JP5359562B2 - Bipolar battery current collector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、双極型電池用集電体に関する。 The present invention relates to a current collector for a bipolar battery.
近年、環境保護のため二酸化炭素排出量の低減が切に望まれている。自動車業界では、電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)の導入による二酸化炭素排出量の低減に期待が集まっており、これらの実用化の鍵を握るモータ駆動用電池の開発が鋭意行われている。自動車用途の電池としては、高エネルギー密度、高出力密度が達成できるリチウムイオン二次電池に注目が集まっている。特に双極型電池の場合は、集電体を介して縦方向(電極の積層方向)に電流が流れるため、電子の伝導パスを短くでき、高出力になる。これにより、電池電圧の高い電池が構成できる。 In recent years, reduction of carbon dioxide emissions has been strongly desired for environmental protection. In the automobile industry, there is an expectation for reducing carbon dioxide emissions by introducing electric vehicles (EV) and hybrid electric vehicles (HEV), and the development of motor drive batteries that hold the key to their practical use has been carried out. ing. As batteries for automobiles, attention has been focused on lithium ion secondary batteries that can achieve high energy density and high output density. In particular, in the case of a bipolar battery, a current flows in the vertical direction (electrode stacking direction) through the current collector, so that the electron conduction path can be shortened and the output becomes high. Thereby, a battery with a high battery voltage can be constituted.
双極型電池は、正極活物質層および負極活物質層が各面に形成される集電体を構成部材として含む。集電体としては一般に金属箔が用いられてきたが、この集電体の軽量化を目的として、特許文献1では、カーボンフィラーを混合した導電性を有する樹脂を含む集電体が提案されている。 The bipolar battery includes a current collector having a positive electrode active material layer and a negative electrode active material layer formed on each surface as a constituent member. A metal foil has been generally used as a current collector. However, for the purpose of reducing the weight of the current collector, Patent Document 1 proposes a current collector containing a conductive resin mixed with a carbon filler. Yes.
しかしながら、特許文献1に記載されているような集電体は、金属箔集電体に比べて電解液の遮断性が低い。そのため、双極型リチウムイオン二次電池に適用した場合には、双極型電極の集電体内を通じてイオン透過し、双極型電極内の正極活物質層と負極活物質層との間で液絡が生じてしまう場合があることがわかった。 However, the current collector as described in Patent Document 1 has a lower electrolyte blocking property than the metal foil current collector. Therefore, when applied to a bipolar lithium ion secondary battery, ions are transmitted through the current collector of the bipolar electrode, and a liquid junction occurs between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer in the bipolar electrode. I found out that there are cases where
この問題を解決するために、樹脂集電体の表面に電解液やリチウムイオンの透過を抑制するためのイオン遮断層を積層する方法が考えられる。しかしながら、このような方法では、積層によって接続抵抗が生じるため、厚さ方向(面直方向)の抵抗が大きくなってしまう。その結果、集電体の集電効率が低下し、電池性能が低下しうる。 In order to solve this problem, a method is conceivable in which an ion blocking layer for suppressing the permeation of the electrolyte and lithium ions is laminated on the surface of the resin current collector. However, in such a method, since connection resistance is generated by stacking, resistance in the thickness direction (perpendicular direction) increases. As a result, the current collection efficiency of the current collector is lowered, and the battery performance can be lowered.
そこで本発明は、導電性を有する樹脂を含む双極型電池用集電体において、双極型電極内の正極活物質層と負極活物質層との間の液絡を防ぐと同時に、集電体の厚さ方向(面直方向)の抵抗を低減しうる手段を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention provides a current collector for a bipolar battery containing a conductive resin, while preventing a liquid junction between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer in the bipolar electrode, An object is to provide a means capable of reducing the resistance in the thickness direction (perpendicular direction).
本発明者らは、上記の課題に鑑み鋭意研究を積み重ねた。その結果、樹脂層および面直方向へのイオンの透過を抑制するイオン遮断層を含み、これらの層が面直方向の導電性が平面方向の導電性よりも高くなるように電気的に接合されている集電体を用いることによって、上記目的が達成されることを見出した。 The inventors of the present invention have made extensive studies in view of the above problems. As a result, the resin layer and an ion blocking layer that suppresses permeation of ions in the direction perpendicular to the surface are included, and these layers are electrically joined so that the conductivity in the direction perpendicular to the plane is higher than the conductivity in the plane direction. It has been found that the above object can be achieved by using a current collector.
本発明によれば、樹脂層とイオン遮断層とを含む集電体において、これらの層を電気的に接続することによって、リチウムイオンの透過を抑制しつつ、集電体の面直方向の導電性を確保することができる。そのため、導電性を有する樹脂を含む双極型電池用集電体において、双極型電極内の正極活物質層と負極活物質層との間の液絡を防ぐと同時に、集電体の厚さ方向(面直方向)の抵抗を低減することができる。 According to the present invention, in a current collector including a resin layer and an ion blocking layer, by electrically connecting these layers, conduction in the direction perpendicular to the surface of the current collector is suppressed while suppressing lithium ion permeation. Sex can be secured. Therefore, in the bipolar battery current collector containing a resin having conductivity, while preventing the liquid junction between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer in the bipolar electrode, the thickness direction of the current collector The resistance in the direction perpendicular to the surface can be reduced.
まず、好ましい実施形態である双極型リチウムイオン二次電池について説明するが、以下の実施形態のみには制限されない。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 First, a bipolar lithium ion secondary battery which is a preferred embodiment will be described, but the present invention is not limited to the following embodiment. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. In addition, the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and may be different from the actual ratios.
双極型電池の構造・形態で区別した場合には、積層型(扁平型)電池、巻回型(円筒型)電池など特に制限されず、従来公知のいずれの構造にも適用されうる。 When distinguished by the structure and form of the bipolar battery, it is not particularly limited, such as a stacked (flat) battery or a wound (cylindrical) battery, and can be applied to any conventionally known structure.
同様に双極型電池の電解質の形態で区別した場合にも、特に制限はない。例えば、非水電解液をセパレータに含浸させた液体電解質型電池、ポリマー電池とも称される高分子ゲル電解質型電池および固体高分子電解質(全固体電解質)型電池のいずれにも適用されうる。高分子ゲル電解質および固体高分子電解質に関しては、これらを単独で使用することもできるし、これら高分子ゲル電解質や固体高分子電解質をセパレータに含浸させて使用することもできる。 Similarly, there is no particular limitation even when distinguished by the form of electrolyte of the bipolar battery. For example, the present invention can be applied to any of a liquid electrolyte type battery in which a separator is impregnated with a nonaqueous electrolytic solution, a polymer gel electrolyte type battery also called a polymer battery, and a solid polymer electrolyte (all solid electrolyte) type battery. With respect to the polymer gel electrolyte and the solid polymer electrolyte, these can be used alone, or the polymer gel electrolyte or the solid polymer electrolyte can be used by impregnating the separator.
また、電池の電極材料または電極間を移動する金属イオンで見た場合にも、特に制限されず、公知のいずれの電極材料等にも適用されうる。例えば、リチウムイオン二次電池、ナトリウムイオン二次電池、カリウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池、ニッケルカドミウム二次電池、ニッケル水素電池などが挙げられ、好ましくは、リチウムイオン二次電池である。これは、リチウムイオン二次電池では、セル(単電池層)の電圧が大きく、高エネルギー密度、高出力密度が達成でき、車両の駆動電源用や補助電源用として優れているためである。 Moreover, when it sees in the electrode material of a battery, or the metal ion which moves between electrodes, it does not restrict | limit in particular, It can apply to any well-known electrode material. Examples include lithium ion secondary batteries, sodium ion secondary batteries, potassium ion secondary batteries, nickel metal hydride secondary batteries, nickel cadmium secondary batteries, nickel metal hydride batteries, and the like, preferably lithium ion secondary batteries. . This is because in the lithium ion secondary battery, the voltage of the cell (single cell layer) is large, high energy density and high output density can be achieved, and it is excellent as a vehicle driving power source or an auxiliary power source.
図1は、双極型リチウムイオン二次電池10の全体構造を模式的に表した断面概略図である。図1に示す双極型リチウムイオン二次電池10は、実際に充放電反応が進行する略矩形の発電要素21が、電池外装材29の内部に封止された構造を有する。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view schematically showing the entire structure of a bipolar lithium ion secondary battery 10. The bipolar lithium ion secondary battery 10 shown in FIG. 1 has a structure in which a substantially rectangular power generation element 21 in which a charge / discharge reaction actually proceeds is sealed inside a battery exterior material 29.
図1に示すように、双極型リチウムイオン二次電池10の発電要素21は、集電体11の一方の面に電気的に結合した正極活物質層13が形成され、集電体11の反対側の面に電気的に結合した負極活物質層15が形成された複数の双極型電極23を有する。各双極型電極23は、電解質層17を介して積層されて発電要素21を形成する。なお、電解質層17は、基材としてのセパレータの面方向中央部に電解質が保持されてなる構成を有する。この際、一の双極型電極23の正極活物質層13と前記一の双極型電極23に隣接する他の双極型電極23の負極活物質層15とが電解質層17を介して向き合うように、各双極型電極23および電解質層17が交互に積層されている。すなわち、一の双極型電極23の正極活物質層13と前記一の双極型電極23に隣接する他の双極型電極23の負極活物質層15との間に電解質層17が挟まれて配置されている。 As shown in FIG. 1, the power generating element 21 of the bipolar lithium ion secondary battery 10 has a positive electrode active material layer 13 electrically coupled to one surface of the current collector 11, and is opposite to the current collector 11. It has a plurality of bipolar electrodes 23 formed with a negative electrode active material layer 15 electrically coupled to the side surface. Each bipolar electrode 23 is laminated via the electrolyte layer 17 to form the power generation element 21. The electrolyte layer 17 has a configuration in which an electrolyte is held at the center in the surface direction of a separator as a base material. At this time, the positive electrode active material layer 13 of one bipolar electrode 23 and the negative electrode active material layer 15 of another bipolar electrode 23 adjacent to the one bipolar electrode 23 face each other through the electrolyte layer 17. The bipolar electrodes 23 and the electrolyte layers 17 are alternately stacked. That is, the electrolyte layer 17 is interposed between the positive electrode active material layer 13 of one bipolar electrode 23 and the negative electrode active material layer 15 of another bipolar electrode 23 adjacent to the one bipolar electrode 23. ing.
隣接する正極活物質層13、電解質層17、および負極活物質層15は、一つの単電池層19を構成する。したがって、双極型リチウムイオン二次電池10は、単電池層19が積層されてなる構成を有するともいえる。また、電解質層17からの電解液の漏れによる液絡を防止する目的で、単電池層19の外周部には絶縁部31が配置されている。なお、発電要素21の最外層に位置する正極側の最外層集電体11aには、片面のみに正極活物質層13が形成されている。また、発電要素21の最外層に位置する負極側の最外層集電体11bには、片面のみに負極活物質層15が形成されている。ただし、正極側の最外層集電体11aの両面に正極活物質層13が形成されてもよい。同様に、負極側の最外層集電体11bの両面に負極活物質層15が形成されてもよい。 The adjacent positive electrode active material layer 13, electrolyte layer 17, and negative electrode active material layer 15 constitute one unit cell layer 19. Therefore, it can be said that the bipolar lithium ion secondary battery 10 has a configuration in which the single battery layers 19 are stacked. In addition, for the purpose of preventing liquid junction due to leakage of the electrolytic solution from the electrolyte layer 17, an insulating portion 31 is disposed on the outer peripheral portion of the unit cell layer 19. A positive electrode active material layer 13 is formed only on one side of the positive electrode outermost layer current collector 11 a located in the outermost layer of the power generation element 21. The negative electrode active material layer 15 is formed only on one surface of the outermost current collector 11b on the negative electrode side located in the outermost layer of the power generation element 21. However, the positive electrode active material layer 13 may be formed on both surfaces of the outermost layer current collector 11a on the positive electrode side. Similarly, the negative electrode active material layer 15 may be formed on both surfaces of the outermost layer current collector 11b on the negative electrode side.
さらに、図1に示す双極型二次電池10では、正極側の最外層集電体11aに隣接するように正極集電板25が配置され、これが延長されて電池外装材29から導出している。一方、負極側の最外層集電体11bに隣接するように負極集電板27が配置され、同様にこれが延長されて電池外装材29から導出している。 Further, in the bipolar secondary battery 10 shown in FIG. 1, the positive electrode current collector plate 25 is disposed so as to be adjacent to the outermost layer current collector 11 a on the positive electrode side, and this is extended and led out from the battery exterior material 29. . On the other hand, the negative electrode current collector plate 27 is disposed so as to be adjacent to the outermost layer current collector 11 b on the negative electrode side, and is similarly extended and led out from the battery exterior material 29.
図1に示す双極型リチウムイオン二次電池10においては、通常、各単電池層19の周囲に絶縁部31が設けられる。この絶縁部31は、電池内で隣り合う集電体11どうしが接触したり、発電要素21における単電池層19の端部の僅かな不揃いなどに起因する短絡が起こったりするのを防止する目的で設けられる。かような絶縁部31の設置により、長期間の信頼性および安全性が確保され、高品質の双極型リチウムイオン二次電池10が提供されうる。 In the bipolar lithium ion secondary battery 10 shown in FIG. 1, an insulating part 31 is usually provided around each single battery layer 19. The insulating part 31 prevents the adjacent current collectors 11 in the battery from coming into contact with each other and a short circuit caused by a slight irregularity at the end of the unit cell layer 19 in the power generation element 21. Is provided. By installing such an insulating part 31, long-term reliability and safety can be ensured, and a high-quality bipolar lithium ion secondary battery 10 can be provided.
