WO2024071438A1 - Electrode, and battery with electrode - Google Patents

Electrode, and battery with electrode Download PDF

Info

Publication number
WO2024071438A1
WO2024071438A1 PCT/JP2023/036452 JP2023036452W WO2024071438A1 WO 2024071438 A1 WO2024071438 A1 WO 2024071438A1 JP 2023036452 W JP2023036452 W JP 2023036452W WO 2024071438 A1 WO2024071438 A1 WO 2024071438A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
current collector
carbon nanotubes
electrode
present disclosure
oriented
Prior art date
Application number
PCT/JP2023/036452
Other languages
French (fr)
Japanese (ja)
Inventor
真也 福地
涼一 勝見
慎吾 榊原
桂一 渡邉
祐也 薬研地
Original Assignee
高圧ガス工業株式会社
テイカ株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 高圧ガス工業株式会社, テイカ株式会社 filed Critical 高圧ガス工業株式会社
Publication of WO2024071438A1 publication Critical patent/WO2024071438A1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64Carriers or collectors
    • H01M4/66Selection of materials
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Abstract

Provided is an electrode comprising a current collector and an electrode active material layer disposed on the current collector, wherein the current collector includes carbon nanotubes having regular orientation.

Description

電極および電極を備えた電池Electrode and battery having the electrode
 本開示は、電極に関する。本開示はまた、電極を用いた電池にも関する。 This disclosure relates to electrodes. This disclosure also relates to batteries using the electrodes.
 電子機器および電気自動車等の電源として、リチウムイオン電池等の電池が広く用いられている。これらの電子機器および電気自動車等の小型軽量化に伴い、より高いエネルギー密度を有する電池が求められている。 Batteries such as lithium-ion batteries are widely used as power sources for electronic devices, electric vehicles, etc. As these electronic devices and electric vehicles become smaller and lighter, there is a demand for batteries with higher energy density.
 そのため、電池の電極に含まれる集電体の材料として一般に用いられているアルミニウムや銅等の金属の代わりに、低密度で導電性に優れるカーボンナノチューブ(以下、「CNT」とも称する)を用いる試みが為されている(特許文献1~3)。 Therefore, attempts have been made to use carbon nanotubes (hereinafter also referred to as "CNTs"), which have low density and excellent conductivity, instead of metals such as aluminum and copper that are commonly used as materials for current collectors in battery electrodes (Patent Documents 1 to 3).
特開2011−198600号公報JP 2011-198600 A 特開2021−118135号公報JP 2021-118135 A 国際公開第2019/065517号公報International Publication No. 2019/065517
 本願発明者は、従来の電極の構造に克服すべき課題があることに気づき、そのための対策をとる必要性を見出した。具体的には、以下の課題があることを見出した。 The inventors of this application realized that there were issues with the conventional electrode structure that needed to be overcome, and found it necessary to take measures to address these issues. Specifically, they found the following issues:
 例えば、特許文献1では、CNTを主要物質とする生成物を薄く伸ばすことで得られるシートが集電体として用いられている。CNTは金属と比べて低密度であるが故に、CNTシートを用いる電極では、重量エネルギー密度を向上させることができる。一方で、このCNTシートは、CNTを主要物質とする生成物を分散させた溶液をろ過することで作製されている。このようなシート中のCNTはランダムな方向に配向しており、CNTの配置が不均一となり得る。配置が不均一なCNTから構成されるCNTシートを集電体として含む電極は、電池等に用いられる際に、導電性等の所定の電極特性を好適に供しにくい虞があり得る。 For example, in Patent Document 1, a sheet obtained by thinly stretching a product whose main substance is CNT is used as a current collector. Since CNTs have a lower density than metals, electrodes using CNT sheets can improve the weight energy density. However, this CNT sheet is produced by filtering a solution in which a product whose main substance is CNT is dispersed. The CNTs in such a sheet are oriented in random directions, and the arrangement of the CNTs may be non-uniform. An electrode that includes a CNT sheet composed of non-uniformly arranged CNTs as a current collector may not be able to provide the desired electrode characteristics, such as conductivity, when used in a battery or the like.
 本開示は、かかる課題に鑑みてなされたものである。すなわち、本開示の主たる目的は、カーボンナノチューブ(CNT)を含む集電体を備え、かつ好適な電極特性を有する電極を提供することである。 This disclosure has been made in consideration of these problems. That is, the main objective of this disclosure is to provide an electrode that has a current collector that includes carbon nanotubes (CNTs) and has suitable electrode characteristics.
 上記目的を達成するために、本開示の一実施形態では、
集電体と、前記集電体に設けられた電極活物質層とを備え、
 前記集電体が、規則的な配向性を有するカーボンナノチューブを含む電極が提供される。
In order to achieve the above object, in one embodiment of the present disclosure,
A current collector and an electrode active material layer provided on the current collector,
An electrode is provided, in which the current collector includes regularly oriented carbon nanotubes.
 本開示の一実施形態に係る電極によれば、カーボンナノチューブ(CNT)を含む集電体を備え、かつ好適な電極特性を供することができる。 An electrode according to one embodiment of the present disclosure has a current collector that includes carbon nanotubes (CNTs) and can provide favorable electrode characteristics.
図1は、本開示の一実施形態に係る電極を模式的に示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a schematic diagram of an electrode according to an embodiment of the present disclosure. 図2は、本開示の一実施形態に係る電極の集電体を模式的に示す平面図である。FIG. 2 is a plan view illustrating a schematic diagram of a current collector of an electrode according to an embodiment of the present disclosure. 図3Aは、本開示の一実施形態に係る集電体のSEM画像である。FIG. 3A is an SEM image of a current collector according to one embodiment of the present disclosure. 図3Bは、本開示の一実施形態に係る集電体のSEM画像である。FIG. 3B is an SEM image of a current collector according to one embodiment of the present disclosure. 図4は、本開示の一実施形態に係る電極の集電体を模式的に示す平面図である。FIG. 4 is a plan view illustrating a schematic diagram of a current collector of an electrode according to an embodiment of the present disclosure. 図5は、本開示の一実施形態に係る電池を模式的に示す一部切欠き斜視図である。FIG. 5 is a partially cutaway perspective view illustrating a battery according to an embodiment of the present disclosure. 図6は、本開示の一実施形態に係る集電体の製造プロセスの模式図である。FIG. 6 is a schematic diagram of a manufacturing process for a current collector according to one embodiment of the present disclosure. 図7は、本開示の電極について得られたサイクリックボルタモグラムである。FIG. 7 is a cyclic voltammogram obtained for an electrode of the present disclosure.
 以下では、図面を参照して本開示の一実施形態に係る電極および電池をより詳細に説明する。図面における各種の要素は、本開示の説明のために模式的かつ例示的に示したにすぎず、外観や寸法比等は実物と異なり得る。 Below, an electrode and a battery according to an embodiment of the present disclosure will be described in more detail with reference to the drawings. The various elements in the drawings are shown merely as schematics and examples for the purpose of explaining the present disclosure, and the appearance, dimensional ratios, etc. may differ from the actual ones.
 さらに、以下の説明では、必要に応じて特定の方向や位置を示す用語を用いる。しかしながら、これらの用語の使用は図面を参照した発明の理解を容易にするためであって、これらの用語の意味によって本開示の技術的範囲が制限されるものではない。特記しない限り、同じ符号または記号は、同じ部材もしくは部位または同じ意味内容を示すものとする。 Furthermore, in the following description, terms indicating specific directions or positions are used as necessary. However, the use of these terms is intended to facilitate understanding of the invention with reference to the drawings, and the meanings of these terms do not limit the technical scope of this disclosure. Unless otherwise specified, the same symbols or symbols indicate the same components or parts or the same meanings.
 本開示の例示態様の説明は、添付の図面(記載された説明全体の一部とみなされる図面)に関連して読まれることを意図している。本願明細書で開示される本開示の態様に関する説明において、方向または向きに関する言及は、単に説明の便宜上であり、本開示の範囲を限定することは意図されていない。また、「取り付けられた」、「接続された」、「結合された」、「設けられた」および「相互接続された」等の用語、ならびに、同様の用語は、別途で明示的に説明されない限り、介在物によって構造物同士が互いに直接的または間接的に固定または取り付けられている関係や、双方が可動もしくは剛性の取り付けまたはその関係であることを述べている。さらに、本開示の特徴または利益は、好ましい態様を参照することによって例示されている。このような態様は十分に詳細に説明されており、当業者が本開示を実施できるようになっている。また、他の態様も利用することができ、プロセス、電気的もしくは機械的な変更が本開示の範囲を逸脱せずに可能であることを理解されたい。したがって、本開示は、考えられる特徴の非制限的な組合せを例示する好ましい態様(単独または他の特徴と組み合わされた態様)に明示的に限定されない。 The description of the exemplary embodiments of the present disclosure is intended to be read in conjunction with the accompanying drawings, which are to be considered as part of the entire written description. In the description of the embodiments of the present disclosure disclosed herein, references to directions or orientations are merely for convenience of description and are not intended to limit the scope of the present disclosure. In addition, terms such as "attached," "connected," "coupled," "provided," and "interconnected," and similar terms, unless expressly described otherwise, refer to a relationship in which structures are fixed or attached to each other directly or indirectly by an intervening object, or both are movable or rigidly attached or related to each other, and/or related to each other, unless expressly described otherwise. Furthermore, the features or advantages of the present disclosure are illustrated by reference to preferred embodiments. Such embodiments have been described in sufficient detail to enable one skilled in the art to practice the present disclosure. It is to be understood that other embodiments may be utilized, and that process, electrical, or mechanical changes may be made without departing from the scope of the present disclosure. Thus, the present disclosure is not expressly limited to the preferred embodiments (alone or in combination with other features) which illustrate non-limiting combinations of possible features.
 本明細書でいう「断面視」とは、電極の厚み方向に略平行な面で切り取った場合の形態に基づいている。また、本明細書で用いる「平面視」または「平面視形状」とは、かかる電極の厚み方向に沿って対象物を上側または下側からみた場合の見取図に基づいている。 In this specification, "cross-sectional view" refers to the shape of the electrode when cut along a plane approximately parallel to the thickness direction. In addition, "plan view" or "plan view shape" as used in this specification refers to a sketch of the object when viewed from above or below along the thickness direction of the electrode.
 また、本明細書でいう「垂直」および「直交」とは、必ずしも完全な「垂直」でなくてよく、それから僅かにずれた態様(例えば、完全な垂直から±10°の範囲、例えば±5°までの範囲)を含んでいる。 In addition, "vertical" and "orthogonal" as used in this specification do not necessarily mean completely "vertical" and include aspects that are slightly deviated from that (for example, within a range of ±10° from completely vertical, such as a range of ±5°).
 また、本明細書でいう「平行」とは、必ずしも完全な「平行」でなくてよく、それから僅かにずれた態様(例えば、完全な平行から±10°の範囲、例えば±5°までの範囲)を含んでいる。 In addition, "parallel" as used herein does not necessarily mean completely "parallel" and includes slight deviations from that (for example, within a range of ±10° from completely parallel, such as ±5°).
 また、本明細書において、構造物の「上に」とは、その構造物に接触する場合だけでなく、その構造物の上面に接触しない場合も含む。すなわち、構造物の「上に」とは、その構造物の上方に別の構造物が形成される場合、および/またはその構造物との間に他の構造物が介在している場合等を含む。また、「上に」とは、必ずしも鉛直方向における上側を意味するものではない。「上に」とは、構造物同士の相対的な位置関係を示しているに過ぎない。 In addition, in this specification, "on" a structure does not only mean that it is in contact with the structure, but also includes cases where it is not in contact with the top surface of the structure. In other words, "on" a structure includes cases where another structure is formed above the structure, and/or cases where another structure is between the structure. Furthermore, "on" does not necessarily mean the upper side in the vertical direction. "On" merely indicates the relative positional relationship between the structures.
<本開示の電極の特徴>
 図1は、本開示の一実施形態に係る電極を模式的に示す断面図である。電極10は、集電体11と、集電体11に設けられた電極活物質層12とを有して成る。つまり、本開示の一実施形態に係る電極10において、集電体11は、電極活物質層12を担持していてよい。より詳細には、電極10において、集電体11の少なくとも一方の主面に電極活物質層12が設けられていてよい。つまり、電極の集電体11は、いずれか一方の主面に電極活物質層12を備えていてよく、または、両側主面に電極活物質層12を備えていてもよい。なお、本明細書において、集電体の「主面」とは、集電体における最も面積の広い面と、その面に対向する面を意味する。
Features of the Electrode of the Present Disclosure
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic diagram of an electrode according to an embodiment of the present disclosure. The electrode 10 includes a current collector 11 and an electrode active material layer 12 provided on the current collector 11. That is, in the electrode 10 according to an embodiment of the present disclosure, the current collector 11 may support the electrode active material layer 12. More specifically, in the electrode 10, the electrode active material layer 12 may be provided on at least one main surface of the current collector 11. That is, the current collector 11 of the electrode may have the electrode active material layer 12 on either one of its main surfaces, or may have the electrode active material layer 12 on both main surfaces. In this specification, the "main surface" of the current collector means the surface with the largest area in the current collector and the surface opposite to that surface.
 電極活物質層12は、電極反応に際して電子の受け渡しに関わる活物質を少なくとも含有する。集電体11は、電極反応に起因して電極活物質層12で発生した電子の収集および供給に資する。本開示は、かかる集電体において特に特徴を有する。以下に、本開示の電極に備えられる集電体について詳述する。 The electrode active material layer 12 contains at least an active material involved in the transfer of electrons during the electrode reaction. The current collector 11 contributes to the collection and supply of electrons generated in the electrode active material layer 12 due to the electrode reaction. This disclosure is particularly characterized by such a current collector. The current collector provided in the electrode of this disclosure is described in detail below.
 本開示の集電体は、カーボンナノチューブを含んで成る。より具体的には、本開示の集電体には、規則的な配向性を有するカーボンナノチューブが含まれる。図2は、本開示の一実施形態に係る電極の集電体を模式的に示す平面拡大図である。図示されるように、集電体11に含まれるカーボンナノチューブ11Cは、集電体11中にて方向Xに規則的に配向していてよい。ここで、本願明細書における「規則的な配向性」とは、巨視的な配向を意味し、必ずしも全てのカーボンナノチューブが所定の方向に配向していなくてよい。つまり、本願明細書における「規則的な配向性」は、カーボンナノチューブが、うねりまたは蛇行部分を有しながら所定の方向に向かって延在している態様を包含する。したがって、本開示の集電体11に含まれるカーボンナノチューブ11Cの長軸方向は、ランダムではなく、所定の方向に沿って巨視的に揃っている。これは、集電体11に含まれるカーボンナノチューブ11Cの長軸方向が、少なくとも1つの方向に略規則的に揃って配されていることを意味する。 The current collector of the present disclosure comprises carbon nanotubes. More specifically, the current collector of the present disclosure comprises carbon nanotubes having regular orientation. FIG. 2 is an enlarged plan view showing a schematic view of a current collector of an electrode according to an embodiment of the present disclosure. As shown in the figure, the carbon nanotubes 11C contained in the current collector 11 may be regularly oriented in the direction X in the current collector 11. Here, the "regular orientation" in this specification means a macroscopic orientation, and not all carbon nanotubes are necessarily oriented in a predetermined direction. In other words, the "regular orientation" in this specification includes a state in which the carbon nanotubes extend toward a predetermined direction while having undulating or meandering portions. Therefore, the long axis direction of the carbon nanotubes 11C contained in the current collector 11 of the present disclosure is not random, but is macroscopically aligned along a predetermined direction. This means that the long axis direction of the carbon nanotubes 11C contained in the current collector 11 is arranged approximately regularly in at least one direction.
