CN107112596B - 非水电解质二次电池及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种即使使电极的膜厚变厚、也可制作电极的结构,同时提供一种使用其的非水电解质二次电池。一种非水电解质二次电池,其是在集电体上形成活性物质层而成的,具有包含极性不同的2个电极、和配置于所述电极之间的电解质层的发电要素,其中,所述极性不同的2个电极的活性物质层中的至少一方包含由电子传导材料构成的导电部件及活性物质,所述活性物质层具有与所述电解质层侧接触的第1主面、和与所述集电体侧接触的第2主面,所述导电部件的至少一部分形成将从所述第1主面至所述第2主面进行电连接的导电通路,所述导电通路与所述导电通路的周围的所述活性物质接触,所述活性物质的表面的至少一部分由包含包覆用树脂及导电助剂的包覆剂包覆,所述极性不同的2个电极或所述电解质层中所含的电解液为凝胶状电解质。

Description

非水电解质二次电池及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种非水电解质二次电池及其制造方法。
背景技术
近年来,为了环境保护,迫切期望减少二氧化碳排出量。在汽车工业中,由于电动汽车(EV)或混合电动汽车(HEV)的导入而减少二氧化碳排出量备受期待,正在深入进行作为将其实用化的关键的电动机驱动用二次电池的开发。作为二次电池,可以实现高能量密度、高输出密度的锂离子二次电池引人注目。
近年来,为了解决环境、能源问题,期待各种电动汽车的普及。正在深入进行作为这些电动汽车普及的关键的电动机驱动用电源等车载电源的二次电池的开发。但是,为了广泛普及,需要将电池制成高性能,并更廉价。另外,就电动汽车而言,需要使单次充电续航距离接近于汽油发动机车,期望更高能量密度的电池。为了使电池达到高能量密度,需要尽可能减少与电池反应没有直接关系的电池部件。作为可以节约用于连接电池单元的集电片或单元间的母线等,且体积效率非常好并适于车载的电池,提出了双极型的二次电池。双极型二次电池(也被称为双极型二次电池)使用在一片集电体的一面形成有正极、在另一面形成有负极的双极型电极。而且,其结构是:以正极和负极相互对置的方式隔着含有电解质层的隔膜叠层多个该双极电极。因此,该双极型二次电池由集电体和集电体之间的正极、负极及隔膜(电解质层)构成一个电池单元(单元)。另外,为了实现更高性能化的目标,提出了使用使导电性填料分散于集电体中而得到的树脂。
具有这种构成的锂离子二次电池为了贮藏汽车的行驶能量,具有高能量密度之一基本特性是非常重要的。作为提高电池的能量密度的方法,已知提高电池内的正极材料和负极材料的比例的方法。专利文献1中公开了如下方法:通过使电极的膜厚变厚,使集电体或隔膜的相对的比例减少而提高电池的能量密度。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开平9-204936号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
如专利文献1中所述,如果可以使电极的膜厚变厚,则可以使集电体或隔膜的相对的比例减少,认为这有利于提高能量密度。
但是,为了使电极的膜厚变厚,如果采用现有的集电体上涂敷活性物质浆料的方法,有时电极的制作自身会变得困难。
用于解决技术问题的技术方案
因此,需要创造出即使使电的膜厚变厚也能够制作电极的结构。
本发明人等为了解决上述技术问题进行了深入研究。
结果,可以通过包含以下导电部件作为电极的构成部件来制作厚的电极,所述导电部件具有与电解质层侧接触的第1主面、和与所述集电体侧接触的第2主面,并形成了与活性物质接触触,同时将从第1主面至第2主面进行电连接的导电通路。
即,提供一种非水电解质二次电池,其中,电极的至少一方包含导电部件、和由含有包覆用树脂及导电助剂的包覆剂所包覆的活性物质,所述导电部件形成了与活性物质接触,同时将两主面进行电连接的导电通路。由此,显现可以解决上述技术问题,完成了本发明。
发明的效果
根据本发明,由于包含形成了与活性物质接触、同时将从第1主面至第2主面进行电连接的导电通路的导电部件,因此,可以实现使电极的膜厚加厚的非水电解质二次电池。
另外,本发明的非水电解质二次电池的电解质进行凝胶化。因此,即使施加振动,也会由于凝胶化而减少影响,可以稳定地保持电极的构成部件,因此,循环特性也得以提高。
附图说明
图1是示意性地示出作为本发明的一个实施方式的、双极型二次电池的剖面图。
图2是示意性地表示放大了用图1中圆形记号表示的部分的部分剖面图。
图3是仅示意性地表示图2所示的正极活性物质层的剖面图。
图4是示意性地表示其它正极活性物质层的方式的实施方式的剖面图。
图5是示意性地表示其它正极活性物质层的方式的实施方式的剖面图。
图6是示意性地表示其它正极活性物质层的方式的实施方式的剖面图。
图7是示意性地表示其它正极活性物质层的方式的实施方式的剖面图。
图8是示意性地表示将活性物质填充于结构体中的空隙的工序的工序图。
图9是示意性地表示使活性物质和导电部件固定于膜上的工序的工序图。
图10是示意性地表示由树脂固定活性物质和导电部件的工序的工序图。
图11是表示作为二次电池的代表实施方式的扁平锂离子二次电池的外观的立体图。
具体实施方式
根据本发明的一个实施方式,提供一种非水电解质二次电池,其具有发电要素,所述发电要素包括在集电体上形成活性物质层而得到的、极性不同的2个电极和配置于所述电极之间的电解质层,其中,所述极性不同的2个电极的活性物质层中的至少之一包含由电子传导材料构成的导电部件及活性物质,所述活性物质层具有与所述电解质层侧接触的第1主面、和与所述集电体侧接触的第2主面,所述导电部件的至少一部分形成了将从所述第1主面至所述第2主面进行电连接的导电通路,所述导电通路与所述导电通路周围的所述活性物质接触,所述活性物质的表面的至少一部分由含有包覆用树脂及导电助剂的包覆剂包覆,所述极性不同的2个电极或所述电解质层中所含的电解液为凝胶状电解质。
根据本发明,由于包含形成了与活性物质接触、同时将从第1主面至第2主面进行电连接的导电通路的导电部件,因此,可以提供使电极的膜厚加厚的非水电解质二次电池。
另外,本发明的非水电解质二次电池的电解液进行了凝胶化。通过存在进行了凝胶化的电解质,即使对电极局部地施加任何的力,也可以不发生变形而使电极反应变得均匀,并且可以抑制劣化,导致循环特性提高。
下面,一边参照附图,一边对本发明的实施方式进行说明,但本发明的技术的范围应该基于专利权利要求的记载来确定,并不仅限于以下的实施方式。另外,为方便说明,附图的尺寸比例有所夸张,有时与实际的比例不同。
需要说明的是,本说明书中,有时将双极型锂离子二次电池仅称为“双极型二次电池”,有时将双极型锂离子二次电池用电极仅称为“双极型电极”。另外,称为“活性物质”的情况下,有时是指正极活性物质或负极活性物质的任一种,有时是指两者。对“活性物质层”也同样。关于这些概念,只要是本领域技术人员,就可以合理地进行解释。
<双极型二次电池>
图1是示意性地表示作为本发明的一个实施方式的双极型二次电池的剖面图。图1所示的双极型二次电池10实际上具有如下结构:进行充放电反应的大致矩形的发电要素21被密封于电池外装材料即层压膜29的内部。
如图1所示,本实施方式的双极型二次电池10的发电要素21具有:在集电体11的一面形成有进行了电结合的正极活性物质层13、在集电体11的相反侧的面形成有进行了电结合的负极活性物质层15的多个双极型电极23。各双极型电极23经由电解质层17进行叠层而形成发电要素21。需要说明的是,电解质层17具有:在作为基材的隔膜的面方向中央部保持电解质而成的结构。此时,以一个双极型电极23的正极活性物质层13和与所述一个双极型电极23相邻的其它双极型电极23的负极活性物质层15隔着电解质层17而相互对置的方式,交替叠层各双极型电极23及电解质层17。即,在一个双极型电极23的正极活性物质层13和与所述一个双极型电极23相邻的其它双极型电极23的负极活性物质层15之间夹入电解质层17而配置。
邻接的正极活性物质层13、电解质层17及负极活性物质层15构成一个单电池层19。因此,也可以说双极型二次电池10具有叠层单电池层19而成的结构。另外,在单电池层19的外周部配置有密封部(绝缘层)31。由此,防止由于电解质层17的电解液的泄漏导致的液体间电路联接,防止在电池内相邻的集电体11彼此接触,或引起由于发电要素21中单电池层19端部的微小不齐等导致的短路。需要说明的是,位于发电要素21的最外层的正极侧的最外层集电体11a仅在一面形成正极活性物质层13。另外,位于发电要素21的最外层的负极侧的最外层集电体11b仅在一面形成负极活性物质层15。
另外,图1所示的双极型二次电池10中,以与正极侧的最外层集电体11a邻接的方式配置正极集电板25,其被延长而从作为电池外装材料的层压膜29导出。另一方面,以与负极侧的最外层集电体11b邻接的方式配置负极集电板27,同样地,其被延长而从层压膜29导出。
需要说明的是,单电池层19的叠层次数根据所期望的电压进行调节。即使是双极型二次电池10,为了防止使用时来自外部的冲击、环境劣化,也可以将发电要素21减压封入于作为电池外装材料的层压膜29,制成在层压膜29的外部取出正极集电板25及负极集电板27的结构。需要说明的是,在此,以双极型二次电池为例列举说明了本发明的实施方式,但本发明并不特别限制可适用的非水电解质电池的种类,可以适用于发电要素中单电池层并联而成的形式的所谓并列叠层型电池等现有公知的任意非水电解质二次电池。
下面,对本方式的双极型二次电池的可主要的构成要素进行说明。
[集电体]
集电体具有作为使电子从与正极活性物质层接触的一面向与负极活性物质层接触的另一面进行移动的介质的功能。对于构成集电体的材料,并无特别限制,例如可采用金属、或具有导电性的树脂。
具体而言,作为金属,可举出铝、镍、铁、不锈钢、钛、铜等。此外,可以优选使用镍和铝形成的包层材料、铜和铝形成的包层材料、或这些金属的组合的电镀材料等。另外,也可以是在金属表面包覆铝而成的箔。其中,从电子传导性或电池工作电位的观点出发,优选铝、不锈钢、铜、镍。
另外,作为后者的具有导电性的树脂,可举出在导电性高分子材料或非导电性高分子材料中根据需要添加导电性填料而得到的树脂。作为导电性高分子材料,可举出例如:聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚对苯、聚亚苯乙撑、聚丙烯腈、及聚氧二唑等。这种导电性高分子材料即使不添加导电性填料,也具有充分的导电性,因此,在制造工序的容易化或集电体的轻量化方面是有利的。
作为非导电性高分子材料,可举出例如:聚乙烯(PE,高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)等)、聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚醚腈(PEN)、聚酰亚胺(PI)、聚酰胺酰亚胺(PAI)、聚酰胺(PA)、聚四氟乙烯(PTFE)、苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)、聚丙烯腈(PAN)、聚甲基丙烯酸酯(PMA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚氯乙烯(PVC)、聚偏氟乙烯(PVdF)、或聚苯乙烯(PS)等。这种非导电性高分子材料可以具有优异的耐电位性或耐溶剂性。
在上述导电性高分子材料或非导电性高分子材料中可以根据需要添加导电性填料。特别是形成集电体基材的树脂仅由非导电性高分子构成的情况下,为了对树脂赋予导电性,导电性填料必然成为必须。
导电性填料只要是具有导电性的物质,就可以没有特别限制地使用。例如,作为导电性、耐电位性、或锂离子阻断性优异的材料,可举出金属及导电性碳等。作为金属,没有特别限制,优选包含选自Ni、Ti、Al、Cu、Pt、Fe、Cr、Sn、Zn、In、及Sb中的至少1种金属或这些金属的合金或包含金属氧化物。另外,作为导电性碳,没有特别限制。优选包含选自乙炔黑、VULCAN、BLACK PEARL、碳纳米纤维、科琴黑、碳纳米管、碳纳米角、碳纳米球、及富勒烯中的至少1种。
