CN104603988A - 电极板和二次电池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供在具备将正极板与负极板层叠而得到的大型电极组的二次电池中不易产生活性物质层的剥离或破裂、集流体的磨损或裂纹等不良情况的电极板。一种电极板21,其具有如下构成:具有形成有活性物质层21a的涂敷区域CR和未形成活性物质层的未涂敷区域NC,在涂敷区域与未涂敷区域的边界,设置有俯视时具有非直线的凹凸形状的第一缓冲区域C2。

Description

电极板和二次电池
技术领域
本发明涉及具有将正极板和负极板交替层叠而得到的层叠型电极组的二次电池,特别是涉及适合于构建平面尺寸大的大型二次电池的电极板及具备该电极板的二次电池。
背景技术
近年来,由于具有高能量密度且能够小型轻量化,锂二次电池被用作手机、笔记本型个人电脑等便携式电子设备的电源用电池。另外,由于能够大容量化,作为电动汽车(EV)、混合动力汽车(HEV)等的发动机驱动电源、电力储存用蓄电池也受到关注。
上述锂二次电池具有如下构成:在构成电池盒的外装壳体内部收容将正极板与负极板隔着隔板相向配置而得到的电极组,填充电解液,设置与多个正极板的正极集流片连结的正极集流端子、与该正极集流端子电连接的正极外部端子、与多个负极板的负极集流片连结的负极集流端子和与该负极集流端子电连接的负极外部端子。
另外,作为电极组,已知卷绕型和层叠型。卷绕型电极组具有在正极板与负极板之间夹设隔板并卷绕成一体的构成,层叠型电极组具有将正极板与负极板隔着隔板层叠多层的构成。
具备层叠型电极组的锂二次电池中,具有在外装壳体中收容将正极板与负极板隔着隔板层叠多层而得到的电极组并用非水电解液填充的构成,并分别设置有与各自的正极板的正极集流片连结的正极集流端子、与该正极集流端子电连接的正极外部端子、与负极板的负极集流片连结的负极集流端子和与该负极集流端子电连接的负极外部端子。
在制作该层叠型的大容量二次电池时,大多要增大正极板和负极板的面积,增加层叠数,并且还增加填充的电解液量。另外,各个极板上涂敷的活性物质层的厚度也有变厚的倾向。在制造这样的正极板、负极板时,例如如下制造:在形成正极板的集流体的铝箔的两面上以预定厚度涂布将正极活性物质制成糊状而得到的电极合剂涂料,使其干燥后,利用辊压机进行压缩,并以预定的尺寸进行切割。
另外,极板的连接集流端子的区域为未形成活性物质层的未涂敷区域,在各个极板上存在涂布有电极合剂涂料的涂敷区域和未涂布电极合剂涂料的未涂敷区域。即,在制造正极板、负极板时,在各自的集流体的一部分上形成涂敷区域与未涂敷区域的边界部。
因此,活性物质层的厚度变厚时,该涂敷区域与未涂敷区域的高差、即边界部的高差增大,在干燥工序时、加压工序时,负荷集中到该边界部,容易产生活性物质层的剥离或破裂、集流体的磨损或裂纹等不良情况。即,在干燥时,由于干燥所伴随的活性物质层的收缩而产生负荷,在加压时,由于应力集中而产生负荷。
因此,对抑制因这样的边界部而引起的不良情况的方法进行了摸索,并且已经提出了如下的二次电池用电极板:形成使该边界部的厚度从涂敷区域至未涂敷区域逐渐变薄的构成,抑制涂敷区域的起始部的翘起,防止因压力集中而导致的电极板切断、活性物质层剥离(例如,参考专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2010-108678号公报
发明内容
发明所要解决的问题
即使电极板上涂布的电极合剂涂料的厚度变厚,通过采用使电极合剂涂料的厚度从涂敷区域至未涂敷区域逐渐变薄的构成,也能够在一定程度上防止由压力集中引起的电极板切断、活性物质层剥离。但是,如果电极合剂涂料的厚度进一步变厚、并且电极面积进一步增大,则负荷会集中在涂敷区域与未涂敷区域的边界区域而产生活性物质层的剥离或破裂、集流体的磨损或裂纹等不良情况,从而成为问题。
因此,对于进一步要求大型化的二次电池用电极板而言,期望能够更有效地抑制容易发生在涂敷区域与未涂敷区域的边界区域的活性物质层的剥离或破裂、集流体的磨损或裂纹等,通过使用不易产生这样的不良情况的电极板,期望得到能够降低制造时的初始不良率、提高负荷特性的二次电池。
因此,鉴于上述问题,本发明的目的在于提供在具备将正极板与负极板层叠而得到的大型电极组的二次电池中不易产生活性物质层的剥离或破裂、集流体的磨损或裂纹等不良情况的电极板。
用于解决问题的方法
为了实现上述目的,本发明为包含集流体和形成在该集流体上的活性物质层的电极板,其特征在于,具有形成有活性物质层的涂敷区域和未形成活性物质层的未涂敷区域,在到达与上述未涂敷区域的边界部的上述涂敷区域的端部,设置有俯视时具有非直线的凹凸形状的第一缓冲区域。
根据该构成,通过在涂敷区域与未涂敷区域的边界部设置具有凹凸形状的第一缓冲区域,涂敷区域与未涂敷区域的边界不是形成直线而是形成多个凹凸形状,因此,得到负荷不会集中在该边界部的活性物质层和集流体而是被分散的构成。因此,能够得到即使活性物质层的涂敷厚度变厚,并且即使极板的平面尺寸增大,也不易产生活性物质层的剥离或破裂、集流体的磨损或裂纹等不良情况的电极板。
另外,本发明的特征在于,上述构成的电极板中,设置有使活性物质层的厚度从上述涂敷区域至上述未涂敷区域逐渐变薄的第二缓冲区域。根据该构成,形成负荷更不易集中到该缓冲区域的构成,能够更有效地抑制活性物质层的剥离或破裂、集流体的磨损或裂纹等。另外,也形成容易促进电解液的渗透的构成,电解液浸渗速度提高。
另外,本发明的特征在于,上述构成的电极板中,上述电极板为正极板,在具有均匀厚度的活性物质层的涂敷区域内,上述活性物质层中含有的有效活性物质的涂敷重量以两面计为30~76mg/cm2。如该构成这样,即使有效活性物质的涂敷重量增大,通过采用设置有具有非直线的凹凸形状的第一缓冲区域、活性物质层的厚度逐渐变薄的第二缓冲区域的构成,也能够得到不易产生活性物质层的剥离或破裂、集流体的磨损或裂纹等不良情况的电极板。
另外,本发明的特征在于,上述构成的电极板中,上述电极板为正极板,在具有均匀厚度的活性物质层的涂敷区域内,活性物质层的厚度以两面计为150~650μm。如该构成这样,即使是集流体上涂敷的活性物质层的厚度以两面计为约150μm~约650μm的涂布量多的电极板,通过采用设置有具有非直线的凹凸形状的第一缓冲区域、活性物质层的厚度逐渐变薄的第二缓冲区域的构成,也能够得到不易产生活性物质层的剥离或破裂、集流体的磨损或裂纹等不良情况的电极板。