なお、単電池層19の積層回数は、所望する電圧に応じて調節する。また、双極型二次電池10では、電池の厚みを極力薄くしても十分な出力が確保できれば、単電池層19の積層回数を少なくしてもよい。双極型リチウムイオン二次電池10でも、使用する際の外部からの衝撃、環境劣化を防止するために、発電要素21を電池外装材29に減圧封入し、正極集電板25および負極集電板27を電池外装材29の外部に取り出した構造とするのがよい。以下、本形態の双極型二次電池の主な構成要素について説明する。 Note that the number of stacks of the unit cell layers 19 is adjusted according to a desired voltage. Further, in the bipolar secondary battery 10, the number of stacking of the single battery layers 19 may be reduced if a sufficient output can be secured even if the thickness of the battery is made as thin as possible. Even in the bipolar lithium ion secondary battery 10, in order to prevent external impact and environmental degradation during use, the power generation element 21 is sealed in the battery exterior material 29 under reduced pressure, and the positive current collector plate 25 and the negative current collector plate It is preferable to adopt a structure in which 27 is taken out of the battery exterior material 29. Hereinafter, main components of the bipolar secondary battery of this embodiment will be described.
図2は、双極型リチウムイオン二次電池10の集電体11(第1実施形態)を模式的に表した断面概略図である。図2に示すように、集電体11は、導電性を有する樹脂層2と導電性を有するイオン遮断層3(3a、3b)とを含む。ここで、樹脂層2とイオン遮断層3(3a、3b)とは、集電体11の面直方向の導電性が平面方向の導電性よりも高くなるように、電気的に接触され、接合されている。このような構成とすることで、イオンを遮断し、かつ面直方向の導電性が確保されるので、双極型電池の電池性能を向上させることができる。 FIG. 2 is a schematic cross-sectional view schematically showing the current collector 11 (first embodiment) of the bipolar lithium ion secondary battery 10. As shown in FIG. 2, the current collector 11 includes a resin layer 2 having conductivity and an ion blocking layer 3 (3a, 3b) having conductivity. Here, the resin layer 2 and the ion blocking layer 3 (3a, 3b) are electrically contacted and bonded so that the conductivity in the perpendicular direction of the current collector 11 is higher than the conductivity in the planar direction. Has been. With such a configuration, ions are blocked and conductivity in a perpendicular direction is ensured, so that the battery performance of the bipolar battery can be improved.
双極型リチウムイオン二次電池における集電体に要求される機能としては、隔壁(バリア性)機能、面直方向の導通の機能、および面内方向の導通を抑制する機能、が挙げられる。 The functions required of the current collector in the bipolar lithium ion secondary battery include a partition wall (barrier property) function, a function of conducting in the direction perpendicular to the plane, and a function of suppressing conduction in the in-plane direction.
双極型電池においては、負極側で発生した電荷は集電体の反対側の正極に直接供給されるため、電流は積層方向に流れるが面方向の流れは必要としない。したがって、樹脂を用いた集電体において、集電体の集電効率を向上させるためには、面直方向の導電性を平面方向の導電性よりも高くすることが有効である。 In the bipolar battery, since the electric charge generated on the negative electrode side is directly supplied to the positive electrode on the opposite side of the current collector, the current flows in the stacking direction, but the flow in the plane direction is not necessary. Therefore, in the current collector using resin, in order to improve the current collection efficiency of the current collector, it is effective to make the conductivity in the perpendicular direction higher than the conductivity in the plane direction.
導電性を有する樹脂層を含む集電体は平面方向の抵抗が大きい。このため、双極型電池を構成する単電池で内部短絡が発生した場合、導電性を有する樹脂層を含む集電体が短絡電流を抑制することにより、双極型電池の発熱を防止できる。また、熱伝導性が高い集電体は放熱性が高いため、導電性を有する樹脂層を含む集電体の平面方向の熱分布が均一化され、平面方向の熱膨張を均一にできる。その結果、双極型電池の劣化を更に抑制することができる。 A current collector including a conductive resin layer has a large resistance in the planar direction. For this reason, when an internal short circuit occurs in a single battery constituting the bipolar battery, the current collector including the conductive resin layer suppresses the short circuit current, thereby preventing the bipolar battery from generating heat. In addition, since the current collector having high thermal conductivity has high heat dissipation, the heat distribution in the planar direction of the current collector including the conductive resin layer is made uniform, and the thermal expansion in the planar direction can be made uniform. As a result, deterioration of the bipolar battery can be further suppressed.
しかしながら、双極型二次電池において、導電性樹脂を含む集電体を用いた場合、電解液およびリチウムイオンが透過し、液絡する場合がある。そこで、隔壁(バリア性)機能を有する、例えば金属箔などのイオン遮断層を積層する必要がある。しかし、これらを積層すると接続抵抗が生じ、面直方向の抵抗が大きくなってしまう。例えば導電性樹脂と金属箔との間に絶縁性の接着剤を用いると、接着剤の絶縁性によって面直方向の接触抵抗が増大しうる。また、金属と樹脂とを熱圧着のみで接着すると、接着強度が不十分な場合があり、さらに面直方向の抵抗が増大しうる。一方、導電性を有する樹脂層の導電性を高めたとしても、イオン遮断層の平面方向の導電性を含めて、集電体の平面方向の抵抗も低下してしまい、上記のような発熱を防止する効果を得ることが困難になる場合がある。そこで、導電性を有する樹脂層と導電性を有するイオン遮断層とを電気的に接合させ、面直方向の導電性が平面方向の導電性よりも高い集電体を作製することで、電解液およびリチウムイオンの透過を抑えると同時に集電効率を向上させることができる。そして、このような集電体を用いることによって、双極型電池の電池性能が向上しうる。 However, in a bipolar secondary battery, when a current collector containing a conductive resin is used, the electrolytic solution and lithium ions may permeate and have a liquid junction. Therefore, it is necessary to stack an ion blocking layer such as a metal foil having a partition (barrier) function. However, when these are laminated, connection resistance is generated, and resistance in the direction perpendicular to the surface is increased. For example, when an insulating adhesive is used between the conductive resin and the metal foil, the contact resistance in the perpendicular direction can be increased by the insulating property of the adhesive. Further, if the metal and the resin are bonded only by thermocompression bonding, the bonding strength may be insufficient, and the resistance in the perpendicular direction may be further increased. On the other hand, even if the conductivity of the resin layer having conductivity is increased, the resistance in the planar direction of the current collector, including the conductivity in the planar direction of the ion blocking layer, is reduced, and the heat generation as described above is generated. It may be difficult to obtain the effect of preventing. Therefore, by electrically joining the conductive resin layer and the conductive ion blocking layer to produce a current collector having higher conductivity in the perpendicular direction than in the planar direction, an electrolytic solution is obtained. In addition, the current collection efficiency can be improved while suppressing the permeation of lithium ions. And the battery performance of a bipolar battery can be improved by using such a collector.
樹脂層とイオン遮断層とを電気的に接合させる形態は特に制限されない。例えば、樹脂層中に導電性材料を導入し、前記導電性材料がイオン遮断層に接触するように配置する。または、樹脂層とイオン遮断層との間に導電性材料を含む導電性接着層を配置してもよい。さらに、これらを組み合わせた形態も採用されうる。 The form in which the resin layer and the ion blocking layer are electrically bonded is not particularly limited. For example, a conductive material is introduced into the resin layer, and the conductive material is disposed so as to contact the ion blocking layer. Alternatively, a conductive adhesive layer containing a conductive material may be disposed between the resin layer and the ion blocking layer. Furthermore, the form which combined these can also be employ | adopted.
図3は、図2に示す第1実施形態の集電体をさらに拡大して模式的に表した断面概略図である。図3の集電体11において、樹脂層2は、高分子材料5と導電性材料4を含む。そして、導電性材料4の少なくとも一部が、樹脂層2とイオン遮断層3との界面6に露出している。このような形態とすることで、樹脂層2とイオン遮断層3が電気的に接続され、面直方向の抵抗が低減されうる。好ましくは、導電性材料4の少なくとも一部が、樹脂層2を貫通する。樹脂層を貫通する導電性材料が存在することによって、集電体の面直方向の抵抗がより一層低減されうる。 FIG. 3 is a schematic cross-sectional view schematically showing the current collector of the first embodiment shown in FIG. 2 in an enlarged manner. In the current collector 11 of FIG. 3, the resin layer 2 includes a polymer material 5 and a conductive material 4. At least a part of the conductive material 4 is exposed at the interface 6 between the resin layer 2 and the ion blocking layer 3. By adopting such a form, the resin layer 2 and the ion blocking layer 3 are electrically connected, and the resistance in the perpendicular direction can be reduced. Preferably, at least a part of the conductive material 4 penetrates the resin layer 2. By the presence of the conductive material that penetrates the resin layer, the resistance in the direction perpendicular to the surface of the current collector can be further reduced.
以下、本実施形態の集電体を構成する樹脂層およびイオン遮断層について説明する。 Hereinafter, the resin layer and the ion blocking layer constituting the current collector of the present embodiment will be described.
(樹脂層)
樹脂層は、高分子材料を含む層であって、導電性を有し、イオン遮断層との電気的な接合が可能な材料を含む層であれば特に制限されない。好ましくは、前記樹脂層は、面直方向において平面方向よりも高い導電性を有する。
(Resin layer)
The resin layer is not particularly limited as long as it is a layer containing a polymer material and is a layer containing a conductive material that can be electrically joined to the ion blocking layer. Preferably, the resin layer has higher conductivity in the direction perpendicular to the planar direction.
樹脂層の具体的な形態として、1)樹脂を構成する高分子材料が導電性高分子である形態、2)樹脂を構成する高分子材料が導電性のない高分子である形態が挙げられる。導電性のない高分子を用いる場合、導電性材料を添加することで樹脂層に導電性を付与することができる。 Specific forms of the resin layer include 1) a form in which the polymer material constituting the resin is a conductive polymer, and 2) a form in which the polymer material constituting the resin is a non-conductive polymer. When a non-conductive polymer is used, conductivity can be imparted to the resin layer by adding a conductive material.
導電性高分子は、導電性を有し、電荷移動媒体として用いられるイオンに関して伝導性を有さない材料から選択される。これらの導電性高分子は、共役したポリエン系がエネルギー帯を形成し伝導性を示すと考えられている。代表的な例としては電解コンデンサなどで実用化が進んでいるポリエン系導電性高分子を用いることができる。具体的には、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリパラフェニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリアクリロニトリル、ポリオキサジアゾール、またはこれらの混合物などが好ましい。電子伝導性および電池内で安定に使用できるという観点から、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、がより好ましい。 The conductive polymer is selected from materials that are conductive and have no conductivity with respect to ions used as charge transfer media. These conductive polymers are considered to be conductive because the conjugated polyene system forms an energy band. As a typical example, a polyene-based conductive polymer that has been put into practical use in an electrolytic capacitor or the like can be used. Specifically, polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polyacetylene, polyparaphenylene, polyphenylene vinylene, polyacrylonitrile, polyoxadiazole, or a mixture thereof is preferable. Polyaniline, polypyrrole, polythiophene, and polyacetylene are more preferable from the viewpoints of electron conductivity and stable use in the battery.
導電性のない高分子の例としては、低密度ポリエチレン(LDPE)、高密度ポリエチレン(HDPE)、直鎖状低密度ポリエチレン(LLDPE)、ポリプロピレン(PP)、ポリブチレンなどのオレフィン系樹脂、エチレン−酢酸ビニル共重合体(EVA)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリイミド(PI)、ポリアミド(PA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメチルアクリレート(PMA)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、シリコーン、エポキシ樹脂、またはこれらの混合物が挙げられる。これらの材料はイオン伝導性が低いため、リチウムイオンの透過を抑えることができる。 Examples of non-conductive polymers include low density polyethylene (LDPE), high density polyethylene (HDPE), linear low density polyethylene (LLDPE), polypropylene (PP), polybutylene and other olefin resins, ethylene-acetic acid Vinyl copolymer (EVA), polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polyether nitrile (PEN), polyimide (PI), polyamide (PA), polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene-butadiene rubber (SBR), polyacrylonitrile (PAN), polymethyl acrylate (PMA), polymethyl methacrylate (PMMA), polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene fluoride (PVdF), silicone, epoxy resin, or a mixture thereof And the like. Since these materials have low ion conductivity, transmission of lithium ions can be suppressed.
上述したように、前記樹脂層は、好ましくは、高分子材料に加えて導電性材料を含む。導電性材料は、導電性を有し、イオン遮断層と樹脂層とを電気的に接続することで集電体の面直方向の抵抗を低減しうるものであれば特に制限されない。用いられる導電性材料としては、例えば、金属、合金、ダイヤモンドライクカーボン、グラッシーカーボン、黒鉛などの炭素材料、セラミックス、金属炭化物、金属窒化物、金属酸化物などが挙げられる。または、導電性ビーズなどを用いてもよい。上記の材料を用いることで集電体の面直方向の導電性がより向上しうる。これらの導電性材料は1種単独で用いられてもよいし、2種以上併用してもよい。 As described above, the resin layer preferably includes a conductive material in addition to the polymer material. The conductive material is not particularly limited as long as it has conductivity and can reduce the resistance in the perpendicular direction of the current collector by electrically connecting the ion blocking layer and the resin layer. Examples of the conductive material used include metals, alloys, diamond-like carbon, glassy carbon, carbon materials such as graphite, ceramics, metal carbide, metal nitride, and metal oxide. Alternatively, conductive beads or the like may be used. By using the above material, the conductivity in the direction perpendicular to the surface of the current collector can be further improved. These conductive materials may be used individually by 1 type, and may be used together 2 or more types.
