成果報告書詳細
管理番号20110000001318
タイトル平成22年度~平成23年度成果報告書 新エネルギーベンチャー技術革新事業/新エネルギーベンチャー技術革新事業(燃料電池蓄電池)/低コスト化、高信頼性を可能にするLi系二次電池用の新形状3D電極基板の技術開発
公開日2011/9/9
報告書年度2010 - 2011
委託先名株式会社エムアンドジーエコバッテリー
プロジェクト番号P10020
部署名技術開発推進部
和文要約1.Li二次電池への立体電極基板適用のねらい:現在のLi二次電池は、AlとCuの薄箔を電極基板として採用した薄型極板を使用している。電極基板を立体基板に変更することにより電極の厚型短尺化を可能にし、セパレータや基板の使用量低減による材料コストの削減、及び電池構成の簡易化、製造時間短縮による製造コストの削減、並びに電極面積低減による巻きずれの極小化(円筒型)や微短絡の可能性の抑制などの信頼性向上を図るものである。 2.当初開発した立体電極基板の問題点:立体電極基板(3DF)として当社が最初に開発した従来型3DFは、凹凸間ピッチが約400μm、加工厚さが最大250μmの微小な凹凸を持ち、突起部先端に開口部を有する構造であった。しかし、従来型3DFには次の2点の問題があった。 1)凸部先端が折損、脱落して金属微粉を生じる。 2)先端部に電流集中する。 3.新形状立体基板の技術開発:従来型3DFの上記問題点を同時に解決する方策として考えたのが、新形状(ブリッジ型)のB-3DFであり、本年度の開発テーマである。開口部が凸部の側面にあること、及び鋭角的な突起を持たないことが大きな特徴である。この構造は、微粉として脱落する部分がなく、加工原理的に金属微粉の発生しない構造である。 4.技術課題:B-3DF開発の最重要課題は、凸部側面に開口部を持たせるためのロール構造およびロール製作方法である。次いで重要なのは、試作されるB-3DFに関する次の3項目の技術課題である。1)金属微粉 2)引っ張り強度 3)電極特性 5.課題解決の実施内容:5.1.B-3DFの設計およびロールの開発:交互に微細な凹凸部を形成し、かつ凸部側面に開口部を有するB-3DFの基本設計を行なった。それに基づいてラボ用ロールの開発を進め、第3回目の試作でB-3DFに破断の起こらないロールを作製できた。このロールにより厚さ350μm(当初目標:250μm)のB-3DFサンプルの試作が可能であった。 5.2.B-3DFサンプルの特性:1)金属微粉;第3次試作B-3DFをマイクロスコープで観察したところ、脱落破片は皆無であった。開口部に切断バリが見られたが、サブミクロン程度の大きさであり、たとえ脱落して電池内に混入しても短絡の原因にならないと考えられた。しかし、万全を期すために、活物質塗工を2段で行なうプレコート方式の検討を行なった。 2)引っ張り強度;機械方向は年度目標(母材の60%)をほぼクリアできた。しかし、幅方向および45°方向は開口部の影響で引っ張り強度が小さく、活物質塗工時のテンション不均衡があった場合にB-3DFが引き裂ける不安が残った。 3)電極特性;ラミネートパック電池により、放電特性(放電電流:0.2~10C)を取得した。B-3DF使用の従来の2倍厚の電極を使用しても、放電容量、放電電圧ともブランク電池(従来の金属箔基板使用)を上回る結果を得た。 6.結論:1)プロトタイプながらB-3DFサンプルが試作できた点で、FSとしては十分な成果が得られた。 2)金属微粉が発生しないことが確認でき、当社のコンセプトが正しいことを実証できた。 3)ロールの設計・製作の検討が、従来と異なる製法を採用せざるを得なかった点で十分ではなく、今後の課題である。 4)引っ張り強度改善のためには、B-3DFの設計とロールの設計・製作とのマッチングが重要であり、その中でB-3DF設計最適化を図らなければならない。 5)B-3DF適用電池は、大電流特性において優位性を示し、立体基板の有用性を実証できた。
英文要約1. The aim to introduce a three dimensional foil (3DF) to Li secondary batteries: Li
secondary batteries are currently using flat Al and Cu foils for their electrodes. By
replacing flat foils to 3DF substrates, the electrode can be made thicker and shorter
than the conventional. As a result, the following two advantages can be achieved. 1)Cost
reduction; The consumption of substrate and separator decreases followed by material
cost reduction. Thicker electrodes will also reduce production cost by reducing
manufacturing time. 2)Improvement of battery reliability; Thicker electrodes will
improve battery reliability by preventing winding misalignment and short circuit, as well. 2. The problems of initially developed 3DF: Our conventional 3DF initially developed was maximum 250 micrometers thick and had micro concavities and convexities with openings on their apexes. They had two problems. 1)The apexes break and fall down to make micro metallic powders. 2)Charging and discharging currents concentrate in the apexes. 3. The development of a new three dimensional foil: A bridge shaped three dimensional foil (B-3DF) was invented to concurrently resolve both problems. B-3DF has the following two features. 1)The openings are perforated in the lateral face of convexities. 2) Sharply-angled apexes do not exist. Therefore no micro metallic powder occurs in process principle. 4. Issues to be resolved on B-3DF: The most important is the matter relating to the roll construction and manufacturing method. The following three items on B-3DF are also important.1)Micro metallic powder 2)Tensile strength 3)Electrochemical characteristics 5. Results: 5.1. Designing of B-3DF and development of a laboratory-scale roll; The basic design of B-3DF was performed. Based on the basic design, the development of the laboratory-scale roll was carried. The third round of roll produced B-3DF samples without fracturing. Their thickness is about 350μm (target value:250μm). 5.2. Characteristics of a B-3DF sample;1)Micro metallic powder: The third trial products of B-3DF were observed by microscope and no free micro metallic powder was confirmed. Burrs, of which size was submicron, were observed at the opening of B-3DF. Even if they fall down and mix into a cell, the cell short circuit does not seem to occur. However, pre-coating system was proposed to ensure that no micro metallic powder mix into a cell. 2)Tensile strength; The strength in MD almost achieved the target value which is 60% of the strength of original foil. However, the strength in TD and 45 degree direction was very low because of the influence of openings. 3)Electrochemical characteristics; Lithium ion cells using laminate package was designed, made and tested. In discharge tests (discharging current:0.1~10C), the test cells using B-3DF showed significant advantages compared to the conventional. 6. Conclusion: Prototype 3DF were successfully made and therefore the feasibility study seems to have succeeded.
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