リチウムイオン電池の性能向上に向けた集電体の開発動向と界面設計

第1部 集電体用アルミニウム箔の表面改質による電池特性の向上

(2013年6月21日 11:00〜11:50)

住友軽金属工業 (株) 研究開発センター 主任研究員 本居 徹也 氏

　リチウムイオン電池における集電体の役割は、正極活物質を保持し、電流を正極活物質に供給することである。近年、リチウムイオン電池の一層の高出力化、高エネルギー化、さらには良好なサイクル特性が要求されており、正極集電体として用いられているアルミニウム合金箔が担う役割も大きくなってきている。 　正極材との密着性は、高出力化、サイクル特性に影響する重要な特性の一つであり、本講座ではアルミニウム合金箔の表面改質が密着性および電池特性に及ぼす効果について紹介する。 　またアルミニウム合金箔の強度特性、電気抵抗特性も説明し、表面改質と合わせたアルミニウム合金箔集電体のデザインについて紹介したい。

1. リチウムイオン電池の構成材料と動作
   1. リチウムイオン電池の構造
   2. 電気の流れと集電体の役割
   3. 電気二重層キャパシタ用集電体
   4. 集電体用アルミニウム合金の種類と基本特性
2. 正極材との密着性
   1. 密着性向上の意義
   2. 密着性向上手法と評価方法
   3. 表面改質と密着性の関係
   4. 密着性向上によるバインダー削減効果
   5. 活物質種の違いによる影響
3. リチウム電池特性への影響
   1. レート特性
   2. サイクル特性
4. プレーン箔の開発
   1. ゲージダウンによる効果と必要特性
   2. 高強度、高延性、高導電性材
   3. 表面改質箔とのコラボレーション

• 質疑応答

第2部 金属・合金系負極活物質への対応に向けた高強度集電銅箔の開発

(2013年6月21日 12:20〜13:30)

(株) SHカッパープロダクツ 生産本部 開発部 小平 宗男 氏

　リチウムイオン電池は高容量化が求められており、カーボン系負極材に代ってシリコンなど合金系負極材の採用が検討されている。しかし、これらの高容量活物質は、充放電に伴う体積変化が大きいことから、寿命が短い、寸法安定性が低いといった問題がある。そこで、負極の活物質層では、シリコン酸化物をグラファイトとコンポジット化したり、高強度バインダーを採用したりすることで、体積変化を抑制する検討がなされている。 　一方、集電箔側からのアプローチも有効であり、高耐熱・高強度銅合金箔を集電体に用いることで上記問題を緩和することが可能である。すなわち、 (1) 高耐熱性銅合金箔は、リチウムイオン電池製造工程を経ても高強度 (高耐力) を維持でき、これにより、充放電で負極材が繰返し体積変化しても、銅箔が弾性変形してしっかり支え、高寿命化に寄与する。 (2) 負極材が体積変化しても銅箔が塑性変形しないため、電極の伸延やうねりを抑制して電池寸法を安定化できる。

1. 負極集電銅箔について
   1. リチウムイオン電池の構成
   2. 各種活物質の理論容量と体積変化
   3. 高容量活物質の実用化に向けた課題
2. (株) SHカッパープロダクツ (旧・日立電線) における銅箔事業
3. 銅箔について
   1. 圧延銅箔の製造工程
   2. 電解銅箔の製造工程
   3. 各種銅箔の機械的および電気的特性
   4. 銅箔の高強度化・高耐熱化のメカニズム
4. 集電銅箔に求められる特性
   1. 活物質との密着性
   2. 耐腐食性
   3. 電気化学的安定性
   4. 高導電性
5. 充放電における銅箔の変形挙動
6. 実電池による高耐熱・高強度銅箔の評価
   1. CuSn負極を用いたラミネートセル
   2. Si系負極を用いた角型セル
   3. グラファイト負極を用いたラミネートセル
7. 関連技術
   1. 粗面化
   2. 高屈曲性
   3. 高耐折性
• 質疑応答

第3部 内部抵抗低減のためのアルミニウム集電体と合材との界面設計

～合材構成材料が表面接触抵抗におよぼす影響とは～

(2013年6月21日 13:40〜16:10)

山形大学 大学院 理工学研究科 准教授 立花 和宏 氏

　リチウムイオン二次電池の性能ならびに信頼性を向上させるためにアルミニウム集電体と合材との界面設計をうまくやる必要がある。そこには接触抵抗という電池性能を大きく支配する要素が存在するからである。 　本講座ではなぜ正極の集電体にアルミニウムが使われるか、アルミニウムが電池内部で耐食性と導電性をどうやって両立するか、そこに影響を及ぼす因子は何かを議論し、理解を深める。

1. リチウムイオン二次電池とアルミニウム集電体
   1. リチウムイオン二次電池の構造
   2. 電池の内部抵抗を支配する界面
   3. 内部抵抗が電池性能や信頼性に及ぼす影響
   4. もし接触抵抗がなかったら活物質はどこまで高速動作可能か?
2. アルミニウムの不働態化
   1. 非水条件下でのアルミニウムの不働態化
   2. 自身を腐食から保護するアルミニウムアノード酸化皮膜
   3. 有機電解液を分解から保護するアルミニウムアノード酸化皮膜
   4. アルミニウムアノード酸化皮膜の表面欠陥と電子電導
3. 炭素導電助材の働き
   1. 炭素材料の表面官能基と電子電導
   2. 炭素材料接触によるアノード酸化皮膜の欠陥の顕在化
   3. 炭素材料の種類が接触抵抗に及ぼす影響
   4. 炭素材料と集電体の密着性が接触抵抗に及ぼす影響
4. そのほかの集電体にまつわる話題
   1. 正極活物質中心金属の電気陰性度とアルミニウム集電体の接触抵抗
   2. アルミニウム集電体への炭素材料アンダーコートの効果
   3. バインダーや分散剤の選択と電解液の分解電圧の関係
   4. 負極集電体、銅の酸化皮膜と接触抵抗
• 質疑応答