JP2005056743A - 非水電解質二次電池用正極板 - Google Patents

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Abstract

【課題】 屈曲性に極めて優れた正極板を提供することにより、極板群や非水電解質二次電池の品質およびその生産性を向上させる。
【解決手段】 (a)正極活物質、導電性材料および結着材からなる合剤層ならびに(b)前記合剤層を担持する集電体箔からなり、前記合剤層の弾性係数が、108N/mm2以上5×109N/mm2以下であり、前記集電体箔の引張強度が、170N/mm2以上250N/mm2以下である非水電解質二次電池用正極板。
【選択図】なし

Description

本発明は、非水電解質二次電池用正極板に関する。本発明は、特に、リチウムイオン二次電池用正極板の正極活物質、導電性材料および結着材からなる合剤層ならびに前記合剤層を担持する集電体箔の最適化に関し、より詳しくは、主に角型電池用途で重要となる屈曲性の改良手段に関する。
充放電により、リチウムイオンのインターカレーションおよびデインターカレーションを可逆的に繰り返すことが可能な正極活物質を用いた非水電解質二次電池が提案され、既に実用化されている。正極板は、一般的に正極活物質と、導電性材料と、結着材とを、溶媒中で混合、攪拌して、正極合剤ペーストを得る練合工程、正極合剤ペーストを正極集電体箔に塗工し、乾燥させて、正極合剤を集電体箔に担持させる工程、集電体箔に担持された正極合剤からなる合剤層を所定の厚みに調整する圧延工程、得られた極板を所定の寸法に裁断するスリット工程からなる。こうして得られた正極板の品質評価の重要な指標として、正極板の屈曲性が挙げられる。
特に角型電池の製造工程においては、正極板と負極板とを、セパレータを介して、捲回して、略楕円形の断面を有する薄型の極板群が構成される。長径/短径比の大きな略楕円形の断面を有する極板群を作製する場合、捲回工程の始めにおいては、屈曲部の曲率半径が非常に小さくなる。そのため、正極板がダメージを受けやすく、特に屈曲部においては、集電体箔にピンホールが形成されたり、場合によっては亀裂が生じたりすることがある。
このような捲回時における正極板へのダメージを緩和するために、正極板の折り目に沿って、正極合剤層の表面に所定幅の凹部を予め形成することが提案されている(特許文献1参照)。一方、極板へのダメージを緩和する目的ではないが、捲回工程においてセパレータにずれや段差が生じるのを防止するために、極板間に介在させるセパレータの折り目にそってセパレータの表面に溝を設けることが提案されている(特許文献2参照)。
特開2000−100467号公報 特開2001−210355号公報
しかしながら、特許文献1が提案するように、屈曲性を向上させるために、正極合剤層に形状的な処理を施す場合、それだけの手間を要することから、生産効率が低下してしまう。また、たとえ正極合剤層に形状的な処理を施したとしても、長径/短径比の大きな略楕円形の断面を有する極板群を作製する場合には、集電体箔におけるピンホールや亀裂の発生を十分に防止することは困難である。
本発明は、正極板の合剤層の弾性係数と集電体箔の引張強度を所定値に制御することが、正極板の屈曲性を向上させる上で極めて効果的であるという知見に基づくものである。
すなわち、本発明は、(a)正極活物質、導電性材料および結着材からなる合剤層ならびに(b)前記合剤層を担持する集電体箔からなり、前記合剤層の弾性係数が、108N/mm2以上5×109N/mm2以下であり、前記集電体箔の引張強度が、170N/mm2以上250N/mm2以下である非水電解質二次電池用正極板に関する。
ここで、前記結着材は、フッ素原子含有高分子材料からなることが好ましい。また、前記フッ素原子含有高分子材料は、フッ化ビニリデン、ヘキサフルオロプロピレン、クロロトリフルオロエチレンおよびテトラフルオロエチレンよりなる群から選ばれる少なくとも1種のモノマーの単位を含むことが好ましい。さらに、前記フッ素原子含有高分子材料の重量平均分子量は、50万〜110万であることが好ましい。
