二次電池又はキャパシタ用の集電体
【課題】貫通孔からの活物質の脱落を抑制しつつ、活物質との接触面積の確保を可能とする集電体を提供する。
【解決手段】集電体１０１は、複数の貫通孔１０が形成された板状の本体１からなり、貫通孔１０は、第一開口部１０ａ１と、本体１における第一開口部１０ａ１を有する側の上面１ａと反対側の下面１ｂに形成され且つ第一開口部１０ａ１より開口面積が小さい第二開口部１０ａ２と、第一開口部１０ａ１に隣接し且つ第一開口部１０ａ１から第二開口部１０ａ２に向かって貫通孔１０の中心方向に傾斜した第一孔壁面１０ｂ１と、第二開口部１０ａ２に隣接し且つ第一開口部１０ａ１から第二開口部１０ａ２に向かって貫通孔１０の中心方向に傾斜した第二孔壁面１０ｂ２とを有する。第一孔壁面１０ｂ１と貫通孔１０の中心軸Ｌとがなす第一角度αが、第二孔壁面１０ｂ２と中心軸Ｌとがなす第二角度βより小さい。
【解決手段】集電体１０１は、複数の貫通孔１０が形成された板状の本体１からなり、貫通孔１０は、第一開口部１０ａ１と、本体１における第一開口部１０ａ１を有する側の上面１ａと反対側の下面１ｂに形成され且つ第一開口部１０ａ１より開口面積が小さい第二開口部１０ａ２と、第一開口部１０ａ１に隣接し且つ第一開口部１０ａ１から第二開口部１０ａ２に向かって貫通孔１０の中心方向に傾斜した第一孔壁面１０ｂ１と、第二開口部１０ａ２に隣接し且つ第一開口部１０ａ１から第二開口部１０ａ２に向かって貫通孔１０の中心方向に傾斜した第二孔壁面１０ｂ２とを有する。第一孔壁面１０ｂ１と貫通孔１０の中心軸Ｌとがなす第一角度αが、第二孔壁面１０ｂ２と中心軸Ｌとがなす第二角度βより小さい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池又はキャパシタ用の集電体に関する。
【背景技術】
【０００２】
二次電池やキャパシタでは、メッシュ状のシートになった集電体に活物質を担持させて形成した電極が使用されるものがある。
例えば、特許文献１には、アルカリ二次電池用の正極集電体にメッシュ状のシートを用いた発明が記載されている。この正極集電体は、金属によって薄板状に形成され、薄板の片面には活物質粒子を収容する多数の孔を突出させるようにして開口させている。孔は、正六角形の断面形状を有し、孔の断面積は、薄板側の開口で最も広くその反対側の孔の奥に行くにしたがって小さくなっている。そして、正極集電体に対して、孔の突出方向と反対側の薄板の表面及び孔の中に正極活物質を担持させることによって、正極（電極）が形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２２２６５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載される正極集電体の孔は、薄板から離れるにしたがって先細になるテーパ状の形状を有し、薄板から最も離れた孔の先端での開口面積が最も小さくなっているため、この先端の開口からの活物質の脱落を抑制することができる。しかしながら、例えば特許文献１の正極集電体の孔と同等の深さ及び先端の開口面積を有する直管状の孔を薄板に形成した場合の集電体と比べると、集電体に担持させた活物質と集電体との接触面積は、特許文献１の正極集電体の方が大幅に小さくなっており、そのため、集電体の集電力も大幅に低くなってしまうという問題がある。
【０００５】
この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、孔からの活物質の脱落を抑制しつつ、活物質との接触面積を確保することを可能にする二次電池又はキャパシタ用の集電体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】
【０００６】
この発明に係る集電体は、二次電池又はキャパシタ用の集電体において、複数の貫通孔が形成された板状部材であり、貫通孔は、第一開口部と、板状部材における第一開口部を有する側と反対面に形成され且つ第一開口部より開口面積が小さい第二開口部と、第一開口部に隣接し且つ第一開口部から第二開口部に向かって貫通孔の中心方向に傾斜した第一孔壁面と、第二開口部に隣接し且つ第一開口部から第二開口部に向かって貫通孔の中心方向に傾斜した第二孔壁面とを有し、第一孔壁面及び第二孔壁面は、円錐面の一部を形成し、第一孔壁面と貫通孔の軸とがなす第一角度が、第二孔壁面と貫通孔の軸とがなす第二角度より小さい。
【０００７】
貫通孔での第一孔壁面の深さが、貫通孔での第二孔壁面の深さの２倍以上４倍以下の範囲であってもよい。
貫通孔の軸に対する第二孔壁面の傾斜角が、貫通孔の軸に対する第一孔壁面の傾斜角より３０°以上大きくなってもよい。
【発明の効果】
【０００８】
この発明に係る集電体によれば、貫通孔からの活物質の脱落を抑制しつつ、活物質との接触面積を確保することを可能にする。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態に係る集電体及び集電体に電極物質を担持した電極の構成を示す模式断面側面図である。
【図２】図１の電極物質を担持した集電体を斜め下方から見た斜視図である。
【図３】図１の集電体を使用した二次電池の一例を示す模式図である。
【図４】実施の形態に係る集電体の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、この発明の実施の形態について、添付図面に基づいて説明する。
実施の形態