 かかる構造により、本開示の電極では、集電体中にてカーボンチューブが均一に配置される。これにより、カーボンナノチューブが折れ曲がった状態または湾曲した状態で不均一に配置される場合と比べて、集電体に含まれる上記カーボンナノチューブの特性(優れた熱伝導性、導電性および機械的強度)を好適に供しやすくなり得る。その結果、かかるカーボンナノチューブを含む集電体を備えた電極は、好適な電極特性を供することが可能となる。つまり、本開示によれば、カーボンナノチューブが有する所定の特性をより効果的に利用可能な集電体を備える電極が得られ得る。 With this structure, in the electrode of the present disclosure, the carbon tubes are uniformly arranged in the current collector. This makes it easier to favorably provide the properties of the carbon nanotubes contained in the current collector (excellent thermal conductivity, electrical conductivity, and mechanical strength) compared to when the carbon nanotubes are unevenly arranged in a bent or curved state. As a result, an electrode equipped with a current collector containing such carbon nanotubes can provide favorable electrode properties. In other words, according to the present disclosure, an electrode equipped with a current collector that can more effectively utilize the specific properties of carbon nanotubes can be obtained.
 例えば、カーボンナノチューブのシートがカーボンナノチューブ分散液の濾過によって形成される場合、カーボンナノチューブはシート中でランダムな方向に配向し得る。このような方法で形成されたシートには、折れ曲がったり、丸まったりしているカーボンナノチューブが含まれ得る。そのため、カーボンナノチューブは実際の長さで導電に寄与していない虞があり、シート全体の電気抵抗値が高くなる懸念がある。一方、本開示の集電体では、カーボンナノチューブが規則的な配向性を有することで、カーボンナノチューブを集電体の全体にわたって均一に配することが可能になる。そのため、カーボンナノチューブは効率的に集電体の導電に資することができる。これにより、かかる集電体を備える電極は、導電性の点でより好適であり得る。 For example, when a sheet of carbon nanotubes is formed by filtering a carbon nanotube dispersion, the carbon nanotubes may be oriented in random directions within the sheet. A sheet formed in this manner may contain bent or curled carbon nanotubes. As a result, there is a risk that the actual length of the carbon nanotubes does not contribute to conductivity, and there is a concern that the electrical resistance of the entire sheet may be high. On the other hand, in the current collector of the present disclosure, the carbon nanotubes have a regular orientation, which makes it possible to uniformly distribute the carbon nanotubes throughout the entire current collector. Therefore, the carbon nanotubes can efficiently contribute to the conductivity of the current collector. As a result, an electrode equipped with such a current collector may be more suitable in terms of conductivity.
 また、集電体が配向性を有するカーボンナノチューブを含むことにより、集電体は、配向方向に対して、カーボンナノチューブの有する機械的強度特性を効果的に得ることが可能になる。これにより、かかる集電体を備える電極は、機械的強度の点においてもより好適であり得る。 In addition, by including oriented carbon nanotubes in the current collector, the current collector can effectively obtain the mechanical strength properties of the carbon nanotubes in the direction of orientation. As a result, an electrode equipped with such a current collector can be more suitable in terms of mechanical strength.
 さらに、規則的に配向したカーボンナノチューブを含む集電体では、集電体の全体にわたってカーボンナノチューブを効率的に配することができる。そのため、集電体を形成するために要するカーボンナノチューブの量を削減することが可能となる。つまり、より少ない量のカーボンナノチューブで集電体を形成可能となるため、かかる構造は、集電体の薄膜化および低密度化にも寄与し得る。したがって、本開示は、より小型化および軽量化された電極を供し得、かかる電極を備える電池の重量エネルギー密度および/または体積エネルギー密度をより向上させ得る。 Furthermore, in a current collector containing regularly oriented carbon nanotubes, the carbon nanotubes can be efficiently distributed throughout the current collector. This makes it possible to reduce the amount of carbon nanotubes required to form the current collector. In other words, since the current collector can be formed with a smaller amount of carbon nanotubes, such a structure can also contribute to making the current collector thinner and less dense. Therefore, the present disclosure can provide a smaller and lighter electrode, and can further improve the gravimetric energy density and/or volumetric energy density of a battery equipped with such an electrode.
 また、カーボンナノチューブは、熱伝導性についても顕著な異方性を有することが知られている。そのため、規則的に配向するカーボンナノチューブを含む集電体は、カーボンナノチューブの配向方向においてより高い熱拡散率を示す。つまり、本開示の電極において、カーボンナノチューブの配向方向の熱伝導性がより向上し得る。端的にいえば、本開示の電極は、所定方向への異方的な熱伝導特性を好適に供することが可能である。そのため、例えば、電極の発熱が生じた場合、発生した熱をカーボンナノチューブの配向方向に伝導させ、電極の外部に放熱させることが可能となる。つまり、本開示の電極では、規則的な配向性を有するカーボンナノチューブが電極の放熱にも資するため、このような電極自体および当該電極を備える電池等への不利な熱影響がより好適に抑制され得る。 It is also known that carbon nanotubes have a significant anisotropy in thermal conductivity. Therefore, a current collector containing regularly oriented carbon nanotubes exhibits a higher thermal diffusivity in the orientation direction of the carbon nanotubes. In other words, in the electrode of the present disclosure, the thermal conductivity in the orientation direction of the carbon nanotubes can be further improved. In short, the electrode of the present disclosure can provide anisotropic thermal conductivity in a predetermined direction. Therefore, for example, when the electrode generates heat, the generated heat can be conducted in the orientation direction of the carbon nanotubes and dissipated to the outside of the electrode. In other words, in the electrode of the present disclosure, the regularly oriented carbon nanotubes also contribute to the heat dissipation of the electrode, so that adverse thermal effects on such an electrode itself and on batteries and the like equipped with the electrode can be more effectively suppressed.
 図2に示されるように、集電体11に含まれるカーボンナノチューブ11Cは、集電体11の主面の延在方向に配向していてよい。つまり、集電体11は、集電体11の主面方向と略平行に、規則的に配向するカーボンナノチューブ11Cを含んでいてよい。これは、カーボンナノチューブ11Cの長手軸が、集電体11の主面と略平行な方向に沿って配されていることを意味する。換言すれば、集電体11中のカーボンナノチューブ11Cは、集電体11の厚み方向に対して略垂直な方向に延在するように配されてよい。このような集電体11は、カーボンナノチューブ11Cが配向している方向において、より優れた機械的特性、電気的特性および熱伝導特性を有し得る。例えば、集電体11の主面の延在方向に沿って配向したカーボンナノチューブ11Cは、集電体11の曲げ強度および引張強度等の機械的強度をより向上させ得る。つまり、かかる構造を有する集電体によって、より機械的強度および取り扱い性に優れた、より好適な電極が供され得る。上述の構造を備えることにより、本開示の電極は、カーボンナノチューブを含む集電体を備え、かつ好適な電極特性を備え得る。 2, the carbon nanotubes 11C contained in the current collector 11 may be oriented in the extension direction of the main surface of the current collector 11. In other words, the current collector 11 may contain carbon nanotubes 11C that are regularly oriented approximately parallel to the main surface direction of the current collector 11. This means that the longitudinal axis of the carbon nanotubes 11C is arranged along a direction approximately parallel to the main surface of the current collector 11. In other words, the carbon nanotubes 11C in the current collector 11 may be arranged to extend in a direction approximately perpendicular to the thickness direction of the current collector 11. Such a current collector 11 may have better mechanical properties, electrical properties, and thermal conductivity properties in the direction in which the carbon nanotubes 11C are oriented. For example, the carbon nanotubes 11C oriented along the extension direction of the main surface of the current collector 11 may further improve the mechanical strength of the current collector 11, such as bending strength and tensile strength. In other words, a current collector having such a structure can provide a more suitable electrode with better mechanical strength and handling properties. By having the above-mentioned structure, the electrode of the present disclosure has a current collector containing carbon nanotubes and can have suitable electrode properties.
 さらに、集電体が主面の延在方向に配向したカーボンナノチューブを含むことで、集電体の全体にわたってカーボンナノチューブをより効率的に配することが可能となる。具体的には、集電体に含まれるカーボンナノチューブが集電体の面方向に沿って延在することで、集電体をより薄膜化することが可能となり得る。したがって、本開示は、より小型化された電極を供し得、かかる電極を備える電池の体積エネルギー密度をより向上させ得る。 Furthermore, by including carbon nanotubes oriented in the extension direction of the main surface of the current collector, it becomes possible to more efficiently distribute the carbon nanotubes throughout the entire current collector. Specifically, by having the carbon nanotubes included in the current collector extend along the surface direction of the current collector, it may be possible to make the current collector thinner. Therefore, the present disclosure can provide a more compact electrode, and can further improve the volumetric energy density of a battery equipped with such an electrode.
 一実施形態において、集電体には複数のカーボンナノチューブが存在し、集電体の厚み方向から見て、複数のカーボンナノチューブは並列状に配向していてよい。なお、本明細書において「並列状」は、完全に並列である状態と、およそ並列である状態とを含む。すなわち、「並列状」は、巨視的に並列であり、細部に並列ではない箇所が含まれている状態を包含する。より具体的には、カーボンナノチューブの長手方向に対して直交する方向から集電体を見た場合に、複数のカーボンナノチューブの長手方向が所定の方向に略規則的に配されていると視認できる程度に、複数のカーボンナノチューブが並んでいてよい。例えば、複数のカーボンナノチューブは、所定の方向に規則的に配向するように、並列状に整列されていてよい。つまり、集電体に含まれる複数のカーボンナノチューブは、互いに対して略平行となるように配され得る。 In one embodiment, the current collector includes a plurality of carbon nanotubes, and the plurality of carbon nanotubes may be oriented in parallel when viewed in the thickness direction of the current collector. In this specification, "parallel" includes a state in which they are completely parallel and a state in which they are approximately parallel. In other words, "parallel" includes a state in which they are macroscopically parallel, but include some details that are not parallel. More specifically, when the current collector is viewed from a direction perpendicular to the longitudinal direction of the carbon nanotubes, the plurality of carbon nanotubes may be arranged to such an extent that the longitudinal directions of the plurality of carbon nanotubes can be visually recognized as being arranged approximately regularly in a predetermined direction. For example, the plurality of carbon nanotubes may be aligned in parallel so as to be regularly oriented in a predetermined direction. In other words, the plurality of carbon nanotubes included in the current collector may be arranged so as to be approximately parallel to each other.
 図3Aおよび図3Bは、それぞれ、本開示の一実施形態における集電体を、集電体の厚み方向から1000倍または5000倍の倍率で観察したSEM画像である。図3Aおよび図3Bに示されるように、本開示の集電体は、互いに略平行となるように並列状に配された複数のカーボンナノチューブを含み得る。このようにカーボンナノチューブが集電体にて並列状に配向することで、カーボンナノチューブの端部同士の接点数が低減されるため、カーボンナノチューブ間の接触抵抗の総和を低減し、結果として集電体全体の電気抵抗値がより低減され得る。したがって、上述の構造のカーボンナノチューブを含む集電体を備えることで、より好適な電極特性を有する電極が供され得る。 3A and 3B are SEM images of a current collector according to an embodiment of the present disclosure, observed at 1000x and 5000x magnifications from the thickness direction of the current collector. As shown in FIGS. 3A and 3B, the current collector of the present disclosure may include a plurality of carbon nanotubes arranged in parallel so as to be approximately parallel to each other. By orienting the carbon nanotubes in parallel in this manner on the current collector, the number of contact points between the ends of the carbon nanotubes is reduced, thereby reducing the total contact resistance between the carbon nanotubes, and as a result, the electrical resistance value of the entire current collector can be further reduced. Therefore, by providing a current collector containing carbon nanotubes with the above-described structure, an electrode having more suitable electrode characteristics can be provided.
 また、一実施形態において、集電体に含まれる複数のカーボンナノチューブは、互いに絡み合っていてよい。より詳細には、並列状に配向する複数のカーボンナノチューブにおいて、隣接するカーボンナノチューブ同士は、相互に絡み合っていてよい。例えば、集電体が、配向方向Xに向かって蛇行しながら(またはうねりながら)延在するカーボンナノチューブを含み、かかる蛇行部分において、隣接するカーボンナノチューブ同士が互いに絡み合っていてよい。つまり、複数のカーボンナノチューブは、集電体内において引き揃った状態ではなく、互いに交絡した部分を有していてよい。集電体中にて互いに並列に配されたカーボンナノチューブは、互いにバンドル化していると解することもできる。かかる交絡またはバンドル状態により、並列状に配されたカーボンナノチューブが互いに保持される。本開示の集電体において、隣接するカーボンナノチューブが互いに絡み合う構造を有することで、配向性を有した状態で集電体がより好適に形状保持され得る。これは、かかる並列状に位置するカーボンナノチューブ同士の交絡が、配向方向Xとは異なる方向(例えば、配向方向Xと直交する方向Y(図2参照))における機械的強度の向上に資することを意味する。したがって、上述の構造を備えることにより、カーボンナノチューブを含む集電体を備えかつ好適な電極特性を有する電極が供され得る。 In one embodiment, the carbon nanotubes included in the current collector may be entangled with each other. More specifically, in the carbon nanotubes oriented in parallel, adjacent carbon nanotubes may be entangled with each other. For example, the current collector may include carbon nanotubes that extend while meandering (or undulating) toward the orientation direction X, and adjacent carbon nanotubes may be entangled with each other in the meandering portion. In other words, the carbon nanotubes may have a portion where they are entangled with each other, rather than being aligned in the current collector. The carbon nanotubes arranged in parallel with each other in the current collector can also be considered to be bundled with each other. The entangled or bundled state holds the carbon nanotubes arranged in parallel with each other. In the current collector of the present disclosure, the adjacent carbon nanotubes have a structure in which they are entangled with each other, so that the current collector can more suitably maintain its shape in an oriented state. This means that the entanglement of the parallel carbon nanotubes contributes to improving the mechanical strength in a direction different from the orientation direction X (for example, the direction Y perpendicular to the orientation direction X (see FIG. 2)). Therefore, by providing the above-described structure, an electrode having a current collector containing carbon nanotubes and suitable electrode properties can be provided.