本発明によれば、正極合剤層に形状的な処理を施す場合のように手間をかけずに、合剤層の弾性係数と集電体箔の引張強度を制御するだけで、屈曲性に極めて優れた正極板を得ることができる。従って、本発明によれば、正極集電体箔におけるピンホールや亀裂の発生を抑制することができ、その結果、極板群や非水電解質二次電池の品質およびその生産性が向上する。
正極板と負極板とをセパレータを介して捲回し、長径/短径比の大きな略楕円形の断面を有する極板群を作製する場合、巻き始め部では、極板の曲率半径が極めて小さくなる。正極板は、負極板よりも柔軟性に劣ることから、その屈曲部がダメージを受けやすい。特に、巻き始め部に一番目および二番目に近く、曲率半径が最も小さくなる第一および第二折り目部においては、ピンホールや亀裂が発生する可能性が高い。ピンホールや亀裂は、正極合剤層が正極集電体箔を押し破ることにより発生すると考えられる。
正極合剤層が固くなるほど、屈曲部の内側の合剤層は、てこの原理により、集電体箔を外周方向に押し広げ、引き伸ばす作用を発現する。そのため集電体箔にピンホールや亀裂が発生する可能性が高くなる。一方、集電体箔の引張強度を高くしすぎると、柔軟性が不足して、却って集電体箔の受けるダメージが大きくなる可能性がある。従って、集電体箔のピンホールや亀裂を回避するためには、合剤層の弾性係数を低めに設定するとともに、集電体箔の引張強度を合剤層の弾性係数に適合させることが極めて有効となる。
具体的には、正極合剤層の弾性係数は、108N/mm2以上5×109N/mm2以下であることを要し、108N/mm2以上2×109N/mm2未満であることが好ましい。正極合剤層の弾性係数が108N/mm2未満では、正極板のハンドリング時のダメージに耐えられない場合があり、正極合剤層の弾性係数が5×109N/mm2をこえると、集電体箔が受けるダメージを十分に抑制することができず、ピンホールや亀裂が発生する可能性が高くなる。また、正極合剤層の厚さは、集電体箔の片面あたり、40〜90μmであることが好ましい。
正極合剤層に含まれる導電性材料および結着材の量は、正極活物質の100重量部あたり、それぞれ0.5重量部以上4重量部以下および0.5重量部以上4重量部以下とすることが好ましい。なお、結着材は、一般に、結着材としての有効成分である樹脂成分を含む溶液もしくは分散液として入手できる。溶液もしくは分散液を用いる場合、結着材の量は、溶媒や分散媒を除去した乾燥状態の重量を意味する。
導電性材料の量が、正極活物質100重量部あたり、0.5重量部未満では、正極板の導電性が不十分となる傾向があり、4重量部をこえると、正極の容量が小さくなる傾向がある。また、結着材の量が、正極活物質100重量部あたり、0.5重量部未満では、合剤層の強度が不十分となる傾向があり、4重量部をこえると、正極の容量が小さくなる傾向がある。
正極活物質には、例えばリチウム含有複合酸化物を用いることができる。リチウム含有複合酸化物は、少なくともCo、Mg、Mn、NiおよびAlよりなる群から選ばれる少なくとも1種を含有することが好ましい。具体的には、Li−Co系複合酸化物、Li−Mg系複合酸化物、Li−Mn系複合酸化物、Li−Mn−Ni系複合酸化物、Li−Co−Al系複合酸化物などを用いることが好ましい。これらは単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
導電性材料には、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック類、炭素繊維、金属繊維などを用いることができる。これらは単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
結着材には、フッ素原子含有高分子材料を用いることが好ましい。また、フッ素原子含有高分子材料は、フッ化ビニリデン、ヘキサフルオロプロピレン、クロロトリフルオロエチレンおよびテトラフルオロエチレンよりなる群から選ばれる少なくとも1種のモノマーの単位を含むことが好ましい。
