JP6765461B2 - 集電体、極シート及び電気化学デバイス - Google Patents
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Description
従来の集電体に比べ、本発明に係る集電体は、重量が小さいため、電池の重量エネルギー密度を効果的に改善して、軽量の集電体を得ることができる。本発明に係る軽量の集電体は、良好な機械的強度と導電性も有することにより、当該集電体が良好な机械安定性、動作安定性及び使用寿命を有することを保証するとともに、良好な倍率性能も有する。一方で、本発明に係る集電体における保護層により、導電層の機械的強度を向上させて、導電層が破壊され、又は酸化や腐食などの現象が生じることを防止して、集電体の導電性、長期間にわたる信頼性と使用寿命を著しく改善することができる。
本発明に係る実施例における集電体では、絶縁層は主に導電層を支持・保護する作用を発揮し、その厚さはD1であり、D1は1μm≦D1≦20μmを満たし、この範囲での絶縁層はより良い加工性を有するだけではなく、当該集電体が用いられた電池の体積エネルギー密度を低下させることもない。
着色剤により、絶縁層が一定の程度の黒色、青色又は赤色を現すようにすることができるが、これに限定されず、例えば、絶縁層がある程度の黄色、緑色又は紫色などを現すようにしてもよい。
12μm≦D1≦30μmであるとき、30%≦T≦80%を満たし、及び/又は、
8μm≦D1<12μmであるとき、40%≦T≦90%を満たし、及び/又は、
1μm≦D1<8μmであるとき、50%≦T≦98%を満たす。
本発明に係る実施例における集電体では、好ましくは、導電層の厚さがD2であり、D2は30nm≦D2≦3μmを満たし、好ましくは、300nm≦D2≦2μmを満たす。この範囲内での導電層は、導電性が良いであるとともに、電池重量エネルギー密度と体積エネルギー密度を低下させることもない。
本発明に係る集電体における導電層は第1保護層を備え、好ましくは、第2保護層をさらに備える。
1.特定の光透過率を有する絶縁層の製造
絶縁層材料はPETであり、PETに一定の含有量の着色剤カーボンブラックを添加して、均一に混合する。PETをホットメルト状態で押し出して注ぎかけ、冷間ローラでロール圧延することにより、双方向延伸してから、特定の光透過率を有する絶縁層を得る。
2.1 一定の厚さを有する絶縁層を選択し、絶縁層に孔を開け、そして、真空蒸着の方式で一定の厚さを有する導電層を形成した。これにより、導電層が絶縁層の少なくとも1つの表面及び孔の孔壁表面に堆積する。
2.2 一定の厚さを有する絶縁層を選択し、その表面に、真空蒸着の方式で一定の厚さを有する導電層を形成して、そして、孔を開けた。これにより、前記絶縁層と前記導電層とを貫通する孔を複数形成する。
2.3 一定の厚さを有する絶縁層を選択し、その表面に、真空蒸着の方式で一定の厚さを有する導電層を形成して、そして、孔を開けた。その後、平面表面、孔壁表面又は孔壁表面及び平面表面に導電層を堆積する。
導電層の真空蒸着方式による形成条件は、以下の通りである。表面洗浄処理された絶縁層を真空蒸着チャンバ内に配置し、1600℃〜2000℃という高温で金属蒸発室内における高純度の金属ワイヤを溶融し蒸発させ、蒸発後の金属が真空蒸着チャンバ内の冷却システムを通過し、最後に絶縁層の表面に堆積して、導電層が形成される。
3.1 第1保護層の形成
導電層を有する集電体の表面に、気相成長法、インサイチュ形成法または塗布法で導電層における絶縁層から離間する表面に保護層を形成する。
3.2 第2保護層の形成
絶縁層の表面に、気相成長法又は塗布法で保護層を形成し、そして、真空蒸着の方式で、上述した保護層を有する絶縁層の表面に一定の厚さを有する導電層を形成することにより、第2保護層を有する集電体を製造する。なお、これに加え、導電層の上表面に第1保護層をさらに形成してもよい。
