JP2013051113A - 銅被覆鋼箔集合体および通電部材 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】鋼からなる芯材の両側表面に銅被覆層をもつ複数の銅被覆鋼箔の一部分同士を積層して抵抗加熱により一体化した銅被覆鋼箔集合体であって、各銅被覆鋼箔は(A)銅被覆層を含めた両表面間の平均厚さtが3〜100μm、(B)芯材の平均厚さをtSとするとき、tS/t≧0.4、(C)銅被覆層の片面当たりの平均厚さtCuがいずれの側も0.02μm以上、の要件を満たすものであり、前記の積層した部分において隣り合う芯材が銅融着層を介して接合している銅被覆鋼箔集合体。
【選択図】図2
Description
すなわち本発明では、鋼からなる芯材の両側表面に銅被覆層をもつ複数の銅被覆鋼箔の一部分同士を積層して抵抗加熱により一体化した銅被覆鋼箔集合体であって、各銅被覆鋼箔は下記(A)〜(C)の要件を満たすものであり、前記の積層した部分において隣り合う芯材が銅融着層を介して接合している銅被覆鋼箔集合体が提供される。
(A)銅被覆層を含めた両表面間の平均厚さtが3〜100μm、
(B)芯材の平均厚さをtSとするとき、tS/t≧0.4、
(C)銅被覆層の片面当たりの平均厚さtCuがいずれの側も0.02μm以上。
銅被覆鋼箔の芯材は、従来の銅箔との対比において、(i)強度向上、(ii)電気抵抗の増大、(iii)熱伝導性の低減、を担う部材である。
(i)強度向上;
箔の強度が向上すると、活物質層を担持させる際のロールプレスで従来より高い圧下力を付与しても箔の塑性変形による形状不良(中伸びなど)が防止される。ロールプレスでの圧下力を増大させると、活物質層の密度を高めることができる。その結果、蓄電デバイスの単位体積当たりの放電容量を増大させることが可能となる。また箔の強度向上は、それを用いた蓄電デバイスの耐久性向上にも寄与する。
箔の電気抵抗が増大すると、同じ電流値で抵抗加熱を行った場合に、より大きい発熱量を得ることができる。図2の銅被覆鋼箔束の方が、図1の銅箔束よりも良好な接合性を呈するのは、銅被覆鋼箔の芯材による電気抵抗の増大作用によるところが大きい。なお、蓄電デバイスの集電体として使用する際には、芯材による電気抵抗の増大は実用上の弊害となる程ではない。むしろ、活物質密度の向上(前述)や活物質構成材料の劣化防止(後述)による蓄電デバイスの性能向上効果の方がメリットが大きい。
芯材の熱伝導性が低減することにより、活物質を担持した状態で抵抗加熱による接合を行う際には活物質層に伝わる熱量を抑制することができ、活物質構成材料(活物質、導電助剤、バインダなど)の劣化を回避しやすくなる。
(1)普通鋼
質量%で、C:0.001〜0.15%、Si:0.001〜0.1%、Mn:0.005〜0.6%、P:0.001〜0.05%、S:0.001〜0.5%、Al:0.001〜0.5%、Ni:0.001〜1.0%、Cr:0.001〜1.0%、Cu:0〜0.1%、Ti:0〜0.5%、Nb:0〜0.5%、N:0〜0.05%、残部Feおよび不可避的不純物。
質量%で、C:0.0001〜0.15%、Si:0.001〜1.2%、Mn:0.001〜1.2%、P:0.001〜0.04%、S:0.0005〜0.03%、Ni:0〜0.6%、Cr:11.5〜32.0%、Mo:0〜2.5%、Cu:0〜1.0%、Nb:0〜1.0%、Ti:0〜1.0%、Al:0〜0.2%、N:0〜0.025%、B:0〜0.01%、V:0〜0.5%、W:0〜0.3%、Ca、Mg、Y、REM(希土類元素)の合計:0〜0.1%、残部Feおよび不可避的不純物。
質量%で、C:0.0001〜0.15%、Si:0.001〜4.0%、Mn:0.001〜2.5%、P:0.001〜0.045%、S:0.0005〜0.03%、Ni:6.0〜28.0%、Cr:15.0〜26.0%、Mo:0〜7.0%、Cu:0〜3.5%、Nb:0〜1.0%、Ti:0〜1.0%、Al:0〜0.1%、N:0〜0.3%、B:0〜0.01%、V:0〜0.5%、W:0〜0.3%、Ca、Mg、Y、REM(希土類元素)の合計:0〜0.1%、残部Feおよび不可避的不純物。
