CN111201639B - 电池用电极的制造方法 - Google Patents

电池用电极的制造方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111201639B
CN111201639B CN201880065877.5A CN201880065877A CN111201639B CN 111201639 B CN111201639 B CN 111201639B CN 201880065877 A CN201880065877 A CN 201880065877A CN 111201639 B CN111201639 B CN 111201639B
Authority
CN
China
Prior art keywords
active material
electrode active
coating
battery
material layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201880065877.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111201639A (zh
Inventor
豊岛剑一
小瀬村透
横山祐一郎
江守悠祐
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nissan Motor Co Ltd filed Critical Nissan Motor Co Ltd
Publication of CN111201639A publication Critical patent/CN111201639A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111201639B publication Critical patent/CN111201639B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04Processes of manufacture in general
    • H01M4/0402Methods of deposition of the material
    • H01M4/0404Methods of deposition of the material by coating on electrode collectors
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • H01M10/0525Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362Composites
    • H01M4/366Composites as layered products
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/624Electric conductive fillers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/027Negative electrodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/028Positive electrodes
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Abstract

本发明的目的在于提供一种无需以添加粘合剂为前提,通过电极活性物质浆料的涂布而改善电极活性物质层的表面的平坦度的手段。本发明提供一种电池用电极的制造方法,所述电池用电极具有:集电体、以及设置于所述集电体表面且含有电极活性物质的电极活性物质层,该制造方法包括:涂布工序,将电极活性物质浆料涂布于所述集电体表面以形成电极活性物质层,所述电极活性物质浆料是将所述电极活性物质分散于溶剂中而形成的,所述电极活性物质浆料具有特定流动特性,在所述涂布工序中,以如下涂布速度涂布所述电极活性物质浆料:使涂布时的剪切速度成为能够施加所述电极活性物质浆料的屈服应力以上的剪切应力的值。

