JP5380993B2 - 双極型二次電池用集電体 - Google Patents

Description

本発明は、双極型二次電池用集電体に関する。

近年、環境や燃費の観点から、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）や電気自動車（ＥＶ）、さらには燃料電池自動車が製造・販売され、新たな開発が続けられている。これらのいわゆる電動車両においては、放電・充電ができる電源装置の活用が不可欠である。この電源装置としては、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の二次電池や、電気二重層キャパシタ等が利用される。特に、リチウムイオン二次電池はそのエネルギー密度の高さや繰り返し充放電に対する耐久性の高さから、電動車両に好適と考えられ、各種の開発が鋭意進められている。ただし、上記したような各種自動車のモータ駆動用電源に適用するためには、大出力を確保するために、複数の二次電池を直列に接続して用いる必要がある。

しかしながら、接続部を介して電池を接続した場合、接続部の電気抵抗によって出力が低下してしまう。また、接続部を有する電池は空間的にも不利益を有する。即ち、接続部によって、電池の出力密度やエネルギー密度の低下がもたらされる。

この問題を解決するものとして、双極型リチウムイオン二次電池等の双極型二次電池が開発されている。双極型二次電池は、集電体の片面に正極活物質層が形成され、他方の面に負極活物質層が形成された双極型電極が、電解質層やセパレータを介して複数積層された構成を有する。

このような双極型二次電池に用いる集電体は、より軽量であって、より導電性に優れた材料からなることが望ましい。そこで、近年、従来の金属箔に代わって導電性フィラーが添加された高分子材料から構成される集電体が提案されている。例えば、特許文献１では、樹脂に導電性フィラーとして金属粉が混合された導電性樹脂からなる集電体が開示されている。
特開昭６１−２８５６６４号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の集電体を以ってしても、なお、所望の出力密度を得られないという問題点を有していた。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、優れた導電性を有する双極型二次電池用集電体を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記の問題を解決すべく、鋭意研究を行った。その結果、高分子材料に添加する導電性材料として所望量の導電性カーボンを用いること、そして、集電体の空孔率を所望の範囲にすることによって、集電体の低抵抗化が達成できることを見出した。そして、上記知見に基づいて本発明を完成した。

すなわち、本発明は、高分子材料からなる基材と、基材に分散された導電性カーボンとを含み、導電性カーボンの含有量が、基材１００質量部に対して、１質量部以上４０質量部未満であり、空孔率が１０％以下である、双極型二次電池用集電体である。

本発明によれば、優れた導電性を有する双極型二次電池用集電体を提供することができる。そして、該集電体を用いることによって、双極型二次電池の出力密度が向上しうる。

以下、本発明の好ましい実施形態を説明する。

本実施形態は、高分子材料からなる基材と、前記基材に分散された導電性カーボンとを含む双極型二次電池用集電体（以下、単に「集電体」とも称する）に関する。そして、前記導電性カーボンの含有量が、前記基材１００質量部に対して、１質量部以上４０質量部未満であり、集電体の空孔率が１０％以下である。

以下、図面を参照しながら、本実施形態を説明するが、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、以下の形態のみに制限されない。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。

＜集電体＞
図１は、本発明の双極型二次電池用集電体の一実施形態を模式的に表した断面図である。図１に示すように、本実施形態の集電体１０は、基材１１と、基材１１に分散された導電性カーボン１２を含む。導電性カーボン１２は粒子状カーボン１３および繊維状カーボン１４からなり、これらの導電性カーボン１２は互いに接触することによって、基材１１中に導電パスを形成する。

