JP2007052934A - Method of manufacturing electrode for battery and manufacturing device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ノート型パーソナルコンピュータなどの電子機器類、精密機器類などに装着して用いるリチウムイオン2次電池の電池用電極の製造方法及び製造装置に関する。 The present invention relates to a method and an apparatus for manufacturing a battery electrode of a lithium ion secondary battery used by being mounted on electronic devices such as notebook personal computers, precision devices, and the like.
ビデオ・カメラやノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話などの高機能電子機器は、比較的消費電流が大きいため、採用される電池には重負荷に耐えられることと、近年では省資源の観点から繰返し充電することができることが求められるようになっている。このため、これら電子機器の主電源やバックアップ用電源としてリチウムイオン2次電池が使用されている。このリチウムイオン2次電池は、高エネルギー密度を有し、自己放電も少なく軽量であるという優れた特長をもっている。 High-performance electronic devices such as video cameras, laptop computers, and mobile phones consume relatively large currents, so the batteries used can withstand heavy loads and have been recharged in recent years in order to save resources. What can be done is being sought. For this reason, lithium ion secondary batteries are used as the main power source and backup power source for these electronic devices. This lithium ion secondary battery has excellent features such as high energy density, low self-discharge and light weight.
そして、従来このリチウムイオン2次電池では、充放電サイクルの進行に伴い、負極において充電時にリチウムがデンドライト状に結晶成長し、このデンドライト状の結晶が正極に到達して内部短絡に至る可能性が高いという問題点があったが、負極に負極活物質担持体としての炭素系材料を使用することにより大きく特性が改善され、実用化されるに至っている。 In the conventional lithium ion secondary battery, as the charging / discharging cycle progresses, lithium grows in a dendritic shape at the time of charging in the negative electrode, and this dendritic crystal may reach the positive electrode and lead to an internal short circuit. Although there was a problem that it was high, the use of a carbon-based material as a negative electrode active material carrier for the negative electrode has greatly improved the characteristics and has been put to practical use.
すなわち、負極に負極活物質担持体としての炭素系材料を使用したリチウムイオン2次電池では、化学的、物理的方法によって予め負極の炭素系材料に担持させたリチウム及び正極活物質の結晶構造中に含有させたリチウム(例えば、コバルト酸リチウムLiCoO2)及び電解液中に溶解したリチウムのそれぞれが、充放電時に負極において炭素層間へ吸蔵(ドープ)されかつ炭素層間から放出(脱ドープ)される。このため、充放電サイクルが進行しても負極において充電時にデンドライト状の結晶の析出は見られずに内部短絡を起こしにくく、良好な充放電サイクル特性を示す。 That is, in a lithium ion secondary battery using a carbon-based material as a negative electrode active material carrier for the negative electrode, the crystal structure of lithium and the positive electrode active material previously supported on the negative electrode carbon-based material by a chemical or physical method is used. Each of lithium contained in lithium (for example, lithium cobaltate LiCoO 2 ) and lithium dissolved in the electrolyte is occluded (doped) between the carbon layers and released (dedoped) from the carbon layers in the negative electrode during charge / discharge. . For this reason, even when the charge / discharge cycle proceeds, no precipitation of dendrite-like crystals is observed at the time of charging in the negative electrode, and internal short circuit hardly occurs, and good charge / discharge cycle characteristics are exhibited.
このように従来、リチウムイオン2次電池用負極としては、集電体である銅箔に活物質である黒鉛などの炭素系材料を塗布した材料が主に使用されている。そして、リチウムイオン2次電池用負極には、単位重量当たり取出すことができるエネルギーが大きいこと(高エネルギー密度)と、充放電サイクル寿命が優れていることなどが必要とされるが、この点から黒鉛を見ると、理論エネルギー容量は低い(372mAh/g)ものの、優れた充放電サイクル寿命を有するものといえる。
しかし、近年さらなる小型・軽量化に対応するため、黒鉛などの炭素系材料の代わりに理論エネルギー容量が高い錫(993mAh/g)が注目され、錫や錫合金を負極材料に用いたリチウムイオン2次電池が実用化されつつある。
Thus, conventionally, as a negative electrode for a lithium ion secondary battery, a material obtained by applying a carbon-based material such as graphite as an active material to a copper foil as a current collector is mainly used. The negative electrode for a lithium ion secondary battery needs to have a large energy that can be taken out per unit weight (high energy density) and an excellent charge / discharge cycle life. From this point, From the viewpoint of graphite, it can be said that although the theoretical energy capacity is low (372 mAh / g), it has an excellent charge / discharge cycle life.
However, in order to cope with further reduction in size and weight in recent years, tin (993 mAh / g) having a high theoretical energy capacity has attracted attention in place of carbon-based materials such as graphite, and
一方、電池構造として、図8に示すように、帯状の正極2と帯状の負極1とを帯状のセパレータ3を介してその長さ方向に巻回することによって構成される渦巻式の巻回電極体構造が有効である。この巻回電極体構造では、電極面積が大きくとれるために比較的消費電流の大きい、重負荷による使用にも耐えることができる。
そして巻回電極体では、電極面積を大きくしかつ活物質又は活物質担持体を限られた空間内にできるだけ多く充填できるように電極を薄くすることが電池性能向上の点から望ましい。
なお、図8で符号5は電池缶、7は正極、11は負極リード、12は正極リードである。
On the other hand, as a battery structure, as shown in FIG. 8, a spiral wound electrode constituted by winding a strip-like
In the wound electrode body, it is desirable from the viewpoint of improving battery performance that the electrode area is increased and the electrode is thinned so that the active material or the active material carrier can be filled as much as possible in the limited space.
