JP5304796B2 - リチウムイオン二次電池用正極板、リチウムイオン二次電池、車両、電池搭載機器、及び、リチウムイオン二次電池用正極板の製造方法 - Google Patents

リチウムイオン二次電池用正極板、リチウムイオン二次電池、車両、電池搭載機器、及び、リチウムイオン二次電池用正極板の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、リチウムイオン二次電池に用いる正極板(リチウムイオン二次電池用正極板)、リチウムイオン二次電池、このような電池を用いた車両、電池搭載機器、及び、リチウムイオン二次電池用正極板の製造方法に関する。
近年、携帯電話、ノート型パソコン、ビデオカムコーダなどのポータブル電子機器やハイブリッド電気自動車等の車両の普及により、これらの駆動用電源に用いられる電池の需要は増大している。
このような電池の中には、アルミニウムからなる正極集電箔の主面上に、正極活物質層を配置したリチウムイオン二次電池用正極板(以下、単に正極板ともいう)を用いたリチウムイオン二次電池(以下、単に電池ともいう)が知られている。
例えば、特許文献1には、交流エッチング処理によって表面(主面部)が多孔質とされた、アルミニウム製の集電体(正極集電箔)上に、活物質を含む活物質層(正極活物質層)を形成した正極(正極板)を用いた電池が開示されている。この電池では、集電体(正極集電箔)が有する空孔に電解質が保持されているので、良好な充放電特性を発現できる。
特開2005−294168号公報
しかしながら、特許文献1の電池におけるアルミニウム製の正極集電箔の主面には、大気に触れることで、不動態としての酸化アルミニウム層が形成される。このため、このような正極集電箔上に正極活物質層を形成しても、両者の間に酸化アルミニウム層が介在することになるので、その分、これらの間で導電性が低くなる。
その一方で、不動態の酸化アルミニウム層は、耐蝕性が十分でなく、例えば、電池内の電解液が正極集電箔に接触すると、酸化アルミニウム層の存在に拘わらず、正極集電箔が腐食される虞がある。電池を使用している間に、正極集電箔の腐食が進行すると、正極集電箔上に形成した正極活物質層が、正極集電箔から剥離・脱落してしまい、電池の容量が徐々に低下してしまう。
本発明は係る問題点に鑑みてなされたものであって、正極集電箔と正極活物質層との間における導電性の低下と正極活物質層の剥離等を抑制して、経時的な電池容量の低下を抑制したリチウムイオン二次電池用正極板を提供することを目的とする。また、この正極板を用いたリチウムイオン二次電池、このリチウムイオン二次電池を用いた車両、電池搭載機器を提供すること、さらには、リチウムイオン二次電池用正極板の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一態様は、アルミニウムからなり、少なくとも主面をなす主面部が多孔状にされた正極集電箔と、正極活物質粒子を有し、上記正極集電箔の上記主面部上に形成された正極活物質層と、を備えるリチウムイオン二次電池用正極板であって、上記正極集電箔と上記正極活物質層との間に、酸化アルミニウムからなる酸化アルミニウム層を介することなく、上記正極集電箔の上記主面を直接被覆してなり、導電性と耐蝕性とを有する被覆層を備え、前記被覆層は、タングステンの炭化物からなるリチウムイオン二次電池用正極板である。
上述のリチウムイオン二次電池用正極板は、導電性と耐蝕性とを有する被覆層が、正極集電箔と正極活物質層との間に、酸化アルミニウム層を介することなく、正極集電箔の主面を直接被覆してなる。このため、正極集電箔の主面部が、リチウムイオンを含む電解液によって腐食されるのを抑制できる。従って、この正極板を電池に用いた場合、正極活物質層が正極集電箔から剥離・脱落するのを防止できるので、これによる経時的な電池容量の低下を抑制した正極板とすることができる。
また、被覆層が導電性を有するので、正極集電箔の主面部上に形成された正極活物質層中の正極活物質粒子が、正極集電箔と低抵抗で、電子のやりとりをすることができる。このため、正極活物質層と正極集電箔との間に酸化アルミニウム層を介する正極板よりも、低抵抗の正極板とすることができる。また、このような正極板を電池に用いることにより、電池抵抗(電池の内部抵抗)の低い電池を実現できる。
また、上述の正極板では、被覆層が、導電性を有するタングステン炭化物からなるので、正極活物質層と正極集電箔との間に酸化アルミニウム層を介する正極板よりも、確実に低抵抗の正極板とすることができる。また、例えば、貴金属からなる被覆層を用いた正極板よりも、安価な正極板とすることができる。
また、タングステンの炭化物は、リチウムイオンに対し高い耐蝕性を有しているので、例えば、リチウムイオンを含む電解液に触れた状態で正電位とされたとしても、容易に腐食されない耐蝕性の良好な正極板とすることができる。
さらに、タングステン炭化物は親水性を有するので、正極板の製造に、正極活物質粒子を分散させてなるペーストの溶媒に水系のものを用いる場合には、そのペーストがはじかれることなく、被覆層上にそのペーストを確実に塗工することができる。
なお、タングステンの炭化物としては、WC,W 3 Cが挙げられる。
なお、導電性と耐蝕性とを有する被覆層としては、上述のタングステンの炭化物のほか、例えば、タングステン、タンタル、ハフニウム、ニオブ、モリブデン及びバナジウムから選ばれた少なくともいずれかの物質の炭化物又は酸化物からなる導電性のセラミックスや、金や白金等の貴金属を用いても良い