导电性填料的添加量只要是可以对集电体赋予充分的导电性的量,就没有特别限制,一般而言,为5~35重量%左右。
需要说明的是,本方式的集电体可以为由单独材料构成的单层结构,或者可以为适当组合由这些材料构成的层而成的叠层结构。另外,从阻断单电池层间的锂离子的移动的观点出发,可以在集电体的一部分设置金属层。
[正极活性物质层、负极活性物质层]
根据本发明的实施方式,正极活性物质层及负极活性物质层中的至少一方包含由电子传导材料构成的导电部件及活性物质。在该实施方式中,活性物质的表面的至少一部分由包含包覆用树脂及导电助剂的包覆剂包覆。另外,根据本发明的实施方式,所述活性物质层具有与所述电解质层侧接触的第1主面、和与所述集电体侧接触的第2主面。而且,所述导电部件的至少一部分形成了将从所述第1主面至所述第2主面进行电连接的导电通路。
根据本发明的实施方式,导电部件可举出:构成无纺布的一部分的导电性纤维的例子、构成纺织布或编织布的一部分的导电性纤维的例子、在第1主面和第2主面之间离散存在的导电性纤维的例子、及构成发泡树脂的一部分的经导电化处理的树脂的例子。
首先,对导电部件作为构成无纺布的一部分的导电性纤维的例子,使用附图进行说明。
图2是示意性地表示对图1中用圆形记号表示的部分进行放大后的部分的剖面图。
如图2所示,具有由2片集电体11夹持单电池层19的结构。
正极活性物质层13为具有规定的厚度t1的片状,具备配置于电解质层17侧的第1主面111、和配置于集电体11侧的第2主面121。在正极活性物质层13上含有正极活性物质14。本实施方式中,正极活性物质14由包覆剂包覆,其进行后述。
同样地,负极活性物质层15也为具有规定的厚度t2的片状,具备配置于电解质层17侧的第1主面211及配置于集电体11侧的第2主面221。在负极活性物质层15上含有负极活性物质24。本方式中,负极活性物质24由包覆剂包覆,其进行后述。
正极活性物质层13的厚度t1及负极活性物质层15的厚度t2分别独立地优选为150~1500μm,这样,电极厚时,可以在电池内含有许多活性物质,可以将电池进行高容量化,对能量密度提高是有效的。厚度t1更优选为200~950μm,进一步优选为250~900μm。厚度t2更优选为200~950μm,进一步优选为250~900μm。根据本发明的特征性结构,可以实现这种厚的电极,对于提高能量密度是有效的。
图3是仅示意性地表示图2的正极活性物质层的剖面图。
如图3所示,如上所述,正极活性物质层100具备第1主面111和第2主面121(未图示)。而且,在第1主面111和第2主面121之间含有作为导电部件的导电性纤维131和作为活性物质的正极活性物质14。
图3所示的方式中,导电部件为构成无纺布的一部分的导电性纤维131。由于在无纺布中存在许多空隙,因此,可以通过在该空隙中填充活性物质14而形成电极。关于对空隙的包覆活性物质的填充,在下述中详细地进行说明。
导电性纤维131中的一部分纤维的一个端部到达至第1主面111,另一个端部到达至第2主面121。因此,导电性纤维131中的至少一部分形成将从第1主面111至第2主面121进行电连接的导电通路。
另外,第1主面111和第2主面121之间存在有相互缠绕的许多导电性纤维131,多条导电性纤维131相互接触,对从第1主面111至第2主面121连续地进行连接的情况也可以说从导电性纤维形成将从第1主面111至第2主面121进行了电连接的导电通路。
图3示出相当于将从第1主面111至第2主面121进行了电连接的导电通路的导电性纤维131的实例。包括,以导电性纤维131a表示的纤维为1条导电性纤维成为导电通路的实例,以导电性纤维131b表示的2条纤维为2条导电性纤维相互接触而构成导电通路的实例。
作为导电性纤维,可举出:PAN系碳纤维、沥青系碳纤维等碳纤维、使导电性好的金属或石墨均匀地分散于合成纤维中而成的导电性纤维、将不锈钢那样的金属进行了纤维化的金属纤维、用金属包覆了有机物纤维表面而成的导电性纤维、用含有导电性物质的树脂包覆了有机物纤维表面而成的导电性纤维等。这些导电性纤维中,优选碳纤维。
在本方式中,导电部件的电导率优选为50mS/cm以上。电导率如下求出:按照JISR7609(2007)的“碳纤维-体积电阻率的求法”测定体积电阻率,并取体积电阻率的倒数而求出。电导率为50mS/cm以上时,形成将从第1主面111至第2主面121进行电连接的导电通路时的电阻小,电子从距离集电体远的活性物质进行移动会更顺利地进行,因此优选。
导电性纤维的平均纤维径优选为0.1~20μm。导电性纤维的平均纤维径可以进行SEM观察而测定。就导电性纤维的平均纤维径而言,对存在于30μm见方视野中的任意10条纤维分别测定中央附近的直径,对三个视野进行该测定,根据合计30根纤维的直径的平均值设为测定值。
导电性纤维的纤维长没有特别限定。
在本方式中,活性物质为表面的至少一部分由包含包覆用树脂及导电助剂16的包覆剂151包覆而成的包覆活性物质。详细情况进行后述。
导电性纤维131形成的导电通路与导电通路的周围的正极活性物质14接触。导电通路和正极活性物质接触时,从正极活性物质中产生的电子立即到达导电通路,使导电通路流动而到达集电体。导电通路由作为电子传导性材料的导电部件构成,因此,电子可以顺利地到达至集电体。本方式中,活性物质为包覆活性物质,但包覆剂和导电通路接触的情况也可以看作导电通路与活性物质接触。
不具有导电通路的活性物质层中,电子需要通过电子传导性不高的活性物质,因此,电子难以顺利地传递至集电体。另外,经过作为粒子状物质的导电助剂的电子传导存在粒子间的电阻,导电助剂的粒子并不连续地连接,因此,电子不得不通过电阻高的地方。因此,电子难以顺利地传递至集电体。
需要说明的是,上述说明中,以从正极活性物质产生的电子到达集电体的情况为例,说明电子的运动,但从集电体向正极活性物质流动的电子也同样地可以通过导电通路顺利地到达至正极活性物质。即,在充电时和放电时可得到同样的效果。
另外,作为导电助剂16,从具有导电性的材料中选择。导电助剂的详细情况进行后述。另外,本方式中,导电助剂16包含在包覆剂151中,但导电助剂16可以与正极活性物质14接触。导电助剂16包含在包覆剂151中,或与正极活性物质14接触时,可以进一步提高从正极活性物质14至到达导电通路的电子传导性。
图3的方式中,以正极为例进行了说明,但对于负极的情况,可以使用负极活性物质作为活性物质来代替正极活性物质。负极活性物质的详细也进行后述。
在负极中,由于导电通路与导电通路的周围的负极活性物质接触,因此,与正极的情况同样地,从负极活性物质中产生的电子立即到达导电通路,使导电通路流动而顺利地到达集电体。另外,从集电体向负极活性物质流动的电子也可以顺利地到达至负极活性物质。
图4是示意性地表示正极活性物质层的其它方式的实例的剖面图。
图4所示的方式的正极活性物质层100中,导电部件为构成纺织物的一部分的导电性纤维113。织物由包含导电性纤维的纵丝113a及横丝113b构成。图4所示的方式的正极活性物质层100除对应于图3中的无纺布的布状的纤维结构为纺织物以外,具有与图2所示的正极活性物质层100同样的结构。纺织物的纺织方法没有特别限定,可以使用由平纹织物、斜纹织物、缎纹织物、拉毛织物等纺织物成的织物。另外,可以使用由导电性纤维构成的编织物取代纺织物。编织物的编织方法没有特别限定,可以使用异横编、纵编、圆编等编织成的编物。纺织物或编织物也与无纺布同样地,在构成纺织物或编织物的导电性纤维之间具有许多空隙,因此,可以通过在该空隙中填充包覆活性物质而形成电极(活性物质层)。
另外,导电性纤维113中的至少一部分纤维的一部分到达至第1主面111,其它一部分到达至第2主面121。因此,导电性纤维113中的至少一部分形成将从第1主面111至第2主面121进行电连接的导电通路。
优选的导电性纤维的种类、活性物质的种类等其它构成与图2所示的方式同样,因此省略其详细的说明。另外,也可以采用负极活性物质作为活性物质从而制成负极。
图5是示意性地表示正极活性物质层的其它实施方式的实例的剖面图。
图5所示的实施方式的正极活性物质层100中,导电部件为在第1主面111和第2主面121之间离散存在的导电性纤维213。导电性纤维213不是图3及图4所示的由无纺布、纺织物或编织物等导电性纤维构成的结构体的一部分。关于图5所示的方式的正极活性物质层的制造方法,后面详细地进行了说明,但该方式使用包含导电性纤维和包覆活性物质的浆料来制造,可以说是在活性物质层中离散地存在导电性纤维的方式,而不是在纤维间的空隙中填充有包覆活性物质得到的正极活性物质层。
导电性纤维213中的至少一部分纤维的一部分到达至第1主面111,其它一部分到达至第2主面121。因此,导电性纤维213中的至少一部分形成了将从第1主面111至第2主面121进行电连接的导电通路。
图5中,以导电性纤维213a表示的纤维为1条导电性纤维构成导电通路的实例,以导电性纤维213b表示的2条纤维为2条导电性纤维接触构成导电通路的实例。
优选的导电性纤维的种类、活性物质的种类等其它构成与图2所示的方式同样,因此,省略其详细的说明。另外,也可以使用负极活性物质作为活性物质而制成负极。
图5所示的方式中,作为导电部件的导电性纤维和包覆活性物质固定于膜上,可以是缓慢至不流动的程度来维持其形状的状态。膜由导电性高的材料(导电性材料)构成时,可以使用膜作为集电体,另外,即使使集电体与膜接触,也不阻碍导电性,因此优选。需要说明的是,膜在图5中未示出。关于作为导电部件的导电性纤维和包覆活性物质固定于膜上的制造方法,后面详细地进行说明。
另外,根据其它方式,作为导电部件的导电性纤维和包覆活性物质被树脂固定,导电性纤维离散存在于活性物质层中的形态可以是在锂离子电池内所维持的状态。
图6是示意性地表示正极活性物质层的其它方式的实例的剖面图。
图6所示的方式的正极活性物质层100在作为导电部件的导电性纤维213和作为活性物质的正极活性物质14(包覆活性物质)由树脂214固定这一点上不同,但其它构成为与图5所示方式同样的构成。
作为树脂,可举出乙烯基树脂、聚氨酯树脂、聚酯树脂、聚酰胺树脂等。
关于作为导电部件的导电性纤维和包覆活性物质由树脂固定的制造方法,后面详细地进行说明。
图7是示意性地表示正极活性物质层的其它方式的实例的剖面图。
图7所示的方式中,导电部件为构成发泡树脂的一部分的被导电化的树脂313。由于在发泡树脂中存在许多空隙,因此,可以通过在该空隙中填充包覆活性物质而形成电极。
作为进行了导电化处理的树脂,可举出在树脂的表面形成导体薄膜而赋予了导电性的树脂、在树脂内部混合金属或碳纤维等导电填料而赋予了导电性的树脂等。另外,树脂自身可以为导电性高分子,也可以为对导电性高分子进一步赋予了导电性的树脂。
作为在树脂的表面形成导体的薄膜的方法,可举出金属电镀处理、蒸镀处理、溅射处理等。
图7所示的方式中,被导电化的树脂313从第1主面111连接至第2主面121,被导电化的树脂313形成了将从第1主面111至第2主面121进行电连接的导电通路。
作为由被导电化的树脂构成的发泡树脂,优选树脂泡沫,可举出聚氨酯泡沫、聚苯乙烯泡沫、聚乙烯泡沫、聚丙烯泡沫等。特别优选将聚氨酯泡沫的表面用镍等金属进行电镀处理而成的发泡树脂。
在本发明的优选的方式中,导电部件为包含进行了导电化处理的树脂的发泡树脂的情况下,包含进行了导电化处理的树脂的发泡树脂的电导率优选为100mS/cm以上。发泡树脂的电导率利用四端子法求出。包含进行了导电化处理的树脂的发泡树脂的电导率为100mS/cm以上时,通过导电性纤维形成了将从第1主面至第2主面进行电连接的导电通路时的电阻小,电子从距离集电体远的活性物质进行移动会更顺利地进行,因此优选。另外,也可以通过使用负极活性物质作为活性物质从而制成负极。
