JP6858735B2 - 集電体、その極シート、電池及びその応用 - Google Patents
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Description
0.01Ω/□≦RS≦0.15Ω/□ (1)
本発明は、支持機能を有する絶縁層と、導電及び集電機能を有する導電層とを備える集電体を提供し、導電層の常温薄膜抵抗RSは、条件式0.01Ω/□≦RS≦0.15Ω/□を満たす。当該集電体は、電池に異常状況により短絡が発生した時の短絡抵抗を大きく高めて、短絡電流を大幅に低減させることにより、短絡による発熱量を大きく低減して、電池の安全性を大幅に改善することができる。なお、発熱量が少ないため、内部短絡が発生した箇所で発生した熱が電池に完全に吸収され、電池の温度上昇が小さく、これにより、短絡損傷による電池への影響を「点」範囲に留め、「点断線」のみを形成し、電池の短時間での正常作動に影響しないことが可能である。本発明にかかる集電体の導電層は、導電層本体と、導電層本体の少なくとも1つの表面に位置する保護層とをさらに備えてもよく、これにより、当該集電体の作動安定性や使用寿命を大幅に改善することができる。
本発明の実施例の集電体では、導電層の常温薄膜抵抗RSは、条件式0.01Ω/□≦RS≦0.15Ω/□を満たす。
ここで、導電層の薄膜抵抗がオーム/平方(Ω/□)で測定され、導電体を二次元実体とみなす二次元システムに適用し、三次元システムで使用される抵抗率の概念と同等である。薄膜抵抗という概念を用いると、電流が理論的には薄膜の平面に沿って流れると仮定される。
本発明の実施例にかかる集電体では、絶縁層は、主に導電層を支持、保護するという役割を果たし、その厚さをD1とし、D1が条件式1μm≦D1≦20μmを満たす。絶縁層が薄すぎると、極シート加工プロセスなどに破断が発生しやい。絶縁層が厚すぎると、当該集電体を使用した電池の体積エネルギー密度を低減する。
式のrを電池の内部抵抗とし、Capを電池の容量とし、Aを係数とする。
電池容量Capは電池の理論容量であり、一般的に電池正極シートの理論容量である。
rは内部抵抗測定器により測定できる。
一定の厚さの絶縁層を選出し、その表面に真空蒸着、機械ローリングまたは粘着により一定の厚さの導電層を形成するとともに、導電層の常温薄膜抵抗を測定する。
RTS−9型二重電気4探針測定器を使用し、テスト環境を、常温23±2℃、相対湿度≦65%とする。テスト時に、測定される材料を表面洗浄してから、テスト台に水平に置き、測定される材料の表面にしっかり接触するように4つの探針を当てて、自動測定モードの較正材料の電流範囲を調整し、適切な電流範囲で薄膜抵抗を測定し、同じ試料の8〜10個のデータポイントを採集してデータ測定の精度分析および誤差分析を行う。
保護層を備える集電体の製造は下記のいくつかの方法がある。
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または負極スラリーを塗布し、100℃で乾燥させた後、正極シートまたは負極シートを得る。
通常の電池製造技術によれば、正極シート(圧縮密度:3.4g/cm3)、PP/PE/PPセパレータと負極シート(圧縮密度:1.6g/cm3)をあわせてベアセルとして巻き付け、電池ケースに入れ、電解液(EC:EMC体積比が3:7、LiPF6が1mol/L)を注入し、封止、化成処理等を行い、最終的にリチウムイオン二次電池を得る。
リチウムイオン電池に対して循環寿命テストを行い、具体的なテスト方法は、以下の通りである。
内部抵抗測定器(型番:HIOKI−BT3562)によりテストを行う。テスト環境:常温23±2℃である。テスト前に、内部抵抗測定器の正負極をショート接続して抵抗をゼロに補正し、テスト中に、リチウムイオン電池の正負極タブをクリーニングしてから、内部抵抗器の正負極のテスト端子をそれぞれリチウムイオン電池の正負極タブに接続し、テスト、記録する。式r=A/Capに従って係数Aを計算する。
(1)1回の釘刺し試験:電池を満充電した後に固定して、常温で直径6mmの鋼針を25mm/sの速度で電池に突き刺してから、鋼針を電池に残し、釘刺しが完了した。その後、観察及びテストを行った。
10-正極集電体
101-正極絶縁層
102-正極導電層
1021-正極導電層本体
1022-正極保護層
11-正極活物質層
2-負極シート
20-負極集電体
201-負極絶縁層
202-負極導電層
2021-負極導電層本体
2022-負極保護層
21-負極活物質層
3-セパレータ
4-釘
Claims (20)
- 正極シートと、セパレータと、負極シートと、電解液とを備える電池であって、
前記正極シートが、正極集電体と、前記正極集電体の表面に形成された正極活物質層とを備え、前記負極シートが、負極集電体と、前記負極集電体の表面に形成された負極活物質層とを備え、
前記正極集電体および前記負極集電体のうち、少なくとも前記正極集電体が、絶縁層と導電層とを備え、前記絶縁層が前記導電層を載置し、前記導電層が前記絶縁層の少なくとも1つの表面に位置して電極活物質層を載置し、
前記導電層の常温薄膜抵抗をRS、前記電池の内部抵抗をr、前記電池の理論容量をCapとしたときに、下記の条件式(1)および(7)を満たすことを特徴とする電池。
