JP6535662B2 - 集電体用金属箔の製造方法 - Google Patents
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Description
底面部と、該底面部を取り囲み、該底面部よりも隆起したエッジ部とを有する凹状部が上記粗面化された表面に多数存在しており、
上記凹状部のフェレー径の平均Laveが6.3μm以上50μm以下であることを特徴とする集電体用金属箔にある。
一対の上記粗面化ロールの間に銅、銅合金またはステンレス鋼合金からなる金属箔を1パス以上通して上記粗面化ロールの表面形状を転写する転写工程を行うことにより、周囲よりも陥没した底面部と、該底面部を取り囲み、該底面部よりも隆起したエッジ部とを有する凹状部を表面に多数形成し、上記凹状部のフェレー径の平均Laveが6.3μm以上50μm以下となるように上記金属箔の粗面化を行うことを特徴とする集電体用金属箔の製造方法にある。
上記金属箔の材質としては、従来集電体に用いられている金属を採用することができる。例えば、リチウムイオン二次電池またはリチウムイオンキャパシタの正極集電体に用いる金属箔としては、アルミニウムまたはステンレス鋼等を用いることができる。また、負極集電体に用いる金属箔としては、銅、銅合金、ステンレス鋼、ニッケルまたは鉄等を用いることができる。また、電気二重層キャパシタの集電体に用いる金属箔としては、正極集電体及び負極集電体のいずれにもアルミニウム、銅、銅合金、ステンレス鋼、ニッケルまたは鉄等を用いることができる。なお、上記の「アルミニウム」には、アルミニウム合金が含まれる。
上記金属箔は、予め準備した一対の粗面化ロールを用い、粗面化ロールの表面形状を金属箔に転写する転写工程を行うことにより作製することができる。
一対の粗面化ロールは、少なくとも一方のロールに粗面化処理を施した後、粗面化表面にめっき処理を施して多数の凸部を有するクロムめっき膜を形成し、その後、クロムめっき膜における凸部の頂部を潰すことにより作製できる。粗面化ロールの作製に用いられるロールとしては、例えば、エンボスロールや圧延ロールを用いることができる。粗面化処理及びクロムめっき膜の形成は、一対のロールのうち一方のロールのみに行っても良く、両方のロールに行っても良い。
上記のようにして得られた一対の粗面化ロールの間に金属箔を1パス以上通して粗面化ロールの表面形状を転写する工程を行うことにより、上記凸部の形状が金属箔の表面に転写される。その結果、金属箔の表面に凹状部を形成し、粗面化することができる。転写工程において、金属箔を一対の粗面化ロールの間に通すパス数は、得ようとする金属箔の特性に応じて適宜設定することができる。即ち、金属箔を一対の粗面化ロールの間に通す回数を増やすことにより、より多数の凹状部を形成することができる。
上記金属箔を用いた集電体の構成例を以下に説明する。集電体は、上記金属箔の粗面化された表面に、活物質を含有する活物質含有層を有している。活物質の平均二次粒子径daveは、0.5μm以上50μm以下であることが好ましい。活物質粒子は、凹状部の寸法と同等の粒径または凹状部よりもわずかに大きい粒径を有する場合に凹状部に嵌り易くなる。上記特定の範囲の平均二次粒子径daveを有する活物質を用いることにより、凹状部の寸法と同等の粒径を有する活物質粒子が活物質含有層に多数含まれるため、密着性向上の効果及び接触抵抗低減の効果を十分に得ることができる。なお、活物質の平均二次粒子径daveは、レーザー回折式粒度分布測定装置を用いて取得した粒度分布における、累積度数が体積百分率で50%となる粒子径(D50)の値とする。
