JP2020095849A - 電池 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｔｉ箔を含む電極集電体と、リード端子との接合部において、該接合部の接合強度を向上させ、かつ大電流通電時に該接合部の溶断を抑制する。【解決手段】電極集電体１１はチタン箔１およびアルミニウム層２を含む。チタン箔１は平面視において第１領域Ｒ１および第２領域Ｒ２を含む。活物質層１２は第１領域Ｒ１に配置されている。アルミニウム層２は第２領域Ｒ２の両面を被覆している。リード端子はアルミニウム層２に接合されている。アルミニウム層２は片面あたり２μｍ以上の厚さを有する。【選択図】図６

Description

本開示は電池に関する。

特開２０１１−０９１０１９号公報は、オーステナイト系ステンレス、チタン、ニッケルおよびアルミニウムの少なくとも１種からなることを特徴とする二次電池正極用集電体を開示している。

特開２０１１−０９１０１９号公報

電極集電体は導電体である。電極集電体は活物質層の支持体でもある。従来、電極集電体としてアルミニウム（Ａｌ）箔が使用されている。Ａｌ箔の代替材料としてチタン（Ｔｉ）箔が考えられる。Ｔｉ箔はＡｌ箔に比して高い強度を有し得る。Ｔｉ箔の使用により、電極集電体の厚さの削減が期待される。電極集電体の厚さの削減分は、活物質層の厚さに割り当てることができる。これにより電池容量の増大が期待される。

しかし電極集電体がＴｉ箔を含む場合、電極集電体とリード端子との接合部が脆化しやすい傾向がある。Ｔｉが大気中の成分（酸素、窒素等）と反応しやすいためと考えられる。さらにＴｉはＡｌに比して高い電気抵抗率を有する。電極集電体とリード端子との接合部に大電流が流れると、ジュール熱が発生する。ジュール熱により接合部が溶断する可能性もある。

本開示の目的は、Ｔｉ箔を含む電極集電体と、リード端子との接合部において、該接合部の接合強度を向上させ、かつ大電流通電時に該接合部の溶断を抑制することである。

以下、本開示の技術的構成および作用効果が説明される。ただし本開示の作用メカニズムは推定を含んでいる。作用メカニズムの正否により、特許請求の範囲が限定されるべきではない。

電池は電極集電体、活物質層およびリード端子を含む。電極集電体はチタン箔およびアルミニウム層を含む。チタン箔は平面視において第１領域および第２領域を含む。活物質層は第１領域に配置されている。アルミニウム層は第２領域の両面を被覆している。リード端子はアルミニウム層に接合されている。アルミニウム層は片面あたり２μｍ以上の厚さを有する。

本開示の電極集電体では、リード端子との接合部にＡｌ層が形成されている。Ａｌ層とリード端子とが接合されている。これにより接合強度の向上が期待される。さらにＡｌ層は２μｍ以上の厚さを有する。そのため接合部の電気抵抗が低減され、大電流通電時のジュール熱が小さくなると考えられる。これにより大電流通電時に接合部の溶断が抑制されることが期待される。

Ａｌ層は第２領域のみに形成されている。第１領域に配置されている活物質層はＡｌ層の厚さの影響を受けない。よってＡｌ層が電池容量に実質的に影響しないように、電池を設計できると考えられる。

図１は本実施形態の電池の構成の一例を示す概略断面図である。 図２は本実施形態の電極群の構成の一例を示す第１概略図である。 図３は本実施形態の電極群の構成の一例を示す第２概略図である。 図４は本実施形態の正極の構成の一例を示す概略平面図である。 図５は本実施形態のＴｉ箔の構成の一例を示す概略平面図である。 図６は本実施形態の正極の構成の一例を示す概略断面図である。 図７は本実施形態の集箔の一例を示す概略断面図である。

