JP3252152U - 固体リチウム電池用３次元複合銅箔 - Google Patents

Abstract

【課題】固体リチウム電池用３次元複合銅箔を提供する。
【解決手段】固体リチウム電池用３次元複合銅箔は、支持層１０を含み、支持層が多孔質膜層又は繊維膜層であり、支持層の両面にはそれぞれ第１の金属化層２０及び第２の金属化層３０が設けられ、第１の金属化層の支持層から離れた面に第３の金属化層４０が設けられ、第２の金属化層の支持層から離れた面には第４の金属化層５０が設けられ、第３の金属化層の第１の金属化層から離れた面には第１の導電性銅層６０が設けられ、第４の金属化層の第２の金属化層から離れた面には第２の導電性銅層７０が設けられる。固体リチウム電池の重量を軽減し、固体リチウム電池の製造コストを低減できるとともに、固体リチウム電池の充放電速度を速めることができる。
【選択図】図１

Description

本考案は、電池製造技術分野に関し、具体的には、固体リチウム電池用３次元複合銅箔に関する。

従来の固体リチウム電池では、負極集電体として一般的に銅箔が使用されている。銅箔は一般に固体の銅であるため重く、銅材料の使用量が多く、コストも高いため、固体リチウム電池の重量が重くなり、固体リチウム電池の製造コストが上昇する。同時に、固体リチウム電池の充放電過程において、銅箔には電解質中のリチウムイオンが通過できる孔がないため、電解質中のリチウムイオンは、銅箔の片側から銅箔の反対側へ移動する速度が遅くなり、固体リチウム電池の充放電速度が低下する。

本考案は、従来技術の欠点を克服するために、固体リチウム電池の重量を軽減し、固体リチウム電池の製造コストを削減するとともに、固体リチウム電池の充放電速度を向上可能な固体リチウム電池用３次元複合銅箔を提供する。

本考案がその技術的課題を解決するために採用した技術的解決手段は以下の通りである。

本考案の第１の態様では、固体リチウム電池用３次元複合銅箔が提供される。当該固体リチウム電池用３次元複合銅箔は、支持層を含み、前記支持層が多孔質膜層又は繊維膜層であり、前記支持層の両面にはそれぞれ第１の金属化層及び第２の金属化層が設けられ、前記第１の金属化層の支持層から離れた面に第３の金属化層が設けられ、前記第２の金属化層の支持層から離れた面には第４の金属化層が設けられ、前記第３の金属化層の第１の金属化層から離れた面には第１の導電性銅層が設けられ、前記第４の金属化層の第２の金属化層から離れた面には第２の導電性銅層が設けられる。

好ましい技術的解決手段として、前記多孔質膜層は、ＰＥＴ多孔質膜層、ＰＰ多孔質膜層、ＰＩ多孔質膜層又はＰＥ多孔質膜層である。

好ましい技術的解決手段として、前記繊維膜層は、ＰＥＴ繊維膜層、ＰＰ繊維膜層、ＰＩ繊維膜層又はＰＥ繊維膜層である。

好ましい技術的解決手段として、前記多孔質膜層又は繊維膜層の孔は、孔径が０．０５～５００μｍであり、気孔率が０．１％～８０％である。

好ましい技術的解決手段として、前記第１の金属化層及び第２の金属化層の材料はいずれも、コバルト、アルミニウム、ニッケル、カドミウム、マグネシウム、リチウム及びマンガンのうちの１種又は複数種の組み合わせである。

好ましい技術的解決手段として、前記第３の金属化層及び第４の金属化層の材料はいずれも、銅又は銅合金である。

好ましい技術的解決手段として、前記支持層の厚さは、１～１３μｍである。

好ましい技術的解決手段として、前記第１の金属化層及び第２の金属化層はいずれも、厚さが５～１００ｎｍであり、前記第３の金属化層及び第４の金属化層はいずれも、厚さが１０～２００ｎｍである。

