JP2023535238A - 電気化学デバイス及びこれを備える電気機器 - Google Patents

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Abstract

本願は、電気化学デバイス及び電気機器を開示している。前記電気化学デバイスは、１電極シートと、第１端子と、第２端子とを含み、前記第１電極シートは、複合集電体を含む。前記複合集電体は、下地層、第１導電層及び第２導電層を含む。前記第１導電層は、前記第１端子および前記第２端子が電気的に接続された第１領域と、第２領域とを有する。本願に係る電気化学デバイスおよび電気機器は、複合集電体に加熱回路を接続するための加熱領域を設けることにより、加熱構造の導入方式を最適化し、従来の加熱方式における多くの問題を効果的に改善した。

Description

この出願は、２０２１年６月２２日に提出された中国特許出願２０２１１０６９４１８０．８の優先権を主張する。
本願は、電池の技術分野に関し、特に、電気化学デバイス及びこれを備える電気機器に関する。
リチウムイオン電池の使用は温度に大きく影響されることが知られている。通常、低温環境ではその充電能力が低下して容量が完全に発揮されず、電子コンダクタンス及びイオンコンダクタンスが低下して動力学性能が急激に低下するため、リチウムイオン電池が高倍率充電過程においてリチウム析出が起こり、電池界面を劣化させ、安全リスクがある。同時に、低温環境下では、電池活性材料の容量が低下し、電圧プラトーが低下し、電池のエネルギー密度が損なわれる。
従来のリチウムイオン電池の低温性能を向上させる方法には、主に電池を加熱することがある。通常の加熱方式は、外部加熱と内部加熱とに分けられる。外部加熱は、電池または電池モジュールの外に加熱装置を加えることで、電池の低温性能を向上させる。この態様は、加熱効率が低く、向上作用に限界があり、加熱過程での電池の各部の温度差が大きく、電極材料への影響が大きく、電池サイクル性能の悪化を招き、安全リスクがある。内部加熱は、加熱シートを電池の内部に嵌め込み、電池の内部を加熱することで、電池温度の上昇を実現し、電池動力学を向上させ、さらに電池の低温環境下での充放電能力を向上させるものである。内部加熱過程は、昇温レートが速く且つ電池各部の温度差が小さく、電池の急速昇温を実現すると同時に電池へのダメージが小さい。
しかしながら、加熱シートの埋め込みが幾つかの問題を引き起こす。例えば、加熱シートが一定の空間を占め、電池のエネルギー密度に影響を及ぼす。また、劣化した加熱シートが電池の内部界面と接触して、循環減衰の加速及び局所的なリチウム析出などの問題を引き起こす。また、加熱シートのコーナーがセパレータに突き刺さり、大きな自己放電問題を起こす。さらに、加熱シートと電池本体との固定が不安定であり、落下時の脱落が起こり易く、電池の破壊などを引き起こす問題がある。
そこで、本願は、上記内部加熱方式における少なくとも１つの問題を解決するために、自己加熱機能を備えた電気化学デバイス及び電気機器を提供することを目的とする。
本願の第一局面では、第１電極シートと、第１端子と、第２端子とを有する電気化学デバイスを提供する。第１電極シートは、複合集電体を含み、複合集電体は、対向して配置される第１表面及び第２表面を有する下地層と、第１表面に設けられた第1導電層と、第２表面に設けられた第２導電層とを含み、ここで、第1導電層は、第1領域及び第２領域を含み、第1端子及び第2端子は、第1領域に電気的に接続されており、第1領域は、加熱領域として電気化学デバイスを加熱する。
幾つかの態様において、第１端子と第２端子との間には、第１抵抗Ｒ１があり、且つＲ１≧５ｍΩを満たす。好ましくは、Ｒ１≧２０ｍΩである。
幾つかの態様において、電気化学デバイスは、正極タブと負極タブとをさらに備え、正極タブと負極タブとの間には、内部抵抗Ｒがあり、且つ０．０５≦Ｒ１／Ｒ≦５０００を満たす。好ましくは、１≦Ｒ１／Ｒ≦１０００である。
電気化学デバイスの温度が正常動作温度よりも低い（例えば、約５℃よりも低い）場合には、第１端子と第２端子とが加熱回路を接続し且つ電気化学デバイスを加熱することになる。抵抗Ｒ１が電気化学デバイスが正常に動作する時の内部抵抗よりもかなり大きく、且つ充電時に加熱回路の電流を容易に高くすることができるため、電気化学デバイスの内部温度を急速に上昇させて、電気化学デバイスの電気化学性能を迅速に向上させることができる。
幾つかの態様において、第１領域は、第２領域から一体的に延びて形成される。
幾つかの態様において、第１領域は、複合集電体の長手方向の端部に位置する。
幾つかの態様において、第１領域は、パターンを含む。
幾つかの態様において、第２導電層は、第３領域及び第４領域を含み、電気化学デバイスは、第３端子及び第４端子をさらに備え、第３端子及び第４端子は、第３領域に電気的に接続され、第３端子と第４端子との間には第２抵抗Ｒ２を有し、且つＲ２≧５ｍΩを満たす。好ましくは、Ｒ２≧２０ｍΩである。ここで、第３領域は、加熱領域として、電気化学デバイスを加熱する。
幾つかの態様において、第３領域は、第４領域から一体的に延びて形成される。
幾つかの態様において、第３領域は、複合集電体の長手方向における端部に位置する。
幾つかの態様において、第３領域は、パターンを含む。
