JP5463803B2 - 薄膜電極および積層型電池 - Google Patents
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Description
本発明は、薄膜電極および積層型電池に関するものである。
リチウムイオン電池などの二次電池においては、充放電に伴い電極活物質が体積変化するため、電極活物質の体積変化によって金属箔からなる集電体に応力がかかり、集電体にシワが発生し、その結果、二次電池の特性が劣化してしまうという問題があった。このような集電体に発生するシワを抑制するために、たとえば、特許文献１では、集電体に長さが１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であるスリットを設ける技術が開示されている。
しかしながら、上記従来技術においては、集電体の延び代が大きい辺（集電体の圧延方向と垂直な辺）にタブが設けられることとなるため、電極活物質の体積変化が発生した場合に、タブにより固定されている部分において集電体が延びることができない一方で、その他の部分においては集電体が大きく延びてしまうため、タブにより固定されている部分付近でシワが発生してしまうという問題があった。
本発明が解決しようとする課題は、リチウムイオン電池などに用いられる薄膜電極において、電池の充放電に伴う電極活物質の体積変化による集電体のシワの発生を防止し、これにより集電体のシワの発生に起因する二次電池の特性劣化を防止可能な薄膜電極を提供することにある。
本発明は、集電体に設けられるタブの取り出し方向を、集電体の圧延方向と垂直な方向とすることにより、上記課題を解決する。
本発明によれば、集電体上におけるタブの形成領域を、集電体の延び代の小さい方向である圧延方向に沿った方向を有するものとすることができるため、タブにより固定され、拘束されている部分付近におけるシワの発生を抑制することができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態に係る薄膜電極１を示す平面図である。図１に示すように、薄膜電極１は、集電体２と、集電体２の主面のうち一部に形成された活物質層３と、集電体２に接合されたタブ４とを有する。なお、薄膜電極１は、各種二次電池用の電極として用いることができるが、本実施形態では、薄膜電極１がリチウムイオン二次電池用の負極である場合を例示して、以下説明を行なう。
活物質層３は、リチウムイオン二次電池用の負極活物質を含有する層である。負極活物質としては、たとえば、カーボンや、リチウム遷移金属酸化物、リチウムと合金を形成可能な金属およびその合金などが挙げられる。これらのなかでも、高いエネルギー密度を有し、これにより薄膜電極１の薄膜化を可能とすることができることから、負極活物質として、リチウムと合金を形成可能な金属およびその合金が好ましく用いられる。このようなリチウムと合金を形成可能な金属およびその合金としては、シリコン（Ｓｉ）、スズ（Ｓｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、鉛（Ｐｂ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ナトリウム（Ｎａ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）およびこれらの合金が挙げられ、なかでも、Ｓｉ、Ｓｎおよびこれらの合金が好ましい。
活物質層３の形成方法としては、特に限定されないが、負極活物質として、リチウムと合金を形成可能な金属およびその合金を用いる場合には、集電体２と、活物質層３との密着性を向上させるという観点より、抵抗加熱を用いた蒸着法、スパッタ蒸着法、ＣＶＤ法、真空蒸着法、パルスレーザ蒸着法、分子線エピタキシー法、電子ビーム蒸着法、イオンビーム蒸着法、無電解めっき法、電気めっき法などが挙げられる。これらの方法により、活物質層３を形成することにより、集電体２と、活物質層３との間の密着性を高くすることができる。
集電体２は、厚さが、好ましくは５〜３０μｍ、より好ましくは１０〜２０μｍである圧延金属箔から構成される。集電体２の材質としては、特に限定されないが、Ｎｉ、Ｃｕ、ステンレス、またはＮｉ合金、Ｃｕ合金などが挙げられ、これらのなかでもＣｕ（すなわち、圧延銅箔）が好ましい。