一対の粗面化ロール6を、以下の手順により予め準備した。まず、一対の圧延ロール60に粒径40μmの投射グリッド粒子を用いてショットダル加工を施し、両方の圧延ロール60の表面600を図3に示すように粗面化した。次いで、圧延ロール60の表面600にクロムめっき処理を施し、クロムめっき膜61を形成した。クロムめっき処理は、無水クロム酸250g/L及び硫酸2.5g/Lを含むサージェント浴にて実施し、温度50℃、電流密度30A/dm2の条件で行った。クロムめっき膜61の膜厚は5μmとした。図4に示すように、クロムめっき膜61は、表面600の尖った部分に優先的に付着することにより、略球面状の凸部610を多数有していた。
投射グリッド粒子の粒径及びクロムめっき膜61の頂部を潰す工程における圧延荷重を表1に示す条件に変更した以外は、実施例1と同様にして一対の粗面化ロール6を作製した。得られた粗面化ロール6を用い、実施例1と同様の条件により厚さ10μmの圧延銅箔に表面形状を転写して金属箔E2を得た。金属箔E2における凹状部4のフェレー径の平均Laveは10.1μmであり、凹状部4の深さは、最も深いもので2.0μmであった。
投射グリッド粒子の粒径及びクロムめっき膜61の頂部を潰す工程における圧延荷重を表1に示す条件に変更した以外は、実施例1と同様にして一対の粗面化ロール6を作製した。得られた粗面化ロール6を用い、実施例1と同様の条件により厚さ10μmの圧延銅箔に表面形状を転写して金属箔E3を得た。
投射グリッド粒子の粒径及びクロムめっき膜61の頂部を潰す工程における圧延荷重を表1に示す条件に変更した以外は、実施例1と同様にして一対の粗面化ロール6を作製した。得られた粗面化ロール6を用い、実施例1と同様にして厚さ10μmの圧延銅箔に表面形状を転写して金属箔E4を得た。金属箔E4における凹状部4のフェレー径の平均Laveは2.4μmであり、凹状部4の深さは、最も深いもので1.7μmであった。
投射グリッド粒子の粒径及びクロムめっき膜61の頂部を潰す工程における圧延荷重を表1に示す条件に変更した以外は、実施例1と同様にして一対の粗面化ロール6を作製した。得られた粗面化ロール6を用い、実施例1と同様にして厚さ10μmの圧延銅箔に表面形状を転写して金属箔E5を得た。金属箔E5における凹状部4のフェレー径の平均Laveは43.0μmであり、凹状部4の深さは、最も深いもので2.2μmであった。
投射グリッド粒子の粒径及びクロムめっき膜61の頂部を潰す工程における圧延荷重を表1に示す条件に変更した以外は、実施例1と同様にして一対の粗面化ロール6を作製した。得られた粗面化ロール6を用い、実施例1と同様にして厚さ10μmの圧延銅箔に表面形状を転写して金属箔E6を得た。金属箔E6における凹状部4のフェレー径の平均Laveは6.3μmであり、凹状部4の深さは、最も深いもので2.8μmであった。
比較例1の金属箔C1としては、粗面化ロール6の表面形状を転写していない、タフピッチ銅よりなる厚さ10μmの圧延銅箔を用いた。粗面化ロール6の表面形状が転写されていない金属箔C1の表面には、図7に示すSEM像のように、箔圧延時の圧延痕及び多数のオイルピットが存在しており、クレーター状を呈する凹状部4は存在していない。なお、オイルピットの深さは、最も深いもので1.2μmであった。
投射グリッド粒子の粒径及びクロムめっき膜61の頂部を潰す工程における圧延荷重を表1に示す条件に変更した以外は、実施例1と同様にして一対の粗面化ロール6を作製した。得られた粗面化ロール6を用い、実施例1と同様にして厚さ10μmの圧延銅箔に表面形状を転写して金属箔C2を得た。金属箔C2における凹状部4のフェレー径の平均Laveは0.2μmであり、凹状部4の深さは、最も深いもので1.6μmであった。
