JP5315595B2 - Battery electrode and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、電池用電極およびその製造方法に関する。特に本発明は、電池の出力特性を向上させるための改良に関する。 The present invention relates to a battery electrode and a method for producing the same. In particular, the present invention relates to an improvement for improving the output characteristics of a battery.
近年、大気汚染や地球温暖化に対処するため、二酸化炭素量の低減が切に望まれている。自動車業界では、電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)の導入による二酸化炭素排出量の低減に期待が集まっており、これらの実用化の鍵を握るモータ駆動用二次電池の開発が盛んに行われている。 In recent years, in order to cope with air pollution and global warming, reduction of the amount of carbon dioxide has been strongly desired. In the automobile industry, there is a great expectation for reducing carbon dioxide emissions by introducing electric vehicles (EV) and hybrid electric vehicles (HEV), and the development of secondary batteries for motor drive that holds the key to commercialization of these is thriving. Has been done.
モータ駆動用二次電池としては、全ての電池の中で最も高い理論エネルギーを有するリチウムイオン二次電池が注目を集めており、現在急速に開発が進められている。リチウムイオン二次電池は、一般に、バインダを用いて正極活物質等を正極集電体の両面に塗布した正極と、バインダを用いて負極活物質等を負極集電体の両面に塗布した負極とが、電解質層を介して接続され、電池ケースに収納される構成を有している。 As a secondary battery for driving a motor, a lithium ion secondary battery having the highest theoretical energy among all the batteries is attracting attention, and is currently being developed rapidly. Generally, a lithium ion secondary battery includes a positive electrode in which a positive electrode active material or the like is applied to both surfaces of a positive electrode current collector using a binder, and a negative electrode in which a negative electrode active material or the like is applied to both surfaces of a negative electrode current collector using a binder. However, it has the structure connected through an electrolyte layer and accommodated in a battery case.
上述したような自動車等のモータ駆動用電源として用いられるリチウムイオン二次電池には、携帯電話やノートパソコン等に使用される民生用リチウムイオン二次電池と比較して極めて高い出力特性を有することが求められており、かような要求に応えるべく鋭意研究開発が進められているのが現状である。 The lithium ion secondary battery used as a motor drive power source for automobiles as described above has extremely high output characteristics as compared with consumer lithium ion secondary batteries used in mobile phones, laptop computers, etc. The current situation is that research and development is underway to meet such demands.
ここで、自動車への搭載を念頭にリチウムイオン二次電池の出力特性を向上させるための技術として、例えば、Li−Mn−Ni複合酸化物を含有するリチウム二次電池用正極活物質であって、Li−Mn−Ni複合酸化物の1次粒子の平均直径が2.0μm以下であり、かつ、BET比表面積が0.4m2/g以上であることを特徴とするリチウム二次電池用正極活物質が開示されている(特許文献1を参照)。
上記特許文献1に記載の技術によれば、放電容量特性およびサイクル耐久性に優れるリチウムイオン二次電池が提供されうる。これは、正極活物質であるLi−Mn−Ni複合酸化物の平均直径および比表面積が上記の値に制御されると、電解液と接触可能な正極活物質の表面積が増大する結果、充放電反応が充分に進行しうるためであると考えられる。
According to the technique described in
このように、電極の活物質層に含まれる活物質の粒径をより減少させることは、電池の高出力化の観点からは好ましい。しかしながら、高出力化に寄与する導電ネットワークを効率的に構築させるためには、過剰量の導電助剤やバインダが必要となり、それにより電極の体積が増大し、体積あたりの容量が低下するという問題があった。 Thus, it is preferable to reduce the particle size of the active material contained in the active material layer of the electrode from the viewpoint of increasing the output of the battery. However, in order to efficiently build a conductive network that contributes to higher output, an excessive amount of conductive auxiliary agent or binder is required, which increases the volume of the electrode and decreases the capacity per volume. was there.
そこで本発明は、リチウムイオン二次電池において、導電助剤やバインダの使用量の増加に伴う体積あたりの容量の低下を最小限に抑制しつつ、出力特性を向上させうる手段を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention provides a means capable of improving output characteristics in a lithium ion secondary battery while minimizing a decrease in capacity per volume due to an increase in the use amount of a conductive additive or a binder. Objective.
本発明者らは、上記の課題に鑑み、鋭意研究を積み重ねた結果、活物質層中のバインダとして、分子量が高い高分子材料を用いることにより、電極の体積を低減でき、電極体積あたりの出力を増大させることができることを見出した。 As a result of accumulating intensive studies in view of the above problems, the present inventors can reduce the volume of the electrode by using a high molecular weight polymer material as the binder in the active material layer, and the output per electrode volume. It has been found that can be increased.
すなわち、本発明は、集電体と、前記集電体の表面に配置された、活物質および粘度平均分子量が1.0×105〜1.0×108であるバインダを含む活物質層と、を備えることを特徴とする電池用電極およびその製造方法である。 That is, the present invention provides an active material layer including a current collector and a binder having a viscosity average molecular weight of 1.0 × 10 5 to 1.0 × 10 8 disposed on the surface of the current collector. A battery electrode and a method for manufacturing the same.
本発明によれば、導電助剤やバインダの使用量の増加に伴う体積あたりの容量の低下を最小限に抑制しつつ、出力特性を向上させうる電池用電極およびその製造方法が提供されうる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the electrode for batteries which can improve an output characteristic, and its manufacturing method can be provided, suppressing the fall of the capacity | capacitance per volume accompanying the increase in the usage-amount of a conductive support agent or a binder.
以下、本発明の実施の形態を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below.
(第1実施形態)
(構成)
本発明の第1は、集電体と、前記集電体の表面に配置された、活物質および粘度平均分子量が1.0×105〜1.0×108であるバインダを含む活物質層と、を備えることを特徴とする電池用電極およびその製造方法である。
(First embodiment)
(Constitution)
The first of the present invention is a current collector and an active material including a binder having a viscosity average molecular weight of 1.0 × 10 5 to 1.0 × 10 8 disposed on the surface of the current collector. A battery electrode and a method for manufacturing the same.
まず、本発明の電池用電極の構造について、図面を参照して説明する。なお、本発明においては、説明の都合上、図面が誇張されており、本発明の技術的範囲は、図面に掲示する形態に限定されない。また、図面以外の実施形態も採用されうる。 First, the structure of the battery electrode of the present invention will be described with reference to the drawings. In the present invention, the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and the technical scope of the present invention is not limited to the forms shown in the drawings. Also, embodiments other than the drawings may be employed.
図1は、本発明の電池用電極を用いた単電池の一実施形態を示す断面図である。図1に示すように、単電池1は、集電体11の上に正極活物質層13が形成された正極と、別の集電体11の上に負極活物質層15が形成された負極とが、電解質層17を介して積層している構成を有する。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing one embodiment of a unit cell using the battery electrode of the present invention. As shown in FIG. 1, the
本発明は、活物質層が、粘度平均分子量が1.0×105〜1.0×108であるバインダを含むことに特徴を有する。かような形態によれば、過剰量のバインダを加えることなく、バインダが粒径の小さな活物質、および必要に応じて導電助剤を固持することができる。その結果、電極の体積を低減でき、電池の体積あたりの容量を増大させることが可能となる。 The present invention is characterized in that the active material layer includes a binder having a viscosity average molecular weight of 1.0 × 10 5 to 1.0 × 10 8 . According to such a form, without adding an excessive amount of binder, the binder can hold the active material having a small particle diameter and, if necessary, the conductive assistant. As a result, the volume of the electrode can be reduced, and the capacity per volume of the battery can be increased.
以下、本発明の電池用電極を用いた電池の構成の一実施形態について、図1を参照して説明する。本実施形態の電極は、正極および負極の双方の活物質層において、粘度平均分子量が1.0×105〜1.0×108であるバインダを含むが、本発明の技術的範囲はかような形態のみには制限されず、正極または負極のいずれか一方のみが上述したバインダを含む形態もまた、包含しうる。集電体、活物質、導電助剤の種類、支持塩(リチウム塩)、電解質、その他必要に応じて添加される化合物の選択について、特に制限はない。使用用途に応じて、従来公知の知見を適宜参照することにより、選択すればよい。以下、本発明の電池用電極を構成する部材について、詳細に説明する。 Hereinafter, an embodiment of a battery configuration using the battery electrode of the present invention will be described with reference to FIG. The electrode of this embodiment includes a binder having a viscosity average molecular weight of 1.0 × 10 5 to 1.0 × 10 8 in the active material layers of both the positive electrode and the negative electrode. What is the technical scope of the present invention? It is not restricted only to such a form, The form in which any one of a positive electrode or a negative electrode contains the binder mentioned above can also be included. There are no particular restrictions on the selection of the current collector, active material, type of conductive additive, supporting salt (lithium salt), electrolyte, and other compounds added as necessary. Depending on the intended use, it may be selected by appropriately referring to conventionally known knowledge. Hereinafter, members constituting the battery electrode of the present invention will be described in detail.