In FIG. 8,
このような、集電体とされる銅箔上に活物質が設けられた電極に必要とされる要件としては、a)充放電に伴うリチウムイオンが透過し易いように多孔質であること、b)電子の伝導経路が十分確保されるように電気抵抗が低いこと、c)活物質の充填度が大きいこと、などが挙げられる。
そして、従来、集電体とされる銅箔上に活物質が設けられる電極やその製造方法には、特許文献1〜5に開示されているものが知られている。
The requirements for an electrode provided with an active material on a copper foil to be a current collector are as follows: a) it is porous so that lithium ions associated with charge / discharge are easily transmitted; b) low electrical resistance so as to ensure a sufficient electron conduction path; c) high active material filling.
And the thing currently disclosed by patent documents 1-5 is conventionally known for the electrode by which an active material is provided on the copper foil used as an electrical power collector, and its manufacturing method.
特許文献1には、リチウムイオン2次電池に代表される非水電解液2次電池用電極板及び該電極板の製造方法に関するものが記載されている。
この非水電解液2次電池用電極板の製造方法は、少なくとも活物質と結着剤(バインダ)とを混錬して電極塗工液を調製する工程と、この電極用塗工液を集電体上に塗工する工程と、集電体上に塗工された塗工液を乾燥して活物質が含有された塗工膜を形成する工程を有する非水電解液2次電池用電極板を製造する非水電解液2次電池用電極板の製造方法であり、電極塗工液を2回以上の塗工工程及び乾燥工程に分けて塗工、乾燥して所定の膜厚の塗工膜を集電体上に形成し、且つ1回目の塗工工程及び乾燥工程によって形成される塗工膜の乾燥膜厚が、2回目の塗工工程及び乾燥工程によって形成される2回目のみの塗工膜の乾燥膜厚よりも厚く、且つ更に塗工回数が増加した場合には、塗工回数が増加するにつれてそれぞれの工程で形成される塗工膜の乾燥膜厚が順次減少する様に構成したものである。
The method for producing an electrode plate for a non-aqueous electrolyte secondary battery includes a step of kneading at least an active material and a binder (binder) to prepare an electrode coating solution, and collecting the electrode coating solution. A non-aqueous electrolyte secondary battery electrode comprising a step of coating on an electric body and a step of drying a coating liquid coated on the current collector to form a coating film containing an active material A method for producing an electrode plate for a non-aqueous electrolyte secondary battery for producing a plate, wherein the electrode coating solution is divided into two or more coating steps and a drying step, and is applied and dried to give a predetermined film thickness. The film thickness is formed on the current collector, and the dry film thickness of the coating film formed by the first coating process and the drying process is only the second time formed by the second coating process and the drying process. If the coating thickness is greater than the dry film thickness of the coating film and the number of coatings is further increased, it is formed in each step as the number of coatings increases. Dry thickness of the coating film is one that was constructed so as to decrease successively to.
この非水電解液2次電池用電極板の製造方法では、集電体上に電極塗工液を塗工処理、乾燥処理して塗工膜を形成する際に、集電体界面における結着剤の存在量を減少させることなく塗工膜を形成することによって、集電体と塗工膜との密着性を損なうことなく十分な厚みの塗膜を形成させることができ、また、従来よりも速い乾燥を可能とすることによって、電極板の製造における生産性を向上させることが可能となる。 In this method of manufacturing an electrode plate for a non-aqueous electrolyte secondary battery, when an electrode coating solution is applied and dried on a current collector to form a coating film, binding at the current collector interface is performed. By forming a coating film without reducing the amount of agent present, it is possible to form a sufficiently thick coating film without impairing the adhesion between the current collector and the coating film. In addition, by enabling fast drying, it is possible to improve productivity in manufacturing the electrode plate.
特許文献2には、集電体上に活物質層を形成するリチウムイオンニ次電池用電極の製造方法に関するものが記載されている。
このリチウムイオンニ次電池用電極の製造方法は、蒸着源に含まれる蒸着材料を加熱することにより蒸発させて堆積する蒸着法を用いて、リチウムと合金化する活物質を含む活物質層を、リチウムと合金化しない金属を含む集電体上に形成する工程と、蒸着源に含まれる蒸着材料を加熱することにより蒸発させて堆積する際に、集電体と蒸着源との間に少なくとも1回物理的に遮断する工程を備えるようにしたものである。
The method for manufacturing an electrode for a lithium ion secondary battery includes an active material layer containing an active material that is alloyed with lithium by using a vapor deposition method in which a vapor deposition material included in a vapor deposition source is evaporated to be deposited by heating. At least once between the current collector and the vapor deposition source when the vapor deposition material contained in the vapor deposition source is evaporated and deposited by heating. A step of physically blocking is provided.
このリチウムイオンニ次電池用電極の製造方法では、堆積する際に、集電体と蒸着源との間を少なくとも1回物理的に遮断されるため、集電体の温度上昇に起因する劣化が抑制されると共に、集電体上の活物質層の加熱も抑制されるため活物質層中に導入される酸素の量を低減することができる。その結果、容量低下の抑制と共に、初期充放電特性や充放電サイクル特性の低下を抑制することができる。 In this method for manufacturing an electrode for a lithium ion secondary battery, the current collector and the vapor deposition source are physically interrupted at least once during deposition, so that deterioration due to temperature rise of the current collector is suppressed. In addition, since heating of the active material layer on the current collector is also suppressed, the amount of oxygen introduced into the active material layer can be reduced. As a result, it is possible to suppress a decrease in initial charge / discharge characteristics and charge / discharge cycle characteristics as well as a decrease in capacity.
