(57)【要約】【課題】端子となる金属ケースとの集電を取るために用いられる金属リードと、電極を構成する集電体との接着を容易にし、金属リード−集電体間の接着強度を向上させる。【解決手段】電極１１は充放電反応に寄与する活物質層を有する活物質層形成部１２と金属リード１４を取り付けるための活物質未着部１３を有する。活物質未着部の金属箔１３は表面が概平坦形状の凸部を有する凹凸が形成されており、これに金属リード１４を溶接法により接着することで上記課題を解決する。【選択図】図１
2008204637.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
集電体上に活物質層を有するリチウムイオン二次電池用電極の製造方法であって、
前記集電体上に、凸部上部が概平坦である凹凸が形成された活物質未着部を形成し、
前記活物質未着部に金属リードを溶接法により接着する
リチウムイオン二次電池用電極の製造方法。
【請求項２】
前記集電体の活物質未着部に形成した凹凸が規則的なパターンを有する請求項１記載のリチウムイオン二次電池用電極の製造方法。
【請求項３】
金属箔表面の第１の部分に活物質層を形成し、前記表面の第２の部分に金属リードを付与されたリチウムイオン二次電池用電極の製造方法であって、
前記第２の部分に、リードとの実質接触面積が２０％以上６０％以下となる凹凸形状を形成し、
前記凹凸形状が形成された第２の部分に金属リードを抵抗溶接するリチウムイオン二次電池用電極の製造方法。
【請求項４】
前記第２の部分の凹凸形状が周期性を有する請求項３記載のリチウム二次電池用電極の製造方法。
【請求項５】
前記第１の部分の金属箔の平均表面粗さが２μｍ以上である請求項３記載のリチウム二次電池用電極の製造方法。
【請求項６】
前記第１の部分と第２の表面形状が共通である請求項４又は請求項５記載のリチウム二次電池用電極の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はリチウムイオン二次電池用電極の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、パーソナルコンピュータ、携帯電話などのポータブル機器向けの電池の需要が増大している。これらの用途に用いられる電池には、常温での使用が求められると同時に、高いエネルギー密度と優れたサイクル特性が要望される。そのため充放電による膨張収縮が大きいという副作用はあるが、高容量化が見込める珪素(Ｓｉ)を活物質とすることが検討されている。
【０００３】
特許文献１では集電体が錐形の凸部を有するランダムな凹凸形状を有するように加工した金属箔が用いられている。これにより膨張するための空間を極板内に確保している。このような電極を捲回型の電池にするため、一般に電極は集電体となる金属箔上に活物質層が形成されている。
【０００４】
さらに、外部端子をかねた金属ケースとの集電をとるために集電体の活物質未着部には金属リードが取り付けられる。生産性向上のため、前記金属リードは抵抗溶接法で集電体と接着される場合が多い。抵抗溶接法は、集電体と金属リードとの間に電流を流し、両者が接触している部分での接触抵抗により生じる熱で溶接を行う。従って特許文献１のように錐状の凹凸を有する金属箔では接触面積が減るために接触抵抗が大きくなり、集電体と金属リードとを溶接するために必要なエネルギーが小さくなる。
【特許文献１】特許第３７３３０６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１のような錐状の凹凸を有する金属箔と金属リードの間では、両者の接触面積が小さくなるので集電体と金属リード間の密着強度が低下する。また接触部分の多くが点であるため、接触抵抗のばらつきが大きい。そのため接触部分で発生する熱量のばらつきが生じるので、溶接後の強度にばらつきが生じる。
【０００６】
本発明は上記課題を解決する製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