また、被覆層が導電性のセラミックスの場合、その導電率としては、例えば、炭化タングステン(化学式WC,導電率17μΩ・cm)、炭化タンタル(TaC,0.31μΩ・cm)、炭化ハフニウム(HfC,0.26μΩ・cm)、炭化ニオブ(NbC,0.10μΩ・cm)、炭化モリブデン(Mo2C,0.09μΩ・cm)及び炭化バナジウム(VC,0.05μΩ・cm)である。また、例えば、酸化タングステン(WO3,88μΩ・cm)、酸化タンタル(Ta25,0.92μΩ・cm)、酸化ハフニウム(HfO2,1.01μΩ・cm)、酸化ニオブ(NbO,0.83μΩ・cm)、酸化モリブデン(MoO3,0.78μΩ・cm)及び酸化バナジウム(VO,1.11μΩ・cm)である。
さらに、被覆層が貴金属の場合、その導電率としては、例えば、金(Au,0.24nΩ・cm)、白金(Pt,1.05nΩ・cm)である。
また、正極活物質粒子としては、実現する電池系における適宜の正極活物質の粒子を用いることができる。例えば、LiCoO2、LiNiO2、LiMn24、LiMnO2、LiCo0.5Ni0.52、LiNi0.7Co0.2Mn0.12などのリチウム含有層状酸化物や、LiFePO4等のオリビン系酸化物の粒子が挙げられる。
また、被覆層で正極集電箔の主面を被覆する手法としては、例えば、スパッタリングなどの気相成長法が挙げられる。
さらに、上述のリチウムイオン二次電池用正極板であって、ダイヤモンドライクカーボン被膜を、前記被覆層上に直接形成してなるリチウムイオン二次電池用正極板とすると良い。
上述の正極板では、ダイヤモンドライクカーボン被膜(以下、DLC被膜ともいう)を、被覆層上に直接形成しているので、さらに耐蝕性を良好にできる。
さらに、正極集電箔の主面上にDLC被膜を直接形成しようとしても、これら正極集電箔とDLC被膜との間での密着性が低く、形成困難であるが、例えば、タングステン炭化物などからなる被覆層を介することで、正極集電箔に強固に密着したDLC被膜を形成でき、耐蝕性を確実に維持した正極板とすることができる。
なお、DLC被膜とは、炭素又は炭化水素からなり、SP2,SP3結合を有する硬質被膜をいう。
また、上述のリチウムイオン二次電池用正極板であって、前記ダイヤモンドライクカーボン被膜の膜厚が0.5〜100nmであるリチウムイオン二次電池用正極板とするのが好ましい。
上述の正極板では、DLC被膜を、0.5〜100nmのごく薄い膜厚としているので、形成容易で、DLC皮膜を形成したことによる応力の影響(しわの発生)も無く、安価な正極板とすることができる。
或いは、他の態様は、リチウムイオン二次電池用正極板を有する発電要素と、リチウムイオンを含む電解液と、を備えるリチウムイオン二次電池である。
上述の電池では、発電要素に前述の正極板を有しているので、電池内で、正極板がリチウムイオンを含む電解液に接しても、正極集電箔の主面部が腐蝕されない。これにより、電池内において、腐蝕によって、正極活物質層が正極集電箔から剥離・脱落するのを防止できる。従って、腐食(これに伴う正極活物質層の剥離・脱落)による、経時的な電池容量の低下を抑制した電池とすることができる。
また、正極活物質層と正極集電箔との間に酸化アルミニウム層を介する正極板よりも、低抵抗の正極板を有しているので、電池抵抗の低い電池とすることができる。
なお、発電要素としては、いずれも帯状の正極板、負極板及びセパレータを有し、これらを捲回軸の周りに捲回してなる捲回型発電要素や、セパレータを介在させつつ、正極板と負極板とを交互に積層してなる積層型発電要素が挙げられる。
さらに、上述のリチウムイオン二次電池であって、前記正極活物質層の層厚が35〜75μmであるリチウムイオン二次電池とすると良い。
ところで、本発明者らの研究によれば、主面部が多孔状でなく平坦で、主面に不動態(酸化アルミニウム層)が形成されたアルミニウム製の正極集電箔(通常のアルミニウム箔)を用い、この上に正極活物質層を備える正極板を使用した電池(電池A)では、正極活物質層の層厚が30μmよりも厚くなると、その層厚の増大に伴って、この電池の出力比(層厚が30μmの正極活物質層である正極板を用いた電池の出力(後述)を100%としたときの比率)が低くなることが判った。一方、主面部を多孔状とした正極集電箔と、この主面上に形成した正極活物質層と、これらの間に形成した被覆層とを備える正極板を用いた電池(電池B)では、正極活物質層の層厚を30μmよりも厚くしても、この電池の出力比はほぼ100%を維持し、ほとんど変わらないことが判った。
つまり、電池Aと電池Bとの各正極活物質層の層厚を、30μmよりも大きい同じ層厚にしたときには、電池Bの出力の方が、電池Aの出力よりも高い。また、正極活物質層の層厚を大きく(30μm以上に)すると、これに伴って電池Aと電池Bとの間の出力の差もまた大きくなる。
特に、正極活物質層の層厚が35μm以上の場合、電池Bの出力が、電池Aの出力に比べて10%以上高くなることが判った。これは、層厚が35μm以上の、比較的厚い正極活物質層を正極集電箔上に形成するにあたり、主面部が多孔状でなく平坦で、そこに不動態が形成された正極集電箔上に形成する場合に比べて、主面部を多孔状とし、この主面部上に被覆層を備えた正極集電箔上に形成すれば、電池の出力を著しく(10%分以上)向上させうることを意味している。
一方、正極活物質層の層厚を75μmよりも大きくした場合には、正極活物質層を形成したり取り扱ったりする際に生じる応力で、正極活物質層自身にクラックが生じやすくなる。
これらの知見から、上述の電池では、正極活物質層の層厚を35〜75μmとした。このため、正極活物質層が同じ層厚であるが、主面部が多孔状でなく平坦で、そこに不動態が形成された正極集電箔上に形成した正極板を用いた電池よりも、電池の出力を著しく向上させた電池とすることができる。
