JP7324297B2 - 引裂またはシワ不良を防止できる電解銅箔、それを含む電極、それを含む二次電池、およびその製造方法 - Google Patents
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Description
幅方向重量偏差(%)=(重量の標準偏差/重量の算術平均)×100
谷深さ対比厚さVDT=[電解銅箔の厚さ]/[粗さプロファイルの最大谷深さ(Rv)]
[FWHM(200)]=[熱処理後(200)面半値幅]/[熱処理前(200)面半値幅]
電解液の単位分当たり流量偏差(%)=[(分当たり流量の最大値-分当たり流量の最小値)/分当たり流量の平均値]×100.
幅方向重量偏差(%)=(重量の標準偏差/重量の算術平均)×100
谷深さ対比厚さVDT=[電解銅箔の厚さ]/[粗さプロファイルの最大谷深さ(Rv)]
電解銅箔の厚さ=[電解銅箔の単位面積当たり重量]/[電解銅箔の密度]
[FWHM(hkl)]=[熱処理後の(hkl)面半値幅]/[熱処理前の(hkl)面半値幅]
電解液の単位分当たり流量偏差(%)=[(分当たり流量の最大値-分当たり流量の最小値)/分当たり流量の平均値]×100
電解液11内に互いに離隔するように配置された正極板13および回転負極ドラム12を含む製箔機で45ASDの電気密度を通電させて電気メッキを遂行することによって銅層111を製造した。電解液11は硫酸銅溶液である。電解液11内の銅イオン濃度は75g/L、硫酸の濃度は100g/L、塩素(Cl)の濃度は15~25ppm、電解液の温度は55℃、電流密度は45ASDに設定された。電気メッキを遂行する間、循環ポンプで37m3/hrの流量でメッキ液を供給槽とメッキ槽の間に循環させ、メッキ液内の微細不純物は供給槽とメッキ槽の間のCartridg Filterで除去した。
「谷深さ対比厚さ(Valley Depth to Thickness、VDT)」は「電解銅箔の厚さ」および「粗さプロファイルの最大谷深さ(Rv)」をそれぞれ測定し、「電解銅箔の厚さ」および「粗さプロファイルの最大谷深さ(Rv)」の測定値を以下の式2により計算して得ることができる。
谷深さ対比厚さVDT=[電解銅箔の厚さ]/[粗さプロファイルの最大谷深さ(Rv)]
電解銅箔の厚さ=[電解銅箔の単位面積当たり重量]/[電解銅箔の密度]
「幅方向谷深さ対比厚さの偏差(Deviation of Valley Depth to Thickness、DVDT)」は前記電解銅箔101の幅方向に沿って位置する左側地点、中央地点および右側地点から10cm×10cmの大きさのサンプルをそれぞれ取った後、この3個のサンプルの谷深さ対比厚さVDTをそれぞれ測定する。引き続き、この3個のサンプルで測定した谷深さ対比厚さVDTの平均値VDTaverageを求め、3個のサンプルで測定した谷深さ対比厚さVDTのうち最も低い値をVDTminとし、最も高い値をVDTmaxとする。このように算出したVDTaverage、VDTminおよびVDTmaxを以下の式4により計算して、「幅方向谷深さ対比厚さの偏差DVDT」を得ることができる。
引張強度は万能試験機(UTM)を利用して測定するが、この時、サンプルを135℃で10分の間熱処理後に測定する。この時、サンプルの幅は12.7mmであり、Grip間の距離は50mmであり、テスト速度は50mm/minである。
電解銅箔101の幅方向に沿って位置する左側地点、中央地点、および右側地点から5cm×5cmの大きさのサンプルをそれぞれ取った後、この3個のサンプルの重量をそれぞれ測定する。引き続き、前記測定値の算術平均および標準偏差を求めて以下の式1によって幅方向重量偏差を算出する。
幅方向重量偏差(%)=(重量の標準偏差/重量の算術平均)×100
「粗さプロファイル要素の平均幅RSm」は、表面の任意の3か所の地点でMitutoyo社のSJ-310粗さ計を利用してJIS B 0601:2001規格により「粗さプロファイル要素の平均幅RSm」を測定[サンプリング長さ(sampling length):4mm、スタイラスチップ(stylus tip)の半径:2μm、スタイラスチップのテーパー角(taper angle):60°、測定力(measuring force):0.75 mN]した後、これらの平均値を算出することによって求めることができる。