幾つかの実施態様では、第１領域、第２領域、第３領域または第４領域の材質は、それぞれ独立に、ニッケル、チタン、銅、銀、金、白金、鉄、コバルト、クロム、タングステン、モリブデン、アルミニウム、マグネシウム、カリウム、ナトリウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、シリコン、ゲルマニウム、アンチモン、鉛、インジウムまたは亜鉛のうちの少なくとも１つを含む。
幾つかの態様において、第１導電層の空孔率の範囲は０％～６０％であり、第２導電層の空孔率の範囲は０％～６０％である。
幾つかの態様において、第１導電層の厚み範囲は０．１μｍ～１０μｍであり、第２導電層の厚み範囲は０．１μｍ～１０μｍである。
幾つかの態様において、下地層の材質は、ポリマーを含む。
幾つかの態様において、ポリマーは、絶縁性ポリマーを含む。
幾つかの態様において、絶縁性ポリマーは、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、ポリアミド、ポリエチレングリコール、ポリアミドイミド、ポリカーボネート、環状ポリオレフィン、ポリフェニレンサルファイド、ポリ酢酸ビニル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリメチレンナフタレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリプロピレンカーボネート、ポリ（フッ化ビニリデン－ヘキサフルオロプロピレン）、ポリ（フッ化ビニリデン－コ－クロロトリフルオロエチレン）、シリコーン、ビニロン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリエーテルニトリル、ポリウレタン、ポリフェニレンエーテル、ポリスルホン及びその誘導体のうちの少なくとも１種を含む。
幾つかの態様において、下地層の空孔率の範囲は０％～５０％である。
幾つかの態様において、下地層の厚さ範囲は、１μｍ～２０μｍである。
幾つかの態様において、第１電極シートは、第２領域の表面に設けられた第１活性材料層をさらに含む。
幾つかの態様において、第１電極シートは、第４領域の表面に設けられた第２活性材料層をさらに含む。
幾つかの態様において、下地層と第１導電層との間には、接着剤を含む接着層が設けられている。
幾つかの態様において、下地層と第２導電層との間には、接着剤を含む接着層が設けられている。
幾つかの態様において、接着剤は、ポリアミド、ポリウレタン、エチレン－酢酸ビニル共重合体、エチレン－ビニルアルコール共重合体、アクリル酸エステル系ポリマー、海蓚酸ナトリウム、ポリアクリル酸、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルキトサン、ゼラチン、ポリフッ化ビニリデン－ヘキサフルオロプロピレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリアクリロニトリル、ポリフェニレンエーテル、ポリプロピレンカーボネート、ポリエチレンオキシド、シリコーン樹脂、エチレンアクリル酸共重合体及びその誘導体の少なくとも１つを含む。
幾つかの態様において、接着層は、導電剤をさらに含む。導電剤は、カーボンナノチューブ、導電カーボン又はグラフェンのうちの少なくとも１つを含む。
本願の第２局面では、上記いずれかの電気化学デバイスを有する電気機器を提供する。
幾つかの態様において、電気機器は、スイッチをさらに備え、電気化学デバイスの温度がＴ１よりも低い場合には、スイッチはオンし、第１領域に電流を流し、電気化学デバイスを加熱する。
幾つかの態様において、電気機器は、スイッチをさらに備え、電気化学デバイスの温度がＴ１よりも低い場合、スイッチはオンし、第３領域に電流を流し、電気化学デバイスを加熱する。
幾つかの態様において、Ｔ１≦５℃である。
本発明に係る電気化学デバイス及び電気機器は、複合集電体に加熱回路を接続するために加熱領域を設けることにより、電気化学デバイスの自己加熱機能を実現し、加熱構造の導入方式を最適化し、さらに、従来の加熱方式のエネルギー密度低下、界面接触劣化、自己放電問題の深刻化、落下試験の信頼性リスクなどの問題を効果的に改善した。
本願の一実施形態に係る電気化学デバイスの構成を示す図である。 本願の一実施形態に係る複合集電体の構造の模式図である。 本願の一実施形態による第１導電層の概略構成図である。 本願の一実施形態による第１導電層の概略構成図である。 本願の一実施形態による第１導電層の構造を示す模式図である。 本願の一実施形態による第２導電層の構造を示す模式図である。 本願の一実施形態による第２導電層の構造を示す模式図である。 本願の一実施形態による第２導電層の構造を示す模式図である。 本願の一実施形態に係る第１導電層及び第２導電層の構成を示す図である。 以下の具体的な実施形態では、上記図面に関連して、本願の実施形態をさらに説明する。
本明細書において用いられる技術及び科学用語は、特に定義されない限り、本願実施例に属する技術分野の当業者によって通常理解される意味と同じである。本明細書において用いられる用語は、具体的な実施形態を記述する目的のみであり、本願実施例を制限することを意図していない。
