(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性基板と、
前記導電性基板上に分散され、気孔を有する導電性纎維層と、を含み、
前記導電性纎維層は、複数の金属フィラメントと、前記複数の金属フィラメントと混合した線形バインダーとを含み、前記線形バインダーは、前記複数の金属フィラメントと互いにランダムに絡み合い、部分溶融していることで、前記導電性纎維層が、機械的強度を向上させるための不織布構造を有しており、前記混合した線形バインダーにより、前記導電性纎維層が前記導電性基板に結合されることを特徴とする集電体。
【請求項２】
前記複数の金属フィラメントの平均長さは、１０ｍｍないし１５０ｍｍの範囲内であり、平均厚さは、０．１μｍないし５０μｍの範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の集電体。
【請求項３】
前記複数の金属フィラメントは、ステンレス鋼、アルミニウム、ニッケル、銅、チタン、白金、金、銀、ルテニウム、タンタル、ニオブ、ハフニウム、ジルコニウム、バナジウム、インジウム、コバルト、タングステン、スズ、ベリリウム、モリブデンまたはこれらの合金や積層体を含むことを特徴とする請求項１に記載の集電体。
【請求項４】
前記線形バインダーは、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリプロピレンテレフタレート（ＰＰＴ）、ナイロン、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）及びこれらの共重合体、誘導体または混合物を含むことを特徴とする請求項１に記載の集電体。
【請求項５】
前記導電性纎維層は、不織布構造を有することを特徴とする請求項１に記載の集電体。
【請求項６】
前記複数の金属フィラメント上に導電材がコーティングされることを特徴とする請求項１に記載の集電体。
【請求項７】
前記導電性纎維層内に、前記複数の金属フィラメントの１％ないし５０％の範囲内の長さを有する補助フィラメントを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の集電体。
【請求項８】
前記集電体は、リチウム二次電池用であることを特徴とする請求項１に記載の集電体。
【請求項９】
請求項１に記載の集電体と、
前記導電性纎維層に含浸された電気的活物質と、を含むことを特徴とする電極。
【請求項１０】
前記導電性纎維層は、不織布構造を有することを特徴とする請求項９に記載の電極。
【請求項１１】
前記複数の金属フィラメントは、第１の金属フィラメントおよび第２の金属フィラメントを含み、
前記第１の金属フィラメントの長さは、前記第２の金属フィラメントの長さよりも大きい、請求項１に記載の集電体。
【請求項１２】
前記第１の金属フィラメントは、前記導電性纎維層の骨格を構成し、前記集電体の全体導電率と機械的強度を決定しており、
前記第２の金属フィラメントは、電気的活物質と前記第１の金属フィラメントとの間の電子伝達経路、または前記第１の金属フィラメント間の電気的連結を向上させることで、電池の内部抵抗を決定する、請求項１１に記載の集電体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池の技術に係り、より詳しくは、二次電池に汎用化できる集電体及びこれを用いた電極に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体製造技術及び通信技術の発達による携帯用電子装置に関する産業が成長しており、環境保存及び資源枯渇による代替エネルギーの開発要求に応じて、電池関連技術が活発に研究されつつある。特に、再充電を通じて繰り返し使用が可能な二次電池に関する研究が注目されている。
【０００３】