另外,本发明的特征在于,上述构成的电极板中,上述电极板包含正负电极板,将各自具有活性物质层的涂敷区域隔着隔板相向配设而形成发电区域,正极板的上述发电区域配设在负极板的具有均匀厚度的活性物质层的涂敷区域的内侧,并且,负极板的上述缓冲区域配设在正极板的具有均匀厚度的活性物质层的涂敷区域的外侧。根据该构成,负极板的缓冲区域形成在发电区域的外部,正极板的全部涂敷区域形成在负极板的具有均匀厚度的活性物质层的涂敷区域内,因此,能够准确地发挥规定的充放电容量。另外,能够防止充电所致的锂金属向负极板上的析出,因此,二次电池的安全性提高。
另外,本发明的特征在于,其为一种二次电池,具备分别在各自的集流体上形成有活性物质层的正极板和负极板以及与这些电极板电连接的集流构件(集流端子),上述正极板和上述负极板中的至少一者为上述电极板,上述集流构件(集流端子)在上述未涂敷区域内焊接固定在上述集流体上。
根据该构成,使用即使极板的活性物质层变厚、并且即使极板的平面尺寸增大,也不易产生活性物质层的剥离或破裂、集流体的磨损或裂纹等不良情况的电极板,因此,能够降低二次电池的初始不良率,能够提高负荷特性。另外,即使振动等外力作用于该二次电池,也不易产生上述不良情况,因此,得到不仅耐震性提高、而且安全性也提高的二次电池。
发明效果
根据本发明,即使是具备将正极板与负极板层叠而得到的大型电极组的二次电池,通过采用在形成有活性物质层的涂敷区域的到达与未涂敷区域的边界部的端部设置有俯视时具有非直线的凹凸形状的第一缓冲区域的构成,也能够得到不易产生活性物质层的剥离或破裂、集流体的磨损或裂纹等不良情况的电极板。
附图说明
图1是表示本发明的电极板的一例的俯视图。
图2是对本发明的电极板的缓冲区域进行说明的截面示意图。
图3是对本发明的电极板的制造工序进行说明的平面示意图。
图4A是表示本发明的电极板的缓冲区域的第一实施方式例的平面示意图。
图4B是表示图4A的缓冲区域的厚度方向的形状的截面示意图。
图5是表示缓冲区域的第二实施方式例的平面示意图。
图6是表示正极板与负极板的层叠状态的截面模式图。
图7是二次电池的分解立体图。
图8是二次电池所具备的电极组的分解立体图。
图9是表示二次电池的完成品的立体图。
图10是收容在电池盒中的电极组的概略截面图。
图11是表示作为层压袋式二次电池的小型积层电池(パックセル)的构成的立体图。
图12是对图11的小型积层电池中使用的电极板的第一缓冲区域进行说明的俯视图。
图13是对图11的小型积层电池中使用的电极板的第二缓冲区域的结构(a)、结构(b)、结构(c)进行说明的图。
具体实施方式
以下,参考附图对本发明的实施方式进行说明,但本发明不受这些实施方式的任何限制。另外,对于同一构成构件,使用同一符号,并适当省略重复的说明。
作为本发明的二次电池,例如使用锂二次电池。本实施方式的二次电池RB为层叠型的锂二次电池,如图7所示,在由外装壳体11和盖构件12构成的电池盒10内,收容有将正极板与负极板隔着隔板层叠多层而得到的层叠型的电极组1,并填充有电解液。另外,通过增大极板的面积、增加层叠数而得到容量较大的二次电池,可以应用于电动汽车用蓄电池、电力储存用蓄电池等。
接着,使用图7~图10对层叠型的锂二次电池RB和电极组1的具体构成进行说明。
如图7所示,层叠型的锂二次电池RB在俯视时为矩形,具备将各自为矩形的正极板、负极板和隔板层叠而得到的电极组1。另外,具有如下构成:收容在由具备底部11a和侧部11b~11e而成为盒型的外装壳体11和盖构件12构成的电池盒10中,由设置在外装壳体11的侧面(例如,侧部11b、11c的相向的两个侧面)上的外部端子11f进行充放电。
电极组1具有将正极板与负极板隔着隔板层叠多层而得到的构成,如图8所示,将在正极集流体2b(例如,铝箔)的两面形成有由正极活性物质构成的正极活性物质层2a的正极板2与在负极集流体3b(例如,铜箔)的两面形成有由负极活性物质构成的负极活性物质层3a的负极板3隔着隔板4而层叠。
利用隔板4,实现了正极板2与负极板3的绝缘,但锂离子能够通过填充在外装壳体11中的电解液在正极板2与负极板3之间迁移。
在此,作为正极板2的正极活性物质,可以列举:含有锂的氧化物(LiCoO2、LiNiO2、LiFeO2、LiMnO2、LiMn2O4等)、将该氧化物的过渡金属的一部分用其他金属元素置换而得到的化合物等。其中,对于通常的使用而言,如果使用能够将正极板2所保有的锂的80%以上用于电池反应的物质作为正极活性物质,则能够提高对过充电等事故的安全性。
作为这样的正极活性物质,可以列举例如:LiMn2O4这样的具有尖晶石结构的化合物、以及由LixMPO4(M为选自Co、Ni、Mn、Fe中的至少一种以上的元素)表示的具有橄榄石结构的化合物等。其中,从成本的观点出发,优选含有Mn和Fe中的至少一种元素的正极活性物质。从安全性和充电电压的观点出发,更优选使用LiFePO4。LiFePO4的所有氧(O)均通过牢固的共价键与磷(P)键合,因此,不易因温度升高而释放氧。因此,安全性优良。
另外,使用具有LiFePO4的基本结构、由LiFe1-xZrxP1-ySiyO4的化学式表示、晶格常数为(10.326≤a≤10.335,6.006≤b≤6.012,4.685≤c≤4.714)的正极活性物质α时,充放电时的膨胀收缩率小,因此优选。
本发明为包含集流体和形成在该集流体上的活性物质层的电极板,其特征在于,具有形成有活性物质层的涂敷区域和未形成活性物质层的未涂敷区域,在到达与上述未涂敷区域的边界部的上述涂敷区域的端部,设置有俯视时具有非直线的凹凸形状的第一缓冲区域。此外,本发明的特征还在于,设置有使活性物质层的厚度从上述涂敷区域至上述未涂敷区域逐渐变薄的第二缓冲区域。
正极活性物质α在充放电时的粒子的体积膨胀收缩率小,因此,能够抑制整个电极活性物质层的体积膨胀收缩。通过正极活性物质α与上述构成的组合,能够防止长期循环后的活性物质层剥离。此外,正极活性物质α在充放电时的粒子的体积膨胀收缩率小,由此,粒子本身的负荷特性的循环劣化也少,因此,长期循环后的低温特性飞跃性地提高。另外,本专利的凹凸结构具有应力缓和的效果,但另一方面,由于其复杂的结构而难以使凸部具有充分的粘结强度。作为活性物质α的性质,在将活性物质α制成水性浆料时,存在浆料的PH比其他活性物质高的倾向,在浆料涂敷时,Al箔表面由于氧化而变得适度粗糙,活性物质层的粘结力飞跃性地增加。特别是本专利凹凸结构的凸部中,在浆料涂敷时浆料固体成分浓度降低,因此氧化力增大,基于上述理由,能够局部性地具有非常高的粘结力。由此,能够容易地形成凹凸结构,并且利用高粘结力能够得到具有优良特性的电极。
