JP2004079370A - Battery - Google Patents

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JP2004079370A
JP2004079370A JP2002239012A JP2002239012A JP2004079370A JP 2004079370 A JP2004079370 A JP 2004079370A JP 2002239012 A JP2002239012 A JP 2002239012A JP 2002239012 A JP2002239012 A JP 2002239012A JP 2004079370 A JP2004079370 A JP 2004079370A
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Japanese (ja)
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Masanori Machida
町田 昌紀
Takehiko Tanaka
田中 健彦
Yoshikatsu Yamamoto
山本 佳克
Kiyohiko Suzuki
鈴木 清彦
Takemasa Fujino
藤野 剛正
Tokuo Komaru
小丸 篤雄
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Sony Corp
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Sony Corp
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    • 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

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To realize high capacity and an excellent load characteristic with a small amount of binder. <P>SOLUTION: This battery is provided with a pair of electrodes and an electrolyte. At least one of the pair of electrodes is equipped with a first layer 21 containing a binder, and a second layer 22 containing an active material on a collector 20 in that order. The first layer 21 shows strong binding force as compared with the second layer 22. Since the first layer 21 showing the strong binding force is interlaid between the collector 20 and the second layer 22 containing the active material in at least one of electrodes, the second layer 22 can provide strong binding force even if the binder content is small. Since the binder content of the second layer 22 can be small, the capacity can be increased. Even if the thickness of the second layer 22 is increased for the purpose of high capacity, the load capacity is never degraded. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一対の電極と電解質とを備え、上記一対の電極のうち少なくとも一方は、集電体上に結着剤を含有する第1の層と、活物質を含有する第2の層とをこの順に備える電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年の電子技術のめざましい進歩は、電子機器の小型・軽量化を次々と実現させている。これに伴い、駆動用電源としての二次電池に対しても小型・軽量化に対する要求がさらに高まっている。このような要求のもと、電解質として非水電解質を用いた非水電解質電池の研究開発が盛んに行われ、既に実用化されている。非水電解質電池の中でも、リチウムイオンのドープ・脱ドープを利用したいわゆるリチウムイオン二次電池と称される電池は、従来の鉛電池やニッケルカドミウム電池等の水溶液系電池に比べて高容量化を図ることができることから、特に注目される電池である。
【0003】
一般に非水電解質電池は、リチウムイオンをドープ・脱ドープ可能な正極及び負極と、非水電解質として例えばリチウム塩を非プロトン性有機溶媒に溶解させてなる非水電解液とを有する。そして正極及び負極は、集電体と、活物質、導電剤や、これらを集電体に結着させる結着剤等を含む合剤層とから構成される。通常の非水電解質電池では、結着剤としてポリフッ化ビニリデンが広く用いられている。
【0004】
このような非水電解質電池においても、より高いエネルギー密度及び長時間の放電時間、すなわち高容量に対する要求は年々強まっている。これら高エネルギー密度及び高容量を実現する手法は多数存在するが、活物質の変更を伴わない手法として以下の2つが考えられる。
【0005】
(1)活物質以外の部材、中でも充放電に関与しない結着剤を減量して電極中に占める活物質の割合を増大させる。
(2)合剤層を厚くし、活物質の高密度化を図る。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、結着剤として既存のポリフッ化ビニリデンを用いて(1)の手法を採用すると、合剤層と集電体との結着力の兼ね合いから、減量できる結着剤の量が限られてしまう。すなわち、単純に結着剤であるポリフッ化ビニリデンを減量すると、合剤層と集電体との結着力、剥離強度が低下して製造時に不良率の増大を引き起こす。
【0007】
また、上述の手法のうち(2)を採用すると、合剤層が含有する結着剤に起因して内部抵抗が増加し、負荷特性が低下するという問題が生じる。さらに、結着剤としてポリフッ化ビニリデンを用い、且つ(2)の手法を採用すると、電極の柔軟性が損なわれることから、集電体上に合剤層を塗布した後にこの電極を巻き取る工程において、合剤層の剥離や合剤層の割れ等の不良が生じやすくなる。
【0008】
そこで本発明はこのような従来の問題点を解決するために提案されたものであり、少量の結着剤にて高容量及び優れた負荷特性を実現することが可能な電池を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明に係る電池は、一対の電極と電解質とを備え、上記一対の電極のうち少なくとも一方は、集電体上に結着剤を含有する第1の層と、活物質を含有する第2の層とをこの順に備え、上記第1の層は、上記第2の層に比べて強い結着力を示すことを特徴とする。
【0010】
以上のような構成の電池は、少なくとも一方の電極において集電体と活物質を含む第2の層との間に強い結着力を示す第1の層を介在させるので、第2の層は結着剤含有量が少量であっても強い結着力を得られる。そして、第2の層の結着剤含有量が少量で済むので、高容量化が可能となる。また、さらなる高容量化を目的として第2の層の厚みを増した場合でも、負荷特性の低下を招くことがない。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した電池について、図面を参照しながら詳細に説明する。ここでは、電池としていわゆるリチウムイオン二次電池と称される非水電解液二次電池を図1に挙げて説明する。
【0012】
図1に示すように、非水電解液二次電池1は、フィルム状の正極2とフィルム状の負極3とがセパレータ4を介して密着状態で積層されるとともに巻回された巻回体が、電池缶5の内部に装填されてなる。また、電池缶5内には、電解質として非水電解液が注入されている。
【0013】
本発明では、正極2、負極3のうち少なくとも一方が、図2に示すように、集電体20上に、少なくとも結着剤を有する第1の層21と、少なくとも活物質を含有する第2の層22とをこの順に備える構造とされている。ここで、第1の層21は第2の層22に比べて強い結着力を示す。なお、以下では、このような集電体上に2層構造を有する正極2及び/又は負極3を、まとめて電極と称することがある。
【0014】
この電極では、集電体20と第2の層22との間に強い結着力を示す第1の層21が介在しているので、その上に形成される第2の層22の結着剤含有量が少量であっても強い結着力を得られる。この結果、第2の層22の結着剤含有量の低減、すなわち活物質含有量の増大が可能となるので、高容量化を図ることができる。このように、本発明の電池は、結着剤含有量の低減に起因する電極の剥離強度の低下を引き起こすことなく、高容量化を実現する。また、第2の層22の結着剤の減量を実現しているので、さらなる高容量化を図るために第2の層22の厚みを増した場合でも、負荷特性を損なうことがない。したがって、本発明の電池では、高容量化と優れた負荷特性とを両立することができる。
【0015】
また、上記構成の電極は、CuKα線によるX線回折測定を行ったときの、X線回折パターンにおける回折角(2θ、θ:ブラッグ角)20.0°付近のピーク比(集電体側/第2の層側)が1以上であることが好ましい。ピーク比が1以上であることで、少量の結着剤で高い剥離強度を実現するという本発明の効果を確実に得ることができる。ピーク比が1未満である場合、剥離強度が不足するおそれがある。
【0016】
ところで、上述したような集電体20上に第1の層21と、少なくとも活物質を含有する第2の層22とをこの順に備え、第1の層21の結着力が相対的に大とされた構造の電極は、以下に示すような膜厚及び組成の条件を満足することによって、さらに高い電池特性を実現し得る。
【0017】
このような電極の構成の詳細は、結着力の大きな第1の層が活物質を含有するとともに結着剤としてポリフッ化ビニリデンを含有する場合と、結着力の大きな第1の層が結着剤としてフッ素系樹脂と炭素粉末とを含有するとともに、活物質を含有しない場合との2つに大別される。
【0018】
先ず、結着力の大きな第1の層が活物質を含有するとともに結着剤としてポリフッ化ビニリデンを含有する場合について説明する。
【0019】
この場合の電極では、上述した第1の層が、ポリフッ化ビニリデンを2重量%以上含有し、また、第2の層が軟質性結着剤を1重量%以上含有する。さらに、第1の層と第2の層との膜厚比が、5:95〜80:20の範囲内とされる。
【0020】
ここで、軟質性結着剤とは、例えばスチレンブタジエン系ラテックスのようなブタジエン系ラテックス等のジエン構造を有するゴム系化合物や、アクリルゴム、ヘキサフルオロプロピレン等のフッ素ゴム等のゴム系結着剤を単独で用いたもの、ゴム系結着剤とポリフッ化ビニリデンとの混合物、ゴム系結着剤とポリフッ化ビニリデンとの重合物等の、通常用いられる結着剤に比べて柔軟性に富む結着剤のことを指す。中でもポリフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとの混合物、又はポリフッ化ビニリデンとスチレンブタジエン系ラテックスとの混合物は、軟質性結着剤として好適な材料である。
【0021】
この例の電極を用いた電池では、上述した基本となる電極構造を有する電池と同様の理由から、結着剤の減量に起因する剥離強度の低下を引き起こすことなく、高容量及び優れた負荷特性を実現することができる。
【0022】
また、上述した結着力の規定に加えて、第1の層が結着剤としてポリフッ化ビニリデンを2重量%以上含有するので、より高い剥離強度の向上効果が得られる。この結果、第1の例の電池では、剥離強度の不足に起因する不良率の増大を引き起こすことなく、さらなる高容量を実現することができる。また、電極全体の結着剤量を減少させられるので、電極の電子導電性が向上しさらに負荷特性が向上する。なお、第1の層のポリフッ化ビニリデン含有量が2重量%未満である場合、剥離強度が不足するおそれがある。
【0023】
また、第2の層が、上述したような軟質性結着剤を1重量%以上含有するので、柔軟性に富んだ電極を実現できる。この結果、例えば図1に示すような電極の巻回体を作製する工程においても電極にダメージを受けることがない。なお、例えば第2の層の結着剤としてポリフッ化ビニリデンを単独で用いた場合、電極の柔軟性が不足するために電極の巻回体を作製する工程で第2の層に割れを生じ、不良品が多発するおそれがある。また、第2の層の軟質性結着剤の含有量が1重量%未満である場合には、第2の層の結着力が不足するおそれがある。
【0024】
また、これら第1の層及び第2の層の膜厚を上述した範囲内に規定することで、電極の剥離強度及び電極の柔軟性を両立することができる。
【0025】
次に、結着力の大きな第1の層が結着剤としてフッ素系樹脂と、炭素粉末とを含有するとともに、活物質を含有しない場合について説明する。
【0026】
この場合の電極では、第1の層が結着剤としてフッ素系樹脂を含有する。また、第1の層が炭素粉末を10重量%〜75重量%含有する。また、第1の層の膜厚が0.5μm〜5μmである。また、第2の層は、結着剤を1重量%〜5重量%含有し、膜厚が160μm〜300μmである。
【0027】
この例の電極を用いた電池では、上述した基本となる電極構造を有する電池と同様の理由から、結着剤の減量に起因する剥離強度の低下を引き起こすことなく、高容量及び優れた負荷特性を実現することができる。
【0028】
また、第2の層は、さらなる高容量化を目的として膜厚が160μm〜300μmと従来に比べて極めて厚くされるが、結着剤の含有量が1重量%〜5重量%と従来に比べて低減されているので、負荷特性の低下を招くことがない。第2の層の膜厚が160μm未満である場合には電池容量が既存の電池と同等又は下回る値となり、逆に300μmを上回る場合には負荷特性が低下し、且つ電池の作製時に塗膜の割れが発生するおそれがある。また、第2の層における結着剤の含有量が1重量%未満である場合には第2の層が剥離し、逆に5重量%を上回る場合には上記の膜厚範囲であるとき負荷特性が低下するおそれがある。
【0029】
また、第2の層と集電体との間に結着剤としてフッ素系樹脂を用いる第1の層が介在するので、第2の層の結着剤含有量を低減したことに伴う剥離強度の低下を抑制する。この第1の層は、フッ素系樹脂中に炭素粉末を10重量%〜75重量%含むことで電極に必要な導電性及び結着力が確保されている。また、第1の層の膜厚が0.5μm〜5μmとされることで、電極の容量の低下を抑えつつ充分な結着力を確保できる。なお、第1の層中の炭素粉末の含有量が10重量%未満である場合には導電性が不十分となり、逆に75重量%を上回る場合には結着力が不足するおそれがある。また、第1の層の膜厚が0.5μm未満である場合には第1の層を塗布にて形成することが困難となるため均一性が確保できなくなり、逆に5μmを上回る場合には容量が低下するおそれがある。
【0030】
以上のように、第2の例の電極を用いた電池は、結着剤の減量に起因する剥離強度の低下を引き起こすことなく、さらなる高容量化と優れた負荷特性とを両立することができる。
【0031】
また、第1の層は活物質を含有しないので、平坦な電極の表面を得られる。第1の層が活物質を含有すると、活物質はある程度の粒度分布の幅を持った粒子であるため、活物質を含有させた状態で上述したように第1の層を膜厚0.5μm〜5μmと極めて薄く塗布したときに粗大な粒子の形状に起因する凹凸が第1の層の表面に現れて電極の表面性が損なわれるおそれがある。
【0032】
第1の層が含有する炭素粉末としては、例えばグラファイト、カーボンブラック等が挙げられ、これらを単独又は混合して用いることができる。カーボンブラックの中でも、特にオイルファーネスブラック(ケッチェンブラック)やアセチレンブラックが好適に用いられる。
【0033】
また、第1の層が含有するフッ素系樹脂としては、例えばポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等が挙げられ、これらを単独又は混合して用いることができる。
【0034】
第2の層が含有する結着剤としては、通常この種の電池に用いられる公知の結着剤をいずれも使用可能であるが、第1の層で用いられるフッ素系樹脂と同種のものであることが好ましい。
【0035】
次に、上述した各種の構造の電極を構成する材料について説明する。電極が例えば正極である場合、活物質としてはリチウムイオンをドープ・脱ドープ可能な遷移金属酸化物等、公知の正極材料を制限なく使用可能である。例えばアルカリ金属を含有する遷移金属とのカルコゲン化合物、この中では特にアルカリ金属と遷移金属との酸化物を用いることができる。正極活物質に用いられる化合物の結晶構造としては、層状化合物、スピネル型化合物等が一般的である。好ましい正極活物質は、一般式A(式中、AはLi、Na、Kから選ばれる一種である。また、式中、MはFe、Co、Ni、Mn、Cu、Zn、Cr、V、Ti、Al、Sn、B、Ga、Mg、Ca、Srから選ばれる少なくとも一種である。また、0.5≦x≦1.1であり、0.5≦y≦1である。)で表される化合物である。特に好ましいのはLiNi1−y2−δ、LiCo1−y2−δ、LiMn1−y2−δ、LiFe1−y2−δ(式中、0≦x≦1.5、0≦y≦1、0≦δ≦0.5である。また、Mは、Al、Fe、Cu、Co、Cr、Mg、Ca、V、Ni、Ag、Sn、B、Ga、第二遷移金属元素からなる群から選ばれる1種以上の元素である。)や、LiMn、LiMn12、LiMnFe1−xPO(式中、0≦x≦1である。)、LiMn2−y4−δ(式中、0≦x≦1.5、0≦y≦1.5、0≦δ≦2である。また、Mは、Al、Fe、Cu、Co、Cr、Mg、Ca、V、Ni、Ag、Sn、B、Ga、第二遷移金属元素からなる群から選ばれる1種以上の元素である。)等の含リチウム酸化物等である。
【0036】
また、正極中には必要に応じて導電材料や各種機能を発現する添加剤等が含まれていても良い。導電材料としては、活物質とともに適量混合されることにより導電性を付与できるものであれば特に制限ないが、通常はグラファイト、カーボンブラック等の炭素材料を使用することができる。
【0037】
また、正極の集電体としては、アルミニウム等の金属箔を用いることができる。
【0038】
また、例えば負極である場合、活物質としては、金属リチウム、リチウムをドープ・脱ドープ可能な材料、リチウムと合金を形成可能な金属、リチウムと合金を形成可能な金属の合金化合物等が挙げられる。
【0039】
リチウムをドープ・脱ドープ可能な材料としては、リチウムをドープ・脱ドープ可能な炭素材料が挙げられる。具体的なリチウムをドープ・脱ドープ可能な炭素材料としては、例えば難黒鉛化性炭素材料、熱分解炭素類、コークス類、グラファイト類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物の焼成体、メソカーボンマイクロビーズ、炭素繊維、活性炭等が挙げられる。
【0040】
難黒鉛化性炭素材料としては、(002)面間隔が0.37nm以上、真密度が1.70g/cm未満、空気中での示差熱分析(Differential Thermal Analysis:DTA)において700℃以上に発熱ピークを持たないという物性パラメータを示す材料が好適である。
【0041】
上記難黒鉛化性炭素材料の代表としては、フルフリルアルコール或いはフルフラールのホモポリマー又はコポリマー、他の樹脂との共重合物よりなるフラン樹脂を焼成し炭素化したものがある。また、出発原料となる有機材料としてはフェノール樹脂、アクリル樹脂、ハロゲン化ビニル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアセチレン、ポリ(p−フェニレン)等の共役系樹脂、セルロース及びその誘導体、任意の有機高分子系化合物等を使用することができる。
【0042】
また、特定のH/C原子比を有する石油ピッチに酸素を含む官能基を導入(いわゆる酸素架橋)したものも上記フラン樹脂と同様に、炭素化の過程(400℃以上)で溶融することなく固相状態で最終の難黒鉛化性炭素材料となる。上記石油ピッチは、コールタール、エチレンボトム油、原油等の高温熱分解で得られるタール類、アスファルト等より蒸留(真空蒸留、常圧蒸留、スチーム蒸留)、熱重縮合、抽出、化学重縮合等の操作によって得られる。このとき、石油ピッチのH/C原子比が重要であり、難黒鉛化性炭素材料とするためにはこのH/C原子比を0.6〜0.8とする必要がある。
【0043】
以上の有機材料を用いて炭素材料を得る場合、例えば300℃〜700℃で炭化した後、昇温速度毎分1℃〜100℃、到達温度900℃〜1300℃、到達温度での保持時間0〜30時間程度の条件で焼成すればよい。勿論、場合によっては炭化操作を省略してもよい。
【0044】
活物質として使用可能なグラファイトとしては、真密度が2.1g/cm以上が好ましく、2.18g/cm以上がさらに好ましい。このような真密度を得るためには、X線回折法で得られる(002)面間隔が0.340nm未満、好ましくは0.335nm以上0.337nm未満であり、(002)面のC軸結晶子厚みが14.0nm以上であることが必要である。
【0045】
コークス類としては、例えばピッチコークス、ニードルコークス、石油コークス等が挙げられる。
【0046】
人造黒鉛を生成するに際して出発原料となる有機材料としては、石炭、ピッチ等が代表的である。ピッチとしては、コールタール、エチレンボトム油、原油等の高温熱分解で得られるタール類、アスファルト等より蒸留(真空蒸留、常圧蒸留、スチーム蒸留)、熱重縮合、抽出、化学重縮合等の操作によって得られるものや、その他木材乾留時に生成するピッチ等が挙げられる。さらにピッチとなる出発原料としては、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリビニルアセテート、ポリビニルブチラート、3,5−ジメチルフェノール樹脂等がある。
【0047】
これら石炭及びピッチは、炭素化の途中、最高400℃程度で液状で存在し、その温度で保持することで芳香環同士が縮合、多環化して積層配向した状態となり、その後500℃程度以上の温度になると固体の炭素前駆体、すなわちセミコークスを形成する。このような過程を液相炭素化過程と呼び、易黒鉛化炭素の典型的な生成過程である。
【0048】
以上の有機材料を出発原料として所望の人造黒鉛を生成するには、例えば、上記有機材料を窒素等の不活性ガス気流中、300℃〜700℃で昇温速度毎分1℃〜100℃、到達温度900℃〜1500℃、到達温度での保持時間0〜30時間程度の条件でか焼し(このプロセスまで経たものが易黒鉛化性炭素材料である。)、さらに2000℃以上、好ましくは2500℃以上で熱処理することによって得られる。勿論、場合によっては炭化やか焼操作を省略してもよい。
【0049】
なお、生成される黒鉛材料は、分級又は粉砕・分級して負極材料に供されるが、粉砕は炭化、か焼の前後、又は黒鉛化前の昇温過程のいずれで行ってもよく、この場合、最終的には粉末状態で黒鉛化のための熱処理が行われる。
【0050】
また、リチウムをドープ・脱ドープ可能な材料としては、リチウムをドープ・脱ドープ可能な金属酸化物、金属間化合物、ポリアセチレンやポリピロール等のポリマー等が挙げられる。
【0051】
上記リチウムをドープ・脱ドープ可能な金属酸化物としては、遷移金属を含む酸化物が好適であり、酸化鉄、酸化ルテニウム、酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化チタン、酸化スズ等を主体とする結晶化合物又は非晶質化合物が負極して利用可能である。この中でも特に、充放電電位が比較的金属リチウムに近い化合物が好ましい。
【0052】
また、負極活物質としては、リチウムと合金を形成可能な金属、又は当該金属の合金化合物も使用可能である。
【0053】