また、上述の電池では、正極活物質層の層厚が上述の範囲で変動しても、電池の出力はほとんど変化しない。このため、1つの電池に用いる正極活物質粒子の量を変えず、正極活物質層の層厚を大きくする一方、塗布面積を小さくしても、その電池の性能(電池容量・出力)を維持できる。これにより、正極活物質層の面積が小さくなった分、正極集電箔や被覆層の面積を抑えることができ、電池の軽量化やコストを低減することができると共に、低抵抗にすることができる。
また、電池形成時の応力によって、クラックが正極活物質層に生じるのを防止できる。
或いは、他の態様は、前述のいずれかのリチウムイオン二次電池を搭載し、このリチウムイオン二次電池に蓄えた電気エネルギを動力源の全部又は一部に使用する車両である。
上述の車両は、経時的な電池容量の低下を抑制しつつ、電池抵抗の低い電池を搭載しているので、良好な走行特性を有する車両とすることができる。
なお、車両としては、電池による電気エネルギを動力源の全部又は一部に使用する車両であれば良く、例えば、電気自動車、ハイブリッド自動車、プラグインハイブリッド自動車、ハイブリッド鉄道車両、フォークリフト、電気車いす、電動アシスト自転車、電動スクータが挙げられる。
或いは、他の態様は、前述のいずれかのリチウムイオン二次電池を搭載し、このリチウムイオン二次電池に蓄えた電気エネルギを駆動エネルギ源の全部又は一部に使用する電池搭載機器である。
上述の電池搭載機器は、経時的な電池容量の低下を抑制しつつ、電池抵抗の低い電池を搭載しているので、安定した性能の駆動エネルギ源を有する電池搭載機器とすることができる。
なお、電池搭載機器としては、電池を搭載し、これをエネルギ源の全部又は一部に使用する機器であれば良く、例えば、パーソナルコンピュータ、携帯電話、電池駆動の電動工具、無停電電源装置など、電池で駆動される各種の家電製品、オフィス機器、産業機器が挙げられる。
或いは、他の態様は、アルミニウムからなり、少なくとも主面をなす主面部が多孔状にされた正極集電箔と、正極活物質粒子を有し、上記正極集電箔の上記主面部上に形成された正極活物質層と、を備え、上記正極集電箔と上記正極活物質層との間に、酸化アルミニウムからなる酸化アルミニウム層を介することなく、上記正極集電箔の上記主面を直接被覆してなり、導電性と耐蝕性とを有する被覆層を備えるリチウムイオン二次電池用正極板の製造方法であって、上記被覆層は、タングステンの炭化物からなり、上記酸化アルミニウム層が未形成の、上記正極集電箔の上記主面上に、上記被覆層を直接被覆する被覆工程を備えるリチウムイオン二次電池用正極板の製造方法である。
上述のリチウムイオン二次電池用正極板の製造方法では、酸化アルミニウム層が未形成の、正極集電箔の主面部上に被覆層を直接被覆する。このため、正極集電箔と正極活物質層との間に、酸化アルミニウム層を介することなく、正極集電箔の主面を直接被覆してなり、導電性と耐蝕性とを有する被覆層を備える正極板を製造できる。即ち、正極集電箔の腐食(これに伴う正極活物質層の剥離・脱落)による経時的な電池容量の低下を抑制しつつ、正極活物質層と正極集電箔との間に酸化アルミニウム層を介する正極板よりも低抵抗の正極板を製造できる。
なお、被覆工程としては、正極集電箔の主面の酸化(酸化アルミニウム層の発生)を防止しつつ被覆層を被覆できる手法を用いれば良く、例えば、スパッタリング、真空蒸着、イオンプレーティングなどの物理蒸着(PVD)法や、CVD等の化学蒸着法(気相成長法)が挙げられる。特に、他の手法よりも成膜速度を速くとれるので、スパッタリングが好ましい。また、主面部を多孔状とする交流エッチング等の湿式エッチング法に引き続いて、電気メッキ等の湿式手法によって、貴金属等の被覆層を正極集電箔の主面に被覆することもできる。
実施形態1にかかる電池の斜視図である。 実施形態1の負極板の斜視図である。 実施形態1の正極板の斜視図である。 実施形態1の正極板の拡大端面図(図3のA部)である。 実施形態1の正極集電箔の部分拡大断面写真である。 実施形態1の正極集電箔の部分拡大断面写真である。 実施形態1の正極集電箔の部分拡大断面写真である。 実施形態1の正極集電箔の部分拡大断面図(図7と同一部分)である。 サイクル数による、容量維持率の推移を示すグラフである。 正極板の抵抗測定試験を示す説明図である。 正極活物質層の層厚と電池の出力比との相関を示すグラフである。 実施形態1の被覆工程の説明図である。 実施形態2の車両の説明図である。 実施形態3の電池搭載機器の説明図である。
1 電池(リチウムイオン二次電池)
10 発電要素
20 正極板(リチウムイオン二次電池用正極板)
21A 第1正極活物質層(正極活物質層)
21B 第2正極活物質層(正極活物質層)
22 正極活物質粒子
23 アルミ箔(正極集電箔)
23A 第1アルミ主面(主面)
23B 第2アルミ主面(主面)
25A 第1アルミ主面部(主面部)
25B 第2アルミ主面部(主面部)
28A 第1被覆層(被覆層)
28B 第2被覆層(被覆層)
29A 第1DLC被膜(ダイヤモンドライクカーボン被膜)
29B 第2DLC被膜(ダイヤモンドライクカーボン被膜)
50 電解液
200 車両
300 ハンマードリル(電池搭載機器)
TD (ダイヤモンドライクカーボン被膜の)膜厚
TM (正極活物質層の)層厚
(実施形態1)
次に、本発明の実施形態1について、図面を参照しつつ説明する。
なお、本実施形態1にかかる正極板20を備える電池1について、図1,2を参照しつつ説明する。
この電池1は、いずれも長手方向DAに延びる帯状の正極板20、負極板30及びセパレータ40を備え、これらを捲回した捲回型の発電要素10と、Liイオンを含む電解液50とを備えるリチウムイオン二次電池である(図1参照)。なお、電池1は、電池ケース80内に、発電要素10と電解液50とを収容してなる(図1参照)。
