JP2005135599A - Ultra-thin film electrode for high-output battery, and the high-output battery using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、小型(超薄膜)高出力電池用電極に係り、特に複数の高出力電池を組み合わせて電気自動車等のモータ駆動用電池として好適な小型(超薄膜)高出力電池用電極およびこれを用いた高出力電池に関するものである。 The present invention relates to a small (ultra-thin film) high-power battery electrode, and particularly a small (ultra-thin film) high-power battery electrode suitable as a motor driving battery for an electric vehicle or the like by combining a plurality of high-power batteries. The present invention relates to the high power battery used.
近年、環境保護運動の高まりを背景として電気自動車(EV)、ハイブリット自動車(HEV)、燃料電池車(FCV)の導入を促進すべく、これらのモータ駆動用電池の開発が行われている。この用途には、繰り返し充電可能な二次電池が使用される。EV、HEV、FCVのモータ駆動のような高出力及び高エネルギー密度が要求される用途では、単一の大型電池は事実上作れず、複数個の電池を直列に接続して構成した組電池を使用することが一般的であった。また、このような組電池を構成する一個の電池として、薄型ラミネート電池を用いることが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。 In recent years, in order to promote the introduction of electric vehicles (EV), hybrid vehicles (HEV), and fuel cell vehicles (FCV) against the backdrop of an increase in environmental protection movement, these motor drive batteries have been developed. For this purpose, a rechargeable secondary battery is used. In applications that require high output and high energy density, such as EV, HEV, and FCV motor drives, a single large battery cannot be made in practice, and an assembled battery composed of a plurality of batteries connected in series. It was common to use. In addition, it has been proposed to use a thin laminated battery as one battery constituting such an assembled battery (see, for example, Patent Document 1).
この薄型ラミネート電池は、リチウムイオン電池の外装容器を金属製シート材料に変えた電池となっている。具体的には、容器内外で水蒸気および酸素などの気体の交換が行われないようアルミニウム箔などの金属薄膜と、ポリエチレンテレフタレートなどの金属薄膜を物理的に保護する樹脂フィルムおよび、アイオノマーなどの熱融着性樹脂フィルムを重ね合わせて多層化したラミネートシートが用いられている。 This thin laminated battery is a battery in which an outer container of a lithium ion battery is replaced with a metal sheet material. Specifically, a metal thin film such as aluminum foil and a resin film that physically protects a metal thin film such as polyethylene terephthalate and heat fusion such as an ionomer so that gas such as water vapor and oxygen is not exchanged inside and outside the container. A laminate sheet in which adhesive resin films are stacked to form a multilayer is used.
外装容器は平面視で矩形状をなし、所定の薄型をなしている。外装容器に板状の正極および負極を挿入し、液状の電解質を封入することで電池となしている。 The outer container has a rectangular shape in a plan view and has a predetermined thin shape. A plate-like positive electrode and negative electrode are inserted into an outer container, and a liquid electrolyte is sealed to form a battery.
このような薄型ラミネート型電池は、個々に金属製の外装容器を持たないため軽量であり、過充電等に容器内の圧力が高圧となり破裂に至った場合でも、金属容器に比べて衝撃が少ないので、モータ駆動用電池として好適である。
しかしながら、このような薄型ラミネート電池においては、正極や負極を製造する際、集電箔に正極材料、負極材料をコーターにより塗布するので次のような問題が発生している。 However, in such a thin laminated battery, when manufacturing a positive electrode or a negative electrode, the following problems occur because the positive electrode material and the negative electrode material are applied to the current collector foil by a coater.
すなわち、正極材料、負極材料をコーターにより塗布することで集電箔上に均一な厚さの正極層及び負極層を形成し得る点で優れている。更に1枚の集電箔上に形成される電極層の成分組成ないし構成は、局所的に偏ることなく全体に一様であり、極めて均質な電極が提供できる優れた電極塗布工法である。さらにコーター塗布に供される電極材料では、電子伝導性を確保するために電極活物質の粒子(現状の平均粒径は10μm前後)に導電材微粒子(現状の2次粒子平均粒径は0.1μm前後)を密着させている。その結果、電極活物質粒子の表面全体に導電材微粒子の層が20層くらい被覆された状態になっている。一方、車両の駆動用電源などに利用可能な高出力の電池にするには、1個の電池内に電極を数十層〜百数十層積層する必要があり、電極のより一層の薄膜化が強く求められている。そして電極のより一層の薄膜化を達成するには、なによりも電極活物質の微粒子化(平均粒径1μm以下)が必要不可欠である。しかしながら、電極活物質の微粒子化を進めることで、導電材微粒子と略同程度の粒径(具体的には、平均粒径1μm以下)になる。そうすると、電極活物質と導電材との接触が困難となり電極層の内部抵抗が大きくなり、
導電性、利用率の低下を招くという新たな技術課題が発生するという問題があった。そのため、電子伝導性を確保する上で電極活物質微粒子表面全体に同じ大きさの導電材微粒子を密着させるには、相対的に導電材微粒子の割合を増やす必要がある。しかしながら、導電材微粒子の割合を増やすことで、リチウムイオン(以下、Liイオンとも記す。)が電極活物質表面に到達しにくくなる。その結果、大電流での充放電を行う場合には、反応物質であるリチウムイオンが枯渇することにより、必要なエネルギーがとり出せなくなるという新たな技術課題が発生することがわかった。そのため、電極薄膜化の重要な要素技術の1つである電極活物質の微粒子化(平均粒径1μm以下の電極活物質微粒子の利用)は、達成できていないのが現状である。
That is, it is excellent in that a positive electrode layer and a negative electrode layer having a uniform thickness can be formed on the current collector foil by applying a positive electrode material and a negative electrode material with a coater. Furthermore, the component composition or configuration of the electrode layer formed on one current collector foil is an excellent electrode coating method that can provide an extremely uniform electrode that is uniform throughout without any local bias. Furthermore, in the electrode material used for coater coating, in order to ensure electron conductivity, particles of the electrode active material (current average particle size is about 10 μm) and conductive material fine particles (current secondary particle average particle size is about 0.1 μm). Around 1 μm). As a result, about 20 layers of conductive material fine particles are coated on the entire surface of the electrode active material particles. On the other hand, in order to obtain a high-power battery that can be used as a power source for driving a vehicle, it is necessary to stack several tens to hundreds of electrodes in one battery. Is strongly demanded. In order to achieve further reduction in the thickness of the electrode, it is indispensable to make the electrode active material fine particles (average particle size of 1 μm or less). However, by making the electrode active material finer, the particle size becomes substantially the same as the conductive material fine particles (specifically, the average particle size is 1 μm or less). Then, the contact between the electrode active material and the conductive material becomes difficult and the internal resistance of the electrode layer increases,
There has been a problem that a new technical problem of reducing conductivity and utilization rate occurs. Therefore, in order to ensure the electron conductivity, in order for the conductive material fine particles having the same size to adhere to the entire surface of the electrode active material fine particles, it is necessary to relatively increase the proportion of the conductive material fine particles. However, increasing the proportion of the conductive material fine particles makes it difficult for lithium ions (hereinafter also referred to as Li ions) to reach the surface of the electrode active material. As a result, it was found that, when charging / discharging with a large current, a new technical problem arises that the necessary energy cannot be taken out due to the depletion of lithium ions as a reactant. For this reason, it is the present situation that electrode active material micronization (use of electrode active material microparticles having an average particle size of 1 μm or less), which is one of the important elemental technologies for electrode thinning, has not been achieved.
そこで、本発明が目的とするところは、電極活物質を微粒子化し、かつ大電流での充放電を行う場合にも必要なエネルギーをとり出すことのできる、超薄膜の高出力電池用電極を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an electrode for an ultra-thin high-power battery capable of taking out necessary energy even when electrode active material is made into fine particles and charging / discharging with a large current is performed. It is to be.
本発明は、集電体と、該集電体上に形成されてなる電極層とからなる電池用電極において、該電極層内の導電材微粒子同士の間が、電極層厚さ方向に集電体表面から接した状態で繋がっており、該電極層内の電極活物質微粒子の表面の一部が、該導電材微粒子に接した状態であることを特徴とする高出力電池用電極により達成できる。 The present invention relates to a battery electrode comprising a current collector and an electrode layer formed on the current collector, and the current is collected in the electrode layer thickness direction between the conductive material fine particles in the electrode layer. It can be achieved by an electrode for a high-power battery that is connected in contact with the body surface, and a part of the surface of the electrode active material fine particles in the electrode layer is in contact with the conductive material fine particles .
本発明によれば、微粒子化された電極活物質の表面全体に導電材微粒子を被覆させることなく、その一部を集電体に電気的に接続されている導電材微粒子に接した状態とすることで良好な電子伝導性を確保することができる。言い換えれば、電極活物質と導電材が密着するように微粒子を配列し、かつ電極層の厚さ方向に上から下まで導電材の導電パスを形成した電極では、導電性、利用率の低下を引き起こすことのない超薄膜の高出力電池用電極を提供することができる。そのため電極活物質の微粒子化に伴い導電材の割合を高めなくとも、導電材を任意の位置に配置して導電パスを形成することで、内部抵抗を下げることができる。また、大電流での充放電を行う場合にも必要なエネルギーをとり出すことができ(高出力化でき)、電極の薄膜化も達成することができる(図10参照のこと)。よって、この超薄膜の電極を用いて数十層〜数百層もの電極を積層した薄型軽量の小型高出力で高電圧・大電流で充放電可能な高出力電池電極およびこれを用いた高出力電池を提供できる。特に電極多層化の実現により、EV、HEV、FCVのモータ駆動用電源のような高出力及び高エネルギー密度が要求される用途に好適に利用し得る高出力電池用電極およびこれを用いた高出力電池を提供できる。 According to the present invention, the entire surface of the finely divided electrode active material is not covered with the conductive material fine particles, and a part thereof is in contact with the conductive material fine particles electrically connected to the current collector. Therefore, good electron conductivity can be ensured. In other words, in an electrode in which fine particles are arranged so that the electrode active material and the conductive material are in close contact, and a conductive path of the conductive material is formed from the top to the bottom in the thickness direction of the electrode layer, the conductivity and the utilization factor are reduced. It is possible to provide an electrode for an ultra-thin high-power battery that does not cause this. Therefore, even if the proportion of the conductive material is not increased as the electrode active material becomes finer, the internal resistance can be lowered by forming the conductive path by arranging the conductive material at an arbitrary position. In addition, when charging / discharging with a large current, necessary energy can be taken out (high output can be achieved), and thinning of the electrode can also be achieved (see FIG. 10). Therefore, high-power battery electrodes that can be charged / discharged with high voltage and large current with thin, lightweight, compact, high output, and high output using this ultra-thin electrode layered with tens to hundreds of electrodes. Battery can be provided. High-power battery electrodes that can be suitably used for applications that require high output and high energy density, such as EV, HEV, and FCV motor drive power supplies, and high output using this Battery can be provided.
本発明の高出力電池用電極は、集電体と、該集電体上に形成されてなる電極層とを有する電池用電極において、該電極層内の導電材微粒子同士の間が、電極層厚さ方向に集電体表面から接した状態で繋がっており、該電極層内の電極活物質微粒子の表面の一部が、該導電材微粒子に接した状態であることを特徴とするものである。また、本発明の高出力電池用電極では、主に前記導電材微粒子で構成される導電材部と、主に前記電極活物質微粒子で構成される電極活物質部とが、電極層内に分散して配置されており、前記導電材部内の導電材微粒子同士の間が、電極層厚さ方向に該電極層表面から集電体表面に至るまで接した状態で繋がっており、前記電極活物質部内の電極活物質微粒子の表面の一部が、隣接する導電材部内の導電材微粒子に接した状態となるように、それぞれが配置されていることが望ましい。さらに、電極層を構成する前記導電材部と前記電極活物質部とが、前記電極層厚さ方向に対して垂直な面方向に、いわば二次元的に分散して、好ましくは略均等に分散して配置(配列)されていることがより望ましい。そして、これらの電極層の配置(配列)は、例えば、インクジェット方式で印刷する塗布方法を用いて形成されていること
が特に望ましいといえる。すなわち、導電材と活物質を別々の工程で塗り分けることのできる方法を用いて形成されていることが特に望ましいといえる。
The electrode for a high-power battery of the present invention is a battery electrode having a current collector and an electrode layer formed on the current collector, and the electrode layer is formed between the conductive material fine particles in the electrode layer. It is connected in a state of being in contact with the current collector surface in the thickness direction, and a part of the surface of the electrode active material fine particles in the electrode layer is in a state of being in contact with the conductive material fine particles. is there. In the high power battery electrode of the present invention, the conductive material portion mainly composed of the conductive material fine particles and the electrode active material portion mainly composed of the electrode active material fine particles are dispersed in the electrode layer. The conductive material fine particles in the conductive material portion are connected in a state in which they are in contact with each other from the surface of the electrode layer to the surface of the current collector in the thickness direction of the electrode layer. It is desirable that each of the electrode active material fine particles in the part is arranged so that a part of the surface is in contact with the conductive material fine particles in the adjacent conductive material part. Further, the conductive material portion and the electrode active material portion constituting the electrode layer are two-dimensionally dispersed in a plane direction perpendicular to the thickness direction of the electrode layer, that is, preferably substantially uniformly dispersed. It is more desirable that they are arranged (arranged). And it can be said that it is especially desirable that the arrangement (arrangement) of these electrode layers is formed using, for example, a coating method for printing by an inkjet method. That is, it can be said that it is particularly desirable that the conductive material and the active material are formed using a method that can be applied separately in separate steps.
なお、本願では導電材微粒子が電極層表面から集電体表面まで繋がったものを実施例として挙げているが、これに限るものではなく例えば工程を簡略化するために、少なくとも集電体表面から5μm程度まで本願構成を用い、その上から従来技術のように導電材と活物質を混合したものを塗布して集電体層となしても効果の一部を得られることは言うまでもない。よって、導電材微粒子の連結長さは、5μm以上であることが望ましいといえる。 In the present application, the conductive material fine particles are connected from the electrode layer surface to the current collector surface as an example. However, the present invention is not limited to this. For example, in order to simplify the process, at least from the current collector surface. It goes without saying that a part of the effect can be obtained even if the structure of the present application is used up to about 5 μm and a current collector layer is formed by applying a mixture of a conductive material and an active material as in the prior art. Therefore, it can be said that the connection length of the conductive material fine particles is desirably 5 μm or more.
以下、本発明に係る超薄膜の高出力電池用電極の実施の形態につき、図面を用いて説明する。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of ultrathin high-power battery electrodes according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1〜6は、本発明の超薄膜の高出力電池用電極の代表的な実施の形態を模式的に表わした概略図である。このうち、図1(a)は、集電体と、該集電体上に形成されてなる電極層とからなる高出力電池用電極において、電極層の導電材と電極活物質との1つの配置構成を模式的に表わした断面概略図であり、図1(b)は、図1(a)の平面概略図である。図2〜図6は、集電体と、該集電体上に形成されてなる電極層とからなる高出力電池用電極において、電極層の導電材と電極活物質とのそれぞれ異なる配置構成を模式的に表わした平面概略図である。図6は、集電体と、該集電体上に形成されてなる電極層とからなる高出力電池用電極において、電極層の導電材と電極活物質との更に異なる配置構成を模式的に表わした概略図である。 1 to 6 are schematic views schematically showing typical embodiments of the ultra-thin high-power battery electrode of the present invention. Among these, FIG. 1 (a) shows one of a conductive material and an electrode active material of an electrode layer in a high power battery electrode comprising a current collector and an electrode layer formed on the current collector. FIG. 1B is a schematic cross-sectional view schematically showing an arrangement configuration, and FIG. 1B is a schematic plan view of FIG. 2 to 6 show different arrangement configurations of the conductive material of the electrode layer and the electrode active material in the electrode for the high power battery comprising the current collector and the electrode layer formed on the current collector. It is the plane schematic diagram typically expressed. FIG. 6 schematically shows a further different arrangement configuration of the conductive material and the electrode active material of the electrode layer in the electrode for the high-power battery comprising the current collector and the electrode layer formed on the current collector. FIG.
図1に示す実施形態(実施例1の正極層に適用した)の電極層では、図1(a)に示すように、電極層厚さ方向に対して垂直な面方向(以下、単に面方向ともいう)は、4個の正極活物質微粒子13aにつき導電材微粒子を1つ配置したパターンを示す。また、厚さ方向は、図1(a)に示すように、図1(b)の面方向の配置(2次元の平面配置、以下、同様とする。)をそのまま厚さ方向に垂直に積層していき、導電材微粒子12aが厚さ方向に繋がって形成(積層)された導電材部(導電パス)12の周りに活物質微粒子13aが繋がって形成(積層)された活物質部13を配置したパターンを示す。
In the electrode layer of the embodiment shown in FIG. 1 (applied to the positive electrode layer of Example 1), as shown in FIG. 1A, the surface direction perpendicular to the electrode layer thickness direction (hereinafter simply referred to as the surface direction). Is also a pattern in which one conductive material fine particle is arranged per four positive electrode active material
図2に示す実施形態(実施例2の正極層に適用した)の電極層では、面方向は、1個の正極活物質粒子13aにつき導電材微粒子12aを2つ配置したパターンを示す。この例では、1個の正極活物質粒子13aを挟んで2つの導電材微粒子12aが対峙(対向)するように配置した。厚さ方向は、図1に示す実施形態と同様である。即ち、図2の面方向配置をそのまま厚さ方向に積層していき、導電材微粒子12aが厚さ方向に繋がって形成(積層)された導電材部12の周りに活物質微粒子13aが繋がって形成(積層)された活物質部13を配置したパターンを示す(以下の図3〜5の実施形態についても、厚さ方向は図1に示す実施形態と同様であるため、その説明は省略する)。
In the electrode layer of the embodiment shown in FIG. 2 (applied to the positive electrode layer of Example 2), the surface direction shows a pattern in which two conductive
図3に示す実施形態(実施例3の正極層に適用した)の電極層では、面方向は、1個の正極活物質粒子13aにつき導電材微粒子12aを2つ接触させて配置したパターンを示す。この例では、1個の正極活物質粒子13aを挟んで2つの導電材微粒子12aが対峙(対向)するように配置した。厚さ方向は、図1に示す実施形態と同様である。
In the electrode layer of the embodiment shown in FIG. 3 (applied to the positive electrode layer of Example 3), the surface direction indicates a pattern in which two conductive
図4に示す実施形態(実施例4の正極層に適用した)の電極層では、面方向は、1個の正極活物質粒子13aにつき導電材微粒子12aを3つ接触させて配置した別のパターンの例を示す。厚さ方向は、図1に示す実施形態と同様である。
In the electrode layer of the embodiment shown in FIG. 4 (applied to the positive electrode layer of Example 4), the surface direction is another pattern in which three conductive
図5に示す実施形態(実施例5の正極層に適用した)の電極層では、面方向は、1個の
正極活物質粒子13aにつき導電材微粒子12aを4つ接触させて配置したパターンを示す。厚さ方向は、図1に示す実施形態と同様である。
In the electrode layer of the embodiment shown in FIG. 5 (applied to the positive electrode layer of Example 5), the surface direction shows a pattern in which four conductive
上記図1〜図5の例では、後述する実施例1〜5に示すように、導電材と活物質との配列を変える事で電極層内の導電材の割合を変える事ができる。これにより、図9や図10に示すように、導電材の割合と内部抵抗ないし内部抵抗比(これについては、実施例で詳しく規定しているので、ここでの説明は省略する)との関係、ひいては利用率(導電材の割合が低いほど、利用率は高い)と導電率(内部抵抗または内部抵抗比が低いほど、導電率は高い)との関係から、使用目的にあった電極を設計することができるものである。後述する実施例では、導電材と微粒子化した活物質とを任意の位置に配列する事で、従来のコーターによる塗布方法に比べて、少なくとも3〜6割程度の導電材で、超薄膜の高出力電池用電極として、十分な性能を達成することができるものである。また、導電材の割合が低くなれば、相対的に活物質の割合が増すため、利用率もアップすることができる。 In the example of FIGS. 1 to 5, as shown in Examples 1 to 5 described later, the ratio of the conductive material in the electrode layer can be changed by changing the arrangement of the conductive material and the active material. Accordingly, as shown in FIG. 9 and FIG. 10, the relationship between the proportion of the conductive material and the internal resistance or the internal resistance ratio (this is specified in detail in the embodiment, so the description thereof is omitted here). In addition, design the electrode that meets the purpose of use from the relationship between the utilization factor (the lower the proportion of the conductive material, the higher the utilization factor) and the conductivity (the lower the internal resistance or internal resistance ratio, the higher the conductivity). Is something that can be done. In the examples to be described later, by arranging the conductive material and the finely divided active material at arbitrary positions, the conductive material is at least about 30 to 60% higher than the conventional coating method using a coater. Sufficient performance can be achieved as an output battery electrode. Moreover, since the ratio of an active material will increase relatively if the ratio of a electrically conductive material becomes low, a utilization factor can also be raised.
