JP2008016381A - Electrode for battery - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a means capable of contributing to improvement of output characteristics of a battery by retaining an active material of small particle diameter in a conductive material and by improving conductivity of an active material layer in an electrode for the battery which can be used under high output conditions. <P>SOLUTION: This is the electrode 1 for battery having a current collector 2, and the active material layer 3 containing the active material 4 and an electroconductive material formed on the surface of the current collector. The problems are solved by the electrode for battery in which electroconductive material has an electroconductive structure 5 containing the electroconductive material and having micropores. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、電池用電極に関する。特に本発明は、リチウムイオン二次電池の出力特性を向上させるための改良に関する。   The present invention relates to a battery electrode. In particular, the present invention relates to an improvement for improving the output characteristics of a lithium ion secondary battery.

近年、環境や燃費の観点から、ハイブリッド自動車や電気自動車、さらには燃料電池自動車が製造・販売され、新たな開発が続けられている。これらのいわゆる電動車両においては、放電・充電ができる電源装置の活用が不可欠である。この電源装置としては、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の二次電池や、電気二重層キャパシタ等が利用される。特に、リチウムイオン二次電池はそのエネルギー密度の高さや繰り返し充放電に対する耐久性の高さから、電動車両に好適と考えられ、各種の開発が鋭意進められている。   In recent years, hybrid vehicles, electric vehicles, and fuel cell vehicles have been manufactured and sold from the viewpoints of environment and fuel efficiency, and new developments are continuing. In these so-called electric vehicles, it is indispensable to use a power supply device capable of discharging and charging. As the power supply device, a secondary battery such as a lithium ion battery or a nickel metal hydride battery, an electric double layer capacitor, or the like is used. In particular, lithium ion secondary batteries are considered suitable for electric vehicles because of their high energy density and high durability against repeated charging and discharging, and various developments have been intensively advanced.

しかし、リチウムイオン二次電池、特に正極活物質の導電助剤として炭素粉末を用いたリチウムイオン二次電池においては、特に高電流密度(例えば10mA/cm以上)で十分な容量を引き出せておらず、その原因の一つとして電池の内部抵抗低減が不十分であるという問題があった。この問題に対しては導電助剤として金属微粉末を含む電極とする方法(例えば、特許文献1を参照)や、導電助剤を制御する方法(例えば、特許文献2を参照)が対策として考えられている。
特開平11−238527号公報 特開2004−207034号公報
However, in a lithium ion secondary battery, particularly a lithium ion secondary battery using carbon powder as a conductive aid for the positive electrode active material, a sufficient capacity can be drawn out particularly at a high current density (for example, 10 mA / cm 2 or more). One of the causes is that the internal resistance of the battery is not sufficiently reduced. As a countermeasure against this problem, a method of using an electrode containing fine metal powder as a conductive assistant (see, for example, Patent Document 1) or a method of controlling a conductive assistant (see, for example, Patent Document 2) is considered. It has been.
Japanese Patent Laid-Open No. 11-238527 JP 2004-207034 A

しかしながら、従来技術によるリチウムイオン二次電池において考えられていた対策は、正極活物質の粒子径が導電助剤の粒子径に対して十分大きく(例えば活物質20μm、導電助剤1μm)、活物質の隙間に導電助剤が分散して良好な導電ネットワークを形成することが前提であった。   However, the countermeasure considered in the lithium ion secondary battery according to the prior art is that the particle diameter of the positive electrode active material is sufficiently larger than the particle diameter of the conductive auxiliary agent (for example, active material 20 μm, conductive auxiliary agent 1 μm). It was assumed that the conductive auxiliary agent was dispersed in the gaps to form a good conductive network.