好ましい技術的解決手段として、前記第１の導電性銅層及び第２の導電性銅層はいずれも、厚さが５００～２０００ｎｍである。

本考案の有益な効果は以下の通りである。本考案は、設けた多孔質膜層又は繊維膜層である支持層により、複合銅箔の重量及び銅材料の使用量を低減し、固体リチウム電池の重量及びその製造コストを低減することができる。また、固体リチウム電池の充放電過程において、多孔質膜層又は繊維膜層上の孔が電解質中のリチウムイオンの移動経路となるため、固体リチウム電池の電解質中のリチウムイオンが複合銅箔の片側からその反対側へ速やかに移動することができ、それにより、固体リチウム電池の充放電速度を向上することができる。また、設けた第１の導電性銅層及び第２の導電性銅層により、複合銅箔の通電性能の要件及び引張強度の要件を満たし、固体リチウム電池の性能要件を満たすことができる。さらに、設けた第１の金属化層により、第１の導電性銅層と支持層とを分離する役割を果たし、設けた第２の金属化層により、第２の導電性銅層と支持層とを分離する役割を果たし、それによって支持層を保護する。固体リチウム電池の高温・低温サイクル試験中に支持層の焼き切れを防止することができ、固体リチウム電池の高温・低温サイクル試験中の複合銅箔の安定性が向上する。設けた第３の金属化層及び第４の金属化層により、第１の金属化層と第１の導電性銅層との間の接着性、並びに第２の金属化層と第２の導電性銅層との間の接着性を向上させることができ、それによって第１の導電性銅層及び第２の導電性銅層の脱落を防止することができる。

以下、添付の図面及び実施例と併せて、本考案をさらに説明する。

図１は、本考案の実施例によって提供される固体リチウム電池用３次元複合銅箔の概略構造図である。 図２は、図１に示す固体リチウム電池用３次元複合銅箔に基づいて提供される、固体リチウム電池用３次元複合銅箔の製造方法を概略的に示すフローチャートである。

本考案の目的、特徴及び効果を十分に理解するように、本考案の概念、具体的な構成及び技術的効果を、実施例及び図面と併せて以下に明確かつ完全に説明する。明らかに、記載した実施例は本考案の実施例のすべてではなく、実施例の一部にすぎない。本考案の実施例に基づいて、創造的な努力なしに当業者によって得られる他のすべての実施例は、本考案の保護の範囲内に含まれる。また、本特許に係る全ての連結／接続関係は、単に部品の直接連結を指すのではなく、具体的な実施状況に応じて連結付属品を追加又は削減することで、より優れた連結構造を形成できることを指す。本考案の様々な技術的特徴は、互いに矛盾することなく、互いに組み合わせることができる。

図１を参照すると、本考案の一実施例によって提供される固体リチウム電池用３次元複合銅箔は、多孔質膜層又は繊維膜層である支持層１０を含む。支持層１０の両面には、それぞれ第１の金属化層２０と第２の金属化層３０が設けられる。第１の金属化層２０の支持層１０から離れた面には、第３の金属化層が設けられる。第２の金属化層３０の支持層１０から離れた面には、第４の金属化層５０が設けられる。第３の金属化層４０の第１の金属化層２０から離れた面には、第１の導電性銅層６０が設けられる。第４の金属化層５０の第２の金属化層３０から離れた面には、第２の導電性銅層７０が設けられる。

上記構造により、本考案の複合銅箔は、支持層１０が多孔質膜層又は繊維膜層であり、複合銅箔全体を支持する役割を果たし、軽量、低コスト、良好な延性などの特徴を有し、複合銅箔の重量を軽減し、銅材料の使用量を減らすことができるため、固体リチウム電池の重量とその製造コストを低減することができる。同時に、複合銅箔の延性を向上させることができ、固体リチウム電池の充放電過程において、電解質の膨張又は収縮による損傷や破損を回避することができる。また、固体リチウム電池の充放電過程において、多孔質膜層又は繊維膜層上の孔が電解質中のリチウムイオンの移動経路となるため、固体リチウム電池の電解質中のリチウムイオンが複合銅箔の片側から複合銅箔の反対側へ速やかに移動することができ、固体リチウム電池の充放電速度を向上させることができる。設けた第１の導電性銅層６０及び第２の導電性銅層７０は、導電性が良好であり、複合銅箔の通電性能要件及び引張強度要件を満たすことができ、固体リチウム電池の性能要件を満たすことができる。設けた第１の金属化層２０により、第１の導電性銅層６０と支持層１０とを分離する役割を果たし、設けた第２の金属化層３０により、第２の導電性銅層７０と支持層１０とを分離する役割を果たし、それによって支持層１０を保護する。固体リチウム電池の高温・低温サイクル試験中に支持層１０の焼き切れを防止することができ、固体リチウム電池の高温・低温サイクル試験中の複合銅箔の安定性が向上する。設けた第３の金属化層４０により、第１の金属化層２０と第１の導電性銅層６０との間の接着性を向上させることができ、第１の導電性銅層の脱落を防止することができる。設けた第４の金属化層５０により、第２の金属化層３０と第２の導電性銅層７０との間の接着性を向上させることができ、第２の導電性銅層７０の脱落を防止することができる。

