JP5001867B2 - 電池用電極及び電池用電極の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は電池用電極及び電池用電極の製造方法に係り、より詳しくは、２次電池の電極に使用される集電体の構造を改善した電池用電極及び電池用電極の製造方法に関するものである。

電子機器などの電源として使用される２次電池は正極と負極とがセパレータを間において位置する電極群を備える。

正極及び負極は、金属から成る集電体に活物質が塗布された構造で作られる。通常、正極は、銅又はアルミニウムなどから成る集電体に炭素系活物質が塗布された構造で作られる。負極は、アルミニウムなどから成る集電体にＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＭｎＯ_２、ＬｉＮｉＯ_２などから成る活物質が塗布された構造で作られる。

このような活物質は、集電体に容易に塗布できるように、導電剤、バインダー、溶媒などの物質と一緒にスラリーの形態で集電体に塗布される。活物質スラリーが塗布された集電体は、乾燥炉で乾燥過程を経た後、プレスなどで平坦になるように加圧される。

しかし、電極を加圧する際、電極が曲がる場合があり、電極が曲がれば電極を巻く過程で不良が発生するなど生産性が低下するとともに、充電及び放電効率が低下する、という問題があった。

そこで、本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的は、電極を加圧する際、コーティング部の延伸量と無地部の延伸量との差を最少化することが可能な、２次電池用電極及びその製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、電池の正極又は負極に適用される電極であって、前記電極は、板状の集電体と、前記集電体上に塗布される活物質層とから成り、前記集電体は、上面に活物質層が形成される集電体コーティング部と、前記集電体コーティング部と隣接するように配置されて活物質層が形成されない集電体無地部とを含み、前記集電体無地部は、活物質層が除去された前記集電体コーティング部より降伏応力が小さい電極が提供される。

前記集電体無地部は、前記集電体コーティング部より延伸率が大きいことが好ましい。

前記集電体無地部は、前記集電体コーティング部より残留応力が小さいことが好ましい。

前記集電体コーティング部の降伏応力をσ１、前記集電体無地部の降伏応力をσ２としたとき、下記の式１を満足することが好ましい。
１．５≦σ１／σ２≦７ ・・・（式１）

前記集電体はアルミニウムで作ることができる。

前記集電体は銅で作ることができる。

前記正極又は前記負極は、正極と負極の間にセパレータを介在させた後に巻き取って製造される２次電池に適用してもよい。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、集電体を準備する段階と、前記集電体の周縁をアニーリングする段階と、前記集電体に活物質をコーティングする段階、及び活物質がコーティングされた前記集電体をロールプレシング加工する段階を含む電極の製造方法が提供される。

前記アニーリングする段階は、活物質をコーティングする段階以前に行ってもよい。

前記アニーリングする段階は、活物質をコーティングする段階以後に行ってもよい。

なお、アニーリングする段階は、活物質をコーティングする段階の前の方が、コーティングする段階の後よりも好ましい。その理由は、活物質をコーティングした後にアニーリングすると、活物質が損傷されるおそれがあるためである。

前記アニーリングする段階において、前記集電体の周縁は輻射によって加熱されてもよい。

前記集電体はアルミニウムで作ることができる。

前記集電体は銅で作ることができる。

前記正極又は前記負極は、正極と負極の間にセパレータを介在させた後に巻き取って製造される２次電池に適用してもよい。

本発明によれば、集電体無地部をアニーリング処理して、集電体の無地部に相応する降伏荷重を小さくすることにより、集電体無地部が容易に延伸されるようにして、集電体を加圧する過程で曲がり現象を防止することができる。これにより、電極の構造的安定性及び生産性が向上する。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態による電池用電極を示した斜視図である。

２次電池の正極又は負極に適用される電極１０は、集電体１５と集電体１５上に形成された活物質層１７とから成る。活物質層１７は、集電体１５の全体に形成されないが、電極１０は活物質層１７が形成されたコーティング部１２と、このコーティング部１２と隣接するように配置され、活物質層１７が形成されずに集電体１５が露出した無地部１１に区分される。

正極集電体は、例えば、アルミニウムなどから成り、負極集電体は、例えば、銅又はアルミニウムなどから成る。

一方、正極活物質層は、例えば、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＭｎＯ_２、ＬｉＮｉＯ_２などから成る活物質、導電剤、及びバインダーなどから成り、負極活物質層は、例えば、黒鉛などの炭素系活物質、導電剤、及びバインダーなどから成る。

