JP2001357891A - リチウム2次電池の製造方法 - Google Patents
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Abstract
電体にコーティングしてアノード前駆体及びカソード前
駆体を製造する段階と、(b)電解液によりゲル化され
ない多孔性ポリマーフィルムの両面に可塑剤及びイオン
伝導性ポリマーを含むスラリーをコーティングしてセパ
レータ前駆体を製造する段階と、(c)前記電極前駆体
とセパレータ前駆体をラミネートして電池前駆体を製造
する段階と、(d)前記電池前駆体に電解液を注入して
電池前駆体を活性化する段階とを含むリチウム2次電池
の製造方法を提供する。これにより、有機溶媒による可
塑剤の抽出工程なしでもリチウム2次電池の製造が可能
なので抽出工程に係る環境汚染問題を予防でき、電池の
製造コストを下げられる長所がある。
Description
製造方法に係り、詳細にはリチウム2次電池を有機溶媒
による可塑剤の抽出工程なしに製造できる方法に関す
る。
ード、一つ以上の有機溶媒に溶解したリチウム塩より製
造されたリチウム電解質及び遷移金属のカルコゲナイド
(chalcogenide)の電気化学的活物質のカソードを含
む。放電される間にアノードから出たリチウムイオン
は、電気エネルギーを放出すると同時にリチウムイオン
を吸収するカソードの電気化学的活物で液体電解質を通
じて移動する。充電される間にイオンの流れが逆転し
て、リチウムイオンは電気化学的カソード活物質から出
て、電解質を通じてリチウムアノード内に戻ってメッキ
される。このような非水系リチウム2次電池は、米国特
許第4,472,487号、第4,668,595号、第5,028,500号、第
5,441,830号、第5,460,904号及び第5,540,741号に開示
されている。
問題を解決するために、金属リチウムアノードを、リチ
ウムイオンが挿入されてLixC6が形成するコック(cok
e)または黒鉛などのカーボンアノードに取り代えた。こ
のような電池が作動する場合には、金属リチウムアノー
ドを有する電池のように、リチウムはカーボンアノード
から出て電解質を介して、リチウムを吸収するカソード
に移動する。再充電される間に、リチウムはアノードに
戻ってカーボン内に挿入される。電池内に金属リチウム
が存在しないため、厳しい条件でもアノードが溶けるこ
とはない。また、リチウムがメッキではなく挿入により
アノード内に再統合されるため、デンドライト及びスポ
ンジリチウムが成長しない。
マトリックスを使用するリチウム2次電池が登場し、多
孔性ポリマーマトリックスの使用により伝導性が向上で
きるということが立証されている。このような多孔性ポ
リマーマトリックスの製造方法の中の一つには、ジブチ
ルフタレートのような可塑剤を含むポリマー構造体を製
造し、該可塑剤を除去してポリマー内に細孔(気孔)を
形成する段階が含まれる。また、前記方法には可塑剤
を、極板に細孔を形成するための電極活物質組成物に加
えて、電池に含浸した電解液量を増加させ、電極を製造
する時に極板に細孔を形成して電解液含浸量を増やし、
極板とセパレータをラミネーションする時に加工性を増
大させることが含まれる。
に約50質量%以下の割合で含まれうる。このような溶
媒を除去する現在の方法は、ジメチルエーテル、メタノ
ール及びシクロヘキサンのような有機液体溶媒を用いた
抽出方法である。一般に、リチウム2次電池の組立にお
いて、電解質溶媒と塩を含む電解液は、可塑剤を除去し
た後に、リチウム2次電池前駆体を活性化するために追
加される。
れたリチウム2次電池は、電気化学的作動能力に優れて
いても、可塑剤の抽出に使われる溶媒は有害な有機溶媒
なので、環境問題を誘発する問題がある。また、抽出段
階を経ることによって、製造工程時間が長くなり、生産