図6に示す実施形態(実施例6の正極層に適用した)の電極層では、電極層11内の活物質微粒子13aが厚さ方向に真っ直ぐに繋がって形成(積層)された活物質部13の周りに螺旋状に導電材微粒子12aを接触させて配置するパターンとした。そして、螺旋状の導電材微粒子12a同士の間が、電極層11の厚さ方向に電極層11の表面から集電体15の表面に至るまで接した状態で繋がって形成されており、これにより1つの導電材部(導電パス)12を構築している。また、本実施形態では、活物質部13の周りの導電材微粒子以外の部分には電解質インクを用いて活物質部の周りに電解質部(図示せず)を配置するパターンとするのが望ましい。これにより、導電材部12と電極活物質部13とがいわば3次元的(立体的)に分散して配置した構成とすることができる。
In the electrode layer of the embodiment shown in FIG. 6 (applied to the positive electrode layer of Example 6), the active material
以上が、本発明の超薄膜の高出力電池用電極における電極層内の導電材と電極活物質との配置(配列)構成例の説明であるが、本発明がこれらの配置(配列)構成に何ら制限されるべきものでないことはいうまでもない。 The above is the description of the arrangement (arrangement) configuration example of the conductive material and the electrode active material in the electrode layer in the ultra-thin high-power battery electrode of the present invention. Needless to say, it should not be restricted at all.
すなわち、本発明では、導電材部12を構成する導電材微粒子が、該電極層表面から集電体表面に至る電極層厚さ方向に接した状態で繋がっており、電極活物質部13を構成する電極活物質微粒子の表面の一部が、該導電材微粒子に接した状態であれば特に制限されるべきものではない。
That is, in the present invention, the conductive material fine particles constituting the
第1に、電極層内の電極活物質微粒子の表面の一部が、導電材微粒子に接した状態になっていればよい。より具体的には、主に活物質微粒子13aで構成される活物質部13が電極層11内に複数形成されており、活物質部13内の活物質微粒子13aの表面の一部のみが、隣接する導電材部12内の導電材微粒子12aに接した状態に配置されているともいえる。そして、これらの導電材部12と活物質部13とが、電極層内に分散して配置されている、いわばミクロ電極構造を有しているともいえる(図1(b)、図2〜5参照のこと。)。より具体的には、これら多数の導電材部12と活物質部13とが、電極層11の厚さ方向に対して垂直な面方向(図1(a)参照)に分散して、好ましくは略均等に分散して配置(配列)されているものである。導電材部12と活物質部13との面方向の配置(配列)の例としては、図1(b)、図2〜5に示すものが例示できるが、これに制限されるものではなく、例えば、導電材部12と活物質部13とが面方向に海島構造のように配置されていてもよい。この場合、海側が、導電材部12であってもよいし、活物質部13であってもよい。面方向の配置(配列)は、面全体に一様であってもよいし一様でなくてもよい。また、規則的であってもよいし、不規則であってもよい。また規則的な面方向の配置(配列)は、電極層全体でなくともよく、電極層内に規則性を有する部分と不規則な部分とが混在してもよい。また、電池を構成する複数の電極においては、各電極ごとの導電材部12と電極活物質部13との面方向の配置(配列)は、同一であってもよい
し、異なっていてもよい。
First, it is only necessary that a part of the surface of the electrode active material fine particles in the electrode layer is in contact with the conductive material fine particles. More specifically, a plurality of
第2に、電極層内の導電材微粒子同士の間が、電極層厚さ方向に電極層表面から集電体表面に至るまで接した状態で繋がっていればよい。これにより導電材部(導電パス)が形成されることになる。より具体的には、主に導電材微粒子12aで構成される導電材部12が電極層11内に複数形成されており、各導電材部12内の導電材微粒子12a同士の間が電極層11の表面から集電体15の表面に至るまで電極層11の厚さ方向に接した状態で繋がるように配置(配列)されているともいえる。厚さ方向の配置(配列)の実施形態に関しては、上記面方向の配置(配列)の実施形態は、同様である。すなわち、導電材部12と活物質部13との電極層厚さ方向の配置(配列)の例としては、図1(a)に示すように、上記した面方向の配置をそのまま厚さ方向に積層した形で集電体まで繋がった配列が例示できるが、これに制限されるものではない。例えば、導電材部12と活物質部13との厚さ方向の配置(配列)は、図6に示すように、導電材部13が、活物質部12と接しながら螺旋状に集電体15まで繋がっていてもよいし、立体格子状(3次元的な網目状)にネットワーク化されて集電体まで繋がってもよい。さらに導電材部12が、電極層厚さ方向に、垂直または適当な傾斜角を持って、いわば直線的に繋がっていてもよい。さらにまた導電材部12が、集電体から電極層表面に向けて樹枝状(3次元的構造)に繋がっていてもよいなど、任意の配置(配列)をとりえるものである。好ましくは電極層表面と集電体表面とを結ぶ最短距離をいわば直線的に結ぶように繋がっているのが、電子伝導性向上の観点から望ましい(図1(a)参照のこと)。
Secondly, it is only necessary that the conductive material fine particles in the electrode layer are connected in the electrode layer thickness direction from the electrode layer surface to the current collector surface. As a result, a conductive material portion (conductive path) is formed. More specifically, a plurality of
本発明では、パターニング塗布可能な印刷塗布手法、特にインクジェット方式で印刷する塗布方法を用いることで、微粒子化した電極活物質と導電材とを1次元的(直線的)、2次元的(平面的)、さらには3次元的(立体的)に任意の位置に、微細かつ複雑な配列(ミクロ電極構造)であろうとも簡単に配置(配列)して電極層を形成することができる。これにより、導電性、利用率の低下を招くことなく、超薄膜の高出力電池用電極を作製することができるものである。その結果、車両搭載用電源に適した高出力電池電を提供できる。さらに電池の小型軽量化を図ることができ、車両搭載用電源の総重量及び総容積の軽減を図ることもできる。 In the present invention, the electrode active material and the conductive material that have been atomized can be one-dimensionally (linearly) or two-dimensionally (planarly) by using a print-coating method that can be patterned and applied, particularly an ink-jet printing method. In addition, even if it is a fine and complicated arrangement (microelectrode structure) at an arbitrary position three-dimensionally (three-dimensionally), the electrode layer can be easily arranged (arranged). As a result, an ultra-thin high-power battery electrode can be produced without degrading conductivity and utilization. As a result, it is possible to provide a high output battery power suitable for a vehicle-mounted power source. Furthermore, the battery can be reduced in size and weight, and the total weight and total volume of the on-vehicle power source can be reduced.
ここで、導電材部が、主に導電材微粒子で構成されるとしたのは、導電材微粒子同士を結びつけるためにバインダ等を含んでいても良いためである。活物質部に関しても同様である。 Here, the reason why the conductive material portion is mainly composed of the conductive material fine particles is that the conductive material fine particles may contain a binder or the like in order to connect the conductive material fine particles. The same applies to the active material part.
また、電極層内の活物質微粒子の表面の一部のみが、導電材微粒子に接した状態を要件としたのは、既に説明した通りである。即ち、活物質微粒子の表面全体を導電材微粒子で覆うことなく導電パスを形成することができ、イオン伝導性物質である電解質(電解液)とも接した状態にすることができる。例えば、図1〜6の導電材微粒子12aや活物質微粒子13a間の空隙部には電解液(ないし電解質)が存在する(図示せず。詳しくは、後述する実施例参照のこと)。こうすることで、イオン伝導性を確保した上で活物質の微粒子化を図ることができるものである。すなわち、活物質の微粒子化に伴い、活物質微粒子の表面全体を導電材微粒子で覆う場合には導電材の割合を高める必要があり内部抵抗の増加を招くが、本発明の電極構造をとる事で、導電材微粒子の20層もの被覆層がないためLiイオンが出入りし易い構造とすることができる。そのため、電極層中に占める導電材の比率を高めなくとも電極の内部抵抗を低下させることができる(図9、10参照のこと)。よって、大電流で充放電した際にLiイオンの枯渇を招くことなく、安定した充放電(電力供給)を継続することができる。また、図1(a)に示すように活物質微粒子13aの表面の一部が導電材微粒子12aと接触した状態で導電材部(導電パス)12を形成することで十分な電子伝導性を確保することができる。なお、上記説明では、電極反応により電子が発生する例を示したが、正極側と負極側とで、あるいは充電時と放電時とでは
、電子のやり取りが反対となる。その場合には、電子が集電体から導電材部(導電パス)を通って活物質微粒子側に移動し、電極反応が進行しLiイオンを放出することになる。
In addition, as described above, it is necessary that only a part of the surface of the active material fine particles in the electrode layer is in contact with the conductive material fine particles. That is, the conductive path can be formed without covering the entire surface of the active material fine particles with the conductive material fine particles, and the active material fine particles can be brought into contact with the electrolyte (electrolytic solution) which is an ion conductive material. For example, an electrolytic solution (or electrolyte) is present in the space between the conductive
なお、図1〜6では、図中の丸が1個の導電材微粒子12aまたは活物質微粒子13aに相当するものであるが、本発明では、インクジェット方式で印刷する塗布方法ので、導電材イオンまたは活物質インクの1滴の液滴を表すものと見ることもできる。すなわち、本発明では、導電材イオンまたは活物質インクの液適中に導電材微粒子12aまたは活物質微粒子13aを1個に制御することもできるが、2個以上であっても本発明の構成を実現できるものである。ただし、平均粒径によって二次粒子の大きさが変わるため、二次粒子の径が1μm以下であればよいといえる。同様にスクリーン印刷する塗布方法でも同様である。
1 to 6, the circles in the drawings correspond to one conductive material
また、活物質微粒子の平均粒径は、活物質を微粒子化し、電極のより一層の薄膜化、ひいては車両の駆動用電源などに利用可能な高出力の二次電池用電極を提供する観点から、10μm以下、好ましくは1μm以下、より好ましくは0.05〜1μm、特に好ましくは0.1〜1μmの範囲が望ましい。一方、活物質微粒子の平均粒径が10μmを超える場合には、電極のより一層の薄膜化を達成するのが困難となり、本発明の作用効果を十分に発現することができない。活物質微粒子の平均粒径の下限値は特に制限されるものではないが、0.05μm未満の場合には、製造が困難で好ましい放電特性を得ることができない可能性がある。 In addition, the average particle diameter of the active material fine particles is obtained from the viewpoint of providing an electrode for a secondary battery with high output that can be used for a power source for driving a vehicle, etc. The range of 10 μm or less, preferably 1 μm or less, more preferably 0.05 to 1 μm, particularly preferably 0.1 to 1 μm is desirable. On the other hand, when the average particle diameter of the active material fine particles exceeds 10 μm, it becomes difficult to achieve further thinning of the electrode, and the effects of the present invention cannot be fully expressed. The lower limit of the average particle diameter of the active material fine particles is not particularly limited, but if it is less than 0.05 μm, it may be difficult to produce and preferable discharge characteristics may not be obtained.
また、導電材微粒子の平均粒径は、電極のより一層の薄膜化の観点から、1μm以下、好ましくは0.1〜0.05μmが望ましい。導電材微粒子の平均粒径が1μmを超える場合には、電極のより一層の薄膜化を達成するのが困難となり、本発明の作用効果を十分に発現することができない。一方、導電材微粒子の平均粒径の下限値は、電極のより一層の薄膜化の観点からは特に制限されるものではない。 The average particle diameter of the conductive material fine particles is 1 μm or less, preferably 0.1 to 0.05 μm, from the viewpoint of further thinning of the electrode. When the average particle diameter of the conductive material fine particles exceeds 1 μm, it becomes difficult to achieve further thinning of the electrode, and the effects of the present invention cannot be fully expressed. On the other hand, the lower limit value of the average particle size of the conductive material fine particles is not particularly limited from the viewpoint of further thinning of the electrode.
また、電極層内の導電材の割合(質量比)は、導電材や電極活物質の微粒子サイズや導電材部及び電極活物質部の配置(配列)構成等に応じて適宜決定されるものである。例えば、後述する実施例1〜5に示すように、導電材と電極活物質の微粒子サイズ及びその配置(配列)によって、導電材の割合(濃度)と内部抵抗との関係(図9、10に示すグラフ)を求めることができ、最適な導電材の割合(導電材濃度)を決定することができる。例えば、活物質微粒子の平均粒径が1μm以下では、実施例の結果から、導電材の割合(質量比)は、本発明を適用する電極層の全量に対して2〜10質量%、好ましくは4〜6質量%の範囲である。導電材の割合(質量比)が10質量%を超える場合には、利用率が低下し、また導電材が活物質表面全体を覆うようになり、イオン伝導性の低下を招くおそれがある。導電材の比率(質量比)が2質量%未満の場合には、本発明の電極構造をとるのが困難となり、十分な電子伝導性を確保するのが困難となる場合がある。 Further, the ratio (mass ratio) of the conductive material in the electrode layer is appropriately determined according to the fine particle size of the conductive material and the electrode active material, the arrangement (arrangement) configuration of the conductive material portion and the electrode active material portion, and the like. is there. For example, as shown in Examples 1 to 5 to be described later, the relationship between the ratio (concentration) of the conductive material and the internal resistance depending on the fine particle size of the conductive material and the electrode active material and its arrangement (arrangement) (see FIGS. 9 and 10). Graph) can be obtained, and the optimal proportion of the conductive material (conductive material concentration) can be determined. For example, when the average particle diameter of the active material fine particles is 1 μm or less, the ratio (mass ratio) of the conductive material is 2 to 10% by mass, preferably 2% by mass to the total amount of the electrode layer to which the present invention is applied. It is in the range of 4 to 6% by mass. When the ratio (mass ratio) of the conductive material exceeds 10% by mass, the utilization factor decreases, and the conductive material covers the entire active material surface, which may cause a decrease in ion conductivity. When the ratio (mass ratio) of the conductive material is less than 2% by mass, it may be difficult to obtain the electrode structure of the present invention, and it may be difficult to ensure sufficient electronic conductivity.
また、本発明の電極では、電解質層に液系電解質を用いる液系電解質型の高出力電池用の電極の場合には、電池内のセパレータに電解液を注入等により含浸させる際に、電極層内の電極活物質や導電材の微粒子間等の空隙部にも電解液が浸透するので、電極層内に高分子電解質を更に含有させなくともよいといえる。ただし、使用用途に応じて、必要があれば高分子電解質を含有させても良いことはいうまでもない。 In the electrode of the present invention, in the case of an electrode for a liquid electrolyte type high power battery using a liquid electrolyte for the electrolyte layer, the electrode layer is impregnated when the separator in the battery is impregnated by injection or the like. It can be said that the electrolyte does not need to be further contained in the electrode layer because the electrolytic solution penetrates into the voids such as between the electrode active material and the fine particles of the conductive material. However, it goes without saying that a polymer electrolyte may be included if necessary according to the intended use.
一方、電解質層に高分子ゲル電解質や高分子固体電解質を用いる高分子電解質型の高出力電池用の電極の場合には、電極層内に高分子電解質を含有させておくのが、イオン電導性を確保する上で好ましい。具体的には、(1)電極層内の電極活物質部に、高分子電解質が更に含有されていてもよい。また(2)電極層内に、主に高分子電解質で構成される高分子電解質部が上記活物質部と接するように配置(配列)してもよい。例えば、図1(
b)、図2〜6の空隙部に、電解質インクを用いてインクジェット方式による印刷塗布方法により電解質部を形成しても良いが、これらに制限されるものではない。電極活物質微粒子と導電材微粒子との接触を確実に行う観点からは、後者の(2)の形態が望ましいといえる。
On the other hand, in the case of an electrode for a polymer electrolyte type high-power battery using a polymer gel electrolyte or a polymer solid electrolyte in the electrolyte layer, it is preferable that the polymer electrolyte is contained in the electrode layer. It is preferable in securing the above. Specifically, (1) the electrode active material part in the electrode layer may further contain a polymer electrolyte. (2) The electrode layer may be arranged (arranged) in the electrode layer so that a polymer electrolyte part mainly composed of a polymer electrolyte is in contact with the active material part. For example, FIG.
b) The electrolyte part may be formed in the void part of FIGS. 2 to 6 by an ink-jet printing application method using electrolyte ink, but is not limited thereto. From the viewpoint of ensuring contact between the electrode active material fine particles and the conductive material fine particles, the latter form (2) can be said to be desirable.
さらに、上記電極層内に、主に熱伝導性のよい物質で構成される良熱伝導部および/または空隙部が、配置されていてもよい。電極を薄膜化して多層に積層する場合には、電極の周辺部よりも中央部に熱がこもり易いため、こうした良熱伝導部や空隙部を形成することで、電極中央部の発熱を抑えることができる点で優れている。本発明では、インクジェット方式で印刷する塗布方法を用いて電極を形成することで、こうした電極層内で特性の異なる配置(パターン)を可能とするものである。 Furthermore, a good heat conduction portion and / or a void portion mainly composed of a material having good heat conductivity may be disposed in the electrode layer. When the electrode is thinned and laminated in multiple layers, heat is likely to be trapped in the central part rather than the peripheral part of the electrode. It is excellent in that it can. In the present invention, an electrode is formed using a coating method for printing by an ink jet method, thereby enabling arrangement (pattern) having different characteristics in such an electrode layer.
なお、本発明で電極層とは、正極層および/または負極層をいう。また、高出力電池用電極は、集電体と、該集電体上に形成されてなる電極層とを有するものであればよく、正極、負極のほか、バイポーラ電極も含まれる。すなわち、バイポーラ型でない正極は、集電体の両面に正極層が形成された構造であり、負極は集電体の両面に負極層が形成された構造であり、バイポーラ電極は、集電体の一方の面に正極層が、他方の面に負極層が形成された構造である。 In the present invention, the electrode layer means a positive electrode layer and / or a negative electrode layer. In addition, the high-power battery electrode may have a current collector and an electrode layer formed on the current collector, and includes a positive electrode, a negative electrode, and a bipolar electrode. In other words, a non-bipolar positive electrode has a structure in which a positive electrode layer is formed on both sides of a current collector, a negative electrode has a structure in which a negative electrode layer is formed on both sides of the current collector, and a bipolar electrode has In this structure, a positive electrode layer is formed on one surface and a negative electrode layer is formed on the other surface.
本発明では、上記電極層は、インクジェット方式による印刷、スクリーン印刷などの印刷塗布方法、エアブラシ法等を用いて形成されてなるものが望ましく、インクジェット方式で印刷する塗布方法を用いて形成されていることがより望ましい。これは、従来のコーターによる塗布技術では形成不可能な本発明のミクロ電極構造のパターニング塗布を簡単に行うことができるためである。さらに、スクリーン印刷のようにパターンごとに異なるスクリーンを用意する必要が無く、交換の必要もない。すなわち、インクジェットプリンタと接続されたコンピュータのソフトウェア(印刷ソフト)の印刷画面上の電極層の平面ないし立体配置(例えば、導電材部と電極活物質部との配列や各導電材部と電極活物質部の形状や大きさ等)、各導電材部と電極活物質部、更に必要に応じて設けられる高分子電解質部や良熱伝導部や空隙部の構成成分の組成や材質等に対応する色を変更すればよい。すなわち構成成分の組成や材質を変更する場合には、印刷画面上の色(カラー)表示の変更に応じて、必要があれば、インクジェットプリンタのインクカートリッジを交換したり、カートリッジ数を増減すればよく、極めて簡単に設計変更に対応することができる。本明細書でいうインクとは、正極層、負極層、さらには電解質層(後述する高出力電池の構成要素)を形成するのに用いられる原料を、適宜必要に応じて、適当な溶媒で粘度調整して得られた原料スラリーをいうものとする。例えば、正極層の導電材部形成用の材料スラリーを正極導電材インク、正極層の正極活物質部形成用の材料スラリーを正極活物質インク、負極層の導電材部形成用の材料スラリーを負極導電材インク、負極層の負極活物質部形成用の材料スラリーを負極活物質インク、電解質層(または電解質部)形成用の材料スラリーを電解質インク(これらを総称して単にスラリーまたはインクともいう)などという(後述する実施例参照のこと)。 In the present invention, the electrode layer is preferably formed using a printing application method such as ink jet printing, screen printing, or an air brush method, and is formed using an ink jet printing method. It is more desirable. This is because the patterning coating of the microelectrode structure of the present invention, which cannot be formed by a conventional coating technique using a coater, can be easily performed. Furthermore, there is no need to prepare different screens for each pattern as in screen printing, and there is no need for replacement. That is, the planar or three-dimensional arrangement of the electrode layers on the printing screen of the computer software (printing software) connected to the ink jet printer (for example, the arrangement of the conductive material portion and the electrode active material portion, or each conductive material portion and the electrode active material) Color corresponding to the composition and material of the constituent components of the conductive material part and the electrode active material part, the polymer electrolyte part, the good heat conduction part, and the gap part provided as necessary. Can be changed. In other words, when changing the composition or material of the constituent components, if necessary, the ink cartridge of the ink jet printer can be replaced or the number of cartridges can be increased or decreased according to the change in color (color) display on the printing screen. Well, it is very easy to deal with design changes. As used herein, the term “ink” refers to a raw material used to form a positive electrode layer, a negative electrode layer, and further an electrolyte layer (a constituent element of a high-power battery described later). It shall mean the raw material slurry obtained by adjusting. For example, the material slurry for forming the conductive material part of the positive electrode layer is the positive electrode conductive material ink, the material slurry for forming the positive electrode active material part of the positive electrode layer is the positive electrode active material ink, and the material slurry for forming the conductive material part of the negative electrode layer is the negative electrode Conductive material ink, negative electrode active material portion forming material slurry for negative electrode layer, negative electrode active material ink, electrolyte layer (or electrolyte portion) forming material slurry for electrolyte ink (collectively these are also simply referred to as slurry or ink) And so on (refer to Examples described later).