ここでいう合金化合物とは、リチウムと合金を形成可能なある金属元素をMとしたとき、化学式MM’Li(但し、式中、M’はLi元素及びM元素以外の1つ以上の金属元素である。また、xは0より大きい数値であり、y、zは0以上の数値である。)で表される化合物である。さらに、本発明では半導体元素であるB、Si、As等の元素も金属元素に含めることとする。また、合金化合物としては、リチウム合金等のリチウム化合物も含めることとする。
【0054】
リチウムと合金を形成可能な金属又は当該金属の合金化合物としては、具体的には、MgやB、Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Cd、Ag、Zn、Hf、Y等の各金属とそれらの合金化合物、すなわち、例えばLi−Al、Li−Al−M(但し、式中、Mは2A族、3B族、4B族遷移金属元素のうち少なくとも1種以上からなる。)等のリチウム合金、AlSb、CuMgSb等が使用できる。
【0055】
上述したような元素の中でも、3B族典型元素の他、SiやSn等の元素又はその合金を用いることが好ましい。その中でもSi又はSi合金が特に好適である。Si又はSi合金としては、MSi、MSn(但し、式中、MはSi又はSn以外の1つ以上の金属元素である。)で表される化合物で、具体的には、SiB、SiB、MgSi、MgSn、NiSi、TiSi、MoSi、CoSi、NiSi、CaSi、CrSi、CuSi、FeSi、MnSi、NbSi、TaSi、VSi、WSi、ZnSi等が使用できる。
【0056】
さらに、1つ以上の非金属元素を含む炭素以外の4B族元素も負極活物質として利用できる。本材料中には1種類以上の4B族元素が含まれていてもよい。また、Liを含む4B族以外の金属元素が含まれていてもよい。例示するならば、SiC、Si、SiO、GeO、SiO(但し、式中、0<x≦2である。)、LiSiO、LiSnO等が挙げられる。
【0057】
なお、負極活物質としては、上述したような材料等をいずれも使用可能であるが、本発明の効果をより顕著に発揮させるという観点から、リチウムと合金を形成可能な金属又は当該金属の合金化合物を用いることが好ましい。
【0058】
また、上述したような電極は、正極、負極のいずれか一方でも、正極及び負極の両方に適用してもかまわないが、本発明の効果を確実に得るという観点から、正極及び負極の両方に適用することが好ましい。なお、一対の電極のうち一方に上述した構造を適用し他方には適用しない場合、当該他方の電極は、上述した電極材料等任意の電極材料を含有するとともに、従来公知の構造をとることが可能である。
【0059】
非水電解液は、非水溶媒に電解質塩を溶解してなるものである。具体的な非水溶媒としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、γ−ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、プロピオニトリル、アニソール、酢酸エステル、酪酸エステル、プロピオン酸エステル等が挙げられる。
【0060】
電解質塩としては、具体的には、LiPFが好適であるが、この他にもLiClO、LiAsF、LiBF、LiB(C、CHSOLi、CFSOLi、LiN(CFSO、LiC(CFSO、LiCl、LiBr等のリチウム塩等が挙げられる。これらの電解質塩は、1種類を単独で使用してもよいし、複数種を混合して使用しても構わない。
【0061】
電池缶5の材質としては、鉄、ニッケル、ステンレス、アルミニウム等が挙げられる。また、電池の充放電に際して非水電解質中での電気化学的な腐食を防止するために、この電池缶5にはめっき等の表面処理が施されていてもよい。
【0062】
以上説明したように、本発明を適用した非水電解液二次電池1は、正極2、負極3のうち少なくとも一方が、集電体上に第1の層と第2の層とをこの順に備え、第1の層は第2の層に比べて強い結着力を示すという特徴を基本に備える。このように、強い結着力を有する第1の層を集電体と活物質を含有する第2の層との間に薄く介在させることで、電極の剥離強度の低下を引き起こすことなく結着剤含有量を低下させることができる。したがって、非水電解液二次電池1は、剥離強度の不足に起因する不良率の増大を引き起こすことなく、高容量を実現する。また、この非水電解液二次電池1は、第2の層を厚くしても負荷特性の低下が抑えられるので、負荷特性を確保しつつさらなる高容量化を図ることができる。
【0063】
また、非水電解液二次電池1は、上記の基本となる特徴に加えて、第1の層が活物質及びポリフッ化ビニリデンを含有すること、さらに第1の層中のポリフッ化ビニリデンの含有量、第2の層中の軟質性結着剤の含有量及び種類、第1の層及び第2の層の膜厚比等の規定に関する条件を満足することが好ましい。これにより、非水電解液二次電池1は、上述したような高い剥離強度を維持しつつ高容量及び優れた負荷特性を実現するといった効果を確実に得られることに加えて、高い柔軟性が得られる。
【0064】
また、非水電解液二次電池1は、上記の基本となる特徴に加えて、第1の層が結着剤としてフッ素系樹脂と炭素粉末とを含有するとともに活物質を含有しないこと、さらに炭素粉末の含有量、第1の層の膜厚、第2の層の結着剤の含有量、第2の層の膜厚等の規定に関する条件を満足することが好ましい。これにより、非水電解液二次電池1は、上述したような高い剥離強度を維持しつつ高容量及び優れた負荷特性を実現するといった効果を確実に得られる。特にこの構造では、負荷特性を損なうことなく第2の層の膜厚を上記規定したように極めて厚くすることが可能であり、さらなる高容量化を図ることができる。
【0065】
次に、図1に示すような非水電解液二次電池1を製造する方法について説明する。
【0066】
最初に、上述したような条件を満足する正極2及び/又は負極3を作製する。先ず、帯状の集電体の一主面上に、第1の層を形成する。第1の層を形成する際には、第1の層を構成する各成分を、例えばN−メチル−2−ピロリドン等の溶剤を用いて分散塗料化し、この塗料を集電体上に塗布し、乾燥させる。この分散塗料化に際しては、通常用いられる分散機であるボールミル、サンドミル、二軸混練機等が使用可能である。また、集電体上に塗料を塗布する塗布装置に関しては特に限定されず、スライドコーティングやエクストルージョン型のダイコーティング、リバースロール、グラビア、ナイフコーター、キスコーター、マイクログラビア、ロッドコーター、ブレードコーター等の公知の塗布装置を使用できる。乾燥方法については特に制限ないが、例えば放置乾燥の他、送風乾燥機、温風乾燥機、赤外線加熱器、遠赤外線加熱器等を使用することができる。
【0067】
次に、第1の層上に第2の層を形成する。第2の層を形成する手法としては、第2の層を構成する各成分を溶剤とともに混合し、必要に応じてボールミル、サンドミル、二軸混練機等の分散機を用いて分散塗料化した後、第1の層上に塗布し、乾燥させる方法が好適である。これにより、集電体上に第1の層及び第2の層が形成された、帯状の正極2及び/又は負極3が得られる。ここで用いる溶剤としては、第1の層に対して不活性であり、且つ第2の層の構成成分の結着剤を溶解しうるものであれば特に限定されず、例えばN−メチル−2−ピロリドン等の公知の無機及び有機溶剤をいずれも使用可能である。また、第1の層上に塗料を塗布する塗布装置に関しては特に限定されず、スライドコーティングやエクストルージョン型のダイコーティング、リバースロール、グラビア、ナイフコーター、キスコーター、マイクログラビア、ロッドコーター、ブレードコーター等の公知の塗布装置を使用できる。乾燥方法については特に制限ないが、例えば放置乾燥の他、送風乾燥機、温風乾燥機、赤外線加熱器、遠赤外線加熱器等を使用することができる。
【0068】
なお、上述したような条件を満たさない正極2又は負極3は、公知の製造方法によって作製することができる。
【0069】
以上のようにして得られた帯状の正極2と負極3とを、例えば微多孔性ポリプロピレンフィルムからなるセパレータ4を介して積層し、長手方向に多数回巻回して渦巻き型の巻回体を作製する。
【0070】
次に、内側にニッケルめっきが施された電池缶5の底部に絶縁板6を挿入し、次いで巻回体を収納し、さらに巻回体の上部に絶縁板7を配する。また、負極3の集電をとるために、例えばニッケルからなる負極リード8の一端を負極3に圧着させ、他端を電池缶5に溶接する。これにより、電池缶5は負極3と導通をもつこととなり、非水電解液二次電池1の外部負極となる。また、正極2の集電をとるために、例えばアルミニウムからなる正極リード9の一端を正極2に取り付け、他端を電流遮断用薄板を介して電池蓋10と電気的に接続する。この電流遮断用薄板は、電池内圧に応じて電流を遮断するものである。これにより、電池蓋10は正極2と導通を持つこととなり、非水電解液二次電池1の外部正極となる。
【0071】
次に、この電池缶5の中に非水電解液を注入する。この非水電解液は、電解質を非水溶媒に溶解させて調製される。
【0072】
次に、アスファルトを塗布した絶縁封口ガスケット11を介して電池缶5をかしめることにより電池蓋10が固定されて円筒型の非水電解液二次電池1が作製される。
【0073】
なお、この非水電解液二次電池1は、電池内部の圧力が所定値よりも高くなったときに内部の気体を抜くための安全弁装置12、及び電池内部の温度上昇を防止するためのPTC(Positive Temperature Coefficient)素子13を備えている。
【0074】
ところで、上述の説明では、電解質として非水溶媒に電解質塩を溶解させた非水電解液を用いた非水電解液二次電池を例に挙げたが、電解質としては、電解質塩を含有させた固体電解質、有機高分子に非水溶媒と電解質塩とを含浸させたゲル状電解質等、公知の電解質をいずれも使用できる。
【0075】
固体電解質としては、リチウムイオン導電性を有する材料であれば無機固体電解質、高分子固体電解質等のいずれも用いることができる。無機固体電解質としては、窒化リチウム、ヨウ化リチウム等が挙げられる。高分子固体電解質は、電解質塩とこの電解質塩を溶解する高分子化合物からなる。具体的な高分子化合物としては、ポリ(エチレンオキサイド)や同架橋体等のエーテル系高分子、ポリ(メタクリレート)エステル系、アクリレート系等を単独或いは分子中に共重合、又は混合して用いることができる。
【0076】
また、ゲル状電解質に用いられる有機高分子としては、上述した非水電解液を吸収してゲル化するものであれば種々の高分子が利用できる。例えばポリ(ビニリデンフルオロライド)やポリ(ビニリデンフルオロライド−co−ヘキサフルオロプロピレン)等のフッ素系高分子、ポリ(エチレンオキサイド)や同架橋体等のエーテル系高分子、ポリ(アクリロニトリル)等が挙げられる。この中でも、特に酸化還元安定性の観点から、フッ素系高分子を用いることが好ましい。これら有機高分子には、電解質塩を含有させることによりイオン導電性を付与する。
【0077】
また、本発明の電池は、円筒型、角型、コイン型、ボタン型等、その形状については特に限定されることはなく、また、薄型、大型等の種々の大きさとすることができる。
【0078】
また、本発明の電池は、二次電池に限定されず一次電池に適用されてもかまわない。
【0079】
本発明は上述の記載に限定されることはなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
【0080】
【実施例】
以下、本発明を適用した具体的な実施例について、実験結果に基づいて説明する。
【0081】
<実験1>
実験1では、結着力の大きな第1の層が活物質を含有するとともに結着剤としてポリフッ化ビニリデンを含有する構成の電極を有する電池において、第1の層と第2の層との最適な膜厚比について検討した。
【0082】
サンプル1
先ず、以下のようにして正極を作製した。厚さ20μmの帯状アルミニウム箔からなる正極集電体の両面に、第1の層用塗料を均一に塗布し、乾燥させて第1の層を形成した。また、第1の層上に、第2の層用塗料を均一に塗布し、乾燥させて第2の層を形成し、正極を得た。また、正極における第1の層と第2の層との膜厚比は、5%:95%となるように設定した。
【0083】
ここで用いた第1の層用塗料は、正極活物質としてLiCoOを92重量部と、導電剤を5重量部と、結着剤としてポリフッ化ビニリデンを3重量部とを混合し、この混合物を溶剤に分散させて調製したものである。
【0084】
また、第2の層用塗料は、正極活物質としてLiCoOを94重量部と、導電剤を5重量部と、結着剤として軟質性結着剤を1重量部とを混合し、この混合物を溶剤に分散させて調製したものである。なお、ここで用いた軟質性結着剤は、ポリフッ化ビニリデン70%にヘキサフルオロプロピレン30%を共重合させたものである。
【0085】
次に、以下のようにして負極を作製した。厚さ15μmの帯状銅箔からなる負極集電体の両面に、第1の層用塗料を均一に塗布し、乾燥させて第1の層を形成した。また、第1の層上に、第2の層用塗料を均一に塗布し、乾燥させて第2の層を形成し、負極を得た。
【0086】
ここで用いた第1の層用塗料は、負極活物質として人造黒鉛を94重量部と、結着剤としてポリフッ化ビニリデンを6重量部とを混合し、この混合物を溶剤に分散させて調製したものである。
【0087】
また、第2の層用塗料は、負極活物質として人造黒鉛を98重量部と、結着剤として軟質性結着剤を2重量部とを混合し、この混合物を溶剤に分散させて調製したものである。なお、ここで用いた軟質性結着剤は、上述した正極で用いた軟質性結着剤と同様のものである。
【0088】
また、負極における第1の層と第2の層との膜厚比は、5%:95%となるように設定した。
【0089】
以上のようにして得られた正極と、負極と、厚さ20μmの微孔性ポリエチレンフィルムからなるセパレータとを、負極、セパレータ、正極、セパレータの順に積層して密着させ、渦巻型に多数回巻回することにより巻回体を作製した。
【0090】
次に、その内側にニッケルメッキを施した鉄製の電池缶の底部に絶縁板を挿入し、さらに巻回体を収納した。そして負極の集電をとるために、ニッケル製の負極リードの一端を負極に圧着させ、他端を電池缶に溶接した。また、正極の集電をとるために、アルミニウム製の正極リードの一端を正極に取り付け、他端を電池蓋と電気的に接続した。
【0091】
そして、この電池缶の中に非水電解液を注入した。この非水電解液は、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとを1:1の体積比で混合した混合溶媒中に、電解質としてLiPFを1モル/lの濃度で溶解させて調製したものである。
【0092】
最後に、アスファルトを塗布した絶縁封口ガスケットを介して電池缶をかしめることにより、電流遮断用薄板、PTC素子及び電池蓋を固定して、直径が約18mm、高さが約65mmの円筒型の非水電解液二次電池を作製した。
【0093】
サンプル2
正極における第1の層と第2の層との膜厚比を50%:50%となるように設定したこと、及び負極における第1の層と第2の層との膜厚比を50%:50%となるように設定したこと以外は、サンプル1と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0094】
サンプル3
正極における第1の層と第2の層との膜厚比を80%:20%となるように設定したこと、及び負極における第1の層と第2の層との膜厚比を80%:20%となるように設定したこと以外は、サンプル1と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0095】
サンプル4
正極における第1の層と第2の層との膜厚比を100%:0%となるように設定したこと、及び負極における第1の層と第2の層との膜厚比を5%:95%となるように設定したこと以外は、サンプル1と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0096】
サンプル5
正極における第1の層と第2の層との膜厚比を100%:0%となるように設定したこと、及び負極における第1の層と第2の層との膜厚比を80%:20%となるように設定したこと以外は、サンプル1と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0097】
サンプル6
正極における第1の層と第2の層との膜厚比を5%:95%となるように設定したこと、及び負極における第1の層と第2の層との膜厚比を100%:0%となるように設定したこと以外は、サンプル1と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0098】
サンプル7
正極における第1の層と第2の層との膜厚比を80%:20%となるように設定したこと、及び負極における第1の層と第2の層との膜厚比を100%:0%となるように設定したこと以外は、サンプル1と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0099】
サンプル8
正極における第1の層と第2の層との膜厚比を3%:97%となるように設定したこと、及び負極における第1の層と第2の層との膜厚比を3%:97%となるように設定したこと以外は、サンプル1と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0100】
サンプル9
正極における第1の層と第2の層との膜厚比を90%:10%となるように設定したこと、及び負極における第1の層と第2の層との膜厚比を90%:10%となるように設定したこと以外は、サンプル1と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0101】
サンプル10
正極における第1の層と第2の層との膜厚比を100%:0%となるように設定したこと、及び負極における第1の層と第2の層との膜厚比を4%:96%となるように設定したこと以外は、サンプル1と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0102】
サンプル11
正極における第1の層と第2の層との膜厚比を100%:0%となるように設定したこと、及び負極における第1の層と第2の層との膜厚比を81%:19%となるように設定したこと以外は、サンプル1と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0103】
サンプル12
正極における第1の層と第2の層との膜厚比を4%:96%となるように設定したこと、及び負極における第1の層と第2の層との膜厚比を100%:0%となるように設定したこと以外は、サンプル1と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0104】
サンプル13
正極における第1の層と第2の層との膜厚比を81%:19%となるように設定したこと、及び負極における第1の層と第2の層との膜厚比を100%:0%となるように設定したこと以外は、サンプル1と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0105】
サンプル14
正極における第1の層と第2の層との膜厚比を100%:0%となるように設定したこと、及び負極における第1の層と第2の層との膜厚比を100%:0%となるように設定したこと以外は、サンプル1と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0106】
サンプル15
正極における第1の層と第2の層との膜厚比を0%:100%となるように設定したこと、及び負極における第1の層と第2の層との膜厚比を0%:100%となるように設定したこと以外は、サンプル1と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0107】
以上のように作製したサンプル1〜サンプル15の非水電解液二次電池を構成する電極について、以下のようにして剥離強度及び柔軟性を測定した。また、サンプル1〜サンプル15の非水電解液二次電池について、負荷特性及び放電容量を測定した。
【0108】
電極の剥離強度については、測定対象である電極の塗布面に25mm×60mmの大きさのテープを接着させ、このテープを塗布面に対して平行方向に引っ張り、剥がしたときの引っ張り強度を測定した。
【0109】
また、電極の柔軟性については、測定対象である電極をリング状とし、直径方向に一定速度にて加重をかけたとき、電極に亀裂が入るまでの変位と応力とを測定し、評価した。そして、その電極の膜厚構成が第1の層:第2の層=0%:100%であるときの柔軟性を10.0としたときの相対値で表した。
【0110】
また、非水電解液二次電池の放電容量については、作製した電池に対して4.2Vまで満充電を行い、次に1Cでの定電流放電を行ったときの放電容量を測定した。
【0111】
また、負荷特性は、0.5Cにおける放電容量に対する3Cでの放電容量の割合であり、サンプル1の負荷特性を10.0としたときの相対値で表した。
【0112】
以上のサンプル1〜サンプル15に関する電極の膜厚比、剥離強度及び柔軟性、並びに負荷特性及び放電容量を下記の表1に示す。
【0113】
【表1】

Figure 2004079370
【0114】
表1から明らかなように、正極、負極のうち少なくとも一方において、第1の層と第2の層との膜厚比が5:95〜80:20の範囲内であるサンプル1〜サンプル7は、電極の剥離強度及び柔軟性、負荷特性、放電容量のいずれにおいても優れた結果であった。
【0115】
<実験2>
実験2では、結着力の大きな第1の層が活物質を含有するとともに結着剤としてポリフッ化ビニリデンを含有する構成の電極を有する電池において、正極の第1の層の結着剤(ポリフッ化ビニリデン)含有量の最適範囲を検討した。
【0116】
サンプル16
第1の層用塗料として、正極活物質としてLiCoOを93重量部と、導電剤を5重量部と、結着剤としてポリフッ化ビニリデンを2重量部とを混合し、この混合物を溶剤に分散させて調製したものを用いたこと以外は、サンプル1と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0117】
サンプル17
正極における第1の層と第2の層との膜厚比を50%:50%となるように設定したこと、及び負極における第1の層と第2の層との膜厚比を50%:50%となるように設定したこと以外は、サンプル16と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0118】
サンプル18
正極における第1の層と第2の層との膜厚比を80%:20%となるように設定したこと、及び負極における第1の層と第2の層との膜厚比を80%:20%となるように設定したこと以外は、サンプル16と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0119】
サンプル19
正極における第1の層と第2の層との膜厚比を100%:0%となるように設定したこと、及び負極における第1の層と第2の層との膜厚比を5%:95%となるように設定したこと以外は、サンプル16と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0120】
サンプル20
正極における第1の層と第2の層との膜厚比を100%:0%となるように設定したこと、及び負極における第1の層と第2の層との膜厚比を80%:20%となるように設定したこと以外は、サンプル16と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0121】
サンプル21
正極における第1の層と第2の層との膜厚比を5%:95%となるように設定したこと、及び負極における第1の層と第2の層との膜厚比を100%:0%となるように設定したこと以外は、サンプル16と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0122】
サンプル22
正極における第1の層と第2の層との膜厚比を80%:20%となるように設定したこと、及び負極における第1の層と第2の層との膜厚比を100%:0%となるように設定したこと以外は、サンプル16と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0123】
サンプル23
第1の層用塗料として、正極活物質としてLiCoOを90重量部と、導電剤を5重量部と、結着剤としてポリフッ化ビニリデンを5重量部とを混合し、この混合物を溶剤に分散させて調製したものを用いたこと、正極における第1の層と第2の層との膜厚比を5%:95%となるように設定したこと、及び負極における第1の層と第2の層との膜厚比を5%:95%となるように設定したこと以外は、サンプル16と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0124】