空間関連用語、例えば「上」などは、図面で説明したような一方の要素又は特徴と他方の要素（複数の要素）又は特徴（複数の特徴）との関係を記述するために、本明細書では説明を簡単にするために使用することができる。なお、空間関連用語は、図示される方向の他に、装置又は装置の使用又は操作における異なる方向を含むことを意図する。例えば、図中の機器をひっくり返せば、他の要素または特徴の「上方」または「上」にあると記述された要素は、他の要素または特徴の「下方」または「下」に定位するように記述される。従って、例示的な用語である「上」は、上と下の方向を含み得る。
なお、第１、第２、第３などの用語は、様々な要素、コンポーネント、領域、レイヤー及び／又は一部を本文において説明し得るが、これらの要素、コンポーネント、領域、レイヤーおよび／または一部は、これらの用語によって限定されるものではない。これらの用語は、１つの要素、コンポーネント、領域、レイヤー又は部分と、他の要素、コンポーネント、領域、レイヤー又は部分とを区別するために用いられている。従って、以下の第１要素、コンポーネント、領域、レイヤーや部分を、例示的な実施形態の教示から逸脱しない範囲で、第２要素、コンポーネント、領域、レイヤーや部分と呼ぶことができる。
以下、本願の幾つかの実施形態について詳細に説明する。衝突しない場合、下記の実施例及び実施例における特徴は、互いに組み合わせることができる。
図１に示すように、本願発明は、複合集電体１０１を含む第１電極シート１０と、第１端子３０と、第２端子５０とを備える電気化学デバイス１００を提供する。図１に示される電気化学デバイス１００は、第１電極シート１０と他の電極アセンブリとが捲回されて構成されているが、この電気化学デバイス１００は、第１電極シート１０と他の電極アセンブリとが積層されて構成されてもよい。他の電極アセンブリは、第２電極シート２０と、第１電極シート１０と第２電極シート２０との間に設けられたセパレータ４０とを備えている。
図２に示すように、複合集電体１０１は、対向して配置される第１表面１０２及び第１表面１０４を有する下地層１０３と、第１表面１０２に設けられた第１導電層１０５と、第１表面１０４に設けられた第２導電層１０７とを含む。第１導電層１０５及び第２導電層１０７は、スパッタリング法、真空蒸着法、イオンプレーティング法、レーザパルス蒸着法などにより、下地層１０３の表面に形成されてもよい。第１導電層１０５及び第２導電層１０７は金属メッキ層である。下地層１０３の両側の金属メッキ層の材質は同じでも異なっていてもよく、例えば、両側が共に銅であるか、一方側が銅であり、他方側がアルミニウムである。両側の金属メッキ層の材質は同じであることが好ましい。
図３に示すように、第１導電層１０５は、第１領域１０５１と、第２領域１０５２とを含む。第１タブ６０は、第２領域１０５２に接続される。第１領域１０５１の長手方向において、第１端子３０は第１領域１０５１の一端に電気的に接続される。第２端子５０は、第１領域１０５１の他端に電気的に接続される。第１端子３０と第２端子５０との間には、第１抵抗Ｒ１を有し、且つＲ１≧５ｍΩを満たす。好ましくは、Ｒ１≧２０ｍΩである。ここで、第１領域１０５１は、加熱領域として、電気化学デバイス１００を加熱するために用いられる。第２領域１０５２は、塗布領域として、活性材料層を配置することに用いられる。
図３に示すように、第１領域１０５１は第２領域１０５２と離間して設けられてもよい。図４に示すように、第１領域１０５１は、第２領域１０５２の一端から一体に延びて形成されてもよい。この場合、第２領域１０５２を接続する第１タブ６０を設けなくてもよい。図３及び図４において、第１領域１０５１は、複合集電体１０１の長手方向の端部に位置する。なお、第１領域１０５１は、複合集電体１０１の長手方向のほぼ中間位置に位置していてもよい。図５に示すように、第１領域１０５１は、第２領域１０５２を離間する２つの部分に分けている。第１領域１０５１の位置は、電気化学デバイスの構造設計によって調整可能である。例えば、第１領域１０５１は、図１に示した捲回式電極アセンブリにおける第１電極シート１０の最内周の空箔領域（活物質層が塗布されていない複合集電体）にあってもよいし、捲回式電極アセンブリにおける第１電極シート１０の最外周の空箔領域に位置してもよい。積層型の電極アセンブリにおいて、第１領域１０５１は、電極シートの最も外側の片面領域に位置していてもよいし、電極シートの中のいずれかの層に位置していてもよい。
図３乃至図５に示すように、第１領域１０５１は、パターンを含む。前記パターンの形状は、波形状、ジグザグ状などを含むが、これらに限定されない。第１導電層１０５は、金属メッキ層であり、エッチングなどにより部分的に除去されることが可能である。残された金属メッキ層は、電子輸送経路が長くなり、抵抗が高くなるように一定のパターン（例えば、波形状、ジグザグ状など）を形成し、即ち、上記の第１領域１０５１が形成される。
図６に示すように、第２導電層１０７は、第３領域１０７１と、第２タブ８０が接続された第４領域１０７２とを含む。電気化学デバイスは、第３端子７０と、第４端子９０とをさらに含む。第３領域１０７１の長手方向に沿って、第３端子７０は第３領域１０７１の一端に電気的に接続される。第４端子９０は、第３領域１０７１の他端に電気的に接続されている。第３端子７０と第４端子９０との間には、第２抵抗Ｒ２を有し、且つＲ２≧５ｍΩを満たす。好ましくは、Ｒ２≧２０ｍΩである。ここで、第３領域１０７１は、加熱領域として、電気化学デバイス１００を加熱するために用いられる。第４領域１０７２は、塗布領域として、活性材料層を配置することに用いられる。
