CN104620423B - 锂离子二次电池 - Google Patents

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Abstract

一种锂离子二次电池(100),其具有在集电箔(Z)上形成了包含粉体状的合剂粒子(51)的合剂层(53)的电极板(1010)。在集电箔(Z)上具备以图案状式样形成粘结剂层的粘结剂涂布部(ZT1)、和未形成粘结剂层的粘结剂非涂布部(ZT2)。合剂粒子(51)至少包含电极活性物质(K)和粘结剂(B2),在粘结剂涂布部(ZT1)和粘结剂非涂布部(ZT2)上形成了合剂层(53)。

Description

锂离子二次电池
技术领域
本发明涉及锂离子二次电池。特别是涉及具有在集电箔上形成了合剂层的电极体的锂离子二次电池,所述合剂层包含含有电极活性物质的粉体状的合剂粒子。
背景技术
近年来,由于混合动力车、电动车等的普及,在用于它们的驱动用电源的锂离子二次电池的需要提高的过程中,高输出化的需求不断增大。为实现锂离子二次电池的高输出化,需要减小在大电流放出时的能量损失,近年来,降低电极板的内阻的技术受到关注。
作为降低电极板的内阻的技术,例如,在专利文献1中公开了下述锂离子二次电池的发明:在集电箔的至少一面上形成接合剂层,并向接合剂层上供给带电的电极材料(含有电极活性物质的复合粒子),由此形成了电极层。
在先技术文献
专利文献1:日本特开2011-216504号公报
发明内容
但是,在专利文献1的技术中,将集电箔表面整体覆盖接合剂层。接合剂层一般以绝缘性高的粘结剂为主成分,因此存在下述问题:覆盖集电箔表面的粘结剂在集电箔与电极材料之间作为薄的绝缘被膜而残留,从而电极板的垂直方向的内阻(以下称为「穿透电阻(penetration resistance)」,特别是将低温环境下测定的单元电池的反应电阻称为「低温反应电阻」)增大。
另一方面,为了降低电极板的穿透电阻,也考虑形成薄的接合剂层,但该情况下,电极材料容易从集电箔剥离。并且,由于电极材料的剥离处增加,反而会使穿透电阻上升。因此,在确保一定的剥离强度,并降低穿透电阻的方面,接合剂层的薄膜化是有限的。
本发明是为了解决上述问题而完成的,其目的是提供一种能够维持集电箔与电极材料的高的剥离强度、并且降低电极板的穿透电阻的锂离子二次电池。
(1)为解决上述课题,作为本发明一方式的锂离子二次电池,具有在集电箔上形成了合剂层的电极板,所述合剂层包含粉体状的合剂粒子,所述锂离子二次电池的特征在于,在所述集电箔上具备以图案状式样形成粘结剂层的粘结剂涂布部、和未形成粘结剂层的粘结剂非涂布部,在所述合剂粒子中至少包含电极活性物质和粘结剂,在所述粘结剂涂布部和所述粘结剂非涂布部上形成了所述合剂层。在此,图案状式样是指在俯视时,圆、椭圆、菱形等规则分散的点状式样和/或纵线、斜线、网格线等规则分散的线状式样。
根据上述方式,在集电箔上具备以图案状式样形成粘结剂层的粘结剂涂布部、和未形成粘结剂层的粘结剂非涂布部,因此在集电箔表面,规则地分散形成有以规定的厚度覆盖了粘结剂的粘结剂涂布部、和未覆盖粘结剂的粘结剂非涂布部。
因此,在粘结剂涂布部上形成的合剂层,隔着在集电箔表面规则地分散形成的粘结剂层,形成于集电箔上,因此集电箔和合剂层通过粘结剂层而彼此粘结,能够提高集电箔和电极材料的剥离强度。
在此,合剂粒子至少包含电极活性物质和粘结剂,因此电极活性物质彼此能够通过合剂粒子的粉体所含的粘结剂而彼此粘结。
其结果,通过在集电箔表面以图案状式样形成的粘结剂涂布部的粘结剂层,集电箔与电极活性物质彼此粘结,同时电极活性物质彼此也通过合剂粒子的粉体所含的粘结剂而彼此粘结,因此形成于粘结剂非涂布部上的合剂层也能够介由电极活性物质彼此的粘结,作为合剂层整体保持粘结在 集电箔上的状态。因此,即使对于在粘结剂非涂布部上形成的合剂层,也能够确保针对集电箔的剥离强度。
另一方面,在集电箔上,没有粘结剂层的粘结剂非涂布部也规则地分散而形成。粘结剂非涂布部构成集电箔表面的露出部。因此,在粘结剂非涂布部能够以集电箔和电极活性物质直接接触的状态规则地分散而形成。
其结果,在粘结剂非涂布部中,集电箔和电极活性物质通过在其之间不隔着成为绝缘体的粘结剂层地直接接触,能够形成作为电传导路径的导电路径,能够有助于电极板的穿透电阻的降低。由此,能够提供一种能够维持集电箔与电极材料的高的剥离强度、并且降低电极板的穿透电阻的锂离子二次电池。
(2)根据(1)所述的锂离子二次电池,优选:所述粘结剂涂布部,在俯视时以点状式样形成于集电箔上。
根据上述方式,粘结剂涂布部在俯视时以点状式样形成于集电箔上,因此与线状式样相比,式样平面性地均匀分散,并且式样的形状稳定,难以发生式样的缺失。由此,容易均匀且稳定地确保形成于集电箔上的合剂层的剥离强度,也能够均匀且稳定地降低穿透电阻。
