CN107431185A - 锂离子电池用电极、锂离子电池以及锂离子电池用电极的制造方法 - Google Patents

锂离子电池用电极、锂离子电池以及锂离子电池用电极的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种即使电极的厚度增厚的情况下,电子传导性也良好的锂离子电池用电极,本发明的锂离子电池用电极包括:设置于锂离子电池的隔膜侧的第1主面、以及设置于集电体侧的第2主面,其特征在于,上述电极的厚度为50~5000μm;在上述第1主面与上述第2主面之间,含有平均纤维长度为50nm以上且小于100μm的短纤维(A)、平均纤维长度为100μm以上且为1000μm以下的长纤维(B)以及活性物质粒子(C);上述短纤维(A)以及上述长纤维(B)为导电性纤维。

Description

锂离子电池用电极、锂离子电池以及锂离子电池用电极的制 造方法
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池用电极、锂离子电池以及锂离子电池用电极的制造方法。
背景技术
近年来,为了保护环境,迫切希望降低二氧化碳排出量。在汽车行业中,期待集中于由电动汽车(EV)或混合动力电动汽车(HEV)的导入而引起的二氧化碳排出量的降低,因此,深入进行这些实用性的、把握关键的电动机驱动用二次电池的开发。作为二次电池,能够达到高能量密度、高输出功率密度的锂离子二次电池备受关注。
锂离子二次电池中,一般使用粘结剂将正极或负极活性物质等分别涂布于正极用或负极用集电体,构成电极。另外,在双极型电池的情况下,构成具有正极层和负极层的双极型电极,所述正极层通过使用粘结剂在集电体的一个表面上涂布正极活性物质等而形成;负极层通过使用粘结剂在相反侧的表面上涂布负极活性物质等而形成(例如,参照专利文献1)。
在专利文献1中,以25μm左右的厚度涂布电极形成用糊剂,但是,作为提高电池的能量密度的方法,已知有提高电池内的正极材料与负极材料的比例的方法。在专利文献2中公开了,通过增厚电极的膜厚,使集电体或隔膜的相对比例减少,提高电池的能量密度的方法。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2011-86480号公报
专利文献2: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2中记载的那样,认为若能够增厚电极的膜厚,则能够减少集电体或隔膜的相对比例,对电池的高容量化有效。
但是,在双极型电极中,若增厚电极的厚度,则距离集电体的距离远的活性物质的比例增加。在此,认为由于活性物质自身的电子传导性不高,因此从距离集电体远的活性物质到集电体的电子移动不能顺利进行。因此,仅仅将电极的厚度增厚,即使活性物质的量增加,电子传导性也变差,参与全部活性物质中的充放电的有效活性物质比例降低。另外,将电极的厚度增厚时,产生了电极空隙内的离子扩散阻力大,且大电流下的充放电容量即速率特性大幅度降低的问题。
另外,由于活性物质自身的电子传导性不高,因此尝试了添加作为导电助剂的乙炔黑等颗粒物质来提高电子传导性的方法。但是,就在粒子状的导电助剂而言,电极的厚度变厚时,难以发挥提高电子传导性的效果。
用于解决技术问题的技术方案
本发明的发明人为了解决上述技术问题而深入研究的结果发现,使用由短纤维、长纤维这两种纤维形成的导电性纤维,形成对电极的厚度方向进行电连接的导电通路,使得从活性物质产生的电子能够通过导电通路向集电体移动,此时,通过组合使用纤维长度不同的短纤维和长纤维,即使在将电极的厚度增厚时,电子传导性以及空隙内的离子传导性良好,形成有效活性物质比例大,且大电流下的速率特性得到提高的电极,从而完成本发明。
组合使用纤维长度不同的短纤维和长纤维时,推测得到输出功率提高效果的理由如下所述。
(1)首先,使用长纤维时,认为活性物质间的空隙的形状为更直的线,通过该空隙的锂离子的扩散路径长度变短。因此,离子扩散阻力变小。
(2)进一步组合使用短纤维时,对于单独利用长纤维不能接触的“活性物质-活性物质间”以及“活性物质-长纤维间”,能够形成更多的导电通路。因此,电阻变小。
(1)以及(2)的结果,离子扩散阻力和电子电阻这两者变小。因此,进行大电流下的充放电时也能够导出大量电,速率特性得以提高。
即,本发明涉及一种锂离子电池用电极,其包括:配置于锂离子电池的隔膜侧的第1主面,以及配置于集电体侧的第2主面,其中,所述电极的厚度为50~5000μm,在所述第1主面与所述第2主面之间,包含:平均纤维长度为50nm以上且小于100μm的短纤维(A),平均纤维长度为100μm以上且为1000μm以下的长纤维(B),以及活性物质粒子(C),所述短纤维(A)以及所述长纤维(B)为导电性纤维。本发明还涉及一种锂离子电池,其中,将本发明的锂离子电池用电极用于负极和/或正极。本发明还涉及一种锂离子电池用电极的制造方法,其为本发明的锂离子电池用电极的制造方法,其包括:工序(Q1),将包含所述短纤维(A)、所述长纤维(B)以及所述活性物质粒子(C)的浆料(Y)涂布在膜(E)上;以及工序(Q2),进行加压或减压,使所述活性物质粒子(C)、所述短纤维(A)以及所述长纤维(B)固定在所述膜(E)上。本发明还涉及一种锂离子电池用电极的制造方法,其为本发明的锂离子电池用电极的制造方法,其特征在于,其特包括:工序(T1),将包含所述短纤维(A)、所述长纤维(B)以及所述活性物质粒子(C)的浆料(Y)涂布在集电体上,在集电体上形成浆料层;以及工序(T2),将隔膜载置于所述浆料层上,从隔膜的上表面侧进行吸液,从而使所述活性物质粒子(C)、所述短纤维(A)以及所述长纤维(B)固定在所述集电体与所述隔膜之间。
发明的效果
本发明的锂离子电池用电极,在电极的第1主面与第2主面之间,使用由短纤维、长纤维这两种纤维形成的导电性纤维,形成对电极的厚度方向进行电连接的导电通路,因此,从活性物质产生的电子能够通过导电通路流向集电体。因此,即使在将电极的厚度增厚为50~5000μm,相对增大活性物质的量的情况下,从距离集电体远的活性物质产生的电子顺利地到达至集电体。因此,形成电子传导性良好,并适于锂离子电池的高容量化的锂离子电池用电极。
附图说明
图1是表示具有本发明的锂离子电池用电极作为正极以及负极的锂离子电池的结构的例子的截面示意图。
图2是仅表示图1中所示的锂离子电池的正极的截面示意图。
图3(a)以及图3(b)是表示使短纤维以及长纤维和活性物质粒子固定在膜上的工序的工序示意图。
图4(a)、图4(b)以及图4(c)是表示将活性物质粒子、短纤维以及长纤维固定在集电体与隔膜之间的工序的工序示意图。
附图标记说明
1 锂离子电池