前記二次電池は、携帯電話、ノート型パソコン、移動型ディスプレイなどの小型装置用電池から、電気自動車用バッテリー及びハイブリッド自動車に適用される中大型電池に達するまで、その適用分野が次第に拡大している。これらの電池は、基本的に重量及び体積が小さいながらも、エネルギー密度が高く、かつ優秀な充放電速度、充放電効率及びサイクル特性を有するだけでなく、高い安定性及び経済性が求められている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、集電体と電気的活物質層との間の内部抵抗を減少させることで、電池の充放電効率及び充放電速度を向上させ、かつ電池のサイクル特性と寿命を向上させる集電体を提供することにある。
【０００５】
本発明が解決しようとする他の課題は、上述の利点を有する集電体を用いた電極を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するための本発明の一実施形態による集電体は、導電性基板と、前記導電性基板上に分散され、気孔を有する導電性纎維層とを含む。前記導電性纎維層は、複数の金属フィラメントと、前記複数の金属フィラメントと混合した線状バインダーとを含み、前記混合した線状バインダーにより、前記導電性纎維層が前記導電性基板に結合される。
【０００７】
一部の実施形態において、前記複数の金属フィラメントの平均長さは、１０ｍｍないし１５０ｍｍの範囲内であり、好ましくは、前記線状バインダーとのミキシングが容易であり、不織布形成のために３５ｍｍないし１２０ｍｍの範囲内である。前記複数の金属フィラメントの平均厚さは、０．１μｍないし５０μｍの範囲内であり、好ましくは、２μｍないし２０μｍの範囲内である。前記複数の金属フィラメントは、ステンレス鋼、アルミニウム、ニッケル、銅、チタン、白金、金、銀、ルテニウム、タンタル、ニオブ、ハフニウム、ジルコニウム、バナジウム、インジウム、コバルト、タングステン、スズ、ベリリウム、モリブデンまたはこれらの合金や積層体を含む。
【０００８】
前記線状バインダーは、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリプロピレンテレフタレート（ＰＰＴ）、ナイロン、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）及びこれらの共重合体、誘導体または混合物を含む。他の纎維化に有利な高分子素材が線状バインダーとして使われてもよい。
【０００９】
前記導電性纎維層は、不織布構造を有する。また、前記導電性基板は、金属ホイル、金属メッシュまたはこれらの積層構造を含む。他の実施形態において、前記導電性基板は、絶縁性可撓性樹脂と、前記絶縁性可撓性樹脂上の金属薄膜との積層構造を含んでもよい。前記導電性纎維層は、前記導電性基板に熱融着される。
【００１０】
前記他の課題を解決するための本発明の一実施形態による電極は、上述の集電体と、前記導電性纎維層に含浸されたり、前記複数の金属フィラメントにコーティングされた電気的活物質層とを含む。前記電極は、リチウム二次電池用である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、導電性纎維層を含む集電体であるため、三次元ネットワーク構造の集電体が得られる。前記導電性纎維層を形成する複数の金属フィラメントは、互いに個別化されて折られたり絡み合ったりする方式により物理的に結合されたものであるので、内部気孔の変化が容易である。これによって、集電体内への電気的活物質の含浸が容易であり、電気的活物質層の内部に金属フィラメントが浸透し、電極内の内部抵抗を減少させることができる。また、金属フィラメントに融着され、これらの間を結束させる線状バインダーは、電池の繰り返し充放電による前記電気的活物質の体積変化による応力を吸収しながら、導電性纎維層の構造を維持させることで、電気的活物質が金属フィラメントから脱落され、不可逆容量の増加及び寿命の短縮を防止できる。
【００１２】
また、本発明の実施形態によれば、前記導電性纎維層は、既存の確立した纎維製造工程を用いて製造できるため、製造工程が容易であり、可撓性を有することで、様々な形態に電池パッケージングが可能な電池が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１Ａ】本発明の一実施形態による集電体を示す斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ａの領域Ｍの部分拡大図である。