ここで、インクジェット方式で印刷する塗布方法(単にインクジェット法ともいう)は、インクジェットのノズルから正・負極活物質インク、正・負極導電材インク、電解質インク等を液滴として集電体(または電解質層やセパレータなどの基材)上に塗布する方法である。これにより、集電体(または電解質層やセパレータなどの基材)上の所要領域に所望の均一かつ薄い塗布膜厚を形成させることができ、最適なパターンで正・負極活物質インク、正・負極導電材インク、電解質インク等を塗布することができるため好ましい。 Here, a coating method (also simply referred to as an ink jet method) for printing by an ink jet method is a current collector (or an electrolyte) in which positive / negative electrode active material ink, positive / negative electrode conductive material ink, electrolyte ink, and the like are droplets from an ink jet nozzle. It is the method of apply | coating on base materials, such as a layer and a separator. As a result, a desired uniform and thin coating film thickness can be formed in a required region on the current collector (or a substrate such as an electrolyte layer or a separator). Since negative electrode conductive material ink, electrolyte ink, etc. can be apply | coated, it is preferable.
さらに、前記インクジェット方式が、ピエゾ素子を用いたインクジェット方式であることが望ましい。ピエゾ素子を用いたインクジェット方式とは、一般にドロップオンデマン
ド方式として知られている、電圧を印加すると変形するセラミックス(ピエゾ素子)を用いて液体を吐出する、ピエゾ型を用いる方式をいう。ピエゾ素子を用いたインクジェット方式は、正・負極活物質インクや正・負極導電材インクや電解質インク等に含まれる電極材料や高分子材料等の熱安定性に優れ、塗布する各インク量を可変することができる。さらには、比較的高粘度の液体を他のインクジェットヘッドに比べて確実・安定に、かつ精確に吐出することができ、粘度10Pa・s(100cP)までの液体の吐出に有効に用いることができる点で優れている。
Furthermore, it is desirable that the ink jet method is an ink jet method using a piezoelectric element. The ink jet method using a piezo element is a method using a piezo type, which is generally known as a drop-on-demand method, and discharges a liquid using a ceramic (piezo element) that deforms when a voltage is applied. The ink jet method using a piezo element is excellent in thermal stability of electrode materials and polymer materials contained in positive / negative electrode active material ink, positive / negative electrode conductive material ink, electrolyte ink, etc., and the amount of each ink applied can be varied. can do. Furthermore, a relatively high-viscosity liquid can be discharged reliably, stably and accurately compared to other inkjet heads, and can be effectively used for discharging a liquid having a viscosity of up to 10 Pa · s (100 cP). Excellent in terms.
ピエゾ型のインクジェットヘッド内部は、一般的に、各インクを貯留する液室が形成され、この液室はインク導入部を介して前記液室に連なっている構造を有する。インクジェットヘッドの下方部位には、ノズルが多数配列形成されている。また、インクジェットヘッドの上方部位には、前記液室内のインクをノズルから吐出するための圧電素子と、この圧電素子を動作させるためのドライバーとが配備されている。かようなインクジェットヘッドの構造は一実施形態に過ぎず、特に限定されない。 In the piezo-type ink jet head, generally, a liquid chamber for storing each ink is formed, and this liquid chamber has a structure connected to the liquid chamber via an ink introducing portion. A large number of nozzles are arranged in a lower portion of the inkjet head. In addition, a piezoelectric element for ejecting ink in the liquid chamber from the nozzle and a driver for operating the piezoelectric element are disposed in an upper part of the inkjet head. The structure of such an inkjet head is merely an embodiment and is not particularly limited.
インク導入部がプラスチックであった場合、各インクに含まれ得る溶媒が、前記プラスチック部分を溶解させる恐れがある。従って、インク導入部は耐溶媒性に優れた金属製のものが好ましい。 When the ink introduction part is made of plastic, a solvent that can be contained in each ink may dissolve the plastic part. Therefore, the ink introduction part is preferably made of metal having excellent solvent resistance.
また、25℃での粘度が、0.1〜100cP、好ましくは0.5〜10cP、より好ましくは1〜3cPのインクを用いるのがよい。各インクの粘度が、0.1cP未満であると、流量を制御することが困難となる恐れがあり、100cPを超えるとノズルを通過できない恐れがあるため上記範囲が好ましい。 Further, it is preferable to use an ink having a viscosity at 25 ° C. of 0.1 to 100 cP, preferably 0.5 to 10 cP, more preferably 1 to 3 cP. If the viscosity of each ink is less than 0.1 cP, it may be difficult to control the flow rate, and if it exceeds 100 cP, the above range is preferable because it may not pass through the nozzle.
また、本発明の高出力電池用電極では、電極の薄膜化の観点から、電極層の厚さは、10μm以下、好ましくは1〜5μmの範囲であることが望ましい。これにより、電極の薄膜化、ひいては電池の薄型・小型軽量化を図ることができるためである。電極層の厚さが10μmを超える場合には、本発明の目的である電極の薄膜化が困難となるおそれがある。なお、電極層の厚さの下限値は特に制限されるものではない。ここでいう電極層の厚さとは、集電体の片側に形成される電極層の厚さを言うものとする。 In the high power battery electrode of the present invention, the thickness of the electrode layer is desirably 10 μm or less, preferably 1 to 5 μm from the viewpoint of thinning the electrode. This is because the electrode can be made thinner, and the battery can be made thinner, smaller and lighter. When the thickness of the electrode layer exceeds 10 μm, it may be difficult to reduce the thickness of the electrode which is the object of the present invention. The lower limit value of the electrode layer thickness is not particularly limited. Here, the thickness of the electrode layer refers to the thickness of the electrode layer formed on one side of the current collector.
次に、本発明の高出力電池用電極の製造方法としては、特に制限されるべきものではないが、電極層内の導電材微粒子が、電極層表面から集電体表面に至る電極層厚さ方向に接した状態で繋がっており、電極層内の電極活物質微粒子の表面の一部が、導電材微粒子と接した状態になるように、印刷塗布方法により、少なくとも導電材を主成分とする材料と電極活物質を主成分とする材料とを分けてパターニング塗布して電極層を形成することが望ましい。これにより従来のコーターによる塗布方法では得られなかったミクロ電極構造、即ち電極活物質と導電材微粒子とを任意の位置に配置した電極構造を形成することができるものである。 Next, the method for producing the electrode for a high-power battery of the present invention is not particularly limited, but the electrode layer thickness where the conductive material fine particles in the electrode layer reach from the electrode layer surface to the current collector surface. The electrode active material fine particles in the electrode layer are in contact with each other in a direction, and a part of the surface of the electrode active material fine particles is in contact with the conductive material fine particles. It is desirable to form the electrode layer by patterning and coating the material and the material mainly composed of the electrode active material. As a result, it is possible to form a microelectrode structure that cannot be obtained by a conventional coating method using a coater, that is, an electrode structure in which electrode active materials and conductive material fine particles are arranged at arbitrary positions.
上記印刷塗布工法としては、特に制限されるべきものではなく、例えば、スクリーン印刷、インクジェット方式で印刷する塗布方法等が挙げられるが、好ましくはインクジェット方式で印刷する塗布方法である。また、上記インクジェット方式には、ピエゾ素子方式、サーマルインクジェット方式、continuance方式の3つの方式があり、そのいずれをも採用しえるものであるが、電池材料の熱安定性の観点から、ピエゾ素子方式を用いるのが望ましい。 The print coating method is not particularly limited, and examples thereof include screen printing, a coating method for printing by an inkjet method, and the like, and a coating method for printing by an inkjet method is preferable. In addition, the ink jet method includes three methods, ie, a piezo element method, a thermal ink jet method, and a continuance method, all of which can be adopted. From the viewpoint of the thermal stability of the battery material, the piezo element method. It is desirable to use
インクジェット法により各インクを塗布する方法として、特に限定されないが、例えば、(1)各インクごとにインクジェットヘッドを一つ設け、その複数の微小径ノズルの液体吐出動作を、それぞれ独立に制御することにより、集電体(または基材)表面に液滴を
最適なパターンで塗布する方法、(2)各インクごとにインクジェットヘッドを複数設けるとともに、これらインクジェットヘッドの液体吐出動作を独立に制御して、集電体(または基材)表面に液滴を最適なパターンで塗布する方法、などが挙げられる。かような方法により所望の最適パターンを短時間で形成することができる。
The method of applying each ink by the ink jet method is not particularly limited. For example, (1) one ink jet head is provided for each ink, and the liquid ejection operations of the plurality of micro-diameter nozzles are controlled independently. (2) A plurality of inkjet heads are provided for each ink, and the liquid ejection operation of these inkjet heads is controlled independently. And a method of applying droplets in an optimal pattern on the surface of the current collector (or substrate). By such a method, a desired optimum pattern can be formed in a short time.
上記(1)および(2)において、液体吐出動作を独立に制御するには、特に限定されないが、例えば、上述のインクジェットヘッドを用いたインクジェットプリンターを、市販のコンピューターなどに連結させ、Power Point(マイクロソフト社製)、AutoCAD(AutoDesk社製)、などのソフトにより所望するパターンを作成して、かようなソフトからの電気信号により制御を行えばよい。 In the above (1) and (2), there is no particular limitation on independently controlling the liquid ejection operation. For example, an inkjet printer using the above-described inkjet head is connected to a commercially available computer or the like, and Power Point ( A desired pattern may be created by software such as Microsoft CAD (manufactured by Microsoft) or AutoCAD (manufactured by AutoDesk) and controlled by an electrical signal from such software.
上記(1)または(2)の方法を用いて集電体(または基材)上に最適なパターンで各インクを塗布する方法としては、1または複数設けられたインクジェットヘッドごとの複数の微小径ノズルの液体吐出動作を、それぞれ独立に制御して、集電体(または基材)表面に、各インクをパターニング塗布して薄膜層(平面配置)を形成した後、同一または異なる配置構成にて各インクをパターニング塗布して薄膜層を形成する操作を繰り返して、所望の立体配置となるように複数積層し、所望の電極層構造を得る方法が挙げられる。例えば、図6の螺旋状の配置(配列)場合には、各薄膜層ごとに異なるパターニング塗布を行うことになる。一方、図1〜5の配置(配列)の場合には、各薄膜層で同一のパターニング塗布を行えばよい。 As a method of applying each ink in an optimal pattern on the current collector (or substrate) using the method (1) or (2) above, a plurality of minute diameters for one or a plurality of inkjet heads provided After the liquid ejection operation of the nozzles is controlled independently and each ink is patterned on the surface of the current collector (or base material) to form a thin film layer (planar arrangement), the same or different arrangement configuration A method of obtaining a desired electrode layer structure by repeating a process of applying each ink by patterning to form a thin film layer, and laminating a plurality of layers so as to obtain a desired three-dimensional configuration. For example, in the case of the spiral arrangement (arrangement) of FIG. 6, different patterning coating is performed for each thin film layer. On the other hand, in the case of the arrangement (arrangement) of FIGS. 1 to 5, the same patterning application may be performed on each thin film layer.
また、上記薄膜層の厚さは、10μm以下、好ましくは1〜5μm、とするのがよい。薄膜層の厚さが10μmを超えると、多数積層して立体配置の電極層の構成する上で、所期の目的である電極の薄膜化を達成するのが困難となる恐れがある。なお、薄膜層の厚さの下限値は特に制限されるものではない。また、電極層において、複数積層される薄膜層の厚さは、それぞれが均一である必要はなく、所望する電極特性が得られるように、適宜決定すればよい。 The thickness of the thin film layer is 10 μm or less, preferably 1 to 5 μm. If the thickness of the thin film layer exceeds 10 μm, it may be difficult to achieve a desired thin film of the electrode in order to form a three-dimensionally arranged electrode layer by laminating a large number. In addition, the lower limit value of the thickness of the thin film layer is not particularly limited. Further, in the electrode layer, the thicknesses of the plurality of thin film layers are not necessarily uniform, and may be determined as appropriate so as to obtain desired electrode characteristics.
インクジェットヘッドから吐出させる各インクの液滴の粒径は、電極の薄膜化の観点から、500pl以下、好ましくは1〜100plとするのが好ましい。なお、液滴の粒径の下限値は、特に制限されるものではないが、液滴の粒径が500plを超える場合には、該液滴中に含有される電極活物質微粒子数が多くなりすぎ、本発明の電極構造を形成するのが困難となるおそれがある。そのため、集電体(または基材)上の形成された電極インク液滴のパターンに隣接するように導電材インク液滴のパターンを配置しても、各電極活物質微粒子表面の一部に導電材微粒子を接触させるのが困難となる場合がある。すなわち、電極インク液滴の中央部に導電材微粒子と接触していない電極活物質微粒子が多数存在することになり、大電流による充放電時に電池特性が充分に得られないおそれがある。一方、1pl未満の液滴を得るには微小径ノズルの超微細加工技術を導入する必要があるなど、高コスト化要因となるおそれがある。また、微小径ノズルに対応する活物質微粒子の作製も困難となる。 The particle diameter of each ink droplet ejected from the inkjet head is 500 pl or less, preferably 1 to 100 pl, from the viewpoint of thinning the electrode. The lower limit of the particle size of the droplet is not particularly limited, but when the particle size of the droplet exceeds 500 pl, the number of electrode active material fine particles contained in the droplet increases. Therefore, it may be difficult to form the electrode structure of the present invention. Therefore, even if the conductive ink droplet pattern is arranged adjacent to the formed electrode ink droplet pattern on the current collector (or base material), a part of the surface of each electrode active material fine particle is electrically conductive. It may be difficult to contact the fine material particles. That is, there are a large number of electrode active material fine particles that are not in contact with the conductive material fine particles in the center of the electrode ink droplet, and battery characteristics may not be sufficiently obtained during charging and discharging with a large current. On the other hand, in order to obtain liquid droplets of less than 1 pl, it is necessary to introduce an ultra-fine processing technique of a micro-diameter nozzle, which may increase the cost. In addition, it becomes difficult to produce active material fine particles corresponding to the fine nozzle.
なお、集電体(または基材)上に塗布した各インクを乾燥させる手段としては、通常雰囲気、好ましくは真空雰囲気下、20〜200℃、好ましくは80〜150℃で、1分〜8時間、好ましくは3分〜1時間行えばよい。しかし、これに限定されず、塗布した各インクに含まれる溶媒量などに応じて適宜決定すればよい。 The means for drying each ink applied on the current collector (or base material) is 20 to 200 ° C., preferably 80 to 150 ° C. for 1 minute to 8 hours in a normal atmosphere, preferably a vacuum atmosphere. Preferably, it may be performed for 3 minutes to 1 hour. However, the present invention is not limited to this, and may be appropriately determined according to the amount of solvent contained in each applied ink.
用いたインクに高分子電解質(全固体高分子電解質または高分子ゲル電解質)が含まれていない場合には、後述する実施例1〜5に示すように、各インクを塗布、乾燥させた後に電解質スラリーないし電解液を含浸(ないし注入)させてもよい。含浸方法は特に限定されず、アプリケーターやコーターなどを用いれば微量の供給も可能である。 When the ink used does not contain a polymer electrolyte (all solid polymer electrolyte or polymer gel electrolyte), as shown in Examples 1 to 5 to be described later, each ink is applied and dried, and then the electrolyte is used. A slurry or electrolyte may be impregnated (or injected). The impregnation method is not particularly limited, and a very small amount can be supplied by using an applicator or a coater.
各インクに含まれる高分子材料(電解質材料)を重合させる手段としては、後述する実施例6に示すように、重合開始剤に応じて適宜決定すればよいが、例えば、光重合開始剤を用いた場合には、アルゴン、窒素などの不活性雰囲気下、好ましくは真空雰囲気下、0〜150℃、好ましくは20〜40℃で、1分〜8時間、好ましくは3分〜1時間、紫外線を照射して行う。 The means for polymerizing the polymer material (electrolyte material) contained in each ink may be appropriately determined according to the polymerization initiator as shown in Example 6 described later. For example, a photopolymerization initiator is used. In the inert atmosphere such as argon or nitrogen, preferably in a vacuum atmosphere, 0 to 150 ° C., preferably 20 to 40 ° C., for 1 minute to 8 hours, preferably 3 minutes to 1 hour. Irradiate.
本発明の電極は、上述した製造方法に限定されない。例えば、始めからインクに高分子電解質の原料である高分子材料および重合開始剤などを添加して製造してもよい。また、電解質層またはセパレータ上に各インクをパターニング塗布して電極層を形成してもよい。この場合には、各インクをパターニング塗布して電極層を形成した後に、該電極層上に集電体を積層すればよい。 The electrode of the present invention is not limited to the manufacturing method described above. For example, the ink may be produced by adding a polymer material, which is a raw material of the polymer electrolyte, a polymerization initiator, or the like to the ink from the beginning. Alternatively, the electrode layer may be formed by patterning and applying each ink on the electrolyte layer or the separator. In this case, a current collector may be laminated on the electrode layer after patterning and applying each ink to form the electrode layer.
次に、本発明に係る高出力電池は、上述した本発明の高出力電池用電極を用いてなることを特徴とするものである。かかる高出力電池用電極を用いることにより、かつ大電流での充放電を行う場合にも必要なエネルギーをとり出すことのできる、高いエネルギー密度を有する超薄膜の高出力電池を提供することができる。 Next, a high-power battery according to the present invention is characterized by using the above-described electrode for a high-power battery of the present invention. By using such a high-power battery electrode, it is possible to provide an ultra-thin high-power battery having a high energy density that can extract necessary energy even when charging and discharging with a large current. .
また、本発明の高出力電池では、上述した本発明の高出力電池用電極を用いてなることを除いては、何ら制限されるべきものではなく、他の構成要件に関しては、従来公知の高出力用二次電池の構成要件を適宜利用することができるものであるので、ここでは、簡単に説明するが、本発明では、後述する実施例6に示すように、電極以外にも電解質層に関しても、インクジェット方式で印刷する塗布方法を用いて形成してもよい。こうすることで、電極層と電解質層を連続して製造できる点で優れている。 Further, the high-power battery of the present invention should not be limited at all except that the above-described electrode for a high-power battery of the present invention is used. Since the constituent requirements of the secondary battery for output can be used as appropriate, it will be briefly described here. In the present invention, as shown in Example 6 to be described later, in addition to the electrodes, the electrolyte layer Alternatively, it may be formed by using a coating method for printing by an inkjet method. By carrying out like this, it is excellent at the point which can manufacture an electrode layer and an electrolyte layer continuously.