上述晶格常数以下述方式求出。将试样(正极活性物质)用玛瑙研钵粉碎,利用X射线分析装置MiniFlexII(理学公司制造)得到粉末X射线衍射图案。测定条件设定为电压30kV、电流15mA、发散狭缝1.25°、接收狭缝0.3mm、散射狭缝1.25°、2θ的范围为10°~90°、1个步长0.02°,以使最大峰的强度达到800~1500的方式调节每步长的测量时间。
接着,对于所得到的粉末X射线衍射图案,使用里特沃尔德(Rietveld)分析软件RIETAN-FP(F.Izumi and K.Momma,“Three-dimensional visualization in powder diffraction,”Solid StatePhenom.,130,15-20(2007)),以表α所示的参数作为初始值来制作ins文件,使用DD3.bat,通过里特沃尔德分析来进行结构分析,由.1st文件读取各参数,从而确定晶格常数(S值(收敛程度)为1.1~1.3)。
[表α]
另外,作为负极板3的负极活性物质,使用含有锂的物质或能够进行锂的嵌入/脱嵌的物质。特别是,为了具有高的能量密度,优选使用锂的嵌入/脱嵌电位与金属锂的析出/溶解电位接近的物质。其典型例为粒子状(鳞片状、块状、纤维状、晶须状、球状和粉碎粒子状等)的天然石墨或人造石墨。
另外,正极板2的活性物质层中,除了正极活性物质以外,还可以含有导电材料、增粘材料和粘结材料等,另外,负极板3的活性物质层中,除了负极活性物质以外,还可以含有导电材料、增粘材料和粘结材料等。导电材料只要是不给正极板2、负极板3的电池性能带来不利影响的电子传导性材料则没有特别限定,可以使用例如:炭黑、乙炔黑、科琴黑、石墨(天然石墨、人造石墨)、碳纤维等碳质材料;导电性金属氧化物等。
作为增粘材料,可以使用例如聚乙二醇类、纤维素类、聚丙烯酰胺类、聚N-乙烯基酰胺类、聚N-乙烯基吡咯烷酮类等。粘结材料是发挥将活性物质粒子和导电材料粒子粘固的作用的材料,可以使用:聚偏二氟乙烯、聚乙烯基吡啶、聚四氟乙烯等氟系聚合物;聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃系聚合物;丁苯橡胶等。
另外,作为隔板4,优选使用微多孔性的高分子薄膜。具体而言,可以使用:由尼龙、醋酸纤维素、硝基纤维素、聚砜、聚丙烯腈、聚偏二氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚丁烯等聚烯烃高分子构成的薄膜。
另外,作为电解液,优选使用有机电解液。具体而言,作为有机电解液的有机溶剂,可以使用碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、碳酸亚丁酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、γ-丁内酯等酯类;四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、二氧杂环己烷、二氧杂环戊烷、乙醚、二甲氧基乙烷、二乙氧基乙烷、甲氧基乙氧基乙烷等醚类;以及二甲亚砜、环丁砜、甲基环丁砜、乙腈、甲酸甲酯、乙酸甲酯等。另外,这些有机溶剂可以单独使用,也可以将两种以上混合使用。
此外,有机溶剂中可以含有电解质盐。作为该电解质盐,可以列举:高氯酸锂(LiClO4)、硼氟化锂、六氟磷酸锂、三氟甲磺酸锂(LiCF3SO3)、氟化锂、氯化锂、溴化锂、碘化锂和四氯铝酸锂等锂盐。另外,这些电解质盐可以单独使用,也可以将两种以上混合使用。
电解质盐的浓度没有特别限定,优选为约0.5mol/L~约2.5mol/L,更优选为约1.0mol/L~约2.2mol/L。另外,电解质盐的浓度低于约0.5mol/L时,电解液中的载流子浓度降低,电解液的电阻可能会增高。另一方面,电解质盐的浓度高于约2.5mol/L时,盐本身的解离度降低,电解液中的载流子浓度可能不会提高。
电池盒10具备外装壳体11和盖构件12,由铁、镀镍的铁、不锈钢和铝等构成。另外,本实施方式中,如图9所示,电池盒10以在将外装壳体11与盖构件12组合时,外形形状实质上为扁平方型形状的方式形成。
外装壳体11为具备具有大致长方形的底面的底部11a和从该底部11a竖起的4个面的侧部11b~11e的盒型,在该盒型状内部收容电极组1。电极组1具备与正极板的集流片连结的正极集流端子和与负极板的集流片连结的负极集流端子,在外装壳体11的侧部各自设置有与这些集流片电连接的外部端子11f。外部端子11f例如设置在相向的两个侧部11b、11c的两个部位。另外,10a为注液口,从此处注入电解液。
在外装壳体11中收容电极组1并将各自的集流端子连接到外部端子上之后,或者,在电极组1的集流端子上连接各自的外部端子并收容到外装壳体11中,将外部端子固定到外装壳体的预定部位上之后,将盖构件12固定到外装壳体11的开口边缘。这样,电极组1被夹持在外装壳体11的底部11a与盖构件12之间,在电池盒10的内部保持电极组1。另外,盖构件12在外装壳体11上的固定通过例如激光焊等来进行,但也可以采用将外装壳体11与盖构件12的边缘一同进行卷边而使其密闭的构成。另外,集流端子与外部端子的连接除了使用超声波焊接、激光焊、电阻焊等焊接以外,还可以使用导电性胶粘剂等来进行。
如上所述,本实施方式的层叠型的二次电池RB为如下构成:具备将正极板2与负极板3隔着隔板4层叠多层而得到的电极组1、收容该电极组1并填充电解液的外装壳体11、设置在外装壳体11上的外部端子11f、将正负极板与外部端子11f进行电连接的正负集流端子5以及安装在外装壳体11上的盖构件12。
收容在外装壳体11中的电极组1中,例如,如图10所示,将在正极集流体2b的两面形成有正极活性物质层2a的正极板2与在负极集流体3b的两面形成有负极活性物质层3a的负极板3隔着隔板4而层叠,并进一步在两端面配设有隔板4。另外,代替两端面的隔板4,也可以采用将材质与该隔板4相同的树脂薄膜进行卷绕来对电极组1进行绝缘包覆的构成。无论何种方式,都形成在层叠电极组1的上表面层叠具有电解液渗透性和绝缘性的构件的构成。因此,可以使盖构件12直接抵接于该表面上,也可以隔着盖构件以预定的压力进行按压。
另外,为了发挥大容量,要增大正极板和负极板的面积,增加层叠数,还要增加所填充的电解液量。另外,涂敷在各个极板上的活性物质层的厚度也有变厚的倾向。在制造这样的正极板、负极板时,例如如下制造:在形成正极板的集流体的铝箔的两面上以预定厚度涂布将正极活性物质制成糊状而得到的电极合剂涂料,使其干燥后,利用辊压机进行压缩,并以预定的尺寸进行切割。