【図２Ａ】本発明の様々な実施形態による集電体を示す斜視図である。
【図２Ｂ】本発明の様々な実施形態による集電体を示す斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態による集電体及び電極の製造システムを示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付された図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。
【００１５】
本発明の実施形態は、当業者に本発明をさらに完全に説明するために提供されるものであり、下記の実施形態は、色々な他の形態に変形可能であり、本発明の範囲が下記の実施形態に限定されるものではない。かえって、それらの実施形態は、本開示をさらに充実かつ完全にし、当業者に本発明の思想を完全に伝達するために提供されるものである。
【００１６】
また、以下の図面において、各層の厚さやサイズは、説明の便宜及び明確性のために誇張されたものであり、図面上で、同じ符号は同じ要素を指す。本明細書で使われたように、用語“及び／または”は、当該列挙された項目のうちいずれか一つ及び一つ以上の全ての組み合わせを含む。
【００１７】
本明細書で使われた用語は、特定の実施形態を説明するために使われ、本発明を制限するためのものではない。本明細書で使われたように、単数の形態は、文脈上明確に取り立てて指摘するものでなければ、複数の形態を含む。また、本明細書で使われる場合、“含む(comprise)”及び／または“含んだ(comprising)”は、言及した形状、数字、段階、動作、部材、要素及び／またはそれらのグループの存在を特定するものであり、一つ以上の他の形状、数字、動作、部材、要素及び／またはそれらのグループの存在または付加を排除するものではない。
【００１８】
本明細書において、第１、第２などの用語は、多様な部材、部品、領域、層及び／または部分を説明するために使われるが、それらの部材、部品、領域、層及び／または部分は、それらの用語によって限定されてはならない。それらの用語は、一つの部材、部品、領域、層または部分を、他の領域、層または部分と区別するためにのみ使われる。したがって、後述する第１部材、部品、領域、層または部分は、本発明の思想から逸脱しない範囲内で、第２部材、部品、領域、層または部分を指す。
【００１９】
また、本明細書で言及される金属フィラメントは、金属を纎維化して製造されたものであって、例えば、０．１μｍないし５０μｍの平均直径、好ましくは、２μｍないし２０μｍの平均直径を有し、かつ１０ｍｍないし１５０ｍｍの長さ、好ましくは、３５ｍｍないし１２０ｍｍの長さを有する金属糸を指す。この範囲で、前記金属フィラメントは、金属が有する耐熱性、可塑性及び電気伝導性を有し、かつ纎維特有の可撓性と織造及び不織布加工のための機械的利点を共に有する。
【００２０】
前記金属フィラメントは、好適な容器内で金属または合金を溶湯状態に維持し、圧縮ガスまたはピストンなどの加圧装置を用いて、容器の射出孔を介して前記溶湯を大気中に噴出させて急冷凝固させることによって製造される。または、金属フィラメントは、公知の集束引抜法により製造される。前記射出孔の個数、サイズ及び／または射出された溶融金属の飛び上がりを制御することで、金属フィラメントの厚さ、均一度、不織布などの組織及びその縦横比を制御することができる。
【００２１】
本発明の金属フィラメントは、上述の製造方法だけでなく、他の公知の製造方法による金属フィラメントを含み、本発明がこれに限定されるものではない。本明細書の金属フィラメントは、金属が有する耐熱性、可塑性及び電気伝導性を有し、かつ纎維特有の織造及び不織布加工工程が可能であるという利点を共に有する。本発明は、このような金属フィラメントの利点を電池の集電体に適用した特徴及び利点に関する。
【００２２】
図１Ａは、本発明の一実施形態による集電体１００を示す斜視図であり、図１Ｂは、図１Ａの領域Ｍの部分拡大図である。
【００２３】