サンプル24
正極における第1の層と第2の層との膜厚比を50%:50%となるように設定したこと、及び負極における第1の層と第2の層との膜厚比を50%:50%となるように設定したこと以外は、サンプル23と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0125】
サンプル25
正極における第1の層と第2の層との膜厚比を3%:97%となるように設定したこと、及び負極における第1の層と第2の層との膜厚比を3%:97%となるように設定したこと以外は、サンプル16と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0126】
サンプル26
正極における第1の層と第2の層との膜厚比を90%:10%となるように設定したこと、及び負極における第1の層と第2の層との膜厚比を90%:10%となるように設定したこと以外は、サンプル16と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0127】
サンプル27
第1の層用塗料として、正極活物質としてLiCoOを94重量部と、導電剤を5重量部と、結着剤としてポリフッ化ビニリデンを1重量部とを混合し、この混合物を溶剤に分散させて調製したものを用いたこと、正極における第1の層と第2の層との膜厚比を3%:97%となるように設定したこと、及び負極における第1の層と第2の層との膜厚比を3%:97%となるように設定したこと以外は、サンプル16と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0128】
サンプル28
正極における第1の層と第2の層との膜厚比を5%:95%となるように設定したこと、及び負極における第1の層と第2の層との膜厚比を5%:95%となるように設定したこと以外は、サンプル27と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0129】
サンプル29
正極における第1の層と第2の層との膜厚比を50%:50%となるように設定したこと、及び負極における第1の層と第2の層との膜厚比を50%:50%となるように設定したこと以外は、サンプル27と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0130】
サンプル30
正極における第1の層と第2の層との膜厚比を80%:20%となるように設定したこと、及び負極における第1の層と第2の層との膜厚比を80%:20%となるように設定したこと以外は、サンプル27と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0131】
サンプル31
正極における第1の層と第2の層との膜厚比を90%:10%となるように設定したこと、及び負極における第1の層と第2の層との膜厚比を90%:10%となるように設定したこと以外は、サンプル27と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0132】
以上のサンプル16〜サンプル31について、実験1と同様の手法により電極の剥離強度及び柔軟性、並びに負荷特性及び放電容量を測定した。
【0133】
これらの結果について、正極の第1の層中のポリフッ化ビニリデン含有量及び電極の膜厚比を併せて下記の表2に示す。なお、以下の表では、ポリフッ化ビニリデンをPVdFと略記する。
【0134】
【表2】
Figure 2004079370
【0135】
表2から明らかなように、サンプル16〜サンプル24がサンプル27〜サンプル31に比べて優れた結果を示すことから、第1の層のポリフッ化ビニリデン含有量は2重量%以上必要であることがわかった。ただし、ポリフッ化ビニリデン含有量が2重量%以上であるものの第1の層と第2の層との膜厚比が5:95〜80:20の範囲を外れるサンプル25及びサンプル26は、電極の剥離強度及び柔軟性、負荷特性、放電容量のいずれに劣ることから、第1の層のポリフッ化ビニリデン含有量と、電極の膜厚比との両方の条件を満足することが重要であると判明した。
【0136】
<実験3>
実験3では、結着力の大きな第1の層が活物質を含有するとともに結着剤としてポリフッ化ビニリデンを含有する構成の電極を有する電池において、第2の層が結着剤として軟質性結着剤の代わりにポリフッ化ビニリデンのみを含有する場合について検討した。
【0137】
サンプル32
正極の第1の層用塗料として、正極活物質としてLiCoOを93重量部と、導電剤を5重量部と、結着剤としてポリフッ化ビニリデンを2重量部とを混合し、この混合物を溶剤に分散させて調製したものを用いた。また、正極の第2の層用塗料として、正極活物質としてLiCoOを94重量部と、導電剤を5重量部と、軟質性結着剤の代わりにポリフッ化ビニリデンを1重量部とを混合し、この混合物を溶剤に分散させて調製したものを用いた。また、負極の第2の層用塗料として、負極活物質として人造黒鉛を98重量部と、軟質性結着剤の代わりにポリフッ化ビニリデンを2重量部とを混合し、この混合物を溶剤に分散させて調製したものを用いた。これらの変更以外は、サンプル1と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0138】
サンプル33
正極における第1の層と第2の層との膜厚比を50%:50%となるように設定したこと、及び負極における第1の層と第2の層との膜厚比を50%:50%となるように設定したこと以外は、サンプル32と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0139】
サンプル34
正極における第1の層と第2の層との膜厚比を80%:20%となるように設定したこと、及び負極における第1の層と第2の層との膜厚比を80%:20%となるように設定したこと以外は、サンプル32と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0140】
サンプル35
正極における第1の層と第2の層との膜厚比を95%:5%となるように設定したこと、及び負極における第1の層と第2の層との膜厚比を95%:5%となるように設定したこと以外は、サンプル32と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0141】
以上のサンプル32〜サンプル35について、実験1と同様の手法により電極の剥離強度及び柔軟性、並びに負荷特性及び放電容量を測定した。
【0142】
これらの結果について、正極の第1の層中のポリフッ化ビニリデン含有量及び電極の膜厚比を併せて下記の表3に示す。
【0143】
【表3】
Figure 2004079370
【0144】
以上の表3から明らかなように、第2の層が軟質性結着剤を含有しないサンプル32〜サンプル35では電極の柔軟性が著しく損なわれていた。このことから、電極の第2の層は軟質性結着剤を含有することが必要であるとわかった。
【0145】
<実験4>
実験4では、結着力の大きな第1の層が活物質を含有するとともに結着剤としてポリフッ化ビニリデンを含有する構成の電極を有する電池において、第2の層の軟質性結着剤の組成について検討した。
【0146】
サンプル36
正極の第2の層の軟質性結着剤としてポリフッ化ビニリデン95重量%とヘキサフルオロプロピレン5重量%とを混合したものを用い、負極の第2の層の軟質性結着剤としてポリフッ化ビニリデン95重量%とヘキサフルオロプロピレン5重量%とを混合したものを用いたこと以外は、サンプル1と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0147】
サンプル37
正極の第2の層の軟質性結着剤としてポリフッ化ビニリデン50重量%とヘキサフルオロプロピレン50重量%とを混合したものを用い、負極の第2の層の軟質性結着剤としてポリフッ化ビニリデン50重量%とヘキサフルオロプロピレン50重量%とを混合したものを用いたこと以外は、サンプル1と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0148】
サンプル38
正極の第2の層の軟質性結着剤としてヘキサフルオロプロピレン100重量%を用い、負極の第2の層の軟質性結着剤としてポリフッ化ビニリデン95重量%とヘキサフルオロプロピレン5重量%とを混合したものを用いたこと以外は、サンプル1と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0149】
サンプル39
正極の第2の層の軟質性結着剤としてポリフッ化ビニリデン95重量%とスチレンブタジエン系ラテックス5重量%とを混合したものを用い、負極の第2の層の軟質性結着剤としてポリフッ化ビニリデン95重量%とヘキサフルオロプロピレン5重量%とを混合したものを用いたこと以外は、サンプル1と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0150】
サンプル40
正極の第2の層の軟質性結着剤としてポリフッ化ビニリデン50重量%とスチレンブタジエン系ラテックス50重量%とを混合したものを用い、負極の第2の層の軟質性結着剤としてポリフッ化ビニリデン95重量%とヘキサフルオロプロピレン5重量%とを混合したものを用いたこと以外は、サンプル1と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0151】
サンプル41
正極の第2の層の軟質性結着剤としてスチレンブタジエン系ラテックス100重量%を用い、負極の第2の層の軟質性結着剤としてポリフッ化ビニリデン95重量%とヘキサフルオロプロピレン5重量%とを混合したものを用いたこと以外は、サンプル1と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0152】
サンプル42
正極の第2の層の軟質性結着剤としてポリフッ化ビニリデン95重量%とヘキサフルオロプロピレン5重量%とを混合したものを用い、負極の第2の層の軟質性結着剤としてポリフッ化ビニリデン50重量%とヘキサフルオロプロピレン50重量%とを混合したものを用いたこと以外は、サンプル1と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0153】
サンプル43
正極の第2の層の軟質性結着剤としてポリフッ化ビニリデン95重量%とヘキサフルオロプロピレン5重量%とを混合したものを用い、負極の第2の層の軟質性結着剤としてヘキサフルオロプロピレン100重量%を用いたこと以外は、サンプル1と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0154】
サンプル44
正極の第2の層の軟質性結着剤としてポリフッ化ビニリデン95重量%とヘキサフルオロプロピレン5重量%とを混合したものを用い、負極の第2の層の軟質性結着剤としてポリフッ化ビニリデン95重量%とスチレンブタジエン系ラテックス5重量%とを混合したものを用いたこと以外は、サンプル1と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0155】
サンプル45
正極の第2の層の軟質性結着剤としてポリフッ化ビニリデン95重量%とヘキサフルオロプロピレン5重量%とを混合したものを用い、負極の第2の層の軟質性結着剤としてポリフッ化ビニリデン50重量%とスチレンブタジエン系ラテックス50重量%とを混合したものを用いたこと以外は、サンプル1と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0156】
サンプル46
正極の第2の層の軟質性結着剤としてポリフッ化ビニリデン95重量%とヘキサフルオロプロピレン5重量%とを混合したものを用い、負極の第2の層の軟質性結着剤としてスチレンブタジエン系ラテックス100重量%を用いたこと以外は、サンプル1と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0157】
サンプル47
正極の第2の層の軟質性結着剤としてポリフッ化ビニリデン100重量%を用い、負極の第2の層の軟質性結着剤としてポリフッ化ビニリデン100重量%を用いたこと以外は、サンプル1と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0158】
以上のサンプル36〜サンプル47について、実験1と同様の手法により電極の剥離強度及び柔軟性、並びに放電容量を測定した。
【0159】
また、電極の柔軟性は、電極の膜厚構成が第1の層:第2の層=5%:95%であり、且つ第2の層が含有する軟質性結着剤がヘキサフルオロプロピレン又はスチレンブタジエン系ラテックスのみからなる場合の柔軟性を10.0としたときの相対値で表した。
【0160】
これらの結果について、正極及び負極の第2の層中の軟質性結着剤組成を併せて下記の表4に示す。なお、表4中、ヘキサフルオロプロピレンをHFPと略記し、スチレンブタジエン系ラテックスをSBRと略記した。
【0161】
【表4】
Figure 2004079370
【0162】
以上の表4から、正極、負極のうち少なくとも一方が、第2の層の軟質性結着剤としてポリフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとの混合物又はポリフッ化ビニリデンとスチレンブタジエン系ラテックスとの混合物を含有することで、剥離強度と柔軟性とを両立する電極を実現できることがわかった。
【0163】
<実験5>
実験5では、第2の層のみが活物質を含有し、第1の層がプライマー層として機能する正極の各層の膜厚及び組成の最適範囲について検討した。
【0164】
サンプル48
先ず、以下のようにして正極を作製した。厚さ20μmの帯状アルミニウム箔からなる正極集電体の両面に、第1の層用塗料を均一に塗布し、乾燥させて第1の層を形成した。第1の層の平均膜厚は、0.5μmであった。また、第1の層上に、第2の層用塗料を均一に塗布し、乾燥させ、ローラープレスにより一定圧力で圧縮成型して第2の層を形成し、これをスリットすることで正極を得た。なお、第2の層を形成する際、第2の層のプレス後膜厚が160μm、体積密度が3.5g/cmとなるように塗布量を調整した。
【0165】
ここで用いた第1の層用塗料は、結着剤としてポリフッ化ビニリデンを90重量%と、導電剤である炭素粉末としてアセチレンブラックを10重量%とを混合し、この混合物を溶剤としてN−メチル−2−ピロリドン中に分散させて調製したものである。
【0166】
また、第2の層用塗料は、正極活物質としてLiCoOを98重量%と、導電剤としてケッチェンブラックを1重量%と、結着剤としてポリフッ化ビニリデンを1重量%とを混合し、この混合物を溶剤としてN−メチル−2−ピロリドン中に分散させて調製したものである。
【0167】
次に、以下のようにして負極を作製した。厚さ15μmの帯状銅箔からなる負極集電体に、負極合剤用塗料を均一に塗布し、乾燥させ、ローラープレスにより一定圧力で圧縮成型して負極合剤層を形成し、これをスリットすることで負極を得た。なお、負極合剤層を形成する際、負極合剤層のプレス後膜厚が160μm、体積密度が1.66g/cmとなるように塗布量を調整した。
【0168】
ここで用いた負極合剤用塗料は、負極活物質としてグラファイトを94重量%と、結着剤としてポリフッ化ビニリデンを6重量%とを混合し、この混合物を溶剤に分散させて調製したものである。
【0169】
以上のようにして得られた正極と、負極と、厚さ20μmの微孔性ポリエチレンフィルムからなるセパレータとを、負極、セパレータ、正極、セパレータの順に積層して密着させ、渦巻型に多数回巻回することにより巻回体を作製した。
【0170】
次に、その内側にニッケルメッキを施した鉄製の電池缶の底部に絶縁板を挿入し、さらに巻回体を収納した。そして負極の集電をとるために、ニッケル製の負極リードの一端を負極に圧着させ、他端を電池缶に溶接した。また、正極の集電をとるために、アルミニウム製の正極リードの一端を正極に取り付け、他端を電池蓋と電気的に接続した。
【0171】
そして、この電池缶の中に非水電解液を注入した。この非水電解液は、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとを1:1の体積比で混合した混合溶媒中に、電解質としてLiPFを1モル/lの濃度で溶解させて調製したものである。
【0172】
最後に、アスファルトを塗布した絶縁封口ガスケットを介して電池缶をかしめることにより、電流遮断用薄板、PTC素子及び電池蓋を固定して、直径が約18mm、高さが約65mmの円筒型の非水電解液二次電池を作製した。
【0173】
サンプル49
正極の第2の層のLiCoO含有量を94重量%とし、ポリフッ化ビニリデン含有量を5重量%としたこと以外は、サンプル48と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0174】
サンプル50
正極の第1の層の膜厚を5μmとし、アセチレンブラック含有量を75重量%としたこと以外は、サンプル48と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0175】
サンプル51
正極の第1の層の膜厚を5μmとし、アセチレンブラック含有量を75重量%とし、第2の層のLiCoO含有量を94重量%とし、ポリフッ化ビニリデン含有量を5重量%としたこと以外は、サンプル48と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0176】
サンプル52
正極の第1の層のアセチレンブラック含有量を75重量%としたこと以外は、サンプル48と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0177】
サンプル53
正極の第1の層の膜厚を5μmとし、第2の層のLiCoO含有量を94重量%とし、ポリフッ化ビニリデン含有量を5重量%としたこと以外は、サンプル48と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0178】
サンプル54
正極の第2の層の膜厚を300μmとし、負極合剤層の膜厚を300μmとしたこと以外は、サンプル48と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0179】
サンプル55
正極の第2の層のLiCoO含有量を94重量%とし、ポリフッ化ビニリデン含有量を5重量%とし、負極合剤層の膜厚を300μmとしたこと以外は、サンプル54と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0180】
サンプル56
正極の第1の層の膜厚を5μmとし、アセチレンブラック含有量を75重量%とし、負極合剤層の膜厚を300μmとしたこと以外は、サンプル54と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0181】
サンプル57
正極の第1の層の膜厚を5μmとし、アセチレンブラック含有量を75重量%とし、第2の層のLiCoO含有量を94重量%とし、ポリフッ化ビニリデン含有量を5重量%とし、負極合剤層の膜厚を300μmとしたこと以外は、サンプル54と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0182】
サンプル58
正極の第1の層のアセチレンブラック含有量を75重量%とし、負極合剤層の膜厚を300μmとしたこと以外は、サンプル54と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0183】
サンプル59
正極の第1の層の膜厚を5μmとし、第2の層のLiCoO含有量を94重量%とし、ポリフッ化ビニリデン含有量を5重量%とし、負極合剤層の膜厚を300μmとしたこと以外は、サンプル54と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0184】
サンプル60
正極の第1の層を形成せず、第2の層の膜厚を150μmとし、LiCoO含有量を93重量%とし、ポリフッ化ビニリデン含有量を6重量%とし、負極合剤層の膜厚を150μmとしたこと以外は、サンプル48と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0185】
サンプル61
正極の第1の層を形成せず、第2の層のLiCoO含有量を93重量%とし、ポリフッ化ビニリデン含有量を6重量%としたこと以外は、サンプル48と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0186】
サンプル62
正極の第1の層の膜厚を5μmとし、アセチレンブラック含有量を75重量%とし、LiCoO含有量を93重量%とし、第2の層のポリフッ化ビニリデン含有量を6重量%としたこと以外は、サンプル48と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0187】
サンプル63
正極の第1の層を形成せず、第2の層のLiCoO含有量を94重量%とし、ポリフッ化ビニリデン含有量を5重量%としたこと以外は、サンプル48と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0188】
サンプル64
正極の第1の層を形成しなかったこと以外は、サンプル48と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0189】
サンプル65
正極の第1の層を形成せず、第2の層の膜厚を300μmとし、LiCoO含有量を94重量%とし、ポリフッ化ビニリデン含有量を5重量%とし、負極合剤層の膜厚を300μmとしたこと以外は、サンプル48と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0190】
サンプル66
正極の第1の層の膜厚を5μmとし、アセチレンブラック含有量を75重量%とし、第2の層のLiCoO含有量を98.5重量%とし、ポリフッ化ビニリデン含有量を0.5重量%としたこと以外は、サンプル48と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0191】
サンプル67
正極の第1の層の膜厚を5μmとし、アセチレンブラック含有量を75重量%とし、第2の層の膜厚を310μmとし、LiCoO含有量を94重量%とし、ポリフッ化ビニリデン含有量を5重量%とし、負極合剤層の膜厚を310μmとしたこと以外は、サンプル48と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0192】
サンプル68
正極の第1の層のアセチレンブラック含有量を5重量%とし、第2の層の膜厚を300μmとし、負極合剤層の膜厚を300μmとしたこと以外は、サンプル48と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0193】
サンプル69
正極の第1の層のアセチレンブラック含有量を80重量%とし、第2の層の膜厚を300μmとし、負極合剤層の膜厚を300μmとしたこと以外は、サンプル48と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0194】
以上のように作製されたサンプル48〜サンプル69について、正極の剥離の様子及び割れを観察し、結果を下記の表5に示した。剥離については、正極に剥離が全く観察されなかったものを○とし、微小な剥離が観察されたものを△とし、大きな剥離が観察されたものを×として表記した。また、割れについては、正極に割れが全く観察されなかったものを○とし、微小な割れが観察されたものを△とし、大きな割れが観察されたものを×として表記した。
【0195】
また、サンプル48〜サンプル69について、以下のようにして0.2Cでの放電容量及び1C、0℃での低温負荷特性を測定し、結果を併せて下記の表5に示した。
【0196】
放電容量は、作製された非水電解液二次電池について、環境温度23℃、充電電圧4.20V、充電電流1000mA、充電時間3時間の条件で充電を行った後、放電電流400mA、終止電圧2.75Vで放電を行ったときの初期容量として求めた。