図２は、薄膜電極１を構成する集電体２およびタブ４を示す平面図である。すなわち、図２は、薄膜電極１において、活物質層３が形成されていない状態を示している。図２に示すように、集電体２には、複数のスリット２０が形成されており、これらスリット２０のスリット方向は、集電体２の圧延方向と垂直、かつ、後述するタブ４の取り出し方向と平行となっている。なお、集電体２の圧延方向とは、圧延金属箔からなる集電体２を作製する際の圧延工程における金属箔の流れ方向を意味する。そのため、集電体２を形成するための圧延金属箔が、所定幅を有する長尺状のものであり、これがロール状に巻き取られたものである場合には、通常、圧延金属箔の長手方向（幅方向と直交する方向）となる。なお、集電体２は、圧延方向の強度が高いため、活物質層３を構成する活物質にリチウムが挿入・脱離することによって、集電体２に応力がかかった場合でも、圧延方向においては、他の方向と比較して、延び代が小さい（圧延方向には延び難い）という性質を有している。
また、本実施形態では、集電体２が複数回にわたって圧延処理がされたものであり、かつ、この場合における圧延方向が異なる場合には、最も強く圧延が行われた方向を、集電体２の圧延方向とする。
なお、スリット２０のスリット方向は、集電体２の圧延方向と厳密に垂直である必要はなく、集電体２の圧延方向と垂直な方向から若干ずれていてもよい。また、集電体２に形成するスリット２０の数や長さは特に限定されず、適宜設定すればよい。さらに、スリット２０は、線状に形成されていればよく、必ずしも線幅を設ける必要はないが、必要に応じて線幅を設けてもよい。
タブ４は、図１に示すように、集電体２の活物質層３が形成されていない部分に、超音波溶接や抵抗溶接などにより接合されている。タブ４の材質としては、特に限定されないが、例えば、ニッケル、銅、ステンレス、鉄などで構成することができる。本実施形態では、図２に示すように、タブ４は、その取り出し方向が、集電体２の圧延方向と垂直な方向であり、かつ、スリット２０のスリット方向と平行な方向となるように形成されている。ここで、タブ４の取り出し方向は、集電体２からタブ４を突出させる方向、あるいはタブ４の形成位置に位置する集電体２の辺と垂直な方向であり、本実施形態では、図２に示すように、タブ４の取り出し方向を、集電体２の圧延方向と垂直な方向であり、かつ、スリット２０のスリット方向と平行な方向としている。そして、本実施形態では、タブ４を、その取り出し方向が、集電体２の圧延方向と垂直な方向となるように形成することで、集電体２上におけるタブ４の形成領域４０を、集電体２の圧延方向に沿ったものとすることができる。
ここで、活物質層３を構成する活物質にリチウムが挿入・脱離することによって、活物質層３の体積変化が起こり、これにより集電体２に応力がかかると、活物質層３の体積変化に応じて、集電体２も延び縮みする傾向にある一方で、集電体２に接合されているタブ４は、集電体２と伸縮率が異なるものである。そのため、従来においては、タブ４に拘束されていることで延びが制限されているタブ４の形成領域４０と、該形成領域４０周辺とでシワが発生し易くなる場合があった。特に、この問題は、負極活物質として、リチウムと合金を形成可能な金属およびその合金を用いた場合には、これらリチウムと合金を形成可能な金属およびその合金と、集電体２との密着性が高いため、顕著となる傾向にあった。
これに対して、本実施形態では、集電体２上におけるタブ４の形成領域４０を、集電体２の圧延方向に沿ったものとすることにより、上述したように、活物質層３を構成する活物質にリチウムが挿入・脱離することにより集電体２に応力がかかった場合でも、集電体２の圧延方向においては、他の方向と比較して、延び代が小さい（圧延方向には延び難い）という性質を利用するものである。そして、これにより、本実施形態によれば、タブ４に拘束されていることで延びが制限されているタブ４の形成領域４０と、該形成領域４０周辺とにおける、延び量の差を小さくすることができ、結果として、延び量の差に起因する、集電体２のシワの発生を有効に防止することができるものである。
加えて、本実施形態では、図２に示すように、集電体２を圧延方向に沿った方向を短辺とし、圧延方向と垂直な方向を長辺とするものとし、かつ、集電体２の短辺側の端部付近に、タブ４を接合する構成としている。このような構成することにより、上述した延び量の差に起因する、集電体２のシワの発生の防止効果をより高めることが可能となる。