図６に示すように、第３領域１０７１は、第４領域１０７２と離間して設けられてもよい。図７に示すように、第３領域１０７１は、第４領域１０７２の一端から一体に延びて形成されていてもよい。この場合、第４領域１０７２を接続する第２タブ８０は設けられていなくてもよい。図６及び図７において、第３領域１０７１は、複合集電体１０１の長手方向の端部に位置する。この第３領域１０７１は、複合集電体１０１の長手方向のほぼ中間位置に位置していてもよい。図８に示すように、第３領域１０７１は、第４領域１０７２を離間する２つの部分に分けている。
図６乃至図８に示すように、第３領域１０７１は、パターンを含む。前記パターンの形状は、波形状、ジグザグ状などを含むが、これらに限定されない。第２導電層１０７は、金属メッキ層であり、エッチングなどにより部分的に除去されることが可能である。残された金属メッキ層は、電子輸送経路が長くなり、抵抗が高くなるように一定のパターン（例えば、波形状、ジグザグ状など）を形成し、即ち、上記の第３領域１０７１が形成される。
第１領域１０５１と第３領域１０７１は、複合集電体１０１の厚さ方向への投影は、完全に重なり合ってもよいし、部分的に重なり合ってもよいし、完全に重なり合わなくてもよい。なお、第２導電層１０７は、第４領域１０７２のみを含み、第３領域１０７１を含まない構成であってもよい。このとき、図９に示すように、第２導電層１０７における第１領域１０５１に対応する金属層は除去されてもよい。
幾つかの態様において、第１領域１０５１、第２領域１０５２、第３領域１０７１又は第４領域１０７２の材質は、それぞれ独立に、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）、ケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、アンチモン（Ｓｂ）、鉛（Ｐｂ）、インジウム（Ｉｎ）又は亜鉛（Ｚｎ）のうちの少なくとも１つを含む。
幾つかの態様において、第１導電層１０５の空孔率の範囲は０～６０％であり、第２導電層１０７の空孔率の範囲は０～６０％の範囲である。第１導電層１０５及び第２導電層１０７は、所定の空孔率を有しており、軽量及び活性材料の負荷量の向上に有利である。しかし、空孔率が大きすぎると、第１導電層１０５及び第２導電層１０７に空隙が多すぎて、第１導電層１０５または第２導電層１０７に沿った内部電子の輸送経路が長くなり、電子の伝導能力が低下し、電気化学デバイスの電気性能に影響を及ぼす。
幾つかの態様において、第１導電層１０５の厚さ範囲は０．１μｍ～１０μｍであり、第２導電層１０７の厚さ範囲は０．１μｍ～１０μｍである。第１導電層１０５または第２導電層１０７の厚さが上記範囲内であることにより、第１導電層１０５または第２導電層１０７が高い電子伝導能力を有し、電気化学性能を保証するとともに、電気化学デバイスがより高いエネルギー密度を有することを保証するのに有利である。
幾つかの態様において、下地層１０３の材質は、ポリマーを含む。前記ポリマーは、絶縁性ポリマーを含む。前記絶縁性ポリマーは、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、ポリアミド、ポリエチレングリコール、ポリアミドイミド、ポリカーボネート、環状ポリオレフィン、ポリフェニレンサルファイド、ポリ酢酸ビニル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリメチレンナフタレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリプロピレンカーボネート、ポリ（フッ化ビニリデン－ヘキサフルオロプロピレン）、ポリ（フッ化ビニリデン－コ－クロロトリフルオロエチレン）、シリコーン、ビニロン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリエーテルニトリル、ポリウレタン、ポリフェニレンエーテル、ポリスルホン及びその誘導体のうちの少なくとも１種を含む。
幾つかの態様において、下地層１０３の空孔率の範囲は、０％～５０％である。下地層１０３が一定の空孔率を有することによって、重量の低減と活性材料負荷量の向上に寄与するとともに、複合集電体１０１の表面積が増大され、電子輸送経路が改善された。表面積を大きくして電子輸送経路を改善する原理は、空孔率が大きいほど、下地層１０３の表面は、第１導電層１０５または第２導電層１０７を作製する際により大きいな面積が金属層で覆われるようになること、即ち、表面近傍の孔内壁にも一層の金属が蒸着され、実質的に表面の第１導電層１０５または第２導電層１０７の一部となることである。
幾つかの態様において、下地層１０３の厚さ範囲は、１μｍ～２０μｍである。この下地層１０３の厚さは、上記範囲内であることにより、機械的強度が高く、下地層１０３の両側の第１導電層１０５と第２導電層１０７との間で互いに連通して破壊が起きないように確保しつつ、電気化学装置がより高いエネルギー密度を持つことを保証する上で有利である。