以下、本開示の実施形態（本明細書では「本実施形態」と記される）が説明される。ただし以下の説明は特許請求の範囲を限定するものではない。

例えば本実施形態では、Ｔｉ箔を含む電極集電体が正極集電体である。ただし正極集電体は一例に過ぎない。Ｔｉ箔を含む電極集電体は負極集電体であってもよい。

例えば本実施形態では電極群が積層型である。ただし積層型は一例に過ぎない。電極群は巻回型であってもよい。

例えば本実施形態では電池が角形電池である。ただし角形電池は一例に過ぎない。電池は例えば円筒形電池、ラミネート型電池等であってもよい。

例えば本実施形態では電池がリチウムイオン電池である。ただしリチウムイオン電池は一例に過ぎない。電池は例えばナトリウムイオン電池等であってもよい。

＜電池＞
図１は本実施形態の電池の構成の一例を示す概略断面図である。
電池１００はリチウムイオン電池である。電池１００はケース９０を含む。ケース９０は電極群５０を収納している。ケース９０は例えばアルミニウム（Ａｌ）合金製であってもよい。ケース９０は例えばアルミラミネートフィルム製のパウチ等であってもよい。

ケース９０に外部端子９１およびリード端子９２が設けられている。すなわち電池１００がリード端子９２を含む。電極群５０はリード端子９２と接合されている。リード端子９２は外部端子９１と電気的に接続されている。リード端子９２は複数の部品から構成されていてもよい。リード端子９２が外部端子９１の一部であってもよい。リード端子９２自体が外部端子であってもよい。

リード端子９２は金属材料を含む。リード端子９２は例えば実質的に金属材料のみからなっていてもよい。リード端子９２は、例えばＡｌ、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、錫（Ｓｎ）および銀（Ａｇ）からなる群より選択される少なくとも１種を含んでいてもよい。

＜電極群＞
図２は本実施形態の電極群の構成の一例を示す第１概略図である。
図３は本実施形態の電極群の構成の一例を示す第２概略図である。
電極群５０は積層型である。電極群５０は、正極１０と負極２０とが交互にそれぞれ１枚以上積層されることにより形成されている。正極１０および負極２０の各々は枚葉紙状の平面形状を有する。正極１０と負極２０との間にはセパレータ３０が配置されている。セパレータ３０は例えばポリオレフィン製の多孔質膜等を含んでいてもよい。

＜正極＞
図４は本実施形態の正極の構成の一例を示す概略平面図である。
正極１０は電極集電体１１および活物質層１２を含む。すなわち電池１００が電極集電体１１および活物質層１２を含む。活物質層１２は電極集電体１１の表面の所定領域（後述の第２領域Ｒ２）に配置されている。

図５は本実施形態のＴｉ箔の構成の一例を示す概略平面図である。
電極集電体１１はＴｉ箔１を含む。Ｔｉ箔１は平面視において第１領域Ｒ１および第２領域Ｒ２を含む。第１領域Ｒ１は第２領域Ｒ２に比して大きい面積を有する。第２領域Ｒ２は「タブ」とも称されている。

Ｔｉ箔１は実質的にＴｉのみからなっていてもよい。すなわちＴｉ箔１は純Ｔｉ箔であってもよい。Ｔｉ箔１は合金元素〔例えばＡｌ、バナジウム（Ｖ）等〕を含んでいてもよい。すなわちＴｉ箔１はＴｉ合金箔であってもよい。Ｔｉ箔１は例えば２μｍ以上６μｍ以下の厚さを有していてもよい。

Ｔｉ箔１が２μｍ以上の厚さを有することにより、Ｔｉ箔１のハンドリングが容易になることが期待される。これにより例えばＡｌ層２（後述）の形成が容易になることが期待される。

Ｔｉ箔１が６μｍ以下の厚さを有することにより、活物質層１２が圧縮される際、活物質層１２がＴｉ箔１から剥がれ難くなることが期待される。圧縮時、Ｔｉ箔１の伸び量と活物質層１２の伸び量との差が小さくなるためと考えられる。