极板的连接集流端子5的区域为未形成活性物质层的未涂敷区域,在各个极板上存在涂布有电极合剂涂料的涂敷区域和未涂布电极合剂涂料的未涂敷区域。即,在制造正极板、负极板时,在各自的集流体的一部分上形成涂敷区域与未涂敷区域的边界部。
在这样的状态下,如果活性物质层的厚度变厚,则涂敷区域与未涂敷区域的高差、即边界部的高差增大,负荷集中到该边界部,容易产生活性物质层的剥离或破裂、集流体的磨损或裂纹等不良情况。因此,在本实施方式中,为了抑制因边界部引起的不良情况,采用了设置缓冲区域以使负荷不易集中到边界部的构成。
另外,除了上述的由厚度引起的负荷的增加以外,由大面积引起的负荷也增加,因此,在本实施方式中,设置有对这两种负荷发挥效果的缓冲区域。
接着,使用图1~图6对该缓冲区域详细地进行说明。
图1是表示本实施方式的电极板的一例的俯视图,图2中示出了其缓冲区域的截面模式图。图1所示的电极板21(P21、N21)在俯视时为矩形,通过在平板状的集流体21b的两面形成活性物质层21a而构成。
另外,具有未形成活性物质层21a而露出集流体21b的未涂敷区域NC,在该未涂敷区域NC上连接有集流端子5,并与集流片连结。即,电极板21具有涂敷有活性物质层21a的涂敷区域CR和未涂敷活性物质层21a的未涂敷区域NC,并具有它们的边界部23。
因此,如果活性物质层21a的厚度变厚,则负荷集中到该边界部23,容易产生活性物质层21a的剥离或破裂、集流体21b的磨损或裂纹等不良情况。因此,本实施方式中,为了抑制该边界部23的负荷集中,采用了在到达该边界部23的涂敷区域CR的端部设置有俯视时具有非直线的凹凸形状的第一缓冲区域C2的构成。
例如,采用如下构成:使俯视方向的形状为波型、锯齿型、方形的凹凸形状等非直线形状,从而抑制边界部23的负荷集中。另外,也可以采用如下构成:在第一缓冲区域C2的基础上,还设置有使活性物质层的厚度从涂敷区域至未涂敷区域逐渐变薄的第二缓冲区域C3。
无论如何,期望根据电极板的厚度和尺寸而采用负荷不易集中到涂敷区域CR与未涂敷区域NC之间的边界部23的构成,即使是均匀的厚度,通过设置使边界部23的俯视形状为包含多个凹凸形状的非直线形状的第一缓冲区域C2,也能够形成负荷不易集中的边界部23。进而,通过使厚度方向的形状发生变化(设置使活性物质层的厚度从涂敷区域至未涂敷区域逐渐变薄的第二缓冲区域C3),能够更有效地抑制负荷的集中。
即,本实施方式为包含集流体21b和形成在该集流体上的活性物质层21a的二次电池用的电极板21,其设定为如下构成:具有形成有活性物质层21a的涂敷区域CR和未形成活性物质层21a的未涂敷区域NC,在涂敷区域CR的到达与未涂敷区域NC的边界部23的端部设置缓冲区域(至少包含俯视时具有非直线的凹凸形状的第一缓冲区域C2),从而抑制该边界部23的负荷集中。
如果是该构成,则得到负荷不会集中到涂敷区域CR与未涂敷区域NC的边界部23而是被分散的构成,因此,能够得到即使所形成的活性物质层21a变厚,并且即使极板的平面尺寸增大,也不易产生活性物质层21a的剥离或破裂、集流体21b的磨损或裂纹等不良情况的电极板21。
电极板21包含正负电极板(正极板P21和负极板N21),将各自具有活性物质层21a的涂敷区域CR隔着隔板4相向配设而形成发电区域C1。另外,为了使正极板P21的全部涂敷区域与负极板N21的具有均匀厚度的活性物质层的涂敷区域相向,使负极板N21的活性物质层形成得比正极板P21的活性物质层稍大。由此,从正极板P21的活性物质层释放的锂离子不会被吸储到负极板N21的活性物质层中,例如,能够抑制金属析出到负极板N21上。
即,正极板P21的发电区域C1配设在负极板N21的具有均匀厚度的活性物质层的涂敷区域的内侧,并且,负极板N21的缓冲区域配设在正极板P21的具有均匀厚度的活性物质层的涂敷区域的外侧。如果是该构成,则负极板N21的缓冲区域形成在发电区域C1的外部,因此,能够准确地发挥规定的充放电容量。另外,防止充电所致的锂金属向负极板N21上的析出,因此,二次电池RB的安全性提高。
例如,如图6所示,将正极板P21与负极板N21隔着隔板4而层叠时,负极板N21的以均匀的厚度涂敷有活性物质层N21a的区域成为发电区域C1。另外,正极板P21的发电区域C1为包含第二缓冲区域C3(也包含第一缓冲区域C2)的区域,正极板P21的全部涂敷区域成为发电区域C1。
因此,在负极板N21的情况下,在发电区域C1的外部设置第二缓冲区域C3(也包含第一缓冲区域C2),在未涂敷活性物质层N21a的未涂敷区域NC,通过例如焊接连接有集流端子5。另外,正极板P21的第二缓冲区域C3(也包含第一缓冲区域C2)配设在负极板N21的具有均匀厚度的活性物质层的涂敷区域(成为发电区域C1)的内侧。
即,本实施方式的电极板21(二次电池用的电极板)具有正负电极板(正极板P21、负极板N21),负极板N21的缓冲区域C2、C3形成在发电区域C1的外部,正极板P21的缓冲区域C2、C3形成在发电区域C1的内部。如果是该构成,则正极板P21的包含缓冲区域的全部涂敷区域相向配设在负极板N21的具有均匀厚度的活性物质层的涂敷区域内,因此,能够准确地发挥规定的充放电容量。另外,防止充电所致的锂金属向负极板N21上的析出,因此,二次电池RB的安全性提高。
第一缓冲区域C2通过将涂敷区域CR与未涂敷区域NC的边界部形成为俯视时为波状的凹凸形状23A而构成。如果是该构成,则涂敷区域CR与未涂敷区域NC的边界不呈直线,因此,得到负荷不会集中到该边界部23的活性物质层21a和集流体21b而是被分散的构成。即,通过形成波状的凹凸形状23A,能够形成负荷不会集中到该边界部23的第一缓冲区域C2,能够得到即使所涂敷的活性物质层21a变厚,并且即使极板的平面尺寸增大,也不易产生活性物质层21a的剥离或破裂、集流体21b的磨损或裂纹等不良情况的电极板21。
另外,优选在第一缓冲区域C2的基础上,还设置使活性物质层21a的厚度逐渐变薄的第二缓冲区域C3。如果是该构成,则得到负荷更不易集中的构成,能够更有效地抑制活性物质层21a的剥离或破裂、集流体21b的磨损或裂纹等。特别是在利用辊压机进行压缩时,能够可靠地防止该边界部23的集流体21b的裂纹。另外,第二缓冲区域C3的活性物质层21a成为电解液容易渗透的低密度层,因此,电解液浸渗速度提高。
作为逐渐变薄的构成,例如,设定为如图2所示的呈直线变薄的倾斜面状的端部22A。另外,在活性物质层21a的厚度比较薄的情况下,可以为厚度几乎不发生变化的端部22B。即使在这种情况下,通过使边界部23为波状的凹凸形状23A,也能够形成负荷不易集中的缓冲区域(第一缓冲区域C2)。
接着,使用图3对二次电池用电极板21的制造方法简单进行说明。