Description

电池用电极的制造方法
技术领域
本发明涉及一种电池用电极的制造方法。
背景技术
近年来,期望通过各种电动车辆的普及来解决环境和能源问题。这些电动车辆普及的关键在于电动驱动用电源等车载电源,已经积极进行二次电池的开发。电动车辆需要延长一次充电的续航距离,优选能量密度更高的二次电池。
作为提高锂离子二次电池等非水电解质二次电池的能量密度的技术,正在积极研究探索更高容量的电极活性物质。例如,含硅负极活性物质,在充放电中如下述反应式(A)所示,每摩尔吸收和释放3.75摩尔锂离子,在Li15Si4(=Li3.75Si)中的理论容量极高,为3600mAh/G。
[化学式1]
另一方面,随着锂离子的吸收和释放,含硅负极活性物质显着膨胀收缩。因此,在含有含硅负极活性物质的负极活性物质层中,随着充放电循环的进行,有可能发生由于负极活性物质的膨胀收缩引起的结构破坏。为了抑制这些含有含硅负极活性物质的负极活性物质层中的结构破坏,提出将交联型聚丙烯酸或其中和物作为粘合剂的技术(参见国际公开第2014/065407号手册)。
然而,根据国际公开第2014/065407号手册所记载的技术,用作粘合剂的交联型聚丙烯酸或其中和物的交联度增加时,用于形成负极活性物质层的负极活性物质浆料的流动性降低,该浆料的流动特性是触变性的。通过将这样的高粘度负极活性物质浆料涂布于集电体的表面而形成的负极活性物质层的表面的平坦度极低。若活性物质层的表面的平坦度低,则电极间距离(活性物质层的表面间距离)在平面上变得不均匀,在电极的平面上产生电势差。结果,在充放电反应未充分进行的部分中,发生锂离子沉淀和沉积等现象,存在电池容量降低的问题。
发明内容
本发明要解决的问题
因此,本发明的目的在于提供通过涂布具有触变流动特性的电极活性物质浆料而改善电极活性物质层的表面的平坦度的手段。
解决问题的手段
本发明人员等为了解决所述问题而进行了深入研究。结果发现,涂布以剪切速度(横轴)-剪切应力(纵轴)曲线的特定曲线为特征的电极活性物质浆料,以及将涂布时的剪切速度提高至规定下限值以上,从而可以在不增加粘合剂的添加量的情况下得到平坦涂膜。
即,本发明的一个实施方式涉及一种电池用电极的制造方法,所述电池用电极具有:集电体、以及设置于所述集电体表面且含有电极活性物质的电极活性物质层。该电池用电极的制造方法包括:涂布工序,将电极活性物质浆料涂布于所述集电体表面以形成电极活性物质层,所述电极活性物质浆料是将所述电极活性物质分散于溶剂中而形成的。此处,所述电极活性物质浆料具有如下流动特性:所述电极活性物质浆料的剪切速度(横轴)-剪切应力(纵轴)曲线中,存在剪切应力不随剪切速度的增加而增加的区域A,并且在剪切速度高于所述区域A的剪切速度的区域中,存在区域B、所述区域B中,随着剪切速度的增加,剪切应力增加,同时剪切应力的增加率减少。并且,在所述涂布工序中,以如下涂布速度涂布所述电极活性物质浆料:使涂布时的剪切速度成为能够施加所述电极活性物质浆料的屈服应力以上的剪切应力的值。
附图说明
图1是示意性表示本发明的实施方式的双极型二次电池的截面图。
图2是对下述实施例的栏的制备的负极活性物质层用浆料,使用TA Insutsurumen公司制备的AR-200流变仪,在剪切速度0.01~1000[1/s]的范围内测定剪切应力而得到的剪切速度(横轴)-剪切应力(纵轴)曲线的图。
图3表示作为二次电池的代表性实施方式的扁平锂离子二次电池的外观的立体图。
图4显示下述比较例1以及实施例1~5中制备的负极活性物质层的观察照片。
图5对下述实施例的栏中制备的正极活性物质层用浆料,使用TA Insutsurumen公司制备的AR-200流变仪,在剪切速度0.01~1000[1/s]的范围内测定剪切应力而得到的剪切速度(横轴)-剪切应力(纵轴)曲线的图。
具体实施方式
本发明的一个实施方式,涉及一种电池用电极的制造方法,所述电池用电极具有:集电体、以及设置于所述集电体表面且含有电极活性物质的电极活性物质层,该制造方法包括:涂布工序,将电极活性物质浆料涂布于所述集电体表面以形成电极活性物质层,所述电极活性物质浆料是将所述电极活性物质分散于溶剂中而形成的,所述电极活性物质浆料具有如下流动特性:所述电极活性物质浆料的剪切速度(横轴)-剪切应力(纵轴)曲线中,存在剪切应力不随剪切速度的增加而增加的区域A,并且在剪切速度高于所述区域A的剪切速度的区域中,存在区域B、所述区域B中,随着剪切速度的增加,剪切应力增加,同时剪切应力的增加率减少,在所述涂布工序中,以如下涂布速度涂布所述电极活性物质浆料:使涂布时的剪切速度成为能够施加所述电极活性物质浆料的屈服应力以上的剪切应力的值。根据本方式的种电池用电极的制造方法,无需增加粘合剂的添加量,可以形成提高表面平坦性的电极活性物质层。因此,本发明对提高电池的高能量密度以及循环耐久性等有效。
以下,参照附图对本发明的实施方式进行说明,但是,本发明的技术范围应该基于权利要求书规定,不限于以下的实施方式。需要说明的是,以下,在方便地说明本发明的电池用电极后,详细说明本发明的电极的制造方法。作为本发明的优选实施方式,首先对电池的一个例子的非水电解质二次电池的一种双极型锂离子二次电池作为电池进行说明,但不仅限于以下实施方式。需要说明的是,附图的尺寸比率是为了方便说明可能会夸张表现,与实际比率不同。在本说明书中,表示范围的“X~Y”表示“X以上且Y以下”。除非另有说明,操作以及物理性质的测量等在室温(20~25℃)/相对湿度为40~50%的条件下进行。
本说明书中,双极型锂离子二次电池可简称为“双极型二次电池”,双极型锂离子二次电池用电极可简称为“双极型电极”。
<双极型二次电池>
图1是示意性显示本发明实施方式的双极型二次电池的截面图。图1所示的双极型二次电池10具有如下结构:实际上进行充放电反应的大致矩形的发电元件21被密封于作为电池外装体的层压膜29的内部。
如图1所示,本实施方式的双极型二次电池10的发电元件21具有多个双极型电极23,形成与集电体11的一侧表面实现电连接的正极活性物质层13且形成与集电体11的相反侧表面实现电连接的负极活性物质层15。各双极型电极23经由电解质层17叠层以形成发电元件21。需要说明的是,电解质层17具有将电解质保持于作为基材的隔膜的表面方向中央部的结构。此时,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相邻的其他双极型电极23的负极活性物质层15以隔着电解质层17对置的方式,双极型电极23和电解质层17交替叠层。即,电解质层17夹入并设置于一个双极型电极23的正极活性物质层13和与所述一个双极型电极23相邻的另一双极型电极23的负极活性物质层15之间。
需要说明的是,尽管未图示,图1的双极型二次电池10中,正极活性物质层13以含有作为导电助剂的乙炔黑和作为包覆用树脂的(甲基)丙烯酸酯类共聚物的包覆剂所包覆的正极活性物质(包覆正极活性物质)以及作为导电部件的碳纤维。碳纤维形成导电通路,该导电通路对正极活性物质层13的与电解质层17侧接触的第一主表面以及正极活性物质层13的与集电体11侧接触的第二主表面进行电连接,并且该导电通路和正极活性物质实现了电连接。同样地,负极活性物质层15含有包覆剂包覆的负极活性物质(包覆负极活性物质)以及作为导电部件的碳纤维,所述包覆剂含有作为导电助剂的乙炔黑和作为包覆用树脂的(甲基)丙烯酸酯共聚物。碳纤维形成导电通路,该导电通路对负极活性物质层的与电解质层17侧接触的第一主表面和负极活性物质层的与集电体11侧接触的第二主表面进行电连接,并且该导电通路和正极活性物质实现了电连接。
相邻的正极活性物质层13、电解质层17和负极活性物质层15构成一个单电池层19。因此,可以说双极型二次电池10具有单电池层19叠层而成的结构。另外,在单电池层19的外周部配置有密封部(绝缘层)31。由此,防止了由于电解液从电解质层17的泄漏引起的液体间电路连接,使电池中的相邻集电体11之间接触,防止了发电元件21中的单电池层19的端部处的微小的错位所引起的短路。需要说明的是,在位于发电元件21的最外层的正极侧的最外层集电体11a上,仅在单面形成有正极活性物质层13。另外,位于发电元件21的最外层的负极侧的最外层集电体11b上,仅在单面形成有负极活性物质层15。
此外,在图1所示的双极型二次电池10中,设置正极集电板(正极片)25,并使其与正极侧的最外层集电体11a相邻,将正极集电板(正极片)25延长,从作为电池外装体的层压膜29导出。另一方面,设置负极集电板(负极片)27,并使其与负极侧的最外层集电体11b相邻,同样地将负极集电板(负极片)27延长从电池外装体的层压膜29导出。
需要说明的是,单电池层19的叠层次数根据期望的电压来调节。另外,双极型二次电池10中,即使电池的厚度尽可能薄,只要确保充分的输出功率即可,可以减少单位电池层19的叠层次数。双极型二次电池10中,为了防止使用期间的外部冲击和环境恶化,采用如下结构:将发电元件21减压密封于作为电池外装体的层压膜29中,将正极集电板25和负极集电板27从层压膜29的外部取出。需要说明的是,此时,以双极型二次电池为例说明了本发明的实施方式。本发明可以应用的非水电解质二次电池的类型并无特别限制。例如,本发明可应用于在发电元件中将单电池层并联连接的形式,所谓的并联堆叠型电池等任何常规已知的非水电解质二次电池。
在下文中,将说明本实施方式的双极型二次电池的主要构成元件。
[集电体]
集电体具有介导电子从与正极活性物质层接触的一个表面向与负极活性物质层接触的另一表面的转移的功能。对构成集电体的材料没有特别限制,例如可以使用金属或具有导电性的树脂。
具体而言,作为金属,可列举:铝、镍、铁、不锈钢、钛和铜等。另外,可优选使用镍和铝的包覆材料、铜和铝的包覆材料或这些金属的组合的镀覆材料等。此外,可以使用金属表面以铝包覆形成的箔。其中,从电子传导性、电池的工作电位以及通过溅射使负极活性物质与集电体的密合性观点出发,优选铝、不锈钢、铜和镍。
另外,作为具有后者的导电性的树脂,可列举:根据需要向导电性高分子材料或非导电性高分子材料添加导电性填料而得到的树脂。作为导电性高分子材料,可列举,例如:聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚对苯撑、聚苯撑亚乙烯撑、聚丙烯腈和聚二唑等。如上所述的导电性高分子材料,即使不添加导电性填料,也具有充分的导电性,因此在简化制造工艺和使集电体轻质化的方面有利。
作为非导电性聚合物材料,例如,可列举: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)、丁苯橡胶(SBR)、聚丙烯腈(PAN)、聚丙烯酸甲酯(PMA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚氯乙烯(PVC)、聚偏二氟乙烯(PVdF)或聚苯乙烯(PS)等。这种非导电性聚合物材料可以具有优异的耐电势性或耐溶剂性。
所述导电性高分子材料或非导电性高分子材料,可以根据需要,添加导电性填料。特别地,作为集电体的基础材料的树脂仅由非导电性聚合物构成的情况下,为了赋予树脂导电性,导电性填料必不可少。
导电性填料是具有导电性的物质即可,并无特别限制。例如,作为导电性、电位电阻或锂离子阻断性优异的材料,可列举:金属以及导电性碳等。作为金属,并无特别限制,优选为选自Ni、Ti、Al、Cu、Pt、Fe、Cr、Sn、Zn、In、Sb和K中的至少一种金属或含有这些金属的合金或者含有金属氧化物。另外,作为导电碳,没有特别限制。优选含有选自乙炔黑、Vulcan(注册商标)、Black Pearl(注册商标)、碳纳米纤维、科琴黑(注册商标)、碳纳米管、碳纳米角、碳纳米球和富勒烯中的至少一种。
导电性填料的添加量只要是可以赋予集电体充分的导电性的量即可,没有特别限制,通常为约5~35质量%。
需要说明的是,该实施方式的集电体可以为包含单一材料的单层结构,或者也可以是适当组合包含材料的层的叠层结构。从使集电体轻质化的观点出发,优选至少含有:包含具有导电性树脂的导电性树脂层。另外,从阻断锂离子在单元电池间的移动的观点出发,可以在集电体的一部分设置金属层。
[电极活性物质层(正极活性物质层、负极活性物质层)]
电极活性物质层(正极活性物质层、负极活性物质层)包含电极活性物质(正极活性物质、负极活性物质)。此外,电极活性物质层(正极活性物质层、负极活性物质层)可以含有包覆剂,该包覆剂含有包覆该电极活性物质的表面的包覆用树脂,以及根据需要添加的导电助剂。此外,电极活性物质层可以根据需要含有导电部件、离子导电性聚合物、锂盐等。
需要说明的是,本说明书中,由包覆剂进行了包覆的状态的电极活性物质也称为“包覆电极活性物质”。包覆电极活性物质具有如下壳-核结构:在包含电极活性物质的核部的表面上,形成包含包覆剂的壳部,所述包覆剂含有包覆用树脂以及根据需要添加的导电助剂。
(正极活性物质)
作为正极活性物质,例如,可列举:LiMn2O4、LiCoO2、LiNiO2、Li(Ni-Mn-Co)O2以及这些过渡金属的一部分被其他元素置换的锂-过渡金属复合氧化物、锂-过渡金属磷酸化合物、锂-过渡金属硫酸盐化合物等。根据情况,可以组合使用两种以上正极活性物质。从容量和输出功率特性的观点出发,优选将锂-过渡金属复合氧化物用作正极活性物质。更优选使用包含锂和镍的复合氧化物等。更优选Li(Ni-Mn-Co)O2以及这些过渡金属的一部分被其他元素置换的物质(以下,也简称为“NMC复合氧化物”)或锂-镍-钴-铝复合氧化物(以下,也简称为“NCA复合氧化物”)等。NMC复合氧化物具有层状晶体结构,其中,锂原子层和过渡金属(Mn、Ni和Co秩序正确地设置)原子层隔着氧原子层交替地叠层而成。过渡金属单位原子含有一个Li原子,可提取的Li量是尖晶石型锂锰氧化物的两倍,即,供给能力为两倍,可以维持高容量。
如上所述,NMC复合氧化物含有过渡金属元素的一部分被其他金属元素置换的复合氧化物。该情况下,作为其他元素,可列举:Ti、Zr、Nb、W、P、Al、Mg、V、Ca、Sr、Cr、Fe、B、Ga、In、Si、Mo、Y、Sn、V、Cu、Ag、Zn等,优选Ti、Zr、Nb、W、P、Al、Mg、V、Ca、Sr、Cr,更优选Ti、Zr、P、Al、Mg、Cr,从提高循环特性的观点出发,更优选为Ti、Zr、Al、Mg和Cr。
NMC复合氧化物由于理论放电容量高,优选具有通式(1):LiaNibMnCCodMxO2(其中a、b、c、d和x满足0.9≤a≤1.2,0<b<1,0<c≤0.5,0<d≤0.5,0≤x≤0.3,b+c+d=1。M是选自Ti、Zr、Nb、W、P、Al、Mg、V、Ca、Sr和Cr中的至少一种元素)所示的组成。在此,a表示Li的原子比,b表示Ni的原子比,c表示Mn的原子比,d表示Co的原子比,x表示M的原子比。从循环特性的观点出发,通式(1)中,优选0.4≤b≤0.6。需要说明的是,各元素的组成可以通过例如感应耦合等离子体(ICP)发射光谱法来测量。
通常,从改善材料的纯度和改善电导率的观点出发,已知一般而言镍(Ni)、钴(Co)和锰(Mn)有助于容量和输出功率特性。Ti等对晶格中的过渡金属进行了部分置换。从循环特性的观点出发,优选过渡元素的一部分被其他金属元素代替,特别优选在通式(1)中为0<x≤0.3。由于选自Ti、Zr、Nb、W、P、Al、Mg、V、Ca、Sr和Cr中的至少一种形成固溶体,因此晶体结构稳定。结果,即使通过重复所述操作也可以防止电池容量降低,可以实现优异的循环特性。
在更优选的实施方式中,从改善容量和寿命特性之间的平衡的观点出发,在通式(1)中,优选b、c和d满足0.44≤b≤0.51、0.27≤c≤0.31、0.19≤d≤0.26。例如,LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2与普通消费电池中实际存在的LiCoO2、LiMn2O4、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2等相比,单位重量的容量大。由此,从续航距离的观点出发,由于具有可以制造紧凑且高容量的电池的优点,能够提高能量密度,故优选。需要说明的是,从容量更大的观点出发,LiNi0.8Co0.1Al0.1O2更有利,但寿命方面较差。相对于此,LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2具有与LiNi1/ 3Mn1/3Co1/3O2同样优异的寿命。
需要说明的是,可以使用除所述以外的正极活性物质。正极活性物质的平均粒径没有特别限定,从高输出功率的观点出发,优选为1~100μm,更优选为1~20μm。
(负极活性物质)
作为负极活性物质,例如,可列举:石墨(石墨)、软碳和硬碳等碳材料、锂-过渡金属复合氧化物(例如,Li4Ti5O12)和金属材料(锡、硅)、锂合金系负极材料(例如,锂锡合金、锂硅合金、锂铝合金、锂铝锰合金等)等。根据情况,可以组合使用两种以上种负极活性物质。从容量和输出功率特性的观点出发,优选将碳材料、锂-过渡金属复合氧化物和锂合金系负极材料用作负极活性物质。需要说明的是,当然可以使用除所述以外的负极活性物质。此外,所述包覆用树脂具有容易附着于碳材料的性质。因此,从提供结构稳定的电极材料的观点出发,优选使用碳材料作为负极活性物质。
负极活性物质的平均粒径没有特别限定,从高输出功率的观点出发,优选为1~100μm,更优选为1~20μm。