【0197】
低温負荷特性は、上記の放電容量測定後の非水電解液二次電池について、充電電圧4.20V、充電電流1000mA、充電時間3時間の条件で充電を行った後、環境温度0℃、放電電流2000mA、終止電圧2.75Vで放電を行ったときの容量を求め、初期容量に対する割合を百分率で表した。
【0198】
【表5】
Figure 2004079370
【0199】
表5から明らかなように、サンプル48〜サンプル59は、放電容量、低温負荷特性、電極の剥離及び割れのいずれについても良好な結果であった。これに対してサンプル60〜サンプル69は、上記の特性のうちいずれかに劣るものであった。
【0200】
なお、表5には示していないが、正極の第1の層の膜厚が0.5μm以下となるように塗布を行った場合、塗膜が薄すぎて均一な塗布が不可能であった。また、正極の第1の層の膜厚が5μmを上回るように塗布を行った場合、放電容量の低下を引き起こした。
【0201】
以上の実験5の結果から、第1の層の炭素粉末含有量が10重量%〜75重量%であり、第1の層の膜厚が0.5μm〜5μmであり、第2の層の結着剤含有量が1重量%〜5重量%であり、且つ第2の層の膜厚が160μm〜300μmであることが好ましいことがわかった。
【0202】
<実験6>
実験6では、CuKα線によるX線回折測定を行ったときの、X線回折パターンにおける回折角(2θ、θ:ブラッグ角)20.0°付近のピーク比(集電体側/第2の層側)の最適範囲について検討した。また、負極活物質として用いる合金についても検討した。
【0203】
サンプル70
先ず、以下のようにして負極を作製した。厚さ15μmの帯状銅箔からなる負極集電体の両面に、第1の層用塗料を均一に塗布し、乾燥させて第1の層を形成した。乾燥後の第1の層の膜厚は、0.5μmであった。また、第1の層上に、第2の層用塗料を均一に塗布し、乾燥させ、ローラープレスにより一定圧力で圧縮成型して第2の層を形成し、これをスリットすることで負極を得た。
【0204】
ここで用いた第1の層用塗料は、結着剤としてポリフッ化ビニリデンを90重量%と、導電剤である炭素粉末としてアセチレンブラックを10重量%とを混合し、この混合物を溶剤としてN−メチル−2−ピロリドン中に分散させて調製したものである。
【0205】
また、第2の層用塗料は、負極活物質としてCuSn粉体を60重量%と、鱗片状黒鉛を35重量%と、結着剤としてポリフッ化ビニリデンを5重量%とを混合し、この混合物を溶剤としてN−メチル−2−ピロリドンに分散させて調製したものである。CuSn粉体は、Cuを50重量部とSnを50重量部とを溶融し、ガスアトマイズ法により合成したものである。得られたCuSn粉体を63μmのふるいでメッシュパスしたところ、平均粒径は25μmであった。
【0206】
なお、得られた負極について、X線回折による回折角(2θ、θ:ブラッグ角)20.0°付近のピーク比(集電体側/第2の層側)を測定した。具体的には、負極集電体の一主面側にのみ第1の層及び第2の層が形成された状態で、集電体側及び第2の層側についてX線回折測定を行った。測定によって得られたX線回折パターンにおいて、回折角(2θ、θ:ブラッグ角)20.0°付近のピーク比(集電体側/第2の層側)を求めた。X線回折による回折角(2θ、θ:ブラッグ角)20.0°付近のピーク比(集電体側/第2の層側)は、1.1であった。
【0207】
X線回折測定に用いたX線回折装置は理学電機製RAD−IICであり、X線源はCu対陰極を用い、グラファイトモノクロメーターを使用した。また、スリットはDS(発散スリット)=1°、RS(受光スリット)=0.6°、SS(散乱スリット)=1°とした。走査速度は0.5°/分とし、管電圧は40kV、管電流は30mAとした。
【0208】
また、X線回折による回折角(2θ、θ:ブラッグ角)20.0°付近のピーク比(集電体側/第2の層側)を測定する状態の負極に対して、日本電子製走査型電子顕微鏡JSM−5600によりフッ素原子マッピングを行い、フッ素密度比を求めた。求められたフッ素密度比は、1.1であった。
【0209】
次に、以下のようにして正極を作製した。厚さ20μmの帯状アルミニウム箔からなる正極集電体の両面に、正極合剤層用塗料を均一に塗布し、乾燥させ、ローラープレスにより一定圧力で圧縮成型して正極合剤層を形成し、これをスリットすることで正極を得た。
【0210】
ここで用いた正極合剤層用塗料は、正極活物質としてLiCoO粉末を95重量%と炭酸リチウム粉末5重量%とを混合した混合物を91重量%と、導電剤として鱗片状黒鉛を6重量%と、結着剤としてポリフッ化ビニリデンを3重量%とを混合し、この混合物を溶剤としてN−メチル−2−ピロリドン中に分散させて調製したものである。
【0211】
正極活物質として用いたLiCoO粉末は、次のように作製した。すなわち、炭酸リチウム0.5molと炭酸コバルト1molとを混合し、この混合物を空気中、900℃5時間焼成した。得られた材料についてX線回折測定を行った結果、ピーク位置がJCPDSファイルに登録されたLiCoOのデータとよく一致していた。この得られた材料を粉砕し、レーザー回折法で得られる累積50%粒径を15μmとして、正極活物質とした。
【0212】
以上のようにして得られた正極と、負極と、厚さ25μmの微孔性ポリプロピレンフィルムからなるセパレータとを、負極、セパレータ、正極、セパレータの順に積層して密着させ、渦巻型に多数回巻回して最外周のセパレータの最終端部をテープで固定することにより巻回体を作製した。
【0213】
次に、その内側にニッケルメッキを施した鉄製の電池缶の底部に絶縁板を挿入し、さらに巻回体を収納した。そして負極の集電をとるために、ニッケル製の負極リードの一端を負極に圧着させ、他端を電池缶に溶接した。また、正極の集電をとるために、アルミニウム製の正極リードの一端を正極に取り付け、他端を電池蓋と電気的に接続した。
【0214】
そして、この電池缶の中に非水電解液を注入した。この非水電解液は、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとを1:1の体積比で混合した混合溶媒中に、電解質としてLiPFを1モル/lの濃度で溶解させて調製したものである。
【0215】
最後に、アスファルトを塗布した絶縁封口ガスケットを介して電池缶をかしめることにより、電流遮断用薄板、PTC素子及び電池蓋を固定して、直径が約18mm、高さが約65mmの円筒型の非水電解液二次電池を作製した。
【0216】
サンプル71
負極の第1の層の膜厚を1.0μmとしたこと以外は、サンプル70と同様にして非水電解液二次電池を作製した。
【0217】
サンプル72
負極の第1の層の膜厚を1.0μmとしたこと以外は、サンプル70と同様にして非水電解液二次電池を作製した。なお、X線回折による回折角(2θ、θ:ブラッグ角)20.0°付近のピーク比(集電体側/第2の層側)は1.2であり、フッ素密度比は1.3であった。
【0218】
サンプル73
負極の第1の層の膜厚を1.5μmとしたこと以外は、サンプル70と同様にして非水電解液二次電池を作製した。なお、X線回折による回折角(2θ、θ:ブラッグ角)20.0°付近のピーク比(集電体側/第2の層側)は1.4であり、フッ素密度比は1.4であった。
【0219】
サンプル74
負極の第1の層の膜厚を3.0μmとしたこと以外は、サンプル70と同様にして非水電解液二次電池を作製した。なお、X線回折による回折角(2θ、θ:ブラッグ角)20.0°付近のピーク比(集電体側/第2の層側)は1.8であり、フッ素密度比は1.7であった。
【0220】
サンプル75
負極活物質としてFeSn粉末を用いたこと以外は、サンプル70と同様にして非水電解液二次電池を作製した。なお、X線回折による回折角(2θ、θ:ブラッグ角)20.0°付近のピーク比(集電体側/第2の層側)は1.1であり、フッ素密度比は1.1であった。
【0221】
サンプル76
負極の第1の層を形成しなかったこと以外は、サンプル70と同様にして非水電解液二次電池を作製した。なお、X線回折による回折角(2θ、θ:ブラッグ角)20.0°付近のピーク比(集電体側/第2の層側)は0.9であり、フッ素密度比は0.9であった。
【0222】
以上のように作製されたサンプル71〜サンプル76について、充放電サイクル特性及び電極強度比を測定した。
【0223】
充放電サイクル特性は、先ず、作製された非水電解液二次電池に対して環境温度23℃、定電流0.5A、最大電圧4.2V、充電時間4時間の条件で定電流定電圧充電を行い、次に、環境温度23℃、定電流0.3A、終止電圧2.75Vの条件で放電を行い、このときの容量を初期容量として求めた。次に、環境温度23℃、定電流2.0A、最大電圧4.2V、充電時間2.5時間の条件で定電流定電圧充電を行い、この後で環境温度23℃、定電流0.3A、終止電圧2.75Vの条件で放電を行い、これを1サイクルとした。この充放電を100サイクル繰り返したときの容量を測定し、初期容量を100%としたときの比率を容量維持率として表した。
【0224】
また、電極強度比は、以下のようにして測定した。負極を30mm×200mmに切断し、粘着テープを用いて1m/分の速度で引っ張り強度試験を行い、このときの強度を測定した。そして、測定した強度を、サンプル71の電極強度を100%としたときの比率で表した。
【0225】
以上のサンプル71〜サンプル76に関するX線回折による回折角(2θ、θ:ブラッグ角)20.0°付近のピーク比(集電体側/第2の層側)、フッ素密度比、100サイクル後の容量維持率、及び電極強度比を下記の表6に示す。
【0226】
【表6】
Figure 2004079370
【0227】
以上の表6から、サンプル71〜サンプル75は、X線回折による回折角(2θ、θ:ブラッグ角)20.0°付近のピーク比が0.9であるサンプル76に比べて容量維持率及び電極強度比のいずれにおいても優れた結果であることがわかる。
【0228】
したがって、実験6の結果から、X線回折による回折角(2θ、θ:ブラッグ角)20.0°付近のピーク比(集電体側/第2の層側)が1以上であることが好ましいことが判明した。また、負極活物質として合金材料を用いた場合であっても本発明は有効であることが明らかとなった。
【0229】
【発明の効果】
以上の説明からも明らかなように、本発明に係る電池は、少なくとも一方の電極において集電体と活物質を含む第2の層との間に強い結着力を示す第1の層を介在させるので、第2の層は結着剤含有量が少量であっても強い結着力を得られる。そして、第2の層の結着剤含有量が少量で済むので、高容量化が可能となる。また、さらなる高容量化を目的として電極の厚みを増した場合でも、負荷特性の低下を招くことがない。したがって本発明によれば、少量の結着剤でも電極の剥離強度を向上させることができ、高容量及び優れた負荷特性を実現した電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を適用した非水電解液二次電池の断面図である。
【図2】集電体上に第1の層及び第2の層を備える電極の要部概略断面図である。
【符号の説明】
1  非水電解液二次電池
2  正極
3  負極
4  セパレータ
5  電池缶
6  絶縁板
7  絶縁板
8  負極リード
9  正極リード
10  電池蓋
11  絶縁封口ガスケット
12  安全弁装置
13  PTC素子
20  集電体
21  第1の層
22  第2の層[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention includes a pair of electrodes and an electrolyte, and at least one of the pair of electrodes includes a first layer containing a binder on a current collector, and a second layer containing an active material. In this order.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, remarkable progress in electronic technology has realized a reduction in size and weight of electronic devices one after another. Along with this, a demand for a smaller and lighter secondary battery as a driving power source is further increasing. Under such demands, non-aqueous electrolyte batteries using a non-aqueous electrolyte as an electrolyte have been actively researched and developed, and have already been put to practical use. Among non-aqueous electrolyte batteries, a so-called lithium ion secondary battery that uses doping and undoping of lithium ions has a higher capacity than conventional aqueous batteries such as a lead battery and a nickel cadmium battery. This battery is of particular interest because it can be designed.
[0003]
In general, a non-aqueous electrolyte battery has a positive electrode and a negative electrode capable of doping and undoping lithium ions, and a non-aqueous electrolyte as a non-aqueous electrolyte in which, for example, a lithium salt is dissolved in an aprotic organic solvent. Each of the positive electrode and the negative electrode includes a current collector, and a mixture layer containing an active material, a conductive agent, and a binder for binding the active material and the current collector to the current collector. In ordinary nonaqueous electrolyte batteries, polyvinylidene fluoride is widely used as a binder.
[0004]
Even in such non-aqueous electrolyte batteries, demands for higher energy density and longer discharge time, that is, higher capacity are increasing year by year. There are many methods for realizing these high energy densities and high capacities, but the following two methods are considered as methods that do not involve changing the active material.
[0005]
(1) The ratio of the active material occupying in the electrode is increased by reducing the amount of a member other than the active material, particularly, a binder not involved in charge and discharge.
(2) To increase the thickness of the mixture layer and increase the density of the active material.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the method (1) is employed using existing polyvinylidene fluoride as the binder, the amount of the binder that can be reduced is limited due to the balance of the binding force between the mixture layer and the current collector. . That is, simply decreasing the amount of polyvinylidene fluoride as a binder lowers the bonding strength and peel strength between the mixture layer and the current collector, causing an increase in the defective rate during manufacturing.
[0007]
In addition, when the method (2) is employed, the internal resistance increases due to the binder contained in the mixture layer, and the load characteristics deteriorate. Furthermore, if polyvinylidene fluoride is used as the binder and the method (2) is adopted, the flexibility of the electrode is impaired. Therefore, a step of winding the electrode after applying the mixture layer on the current collector , Defects such as peeling of the mixture layer and cracking of the mixture layer are likely to occur.
[0008]
Therefore, the present invention has been proposed to solve such a conventional problem, and it is an object of the present invention to provide a battery capable of realizing high capacity and excellent load characteristics with a small amount of a binder. Aim.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a battery according to the present invention includes a pair of electrodes and an electrolyte, and at least one of the pair of electrodes has a first layer containing a binder on a current collector. And a second layer containing an active material, in this order, wherein the first layer has a stronger binding force than the second layer.
[0010]
In the battery having the above structure, the first layer having a strong binding force is interposed between the current collector and the second layer containing the active material in at least one of the electrodes. Even if the content of the adhesive is small, a strong binding force can be obtained. And since the binder content of the second layer is small, the capacity can be increased. Further, even when the thickness of the second layer is increased for the purpose of further increasing the capacity, the load characteristics do not deteriorate.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a battery to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings. Here, a non-aqueous electrolyte secondary battery called a so-called lithium ion secondary battery will be described with reference to FIG.
[0012]
As shown in FIG. 1, a non-aqueous electrolyte secondary battery 1 has a wound body in which a film-shaped positive electrode 2 and a film-shaped negative electrode 3 are laminated in close contact with a separator 4 and wound. , And is loaded inside the battery can 5. In the battery can 5, a non-aqueous electrolyte is injected as an electrolyte.
[0013]
In the present invention, at least one of the positive electrode 2 and the negative electrode 3 has, as shown in FIG. 2, a first layer 21 having at least a binder on a current collector 20 and a second layer 21 having at least an active material. Are provided in this order. Here, the first layer 21 has a stronger binding force than the second layer 22. In the following, the positive electrode 2 and / or the negative electrode 3 having a two-layer structure on such a current collector may be collectively referred to as an electrode.