特許文献3には、リチウムイオン2次電池に代表されるアルカリ金属イオンの可逆的な吸蔵・放出を利用した非水系2次電池用負極材料に関するものが記載されている。
この非水系2次電池用負極材料の製造方法は、原料を加熱して溶融して溶融物を得る工程と、溶融物を凝固させる工程とを含む非水系2次電池用負極材料の製造方法であって、原料を溶融する工程と溶融物を凝固させる工程において材料の温度が300℃以上の温度域にある過程を非酸化性雰囲気中で実施するようにしたものである。
The method for producing a negative electrode material for a non-aqueous secondary battery is a method for producing a negative electrode material for a non-aqueous secondary battery including a step of heating and melting a raw material to obtain a melt, and a step of solidifying the melt. In the process of melting the raw material and the process of solidifying the melt, the process in which the temperature of the material is in the temperature range of 300 ° C. or higher is performed in a non-oxidizing atmosphere.
この非水系2次電池用負極材料の製造方法では、合金粉体からなる非水系2次電池用負極材料の粉体の比電気抵抗を一定以下とすることにより、放電容量とサイクル寿命の何れも良好な負極材料を確実に得ることができる。 In this method for producing a negative electrode material for a non-aqueous secondary battery, both the discharge capacity and the cycle life can be achieved by setting the specific electrical resistance of the powder of the negative electrode material for the non-aqueous secondary battery made of an alloy powder to a certain value or less. A good negative electrode material can be obtained reliably.
特許文献4には、リチウムイオン2次電池を対象とするものではないが、電気自動車などに用いられるニッケル水素電池、ニッカド水素電池などの2次電池としての基本性能を高め得るようにした2次電池負極板の製造方法に関するものが記載されている。
この2次電池負極板の製造方法は、一対の圧延ロール間に、多数の貫通孔を有する薄板状の芯材を通しながら、水素吸蔵合金粉末を芯材の表面に供給して加熱圧延を行い、この芯材の両面に対し水素吸蔵合金粉末を焼結固着させるようにしたものである。
Patent Document 4 is not intended for a lithium ion secondary battery, but a secondary battery capable of improving basic performance as a secondary battery such as a nickel metal hydride battery or a nickel cadmium hydrogen battery used in an electric vehicle or the like. A method for manufacturing a battery negative electrode plate is described.
In this method of manufacturing a secondary battery negative electrode plate, a hydrogen storage alloy powder is supplied to the surface of the core material while being rolled while passing through a thin plate-shaped core material having a large number of through holes between a pair of rolling rolls. The hydrogen storage alloy powder is sintered and fixed to both surfaces of the core material.
この2次電池負極板の製造方法では、芯材に対して水素吸蔵合金粉末を有機バインダを使用することなく強固に且つ粒子同志を大きく結合させて固着し得、水素吸蔵合金粉末の粒子相互間を電気的に接続し且つ芯材と水素吸蔵合金粉末との接触面積を大きく確保して良好な導電性ネットワークを形成させることなどができる。
しかしながら、従来知られている電極の製造方法は、特許文献1に記載されている、活物質と結着剤(バインダ)とを混錬して電極塗工液を集電体上に塗工、乾燥して電極を形成する方法では、結着剤が乾燥により除去されるため活物質が多孔質に形成されるが、この結着剤自体の存在により活物質の充填度の向上が妨げられると共に、電気抵抗が増大してしまう不都合がある。
また、特許文献2に記載されている、蒸着などにより集電体上に電池用の活物質を堆積させる方法では、活物質自体の充填率は向上するものの、膜としては多孔質とすることが難しく、リチウムイオンの透過性が不十分となるため電流容量を得ることができない不都合がある。
However, a conventionally known method for producing an electrode is described in
Moreover, in the method of depositing an active material for a battery on a current collector by vapor deposition or the like described in
また、特許文献3に記載されている、加熱により溶融させたのち凝固させる方法では、一般にバッチ処理により加熱、冷却することになるため、熱処理時間が長くなる不都合がある。
さらに、特許文献4に記載されている、合金粉末のみをバインダレスで芯材に圧延ロールを用いて焼結固着させる方法では、合金粉末同士は多孔質に結着され電気抵抗も小さく、また充填率も確保されるものの、芯材にある程度の厚さと強度を有するものを用いる必要があり負極板そのものの厚さが大きくなり電子機器類への用いるには不都合となる。
In addition, the method of melting and solidifying by heating described in
Furthermore, in the method described in Patent Document 4 in which only the alloy powder is sintered and fixed to the core material using a rolling roll without a binder, the alloy powders are bonded to each other in a porous manner and have a low electrical resistance and are filled. Although the rate is secured, it is necessary to use a core material having a certain thickness and strength, and the thickness of the negative electrode plate itself becomes large, which is inconvenient for use in electronic devices.
本発明はかかる点に鑑み、生産性が良好で、リチウムイオン2次電池に使用して好適な電池用電極の製造方法及び製造装置を提案するものである。 In view of this point, the present invention proposes a manufacturing method and a manufacturing apparatus for a battery electrode that have good productivity and are suitable for use in a lithium ion secondary battery.
上記課題を解決するため、本発明は集電基材上に活物質を固定する電池用電極の製造方法において、粉体状の活物質を所定の薄さに設ける第1工程と、粉体状の活物質の側からレーザスキャンし、このレーザ光の照射熱により粉体状の活物質同士の結着及び活物質の集電基材への固定する第2工程と、を有し、第1及び第2工程を集電基材上に活物質が所定の厚さになるまで繰返し行なうようにしたものである。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a battery electrode manufacturing method for fixing an active material on a current collecting base material, a first step of providing a powdery active material in a predetermined thickness, A second step of performing laser scanning from the side of the active material and binding the powdered active materials to each other and fixing the active material to the current collecting base material by the irradiation heat of the laser light. The second step is repeated until the active material has a predetermined thickness on the current collecting base material.