熱処理する前および105℃で30分の間熱処理した後にそれぞれ、20°~90°の回折角(2θ)範囲でX線回折法(XRD)[Target:Copper K alpha 1、2θinterval:0.01°、2θscan speed:3°/min]を実施することによって、n個の結晶面に対応するピークを有するXRDグラフ[例えば、図4に例示された通り、(111)面、(200)面、(220)面、および(311)面に該当するピーク(n=4)が示されたXRDグラフ]および各結晶面の半値幅FWHMと各結晶面の半値幅の変動比率[FWHM(hkl)]を得る。
[FWHM(200)]=[熱処理後の(200)面半値幅]/[熱処理前の(200)面半値幅]
1)負極の製造
商業的に利用可能な負極活物質用シリコン/カーボン複合負極材100重量部に2重量部のスチレンブタジエンゴム(SBR)および2重量部のカルボキシメチルセルロース(CMC)を混合し、蒸溜水を溶剤として利用して負極活物質用スラリーを調製した。ドクターブレードを利用して10cm幅を有する実施形態1~7および比較例1~6の電解銅箔上に40μm厚さで負極活物質用スラリーを塗布し、これを120℃で乾燥して、1ton/cm2の圧力を加えて二次電池用負極を製造した。
エチレンカーボネート(EC)およびエチルメチルカーボネート(EMC)を1:2の割合で混合した非水性有機溶媒に溶質であるLiPF6を1Mの濃度で溶解して基本電解液を製造した。99.5重量%の基本電解液と0.5重量%のコハク酸無水物(Succinic anhydride)を混合して非水電解液を製造した。
Li1.1Mn1.85Al0.05O4であるリチウムマンガン酸化物とo-LiMnO2であるorthorhombic結晶構造のリチウムマンガン酸化物を90:10(重量比)の比で混合して正極活物質を製造した。正極活物質、カーボンブラック、および結着剤であるPVDF[Poly(vinylidenefluoride)]を85:10:5(重量比)で混合し、これを有機溶媒であるNMPと混合してスラリーを製造した。このように製造されたスラリーを厚さ20μmのAl箔(foil)の両面に塗布した後に乾燥して正極を製造した。
アルミニウム缶の内部に、アルミニウム缶と絶縁されるように正極と負極を配置し、その間に非水電解液および分離膜を配置し、コインの形態のリチウム二次電池を製造した。使われた分離膜はポリプロピレン(Celgard 2325;厚さ25μm、average pore sizeφ28nm、porosity 40%)であった。
このように製造されたリチウム二次電池を利用して、4.3V充電電圧および3.4V放電電圧で電池を駆動し、50℃の高温で0.2C率(current rate、C-rate)で100回の充電/放電を遂行した。
100回の充放電後、二次電池を分解して銅箔にシワまたは引裂が発生するかどうかを観察した。銅箔にシワまたは引裂が発行した場合を「発生」で表示し、発生していない場合を「なし」で表記した。
112a、112b:第1および第2保護層
120a、120b:第1および第2活物質層
103、104:二次電池用電極
MS:マット面
SS:シャイニー面
Claims (15)
- 銅層を含む電解銅箔であって、
前記電解銅箔は、5%以下の幅方向重量偏差、および25~62kgf/mm2の引張強度を有し、
前記銅層は、第1面および第2面を有し、
前記銅層の前記第1面および第2面は、3.5~66.9の谷深さ対比厚さ(VDT)を有し、
前記銅層の前記第1面および第2面は、2.6μm2以下の幅方向谷深さ対比厚さの偏差(DVDT)を有する、電解銅箔;
前記幅方向重量偏差は下記の式1で算出され、
前記谷深さ対比厚さ(VDT)は下記の式2で算出され、および
前記幅方向谷深さ対比厚さの偏差(DVDT)は下記の式4で算出される。
<式1>
幅方向重量偏差(%)=(重量の標準偏差/重量の算術平均)×100
<式2>
谷深さ対比厚さ(VDT)=[電解銅箔の厚さ]/[粗さプロファイルの最大谷深さ(Rv)]
<式4>