本実施例において、支持層１０の両面には、マグネトロンスパッタリング、蒸着、又は化学めっきの方法により、それぞれ第１の金属化層２０及び第２の金属化層３０が設けられ、第１の金属化層２０の支持層１０から離れた面には、マグネトロンスパッタリング、蒸着、又は化学めっきの方法により、第３の金属化層４０が設けられ、第２の金属化層３０の支持層１０から離れた面には、マグネトロンスパッタリング、蒸着、又は化学めっきの方法により、第４の金属化層５０が設けられ、第３の金属化層４０の第１の金属化層２０から離れた面には、電気めっき又は蒸着の方法により、第１の導電性銅層６０が設けられ、第４の金属化層５０の第２の金属化層３０から離れた面には、電気めっき又は蒸着の方法により、第２の導電性銅層７０が設けられる。

多孔質膜層は、ＰＥＴ（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ，ポリエチレンテレフタレート）多孔質膜層、ＰＰ（Ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ，ポリプロピレン）多孔質膜層、ＰＩ（Ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ，ポリイミド）多孔質膜層又はＰＥ（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ，ポリエチレン）多孔質膜層である。ＰＥＴ多孔質膜層、ＰＰ多孔質膜層、ＰＩ多孔質膜層、ＰＥ多孔質膜層は密度が低いため、複合銅箔の重量をさらに軽減することができ、固体リチウム電池の重量をさらに軽減し、製造を容易にする。

繊維膜層は、ＰＥＴ繊維膜層、ＰＰ繊維膜層、ＰＩ繊維膜層又はＰＥ繊維膜層である。ＰＥＴ繊維膜層、ＰＰ繊維膜層、ＰＩ繊維膜層、ＰＥ繊維膜層は密度が低いため、複合銅箔の重量をさらに軽減することができ、固体リチウム電池の重量をさらに軽減し、製造を容易にする。

多孔質膜層又は繊維膜層の孔は、孔径が０．０５～５００μｍであり、気孔率が０．１％～８０％であり、その値でリチウムイオンが孔を通過できることを確保することができ、マグネトロンスパッタリング、蒸着、又は化学めっきの方法により、支持層１０の両面にそれぞれ第１の金属化層２０及び第２の金属化層３０を設けることで、孔に金属が詰まることを回避することができる。

第１の金属化層２０及び第２の金属化層３０の材料はいずれも、コバルト、アルミニウム、ニッケル、カドミウム、マグネシウム、リチウム及びマンガンのうちの１種又は複数種の組み合わせであり、様々な金属の組み合わせを使用することで、緻密な絶縁層を形成できる。

第３の金属化層４０及び第４の金属化層５０の材料はいずれも、銅又は銅合金であり、第１の導電性銅層６０及び第２の導電性銅層７０の材料はいずれも銅である。第３の金属化層４０及び第４の金属化層５０は銅又は銅合金を採用することで、電気めっき又は蒸着の方法により、第３の金属化層４０の第１の金属化層２０から離れた面に第１の導電性銅層を設け、第４の金属化層５０の第２の金属化層３０から離れた面に第２の導電性銅層７０を設けると、第１の導電性銅層６０及び第２の導電性銅層７０の生成速度を向上することができる。

支持層１０の厚さは１～３０μｍ（マイクロメートル）で、好ましくは１０μｍであり、第１の金属化層２０及び第２の金属化層３０はいずれも、厚さが５～１００ｎｍ（ナノメートル）で、好ましくは５０ｎｍであり、第３の金属化層４０及び第４の金属化層５０はいずれも、厚さが１０～２００ｎｍで、好ましくは１００ｎｍであり、第１の導電性銅層６０及び第２の導電性銅層７０はいずれも、厚さが５００～２０００ｎｍで、好ましくは１０００ｎｍである。このような厚さであれば、本考案の複合銅箔の総厚さは２．０３～３４．６μｍとなる。厚さが薄いため、複合銅箔の重量をさらに軽減し、固体リチウム電池の重量をさらに軽減する。

図２を参照すると、本考案は、上記の固体リチウム電池用複合銅箔に基づいて、以下の工程を含む固体リチウム電池用複合銅箔の製造方法をさらに提供する。

Ｓ１、支持層１０を提供する。支持層１０の幅及び長さは、実際の状況に応じて設定することができる。支持層１０の厚さは、１～３０μｍである。支持層１０は、多孔質膜層又は繊維膜層である。多孔質膜層は、ＰＥＴ多孔質膜層、ＰＰ多孔質膜層、ＰＩ多孔質膜層又はＰＥ多孔質膜層である。繊維膜層は、ＰＥＴ繊維膜層、ＰＰ繊維膜層、ＰＩ繊維膜層又はＰＥ繊維膜層である。多孔質膜層又は繊維膜層の孔は、孔径が０．０５～５００μｍであり、気孔率が０．１％～８０％である。