前記導電性材料の形態は特に制限されず、粒子状であってもよく、ファイバー形状などの形態であってもよい。粒子の形状も特に制限されず、球状、楕円球状、円柱状などのものが用いられうる。例えば、ファイバー形状の材料を用いる場合、その平均長さが樹脂層の厚さより長いものを用いると、導電性材料がイオン遮断層に接触する確率が高くなり、集電体の面直方向の導電性の向上に寄与しうるため好ましい。また、後述の第2実施形態で示すような粒子状の導電性材料を用いる場合、その平均粒子径が樹脂層の厚さより大きいものを用いると、導電性材料がイオン遮断層に接触する確率が高くなり、集電体の面直方向の導電性の向上に寄与しうるため好ましい。 The form of the conductive material is not particularly limited, and may be a particulate form or a fiber form. The shape of the particles is not particularly limited, and a spherical shape, an oval shape, a cylindrical shape, or the like can be used. For example, when using a fiber-shaped material, if the average length is longer than the thickness of the resin layer, the probability that the conductive material will come into contact with the ion blocking layer is increased, and the conductivity of the current collector in the direction perpendicular to the surface is increased. It is preferable because it can contribute to improvement of the property. Further, when using a particulate conductive material as shown in the second embodiment to be described later, if a material having an average particle diameter larger than the thickness of the resin layer is used, there is a probability that the conductive material contacts the ion blocking layer. This is preferable because it increases and can contribute to the improvement of the conductivity in the direction perpendicular to the surface of the current collector.
導電性材料の平均粒子径または平均長さは、特に限定されるものではないが、0.01〜60μm程度であることが望ましい。なお、本明細書中において、「粒子径」または「長さ」とは、粒子状またはファイバー状の材料の輪郭線上の任意の2点間の距離のうち、最大の距離Lを意味する。「平均粒子径」または「平均長さ」の値としては、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用い、数〜数十視野中に観察される粒子の粒子径またはファイバーの長さの平均値として算出される値を採用するものとする。後述する活物質粒子などの粒子径や平均粒子径も同様に定義することができる。 The average particle diameter or average length of the conductive material is not particularly limited, but is preferably about 0.01 to 60 μm. In the present specification, “particle diameter” or “length” means the maximum distance L among the distances between any two points on the contour line of the particulate or fiber material. As the value of “average particle diameter” or “average length”, using observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM), particles observed in several to several tens of fields are observed. A value calculated as an average value of the particle diameter or the fiber length is adopted. Particle diameters and average particle diameters of active material particles to be described later can be defined similarly.
本実施形態のように導電性材料がファイバー状の場合、図3のように、樹脂層中で集電体の面直方向に配向させることが好ましい。導電性材料を面直方向に配向させることによって、面直方向の導電性がより一層向上し、平面方向の導通が抑制されうる。さらに、導電性材料の一部材が樹脂層を貫通する形態の場合、導電性材料のうち樹脂層と接する部分のみが絶縁被膜でコーティングされたもの(図示せず)を用いると、集電体の平面方向の導通を抑制することができ、電池性能が向上しうるため好ましい。 When the conductive material is in the form of a fiber as in this embodiment, it is preferable that the resin material is oriented in the direction perpendicular to the current collector surface as shown in FIG. By orienting the conductive material in the direction perpendicular to the plane, the conductivity in the direction perpendicular to the plane can be further improved, and conduction in the plane direction can be suppressed. Furthermore, in the case where one member of the conductive material penetrates the resin layer, if a conductive material in which only a portion in contact with the resin layer is coated with an insulating film (not shown) is used, It is preferable because conduction in the planar direction can be suppressed and battery performance can be improved.
また、樹脂層として、市販されているニッケルファイバー整列フィルムのような異方導電性フィルムを用いてもよい。 Further, as the resin layer, an anisotropic conductive film such as a commercially available nickel fiber alignment film may be used.
なお、本実施形態のように、導電性材料の一部材が樹脂層を貫通する形態の場合、導電性材料のうち樹脂層と接する部分のみが絶縁被膜でコーティングされたもの(図示せず)を用いると、集電体の平面方向の導通を抑制することができ、電池性能が向上しうる。 In the case where one member of the conductive material penetrates the resin layer as in the present embodiment, only the portion of the conductive material that contacts the resin layer is coated with an insulating film (not shown). When used, conduction in the planar direction of the current collector can be suppressed, and battery performance can be improved.
樹脂層における導電性材料の使用量は、特に限定されないが、好ましくは、樹脂層に対して5体積%以上であることが好ましく、より好ましくは5〜90体積%である。導電性材料の含有量が5体積%以上であれば、樹脂層における導電性を十分に確保できる。 Although the usage-amount of the electroconductive material in a resin layer is not specifically limited, Preferably, it is preferable that it is 5 volume% or more with respect to a resin layer, More preferably, it is 5-90 volume%. If content of an electroconductive material is 5 volume% or more, the electroconductivity in a resin layer is fully securable.
上記樹脂層には、高分子材料および導電性材料の他、他の添加剤を含んでいてもよい。 The resin layer may contain other additives in addition to the polymer material and the conductive material.
導電性を有する樹脂層の厚さは特に制限されないが、好ましくは0.1〜200μmであり、より好ましくは0.1〜100μmである。樹脂層の厚さが0.1μm以上であれば、集電効率の高い集電体が得られうる。樹脂層の厚さが200μm以下であれば、単位体積あたりの電池容量の高い電池が得られうる。 The thickness of the conductive resin layer is not particularly limited, but is preferably 0.1 to 200 μm, and more preferably 0.1 to 100 μm. When the thickness of the resin layer is 0.1 μm or more, a current collector with high current collection efficiency can be obtained. If the thickness of the resin layer is 200 μm or less, a battery having a high battery capacity per unit volume can be obtained.
(イオン遮断層)
イオン遮断層は、導電性を有するとともに、集電体内のイオン透過を防止し、双極型電極内の正極活物質層と負極活物質層との液絡を防ぐ機能(隔壁(バリア性)機能)を有する。そのため、イオン遮断層を設けることによって電極の劣化を防ぎ、電池の耐久性を向上させることができる。
(Ion blocking layer)
The ion blocking layer has conductivity, prevents ion permeation in the current collector, and prevents a liquid junction between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer in the bipolar electrode (partition (barrier) function) Have Therefore, by providing the ion blocking layer, electrode deterioration can be prevented and the durability of the battery can be improved.
前記イオン遮断層は、1層であってもよく、2層以上であってもよい。前記イオン遮断層を配置する位置も特に制限されず、例えば樹脂層と正極活物質層との間に設けられてもよく(正極側イオン遮断層)、樹脂層と負極活物質層との間に設けられてもよい(負極側イオン遮断層)。さらに、2層からなる樹脂層を形成し、これらの間にイオン遮断層を配置してもよく(樹脂層内部に設けられるイオン遮断層)、上記の組み合わせであってもよい。好ましくは、樹脂層の一方の表面に正極側イオン遮断層を、他方の表面に負極側イオン遮断層を設ける。このような構成にすることで、リチウムイオンや電解液の透過をより効果的に抑制できる。 The ion blocking layer may be a single layer or two or more layers. The position where the ion blocking layer is disposed is not particularly limited, and may be provided between the resin layer and the positive electrode active material layer (positive electrode side ion blocking layer), for example, between the resin layer and the negative electrode active material layer. It may be provided (negative electrode side ion blocking layer). Furthermore, a resin layer composed of two layers may be formed, and an ion blocking layer may be disposed between them (an ion blocking layer provided inside the resin layer), or a combination of the above. Preferably, a positive electrode side ion blocking layer is provided on one surface of the resin layer, and a negative electrode side ion blocking layer is provided on the other surface. By setting it as such a structure, permeation | transmission of lithium ion and electrolyte solution can be suppressed more effectively.
前記正極側イオン遮断層に用いられる材料の例としては、アルミニウム、鉄、クロム、ニッケル、チタン、バナジウム、モリブデン、ニオブ、金、銀、白金、およびこれら金属の合金、金属炭化物、金属窒化物、金属酸化物、ダイヤモンドライクカーボン、グラッシーカーボン、およびセラミックスからなる群より選択される少なくとも1種が好ましく挙げられる。これらの中でも、正極電位に対する安定性、軽量、低コストなどの観点から、アルミニウムが特に好ましい。 Examples of materials used for the positive electrode side ion blocking layer include aluminum, iron, chromium, nickel, titanium, vanadium, molybdenum, niobium, gold, silver, platinum, and alloys of these metals, metal carbides, metal nitrides, Preferable examples include at least one selected from the group consisting of metal oxides, diamond-like carbon, glassy carbon, and ceramics. Among these, aluminum is particularly preferable from the viewpoints of stability to the positive electrode potential, light weight, and low cost.
また、前記負極側イオン遮断層に用いられる材料の例としては、アルミニウム、銅、鉄、クロム、ニッケル、チタン、バナジウム、モリブデン、ニオブ、金、銀、白金、およびこれら金属の合金、金属炭化物、金属窒化物、金属酸化物、ダイヤモンドライクカーボン、グラッシーカーボン、およびセラミックスからなる群より選択される少なくとも1種が好ましく挙げられる。これらの中でも、負極電位に対する安定性、軽量、低コストなどの観点から、銅、ニッケルが特に好ましい。 Examples of the material used for the negative electrode side ion blocking layer include aluminum, copper, iron, chromium, nickel, titanium, vanadium, molybdenum, niobium, gold, silver, platinum, and alloys of these metals, metal carbides, Preferable examples include at least one selected from the group consisting of metal nitrides, metal oxides, diamond-like carbon, glassy carbon, and ceramics. Among these, copper and nickel are particularly preferable from the viewpoints of stability against the negative electrode potential, light weight, and low cost.
樹脂層内部に設けられるイオン遮断層に用いられる材料の例としては、前記正極側イオン遮断層に用いられる材料および前記負極側イオン遮断層に用いられる材料からなる群より選択される少なくとも1種が好ましく挙げられる。 Examples of the material used for the ion blocking layer provided inside the resin layer include at least one selected from the group consisting of a material used for the positive electrode side ion blocking layer and a material used for the negative electrode side ion blocking layer. Preferably mentioned.
また、前記正極側イオン遮断層に用いられる材料と前記負極側イオン遮断層に用いられる材料とは、同一でも良いし異なっていても良い。しかしながら、電極の耐腐食性を考慮した場合、前記正極側イオン遮断層に用いられる材料と前記負極側イオン遮断層に用いられる材料とは異なっているほうが好ましい。 In addition, the material used for the positive electrode side ion blocking layer and the material used for the negative electrode side ion blocking layer may be the same or different. However, considering the corrosion resistance of the electrode, it is preferable that the material used for the positive electrode side ion blocking layer and the material used for the negative electrode side ion blocking layer are different.
イオン遮断層の厚さとしては、集電体内のイオン透過を防止し、双極型電極内の正極活物質層と負極活物質層との液絡を防ぐ機能を発現しうるものであればよい。さらに、導電性を有する樹脂層を含む集電体の、短絡電流を抑制する効果を発現しうる厚さであることが好ましい。具体的には、イオン遮断層の厚さは、0.001〜50μmであることが好ましい。複数のイオン遮断層が存在する場合、少なくとも1つの厚さが上記範囲であることが好ましく、すべてのイオン遮断層の厚さが上記範囲であることがより好ましい。 The thickness of the ion blocking layer is not particularly limited as long as it can function to prevent ion permeation in the current collector and prevent liquid junction between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer in the bipolar electrode. Furthermore, it is preferable that it is the thickness which can express the effect which suppresses a short circuit current of the collector containing the resin layer which has electroconductivity. Specifically, the thickness of the ion blocking layer is preferably 0.001 to 50 μm. When there are a plurality of ion blocking layers, it is preferable that at least one thickness is in the above range, and it is more preferable that all the ion blocking layers have a thickness in the above range.
なお、集電体は必要に応じてその他の材料を含んでいてもよい。 Note that the current collector may contain other materials as necessary.
集電体全体の厚さは、特に限定されるものではないが、電池の出力密度を高める上では、薄いほど好ましい。双極型電池においては、正極活物質層および負極活物質層の間に存在する集電体は、平面方向(積層方向に水平な方向)の電気抵抗が高くてもよいため、集電体の厚さを薄くすることが可能である。具体的には、集電体全体の厚さは、0.1〜300μmであることが好ましく、0.1〜200μmであることがより好ましい。 Although the thickness of the whole electrical power collector is not specifically limited, In order to raise the output density of a battery, it is so preferable that it is thin. In a bipolar battery, the current collector present between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer may have a high electrical resistance in the planar direction (the direction horizontal to the stacking direction), so the thickness of the current collector It is possible to reduce the thickness. Specifically, the thickness of the entire current collector is preferably 0.1 to 300 μm, and more preferably 0.1 to 200 μm.
また、集電体の面直方向の抵抗は、好ましくは5mΩ/cm2以下であり、より好ましくは0.1〜1mΩ/cm2である。また、集電体の平面方向の抵抗は、10mΩ/cm2以上であり、より好ましくは100〜2000mΩ/cm2である。 Further, the resistance in the direction perpendicular to the current collector is preferably 5 mΩ / cm 2 or less, more preferably 0.1 to 1 mΩ / cm 2 . Further, the planar direction of the resistance of the current collector is in 10 m [Omega / cm 2 or more, more preferably 100~2000mΩ / cm 2.
導電性を有する樹脂層とイオン遮断層とを貼り合わせる方法としては、既存の樹脂薄膜や金属薄膜の成膜技術や積層、貼合わせ技術などを適宜組み合わせて利用することができる。 As a method of bonding the resin layer having conductivity and the ion blocking layer, it is possible to use an appropriate combination of existing resin thin film and metal thin film deposition techniques, lamination techniques, and lamination techniques.