10、210 锂离子电池用电极(正极)
11、211 正极的第1主面
12、212 正极的第2主面
13A 短纤维
13B 长纤维
14 正极活性物质粒子
15、25 包覆剂
16、26 导电助剂
20、220 锂离子电池用电极(负极)
21、221 负极的第1主面
22、222 负极的第2主面
24 负极活性物质粒子
30 隔膜
40、50 集电体
225 浆料层
470 滤纸
具体实施方式
以下,详细说明本发明。
本发明的锂离子电池用电极包括:设置于锂离子电池的隔膜侧的第1主面、以及设置于集电体侧的第2主面,其特征在于,上述电极的厚度为50~5000μm;在上述第1主面与上述第2主面之间,含有:平均纤维长度为50nm以上且小于100μm的短纤维(A)、平均纤维长度为100μm以上且为1000μm以下的长纤维(B)以及活性物质粒子(C)、以及上述短纤维(A),上述长纤维(B)为导电性纤维。
在本发明的锂离子电池用电极中,在第1主面与第2主面之间,包含:平均纤维长度为50nm以上且小于100μm的短纤维(A)、平均纤维长度为100μm以上且为1000μm以下的长纤维(B)、以及活性物质粒子(C)。
短纤维(A)以及长纤维(B)为导电性纤维。
图1是表示具有本发明的锂离子电池用电极作为正极以及负极的锂离子电池的结构的例子的截面示意图。
图1中所示的锂离子电池1包括正极10和负极20,在正极10与负极20之间设置有隔膜30。
在正极10的与隔膜30相反的表面设置有集电体40,在负极20的与隔膜30相反的表面设置有集电体50。总结上述结构,按照集电体40-正极10-隔膜30-负极20-集电体50依次形成叠层结构,整体为锂离子电池1。
本发明的锂离子电池用电极是不含隔膜以及集电体的概念,如图1中所示的正极10以及负极20均为本发明的锂离子电池用电极。
正极10为具有指定厚度t1的片状电极,其具有设置于隔膜30侧的第1主面11以及设置于集电体40侧的第2主面12。在正极10中含有正极活性物质粒子14。
同样地,负极20是具有指定厚度t2的片状电极,其具有设置在隔膜30侧的第1主面21以及设置在集电体50侧的第2主面22。负极20含有负极活性物质粒子24。
正极10的厚度t1以及负极20的厚度t2分别为50~5000μm,如上所述,电极较厚时,电池内可以含有较多的活性物质,可以使锂离子电池高容量化。
本发明的锂离子电池用正极的厚度t1优选为150~1500μm,更优选为200~950μm,进一步优选为250~900μm。
本发明的锂离子电池用负极的厚度t2优选为150~1500μm,更优选为200~950μm,进一步优选为250~900μm。
如上所述将本发明的锂离子电池用电极用作负极和/或正极的锂离子电池为本发明的锂离子电池。
接着,对本发明的锂离子电池用电极进行说明。
图2是仅表示图1中所示的锂离子电池的正极的截面示意图。
如上所述,正极10具有第1主面11和第2主面12。并且,在第1主面11与第2主面12之间,包含作为导电性纤维的短纤维(A)以及长纤维(B)。在图2中,短纤维(A)用参照附图标记13A表示,长纤维(B)用参照附图标记13B表示。
在第1主面11与第2主面12之间,进一步含有作为活性物质粒子(C)的正极活性物质粒子14。
短纤维13A以及长纤维13B为在第1主面11与第2主面12之间离散存在的导电性纤维。
在本发明的锂离子电池用电极中,优选短纤维(A)与长纤维(B)中的至少一部分形成从第1主面至第2主面进行电连接的导电通路,导电通路与导电通路的周围的活性物质粒子(C)接触。
图2中示意短纤维13A以及长纤维13B中的至少一部分形成从第1主面至第2主面进行电连接的导电通路的方式。
图2中表示与电极的厚度相比其长度短的长纤维13B以及短纤维13A多根互相重合,形成导电通路的方式。
并且,位于导电通路的一个末端的短纤维13A或长纤维13B到达第1主面11,位于导电通路的另一个末端的短纤维13A或长纤维13B到达第2主面12。
另外,1根长纤维13B可以连接导电通路的一个末端和另一个末端。
另外,图2中还表示由短纤维13A以及长纤维13B形成的导电通路与周围的正极活性物质粒子14接触的方式。
测定本发明的锂离子电池用电极中所含的导电性纤维的纤维长度分布,在50nm以上且小于100μm的区域存在至少一个峰,在100μm以上且为1000μm以下的区域存在至少一个峰。
在上述情况下,可以判断,在本发明的锂离子电池用电极中含有短纤维(A)和长纤维(B)。
导电性纤维的纤维长度可以通过SEM观察而测定。
首先,对于0.2mm见方视野中存在的纤维,分别测定纤维长度,对于50nm以上且小于100μm的纤维,制作纤维长度为横轴,测定结果(纤维的根数)为纵轴的频率曲线,使纤维长度分布进行频率曲线化。
此外,纤维长度的测定以三个视野进行,频率曲线以三个视野的总计制作。
另外,对于2mm见方视野中存在的纤维,分别对三个视野进行纤维长度的测定,对于100μm以上且为1000μm以下的纤维,与50nm以上且小于100μm的纤维同样地使维长度分布进行频率曲线化。
此外,可以将以0.2mm视野见方的测定结果和以2mm视野见方的测定结果组合,以一个频率曲线记载纤维长度分布,以一个频率曲线记载时,只要进行换算使测定结果(纤维的根数)的比例符合即可。
此外,对于一端从视野伸出,从而纤维长度不能确定的长纤维,不进行计数。
然后,在50nm以上且小于100μm的区域存在的峰中,将频率最大的纤维长度(模式长度)设为短纤维(A)的平均纤维长度,将在100μm以上且为1000μm以下的区域存在的频率最大的纤维长度(模式长度)设为长纤维(B)的平均纤维长度。
此外,作为制作频率曲线时的横轴的纤维长度以以下的间隔记载,对测定结果页按照该间隔进行整理。
50nm~500nm:间隔为50nm
500nm~1μm:间隔为100nm
1μm~100μm:间隔为10μm
100μm~500μm:间隔为50μm
500μm~1000μm:间隔为100μm
此外,在锂离子电池用电极的制造中使用两种以上的导电性纤维,所使用的导电性纤维的种类(型号)以及平均纤维长度已知的情况下,可以不进行上述测定,而从所使用的导电性纤维的平均纤维长度的值判断是否含有短纤维(A)和长纤维(B)。
短纤维(A)为平均纤维长度为50nm以上且小于100μm的导电性纤维,其平均纤维长度的优选范围为500nm~50μm,更优选的范围为5μm~30μm。
短纤维(A)的电导率优选为50mS/cm以上,更优选为80mS/cm~500kS/cm,进一步优选为80~600mS/cm。短纤维(A)的电导率,通过基于JIS R 7609的“碳纤维-体积电阻率的求法”,对体积电阻率进行测定,得到体积电阻率的倒数而求出。
