TWM493163U

TWM493163U - 電極

Info

Publication number: TWM493163U
Application number: TW103216669U
Authority: TW
Inventors: Kouki Ozaki; Shinji Ochi; Katsumi Kanematsu
Original assignee: Daido Metal Co
Priority date: 2012-03-09
Filing date: 2013-02-21
Publication date: 2015-01-01
Also published as: KR20140005286U; TW201347276A; KR20130103361A; US20130236782A1; JP2013187468A; CN103310993A; KR200476985Y1

Description

電極

本創作係關於一種電極。

先前，用於二次電池及電容器等之電極要求能量密度之提昇、即電容之增加。因此，揭示有各種用以提昇能量密度之技術(參照專利文獻1、2)。另一方面，近年來，二次電池及電容器不僅應用於家電等電氣設備，亦應用於電氣自動車或混合自動車等車輛。因此，於用於該等之二次電池或電容器之電極中，不僅要求能量密度之提昇，亦要求迅速之充放電特性之提昇。於此情況下，為了提昇充放電特性，需要降低電極之內部電阻。

然而，於用於二次電池及電容器等之電極之情況下，能量密度與內部電阻具有矛盾之關係。即，若提高電極之能量密度，則電極之內部電阻增加。實際上以往用於二次電池及電容器等之電極以能量密度之提昇為重點而進行開發。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特開昭63-107011號公報

[專利文獻2]日本專利特開2011-208254號公報

因此，本創作之目的在於提供一種維持能量密度並且降低內部電阻之電極。

本案發明者發現：於以往應平坦地形成之活性物質層上形成凹凸，藉此可維持能量密度並且降低內部電阻。該活性物質層之凹凸形成於隔著接著層而接著於集電層之活性物質層之與集電層相反側。

即，本實施形態之電極包括集電層、活性物質層、及接著層。集電層由導電體形成。活性物質層包括：活性物質粒子，其蓄積電荷；導電助劑，其將蓄積於活性物質粒子中之電荷向集電層傳送；及黏合劑，其將活性物質粒子及導電助劑黏合；且於與集電層相反側形成有凹凸。接著層將集電層及活性物質層接著。

如此，於活性物質層形成凹凸，藉此，活性物質層至集電層之厚度於凹凸中變化。即，活性物質層於凹凸之凸部至集電層之距離變大，於凹凸之凹部至集電層之距離變小。因此，於如凹凸之凹部般至集電層之距離較小之部分中，電性之內部電阻降低。又，活性物質層之凹凸之中凹部係藉由對活性物質層施加力而形成。因此，包含於活性物質層中之活性物質粒子之總量無變化。藉此，於在活性物質層中形成凹凸之情況下，於凹凸之形成之前後活性物質層之能量密度無變化。因此，可維持能量密度並且降低內部電阻。

於本實施形態中，於將活性物質粒子之平均粒徑設為 D時，活性物質層之凹凸之差，即活性物質層之凸部之高度為平均粒徑D以上。

活性物質層例如包含活性碳等活性物質粒子。該活性物質粒子包含粒度分佈，其平均粒徑成為D。因此，將活性物質層之凸部之高度設定為平均粒徑D以上。換言之，活性物質層之凹部之深度為平均粒徑D以上。所謂該活性物質層之凸部之高度於形成於活性物質層中之凹凸中，相當於至集電層之距離。即，表示：於本實施形態中形成於活性物質層中之凹凸並非藉由活性物質粒子之粒度之分佈而必然地形成之凹凸，而係超過活性物質粒子之粒徑之差之所需之凹凸。為了降低內部電阻，將活性物質層之凸部之高度設為平均粒徑D以上較為有效。較佳為將活性物質層之凸部之高度設為平均粒徑D之2倍以上25倍以下。