(包覆剂)
包覆剂含有包覆用树脂、以及根据需要添加的导电助剂。在电极活性物质的表面上存在包覆剂时,在电极活性物质层中,可以确保从电极活性物质的表面到电解质层的离子传导路径。另外,包覆剂还包含导电助剂时,可以更可靠地确保从电极活性物质的表面到集电体的电子传导路径。
(包覆用树脂)
包覆用树脂存在于电极活性物质表面,具有吸收和保持电解液的功能。由此,在电极活性物质层中,可以形成从电极活性物质的表面到电解质层的离子传导路径。
本实施方式的双极型二次电池中,包覆用树脂的材料并无特别限制,从柔软性和液体吸收性的观点出发,优选选自(A)聚氨酯树脂、(B)聚乙烯基树脂中的至少一种。
(A)聚氨酯树脂
聚氨酯树脂具有高柔软性(下述拉伸断裂伸长率高),另外,可以在聚氨酯键之间形成强氢键,因此通过将其作为包覆用树脂使用,柔软性优异,并且可以形成结构稳定的包覆剂。
聚氨酯树脂的具体形式没有特别限制,可以适当参考关于聚氨酯树脂的常规已知见解。聚氨酯树脂由(a1)多异氰酸酯成分和(a2)多醇成分构成,根据需要,可以进一步使用(a3)离子性基团导入的成分、(a4)离子基团中和剂的成分、以及(a5)扩链剂成分构成。
(a1)作为多异氰酸酯成分,可列举:在一个分子中具有两个异氰酸酯基的二异氰酸酯化合物和在一个分子中具有三个以上异氰酸酯基的多异氰酸酯化合物。这些可以单独使用一种,也可以组合使用两种以上。
作为二异氰酸酯化合物,可列举:4,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、2,4-甲苯二异氰酸酯和/或2,6-甲苯二异氰酸酯、对苯二异氰酸酯、二甲苯基二异氰酸酯、1,5-萘二异氰酸酯、3,3-二甲基联苯-4,4'-二异氰酸酯、二乙胺二异氰酸酯、四甲基二甲苯二异氰酸酯等芳族二异氰酸酯;异佛尔酮二异氰酸酯、二环己基甲烷-4,4'-二异氰酸酯、反式-1,4-环己基二异氰酸酯、降冰片烯二异氰酸酯等脂环族二异氰酸酯;1,6-六亚甲基二异氰酸酯、2,2,4-三甲基六亚甲基二异氰酸酯和/或(2,4,4)-三甲基六亚甲基二异氰酸酯、赖氨酸二异氰酸酯等脂肪族二异氰酸酯。
这些二异氰酸酯化合物可以以碳二酰亚胺改性、异氰脲酸酯改性、缩二脲改性等改性产物的形式使用,也可以以由各种封端剂进行封端的而得到封端异氰酸酯的形式使用。
作为做一个分子中具有三个以上个异氰酸酯基的多异氰酸酯化合物,例如,可列举:所述示例的二异氰酸酯的异氰脲酸酯三聚体、缩二脲三聚体、三羟甲基丙烷加合物等;三苯基甲烷三异氰酸酯、1-甲基苯基-2,4,6-三异氰酸酯和二甲基三苯基甲烷四异氰酸酯等三官能以上的异氰酸酯等。这些异氰酸酯化合物可以以碳二亚胺改性、异氰脲酸酯改性和缩二脲改性等改性物的形式使用,也可以以由各种封端剂进行封端而得到封端异氰酸酯的形式使用。
作为(a2)多元醇成分,可列举:在一分子中具有两个羟基的二醇化合物和在一分子中具有三个以上羟基的多元醇化合物,这些可以单独使用一种,也可以组合使用两种以上。
作为二醇化合物和一分子中具有三个以上羟基的多元醇化合物,可列举:低分子量多元醇类、聚醚多元醇类、聚酯多元醇类、聚酯聚碳酸酯多元醇类、结晶性或非结晶性聚碳酸酯多元醇类、聚丁二烯多元醇和有机硅多元醇。
作为低分子多元醇,可列举:乙二醇、1,2-丙二醇、1,3-丙二醇、2-甲基-1,3-丙二醇、2-丁基-2-乙基-1,3-丙烷二醇、1,4-丁二醇、新戊二醇、3-甲基-2,4-戊二醇、2,4-戊二醇、1,5-戊二醇、3-甲基-1,5-戊二醇、2-甲基-2,4-戊二醇、2,4-二乙基-1,5-戊二醇、1,6-己二醇、1,7-庚二醇、3,5-庚二醇、1,8-辛二醇、2-甲基-1,8-辛二醇、1,9-壬二醇和1,10-癸二醇等脂肪族二醇;环己烷二甲醇和环己二醇等脂环式二醇;三羟甲基乙烷、三羟甲基丙烷、己糖醇、戊糖醇、甘油、聚甘油、季戊四醇、二季戊四醇和四羟甲基丙烷等三元以上的多元醇。
作为聚醚多元醇类,例如,可列举:二乙二醇、三乙二醇、四乙二醇和聚乙二醇等环氧乙烷加合物;二丙二醇、三丙二醇、四丙二醇和聚丙二醇等环氧丙烷加合物;作为所述低分子多元醇,可列举:环氧乙烷和/或环氧丙烷加合物和聚四亚甲基二醇等。
作为聚酯多元醇类,可列举:以上示例的低分子多元醇等多元醇、与小于其化学的多元羧酸或其酯、酸酐或卤化物等酯形成性衍生物、和/或内酯类或其水解开环而得到的羟基羧酸进行直接酯化反应和/或酯交换反应获得的物质。作为多元羧酸或其酯形成性衍生物,例如,可列举:草酸、丙二酸、琥珀酸、戊二酸、己二酸、庚二酸、辛二酸、壬二酸、癸二酸、十二烷二酸、2-甲基琥珀酸、2-甲基己二酸、3-甲基己二酸、3-甲基戊二酸、2-甲基辛二酸、3,8-二甲基癸二酸、3,7-二甲基癸二酸、氢化二聚酸和二聚酸等脂肪族二元羧酸;邻苯二甲酸、对苯二甲酸、间苯二甲酸和萘二甲酸等芳族二羧酸类;环己二羧酸等脂环族二羧酸;偏苯三酸、偏苯三酸和蓖麻油脂肪酸三聚物等三羧酸;均苯四酸等多元羧酸类等多元羧酸;作为其酯形成性衍生物,可列举:这些多元羧酸的酸酐、该多元羧酸的酰氯和酰溴等酰卤;该多元羧酸的甲酯、乙酯、丙酯、异丙酯、丁酯、异丁酯和戊酯等低级脂族酯。另外,作为所述内酯类,可列举:γ-己内酯、δ-己内酯、ε-己内酯、二甲基-ε-己内酯、δ-戊内酯、γ-戊内酯和γ-丁内酯等内酯类。
作为根据需要使用的(a3)离子性基团导入成分,可列举:导入阴离子基团的成分和导入阳离子基团的成分。作为导入阴离子基团的成分,例如,可列举:二羟甲基丙酸、二羟甲基丁酸、二羟甲基丁酸和二羟甲基戊酸等含有羧基的多元醇类;1,4-丁二醇-2-磺酸等含有磺酸基的多元醇类;作为导入阳离子性基团的成分,可列举,例如:N,N-二烷基烷醇胺、N-甲基-N,N-二乙醇胺、N-丁基-N,N-二乙醇胺等N-烷基-N,N-二烷醇胺类、三烷醇胺类。
作为根据需要使用的(a4)离子性基团中和剂成分,作为阴离子性基团中和剂,可列举,例如:三甲胺、三乙胺、三丁胺等三烷基胺;N,N-二甲基乙醇胺、N,N-二甲基丙醇胺、N,N-二丙基乙醇胺、1-二甲氨基-2-甲基-2-丙醇等N,N-二烷基烷醇胺类、N-烷基-N,N-二烷醇胺类、三乙醇胺等三烷醇胺类等叔胺化合物;氨、三甲基氢氧化铵、氢氧化钠、氢氧化钾和氢氧化锂等碱性化合物;作为阳离子基团的中和剂,可列举:甲酸、乙酸、乳酸、琥珀酸、戊二酸和柠檬酸等有机羧酸;对甲苯磺酸、磺酸烷基酯等有机磺酸;盐酸、磷酸、硝酸和磺酸等无机酸;表卤代醇等环氧化合物、以及硫酸二烷基酯、卤代烷等季铵化剂。
作为根据需要使用的(a5)扩链剂成分,可以使用一种或两种以上公知的常规扩链剂,优选多元胺化合物、多元伯醇化合物等,更优选多胺化合物。作为多元胺化合物,可列举:乙二胺、丙二胺等所述示例的低分子量二醇的醇羟基被氨基取代而得到的低分子量二胺类;聚氧丙烯二胺、聚氧乙烯二胺等聚醚二胺类;烯二胺、异佛尔酮二胺、降冰片烯二胺、双(4-氨基-3-甲基二环己基)甲烷、二氨基二环己基甲烷、双(氨基甲基)环己烷、3,9-双(3-氨基丙基)2,4,8,10-四氧杂螺(5,5)十一烷等脂环族二胺类;间二甲苯二胺、α-(间/对氨基苯基)乙胺、间苯二胺、二氨基二苯甲烷、二氨基二苯砜、二氨基二乙基二甲基二苯甲烷、二氨基二乙基二苯甲烷、二甲基硫代甲苯二胺、二乙基甲苯二胺、α,α'双(4-氨基苯基)-对二异丙基苯等芳香二胺类;肼;所述聚酯多元醇使用的多元羧酸中示例的作为二羧酸与肼的化合物的二羧酸二酰肼化合物。
在所述各成分中,作为(a1)多异氰酸酯成分优选使用二异氰酸酯化合物,特别优选使用4,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、2,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯和4,4'-二环己基甲烷二异氰酸酯、1,4-环己烷二异氰酸酯、2,4-甲苯二异氰酸酯、1,6-六亚甲基二异氰酸酯等,最优选使用4,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)。另外,作为(a2)多元醇成分,优选必须使用作为二醇化合物的环氧乙烷加成物,特别优选使用聚乙二醇。由于聚乙二醇具有优异的锂离子传导性,因此,通过制成这种构成,可以显著地表现出降低电池的内阻(抑制上升)的效果。在此,从聚乙二醇的羟值算出的数均分子量没有特别限定,优选为2500~15000,更优选为3000~13000,进一步优选为3500~10000。需要说明的是,从耐热性优异的观点出发,除了所述必需成分以外,还优选进一步使用乙二醇和/或甘油作为多元醇成分。特别是在不使用甘油而仅组合使用乙二醇的情况下,使包覆用树脂溶胀而得到的凝胶为物理交联的凝胶,可以在制造时溶解于溶剂中,可以应用于下述各种制造方法。另一方面,除了乙二醇之外还组合使用甘油时,聚氨酯树脂的主链彼此进行化学交联,此时存在如下优点:通过控制交联分子量能够任意地控制电解液中的溶胀度。
需要说明的是,聚氨酯树脂的合成方法没有特别限定,可以适当参照以往公知的见解。
(B)聚乙烯基树脂
聚乙烯基树脂的柔软性高(下述的拉伸断裂伸长率高),因此通过将其用作包覆用树脂,可以缓和随充放电反应引起的活性物质的体积变化,抑制活性物质层的膨胀。
聚乙烯基树脂的具体形式没有特别限制,将具有含有聚合性不饱和键的单体(以下,也称为“乙烯基单体”)聚合而得到的聚合物即可,可以适当参考所述公知见解。
特别是,优选含有具有羧基的乙烯基单体(b1)和由以下通式(1)表示的乙烯基单体(b2)作为乙烯基单体。
[化学式2]
CH2=C(R1)COOR2 (1)
在式(1)中,R1为氢原子或甲基,R2为碳原子数为1~4的直链烷基或碳原子数为4~36的支链烷基。
作为具有羧基的乙烯基单体(b1),可列举:(甲基)丙烯酸、巴豆酸和肉桂酸等碳原子数为3~15的单羧酸;马来酸(酐)、富马酸、衣康酸(酐)、柠康酸和中康酸等碳原子数为4~24的二羧酸;乌头酸等碳原子数为6~24的三元~四元或四元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。
所述通式(1)表示的乙烯基单体(b2)中,R1表示氢原子或甲基。R1优选为甲基。
R2为碳原子数为1~4的直链状烷基或碳原子数为4~36的支链状烷基;作为R2的具体例,可列举: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基团、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-烷基烷基和34-烷基烷基等)、以及丙烯低聚物(7~11聚体)、乙烯/丙烯(摩尔比16/1~1/11)低聚物、异丁烯低聚物(7~8聚体)和α-烯烃(碳原子数为5~20)低聚物(4~8聚体)等对应的羰基合成醇的烷基残基等一个以上的支链烷基的混合烷基等。
其中,从吸收电解液的观点出发,优选甲基、乙基和2-烷基烷基,更优选2-乙基己基和2-癸基十四烷基。
另外,构成聚合物的单体,除了具有羧基的乙烯基单体(b1)和所述通式(1)表示的乙烯基单体(b2)以外,还包含不含有活性氢的聚合性乙烯基单体(b3)。
作为不包含活性氢的聚合性乙烯基单体(b3),可列举以下(b31)~(b35)。
(B31)由碳原子数为1~20的一元醇和(甲基)丙烯酸形成的(甲基)丙烯酸羰基酯
作为所述一元醇,可列举:(i)脂族一元醇[甲醇、乙醇、正丙基和异丙基醇、正丁醇、正戊醇、正辛醇、壬醇、癸醇、月桂醇、十三烷醇、肉豆蔻醇、鲸蜡醇、硬脂醇等]、(ii)脂环族单醇[环己基醇等]、(iii)芳脂基单醇[苄基醇等]以及两种以上的混合物。
(b32)聚(n=2~30)氧化烯(碳原子数为2~4)烷基(碳原子数为1~18)醚(甲基)丙烯酸酯[甲醇环氧乙烷(以下简称EO)10mol(甲基)丙烯酸加合物、甲醇的环氧丙烷(以下简称为PO)10mol加合物(甲基)丙烯酸酯等]。
(b33)含氮乙烯基化合物
(b33-1)含酰胺基乙烯基化合物
(i)碳原子数为3~30的(甲基)丙烯酸酯化合物,例如:N,N-二烷基(碳原子数为1~6)或二芳烷基(碳原子数为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]、双丙酮丙烯酰胺
(ⅱ)除了所述(甲基)丙烯酰胺化合物,碳原子数为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(碳原子数为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(碳原子数为1~4)氨基烷基(碳原子数为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、(甲基)丙烯酸叔丁基氨基乙基酯、(甲基)丙烯酸吗啉代乙酯等]
(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-二乙氨基乙基(甲基)丙烯酸酯等]的季铵化剂(使用所述季铵化剂进行季铵化)等]
(b33-3)含杂环乙烯基化合物
吡啶化合物(碳原子数为7~14,例如2-乙烯基吡啶和4-乙烯基吡啶)、咪唑化合物(碳原子数为5~12、例如N-乙烯基咪唑)、吡咯化合物(碳原子数为6~13,例如N-乙烯基吡咯)、吡咯烷酮化合物(碳原子数为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
碳原子数为3~15的含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(碳原子数为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(碳原子数为8~16,例如硝基苯乙烯)等
(b34)乙烯基烃
(b34-1)脂肪族乙烯基烃
碳原子数为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、十二碳烯、十八碳烯等],碳原子数为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)脂环族乙烯基烃
碳原子数为4~18或其以上的环状不饱和化合物,例如环烯烃(例如环己烯烃、(二)环烷二烯[例如(二)环戊二烯]、萜烯(例如烯、柠檬烯以及茚)
(b34-3)芳族乙烯基烃
碳原子数为8~20及其以上的芳族不饱和化合物,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
脂族乙烯基酯[碳原子数为4~15,例如脂肪族羧酸(单羧酸和二羧酸)的烯基酯(例如乙酸乙烯酯、丙酸乙烯酯、丁酸乙烯酯、己二酸二烯丙基酯、乙酸异丙烯酯、甲氧基乙酸乙烯酯)]、芳香族乙烯基酯[碳原子数为9~20,例如芳族羧酸(单羧酸和二羧酸)的烯基酯(例如苯甲酸乙烯酯、邻苯二甲酸二烯丙基酯、4-乙烯基苯甲酸甲酯)、脂肪族羧酸的含芳香环的酯(例如乙酰氧基苯乙烯)]
(B35-2)乙烯基醚
脂族醚乙烯基醚[碳原子数为3~15,例如乙烯基烷基(碳原子数为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(碳原子数为1~6)烷基(碳原子数为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'-乙烯基氧基二乙基醚、乙烯基-2-乙基巯基乙基醚等]、聚(2-4)(甲基)烯丙氧基烷烃(碳原子数为2~6)[二芳氧基乙烷、三芳氧基乙烷、四芳氧基丁烷、四甲基烯丙氧基乙烷等]]
芳族乙烯基醚(碳原子数为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(碳原子数为4~25,例如乙烯基甲基酮、乙烯基乙基酮)
芳族乙烯基酮(碳原子数为9~21,例如乙烯基苯基酮)
(B35-4)不饱和二羧酸二酯
碳原子数为4~34的不饱和二羧酸二酯,例如,富马酸二烷基酯(两个烷基的碳原子数为1~22的直链、支链或脂环族基团)、烷基马来酸二烷基酯(两个烷基的碳原子数为1~22的直链、支链或脂环族基团)
以所述(b3)为示例的物质中,从电解液的吸收和耐电压的观点出发,优选为(b31)、(b32)以及(b33),进一步优选为(b31)中的(甲基)丙烯酸甲酯、(甲基)丙烯酸丁酯、(甲基)丙烯酸丁酯。
在聚合物中,具有羧基的乙烯基单体(b1)、将所述通式(1)表示的乙烯基单体(b2)和不包含活性氢的聚合性乙烯基单体(b3)的含量,将聚合物的质量作为基准,优选(b1)为0.1~80质量%,(b2)为0.1~99.9质量%,(b3)为0~99.8质量%。
单体的含量在所述范围内时,对电解液的液体吸收性变得良好。
更优选的含量为:(b1)为30~60质量%,(b2)为5~60质量%,(b3)为5~80质量%,进一步优选为:(b1)为35~50质量%,(b2)为15~45质量%,(b3)为20~60质量%。
聚合物的数均分子量的优选下限为10000,更优选为15000,特别优选为20000,最优选为30000,优选上限为2000000,更优选为1500000,特别优选1000000,最优选800000。
聚合物的数均分子量可以在以下条件下通过GPC(凝胶渗透色谱)测量来求出。
仪器: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
