JP2006164883A - 捲回電極およびその製造方法、並びに電池の製造方法 - Google Patents

捲回電極およびその製造方法、並びに電池の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】高容量化が可能で、短絡が抑制された、より信頼性の高い捲回電極および電池を提供する。
【解決手段】捲回電極の製造方法は、(a)正極4および負極3のうちのいずれか一方に、第1の樹脂を含む第1の塗料を塗布して、第1の多孔性絶縁層2aを形成し、正極4および負極3のうちのいずれか一方に、第1の樹脂よりも軟化点が高い第2の樹脂を含む第2の塗料を塗布して、第2の多孔性絶縁層2bを形成し、正極と負極との間に第1の多孔性絶縁層2aが配置され、かつ第2の多孔性絶縁層2bが一方の最外層となるように正極と負極とを重ねて積層体を形成する工程と、(b)積層体を、加圧しながら第1の樹脂の軟化点以上第2の樹脂の軟化点未満の温度で加熱して、第1の多孔性絶縁層を介して正極と負極とを接合する工程と、工程(b)の後に、積層体を捲回する工程と、を含む。
【選択図】図1

Description

本発明は、捲回電極およびその製造方法、並びに電池の製造方法に関する。
近年、携帯電話、PDA、ノートパソコン等のモバイル機器の重要性が高まるとともにそれに搭載される電池の重要性もますます増大している。特に、環境への配慮から、繰り返し充電できる2次電池の重要性が増大している。2次電池は、自動車、電動自転車、家庭用電力貯蔵システム、または業務用電力貯蔵システム等への適用が検討されている。
電池を構成する1対の帯状の電極(正極、負極)は、通常、金属箔の両面に、活物質とバインダーとを含む活物質層が形成された構造をしている。正極と負極との間、および負極の正極側の反対側にはそれぞれ、セパレータと呼ばれる、例えば帯状のポリエチレン製微多孔膜が配置されている。正極と負極と2枚のセパレータとを含む積層体は、例えば、円筒状、または扁平状に捲回され、電解液と伴に容器内に収められている。上記セパレータは、正極と負極とを絶縁している。携帯電話等に通常用いられている角型のLiイオン電池では、缶の内部の体積を有効に利用するために、積層体が扁平状に捲回された捲回電極が用いられている。
ところで、より薄いセパレータを用いることにより捲回体のうちのセパレータが占める体積を減らし、活物質の充填量を多くする(高容量化する)ことが提案されている。例えば、上記ポリエチレン製微多孔膜のような独立したフィルムに代えて、正極または負極のうちのいずれかの活物質層に絶縁性材料を塗布することにより形成された多孔性絶縁層をセパレータとして用いれば、セパレータの厚みをより薄くすることができる(例えば、特許文献1〜5参照)。
特開平1−167948号公報 特開平10−284065号公報 国際公開第98/38688号パンフレット 特開平11−288741号公報 特開2000−149906号公報
しかし、捲回前の積層体において、2層の多孔性絶縁層がそれぞれ正極および負極のうちのいずれか一方の活物質層に一体化され、正極と負極とが非接合状態である場合、例えば、負極の両面にそれぞれ多孔性絶縁層が形成された一体化物と、正極とが非接合状態である場合、下記のような問題がある。
積層体を捲回する際に、曲率が大きい部分、特に捲回体の最内周近傍で、負極活物質層に割れが生じることがある。このような場合、負極に一体化された多孔性絶縁層にも割れが生じる。多孔性絶縁層に割れが生じると正極および負極間に短絡が生じる恐れがある。上記多孔性絶縁層の割れは、特に、捲回電極が扁平状である場合により一層起こり易い。従来の捲回電極の製造方法では、高容量化を可能としつつ、多孔性絶縁層の割れを抑制して短絡の発生を抑制することは困難であった。
本発明は、高容量化が可能であり、短絡の発生を抑制して、より信頼性の高い捲回電極および電池を容易に提供する。
本発明の捲回電極の製造方法は、(a)1対の正極活物質層と、前記1対の正極活物質層の間に配置された正極集電体とを含む帯状の正極、および1対の負極活物質層と、前記1対の負極活物質層の間に配置された負極集電体とを含む帯状の負極のうちのいずれか一方に、第1の樹脂を含む第1の塗料を塗布して、第1の多孔性絶縁層を形成し、前記正極および前記負極のうちのいずれか一方に、前記第1の樹脂よりも軟化点が高い第2の樹脂を含む第2の塗料を塗布して、第2の多孔性絶縁層を形成し、前記正極と前記負極との間に前記第1の多孔性絶縁層が配置され、かつ前記第2の多孔性絶縁層が一方の最外層となるように前記正極と前記負極とを重ねて積層体を形成する工程と、(b)前記積層体を、加圧しながら、前記第1の樹脂の軟化点以上前記第2の樹脂の軟化点未満の温度で加熱して、前記第1の多孔性絶縁層を介して前記正極と前記負極とを接合する工程と、(c)前記工程(b)の後に前記積層体を捲回する工程と、を含む。
本発明の電池の製造方法は、本発明の捲回電極の製造方法により作製された捲回電極と電解液とを、樹脂を含む容器内に入れ、前記容器を封止した後、前記容器の外側から、前記積層体を捲回して得た捲回体を加圧しながら加熱して、前記正極または前記負極と、前記第2の多孔性絶縁層とを接合する工程を含む。
尚、本明細書において、軟化点は、JIS K 7206に準拠して測定された値である。
本発明では、高容量化が可能で、短絡の発生が抑制された、より信頼性の高い捲回電極および電池を容易に提供できる。
以下に、本発明の捲回電極およびその製造方法の一例、電池の製造方法の一例について図面を用いて説明する。
(実施形態1)