このうち、電池ケース80は、共にアルミニウム製の電池ケース本体81及び封口蓋82を有する。このうち電池ケース本体81は有底矩形箱形であり、この電池ケース80と発電要素10との間には、樹脂からなり、箱状に折り曲げた絶縁フィルム(図示しない)が介在させてある。また、封口蓋82は矩形板状であり、電池ケース本体81の開口を閉塞して、この電池ケース本体81に溶接されている。この封口蓋82には、発電要素10と接続している正極集電部材91及び負極集電部材92のうち、それぞれ先端に位置する正極端子部91A及び負極端子部92Aが貫通しており、図1中、上方に向く蓋表面82aから突出している。これら正極端子部91A及び負極端子部92Aと封口蓋82との間には、それぞれ絶縁性の樹脂からなる絶縁部材95が介在し、互いを絶縁している。さらに、この封口蓋82には矩形板状の安全弁97も封着されている。
また、電解液50は、エチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)との混合有機溶媒に溶質(LiPF)を添加し、リチウムイオンを1mol/lの濃度とした有機電解液である。この電解液50は、発電要素10のセパレータ40(次述)に含浸されている。
また、発電要素10は、帯状の正極板20及び負極板30が、ポリエチレンからなり帯状のセパレータ40を介して扁平形状に捲回されてなる捲回型である(図1参照)。この発電要素10の最外側及び最内側には、セパレータ40のみが捲回されている。なお、この発電要素10の正極板20及び負極板30はそれぞれ、クランク状に屈曲した板状の正極集電部材91又は負極集電部材92と接合している(図1参照)。
発電要素10のうち、薄板形状の負極板30は、図2に示すように、長手方向DAに延びる帯状で銅製の銅箔33と、この銅箔33の両主面(第1銅主面33A,第2銅主面33B)上に、それぞれ帯状に形成・配置された負極活物質層(第1負極活物質層31A,第2負極活物質層31B)とを有している。
このうち負極活物質層31A,31Bは、グラファイトからなる負極活物質粒子、及び、PVDFからなる結着材(いずれも図示しない)を含む。
一方、薄板形状の正極板20は、図3に示すように、長手方向DAに延びる帯状でアルミニウム製のアルミ箔23と、このアルミ箔23の主面(第1アルミ主面23A,第2アルミ主面23B)をなす両主面部(次述の第1アルミ主面部25A,第2アルミ主面部25B)上に、それぞれ帯状に形成・配置された2つの正極活物質層(第1正極活物質層21A,第2正極活物質層21B)とを有している。
また、この正極板20について、図4の拡大端面図(図3のA部)、図5の電気顕微鏡(走査型電子顕微鏡(SEM))による拡大断面写真(二次電子像)、図6のSEMによる拡大断面写真(図5のB部、二次電子像)、図7のSEMによる拡大断面写真(図6のC部、反射電子像)及び、図8の拡大断面図(図6のC部)を用いて詳述する。この正極板20は、図4,7,8に示すように、アルミ箔23と第1正極活物質層21Aとの間に、第1アルミ主面23Aを直接被覆してなる第1被覆層28Aを有している。また、アルミ箔23と第2正極活物質層21Bとの間に、第2アルミ主面23Bを直接被覆してなる第2被覆層28Bを有している(図4参照)。さらに、第1被覆層28A上、及び、第2被覆層28B上には、ダイヤモンドライクカーボンからなる第1DLC被膜29A及び第2DLC被膜29Bが直接形成されている(図4,7,8参照)。
なお、第1DLC被膜29A上に炭素蒸着層CL、及び、リデポ(リデポジション)層RLが形成されている(図7,8参照)。炭素蒸着層CLは、絶縁性の第1DLC被覆29Aを有するアルミ箔23をSEMで観察する際に、表面に導電性を与えるためのものである。また、リデポ層RLは、SEMで観察する断面試料を作製する際に、アルミ箔23から出る切りくずが再付着したものである。これらはいずれも本実施形態1にかかる正極板20の構成物ではない。
このうち、アルミニウム製のアルミ箔23は、いずれも多孔状にされた第1アルミ主面部25A(図4〜8参照)及び第2アルミ主面部25B(図4参照)と、これら第1アルミ主面部25Aと第2アルミ主面部25Bとの間に位置する、中実の箔中央部24とを有している(図4,5参照)。
なお、このアルミ箔23の第1アルミ主面23Aは、第1被覆層28Aに、これらの間に酸化アルミニウム層を介することなく、直接被覆されている。また、第2アルミ主面23Bは、第1アルミ主面23Aと同様、第2被覆層28Bに、これらの間に酸化アルミニウム層を介することなく、直接被覆されている。
金属アルミニウムは、その特性上、大気中に放置しておくと、その表面にごく薄い(5nm程度の)不動態膜(酸化アルミニウム層)が形成される。しかし、本実施形態1の正極板20の形成にあたっては、アルミニウム製箔を後述する交流エッチングで処理することにより、多孔状にされた第1アルミ主面部25A及び第2アルミ主面部25Bを形成する。なお、この処理の際に、アルミニウム製箔の主面上に形成されていた酸化アルミニウム層が除去されるので、アルミ主面23A,23Bに金属アルミニウムが露出したアルミ箔23となる。
本実施形態1の正極板20は、このような酸化アルミニウム層が未形成のアルミ箔23のアルミ主面23A,23Bに被覆層28A,28Bを被覆している。このため、この正極板20では、酸化アルミニウム層を介することなく、アルミ主面23A,23Bをなす金属アルミニウムが被覆層28A,28Bに直接接触している。
また、炭化タングステンからなる第1被覆層28A及び第2被覆層28Bは、導電性(導電率17μΩ・cm)と、リチウムイオンに対する高い耐蝕性とを有している。なお、第1被覆層28A及び第2被覆層28Bの層厚TWは、いずれも50nmである(図4参照)。