集電体１５は、一方向に長く形成された帯形状から成り、無地部１１はこのような集電体１５の長手方向に一側端部に沿って形成される。

図２を参照して、電極１０が製造される過程を述べる。本実施形態による電池用電極の製造装置は、先端部に設置されて集電体１５を加熱する加熱部材１１０と、集電体１５を移送させる移送部材としてのローラ１２１、１２３と、後段のローラ１２３に隣り合うように設けられた活物質コーティング部材１３０と、活物質層１７が形成された集電体１５を乾燥させる乾燥炉１４０と、乾燥された集電体１５を平坦になるよう押圧する加圧部材１５０と、を含む。

集電体１５は、先端部に設けられた加熱部材１１０によって周縁部が加熱され、加熱された後にローラ１２１、１２３によってコーティング部材１３０側に移送される。移送過程で加熱された部分が徐々に冷却されるところ、これにより集電体１５の周縁部はアニーリング処理されて、降伏応力及び残留応力が減少して延伸率が増加する。

冷却時間は、コーティング部材１３０と加熱部材１１０の間の経路長さにより調節されるところ、冷却時間を増加させるためにはこの経路を更に長く設定することができる。

但し、加熱された集電体１５が移送過程で冷却されることは本実施形態における一例に過ぎず、本発明がこれに制限されるものではない。従って、加熱された集電体１５は別に分離されて十分に冷却された後、再びコーティング部材１３０に移送されてもよい。

ここで、具体的なアニーリングの処理条件としては、例えば、４００℃〜６００℃で９秒以上加熱した後、空気中で４８秒間〜６０秒間冷却するような条件が好ましい。

図３を参照して、加熱部材１１０について詳細に述べる。加熱部材１１０は、集電体１５の両側周縁に沿って二つの加熱部材１１０が設置され、例えば、輻射によって集電体１５を加熱する。このように輻射によって集電体１５を加熱すれば、特定の部分だけを効率的に加熱することができる。

但し、このような加熱部材１１０の構造は本実施形態における一例に過ぎず、本発明がこれに制限されるものではない。従って、集電体１５は電導、対流など多様な方法で加熱できる。

図２に示すように、冷却された集電体１５は、コーティング部材と隣接するように設けられたローラ１２３に移動してコーティング部材１３０によって、表面に活物質層１７が形成される。活物質層１７が形成された集電体１５は乾燥炉１４０に移送されて、活物質層に含まれている揮発性分が乾燥される過程を経る。乾燥炉１４０で乾燥された集電体１５は、加圧部材１５０によって平坦になるように加圧される。図２では、集電体１５の一面にだけ活物質層１７が形成されたことで示しているが、活物質層１７は集電体１５の両面に形成されることもある。

加圧された集電体１５は、幅方向中央に沿って切断され、図１に示すような電極１０が完成される。

図４は、本発明の一実施形態による集電体を示した斜視図である。図４は活物質１７が除去された集電体１５を示した図面であって、集電体１５は活物質がコーティングされる集電体コーティング部（１５ｂ）と活物質がコーティングされない集電体無地部（１５ａ）を含む。

本実施形態による電極１０は、前記のようにアニーリング処理されて、集電体無地部（１５ａ）が集電体コーティング部（１５ｂ）より大きい延伸率を有し、集電体無地部（１５ａ）の降伏応力が集電体コーティング部（１５ｂ）の降伏応力より小さい値を有する。

集電体コーティング部（１５ｂ）の降伏応力をσ１、集電体無地部（１５ａ）の降伏応力をσ２としたとき、下記の式１を満足することが好ましい。
１．５≦σ１／σ２≦７ ・・・（式１）

σ１／σ２が１．５より小さい場合にはプレシング加工過程で集電体無地部（１５ａ）がうまく延伸できずに電極１０が曲がる問題があり、σ１／σ２が７より大きい場合には集電体無地部（１５ａ）が過度に高温で加熱されて組織が損傷する問題がある。

以下、実施例を用いて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は、下記の実施例に限定されるものではない。

（実施例）
Ａｌ Ａ１０５０（ＪＩＳ）のＡｌから成り、１５μｍの厚さを有する正極集電体１５の集電体無地部（１５ａ）をアニーリング処理した。アニーリング処理は正極集電体１５を５５０℃で２４秒加熱した後、常温で徐々に冷却して行った。