本実施形態では、Liイオン電池を構成する捲回電極を例に挙げて説明する。
まず、図1Aに示すように、1対の正極活物質層4a,4bと、1対の正極活物質層4a,4bの間に配置された正極集電体4cとを含む帯状の正極4を作製する。
一方で、図1Aに示すように、1対の負極活物質層3a,3bと、1対の負極活物質層3a,3bの間に配置された負極集電体3cとを含む帯状の負極3を作製する。
次に、図1Bに示すように、負極活物質層3a上に、第1の樹脂を含む第1の塗料を塗布して、第1の多孔性絶縁層2aを形成する。
次に、図1Cに示すように、負極活物質層3b上に、第1の樹脂よりも軟化点が高い第2の樹脂を含む第2の塗料を塗布して、第2の多孔性絶縁層2bを形成する。
次に、図1Dに示すように、正極4と負極3との間に第1の多孔性絶縁層2aが配置され、かつ第2の多孔性絶縁層2bが一方の最外層となるように正極4と負極3とを重ねて積層体を形成する。
次に、積層体を、熱ロールプレス機等を用いて厚み方向に加圧しながら、第1の樹脂の軟化点以上第2の樹脂の軟化点未満の温度で加熱して、第1の多孔性絶縁層2aを介して正極4と負極3とを接合する。
積層体を加圧する際の圧力について特に制限はないが、1×106Pa〜1×109Paが適当である。加熱温度は、60℃以上200℃未満が好ましい。
次に、例えば、積層体の第2の多孔性絶縁層2b側の反対側、すなわち、図1Dに示した積層体では正極4側が内側となるように積層体を捲回して、捲回電極1とする(図3参照)。
本実施形態の捲回電極の製造方法では、塗料を塗布することにより第1の多孔性絶縁層2aと第2の多孔性絶縁層2bとを形成するので(図1B〜C参照)、例えば、独立に形成されたフィルムを接合することによって第1の多孔性絶縁層2aおよび第2の多孔性絶縁層2bを形成するよりも、薄い第1の多孔性絶縁層2aおよび第2の多孔性絶縁層2bを形成できる。そのため、捲回電極のうちの第1の多孔性絶縁層2aおよび第2の多孔性絶縁層2bが占める体積を減らして活物質の充填量を多くすることが可能となり、高容量化が可能となる。
また、本実施形態の捲回電極の製造方法では、正極4と第1の多孔性絶縁層2aと負極3とが、この順で配置され、これらが捲回前に一体化されているので、捲回に伴う第1の多孔性絶縁層2aの割れの発生を抑制でき、よって、正極4および負極3間の短絡の発生を抑制できる。これにより、捲回電極の信頼性を高めることができる。
さらに、第2の多孔性絶縁層2bに含まれる第2の樹脂の軟化点は、第1の多孔性絶縁層2aに含まれる第1の樹脂の軟化点よりも高いので、正極4と負極3との間に第1の多孔性絶縁層2aが配置され、かつ第2の多孔性絶縁層2bが一方の最外層となるように正極4と負極3とを重ねて得られる積層体に対して行う加圧加熱処理を、例えば、熱ロールプレス機や加熱プレス機等で直に行える。すなわち、本実施形態では、正極4と第1の多孔性絶縁層2aと負極3との一体化が、容易に行える。
以上のことより、本実施形態の捲回電極の製造方法によれば、高容量化が可能で、短絡の発生が抑制された、信頼性の高い捲回電極を容易に提供できる。
図1Aに示すように、正極4は、正極集電体4cと電池の正極端子とを電気接続するための正極集電タブ7を備えていてもよい。正極集電タブ7は、例えば、導電性接着剤(例えば、アルミペースト)等を用いて正極集電体4cへ接合できる。正極集電タブ7は、例えば、正極集電体4cの捲き始め側であって、正極活物質層4a,4bが形成されていない正極活物質層欠如部4c'に接合すると好ましい。
負極3は、負極集電体3cと電池の負極端子とを電気接続するための負極集電タブ8を備えていてもよい。負極集電タブ8は、例えば、導電性接着剤(例えば、銀ペースト)等を用いて負極集電体3cへ接合できる。負極集電タブ8は、例えば、負極集電体3cの捲き終わり側であって、負極活物質層3a,3bが形成されていない負極活物質層欠如部3c'に接合すると好ましい。
本実施形態の捲回電極の製造方法では、積層体を、加圧しながら加熱して、第1の多孔性絶縁層2aを介して正極4と負極3とを接合する際に、第1の多孔性絶縁層2aおよび第2の多孔性絶縁層2bの厚みを薄くしてもよい。加圧により第1の多孔性絶縁層2aおよび第2の多孔性絶縁層2bの厚みを薄くすれば、さらなる高容量化が可能となる。
また、本実施形態の捲回電極の製造方法では、積層体を捲回して得た捲回体を、加圧しながら、第2の樹脂の軟化点以上の温度で加熱して、第2の多孔性絶縁層2bと正極4とを接合すると好ましい。第2の多孔性絶縁層2bと正極4とを接合して、捲回体を一体化すれば、捲回体(捲回電極)の取り扱い性が容易となり、捲回電極の容器内への収納が容易となる。
捲回体を加圧する際の圧力について特に制限はないが、圧力は、1×106Pa〜1×109Paが適当である。
捲回体を加圧しながら加熱する温度(T3とする)は、200℃より低いと好ましい。第1の樹脂が結晶性樹脂、例えば、エチレン−酢酸ビニル共重合体(EVA)等である場合、加熱温度T3は、第1の多孔性絶縁層の多孔性を保持する観点からは、第1の樹脂の融点未満の温度であると好ましい。第1の樹脂が非結晶性樹脂である場合、例えば、シクロオレフィンポリマー(例えば、日本ゼオン(株)製、ゼオノア(登録商標)、三井化学(株)製、アペル(登録商標)等)である場合、第1の多孔性絶縁層の多孔性を保持する観点からは、加熱温度T3は、例えば、T3≦T1+20℃の関係を満たしていると好ましい。T1は、第1の樹脂の軟化点である。