在包含图3~7所示的实施方式的本发明的优选实施方式的正极活性物质中,优选以正极活性物质层的体积为基准,导电部件所占的体积比例为0.1~15vol%。即,在正极活性物质层内,导电部件所占的体积优选相对地少。导电部件所占的体积少是指在没有被导电部件占据的空隙中填充许多包覆活性物质,通过填充许多包覆活性物质,而制成高容量的电极。需要说明的是,本实施例中,导电部件所占的体积的比例约为2vol%左右。
另外,在本发明的优选的方式中,优选以活性物质层的体积为基准,包覆活性物质所占的体积的比例为30~80vol%。通过包覆活性物质的比例变多,可以制成高容量的电极。需要说明的是,本实施例中,导电部件所占的体积的比例约为46vol%左右。
接着,对本发明的优选的实施方式的非水电解质二次电池的制造方法进行说明。
本发明的优选的实施方式的非水电解质二次电池的制造方法中,所述非水电解质二次电池具有发电要素,所述发电要素包括:在集电体上形成活性物质层而得到的极性不同的2个电极和配置于所述电极之间的电解质层,所述方法包括,所述极性不同的2个电极的活性物质层中的至少之一含有由电子传导材料构成的导电部件及活性物质,所述活性物质层具有与所述电解质层侧接触的第1主面和与所述集电体侧接触的第2主面,所述导电部件的至少一部分形成了将从所述第1主面至所述第2主面进行电连接的导电通路,所述导电通路与所述导电通路周围的所述活性物质接触,所述活性物质表面的至少一部分由包含包覆用树脂及导电助剂的包覆剂包覆,将所述极性不同的2个电极或所述电解质层中所含的电解液制成凝胶状电解质。
对于这种实施方式的非水电解质二次电池的制造方法,首先对电极(活性物质层)的制造方法,分为几种实施方式进行说明。
本发明的非水电解质二次电池的电极(活性物质层)的制造方法的一个实施方式包括以下工序:准备含有导电部件、其中具有多个空隙、具备第1主面和第2主面的结构体的工序;将含有上述包覆活性物质的浆料涂布于上述结构体的上述第1主面或上述第2主面的工序;进行加压或减压而使上述包覆活性物质填充于上述结构体中的上述空隙的工序。
上述实施方式的制造方法适于制造使用图3、图4或图7进行了说明的实施方式的活性物质层。
首先,准备含有导电部件、其中具有多个空隙、具备第1主面和第2主面的结构体(其构成活性物质层的第1主面和第2主面的骨架)。
作为结构体,优选使用包含由导电性纤维构成的导电部件的无纺布、包含由导电性纤维构成的导电部件的纺织物或编织物、或者包含由进行了导电化处理的树脂构成的导电部件的发泡树脂。关于无纺布、纺织物、编织物及发泡树脂的详细,与上述同样,因此省略其详细的说明。
图8(a)及图8(b)是示意性地表示将包覆活性物质填充于结构体中的空隙的工序的工序图。作为结构体,示出使用无纺布的例子。
接着,将含有包覆活性物质的浆料涂布于结构体的第1主面或第2主面。
活性物质由包覆剂包覆,构成包覆活性物质。包覆活性物质的制造方法的说明进行后述。
含有活性物质的浆料为含有溶剂的溶剂浆料,或也可以为含有电解液的电解液浆料。需要说明的是,对所述浆料的说明在其它实施方式中也同样地可适用。
作为溶剂,可举出:水、碳酸丙烯酯、1-甲基-2-吡咯烷酮(N-甲基吡咯烷酮)、甲基乙基酮、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、N,N-二甲基氨基丙基胺及四氢呋喃等。
另外,作为电解液,可以使用用于锂离子电池的制造的、含有支持盐和/或有机溶剂的电解液。作为支持盐,可以使用用于锂离子电池的制造的通常的支持盐,作为有机溶剂,可以使用用于通常的电解液的溶剂等。但是,电极或所述电解质层中所含的电解液由凝胶化剂进行凝胶化。需要说明的是,支持盐、有机溶剂可以单独使用1种,也可以组合使用2种以上。
浆料优选如下制备:以相对于溶剂或电解液的重量为5~60重量%的浓度将包覆活性物质和根据需要的进一步使用的导电助剂进行分散并浆料化。
可以在结构体的第1主面或第2主面上使用棒涂机、毛刷等任意的涂敷装置涂布含有包覆活性物质的浆料。
图8(a)示意性地表示在作为结构体的无纺布的第2主面上涂布浆料的情形,在无纺布60的第2主面62上涂布包含由包覆剂151包覆而成的正极活性物质14的浆料。
接着,进行加压或减压,使包覆活性物质填充于结构体中的空隙。
作为加压操作的方法,可举出从浆料的涂布面的上方使用加压机进行加压的方法。另外,作为减压操作的方法,可举出将滤纸或网等应用于结构体的没有涂布浆料一侧的面上,利用真空泵抽吸的方法。
由于在结构体中存在空隙,因此,可以通过加压或减压操作而将包覆活性物质填充于结构体中的空隙。
图8(a)中示出表示从浆料的涂布面的上方进行加压的方向的箭头、及表示从滤纸70的下面进行减压的方向的箭头。另外,图8(b)中示出将包覆活性物质填充于结构体中的空隙而成的正极活性物质层100。图8(b)所示的正极活性物质层100与图3所示的正极活性物质层100同样。
含有包覆活性物质的浆料为含有溶剂的溶剂浆料的情况下,优选在后面进一步进行馏去溶剂的工序。
另外,含有包覆活性物质的浆料为含有电解液的电解液浆料的情况下,结构体中的空隙被包覆活性物质及电解液充满,对于锂离子电池用电极而言是优选的技术方案。这里,电极或所述电解质层中所含的电解液利用凝胶化剂进行凝胶化。
作为结构体,即使在使用由含有导电部件的纺织物或编织物或进行了导电化处理的树脂构成的发泡树脂取代无纺布的情况下,也可以通过上述工序将包覆活性物质填充于结构体中的空隙来制造活性物质层。
本发明的其它方式包含以下工序:将含有导电部件和包覆活性物质的浆料涂布于膜上的工序;进行加压或减压,将包覆活性物质和导电部件固定于膜上的工序。
上述实施方式的制造方法适于制造使用图5进行了说明的实施方式的正极活性物质层。
图9(a)及图9(b)是示意性地表示使包覆活性物质和导电部件定影于膜上的工序的工序图。
首先,将包含导电部件213、以及被含有包覆用树脂及导电助剂16的包覆剂151包覆而成的正极活性物质14即包覆活性物质的浆料涂布于膜470上。
作为浆料,可举出在上述的浆料中进一步加入作为导电部件的导电性纤维,并使导电性纤维分散于浆料中而形成的浆料。
作为导电性纤维,可以使用上述的导电性纤维,但导电性纤维的形状优选成为纤维的1条1条独立的形状,优选不具有无纺布、纺织物、编织物这样的立体结构。导电性纤维的1条1条独立时,成为在浆料中分散的状态。
在本方式中,浆料可以为含有电解液的电解液浆料。作为电解液,可以使用与上述的电解液浆料中的电解液同样的电解液。另外,浆料即使为含有溶剂的溶剂浆料,也优选。但是,电极或所述电解质层中所含的电解液利用凝胶化剂进行凝胶化。
作为膜470,优选可以在其后的加压或减压工序中将包覆活性物质及导电部件和电解液及溶剂分离的膜。另外,膜由导电性高的材料(导电性材料)构成时,可以使用膜作为集电体,另外,即使使集电体与膜接触,也不阻碍导电性,因此优选。例如,可以优选使用电导率为100S/cm以上的材料。作为具有这种特性的材料的实例,可举出配合有碳纤维等导电性纤维的滤纸、金属网等。可以使用这样的物质作为集电体。
作为金属网,优选使用不锈钢制网,可举出例如SUS316制成的斜纹织金属网(SANNET工业制造)等。金属网的网眼优选包覆活性物质及导电部件不能通过的程度,例如优选使用2300目的金属网。
在本方式中,可以在膜上使用棒涂机、毛刷等任意的涂敷装置涂布浆料。
图9(a)示意性地表示在膜上涂布有浆料的情形,在作为膜的滤纸470上涂布含有包覆活性物质和导电性纤维213的浆料。
接着,进行加压或减压而使包覆活性物质和导电部件固定于膜上。
作为加压操作、减压操作的方法,可以使用与上述的工序同样的方法,通过加压或减压而从浆料中除去电解液或溶剂,将作为导电部件的导电性纤维和包覆活性物质固定于膜上,成为缓慢至不流动的程度而维持其形状的状态。
图9(b)中示出作为导电部件的导电性纤维213和包覆活性物质在滤纸470上固定而成的正极活性物质层110。
在正极活性物质层110中,膜由导电性材料构成时,膜可以作为集电体使用,另外,也可以使其它集电体与膜接触而作为一个集电体起作用。即,在正极活性物质层110中,第2主面121可以确定为作为导电部件的导电性纤维213与滤纸470接触的部分。
膜为不具有导电性的材料时,使膜配置于隔膜侧即可。另外,也可以将膜设为隔膜。作为由不具有导电性的材料构成的膜的实例,可举出芳族聚酰胺隔膜(日本Vilene株式会社制造)等。
另外,在本方式中,浆料为含有电解液的电解液浆料的情况下,膜为使不透过包覆活性物质的电解液透过的膜,优选进行加压或减压而透过膜除去电解液。
另外,优选进行加压工序:将浆料进一步以强的压力进行加压。
加压工序为与前面工序中的加压或减压相比,进一步使压力差变大而提高包覆活性物质的密度。所述的加压工序的概念是:包含前面的工序为减压的情况下施加加压的实施方式和前面的工序为加压的情况下进一步提高加压压力的实施方式这两者。
此时的加压工序的压力可以适当设定,例如优选为1~5kg/cm2左右。
另外,进行将固定于膜上的包覆活性物质转印于集电体或隔膜的主面的工序,形成将活性物质层的第1主面配置于隔膜的主面、或者活性物质层的第2主面配置于集电体的主面的电极。
在转印的工序中,优选使与膜相反侧的主面与集电体或隔膜的主面接触而转印。
膜由导电性材料构成,使用膜作为集电体的情况下,优选使与膜相反侧的主面与隔膜的主面接触而转印。另外,不使用膜作为集电体的情况下,在进行转印之后,优选进行剥离膜的工序。或者,可以使用膜作为隔膜的一部分。
图10(a)及图10(b)是示意性地表示由树脂固定包覆活性物质和导电部件的工序的工序图。
首先,制备包含导电部件、包覆活性物质和树脂的活性物质用组合物。
作为导电部件,与使用图9(a)及图9(b)进行了说明的实施方式同样地,优选使用纤维1条1条独立的形状的导电性纤维。
作为树脂,优选使用乙烯基树脂、聚氨酯树脂、聚酯树脂、聚酰胺树脂等。采用这些树脂时,在成形性方面是优选的。
在活性物质用组合物中,树脂可以以溶解于溶剂的树脂溶液的方式存在,也可以以通过加热进行流动化的颗粒等固体的方式存在。
另外,作为树脂,可以是包覆剂中所含的包覆用树脂。
在活性物质用组合物中,树脂以溶解于溶剂的树脂溶液的方式存在的情况下,优选导电部件及活性物质分散于树脂溶液。另外,树脂以固体的方式存在的情况下,也优选树脂、导电部件和活性物质分散开来而不集中分布于特定的部位。
而且,通过将制备的活性物质用组合物进行加热加压,由树脂将导电部件及活性物质进行固定。
加热加压的方法没有特别限定,如图10(a)所示,可举出在金属板等板570上涂布包含包覆活性物质、导电性纤维213、树脂214的活性物质用组合物,从上面进行加热加压的方法。
活性物质用组合物的涂布可以使用棒涂机、毛刷等任意涂敷装置而进行。另外,加热加压可以使用通常的加热加压装置而进行。
另外,树脂为包覆活性物质的包覆用树脂的情况下,将导电部件和包覆活性物质涂布于板而进行加热加压时,利用通过加热而熔融的包覆用树脂固定导电部件和(包覆)活性物质。
利用包覆用树脂被固定的活性物质为仍旧由包覆用树脂包覆的包覆活性物质,但可以成为某种程度上被剥离的形态。
加热加压的条件可以根据使用的树脂的固化条件适当确定,没有特别限定,例如,聚氨酯树脂的情况下,优选在100~200℃、0.01~5MPa、5~300秒的条件下进行加热加压。乙烯基树脂的情况下,优选在80~180℃、0.01~5MPa、5~300秒的条件下进行加热加压。
通过加热加压,如图10(b)所示,可以制造导电性纤维213和包覆活性物质用树脂214固定而成的正极活性物质层110。
(正极活性物质)
作为正极活性物质14,可举出锂和过渡金属的复合氧化物(例如LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2及LiMn2O4)、过渡金属氧化物(例如MnO2及V2O5)、过渡金属硫化物(例如MoS2及TiS2)及导电性高分子(例如聚苯胺、聚偏氟乙烯、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚-对亚苯基及聚咔唑)等。
(负极活性物质)