近年、活物質の比表面積を増大させるために活物質の粒子径を小さく(例えば1μm未満)する試みがなされているが、活物質と導電助剤の粒子径が近くなり、導電助剤のネットワークが形成されにくいという課題があった。粒子径1μm未満の活物質を用いようとした場合、導電助剤の粒系を比例して小さくすることが考えられるが導電助剤は炭素の粒子を用いており、粒子径を小さくするには限界がある(0.1μm程度)ため、導電ネットワークが十分に形成されず、その結果、電子伝導が不足する活物質粒子が発生し、全体としては表面積が増加しているにもかかわらず出力が出ないことが理由として考えられる。   In recent years, attempts have been made to reduce the particle diameter of the active material (for example, less than 1 μm) in order to increase the specific surface area of the active material. There was a problem that it was difficult to form. When an active material having a particle diameter of less than 1 μm is used, it is conceivable to reduce the particle size of the conductive auxiliary agent in proportion, but the conductive auxiliary agent uses carbon particles, and the particle size can be reduced. Since there is a limit (about 0.1 μm), the conductive network is not sufficiently formed, resulting in the generation of active material particles with insufficient electronic conduction, and the overall output is increased despite the increased surface area. The reason is that it does not come out.

そこで本発明は、高電流密度条件下で用いられるリチウムイオン二次電池の電池用電極において、微小な活物質粒子へも確実に電子を供給できる導電ネットワークを形成する手段を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide means for forming a conductive network that can reliably supply electrons to minute active material particles in a battery electrode of a lithium ion secondary battery used under high current density conditions. To do.

本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意研究を行った。そしてその際に、電極の活物質層において、粒子状の導電助剤だけでなく、様々な形状の導電性材料を導電材として用いることを試みた。その結果、導電性の多孔質シートを導電材として用いることで、微小な活物質粒子へも確実に電子を供給できる導電ネットワークが形成されることを見出し、本発明を完成させるに至った。   The present inventors have conducted intensive research to solve the above problems. At that time, in the active material layer of the electrode, an attempt was made to use not only the particulate conductive additive but also various shapes of conductive materials as the conductive material. As a result, it has been found that by using a conductive porous sheet as a conductive material, a conductive network capable of reliably supplying electrons to minute active material particles is formed, and the present invention has been completed.

すなわち本発明は、集電体と、前記集電体の表面に形成された、活物質および導電材を含む活物質層と、を有する電池用電極であって、前記導電材が、導電性材料を含み、微細孔を有する構造体であることを特徴とする、電池用電極である。   That is, the present invention provides a battery electrode having a current collector and an active material layer including an active material and a conductive material formed on a surface of the current collector, wherein the conductive material is a conductive material. A battery electrode characterized by being a structure having fine pores.

本発明の電池用電極の活物質層には、微細孔を有する導電性構造体が導電材として用いられている。これにより、導電性構造体の微細孔に活物質粒子が充填され、微小な活物質粒子に対しても確実に電子を供給できる導電ネットワークを形成することができ、大電流放電時の抵抗を低減することができる。従って、本発明の電極は、電池の出力特性の向上に寄与しうる。   In the active material layer of the battery electrode of the present invention, a conductive structure having fine holes is used as a conductive material. As a result, the active material particles are filled in the micropores of the conductive structure, and a conductive network that can reliably supply electrons to the minute active material particles can be formed, reducing the resistance during large current discharge. can do. Therefore, the electrode of the present invention can contribute to the improvement of the output characteristics of the battery.

以下、本発明の実施の形態を説明するが、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、下記の形態のみに制限されることはない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. However, the technical scope of the present invention should be determined based on the description of the scope of claims, and is not limited to the following embodiments.

(第1実施形態)
(構成)
本発明は、集電体と、前記集電体の表面に形成された、活物質および導電材を含む活物質層と、を有する電池用電極であって、前記導電材が、導電性材料を含み、微細孔を有する導電性構造体であることを特徴とする、電池用電極である。
(First embodiment)
(Constitution)
The present invention provides a battery electrode having a current collector and an active material layer including an active material and a conductive material formed on a surface of the current collector, the conductive material comprising a conductive material. It is an electrode for batteries characterized by being an electroconductive structure which contains and has a fine hole.