すなわち、導電性を有する樹脂層とイオン遮断層とを、熱圧着によって貼り合わせる手法や、イオン遮断層の表面に導電性材料が添加された高分子材料や導電性高分子材料などを含むスラリーを塗布して乾燥させ樹脂層を形成する方法を用いてもよい。あるいは、イオン遮断層の表面に導電性材料が添加された高分子材料や導電性高分子材料などを含むスラリーを塗布して乾燥させた後、熱圧着する手法によっても形成されうる。さらに、樹脂層の上に金属層を蒸着、スパッタ法などを用いて被覆し、イオン遮断層を形成してもよい。3層以上の積層構造の集電体もこれらの手法を繰り返すことで、イオン遮断層と樹脂層とが交互に積層された集電体を作製することができる。しかしながら、これら製造方法以外の製造方法であってもよい。 That is, a method of laminating a conductive resin layer and an ion blocking layer by thermocompression bonding, or a slurry containing a polymer material or a conductive polymer material in which a conductive material is added to the surface of the ion blocking layer. A method of applying and drying to form a resin layer may be used. Alternatively, the ion blocking layer may be formed by a technique in which a slurry containing a polymer material to which a conductive material is added, a conductive polymer material, or the like is applied to the surface of the ion blocking layer and dried, followed by thermocompression bonding. Further, a metal layer may be coated on the resin layer by vapor deposition, sputtering, or the like to form an ion blocking layer. A current collector in which an ion blocking layer and a resin layer are alternately laminated can be manufactured by repeating these methods for a current collector having a laminated structure of three or more layers. However, manufacturing methods other than these manufacturing methods may be used.
以上説明した第1実施形態は、以下の効果を有する。すなわち、導電性を有する樹脂層と導電性を有するイオン遮断層とを、樹脂層を貫通する導電性材料を用いて電気的に接合させることで、面直方向の導電性が平面方向の導電性よりも高い集電体が得られうる。これによって、電解液およびリチウムイオンの透過を抑えると同時に集電効率を向上させることができる。そして、このような集電体を用いることによって、双極型電池の電池性能が向上しうる。 The first embodiment described above has the following effects. In other words, by electrically joining the conductive resin layer and the conductive ion blocking layer using a conductive material that penetrates the resin layer, the conductivity in the perpendicular direction becomes the conductivity in the planar direction. Higher current collector can be obtained. As a result, the current collection efficiency can be improved while suppressing the permeation of the electrolyte and lithium ions. And the battery performance of a bipolar battery can be improved by using such a collector.
図4は、樹脂層に含まれる導電性材料が球状である集電体の実施形態(第2実施形態)を模式的に表した断面概略図である。粒子状の導電性材料を用いる場合、その平均粒子径が樹脂層の厚さより大きいものを用いると、導電性材料がイオン遮断層に接触する確率が高くなり、集電体の面直方向の導電性の向上に寄与しうるため好ましい。 FIG. 4 is a schematic cross-sectional view schematically showing an embodiment (second embodiment) of a current collector in which the conductive material contained in the resin layer is spherical. When a particulate conductive material is used, if the average particle diameter is larger than the thickness of the resin layer, the probability that the conductive material will come into contact with the ion blocking layer is increased, and the conductivity of the current collector in the direction perpendicular to the surface is increased. It is preferable because it can contribute to improvement of the property.
図5は、第3実施形態の集電体113を模式的に表した断面概略図である。集電体113の樹脂層は、複数の貫通孔7を有し、この貫通孔7に導電性材料4’が充填されて配置されている。かような形態であれば、集電体の面直方向に配向した導電経路を形成することができる。そのため、集電体の平面方向の導電性を抑制し、面直方向の導電性を高くすることができる。各貫通孔に充填される導電性材料は、1つの部材から構成されてもよく、複数の部材を含むものであってもよい。 FIG. 5 is a schematic cross-sectional view schematically showing the current collector 113 according to the third embodiment. The resin layer of the current collector 113 has a plurality of through holes 7, and the through holes 7 are filled with a conductive material 4 '. In such a form, a conductive path oriented in a direction perpendicular to the surface of the current collector can be formed. Therefore, the electrical conductivity in the planar direction of the current collector can be suppressed, and the electrical conductivity in the perpendicular direction can be increased. The conductive material filled in each through hole may be composed of one member or may include a plurality of members.
前記第3実施形態の集電体113を作製する方法は特に制限されない。例えば、イオン遮断層3bの上に、膜厚方向に貫通孔7を有する樹脂層2を配置し、貫通孔7の中に導電性材料4’を含むバインダ溶液を流し込む。その後、樹脂層2にイオン遮断層3bを重ね、バインダ溶液の溶剤を乾燥させることで、貫通孔に導電パスを有する集電体113を得る。 The method for producing the current collector 113 of the third embodiment is not particularly limited. For example, the resin layer 2 having the through hole 7 in the film thickness direction is disposed on the ion blocking layer 3 b, and a binder solution containing the conductive material 4 ′ is poured into the through hole 7. Thereafter, the ion blocking layer 3b is overlaid on the resin layer 2, and the solvent of the binder solution is dried to obtain the current collector 113 having a conductive path in the through hole.
以上、導電性材料の少なくとも一部を樹脂層とイオン遮断層との界面に露出させて集電体の面直方向の導電性が平面方向の導電性よりも高くなるように、電気的に接触され、接合されている実施形態を説明した。この他に、樹脂層とイオン遮断層との少なくとも1つの界面の少なくとも一部に、導電性材料を含む導電性接着層が存在する形態もまた好ましい。 As described above, at least a part of the conductive material is exposed at the interface between the resin layer and the ion blocking layer, so that the electrical conductivity in the perpendicular direction of the current collector is higher than the electrical conductivity in the planar direction. Embodiments are described which are joined together. In addition to this, a form in which a conductive adhesive layer containing a conductive material is present at least at a part of at least one interface between the resin layer and the ion blocking layer is also preferable.
図6は、第4実施形態による集電体を模式的に示す断面概略図である。図6に示す第4実施形態によれば、樹脂層2とイオン遮断層3との少なくとも1つの界面の少なくとも一部に、導電性材料9を含む導電性接着層8が存在する。このような導電性接着層8によって、樹脂層2とイオン遮断層3が電気的に接続され、面直方向の抵抗が低減されうる。 FIG. 6 is a schematic cross-sectional view schematically showing a current collector according to the fourth embodiment. According to the fourth embodiment shown in FIG. 6, the conductive adhesive layer 8 including the conductive material 9 exists on at least a part of at least one interface between the resin layer 2 and the ion blocking layer 3. By such a conductive adhesive layer 8, the resin layer 2 and the ion blocking layer 3 are electrically connected, and the resistance in the perpendicular direction can be reduced.
通常の電池用電極の製造に用いられる接着剤は、導電性が乏しいものが多く、樹脂層と金属箔などのイオン遮断層とを接着すると接続抵抗が高くなる。接着導電性材料を含む接着剤であっても、導電性材料が樹脂層を構成する導電性高分子と電気的に接続されずパーコレーションパスがつながらない場合、界面の接触抵抗が大きくなる。本実施形態によれば、導電性材料を含む導電性接着層を介してイオン遮断層と前記導電性樹脂層とを接合することで接続抵抗を低減するため、集電体の面直方向の抵抗を低下させることができる。 Many adhesives used in the manufacture of ordinary battery electrodes have poor electrical conductivity, and the connection resistance increases when the resin layer is bonded to an ion blocking layer such as a metal foil. Even in the case of an adhesive containing an adhesive conductive material, when the conductive material is not electrically connected to the conductive polymer constituting the resin layer and the percolation path is not connected, the contact resistance at the interface increases. According to this embodiment, in order to reduce the connection resistance by joining the ion blocking layer and the conductive resin layer via the conductive adhesive layer containing a conductive material, the resistance in the direction perpendicular to the current collector is reduced. Can be reduced.
具体的には、例えば、図6に示すように、樹脂層2とイオン遮断層3との間に、粒子状の導電性材料9と接着剤8aとを含む導電性接着層8を配置する。導電性材料を含む導電性接着層を樹脂層とイオン遮断層との界面に配置することで、集電体の面直方向の導電性を確保し、集電効率を向上させることができる。好ましくは、前記導電性材料は、前記導電性接着層に分散されて存在する。 Specifically, for example, as shown in FIG. 6, a conductive adhesive layer 8 including a particulate conductive material 9 and an adhesive 8 a is disposed between the resin layer 2 and the ion blocking layer 3. By disposing a conductive adhesive layer containing a conductive material at the interface between the resin layer and the ion blocking layer, it is possible to secure conductivity in the direction perpendicular to the current collector and improve current collection efficiency. Preferably, the conductive material is present dispersed in the conductive adhesive layer.
ここで、導電性接着層に含まれる導電性材料の平均粒子径は、導電性接着層の厚みと同等またはそれ以上であることが好ましい。導電性接着層に含まれる導電性材料の平均粒子径が導電性接着層の厚みと同等かそれ以上である場合、導電性樹脂と導電性接着層の導電パスが点接触となってパーコレーションパスが繋がりにくくなることを防ぐことができるため、界面の接触抵抗をより低下させることができる。導電性材料が、導電性接着層からはみ出してもなんら問題はなく、積層時にイオン遮断層と接触する面積が増加することで、むしろ接触抵抗を低減することができる。しかしながら、導電性接着層に含まれる導電性材料の粒子径が導電性接着層より非常に大きい場合、接着力が弱くなり、振動等により金属層が前記導電性樹脂から剥がれてしまう。このため、導電性接着層に含まれる導電性粒子の平均粒子径は、好ましくは、導電性接着層の厚さに対して0.5〜1.5倍であり、より好ましくは0.8〜1.2倍である。上記範囲であれば十分な導電パスを確保することができ、また接着力も保たれる。さらに、導電性接着層内で導電性材料がその形状を保持していることが好ましい。なお、導電性接着層の厚さは、好ましくは0.1〜30μmである。 Here, the average particle diameter of the conductive material contained in the conductive adhesive layer is preferably equal to or greater than the thickness of the conductive adhesive layer. When the average particle size of the conductive material contained in the conductive adhesive layer is equal to or greater than the thickness of the conductive adhesive layer, the conductive path between the conductive resin and the conductive adhesive layer becomes a point contact and the percolation path Since it can prevent becoming difficult to connect, the contact resistance of an interface can be reduced more. There is no problem even if the conductive material protrudes from the conductive adhesive layer, and the contact resistance can be reduced rather by increasing the area in contact with the ion blocking layer during lamination. However, when the particle diameter of the conductive material contained in the conductive adhesive layer is much larger than that of the conductive adhesive layer, the adhesive force becomes weak, and the metal layer is peeled off from the conductive resin due to vibration or the like. For this reason, the average particle diameter of the conductive particles contained in the conductive adhesive layer is preferably 0.5 to 1.5 times the thickness of the conductive adhesive layer, more preferably 0.8 to 1.2 times. If it is the said range, sufficient conductive path can be ensured and adhesive force is also maintained. Furthermore, it is preferable that the conductive material maintains its shape in the conductive adhesive layer. The thickness of the conductive adhesive layer is preferably 0.1 to 30 μm.
さらに、好ましくは、前記導電性材料が、イオン遮断層−導電性接着層−樹脂層を貫通する。このような形態とすることで、集電体の面直方向の導電性をより向上させることができる。 Further preferably, the conductive material penetrates the ion blocking layer-conductive adhesive layer-resin layer. By setting it as such a form, the electroconductivity of the current collector in the direction perpendicular to the surface can be further improved.
導電性接着層に含まれる導電性材料の材質や形状について特に制限はない。導電性接着層に含まれる導電性材料の例としては、アルミニウム粒子、SUS粒子、カーボン粒子、銀粒子、金粒子、銅粒子、チタン粒子などが挙げられるが、これらに限られるわけではない。合金粒子が用いられてもよい。導電性材料は、粒子状のものの他、カーボンナノチューブなど、いわゆるフィラー系導電性樹脂組成物として実用化されているものを用いることができる。 There are no particular restrictions on the material and shape of the conductive material contained in the conductive adhesive layer. Examples of the conductive material contained in the conductive adhesive layer include, but are not limited to, aluminum particles, SUS particles, carbon particles, silver particles, gold particles, copper particles, and titanium particles. Alloy particles may be used. As the conductive material, in addition to a particulate material, a carbon nanotube or the like that is put into practical use as a so-called filler-based conductive resin composition can be used.
前記導電性接着層に含まれる前記導電性材料の含有量は、導電性接着層の全質量に対して、好ましくは10〜80質量%であり、より好ましくは20〜80質量%であり、さらに好ましくは40〜80質量%である。 The content of the conductive material contained in the conductive adhesive layer is preferably 10 to 80% by mass, more preferably 20 to 80% by mass with respect to the total mass of the conductive adhesive layer. Preferably it is 40-80 mass%.
導電性接着層に用いる接着剤の例としては、ゴム系、シリコーン系、オレフィン系、アクリル系の接着剤などが挙げられるが、これらに限られるわけではない。 Examples of the adhesive used for the conductive adhesive layer include, but are not limited to, rubber-based, silicone-based, olefin-based, and acrylic-based adhesives.