色谱柱固定相:PLgel 10μm、MIXED-B两根串联(PolymerLaboratories公司制造)
色谱柱温度:135℃。
聚合物的溶解度参数(SP值)优选为20.0~9.0(cal/cm3)1/2。聚合物的SP值更优选为9.5~18.0(cal/cm3)1/2,进一步优选为10.0~14.0(cal/cm3)1/2。聚合物的SP值为9.0~20.0(cal/cm3)1/2时,在吸收电解质方面优选。
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,测定方法:DSC(扫描差示热分析)法]优选为80~200℃,更优选为90~190℃,特别优选为100~180℃。
聚合物可以通过已知的聚合方法(本体聚合、溶液聚合、乳液聚合、悬浮聚合等)制造。
包覆用树脂在浸入电解液中时,优选具有适当的柔软性。具体而言,包覆用树脂在饱和吸液状态下的拉伸断裂伸长率优选为10%以上,更优选为20%以上,进一步优选为30%以上,特别优选为40%以上,最优选为50%以上。通过使用拉伸断裂伸长率为10%以上的树脂包覆电极活性物质,可以减少由于充放电反应引起的电极活性物质的体积变化,可以抑制电极的膨胀。需要说明的是,本说明书中,“拉伸断裂伸长率”是表示树脂的柔软性的指标,是通过在下述实施例的部分中说明的测定方法得到的值。优选包覆用树脂的拉伸断裂伸长率的值越大越好,上限没有特别限制,但是通常为400%以下,优选为300%以下。即,所述拉伸断裂伸长率的优选数值范围为10~400%、20~400%、30~400%、40~400%、50~400%、10~300%、20~300%、30~300%、40~300%、50~300%。
作为赋予包覆用树脂柔软性,将拉伸断裂伸长率控制为期望值的手段,可列举:将具有柔软性的部分结构(例如,长链烷基、聚醚残基、烷基聚碳酸酯残基、烷基聚酯残基)导入包覆用树脂的主链中的方法。另外,通过控制包覆用树脂的分子量或控制交联之间的分子量的方法,可以赋予包覆用树脂柔软性并调节拉伸断裂伸长率。
(导电助剂)
导电助剂在包覆剂中形成电子传导路径,降低电极活性物质层的电子转移电阻,从而有助于提高在高电池速度下的输出功率特性。
作为导电助剂,例如,可列举:铝、不锈钢(SUS)、银、金、铜和钛等金属;包含这些金属的合金和金属氧化物;石墨、碳纤维(具体而言,气相生长碳纤维(VGCF)等)、碳纳米管(CNT)、炭黑(具体而言,乙炔黑、科琴黑(注册商标)、炉黑、槽黑、感热灯黑等),但不限于此。此外,可以将粒子状的陶瓷材料或树脂材料的周围通过镀敷等进行涂敷而得到的材料用作导电助剂。在这些导电助剂中,从电稳定性的观点出发,优选包含选自铝、不锈钢、银、金、铜、钛和碳中的至少一种,更优选含有选自铝、不锈钢、银、金和碳中的至少一种,进一步优选包含至少一种碳。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。
导电助剂的形状优选为粒子或纤维的形式。导电助剂为粒子状时,粒子的形状没有特别限制,可以是任何形状,例如粉末状、球状、棒状、针状、板状、柱状、不规则形状、鳞片状和纺锤体等中的任一种。
导电性助剂为粒子状时的平均粒径(一次粒径),没有特别限定,从电池的电气特性的观点出发,优选为0.01~10μm左右。需要说明的是,在本说明书中,“粒径”是在导电助剂的轮廓线上的任意两点之间的距离中的最大距离L。“平均粒径”的值,通过使用扫描电子显微镜(SEM)或透射电子显微镜(TEM)等观察手段,作为在几个~几十个视野中观察到的粒子的粒径的平均值而得到计算的值。
包覆剂中的包覆用树脂和导电助剂的含量没有特别限定,优选包覆用树脂(树脂固体):导电助剂=1:0.2~3.0(质量比)。在此范围内,包覆剂中的导电助剂可以很好地形成电子传导路径。
(包覆电极活性物质的制造方法)
对包覆电极活性物质的制造方法没有特别限制,例如,可列举以下方法。首先,将电极活性物质放入通用混合器中,以10~500rpm搅拌的状态下,将含有包覆用树脂和溶剂的溶液(包覆用树脂溶液)以1~90分钟滴下并混合。作为此时的溶剂,可以适当地使用甲醇、乙醇和异丙醇等醇类。之后,进一步添加并混合导电添加剂。然后,在搅拌下将温度升高至50~200℃,减压至0.007~0.04MPa后,将温度保持10~150分钟,以得到包覆电极活性物质。
(导电部件)
在本实施方式中,导电部件具有在电极活性物质层中形成电子传导路径的功能。特别地,优选导电部件的至少一部分形成导电通路,该导电通路对电极活性物质层的两个主表面(在本实施方式中,形成使电极活性物质层的与电解质层侧接触的第一主表面与电极活性物质的与集电体接触的第二主表面的电连接的导电通路)进行电连接。通过具有该方式,为使电极活性物质层中的厚度方向的电子转移电阻进一步降低,可以进一步提高电池在高速度时的电池输出功率特性。需要说明的是,导电部件的至少一部分是否形成如下导电通路:该导电通路使电极活性物质层的两个主表面(在本实施方式中,形成将电极活性物质层的与电解质层侧接触的第一主表面和电极活性物质层的与集电体接触的第二主表面电连接的导电通路)电连接,通过使用SEM或光学显微镜观察电极活性物质层的截面来确定。
导电部件优选是具有纤维状的形态的导电性纤维。具体而言,使用PAN类碳纤维、沥青类碳纤维的碳纤维、高导电性金属或石墨均匀地分散于合成纤维中而得到的导电性纤维、以及不锈钢等金属纤维化而得到的金属纤维、有机纤维的表面由金属包覆而得到的导电性纤维、有机纤维的表面由含有导电性物质的树脂包覆而得到的导电性纤维等。其中,由于导电性优异并且重量轻,故优选碳纤维。
负极活性物质层中的导电部件的含量相对于负极活性物质层的固体成分量(全部材料的固体成分的总和)100质量%,优选为1~20质量%,更优选为2~15质量%。导电部件的含量在所述范围内时,可以在电极活性物质层中良好地形成电子传导路径,并且可以抑制电池的能量密度的降低。
(离子导电性聚合物)
作为离子导电性聚合物,可列举:聚环氧乙烷(PEO)类聚合物以及聚环氧丙烷(PPO)类聚合物。
(锂盐)
作为锂盐(支持盐),可列举:LiPF6、LiBF4、LiSbF6、LiAsF6LiClO4、Li[(FSO2)2N](LiFSI)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(离子液体)等。其中,从电池输出管理和充放电循环特性的观点出发,优选LiPF6和Li[(FSO2)2N](LiFSI)。
需要说明的是,在本实施方式的双极型二次电池中,作为电极活性物质层的构成材料,可以适当使用所述电极活性物质、包覆剂(包覆用树脂、导电助剂)和根据需要使用的导电部件、离子导电性聚合物和锂盐之外的材料。然而,从提高电池的能量密度的观点出发,优选不含有对充放电反应的进行没有显着贡献的材料。在此,在本实施方式的双极型二次电池中,电极活性物质层(正极活性物质层和负极活性物质层)是不会通过加热使电极活性物质(正极活性物质和负极活性物质)进行了晶体化而得到的粘合剂而进行粘结,即优选所谓的“非结合体”。为了使电极活性物质层制成非粘合剂,优选尽量不使用用于使电极活性物质粒子和其他成分粘结以保持电极活性物质层的结构而添加的粘合剂。即,相对于电极活性物质层中所含的总固体成分量100质量%,电极活性物质层中粘合剂的含量优选为10质量%以下,更优选为5质量%以下,并且优选为2质量%以下,特别优选为1质量%以下,最优选0质量%。需要说明的是,在电极活性物质层中包含粘合剂时,从维持电极活性物质层的结构的观点出发,粘合剂优选包含柔软性低的材料。具体而言,粘合剂在饱和液体吸收状态下的拉伸断裂伸长率优选为10%以下,更优选为7%以下,进一步优选为5%以下,特别优选为3%以下,最优选为1%以下。
在本实施方式的双极型二次电池,就电极活性物质层的厚度而言,关于正极活性物质层,优选为150~1500μm,更优选为180~950μm,更优选200~800μm。另外,负极活性物质层的厚度优选为150~1500μm,更优选为180~1200μm,更优选为200~1000μm。电极活性物质层的厚度在所述下限以上时,可以充分增加电池的能量密度。另一方面,当电极活性物质层的厚度在所述上限值以下时,可以充分保持电极活性物质层的结构。
就电极活性物质层的孔隙率而言,关于正极活性物质层,优选为35.0~50.0%,更优选为40.0~49.5%,进一步优选为42.0~49.0%。另外,负极活性物质层的孔隙率优选为39.0~60.0%,更优选为39.5~55.0%,进一步优选为40.0~50.0%。若电极活性物质层的孔隙率为所述下限值以上,则在电极活性物质层的形成中涂布电极活性物质层用浆料,然后需要提高对涂膜进行压制时的压制压力。结果,可以适当地形成具有期望的厚度和面积的电极活性物质层。另一方面,若电极活性物质层的孔隙率在所述上限值以下,可以充分维持电极活性物质层中的电子导电性材料(导电助剂、电极活性物质、导电部件等)彼此之间的接触,可以防止电子转移电阻的增大。结果,电极活性物质层整体中(特别是在厚度方向上),充放电反应可以在整个表面均匀地进行,可以防止电池的输出功率特性的降低(特别是高速度时的输出功率特性)。需要说明的是,本说明书中,可以通过以下方法来测量电极活性物质层的孔隙率。只要得到相同的值即可,可以使用通过其他方法测量的值。
(电极活性物质层的孔隙率的测定方法)
电极活性物质层的孔隙率根据下式(1)算出。需要说明的是,所述间隙的一部分中可以存在电解液。
式(1):孔隙率(%)=100-电极活性物质层的固体成分体积占有率(%)
在此,电极活性物质层的“固体成分体积占有率(%)”由下式(2)计算。
式(2):固体成分体积占有率(%)=(固体材料体积(cm3)/电极活性物质层体积(cm3))×100
需要说明的是,电极活性物质层体积由电极的厚度和涂布面积计算。另外,固体物料的体积通过以下工序确定。
(a)称量电极活性物质层用浆料中所含的各材料的量。
(b)将电极活性物质层用浆料涂布于集电体的表面,然后,称量集电体和涂膜的重量。
(c)对涂布后的浆料进行压制,称重压制后的集电体和涂膜的重量。
(d)将压制时吸出的电解液量通过“(c)中得到的值-(b)中得到的值”计算。
(e)根据(a)、(c)和(d)的值,计算出压制后的电极活性物质层中的各材料的质量。
(f)从(e)计算出的各材料的质量和各材料的密度来计算电极活性物质层中的各材料的体积。
(g)从(f)中计算的各材料体积中,将固体材料体积相加来计算固体材料的体积。
另外,就电极活性物质层的密度而言,关于正极活性物质层,优选为2.10~3.00g/cm3,更优选为2.15~2.70g/cm3,进一步优选为2.17~2.60g/cm3。另外,负极活性物质层的密度优选为0.60~1.20g/cm3,更优选0.70~1.00g/cm3,更优选为0.80~0.91g/cm3。电极活性物质层的密度在所述下限值以上时,可以得到具有充分能量密度的电池。另一方面,电极活性物质层的密度在所述上限值以下时,可以防止所述负极活性物质层的孔隙率降低。若抑制孔隙率的降低,则可以充分确保将空隙填充的电解液,可以防止负极活性物质层中的离子传递阻力的增大。结果,可以抑制电池的输出功率特性(特别是高速度时的输出功率特性)的下降。需要说明的是,在本说明书可以通过以下方法测量负极活性物质层的密度。只要得到相同的值即可,可以使用通过其他方法测量的值。
(活性物质层的密度的测定方法)
活性物质层的密度根据下式(3)算出。
式(3):电极密度(g/cm3)=固体材料的质量(g)÷电极体积(cm3)
需要说明的是,固体材料的质量是指在所述(e)中得到的压制后电极中的各材料的质量中,仅将固体材料的质量相加算出。电极体积由电极厚度和涂布面积计算得出。
<电极的制造方法>
本发明的一个实施方式涉及一种电池用电极的制造方法。根据该方式的电池用电极的制造方法,制造了电池用电极,其包括集电体以及设置于所述集电体表面的且含有电极活性物质的电极活性物质层。以该方式制造的电池用电极,例如,可以用作所述实施方式的双极型电池等的非水电解质二次电池的电极。
根据本实施方式的电极的制造方法必须包括以下工序:将电极活性物质分散于溶剂中而成的电极活性物质浆料涂布于集电体的表面以形成电极活性物质层(涂布工序)。
在此,根据本实施方式的电极的制造方法具有如下特征:涂布液所具有的流动特性、以及涂布工序中的涂布速度的组合。根据本发明的一个实施方式的电池用电极的制造方法,可以形成表面平坦度得到提高的电极活性物质层而无需增加粘合剂的添加量。因此,本发明对于电池的高能量密度化和改善循环耐久性等电池特性这两者均有效。
以下,包括所述特征都是将详细说明根据本实施方式的电池用电极的制造方法。
(电极活性物质浆料)
电极活性物质浆料是主要含有电极活性物质和溶剂的混合物,通常是将含有电极活性物质的固体成分分散于溶剂中的分散液。在此,关于电极活性物质浆料中所含的固体成分((包覆)电极活性物质、导电性部件、离子导电性聚合物、锂盐等)的具体构成(种类、含量等),由于可以采用与所述双极型二次电池的实施方式一栏中的记载相同的构成,这里省略详细说明。此外,可以根据需要将少量的粘合剂添加到涂布溶液中。但是,如上所述,粘合剂的含量相对于电极活性物质层中所含的固体成分量100质量%,优选为10质量%以下,更优选为5质量%以下,并且优选2质量%以下,特别优选1质量%以下,最优选0质量%。
构成电极活性物质浆料的溶剂没有特别限制,例如,优选使用构成现有的非水电解质二次电池中的液体电解质(电解液)的有机溶剂。作为可用于构成涂布液的溶剂的有机溶剂,可列举:碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)和碳酸乙基甲基酯等碳酸酯类。此外,构成电池的液体电解质(电解液)可以直接用作本工序中的电极活性物质浆料的溶剂。根据该构成,制造工序非常简单,此时,除有机溶剂,涂布液中含有几种固体成分(例如,添加到锂盐或电解液中的各种添加剂)。需要说明的是,作为液体电解质(电解液),可以使用具有与电池的电解质层所含的液体电解质(电解液)相同组分的物质,也可以使用具有不同组分的物质。从通过省略干燥工序而简化制造工序的观点出发,优选各成分具有相同的组分。
作为锂盐,可以同样地使用上述物质。另外,作为添加剂,例如,可列举:碳酸亚乙烯酯、甲基碳酸亚乙烯酯、二甲基碳酸亚乙烯酯、苯基碳酸亚乙烯酯、二苯基碳酸亚乙烯酯、乙基碳酸亚乙烯酯、二乙基碳酸亚乙烯酯、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、炔丙基碳酸亚乙酯、乙炔氧基甲基碳酸亚乙酯、炔丙氧基碳酸亚乙酯、亚甲基碳酸亚乙酯、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、甲基碳酸亚乙烯酯和乙烯基碳酸亚乙酯,更优选碳酸亚乙烯酯和乙烯基碳酸亚乙酯。这些环状碳酸酯中可以单独使用一种,也可以组合使用两种以上。
如上所述,该工序中使用的电极活性物质浆料的特征在于其流动特性。具体而言,本工序中使用的电极活性物质浆料,在该电极活性物质浆料的剪切速度(横轴)-剪切应力(纵轴)曲线中具有以下流动特性。
“存在剪切应力不随剪切速度的增加而增加的区域A,并且在剪切速度高于所述区域A的剪切速度的区域中,存在区域B,所述区域B中,随着剪切速度的增加,剪切应力增加,并且剪切应力的增加率减少”。
需要说明的是,在剪切速度-剪切应力曲线上点的切线斜率,相当于该剪切速度下的电极活性物质浆料的粘度。因此,剪切应力的变化少意味着切线斜率(即粘度的变化)小。即,所述电极活性物质浆料具有如下流动特性:随着剪切速度的增加,粘度在一段时间内几乎不发生变化,在某一点区域中粘度增加,然后粘度再次降低。
图2是显示所述流动特性的电极活性物质浆料的剪切速度(横轴)-剪切应力(纵轴)曲线(纵轴和横轴均为对数标度,另请参见以下示例)。此处,通过使用TA Instruments制造的AR-200流变仪,在0.01~1000[1/s]的范围内测定剪切速度而得到的剪切速度(横轴)-剪切应力(纵轴)曲线进行判定,确定电极活性物质浆料是否具有这样的流动特性。需要说明的是,关于详细的测量条件(测量夹具和测量协议),采用下述的示例栏所记载的形式。
对于表现出所述预定流动特性的电极活性物质浆料的制造方法没有特别限制。举例,通过调整电极活性物质以及含有溶剂的电极活性物质浆料中的固体成分浓度,可以制备显示所述制定流动特性的电极活性物质浆料。具体而言,本发明的电极活性物质浆料的固体成分浓度,在该电极活性物质浆料用于形成正极活性物质层的情况下(即,该涂布液为正极活性物质浆料的情况下)优选为60质量%以上,更优选为62质量%以上,进一步优选为64质量%以上,特别优选为66质量%以上,最优选为68质量%以上。另外,该涂布液用于形成负极活性物质层时(即,该涂布液为负极活性物质浆料时),优选为40质量%以上,更优选为42质量%以上,并且优选44质量%以上,特别优选为46质量%以上,最优选为48质量%以上。另一方面,本实施方式的电极活性物质浆料的固体成分浓度的上限没有特别限定,就本实施方式的电极活性物质浆料的固体成分浓度而言,该电极活性物质浆料用于形成正极活性物质层时(即,浆料为正极活性物质浆料时),其含量优选为80质量%以下。另外,该电极活性物质浆料用于形成负极活性物质层时(即,浆料为负极活性物质浆料时),该含量优选为55质量%以下。浓度在所述范围内时,可以在下述涂布工序中容易地形成具有充分厚度的电极活性物质层。另外,容易通过根据需要执行压制处理来调节孔隙率和密度。并且,即使是相同的固体成分浓度,随着溶剂中所含粒子的尺寸减小,溶剂中所含粒子的数量也会增加。结果,存在于溶剂中的任意粒子的周围存在的粒子增加,粒子之间的距离减小,因此,使得粒子间相互作用增大,存在流动性降低的趋势。因此,粒径小时,通过降低所述固体成分浓度,可以将流动特性调节为与使用粒径不同的粒子时相同的流动特性。