以下、本発明の電池用電極の構造について、図面を参照して説明する。なお、本発明においては、説明の都合上、図面が誇張されており、本発明の技術的範囲は、図面に掲示する形態に限定されない。また、図面以外の実施形態も採用されうる。   Hereinafter, the structure of the battery electrode of the present invention will be described with reference to the drawings. In the present invention, the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and the technical scope of the present invention is not limited to the forms shown in the drawings. Also, embodiments other than the drawings may be employed.

図1は、本発明の電池用電極の一実施形態を示す概略断面図である。図1に示す形態の電池用電極1は、集電体2の一方の面に活物質層3が形成されてなる電極である。なお、後述するように、電池用電極の組成は主に、電極活物質、導電性構造体およびバインダである。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing one embodiment of a battery electrode of the present invention. The battery electrode 1 having the form shown in FIG. 1 is an electrode in which an active material layer 3 is formed on one surface of a current collector 2. As will be described later, the composition of the battery electrode is mainly an electrode active material, a conductive structure, and a binder.

本発明の電池用電極(以下、単に「電極」とも称する)1は、図1に示すように、活物質層3において、活物質4およびバインダ(図示せず)が、導電性構造体5に存在する微細孔に充填されている点に特徴を有する。   As shown in FIG. 1, the battery electrode 1 (hereinafter also simply referred to as “electrode”) 1 of the present invention includes an active material layer 3 in which an active material 4 and a binder (not shown) are connected to a conductive structure 5. It is characterized in that it fills the existing micropores.

図1に示す形態においては、微細孔を有する導電性構造体5が存在することにより、活物質の径を小さくした場合に、従来のような相対的に大きい粒子径の導電助剤を用いた場合に比べて、良好な導電性ネットワークが形成されうる。   In the embodiment shown in FIG. 1, when the diameter of the active material is reduced due to the presence of the conductive structure 5 having fine pores, a conductive aid having a relatively large particle diameter as in the prior art was used. Compared to the case, a better conductive network can be formed.

本発明の電池用電極は、例えば、バイポーラ型のリチウムイオン二次電池(以下、単に「バイポーラ電池」とも称する)に採用されうる。その他の電池に採用されても、勿論よい。   The battery electrode of the present invention can be employed in, for example, a bipolar lithium ion secondary battery (hereinafter also simply referred to as “bipolar battery”). Of course, it may be adopted for other batteries.

以下、リチウムイオン二次電池に採用される場合を例に挙げて、本発明の電池用電極の構成について説明する。本発明の電池用電極は、活物質層において、活物質が充填された導電性構造体が存在する点に特徴を有する。集電体、活物質、バインダ、支持塩(リチウム塩)、イオン伝導性ポリマー、その他必要に応じて添加される化合物の選択について、特に制限はない。使用用途に応じて、従来公知の知見を適宜参照することにより、選択すればよい。また、本発明の電池用電極は、正極および負極の双方に適用可能であるが、特に反応面などを考慮して、正極に適用すると、活物質として導電性の高い材料を用いることが多い負極に比べてより顕著な効果が得られる。正極に適用する場合には、集電体および活物質として、正極用の集電体および正極活物質として作用することが知られている化合物を採用すればよい。   Hereinafter, the configuration of the battery electrode of the present invention will be described by taking as an example a case where it is employed in a lithium ion secondary battery. The battery electrode of the present invention is characterized in that a conductive structure filled with an active material exists in the active material layer. There is no particular limitation on the selection of the current collector, active material, binder, supporting salt (lithium salt), ion-conducting polymer, and other compounds added as necessary. Depending on the intended use, it may be selected by appropriately referring to conventionally known knowledge. In addition, the battery electrode of the present invention can be applied to both the positive electrode and the negative electrode. However, when applied to the positive electrode particularly in consideration of the reaction surface, the negative electrode often uses a highly conductive material as an active material. Compared to the above, a more remarkable effect can be obtained. When applied to the positive electrode, a compound known to act as a current collector and positive electrode active material for the positive electrode may be employed as the current collector and active material.

[集電体]
集電体2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。
[Current collector]
The current collector 2 is made of a conductive material such as an aluminum foil, a nickel foil, a copper foil, or a stainless steel (SUS) foil. The general thickness of the current collector is 1 to 30 μm. However, a current collector having a thickness outside this range may be used.