投射グリッド粒子の粒径及びクロムめっき膜61の頂部を潰す工程における圧延荷重を表1に示す条件に変更した以外は、実施例1と同様にして一対の粗面化ロール6を作製した。得られた粗面化ロール6を用い、実施例1と同様にして厚さ10μmの圧延銅箔に表面形状を転写して金属箔C3を得た。金属箔C3における凹状部4のフェレー径の平均Laveは58.2μmであり、凹状部4の深さは、最も深いもので2.2μmであった。
一対の粗面化ロール6を、以下の手順により予め準備した。まず、一対の圧延ロール60に粒径40μmの投射グリッド粒子を用いてショットダル加工を施し、両方の圧延ロール60の表面600を粗面化した。次いで、実施例1と同じ条件を用いて圧延ロール60の表面600にクロムめっき処理を施し、クロムめっき膜61を形成した。その後、クロムめっき膜61を形成した一対の圧延ロール60をワークロールとして、電池用両面光沢箔として構成された厚さ10μmの電解銅箔を圧延荷重1300MPaの条件で長さ300mに亘って圧延し、クロムめっき膜61における凸部610の頂部を潰す処理を行った。以上により、粗面化ロール6を作製した。
比較例4の金属箔C4としては、粗面化ロール6の表面形状を転写していない、電池用両面光沢箔として構成された厚さ10μmの電解銅箔を用いた。金属箔C4の表面には多数のオイルピットが存在しており、その深さは、最も深いもので1.3μmであった。なお、金属箔C4の表面には、クレーター状を呈する凹状部4は存在していない。
一対の粗面化ロール6を、以下の手順により予め準備した。まず、一対の圧延ロール60に粒径57μmの投射グリッド粒子を用いてショットダル加工を施し、両方の圧延ロール60の表面600を粗面化した。次いで、実施例1と同じ条件を用いて圧延ロール60の表面600にクロムめっき処理を施し、クロムめっき膜61を形成した。その後、クロムめっき膜61を形成した一対の圧延ロール60をワークロールとして、SUS304ステンレス鋼合金(以下、「SUS304合金」と略記する。)よりなる厚さ10μmのSUS(ステンレス鋼)箔を圧延荷重1300MPaの条件で長さ300mに亘って圧延し、クロムめっき膜61における凸部610の頂部を潰す処理を行った。以上により、粗面化ロール6を作製した。
比較例5の金属箔C5としては、粗面化ロール6の表面形状を転写していない、SUS304合金よりなる厚さ10μmのSUS箔を用いた。金属箔C5の表面には多数のオイルピットが存在しており、その深さは、最も深いもので1.3μmであった。なお、金属箔C5の表面には、クレーター状を呈する凹状部4は存在していない。
一対の粗面化ロール6を、以下の手順により予め準備した。まず、一対の圧延ロール60に粒径40μmの投射グリッド粒子を用いてショットダル加工を施し、両方の圧延ロール60の表面600を粗面化した。次いで、実施例1と同じ条件を用いて圧延ロール60の表面600にクロムめっき処理を施し、クロムめっき膜61を形成した。その後、クロムめっき膜61を形成した一対の圧延ロール60をワークロールとして、JIS A 1235合金よりなる厚さ15μmのAl(アルミニウム)箔を圧延荷重1300MPaの条件で長さ300mに亘って圧延し、クロムめっき膜61における凸部610の頂部を潰す処理を行った。以上により、粗面化ロール6を作製した。
投射グリッド粒子の粒径及びクロムめっき膜61の頂部を潰す工程における圧延荷重を表3に示す条件に変更した以外は、参考例2と同様にして一対の粗面化ロール6を作製した。得られた粗面化ロール6を用い、参考例2と同様の条件により厚さ15μmのAl箔に表面形状を転写して金属箔E10を得た。金属箔E10における凹状部4のフェレー径の平均Laveは12.4μmであり、凹状部4の深さは、最も深いもので2.1μmであった。