図１Ａを参照すれば、集電体１００は、導電性基板１０と導電性纎維層２０とを含む。導電性基板１０は、金属ホイルである。他の実施形態において、導電性基板１０は、金属メッシュ、または金属ホイルと金属メッシュとが積層された構造である。前記導電性基板１０の金属は、ステンレス鋼、アルミニウム、ニッケル、銅、チタン、白金、金、銀、ルテニウム、タンタル、ニオブ、ハフニウム、ジルコニウム、バナジウム、インジウム、コバルト、タングステン、スズ、ベリリウム、モリブデンまたはこれらの合金や積層体を含む。例えば、負極用集電体の場合、導電性基板１０は銅ホイルである。正極用集電体の場合、導電性基板１０はアルミニウムホイルである。
【００２４】
図１Ａと共に図１Ｂを参照すれば、導電性纎維層２０は、骨格構造であって、一次元的な線状の金属フィラメント２０ＭＷと線状バインダー２０ＢＷからなる導電性ネットワーク層である。金属フィラメント２０ＭＷは互いに物理的に接触し、金属フィラメント２０ＭＷの一部が導電性基板１０に物理的に接触することで、前記導電性ネットワーク層の全体積にはいうまでもなく、前記導電性ネットワーク層と導電性基板１０との間にも導電経路が提供される。金属フィラメント２０ＭＷと導電性基板１０の結合は、導電性纎維層２０に分散された線状バインダー２０ＢＷの一部または全部がガラス化されたり、部分溶融され、これらの間に融着されることによって達成できる。これについては、図３を参照してより詳細に後述する。
【００２５】
金属フィラメント２０ＭＷと線状バインダー２０ＢＷは、ランダムに絡み合った不織布構造を有する。製造の面において、金属フィラメント２０ＭＷと線状バインダー２０ＢＷとをランダムに交ぜた後、その纎維の性質を用いて、交絡または他の纎維混紡工程により三次元多孔性纎維構造体を形成する。当該側面において、導電経路を提供する一次元線状構造の金属フィラメントは互いに個別化されている点で、金属フィラメント２０ＭＷは、纎維が互いに分離されないように化学的にポンディングされているか、一体になったメッシュ及び金属発泡体とは区別される。当該側面において、導電性纎維層２０は、上述の金属メッシュ及び金属発泡体と異なり、より向上した構造的柔軟性をもって変形可能な気孔を介する電気的活物質の含浸工程が容易である。
【００２６】
金属フィラメント２０ＭＷは、ステンレス鋼、アルミニウム、ニッケル、銅、チタン、白金、金、銀、ルテニウム、タンタル、ニオブ、ハフニウム、ジルコニウム、バナジウム、インジウム、コバルト、タングステン、スズ、ベリリウム、モリブデンまたはこれらの合金や積層体である。一部の実施形態において、金属フィラメント２０ＭＷは、導電性基板１０の金属と同じ材料であってもよい。例えば、負極用集電体において、導電性基板１０が銅ホイルであると、金属フィラメント２０ＭＷも銅纎維である。正極用集電体において、導電性基板１０がアルミニウムホイルであると、金属フィラメント２０ＭＷもアルミニウム纎維である。
【００２７】
他の実施形態において、金属フィラメント２０ＭＷと導電性基板１０の金属材料は異なってもよい。例えば、負極用集電体において、導電性基板１０の金属材料は銅であり、金属フィラメント２０ＭＷはステンレス鋼である。同様に、正極用集電体において、導電性基板１０はアルミニウムであり、金属フィラメント２０ＭＷはステンレス鋼である。
【００２８】
金属フィラメント２０ＭＷの平均長さは、１０ｍｍないし１５０ｍｍの範囲内であり、平均厚さは０．１μｍないし５０μｍの範囲内である。金属フィラメント２０ＭＷの厚さが０．１μｍ未満であれば、均一な物性、例えば、均一な抵抗または強度を有するフィラメントの成形が困難であり、電池の充放電による体積変化に耐力を有し、かつ含浸された電気的活物質を束縛するための十分な機械的強度を確保することも困難である。この場合、繰り返し充放電中に電気的活物質が金属フィラメントから脱落され、導電性纎維層内で電気的に孤立することで、不可逆容量が増加し、電池寿命が短縮する。
【００２９】
前記金属フィラメントの厚さが５０μｍを超えれば、金属フィラメントの体積当たり表面積が減少し、表面積増加による電池の充放電効率の向上を得ることが困難であり、エネルギー密度も減少する。前記規格を有する金属フィラメントは、連続的な金属糸からセグメント化されて得られ、これを用いて不織布構造を形成できる。
【００３０】