以下、本発明の集電体を構成する部材について説明するが、本発明の技術的範囲は下記の形態のみに制限されない。

［基材］
本発明における基材は、高分子材料からなる。基材は集電体の主な構成成分であって、他の部材同士の結合関係を保持する媒体としての役割および集電体の形状を保持する役割を有する。高分子材料は、集電体の成形を容易に行う観点から、熱可塑性樹脂または合成ゴムからなる群から選択される少なくとも１種を含むことが好ましい。熱可塑性樹脂としては、具体的には、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、およびポリスチレン等の汎用性樹脂；ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネイト、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアリレート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアミド、ポリフェニレンエーテル、ポリフッ化ビニリデン、四フッ化エチレン−エチレン共重合体、ポリエチレンナフタレート、およびポリテトラフルオロエチレン等のエンジニアリングプラスチックが挙げられる。また、合成ゴムとしては、具体的には、スチレン−ブタジエンゴム、ポリブタジエンゴム等が挙げられる。当業者は、所望する集電体の性能を考慮して、これらの中から高分子材料を適宜選択することができる。例えば、コストの観点からは、汎用性樹脂を用いることが好ましく、高温での動作を考慮すると、融点や軟化点の高いエンジニアリングプラスチックを用いることが好ましい。また、集電体の性能の観点から、抵抗率、イオン遮断性、耐電位性、耐溶媒性等を考慮する必要がある。さらに、双極型二次電池を製造する際の電極活物質層の形成やプレス工程を容易にするために、伸び性、硬度、引っ張り強度、密度、結晶化度等の物理特性も考慮する必要がある。具体的には、高分子材料としては、ポリエチレン（高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン）またはポリプロピレンを含むことがより好ましい。かような高分子材料は、耐溶媒性を有するので、電解質中でも膨潤しにくく、また、コストの面でも経済的である。一方、集電体の成形性の観点からは低密度ポリエチレン、ポリプロピレン、合成ゴム、または熱可塑性エラストマーを含む樹脂であることが好ましい。

本発明の集電体における基材の厚さは、５０〜１００μｍであることが好ましく、５０〜７５μｍであることがより好ましい。基材の厚さがかような範囲にあると、集電体の物理的強度が維持できると共に、厚さ方向の電気抵抗が低減されうる。なお、基材の大きさは、所望の双極型二次電池の大きさによって当業者が適宜設計できる。

［導電性カーボン］
本発明における導電性カーボンは、基材に分散されることによって、集電体の電気抵抗を低減させる役割を有する。導電性カーボンは金属フィラーと比べて単位体積あたりの質量が小さいので、集電体の軽量化をより一層図ることができる。

導電性カーボンとしては、様々な形状のものを使用することが可能であるが、一例としては、粒子状カーボンおよび繊維状カーボンが挙げられる。粒子状カーボンは、略球形の形状を有する導電性カーボンであって、粒子の最短径と最長径の長さの比が１：１〜１：２であるものをいう。粒子状カーボンの平均粒子径は、集電体の成形工程に悪影響を与えない範囲であれば特に制限されないが、より成形を容易にする観点からは、０．２〜２．０μｍであることが好ましく、０．３〜０．７μｍであることがより好ましい。なお、本明細書中において、「粒子径」とは、粒子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。また、「平均粒子径」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）等の観察手段を用い、数〜数十視野中に観察される粒子の粒子径の平均値として算出される値を採用するものとする。一方、繊維状カーボンは、糸状の形状を有する導電性カーボンであって、最短径と最長径との比（アスペクト比）が１：２以上のものを意味する。繊維状カーボンの線径（繊維状カーボンの断面の直径）は、集電体の成形工程の容易さの観点から、０．００２〜１μｍであることが好ましく、０．０１〜０．１μｍであることがより好ましい。また、繊維の長さは１０μｍ以上であることが好ましく、１００μｍ以上であることがより好ましい。繊維の長さがかような範囲にあると、集電体の片面から他方の面へと導電パスが形成されやすくなるために、集電体の厚さ方向の電気抵抗が低減されうる。ただし、集電体の成形性と繊維の分散性の観点からは、繊維の長さは１０μｍ以下であることが好ましい。