本発明に係る高出力電池としては、例えば、電池の構造で区別した場合には、積層型(扁平型)電池、巻回型(円筒型)電池など特に制限されるべきものではなく、従来公知のいずれの構造にも適用し得るものである。同様に電池の電解質層の種類で区別した場合にも、特に制限されるべきものではなく、液系電解質型電池、高分子ゲル電解質型電池および固体高分子電解質(全固体電解質)型電池のいずれにも適用しえるものである。これらの電解質は、これら高分子ゲル電解質および固体高分子電解質(全固体電解質)単独で使用することもできるし、電解液、高分子ゲル電解質、固体高分子電解質(全固体電解質)をセパレータ(不織布セパレータを含む)に含浸させて使用することもできるなど、特に制限されるべきものではない。また、電池内の電気的な接続形態(電極構造)で見た場合、バイポーラ型ではない(内部並列接続タイプ)電池およびバイポーラ型(内部直列接続タイプ)電池のいずれにも適用し得るものである。好ましくは、バイポーラ型電池である。バイポーラ電池とは1枚の集電体(箔)を挟んで、片側に正極層、反対側に負極層が形成されている単位電池が複数積層されたものである。バイポーラ電池ではない電池を積層する場合は正極、負極それぞれからリード線をとり、そのリード線を介して隣の電池と接続される。そのため、リード線の長さに相当する電子伝導のパスが長くなり、電池の出力が低くなる。それに対して、バイポーラ電池は集電体を介して、縦方向に電流が流れるため、電子伝導のパスが格段に短くなり、その分、高出力になるためである。さらに、電池の電極材料ないし電極間を移動する金属イオンで見た場合には、リチウムイオン二次電池、ナトリウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池など特に制限されるべきものではなく、従来公知のいずれの電極材料等にも適用し得るものである。好ましくは、リチウムイオン二次電池である。リチウムイオン二次電池では、セル電圧が大きく、高出力が要求される車両用の電池に適している。そのため、高エネルギー密度、高出力密度が達成でき、車両の駆動電源用として優れた電池が作製できるためである。したがって、以下の説明では、本発明の電極を用いてなるリチウムイオン二次電池として、バイポーラ型でないポリマーリチウムイオン二次電池及びバイポーラ型ポリマーリチウムイオン二次電池につき説
明するが、これらに何ら制限されるべきものではない。
The high-power battery according to the present invention is not particularly limited, such as a stacked (flat) battery or a wound (cylindrical) battery, when distinguished by the structure of the battery. It can be applied to any of these structures. Similarly, when distinguishing by the type of the electrolyte layer of the battery, there is no particular limitation, and any of a liquid electrolyte type battery, a polymer gel electrolyte type battery, and a solid polymer electrolyte (all solid electrolyte) type battery can be used. It can also be applied to. These electrolytes can be used alone as these polymer gel electrolytes and solid polymer electrolytes (all solid electrolytes), or electrolytes, polymer gel electrolytes, solid polymer electrolytes (all solid electrolytes) can be used as separators (nonwoven fabrics). It is not particularly limited, for example, it can be used by impregnating a separator (including a separator). In addition, when viewed from the electrical connection form (electrode structure) in the battery, it can be applied to both non-bipolar (internal parallel connection type) batteries and bipolar (internal series connection type) batteries. . A bipolar battery is preferable. A bipolar battery is a battery in which a plurality of unit batteries each having a positive electrode layer on one side and a negative electrode layer on the opposite side are stacked with a current collector (foil) interposed therebetween. In the case of stacking batteries that are not bipolar batteries, lead wires are taken from each of the positive electrode and the negative electrode and connected to the adjacent battery via the lead wires. For this reason, the path of electron conduction corresponding to the length of the lead wire becomes long, and the output of the battery becomes low. On the other hand, since current flows in the vertical direction through the current collector in the bipolar battery, the path of electron conduction is remarkably shortened, and the output is increased accordingly. Furthermore, when viewed with battery electrode materials or metal ions moving between electrodes, lithium ion secondary batteries, sodium ion secondary batteries, nickel metal hydride secondary batteries and the like are not particularly limited and are conventionally known. It can be applied to any electrode material. A lithium ion secondary battery is preferable. The lithium ion secondary battery is suitable for a battery for vehicles that require a high cell voltage and high output. Therefore, a high energy density and a high output density can be achieved, and an excellent battery can be manufactured as a vehicle driving power source. Therefore, in the following description, a polymer lithium ion secondary battery and a bipolar polymer lithium ion secondary battery that are not bipolar type will be described as the lithium ion secondary battery using the electrode of the present invention. It shouldn't be.
図7に、バイポーラ型でない扁平型(積層型)のポリマーリチウムイオン二次電池の断面概略図を示す。図7に示すポリマーリチウムイオン二次電池31では、電池外装材33に高分子−金属を複合したラミネートフィルムを用いて、その周辺部の全部を熱融着にて接合することにより、正極集電体35の両面(発電要素の最下層および最上層用は片面)に正極層(正極活物質層ともいう)37が形成された正極板、電解質層39、および負極集電体41の両面(発電要素の最下層および最上層用は片面)に負極層(負極活物質層ともいう)43が形成された負極板を積層した発電要素を収納し密封した構成を有している。また、上記の各電極板(正極板及び負極板)と導通される正極(端子)リード45および負極(端子)リード47が、各電極板の正極集電体35及び負極集電体41に超音波溶接や抵抗溶接等により取り付けられ、上記熱融着部に挟まれて上記の電池外装材33の外部に露出される構造を有している。
FIG. 7 shows a schematic cross-sectional view of a flat (stacked) polymer lithium ion secondary battery that is not a bipolar type. In the polymer lithium ion
上記バイポーラ型でないポリマーリチウムイオン二次電池は、扁平型(積層型)の電池構造にすることが好ましい。巻回型(円筒型)の電池構造とする場合には、正極および負極リード端子を取り出す個所のシール性を高めることが困難な場合があり、電気自動車やハイブリッド電気自動車に搭載する高エネルギー密度、高出力密度の電池では、リード端子取り出し部位のシール性の長期の信頼性を確保できないためおそれがあるが、扁平型の構造を採用することで簡単な熱圧着などのシール技術により長期信頼性を確保でき、コスト面や作業性の点でも有利である。 The non-bipolar polymer lithium ion secondary battery preferably has a flat (stacked) battery structure. In the case of a wound (cylindrical) battery structure, it may be difficult to improve the sealing performance at the location where the positive electrode and negative electrode lead terminals are taken out, and the high energy density mounted on the electric vehicle or hybrid electric vehicle, High-power density batteries may not be able to ensure long-term reliability of the sealing performance of the lead terminal extraction site, but by adopting a flat structure, long-term reliability is achieved by simple sealing technology such as thermocompression bonding. This is advantageous in terms of cost and workability.
ここで、上記電極層(正極層および負極層)に、上述したように、電極層内の導電材微粒子同士の間が、電極層厚さ方向に該電極層表面から集電体表面に至るまで接した状態で繋がっており、該電極層内の電極活物質微粒子の表面の一部が、該導電材微粒子に接した状態であるものを利用するものであり、他の構成要件に関しては、特に制限されるべきものではない。 Here, as described above, in the electrode layer (positive electrode layer and negative electrode layer), between the conductive material fine particles in the electrode layer reaches from the surface of the electrode layer to the surface of the current collector in the electrode layer thickness direction. Are connected in contact with each other, and a part of the surface of the electrode active material fine particles in the electrode layer is in contact with the conductive material fine particles. It should not be restricted.
よって、上記ポリマーリチウムイオン二次電池の電極には、リチウムイオンを吸蔵・放出できる正極と、リチウムイオンを吸蔵・放出できる負極を用い、電極以外の発電要素には、電解質層として、高分子電解質(ゲル状もしくは固体状高分子を用いてなるゲル電解質若しくは固体電解質、またはセパレータを含む固体電解質若しくはゲル電解質)を用いることができる。 Therefore, a positive electrode capable of inserting and extracting lithium ions and a negative electrode capable of inserting and extracting lithium ions are used for the electrodes of the polymer lithium ion secondary battery, and a polymer electrolyte is used as an electrolyte layer for power generation elements other than the electrodes. (A gel electrolyte or a solid electrolyte using a gel-like or solid polymer, or a solid electrolyte or a gel electrolyte including a separator) can be used.
正極には、正極集電体および正極活物質層のほか、正極集電体の先端部に取り付けられた正極端子リードまでを含めて称する場合もある。正極板は、正極集電体のうち正極活物質層を具備する反応部をいうものとする。負極には、負極集電体および負極活物質層のほか、負極集電体の先端部に取り付けられた負極端子リードまでを含めて称する場合もある。負極板は、負極集電体のうち負極活物質層を具備する反応部をいうものとする。したがって、本発明の発電素子は、発電素子を構成する負極板と、該負極板と電気的に接続される負極端子リードと、電解質層と、正極板と、該正極板と電気的に接続される正極端子リードとが具備されてなるものといえる。 In addition to the positive electrode current collector and the positive electrode active material layer, the positive electrode may be referred to as including the positive electrode terminal lead attached to the tip of the positive electrode current collector. The positive electrode plate refers to a reaction part including a positive electrode active material layer in the positive electrode current collector. In addition to the negative electrode current collector and the negative electrode active material layer, the negative electrode may be referred to as including a negative electrode terminal lead attached to the tip of the negative electrode current collector. A negative electrode plate shall mean the reaction part which comprises a negative electrode active material layer among negative electrode collectors. Therefore, the power generating element of the present invention is electrically connected to the negative electrode plate constituting the power generating element, the negative electrode terminal lead electrically connected to the negative electrode plate, the electrolyte layer, the positive electrode plate, and the positive electrode plate. It can be said that a positive electrode terminal lead is provided.
本発明で用いることのできる正・負極集電体としては、特に制限されるものではなく、従来公知のものを利用することができる。例えば、アルミニウム箔、ステンレス(SUS)箔、ニッケルとアルミニウムのクラッド材、銅とアルミニウムのクラッド材、SUSとアルミニウムのクラッド材あるいはこれらの金属の組み合わせのめっき材などが好ましく使える。また、金属表面に、アルミニウムを被覆させた集電体であってもよい。また、場合によっては、2つ以上の金属箔を張り合わせた集電体を用いてもよい。複合集電体を用いる場合、正極集電体の材料としては、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、SU
S、チタンなどの導電性金属を用いることができるが、アルミニウムが特に好ましい。一方、負極集電体の材料としては、例えば、銅、ニッケル、銀、SUSなどの導電性金属を用いることができるが、SUS及びニッケル等が特に好ましい。また、複合集電体においては、正極集電体と負極集電体とは、互いに直接あるいは第三の材料からなる導電性を有する中間層を介して電気的に接続していれば良い。
The positive and negative electrode current collectors that can be used in the present invention are not particularly limited, and conventionally known ones can be used. For example, aluminum foil, stainless steel (SUS) foil, nickel-aluminum clad material, copper-aluminum clad material, SUS-aluminum clad material, or a plated material of a combination of these metals can be preferably used. Further, a current collector in which a metal surface is coated with aluminum may be used. Moreover, you may use the electrical power collector which bonded 2 or more metal foil depending on the case. When a composite current collector is used, examples of the material of the positive electrode current collector include aluminum, aluminum alloy, and SU.
A conductive metal such as S or titanium can be used, but aluminum is particularly preferable. On the other hand, as the material of the negative electrode current collector, for example, conductive metals such as copper, nickel, silver, and SUS can be used, and SUS and nickel are particularly preferable. Further, in the composite current collector, the positive electrode current collector and the negative electrode current collector may be electrically connected to each other directly or via a conductive intermediate layer made of a third material.
複合集電体における正極集電体および負極集電体の各厚みは、通常通りでよく両集電体とも、例えば、1〜100μm程度である。好ましくは電極の薄膜化の観点から、集電体(複合集電体を含む)の厚さが100μm以下、好ましくは1〜50μmであるのが望ましい。 Each thickness of the positive electrode current collector and the negative electrode current collector in the composite current collector may be as usual, and both current collectors are, for example, about 1 to 100 μm. The thickness of the current collector (including the composite current collector) is preferably 100 μm or less, preferably 1 to 50 μm from the viewpoint of thinning the electrode.
上記正極層内では、正極活物質、電子伝導性を高めるための導電材が含まれ、他にバインダ(結着材ともいう)、イオン伝導性を高めるための電解質支持塩(リチウム塩)、電解質材料および添加剤などが含まれ得る。 In the positive electrode layer, a positive electrode active material, a conductive material for increasing electronic conductivity are included, a binder (also referred to as a binder), an electrolyte supporting salt (lithium salt) for increasing ionic conductivity, and an electrolyte. Materials and additives can be included.
このうち、正極活物質部を構成するものとしては、正極活物質、バインダ(結着材ともいう)、イオン伝導性を高めるためのリチウム塩および電解質材料などが含まれ得る。一方、導電材部を構成するものとしては、電子伝導性を高めるための導電材、バインダなどが含まれ得る。さらに、正極活物質部とは別に高分子電解質部を設ける場合には、該高分子電解質部を構成するものとしては、電解質材料、イオン伝導性を高めるためのリチウム塩、バインダなどが含まれ得る。 Among these, what constitutes the positive electrode active material part may include a positive electrode active material, a binder (also referred to as a binder), a lithium salt for increasing ion conductivity, an electrolyte material, and the like. On the other hand, what constitutes the conductive material portion may include a conductive material, a binder, and the like for enhancing electronic conductivity. Further, when the polymer electrolyte part is provided separately from the positive electrode active material part, the constituents of the polymer electrolyte part may include an electrolyte material, a lithium salt for increasing ion conductivity, a binder, and the like. .
上記正極活物質としては、遷移金属とリチウムとの複合酸化物(リチウム−遷移金属複合酸化物)を好適に使用できる。具体的には、LiMnO2、LiMn2O4などのLi−Mn系複合酸化物、LiCoO2などのLi−Co系複合酸化物、Li2Cr2O7、Li2CrO4などのLi−Cr系複合酸化物など、LiNiO2などのLi−Ni系複合酸化物、LixFeOy、LiFeO2などのLi−Fe系複合酸化物、LixVyOzなどのLi−V系複合酸化物およびこれらの遷移金属の一部を他の元素により置換したもの(例えば、LiNixCo1−xO2(0<x<1)等)などが使用できるなど、Li金属酸化物から選択し使用するが、本発明はこれらの材料に限定されるものではない。これらリチウム−遷移金属複合酸化物は、反応性、サイクル耐久性に優れ、低コストな材料である。そのためこれらの材料を電極に用いることにより、出力特性に優れた電池を形成することができる点で有利である。この他、LiFePO4などの遷移金属とリチウムのリン酸化合物や硫酸化合物;V2O5、MnO2、TiS2、MoS2、MoO3などの遷移金属酸化物や硫化物;PbO2、AgO、NiOOHなどが挙げられる。上記正極活物質の中では、Li−Mn系複合酸化物が望ましい。これは、Li−Mn系複合酸化物を用いることにより、プロファイルを傾けることが可能となり、異常時信頼性が向上するためである。その結果、各単電池層及びバイポーラ電池全体の電圧の検知が容易になる利点を有する。正極活物質の平均粒径に関しては、既に説明したとおりである。 As said positive electrode active material, the composite oxide (lithium-transition metal composite oxide) of a transition metal and lithium can be used conveniently. Specifically, Li—Mn composite oxides such as LiMnO 2 and LiMn 2 O 4 , Li—Co composite oxides such as LiCoO 2 , Li—Cr such as Li 2 Cr 2 O 7 and Li 2 CrO 4. Li-Ni composite oxides such as LiNiO 2 , Li-Fe composite oxides such as Li x FeO y and LiFeO 2, and Li-V composite oxides such as Li x V y O z And selected from Li metal oxides such as those obtained by substituting a part of these transition metals with other elements (for example, LiNi x Co 1-x O 2 (0 <x <1), etc.) However, the present invention is not limited to these materials. These lithium-transition metal composite oxides are excellent in reactivity and cycle durability and are low-cost materials. Therefore, using these materials for the electrodes is advantageous in that a battery having excellent output characteristics can be formed. In addition, transition metal and lithium phosphate compounds and sulfate compounds such as LiFePO 4 ; transition metal oxides and sulfides such as V 2 O 5 , MnO 2 , TiS 2 , MoS 2 , and MoO 3 ; PbO 2 , AgO, NiOOH etc. are mentioned. Among the positive electrode active materials, a Li—Mn composite oxide is desirable. This is because by using the Li—Mn-based composite oxide, the profile can be tilted, and the reliability at the time of abnormality is improved. As a result, there is an advantage that the voltage of each single cell layer and the entire bipolar battery can be easily detected. The average particle diameter of the positive electrode active material is as already described.
導電材としては、アセチレンブラック、カーボンブラック、グラファイト、種々炭素繊維、カーボンナノチューブ等が挙げられる。ただし、ただし、これらに限られるわけではない。導電材の平均粒径に関しても、既に説明したとおりである。 Examples of the conductive material include acetylene black, carbon black, graphite, various carbon fibers, and carbon nanotubes. However, it is not necessarily limited to these. The average particle size of the conductive material is also as already described.
バインダとしては、ポリフッ化ビニリデン、SBR(スチレン−ブタジエンゴム)、ポリイミドなどが使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。 As the binder, polyvinylidene fluoride, SBR (styrene-butadiene rubber), polyimide, or the like can be used. However, it is not necessarily limited to these.
電解質層に高分子電解質を用いる場合には、正極層にも電解質が含まれていることが望ましい。正極層における正極活物質微粒子や導電材微粒子間の空隙等に電解質を充填することによって、正極層におけるイオン伝導がスムーズになり、バイポーラ電池全体として
の出力向上が図れるためである。一方、電解質層に高分子ゲル電解質(電解液を含む)や電解液をセパレータに含浸させて用いる場合には、正極層に電解質が含まれていなくてもよく、正極活物質微粒子同士を結びつける従来公知の結着材が含まれていればよい。
When a polymer electrolyte is used for the electrolyte layer, it is desirable that the positive electrode layer also contains an electrolyte. This is because by filling the gaps between the positive electrode active material fine particles and the conductive material fine particles in the positive electrode layer with an electrolyte, the ion conduction in the positive electrode layer becomes smooth and the output of the entire bipolar battery can be improved. On the other hand, when a separator is impregnated with a polymer gel electrolyte (including an electrolytic solution) or an electrolytic solution in the electrolyte layer, the positive electrode layer may not contain an electrolyte, and the positive electrode active material fine particles are linked together. What is necessary is just to contain a well-known binder.
高分子固体電解質用高分子としては、特に限定されるものではなく、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリプロピレンオキシド(PPO)、これらの共重合体などが挙げられる。かようなポリアルキレンオキシド系高分子は、LiBF4、LiPF6、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2などのリチウム塩をよく溶解しうる。また、架橋構造を形成することによって、優れた機械的強度が発現する。本発明において高分子固体電解質は、正極活物質層または負極活物質層の少なくとも一方に含まれる。ただし、バイポーラ電池の電池特性をより向上させるためには、双方に含まれることが好適である。 The polymer for the polymer solid electrolyte is not particularly limited, and examples thereof include polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), and copolymers thereof. Such polyalkylene oxide polymers can well dissolve lithium salts such as LiBF 4 , LiPF 6 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , and LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 . Moreover, excellent mechanical strength is exhibited by forming a crosslinked structure. In the present invention, the polymer solid electrolyte is contained in at least one of the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer. However, in order to further improve the battery characteristics of the bipolar battery, it is preferable to be included in both.
リチウム塩としては、LiBETI(リチウムビス(パーフルオロエチレンスルホニルイミド);Li(C2F5SO2)2Nとも記載)、LiBF4、LiPF6、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2、LiBOB(リチウムビスオキサイドボレート)またはこれらの混合物などが使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。 Examples of the lithium salt include LiBETI (lithium bis (perfluoroethylenesulfonylimide); also referred to as Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N), LiBF 4 , LiPF 6 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 , LiBOB (lithium bisoxide borate) or a mixture thereof can be used. However, it is not necessarily limited to these.
電解質は、高分子電解質とリチウム塩などの支持塩のみで構成される全固体高分子電解質と、高分子に電解液を保持させた高分子ゲル電解質と、が挙げられる。ただし、これらはポリマーリチウムイオン二次電池の例であり、これらに何ら制限されるものではない。 Examples of the electrolyte include an all-solid polymer electrolyte composed only of a polymer electrolyte and a supporting salt such as a lithium salt, and a polymer gel electrolyte in which an electrolyte is held in a polymer. However, these are examples of polymer lithium ion secondary batteries, and are not limited to these.
全固体高分子電解質としては、特に限定されるものではなく、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリプロピレンオキシド(PPO)、これらの共重合体などが挙げられる。かようなポリアルキレンオキシド系高分子は、BETI、LiBF4、LiPF6、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2などのリチウム塩をよく溶解しうる。また、架橋構造を形成することによって、優れた機械的強度が発現する。 The all solid polymer electrolyte is not particularly limited, and examples thereof include polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), and copolymers thereof. Such a polyalkylene oxide polymer can well dissolve lithium salts such as BETI, LiBF 4 , LiPF 6 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , and LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 . Moreover, excellent mechanical strength is exhibited by forming a crosslinked structure.
また、高分子ゲル電解質としては、イオン導伝性を有する全固体高分子電解質に、電解液を含んだものであるが、さらに、リチウムイオン導伝性を持たない高分子(ホストポリマー)の骨格中に、同様の電解液を保持させたものも含まれる。 As the polymer gel electrolyte, an all-solid polymer electrolyte having ion conductivity containing an electrolyte solution, and further, a polymer (host polymer) skeleton having no lithium ion conductivity. Among them, the one in which a similar electrolytic solution is held is also included.
