JP7343540B2 - 二次電池の集電体および二次電池 - Google Patents
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Description
図1は、二次電池100の断面図である。図1に示すように、二次電池100は、電池ケース10と、電極体20と、電極端子50と、を備えている。電池ケース10は、電極体20と、電解液とを収容している。図1に示すように、電池ケース10は、ケース本体11と蓋体12とを備えている。ケース本体11は、略直方体の扁平な角型の容器である。
以下では、負極の集電体31の構成について説明する。図2は、負極シート30の模式的な断面図である。図2に示すように、負極の集電体31は、樹脂層33と、樹脂層33の両面を覆う金属箔34、35と、を有している。金属箔34および35には、それぞれ多数の孔34a、35aが形成されている。金属箔34および35は、例えば、銅箔である。ただし、金属箔34および35の材料は、負極の集電箔として使用できるものであれば特に限定されない。金属箔34および35の厚さは、好ましくは、2μm以上10μm以下であってもよい。金属箔34の多数の孔34aは、金属箔34を厚さ方向に貫通している。孔34aの直径は、好ましくは、0.001μm以上100μm以下であってもよい。孔34aは、比較的大きい場合には、パンチング加工により形成されてもよい。孔34aは、比較的小さい場合には、レーザーによる孔開け加工や、薬液によるエッチング等によって形成されてもよい。
表1および表2は、集電体の評価試験の結果を示す表である。
表1において、サンプル1および2と、サンプル11とを比較する。表1に示すように、樹脂層が設けられなかったサンプル1および2では、安全性試験の結果が「×」となっている。樹脂層が設けられたサンプル11では、安全性試験の結果が「〇」となっている。これは、樹脂層が設けられた集電体では、内部短絡が起こったときに、二次電池の外表面温度が200℃になる前に金属箔が溶断したことを示している。内部短絡により金属箔の温度が上昇すると、その熱により集電体の樹脂層が溶融する。孔が多数設けられた金属箔は破断しやすいため、樹脂層が溶融すると、支持を失って部分的に断裂する。これにより、サンプル11では、電流の経路が減少して局所的な過熱が進行する。この局所的な過熱部分の溶断が連鎖することによって、集電体は、金属箔の融点(ここでは、銅の融点約1084℃)よりも低温で破断する。よって、サンプル11に係る集電体によれば、内部短絡時に二次電池をよりシャットダウンしやすい。
表1において、サンプル1~4と、サンプル13~15とを比較する。突出部の高さが低い場合(サンプル1~3、突出部が存在しない場合を含む)と、突出部の高さが高い場合(サンプル4)とは、突出部の高さが好適な場合(サンプル13~15)と比べて、容量保持率が低く、規格化剥離強度が小さい。ある程度の高さ以上の突出部を設けることにより、サイクル特性が向上し、剥離強度が大きくなる。ただし、突出部の高さが好適な高さよりも高くなると、再びサイクル特性が悪くなり、剥離強度が低下する。表1に示すように、突出部の突出高さが0.01μm以上3μm以下では少なくとも、それ以外の範囲よりもサイクル特性が向上し、剥離強度が大きくなる。突出部の突出高さが適度なときにサイクル特性が向上するのは、樹脂層と金属箔との結合力が適度な結合力となり、充放電時に金属箔と樹脂層とが動き得、かつ剥離しにくいためであると推測される。突出部の突出高さが高すぎるとサイクル特性が悪くなるのは、樹脂層と金属箔との結合力が強すぎ、充放電時に金属箔と樹脂層とが動きにくく、集電体が破損しやすいためであると推測される。突出部の突出高さが適度なときに剥離強度が向上するのは、剥離試験時に金属箔と樹脂層とが適度に動いて剥離力の一部を吸収するためであると推測される。突出部の突出高さが高すぎると剥離強度が悪くなるのは、逆に、剥離試験時に金属箔と樹脂層とが動きにくいためであると推測される。突出部の突出高さが小さいと効果が見られないのは、突出高さが低すぎて突出部として機能しないためであると推測される。また、突出部の突出高さが適度なときに安全性試験の結果も向上することが期待される。本願発明者は、突出部の突出高さが3μmよりも高いときには、樹脂層と金属箔とが一緒に動きやすく、金属層が破断しにくくなることを確認している。