本発明における導電性カーボンは、種々の形状を有する導電性カーボンのうち、１種を単独であるいは２種以上を組み合わせて使用することができる。例えば、粒子状カーボンまたは繊維状カーボンをそれぞれ単独で用いてもよいし、粒子状カーボンおよび繊維状カーボンを組み合わせて使用することも可能である。このうち、集電体の成形工程の容易さの観点から、粒子状カーボンを少なくとも１種含むことが好ましい。さらに、集電体の低抵抗化の観点からは、粒子状カーボンおよび繊維状カーボンを組み合わせて使用することがより好ましい。粒子状カーボンは基材に分散され易いので、広範囲の導電性を向上させるのに適している。一方、繊維状カーボンは、集電体の片面から他方の面への導電パスを形成するのに適している。そこで、粒子状カーボンおよび繊維状カーボンを組み合わせて使用することによって、粒子状カーボンが分散された導電領域が繊維状カーボンで接続されるので、集電体全体の低抵抗化がより顕著なものとなる。

上記導電性カーボンは、従来公知のものを特に制限なく用いることができるが、なかでも、中空構造を有する導電性カーボンであることが好ましい。中空構造を有する導電性カーボンとしては、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、ケッチェンブラック、カーボンナノバルーン、フラーレンなどが挙げられる。このうちカーボンナノチューブ、ケッチェンブラックからなる群から選択される少なくとも１種を含むことが好ましい。中空構造を有する導電性カーボンは質量あたりの表面積が大きいため、集電体の軽量化がより一層図られる。

本発明において、上記導電性カーボンの含有量は、前記基材１００質量部に対して、１質量部以上４０質量部未満である。導電性カーボンの含有量が１質量部よりも小さいと、集電体の低抵抗化が不十分となる虞があり、４０質量部以上であると、集電体の成形工程が困難となったり、集電体が脆弱となったりする虞がある。このうち導電性カーボンの含有量は、好ましくは１〜３５質量部であり、より好ましくは２〜３０質量部であり、さらに好ましくは、２〜２５質量部であり、特に好ましくは３〜１５質量部であり、最も好ましくは８〜１０質量部である。導電性カーボンの含有量がかような範囲にあると、優れた導電性および耐久性を確保しつつ、集電体の成形工程が容易となる。

また、本発明の集電体は、空孔率が１０％以下であることが必要である。本発明において「空孔率」とは、集電体の体積に対する、集電体内部に存在する空孔（細孔）部分の全体積の割合をいう。集電体の空孔率が１０％を超えると、集電体のイオン遮断性および機械的強度が低下する虞がある。例えば、双極型リチウムイオン二次電池においては、単電池層間を隔てる集電体が、Ｌｉイオンを透過してしまうと、各単電池層における電池容量に偏りが生じ、双極型電池全体としての電池容量が低下しうる。これを防ぐために、本発明においては、集電体の空孔率は１０％以下であり、好ましくは５％以下であり、より好ましくは１％以下である。空孔率の下限値は、理論的には０を超える値であって、小さい値ほど好ましいが、現実的に製造可能な限界を考慮すると、好ましくは１％以上であり、より好ましくは０．５％以上である。なお、本発明における空孔率の値としては、後述の実施例に記載の方法を用いて算出した値を採用するものとする。

本発明の集電体において、基材中の導電性カーボンの分散の形態は特に制限はなく、基材中に均一に分散されている形態であってもよいし、部分的に局在して分散されていても勿論よい。集電体全体に亘って全体に均一に導電性を付与したい場合は、導電性カーボンは基材全体に均一に分散されていることが好ましい。

本発明の双極型二次電池用集電体は、１種のみが単独で用いられてもよいし、２種以上が複数積層された形態で用いられてもよい。さらに必要に応じて、その他の機能を持つ集電体と組み合わせて積層型の集電体として用いられてもよい。

次に、本発明の双極型二次電池用集電体の製造方法の好ましい実施形態について説明する。本実施形態に係る双極型二次電池用集電体の製造方法は、高分子材料に導電性カーボンを混練し、成形して、フィルムを形成する段階を含む。

高分子材料に導電性カーボンを混練する方法は特に制限はないが、一般的には、高分子材料を加熱融解し、これに導電性カーボンを添加したものを混練装置等を用いて混練することによって行われうる。混練装置としては、二軸混練機、単軸スクリュー押出機、多軸スクリュー押出機、インターナルミキサー、ロール等が挙げられる。これにより、高分子材料に導電性カーボンが分散される。