在使作为集流体21b的原材料的长条的金属箔20移动的同时,通过涂布模具(涂布喷嘴)对将作为电极材料的正极活性物质或负极活性物质制成糊状而得到的电极合剂涂料以均匀的厚度进行涂布。然后,使其干燥后,利用辊压机进行压缩,以预定的尺寸进行切割,制作板状的电极板。
此时,可以在金属箔20的两面上分别涂布电极合剂涂料并使其干燥,另外,也可以在一个表面上涂布电极合剂涂料并使其干燥后,再在相反侧的表面上涂布电极合剂涂料并使其干燥。在任意一种情况下,均在图的左右两端设置未涂布电极合剂涂料的未涂布部,使其干燥并利用辊压机进行压缩后,沿着切割线CL1~CL4进行切割,由此制作电极板21A~21D。即,金属箔20是具有板状的电极板21的两张大小的宽度的长条构件,在该金属箔20的两侧部设置未涂布电极合剂涂料的未涂布部,由此,一体化地制造具备涂敷区域CR和未涂敷区域NC的多个电极板21。
另外,作为使涂布部与未涂布部的边界部为波状的凹凸形状23A的方法,例如,可以通过在宽度方向上配设多个涂布模具并且仅使设置在两端部的涂布模具沿左右方向摇动来实施。另外,也可以通过将电极合剂涂料从设置在两端部的涂布模具的供给设定为间歇供给、或者使金属箔20的移动速度周期性地变动来实施。此外,也可以在整个宽度上以均匀的厚度涂布并干燥后,以达到预定的形状和厚度的方式进行切削加工来形成。
上述的边界部23的形状优选在俯视时为凹凸形状,在本实施方式中,采用了波状的凹凸形状23A。使用图4A、图4B进一步对该波状的凹凸形状23A进行说明。
以下,如果没有特别指定,则缓冲区域的宽度是指在与向金属箔20上的涂敷方向正交的方向上的宽度。如图4A所示,在第二缓冲区域C3的端部设置有波状的凹凸形状23A的第一缓冲区域C2(例如,宽度约2mm)。另外,如图4B所示,第二缓冲区域C3具有倾斜面状的端部22A,在该前端侧设置有由波状的凹凸形状23A构成的第一缓冲区域C2。这种情况下,可以如图所示将第二缓冲区域C3的宽度设定为比第一缓冲区域C2的宽度大的宽度(例如,约4mm),但也可以设定为相同的宽度。这是因为,只要是在边界部23不易产生负荷集中的构成,则希望根据电极板的厚度和尺寸而减小缓冲区域C2、C3的宽度。
即,可以根据电极板21的厚度和尺寸而设置厚度均匀且俯视时的形状不同的第一缓冲区域C2,也可以在该第一缓冲区域C2的基础上设置使厚度变化的第二缓冲区域C3。
另外,设置在边界部23的凹凸形状可以为方形的波状的凹凸形状,因此,使用图5对该一例(第二实施方式例)进行说明。
图5所示的凹凸形状23B为第二实施方式的凹凸形状,具有方形的凹凸。即使在这种情况下,也可以设置使活性物质层21a的厚度从涂敷区域CR至未涂敷区域NC逐渐变薄的第二缓冲区域C3。该第二缓冲区域C3的宽度可以与设置有方形的波状的凹凸形状23B的第一缓冲区域C2的宽度(例如,约2mm)为同等程度,也可以如图所示为稍宽的宽度(例如,约4mm)。
接着,再次对具备上述构成的电极板的本实施方式的二次电池进行说明。
本实施方式的二次电池RB具备分别在各自的集流体21b上形成有活性物质层21a的正极板P21和负极板N21以及与这些电极板电连接的集流构件(集流端子5)。另外,正极板P21和负极板N21中的至少一者为前述的电极板21,集流构件(集流端子5)在该电极板21的未涂敷区域NC内焊接固定在集流体21b上。
即,使用了具有如下构成的电极板21:在电极板21的涂敷区域CR的端部设置有俯视时具有非直线的凹凸形状的第一缓冲区域C2和使活性物质层21a的厚度逐渐变薄的第二缓冲区域C3,因此,使用的是即使极板的活性物质层21a变厚并且即使极板的平面尺寸增大也不易产生活性物质层21a的剥离或破裂、集流体21b的磨损或裂纹等不良情况的电极板21,能够降低二次电池RB的初始不良率,能够提高负荷特性。另外,即使振动等外力作用于该二次电池RB,也不易产生上述不良情况,因此,得到不仅耐震性提高、而且安全性也提高的二次电池RB。
上述构成的二次电池RB中,将正极板P21和负极板N21的各自具有均匀厚度的活性物质层的涂敷区域CR隔着隔板4相向配设而形成发电区域C1。另外,正极板P21的发电区域配设在负极板N21的具有均匀厚度的活性物质层的涂敷区域的内侧,并且,负极板N21的缓冲区域(第一缓冲区域C2和第二缓冲区域C3)配设在正极板P21的具有均匀厚度的活性物质层的涂敷区域的外侧。如果是该构成,则负极板N21的缓冲区域C2、C3形成在发电区域C1的外部,正极板P21的包含缓冲区域的全部涂敷区域形成在负极板N21的具有均匀厚度的活性物质层的涂敷区域内,因此,能够准确地发挥规定的充放电容量。另外,防止充电所致的锂金属向负极板N21上的析出,因此,二次电池RB的安全性提高。
接着,对实际制作预定结构的层叠型锂二次电池并确认电极板是否产生不良情况的实施例和比较例的实验结果进行说明。
(实施例)
[正极板的制作]
将作为正极活性物质的LiFePO4(90重量份)、作为导电材料的乙炔黑(5重量份)和作为粘结材料的聚偏二氟乙烯(5重量份)混合,适当添加作为溶剂的N-甲基-2-吡咯烷酮,使各材料分散而制备浆料,将该浆料均匀地涂布到作为正极集流体的铝箔(厚度20μm)的两面上,使其干燥后,利用辊压机进行压缩,以预定的尺寸进行切割,制作板状的正极板2。
另外,在以预定厚度涂敷有活性物质的发电区域与未涂敷区域之间设置倾斜面状且宽度为4mm的第二缓冲区域C3,在其前端设置具有宽度为2mm的波状的凹凸形状的第一缓冲区域C2。制作的正极板的尺寸为145mm×312mm(涂敷区域为145mm×299mm),厚度为330μm,使用了32张该正极板2。
[负极板的制作]
将作为负极活性物质的天然石墨(95重量份)和作为粘结材料的聚偏二氟乙烯(5重量份)混合,适当添加作为溶剂的N-甲基-2-吡咯烷酮,使各材料分散而制备浆料,将该浆料均匀地涂布到作为负极集流体的铜箔(厚度10μm)的两面上,使其干燥后,利用辊压机进行压缩,以预定的尺寸进行切割,制作板状的负极板3。
另外,在以预定厚度涂敷有活性物质的发电区域与未涂敷区域之间设置倾斜面状且宽度为4mm的第二缓冲区域C3,在其前端设置具有宽度为2mm的波状的凹凸形状的第一缓冲区域C2。制作的负极板的尺寸为153mm×315mm(涂敷区域为153mm×307mm),厚度为205μm,使用了33张该负极板3。
[隔板的制作]
另外,作为隔板,制作了64张尺寸为153mm×311mm、厚度为25μm的聚乙烯薄膜。
[非水电解液的制作]
在将碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二乙酯(DEC)以30:70的容积比混合而得到的混合液(溶剂)中溶解1mol/L的LiPF6,制备非水电解液。