(3)根据(2)所述的锂离子二次电池,优选所述点状式样的宽度为10~15μm,且节距为23~40μm。
由于点状式样的宽度为10~15μm,且节距为23~40μm,因此能够更加均匀地形成规定大小的点状式样。由此,容易更进一步稳定地确保形成于集电箔上的合剂层的剥离强度,也能够更进一步稳定地降低穿透电阻。
根据本发明,能够提供一种能够维持集电箔和电极材料的高的剥离强度、并且降低电极板的穿透电阻的锂离子二次电池。
附图说明
图1是本实施方式涉及的锂离子二次电池的截面图。
图2是图1所示的锂离子二次电池的电极详细图(B部的放大截面图)。
图3是制造第1实施方式涉及的锂离子二次电池的电极板的制造装置 的一部分。
图4A是图3所示的制造装置中的凹雕槽的图案状式样(椭圆形状)的事例。
图4B是图3所示的制造装置中的凹雕槽的图案状式样(菱形形状)的事例。
图4C是图3所示的制造装置中的凹雕槽的图案状式样(纵线形状)的事例。
图4D是图3所示的制造装置中的凹雕槽的图案状式样(斜线形状)的事例。
图4E是图3所示的制造装置中的凹雕槽的图案状式样(格子式样)的事例。
图5是本锂离子二次电池涉及的合剂层的示意性截面图。
图6是在本锂离子二次电池中,使集电箔的露出面积比率低于10%的情况下的合剂层的示意性截面图。
图7是表示在第1实施方式涉及的负极板中,集电箔的露出面积比率与低温反应电阻的关系的图。
图8是表示在第1实施方式涉及的负极板中,粘结剂涂布部中的粘结剂的含量和干式、湿式的差异对低温反应电阻造成的影响的图。
图9是制造第2实施方式涉及的锂离子二次电池的电极板的制造装置的一部分。
图10是对在凹雕凹版辊雕刻点状式样的凹部,并将粘结剂涂布液涂覆在集电箔上的状态进行说明的示意图。
图11是表示液体滴在固体上时的液滴的接触角的截面图。
图12是对位于具有相互交叉的交叉部的沟槽状凹部内的粘结剂涂布液向交叉部收缩的状态进行说明的示意图。
图13是第3实施方式涉及的沟槽状凹部的俯视图。
图14是图13所示的A-A截面图。
图15是示意性地描绘粘结剂涂布部中的点状式样的宽度为10μm、节距为23μm、厚度为5μm时,涂覆于集电箔上的粘结剂涂布液的SEM图像的俯视图。
图16是示意性地描绘粘结剂涂布部中的点状式样的宽度为20μm、节距为40μm、厚度为5μm时,涂覆于集电箔Z上的粘结剂涂布液的SEM图像的俯视图。
图17是示意性地描绘粘结剂涂布部中的点状式样的宽度为40μm、节距为40μm、厚度为5μm时,涂覆于集电箔Z上的粘结剂涂布液的SEM图像的俯视图。
具体实施方式
以下,一边参照附图一边对本发明涉及的实施方式进行详细说明。首先,在对锂离子二次电池的整体结构进行简单说明之后,对在集电箔的单面形成合剂层的第1实施方式进行详细说明。接着,对在集电箔的两面形成合剂层的第2实施方式进行详细说明。最后,对第3实施方式进行详细说明,该第3实施方式中,在凹雕凹版辊雕刻具有相互交叉的交叉部的沟槽状凹部,被补液到沟槽状凹部的粘结剂涂布液向交叉部收缩,在集电箔上形成点状式样的粘结剂涂布部。
<锂离子二次电池的结构>
首先,对本实施方式涉及的锂离子二次电池的结构进行说明。在图1中表示本实施方式涉及的锂离子二次电池的截面图。在图2中表示图1所示的锂离子二次电池的电极详细图(B部的放大截面图)。
如图1所示,锂离子二次电池100具备电极体101、电解液103、和将它们收纳的电池壳体104。电池壳体104具备电池壳体主体1041和封口板1042。另外,封口板1042具备绝缘部件1043和安全阀1044。
电极体101如图1、图2所示,在网格状的集电箔Z(ZA、ZC)上形成利用粘结剂等将正极活性物质或负极活性物质粘结而成的合剂层,制作正极板1011和负极板1012,在正极板1011和负极板1012之间夹持隔板105并进行卷绕后,形成为扁平形状。也将正极板1011和负极板1012统称为电极板1010。在图1的附图右侧,正极板1011的外部端子T1从封口板1042突出,在图1的附图左侧,负极板1012的外部端子T2从封口板1042突出。在电池壳体主体1041的下部储存有电解液103,正极板1011和负极板1012浸渍于电解液103中。
如图2所示,正极板1011在作为正极集电箔的铝箔ZA的两面形成了正极合剂层S。另一方面,负极板1012在作为负极集电箔的铜箔ZC的两面形成了负极合剂层F。正极板1011和负极板1012,虽然各自所使用的电极活性物质的材料不同,但基本上形成类似的结构。因此,本实施方式涉及的锂离子二次电池100的电极板1010,能够适用于正极板1011和负极板1012。
(第1实施方式)
<锂离子二次电池的制造方法>