このように構成した電池用電極の製造方法によれば、集電基材上に薄く設けた粉体状の活物質に対しレーザ光を照射して粉体状の活物質を僅か溶解させ、粉体状の活物質と集電基材とを固定することができる。そして、この上に新たに粉体状の活物質の層を設けてからレーザ光を照射することにより先の活物質に対して新たな活物質の層を結着することができるので、複数回繰り返して所定の厚さまで結着剤(バインダ)を用いずに集電基材上に活物質を形成することができる。また、活物質の粉体粒径と加熱条件により結着後の多孔質の状態を変化させ充填率を調整することができる。 According to the battery electrode manufacturing method configured as described above, the powdered active material thinly provided on the current collecting base material is irradiated with laser light to slightly dissolve the powdered active material, and the powder The body-shaped active material and the current collecting base material can be fixed. A new active material layer can be bonded to the previous active material by irradiating a laser beam after a new powdery active material layer is provided thereon. The active material can be formed on the current collecting base material repeatedly without using a binder (binder) up to a predetermined thickness. Further, the filling rate can be adjusted by changing the porous state after the binding according to the powder particle size of the active material and the heating conditions.
また、本発明は上記記載の電池用電極の製造方法において、第2工程を非酸化性の雰囲気中で行なうようにしたものである。 Further, according to the present invention, in the method for manufacturing a battery electrode described above, the second step is performed in a non-oxidizing atmosphere.
このように構成した電池用電極の製造方法によれば、集電基材及び活物質の酸化による電気抵抗の増大を抑制することができる。 According to the battery electrode manufacturing method configured as described above, an increase in electrical resistance due to oxidation of the current collecting base material and the active material can be suppressed.
また、本発明は上記記載の電池用電極の製造方法において、集電基材を銅箔とし、集電基材が銅箔ロールから繰り出されて連続的に供給されるようにしたものである。 Moreover, this invention makes the current collection base material copper foil in the manufacturing method of the battery electrode described above, and the current collection base material is drawn out from the copper foil roll and continuously supplied.
このように構成した電池用電極の製造方法によれば、銅箔の集電基材に対して活物質を固定すると共に活物質同士を結着する処理を連続的に行なうことができる。 According to the battery electrode manufacturing method configured as described above, it is possible to continuously perform the process of fixing the active material to the current collector base material of the copper foil and binding the active materials to each other.
上記課題を解決するため、本発明電池用電極の製造装置は、箔状の集電基材を供給する供給ロールと、処理後の集電基材を巻き取る巻取りロールと、加熱処理用のレーザ光の光源と、このレーザ光のスキャン機構と、電池用電極の粉体状の活物質の供給機構と、粉体状の活物質を集電基材上に設けるスキージと、粉体状の活物質を集電基材上で所定の薄さに設けるスキージ高さ調整とスキージの移動とを行うスキージ駆動機構と、レーザ光の照射部での非酸化性の雰囲気形成機構と、を備え、供給ロール状から繰り出された集電基材上にスキージにより所定薄さに粉体状の活物質を設けると共に、レーザ光をスキャンして照射熱により粉体状の活物質同士の結着及び活物質の集電基材への固定を行なうようにしたものである。 In order to solve the above-described problems, the battery electrode manufacturing apparatus of the present invention includes a supply roll for supplying a foil-like current collecting base material, a winding roll for winding up the current collecting base material after the treatment, A laser light source, a scanning mechanism of the laser light, a powdery active material supply mechanism of the battery electrode, a squeegee for providing the powdery active material on the current collector, and a powdery material A squeegee drive mechanism for adjusting the squeegee height and moving the squeegee to provide the active material in a predetermined thickness on the current collecting base; and a non-oxidizing atmosphere forming mechanism in the laser light irradiation section, A powdery active material is provided in a predetermined thickness by a squeegee on a current collecting substrate drawn out from a supply roll, and a laser beam is scanned to bind and activate the powdery active materials by irradiation heat. The substance is fixed to the current collecting base material.
このように構成した本発明電池用電極の製造装置によれば、酸化による電気抵抗の増大を回避しつつロール状の集電基材に対して活物質を連続的に固定すると共に活物質同士を結着し電池用電極を作製することができる。 According to the apparatus for manufacturing an electrode for a battery of the present invention configured as described above, the active material is continuously fixed to the roll-shaped current collecting base material while avoiding an increase in electrical resistance due to oxidation, and the active materials are bonded to each other. A battery electrode can be produced by binding.
本発明電池用電極の製造方法によれば、結着剤(バインダ)を用いずに集電基材への活物質の形成処理を連続的に行なうことができるので、生産上の効率を確保した上で活物質の充填性の向上と電気抵抗の改善を図ることができると共に、粉体の粒径や加熱条件により活物質の多孔質性を調整できリチウムイオンの透過性を改善することができる。 According to the method for manufacturing an electrode for a battery of the present invention, the formation of an active material on a current collecting base material can be continuously performed without using a binder (binder), so that production efficiency is ensured. It is possible to improve the filling property of the active material and the electrical resistance, and adjust the porosity of the active material according to the particle size of the powder and the heating conditions, thereby improving the lithium ion permeability. .
また、本発明電池用電極の製造装置によれば、酸化による電気抵抗の増大を回避しつつロール状の集電基材に対して活物質を連続的に固定した電池用電極を作製することができる。 In addition, according to the battery electrode manufacturing apparatus of the present invention, it is possible to produce a battery electrode in which an active material is continuously fixed to a roll-shaped current collecting base material while avoiding an increase in electrical resistance due to oxidation. it can.
本発明電池用電極の製造方法及び製造装置を実施するための最良の形態の例を図1〜図8を参照して説明する。 An example of the best mode for carrying out the method and apparatus for producing a battery electrode of the present invention will be described with reference to FIGS.
先ず、本例の電池用電極を説明する。
本例の電極が用いられる電池構造として、図8に示すように、帯状の負極1と帯状の正極2とを帯状のセパレータ3を介してその長さ方向に巻回されて構成される、渦巻式の巻回電極体構造で説明する。この巻回電極体構造では、電極面積を大きくとることができるため比較的消費電流が大きく重負荷となる電子機器での使用にも耐えることができる。
そして巻回電極体では、電池性能向上の点から電極面積を大きくしかつ活物質又は活物質担持体を限られた空間内にできるだけ多く充填できるように電極が薄く形成される。
以下では、負極1を例に説明する。
First, the battery electrode of this example will be described.
