(57)【要約】【課題】シート状の正極と負極とがセパレータを介して対向配置されてなる１単位の発電要素を１単位以上積層してなる電極積層体が電解液とともに密封封止された蓄電素子に使用されて、正極や負極の電極材料が塗布されるシート状の多孔体からなる集電体において、異物の発生や強度不足などに起因する問題を解決する。【解決手段】シート状の多孔体に導電体をメッキしてなる蓄電素子用の集電体であり、厚さ方向に貫通する孔が多数形成されたシート状の金属９１に導電体９２をメッキした蓄電素子用の集電体１１ａや、多孔体を有機繊維１０１からなる布とし、当該有機繊維の表面に導電体１０２を無電解メッキしてなる蓄電素子用の集電体１１ｂとしている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シート状の正極と負極とがセパレータを介して対向配置されてなる１単位の発電要素が１単位以上積層されてなる電極積層体が電解液とともに密封封止されてなる蓄電素子に使用されて、前記正極や負極の電極材料が塗布される集電体であって、シート状の多孔体に導電体がメッキされてなることを特徴とする蓄電素子用の集電体。
【請求項２】
前記多孔体は、厚さ方向に貫通する孔が多数形成されたシート状の金属であることを特徴とする請求項１に記載の蓄電素使用の集電体。
【請求項３】
前記孔は、前記電極材料が塗布される領域にのみ形成されていることを特徴とする請求項２に記載の蓄電素子用の集電体。
【請求項４】
前記多孔体を構成する金属と当該多孔体にメッキされる金属とが異なることを特徴とする請求項２または３に記載の蓄電素子用の集電体。
【請求項５】
前記多孔体は有機繊維からなる布であり、前記有機繊維の表面に前記導電体を無電解メッキしてなることを特徴とする請求項１に記載の蓄電素子用の集電体。
【請求項６】
シート状の正極と負極とがセパレータを介して対向配置されてなる１単位の発電要素が１単位以上積層されてなる電極積層体が電解液とともに密封封止されてなる蓄電素子であって、前記正極と負極は、シート状の多孔体に導電体をメッキしてなる集電体上に該当する極の電極材料が塗布されてなっていることを特徴とする蓄電素子。
【請求項７】
前記負極には、リチウムイオンがあらかじめ担持されていることを特徴とする請求項６に記載の蓄電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、シート状の正極と負極とがセパレータを介して対向配置されてなる１単位の発電要素が１単位以上積層されてなる電極積層体が電解液とともに密封封止された蓄電素子に使用される集電体に関し、具体的には、正極と負極の電極材料が塗布される多孔体からなるシート状の集電体の改良技術に関する。また、当該技術によって改良された集電体を採用した蓄電素子にも関する。
【背景技術】
【０００２】
上記したようなシート状の多孔体からなる集電体は、たとえば、リチウムイオンをあらかじめ負極に吸蔵させた蓄電素子（以下、プレドープ型蓄電素子）に使用される。この蓄電素子は、リチウムイオンをあらかじめ負極に吸蔵させるため、負極の電位が下がり、大きな電圧を得ることができ、高いエネルギー容量を得ることができる。そのため、風力発電の負荷平準化装置、瞬停対策装置、自動車における回生電力の蓄電用途などに利用されることが期待されている。
【０００３】
上記プレドープ型蓄電素子は、特許３４８５９３５号公報に記載されているように、金属メッシュ金属、エキスパンドメタル、パンチングメタルなどの、導電性を有するシート状の多孔体からなる集電体を用い、その集電体上に正負それぞれの電極に応じた電極材料を塗布して各電極を形成し、その正負の電極を交互にセパレータを挟んで積層して電極積層体を構成する。そして、その積層体の外側にさらにリチウム金属を貼った多孔集電体を配置し、その集電体の孔を通して負極にリチウムイオンを拡散・吸蔵させている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したように、蓄電素子には、シート状の多孔体からなる集電体の表面に電極材料を塗布してなる正極や負極を使用したものがある。しかしながら、従来の多孔体からなる集電体にはさまざまな問題がある。例えば、エキスパンドメタルであれば、網目状になった金属の交点部分の強度が弱く、面方向に引っ張ると集電体自体が変形してしまう。普通、シート状の集電体表面に塗布される電極材料は、高粘度のスラリー状にされるとともに、周知のドクターブレード法などによってそのスラリーを集電体表面に押し当てながら一方向に塗布される。そのため、電極を塗布形成する過程で集電体がその塗布方向に変形してしまう可能性がある。