収率が低下して、リチウム2次電池の製造コストを上昇
させる問題がある。また、前記のような製造方法は、極
板製造用活物質組成物に可塑剤を添加することによっ
て、極板の活物質ローディング量が減少するという短所
もある。
解決しようとする技術的課題は、より高い生産収率で電
池特性に優れたリチウム2次電池の製造方法を提供する
ことにある。
るために、本発明は、(a)可塑剤を含まない電極組成
物を集電体にコーティングしてアノード前駆体及びカソ
ード前駆体を製造する段階と、(b)電解液によりゲル
化されない多孔性ポリマーフィルムの両面に可塑剤及び
イオン伝導性ポリマーを含むスラリーをコーティングし
てセパレータ前駆体を製造する段階と、(c)前記電極
前駆体とセパレータ前駆体をラミネートして電池前駆体
を製造する段階と、(d)前記電池前駆体に電解液を注
入して電池前駆体を活性化する段階とを含むことを特徴
とするリチウム2次電池の製造方法を提供する。
において、前記イオン伝導性ポリマーがビニリデンフル
オライド(VdF)/ヘキサフルオロプロピレン(HF
P)共重合体であることが望ましい。
において、前記電池前駆体は、カソード前駆体、セパレ
ータ前駆体、アノード前駆体、セパレータ前駆体及びカ
ソード前駆体が順次に積層されたバイセル構造であるこ
とが望ましい。
において、前記電極組成物はメタノール、エタノール、
イソプロパノール及びこれらの混合物よりなる群から選
択される少なくとも一つのアルコール類溶媒をさらに含
むことが望ましい。
において、前記電解液によりゲル化されない多孔性ポリ
マーフィルムが多孔性ポリエチレンフィルム、または多
孔性ポリプロピレンフィルムが両面に積層された多孔性
ポリエチレンフィルムであることが望ましい。
において、前記可塑剤はエチレンカーボネート、プロピ
レンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエトキシ
エタン、ジブチルフタレート、ジメトキシエタン、ジエ
チルカーボネート、ジプロピルカーボネート及びこれら
の混合物よりなる群から選択されるいずれか一つである
ことが望ましい。
において、前記イオン伝導性ポリマーが1ないし50μ
mの厚さでコーティングされることが望ましい。
語を定義する。
の電池を意味し、一般的にこのような電池前駆体はアノ
ード前駆体、カソード前駆体及びセパレータ前駆体を含
む。また、"活性化"という用語は、電池前駆体内に非水
系有機溶媒と前記溶媒中でリチウムイオンを出すリチウ
ム化合物よりなる電解液を含浸させることを意味する。
活性化後に電池は使用する前に外部エネルギー源により
充電される。
ド、カソード及びこれら間に位置し非水系有機溶媒と前
記溶媒中でリチウムイオンを出すリチウム化合物よりな
る電解液を含むセパレータを含む複合体を意味し、この
ような複合体の構造がカソード、セパレータ、アノー
ド、セパレータ及びカソード順に位置する構造を"バイ
セル構造"という。また、"電池"という用語は、要求さ
れる作動電圧及び電流水準を提供するように適切に直列
/並列で連結された二つ以上の単位電池を意味する。
2次電池の製造方法を詳細に調べる。
は、アノード前駆体の製造段階、カソード前駆体の製造
段階、セパレータ前駆体の製造段階、電池前駆体の製造
段階及び活性化段階に分けられるが、これに基づいて説
明する。
ダーを溶解させ、これとは別にアノード活物質と導電剤
を乾式混合して得られた混合物に前記溶液を加え、均一
に混合してアノード組成物を製造し、これをアノード集
電体上にキャスティングした後、乾燥させることによっ
て形成される。
ル、エタノール、イソプロパノール及びこれらの混合物
よりなる群から選択されるいずれか一つのアルコール類
溶媒をさらに含むことができる。ここで、アルコール類
溶媒は、前記高分子バインダーに対しては不溶性である