接着,对第1实施方式涉及的锂离子二次电池的电极板中,在集电箔的单面形成合剂层的方法进行说明。在图3中表示制造第1实施方式涉及的锂离子二次电池的电极板的制造装置的一部分。
如图3所示,制造第1实施方式涉及的锂离子二次电池的电极板1010的制造装置10,具备凹雕凹版辊1、液体池2、支承辊3、散热器4、粉体馈送器5、加压辊6、7、以及传送辊8。
凹雕凹版辊1是在集电箔Z表面以图案状式样涂覆粘结剂涂布液21的圆柱状辊。集电箔Z的厚度为20μm左右。在圆柱状辊的涂覆外周面,形成有雕刻了规定的图案状式样的凹雕槽11。对于采用凹雕槽11涂覆的图案状式样将在后面详细说明。凹雕凹版辊1,考虑高速旋转时的刚性、凹雕槽11的耐磨损性等,来选定直径、硬度、材质等。
液体池2是将用凹雕凹版辊1以图案状式样涂覆的粘结剂涂布液21进行储存的容器。粘结剂涂布液21是作为粘结剂的SBR(苯乙烯丁二烯橡胶)的水分散液。SBR的浓度为10.0~40重量%。SBR的玻璃化转变温度为-50℃~30℃的范围内。粘结剂涂布液21中,为了调整涂液的粘度、润湿性,可以含有增粘剂、表面活性剂。作为增粘剂、表面活性剂,可以使用公知的产品。另外,粘结剂除了可以使用SBR以外,也可以使用水系的聚丙烯酸(PAA)、有机溶剂系的聚偏二氟乙烯(PVDF)等。
在储存于液体池2的粘结剂涂布液21内,浸渍有凹雕凹版辊1的下端。粘结剂涂布液21随着凹雕凹版辊1的旋转,被补液到凹雕槽11内。在液体池2的上方,为了防止被补液到凹雕凹版辊1的凹雕槽11内的粘结剂涂布液21的滴落,刮料装置(scraper)12与凹雕凹版辊1的外周面抵接,将附着在外周面的多余的粘结剂涂布液21刮落。
与凹雕凹版辊1相对地配置有橡胶制的支承辊3。在网格状的集电箔Z通过凹雕凹版辊1与支承辊3的间隙时,在集电箔Z的一侧的表面,涂覆有被补液到凹雕槽11内的粘结剂涂布液21。通过以一定速度进行涂覆,在集电箔Z上规则地形成与凹雕槽11的图案状式样对应的粘结剂涂布部ZT1和粘结剂非涂布部ZT2。集电箔Z的露出面积比率(意味着粘结剂非涂布部ZT2相对于粘结剂涂布部ZT1和粘结剂非涂布部ZT2的合计面积的面积比率;以下相同)为10~85%左右的范围内。向集电箔Z的涂覆速度为30~60m/分钟左右。粘结剂涂布部ZT1的膜厚为几微米(优选为1.5μm)左右。
涂覆有粘结剂涂布液21的集电箔Z,利用传送辊8将传送方向从垂直方向变更为水平方向后,通过散热器4进行干燥。在本实施方式中,作为粘结剂的SBR的玻璃化转变温度为﹣50℃以上,因此通过利用散热器4使其干燥而成为干燥状态,能够提高密合性并且降低低温反应电阻。再者,在粘结剂涂布部ZT1的膜厚薄的情况(例如1.5μm左右)下,可以省略通过散热器4进行的干燥。这是因为由于水分量少,因此通过之后的粉体成形能够使水分挥发。
与散热器4邻接,在传送方向后侧配设有粉体馈送器5。粉体馈送器5是向以图案状式样涂覆有粘结剂涂布液21的粘结剂涂布部ZT1和粘结剂非涂布部ZT2上,将含有电极活性物质和粘结剂等的粉体状的合剂粒子51以规定的厚度连续供给的装置。合剂粒子51是通过作为电极活性物质和粘结剂分别使用粉末状的物质,并将它们混合而制造的。再者,用于合剂粒子51的粘结剂,可以与用于粘结剂涂布液21的粘结剂为相同种类,也可以是不同种类。对于电极活性物质,作为负极活性物质可以使用例如无定形涂层石墨。另外,粘结剂可以使用例如聚四氟乙烯(PTFE)。合剂粒子51以98:2左右的比率(重量%)配合了石墨和PTFE。
再者,合剂粒子51可以采用将电极活性物质、粘结剂、和增粘剂在溶剂中溶解捏合,并使其干燥而进行造粒的方法制造。该情况下的电极活性物质、粘结剂、和增粘剂的混合比率(重量%)为97.3:2.0:0.7左右。在此,合剂粒子51的堆积量为10mg/cm2左右,沉积层52的厚度为100~120μm左右。
通过了粉体馈送器5的集电箔Z在加压辊6、7之间通过。加压辊6、7是对通过粉体馈送器5而沉积了的合剂粒子的沉积层52加压,形成规定密度的合剂层53的装置。通过加压成形,合剂层53通过粘结剂涂布部ZT1所含的粘结剂而与集电箔Z粘结。另外,与此同时,通过合剂粒子51所含的粘结剂而使电极活性物质彼此相互粘结。其结果,合剂层53能够与集电箔Z密合而提高剥离强度,并且形成从集电箔表面的粘结剂非涂布部ZT2(露出部)连接到电极活性物质的导电路径而降低穿透电阻。加压后的合剂层53的厚度为80μm左右。
加压辊6、7也能够将合剂层53加热到100~150℃左右。加热具有提高合剂层53与集电箔Z的密合性,并且将合剂层53所含的挥发物质(溶剂、湿气)等杂质除去的效果。
如上所述,根据第1实施方式涉及的锂离子二次电池,能够在电极板1010中的集电箔Z的单面形成剥离强度高且穿透电阻低的合剂层53。再者,在电极板1010中的集电箔Z的两面形成合剂层53的情况下,重复进行2次上述制造方法。
