成果報告書詳細
管理番号20110000000012
タイトル平成21年度-平成22年度成果報告書 新エネルギー技術研究開発/新エネルギーベンチャー技術革新事業(燃料電池蓄電池)/3DFリモデリングによるLi系二次電池の信頼性向上と低コスト化の技術開発
公開日2011/1/25
報告書年度2009 - 2010
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.リチウム二次電池の電極用、立体化基板(3DF)適用のねらい
現在のリチウム二次電池は、電極基板としてフラットなAlあるいはCuの薄い箔を使用した薄型極板を採用している。これを立体化基板(3DF)に変更することにより電極の厚型短尺化を可能にし、セパレータや電極基板の使用量低減による材料コストの削減、および電池構成の簡易化、製造タクト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。
2.3DFの技術課題
数年前よりリチウム二次電池メーカーやキャパシタメーカーへAlおよびCuの3DFをサンプル提供してきたが、顧客より次のような改善要求があった。
1引っ張り強度の向上(電極作製時の破断防止)
2残留金属微粉の除去(電池の微短絡防止)
3電極特性の検証
3.課題解決の実施内容
3.1.引っ張り強度の向上
3DFの孔間ピッチ、開口率、微孔の大きさ(開口面積)をパラメータとして検討し、従来ロールより孔間ピッチが大きく、開口率が小さく、かつ微孔面積の小さな、新たなラボ用ロールを製作した。このロールによる3DF試作品を試験した結果、引っ張り強度が次のように向上した。
・Al3DF:母材箔(厚さ15μm)の65%(従来50%以下)
・Cu3DF:母材箔(厚さ10μm)の65%(従来55%以下)
また、3種類の従来ロールとラボ用ロールの、パラメータの異なる4種類のロールでデータ取得ができ、3つのパラメータと引っ張り強度の関係が定量化できた。
3.2.残留金属微粉の除去
3DFの微孔尖端部が脱離することにより金属微粉が発生すると考えられ、超音波洗浄法、粘着テープ法、ロール法などにより微粉の除去、定量化を検討した。
3DF加工直後のテストサンプルを6本ロールに通すことにより大きな効果を示すことが分かった。これは、3DF加工の際に加工ロールの凸部先端によって、後に脱落しうる微孔尖端部が形成されると仮定した場合の計算値と一致した。また、当初はスキンパスロール(加工後に顧客要望の厚さに調整する圧縮ロール)を通過させた後に微粉除去対策を施せばよいと考えていたが、3DF加工直後の対策が効果を示すことが明らかとなった。現在の装置では加工ロールとスキンパスの間に除去機構を挿入できないので実証はできていないが、ロール法に拘らず、他の機械的方法でも金属微粉を除去できる見通しが立った。
3.3.電極特性の検証
Al3DFを基板とし、Co/Ni/Mn三元系活物質で作製した正極と、金属リチウムを負極とするコイン型電池(電極面積2cm2)を試作し、放電試験を実施した。その結果、電極厚さがAl箔を基板としたブランク電池の1.5-2倍であっても、放電は10Cまで可能であり、また、3DF厚さ/電極厚さの比(立体化率)が大きいほど放電電圧特性が優れていることが実証された。
4. 結論
引っ張り強度および電極特性の検証に関しては、ほぼ目標を達成した。最も困難課題であった残留金属微粉の除去に関しては、残留金属微粉の状況把握と除去の技術方向付けができたが、残念ながら本実施期間内では、設備改造を伴うために実証が残された。
しかし、最終目的である当社提案の電極厚型化によるコストダウンが理論的だけではなく、実電池の評価結果から現実化できる見通しが立った。
英文要約1. The aim of 3 Dimensional Foil (3DF) applications:
Li sec. batteries are currently using flat foil of Al and Cu for their thin electrodes.
By replacing them to 3DF substrates, they will achieve the following advantages.
The electrode can be made thicker and shorter than the conventional, which decreases the consumption of both the substrate and separator followed by material cost reduction.
Shorter electrodes will also reduce production cost by reducing manufacturing time. Furthermore shorter structure will improve battery reliability by preventing winding misalignment and short circuit, as well.
2. Issues need to be resolved on 3DF:
1 Improvement of tensile strength to prevent break off during electrode
fabrication.
2 Removal of metallic residual micro powder to prevent short circuit.
3 Evaluation for electrochemical advantage of 3DF.
3. Results:
3.1. Tensile Strength:
3DF’s pitch between pores, aperture rate and area of a pore were taken into analytical design parameters. The new laboratory type roll was designed and made with greater pitch, smaller aperture rate and smaller area of a pore.
As a result, both Al-3DF and Cu-3DF increased tensile strength more than 65% of their original foils below 50% and 55%, respectively.
3.2. Removal of residual micro metallic powder:
Ultrasonic Vibration, Adhesive Tape and Roll Method were tested to remove the metallic powders and quantify the amount.
By passing through additional 6 rolls right after processing 3DF, we found out it can remove them greatly. It proofs that the calculation was correct based on prediction of making micro metallic powder due from opening pore by the tip of needles on roll. It is now obvious that placing counter-measure right after processing 3DF formation is best.
3.3. Electrochemical Characteristics:
Lithium coin cells (electrode surface area was 2cm2) were constructed with Al 3DF coated by Co+Ni+Mn ternary compound as the positive electrode and Li metal plate for the negative electrode, for our electrochemical evaluation.
As a result, it can achieve 10C discharge, in spite of the thickness of electrode is 1.5 to 2 times thicker than the conventional. It was also proofed the discharge voltage is higher when the ratio of 3DF thickness vs. final electrode thickness is 1/2 or more.
From above result, our theory of reducing material cost by making thicker
electrodes can be promised.
4. Conclusion
With respect to tensile strength and electrochemical characteristics, our expected targets were almost achieved.
For the biggest problem of the removal of residual micro metallic powders, the formation procedure, technological conditions and the method of the elimination from substrate were clarified, however, the removal in production line was not verified yet.
From our studies in a real cell employing 3DF, the final target of reducing the material cost of Li sec. battery system was promised by making thicker electrodes.
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