上記のような物性を有する正極合剤層を得るには、フッ素原子含有高分子材料として、重量平均分子量が50万〜110万のものを用いることが極めて有効である。重量平均分子量が50万未満の場合、少量の結着材の使用では、柔軟で集電体箔との密着性に優れた合剤層を得ることが困難になる傾向がある。一方、重量平均分子量が110万をこえると、合剤層に結着材を均一に分散させることが困難になり、やはり柔軟で集電体箔との密着性に優れた合剤層を得ることが困難になる傾向がある。
単位体積あたりの正極合剤層に含まれる正極活物質、導電材および結着材の合計重量より計算される正極合剤層の密度は、3.0〜3.8g/ccであることが好ましい。正極合剤層の密度が3.0g/cc未満では、所定の電池容量を得ることが困難である。また、正極合剤層の密度が3.8g/ccをこえると、電池の電気特性が低下する傾向がある。
単位体積あたりの正極合剤層に含まれる正極活物質の重量より計算される活物質密度は、2.9〜3.7g/ccであることが好ましい。活物質密度が2.9g/cc未満では、所定の電池容量を得ることが困難である。また、活物質密度が3.7g/ccをこえると、電池の電気特性が低下する傾向がある。
単位体積あたりの正極合剤層に含まれる正極活物質、導電材および結着材の各重量および各真比重より計算される正極合剤層の空隙率は、18〜26%であることが好ましい。空隙率が18%未満では、正極合剤層に十分量の電解液を保持することができず、電池の電気特性が低下する傾向がある。また、空隙率が26%をこえると、活物質粒子間距離が広すぎることから、正極板の電子伝導性が低下する傾向がある。
正極集電体箔の引張強度は、170N/mm2以上250N/mm2以下であることを要し、190N/mm2以上230N/mm2以下であることが好ましい。正極集電体箔の引張強度が170N/mm2未満では、合剤層の弾性係数を制御したとしても、ピンホールや亀裂の発生を防止することは困難である。また、正極集電体箔の引張強度が250N/mm2をこえると、柔軟性が不足して、却って集電体箔の受けるダメージが大きくなるため、やはりピンホールや亀裂の発生を防止することが困難である。なお、引張強度はJIS Z2241に準拠して求めることができる。
集電体箔の引張強度は、加工効果および異種元素添加効果により制御することができる。加工効果とは、集電体箔に圧延等の加工を施し、集電体箔の構成元素の格子間距離を制御することにより、格子エネルギーが高まることをいう。また、異種元素添加効果とは、例えばアルミニウム箔にMn、Mg、Cuなどの元素を添加することにより、アルミニウムの格子間隔が押し広げられて、格子エネルギーが高まることをいう。
正極集電体箔としては、アルミニウムまたはアルミニウム合金を用いることが好ましい。特にMn、MgおよびCuよりなる群から選ばれる少なくとも1種の添加元素をppmオーダーで含有するアルミニウム箔を用いることが好ましい。
正極集電体箔の厚さは、上記物性を有する限り、特に限定されないが、8〜25μmであることが好ましい。集電体箔が厚過ぎると、引張強度が250N/mm2をこえたり、正極板における活物質密度が低下して高容量電池が得られなくなったりする。一方、集電体箔が薄過ぎると、引張強度が170N/mm2以上のものを得ることが困難になる。なお、集電体箔は、穿孔その他の立体加工、エッチングその他の表面処理が施されていてもよい。
正極板が上記物性を満たせば、どのような材料の組み合わせや製造方法を用いても、本発明の効果を得ることはできるが、以下の実施例および比較例においては、現在実用化され、もしくは実用化に近い材料の組み合わせや製造方法を用いて本発明を説明する。
(イ)正極板の製造
正極活物質であるLiCoO2に、導電性材料としてアセチレンブラック(以下、ABという)、結着材として重量平均分子量が80万であるポリフッ化ビニリデン(以下、PVDFという)および分散媒としてN−メチル−2−ピロリドン(以下、NMPという)を混合し、攪拌して、正極合剤ペーストを調製した。ただし、PVDFは予めNMPに溶解してから用いた。