 さらに、本開示の集電体に含まれるカーボンナノチューブは、配向方向Xに沿って互いに直列状に配されていてよい。より詳細には、本開示の一実施形態において、カーボンナノチューブは、集電体の主面に沿って直列状に配向されていてよい。これは、カーボンナノチューブが長軸方向に連続するように配されることを意味する。つまり、集電体は、カーボンナノチューブの長軸方向に沿って略直線状に連なった複数のカーボンナノチューブを含んでいてよい。互いに直列状に配されたカーボンナノチューブは、カーボンナノチューブの端部同士が互いに絡み合うことによって連結されてよい。集電体の機械的強度および電気的特性の向上をより重視すると、直列状に配されたカーボンナノチューブは、ファンデルワールス力で互いに結合された連結体であってよい。このように、集電体が直列状に配向したカーボンナノチューブを含むことで、集電体中のカーボンナノチューブ同士の接合点数が削減され得る。このような構造により、接合点に起因する集電体全体の電気抵抗値の上昇が抑制され、電気的特性の点でより優れた集電体を備える電極が供され得る。 Furthermore, the carbon nanotubes included in the current collector of the present disclosure may be arranged in series along the orientation direction X. More specifically, in one embodiment of the present disclosure, the carbon nanotubes may be arranged in series along the main surface of the current collector. This means that the carbon nanotubes are arranged so as to be continuous in the long axis direction. In other words, the current collector may include a plurality of carbon nanotubes that are connected in a substantially straight line along the long axis direction of the carbon nanotubes. The carbon nanotubes arranged in series may be connected by intertwining the ends of the carbon nanotubes with each other. When more importance is placed on improving the mechanical strength and electrical properties of the current collector, the carbon nanotubes arranged in series may be connected to each other by van der Waals forces. In this way, by including carbon nanotubes oriented in series in the current collector, the number of junctions between the carbon nanotubes in the current collector can be reduced. With such a structure, the increase in the electrical resistance value of the entire current collector caused by the junctions can be suppressed, and an electrode including a current collector with better electrical properties can be provided.
 さらに、本開示によれば、このような交絡(またはバンドル化)若しくはファンデルワールス力による結合により、カーボンナノチューブ同士を接合させるための結合剤を用いずに、集電体の形状を保持することが可能となる。つまり、結合剤を実質的に含まずに集電体を構成することが可能となるため、集電体の重量がより低減され、高い重量エネルギー密度を有する電極がもたらされ得る。さらに、結合剤の含有に起因する電気抵抗値の上昇をも防止できるため、導電性においても優れた電極が供され得る。 Furthermore, according to the present disclosure, such entanglement (or bundling) or bonding by van der Waals forces makes it possible to maintain the shape of the current collector without using a binder to bond the carbon nanotubes together. In other words, it is possible to form a current collector that is substantially free of binder, which further reduces the weight of the current collector and can result in an electrode with a high weight energy density. Furthermore, since it is possible to prevent an increase in electrical resistance due to the inclusion of a binder, an electrode with excellent conductivity can be provided.
 したがって、本開示の集電体は、カーボンナノチューブから成るカーボンナノチューブシートであってよい。これは、集電体が分散剤または樹脂等の固定素材を実質的に含まず、カーボンナノチューブのみから成るシートであることを意味する。一方で、集電体には、集電体、当該集電体を備える電極および電池の製造時において不可避的に含まれる成分が含まれていてもよい。例えば、集電体は本願発明の効果を失わせない範囲でその他の成分を含有していてもよい。その他の成分の例としては、有機染料および有機顔料等の着色剤、有機粒子および有機繊維等の有機充填材、老化防止剤/酸化防止剤、紫外線吸収剤、光安定剤等が挙げられる。 Therefore, the current collector of the present disclosure may be a carbon nanotube sheet made of carbon nanotubes. This means that the current collector is a sheet made only of carbon nanotubes, substantially free of fixing materials such as dispersants or resins. On the other hand, the current collector may contain components that are inevitably contained during the manufacture of the current collector, the electrode and the battery that include the current collector. For example, the current collector may contain other components to the extent that the effect of the present invention is not lost. Examples of other components include colorants such as organic dyes and organic pigments, organic fillers such as organic particles and organic fibers, anti-aging agents/antioxidants, ultraviolet absorbers, light stabilizers, etc.
 図2に示されるように、本開示の一実施形態において、集電体11は長尺状である。例えば、かかる長尺状の集電体11に含まれるカーボンナノチューブ11Cは、集電体11の主面の長手方向および短手方向の少なくとも一方に沿って配向していてよい。すなわち、集電体11中のカーボンナノチューブ11Cは、集電体11の長辺および/または短辺に対して略平行に配向していてよい。集電体11中において、カーボンナノチューブ11Cの直径方向(すなわち、配向方向Xに対して直交する方向Y)にて隣接する複数のカーボンナノチューブ11Cは、互いに絡み合っていてよい。他方で、カーボンナノチューブ11Cの長軸方向(すなわち、配向方向X)にて隣接する2本以上のカーボンナノチューブ11Cは、強固なファンデルワールス力によって結合され得る。これにより、集電体11の長辺および/または短辺に対して略平行に配されたカーボンナノチューブ11Cは、隣接するカーボンナノチューブ11C同士でより好適に交絡および/または結合され、集電体11からのカーボンナノチューブ11Cの脱落がより好適に抑制され得る。さらに、配向方向Xにて隣接するカーボンナノチューブ同士は、カーボンナノチューブ間に作用するファンデルワールス力によって強固に結合されているため、配向方向Xに直交する方向Yにて隣接するカーボンナノチューブ11C同士の交絡よりも高い機械的強度(例えば、引張強度)を有し得る。したがって、集電体11の機械的強度をより重視すると、集電体11は、当該集電体11の長手方向に沿って配向するカーボンナノチューブ11Cを少なくとも含むことがより好ましい。 As shown in FIG. 2, in one embodiment of the present disclosure, the current collector 11 is long. For example, the carbon nanotubes 11C contained in such a long current collector 11 may be oriented along at least one of the longitudinal and lateral directions of the main surface of the current collector 11. That is, the carbon nanotubes 11C in the current collector 11 may be oriented approximately parallel to the long side and/or short side of the current collector 11. In the current collector 11, multiple carbon nanotubes 11C adjacent to each other in the diameter direction of the carbon nanotube 11C (i.e., direction Y perpendicular to the orientation direction X) may be entangled with each other. On the other hand, two or more carbon nanotubes 11C adjacent to each other in the longitudinal direction of the carbon nanotube 11C (i.e., orientation direction X) may be bonded by strong van der Waals forces. As a result, the carbon nanotubes 11C arranged approximately parallel to the long and/or short sides of the current collector 11 are more preferably entangled and/or bonded to the adjacent carbon nanotubes 11C, and the falling off of the carbon nanotubes 11C from the current collector 11 can be more preferably prevented. Furthermore, since the carbon nanotubes adjacent to each other in the orientation direction X are firmly bonded by the van der Waals force acting between the carbon nanotubes, they can have a higher mechanical strength (e.g., tensile strength) than the entanglement of the carbon nanotubes 11C adjacent to each other in the direction Y perpendicular to the orientation direction X. Therefore, when the mechanical strength of the current collector 11 is more important, it is more preferable that the current collector 11 includes at least the carbon nanotubes 11C oriented along the longitudinal direction of the current collector 11.
 本開示の電極に備えられる集電体11の熱伝導率および電気抵抗値の少なくとも一方は、異方性であり得る。より詳細には、集電体11が規則的な配向性を有するカーボンナノチューブ11Cを含むことにより、集電体11は、集電体11中に含まれるカーボンナノチューブ11Cの配向方向に沿って巨視的に配向した熱伝導率および/または電気的特性を有し得る。つまり、集電体11の電気的特性および熱伝導特性は、カーボンナノチューブ11Cが配向する方向において特に顕著となり得る。例えば、集電体11に含まれるカーボンナノチューブ11Cの配向方向Xにおける熱伝導率は、カーボンナノチューブ11Cの配向方向Xに直交する方向Y(図2参照)における熱伝導率よりも相対的に大きい。集電体11が熱伝導率について配向性を有することで、電極に生じる熱を電極および電池外部により効率的に放熱させることが可能となる。 At least one of the thermal conductivity and electrical resistance of the current collector 11 provided in the electrode of the present disclosure may be anisotropic. More specifically, since the current collector 11 contains carbon nanotubes 11C having regular orientation, the current collector 11 may have thermal conductivity and/or electrical properties oriented macroscopically along the orientation direction of the carbon nanotubes 11C contained in the current collector 11. In other words, the electrical properties and thermal conduction properties of the current collector 11 may be particularly prominent in the direction in which the carbon nanotubes 11C are oriented. For example, the thermal conductivity in the orientation direction X of the carbon nanotubes 11C contained in the current collector 11 is relatively higher than the thermal conductivity in the direction Y (see FIG. 2) perpendicular to the orientation direction X of the carbon nanotubes 11C. Since the current collector 11 has orientation in thermal conductivity, it is possible to more efficiently dissipate heat generated in the electrode to the electrode and outside the battery.
 同様に、集電体11に含まれるカーボンナノチューブ11Cの配向方向Xにおける電気抵抗値は、カーボンナノチューブ11Cの配向方向Xに直交する方向Yにおける電気抵抗値よりも相対的に小さくてよい。要するに、本開示の集電体11は、配向方向Xにてより小さい電気抵抗率を有する。これにより、電極から電流を取り出すために集電体11に取り付けられ得るリードまたはタブ等の接続部材(図示せず)を配向方向Xに沿って接続することで、よりエネルギー効率のよい電池が得られ得る。より具体的には、配向方向Xにおける集電体の端部に接続部材を取り付けることで、当該接続部材と集電体11との間の電気抵抗が低減され、より好適な電極が供され得る。 Similarly, the electrical resistance value in the orientation direction X of the carbon nanotubes 11C contained in the current collector 11 may be relatively smaller than the electrical resistance value in the direction Y perpendicular to the orientation direction X of the carbon nanotubes 11C. In short, the current collector 11 of the present disclosure has a smaller electrical resistivity in the orientation direction X. This allows a more energy-efficient battery to be obtained by connecting a connection member (not shown) such as a lead or tab that can be attached to the current collector 11 to extract current from the electrode along the orientation direction X. More specifically, by attaching a connection member to the end of the current collector in the orientation direction X, the electrical resistance between the connection member and the current collector 11 is reduced, and a more suitable electrode can be provided.
 集電体に含まれるカーボンナノチューブの配向方向に対する熱伝導率は、例えば10W/mK以上、20W/mK以上、30W/mK以上、40W/mK以上、または50W/mK以上であってよく、好ましくは、50W/mKより大きい。集電体に含まれるカーボンナノチューブの配向方向に対する熱伝導率は、1000W/mK以下、800W/mK以下、700W/mK以下、600W/mK以下、または500W/mK以下であってよい。 The thermal conductivity in the orientation direction of the carbon nanotubes contained in the current collector may be, for example, 10 W/mK or more, 20 W/mK or more, 30 W/mK or more, 40 W/mK or more, or 50 W/mK or more, and is preferably greater than 50 W/mK. The thermal conductivity in the orientation direction of the carbon nanotubes contained in the current collector may be 1000 W/mK or less, 800 W/mK or less, 700 W/mK or less, 600 W/mK or less, or 500 W/mK or less.
 集電体に含まれるカーボンナノチューブの配向方向に直交する方向に対する熱伝導率は、例えば0.5W/mK以上、1W/mK以上、2W/mK以上、3W/mK以上、または5W/mK以上であってよい。集電体に含まれるカーボンナノチューブの配向方向に直交する方向に対する熱伝導率は、50W/mK以下、40W/mK以下、または30W/mK以下であってよい。 The thermal conductivity in a direction perpendicular to the orientation direction of the carbon nanotubes contained in the current collector may be, for example, 0.5 W/mK or more, 1 W/mK or more, 2 W/mK or more, 3 W/mK or more, or 5 W/mK or more. The thermal conductivity in a direction perpendicular to the orientation direction of the carbon nanotubes contained in the current collector may be 50 W/mK or less, 40 W/mK or less, or 30 W/mK or less.
 集電体に含まれるカーボンナノチューブの配向方向に対する熱伝導率は、配向方向に直交する方向に対する熱伝導率の1.2倍以上、1.5倍以上、2.0倍以上、2.5倍以上、3.0倍以上、3.5倍以上または4.0倍以上であってよく、好ましくは2.0倍以上である。集電体におけるカーボンナノチューブの配向方向に対する熱伝導率は、例えば、集電体におけるカーボンナノチューブの配向方向に直交する方向に対する熱伝導率の50倍以下、25倍以下、または10倍以下であってよい。 The thermal conductivity in the orientation direction of the carbon nanotubes contained in the current collector may be 1.2 times or more, 1.5 times or more, 2.0 times or more, 2.5 times or more, 3.0 times or more, 3.5 times or more, or 4.0 times or more, and is preferably 2.0 times or more, as compared to the thermal conductivity in the direction perpendicular to the orientation direction. The thermal conductivity in the orientation direction of the carbon nanotubes in the current collector may be, for example, 50 times or less, 25 times or less, or 10 times or less, as compared to the thermal conductivity in the direction perpendicular to the orientation direction of the carbon nanotubes in the current collector.
 集電体に含まれるカーボンナノチューブの配向方向における電気抵抗値は、例えば0.5Ω以上、1Ω以上、2Ω以上、5Ω以上、または10Ω以上であってよい。集電体に含まれるカーボンナノチューブの配向方向における電気抵抗値は、例えば50Ω以下、40Ω以下、30Ω以下、または20Ω以下であってよく、好ましくは30Ω以下である。 The electrical resistance value in the orientation direction of the carbon nanotubes contained in the current collector may be, for example, 0.5 Ω or more, 1 Ω or more, 2 Ω or more, 5 Ω or more, or 10 Ω or more. The electrical resistance value in the orientation direction of the carbon nanotubes contained in the current collector may be, for example, 50 Ω or less, 40 Ω or less, 30 Ω or less, or 20 Ω or less, and is preferably 30 Ω or less.
 集電体に含まれるカーボンナノチューブの配向方向に直交する方向における電気抵抗値は、例えば70Ω以上、80Ω以上、100Ω以上、または200Ω以上であってよい。集電体に含まれるカーボンナノチューブの配向方向に直交する方向における電気抵抗値は、例えば500Ω以下、400Ω以下、または300Ω以下であってよい。 The electrical resistance value in a direction perpendicular to the orientation direction of the carbon nanotubes contained in the current collector may be, for example, 70 Ω or more, 80 Ω or more, 100 Ω or more, or 200 Ω or more. The electrical resistance value in a direction perpendicular to the orientation direction of the carbon nanotubes contained in the current collector may be, for example, 500 Ω or less, 400 Ω or less, or 300 Ω or less.