ここで、下限が0%である元素は任意元素である。
銅被覆層は、従来から蓄電デバイスの集電体に使用されている銅箔と同等の性質を有する表面を構成する役割を担う。また、銅被覆鋼箔の束を抵抗加熱により一体化させるに際し、銅融着層を形成して隣り合う箔同士を接合させる作用を担う。抵抗加熱の条件によって銅被覆層が厚さ全体にわたって溶融する場合は、鋼シートの間に挿入された銅のインサート材(ろう材)と同様の機能を発揮する。銅被覆鋼箔と金属板との接合部を有する通電部材を抵抗加熱によって製造する際には、その接合部においても銅被覆層は上記と同様の銅融着層を形成する作用を担う。
本発明で対象とする銅被覆鋼箔は、断面構造に関し下記(A)〜(C)の規定を満たすことが重要である。
(A)銅被覆層を含めた両表面間の平均厚さtが3〜100μm
銅被覆鋼箔の平均厚さtが3μmより小さくなると、芯材に強度の高い鋼種を採用したとしても、集電体としての強度を十分に確保することが難しくなる。5μm以上、あるいは7μm以上の範囲に管理してもよい。一方、tが100μmを超えると、蓄電デバイスの小型・大容量化の要求に合致しなくなる。一般的には50μm以下の範囲とすることが好適であり、25μm以下、あるいは15μm以下に管理してもよい。
鋼からなる芯材は、上述のように従来の銅箔との対比において(i)強度向上、(ii)電気抵抗の増大、(iii)熱伝導性の低減、の各機能を発揮する。これらの機能を十分に発揮させるには銅被覆鋼箔の平均厚さtに占める芯材の平均厚さtSの割合をある程度以上確保する必要がある。種々検討の結果、tS/t≧0.4を満たす銅被覆鋼箔を適用することにより、従来の銅箔では実現困難であった積層厚さの集電体を抵抗加熱によって効率的に実現することが可能となる。tS/t≧0.5あるいはtS/t>0.5に管理してもよい。さらに、tS/t≧0.7あるいはtS/t>0.7に管理してもよい。銅被覆鋼箔の平均厚さtが前述(A)の規定を満たし、且つ銅被覆層の平均厚さが後述(C)の規定を満たす限り、tS/tの上限は特に規定しなくてもよいが、通常、tS/t≦0.998の範囲で設定することができる。
銅被覆層は、上述のように銅箔と同等の性質を有する表面を構成する機能を有する。また、銅被覆鋼箔同士あるいは銅被覆銅箔と金属板を抵抗加熱により接合させるに際し銅融着層を形成する機能を担う。発明者らの検討によれば、これらの機能を十分に発揮させるためには片面当たりの銅被覆層の平均厚さtCuを0.02μm以上とする必要がある。それより薄いと銅融着層による接合性が低下しやすくなる。片面当たりの銅被覆層の平均厚さtCuは0.05μm以上とすることがより好ましく、0.10μm以上に管理してもよい。上述(B)の規定を満たしていれば、tCuの上限は特に規定しなくてもよいが、通常、5.0μm以下の範囲とすることができる。
上記の規定を満たす複数の銅被覆鋼箔の一部分同士を積層して抵抗加熱によって一体化した銅被覆鋼箔集合体は、図2に示されるように隣り合う芯材同士が銅融着層によって接合された接合構造を有し、各芯材間の密着性は良好である。抵抗加熱に用いる装置としては、電極間に被接合材料を挟んで加圧しながら通電することができる装置が好適である。例えば、スポット溶接機やシーム溶接機を利用することができる。
上記のような集電体は、蓄電デバイスと外部機器との間の通電を担うための導体(タブリード)を接合した状態で使用されることが想定される。そのような導体として金属板を使用する場合には、集電体を構成する複数の銅被覆鋼箔と金属板とを一緒に重ね合わせて積層部分を構成し、その積層部分で抵抗加熱によって一体化することにより通電部材を構築することができる。ここでいう通電部材は、複数の銅被覆鋼箔と金属板が銅融着層によって接合され一体化したものである。
質量%で、C:0.003%、Al:0.038%、Si:0.003%、Mn:0.12%、P:0.012%、S:0.122%、Ni:0.02%、Cr:0.02%、Cu:0.01%、Ti:0.073%、N:0.0023%、残部Feおよび不可避的不純物。
