集电体构造及使用该集电体构造的二次电池的制作方法

1.本发明涉及一种集电体构造及使用该集电体构造的二次电池。


背景技术：

2.以往，作为具有高能量密度的二次电池，锂离子二次电池已经广泛普及。液态的锂离子二次电池具有如下电池单元构造：在正极与负极之间存在隔膜，且填充有液态的电解质(电解液)。此外，当为电解质是固态的固态电池时，具有在正极与负极之间存在固态电解质的电池单元构造。层压多个该单电池单元而构成锂离子二次电池。
3.提出了使用金属多孔体作为构成正极及负极的集电体(例如，参考专利文献1)。金属多孔体具有带细孔的网状构造，表面积较大。借由将包含电极活性物质的电极合材填充至该网状构造的内部，能够增加电极层的每单位面积的电极活性物质的量。
4.此外，作为增加电极中的金属多孔体彼此的连接强度的方法，还已知如下电极：在金属多孔体的端部间配置另一金属多孔体，并将三者一并压接(例如，参考专利文献2)。
5.[现有技术文献]
[0006]
(专利文献)
[0007]
专利文献1：日本特开2012-186139号公报
[0008]
专利文献2：日本特开2004-063398号公报


技术实现要素：

[0009]
[发明所要解决的问题]
[0010]
图7是示出使用以往的集电体构造的二次电池的一实施方式的立体图，图8是极耳集束前的二次电池的立体图，图9是图7的极耳集束部附近的剖面图，图10是图9中的极耳集束部附近的放大剖面图。
[0011]
如图7所示，该二次电池200是将正极10、固态电解质层30及负极20交替地层压配置而成的电极层压体，从正极10延伸出正极极耳11，从负极20延伸出负极极耳21。正极10及负极20整体由金属多孔体形成，且存在填充有电极合材的合材填充区域及未填充电极合材的合材未填充区域，正极极耳11及负极极耳21构成合材未填充区域。正极极耳11及负极极耳21分别集束而形成接合部60。另外，虽然图7仅示出了正极极耳11的集束状态，省略了负极极耳21的集束状态，但是负极极耳也以相同的方式集束。
[0012]
图8是图7的极耳集束前的状态。据此，如图9所示，将正极极耳11及负极极耳21的端部分别集束，利用超声波或电阻焊接等方法进行压缩接合。此时的接合部60的放大图是图10。接合部60处层压有多片正极极耳11(该实施方式中为3片)。
[0013]
构成极耳的金属多孔体通常具有90体积％以上的孔隙。因此，若进行压缩接合，则在接合部60中，厚度会减少至1/10左右(d0》d1)。此时，存在如下问题：在接合部60与其周围之间产生较大的高低差(厚度差)，在图10中的接合部60的上部侧，正极极耳11成为被超声波焊头等压力构件压切的形状，尤其是层压上部的正极极耳11容易断裂。
[0014]
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于将集电体极耳集束接合时防止接合部断裂，并谋求维持电流路径。
[0015]
[解决问题的技术手段]
[0016]
本发明人发现，借由在特定状态下配置跨极耳间的连结极耳引线，能够解决上述问题，从而完成本发明。即，本发明提供以下方案。
[0017]
(1)一种集电体构造，其是包括如下构件的集电体构造：
[0018]
多个电极集电体，由金属多孔体构成；
[0019]
多个极耳，在各个电极集电体中，从前述金属多孔体的一端延伸出来；及，
[0020]
连结极耳引线，将两个以上的前述极耳彼此电连接；并且，
[0021]
前述连结极耳引线由金属多孔体构成，
[0022]
前述连结极耳引线与前述极耳在前述极耳的延伸方向与前述连结极耳引线的长度方向相交的交点处具有第一压缩接合部，
[0023]
前述连结极耳引线配置为从与一极耳的前述交点折返，并朝向与另一极耳的前述交点延伸，
[0024]
在层压有多个前述交点的极耳集束位置，具有第二压缩接合部。
[0025]
根据(1)的发明，在第一压缩接合部及第二压缩接合部存在极耳及连结极耳引线。因此，由于两者交缠而形成压缩接合部，所以压缩接合部的金属多孔体的密度变高。因此，能够有效防止接合部的断裂。