[集電体]
集電体11は、アルミニウム箔、ニッケル箔、銅箔、ステンレス(SUS)箔など、導電性の材料から構成される。集電体の一般的な厚さは、1〜30μmである。ただし、この範囲を外れる厚さの集電体を用いてもよい。
[Current collector]
The
集電体の大きさは、電池の使用用途に応じて決定される。大型の電池に用いられる大型の電極を作製するのであれば、面積の大きな集電体が用いられる。小型の電極を作製するのであれば、面積の小さな集電体が用いられる。 The size of the current collector is determined according to the intended use of the battery. If a large electrode used for a large battery is manufactured, a current collector having a large area is used. If a small electrode is produced, a current collector with a small area is used.
[活物質層]
集電体11上には、活物質層(13、15)が形成される。活物質層(13、15)は、充放電反応の中心を担う活物質を含む層である。本発明においては、正極活物質層13もしくは負極活物質層15のいずれか一方または双方が、粘度平均分子量が1.0×105〜1.0×108であるバインダを含む。本発明の電極が正極として用いられる場合には、活物質層は正極活物質を含む。一方、本発明の電極が負極として用いられる場合には、活物質層は負極活物質を含む。
[Active material layer]
An active material layer (13, 15) is formed on the
正極活物質としては、例えば、リチウム−マンガン複合酸化物、リチウム−ニッケル複合酸化物、リチウム−コバルト複合酸化物、リチウム−鉄複合酸化物、リチウム−ニッケル−コバルト複合酸化物、リチウム−マンガン−コバルト複合酸化物、リチウム−ニッケル−マンガン複合酸化物、リチウム−ニッケル−マンガン−コバルト複合酸化物、リチウム−金属リン酸化合物、およびリチウム−遷移金属硫酸化合物などが例示される。場合によっては、2種以上の正極活物質が併用されてもよい。 Examples of the positive electrode active material include lithium-manganese composite oxide, lithium-nickel composite oxide, lithium-cobalt composite oxide, lithium-iron composite oxide, lithium-nickel-cobalt composite oxide, and lithium-manganese-cobalt. Examples include composite oxides, lithium-nickel-manganese composite oxides, lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxides, lithium-metal phosphate compounds, and lithium-transition metal sulfate compounds. In some cases, two or more positive electrode active materials may be used in combination.
負極活物質としては、例えば、黒鉛、非晶質炭素などの炭素材料、リチウム−遷移金属化合物、金属材料、ならびにリチウムアルミニウム合金、リチウムスズ合金、およびリチウムケイ素合金などのリチウム合金などが例示される。場合によっては、2種以上の負極活物質が併用されてもよい。 Examples of the negative electrode active material include carbon materials such as graphite and amorphous carbon, lithium-transition metal compounds, metal materials, and lithium alloys such as lithium aluminum alloys, lithium tin alloys, and lithium silicon alloys. . In some cases, two or more negative electrode active materials may be used in combination.
本実施形態のリチウムイオン二次電池の単電池において、正極活物質層13に含まれる正極活物質の平均粒径は特に制限されないが、高出力化の観点から、好ましくは10μm以下である。当該平均粒径は、より好ましくは5μm以下であり、さらに好ましくは3μm以下であり、最も好ましくは1μm以下である。なお、本発明の作用効果を得るという観点から、正極活物質の平均粒径の下限値は特に制限されないが、単電池の高出力化、正極活物質の高分散性および凝集防止という観点からは、正極活物質の平均粒径は、好ましくは0.01μm以上であり、より好ましくは0.1μm以上である。
In the unit cell of the lithium ion secondary battery of the present embodiment, the average particle diameter of the positive electrode active material contained in the positive electrode
一方、本実施形態のリチウムイオン二次電池の単電池において、負極活物質層15に含まれる負極活物質の平均粒径は特に制限されないが、高出力化の観点から、好ましくは10μm以下である。当該平均粒径は、より好ましくは5μm以下であり、さらに好ましくは3μm以下であり、最も好ましくは1μm以下である。なお、本発明の作用効果を得るという観点からは、負極活物質の平均粒径の下限値は特に制限されないが、単電池の高出力化、負極活物質の高分散性および凝集防止という観点から、負極活物質の平均粒径は、好ましくは0.01μm以上であり、より好ましくは0.1μm以上である。ここで、本願において、活物質の粒径の値としては、レーザー回折法により測定したD50値を採用するものとする。
On the other hand, in the unit cell of the lithium ion secondary battery of the present embodiment, the average particle size of the negative electrode active material contained in the negative electrode
前記活物質層(13、15)は、粘度平均分子量が1.0×105〜1.0×108であるバインダを含む。前記バインダの具体的な例としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリアクリロニトリル、芳香族ポリアミド、セルロース、カルボキシメチルセルロース、エチレン−酢酸ビニル共重合体、ポリ塩化ビニル、スチレン・ブタジエンゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、エチレン−プロピレンゴム、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体、スチレン−ブタジエン−スチレンブロック共重合体、その水素添加物、スチレン−イソプレン−スチレンブロック共重合体、その水素添加物等の熱可塑性高分子、エチレングリコール、プロピレングリコール、ジエチレングリコール、ジプロピレングリコール、1,3−ブチレングリコール、ポリビニルアルコール、ポリビニルプロピナール、ポリビニルブチラール、ポリアクリルアミド、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリブチレングリコール等のヒドロキシル基含有化合物、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)等のフッ素樹脂、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF−HFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−HFP−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ペンタフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF−PFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ペンタフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−PFP−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−パーフルオロメチルビニルエーテル−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−PFMVE−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−クロロトリフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−CTFE系フッ素ゴム)等のビニリデンフルオライド系フッ素ゴムなどの高分子材料が挙げられる。これらのバインダは単独でも、または2種以上組み合わせて使用してもよい。特に電解液に対する耐薬品性、電池内の電位に対する対電位性の観点から、セルロース、カルボキシメチルセルロース、ポリアクリロニトリル、ポリ塩化ビニル、スチレン−ブタジエンゴム、ブタジエンゴム、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体、PVdF、フッ素ゴムがより好ましく、PVdFが最も好ましい。 The active material layers (13, 15) include a binder having a viscosity average molecular weight of 1.0 × 10 5 to 1.0 × 10 8 . Specific examples of the binder include polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, polyacrylonitrile, aromatic polyamide, cellulose, carboxymethyl cellulose, ethylene-vinyl acetate copolymer, polyvinyl chloride, styrene / butadiene rubber, isoprene rubber, butadiene. High thermoplasticity of rubber, ethylene-propylene rubber, ethylene-propylene-diene copolymer, styrene-butadiene-styrene block copolymer, its hydrogenated product, styrene-isoprene-styrene block copolymer, its hydrogenated product, etc. Molecule, ethylene glycol, propylene glycol, diethylene glycol, dipropylene glycol, 1,3-butylene glycol, polyvinyl alcohol, polyvinyl propinal, polyvinyl butyler , Hydroxyl group-containing compounds such as polyacrylamide, polyethylene glycol, polypropylene glycol, polybutylene glycol, polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetra Fluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), polyfluorinated Fluorine resin such as vinyl (PVF), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-based fluoro rubber (VDF-HFP-based fluoro rubber), vinylidene fluoride-he Safluoropropylene-tetrafluoroethylene fluorine rubber (VDF-HFP-TFE fluorine rubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene fluorine rubber (VDF-PFP fluorine rubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene-tetrafluoro Ethylene fluorine rubber (VDF-PFP-TFE fluorine rubber), vinylidene fluoride-perfluoromethyl vinyl ether-tetrafluoroethylene fluorine rubber (VDF-PFMVE-TFE fluorine rubber), vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene Examples thereof include polymer materials such as vinylidene fluoride type fluororubber such as fluororubber (VDF-CTFE type fluororubber). These binders may be used alone or in combination of two or more. In particular, from the viewpoint of chemical resistance to the electrolytic solution and resistance to potential in the battery, cellulose, carboxymethyl cellulose, polyacrylonitrile, polyvinyl chloride, styrene-butadiene rubber, butadiene rubber, ethylene-propylene-diene copolymer, PVdF Fluorine rubber is more preferable, and PVdF is most preferable.
前記バインダの形状については特に制限はないが、繊維状、塊状、または粒子状のものが好ましく用いられる。 Although there is no restriction | limiting in particular about the shape of the said binder, A fibrous form, a lump form, or a particulate form is used preferably.