[0014]
In this electrode, since the first layer 21 having a strong binding force is interposed between the current collector 20 and the second layer 22, the binder of the second layer 22 formed thereon is formed. Even if the content is small, a strong binding force can be obtained. As a result, the content of the binder in the second layer 22 can be reduced, that is, the content of the active material can be increased, so that the capacity can be increased. As described above, the battery of the present invention achieves high capacity without causing a decrease in the peel strength of the electrode due to a decrease in the binder content. In addition, since the amount of the binder in the second layer 22 is reduced, the load characteristics are not impaired even when the thickness of the second layer 22 is increased in order to further increase the capacity. Therefore, the battery of the present invention can achieve both high capacity and excellent load characteristics.
[0015]
Further, the electrode having the above configuration has a peak ratio (current collector side / second side) near the diffraction angle (2θ, θ: Bragg angle) of 20.0 ° in the X-ray diffraction pattern when X-ray diffraction measurement using CuKα ray is performed. (2 layer side) is preferably 1 or more. When the peak ratio is 1 or more, the effect of the present invention of realizing high peel strength with a small amount of the binder can be reliably obtained. If the peak ratio is less than 1, the peel strength may be insufficient.
[0016]
By the way, the first layer 21 and the second layer 22 containing at least the active material are provided in this order on the current collector 20 as described above, and the binding force of the first layer 21 is relatively large. The electrode having the structure described above can realize higher battery characteristics by satisfying the conditions of the following film thickness and composition.
[0017]
The details of the configuration of such an electrode include the case where the first layer having a large binding force contains an active material and also contains polyvinylidene fluoride as a binder, and the case where the first layer having a large binding force has a binding agent And a powder containing a fluororesin and a carbon powder and not containing an active material.
[0018]
First, the case where the first layer having a large binding force contains an active material and also contains polyvinylidene fluoride as a binder will be described.
[0019]
In the electrode in this case, the above-described first layer contains 2% by weight or more of polyvinylidene fluoride, and the second layer contains 1% by weight or more of the soft binder. Further, the thickness ratio of the first layer to the second layer is in the range of 5:95 to 80:20.
[0020]
Here, the soft binder is, for example, a rubber compound having a diene structure such as butadiene latex such as styrene butadiene latex, or a rubber binder such as fluorine rubber such as acrylic rubber or hexafluoropropylene. , A mixture of a rubber-based binder and polyvinylidene fluoride, a polymer of a rubber-based binder and polyvinylidene fluoride, etc. Refers to an adhesive. Among them, a mixture of polyvinylidene fluoride and hexafluoropropylene or a mixture of polyvinylidene fluoride and styrene-butadiene-based latex is a suitable material as a soft binder.
[0021]
In the battery using the electrode of this example, for the same reason as the battery having the basic electrode structure described above, without causing a decrease in peel strength due to a decrease in the amount of the binder, a high capacity and excellent load characteristics are obtained. Can be realized.
[0022]
Further, in addition to the above-described binding force, since the first layer contains polyvinylidene fluoride as a binder at 2% by weight or more, a higher effect of improving peel strength can be obtained. As a result, in the battery of the first example, a higher capacity can be realized without causing an increase in the defective rate due to insufficient peel strength. Further, since the amount of the binder in the entire electrode can be reduced, the electronic conductivity of the electrode is improved, and the load characteristics are further improved. If the polyvinylidene fluoride content of the first layer is less than 2% by weight, the peel strength may be insufficient.
[0023]
Further, since the second layer contains the above-mentioned soft binder in an amount of 1% by weight or more, a highly flexible electrode can be realized. As a result, for example, the electrodes are not damaged even in the step of manufacturing a wound electrode body as shown in FIG. In addition, for example, when polyvinylidene fluoride is used alone as a binder of the second layer, a crack occurs in the second layer in a step of manufacturing a wound body of the electrode due to insufficient flexibility of the electrode, Defective products may occur frequently. When the content of the soft binder in the second layer is less than 1% by weight, the binding strength of the second layer may be insufficient.
[0024]
Further, by defining the thicknesses of the first layer and the second layer within the above-described ranges, both the peel strength of the electrode and the flexibility of the electrode can be achieved.
[0025]
Next, a case where the first layer having a large binding force contains a fluorine-based resin and a carbon powder as a binder and does not contain an active material will be described.
[0026]
In the electrode in this case, the first layer contains a fluorine-based resin as a binder. Further, the first layer contains 10 to 75% by weight of carbon powder. The thickness of the first layer is 0.5 μm to 5 μm. Further, the second layer contains a binder in an amount of 1% by weight to 5% by weight, and has a thickness of 160 μm to 300 μm.
[0027]
In the battery using the electrode of this example, for the same reason as the battery having the basic electrode structure described above, without causing a decrease in peel strength due to a decrease in the amount of the binder, a high capacity and excellent load characteristics are obtained. Can be realized.
[0028]
Further, the second layer has a thickness of 160 μm to 300 μm, which is extremely large as compared with the conventional one for the purpose of further increasing the capacity, but the content of the binder is 1% to 5% by weight as compared with the conventional one. Since it is reduced, load characteristics do not deteriorate. When the thickness of the second layer is less than 160 μm, the battery capacity becomes a value equal to or lower than that of the existing battery, and when the thickness exceeds 300 μm, the load characteristics are reduced, and when the battery is formed, Cracks may occur. When the content of the binder in the second layer is less than 1% by weight, the second layer is peeled off. There is a possibility that the characteristics are deteriorated.
[0029]
Further, since the first layer using a fluorine-based resin as a binder is interposed between the second layer and the current collector, the peel strength due to the reduction in the binder content of the second layer is obtained. To suppress the decrease. The first layer contains carbon powder in the fluororesin in an amount of 10% by weight to 75% by weight to secure the conductivity and the binding force required for the electrode. When the thickness of the first layer is 0.5 μm to 5 μm, a sufficient binding force can be secured while suppressing a decrease in the capacity of the electrode. When the content of the carbon powder in the first layer is less than 10% by weight, the conductivity becomes insufficient, and when it exceeds 75% by weight, the binding force may be insufficient. On the other hand, when the thickness of the first layer is less than 0.5 μm, it becomes difficult to form the first layer by coating, so that uniformity cannot be secured. Conversely, when the thickness exceeds 5 μm, The capacity may be reduced.
[0030]
As described above, the battery using the electrode of the second example can achieve both higher capacity and excellent load characteristics without causing a decrease in peel strength due to a decrease in the amount of the binder. .
[0031]
Further, since the first layer does not contain an active material, a flat electrode surface can be obtained. When the first layer contains the active material, the active material is particles having a certain width of particle size distribution. When the coating is extremely thin (approximately 5 μm), irregularities due to the shape of coarse particles may appear on the surface of the first layer, and the surface properties of the electrode may be impaired.
[0032]
Examples of the carbon powder contained in the first layer include graphite and carbon black, and these can be used alone or in combination. Among carbon blacks, oil furnace black (Ketjen black) and acetylene black are particularly preferably used.
[0033]
Examples of the fluorine-based resin contained in the first layer include polyvinyl fluoride, polyvinylidene fluoride, and polytetrafluoroethylene, and these can be used alone or in combination.
[0034]
As the binder contained in the second layer, any of the known binders usually used for this type of battery can be used, but the same type as the fluorine-based resin used in the first layer can be used. Preferably, there is.
[0035]
Next, materials constituting the electrodes having the above-described various structures will be described. When the electrode is, for example, a positive electrode, a known positive electrode material such as a transition metal oxide capable of doping / dedoping lithium ions can be used as the active material without limitation. For example, a chalcogen compound with a transition metal containing an alkali metal, in particular, an oxide of an alkali metal and a transition metal can be used. As the crystal structure of the compound used for the positive electrode active material, a layered compound, a spinel type compound, and the like are generally used. A preferred positive electrode active material has the general formula AxMyO2(Where A is a kind selected from Li, Na and K. In the formula, M is Fe, Co, Ni, Mn, Cu, Zn, Cr, V, Ti, Al, Sn, B, Ga , Mg, Ca, and Sr. Also, 0.5 ≦ x ≦ 1.1 and 0.5 ≦ y ≦ 1). Particularly preferred is LixNi1-yMyO2-δ, LixCo1-yMyO2-δ, LixMn1-yMyO2-δ, LixFe1-yMyO2-δ(Where 0 ≦ x ≦ 1.5, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ δ ≦ 0.5. M is Al, Fe, Cu, Co, Cr, Mg, Ca, V, Ni , Ag, Sn, B, Ga, and at least one element selected from the group consisting of second transition metal elements.)2O4, Li4Mn5O12, LiMnxFe1-xPO4(Where 0 ≦ x ≦ 1), LixMn2-yMyO4-δ(Where 0 ≦ x ≦ 1.5, 0 ≦ y ≦ 1.5, 0 ≦ δ ≦ 2, and M is Al, Fe, Cu, Co, Cr, Mg, Ca, V, Ni , Ag, Sn, B, Ga, and at least one element selected from the group consisting of second transition metal elements).
[0036]
Further, the positive electrode may contain a conductive material, an additive exhibiting various functions, and the like, as necessary. The conductive material is not particularly limited as long as it can impart conductivity by being mixed with an active material in an appropriate amount. Usually, a carbon material such as graphite and carbon black can be used.
[0037]
Further, as the current collector of the positive electrode, a metal foil such as aluminum can be used.
[0038]
For example, in the case of a negative electrode, examples of the active material include metallic lithium, a material capable of doping and undoping lithium, a metal capable of forming an alloy with lithium, and an alloy compound of a metal capable of forming an alloy with lithium. .
[0039]
Examples of the material capable of doping / dedoping lithium include carbon materials capable of doping / dedoping lithium. Specific carbon materials that can be doped / dedoped with lithium include, for example, non-graphitizable carbon materials, pyrolytic carbons, cokes, graphites, glassy carbons, fired bodies of organic polymer compounds, mesocarbons Examples include microbeads, carbon fibers, activated carbon, and the like.
[0040]
As the non-graphitizable carbon material, the (002) plane spacing is 0.37 nm or more, and the true density is 1.70 g / cm.3It is preferable to use a material that exhibits a physical parameter of not having an exothermic peak at 700 ° C. or higher in differential thermal analysis (DTA) in air.
[0041]
As a typical example of the non-graphitizable carbon material, there is a material obtained by firing and carbonizing a furan resin made of a homopolymer or copolymer of furfuryl alcohol or furfural, or a copolymer with another resin. Examples of the organic material serving as a starting material include phenolic resins, acrylic resins, vinyl halide resins, polyimide resins, polyamideimide resins, polyamide resins, polyacetylenes, conjugated resins such as poly (p-phenylene), cellulose and derivatives thereof, Any organic polymer compound or the like can be used.
[0042]
In addition, a petroleum pitch having a specific H / C atomic ratio into which a functional group containing oxygen is introduced (so-called oxygen cross-linking) is not melted in the carbonization process (400 ° C. or higher), similarly to the above-mentioned furan resin. It becomes the final non-graphitizable carbon material in the solid state. The above petroleum pitch is distilled (vacuum distillation, atmospheric distillation, steam distillation) from coal tar, ethylene bottom oil, tar obtained from high-temperature pyrolysis of crude oil, asphalt, etc., thermal polycondensation, extraction, chemical polycondensation, etc. Obtained by the following operation. At this time, the H / C atomic ratio of the petroleum pitch is important, and the H / C atomic ratio needs to be 0.6 to 0.8 in order to obtain a non-graphitizable carbon material.
[0043]
When a carbon material is obtained using the above organic materials, for example, after carbonizing at 300 ° C. to 700 ° C., the temperature is raised at a rate of 1 ° C. to 100 ° C. per minute, a temperature reached 900 ° C. to 1300 ° C., and a holding time at the temperature reached 0 What is necessary is just to bake on conditions of about 30 hours. Of course, in some cases, the carbonization operation may be omitted.
[0044]
The graphite that can be used as an active material has a true density of 2.1 g / cm.3More preferably, 2.18 g / cm3The above is more preferred. In order to obtain such a true density, the (002) plane spacing obtained by the X-ray diffraction method is less than 0.340 nm, preferably 0.335 nm or more and less than 0.337 nm, and the (002) plane C-axis crystal It is necessary that the element thickness be 14.0 nm or more.
[0045]
Examples of coke include pitch coke, needle coke, petroleum coke, and the like.
[0046]
Coal, pitch, and the like are typical examples of the organic material used as a starting material when producing artificial graphite. Examples of pitch include distillation (vacuum distillation, normal pressure distillation, steam distillation) from tar, asphalt, etc. obtained by high-temperature pyrolysis of coal tar, ethylene bottom oil, crude oil, etc., hot polycondensation, extraction, chemical polycondensation, etc. Examples thereof include those obtained by the operation and other pitches generated during wood carbonization. Further, starting materials for forming pitch include polyvinyl chloride resin, polyvinyl acetate, polyvinyl butyrate, 3,5-dimethylphenol resin and the like.
[0047]
During the carbonization, these coals and pitches exist in a liquid state at a maximum of about 400 ° C., and aromatic rings are condensed and polycyclized to be in a laminated orientation by holding at that temperature, and thereafter, a state of about 500 ° C. or more is obtained. At temperature, a solid carbon precursor, ie, semi-coke, is formed. Such a process is called a liquid phase carbonization process, and is a typical production process of graphitizable carbon.
[0048]
In order to produce a desired artificial graphite using the above organic material as a starting material, for example, the organic material is heated at 300 ° C. to 700 ° C. in an inert gas stream such as nitrogen at a rate of 1 ° C. to 100 ° C./min. Calcination is carried out under the conditions of an ultimate temperature of 900 ° C. to 1500 ° C. and a holding time at the ultimate temperature of about 0 to 30 hours (the material which has been passed through this process is an easily graphitizable carbon material), and more than 2000 ° C., preferably It is obtained by heat treatment at 2500 ° C. or more. Of course, in some cases, the carbonization or calcination operation may be omitted.
[0049]
The graphite material to be produced is classified or pulverized / classified and supplied to the negative electrode material.The pulverization may be performed in any of carbonization, before and after calcining, or in a heating process before graphitization. In this case, heat treatment for graphitization is finally performed in a powder state.
[0050]
Examples of the material capable of doping and undoping lithium include metal oxides and intermetallic compounds capable of doping and undoping lithium, and polymers such as polyacetylene and polypyrrole.
[0051]
As the metal oxide capable of doping and undoping lithium, an oxide containing a transition metal is preferable, and a crystalline compound mainly composed of iron oxide, ruthenium oxide, molybdenum oxide, tungsten oxide, titanium oxide, tin oxide, or the like. Alternatively, an amorphous compound can be used as a negative electrode. Among them, compounds having a charge / discharge potential relatively close to lithium metal are particularly preferable.
[0052]
Further, as the negative electrode active material, a metal capable of forming an alloy with lithium or an alloy compound of the metal can be used.
[0053]
The alloy compound referred to here is a chemical formula M, where M is a metal element capable of forming an alloy with lithium.xM 'yLiz(However, in the formula, M ′ is one or more metal elements other than the Li element and the M element. Further, x is a numerical value larger than 0, and y and z are numerical values of 0 or more.) Compound. Further, in the present invention, semiconductor elements such as B, Si, and As are included in the metal elements. Further, the alloy compound includes a lithium compound such as a lithium alloy.
[0054]
As a metal or an alloy compound of the metal capable of forming an alloy with lithium, specifically, Mg, B, Al, Ga, In, Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Cd, Ag, Zn, Each metal such as Hf and Y and alloy compounds thereof, that is, for example, Li-Al, Li-Al-M (wherein, M is at least one or more of a 2A group, 3B group, and 4B group transition metal element) ), AlSb, CuMgSb, and the like.
[0055]
Among the elements described above, it is preferable to use an element such as Si or Sn or an alloy thereof in addition to the 3B group typical element. Among them, Si or Si alloy is particularly preferable. As Si or Si alloy, MxSi, MxA compound represented by Sn (wherein, M is one or more metal elements other than Si or Sn), and specifically, SiB4, SiB6, Mg2Si, Mg2Sn, Ni2Si, TiSi2, MoSi2, CoSi2, NiSi2, CaSi2, CrSi2, Cu5Si, FeSi2, MnSi2, NbSi2, TaSi2, VSi2, WSi2, ZnSi2Etc. can be used.
[0056]
Further, a group 4B element other than carbon containing one or more nonmetallic elements can also be used as the negative electrode active material. The material may contain one or more group 4B elements. Further, a metal element other than Group 4B including Li may be contained. For example, SiC, Si3N4, Si2N2O, Ge2N2O, SiOx(Where 0 <x ≦ 2), LiSiO, LiSnO and the like.
[0057]
As the negative electrode active material, any of the above-described materials and the like can be used, but from the viewpoint of more remarkably exhibiting the effects of the present invention, a metal capable of forming an alloy with lithium or an alloy of the metal. Preferably, a compound is used.
[0058]
In addition, the electrode as described above may be applied to both the positive electrode and the negative electrode, either of the positive electrode or the negative electrode, but from the viewpoint of reliably obtaining the effect of the present invention, both the positive electrode and the negative electrode may be used. It is preferred to apply. In the case where the above-described structure is applied to one of the pair of electrodes and not to the other, the other electrode may include an arbitrary electrode material such as the above-described electrode material and have a conventionally known structure. It is possible.
[0059]
The non-aqueous electrolyte is obtained by dissolving an electrolyte salt in a non-aqueous solvent. Specific non-aqueous solvents include propylene carbonate, ethylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, γ-butyrolactone, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,3 -Dioxolan, 4-methyl-1,3-dioxolan, diethyl ether, sulfolane, methylsulfolane, acetonitrile, propionitrile, anisole, acetate, butyrate, propionate and the like.
[0060]
As the electrolyte salt, specifically, LiPF6Is preferred, but LiClO4, LiAsF6, LiBF4, LiB (C6H5)4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, LiN (CF3SO2)2, LiC (CF3SO2)3, LiCl, and lithium salts such as LiBr. One of these electrolyte salts may be used alone, or a plurality of them may be used as a mixture.
[0061]
Examples of the material of the battery can 5 include iron, nickel, stainless steel, and aluminum. Further, in order to prevent electrochemical corrosion in the non-aqueous electrolyte during charging and discharging of the battery, the battery can 5 may be subjected to a surface treatment such as plating.
[0062]
As described above, in the nonaqueous electrolyte secondary battery 1 to which the present invention is applied, at least one of the positive electrode 2 and the negative electrode 3 has the first layer and the second layer on the current collector in this order. The first layer basically has a feature of exhibiting a stronger binding force than the second layer. As described above, the first layer having a strong binding force is thinly interposed between the current collector and the second layer containing the active material, so that the binder does not decrease in peel strength of the electrode. The content can be reduced. Therefore, the nonaqueous electrolyte secondary battery 1 achieves high capacity without causing an increase in the defective rate due to insufficient peel strength. Further, in the nonaqueous electrolyte secondary battery 1, even if the second layer is thickened, a decrease in load characteristics is suppressed, so that a higher capacity can be achieved while securing load characteristics.
[0063]
In addition, the nonaqueous electrolyte secondary battery 1 has, in addition to the above basic features, that the first layer contains an active material and polyvinylidene fluoride, and further contains polyvinylidene fluoride in the first layer. It is preferable to satisfy the conditions regarding the amount, the content and type of the soft binder in the second layer, the thickness ratio of the first layer and the second layer, and the like. Thereby, the non-aqueous electrolyte secondary battery 1 can reliably obtain the effect of realizing high capacity and excellent load characteristics while maintaining the high peel strength as described above, and also have high flexibility. can get.