集電体上に活物質層を有するリチウムイオン二次電池用電極の製造方法であって、前記集電体上に、凸部上部が概平坦である凹凸が形成された活物質未着部を形成し、前記活物質未着部に金属リードを、溶接法により接着することにより、本製造方法では上記課題を解決する。
【発明の効果】
【０００８】
集電体の活物質未着部において凸部の上部が概平坦な凹凸を有している事により、概平坦部で集電体と金属リードが接触する為に、錐状の凸部を有する集電体に比べて接着面積が確保される。これにより集電体―金属リード間で、必要な接着強度を確保する事が可能となる。また集電体と金属リードが凸部の平坦部分で接触しているため、両者の間の接触抵抗のばらつきが少ないので、溶接後の強度のばらつきが少なくなる。
【０００９】
さらに、一般的に集電体として用いられる圧延金属箔のような平滑な金属箔に比べて金属リードとの接触面積を減少させることができる。従って抵抗溶接時に低出力で金属箔と金属リードを接着する事が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図1を用いて本発明の製造方法について説明する。
【００１１】
まず図1（ａ）のように、上部が概平坦な凸部１１を表面に有する集電体１０を用意する。ここでいう概平坦とは、凸部上面の一部に平坦部分を有していることを言う。したがって、凸部の断面形状が半円形あるいは楕円形であり、その一部が切り取られた状態で平坦部分を有していてもよい。本発明に係る凸部上部形状に特に制限はないが、多角形、円形、楕円形などの形状が好ましい。これらの形状を有するパターンは容易に作製可能であるからである。本発明にかかる集電体上の活物質未着部に凹凸を作製する方法に特に制限はない。例えば半導体プロセスなどで用いられるレジストでパターンを作製した金属箔上に、鍍金、蒸着、スパッタなどで金属を堆積させる手法により凹凸を形成させる。また、凹凸形状を有するローラーなどにより金属箔を機械的に圧縮してローラーの凹凸形状を集電体上に転写する方法などでも形成できる。
【００１２】
次に図１（ｂ）のように、集電体１１上に活物質形成部１２および活物質未着部１３を形成する。ここでいう活物質未着部とは、集電体上で充放電反応に寄与する電極活物質層が形成されていない部分を指す。このような活物質未着部は、あらかじめ凹凸が形成された集電体上に活物質層を形成する際に、選択的に未形成部を設けることにより可能である。圧延金属箔などの集電体に活物質層を形成した後に、活物質未着部に凹凸を形成させてもよい。電極活物質層の形成方法としては一般的に知られている方法を用いる。
【００１３】
例えば活物質を含むペーストを金属集電体上に塗布して活物質層を形成する塗工法や集電体基板上に活物質を堆積させる蒸着法もしくはスパッタ法などの真空プロセスが使用できる。
【００１４】
そして図１（ｃ）のように金属リード１４を活物質未着部１３に重ね、溶接法により接着する。活物質未着部に形成された、上部が概平坦である凸部により、集電体−金属リード間が点ではなく面で接触する事が可能になる。そのため凸部と金属リードとの間の接触抵抗が、集電体と金属リードとの接触面全体にわたってほぼ同じ値になる。その結果、接触部分で発生する熱量のばらつきが少なくなるので集電体と金属リードとの間の接着強度が、溶接条件が一定であればほぼ一定の値を示すようになる。
【００１５】
本発明に係る集電体−金属リード間の接着法として、溶接法を用いる。溶接法では簡便な方法で高い接着強度を得られるからである。溶接法としては電流・電圧印加による抵抗溶接法が好適に用いられる。これらの手法により集電体−金属リード間の接着が容易で、高い接着強度が得られるからである。
【００１６】
図１（ｄ）では集電体上１０上の凸部１１と金属リード１４が溶接により溶解し、凸部の一部が残った形態で接着している様子を模式的に示している。また図１（ｄ）では凸部の一部が残った形態で接着している様子を示したが、溶接時の電流が大きい場合は凸部が全て溶解した形態で接着している場合もある。
【００１７】
本発明に係る集電体及び金属リードの材料として、負極用集電体、負極金属リードに関しては銅、ニッケルなどの金属材料が好適に用いられる。また、正極集電体、正極金属リードに関してはアルミニウムが好適に用いられる。これらの金属材料を集電体、金属リードとすることにより電池充放電中の電位変化に対しても安定であり、また電解液に対する耐久性も確保する事が可能となるからである。