この発明の実施の形態に係る集電体１０１及び集電体１０１に電極物質を担持して形成される電極１００の構成を説明する。なお、本実施の形態では、集電体１０１及び電極１００は、リチウムイオン二次電池に使用するものについて説明する。
【００１１】
図１の状態（１Ａ）を参照すると、集電体１０１の貫通孔１０の中心軸Ｌを通る断面側面図が示されている。
集電体１０１は、例えば銅、アルミニウム等の金属からなる箔状又は薄板状の板状部材である本体１によって構成されている。
本体１には、その平坦な上面１ａから、上面１ａと反対側の反対面である下面１ｂに向かって、本体１を貫通する貫通孔１０が複数形成されており、本体１は、多孔質状の部材を形成している。
貫通孔１０は、上面１ａの円形をした第一開口部１０ａ１と、下面１ｂの円形をした第二開口部１０ａ２との両端で開口している（図２参照）。さらに、第一開口部１０ａ１の直径つまり開口面積は、第二開口部１０ａ２より大きくなっている。
【００１２】
また、貫通孔１０は、その内壁面が、互いに連続し且つ円錐台状をした（つまり円錐面の一部を形成する）第一孔壁面１０ｂ１及び第二孔壁面１０ｂ２によって構成されている。そして、貫通孔１０は、第一開口部１０ａ１から第二開口部１０ａ２に向かう方向に沿って、第一孔壁面１０ｂ１及び第二孔壁面１０ｂ２の中心軸を構成する中心軸Ｌを有している。
第一孔壁面１０ｂ１は、第一開口部１０ａ１に隣接し、第一開口部１０ａ１から第二開口部１０ａ２に向かって貫通孔１０の中心軸Ｌに垂直な方向の断面積を減少させるようにして延びている。第二孔壁面１０ｂ２は、第一孔壁面１０ｂ１及び第二開口部１０ａ２に隣接し、第一開口部１０ａ１から第二開口部１０ａ２に向かって貫通孔１０の中心軸Ｌに垂直な方向の断面積を減少させるようにして延びている。
【００１３】
そして、第一孔壁面１０ｂ１及び第二孔壁面１０ｂ２はそれぞれ、貫通孔１０の中心軸Ｌに対して、第二開口部１０ａ２から第一開口部１０ａ１に向かって外側に拡がるように傾斜する第一傾斜角α及び第二傾斜角βを形成している。さらに、第一孔壁面１０ｂ１の第一傾斜角αは、第二孔壁面１０ｂ２の第二傾斜角βより小さくなっている。具体的には、第一傾斜角αは、１０°以上４５°未満の範囲の値をとり、第二傾斜角βは、４５°以上８０°以下の範囲の値をとる。さらに、その理由は後述するが、第二傾斜角βは、第一傾斜角αより３０°以上大きい角度であることが好ましく、７５°前後の値であることがより好ましい。また、第一傾斜角αは、１０°近傍であることが好ましい。
ここで、第一傾斜角αは第一角度を構成し、第二傾斜角βは第二角度を構成している。
なお、本実施の形態では、第一傾斜角αを１０°とし、第二傾斜角βを７５°としている。
【００１４】
また、第一孔壁面１０ｂ１は、貫通孔１０において中心軸Ｌに沿った深さｄ１にわたり形成され、第二孔壁面１０ｂ２は、貫通孔１０において中心軸Ｌに沿った深さｄ２にわたり形成されている。第一孔壁面１０ｂ１及び第二孔壁面１０ｂ２の合計面積を大きくするために、深さｄ１は深さｄ２より大きくなるように設定され、さらに、その理由は後述するが、深さｄ１は、深さｄ２の２倍以上４倍以下であること、つまりｄ１：ｄ２が２：１以上４：１以下であることが好ましい。なお、本実施の形態では、ｄ１：ｄ２＝４：１としている。
そして、上述のようにして構成された集電体１０１は、斜め下方からみると図２の集電体１０１に示すようになる。
【００１５】
また、図１に戻り、集電体１０１を製造する場合、エッチング、打ち抜き等の方法を利用して板状の本体１に貫通孔１０を形成することによって行うことができる。
エッチングによる製造では、上面１ａ側より本体１に対してエッチングを行う。まず、貫通孔１０の第一孔壁面１０ｂ１部分の直径及び傾斜で穿孔するエッチング速度でエッチングを行い、深さｄ１まで穿孔するとエッチング速度を大幅に低下させ、第二孔壁面１０ｂ２部分の直径及び傾斜で穿孔するエッチング速度でエッチングを行い穿孔する。
また、打ち抜きによる製造では、第一孔壁面１０ｂ１及び第二孔壁面１０ｂ２からなる孔の形状をした外形をもつ孔開け工具を使用し、パンチング機によって穿孔する。
【００１６】
また、製造された集電体１０１は、リチウムイオン二次電池の電極として使用するために、リチウムイオンを含むことができる活物質としての電極物質が担持される。
具体的には、図１の状態（１Ｂ）を参照すると、スラリー状の電極物質２０が、集電体１０１の本体１の上面１ａ全体に貫通孔１０も含め塗布される。さらに、アプリケータ３０が、塗布された電極物質２０の物質上面２０ａの上から、電極物質２０を本体１に向かって押し付けるように圧力を付与しつつ移動する。これによって、電極物質２０が貫通孔１０内に流入させられて内部を充填し、さらに、押し付けられることで電極物質２０の密度が増大すると共に本体１との密着度が高まる。そして、アプリケータ３０による処理後、電極物質２０を乾燥・固化させることによって電極１００が形成され、電極１００は斜め下方からみると図２に示すようになる。つまり、集電体１０１の片面の上面１ａに電極物質２０の層が形成され、集電体１０１の反対側の面の下面１ｂには、複数の第二開口部１０ａ２が開口し、第二開口部１０ａ２には充填された電極物質２０が見えるようになっている。
【００１７】
このとき、図１に戻ると、第一孔壁面１０ｂ１が中心軸Ｌに対して傾斜しているため、第一開口部１０ａ１の周辺に生じやすい電極物質２０の塗り残しによる空隙の発生が抑えられ、第一孔壁面１０ｂ１全体に電極物質２０が塗布されている。