短纤维(A)的电导率为50mS/cm以上时,由短纤维(A)形成从第1主面至第2主面进行电连接的导电通路时的电阻小,来自距离集电体远的活性物质的电子的移动更顺利地进行,故优选。
短纤维(A)的平均纤维直径优选为0.01~20μm,更优选为0.05~2.0μm。
短纤维(A)的纤维直径通过SEM观察而测定。就短纤维(A)的平均纤维直径而言,在0.2mm见方视野中存在的、纤维长度为50nm以上且小于100μm的纤维10根,分别测定中央附近的直径,以三个视野进行该测定,将总计30根纤维直径的平均值作为测定值。
长纤维(B)为平均纤维长度为100μm以上且为1000μm以下的导电性纤维,其平均纤维长度的优选范围为110μm~600μm,更优选的范围为150μm~500μm。
长纤维(B)的电导率优选为50mS/cm以上,更优选为80mS/cm~500kS/cm,进一步优选为80~200mS/cm。长纤维(B)的电导率可以与短纤维(A)的电导率同样地求出。
长纤维(B)的电导率为50mS/cm以上时,由长纤维(B)形成从第1主面至第2主面机械牛电连接的导电通路时的电阻小,来自距离集电体远的活性物质的电子的移动更顺利地进行,故优选。
长纤维(B)的平均纤维直径优选为0.1~100μm,更优选为0.5~2.0μm。
长纤维(B)的纤维直径通过SEM观察而测定。就长纤维(B)的平均纤维直径而言,对于在2mm见方视野中存在的、纤维长度为100μm以上且为1000μm以下的纤维10根,分别测定中央附近的直径,以三个视野进行该测定,将总计30根纤维的直径的平均值作为测定值。
此外,在锂离子电池用电极的制造中使用两种以上的导电性纤维,所使用的导电性纤维的种类(型号)以及平均纤维直径已知的情况下,可以不进行上述测定,而将使用的导电性纤维的平均纤维直径的值作为短纤维(A)与长纤维(B)的平均纤维直径。
以电极的体积为基准,短纤维(A)所占的体积的比例优选为0.1~15vol%,更优选为0.5~5vol%。
以电极的体积为基准,短纤维(A)所占的体积的比例由下式而导出。
[以电极的体积为基准,短纤维(A)所占的体积的比例][%]=
[(单位面积电极所使用的短纤维(A)的重量)/(短纤维(A)的比重)]/[(电极的单位面积)×(电极厚度)]×100
此外,求出短纤维(A)所占的体积的比例时,将纤维长度为50nm以上且小于100μm的纤维作为短纤维(A)。
以电极的体积为基准,长纤维(B)所占的体积的比例优选为0.001~15vol%,更优选为0.1~3vol%。
另外,以电极的体积为基准,长纤维(B)所占的体积的比例,由下式导出。
[以电极的体积为基准,长纤维(B)所占的体积的比例][%]=
[(单位面积电极所使用的长纤维(B)的重量)/(长纤维(B)的比重)]/[(电极的单位面积)×(电极厚度)]×100
此外,求出长纤维(B)所占的体积的比例时,将纤维长度为100μm以上且为1000μm以下的纤维作为长纤维(B)。
此外,在锂离子电池用电极的制造中使用两种以上的导电性纤维,使用的导电性纤维的种类(型号)、比重以及使用量(重量)已知的情况下,可以将平均纤维长度为50nm以上且小于100μm的导电性纤维设为短纤维(A),将平均纤维长度为100μm以上且为1000μm以下的纤维设为长纤维(B),求出短纤维(A)以及长纤维(B)所占的体积的比例。
如上所述,“选择短纤维(A)所占的体积的比例以及长纤维(B)所占的体积的比例”是指,优选在电极内短纤维(A)以及长纤维(B)所占的体积与活性物质粒子(C)相比相对较少。
“短纤维(A)所占的体积的比例以及长纤维(B)所占的体积的比例少”是指,活性物质粒子(C)填充于短纤维(A)以及长纤维(B)未占据的空隙中,由于填充活性物质粒子(C),成为高容量的锂离子电池用电极。
另外,在本发明的锂离子电池用电极中,以电极的体积为基准,活性物质粒子(C)所占的体积的比例优选为30~80vol%,更优选为40~60vol%。通过使活性物质粒子(C)的比例变多,成为高容量的锂离子电池用电极。
在本发明的锂离子电池用电极中,短纤维(A)所占的体积(VA)与长纤维(B)所占的体积(VB)的比例(VA/VB)优选为0.2~50,更优选为0.25~5。
另外,在本发明的锂离子电池用电极中,短纤维(A)所占的体积(VA)以及长纤维(B)所占的体积(VB)的总计(VA+VB)与活性物质粒子(C)所占的体积(VC)的比例[(VA+VB)/VC]优选为0.00125~0.5,更优选为0.02~0.3。
通过使短纤维(A)所占的体积(VA)以及长纤维(B)所占的体积(VB)较少,从而大部分为活性物质粒子(C),成为高容量的锂离子电池用电极。
此外,短纤维(A)所占的体积(VA)、长纤维(B)所占的体积(VB)以及活性物质粒子(C)所占的体积(VC)通过以下的方法测定。
使电解液等进行干燥,对混合有短纤维(A)、长纤维(B)以及活性物质粒子(C)的电极1cm2的重量[w(g)]以及电极的膜厚[t(cm)]进行测定,从短纤维(A)的真比重[dA(g/cm3)]、长纤维(B)的真比重[dB(g/cm3)]、活性物质粒子(C)的真比重[dC(g/cm3)]以及短纤维(A)、长纤维(B)以及活性物质粒子(C)相对于构成本发明电极的材料的总重量的添加比例(WA、WB、WC)算出。
VA=(w×WA/dA)/(t×1)×100
VB=(w×WB/dB)/(t×1)×100
VC=(w×WC/dC)/(t×1)×100
作为短纤维(A)以及长纤维(B)的导电性纤维,可列举出PAN类碳纤维、沥青类碳纤维等碳纤维、使导电性好的金属或石墨均匀分散在合成纤维中而成的导电性纤维、对诸如不锈钢的金属进行纤维化而成的金属纤维、对有机物纤维的表面用金属进行包覆而成的导电性纤维、将有机物纤维的表面用含有导电性物质的树脂包覆而成的导电性纤维等。这些导电性纤维中,优选碳纤维。
正极活性物质粒子14为本发明的锂离子电池用电极的活性物质粒子(C)。作为正极活性物质粒子,可列举出锂与过渡金属的复合氧化物(例如LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2以及LiMn2O4、以及LiNi0.8Co0.15Al0.05O2等锂镍复合氧化物)、过渡金属氧化物(例如MnO2以及V2O5)、过渡金属硫化物(例如MoS2以及TiS2)以及导电性高分子(例如聚苯胺、聚偏二氟乙烯、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚对苯撑以及聚咔唑)等。
此外,LiNi0.8Co0.15Al0.05O2等锂镍复合氧化物为下述通式(1)所示的复合氧化物,