<凹雕凹版的图案形状>
接着,对在第1实施方式涉及的锂离子二次电池中,通过应用于制造装置10的凹雕槽11而涂覆的图案状式样进行说明。在图4A~图4E中,表示通过图3所示的制造装置中的凹雕槽而涂覆的图案状式样的事例。
如图4A~图4E所示,涂覆了的粘结剂涂布部ZT1的平面形状为点状式样(图4A、图4B)或线状式样(图4C、图4D、图4E),都被形成为与集电箔Z的传送方向(长度方向)平行的方向的长度比与传送方向垂直的方向(宽度方向)的长度长。传送方向在图中为上下方向(箭头的方向)。
图4A所示的式样是在集电箔的传送方向上为长的椭圆形状。椭圆形状以规定的间隔在与传送方向垂直的方向上排列为横的一列。另外,椭圆形状,相对于之前的横的一列,在传送方向上以锯齿状错开位置,形成之后的横的一列。传送方向的横的一列彼此的间隔为邻接的椭圆形状不交叉的程度即可。1个椭圆形状的长轴的长度(长径)为几十μm左右,相对于短轴的长度(短径)优选为2~3倍左右。
图4B所示的式样是在集电箔的传送方向上为长的菱形形状。菱形形状以规定的间隔在与传送方向垂直的方向上排列为横的一列。另外,菱形形状,相对于之前的横的一列,在传送方向上以锯齿状错开位置,形成之后的横的一列。传送方向的横的一列彼此的间隔为菱形形状不交叉的程度即可。1个菱形形状的与传送方向平行的对角线长度为几十μm左右,相对于正交的对角线长度优选为2~3倍左右。
图4C所示的式样是与传送方向平行的纵线形状。纵线的宽度和纵线彼此的间隔为几十μm左右。另外,纵线在本图中为直线,但也可以是曲线。另外,邻接的纵线的宽度在本图中是一定的,但也可以规则地有大有小。
图4D所示的式样是相对于传送方向倾斜的斜线形状。斜线的宽度和斜线彼此的间隔为几十μm左右。另外,斜线在本图中是直线,但也可以是曲线。另外,邻接的斜线的宽度在本图中是一定的,但也可以规则地有大有小。
图4E所示的式样是使相对于传送方向倾斜的斜线交叉而成的格子式样的形状。构成格子式样的斜线的宽度和斜线彼此的间隔为几十μm左右。但是,如果斜线的宽度为50μm以上,则在斜线交叉的角部附近,涂液凝集容易发生图案的紊乱,因此斜线的宽度优选为10~40μm左右。另外, 构成格子式样的斜线在本图中为直线,但也可以是曲线。另外,邻接的斜线的宽度在本图中是一定的,但也可以规则地有大有小。
再者,在图4A~图4E中,作为凹雕凹版的图案形状示出了优选的事例,但并不一定限定于这些。例如,可以将椭圆形状形成为在传送方向上连续,也可以将椭圆形状与菱形形状组合。
以上,在第1实施方式中,粘结剂涂布部ZT1的平面形状,由于与集电箔Z的传送方向平行的方向的长度比与传送方向垂直的方向的长度长,因此在凹版辊的凹雕槽11形成在与传送方向平行的方向上空气的逸出道路,难以将空气卷入凹版辊的凹雕槽11内。其结果,凹雕槽11内的粘结剂涂布液21精度良好地转印到集电箔Z表面。
<合剂层的剥离强度与穿透电阻的并存机制>
接着,对在第1实施方式涉及的锂离子二次电池的电极板中,使合剂层的剥离强度与穿透电阻并存的机制进行说明。在图5中表示第1实施方式涉及的合剂层的示意性截面图。在图6中表示使集电箔的露出面积比率低于10%的情况下的合剂层的示意性截面图。
如图5所示,在集电箔Z表面ZN断续地形成有包含粘结剂B1的粘结剂涂布部ZT1。未涂覆粘结剂B1的集电箔Z表面ZN成为粘结剂非涂布部(露出部)ZT2。在粘结剂涂布部ZT1和粘结剂非涂布部ZT2上,粒子状的电极活性物质K与粒子状的粘结剂B2一同沉积。
如果电极活性物质K和粘结剂B2的沉积层52被加压辊6、7加压(参照图3),则电极活性物质K的一部分,介由粘结剂涂布部ZT1的粘结剂B1而与集电箔Z表面粘结。另外,电极活性物质K的另一部分,与集电箔Z的粘结剂非涂布部(露出部)ZT2直接地密合。
因此,电极活性物质K在集电箔Z上通过粘结剂B1而粘结,提高集电箔Z与电极活性物质K的剥离强度。同时,电极活性物质K与集电箔Z的粘结剂非涂布部(露出部)ZT2直接密合,形成大量的传导电子d的导电路径D1~D3。
另外,通过加压辊进行加压而使电极活性物质K彼此密合时,将介于 其间隙的粒子状的粘结剂B2压碎,电极活性物质K的一部分通过压碎了的粘结剂B2而与邻接的电极活性物质K粘结。另外,电极活性物质K的另一部分,不介由粒子状的粘结剂B2,而是与邻接的电极活性物质K直接密合。
因此,层叠了的电极活性物质K彼此通过粘结剂B2而粘结,提高剥离强度,同时电极活性物质K彼此也直接密合,将形成到达合剂层G的上端的导电路径D1~D3。通过从集电箔Z表面到合剂层G的上端形成大量该导电路径D1~D3,能够降低电极板1010的穿透电阻。通过以上那样的粘结机制,能够在第1实施方式涉及的锂离子二次电池中,使电极板1010中的合剂层G的剥离强度的提高和穿透电阻的降低并存。