が、キャスティング溶媒とは混合される物質であって、
後続の乾燥工程中で除去されてアノード前駆体に細孔を
形成する役割を担う。
媒の混合体積比は1:3であることが望ましい。もし、
アルコール類溶媒に対するキャスティング溶媒の混合体
積比が前記範囲を超過する場合には、最終的に得られた
アノード前駆体に細孔を形成する際に問題があり、キャ
スティング溶媒の混合体積比が前記範囲未満の場合に
は、均一なアノード組成物を得難くて、この組成物を集
電体上に均一にキャスティングすること自体が難しくな
るので望ましくない。
ンダー及びキャスティング溶媒は、本発明が属する技術
分野でその用途で通常的に使われる物質が使用できる。
例えばアノード活物質としてはカーボン、グラファイト
などを使用できる。また、導電剤としてはカーボンブラ
ックなどが使われ、高分子バインダーとしてはポリビニ
ルアルコール、メチルセルロース、カルボキシメチルセ
ルロース、ポリエチレングリコール及びフッ素系ポリマ
ー、例えば、ポリビニリデンフルオライドの中から選択
された一つ以上が使われ、キャスティング溶媒としては
N−メチル−2−ピロリドン、アセトンまたはその混合
物が使用できる。
るエキスパンデッドメタル、穿孔メタル、フォイルが使
われる。
ダーを溶解させ、これとは別にカソード活物質と導電剤
を乾式混合して得られた混合物に前記溶液を加え、均一
に混合してカソード組成物を製造し、これをカソード集
電体上にキャスティングした後、乾燥させることによっ
て形成される。
ル、エタノール、イソプロパノール及びこれらの混合物
よりなる群から選択されるいずれか一つのアルコール類
溶媒をさらに含むことができる。ここで、アルコール類
溶媒は、前記高分子バインダーに対してはほとんど不溶
性であるが、キャスティング溶媒とは混合される物質で
あって、後続の乾燥工程中で除去されてカソード前駆体
に細孔を形成する役割を担う。
媒の混合体積比は1:3であることが望ましい。もし、
アルコール類溶媒に対するキャスティング溶媒の混合体
積比が前記範囲を超過する場合には、最終的に得られた
カソード前駆体に細孔を形成する際に問題が発生し、キ
ャスティング溶媒の混合体積比が前記範囲未満の場合に
は均一なカソード組成物を得難くて、この組成物を集電
体上に均一にキャスティングすること自体が難しくなる
ので望ましくない。
ンダー及びキャスティング溶媒は、本発明が属する技術
分野でその用途で通常的に使われる物質を使用できる。
例えばカソード活物質としては、LiMn2O4、LiN
iO2、LiCoO2などが使用でき、導電剤としてはカ
ーボンブラックなどが使われ、高分子バインダーとして
はポリビニルアルコール、メチルセルロース、カルボキ
シメチルセルロース、ポリエチレングリコール及びフッ
素系ポリマー、例えば、ポリビニリデンフルオライドの
中から選択された一つ以上が使われ、キャスティング溶
媒としてはN−メチル−2−ピロリドン、アセトンまた
はその混合物を使用できる。
ウムよりなるエキスパンデッドメタル、穿孔メタル、フ
ォイルが使われる。
性ポリマーフィルムの両面に、イオン伝導性ポリマーと
してビニリデンフルオライド/ヘキサフルオロプロピレ
ン共重合体、可塑剤、無機充填体及びコーティング溶媒
を含むスラリーをコーティングした後、常温で乾燥して
製造される。
リマーフィルムは、ナイロン、ポリオレフィンフィルム
等、本発明に属する技術分野で公知のものであれば制限
なしに使用できるが、多孔性ポリエチレンフィルムまた
は両面に多孔性ポリプロピレンフィルムが積層された多
孔性ポリエチレンフィルムであることが望ましい。
オロプロピレン共重合体の厚さが1ないし50μmにな
るようにコーティングすることが望ましいが、その厚さ
が1μm未満の場合にはコーティングし難く、50μm
を超過する場合には電池の性能を低下させるという問題
点がある。