[电池盒的制作]
使用镀镍的铁板分别制作构成电池盒的外装壳体和盖构件。另外,关于其尺寸,厚度以0.8mm为基准,关于盒的尺寸,长边方向×短边方向×深度各自以内部尺寸计,以380mm×160mm×45mm为基准。另外,制作厚度为0.8mm且具备带高差(段差)的盖构件的方型电池盒。
[二次电池的组装]
将正极板与负极板隔着隔板交替层叠。此时,以使负极板相对于正极板位于外侧的方式将32张正极板、33张负极板、64张隔板层叠,形成使用厚度与隔板相同的25μm的聚乙烯薄膜将该层叠体卷绕的构成,从而构建电极组(层叠体)。
如前所述,夹设在正负极板间的隔板的大小为153mm×311mm,能够可靠地覆盖形成在正极板的涂敷区域(145×299)和负极板的涂敷区域(153×307)内的活性物质层。另外,在正极板和负极板的未涂敷区域内连接集流构件(集流端子)。
将连接有集流端子的电极组收容到外装壳体中,将集流端子与外部端子连接,安装盖构件而密封,通过真空注液工序(注液工序和脱气工序)从注液口减压注入非水电解液。注液后,封住注液口,制作本实施方式的二次电池(实施例1)。
(比较例)
作为比较例的二次电池,制作与前面示出的实施例为相同尺寸、相同张数,但是,未形成缓冲区域C2、C3的正极板和负极板,使用相同尺寸且相同板厚的电池盒来制作二次电池(比较例1)。
使用上述实施例1和比较例1的两种二次电池,进行:
测试1:电极板层叠工序时的两张吸附错误(二枚取りエラー)频率的比较
测试2:二次电池的初始不良率的比较(电池制作工序中的短路和异常频率)
测试3:初始的负荷特性的比较(初始特性评价工序的结果)
测试4:振动试验后的负荷特性的劣化程度的比较(在振动试验前后进行充放电测定)。
测试1的两张吸附错误是指,在将负极板、正极板和隔板交替层叠时,在逐张地吸附电极板并进行重叠的工序中,重叠地吸附两张的错误,特别是发生在正极板的情况下。测试2的初始不良率是指二次电池制作后不发挥预定的充放电容量(包括短路)的二次电池的比例,测试3的初始的负荷特性是指放电速率为1C时的放电容量相对于放电速率为0.1C时的放电容量的比例,测试4的负荷特性的劣化是指振动试验前后的上述比例降低的程度。
实施的振动试验在3个轴向(x轴、y轴、z轴)上各进行3小时45分钟(合计11小时15分钟),详细而言,在各方向上以频率5Hz~200Hz~5Hz、加速度1G~8G~1G的变动幅度、以15分钟为1组进行15次(合计3小时45分钟)。
将试验结果示于表1中。
[表1]
试验的结果可知,本实施方式的实施例1(设置有第一缓冲区域C2和第二缓冲区域C3的电极板)中,两张吸附错误从比较例1的5%改善至0%,初始不良率也从比较例1的5%改善至2%。另外可知,初始的负荷特性从96.8%改善至98.9%,在振动试验实施后,比较例1的负荷特性劣化至88.3%,与此相对,实施例1中,发挥98.0%的高值。此外,比较例1在振动试验实施后反复进行充放电时,发生短路。
认为测试1的两张吸附错误的改善是由于,在电极板干燥时,特别是在边界区域不易产生裂纹、褶皱等,加压工序中的边界区域的活性物质层的破裂或剥离、电极板的翘曲、集流体的裂纹等得到抑制。认为测试2的初始不良率的改善是由于,除了上述因素以外,电池组装工序中的边界区域的活性物质层的破裂或剥离、集流体的磨损或裂纹等得到抑制。
认为测试3、测试4的负荷特性的改善是由于,对边界区域的负荷得到了减轻。另外,由于使边界区域为波状的凹凸形状且活性物质层的厚度逐渐变薄的倾斜面状,因此,与电解液接触的面积增大,并且存在活性物质层的低密度部,电解液浸渗速度升高,能够缩短浸渗时间。
如上所述,通过在电极板的涂敷区域的与未涂敷区域的边界部设置缓冲区域(第一缓冲区域C2和第二缓冲区域C3),制造时的两张吸附错误得到改善,初始不良率降低。另外,还能够抑制制品的负荷特性的劣化。这些效果在表面积大的电极板和活性物质层的涂敷厚度厚的电极板中特别显著,因此,本实施方式的电极板构成优选用于涂敷厚度更厚的正极板。
另外,实施例1中使用的正极板的厚度为330μm,(正极)活性物质层的厚度以单面计为155μm。另外,负极板的厚度为205μm,(负极)活性物质层的厚度以单面计为97.5μm。可知,在这种程度的厚度的情况下,只要设置宽度为4mm的第二缓冲区域C3并在其前端设置宽度为2mm的具有波状的凹凸形状的第一缓冲区域C2即可。另外,为了构成容量比其更大的二次电池,即使在活性物质层的厚度以单面计厚达例如300μm的情况下,只要根据该厚度来设置不易产生活性物质层的剥离或破裂、集流体的磨损或裂纹等不良情况的尺寸的边界部即可。
另外,关于正极板的活性物质层的厚度,例如,在制作移动设备用的二次电池的情况下,为约数微米至约数十微米,但在作为比较大型的电力储存用蓄电池使用的情况下,需要使其更厚,例如,以单面计为50μm以上、以两面计为100μm以上(优选约150μm)。另外,活性物质层的厚度过度增厚时,电极电阻增加,或者由于充放电所伴随的膨胀或收缩所致的应力而产生电极板的变形、褶皱等,因此,优选以单面计为400μm以下、以两面计为800μm以下(优选为650μm以下)。本实施方式的电极板构成能够适合用于这样的比较大型(例如,活性物质层的厚度以两面计为约150μm~约650μm)的正极板。
活性物质的涂敷重量随着活性物质层的厚度和活性物质的配合密度而发生变化。另外,为了维持电解液向活性物质层的渗透性而发挥适当的充放电特性,期望活性物质的涂敷重量也在适当的范围内。
正极活性物质的涂敷重量优选以单面计每1cm2正极为15mg以上、以两面计每1cm2正极为30mg以上。这是因为,正极活性物质的涂敷重量以两面计每1cm2正极小于30mg时,正极活性物质在电极体内所占的比例减小,能量密度降低。
另外,对充放电容量有贡献的正极活性物质(有效活性物质)以两面计每1cm2正极超过76mg时,在制作正极板时,不仅在均匀厚度的活性物质层中产生裂纹、褶皱等的情况增多,而且无法充分地有效利用涂敷的全部正极活性物质,因此,难以制造性能稳定的正极板。基于以上理由,可以说正极活性物质的涂敷重量优选为约30mg/cm2~约76mg/cm2
即,即使是涂敷在集流体的两面上的正极活性物质层的厚度为约150μm~约650μm、正极活性物质(有效活性物质)的涂敷重量以两面计为约30mg/cm2~约76mg/cm2的大型正极板,通过在正极板的涂敷区域的与未涂敷区域的边界部设置缓冲区域(至少包含第一缓冲区域C2),也能够得到不易产生活性物质层的剥离或破裂、集流体的磨损或裂纹等不良情况、制造时的两张吸附错误得到改善、初始不良率降低并且也能够抑制制品的负荷特性的劣化的正极板。