好ましくは、金属フィラメントは、２μｍないし２０μｍの厚さを有する。これを単位長さ当たり表面積／体積の比（例えば、円状断面を有する場合、４／直径）に換算すれば、２×１０５（１／ｍ）ないし２×１０６（１／ｍ）に該当する。一般的に金属ホイルを使用する従来の集電体は、概ね２０μｍの厚さを有する。厚さ２０μｍのホイルを使用する従来の集電体に対して、２μｍないし２０μｍの厚さを有する金属フィラメントは、約４倍から４０倍に増加した表面積を有する。集電体の表面積は、電気的活物質及び電解質液とそれぞれ反応界面を形成する金属フィラメント２０ＭＷの電極体積当たり導電性ネットワークの表面積を意味するものであるので、これを最大化することで、エネルギー密度が飛躍的に向上した電池が得られる。
【００３１】
一部の実施形態において、金属フィラメントの平均長さは、１０ｍｍないし１５０ｍｍの範囲内である。この場合、前記金属フィラメントの平均縦横比は、２００ないし１．５１０６の範囲内である。必要に応じて、前記金属フィラメントは、約３５ｍｍないし１２０ｍｍの長さを有するようにセグメント化され、不織布構造を形成する。
【００３２】
他の実施形態において、導電性ネットワークを成す金属フィラメントの長さ及び厚さのうちいずれか一つ以上が異なってもよい。例えば、導電性纎維層２０の骨格を構成する金属フィラメント２０ＭＷ（または、長いフィラメントとする）と共に、金属フィラメント２０ＭＷの１％ないし５０％の範囲内の長さを有する補助フィラメント（図示せず）が導電性纎維層２０内に分散される。長いフィラメントに対する短いフィラメントの長さの割合は、１％ないし５０％の範囲内である。骨格を構成する金属フィラメント２０ＭＷは、集電体１００の全体導電率と機械的強度を決定し、補助フィラメントは、電気的活物質と長いフィラメントとの間の電子伝達経路、または長いフィラメント間の電気的連結を向上させることで、電池の内部抵抗を決定する。一部の実施形態において、短いフィラメントは、ベア状態で導電性纎維層２０内に提供され、導電材などの機能を行うこともできる。
【００３３】
一部の実施形態において、金属フィラメント２０ＭＷ上に導電材がコーティングされる。前記導電材は、導電性纎維層２０の形成前に、複数の導電性纎維２０ＭＷ上にプレコーティングされてもよいし、その後の工程で好適な分散溶媒を用いてポストコーティングされてもよい。前記導電材は、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック及び超微細グラファイト粒子などのファインカーボン、ナノ金属粒子ペースト、ＩＴＯ（ｉｎｄｉｕｍ  ｔｉｎ  ｏｘｉｄｅ）ペースト、カーボンナノチューブ、または比表面積が高く、抵抗が低い他のナノ構造体であり、本発明がこれに限定されるものではない。集電体１００を用いた電極において、前記導電材は、電池の充放電時にもたらす体積変化によって、金属フィラメント２０ＭＷから電気的活物質が脱落されたり、金属フィラメント２０ＭＷ間の物理的接触が弱くなる際に発生する内部抵抗増加と電池寿命低下を防止する。
【００３４】
一部の実施形態において、前記導電材を複数の金属フィラメント２０ＭＷ上に固定するために、結着材（バインダー）が前記導電材と共にプレコーティングまたはポストコーティングされる。前記結着材は、前記導電材を金属フィラメント２０ＭＷ上に固定させるだけでなく、集電体１００上に含浸される電気的活物質を集電体１００に固定する役割を行う。前記結着材は、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、スチレン・ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ポリイミド、ポリウレタン系ポリマー、ポリエステル系ポリマー、及びエチレン・プロピレンジエン共重合体（ＥＰＤＭ）などの高分子結着材であり、集電体１００が正極用であるか負極用であるかによって、活物質のスラリー溶剤に溶解されない高分子結着材が選択されて使われる。
【００３５】