セパレータは、イオン伝導性ポリマーが電解液によりゲ
ル化されない多孔性ポリマーフィルムに被覆された構造
を有し、有機溶媒を用いて可塑剤を抽出することによる
細孔形成工程を経なくても、電池特性を具現するのに充
分な量の電解液含浸が可能な細孔を有する。
可塑剤は、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネ
ート、ジメチルカーボネート、ジエトキシエタン、ジブ
チルフタレート、ジメトキシエタン、ジエチルカーボネ
ート、ジメトキシエタン、ジプロピルカーボネート及び
これらの混合物よりなる群から選択されるいずれか一つ
であることが望ましい。
ことによって、電解液の注入時に化学平衡に到達して電
池性能を向上させうる。
媒は、本発明が属する技術分野でその用途として通常使
われる物質であれば特別に制限されなく、例えば、無機
充填体としてはシリカとアルミナなどを使用でき、コー
ティング溶媒としてはN−メチル−2−ピロリドン、ア
セトンまたはその混合物を使用できる。
ド前駆体とカソード前駆体との間に位置するようにラミ
ネートしたり、カソード前駆体、セパレータ前駆体、ア
ノード前駆体、セパレータ前駆体及びカソード前駆体の
順にラミネートしたりした後に、加熱または加圧して製
造する。加熱または加圧の方法及び条件は、本発明が属
する技術分野で通常の知識を有する者に公知の方法及び
条件による。
機塩を含む電解液を電極組立体に注入することによって
完了する。このように活性化された電池は、使用前に、
外部エネルギー源により充電される。
に使用した可塑剤は、液体状態でセパレータ前駆体に分
散している。このように液体状態で分散した可塑剤は、
電解液に使われた溶媒が同種の有機液体であるので、液
体状態でセパレータ前駆体内に分散していた可塑剤が電
解液と混合されることによって、特別な工程なしでも、
電解液がセパレータ前駆体内に含浸するという効果が得
られる。
機塩は、本発明が属する技術分野でその用途として通常
使われるものであれば特別な制限を受けなく、具体的に
は非水系有機溶媒としてはプロピレンカーボネート、エ
チレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、1、3−ジ
オキソラン、ジメトキシエタン、ジメチルカーボネー
ト、ジエチルカーボネート、テトラヒドロフラン、ジメ
チルスルホキシド及びポリエチレングリコールジメチル
エーテル中で選択された少なくとも1種の溶媒を使用で
き、セパレータ前駆体製造時に使われる可塑剤と同じも
のを使用することが望ましい。また、無機塩としては溶
媒中で解離されてリチウムイオンを出すリチウム化合物
を使用できる。無機塩の具体的な例としては、過塩素酸
リチウム(lithium perchlorate、LiClO4)、四フ
ッ化ホウ酸リチウム(lithium tetrafluoroborate、L
iBF4)、六フッ化燐酸リチウム(lithium hexafluor
ophosphate、LiPF6)、三フッ化メタンスルホン酸
リチウム(lithium trifluoromethansulfonate、LiC
F3SO3)及びリチウムビストリフルオロメタンスルホ
ニルアミド(lithium bistrifluoromethansulfonylamid
e、LiN(CF3SO2)2)がある。
明する。ただ、本発明の範囲が下記の実施例で限定され
ることではない。
00mlとキナル2801(Kynar 2801)(VdF88wt%/H
FP22wt%共重合体)(Elf-Atochem社)65gを混合し、
ボールミルで2時間撹拌して溶液を製造し、前記溶液に
メソカーボンファイバー(MCF)(Petoca社)415g
とスーパーP(MMM.Carbon社)20gをさらに追加し、
ボールミルで5時間撹拌した。この溶液に、エタノール