続く成形工程も特に制限はなく、上述したような空孔率の小さいフィルム状の集電体が形成できる範囲内であれば、従来公知の方法を適宜採用することができる。例えば、押出成形法、カレンダー成形法、および溶媒キャスト法等が挙げられるが、なかでも、押出成形法を用いることが好ましい。押出成形法は、高分子材料と導電性カーボンとの混合物をＴダイ法等によりフィルム状に成形する方法である。かような押出成形法によると、膜厚が薄く、しわが少なく、空孔率の小さい高密度のフィルムが得られるために、低抵抗で、イオン遮断性に優れた集電体の製造するために好適に用いられうる。さらに、押出成形後に延伸工程を行うことが、フィルムの薄膜化、強度や遮断性の向上のためにも好ましい。例えば、加熱ロールプレスを行うと、シート内部の空孔が低減し、イオン遮断性が高いフィルムが得られうる。また、二軸延伸を行うと、薄く、引っ張り強度や弾性率に優れたフィルムが得られうる。

＜双極型二次電池＞
本発明の双極型二次電池は、双極型二次電池用電極を有する。双極型二次電池用電極は上述した本発明の双極型二次電池用集電体と、双極型二次電池用集電体の表面に位置する活物質層とを有し、詳しくは、後述の双極型二次電池の各部材の項で説明する。本発明の双極型二次電池用集電体を備えた双極型二次電池は、質量あたりの出力密度が高く、耐衝撃性や対振動性に優れるという効果を有する。以下、本発明の双極型二次電池の好ましい実施形態について説明する。

図２は、本発明の双極型二次電池の一実施形態を模式的に表した断面図である。図２によると、双極型電池３０は、実際に充放電反応が進行する略矩形の発電要素３７が、電池外装材であるラミネートフィルム４２の内部に封止された構造を有する。双極型二次電池３０の発電要素３７は、正極活物質層３２と、負極活物質層３５とが集電体３１のそれぞれの面に形成された双極型二次電池用電極３４を複数個有する。各双極型二次電池用電極は、電解質層３３を介して積層されて発電要素３７を形成する。この際、一の双極型二次電池用電極の正極活物質層３２と前記一の双極型二次電池用電極に隣接する他の双極型二次電池用電極の負極活物質層３５とが電解質層３３を介して向き合うように、各双極型二次電池用電極および電解質層３３が積層されている。そして、隣接する正極活物質層３２、電解質層３３および負極活物質層３５は、一つの単電池層３６を構成する。したがって、双極型二次電池３０は、単電池層３６が積層されてなる構成を有するともいえる。また、単電池層３６の外周には、隣接する集電体３１間を絶縁するための絶縁層４３が設けられている。なお、発電要素３７の最外層に位置する集電体（最外層集電体）（３１ａ、３１ｂ）には、片面のみに、正極活物質層３２（正極側最外層集電体３１ａ）または負極活物質層３５（負極側最外層集電体３１ｂ）のいずれか一方が形成されている。さらに、正極側最外層集電体３１ａは、正極端子リード４０を経て正極タブ（端子）３８に接続され、ラミネートフィルム４２から導出している。一方、負極側最外層集電体３１ｂは、負極端子リード４１を経て負極タブ（端子）３９に接続され、同様にラミネートフィルム４２から導出している。

以下、本実施形態に係る双極型二次電池の各部材について説明する。なお、以下では双極型二次電池のうち、双極型リチウムイオン二次電池の実施形態について説明するが、本発明はこれ以外の形態の双極型二次電池であっても勿論よい。

［双極型二次電池用電極］
本発明の双極型二次電池用電極は、本発明の双極型二次電池用集電体と、双極型二次電池用集電体の表面に位置する活物質層とを有する。より詳しくは、一つの集電体の片面に正極活物質層が形成され、他方の面に負極活物質層が形成される。各活物質層は活物質を含み、必要に応じてその他の添加剤をさらに含む。活物質は、可逆的にリチウムイオンを挿入および脱離することによって、電気エネルギーを生み出す。

正極活物質層は正極活物質を含む。正極活物質としては、例えば、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４やＬｉＮｉＯ_２等のリチウム−遷移金属酸化物、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等が挙げられる。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。なお、上記以外の正極活物質が用いられても、勿論よい。