また、第1DLC被膜29A及び第2DLC被膜29Bは、主として炭素からなるSP2,SP3結合を有する硬質被膜であり、第1被覆層28A,第2被覆層28Bと同様、高い耐蝕性を有している。このため、正極板20は、第1被覆層28A及び第2被覆層28Bと共に、第1DLC被膜29A及び第2DLC被膜29Bによって、アルミ箔23の耐蝕性を良好にすることができる。なお、第1DLC被膜29A及び第2LDC被膜29Bの膜厚TDは、いずれも100nmである。
また、第1正極活物質層21A及び第2正極活物質層21Bは、Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)Oからなる正極活物質粒子22、アセチレンブラックからなる導電助剤(図示しない)、及び、ポリテトラフルオロエチレンからなる結着材(図示しない)を含む。なお、第1,第2正極活物質層21A,21B内における、これらの重量比は、いずれも正極活物質22:導電助剤:結着材=87:10:3とした。また、第1正極活物質層21A及び第2正極活物質層21Bの層厚TMは、いずれも45μmである。
ところで、本発明者らは、上述した電池1の電池特性(容量維持率)について、電池1を用いて評価を行った。
具体的には、まず、上述の電池1のうち、製造して間もない新品(初期)のものの電池容量について測定した。なお、測定の前に、25℃の温度環境下で、電池1について、3.0〜4.1Vの電圧範囲で定電流充電及び定電流放電(共に0.10A)を、1組の充放電を1サイクルとして3サイクル繰り返した(コンディショニング)。
続いて、以下のように電池容量を測定した。即ち、0.3Cの電流値で、3.4Vから4.5Vまで充電した。さらに、25℃の温度環境下で、0.3Cの電流値で2.5Vとなるまで定電流放電を行い、放電した電池容量を測定した。なお、このときの電池容量を初期容量とした。
上述の測定を行った電池1について、25℃の温度環境下で、2.5〜4.1Vの電圧範囲で定電流による充放電(電流値は2C)を繰り返すサイクル試験を実施した。具体的には、1組の充放電を1サイクルとして、400サイクルまで、100サイクルずつ連続して繰り返した。
100サイクル毎に、電池1の電池容量を上述と同様にして測定した。そして、各サイクル(100,200,300,400サイクル)における電池1の各容量維持率を算出した。なお、この容量維持率は、各サイクルで測定した電池容量の値を、上述の初期容量で割って算出した。
この試料電池1と同様にして、比較例である比較電池C1も用意し、これらの電池特性についての電池特性(容量維持率)を、電池1と同様に行った。
なお、比較電池C1は、正極板20と同様のアルミ箔23上に、正極活物質層21A,21Bを直接形成した正極板を用いている点で電池1と異なる。
図9に示す、電池1及び比較電池C1の、サイクル数による容量維持率の推移を示すグラフによれば、電池1の容量維持率が、いずれのサイクル(100,200,300,400サイクル)においても、比較電池C1の容量維持率よりいずれも高いことが判る。
これは、比較電池C1の正極板では、アルミ箔23と正極活物質層21A,21Bとの間に、何も存在しないか、或いは、耐蝕性が十分でない酸化アルミニウム層が生じていると考えられる。これに対し、電池1の正極板20では、アルミ箔23と正極活物質層21A,21Bとの間に、リチウムイオンに対して高い耐食性を有する被覆層28A,28B及びDLC被膜29A,29Bを介している。このため、比較電池C1では、サイクル試験の間に、アルミ箔23がリチウムイオンによって腐食されて、アルミ箔23上に形成した正極活物質層21A,21Bが、アルミ箔23から剥離・脱落してしまったと考えられる。一方、電池1では、被覆層28A,28B及びDLC被膜29A,29Bによって、アルミ箔23の腐食を防止し、この腐食による正極活物質層21A,21Bの剥離・脱落を防止できたためであると考えられる。
以上より、電池1は、比較電池C1よりも、経時的な電池容量の低下を抑制することができる。
また、本発明者らは、上述の正極板20の抵抗値を測定した。即ち、アルミ箔23と正極活物質層21A,21Bとの間に、被覆層28A,28B及びDLC被膜29A,29Bを介した正極板20について、単位面積あたりの抵抗値を測定した。
具体的には、図10に示すように、正極20を2.0cm幅のリボン状に切断し導線LFを接合した試料TP1と、この試料TP1と同様の、2.0cm幅のリボン状の金属箔EBとを用意して、互いが2.0cm×2.0cmからなる接触面で接触するように、これらを重ね合わせる。そして、接触面を挟圧可能な2つの平面を有する挟圧装置により、重ね合わせ方向DPに沿って試料TP1と金属箔EBとを押圧する。なお挟圧装置は、10MPa/cmの挟圧力(P)で接触面を挟圧する。そして、挟圧装置で挟圧したまま、導線LF及び金属箔EBを通じて、試料TP1に1.0Aの電流を流す。このときの電圧から、試料TP1に生じる抵抗値を算出する。
また、比較例として、正極板20と同様のアルミ箔23上に正極活物質層21A,21Bを直接形成している正極板についても、2.0cm幅のリボン状に切断し導線LFを接合した試料TP2を作成し、上述の試料TP1と同様にして、この試料TP2の抵抗値を測定した。
測定の結果、試料TP1の抵抗値は、同じ層厚(45μm)の試料TP2の抵抗値の約18%であり、試料TP1の方が、試料TP2よりも、はるかに低い抵抗値であることが判る。これは、試料TP2の正極板では、アルミ箔23と正極活物質層21A(21B)との間に、酸化アルミニウム層を介していると考えられる。一方、試料TP1の正極板20では、酸化アルミニウム層に比して高い導電率の被覆層28A(28B)及びDLC被膜29A(29B)を介しているからである。即ち、試料TP1では、アルミ箔23のアルミ主面23A(23B)上に形成された正極活物質層21A(21B)中の正極活物質粒子22が、アルミ箔23と低抵抗で、電子のやりとりをすることが可能であり、試料TP2の正極板よりも、低抵抗とすることができたと考えられる。