再者,如图6所示,在使集电箔Z的露出面积比率低于10%的情况下,大量电极活性物质K介由粘结剂涂布部ZT1的粘结剂B1而粘结在集电箔Z上。如图3所示,即使通过加压辊6、7对电极活性物质K和粘结剂B2的沉积层52加压,粘结剂涂布部ZT1的粘结剂B1也在集电箔Z与电极活性物质K的大半之间作为薄膜而残留。由于粘结剂涂布部ZT1的粘结剂B1自身为绝缘体,因此所形成的导电路径D1会被限定在仅残留的粘结剂非涂布部(露出部)ZT2。其结果,可确保合剂层G的高的剥离强度,但穿透电阻增大。
由此,为了使锂离子二次电池100的电极板1010中的合剂层G的剥离强度与穿透电阻更好地并存,优选使集电箔Z的露出面积比率成为10%以上,进一步优选使集电箔Z的露出面积比率成为50~70%左右的范围内。
<集电箔的露出面积比率与低温反应电阻的关系>
接着,对在第1实施方式涉及的锂离子二次电池100的电极板1010中,集电箔Z的露出面积比率与低温反应电阻的关系进行说明。在图7中示出了第1实施方式涉及的负极板1012中,集电箔Z的露出面积比率与低温反应电阻的关系的图。图7是使凹雕凹版辊的图案形状变化,使集电箔Z的露出面积比率缓缓增加,将测定了此时形成的负极板1012的合剂层的﹣30℃下的低温反应电阻的结果进行标绘,表示出其行为的图。
如图7所示,在第1实施方式涉及的锂离子二次电池100的负极板1012中的集电箔Z的露出面积比率为10~85%左右的范围内时,能够使﹣30℃时的低温反应电阻成为比以往的涂布电极低的值。在此,以往的涂布电极是指通过在集电箔表面以薄膜状涂覆糊,然后进行干燥、压制而制造的电极板,所述糊是将电极活性物质和粘结剂等在溶剂中捏合而成为浆液状的糊。
集电箔Z的露出面积比率为10%左右时,﹣30℃时的低温反应电阻与以往的涂布电极为大致相同水平,但随着集电箔Z的露出面积比率从10%左右增加,﹣30℃时的低温反应电阻进一步降低。
当集电箔Z的露出面积比率为20~70%左右的范围内时,﹣30℃时的低温反应电阻与以往的涂布电极的水平相比能够降低约30%,成为与在进行了碳涂层处理的集电箔上将合剂粒子的粉体层叠、加压了的碳涂层/粉体电极大致相同水平,并稳定为大致恒定。
随着集电箔Z的露出面积比率从70%左右增加,﹣30℃时的低温反应电阻缓缓增加。集电箔Z的露出面积比率为85%左右时,﹣30℃时的低温反应电阻成为与以往的涂布电极大致相同水平。在此,认为低温反应电阻增加的原因是在形成负极板1012后,通过切断为必要的尺寸时的冲击,一部分合剂层滑落。由此,为了将﹣30℃时的低温反应电阻更加稳定地维持在低的值,集电箔Z的露出面积比率优选为50~70%左右的范围内。
<以图案状式样涂覆的粘结剂的玻璃化转变温度的影响>
接着,针对以图案状式样涂覆的粘结剂涂布部ZT1的粘结剂的玻璃化转变温度,对﹣30℃时的低温反应电阻带来的影响进行说明。再者,以图案状式样涂覆的粘结剂,与粘结剂涂布液21所使用的粘结剂意义相同。
一般地,如果粘结剂干燥,则难以体现密合性,因此在粘结剂干燥后,即使将电极活性物质和粘结剂的沉积层加压成型,也得不到必要的剥离强度。
因此,在粘结剂干燥前的湿润状态下,将电极活性物质和粘结剂的沉积层加压形成。但是,在粘结剂湿润的状态下,将电极活性物质和粘结剂 的沉积层加压成形时,粘结剂也扩展,因此成为穿透电阻上升的主要原因。
因此,用各种粘结剂尝试进行了实验,发现如果使粘结剂的玻璃化转变温度成为﹣50℃以上,则即使一度使粘结剂干燥,在将电极活性物质和粘结剂的沉积层进行加压成型时也可得到集电箔与电极活性物质的密合性,作为电池性能也优异。再者,如果使粘结剂的玻璃化转变温度成为30℃以下,则能够增大以干式(Dry)贴合时的剥离强度。
在图8中示出了关于在第1实施方式涉及的负极板1012上,以图案状式样涂覆的粘结剂涂布部ZT1的粘结剂的含量少的情况下,干式(Dry)、湿式(Wet)的差异对﹣30℃时的低温反应电阻带来的影响的图。该情况下的粘结剂是玻璃化转变温度为﹣50℃~30℃的范围内的SBR。SBR的涂液含量可以采用0.0176mg/cm2和0.1080mg/cm2这2种。
如图8所示,在粘结剂的含量为0.0176mg/cm2的情况下,干式和湿式中,﹣30℃时的低温反应电阻的差异约为14%,干式和湿式带来的影响不那么大。
与此相对,已知在粘结剂的含量为0.1080mg/cm2的情况下,﹣30℃时的低温反应电阻的差异约为32%,干式和湿式带来的影响相当大。另外,干式的情况下,﹣30℃时的低温反应电阻能够降低为与上述的碳涂层/粉体电极大致相同水平(参照图7)。