図6のような導電性接着層を積層する方法としては、例えば接着剤と導電性材料とを混合したスラリーを、樹脂層またはイオン遮断層の表面にアプリケータなどを用いて所望の厚さに塗布し、乾燥する。その後、樹脂層またはイオン遮断層を積層して熱圧着することによって作製されうる。または、例えば、ファイバー形状の導電性材料が表面から突出したイオン遮断層またはファイバー形状の導電性材料が表面から突出した樹脂層を準備し、この表面に接着剤を塗布して樹脂層またはイオン遮断層を貼り合わせてもよい。 As a method of laminating the conductive adhesive layer as shown in FIG. 6, for example, a slurry in which an adhesive and a conductive material are mixed is applied to the surface of the resin layer or the ion blocking layer to a desired thickness using an applicator or the like. Apply and dry. Thereafter, the resin layer or the ion blocking layer can be laminated and thermocompression bonded. Or, for example, prepare an ion blocking layer in which a fiber-shaped conductive material protrudes from the surface or a resin layer in which a fiber-shaped conductive material protrudes from the surface, and apply an adhesive to this surface to apply the resin layer or ion blocking layer. The layers may be bonded together.
前記導電性接着層としては、図6のような導電性材料を含む接着剤から形成される場合の他に、図7のようにウィスカー形状の導電性材料を用いて形成することもできる(第5実施形態の集電体)。 The conductive adhesive layer can be formed using a whisker-shaped conductive material as shown in FIG. 7 in addition to the case where the conductive adhesive layer is formed of an adhesive containing a conductive material as shown in FIG. Current collector of 5 embodiment).
図7では、イオン遮断層3として、表面に針状構造の粒子9b(例えばウィスカー)を有する金属箔を準備する(図7(b))。そして、針状構造の粒子9bを導電性材料として、樹脂層2とイオン遮断層3の界面に配置してこれらを電気的に接合する(図7(a))。これによって樹脂層とイオン遮断層との間の接触抵抗が低減されうる。ここで前記針状構造の粒子9bの高さは特に制限されないが、例えば、0.1〜10μmであり、好ましくは1〜3μmである。 In FIG. 7, a metal foil having needle-shaped particles 9b (for example, whiskers) on the surface is prepared as the ion blocking layer 3 (FIG. 7 (b)). Then, the needle-like structured particles 9b are used as a conductive material and arranged at the interface between the resin layer 2 and the ion blocking layer 3 to electrically join them (FIG. 7A). Thereby, the contact resistance between the resin layer and the ion blocking layer can be reduced. Here, the height of the needle-like structure particles 9b is not particularly limited, but is, for example, 0.1 to 10 μm, and preferably 1 to 3 μm.
また、例えば、図8のように、針状構造の粒子9bの上に導電性粒子9cを付着させたイオン遮断層を用いることによって、さらに接触抵抗を低下させることもできる(第6実施形態の集電体)。針状構造の粒子の上に付着させる導電性粒子の材質や形状について特に制限はないが、カーボン粒子を用いることが取り扱いの容易性の観点から好ましい。この際、針状構造の粒子の上に付着させる導電性粒子の平均粒子径は、特に制限されないが、例えば、30nm〜5μmである。導電性粒子の密度も特に制限されず、所望の導電性に応じて調整されうる。例えば、前記導電性粒子は、好ましくは前記針状構造の粒子の10〜90質量%に付着させることができる。針状構造の粒子上に導電性粒子を付着させる方法も特に制限されないが、例えば、導電性物質を含むスラリーなどの物質を塗布し、加熱して付着させる方法が用いられうる。 Further, for example, as shown in FIG. 8, the contact resistance can be further reduced by using an ion blocking layer in which the conductive particles 9c are adhered on the needle-shaped particles 9b (in the sixth embodiment). Current collector). There are no particular restrictions on the material and shape of the conductive particles deposited on the needle-shaped particles, but it is preferable to use carbon particles from the viewpoint of ease of handling. At this time, the average particle diameter of the conductive particles deposited on the needle-like structure particles is not particularly limited, but is, for example, 30 nm to 5 μm. The density of the conductive particles is not particularly limited, and can be adjusted according to desired conductivity. For example, the conductive particles can be preferably attached to 10 to 90% by mass of the needle-shaped particles. A method for attaching the conductive particles on the needle-like structure particles is not particularly limited, and for example, a method of applying a substance such as a slurry containing a conductive substance and attaching it by heating can be used.
上記で説明した双極型リチウムイオン電池は、集電体の構成に特徴を有する。以下、その他の主要な構成部材について説明する。 The bipolar lithium ion battery described above is characterized by the structure of the current collector. Hereinafter, other main components will be described.
(活物質層)
[正極(正極活物質層)および負極(負極活物質層)]
活物質層13または15は活物質を含み、必要に応じてその他の添加剤をさらに含む。
(Active material layer)
[Positive electrode (positive electrode active material layer) and negative electrode (negative electrode active material layer)]
The active material layer 13 or 15 contains an active material, and further contains other additives as necessary.
正極活物質層13は、正極活物質を含む。正極活物質としては、例えば、LiMn2O4、LiCoO2、LiNiO2、Li(Ni−Co−Mn)O2およびこれらの遷移金属の一部が他の元素により置換されたもの等のリチウム−遷移金属複合酸化物、リチウム−遷移金属リン酸化合物、リチウム−遷移金属硫酸化合物などが挙げられる。場合によっては、2種以上の正極活物質が併用されてもよい。好ましくは、容量、出力特性の観点から、リチウム−遷移金属複合酸化物が、正極活物質として用いられる。なお、上記以外の正極活物質が用いられてもよいことは勿論である。 The positive electrode active material layer 13 includes a positive electrode active material. As the positive electrode active material, for example, LiMn 2 O 4 , LiCoO 2 , LiNiO 2 , Li (Ni—Co—Mn) O 2, and lithium-such as those in which a part of these transition metals are substituted with other elements Examples include transition metal composite oxides, lithium-transition metal phosphate compounds, and lithium-transition metal sulfate compounds. In some cases, two or more positive electrode active materials may be used in combination. Preferably, a lithium-transition metal composite oxide is used as the positive electrode active material from the viewpoint of capacity and output characteristics. Of course, positive electrode active materials other than those described above may be used.
負極活物質層15は、負極活物質を含む。負極活物質としては、例えば、グラファイト、ソフトカーボン、ハードカーボン等の炭素材料、リチウム−遷移金属複合酸化物(例えば、Li4Ti5O12)、金属材料、リチウム合金系負極材料などが挙げられる。場合によっては、2種以上の負極活物質が併用されてもよい。好ましくは、容量、出力特性の観点から、炭素材料またはリチウム−遷移金属複合酸化物が、負極活物質として用いられる。なお、上記以外の負極活物質が用いられてもよいことは勿論である。 The negative electrode active material layer 15 includes a negative electrode active material. Examples of the negative electrode active material include carbon materials such as graphite, soft carbon, and hard carbon, lithium-transition metal composite oxides (for example, Li 4 Ti 5 O 12 ), metal materials, lithium alloy negative electrode materials, and the like. . In some cases, two or more negative electrode active materials may be used in combination. Preferably, from the viewpoint of capacity and output characteristics, a carbon material or a lithium-transition metal composite oxide is used as the negative electrode active material. Of course, negative electrode active materials other than those described above may be used.
各活物質層13、15に含まれるそれぞれの活物質の平均粒子径は特に制限されないが、高出力化の観点からは、好ましくは1〜20μmである。 The average particle diameter of each active material contained in each active material layer 13, 15 is not particularly limited, but is preferably 1 to 20 μm from the viewpoint of increasing the output.
正極活物質層13および負極活物質層15は、バインダを含む。 The positive electrode active material layer 13 and the negative electrode active material layer 15 include a binder.
活物質層に用いられるバインダとしては、特に限定されないが、例えば、以下の材料が挙げられる。ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリアミド、セルロース、カルボキシメチルセルロース(CMC)、エチレン−酢酸ビニル共重合体、ポリ塩化ビニル、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、エチレン・プロピレンゴム、エチレン・プロピレン・ジエン共重合体、スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物などの熱可塑性高分子、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)等のフッ素樹脂、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF−HFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−HFP−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ペンタフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF−PFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ペンタフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−PFP−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−パーフルオロメチルビニルエーテル−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−PFMVE−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−クロロトリフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−CTFE系フッ素ゴム)等のビニリデンフルオライド系フッ素ゴム、エポキシ樹脂等が挙げられる。中でも、ポリフッ化ビニリデン、ポリイミド、スチレン・ブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロース、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリロニトリル、ポリアミドであることがより好ましい。これらの好適なバインダは、耐熱性に優れ、さらに電位窓が非常に広く正極電位、負極電位双方に安定であり活物質層に使用が可能となる。これらのバインダは、1種単独で用いてもよいし、2種併用してもよい。 Although it does not specifically limit as a binder used for an active material layer, For example, the following materials are mentioned. Polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate (PET), polyether nitrile (PEN), polyacrylonitrile, polyimide, polyamide, cellulose, carboxymethyl cellulose (CMC), ethylene-vinyl acetate copolymer, polyvinyl chloride, styrene-butadiene rubber (SBR) ), Isoprene rubber, butadiene rubber, ethylene / propylene rubber, ethylene / propylene / diene copolymer, styrene / butadiene / styrene block copolymer and hydrogenated product thereof, styrene / isoprene / styrene block copolymer and hydrogenated product thereof Thermoplastic polymers such as products, polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer (FE) ), Tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), ethylene / tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), ethylene / chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE) , Fluororesin such as polyvinyl fluoride (PVF), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-based fluororubber (VDF-HFP-based fluororubber), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene-based fluororubber (VDF-HFP-) TFE fluorine rubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene fluorine rubber (VDF-PFP fluorine rubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene-tetrafluoroethylene Fluoro rubber (VDF-PFP-TFE fluoro rubber), vinylidene fluoride-perfluoromethyl vinyl ether-tetrafluoroethylene fluoro rubber (VDF-PFMVE-TFE fluoro rubber), vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene fluoro rubber Examples thereof include vinylidene fluoride-based fluororubber such as (VDF-CTFE-based fluororubber), an epoxy resin, and the like. Among these, polyvinylidene fluoride, polyimide, styrene / butadiene rubber, carboxymethyl cellulose, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyacrylonitrile, and polyamide are more preferable. These suitable binders are excellent in heat resistance, have a very wide potential window, are stable at both the positive electrode potential and the negative electrode potential, and can be used for the active material layer. These binders may be used alone or in combination of two.
活物質層中に含まれるバインダ量は、活物質を結着することができる量であれば特に限定されるものではないが、好ましくは活物質層に対して、0.5〜15質量%であり、より好ましくは1〜10質量%である。 The amount of the binder contained in the active material layer is not particularly limited as long as it is an amount capable of binding the active material, but is preferably 0.5 to 15% by mass with respect to the active material layer. Yes, more preferably 1 to 10% by mass.
活物質層に含まれうるその他の添加剤としては、例えば、導電助剤、電解質塩(リチウム塩)、イオン伝導性ポリマー等が挙げられる。 Examples of other additives that can be included in the active material layer include a conductive additive, an electrolyte salt (lithium salt), and an ion conductive polymer.
導電助剤とは、正極活物質層または負極活物質層の導電性を向上させるために配合される添加物をいう。導電助剤としては、アセチレンブラック等のカーボンブラック、グラファイト、気相成長炭素繊維などの炭素材料が挙げられる。活物質層が導電助剤を含むと、活物質層の内部における電子ネットワークが効果的に形成され、電池の出力特性の向上に寄与しうる。 The conductive assistant refers to an additive that is blended in order to improve the conductivity of the positive electrode active material layer or the negative electrode active material layer. Examples of the conductive assistant include carbon materials such as carbon black such as acetylene black, graphite, and vapor grown carbon fiber. When the active material layer contains a conductive additive, an electronic network inside the active material layer is effectively formed, which can contribute to improvement of the output characteristics of the battery.
電解質塩(リチウム塩)としては、Li(C2F5SO2)2N、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiCF3SO3等が挙げられる。 Examples of the electrolyte salt (lithium salt) include Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 and the like.
イオン伝導性ポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)系およびポリプロピレンオキシド(PPO)系のポリマーが挙げられる。 Examples of the ion conductive polymer include polyethylene oxide (PEO) -based and polypropylene oxide (PPO) -based polymers.
正極活物質層および負極活物質層中に含まれる成分の配合比は、特に限定されない。配合比は、非水溶媒二次電池についての公知の知見を適宜参照することにより、調整されうる。各活物質層の厚さについても特に制限はなく、電池についての従来公知の知見が適宜参照されうる。一例を挙げると、各活物質層の厚さは、2〜100μm程度である。 The compounding ratio of the components contained in the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer is not particularly limited. The mixing ratio can be adjusted by appropriately referring to known knowledge about the non-aqueous solvent secondary battery. The thickness of each active material layer is not particularly limited, and conventionally known knowledge about the battery can be appropriately referred to. For example, the thickness of each active material layer is about 2 to 100 μm.
(電解質層)
電解質層13を構成する電解質としては、液体電解質またはポリマー電解質が用いられうる。
(Electrolyte layer)
As the electrolyte constituting the electrolyte layer 13, a liquid electrolyte or a polymer electrolyte can be used.
液体電解質は、可塑剤である有機溶媒に支持塩であるリチウム塩が溶解した形態を有する。可塑剤として用いられうる有機溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)やプロピレンカーボネート(PC)等のカーボネート類が例示される。また、支持塩(リチウム塩)としては、LiBETI等の電極の活物質層に添加されうる化合物が同様に採用されうる。 The liquid electrolyte has a form in which a lithium salt as a supporting salt is dissolved in an organic solvent as a plasticizer. Examples of the organic solvent that can be used as the plasticizer include carbonates such as ethylene carbonate (EC) and propylene carbonate (PC). Further, as the supporting salt (lithium salt), a compound that can be added to the active material layer of the electrode, such as LiBETI, can be similarly employed.