通常の電池塗布プロセスにより、集電体の表面に正極スラリー又は負極スラリーを塗布し、100℃で乾燥させた後、正極シート又は負極シートを得る。
通常の正極シートでは、集電体が厚さ12μmのAl箔片であり、電極活物質層が一定の厚さを有する三元(NCM)材料層である。
通常の負極シートでは、集電体が厚さ8μmのCu箔片であり、電極活物質層が一定の厚さを有するグラファイト材料層である。
通常の電池製造プロセスにより、正極シート(圧密密度:3.4g/cm3)、PP/PE/PPセパレータ及び負極シート(圧密密度:1.6g/cm3)を一緒にベアセルに巻き取り、その後に電池ケースに入れ、電解液(EC:EMC体積比が3:7、LiPF6が1mol/Lである)を注入してから、密封や、化成などの工程を行い、最後にリチウムイオン電池を得た。
1.電池サイクル寿命のテスト方法
リチウムイオン電池に対して、サイクル寿命テストを行い、具体的なテスト方法は以下の通りである。
リチウムイオン電池に対して、倍率テストを行い、具体的なテスト方法は以下の通りである。
極シートを炭酸ジメチルとフッ化水素酸との混合溶媒に浸漬し、ここで、フッ化水素酸の含有量は0.1wt%であり、そして、真空密封を行い、70℃の恒温箱に数日間保管し、保管完了後、極シートを取り出し、極シートを長手方向に二つ折りにするとともに、2Kgの分銅を二つ折りの箇所に配置して、圧密を10秒間行い、圧密完了後、極シートを伸ばし、折り目に導電層の脱落が生じたかどうかを観察して、脱落が生じ始めたときの保管日数を記録し、テストの結果は表4に示す。
LS117光透過率計を用いて、GB2410-80標準に準拠して支持層の光透過率を測定することは以下のステップを含み、まず、光透過率計を起動して、自己校正が行われ、画面にT=100%と表示されると、校正が完了する。その後、支持層のサンプルを探触子と受信機との間に挟み、画面に支持層の光透過率の数値が自動的に表示される。
IPG社製の型番YLP−V2−1−100−100−100のファイバレーザーを用いて、出力を100W、周波数を150kHzと設定し、集電体をレーザーの切断装置に配置して切断を行い、集電体の最大切断可能な速度を測定する。ここで、集電体の最大の切断可能な速度とは、レーザ光で当該集電体を切断して、粘着現象が生じないときに達すことが可能な最大の切断速度を指す。
本発明は、好適な実施例により以上のように開示されているが、特許請求の範囲を限定するためではなく、当業者が本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形や変更を実施可能であるので、本発明の保護範囲は、本発明の特許請求の範囲により規定される範囲に準ずるべきである。
10 正極集電体
101 正極絶縁層
102 正極導電層
1031 第1保護層
1032 第2保護層
11 正極活物質層
201 孔
2 負極シート
20 負極集電体
201 負極絶縁層
202 負極導電層
2031 第1保護層
2032 第2保護層
21 負極活物質層
401 孔
Claims (22)
- 集電体であって、
前記集電体は、絶縁層と導電層とを備え、
前記導電層は、前記絶縁層の少なくとも1つの表面に位置し、
前記集電体は、前記導電層における前記絶縁層から離間する表面に設けられる第1保護層をさらに備え、前記第1保護層は、金属保護層であり、
前記集電体には、前記絶縁層と前記導電層と前記第1保護層とを貫通する複数の孔が設けられ、
前記絶縁層には、光透過率を調整するための着色剤が添加されていることを特徴とする集電体。 - 前記孔は、孔壁を有し、前記導電層は、複数の前記孔の孔壁表面にも位置し、且つ、前記絶縁層の少なくとも1つの表面に位置する前記導電層と、前記孔壁表面に位置する前記導電層とは、一部又は全部で互いに接続されていることを特徴とする請求項1に記載の集電体。