由此,能够得到以下见解:即使在以图案状式样涂覆的粘结剂的含量少的情况(例如0.1080mg/cm2)下,如果使粘结剂的玻璃化转变温度成为﹣50℃以上,则即使一度使粘结剂干燥,在将电极活性物质和粘结剂的沉积层进行加压成型时也可得到集电箔Z与电极活性物质的密合性,作为电池性能也优异。
(第2实施方式)
<锂离子二次电池的制造方法>
接着,对第2实施方式涉及的锂离子二次电池中,在集电箔的两面形成合剂层的方法进行说明。在图9中表示第2实施方式涉及的锂离子二次电池的制造装置的一部分。再者,第2实施方式涉及的锂离子二次电池的制造装置,关于凹雕凹版的图案形状等、除了在集电箔的两面形成合剂层以外的点,与第1实施方式相同,因此省略相同点的详细说明。
如图9所示,第2实施方式涉及的锂离子二次电池的制造装置20,具备第1凹雕凹版辊1B1、第2凹雕凹版辊1B2、第1液体池2B1、第2液体池2B2、第1支承辊3B1、第2支承辊3B2、散热器4B、第1粉体馈送器5B1、第2粉体馈送器5B2、加压辊6B、7B、引导辊81、82。
第1凹雕凹版辊1B1和第2凹雕凹版辊1B2,是在集电箔Z表面以图案状式样涂覆粘结剂涂布液21B1、21B2的圆柱状辊。通过第1凹雕凹版辊1B1对从集电箔Z的线圈退绕机(coil unwinding machine)ZM馈送的集电箔Z的馈送方向外周侧以图案状式样涂覆,并通过第2凹雕凹版辊1B2对集电箔Z的馈送方向内周侧以图案状式样涂覆。关于采用各凹雕槽11B1、11B2涂覆的图案状式样,与第1实施方式是同样的。
第1液体池2B1和第2液体池2B2是将利用各凹雕凹版辊1B1、1B2涂覆的粘结剂涂布液21B1、21B2储存的容器。各自的粘结剂涂布液21B1、21B2为SBR水分散液。SBR的浓度、玻璃化转变温度等与第1实施方式是同样的。
与第1凹雕凹版辊1B1和第2凹雕凹版辊1B2相对地,配置有第1支承辊3B1、第2支承辊3B2。第2支承辊3B2对已涂覆的集电箔Z的馈送方向外周侧进行按压,因此虽然通过散热器4B使其干燥,但也要使用非粘合辊。
在集电箔Z的馈送方向外周侧和馈送方向内周侧的两面,规则地形成有与凹雕的图案状式样对应的粘结剂涂布部ZT1C、ZT1D和粘结剂非涂布部ZT2C、ZT2D。集电箔Z的各露出面积比率分别为10~85%左右的范围内。向集电箔Z的涂覆速度为30~60m/分钟左右。粘结剂涂布部ZT1C、ZT1D的膜厚为1.5μm左右。
在集电箔Z的馈送方向外周侧和馈送方向内周侧的两面以图案状式样涂覆后,通过第1粉体馈送器5B1和第2粉体馈送器5B2,使含有粉末粒子状的电极活性物质和粘结剂的合剂粒子层叠于加压辊6B、7B上。加压 辊6B、7B夹持集电箔Z而以相对的位置配置,一边将层叠的沉积层加压到集电箔Z一边旋转,在集电箔Z的两面形成合剂层52B、52C。
如上所述,根据第2实施方式涉及的锂离子二次电池100B,通过在集电箔Z的两面同时形成合剂层52B、52C,能够进一步谋求生产的效率化。另外,如第1实施方式那样,在集电箔Z的单面形成合剂层53的方法中,为了在集电箔Z的两面形成合剂层53,之前形成的合剂层53在之后形成另一合剂层53时被加压辊6、7再次加压。该情况下,被再次加压的合剂层53的电极活性物质有可能变形、劣化,但第2实施方式涉及的锂离子二次电池100B具有防止该情况的效果。
(第3实施方式)
接着,作为第3实施方式,对在用于凹雕凹版涂覆的凹雕凹版辊雕刻具有相互交叉的交叉部的沟槽状凹部,被补液到沟槽状凹部的粘结剂涂布液向交叉部收缩,在集电箔上以点状式样涂覆有粘结剂涂布部的锂离子二次电池的电极板进行说明。在图10中示出对在凹雕凹版辊雕刻点状式样的凹部,并在集电箔上涂覆粘结剂涂布液的状态进行说明的示意图。在图11中示出了表示液体滴落到固体上时的液滴的接触角的截面图。在图12中示出了对具有相互交叉的交叉部的沟槽状凹部内的粘结剂涂布液向交叉部收缩的状态进行说明的示意图。在图13中示出了在第3实施方式涉及的锂离子二次电池的电极板的制造装置中,雕刻在凹雕凹版辊的沟槽状凹部的俯视图。在图14中示出了图13所示的A-A截面图。
该粘结剂涂布工序能够分别适用于上述的第1实施方式涉及的锂离子二次电池中使用的制造方法、和第2实施方式涉及的锂离子二次电池中使用的制造方法。
<形成点状式样的粘结剂涂布部的变革性构思>
通过实验已经证明:在对集电箔上进行粘结剂涂布液的凹雕凹版涂覆时,如果形成圆形、菱形图案之类的点状式样的粘结剂涂布部(以下也称为「点状的涂布部」),则在合剂层的剥离强度、电极板的穿透电阻方面优异。
然而,如图10所示,为了在集电箔Z上形成点状的涂布部D,如果在凹雕凹版辊1雕刻点状的凹部13,则有空气容易进入点状的凹部13,并且粘结剂涂布液21难以进入的问题。