以上により、本実施形態1にかかる電池1の正極板20では、導電性と耐蝕性とを有する被覆層28A,28Bが、アルミ箔23と正極活物質層21A,21Bとの間に、酸化アルミニウム層を介することなく、アルミ箔23のアルミ主面23A,23Bを直接被覆してなる。このため、アルミ箔23のアルミ主面部25A,25Bが、電解液50によって腐食されるのを抑制できる。従って、この正極板20を用いた電池1では、正極活物質層21A,21Bがアルミ箔23から剥離・脱落するのを防止でき、これによる経時的な電池容量の低下を抑制した電池1とすることができる。
また、被覆層28A,28Bが導電性を有するので、アルミ箔23のアルミ主面部25A,25B上に形成された正極活物質層21A,21B中の正極活物質粒子22が、アルミ箔23と低抵抗で、電子のやりとりをすることができる。このため、正極活物質層21A,21Bとアルミ箔23との間に酸化アルミニウム層を介する正極板よりも、低抵抗の正極板20とすることができる。また、このような正極板20を電池1に用いることにより、電池抵抗の低い電池1とすることができる。
また、正極板20では、被覆層28A,28Bが、タングステンの炭化物(炭化タングステン)からなるので、例えば、貴金属からなる被覆層を用いた正極板よりも、安価な正極板20とすることができる。
また、このような被覆層28A,28Bはいずれもリチウムイオンなどに対し高い耐蝕性を有している。このため、例えば、電解液50に触れた状態で正電位とされたとしても、容易に腐食されない耐蝕性の良好な正極板20とすることができる。
また、このような被覆層28A,28Bはいずれも親水性を有するので、正極板20の製造に、正極活物質粒子22を分散させてなるペーストの溶媒に水系のものを用いる場合でも、そのペーストをはじくことなく、被覆層28A,28B上に確実に塗工することができる。
また、この正極板20では、被覆層28A,28Bが、導電性を有する炭化タングステンからなるので、正極活物質層21A,21Bとアルミ箔23との間に酸化アルミニウム層を介する正極板よりも、確実に低抵抗の正極板20とすることができる。
また、正極板20では、DLC被膜29A,29Bを、被覆層28A,28B上に直接形成しているので、被覆層28A,28Bのみよりも、さらに耐蝕性を良好にできる。
また、アルミ箔23のアルミ主面23A,23B上にDLC被膜29A,29Bを直接形成しようとしても、これらアルミ箔23とDLC被膜29A,29Bとの間での密着性が低く、形成困難であるが、炭化タングステンからなる被覆層28A,28Bを介することで、アルミ箔23に強固に密着したDLC被膜29A,29Bを形成でき、耐蝕性を確実に維持した正極板20とすることができる。
さらに、DLC被膜29A,29Bを、0.5〜100nmのごく薄い膜厚TD(=100nm)としているので、形成容易で、DLC被膜29A,29Bを形成したことによる応力の影響(しわの発生)も無く、安価な正極板20とすることができる。
また、本発明者らは、上述の電池1(正極活物質層21A,21Bの層厚TMが45μm)のうち、満充電における出力を測定した。
具体的には、1/3Cの電流値で、4.1Vまで充電し、その後、25℃の温度環境下で、その電圧を保ちつつ電流値を徐々に低下させ、90分間保持して(定電流−定電圧充電)、電池1を満充電にした。この状態の電池1について、25℃の温度環境下で、所定の電流値(例えば、5C)で2秒間放電させたときの2秒時点での出力(電流×電圧)を測定した。
また、電池1とは正極活物質層の層厚のみが異なる(30μm、35μm、40μm、60μm及び75μmの)試料電池P1,P2,P3,P4,P5を用意し、これら試料電池P1〜P5の出力について、電池1と同様に測定した。
そして、電池1、及び試料電池P1〜P5の出力比(試料電池P1(層厚が30μmの正極活物質層である正極板を用いた電池)の出力を100%としたときの比率)を算出し、図11のグラフに丸印でプロットし、これらに基づいて回帰直線LBを得た。
一方、電池1とは異なる正極集電箔(即ち、主面部が多孔状でなく平坦で、そこに酸化アルミニウム層が形成されたアルミニウム製の正極集電箔)を用いて、この上に正極活物質層を備える正極板を使用した比較電池C2〜C6を用意した。なお、これら比較電池C2,C3,C4,C5,C6の正極活物質層の層厚を、それぞれ30,35,40,45,50μmとした。
これら比較電池C2〜C6の出力についても、電池1と同様にして測定した。
そして、比較電池C2〜C6の出力比(層厚が30μmの正極活物質層である正極板を用いた比較電池C2の出力を100%としたときの比率)を算出し、図11のグラフにX印でプロットし、これらに基づいて回帰直線LAを得た。
図11の回帰直線LAから、比較電池C2〜C6では、正極活物質層の層厚が30μmよりも厚くなると、その層厚の増大に比例して、この電池の出力が低下することが判る。一方、回帰直線LBから、電池1及び試料電池P1〜P5では、正極活物質層の層厚を30μmよりも厚くした場合でも、この電池の出力はほとんど変わらないことが判る。
特に、図11に示すように、正極活物質層の層厚が35μm以上の場合、電池1,P2〜P5の出力が、電池C3〜C6の出力に比べて10%以上高くなることが判った。これは、層厚が35μm以上の、比較的厚い正極活物質層を正極集電箔上に形成するにあたり、主面部が多孔状でなく平坦で、そこに不動態が形成された正極集電箔上に形成する場合に比べて、主面部を多孔状とし、この主面部上に被覆層を備えた、本実施形態1のアルミ箔23上に形成すれば、電池の出力を著しく(10%分以上)向上させうることを意味している。