[0026]
(2)根据(1)所述的集电体构造，其中，在前述第二压缩接合部，与外部连接用极耳连接。
[0027]
根据(2)的发明，能够利用第二压缩接合部与外部连接用极耳接合，而不会使极耳断裂。
[0028]
(3)一种二次电池，包括(1)或(2)所述的集电体构造，且包括：
[0029]
正极及/或负极，具有在前述电极集电体的前述金属多孔体的内部填充有电极合材的合材填充区域、及未填充前述电极合材的合材未填充区域；及，
[0030]
电解质，配置在电极间；并且，
[0031]
前述电极集电体的前述合材未填充区域构成前述极耳。
[0032]
根据(3)的发明，可获得一种能够起到(1)或(2)的效果的二次电池。
附图说明
[0033]
图1是示出使用本发明的集电体构造的二次电池的一实施方式的立体图。
[0034]
图2是示出利用连结极耳引线将从电极延伸出的多个极耳间连结的状态的俯视图。
[0035]
图3是图1的极耳集束前的二次电池的立体图。
[0036]
图4是图3中的极耳附近的放大立体图。
[0037]
图5是示出连结极耳引线的配置状态及其变形例的剖面示意图。
[0038]
图6是图1中的极耳集束部的放大剖面图。
[0039]
图7是示出使用以往的集电体构造的二次电池的一实施方式的立体图。
[0040]
图8是图7的极耳集束前的二次电池的立体图。
[0041]
图9是图7的极耳集束部附近的剖面图。
[0042]
图10是图9中的极耳集束部附近的放大剖面图。
具体实施方式
[0043]
下面，参考附图对本发明的一实施方式进行说明。本发明的内容并不限于下述实施方式的记载。另外，在下述实施方式中，以固态电池的锂离子电池为例进行说明，但本发明并不限于固态电池，也可以应用于具有液态电解质及隔膜的二次电池。此外，也可以应用于除锂离子电池以外的电池。
[0044]
[第一实施方式]
[0045]
＜锂离子二次电池的整体构造＞
[0046]
如图1所示，本实施方式的图1的锂离子二次电池100是固态电池，且是将正极10、固态电解质层30及负极20交替地层压配置而成的电极层压体。虽未图示，但电极层压体包括下述极耳及其集束部一起被外包装膜真空包装，电连接于极耳集束部的正负极的引线极耳分别朝外包装膜外延伸出来。
[0047]
具体来说，正极极耳11及负极极耳21分别从电极层压体的各个电极的集电体的一端延伸出后集束，在第二压缩接合部17被压缩接合而得以一体化。在第二压缩接合部17，电连接有外部连接用极耳50(参考图6)。另外，该集电体构造的详细内容将在下文叙述。
[0048]
下面，对各自的构成构件进行说明。
[0049]
＜正极及负极＞
[0050]
在该实施方式中，在正极10及负极20中，分别由具有相互连续的孔部(连通孔部)的金属多孔体构成集电体。
[0051]
各个集电体的孔部是分别填充配置有包含电极活性物质的电极合材(正极合材、负极合材)的合材填充区域。相反，正极极耳11及负极极耳21是未填充配置电极合材的合材未填充区域。
[0052]
(集电体)
[0053]
集电体由具有相互连续的孔部的金属多孔体构成。借由具有相互连续的孔部，能够在孔部的内部填充包含电极活性物质的正极合材、负极合材，从而能够增加电极层的每单位面积的电极活性物质的量。作为上述金属多孔体，只要具有相互连续的孔部，并无特别限制，可以列举例如具有利用发泡形成的孔部的泡沫金属、金属网、多孔金属、冲孔金属、金属无纺布等形态。
[0054]
作为用于金属多孔体的金属，只要具有导电性，并无特别限定，可以列举例如镍、铝、不锈钢、钛、铜、银等。其中，作为构成正极的集电体，在使用固态电解质的电池中，优选为泡沫铝、泡沫镍及泡沫不锈钢，在使用电解液的电池中，优选为泡沫铝。作为构成负极的集电体，无论是使用固态电解质的电池还是使用电解液的电池，均可以优选使用泡沫铜、泡沫镍及泡沫不锈钢。
[0055]