また、第二孔壁面１０ｂ２が中心軸Ｌに対して傾斜しているため、第二開口部１０ａ２の周辺に生じやすい電極物質２０の塗り残しによる空隙の発生が抑えられ、第二孔壁面１０ｂ２全体に電極物質２０が塗布されている。なお、第二孔壁面１０ｂ２の第二傾斜角βが４５°以上８０°以下の範囲にある場合、電極物質２０は塗り残しが効果的に抑えられて第二孔壁面１０ｂ２全体にわたって塗布されることが、実験により明らかになっている。
【００１８】
また、第二傾斜角βが４５°以上８０°以下（本実施の形態では７５°）という大きな角度で傾斜した第二孔壁面１０ｂ２は、アプリケータ３０によって付与される圧力を支持することができるため、電極物質２０は、第一孔壁面１０ｂ１及び第二孔壁面１０ｂ２に押し付けられて密着することができ、それにより第一孔壁面１０ｂ１及び第二孔壁面１０ｂ２での塗り残しの発生を抑えることが可能になる。さらに、貫通孔１０の中心軸Ｌに垂直な方向の断面積が第二開口部１０ａ２の近傍で急激に減少しているため、第二開口部１０ａ２からの電極物質２０の脱落・液だれも抑制されている。
【００１９】
また、第一孔壁面１０ｂ１及び第二孔壁面１０ｂ２は、第二孔壁面１０ｂ２の傾斜が第一孔壁面１０ｂ１より急となっているため、全体では下面１ｂへの斜め下方に向かってその途中で屈折するような断面形状を形成し、さらに第一孔壁面１０ｂ１と第二孔壁面１０ｂ２との接続部は鈍角をなす断面形状を形成している。このため、第一孔壁面１０ｂ１と第二孔壁面１０ｂ２との接続部での電極物質２０の塗り残しによる空隙の発生が抑えられる。
【００２０】
ここで、第二開口部１０ａ２から上面１ａに向かって一定の傾斜角βの孔壁面を有する一定傾斜貫通孔１０ｖと、貫通孔１０とを比較する。一定傾斜貫通孔１０ｖは、第二孔壁面１０ｂ２と同じ傾斜角βで第二孔壁面１０ｂ２から上面１ａに向かって延びる第三孔壁面１０ｖ１と、第二孔壁面１０ｂ２とから、孔壁面が構成されている。また、上面１ａ及び第三孔壁面１０ｖ１の交差部１０ｖ２と第一開口部１０ａ１との間の上面領域を接触上面１０ｂ３とする。
【００２１】
このとき、本実施の形態の集電体１０１では、交差部１０ｖ２から第二開口部１０ａ２までの間で、接触上面１０ｂ３、第一孔壁面１０ｂ１及び第二孔壁面１０ｂ２で電極物質２０と接触している。一方、一定傾斜貫通孔１０ｖを有する場合、集電体は、交差部１０ｖ２から第二開口部１０ａ２までの間で、第三孔壁面１０ｖ１及び第二孔壁面１０ｂ２で電極物質２０と接触する。このとき、本実施の形態の集電体１０１の方が電極物質２０との接触面積が大幅に大きくなっていることがわかる。
よって、単一の一定傾斜角度で孔壁面が形成された貫通孔の場合と比較すると、傾斜角度を途中で変化させて孔壁面を形成した貫通孔１０の場合の方が、集電体と電極物質２０との接触面積を増大させることができる。
【００２２】
また、集電体１０１の貫通孔１０のように、中心軸Ｌに対する傾斜角が第一孔壁面１０ｂ１より第二孔壁面１０ｂ２の方が大きい場合、貫通孔１０における第一孔壁面１０ｂ１の深さｄ１が、第二孔壁面１０ｂ２の深さｄ２に対して大きくなる方が、集電体１０１と電極物質２０との接触面積を効果的に増大させることができる。そして、深さｄ１：深さｄ２が２：１以上４：１以下となるように深さを設定した場合、集電体１０１と電極物質２０との接触面積は、一定傾斜貫通孔１０ｖを有する集電体より大幅に増大しており、集電体１０１の集電力も大きく向上することが、実験により明らかになっている。
【００２３】
さらに、第二孔壁面１０ｂ２の第二傾斜角βを第一孔壁面１０ｂ１の第一傾斜角αより３０°以上大きい角度とすることによっても、集電体１０１と電極物質２０との接触面積を効果的に増大させることができ、集電体１０１の集電力が大きく向上することが、実験により明らかになっている。
特に、本実施の形態の集電体１０１の場合、第二開口部１０ａ２で開口する直管状の貫通孔を有する集電体と同等の集電力を得ることができる。
従って、上述のようにして集電体１０１を形成することによって、貫通孔１０の孔壁面全体に電極物質２０を塗布することができると共に、十分な集電力を確保することができる。
【００２４】
また、集電体１０１に電極物質２０を塗布して形成された電極１００は、図３に１つの例として示すように、リチウムイオン二次電池５０に使用される。
図３を参照すると、状態（３Ａ）は、リチウムイオン二次電池５０の製造工程の途中の段階の状態を示し、電極１００を積層して組み付け、リチウムイオンを負極にドープさせる段階のリチウムイオン二次電池５０を示している。状態（３Ｂ）は、リチウムイオンのドープ後つまり出荷段階のリチウムイオン二次電池５０を示している。
【００２５】
状態（３Ａ）を参照すると、リチウムイオン二次電池５０では、電極１００を積層して組立体５０ａが形成されている。組立体５０ａでは、負極用の電極物質２０ｎが集電体１０１の片面に担持された負極電極１００ｂが、積層された電極の両端に配置され、両端の負極電極１００ｂそれぞれの内側には、正極用の電極物質２０ｐが集電体１０１の片面に担持された正極電極１００ａが設けられている。さらに、正極電極１００ａ同士の間には、集電体１０１の両面に負極用の電極物質２０ｎが担持された負極電極１００ｃが設けられている。そして、負極電極１００ｂ及び１００ｃと正極電極１００ａとの間には、内部にセパレータ２００ａを含む電解質層２００が形成されている。なお、セパレータ２００ａは、正極電極１００ａと負極電極１００ｂ及び１００ｃとが直接接触することを防ぐためのものである。また、両端の負極電極１００ｂの外側の表面には、リチウムを含むスラリーが塗布されてリチウム層３００が形成されている。