如上所述,根据本实施方式,设定为在电极板的到达与未涂敷区域的边界部的涂敷区域的端部设置有俯视时具有非直线的凹凸形状的第一缓冲区域C2的构成,因此,得到负荷不易集中到缓冲区域的构成。因此,得到负荷不会集中到涂敷区域与未涂敷区域的边界而是被分散的构成,能够得到即使所涂敷的活性物质层变厚,并且即使极板的平面尺寸增大,也不易产生活性物质层的剥离或破裂、集流体的磨损或裂纹等不良情况的电极板。
另外,通过在上述第一缓冲区域C2的基础上,还设置活性物质层的厚度从涂敷区域至未涂敷区域逐渐变薄的第二缓冲区域C3,得到负荷更不易集中的构成,能够更有效地抑制活性物质层的剥离或破裂、集流体的磨损或裂纹等。另外,还得到容易促进电解液的渗透的构成,电解液浸渗速度提高。
具备上述构成的电极板的本发明的二次电池安装有不易产生活性物质层的剥离或破裂、集流体的磨损或裂纹等不良情况的电极板,因此,能够降低二次电池的初始不良率,能够提高负荷特性。另外,得到不仅具有即使对该二次电池施加振动等外力也不易产生上述不良情况、负荷特性不会劣化这样的耐震性、而且安全性也提高的二次电池。
接着,使用图11~图13和表2~4对制作作为层压袋式二次电池的小型积层电池并实施的实施例2~16、比较例2~18进行说明。图11中示出了表示本实施方式的小型积层电池RBP的构成的分解立体图和显示整体外观的立体图。整体外观图以内部通透可见的方式来表示。另外,图12中示出了设置在小型积层电池RBP中使用的电极板(正极板21P)上的第一缓冲区域C2的区域宽度X1和间隔Y1,图13中示出了设置有区域宽度X2的第二缓冲区域C3的结构(a)、结构(b)、结构(c)的实施方式。
本实施例中,在正极板上设置第一缓冲区域C2和/或第二缓冲区域C3,对有无缓冲区域的效果进行了比较。即,设置有任意一个缓冲区域的正极板称为21P,未设置缓冲区域的正极板称为2P。另外,负极板上未设置缓冲区域,因此称为3P。在此,实施例2~16、比较例2~18中使用的正极活性物质α通过以下的方法合成。
[LiFe1-xZrxP1-ySiyO4的合成]
作为起始原料,使用作为锂源的LiCH3COO、作为铁源的Fe(NO3)3·9H2O、作为锆源的ZrCl4、作为磷源的H3PO4(85%)、作为硅源的Si(OC2H5)4。将作为锂源的LiCH3COO设定为1.3196g,以使Li:Fe:Zr:P:Si以摩尔比计为1:0.974:0.026:0.974:0.026的方式称量上述各物质。
将上述物质溶解于30ml的C2H5OH中,在室温下用搅拌器搅拌48小时。然后,在40℃的恒温槽内除去溶剂,得到茶褐色的粉末。在所得到的粉末中添加15重量%的蔗糖后,用玛瑙研钵充分混合,加压成形为颗粒状。将其在500℃下在氮气气氛下进行12小时的煅烧,合成单相粉末。所得到的正极活性物质P的Zr的置换量x为0.025、Si的置换量y为0.025、晶格常数为(a,b,c)=(10.330,6.008,4.694)。
接着,以使Li:Fe:Zr:P:Si以摩尔比计为1:0.984:0.016:0.968:0.032的方式进行称量,通过与上述同样的方法制作正极活性物质Q。所得到的正极活性物质Q的Zr的置换量x为0.015、Si的置换量y为0.03、晶格常数为(a,b,c)=(10.326,6.006,4.685)。另外,以使Li:Fe:Zr:P:Si以摩尔比计为1:0.895:0.105:0.790:0.210的方式进行称量,通过与上述同样的方法制作正极活性物质R。所得到的正极活性物质R的Zr的置换量x为0.1、Si的置换量y为0.2、晶格常数为(a,b,c)=(10.337,6.015,4.720)。
此外,以使Li:Fe:Zr:P:Si以摩尔比计为1:1:0:1:0的方式进行称量,通过与上述同样的方法制作正极活性物质S(LiFePO4)。另外,置换量x、y为使用ICP质谱分析装置ICP-MS7500cs(Agilent Technologies公司制造)通过标准曲线法得到的结果。晶格常数为通过前面记载的步骤求出的值。
[正极板的制作]
将所得到的正极活性物质A(P、Q、R)、乙炔黑B、丙烯酸类树脂C、羧甲基纤维素D以A:B:C:D=100:3.5:5:1.2重量%的比率进行混合,使用フィルミックス80-40型(プライミクス公司制造)在室温下搅拌混合,得到水性的电极糊。
将该电极糊涂布到压延铝箔(厚度20μm)的单面上,在空气中在100℃下干燥30分钟。然后,进行加压加工,得到正极板2P(涂敷面尺寸:28mm(纵H1)×28cm(横L1))。另外,所得到的正极板2P的平均活性物质涂布量为5mg/cm2、电极密度为2.0g/cm3
[具有第一缓冲区域的正极板的制作]
将所得到的正极活性物质A、乙炔黑B、丙烯酸类树脂C、羧甲基纤维素D以A:B:C:D=100:5:6:1.2重量%的比率进行混合,使用フィルミックス80-40型(プライミクス公司制造)在室温下搅拌混合,得到水性的电极糊。将该电极糊涂布到压延铝箔(厚度20μm)的单面上,在空气中在100℃下干燥30分钟。涂敷时,通过使涂布机在与涂敷方向垂直的方向上振动,在以预定量涂敷有活性物质的发电区域CR与未涂敷区域NC之间设置以区域宽度为X1、凹凸的间隔为Y1的方式设计的具有凹凸形状的第一缓冲区域C2(参考图12)。然后,进行加压加工,得到正极板21P(涂敷面尺寸:28mm(纵H1)×28cm(横L1))。另外,所得到的正极板21P的平均活性物质涂布量为5mg/cm2、电极密度为2.0g/cm3
[具有第二缓冲区域的正极板的制作]
将所得到的正极活性物质A、乙炔黑B、丙烯酸类树脂C、羧甲基纤维素D以A:B:C:D=100:5:6:1.2重量%的比率进行混合,使用フィルミックス80-40型(プライミクス公司制造)在室温下搅拌混合,得到水性的电极糊。将该电极糊涂布到压延铝箔(厚度20μm)的单面上,在空气中在100℃下干燥30分钟。涂敷时,准备固体成分浓度在35%~55%的范围内的多种浆料,将各浆料以预定量进行涂敷,由此,得到在发电区域CR与未涂敷区域NC之间具备区域宽度为X2的具有倾斜的第二缓冲区域C3的电极(参考图2)。此外,各电极被分类成第二缓冲区域C3的倾斜结构为直线性的倾斜结构、向上凸的倾斜结构、向下凸的倾斜结构这三种,分别设为结构(a)、结构(b)、结构(c)。然后,进行加压加工,得到正极板21P(涂敷面尺寸:28mm(纵H1)×28cm(横L1))。另外,所得到的正极板21P的平均活性物质涂布量为5mg/cm2、电极密度为2.0g/cm3
