(57)【要約】【課題】金属多孔質体を用いた集電体及び電極であって、内部抵抗を低減することができ、面積が大きい場合であっても集電効率に優れる集電体及び電極を提供する。【解決手段】  金属多孔質体１２と、前記金属多孔質体１２に前記金属多孔質体１２と電気的に接続されて配置された少なくとも一の金属柱状体１４と、を備える集電体１０であって、前記金属柱状体１４はその長手方向が、前記集電体１０の電流取り出し側端部１６と、前記電流取り出し側端部１６に対向する端部１８とを結ぶように配置されていることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属多孔質体と、
前記金属多孔質体に前記金属多孔質体と電気的に接続されて配置された少なくとも一の金属柱状体と
を備える集電体であって、
前記金属柱状体はその長手方向が、前記集電体の電流取り出し側端部と、前記電流取り出し側端部に対向する端部とを結ぶように配置されていることを特徴とする集電体。
【請求項２】
前記金属柱状体が、先細形状を有し、前記先細形状における頂点もしくは先端部が前記電流取り出し側端部に対向する端部側に配置されていることを特徴とする請求項１記載の集電体。
【請求項３】
前記金属柱状体が、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル又はニッケル合金からなることを特徴とする請求項１又は２記載の集電体。
【請求項４】
前記集電体が、前記電流取り出し側端部に、前記金属柱状体と電気的に接続された電流端子を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の集電体。
【請求項５】
前記集電体が、電気二重層キャパシタの集電体であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の集電体。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項記載の集電体を備えることを特徴とする電極。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は集電体及び電極に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属多孔質体は三次元網目構造を有する金属体であり、燃料電池、二次電池、各種キャパシタ等のデバイスに、集電体として又は触媒や活物質を担持させた電極として広く用いられている。
【０００３】
例えば金属多孔質体に触媒を担持させてガス分解素子の触媒電極として用いることが開示されている（特許文献１、請求項１〜３）。また、ラネー型金属又は合金からなる金属多孔質体の表面に０．３〜１ｍｍの電極活物質含有被覆層を形成し、ニッケル水素電池の負極として用いることが開示されている（特許文献２、段落００１４、００１８、００２１）。さらに、金属多孔質体に活性炭や黒鉛等の炭素系材料を担持させて、電気二重層キャパシタ及びリチウムイオンキャパシタの電極として用いることが開示されている（特許文献３、請求項１；特許文献４、請求項８、９）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２６９０２１号公報
【特許文献２】特開平１１−１１１３０４号公報
【特許文献３】特開２０１２−３３８９９号公報
【特許文献４】特開２０１３−１１４７９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
金属多孔質体は多くの細孔を有し、該金属多孔質体の細孔内に活物質や触媒を担持させることで、効率的な集電体として働く。しかし、金属多孔質体は、複雑な三次元網目構造の導電経路によって内部抵抗が高くなる傾向がある。また、集電体の面積が大きくなると、電流取り出し側端部から遠い部分からの集電効率が低下するため、電極面積を大きくして大容量のキャパシタを作ることが難しいという問題がある。
【０００６】
そこで本発明は、内部抵抗を低減することができ、面積が大きい場合であっても集電効率に優れる、金属多孔質体を用いた集電体及び電極を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の集電体の第１の観点は、金属多孔質体と、前記金属多孔質体に前記金属多孔質体と電気的に接続されて配置された少なくとも一の金属柱状体とを備え、前記金属柱状体はその長手方向が、前記集電体の電流取り出し側端部と、前記電流取り出し側端部に対向する端部とを結ぶように配置されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明の集電体の第２の観点は、第１の観点に基づく発明であって、前記金属柱状体が、先細形状を有し、前記先細形状における頂点もしくは先端部が前記電流取り出し側端部に対向する端部側に配置されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明の集電体の第３の観点は、第１又は第２の観点に基づく発明であって、前記金属柱状体が、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル又はニッケル合金からなることを特徴とする。