 集電体に含まれるカーボンナノチューブの配向方向における電気抵抗値は、例えば、配向方向に直交する方向に対する電気抵抗値の0.9倍以下、0.8倍以下、0.7倍以下、または0.6倍以下であってよく、好ましくは0.6倍以下である。集電体に含まれるカーボンナノチューブの配向方向における電気抵抗値は、例えば、配向方向に直交する方向に対する電気抵抗値の0.01倍以上、0.05倍以上、0.1倍以上、0.2倍以上、または0.5倍以上であってよい。 The electrical resistance value in the orientation direction of the carbon nanotubes contained in the current collector may be, for example, 0.9 times or less, 0.8 times or less, 0.7 times or less, or 0.6 times or less, and is preferably 0.6 times or less, of the electrical resistance value in the direction perpendicular to the orientation direction. The electrical resistance value in the orientation direction of the carbon nanotubes contained in the current collector may be, for example, 0.01 times or more, 0.05 times or more, 0.1 times or more, 0.2 times or more, or 0.5 times or more, of the electrical resistance value in the direction perpendicular to the orientation direction.
 集電体に含まれるカーボンナノチューブの平均直径は0.5nm以上、3nm以上、5nm以上、10nm以上、30nm以上、50nm以上、または100nm以上であってよく、好ましくは5nm以上、より好ましくは10nm以上である。カーボンナノチューブの直径は500nm以下、300nm以下、100nm以下、80nm以下、60nm以下、40nm以下、または20nm以下であってよく、例えば100nm以下であってよい。本開示における「平均直径」は、5点のカーボンナノチューブにおける直径の平均値を意味し、「直径」は、カーボンナノチューブをSEM画像で観察した際の、カーボンナノチューブの長さ方向に直交する幅を意味する。 The average diameter of the carbon nanotubes contained in the current collector may be 0.5 nm or more, 3 nm or more, 5 nm or more, 10 nm or more, 30 nm or more, 50 nm or more, or 100 nm or more, preferably 5 nm or more, and more preferably 10 nm or more. The diameter of the carbon nanotubes may be 500 nm or less, 300 nm or less, 100 nm or less, 80 nm or less, 60 nm or less, 40 nm or less, or 20 nm or less, for example, 100 nm or less. In this disclosure, "average diameter" refers to the average value of the diameters of five carbon nanotubes, and "diameter" refers to the width perpendicular to the length direction of the carbon nanotubes when the carbon nanotubes are observed in a SEM image.
 また、集電体に含まれるカーボンナノチューブは、単層または多層であってもよいが、多層であることがより好ましい。カーボンナノチューブの層数は1以上、2以上、3以上、5以上、7以上、10以上、または20以上であってよく、好ましくは2以上である。カーボンナノチューブの層数は55以下、45以下、35以下、25以下、15以下、または5以下であってよい。上述の範囲の層数を有する多層カーボンナノチューブにより、複数のカーボンナノチューブが互いにより好適にバンドル化し得るため、機械的強度により優れた集電体が得られ得る。 The carbon nanotubes contained in the current collector may be single-walled or multi-walled, but are more preferably multi-walled. The number of layers of the carbon nanotubes may be 1 or more, 2 or more, 3 or more, 5 or more, 7 or more, 10 or more, or 20 or more, and is preferably 2 or more. The number of layers of the carbon nanotubes may be 55 or less, 45 or less, 35 or less, 25 or less, 15 or less, or 5 or less. Multi-walled carbon nanotubes having the number of layers in the above ranges allow multiple carbon nanotubes to be more suitably bundled together, resulting in a current collector with superior mechanical strength.
 集電体に含まれるカーボンナノチューブの平均長さは、0.05mm以上、0.1mm以上、0.2mm以上、0.3mm以上、0.5mm以上、1.0mm以上、1.5mm以上であってよく、好ましくは0.1mm以上であり、より好ましくは0.3mm以上である。カーボンナノチューブの長さは平均で20mm以下、15mm以下、10mm以下、5.0mm以下、2.5mm以下、2.0mm以下、1.5mm以下であってよく、例えば5.0mm以下であってよい。 The average length of the carbon nanotubes contained in the current collector may be 0.05 mm or more, 0.1 mm or more, 0.2 mm or more, 0.3 mm or more, 0.5 mm or more, 1.0 mm or more, 1.5 mm or more, preferably 0.1 mm or more, and more preferably 0.3 mm or more. The average length of the carbon nanotubes may be 20 mm or less, 15 mm or less, 10 mm or less, 5.0 mm or less, 2.5 mm or less, 2.0 mm or less, 1.5 mm or less, for example, 5.0 mm or less.
 本発明における「平均長さ」は、複数本(例えば5本)のカーボンナノチューブの長さを、マイクロスコープを用いて測定した平均値である。例えば、「平均長さ」は、CVD法によって基板上に成長した複数本(例えば5本)のカーボンナノチューブの長さを、マイクロスコープを用いて測定した平均値とすることができる。なお、基板上にて成長したカーボンナノチューブの長さと、集電体に含まれる1本のカーボンナノチューブの長さとは、同一ないしは略同一であるものとする。カーボンナノチューブの平均長さが上述の範囲内であると、機械的特性、化学的または物理的耐久性、または取り扱い性等のその他性能にも優れ得る。例えば、カーボンナノチューブの平均長さが上述の範囲内であると、カーボンナノチューブ同士の接点が削減されて電気抵抗が低減され得る。また、カーボンナノチューブの平均長さが上述の範囲内であると、カーボンナノチューブを含む集電体が熱伝導性に優れ得る。さらに、カーボンナノチューブの平均長さが大きいほど、複数のカーボンナノチューブが容易にバンドル化し、より好適に互いに絡み合うため、集電体の機械的強度が向上し得る。 The "average length" in the present invention is the average value of the lengths of multiple (e.g., five) carbon nanotubes measured using a microscope. For example, the "average length" can be the average value of the lengths of multiple (e.g., five) carbon nanotubes grown on a substrate by CVD, measured using a microscope. The length of the carbon nanotubes grown on the substrate and the length of one carbon nanotube included in the current collector are assumed to be the same or approximately the same. If the average length of the carbon nanotubes is within the above range, other performances such as mechanical properties, chemical or physical durability, and ease of handling can also be excellent. For example, if the average length of the carbon nanotubes is within the above range, the contact points between the carbon nanotubes can be reduced, thereby reducing electrical resistance. Furthermore, if the average length of the carbon nanotubes is within the above range, the current collector containing the carbon nanotubes can have excellent thermal conductivity. Furthermore, the greater the average length of the carbon nanotubes, the easier it is for multiple carbon nanotubes to be bundled and more suitably entangled with each other, thereby improving the mechanical strength of the current collector.
 本開示の集電体に含まれるカーボンナノチューブの平均アスペクト比、すなわち、本開示の集電体にて配向している1本のカーボンナノチューブの平均長さと平均直径の比は、500以上、1000以上、1500以上、2000以上、2500以上、または3000以上であってよく、例えば2000以上であることができる。また、カーボンナノチューブの平均アスペクト比は、100000以下、90000以下、80000以下、70000以下、65000以下、60000以下、または55000以下であってよく、例えば60000以下であることができる。カーボンナノチューブの平均アスペクト比が上述の範囲内であると、複数のカーボンナノチューブが容易にバンドル化し、より好適に互いに絡み合うことが可能となるため、集電体の機械的強度が向上し得る。 The average aspect ratio of the carbon nanotubes contained in the current collector of the present disclosure, i.e., the ratio of the average length to the average diameter of a single carbon nanotube oriented in the current collector of the present disclosure, may be 500 or more, 1000 or more, 1500 or more, 2000 or more, 2500 or more, or 3000 or more, for example, 2000 or more. The average aspect ratio of the carbon nanotubes may be 100,000 or less, 90,000 or less, 80,000 or less, 70,000 or less, 65,000 or less, 60,000 or less, or 55,000 or less, for example, 60,000 or less. When the average aspect ratio of the carbon nanotubes is within the above-mentioned range, multiple carbon nanotubes can be easily bundled and more suitably entangled with each other, and therefore the mechanical strength of the current collector can be improved.
 また、カーボンナノチューブのG/D比は、1.0以上、1.5以上、2.0以上、2.5以上であってよく、好ましくは2.0以上である。また、カーボンナノチューブのG/D比は、10.0以下、8.0以下、6.0以下、または4.0以下であってよい。G/D比は、ラマン分光法により求められるカーボンナノチューブの結晶性の指標である。 The G/D ratio of the carbon nanotubes may be 1.0 or more, 1.5 or more, 2.0 or more, or 2.5 or more, and is preferably 2.0 or more. The G/D ratio of the carbon nanotubes may be 10.0 or less, 8.0 or less, 6.0 or less, or 4.0 or less. The G/D ratio is an index of the crystallinity of the carbon nanotubes determined by Raman spectroscopy.
 本開示における集電体を構成するカーボンナノチューブは、CVD法によって合成されてよい。CVD法とは堆積物形成法の一種であり、堆積物形成の過程で化学反応を用いる。CVD法には、温度を上げて熱により原料を分解させる熱CVD法、化学反応を促進させるために光を照射する光CVD法、ガスをプラズマ状態に励起するプラズマCVD法等が含まれるが、通常、本開示におけるカーボンナノチューブの合成プロセスにおいては、熱CVD法が好ましい。熱CVD法の例としては、DIPS法、CoMoCAT法、HiPCO法、スーパーグロースCVD法、固相触媒法、気相触媒法等が挙げられる。 The carbon nanotubes constituting the current collector in this disclosure may be synthesized by the CVD method. The CVD method is a type of deposit formation method that uses a chemical reaction in the deposit formation process. CVD methods include thermal CVD, in which the temperature is raised and the raw material is decomposed by heat, photo-CVD, in which light is irradiated to promote a chemical reaction, and plasma CVD, in which a gas is excited into a plasma state, but typically, thermal CVD is preferred in the carbon nanotube synthesis process in this disclosure. Examples of thermal CVD methods include the DIPS method, the CoMoCAT method, the HiPCO method, the super-growth CVD method, the solid-phase catalyst method, and the gas-phase catalyst method.
 例えば、図6に示すように、本開示の集電体に含まれるカーボンナノチューブは、CVD法によって基板上に合成されてよい。合成後の基板から成長したカーボンナノチューブの端部をつまんで引き出し、巻き取りロールを用いて巻き取ることで得られるシート状のカーボンナノチューブを、集電体として用いてよい。このようなカーボンナノチューブシート(以下では、「CNTシート」とも称する)は、カーボンナノチューブの乾式紡績現象により形成される。より詳細には、CVD法によって基板上に垂直配向したカーボンナノチューブの集合体(いわゆるCNTフォレスト)の端部から、カーボンナノチューブを摘まんで引き出すと、カーボンナノチューブ同士がファンデルワールス力で自発的に結合し、連結したCNTウェブが得られる。得られたCNTウェブは、カーボンナノチューブが二次元のネットワークを形成した集合体と解することもできる。 For example, as shown in FIG. 6, the carbon nanotubes contained in the current collector of the present disclosure may be synthesized on a substrate by a CVD method. The ends of the carbon nanotubes grown from the substrate after synthesis are pinched and pulled out, and the sheet-like carbon nanotubes obtained by winding them up using a winding roll may be used as the current collector. Such a carbon nanotube sheet (hereinafter also referred to as a "CNT sheet") is formed by the dry spinning phenomenon of carbon nanotubes. More specifically, when the carbon nanotubes are pinched and pulled out from the ends of an aggregate of carbon nanotubes (so-called CNT forest) vertically aligned on a substrate by a CVD method, the carbon nanotubes spontaneously bond to each other through van der Waals forces, resulting in a CNT web in which the carbon nanotubes are connected. The obtained CNT web can also be interpreted as an aggregate in which the carbon nanotubes form a two-dimensional network.
 CNTシートは、CNTウェブを積層させることで形成されてよい。乾式紡績現象を利用するCNTシートの製造プロセスは公知であり、例えば、Y.Inoue,K.Kakihata,Y.Hirono,T.Horie,A.Ishida & H.Mimura:Appl.Phys.Lett.,92,21(2008),213113.;Y.Inoue,Y.Suzuki,Y.Minami,J.Muramatsu,Y.Shimamura,K.Suzuki,A.Ghemes,M.Okada,S.Sakakibara,H.Mimura & K.Naito:Carbon,49,7(2011),2437−2443.等を参考にできる。このように、乾式紡績現象によって形成されたCNTウェブでは、カーボンナノチューブを撚ること、またはカーボンナノチューブに別途結合剤を添加することを必要としない。そのため、上述のCNTウェブから成るCNTシートを集電体として用いることで、電気抵抗値の低下の要因となり得る添加剤を実質的に含まない、電気伝導性により優れた電極が供され得る。 The CNT sheet may be formed by stacking CNT webs. A manufacturing process for a CNT sheet utilizing the dry spinning phenomenon is known, for example, Y. Inoue, K. Kakihata, Y. Hirono, T. Horie, A. Ishida & H. Mimura: Appl. Phys. Lett., 92, 21 (2008), 213113.; Y. Inoue, Y. Suzuki, Y. Minami, J. Muramatsu, Y. Shimamura, K. Suzuki, A. Ghemes, M. Okada, S. Sakakibara, H. Mimura & K. Naito: Carbon, 49, 7 (2011), 2437-2443. and the like can be referred to. In this way, in the CNT web formed by the dry spinning phenomenon, it is not necessary to twist the carbon nanotubes or to add a separate binder to the carbon nanotubes. Therefore, by using a CNT sheet made of the above-mentioned CNT web as a current collector, an electrode with excellent electrical conductivity that is substantially free of additives that may cause a decrease in electrical resistance can be provided.
 また、本開示の一実施形態に係る集電体において、カーボンナノチューブは、複数方向に規則的に配向していてよい。換言すれば、集電体は、規則的に配向するカーボンナノチューブを含み、当該カーボンナノチューブの配向方向は、複数方向であってよい。図4は、本開示の一実施形態に係る集電体の模式的平面図である。図示されるように、集電体11に含まれるカーボンナノチューブ11Cは、集電体11の厚み方向から見て互いに交差していてよい。複数方向に配向するカーボンナノチューブ11Cが集電体11に含まれることで、集電体の機械的強度がより等方化され、全体として電極の耐久性がより向上し得る。 Furthermore, in the current collector according to one embodiment of the present disclosure, the carbon nanotubes may be regularly oriented in multiple directions. In other words, the current collector includes regularly oriented carbon nanotubes, and the orientation direction of the carbon nanotubes may be multiple directions. FIG. 4 is a schematic plan view of a current collector according to one embodiment of the present disclosure. As shown in the figure, carbon nanotubes 11C included in the current collector 11 may cross each other when viewed from the thickness direction of the current collector 11. By including carbon nanotubes 11C oriented in multiple directions in the current collector 11, the mechanical strength of the current collector is made more isotropic, and the durability of the electrode as a whole may be improved.
 集電体において、互いに異なる配向方向を有するカーボンナノチューブが成す交差角は、特に限定されないものの、例えば30°~150°、40°~140°、または45°~135°であってよい。集電体の機械的強度をより重視すると、交差角は90°であることがより好ましい。 In the current collector, the crossing angle formed by the carbon nanotubes having different orientation directions is not particularly limited, but may be, for example, 30° to 150°, 40° to 140°, or 45° to 135°. If greater importance is placed on the mechanical strength of the current collector, it is more preferable that the crossing angle be 90°.