需要说明的是,本实施方式的电池用电极的制造方法如上所述,特征在于,电极活性物质浆料具有的流动特性与涂布工序中的涂布速度相结合。然而,根据本发明的另一实施方式,本发明也可以提供指定“电极活性物质浆料的组分”代替“电极活性物质浆料的流动特性”的发明。具体而言,根据本发明另一实施方式的“电极活性物质浆料”必须含有电极活性物质粒子和溶剂,指定了所述固体含量浓度的下限值和粘合剂含量的上限值。另外,该“电极活性物质浆料”含有的电极活性物质优选为包覆电极活性物质。此外,“电极活性物质浆料”优选进一步包含导电部件、离子导电性聚合物和锂盐中的至少一种,更优选包含所有这些。
在此,关于通过对电极活性物质浆料所含有的各成分进行混合来制备电极活性物质浆料的方法没有特别限制,可以适当地参考各成分的添加顺序、混合方法等的常规已知见解。然而,由于所述电极活性物质浆料的固体浓度较高,因此作为用于混合各种材料的混合器,优选使用能够赋予高剪切力的混合器。具体而言,优选行星式混合器、捏合机、均化器、超声均化器和分散器等叶片式搅拌器,从捏合的观点出发,特别优选行星式混合器。另外,混合的具体方法没有特别限定,优选以高于最终固体成分浓度的固体成分浓度进行固化混炼后,追加溶剂成分并且进行混合,由此制备电极活性物质浆料。需要说明的是,混合时间没有特别限制,只要实现均匀混合即可。作为示例,只要分别进行10~60分钟左右的固化混炼以及之后的混合即可,各工序可以执行一次,也可以分为数次执行。
(涂布工序)
在涂布工序中,将所述电极活性物质浆料涂布于集电体表面以形成涂膜。在此,如上所述,本实施方式的电极活性物质浆料,如图2所示,所述电极活性物质浆料的剪切速度(横轴)-剪切应力(纵轴)曲线中,具有如下流动特性。
“存在剪切应力不随剪切速度的增加而增加的区域A,并且在剪切速度高于所述区域A的剪切速度的区域中,存在区域B,所述区域B中,随着剪切速度的增加,剪切应力增加,同时剪切应力的增加率减少。”
或者根据本发明的其他实施方式中,电极活性物质浆料是具有由所述固体浓度所限定的成分。
在所述涂布工序中,以如下涂布速度涂布所述电极活性物质浆料:使涂布时的剪切速度成为能够施加所述电极活性物质浆料的屈服应力以上的剪切应力的值。此处,“屈服应力”是通过在图2所示的0.01~1000[1/s]的范围内测定剪切应力而得到的剪切速度(横轴)-剪切应力(纵向)曲线,在该曲线中,将剪切速度低的一侧的值朝纵轴(剪切速度的直线=0.0001[1/s])外推时得到截距的值,作为剪切应力。在本实施方式的电池用电极的制造方法的涂布工序中,以该涂布速度进行涂布,使得施加屈服应力以上的剪切应力。此处,鉴于所述电极活性物质浆料的流动特性,与以所述方式得到的屈服应力的值相对应的剪切速度的值存在于剪切速度高于区域A中的剪切速度的区域(见图2所示的剪切速度=14[1/s])。然后,通过设置涂布速度,得到剪切速度的值(施加电极活性物质浆料的屈服应力对应的剪切应力的值)以上的剪切速度(即,剪切速度为14[1/s]以上),由此进行涂布,使得施加屈服应力以上的剪切应力。需要说明的是,通过涂布速度[mm/s]的值除以通过涂布得到的涂膜的厚度[mm]的值来算出涂布时的剪切速度的值。由此,在图2所示的情况下,若涂膜的厚度为500[μm](=0.5[mm]),则涂膜速度为(14×0.5=)7[mm]/s]以上,剪切速度可以为14[1/s]以上。涂布时的剪切速度的上限值并无特别限制,剪切速度的值越大(即,涂布速度越高),工业批量生产越优选。从该观点出发,剪切速度的下限值优选为10[1/s]以上,更优选为30[1/s]以上,进一步优选为100[1/s]以上,更优选为300[1/s]以上,特别优选为500[1/s]以上,最优选为800[1/s]以上。另一方面,作为剪切速度的上限值,例如为1000[1/s]以下。
通过在涂布工序中涂布电极活性物质浆料而得到的涂膜的厚度并无特别限制,可以适当设定以实现所述电极活性物质层的厚度。
对于在涂布工序中进行涂布的涂布装置并无特别限制,适宜使用如下涂布手段:以如下涂布速度涂布所述电极活性物质浆料,使涂布时的剪切速度成为能够施加所述电极活性物质浆料的屈服应力以上的剪切应力的值。其中,通过从狭缝将电极活性物质浆料喷出而进行涂布的狭缝模头涂布机方式,由于薄膜涂布以及涂布厚度均匀性优异,因此是优选的涂布方法的实例。
本实施方式的电池用电极的制造方法中,优选在涂布电极活性物质浆料以得到涂膜之后,不对得到的涂膜进行加热干燥处理。在电极活性物质浆料涂布后不进行加热和干燥的情况下,在施加电极活性物质浆料之后难以将电极切成期望的面积。因此,在本实施方式的电池用电极的制造方法中,需要将电极活性物质浆料涂布于集电体表面并使得具有期望的面积。因此,可以预先对除涂布部分以外的集电体的表面进行掩模处理等。
本实施方式的电池用电极的制造方法中,可以对通过涂布电极活性物质浆料而得到的涂膜进行压制处理。进行该压制处理时,优选在多孔膜设置于涂膜的表面时进行压制。通过进行所述压制处理,可以得到表面均匀性高的电极活性物质层。需要说明的是,在对涂膜进行压制时,多孔片出于防止浆料在压制涂膜时附着于压制装置的目的,吸收压制时渗出的多余电解液的目的等使用。因此,对多孔片的材料和形式没有特别限制,能够实现所述目的即可。
列举一个实例,作为多孔膜,可以使用与在技术领域中用作隔膜的微多孔膜、无纺布等相同的物质。具体而言,作为微多孔膜,可列举:聚酰亚胺、芳纶、聚偏二氟乙烯-六氟丙烯(PVdF-HFP)等的烃类树脂、玻璃纤维等制成的微多孔膜。另外,作为无纺布可列举:单独或混合使用棉、人造丝、醋酸纤维、尼龙和聚酯;PP和PE等聚烯烃;聚酰亚胺、芳纶等得到的无纺布。
需要说明的是,所述多孔片可以在压制后去除,也可以直接用作电池隔膜。压制后将多孔片直接用作隔膜时,可以仅使用多孔片作为隔膜,也可以将多孔片与其他隔膜(即两层以上的隔膜)组合使用来形成电解质层。
用于进行压制处理的压制装置优选为能够对涂膜的整个表面均匀地施加压力的装置,具体而言,可以使用高压千斤顶J-1(AS ONE株式会社制造)。压制时的压力没有特别限定,优选为5~40MPa,更优选为10~35MPa,进一步优选为12~30MPa。压力在所述范围内时,可以容易地实现所述优选实施方式的电极活性物质层的孔隙率和密度。
<电极以外的技术特征>
如上所述,在本发明的优选实施方式的双极型二次电池的技术特征中,已经详细说明了电极及其制造方法,关于其他技术特征可以适宜参见常规已知的见解。
(电解质层)
对本实施方式的电解质层中使用的电解质没有特别限制,可以使用液体电解质、凝胶聚合物电解质或离子液体电解质而没有任何限制。通过使用这些电解质,可以确保高的锂离子传导性。
液体电解质具有作为锂离子的载体的功能。构成电解质层的液体电解质具有将锂盐溶解于溶剂中的形态。作为要使用的溶剂和锂盐,例如,所述方式的电池用电极的制造方法中,用于构成电极活性物质浆料的溶剂以及锂盐的示例,可以使用相同的物质。此外,在液体电解质中可以进一步包含所述添加剂。需要说明的是,在液体电解质中的锂盐的浓度优选为0.1~3.0M,更优选为0.8~2.2M。另外,使用添加剂时的使用量相对于添加添加剂之前的液体电解质100质量%,优选为0.5~10质量%,更优选为0.5~5质量%。
凝胶聚合物电解质具有将所述液体电解质注入包含离子导电性聚合物的基质聚合物(主体聚合物)中的构成。通过使用凝胶聚合物电解质作为电解质,从失去电解质的流动性,在容易阻断各层之间的离子导电性方面优选。作为用作基质聚合物(主体聚合物)的离子导电性聚合物,例如,可列举:聚环氧乙烷(PEO)、聚环氧丙烷(PPO)、聚乙二醇(PEG)、聚丙烯腈(PAN)、聚偏二氟乙烯-六氟丙烯(PVdF-HEP)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)及它们的共聚物等。
凝胶聚合物电解质的基体聚合物通过形成交联结构可以表现出优异的机械强度。为了形成交联结构,可以使用合适的聚合引发剂,对高分子电解质形成用的聚合性聚合物(例如,PEO或PPO)施加热聚合、紫外线聚合、辐射聚合、电子束聚合等聚合处理。
通过将锂盐溶解于离子液体中来得到离子液体电解质。需要说明的是,离子液体是仅由阳离子和阴离子组成的盐,且在常温下为液体的一系列化合物。
构成离子液体的阳离子成分优选为选自由被取代或未被取代的咪唑离子、被取代或未被取代的吡啶/>离子、被取代或未被取代的吡咯/>离子、被取代或未被取代的吡唑/>离子、被取代或未被取代的吡咯啉/>离子、被取代或未被取代的吡咯烷/>离子、被取代或未被取代的哌啶/>离子、被取代或未被取代的三嗪离子和被取代或未被取代的铵离子中的至少一种。
构成所述离子液体的阴离子成分的具体例子,可列举:氟离子、氯离子、溴离子、碘离子等卤化物离子;硝酸根离子(NO3 -)、四氟硼酸根离子(BF4 -)、六氟磷酸根离子(PF6 -)、(FSO2)2N-、AlCl3 -、乳酸根离子、乙酸根离子(CH3COO-)、三氟乙酸根离子(CF3COO-)、甲烷磺酸根离子(CH3SO3 -)、三氟甲烷磺酸离子(CF3SO3 -)、双(三氟甲烷磺酰)酰亚胺离子((CF3SO2)2N-)、双(五氟乙基磺酰基)酰亚胺离子((C2F5SO2)2N-)、BF3C2F5 -、三(三氟甲烷磺酰)碳酸离子((CF3SO2)3C-)、高氯酸根离子(ClO4 -)、双氰胺离子((CN)2N-)、有机硫酸根离子、有机磺酸盐酸离子、R1COO-、HOOCR1COO-、-OOCR1COO-、NH2CHR1COO-(其中,R1为取代基,含有脂族烃基、脂环烃基、芳族烃基、醚基、酯基或酰基,且所述取代基可以包含氟原子)等。
作为优选的离子液体的例子,可列举:1-甲基-3-甲基咪唑和双(三氟甲磺酰基)酰亚胺、N-甲基-N-丙基吡咯/>双(三氟甲磺酰基)酰亚胺。这些离子性液体可以单独使用一种,也可以组合使用两种以上。
离子液体电解质中使用的锂盐和添加剂与所述液体电解质中使用的锂盐和添加剂相同。
在该实施方式的双极型二次电池中,电解质层中可以使用隔膜。隔膜具有保持电解质并确保正极和负极之间的锂离子传导性的功能,以及用作正极和负极之间的分隔物的功能。特别使用液体电解质及离子液体电解质作为电解质时,优选使用隔膜。
作为隔膜的形式,例如,可列举:吸收并保持所述电解质的聚合物或纤维构成的多孔状的隔膜或无纺布隔膜等。
作为由聚合物或纤维制成的多孔片的隔膜,例如,可以使用微多质(微多孔膜)。作为该聚合物或纤维制成的多孔片的具体形式,例如,可列举:聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)等聚烯烃;将这些的多层叠层而成的叠层体(例如,具有PP/PE/PP等的三层结构的叠层体等)、聚酰亚胺、芳纶、聚偏二氟乙烯-六氟丙烯(PVdF-HFP)等的烃类树脂、玻璃纤维等制成的微多孔质(微多孔膜)隔膜。
微多孔质(微多孔膜)隔膜的厚度,根据预期用途而不同,因此不能一概而论地定义。举例而言,在电动车辆(EV)、混合动力电动车辆(HEV)、燃料电池车辆(FCV)等电动机驱动的二次电池等应用中,优选隔膜的厚度是单层或多层为4~60μm。优选所述微多孔质(微多孔膜)隔膜的微多孔直径最大为1μm以下(通常,约几十nm的孔径)。
作为无纺布,可列举:棉、人造丝、醋酸纤维、尼龙和聚酯;PP和PE等聚烯烃;聚酰亚胺、芳族聚酰胺等常规已知的材料单独使用或混合使用的无纺布。另外,对无纺布的体积密度,可以通过浸渍的高分子凝胶电解质得到充分的电池特性即可,并无特别限制。另外,无纺布隔膜的厚度可以与电解质层相同,优选5~200μm,特别优选为10~100μm。
另外,优选作为所述微多孔质(微多孔膜)隔膜或无纺布隔膜作为树脂多孔基层,将耐热绝缘层叠层于该多空基层上得到的物质用作隔膜(具有耐热绝缘层的隔膜)。耐热绝缘层是包含无机粒子和粘合剂的陶瓷层。作为具有耐热绝缘层的隔膜,熔点或热软化点为150℃以上,优选使用200℃以上的高耐热性隔膜。通过具有耐热绝缘层,使随着温度升高而增加的隔膜的内部应力得到缓和,从而可以得到抑制热收缩的效果。结果,可以防止在电池的电极之间发生短路,因此得到不易由温度升高引起性能下降的电池结构。另外,通过具有耐热绝缘层,具有耐热绝缘层的隔膜的机械强度得以提高,隔膜不易发生破损。此外,由于热收缩抑制效果以及高机械强度,因此在电池制造过程中隔膜不易卷曲。
耐热绝缘层中的无机粒子有助于耐热绝缘层的机械强度和抑制热收缩的效果。作为无机粒子的材料没有特别限制,可列举:硅、铝、锆和钛的氧化物(SiO2、Al2O3、ZrO2、TiO2)、氢氧化物和氮化物及它们的复合物。这些无机粒子可以是勃姆石、沸石、磷灰石、高岭土、莫来石、尖晶石、橄榄石和云母等源自矿物资源的物质,也可以是人工生产的物质。另外,这些无机粒子可以单独使用一种,也可以组合使用两种以上。其中,从成本的观点出发,优选使用二氧化硅(SiO2)或氧化铝(Al2O3),更优选使用氧化铝(Al2O3)。
无机粒子的单位面积重量没有特别限制,优选为5~15g/m2。在此范围内,可得到充分的离子电导率,从保持耐热性的观点出发优选。
耐热绝缘层中的粘合剂具有使无机粒子之间粘合、无机粒子与树脂多孔基材层粘合的作用。由于该粘合剂,稳定地形成耐热绝缘层,防止树脂多孔基底层和耐热绝缘层之间的剥离。
用于耐热绝缘层的粘合剂没有特别限制,例如,羧甲基纤维素(CMC)、聚丙烯腈、纤维素、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物,聚氯乙烯、丁苯橡胶(SBR)、异戊二烯橡胶、丁二烯橡胶、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚氟乙烯(PVF)和丙烯酸甲酯等化合物可用作粘合剂。其中,优选使用羧甲基纤维素(CMC)、丙烯酸甲酯或聚偏二氟乙烯(PVDF)。这些化合物可以单独使用一种,也可以组合使用两种以上。
耐热绝缘层中的粘结剂的含量相对于耐热绝缘层100质量%优选为2~20质量%。粘合剂的含量为2质量%以上时,可以提高耐热绝缘层与多孔质基底层之间的剥离强度,可以提高隔膜的耐振动性。另一方面,粘合剂的含量为20质量%以下时,适当保持无机粒子之间的间隙,确保充分的锂离子传导性。
就具有耐热绝缘层的隔膜的热收缩率而言,在150℃和2gf/cm2条件下保持1小时后,MD和TD的热收缩率优选为10%以下。通过使用具有高耐热性的材料,热量产生变高,电池内部温度达到150℃时,也可以有效地防止隔膜的收缩。结果,可以防止在电池的电极之间发生短路,从而得到不易由于发生由温度升高引起的性能降低的电池构成。
[正极集电板和负极集电板]
对构成集电板(25、27)的材料没有特别限制,可以使用通常用作锂离子二次电池的集电板的公知的高导电性材料。作为集电板的构成材料,例如,优选铝、铜、钛、镍、不锈钢(SUS)或其合金的金属材料。从重量轻、耐腐蚀性和高导电性的观点出发,更优选铝和铜,特别优选铝。需要说明的是,正极集电板25和负极集电板27可以使用相同的材料,也可以使用不同的材料。
[正极引线和负极引线]
另外,尽管未显示,集电体11和集电板(25、27)可以经由正极引线或负极引线进行电连接。作为正极和负极引线的构成材料,同样可以采用在已知的锂离子二次电池中使用的材料。需要说明的是,从外装体引出的部分可能会与周围设备或布线等接触,引起漏电,为不影响产品(例如,汽车部件、尤其是电子设备等),优选以隔热热缩管等进行包覆。
[密封部(绝缘层)]
密封部(绝缘层)具有防止集电体彼此接触以及单电池层的端部发生短路的功能。作为构成密封部的材料,只要具有绝缘性、防止固体电解质脱落的密封性、防止水分从外部渗透(密封性)、电池工作温度下的耐热性等的材料即可。例如,可以使用丙烯酸类树脂、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、橡胶(乙烯-丙烯-二烯橡胶:EPDM)等。此外,可以使用异氰酸酯类粘合剂、丙烯酸类树脂类粘合剂、氰基丙烯酸酯类粘合剂等,也可以使用热熔粘合剂(聚氨酯树脂、聚酰胺树脂、聚烯烃树脂)等。其中,从耐腐蚀性、耐化学药品性、制造的容易性(成膜性)、经济性等观点出发,优选将聚乙烯树脂或聚丙烯树脂用作绝缘层的构成材料,优选使用非结晶性聚丙烯树脂为主要成分的对乙烯、丙烯和丁烯进行共聚而得到的树脂。
[电池外装体]
作为电池外装体,除了可以使用公知的金属罐壳体以外,还可以使用如图1所示以可以包覆发电元件、且使用了包含铝层压膜29的袋状壳体。作为层压膜,例如,可以使用按顺序叠层PP、铝和尼龙的三层结构的层压膜等,并无任何限制。从高输出功率和冷却性能优异,可以适用于EV、HEV用大型设备用电池的观点出发,优选层压膜。另外,由于可以容易地调整从外部施加到发电元件的组压力,容易地将电解质层的厚度调节到期望值,因此,外装体更优选为铝酸盐层压板。
由于本实施方式的双极型二次电池具有所述的非水电解质二次电池用负极,因此可以提高高速度时输出功率特性。因此,本实施方式的双极型二次电池适合用作EV、HEV的驱动用电源。