借由使用金属多孔体的集电体，能够增加电极的每单位面积的活性物质的量，结果，能够提高锂离子二次电池的体积能量密度。此外，由于正极合材、负极合材容易固定，所以与以往的使用金属箔作为集电体的电极不同，在使电极合材层厚膜化时，无需使形成电极合材层的涂布用浆料稠化。因此，能够减少稠化所需的有机高分子化合物等粘合剂。因
此，能够增加电极的每单位面积的容量，从而能够实现锂离子二次电池的高容量化。
[0056]
(电极合材)
[0057]
正极合材、负极合材分别配置在形成于集电体内部的孔部。正极合材、负极合材分别含有正极活性物质、负极活性物质作为必需成分。
[0058]
(电极活性物质)
[0059]
作为正极活性物质，只要能够吸藏并释放锂离子，并无特别限定，可以列举例如licoo2、li(ni
5/10
co
2/10
mn
3/10
)o2、li(ni
6/10
co
2/10
mn
2/10
)o2、li(ni
8/10
co
1/10
mn
1/10
)o2、li(ni
0.8
co
0.15
al
0.05
)o2、li(ni
1/6
co
4/6
mn
1/6
)o2、li(ni
1/3
co
1/3
mn
1/3
)o2、licoo4、limn2o4、linio2、lifepo4、硫化锂、硫等。
[0060]
作为负极活性物质，只要能够吸藏并释放锂离子，并无特别限定，可以列举例如金属锂、锂合金、金属氧化物、金属硫化物、金属氮化物、si、sio、及人工石墨、天然石墨、硬碳、软碳等碳材料等。
[0061]
(其他成分)
[0062]
电极合材也可以任意包含除电极活性物质及离子传导性粒子以外的其他成分。作为其他成分，并无特别限定，只要是制作锂离子二次电池时可以使用的成分即可。可以列举例如导电助剂、粘合剂等。作为正极的导电助剂，可以例示乙炔黑等，作为正极的粘合剂，可以例示聚偏二氟乙烯等。作为负极的粘合剂，可以例示羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶、聚丙烯酸钠等。
[0063]
(正极及负极的制造方法)
[0064]
正极10及负极20是借由在作为集电体的具有相互连续的孔部的金属多孔体的孔部填充电极合材而获得。首先，利用以往公知的方法，将电极活性物质、视需要还有粘合剂或助剂均匀地混合，优选地获得调整为特定粘度的糊状的电极合材组合物。
[0065]
接着，将上述电极合材组合物作为电极合材填充至作为集电体的金属多孔体的孔部。将电极合材填充至集电体的方法并无特别限定，可以列举例如下述方法：使用柱塞式模具涂布机施加压力，将包含电极合材的浆料填充至集电体的孔部的内部。除上述以外，也可以利用浸渍方式使金属多孔体的内部含浸离子传导体层。
[0066]
＜固态电解质层＞
[0067]
如图1所示，在本发明中，在正极10与负极20之间形成有固态电解质层30。
[0068]
作为构成固态电解质层30的固态电解质，并无特别限定，可以列举例如硫化物系固态电解质材料、氧化物系固态电解质材料、氮化物系固态电解质材料、卤化物系固态电解质材料等。作为硫化物系固态电解质材料，例如若为锂离子电池，则可以列举lps系卤素(cl、br、i)、或li2s-p2s5、li2s-p2s
5-lii等。另外，上述“li2s-p2s
5”的记载是指使用包含li2s及p2s5的原料组合物所形成的硫化物系固态电解质材料，其他的记载也同样。作为氧化物系固态电解质材料，例如若为锂离子电池，则可以列举钠超离子导体(nasicon)型氧化物、石榴石型氧化物、钙钛矿型氧化物等。作为nasicon型氧化物，可以列举例如含有li、al、ti、p及o的氧化物(例如li
1.5
al
0.5
ti
1.5
(po4)3)。作为石榴石型氧化物，可以列举例如含有li、la、zr及o的氧化物(例如li7la3zr2o
12
)。作为钙钛矿型氧化物，可以列举例如含有li、la、ti及o的氧化物(例如lilatio3)。
[0069]
＜液态电解质＞
[0070]