另外,点状的凹部13,由于通过壁面将粘结剂涂布液21全周包围、液体保持性高,因此有被补液的粘结剂涂布液21在箭头m、n的方向上拉伸而残留于点状的凹部13,难以转印到集电箔Z上的问题。
因此,试错的结果,终于产生一种变革性构思:为了在集电箔Z上形成点状的涂布部D,不在凹雕凹版辊1雕刻点状的凹部13,而在凹雕凹版辊1雕刻具有相互交叉的交叉部的多个沟槽状凹部,使补液到沟槽状凹部的粘结剂涂布液21向交叉部收缩,由此将被转印到集电箔Z上的粘结剂涂布部ZT1以点状形成。
<形成点状的涂布部的机制>
以下,对产生该变革性构思的形成点状的涂布部的机制进行说明。
如图11所示,一般地,液体滴落到固体V上时的液滴W,因自身的表面张力而具有以半球状变圆的性质。在此,如果将固体的表面张力设为S、将液体的表面张力设为U、将固体与液体的界面张力设为T,则下述关系式成立。
S=U×cosθ+T·····(1)
将(1)式称为「杨氏等式」。将该液滴的切线与固体表面所成的角度θ称为「接触角」,成为表示液体的对于固体表面的润湿性的指标。如果接触角θ变小,则润湿性增大,液滴变得扁平且难以收缩,但如果接触角θ增大,则润湿性减少,液滴隆起且容易收缩。
另外,由(1)式可知,如果减小固体与液体的界面张力T,则接触角θ增大。固体与液体的界面张力T能够通过减小液体与固体接触的面积而减少。
假设,如果将雕刻于凹雕凹版辊的凹部的壁面在单一方向上开放,则被补液的粘结剂涂布液的界面张力T在单一方向上减少,接触角θ增大,并且使液体向单一方向收缩。
图12(a)~图12(d)是粘结剂涂布液被补液到具有相互交叉的交叉部的沟槽状凹部,以交叉部为中心、以十字状补液的粘结剂涂布液向交叉部收缩的图像。
图12(a)是以交叉部为中心、以十字状补液的粘结剂涂布液21a0~21d0收缩之前的阶段。粘结剂涂布液21a0~21d0是液体宽度与沟槽状凹部的沟槽宽度相等,在沟槽状凹部的延伸方向上伸长的状态。沟槽状凹部的延伸方向的壁面开放。因此,粘结剂涂布液21a0~21d0,在沟槽状凹部的延伸方向上发挥作用的界面张力降低。因此,粘结剂涂布液21a0~21d0,向交叉部收缩的力e1~e4发挥作用。
图12(b)、图12(c)是以十字状补液的粘结剂涂布液21a1~21d1、21a2~21d2向交叉部缓缓收缩的中间阶段。粘结剂涂布液21a1~21d1、21a2~21d2,随着液体收缩,液体宽度增大,长度变短。
图12(d)是以十字状补液的粘结剂涂布液22最终收缩为集合在交叉部,形成了点状块团(lump)的阶段。该集合在交叉部而形成了点状块团的粘结剂涂布液22,作为点状的粘结剂涂布部被转印到集电箔Z上。此时,由于将周围包围的壁面不存在于交叉部,因此交叉部的粘结剂涂布液22的液体保持性与一般部相比降低。因此,粘结剂涂布液22作为点状的粘结剂涂布部ZT1而被切实地转印到集电箔Z上。
<凹雕凹版辊的沟槽状凹部>
对用于实现上述形成点状的粘结剂涂布部的涂覆原理(机制)的凹雕凹版涂布的凹雕凹版辊1的凹雕形状进行说明。
如图13、图14所示,在用于凹雕凹版涂覆的凹雕凹版辊1,以格子状雕刻了具有相互交叉的交叉部15的多个沟槽状凹部14。沟槽状凹部14具有规定的沟槽宽度a和沟槽深度c。沟槽状凹部14的直线状的沟槽以规定的沟槽节距b形成。相互邻接的沟槽状凹部14与沟槽状凹部14之间,形成平坦的凸状部16。在相互交叉的交叉部15,在凸状部16形成角r。考虑到脱气,沟槽状凹部14相对于凹雕凹版辊1的旋转方向R以45度左右的角度倾斜而形成。考虑到脱液,沟槽状凹部14的沟槽宽度被形成为上端 的尺寸比下端的尺寸稍大。
再者,在图13中,形成2个沟槽状凹部14正交的格子状沟槽,交叉的角度可以是任意角度,不一定必须是直角。另外,也可以形成2个以上的沟槽状凹部14以放射状交叉的放射状沟槽。
例如,沟槽状凹部14的形状优选以沟槽宽度a为10~40μm、沟槽节距b为23~40μm、沟槽深度c为5~20μm的格子状而形成。另外,粘结剂涂布液滴落到集电箔Z上时的液滴在集电箔表面的切线与集电箔表面所成的接触角优选为50度以上。
在沟槽状凹部14的形状上,将沟槽宽度a设为10~40μm是因为:如果沟槽宽度a低于10μm,则粘结剂涂布液向局部偏析,难以形成均匀大小的粘结剂涂布部,如果沟槽宽度a超过40μm,则液体沿壁面收缩,难以形成固定的点状式样。
另外,将沟槽节距b设为23~40μm是因为:如果沟槽节距b低于23μm,则邻接的粘结剂涂布液彼此合体,难以形成均匀大小的粘结剂涂布部,如果沟槽节距b超过40μm,则液体收缩的点状式样变得不均匀。
另外,将沟槽深度c设为5~20μm是因为:如果沟槽深度c低于5μm,则无法形成所需的湿式涂覆膜厚,如果沟槽深度c超过20μm,则液体保持性变高,粘结剂涂布液的部分不被转印的可能性增高。