[电池单元尺寸]
图3表示作为二次电池的代表性实施方式的扁平锂离子二次电池的外观的立体图。
如图3所示,扁平双极型二次电池50具有矩形扁平形状,从其两侧引出用于取出电力的正极片58、负极片59。发电元件57被双极型二次电池50的电池外装体(叠层膜52)包裹,对其周围进行热熔接,发电元件57将正极片58和负极片59导出至外部的状态进行密封。在此,发电元件57相当于所述图1所示的双极型二次电池10的发电元件21。发电元件57中,双极型电极23通过隔着电解质层17多层叠层而成。
需要说明的是,所述锂离子二次电池不限于堆叠型扁平形状的电池。卷绕型锂离子二次电池可以是具有圆筒形状的物质,也可以是使圆筒形状变形的物质,也可以是制成矩形扁平形状的物质等,并无特别限制。所述圆筒形状的物质,可以将叠层膜用于其外装体,也可以使用现有的圆筒形罐(金属罐)等,并无特别限制。优选发电元件由铝层压膜包覆。通过该形态,可以实现轻质化。
另外,关于图3中所示的片(58、59)的导出,没有特别限制。正极片58和负极片59可以从同一边导出,或者可以分别将正极片58和负极片59分成多部分,从各边导出,不受图3所示物质的限制。另外,卷绕型锂离子电池中,使改变引片,例如只要用圆筒形罐(金属罐)形成端子即可。
在普通的电动车辆中,电池存储空间约为170L。由于在该空间中收纳充放电控制装置等辅助设备,因此普通电池的存储空间效率约为50%。该空间中的电池单元装载效率为控制电动车辆的续航距离的因素。若单电池的尺寸减小,则所述装载效率受损,不能确保续航距离。
因此,在本发明中,优选发电元件以外装体包覆的电池结构体为大型。具体而言,叠层型电池的短边的长度优选为100mm以上。该大型电池可用于车辆。在此,层压电池的短边的长度是指最短的边。短边的长度的上限没有特别限制,通常为400mm以下。
[体积能量密度和额定放电容量]
在普通电动车辆中,市场需求是一次充电的行驶距离(续航距离)为100km。考虑到上述续航距离,优选电池的能量密度为157Wh/L以上,额定容量为20Wh以上。
另外,作为与电池的物理尺寸的大小的观点不同的大型化电极的观点,可以从电池面积与电池容量之间的关系来对电池的大型化进行规定。例如,在扁平叠层型叠层电池的情况下,电池面积与额定容量(包括电池外装体的电池的投影面积)之比的值为5cm2/Ah以上,额定容量为3Ah以上的电池中,单位容量的电池面积大,使得本发明的问题容易更明显。即,伴随负极活性物质层的增厚的离子转移电阻和电子转移电阻使得充放电反应不仅在负极活性物质层的厚度方向上而且在平面方向上难以均匀地进行,电池的输出功率特性(尤其是高速度时的高输出功率特性)容易更进一步降低。因此,因此本实施方式的非水电解质二次电池优选为上述的大型电池,从基于本申请发明的作用效果的显现及产生的优点更大方面出发,优选。并且,矩形电极的长径比优选为1~3,更优选为1~2。需要说明的是,将电极的长径比定义为矩形正极活性物质层的长宽比。通过将长径比设置于上述范围内,可以兼顾车辆所需的性能和搭载空间这两者的优点。
[组电池]
组电池通过连接多个电池而形成。具体而言,至少使用两个以上,通过将其串联和并联或者以这两种方式构成。通过串联和并联可以自由调节容量和电压。
多个电池可以串联或并联连接以形成可安装拆卸的小型组电池。然后,进一步串联或并联连接多个可安装拆卸的小型组电池,还可以形成要求高体积能量密度、高体积输出功率密度的车辆驱动用电源,以及适合于辅助电源具有大容量和大输出功率的电池组。
[车辆]
本实施方式的非水电解质二次电池即使长期使用也可以维持放电容量,具有良好的循环特性。并且,与电气、便携电子设备用途相比,体积能量密度高。在电动汽车、混合动力电动汽车、燃料电池汽车和混合燃料电池汽车等车辆用途中,需要高容量、大型化、长寿化。因此,所述非水电解质二次电池,作为车辆用电源,例如,适宜用于车辆驱动电源或辅助电源。
具体而言,可以将电池或将多个这些电池组合而得到的组电池搭载于车辆。本发明,由于可以构成长期可靠性和输出功率特性优异的长寿命电池,因此搭载该电池时,可以形成EV行驶里程长的插电式混合动力电动汽车或一次充电行驶里程长的电动汽车。这是因为,通过将电池或将多个这些电池组合而得到的组电池,用于例如,汽车、混合动力车、燃料电池车、电动汽车(所有四轮汽车(乘用车、卡车、公共汽车等的商业车辆、微型汽车等),以及用于二轮车(摩托车)和三轮车辆)等,可以使车辆成为具有长寿命和高可靠性的车辆。其中,用途不限于汽车,例如,可以应用其他车辆,例如,电车等移动物体的各种电源、以及不间断电源装置等搭载用电源。
实施例
下文,将参考实施例更详细地说明本发明。然而,本发明的技术范围不仅限于以下示例。另外,除非另有说明,“份”是指“质量份”。另外,从包覆用树脂溶液的制备到负极活性物质浆料的涂布的制备工序都在干燥室中进行。
<包覆用树脂在饱和吸收液体状态下的拉伸断裂伸长率>
本实施方式所记载的方法得到的包覆用树脂溶液,通过干燥流延于PET膜上,成形为厚度500μm的片状,然后冲切成哑铃状。然后,在50℃下浸入电解液(1M LiPF6、碳酸亚乙酯(EC)/碳酸二乙酯(DEC)=3/7(体积比))中3天后,根据ASTM D683(样品形状II型),测量在饱和液体吸收状态下的拉伸断裂伸长率的值。
<负极活性物质包覆用树脂溶液的制备>
向装有搅拌器、温度计、回流冷凝器、滴液漏斗和氮气入口管的四颈烧瓶中装入83份乙酸乙酯和17份甲醇,升温至68℃。
然后,以氮气吹入四口烧瓶中,在搅拌下连续滴加下属物质4小时以进行自由基聚合:一种单体混合液,其包含242.8份甲基丙烯酸、97.1份甲基丙烯酸甲酯、242.8份甲基丙烯酸2-乙基己酯、52.1份乙酸乙酯和10.7份甲醇;以及引发剂溶液,其通过0.263份的2,2'-偶氮二(2,4-二甲基戊腈)溶解于34.2份的乙酸乙酯中而得到。滴加结束后,使用滴液漏斗用2小时连续追加将0.583份2,2'-偶氮双(2,4-二甲基戊腈)溶于26份乙酸乙酯中而得到的引发剂溶液。并且,在沸点下继续聚合4小时。除去溶剂,得到582份树脂后,添加1360份异丙醇,得到包含树脂固体浓度为30质量%的乙烯基树脂的负极活性物质的包覆用树脂溶液。
需要说明的是,使用得到的负极活性物质包覆用树脂溶液,通过所述方法,对负极活性物质包覆用树脂在饱和液体吸收状态下的拉伸断裂伸长率进行测定,结果为50%。
<包覆负极活性物质的制备>
将88.4份难石墨化的碳(硬碳)(Kureha Battery Materials Japan株式会社制造的Carbotron(注册商标)PS(F))放入通用混合器中,在室温和150rpm下搅拌,并且用60分钟滴加混合所述得到的负极活性物质包覆用树脂溶液(树脂固体成分浓度:30质量%),并使树脂固体成分变为10份,并且搅拌30分钟。
然后,在搅拌下将1.6份乙炔黑[Denka株式会社制造的Denka Black(注册商标)]分成三次混合,搅拌30分钟后直接加热至70℃,然后减压至0.01MPa并保持30分钟,得到包覆负极活性物质。需要说明的是,涂布负极活性物质具有壳-核结构,作为核的难石墨化碳粉的平均粒径为9μm。此外,包覆剂的固体成分含量相对于包覆负极活性物质100质量%为1.6质量%。
<电解液的制备>
将Li[(FSO2)2N](LiFSI)以2mol/L的比例溶解于碳酸乙烯酯(EC)和碳酸亚丙酯(PC)的混合溶剂中(体积比1:1)。因此,得到电解液。
<负极活性物质浆料的制备>
从以上得到的包覆负极活性物质中,将平均粒径(D50)为20μm的物质分为616份,将平均粒径(D50)为5μm的物质分出264份,添加76.5质量份作为导电性部件的碳纤维(大阪燃气化株式会社制造的DONACARBO S-243:平均纤维长度500μm,平均纤维直径13μm:电导率200S/cm)。然后,在120℃在100mmHg的减压下干燥16小时以除去含有的水分。
然后,将637.7份所述得到的电解液在干燥室中添加至所述已干燥材料中。使用混合搅拌器(DALTON公司制造的5DM-r型(行星式混合器)),在自转:63rpm、公转:107rpm的转速下,将混合物搅拌30分钟进行固化混炼。
之后,进一步添加638.9g所述得到的电解液,使用与所述相同的混合搅拌器以63rpm的转速和107rpm的转速将混合物搅拌10分钟×3次,从而将混合物捏合。由此,得到负极活性物质浆料。需要说明的是,所述得到的负极活性物质浆料的固体成分浓度为41质量%。
<负极活性物质浆料的剪切速度(横轴)-剪切应力(纵轴)曲线的获取>
关于所述制备的负极活性物质浆料,使用TA Instruments公司制造的AR-200流变仪,在剪切速度为0.01~1000[1/s]的范围内测定剪切应力,求出剪切速度(横轴)-剪切应力(纵轴)的曲线。更具体而言,采用下表1中所示的测量夹具和测量方案,使用所述流变仪,使用尺寸Φ40mm的平行板,测量时台与板之间的测量间隙设置为300μm,通过剪切速度的扫描范围0.01~1000[1/s]的对数扫描测量26点,测量时间为7.5分钟。
[表1]
如此得到的剪切速度(横轴)-剪切应力(纵轴)曲线显示于图2。需要说明的是,图2中,通过以实际测量值的曲线朝向纵轴(剪切速度为0.001[1/s]的直线)外推,以纵轴上的截距的形式表示负极活性物质浆料的屈服应力的值(100[Pa])。
如图2所示,从如上所述制备的负极活性物质浆料的剪切速度(横轴)-剪切应力(纵轴)曲线,以剪切速度为14[1/s]为分界线,分为剪切应力小于时的屈服应力的区域(剪切速度0.0001~14[1/s]),和剪切应力高于屈服应力的区域(剪切速度14[1/s]以上)。此外,如图2所示,存在剪切应力不随剪切速度的增加而增加的区域A,并且在剪切速度高于所述区域A的剪切速度的区域中,存在区域B,所述区域B中,随着剪切速度的增加,剪切应力增加,并且剪切应力的增加率减少。
<集电体表面的涂布液(负极活性物质浆料)的涂布>
(比较例1)
首先,准备以作为锂离子用集电体发挥作用的铜箔(Thank-metal株式会社制造0176金属制造,厚度10μm)为基材。然后,将上述制备的负极浆料通过使用狭缝模头涂布机的狭缝法,涂布所述铜箔的一侧表面,形成厚度为500μm涂膜(活性物质层)。此时,在该比较例中,涂布速度设定为2[mm/s]。因此,剪切速度为2[mm/s]/0.5[mm]=4[1/s],对应的剪切应力为小于所使用的负极活性物质浆料的屈服应力的值。
(实施例1)
将涂布速度设定为9[mm/s],除此以外,以与所述比较例1相同的方式在集电体的表面形成涂膜(负极活性物质层)。需要说明的是,由于本实施例中的涂布速度为9[mm/s],因此剪切速度为9[mm/s]/0.5[mm]=18[1/s]。对应的剪切应力的值大于所使用的负极活性物质浆料的屈服应力的值。
(实施例2)
将涂布速度设定为18[mm/s],除此以外,通过与所述比较例1相同的方法在集电体的表面形成涂膜(负极活性物质层)。需要说明的是,由于本实施例中的涂布速度为18[mm/s],所以剪切速度为18[mm/s]/0.5[mm]=36[1/s]。对应的剪切应力的值大于所使用的负极活性物质浆料的屈服应力的值。
(实施例3)
将涂布速度设定为70[mm/s],除此以外,通过与所述比较例1相同的方法在集电体的表面形成涂膜(负极活性物质层)。需要说明的是,由于本实施例中的涂布速度为70[mm/s],所以剪切速度为70[mm/s]/0.5[mm]=140[1/s]。对应的剪切应力的值大于所使用的负极活性物质浆料的屈服应力的值。
(实施例4)
将涂布速度设定为150[mm/s],除此以外,通过与所述比较例1相同的方法在集电体的表面形成涂膜(负极活性物质层)。需要说明的是,本实施例中的涂布速度为150[mm/s],所以剪切速度为150[mm/s]/0.5[mm]=300[1/s],对应的剪切应力的值大于所使用的负极活性物质浆料的屈服应力的值。
(实施例5)
将涂布速度设定为200[mm/s],除此以外,通过与所述比较例1相同的方法在集电体的表面形成涂膜(负极活性物质层)。需要说明的是,由于本实施例中的涂布速度为200[mm/s],因此剪切速度为200[mm/s]/0.5[mm]=400[1/s]。对应的剪切应力的值大于所使用的负极活性物质浆料的屈服应力的值。
[涂膜表面的平坦度的评价]
目视评价所述比较例1和实施例1~5中制造的涂膜(负极活性物质层)的表面平坦度。另外,这些涂膜(负极活性物质)的观察照片分别示于图4A~图4F。从图4A至图4F可知,在比较例1(图4的A)中得到的涂膜(负极活性物质层)的表面确认到许多凹凸,无法得到了平坦的涂膜(负极活性物质层)。另一方面,在实施例1~5(图4的B~图4F)中,在得到的涂膜(负极活性物质层)的表面几乎未观察到凹凸,可以得到平坦的涂膜(负极活性物质层)。
<正极活性物质包覆用树脂溶液的制备>
在配备有搅拌器、温度计、回流冷凝器、滴液漏斗和氮气入口管的四口烧瓶中,装入59.2份二甲基甲酰胺,将温度升高至79℃。
然后,将30.1份甲基丙烯酸、13.9份甲基丙烯酸甲酯和30.5份甲基丙烯酸2-乙基己酯混合而成的混合液、以及0.125份的2,2'-偶氮双(2,4-二甲基戊腈)、0.300份的2,2'-偶氮双(2-甲基丁腈)溶解于15.0份的二甲基甲酰胺中而得到的引发剂溶液吹入氮气四颈烧瓶中,并且进行搅拌,以滴液漏斗连续滴加3小时来进行自由基聚合。滴加完成后,滴加0.75份二甲基甲酰胺,继续聚合2小时。并且将温度升至90℃,继续聚合1小时。冷却四颈烧瓶后,加入99.8份二甲基甲酰胺以得到250.0份包含树脂固含量为30质量%的乙烯基树脂的正极活性物质包覆用树脂溶液。
使用所得的正极活性物质包覆用树脂溶液,通过所述方法测定了正极活性物质包覆用树脂的饱和吸液状态下的拉伸断裂伸长率,结果为50%。
<包覆正极活性物质的制备>
将140.0份钴酸镍铝锂(NCA)(BASF Toda Battery Materials GK株式会社制造)置于通用混合器中的状态下,在室温、15m/s下搅拌的状态下,向0.48份所述得到的正极活性物质包覆用树脂溶液(树脂固体成分浓度:30质量%)追加混合14.6份二甲基甲酰胺而得到的溶液以3分钟滴加混合,并且搅拌5分钟。
然后,在搅拌状态下混合8.6份乙炔黑[Denka株式会社制造的DENKABLACK(注册商标)],搅拌60分钟将温度升高到140℃并保持,在降压至0.01MPa后保持5小时,得到包覆用正极活性物质。需要说明的是,包覆正极活性物质具有核-壳结构,作为核的钴酸镍铝锂粉末的平均粒径为6μm。另外,包覆剂的固体成分相对于包覆正极活性物质100质量%为0.1质量%。
<电解液的制备>
将Li[(FSO2)2N](LiFSI)以2mol/L的比例溶解于碳酸亚乙酯(EC)和碳酸亚丙酯(PC)的混合溶剂中(体积比1:1),得到电解液。
<正极活性物质浆料的制备>
在所述得到的包覆正极活性物质的1543.5份中,添加31.5份作为导电部件的碳纤维(大阪燃气化学株式会社制造的Donacarb MilledS-243:平均纤维长度为500μm,平均纤维直径为13μm:电导率为200mS/cm),在120℃、100mmHg的减压下干燥16小时以去除所包含的水。
然后,在干燥室中,将以上得到的393.8份电解液添加到所述已干燥的材料中。使用混合搅拌器(DALTON株式会社制造的5DM-r型(行星式混合器)),在自转:63rpm和公转:107rpm的转速下将混合物搅拌30分钟以进行固化混炼。
之后,将417.6份电解液进一步添加至所述得到的混合物中,使用与所述相同的混合搅拌器以自转:63rpm和公转:107rpm的转速将混合物搅拌10分钟×3次,进行搅拌稀释。由此,得到正极活性物质浆料。需要说明的是,上述得到的正极活性物质浆料的固体成分浓度为66质量%。
<得到正极活性物质浆料的剪切速度(横轴)-剪切应力(纵轴)曲线>
对于所述制得的正极活性物质浆料,通过与所述相同的方法得到剪切速度(横轴)-剪切应力(纵轴)曲线。
图5显示如上所述得到的剪切速度(横轴)-剪切应力(纵轴)曲线。需要说明的是,在图5中,将实测值的曲线朝向纵轴(剪切速度为0.001[1/s]的直线)外推,以纵轴的截距的形式得到该负极活性物质浆料的屈服应力的值(100[Pa])。
如图5可知,根据以上制备的正极活性物质浆料的剪切速度(横轴)-剪切应力(纵轴)曲线,以剪切速度24[1/s]为分界线,分为存在剪切应力小于屈服应力(剪切率0.0001~24[1/s]的区域)和剪切应力大于屈服应力(剪切速度24[1/s]以上)的区域。另外,如图5所示,存在剪切应力不随剪切速度的增加而增加的区域A,并且在剪切速度高于所述区域A的剪切速度的区域中,存在区域B,所述区域B中,随着剪切速度的增加,剪切应力增加,并且剪切应力的增加率减少。
本申请基于2017年10月10日提交的日本特许申请第2017-196922号,其全部公开内容通过引用合并于此。
标记说明
10、50 双极型二次电池
11 集电体
11a 正极侧最外层集电体
11b 负极侧最外层集电体
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、57 发电元件
23 双极型电极
25 正极集电板(正极片)
27 负极集电板(负极片)
29、52 层压膜
31 密封部(绝缘层)
58 正极片
59 负极片