投射グリッド粒子の粒径及びクロムめっき膜61の頂部を潰す工程における圧延荷重を表3に示す条件に変更した以外は、参考例2と同様にして一対の粗面化ロール6を作製した。得られた粗面化ロール6を用い、参考例2と同様の条件により厚さ15μmのAl箔に表面形状を転写して金属箔E11を得た。金属箔E11における凹状部4のフェレー径の平均Laveは24.1μmであり、凹状部4の深さは、最も深いもので2.1μmであった。
投射グリッド粒子の粒径及びクロムめっき膜61の頂部を潰す工程における圧延荷重を表3に示す条件に変更した以外は、参考例2と同様にして一対の粗面化ロール6を作製した。得られた粗面化ロール6を用い、参考例2と同様の条件により厚さ15μmのAl箔に表面形状を転写して金属箔E12を得た。金属箔E12における凹状部4のフェレー径の平均は2.3μmであり、凹状部4の深さは、最も深いもので1.6μmであった。
投射グリッド粒子の粒径及びクロムめっき膜61の頂部を潰す工程における圧延荷重を表3に示す条件に変更した以外は、参考例2と同様にして一対の粗面化ロール6を作製した。得られた粗面化ロール6を用い、参考例2と同様の条件により厚さ15μmのAl箔に表面形状を転写して金属箔E13を得た。金属箔E13における凹状部4のフェレー径の平均Laveは48.1μmであり、凹状部4の深さは、最も深いもので2.2μmであった。
比較例6の金属箔C6としては、粗面化ロール6の表面形状を転写していない、厚さ15μmのAl箔を用いた。粗面化ロール6の表面形状が転写されていない金属箔C6の表面には、図9に示すSEM像のように、箔圧延時の圧延痕及び多数のオイルピットが存在しており、クレーター状を呈する凹状部4は存在していない。なお、オイルピットの深さは、最も深いもので1.2μmであった。
投射グリッド粒子の粒径及びクロムめっき膜61の頂部を潰す工程における圧延荷重を表3に示す条件に変更した以外は、参考例2と同様にして一対の粗面化ロール6を作製した。得られた粗面化ロール6を用い、参考例2と同様の条件により厚さ15μmのAl箔に表面形状を転写して金属箔C7を得た。金属箔C7における凹状部4のフェレー径の平均Laveは0.3μmであり、凹状部4の深さは、最も深いもので1.6μmであった。
投射グリッド粒子の粒径及びクロムめっき膜61の頂部を潰す工程における圧延荷重を表3に示す条件に変更した以外は、参考例2と同様にして一対の粗面化ロール6を作製した。得られた粗面化ロール6を用い、参考例2と同様の条件により厚さ15μmのAl箔に表面形状を転写して集電体用金属箔C8を得た。金属箔C8における凹状部4のフェレー径の平均Laveは61.4μmであり、凹状部4の深さは、最も深いもので2.1μmであった。
一対の粗面化ロール6を、以下の手順により予め準備した。まず、一対の圧延ロール60に粒径57μmの投射グリッド粒子を用いてショットダル加工を施し、両方の圧延ロール60の表面600を粗面化した。次いで、実施例1と同じ条件を用いて圧延ロール60の表面600にクロムめっき処理を施し、クロムめっき膜61を形成した。その後、クロムめっき膜61を形成した一対の圧延ロール60をワークロールとして、SUS304合金よりなる厚さ15μmのSUS(ステンレス鋼)箔を圧延荷重1300MPaの条件で長さ300mに亘って圧延し、クロムめっき膜61における凸部610の頂部を潰す処理を行った。以上により、粗面化ロール6を作製した。
比較例9の金属箔C9としては、粗面化ロール6の表面形状を転写していない、SUS304合金よりなる厚さ15μmのSUS箔を用いた。金属箔C9の表面には多数のオイルピットが存在しており、その深さは、最も深いもので1.3μmであった。なお、金属箔C9の表面には、クレーター状を呈する凹状部4は存在していない。
JIS C 6515:1998に規定された方法に準じて引張試験を行い、各金属箔の引張強さ及び伸びを測定した。その結果を表1及び表3に示す。