図2に示すように、負極3は、正極4よりも幅広であり、負極3の幅方向の両縁部3fが正極4からはみでるように、負極3と正極4とを重ねると好ましい。リチウムイオン電池では、電池の使用に伴って負極3の周縁部に析出するリチウムデンドライトが、第1の多孔性絶縁層2aまたは第2の多孔性絶縁層2bを突き破って正極4に接触し、短絡を引き起こし、電池を短寿命化してしまうという問題がある。負極3の幅を、正極4のそれよりも大きくし、負極3の幅方向の両縁部3fが正極4からはみでるように、正極4と負極3とを配置すれば、負極の両縁部3fにおけるリチウムデンドライトの析出を抑制でき、その結果、短絡をより一層抑制できる。
負極3の幅が、正極4のそれより大きい場合、第1の多孔性絶縁層2aおよび第2の多孔性絶縁層2bは負極3に形成すると好ましい。この場合、正極4の幅よりも幅広の第1の多孔性絶縁層2aおよび第2の多孔性絶縁層2bを形成できるので、負極3と正極4との絶縁をより確実に行えるからである。
負極3に第1の多孔性絶縁層2aおよび第2の多孔性絶縁層を形成する場合であって、積層体を正極3が内側となるように捲回する場合、積層体を捲回して得られる捲回体の最外周が、正極4の捲き終り部分からなるように、長手方向の長さが負極3のそれよりも長い正極4を用いると好ましい。捲回体の最外周が、正極4の捲き終り部分からなれば、捲回体を加圧しながら加熱して一体化する際に、加熱プレス機等によって捲回体を直に挟んでも、第2の樹脂が加熱プレス機に付着する等の問題が生じないので、捲回体の一体化が容易に行える。
正極集電体4cの材料としては、特に制限はないが、例えば、Al箔である。
正極活物質層4a,4bは、例えば、正極活物質とバインダーとを混合したスラリーを、正極集電体4cに塗布した後、正極集電体4cに塗布されたスラリーを乾燥し、次いで、厚み方向にプレスすることで形成できる。スラリーの塗布は、例えば、ドクターブレード法や、スプレー塗布等の方法により行える。上記スラリーは、必要に応じて導電性材料をさらに含んでいてもよい。
正極活物質としては、例えば、LiCoO2、LiNiO2、LiMn24、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O、LiFePo4等の無機酸化物を用いることができる。
バインダーとしては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等のフッ素系樹脂、スチレンブタジエンゴム(SBR)、エチレンプロピレンジエンマルチブロックポリマー等のゴム系樹脂、カルボキシメチルセルロース(CMC)等のセルロース系樹脂等が挙げられる。これらのバインダーは、単独または混合して用いることができる。
導電性材料としては、アセチレンブラック(AB)、ケッチェンブラック(KB)、黒鉛、非晶質炭素等の炭素材料が挙げられる。これらの導電性材料は、単独または混合して用いることができる。
正極集電タブ7の材料としては、特に制限はないが、例えば、Al,Ni等が挙げられる。正極集電タブ7の形状について特に制限はないが、例えば、短冊状である。
負極集電体3cの材料としては、特に制限はないが、例えば、Cu箔である。
負極活物質層3a,3bは、例えば、負極活物質とバインダーとを混合したスラリーを、負極集電体3cに塗布した後、負極集電体3cに塗布されたスラリーを乾燥し、次いで、厚み方向にプレスすることで形成できる。スラリーの塗布は、例えば、ドクターブレード法や、スプレー塗布等の方法により行える。上記スラリーは、必要に応じて導電性材料をさらに含んでいてもよい。
負極活物質としては、例えば、Sn、Si等のLiと合金化可能な金属、金属リチウム、LiAl合金、非晶質炭素、人造黒鉛、天然黒鉛、フラーレン、ナノチューブ等のリチウムを吸蔵放出可能な炭素系材料、Li4Ti512、Li2Ti37等のリチウムを吸蔵放出可能なチタン酸リチウム等を用いることができる。
バインダーとしては、PVDF、PTFE、SBR、カルボキシメチルセルロース(CMC)等が挙げられる。これらのバインダーは、単独または混合して用いることができる。
導電性材料としては、AB、KB、非晶質炭素等の炭素材料が挙げられる。これらの導電性材料は、単独または混合して用いることができる。
負極集電タブ8の材料としては、特に制限はないが、例えば、Cu、SUS等が挙げられる。負極集電タブ8の形状について特に制限はないが、例えば、短冊状である。
第1の塗料に含まれる第1の樹脂としては、軟化点が60℃以上200℃未満であるものが好ましい。第1の樹脂の軟化点が低すぎると、捲回電極の使用の際に、第1の樹脂が軟化し、電池特性を劣化させてしまう恐れがある。第1の樹脂の軟化点が高すぎると、第1の多孔性絶縁層2aを介して正極4と負極3とを接合する際の加熱温度が高くなりすぎる。上記加熱温度が高すぎると、負極活物質層3a,3bや正極活物質層4a,4bに含まれるバインダーが劣化し、負極活物質層3a,3bが負極集電体3cから、正極活物質層4a,4bが正極集電体4cから剥離する等の問題が生じ、電極特性を劣化させてしまう恐れがある。第1の樹脂の軟化点が、後述する第2の樹脂の軟化点よりも低く、かつ60℃以上200℃未満の範囲内にあれば、積層体を60℃以上200℃未満の温度で加熱することにより、熱による電極特性の劣化を抑制しながら、第1の多孔性絶縁層2aを介して正極4と負極3とを接合できる。
第2の塗料に含まれる第2の樹脂としては、軟化点が第1の樹脂の軟化点よりも高ければ特に限定されないが、軟化点が200℃より低いものが好ましい。第2の樹脂の軟化点が高すぎると、捲回体を加圧しながら加熱して、捲回体を一体化する際に、負極活物質層3a,3bや、正極活物質層4a,4bに含まれるバインダーが劣化し、負極活物質層3a,3bが負極集電体3cから、正極活物質層4a,4bが正極集電体4cから剥離する等の問題が生じ、電極特性を劣化させてしまう恐れがあるからである。第2の樹脂の軟化点が、200℃よりも低ければ、捲回体を200℃より低い温度で加熱することにより、熱による電極特性の劣化を抑制しながら、捲回体を一体化できる。