集電体の大きさは、電池の使用用途に応じて決定される。大型の電池に用いられる大型の電極を作製するのであれば、面積の大きな集電体が用いられる。小型の電極を作製するのであれば、面積の小さな集電体が用いられる。   The size of the current collector is determined according to the intended use of the battery. If a large electrode used for a large battery is manufactured, a current collector having a large area is used. If a small electrode is produced, a current collector with a small area is used.

[活物質層]
集電体2上には、活物質層3が形成される。活物質層3は、充放電反応の中心を担う活物質および導電材を含む層である。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。
[Active material layer]
An active material layer 3 is formed on the current collector 2. The active material layer 3 is a layer including an active material and a conductive material that play a central role in the charge / discharge reaction. When the electrode of the present invention is used as a positive electrode, the active material layer contains a positive electrode active material. On the other hand, when the electrode of the present invention is used as a negative electrode, the active material layer contains a negative electrode active material.

正極活物質としては、リチウム−遷移金属複合酸化物が好ましく、例えば、LiMnなどのLi−Mn系複合酸化物やLiNiOなどのLi−Ni系複合酸化物が挙げられる。場合によっては、2種以上の正極活物質が併用されてもよい。 As the positive electrode active material, a lithium-transition metal composite oxide is preferable, and examples thereof include a Li—Mn composite oxide such as LiMn 2 O 4 and a Li—Ni composite oxide such as LiNiO 2 . In some cases, two or more positive electrode active materials may be used in combination.

負極活物質としては、上記のリチウム遷移金属−複合酸化物や、カーボンが好ましい。カーボンとしては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛等の黒鉛系炭素材料、カーボンブラック、活性炭、カーボンファイバー、コークス、ソフトカーボン、ハードカーボン等が挙げられる。場合によっては、2種以上の負極活物質が併用されてもよい。   As the negative electrode active material, the above lithium transition metal-composite oxide or carbon is preferable. Examples of carbon include graphite-based carbon materials such as natural graphite, artificial graphite, and expanded graphite, carbon black, activated carbon, carbon fiber, coke, soft carbon, and hard carbon. In some cases, two or more negative electrode active materials may be used in combination.

活物質の平均粒子径は特に制限されない。ただし、この平均粒子径が小さくなればなるほど、電子伝導パスが分断されやすくなる。従って、活物質の平均粒子径が小さいほど、本発明の作用効果は顕著に発揮されうる。かような観点から、活物質の平均粒子径は、好ましくは20μm以下であり、より好ましくは10μm以下であり、特に好ましくは3μm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、レーザ回折散乱法により測定された平均値を採用するものとする。   The average particle size of the active material is not particularly limited. However, the smaller the average particle diameter, the more easily the electron conduction path is divided. Therefore, the smaller the average particle diameter of the active material, the more the effects of the present invention can be exhibited. From such a viewpoint, the average particle diameter of the active material is preferably 20 μm or less, more preferably 10 μm or less, and particularly preferably 3 μm or less. However, forms outside these ranges can also be employed. In the present application, an average value measured by a laser diffraction scattering method is adopted as the average particle diameter of the active material.

本発明の電極において、導電材は、導電性材料を含み、微細孔を有する導電性構造体である。   In the electrode of the present invention, the conductive material is a conductive structure including a conductive material and having fine holes.

該導電構造体に用いられる導電性材料としては、高分子材料を主体とした材料、金属材料を主体とした材料、炭素材料を主体とした材料などを用いることができる。   As the conductive material used for the conductive structure, a material mainly composed of a polymer material, a material mainly composed of a metal material, a material mainly composed of a carbon material, or the like can be used.