引き続き図１を参照すると、第１電極シート１０は、第２領域の表面に設けられた第１活性材料層１０６をさらに有する。第１電極シート１０は、第４領域の表面に設けられた第２活性材料層１０８をさらに有する。第１活性材料層１０６と第２活性材料層１０８は、極性が同じである活性材料層であり、例えば、共に正極活性材料層である。電気化学デバイス１００は、第２電極シート２０の電気を導出するための第３タブ９１をさらに含む。第３タブ９１は、正極タブ又は負極タブであってもよく、一実施例では、第２極片２０は負極電極シートであり、第３タブ９１は負極タブである。
なお、図１に示すように、第１活性材料層１０６と第２活性材料層１０８とは、極性の異なる活性材料層であってもよい。例えば、第１活性材料層１０６は負極活性材料層であり、第２活性材料層１０８は正極活性材料層である。
幾つかの態様において、下地層１０３と第１導電層１０５との間には接着層が設けられている。幾つかの態様において、下地層１０３と第２導電層１０７との間には接着層が設けられている。下地層１０３の両側には接着層を有していても良いし、片側のみが接着層を有していても良い。この接着層は、下地層１０３と第１導電層１０５との間、及び下地層１０３と第２導電層１０７との間の界面結合力を改善し、複合集電体１０１の信頼性を向上させるためのものである。
さらに、前記接着層は、接着剤を含む。前記接着剤は、ポリアミド（ＰＡ）、ポリアミンエステル（ＰＵ）、エチレン－酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）、エチレン－ビニルアルコール共重合体（ＥＶＯＨ）、アクリル酸エステル系ポリマー、海蓚酸ナトリウム（ＳＡ）、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、カルボキシメチルキトサン（ＣＭＣＳ）、ゼラチン、ポリフッ化ビニリデン－ヘキサフルオロプロピレン（ＰＶＤＦ－ＨＦＰ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＯ）、ポリプロピレンカーボネート（ＰＰＣ）、ポリエチレンオキサイド（ＰＥＯ）、シリコーン樹脂、エチレン－アクリル酸共重合体（ＥＡＡ）及びこれらの誘導体の少なくとも１つを含む。前記下地層１０３の両側の接着層の材質は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。
さらに、接着層は、導電剤をさらに含む。前記導電剤は、カーボンナノチューブ、導電カーボンまたはグラフェンの少なくとも１つを含む。上記導電剤の添加により、電子伝導パスを更に増加させることができ、電気性能を向上させることができる。
また、本願は、上記のいずれかに記載の電気化学デバイスを含む電気機器を提供する。
さらに、前記電気機器は、以下の条件の少なくとも一方を満たすスイッチをさらに含む。
１）前記電気化学デバイスの温度がＴ１より低い場合、前記スイッチを閉じて、第１領域に電流を流して、前記電気化学デバイスを加熱する。
２）前記電気化学デバイスの温度がＴ１より低い場合、前記スイッチを閉じて、第３領域に電流を流して、前記電気化学デバイスを加熱する。
電気化学デバイスの温度が正常動作温度よりも低い（例えば、約５℃よりも低い）場合には、第１端子３０と第２端子５０とが加熱回路を接続すること、及び／又は、第３端子７０と第４端子９０とが加熱回路を接続することになる。電気化学デバイスの正常動作時の内部抵抗よりも抵抗Ｒ１、Ｒ２の方がかなり大きく、発熱量は抵抗と正の相関があり、充電時に加熱回路の電流を容易に上げることができ、電気化学デバイスの内部温度を急速に上昇させることができるため、電気化学デバイスの電気化学性能を迅速に向上させることができる。
以下、具体的な実施例及び比較例により本願について説明する。
＜実施例１＞
複合集電体の作製について、厚さが１０ｍのポリエチレンテレフ夕レート（ＰＥＴ）フィルムの表面に、第１導電層及び第２導電層として、厚さが０．３ｍの金属Ａ１メッキ層を真空蒸着法により両面にそれぞれ作製した。複合集電体の長手方向の一端に、酸性エッチング液の反応により、第１導電層において図３に示すようなパターンをエッチングし、これを第１領域とする。ここで、第１領域を接続する第１端子と第２端子との間の抵抗Ｒ１は１．１４Ωである。
正極シートの作製について、正極活物質であるコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）、導電性カーボンブラック（Ｓｕｐｅｒ Ｐ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を９７．５：１．０：１．５の重量比で混合し、Ｎ－メチルピロリドン（ＮＭＰ）を加えて、固形分が０．７５となるスラリーを調製し、且つ均一に攪拌した。スラリーを複合集電体の一方側の金属Ａｌメッキ層の塗布領域表面に均一にコーティングし、９０℃で乾燥、即ち正極シートの片面塗布を完了する。続いて、上記の工程を繰り返して、複合集電体の他方側にスラリーの塗布及び乾燥を行い、上記過程を終えた後、電極シートの活物質層を４．０ｇ／ｃｍ３のタップ密度まで冷間プレスした。その後、タブ溶接やガム紙の粘着などの補助工程が行われて、正極シートの製造を完成する。