ここで、第1の樹脂の軟化点をT1、第2の樹脂の軟化点をT2とすると、T2がT1よりも大きければ、T2とT1との差について特に制限はない。しかし、第1の多孔性絶縁層2aを介して正極4と負極3とを接合する際の加熱温度、および捲回体を一体化する際の加熱温度の設定の容易性の観点からは、T2とT1との差が20℃以上となるように第1の樹脂と第2の樹脂とを選択することが好ましい。
第1の多孔性絶縁層2aおよび第2の多孔体絶縁層2bは、例えば、有機微粒子と必要の応じてバインダーとを含む塗料を、例えば、負極活物質層3a,3bに塗布することにより形成できる。塗布は、ドクターブレード法、またはスプレー塗布等の方法で行える。第1の多孔性絶縁層2aおよび第2の多孔体絶縁層2bは、いわゆるシャットダウン機能を有していると好ましい。シャットダウン機能とは、電池内部の温度が上昇しすぎた際に、第1の多孔性絶縁層2aおよび第2の多孔性絶縁層2bの細孔を塞いで、第1の多孔性絶縁層2aおよび第2の多孔性絶縁層2bのイオン伝導性を消失させる機能のことをいう。
有機微粒子の材料としては、例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、エチレン−酢酸ビニル共重合体(EVA)、エチレン−アクリル酸エチル共重合体(EEA)、ポリ乳酸等の熱可塑性樹脂が挙げられる。
上記塗料は、無機微粒子をさらに含んでいてもよい。無機微粒子としては、例えば、アルミナやシリカ等の無機酸化物が挙げられる。また、有機微粒子は、上記熱可塑性樹脂と無機酸化物とを含む複合材からなる微粒子であってもよい。
塗料に含まれるバインダーとしては、例えば、PVDF、PTFE、SBR等が挙げられる。尚、有機微粒子自体が接着性を有する場合、例えば、有機微粒子の材料がEVA等である場合、バインダーは、必ずしも必要ではない。
第1の多孔性絶縁層2aおよび第2の多孔体絶縁層2bは、下記の方法で形成することもできる。(1)樹脂が溶媒(良溶媒)に溶解された樹脂溶液を、例えば、負極活物質層3a,3bに塗布した後、塗布された樹脂溶液を乾燥させる前に貧溶媒中に浸漬して、微多孔構造の樹脂塗膜(第1の多孔性絶縁層2aおよび第2の多孔体絶縁層2b)を凝集析出させる。
(2)上記樹脂溶液に貧溶媒または無機塩等をさらに混合し、得られた塗料を例えば負極活物質層3a,3bに塗布する。次に、負極活物質層3a,3bに塗布された塗料から良溶媒を乾燥除去し、次いで、乾燥または抽出等の方法により貧溶媒または無機塩を除去して、第1の多孔性絶縁層2aおよび第2の多孔体絶縁層2bを得る。
樹脂溶液中の樹脂としては、例えば、EVA、EEA、塩素化PP等を、良溶媒としては、例えば、トルエン、テトラヒドロフラン(THF)等を、貧溶媒としては、例えば、水、アルコール等を、無機塩としては、例えば、LiBr、LiI等を用いることができる。上記樹脂、良溶媒、貧溶媒、無機塩は、それぞれ、2種以上を混合して用いてもよい。
第1の塗料および第2の塗料が、上述した、有機微粒子と必要に応じてバインダーとを含む塗料である場合、第1の樹脂および第2の樹脂は、上記有機微粒子に含まれる樹脂である。第1の塗料および第2の塗料が、上述した、樹脂が溶媒(良溶媒)に溶解された樹脂溶液(貧溶媒または無機塩等が添加されたものも含む)である場合、第1の樹脂および第2の樹脂は、上記樹脂溶液中の樹脂である。
上記第1の樹脂および第2の樹脂の組み合わせは、負極活物質層および正極活物質層に含まれるバインダーの耐熱性等が考慮された上で、第1の樹脂の軟化点よりも第2の樹脂の軟化点が高ければ特に制限はない。
一般に、樹脂が共重合体である場合、その軟化点は、共重合体を構成する2種のモノマーの配合割合を調整することにより調整できる。例えば、エチレン−酢酸ビニル共重合体(EVA)では、酢酸ビニルの配合割合を多くすれば、軟化点が低くなる。したがって、例えば、酢酸ビニルの配合量が異なる2種のEVAのうち、相対的に酢酸ビニルの配合量が多いEVAを第1の樹脂とし、相対的に酢酸ビニルの配合量が少ないEVAを第2の樹脂として選択すればよい。
また、第1の樹脂および第2の樹脂のうちの少なくとも一方は、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、エチレン−酢酸ビニル共重合体(EVA)、エチレン−アクリル酸エチル共重合体(EEA)、ポリ乳酸および塩素化PPからなる群から選ばれる少なくとも1種の樹脂と、ポリスルホン、ポリエーテルスルホンおよびポリフェニルスルホンからなる群から選ばれる少なくとも1種の耐熱性樹脂とを含むポリマーブレンドであってもよい。第1の樹脂および第2の樹脂のうちの少なくとも一方は、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、エチレン−酢酸ビニル共重合体(EVA)、エチレン−アクリル酸エチル共重合体(EEA)、ポリ乳酸および塩素化PPからなる群から選ばれる少なくとも1種の樹脂と、石油炭化水素樹脂(petroleum hydrocarbon resin)、例えば、芳香族修飾脂肪族炭化水素樹脂とを含むポリマーブレンドであってもよい。また、ポリマーブレンドは、耐熱性樹脂、石油炭化水素樹脂の両方を含んでいてもよい。上記ポリマーブレンドの軟化点は、ポリマーブレンドに含まれる耐熱性樹脂や石油炭化水素樹脂の配合割合や種類等を選択することにより、調整できる。