なお、正極活物質層の層厚を75μmよりも大きい80μmとした試料電池では、作製時に、正極活物質層を形成する際に生じる応力で、正極活物質層自身にクラックが生じてしまった。
以上により、本実施形態1にかかる電池1では、正極活物質層21A,21Bの層厚TMを35〜75μmの範囲内の45μmとした。このため、正極活物質層が同じ層厚(=45μm)であるが、主面部が多孔状でなく平坦で、そこに不動態が形成された正極集電箔上に形成した正極板を用いた電池(上述した比較電池C5)よりも、電池の出力を著しく向上させた電池1とすることができる。
また、この電池1では、正極活物質層21A,21Bの層厚TMを上述の範囲で変動させても、電池の出力はほとんど変化しない。そこで、1つの電池に用いる正極活物質粒子22の量を変えず、正極活物質層21A,21Bの層厚TMを大きくする一方、塗布面積を小さくしても、その電池1の性能(電池容量・出力)を維持できることになる。これにより、正極活物質層21A,21Bの面積が小さくできる分、アルミ箔23や被覆層28A,28Bの面積を抑えることができ、電池1の軽量化やコストを低減することができると共に、低抵抗にすることができる。
その一方、層厚TMを75μm以下としているので、電池形成時の応力によって、クラックが正極活物質層21A,21Bに生じることを防止できる。
次に、本実施形態にかかる電池1の製造方法について、図面を参照しつつ説明する。
なお、この電池1の製造において、アルミ箔23は、予め交流エッチング法による処理が施されているものを用いる。つまり、既知の交流エッチング法で、通常のアルミニウム箔を処理して、第1アルミ主面部23A及び第2アルミ主面部23Bをいずれも多孔状にしたアルミ箔23を用いる。
なお、交流エッチング法により、アルミニウム箔の主面上に形成されていた酸化アルミニウム層は除去されるので、アルミ箔23のアルミ主面23A,23Bには、金属アルミニウムが露出している。つまり、このアルミ箔23には、アルミ主面23A,23Bに酸化アルミニウム層が存在しない。
次に、第1被覆層28A及び第2被覆層28Bを、アルミ箔23のアルミ主面23A,23Bに被覆する被覆工程について、図12を参照しつつ説明する。
この被覆工程では、図12に示すスパッタ装置100を用いる。このスパッタ装置100は、真空容器120内に、アルミ箔23の巻出し部101、巻取り部102、炭化タングステン(WC)からなるターゲット110、陽極端子131、陰極端子132、複数の補助ローラ140、導通補助ローラ140N及び電源装置150を備えている。
このうち、真空容器120は、図示しない真空ポンプにより容器内を空気を排気することができる。その後、この真空容器120内にはアルゴンガスを少量充填する。
また、アルミ箔23は、真空装置120内で巻出し部101から巻き出され、複数の補助ローラ140,140及び導通補助ローラ140Nにより長手方向DAに移動し、巻取り部102で巻き取られる。このうち、導通補助ローラ140Nは金属からなり、アルミ箔23と導通可能とされている。この導通補助ローラ140Nには、電源装置150の正極端子131が電気的に接続してあるため、電源装置150を用いて電圧を印加すれば、アルミ箔23全体が正電位となる。
被覆工程では、まず、巻出し部101からアルミ箔23を長手方向DAに移動させて、電源装置150を用いて電圧を印加する。これにより、アルミ箔23は正電位に、炭化タングステンからなるターゲット110は負電位にそれぞれ帯電し、アルミ箔23の第1アルミ主面23A(又は、第2アルミ主面23B)上に、ターゲット110由来の炭化タングステンが堆積する。かくして、第1被覆層28A(又は、第2被覆層28B)が、第1アルミ主面23A(又は、第2アルミ主面23B)に被覆される。
アルミ箔23の反対の主面についても同様に行い、被覆層28A,28Bで、アルミ箔23の主面23A,23Bを直接被覆した。
次いで、上述したスパッタ装置100のターゲット110を、黒鉛からなるターゲット170に取り替えて、被覆層28A,28B上にDLC被膜29A,29Bを形成した。
その後は、既知の手法により、正極活物質粒子22を含むペースト(図示しない)を、DLC被膜29A,29B上に塗布し、乾燥・圧縮して、アルミ箔23のアルミ主面部25A,25B上に正極活物質層21A,21Bを形成してなる正極板20ができあがる(図3,4参照)。
なお、上述のペーストには、正極活物質粒子22、導電助剤及び結着材を、イオン交換水AQに分散させて混練したものを用いた。しかしながら、被覆層28A,28Bはいずれも親水性を有するので、ペーストがはじかれることなく、被覆層28A,28B上にそのペーストを確実に塗工できる。
一方、既知の手法により作成した負極板30と、正極板20とを、これらの間にセパレータ40を介在させて捲回し、発電要素10とする。
その後、正極板20(アルミ箔23)及び負極板30(銅箔33)にそれぞれ正極集電部材91及び負極集電部材92を溶接し、電池ケース本体81に挿入し、前述した電解液50を注入後、封口蓋82で電池ケース本体81を溶接で封口する。かくして、電池1が完成する(図1参照)。
本実施形態1にかかる電池1の製造方法では、酸化アルミニウム層が未形成の、アルミ箔23のアルミ主面部25A,25B上に被覆層28A,28Bを直接形成する。このため、アルミ箔23と正極活物質層21A,21Bとの間に、酸化アルミニウム層を介することなく、アルミ箔23のアルミ主面23A,23Bを直接被覆してなる、導電性と耐蝕性とを有する被覆層28A,28Bを備える正極板20を製造できる。即ち、腐食(これに伴う正極活物質層21A,21Bの剥離・脱落)による経時的な電池容量の低下を抑制しつつ、正極活物質層21A,21Bとアルミ箔23との間に酸化アルミニウム層を介する正極板よりも低抵抗の正極板20を製造できる。