一方、ポリマー電解質は、電解液を含むゲル電解質と、電解液を含まない真性ポリマー電解質に分類される。 On the other hand, the polymer electrolyte is classified into a gel electrolyte containing an electrolytic solution and an intrinsic polymer electrolyte containing no electrolytic solution.
ゲル電解質は、イオン伝導性ポリマーからなるマトリックスポリマーに、上記の液体電解質が注入されてなる構成を有する。マトリックスポリマーとして用いられるイオン伝導性ポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリプロピレンオキシド(PPO)、およびこれらの共重合体等が挙げられる。かようなポリアルキレンオキシド系ポリマーには、リチウム塩などの電解質塩がよく溶解しうる。 The gel electrolyte has a configuration in which the above liquid electrolyte is injected into a matrix polymer made of an ion conductive polymer. Examples of the ion conductive polymer used as the matrix polymer include polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), and copolymers thereof. In such polyalkylene oxide polymers, electrolyte salts such as lithium salts can be well dissolved.
なお、電解質層が液体電解質やゲル電解質から構成される場合には、電解質層にセパレータを用いてもよい。セパレータの具体的な形態としては、例えば、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィンからなる微多孔膜が挙げられる。 In addition, when an electrolyte layer is comprised from a liquid electrolyte or a gel electrolyte, you may use a separator for an electrolyte layer. Specific examples of the separator include a microporous film made of polyolefin such as polyethylene or polypropylene.
真性ポリマー電解質は、上記のマトリックスポリマーに支持塩(リチウム塩)が溶解してなる構成を有し、可塑剤である有機溶媒を含まない。したがって、電解質層が真性ポリマー電解質から構成される場合には電池からの液漏れの心配がなく、電池の信頼性が向上しうる。 The intrinsic polymer electrolyte has a structure in which a supporting salt (lithium salt) is dissolved in the matrix polymer, and does not include an organic solvent that is a plasticizer. Therefore, when the electrolyte layer is composed of an intrinsic polymer electrolyte, there is no fear of liquid leakage from the battery, and the reliability of the battery can be improved.
ゲル電解質や真性ポリマー電解質のマトリックスポリマーは、架橋構造を形成することによって、優れた機械的強度を発現しうる。架橋構造を形成させるには、適当な重合開始剤を用いて、高分子電解質形成用の重合性ポリマー(例えば、PEOやPPO)に対して熱重合、紫外線重合、放射線重合、電子線重合等の重合処理を施せばよい。 The matrix polymer of the gel electrolyte or the intrinsic polymer electrolyte can exhibit excellent mechanical strength by forming a crosslinked structure. In order to form a crosslinked structure, thermal polymerization, ultraviolet polymerization, radiation polymerization, electron beam polymerization, etc. are performed on a polymerizable polymer (for example, PEO or PPO) for forming a polymer electrolyte using an appropriate polymerization initiator. A polymerization treatment may be performed.
(最外層集電体)
最外層集電体の材質としては、例えば、金属や導電性高分子が採用されうる。電気の取り出しやすさの観点からは、好適には金属材料が用いられる。具体的には、例えば、アルミニウム、ニッケル、鉄、ステンレス鋼、チタン、銅などの金属材料が挙げられる。これらのほか、ニッケルとアルミニウムとのクラッド材、銅とアルミニウムとのクラッド材、あるいはこれらの金属の組み合わせのめっき材などが好ましく用いられうる。また、金属表面にアルミニウムが被覆されてなる箔であってもよい。なかでも、電子伝導性、電池作動電位という観点からは、アルミニウム、銅が好ましい。
(Outermost layer current collector)
As the material of the outermost layer current collector, for example, a metal or a conductive polymer can be adopted. From the viewpoint of ease of taking out electricity, a metal material is preferably used. Specifically, metal materials, such as aluminum, nickel, iron, stainless steel, titanium, copper, are mentioned, for example. In addition to these, a clad material of nickel and aluminum, a clad material of copper and aluminum, or a plating material of a combination of these metals can be preferably used. Moreover, the foil by which aluminum is coat | covered on the metal surface may be sufficient. Of these, aluminum and copper are preferable from the viewpoints of electron conductivity and battery operating potential.
(タブおよびリード)
電池外部に電流を取り出す目的で、タブを用いてもよい。タブは最外層集電体や集電板に電気的に接続され、電池外装材であるラミネートシートの外部に取り出される。
(Tabs and leads)
A tab may be used for the purpose of taking out the current outside the battery. The tab is electrically connected to the outermost layer current collector or current collector plate, and is taken out of the laminate sheet which is a battery exterior material.
タブを構成する材料は、特に制限されず、リチウムイオン二次電池用のタブとして従来用いられている公知の高導電性材料が用いられうる。タブの構成材料としては、例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金等の金属材料が好ましく、より好ましくは軽量、耐食性、高導電性の観点からアルミニウム、銅などが好ましい。なお、正極タブと負極タブとでは、同一の材質が用いられてもよいし、異なる材質が用いられてもよい。 The material which comprises a tab in particular is not restrict | limited, The well-known highly electroconductive material conventionally used as a tab for lithium ion secondary batteries can be used. As a constituent material of the tab, for example, metal materials such as aluminum, copper, titanium, nickel, stainless steel (SUS), and alloys thereof are preferable, and aluminum, copper, and the like are more preferable from the viewpoint of light weight, corrosion resistance, and high conductivity. Is preferred. Note that the same material may be used for the positive electrode tab and the negative electrode tab, or different materials may be used.
正極端子リードおよび負極端子リードに関しても、必要に応じて使用する。正極端子リードおよび負極端子リードの材料は、公知のリチウムイオン二次電池で用いられる端子リードを用いることができる。なお、電池外装材29から取り出された部分は、周辺機器や配線などに接触して漏電したりして製品(例えば、自動車部品、特に電子機器等)に影響を与えないように、耐熱絶縁性の熱収縮チューブなどにより被覆するのが好ましい。 The positive terminal lead and the negative terminal lead are also used as necessary. As the material of the positive terminal lead and the negative terminal lead, a terminal lead used in a known lithium ion secondary battery can be used. It should be noted that the part taken out from the battery outer packaging material 29 has a heat insulating property so as not to affect the product (for example, automobile parts, particularly electronic devices) by contacting with peripheral devices or wiring and causing leakage. It is preferable to coat with a heat shrinkable tube or the like.
(電池外装材)
電池外装材29としては、公知の金属缶ケースを用いることができるほか、発電要素(電池要素)を覆うことができる、アルミニウムを含むラミネートフィルムを用いた袋状のケースが用いられうる。該ラミネートフィルムには、例えば、PP、アルミニウム、ナイロンをこの順に積層してなる3層構造のラミネートフィルム等を用いることができるが、これらに何ら制限されるものではない。高出力化や冷却性能に優れ、EV、HEV用の大型機器用電池に好適に利用することができるという観点から、ラミネートフィルムが望ましい。
(Battery exterior material)
As the battery exterior material 29, a known metal can case can be used, and a bag-like case using a laminate film containing aluminum that can cover a power generation element (battery element) can be used. For example, a laminate film having a three-layer structure in which PP, aluminum, and nylon are laminated in this order can be used as the laminate film, but the laminate film is not limited thereto. A laminate film is desirable from the viewpoint that it is excellent in high output and cooling performance, and can be suitably used for a battery for large equipment for EV and HEV.
(絶縁部)
絶縁部31は、電解質層17からの電解液の漏れによる液絡を防止する。また、絶縁部31は、電池内で隣り合う集電体どうしが接触したり、発電要素21における単電池層19の端部の僅かな不揃いなどに起因する短絡が起こったりするのを防止する目的で設けられる。
(Insulation part)
The insulating part 31 prevents a liquid junction due to leakage of the electrolytic solution from the electrolyte layer 17. In addition, the insulating part 31 prevents the adjacent current collectors in the battery from coming into contact with each other or the occurrence of a short circuit due to a slight irregularity at the end of the unit cell layer 19 in the power generation element 21. Is provided.
絶縁部31を構成する材料としては、絶縁性、固体電解質の脱落に対するシール性や外部からの水分の透湿に対するシール性(密封性)、電池動作温度下での耐熱性などを有するものであればよい。例えば、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリイミド樹脂、ゴムなどが用いられうる。なかでも、耐蝕性、耐薬品性、作り易さ(製膜性)、経済性などの観点から、ポリエチレン樹脂やポリプロピレン樹脂が、絶縁部31の構成材料として好ましく用いられる。 As a material constituting the insulating portion 31, it should have insulating properties, sealing properties against falling off of the solid electrolyte, sealing properties against moisture permeation from the outside (sealing properties), heat resistance at the battery operating temperature, and the like. That's fine. For example, urethane resin, epoxy resin, polyethylene resin, polypropylene resin, polyimide resin, rubber and the like can be used. Among these, polyethylene resin and polypropylene resin are preferably used as the constituent material of the insulating portion 31 from the viewpoints of corrosion resistance, chemical resistance, ease of production (film forming property), economy, and the like.
なお、上記の双極型電池は、従来公知の製造方法により製造することができる。 In addition, said bipolar battery can be manufactured by a conventionally well-known manufacturing method.
<双極型電池の外観構成>
図9は、双極型電池の代表的な形態である積層型の扁平な双極型のリチウムイオン二次電池の外観を表した斜視図である。
<Appearance structure of bipolar battery>
FIG. 9 is a perspective view showing the appearance of a laminated flat bipolar lithium ion secondary battery, which is a typical form of a bipolar battery.
図9に示すように、積層型の扁平なリチウムイオン二次電池50では、長方形状の扁平な形状を有しており、その両側部からは電力を取り出すための正極タブ58、負極タブ59が引き出されている。発電要素(電池要素)57は、リチウムイオン二次電池50の電池外装材52によって包まれ、その周囲は熱融着されており、発電要素(電池要素)57は、正極タブ58および負極タブ59を外部に引き出した状態で密封されている。ここで、発電要素(電池要素)57は、先に説明した図1に示す双極型のリチウムイオン二次電池10の発電要素(電池要素)21に相当するものであり、正極(正極活物質層)13、電解質層17および負極(負極活物質層)15で構成される単電池層(単セル)19が複数積層されたものである。 As shown in FIG. 9, the stacked flat lithium ion secondary battery 50 has a rectangular flat shape, and a positive electrode tab 58 and a negative electrode tab 59 for taking out electric power from both sides thereof. Has been pulled out. The power generation element (battery element) 57 is wrapped by the battery outer packaging material 52 of the lithium ion secondary battery 50, and the periphery thereof is heat-sealed. The power generation element (battery element) 57 includes a positive electrode tab 58 and a negative electrode tab 59. It is sealed in a state where it is pulled out to the outside. Here, the power generation element (battery element) 57 corresponds to the power generation element (battery element) 21 of the bipolar lithium ion secondary battery 10 shown in FIG. 1 described above, and is a positive electrode (positive electrode active material layer). ) 13, a plurality of single battery layers (single cells) 19 composed of the electrolyte layer 17 and the negative electrode (negative electrode active material layer) 15 are laminated.
なお、上記リチウムイオン電池は、積層型の扁平な形状のものに制限されるものではなく、巻回型のリチウムイオン電池では、円筒型形状のものであってもよいし、こうした円筒型形状のものを変形させて、長方形状の扁平な形状にしたようなものであってもよいなど、特に制限されるものではない。上記円筒型の形状のものでは、その外装材に、ラミネートフィルムを用いてもよいし、従来の円筒缶(金属缶)を用いてもよいなど、特に制限されるものではない。好ましくは、発電要素(電池要素)がアルミニウムラミネートフィルムで外装される。当該形態により、軽量化が達成されうる。 The lithium ion battery is not limited to a laminated flat shape, and a wound lithium ion battery may have a cylindrical shape, or such a cylindrical shape. There is no particular limitation such that the object may be deformed into a rectangular flat shape. In the said cylindrical shape thing, a laminate film may be used for the exterior material, and the conventional cylindrical can (metal can) may be used, for example, It does not restrict | limit. Preferably, the power generation element (battery element) is covered with an aluminum laminate film. With this configuration, weight reduction can be achieved.
また、図9に示すタブ58、59の取り出しに関しても、特に制限されるものではなく、正極タブ58と負極タブ59とを同じ辺から引き出すようにしてもよいし、正極タブ58と負極タブ59をそれぞれ複数に分けて、各辺から取り出しようにしてもよいなど、図7に示すものに制限されるものではない。また、巻回型のリチウムイオン電池では、タブに変えて、例えば、円筒缶(金属缶)を利用して端子を形成すればよい。 9 is not particularly limited, and the positive electrode tab 58 and the negative electrode tab 59 may be drawn from the same side, or the positive electrode tab 58 and the negative electrode tab 59 may be pulled out. However, the present invention is not limited to the one shown in FIG. 7, for example. Further, in a wound type lithium ion battery, instead of a tab, for example, a terminal may be formed using a cylindrical can (metal can).
上記リチウムイオン電池は、電気自動車やハイブリッド電気自動車や燃料電池車やハイブリッド燃料電池自動車などの大容量電源として、高体積エネルギー密度、高体積出力密度が求められる車両駆動用電源や補助電源に好適に利用することができる。 The lithium ion battery is suitable as a power source for driving a vehicle or an auxiliary power source that requires a high volume energy density and a high volume output density as a large capacity power source for an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, a fuel cell vehicle, a hybrid fuel cell vehicle, etc. Can be used.
<組電池>
組電池は、上記双極型電池を複数個接続して構成した物である。詳しくは少なくとも2つ以上用いて、直列化あるいは並列化あるいはその両方で構成されるものである。直列、並列化することで容量および電圧を自由に調節することが可能になる。
<Battery assembly>
The assembled battery is configured by connecting a plurality of the bipolar batteries. Specifically, at least two or more are used, and are configured by serialization, parallelization, or both. Capacitance and voltage can be freely adjusted by paralleling in series.