尚、図1B〜Cでは、第1の多孔性絶縁層2aおよび第2の多孔性絶縁層2bを、負極3に形成しているが、本実施形態の捲回電極の製造方法はこれに制限されない。第1の多孔性絶縁層2aおよび第2の多孔性絶縁層2bのうちの少なくとも一方を正極4に形成してもよい。第2の多孔性絶縁層2bが正極4に形成される場合、積層体を捲回して得た捲回体を、加圧しながら、第2の樹脂の軟化点以上の温度で加熱すると、第2の多孔性絶縁層2bと負極3とが接合されることとなる。
図1Bでは、第1の多孔性絶縁層2aを、負極3aの負極活物質層3a上にのみ形成しているが、第1の多孔性絶縁層2aは、負極集電体3cの負極活物質層3a側の面のうちの負極活物質層3aが形成されていない部分の一部または全部をさらに覆うように形成してもよい。同様に、図1Cに示した第2の多孔性絶縁層2bは、負極集電体3cの負極活物質層3b側の面のうちの負極活物質層3bが形成されていない部分の一部または全部をさらに覆うように形成してもよい。
また、図1Dを用いて説明した例では、積層体を正極4側が内側となるように捲回して捲回電極を得ているが、本実施形態の捲回電極の製造方法はこれに制限されない。積層体の第2の多孔性絶縁層側の反対側が内側となるのであれば、積層体を負極3が内側となるように捲回してもよい。
図3に、本実施形態の捲回電極の製造方法により作製された捲回電極を示している。本実施形態の捲回電極は、帯状の正極4と、帯状の負極3と、正極4と負極3の間に配置された帯状の第1の多孔性絶縁層2aと、積層体の一方の最外層となるように配置された帯状の第2の多孔性絶縁層2bとを含む積層体が、例えば、積層体の第2の多孔性絶縁層2b側の反対側が内側となるように捲回されている。第1の多孔性絶縁層2aは、第1の樹脂を含む第1の塗料を塗布することにより形成されており、第2の多孔性絶縁層2bは、第2の樹脂を含む第2の塗料を塗布することにより形成されている。第1の多孔性絶縁層2aは、正極4および負極3に接合されており、第2の樹脂の軟化点は、第1の樹脂の軟化点よりも高い。
本実施形態の捲回電極は、本実施形態の捲回電極の製造方法により作製されているので、信頼性が高い。
本実施形態の捲回電極では、正極4と第2の多孔性絶縁層2bとが接合されていてもよい。
次に、本実施形態の電池について図面を用いて説明する。
図4に、上記製造方法により作製された捲回電極1が、電解液とともに容器内に収められた電池の一例(断面図)を示している。尚、図4において、捲回電極1は、図示の都合上簡略して記載しておりハッチングも省略している。図4において、3は負極、4は正極である。
図4に示すように、本実施形態の電池では、蓋体9aを含む容器9が、アルミニウム(Al)等の金属で形成されている。容器9の底部にはPTFEシート等の合成樹脂からなる絶縁体5が配置されている。蓋体9aには、PP等の合成樹脂製の絶縁パッキング10を介してステンレス鋼等の金属端子11が取り付けられ、この端子11には絶縁体12を介してステンレス鋼等の金属製のリード板13が取り付けられている。
尚、図4に示した例では、正極集電タブ7が蓋体9aに直接溶接されることによって、容器が正極端子として機能している。また、負極集電気タブ8がリード板13に溶接され、リード板13を介して負極集電気タブ8と端子11とが導通されている。端子11は負極端子として機能している。尚、容器の材質によっては、端子の正負が逆になる場合もある。容器は、例えば、ステンレス(SUS)製であってもよいし、後述する実施形態2において用いられる容器のように、樹脂を含んでいてもよい。
電解液としては、特に制限はないが、電池がLiイオン電池である場合、例えば、Li塩が有機溶媒に溶解されたものが用いられる。Li塩としては、有機溶媒中で解離してLi+イオンを生成可能であり、電解液を構成要素とする電池の電圧範囲で分解等の副反応を起こさないものであれば特に制限されない。
Li塩には、例えば、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiClO4等の無機化合物、LiN(SO2CF32、LiN(SO2252、LiN(SO2CF3)(SO249)、LiC(SO2CF23、LiC(SO2253、LiPF6-n(C25n(nは1から6までの整数)、LiSO3CF3、LiSO325、LiSO348等の有機化合物等を用いることができる。
有機溶媒は、Li塩を溶解でき、電池の電圧範囲で分解等の副反応を起こさないものであれば制限されない。有機溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート等の環状カーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート等の鎖状カーボネート、γ−ブチロラクトン等の環状エステル、ジメトキシエタン、ジグライム、トリグライム、テトラグライム等の鎖状エーテル、ジオキサン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン等の環状エーテル、アセトニトリル、プロピオニトリル、メトキシプロピオニトリル、エトキシプロピオニトリル等のニトリル類等が挙げられる。これらの有機溶媒は、単独又は混合して用いることができる。
なかでも、有機溶媒は、エチレンカーボネートと鎖状カーボネートとの混合溶媒が好ましい。上記混合溶媒を用いれば、高い導電率が得られ、良好な電池特性を実現できる。