As a battery structure in which the electrode of this example is used, as shown in FIG. 8, a spiral formed by winding a strip-shaped
In the wound electrode body, the electrode is thinly formed so that the electrode area is increased from the viewpoint of improving the battery performance and the active material or the active material carrier can be filled in the limited space as much as possible.
Below, the
図2は、上述図8に示すリチウムイオン2次電池の帯状の負極1を取り出し展開した負極材料41の斜視図である。図で41aは負極集電体である銅箔、41bは銅箔41aの面上に層状に形成されたCu(銅)粉とSn(錫)粉からなる負極活物質である。
このように、帯状に形成された負極材料41がセパレータ3を介して正極材料と共に巻回され、図8に示すように、負極1及び正極2として収納され電池が構成される。
FIG. 2 is a perspective view of the
Thus, the
図3は、負極材料41の断面を拡大して示した構造の模式図である。この負極材料41は、例えば粒径20μmのCu粉とSn粉とを重量比で1:1の割合で混合した粉体40を略20μm厚の銅箔41aの片面に、略50μmの厚みとなるようにバインダを用いずに固着させたものである。
このとき、銅箔41aの一面上で、負極活物質41bとなる混合粉体40が溶融により銅箔41aと固着され、さらに粉体40を構成するCu粉とSn粉とは完全に溶解することがない加熱条件によりその表面のみが溶融され互いに結着される。そして、混合粉体40の粒子間にリチウムイオンが透過できるような空間が残存するようにする。
FIG. 3 is a schematic diagram of a structure showing an enlarged cross section of the
At this time, the
次に、この負極材料41の製造装置を、図1,図4,図5を参照して説明する。
図1は、本例における負極材料41の製造装置の構成の説明図である。負極材料41の製造装置は、ロール状に巻回された銅箔50を供給するための繰出しロール52と処理後の銅箔50を巻き取る巻取りロール53と図示しないロール駆動制御機構と、混合粉体40を供給するホッパ55と、銅箔50上に供給された混合粉体40を所定厚に均(なら)すスキージ56と、このスキージ56を駆動するスキージ駆動機構51及びレーザ光照射機構57などから構成される。
Next, the manufacturing apparatus of this
FIG. 1 is an explanatory diagram of a configuration of a manufacturing apparatus for the
銅箔50は、厚さが例えば略20μmで、幅が略300mmで長さが数mのもので、当初は繰出しロール52に巻回される。そして、巻回された銅箔50の一端が巻取りロール53に固定される。そして、図示しないロール駆動制御機構により、図1に示す両矢印の左右の向きに、所定量移動自在とされる。
ホッパ55は、底に設けられたスリット状の開口を開閉自在とする蓋が設けられた断面がラッパ状の容器である。そして、底の蓋を所定時間開くことでホッパ55内に供給された粉体40が、所定量だけ銅箔50上の幅方向に細長く供給されるようにしている。
スキージ56は、銅箔50上に供給された粉体40を、所定厚さとなるように均すもので、粉体40の厚さの精度を確保するため耐磨耗性を有する金属などで作製される。
The
The
The
スキージ駆動機構51は、図1に示す矢印のように、スキージ56を銅箔50上面との間で所定の間隙となるように昇降自在とすると共に、銅箔50上面に略平行に移動自在としてスキージ動作を行なわせることができるようにしている。
レーザ光照射機構57は、図4Aに示すように、例えばYAGレーザ、あるいはCO2(炭酸ガス)レーザなどを用いたレーザ発振器58と、このレーザ発振器58からのレーザ光を照射部付近まで導く光路59と、光路59により導かれたレーザ光を所定照射スポット径まで絞るレーザ集光系60及びこのレーザ集光系60を移動駆動する図示しないスキャン機構などから構成される。
なお、図4Aで符号54は、非酸化性ガスによるアシストガス54aが充填されたボンベである。アシストガス54aは、後述する切断ノズル60c(図4B)から照射されるレーザスポット周辺に吹き付けられ、溶融した領域を酸化させないように空気から遮断するようにしている。
The
As shown in FIG. 4A, the laser
In FIG. 4A,
レーザ集光系60には、図4Bに示すように、例えば光路59からのレーザ光を略鉛直方向に反射する反射鏡60aと、ビーム径を小さく絞るための集光レンズ60bと、このレーザ集光系60の下端にレーザ光を出射すると共にアシストガス54aをレーザ光の照射部分に吹き付ける切断ノズル60cが設けられる。そして、レーザ集光系60は、図示しないスキャン機構により、図1に示す紙面の前後方向に移動自在とされる。
なお、図4Bで60aは反射ミラーで、Lはレーザ光を示している。
As shown in FIG. 4B, the
In FIG. 4B,
このように構成された負極材料41の製造装置では、ホッパ55から銅箔50上に供給された粉体40が、ロール駆動機構により移動されたのちスキージ56で所定の厚さと幅に均される。そして、この状態でレーザ集光系60を、図1に示す前後方向にスキャンすると共に、銅箔50を僅かずつ右方向に移動させることで、均された粉体40の所望の範囲について、その上方からレーザ光を照射して加熱し銅箔50上に粉体40を固着させると共に、粉体40同士を結着させることができる。
In the manufacturing apparatus for the
以下、負極材料41の製造方法を、図5〜図8を参照して説明する。
Hereinafter, the manufacturing method of the
先ず、銅箔50上への混合粉体40の供給を側面図5A〜D,平面図6A〜Eを参照して説明する。
図5A及び図6Aに示すように、ホッパ55内の混合粉体40が所定量、銅箔50上に供給される。
そして、図5B及び図6Bに示すように、図示しないロール駆動制御機構により、銅箔50が所定距離だけ矢印の方向に駆動され、粉体40がスキージ56の図に示す右側に配するようにされる。つまり、銅箔50が所定量だけ繰出しロール52から繰り出されると共に巻取りロール53に巻き取られる。
First, the supply of the
As shown in FIGS. 5A and 6A, a predetermined amount of the
5B and 6B, the