作为负极活性物质24,可举出:石墨、非晶碳、高分子化合物烧成体(例如对酚醛树脂及呋喃树脂等进行烧成并碳化而得到材料等)、焦炭类(例如沥青焦炭、针状焦炭及石油焦炭等)、碳纤维、导电性高分子(例如聚乙炔及聚吡咯等)、锡、硅、及金属合金(例如锂-锡合金、锂-硅合金、锂-铝合金及锂-铝-锰合金等)等。
(包覆剂)
如上所述,根据本发明的实施方式,正极活性物质层及负极活性物质层中的至少之一含有由电子传导材料构成的导电部件及活性物质。在其方式中,活性物质的表面的至少一部分由含有包覆用树脂及导电助剂16的包覆剂151包覆。
(导电助剂)
作为导电助剂16,从具有导电性的材料中选择。
具体而言,可举出金属{铝、不锈钢(SUS)、银、金、铜及钛等}、碳{石墨及碳黑[乙炔黑、科琴黑、炉黑、槽法炭黑、热灯黑等]等}、及这些混合物等,但并不限定于这些。
这些导电助剂可以单独使用1种,也可以组合使用2种以上。另外,可以使用它们的合金或金属氧化物。从电稳定性的观点出发,优选为铝、不锈钢、碳、银、金、铜、钛及这些混合物,进一步优选为银、金、铝、不锈钢及碳,特别优选为碳。另外,这些导电助剂可以是在粒子类陶瓷材料或树脂材料的周围通过电镀等涂敷有导电性材料(上述的导电性材料中的金属材料)的物质。
导电助剂的形状(形态)不限于粒子形态,也可以为粒子形态以外的形态,还可以为制成碳纳米管等、所谓的填料系导电性树脂组合物而被实用化的形态。
导电助剂的平均粒径(一次粒径)没有特别限定,从电池的电特性的观点出发,优选为0.01~10μm左右。需要说明的是,本说明书中,“粒径”是指导电助剂的轮廓线上的任意的2点间的距离中的最大的距离L。作为“平均粒径”的值,采用使用扫描型电子显微镜(SEM)或透射型电子显微镜(TEM)等观察装置,计算在数~数十视野中所观察到的粒子的粒径的平均值,并采用该值。
(包覆用树脂)
根据本发明的优选的实施方式,活性物质包覆用树脂(也简称为“包覆用树脂”)的饱和吸液状态下的拉伸断裂伸长率为10%以上。
在饱和吸液状态下的拉伸断裂伸长率可以将包覆用树脂冲压成哑铃状,在50℃下进行在电解液中浸渍3天而将包覆用树脂制成饱和吸液状态、根据ASTMD683(试验片形状TypeII)进行测定。拉伸断裂伸长率是在拉伸试验中利用下述式算出至试验片断裂的伸长率所得的值。
拉伸断裂伸长率(%)=[(断裂时试验片长度-试验前试验片长度)/试验前试验片长度]×100
包覆用树脂的在饱和吸液状态下的拉伸断裂伸长率为10%以上时,包覆用树脂具有适当的柔软性,因此,可以通过包覆活性物质而缓和电极的体积变化,抑制电极的膨胀。拉伸断裂伸长率更优选为20%以上,进一步优选为30%以上。另外,作为拉伸断裂伸长率的优选的上限值,优选为400%,作为更优选的上限值,为300%。
另外,使活泼氢成分和异氰酸酯成分反应而得到的聚氨酯树脂也优选作为包覆用树脂。由于聚氨酯树脂具有柔软性,因此,通过用聚氨酯树脂包覆锂离子电池活性物质,可以缓和电极的体积变化,并抑制电极的膨胀。
另外,根据本发明的优选的实施方式,包覆用树脂浸渍于电解液时的吸液率为10%以上,在饱和吸液状态下的拉伸断裂伸长率为10%以上。
关于浸渍于电解液时的吸液率,测定浸渍于电解液之前、浸渍之后的包覆用树脂的重量,用以下的式子求出。
吸液率(%)=[(电解液浸渍后的包覆用树脂的重量-电解液浸渍前的包覆用树脂的重量)/电解液浸渍前的包覆用树脂的重量]×100
作为用于求出吸液率的电解液,使用在将碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)以体积比例计以EC:DEC=3:7混合而成的混合溶剂中以1mol/L的浓度溶解有LiPF6作为电解质而得到的电解液。
求出吸液率时,在电解液中的浸渍在50℃下进行3天。通过在50℃下进行3天的浸渍,包覆用树脂成为饱和吸液状态。需要说明的是,饱和吸液状态是指即使再进一步浸渍电解液中包覆用树脂的重量也不增加的状态。
吸液率为10%以上时,包覆用树脂充分地吸液电解液,锂离子可以容易地透过包覆用树脂,因此,不妨碍活性物质和电解液之间的锂离子的移动。需要说明的是,吸液率优选为20%以上,更优选为30%以上。另外,作为吸液率的优选的上限值,为400%,作为更优选的上限值,为300%。
本发明的实施方式的活性物质包覆用树脂的锂离子的传导性通过用交流阻抗法测定制成饱和吸液状态之后的包覆用树脂在室温下的传导度而求出。
用上述方法测定的锂离子的传导性优选为1.0~10.0mS/cm,如果是上述范围,则充分地发挥作为锂离子电池的性能。
另外,根据其它方式,包覆用树脂优选为:浸渍于电解液时的吸液率为10%以上、在饱和吸液状态下的拉伸断裂伸长率为10%以上、使活泼氢成分和异氰酸酯成分反应而得到的聚氨酯树脂。
作为活泼氢成分,优选包含选自聚醚二醇、聚碳酸酯二醇及聚酯二醇中的至少1种。
作为聚醚二醇,可举出:聚氧乙二醇(以下简称为PEG)、聚氧乙烯氧丙烯嵌段共聚二醇、聚氧乙烯氧四亚甲基嵌段共聚二醇;乙二醇、丙二醇、1,4-丁二醇、1,6-六亚甲基二醇、新戊二醇、双(羟甲基)环己烷、4,4’-双(2-羟基乙氧基)-二苯基丙烷等低分子二醇的环氧乙烷加成物;使数均分子量2,000以下的PEG和二羧酸[碳原子数4~10的脂肪族二羧酸(例如琥珀酸、己二酸、癸二酸等)、碳原子数8~15的芳香族二羧酸(例如对苯二甲酸、间苯二甲酸等)等]的1种以上反应而得到的缩合聚醚酯二醇;及这些物质的2种以上的混合物。
在聚醚二醇中含有氧化乙烯单元的情况下,氧化乙烯单元的含量优选为20重量%,更优选为30重量%以上,进一步优选为40重量%以上。另外,也可举出聚氧丙二醇、聚氧四亚甲基二醇(以下简称为PTMG)、聚氧丙烯氧四亚甲基嵌段共聚二醇等。其中,优选为PEG、聚氧乙烯氧丙烯嵌段共聚二醇及聚氧乙烯氧四亚甲基嵌段共聚二醇,特别优选为PEG。另外,可以使用仅1种聚醚二醇,也可以使用这些物质的2种以上的混合物。
作为聚碳酸酯二醇,可举出例如聚六亚甲基碳酸酯二醇。作为聚酯二醇,可举出通过使低分子二醇和/或数均分子量1,000以下的聚醚二醇和前述的二羧酸的1种以上反应而得到的缩合聚酯二醇、或碳原子数4~12的内酯通过开环聚合而得到的聚内酯二醇等。作为上述低分子二醇,可举出上述聚醚二醇的项中例示的低分子二醇等。作为上述数均分子量1,000以下的聚醚二醇,可举出聚氧丙二醇、PTMG等。作为上述内酯,可举出例如ε-己内酯、γ-戊内酯等。作为该聚酯二醇的具体例,可举出:聚乙烯己二酸酯二醇、聚丁烯己二酸酯二醇、聚新亚戊酯己二酸酯二醇、聚(3-甲基-1,5-亚戊酯己二酸酯)二醇、聚六亚甲基己二酸酯二醇、聚己内酯二醇及这些物质的2种以上的混合物。
另外,活泼氢成分可以为上述聚醚二醇、聚碳酸酯二醇及聚酯二醇中的2种以上的混合物。
活泼氢成分优选以数均分子量2,500~15,000的高分子二醇为必须成分。作为高分子二醇,可举出上述的聚醚二醇、聚碳酸酯二醇及聚酯二醇等。
数均分子量为2,500~15,000的高分子二醇,其形成的聚氨酯树脂的硬度适当地柔软,另外,形成于活性物质上的被膜的强度变强,因此优选。另外,高分子二醇的数均分子量更优选为3,000~12,500,进一步优选为4,000~10,000。高分子二醇的数均分子量可以由高分子二醇的羟基值算出。另外,羟基值可以按照JISK1557-1的记载进行测定。
另外,活泼氢成分以数均分子量2,500~15,000的高分子二醇为必须成分,上述高分子二醇的溶解度参数(以下,简称为SP值)优选为8.0~12.0(cal/cm3)1/2。高分子二醇的SP值更优选为8.5~11.5(cal/cm3)1/2,进一步优选为9.0~11.0(cal/cm3)1/2
SP值利用Fedors法进行计算。SP值用下式表示。
SP值(δ)=(ΔH/V)1/2
其中,式中,ΔH表示摩尔蒸发热(cal),V表示摩尔体积(cm3)。
另外,ΔH及V可以使用“POLYMER ENGINEERING AND SCIENCE,1974,Vol.14,No.2,ROBERTF.FEDORS.(151~153页)”中记载的原子团的摩尔蒸发热的合计(ΔH)和摩尔体积的合计(V)。
该指标表示:该数值近的物质彼此容易相互混杂(相容性高)、该数值远离的物质不易混杂。
高分子二醇的SP值为8.0~12.0(cal/cm3)1/2时,在聚氨酯树脂的电解液的吸液方面优选。
另外,活泼氢成分以数均分子量2,500~15,000的高分子二醇为必须成分、上述高分子二醇的含量优选以上述聚氨酯树脂的重量为基准,为20~80重量%。高分子二醇的含量更优选为30~70重量%,进一步优选为40~65重量%。
高分子二醇的含量为20~80重量%时,在聚氨酯树脂的电解液的吸液方面优选。
另外,活泼氢成分优选以数均分子量2,500~15,000的高分子二醇及链伸长剂为必须成分。
作为链伸长剂,可举出例如:碳原子数2~10的低分子二醇[例如乙二醇(以下简称为EG)、丙二醇、1,4-丁二醇(以下简称为14BG)、二乙二醇(以下简称为DEG)、1,6-六亚甲基二醇等];二胺类[碳原子数2~6的脂肪族二胺(例如乙二胺、1,2-亚丙基二胺等)、碳原子数6~15的脂环式二胺(例如异佛尔酮二胺、4,4’-二氨基二环己基甲烷等)、碳原子数6~15的芳香族二胺(例如4,4’-二氨基二苯基甲烷等)等];单链烷醇胺(例如单乙醇胺等);肼或其衍生物(例如己二酸二酰肼等)及这些物质的2种以上的混合物。其中优选的物质为低分子二醇,特别优选的物质为EG、DEG及14BG。
作为高分子二醇及链伸长剂的组合,优选作为高分子二醇的PEG和作为链伸长剂的EG的组合、或者作为高分子二醇的聚碳酸酯二醇和作为链伸长剂的EG的组合。
另外,活泼氢成分包含数均分子量2,500~15,000的高分子二醇(a11)、上述高分子二醇以外的二醇(a12)及链伸长剂(a13),(a11)和(a12)的当量比{(a11)/(a12)}为10/1~30/1,与(a11)和(a12)及(a13)的合计当量的当量比{(a11)/[(a12)+(a13)]}优选为0.9/1~1.1/1。
需要说明的是,(a11)和(a12)的当量比{(a11)/(a12)}更优选为13/1~25/1,进一步优选为15/1~20/1。
作为高分子二醇以外的二醇,只要是二醇且不包含在上述的高分子二醇中,就没有特别限定,具体而言,可举出数均分子量低于2,500的二醇、及数均分子量超过15,000的二醇。
作为二醇的种类,可举出上述的聚醚二醇、聚碳酸酯二醇及聚酯二醇等。
需要说明的是,高分子二醇以外的二醇即链伸长剂中所含的碳原子数2~10的低分子二醇不包含在高分子二醇以外的二醇中。
作为异氰酸酯成分,可以使用目前用于聚氨酯制造的异氰酸酯成分。这种异氰酸酯中,含有碳原子数(除NCO基中的碳之外,以下同样)6~20的芳香族二异氰酸酯、碳原子数2~18的脂肪族二异氰酸酯、碳原子数4~15的脂环式二异氰酸酯、碳原子数8~15的芳香脂肪族二异氰酸酯、这些二异氰酸酯的改性体(碳化二酰亚胺改性体、聚氨酯改性体、脲二酮改性体等)及这些物质的2种以上的混合物。
作为上述芳香族二异氰酸酯的具体例,可举出:1,3-和/或1,4-亚苯基二异氰酸酯、2,4-和/或2,6-甲苯二异氰酸酯、2,4’-和/或4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯(以下,将二苯基甲烷二异氰酸酯简称为MDI)、4,4’-二异氰酸酯基联苯、3,3’-二甲基-4,4’-二异氰酸酯基联苯、3,3’-二甲基-4,4’-二异氰酸酯基二苯基甲烷、1,5-萘二异氰酸酯等。
作为上述脂肪族二异氰酸酯的具体例,可举出:亚乙基二异氰酸酯、四亚甲基二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、十二亚甲基二异氰酸酯、2,2,4-三甲基六亚甲基二异氰酸酯、赖氨酸二异氰酸酯、2,6-二异氰酸酯基甲基己酸酯、双(2-异氰酸酯基乙基)碳酸酯、2-异氰酸酯基乙基-2,6-二异氰酸酯基己酸酯等。