この時、正極活物質LiCoO2と、導電性材料ABと、結着材PVDFとの混合比は、重量比で、100:2:2とした。
次に、正極合剤ペーストを、正極集電体箔の両面に塗布し、乾燥後、集電体箔に担持された正極合剤をローラで圧延して正極合剤層(片面あたりの厚さ:80μm)を形成し、合剤層を担持した集電体箔を、所定寸法に裁断して、正極板とした。このようにして作製した正極板を、実施例1の正極板1とした。
正極集電体箔には、JIS Z2241に準拠して求めた引張強度が185N/mm2であり、厚さ15μmのアルミニウム箔を用いた。正極集電体箔に担持させた正極合剤層の弾性係数は1.5×109N/mm2とした。
(ロ)負極板の製造
平均粒径が約20μmになるように粉砕、分級した鱗片状黒鉛に、結着剤としてスチレン−ブタジエンゴム(以下、SBRという)、増粘剤もしくは分散媒としてカルボキシメチルセルロース(以下、CMCという)の1重量%水溶液を混合し、攪拌して、負極合剤ペーストを調製した。
この時、鱗片状黒鉛と、結着剤SBRと、CMC水溶液との混合比は、重量比で、100:3:100とした。
次に、負極合剤ペーストを、負極集電体箔である厚さ15μmの銅箔の両面に塗布し、乾燥後、集電体箔に担持された負極合剤をローラで圧延して負極合剤層を形成し、合剤層を担持した集電体箔を、所定寸法に裁断して、負極板とした。
(ハ)非水電解質二次電池の製造
角型電池用の極板群構成機を用いて、正極板と負極板とを、セパレータを介して、捲回し、断面の長径/短径比が63/5の薄型の極板群を作製した。ここで、セパレータには、厚さ25μmのポリエチレン樹脂製微多孔膜を用いた。
この極板群を、アルミニウムを主要構成材料とする電池ケースに挿入し、非水電解液を電池ケースに注液した後、ケースを密封した。ここで、非水電解液には、エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)とを重量比1:3で混合した溶媒に、濃度1.0mol/LでLiPF6を溶解したものを用いた。このようにして作製した電池を、実施例1の電池1とした。
正極合剤層の弾性係数を、正極集電体箔に担持された正極合剤をローラで圧延する際に、1×108N/mm2に調節したこと以外、実施例1と同様の条件で、正極板2を作製した。また、正極板2を用いたこと以外、実施例1と同じ条件で、電池2を作製した。
正極合剤層の弾性係数を、正極集電体箔に担持された正極合剤をローラで圧延する際に、5×109N/mm2に調節したこと以外、実施例1と同様の条件で、正極板3を作製した。また、正極板3を用いたこと以外、実施例1と同じ条件で、電池3を作製した。
正極集電体箔として、JIS Z2241に準拠して求めた引張強度が170N/mm2で、厚さ15μmのアルミニウム箔を用い、正極合剤層の弾性係数を、正極集電体箔に担持された正極合剤をローラで圧延する際に、1×108N/mm2に調節したこと以外、実施例1と同様の条件で、正極板4を作製した。また、正極板4を用いたこと以外、実施例1と同じ条件で、電池4を作製した。
正極集電体箔として、JIS Z2241に準拠して求めた引張強度が170N/mm2で、厚さ15μmのアルミニウム箔を用い、正極合剤層の弾性係数を、正極集電体箔に担持された正極合剤をローラで圧延する際に、5×109N/mm2に調節したこと以外、実施例1と同様の条件で、正極板5を作製した。また、正極板5を用いたこと以外、実施例1と同じ条件で、電池5を作製した。
正極集電体箔として、JIS Z2241に準拠して求めた引張強度が250N/mm2で、厚さ15μmのアルミニウム箔を用い、正極合剤層の弾性係数を、正極集電体箔に担持された正極合剤をローラで圧延する際に、1×108N/mm2に調節したこと以外、実施例1と同様の条件で、正極板6を作製した。また、正極板6を用いたこと以外、実施例1と同じ条件で、電池6を作製した。