[0064]
In addition, the nonaqueous electrolyte secondary battery 1 has, in addition to the above basic features, that the first layer contains a fluorocarbon resin and a carbon powder as a binder and does not contain an active material. It is preferable to satisfy the conditions regarding the provisions such as the content of the carbon powder, the thickness of the first layer, the content of the binder in the second layer, and the thickness of the second layer. Thereby, the nonaqueous electrolyte secondary battery 1 can reliably obtain the effect of achieving high capacity and excellent load characteristics while maintaining the above-described high peel strength. In particular, with this structure, the thickness of the second layer can be made extremely thick as specified above without impairing the load characteristics, and further higher capacity can be achieved.
[0065]
Next, a method of manufacturing the nonaqueous electrolyte secondary battery 1 as shown in FIG. 1 will be described.
[0066]
First, the positive electrode 2 and / or the negative electrode 3 satisfying the above-described conditions are manufactured. First, a first layer is formed on one main surface of a belt-shaped current collector. When forming the first layer, each component constituting the first layer is dispersed and coated using a solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone, and the coating is applied on a current collector. ,dry. For the formation of the dispersion paint, a ball mill, a sand mill, a twin-screw kneader, or the like, which is a commonly used disperser, can be used. There is no particular limitation on the coating device for applying the coating material on the current collector, such as slide coating or extrusion type die coating, reverse roll, gravure, knife coater, kiss coater, microgravure, rod coater, blade coater, and the like. A known coating device can be used. The drying method is not particularly limited. For example, besides drying, a blower dryer, a warm air dryer, an infrared heater, a far infrared heater, or the like can be used.
[0067]
Next, a second layer is formed over the first layer. As a method of forming the second layer, the components constituting the second layer are mixed together with a solvent, and if necessary, are dispersed and coated using a dispersing machine such as a ball mill, a sand mill, or a twin-screw kneader. , And a method of applying it on the first layer and drying it. Thereby, the strip-shaped positive electrode 2 and / or negative electrode 3 in which the first layer and the second layer are formed on the current collector are obtained. The solvent used here is not particularly limited as long as it is inert to the first layer and can dissolve the binder as a component of the second layer. For example, N-methyl-2 Any known inorganic and organic solvents such as pyrrolidone can be used. There is no particular limitation on the coating apparatus for applying the coating material on the first layer, and slide coating or extrusion type die coating, reverse roll, gravure, knife coater, kiss coater, microgravure, rod coater, blade coater, etc. Can be used. The drying method is not particularly limited. For example, besides drying, a blower dryer, a warm air dryer, an infrared heater, a far infrared heater, or the like can be used.
[0068]
In addition, the positive electrode 2 or the negative electrode 3 that does not satisfy the above-described conditions can be manufactured by a known manufacturing method.
[0069]
The strip-shaped positive electrode 2 and the negative electrode 3 obtained as described above are laminated via a separator 4 made of, for example, a microporous polypropylene film, and wound a number of times in the longitudinal direction to produce a spiral wound body. I do.
[0070]
Next, the insulating plate 6 is inserted into the bottom of the battery can 5 having nickel plating on the inside, the wound body is housed, and the insulating plate 7 is disposed on the top of the wound body. In order to collect the current of the negative electrode 3, one end of a negative electrode lead 8 made of, for example, nickel is pressed against the negative electrode 3 and the other end is welded to the battery can 5. As a result, the battery can 5 has conductivity with the negative electrode 3 and serves as an external negative electrode of the nonaqueous electrolyte secondary battery 1. In order to collect the current of the positive electrode 2, one end of a positive electrode lead 9 made of, for example, aluminum is attached to the positive electrode 2, and the other end is electrically connected to the battery lid 10 via a current interrupting thin plate. The current interrupting thin plate interrupts the current in accordance with the internal pressure of the battery. As a result, the battery lid 10 has conduction with the positive electrode 2 and serves as an external positive electrode of the nonaqueous electrolyte secondary battery 1.
[0071]
Next, a non-aqueous electrolyte is injected into the battery can 5. This non-aqueous electrolyte is prepared by dissolving an electrolyte in a non-aqueous solvent.
[0072]
Next, the battery lid 5 is fixed by caulking the battery can 5 through the insulating sealing gasket 11 coated with asphalt, and the cylindrical nonaqueous electrolyte secondary battery 1 is manufactured.
[0073]
The non-aqueous electrolyte secondary battery 1 has a safety valve device 12 for bleeding out gas when the pressure inside the battery becomes higher than a predetermined value, and a PTC for preventing temperature rise inside the battery. (Positive \ Temperature \ Coefficient) element 13.
[0074]
By the way, in the above description, a non-aqueous electrolyte secondary battery using a non-aqueous electrolyte obtained by dissolving an electrolyte salt in a non-aqueous solvent was taken as an example of an electrolyte, but the electrolyte contained an electrolyte salt. Any known electrolyte such as a solid electrolyte, a gel electrolyte in which an organic polymer is impregnated with a non-aqueous solvent and an electrolyte salt, or the like can be used.
[0075]
As the solid electrolyte, any of an inorganic solid electrolyte, a polymer solid electrolyte, and the like can be used as long as the material has lithium ion conductivity. Examples of the inorganic solid electrolyte include lithium nitride and lithium iodide. The polymer solid electrolyte includes an electrolyte salt and a polymer compound that dissolves the electrolyte salt. Specific examples of the polymer compound include ether polymers such as poly (ethylene oxide) and the same crosslinked product, poly (methacrylate) esters, acrylates, and the like, which may be used alone or copolymerized or mixed in the molecule. Can be.
[0076]
As the organic polymer used for the gel electrolyte, various polymers can be used as long as they absorb the above-mentioned non-aqueous electrolyte and gel. For example, fluorine-based polymers such as poly (vinylidene fluoride) and poly (vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene), ether polymers such as poly (ethylene oxide) and crosslinked products thereof, and poly (acrylonitrile) are exemplified. Can be Among these, it is preferable to use a fluoropolymer from the viewpoint of oxidation-reduction stability. These organic polymers are provided with ionic conductivity by containing an electrolyte salt.
[0077]
Further, the shape of the battery of the present invention is not particularly limited, such as a cylindrical shape, a square shape, a coin shape, a button shape and the like, and can be various sizes such as a thin shape and a large size.
[0078]
Further, the battery of the present invention is not limited to a secondary battery, and may be applied to a primary battery.
[0079]
The present invention is not limited to the above description, and can be appropriately modified without departing from the gist of the present invention.
[0080]
【Example】
Hereinafter, specific examples to which the present invention is applied will be described based on experimental results.
[0081]
<Experiment 1>
In Experiment 1, in a battery having an electrode in which the first layer having a large binding force contains an active material and also contains polyvinylidene fluoride as a binder, the optimum layer between the first layer and the second layer is used. The thickness ratio was examined.
[0082]
Sample 1
First, a positive electrode was produced as follows. The first layer paint was uniformly applied to both surfaces of a positive electrode current collector made of a 20-μm-thick strip-shaped aluminum foil, and dried to form a first layer. Further, a second layer coating material was uniformly applied on the first layer and dried to form a second layer, thereby obtaining a positive electrode. The thickness ratio between the first layer and the second layer in the positive electrode was set to be 5%: 95%.
[0083]
The coating material for the first layer used here was LiCoO 2 as a positive electrode active material.2Was mixed with 92 parts by weight, 5 parts by weight of a conductive agent, and 3 parts by weight of polyvinylidene fluoride as a binder, and this mixture was dispersed in a solvent.
[0084]
The coating material for the second layer is LiCoO 2 as a positive electrode active material.2Was mixed with 94 parts by weight, 5 parts by weight of a conductive agent, and 1 part by weight of a soft binder as a binder, and the mixture was dispersed in a solvent. The soft binder used here is obtained by copolymerizing 70% of polyvinylidene fluoride with 30% of hexafluoropropylene.
[0085]
Next, a negative electrode was produced as follows. The first layer paint was uniformly applied to both surfaces of a negative electrode current collector made of a strip-shaped copper foil having a thickness of 15 μm, and dried to form a first layer. Further, a second layer coating material was uniformly applied on the first layer and dried to form a second layer, thereby obtaining a negative electrode.
[0086]
The first layer coating material used here was prepared by mixing 94 parts by weight of artificial graphite as a negative electrode active material and 6 parts by weight of polyvinylidene fluoride as a binder, and dispersing this mixture in a solvent. Things.
[0087]
The second layer paint was prepared by mixing 98 parts by weight of artificial graphite as a negative electrode active material and 2 parts by weight of a soft binder as a binder, and dispersing this mixture in a solvent. Things. The soft binder used here is the same as the soft binder used in the above-described positive electrode.
[0088]
The thickness ratio between the first layer and the second layer in the negative electrode was set to be 5%: 95%.
[0089]
The positive electrode obtained as described above, the negative electrode, and a separator made of a microporous polyethylene film having a thickness of 20 μm are laminated and adhered in the order of a negative electrode, a separator, a positive electrode, and a separator, and spirally wound many times. By turning, a wound body was produced.
[0090]
Next, an insulating plate was inserted into the bottom of an iron battery can with nickel plating on the inside, and the wound body was further housed. Then, in order to collect the current of the negative electrode, one end of a nickel negative electrode lead was pressed against the negative electrode, and the other end was welded to the battery can. Further, in order to collect the current of the positive electrode, one end of an aluminum positive electrode lead was attached to the positive electrode, and the other end was electrically connected to the battery lid.
[0091]
Then, a non-aqueous electrolyte was injected into the battery can. This non-aqueous electrolyte is prepared by mixing LiPF as an electrolyte in a mixed solvent obtained by mixing ethylene carbonate and dimethyl carbonate at a volume ratio of 1: 1.6Was dissolved at a concentration of 1 mol / l.
[0092]
Finally, by caulking the battery can through an insulating sealing gasket coated with asphalt, the thin plate for current interruption, the PTC element and the battery lid are fixed, and a cylindrical type having a diameter of about 18 mm and a height of about 65 mm is formed. A non-aqueous electrolyte secondary battery was manufactured.
[0093]
Sample 2
The thickness ratio between the first layer and the second layer in the positive electrode was set to be 50%: 50%, and the thickness ratio between the first layer and the second layer in the negative electrode was 50%. : A non-aqueous electrolyte secondary battery was prepared in the same manner as in Sample 1, except that the setting was made to be 50%.
[0094]
Sample 3
The thickness ratio of the first layer and the second layer in the positive electrode was set to be 80%: 20%, and the thickness ratio of the first layer and the second layer in the negative electrode was 80%. : A non-aqueous electrolyte secondary battery was prepared in the same manner as in Sample 1, except that the setting was made to be 20%.
[0095]
Sample 4
The thickness ratio between the first layer and the second layer in the positive electrode was set to be 100%: 0%, and the thickness ratio between the first layer and the second layer in the negative electrode was 5%. : A non-aqueous electrolyte secondary battery was fabricated in the same manner as in Sample 1, except that the setting was made to be 95%.
[0096]
Sample 5
The thickness ratio between the first layer and the second layer in the positive electrode was set to be 100%: 0%, and the thickness ratio between the first layer and the second layer in the negative electrode was 80%. : A non-aqueous electrolyte secondary battery was prepared in the same manner as in Sample 1, except that the setting was made to be 20%.
[0097]
Sample 6
The thickness ratio between the first layer and the second layer in the positive electrode was set to be 5%: 95%, and the thickness ratio between the first layer and the second layer in the negative electrode was 100%. A non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Sample 1, except that the content was set to be 0%.
[0098]
Sample 7
The thickness ratio between the first layer and the second layer in the positive electrode was set to be 80%: 20%, and the thickness ratio between the first layer and the second layer in the negative electrode was 100%. A non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Sample 1, except that the content was set to be 0%.
[0099]
Sample 8
The thickness ratio of the first layer to the second layer in the positive electrode was set to be 3%: 97%, and the thickness ratio of the first layer to the second layer in the negative electrode was 3%. : A non-aqueous electrolyte secondary battery was prepared in the same manner as in Sample 1, except that the setting was made to be 97%.
[0100]
Sample 9
The thickness ratio between the first layer and the second layer in the positive electrode was set to be 90%: 10%, and the thickness ratio between the first layer and the second layer in the negative electrode was 90%. : A non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Sample 1, except that it was set to be 10%.
[0101]
Sample 10
The thickness ratio of the first layer and the second layer in the positive electrode was set to be 100%: 0%, and the thickness ratio of the first layer and the second layer in the negative electrode was 4%. : A non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Sample 1, except that the setting was made to be 96%.
[0102]
Sample 11
The thickness ratio between the first layer and the second layer in the positive electrode was set to be 100%: 0%, and the thickness ratio between the first layer and the second layer in the negative electrode was 81%. : A non-aqueous electrolyte secondary battery was manufactured in the same manner as in Sample 1, except that the setting was made to be 19%.
[0103]
Sample 12
The thickness ratio between the first layer and the second layer in the positive electrode was set to be 4%: 96%, and the thickness ratio between the first layer and the second layer in the negative electrode was 100%. A non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Sample 1, except that the content was set to be 0%.
[0104]
Sample 13
The thickness ratio between the first layer and the second layer in the positive electrode was set to be 81%: 19%, and the thickness ratio between the first layer and the second layer in the negative electrode was 100%. A non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Sample 1, except that the content was set to be 0%.
[0105]
Sample 14
The thickness ratio between the first layer and the second layer in the positive electrode was set to be 100%: 0%, and the thickness ratio between the first layer and the second layer in the negative electrode was 100%. A non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Sample 1, except that the content was set to be 0%.
[0106]
Sample 15
The thickness ratio of the first layer and the second layer in the positive electrode was set to be 0%: 100%, and the thickness ratio of the first layer and the second layer in the negative electrode was 0%. : A non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Sample 1, except that the setting was made to be 100%.
[0107]
The peel strength and flexibility of the electrodes constituting the nonaqueous electrolyte secondary batteries of Samples 1 to 15 prepared as described above were measured as follows. The load characteristics and discharge capacity of the non-aqueous electrolyte secondary batteries of Sample 1 to Sample 15 were measured.
[0108]
Regarding the peel strength of the electrode, a tape having a size of 25 mm × 60 mm was adhered to the application surface of the electrode to be measured, the tape was pulled in a direction parallel to the application surface, and the tensile strength when peeled was measured. .
[0109]
The flexibility of the electrode was evaluated by measuring the displacement and stress until a crack was formed in the electrode when the electrode to be measured had a ring shape and a load was applied at a constant speed in the diameter direction. Then, the flexibility when the thickness configuration of the electrode was 1st layer: 2nd layer = 0%: 100% was represented by 10.0 as a relative value.
[0110]
With respect to the discharge capacity of the nonaqueous electrolyte secondary battery, the prepared battery was fully charged up to 4.2 V, and then the discharge capacity was measured when constant current discharge was performed at 1 C.
[0111]
The load characteristic is a ratio of the discharge capacity at 3 C to the discharge capacity at 0.5 C, and was expressed as a relative value when the load characteristic of Sample 1 was 10.0.
[0112]
Table 1 below shows the electrode thickness ratio, peel strength and flexibility, load characteristics, and discharge capacity of Samples 1 to 15 described above.
[0113]
[Table 1]
Figure 2004079370
[0114]
As is clear from Table 1, in at least one of the positive electrode and the negative electrode, Sample 1 to Sample 7 in which the thickness ratio of the first layer to the second layer is in the range of 5:95 to 80:20 are The results were excellent in all of the peel strength and flexibility of the electrode, the load characteristics, and the discharge capacity.
[0115]
<Experiment 2>
In Experiment 2, in a battery having an electrode in which the first layer having a large binding force contains an active material and also contains polyvinylidene fluoride as a binder, the binder (polyfluoride) of the first layer of the positive electrode was used. The optimum range of vinylidene) content was studied.
[0116]
Sample 16
LiCoO as a positive electrode active material as a first layer coating material2Sample 1 was prepared by mixing 93 parts by weight, 5 parts by weight of a conductive agent, and 2 parts by weight of polyvinylidene fluoride as a binder, and dispersing the mixture in a solvent. In the same manner as in the above, a non-aqueous electrolyte secondary battery was produced.
[0117]
Sample 17
The thickness ratio between the first layer and the second layer in the positive electrode was set to be 50%: 50%, and the thickness ratio between the first layer and the second layer in the negative electrode was 50%. : A non-aqueous electrolyte secondary battery was manufactured in the same manner as in Sample 16, except that the setting was made to be 50%.
[0118]
Sample 18
The thickness ratio of the first layer and the second layer in the positive electrode was set to be 80%: 20%, and the thickness ratio of the first layer and the second layer in the negative electrode was 80%. : A non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Sample 16, except that the setting was made to be 20%.
[0119]
Sample 19
The thickness ratio between the first layer and the second layer in the positive electrode was set to be 100%: 0%, and the thickness ratio between the first layer and the second layer in the negative electrode was 5%. : A non-aqueous electrolyte secondary battery was fabricated in the same manner as in Sample 16, except that the setting was made to be 95%.
[0120]
Sample 20
The thickness ratio between the first layer and the second layer in the positive electrode was set to be 100%: 0%, and the thickness ratio between the first layer and the second layer in the negative electrode was 80%. : A non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Sample 16, except that the setting was made to be 20%.
[0121]
Sample 21
The thickness ratio between the first layer and the second layer in the positive electrode was set to be 5%: 95%, and the thickness ratio between the first layer and the second layer in the negative electrode was 100%. A non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Sample 16, except that the content was set to be 0%.
[0122]
Sample 22
The thickness ratio between the first layer and the second layer in the positive electrode was set to be 80%: 20%, and the thickness ratio between the first layer and the second layer in the negative electrode was 100%. A non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Sample 16, except that the content was set to be 0%.
[0123]
Sample 23
LiCoO as a positive electrode active material as a first layer coating material2, 90 parts by weight of a conductive agent, 5 parts by weight of a conductive agent, and 5 parts by weight of polyvinylidene fluoride as a binder, and a mixture prepared by dispersing the mixture in a solvent. The thickness ratio between the first layer and the second layer was set to be 5%: 95%, and the thickness ratio between the first layer and the second layer in the negative electrode was set to 5%: 95%. A non-aqueous electrolyte secondary battery was fabricated in the same manner as in Sample 16, except that the settings were made as follows.
[0124]
Sample 24
The thickness ratio between the first layer and the second layer in the positive electrode was set to be 50%: 50%, and the thickness ratio between the first layer and the second layer in the negative electrode was 50%. : A non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Sample 23 except that the setting was made to be 50%.
[0125]
Sample 25
The thickness ratio of the first layer to the second layer in the positive electrode was set to be 3%: 97%, and the thickness ratio of the first layer to the second layer in the negative electrode was 3%. : A non-aqueous electrolyte secondary battery was manufactured in the same manner as in Sample 16, except that the setting was made to be 97%.
[0126]
Sample 26
The thickness ratio between the first layer and the second layer in the positive electrode was set to be 90%: 10%, and the thickness ratio between the first layer and the second layer in the negative electrode was 90%. : A non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Sample 16, except that it was set to be 10%.