作为上述脂环式二异氰酸酯的具体例,可举出:异佛尔酮二异氰酸酯、二环己基甲烷-4,4’-二异氰酸酯、亚环己基二异氰酸酯、甲基亚环己基二异氰酸酯、双(2-异氰酸酯基乙基)-4-亚环己基-1,2-二羧酸酯、2,5-和/或2,6-降冰片烷二异氰酸酯等。
作为上述芳香脂肪族二异氰酸酯的具体例,可举出间和/或对苯二甲二异氰酸酯、α,α,α’,α’-四甲基苯二甲二异氰酸酯等。
其中优选的物质为芳香族二异氰酸酯及脂环式二异氰酸酯,进一步优选的物质为芳香族二异氰酸酯,特别优选的是MDI。
聚氨酯树脂含有高分子二醇(a11)及异氰酸酯成分(a2)的情况下,优选的(a2)/(a11)的当量比为10~30/1,更优选为11~28/1。异氰酸酯成分的比率超过30当量时,成为硬的涂膜。
另外,聚氨酯树脂含有高分子二醇(a11)、链伸长剂(a13)及异氰酸酯成分(a2)的情况下,(a2)/[(a11)+(a13)]的当量比通常为0.9~1.1/1,优选为0.95~1.05/1。在该范围外的情况下,有时聚氨酯树脂不充分地成为高分子量。
聚氨酯树脂的数均分子量优选为40,000~500,000,更优选为50,000~400,000。聚氨酯树脂的数均分子量低于40,000时,有时被膜的强度变低,其超过500,000时,溶液粘度升高,无法得到均匀的被膜。
关于聚氨酯树脂的数均分子量,将DMF用作溶剂、将聚氧丙二醇作为标准物质、利用凝胶渗透色谱(以下简称为GPC)进行测定。将样品浓度为0.25重量%、固定相为TSKgelSuperH2000、TSK gel Super H3000、TSKgel SuperH4000(均为东曹株式会社制造)各1根相连,柱温度设为40℃即可。
聚氨酯树脂可以使活泼氢成分和异氰酸酯成分反应而制造。
可举出例如使用高分子二醇和链伸长剂作为活泼氢成分,使异氰酸酯成分、高分子二醇和链伸长剂同时反应的一次注入法、或在使高分子二醇和异氰酸酯成分首先反应之后使链伸长剂连续反应的预聚物法。
另外,聚氨酯树脂的制造可以相对于异氰酸酯基在存在惰性溶剂下或不存在惰性溶剂下进行。作为在溶剂存在下进行时的适当的溶剂,可举出:酰胺类溶剂[二甲基甲酰胺(以下简称为DMF)、二甲基乙酰胺等]、亚砜类溶剂(二甲基亚砜等)、酮类溶剂[甲基乙基酮、甲基异丁酮等]、芳香族类溶剂(甲苯、二甲苯等)、醚类溶剂(二噁烷、四氢呋喃等)、酯类溶剂(醋酸乙酯、醋酸丁酯等)及这些物质的2种以上的混合物。其中优选的物质为酰胺类溶剂、酮类溶剂、芳香族类溶剂及这些物质的2种以上的混合物。
在聚氨酯树脂的制造时,反应温度可以与聚氨酯化反应中通常采用的温度相同,使用溶剂的情况下,通常为20~100℃,无溶剂的情况下,通常为20~220℃。
为了促进反应,可以根据需要使用通常用于聚氨酯反应的催化剂[例如胺系催化剂(三乙基胺、三乙二胺等)、锡类催化剂(二丁基锡二月桂酸酯等)]。
另外,也可以根据需要使用阻聚剂[例如1元醇(乙醇、异丙基醇、丁醇等)、1价胺(二甲基胺、二丁基胺等)等]。
聚氨酯树脂的制造可以用本领域中通常采用的制造装置进行。另外,不使用溶剂的情况下,可以使用捏合机或挤出机等制造装置。这样制造的聚氨酯树脂的作为30重量%(固体成分)DMF溶液测定的溶液粘度通常为10~10,000泊/20℃,实用上优选的是100~2,000泊/20℃。
另外,根据本发明的优选的实施方式,以乙烯基单体为必须构成单体的聚合物也优选作为包覆用树脂。由于以乙烯基单体为必须构成单体的聚合物具有柔软性,因此,通过用聚合物包覆活性物质,可以缓和电极的体积变化,并抑制电极的膨胀。
另外,包覆用树脂优选含有浸渍于电解液时的吸液率为10%以上、在饱和吸液状态下的拉伸断裂伸长率为10%以上、以乙烯基单体为必须构成单体的聚合物。
特别优选包含具有羧基的乙烯基单体及下述通式(1)表示的乙烯基单体作为乙烯基单体。
CH2=C(R1)COOR2 (1)
式(1)中,R1为氢原子或甲基,R2为碳原子数1~4的直链烷基或碳原子数4~36的支链烷基。
作为具有羧基的乙烯基单体,可举出:(甲基)丙烯酸、丁烯酸、肉桂酸等碳原子数3~15的单羧酸;马来酸(酐)、富马酸、衣康酸(酐)、柠康酸、中康酸等碳原子数4~24的二羧酸;乌头酸等碳原子数6~24的3元~4元或其以上的元数的多羧酸等。其中,优选(甲基)丙烯酸,特别优选甲基丙烯酸。
在上述通式(1)表示的乙烯基单体中,R1表示氢原子或甲基。R1优选为甲基。
R2为碳原子数1~4的直链烷基或碳原子数4~36的支链烷基,作为R2的具体例,可举出:甲基、乙基、丙基、1-烷基烷基(1-甲基丙基(仲丁基)、1,1-二甲基乙基(叔丁基)、1-甲基丁基、1-乙基丙基、1,1-二甲基丙基、1-甲基戊基、1-乙基丁基、1-甲基己基、1-乙基戊基、1-甲基庚基、1-乙基己基、1-甲基辛基、1-乙基庚基、1-甲基壬基、1-乙基辛基、1-甲基癸基、1-乙基壬基、1-丁基二十烷基、1-己基十八烷基、1-辛基十六烷基、1-癸基十四烷基、1-十一烷基十三烷基等)、2-烷基烷基(2-甲基丙基(异丁基)、2-甲基丁基、2-乙基丙基、2,2-二甲基丙基、2-甲基戊基、2-乙基丁基、2-甲基己基、2-乙基戊基、2-甲基庚基、2-乙基己基、2-甲基辛基、2-乙基庚基、2-甲基壬基、2-乙基辛基、2-甲基癸基、2-乙基壬基、2-己基十八烷基、2-辛基十六烷基、2-癸基十四烷基、2-十一烷基十三烷基、2-十二烷基十六烷基、2-十三烷基十五烷基、2-癸基十八烷基、2-十四烷基十八烷基、2-十六烷基十八烷基、2-十四烷基二十烷基、2-十六烷基二十烷基等)、3~34-烷基烷基(3-烷基烷基、4-烷基烷基、5-烷基烷基、32-烷基烷基、33-烷基烷基及34-烷基烷基等)、以及与丙烯低聚物(7~11聚物)、乙烯/丙烯(摩尔比16/1~1/11)低聚物、异丁烯低聚物(7~8聚物)及α-烯烃(碳原子数5~20)低聚物(4~8聚物)等对应的羰基合成醇的烷基残基那样的含有1个或其以上的支链烷基的混合烷基等。
其中,从电解液的吸液的观点出发,优选的是甲基、乙基、2-烷基烷基,进一步优选的是2-乙基己基及2-癸基十四烷基。
另外,在构成聚合物的单体中,除乙烯基单体及上述通式(1)表示的乙烯基单体之外,可以包含不含有活泼氢的共聚性乙烯基单体(b3)。
作为不含有活泼氢的共聚性乙烯基单体(b3),可举出下述(b31)~(b35)。
(b31)由碳原子数1~20的单醇和(甲基)丙烯酸形成的(甲基)丙烯酸卡必酯
作为上述单醇,可举出:(i)脂肪族单醇[甲醇、乙醇、正及异丙醇、正丁醇、正戊醇、正辛醇、壬醇、癸醇、月桂醇、十三烷基醇、十四烷基醇、十六烷基醇、硬脂醇等]、(ii)脂环式单醇[环己醇等]、(iii)芳香脂肪族单醇[苄醇等]及这些物质的2种以上的混合物。
(b32)聚(n=2~30)氧亚烷基(碳原子数2~4)烷基(碳原子数1~18)醚(甲基)丙烯酸酯[甲醇的环氧乙烷(以下简称为EO)10摩尔加成物(甲基)丙烯酸酯、甲醇的环氧丙烷(以下简称为PO)10摩尔加成物(甲基)丙烯酸酯等]
(b33)含氮的乙烯基化合物
(b33-1)含酰胺的乙烯基化合物
(i)碳原子数3~30的(甲基)丙烯酰胺化合物、例如N,N-二烷基(碳原子数1~6)或二芳烷基(碳原子数7~15)(甲基)丙烯酰胺[N,N-二甲基丙烯酰胺、N,N-二苄基丙烯酰胺等]、二丙酮丙烯酰胺
(ii)除上述(甲基)丙烯酰胺化合物之外的、碳原子数4~20的含酰胺基的乙烯基化合物、例如N-甲基-N-乙烯基乙酰胺、环状酰胺(吡咯烷酮化合物(碳原子数6~13、例如N-乙烯基吡咯烷酮等))
(b33-2)(甲基)丙烯酸酯化合物
(i)二烷基(碳原子数1~4)氨基烷基(碳原子数1~4)(甲基)丙烯酸酯[N,N-二甲基氨基乙基(甲基)丙烯酸酯、N,N-二乙基氨基乙基(甲基)丙烯酸酯、叔丁基氨基乙基(甲基)丙烯酸酯、吗啉代乙基(甲基)丙烯酸酯等]
(ii)含季铵基的(甲基)丙烯酸酯[含叔氨基的(甲基)丙烯酸酯[N,N-二甲基氨基乙基(甲基)丙烯酸酯、N,N-二乙基氨基乙基(甲基)丙烯酸酯等]的4级化物(使用所述的4级化剂进行了4级化而得到的物质)等]
(b33-3)含杂环的乙烯基化合物
吡啶化合物(碳原子数7~14、例如2-及4-乙烯基吡啶)、咪唑化合物(碳原子数5~12、例如N-乙烯基咪唑)、吡咯化合物(碳原子数6~13、例如N-乙烯基吡咯)、吡咯烷酮化合物(碳原子数6~13、例如N-乙烯基-2-吡咯烷酮)
(b33-4)含腈基的乙烯基化合物
含碳原子数3~15的腈基的乙烯基化合物、例如(甲基)丙烯腈、氰基苯乙烯、氰基烷基(碳原子数1~4)丙烯酸酯
(b33-5)其它乙烯基化合物
含硝基的乙烯基化合物(碳原子数8~16、例如硝基苯乙烯)等
(b34)乙烯基烃
(b34-1)脂肪族乙烯基烃
碳原子数2~18或其以上的烯烃[乙烯、丙烯、丁烯、异丁烯、戊烯、庚烯、二异丁烯、辛烯、十二烯、十八烯等]、碳原子数4~10或其以上的二烯[丁二烯、异戊二烯、1,4-戊二烯、1,5-己二烯、1,7-辛二烯等]等
(b34-2)脂环式乙烯基烃
碳原子数4~18或其以上的环状不饱和化合物、例如环链烯(例如环己烯)、(二)环链烷二烯[例如(二)环戊二烯]、萜烯(例如蒎烯、柠檬烯及茚)
(b34-3)芳香族乙烯基烃
碳原子数8~20或其以上的芳香族不饱和化合物、例如苯乙烯、α-甲基苯乙烯、乙烯基甲苯、2,4-二甲基苯乙烯、乙基苯乙烯、异丙基苯乙烯、丁基苯乙烯、苯基苯乙烯、环己基苯乙烯、苄基苯乙烯
(b35)乙烯基酯、乙烯基醚、乙烯基酮、不饱和二羧酸二酯
(b35-1)乙烯基酯
脂肪族乙烯基酯[碳原子数4~15、例如脂肪族羧酸(单羧酸及二羧酸)的烯基酯(例如醋酸乙烯酯、丙酸乙烯酯、丁酸乙烯酯、二烯丙基己二酸酯、异丙烯基乙酸酯、乙烯基甲氧基乙酸酯)]、芳香族乙烯基酯[碳原子数9~20、例如芳香族羧酸(单-及二羧酸)的烯基酯(例如乙烯基苯甲酸酯、二烯丙基邻苯二甲酸酯、甲基-4-乙烯基苯甲酸酯)、脂肪族羧酸的芳香环含有酯(例如乙酰氧基苯乙烯)]
(b35-2)乙烯基醚
脂肪族乙烯基醚[碳原子数3~15、例如乙烯基烷基(碳原子数1~10)醚[乙烯基甲基醚、乙烯基丁基醚、乙烯基2-乙基己基醚等]、乙烯基烷氧基(碳原子数1~6)烷基(碳原子数1~4)醚[乙烯基-2-甲氧基乙基醚、甲氧基丁二烯、3,4-二氢-1,2-吡喃、2-丁氧基-2’-乙烯氧基二乙基醚、乙烯基-2-乙基巯基乙基醚等]、聚(2~4)(甲基)烯丙氧基链烷(碳原子数2~6)[二烯丙氧基乙烷、三烯丙氧基乙烷、四烯丙氧基丁烷、四甲基烯丙氧基乙烷等]]
芳香族乙烯基醚(碳原子数8~20、例如乙烯基苯基醚、苯氧基苯乙烯)
(b35-3)乙烯基酮
脂肪族乙烯基酮(碳原子数4~25、例如乙烯基甲基酮、乙烯基乙基酮)
芳香族乙烯基酮(碳原子数9~21、例如乙烯基苯基酮)
(b35-4)不饱和二羧酸二酯
碳原子数4~34的不饱和二羧酸二酯、例如二烷基富马酸酯(2个烷基为碳原子数1~22的直链或支链或脂环式的基)、二烷基马来酸酯(2个烷基为碳原子数1~22的直链或支链或脂环式的基)
作为上述(b3)例示的物质中,从电解液的吸液及耐电压的观点出发,优选的是(b31)、(b32)及(b33),进一步优选的是(b31)中的甲基(甲基)丙烯酸酯、乙基(甲基)丙烯酸酯、丁基(甲基)丙烯酸酯。
在聚合物中,具有羧基的乙烯基单体(b1)、上述通式(1)表示的乙烯基单体(b2)及不含有活泼氢的共聚性乙烯基单体(b3)的含量优选以聚合物的重量为基准,(b1)为0.1~80重量%,(b2)为0.1~99.9重量%,(b3)为0~99.8重量%。
单体的含量为上述范围内时,对电解液的吸液性变得良好。
更优选的含量为(b1)为30~60重量%、(b2)为5~60重量%、(b3)为5~80重量%,进一步优选的含量为(b1)为35~50重量%、(b2)为15~45重量%、(b3)为20~60重量%。
聚合物的数均分子量的优选下限为3,000,进一步优选为50,000,特别优选为100,000,最优选为200,000,优选的上限为2,000,000,进一步优选为1,500,000,特别优选为1,000,000,最优选为800,000。