并且,粘结剂涂布液滴落到集电箔Z上时的液滴在集电箔表面的切线与集电箔表面所成的接触角为50度以上是因为:如果接触角低于50度,则有粘结剂涂布液的润湿性高,液体难以收缩到沟槽状凹部的交叉部的倾向。
在此,有如果向粘结剂涂布液添加增粘剂(例如CMC(羧甲基纤维素))则接触角增大,如果添加表面活性剂则接触角减少的倾向。因此,通过向粘结剂涂布液添加规定量(0.2~0.4重量%左右)的CMC(羧甲基纤维素),能够使液体收缩性提高,形成均匀的点状式样的粘结剂涂布部。
再者,在试错中,通过实验发现在使干燥前的湿式涂覆膜厚成为1.0~6.0μm(目标是1.5μm)方面优选:雕刻在用于凹雕凹版涂覆的凹雕 凹版辊的沟槽状凹部,以沟槽宽度为10~40μm、沟槽节距为23~40μm、沟槽深度为5~20μm的格子状形成,且粘结剂涂布液滴落到集电箔Z上时的液滴的切线与集电箔表面所成的接触角为50度以上。
<点状的涂布部的实施例>
接着,对使用上述的凹雕凹版辊1的沟槽状凹部在集电箔Z上以点状涂覆了粘结剂的粘结剂涂布部ZT1的实施例进行说明。该粘结剂涂布部ZT1在俯视时以点状式样22a、22b、22c形成于集电箔上。图15是示意性地描绘点状式样的宽度为10μm、节距为23μm、厚度为5μm时,在集电箔上涂覆了的粘结剂涂布液的SEM图像的俯视图。图16是示意性地描绘点状式样的宽度为20μm、节距为40μm、厚度为5μm时,在集电箔Z上涂覆了的粘结剂涂布液的SEM图像的俯视图。图17是示意性地描绘点状式样的宽度为40μm、节距为40μm、厚度为5μm时,在集电箔Z上涂覆了的粘结剂涂布液的SEM图像的俯视图。
在图15所示的粘结剂涂布部ZT1中,大部分的点状式样22a以大致一定的大小规则地形成。另外,粘结剂非涂布部ZT2以大致一定的宽度规则地形成,在粘结剂涂布部ZT1中未观察到邻接的点状式样22a合体、向局部偏析的状态。
另外,在图16所示的粘结剂涂布部ZT1中,与图15的点状式样22a相比,点状式样22b的大小被形成为有些不规则。认为这是由于,如果沟槽宽度和沟槽节距扩大,则成为1个1个的块团的粘结剂涂布液分开并以岛状收缩。其结果,点状式样优选宽度为10~15μm、且节距为23~40μm。
另外,在图17所示的粘结剂涂布部ZT1中,与图15的点状式样22a相比,点状式样22c的形状以钩型弯曲而形成。认为这是由于,如果沟槽宽度进一步扩大,则成为1个1个的块团的粘结剂涂布液沿壁面收缩。
如上所述,如果增大点状式样的宽度、节距,则粘结剂涂布部ZT1有可能在集电箔Z上形成为具有大小的不均。但是,该情况下,确认了通过使粘结剂涂布部的厚度增大至20μm左右,能够改善液体收缩。
由此能够确认下述方法的有效性:为了在集电箔Z上形成点状的粘结 剂涂布部ZT1,不在凹雕凹版辊雕刻散点状凹部,而在凹雕凹版辊雕刻具有相互交叉的交叉部的多个沟槽状凹部,使被补液到沟槽状凹部的粘结剂涂布液向交叉部收缩,由此将被转印到集电箔Z上的粘结剂涂布部以点状式样形成。
产业可利用性
本发明能够作为电动车、混合动力车等所搭载的锂离子二次电池利用。
附图标记说明
1 凹雕凹版辊
2 液体池
3 支承辊
4 散热器
5 粉体馈送器
6、7 加压辊
8 传送辊
10 锂离子二次电池的制造装置
20 锂离子二次电池的制造装置
11 凹雕槽
12 刮料装置
14 沟槽状凹部
15 交叉部
21 粘结剂涂布液
22 粘结剂涂布液
22a 点状式样
22b 点状式样
22c 点状式样
51 合剂粒子
52 沉积层
53 合剂层
52B、52C 合剂层
100 锂离子二次电池
1010 电极板
Z 集电箔
K 电极活性物质
B1、B2 粘结剂
ZT1 粘结剂涂布部
ZT2 粘结剂非涂布部

Claims (3)

1.一种锂离子二次电池,其具有在集电箔上形成了合剂层的电极板,所述合剂层包含粉体状的合剂粒子,所述锂离子二次电池的特征在于,
在所述集电箔上具备以图案状式样形成粘结剂层的粘结剂涂布部、和未形成粘结剂层的粘结剂非涂布部,
在所述合剂粒子中至少包含电极活性物质和粘结剂,在所述粘结剂涂布部和所述粘结剂非涂布部上形成了所述合剂层,
所述电极板是卷绕电极板,
所述粘结剂涂布部的平面形状被形成为与所述集电箔的长度方向平行的方向的长度比与所述长度方向垂直的方向的长度长,
所述集电箔的长度方向是涂覆所述粘结剂涂布部时的传送方向。
2.根据权利要求1所述的锂离子二次电池,其特征在于,
所述粘结剂涂布部,在俯视时以点状式样形成于集电箔上。
3.根据权利要求2所述的锂离子二次电池,其特征在于,
所述点状式样的宽度为10~15μm,且节距为23~40μm。
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