作为溶解于非水溶剂中的电解质，并无特别限定，可以列举例如lipf6、libf4、liclo4、lin(so2cf3)、lin(so2c2f5)2、licf3so3、lic4f9so3、lic(so2cf3)3、lif、licl、lii、li2s、li3n、li3p、li
10
gep2s
12
(lgps)、li3ps4、li6ps5cl、li7p2s8i、li
x
poynz(x＝2y 3z－5，lipon)、li7la3zr2o
12
(llzo)、li
3x
la
2/3-x
tio3(llto)、li
1 x
al
x
ti
2-x
(po4)3(0≦x≦1，latp)、li
1.5
al
0.5
ge
1.5
(po4)3(lagp)、li
1 x y
al
x
ti
2-x
siyp
3-yo12
、li
1 x y
al
x
(ti,ge)
2-x
siyp
3-yo12
、li
4-2x
zn
x
geo4(lisicon)等。上述既可以使用单独一种，也可以组合使用两种以上。
[0071]
作为电解液中包含的非水溶剂，并无特别限定，可以列举碳酸酯类、酯类、醚类、腈类、砜类、内酯类等的非质子性溶剂。具体来说，可以列举碳酸亚乙酯(ec)、碳酸亚丙酯(pc)、碳酸二乙酯(dec)、碳酸二甲酯(dmc)、碳酸甲乙酯(emc)、1,2-二甲氧基乙烷(dme)、1,2-二乙氧基乙烷(dee)、四氢呋喃(thf)、2-甲基四氢呋喃、二恶烷、1,3-二氧戊环、二乙二醇二甲醚、乙二醇二甲醚、乙腈(an)、丙腈、硝基甲烷、n,n-二甲基甲酰胺(dmf)、二甲基亚砜、环丁砜、γ-丁内酯等。上述既可以使用单独一种，也可以组合使用两种以上。
[0072]
(隔膜)
[0073]
尤其是当使用液态电解质时，本实施方式的锂离子二次电池也可以包括隔膜。隔膜位于正极与负极之间。其材料及厚度等并无特别限定，可以应用聚乙烯或聚丙烯等可使用于锂离子二次电池中的公知的隔膜。
[0074]
＜集电体构造＞
[0075]
接着，使用图1至图6对作为本发明的特征的集电体构造进行具体说明。另外，对与图7至图10的现有技术相同的构成标注相同的符号，并省略其说明。
[0076]
图1是示出使用本发明的集电体构造的二次电池的一实施方式的立体图，图2是示出利用连结极耳引线将从电极延伸出的多个极耳间连结的状态的俯视图，图3是图1的极耳集束前的二次电池的立体图，图4是图3中的极耳附近的放大立体图，图5是示出连结极耳引线的配置状态及其变形例的剖面示意图，图6是图1中的极耳集束部的放大剖面图。
[0077]
如图1所示，该锂离子二次电池100是将正极10、固态电解质层30及负极20交替地层压配置而成的电极层压体，从正极10延伸出正极极耳11，从负极20延伸出负极极耳21。正极10及负极20整体由金属多孔体形成，且存在填充有电极合材的合材填充区域及未填充电极合材的合材未填充区域，正极极耳11及负极极耳21构成合材未填充区域。正极极耳11及负极极耳21分别集束而形成第二压缩接合部17。另外，图1仅示出了正极极耳11的集束状态，省略了负极极耳21的集束状态，负极极耳21也以相同的方式集束。下面，对正极10的集电体构造进行说明，在负极20中也为相同的构成。
[0078]
图2是提取图1中的由正极10及连结极耳引线15构成的连结构件10a进行展开的俯视图。
[0079]
从大致矩形形状的正极10的一侧边以比该侧边窄的宽度延伸出的正极极耳11同样呈大致矩形形状。如上所述，正极极耳11为金属多孔体的合材未填充区域。
[0080]
连结极耳引线15与正极极耳11不为一体，但由相同的金属多孔体(材料或大小也可以与正极极耳11不同)构成，俯视时，整体呈特定宽度的平板状(引线状)，且具有长度方向及宽度方向。在该实施方式中，正极极耳11的延伸方向与连结极耳引线15的长度方向配置在大致正交的方向，两者在包括正极极耳11的延伸端部的位置重叠配置，而形成交点p。另外，关于本发明中的“交点”，只要如图2所示至少一部分重叠即可，也可以相互交叉。