如此，形成超過活性物質粒子之粒徑之凹凸，藉此，活性物質層之內部電阻降低，並且表面積增加。表面積越大，越可謀求高輸出化。

於本實施形態中，於將活性物質層之最大厚度設為T時，活性物質層之凹凸之差，即活性物質層之凸部之高度H為1.5%≦H/T<100%。

其表示本實施形態之電極之活性物質層未貫通至接著層。即，於H/T=100%時，活性物質層之凹部自與集電層相反側之端面至集電層側之端面為止貫通活性物質層。若凹部以此方式貫通活性物質層，則活性物質層之凹部不助於電荷之蓄積。因此，藉由規定相對於活性物質層之最大厚度T之凸部之高度H，可維持能量密度並且降低內部電阻。

為了降低內部電阻，將H/T設為1.5%以上較為有效。若鑒於活性物質層之強度則H/T較佳為8%以上80%以下。

於本實施形態中，於將活性物質層之投影面積設為Sp時，活性物質層之表面積S為100%<S/Sp≦200%。

藉由使分佈於活性物質層中之凹凸變得細微，而活性物質層之表面積S增大。另一方面，若表面積變得過量，則活性物質層之與集電層相反側之表面形狀複雜化，且對提昇能量密度及降低內部電阻之幫助減少。因此，活性物質層之表面積S較佳為至活性物質層之投影面積Sp之200%左右為止。更佳為將S/Sp設為110%以上160%以下。

圖式中元件符號表示如下：

10‧‧‧電極

11‧‧‧集電層

12‧‧‧活性物質層

13‧‧‧接著層

21‧‧‧活性物質粒子

22‧‧‧導電助劑

23‧‧‧黏合劑

31‧‧‧凸部

32‧‧‧前端面

33‧‧‧凹部

34‧‧‧底面

35‧‧‧凹部下部

41‧‧‧側面

H‧‧‧凸部31之平均高度

T‧‧‧活性物質層12之厚度

θ1‧‧‧凸部之前端面32與側面41構成之角度

θ2‧‧‧凸部之前端面32與側面41構成之角度

圖1係表示實施形態之電極之剖面之示意圖。

圖2係將實施形態之電極之剖面之一部分放大後之示意圖。

圖3係表示實施形態之電極之凹凸形狀之例之示意圖。

圖4係表示實施形態之電極之凹凸形狀之例之示意圖。

圖5係表示實施形態之電極之凹凸形狀之例之示意圖。

圖6係表示實施形態之電極之凹凸形狀之例之示意圖。

圖7係表示實施形態之電極之凹凸形狀之例之示意圖。

圖8係表示電極之凹凸形狀之例之示意圖。

以下，基於圖式對本實施形態之電極進行說明。

圖1所示之電極10用作電雙層電容器之電極。電極10並不限於用於電雙層電容器之電極，亦可用於鋰離子電容器之電極。又，電極10亦可用於鋰離子電池等二次電池之電極中。

電極10包括集電層11、活性物質層12及接著層13。集電層11由鋁等導電性金屬形成為薄膜狀。集電層11並不限於鋁，可由銅或銀等導電性之金屬形成。接著層13設置於集電層11與活性物質層12之間，並將集電層11及活性物質層12接著。接著層13為了確保電荷自活性物質層12向集電層11移動，由導電性之接著劑形成。

活性物質層12如圖2所示般包括活性物質粒子21、導電助劑22及黏合劑23。再者，於圖2中，僅對表示為多邊形之活性物質粒子21及表示為圓形之導電助劑22之一部分附加符號。又，活性物質粒子21及導電助劑22之形狀為示意者。活性物質粒子21例如包含活性碳等能夠蓄積電荷之物質。活性物質粒子21並不限於活性碳，可包含奈米碳管或富勒烯等能夠蓄積電荷之物質。導電助劑22例如包含碳黑等導電性之材料。導電助劑22將蓄積於活性物質粒子21中之電荷向集電層11傳送。該導電助劑22亦不僅限於碳黑，例如亦可為金屬粒子等，可包含能夠將蓄積於活性物質粒子21中之電荷向集電層11傳送之材料。黏合劑23將形成活性物質層12之活性物質粒子21及導電助劑22黏合。黏合劑23以粒子狀之活性物質粒子21及導電助劑22相互不分離之方式結合。黏合劑23例如包含氟樹脂或烯烴樹脂等。藉此，蓄積於活性物質層12之活性物質粒子21中之電荷藉由導電助劑22而被輸送，並經由導電性之接著層13而向集電層11移動。