ここで、高分子ゲル電解質に含まれる電解液(電解質塩および可塑剤)としては、通常リチウムイオン電池で用いられるものであればよく、例えば、LiBOB(リチウムビスオキサイドボレート)、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiTaF6、LiAlCl4、Li2B10Cl10等の無機酸陰イオン塩、LiCF3SO3、Li(CF3SO2)2N、Li(C2F5SO2)2N等の有機酸陰イオン塩の中から選ばれる、少なくとも1種類のリチウム塩(電解質支持塩)を含み、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)等の環状カーボネート類;ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネート等の鎖状カーボネート類;テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジブトキシエタン等のエーテル類;γ−ブチロラクトン等のラクトン類;アセトニトリル等のニトリル類;プロピオン酸メチル等のエステル類;ジメチルホルムアミド等のアミド類;酢酸メチル、蟻酸メチルの中から選ばれる少なくともから1種類または2種以上を混合した、非プロトン性溶媒等の有機溶媒(可塑剤)を用いたものなどが使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。 Here, the electrolyte solution (electrolyte salt and plasticizer) contained in the polymer gel electrolyte may be any one that is usually used in a lithium ion battery. For example, LiBOB (lithium bisoxide borate), LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiTaF 6 , LiAlCl 4 , Li 2 B 10 Cl 10 and other inorganic acid anion salts, LiCF 3 SO 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, Li (C 2 F 5 SO 2 ) selected from organic acid anion salts such as 2 N, wherein at least one lithium salt (electrolyte support salt), propylene carbonate (PC), cyclic carbonates such as ethylene carbonate (EC); dimethyl carbonate, Chain carbonates such as methyl ethyl carbonate and diethyl carbonate; Ethers such as lahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,4-dioxane, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-dibutoxyethane; lactones such as γ-butyrolactone; nitriles such as acetonitrile; methyl propionate, etc. Esters of amides; Amides such as dimethylformamide; Those using an organic solvent (plasticizer) such as an aprotic solvent mixed with at least one selected from methyl acetate and methyl formate Can be used. However, it is not necessarily limited to these.
高分子ゲル電解質に用いられるリチウムイオン導伝性を持たない高分子としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリビニルクロライド(PVC)、ポリアクリ
ロニトリル(PAN)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)などのゲル化ポリマーを形成するモノマーが使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。なお、PAN、PMMAなどは、どちらかと言うとイオン伝導性がほとんどない部類に入るものであるため、上記イオン伝導性を有する高分子とすることもできるが、ここでは高分子ゲル電解質に用いられるリチウムイオン導伝性を持たない高分子として例示したものである。
Examples of the polymer having no lithium ion conductivity used in the polymer gel electrolyte include gels such as polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl chloride (PVC), polyacrylonitrile (PAN), and polymethyl methacrylate (PMMA). Monomers that form fluorinated polymers can be used. However, it is not necessarily limited to these. Note that PAN, PMMA, etc. are in a class that has almost no ionic conductivity, and therefore can be a polymer having the above ionic conductivity, but here, they are used for a polymer gel electrolyte. This is exemplified as a polymer having no lithium ion conductivity.
高分子ゲル電解質中のホストポリマーと電解液との比率(質量比)は、使用目的などに応じて決定すればよいが、2:98〜90:10の範囲である。すなわち、電極活物質層の外周部からの電解質の染み出しについても、絶縁層や絶縁処理部を設けることで効果的にシールすることができる。そのため、上記高分子ゲル電解質中のホストポリマーと電解液との比率(質量比)に関しても、比較的電池特性を優先したものとすることができる。 The ratio (mass ratio) between the host polymer and the electrolytic solution in the polymer gel electrolyte may be determined according to the purpose of use, but is in the range of 2:98 to 90:10. That is, electrolyte leakage from the outer peripheral portion of the electrode active material layer can be effectively sealed by providing an insulating layer and an insulating treatment portion. Therefore, it is possible to give priority to battery characteristics relatively with respect to the ratio (mass ratio) between the host polymer and the electrolytic solution in the polymer gel electrolyte.
上記添加剤としては、例えば、電池の性能や寿命を高めるためのトリフルオロプロピレンカーボネート、補強材として各種フィラーなどが挙げられる。 Examples of the additive include trifluoropropylene carbonate for enhancing battery performance and life, and various fillers as reinforcing materials.
正極層において、電極活物質部や導電材部、更には電解質部等をそれぞれ構成するのに用いられる正極活物質、導電材、結着材、電解質(ホストポリマー、電解液など)、リチウム塩、添加剤等の成分配合量は、電池の使用目的(出力重視、エネルギー重視など)、イオン伝導性等を充分に考慮して決定すべきである。例えば、正極層内におけるポリマー電解質の配合量が少なすぎると、正極層内でのLiイオン伝導抵抗やLiイオン拡散抵抗が大きくなり、電池性能が低下してしまう。一方、正極層内におけるポリマー電解質の配合量が多すぎると、電池のエネルギー密度が低下してしまう。従って、これらの要因を考慮して、目的に合致した高分子(ゲル)電解質量を決定する。 In the positive electrode layer, the positive electrode active material, the conductive material, the binder, the electrolyte (host polymer, electrolyte solution, etc.), lithium salt, The amount of components such as additives should be determined in consideration of the purpose of use of the battery (emphasis on output, emphasis on energy, etc.), ion conductivity, and the like. For example, if the blending amount of the polymer electrolyte in the positive electrode layer is too small, the Li ion conduction resistance and the Li ion diffusion resistance in the positive electrode layer are increased, and the battery performance is deteriorated. On the other hand, when the blending amount of the polymer electrolyte in the positive electrode layer is too large, the energy density of the battery is lowered. Therefore, in consideration of these factors, the polymer (gel) electrolytic mass that meets the purpose is determined.
正極層の厚さとしては、上述の通りであるため、ここではその記載を省略する。 Since the thickness of the positive electrode layer is as described above, the description thereof is omitted here.
なお、正極層を形成するには、上述したように、各インクによる印刷塗布方法を用いて形成してなるのが望ましい。本発明では、インクジェット方式による塗布方法を用いて形成されていることがより望ましい。 In addition, in order to form a positive electrode layer, it is desirable to form using the printing application | coating method by each ink as mentioned above. In the present invention, it is more preferable that the film is formed by using an ink jet method.
また、本発明では、正極層のほか、さらには後述する負極層や電解質層や絶縁材、シール材などが、インクジェット方式で印刷する塗布方法を用いて形成されていることがより望ましい。これは、上記したように、任意の位置に活物質や導電材などを配列して形成することができ、複雑かつ微細な配列(パターン)であっても、何ら生産性を損なうことなく、極めて精巧に配列(パターン)を形成することができるため、数十〜数百層もの単電池を積層するような場合など、極めて有効な電極層等の形成手段となり得るものである。なお、インクジェット方式で印刷する塗布方法に関しては、後述する実施例において詳しく説明しており、ここでの説明は省略する。ただし、本発明では、後述する実施例によるものに何ら制限されるべきものではなく、従来公知のインクジェット技術を適宜利用して、上記電極層などを形成することができることはいうまでもない。 In the present invention, in addition to the positive electrode layer, a negative electrode layer, an electrolyte layer, an insulating material, a sealing material, and the like, which will be described later, are more preferably formed using a coating method in which printing is performed by an inkjet method. As described above, this can be formed by arranging an active material or a conductive material at an arbitrary position, and even if it is a complicated and fine arrangement (pattern), it does not impair productivity at all. Since an arrangement (pattern) can be precisely formed, it can be an extremely effective means for forming an electrode layer or the like, for example, when tens to hundreds of single cells are stacked. The application method for printing by the ink jet method has been described in detail in the examples described later, and description thereof is omitted here. However, the present invention should not be limited to the examples described later, and it is needless to say that the electrode layer and the like can be formed by appropriately using conventionally known ink jet technology.
上記負極層内では、負極活物質、電子伝導性を高めるための導電材(ただし、負極活物質がカーボンなどの電子伝導性に優れる場合には、特に用いなくても良い)が含まれ、他にバインダ、イオン伝導性を高めるためのリチウム塩、電解質などが含まれ得る。このうち、負極活物質部を構成するものとしては、負極活物質、バインダ、イオン伝導性を高めるためのリチウム塩および電解質材料などが含まれ得る。一方、導電材部を構成するものとしては、電子伝導性を高めるための導電材、バインダなどが含まれ得る。さらに、負極活物質部とは別に電解質部を設ける場合には、該電解質部を構成するものとしては、電解質材料、イオン伝導性を高めるためのリチウム塩、バインダなどが含まれ得る。 The negative electrode layer contains a negative electrode active material, a conductive material for enhancing electronic conductivity (however, when the negative electrode active material is excellent in electronic conductivity such as carbon, etc., it may not be used). In addition, a binder, a lithium salt for increasing ion conductivity, an electrolyte, and the like may be included. Among these, what constitutes the negative electrode active material part may include a negative electrode active material, a binder, a lithium salt for increasing ion conductivity, an electrolyte material, and the like. On the other hand, what constitutes the conductive material portion may include a conductive material, a binder, and the like for enhancing electronic conductivity. Furthermore, when an electrolyte part is provided separately from the negative electrode active material part, the electrolyte part may include an electrolyte material, a lithium salt for increasing ion conductivity, a binder, and the like.
負極活物質の種類以外は、基本的に正極層の項で記載した内容と同様であるため、ここでは説明を省略する。 Since the contents other than the type of the negative electrode active material are basically the same as the contents described in the section of the positive electrode layer, description thereof is omitted here.
上記負極活物質としては、各種の天然黒鉛や人造黒鉛、例えば繊維状黒鉛、鱗片状黒鉛、球状黒鉛などの黒鉛類、および金属化合物、金属酸化物、Li金属化合物、Li金属酸化物(リチウム−遷移金属複合酸化物を含む)、ホウ素添加炭素などが挙げられる。これらは1種単独で使用しても良いし、2種以上を併用して用いても良い。具体的には、上記カーボンとしては、例えば、グラファイトカーボン、ハードカーボン、ソフトカーボンなど、従来公知のカーボン材料が挙げられる。上記金属化合物としては、LiAl、LiZn、Li3Bi、Li3Cd、Li3Sd、Li4Si、Li4.4Pb、Li4.4Sn、Li0.17C(LiC6)等が挙げられる。上記金属酸化物としては、SnO、SnO2、GeO、GeO2、In2O、In2O3、PbO、PbO2、Pb2O3、Pb3O4、Ag2O、AgO、Ag2O3、Sb2O3、Sb2O4、Sb2O5、SiO、ZnO、CoO、NiO、FeO等が挙げられる。Li金属化合物としては、Li3FeN2、Li2.6Co0.4N、Li2.6Cu0.4N等が挙げられる。Li金属酸化物(リチウム−遷移金属複合酸化物)としては、Li4Ti5O12などLixTiyOzで表されるリチウム−チタン複合酸化物等が挙げられる。上記ホウ素添加炭素としては、ホウ素添加カーボン、ホウ素添加グラファイト等が挙げられる。ただし、本発明では、これらに制限されるべきものではなく従来公知のものを適宜利用することができる。上記ホウ素添加炭素中のホウ素の含有量は0.1〜10質量%の範囲が望ましいが、これに制限されるべきものではない。好ましくは結晶性炭素材、非結晶性炭素材から選ばれるものである。これらを用いることで、プロファイルを傾けることが可能となり、各単電池層及びバイポーラ全体の電圧の検知が容易になるからである。ここでいう結晶性炭素材とは、グラファイト系炭素材料をいい、上記グラファイトカーボンなどがこれに含まれる。非結晶性炭素材とは、ハードカーボン系炭素材料をいい、上記ハードカーボンなどがこれに含まれる。負極層の厚さは、正極層と同様に、上述の通りであるため、ここではその説明を省略する。
Examples of the negative electrode active material include various natural graphites and artificial graphites, for example, graphites such as fibrous graphite, scaly graphite, and spherical graphite, and metal compounds, metal oxides, Li metal compounds, Li metal oxides (lithium- Transition metal composite oxide), boron-added carbon and the like. These may be used alone or in combination of two or more. Specifically, examples of the carbon include conventionally known carbon materials such as graphite carbon, hard carbon, and soft carbon. Examples of the metal compound include LiAl, LiZn, Li 3 Bi, Li 3 Cd, Li 3 Sd, Li 4 Si, Li 4.4 Pb, Li 4.4 Sn, Li 0.17 C (LiC 6 ), and the like. It is done. The metal oxides, SnO, SnO 2, GeO, GeO 2, In 2 O, In 2 O 3, PbO,
上記電解質層としては、(a)高分子ゲル電解質、(b)高分子固体電解質または(c)これらポリマー電解質ないし電解液を含浸させたセパレータ(不織布セパレータを含む。以下、同様とする)、のいずれにも適用し得るものである。ただし、これらはポリマーリチウムイオン二次電池の例であり、本発明では、絶縁層シール材を用いて各電解質層ごとにシールすることにより、セパレータに電解液を含浸させてなる液系電解質を用いることもできることはいうまでもない。上記(a)高分子ゲル電解質および(b)高分子固体電解質に関しては、正極層に用いられる電解質と同様のものを用いることができるため、ここでの説明は省略する。上記(c)上記ポリマー電解質ないし電解液(電解質塩および可塑剤)を含浸させたセパレータにおいて、電解質は、正極層に用いられる電解質で既に説明したものと同様のものを用いることができるため、ここでの説明は省略する。 As the electrolyte layer, (a) a polymer gel electrolyte, (b) a polymer solid electrolyte, or (c) a separator impregnated with these polymer electrolytes or electrolytic solutions (including a nonwoven fabric separator; the same shall apply hereinafter). It can be applied to both. However, these are examples of polymer lithium ion secondary batteries, and in the present invention, a liquid electrolyte is used in which an electrolyte is impregnated in a separator by sealing each electrolyte layer with an insulating layer sealing material. It goes without saying that it can also be done. Regarding (a) the polymer gel electrolyte and (b) the polymer solid electrolyte, since the same electrolyte as that used for the positive electrode layer can be used, the description thereof is omitted here. (C) In the separator impregnated with the polymer electrolyte or the electrolytic solution (electrolyte salt and plasticizer), the electrolyte can be the same as that already described for the electrolyte used for the positive electrode layer. The description in is omitted.
上記セパレータとしては、特に制限されるべきものではなく、従来公知のものを用いることができるものであり、例えば、上記電解質を吸収保持するポリマーからなる多孔性シート(例えば、ポリオレフィン系微多孔質セパレータなど)などを用いることができる。有機溶媒に対して化学的に安定であるという性質を持つ上記ポリオレフィン系微多孔質セパレータは、電解質(電解液)との反応性を低く抑えることができるという優れた効果を有するものである。 The separator is not particularly limited, and a conventionally known separator can be used. For example, a porous sheet made of a polymer that absorbs and holds the electrolyte (for example, a polyolefin microporous separator). Etc.) can be used. The polyolefin microporous separator having the property of being chemically stable to an organic solvent has an excellent effect that the reactivity with the electrolyte (electrolytic solution) can be kept low.
該ポリマーの材質としては、例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、PP/PE/PPの3層構造をした積層体、ポリイミドなどが挙げられる。 Examples of the polymer material include polyethylene (PE), polypropylene (PP), a laminate having a three-layer structure of PP / PE / PP, and polyimide.
上記セパレータの厚みとして、使用用途により異なることから一義的に規定することは
できないが、電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)などのモータ駆動用二次電池などの用途においては、電池の薄膜化の観点から、単層あるいは多層で1〜60μmであることが望ましい。セパレータの厚さが、かかる範囲にあることでセパレータに微粒が食い込むことによって発生する短絡の防止と、高出力のために電極間を狭くすることが望ましいという理由から、厚さ方向の機械的強度と高出力性の確保という効果がある。また電池を複数接続する場合には、電極面積が増大することから、電池の信頼性を高めるために上記範囲のなかでも厚形のセパレータを用いることが望ましい。
The thickness of the separator cannot be unambiguously defined because it varies depending on the intended use. However, in applications such as secondary batteries for driving motors such as electric vehicles (EV) and hybrid electric vehicles (HEV), the thickness of the separator From the viewpoint of thinning, it is desirable that the thickness is 1 to 60 μm in a single layer or multiple layers. The mechanical strength in the thickness direction is desirable because the thickness of the separator is within such a range, and it is desirable to narrow the gap between the electrodes for high output and prevention of short-circuiting caused by fine particles entering the separator. And there is an effect of ensuring high output performance. In addition, when a plurality of batteries are connected, the electrode area increases, so that it is desirable to use a thick separator in the above range in order to increase the reliability of the battery.
上記セパレータの微細孔の径は、最大で1μm以下(通常、数十nm程度の孔径である)であることが望ましい。セパレータの微細孔の平均径が、上記範囲にあることで熱によってセパレータが溶融して微細孔が閉じる「シャットダウン現象」が速やかに起きるという理由から、異常時信頼性が上がり、その結果として耐熱性が向上するという効果がある。すなわち、過充電で電池温度が上昇していったとき(異常時)に、セパレータが溶融して微細孔が閉じる「シャットダウン現象」が速やかに起きることで、電池(電極)の正極(+)から負極(−)側にLiイオンが通れなくなり、それ以上は充電できなくなる。そのため過充電できなくなり、過充電が解消する。その結果、電池の耐熱性(安全性)が向上するほか、ガスがでて電池外装材の熱融着部(シール部)が開くのを防止できる。ここでセパレータの微細孔の平均径は、セパレータを走査電子顕微鏡等で観察し、その写真をイメージアナライザ等で統計的に処理した平均径として算出される。 The fine pore diameter of the separator is desirably 1 μm or less (usually a pore diameter of about several tens of nm). Due to the fact that the average diameter of the micropores in the separator is within the above range, the “shutdown phenomenon” that the separator melts due to heat and the micropores close quickly occurs, resulting in higher reliability during abnormalities, resulting in heat resistance. Has the effect of improving. In other words, when the battery temperature rises due to overcharging (in an abnormal state), the “shutdown phenomenon” that the separator melts and closes the micropores occurs quickly, so that the positive electrode (+) of the battery (electrode) Li ions cannot pass through to the negative electrode (−) side, and no further charge is possible. As a result, overcharging cannot be performed and overcharging is eliminated. As a result, the heat resistance (safety) of the battery is improved, and it is possible to prevent gas from being released and the heat fusion part (seal part) of the battery exterior material from being opened. Here, the average diameter of the micropores of the separator is calculated as an average diameter obtained by observing the separator with a scanning electron microscope or the like and statistically processing the photograph with an image analyzer or the like.
上記セパレータの空孔率は20〜50%であることが望ましい。セパレータの空孔率が、上記範囲にあることで電解質(電解液)の抵抗による出力低下の防止と、微粒がセパレータの空孔(微細孔)を貫くことによる短絡の防止という理由から出力と信頼性の両方を確保するという効果がある。ここでセパレータの空孔率とは、原材料レジンの密度と最終製品のセパレータの密度から体積比として求められる値である。 The separator preferably has a porosity of 20 to 50%. The separator's porosity is within the above range, preventing output from being reduced due to the resistance of the electrolyte (electrolyte), and preventing the short circuit caused by fine particles penetrating the separator's pores (micropores). It has the effect of securing both sexes. Here, the porosity of the separator is a value obtained as a volume ratio from the density of the raw material resin and the density of the separator of the final product.
上記セパレータへの電解質の含浸量は、セパレータの保持能力範囲まで含浸させればよいが、当該保持能力範囲を超えて含浸させてもよい。これは、電解質にシール部を設け、電解質層からの電解液の染み出しを防止できるため、該電解質層に保持できる範囲であれば含浸可能である。 The amount of electrolyte impregnated into the separator may be impregnated up to the holding capacity range of the separator, but may be impregnated beyond the holding capacity range. This can be impregnated as long as it can be retained in the electrolyte layer because a seal portion is provided in the electrolyte and the electrolyte solution can be prevented from exuding from the electrolyte layer.