[0127]
Sample 27
LiCoO as a positive electrode active material as a first layer coating material2Was mixed with 94 parts by weight, 5 parts by weight of a conductive agent, and 1 part by weight of polyvinylidene fluoride as a binder, and the mixture was dispersed in a solvent. The thickness ratio between the first layer and the second layer was set to be 3%: 97%, and the thickness ratio between the first layer and the second layer in the negative electrode was 3%: 97%. A non-aqueous electrolyte secondary battery was fabricated in the same manner as in Sample 16, except that the settings were made as follows.
[0128]
Sample 28
The thickness ratio of the first layer to the second layer in the positive electrode was set to be 5%: 95%, and the thickness ratio of the first layer to the second layer in the negative electrode was 5%. : A non-aqueous electrolyte secondary battery was prepared in the same manner as in Sample 27 except that the setting was made to be 95%.
[0129]
Sample 29
The thickness ratio between the first layer and the second layer in the positive electrode was set to be 50%: 50%, and the thickness ratio between the first layer and the second layer in the negative electrode was 50%. : A non-aqueous electrolyte secondary battery was prepared in the same manner as in Sample 27 except that the setting was made to be 50%.
[0130]
Sample 30
The thickness ratio of the first layer and the second layer in the positive electrode was set to be 80%: 20%, and the thickness ratio of the first layer and the second layer in the negative electrode was 80%. : A non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Sample 27 except that the setting was made to be 20%.
[0131]
Sample 31
The thickness ratio between the first layer and the second layer in the positive electrode was set to be 90%: 10%, and the thickness ratio between the first layer and the second layer in the negative electrode was 90%. : A non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Sample 27 except that it was set to be 10%.
[0132]
With respect to Samples 16 to 31 described above, the peel strength and flexibility of the electrode, the load characteristics, and the discharge capacity were measured in the same manner as in Experiment 1.
[0133]
Table 2 below shows these results together with the polyvinylidene fluoride content in the first layer of the positive electrode and the film thickness ratio of the electrode. In the following table, polyvinylidene fluoride is abbreviated as PVdF.
[0134]
[Table 2]
Figure 2004079370
[0135]
As is clear from Table 2, since Samples 16 to 24 show superior results as compared to Samples 27 to 31, the polyvinylidene fluoride content of the first layer is required to be 2% by weight or more. all right. However, although the polyvinylidene fluoride content was 2% by weight or more, the thickness ratio of the first layer to the second layer was out of the range of 5:95 to 80:20. It is found that it is important to satisfy both conditions of the polyvinylidene fluoride content of the first layer and the film thickness ratio of the electrode because the peel strength and the flexibility, the load characteristics, and the discharge capacity are inferior. did.
[0136]
<Experiment 3>
In Experiment 3, in a battery having an electrode in which the first layer having a large binding force contains the active material and also contains polyvinylidene fluoride as the binder, the second layer has a soft binder as the binder. The case of containing only polyvinylidene fluoride instead of the agent was studied.
[0137]
Sample 32
LiCoO as a positive electrode active material as a coating for the first layer of the positive electrode2Was mixed with 93 parts by weight, 5 parts by weight of a conductive agent, and 2 parts by weight of polyvinylidene fluoride as a binder, and this mixture was prepared by dispersing the mixture in a solvent. LiCoO as a positive electrode active material is used as a coating for the second layer of the positive electrode.2Was mixed with 94 parts by weight, 5 parts by weight of a conductive agent, and 1 part by weight of polyvinylidene fluoride in place of the soft binder, and this mixture was prepared by dispersing the mixture in a solvent. In addition, as a coating for the second layer of the negative electrode, 98 parts by weight of artificial graphite as the negative electrode active material and 2 parts by weight of polyvinylidene fluoride instead of the soft binder were mixed, and this mixture was dispersed in a solvent. What was prepared by making it used was used. A non-aqueous electrolyte secondary battery was fabricated in the same manner as in Sample 1, except for these changes.
[0138]
Sample 33
The thickness ratio between the first layer and the second layer in the positive electrode was set to be 50%: 50%, and the thickness ratio between the first layer and the second layer in the negative electrode was 50%. : A non-aqueous electrolyte secondary battery was manufactured in the same manner as in Sample 32 except that the setting was made to be 50%.
[0139]
Sample 34
The thickness ratio of the first layer and the second layer in the positive electrode was set to be 80%: 20%, and the thickness ratio of the first layer and the second layer in the negative electrode was 80%. : A non-aqueous electrolyte secondary battery was prepared in the same manner as in Sample 32 except that the setting was made to be 20%.
[0140]
Sample 35
The thickness ratio between the first layer and the second layer in the positive electrode was set to be 95%: 5%, and the thickness ratio between the first layer and the second layer in the negative electrode was 95%. : A non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Sample 32 except that the setting was made to be 5%.
[0141]
With respect to Samples 32 to 35 described above, the peel strength and flexibility of the electrode, the load characteristics, and the discharge capacity were measured in the same manner as in Experiment 1.
[0142]
These results are shown in Table 3 below together with the polyvinylidene fluoride content in the first layer of the positive electrode and the film thickness ratio of the electrode.
[0143]
[Table 3]
Figure 2004079370
[0144]
As is clear from Table 3 above, in Samples 32 to 35 in which the second layer did not contain a soft binder, the flexibility of the electrode was significantly impaired. This proved that the second layer of the electrode needed to contain a soft binder.
[0145]
<Experiment 4>
In Experiment 4, in a battery having an electrode in which the first layer having a large binding force contains an active material and also contains polyvinylidene fluoride as a binder, the composition of the soft binder in the second layer was determined. investigated.
[0146]
Sample 36
A mixture of 95% by weight of polyvinylidene fluoride and 5% by weight of hexafluoropropylene is used as a soft binder of the second layer of the positive electrode, and a polyvinylidene fluoride is used as a soft binder of the second layer of the negative electrode. A non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Sample 1, except that a mixture of 95% by weight and 5% by weight of hexafluoropropylene was used.
[0147]
Sample 37
A mixture of 50% by weight of polyvinylidene fluoride and 50% by weight of hexafluoropropylene is used as a soft binder of the second layer of the positive electrode, and polyvinylidene fluoride is used as a soft binder of the second layer of the negative electrode. A non-aqueous electrolyte secondary battery was fabricated in the same manner as in Sample 1, except that a mixture of 50% by weight and 50% by weight of hexafluoropropylene was used.
[0148]
Sample 38
100% by weight of hexafluoropropylene is used as a soft binder of the second layer of the positive electrode, and 95% by weight of polyvinylidene fluoride and 5% by weight of hexafluoropropylene are used as the soft binder of the second layer of the negative electrode. A non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Sample 1, except that the mixture was used.
[0149]
Sample 39
A mixture of 95% by weight of polyvinylidene fluoride and 5% by weight of styrene-butadiene-based latex is used as a soft binder of the second layer of the positive electrode, and a polyfluoride is used as a soft binder of the second layer of the negative electrode. A non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Sample 1, except that a mixture of 95% by weight of vinylidene and 5% by weight of hexafluoropropylene was used.
[0150]
Sample 40
A mixture of 50% by weight of polyvinylidene fluoride and 50% by weight of styrene-butadiene-based latex is used as a soft binder for the second layer of the positive electrode, and a polyfluoride is used as a soft binder for the second layer of the negative electrode. A non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Sample 1, except that a mixture of 95% by weight of vinylidene and 5% by weight of hexafluoropropylene was used.
[0151]
Sample 41
100% by weight of styrene butadiene latex is used as a soft binder of the second layer of the positive electrode, and 95% by weight of polyvinylidene fluoride and 5% by weight of hexafluoropropylene are used as the soft binder of the second layer of the negative electrode. A non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Sample 1, except that a mixture of the above was used.
[0152]
Sample 42
A mixture of 95% by weight of polyvinylidene fluoride and 5% by weight of hexafluoropropylene is used as a soft binder of the second layer of the positive electrode, and a polyvinylidene fluoride is used as a soft binder of the second layer of the negative electrode. A non-aqueous electrolyte secondary battery was fabricated in the same manner as in Sample 1, except that a mixture of 50% by weight and 50% by weight of hexafluoropropylene was used.
[0153]
Sample 43
A mixture of 95% by weight of polyvinylidene fluoride and 5% by weight of hexafluoropropylene is used as a soft binder of the second layer of the positive electrode, and hexafluoropropylene is used as a soft binder of the second layer of the negative electrode. A non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Sample 1, except that 100% by weight was used.
[0154]
Sample 44
A mixture of 95% by weight of polyvinylidene fluoride and 5% by weight of hexafluoropropylene is used as a soft binder of the second layer of the positive electrode, and a polyvinylidene fluoride is used as a soft binder of the second layer of the negative electrode. A non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Sample 1, except that a mixture of 95% by weight and 5% by weight of a styrene-butadiene-based latex was used.
[0155]
Sample 45
A mixture of 95% by weight of polyvinylidene fluoride and 5% by weight of hexafluoropropylene is used as a soft binder of the second layer of the positive electrode, and a polyvinylidene fluoride is used as a soft binder of the second layer of the negative electrode. A non-aqueous electrolyte secondary battery was fabricated in the same manner as in Sample 1, except that a mixture of 50% by weight and 50% by weight of a styrene-butadiene-based latex was used.
[0156]
Sample 46
A mixture of 95% by weight of polyvinylidene fluoride and 5% by weight of hexafluoropropylene is used as a soft binder for the second layer of the positive electrode, and a styrene-butadiene-based soft binder for the second layer of the negative electrode is used. A non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Sample 1, except that 100% by weight of latex was used.
[0157]
Sample 47
Sample 1 was obtained except that 100% by weight of polyvinylidene fluoride was used as the soft binder of the second layer of the positive electrode and 100% by weight of polyvinylidene fluoride was used as the soft binder of the second layer of the negative electrode. In the same manner as in the above, a non-aqueous electrolyte secondary battery was produced.
[0158]
With respect to the above Samples 36 to 47, the peel strength and flexibility of the electrode and the discharge capacity were measured in the same manner as in Experiment 1.
[0159]
The flexibility of the electrode is such that the thickness of the electrode is 1st layer: 2nd layer = 5%: 95%, and the soft binder contained in the second layer is hexafluoropropylene or The flexibility when only styrene-butadiene-based latex was used was represented by a relative value when 10.0 was set.
[0160]
Table 4 below shows these results together with the composition of the soft binder in the second layers of the positive electrode and the negative electrode. In Table 4, hexafluoropropylene is abbreviated as HFP, and styrene-butadiene-based latex is abbreviated as SBR.
[0161]
[Table 4]
Figure 2004079370
[0162]
From the above Table 4, at least one of the positive electrode and the negative electrode contains a mixture of polyvinylidene fluoride and hexafluoropropylene or a mixture of polyvinylidene fluoride and styrene-butadiene-based latex as the soft binder of the second layer. Thus, it was found that an electrode having both peel strength and flexibility can be realized.
[0163]
<Experiment 5>
In Experiment 5, the optimum range of the thickness and composition of each layer of the positive electrode in which only the second layer contains the active material and the first layer functions as a primer layer was examined.
[0164]
Sample 48
First, a positive electrode was produced as follows. The first layer paint was uniformly applied to both surfaces of a positive electrode current collector made of a 20-μm-thick strip-shaped aluminum foil, and dried to form a first layer. The average thickness of the first layer was 0.5 μm. In addition, the second layer paint is uniformly applied on the first layer, dried, and compression-molded at a constant pressure by a roller press to form a second layer, which is slit to form a positive electrode. Obtained. When forming the second layer, the thickness of the second layer after pressing was 160 μm, and the volume density was 3.5 g / cm.3The coating amount was adjusted so that
[0165]
The coating material for the first layer used here is a mixture of 90% by weight of polyvinylidene fluoride as a binder and 10% by weight of acetylene black as a carbon powder as a conductive agent. It was prepared by dispersing in methyl-2-pyrrolidone.
[0166]
The coating material for the second layer is LiCoO 2 as a positive electrode active material.298% by weight, 1% by weight of ketjen black as a conductive agent, and 1% by weight of polyvinylidene fluoride as a binder, and dispersing this mixture in N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent. It was prepared by
[0167]
Next, a negative electrode was produced as follows. A negative electrode current collector made of a strip-shaped copper foil having a thickness of 15 μm is uniformly coated with a negative electrode mixture paint, dried, and compression-molded at a constant pressure by a roller press to form a negative electrode mixture layer. Thus, a negative electrode was obtained. When forming the negative electrode mixture layer, the thickness of the negative electrode mixture layer after pressing was 160 μm, and the volume density was 1.66 g / cm.3The coating amount was adjusted so that
[0168]
The paint for negative electrode mixture used here was prepared by mixing 94% by weight of graphite as a negative electrode active material and 6% by weight of polyvinylidene fluoride as a binder, and dispersing this mixture in a solvent. is there.
[0169]
The positive electrode obtained as described above, the negative electrode, and a separator made of a microporous polyethylene film having a thickness of 20 μm are laminated and adhered in the order of a negative electrode, a separator, a positive electrode, and a separator, and spirally wound many times. By turning, a wound body was produced.
[0170]
Next, an insulating plate was inserted into the bottom of an iron battery can with nickel plating on the inside, and the wound body was further housed. Then, in order to collect the current of the negative electrode, one end of a nickel negative electrode lead was pressed against the negative electrode, and the other end was welded to the battery can. Further, in order to collect the current of the positive electrode, one end of an aluminum positive electrode lead was attached to the positive electrode, and the other end was electrically connected to the battery lid.
[0171]
Then, a non-aqueous electrolyte was injected into the battery can. This non-aqueous electrolyte is prepared by mixing LiPF as an electrolyte in a mixed solvent obtained by mixing ethylene carbonate and dimethyl carbonate at a volume ratio of 1: 1.6Was dissolved at a concentration of 1 mol / l.
[0172]
Finally, by caulking the battery can through an insulating sealing gasket coated with asphalt, the thin plate for current interruption, the PTC element and the battery lid are fixed, and a cylindrical type having a diameter of about 18 mm and a height of about 65 mm is formed. A non-aqueous electrolyte secondary battery was manufactured.
[0173]
Sample 49
LiCoO of the second layer of the positive electrode2A non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Sample 48, except that the content was 94% by weight and the polyvinylidene fluoride content was 5% by weight.
[0174]
Sample 50
A non-aqueous electrolyte secondary battery was fabricated in the same manner as in Sample 48, except that the thickness of the first layer of the positive electrode was 5 μm and the acetylene black content was 75% by weight.
[0175]
Sample 51
The first layer of the positive electrode has a thickness of 5 μm, the acetylene black content is 75% by weight, and the LiCoO 2 of the second layer is2A non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Sample 48, except that the content was 94% by weight and the polyvinylidene fluoride content was 5% by weight.
[0176]
Sample 52
A non-aqueous electrolyte secondary battery was fabricated in the same manner as in Sample 48, except that the acetylene black content of the first layer of the positive electrode was 75% by weight.
[0177]
Sample 53
The thickness of the first layer of the positive electrode is 5 μm, and the thickness of the second layer is LiCoO 2.2A non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Sample 48, except that the content was 94% by weight and the polyvinylidene fluoride content was 5% by weight.
[0178]
Sample 54
A non-aqueous electrolyte secondary battery was fabricated in the same manner as in Sample 48, except that the thickness of the second layer of the positive electrode was 300 μm, and the thickness of the negative electrode mixture layer was 300 μm.
[0179]
Sample 55
LiCoO of the second layer of the positive electrode2A non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Sample 54, except that the content was 94% by weight, the polyvinylidene fluoride content was 5% by weight, and the thickness of the negative electrode mixture layer was 300 μm. .
[0180]
Sample 56
A nonaqueous electrolyte secondary solution was prepared in the same manner as in Sample 54, except that the thickness of the first layer of the positive electrode was 5 μm, the acetylene black content was 75% by weight, and the thickness of the negative electrode mixture layer was 300 μm. A battery was manufactured.
[0181]
Sample 57
The first layer of the positive electrode has a thickness of 5 μm, the acetylene black content is 75% by weight, and the LiCoO 2 of the second layer is2A non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Sample 54, except that the content was 94% by weight, the polyvinylidene fluoride content was 5% by weight, and the thickness of the negative electrode mixture layer was 300 μm. .
[0182]
Sample 58
A non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Sample 54, except that the acetylene black content of the first layer of the positive electrode was 75% by weight and the thickness of the negative electrode mixture layer was 300 μm.
[0183]
Sample 59
The thickness of the first layer of the positive electrode is 5 μm, and the thickness of the second layer is LiCoO 2.2A non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Sample 54, except that the content was 94% by weight, the polyvinylidene fluoride content was 5% by weight, and the thickness of the negative electrode mixture layer was 300 μm. .
[0184]
Sample 60
The first layer of the positive electrode was not formed, and the thickness of the second layer was set to 150 μm.2A non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Sample 48, except that the content was 93% by weight, the polyvinylidene fluoride content was 6% by weight, and the thickness of the negative electrode mixture layer was 150 μm. .
[0185]
Sample 61
The first layer of the positive electrode is not formed, and the second layer of LiCoO2A non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Sample 48, except that the content was 93% by weight and the polyvinylidene fluoride content was 6% by weight.
[0186]
Sample 62
The thickness of the first layer of the positive electrode was set to 5 μm, the acetylene black content was set to 75% by weight, and LiCoO 2 was used.2A non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Sample 48, except that the content was 93% by weight and the polyvinylidene fluoride content of the second layer was 6% by weight.
[0187]
Sample 63
The first layer of the positive electrode is not formed, and the second layer of LiCoO2A non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Sample 48, except that the content was 94% by weight and the polyvinylidene fluoride content was 5% by weight.
[0188]
Sample 64
A non-aqueous electrolyte secondary battery was fabricated in the same manner as in Sample 48, except that the first layer of the positive electrode was not formed.
[0189]
Sample 65
The first layer of the positive electrode was not formed, and the thickness of the second layer was set to 300 μm.2A non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Sample 48, except that the content was 94% by weight, the polyvinylidene fluoride content was 5% by weight, and the thickness of the negative electrode mixture layer was 300 μm. .
[0190]
Sample 66
The first layer of the positive electrode has a thickness of 5 μm, the acetylene black content is 75% by weight, and the LiCoO 2 of the second layer is2A non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Sample 48, except that the content was 98.5% by weight and the polyvinylidene fluoride content was 0.5% by weight.
[0191]
Sample 67
The thickness of the first layer of the positive electrode was 5 μm, the content of acetylene black was 75% by weight, the thickness of the second layer was 310 μm, and LiCoO2A non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Sample 48, except that the content was 94% by weight, the polyvinylidene fluoride content was 5% by weight, and the thickness of the negative electrode mixture layer was 310 μm. .
[0192]
Sample 68
Except that the acetylene black content of the first layer of the positive electrode was 5% by weight, the thickness of the second layer was 300 μm, and the thickness of the negative electrode mixture layer was 300 μm, A water electrolyte secondary battery was produced.
[0193]
Sample 69
The same procedure as in Sample 48 was carried out except that the acetylene black content of the first layer of the positive electrode was 80% by weight, the thickness of the second layer was 300 μm, and the thickness of the negative electrode mixture layer was 300 μm. A water electrolyte secondary battery was produced.