正極集電体箔として、JIS Z2241に準拠して求めた引張強度が250N/mm2で、厚さ15μmのアルミニウム箔を用い、正極合剤層の弾性係数を、正極集電体箔に担持された正極合剤をローラで圧延する際に、5×109N/mm2に調節したこと以外、実施例1と同様の条件で、正極板7を作製した。また、正極板7を用いたこと以外、実施例1と同じ条件で、電池7を作製した。
比較例1
正極集電体箔として、JIS Z2241に準拠して求めた引張強度が170N/mm2で、厚さ15μmのアルミニウム箔を用い、正極合剤層の弾性係数を、正極集電体箔に担持された正極合剤をローラで圧延する際に、5×107N/mm2に調節したこと以外、実施例1と同様の条件で、正極板Aを作製した。また、正極板Aを用いたこと以外、実施例1と同じ条件で、電池Aを作製した。
比較例2
正極集電体箔として、JIS Z2241に準拠して求めた引張強度が170N/mm2で、厚さ15μmのアルミニウム箔を用い、正極合剤層の弾性係数を、正極集電体箔に担持された正極合剤をローラで圧延する際に、5×1010N/mm2に調節したこと以外、実施例1と同様の条件で、正極板Bを作製した。また、正極板Bを用いたこと以外、実施例1と同じ条件で、電池Bを作製した。
比較例3
正極集電体箔として、JIS Z2241に準拠して求めた引張強度が250N/mm2で、厚さ15μmのアルミニウム箔を用い、正極合剤層の弾性係数を、正極集電体箔に担持された正極合剤をローラで圧延する際に、5×107N/mm2に調節したこと以外、実施例1と同様の条件で、正極板Cを作製した。また、正極板Cを用いたこと以外、実施例1と同じ条件で、電池Cを作製した。
比較例4
正極集電体箔として、JIS Z2241に準拠して求めた引張強度が250N/mm2で、厚さ15μmのアルミニウム箔を用い、正極合剤層の弾性係数を、正極集電体箔に担持された正極合剤をローラで圧延する際に、5×1010N/mm2に調節したこと以外、実施例1と同様の条件で、正極板Dを作製した。また、正極板Dを用いたこと以外、実施例1と同じ条件で、電池Dを作製した。
比較例5
正極集電体箔として、JIS Z2241に準拠して求めた引張強度が160N/mm2で、厚さ15μmのアルミニウム箔を用い、正極合剤層の弾性係数を、正極集電体箔に担持された正極合剤をローラで圧延する際に、1×108N/mm2に調節したこと以外、実施例1と同様の条件で、正極板Eを作製した。また、正極板Eを用いたこと以外、実施例1と同じ条件で、電池Eを作製した。
比較例6
正極集電体箔として、JIS Z2241に準拠して求めた引張強度が160N/mm2で、厚さ15μmのアルミニウム箔を用い、正極合剤層の弾性係数を、正極集電体箔に担持された正極合剤をローラで圧延する際に、1×1010N/mm2に調節したこと以外、実施例1と同様の条件で、正極板Fを作製した。また、正極板Fを用いたこと以外、実施例1と同じ条件で、電池Fを作製した。
比較例7
正極集電体箔として、JIS Z2241に準拠して求めた引張強度が260N/mm2で、厚さ15μmのアルミニウム箔を用い、正極合剤層の弾性係数を、正極集電体箔に担持された正極合剤をローラで圧延する際に、1×108N/mm2に調節したこと以外、実施例1と同様の条件で、正極板Gを作製した。また、正極板Gを用いたこと以外、実施例1と同じ条件で、電池Gを作製した。
比較例8
正極集電体箔として、JIS Z2241に準拠して求めた引張強度が260N/mm2で、厚さ15μmのアルミニウム箔を用い、正極合剤層の弾性係数を、正極集電体箔に担持された正極合剤をローラで圧延する際に、1×1010N/mm2に調節したこと以外、実施例1と同様の条件で、正極板Hを作製した。また、正極板Hを用いたこと以外、実施例1と同じ条件で、電池Hを作製した。
正極板1〜7およびA〜Hと、電池1〜7およびA〜Hは、以下の要領で評価した。
〈正極板の屈曲性〉