 例えば、集電体は、第1の方向に配向するカーボンナノチューブと、第2の方向に配向するカーボンナノチューブとを含み、第1の方向と第2の方向とは、互いに交差していてよい。つまり、カーボンナノチューブは、集電体中にて行列状に配向していてよい。換言すれば、集電体は、行列状に配列された複数のカーボンナノチューブを含んでいてよい。例えば、カーボンナノチューブは、集電体の厚み方向から見て格子状に配されていてよい。かかる構造は、所定方向に配向したカーボンナノチューブの複数の群を含むところ、カーボンナノチューブがマトリックス状に配されていると解することもできる。かかる構造により、カーボンナノチューブの配向方向にて、より高い機械的特性および電気的特性がもたらされるとともに、全体として機械的強度がより向上した集電体を備える電極が供され得る。 For example, the current collector may include carbon nanotubes oriented in a first direction and carbon nanotubes oriented in a second direction, and the first direction and the second direction may cross each other. That is, the carbon nanotubes may be oriented in a matrix in the current collector. In other words, the current collector may include a plurality of carbon nanotubes arranged in a matrix. For example, the carbon nanotubes may be arranged in a lattice when viewed from the thickness direction of the current collector. This structure includes a plurality of groups of carbon nanotubes oriented in a specific direction, and can also be interpreted as the carbon nanotubes being arranged in a matrix. This structure provides higher mechanical and electrical properties in the orientation direction of the carbon nanotubes, and can provide an electrode including a current collector with improved overall mechanical strength.
 行列状に配向したカーボンナノチューブを備える集電体は、例えば、所定方向に配向したCNTシートを積層することによって形成されていてよい。具体的には、所定方向に配向性を有するカーボンナノチューブを含むシートを、配向方向を異ならしめて積層することで形成されていてよい。つまり、集電体は複数のシートから構成され、複数のシートは、各シート間の配向方向が互いに交差するように積層されていてよい。例えば、集電体は、第1の方向に配向したカーボンナノチューブを含む第1のシートと、第2の方向に配向したカーボンナノチューブを含む第2のシートとを交互に積層することで形成されていてよい。シートの積層構成は、これに限定されるものではなく、積層枚数、カーボンナノチューブの配列方向等のシートの積層構成は、電極の要求特性に応じて適宜選択されてよい。 The current collector having carbon nanotubes oriented in a matrix may be formed, for example, by stacking CNT sheets oriented in a predetermined direction. Specifically, it may be formed by stacking sheets containing carbon nanotubes oriented in a predetermined direction with different orientation directions. In other words, the current collector is composed of multiple sheets, and the multiple sheets may be stacked so that the orientation directions of the sheets cross each other. For example, the current collector may be formed by alternately stacking a first sheet containing carbon nanotubes oriented in a first direction and a second sheet containing carbon nanotubes oriented in a second direction. The sheet stacking configuration is not limited to this, and the sheet stacking configuration, such as the number of stacked sheets and the arrangement direction of the carbon nanotubes, may be appropriately selected depending on the required characteristics of the electrode.
 集電体の厚さは、1~200μm、1~180μm、または1~150μmであってよく、例えば1~130μmであることがきる。軽量化により電池の重量エネルギー密度を高めることを重視すると、集電体の厚さはより薄いことが好ましい。具体的には、集電体の厚さは、1~150μmであることが好ましく、1~100μmであることがより好ましく、1~80μmであることがさらに好ましい。集電体が上述の範囲内の厚さを有することによって、優れた重量エネルギー密度を有する電極が供され得る。 The thickness of the current collector may be 1 to 200 μm, 1 to 180 μm, or 1 to 150 μm, for example, 1 to 130 μm. When emphasis is placed on increasing the weight energy density of the battery by reducing the weight, it is preferable that the thickness of the current collector is thinner. Specifically, the thickness of the current collector is preferably 1 to 150 μm, more preferably 1 to 100 μm, and even more preferably 1 to 80 μm. By having the current collector have a thickness within the above range, an electrode with excellent weight energy density can be provided.
<電池>
 また、本開示は、正極と、負極と、電解質とを具備してなる電池であって、正極または負極の少なくとも一方が上述の電極を含むことを特徴とする電池にも関する。なお、本明細書における「電池」とは、放電のみが可能な一次電池のみならず、充電および放電の繰り返しが可能な二次電池をも包含する。二次電池は、その名称に過度に拘泥されるものではなく、例えば、蓄電デバイス等も包含し得る。
<Batteries>
The present disclosure also relates to a battery comprising a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte, characterized in that at least one of the positive electrode and the negative electrode contains the above-mentioned electrode. In this specification, the term "battery" includes not only a primary battery that can only be discharged, but also a secondary battery that can be repeatedly charged and discharged. The term "secondary battery" is not limited to the name, and may also include, for example, a power storage device.
 以下では、まず、本開示の一実施形態に係る二次電池の基本的構成について説明する。ここで説明される電池の構成は、あくまでも発明の理解のための例示にすぎず、発明を限定するものではない。例えば、図5に示されるように、シート状の正極とシート状の負極とがセパレータを介して巻回されてなる巻回電極体を外装ケースに収容した構造であってもよく、セパレータを介して正極と負極とがこの順で繰り返して積層されてなる積層電極体を外装ケースに収容した構造であってもよい。また、本実施形態に係る電池は、外装ケースが円筒形状や直方体形状の円筒型電池、角型電池でもよく、あるいは小型のコイン形電池、ボタン型電池等の種々の形態であり得る。 First, the basic configuration of a secondary battery according to one embodiment of the present disclosure will be described below. The configuration of the battery described here is merely an example for understanding the invention, and does not limit the invention. For example, as shown in FIG. 5, the battery may have a structure in which a wound electrode body formed by winding a sheet-shaped positive electrode and a sheet-shaped negative electrode with a separator interposed therebetween is housed in an outer case, or a laminated electrode body formed by repeatedly stacking positive electrodes and negative electrodes in this order with a separator interposed therebetween is housed in an outer case. In addition, the battery according to this embodiment may be a cylindrical battery or a square battery with a cylindrical or rectangular parallelepiped outer case, or may be in various forms such as a small coin battery or a button battery.
<電池の基本構成>
 図5は、本開示の一実施形態に係る二次電池の模式図である。図示されるように、電池100は、セパレータ130と、セパレータ130を介して対向して配置された正極110および負極120と、非水電解液(図示せず)とを含むものであり得る。かかる電池100の正極110および負極120のいずれか一方または両方に、本開示の電極を用いることができる。かかる用途では、カーボンナノチューブを集電体中に含む本開示の電極を正極および/または負極として用いることで、電池を高性能化(例えば、低抵抗化、高エネルギー密度化、および高耐久性化)し得る。
<Basic battery structure>
5 is a schematic diagram of a secondary battery according to an embodiment of the present disclosure. As shown in the figure, the battery 100 may include a separator 130, a positive electrode 110 and a negative electrode 120 arranged to face each other with the separator 130 interposed therebetween, and a non-aqueous electrolyte (not shown). The electrode of the present disclosure may be used for either or both of the positive electrode 110 and the negative electrode 120 of the battery 100. In such applications, the electrode of the present disclosure containing carbon nanotubes in the current collector may be used as the positive electrode and/or the negative electrode to improve the performance of the battery (e.g., lower resistance, higher energy density, and higher durability).
 正極110としては、正極活物質を少なくとも含む正極活物質層が集電体上に塗着された電極を使用することができる。例えば、電池に用いられる正極活物質は、コバルト酸リチウム(LiCoO)、ニッケル酸リチウム(LiNiO)、マンガン酸リチウム(LiMnO)、リチウムマンガンスピネル(LiMn)、および、一般式:LiNiCoMn(x+y+z+a=1、0≦x<1、0≦y<1、0≦z<1、0≦a<1、MはAl、Mg、Nb、Ti、Cu、Zn、Crより選ばれる1種類以上の元素)で表される複合金属酸化物、リチウムバナジウム化合物(LiV)、オリビン型LiMPO(ただし、Mは、Co、Ni、Mn、Fe、Mg、Nb、Ti、Al、Zrより選ばれる1種類以上の元素またはVOを示す)、スピネル型チタン酸リチウム(LiTi12)、LiNiCoAl(0.9<x+y+z<1.1)等の複合金属酸化物、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ならびに/またはポリアセン等であることができる。 The positive electrode 110 may be an electrode in which a positive electrode active material layer containing at least a positive electrode active material is applied onto a current collector. For example, positive electrode active materials used in batteries include lithium cobalt oxide ( LiCoO2 ), lithium nickel oxide ( LiNiO2 ), lithium manganese oxide ( LiMnO2 ), lithium manganese spinel ( LiMn2O4 ), and composite metal oxides represented by the general formula: LiNi x Co y Mn z M a O2 (x+y+z+a=1, 0 ≦x<1, 0≦y<1, 0≦z<1, 0≦a<1, M is one or more elements selected from Al, Mg, Nb, Ti, Cu, Zn, and Cr), lithium vanadium compound ( LiV2O5 ), olivine-type LiMPO4 (wherein M is one or more elements selected from Co, Ni, Mn, Fe, Mg, Nb, Ti, Al, and Zr, or VO), and spinel-type lithium titanate ( Li4O5 ) . The material may be a composite metal oxide such as Ti5O12 ), LiNixCoyAlzO2 (0.9<x+y+z< 1.1 ) , polyacetylene , polyaniline, polypyrrole , polythiophene, and/or polyacene.
 また、負極120としては、負極活物質を少なくとも含む活物質層が集電体上に塗着された電極を使用することができる。電池に用いられる負極活物質は、イオン(例えば、リチウムイオン)の吸蔵放出に資する物質であれば特に限定されない。例えば、負極活物質は、金属リチウム等のアルカリまたはアルカリ土類金属、イオンを吸蔵・放出可能な黒鉛(天然黒鉛、人造黒鉛)、カーボンナノチューブ、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、低温度焼成炭素等の炭素材料、アルミニウム、シリコン、スズ等のリチウム等の金属と化合することのできる金属、SiO(0<x<2)、二酸化スズ等の酸化物を主体とする非晶質の化合物、および/またはチタン酸リチウム(LiTi12)等を含む粒子等を挙げることができる。 In addition, as the negative electrode 120, an electrode in which an active material layer containing at least a negative electrode active material is applied onto a current collector can be used. The negative electrode active material used in the battery is not particularly limited as long as it is a material that contributes to the absorption and release of ions (e.g., lithium ions). For example, the negative electrode active material can be an alkali or alkaline earth metal such as metallic lithium, a carbon material such as graphite (natural graphite, artificial graphite) capable of absorbing and releasing ions, carbon nanotubes, non-graphitizable carbon, easily graphitizable carbon, and low-temperature fired carbon, a metal that can combine with a metal such as lithium, such as aluminum, silicon, or tin, an amorphous compound mainly composed of an oxide such as SiO x (0<x<2) or tin dioxide, and/or particles containing lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ), etc., can be mentioned.
 電極活物質層には、必要であれば、その他の物質が含まれてもよい。例えば、導電助剤、バインダ等が含まれ得る。 The electrode active material layer may contain other substances if necessary. For example, it may contain a conductive additive, a binder, etc.
 導電助剤とは、活物質層の導電性を向上させるために配合される添加物をいう。導電助剤としては、特に限定されないものの、アセチレンブラック、カーボンブラック、ケッチェンブラック、グラファイト等のカーボン粉末、気相成長炭素繊維(VGCF;登録商標)等の種々の炭素繊維、および/または膨張黒鉛等が挙げられる。 The conductive additive is an additive that is blended to improve the conductivity of the active material layer. Examples of conductive additives include, but are not limited to, carbon powders such as acetylene black, carbon black, ketjen black, and graphite, various carbon fibers such as vapor grown carbon fiber (VGCF; registered trademark), and/or expanded graphite.
 バインダとしては、特に限定されないものの、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)、および/またはアクリロニトリルブダジエンゴム(NBR)等のフッ素樹脂等が挙げられる。 Binders include, but are not limited to, fluororesins such as polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), polyvinyl fluoride (PVF), and/or acrylonitrile butadiene rubber (NBR).
 電極活物質層に含まれる成分の配合比は、特に限定されない。配合比は、電池についての公知の知見を適宜参照することによって調整されてよい。電極活物質層の厚さについても特に制限はなく、電池についての公知の知見が適宜参照され得る。一例を挙げると、電極活物質層の厚さは、例えば約10~約100μmであってよい。活物質層が10μm程度以上であれば、電池容量が充分に確保され得る。一方、電極活物質層が100μm程度以下であれば、電極深部(集電体側)にリチウムイオンが拡散しにくくなることに伴う内部抵抗の増大という問題の発生が抑制され得る。電池の小型化および軽量化をより重視すると、電極活物質層の厚さは約20~約50μmであることがより好ましい。 The compounding ratio of the components contained in the electrode active material layer is not particularly limited. The compounding ratio may be adjusted by appropriately referring to known knowledge about batteries. There is also no particular limit to the thickness of the electrode active material layer, and known knowledge about batteries may be appropriately referred to. As an example, the thickness of the electrode active material layer may be, for example, about 10 to about 100 μm. If the active material layer is about 10 μm or more, the battery capacity can be sufficiently secured. On the other hand, if the electrode active material layer is about 100 μm or less, the occurrence of the problem of increased internal resistance due to the difficulty of lithium ions diffusing deep into the electrode (collector side) can be suppressed. When placing more importance on the miniaturization and weight reduction of the battery, it is more preferable that the thickness of the electrode active material layer is about 20 to about 50 μm.
 セパレータ130としては、従来と同様のセパレータを使用することができる。例えばポリエチレン(PE)および/またはポリプロピレン(PP)等のポリオレフィン樹脂から成る多孔質のシート(多孔質フィルム)を使用することができる。あるいは、セルロース、ガラス、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリアクリロニトリル、および/または全芳香族ポリエステル等の繊維からなる不織布を用いてもよい。 As the separator 130, a separator similar to that used in the past can be used. For example, a porous sheet (porous film) made of a polyolefin resin such as polyethylene (PE) and/or polypropylene (PP) can be used. Alternatively, a nonwoven fabric made of fibers such as cellulose, glass, polyethylene terephthalate (PET), polyamide, polyimide, polyamideimide, polyacrylonitrile, and/or wholly aromatic polyester can be used.