【００２６】
そして、負極電極１００ｂ及び１００ｃに直流電源６０の正極が接続され、リチウム層３００に直流電源６０の負極が接続される。直流電源６０によって組立体５０ａに電流が流されると、リチウム層３００のリチウム元素がリチウムイオン（Ｌｉ＋）となり、負極電極１００ｂの電極物質２０ｎに流入して一部が捕捉される。さらに、捕捉されなかったその他のリチウムイオンは、負極電極１００ｂの集電体１０１の貫通孔１０（図１参照）、電解質層２００、正極電極１００ａ、及び電解質層２００を順次通過して、負極電極１００ｃの電極物質２０ｎに流入して捕捉される。これによって、負極電極１００ｂ及び１００ｃのそれぞれの電極物質２０ｎには、リチウム元素がドープされる。
【００２７】
さらに、状態（３Ｂ）を参照すると、リチウム元素のドープ後のリチウムイオン二次電池５０の組立体５０ａは、直流電源６０が外され、電池外部に電流を取り出すために、正極電極１００ａの各集電体１０１に正極タブ５０ｐが接続され、負極電極１００ｂ及び１００ｃの各集電体１０１に負極タブ５０ｎが接続される。そして、リチウムイオン二次電池５０は、正極タブ５０ｐ及び負極タブ５０ｎを電気機器Ｅの図示しない端子等に接続させて使用され、リチウムイオンの電極間の移動を利用して、電気機器Ｅへの電流の供給及び電気機器Ｅからの電気の蓄電を行う。
【００２８】
上述のように、この発明の実施の形態に係る集電体１０１は、複数の貫通孔１０が形成された板状の本体１からなり、貫通孔１０は、第一開口部１０ａ１と、本体１における第一開口部１０ａ１を有する側の上面１ａと反対側の下面１ｂに形成され且つ第一開口部１０ａ１より開口面積が小さい第二開口部１０ａ２と、第一開口部１０ａ１に隣接し且つ第一開口部１０ａ１から第二開口部１０ａ２に向かって貫通孔１０の中心方向に傾斜した第一孔壁面１０ｂ１と、第二開口部１０ａ２に隣接し且つ第一開口部１０ａ１から第二開口部１０ａ２に向かって貫通孔１０の中心方向に傾斜した第二孔壁面１０ｂ２とを有する。第一孔壁面１０ｂ１及び第二孔壁面１０ｂ２は、円錐面の一部を形成し、第一孔壁面１０ｂ１と貫通孔１０の中心軸Ｌとがなす第一角度αが、第二孔壁面１０ｂ２と中心軸Ｌとがなす第二角度βより小さい。
【００２９】
これによって、貫通孔１０の第一開口部１０ａ１から第二開口部１０ａ２に向かう方向の中心軸Ｌに対する傾斜が、第一孔壁面１０ｂ１より第二孔壁面１０ｂ２の方が大きくなっている。このため、第一開口部１０ａ１から貫通孔１０に電極物質２０を充填する場合、第二開口部１０ａ２からの脱落・液だれを抑制することができる。また、本体１に電極物質２０を塗布する場合に、第一開口部１０ａ１側から電極物質２０を塗布し圧力を加える際、中心軸Ｌに対する傾斜が大きい第二孔壁面１０ｂ２が圧力を支持することができるため、第一孔壁面１０ｂ１及び第二孔壁面１０ｂ２全体に対して電極物質２０が押し付けられることができ、電極物質２０の塗り残しを防ぐと共に電極物質２０を第一孔壁面１０ｂ１及び第二孔壁面１０ｂ２に密着させることが可能になる。また、本体１は、単一の一定傾斜で形成された孔壁面からなる貫通孔を有する場合より、傾斜が異なる第一孔壁面１０ｂ１及び第二孔壁面１０ｂ２からなる貫通孔１０を有することによって、本体１と電極物質２０との接触面積を増大させ集電率を向上させることができる。
【００３０】
また、実施の形態に係る集電体１０１の貫通孔１０は、中心軸Ｌに垂直な方向の断面形状が円形の第一孔壁面１０ｂ１及び第二孔壁面１０ｂ２を有していたがこれに限定されるものでない。図４の集電体２０１の貫通孔２１０のように、矩形状の断面形状をした第一孔壁面２１０ｂ１及び第二孔壁面２１０ｂ２を有し、矩形状の第一開口部２１０ａ１及び第二開口部２１０ａ２で開口していてもよい。又は、貫通孔は、矩形以外の多角形若しくは楕円形状の断面形状を有していてもよい。
また、実施の形態に係る集電体１０１，２０１では、貫通孔１０，２１０は傾斜が異なる２つの孔壁面、第一孔壁面１０ｂ１，２１０ｂ１及び第二孔壁面１０ｂ２，２１０ｂ２を有していたがこれに限定されるものでなく、３つ以上の傾斜が異なる孔壁面を有していてもよい。
【００３１】
また、実施の形態では、集電体１０１，２０１に電極物質２０を担持させた電極１００は、リチウムイオン二次電池の電極に使用されていたがこれに限定されるものでなく、他の二次電池の電極又はキャパシタ用の電極に使用されてもよい。
また、実施の形態の集電体１０１，２０１では、貫通孔１０，２１０は本体１の内部に形成されていたがこれに限定されるものでなく、本体１から突出するように形成されてもよい。
【符号の説明】
【００３２】
１ 本体（板状部材）、１０ 貫通孔、１０ａ１ 第一開口部、１０ａ２ 第二開口部、１０ｂ１ 第一孔壁面、１０ｂ２ 第二孔壁面、１０１，２０１ 集電体。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池又はキャパシタ用の集電体に関する。
【背景技術】
【０００２】
二次電池やキャパシタでは、メッシュ状のシートになった集電体に活物質を担持させて形成した電極が使用されるものがある。