活性物質層12如圖1所示般形成有凹凸。任意地設定該活性物質層12之凹凸之高度、換言之凹凸之深度。於圖1所示之情況下，該等凹凸之高度之差相當於自凸部31之前端面32至凹部33之底面34之距離。詳細而言，凹凸之高度之差係自凸部31之與集電層11相反側之端面即位於表面之前端面32至凹部33之集電層11側之端面即底面34之距離。該凹凸之高度之差相當於凸部31之平均高度H。凸部31各者之凹凸之高度之差產生略微之差。因此，於本說明書中，將使凹凸之高度之差平均後之值定義為凸部31之平均高度H。此處，於將活性物質粒子21之平均粒徑設為D時，將凸部31之平均高度H設定為H≧D。即，於本實施形態之情況下，將凸部31之平均高度H設定地大於藉由活性物質粒子21之配置而必然地形成之凹凸之差。凹部33無需於厚度方向貫通活性物質層12，於集電層11側形成有底面34。

活性物質層12之凹凸如圖3至圖7所示般可形成為各種形狀。圖3至圖7所示之活性物質層12於凸部與凸部之間形成有自前端面32向集電層11側凹陷之凹部。詳細而言，於相鄰之凸部之側面41之間形成有凹部。如圖3至圖6所示，較佳為將凸部之前端面32與側面41構成之角度θ1、θ2設定為90°≦θ1≦180°、90°≦θ2≦180°。再者，如圖5所示般凹部之兩端中之角度θ1、θ2亦可不同。又，如圖7所示般凸部之前端面32亦可為球面狀。於此情況下，角度θ1、θ2成為θ1=180°、θ2=180°。因此，較佳為將角度θ1、θ2之上限設定為180°。另一方面，若凸部之前端面32與側面41構成之角度θ1、θ2未達90°，則如圖8所示般凸部向凹部之內側突出。因此，有向凹部突出之凸部向凹部之內部脫落，而活性物質層12之耐久性降低之虞。因此，較佳為將角度θ設定為90°≦θ。於將角度θ設定為90°≦θ之情況下，較佳為採用向凹部突出之凸部不易向凹部之內部脫落之材質、形狀、製法等。

其次，對上述構成之電極10之實施例進行詳細說明。

表1表示實施例1~12及比較例1~3之電極10。實施例1~12之電極10藉由以下之順序而作成。以預先設定之調配比將活性物質粒子21、導電助劑22及黏合劑23混合，並且進行攪合。於實施例1~12之情況下，活性物質粒子21為比表面積為1800m² /g之活性碳粒子。將經攪合之混合物壓延至預先設定之厚度為止，而製成活性物質層12。此時，於最終之壓延步驟中，於活性物質層12之其中一個端面中形成凹凸。即，凹凸係藉由壓延步驟之壓製而形成。經壓延之活性物質層12之厚度如表1所示。具體而言，於實施例1~4之情況下，活性物質層12之厚度為120μm。於實施例5~實施例8之情況下，活性物質層12之厚度為300μm。於實施例9~實施例12之情況下，活性物質層12之厚度為480μm。該活性物質層12之各厚度相當於形成凹凸之前之活性物質層12之初始之厚度。

如上述般於壓延步驟中轉印活性物質層12之凹凸。因此，包含於活性物質層12中之活性物質粒子21之總量於凹凸之形成前及形成後實質上並無變化。即，活性物質層12之凹凸只不過係將平坦地形成之活性物質層12壓製而形成凹凸。換言之，於活性物質層12之凹部下部35(活性物質層12中之底面34與接著層13之間之部分)中，與凸部相比只不過活性物質粒子21之密度增大。結果，活性物質層12即便於形成凹凸之後，亦維持依存於活性物質粒子21之總量之靜電容量即能量密度。