負極シートの作製について、負極活物質である黒鉛、導電カーボンブラック（Ｓｕｐｅｒ Ｐ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）を９６：１．５：２．５の重量比で混合し、脱イオン水を加え、固形分が０．７となるスラリーを調製し、均一に攪拌した。スラリーを金属Ｃｕ集電体の一方側の表面に均一に塗布し、１１０℃で乾燥し、即ち負極シートの片面塗布を完了する。続いて、上記の工程を繰り返して、金属Ｃｕ集電体の他方側の表面にスラリーの塗布及び乾燥を行い、上記工程を終えた後、電極シートの活物質層を１．７ｇ／ｃｍ３のタップ密度まで冷間プレスした。その後、タブ溶接やガム紙の粘着などの補助工程が行われて、負極シートの製造を完成する。
電解液の調製について、乾燥アルゴンの雰囲気において、まず有機溶媒エチレンカーボネート（ＥＣ）と、メチルエチルカーボネート（ＥＭＣ）と、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）とを、ＥＣ：ＥＭＣ：ＤＥＣ＝３０：５０：２０の質量比で混合した後、有機溶媒にリチウム塩ヘキサフルオロリン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）を加えて、溶解させ且つ均一に混合し、リチウム塩の濃度が１．１５Ｍの電解液を得た。
リチウムイオン電池の作製について、セパレータとして、厚さが１５μｍのポリエチレン（ＰＥ）を用い、上記の正極シート、セパレータ、負極シートをこの順番で積層した後、重ねた電極シートとセパレータとを捲回式電極アセンブリに巻く。ここで、第１領域は、最内輪の片面領域に位置している。次に、前記捲回式電極アセンブリをアルミプラスチックフィルムの外装パッケージの中に入れて、上側をシールした後、注液、化成などの工程を経て、リチウムイオン電池を得た。
＜実施例２＞
実施例２と実施例１との違いは、ＰＥＴフィルムの厚さが２０μｍであることにある。
＜実施例３＞
実施例３と実施例１との違いは、ＰＥＴフィルムの厚さが１μｍであることにある。
＜実施例４＞
実施例４と実施例１との違いは、金属Ａｌメッキ層の厚さが１μｍであることにある。
＜実施例５＞
実施例５と実施例２との違いは、金属Ａｌメッキ層の厚みが１０μｍであることにある。
＜実施例６＞
実施例６と実施例１との違いは、金属Ａｌメッキ層の厚さが０．１μｍであることにある。
＜実施例７＞
実施例７と実施例１との違いは、下地層の材質がポリイミド（ＰＩ）であることにある。
＜実施例８＞
実施例８と実施例４との違いは、下地層の材質がポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）であることにある。
＜実施例９＞
実施例９と実施例４との違いは、金属メッキ層の材質がＮｉであることにある。
＜実施例１０＞
実施例１０と実施例４との違いは、金属メッキ層の材質がＣｕであることにある。
＜実施例１１＞
実施例１１と実施例４との違いは、第１導電層の材質がＡｌであり、第２導電層の材質がＣｕであることにある。
＜実施例１２＞
実施例１２と実施例４との違いは、金属メッキ層の空孔率が３０％であることにある。
＜実施例１３＞
実施例１３と実施例４との違いは、下地層の空孔率が３０％であることにある。
＜実施例１４＞
実施例１４と実施例４との違いは、下地層と両側の金属メッキ層の各々との間に材質がポリウレタンである接着層を設けることにある。
＜実施例１５＞
実施例１５と実施例４との違いは、下地層と両側の金属メッキ層の各々と間に材質がエチレン－酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）である接着層を設けることにある。
＜実施例１６＞
実施例１６と実施例４との違いは、下地層と一方の金属メツキ層との間に材質がポリウレタンである接着層を設けることにある。
＜実施例１７＞
実施例１７と実施例４との違いは、下地層と両側の金属メッキ層の各々との間に接着層を設け、一方側の接着層の材質がポリウレタンであり、他方側の接着層の材質がエチレン－ビニルアルコール共重合体（ＥＶＯＨ）であることにある。
＜実施例１８＞
実施例１８と実施例４との違いは、正極シートの作製前に、まず複合集電体の表面に以下のような方法で下塗り層を作製する。導電カーボンブラック（Ｓｕｐｅｒ Ｐ）と、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）とを、９７：３の重量比で混合し、脱イオン水を加えて、固形分が０．８５となるスラリーを調製し、且つ均一に攪拌する。スラリーを複合集電体の金属Ａｌメッキ層の塗布領域の表面に均一に塗布し、１１０℃の条件で乾燥して、下塗り層を得た。
＜実施例１９＞
実施例１９と実施例４との違いは、パターンのピッチを設けることにより、第１領域に接続される第１端子と第２端子との間の抵抗Ｒ１が１．２７Ωであることにある。
＜実施例２０＞
実施例２０と実施例４との違いは、パターンのピッチを設けることにより、第１領域に接続される第１端子と第２端子との間の抵抗Ｒ１が２８．０７Ωであることにある。
＜実施例２１＞
実施例２１と実施例４との違いは、パターンのピッチを設けることにより、第１領域に接続される第１端子と第２端子との間の抵抗Ｒ１が６．２５Ωであることにある。
＜実施例２２＞
実施例２２と実施例４との違いは、パターンのピッチを設けることにより、第１領域に接続される第１端子と第２端子との間の抵抗Ｒ１が０．２Ωであることにある。