負極活物質層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、上述したようなリチウム−遷移金属化合物、金属材料、リチウム−金属合金材料等が挙げられる。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。なお、上記以外の負極活物質が用いられても、勿論よい。

正極および負極の活物質層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、好ましくは０．０１〜１００μｍであり、より好ましくは１〜５０μｍである。ただし、この範囲を外れる形態が採用されても、勿論よい。

［電解質層］
電解質層を構成する電解質に特に制限はなく、液体電解質、ならびに高分子ゲル電解質および高分子固体電解質等のポリマー電解質を適宜用いることができる。

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挙げられる。また、支持塩（リチウム塩）としては、ＬｉＮ（ＳＯ_２Ｃ_２Ｆ_５）_２、ＬｉＮ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_２、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＳＯ_３ＣＦ_３等の電極の活物質層に添加されうる化合物を同様に用いることができる。

一方、ポリマー電解質は、電解液を含むゲル電解質と、電解液を含まない高分子固体電解質に分類される。ゲル電解質は、リチウムイオン伝導性を有す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。リチウムイオン伝導性を有するマトリックスポリマーとしては、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。かようなマトリックスポリマーには、リチウム塩等の電解質塩がよく溶解しうる。高分子固体電解質は、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、電解質層が高分子固体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。

高分子ゲル電解質や高分子固体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揮しうる。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。

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。

［絶縁層］
双極型二次電池３０においては、通常、各単電池層３６の周囲に絶縁層４３が設けられる。この絶縁層４３は、電池内で隣り合う集電体３１どうしが接触したり、発電要素３７における単電池層３６の端部の僅かな不揃い等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。かような絶縁層４３の設置により、長期間の信頼性および安全性が確保され、高品質の双極型二次電池３０が提供されうる。

絶縁層４３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等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、ゴム等が用いられうる。なかでも、耐蝕性、耐薬品性、作り易さ（製膜性）、経済性等の観点から、ポリエチレン樹脂やポリプロピレン樹脂が、絶縁層４３の構成材料として好ましく用いられる。

（正極タブおよび負極タブ）
電池外部に電流を取り出す目的で、各集電体に電気的に接続されたタブ（正極タブ３８および負極タブ３９）が電池外装材の外部に取り出されている。具体的には、図２に示すように正極側最外層集電体３１ａに電気的に接続された正極タブ３８と負極側最外層集電体３１ｂに電気的に接続された負極タブ３９とが、ラミネートフィルム４２の外部に取り出される。

タブ（正極タブ３８および負極タブ３９）を構成する材料は、特に制限されず、リチウムイオン電池用のタブとして従来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、銅等が好ましい。なお、正極タブ３８と負極タブ３９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。

［正極端子リードおよび負極端子リード］
正極端子リード４０および負極端子リード４１は、必要に応じて使用する。例えば、正極側最外層集電体３１ａおよび負極側最外層集電体３１ｂから出力電極端子となる正極タブ３８および負極タブ３９を直接取り出す場合には、正極端子リード４０および負極端子リード４１は用いなくてもよい。

正極端子リード４０および負極端子リード４１の材料は、従来公知のリチウムイオン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、ラミネートフィルム４２から取り出された部分は、周辺機器や配線等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等により被覆するのが好ましい。

［電池外装材］
電池外装材としては、従来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（発電要素）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、ポリプロピレン、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。本発明では、高出力化や冷却性能に優れ、ＥＶ、ＨＥＶ用等の大型機器用電池に好適に利用することができるラミネートフィルムが望ましい。

＜組電池＞
本発明の組電池は、上記双極型二次電池が、複数電気的に接続されてなる。図３は、本発明の一実施形態である組電池を示す斜視図である。図３に示すように、組電池３００は、上記の双極型二次電池が複数個接続されることにより構成される。各双極型二次電池の正極タブおよび負極タブがバスバーを用いて接続されることにより、各双極型二次電池が接続されている。組電池３００の一の側面には、組電池３００全体の電極として、電極ターミナル（３２０、３３０）が設けられている。