なお、タブ４の取り出し方向は、集電体２の圧延方向と厳密に垂直である必要はなく、集電体２の圧延方向と垂直な方向から若干ずれていてもよい。
本実施形態の薄膜電極１は以上のような構成を有する。
次いで、このような本実施形態の薄膜電極を用いて得られる二次電池について説明する。
図３は本実施形態に係る二次電池１０の平面図、図４は図３のIV-IV線に沿った二次電池１０の断面図である。なお、このような二次電池１０としては、リチウムイオン電池などのリチウム系の薄型二次電池が挙げられる。
図３は本実施形態に係る二次電池１０の平面図、図４は図３のIV-IV線に沿った二次電池１０の断面図である。なお、このような二次電池１０としては、リチウムイオン電池などのリチウム系の薄型二次電池が挙げられる。
二次電池１０は、図３、図４に示すように、３枚の正極板１０２、７枚のセパレータ１０３、３枚の負極板１０４を有する電極積層体１０１と、当該電極積層体１０１にそれぞれ接続された正極タブ１０５および負極タブ１０６と、これら電極積層体１０１および正極タブ１０５、負極タブ１０６を収容して封止している上部外装部材１０７および下部外装部材１０８と、特に図示しない電解液とから構成されている。
なお、正極板１０２、セパレータ１０３、負極板１０４の枚数は特に限定されず、１枚の正極板１０２、３枚のセパレータ１０３、１枚の負極板１０４で、電極積層体１０１を構成してもよいし、また、必要に応じて正極板１０２、セパレータ１０３および負極板１０４の枚数を適宜選択してもよい。
電極積層体１０１を構成する正極板１０２は、正極タブ１０５まで伸びている正極側集電体１０４ａ、および正極側集電体１０４ａの一部の両主面にそれぞれ形成された正極活物質層とを有している。正極板１０２を構成する正極側集電体１０４ａとしては、たとえば、厚さ２０μｍ程度のアルミニウム箔、アルミニウム合金箔、銅箔、または、ニッケル箔等の電気化学的に安定した金属箔で構成することができる。
また、この正極板１０２を構成する正極活物質層は、金属酸化物等の正極活物質と、カーボンブラック等の導電剤と、ポリフッ化ビニリデンや、ポリ四フッ化エチレンの水性ディスパージョン等の接着剤とを混合したものを、正極側集電体１０４ａの一部の主面に塗布し、乾燥および圧延することにより形成されている。正極活物質としては、例えば、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ２Ｏ４）、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）等のリチウム複合酸化物や、カルコゲン（Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ）化物等を挙げることができる。
そして、これら３枚の正極板１０２を構成する各正極側集電体１０２ａが、正極タブ１０５に接合されている。正極タブ１０５としては、たとえば、厚さ０．２ｍｍ程度のアルミニウム箔、アルミニウム合金箔、銅箔、または、ニッケル箔等を用いることができる。
電極積層体１０１を構成する負極板１０４は、負極タブ１０６まで伸びている負極側集電体１０４ａと、当該負極側集電体１０４ａの一部の両主面にそれぞれ形成された負極活物質層とを有している。
本実施形態の二次電池１０では、この負極板１０４および負極タブ１０６として、上述した薄膜電極１を用いている。すなわち、負極板１０４を構成する負極側集電体１０４ａは、上述した薄膜電極１の集電体２に、負極板１０４を構成する負極活物質層は、上述した薄膜電極１の活物質層３に、負極タブ１０６は、上述した薄膜電極１のタブ４に、それぞれ相当している。
なお、本実施形態の二次電池１０では、３枚の負極板１０４は、負極板１０４を構成する各負極側集電体１０４ａが、単一の負極タブ１０６に接合されるような構成となっている。すなわち、本実施形態の二次電池１０では、各負極板１０４は、単一の共通の負極タブ１０６に接合された構成となっている。