図10は、組電池の代表的な形態の外観図であって、図10Aは組電池の平面図であり、図10Bは組電池の正面図であり、図10Cは組電池の側面図である。 FIG. 10 is an external view of a typical form of the assembled battery, FIG. 10A is a plan view of the assembled battery, FIG. 10B is a front view of the assembled battery, and FIG. 10C is a side view of the assembled battery. .
図10に示すように、組電池300は、双極型電池が複数、直列に又は並列に接続して装脱着可能な小型の組電池250を形成し、この装脱着可能な小型の組電池250をさらに複数、直列に又は並列に接続して、高体積エネルギー密度、高体積出力密度が求められる車両駆動用電源や補助電源に適した大容量、大出力を持つ組電池300を形成することもできる。図10Aは、組電池の平面図、図10Bは正面図、図10Cは側面図を示しているが、作成した装脱着可能な小型の組電池250は、バスバーのような電気的な接続手段を用いて相互に接続し、この組電池250は接続治具310を用いて複数段積層される。何個の双極型電池を接続して組電池250を作製するか、また、何段の組電池250を積層して組電池300を作製するかは、搭載される車両(電気自動車)の電池容量や出力に応じて決めればよい。 As shown in FIG. 10, the assembled battery 300 includes a plurality of bipolar batteries connected in series or in parallel to form a small assembled battery 250 that can be attached / detached. Further, a battery pack 300 having a large capacity and a large output suitable for a vehicle driving power source and an auxiliary power source that require a high volume energy density and a high volume power density can also be formed by connecting a plurality, in series or in parallel. . 10A is a plan view of the assembled battery, FIG. 10B is a front view, and FIG. 10C is a side view. The small assembled battery 250 that can be attached / detached has an electrical connection means such as a bus bar. The assembled battery 250 is stacked in a plurality of stages using the connection jig 310. How many bipolar batteries are connected to produce the assembled battery 250 and how many assembled batteries 250 are laminated to produce the assembled battery 300 are determined by the battery capacity of the vehicle (electric vehicle) to be mounted. Depending on the output.
<車両>
上記双極型電池は、例えば上述した組電池の形態で、車両に搭載されうる。長期信頼性および出力特性に優れた高寿命の電池を構成できることから、こうした電池を搭載するとEV走行距離の長いプラグインハイブリッド電気自動車や、一充電走行距離の長い電気自動車を構成できる。言い換えれば、双極型電池またはこれらを複数個組み合わせてなる組電池は、車両の駆動用電源として用いられうる。双極型電池またはこれらを複数個組み合わせてなる組電池を、例えば、自動車ならばハイブリット車、燃料電池車、電気自動車(いずれも四輪車(乗用車、トラック、バスなどの商用車、軽自動車など)のほか、二輪車(バイク)や三輪車を含む)に用いることにより高寿命で信頼性の高い自動車となるからである。ただし、用途が自動車に限定されるわけではなく、例えば、他の車両、例えば、電車などの移動体の各種電源であっても適用は可能であるし、無停電電源装置などの載置用電源として利用することも可能である。
<Vehicle>
The bipolar battery can be mounted on a vehicle, for example, in the form of the assembled battery described above. Since a long-life battery excellent in long-term reliability and output characteristics can be configured, it is possible to configure a plug-in hybrid electric vehicle having a long EV mileage and an electric vehicle having a long charge mileage when such a battery is mounted. In other words, a bipolar battery or an assembled battery formed by combining a plurality of these batteries can be used as a power source for driving a vehicle. For example, if it is a car, a hybrid battery, a fuel cell car, an electric car (four-wheeled vehicles (passenger cars, commercial vehicles such as trucks, buses, light vehicles, etc.)) In addition, because it is used for motorcycles (including motorcycles) and tricycles, it becomes a long-life and reliable automobile. However, the application is not limited to automobiles. For example, it can be applied to various power sources for moving vehicles such as other vehicles, for example, trains, and power sources for mounting such as uninterruptible power supplies. It is also possible to use as.
図11は、組電池を搭載した車両の概念図である。 FIG. 11 is a conceptual diagram of a vehicle equipped with an assembled battery.
図11に示したように、組電池300を電気自動車400のような車両に搭載するには、電気自動車400の車体中央部の座席下に搭載する。座席下に搭載すれば、車内空間およびトランクルームを広く取ることができるからである。なお、組電池300を搭載する場所は、座席下に限らず、後部トランクルームの下部でもよいし、車両前方のエンジンルームでも良い。以上のような組電池300を用いた電気自動車400は高い耐久性を有し、長期間使用しても十分な出力を提供しうる。さらに、燃費、走行性能に優れた電気自動車、ハイブリッド自動車を提供できる。 As shown in FIG. 11, in order to mount the assembled battery 300 on a vehicle such as the electric vehicle 400, the battery pack 300 is mounted under the seat at the center of the vehicle body of the electric vehicle 400. This is because if it is installed under the seat, the interior space and the trunk room can be widened. The place where the assembled battery 300 is mounted is not limited to the position under the seat, but may be a lower part of the rear trunk room or an engine room in front of the vehicle. The electric vehicle 400 using the assembled battery 300 as described above has high durability and can provide sufficient output even when used for a long period of time. Furthermore, it is possible to provide electric vehicles and hybrid vehicles that are excellent in fuel efficiency and running performance.
以下、本発明を、実施例を通して説明する。ただし、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described through examples. However, the present invention is not limited to the following examples.
(実施例1)
樹脂層として、異方導電性フィルム(米国Btech社製 TP−2・ACF、高分子材料:ポリアミド、導電性材料:ニッケルファイバー、フィルム厚さ:100μm)を準備した。この樹脂層を負極側イオン遮断層である銅箔(厚さ:5μm)と正極側イオン遮断層であるアルミニウム箔(厚さ:20μm)とで挟み込むようにバッチ式加熱プレス機を用いて、150℃、0.4MPaで熱圧着することによって積層し、集電体を得た。用いた異方導電性フィルムの厚さ方向の電気抵抗は150μΩ以下(1.5cm2)であり、平面方向の電気抵抗は20MΩ以上であった。
Example 1
As the resin layer, an anisotropic conductive film (TP-2 · ACF manufactured by Btech, USA, polymer material: polyamide, conductive material: nickel fiber, film thickness: 100 μm) was prepared. Using a batch-type hot press machine, the resin layer is sandwiched between a copper foil (thickness: 5 μm) as a negative electrode side ion blocking layer and an aluminum foil (thickness: 20 μm) as a positive electrode side ion blocking layer. Lamination was performed by thermocompression bonding at 0 ° C. and 0.4 MPa to obtain a current collector. The electric conductivity in the thickness direction of the anisotropic conductive film used was 150 μΩ or less (1.5 cm 2 ), and the electric resistance in the plane direction was 20 MΩ or more.
図12に、用いた異方導電性フィルムの断面のSEM写真を示す。ニッケルファイバーが面直方向に配向して配置され、面直方向の高い導電性に寄与していることがわかる。 FIG. 12 shows an SEM photograph of a cross section of the anisotropic conductive film used. It can be seen that the nickel fibers are arranged in the direction perpendicular to the plane and contribute to high conductivity in the direction perpendicular to the plane.
(実施例2)
樹脂層として、異方導電性フィルム(米国Btech社製 HM−2・ACF、高分子材料:ポリアミド、導電性材料:カーボンファイバー、フィルム厚さ:100μm)を用いたことを除いては、実施例1と同様にして集電体を作製した。異方導電性フィルムの厚さ方向の電気抵抗は15mΩ以下(1.5cm2)であった。
(Example 2)
Example except that anisotropic conductive film (HM-2 · ACF, manufactured by Btech, USA, polymer material: polyamide, conductive material: carbon fiber, film thickness: 100 μm) was used as the resin layer In the same manner as in Example 1, a current collector was produced. The electric resistance in the thickness direction of the anisotropic conductive film was 15 mΩ or less (1.5 cm 2 ).
(実施例3)
樹脂層としての導電性塗料(日本黒鉛工業株式会社製 バニーハイトUCC、高分子材料:ゴム、導電性材料:黒鉛(平均粒子径15μm)、カーボンブラック)を用意した。この導電性塗料を用いて、負極側イオン遮断層である銅箔(厚さ:5μm)と正極側イオン遮断層であるアルミニウム箔(厚さ:20μm)とを接着し、積層した。具体的には、導電性材料の粒子の平均粒子径と同等のギャップのアプリケータを用いて、銅箔上に導電性接着剤を塗布し、ホットプレートを用いて100℃で10分間乾燥した後、バッチ式加熱プレス機を用いて、120℃、3MPaで熱圧着した。アルミニウム箔についても同様の操作を行って、集電体を得た。
(Example 3)
A conductive paint (Nippon Graphite Industries Co., Ltd. Bunny Height UCC, polymer material: rubber, conductive material: graphite (average particle size 15 μm), carbon black) was prepared as a resin layer. Using this conductive paint, a copper foil (thickness: 5 μm) as the negative electrode side ion blocking layer and an aluminum foil (thickness: 20 μm) as the positive electrode side ion blocking layer were bonded and laminated. Specifically, after applying a conductive adhesive onto a copper foil using an applicator having a gap equivalent to the average particle diameter of the conductive material particles, and drying at 100 ° C. for 10 minutes using a hot plate Then, thermocompression bonding was performed at 120 ° C. and 3 MPa using a batch-type hot press machine. The same operation was performed on the aluminum foil to obtain a current collector.
(比較例1)
低密度ポリエチレンとケッチェンブラック(ライオン社製、EC−600JD)とを二軸押し出し機にて混合、押出して樹脂層を作製した。この樹脂層を用いて、銅箔(厚さ:5μm)およびアルミニウム箔(厚さ:20μm)を熱圧着し、積層した。具体的には、バッチ式加熱プレス機にて、120℃、3MPaで熱圧着した。
(Comparative Example 1)
Low density polyethylene and Ketjen black (Lion Corporation EC-600JD) were mixed and extruded with a biaxial extruder to prepare a resin layer. Using this resin layer, a copper foil (thickness: 5 μm) and an aluminum foil (thickness: 20 μm) were thermocompression bonded and laminated. Specifically, thermocompression bonding was performed at 120 ° C. and 3 MPa with a batch-type hot press.
(接触抵抗測定)
実施例3および比較例1で作製した集電体の厚さ方向の抵抗を、抵抗測定装置(アルバック理工社製 TER−200SS)を用いて、四端子法にて測定した。測定圧力は0.1〜3.0MPaであり、測定温度は室温であった。結果を図13に示す。比較例1で用いた樹脂層の抵抗測定の結果も併せて示す。図13から、比較例1で作製した集電体の抵抗は、0.1MPaにおいて約1500mΩ・cm2であった。これに対して、実施例3で作製した集電体の抵抗は、同条件で約800mΩ・cm2であった。以上の結果から、樹脂層とイオン遮断層とを貼り合わせる際、導電性接着層を介して電気的に接続することで面直方向の抵抗が大幅に低減することがわかった。
(Contact resistance measurement)
The resistance in the thickness direction of the current collectors produced in Example 3 and Comparative Example 1 was measured by a four-terminal method using a resistance measuring device (TER-200SS manufactured by ULVAC-RIKO). The measurement pressure was 0.1 to 3.0 MPa, and the measurement temperature was room temperature. The results are shown in FIG. The result of the resistance measurement of the resin layer used in Comparative Example 1 is also shown. From FIG. 13, the resistance of the current collector manufactured in Comparative Example 1 was about 1500 mΩ · cm 2 at 0.1 MPa. On the other hand, the resistance of the current collector produced in Example 3 was about 800 mΩ · cm 2 under the same conditions. From the above results, it was found that when the resin layer and the ion blocking layer are bonded together, the resistance in the perpendicular direction is greatly reduced by electrically connecting them through the conductive adhesive layer.
上述したように、双極型リチウムイオン二次電池における集電体においては、隔壁(バリア性)機能、導電(面直方向の導通)機能、および面内方向の導通を抑制する機能、が要求される。実施例1〜3で作製した集電体は、イオン遮断層として銅箔やアルミニウム箔のような金属箔を用いるため、十分な隔壁(バリア性)機能を有する。 As described above, a current collector in a bipolar lithium ion secondary battery is required to have a partition wall (barrier property) function, a conductivity (conduction in the direction perpendicular to the surface) function, and a function to suppress conduction in the in-plane direction. The The current collectors produced in Examples 1 to 3 have a sufficient partition (barrier) function because a metal foil such as a copper foil or an aluminum foil is used as the ion blocking layer.
さらに、集電体の面直方向の抵抗に関しては、図13に示すように、実施例3の集電体の面直方向の抵抗が0.1MPaにおいて約800mΩ・cm2であり、問題なく利用できる範囲であることが明らかになった。通常の積層型リチウムイオン二次電池が、集電体の面内方向に導通させるのに対して、双極型リチウムイオン二次電池は、集電体の面直方向に導通させることを考慮すれば、集電体の体積抵抗率がある程度高い場合であっても問題なく利用できるといえる。実施例1、2の集電体に関しても、樹脂層の表面に導電性フィラーの金属部分がむき出しになっているため、樹脂層とイオン遮断層とを積層した場合の接続抵抗は無視できる程度に小さい。そのため、集電体の面直方向の抵抗は、樹脂層の面直方向の抵抗とほぼ同等であると考えられる。 Further, regarding the resistance in the direction perpendicular to the surface of the current collector, as shown in FIG. 13, the resistance in the direction perpendicular to the surface of the current collector of Example 3 is about 800 mΩ · cm 2 at 0.1 MPa, which can be used without any problem. It became clear that this was possible. Considering that a normal stacked lithium ion secondary battery conducts in the in-plane direction of the current collector, whereas a bipolar lithium ion secondary battery conducts in the direction perpendicular to the current collector Even when the volume resistivity of the current collector is high to some extent, it can be said that it can be used without any problem. As for the current collectors of Examples 1 and 2, since the metal portion of the conductive filler is exposed on the surface of the resin layer, the connection resistance when the resin layer and the ion blocking layer are laminated is negligible. small. Therefore, it is considered that the resistance in the direction perpendicular to the surface of the current collector is substantially equal to the resistance in the direction perpendicular to the surface of the resin layer.