Ｔｉ箔１の厚さは例えばマイクロメータ等により測定され得る。Ｔｉ箔１の厚さは少なくとも３箇所で測定される。少なくとも３箇所の算術平均が採用される。

図６は本実施形態の正極の構成の一例を示す概略断面図である。
活物質層１２は第１領域Ｒ１に配置されている。活物質層１２は例えばＴｉ箔１の厚さ以上の厚さを有していてもよい。活物質層１２は例えば１０μｍ以上２００μｍ以下の厚さを有していてもよい。本実施形態の活物質層１２は正極活物質を少なくとも含む。正極活物質は例えばニッケルコバルトマンガン酸リチウム（ＮＣＭ）等を含んでいてもよい。活物質層１２は、例えば正極活物質を含む電極合材が第１領域Ｒ１に塗着されることにより形成され得る。

電極集電体１１はＴｉ箔１およびＡｌ層２を含む。Ａｌ層２は第２領域Ｒ２のみに形成されている。Ａｌ層２は第２領域Ｒ２の両面を被覆している。リード端子９２（図１）はＡｌ層２に接合されている。すなわち第２領域Ｒ２に電極集電体１１とリード端子９２との接合部が形成されている。接合部は例えば超音波接合により形成されていてもよい。

Ａｌ層２はＡｌを含む。Ａｌ層２は実質的にＡｌのみからなっていてもよい。Ａｌ層２は例えばメッキ、真空蒸着等により形成され得る。真空蒸着では、蒸着時間により厚さが調整され得る。Ａｌ層２は片面あたり２μｍ以上（両面あたり４μｍ以上）の厚さを有する。片面あたりの厚さが２μｍ未満であると、大電流通電時に接合部が溶断する可能性がある。片面あたりの厚さは例えば５μｍ以上であってもよい。

Ａｌ層２の厚さは例えば断面ＳＥＭ（ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）画像において測定されてもよい。Ａｌ層２の厚さは例えばＸＰＳ（ｘ−ｒａｙ ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）により測定されてもよい。Ａｌ層２の厚さは少なくとも３箇所で測定される。少なくとも３箇所の算術平均が採用される。

Ａｌ層２の厚さに上限は特に設けられていない。Ａｌ層２は例えば片面あたり１０μｍ以下（両面あたり２０μｍ以下）の厚さを有していてもよい。Ａｌ層２が片面あたり１０μｍ以下の厚さを有することにより、第２領域Ｒ２の加工性（例えば曲げ加工性等）の向上が期待される。

図７は本実施形態の集箔の一例を示す概略断面図である。
本実施形態の「集箔」は複数枚のタブ（第２領域Ｒ２）が１つに束ねられることを示す。１つに束ねられた複数枚のタブが纏めて、リード端子９２と接合されてもよい。集箔は曲げ加工、引張加工等を含む。第２領域Ｒ２の加工性が良好であることにより、例えば集箔時、第２領域Ｒ２の破損等が抑制されることが期待される。

以下、本開示の実施例（本明細書では「本実施例」と記される）が説明される。ただし以下の説明は特許請求の範囲を限定するものではない。

＜電池の製造＞
《実施例１》
図５の平面形状を有するＴｉ箔１が準備された。Ｔｉ箔１は４μｍの厚さを有する。真空蒸着により、第２領域Ｒ２の両面にＡｌ層２が形成された。Ａｌ層２は２μｍの厚さを有する。以上より電極集電体１１が製造された。

Ｔｉ箔１の第１領域Ｒ１に電極合材（正極合材）が塗着された。これにより活物質層１２が形成された。電極合材は「正極活物質／導電材／バインダ＝９８／１／１（質量比）」の組成を有する。正極活物質はＮＣＭである。導電材はアセチレンブラックである。バインダはポリフッ化ビニリデンである。活物質層１２が圧縮された。圧縮後、活物質層１２の密度は３．７ｇ／ｃｍ³である。以上より正極１０が製造された。