聚合物的数均分子量可以在以下的条件下通过GPC(凝胶渗透色谱)测定而求出。
装置:Alliance GPC V2000(Waters公司制造)
溶剂:邻二氯苯
标准物质:聚苯乙烯
样品浓度:3mg/ml
柱固定相:PLgel 10μm、MIXED-B 2根串联(Polymer Laboratories公司制造)
柱温度:135℃
聚合物的溶解度参数(SP值)优选为9.0~20.0(cal/cm3)1/2。聚合物的SP值更优选为10.0~18.0(cal/cm3)1/2,进一步优选为11.5~14.0(cal/cm3)1/2。聚合物的SP值为9.0~20.0(cal/cm3)1/2时,在电解液的吸液方面优选。
另外,从电池的耐热性的观点出发,聚合物的玻璃化转变温度[以下简称为Tg,测定法:DSC(扫描型示差热分析)法]优选为80~200℃,进一步优选为90~180℃,特别优选为100~150℃。
聚合物可以通过公知的聚合方法(本体聚合、溶液聚合、乳液聚合、悬浮聚合等)来制造。
在聚合时,可以使用公知的聚合引发剂[偶氮类引发剂[2,2’-偶氮双(2-甲基丙腈)、2,2’-偶氮双(2,4-二甲基戊腈等)、过氧化物类引发剂(苯甲酰过氧化物、二叔丁基过氧化物、月桂基过氧化物等)]等]而进行。
聚合引发剂的使用量基于单体的总重量优选为0.01~5重量%,更优选为0.03~2重量%。
作为在溶液聚合的情况下使用的溶剂,可举出例如酯(碳原子数2~8、例如醋酸乙酯及醋酸丁酯)、醇(碳原子数1~8、例如甲醇、乙醇及辛醇)、烃(碳原子数4~8、例如正丁烷、环己烷及甲苯)及酮(碳原子数3~9、例如甲基乙基酮),可以混合2种以上而使用,基于单体的合计重量,使用量通常为5~900%,优选为10~400%,作为单体浓度,通常为10~95重量%,优选为20~90重量%。
作为乳液聚合及悬浮聚合中的分散介质,可举出:水、醇(例如乙醇)、酯(例如丙酸乙酯)、轻石脑油等,作为乳化剂,可举出:高级脂肪酸(碳原子数10~24)金属盐(例如油酸钠及硬脂酸钠)、高级醇(碳原子数10~24)硫酸酯金属盐(例如月桂基硫酸钠)、乙氧基化四甲基癸炔二醇、甲基丙烯酸磺基乙基钠、甲基丙烯酸二甲基氨基甲酯等。另外,作为稳定剂,可以加入聚乙烯醇、聚乙烯基吡咯烷酮等。
溶液或分散液的单体浓度通常为5~95重量%,基于单体的总重量,聚合引发剂的使用量通常为0.01~5%,从粘合力及凝集力的观点出发,优选为0.05~2%。
在聚合时,可以使用公知的链转移剂、例如巯基化合物(十二烷基硫醇、正丁基硫醇等)及卤化烃(四氯化碳、四溴化碳、苄基氯等)。基于单体的总重量,使用量通常为2%以下,从粘合力及凝集力的观点出发,优选为0.5%以下。
另外,聚合反应中的体系内温度通常为-5~150℃,优选为30~120℃,反应时间通常为0.1~50小时,优选为2~24小时,反应的终点可以通过未反应单体的量成为使用的单体总量的通常5重量%以下、优选1重量%以下来确认。
包覆用树脂可以是将聚合物用聚环氧化合物和/或多元醇化合物交联而成的交联聚合物。
在交联聚合物中,优选使用具有与聚合物中的羧基等的活泼氢反应的反应性官能团的交联剂将聚合物进行交联,更优选使用聚环氧化合物和/或多元醇化合物作为交联剂。
作为聚环氧化合物,可举出:环氧当量80~2,500的化合物、例如缩水甘油醚[双酚A二缩水甘油醚、双酚F二缩水甘油醚、焦酚三缩水甘油醚、乙二醇二缩水甘油醚、丙二醇二缩水甘油醚、新戊二醇二缩水甘油醚、三羟甲基丙烷三缩水甘油醚、甘油三缩水甘油醚、聚乙二醇(Mw200~2,000)二缩水甘油醚、聚丙二醇(Mw200~2,000)二缩水甘油醚、双酚A的环氧化物1~20摩尔加成物的二缩水甘油醚等];缩水甘油酯(邻苯二甲酸二缩水甘油酯、偏苯三酸三缩水甘油酯、二聚物酸二缩水甘油酯、己二酸二缩水甘油酯等);缩水甘油胺(N,N-二缩水甘油基苯胺、N,N-二缩水甘油基甲苯胺、N,N,N’,N’-四缩水甘油基二氨基二苯基甲烷、N,N,N’,N’-四缩水甘油基苯二甲二胺、1,3-双(N,N-二缩水甘油基氨基甲基)环己烷、N,N,N’,N’-四缩水甘油基六亚甲基二胺等);脂肪族环氧化物(环氧化聚丁二烯、环氧化大豆油等);脂环式环氧化物(柠檬烯二氧化物、二环戊二烯二氧化物等)。
作为多元醇化合物,可举出:低分子多元醇[碳原子数2~20的脂肪族及脂环式的二醇[EG、DEG、丙二醇、1,3-丁二醇、1,4BG、1,6-己二醇、3-甲基戊二醇、新戊二醇、1,9-壬二醇、1,4-二羟基环己烷、1,4-双(羟基甲基)环己烷、2,2-双(4,4’-羟基环己基)丙烷等];碳原子数8~15的含芳香环二醇[间及对苯二甲二醇、1,4-双(羟基乙基)苯等];碳原子数3~8的三醇(甘油、三羟甲基丙烷等);4元以上的多元醇[季戊四醇、α-甲基葡糖苷、山梨糖醇、木糖醇、甘露醇、葡萄糖、果糖、蔗糖、二季戊四醇、聚甘油(聚合度2~20)等]等]、及这些亚烷基(碳原子数2~4)环氧化物加成物(聚合度=2~30)等。
从电解液的吸液的观点出发,交联剂的使用量是使得聚合物中的含活泼氢的基团和交联剂中的反应性官能团的当量比优选成为1:0.01~2、进一步优选成为1:0.02~1的量。
作为使用交联剂将聚合物进行交联的方法,可举出将活性物质用由聚合物构成的包覆用树脂包覆之后进行交联的方法。具体而言,可举出通过将含有活性物质和聚合物的树脂溶液进行混合并进行脱溶剂,制造用树脂包覆活性物质而成的包覆活性物质之后,将含有交联剂的溶液与包覆活性物质进行混合并加热,由此与脱溶剂产生交联反应,用交联聚合物包覆活性物质的方法。
使用聚环氧化合物作为交联剂的情况下,加热温度优选设为70℃以上,使用多元醇化合物的情况下,优选设为120℃以上。
(包覆活性物质的制作方法)
由包覆剂包覆的包覆活性物质例如可以通过如下方法得到:在将活性物质放入于万能混合机并以10~500rpm搅拌的状态下将含有包覆用树脂的树脂溶液(包覆用树脂溶液)经1~90分钟滴加并混合,进一步混合导电助剂,在进行搅拌的状态下,升温至50~200℃,减压至0.007~0.04MPa之后,保持10~150分钟。需要说明的是,作为树脂溶液的溶剂,可以优选使用甲醇、乙醇或异丙醇等醇。
活性物质包覆用树脂和导电助剂的配合比率没有特别限定,优选以重量比率计为活性物质包覆用树脂(树脂固体成分重量):导电助剂=1:0.2~3.0。
活性物质和活性物质包覆用树脂(树脂固体成分重量)的配合比率没有特别限定,优选以重量比率计为活性物质:活性物质包覆用树脂(树脂固体成分重量)=1:0.001~0.1。
需要说明的是,包覆用树脂溶液包含包覆用树脂及溶剂,但根据情况,也可以通过将包覆用树脂及导电助剂进行混合来制造。通过将预先混合的包覆用树脂溶液与活性物质进一步混合,可以由包覆用树脂溶液(包覆剂)包覆活性物质。
另外,在由包覆用树脂溶液(包覆剂)包覆活性物质时,也可以将包覆用树脂、活性物质及导电助剂同时进行混合,在活性物质的表面上由含有包覆用树脂及导电助剂的包覆用树脂溶液(包覆剂)包覆。
另外,在由包覆用树脂溶液(包覆剂)包覆活性物质时,也可以在活性物质中将包覆用树脂进行混合,进一步混合导电助剂,在活性物质的表面上由包含包覆用树脂及导电助剂的包覆用树脂溶液(包覆剂)包覆。
如上所述,关于包覆活性物质,所述活性物质的表面的至少一部分由包含包覆用树脂及导电助剂的包覆剂包覆,在某些观看角度上,这种方式也可以说是具有芯-壳结构。这样考虑时,芯部(活性物质)的平均粒径没有特别限制,从高输出化的观点出发,优选为1~100μm,更优选为1~20μm。另外,壳部的厚度没有特别限制,作为未形成凝胶的状态的厚度,优选为0.01~5μm,更优选为0.1~2μm。另外,作为在电解液(1MLiPF6、碳酸亚乙酯(EC)/碳酸二乙酯(DEC)=3/7(体积比))中于50℃下浸渍3天之后的厚度,优选为0.01~10μm,更优选为0.1~5μm。
(电解液)
根据本发明的实施方式,极性不同的2个电极或所述电解质层中所含的电解液为凝胶状电解质,极性不同的2个电极中的活性物质层中所含的电解液可以为凝胶状电解质。对在所述的活性物质层中含有凝胶状电解质的方法也没有特别限制,图8的实施方式中,也可以在无纺布60的第2主面62上含有包覆活性物质的浆料中含有凝胶状电解质。图9的实施方式中,也可以在导电部件213及含有包覆活性物质的浆料中含有凝胶状电解质。图10的实施方式中,可以在包含正极活性物质14、导电性纤维213、树脂214的活性物质用组合物中含有凝胶状电解质。另外,也可以在如上述那样制作的活性物质层中含浸凝胶状电解质等并弄湿而使其含有凝胶状电解质。
在此,凝胶状电解质可以通过具有以下工序的方法来制作:在液体电解质中包含凝胶化剂。液体电解质可以具有在有机溶剂中溶解有支持盐的形态作为有机溶剂,例如可以使用内酯化合物、环状或链状碳酸酯、链状羧酸酯、环状或链状醚、磷酸酯、腈化合物、酰胺化合物、砜、环丁砜等及这些混合物,可例示:碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯等碳酸酯类。有机溶剂中,从电池输出及充放电循环特性的观点出发,优选的是内酯化合物、环状碳酸酯、链状碳酸酯及磷酸酯,进一步优选的是内酯化合物、环状碳酸酯及链状碳酸酯,特别优选的是环状碳酸酯和链状碳酸酯的混合液。最优选的是碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二乙酯(DEC)的混合液。
通过在液体电解质中含有凝胶化剂而得到的凝胶状电解质,其电导率优选为0.1mS/cm以上,其电导率更优选为0.1~2mS/cm,可以为0.5~2mS/cm。
提高凝胶状物质的强度时,凝胶状物质的电导率降低,凝胶状物质越接近于液体状,电导率越提高,因此,凝胶状物质的电导率可以用作表示凝胶状物质的强度的指标。为了形成作为本申请发明的目的的厚的电极,需要与现有相比提高电极的强度,凝胶状电解质的电导率为优选的范围时,优选容易兼备电池的电气性能和电极的强度。
需要说明的是,用于本发明的非水电解质二次电池的凝胶电解质的电导率可以用以下的方法进行测定,可以通过在液体电解质中添加优选的份数的以下说明的凝胶化剂等而将电导率设为优选的范围。
[电导率的测定方法]
按照与用于本发明的非水电解质二次电池的情况相同的比率混合液体电解质和凝胶化剂,制成混合物,对该混合物进行凝胶化来制作凝胶电解质。使用制作的凝胶电解质,在25℃下按照JIS R 1661-2004精细陶瓷离子传导体的导电率测定方法,利用交流阻抗法进行测定。
作为凝胶化剂,例如可以使用凝胶化用单体,作为凝胶化用单体,可举出在1分子中具有2个以上可进行热聚合的聚合基的单体、或低聚物等。另外,根据本发明的优选的实施方式,形成所述凝胶状电解质的基质聚合物包含羧酸酯作为官能团。作为电解液的凝胶基质聚合物,只要是具有与电解液构成溶剂的官能团相同的官能团的凝胶基质聚合物,则包含羧酸酯作为官能团。
作为上述凝胶化用单体,可举出:乙二醇二(甲基)丙烯酸酯、二乙二醇二(甲基)丙烯酸酯、三乙二醇二(甲基)丙烯酸酯、四乙二醇二(甲基)丙烯酸酯、丙烯二(甲基)丙烯酸酯、二丙烯二(甲基)丙烯酸酯、三丙烯二(甲基)丙烯酸酯、1,3-丁二醇二(甲基)丙烯酸酯、1,4-丁二醇二(甲基)丙烯酸酯、1,6-己二醇二(甲基)丙烯酸酯等2官能丙烯酸酯、以及、三羟甲基丙烷三(甲基)丙烯酸酯、季戊四醇三(甲基)丙烯酸酯等3官能丙烯酸酯、以及、二(三羟甲基丙烷)四(甲基)丙烯酸酯、季戊四醇四(甲基)丙烯酸酯等4官能丙烯酸酯等,但并不限定于这些。除上述之外,可举出聚氨酯丙烯酸酯、聚氨酯甲基丙烯酸酯等单体、这些共聚物低聚物或与丙烯腈的共聚物低聚物,但并不限定于这些。这些凝胶化用单体优选组合使用2种以上。
作为所述的凝胶化用单体的使用量(组合使用2种以上的情况下,为其合计量),没有特别限制,从电极的结构稳定性和与其相反的离子传导性的观点出发,相对于液体电解质(有机溶剂)100重量份,优选为1~30重量份,更优选为2~20重量份,进一步优选为4~10重量份。特别为5.0重量份以上时,具有循环特性更加提高的效果。