所獲得之各厚度之活性物質層12均隔著接著層13而接著於集電層11。集電層11由鋁形成為30μm之薄膜狀。集電層11經由接著層13而接著於活性物質層12之未形成凹凸之側之面。藉由以上順序而獲得了實施例1~實施例12之電極10。

又，比較例1~3之電極與實施例1~12同樣地作成。但是，比較例1~3於壓延步驟中在活性物質層12之端面上未形成凹凸。

相對於所獲得之實施例1~12及比較例1~3之電極10，對活性物質層12之表面即與集電層11相反側之端面進行形狀測定。具體而言，活性物質層12之表面藉由雷射顯微鏡進行形狀之測定。藉此，求出活性物質層12之表面之表面積、凸部31之面積率、及凸部31之高度比例。此處，作為實施例1~12中之活性物質層12之表面之表面積相對於表面平坦之比較例之活性物質層12之表面之面積之比，表示為相對表面積(%)。未形成凹凸之各比較例中之活性物質層12之表面之面積相當於活性物質層12之投影面積Sp。因此，於實施例1~12中，以所測定之表面積之實測值S除以投影面積Sp，藉此將活性物質層12之相對表面積Sx作為Sx =S/Sp而算出。所算出之相對表面積Sx示於表1中。於比較例1~3之情況下，活性物質層12之表面積之實測值S與投影面積Sp一致。因此，於比較例1~3之情況下，相對表面積Sx均為「100%」。

再者，於本實施形態之情況下，作為測定之對象之試樣之測定範圍為「3mm×3mm」。因此，投影面積Sp為「Sp=9mm² 」。

凸部31之高度比例係相對於活性物質層12之厚度之凸部31之平均高度之比例。即，若如圖1所示般，將活性物質層12之厚度設為T，將凸部31之平均高度設為H，則凸部31之高度比例Rh由Rh=H/T算出。於比較例1~3之情況下，活性物質層12未形成凹凸。因此，於比較例1~3之情況下，凸部31之高度比例Rh為「0%」。活性物質層12之厚度T如上述般相當於形成凹凸之前之活性物質層12之初始之厚度。又，凹部33未貫通活性物質層12。因此，凸部31之平均高度H不會與活性物質層12之厚度T相同。因此，凸部31之高度比例Rh之上限為100%。

凸部31之面積率係存在於活性物質層12之表面之凸部31之面積之比例。即，藉由於活性物質層12中形成凹凸，而活性物質層12於與集電層11相反側存在凸部31及凹部33。其中，相對於活性物質層12之投影面積Sp之凸部31之面積Sc之比例為凸部31之面積率Rc。因此，面積率Rc由Rc=Sc/Sp算出。於比較例1~3之情況下，活性物質層12未形成凹凸。因此，於比較例1~3之情況下，凸部31之面積率為「100%」。於本實施形態中，凸部31之面積係如下者：於自凸部31之平均高度H大小之深度位置起僅位移0.05H而至與集電層11相反側之位置設置虛擬面，自此處開始測定與集電層11相反側之區域。

對於該等實施例1~12及比較例1~3分別測定內部電阻。

實施例1~12及比較例1~3之內部電阻由將比較例1設為「100」之相對之值表示。

其次，一面將內部電阻與比較例1~3對比，一面對以上說明之實施例1~13進行驗證。

首先，比較實施例1~4與比較例1。實施例1~4與比較例1於活性物質層12之厚度T為120μm方面共通。實施例1~4係於活性物質層12中形成凹凸，藉此任一者之表面積與比較例1相比較均增加。又，凸部31之面積率Rc依實施例1、實施例3、實施例4、實施例2之順序變大。凸部31之高度比例Rh依實施例1、實施例2、實施例3、實施例4之順序變大。可知該等實施例1~4與比較例1相比較任一者之內部電阻均降低。又，內部電阻依實施例1、實施例3、實施例2、實施例4之順序變小。此處，若比較實施例2與實施例4，則可知凸部31之高度比例Rh較凸部31之面積率Rc對於內部電阻之影響更大。即，若比較實施例2與實施例4，則實施例2之凸部31之面積率Rc較大，與此相對，實施例4之內部電阻較大。由此可知，凸部31之高度比例Rh越大，即凹凸之凹部33之深度越增加，活性物質層12之表面積越增加，並且內部電阻越降低。