200mlを追加し、24時間撹拌してアノード組成物
を製造した。
ティングし、30℃で乾燥して多孔性アノード前駆体を
製造した。
600mlとキナル2801(Kynar 2801)(VdF 88wt
%/HFP 22wt%共重合体)(Elf-Atochem社)50gを混合
し、ボールミルで2時間撹拌して溶液を製造し、前記溶
液にLiCoO2(Nippon Chem.社)410gとスーパ
ーP(MMM.Carbon社)40gをさらに追加し、ボールミ
ルで5時間撹拌した。この溶液に、エタノール200m
lを追加し、24時間撹拌してカソード組成物を製造し
た。
ティングし、30℃で乾燥して多孔性カソード前駆体を
製造した。
(VdF 88wt%/HFP 22wt%共重合体)6g、ジブチルフタ
レート(Aldrich社)8g及びシリカ(Carbot社)6g
をアセトン(サンゾン化学)50mlを混合し、ボール
ミルで6時間撹拌してスラリーを製造した。前記スラリ
ーを厚さ25μmの多孔性ポリエチレンフィルム(Hoec
hst Cellanese社)の両面にコーティングし、常温で乾
燥してセパレータ前駆体を製造した。
カソード前駆体及びセパレータ前駆体をバイセル構造で
積層し、145℃でラミネートして電池前駆体を製造し
た。
温度で1時間乾燥してから、アルゴンガス雰囲気下で電
解液(1.15M LiPF6 in EC:DMC:DEC=1:1:2)を注入する
ことによって、リチウム2次電池を完成した。
60.5mAhで化成した後、放電容量及び高率特性を
測定して表1に示す。
駆体を製造した後、真空条件、100℃の温度で1時間
乾燥してから、アルゴンガス雰囲気下で電解液(1.15M
LiPF6 in EC:DMC:DEC=1:1:2)を注入することによっ
て、リチウム2次電池を完成した。
F)(Petoca社)65g、キナル2801(Kynar2801)
(VdF 88wt%/HFP 22wt%共重合体)10g、スーパーP
(MMM.Carbon社)9.25g、ジブチルフタレート(Al
drich社)21.75g及びアセトン(サンゾン化学)
700mlを混合して、アノード組成物を準備した。
ティングし、30℃で乾燥して多孔性アノード前駆体を
製造した。
ical社)65g、キナル2801(Kynar 2801)(VdF
88wt%/HFP 22wt%共重合体)10g、スーパーP(MMM.C
arbon社)6.5g、ジブチルフタレート(Aldrich社)
18.5g及びアセトン(サンゾン化学)900mlを
混合して、カソード組成物を準備した。
ティングし、30℃で乾燥して多孔性カソード前駆体を
製造した。
/HFP 22wt%共重合体)32g、シリカ(Carbot社)26
g、ジブチルフタレート(Aldrich社)42g及びアセ
トン(サンゾン化学)300mlを混合して、セパレー
タ形成用組成物を準備した。このセパレータ組成物を、
ポリエチレンテレフタレート支持体上にキャスティング
し30℃で乾燥させた後、支持体からフィルムを取るこ
とによって、セパレータ前駆体を製造した。
カソード前駆体及びセパレータ前駆体をバイセル構造で
積層し、145℃でラミネートして電池前駆体を製造し
た。
ーテルに沈積してDBP可塑剤を抽出し、アルゴンガス雰
囲気下で電解液(1.15M LiPF6 in EC:DMC:DEC=1:1:2)
を注入することによって、リチウム2次電池を完成し
た。
60.5mAhで化成し、放電容量及び高率特性を測定
して表1に示す。
による可塑剤の抽出工程なしに製造された実施例の電池
で測定された結果と、従来の方法で製造した比較例の電
池で測定された結果がほとんど同じことが示された。
寿命特性評価結果を図1に示した。充放電は25℃で1
Cの速度、充電電圧2.5〜4.2Vで行った。図1に
よれば、初期容量(0.09mAh)の約80%(0.