- 前記導電層は、前記絶縁層の上表面と下表面に位置し、前記絶縁層の上表面と下表面に位置する導電層と、前記孔壁表面に位置する前記導電層とは、一部又は全部で互いに接続されていることを特徴とする請求項2に記載の集電体。
- 前記孔の孔径は0.001mm〜3mmであり、前記孔の面積比率は0.1%〜30%であり、隣り合う2つの前記孔の間隔は0.2mm〜5mmであることを特徴とする請求項2又は3に記載の集電体。
- 前記導電層の厚さをD2としたときに、D2は、30nm≦D2≦3μmを満たすことを特徴とする請求項1に記載の集電体。
- 前記D2は、300nm≦D2≦2μmを満たすことを特徴とする請求項5に記載の集電体。
- 前記D2は、500nm≦D2≦1.5μmを満たすことを特徴とする請求項6に記載の集電体。
- 前記第1保護層は、ニッケル保護層、クロム保護層、ニッケル基合金保護層、銅基合金保護層のうちの少なくとも1種であることを特徴とする請求項1に記載の集電体。
- 前記集電体は、前記導電層における前記絶縁層に向かう表面に設けられる第2保護層をさらに備え、前記第2保護層は、金属保護層、金属酸化物保護層又は導電性カーボン保護層であり、前記導電性カーボンは、導電性カーボンブラック、カーボンナノチューブ、アセチレンブラック、グラフェンから選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする請求項1に記載の集電体。
- 前記金属保護層の金属は、ニッケル、クロム、ニッケル基合金、銅基合金のうちの少なくとも1種であることを特徴とする請求項9に記載の集電体。
- 前記金属酸化物は、酸化アルミニウム、酸化コバルト、酸化クロム、酸化ニッケルのうちの少なくとも1種であることを特徴とする請求項9又は10に記載の集電体。
- 前記第2保護層は、金属保護層であることを特徴とする請求項9から11の何れか一項に記載の集電体。
- 前記導電層の厚さをD2、前記第1保護層の厚さをD3としたときに、D3は、D3≦0.1D2、且つ1nm≦D3≦200nmを満たし、
前記第2保護層の厚さをD3´としたときに、D3´は、D3´≦0.1D2、且つ1nm≦D3´≦200nmを満たし、
前記第1保護層の厚さは、前記第2保護層の厚さよりも大きいことを特徴とする請求項9から12の何れか一項に記載の集電体。 - 前記D3は、10nm≦D3≦50nmを満たすことを特徴とする請求項13に記載の集電体。
- 前記D3´は、10nm≦D3´≦50nmを満たすことを特徴とする請求項13又は14に記載の集電体。
- 前記D3´と前記D3との比率関係は、0.5D3≦D3´≦0.8D3であることを特徴とする請求項13に記載の集電体。
- 前記絶縁層の光透過率Tは、0≦T≦98%を満たすことを特徴とする請求項1に記載の集電体。
- 前記Tは、15%≦T≦95%を満たすことを特徴とする請求項17に記載の集電体。
- 前記Tは、15%≦T≦90%を満たすことを特徴とする請求項18に記載の集電体。
- 請求項1〜19のいずれか1項に記載の集電体と、前記集電体の少なくとも1つの表面に形成される電極活物質層とを備えることを特徴とする極シート。
- 前記電極活物質層は、複数の前記孔にも充填され、
前記集電体の少なくとも1つの表面に形成される電極活物質層と、複数の前記孔に充填される電極活物質層とは、互いに接続されていることを特徴とする請求項20に記載の極シート。 - 正極シートとセパレータと負極シートとを備える電気化学デバイスであって、前記正極シート及び/又は負極シートは、請求項20に記載の極シートであることを特徴とする電気化学デバイス。
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