例えば、スラリー製造のために後続工程で使われる有機溶剤は、集電体１００の前記結着材を溶解しないように選択される。例えば、水を溶媒としてカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）を溶解した後、導電材として銀ナノ粒子を分散させた混合溶液を製造した後、これを金属フィラメントにプレコーティングした後に導電性纎維層を製造するか、または製造された導電性纎維層にこれをポストコーティングすることで、前記結着材により導電材が固定された集電体が得られる。当該集電体に一般的な正極活物質用スラリー、例えば、ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）溶媒に正極活物質が分散されたスラリーを含浸させることで、電極を製造できる。前記ＣＭＣは、前記ＮＭＰに溶解されないため、正極スラリーの含浸時に結着材が侵食されないだけでなく、導電性纎維層の構造が安定して維持できる。これと逆に、負極の場合には、水系スラリーが使われ、前記結着材が前記ＮＭＰにＰＶｄＦを溶解させ、金属フィラメントにプレコーティングまたはポストコーティングした後、水系負極活物質のスラリーを含浸することで、負極を製造できる。選択的には、スラリー用溶剤は、前記結着材をゲル化するように、前記結着材に対する所定の溶解度を有する溶媒が選択される。
【００３６】
導電性纎維層２０の機械的強度を向上させ、導電性基板１０にこれを結合させるための線状バインダー２０ＢＷは、高強度、高弾性、自己収縮性纎維などの好適な機械的または耐熱性があり、纎維化が有利な機能性高分子材料を含んでもよい。例えば、前記線状バインダー２０ＢＷは、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリプロピレンテレフタレート（ＰＰＴ）、ナイロン、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）及びこれらの共重合体などの誘導体または混合物を含む。このような材料は例示的であり、本発明がこれらに限定されるものではない。
【００３７】
前記金属フィラメントは、他の材料に比べて相対的に優れた耐熱性、可塑性及び電気伝導性を有し、かつ不織布加工などの纎維製造工程が可能であるという利点を共に有する。前記金属フィラメントを用いると、実質的に全長範囲でこのような材料の利点がそのまま維持できるので、他の導電性材料であるカーボンファイバー及び導電性ポリマーファイバーに比べてより高い強度を有することで、交絡工程などの纎維工程が容易であり、耐熱性のために熱工程の工程負担が少なく、製造工程ウィンドウが相対的に広いという利点を有する。
【００３８】
また、前記気孔を介して電気的活物質を導電性ネットワークの気孔の内部に含浸させたり、前記導電性纎維上にコーティングすることで、活物質の積荷が容易に行われ、電解液が容易に浸湿されるため、電極形成工程が容易である。また、導電性纎維層２０が有する纎維の特性のために可撓性を有することができ、集電体１００は、円形、角形、線状、形状の変形が自由な電池などの様々なデザインを有する電池パッケージに適用できる。
【００３９】
製造の面において、線状バインダー２０ＢＷと金属フィラメント２０ＭＷとをランダムに交ぜた後、交絡工程により不織布構造を得る。前記交絡工程は、ニードルパンチ法、スパンレース法、ステッチボンド法または他の好適な方法により行われる。前記ニードルパンチ法は、フックが付着した多くの針を垂直に線状バインダー２０ＢＷと金属フィラメント２０ＭＷとが交ぜられている纎維層に入れたり抜いたりすることを繰り返すことで、線状バインダー２０ＢＷと金属フィラメント２０ＭＷとを互いに交絡させるものであり、前記針の形状を適切に設計して、ベロア（ｖｅｌｏｕｒｓ）の不織布を形成できる。前記スパンレース法は、針の代わりに高速ジェットの水を用いて、線状バインダー２０ＢＷと金属フィラメント２０ＭＷとを互いに交絡させるものであり、水流交絡法ともいう。前記ステッチボンド法は、線状バインダー２０ＢＷと金属フィラメント２０ＭＷの層に沿って裁縫するものである。これは、導電性基板が結合された状態で行われるか、線状バインダー２０ＢＷと金属フィラメント２０ＭＷとが交ぜられた層のみを対象として行われる。
【００４０】
図２Ａ及び図２Ｂは、本発明の様々な実施形態による集電体２００Ａ、２００Ｂを示す斜視図である。図２Ａ及び図２Ｂに示す構成部材のうち、上述の図面と同じ参照番号を有する構成部材についての説明は、矛盾のない限り上述の開示事項を参照する。