通式(1):Lix(Ni1-yCoy)1-zMzO2(其中,式中,x、y、z为:0.98≤x≤1.10、0.05≤y≤0.4、0.01≤z≤0.2,M为选自Al、Mg、Mn、Ti、Fe、Cu、Zn、以及Ga中的至少一种金属元素)表示的化合物。
作为其优选的例子,可列举出锂-镍-锰-钴复合氧化物、或锂-镍-钴-铝复合氧化物等。
在本发明的锂离子电池用电极中,活性物质粒子(C)优选为表面的至少一部分被含有包覆用树脂以及导电助剂的包覆剂包覆而成的包覆活性物质粒子。
在图2中所示的方式中,正极活性物质粒子14的周围被包覆剂15所包覆。包覆剂含有包覆用树脂,正极活性物质粒子的周围由包覆剂进行了包覆时,电极的体积变化被缓和,能够抑制电极的膨胀。作为包覆用树脂的例子,可列举出乙烯基树脂、聚氨酯树脂、聚酯树脂、聚酰胺树脂、环氧树脂、聚酰亚胺树脂、有机硅树脂、酚醛树脂、三聚氰胺树脂、尿素树脂、苯胺树脂、离聚物树脂、聚碳酸酯等。它们中,优选乙烯基树脂、聚氨酯树脂、聚酯树脂或聚酰胺树脂。
在本发明的锂离子电池用电极中,使用包覆活性物质粒子作为活性物质粒子(C)时,锂离子电池用电极优选不含粘结剂(也称为粘合剂)。作为在此所说的粘结剂,可列举出在锂离子电池的电极中以活性物质粒子与集电体的粘结以及活性物质粒子彼此之间的粘结为目的使用的公知的粘结剂(淀粉、聚偏二氟乙烯、聚乙烯醇、羧甲基纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、四氟乙烯、苯乙烯-丁二烯橡胶、聚乙烯以及聚丙烯等高分子化合物)等。
在使用非包覆活性物质粒子的活性物质粒子的锂离子电池用电极中,需要通过利用粘结剂将活性物质粒子固定在电极内,由此维持导电路径。但是,使用包覆活性物质粒子时,由于包覆用树脂进行作用,能够不将活性物质粒子固定在电极内而维持导电路径,因此,未必一定需要添加粘结剂。由于不添加粘结剂,活性物质粒子在电极内未被固定化,因此,活性物质粒子对于体积变化的缓和能力变得良好。
由短纤维13A以及长纤维13B形成的导电通路,与导电通路周围的正极活性物质粒子14相接。导电通路与正极活性物质粒子相接时,从正极活性物质粒子产生的电子快速到达导电通路,流过导电通路,到达至集电体。由于导电通路由作为电子传导性材料的导电性纤维形成,因此,电子能够顺利地到达至集电体。
此外,活性物质粒子为包覆活性物质粒子时,包覆剂与导电通路相接时,可以视为导电通路与活性物质粒子接触。
在不具有导电通路的电极中,由于电子必须通过电子传导性不高的活性物质粒子,因此电子难以顺利地传至集电体。另外,在经过了作为颗粒物的导电助剂的电子传导中,存在粒子间的电阻,导电助剂的粒子并非连续地连接,因此,电子不得不通过电阻高的位置。因此,电子难以顺利地传至集电体。
此外,在上述说明中,以从正极活性物质粒子产生的电子到达集电体的情况为例,说明了电子的运动,但是,从集电体向正极活性物质粒子移动的电子,也同样地能够通过导电通路,顺利地到达至正极活性物质粒子。即,在充电时和放电时能够得到同样的效果。
另外,正极10中可以进一步含有导电助剂16。
作为导电助剂,从具有导电性的材料中选择。
具体地,可列举出[铝、不锈钢(SUS)、银、金、铜以及钛等]、碳[石墨以及碳黑(乙炔黑、科琴黑、炉黑、槽法炭黑、热灯黑等)等]、以及这些的混合物等,但并不限定于此。
这些导电助剂可以单独使用一种,也可以组合使用两种以上。另外,也可以使用这些的合金或金属氧化物。从电气稳定性的观点考虑,优选为铝、不锈钢、碳、银、金、铜、钛以及它们的混合物,更优选为银、金、铝、不锈钢以及碳,进一步优选为碳。另外,这些导电助剂,也可以是将导电性材料(上述的导电助剂的材料中的金属材料)镀敷于粒子类陶瓷材料或树脂材料的周围等涂敷而成的导电助剂。
另外,导电助剂16可以包含在包覆剂15中,导电助剂16可以与正极活性物质粒子14相接。通过使导电助剂包含在包覆剂中,或与正极活性物质粒子相接,能够进一步提高从正极活性物质粒子到达导电通路的电子传导性。
本发明的锂离子电池用电极为负极时,使用负极活性物质粒子作为活性物质粒子(C)来代替正极活性物质粒子,除此以外,可以设为同样的构成。
作为负极活性物质粒子,可列举出石墨、难石墨化碳、无定型碳、高分子化合物烧结体(例如对酚醛树脂以及呋喃树脂等进行烧结并碳化而成的烧结体等)、焦炭类(例如沥青焦炭、针状焦以及石油焦炭等)、碳纤维、导电性高分子(例如聚乙炔以及聚吡咯等)、锡、硅、以及金属合金(例如锂-锡合金、锂-硅合金、锂-铝合金以及锂-铝-锰合金等)、锂与过渡金属的复合氧化物(例如Li4Ti5O12等)等。
在负极中,由于导电通路与导电通路周围的负极活性物质粒子相接,因此,与正极的情况相同,从负极活性物质粒子产生的电子快速到达导电通路,通过导电通路,顺利到达至集电体。另外,从集电体向负极活性物质粒子移动的电子也能够快速到达至负极活性物质。
另外,在本发明的锂离子电池用电极为负极时,使用包覆活性物质粒子作为活性物质粒子(C)时,优选锂离子电池用电极不含粘结剂。其理由与锂离子电池用电极为正极时相同。
图2中所示方式的本发明的锂离子电池用电极是如下的电极:短纤维(A)以及长纤维(B)及活性物质粒子(C)被固定在膜(E)上,以不会流动的程度平稳地其形态被维持的状态。膜(E)由导电性高的材料(导电性材料)形成时,可以使用膜(E)代替集电体,另外,即使使集电体与膜(E)接触,导电性也不受阻碍,故优选。膜(E)未在图2中示出。关于短纤维(A)以及长纤维(B)及活性物质粒子(C)被固定在膜(E)上而形成的锂离子电池用电极的制造方法,后面详细说明。
接着,对本发明的锂离子电池用电极的制造方法进行说明。
本发明的锂离子电池用电极的制造方法的一个方式是本发明的锂离子电池用电极的制造方法,其特征在于包括:工序(Q1),将包含上述短纤维(A)、上述长纤维(B)以及上述活性物质粒子(C)的浆料(Y)涂布在膜(E)上;以及工序(Q2),进行加压或减压,将上述活性物质粒子(C)、上述短纤维(A)以及上述长纤维(B)固定在上述膜(E)上。
上述方式的制造方法适合于制造使用图2说明的方式的锂离子电池用电极。特别是,更加适合于制造锂离子电池的正极。
图3(a)以及图3(b)为示意性地表示使短纤维以及长纤维和活性物质粒子固定在膜上的工序的工序图。
首先,将包含短纤维(A)、长纤维(B)以及活性物质粒子(C)的浆料(Y)涂布在膜(E)上(工序Q1)。
作为浆料(Y),可列举出如下形成的浆料:在含有活性物质的浆料(X)中,进一步加入短纤维(A)以及长纤维(B),使短纤维(A)以及长纤维(B)分散在浆料中。
作为活性物质粒子(C),可以使用在本发明的锂离子电池用电极的说明中说明的活性物质粒子(C),可以优选使用包覆活性物质粒子。包覆活性物质粒子例如可以如下得到:将锂离子电池活性物质粒子加入至万能混合机,在30~500rpm搅拌的状态下,历时1~90分钟对含有锂离子电池活性物质包覆用树脂的树脂溶液进行滴加混合,进一步混合导电助剂,在搅拌的状态下升温至50~200℃,减压至0.007~0.04MPa后,保持10~150分钟而得到。