金属箔E1〜E8及び金属箔C1〜C5を用いて、以下の手順により、表1に示すリチウムイオン二次電池用の負極集電体(試験体1〜39)を準備した。その後、各試験体の電極抵抗及び充放電サイクル特性を評価した。
まず、負極活物質、結着剤及び増粘剤を溶媒に分散させた3種の負極活物質スラリーNa、Nb、Ncを作製した。スラリーNa、Nb及びNcの組成は以下の通りとした。なお、負極活物質の平均二次粒子径は、レーザー回折式粒度分布測定装置(島津製作所製「SALD−3100」)を用いて取得した粒度分布における、累積度数が体積百分率で50%となる粒子径(D50)の値である。
負極活物質:人造黒鉛粉末(平均二次粒子径7.2μm) 97質量部
結着剤:スチレンブタジエンラバー 1.5質量部
増粘剤:カルボキシメチルセルロース 1.5質量部
溶媒:水
負極活物質:人造黒鉛粉末(平均二次粒子径13.7μm) 97質量部
結着剤:スチレンブタジエンラバー 1.5質量部
増粘剤:カルボキシメチルセルロース 1.5質量部
溶媒:水
負極活物質:人造黒鉛粉末(平均二次粒子径25.5μm) 97質量部
結着剤:スチレンブタジエンラバー 1.5質量部
増粘剤:カルボキシメチルセルロース 1.5質量部
溶媒:水
正極として2.8cm2の作用面積(1.4cm×2.0cm)を有するリチウム金属を用い、負極として2.8cm2の作用面積(1.4cm×2.0cm)を有する試験体を用いたビーカーセルを作製した。なお、電解液としては、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとを体積比1:1で混合した溶媒に、濃度が1mol/dm3となるようにLiPF6を溶解させた溶液を用いた。また、正極と負極との間には、セパレータとして、厚さ480μmの多孔ポリプロピレンシートを2枚重ねて配置した。更に、2枚のポリプロピレンシートの間における正極及び負極に面しない端縁部に、厚さ100μmのリチウム金属箔を配置した。このリチウム金属箔は、負極と正極との分極状態を測定するための参照極として機能する。
上記の試験用セルを用い、充放電を100サイクル繰り返すサイクル試験を行い、各サイクルにおける放電容量を測定した。サイクル試験における1サイクル目の充電は、充電レートが0.05CAに到達するまで0.0Vの定電圧で充電した後、充電レートを0.1CAに固定した定電流で10時間の充電を行い、その後充電を停止した。次いで、放電レートを0.1CAに固定した定電流で放電を行い、セル電圧が1.5Vに到達した時点で放電を停止し、サイクルを完了した。なお、充放電レートの単位である「CA」は、充放電時の電流値(A)を試験用セルの公称容量(Ah)で除することにより得られる値である。
A+:活物質含有層が金属箔に付着しており、剥離が見られない状態
A:活物質含有層の剥離が見られたが、初期量の80%以上の活物質含有層が試験体に付着している状態
B:活物質含有層の剥離が見られたが、初期量の半分以上の活物質含有層が試験体に付着している状態
C:活物質含有層の剥離が見られ、初期量の半分未満の活物質含有層が試験体に付着している状態
電流休止法により、負極集電体の内部抵抗のうち、平衡成分とオーム成分とを分離した。平衡成分には電極の反応抵抗、拡散抵抗及びセパレータイオン拡散が含まれ、その分離はできないが、電極反応速度に関わる因子と解釈できる。また、オーム成分は材料や電解液の抵抗や各界面の接触抵抗など、電子伝導やイオン伝導に関わる抵抗を示す。
充放電の2サイクル目において放電開始時からセル容量の1/10が放電するまでに要した放電時間を記録し、100サイクル目の放電において、上記放電時間を用いて電流休止法による電極抵抗測定を行い、得られた測定曲線に基づいて平衡成分及びオーム成分を算出した。その結果を表2に示す。