Claims (5)

1.一种电池用电极的制造方法,所述电池用电极具有:
集电体、以及
设置于所述集电体表面且含有电极活性物质的电极活性物质层,
该制造方法包括:
涂布工序,将电极活性物质浆料涂布于所述集电体表面以形成电极活性物质层,所述电极活性物质浆料是将所述电极活性物质分散于溶剂中而形成的,
所述电极活性物质浆料具有如下流动特性:所述电极活性物质浆料的剪切速度-剪切应力曲线中,存在剪切应力不随剪切速度的增加而增加,并且剪切应力小于屈服应力的区域A,并且在剪切速度高于所述区域A的剪切速度的区域中,存在随着剪切速度的增加,剪切应力增加且剪切应力的增加率减少,并且剪切应力大于屈服应力的区域B,
在所述剪切速度-剪切应力曲线中,以剪切速度为横轴,以剪切应力为纵轴,
所述剪切速度-剪切应力曲线通过下述方式得到:使用AR-200流变仪,使用尺寸Φ40mm的平行板,将测量时台与板之间的测量间隙设为300μm,通过剪切速度的扫描范围0.01~1000[1/s]的对数扫描测量26点,将测量时间设为7.5分钟,在所述涂布工序中,以如下涂布速度涂布所述电极活性物质浆料:使涂布时的剪切速度成为能够施加所述电极活性物质浆料的屈服应力以上的剪切应力的值,
所述电极活性物质层中粘合剂的含量相对于固体成分量100质量%为1质量%以下,
所述电极活性物质浆料为正极活性物质浆料的情况下,所述电极活性物质浆料的固体成分浓度为60质量%以上,
所述电极活性物质浆料为负极活性物质浆料的情况下,所述电极活性物质浆料的固体成分浓度为40质量%以上。
2.根据权利要求1所述的电池用电极的制造方法,其中,所述电极活性物质浆料含有构成电池的液体电解质作为所述溶剂。
3.根据权利要求1或2所述的电池用电极的制造方法,其中,所述电极活性物质层含有包覆电极活性物质,所述包覆电极活性物质是所述电极活性物质的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形成的。
4.根据权利要求3所述的电池用电极的制造方法,其中,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。
5.根据权利要求1或2所述的电池用电极的制造方法,其中,
所述电极活性物质层还含有导电部件,
所述导电部件的至少一部分形成将所述电极活性物质层的两个主表面彼此电连接的导电通路,并且,所述导电通路与所述电极活性物质实现了电连接。
CN201880065877.5A 2017-10-10 2018-10-10 电池用电极的制造方法 Active CN111201639B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017196922A JP6929186B2 (ja) 2017-10-10 2017-10-10 電池用電極の製造方法
JP2017-196922 2017-10-10
PCT/JP2018/037810 WO2019074024A1 (ja) 2017-10-10 2018-10-10 電池用電極の製造方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111201639A CN111201639A (zh) 2020-05-26
CN111201639B true CN111201639B (zh) 2023-09-19