組電池を構成する複数個の双極型二次電池を接続する際の接続方法は特に制限されず、従来公知の手法が適宜採用されうる。例えば、超音波溶接、スポット溶接等の溶接を用いる手法や、リベット、カシメ等を用いて固定する手法が採用されうる。かような接続方法によれば、組電池の長期信頼性が向上しうる。

本実施形態の組電池によれば、上記の双極型二次電池を用いて組電池化することで、容量特性が充分に確保されつつ、高出力条件下においても充分な出力を発揮しうる組電池が提供されうる。なお、組電池を構成する双極型二次電池の接続は、複数個全て並列に接続してもよく、また、複数個全て直列に接続してもよく、さらに、直列接続と並列接続とを組み合わせてもよい。

＜車両＞
本発明の双極型二次電池は、単独でまたは上述した組電池の形態で、車両に搭載されうる。車両に搭載された電池は、例えば、車両のモータを駆動する電源として用いられうる。双極型二次電池または組電池をモータ用電源として用いる車両としては、例えば、ガソリンを用いない完全電気自動車、シリーズハイブリッド自動車やパラレルハイブリッド自動車等のハイブリッド自動車、および燃料電池自動車等の、車輪をモータによって駆動する自動車が挙げられる。

参考までに、図４に、組電池３００を搭載する自動車４００の概略図を示す。自動車４００に搭載される組電池３００は、上記で説明したような特性を有する。このため、自動車４００に組電池３００を搭載することで、自動車４００の出力特性および容量特性が向上し、さらには、自動車４００のより一層の軽量化および小型化が可能となる。

本発明の作用効果を、以下の実施例および比較例を用いて説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。以下の実施例および比較例では、基材に分散される導電性カーボンの含有量を変化させた際の、集電体の成形性、体積抵抗、および空孔率を評価した。

＜集電体の作製＞
［実施例１］
高分子材料として低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ、直鎖状、真密度：０．９７ｇ／ｃｍ３）１００質量部を１８０℃で融解し、これに導電性カーボンとして粒子状カーボン（ケッチェンブラック（ＥＣ−６００ＪＤ、ライオン株式会社製）１０質量部を添加して、ローラーブレード方式の混練装置を用いて粒子状カーボンが略均一に分散するように１０分間、１００ｒｐｍで混練した。得られた混合物を押出成形装置（Ｔダイ）を用いて、リップ幅１００μｍとして、厚さ１００μｍのフィルム状の集電体を作製した。

［実施例２］
高分子材料として高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ、直鎖状、真密度：０．９７ｇ／ｃｍ３）１００質量部を１９０℃で融解したこと以外は、実施例１と同様の方法で集電体を作製した。

［実施例３］
高分子材料としてランダムポリプロピレン（ＰＰ、ランダム構造、真密度：０．９ｇ／ｃｍ３）１００質量部を１９０℃で融解したこと以外は、実施例１と同様の方法で集電体を作製した。

［実施例４］
高分子材料としてブロックポリプロピレン（ＰＰ、ブロック構造、真密度：０．９ｇ／ｃｍ３）１００質量部を１９０℃で融解したこと以外は、実施例１と同様の方法で集電体を作製した。

［実施例５］
粒子状カーボン２０質量部を添加したこと以外は、実施例１と同様の方法で集電体を作製した。

［実施例６］
粒子状カーボン２０質量部を添加したこと以外は、実施例２と同様の方法で集電体を作製した。

［実施例７］
粒子状カーボン２０質量部を添加したこと以外は、実施例３と同様の方法で集電体を作製した。

［実施例８］
粒子状カーボン３０質量部を添加したこと以外は、実施例１と同様の方法で集電体を作製した。

［比較例１］
粒子状カーボンを添加しなかったこと以外は、実施例１と同様の方法で集電体を作製した。

［比較例２］
粒子状カーボン４０質量部を添加したこと以外は、実施例１と同様の方法で集電体を作製した。

＜成形性の評価＞
成形性は、上記で作製した集電体が、目視により、シートが連続体であることが目視により確認できるものを良（○）と評価した。一方、シートが切断されて巻き取れないものや、目視によりシートに亀裂が確認できるものを不良（×）として評価した。