包含活性物质粒子(C)的浆料(X)优选为包含溶剂(F)的溶剂浆料(X1),或包含电解液(D)的电解液浆料(X2)。
作为溶剂(F),可列举出水、1-甲基-2-吡咯烷酮(N-甲基吡咯烷酮)、甲乙酮、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、N,N-二甲氨基丙胺以及四氢呋喃等。
另外,作为电解液(D),可以使用在锂离子电池的制造中使用的含有电解质以及非水溶剂的电解液。
作为电解质,可以使用通常在电解液中使用的电解质等,例如,可列举出LiPF6、LiBF4、LiSbF6、LiAsF6以及LiClO4等无机酸的锂盐;LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2以及LiC(CF3SO2)3等有机酸的锂盐等。其中,从电池输出功率以及充放电循环特性的观点出发,优选LiPF6
作为非水溶剂,可以使用通常电解液中使用的非水溶剂等,例如可使用内酯化合物、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、环丁砜等以及它们的混合物。
非水溶剂可以单独使用一种,也可以同时使用两种以上。
非水溶剂中,从电池输出功率以及充放电循环特性的观点考虑,优选内酯化合物、环状碳酸酯、链状碳酸酯以及磷酸酯,更优选内酯化合物、环状碳酸酯以及链状碳酸酯,进一步优选环状碳酸酯与链状碳酸酯的混合液。特别优选碳酸乙烯酯(EC)与碳酸二乙酯(DEC)的混合液。
浆料(X)优选通过将活性物质粒子(C)以及根据需要添加的导电助剂以及粘结剂,基于溶剂或电解液的重量以10~60重量%的浓度分散并浆料化而制备。
作为导电助剂,可以使用在本发明的锂离子电池用电极的说明中说明的导电助剂。
作为粘结剂,可列举出淀粉、聚偏二氟乙烯、聚乙烯醇、羧甲基纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、四氟乙烯、苯乙烯-丁二烯橡胶、聚乙烯以及聚丙烯等高分子化合物。
此外,使用包覆活性物质粒子作为活性物质粒子(C)时,优选不在浆料(X)中添加粘结剂。在使用非包覆活性物质粒子的活性物质粒子的锂离子电池用电极中,需要利用粘结剂将活性物质粒子固定在电极内而维持导电路径。但是,使用包覆活性物质粒子时,由于包覆用树脂进行作用可以维持导电路径而活性物质粒子不固定在电极内,因此不需要添加粘结剂。由于不添加粘结剂,活性物质粒子在电极内未进行固定化,因此,活性物质粒子对于体积变化的缓和能力变得良好。
作为短纤维(A)以及长纤维(B),可以使用在本发明的锂离子电池用电极的页中说明的短纤维(A)以及长纤维(B)。
浆料(Y)优选为含有电解液(D)的电解液浆料(Y1)。作为电解液(D),可以使用与上述电解液浆料(X2)中的电解液(D)相同的电解液。浆料(Y)为含有电解液(D)的电解液浆料(Y1)时,在作为锂离子电池用电极内的液体成分不会混入除电解液以外的杂质这一点上优选。
另外,浆料(Y)也可以为含有溶剂(F)的溶剂浆料。
作为膜(E),优选在之后的加压或减压工序中,能够将活性物质粒子以及导电部件与电解液以及溶剂分离的膜。另外,膜(E)由导电性高的材料(导电性材料)形成时,可以使用膜(E)来代替集电体,另外,即使使集电体与膜(E)接触,导电性也不会被阻碍,故优选。例如,可以优选使用电导率为100mS/cm以上的材料。
作为具有这样的特性的材料的例子,可列举出添加有碳纤维等导电性纤维的滤纸、金属网等。
作为金属网,优选使用不锈钢制网,例如可列举出SUS316制的斜纹叠织金属丝网(SUNNET工业株式会社制造)等。金属网的网眼优选为不使活性物质粒子以及导电部件通过的程度,例如优选使用2300目的网。
浆料(Y)可以在膜(E)上使用棒涂布机、刷子等任意的涂布装置进行涂布。
图3(a)中示意性地表示在膜上涂布了浆料的方式,在作为膜的滤纸470上涂布有包含正极活性物质粒子14与短纤维13A以及长纤维13B的浆料。
接着,进行加压或减压,使活性物质粒子(C)、短纤维(A)以及长纤维(B)固定在膜(E)上(工序Q2)。
作为加压操作的方法,可列举出从浆料的涂布面上使用压制机进行压制的方法。另外,作为减压操作的方法,可列举出使滤纸或网等抵接于结构体的未涂布浆料侧的表面上,通过真空泵吸引的方法。
通过进行加压或减压从浆料(Y)除去电解液或溶剂,将短纤维(A)以及长纤维(B)和活性物质粒子(C)固定在膜(E)上,成为以未流动的程度平稳地维持其形状的状态。
图3(b)中示出将短纤维13A以及长纤维13B和正极活性物质粒子14固定在滤纸470上而形成的电极210。
在电极210中膜(E)由导电性材料形成时,膜(E)可以用作集电体,另外,可以使集电体和膜(E)接触,作为一个集电体而发挥作用。即,在电极210中,第2主面212可以作为短纤维13A和/或长纤维13B与滤纸470接触的部分而确定。
膜(E)为不具有导电性的材料时,可以将膜(E)设置在隔膜侧。另外,可以将膜(E)作为隔膜。作为由不具有导电性的材料形成的膜的例子,可列举出芳纶隔膜(日本VILENE株式会社制造)等。
另外,浆料(Y)为含有电解液(D)的电解液浆料(Y1)时,膜(E)为使电解液(D)透过而不使活性物质粒子(C)透过的膜,在工序(Q2)中,优选进行加压或减压,使电解液(D)透过膜(E)而除去。
另外,优选在工序(Q2)后,进行压制工序(Q3):以更强的压力对浆料(Y)进行加压。
压制工序(Q3)与工序(Q2)中的加压或减压相比,进一步增大压力差,提高活性物质粒子(C)的密度。压制工序(Q3)是在工序(Q2)为减压的情况下施加加压的方式;以及工序(Q2)为加压的情况下,进一步提高加压的压力的方式这两者的概念。
而且,优选进行工序(Q4):将固定在膜(E)上的锂离子电池用电极转移到集电体或隔膜的主面,形成锂离子电池用电极的第1主面设置在隔膜的主面的锂离子电池用电极;或者,形成锂离子电池用电极的第2主面设置在集电体的主面的锂离子电池用电极。
进行工序(Q4)时,优选使固定在膜(E)上的锂离子电池用电极的与膜(E)相反侧的主面[图3(b)中的第1主面211]与集电体或隔膜的主面接触并转移。
膜(E)由导电性材料形成,使用膜(E)代替集电体时,优选使与膜(E)相反一侧的主面与隔膜的主面接触并转移。另外,未将膜(E)用作集电体时,优选在进行了工序(Q4)后,进行剥离膜(E)的工序。