【００１０】
本発明の集電体の第４の観点は、第１〜第３の観点のいずれかに基づく発明であって、前記電流取り出し側端部に、前記金属柱状体と電気的に接続された電流端子を備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明の集電体の第５の観点は、第１〜第４の観点のいずれかに基づく発明であって、電気二重層キャパシタの集電体であることを特徴とする。
【００１２】
本発明の第６の観点は、第１〜第５の観点のいずれかに基づく集電体を備える電極であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の第１の観点は、金属柱状体が低抵抗の導電経路を提供するので、内部抵抗を低減することができ、面積が大きい場合であっても集電効率に優れる。該金属柱状体は、二次電池等における充放電に伴う活物質の体積変化による金属多孔質体の損傷を抑制し、金属多孔質体が損傷した場合であっても該損傷による導電性の低下を補償する効果も奏し得る。
【００１４】
本発明の第２の観点は、前記金属柱状体が、より大きい電流が流れる電流取り出し側端部に近い程、金属柱状体の長手方向に垂直な方向の断面積が大きい先細形状を有するため、内部抵抗をより低減することができ、面積が大きい場合であっても集電効率に優れる。
【００１５】
本発明の第３の観点は、前記金属柱状体が、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル及びニッケル合金から選ばれる低抵抗金属からなるので、内部抵抗をより低減することができ、面積が大きい場合であっても集電効率に優れる。
【００１６】
本発明の第４の観点は、前記電流取り出し側端部に、前記金属柱状体と電気的に接続された電流端子を備えるので、より高い集電効率を達成できる。
【００１７】
本発明の第５の観点は、第１〜第４の観点のいずれかに基づく集電体を電気二重層キャパシタの集電体として用いることで、電気二重層キャパシタの性能を向上することができる。
【００１８】
本発明の第６の観点は、第１〜第５の観点のいずれかに基づく集電体から電極を構成することによって、内部抵抗が低く集電効率が高い電極を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、金属多孔質体内部に配置された少なくとも一の円柱形状の金属柱状体を備える、本発明の集電体の第１実施形態を示す模式図である。
【図２】図２は、金属柱状体が角柱形状である、本発明の集電体の第２実施形態を示す模式図である。
【図３】図３は、金属柱状体が円錐形状である、本発明の集電体の第３実施形態を示す模式図である。
【図４】図４は、金属柱状体が金属多孔質体の表面上に配置されている、本発明の集電体の第４実施形態を示す模式図である。
【図５】図５は、金属柱状体が電極リードを兼ねる、本発明の集電体の第５実施形態を示す模式図である。
【図６】図６は、集電体が電流端子を備える、本発明の集電体の第６実施形態を示す模式図である。
【図７】図７は、集電体が電流端子を備える他の形態である、本発明の集電体の第７実施形態を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
＜第１実施形態＞
［構成］
以下、図面を参照して本発明の第１実施形態について詳細に説明する。図１は、金属多孔質体１２内部に配置された少なくとも一の円柱形状の金属柱状体１４を備える、第１実施形態の集電体１０を示す模式図である。
【００２１】
集電体１０は、電流取り出し側端部１６と、電流取り出し側端部１６に対向する端部１８とを備える。金属多孔質体１２が同図に示すような角柱体の場合、電流取り出し側端部１６と電流取り出し側端部１６に対向する端部１８は、夫々、該角柱体の上面部と底面部に相当する。
【００２２】
金属柱状体１４は、その長手方向が電流取り出し側端部１６と、電流取り出し側端部１６に対向する端部１８とを結ぶように配置されている。ここで「長手方向」は、金属柱状体１４が図１に示すような円柱形状を有する場合には該円柱の上面と底面とを結ぶ方向を意味する。電流取り出し側端部１６と、電流取り出し側端部１６に対向する端部１８とを「結ぶように配置」とは、該長手方向が、電流取り出し側端部１６と電流取り出し側端部１６に対向する端部１８とを結ぶ直線に沿うような配置であり、該円柱の上面が電流取り出し側端部１６の近傍に、底面が電流取り出し側端部１６に対向する端部１８の近傍に、夫々、位置する。上記電流取り出し側端部１６と電流取り出し側端部１６に対向する端部１８とを結ぶ直線は、図１では電流取り出し側端部１６及び電流取り出し側端部１６に対向する端部１８に略直交しているが、同形態に限定されず、非直交であってもよい。また、複数の金属柱状体１４が、図１に示すように互いに略平行に一列に配置される必要はなく、互いに非平行であってもよく、複数列に配置されてもよい。