電解質を保持させる為に用いる不織布セパレータとしては、特に制限されるべきものではなく、繊維を絡めてシート化することにより製造することができる。また、加熱によって繊維同士を融着することにより得られるスパンボンド等も用いることができる。すなわち、繊維を適当な方法でウェブ(薄綿)状またはマット状に配列させ、適当な接着剤あるいは繊維自身の融着力により接合して作ったシート状のものであればよい。上記接着剤としては、製造及び使用時の温度下で十分な耐熱性を有し、ゲル電解質に対しても反応性や溶解性等がなく安定したものであれば、特に制限されるべきものではなく、従来公知のものを利用できる。また、使用繊維としては、特に制限されるものではなく、例えば、綿、レーヨン、アセテート、ナイロン、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリエチレンなどのポリオレフィン、ポリイミド、アラミドなど従来公知のものを用いることができ、使用目的(電解質層に要求される機械強度など)に応じて、単独または混合して用いる。また、不織布のかさ密度は、含浸させた高分子ゲル電解質により十分な電池特性を得られるものであればよく、特に制限されるべきものではない。すなわち、あまり不織布のかさ密度が大きすぎると、電解質層中の非電解質材料が占める割合が大きくなりすぎ、電解質層におけるイオン伝導度などを損なうおそれがあるためである。 The nonwoven fabric separator used for holding the electrolyte is not particularly limited, and can be manufactured by entwining the fibers into a sheet. Moreover, the spun bond etc. which are obtained by fusing fibers by heating can also be used. In other words, it may be in the form of a sheet formed by arranging fibers in a web (thin cotton) shape or mat shape by an appropriate method, and joining them using an appropriate adhesive or the fusing force of the fibers themselves. The adhesive is not particularly limited as long as it has sufficient heat resistance at the temperature during manufacture and use, and is stable without any reactivity or solubility with respect to the gel electrolyte. In addition, conventionally known ones can be used. In addition, the fiber used is not particularly limited, and for example, conventionally known fibers such as cotton, rayon, acetate, nylon, polyester, polypropylene, polyethylene such as polyethylene, polyimide, and aramid can be used. Depending on (such as mechanical strength required for the electrolyte layer), they are used alone or in combination. Further, the bulk density of the nonwoven fabric is not particularly limited as long as sufficient battery characteristics can be obtained by the impregnated polymer gel electrolyte. That is, if the bulk density of the nonwoven fabric is too large, the proportion of the non-electrolyte material in the electrolyte layer becomes too large, which may impair the ionic conductivity in the electrolyte layer.
不織布セパレータの空孔率は30〜70%であることが好ましい。空孔率が30%未満では、電解質の保持性が悪化し、70%超では強度が不足する。さらに、不織布セパレータの厚さは、電解質層と同じであればよく、好ましくは5〜20μmであり、特に好まし
くは5〜10μmである。厚さが5μm未満ではショート不良が増加電解質の保持性が悪化し、20μmを超える場合には抵抗が増大することになる。
The porosity of the nonwoven fabric separator is preferably 30 to 70%. When the porosity is less than 30%, the electrolyte retention deteriorates, and when it exceeds 70%, the strength is insufficient. Furthermore, the thickness of the nonwoven fabric separator may be the same as that of the electrolyte layer, and is preferably 5 to 20 μm, particularly preferably 5 to 10 μm. If the thickness is less than 5 μm, short-circuit defects increase, and the retention of the electrolyte deteriorates. If the thickness exceeds 20 μm, the resistance increases.
なお、上記(1)〜(3)の電解質層は、1つの電池の中で併用してもよい。 In addition, you may use together the electrolyte layer of said (1)-(3) in one battery.
また、高分子電解質は、電解質層、正極活物質層、負極活物質層に含まれ得るが、同一の高分子電解質を使用してもよく、層によって異なる高分子電解質を用いてもよい。 In addition, the polymer electrolyte may be contained in the electrolyte layer, the positive electrode active material layer, and the negative electrode active material layer, but the same polymer electrolyte may be used, or different polymer electrolytes may be used depending on the layer.
ところで、現在好ましく使用される高分子電解質用のホストポリマーは、PEO、PPOのようなポリエーテル系高分子である。このため、高温条件下における正極側での耐酸化性が弱い。従って、溶液系のリチウムイオン電池で一般に使用される、酸化還元電位の高い正極剤を使用する場合には、負極の容量が、高分子電解質層を介して対向する正極の容量より少ないことが好ましい。負極の容量が対向する正極の容量より少ないと、充電末期に正極電位が上がり過ぎることを防止できる。なお、正極および負極の容量は、正極および負極を製造する際の理論容量として、製造条件から求めることができる。完成品の容量を測定装置で直接測定してもよい。 By the way, a host polymer for a polymer electrolyte that is preferably used at present is a polyether polymer such as PEO and PPO. For this reason, the oxidation resistance on the positive electrode side under high temperature conditions is weak. Therefore, when using a positive electrode agent having a high oxidation-reduction potential that is generally used in a solution-type lithium ion battery, the capacity of the negative electrode is preferably smaller than the capacity of the positive electrode facing through the polymer electrolyte layer. . If the capacity of the negative electrode is less than the capacity of the opposing positive electrode, it is possible to prevent the positive electrode potential from rising excessively at the end of charging. In addition, the capacity | capacitance of a positive electrode and a negative electrode can be calculated | required from manufacturing conditions as theoretical capacity | capacitance at the time of manufacturing a positive electrode and a negative electrode. You may measure the capacity | capacitance of a finished product directly with a measuring device.
ただし、負極の容量を対向する正極の容量と比べて少ないと、負極電位が下がりすぎて電池の耐久性が損なわれる恐れがあるので充放電電圧に注意する必要がある。例えば、一のセル(単電池層)の平均充電電圧を使用する正極活物質の酸化還元電位に対して適切な値に設定して、耐久性が低下しないように注意する。 However, if the capacity of the negative electrode is smaller than the capacity of the opposing positive electrode, the negative electrode potential will be too low and the durability of the battery may be impaired, so it is necessary to pay attention to the charge / discharge voltage. For example, care should be taken not to lower the durability by setting the average charge voltage of one cell (single cell layer) to an appropriate value for the oxidation-reduction potential of the positive electrode active material.
電池を構成する電解質層の厚さは、特に限定するものではない。しかしながら、コンパクトな電池を得るためには、電解質としての機能が確保できる範囲で極力薄くすることが好ましい。かかる観点から、電解質層の厚さは5〜20μm、好ましくは5〜10μmである。 The thickness of the electrolyte layer constituting the battery is not particularly limited. However, in order to obtain a compact battery, it is preferable to make it as thin as possible as long as the function as an electrolyte can be secured. From this viewpoint, the thickness of the electrolyte layer is 5 to 20 μm, preferably 5 to 10 μm.
本発明において、正極板、負極板は、上述した電極の製造方法に説明した通りであるので、ここでの説明は省略する。電解質層に関しても、電極の製造方法と同様に、インクジェット方式で印刷する塗布方法を用いて形成してもよいし、従来と同様にコーターなどを用いて形成しても良い。これら正・負極板及び電解質層は、負極板の上側の負極活物質層を電解質層を介してその上方の正極板の正極活物質層に対向させると共に、負極板の下側の負極活物質層を電解質層を介してその下方の正極板の正極活物質層に対向させた状態で、これらを積層状態にして熱接合により一体化して、積層電極(発電素子)を構成している。 In the present invention, the positive electrode plate and the negative electrode plate are as described in the above-described electrode manufacturing method, and thus the description thereof is omitted here. The electrolyte layer may also be formed using an ink-jet printing method as in the electrode manufacturing method, or may be formed using a coater or the like as in the prior art. The positive and negative electrode plates and the electrolyte layer have the negative electrode active material layer on the upper side of the negative electrode plate opposed to the positive electrode active material layer of the positive electrode plate above the negative electrode plate and the negative electrode active material layer on the lower side of the negative electrode plate. In a state where the electrode is opposed to the positive electrode active material layer of the lower positive electrode plate through the electrolyte layer, these are laminated and integrated by thermal bonding to constitute a laminated electrode (power generation element).
上記電極端子リードに用いられる金属(合金を含む)としては、Cu、Feから選ばれる金属を用いることができるが、Al、SUS(ステンレス鋼)といった金属またはこれらを含む合金材料も同様に使用可能である。電極端子リード全体の抵抗増加を抑える観点からは、Cuを用いることが望ましい。さらに外装材の高分子材料との密着性を向上させるために、電極端子リードに表面被覆層を形成してもよい。表面被覆層にはNiが最も好適に使用できるが、Ag、Auといった金属材料も同様に使用可能である。 As a metal (including an alloy) used for the electrode terminal lead, a metal selected from Cu and Fe can be used, but a metal such as Al and SUS (stainless steel) or an alloy material including these can be used as well. It is. From the viewpoint of suppressing an increase in resistance of the entire electrode terminal lead, it is desirable to use Cu. Furthermore, a surface coating layer may be formed on the electrode terminal lead in order to improve the adhesion of the exterior material to the polymer material. Ni can be most preferably used for the surface coating layer, but metal materials such as Ag and Au can also be used.
また、電池外装材である高分子−金属を複合したラミネートフィルム(単に、高分子−金属複合ラミネートフィルムとも称する)としては、特に制限されるべきものではなく、高分子フィルム間に金属フィルムを配置し全体を積層一体化してなる従来公知のものを使用することができる。具体例としては、例えば、高分子フィルムからなる外装保護層(ラミネート最外層)、金属フィルム層、高分子フィルムからなる熱融着層(ラミネート最内層)のように配置し全体を積層一体化してなるものが挙げられる。詳しくは、外装材に用いられる高分子−金属複合ラミネートフィルムは、上記金属フィルムの両面に、高分子フ
ィルムとして、まず耐熱絶縁樹脂フィルムを形成し、少なくとも片面側の耐熱絶縁樹脂フィルム上に熱融着絶縁性フィルムが積層されたものである。かかるラミネートフィルムは、適当な方法にて熱融着させることにより、熱融着絶縁性フィルム部分が融着して接合し熱融着部が形成される。上記金属フィルムとしては、アルミニウムフィルム等が例示できる。また、上記絶縁性樹脂フィルムとしては、ポリエチレンテトラフタレートフィルム(耐熱絶縁性フィルム)、ナイロンフィルム(耐熱絶縁性フィルム)、ポリエチレンフィルム(熱融着絶縁性フィルム)、ポリプロピレンフィルム(熱融着絶縁性フィルム)等が例示できる。ただし、本発明の外装材は、これらに制限されるべきものではない。
In addition, a polymer-metal laminate film (also simply referred to as a polymer-metal composite laminate film) that is a battery exterior material is not particularly limited, and a metal film is disposed between the polymer films. However, a conventionally known one that is integrally laminated can be used. As specific examples, for example, an outer protective layer made of a polymer film (laminate outermost layer), a metal film layer, a heat-sealing layer made of a polymer film (laminate innermost layer), and the whole is laminated and integrated. The thing which becomes. Specifically, in the polymer-metal composite laminate film used for the exterior material, a heat-resistant insulating resin film is first formed as a polymer film on both surfaces of the metal film, and heat fusion is performed on at least one heat-resistant insulating resin film. An insulating insulating film is laminated. Such a laminate film is heat-sealed by an appropriate method, whereby the heat-welding insulating film portion is fused and joined to form a heat-sealing portion. An example of the metal film is an aluminum film. Moreover, as said insulating resin film, a polyethylene tetraphthalate film (heat-resistant insulating film), a nylon film (heat-resistant insulating film), a polyethylene film (heat-bonding insulating film), a polypropylene film (heat-bonding insulating film) ) Etc. can be illustrated. However, the exterior material of the present invention should not be limited to these.
こうしたラミネートフィルムでは、超音波溶着等により熱融着絶縁性フィルムを利用して1対ないし1枚(袋状)のラミネートフィルムの熱融着による接合を、容易かつ確実に行うことができる。なお、電池の長期信頼性を最大限高めるためには、ラミネートシートの構成要素である金属フィルム同士を直接接合してもよい。金属フィルム間にある熱融着性樹脂を除去もしくは破壊して金属フィルム同士を接合するには超音波溶着を用いることができる。 In such a laminate film, it is possible to easily and surely join one to one (bag-like) laminate films by heat fusion using a heat fusion insulating film by ultrasonic welding or the like. In order to maximize the long-term reliability of the battery, metal films that are constituent elements of the laminate sheet may be directly joined. Ultrasonic welding can be used to join the metal films by removing or destroying the heat-fusible resin between the metal films.
次に、バイポーラ型ポリマーリチウムイオン二次電池につき説明する。 Next, a bipolar polymer lithium ion secondary battery will be described.
バイポーラ型ポリマーリチウムイオン二次電池は、集電体の一方の面に正極層が形成され、他方の面に負極層が形成されたバイポーラ電極を、電解質層を挟んで複数枚直列に積層した構造をとる。バイポーラ型ポリマーリチウムイオン二次電池では、通常の電池に比べて単電池の電圧が高く、容量、出力特性に優れた電池を構成できる。また、電解質にゲル状もしくは固体状高分子を用いたポリマー電池であるので、液漏れが生じないので、液絡の問題が無く信頼性が高く、かつ簡易な構成で出力特性に優れたバイポーラ型ポリマーリチウムイオン二次電池を形成することができる点で有利である。更に、正極活物質としてリチウム−遷移金属複合酸化物を用いたバイポーラ型ポリマーリチウムイオン二次電池では、反応性、サイクル耐久性に優れ、低コストな材料であるから、これらの材料を正極電極に用いることにより、出力特性により優れた電池を形成することができる点で有利である。 A bipolar polymer lithium ion secondary battery has a structure in which a plurality of bipolar electrodes each having a positive electrode layer formed on one surface of a current collector and a negative electrode layer formed on the other surface are stacked in series with an electrolyte layer interposed therebetween. Take. In the bipolar polymer lithium ion secondary battery, a battery having a higher voltage and higher capacity and output characteristics than a normal battery can be constructed. In addition, since it is a polymer battery that uses a gel or solid polymer as the electrolyte, there is no liquid leakage, so there is no problem of liquid junction, high reliability, and simple structure with excellent output characteristics. This is advantageous in that a polymer lithium ion secondary battery can be formed. Furthermore, bipolar polymer lithium ion secondary batteries using a lithium-transition metal composite oxide as the positive electrode active material are excellent in reactivity, cycle durability, and low cost. Therefore, these materials can be used as the positive electrode. The use is advantageous in that a battery having better output characteristics can be formed.
以下、本発明のポリマー電池の好適な態様の1つである、バイポーラ型ポリマーリチウムイオン二次電池(以下、単にバイポーラポリマー電池とも称する)を図面を用いて説明するが、本発明がこれらに制限されるべきものではないことはいうまでもない。 Hereinafter, a bipolar polymer lithium ion secondary battery (hereinafter also simply referred to as a bipolar polymer battery), which is one of the preferred embodiments of the polymer battery of the present invention, will be described with reference to the drawings. It goes without saying that it should not be done.
図8には、バイポーラポリマー電池の全体構造を模式的に表わした概略断面図を示す。図8に示したように、バイポーラポリマー電池51では、1枚または2枚以上で構成される集電体53の片面に正極層(正極活物質層ともいう)55を設け、もう一方の面に本発明の負極層(負極活物質層ともいう)57を設けたバイポーラ電極59を、固体電解質層61を挟み隣合うバイポーラ電極59の電極層55、57が対向するようになっている。すなわち、バイポーラポリマー電池51では、集電体53の片方の面上に正極層55を有し、他方の面上に負極層57を有するバイポーラ電極59を、電解質層61を介して複数枚積層した構造の電極積層体(バイポーラ電池本体)63からなるものである。また、こうしたバイポーラ電極59を複数枚積層した電極積層体63の最上層と最下層の電極55a、57aは、バイポーラ電極構造でなくてもよく、集電体53(または端子板)に必要な片面のみの電極層(正極活物質層55aおよび負極活物質層57a)を配置した構造としてもよい。また、バイポーラポリマー電池51では、上下両端の集電体53にそれぞれ正極および負極リード65、67が接合されている。なお、バイポーラ電極の積層回数は、所望する電圧に応じて調節する。また、本発明のバイポーラポリマー電池51では、電極層の厚みを極力薄くできるため、バイポーラ電極59の積層回数を数十から数百まで高めることができ、電池として十分な出力を確保することができる。また、本発明のバイポ
ーラポリマー電池51では、使用する際の外部からの衝撃、環境劣化を防止するために、電極積層体部分を電池外装材(外装パッケージ)69に減圧封入し、電極リード65、67を電池外装材69の外部に取り出した構造とするのがよい。軽量化の観点からは、アルミニウム、ステンレス、ニッケル、銅などの金属(合金を含む)をポリプロピレンフィルム等の絶縁体で被覆した高分子−金属複合ラミネートフィルムなど、従来公知の電池外装材を用いて、その周辺部の一部または全部を熱融着にて接合することにより、電極積層体を収納し減圧封入(密封)し、電極リード65、67を電池外装材69の外部に取り出した構成とするのが好ましい。このバイポーラポリマー電池51の基本構成は、複数積層した単電池層(単セル)が直列に接続された構成ともいえるものである。
FIG. 8 is a schematic sectional view schematically showing the entire structure of the bipolar polymer battery. As shown in FIG. 8, in the
なお、バイポーラ型ポリマーリチウムイオン二次電池の構成要素に関しては、上述したバイポーラ型でないポリマーリチウムイオン二次電池の構成要素と同様であるものに関しては、その説明を省略する。 In addition, regarding the components of the bipolar polymer lithium ion secondary battery, the description of the same components as those of the non-bipolar polymer lithium ion secondary battery is omitted.
よって、集電体、正極層、負極層及び電解質層に関しては、その説明を省略する。 Therefore, the description of the current collector, the positive electrode layer, the negative electrode layer, and the electrolyte layer is omitted.
本発明のバイポーラ型のポリマーリチウムイオン二次電池に用いられる絶縁シート材(絶縁層)は、電池内で隣り合う集電体同士が接触したり、積層電極の端部の僅かな不ぞろいなどによる短絡が起こるのを防止する目的で、各電極の周囲に形成されてなるものであるが、本発明では、当該絶縁層の働きを有する樹脂群で電池集電体の外部を被覆(封止)するため、特に絶縁層を形成する必要はないが、本発明のバイポーラ電池では、電極の周囲に絶縁層を設ける実施形態を排除するものではない。 The insulating sheet material (insulating layer) used in the bipolar polymer lithium ion secondary battery of the present invention is a short circuit caused by contact between adjacent current collectors in the battery or slight unevenness at the end of the laminated electrode. In the present invention, the outside of the battery current collector is covered (sealed) with a resin group having the function of the insulating layer. Therefore, although it is not necessary to form an insulating layer in particular, the bipolar battery of the present invention does not exclude the embodiment in which the insulating layer is provided around the electrode.
該絶縁層に求められる多くの機能は本発明の樹脂群により提供されるため、絶縁層に用いられる材料としては、絶縁性のほか、電池動作温度下での耐熱性、耐電解液性等を有するものであればよく、例えば、エポキシ樹脂、ゴム、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミドなどが使用できるが、耐蝕性、耐薬品性、作り易さ(製膜性)、経済性などの観点からは、エポキシ樹脂が好ましい。 Since many functions required for the insulating layer are provided by the resin group of the present invention, as a material used for the insulating layer, in addition to insulating properties, heat resistance under battery operating temperature, resistance to electrolytic solution, etc. For example, epoxy resin, rubber, polyethylene, polypropylene, polyimide, etc. can be used. From the viewpoint of corrosion resistance, chemical resistance, ease of production (film formation), economy, etc., epoxy Resins are preferred.
正極および負極タブは、必要に応じて使用すればよい。すなわち、バイポーラ電池の積層(ないし巻回)構造によっては、最外部の集電体を電極端子として直接取り出しても良く、この場合には正極および負極端子(タブ)は用いなくとも良い。この正極および負極タブは、バイポーラ型でないリチウムイオン二次電池にも適用可能である。 The positive electrode and the negative electrode tab may be used as necessary. In other words, depending on the laminated (or wound) structure of the bipolar battery, the outermost current collector may be directly taken out as an electrode terminal, and in this case, the positive electrode and the negative electrode terminal (tab) may not be used. The positive electrode and negative electrode tabs can also be applied to non-bipolar lithium ion secondary batteries.
正極および負極タブを用いる場合には、端子としての機能を有するほか、薄型化の観点からは極力薄い方がよいが、積層されてなる電極、電解質および集電体はいずれも機械的強度が弱いため、これらを両側から挟示し支持するだけの強度を持たせることが望ましい。さらに、電極タブでの内部抵抗を抑える観点から、正極および負極タブの厚さは、通常0.1〜2mm程度が望ましいといえる。 When using a positive electrode and a negative electrode tab, in addition to having a function as a terminal, it is better to be as thin as possible from the viewpoint of thinning, but the laminated electrode, electrolyte and current collector all have low mechanical strength. For this reason, it is desirable to have sufficient strength to sandwich and support them from both sides. Furthermore, it can be said that the thickness of the positive electrode and the negative electrode tab is usually preferably about 0.1 to 2 mm from the viewpoint of suppressing the internal resistance at the electrode tab.
正極および負極タブの材質としては、例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金などを利用することができる。正極タブと負極タブとの材質は、同一の材質を用いてもよいし、異なる材質のものを用いてもよい。さらに、これら正極および負極タブは、材質の異なるものを多層に積層したものであってもよい。 As materials for the positive electrode and the negative electrode tab, for example, aluminum, copper, titanium, nickel, stainless steel (SUS), alloys thereof, and the like can be used. The materials of the positive electrode tab and the negative electrode tab may be the same material or different materials. Further, the positive electrode and the negative electrode tab may be formed by stacking different materials.
