JP2007280687A - 電池用電極 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】集電体と、前記集電体上に形成された活物質および導電助剤を含む活物質層と、を有する電池用電極であって、前記活物質層における導電助剤の含有率が、活物質層の集電体側から電解質側に向かうに従って漸減していることを特徴とする電池用電極により、上記課題は解決される。
【選択図】図1
Description
(構成)
本発明の第1は、集電体と、前記集電体上に形成された活物質および導電助剤を含む活物質層と、を有する電池用電極であって、前記活物質層における導電助剤の含有率が、活物質層の集電体側から電解質側に向かうに従って漸減してい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上には、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。本発明においては、正極活物質層13もしくは負極活物質層15のいずれか一方または双方において、電解質側の第1の活物質層における導電助剤の含有率が、集電体側の第2の活物質層の導電助剤の含有率よりも低い値である。
続いて、本発明の電池用電極の製造方法を説明する。
本工程においては、所望の活物質、導電助剤、および必要に応じて他の成分(例えば、バインダ、イオン伝導性ポリマー、支持塩(リチウム塩)、重合開始剤など)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、集電体を準備し、上記で調製した活物質スラリーを当該集電体の表面に塗布し、乾燥させる。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、後述するプレス工程を経て、活物質層となる。
続いて、前記塗膜形成工程を経て作製された積層体を積層方向にプレスする。これにより、本発明の電池用電極が完成する。プレス処理の具体的な形態としては、例えば、ホットプレス機やカレンダーロールプレス機などが挙げられる。また、プレス条件(温度、圧力など)も特に制限されず、従来公知の知見が適宜参照されうる。
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、リチウムイオン二次電池を構成する。すなわち、本発明の第2は、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つの単電池層を含むリチウムイオン二次電池であって、前記正極または前記負極の少なくとも一方が本発明の電池用電極である、リチウムイオン二次電池である。本発明の電極は、正極、負極、双極電極のいずれにも適用されうる。本発明の電極を、少なくとも1つの電極として含むリチウムイオン二次電池は、本発明の技術的範囲に属する。ただし、好ましくは、リチウムイオン二次電池を構成する電極の全てが本発明の電極である。かような構成を採用することにより、リチウムイオン二次電池の容量特性を効果的に向上させうる。
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。
双極型電池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、高品質の双極型電池10が提供されうる。
双極型電池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、外装の外部に取り出される。
双極型電池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実施形態の双極型電池を複数個、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実施形態の双極型電池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、車両を構成する。双極型電池10または組電池40をモータ用電源として用いる車両としては、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(平均粒径:10μm)(80質量%)、導電助剤であるカーボンブラック(10質量%)、およびバインダであるポリフッ化ビニリデン(PVdF)(10質量%)からなる固形分に対し、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、スラリー粘度が4000cps(4Pa・s)となるように添加して、第1の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(平均粒径:20μm)(90質量%)、およびバインダであるポリフッ化ビニリデン(PVdF)(10質量%)からなる固形分に対し、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。
エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)を1:1の体積比で混合し、電解液の可塑剤(有機溶媒)とした。次いで、この可塑剤に、リチウム塩であるLiPF6を1Mの濃度になるように添加して、電解液を調製した。
上記で作製した試験用正極および試験用負極で、リチウムイオン電池用セパレータであるポリエチレン製微多孔膜(厚さ:25μm)を挟持した。次いで得られた挟持体を三方シール済みの外装材であるアルミラミネートパック中に挿入した。その後、前記アルミラミネートパック中に上記で調製した電解液を注入し、パックから出力端子が露出するようにパックを真空シールして、ラミネート電池を完成させた。
正極活物質であるスピネル型マンガン酸リチウム(平均粒径:10μm)(80質量%)、導電助剤であるカーボンブラック(10質量%)、およびバインダであるポリフッ化ビニリデン(PVdF)(10質量%)からなる固形分に対し、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、スラリー粘度が4000cps(4Pa・s)となるように添加して、第1の正極活物質スラリーを調製した。
前記第2の正極活物質スラリー中の固形分であるスピネル型マンガン酸リチウム、カーボンブラック、およびポリフッ化ビニリデンの質量比を84:6:10としたこと以外は、上記の実施例2と同様の手法により、ラミネート電池を作製した。
前記第2の正極活物質スラリー中の固形分であるスピネル型マンガン酸リチウム、カーボンブラック、およびポリフッ化ビニリデンの質量比を86:4:10としたこと以外は、上記の実施例2と同様の手法により、ラミネート電池を作製した。
第2の正極活物質スラリーを用いなかったこと以外は、実施例1と同様の手法によりラミネート電池を作製した。
上記の各実施例および比較例で作製したラミネート電池を用いて、以下の手法により充放電試験を行った。
10 双極型電池、
11 集電体、
13 正極活物質層、
13a 第1の正極活物質層、
13b 第2の正極活物質層、
15 負極活物質層、
15a 第1の負極活物質層、
15b 第2の負極活物質層、
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 双極型でないリチウムイオン二次電池。
Claims (12)
- 集電体と、
前記集電体上に形成された活物質および導電助剤を含む活物質層と、
を有する電池用電極であって、
前記活物質層における導電助剤の含有率が、活物質層の集電体側から電解質側に向かうに従って漸減していることを特徴とする、電池用電極。 - 第1の活物質層と、
集電体と前記第1の活物質層との間に介在する第2の活物質層と、
を少なくとも有し、
前記第1の活物質層における導電助剤の含有率が、前記第2の活物質層における導電助剤の含有率よりも低いことを特徴とする、請求項1に記載の電池用電極。 - 集電体直近の活物質層に含まれる活物質の総表面積が、前記集電体直近の活物質層に含まれる導電助剤の総表面積に対して0.4以下の比であることを特徴とする、請求項2に記載の電池用電極。
- 前記活物質層が正極活物質を含み、前記正極活物質が、リチウム−遷移金属酸化物、リチウム−遷移金属リン酸化合物、およびリチウム−遷移金属硫酸化合物からなる群より選択される1種または2種以上の材料を含むことを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の電池用電極。
- 前記活物質層が負極活物質を含み、前記負極活物質が、炭素材料、リチウム−遷移金属化合物、金属材料、およびリチウム−金属合金材料からなる群より選択される1種または2種以上の材料を含むことを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の電池用電極。
- 前記導電助剤が炭素材料であることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の電池用電極。
- 前記活物質層が、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリ酢酸ビニル、ポリイミド、ユリア樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、ブチルゴム、およびスチレン系ゴムからなる群より選択される少なくとも1種のバインダをさらに含むことを特徴とする、請求項1〜6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つの単電池層を含むリチウムイオン二次電池であって、
前記正極または前記負極の少なくとも一方が、請求項1〜7のいずれか1項に記載の電池用電極である、リチウムイオン二次電池。 - 前記電解質層が、液体電解質、ゲル電解質、または真性ポリマー電解質を含む、請求項8に記載のリチウムイオン二次電池。
- 双極型リチウムイオン二次電池である、請求項8または9に記載のリチウムイオン二次電池。
- 請求項8〜10のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池を用いた組電池。
- 請求項8〜10のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池、または請求項11に記載の組電池をモータ駆動用電源として搭載した車両。
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