＜実施例２３＞
実施例２３と実施例４との違いは、第１領域にパターンを設けず、第１領域に接続される第１端子と第２端子との間の抵抗Ｒ１が０．０５Ωであることにある。
＜実施例２４＞
実施例２４と実施例４との違いは、複合集電体において第１領域に対向する第２導電層が除去されたことにある。
＜実施例２５＞
実施例２５と実施例４との違いは、第２導電層に第３領域が設けられ、且つ第３領域にはパターンが設けられておらず、第３領域に接続される第３端子と第４端子との間の抵抗Ｒ２が０．０９Ωである点ことにある。
＜実施例２６＞
実施例２６と実施例４との違いは、第２導電層に第３領域を設け、第３領域のパターンが第１領域と異なっており、第３領域に接続される第３端子と第４端子との間の抵抗Ｒ２が１．２４Ωである点にある。
＜実施例２７＞
実施例２７と実施例４との違いは、負極シートのみに複合集電体を用い、且つ複合集電体における金属メッキ層の材料がＣｕである点にある。
＜実施例２８＞
実施例２８と実施例４との違いは、負極が同様に複合集電体を用い、且つ複合集電体における金属メッキ層の材料がＣｕである点にある。
＜実施例２９＞
実施例２９と実施例４との違いは、第１領域が複合集電体の長手方向の中間部に位置している点である。
＜実施例３０＞
実施例３０と実施例４との違いは、第１領域が巻き構造の最外周の片面領域にある点である。
＜実施例３１＞
実施例３１と実施例４との違いは、第１領域が巻き構造の最外輪の空箔領域にある点である。
＜実施例３２＞
実施例３２と実施例４との違いは、電極アセンブリが積層構造であり、第１領域が電極アセンブリの一番外側の片面領域に位置する点である。
＜実施例３３＞
実施例３３と実施例３２との違いは、第１領域が電極アセンブリの中間層に位置している点である。
＜実施例３４＞
実施例３４と実施例４との違いは、複合集電体の一方側が金属Ｃｕメッキ層であり、他方側が金属Ａｌメッキ層であり、金属Ａｌメッキ層に第１領域を設けるとともに、金属Ａｌメッキ層の塗布領域に正極活物質層を設け、金属Ｃｕメッキ層に負極活物質層を設ける点である。この複合電極シートとセパレータとが積層された後、自己捲回して捲回式電極アセンブリが形成される。
＜比較例１＞
比較例１と実施例１との違いは、正極シートの製造に通常のＡｌ集電体を用いている点である。
＜比較例２＞
比較例２と比較例１との違いは、捲回式電極アセンブリの中間に加熱Ｎｉシートを設置していることである。
＜比較例３＞
比較例３と比較例１との違いは、複合集電体に第１領域を設けず、捲回式電極アセンブリの中間に加熱Ｎｉシートを設けた点である。昇温試験について、リチウムイオン電池を零下１０℃から５０Ｗの電力で、電池表面の最高温度点が２５℃になるまで加熱したとき、電池表面の最大温度差（℃）を試験する。
ニードルパンチ試験について、１０本のリチウムイオン電池を取って、ニードルパンチ試験を行い、煙も火も出ないものがテストに合格したと認定され、ニードルパンチ試験の通過率＝テストに合格したリチウムイオン電池数／１０。
転落試験について、１０本のリチウムイオン電池を取って、転落試験を行い、１．５ｍの高さから自由落下させて、リチウムイオン電池が故障しないとテストに合格したと認定される。転落試験の通過率＝テストに合格したリチウムイオン電池数／１０。
エネルギー密度試験について、リチウムイオン電池を２５℃の環境下で、１Ｃの充電速度で３．０Ｖから４．４Ｖまで充電し、さらに０．１Ｃの放電速度で３．０Ｖまで放電し、０．１Ｃの放電容量を測定する。０．１Ｃ放電エネルギー密度＝０．１Ｃの放電容量／リチウムイオン電池の体積。
サイクル容量の維持率試験について、リチウムイオン電池を２５℃の環境下で、２Ｃの充電レートで３．０Ｖから４．４Ｖまで充電し、さらに０．２Ｃの放電速度で３．０Ｖまで放電し、今回の放電容量を初回の放電容量とし、上記の充放電サイクルを５０回繰り返して、第５０回目の放電における放電容量を測定する。サイクル容量維持率＝第５０回目の放電容量／初回の放電容量。
各実施例及び比較例にて作製されたリチウムイオン電池の組成及び性能試験の結果を表１及び表２に示す。
表１及び表２の結果から、実施例１－３４のリチウムイオン電池は、比較例１－３に比べて、昇温性能を向上させるとともに、リチウムイオン電池のニードルパンチ及び転落の安全性を顕著に向上させることができることが分かる。また、電極アセンブリの中間に加熱Ｎｉシートを別個に設けることに比べて、複合集電体に加熱領域を設けることにより、界面接触の劣化が改善されるため、リチウムイオン電池のサイクル性能が向上する。また、下地層、第１導電層及び第２導電層の厚さを制御することで、リチウムイオン電池のエネルギー密度が一層向上されることができる。
本願に係る電気化学デバイス及び電気機器は、複合集電体に加熱回路を接続するために加熱領域を設けることにより、電気化学デバイスの自己加熱機能を実現し、加熱構造の導入方式を最適化し、さらに、従来の加熱方式に存在するエネルギー密度低下、界面接触劣化、自己放電問題の深刻化、転落試験の信頼性リスクなどの問題を効果的に改善した。
１００ 電気化学デバイス
１０ 第１電極シート
２０ 第２電極シート
３０ 第１端子
４０ セパレータ
５０ 第２端子
６０ 第１タブ
７０ 第３端子
８０ 第２タブ
９０ 第４端子
９１ 第３タブ