 電池においては、電池外部に電流を取り出す目的で、集電体に電気的に接続されたタブ(正極タブ113および負極タブ123)が正極端子150または負極端子(若しくは外装材140)に電気的に接続されている。集電体は、正極タブ113および負極タブ123をそれぞれ介して、正極端子150または負極端子(若しくは外装材140)と電気的に接続されている。タブを構成する材料は、特に制限されず、二次電池用のタブとして従来用いられている公知の高導電性材料が用いられ得る。タブの構成材料としては、例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、および/またはこれらの合金等の金属材料が好ましい。軽量、耐食性、高導電性の観点から、より好ましくはアルミニウムまたは銅であり、特に好ましくはアルミニウムである。なお、正極タブと負極タブとでは、同一の材料が用いられてもよいし、異なる材料が用いられてもよい。 In the battery, the tabs (positive electrode tab 113 and negative electrode tab 123) electrically connected to the current collector are electrically connected to the positive electrode terminal 150 or the negative electrode terminal (or the exterior material 140) for the purpose of extracting current outside the battery. The current collector is electrically connected to the positive electrode terminal 150 or the negative electrode terminal (or the exterior material 140) via the positive electrode tab 113 and the negative electrode tab 123, respectively. The material constituting the tab is not particularly limited, and a known highly conductive material conventionally used as a tab for a secondary battery can be used. As the material constituting the tab, for example, a metal material such as aluminum, copper, titanium, nickel, stainless steel (SUS), and/or an alloy thereof is preferable. From the viewpoints of light weight, corrosion resistance, and high conductivity, aluminum or copper is more preferable, and aluminum is particularly preferable. The same material may be used for the positive electrode tab and the negative electrode tab, or different materials may be used.
<本開示の電池の特徴>
 上述の構造を有する電池において、低抵抗かつ機械的特性により優れた本開示の電極を正極110および/または負極120として用いることができる。本開示の電極の集電体を構成するカーボンナノチューブは、従来用いられているアルミニウムおよび銅等の金属と比べて遥かに軽量であるため、電池の重量エネルギー密度をより向上させることが可能となる。さらに、本開示の電極に備えられる集電体では、所定方向に配向する複数のカーボンナノチューブが、配向方向および配向方向に直交する方向にて、ファンデルワールス力による結合およびカーボンナノチューブ同士の交絡によって好適に保持されている。そのため、電池において、充放電に伴う体積変化が生じた場合においても、集電体を構成するカーボンナノチューブの脱落が抑制され、より優れたサイクル寿命特性を有する電池が供され得る。
<Characteristics of the battery disclosed herein>
In the battery having the above-mentioned structure, the electrode of the present disclosure, which has low resistance and excellent mechanical properties, can be used as the positive electrode 110 and/or the negative electrode 120. The carbon nanotubes constituting the current collector of the electrode of the present disclosure are much lighter than conventionally used metals such as aluminum and copper, so that it is possible to further improve the weight energy density of the battery. Furthermore, in the current collector provided in the electrode of the present disclosure, a plurality of carbon nanotubes oriented in a predetermined direction are suitably held in the orientation direction and in a direction perpendicular to the orientation direction by van der Waals forces and by entanglement of the carbon nanotubes. Therefore, even if a volume change occurs in the battery due to charging and discharging, the carbon nanotubes constituting the current collector are prevented from falling off, and a battery having better cycle life characteristics can be provided.
 また、本開示の電極では、カーボンナノチューブが配向性を有するため、集電体全体にわたって複数のカーボンナノチューブがより均一に配されており、それぞれのカーボンナノチューブがより効率的に導電に寄与し得る。さらに、カーボンナノチューブを均一に配置することで、より少ないカーボンナノチューブによって集電体を構成することが可能となり、各カーボンナノチューブ間には空隙が形成され得る。かかる空隙により、集電体上に設けられる電極活物質層が充填される空間が供され得る。すなわち、本開示の電極を備える電池は、電極活物質層の充填量を増加させることが可能であるため、電池の高出力化、および高容量化においてより有利となり得る。 Furthermore, in the electrode of the present disclosure, since the carbon nanotubes have an orientation, multiple carbon nanotubes are more uniformly arranged throughout the current collector, and each carbon nanotube can contribute more efficiently to conduction. Furthermore, by uniformly arranging the carbon nanotubes, it is possible to form a current collector with fewer carbon nanotubes, and voids can be formed between each carbon nanotube. Such voids can provide space into which the electrode active material layer provided on the current collector can be filled. In other words, a battery equipped with the electrode of the present disclosure can increase the amount of filling of the electrode active material layer, which can be more advantageous in increasing the battery's output and capacity.
 既述したように、電池の使用に際しては、集電体と電気的に接続された電極端子から、電池外部に電流が取り出される。本開示の電極では、集電体に含まれるカーボンナノチューブの配向方向において、より低い電気抵抗値を有する。そのため、本開示の集電体に含まれるカーボンナノチューブは、かかる電極端子との接続箇所に向かって配向していてよい。具体的には、集電体は、集電体と電極端子とを電気的に接続させるために集電体に取り付けられるタブに向かって略規則的に配向するカーボンナノチューブを含んでいてよい。つまり、集電体において、カーボンナノチューブはタブの設置箇所に向かって延びていてよい。かかる構造により、集電体とタブとの接続方向における電気抵抗値がより低減され、電池をより高性能化(例えば、低抵抗化)することが可能となる。 As mentioned above, when the battery is used, a current is taken out of the battery from the electrode terminal electrically connected to the current collector. The electrode of the present disclosure has a lower electrical resistance in the orientation direction of the carbon nanotubes contained in the current collector. Therefore, the carbon nanotubes contained in the current collector of the present disclosure may be oriented toward the connection point with the electrode terminal. Specifically, the current collector may contain carbon nanotubes that are oriented in a generally regular pattern toward a tab attached to the current collector to electrically connect the current collector and the electrode terminal. In other words, in the current collector, the carbon nanotubes may extend toward the location where the tab is installed. This structure further reduces the electrical resistance in the connection direction between the current collector and the tab, making it possible to improve the performance of the battery (e.g., reduce resistance).
 従来のアルミ箔や銅箔等の集電体を備える電極を用いた電池では、高電圧(例えば4.0V以上)をかけると、電解液や僅かに混入している水分が分解して炭化水素系のガスやフッ酸等が発生し、集電体を腐食させることがある。本開示では、集電体としてカーボンナノチューブを使用することで、それらのガスによる集電体の腐食が発生しないことから、これまでのアルミ箔や銅箔等を集電体として用いた電池よりも、安全性および耐食性等の点においてより有利であり得る。 In conventional batteries that use electrodes with current collectors such as aluminum foil or copper foil, when a high voltage (e.g., 4.0 V or higher) is applied, the electrolyte and small amounts of water present decompose to generate hydrocarbon gases and hydrofluoric acid, which can corrode the current collector. In the present disclosure, carbon nanotubes are used as the current collector, so the current collector is not corroded by these gases, making it more advantageous in terms of safety and corrosion resistance than previous batteries that used aluminum foil, copper foil, or the like as a current collector.
 また、カーボンナノチューブシートを集電体に使用することで、カーボンナノチューブは、電池の使用に際して膨張収縮する電極活物質を集電体上に保持するためのアンカーとして寄与することができる。一般には、電極(例えば、シリコン負極)における電極活物質のアンカーとして、集電体上にカーボンナノチューブを含んだコート剤が使用される。一方で、本開示の電極では、集電体自体がカーボンナノチューブであるため、コート剤が不要となることに加え、集電体と電極活物質の剥離を抑える効果がある。 Furthermore, by using a carbon nanotube sheet as the current collector, the carbon nanotubes can serve as an anchor for holding the electrode active material, which expands and contracts when the battery is used, on the current collector. Generally, a coating agent containing carbon nanotubes is used on the current collector as an anchor for the electrode active material in an electrode (e.g., a silicon negative electrode). On the other hand, in the electrode disclosed herein, the current collector itself is carbon nanotubes, so a coating agent is not required and there is an effect of suppressing peeling between the current collector and the electrode active material.
 以下、実施例および比較例を示して本開示をさらに具体的に説明するが、本開示はこれらの例によって限定されるものではない。 The present disclosure will be explained in more detail below with examples and comparative examples, but the present disclosure is not limited to these examples.
(カーボンナノチューブの合成例)
 基板を含む反応室、ガス導入部、およびガス排出部を含む熱CVD装置を用いて、所望の長さに応じて、10~30分間基板上にカーボンナノチューブを成長させた(図6参照)。これにより、基板面に対してほぼ垂直に成長した多層カーボンナノチューブを得た。
(Example of carbon nanotube synthesis)
Using a thermal CVD apparatus including a reaction chamber containing a substrate, a gas inlet, and a gas outlet, carbon nanotubes were grown on the substrate for 10 to 30 minutes depending on the desired length (see FIG. 6). As a result, multi-walled carbon nanotubes were obtained that were grown almost perpendicular to the substrate surface.
 合成後の基板から成長したカーボンナノチューブの端部をつまんで引き出し、巻き取りロールを用いて巻き取ることにより、CNTウェブを約10層積層させて、一方方向に配向したカーボンナノチューブから構成されるCNTシートを得た。得られたCNTシートの厚さは、約5.0μmであった。また、CNTシートに含まれるカーボンナノチューブの長さは約0.7mm、直径は約50nm、G/D比は約2.8であった。なお、カーボンナノチューブの長さ、および直径はSEM写真から決定した。また、G/D比はラマン分析により決定した。 After synthesis, the ends of the carbon nanotubes grown from the substrate were pinched and pulled out, and then wound up using a winding roll to stack approximately 10 layers of CNT webs, resulting in a CNT sheet composed of carbon nanotubes oriented in one direction. The thickness of the resulting CNT sheet was approximately 5.0 μm. The carbon nanotubes contained in the CNT sheet had a length of approximately 0.7 mm, a diameter of approximately 50 nm, and a G/D ratio of approximately 2.8. The length and diameter of the carbon nanotubes were determined from SEM photographs. The G/D ratio was determined by Raman analysis.
 また、カーボンナノチューブの電気抵抗値をロレスタ(日東精工アナリテック社)によって測定したところ、配向方向における電気抵抗値は13Ω、配向方向と直交する方向における電気抵抗値は100Ωであった。同様に、レーザーフラッシュ法(ベテル社)によって熱伝導率を測定したところ、配向方向における熱伝導率は134W/mK、配向方向と直交する方向における熱伝導率は39W/mKであった。このように、CNTシートは、カーボンナノチューブの配向方向において特に優れた電極特性を示した。かかるCNTシートを集電体として用いて、以下の評価試験を実施した。 The electrical resistance of the carbon nanotubes was measured using Loresta (Nitto Seiko Analytech Co., Ltd.) and found to be 13 Ω in the orientation direction and 100 Ω in the direction perpendicular to the orientation direction. Similarly, the thermal conductivity was measured using the laser flash method (Bethel Co., Ltd.) and found to be 134 W/mK in the orientation direction and 39 W/mK in the direction perpendicular to the orientation direction. Thus, the CNT sheet exhibited particularly excellent electrode properties in the orientation direction of the carbon nanotubes. The following evaluation tests were carried out using such a CNT sheet as a current collector.
 <電気化学的評価>
(電極の作製例)
 以下に、本開示の電極の評価に用いた実施例1~11および比較例1~8の電極について説明する。
[実施例1および実施例2]
 活物質としてスピネル型チタン酸リチウムLiTi12(テイカ株式会社製)が90wt%、導電助剤としてアセチレンブラック(電気化学工業株式会社「デンカブラック粉末」)が5wt%、および結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVDF、株式会社クレハ製「KFポリマー」)が5wt%含まれるように、分散媒としてN−メチル−2−ピロリドンを用いて、電極合剤スラリーを調製した。集電体として用いるCNTシート(高圧ガス工業株式会社製、厚さ約5.0μm)上にてこの電極合剤スラリーを塗工・乾燥させた後、ロールプレスすることにより電極を作製した。
[実施例3]
 集電体として、CNTシート(高圧ガス工業株式会社製、厚さ約10.0μm)を用いた以外は、実施例1と同様にして電極を作製した。
[実施例4]
 集電体として、CNTシート(高圧ガス工業株式会社製、厚さ約20.0μm)を用いた以外は、実施例1と同様にして電極を作製した。
[実施例5]
 集電体として、CNTシート(高圧ガス工業株式会社製、厚さ約40.0μm)を用いた以外は、実施例1と同様にして電極を作製した。
[実施例6]
 活物質としてNi系正極材LiNi0.5Co0.2Mn0.3(宝泉株式会社製)を用いた以外は、実施例1と同様にして電極を作製した。
[実施例7]
 活物質としてコバルト酸リチウムLiCoO(日本化学工業株式会社製、CELLSEED)を用いた以外は、実施例1と同様にして電極を作製した。
[実施例8]
 活物質としてリン酸鉄リチウムLiFePO(テイカ株式会社製)を用いた以外は、実施例1と同様にして電極を作製した。
[実施例9]
 活物質としてニッケル酸リチウムLiNiO(テイカ株式会社製)を用いた以外は、実施例1と同様にして電極を作製した。
[実施例10]
 活物質として天然黒鉛(日本黒鉛工業株式会社製、CGB−20)を用いた以外は、実施例1と同様にして電極を作製した。
[実施例11]
 活物質としてシリコン(エルケムジャパン株式会社製、silgraine−si)を用いた以外は、実施例1と同様にして電極を作製した。
<Electrochemical evaluation>
(Example of electrode preparation)
The electrodes of Examples 1 to 11 and Comparative Examples 1 to 8 used in the evaluation of the electrodes of the present disclosure will be described below.
[Examples 1 and 2]
An electrode mixture slurry was prepared using N-methyl -2 -pyrrolidone as a dispersion medium so as to contain 90 wt% of spinel-type lithium titanate Li4Ti5O12 (manufactured by Teika Co., Ltd.) as an active material, 5 wt% of acetylene black (Denka Black Powder, Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) as a conductive assistant, and 5 wt% of polyvinylidene fluoride (PVDF, KF Polymer, Kureha Co., Ltd.) as a binder. The electrode mixture slurry was applied and dried on a CNT sheet (Koatsu Gas Kogyo Co., Ltd., thickness approximately 5.0 μm) used as a current collector, and then roll pressed to prepare an electrode.
[Example 3]
An electrode was produced in the same manner as in Example 1, except that a CNT sheet (manufactured by Koatsu Gas Kogyo Co., Ltd., thickness approximately 10.0 μm) was used as the current collector.
[Example 4]
An electrode was produced in the same manner as in Example 1, except that a CNT sheet (manufactured by Koatsu Gas Kogyo Co., Ltd., thickness: approximately 20.0 μm) was used as the current collector.
[Example 5]
An electrode was produced in the same manner as in Example 1, except that a CNT sheet (manufactured by Koatsu Gas Kogyo Co., Ltd., thickness approximately 40.0 μm) was used as the current collector.
[Example 6]
An electrode was prepared in the same manner as in Example 1, except that a Ni-based positive electrode material LiNi 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 O 2 (manufactured by Hohsen Co., Ltd.) was used as the active material.
[Example 7]
An electrode was prepared in the same manner as in Example 1, except that lithium cobalt oxide LiCoO 2 (CELLSEED, manufactured by Nippon Chemical Industry Co., Ltd.) was used as the active material.