その後、図5Cに示すように、スキージ56の下面が銅箔50の上面に対して所定の間隙、例えば50μmとなるように、スキージ駆動機構(図1)により下降駆動され、下降した状態でスキージ56が図5C及び図6Cに示す矢印の方向に駆動される。このときの、均されて薄い層とされた粉体を40aで示す。
そして、図5Dに示すように、スキージ56自体は元の図5Aに示す位置に戻される。
Thereafter, as shown in FIG. 5C, the
Then, as shown in FIG. 5D, the
次に、図6Dに示すように、レーザ集光系60を図に示す上下方向にスキャンすると共に、銅箔50を図に示す右方向に間欠移動させながら、レーザ光を粉体40aの上方から照射して加熱し、銅箔50と粉体40aとを固着させると共に、粉体40aのCu粉粒とSn粉粒同士を結着させる。固定された状態の粉体40aを40bで示す。この固定された粉体40bが負極活物質41bとなる。
Next, as shown in FIG. 6D, the
そして、粉体40aが固定された負極活物質41bをより厚く形成するときは、銅箔50を図6Dに示す左方向に、図5A及び図6Aの位置まで巻き戻してさらに粉体40を供給し、スキージ56を銅箔50上面から例えば100μmの高さまで下降させてから上述と同様の図5A〜D及び図6A〜Dの手順により負極活物質41bをさらに積層することができる。
そして、図6Eに示すように、粉体40の積層処理により所望の厚さの固定された負極活物質41bが形成されたとき、銅箔50を図の矢印に示す右方向に移動させると共に、負極活物質41bが形成された銅箔50を所定量巻取りロール53に巻き取る。
When the negative electrode
As shown in FIG. 6E, when the negative electrode
上述図5A〜D及び図6A〜Eに示す処理を繰り返すことにより、ロール状とされた銅箔50上に複数の帯状とされた負極活物質41bが連続的に形成される。そして、巻取りロール53の帯状の負極活物質41bが複数形成された銅箔ロールは、別の整形処理装置により所定の寸法に切り出されて負極材料41とされる。
なお、銅箔50上でスキージ56により均される粉体40aの厚さは、当該レーザ光照射機構57によるレーザ光の照射したとき、銅箔50と粉体40aとが固着すると共に、粉体40同士が結着するのであれば、ここで示した略50μmの厚さに限らず、レーザ光照射機構57の性能により適宜変更することができるものである。
By repeating the processes shown in FIGS. 5A to 5D and FIGS. 6A to 6E, a plurality of strip-shaped negative electrode
The thickness of the
以下、本発明による実施例について、図2,図7を参照して説明する。 Embodiments according to the present invention will be described below with reference to FIGS.
図7は本実施例のリチウムイオン2次電池の概略的な縦断図面であり、上述図2はこの電池に用いることのできる帯状の負極材料41の斜視図である。この電池を以下のように作製した。
FIG. 7 is a schematic longitudinal sectional view of the lithium ion secondary battery of this example, and FIG. 2 is a perspective view of a strip-like
まず、帯状の負極材料41は、粒径それぞれ20μmのCu粉体およびSn粉体(重量比1:1)の混合粉体40を用意し、これをスキージ56により50μmの厚みとなるように銅箔50上に均す。この銅箔50を巻き取りにより移動させつつレーザにより加熱焼結させ、電極を作製した。処理の雰囲気は、アシストガスを窒素ガスとして行った。
なお、成形後の負極活物質41bの層の膜厚は完全には溶解していないので略50μmであり、帯状の負極材料41の幅は41.5mm、長さは280mmとした。
First, as the strip-like
The film thickness of the layer of the negative electrode
次に、正極材料42は次のようにして作製した。炭酸リチウム0.5モルと炭酸コバルト1モルとを混合して900℃の空気中で5時間焼成することによって、LiCoO2 を得た。
このLiCoO2 を正極活物質とし、このLiCoO2 91重量部に導電剤としてのグラファイト6重量部と結着剤としてのポリフッ化ビニリデン3重量部とを混合して、正極活物質を調製した。この正極活物質を溶剤N−メチル−2−ピロリドンに分散させてスラリー(ペースト状)にした。
Next, the positive electrode material 42 was produced as follows. LiCoO 2 was obtained by mixing 0.5 mol of lithium carbonate and 1 mol of cobalt carbonate and firing in air at 900 ° C. for 5 hours.
Using this LiCoO 2 as a positive electrode active material, 6 parts by weight of graphite as a conductive agent and 3 parts by weight of polyvinylidene fluoride as a binder were mixed with 91 parts by weight of LiCoO 2 to prepare a positive electrode active material. This positive electrode active material was dispersed in a solvent N-methyl-2-pyrrolidone to form a slurry (paste).
次に、この正極活物質スラリーを、厚さ20μmの帯状のアルミニウム箔である正極集電体10の両面に均一に塗布してから、自然対流式電機乾燥装置により120℃で正極活物質中の溶剤を乾燥し、この乾燥後にローラプレス機により圧縮成型して正極集電体10の両面に正極活物質42aの層を有する帯状の正極材料42を得た。
Next, this positive electrode active material slurry is uniformly applied to both surfaces of the positive electrode
なお、成型後の正極活物質42aの膜厚は両面共に80μmで同一であり、帯状の正極材料42の幅は39.5mm、長さは230mmとした。 The film thickness of the positive electrode active material 42a after molding was the same at both sides of 80 μm, and the width of the strip-like positive electrode material 42 was 39.5 mm and the length was 230 mm.