集電体無地部（１５ａ）がアニーリング処理された正極集電体の集電体コーティング部（１５ｂ）に活物質１７を塗布した後、乾燥してプレシング加工した。

このようにアニーリング処理された正極集電体１５の集電体無地部（１５ａ）を横３ｍｍ、縦１０ｍｍに切断して、引張実験を通して、降伏荷重及び延伸量を測定した。

（比較例）
Ａｌ Ａ１０５０（ＪＩＳ）のＡｌから成り、１５μｍの厚さを有する正極集電体の集電体コーティング部に活物質を塗布した後、乾燥及びプレシング加工を実施した。この状態で集電体無地部を横３ｍｍ、縦１０ｍｍに切断して、降伏荷重及び延伸量を測定した。そして集電体コーティング部上に形成された活物質を除去した後、集電体コーティング部を横３ｍｍ、縦１０ｍｍに切断して、降伏荷重及び延伸量を測定した。

図５のグラフと表１に示すように、アニーリング処理されていない従来の集電体１５は集電体無地部（１５ａ）の降伏荷重が集電体コーティング部（１５ｂ）の降伏荷重より大きいことが分かる。そして、延伸量においては集電体コーティング部（１５ｂ）の延伸量が集電体無地部（１５ａ）より大きいことが分かる。

しかしながら、本実施例のようにアニーリング処理された集電体１５の場合には集電体コーティング部（１５ｂ）の降伏荷重より集電体無地部（１５ａ）の降伏荷重がはるかに小さいことが分かる。また、延伸量においても集電体無地部（１５ａ）は集電体コーティング部（１５ｂ）の約２倍程度大きい値を有することが分かる。

つまり、従来の集電体コーティング部（１５ｂ）降伏荷重を集電体無地部（１５ａ）降伏荷重で割る値の降伏荷重比は０．９４８であるが、本願集電体コーティング部（１５ｂ）の降伏荷重を集電体無地部（１５ａ）の降伏荷重で割る降伏荷重比は４．５５５に従来の降伏荷重比に比べて、大きい値を有することが分かる。

従来の降伏荷重比が１より小さいことは加圧部材でプレシング加工する過程で集電体コーティング部（１５ｂ）が更に多く加圧されるためである。しかしながら、本願のように集電体無地部（１５ａ）をアニーリング処理すれば、集電体無地部（１５ａ）は柔軟性が顕著に増加して従来の集電体無地部に比べて、顕著に小さい降伏荷重を持つようになる。

降伏応力は降伏荷重を試片の断面積で割る値であるところ、本実施例では各試片が同一な断面積で有するので降伏応力は降伏荷重に比例する。従って集電体無地部（１５ａ）は集電体コーティング部（１５ｂ）より小さい降伏応力を有するだけでなく、従来の集電体無地部に比べて、顕著に小さい降伏応力を有する。

また、集電体コーティング部（１５ｂ）の延伸量を集電体無地部（１５ａ）の延伸量で割る延伸比を調べれば、従来の延伸比は１．０７８であることに反して本実施例による延伸比は０．５１２で本実施例による集電体無地部（１５ａ）は集電体コーティング部（１５ｂ）に比べて、顕著に多く延伸されることが分かる。

一方、同一な条件での延伸率は延伸量に比例するので集電体無地部（１５ａ）の延伸率は集電体コーティング部（１５ｂ）の延伸率より大きくなる。

前記のように本願の集電体無地部（１５ａ）は小さい荷重で大きい延伸量を持つところ、電極を加圧部材にプレシング加工する過程で集電体コーティング部（１５ｂ）に大きい圧力が作用して、集電体コーティング部（１５ｂ）が延伸される場合、集電体無地部（１５ａ）も集電体コーティング部（１５ｂ）と一緒に延伸されて、延伸程度の差によって電極が曲がる現象を防止することができる。

図６は、本発明の一実施形態に係る集電体を示した平面図である。アニーリングは集電体無地部１５ｂで行われ、集電体無地部１５ａは集電体１５の一側端部から集電体の幅方向に３５ｍｍまで形成されていた。図６に示したポイントは、降伏荷重及び延伸量を測定するために採取した試片の位置であって、アニーリング処理された部分とアニーリング処理されていない部分の間の降伏荷重（延伸量）の差を知るために、Ｐ１からＰ８を各々１０ｍｍ間隔で設定した。各ポイントを中心にして横９．５３ｍｍ、縦３．１８ｍｍの試片を採取し、その実験結果を図７に示した。