[负极板的制作]
将天然石墨E、丁苯橡胶F、羧甲基纤维素D以E:F:D=98:2:1重量%的比率进行混合,使用双螺杆行星混合机(プライミクス公司制造)在室温下搅拌混炼,得到水性的电极糊。使用模涂机将该水性的电极糊涂布到压延铜箔(厚度10μm)的单面上,在空气中在100℃下干燥30分钟,进行加压加工,得到负极板3P(涂敷面尺寸:30mm(相当于纵H1)×30cm(相当于横L1))。另外,所得到的负极板3P的平均活性物质涂布量为3mg/cm2、电极密度为1.5g/cm3
[电池的制作]
将制作的正极板2P、21P和负极板3P在130℃下减压干燥24小时后,装入干燥Ar气氛下的手套箱内,然后,在正极板2P、21P上超声波焊接带胶粘薄膜的铝制引线51,在负极板3P上超声波焊接带胶粘薄膜的镍制引线52。接着,将正负极板组合,在手套箱内以盖住负极板3P的涂敷面的方式装载作为隔板4的聚烯烃的微多孔膜(尺寸:30mm(纵)×30cm(横)、厚度25μm),以使涂敷面的中心重合的方式重叠正极板(2P或21P),制作单电池。
进而,用铝层压袋4A夹持单电池,以夹持引线的胶粘薄膜53的方式对铝层压体的三边进行热熔敷(热熔敷部HW)。从未熔敷的一边向单电池中注入使LiPF6以达到1mol/L的方式溶解于碳酸亚乙酯(EC)与碳酸二乙酯(DEC)以1:2的体积比混合而成的溶剂中而得到的电解液,在10kPa的减压下对该最后一边进行热熔敷,得到电池(小型积层电池RBP)。电解液的注液量根据各电池中使用的电极的厚度适当确定,设定为电解液充分渗透到实际制作的电池的正极板、负极板和隔板中的量。
表2、表3、表4中示出了各实施例2~16和比较例2~18的各方法和实验结果。表2中示出了实施例2~6、比较例2~7和17的各方法和实验结果,表3中示出了实施例7~12、比较例2、8~13、17的各方法和实验结果,表4中示出了实施例13~16、比较例2、14~18的各方法和实验结果。
对于这些表2~4中记载的实施例2~16和比较例2~18,测定25℃下的初始放电容量、0℃下的初始放电容量。另外,将这些电池在25℃的环境下进行3500次循环的充放电试验后,再次测定25℃下的初始容量、0℃下的放电容量。将该测定结果示于表2~4中。
放电容量设定为以0.1C-CCCV充电(恒流恒压充电:截止电压3.6V、截止电流0.01C)后、以0.1C-CC放电(恒流放电:截止电压2.0V)时的容量。充放电循环通过1.0C-CCCV充电(截止电压3.6V、截止电流0.1C)、1.0C-CC放电(截止电压2.0V)来进行。但是,表中的数值用将各电池在25℃下的初始放电容量设为100时的比率表示。
表2中归纳了设置有第一缓冲区域C2的实施例2~6和比较例2~7、17。比较例3~7是设置有第一缓冲区域C2的例子,比较例2、17是未设置缓冲区域的例子。由该结果确认,在使用LiFe1-xZrxP1-ySiyO4作为活性物质并且在正极板上设置有第一缓冲区域C2的情况下,不论其尺寸大小,循环后的25℃容量、0℃容量均提高。
表3中归纳了设置有第二缓冲区域C3的实施例7~12和比较例2、8~13、17。比较例8~13是设置有第二缓冲区域C3的例子,比较例2、17是未设置缓冲区域的例子。由该结果确认,在使用LiFe1-xZrxP1-ySiyO4作为活性物质并且在正极板上设置有第二缓冲区域C3的情况下,不论其尺寸大小,循环后的25℃容量、0℃容量均提高。
表4中归纳了设置有第一缓冲区域C2和第二缓冲区域C3这两种缓冲区域时的实施例13~16和比较例2、14~18。比较例14~16、18是设置有两种缓冲区域的例子,比较例2、17是未设置缓冲区域的例子。由该结果确认到通过设置两种缓冲区域而产生的协同效果。
根据实施例16,像正极活性物质Q这样组成为LiFe1-xZrxP1-ySiyO4且晶格常数在预定的范围内(10.326≤a≤10.335,6.006≤b≤6.012,4.685≤c≤4.714)时,能够得到充分的效果。但是,根据比较例18,在使用即使组成为LiFe1-xZrxP1-ySiyO4、但晶格常数在范围之外的正极活性物质R的情况下,得不到充分的效果。
认为上述效果是通过使用体积膨胀收缩小的活性物质、对未涂敷部的结构进行设计而防止了由循环中的电极的膨胀收缩引起的剥离、抑制了电极电阻增加的结果。
产业上的可利用性
因此,本发明的电极板和二次电池能够适合利用于要求电极板的大型化和电池的性能稳定化的层叠型的大容量蓄电池。
标号说明
1   电极组
2   正极板
3   负极板
4   隔板
5   集流端子
10  电池盒
11  外装壳体
12  盖构件
20  金属箔
21  电极板
23  边界部
23A 波状的凹凸形状
23B 方形的凹凸形状
C1  发电区域
C2  第一缓冲区域
C3  第二缓冲区域
CR  涂敷区域
NC  未涂敷区域
RB  二次电池
RBP 小型积层电池

Claims (6)

1.一种电极板,其为包含集流体和形成在该集流体上的活性物质层的电极板,其特征在于,具有形成有活性物质层的涂敷区域和未形成活性物质层的未涂敷区域,在到达与所述未涂敷区域的边界部的所述涂敷区域的端部,设置有俯视时具有非直线的凹凸形状的第一缓冲区域。
2.如权利要求1所述的电极板,其特征在于,设置有使活性物质层的厚度从所述涂敷区域至所述未涂敷区域逐渐变薄的第二缓冲区域。
3.如权利要求1或2所述的电极板,其特征在于,所述电极板为正极板,在具有均匀厚度的活性物质层的涂敷区域内,所述活性物质层中含有的有效活性物质的涂敷重量以两面计为30~76mg/cm2
4.如权利要求1~3中任一项所述的电极板,其特征在于,所述电极板为正极板,在具有均匀厚度的活性物质层的涂敷区域内,活性物质层的厚度以两面计为150~650μm。
5.如权利要求1或2所述的电极板,其特征在于,所述电极板包含正负电极板,将各自具有活性物质层的涂敷区域隔着隔板相向配设而形成发电区域,正极板的所述发电区域配设在负极板的具有均匀厚度的活性物质层的涂敷区域的内侧,并且,负极板的所述缓冲区域配设在正极板的具有均匀厚度的活性物质层的涂敷区域的外侧。
6.一种二次电池,其特征在于,具备分别在各自的集流体上形成有活性物质层的正极板和负极板以及与这些电极板电连接的集流构件,所述正极板和所述负极板中的至少一者为权利要求1~5中任一项所述的电极板,所述集流构件在所述未涂敷区域内焊接固定在所述集流体上。
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