Family

ID=66101434

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201880065877.5A Active CN111201639B (zh) 2017-10-10 2018-10-10 电池用电极的制造方法

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11329265B2 (zh)
EP (1) EP3696884B1 (zh)
JP (1) JP6929186B2 (zh)
CN (1) CN111201639B (zh)
WO (1) WO2019074024A1 (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210153611A (ko) * 2019-04-22 2021-12-17 다이이치 고교 세이야쿠 가부시키가이샤 전극용 결착제 조성물, 전극용 도료 조성물, 축전 디바이스용 전극, 및 축전 디바이스
CN112467087B (zh) * 2020-03-30 2022-03-18 万向一二三股份公司 一种磷酸铁锂正极浆料制备工艺的改进方法及制备工艺
CN113471401B (zh) * 2021-05-28 2023-07-18 上海空间电源研究所 一种高安全高载量锂离子电极极片及其制作方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10188962A (ja) * 1996-12-27 1998-07-21 Fuji Film Selltec Kk シート状極板の製造方法と非水電解質電池
JP2003331829A (ja) * 2002-05-14 2003-11-21 Kyushu Electric Power Co Inc 二次電池用電極の製造方法および二次電池用電極ならびに二次電池
CN101479867A (zh) * 2006-06-27 2009-07-08 花王株式会社 锂离子电池用复合正极材料以及使用了该材料的电池
CN101611508A (zh) * 2007-12-14 2009-12-23 松下电器产业株式会社 锂二次电池用正极形成用涂布液、锂二次电池用正极及锂二次电池
JP2016067974A (ja) * 2014-09-26 2016-05-09 株式会社Screenホールディングス 塗布装置および塗布方法
CN106575743A (zh) * 2014-09-09 2017-04-19 卡尔斯鲁厄理工学院 用于间歇式涂层的方法和装置

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3614990B2 (ja) * 1996-08-08 2005-01-26 株式会社東芝 シート状極板の製造方法および非水電解質電池
JP2001257001A (ja) * 2000-03-09 2001-09-21 Sony Corp 非水系二次電池及びその製造方法
JP3594233B2 (ja) * 2000-03-23 2004-11-24 松下電池工業株式会社 非水電解質二次電池用電極の製造法および非水電解質二次電池
KR20110052233A (ko) 2009-11-12 2011-05-18 삼성전자주식회사 잉크젯 인쇄용 전극 조성물, 이를 사용하여 제조된 전극 및 이차 전지
JP5966233B2 (ja) * 2011-12-08 2016-08-10 住友化学株式会社 二次電池用電極の製造方法、二次電池用塗料の製造方法
JP5953827B2 (ja) * 2012-03-02 2016-07-20 三菱レイヨン株式会社 二次電池用電極合剤、その製造方法、二次電池用電極の製造方法、および二次電池の製造方法
DE102012213091A1 (de) * 2012-07-25 2014-01-30 Robert Bosch Gmbh Batteriesystem für eine Lithium-Schwefel-Zelle
KR102237020B1 (ko) 2012-10-26 2021-04-08 후지필름 와코 준야꾸 가부시키가이샤 리튬 전지용 결착제, 전극 제작용 조성물 및 전극
US10559828B2 (en) 2013-02-04 2020-02-11 Zeon Corporation Slurry for lithium ion secondary battery positive electrodes
JP6205810B2 (ja) * 2013-04-12 2017-10-04 株式会社豊田自動織機 リチウムイオン二次電池用正極スラリー
JP6115786B2 (ja) * 2014-01-27 2017-04-19 トヨタ自動車株式会社 二次電池用負極の製造方法
JP2015141822A (ja) * 2014-01-29 2015-08-03 トヨタ自動車株式会社 電極ペースト、電極板の製造方法、及び、電池の製造方法
JP6233653B2 (ja) * 2014-11-07 2017-11-22 トヨタ自動車株式会社 非水電解質二次電池の製造方法
JP2017117528A (ja) * 2015-12-21 2017-06-29 Necエナジーデバイス株式会社 電極シートの製造方法
JP6662178B2 (ja) 2016-04-25 2020-03-11 株式会社オートネットワーク技術研究所 車載電源用のスイッチ装置

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10188962A (ja) * 1996-12-27 1998-07-21 Fuji Film Selltec Kk シート状極板の製造方法と非水電解質電池
JP2003331829A (ja) * 2002-05-14 2003-11-21 Kyushu Electric Power Co Inc 二次電池用電極の製造方法および二次電池用電極ならびに二次電池
CN101479867A (zh) * 2006-06-27 2009-07-08 花王株式会社 锂离子电池用复合正极材料以及使用了该材料的电池
CN101611508A (zh) * 2007-12-14 2009-12-23 松下电器产业株式会社 锂二次电池用正极形成用涂布液、锂二次电池用正极及锂二次电池
CN106575743A (zh) * 2014-09-09 2017-04-19 卡尔斯鲁厄理工学院 用于间歇式涂层的方法和装置
JP2016067974A (ja) * 2014-09-26 2016-05-09 株式会社Screenホールディングス 塗布装置および塗布方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
顾国芳等.《聚合物流变学基础》.同济大学,2000,第131-132页. *

Also Published As

Publication number Publication date
CN111201639A (zh) 2020-05-26
EP3696884A4 (en) 2020-11-18
EP3696884B1 (en) 2023-08-02
US20200313156A1 (en) 2020-10-01
US11329265B2 (en) 2022-05-10
JP2019071222A (ja) 2019-05-09
WO2019074024A1 (ja) 2019-04-18
JP6929186B2 (ja) 2021-09-01
EP3696884A1 (en) 2020-08-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11302915B2 (en) Negative electrode for non-aqueous electrolyte secondary battery
US20230387392A1 (en) Electrode for non-aqueous electrolyte secondary battery
JP6944772B2 (ja) 非水電解質二次電池用正極
CN111213263B (zh) 非水电解质二次电池用电极的制造方法
CN111201639B (zh) 电池用电极的制造方法
US11935998B2 (en) Battery device
JP7153463B2 (ja) リチウムイオン二次電池
EP3696888A1 (en) Non-aqueous electrolyte secondary battery electrode
CN111201641B (zh) 非水电解质二次电池用电极

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant