｎ）によってフィルムを引張ることによって、厚さが１５μｍであるとともに表面インピーダンスが７ｍｏｈｍ/ｓｑであるコレクタを得た。
負極用コレクタ：Ｘ-Ｙ方向において、導電パスを形成する導電粒子の個数が導電粒子の総数の２０％以下であり（Ｘ-Ｙ方向の抵抗率が５ｍｏｈｍ/ｓｑである）、Ｚ方向において、導電パスを形成する導電粒子の個数が導電粒子の総数の７０％以上であり（Ｚ方向の抵抗率が１ｍｏｈｍ/ｓｑである）、導電粒子で形成された導電パスの幅は、１μｍであり、隣り合う導電パスの距離は、１μｍである。当該コレクタは、図１に示すように、以下のステップで製造される。
樹脂を溶融温度以上に加熱して、導電粒子と均一に混合し、溶融炉の予熱温度は、８０℃である。
溶融した導電粒子が添加された混合物を回転中の冷間ローラに押し込み、混合物が冷やされ粘度が迅速に向上して成膜し、その後、１組の引張りローラ（引張り速度：５ｍ/ｍｉｎ、引張り張力：５０Ｎ）によってフィルムを引張ることによって、厚さが１５μｍであるとともに表面インピーダンスが７ｍｏｈｍ/ｓｑであるコレクタを得た。
ニードリング実験：２０±５℃の温度でかつ電池が満充電した状態（ＳＯＣ１００）で、直径が３ｍｍの鋼製ニードルを利用して、極板の方向に対して垂直となるように迅速に貫通し、鋼製ニードルをその中に留まらせる。
実施例２
本実施例は、以下のものを含むリチウムイオン電池を提供する。
正極：ＬＦＰ（１０μｍ）
負極：人造黒鉛（２０μｍ）
ダイアフラム：１２μｍＰＥ+２μｍＡｌ２Ｏ３
サイズ：６００Ｌ×３００Ｗ×１Ｔｍｍの単一セル構造
コレクタ：正極（５０ｗｔ％のカーボンブラック（６０ｎｍ）+５０ｗｔ％のＰＰ、厚さ１５μｍ）、負極（５０ｗｔ％のＮi粒子（１μｍ）+５０ｗｔ％のＰＰ、厚さ１５μｍ）。
本実施例は、以下のものを含むリチウムイオン電池を提供する。
正極：ＬＦＰ（１０μｍ）
負極：人造黒鉛（２０μｍ）
ダイアフラム：１２μｍＰＥ+２μｍＡｌ２Ｏ３
サイズ：６００Ｌ×３００Ｗ×１Ｔｍｍの単一セル構造
コレクタ：正極（５０ｗｔ％のカーボンブラック（６０ｎｍ）+５０ｗｔ％のＰＰ、厚さ１５μｍ）、負極（５０ｗｔ％のＮi粒子（１μｍ）+５０ｗｔ％のＰＰ、厚さ１５μｍ）。
正極用コレクタ：Ｘ-Ｙ方向において、導電パスを形成する導電粒子の個数が導電粒子の総数の１０％以下であり（Ｘ-Ｙ方向の抵抗率が８ｍｏｈｍ/ｓｑである）、Ｚ方向において、導電パスを形成する導電粒子の個数が導電粒子の総数の７０％以上であり（Ｚ方向の抵抗率が１ｍｏｈｍ/ｓｑである）、導電粒子で形成された導電パスの幅は、１μｍであり、隣り合う導電パスの距離は、１.３μｍである。当該コレクタは、以下のステップで製造される。
樹脂を溶融温度以上に加熱して、導電粒子と均一に混合し、溶融炉の予熱温度は、８０℃である。
溶融した導電粒子が添加された混合物を回転中の冷間ローラに押し込み、混合物が冷やされ粘度が迅速に向上して成膜し、その後、１組の引張りローラ（引張り速度：５ｍ/ｍｉｎ、引張り張力：６０Ｎ）によってフィルムを引張ることによって、厚さが１５μｍであるとともに表面インピーダンスが１０ｍｏｈｍ/ｓｑであるコレクタを得た。
負極用コレクタ：Ｘ-Ｙ方向において、導電パスを形成する導電粒子の個数が導電粒子の総数の１０％以下であり（Ｘ-Ｙ方向の抵抗率が８ｍｏｈｍ/ｓｑである）、Ｚ方向において、導電パスを形成する導電粒子の部分（個数）が導電粒子の総数の７０％以上であり（Ｚ方向の抵抗率が１ｍｏｈｍ/ｓｑである）、導電粒子で形成された導電パスの幅は、１μｍであり、隣り合う導電パスの距離は、１.３μｍである。当該コレクタは、以下のステップで製造される。
樹脂を溶融温度以上に加熱して、導電粒子と均一に混合し、溶融炉の予熱温度は、８０℃である。
溶融した導電粒子が添加された混合物を回転中の冷間ローラに押し込み、混合物が冷やされ粘度が迅速に向上して成膜し、その後、１組の引張りローラ（引張り速度：５ｍ/ｍｉｎ、引張り張力：６０Ｎ）によってフィルムを引張ることによって、厚さが１５μｍであるとともに表面インピーダンスが１３ｍｏｈｍ/ｓｑであるコレクタを得た。
ニードリング実験：２０±５℃の温度でかつ電池が満充電した状態（ＳＯＣ１００）で、直径が３ｍｍの鋼製ニードルを利用して、極板の方向に対して垂直となるように迅速に貫通し、鋼製ニードルをその中に留まらせる。
実施例３
本実施例は、以下のものを含むリチウムイオン電池を提供する。
正極：ＬＦＰ（１０μｍ）
負極：人造黒鉛（２０μｍ）
ダイアフラム：１２μｍＰＥ+２μｍＡｌ２Ｏ３
サイズ：６００L×３００W×１Tｍｍの単一セル構造
コレクタ：正極（４０ｗｔ％のカーボンブラック（６０ｎｍ）+１０ｗｔ％のケッチェンブラック（３０ｎｍ）+５０ｗｔ％のＰＰ、厚さ１５μｍ）、負極（５０ｗｔ％のＮi粒子（１μｍ）+５０ｗｔ％のＰＰ、厚さ１５μｍ）。
本実施例は、以下のものを含むリチウムイオン電池を提供する。
正極：ＬＦＰ（１０μｍ）
負極：人造黒鉛（２０μｍ）
ダイアフラム：１２μｍＰＥ+２μｍＡｌ２Ｏ３
サイズ：６００L×３００W×１Tｍｍの単一セル構造
コレクタ：正極（４０ｗｔ％のカーボンブラック（６０ｎｍ）+１０ｗｔ％のケッチェンブラック（３０ｎｍ）+５０ｗｔ％のＰＰ、厚さ１５μｍ）、負極（５０ｗｔ％のＮi粒子（１μｍ）+５０ｗｔ％のＰＰ、厚さ１５μｍ）。
正極用コレクタ：Ｘ-Ｙ方向において、導電パスを形成する導電粒子の個数が導電粒子の総数の２０％以下であり（Ｘ-Ｙ方向の抵抗率が６ｍｏｈｍ/ｓｑである）、Ｚ方向において、導電パスを形成する導電粒子の個数が導電粒子の総数の７０％以上であり（Ｚ方向の抵抗率が１ｍｏｈｍ/ｓｑである）、導電粒子で形成された導電パスの幅は、１μｍであり、隣り合う導電パスの距離は、１μｍである。当該コレクタは、以下のステップで製造される。
樹脂を溶融温度以上に加熱して、導電粒子と均一に混合し、溶融炉の予熱温度は、８０℃である。
溶融した導電粒子が添加された混合物を回転中の冷間ローラに押し込み、混合物が冷やされ粘度が迅速に向上して成膜し、その後、１組の引張りローラ（引張り速度：５ｍ/ｍｉｎ、引張り張力：５０Ｎ）によってフィルムを引張ることによって、厚さが１５μｍであるとともに表面インピーダンスが４ｍｏｈｍ/ｓｑであるコレクタを得た。
負極用コレクタ：Ｘ-Ｙ方向において、導電パスを形成する導電粒子の個数が導電粒子の総数の１７％以下であり（Ｘ-Ｙ方向の抵抗率が６ｍｏｈｍ/ｓｑである）、Ｚ方向において、導電パスを形成する導電粒子の部分（個数）が導電粒子の総数の７０％以上であり（Ｚ方向の抵抗率が１ｍｏｈｍ/ｓｑである）、導電粒子で形成された導電パスの幅は、１μｍであり、隣り合う導電パスの距離は、１.３μｍである。当該コレクタは、以下のステップで製造される。
樹脂を溶融温度以上に加熱して、導電粒子と均一に混合し、溶融炉の予熱温度は、８０℃である。
溶融した導電粒子が添加された混合物を回転中の冷間ローラに押し込み、混合物が冷やされ粘度が迅速に向上して成膜し、その後、１組の引張りローラ（引張り速度：５ｍ/ｍｉｎ、引張り張力：６０Ｎ）によってフィルムを引張ることによって、厚さが１５μｍであるとともに表面インピーダンスが１３ｍｏｈｍ/ｓｑであるコレクタを得た。
ニードリング実験：２０±５℃の温度でかつ電池が満充電した状態（ＳＯＣ１００）で、直径が３ｍｍの鋼製ニードルを利用して、極板の方向に対して垂直となるように迅速に貫通し、鋼製ニードルをその中に留まらせる。
実施例４
本実施例は、以下のものを含むリチウムイオン電池を提供する。
正極：ＬＦＰ（１０μｍ）
負極：人造黒鉛（２０μｍ）
ダイアフラム：１２μｍＰＥ+２μｍＡｌ２Ｏ３
サイズ：６００Ｌ×３００Ｗ×１Ｔｍｍの単一セル構造
コレクタ：正極（３０ｗｔ％のグラフェン（１μｍ）+１０ｗｔ％のケッチェンブラック（３０ｎｍ）+１０％のカーボンナノチューブ（直径３ｎｍ、長さ１００ｎｍ）+５０ｗｔ％のＰＰ、厚さ１５μｍ）、負極（５０ｗｔ％のＮi粒子（１μｍ）+５０ｗｔ％のＰＰ、厚さ１０μｍ）。
本実施例は、以下のものを含むリチウムイオン電池を提供する。
正極：ＬＦＰ（１０μｍ）
負極：人造黒鉛（２０μｍ）
ダイアフラム：１２μｍＰＥ+２μｍＡｌ２Ｏ３
サイズ：６００Ｌ×３００Ｗ×１Ｔｍｍの単一セル構造
コレクタ：正極（３０ｗｔ％のグラフェン（１μｍ）+１０ｗｔ％のケッチェンブラック（３０ｎｍ）+１０％のカーボンナノチューブ（直径３ｎｍ、長さ１００ｎｍ）+５０ｗｔ％のＰＰ、厚さ１５μｍ）、負極（５０ｗｔ％のＮi粒子（１μｍ）+５０ｗｔ％のＰＰ、厚さ１０μｍ）。
正極用コレクタ：Ｘ-Ｙ方向において、導電パスを形成する導電粒子の個数が導電粒子の総数の２０％以下であり（Ｘ-Ｙ方向の抵抗率が８ｍｏｈｍ/ｓｑである）、Ｚ方向において、導電パスを形成する導電粒子の個数が導電粒子の総数の７０％以上であり（Ｚ方向の抵抗率が１ｍｏｈｍ/ｓｑである）、導電粒子で形成された導電パスの幅は、１μｍであり、隣り合う導電パスの距離は、１μｍである。当該コレクタは、以下のステップで製造される。
樹脂を溶融温度以上に加熱して、導電粒子と均一に混合し、溶融炉の予熱温度は、８０℃である。
溶融した導電粒子が添加された混合物を回転中の冷間ローラに押し込み、混合物が冷やされ粘度が迅速に向上して成膜し、その後、１組の引張りローラ（引張り速度：５ｍ/ｍｉｎ、引張り張力：５０Ｎ）によってフィルムを引張ることによって、厚さが１５μｍであるとともに表面インピーダンスが３ｍｏｈｍ/ｓｑであるコレクタを得た。
負極用コレクタ：Ｘ-Ｙ方向において、導電パスを形成する導電粒子の個数が導電粒子の総数の１０％以下であり（Ｘ-Ｙ方向の抵抗率が８ｍｏｈｍ/ｓｑである）、Ｚ方向において、導電パスを形成する導電粒子の個数が導電粒子の総数の７０％以上であり（Ｚ方向の抵抗率が１ｍｏｈｍ/ｓｑである）、導電粒子で形成された導電パスの幅は、１μｍであり、隣り合う導電パスの距離は、１.３μｍである。当該コレクタは、以下のステップで製造される。
樹脂を溶融温度以上に加熱して、導電粒子と均一に混合し、溶融炉の予熱温度は、８０℃である。
溶融した導電粒子が添加された混合物を回転中の冷間ローラに押し込み、混合物が冷やされ粘度が迅速に向上して成膜し、その後、１組の引張りローラ（引張り速度：５ｍ/ｍｉｎ、引張り張力：６０Ｎ）によってフィルムを引張ることによって、厚さが１０μｍであるとともに表面インピーダンスが１５ｍｏｈｍ/ｓｑであるコレクタを得た。
ニードリング実験：２０±５℃の温度でかつ電池が満充電した状態（ＳＯＣ１００）で、直径が３ｍｍの鋼製ニードルを利用して、極板の方向に対して垂直となるように迅速に貫通し、鋼製ニードルをその中に留まらせる。
実施例５
本実施例は、以下のものを含むリチウムイオン電池を提供する。
正極：ＬＦＰ（１０μｍ）
負極：人造黒鉛（２０μｍ）
ダイアフラム：１２μｍＰＥ+２μｍＡｌ２Ｏ３
サイズ：６００Ｌ×３００Ｗ×１Ｔｍｍの単一セル構造
コレクタ：正極（５０ｗｔ％のカーボンブラック（６０ｎｍ）+５０ｗｔ％のＰＥ、厚さ１５μｍ）、負極（３０ｗｔ％のグラフェン（１μｍ）+１０ｗｔ％のケッチェンブラック（３０ｎｍ）+１０％のカーボンナノチューブ（直径３ｎｍ、長さ１００ｎｍ）+５０ｗｔ％のＰＰ、厚さ１５μｍ）。
本実施例は、以下のものを含むリチウムイオン電池を提供する。
正極：ＬＦＰ（１０μｍ）
負極：人造黒鉛（２０μｍ）
ダイアフラム：１２μｍＰＥ+２μｍＡｌ２Ｏ３
サイズ：６００Ｌ×３００Ｗ×１Ｔｍｍの単一セル構造
コレクタ：正極（５０ｗｔ％のカーボンブラック（６０ｎｍ）+５０ｗｔ％のＰＥ、厚さ１５μｍ）、負極（３０ｗｔ％のグラフェン（１μｍ）+１０ｗｔ％のケッチェンブラック（３０ｎｍ）+１０％のカーボンナノチューブ（直径３ｎｍ、長さ１００ｎｍ）+５０ｗｔ％のＰＰ、厚さ１５μｍ）。
正極用コレクタ：Ｘ-Ｙ方向において、導電パスを形成する導電粒子の個数が導電粒子の総数の２０％以下であり（Ｘ-Ｙ方向の抵抗率が８ｍｏｈｍ/ｓｑである）、Ｚ方向において、導電パスを形成する導電粒子の個数が導電粒子の総数の７０％以上であり（Ｚ方向の抵抗率が１ｍｏｈｍ/ｓｑである）、導電粒子で形成された導電パスの幅は、１μｍであり、隣り合う導電パスの距離は、１μｍである。当該コレクタは、以下のステップで製造される。
樹脂を溶融温度以上に加熱して、導電粒子と均一に混合し、溶融炉の予熱温度は、８０℃である。
溶融した導電粒子が添加された混合物を回転中の冷間ローラに押し込み、混合物が冷やされ粘度が迅速に向上して成膜し、その後、１組の引張りローラ（引張り速度：５ｍ/ｍｉｎ、引張り張力：５０Ｎ）によってフィルムを引張ることによって、厚さが１５μｍであるとともに表面インピーダンスが７ｍｏｈｍ/ｓｑであるコレクタを得た。
負極用コレクタ：Ｘ-Ｙ方向において、導電パスを形成する導電粒子の個数が導電粒子の総数の２０％以下であり（Ｘ-Ｙ方向の抵抗率が８ｍｏｈｍ/ｓｑである）、Ｚ方向において、導電パスを形成する導電粒子の個数が導電粒子の総数の７０％以上であり（Ｚ方向の抵抗率が１ｍｏｈｍ/ｓｑである）、導電粒子で形成された導電パスの幅は、１μｍであり、隣り合う導電パスの距離は、１μｍである。当該コレクタは、以下のステップで製造される。
樹脂を溶融温度以上に加熱して、導電粒子と均一に混合し、溶融炉の予熱温度は、８０℃である。
溶融した導電粒子が添加された混合物を回転中の冷間ローラに押し込み、混合物が冷やされ粘度が迅速に向上して成膜し、その後、１組の引張りローラ（引張り速度：５ｍ/ｍｉｎ、引張り張力：５０Ｎ）によってフィルムを引張ることによって、厚さが１５μｍであるとともに表面インピーダンスが３ｍｏｈｍ/ｓｑであるコレクタを得た。
ニードリング実験：２０±５℃の温度でかつ電池が満充電した状態（ＳＯＣ１００）で、直径が３ｍｍの鋼製ニードルを利用して、極板の方向に対して垂直となるように迅速に貫通し、鋼製ニードルをその中に留まらせる。