【００１８】
また、本発明に係る集電体の活物質未着部に形成された凹凸は規則的なパターンを有していることが好ましい。規則的なパターンを有していることにより集電体―金属リード間の接着強度に関するばらつきが低減され、金属リード接着不良などによる歩留まりの低下が抑制されるようになるからである。
【００１９】
上記の製造方法で作製されたリチウムイオン二次電池用の極板はセパレータを介して正極、負極が対向するように配置され、捲回した後に円筒型や角型の金属ケースに挿入される。金属ケースに挿入した後に、電極に取り付けられた金属リードを金属ケースに溶接法などにより接着する事で金属ケースとの集電が取られる。本発明による製造方法により製造した電極を用いることで、金属リードと集電体との接着が強固になり、金属リード接続不良が低減し、取り扱い性が向上する。
【００２０】
本発明に係る集電体の活物質未着部における凹凸は集電体の両面に形成されていても良いし、金属リード接続面のみに形成されていてもよい。
【００２１】
本発明において凸部が占める面積の割合としては２０％以上６０％以下であることが好ましい。金属リードと銅箔を接着するのに必要な印加出力は金属リードと銅箔の接触部の面積に比例する。凸部が占める割合を６０％以下とすることにより、必要な印加出力を低減する事が可能となる。同様の理由により、本発明にかかる集電体の活物質未着部は算術平均粗さＲａが２μｍ以上であることが好ましい。算術平均粗さＲａは、日本工業規格（ＪＩＳＢ  ０６０１―１９９４）に定められており、例えば表面粗さ計等により測定することができる。
【００２２】
なお、上記凸部は金属リードとの実質接触面積に相当する。
【００２３】
一方、金属リードと銅箔間の接着強度は金属リードと銅箔間の接着面積に比例する。従って凸部が占める割合を２０％以上とすることにより、必要な接着強度が得られる。
【００２４】
以下に実施例を用いて本発明に関してさらに詳細に説明する。なお、本発明は以下に示す実施例に限定されるものではない。
【００２５】
（実施例１）
実施例１として用いた概平坦な凸部を有する凹凸パターンが形成された銅箔の作製法を以下に示す。銅箔表面の凹凸パターンは次のようにして形成した。先ず、厚み１４μｍの圧延銅箔（日本製箔（株）製）に日立化成工業（株）製のドライフィルムレジストをラミネートした。１５μｍ角のドットパターンが１０μｍ間隔で周期的に配置されたフォトマスクを用いて、銅箔上のドライレジストフィルムを露光し、ＮａＨＣＯ３水溶液で現像した。この銅箔を用いて銅の電解メッキを行った後、水酸化ナトリウム水溶液に浸しレジストを除去した。これにより、凸部高さが６μｍの凹凸パターンを形成した。得られた銅箔をレーザー顕微鏡により観察を行った結果、表面粗さＲａは３．１μｍで突起間隔が１０μｍであった。これにより作製した銅箔をサンプル１とした。なお凸部が集電体全体に対して占める面積の割合は３６％であった。
【００２６】
（比較例１）
比較例１としては厚さ１４μｍの圧延銅箔（日本製箔(株)製）を用いた。これをサンプルＡとした。
【００２７】
（比較例２）
比較例２としては集電体として厚さ１４μｍの圧延銅箔上に電着により両面を粗面化した（表面粗さＲａ＝１．５μｍ）、厚さ２０μｍの銅箔を用いた。これにより作製された銅箔は凸部が錐状に近く、粒子が堆積した形状をしており、凹凸部はランダムに形成されている。これをサンプルＢとした。
【００２８】
上記方法により作製した銅箔を用いて銅箔−ニッケルリード間を溶接するのに必要な最低出力を測定した。使用したニッケルリードは厚み１００μｍ、幅５ｍｍである。銅箔とニッケルリードの溶接は抵抗溶接機を用いて行った。抵抗溶接機は直径３ｍｍφの端子間で銅箔とニッケルリード間に一定出力で電流・電圧を印加する事により金属表面部を溶融させ、溶接する事が出来る。銅箔とニッケルリードを溶接するのに必要な出力を確認する為に１Ｗ出力から１Ｗずつ出力を上げて抵抗溶接を行い、銅箔とニッケルリードが接着するための最低印加出力を求めた。
【００２９】