【０００５】
また、パンチングメタルでは、孔を穿設する際に金属粉が発生する。そして、極めて微細な金属粉は、静電気によって集電体表面に付着するため、簡単に除去することができない。この金属粉が蓄電素子内で遊離すれば、内部短絡の原因となる。また、集電体表面に金属粉が付着した状態で電極材料を塗布すれば、電極材料と集電体本体とが密着せず電気的抵抗が増大する。レーザー光線によって孔を穿設することで、パンチングメタルと同様の集電体を作製する方法もあるが、この方法では、孔の内表面に酸化膜ができ、その酸化膜が蓄電素子の内部抵抗を増大させてしまう。酸化膜はエッチングなどによって除去可能であるが、その除去のために製造コストが増大する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、蓄電素子に使用されている従来の多孔体からなる集電体における種々の問題について、その問題の原因を根本的に除去するのではなく、その原因が存在したとしても、その原因に起因する問題が発生しなければよい、と発想を転換した。例えば、パンチングメタルであれば、金属粉を完全に除去するのではなく、金属粉の存在を許容した上で、後処理によってその金属粉に由来する問題が発生しないようにすることを考えた。もちろん後処理は、安価でかつ効果的であることが望ましい。また、その後処理を応用すれば、従来の問題点を解決するのみならず、歩留まりを向上させて集電体のコストアップを抑制したり、蓄電素子の特性を向上させたりするなど、種々の効果が期待できると考えた。
【０００７】
本発明は、上記考察に基づいてなされたもので、その目的は、蓄電素子に使用される多孔体からなる従来のシート状集電体における様々な課題を大幅なコストアップを招くことなく解決することにある。さらには、その集電体を用いて蓄電素子の性能を向上させることも目的としている。
【０００８】
上記目的を達成するための本発明は、シート状の正極と負極とがセパレータを介して対向配置されてなる１単位の発電要素が１単位以上積層されてなる電極積層体が電解液とともに密封封止されてなる蓄電素子に使用されて、前記正極や負極の電極材料が塗布される集電体であって、シート状の多孔体に導電体がメッキされてなる蓄電素子用の集電体としている。
【０００９】
また、前記多孔体を厚さ方向に貫通する孔が多数形成されたシート状の金属とした蓄電素子用の集電体や、前記孔が前記電極材料が塗布される領域にのみ形成されている蓄電素子用の集電体とすることもできる。前記多孔体を構成する金属と当該多孔体にメッキされる金属とが異なる蓄電素子用の集電体としてもよい。あるいは、前記多孔体は有機繊維からなる布であり、前記有機繊維の表面に前記導電体を無電解メッキしてなる蓄電素子用の集電体とすることも可能である。
【００１０】
本発明は、蓄電素子にも及んでおり、当該蓄電素子に係る発明は、シート状の正極と負極とがセパレータを介して対向配置されてなる１単位の発電要素が１単位以上積層されてなる電極積層体が電解液とともに密封封止されてなる蓄電素子であって、正極と負極は、シート状の多孔体に導電体をメッキしてなる集電体上に該当する極の電極材料が塗布されてなっていることとしている。そして、当該蓄電素子は、前記負極にリチウムイオンがあらかじめ担持されている蓄電素子であればより好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の蓄電素子用の集電体によれば、基材となる多孔体に導電体をメッキしているので、導電性を有する多孔体のみで構成する集電体における異物の発生や強度不足などに起因する問題を解消することができる。また、基材となる素材とメッキする導電体との組み合わせの自由度が大きく、軽量化など、集電体の使用目的に応じて様々な特性や特徴を有する集電体を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
＝＝＝蓄電素子＝＝＝
本発明の集電体が適用される蓄電素子について、その基本構成である一単位分の発電要素（電極体）の概略構造を図１（Ａ）（Ｂ）に示した。（Ａ）は電極体の平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）におけるａ−ａ矢視断面の拡大図である。電極体３０は、略矩形のシート状の集電体（１１ｐ，１１ｎ）上にそれぞれの電極材料（１２ｐ，１２ｎ）が塗布されてなる正極１０ｐと負極１０ｎとをセパレータ２０を介して積層した構造となっている。また、略矩形の集電体シート（１１ｐ、１１ｎ）の一辺には、充放電に際して電流の出入り口として電極材料が塗布されていない凸形状の領域（外部端子部：１３ｐ，１３ｎ）が形成されている。そして、蓄電素子は、この電極体を１単位として数十単位積層して電極積層体を構成し、その電極積層体を電解液とともに、ラミネートフィルムの外装体内に密封したものである。