電解液には、安全性、サイクル性、高温貯蔵性等の特性を向上する目的で、適宜、ビニレンカーボネート類、1,3−プロパンサルトン、ジフェニルジスルフィド、シクロヘキサン、ビフェニル、フルオロベンゼン、t−ブチルベンゼン等の添加剤が含まれていてもよい。
また、電解液は、有機溶媒に代えて、エチル−メチルイミダゾリウムトリフルオロメチルスルホニウムイミド、へプチル−トリメチルアンモニウムトリフルオロメチルスルホニウムイミド、ピリジニウムトリフルオロメチルスルホニウムイミド、グアジニウムトリフルオロメチルスルホニウムイミド等の常温溶融塩を含んでいてもよい。
また、電解液は、下記のホストポリマーによりゲル化されていてもよい。ホストホリマーとしては、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリアクリロニトリル、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、エチレンオキシド−プロピレンオキシド共重合体、主鎖または側鎖にエチレンオキシド鎖を含む架橋ポリマー、光及び熱により架橋可能であり側鎖にオキセタン化合物や脂環式エポキシ化合物を有する(メタ)アクリレート共重合体等が挙げられる。
(実施形態2)
本実施形態では、本発明の電池の製造方法の一例について説明する。
本実施形態の電池の製造方法では、積層体を得た後、その積層体を捲回する工程までは実施形態1の捲回電極の製造方法と同様である。したがって、本実施形態の電池の製造方法においても、実施形態1の捲回電極の製造方法と同様の効果を有する。
本実施形態の電池の製造方法では、図5Aに示すように、樹脂を含む容器91内に、上記積層体を捲回して得た捲回体1と、電解液とを入れ、容器を封止する。その後、図5Bに示すように、容器91の外側から、加熱プレス機14等で捲回体1を加圧しながら加熱して、第2の多孔性絶縁層を介して正極と負極とを接合し、捲回体1を一体化する。
容器91に含まれる樹脂は、熱溶着等により容器91の開口部を封じることができる材料、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンを含んでいると好ましい。容器は、上記樹脂と金属箔とを含むラミネート構造をしていてもよい。
容器91の外側から捲回体1を加圧する際の圧力について特に制限はないが、1×106Pa〜1×109Paが適当である。
容器の外側から捲回体を加熱する際の加熱温度(T4とする)は、実施形態1と同様に、200℃未満が好ましい。熱による電極特性の劣化を抑制しながら捲回体を一体化できるからである。第1の樹脂が結晶性樹脂、例えば、エチレン−酢酸ビニル共重合体(EVA)である場合、加熱温度T4は、第1の多孔性絶縁層の多孔性を保持する観点からは、第1の樹脂の融点未満の温度であると好ましい。第1の樹脂が非結晶性樹脂である場合、例えば、シクロオレフィンポリマー等である場合、第1の多孔性絶縁層の多孔性を保持する観点からは、加熱温度T4は、例えば、T4≦T1+20℃の関係を満たしていると好ましい。T1は、第1の樹脂の軟化点である。
正極、負極、第1の多孔性絶縁層および第2の多孔性絶縁層の材料および製造方法は、実施形態1と同様であり、電解液の材料についても、実施形態1と同様である。
捲回体1と電解液とを容器91内に封入した後、捲回体1を加圧しながら加熱することにより、電解液に含まれる有機溶媒が所定の温度以上になると、第2の多孔性絶縁層に含まれる第2の樹脂は、有機溶媒に溶解し始める。第2の樹脂の有機溶媒への溶解の程度が大きくなると、より低い加熱温度で捲回体1を一体化することが可能となる。第2の樹脂と電解液に含まれる有機溶媒の組み合わせは、第2の樹脂の軟化点より低い温度で捲回体1を加熱しても、捲回体1の一体化が可能な組み合わせであることが好ましい。熱による電極特性の劣化をさらに抑制できるからである。
具体的には、第2の樹脂が、EVAと、ポリスルホン等の耐熱性樹脂と、芳香族修飾脂肪族炭化水素樹脂等の石油炭化水素樹脂とを含むポリマーブレンドである場合、有機溶媒は、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート等の環状カーボネートと、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート等の鎖状カーボネートとの混合溶媒であると好ましい。
以下に、本発明の一例を、実施例を用いて更に詳細に説明する。
(正極の作製)
LiCoO2粉末(正極活物質)と、グラファイト粉末(導電性材料)と、ポリフッ化ビニリデン(バインダー)と、N−メチル−2−ピロリドン(溶媒)とを混合し、スラリー状の正極活物質合剤を得た。このスラリーをドクターブレード法によりアルミニウム箔(正極集電体、厚さ:20μm)の両面に塗布し、乾燥した。この状態で、正極集電体の両面に塗布された正極活物質合剤の厚みはそれぞれ50μmであった。次いで、これらをプレス機で厚み方向に加圧し、真空オーブン中で熱処理することにより正極活物質合剤中の水分を除去して、1対の正極活物質層の間に正極集電体が配置された構造の正極を作製した。
(負極の作製)
黒鉛粉末(負極活物質)と、ポリフッ化ビニリデン樹脂(結着剤)と、N−メチル−2−ピロリドン(溶媒)とを混合し、スラリー状の負極活物質合剤を得た。このスラリーをドクターブレード法により銅箔(負極集電体、厚さ:20μm)の両面に塗布し、乾燥した。この状態で、負極集電体の両面に塗布された負極活物質合剤の厚みはそれぞれ50μmであった。次いで、これらをプレス機で厚み方向に加圧し、真空オーブン中で熱処理することにより負極活物質合剤中の水分を除去して、1対の負極活物質層の間に負極集電体が配置された構造の負極を作製した。