本发明的锂离子电池用电极的制造方法的其他方式是本发明的锂离子电池用电极的制造方法,其特征在于包括:工序(T1),将包含上述短纤维(A)、上述长纤维(B)以及上述活性物质粒子(C)的浆料(Y)涂布在集电体上,在集电体上形成浆料层;以及工序(T2),在上述浆料层之上载置隔膜,从隔膜的上表面侧进行吸液,将上述活性物质粒子(C)、上述短纤维(A)以及上述长纤维(B)固定在上述集电体与上述隔膜之间。
上述方式的制造方法,适合于制造使用图2说明的方式的锂离子电池用电极。特别是,更加适于制造锂离子电池的负极。
图4(a)、图4(b)以及图4(c)为示意性的示出将活性物质粒子、短纤维以及长纤维固定在集电体和隔膜之间的工序的工序图。
首先,将包含短纤维(A)、长纤维(B)以及活性物质粒子(C)的浆料(Y)涂布在集电体上,形成浆料层(工序T1)。
作为集电体,可列举出铝、铜、铝、钛、不锈钢、镍、煅烧碳、导电性高分子以及导电性玻璃等。
作为浆料(Y),可以使用与使用图3(a)说明的浆料(Y)相同的浆料,可列举出在浆料(X)中进一步加入短纤维(A)以及长纤维(B),使短纤维(A)以及长纤维(B)分散在浆料中而形成的浆料。
浆料(Y)优选为含有电解液(D)的电解液浆料(Y1)。作为电解液(D),可以使用与上述的电解液浆料(X2)中的电解液(D)相同的电解液。另外,浆料(Y)可以为含有溶剂(F)的溶剂浆料。
浆料(Y)可以使用棒涂布机、刷子等任意的涂布装置涂布在集电体上。
图4(a)中示意性的示出在集电体50上涂布浆料,形成浆料层225的方式,在集电体50上涂布包含负极活性物质粒子24和短纤维13A以及长纤维13B的浆料,形成浆料层225。
在图4(a)所示的方式中,负极活性物质粒子24的周围被包覆剂25包覆,浆料中含有导电助剂26。
关于短纤维13A、长纤维13B、包覆剂25以及导电助剂26,分别与在本发明的锂离子电池用电极(正极)的说明中说明了其详细情况的短纤维13A、长纤维13B、包覆剂15、导电助剂16相同。
另外,负极活性物质粒子24与在本发明的锂离子电池用电极的说明中说明了其详细情况的负极活性物质粒子相同。
接着,在浆料层上载置隔膜,从隔膜的上表面侧进行吸液,将活性物质粒子(C)和短纤维(A)以及长纤维(B)固定在集电体与隔膜之间(工序T2)。首先,如图4(b)所示,在浆料层225上载置隔膜30。然后,从隔膜30的上表面侧进行吸液。
作为隔膜,可列举出芳纶隔膜(日本VILENE株式会社制造);聚乙烯、聚丙烯制膜的微多孔膜;多孔性的聚乙烯膜与聚丙烯的多层膜;由聚酯纤维、芳纶纤维、玻璃纤维等形成的无纺布;以及在它们的表面附着有二氧化硅、氧化铝、二氧化钛等陶瓷微粒而成的膜等。
吸液可以如下进行:从隔膜的上表面侧或下表面侧进行加压,对从隔膜的上表面浸出的液体进行吸液,另外,也可以通过从隔膜的上表面侧进行减压,吸引液体而进行。还可以通过在隔膜的上表面放置吸液性材料,从上述隔膜的上表面侧进行吸液。
作为吸液性材料,可以使用毛巾等吸液性布、纸、吸液性树脂等。
通过吸液而从浆料(Y)中除去电解液或溶剂,短纤维(A)以及长纤维(B)和活性物质粒子(C)被固定在集电体和隔膜之间,形成以不会流动的程度平稳地其形状被维持的状态。
加压的方法并不被特别限定,可以利用各种方法实施。例如,可列举出使用公知的压制机的方法以及将重量物等作为砝码载置而加压的方法,加压也可以利用超声波振动机等一边加振一边进行。从隔膜的上表面侧或下表面侧加压时的压力优选为0.8~41kg/cm2,更优选为0.9~10kg/cm2。压力在该范围时,能够良好地形成电极内部的导电通路,因此,能够使电池进一步高容量化,故优选。
图4(c)示出了将短纤维13A以及长纤维13B和活性物质粒子24固定在集电体50与隔膜30之间而成的电极220。
在电极220中,电极的第1主面221与隔膜30相接,电极的第2主面222与集电体50相接。
为如上所述锂离子电池用电极的制造方法时,以电极被隔膜和集电体夹住的状态进行制造。因此,不需要另行进行在电极的两侧设置隔膜和集电体的工序,以双极型电极的形式能以较少的工序得到优选方式的电极,故优选。
使用了本发明的锂离子电池用电极的锂离子电池如下得到:组合作为对电极的电极,与隔膜一起收纳在电池容器中,注入电解液,密封电池容器。
另外,通过在集电体的一个表面形成正极,在另一个表面形成负极,制作双极型电极,对双极型电极和隔膜进行叠层,收纳于电池容器,注入电解液,密封电池容器而得到。
另外,正极、负极中任意电极可以使用本发明的锂离子电池用电极,也正极、负极可以同时以本发明的锂离子电池用电极的形式制成锂离子电池。
作为隔膜,可列举出聚乙烯、聚丙烯制膜的微多孔膜;多孔性的聚乙烯膜与聚丙烯的多层膜;由聚酯纤维、芳纶纤维、玻璃纤维等形成的无纺布;以及在它们的表面附着有二氧化硅、氧化铝、二氧化钛等陶瓷微粒而成的膜等。
作为电解液,可以使用上述的电解液作为电解液(D)。
实施例
下面通过实施例具体地说明本发明,但只要不脱离本发明的主旨,本发明并不被限定于实施例。此外,在无特别记载的情况下,份表示重量份,%表示重量%。
<包覆用树脂溶液的制作>
在带有搅拌机、温度计、回流冷凝管、滴液漏斗以及氮气导入管的四口烧瓶中,加入乙酸乙酯83份和甲醇17份,升温至68℃。接着,一边在四口烧瓶内吹入氮气,一边在搅拌下利用滴液漏斗历时4小时连续滴加下述单体混合液及将2,2’-偶氮二(2,4-二甲基戊腈)0.263份溶解在乙酸乙酯34.2份中而成的引发剂溶液,进行自由基聚合,所述单体混合液通过配合甲基丙烯酸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、乙酸乙酯52.1份以及甲醇10.7份而形成。滴加结束后,使用滴液漏斗历时2小时连续追加将2,2’-偶氮二(2,4-二甲基戊腈)0.583份溶解在乙酸乙酯26份中而成的引发剂溶液。进一步,在沸点继续聚合4小时。除去溶剂,得到树脂582份后,加入异丙醇1,360份,得到由树脂浓度30重量%的乙烯基树脂形成的包覆用树脂溶液。
<包覆正极活性物质粒子(C-1)的制作>
将LiCoO2粉末[日本化学工业株式会社制造、CELLSEED C-8G]96重量份放入万能混合机,在室温下,以150rpm进行了搅拌的状态下,历时60分钟对包覆用树脂溶液(树脂固体成分浓度为30重量%)进行滴加混合,并使树脂固体成分为2重量份,进一步搅拌30分钟。
接着,在搅拌的状态下,将2重量份的乙炔黑[电气化学工业株式会社制造、DENKABLACK(注册商标)]分3次混合,在搅拌了30分钟的状态下升温至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粒子(C-1)。
<包覆正极活性物质粒子(C-2)的制作>