今回の検討で作製したサンプルをニッケルリードと溶接するのに必要な最低出力はサンプル１で２Ｗ、サンプルＡで４Ｗ、サンプルＢで２Ｗであった。
【００３０】
これにより、表面に凹凸形状を有した銅箔を用いて抵抗溶接によりニッケルリードと接着することで銅箔−ニッケルリード間の接触面積が減少する為、印加電流が分散せずに集約される為、圧延銅箔に比べて低出力で接着可能である事が確認された。
【００３１】
さらに本発明の効果を確認する為に実施例及び比較例で作製した銅箔に一定条件でニッケルリードを抵抗溶接により接着後、引っ張り試験を行って銅箔とニッケルリードが剥離する引っ張り強度を求めた。
【００３２】
引張り試験に使用した試験片に関して図２を用いて説明する。実施例及び比較例で作製した銅箔を４ｃｍ×２ｃｍの大きさに裁断し、ニッケルリードを３ｃｍの長さに切断した。ニッケルリード３２を図示したように配置し、１．５ｃｍの長さで銅箔部に重なるように配置した。このように配置したニッケルリードの上から、図2において×で示した両端と中央部の３点に１２Ｗの出力で抵抗溶接を行い、銅箔とニッケルリードを接着させて試験片とした。
【００３３】
上記の要領で作製した試験片に関して引張り試験を行った。結果を表１に示す。バラつきを求める為に実施例、比較例で各５サンプルずつ、サンプルを作製し、引張り試験を行った。得られた結果として、引張り強度の平均値と最大値、最低値及び平均値に対する最大値、最小値のばらつきを示している。
【００３４】
【表１】
2008204637.tif 000003
【００３５】
この結果から、本発明に係る製造方法により作成したサンプル１を用いてニッケルリードと溶接した時の引張り強度は、サンプルＡに比べると大差はなく、サンプルＢに比べると非常に大きい引張り強度を有している事がわかる。すなわち銅箔−ニッケルリード間の接着強度が大きいことが確認できる。
【００３６】
最大値、最小値、平均値から算出される強度ばらつきに関しては本発明に係る銅箔では±５％とり、サンプルＢに比べてばらつきを抑制できる事が確認された。これからランダムな凹凸が形成された時に比べてばらつきが小さく、圧延銅箔と同様のばらつきに抑えられることが確認できた。
【００３７】
以上の検討により凸部の上部が概平坦である凹凸パターンが形成された銅箔を用いて溶接法により金属リードと接着することで、金属リードとの接着が低出力で達成されることが確認された。また、その接着強度は圧延銅箔を用いた場合と同様の高い強度を有し、さらに強度ばらつきが非常に少ないという事が確認された。
【００３８】
これから、凸部の上部が概平坦な形状を有する凹凸が形成された集電体に、金属リードを溶接法により接着することで、集電体と金属リードとの接着が低出力で行える事が確認された。さらに、集電体と金属リード間での接着強度が向上するので、量産工程における金属リード接着不良が低減でき、バラつきを抑制し歩留まりを向上することが出来る。
【００３９】
また、リード溶接する部分と、活物質層が形成される部分とを、金属箔表面の凹凸を凸部面積が２０％以上かつ６０％以下でありかつ、Ｒａが２μｍ以上となるように予め共通のパターンとして形成することで、活物質の膨張を許容しつつ、リードの接着性を高める電極を容易に加工することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明に係る製造方法により集電体となる金属箔と金属リードとの接着が低出力で可能となり、さらに接着強度が向上する。これにより、電極作製時の集電体−金属リード間での接着不良や強度バラつきを低減させ、歩留まりが向上する。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明のプロセスを示す図
【図２】本発明の実施例における引張り試験を行った試験片の概略平面図
【符号の説明】
【００４２】
１０    集電体
１１    凸部
１２    活物質層形成部
１３    活物質未着部
１４    金属リード
３１    銅箔
３２    ニッケルリード
【図１】
2008204637.tif 000004
【図２】
2008204637.tif 000005