0.01Ω/□≦RS≦0.15Ω/□ (1)
25Ah・mΩ≦r×Cap≦400Ah・mΩ (7) - 前記導電層の常温薄膜抵抗をRSとしたときに、下記の条件式(2)を満たすことを特徴とする請求項1に記載の電池。
0.02Ω/□≦RS≦0.1Ω/□ (2) - 前記導電層の厚さをD2としたときに、下記の条件式(3)を満たすことを特徴とする請求項1に記載の電池。
300nm≦D2≦2μm (3) - 下記の条件式(3’)を満たすことを特徴とする請求項3に記載の電池。
500nm≦D2≦1.5μm (3’) - 前記絶縁層の厚さをD1としたときに、下記の条件式(4)を満たすことを特徴とする請求項1に記載の電池。
1μm≦D1≦20μm (4) - 下記の条件式(4’)を満たすことを特徴とする請求項5に記載の電池。
2μm≦D1≦10μm (4’) - 下記の条件式(4’’)を満たすことを特徴とする請求項6に記載の電池。
2μm≦D1≦6μm (4’’) - 前記導電層の材料は、金属導電性材料及び炭素系導電性材料からなる群より選択される少なくとも1種であり、
前記金属導電性材料は、アルミニウム、銅、ニッケル、チタン、銀、ニッケル銅合金及びアルミニウムジルコニウム合金からなる群より選択される少なくとも1種であり、
前記炭素系導電性材料は、グラファイト、アセチレンブラック、グラフェン及びカーボンナノチューブからなる群より選択される少なくとも1種であることを特徴とする請求項1に記載の電池。 - 前記絶縁層の材料は、有機ポリマー絶縁材料、無機絶縁材料及び複合材料からなる群より選択される少なくとも1種であり、
前記有機ポリマー絶縁材料は、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、アクリロニトリル-ブタジエン-スチレン共重合体、ポリブチレンテレフタレート、ポリパラフェニレンテレフタルアミド、ポリプロピレンエチレン、ポリホルムアルデヒド、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニリデンフルオライド、シリコーンゴム及びポリカーボネートからなる群より選択される少なくとも1種であり、
前記無機絶縁材料は、酸化アルミニウム、炭化ケイ素及びシリカからなる群より選択される少なくとも1種であり、
前記複合材料は、ガラス繊維強化エポキシ樹脂複合材料及びガラス繊維強化ポリエステル樹脂複合材料からなる群より選択される少なくとも1種であることを特徴とする請求項1に記載の電池。 - 前記導電層は、導電層本体と、前記導電層本体の少なくとも1つの表面に位置する保護層とを備えることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の電池。
- 前記保護層の材料は、金属、金属酸化物及び導電性炭素からなる群より選択される少なくとも1種であり、前記金属は、ニッケル、クロム、ニッケル基合金及び銅基合金からなる群より選択される少なくとも1種であり、前記金属酸化物は、酸化アルミニウム、酸化コバルト、酸化クロム及び酸化ニッケルからなる群より選択される少なくとも1種であり、前記導電性炭素は、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及びグラフェンからなる群より選択される少なくとも1種であることを特徴とする請求項10に記載の電池。
- 前記導電層本体の材料は、金属導電性材料及び炭素系導電性材料からなる群より選択される少なくとも1種であり、前記金属導電性材料は、アルミニウム、銅、ニッケル、チタン、銀、ニッケル銅合金及びアルミニウムジルコニウム合金からなる群より選択される少なくとも1種であり、前記炭素系導電性材料は、グラファイト、アセチレンブラック、グラフェン及びカーボンナノチューブからなる群より選択される少なくとも1種であることを特徴とする請求項10に記載の電池。
- 前記保護層は、
前記導電層本体の前記絶縁層から離間する表面のみに設けられ、または、
前記導電層本体の前記絶縁層に向かう表面のみに設けられ、または、
前記導電層本体の互いに対向する2つの表面に設けられていることを特徴とする請求項10に記載の電池。 - 前記保護層の厚さをD3としたときに、下記の条件式(5)と(6)を満たすことを特徴とする請求項10に記載の電池。
D3≦1/10 D2 (5)
1nm≦D3≦200nm (6) - 下記の条件式(6’)を満たすことを特徴とする請求項14に記載の電池。
10nm≦D3≦50nm (6’) - 請求項1〜15のいずれか1項に記載の集電体が、短絡を引き起こす異常状況を受けたときに点断線のみを形成することで自己保護を行う電池を製造することに用いられる電池の製造方法。
- 前記集電体が正極集電体であることを特徴とする請求項16に記載の電池の製造方法。
- 請求項1〜15のいずれか1項に記載の集電体が、短絡を引き起こす異常状況を受けたときに点断線のみを形成する電池の集電体として用いられる電池。
- 前記集電体が正極集電体であることを特徴とする請求項18に記載の電池。
- 前記短絡を引き起こす異常状態は、釘刺しであることを特徴とする請求項16又は17に記載の電池の製造方法又は請求項18又は19に記載の電池。
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