将LiCoO2粉末[日本化学工业株式会社制造CELLSEED C-8G]96重量份变更为LiNi0.8Co0.15Al0.05O2粉末(以下也记载为NCA)粉末,除此以外,进行与(C-1)的制作方法同样的操作,得到包覆正极活性物质粒子(C-2)。
<包覆负极活性物质粒子(C-3)的制作>
将90重量份的难石墨化性碳[(株)Kureha Battery Materials Japan制造、CARBOTRON(注册商标)PS(F)]放入万能混合机,在室温下,以150rpm进行了搅拌的状态下,历时60分钟对包覆用树脂溶液(树脂固体成分浓度为30重量%)进行滴加混合,并使树脂固体成分为5重量份,进一步搅拌30分钟。
接着,在搅拌的状态下,5重量份的乙炔黑[电气化学工业株式会社制造、DENKABLACK(注册商标)]分3次混合,在搅拌了30分钟的状态下升温至70℃,减压至0.01MPa,保持30分钟。通过上述操作,得到包覆负极活性物质粒子(C-3)。
<短纤维(A-1)的准备>
短纤维(A-1)参考Eiichi Yasuda,Asao Oya,Shinya Komura,Shigeki Tomonoh,Takashi Nishizawa,Shinsuke Nagata,Takashi Akatsu、CARBON、50、2012、1432-1434以及Eiichi Yasuda,Takashi Akatsu,Yasuhiro Tanabe,Kazumasa Nakamura,YasutoHoshikawa,Naoya Miyajima、TANSO、255、2012、254~265页的制造方法而制造。
将作为碳前体的合成中间相沥青AR·MPH[三菱gas化学株式会社制造]10重量份和聚甲基戊烯TPX RT18[三井化学株式会社制造]90重量份,在料筒温度为310℃、氮气氛围下使用单轴挤出机进行熔融混炼,制备树脂组合物。
在390℃下对上述树脂组合物进行熔融挤出,并进行纺线。将进行了纺线的树脂组合物放入电炉,在氮气气氛下、在270℃下保持3小时,使碳前体稳定化。接着,历时1小时将电炉升温至500℃,在500℃下保持1小时,分解除去聚甲基戊烯。历时2小时将电炉升温至1000℃,在1000℃下保持30分钟,将存留的稳定化的碳前体作为导电性纤维。
将得到的导电性纤维90重量份、水500重量份以及Φ0.1mm的氧化锆球1000重量份放入球磨机容器,粉碎5分钟。将氧化锆球分级后,在100℃下进行干燥,得到短纤维(A-1)。
由利用SEM得到的测定结果可知,平均纤维直径为0.3μm,平均纤维长度为26μm。另外,短纤维(A-1)的电导率为600mS/cm。
<短纤维(A-2)的制作>
在上述短纤维(A-1)的制作中,除改变熔融挤出纺线的条件以外,同样地得到导电性的短纤维(A-2)。
从利用SEM得到的测定结果可知,平均纤维直径为0.2μm,平均纤维长度为9μm。
另外,短纤维(A-2)的电导率为600mS/cm。
<长纤维(B-1)的准备>
作为长纤维,准备碳质碳纤维[Osaka Gas Chemicals株式会社制造、DONACARBOMilled S-243:平均纤维长度500μm、平均纤维直径13μm:电导率200mS/cm]。
<长纤维(B-2)的准备>
作为长纤维,准备碳质碳纤维[Osaka Gas Chemicals株式会社制造、DONACARBOMilled S-344:平均纤维长度960μm、平均纤维直径18μm:电导率200mS/cm]。
<长纤维(B′-1)的准备>
作为长纤维,准备石墨质碳纤维[Osaka Gas Chemicals株式会社制造、DONACARBOMilled SG-249:平均纤维长度110μm、平均纤维直径13μm:电导率600mS/cm]。
<长纤维(B′-2)的准备>
作为长纤维,准备石墨质碳纤维[Nippon Graphite Fiber株式会社制造的XN-100-15M:平均纤维长度150μm、平均纤维直径10μm:电导率600mS/cm]。
<电解液的制作>
使LiPF6以1mol/L的比例溶解在碳酸乙烯酯(EC)与碳酸二乙酯(DEC)的混合溶剂(体积比例1:1)中,制作锂离子电池用电解液。
<实施例1:正极的制作>
将短纤维(A-1)2重量份、长纤维(B-1)1重量份以及97重量份的作为正极活性物质粒子的LiCoO2粉末[日本化学工业株式会社制造、CELLSEED C-8G]与上述电解液混合,制作电解液浆料。
作为膜(E),准备不锈钢制网[Sunnet工业株式会社制造、SUS316斜纹密织(twilled dutch weave),2300目],将电解液浆料涂布于上述不锈钢制网,通过吸引过滤(减压),使正极活性物质粒子和短纤维以及长纤维固定在不锈钢制网上,从而制作锂离子电池用正极。
<实施例2~11以及比较例1~6>
如表1所示,改变短纤维(A)、长纤维(B)以及活性物质(C)的种类、体积比例、以及电极的厚度以及单位面积重量,制作锂离子电池用正极。
表1中,LCO表示LiCoO2粒子,NCA表示LiNi0.8Co0.15Al0.05O2粒子,包覆LCO表示包覆LCO粒子,包覆NCA表示包覆NCA粒子。
<实施例12:负极的制作>
将短纤维(A-1)2重量份、长纤维(B-1)4.2重量份以及93.8重量份的作为负极活性物质粒子的难石墨化性碳[Kureha Battery Materials Japan株式会社制造、CARBOTRON(注册商标)PS(F)]与上述电解液混合,制作电解液浆料。
作为膜(E),准备芳纶隔膜(日本Vilene株式会社制造),将电解液浆料涂布于上述芳纶隔膜,通过吸引过滤(减压)的同时以加压压力1.5kg/cm2进行加压,使负极活性物质粒子和碳纤维固定在芳纶隔膜上,制作锂离子电池用负极。
<实施例13~22以及比较例7~11>
如表2所示,改变短纤维(A)、长纤维(B)以及活性物质(C)的种类、体积比例、以及电极的厚度以及单位面积重量,制作锂离子电池用负极。
表2中,HC表示难石墨化性碳粒子,包覆HC表示包覆难石墨化性碳粒子。
[正极评价用锂离子电池的制作]
将实施例1~11以及比较例1~6中任意例子中制作的正极冲切成17mmφ,与17mmφ的由Li金属形成的负极一起设置于2032型纽扣电池内的两端。
作为正极侧的集电体,使用厚度为20μm的铝电解箔,将不锈钢制网设置于集电体侧。
在电极间插入2片隔膜(Celgard 3501),制作锂离子电池用电池。
在电池中对上述电解液进行注液密封,利用以下的方法测定放电容量(mAh),除以活性物质的重量,以活性物质单位重量的放电容量(mAh/g)的方式进行评价。
将该评价中制作的电池作为评价用电池1~11以及比较用电池1~6。
[负极评价用锂离子电池的制作]