前記バインダの粘度平均分子量は、1.0×105〜1.0×108である。粘度平均分子量が1.0×105未満であると、過剰量のバインダが必要となり電極の体積が増大する場合があり、1.0×108を超えると、後述の活物質スラリー調製工程において、バインダが活物質スラリーの溶媒に溶解し難くなり、その後の工程で形成される活物質層でのバインダの分布が不均一となる場合があるため、好ましくない。なお、本願において、前記粘度平均分子量は、後述する実施例の測定方法により得られた値を採用するものとする。 The binder has a viscosity average molecular weight of 1.0 × 10 5 to 1.0 × 10 8 . If the viscosity average molecular weight is less than 1.0 × 10 5 , an excessive amount of binder may be required and the volume of the electrode may increase, and if it exceeds 1.0 × 10 8 , in the active material slurry preparation step described later. The binder is not preferable because it becomes difficult to dissolve in the solvent of the active material slurry and the distribution of the binder in the active material layer formed in the subsequent process may become non-uniform. In addition, in this application, the value obtained by the measuring method of the Example mentioned later shall be employ | adopted for the said viscosity average molecular weight.
また、例えば前記バインダが繊維状である場合、走査型電子顕微鏡(SEM)または透過型電子顕微鏡(TEM)により測定した平均繊維径が、前記活物質の平均粒径よりも小さいことが好ましく、例えば前記バインダが塊状または粒子状である場合、走査型電子顕微鏡(SEM)または透過型電子顕微鏡(TEM)により測定した平均粒径が、前記活物質の平均粒径よりも小さいことが好ましい。この理由は、バインダが活物質の粒子の間に入り込むような形となり、活物質層中のバインダの分布がより均一になりやすいためであると考えられる。 For example, when the binder is fibrous, the average fiber diameter measured by a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM) is preferably smaller than the average particle diameter of the active material. When the binder is in the form of a lump or particles, it is preferable that the average particle diameter measured by a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM) is smaller than the average particle diameter of the active material. The reason for this is considered to be that the binder enters a shape between the particles of the active material, and the distribution of the binder in the active material layer tends to be more uniform.
活物質層(13、15)には、必要であれば、その他の物質が含まれてもよい。例えば導電助剤、支持塩(リチウム塩)、イオン伝導性ポリマー等が含まれうる。また、イオン伝導性ポリマーが含まれる場合には、前記ポリマーを重合させるための重合開始剤が含まれてもよい。 The active material layers (13, 15) may contain other materials if necessary. For example, a conductive aid, a supporting salt (lithium salt), an ion conductive polymer, and the like can be included. When an ion conductive polymer is included, a polymerization initiator for polymerizing the polymer may be included.
導電助剤とは、活物質層の導電性を向上させるために配合される添加物をいう。導電助剤の例としては、アセチレンブラック等のカーボンブラック、グラファイトなどのカーボン粉末や、気相成長炭素繊維(VGCF;登録商標)などの種々の炭素繊維などが挙げられる。 A conductive support agent means the additive mix | blended in order to improve the electroconductivity of an active material layer. Examples of the conductive aid include carbon black such as acetylene black, carbon powder such as graphite, and various carbon fibers such as vapor grown carbon fiber (VGCF; registered trademark).
支持塩(リチウム塩)としては、Li(C2F5SO2)2N、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiCF3SO3等が挙げられる。 Examples of the supporting salt (lithium salt) include Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 and the like.
イオン伝導性ポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)系およびポリプロピレンオキシド(PPO)系のポリマーが挙げられる。ここで、前記ポリマーは、本発明の電極が採用される電池の電解質層において用いられるイオン伝導性ポリマーと同じであってもよく、異なっていてもよいが、同じであることが好ましい。 Examples of the ion conductive polymer include polyethylene oxide (PEO) -based and polypropylene oxide (PPO) -based polymers. Here, the polymer may be the same as or different from the ion conductive polymer used in the electrolyte layer of the battery in which the electrode of the present invention is employed, but is preferably the same.
重合開始剤は、イオン伝導性ポリマーの架橋性基に作用して、架橋反応を進行させるために配合される。開始剤として作用させるための外的要因に応じて、光重合開始剤、熱重合開始剤などに分類される。重合開始剤としては、例えば、熱重合開始剤であるアゾビスイソブチロニトリル(AIBN)や、光重合開始剤であるベンジルジメチルケタール(BDK)等が挙げられる。 The polymerization initiator is added to act on the crosslinkable group of the ion conductive polymer to advance the crosslinking reaction. Depending on the external factor for acting as an initiator, it is classified into a photopolymerization initiator, a thermal polymerization initiator and the like. Examples of the polymerization initiator include azobisisobutyronitrile (AIBN), which is a thermal polymerization initiator, and benzyl dimethyl ketal (BDK), which is a photopolymerization initiator.
活物質層(13、15)に含まれる成分の配合比は、特に限定されず、リチウムイオン二次電池についての公知の知見を適宜参照することにより、調整されうる。 The compounding ratio of the components contained in the active material layers (13, 15) is not particularly limited, and can be adjusted by appropriately referring to known knowledge about the lithium ion secondary battery.
活物質層(13、15)の厚さについても特に制限はなく、リチウムイオン二次電池についての従来公知の知見が適宜参照されうる。一例を挙げると、活物質層(13、15)の厚さは、好ましくは10〜100μm程度であり、より好ましくは20〜50μmである。活物質層(13、15)が10μm程度以上であれば、電池容量が充分に確保されうる。一方、活物質層(13、15)が100μm程度以下であれば、電極深部(集電体側)にリチウムイオンが拡散しにくくなることに伴う内部抵抗の増大という問題の発生が抑制されうる。 The thickness of the active material layers (13, 15) is not particularly limited, and conventionally known knowledge about the lithium ion secondary battery can be appropriately referred to. As an example, the thickness of the active material layers (13, 15) is preferably about 10 to 100 μm, and more preferably 20 to 50 μm. When the active material layers (13, 15) are about 10 μm or more, the battery capacity can be sufficiently secured. On the other hand, when the active material layers (13, 15) are about 100 μm or less, it is possible to suppress the occurrence of the problem of an increase in internal resistance due to the difficulty in diffusing lithium ions in the electrode deep part (current collector side).
(製造方法)
続いて、本発明の電池用電極の製造方法を説明する。
(Production method)
Then, the manufacturing method of the battery electrode of this invention is demonstrated.
まず、図1に示す形態の電池用電極1の製造方法について説明する。
First, a method for manufacturing the
本発明の電極は、例えば、溶媒に、活物質、および所定のバインダを添加することにより、活物質スラリーを調製し(活物質スラリー調製工程)、この活物質スラリーを集電体の表面に塗布し、乾燥させることにより塗膜を形成し(塗膜形成工程)、前記塗膜形成工程を経て作製された積層体を積層方向にプレスする(プレス工程)ことにより、製造されうる。活物質スラリーにイオン伝導性ポリマーが添加され、当該イオン伝導性ポリマーを架橋させる目的で重合開始剤がさらに添加される場合には、塗膜形成工程における乾燥と同時に、または当該乾燥の前もしくは後に、重合処理を施してもよい(重合工程)。 In the electrode of the present invention, for example, an active material and a predetermined binder are added to a solvent to prepare an active material slurry (active material slurry preparation step), and this active material slurry is applied to the surface of the current collector. And it can manufacture by forming a coating film by drying (coating film formation process), and pressing the laminated body produced through the said coating film formation process in the lamination direction (pressing process). When an ion conductive polymer is added to the active material slurry and a polymerization initiator is further added for the purpose of crosslinking the ion conductive polymer, it is simultaneously with drying in the coating film forming process, or before or after the drying. A polymerization treatment may be performed (polymerization step).
以下、かような製造方法について、工程順に詳細に説明するが、下記の形態のみには制限されない。 Hereinafter, although such a manufacturing method is demonstrated in detail in order of a process, it is not restrict | limited only to the following form.
[活物質スラリー調製工程]
本工程においては、所望の活物質、所定のバインダ、および必要に応じて他の成分(例えば、導電助剤、イオン伝導性ポリマー、支持塩(リチウム塩)、重合開始剤など)を、溶媒中で混合して、活物質スラリーを調製する。この活物質スラリー中に配合される各成分の具体的な形態については、上記の本発明の電極の構成の欄において説明した通りであるため、ここでは詳細な説明を省略する。
[Active material slurry preparation process]
In this step, a desired active material, a predetermined binder, and other components (for example, a conductive assistant, an ion conductive polymer, a supporting salt (lithium salt), a polymerization initiator, etc.) in a solvent To prepare an active material slurry. Since the specific form of each component blended in the active material slurry is as described in the column of the configuration of the electrode of the present invention, detailed description is omitted here.