図７を見ると、アニーリング処理された部分に位置するＰ１からＰ３は、降伏荷重が小さくて延伸量が大きいことが分かる。アニーリング処理されていない部分に位置するＰ４からＰ８は、降伏荷重が大きくて延伸量が小さいことが分かる。このように、図７を通して、アニーリング処理された部分は小さい力にも簡単に延伸される反面、アニーリング処理されていない部分は大きい力にも延伸されにくいことが分かる。

これは集電体の幅方向の降伏荷重を示す図８を見れば、より詳細に分かる。図８を見ると、アニーリング処理された部分のＰ３とアニーリング処理されていないＰ４との間で降伏荷重が大きく変わることが分かる。

このように、アニーリング処理によって集電体無地部の降伏応力及び残留応力が減少することにより、降伏荷重が減少して延伸量が増加すれば、上記で言及したように、プレシング加工する過程で加圧力がほとんど作用しない集電体無地部もコーティング部と共に延伸されるので、集電体が曲がる現象を防止することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明の一実施形態による電池用電極の斜視図である。 本発明の一実施形態による電極製造装置を示した概略図である。 本発明の一実施形態による加熱部材を示した斜視図である。 本発明の一実施形態による集電体を示した斜視図である。 本発明の一実施形態による集電体無地部と集電体コーティング部の延伸量と降伏荷重を示したグラフである。 本発明の一実施形態による集電体を示した平面図である。 本発明の一実施形態による集電体の幅方向に沿って測定した延伸量及び降伏荷重を示したグラフである。 本発明の一実施形態による集電体の幅方向に沿って降伏荷重の変化することを示したグラフである。

符号の説明

１０ 電極
１１ 無地部
１２ コーティング部
１５ 集電体
１７ 活物質層
１１０ 加熱部材
１２１、１２３ ローラ
１３０ コーティング部材
１４０ 乾燥炉
１５０ 加圧部材

Claims (12)

1. 電池の正極又は負極に適用される電極であって、
   前記電極は、板状の集電体と、前記集電体上に塗布される活物質層とから成り、
   前記集電体は、上面に活物質層が形成される集電体コーティング部と、前記集電体コーティング部と隣接するように配置されて活物質層が形成されない集電体無地部とを含み、
   前記集電体無地部は、活物質層が除去された前記集電体コーティング部より降伏応力が小さく、
   前記集電体無地部は、前記集電体コーティング部より延伸率が大きく、
   前記集電体コーティング部の降伏応力をσ１、前記集電体無地部の降伏応力をσ２としたとき、下記式１を満足することを特徴とする、電極。
   １．５≦σ１／σ２≦７ ・・・（式１）
2. 前記集電体無地部は、前記集電体コーティング部より残留応力が小さいことを特徴とする請求項１に記載の電極。
3. 前記集電体は、アルミニウムから成ることを特徴とする請求項１に記載の電極。
4. 前記集電体は、銅から成ることを特徴とする請求項１に記載の電極。
5. 前記正極又は前記負極は、正極と負極の間にセパレータを介在した後に巻き取って製造される２次電池に適用されることを特徴とする請求項１に記載の電極。
6. 板状の集電体を準備する段階と、
   前記集電体の周縁部をアニーリングする段階と、
   前記集電体に活物質をコーティングする段階と、
   前記活物質がコーティングされた前記集電体をプレシング加工する段階と、
   を含み、
   前記集電体のうち、前記活物質がコーティングされた集電体コーティング部の降伏応力をσ１、前記集電体のうち、前記活物質がコーティングされない集電体無地部の降伏応力をσ２としたとき、下記式１を満足することを特徴とする、電極の製造方法。
   １．５≦σ１／σ２≦７ ・・・（式１）
7. 前記アニーリングする段階は、前記活物質をコーティングする段階以前に行われることを特徴とする請求項６に記載の電極の製造方法。
8. 前記アニーリングする段階は、前記活物質をコーティングする段階以後であることを特徴とする請求項６に記載の電極の製造方法。
9. 前記集電体は、アルミニウムから成ることを特徴とする請求項６に記載の電極の製造方法。
10. 前記集電体は、銅から成ることを特徴とする請求項６に記載の電極の製造方法。
11. 前記電極は正極と負極の間にセパレータを介在した後に巻き取って製造される２次電池の前記正極又は前記負極に適用されることを特徴とする請求項６に記載の電極の製造方法。
12. 前記アニーリングする段階における前記集電体の周縁部は、輻射によって加熱されることを特徴とする請求項６に記載の電極の製造方法。
    

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