[0194]
With respect to Samples 48 to 69 produced as described above, the state of peeling of the positive electrode and cracks were observed, and the results are shown in Table 5 below. Regarding the peeling, the case where no peeling was observed on the positive electrode was indicated by ○, the case where minute peeling was observed was indicated by Δ, and the case where large peeling was observed was indicated by ×. Regarding the cracks, those in which no cracks were observed in the positive electrode were indicated by ○, those in which minute cracks were observed were indicated by Δ, and those in which large cracks were observed were indicated by ×.
[0195]
For Samples 48 to 69, the discharge capacity at 0.2 C and the low-temperature load characteristics at 1 C and 0 ° C. were measured as follows, and the results are shown in Table 5 below.
[0196]
The discharge capacity of the produced non-aqueous electrolyte secondary battery was determined by charging the battery under the conditions of an ambient temperature of 23 ° C., a charging voltage of 4.20 V, a charging current of 1000 mA, and a charging time of 3 hours, followed by a discharging current of 400 mA and a termination voltage. It was determined as the initial capacity when discharging at 2.75V.
[0197]
The low-temperature load characteristics are as follows. The non-aqueous electrolyte secondary battery after the above-mentioned discharge capacity measurement was charged at a charging voltage of 4.20 V, a charging current of 1000 mA, a charging time of 3 hours, and then discharged at an environmental temperature of 0 ° C. The capacity when discharging was performed at a current of 2000 mA and a final voltage of 2.75 V was determined, and the ratio to the initial capacity was expressed as a percentage.
[0198]
[Table 5]
Figure 2004079370
[0199]
As is clear from Table 5, Samples 48 to 59 had favorable results in all of the discharge capacity, low-temperature load characteristics, and peeling and cracking of the electrodes. On the other hand, Samples 60 to 69 were inferior to any of the above characteristics.
[0200]
Although not shown in Table 5, when the coating was performed so that the thickness of the first layer of the positive electrode was 0.5 μm or less, the coating was too thin to achieve uniform coating. . In addition, when the coating was performed so that the thickness of the first layer of the positive electrode exceeded 5 μm, the discharge capacity was reduced.
[0201]
From the results of Experiment 5 above, the carbon powder content of the first layer was 10% by weight to 75% by weight, the film thickness of the first layer was 0.5 μm to 5 μm, and the It has been found that the content of the adhesive is preferably 1% by weight to 5% by weight, and the thickness of the second layer is preferably 160 μm to 300 μm.
[0202]
<Experiment 6>
In Experiment 6, the peak ratio (current collector side / second layer side) near the diffraction angle (2θ, θ: Bragg angle) of 20.0 ° in the X-ray diffraction pattern when X-ray diffraction measurement using CuKα ray was performed. ) Was examined for the optimal range. Further, an alloy used as a negative electrode active material was also studied.
[0203]
Sample 70
First, a negative electrode was manufactured as follows. The first layer paint was uniformly applied to both surfaces of a negative electrode current collector made of a strip-shaped copper foil having a thickness of 15 μm, and dried to form a first layer. The thickness of the first layer after drying was 0.5 μm. In addition, the second layer coating material is uniformly applied on the first layer, dried, compression-molded at a constant pressure by a roller press to form a second layer, and the negative electrode is formed by slitting the second layer. Obtained.
[0204]
The coating material for the first layer used here is a mixture of 90% by weight of polyvinylidene fluoride as a binder and 10% by weight of acetylene black as a carbon powder as a conductive agent. It was prepared by dispersing in methyl-2-pyrrolidone.
[0205]
Further, the second layer paint is prepared by mixing 60% by weight of CuSn powder, 35% by weight of flaky graphite as a negative electrode active material, and 5% by weight of polyvinylidene fluoride as a binder. Was dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent. The CuSn powder is obtained by melting 50 parts by weight of Cu and 50 parts by weight of Sn and synthesizing them by a gas atomizing method. When the obtained CuSn powder was mesh-passed with a sieve of 63 μm, the average particle size was 25 μm.
[0206]
For the obtained negative electrode, the peak ratio (current collector side / second layer side) near the diffraction angle (2θ, θ: Bragg angle) of 20.0 ° by X-ray diffraction was measured. Specifically, in a state where the first layer and the second layer were formed only on one main surface side of the negative electrode current collector, X-ray diffraction measurement was performed on the current collector side and the second layer side. In an X-ray diffraction pattern obtained by the measurement, a peak ratio (current collector side / second layer side) around diffraction angle (2θ, θ: Bragg angle) of 20.0 ° was determined. The peak ratio (current collector side / second layer side) of the diffraction angle (2θ, θ: Bragg angle) around 20.0 ° by X-ray diffraction was 1.1.
[0207]
The X-ray diffractometer used for the X-ray diffraction measurement was RAD-IIC manufactured by Rigaku Denki, and the X-ray source used was a Cu-cathode and a graphite monochromator. The slits were DS (divergence slit) = 1 °, RS (light receiving slit) = 0.6 °, and SS (scattering slit) = 1 °. The scanning speed was 0.5 ° / min, the tube voltage was 40 kV, and the tube current was 30 mA.
[0208]
In addition, a scanning type manufactured by JEOL Ltd. was applied to the negative electrode whose peak ratio (current collector side / second layer side) near the diffraction angle (2θ, θ: Bragg angle) of 20.0 ° by X-ray diffraction was measured. Fluorine atom mapping was performed using an electron microscope JSM-5600 to determine a fluorine density ratio. The determined fluorine density ratio was 1.1.
[0209]
Next, a positive electrode was produced as follows. On both surfaces of a positive electrode current collector made of a 20-μm-thick strip-shaped aluminum foil, a coating for a positive electrode mixture layer is uniformly applied, dried, and compression-molded at a constant pressure by a roller press to form a positive electrode mixture layer, This was slit to obtain a positive electrode.
[0210]
The coating material for the positive electrode mixture layer used here was LiCoO 2 as a positive electrode active material.2A mixture of 95% by weight of powder and 5% by weight of lithium carbonate powder was mixed with 91% by weight, 6% by weight of flake graphite as a conductive agent, and 3% by weight of polyvinylidene fluoride as a binder. This mixture was prepared by dispersing this mixture in N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent.
[0211]
LiCoO used as positive electrode active material2The powder was prepared as follows. That is, 0.5 mol of lithium carbonate and 1 mol of cobalt carbonate were mixed, and this mixture was fired in air at 900 ° C. for 5 hours. An X-ray diffraction measurement was performed on the obtained material, and as a result, the LiCoO whose peak position was registered in the JCPDS file was used.2Well matched the data. The obtained material was pulverized, and the cumulative 50% particle size obtained by a laser diffraction method was set to 15 μm, to obtain a positive electrode active material.
[0212]
The positive electrode obtained as described above, the negative electrode, and a separator made of a microporous polypropylene film having a thickness of 25 μm are laminated and adhered in the order of the negative electrode, the separator, the positive electrode, and the separator, and spirally wound many times. The wound body was produced by turning and fixing the final end of the outermost separator with a tape.
[0213]
Next, an insulating plate was inserted into the bottom of an iron battery can with nickel plating on the inside, and the wound body was further housed. Then, in order to collect the current of the negative electrode, one end of a nickel negative electrode lead was pressed against the negative electrode, and the other end was welded to the battery can. Further, in order to collect the current of the positive electrode, one end of an aluminum positive electrode lead was attached to the positive electrode, and the other end was electrically connected to the battery lid.
[0214]
Then, a non-aqueous electrolyte was injected into the battery can. This non-aqueous electrolyte is prepared by mixing LiPF as an electrolyte in a mixed solvent obtained by mixing ethylene carbonate and dimethyl carbonate at a volume ratio of 1: 1.6Was dissolved at a concentration of 1 mol / l.
[0215]
Finally, by caulking the battery can through an insulating sealing gasket coated with asphalt, the thin plate for current interruption, the PTC element and the battery lid are fixed, and a cylindrical type having a diameter of about 18 mm and a height of about 65 mm is formed. A non-aqueous electrolyte secondary battery was manufactured.
[0216]
Sample 71
A non-aqueous electrolyte secondary battery was fabricated in the same manner as in Sample 70, except that the thickness of the first layer of the negative electrode was 1.0 μm.
[0219]
Sample 72
A non-aqueous electrolyte secondary battery was fabricated in the same manner as in Sample 70, except that the thickness of the first layer of the negative electrode was 1.0 μm. The peak ratio (current collector side / second layer side) near 20.0 ° of the diffraction angle (2θ, θ: Bragg angle) by X-ray diffraction was 1.2, and the fluorine density ratio was 1.3. there were.
[0218]
Sample 73
A nonaqueous electrolyte secondary battery was fabricated in the same manner as in Sample 70, except that the thickness of the first layer of the negative electrode was 1.5 μm. The peak ratio (current collector side / second layer side) near the diffraction angle (2θ, θ: Bragg angle) of 20.0 ° by X-ray diffraction was 1.4, and the fluorine density ratio was 1.4. there were.
[0219]
Sample 74
A non-aqueous electrolyte secondary battery was fabricated in the same manner as in Sample 70, except that the thickness of the first layer of the negative electrode was 3.0 μm. Incidentally, the peak ratio (current collector side / second layer side) near the diffraction angle (2θ, θ: Bragg angle) of 20.0 ° by X-ray diffraction is 1.8, and the fluorine density ratio is 1.7. there were.
[0220]
Sample 75
A non-aqueous electrolyte secondary battery was fabricated in the same manner as in Sample 70 except that FeSn powder was used as the negative electrode active material. The peak ratio (current collector side / second layer side) near 20.0 ° of the diffraction angle (2θ, θ: Bragg angle) by X-ray diffraction is 1.1, and the fluorine density ratio is 1.1. there were.
[0221]
Sample 76
A non-aqueous electrolyte secondary battery was manufactured in the same manner as in Sample 70 except that the first layer of the negative electrode was not formed. The peak ratio (current collector side / second layer side) near 20.0 ° of the diffraction angle (2θ, θ: Bragg angle) by X-ray diffraction was 0.9, and the fluorine density ratio was 0.9. there were.
[0222]
The charge / discharge cycle characteristics and the electrode strength ratio of the samples 71 to 76 manufactured as described above were measured.
[0223]
The charge / discharge cycle characteristics were as follows. First, the prepared nonaqueous electrolyte secondary battery was charged at a constant current and a constant voltage under the conditions of an ambient temperature of 23 ° C., a constant current of 0.5 A, a maximum voltage of 4.2 V, and a charging time of 4 hours. Then, discharging was performed under the conditions of an environmental temperature of 23 ° C., a constant current of 0.3 A, and a final voltage of 2.75 V, and the capacity at this time was determined as an initial capacity. Next, constant-current constant-voltage charging is performed under the conditions of an environmental temperature of 23 ° C., a constant current of 2.0 A, a maximum voltage of 4.2 V, and a charging time of 2.5 hours. The discharge was performed under the condition of a final voltage of 2.75 V, which was defined as one cycle. The capacity when this charge and discharge was repeated 100 cycles was measured, and the ratio when the initial capacity was set to 100% was expressed as a capacity retention rate.
[0224]
The electrode strength ratio was measured as follows. The negative electrode was cut into 30 mm x 200 mm, and a tensile strength test was performed at a speed of 1 m / min using an adhesive tape, and the strength at this time was measured. The measured strength was represented by a ratio when the electrode strength of the sample 71 was set to 100%.
[0225]
Peak ratio (current collector side / second layer side) near 20.0 ° diffraction angle (2θ, θ: Bragg angle) by X-ray diffraction for Samples 71 to 76 above, fluorine density ratio, after 100 cycles Table 6 below shows the capacity retention ratio and the electrode strength ratio.
[0226]
[Table 6]
Figure 2004079370
[0227]
From Table 6 above, Samples 71 to 75 have a higher capacity retention ratio and a higher capacity retention ratio than Sample 76 having a peak ratio of 0.9 near the diffraction angle (2θ, θ: Bragg angle) of 20.0 ° by X-ray diffraction. It can be seen that the results were excellent in any of the electrode strength ratios.
[0228]
Therefore, from the results of Experiment 6, it is preferable that the peak ratio (current collector side / second layer side) near the diffraction angle (2θ, θ: Bragg angle) 20.0 ° by X-ray diffraction is 1 or more. There was found. Further, it has been found that the present invention is effective even when an alloy material is used as the negative electrode active material.
[0229]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, in the battery according to the present invention, the first layer having a strong binding force is interposed between the current collector and the second layer containing the active material in at least one electrode. Therefore, the second layer can obtain a strong binding force even if the binder content is small. And since the binder content of the second layer is small, the capacity can be increased. Further, even when the thickness of the electrode is increased for the purpose of further increasing the capacity, the load characteristics do not deteriorate. Therefore, according to the present invention, it is possible to improve the peel strength of the electrode even with a small amount of the binder, and to provide a battery having high capacity and excellent load characteristics.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of a nonaqueous electrolyte secondary battery to which the present invention is applied.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a main part of an electrode including a first layer and a second layer on a current collector.
[Explanation of symbols]
1. Non-aqueous electrolyte secondary battery
2 positive electrode
3 negative electrode
4 separator
5 battery can
6 insulation board
7 insulation board
8mm negative electrode lead
9mm positive electrode lead
10 Battery cover
11 Insulation sealing gasket
12 Safety valve device
13 PTC element
20cm current collector
21 First layer
22 Second layer

Claims (24)

一対の電極と電解質とを備え、
上記一対の電極のうち少なくとも一方は、集電体上に結着剤を含有する第1の層と、活物質を含有する第2の層とをこの順に備え、
上記第1の層は、上記第2の層に比べて強い結着力を示すことを特徴とする電池。
Comprising a pair of electrodes and an electrolyte,
At least one of the pair of electrodes includes, in this order, a first layer containing a binder on a current collector, and a second layer containing an active material.
The battery according to claim 1, wherein the first layer has a stronger binding force than the second layer.
上記第1の層は、上記活物質を含有するとともに、上記結着剤としてポリフッ化ビニリデンを含有することを特徴とする請求項1記載の電池。The battery according to claim 1, wherein the first layer contains the active material and contains polyvinylidene fluoride as the binder. 上記第1の層は、上記ポリフッ化ビニリデンを2重量%以上含有することを特徴とする請求項2記載の電池。The battery according to claim 2, wherein the first layer contains the polyvinylidene fluoride in an amount of 2% by weight or more. 上記第2の層は、軟質性結着剤を含有することを特徴とする請求項2記載の電池。3. The battery according to claim 2, wherein the second layer contains a soft binder. 上記軟質性結着剤は、ゴム系結着剤とポリフッ化ビニリデンとの重合物若しくは混合物又はゴム系結着剤であることを特徴とする請求項4記載の電池。5. The battery according to claim 4, wherein the soft binder is a polymer or a mixture of a rubber binder and polyvinylidene fluoride or a rubber binder. 上記ゴム系結着剤は、ジエン構造を有するゴム系化合物、アクリルゴム又はフッ素ゴムであることを特徴とする請求項5記載の電池。The battery according to claim 5, wherein the rubber-based binder is a rubber-based compound having a diene structure, acrylic rubber, or fluororubber. 上記ジエン構造を有するゴム系化合物はスチレンブタジエン系ラテックスであることを特徴とする請求項6記載の電池。7. The battery according to claim 6, wherein the rubber compound having a diene structure is a styrene butadiene latex. 上記フッ素ゴムはヘキサフルオロプロピレンであることを特徴とする請求項6記載の電池。7. The battery according to claim 6, wherein the fluoro rubber is hexafluoropropylene. 上記第2の層は上記軟質性結着剤を1重量%以上含有することを特徴とする請求項4記載の電池。The battery according to claim 4, wherein the second layer contains the soft binder in an amount of 1% by weight or more. 上記第1の層と上記第2の層との膜厚比が、5:95〜80:20の範囲内であることを特徴とする請求項2記載の電池。The battery according to claim 2, wherein a thickness ratio of the first layer to the second layer is in a range of 5:95 to 80:20. 上記一対の電極がセパレータを介して密着状態で積層されるとともに巻回された巻回体が電池缶内に収容されてなることを特徴とする請求項2記載の電池。3. The battery according to claim 2, wherein the pair of electrodes are stacked in close contact with a separator interposed therebetween, and the wound body is housed in a battery can. 上記第1の層は上記結着剤としてフッ素系樹脂と、炭素粉末とを含有し、上記活物質を含有しないことを特徴とする請求項1記載の電池。The battery according to claim 1, wherein the first layer contains a fluorine-based resin and carbon powder as the binder, and does not contain the active material. 上記フッ素系樹脂は、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレンのうち少なくとも1種であることを特徴とする請求項12記載の電池。13. The battery according to claim 12, wherein the fluororesin is at least one of polyvinyl fluoride, polyvinylidene fluoride, and polytetrafluoroethylene. 上記第1の層は、上記炭素粉末を10重量%〜75重量%含有することを特徴とする請求項12記載の電池。13. The battery according to claim 12, wherein the first layer contains the carbon powder in an amount of 10% by weight to 75% by weight. 上記炭素粉末は、グラファイト及び/又はカーボンブラックであることを特徴とする請求項12記載の電池。13. The battery according to claim 12, wherein the carbon powder is graphite and / or carbon black. 上記第1の層の膜厚は、0.5μm〜5μmであることを特徴とする請求項12記載の電池。The battery according to claim 12, wherein the first layer has a thickness of 0.5 m to 5 m. 上記第2の層は、結着剤を1重量%〜5重量%含有することを特徴とする請求項12記載の電池。The battery according to claim 12, wherein the second layer contains 1 to 5% by weight of a binder. 上記第2の層の膜厚は、160μm〜300μmであることを特徴とする請求項12記載の電池。The battery according to claim 12, wherein the second layer has a thickness of 160 m to 300 m. 上記第1の層が含有する結着剤と上記第2の層が含有する結着剤とは同種であることを特徴とする請求項17記載の電池。18. The battery according to claim 17, wherein the binder contained in the first layer is the same as the binder contained in the second layer. 上記少なくとも一方の電極について、CuKα線によるX線回折測定を行ったときの、X線回折パターンにおける回折角(2θ、θ:ブラッグ角)20.0°付近のピーク比(集電体側/第2の層側)が1以上であることを特徴とする請求項1記載の電池。When an X-ray diffraction measurement using CuKα ray is performed on at least one of the electrodes, a peak ratio (current collector side / second side) around 20.0 ° in the X-ray diffraction pattern (2θ, θ: Bragg angle) The battery according to claim 1, wherein the number of layers is 1 or more. 上記活物質はリチウム遷移金属複合酸化物であることを特徴とする請求項1記載の電池。The battery according to claim 1, wherein the active material is a lithium transition metal composite oxide. 上記活物質は、リチウムをドープ・脱ドープ可能な材料、リチウムと合金を形成可能な金属、リチウムと合金を形成可能な金属の合金化合物のうち少なくとも1種であることを特徴とする請求項1記載の電池。2. The active material according to claim 1, wherein the active material is at least one of a material capable of doping and undoping lithium, a metal capable of forming an alloy with lithium, and an alloy compound of a metal capable of forming an alloy with lithium. The battery as described. 上記電解質は非水電解質であることを特徴とする請求項1記載の電池。The battery according to claim 1, wherein the electrolyte is a non-aqueous electrolyte. 二次電池であることを特徴とする請求項1記載の電池。The battery according to claim 1, wherein the battery is a secondary battery.
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