所定の正極板から、10mm×100mmの長方形の極板試料を、治具を用いて打ち抜いた。得られた極板試料を輪状にして、対峙させた長手方向における両端を治具で挟んで保持した。輪状に保持された状態の極板試料に、輪の短径が8mmφになるまで、中心方向への荷重を一定速度で印加した。荷重を印加する治具を過重測定機に当接して、輪の短径が8mmφになった時点の過重値を測定した。正極板の屈曲性は、この過重値で評価した。同様の操作を、各正極板について5個の正極板を用いて行い、平均値を求めた。
〈正極板におけるピンホール・亀裂の有無〉
所定の極板群を作製した後、極板に余計なダメージを与えない様に注意しながら、巻き終わり部から巻き初め部に向けて極板群を分解した。分解後に得られた正極板のうち、巻き始め部に一番目および二番目に近く、屈曲性(加重値)が最も大きい第一および第二折り目部を、拡大鏡などを用いて観察し、直径1mm以上2mm未満のピンホールおよび2mm以上の亀裂の発生数を評価した。同様の操作を、各電池について100個の極板群を用いて行い、ピンホール発生率と亀裂発生率を求めた。
〈弾性係数〉
約25mm角に切りだした試料極板の合剤層に対し、島津製作所(株)製のダイナミック微小硬度計DUH−W201Sを用いて、精密圧子により負荷を精密に与え、合剤層のみの弾性係数を求めた。同様の操作を、各正極板について5個の正極板を用いて行い、平均値を求めた。
ピンホール発生率(%)、亀裂発生率(%)および屈曲性(加重値)(mN)の結果を以下の表1、2に示す。
[表1]
ピンホール発生率(%) 亀裂発生率(%) 屈曲性(mN)
実施例1 0 0 26.7
実施例2 0 0 22.1
実施例3 0 0 32.6
実施例4 0 0 23.1
実施例5 0 0 33.3
実施例6 0 0 23.3
実施例7 0 0 22.8
[表2]
ピンホール発生率(%) 切れ発生率(%) 屈曲性(mN)
比較例1 0 0 15.9
比較例2 15 2 38.9
比較例3 5 0 16.3
比較例4 7 1 41.0
比較例5 6 0 14.8
比較例6 36 6 39.8
比較例7 8 2 29.3
比較例8 3 1 45.8
優れた特性が期待できる正極板のピンホール発生率は1%以下であり、亀裂発生率は0%であると考えられる。この尺度に照らせば、実施例1〜7の正極板は、いずれも優れた特性が期待できる。
また、優れた特性が期待できる正極板の屈曲性は、20mN〜40mNと考えられる。正極板に過度の硬さや柔軟性があっては、極板もしくは極板群の製造装置上での取扱などが困難となる。この尺度に照らせば、実施例1〜7の正極板は、いずれも優れた特性が期待できる。
一方、比較例1〜8の正極板では、ピンホール発生率、亀裂発生率および屈曲性の少なくとも1つが上記尺度を超えており、優れた特性が期待できない。
本発明の正極板は、非水電解質二次電池、特にリチウムイオン二次電池の正極として用いることができる。

Claims (5)

  1. (a)正極活物質、導電性材料および結着材からなる合剤層ならびに(b)前記合剤層を担持する集電体箔からなり、
    前記合剤層の弾性係数が、108N/mm2以上5×109N/mm2以下であり、
    前記集電体箔の引張強度が、170N/mm2以上250N/mm2以下である非水電解質二次電池用正極板。
  2. 前記結着材が、フッ素原子含有高分子材料からなり、前記フッ素原子含有高分子材料が、フッ化ビニリデン、ヘキサフルオロプロピレン、クロロトリフルオロエチレンおよびテトラフルオロエチレンよりなる群から選ばれる少なくとも1種のモノマーの単位を含む請求項1記載の非水電解質二次電池用正極板。
  3. 前記フッ素原子含有高分子材料の重量平均分子量が、50万〜110万である請求項1記載の非水電解質二次電池用正極板。
  4. 前記集電体箔が、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる請求項1記載の非水電解質二次電池用正極板。
  5. 前記合剤層の弾性係数が、108N/mm2以上2×109N/mm2未満である請求項1記載の非水電解質二次電池用正極板。
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