【００４１】
図２Ａを参照すれば、集電体２００Ａの導電性基板１０Ａは複合材料である。例えば、導電性を付与するための金属層１０＿２は薄膜化され、絶縁性フィルム１０＿１上に形成される。金属層１０＿２は、スパッタリングまたは非電解メッキ法により形成される。絶縁性フィルム１０＿１は、可撓性を有する樹脂系基板である。樹脂系基板は、金属に比べて弾性及び機械的強度に優れるため、導電性基板１０Ａは、図１Ａに示す金属ホイルからなる導電性基板１０よりも薄型化できる。
【００４２】
図２Ｂを参照すれば、集電体２００Ｂは、導電性基板１０Ｂの両主面上にそれぞれ上部導電性纎維層２０Ｕと下部導電性纎維層２０Ｌとを含む。導電性基板１０Ｂは、絶縁性フィルム１０＿１の両主面に薄膜化された上部金属層１０＿２Ｕと下部金属層１０＿２Ｌとを含む。他の実施形態において、導電性基板１０Ｂは、図１Ａを参照して説明した金属ホイルまたはメッシュなどの導電性基板１０であってもよい。
【００４３】
図３は、本発明の一実施形態による集電体１００＿Ｌ及び電極ＥＬの製造システムＦＳを示す。
【００４４】
図３を参照すれば、導電性纎維層は、機械的強度を有する金属フィラメントと、弾性を有する高分子系線状バインダーの結合体であるため、連続工程時に発生する引張応力に対して耐久力を有するので、集電体は連続工程により製造される。このために、集電体を構成するための導電性基板と導電性纎維層は、シート１０＿Ｌ、２０＿Ｌ状に巻かれ、巻出装置Ｐ＿１、Ｐ＿２によりそれぞれ提供される。
【００４５】
巻出装置Ｐ＿１、Ｐ＿２から解かれて供給される導電性基板シート１０＿Ｌと導電性纎維層シート２０＿Ｌとが積層に適するように並んで整列するための整列部材が提供され、前記整列部材はローラ部材３０である。他の実施形態において、ローラ部材３０と共に、またはその代わりにブレードなどのガイド部材が提供される。
【００４６】
並んで整列された導電性基板シート１０＿Ｌと導電性纎維層シート２０＿Ｌは、結合装置４０により互いに結合される。結合装置４０は、導電性纎維層シート２０＿Ｌと導電性基板シート１０＿Ｌとを圧着するための加圧ローラなどのプレス装置である。または、導電性纎維層シート２０＿Ｌと導電性基板シート１０＿Ｌは、纎維工程によっても結合される。この場合、結合装置４０は、導電性基板シート１０＿Ｌと導電性纎維層シート２０＿Ｌとを互いに結合するためのニードルポンチ、スパンレースまたはステッチボンド装置である。
【００４７】
一部の実施形態において、結合装置４０の代わりに、またはこれと共にエネルギー印加装置４５が提供される。エネルギー印加装置４５は、導電性纎維層シート２０＿Ｌ内の線状バインダーを溶融するためのものであり、ヒータ、赤外線、紫外線、電子ビームまたは超音波照射器である。溶融された線状バインダーは、導電性纎維層シート２０＿Ｌを導電性基板シート１０＿Ｌに結着させ、導電性纎維層シート２０＿Ｌ内の金属フィラメントを互いに結着させ、機械的強度を向上させる。
【００４８】
導電性纎維層シート２０＿Ｌと導電性基板シート１０＿Ｌとが結合されると、集電体シート１００＿Ｌが完成する。集電体シート１００＿Ｌは、一定のサイズにチョッピングされ、個別の集電体として製品化される。選択的には、巻取ロールなどの別の収納装置（図示せず）を設け、連続的に供給される集電体シート１００＿Ｌを収集する。
【００４９】
他の実施形態において、図２に示すように、製造された集電体シート１００＿Ｌを用いて連続的に電極形成工程を行うこともある。例えば、製造された集電体シート１００＿Ｌは、電極活物質の充填段階、前記電極活物質の後処理段階及び電極の圧着段階を行う。例えば、前記電気的活物質の充填工程は、スラリーまたは粉末状に電気的活物質を積荷する工程により行われる。前記電気的活物質の積荷は、スリットダイ５０により行われる。
【００５０】