例えば、特許文献１には、アルカリ二次電池用の正極集電体にメッシュ状のシートを用いた発明が記載されている。この正極集電体は、金属によって薄板状に形成され、薄板の片面には活物質粒子を収容する多数の孔を突出させるようにして開口させている。孔は、正六角形の断面形状を有し、孔の断面積は、薄板側の開口で最も広くその反対側の孔の奥に行くにしたがって小さくなっている。そして、正極集電体に対して、孔の突出方向と反対側の薄板の表面及び孔の中に正極活物質を担持させることによって、正極（電極）が形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２２２６５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載される正極集電体の孔は、薄板から離れるにしたがって先細になるテーパ状の形状を有し、薄板から最も離れた孔の先端での開口面積が最も小さくなっているため、この先端の開口からの活物質の脱落を抑制することができる。しかしながら、例えば特許文献１の正極集電体の孔と同等の深さ及び先端の開口面積を有する直管状の孔を薄板に形成した場合の集電体と比べると、集電体に担持させた活物質と集電体との接触面積は、特許文献１の正極集電体の方が大幅に小さくなっており、そのため、集電体の集電力も大幅に低くなってしまうという問題がある。
【０００５】
この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、孔からの活物質の脱落を抑制しつつ、活物質との接触面積を確保することを可能にする二次電池又はキャパシタ用の集電体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】
【０００６】
この発明に係る集電体は、二次電池又はキャパシタ用の集電体において、複数の貫通孔が形成された板状部材であり、貫通孔は、第一開口部と、板状部材における第一開口部を有する側と反対面に形成され且つ第一開口部より開口面積が小さい第二開口部と、第一開口部に隣接し且つ第一開口部から第二開口部に向かって貫通孔の中心方向に傾斜した第一孔壁面と、第二開口部に隣接し且つ第一開口部から第二開口部に向かって貫通孔の中心方向に傾斜した第二孔壁面とを有し、第一孔壁面及び第二孔壁面は、円錐面の一部を形成し、第一孔壁面と貫通孔の軸とがなす第一角度が、第二孔壁面と貫通孔の軸とがなす第二角度より小さい。
【０００７】
貫通孔での第一孔壁面の深さが、貫通孔での第二孔壁面の深さの２倍以上４倍以下の範囲であってもよい。
貫通孔の軸に対する第二孔壁面の傾斜角が、貫通孔の軸に対する第一孔壁面の傾斜角より３０°以上大きくなってもよい。
【発明の効果】
【０００８】
この発明に係る集電体によれば、貫通孔からの活物質の脱落を抑制しつつ、活物質との接触面積を確保することを可能にする。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態に係る集電体及び集電体に電極物質を担持した電極の構成を示す模式断面側面図である。
【図２】図１の電極物質を担持した集電体を斜め下方から見た斜視図である。
【図３】図１の集電体を使用した二次電池の一例を示す模式図である。
【図４】実施の形態に係る集電体の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、この発明の実施の形態について、添付図面に基づいて説明する。
実施の形態
この発明の実施の形態に係る集電体１０１及び集電体１０１に電極物質を担持して形成される電極１００の構成を説明する。なお、本実施の形態では、集電体１０１及び電極１００は、リチウムイオン二次電池に使用するものについて説明する。
【００１１】
図１の状態（１Ａ）を参照すると、集電体１０１の貫通孔１０の中心軸Ｌを通る断面側面図が示されている。
集電体１０１は、例えば銅、アルミニウム等の金属からなる箔状又は薄板状の板状部材である本体１によって構成されている。
本体１には、その平坦な上面１ａから、上面１ａと反対側の反対面である下面１ｂに向かって、本体１を貫通する貫通孔１０が複数形成されており、本体１は、多孔質状の部材を形成している。
貫通孔１０は、上面１ａの円形をした第一開口部１０ａ１と、下面１ｂの円形をした第二開口部１０ａ２との両端で開口している（図２参照）。さらに、第一開口部１０ａ１の直径つまり開口面積は、第二開口部１０ａ２より大きくなっている。
【００１２】
また、貫通孔１０は、その内壁面が、互いに連続し且つ円錐台状をした（つまり円錐面の一部を形成する）第一孔壁面１０ｂ１及び第二孔壁面１０ｂ２によって構成されている。そして、貫通孔１０は、第一開口部１０ａ１から第二開口部１０ａ２に向かう方向に沿って、第一孔壁面１０ｂ１及び第二孔壁面１０ｂ２の中心軸を構成する中心軸Ｌを有している。
第一孔壁面１０ｂ１は、第一開口部１０ａ１に隣接し、第一開口部１０ａ１から第二開口部１０ａ２に向かって貫通孔１０の中心軸Ｌに垂直な方向の断面積を減少させるようにして延びている。第二孔壁面１０ｂ２は、第一孔壁面１０ｂ１及び第二開口部１０ａ２に隣接し、第一開口部１０ａ１から第二開口部１０ａ２に向かって貫通孔１０の中心軸Ｌに垂直な方向の断面積を減少させるようにして延びている。
【００１３】
そして、第一孔壁面１０ｂ１及び第二孔壁面１０ｂ２はそれぞれ、貫通孔１０の中心軸Ｌに対して、第二開口部１０ａ２から第一開口部１０ａ１に向かって外側に拡がるように傾斜する第一傾斜角α及び第二傾斜角βを形成している。さらに、第一孔壁面１０ｂ１の第一傾斜角αは、第二孔壁面１０ｂ２の第二傾斜角βより小さくなっている。具体的には、第一傾斜角αは、１０°以上４５°未満の範囲の値をとり、第二傾斜角βは、４５°以上８０°以下の範囲の値をとる。さらに、その理由は後述するが、第二傾斜角βは、第一傾斜角αより３０°以上大きい角度であることが好ましく、７５°前後の値であることがより好ましい。また、第一傾斜角αは、１０°近傍であることが好ましい。