溶媒の種類は特に制限されず、電極製造について従来公知の知見が適宜参照されうる。溶媒の一例を挙げると、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルホルムアミドなどが用いられうる。バインダとしてポリフッ化ビニリデン(PVdF)を採用する場合には、NMPを溶媒として用いるとよい。 The type of the solvent is not particularly limited, and conventionally known knowledge about electrode production can be referred to as appropriate. As an example of the solvent, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylformamide, dimethylacetamide, methylformamide and the like can be used. When adopting polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder, NMP is preferably used as a solvent.
混合方法も特に制限されないが、(1)前記活物質と前記バインダとをあらかじめ乾式混合したものを溶媒に投入し、混練および分散させる方法;(2)前記活物質を前記バインダが溶解している溶液に投入し、分散させる方法;(3)前記活物質と第1のバインダとをあらかじめ乾式混合したものを、第2のバインダが溶解している溶液に投入し、混練および分散させる方法;(4)前記活物質を、前記バインダが溶解している溶液が充填された湿式粉砕装置に投入し、前記活物質を粉砕および分散させる方法;などを採用すれば、後述の塗膜形成工程で得られる塗膜において、活物質およびバインダの分布が均一になりやすいため、好ましい。 The mixing method is not particularly limited, but (1) A method in which a dry mixture of the active material and the binder is put into a solvent and kneaded and dispersed; (2) The binder is dissolved in the active material. (3) A method in which the active material and the first binder are previously dry-mixed, and are added to a solution in which the second binder is dissolved, and kneaded and dispersed; 4) A method in which the active material is charged into a wet pulverizer filled with a solution in which the binder is dissolved, and the active material is pulverized and dispersed. In the coating film to be formed, the distribution of the active material and the binder tends to be uniform, which is preferable.
活物質層に導電助剤が含まれる場合、前記活物質スラリーは導電助剤を含むが、その際の混合方法として、(5)前記活物質、前記バインダ、および前記導電助剤をあらかじめ乾式混合したものを溶媒に投入し、混練および分散させる方法;(6)前記活物質と前記導電助剤とをあらかじめ乾式混合したものを、前記バインダが溶解している溶液に投入し、混練および分散させる方法;(7)前記活物質と前記導電助剤とをそれぞれ別々に、前記バインダが溶解している溶液に投入し、分散させる方法;(8)前記活物質、第1のバインダ、および前記導電助剤をあらかじめ乾式混合したものを、第2のバインダが溶解している溶液に投入し、混練および分散させる方法;(9)前記活物質と前記導電助剤とを、前記バインダが溶解している溶液が充填された湿式粉砕装置に投入し、前記活物質と前記導電助剤とを粉砕および分散させる方法;などを採用すれば、後述の塗膜形成工程で得られる塗膜において、活物質、導電助剤、およびバインダの分布が均一になりやすいため、好ましい。 When the active material layer contains a conductive additive, the active material slurry contains a conductive agent. As a mixing method at that time, (5) dry mixing the active material, the binder, and the conductive aid in advance. (6) A mixture obtained by previously dry-mixing the active material and the conductive additive is put into a solution in which the binder is dissolved, and kneaded and dispersed. (7) A method in which the active material and the conductive additive are separately added to a solution in which the binder is dissolved and dispersed; (8) the active material, the first binder, and the conductive material A method in which a mixture obtained by dry-mixing an auxiliary agent in advance is put into a solution in which a second binder is dissolved, and kneaded and dispersed; (9) The active material and the conductive auxiliary agent are dissolved in the binder. Have In a coating film obtained in the coating film forming step described below, the active material is charged into a wet pulverizing apparatus filled with a liquid, and a method of pulverizing and dispersing the active material and the conductive auxiliary agent; It is preferable because the distribution of the conductive assistant and the binder tends to be uniform.
前述の(1)、(3)、(5)、(6)、および(8)の方法で用いられる乾式混合装置は特に制限されないが、メカノフュージョン(登録商標;ホソカワミクロン株式会社製)システムなどの微粒子複合化装置を用いれば、活物質およびバインダが複合化し、活物質およびバインダの活物質層中の分布が均一になりやすいため、好ましい。 The dry mixing apparatus used in the above-described methods (1), (3), (5), (6), and (8) is not particularly limited, but a mechanofusion (registered trademark; manufactured by Hosokawa Micron Corporation) system, etc. Use of the fine particle composite device is preferable because the active material and the binder are combined and the distribution of the active material and the binder in the active material layer tends to be uniform.
また、前述の(3)および(8)の方法で用いられる前記第1のバインダおよび前記第2のバインダは、用いられる高分子材料の種類もしくは粘度平均分子量のいずれか一方または両方が、同じものであっても異なるものであってもよい。さらに、前記第1のバインダおよび前記第2のバインダは、それぞれ2種以上の高分子材料が混合されたものであってもよい。前述の(3)および(8)の方法における好ましい形態は、前記第1のバインダの粘度平均分子量が好ましくは1.0×105〜5.0×106であり、前記第2のバインダの粘度平均分子量が好ましくは5.0×106〜1.0×108である形態である。 Further, the first binder and the second binder used in the methods (3) and (8) described above are the same in either or both of the type of polymer material used and the viscosity average molecular weight. Or different. Further, each of the first binder and the second binder may be a mixture of two or more polymer materials. In a preferred form in the above methods (3) and (8), the viscosity average molecular weight of the first binder is preferably 1.0 × 10 5 to 5.0 × 10 6 . The viscosity average molecular weight is preferably 5.0 × 10 6 to 1.0 × 10 8 .
[塗膜形成工程]
続いて、集電体を準備し、上記で調製した活物質スラリーを当該集電体の表面に塗布し、乾燥させる。これにより、集電体の表面に活物質スラリーからなる塗膜が形成される。この塗膜は、後述するプレス工程を経て、活物質層となる。
[Coating film forming process]
Subsequently, a current collector is prepared, and the active material slurry prepared above is applied to the surface of the current collector and dried. Thereby, the coating film which consists of an active material slurry is formed on the surface of an electrical power collector. This coating film becomes an active material layer through a pressing step described later.
準備する集電体の具体的な形態については、上記の本発明の電極の構成の欄において説明した通りであるため、ここでは詳細な説明を省略する。 The specific form of the current collector to be prepared is as described in the column of the configuration of the electrode of the present invention, and thus detailed description thereof is omitted here.
活物質スラリーを塗布するための塗布手段も特に限定されないが、例えば、自走型コータなどの一般的に用いられている手段が採用されうる。 The application means for applying the active material slurry is not particularly limited, but generally used means such as a self-propelled coater may be employed.
塗膜は、製造される電極における集電体と活物質層との所望の配置形態に応じて、形成される。例えば、製造される電極が双極電極の場合、集電体の一方の面には正極活物質を含む塗膜が形成され、他方の面には負極活物質を含む塗膜が形成される。これに対し、双極型でない電極を製造する場合には、正極活物質または負極活物質のいずれか一方を含む塗膜が1枚の集電体の両面に形成される。 A coating film is formed according to the desired arrangement | positioning form of the electrical power collector and active material layer in the electrode manufactured. For example, when the manufactured electrode is a bipolar electrode, a coating film containing a positive electrode active material is formed on one surface of the current collector, and a coating film containing a negative electrode active material is formed on the other surface. On the other hand, when an electrode that is not a bipolar type is manufactured, a coating film containing either a positive electrode active material or a negative electrode active material is formed on both surfaces of one current collector.
その後、集電体の表面に形成された塗膜を乾燥させる。これにより、塗膜中の溶媒が除去される。 Thereafter, the coating film formed on the surface of the current collector is dried. Thereby, the solvent in a coating film is removed.
塗膜を乾燥させるための乾燥手段も特に制限されず、電極製造について従来公知の知見が適宜参照されうる。例えば、加熱処理が例示される。乾燥条件(乾燥時間、乾燥温度など)は、活物質スラリーの塗布量やスラリーの溶媒の揮発速度に応じて適宜設定されうる。 The drying means for drying the coating film is not particularly limited, and conventionally known knowledge about electrode production can be appropriately referred to. For example, heat treatment is exemplified. Drying conditions (drying time, drying temperature, etc.) can be appropriately set according to the application amount of the active material slurry and the volatilization rate of the solvent of the slurry.
塗膜が重合開始剤を含む場合には、さらに重合工程を行うことで、塗膜中のイオン伝導性ポリマーが架橋性基によって架橋される。 When a coating film contains a polymerization initiator, the ion conductive polymer in a coating film is bridge | crosslinked by a crosslinkable group by performing a superposition | polymerization process further.