根据优选的实施方式,形成凝胶状电解质的基质聚合物通过具有以下工序的方法而得到:在至少包含具有2个聚合性基团的分子和具有3个聚合性基团的分子的混合物的电解液中含有热聚合引发剂,进行热聚合并将电解液进行凝胶化。通过组合使用2官能性基团和3官能性基团,不使需要的离子传导性降低,认为会产生凝胶的硬度。
所述液体电解质可以还含有上述成分以外的添加剂。作为这种化合物的具体例,可举出例如:亚乙烯基碳酸酯、甲基亚乙烯基碳酸酯、二甲基亚乙烯基碳酸酯、苯基亚乙烯基碳酸酯、二苯基亚乙烯基碳酸酯、乙基亚乙烯基碳酸酯、二乙基亚乙烯基碳酸酯、乙烯基碳酸亚乙酯、1,2-二乙烯基碳酸亚乙酯、1-甲基-1-乙烯基碳酸亚乙酯、1-甲基-2-乙烯基碳酸亚乙酯、1-乙基-1-乙烯基碳酸亚乙酯、1-乙基-2-乙烯基碳酸亚乙酯、乙烯基碳酸亚乙烯酯、烯丙基碳酸亚乙酯、乙烯氧基甲基碳酸亚乙酯、烯丙氧基甲基碳酸亚乙酯、丙烯酰氧基甲基碳酸亚乙酯、甲基丙烯酰氧基甲基碳酸亚乙酯、乙炔基碳酸亚乙酯、丙炔基碳酸亚乙酯、乙炔氧基甲基碳酸亚乙酯、丙炔基氧基碳酸亚乙酯、碳酸亚甲基亚乙酯、1,1-二甲基-2-亚甲基碳酸亚乙酯等。其中,优选碳酸亚乙烯酯、甲基碳酸亚乙烯酯、乙烯基碳酸亚乙酯,更优选亚乙烯基碳酸酯、乙烯基碳酸亚乙酯。这些环式碳酸酯可以单独使用仅1种,也可以组合使用2种以上。
另外,作为热聚合引发剂,并不特别限制于种类,优选能够在电解液不分解的温度下进行反应,分解生成物不容易被氧化还原的热聚合引发剂,可以使用叔丁基过氧化叔戊酸酯、叔丁基过氧化新癸酸酯、叔己基过氧化新癸酸酯、叔己基过氧化叔戊酸酯、叔丁基过氧化-2-乙基己酸酯、叔丁基过氧化异丁酸酯等。另外,对热聚合的时间也没有特别限制,为10~300分钟左右。
[其它成分]
活性物质层中的至少一方包含由电子传导材料构成的导电部件和包覆活性物质。电解液除这些以外,可以含有离子传导性聚合物、支持盐等。
(离子传导性聚合物)
作为离子传导性聚合物,可举出例如聚环氧乙烷(PEO)类及聚环氧丙烷(PPO)类聚合物。
(支持盐)
作为支持盐,可举出例如:LiPF6、LiBF4、LiSbF6、LiAsF6及LiClO4等无机酸的锂盐、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2及LiC(CF3SO2)3等有机酸的锂盐等。其中,从电池输出及充放电循环特性的观点出发,优选的是LiPF6
活性物质层中所含的成分的配合比没有特别限定。配合比可通过适当参照对锂离子二次电池的公知的见解而进行调整。对各活性物质层的厚度也没有特别限制,可适当参照对电池的现有公知的见解。
[电解质层]
本方式的电解质层17中使用的电解质可以为凝胶状电解质。凝胶状电解质的说明如上所述,因此在此省略。
本方式的双极型二次电池中,可以在电解质层中使用隔膜。隔膜具有保持电解质而确保正极和负极之间的锂离子传导性的功能、及作为正极和负极之间的隔壁的功能。
作为隔膜的形态,可以列举例如由吸收并保持上述电解质的聚合物或纤维构成的多孔性片材的隔膜或无纺布隔膜等。
作为由聚合物或纤维构成的多孔性片材的隔膜,例如可以使用微多孔质(微多孔膜)。作为由该聚合物或纤维构成的多孔性片材的具体的方式,可举出例如由聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)等聚烯烃;叠层多个这些材料而得到的叠层体(例如具有PP/PE/PP的3层结构的叠层体等)、聚酰亚胺、芳族聚酰胺、聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVdF-HFP)等烃系树脂、玻璃纤维等构成的微多孔质(微多孔膜)隔膜。
作为微多孔质(微多孔膜)隔膜的厚度,根据使用用途而不同,因此,不能一概而论。如果示出一例,则在电动汽车(EV)或复合电动汽车(HEV)、燃料电池汽车(FCV)等电动机驱动用二次电池等用途中,以单层或多层优选为4~60μm。所述微多孔质(微多孔膜)隔膜的微细孔径最大优选为1μm以下(通常为数十nm左右的孔径)。需要说明的是,本实施例中,使用微多孔质隔膜。
作为无纺布隔膜,单独或混合使用棉、人造丝、乙酸酯、尼龙、聚酯;PP、PE等聚烯烃;聚酰亚胺、芳族聚酰胺等现有公知的无纺布隔膜。另外,无纺布隔膜的厚度与电解质层相同即可,优选为5~200μm,特别优选为10~100μm。
[正极集电板及负极集电板]
构成集电板(25、27)的材料没有特别限制,可使用目前使用的公知的高导电性材料作为电池用的集电板。作为集电板的构成材料,例如优选铝、铜、钛、镍、不锈钢(SUS)、它们的合金等金属材料。从轻量、耐腐蚀性、高导电性的观点出发,更优选为铝、铜,特别优选为铝。需要说明的是,正极集电板27和负极集电板25可以使用相同的材料,也可以使用不同的材料。
<正极引线及负极引线>
另外,图示省略,但可以经由正极引线或负极引线而将集电体11和集电板(25、27)之间进行电连接。作为正极及负极引线的构成材料,同样地可采用在公知的锂离子二次电池中使用的材料。需要说明的是,从外包装中取出的部分优选由耐热绝缘性的热收缩管等包覆,使其不会与周边设备或配线等接触而漏电导致对产品(例如汽车零件、特别电子设备等)产生影响。
<密封部>
密封部(绝缘层)具有防止集电体彼此的接触或单电池层的端部中的短路的功能。作为构成密封部的材料,只要具有绝缘性、对固体电解质的脱落的密封性或对来自外部的水分的透湿的密封性(密封性)、电池工作温度下的耐热性等即可。例如可使用丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、环氧树脂、聚乙烯树脂、聚丙烯树脂、聚酰亚胺树脂、凝胶(乙烯-丙烯-二烯橡胶:EPDM)等。另外,可以使用异氰酸酯类粘接剂、或丙烯酸树脂类粘接剂、氰基丙烯酸酯类粘接剂等,也可以使用热熔粘接剂(聚氨酯树脂、聚酰胺树脂、聚烯烃树脂)等。其中,从耐腐蚀性、耐药品性、制作容易性(制膜性)、经济性等观点出发,优选使用聚乙烯树脂或聚丙烯树脂作为绝缘层的构成材料,优选使用以非结晶性聚丙烯树脂为主成分的由乙烯、丙烯、丁烯共聚而成的树脂。
[电池外装体]
作为电池外装体,除可以使用公知的金属罐壳之外,还可以使用如图1所示的可以覆盖发电要素的使用了含铝层压膜29的袋状壳。该层压膜例如可以使用依次叠层PP、铝、尼龙而成的3层结构的层压膜等,但并不受这些材料任何限制。从高输出化或冷却性能优异、可以优选利用于EV、HEV用的大型设备用电池的观点出发,优选层压膜。另外,可以容易地调整对从外部施加的发电要素的群压,容易调整为所期望的电解液层厚度,因此,外装体更优选铝酸盐层压。
本方式的双极型二次电池通过使用上述的片状电极构成正极活性物质层或负极活性物质层,即使使用电池容量大的活性物质,也可以缓解活性物质的膨胀、收缩产生的应力,提高电池的循环特性。因此,本方式的双极型二次电池优选作为EV、HEV的驱动用电源使用。
图11是表示作为二次电池的代表的实施方式的扁平的锂离子二次电池的外观的立体图。
如图11所示,扁平的锂离子二次电池50具有长方形状的扁平的形状,从其两侧部引出用于导出电力的正极片58、负极片59。发电要素57由锂离子二次电池50的电池外装材料(层压膜52)包围,其周围被热熔敷,发电要素57在将正极片58及负极片59引出至外部的状态下密封。在此,发电要素57相当于前面进行了说明的图1所示的锂离子二次电池10的发电要素21。发电要素57叠层正极、电解质层17及负极。根据优选的方式,其是叠层多个而成的。
需要说明的是,上述锂离子二次电池并不限制于叠层型的扁平的形状。卷绕型的锂离子二次电池可以是圆筒型形状的电池,也可以是使这样的圆筒型形状的电池变形而制成长方形状的扁平形状的电池等,没有特别限制。上述圆筒型的形状的电池可以在其外装材料中使用层压膜,也可以使用现有的圆筒罐(金属罐)等,没有特别限制。优选发电要素用铝层压膜进行外装。根据该实施方式,可以实现轻量化。
另外,关于图11所示的电极片58、59的引出,也没有特别限制。可以从相同的边中引出正极片58和负极片59,也可以将正极片58和负极片59分别分成多个,从各边中引出等,并不限制于图11所示的引出方式。另外,卷绕型的锂离子电池变成片、例如利用圆筒罐(金属罐)形成端子即可。
一般的电动汽车中,电池贮藏空间为170L左右。由于在该空间中贮藏电池及充放电控制设备等辅机,因此,通常电池的贮藏空间效率成为50%左右。对该空间的电池的积载效率成为支配电动汽车的续航距离的因子。单元的尺寸变小时,损害上述积载效率,因此,不能确保续航距离。
因此,本发明中,由外装体覆盖发电要素的电池结构体优选为大型。具体而言,层压电池单元的短边的长度优选为100mm以上。这种大型的电池可以用于车辆用途。在此,层压电池单元的短边的长度是指最长度短的边。短边的长度的上限没有特别限定,通常为400mm以下。
一般的电动汽车中,市场要求一次充电获得的行驶距离(续航距离)为100km。考虑这种续航距离时,电池的体积能量密度优选为157Wh/L以上,且额定容量优选为20Wh以上。
另外,与电极的物理性尺寸的观点不同,作为大型化电池的观点,也可以由电池面积或电池容量的关系规定电池的大型化。例如,在扁平叠层型层压电池的情况下,在电池面积(包含电池外装体在内的电池的投影面积)相对于额定容量的之比的值为5cm2/Ah以上、且额定容量为3Ah以上的电池中,由于每单元容量的电池面积大,因此,活性物质的膨胀收缩引起的结晶结构崩溃等导致的电池特性(循环特性)的降低的问题容易更加突出。因此,在本申请发明的作用效果的显现产生的优点更大的方面,优选本方式的非水电解质二次电池为如上所述的大型化的电池。另外,矩形状的电极的纵横比优选为1~3,更优选为1~2。需要说明的是,电极的纵横比作为矩形状的正极活性物质层的纵横比被定义。通过将纵横比设为这种范围,具有可以兼备车辆要求性能和搭载空间的优点。
如上所述,根据本发明的实施方式,使用在表面包覆有导电助剂和凝胶基质聚合物的活性物质。另一方面,现有的锂离子二次电池中,作为粘合剂,使用淀粉、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇、羧基甲基纤维素、聚乙烯基吡咯烷酮、四氟乙烯、苯乙烯-丁二烯橡胶、聚乙烯及聚丙烯等高分子化合物,根据本发明的实施方式,具有可以不使用粘合剂的优点。另外,通过将使用了含有碳纤维等导电部件的电极的电池的电解液进行凝胶化,电池的速率特性优异,即使制成厚膜,也在电极上不产生皲裂等,即使在施加有不均匀的压力的情况下,电极也没有部分地变形,因此,可以使电池的循环耐久性优异。
<组电池>
组电池为连接多个电池而构成的电池。详细而言,使用至少2个以上,以直列化或并列化或其两者构成。通过进行直列、并列化,可以自由地调节容量及电压。
电池也可以直列或并列地连接多个而形成可安装拆卸小型的组电池。而且,也可以进一步直列或并列地连接多个该可安装拆卸小型的组电池,形成具有适于要求高体积能量密度、高体积输出密度的车辆驱动用电源或辅助电源的大容量、大输出的组电池。连接几个电池制作组电池、另外叠层几段小型组电池而制作大容量的组电池,根据所搭载的车辆(电动汽车)的电池容量或输出确定即可。
<车辆>
本发明的非水电解质二次电池即使长期使用,也维持放电容量,循环特性良好。另外,体积能量密度高。在电动汽车或复合电动汽车或燃料电池车或复合燃料电池汽车等车辆用途中,与电气、便携电子设备用途相比,要求高容量、大型化,同时需要长寿命化。因此,上述非水电解质二次电池作为车辆用的电源,例如可以优选利用于车辆驱动用电源或辅助电源。
具体而言,可以将电池或组合多个这些电池而成的组电池搭载于车辆。本发明中,可以构成长期可靠性及输出特性优异的高寿命的电池,因此,搭载这样的电池时,可以构成EV行驶距离长的插入式复合电动汽车、或一充电行驶距离长的电动汽车。这是因为,在将电池或组合多个这些电池而成的组电池用于例如如果是汽车、则为混合车、燃料电池车、电动汽车(均除四轮车(乘用车、卡车、公共汽车等商用车、轻汽车等)之外,包含二轮车(自行车)或三轮车)方面,可以以更高寿命成为可靠性高的汽车。但是,用途并不限定于汽车,例如,即使为其它车辆、例如电车等移动体的各种电源,也可以适用,也可以作为无停电电源装置等载置用电源利用。