ここで、第一傾斜角αは第一角度を構成し、第二傾斜角βは第二角度を構成している。
なお、本実施の形態では、第一傾斜角αを１０°とし、第二傾斜角βを７５°としている。
【００１４】
また、第一孔壁面１０ｂ１は、貫通孔１０において中心軸Ｌに沿った深さｄ１にわたり形成され、第二孔壁面１０ｂ２は、貫通孔１０において中心軸Ｌに沿った深さｄ２にわたり形成されている。第一孔壁面１０ｂ１及び第二孔壁面１０ｂ２の合計面積を大きくするために、深さｄ１は深さｄ２より大きくなるように設定され、さらに、その理由は後述するが、深さｄ１は、深さｄ２の２倍以上４倍以下であること、つまりｄ１：ｄ２が２：１以上４：１以下であることが好ましい。なお、本実施の形態では、ｄ１：ｄ２＝４：１としている。
そして、上述のようにして構成された集電体１０１は、斜め下方からみると図２の集電体１０１に示すようになる。
【００１５】
また、図１に戻り、集電体１０１を製造する場合、エッチング、打ち抜き等の方法を利用して板状の本体１に貫通孔１０を形成することによって行うことができる。
エッチングによる製造では、上面１ａ側より本体１に対してエッチングを行う。まず、貫通孔１０の第一孔壁面１０ｂ１部分の直径及び傾斜で穿孔するエッチング速度でエッチングを行い、深さｄ１まで穿孔するとエッチング速度を大幅に低下させ、第二孔壁面１０ｂ２部分の直径及び傾斜で穿孔するエッチング速度でエッチングを行い穿孔する。
また、打ち抜きによる製造では、第一孔壁面１０ｂ１及び第二孔壁面１０ｂ２からなる孔の形状をした外形をもつ孔開け工具を使用し、パンチング機によって穿孔する。
【００１６】
また、製造された集電体１０１は、リチウムイオン二次電池の電極として使用するために、リチウムイオンを含むことができる活物質としての電極物質が担持される。
具体的には、図１の状態（１Ｂ）を参照すると、スラリー状の電極物質２０が、集電体１０１の本体１の上面１ａ全体に貫通孔１０も含め塗布される。さらに、アプリケータ３０が、塗布された電極物質２０の物質上面２０ａの上から、電極物質２０を本体１に向かって押し付けるように圧力を付与しつつ移動する。これによって、電極物質２０が貫通孔１０内に流入させられて内部を充填し、さらに、押し付けられることで電極物質２０の密度が増大すると共に本体１との密着度が高まる。そして、アプリケータ３０による処理後、電極物質２０を乾燥・固化させることによって電極１００が形成され、電極１００は斜め下方からみると図２に示すようになる。つまり、集電体１０１の片面の上面１ａに電極物質２０の層が形成され、集電体１０１の反対側の面の下面１ｂには、複数の第二開口部１０ａ２が開口し、第二開口部１０ａ２には充填された電極物質２０が見えるようになっている。
【００１７】
このとき、図１に戻ると、第一孔壁面１０ｂ１が中心軸Ｌに対して傾斜しているため、第一開口部１０ａ１の周辺に生じやすい電極物質２０の塗り残しによる空隙の発生が抑えられ、第一孔壁面１０ｂ１全体に電極物質２０が塗布されている。
また、第二孔壁面１０ｂ２が中心軸Ｌに対して傾斜しているため、第二開口部１０ａ２の周辺に生じやすい電極物質２０の塗り残しによる空隙の発生が抑えられ、第二孔壁面１０ｂ２全体に電極物質２０が塗布されている。なお、第二孔壁面１０ｂ２の第二傾斜角βが４５°以上８０°以下の範囲にある場合、電極物質２０は塗り残しが効果的に抑えられて第二孔壁面１０ｂ２全体にわたって塗布されることが、実験により明らかになっている。
【００１８】
また、第二傾斜角βが４５°以上８０°以下（本実施の形態では７５°）という大きな角度で傾斜した第二孔壁面１０ｂ２は、アプリケータ３０によって付与される圧力を支持することができるため、電極物質２０は、第一孔壁面１０ｂ１及び第二孔壁面１０ｂ２に押し付けられて密着することができ、それにより第一孔壁面１０ｂ１及び第二孔壁面１０ｂ２での塗り残しの発生を抑えることが可能になる。さらに、貫通孔１０の中心軸Ｌに垂直な方向の断面積が第二開口部１０ａ２の近傍で急激に減少しているため、第二開口部１０ａ２からの電極物質２０の脱落・液だれも抑制されている。
【００１９】
また、第一孔壁面１０ｂ１及び第二孔壁面１０ｂ２は、第二孔壁面１０ｂ２の傾斜が第一孔壁面１０ｂ１より急となっているため、全体では下面１ｂへの斜め下方に向かってその途中で屈折するような断面形状を形成し、さらに第一孔壁面１０ｂ１と第二孔壁面１０ｂ２との接続部は鈍角をなす断面形状を形成している。このため、第一孔壁面１０ｂ１と第二孔壁面１０ｂ２との接続部での電極物質２０の塗り残しによる空隙の発生が抑えられる。
【００２０】
ここで、第二開口部１０ａ２から上面１ａに向かって一定の傾斜角βの孔壁面を有する一定傾斜貫通孔１０ｖと、貫通孔１０とを比較する。一定傾斜貫通孔１０ｖは、第二孔壁面１０ｂ２と同じ傾斜角βで第二孔壁面１０ｂ２から上面１ａに向かって延びる第三孔壁面１０ｖ１と、第二孔壁面１０ｂ２とから、孔壁面が構成されている。また、上面１ａ及び第三孔壁面１０ｖ１の交差部１０ｖ２と第一開口部１０ａ１との間の上面領域を接触上面１０ｂ３とする。
【００２１】
このとき、本実施の形態の集電体１０１では、交差部１０ｖ２から第二開口部１０ａ２までの間で、接触上面１０ｂ３、第一孔壁面１０ｂ１及び第二孔壁面１０ｂ２で電極物質２０と接触している。一方、一定傾斜貫通孔１０ｖを有する場合、集電体は、交差部１０ｖ２から第二開口部１０ａ２までの間で、第三孔壁面１０ｖ１及び第二孔壁面１０ｂ２で電極物質２０と接触する。このとき、本実施の形態の集電体１０１の方が電極物質２０との接触面積が大幅に大きくなっていることがわかる。