正極および負極リードに関しては、上述したバイポーラ型ではない通常のポリマーリチウムイオン電池で用いられる公知のリードを用いることができるため、ここでの説明は省略する。 Regarding the positive electrode and the negative electrode lead, since a known lead used in a normal polymer lithium ion battery which is not the bipolar type described above can be used, description thereof is omitted here.
電池外装材(電池ケース)に関しても、上述したバイポーラ型ではない通常のポリマーリチウムイオン電池で用いられる公知の電池外装材(電池ケース)を用いることができるため、ここでの説明は省略する。 Regarding the battery exterior material (battery case), since a known battery exterior material (battery case) used in a normal polymer lithium ion battery that is not the bipolar type described above can be used, description thereof is omitted here.
次に、本発明の高出力電池の用途としては、例えば、電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)や燃料電池自動車やハイブリッド燃料電池自動車などの大容量電源として、高エネルギー密度、高出力密度が求められる車両駆動用電源(補助電源を含む)に好適に利用することができる。この場合には、本発明の高出力電池を複数個接続して構成した組電池とすることが望ましい。すなわち、本発明の高出力電池、特にバイポーラ型ポリマーリチウムイオン二次電池を少なくとも2個以上を用いて、並列接続、直列接続、並列−直列接続および直列−並列接続の少なくとも一つの接続方式を用いて構成した組電池とすることにより、高容量、高出力の電池モジュールを形成することが出来る。そのため、使用目的ごとの電池容量や出力に対する要求に、比較的安価に対応することが可能になる。 Next, as a use of the high output battery of the present invention, for example, as a large-capacity power source for an electric vehicle (EV), a hybrid electric vehicle (HEV), a fuel cell vehicle, a hybrid fuel cell vehicle, etc., high energy density, high output It can be suitably used for a vehicle driving power source (including an auxiliary power source) for which density is required. In this case, it is desirable that the assembled battery is constructed by connecting a plurality of high-power batteries of the present invention. That is, at least one of the high-power batteries of the present invention, in particular, a bipolar polymer lithium ion secondary battery is used, and at least one connection method of parallel connection, series connection, parallel-series connection, and series-parallel connection is used. By using the assembled battery configured as described above, a battery module with a high capacity and a high output can be formed. Therefore, it becomes possible to respond to the demand for battery capacity and output for each purpose of use at a relatively low cost.
具体的には、例えば、本発明の高出力電池をN個並列に接続し、N個並列にした高出力電池をさらにM個直列にして金属製ないし樹脂製の組電池ケースに収納し、組電池とする。この際、高出力電池の直列/並列接続数は、使用目的に応じて決定する。例えば、EVやHEVや燃料電池自動車やハイブリッド燃料電池自動車など大容量電源として、高エネルギー密度、高出力密度が求められる車両の駆動用電源(補助電源を含む)に適用し得るように組み合わせればよい。また、組電池用の正極端子および負極端子と、各高出力電池の電極リードとは、リード線等を用いて電気的に接続すればよい。また、高出力電池同士を直列/並列に接続する際には、スペーサやバスバーのような適当な接続部材を用いて電気的に接続すればよい。ただし、本発明の組電池は、ここで説明したものに制限されるべきものではなく、従来公知のものを適宜採用することができる。 Specifically, for example, N high-power batteries of the present invention are connected in parallel, and N high-power batteries in parallel are further connected in series in a metal or resin battery case. Use batteries. At this time, the number of high-power batteries connected in series / parallel is determined according to the purpose of use. For example, as a large-capacity power source such as EV, HEV, fuel cell vehicle, and hybrid fuel cell vehicle, it can be applied to a driving power source (including an auxiliary power source) for a vehicle that requires high energy density and high output density. Good. Moreover, what is necessary is just to electrically connect the positive electrode terminal and negative electrode terminal for battery packs, and the electrode lead of each high power battery using a lead wire. Moreover, when connecting high power batteries in series / parallel, they may be electrically connected using an appropriate connecting member such as a spacer or a bus bar. However, the assembled battery of the present invention should not be limited to those described here, and conventionally known ones can be appropriately employed.
本発明では、上記高出力電池および/または組電池を駆動用電源(補助電源を含む)として搭載した車両とすることができる。本発明の高出力電池および/または組電池は、上述のように各種特性を有し、特に、コンパクトな電池である。このため、エネルギー密度および出力密度に関して、とりわけ厳しい要求がなされる車両、例えば、電気自動車やハイブリッド電気自動車や燃料電池自動車やハイブリッド燃料電池自動車等の駆動用電源(補助電源を含む)として好適であり、燃費、走行性能に優れたEVやHEVや燃料電池自動車やハイブリッド燃料電池自動車を提供できる。例えば、EVやHEVや燃料電池自動車やハイブリッド燃料電池自動車の車体中央部の座席下に組電池を駆動用電源として搭載するのが、社内空間およびトランクルームを広く取れるため便利である。ただし、本発明では、これらに何ら制限されるべきものではなく、組電池ないし電池は、車両の床下、トランクルーム、エンジンルーム、屋根、ボンネットフード内などに設置することができる。なお、本発明では、組電池だけではなく、使用用途によっては、高出力電池を組電池化することなく搭載するようにしてもよいし、これら組電池と高出力電池を組み合わせて搭載するようにしてもよい。また、本発明の高出力電池および/または組電池を駆動用電源として搭載することのできる車両としては、上記のEVやHEVや燃料電池自動車やハイブリッド燃料電池自動車が好ましいが、これらに制限されるものではない。 In the present invention, a vehicle can be provided in which the high-power battery and / or the assembled battery is mounted as a driving power source (including an auxiliary power source). The high-power battery and / or the assembled battery of the present invention has various characteristics as described above, and is particularly a compact battery. For this reason, it is suitable as a driving power source (including an auxiliary power source) for vehicles that are particularly demanding regarding energy density and power density, such as electric vehicles, hybrid electric vehicles, fuel cell vehicles, and hybrid fuel cell vehicles. EVs, HEVs, fuel cell vehicles and hybrid fuel cell vehicles with excellent fuel efficiency and running performance can be provided. For example, it is convenient to install an assembled battery as a driving power source under the seat at the center of the body of an EV, HEV, fuel cell vehicle, or hybrid fuel cell vehicle because a large in-house space and trunk room can be obtained. However, the present invention is not limited to these, and the assembled battery or battery can be installed under the floor of the vehicle, in a trunk room, an engine room, a roof, a hood, or the like. In the present invention, not only the assembled battery, but depending on the intended use, a high output battery may be mounted without being assembled, or the assembled battery and the high output battery may be mounted in combination. May be. Moreover, as a vehicle in which the high-power battery and / or the assembled battery of the present invention can be mounted as a driving power source, the above-described EV, HEV, fuel cell vehicle, and hybrid fuel cell vehicle are preferable, but are not limited thereto. It is not a thing.
以下、実施例および比較例を挙げて本発明の内容を説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。以下の実施例においては、特に断りのない限り、正極活物質、負極活物質、導電材、高分子電解質原料、リチウム塩、光重合開始剤及びバインダとして、以下の材料を用いた。
・正極活物質:分級により略同粒径になるように粒度調整した平均粒径0.6μmのスピネル型LiMn2O4
・負極活物質:粉砕後、分級により略同粒径になるように粒度調整した平均粒径0.7μmのグラファイト
・導電材:分級により略同粒径になるように粒度調整した二次粒子平均粒径0.1μmのアセチレンブラック
・高分子電解質原料:エチレンオキシドとプロピレンオキシドとのマクロマー、リチウム塩:六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)(液系リチウムイオン電池)ないしLiN(SO2C2F5)2(以下、「LiBETI」と略す)(高分子電解質電池)、光重合開始剤:ベンジルジメチルケタール(高分子電解質電池)、バインダ:ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、溶媒:N−メチル−2−ピロリドン(NMP)
高分子電解質原料は、特開2002−110239号公報記載の方法に準じて合成した。また、負極インク、正極活物質インク、正極導電材インクおよび電解質インクの調製、印刷、電池の組み立ては、露点−30℃以下の乾燥雰囲気下で行った。なお、以下の実施例では、負極層には、いずれも負極活物質に電子導電性の高いグラファイトを用いているため、本発明の電極構造とせず、正極層のみ本発明の電極構造とした。
Hereinafter, the content of the present invention will be described with reference to examples and comparative examples, but the present invention is not limited to these examples. In the following examples, the following materials were used as a positive electrode active material, a negative electrode active material, a conductive material, a polymer electrolyte raw material, a lithium salt, a photopolymerization initiator, and a binder unless otherwise specified.
Positive electrode active material: Spinel type LiMn 2 O 4 having an average particle size of 0.6 μm, adjusted to have substantially the same particle size by classification
・ Negative electrode active material: Graphite having an average particle size of 0.7 μm adjusted to have the same particle size by classification after pulverization ・ Conductive material: Secondary particle average adjusted to have substantially the same particle size by classification Acetylene black with a particle size of 0.1 μm / polymer electrolyte raw material: macromer of ethylene oxide and propylene oxide, lithium salt: lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) (liquid lithium ion battery) or LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 (hereinafter abbreviated as “LiBETI”) (polymer electrolyte battery), photopolymerization initiator: benzyldimethyl ketal (polymer electrolyte battery), binder: polyvinylidene fluoride (PVdF), solvent: N-methyl-2 -Pyrrolidone (NMP)
The polymer electrolyte raw material was synthesized according to the method described in JP-A No. 2002-110239. The preparation, printing, and battery assembly of the negative electrode ink, the positive electrode active material ink, the positive electrode conductive material ink, and the electrolyte ink were performed in a dry atmosphere with a dew point of −30 ° C. or lower. In the following examples, the negative electrode layer uses graphite with high electronic conductivity as the negative electrode active material, so that only the positive electrode layer has the electrode structure of the present invention without using the electrode structure of the present invention.
(実施例1)
以下の手順に従って、液系リチウムイオン電池を作製した。
(Example 1)
A liquid lithium ion battery was prepared according to the following procedure.
<負極インクの調製>
負極活物質(9質量%)、PVdF(1質量%)およびNMP(90質量%)を準備した。これらを十分に撹拌して、負極インクとしてのスラリーを調製した。このインクの粘度は約5cPであった。
<Preparation of negative electrode ink>
A negative electrode active material (9% by mass), PVdF (1% by mass) and NMP (90% by mass) were prepared. These were sufficiently stirred to prepare a slurry as a negative electrode ink. The viscosity of this ink was about 5 cP.
<正極活物質インクの調製>
正極活物質(7質量%)、PVdF(1質量%)およびNMP(90質量%)を準備した。これらを十分に撹拌して、正極活物質インクとしてのスラリーを調製した。このインクの粘度は約4cPであった。
<Preparation of positive electrode active material ink>
A positive electrode active material (7% by mass), PVdF (1% by mass), and NMP (90% by mass) were prepared. These were sufficiently stirred to prepare a slurry as a positive electrode active material ink. The viscosity of this ink was about 4 cP.
<正極導電材インクの調製>
導電材(10質量%)、およびNMP(90質量%)を準備した。これらを十分に撹拌して、正極導電材インクとしてのスラリーを調製した。このインクの粘度は約4cPであった。
<Preparation of positive electrode conductive material ink>
A conductive material (10% by mass) and NMP (90% by mass) were prepared. These were sufficiently stirred to prepare a slurry as a positive electrode conductive material ink. The viscosity of this ink was about 4 cP.
<電池の作製>
調製したインクおよび市販のインクジェットプリンターを用いて、以下の手順により、電池を作成した。なお、上記のインクを使用した場合、溶媒であるNMPがインクジェットプリンターのインク導入部分にあるプラスチック部品を溶解させてしまう問題があった。よって、以下の改造を施したプリンターで印刷を行った。すなわちインク導入部分にある部品を金属製の部品と交換し、インク溜から直接金属部品にインクを供給させた。また、インクの粘度が低く、活物質が沈殿する懸念があったので、インク溜りを常に回転翼を用いて攪拌した。また、インクジェットプリンターは、市販のコンピューターおよびソフトウェアによって制御した。なお、集電体として用いた金属箔を直接プリンターに供給する事は困難だったので、A4版上質紙に該金属箔を貼り付け、これをプリンターに供給し、印刷した。また、本実施例では、負極層および正極層の厚さ(乾燥後)がいずれも5μmという従来では達成し得なかった超薄膜になるように印刷した。これにあわせて各集電体の厚さも15μmとし、集電体の大きさはA4版上質紙サイズと同じ大きさとした。
<Production of battery>
A battery was prepared according to the following procedure using the prepared ink and a commercially available ink jet printer. In addition, when said ink was used, there existed a problem that NMP which is a solvent will melt | dissolve the plastic component in the ink introduction part of an inkjet printer. Therefore, printing was performed with a printer with the following modifications. That is, the parts in the ink introduction part were replaced with metal parts, and ink was supplied directly from the ink reservoir to the metal parts. Further, since there was a concern that the viscosity of the ink was low and the active material was precipitated, the ink reservoir was always stirred using a rotary blade. The inkjet printer was controlled by a commercially available computer and software. Since it was difficult to supply the metal foil used as the current collector directly to the printer, the metal foil was attached to A4 quality paper, supplied to the printer, and printed. In this example, printing was performed so that the thickness of the negative electrode layer and the positive electrode layer (after drying) was 5 μm, both of which were not achieved in the past. In accordance with this, the thickness of each current collector was also set to 15 μm, and the size of the current collector was set to the same size as the A4 size fine paper.
まず、改造を施したインクジェットプリンターに負極インクを導入し、コンピューター上で作成したパターン(本実施例では、負極層は、全体を均一に印刷塗布した。)を、負極用集電体としての銅箔上に印刷した。印刷後、溶媒を乾燥させるために120℃の真空
オーブン中で12時間乾燥を行った。乾燥後、ロールプレス機にて塗膜密度が1.3g/cc以上になるようにプレス加工を行い、負極を完成させた。
First, a negative ink was introduced into a modified ink jet printer, and a pattern created on a computer (in this example, the negative electrode layer was uniformly printed and coated) was used as a negative electrode current collector. Printed on foil. After printing, in order to dry the solvent, drying was performed in a 120 ° C. vacuum oven for 12 hours. After drying, press working was performed with a roll press so that the coating film density was 1.3 g / cc or more, and the negative electrode was completed.
次に、改造を施したインクジェットプリンターに正極活物質インクおよび正極導電材インクを別々に分けて導入し、コンピューター上で作成したパターン(本実施例では、正極層のみ本発明の構成要件を満足するように、先述した図1(a)、(b)に示すパターン)を、正極活物質インクおよび正極導電材インクをそれぞれ用い、インクジェットプリンターにて印刷塗布することによって正極用集電体としてのアルミ箔上に正極層を作製した。 Next, a positive electrode active material ink and a positive electrode conductive material ink are separately introduced into a modified ink jet printer, and a pattern created on a computer (in this embodiment, only the positive electrode layer satisfies the constituent requirements of the present invention). Thus, the pattern shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b) described above is printed on and applied by an ink jet printer using a positive electrode active material ink and a positive electrode conductive material ink, thereby forming aluminum as a positive electrode current collector. A positive electrode layer was produced on the foil.
作製された正極層での導電材(アセチレンブラック)の割合はインク使用量から求めた結果、3質量%であった。印刷後、溶媒を乾燥させるために120℃の真空オーブン中で12時間乾燥を行った。乾燥後、ロールプレス機にて塗膜密度が2.0g/cc以上になるようにプレス加工を行い、正極を完成させた。完成した正極を切断して、正極層の断面をSEMを用いて観察したところ、図1(a)に示すように、正極層内の各導電材部において、導電材微粒子が、正極層表面から集電体表面に至る正極層厚さ方向に接した状態で繋がっており、正極層内の各正極活物質部において、正極活物質微粒子の表面の一部のみが、隣接する導電材部内の導電材微粒子に接した状態であることが確認できた。 The ratio of the conductive material (acetylene black) in the produced positive electrode layer was 3% by mass as determined from the amount of ink used. After printing, in order to dry the solvent, drying was performed in a 120 ° C. vacuum oven for 12 hours. After drying, press working was performed with a roll press so that the coating film density was 2.0 g / cc or more, and the positive electrode was completed. When the completed positive electrode was cut and the cross section of the positive electrode layer was observed using an SEM, as shown in FIG. 1A, in each conductive material portion in the positive electrode layer, the conductive material fine particles were separated from the surface of the positive electrode layer. In each positive electrode active material part in the positive electrode layer, only a part of the surface of the positive electrode active material fine particles is electrically connected in the adjacent conductive material part. It was confirmed that the material was in contact with the fine particles.
作製した正極および負極を円形(直径10mm)に打ち抜き、厚さ25μmのポリエチレン微多孔膜セパレータを介して積層させ、コインセルとした。電解液には、LiPF6を1mol/リットルの濃度で含む、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)との体積分率3:7の混合溶媒を用いた。
The produced positive electrode and negative electrode were punched into a circle (
<評価>
作製した電池(コインセル)に対して、20μA/cm2の定電流定電圧充電を上限電圧4.2Vで行い、次に20μA/cm2の定電流放電を下限電圧2.5Vで行った。充放電評価の結果、平均電圧約3.8V付近に充放電プラトーが見られ、作製した電池が機能していることを確認した。
<Evaluation>
The produced battery (coin cell) was subjected to constant current / constant voltage charging at 20 μA / cm 2 at an upper limit voltage of 4.2 V, and then constant current discharge at 20 μA / cm 2 was performed at a lower limit voltage of 2.5 V. As a result of the charge / discharge evaluation, a charge / discharge plateau was observed in the vicinity of an average voltage of about 3.8 V, and it was confirmed that the produced battery was functioning.
(実施例2)
正極層の電極層厚さ方向に対して垂直な面方向の配置を、図1(b)のパターンから先述した図2に示すパターンとした以外は、実施例1と同様にして、印刷、乾燥、組み立て、評価を行った。
(Example 2)
Printing and drying are performed in the same manner as in Example 1 except that the arrangement in the plane direction perpendicular to the electrode layer thickness direction of the positive electrode layer is changed from the pattern of FIG. 1B to the pattern shown in FIG. , Assembled and evaluated.
正極層での導電材の割合はインク使用量から求めた結果、3.5質量%であった。また、完成した正極を切断して正極層の断面を観察したところ、実施例1と同様に(図1(a)参照のこと)、正極層内の各導電材部において、導電材微粒子が、正極層表面から集電体表面に至る正極層厚さ方向に接した状態で繋がっており、正極層内の各正極活物質部において、正極活物質微粒子の表面の一部のみが、隣接する導電材部内の導電材微粒子に接した状態であることが確認できた。 The proportion of the conductive material in the positive electrode layer was 3.5% by mass as determined from the amount of ink used. Further, when the completed positive electrode was cut and the cross section of the positive electrode layer was observed, as in Example 1 (see FIG. 1A), in each conductive material portion in the positive electrode layer, the conductive material fine particles were It is connected in a state where it is in contact with the positive electrode layer thickness direction from the positive electrode layer surface to the current collector surface, and in each positive electrode active material part in the positive electrode layer, only a part of the surface of the positive electrode active material fine particles is adjacent to the conductive layer. It was confirmed that the material was in contact with the conductive material fine particles in the material part.
<評価>
実施例1と同様にして、充放電特性を評価した。充放電評価の結果、平均電圧約3.8V付近に充放電プラトーが見られ、作製した電池が機能していることを確認した。
<Evaluation>
The charge / discharge characteristics were evaluated in the same manner as in Example 1. As a result of the charge / discharge evaluation, a charge / discharge plateau was observed in the vicinity of an average voltage of about 3.8 V, and it was confirmed that the produced battery was functioning.
(実施例3)
正極層の電極層厚さ方向に対して垂直な面方向の配置を、図1(b)のパターンから先述した図3に示すパターンとした以外は、実施例1と同様にして、印刷、乾燥、組み立て、評価を行った。
(Example 3)
Printing and drying are performed in the same manner as in Example 1 except that the arrangement in the plane direction perpendicular to the electrode layer thickness direction of the positive electrode layer is changed to the pattern shown in FIG. 3 described above from the pattern in FIG. , Assembled and evaluated.
正極層での導電材の割合はインク使用量から求めた結果、4質量%であった。また、完成した正極を切断して正極層の断面を観察したところ、実施例1と同様に(図1(a)参照のこと)、正極層内の各導電材部において、導電材微粒子が、正極層表面から集電体表面に至る正極層厚さ方向に接した状態で繋がっており、正極層内の各正極活物質部において、正極活物質微粒子の表面の一部のみが、隣接する導電材部内の導電材微粒子に接した状態であることが確認できた。 The ratio of the conductive material in the positive electrode layer was 4% by mass as determined from the amount of ink used. Further, when the completed positive electrode was cut and the cross section of the positive electrode layer was observed, as in Example 1 (see FIG. 1A), in each conductive material portion in the positive electrode layer, the conductive material fine particles were It is connected in a state where it is in contact with the positive electrode layer thickness direction from the positive electrode layer surface to the current collector surface, and in each positive electrode active material part in the positive electrode layer, only a part of the surface of the positive electrode active material fine particles is adjacent to the conductive layer. It was confirmed that the material was in contact with the conductive material fine particles in the material part.