１０１ 複合集電体
１０２ 第１表面
１０３ 下地層
１０４ 第２表面
１０５ 第１導電層
１０６ 第１活性材料層
１０７ 第２導電層
１０８ 第２活性材料層
１０５１ 第１領域
１０５２ 第２領域
１０７１ 第３領域
１０７２ 第４領域

Claims (11)

  1. 第１電極シートと、第１端子と、第２端子とを含み、
    前記第１電極シートは、複合集電体を含み、
    前記複合集電体は、対向して配置される第１表面及び第２表面を有する下地層と、
    前記第１表面に設けられた第1導電層と、
    前記第２表面に設けられた第２導電層と、を含み、
    ここで、前記第1導電層は、第1領域及び第２領域を含み、前記第1端子及び前記第2端子は、前記第1領域に電気的に接続されていることを特徴とする電気化学デバイス。
  2. 前記第１端子と前記第２端子との間に第１抵抗Ｒ１を有し、Ｒ１≧５ｍΩを満たす、請求項１に記載の電気化学デバイス。
  3. 正極タブと負極タブとをさらに備え、前記正極タブと前記負極タブとの間に内部抵抗Ｒを有し、０．０５≦Ｒ１／Ｒ≦５０００を満たす、請求項２に記載の電気化学デバイス。
  4. 前記第２導電層は、第３領域及び第４領域を含み、
    前記電気化学デバイスは、第３端子及び第４端子をさらに含み、
    前記第３端子と前記第４端子は、前記第３領域に電気的に接続され、
    前記第３端子と前記第４端子との間に第２抵抗Ｒ２を有し、Ｒ２≧５ｍΩを満たす、請求項１に記載の電気化学デバイス。
  5. 以下の条件の少なくとも１つを満たすことを特徴とする請求項１に記載の電気化学デバイス。
    ｉ）前記第１領域は、前記第２領域から一体的に延びて形成される。
    ｉｉ）前記第１領域は、前記複合集電体の長手方向の端部に位置している。
    ｉｉｉ）前記第１領域がパターンを含む。
  6. 以下の条件の少なくとも１つを満たすことを特徴とする請求項４に記載の電気化学デバイス。
    ｉｖ）前記第３領域は、前記第４領域から一体的に延びて形成される。
    ｖ）前記第３領域は、前記複合集電体の長手方向の端部に位置している。
    ｖｉ）前記第３領域は、パターンを含む。
  7. 以下の条件の少なくとも１つを満たすことを特徴とする請求項４に記載の電気化学デバイス。
    ａ）前記第１領域、前記第２領域、前記第３領域または前記第４領域の材質は、それぞれ独立に、ニッケル、チタン、銅、銀、金、白金、鉄、コバルト、クロム、タングステン、モリブデン、アルミニウム、マグネシウム、カリウム、ナトリウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、シリコン、ゲルマニウム、アンチモン、鉛、インジウムまたは亜鉛の少なくとも１つを含む。
    ｂ）前記第１導電層の空孔率が０～６０％の範囲であり、第２導電層の空孔率が０～６０％の範囲である。
    ｃ）前記第１導電層の厚み範囲が０．１μｍ～１０μｍであり、前記第２導電層の厚み範囲が０．１μｍ～１０μｍである。
    ｄ）前記下地層の材質がポリマーを含む。
    ｅ）前記下地層の空孔率の範囲が０％～５０％である。
    ｆ）前記下地層の厚みが１μｍ～２０μｍの範囲にある。
    ｇ）前記第１電極シートは、前記第２領域の表面に設けられた第１活性材料層をさらに含む。
    ｈ）前記第１電極シートは、前記第４領域の表面に設けられた第２活性材料層をさらに含む。
  8. 以下の条件の少なくとも一方を満たすことを特徴とする請求項１に記載の電気化学デバイス。
    ｉ）前記下地層と前記第１導電層との間には、接着剤を含む接着層が設けられている。
    ｊ）前記下地層と前記第２導電層との間には、接着剤を含む接着層が設けられている。
  9. 前記接着層は、導電剤をさらに含み、且つ以下の条件の少なくとも一方を満たす。
    （ｋ）前記接着剤は、ポリアミド、ポリウレタン、エチレン－酢酸ビニル共重合体、エチレン－ビニルアルコール共重合体、アクリル酸エステル系ポリマー、海蓚酸ナトリウム、ポリアクリル酸、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルキトサン、ゼラチン、ポリフッ化ビニリデン－ヘキサフルオロプロピレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリアクリロニトリル、ポリフェニレンエーテル、ポリプロピレンカーボネート、ポリエチレンオキシド、シリコーン樹脂、エチレンアクリル酸共重合体及びその誘導体のうちの少なくとも１つを含む。
    ｌ）前記導電剤が、カーボンナノチューブ、導電カーボン又はグラフェンのうちの少なくとも１つを含む。
  10. 請求項１～９のいずれか１項に記載の電気化学デバイスを有する電気機器。
  11. 前記電気機器は、スイッチをさらに備え、且つ以下の条件の少なくとも一方を満たすことを特徴とする請求項１０に記載の電気機器。
    １）前記電気化学デバイスの温度がＴ１より低い場合、前記スイッチを閉じて、前記第１領域に電流を流す。
    ２）前記電気化学デバイスの温度がＴ１より低い場合、前記スイッチを閉じて、前記第３領域に電流を流す。
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