表1において、サンプル5、6と、サンプル2および16~19とを比較する。金属箔の孔の直径が小さい場合(サンプル5)と大きい場合(サンプル6)とには、孔の直径が好適な場合(サンプル2および16~19)よりも、容量保持率が低く、規格化剥離強度が小さい。孔の直径をある程度よりも大きくすることにより、サイクル特性が向上し、剥離強度が大きくなる。ただし、孔の大きさが好適な大きさよりも大きくなると、再びサイクル特性が悪くなり、剥離強度が低下する。表1に示すように、金属箔の孔の直径が0.001μm以上100μm以下では少なくとも、それ以外の範囲よりもサイクル特性が向上し、剥離強度が大きくなる。金属箔の孔の直径が50μm以上100μm以下では、サイクル特性および剥離強度は、より良好な値を示す。孔の大きさが適度なときにサイクル特性が向上するのは、樹脂層が適度に孔に入り込み、充放電時に金属箔と樹脂層とが動き得、かつ剥離しにくいためであると推測される。孔の大きさが適度なときに剥離強度が大きくなるのは、活物質層が孔に入り込み、かつ、強固に孔に引っ掛かるためであると推測される。
表1において、サンプル7~10と、サンプル8および20~23とを比較する。金属箔における孔の開口率が小さい場合(サンプル7および8)と大きい場合(サンプル9および10)とは、孔の開口率が好適な場合(サンプル8および20~23)よりも、容量保持率が低く、規格化剥離強度が小さい。孔の開口率をある程度よりも大きくすることにより、サイクル特性が向上し、剥離強度が大きくなる。ただし、開口率が好適な開口率よりも高くなると、再びサイクル特性が悪くなり、剥離強度が低下する。表1に示すように、金属箔における孔の開口率が10%以上80%以下では少なくとも、それ以外の範囲よりもサイクル特性が向上し、剥離強度が大きくなる。開口率が適度なときにサイクル特性が向上するのは、樹脂層が適度に孔に入り込み、充放電時に金属箔と樹脂層とが動き得、かつ剥離しにくいためであると推測される。開口率が適度なときに剥離強度が大きくなるのは、多くの活物質層が孔に入り込み、かつ、金属箔の強度も好適な強度に保たれているためであると考えられる。また、孔の開口率が10%以上80%以上のときに安全性試験の結果も向上することが確認されている。本願発明者は、孔の開口率が10%以上80%以上のときに、表2に示すより厳しい安全性試験(判定閾値150℃)に二次電池が合格することを確認している。
表2において、サンプル24と、サンプル2および25とを比較する。表2に示すように、樹脂層の融点が高い場合(サンプル24)には、樹脂層の融点が好適な場合(サンプル2および25)よりも、内部短絡時の電池の温度が高くなる。表1に示すように、樹脂層の融点が255℃以下の場合には少なくとも、二次電池は、判定閾値が低い(ここでは、判定閾値が150℃の)より厳しい安全性試験に合格する。樹脂層の融点が265℃の場合には、二次電池はこの試験に合格しないことから、樹脂層に融点が255℃以下の材料を使用すれば、より厳しい安全性試験レベルの安全性を確保できることが分かる。このように、樹脂層に融点が255℃以下の材料を使用すれば、内部短絡時に二次電池がよりシャットダウンしやすくなる。
11 ケース本体
12 蓋体
20 電極体
21 第1セパレータシート
22 第2セパレータシート
30 負極シート
31 集電体
32 負極活物質層
33 樹脂層
34 金属箔
34a 孔
34b 突出部
35 金属箔
35a 孔
35b 突出部
40 正極シート
41 集電体
42 正極活物質層
50 電極端子
100 二次電池
Claims (7)
- 樹脂層と、
多数の孔が形成され、前記樹脂層の両面を覆う金属箔と、を有し、
前記金属箔は、前記多数の孔のうちの少なくとも一部の周囲にそれぞれ形成され、前記樹脂層の側に向かって突出する突出部を有し、
前記突出部は、前記樹脂層内に突入しており、
前記樹脂層の一部は、前記多数の孔の内部に入り込んでいる、
二次電池の集電体。 - 前記樹脂層の前記一部は、前記突出部よりも前記金属箔の外側面の側まで前記多数の孔の内部に入り込み、前記多数の孔を塞いでいる、
請求項1に記載の二次電池の集電体。 - 前記突出部の突出高さは、0.01μm以上3μm以下である、
請求項1または2に記載の二次電池の集電体。 - 前記孔の直径は、0.001μm以上100μm以下である、
請求項1~3のいずれか一つに記載の二次電池の集電体。 - 前記金属箔の前記多数の孔が形成された部分における前記多数の孔の開口率は、10%以上80%以下である、
請求項1~4のいずれか一つに記載の二次電池の集電体。 - 前記樹脂層の融点は、255℃以下である、
請求項1~5のいずれか一つに記載の二次電池の集電体。 - 請求項1~6のいずれか一つに記載の集電体上に正極活物質層が形成された正極シートと、
請求項1~6のいずれか一つに記載の集電体上に負極活物質層が形成された負極シートと、のうちの少なくとも一方を備える二次電池。
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