よって、単一の一定傾斜角度で孔壁面が形成された貫通孔の場合と比較すると、傾斜角度を途中で変化させて孔壁面を形成した貫通孔１０の場合の方が、集電体と電極物質２０との接触面積を増大させることができる。
【００２２】
また、集電体１０１の貫通孔１０のように、中心軸Ｌに対する傾斜角が第一孔壁面１０ｂ１より第二孔壁面１０ｂ２の方が大きい場合、貫通孔１０における第一孔壁面１０ｂ１の深さｄ１が、第二孔壁面１０ｂ２の深さｄ２に対して大きくなる方が、集電体１０１と電極物質２０との接触面積を効果的に増大させることができる。そして、深さｄ１：深さｄ２が２：１以上４：１以下となるように深さを設定した場合、集電体１０１と電極物質２０との接触面積は、一定傾斜貫通孔１０ｖを有する集電体より大幅に増大しており、集電体１０１の集電力も大きく向上することが、実験により明らかになっている。
【００２３】
さらに、第二孔壁面１０ｂ２の第二傾斜角βを第一孔壁面１０ｂ１の第一傾斜角αより３０°以上大きい角度とすることによっても、集電体１０１と電極物質２０との接触面積を効果的に増大させることができ、集電体１０１の集電力が大きく向上することが、実験により明らかになっている。
特に、本実施の形態の集電体１０１の場合、第二開口部１０ａ２で開口する直管状の貫通孔を有する集電体と同等の集電力を得ることができる。
従って、上述のようにして集電体１０１を形成することによって、貫通孔１０の孔壁面全体に電極物質２０を塗布することができると共に、十分な集電力を確保することができる。
【００２４】
また、集電体１０１に電極物質２０を塗布して形成された電極１００は、図３に１つの例として示すように、リチウムイオン二次電池５０に使用される。
図３を参照すると、状態（３Ａ）は、リチウムイオン二次電池５０の製造工程の途中の段階の状態を示し、電極１００を積層して組み付け、リチウムイオンを負極にドープさせる段階のリチウムイオン二次電池５０を示している。状態（３Ｂ）は、リチウムイオンのドープ後つまり出荷段階のリチウムイオン二次電池５０を示している。
【００２５】
状態（３Ａ）を参照すると、リチウムイオン二次電池５０では、電極１００を積層して組立体５０ａが形成されている。組立体５０ａでは、負極用の電極物質２０ｎが集電体１０１の片面に担持された負極電極１００ｂが、積層された電極の両端に配置され、両端の負極電極１００ｂそれぞれの内側には、正極用の電極物質２０ｐが集電体１０１の片面に担持された正極電極１００ａが設けられている。さらに、正極電極１００ａ同士の間には、集電体１０１の両面に負極用の電極物質２０ｎが担持された負極電極１００ｃが設けられている。そして、負極電極１００ｂ及び１００ｃと正極電極１００ａとの間には、内部にセパレータ２００ａを含む電解質層２００が形成されている。なお、セパレータ２００ａは、正極電極１００ａと負極電極１００ｂ及び１００ｃとが直接接触することを防ぐためのものである。また、両端の負極電極１００ｂの外側の表面には、リチウムを含むスラリーが塗布されてリチウム層３００が形成されている。
【００２６】
そして、負極電極１００ｂ及び１００ｃに直流電源６０の正極が接続され、リチウム層３００に直流電源６０の負極が接続される。直流電源６０によって組立体５０ａに電流が流されると、リチウム層３００のリチウム元素がリチウムイオン（Ｌｉ＋）となり、負極電極１００ｂの電極物質２０ｎに流入して一部が捕捉される。さらに、捕捉されなかったその他のリチウムイオンは、負極電極１００ｂの集電体１０１の貫通孔１０（図１参照）、電解質層２００、正極電極１００ａ、及び電解質層２００を順次通過して、負極電極１００ｃの電極物質２０ｎに流入して捕捉される。これによって、負極電極１００ｂ及び１００ｃのそれぞれの電極物質２０ｎには、リチウム元素がドープされる。
【００２７】
さらに、状態（３Ｂ）を参照すると、リチウム元素のドープ後のリチウムイオン二次電池５０の組立体５０ａは、直流電源６０が外され、電池外部に電流を取り出すために、正極電極１００ａの各集電体１０１に正極タブ５０ｐが接続され、負極電極１００ｂ及び１００ｃの各集電体１０１に負極タブ５０ｎが接続される。そして、リチウムイオン二次電池５０は、正極タブ５０ｐ及び負極タブ５０ｎを電気機器Ｅの図示しない端子等に接続させて使用され、リチウムイオンの電極間の移動を利用して、電気機器Ｅへの電流の供給及び電気機器Ｅからの電気の蓄電を行う。
【００２８】
上述のように、この発明の実施の形態に係る集電体１０１は、複数の貫通孔１０が形成された板状の本体１からなり、貫通孔１０は、第一開口部１０ａ１と、本体１における第一開口部１０ａ１を有する側の上面１ａと反対側の下面１ｂに形成され且つ第一開口部１０ａ１より開口面積が小さい第二開口部１０ａ２と、第一開口部１０ａ１に隣接し且つ第一開口部１０ａ１から第二開口部１０ａ２に向かって貫通孔１０の中心方向に傾斜した第一孔壁面１０ｂ１と、第二開口部１０ａ２に隣接し且つ第一開口部１０ａ１から第二開口部１０ａ２に向かって貫通孔１０の中心方向に傾斜した第二孔壁面１０ｂ２とを有する。第一孔壁面１０ｂ１及び第二孔壁面１０ｂ２は、円錐面の一部を形成し、第一孔壁面１０ｂ１と貫通孔１０の中心軸Ｌとがなす第一角度αが、第二孔壁面１０ｂ２と中心軸Ｌとがなす第二角度βより小さい。
【００２９】
