JP2007042386A - 電池用電極およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 集電体と、前記集電体の表面に形成された、活物質を含む活物質層と、を有する電池用電極において、活物質層に、当該活物質層の他の部位と比較して厚さの小さい薄部を存在させる。
【選択図】図1
Description
(構成)
本発明の第1は、集電体と、前記集電体の表面に形成された、活物質を含む活物質層と、を有する電池用電極であって、前記活物質層において、当該活物質層の他の部位と比較して厚さの小さい薄部が存在することを特徴とする、電池用電極である。
集電体11は、アルミニウム箔、ニッケル箔、銅箔、ステンレス(SUS)箔など、導電性の材料から構成される。集電体の一般的な厚さは、1〜30μmである。ただし、この範囲を外れる厚さの集電体を用いてもよい。
集電体11には、活物質層(13、15)が形成される。活物質層(13、15)は、充放電反応の中心を担う活物質を含む層である。本発明の電極が正極として用いられる場合、活物質層は正極活物質を含む。一方、本発明の電極が負極として用いられる場合、活物質層は負極活物質を含む。
活物質の平均粒子径は特に制限されない。ただし、この平均粒子径が大きすぎると、活物質の反応表面積が小さくなって高出力化が困難となったり、活物質の粒子の内部におけるリチウムイオン伝導が活物質層におけるリチウムイオン伝導を律速してしまうことになり、本発明の作用効果が充分に得られない虞がある。かような観点から、活物質の平均粒子径は、好ましくは10μm以下であり、より好ましくは5μm以下であり、さらに好ましくは2μm以下であり、特に好ましくは1μm以下である。ただし、これらの範囲を外れる形態もまた、採用されうる。なお、本願において活物質の平均粒子径は、レーザ回折式粒度分布測定装置により測定された値を採用するものとする。
本発明の第2は、電池用電極の製造方法に関する。すなわち、本発明の第2は、集電体を準備する集電体準備工程と、活物質を含む活物質スラリーを調製する活物質スラリー調製工程と、前記集電体の表面に前記活物質スラリーを塗布して、塗膜を形成する塗膜形成工程と、前記塗膜の厚さ方向と略同一の方向にチャネルを形成するチャネル形成工程と、を有する、電池用電極の製造方法である。かような製造方法によれば、本発明の第1の電池用電極が製造可能である。以下、工程順に詳細に説明するが、下記の形態のみには制限されない。
本工程においては、集電体を準備する。準備する集電体の具体的な形態については、上記の本発明の電極の構成の欄において説明した通りであるため、ここでは詳細な説明を省略する。
本工程においては、所望の活物質、バインダ、および必要に応じて他の成分(例えば、導電助剤など)を、溶媒中で混合して、活物質スラリーを調製する。この活物質スラリー中に配合される各成分の具体的な形態については、上記の本発明の電極の構成の欄において説明した通りであるため、ここでは詳細な説明を省略する。
続いて、上記で調製した活物質スラリーを、同じく上記で準備した集電体の表面に塗布する。これにより、集電体の表面に活物質スラリーからなる塗膜が形成される。この塗膜は最終的には乾燥し、さらに後述するチャネル形成工程においてチャネルが形成され、活物質層となる。
その後、上記で形成された塗膜に対して、チャネルを形成する。これにより、電池用電極(例えば、図1に示す本発明の第1の電池用電極)が完成する。
第2実施形態では、上記の第1実施形態の電池用電極を用いて、電池を構成する。
電解質層17を構成する電解質としては、液体電解質またはポリマー電解質が用いられうる。
バイポーラ電池10においては、通常、各単電池層19の周囲に絶縁層31が設けられる。この絶縁層31は、電池内で隣り合う集電体11同士が接触したり、電池要素21における単電池層19の端部の僅かな不ぞろいなどによる短絡が起きたりするのを防止する目的で設けられる。かような絶縁層31の設置により、長期間の信頼性および安全性が確保され、高品質のバイポーラ電池10が提供されうる。
バイポーラ電池10においては、電池外部に電流を取り出す目的で、最外層集電体(11a、11b)に電気的に接続されたタブ(正極タブ25および負極タブ27)が外装であるラミネートシート29の外部に取り出される。具体的には、正極用最外層集電体11aに電気的に接続された正極タブ25と、負極用最外層集電体11bに電気的に接続された負極タブ27とが、ラミネートシート29の外部に取り出される。
バイポーラ電池10においては、使用時の外部からの衝撃や環境劣化を防止するために、電池要素21は、好ましくはラミネートシート29などの外装内に収容される。外装としては特に制限されず、従来公知の外装が用いられうる。自動車の熱源から効率よく熱を伝え、電池内部を迅速に電池動作温度まで加熱しうる点で、好ましくは、熱伝導性に優れた高分子−金属複合ラミネートシート等が用いられうる。
第3実施形態では、上記の第2実施形態のバイポーラ電池を複数個、並列および/または直列に接続して、組電池を構成する。
第4実施形態では、上記の第2実施形態のバイポーラ電池10、または第3実施形態の組電池40をモータ駆動用電源として搭載して、輸送機関を構成する。バイポーラ電池10または組電池40をモータ用電源として用いる輸送機関としては、例えば、ガソリンを用いない完全電気自動車、シリーズハイブリッド自動車やパラレルハイブリッド自動車などのハイブリッド自動車、および燃料電池自動車などの、車輪をモータによって駆動する自動車のほか、列車、二輪車、船舶、航空機などが挙げられる。