さらに、実施例1〜3の集電体は、金属材料を用いたイオン遮断層の厚みを20μm程度に薄くしていること、さらに、実施例1、2では樹脂層として異方導電性材料を用いていることにより、集電体の面内方向の導通が十分に抑制されていると考えられる。 Further, in the current collectors of Examples 1 to 3, the thickness of the ion blocking layer using a metal material is reduced to about 20 μm, and in Examples 1 and 2, an anisotropic conductive material is used as the resin layer. By using it, it is considered that conduction in the in-plane direction of the current collector is sufficiently suppressed.
(実施例4)
イオン遮断層である銅箔(厚さ:5μm)の表面に、ギャップ15μmのアプリケータを用いて導電性塗料(日本黒鉛株式会社製 バニーハイトUCC、高分子材料:ゴム、導電性材料:黒鉛(平均粒子径15μm)、カーボンブラック)を塗布した。これにより、導電性接着層を形成した。この導電性接着層の上に、樹脂層である導電性樹脂(オレフィン系樹脂、厚さ:100μm)を重ねて張り合わせた。その後、ホットプレートを用いて100℃で10分間乾燥した後、バッチ式加熱プレス機を用いて、120℃、3MPaで10分間加圧して熱圧着し、集電体を得た。
Example 4
Using an applicator with a gap of 15 μm on the surface of a copper foil (thickness: 5 μm), which is an ion blocking layer, conductive paint (Nippon Graphite Co., Ltd., Bunny Height UCC, polymer material: rubber, conductive material: graphite (average) Particle diameter 15 μm) and carbon black) were applied. Thereby, a conductive adhesive layer was formed. On this conductive adhesive layer, a conductive resin (olefin resin, thickness: 100 μm) as a resin layer was laminated and pasted. Then, after drying for 10 minutes at 100 degreeC using a hotplate, using a batch type hot press machine, it pressurized and thermocompression bonded at 120 degreeC and 3 MPa for 10 minutes, and obtained the electrical power collector.
(比較例2)
導電性接着層を形成せずに、銅箔と導電性樹脂とを、バッチ式加熱プレス機を用いて、120℃、3MPaで10分間加圧して熱圧着したことを除いては実施例4と同様の手法を用いて集電体を作製した。
(Comparative Example 2)
Example 4 except that the copper foil and the conductive resin were pressed at 120 ° C. and 3 MPa for 10 minutes and thermocompression bonded without forming the conductive adhesive layer using a batch-type hot press machine. A current collector was produced using the same method.
(比較例3)
実施例4の導電性接着剤に代えて、導電性を有さない接着剤を用いたことを除いては、実施例4と同様の手法を用いて集電体を作製した。
(Comparative Example 3)
A current collector was prepared in the same manner as in Example 4 except that an adhesive having no conductivity was used instead of the conductive adhesive in Example 4.
(実施例5)
直径が約20〜30nmのアルミニウムカーバイド(Al4C3)のウィスカーを表面に有するアルミニウム箔(トーヤルカーボ(登録商標)、東洋アルミニウム株式会社製)を準備した。この両面に、炭素含有粒子を含む炭素含有物質を塗布し、付着させることにより、導電性接着層を形成した。炭素含有物質の組成は、平均粒径が約300nmのカーボンブラックを溶剤(トルエン及びメチルエチルケトン)に分散させて、固形分を20%に調製したものであった。この導電性接着層の上に樹脂層である導電性樹脂(オレフィン系樹脂、厚さ:100μm)を積層し、バッチ式加熱プレス機を用いて、120℃、3MPaで10分間加圧して熱圧着し、集電体を得た。
(Example 5)
An aluminum foil (Toyal Carbo (registered trademark), manufactured by Toyo Aluminum Co., Ltd.) having whiskers of aluminum carbide (Al 4 C 3 ) having a diameter of about 20 to 30 nm on the surface was prepared. A conductive adhesive layer was formed by applying and adhering a carbon-containing material containing carbon-containing particles to both surfaces. The composition of the carbon-containing material was prepared by dispersing carbon black having an average particle size of about 300 nm in a solvent (toluene and methyl ethyl ketone) to a solid content of 20%. A conductive resin (olefin resin, thickness: 100 μm), which is a resin layer, is laminated on this conductive adhesive layer, and thermocompression bonding is performed using a batch-type hot press machine at 120 ° C. and 3 MPa for 10 minutes. Thus, a current collector was obtained.
(実施例6)
前記炭素含有物質の固形分を30質量%に調製したことを除いては、実施例5と同様の手法で集電体を作製した。
(Example 6)
A current collector was produced in the same manner as in Example 5 except that the solid content of the carbon-containing material was adjusted to 30% by mass.
(接触抵抗測定)
実施例4〜6、比較例2で作製した集電体の厚さ方向の抵抗を、抵抗測定装置(アルバック理工社製)を用いて測定した。測定圧力は0.1〜3.0MPaであり、測定温度は室温であった。結果を図14および図15に示す。図14および図15の縦軸は、用いた導電性樹脂の0.1MPaでの抵抗値を1とした相対値である。図14の実施例4と比較例1との比較から、樹脂層とイオン遮断層とを貼り合わせる際、導電性接着層を介して電気的に接続することで面直方向の抵抗が大幅に低減することがわかった。実施例4の集電体では、導電性接着層に含まれる導電性材料の大きさが導電性接着層の厚みと同等であるため、樹脂層とイオン遮断層とが電気的に直接接合される。なお、比較例2のように導電性を有さない接着剤を用いた場合は、比較例2の集電体と比べて接触抵抗の低減はみられなかった(図示せず)。なお、平面方向の体積抵抗率は、いずれの集電体も、3.4×10−5Ω・cm程度であった。
(Contact resistance measurement)
The resistance in the thickness direction of the current collectors produced in Examples 4 to 6 and Comparative Example 2 was measured using a resistance measuring device (manufactured by ULVAC-RIKO). The measurement pressure was 0.1 to 3.0 MPa, and the measurement temperature was room temperature. The results are shown in FIG. 14 and FIG. The vertical axis | shaft of FIG. 14 and FIG. 15 is a relative value which set the resistance value in 0.1 Mpa of the used conductive resin to 1. In FIG. From the comparison between Example 4 and Comparative Example 1 in FIG. 14, when the resin layer and the ion blocking layer are bonded together, the resistance in the perpendicular direction is greatly reduced by electrically connecting them through the conductive adhesive layer. I found out that In the current collector of Example 4, since the size of the conductive material contained in the conductive adhesive layer is equal to the thickness of the conductive adhesive layer, the resin layer and the ion blocking layer are electrically directly joined. . In addition, when the adhesive agent which does not have electroconductivity like the comparative example 2 was used, reduction of contact resistance was not seen compared with the electrical power collector of the comparative example 2 (not shown). In addition, the volume resistivity in the plane direction was about 3.4 × 10 −5 Ω · cm for all the current collectors.
さらに、図15に示す実施例5、6の結果から、イオン遮断層としての金属の表面に存在するウィスカーに導電性を有するカーボン粒子を付着させて形成した層が導電性接着層として機能し、樹脂層との接触抵抗を低減できることがわかった。また、実施例5、6の比較から、ウィスカーに付着させるカーボン粒子の量を増加させると界面抵抗がより低減できることが明らかになった。 Furthermore, from the results of Examples 5 and 6 shown in FIG. 15, a layer formed by attaching conductive carbon particles to whiskers present on the surface of the metal as the ion blocking layer functions as a conductive adhesive layer. It was found that the contact resistance with the resin layer can be reduced. Further, from comparison between Examples 5 and 6, it was revealed that the interface resistance can be further reduced by increasing the amount of carbon particles attached to the whisker.
2 樹脂層、
3、3a、3b イオン遮断層、
4、4’ 導電性材料、
5 高分子材料、
6 界面、
7 貫通孔、
8 導電性接着層、
8a 接着剤、
9 導電性材料、
9b 突起状構造、
9c 導電性粒子、
10、50 双極型リチウムイオン二次電池、
11、111、112、113、114、115 集電体、
11a 正極側の最外層集電体、
11b 負極側の最外層集電体、
13 正極活物質層、
15 負極活物質層、
17 電解質層、
19 単電池層、
21、57 発電要素、
23 双極型電極、
25 正極集電板、
27 負極集電板、
29、52 電池外装材、
31 絶縁部、
58 正極タブ、
59 負極タブ、
250 小型の組電池、
300 組電池、
310 接続治具、
400 電気自動車。
2 resin layer,
3, 3a, 3b ion blocking layer,
4, 4 'conductive material,
5 polymer materials,
6 Interface,
7 Through hole,
8 conductive adhesive layer,
8a adhesive,
9 conductive materials,
9b projecting structure,
9c conductive particles,
10, 50 Bipolar lithium ion secondary battery,
11, 111, 112, 113, 114, 115 current collector,
11a The outermost layer current collector on the positive electrode side,
11b The outermost layer current collector on the negative electrode side,
13 positive electrode active material layer,
15 negative electrode active material layer,
17 electrolyte layer,
19 cell layer,
21, 57 power generation element,
23 Bipolar electrode,
25 positive current collector,
27 negative current collector,
29, 52 Battery exterior material,
31 insulation,
58 positive electrode tab,
59 Negative electrode tab,
250 small battery pack,
300 battery packs,
310 connection jig,
400 Electric car.
Claims (10)
導電性を有し、面直方向へのイオンの透過を抑制する、少なくとも1層のイオン遮断層と、を含む双極型電池用集電体であって、
前記樹脂層が、高分子材料と導電性材料とを含み、前記導電性材料の少なくとも一部が前記樹脂層と前記イオン遮断層との界面に露出しており、前記導電性材料の少なくとも一部が前記樹脂層を貫通している、双極型電池用集電体。 A resin layer having electrical conductivity;
A bipolar battery current collector comprising: at least one ion blocking layer having conductivity and suppressing permeation of ions in a direction perpendicular to the plane;
The resin layer includes a polymer material and a conductive material, and at least a part of the conductive material is exposed at an interface between the resin layer and the ion blocking layer, and at least a part of the conductive material. Is a bipolar battery current collector that penetrates the resin layer .
導電性を有し、面直方向へのイオンの透過を抑制する、少なくとも1層のイオン遮断層と、を含む双極型電池用集電体であって、A bipolar battery current collector comprising: at least one ion blocking layer having conductivity and suppressing permeation of ions in a direction perpendicular to the plane;
前記樹脂層が、高分子材料と導電性材料とを含み、前記導電性材料の少なくとも一部が前記樹脂層と前記イオン遮断層との界面に露出しており、かつ前記樹脂層が、面直方向に貫通孔を有する前記高分子材料と、前記貫通孔内に配置された前記導電性材料とを含む、双極型電池用集電体。The resin layer includes a polymer material and a conductive material, at least a part of the conductive material is exposed at an interface between the resin layer and the ion blocking layer, and the resin layer is A bipolar battery current collector, comprising: the polymer material having a through hole in a direction; and the conductive material disposed in the through hole.
導電性を有し、面直方向へのイオンの透過を抑制する、少なくとも1層のイオン遮断層と、を含む双極型電池用集電体であって、A bipolar battery current collector comprising: at least one ion blocking layer having conductivity and suppressing permeation of ions in a direction perpendicular to the plane;
前記樹脂層が、高分子材料と導電性材料とを含み、前記樹脂層と前記イオン遮断層との少なくとも1つの界面が、導電性接着層によって電気的に接合されており、前記導電性接着層は、粒子状の導電性材料と接着剤とを含み、前記導電性接着層に含まれる前記粒子状の導電性材料の粒径は前記導電性接着層の厚み以上である、双極型電池用集電体。The resin layer includes a polymer material and a conductive material, and at least one interface between the resin layer and the ion blocking layer is electrically bonded by a conductive adhesive layer, and the conductive adhesive layer Includes a particulate conductive material and an adhesive, and the particle size of the particulate conductive material contained in the conductive adhesive layer is equal to or greater than the thickness of the conductive adhesive layer. Electric body.
導電性を有し、面直方向へのイオンの透過を抑制する、少なくとも1層のイオン遮断層と、を含む双極型電池用集電体であって、A bipolar battery current collector comprising: at least one ion blocking layer having conductivity and suppressing permeation of ions in a direction perpendicular to the plane;
前記樹脂層が、高分子材料と導電性材料とを含み、前記樹脂層と前記イオン遮断層との少なくとも1つの界面が、導電性接着層によって電気的に接合されており、前記導電性接着層は、粒子状の導電性材料と接着剤とを含み、The resin layer includes a polymer material and a conductive material, and at least one interface between the resin layer and the ion blocking layer is electrically bonded by a conductive adhesive layer, and the conductive adhesive layer Includes a particulate conductive material and an adhesive,
前記導電性接着層に含まれる前記粒子状の導電性材料はウィスカー形状を有する粒子であって、前記ウィスカー形状を有する粒子に、さらに導電性粒子が付加されている、双極型電池用集電体。The bipolar battery current collector, wherein the particulate conductive material contained in the conductive adhesive layer is a particle having a whisker shape, and the conductive particle is further added to the particle having the whisker shape. .
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