＜体積抵抗の測定＞
体積抵抗は、抵抗率測定装置（ロレスターＧＰ ＭＣＰ−Ｔ６００、三菱化学株式会社製）を用いて、四探針抵抗測定方法によって測定した。

＜空孔率の測定＞
空孔率は、集電体の単位面積あたりの質量、および集電体を構成する部材の真密度から、下記数式１〜３を用いて算出した。ここで、「集電体密度」とは、集電体内の空孔を含めた密度をいい、「真密度」とは、集電体内または部材内の空孔を含めない密度をいう。

結果を表１に示す。

表１に示すように、フィルムの成形性は、使用する高分子材料の種類によって異なるが、低密度ポリエチレンを用いた場合は実施例８のように少なくとも導電性カーボン含有量が３０質量部までは成形が可能であった。また、導電性カーボンの含有量が大きくなるにつれて、体積抵抗が低減し、集電体の導電性が高まることが示された。一方、導電性カーボンの含有量が大きくなるにつれて、空孔率は増大することが示された。これは導電性カーボンの添加により、高分子材料の伸び性が低下するために、フィルム状に成形する際に微細な空孔が生じるものと考えられた。

＜集電体の観察＞
実施例８で作製した集電体の表面をＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）を用いて観察した。図５に示すように、基材である高分子材料中に導電性カーボンが均一に分散されている様子が確認された。

本発明の双極型二次電池用集電体の一実施形態を模式的に表した断面図である。 本発明の双極型二次電池の一実施形態を模式的に表した断面図である。 本発明の組電池を示す斜視図である。 本発明の組電池を搭載する車両の概略図である。 実施例８で作製した集電体のＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）写真である。

符号の説明

１０ 集電体、
１１ 基材、
１２ 導電性カーボン、
１３ 粒子状カーボン、
１４ 繊維状カーボン、
３０ 双極型二次電池、
３１ 集電体、
３１ａ 正極側最外層集電体、
３１ｂ 負極側最外層集電体、
３２ 正極活物質層、
３３ 電解質層、
３４ 双極型二次電池用電極、
３４ａ、３４ｂ 最外層に位置する電極、
３５ 負極活物質層、
３６ 単電池層、
３７ 発電要素、
３８ 正極タブ（端子）、
３９ 負極タブ（端子）、
４０ 正極端子リード、
４１ 負極端子リード、
４２ ラミネートフィルム、
４３ 絶縁層、
３００ 組電池、
３２０、３３０ 電極ターミナル、
４００ 車両。

Claims (10)

1. 高分子材料からなる基材と、
   前記基材に分散された導電性カーボンとを含み、
   前記導電性カーボンの含有量が、前記基材１００質量部に対して、１質量部以上４０質量部未満であり、
   空孔率が５％未満である、双極型二次電池用集電体。
2. 前記導電性カーボンの含有量が、前記基材１００質量部に対して、１０〜３０質量部である、請求項１に記載の双極型二次電池用集電体。
3. 前記導電性カーボンが、中空構造を有する、請求項１または２に記載の双極型二次電池用集電体。
4. 前記導電性カーボンが、粒子状カーボンおよび繊維状カーボンを含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の双極型二次電池用集電体。
5. 前記高分子材料が、ポリエチレンまたはポリプロピレンを含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の双極型二次電池用集電体。
6. 前記ポリエチレンが低密度ポリエチレンであり、
   前記ポリプロピレンが、ランダムポリプロピレンまたはブロックポリプロピレンである、請求項５に記載の双極型二次電池用集電体。
7. 前記導電性カーボンが、ケッチェンブラックである、請求項３に記載の双極型二次電池用集電体。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の双極型二次電池用集電体と、前記双極型二次電池用集電体の表面に位置する活物質層とを有する、双極型二次電池用電極。
9. 請求項８に記載の双極型二次電池用電極を有する、双極型二次電池。
10. 高分子材料に導電性カーボンを混練し、成形して、フィルムを形成する段階を含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の双極型二次電池用集電体の製造方法。