[Example 8]
An electrode was prepared in the same manner as in Example 1, except that lithium iron phosphate LiFePO 4 (manufactured by Teika Corporation) was used as the active material.
[Example 9]
An electrode was prepared in the same manner as in Example 1, except that lithium nickel oxide LiNiO 2 (manufactured by Teika Corporation) was used as the active material.
[Example 10]
An electrode was prepared in the same manner as in Example 1, except that natural graphite (CGB-20, manufactured by Nippon Graphite Industries Co., Ltd.) was used as the active material.
[Example 11]
An electrode was prepared in the same manner as in Example 1, except that silicon (Silgrain-Si, manufactured by Elkem Japan Co., Ltd.) was used as the active material.
[比較例1]
 集電体としてエッチングアルミ箔(日本蓄電器工業株式会社製、JCC−20CB)を用いた以外は、実施例1と同様にして電極を作製した。
[比較例2]
 集電体として銅箔(福田金属箔粉工業株式会社製)を用いた以外は、実施例1と同様にして電極を作製した。
[比較例3]
 集電体としてエッチングアルミ箔(日本蓄電器工業株式会社製、JCC−20CB)を用いた以外は、実施例6と同様にして電極を作製した。
[比較例4]
 集電体としてエッチングアルミ箔(日本蓄電器工業株式会社製、JCC−20CB)を用いた以外は、実施例7と同様にして電極を作製した。
[比較例5]
 集電体としてエッチングアルミ箔(日本蓄電器工業株式会社製、JCC−20CB)を用いた以外は、実施例8と同様にして電極を作製した。
[比較例6]
 集電体としてエッチングアルミ箔(日本蓄電器工業株式会社製、JCC−20CB)を用いた以外は、実施例9と同様にして電極を作製した。
[比較例7]
 集電体として銅箔(福田金属箔粉工業株式会社製)を用いた以外は、実施例10と同様にして電極を作製した。
[比較例8]
 集電体として銅箔(福田金属箔粉工業株式会社製)を用いた以外は、実施例11と同様にして電極を作製した。
[Comparative Example 1]
An electrode was prepared in the same manner as in Example 1, except that an etched aluminum foil (manufactured by Nippon Chemi-Con Corporation, JCC-20CB) was used as the current collector.
[Comparative Example 2]
An electrode was prepared in the same manner as in Example 1, except that copper foil (manufactured by Fukuda Metal Foil & Powder Co., Ltd.) was used as the current collector.
[Comparative Example 3]
An electrode was prepared in the same manner as in Example 6, except that an etched aluminum foil (manufactured by Nippon Chemi-Con Corporation, JCC-20CB) was used as the current collector.
[Comparative Example 4]
An electrode was prepared in the same manner as in Example 7, except that an etched aluminum foil (manufactured by Nippon Chemi-Con Corporation, JCC-20CB) was used as the current collector.
[Comparative Example 5]
An electrode was prepared in the same manner as in Example 8, except that an etched aluminum foil (manufactured by Nippon Chemi-Con Corporation, JCC-20CB) was used as the current collector.
[Comparative Example 6]
An electrode was prepared in the same manner as in Example 9, except that an etched aluminum foil (manufactured by Nippon Chemi-Con Corporation, JCC-20CB) was used as the current collector.
[Comparative Example 7]
An electrode was prepared in the same manner as in Example 10, except that copper foil (manufactured by Fukuda Metal Foil & Powder Co., Ltd.) was used as the current collector.
[Comparative Example 8]
An electrode was prepared in the same manner as in Example 11, except that copper foil (manufactured by Fukuda Metal Foil & Powder Co., Ltd.) was used as the current collector.
(電気化学的評価用コイン型電池の作製)
 上述のようにして作製した電極を、直径1.5cmのコイン状に打ち抜くことで、評価用電極(正極)を作製した。対極には金属リチウム(本城金属製)を用いて、評価用電極と対極との間にポリエチレン製セパレータを挟んだ電池を構成した。エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)が体積比でEC:DEC=1:1で混合された混合溶媒中に、1MのLiPFを溶解させた有機電解液を注入した後、電池容器を封口することにより、電気化学的評価用コイン型電池を作製した。
(Preparation of coin-type batteries for electrochemical evaluation)
The electrode prepared as described above was punched out into a coin shape with a diameter of 1.5 cm to prepare an electrode for evaluation (positive electrode). Metallic lithium (Honjo Metal Co., Ltd.) was used as the counter electrode, and a polyethylene separator was sandwiched between the electrode for evaluation and the counter electrode to prepare a battery. An organic electrolyte solution in which 1M LiPF 6 was dissolved in a mixed solvent in which ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) were mixed at a volume ratio of EC:DEC = 1:1 was injected, and then the battery container was sealed to prepare a coin-type battery for electrochemical evaluation.
(充放電試験)
 上記のようにして作製したコイン型電池を用いて、充放電レート1C(電流密度0.53mA/cm)で、3サイクルの充放電試験を行った。試験において、電圧範囲は、使用した電極活物質の種類に応じて変更した。各実施例および比較例に適用した電圧範囲は、表1のとおりである。このとき、得られた3サイクル目の放電容量を1Cにおける容量(mAh)とした。なお、測定は充放電試験装置(北斗電工株式会社製、HJ1001SD8)を用いて行った。また、重量当たりの容量は以下の計算式(I)にて算出した。
 1Cにおける容量(mAh)÷正極の重量(g)=重量当たりの容量(mAh/g)  (I)
(Charge/discharge test)
Using the coin-type battery prepared as described above, a three-cycle charge/discharge test was performed at a charge/discharge rate of 1C (current density 0.53mA/ cm2 ). In the test, the voltage range was changed depending on the type of electrode active material used. The voltage ranges applied to each Example and Comparative Example are shown in Table 1. The discharge capacity obtained in the third cycle was taken as the capacity (mAh) at 1C. The measurement was performed using a charge/discharge tester (HJ1001SD8, manufactured by Hokuto Denko Corporation). The capacity per weight was calculated using the following calculation formula (I).
Capacity at 1C (mAh) ÷ Weight of positive electrode (g) = Capacity per weight (mAh/g) (I)
 (レート性評価)
 上記のようにして作製したコイン型電池を用いて、充放電レート10C、50C、および100Cにて、表1に示す電圧範囲でそれぞれ充放電試験を行い、得られた放電容量を各Cレートにおける容量(mAh)とし、以下の計算式(II)にて各Cレートにおける容量維持率(%)を算出した。なお、測定は充放電試験装置(北斗電工株式会社製、HJ1001SD8)を用いて行った。
 各Cレートにおける容量(mAh)÷1Cにおける容量(mAh)×100=各Cレートにおける容量維持率(%)  (II)
(Rate Evaluation)
Using the coin-type battery prepared as described above, charge/discharge tests were performed at charge/discharge rates of 10C, 50C, and 100C in the voltage ranges shown in Table 1, and the obtained discharge capacities were taken as the capacities (mAh) at each C rate, and the capacity retention rates (%) at each C rate were calculated using the following calculation formula (II). The measurements were performed using a charge/discharge tester (HJ1001SD8, manufactured by Hokuto Denko Corporation).
Capacity (mAh) at each C rate ÷ Capacity (mAh) at 1C × 100 = Capacity maintenance rate (%) at each C rate (II)
 以下の表1に、各実施例および比較例の電極、ならびに評価試験で適用した電圧範囲を示す。 Table 1 below shows the electrodes for each example and comparative example, as well as the voltage ranges applied in the evaluation tests.
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 また、各実施例および比較例の電極について得られた各種評価試験結果を以下の表2に示す。 The results of various evaluation tests obtained for the electrodes of each example and comparative example are shown in Table 2 below.
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 上述の結果によれば、CNTシートを正極集電体として用いた実施例1~11の電池において、1Cにおける容量および各Cレートにおける容量維持率は、集電体が従来材料である比較例1~8の電池とほぼ同程度の値が得られた。したがって、集電体としてCNTシートを用いる本開示の電極は、従来材料を用いる電極に遜色のない電極特性を示すことが分かった。 According to the above results, in the batteries of Examples 1 to 11 in which a CNT sheet was used as the positive electrode current collector, the capacity at 1C and the capacity retention rate at each C rate were approximately the same as those of the batteries of Comparative Examples 1 to 8 in which the current collector was made of a conventional material. Therefore, it was found that the electrode of the present disclosure, which uses a CNT sheet as a current collector, exhibits electrode characteristics that are comparable to those of electrodes that use conventional materials.
 また、実施例1~11の集電体の重量は、比較例1~8のものと比べて遥かに軽い。そのため、本開示の電極を備える電池の重量当たりの容量は、比較例1~8の約1.9倍~約12.3倍であり、電極活物質の種類に関わらず、比較例の電極より高い値を示す結果が得られた。例えば、電極活物質としてチタン酸リチウムを用いる電極において、実施例4の電極は、同じ厚み(20μm)の従来材料の集電体を用いた比較例1および2の電極と比較して、1Cにおける容量および各Cレートにおける容量維持率は同程度であった。一方で、実施例4の集電体重量は従来材料の約3%~約9%であり、実施例4の重量当たり容量は、従来材料より約2.2倍~約5.0倍向上した。つまり、カーボンナノチューブから構成される集電体を備えることで、優れた重量エネルギー密度を有する電極が供される。したがって、カーボンナノチューブを含む集電体を備える本開示の電極は、所定の電極特性をより好適に供することが可能であることが分かった。 In addition, the weight of the current collector in Examples 1 to 11 is much lighter than that in Comparative Examples 1 to 8. Therefore, the capacity per weight of the battery equipped with the electrode of the present disclosure is about 1.9 to about 12.3 times that of Comparative Examples 1 to 8, and the results showed a higher value than that of the electrodes of the comparative examples regardless of the type of electrode active material. For example, in an electrode using lithium titanate as the electrode active material, the electrode of Example 4 had a capacity at 1C and a capacity retention rate at each C rate that was comparable to that of Comparative Examples 1 and 2 using a current collector of the same thickness (20 μm) of the conventional material. On the other hand, the weight of the current collector in Example 4 was about 3% to about 9% of the conventional material, and the capacity per weight in Example 4 was improved by about 2.2 to about 5.0 times compared to the conventional material. In other words, by providing a current collector composed of carbon nanotubes, an electrode with excellent weight energy density is provided. Therefore, it was found that the electrode of the present disclosure equipped with a current collector containing carbon nanotubes can provide a predetermined electrode characteristic more favorably.
 また、実施例1~3および6~11の電極では、比較例として用いたエッチングアルミ箔および銅箔より小さい厚みを有するにも拘らず、1Cにおける容量および各Cレートにおける容量維持率において、同じ電極活物質を用いた比較例と同程度の値を示す結果が得られた。したがって、集電体としてCNTシートを用いることで集電体の厚みを減ずることが可能となるため、本開示は、電極および当該電極を備える電池の小型化にも寄与し得る。 In addition, although the electrodes of Examples 1 to 3 and 6 to 11 had a smaller thickness than the etched aluminum foil and copper foil used as the comparative examples, the capacity at 1C and the capacity retention rate at each C rate showed results that were comparable to those of the comparative examples using the same electrode active material. Therefore, by using a CNT sheet as the current collector, it is possible to reduce the thickness of the current collector, and the present disclosure may also contribute to the miniaturization of electrodes and batteries equipped with such electrodes.
 さらに、電極活物質としてニッケル酸リチウムが用いられる場合、集電体がエッチングアルミ箔である比較例6の電極では、集電体において腐食が発生し、1Cにおける容量および各Cレートにおける容量維持率は低い値であった。一方で、本開示のCNTシートを用いた実施例9の電極では、集電体の腐食は認められず、高い容量を示す結果が得られた。したがって、本開示の電極により、電池の使用における集電体の腐食を抑制できる、より好適な電池が供されることがわかった。 Furthermore, when lithium nickel oxide is used as the electrode active material, in the electrode of Comparative Example 6 in which the current collector is etched aluminum foil, corrosion occurred in the current collector, and the capacity at 1C and the capacity retention rate at each C rate were low. On the other hand, in the electrode of Example 9 in which the CNT sheet of the present disclosure was used, no corrosion of the current collector was observed, and a high capacity was obtained. Therefore, it was found that the electrode of the present disclosure can provide a more suitable battery that can suppress corrosion of the current collector during battery use.
<耐酸化還元性評価>
(サイクリックボルタメトリー(CV)試験)
 作用極として本開示のCNTシートを用い、対極には金属リチウム(本城金属製)を用いたコイン型電池を作製した。電解液として、プロピレンカーボネート(PC)溶媒中に、1MのLiBFを溶解させた有機電解液を使用した。作製した電池について、以下の条件でサイクリックボルタメトリー試験を行った。試験によって得られたボルタモグラムを図7に示す。
 上限電圧:4.3V(vs Li/Li)
 下限電圧:0.3V(vs Li/Li)
 挿引速度:2.0mV/s
 温度:25℃
<Evaluation of oxidation-reduction resistance>
(Cyclic Voltammetry (CV) Test)
A coin-type battery was fabricated using the CNT sheet of the present disclosure as the working electrode and metallic lithium (Honjo Metals) as the counter electrode. An organic electrolyte solution in which 1M LiBF4 was dissolved in a propylene carbonate (PC) solvent was used as the electrolyte. Cyclic voltammetry tests were performed on the fabricated battery under the following conditions. The voltammogram obtained by the test is shown in FIG. 7.
Upper limit voltage: 4.3 V (vs Li + /Li)
Lower limit voltage: 0.3 V (vs Li + /Li)
Sweep speed: 2.0 mV/s
Temperature: 25°C
 CNTシートのサイクリックボルタメトリー試験において、0.5V付近に観測されたピークトップは、有機電解液に由来するものである。その他に、本開示のCNTシートのサイクリックボルタメトリー試験でピークトップが観測されないため、本開示のCNTシートは、0.3~4.3V(vs Li/Li)の電圧範囲で耐酸化性および耐還元性を有することが認められる。したがって、カーボンナノチューブを含む集電体を備える本開示の電極は、耐酸化還元性を有する電極として好適に利用可能であることが分かった。 In the cyclic voltammetry test of the CNT sheet, the peak top observed near 0.5 V is derived from the organic electrolyte. In addition, since no peak top is observed in the cyclic voltammetry test of the CNT sheet of the present disclosure, it is recognized that the CNT sheet of the present disclosure has oxidation resistance and reduction resistance in the voltage range of 0.3 to 4.3 V (vs Li + /Li). Therefore, it was found that the electrode of the present disclosure having a current collector containing carbon nanotubes can be suitably used as an electrode having oxidation and reduction resistance.
 以上、本開示の実施形態について説明してきたが、あくまでも典型例を例示したに過ぎない。本開示はこれに限定されず、本開示の要旨を変更しない範囲において種々の態様が考えられることを、当業者は容易に理解されよう。 The above describes embodiments of the present disclosure, but these are merely typical examples. Those skilled in the art will easily understand that the present disclosure is not limited to these, and that various embodiments are possible without departing from the spirit of the present disclosure.