実施例６
本実施例は、以下のものを含むリチウムイオン電池を提供する。
正極：ＬＦＰ（１０μｍ）
負極：人造黒鉛（２０μｍ）
ダイアフラム：１２μｍＰＥ+２μｍＡｌ２Ｏ３
サイズ：６００Ｌ×３００Ｗ×１Ｔｍｍの単一セル構造
コレクタ：正極（５０ｗｔ％のカーボンブラック（６０ｎｍ）+５０ｗｔ％のＰP、厚さ２５μｍ）、負極（３０ｗｔ％のカーボンブラック（６０ｎｍ）+１０ｗｔ％のケッチェンブラック（３０ｎｍ）+１０％のカーボンナノチューブ（直径３ｎｍ、長さ１００ｎｍ）+５０ｗｔ％のＰＰ、厚さ１５μｍ）。
本実施例は、以下のものを含むリチウムイオン電池を提供する。
正極：ＬＦＰ（１０μｍ）
負極：人造黒鉛（２０μｍ）
ダイアフラム：１２μｍＰＥ+２μｍＡｌ２Ｏ３
サイズ：６００Ｌ×３００Ｗ×１Ｔｍｍの単一セル構造
コレクタ：正極（５０ｗｔ％のカーボンブラック（６０ｎｍ）+５０ｗｔ％のＰP、厚さ２５μｍ）、負極（３０ｗｔ％のカーボンブラック（６０ｎｍ）+１０ｗｔ％のケッチェンブラック（３０ｎｍ）+１０％のカーボンナノチューブ（直径３ｎｍ、長さ１００ｎｍ）+５０ｗｔ％のＰＰ、厚さ１５μｍ）。
正極用コレクタ：Ｘ-Ｙ方向において、導電パスを形成する導電粒子の個数が導電粒子の総数の２０％以下であり（Ｘ-Ｙ方向の抵抗率が８ｍｏｈｍ/ｓｑである）、Ｚ方向において、導電パスを形成する導電粒子の個数が導電粒子の総数の７０％以上であり（Ｚ方向の抵抗率が１ｍｏｈｍ/ｓｑである）、導電粒子で形成された導電パスの幅は、１μｍであり、隣り合う導電パスの距離は、１μｍである。当該コレクタは、以下のステップで製造される。
樹脂を溶融温度以上に加熱して、導電粒子と均一に混合し、溶融炉の予熱温度は、８０℃である。
溶融した導電粒子が添加された混合物を回転中の冷間ローラに押し込み、混合物が冷やされ粘度が迅速に向上して成膜し、その後、１組の引張りローラ（引張り速度：５ｍ/ｍｉｎ、引張り張力：５０Ｎ）によってフィルムを引張ることによって、厚さが１５μｍであるとともに表面インピーダンスが５ｍｏｈｍ/ｓｑであるコレクタを得た。
負極用コレクタ：Ｘ-Ｙ方向において、導電パスを形成する導電粒子の個数が導電粒子の総数の２０％以下であり（Ｘ-Ｙ方向の抵抗率が８ｍｏｈｍ/ｓｑである）、Ｚ方向において、導電パスを形成する導電粒子の個数が導電粒子の総数の７０％以上であり（Ｚ方向の抵抗率が１ｍｏｈｍ/ｓｑである）、導電粒子で形成された導電パスの幅は、１μｍであり、隣り合う導電パスの距離は、１μｍである。当該コレクタは、以下のステップで製造される。
樹脂を溶融温度以上に加熱して、導電粒子と均一に混合し、溶融炉の予熱温度は、８０℃である。
溶融した導電粒子が添加された混合物を回転中の冷間ローラに押し込み、混合物が冷やされ粘度が迅速に向上して成膜し、その後、１組の引張りローラ（引張り速度：５ｍ/ｍｉｎ、引張り張力：５０Ｎ）によってフィルムを引張ることによって、厚さが１５μｍであるとともに表面インピーダンスが３ｍｏｈｍ/ｓｑであるコレクタを得た。
ニードリング実験：２０±５℃の温度でかつ電池が満充電した状態（ＳＯＣ１００）で、直径が３ｍｍの鋼製ニードルを利用して、極板の方向に対して垂直となるように迅速に貫通し、鋼製ニードルをその中に留まらせる。
表１から分かるように、本発明の樹脂ベースコレクタを採用した場合、パックの体積エネルギー密度および電池の安全性能はいずれも大幅に向上した（ニードリング実験）。