实施例
下面,使用实施例及比较例,进一步详细地进行说明,但本发明并不仅受以下的实施例任何限定。需要说明的是,只要没有特殊说明,“份”意指“质量份”。
<包覆用树脂溶液的制作>
在带有有搅拌机、温度计、回流冷却管、滴液漏斗及氮气导入管的四口烧瓶中装入醋酸乙酯83份和甲醇17份,升温至68℃。
接着,一边在四口烧瓶内吹入氮,一边在搅拌下用滴液漏斗经4小时连续地滴加混合有甲基丙烯酸242.8份、甲基丙烯酸甲酯97.1份、甲基丙烯酸2-乙基己酯242.8份、醋酸乙酯52.1份及甲醇10.7份的单体配合液和在醋酸乙酯34.2份中溶解有2,2’-偶氮双(2,4-二甲基戊腈)0.263份的引发剂溶液并进行自由基聚合。滴加结束后,使用滴液漏斗经2小时连续地追加将2,2’-偶氮双(2,4-二甲基戊腈)0.583份溶解于醋酸乙酯26份而形成的引发剂溶液。另外,在沸点继续聚合4小时。除去溶剂,得到树脂582份之后,加入异丙醇1,360份,得到由树脂浓度30重量%的乙烯基树脂构成的包覆用树脂溶液。
<包覆正极活性物质的制作>
将LiCoO2粉末(日本化学工业(株)制造,CellSeedC-8G)96重量份放入于万能混合机,在室温(25℃)下以150rpm进行搅拌的状态下,将包覆用树脂溶液(树脂固体成分浓度30重量%)作为树脂固体成分,以成为2重量份的方式经60分钟滴加并混合,进一步搅拌30分钟。
接着,在搅拌的状态下将乙炔黑[电化学工业(株)制造,DENKA BLACK(注册商标)](平均粒径(一次粒径):0.036μm)2重量份分成3次进行混合,搅拌30分钟的同时,升温至70℃,减压至100mmHg,保持30分钟。通过上述操作得到包覆正极活性物质。需要说明的是,在饱和吸液状态下的拉伸断裂伸长率为50%。需要说明的是,认为包覆正极活性物质具有芯-壳结构时,作为芯的LiCoO2粉末的平均粒径为8μm。另外,壳的厚度作为全包覆进行简单计算时,为0.14μm。
<电解液1的制作>
使LiPF6以1mol/L的比例溶解于碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二乙酯(DEC)的混合溶剂(体积比率1:1)中,制作锂离子电池用电解液。
<电解液2的制作>
在电解液1的100重量份中,加入作为凝胶化剂的三乙二醇二丙烯酸酯3.8重量份和三羟甲基丙烷三丙烯酸酯1重量份并充分地混合。其后,通过混合作为聚合引发剂的叔丁基过氧化叔戊酸酯0.5重量份而制备电解液2。将进行混合而得到的混合物放入于80℃的恒温槽并进行热聚合2小时,制作电导率测定用的电导率,温度调整至25℃之后,按照JIS R1661-2004精细陶瓷离子传导体的导电率测定方法,利用交流阻抗法测定电导率。电导率为0.7mS/cm。
<电解液3的制作>
在电解液1的100重量份中,加入作为凝胶化剂的三乙二醇二丙烯酸酯7.6重量份和三羟甲基丙烷三丙烯酸酯2重量份并充分地混合。其后,通过混合作为聚合引发剂的叔丁基过氧化叔戊酸酯0.5重量份而制备电解液3。与实施例1同样地,进行凝胶化之后,制作电导率测定用的凝胶状电解质,测定电导率。电导率为0.3mS/cm。
<正极活性物质层的制作>
准备碳纤维(OSAKA CHEMICAL Co.,Ltd.制造的donacarbo-milled S-243:平均纤维长500μm、平均纤维径13μm:电导率200mS/cm)作为导电部件。
将上述碳纤维1.75重量份及包覆正极活性物质98.25重量份与碳酸亚丙酯1000重量份进行混合,制作浆料。
在抽吸部为Φ70mm的玻璃过滤器的可拆式烧瓶的玻璃过滤器上铺设芳族聚酰胺的无纺布(20μm)。向其中倒入分散于碳酸亚丙酯的浆料并进行抽滤(减压),同时以加压压力1.5kg/cm2进行加压,由此使包覆正极活性物质和碳纤维定影于芳族聚酰胺的无纺布,制作正极活性物质层。
正极活性物质层的涂布密度设为120mg/cm2。此时的正极活性物质层的膜厚为500μm。
<电池的制作>
[参考例1]
以正极活性物质层的表面面对Al集电体上(即正极活性物质层的表面与Al集电体接触)的方式转移,负极使用将Li金属箔贴附于Cu集电体而成的负极。
加入上述电解液1,使保持包覆正极活性物质和碳纤维而成的芳族聚酰胺的无纺布形成于Al集电体上而得到部件(即在Al集电体上依次叠层包覆正极活性物质层和芳族聚酰胺的无纺布而成的部件)湿润,夹持PP隔膜叠层(在负极上)(即,形成依次叠层Al集电体、包覆正极活性物质层、芳族聚酰胺无纺布、PP隔膜、Li金属箔、Cu集电体而成的结构,组合使用芳族聚酰胺和聚丙烯作为隔膜)。
从正极Al集电体中取出Al的引线,从负极Cu集电体中取出Ni引线,贮藏于铝的层压袋(层压膜)并进行减压热密封。经由橡胶片由2张SUS板按压电池。
[实施例1]
将参考例1中的电解液1换为电解液2,除此之外,同样地操作,构成电池。
[实施例2]
将参考例1中的电解液1换为电解液3,除此之外,同样地操作,构成电池。
[比较例1]
使用上述中使用的LiCoO2,以90:5:5重量比分别加入聚偏氟乙烯、乙炔黑,将N-甲基吡咯烷酮用作溶剂,制备浆料。将其用涂抹器在Al集电体的上对于LiCoO2,以成为与参考例1同程度的涂布密度的方式进行涂布,在电热板上进行干燥而制成电极。将其冲压成Φ60mm时,会出现皲裂。
<电池的充放电评价>
将电池固定于45℃的恒温槽中,在以下的条件下实施充放电循环耐久试验,将50循环后的容量维持率归纳于表1。
就最初的2循环而言,以0.2C的CC-CV充电至4.2V,充电合计8小时,以0.2C的CC放电至2.5V。其后,以充放电速率0.5C进行3小时充电,进行0.5C下的CC放电,50循环后的容量维持率为相对于0.5C充放电条件的第3次的放电容量的值。
由表1得知:由导电助剂和包覆用树脂(凝胶基质聚合物)包覆活性物质,加入导电部件(碳纤维)制作浆料,用减压过滤法等进行成膜时,可以构成反应性良好的厚膜电极,进一步将电解液进行凝胶化时,形成循环耐久性优异的电池。
[表1]
容量维持率(%)
参考例1 83
实施例1 91
实施例2 93
比较例1 相同的单位面积重量的电极因皲裂而不能使用
标记说明
10 双极型二次电池、
11 集电体、
11a 正极侧的最外层集电体、
11b 负极侧的最外层集电体、
13 正极活性物质层、
15 负极活性物质层、
17 电解质层、
19 单电池层、
21 发电要素、
23 双极型电极、
25 正极集电板、
27 负极集电板、
29、52 层压膜、
31 密封部、
58 正极片、
59 负极片、
14 正极活性物质、
24 负极活性物质、
111 正极活性物质层的第1主面、
121 正极活性物质层的第2主面、
211 负极活性物质层的第1主面、
221 负极活性物质层的第2主面、
131 导电性纤维、
16 导电助剂、
151 包覆剂、
100 正极活性物质层、
213 导电性纤维、
214 树脂、
313 树脂、
60 无纺布、
62 无纺布的第2主面、
70 滤纸、
313 滤纸、
470 滤纸、
570 板、
110 正极活性物质层、
50 扁平的锂离子二次电池、
57 发电要素。
需要说明的是,本申请基于2014年12月26日所申请的日本国专利申请第2014-265522号,其公开内容通过参照作为整体被引用。

Claims (11)

1.一种非水电解质二次电池,其具有发电要素,所述发电要素包括:
在集电体上形成活性物质层而得到的、极性不同的2个电极、以及
配置于所述极性不同的2个电极之间的电解质层,其中,
所述极性不同的2个电极的活性物质层中的至少之一包含由电子传导材料构成的导电部件及活性物质,
所述活性物质层具有与所述电解质层侧接触的第1主面、和与所述集电体侧接触的第2主面,
所述导电部件的至少一部分形成了将从所述第1主面至所述第2主面进行电连接的导电通路,所述导电通路与所述导电通路周围的所述活性物质接触,
所述活性物质的表面的至少一部分由含有包覆用树脂及导电助剂的包覆剂所包覆,
所述极性不同的2个电极或所述电解质层中所含的电解液为凝胶状电解质,
所述包覆用树脂在饱和吸液状态下的拉伸断裂伸长率为10%以上,
所述包覆用树脂在饱和吸液状态下的拉伸断裂伸长率如下测定:
在50℃下在用于测定拉伸断裂伸长率的电解液中浸渍3天而将包覆用树脂制成饱和吸液状态,根据ASTMD683,其中试验片形状为TypeII来进行测定,作为用于测定拉伸断裂伸长率的电解液,使用在将碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)以体积比例计以EC:DEC=3:7混合而成的混合溶剂中以1mol/L的浓度溶解有LiPF6作为电解质而得到的电解液。
2.如权利要求1所述的非水电解质二次电池,其中,
所述活性物质层不含粘合剂。
3.如权利要求1或2所述的非水电解质二次电池,其中,
所述凝胶状电解质的电导率为0.1mS/cm以上。
4.如权利要求1或2所述的非水电解质二次电池,其中,
形成所述凝胶状电解质的基质聚合物包含羧酸酯作为官能团。
5.如权利要求1或2所述的非水电解质二次电池,其中,
所述包覆用树脂为使活泼氢成分和异氰酸酯成分反应而得到的聚氨酯树脂。
6.如权利要求1或2所述的非水电解质二次电池,其中,
所述包覆用树脂是以乙烯基单体为必须构成单体的聚合物,作为乙烯基单体,包含具有羧基的乙烯基单体及下述式(1)表示的乙烯基单体,
CH2=C(R1)COOR2 (1)
式(1)中,R1为氢原子或甲基,R2为碳原子数1~4的直链的烷基或碳原子数4~36的支链烷基。
7.如权利要求1或2所述的非水电解质二次电池,其中,
形成所述凝胶状电解质的基质聚合物通过具有如下工序的方法得到:使至少包含具有2个聚合性基团的分子和具有3个聚合性基团的分子的混合物的电解液中含有热聚合引发剂,进行热聚合而使电解液凝胶化。
8.一种非水电解质二次电池的制造方法,所述非水电解质二次电池具有发电要素,所述发电要素具有:在集电体上形成活性物质层而得到的、极性不同的2个电极、以及配置于所述极性不同的2个电极之间的电解质层,该方法包括:
使所述极性不同的2个电极的活性物质层中的至少之一包含由电子传导材料构成的导电部件及活性物质,
所述活性物质层具有与所述电解质层侧接触的第1主面、和与所述集电体侧接触的第2主面,所述导电部件的至少一部分形成了将从所述第1主面至所述第2主面进行电连接的导电通路,所述导电通路与所述导电通路周围的所述活性物质接触,
用含有包覆用树脂及导电助剂的包覆剂包覆所述活性物质的表面的至少一部分,
将所述极性不同的2个电极或所述电解质层中所含的电解液制成凝胶状电解质,
所述包覆用树脂在饱和吸液状态下的拉伸断裂伸长率为10%以上,
所述包覆用树脂在饱和吸液状态下的拉伸断裂伸长率如下测定:
在50℃下在用于测定拉伸断裂伸长率的电解液中浸渍3天而将包覆用树脂制成饱和吸液状态,根据ASTMD683,其中试验片形状为TypeII来进行测定,作为用于测定拉伸断裂伸长率的电解液,使用在将碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)以体积比例计以EC:DEC=3:7混合而成的混合溶剂中以1mol/L的浓度溶解有LiPF6作为电解质而得到的电解液。
9.如权利要求8所述的制造方法,其中,
所述活性物质层不含粘合剂。
10.如权利要求8或9所述的制造方法,其中,通过具有以下工序的方法得到形成所述凝胶状电解质的基质聚合物:使至少包含具有2个聚合性基团的分子和具有3个聚合性基团的分子的混合物的电解液中含有热聚合引发剂,进行热聚合并使电解液凝胶化。
11.如权利要求1或2所述的非水电解质二次电池,其中,所述极性不同的2个电极中的至少一个活性物质层的厚度为200μm以上。
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