[0081]
在图2的三处交点p处，连结极耳引线15与正极极耳11具有第一压缩接合部16，由此，连结极耳引线15与正极极耳11电接合。由此，即使当正极极耳11在特定部位断裂时，整体的电导通也得以确保。第一压缩接合部16是借由各个金属多孔体彼此啮合且被压接而交缠的状态，由此，保证了可靠的电接合及物理接合。第一压缩接合部16的形成可以借由以往公知的压制步骤进行。
[0082]
图3是将图2的连结构件10a折叠配置而构成电极层压体的图，且是示出图1中的极耳集束前的状态的图。图4是图3的放大图。在图3、图4中，连结极耳引线15以折叠成三折的方式配置，从层压状态的最上层的第一正极极耳11的一侧边延伸出来，经由折返部18向下层的第二正极极耳11的一侧边折返，之后，从第二正极极耳11的另一侧边延伸出来，进一步经由折返部18向下层的第三正极极耳11的另一侧边折返。
[0083]
图5是图3的x-x剖面图的概略示意图，且是示出折返状态的一个例子的图。在本发明中，折返的形态并无特别限定，既可以如图5(a)、(b)所示折返成蛇腹状，也可以如图5(c)所示折返成z字形状。折返的次数也无特别限定，只要连结极耳引线15将两个以上的正极极耳11连结即可。即，可以将所有极耳一并集束，也可以分开集束。
[0084]
连结极耳引线15与正极极耳11的上下关系也无特别限定，如图5(a)、(b)所示，正极极耳11可以在连结极耳引线15的上表面形成第一压缩接合部16，也可以在连结极耳引线15的下表面形成第一压缩接合部16。
[0085]
接着，根据图3的状态，如图6所示，分别将正极极耳11及负极极耳21的端部集束，在极耳集束位置，以将各个极耳的第一压缩接合部16重叠多片的方式层压，在该位置，利用超声波焊接或电阻焊接等方法进行压缩接合，由此，形成第二压缩接合部17，且与外部连接用极耳50接合，而获得图1的锂离子二次电池100。此时的第二压缩接合部17附近的放大图为图6。
[0086]
在该第二压缩接合部17中，上述具有第一压缩接合部16的连结极耳引线15与正极极耳11的接合部以多片(在该实施方式中为三层，共三片)重叠的方式被层压，利用超声波焊头40进行压缩接合。与第一压缩接合部16同样地，第二压缩接合部17是借由各个金属多孔体彼此啮合且被压接而交缠的状态，由此，保证了可靠的电接合及物理接合。
[0087]
与图9、图10的现有技术相比，在现有技术中，接合部60仅由三片正极极耳构成，与此相对，在本实施方式中，第二压缩接合部17是由连结极耳引线15及正极极耳11事先形成第一压缩接合部16，且将三片第一压缩接合部16重叠，因此，实质上共交替地层压有六层。因此，图6的厚度d2大于图10的厚度d1(d2》d1)。此外，由于事先形成第一压缩接合部16，所以金属多孔体的密度也较高，断裂强度已增加。由此，能够有效防止极耳在超声波或电阻焊接时断裂。
[0088]
另外，在形成第二压缩接合部17前，在极耳集束位置，也可以再次进行压制步骤，以获得与外部连接用极耳50的接合面。在这种情况下，俯视时，再次压制步骤的压制面积优选为大于第一压缩接合部16的接合面积。由此，能够消除因第一压缩接合部16的存在而产生的接合部的高低差，从而获得光滑的接合面，因此，与外部连接用极耳50的接合变得可靠。
[0089]
以上对本发明的优选实施方式进行了说明，但本发明的内容并不限于上述实施方式，可适当变更。
[0090]
附图标记
[0091]
10
ꢀꢀ
正极
[0092]
10a 连结构件
[0093]
11
ꢀꢀ
正极极耳
[0094]
15
ꢀꢀ
连结极耳引线
[0095]
16
ꢀꢀ
第一压缩接合部
[0096]
17
ꢀꢀ
第二压缩接合部
[0097]
18
ꢀꢀ
折返部
[0098]
20
ꢀꢀ
负极
[0099]
21
ꢀꢀ
负极极耳
[0100]
40
ꢀꢀ
超声波焊头
[0101]
50
ꢀꢀ
外部连接用极耳
[0102]
100 锂离子二次电池