以上のように作製した帯状の負極材料41と、帯状の正極材料42と、厚さが25μmで幅が44mmの微多孔性ポリプロピレンフィルムから成る一対の帯状のセパレータ3a、3bとを用いて、負極材料41、セパレータ3a、正極材料42、セパレータ3bの順に4層に積層させ、この4層構造の積層電極体をその長さ方向に沿って負極材料41を内側にして渦巻状に多数回巻回することによって巻回電極体15を作製した。この際、巻回電極体15の巻回最終端部を接着テープによって固定した。
Using the strip-shaped
この巻回電極体15の中心部の中空部分の内径は3.5mm、外径は13.9mmであった。なお、この中空部分に巻芯33が位置している。
The inner diameter of the hollow portion at the center of the
上述のように作製した渦巻式の巻回電極体15を図7に示すように、ニッケルめっきを施した鉄製の電池缶5に収容した。
The spiral wound
また、負極材料41及び正極材料42の集電をそれぞれ行うために、ニッケル製の負極リード11を予め負極集電体41aに取付け、これを負極材料41から導出して電池缶5の底面に溶接し、またアルミニウム製の正極リード12を予め正極集電体42aに取付け、これを正極材料42から導出して金属製の安全弁34の突起部34aに溶接した。
Further, in order to collect the current of the
その後、電池缶5の中にプロピレンカーボネートと1,2−ジメトキシエタンとの等容量混合溶媒にリチウム塩のLiPF6 を1モル/1モルの割合で溶解した非水電解液を注入して、巻回電極体15に含浸させた。
Thereafter, a non-aqueous electrolyte solution in which LiPF6 as a lithium salt is dissolved at a ratio of 1 mol / 1 mol in an equal volume mixed solvent of propylene carbonate and 1,2-dimethoxyethane is injected into the battery can 5 and wound. The
この前後に、巻回電極体15の上端面及び下端面に対向するように、電池缶5内に円板状の絶縁板4a及び4bをそれぞれ配設した。
Before and after this, disk-shaped insulating
この後、電池缶5、互いに外周が密着している安全弁34及び金属製の電池蓋7のそれぞれを、表面にアスファルトを塗布した絶縁封口ガスケット6を介してかしめることによって、電池缶5を封口した。これにより電池蓋7及び安全弁34を固定するとともに電池缶5内の気密性を保持させた。また、このとき、ガスケット6の図7における下端が絶縁板4aの外周面と当接することによって、絶縁板4aが巻回電極体15の上面側と密着する。
Thereafter, the battery can 5 is sealed by caulking the battery can 5, the
以上のようにして、直径14mm、高さ50mmの円筒型リチウムイオン2次電池を作製した。この実施例1の電池を便宜上電池Aとする。 As described above, a cylindrical lithium ion secondary battery having a diameter of 14 mm and a height of 50 mm was produced. The battery of Example 1 is referred to as battery A for convenience.
なお、上記円筒型リチウムイオン2次電池は、二重の安全装置を構成するために、安全弁34、ストリッパ36、これらの安全弁34とストリッパ36とを一体にするための絶縁材料から成る中間嵌合体35を備えている。また、図示しないが安全弁34にはこの安全弁34が変形したときに開裂する開裂部が、電池蓋7には孔が設けられている。
The cylindrical lithium ion secondary battery includes a
負極材料を従来から用いられている構成とし、他は上述電池Aと同じ手順により作製した。 The negative electrode material was used in the conventional structure, and the others were produced by the same procedure as the battery A described above.
負極材料の出発原料としての石油ピッチに酸素を含む官能基を10〜20重量%導入する酸素架橋をした後、この酸素架橋された前駆体を不活性ガスの気流中にて1000℃で焼成することによって、ガラス状炭素に近い性質を持った炭素質材料を得た。この炭素質材料を粉砕し、平均粒径10μmの炭素質材料粉末とした。 After oxygen crosslinking in which 10 to 20% by weight of a functional group containing oxygen is introduced into petroleum pitch as a starting material for the negative electrode material, the oxygen-crosslinked precursor is fired at 1000 ° C. in an inert gas stream. As a result, a carbonaceous material having properties similar to glassy carbon was obtained. This carbonaceous material was pulverized to obtain a carbonaceous material powder having an average particle size of 10 μm.
以上のようにして得た炭素質材料を負極活物質担持体とし、この炭素質材料の粉末90重量部と結着剤としてのポリフッ化ビニリデン(PVDF)10重量部とを混合し、負極活物質を調製した。この負極活物質を、溶剤であるN−メチル−2−ピロリドンに分散させてスラリー(ペースト状)した。 The carbonaceous material obtained as described above is used as a negative electrode active material carrier, 90 parts by weight of the powder of the carbonaceous material and 10 parts by weight of polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder are mixed, and the negative electrode active material is mixed. Was prepared. This negative electrode active material was dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent and slurried (pasted).
次に、この負極活物質スラリーを厚さ10μmの帯状の銅箔である負極集電体41aの両面に均一に塗布してから、自然対流式電気乾燥機により90℃で負極活物質スラリー中の溶剤を乾燥し、この乾燥後にローラプレス機により圧縮成型して図3に示すように負極集電体41aの両面に負極活物質の層を有する帯状の負極材料41を得た。上記乾燥は、上述の自然対流式電気乾燥機中で、設定温度を90℃にして、この電気乾燥機内の雰囲気温度を90℃としながら空気を自然対流させながら行った。
Next, the negative electrode active material slurry was uniformly applied to both surfaces of the negative electrode
なお、成形後の負極活物質の膜厚は両面共に80μmで同一であり、帯状の負極材料41の幅は41.5mm、長さは280mmとした。
The film thickness of the negative electrode active material after molding was 80 μm on both sides, and the width of the strip-shaped
そして、実施例1において説明した正極材料42を、この負極材料41と組み合わせて、直径14mm、高さ50mmの円筒型リチウムイオン2次電池を作製した。この比較例の電池を便宜上電池Bとする。
The positive electrode material 42 described in Example 1 was combined with the
このようにして作製した電池Aと電池Bの電池容量を測定した結果、電池Aの電池容量が電池Bよりも1.5倍の容量が得られることが分かった。
これは、負極材料41がCu粉とSn粉との混合粉体40を加熱処理して適正な多孔質性を有するようにしたため、電池Bによる炭素質材料よりも効率的にリチウムイオンを吸収・放出することができることによるものと考えられる。
As a result of measuring the battery capacities of the batteries A and B thus produced, it was found that the battery capacity of the battery A was 1.5 times that of the battery B.