(第1の多孔性絶縁層の作製)
負極の片面に、エチレン−酢酸ビニル共重合体(三井・ディポンケミカル(株)製、P1905、酢酸ビニル量:19%、MFR値:2.5g/10min、軟化点:58℃、融点:84℃、以下「EVA1」と略する。)を原料として高圧乳化装置を用いて作製したエマルジョン(平均粒径:2μm)をドクターブレード法により、厚さが10μmとなるように塗布し、それを乾燥した。
(第2の多孔性絶縁層の作製)
負極の他方の面に、エチレン−酢酸ビニル共重合体(日本ユニカー(株)製、NUC−5491、酢酸ビニル量:6%、MFR値:5.5g/10min、軟化点:78℃、以下「EVA2」と略する。)を原料として高圧乳化装置を用いて作製したエマルジョン(平均粒径:2μm)をドクターブレード法により、厚さ10μmとなるように塗布し、それを乾燥した。
次に、負極と第1の多孔性絶縁層と第2の多孔性絶縁層とからなる一体化物(幅44mm)と、正極(幅:43mm)とを、正極と負極との間に第1の多孔性絶縁層が配置され、かつ第2の多孔性絶縁層が一方の最外層となるように重ねて積層体を形成した。次に、積層体を加熱プレス機により、5MPaで加圧しながら、65℃で1分間加熱した。次いで、正極集電タブを正極集電体に、負極集電タブを負極集電体に取り付けた。
次に、積層体をその正極側が内側となるように扁平状に捲回して捲回体を得た。次に、得られた捲回体を、加熱プレス機を用いて、3MPaで加圧しながら、80℃で2分間加熱して、厚さ3.6mm、幅32mm、長さ46mmの、一体化された捲回電極を得た。
次に、捲回体を、厚さ4mm、幅34mm、長さ50mmのアルミニウム缶に挿入し、正極集タブを正極端子に、負極集電機タブを負極端子にそれぞれ溶接した。
次に、エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートとが1対2の質量比で混合された混合溶媒に、LiPF6を、その濃度が1mol/リットルとなるように溶解して電解液を得た。この電解液をアルミニウム缶に注入した後、アルミニウム缶に蓋をし、レーザー封止装置を用いて封止して、角型電池を得た。
(比較例1)
加熱プレス機による積層体および捲回体の加熱プレスを行わないこと以外は実施例1と同様にして角型電池を作製した。
実施例1と同様にして正極および負極を作製した。
(第1の多孔性絶縁層の作製)
負極の一方の負極活物質層に、実施例1で用いた「EVA1」(軟化点:58℃、融点:84℃)を原料として高圧乳化装置を用いて作製したエマルジョン(平均粒径2μm)をドクターブレード法により厚さ10μmとなるように塗布し、それを乾燥して、第1の多孔性絶縁層を得た。
(第2の多孔性絶縁層の作製)
エチレン−酢酸ビニル共重合体(Exxon−MobilChemical Co.,製、ESCORENE(登録商標)ULTRA、UL7840、酢酸ビニル量33%、MFR値:4.3g/10min、融点:105℃)0.9g、Escorez(登録商標)2596(芳香族修飾脂肪族炭化水素樹脂)(Exxon−MobilChemical Co.,製)0.36g、およびポリスルホン(Scientific Polymer Products Inc.,製、重量平均分子量(Mw):80,000)4.14gを、テトラヒドロフラン(THF)40gに溶解した。得られた溶液に、ヒュームドシリカ1.00gを添加し、この混合物を一晩攪拌して、スラリーを得た。次に、このスラリーに臭化リチウム(LiBr)7.00gを添加して溶解した。次に、得られたスラリーをドクターブレード法により厚さ15μmとなるように負極の他方の負極活物質層に塗布し、塗布されたスラリーを室温下に放置してTHFを自然乾燥した。次いで、乾燥されたスラリーを直ぐに水中に1時間浸漬して、LiBrを除去し、エチレン−酢酸ビニル共重合体と、芳香族修飾脂肪族炭化水素樹脂と、ポリスルホンとを含むポリマーブレンド(軟化点:125℃)を含む第2の絶縁性多孔層を得た。
次に、負極と第1と多孔性絶縁層と第2の多孔性絶縁層とからなる一体化物(幅44mm)と、正極(幅43mm)とを、正極と負極との間に第1と多孔性絶縁層が配置され、かつ第2の多孔性絶縁層が一方の最外層となるように重ねて積層体を形成した。次に、積層体を加熱プレス機により、3MPaで加圧しながら、75℃で1分間加熱した。次いで、正極集電タブを正極集電体に、負極集電タブを負極集電体に取り付けた。
次に、積層体をその正極側が内側となるように扁平状に捲回して捲回体を得た。捲回体の厚みは3.6mmであり、幅は32mmであり、長さは46mmであった。この捲回体を電解液と伴に、三層構造のラミネートフィルム(ポリエステル−アルミニウム−変性ポリオレフィン)を用いて作製された容器内に収め、容器を熱により封止した。次いで、加熱プレス機を用いて、容器の外側から、捲回体を、1.5MPaで加圧しながら、80℃で10分間加熱して、電池を得た。電解液には、実施例1で用いた電解液と同じものを用いた。
(比較例2)
加熱プレス機による積層体および捲回体の加熱プレスを、行なわないこと以外は実施例2と同様にして電池を作製した。
実施例1および2、比較例1および2の電池をそれぞれ10個作製し、それらについて下記の方法に従って充放電特性を調べた。実施例1および2の電池では、正常な充放電が行え、充放電を100サイクル行っても、短絡等の異状は見られなかった。一方、比較例1の電池は、10個中5個が内部短絡を起こして充放電できなかった。比較例2の電池では、初回の充放電を行った際に、10個中3個が短絡し、30サイクル目の充放電で残り7個のうちの4個が短絡した。これらの結果より、実施例1および2の電池は、比較例1および2の電池よりも、短絡が抑制されており、信頼性が高いことが確認できた。