将实施例12~22以及比较例7~11中任意例子中制作的负极冲切成17mmφ,与17mmφ的由Li金属形成的正极一起设置于2032型纽扣电池内的两端。
作为负极侧的集电体,使用厚度为20μm的铜箔,将芳纶隔膜设置于隔膜侧(正极侧)。
在电极间插入2片隔膜(Celgard 3501),制作锂离子电池用电池。在电池中对上述电解液进行注液密封,利用以下的方法测定放电容量(mAh),并除以活性物质的重量,以活性物质单位重量的放电容量(mAh/g)的方式进行评价。
将该评价中制作的电池作为评价用电池12~22以及比较用电池7~11。
<锂离子电池的速率特性的评价>
在室温下,使用充放电测定装置“Battery analyzer Model 1470”[TOYOCorporation制造],通过以下的方法进行评价用电池1~22以及比较用电池1~11的评价。
关于正极的评价,从以0.1C以及1.0C的电流分别充电至4.2V,停止10分钟后,以0.1C以及1.0C的电流分别放电至2.7V而得到的电池容量,利用以下的式子计算出速率特性。
关于负极的评价,从以0.1C以及1.0C的电流分别放电至1.5V,停止10分钟后,以0.1C以及1.0C的电流分别放电至10mV而得到的电池容量,利用以下的式子计算出速率特性(以0.1C的电池容量与以1.0C的电池容量的比例)。意思是速率特性的值越大,容量的降低越少,具有良好的电池特性。此外,速率特性也依赖于电极的厚度,因此,在本评价中,将在以0.1C的电池容量与以1.0C的电池容量的比例中乘以修正系数[0.5×(电极的厚度(μm))1.4]得到的值作为速率特性,使得即使厚度不同的电极也能够进行比较。
(速率特性[%])=[1.0C下的充电(或放电)容量]÷[0.1C下的充电(或放电)容量]×100×0.5×(电极的厚度(μm))1.4
就各实施例涉及的锂离子电池用电极而言,已知:即使在将电极的厚度增厚的情况下,也能形成电子传导性良好的锂离子电池用电极,尽管电极的厚度较厚,但是也能够提高活性物质的单位重量的放电容量。能够用作单位面积的放电容量良好的锂离子电池用电极。
工业实用性
通过本发明得到的锂离子电池用电极,特别是能够用作手机、笔记本电脑以及混合动力汽车、电动汽车用的双极型二次电池用以及锂离子二次电池用等中使用的电极。

Claims (18)

1.一种锂离子电池用电极,其包括:配置于锂离子电池的隔膜侧的第1主面,以及配置于集电体侧的第2主面,其中,
所述电极的厚度为50~5000μm,
在所述第1主面与所述第2主面之间,包含:
平均纤维长度为50nm以上且小于100μm的短纤维(A),
平均纤维长度为100μm以上且为1000μm以下的长纤维(B),以及
活性物质粒子(C),
所述短纤维(A)以及所述长纤维(B)为导电性纤维。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池用电极,其中,所述短纤维(A)是导电性纤维,其在所述第1主面与所述第2主面之间离散地存在,
所述短纤维(A)的电导率为50mS/cm以上。
3.根据权利要求1或2所述的锂离子电池用电极,其中,所述短纤维(A)的平均纤维直径为0.01~20μm。
4.根据权利要求1~3中任一项所述的锂离子电池用电极,其中,所述长纤维(B)是导电性纤维,其在所述第1主面与所述第2主面之间离散地存在,
所述长纤维(B)的电导率为50mS/cm以上。
5.根据权利要求1~4中任一项所述的锂离子电池用电极,其中,所述长纤维(B)的平均纤维直径为0.1~100μm。
6.根据权利要求1~5中任一项所述的锂离子电池用电极,其中,以所述电极的体积为基准,所述短纤维(A)所占的体积比例为0.1~15vol%,所述长纤维(B)所占的体积比例为0.001~15vol%。
7.根据权利要求1~6中任一项所述的锂离子电池用电极,其中,所述短纤维(A)所占的体积(VA)与所述长纤维(B)所占的体积(VB)的比例(VA/VB)为0.2~50。
8.根据权利要求1~7中任一项所述的锂离子电池用电极,其中,以所述电极的体积为基准,所述活性物质粒子(C)所占的体积比例为30~80vol%。
9.根据权利要求1~8中任一项所述的锂离子电池用电极,其中,所述活性物质粒子(C)为表面的至少一部分被含有包覆用树脂以及导电助剂的包覆剂包覆而成的包覆活性物质粒子。
10.一种锂离子电池,其中,将权利要求1~9中任一项所述的锂离子电池用电极用作负极和/或正极。
11.一种锂离子电池用电极的制造方法,其为权利要求1~9中任一项所述的锂离子电池用电极的制造方法,其包括:
工序(Q1),将包含所述短纤维(A)、所述长纤维(B)以及所述活性物质粒子(C)的浆料(Y)涂布在膜(E)上;以及
工序(Q2),进行加压或减压,使所述活性物质粒子(C)、所述短纤维(A)以及所述长纤维(B)固定在所述膜(E)上。
12.根据权利要求11所述的锂离子电池用电极的制造方法,其中,
所述浆料(Y)为含有电解液(D)的电解液浆料(Y1);
所述膜(E)为使所述电解液(D)透过,但不使所述活性物质粒子(C)透过的膜;
在所述工序(Q2)中,进行加压或减压,使所述电解液(D)透过所述膜(E)而除去。
13.根据权利要求11或12所述的锂离子电池用电极的制造方法,其中,在所述工序(Q2)后,进行以更强的压力对浆料(Y)进行加压的压制工序(Q3)。
14.根据权利要求11~13中任一项所述的锂离子电池用电极的制造方法,其中,所述膜(E)的电导率为100mS/cm以上。
15.根据权利要求11~14中任一项所述的锂离子电池用电极的制造方法,其中,
进行将固定在所述膜(E)上的所述锂离子电池用电极转移到集电体或隔膜的主面上的工序(Q4),从而形成锂离子电池用电极的第1主面被设置于隔膜的主面上的锂离子电池用电极,或者,形成锂离子电池用电极的第2主面被设置于集电体的主面上的锂离子电池用电极。
16.一种锂离子电池用电极的制造方法,其为权利要求1~9中任意一项所述的锂离子电池用电极的制造方法,其特包括:
工序(T1),将包含所述短纤维(A)、所述长纤维(B)以及所述活性物质粒子(C)的浆料(Y)涂布在集电体上,在集电体上形成浆料层;以及
工序(T2),将隔膜载置于所述浆料层上,从隔膜的上表面侧进行吸液,从而使所述活性物质粒子(C)、所述短纤维(A)以及所述长纤维(B)固定在所述集电体与所述隔膜之间。
17.根据权利要求16所述的锂离子电池用电极的制造方法,其中,所述浆料(Y)为含有电解液(D)的电解液浆料(Y1)。
18.根据权利要求16或17所述的锂离子电池用电极的制造方法,其中,在所述隔膜的上表面放置吸液性材料,从所述隔膜的上表面侧进行吸液。
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