スリットダイ５０を介して、電気的活物質は、スラリーまたは粉末状に集電体１００＿Ｌの導電性纎維層シート２０＿Ｌ上に露出した気孔を介して、導電性纎維層の内部に含浸される。スリットダイ５０に印加される圧力を適切に制御することで、含浸される電気的活物質の量と均一度を制御することができる。これは例示的であり、電気的活物質の積荷工程は、スプレーなどの噴霧装置または電気的活物質が溶解または分散した槽に集電体１００＿Ｌを通過させることにより行われることもある。集電体１００＿Ｌの気孔を介して浸湿された電気的活物質は、集電体の導電性纎維層の内部にトラップされたり、導電性纎維層が電気的活物質層に組み込まれ、電気的活物質層と導電性基板の表面が機械的にバインディングされるので、溶液槽を用いた工程が可能であり、電気的活物質と集電体の結合力が向上する。
【００５１】
一部の実施形態において、電気的活物質の含浸量を調節するために、一定の圧力を印加するガイドロール６０が提供される。他の実施形態において、電気的活物質が積荷された集電体シート１００＿Ｌの表面をスイーピングすることで、電気的活物質の含浸量を調節することもできる。
【００５２】
更に他の実施形態において、前記電気的活物質は、集電体シート１００＿Ｌの導電性纎維上にコーティングされて提供される。導電性纎維上に電気的活物質をコーティングするために、電解メッキまたは非電解メッキのためにメッキ槽が提供される。前記メッキ槽内の電解液または金属イオン溶液に集電体シート１００＿Ｌが通過しながら、金属イオンの還元または析出が行われ、前記電気的活物質が金属フィラメント上にコーティングされる。更に他の実施形態において、前記電気的活物質は、集電体シート１００＿Ｌの導電性纎維層上に、スパッタリング及び電子ビーム蒸発法により物理気相蒸着されてもよいし、好適な気相前駆体を用いて化学気相蒸着されてもよい。このために、好適な常圧または真空チャンバーが提供される。上述の電気的活物質の積荷システムは、互いに組み合わせられて使われる。
【００５３】
電気的活物質が積荷された集電体シート１００＿Ｌ′は、熱風装置などの乾燥装置または熱処理装置７０を通過しながら後処理される。次いで、矢印で示したように、圧力印加が可能なローラ部材などのプレス部材８０を介して、後処理された集電体シート１００＿Ｌ′が圧着されることで、厚さ及びそれによる電極密度が制御された電極シートＥＬが得られる。
【００５４】
製造された電極シートＥＬは、矢印Ａで示したように、製造システムＦＳを通じて連続的に出力され、巻取装置（図示せず）により収納される。収納された電極シートＥＬは適切にカットされ、電池パッケージングに利用できる。一部の実施形態において、製造された電極シートＥＬは、連続的にタブ形成工程、分離膜積層工程、電解質含浸またはパッケージングのためのスタッキングまたはゼリーロール工程などの後段工程を行うこともできる。
【００５５】
金属フィラメントだけではその纎維の特性及び結着力がないため、上述のローラ部材Ｐ＿１、Ｐ＿２、…を用いた連続工程時、シートに印加される応力によって引張伸び率が２０％以上になり、この場合、ローラを用いた連続伝達は実質的にできない。また、破断などの極端的不良が現われ、これが現われないとしても、金属フィラメント層が伸びる場合、金属フィラメント間の電気的コンタクト及び金属フィラメントの表面と電気的活物質の電気的コンタクトが劣化するので、伸び率の制御及び抑制が求められる。
【００５６】
本発明の実施形態によれば、線状バインダーが導電性纎維層内で金属フィラメント間及び導電性基板間の結合力を提供するだけでなく、引張応力に対する耐久力を提供し、集電体シートの引張伸び率を２０％以下に制御し、好ましくは、０．１％ないし１０％の範囲内に制御するため、従来の金属ホイル集電体を用いた電池製造工程と同じレベルで工程が行われ、金属フィラメントを含む導電性纎維層が電気的活物質層の内部に組み込まれ、電極の内部抵抗を減少させるという利点を有する。
【００５７】
以上で説明した本発明は、前述した実施形態及び添付された図面に限定されず、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、色々な置換、変形及び変更が可能であるということは、当業者にとって明らかである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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