これによって、貫通孔１０の第一開口部１０ａ１から第二開口部１０ａ２に向かう方向の中心軸Ｌに対する傾斜が、第一孔壁面１０ｂ１より第二孔壁面１０ｂ２の方が大きくなっている。このため、第一開口部１０ａ１から貫通孔１０に電極物質２０を充填する場合、第二開口部１０ａ２からの脱落・液だれを抑制することができる。また、本体１に電極物質２０を塗布する場合に、第一開口部１０ａ１側から電極物質２０を塗布し圧力を加える際、中心軸Ｌに対する傾斜が大きい第二孔壁面１０ｂ２が圧力を支持することができるため、第一孔壁面１０ｂ１及び第二孔壁面１０ｂ２全体に対して電極物質２０が押し付けられることができ、電極物質２０の塗り残しを防ぐと共に電極物質２０を第一孔壁面１０ｂ１及び第二孔壁面１０ｂ２に密着させることが可能になる。また、本体１は、単一の一定傾斜で形成された孔壁面からなる貫通孔を有する場合より、傾斜が異なる第一孔壁面１０ｂ１及び第二孔壁面１０ｂ２からなる貫通孔１０を有することによって、本体１と電極物質２０との接触面積を増大させ集電率を向上させることができる。
【００３０】
また、実施の形態に係る集電体１０１の貫通孔１０は、中心軸Ｌに垂直な方向の断面形状が円形の第一孔壁面１０ｂ１及び第二孔壁面１０ｂ２を有していたがこれに限定されるものでない。図４の集電体２０１の貫通孔２１０のように、矩形状の断面形状をした第一孔壁面２１０ｂ１及び第二孔壁面２１０ｂ２を有し、矩形状の第一開口部２１０ａ１及び第二開口部２１０ａ２で開口していてもよい。又は、貫通孔は、矩形以外の多角形若しくは楕円形状の断面形状を有していてもよい。
また、実施の形態に係る集電体１０１，２０１では、貫通孔１０，２１０は傾斜が異なる２つの孔壁面、第一孔壁面１０ｂ１，２１０ｂ１及び第二孔壁面１０ｂ２，２１０ｂ２を有していたがこれに限定されるものでなく、３つ以上の傾斜が異なる孔壁面を有していてもよい。
【００３１】
また、実施の形態では、集電体１０１，２０１に電極物質２０を担持させた電極１００は、リチウムイオン二次電池の電極に使用されていたがこれに限定されるものでなく、他の二次電池の電極又はキャパシタ用の電極に使用されてもよい。
また、実施の形態の集電体１０１，２０１では、貫通孔１０，２１０は本体１の内部に形成されていたがこれに限定されるものでなく、本体１から突出するように形成されてもよい。
【符号の説明】
【００３２】
１ 本体（板状部材）、１０ 貫通孔、１０ａ１ 第一開口部、１０ａ２ 第二開口部、１０ｂ１ 第一孔壁面、１０ｂ２ 第二孔壁面、１０１，２０１ 集電体。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池又はキャパシタ用の集電体において、
前記集電体は、複数の貫通孔が形成された板状部材であり、
前記貫通孔は、
第一開口部と、
前記板状部材における前記第一開口部を有する側と反対面に形成され且つ前記第一開口部より開口面積が小さい第二開口部と、
前記第一開口部に隣接し且つ前記第一開口部から前記第二開口部に向かって前記貫通孔の中心方向に傾斜した第一孔壁面と、
前記第二開口部に隣接し且つ前記第一開口部から前記第二開口部に向かって前記貫通孔の中心方向に傾斜した第二孔壁面とを有し、
前記第一孔壁面及び前記第二孔壁面は、円錐面の一部を形成し、
前記第一孔壁面と前記貫通孔の軸とがなす第一角度が、前記第二孔壁面と前記貫通孔の軸とがなす第二角度より小さい集電体。
【請求項２】
前記貫通孔での前記第一孔壁面の深さが、前記貫通孔での前記第二孔壁面の深さの２倍以上４倍以下の範囲である請求項１に記載の集電体。
【請求項３】
前記貫通孔の軸に対する前記第二孔壁面の傾斜角が、前記貫通孔の軸に対する前記第一孔壁面の傾斜角より３０°以上大きい請求項１または２に記載の集電体。
【請求項１】
二次電池又はキャパシタ用の集電体において、
前記集電体は、複数の貫通孔が形成された板状部材であり、
前記貫通孔は、
第一開口部と、
前記板状部材における前記第一開口部を有する側と反対面に形成され且つ前記第一開口部より開口面積が小さい第二開口部と、
前記第一開口部に隣接し且つ前記第一開口部から前記第二開口部に向かって前記貫通孔の中心方向に傾斜した第一孔壁面と、
前記第二開口部に隣接し且つ前記第一開口部から前記第二開口部に向かって前記貫通孔の中心方向に傾斜した第二孔壁面とを有し、
前記第一孔壁面及び前記第二孔壁面は、円錐面の一部を形成し、
前記第一孔壁面と前記貫通孔の軸とがなす第一角度が、前記第二孔壁面と前記貫通孔の軸とがなす第二角度より小さい集電体。
【請求項２】
前記貫通孔での前記第一孔壁面の深さが、前記貫通孔での前記第二孔壁面の深さの２倍以上４倍以下の範囲である請求項１に記載の集電体。
【請求項３】
前記貫通孔の軸に対する前記第二孔壁面の傾斜角が、前記貫通孔の軸に対する前記第一孔壁面の傾斜角より３０°以上大きい請求項１または２に記載の集電体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−６９６３２（Ｐ２０１３−６９６３２Ａ）
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０９０９３（Ｐ２０１１−２０９０９３）
【出願日】平成２３年９月２６日（２０１１．９．２６）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２６日（２０１１．９．２６）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【Ｆターム（参考）】
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