SUS430、SUS304はいずれもJIS G4305:2005相当の市販材である。
[1]上記普通鋼の鋼板を圧延により所定の板厚に調整し、その表面に銅ストライクめっき(下地めっき)を施したのち電気銅めっきを施し、さらに所定の厚さtまで圧延して銅被覆鋼箔とする方法。
[2]上記SUS430、SUS304の鋼板を圧延により所定厚さの鋼箔とし、その表面にニッケルストライクめっき(下地めっき)を施したのち電気銅めっきを施して銅被覆鋼箔とする方法。
[3]上記普通鋼、SUS430、SUS304の鋼板を圧延により所定厚さの板厚に調整したのち両側表面を銅シートではさんで3層とし、クラッド圧延にて一体化する方法。
下地めっきである銅ストライクめっきは、ピロリン酸銅:65〜105g/L、ピロリン酸カリウム:240〜450g/L、全銅イオン濃度(g/L)に対する全ピロリン酸塩イオン濃度(g/L)の比(P比):8〜10、アンモニア水:1〜6mL/L、液温:50〜60℃、pH:8.2〜9.2のめっき浴を用いて、陰極電流密度:1〜7A/dm2の条件範囲で、両面均等に行った。
下地めっきであるニッケルストライクめっきは、塩化ニッケル:230〜250g/L、塩酸:125ml/L、pH:1〜1.5の常温のめっき浴を用いて、陰極電流密度:1〜10A/dm2の条件範囲で両面均等に行った。
・銅ストライクめっき(下地めっき)および電気銅めっき(本めっき)を施したもの;
t=tCu+tS+tCu
ここで、tSは芯材の平均厚さ、tCuは片面当たりの銅被覆層の平均厚さ(下地めっき+本めっき)である。
・ニッケルストライクめっき(下地めっき)および電気銅めっき(本めっき)を施したもの;
t=tCu+tNi+tS+tNi+tCu
ここで、tSは芯材の平均厚さ、tCuは片面当たりの銅被覆層の平均厚さ、tNiは片面当たりのニッケルストライクめっき層の平均厚さである。
・クラッド圧延を行ったもの;
t=tCu+tS+tCu
ここで、tSは芯材の平均厚さ、tCuは片面当たりの銅被覆層(クラッドに供した銅箔由来の層)の平均厚さである。
各銅被覆鋼箔のt、tCu、tSの値は表1中に示してある。
図4に、継手試験片の形状を示す。図4(a)は側面図、(b)は平面図である。
これらの図において、箔および銅板の厚さは誇張して描いてある。
結果を表1に示す。
Claims (6)
- 鋼からなる芯材の両側表面に銅被覆層をもつ複数の銅被覆鋼箔の一部分同士を積層して抵抗加熱により一体化した銅被覆鋼箔集合体であって、各銅被覆鋼箔は下記(A)〜(C)の要件を満たすものであり、前記の積層した部分において隣り合う芯材が銅融着層を介して接合している銅被覆鋼箔集合体。
(A)銅被覆層を含めた両表面間の平均厚さtが3〜100μm、
(B)芯材の平均厚さをtSとするとき、tS/t≧0.4、
(C)銅被覆層の片面当たりの平均厚さtCuがいずれの側も0.02μm以上。 - 請求項1に記載の銅被覆鋼箔集合体で構成される蓄電デバイスの集電体。
- 当該蓄電デバイスの集電体は、リチウムイオン二次電池の負極集電体である請求項2に記載の蓄電デバイスの集電体。
- 鋼からなる芯材の両側表面に銅被覆層をもつ複数の銅被覆鋼箔と、金属板を、それぞれの一部分同士が積層する状態として抵抗加熱により一体化した通電部材であって、各銅被覆鋼箔は下記(A)〜(C)の要件を満たすものであり、前記の積層した部分において隣り合う芯材および芯材と金属板が銅融着層を介して接合している通電部材。
(A)銅被覆層を含めた両表面間の平均厚さtが3〜100μm、
(B)芯材の平均厚さをtSとするとき、tS/t≧0.4、
(C)銅被覆層の片面当たりの平均厚さtCuがいずれの側も0.02μm以上。 - 銅被覆鋼箔の部分が蓄電デバイスの集電体を構成するものである請求項4に記載の通電部材。
- 前記蓄電デバイスの集電体は、リチウムイオン二次電池の負極集電体である請求項5に記載の通電部材。
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