[充放電試験]
25℃の雰囲気下で、500mAの定電流で電池電圧が4.2Vとなるまで充電した後、電流値が10mAとなるまで定電圧方式で充電した。その後、500mAの定電流で電池電圧が3Vとなるまで放電した。これを1サイクルとして、充放電を100サイクル行った。
本発明では、高容量化が可能であり、短絡が抑制された、信頼性の高い捲回電極および電池を提供できるので、本発明の捲回電極およびその製造方法、並びに電池の製造方法は、有用である。
A〜Dは、本発明の捲回電極の製造方法の一例を示す工程別断面図 図1Dに示した積層体の概略平面図 本発明の捲回電極の一例を示す断面図 本発明の捲回電極の一例を用いた電池の断面図 A〜Bは、本発明の電池の製造方法の一例を示す工程別断面図
符号の説明
1 捲回電極
2a 第1の多孔性絶縁層
2b 第2の多孔性絶縁層
3 負極
3a,3b 負極活物質層
3c 負極集電体
4 正極
4a,4b 正極活物質層
4c 正極集電体
7 正極集電タブ
8 負極集電タブ
9、91 容器

Claims (14)

  1. (a)1対の正極活物質層と、前記1対の正極活物質層の間に配置された正極集電体とを含む帯状の正極、および1対の負極活物質層と、前記1対の負極活物質層の間に配置された負極集電体とを含む帯状の負極のうちのいずれか一方に、第1の樹脂を含む第1の塗料を塗布して、第1の多孔性絶縁層を形成し、前記正極および前記負極のうちのいずれか一方に、前記第1の樹脂よりも軟化点が高い第2の樹脂を含む第2の塗料を塗布して、第2の多孔性絶縁層を形成し、前記正極と前記負極との間に前記第1の多孔性絶縁層が配置され、かつ前記第2の多孔性絶縁層が一方の最外層となるように前記正極と前記負極とを重ねて積層体を形成する工程と、
    (b)前記積層体を、加圧しながら、前記第1の樹脂の軟化点以上前記第2の樹脂の軟化点未満の温度で加熱して、前記第1の多孔性絶縁層を介して前記正極と前記負極とを接合する工程と、
    (c)前記工程(b)の後に、前記積層体を捲回する工程と、を含む捲回電極の製造方法。
  2. 前記工程(c)において、前記積層体を偏平状に捲回する請求項1に記載の捲回電極の製造方法。
  3. 前記工程(c)において、前記積層体を捲回して得た捲回体を、加圧しながら、前記第2の樹脂の軟化点以上の温度で加熱して、前記正極または前記負極と、前記第2の多孔性絶縁層とを接合する請求項1に記載の捲回電極の製造方法。
  4. 前記工程(c)において、前記積層体を捲回して得た捲回体を、加圧しながら、前記第2の樹脂の軟化点以上前記第1の樹脂の融点未満の温度で加熱して、前記正極または前記負極と、前記第2の多孔性絶縁層とを接合する請求項1に記載の捲回電極の製造方法。
  5. 前記負極は、前記正極よりも幅広であり、
    前記工程(a)において、前記負極の幅方向の両縁部が前記正極からはみでるように、前記負極と前記正極とを重ねる請求項1に記載の捲回電極の製造方法。
  6. 前記工程(a)において、前記第1の多孔性絶縁層および前記第2の多孔性絶縁層を前記負極に形成する請求項5に記載の捲回電極の製造方法。
  7. 前記積層体を捲回して得られる捲回体の最外周が前記正極の捲き終り部分からなるように、前記工程(a)において、長手方向の長さが前記負極のそれよりも長い前記正極を用意し、
    前記工程(c)において、前記積層体を前記正極が内側となるように捲回する請求項6に記載の捲回電極の製造方法。
  8. 前記工程(b)において、前記積層体を、60℃以上200℃未満の温度で加熱する請求項1に記載の捲回電極の製造方法。
  9. 前記工程(c)において、前記捲回体を、200℃より低い温度で加熱する請求項3に記載の捲回電極の製造方法。
  10. 前記工程(b)において、前記積層体を、加圧しながら加熱することにより、前記第1の多孔性絶縁層および第2の多孔性絶縁層の厚みを薄くする請求項1に記載の捲回電極の製造方法。
  11. 請求項1に記載の捲回電極の製造方法により作製された捲回電極と、電解液とを、樹脂を含む容器内に入れ、前記容器を封止した後、前記容器の外側から、前記積層体を捲回して得た捲回体を加圧しながら加熱して、前記正極または前記負極と、前記第2の多孔性絶縁層とを接合する工程を含むことを特徴とする電池の製造方法。
  12. 前記第2の樹脂の軟化点より低い温度で、前記捲回体を加熱する請求項11に記載の電池の製造方法。
  13. 前記第1の樹脂の融点より低い温度で、前記捲回体を加熱する請求項12に記載の電池の製造方法。
  14. 帯状の正極と、帯状の負極と、前記正極と前記負極の間に配置された帯状の第1の多孔性絶縁層と、一方の最外層となるように配置された帯状の第2の多孔性絶縁層とを含む積層体が、捲回された捲回電極であって、
    前記第1の多孔性絶縁層は、第1の樹脂を含む第1の塗料を塗布することにより形成されており、
    前記第2の多孔性絶縁層は、第2の樹脂を含む第2の塗料を塗布することにより形成されており、
    前記第1の多孔性絶縁層は、前記正極および前記負極に接合されており、
    前記第2の樹脂の軟化点は、前記第1の樹脂の軟化点よりも高いことを特徴とする捲回電極。

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