重合工程における重合処理も特に制限されることはなく、従来公知の知見を適宜参照すればよい。例えば、塗膜が熱重合開始剤(AIBNなど)を含む場合には、塗膜に熱処理を施す。また、塗膜が光重合開始剤(BDKなど)を含む場合には、紫外光などの光を照射する。なお、熱重合のための熱処理は、上記の乾燥工程と同時に行われてもよいし、当該乾燥工程の前または後に行われてもよい。 The polymerization treatment in the polymerization step is not particularly limited, and conventionally known knowledge may be referred to as appropriate. For example, when the coating film contains a thermal polymerization initiator (AIBN or the like), the coating film is subjected to heat treatment. Moreover, when a coating film contains a photoinitiator (BDK etc.), light, such as an ultraviolet light, is irradiated. In addition, the heat processing for thermal polymerization may be performed simultaneously with said drying process, and may be performed before or after the said drying process.
[プレス工程]
続いて、前記塗膜形成工程を経て作製された積層体を積層方向にプレスする。これにより、本発明の電池用電極が完成する。この際、プレス条件を調節することにより、活物質層の空隙率が制御されうる。
[Pressing process]
Then, the laminated body produced through the said coating-film formation process is pressed to the lamination direction. Thereby, the battery electrode of the present invention is completed. At this time, the porosity of the active material layer can be controlled by adjusting the pressing conditions.
プレス処理の具体的な手段やプレス条件は特に制限されず、プレス処理後の活物質層の空隙率が所望の値となるように、適宜調節されうる。プレス処理の具体的な形態としては、例えば、ホットプレス機やカレンダーロールプレス機などが挙げられる。また、プレス条件(温度、圧力など)も特に制限されず、従来公知の知見が適宜参照されうる。 Specific means and pressing conditions for the press treatment are not particularly limited, and can be appropriately adjusted so that the porosity of the active material layer after the press treatment becomes a desired value. Specific examples of the press process include a hot press machine and a calendar roll press machine. Also, the pressing conditions (temperature, pressure, etc.) are not particularly limited, and conventionally known knowledge can be referred to as appropriate.
(第2実施形態)
第2実施形態では、上記の第1実施形態の電池用電極を用いて、リチウムイオン二次電池を構成する。すなわち、本発明の第2は、正極、電解質層、および負極がこの順に積層されてなる少なくとも1つの単電池層を含むリチウムイオン二次電池であって、前記正極または前記負極の少なくとも一方が本発明の電池用電極である、リチウムイオン二次電池である。本発明の電極は、正極、負極、双極電極のいずれにも適用されうる。本発明の電極を、少なくとも1つの電極として含むリチウムイオン二次電池は、本発明の技術的範囲に属する。ただし、好ましくは、リチウムイオン二次電池を構成する電極の全てが本発明の電極である。かような構成を採用することにより、リチウムイオン二次電池の出力特性を効果的に向上させうる。
(Second Embodiment)
In 2nd Embodiment, a lithium ion secondary battery is comprised using said battery electrode of 1st Embodiment. That is, a second aspect of the present invention is a lithium ion secondary battery including at least one single cell layer in which a positive electrode, an electrolyte layer, and a negative electrode are laminated in this order, and at least one of the positive electrode or the negative electrode is a main battery layer. It is a lithium ion secondary battery which is the battery electrode of the invention. The electrode of the present invention can be applied to any of a positive electrode, a negative electrode, and a bipolar electrode. A lithium ion secondary battery including the electrode of the present invention as at least one electrode belongs to the technical scope of the present invention. However, preferably, all of the electrodes constituting the lithium ion secondary battery are the electrodes of the present invention. By adopting such a configuration, the output characteristics of the lithium ion secondary battery can be effectively improved.
本発明の電池は、双極型のリチウムイオン二次電池(以下、「双極型電池」とも称する)でありうる。図2は、双極型電池である、本発明の一実施形態であるリチウムイオン二次電池を示す断面図である。以下、図2に示す双極型電池を例に挙げて詳細に説明するが、本発明の技術的範囲はかような形態のみに制限されない。 The battery of the present invention may be a bipolar lithium ion secondary battery (hereinafter also referred to as “bipolar battery”). FIG. 2 is a cross-sectional view showing a lithium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention, which is a bipolar battery. Hereinafter, the bipolar battery shown in FIG. 2 will be described in detail as an example, but the technical scope of the present invention is not limited to such a form.
図2に示す本実施形態の双極型電池10は、実際に充放電反応が進行する略矩形の電池要素21が、外装であるラミネートシート29の内部に封止された構造を有する。
The
図2に示すように、本実施形態の双極型電池10の電池要素21は、正極活物質層13と、負極活物質層15とが集電体11のそれぞれの面に形成された双極電極(図示せず)を複数個有する。各双極電極は、電解質層17を介して積層されて電池要素21を形成する。この際、一の双極電極の正極活物質層13と前記一の双極電極に隣接する他の双極電極の負極活物質層15とが電解質層17を介して向き合うように、各双極電極および電解質層17が積層されている。
As shown in FIG. 2, the
そして、隣接する正極活物質層13、電解質層17、および負極活物質層15は、一つの単電池層19を構成する。したがって、双極型電池10は、単電池層19が積層されてなる構成を有するともいえる。また、単電池層19の外周には、隣接する集電体11間を絶縁するための絶縁層31が設けられている。なお、電池要素21の最外層に位置する集電体(最外層集電体)(11a、11b)には、片面のみに、正極活物質層13(正極側最外層集電体11a)または負極活物質層15(負極側最外層集電体11b)のいずれか一方が形成されている。
The adjacent positive electrode
さらに、図2に示す双極型電池10では、正極側最外層集電体11aが延長されて正極タブ25とされ、外装であるラミネートシート29から導出している。一方、負極側最外層集電体11bが延長されて負極タブ27とされ、同様にラミネートシート29から導出している。
Further, in the
以下、本実施形態の双極型電池10を構成する部材について簡単に説明する。ただし、電極を構成する成分については上記で説明した通りであるため、ここでは説明を省略する。また、本発明の技術的範囲が下記の形態のみに制限されることはなく、従来公知の形態が同様に採用されうる。
Hereinafter, members constituting the
[電解質層]
電解質層17を構成する電解質としては、液体電解質またはポリマー電解質が用いられうる。
[Electrolyte layer]
A liquid electrolyte or a polymer electrolyte can be used as the electrolyte constituting the
液体電解質は、可塑剤である有機溶媒に支持塩であるリチウム塩が溶解した形態を有する。可塑剤として用いられうる有機溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)やプロピレンカーボネート(PC)等のカーボネート類が例示される。また、支持塩(リチウム塩)としては、LiBETI等の電極の活物質層に添加されうる化合物が同様に採用されうる。 The liquid electrolyte has a form in which a lithium salt as a supporting salt is dissolved in an organic solvent as a plasticizer. Examples of the organic solvent that can be used as the plasticizer include carbonates such as ethylene carbonate (EC) and propylene carbonate (PC). Further, as the supporting salt (lithium salt), a compound that can be added to the active material layer of the electrode, such as LiBETI, can be similarly employed.
一方、ポリマー電解質は、電解液を含むゲル電解質と、電解液を含まない真性ポリマー電解質に分類される。 On the other hand, the polymer electrolyte is classified into a gel electrolyte containing an electrolytic solution and an intrinsic polymer electrolyte containing no electrolytic solution.
ゲル電解質は、イオン伝導性ポリマーからなるマトリックスポリマーに、上記の液体電解質が注入されてなる構成を有する。マトリックスポリマーとして用いられるイオン伝導性ポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリプロピレンオキシド(PPO)、およびこれらの共重合体等が挙げられる。かようなポリアルキレンオキシド系高分子には、リチウム塩などの電解質塩がよく溶解しうる。 The gel electrolyte has a configuration in which the above liquid electrolyte is injected into a matrix polymer made of an ion conductive polymer. Examples of the ion conductive polymer used as the matrix polymer include polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), and copolymers thereof. In such polyalkylene oxide polymers, electrolyte salts such as lithium salts can be well dissolved.