【００２３】
金属柱状体１４を構成する金属としては、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケル系合金、鉄系合金（ステンレス）、銅、銅合金、クロム、クロム合金、銀、金、白金などを用いることができ、これらのうち導電性に優れる点でアルミニウム、アルミニウム合金、例えばアルミニウムと銅、マンガン、ケイ素、亜鉛等との合金、ニッケル、及びニッケル系合金、例えばニッケルとクロム、亜鉛等との合金、が好ましい。電気二重層キャパシタなどの蓄電デバイスの負極の集電体の材質としては、電解液中のイオンが還元される電位よりも卑な還元電位を持っていることが必要である。一方、蓄電デバイスの正極の集電体としては、電解液中のイオンが酸化される電位よりも、貴な酸化電位を持っていることが必要である。一般的には、正極集電体には、アルミニウム、又はアルミニウム合金が使用される。アルミニウムの場合には、表面に酸化被膜が生成するために、高い酸化電位まで安定に作動することが可能である。負極集電体には、銅、銅合金、ニッケル、ニッケル系合金、鉄系合金（ステンレス）が使用される場合が多い。負極電位の高い活物質であるチタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）を使用した場合には、アルミニウムを負極の集電体にも使用することが可能である。
【００２４】
金属柱状体１４の大きさは、金属多孔質体１２の大きさ及び集電体１０から電極を作成する場合に担持させる活物質等の量に応じて適宜調整されることが好ましい。一例では、厚みが０．３〜５ｍｍの金属多孔質体１２に、外径が０．０５〜３ｍｍで、電流取り出し側端部１６と、電流取り出し側端部１６に対向する端部１８とを結ぶ最短の直線の長さとほぼ同じ長さを有する円柱形状の金属柱状体１４を用いることができる。
【００２５】
金属柱状体１４の数は、金属柱状体１４及び金属多孔質体１２の大きさに依存して適宜調整されることが好ましい。好ましくは、金属柱状体１４の合計体積が、金属多孔質体１２の見掛け体積、即ち細孔も含む体積の０．３〜１５体積％程度、好ましくは０．７〜５体積％となるような大きさである。該体積が前記下限値未満では金属柱状体１４を備えたことによる電気的導通の効果が十分ではなく、前記上限値を超えると活物質等の担持量が制限される。
【００２６】
金属多孔質体１２は、三次元網目構造を有する金属体であればよく、金属不織布、金属発泡体、金属粒子の焼結体からなる三次元網目構造を有する多孔質体（特願２０１５−２０００７７号）、所定の合金に含まれる特定の成分のみを溶出することにより得られる多孔質体（特許文献３）、発泡樹脂成形体上に金属層を形成した後、該発泡樹脂成形体を分解して得られる多孔質体（特許文献４）等であってよい。これらのうち、金属粒子の焼結体からなる三次元網目構造を有する多孔質体が好ましく、より好ましくは、その気孔率が７０％〜９８％である。
【００２７】
金属多孔質体１２の金属としては、金属柱状体１４について上述したものと同様の金属を用いることができ、これらのうちアルミニウム、アルミニウム合金、及びニッケル合金が好ましい。
【００２８】
［製造方法］
集電体１０の作り方は以下のとおりである。最初に、金属多孔質体１２を、例えば特願２０１５−２０００７７号記載の方法に従い用意する。即ち、アルミニウム等の金属の微粉末、低沸点有機溶媒等の発泡剤、及びバインダ樹脂を含むスラリを用いて塗膜を形成し、該塗膜を加熱して発泡剤を発泡させつつ乾燥した後、不活性ガス雰囲気下で、該バインダ樹脂を燃焼させて除去すると共に金属微粉末同士を焼結させて金属多孔質体１２を得る。市販の金属多孔質体を用いてもよい。
【００２９】
次いで、金属多孔質体１２に所定の穿孔を施し、形成された孔中に金属柱状体１４を挿入する。好ましくは、金属柱状体１４が挿入された金属多孔質体１２を、少なくとも金属柱状体１４か金属多孔質体１２のいずれか一方の表面が溶融する温度まで加熱して、両者を融着させることによって、金属柱状体１４と金属多孔質体１２との間の電気的及び物理的接続をより確実にする。
【００３０】
［作用及び効果］
長手方向が電流取り出し側端部１６と、電流取り出し側端部１６に対向する端部１８とを結ぶように配置された金属柱状体１４が低抵抗の導電経路を提供するので、集電体１０の内部抵抗を低減することができ、面積が大きい場合であっても集電効率に優れる。また、金属柱状体１４は、二次電池等における充放電に伴う活物質の体積変化により、金属多孔質体１２が損傷した場合であっても、該損傷による導電性の低下を補償する効果も奏し得る。
【００３１】
以下、本発明の変形例を説明する。以下において、第１実施形態と同じ構成要素については同じ参照番号を付し、その説明を省略する。
＜第２実施形態＞