導電性材料として高分子材料を主体とした材料を用いる場合、前記高分子材料としては、ポリピロール、ポリアニリン、ポリチオフェンやこれらに由来する導電性高分子を用いた網状、繊維上、発泡体、あるいはこれらの集合体などの構造体が挙げられる。高分子材料を主体とした材料を用いた場合は、軽量であり、電解質や塩との反応がおきにくい利点がある。前記高分子材料は、前記導電性材料に対して、好ましくは30質量%以上、より好ましくは60質量%以上含まれる。   When a material mainly composed of a polymer material is used as the conductive material, the polymer material includes polypyrrole, polyaniline, polythiophene, a network, a fiber, a foam, or these using a conductive polymer derived therefrom. Structures such as an assembly of When a material mainly composed of a polymer material is used, there is an advantage that it is lightweight and hardly reacts with an electrolyte or a salt. The polymer material is preferably contained in an amount of 30% by mass or more, more preferably 60% by mass or more based on the conductive material.

金属材料を主体とした材料を用いる場合、金属材料としては、アルミニウム、金、銀などの各種金属を用いた発泡体やナノウィスカ集合体などの構造体が挙げられる。金属材料を主体とした材料を用いた場合は、高い導電性を確保できる利点がある。前記金属材料は、前記導電性材料に対して、好ましくは40質量%以上、より好ましくは70質量%以上含まれる。   In the case of using a material mainly composed of a metal material, examples of the metal material include structures such as foams and nanowhisker aggregates using various metals such as aluminum, gold, and silver. When a material mainly composed of a metal material is used, there is an advantage that high conductivity can be secured. The metal material is preferably contained in an amount of 40% by mass or more, more preferably 70% by mass or more based on the conductive material.

炭素材料を主体とした材料を用いる場合、炭素材料としては、アセチレンブラック、グラファイト、活性炭、カーボンナノチューブ、あるいはこれらの炭素原子の一部を他の原子で置換したいわゆるヘテロカーボンなどを用いた網状、繊維状、微細平板状などの各種微細構造体が挙げられる。炭素材料を主体とした材料を用いた場合は、金属より軽量で高分子より高い導電性を得られる。前記炭素材料は、前記導電性材料に対して、好ましくは30質量%以上、より好ましくは60質量%以上含まれる。なお、導電性をもたらす材料は、ここに挙げられたものに限らず使用することが可能である。   When using a material mainly composed of a carbon material, as the carbon material, acetylene black, graphite, activated carbon, carbon nanotubes, or a network using a so-called heterocarbon in which some of these carbon atoms are substituted with other atoms, Various fine structures such as a fibrous shape and a fine flat plate shape are exemplified. When a material mainly composed of a carbon material is used, it is lighter than a metal and can have higher conductivity than a polymer. The carbon material is preferably contained in an amount of 30% by mass or more, more preferably 60% by mass or more based on the conductive material. In addition, the material which brings about conductivity is not limited to those listed here, and can be used.

前記導電性構造体は、その全体が導電性材料からなる構成をとってもよいし、内部の基材と表面の導電性材料からなる構成をとってもよい。内部の基材としては、例えば、ポリプロピレンなどの高分子材料が用いられうる。その表面に、例えば蒸着などの方法によって、導電性をもたらすアルミニウムなどの金属材料を配するなどの複合構造も用いることができ、軽量な導電性材料が作製されうる。これらの構成は、使用する導電性材料の種類、周囲の材料の種類、電池の大きさ、製造・使用環境等によって適宜選択される。   The conductive structure may be composed entirely of a conductive material, or may be composed of an inner base material and a surface conductive material. As the internal substrate, for example, a polymer material such as polypropylene can be used. For example, a composite structure in which a metal material such as aluminum providing conductivity is arranged on the surface by a method such as vapor deposition can be used, and a lightweight conductive material can be produced. These configurations are appropriately selected depending on the type of conductive material to be used, the type of surrounding material, the size of the battery, the manufacturing / use environment, and the like.

これらの導電性構造体は、集電体上にシート状に形成されうるが、それ自体が集電体の役割をはたすこともできる。好ましくは、前記導電性構造体は、集電体上に、5〜200μm、より好ましくは10〜50μmの厚さのシート状に形成される。   These conductive structures can be formed in a sheet shape on the current collector, but can themselves serve as a current collector. Preferably, the conductive structure is formed on the current collector in the form of a sheet having a thickness of 5 to 200 μm, more preferably 10 to 50 μm.