實施例1~4與比較例1之活性物質層12之厚度T相同。因此，實施例1~4與比較例1之包含於活性物質層12中之活性物質粒子21之總量大致相同。即，於活性物質層12中形成有凹凸之實施例1~4於凹部下部35中與凸部31相比較只不過活性物質層12被壓縮，而活性物質層12之密度增大。因此，實施例1~4 與比較例1幾乎不會產生能量密度即靜電容量之差。如此，於活性物質層12中形成有凹凸之實施例1~4在維持能量密度之狀態下，內部電阻降低。

其次，比較實施例5~8與比較例2。實施例5~8與比較例2於活性物質層12之厚度T為300μm方面共通。此處，活性物質層12之厚度T為300μm之實施例5~8與上述實施例1~4相比較，比較例2與上述比較例1相比較，內部電阻增加。藉此，可知活性物質層12之厚度T對活性物質層12之內部電阻造成影響。

實施例5~8於活性物質層12中形成凹凸，藉此，任一者之表面積與比較例2相比較均有增加。又，凸部31之面積率Rc依實施例5、實施例7、實施例6、實施例8之順序變大。凸部31之高度比例Rh依實施例5、實施例6、實施例7、實施例8之順序變大。可知該等實施例5~8與比較例2相比較任一者之內部電阻均降低。又，內部電阻依實施例5、實施例6、實施例7、實施例8之順序變小。由此可知，於實施例5~8之情況下，活性物質層12中之凹凸之凹部33之深度越增加，活性物質層12之表面積越增加，並且內部電阻越降低。

實施例5~8與比較例2之活性物質層12之厚度T相同。因此，實施例5~8與比較例2之包含於活性物質層12中之活性物質粒子21之總量大致相同。即，實施例5~8與比較例2幾乎不會產生能量密度即靜電容量之差。如此，於活性物質層12中形成有凹凸之實施例5~8在維持能量密度之狀態下內部電阻降低。

其次，比較實施例9~12與比較例3。實施例9~12 與比較例3於活性物質層12之厚度T為480μm方面共通。此處，活性物質層12之厚度T為480μm之實施例9~12與上述實施例1~8相比較，比較例3與上述比較例1及比較例2相比較，內部電阻增加。由此亦可知活性物質層12之厚度T越增加，活性物質層12之內部電阻越增加。

實施例9~12於活性物質層12中形成凹凸，藉此，任一者之表面積與比較例3相比較均增加。又，凸部31之面積率Rc依實施例9、實施例11、實施例10、實施例12之順序變大。凸部31之高度比例Rh依實施例9、實施例10、實施例11、實施例12之順序變大。可知該等實施例9~12與比較例3相比較任一者之內部電阻均降低。又，內部電阻依實施例9、實施例10、實施例11、實施例12之順序變小。由此可知，於實施例9~12之情況下，活性物質層12中之凹凸之凹部33之深度越增加，活性物質層12之表面積亦越增加，並且內部電阻越降低。

又，實施例9~12與比較例3之活性物質層12之厚度T相同。因此，實施例9~12與比較例3之包含於活性物質層12中之活性物質粒子21之總量大致相同。因此，實施例9~12與比較例3幾乎不產生能量密度即靜電容量之差。如此，於活性物質層12中形成有凹凸之實施例9~12在維持能量密度之狀態下內部電阻降低。

如上所述，可知，對實施例1~12而言，若活性物質層12之厚度T相同，則藉由於活性物質層12中形成凹凸，任一者之內部電阻均降低。活性物質層12中之活性物質粒子21及導電助劑22藉由黏合劑23而黏合。因此，活性物質層12可藉由例如壓製等簡單之加工而轉印凹凸形狀，從而容易地形成凹凸。因此，可在不引起加工之複雜化之情況下，維持能量密度並且形成內部電阻較小之電極10。

以上說明之本創作並不限定於上述實施形態，於不脫離其主旨之範圍內，能夠應用於各種實施形態。