This is because the
本例の電池用電極の製造方法によれば、結着剤(バインダ)が不要で非酸化性ガス雰囲気中での処理であるため、電極活物質の充填性の向上と電気抵抗を低減することができると共に、電極活物質の多孔質性を制御性の良いレーザ光により適正化させることができるのでリチウムイオンの拡散性を確保しサイクル寿命の向上に寄与させることができる。 According to the battery electrode manufacturing method of this example, since the binder (binder) is not required and the treatment is performed in a non-oxidizing gas atmosphere, improvement of the filling property of the electrode active material and reduction of electric resistance can be achieved. In addition, since the porous property of the electrode active material can be optimized by a laser beam with good controllability, the diffusibility of lithium ions can be secured and the cycle life can be improved.
本例の電池用電極の製造装置によれば、酸化による電気抵抗の増大を回避しつつ銅箔の集電基材に対して混合粉体の電極活物質を連続的に固定すると共に粉体活物質同士を結着させることができ、電池用電極を効率的に作製することができる。 According to the battery electrode manufacturing apparatus of the present example, the electrode active material of the mixed powder is continuously fixed to the copper foil current collecting base while avoiding an increase in electrical resistance due to oxidation, and the powder active Substances can be bound to each other, and a battery electrode can be efficiently produced.
本発明の電池用電極の製造方法及び製造装置は、上述例に限ることなく本発明の要旨を逸脱することなく、その他種々の構成を採り得ることは勿論である。 Of course, the battery electrode manufacturing method and manufacturing apparatus of the present invention are not limited to the above-described examples, and various other configurations can be adopted without departing from the gist of the present invention.
40…混合粉体、41b…負極活物質、50…銅箔、52…繰出しロール、53…巻取りロール、56…スキージ
40 ... Mixed powder, 41b ... Negative electrode active material, 50 ... Copper foil, 52 ... Feeding roll, 53 ... Winding roll, 56 ... Squeegee
Claims (4)
粉体状の前記活物質を所定の薄さに設ける第1工程と、
前記粉体状の活物質の側からレーザスキャンし、該レーザ光の照射熱により前記粉体状の活物質同士の結着及び前記活物質の前記集電基材への固定する第2工程と、
を有し、前記第1及び第2工程を前記集電基材上に前記活物質が所定の厚さになるまで繰返し行なうようにした
ことを特徴とする電池用電極の製造方法。 In the method for producing a battery electrode for fixing an active material on a current collecting substrate,
A first step of providing the powdery active material in a predetermined thickness;
A second step of performing a laser scan from the powdery active material side, binding the powdery active materials with the heat of irradiation of the laser light, and fixing the active material to the current collector base; ,
The battery electrode manufacturing method is characterized in that the first and second steps are repeatedly performed on the current collecting base material until the active material has a predetermined thickness.
前記第2工程を非酸化性の雰囲気中で行なうようにした
ことを特徴とする電池用電極の製造方法。 In the manufacturing method of the battery electrode of Claim 1,
A method for manufacturing a battery electrode, wherein the second step is performed in a non-oxidizing atmosphere.
前記集電基材を銅箔とし、前記集電基材が銅箔ロールから繰り出されて連続的に供給されるようにした
ことを特徴とする電池用電極の製造方法。 In the manufacturing method of the battery electrode of Claim 2,
A method for producing a battery electrode, wherein the current collecting base material is a copper foil, and the current collecting base material is fed from a copper foil roll and continuously supplied.
処理後の前記集電基材を巻き取る巻取りロールと、
加熱処理用のレーザ光の光源と、
該レーザ光のスキャン機構と、
電池用電極の粉体状の活物質の供給機構と、
前記粉体状の活物質を前記集電基材上に設けるスキージと、
前記粉体状の活物質を前記集電基材上で所定の薄さに設けるスキージ高さ調整と前記スキージの移動とを行うスキージ駆動機構と、
前記レーザ光の照射部での非酸化性の雰囲気形成機構と、
を備え、前記供給ロール状から繰り出された前記集電基材上に前記スキージにより所定薄さに前記粉体状の活物質を設けると共に、前記レーザ光をスキャンして照射熱により前記粉体状の活物質同士の結着及び前記活物質の前記集電基材への固定を行なうようにしたことを特徴とする電池用電極の製造装置。 A supply roll for supplying a foil-shaped current collecting substrate;
A winding roll for winding the current collecting base material after the treatment;
A laser light source for heat treatment;
A scanning mechanism of the laser beam;
A supply mechanism of a powdered active material of a battery electrode;
A squeegee for providing the powdery active material on the current collector;
A squeegee drive mechanism for adjusting the squeegee height and moving the squeegee, wherein the powdery active material is provided on the current collecting base material in a predetermined thickness;
A non-oxidizing atmosphere forming mechanism in the laser light irradiation portion;
The powdery active material is provided in a predetermined thickness by the squeegee on the current collecting base material fed out from the supply roll, and the powdery material is scanned by the laser beam and irradiated with heat. A battery electrode manufacturing apparatus characterized in that the active materials are bonded to each other and the active material is fixed to the current collecting base material.
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