Ｓ２、マグネトロンスパッタリング、蒸着、又は化学めっきの方法により、支持層１０の両面にそれぞれ第１の金属化層２０と第２の金属化層３０を設ける。第１の金属化層２０及び第２の金属化層３０の材料はいずれも、コバルト、アルミニウム、ニッケル、カドミウム、マグネシウム、リチウム及びマンガンのうちの１種又は複数種の組み合わせである。第１の金属化層２０と第２の金属化層３０はいずれも、厚さが５～１００ｎｍである。

Ｓ３、マグネトロンスパッタリング、蒸着、又は化学めっきの方法により、第１の金属化層２０の支持層１０から離れた面に第３の金属化層４０を設け、第２の金属化層３０の支持層１０から離れた面に第４の金属化層５０を設ける。第３の金属化層４０及び第４の金属化層５０の材料はいずれも銅又は銅合金である。第３の金属化層４０と第４の金属化層５０はいずれも、厚さが１０～２００ｎｍである。

Ｓ４、電気めっき又は蒸着の方法により、第３の金属化層４０の第１の金属化層２０から離れた面に第１の導電性銅層６０を設け、第４の金属化層５０の第２の金属化層３０から離れた面に第２の導電性銅層７０を設ける。第１の導電性銅層６０及び第２の導電性銅層７０の材料はいずれも銅であり、第１の導電性銅層６０及び第２の導電性銅層７０はいずれも、厚さが５００～２０００ｎｍである。

本考案の製造方法は、プロセスが簡単で、製造が容易である。製造された複合銅箔は軽量かつ低コストであるため、固体リチウム電池の重量を軽減し、固体リチウム電池の製造コストを低減させ、同時に、固体リチウム電池の充放電速度も向上させ、使用要件を大幅に満たす。

上記は本考案の好ましい実施例の具体的な説明であるが、本考案は、前記実施例に限定されるものではない。当業者は、本考案の精神から逸脱することなく、様々な同等の変形や置き換えを行うことができる。これらの同等の変形又は置き換えはすべて、本願の請求項によって定義された範囲に含まれる。

Claims (9)

1. 固体リチウム電池用３次元複合銅箔であって、支持層を含み、前記支持層が多孔質膜層又は繊維膜層であり、前記支持層の両面にはそれぞれ第１の金属化層及び第２の金属化層が設けられ、前記第１の金属化層の支持層から離れた面に第３の金属化層が設けられ、前記第２の金属化層の支持層から離れた面には第４の金属化層が設けられ、前記第３の金属化層の第１の金属化層から離れた面には第１の導電性銅層が設けられ、前記第４の金属化層の第２の金属化層から離れた面には第２の導電性銅層が設けられることを特徴とする、固体リチウム電池用３次元複合銅箔。
2. 前記多孔質膜層は、ＰＥＴ多孔質膜層、ＰＰ多孔質膜層、ＰＩ多孔質膜層又はＰＥ多孔質膜層であることを特徴とする、請求項１に記載の固体リチウム電池用３次元複合銅箔。
3. 前記繊維膜層は、ＰＥＴ繊維膜層、ＰＰ繊維膜層、ＰＩ繊維膜層又はＰＥ繊維膜層であることを特徴とする、請求項１に記載の固体リチウム電池用３次元複合銅箔。
4. 前記多孔質膜層又は繊維膜層の孔は、孔径が０．０５～５００μｍであり、気孔率が０．１％～８０％であることを特徴とする、請求項１に記載の固体リチウム電池用３次元複合銅箔。
5. 前記第１の金属化層及び第２の金属化層の材料はいずれも、コバルト、アルミニウム、ニッケル、カドミウム、マグネシウム、リチウム及びマンガンのうちの１種であることを特徴とする、請求項１に記載の固体リチウム電池用３次元複合銅箔。
6. 前記第３の金属化層及び第４の金属化層の材料はいずれも、銅又は銅合金であることを特徴とする、請求項１に記載の固体リチウム電池用３次元複合銅箔。
7. 前記支持層の厚さは１～３０μｍであることを特徴とする、請求項１に記載の固体リチウム電池用３次元複合銅箔。
8. 前記第１の金属化層及び第２の金属化層の厚さはいずれも、５～１００ｎｍであり、前記第３の金属化層及び第４の金属化層の厚さはいずれも、１０～２００ｎｍであることを特徴とする、請求項１に記載の固体リチウム電池用３次元複合銅箔。
9. 前記第１の導電性銅層及び第２の導電性銅層の厚さはいずれも５００～２０００ｎｍであることを特徴とする、請求項１に記載の固体リチウム電池用３次元複合銅箔。