前記導電性構造体は、内部に活物質の粒子を充填できる微細孔を有する。前記微細孔の平均有効細孔径は、活物質の粒子径に応じて決定されうるが、好ましくは0.1〜50μm、より好ましくは0.5〜20μm、さらに好ましくは1〜10μmである。ここで「平均有効細孔径」とは、3次元網目状の構造体では、その網目中の空間に球を想定したときの平均的な径を示し、繊維を束ねた状態の構造体では、平均的な繊維間の距離を示す。本願において導電性構造体の平均有効細孔径は、以下の方法で測定する。当該構造体を樹脂中に包埋し、これを研磨して顕微鏡等で観察し、画像解析によりほぼ球状の細孔の面積を測定する。ここで測定する細孔数は精度上多いほど良いが、一般に300個以上の細孔について測定を行えば良い。ここで求められる細孔面積は細孔の一部を通過する平面での断面であり、最大値ではないために、以下の三次元的な補正を行う。観測される細孔の面積から、細孔の直径分布を得て、細孔体積の累積分布において総細孔体積の50%を占める細孔径を平均細孔径とする。   The conductive structure has fine pores that can be filled with active material particles. The average effective pore size of the fine pores can be determined according to the particle size of the active material, but is preferably 0.1 to 50 μm, more preferably 0.5 to 20 μm, and still more preferably 1 to 10 μm. Here, the “average effective pore diameter” means an average diameter when a sphere is assumed in a space in the three-dimensional network structure, and an average diameter in a structure in which fibers are bundled. The distance between the typical fibers is shown. In the present application, the average effective pore diameter of the conductive structure is measured by the following method. The structure is embedded in a resin, polished and observed with a microscope or the like, and the area of substantially spherical pores is measured by image analysis. Here, the number of pores to be measured is preferably as high as possible. However, in general, measurement may be performed for 300 or more pores. Since the pore area obtained here is a cross section in a plane passing through a part of the pore and is not the maximum value, the following three-dimensional correction is performed. The pore diameter distribution is obtained from the observed pore area, and the pore diameter occupying 50% of the total pore volume in the cumulative pore volume distribution is defined as the average pore diameter.

また導電構造体の平均有効細孔径Aと活物質の平均粒子径Bの比A/Bは0.5以上20以下であることが望ましい。AおよびBはいずれも平均値であるため、A/Bが1未満の数値をとっても粒子は、強制的に押し込むことなどにより、導電構造体中に保持されることは可能である。しかし0.5未満だと多少導電構造体が変形しても活物質粒子が導電構造体中に入って保持されにくくなり、20を超えると導電構造体中の空間に活物質が保持されたうえで十分な接触をとりにくくなる。また、A/Bが1未満の場合については、導電構造体を形成する材料の種類によって好ましい値が異なる。すなわち、比較的変形しにくい炭素材料や金属材料では0.9以上、より好ましくは0.95以上が好適であり、例えば圧力をかけることによって変形しやすい高分子材料では0.8以上、より好ましくは0.9以上が好適である。また、A/Bは、より好ましくは20以下、さらに好ましくは、10以下である。   The ratio A / B between the average effective pore diameter A of the conductive structure and the average particle diameter B of the active material is preferably 0.5 or more and 20 or less. Since both A and B are average values, even if A / B is a numerical value less than 1, the particles can be held in the conductive structure by forcibly pushing them in. However, if it is less than 0.5, even if the conductive structure is somewhat deformed, the active material particles are not easily held in the conductive structure, and if it exceeds 20, the active material is held in the space in the conductive structure. Makes it difficult to get enough contact. In addition, when A / B is less than 1, a preferable value varies depending on the type of material forming the conductive structure. That is, 0.9 or more, more preferably 0.95 or more is preferable for carbon materials or metal materials that are relatively difficult to deform, and 0.8 or more is more preferable for polymer materials that are easily deformed by applying pressure, for example. Is preferably 0.9 or more. A / B is more preferably 20 or less, and still more preferably 10 or less.