<評価>
実施例1と同様にして、充放電特性を評価した。充放電評価の結果、平均電圧約3.8V付近に充放電プラトーが見られ、作製した電池が機能していることを確認した。
<Evaluation>
The charge / discharge characteristics were evaluated in the same manner as in Example 1. As a result of the charge / discharge evaluation, a charge / discharge plateau was observed in the vicinity of an average voltage of about 3.8 V, and it was confirmed that the produced battery was functioning.
(実施例4)
正極層の電極層厚さ方向に対して垂直な面方向の配置を、図1(b)のパターンから図4に示すパターンとした以外は、実施例1と同様にして、印刷、乾燥、組み立て、評価を行った。
Example 4
Printing, drying and assembly in the same manner as in Example 1 except that the arrangement of the positive electrode layer in the plane direction perpendicular to the electrode layer thickness direction is changed from the pattern of FIG. 1B to the pattern shown in FIG. And evaluated.
正極層での導電材の割合はインク使用量から求めた結果、5質量%であった。また、完成した正極を切断して正極層の断面を観察したところ、実施例1と同様に(図1(a)参照のこと)、正極層内の各導電材部において、導電材微粒子が、正極層表面から集電体表面に至る正極層厚さ方向に接した状態で繋がっており、正極層内の各正極活物質部において、正極活物質微粒子の表面の一部のみが、隣接する導電材部内の導電材微粒子に接した状態であることが確認できた。 The ratio of the conductive material in the positive electrode layer was 5% by mass as determined from the amount of ink used. Further, when the completed positive electrode was cut and the cross section of the positive electrode layer was observed, as in Example 1 (see FIG. 1A), in each conductive material portion in the positive electrode layer, the conductive material fine particles were It is connected in a state where it is in contact with the positive electrode layer thickness direction from the positive electrode layer surface to the current collector surface, and in each positive electrode active material part in the positive electrode layer, only a part of the surface of the positive electrode active material fine particles is adjacent to the conductive layer. It was confirmed that the material was in contact with the conductive material fine particles in the material part.
<評価>
実施例1と同様にして、充放電特性を評価した。充放電評価の結果、平均電圧約3.8V付近に充放電プラトーが見られ、作製した電池が機能していることを確認した。
<Evaluation>
The charge / discharge characteristics were evaluated in the same manner as in Example 1. As a result of the charge / discharge evaluation, a charge / discharge plateau was observed in the vicinity of an average voltage of about 3.8 V, and it was confirmed that the produced battery was functioning.
(実施例5)
正極層の電極層厚さ方向に対して垂直な面方向の配置を、図1(b)のパターンから図5に示すパターンとした以外は、実施例1と同様にして、印刷、乾燥、組み立て、評価を行った。
(Example 5)
Printing, drying and assembly in the same manner as in Example 1 except that the arrangement of the positive electrode layer in the plane direction perpendicular to the electrode layer thickness direction is changed from the pattern of FIG. 1B to the pattern shown in FIG. And evaluated.
正極層での導電材の割合はインク使用量から求めた結果、6質量%であった。また、完成した正極を切断して正極層の断面を観察したところ、実施例1と同様に(図1(a)参照のこと)、正極層内の各導電材部において、導電材微粒子が、正極層表面から集電体表面に至る正極層厚さ方向に接した状態で繋がっており、正極層内の各正極活物質部において、正極活物質微粒子の表面の一部のみが、隣接する導電材部内の導電材微粒子に接した状態であることが確認できた。 The ratio of the conductive material in the positive electrode layer was 6% by mass as determined from the amount of ink used. Further, when the completed positive electrode was cut and the cross section of the positive electrode layer was observed, as in Example 1 (see FIG. 1A), in each conductive material portion in the positive electrode layer, the conductive material fine particles were It is connected in a state where it is in contact with the positive electrode layer thickness direction from the positive electrode layer surface to the current collector surface, and in each positive electrode active material part in the positive electrode layer, only a part of the surface of the positive electrode active material fine particles is adjacent to the conductive layer. It was confirmed that the material was in contact with the conductive material fine particles in the material part.
<評価>
作製した電池に対して、20μA/cm2の定電流定電圧充電を上限電圧4.2Vで行い、次に20μA/cm2の定電流放電を下限電圧2.5Vで行った。充放電評価の結果、平均電圧約3.8V付近に充放電プラトーが見られ、作製した電池が機能していることを確認した。
<Evaluation>
The manufactured battery was subjected to constant current / constant voltage charging at 20 μA / cm 2 at an upper limit voltage of 4.2 V, and then constant current discharge at 20 μA / cm 2 was performed at a lower limit voltage of 2.5 V. As a result of the charge / discharge evaluation, a charge / discharge plateau was observed in the vicinity of an average voltage of about 3.8 V, and it was confirmed that the produced battery was functioning.
比較例1(活物質の微粒化によるが困難なコーターによる塗布方法(従来法)を用いた例)
<負極インクの調製>
負極活物質として平均粒径0.7μmのグラファイト(45質量%)、PVdF(5質
量%)およびNMP(50質量%)を準備した。これらを十分に撹拌して、負極インクとしてのスラリーを調製した。
Comparative Example 1 (Example using coating method (conventional method) using a coater, which is difficult due to atomization of the active material)
<Preparation of negative electrode ink>
As the negative electrode active material, graphite (45% by mass), PVdF (5% by mass) and NMP (50% by mass) having an average particle size of 0.7 μm were prepared. These were sufficiently stirred to prepare a slurry as a negative electrode ink.
<正極インクの調製>
正極活物質として平均粒径0.6μmのスピネル型LiMn2O4(40質量%)、導電材として2次粒子平均粒径0.1μmのアセチレンブラック(5質量%)、PVdF(5質量%)およびNMP(50質量%)を準備した。これらを十分に撹拌して、正極インクとしてのスラリーを調製した。
<Preparation of positive electrode ink>
Spinel type LiMn 2 O 4 (40% by mass) having an average particle diameter of 0.6 μm as a positive electrode active material, acetylene black (5% by mass), PVdF (5% by mass) having an average secondary particle diameter of 0.1 μm as a conductive material And NMP (50 mass%) were prepared. These were sufficiently stirred to prepare a slurry as a positive electrode ink.
<電池の作製>
正極層及び負極層を、実施例1で作製した負極インク、正極活物質インクおよび正極導電材インクを用いてインクジェット方式で印刷する塗布方法により形成する代わりに、本比較例で作成した正極及び負極インクを用いて従来のコーターによる塗布方法、すなわちコーターにより全体を均一に塗布して形成した以外は、実施例1と同様にして、塗布、乾燥、組み立て、評価を行った。
<Production of battery>
Instead of forming the positive electrode layer and the negative electrode layer by the ink-jet printing method using the negative electrode ink, the positive electrode active material ink, and the positive electrode conductive material ink prepared in Example 1, the positive electrode and the negative electrode prepared in this comparative example Coating, drying, assembly, and evaluation were performed in the same manner as in Example 1 except that the coating method using a conventional coater was performed using ink, that is, the entire coater was coated uniformly.
実施例1〜5および比較例1の電池の内部抵抗を測定した。図8は、正極層の導電材の割合(質量%)に対する内部抵抗比を表したものである。図8の結果から、実施例1〜5に示すように、導電材を任意の位置に配置して導電パスを形成することで、内部抵抗を下げることができることが確認できた。なお、ここでいう内部抵抗比は、比較例1のコーターによる塗布方法で作製した電極を用いた電池(コインセル)の内部抵抗を1としたときの本実施例のインクジェット方式で印刷した電極を用いた電池の内部抵抗の比とした。 The internal resistances of the batteries of Examples 1 to 5 and Comparative Example 1 were measured. FIG. 8 shows the internal resistance ratio with respect to the proportion (mass%) of the conductive material in the positive electrode layer. From the results of FIG. 8, as shown in Examples 1 to 5, it was confirmed that the internal resistance can be reduced by forming the conductive path by arranging the conductive material at an arbitrary position. Here, the internal resistance ratio used here is an electrode printed by the ink jet method of this embodiment when the internal resistance of the battery (coin cell) using the electrode produced by the coating method by the coater of Comparative Example 1 is 1. The ratio of the internal resistance of the battery.
実施例6
液系リチウムイオン電池である実施例1〜5および比較例1に対し、以下の手順に従って、高分子電解質電池を作製した。
Example 6
For Examples 1 to 5 and Comparative Example 1 which are liquid lithium ion batteries, polymer electrolyte batteries were produced according to the following procedure.
<負極インクの調製>
負極活物質(9質量%)、高分子電解質原料(4質量%)、リチウム塩(2質量%)、および光重合開始剤(高分子電解質原料に対して0.1質量%)を準備し、これらに溶媒としてアセトニトリル(85質量%)を加えた。これを十分に撹拌して、負極インクとしてのスラリーを調製した。このインクの粘度は約3cPであった。
<Preparation of negative electrode ink>
A negative electrode active material (9% by mass), a polymer electrolyte raw material (4% by mass), a lithium salt (2% by mass), and a photopolymerization initiator (0.1% by mass with respect to the polymer electrolyte raw material) were prepared, Acetonitrile (85 mass%) was added to these as a solvent. This was sufficiently stirred to prepare a slurry as negative electrode ink. The viscosity of this ink was about 3 cP.
<正極活物質インクの調製>
正極活物質(7質量%)、および溶媒としてアセトニトリル(85質量%)を準備した。これらを十分に撹拌して、正極活物質インクとしてのスラリーを調製した。このインクの粘度は約3cPであった。
<Preparation of positive electrode active material ink>
A positive electrode active material (7% by mass) and acetonitrile (85% by mass) as a solvent were prepared. These were sufficiently stirred to prepare a slurry as a positive electrode active material ink. The viscosity of this ink was about 3 cP.
<正極導電材インクの調製>
導電材(10質量%)、およびアセトニトリル(90質量%)を準備した。これらを十分に撹拌して、正極導電材インクとしてのスラリーを調製した。このインクの粘度は約3cPであった。
<Preparation of positive electrode conductive material ink>
A conductive material (10% by mass) and acetonitrile (90% by mass) were prepared. These were sufficiently stirred to prepare a slurry as a positive electrode conductive material ink. The viscosity of this ink was about 3 cP.
<電解質インクの調製>
高分子電解質原料(15質量%)、リチウム塩(8質量%)、および光重合開始剤(高分子電解質原料に対して0.1質量%)を準備し、これに溶媒としてアセトニトリル(77質量%)を加えた。これを十分に撹拌して、電解質インクとしてのスラリーを調製した。このインクの粘度は2cPであった。
<Preparation of electrolyte ink>
A polymer electrolyte raw material (15% by mass), a lithium salt (8% by mass), and a photopolymerization initiator (0.1% by mass with respect to the polymer electrolyte raw material) were prepared, and acetonitrile (77% by mass) was used as a solvent. ) Was added. This was sufficiently stirred to prepare a slurry as an electrolyte ink. The viscosity of this ink was 2 cP.
<電池の作製>
調製したインクおよび市販のインクジェットプリンターを用いて、以下の手順により、電池を作成した。なお、上記のインクを使用した場合、溶媒であるアセトニトリルがインクジェットプリンターのインク導入部分にあるプラスチック部品を溶解させてしまう問題があった。よって、インク導入部分にある部品を金属製の部品と交換し、インク溜から直接金属部品にインクを供給させた。また、インクの粘度が低く、活物質が沈殿する懸念があったので、インク溜りを常に回転翼を用いて攪拌した。また、インクジェットプリンターは、市販のコンピューターおよびソフトウェアによって制御した。
<Production of battery>
A battery was prepared according to the following procedure using the prepared ink and a commercially available ink jet printer. When the above ink is used, there is a problem that acetonitrile as a solvent dissolves plastic parts in the ink introduction portion of the ink jet printer. Therefore, the parts in the ink introduction part were replaced with metal parts, and ink was directly supplied from the ink reservoir to the metal parts. Further, since there was a concern that the viscosity of the ink was low and the active material was precipitated, the ink reservoir was always stirred using a rotary blade. The inkjet printer was controlled by a commercially available computer and software.
なお、集電体として用いた金属箔や高分子電解質膜を直接プリンターに供給する事は困難だったので、A4版上質紙に金属箔(集電体)、更には高分子電解質膜を貼り付け、これらをプリンターに供給し、印刷した。また、本実施例では、負極層、高分子電解質膜および正極層の厚さ(乾燥後)がいずれも5μmという従来では達成し得なかった超薄膜になるように印刷した。これにあわせて集電体の厚さも10μmとし、集電体の大きさはA4版上質紙サイズと同じ大きさとした。 Since it was difficult to supply the metal foil or polymer electrolyte membrane used as a current collector directly to the printer, the metal foil (current collector) and the polymer electrolyte membrane were pasted on the A4 quality paper. These were supplied to a printer and printed. In this example, the negative electrode layer, the polymer electrolyte membrane, and the positive electrode layer were printed so that the thicknesses (after drying) were all 5 μm, which could not be achieved in the past. In accordance with this, the thickness of the current collector was also set to 10 μm, and the size of the current collector was set to the same size as the A4 size fine paper.
上記改造を施したインクジェットプリンターに負極インクを導入し、コンピューター上で作成したパターン(全面を均一に塗布するパターン)を、集電体としてのステンレス箔上に印刷した。形成された負極層は、ムラがなく、均一に形成された。印刷後、溶媒を乾燥させるために60℃の真空オーブン中で2時間乾燥を行った。乾燥後、高分子電解質原料を重合させるために、真空中、紫外線を20分間照射し、集電体上に負極層が積層された積層体を得た。 A negative electrode ink was introduced into the modified inkjet printer, and a pattern created on a computer (a pattern for uniformly coating the entire surface) was printed on a stainless steel foil as a current collector. The formed negative electrode layer was uniform and formed without unevenness. After printing, in order to dry the solvent, drying was performed in a vacuum oven at 60 ° C. for 2 hours. After drying, in order to polymerize the polymer electrolyte raw material, ultraviolet rays were irradiated for 20 minutes in a vacuum to obtain a laminate in which the negative electrode layer was laminated on the current collector.
上記改造を施したインクジェットプリンターに電解質インクを導入し、前記負極層上に、前記負極層から少しはみ出る程度に、電解質インクを(全面を均一に塗布するパターンとして)印刷した。形成された高分子電解質膜は、ムラがなく、均一に形成された。印刷後、溶媒を乾燥させるために60℃の真空オーブン中で2時間乾燥を行った。乾燥後、高分子電解質原料を重合させるために、真空中、紫外線を20分間照射し、集電体、負極層および高分子電解質膜の積層体を得た。 The electrolyte ink was introduced into the modified ink jet printer, and the electrolyte ink was printed on the negative electrode layer as a pattern that slightly protrudes from the negative electrode layer (as a pattern that uniformly coats the entire surface). The formed polymer electrolyte membrane was uniform and formed without unevenness. After printing, in order to dry the solvent, drying was performed in a vacuum oven at 60 ° C. for 2 hours. After drying, in order to polymerize the polymer electrolyte raw material, ultraviolet rays were irradiated for 20 minutes in a vacuum to obtain a laminate of a current collector, a negative electrode layer, and a polymer electrolyte membrane.
同様にして、高分子電解質膜上に、形成される正極層が前記負極層よりも少し小さくなるように、正極活物質インク、正極導電材インクおよび電解質インクを、先述した図6に示すパターンとなるように印刷した。印刷後、溶媒を乾燥させるために60℃の真空オーブン中で2時間乾燥を行った。乾燥後、高分子電解質原料を重合させるために、真空中、紫外線を20分間照射し、集電体、負極層、高分子電解質膜および正極層の積層体を得た。さらに、完成した積層体を切断して正極層の断面を観察したところ、正極層内の各導電材部12において、導電材微粒子が、正極層表面から集電体表面に至る正極層厚さ方向に螺旋状に接した状態で繋がっており(図6参照のこと)、正極層内の各正極活物質部において、正極活物質微粒子の表面の一部のみが、隣接する導電材部内の導電材微粒子に接した状態であることが確認できた。
Similarly, the positive electrode active material ink, the positive electrode conductive material ink, and the electrolyte ink are formed on the polymer electrolyte membrane so that the positive electrode layer formed is slightly smaller than the negative electrode layer. It was printed as follows. After printing, in order to dry the solvent, drying was performed in a vacuum oven at 60 ° C. for 2 hours. After drying, in order to polymerize the polymer electrolyte raw material, ultraviolet rays were irradiated in vacuum for 20 minutes to obtain a laminate of a current collector, a negative electrode layer, a polymer electrolyte membrane, and a positive electrode layer. Furthermore, when the completed laminate was cut and the cross section of the positive electrode layer was observed, in each
この積層体を、集電体としてのステンレス箔で挟持した。最後に、正負極の電極リードだけが電池外に出るようにアルミラミネート材で封止、成型し、電池とした。ここでいうアルミラミネート材とは、具体的には、容器内外で水蒸気および酸素などの気体の交換が行われないようアルミニウム箔の金属薄膜と、ポリエチレンテレフタレートの金属薄膜を物理的に保護する樹脂フィルムおよび、アイオノマーの熱融着性樹脂フィルムを重ね合わせて多層化したラミネートシートをいう。 This laminate was sandwiched between stainless steel foils as a current collector. Finally, the battery was sealed and molded with an aluminum laminate so that only the positive and negative electrode leads came out of the battery. Specifically, the aluminum laminate material here is a resin film that physically protects the metal thin film of aluminum foil and the metal thin film of polyethylene terephthalate so that the exchange of gases such as water vapor and oxygen is not performed inside and outside the container. Also, it refers to a laminate sheet in which ionomer heat-fusible resin films are stacked to form a multilayer.
<電池の評価>
作製した電池に対して、20μA/cm2の定電流定電圧充電を上限電圧4.2Vで行
い、次に20μA/cm2の定電流放電を下限電圧2.5Vで行った。充放電評価の結果、平均電圧約3.8V付近に充放電プラトーが見られ、作製した電池が機能していることを確認した。
<Battery evaluation>
The manufactured battery was subjected to constant current / constant voltage charging at 20 μA / cm 2 at an upper limit voltage of 4.2 V, and then constant current discharge at 20 μA / cm 2 was performed at a lower limit voltage of 2.5 V. As a result of the charge / discharge evaluation, a charge / discharge plateau was observed in the vicinity of an average voltage of about 3.8 V, and it was confirmed that the produced battery was functioning.
11 電極層、 12 導電材部、
12a 導電材微粒子、 13a 電極活物質微粒子、
13 活物質部、 15 集電体、
31 ポリマーリチウムイオン二次電池、
33 電池外装材、 35 正極集電体、
37 正極層、 39 電解質層、
41 負極集電体、 43 負極層、
45 正極(端子)リード、 47 負極(端子)リード、
51 バイポーラポリマーリチウム電池、
53 集電体、 55 正極層、
57 負極層、 59 バイポーラ電極、
61 固体電解質層、 63 電極積層体(バイポーラ電池本体)、
55a 電極積層体の最上層の正極活物質層、
57a 電極積層体の最下層の負極活物質層、
65 正極リード、 67…負極リード、
69 電池外装材(外装パッケージ)。
11 electrode layer, 12 conductive material part,
12a conductive material fine particles, 13a electrode active material fine particles,
13 Active material part, 15 Current collector,
31 Polymer lithium ion secondary battery,
33 battery exterior material, 35 positive electrode current collector,
37 positive electrode layer, 39 electrolyte layer,
41 negative electrode current collector, 43 negative electrode layer,
45 Positive (terminal) lead, 47 Negative (terminal) lead,
51 Bipolar polymer lithium battery,
53 current collector, 55 positive electrode layer,
57 negative electrode layer, 59 bipolar electrode,
61 solid electrolyte layer, 63 electrode laminate (bipolar battery body),
55a, the uppermost positive electrode active material layer of the electrode laminate,
57a, the negative electrode active material layer at the bottom of the electrode laminate,
65 positive lead, 67 ... negative lead,
69 Battery exterior material (exterior package).
Claims (5)
該電極層内の導電材微粒子同士の間が、電極層厚さ方向に集電体表面から接した状態で繋がっており、
該電極層内の電極活物質微粒子の表面の一部が、該導電材微粒子に接した状態であることを特徴とする高出力電池用電極。 In a battery electrode having a current collector and an electrode layer formed on the current collector,
The conductive material fine particles in the electrode layer are connected in a state where they are in contact with the current collector surface in the electrode layer thickness direction,
A high power battery electrode, wherein a part of the surface of the electrode active material fine particles in the electrode layer is in contact with the conductive material fine particles.
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