【００１３】
図２に蓄電素子の一例を示した。ラミネートフィルムの外装体６０内に電極積層体と電解液とが密封されているとともに、当該蓄電素子４０を充電したり、当該素子４０に蓄えられた電気を取り出したりするための端子となる金属平板からなる電極端子板５０が外装体６０外に露出している。また、図３（Ａ）（Ｂ）に電極積層体の側断面図と、外装体６０内における電極端子板５０の接続構造の概略を示した。ここでは、上記プレドープ型蓄電素子における電極積層体８０の一例を示している。この電極積層体８０では、最上層と最下層の集電体１１ｃの外側にリチウム金属７０が貼着された集電体（リチウム集電体：１１Ｌ）が積層されている。また、リチウム集電体１１Ｌに負極集電体１１ｎと同方向に凸形状となる外部端子部１３Ｌが形成されている。
【００１４】
そして、この電極積層体８０では、正極集電体１１ｐの外部端子１３ｐ同士が積層されるとともに、負極集電体１１ｎの外部端子１３ｎ同士とリチウム集電体１１Ｌの外部端子１３Ｌとが積層された上で、積層状態にあるそれぞれの外部端子部同士（１３ｐ、または１３ｎと１３Ｌ）が超音波溶接や熱融着などによって上記電極端子板５０に一括して接続され、その電極端子板５０の先端が外装体６０の外に露出されるようになっている。
【００１５】
＝＝＝集電体の構造＝＝＝
本発明における集電体は、上記プレドープ型蓄電素子を含め、シート状の正極と負極とがセパレータを介して対向配置されてなる１単位の発電要素を１単位以上積層してなる電極積層体が電解液とともに密封封止された蓄電素子に適用可能であり、上記電極体３０や電極積層体８０における正極１０ｐや負極１０ｎに用いられる集電体（１１ｐ，１１ｎ）、およびリチウム金属７０が貼着される集電体１１Ｌなどに使用されるものである。
【００１６】
図４（Ａ）（Ｂ）に、本発明の実施例における集電体の概略構造を示した。（Ａ）はその平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）におけるｂ−ｂ矢視断面の拡大図である。当該集電体１１ａは、導電性を有するシート状の多孔体からなる集電体（多孔集電体）であり、シート状の多孔体９１を基材とし、その基材９１に導電体９２をメッキしている点に特徴がある。当該図４に示した多孔集電体１１ａは、シート状の金属板に金型を用いて多数の孔９０を穿設してなるパンチングメタル９１を基材とし、そのパンチングメタル９１に金属９２をメッキしたものである。
【００１７】
パンチングメタル９１は、上述したように、孔９０を穿設する際に除去が困難な微細な金属粉９３が発生する。本実施例では、この金属粉９３を無理に除去するのではなく、メッキにより基材９１の表面に固定させてしまう、という発想に基づいている。図４（Ｂ）に示したように、基材９１表面に付着している金属粉９３の上をメッキ金属９２が覆い、基材９１表面に金属粉９３が固定されている。それによって、金属粉９３が蓄電素子内に混入することを防止している。そして、このように金属の上に金属をメッキする場合では、電解メッキ法を用いるため、電界密度が高い箇所から優先してメッキされていく。そのため、基材９１表面に付着して微細な突起状になっている金属粉９３がまず優先的にメッキされ、金属粉９３が基材９１表面に確実に、かつ強固に固定される。
【００１８】
なお、本実施例の集電体１１ａは、電極材料が塗布される領域１４にのみ孔９０が穿設されている。すなわち、外部端子部１３には孔９０が無い。それによって、電極端子板５０を外部端子部１３に接続する際、孔９０の開口面積分が不足することによって接続不良を起こしたり、孔９０による強度不足によって接続時に外部端子部１３が破損したりするのを防止している。
【００１９】
ところで、金属からなる基材に金属をメッキする場合、双方を異なる金属とすることで様々な効果が期待できる。例えば、軽いアルミニウムを基材とし、その基材に導電率の高い銅をメッキすれば、軽量で、かつ導電率の高い理想的な集電体を構成することができる。また、基材に安価な金属を用いることで、コストダウンを図ることもできる。このように、集電体の使用目的に応じて、基材となる金属とメッキする金属とを柔軟に選択することができる。
【００２０】
＝＝＝その他の金属基材について＝＝＝
上記実施例では、パンチングメタル９１を基材とした多孔集電体１１ａを示した。もちろん、エキスパンドメタルを基材としてこれにメッキをしてもよい。この場合、メッキされた導電体により網目の交点部分が補強されるので、電極材料を塗布する際に面方向に加わる力に対しても十分な強度があり、集電体の変形を確実に防止することができる。そのため、歩留まりが向上し、コストダウンが期待できる。