なお、電解質層17が液体電解質やゲル電解質から構成される場合には、電解質層17にセパレータを用いてもよい。セパレータの具体的な形態としては、例えば、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィンからなる微多孔膜が挙げられる。
In the case where the
真性ポリマー電解質は、上記のマトリックスポリマーに支持塩(リチウム塩)が溶解してなる構成を有し、可塑剤である有機溶媒を含まない。従って、電解質層17が真性ポリマー電解質から構成される場合には電池からの液漏れの心配がなく、電池の信頼性が向上しうる。
The intrinsic polymer electrolyte has a structure in which a supporting salt (lithium salt) is dissolved in the matrix polymer, and does not include an organic solvent that is a plasticizer. Therefore, when the
ゲル電解質や真性ポリマー電解質のマトリックスポリマーは、架橋構造を形成することによって、優れた機械的強度を発現しうる。架橋構造を形成させるには、適当な重合開始剤を用いて、高分子電解質形成用の重合性ポリマー(例えば、PEOやPPO)に対して熱重合、紫外線重合、放射線重合、電子線重合等の重合処理を施せばよい。 The matrix polymer of the gel electrolyte or the intrinsic polymer electrolyte can exhibit excellent mechanical strength by forming a crosslinked structure. In order to form a crosslinked structure, thermal polymerization, ultraviolet polymerization, radiation polymerization, electron beam polymerization, etc. are performed on a polymerizable polymer (for example, PEO or PPO) for forming a polymer electrolyte using an appropriate polymerization initiator. A polymerization treatment may be performed.
[絶縁層]
双極型電池10においては、通常、各単電池層19の周囲に絶縁層31が設けられる。この絶縁層31は、電池内で隣り合う集電体11同士が接触したり、電池要素21における単電池層19の端部の僅かな不ぞろいなどによる短絡が起きたりするのを防止する目的で設けられる。かような絶縁層31の設置により、長期間の信頼性および安全性が確保され、高品質の双極型電池10が提供されうる。
[Insulation layer]
In the
絶縁層31としては、絶縁性、固体電解質の脱落に対するシール性や外部からの水分の透湿に対するシール性(密封性)、電池動作温度下での耐熱性などを有するものであればよく、例えば、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリイミド樹脂、ゴムなどが用いられうる。なかでも、耐蝕性、耐薬品性、作り易さ(製膜性)、経済性などの観点から、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂が好ましい。
The insulating
[タブ]
双極型電池10においては、電池外部に電流を取り出す目的で、最外層集電体(11a、11b)に電気的に接続されたタブ(正極タブ25および負極タブ27)が外装の外部に取り出される。具体的には、正極用最外層集電体11aに電気的に接続された正極タブ25と、負極用最外層集電体11bに電気的に接続された負極タブ27とが、外装の外部に取り出される。
[tab]
In the
タブ(正極タブ25および負極タブ27)の材質は、特に制限されず、双極型電池用のタブとして従来用いられている公知の材質が用いられうる。例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金等が例示される。なお、正極タブ25と負極タブ27とでは、同一の材質が用いられてもよいし、異なる材質が用いられてもよい。なお、本実施形態のように、最外層集電体(11a、11b)を延長することによりタブ(25、27)としてもよいし、別途準備したタブを最外層集電体に接続してもよい。
The material of the tabs (the
[外装]
双極型電池10においては、使用時の外部からの衝撃や環境劣化を防止するために、電池要素21は、好ましくはラミネートシート29などの外装内に収容される。外装としては特に制限されず、従来公知の外装が用いられうる。自動車の熱源から効率よく熱を伝え、電池内部を迅速に電池動作温度まで加熱しうる点で、好ましくは、熱伝導性に優れた高分子−金属複合ラミネートシート等が用いられうる。
[Exterior]
In the
(第3実施形態)
第3実施形態では、上記の第2実施形態の双極型電池を複数個、並列および/または直列に接続して、組電池を構成する。
(Third embodiment)
In the third embodiment, a plurality of bipolar batteries of the second embodiment are connected in parallel and / or in series to form an assembled battery.
図3は、本実施形態の組電池を示す斜視図である。 FIG. 3 is a perspective view showing the assembled battery of the present embodiment.
図3に示すように、組電池40は、上記の第2実施形態に記載の双極型電池が複数個接続されることにより構成される。各双極型電池10の正極タブ25および負極タブ27がバスバーを用いて接続されることにより、各双極型電池10が接続されている。組電池40の一の側面には、組電池40全体の電極として、電極ターミナル(42、43)が設けられている。
As shown in FIG. 3, the assembled
組電池40を構成する複数個の双極型電池10を接続する際の接続方法は特に制限されず、従来公知の手法が適宜採用されうる。例えば、超音波溶接、スポット溶接などの溶接を用いる手法や、リベット、カシメなどを用いて固定する手法が採用されうる。かような接続方法によれば、組電池40の長期信頼性が向上しうる。
A connection method in particular when connecting the some
本実施形態の組電池40によれば、組電池40を構成する個々の双極型電池10が出力特性に優れることから、出力特性に優れる組電池が提供されうる。
According to the assembled
なお、組電池40を構成する双極型電池10の接続は、複数個全て並列に接続してもよく、また、複数個全て直列に接続してもよく、さらに、直列接続と並列接続とを組み合わせてもよい。
The
(第4実施形態)
第4実施形態では、上記の第2実施形態の双極型電池10、または第3実施形態の組電池40をモータ駆動用電源として搭載して、車両を構成する。双極型電池10または組電池40をモータ用電源として用いる車両としては、例えば、ガソリンを用いない完全電気自動車、シリーズハイブリッド自動車やパラレルハイブリッド自動車などのハイブリッド自動車、および燃料電池自動車などの、車輪をモータによって駆動する自動車が挙げられる。
(Fourth embodiment)
In the fourth embodiment, the
参考までに、図4に、組電池40を搭載する自動車50の概略図を示す。自動車50に搭載される組電池40は、上記で説明したような特性を有する。このため、組電池40を搭載する自動車50は出力特性に優れている。
For reference, FIG. 4 shows a schematic diagram of an
以上のように、本発明の幾つかの好適な実施形態について示したが、本発明は、以上の実施形態に限られるものではなく、当業者によって種々の変更、省略、および追加が可能である。例えば、上記の第2実施形態では双極型のリチウムイオン二次電池(双極型電池)を例に挙げて説明したが、本発明の電池の技術的範囲が双極型電池のみに制限されることはなく、例えば、双極型でないリチウムイオン二次電池であってもよい。参考までに、図5に、双極型でないリチウムイオン二次電池60の概要を示す断面図を示す。
As described above, some preferred embodiments of the present invention have been described. However, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications, omissions, and additions can be made by those skilled in the art. . For example, in the above-described second embodiment, a bipolar lithium ion secondary battery (bipolar battery) has been described as an example. However, the technical scope of the battery of the present invention is not limited to a bipolar battery. For example, it may be a lithium ion secondary battery that is not a bipolar type. For reference, FIG. 5 is a cross-sectional view showing an outline of a lithium ion
本発明の効果を、以下の実施例および比較例を用いて説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。 The effects of the present invention will be described using the following examples and comparative examples. However, the technical scope of the present invention is not limited only to the following examples.
<実施例1>
<正極の作製>
正極活物質としてリチウムマンガン複合酸化物(平均粒径:1μm)(86質量%)、導電助剤としてカーボンブラック(7質量%)、ならびにバインダとして、粘度平均分子量が3.0×106であるポリフッ化ビニリデン(PVdF)(4.9質量%)、および粘度平均分子量が7.0×107であるPVdF(2.1質量%)を用意した。
<Example 1>
<Preparation of positive electrode>
Lithium manganese composite oxide (average particle size: 1 μm) (86% by mass) as a positive electrode active material, carbon black (7% by mass) as a conductive additive, and a viscosity average molecular weight of 3.0 × 10 6 as a binder Polyvinylidene fluoride (PVdF) (4.9% by mass) and PVdF (2.1% by mass) having a viscosity average molecular weight of 7.0 × 10 7 were prepared.
なお、前記粘度平均分子量は以下の条件で測定した。 The viscosity average molecular weight was measured under the following conditions.
まず、リチウムマンガン複合酸化物、カーボンブラック、および粘度平均分子量が3.0×106であるPVdFを、メカノフュージョン(登録商標;ホソカワミクロン株式会社製)システムに投入し、5kWの負荷動力で10分間運転し、リチウムマンガン複合酸化物、カーボンブラック、およびPVdFの3成分からなる複合体を作製した。 First, lithium manganese composite oxide, carbon black, and PVdF having a viscosity average molecular weight of 3.0 × 10 6 are charged into a Mechano-Fusion (registered trademark; manufactured by Hosokawa Micron Corporation) system and loaded with 5 kW load power for 10 minutes. The composite was composed of three components of lithium manganese composite oxide, carbon black, and PVdF.
次に、分散用ミキサーに純度99.9%の無水NMPを投入した後、粘度平均分子量が7.0×107であるPVdFを投入し、NMPに十分に溶解させた。 Next, after adding anhydrous NMP having a purity of 99.9% to the dispersing mixer, PVdF having a viscosity average molecular weight of 7.0 × 10 7 was introduced and sufficiently dissolved in NMP.