(実施形態2)
本実施形態2にかかる車両200は、前述した電池1を複数含むバッテリパック210を搭載したものである。具体的には、図13に示すように、車両200は、エンジン240、フロントモータ220及びリアモータ230を併用して駆動するハイブリッド自動車である。この車両200は、車体290、エンジン240、これに取り付けられたフロントモータ220、リアモータ230、ケーブル250、インバータ260、及び、矩形箱形状のバッテリパック210を有している。このうちバッテリパック210は、前述した電池1を複数収容してなる。
本実施形態2にかかる車両200は、経時的な電池容量の低下を抑制しつつ、電池抵抗の低い電池1を搭載しているので、良好な走行特性を有する車両200とすることができる。
(実施形態3)
また、本実施形態3のハンマードリル300は、前述した電池1を含むバッテリパック310を搭載したものであり、図14に示すように、バッテリパック310、本体320を有する電池搭載機器である。なお、バッテリパック310はハンマードリル300の本体320のうち底部321に可能に収容されている。
本実施形態3にかかるハンマードリル300は、経時的な電池容量の低下を抑制しつつ、電池抵抗の低い電池1を搭載しているので、安定した性能の駆動エネルギ源を有する電池搭載機器とすることができる。
以上において、本発明を実施形態1〜3に即して説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることは言うまでもない。
例えば、実施形態1では、電池の電池ケースを矩形形状の収容容器としたが、例えば、円筒形状や、ラミネート形状の収容容器としても良い。また、実施形態1では、電池用電極箔の被覆層を炭化タングステン(WC)からなるものとした。しかし、例えば、WCのほかW3C等のタングステン炭化物、TaC等のタンタル炭化物、HfC等のハフニウム炭化物、Nb2C,NbCのニオブ炭化物、或いは、VC等のバナジウム炭化物からなるものとしても良い。また、例えば、WO3,W23のタングステン酸化物、TaO2等のタンタル酸化物、HfO2等のハフニウム酸化物、NbO,Nb25のニオブ酸化物、或いは、VO,V23,VO2のバナジウム酸化物からなるものとしても良い。また、例えば、金や白金等の貴金属としても良い。
また、実施形態1では、主面部が多孔状にされる一方、箔中央部は中実の正極集電箔を正極板に用いた。しかし、主面部と共に、両主面部の間に位置する箔中央部もまた多孔状とされた正極集電箔を用いても良い。
また、実施形態1では、スパッタリングによって、正極集電箔の主面を被覆層で被覆させたが、例えば、スパッタリングの他の、真空蒸着、イオンプレーティングなどの物理蒸着(PVD)法や、CVD等の化学蒸着法(気相成長法)としても良い。また、被覆層が金、白金等の貴金属からなる場合に、めっき処理で正極集電箔の主面を被覆しても良い。

Claims (7)

  1. アルミニウムからなり、少なくとも主面をなす主面部が多孔状にされた正極集電箔と、
    正極活物質粒子を有し、上記正極集電箔の上記主面部上に形成された正極活物質層と、を備える
    リチウムイオン二次電池用正極板であって、
    上記正極集電箔と上記正極活物質層との間に、
    酸化アルミニウムからなる酸化アルミニウム層を介することなく、
    上記正極集電箔の上記主面を直接被覆してなり、導電性と耐蝕性とを有する被覆層を備え
    前記被覆層は、タングステンの炭化物からなる
    リチウムイオン二次電池用正極板。
  2. 請求項に記載のリチウムイオン二次電池用正極板であって、
    ダイヤモンドライクカーボン被膜を、前記被覆層上に直接形成してなる
    リチウムイオン二次電池用正極板。
  3. 請求項1又は請求項に記載のリチウムイオン二次電池用正極板を有する発電要素と、
    リチウムイオンを含む電解液と、を備える
    リチウムイオン二次電池。
  4. 請求項に記載のリチウムイオン二次電池であって、
    前記正極活物質層の層厚が35〜75μmである
    リチウムイオン二次電池。
  5. 請求項3又は請求項4に記載のリチウムイオン二次電池を搭載し、このリチウムイオン二次電池に蓄えた電気エネルギを動力源の全部又は一部に使用する車両。
  6. 請求項3又は請求項4に記載のリチウムイオン二次電池を搭載し、このリチウムイオン二次電池に蓄えた電気エネルギを駆動エネルギ源の全部又は一部に使用する電池搭載機器。
  7. アルミニウムからなり、少なくとも主面をなす主面部が多孔状にされた正極集電箔と、
    正極活物質粒子を有し、上記正極集電箔の上記主面部上に形成された正極活物質層と、を備え、
    上記正極集電箔と上記正極活物質層との間に、
    酸化アルミニウムからなる酸化アルミニウム層を介することなく、
    上記正極集電箔の上記主面を直接被覆してなり、導電性と耐蝕性とを有する被覆層を備える
    リチウムイオン二次電池用正極板の製造方法であって、
    上記被覆層は、タングステンの炭化物からなり、
    上記酸化アルミニウム層が未形成の、上記正極集電箔の上記主面上に、上記被覆層を直接被覆する被覆工程を備える
    リチウムイオン二次電池用正極板の製造方法。
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