図２は、本発明の第２実施形態の集電体２０を示す模式図である。本実施形態は金属柱状体２２が角柱形状である点でのみ第１実施形態と異なる。角柱形状としては、図２に示すような四角柱に限定されず、三角柱や、六角柱等の多角形柱であってよい。
【００３２】
＜第３実施形態＞
図３は、本発明の第３実施形態の集電体２４を示す模式図である。本実施形態では金属柱状体２６が円錐形状であり、その頂点もしくは先端部が、電流取り出し側端部１６に対向する端部１８側に配置されている。このような先細形状としては、図３に示す円錐に限られず、角錐、針状、三角板形状等の先細板形状、及び釘状、さらには複数の先細形状の金属柱状体を所定の間隔で備える櫛状の形状であってもよい。
【００３３】
金属柱状体２６がこのような先細形状である場合には、金属多孔質体１２に孔を開けることなく挿入することができる。櫛状の金属柱状体を用いて、複数の金属柱状体を一度に金属多孔質体１２の内部に挿入してもよい。
【００３４】
先細形状の金属柱状体２６は、より大きい電流が流れる電流取り出し側端部１６に近い程、金属柱状体２６の長手方向に垂直な方向の断面積が大きいため、内部抵抗をより低くすることができる。
【００３５】
＜第４実施形態＞
図４は、金属柱状体２２が金属多孔質体１２の表面上に、金属多孔質体１２と電気的に接続されて配置されている集電体２８を示す模式図である。同図では金属柱状体２２は金属多孔質体１２の一表面上にのみ配置されているが、金属多孔質体１２の二以上の表面上に配置されていてもよく、金属多孔質体１２の内部と表面との双方に配置されていてもよい。図４では金属柱状体２２が角柱形状を有するが、該形状に限定されず、上述の角錐、先細板形状等の先細形状であってよい。
【００３６】
本実施形態の集電体２８は、金属柱状体２２を抵抗溶接、超音波溶接等の溶接により、金属多孔質体１２の表面に取り付けることによって作ることができる。金属多孔質体１２の表面上に金属柱状体２２を備えることによって、金属多孔質体１２の多孔質構造を保存したままで、集電体２８の内部抵抗を低減することができる。
【００３７】
＜第５実施形態＞
図５は、金属柱状体３２が電極リードを兼ねる、本発明の第５実施形態の集電体３０を示す模式図である。金属柱状体３２は金属多孔質体１２の内部を通って、電流取り出し側端部１６から突出して備えられている。同図では、金属柱状体３２は金属多孔質体１２の内部を通っているが、金属多孔質体１２の表面上に備えられていてもよい。本実施形態によれば、集電体３０に別途電極リードを取り付ける必要が無く、集電体製造工程が簡単になる。
【００３８】
＜第６実施形態＞
図６は、集電体３４が電流取り出し側端部１６に、金属柱状体２６の上面に電気的に接続された電流端子３６を備える、本発明の第６実施形態の集電体３４を示す模式図である。電流端子３６を備えることで、より高い集電効率を達成できる。電流端子３６は、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル合金等の導電性の高い金属で構成することができ、電流取り出し側端部１６に溶接等によって接続される。
【００３９】
＜第７実施形態＞
図７は、集電体３８が電流端子４０を備える他の形態である第７実施形態の集電体３８を示す模式図である。電流端子４０は、金属柱状体３２の突出部と、該突出部を覆う部分から構成されている。このような電流端子４０は、金属柱状体３２の前記突出部をアルミニウム等のシートで覆い、該シートを前記突出部の周囲に圧着することによって作ることができる。
【００４０】
＜集電体を用いた電極＞
本発明の集電体は、触媒や活物質を担持させて、燃料電池、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池、電気二重層キャパシタ、及びリチウムイオンキャパシタ等の種々のデバイスの電極として有用である。例えば、リチウムイオン二次電池の正極に用いる場合、正極活物質、導電助剤、バインダ、及び溶媒を含む正極合材を金属多孔質体１２の表面及び細孔に担持させた後、溶媒を蒸発させて正極とすることができる。
【００４１】
電極を形成する方法としては、金属柱状体の挿入又は取り付け前又は後、好ましくは後に、集電体に電極合剤を塗布等し、該電極合剤中の溶媒等を除去して、活物質等を担持させる。次いで、活物質等が担持された集電体の厚みを、必要に応じてロールプレス等を用いて調整し、所望の大きさに切り出した後、電流取り出し側端部にリード、又は電流端子を溶接等により接続する。
【符号の説明】
【００４２】
１０、２０、２４、２８、３０、３４、３８  集電体
１６  電流取り出し側端部
１８  電流取り出し側端部１６に対向する端部
１２  金属多孔質体
１４、２２、２６、３２  金属柱状体
３６、４０  電流端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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