負極２０が製造された。電極合材（負極合材）は「負極活物質／バインダ＝９８／２（質量比）」の組成を有する。負極活物質は黒鉛である。バインダはカルボキシメチルセルロースおよびスチレンブタジエンゴムである。

セパレータ３０が準備された。正極１０と負極２０とが交互に積層された。正極１０と負極２０との各間にセパレータ３０が配置された。これにより電極群５０が形成された。電極群５０がケース９０に収納された。超音波接合により、第２領域Ｒ２にリード端子９２が接合された。リード端子９２に外部端子９１が接合された。

電解液が準備された。電解液は以下の成分からなる。
支持塩：ＬｉＰＦ₆（濃度＝１ｍоｌ／Ｌ）
溶媒：ＥＣ／ＤＭＣ／ＥＭＣ＝３：４：３（体積比）

ここで「ＥＣ」はエチレンカーボネートを示す。「ＤＭＣ」はジメチルカーボネートを示す。「ＥＭＣ」はエチルメチルカーボネートを示す。

電解液がケース９０に注入された。ケース９０が密閉された。以上より電池１００が製造された。本実施例の電池１００は角形リチウムイオン電池である。本実施例の電池１００は１Ａｈの定格容量を有するように設計されている。

《実施例２、３、比較例１、２》
下記表１に示されるようにＡｌ層の片面あたりの厚さが変更されることを除いては、実施例１と同様に電池が製造された。

《実施例４、５》
下記表１に示されるようにＴｉ箔の厚さが変更されることを除いては、実施例１と同様に電池が製造された。

＜評価＞
《大電流通電》
電池の電圧が４．１Ｖに調整された。２５℃の温度環境において、２０Ａの電流により電池が放電された。放電後、電池が解体され、第２領域Ｒ２において溶断の有無が確認された。結果は下記表１に示される。

《超音波接合》
上記各例と同様のＡｌ層が全面に形成されたＴｉ箔がそれぞれ準備された。Ｔｉ箔が３ｃｍ×１ｃｍのサイズに切断された。これにより試料片が作製された。

６０枚の試料片が積層された。６０枚の試料片が纏めて超音波接合された。接合後、接合強度が評価された。結果は下記表１に示される。下記表１において「ＯＫ」は接合強度が十分であることを示す。「ＮＧ」は接合強度が不十分であることを示す。

＜結果＞
比較例１では、接合強度が不十分であった。比較例１および２では、大電流通電時、接合部に溶断が確認された。比較例１および２では、Ａｌ層が片面あたり２μｍ未満の厚さを有する。

実施例１〜５では、十分な接合強度が示された。実施例１〜５では、大電流通電後、接合部が溶断していなかった。実施例１〜５では、Ａｌ層が片面あたり２μｍ以上の厚さを有する。

本実施形態および本実施例はすべての点で例示であって制限的なものではない。特許請求の範囲の記載によって確定される技術的範囲は、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含む。

１ Ｔｉ箔（チタン箔）、２ Ａｌ層（アルミニウム層）、１０ 正極、１１ 電極集電体、１２ 活物質層、２０ 負極、３０ セパレータ、５０ 電極群、９０ ケース、９１ 外部端子、９２ リード端子、１００ 電池、Ｒ１ 第１領域、Ｒ２ 第２領域。

Claims (1)

1. 電極集電体、活物質層およびリード端子を含み、
   前記電極集電体はチタン箔およびアルミニウム層を含み、
   前記チタン箔は平面視において第１領域および第２領域を含み、
   前記活物質層は前記第１領域に配置されており、
   前記アルミニウム層は前記第２領域の両面を被覆しており、
   前記リード端子は前記アルミニウム層に接合されており、
   前記アルミニウム層は片面あたり２μｍ以上の厚さを有する、
   電池。

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