このPVdF溶液へ、上記で得られた複合体を少量ずつ投入し、NMPによくなじませた後、さらにNMPを加え粘度を調節し、正極活物質スラリーとした。 The composite obtained above was added little by little to this PVdF solution, and after being well adapted to NMP, NMP was further added to adjust the viscosity to obtain a positive electrode active material slurry.
得られた正極活物質スラリーを、正極集電体としてのアルミニウム箔(厚さ:20μm)上にドクターブレード法で塗布し、ホットスターラー上で乾燥させて、正極活物質層を形成した。次いで、形成させた正極活物質層の膜厚が40μmとなるように、積層体を、ロールプレス機を用いてプレスした。 The obtained positive electrode active material slurry was applied on an aluminum foil (thickness: 20 μm) as a positive electrode current collector by a doctor blade method and dried on a hot stirrer to form a positive electrode active material layer. Next, the laminate was pressed using a roll press so that the thickness of the formed positive electrode active material layer was 40 μm.
目視観察の結果、得られた正極活物質層の固形成分の分散性や、正極活物質層と集電体との密着性は良好であった。 As a result of visual observation, the dispersibility of the solid component of the obtained positive electrode active material layer and the adhesion between the positive electrode active material layer and the current collector were good.
集電体に出力端子を接続して、試験用正極を作製した。 An output terminal was connected to the current collector to produce a test positive electrode.
<負極の作製>
負極活物質であるハードカーボン(平均粒径:10μm)(90質量%)、およびバインダであるポリフッ化ビニリデン(PVdF)(10質量%)からなる固形分に対し、スラリー粘度調整溶媒であるN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を適量添加して、負極活物質スラリーを調製した。
<Production of negative electrode>
N− which is a slurry viscosity adjusting solvent with respect to a solid content of hard carbon (average particle size: 10 μm) (90% by mass) as a negative electrode active material and polyvinylidene fluoride (PVdF) (10% by mass) as a binder. An appropriate amount of methyl-2-pyrrolidone (NMP) was added to prepare a negative electrode active material slurry.
上記で調製した負極活物質スラリーを、負極集電体としての銅箔(厚さ:15μm)上にドクターブレード法で塗布し、乾燥させて、積層体を得た。次いで、得られた積層体を、ロールプレス機を用いてプレスし、集電体に出力端子を接続して、試験用負極を作製した。 The negative electrode active material slurry prepared above was applied onto a copper foil (thickness: 15 μm) as a negative electrode current collector by a doctor blade method and dried to obtain a laminate. Next, the obtained laminate was pressed using a roll press, and an output terminal was connected to the current collector to produce a test negative electrode.
<電解液の調製>
エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、およびジエチルカーボネート(DEC)を2:2:6の体積比で混合し、電解液の可塑剤(有機溶媒)とした。次いで、この可塑剤に、リチウム塩であるLiPF6を1Mの濃度になるように添加して、電解液を調製した。
<Preparation of electrolyte>
Ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), and diethyl carbonate (DEC) were mixed at a volume ratio of 2: 2: 6 to obtain a plasticizer (organic solvent) of the electrolytic solution. Then, the plasticizer, the addition of LiPF 6 as lithium salt to a concentration of 1M, to prepare an electrolytic solution.
<評価用電池の作製>
上記で作製した正極および負極を用い、リチウムイオン電池用セパレータであるポリエチレン製微多孔膜(厚さ:25μm)を挟持した。次いで得られた挟持体を、三方シール済みの外装材であるアルミラミネートパック中に挿入した。その後、前記アルミラミネートパック中に上記で調製した電解液を注入し、パックから出力端子が露出するようにパックを真空シールして、ラミネート電池を完成させた。
<Production of evaluation battery>
Using the positive electrode and the negative electrode produced above, a polyethylene microporous membrane (thickness: 25 μm) as a lithium ion battery separator was sandwiched. Next, the obtained sandwiched body was inserted into an aluminum laminate pack which is a three-side sealed exterior material. Thereafter, the electrolytic solution prepared above was injected into the aluminum laminate pack, and the pack was vacuum-sealed so that the output terminals were exposed from the pack, thereby completing a laminate battery.
<実施例2>
湿式粉砕処理装置(アシザワ・ファインテック株式会社製、ラボスター)の処理容器内に、粒径が0.5mmであるジルコニアビーズを、70%の容積率で充填した。これに、溶媒である水を投入し、その後バインダであるスチレン−ブタジエンゴム粒子(粘度平均分子量:1.0×106)(5.0質量%)と、カルボキシメチルセルロース(粘度平均分子量:1.0×105)(5.0質量%)とを順次投入し、バインダスラリーとした。
<Example 2>
A zirconia bead having a particle diameter of 0.5 mm was filled in a processing container of a wet pulverization processing apparatus (manufactured by Ashizawa Finetech Co., Ltd., Labostar) at a volume ratio of 70%. Water, which is a solvent, is added thereto, and thereafter, styrene-butadiene rubber particles (viscosity average molecular weight: 1.0 × 10 6 ) (5.0 mass%) as a binder and carboxymethyl cellulose (viscosity average molecular weight: 1. 0 × 10 5 ) (5.0 mass%) were sequentially added to obtain a binder slurry.
このスラリー中に、負極活物質であるハードカーボン(平均粒径:10μm)(90質量%)を投入し、回転速度13m/secの条件で2時間湿式粉砕処理を行った。得られたスラリーを水で希釈し、次いで超音波を用いて分散させ、粒度分布を測定したところ、ハードカーボンの平均粒径は1.0μmであった。 Into this slurry, hard carbon (average particle size: 10 μm) (90% by mass) as a negative electrode active material was added, and wet pulverization was performed for 2 hours under the condition of a rotational speed of 13 m / sec. When the obtained slurry was diluted with water and then dispersed using ultrasonic waves, and the particle size distribution was measured, the average particle size of the hard carbon was 1.0 μm.
得られたスラリーを負極集電体としての銅箔(厚さ:15μm)上にドクターブレード法で塗布し、ホットスターラー上で乾燥させて、積層体を得た。次いで、得られた積層体を、プレス機を用いてプレスし、集電体に出力端子を接続して、試験用負極を作製した。 The obtained slurry was applied on a copper foil (thickness: 15 μm) as a negative electrode current collector by a doctor blade method and dried on a hot stirrer to obtain a laminate. Next, the obtained laminate was pressed using a press machine, an output terminal was connected to the current collector, and a negative electrode for testing was produced.
上記のように負極を作製した以外は、実施例1と同様の方法で評価用電池を作製した。 An evaluation battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the negative electrode was produced as described above.
<実施例3>
平均粒径が3μmであるリチウムマンガン複合酸化物を用いた以外は、実施例1と同様の方法で評価用電池を作製した。なお、得られた正極を目視観察したところ、正極活物質層の固形成分の分散性や、正極活物質層と集電体との密着性は良好であった。
<Example 3>
A battery for evaluation was produced in the same manner as in Example 1 except that the lithium manganese composite oxide having an average particle diameter of 3 μm was used. In addition, when the obtained positive electrode was visually observed, the dispersibility of the solid component of the positive electrode active material layer and the adhesion between the positive electrode active material layer and the current collector were good.
<実施例4>
平均粒径が5μmであるリチウムマンガン複合酸化物を用いた以外は、実施例1と同様の方法で評価用電池を作製した。なお、得られた正極を目視観察したところ、正極活物質層の固形成分の分散性や、正極活物質層と集電体との密着性は良好であった。
<Example 4>
A battery for evaluation was produced in the same manner as in Example 1 except that a lithium manganese composite oxide having an average particle size of 5 μm was used. In addition, when the obtained positive electrode was visually observed, the dispersibility of the solid component of the positive electrode active material layer and the adhesion between the positive electrode active material layer and the current collector were good.
<実施例5>
平均粒径が10μmであるリチウムマンガン複合酸化物を用いた以外は、実施例1と同様の方法で評価用電池を作製した。なお、得られた正極を目視観察したところ、正極活物質層の固形成分の分散性や、正極活物質層と集電体との密着性は良好であった。
<Example 5>
A battery for evaluation was produced in the same manner as in Example 1 except that the lithium manganese composite oxide having an average particle size of 10 μm was used. In addition, when the obtained positive electrode was visually observed, the dispersibility of the solid component of the positive electrode active material layer and the adhesion between the positive electrode active material layer and the current collector were good.