07mAh)に落ちるまでは、約300回のサイクルを
反復でき、寿命特性に非常に優れていることが分かる。
2次電池の製造方法は、有機溶媒による可塑剤の抽出工
程なしでもリチウム2次電池の製造が可能なので、抽出
工程に係る環境汚染問題を予防でき、電池の製造コスト
を下げられる長所がある。
明されたが、これは例示的に過ぎなく、本技術分野の通
常の知識を有する者であればこれより多様な変形及び均
等な他の実施例が可能であることを理解できるはずであ
る。したがって、本発明の技術的保護範囲は請求範囲の
技術的思想により決まるべきである。
池について、充放電サイクル反復に係る寿命特性を示す
グラフである。
Claims (10)
- 【請求項1】 (a)可塑剤を含まない電極組成物を集
電体にコーティングしてアノード前駆体及びカソード前
駆体を製造する段階と、 (b)電解液によりゲル化されない多孔性ポリマーフィ
ルムの両面に可塑剤及びイオン伝導性ポリマーを含むス
ラリーをコーティングしてセパレータ前駆体を製造する
段階と、 (c)前記電極前駆体とセパレータ前駆体をラミネート
して電池前駆体を製造する段階と、 (d)前記電池前駆体に電解液を注入して電池前駆体を
活性化する段階とを含むことを特徴とするリチウム2次
電池の製造方法。 - 【請求項2】 前記イオン伝導性ポリマーがビニリデン
フルオライド/ヘキサフルオロプロピレン共重合体であ
ることを特徴とする請求項1に記載のリチウム2次電池
の製造方法。 - 【請求項3】 前記電池前駆体は、カソード前駆体、セ
パレータ前駆体、アノード前駆体、セパレータ前駆体及
びカソード前駆体が順次に積層されたバイセル構造であ
ることを特徴とする請求項1に記載のリチウム2次電池
の製造方法。 - 【請求項4】 前記電極組成物がキャスティング溶媒
と、メタノール、エタノール、イソプロパノール及びこ
れらの混合物よりなる群から選択される少なくとも1種
であるアルコール類溶媒を含むことを特徴とする請求項
1に記載のリチウム2次電池の製造方法。 - 【請求項5】 前記電解液によりゲル化されない多孔性
ポリマーフィルムが多孔性ポリエチレンフィルムである
ことを特徴とする請求項1に記載のリチウム2次電池の
製造方法。 - 【請求項6】 前記電解液によりゲル化されない多孔性
ポリマーフィルムが、多孔性ポリプロピレンフィルムが
両面に積層された多孔性ポリエチレンフィルムであるこ
とを特徴とする請求項1に記載のリチウム2次電池の製
造方法。 - 【請求項7】 前記可塑剤がエチレンカーボネート、プ
ロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエト
キシエタン、ジブチルフタレート、ジメトキシエタン、
ジエチルカーボネート、ジプロピルカーボネート及びこ
れらの混合物よりなる群から選択されるいずれか一つで
あることを特徴とする請求項1に記載のリチウム2次電
池の製造方法。 - 【請求項8】 前記イオン伝導性ポリマーが1ないし5
0μmの厚さでコーティングされることを特徴とする請
求項1に記載のリチウム2次電池の製造方法。 - 【請求項9】 前記キャスティング溶媒とアルコール溶
媒の混合体積比が3:1であることを特徴とする請求項
4に記載のリチウム2次電池の製造方法。 - 【請求項10】 前記多孔性ポリマーにコーティングさ
れるスラリーが電解液の溶媒と同じ種類の有機溶媒を含
むことを特徴とする請求項1に記載のリチウム2次電池
の製造方法。
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