【００２１】
また、レーザー光線によって金属板に多数の孔を穿設してなる金属板を多孔集電体とする場合、従来では、酸化膜が問題であったが、この金属板を基材として導電体でメッキしてしまえば、メッキされた金属が集電体の表面となる。単元系のメッキは、低コストで行えるため、エッチングによって酸化膜を剥離することと比べれば遙かに低いコストで集電体の導電率を向上させることができる。もちろん、この場合も基材の金属とメッキする金属とを自由に選択することができる。
【００２２】
＝＝＝有機繊維からなる基材＝＝＝
本発明では、上記実施例のように基材を導電体で構成せず、例えば、有機繊維からなる布を基材とすることもできる。すなわち、有機繊維からなる布に無電解メッキを施すことで、繊維の表面に導電体の被膜を形成し、これを多孔集電体としてもよい。図５に有機繊維の不織布に無電解メッキを施した多孔体集電体を示した。（Ａ）はその不織布を基材とした多孔集電体の拡大断面図であり、（Ｂ）は、その多孔集電体に電極材料を塗布し状態の拡大断面である。（Ａ）における楕円１１０内に拡大して示したように、無電解メッキにより、個々の有機繊維１０１の表面に導電体の層１０２が形成され、当該集電体１１ｂは、導電性を有する繊維（導電性繊維）１００が複雑に絡み合う構造となっている。
【００２３】
そして、この多孔集電体１１ｂに電極材料１２を塗布すると、（Ｂ）に示したように、導電性繊維１００の網の目に電極材料１２が入り込み、集電体１１ｂと電極材料１２が一体化した電極１０が形成される。このような電極構造では、電極材料１２はどの領域でも、ほぼ一様にこの導電性繊維１００の表面に接触していることになる。したがって、電極材料１２と集電体１１ｂとの間の抵抗が低くなり、この電極１０を使って蓄電素子を構成すれば、極めて急速に充放電することが可能となる。すなわち、有機繊維１０１に金属１０２を無電解メッキを施した多孔集電体１１ｂは、高出力用途の蓄電素子に好適である。もちろん、軽い有機繊維１０１の布を多孔集電体１１ｂの基材としているので、電極１０を多数積層する蓄電素子では、大幅な軽量化も期待できる。
【００２４】
なお、本発明における蓄電素子用の集電体は、基材となる多孔体に導電体をメッキしたものであり、基材としては、上記の多孔体金属や有機繊維からなる布の他に、周知のポーラスフィルムや金属メッシュなども考えられる。マイクロポーラスフィルムであれば、蓄電素子の軽量化が期待できるし、金属メッシュであれば、メッシュの交点における接触不良や機械的な強度不足を補うことが期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の集電体が対象とする蓄電素子を構成する電極体の平面図（Ａ）と断面図（Ｂ）である。
【図２】上記蓄電素子の外観図である。
【図３】上記電極体を多層化した電極積層体の積層構造体の断面図（Ａ）と、積層構造体における電極端子板の接続構造を示す図（Ｂ）である。
【図４】本発明の実施例における蓄電素子用集電体の平面図（Ａ）と、拡大断面図（Ｂ）である。
【図５】本発明のその他の実施例における蓄電素子用集電体の拡大断面図（Ａ）と、当該集電体に電極材料を塗布してなる電極の拡大断面図（Ｂ）である。
【符号の説明】
【００２６】
１０、１０ｐ、１０ｎ  電極
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｐ、１１ｎ、１１Ｌ  集電体
１２、１２ｐ、１２ｎ  電極材料
１３、１３ｐ、１３ｎ、１３Ｌ  外部端子部
２０  セパレータ
４０  蓄電素子
５０  電極端子板
６０  外装体
７０  リチウム金属
８０  電極積層体
９０  孔
９１  パンチングメタル
９２、１０２  メッキされた金属
９３  金属粉
１００  導電性繊維
１０１  有機繊維
【図２】
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【図４】
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【図１】
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【図３】
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【図５】
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