Claims (13)
- 導電粒子を添加した樹脂材料で製造されるコレクタであって、
導電粒子と樹脂材料とは、間隔を隔てて分布しており、
Ｘ-Ｙ方向において、導電パスを形成する導電粒子の個数が導電粒子の総数の２０％以下であり、
Ｚ方向において、導電パスを形成する導電粒子の個数が導電粒子の総数の６０％以上である、コレクタ。 - 前記導電粒子は、炭素材料ナノ粒子を含む、請求項１に記載のコレクタ。
- 前記炭素材料は、カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン、炭素繊維、ＶＧＣＦのうちの１種または２種以上の組み合わせから選択されるものである、請求項２に記載のコレクタ。
- 前記グラフェンの粒子サイズは、５ｎｍ-１００ｎｍであり、
カーボンブラック、ケッチェンブラックの粒子サイズは、１ｎｍ-１００ｎｍであり、
好ましくは、カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブまたは多層カーボンナノチューブを選択可能であり、その直径が１ｎｍ-５ｎｍであり、長さが１０ｎｍ-５００ｎｍであり、
好ましくは、炭素繊維、ＶＧＣＦの直径が８０ｎｍ-２００ｎｍであり、BETが５ｍ２/ｇ-３０ｍ２/ｇであり、長さが２００ｎｍ-５μｍである、請求項３に記載のコレクタ。 - コレクタにおける導電粒子の体積パーセントは、３０ｗｔ％-７０ｗｔ％である、請求項１に記載のコレクタ。
- 樹脂材料は、ポリオレフィン系の材料であって、例えば、高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン、ポリメチルペンテンのうちの１種または２種以上の組み合わせの共重合物または混合物である、請求項１に記載のコレクタ。
- 厚みは、５-３０μｍであり、
コレクタの厚みは、２０μｍより小さいことが好ましく、１５μｍより小さいことがさらに好ましく、１０μｍより小さいことがより好ましい、請求項１に記載のコレクタ。 - 導電粒子で幅が５００ｎｍ-５μｍの導電パスが形成され、
隣り合う導電パスの距離は、５００ｎｍ-５μｍである、請求項１に記載のコレクタ。 - 表面インピーダンスは、１５ｍｏｈｍ/ｓｑより低く、１０ｍｏｈｍ/ｓｑより低いことが好ましい、請求項１に記載のコレクタ。
- 密度は、０.７ｇ/ｃｃより小さい、請求項１に記載のコレクタ。
- 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のコレクタを製造する方法であって、
樹脂を溶融温度以上に加熱して、導電粒子と均一に混合するステップと、
溶融した導電粒子が添加された混合物を回転中の冷間ローラに押し込み、混合物が冷やされ粘度が迅速に向上して成膜し、その後、１組の引張りローラによって、該当する厚みおよび内部構造となるようにフィルムを引張るステップと、を含む、方法。 - 溶融炉の予熱温度は、６０℃-８０℃であり、
好ましくは、引張速度は、５ｍ/ｍｉｎ-３０ｍ/ｍｉｎであり、引張張力は、４０Ｎ-８０Ｎである、請求項１１に記載の方法。 - 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のコレクタの、リチウムイオン電池の製造での使用。
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