前記電解銅箔の少なくとも3個以上の地点から谷深さ対比厚さ(VDT)を測定し、測定した谷深さ対比厚さ(VDT)値の平均値が(VDTaverage)であり、測定した谷深さ対比厚さ(VDT)のうち最も高い値の谷深さ対比厚さ(VDT)が(VDTmax)、最も低い値の谷深さ対比厚さ(VDT)が(VDTmin)である。 - 前記銅層の前記第1面および第2面は、25~171μmの粗さプロファイル要素の平均幅(RSm)を有する、請求項1に記載の電解銅箔。
- (200)面半値幅(FWHM)の変動比率[FWHM(200)]が0.81~1.19である、請求項1に記載の電解銅箔;
前記(200)面半値幅(FWHM)の変動比率[FWHM(200)]は下記の式5で算出される。
<式5>
[FWHM(200)]=[熱処理後の(200)面半値幅]/[熱処理前の(200)面半値幅]
前記熱処理は、105℃で30分の間行われる。 - 4~20μmの厚さを有する、請求項1に記載の電解銅箔。
- 前記銅層の前記第1面および第2面のうちの少なくとも一方に配置された保護層を含む、請求項1に記載の電解銅箔。
- 前記保護層はクロム(Cr)、シラン化合物および窒素化合物のうち少なくとも一つを含む、請求項5に記載の電解銅箔。
- 請求項1~請求項6のいずれか一項に記載された電解銅箔;および
前記電解銅箔上に配置された活物質層を含む、二次電池用電極。 - 正極(cathode);
負極(anode);
前記正極と負極の間でリチウムイオンが移動できる環境を提供する電解質(electrolyte);および
前記正極と前記負極を電気的に絶縁させる分離膜(separator)を含み、
前記負極は請求項7に記載された二次電池用電極からなる、二次電池。 - 電解液を準備する段階と、
前記電解液を利用して電気メッキを遂行して銅層を形成する段階を含み、
前記電解液は、
50~100g/Lの銅イオン;
50~150g/Lの硫酸;
1~50ppm以下の塩素(Cl);
0.25g/L以下の鉛イオン(Pb2+);および
有機添加剤;を含み、
前記有機添加剤は、非イオン性水溶性高分子を含む減速剤を含み、
前記減速剤は、ポリエチレングリコール(PEG)-ポリプロピレングリコール(PPG)共重合体を含み、
前記電解液は、5~75mg/Lのグリシン(Glycine)を含み、
前記銅層を形成する段階は前記電解液内に互いに離隔するように配置された電極板および回転ドラムの間に40~80A/dm2の電流密度を加える段階を含み、
前記銅層を形成する段階で、前記電解液は単位分当たり10%以下の流量偏差に供給される、電解銅箔製造方法;
前記単位分当たり流量偏差は下記の式6で算出される。
<式6>
電解液の単位分当たり流量偏差(%)=[(分当たり流量の最大値-分当たり流量の最小値)/分当たり流量の平均値]×100 - 前記銅層を形成する段階で、
前記電解液は34~50m3/hrの流速で循環する、請求項9に記載の電解銅箔製造方法。 - 前記減速剤は、ポリエチレングリコール(PEG)-ポリプロピレングリコール(PPG)共重合体、ポリエチレングリコール(PEG)、ポリプロピレングリコール、ポリエチレンポリプロピレンコポリマー、ポリグリセリン、ポリエチレングリコールジメチルエーテル、ヒドロキシエチレンセルロース、ポリビニルアルコール、ステアリン酸ポリグリコールエーテルおよびステアリルアルコールポリグリコールエーテルの中から選択された少なくとも一つの非イオン性水溶性高分子を含む、請求項10に記載の電解銅箔製造方法。
- 前記ポリエチレングリコール(PEG)-ポリプロピレングリコール(PPG)共重合体は5~50mg/Lの濃度で含む、請求項10に記載の電解銅箔製造方法。
- 前記ポリエチレングリコール(PEG)-ポリプロピレングリコール(PPG)共重合体は1000~5000の数平均分子量を有する、請求項10に記載の電解銅箔製造方法。
- 前記銅層上に保護層を形成する段階をさらに含む、請求項9に記載の電解銅箔製造方法。
- 前記保護層を形成する段階は、クロム(Cr)、シラン化合物および窒素化合物のうち少なくとも一つを利用して前記銅層の表面を防錆処理する段階を含む、請求項14に記載の電解銅箔製造方法。
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