 なお、上述のような本開示の一実施形態は、次の好適な態様を包含している。
第1態様:
集電体と、前記集電体に設けられた電極活物質層とを備え、
 前記集電体が、規則的な配向性を有するカーボンナノチューブを含む、電極。
第2態様:
 上記第1態様において、前記カーボンナノチューブが、前記集電体の主面の延在方向に沿って配向している、電極。
第3態様:
 上記第1態様または第2態様において、前記カーボンナノチューブのアスペクト比が2000~60000である、電極。
第4態様:
 上記第1態様~上記第3態様のいずれかにおいて、前記カーボンナノチューブが複数存在し、前記複数のカーボンナノチューブが、前記集電体の厚み方向から見て並列状に配向している、電極。
第5態様:
 上記第4態様において、前記並列状に配向する前記複数のカーボンナノチューブにおいて、隣接するカーボンナノチューブ同士が相互に絡みあっている、電極。
第6態様:
 上記第1態様~上記第5態様のいずれかにおいて、前記カーボンナノチューブが複数存在し、前記複数の前記カーボンナノチューブが、前記集電体の主面に沿って直列状に配向している、電極。
第7態様:
 上記第1態様~上記第6態様のいずれかにおいて、前記集電体が長尺状であり、前記カーボンナノチューブが前記集電体の長手方向および短手方向の少なくとも一方の方向に沿って配向している、電極。
第8態様:
 上記第1態様~上記第7態様のいずれかにおいて、前記集電体の熱伝導率および電気抵抗値の少なくとも一方が異方性である、電極。
第9態様:
 上記第8態様において、前記カーボンナノチューブの配向方向における前記集電体の熱伝導率が、前記配向方向と直交する方向における熱伝導率より相対的に大きい、電極。
第10態様:
 上記第8態様または上記第9態様において、前記カーボンナノチューブの配向方向における前記集電体の電気抵抗値が、前記配向方向と直交する方向における電気抵抗値より相対的に小さい、電極。
第11態様:
 上記第1態様~上記第10態様のいずれかにおいて、前記カーボンナノチューブが複数存在し、前記複数の前記カーボンナノチューブが、前記集電体の厚み方向から見て互いに交差している、電極。
第12態様:
 上記第1態様~上記第11態様のいずれかにおいて、前記カーボンナノチューブが、前記集電体の厚み方向から見て行列状に配向している、電極。
第13態様:
 上記第1態様~上記第12態様のいずれかにおいて、前記集電体が、前記カーボンナノチューブのみから構成される、電極。
第14態様:
 上記第1態様~上記第13態様のいずれかにおいて、前記カーボンナノチューブの長さが0.3mm以上である、電極。
第15態様:
 上記第1態様~上記第14態様のいずれかの電極を備える電池。
第16態様:
 上記第15態様において、前記集電体に電気的に接続される電極端子をさらに備え、
 前記カーボンナノチューブが、前記電極端子と前記集電体との接続箇所に向かって配向している、電池。
Note that the embodiment of the present disclosure as described above includes the following preferred aspects.
First aspect:
A current collector and an electrode active material layer provided on the current collector,
An electrode, wherein the current collector comprises regularly oriented carbon nanotubes.
Second aspect:
In the first aspect, the carbon nanotubes are oriented along an extending direction of the main surface of the current collector.
Third aspect:
In the first or second aspect, the aspect ratio of the carbon nanotubes is 2,000 to 60,000.
Fourth aspect:
In any one of the first to third aspects, the electrode comprises a plurality of the carbon nanotubes, the plurality of carbon nanotubes being oriented in parallel when viewed from the thickness direction of the current collector.
Fifth aspect:
In the fourth aspect, in the electrode, adjacent carbon nanotubes in the parallel oriented carbon nanotubes are entangled with each other.
Sixth aspect:
In any one of the first to fifth aspects, the electrode comprises a plurality of the carbon nanotubes, the plurality of carbon nanotubes being aligned in series along a main surface of the current collector.
Seventh aspect:
In any one of the first to sixth aspects, the electrode has an elongated current collector, and the carbon nanotubes are oriented along at least one of the longitudinal and lateral directions of the current collector.
Eighth aspect:
In any one of the first to seventh aspects, the electrode wherein at least one of the thermal conductivity and the electrical resistance value of the current collector is anisotropic.
Ninth aspect:
In the eighth aspect, in the electrode, the thermal conductivity of the current collector in the alignment direction of the carbon nanotubes is relatively higher than the thermal conductivity in a direction perpendicular to the alignment direction.
Tenth aspect:
In the eighth or ninth aspect, an electric resistance value of the current collector in an alignment direction of the carbon nanotubes is relatively smaller than an electric resistance value in a direction perpendicular to the alignment direction.
Eleventh aspect:
The electrode according to any one of the first to tenth aspects, wherein a plurality of the carbon nanotubes are present, and the plurality of carbon nanotubes intersect with each other when viewed from the thickness direction of the current collector.
Twelfth aspect:
The electrode according to any one of the first to eleventh aspects, wherein the carbon nanotubes are oriented in a matrix form when viewed in a thickness direction of the current collector.
Thirteenth aspect:
In any one of the first to twelfth aspects, the electrode, wherein the current collector is constituted only by the carbon nanotubes.
Fourteenth aspect:
In any one of the first to thirteenth aspects, the carbon nanotubes have a length of 0.3 mm or more.
Fifteenth aspect:
A battery comprising the electrode according to any one of the first to fourteenth aspects.
Sixteenth aspect:
In the fifteenth aspect, the present invention further includes an electrode terminal electrically connected to the current collector,
The carbon nanotubes are oriented toward a connection point between the electrode terminal and the current collector.
 本開示の電極は、電池使用または蓄電が想定される様々な分野に利用することができる。 The electrodes disclosed herein can be used in a variety of fields where battery use or power storage is anticipated.
 10   電極
 11   集電体
 12   電極活物質層
 100  電池
 110  正極
 113  正極タブ
 120  負極
 123  負極タブ
 130  セパレータ
 140  外装材
 150  正極端子
REFERENCE SIGNS LIST 10 Electrode 11 Current collector 12 Electrode active material layer 100 Battery 110 Positive electrode 113 Positive electrode tab 120 Negative electrode 123 Negative electrode tab 130 Separator 140 Exterior material 150 Positive electrode terminal

Claims (16)

  1. 集電体と、前記集電体に設けられた電極活物質層とを備え、
     前記集電体が、規則的な配向性を有するカーボンナノチューブを含む、電極。
    A current collector and an electrode active material layer provided on the current collector,
    An electrode, wherein the current collector comprises regularly oriented carbon nanotubes.
  2. 前記カーボンナノチューブが、前記集電体の主面の延在方向に沿って配向している、請求項1に記載の電極。 The electrode according to claim 1, wherein the carbon nanotubes are oriented along the extension direction of the main surface of the current collector.
  3. 前記カーボンナノチューブのアスペクト比が2000~60000である、請求項1に記載の電極。 The electrode according to claim 1, wherein the aspect ratio of the carbon nanotubes is 2,000 to 60,000.
  4. 前記カーボンナノチューブが複数存在し、前記複数のカーボンナノチューブが、前記集電体の厚み方向から見て並列状に配向している、請求項1に記載の電極。 The electrode according to claim 1, wherein the carbon nanotubes are present in a plurality of layers, and the plurality of carbon nanotubes are oriented in parallel when viewed in the thickness direction of the current collector.
  5. 前記並列状に配向する前記複数のカーボンナノチューブにおいて、隣接するカーボンナノチューブ同士が相互に絡みあっている、請求項4に記載の電極。 The electrode according to claim 4, wherein adjacent carbon nanotubes in the plurality of carbon nanotubes aligned in parallel are entangled with each other.
  6. 前記カーボンナノチューブが複数存在し、前記複数の前記カーボンナノチューブが、前記集電体の主面に沿って直列状に配向している、請求項1に記載の電極。 The electrode according to claim 1, wherein a plurality of the carbon nanotubes are present and the plurality of the carbon nanotubes are aligned in series along the main surface of the current collector.
  7. 前記集電体が長尺状であり、前記カーボンナノチューブが前記集電体の長手方向および短手方向の少なくとも一方の方向に沿って配向している、請求項1に記載の電極。 The electrode of claim 1, wherein the current collector is elongated and the carbon nanotubes are oriented along at least one of the longitudinal and lateral directions of the current collector.
  8. 前記集電体の熱伝導率および電気抵抗値の少なくとも一方が異方性である、請求項1に記載の電極。 The electrode according to claim 1, wherein at least one of the thermal conductivity and electrical resistance of the current collector is anisotropic.
  9. 前記カーボンナノチューブの配向方向における前記集電体の熱伝導率が、前記配向方向と直交する方向における熱伝導率より相対的に大きい、請求項8に記載の電極。 The electrode of claim 8, wherein the thermal conductivity of the current collector in the orientation direction of the carbon nanotubes is relatively greater than the thermal conductivity in a direction perpendicular to the orientation direction.
  10. 前記カーボンナノチューブの配向方向における前記集電体の電気抵抗値が、前記配向方向と直交する方向における電気抵抗値より相対的に小さい、請求項8に記載の電極。 The electrode according to claim 8, wherein the electrical resistance of the current collector in the orientation direction of the carbon nanotubes is relatively smaller than the electrical resistance in a direction perpendicular to the orientation direction.
  11. 前記カーボンナノチューブが複数存在し、前記複数の前記カーボンナノチューブが、前記集電体の厚み方向から見て互いに交差している、請求項1に記載の電極。 The electrode according to claim 1, wherein a plurality of the carbon nanotubes are present, and the plurality of the carbon nanotubes intersect with each other when viewed in the thickness direction of the current collector.
  12. 前記カーボンナノチューブが、前記集電体の厚み方向から見て行列状に配向している、請求項1に記載の電極。 The electrode according to claim 1, wherein the carbon nanotubes are oriented in a matrix when viewed in the thickness direction of the current collector.
  13. 前記集電体が、前記カーボンナノチューブのみから構成される、請求項1に記載の電極。 The electrode according to claim 1, wherein the current collector is composed only of the carbon nanotubes.
  14. 前記カーボンナノチューブの長さが0.3mm以上である、請求項1に記載の電極。 The electrode according to claim 1, wherein the carbon nanotubes have a length of 0.3 mm or more.
  15. 請求項1に記載の電極を備える電池。 A battery comprising the electrode according to claim 1.
  16. 前記集電体に電気的に接続される電極端子をさらに備え、
     前記カーボンナノチューブが、前記電極端子と前記集電体との接続箇所に向かって配向している、請求項15に記載の電池。
    further comprising an electrode terminal electrically connected to the current collector;
    The battery according to claim 15 , wherein the carbon nanotubes are oriented toward a connection point between the electrode terminal and the current collector.
PCT/JP2023/036452 2022-09-30 2023-09-29 Electrode, and battery with electrode WO2024071438A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2022158589 2022-09-30
JP2022-158589 2022-09-30

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2024071438A1 true WO2024071438A1 (en) 2024-04-04

Family

ID=90478354

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2023/036452 WO2024071438A1 (en) 2022-09-30 2023-09-29 Electrode, and battery with electrode

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2024071438A1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130171516A1 (en) * 2011-12-28 2013-07-04 Hon Hai Precision Industry Co., Ltd. Lithium ion battery electrode
CN105226292A (en) * 2014-05-27 2016-01-06 宁德新能源科技有限公司 Lithium battery and negative plate thereof, CNT-Cu composite material are as the application of negative current collector
JP2018513541A (en) * 2015-04-23 2018-05-24 ウィリアム・マーシュ・ライス・ユニバーシティ Array of carbon nanotubes aligned vertically as an electrode
JP2018190725A (en) * 2017-05-08 2018-11-29 ツィンファ ユニバーシティ Lithium ion battery negative electrode and lithium ion battery
JP2019139975A (en) * 2018-02-09 2019-08-22 株式会社アルバック Method for forming positive electrode for lithium-sulfur secondary battery and positive electrode for lithium-sulfur secondary battery
WO2022000309A1 (en) * 2020-06-30 2022-01-06 宁德新能源科技有限公司 Current collector, electrochemical device comprising same, and electronic device

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130171516A1 (en) * 2011-12-28 2013-07-04 Hon Hai Precision Industry Co., Ltd. Lithium ion battery electrode
CN105226292A (en) * 2014-05-27 2016-01-06 宁德新能源科技有限公司 Lithium battery and negative plate thereof, CNT-Cu composite material are as the application of negative current collector
JP2018513541A (en) * 2015-04-23 2018-05-24 ウィリアム・マーシュ・ライス・ユニバーシティ Array of carbon nanotubes aligned vertically as an electrode
JP2018190725A (en) * 2017-05-08 2018-11-29 ツィンファ ユニバーシティ Lithium ion battery negative electrode and lithium ion battery
JP2019139975A (en) * 2018-02-09 2019-08-22 株式会社アルバック Method for forming positive electrode for lithium-sulfur secondary battery and positive electrode for lithium-sulfur secondary battery
WO2022000309A1 (en) * 2020-06-30 2022-01-06 宁德新能源科技有限公司 Current collector, electrochemical device comprising same, and electronic device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6207143B2 (en) Negative electrode active material and lithium battery employing the material
KR101370673B1 (en) Electrode for lithium ion secondary battery, method for producing the same, and lithium ion secondary battery
JP5182477B2 (en) Non-aqueous secondary battery
WO2016031690A1 (en) Electrode
US8900748B2 (en) Negative active material and lithium battery including the negative active material
JP6123807B2 (en) Negative electrode for lithium ion secondary battery and lithium ion secondary battery using the same
KR101753023B1 (en) Nonaqueous electrolyte secondary battery
JP2013084600A (en) Negative electrode active material and lithium battery employing the same material
JP5489353B2 (en) Non-aqueous electrolyte secondary battery
JP6032288B2 (en) Negative electrode for electric device and electric device using the same
CN107644977B (en) Preparation method of lithium ion battery electrode
JP5515257B2 (en) Bipolar secondary battery
CN115298852A (en) Negative electrode and secondary battery comprising same
JP6063705B2 (en) Nonaqueous electrolyte secondary battery
WO2023053773A1 (en) Lithium ion secondary battery
WO2024071438A1 (en) Electrode, and battery with electrode
JP6643174B2 (en) Manufacturing method of lithium ion secondary battery
JP6601951B2 (en) Non-aqueous secondary battery
JP2019057446A (en) Lithium ion battery and manufacturing method of the same
WO2014119723A1 (en) Lithium-secondary-battery electrode and lithium secondary battery
JP7288479B2 (en) Non-aqueous electrolyte secondary battery
KR102568677B1 (en) Positive active material for potassium ion secondary battery, preparation method therof, and potassium ion secondary battery comprising the same
WO2023100498A1 (en) Lithium ion secondary battery
JP2023015587A (en) Non-aqueous electrolyte secondary battery
JP2024512901A (en) Negative electrode to which single-walled carbon nanotubes are applied and secondary battery containing the same