電極積層体１０１のセパレータ１０３は、上述した正極板１０２と負極板１０４との短絡を防止するもので、電解質を保持する機能を備えても良い。このセパレータ１０３は、例えば、厚さ２５μｍ程度のポリエチレン（ＰＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン等から構成される微多孔性膜であり、過電流が流れると、その発熱によって、層の空孔が閉塞され、電流を遮断する機能をも有するものである。
そして、図４に示すように、正極板１０２と負極板１０４とは、セパレータ１０３を介して、交互に積層され、さらに、その最上層および最下層にセパレータ１０３がそれぞれ積層されており、これにより、電極積層体１０１が形成されている。
二次電池１０に含有される電解液は、有機液体溶媒に過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ４）、ホウフッ化リチウム（ＬｉＢＦ４）、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）、六フッ化砒素リチウム（ＬｉＡｓＦ６）などのリチウム塩を溶質として溶解させた液体である。電解液を構成する有機液体溶媒としては、たとえば、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、ギ酸メチル（ＭＦ）、酢酸メチル（ＭＡ）、プロピオン酸メチル（ＭＰ）等のエステル系溶媒を挙げることができ、これらは混合して用いることができる。
以上のように構成されている電極積層体１０１は、上部外装部材１０７および下部外装部材１０８（封止手段）に収容されて封止されている。電極積層体１０１を風刺するための上部外装部材１０７および下部外装部材１０８は、たとえば、ポリエチレンやポリプロピレンなどの樹脂フィルムや、アルミニウムなどの金属箔の両面をポリエチレンやポリプロピレンなどの樹脂でラミネートした、樹脂−金属薄膜ラミネート材など、柔軟性を有する材料で形成されており、これら上部外装部材１０７および下部外装部材１０８を熱融着することにより、正極タブ１０５および負極タブ１０６を外部に導出させた状態で、電極積層体１０１が封止されることとなる。
なお、正極タブ１０５および負極タブ１０６には、上部外装部材１０７および下部外装部材１０８と接触する部分に、上部外装部材１０７および下部外装部材１０８との密着性を確保するために、シールフィルム１０９が設けられている。シールフィルム１０９としては、特に限定されないが、たとえば、ポリエチレン、変性ポリエチレン、ポリプロピレン、変性ポリプロピレン、または、アイオノマー等の耐電解液性及び熱融着性に優れた合成樹脂材料から構成することができる。
本実施形態の薄膜電極を用いて得られる二次電池１０は、以上のように構成される。
本実施形態においては、薄膜電極１のタブ４を、その取り出し方向が、集電体２の圧延方向と垂直な方向となるように形成しており、これにより、集電体２上におけるタブ４の形成領域４０を、集電体２の圧延方向に沿ったものとすることができる。すなわち、本実施形態においては、タブ４による集電体２の拘束方向が、圧延方向に沿った方向となるように、タブ４を形成している。そのため、本実施形態によれば、活物質層３を構成する活物質にリチウムが挿入・脱離することによって、集電体２に応力がかかった場合でも、集電体２の圧延方向においては、他の方向と比較して、延び代が小さいという性質を利用し、タブ４に拘束されていることで延びが制限されているタブ４の形成領域４０と、該形成領域４０周辺とにおける、延び量の差を小さくすることができる。そして、その結果として、集電体２上におけるタブ４の形成領域４０付近における、延び量の差に起因する集電体２のシワの発生を有効に防止することができる。
さらに、本実施形態によれば、スリット２０のスリット方向を集電体２の圧延方向と垂直な方向、すなわち、タブ４の取り出し方向と平行な方向としているため、活物質層３を構成する活物質にリチウムが挿入・脱離することによって、集電体２に応力がかかった場合に、タブ４の取り出し方向と垂直な方向にかかる応力をスリット２０により吸収させることができ、これにより、タブ４による集電体２の拘束方向（すなわち、タブ４の取り出し方向と垂直な方向）における、集電体２にかかる応力を分散することができる。そして、その結果として、タブ４による集電体２の拘束方向（すなわち、タブ４の取り出し方向と垂直な方向）における、集電体２の延び量を低減することができ、これにより、タブ４に拘束されていることで延びが制限されているタブ４の形成領域４０と、該形成領域４０周辺とにおける、延び量の差をより小さくすることができ、結果として、集電体２上におけるタブ４の形成領域４０付近における、延び量の差に起因する集電体２のシワの発生を有効に防止することができる。