<比較例1>
平均粒径が1μmであるリチウムマンガン複合酸化物を用い、粘度平均分子量が7.0×107であるPVdF、および粘度平均分子量が3.0×106であるPVdFの代わりに、粘度平均分子量が3.0×104であるPVdFを用いた以外は、実施例1と同様の方法で正極を作製した。得られた正極を目視観察したところ、正極活物質層の固形成分の分散性は良好だったものの、正極活物質層と集電体との密着性は極めて悪く、評価用電池は作製できなかった。
<Comparative Example 1>
Using a lithium manganese composite oxide having an average particle diameter of 1 μm, instead of PVdF having a viscosity average molecular weight of 7.0 × 10 7 and PVdF having a viscosity average molecular weight of 3.0 × 10 6 , a viscosity average molecular weight A positive electrode was produced in the same manner as in Example 1 except that PVdF having a thickness of 3.0 × 10 4 was used. When the obtained positive electrode was visually observed, the dispersibility of the solid component of the positive electrode active material layer was good, but the adhesion between the positive electrode active material layer and the current collector was extremely poor, and an evaluation battery could not be produced. .
<比較例2>
平均粒径が3μmであるリチウムマンガン複合酸化物を用いた以外は、比較例1と同様の方法で正極を作製した。得られた正極を目視観察したところ、正極活物質層の固形成分の分散性は良好だったものの、正極活物質層と集電体との密着性は極めて悪く、評価用電池は作製できなかった。
<Comparative example 2>
A positive electrode was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that a lithium manganese composite oxide having an average particle size of 3 μm was used. When the obtained positive electrode was visually observed, the dispersibility of the solid component of the positive electrode active material layer was good, but the adhesion between the positive electrode active material layer and the current collector was extremely poor, and an evaluation battery could not be produced. .
<比較例3>
平均粒径が5μmであるリチウムマンガン複合酸化物を用いた以外は、比較例1と同様の方法で評価用電池を作製した。得られた正極を目視観察したところ、正極活物質層の固形成分の分散性は良好だったものの、正極活物質層と集電体との密着性は悪く、かろうじて評価用電池が作製できるような状態であった。
<Comparative Example 3>
A battery for evaluation was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that a lithium manganese composite oxide having an average particle diameter of 5 μm was used. When the obtained positive electrode was visually observed, the dispersibility of the solid component of the positive electrode active material layer was good, but the adhesion between the positive electrode active material layer and the current collector was poor, and a battery for evaluation could barely be produced. It was in a state.
<比較例4>
平均粒径が10μmであるリチウムマンガン複合酸化物を用いた以外は、比較例1と同様の方法で評価用電池を作製した。なお、得られた正極を目視観察したところ、正極活物質層の固形成分の分散性や、正極活物質層と集電体との密着性は良好であった。
<Comparative example 4>
A battery for evaluation was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that a lithium manganese composite oxide having an average particle size of 10 μm was used. In addition, when the obtained positive electrode was visually observed, the dispersibility of the solid component of the positive electrode active material layer and the adhesion between the positive electrode active material layer and the current collector were good.
(正極の密着力の測定)
上記の各実施例および各比較例で作製した正極の剥離試験を行い、正極活物質層と集電体との密着力を測定した。結果を下記の表1に示す。
(Measurement of adhesion of positive electrode)
A peel test of the positive electrode produced in each of the above Examples and Comparative Examples was performed, and the adhesion between the positive electrode active material layer and the current collector was measured. The results are shown in Table 1 below.
具体的には、正極の表面に粘着テープを張り、テープの一端を10cm/minの速度で引張り試験機で引っ張り、90度剥離試験を行った。 Specifically, an adhesive tape was applied to the surface of the positive electrode, one end of the tape was pulled at a rate of 10 cm / min with a tensile tester, and a 90-degree peel test was performed.
(電池抵抗の評価)
上記の各実施例および比較例3〜4で作製した電池を用いて、充放電試験を行った。具体的には、0.2Cの定電流にて初充電を行い、0.5Cの定電流で放電後、1Cの定電流にて10サイクルの充放電試験を行った。その後、1Cでの電池抵抗を評価した。比較例3を100としたときの、各電池の電池抵抗の相対値を算出した。結果を下記の表2に示す。
(Evaluation of battery resistance)
A charge / discharge test was performed using the batteries prepared in the above Examples and Comparative Examples 3 to 4. Specifically, initial charge was performed at a constant current of 0.2 C, discharge was performed at a constant current of 0.5 C, and a charge / discharge test of 10 cycles was performed at a constant current of 1 C. Thereafter, the battery resistance at 1C was evaluated. The relative value of the battery resistance of each battery when the comparative example 3 was set to 100 was calculated. The results are shown in Table 2 below.
上記の表2から明らかなように、比較例である分子量が低いバインダを含む電極は密着力が低く、中でも、活物質の粒径が小さい比較例1および2では、剥離試験を行う前から、活物質層の剥離や、活物質層がもろく一部粉状になるなどの現象が見られた。これに対し、実施例である分子量が高いバインダを含む本発明の電極は、いずれも高い密着力を示した。 As is clear from Table 2 above, the comparative example of the electrode including the binder having a low molecular weight has low adhesion, and in Comparative Examples 1 and 2 where the particle size of the active material is small, before performing the peel test, Phenomena such as exfoliation of the active material layer and brittle part of the active material layer were observed. On the other hand, all the electrodes of the present invention including a binder having a high molecular weight as an example showed high adhesion.
電池抵抗は、すべての実施例で比較例よりも低い値となった。特に、活物質の粒径が3μm以下である実施例1〜3では、電池抵抗の低減の効果がより大きい結果となった。 The battery resistance was lower than that of the comparative example in all examples. In particular, in Examples 1 to 3 in which the particle size of the active material was 3 μm or less, the effect of reducing battery resistance was greater.
上記のように、粘度平均分子量が1.0×105〜1.0×108であるバインダを含む活物質層を備える本発明の電池用電極は、活物質層と集電体との密着性に優れ、該電極を用いることにより、電池抵抗の低い電池が提供されうる。 As described above, the battery electrode of the present invention including an active material layer containing a binder having a viscosity average molecular weight of 1.0 × 10 5 to 1.0 × 10 8 is an adhesion between the active material layer and the current collector. By using the electrode, the battery having low battery resistance can be provided.
本発明の電池用電極は、自動車等のモータ駆動用電源として用いられるリチウムイオン二次電池で、好適に用いられる。 The battery electrode of the present invention is suitably used in a lithium ion secondary battery used as a power source for driving a motor of an automobile or the like.
1 単電池、
10 双極型電池、
11 集電体、
13 正極活物質層、
15 負極活物質層、
17 電解質層、
19 単電池層、
21 電池要素、
25 正極端子、
27 負極端子、
29 ラミネートシート、
31 絶縁層、
33 正極集電体、
35 負極集電体、
40 組電池、
42、43 電極ターミナル、
50 自動車、
60 双極型でないリチウムイオン二次電池。
1 cell,
10 Bipolar battery,
11 Current collector,
13 positive electrode active material layer,
15 negative electrode active material layer,
17 electrolyte layer,
19 cell layer,
21 battery elements,
25 positive terminal,
27 negative terminal,
29 Laminate sheet,
31 insulating layer,
33 positive electrode current collector,
35 negative electrode current collector,
40 battery packs,
42, 43 electrode terminals,
50 cars,
60 Lithium ion secondary battery that is not bipolar.
Claims (10)
前記集電体の表面に配置された、平均粒径が1〜3μmである活物質および粘度平均分子量が1.0×105〜1.0×108であるバインダを含む活物質層と、
を備えることを特徴とする電池用電極。 A current collector,
An active material layer including an active material having an average particle diameter of 1 to 3 μm and a binder having a viscosity average molecular weight of 1.0 × 10 5 to 1.0 × 10 8 disposed on the surface of the current collector;
A battery electrode comprising:
前記正極または前記負極の少なくとも一方が、請求項1〜6のいずれか1項に記載の電池用電極である、リチウムイオン二次電池。 A lithium ion secondary battery including at least one single cell layer in which a positive electrode, an electrolyte layer, and a negative electrode are laminated in this order,
The lithium ion secondary battery whose at least one of the said positive electrode or the said negative electrode is a battery electrode of any one of Claims 1-6.
前記活物質スラリーを集電体の表面に塗布して乾燥させる工程と、
を有し、
前記第1のバインダおよび第2のバインダの粘度平均分子量が1.0×105〜1.0×108であり、
前記第1のバインダの粘度平均分子量は、前記第2のバインダの粘度平均分子量よりも小さく、前記活物質の平均粒径が1〜3μmであることを特徴とする、電池用電極の製造方法。 A step of preparing an active material slurry by mixing an active material, a first binder and a second binder, and a solvent;
Applying the active material slurry to the surface of the current collector and drying;
Have
The viscosity average molecular weight of the first binder and the second binder is 1.0 × 10 5 to 1.0 × 10 8 ;
The method for producing a battery electrode, wherein the viscosity average molecular weight of the first binder is smaller than the viscosity average molecular weight of the second binder, and the average particle diameter of the active material is 1 to 3 μm .
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