<正極の作製>
正極活物質であるスピネル型マンガン酸リチウム(LiMn2O4)(平均粒子径:5μm)(90質量部)、導電助剤であるアセチレンブラック(5質量部)、およびバインダであるポリフッ化ビニリデン(PVdF)(5質量部)を混合し、次いでスラリー粘度調整溶媒であるN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を適量添加して、正極活物質スラリーを調製した。
負極活物質であるハードカーボン(平均粒子径:6μm)(95質量部)、およびバインダであるポリフッ化ビニリデン(PVdF)(5質量部)を混合し、次いでスラリー粘度調整溶媒であるN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を適量添加して、負極活物質スラリーを調製した。
剣山として、長さ:3mm、直径:50μm、隣接針間隔:0.4mmの針を有するものを用いたこと以外は、上記の実施例1と同様の手法により、試験用正極および試験用負極を作製した。
剣山として、上記の実施例2と同様のものを用い、0.2mmずつずらしながら4回孔をあけ、チャネルの隣接間隔が0.2mmの碁盤配列のチャネルを形成したこと以外は、上記の実施例1と同様の手法により、試験用正極および試験用負極を作製した。
剣山として、上記の実施例2と同様のものを用い、0.1mmずつずらしながら16回孔をあけ、チャネルの隣接間隔が0.1mmの碁盤配列のチャネルを形成したこと以外は、上記の実施例1と同様の手法により、試験用正極および試験用負極を作製した。
チャネルを形成しなかったこと以外は、上記の実施例1と同様の手法により、各電極を作製した。
試験用セルの正極および負極として用いるために、上記の各実施例および各比較例で作製した正極および負極を、ポンチを用いてそれぞれ50mm角に打ち抜き、電極にそれぞれ電流取り出し用端子(正極にはアルミニウム端子、負極にはニッケル端子)を接続した。
上記の各実施例および比較例について、それぞれの試験用セルに対し0.2Cの定電流にて4.2Vの電位まで充電し、この電位に1時間保持した。その後10分間休止し、0.5Cの定電流にて3.0Vの電位まで放電した。続いて、ラミネートフィルムに孔をあけて初回充放電に起因するガスを抜き、再度真空に封止した。
3 正極活物質、
5 負極活物質、
10 バイポーラ電池、
11 集電体、
11a、11b 最外層集電体、
13 正極活物質層、
13’ 正極活物質層に存在するチャネル、
15 負極活物質層、
15’ 負極活物質層に存在するチャネル、
17 電解質層、
19 単電池層、
21 電池要素、
25 正極タブ、
27 負極タブ、
29 ラミネートシート、
31 絶縁層、
33 正極集電体、
35 負極集電体、
40 組電池、
42、43 電極ターミナル、
50 自動車、
60 バイポーラ型でないリチウムイオン二次電池、
X チャネルの隣接間隔、
Y 活物質層の厚さ。
Claims (12)
- 集電体と、前記集電体の表面に形成された、活物質を含む活物質層と、を有する電池用電極であって、
前記活物質層において、当該活物質層の他の部位と比較して厚さの小さい薄部が存在することを特徴とする、電池用電極。 - 前記薄部において、前記活物質層の厚さ方向と略同一の方向に形成されてなるチャネルが存在する、請求項1に記載の電池用電極。
- 隣接する前記チャネルの隣接平均間隔が、前記活物質層の厚さの5倍以下である、請求項2に記載の電池用電極。
- 前記チャネルの合計体積が、前記活物質層の全体積に対して1%以上である、請求項2または3に記載の電池用電極。
- 前記活物質の平均粒子径が10μm以下である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の電池用電極。
- 正極、電解質層、および負極がこの順に積層されてなる少なくとも1つの単電池層を有する電池であって、
前記正極または前記負極の少なくとも一方が、請求項1〜5のいずれか1項に記載の電池用電極である、電池。 - バイポーラ型リチウムイオン二次電池である、請求項6に記載の電池。
- 請求項6または7に記載の電池を用いた組電池。
- 請求項6または7に記載の電池、または請求項8に記載の組電池を搭載した輸送機関。
- 集電体を準備する集電体準備工程と、
活物質を含む活物質スラリーを調製する活物質スラリー調製工程と、
前記集電体の表面に前記活物質スラリーを塗布して、塗膜を形成する塗膜形成工程と、
前記塗膜の厚さ方向と略同一の方向にチャネルを形成するチャネル形成工程と、
を有する、電池用電極の製造方法。 - 前記チャネル形成工程が、
前記塗膜に対してモールドを積層してプレスする工程と、
前記塗膜を乾燥させる工程と、
前記モールドを除去する工程と、
を有する、請求項10に記載の製造方法。 - 前記塗膜形成工程において、インクジェット印刷により塗膜を形成することにより、同時に前記チャネル形成工程が行われる、請求項10に記載の製造方法。
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