そして、このような本実施形態によれば、薄膜電極１における、集電体２のシワの発生を防止することで、薄膜電極１をリチウム二次電池などの二次電池に用いた場合に、サイクル特性などの各種電池特性の向上を図ることができる。特に、図３、図４に示すような積層型の二次電池１０においては、巻回型の二次電池と比較して、その構造上、各電極に加圧される力が小さくなり、そのため、集電体にシワが発生し易いという性質があるため、本実施形態の薄膜電極１は、このような積層型の二次電池１０に好適に用いることができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、これらの実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
たとえば、上述の実施形態においては、本発明に係る薄膜電極として、図１、図２に示すような構成を有する薄膜電極１を例示したが、図５、図６に示すような構成を有するものとしてもよい。ここで、図５は、他の実施形態に係る薄膜電極１ａを示す平面図であり、図６は、他の本実施形態に係る薄膜電極１ａを構成する集電体およびタブを示す平面図である。
図５に示すように、薄膜電極１ａは、集電体２ａと、集電体２ａの主面のうち一部に形成された活物質層３ａと、集電体２ａに接合されたタブ４ａとを有するものであり、また、図６に示すように、集電体２ａには、複数のスリット２０ａが形成されており、薄膜電極１ａは、集電体２ａのタブ４ａを形成するための部分における幅が、活物質層３ａが形成されている部分における幅と比較して、狭くなっている以外は、上述した薄膜電極１と同様の構成を有するものである。
そして、このような薄膜電極１ａによれば、上述の薄膜電極１における効果に加えて、集電体２ａのタブ４ａを形成するための部分における幅を狭く形成しているため、集電体２ａに応力がかかった場合に、タブ４の形成領域４０周辺における延び量を小さくすることができ、その結果として、タブ４に拘束されていることで延びが制限されているタブ４の形成領域４０と、該形成領域４０周辺とにおける、延び量の差をさらに小さくすることができる。そして、これにより、集電体２上におけるタブ４の形成領域４０付近における、延び量の差に起因する集電体２のシワの発生の防止効果の更なる向上が可能となる。
１，１ａ…薄膜電極
２，２ａ…集電体
２０，２０ａ…スリット
３，３ａ…活物質層
４，４ａ…タブ
１０…二次電池
１０１…電極積層体
１０２…正極板
１０３…セパレータ
１０４…負極板
１０５…正極タブ
１０６…負極タブ
２，２ａ…集電体
２０，２０ａ…スリット
３，３ａ…活物質層
４，４ａ…タブ
１０…二次電池
１０１…電極積層体
１０２…正極板
１０３…セパレータ
１０４…負極板
１０５…正極タブ
１０６…負極タブ
Claims (5)
- 圧延金属箔からなる集電体と、
前記集電体上に形成された活物質層と、
前記集電体に接合されるタブと、を備え、
前記タブの取り出し方向が、前記集電体の圧延方向と垂直な方向であることを特徴とする積層型電池用の薄膜電極。 - 請求項１に記載の薄膜電極において、
前記集電体には、１または２以上のスリットが形成されており、
前記スリットのスリット方向が、前記タブの取り出し方向と平行な方向であることを特徴とする薄膜電極。 - 請求項１または２に記載の薄膜電極において、
前記集電体は、前記集電体の圧延方向と平行な短辺を有し、
前記タブは、前記集電体の短辺側の端部付近において、前記集電体に接合されていることを特徴とする薄膜電極。 - 請求項１〜３のいずれかに記載の薄膜電極において、
前記集電体の前記タブが接合される部分における幅が、前記集電体の前記活物質層が形成されている部分の幅よりも狭くなっていることを特徴とする薄膜電極。 - 請求項１〜４のいずれかに記載の薄膜電極を、セパレータを介して積層してなる積層型電池。
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