金属箔E9〜E14及び金属箔C6〜C9を用いて、以下の手順により、表1に示すリチウムイオン二次電池用の正極集電体(試験体41〜70)を準備した。その後、各試験体の電極抵抗及び充放電サイクル特性を評価した。
まず、正極活物質、結着剤及び導電助剤を溶媒に分散させた3種の正極活物質スラリーPa、Pb、Pcを作製した。スラリーPa、Pb及びPcの組成は以下の通りとした。なお、正極活物質の平均二次粒子径は、負極活物質と同様に、レーザー回折式粒度分布測定装置(島津製作所製「SALD−3100」)を用いて取得した粒度分布における、累積度数が体積百分率で50%となる粒子径(D50)の値である。
正極活物質:コバルト酸リチウム粉末(平均二次粒子径7.0μm) 90質量部
結着剤:PVDF(ポリフッ化ビニリデン) 5質量部
導電助剤:アセチレンブラック 5質量部
溶媒:NMP
正極活物質:コバルト酸リチウム粉末(平均二次粒子径12.5μm) 97質量部
結着剤:PVDF(ポリフッ化ビニリデン) 5質量部
導電助剤:アセチレンブラック 5質量部
溶媒:NMP
正極活物質:コバルト酸リチウム粉末(平均二次粒子径26.3μm) 97質量部
結着剤:PVDF(ポリフッ化ビニリデン) 5質量部
導電助剤:アセチレンブラック 5質量部
溶媒:NMP
正極として2.8cm2の作用面積(1.4cm×2.0cm)を有する試験体を用い、負極として2.8cm2の作用面積(1.4cm×2.0cm)を有するリチウム金属を用いたビーカーセルを作製した。その他は負極集電体の評価に用いた試験用セルと同様である。
上記の試験用セルを用い、充放電を100サイクル繰り返すサイクル試験を行い、各サイクルにおける放電容量を測定した。サイクル試験における1サイクル目の充電は、充電レートが0.05CAに到達するまで4.0Vの定電圧で充電した後、充電レートを0.1CAに固定した定電流で10時間の充電を行い、その後充電を停止した。次いで、放電レートを0.1CAに固定した定電流で放電を行い、セル電圧が2.5Vに到達した時点で放電を停止し、サイクルを完了した。
負極集電体と同様に、電流休止法により、正極集電体の内部抵抗のうち平衡成分とオーム成分とを分離した。その結果を表4に示す。
Claims (4)
- 一対のロールにおける少なくとも一方のロールの粗面化表面にめっき処理を施すことにより多数の凸部を有するクロムめっき膜を形成し、その後、該クロムめっき膜における上記凸部の頂部を潰して平坦面を形成した一対の粗面化ロールを予め準備し、
一対の上記粗面化ロールの間に銅、銅合金またはステンレス鋼合金からなる金属箔を1パス以上通して上記粗面化ロールの表面形状を転写する転写工程を行うことにより、周囲よりも陥没した底面部と、該底面部を取り囲み、該底面部よりも隆起したエッジ部とを有する凹状部を表面に多数形成し、上記凹状部のフェレー径の平均Laveが6.3μm以上50μm以下となるように上記金属箔の粗面化を行うことを特徴とする集電体用金属箔の製造方法。 - 上記転写工程において、2.5μm以下の深さを有する上記凹状部の割合が90%以上となるように上記粗面化ロールの表面形状を転写することを特徴とする請求項1に記載の集電体用金属箔の製造方法。
- 上記転写工程において、上面視における上記エッジ部の少なくとも一部が略円弧状を呈する上記凹状部を形成する、請求項1または2に記載の集電体用金属箔の製造方法。
- 上記転写工程において、0.5μm以上の深さを有する上記凹状部の割合が90%以上となるように上記粗面化ロールの表面形状を転写することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の集電体用金属箔の製造方法。
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