導電性構造体の空孔率(全体積中に占める空間の割合)は、好ましくは0.5〜0.99、より好ましくは0.7〜0.95である。導電性構造体の空孔率が0.99以下であれば、活物質層における導電ネットワークが形成されうる。導電性構造体の空孔率が0.5以上であれは、十分な量の活物質を担持することができ、高い出力特性が得られる。   The porosity of the conductive structure (ratio of the space in the total volume) is preferably 0.5 to 0.99, more preferably 0.7 to 0.95. When the porosity of the conductive structure is 0.99 or less, a conductive network in the active material layer can be formed. When the porosity of the conductive structure is 0.5 or more, a sufficient amount of active material can be supported, and high output characteristics can be obtained.

活物質層3には、必要であれば、その他の物質が含まれてもよい。例えば、バインダ、支持塩(リチウム塩)、イオン伝導性ポリマー等が含まれうる。また、イオン伝導性ポリマーが含まれる場合には、前記ポリマーを重合させるための重合開始剤が含まれてもよい。   The active material layer 3 may contain other materials if necessary. For example, a binder, a supporting salt (lithium salt), an ion conductive polymer, and the like can be included. When an ion conductive polymer is included, a polymerization initiator for polymerizing the polymer may be included.

バインダとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、合成ゴム系バインダ等が挙げられる。バインダを用いることによって、導電性構造体中に担持された活物質が固着され、安定に保持されうる。   Examples of the binder include polyvinylidene fluoride (PVdF) and a synthetic rubber binder. By using the binder, the active material carried in the conductive structure can be fixed and stably held.

支持塩(リチウム塩)としては、Li(CSON(LiBETI)、LiPF、LiBF、LiClO、LiAsF、LiCFSO等が挙げられる。 Examples of the supporting salt (lithium salt) include Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N (LiBETI), LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 and the like.

イオン伝導性ポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)系およびポリプロピレンオキシド(PPO)系のポリマーが挙げられる。ここで、前記ポリマーは、本発明の電極が採用される電池の電解質層において用いられるイオン伝導性ポリマーと同じであってもよく、異なっていてもよいが、同じであることが好ましい。   Examples of the ion conductive polymer include polyethylene oxide (PEO) -based and polypropylene oxide (PPO) -based polymers. Here, the polymer may be the same as or different from the ion conductive polymer used in the electrolyte layer of the battery in which the electrode of the present invention is employed, but is preferably the same.

重合開始剤は、イオン伝導性ポリマーの架橋性基に作用して、架橋反応を進行させるために配合される。開始剤として作用させるための外的要因に応じて、光重合開始剤、熱重合開始剤などに分類される。重合開始剤としては、例えば、熱重合開始剤であるアゾビスイソブチロニトリル(AIBN)や、光重合開始剤であるベンジルジメチルケタール(BDK)等が挙げられる。   The polymerization initiator is added to act on the crosslinkable group of the ion conductive polymer to advance the crosslinking reaction. Depending on the external factor for acting as an initiator, it is classified into a photopolymerization initiator, a thermal polymerization initiator and the like. Examples of the polymerization initiator include azobisisobutyronitrile (AIBN), which is a thermal polymerization initiator, and benzyl dimethyl ketal (BDK), which is a photopolymerization initiator.

活物質層3に含まれる成分の配合比は、特に限定されない。配合比は、リチウムイオン二次電池についての公知の知見を適宜参照することにより、調整されうる。好ましくは、バインダの配合比は、活物質の量に対して5〜20質量%である。   The compounding ratio of the components contained in the active material layer 3 is not particularly limited. The blending ratio can be adjusted by appropriately referring to known knowledge about lithium ion secondary batteries. Preferably, the compounding ratio of the binder is 5 to 20% by mass with respect to the amount of the active material.

(製造方法)
本発明の電池用電極の製造方法は特に制限されず、電池用電極の製造分野において従来公知の知見を適宜参照することにより、本発明の電極は製造されうる。以下、図1に示すように、導電材として導電性の材料でできた微細孔を有する構造体を有する電極1の製造方法を簡単に説明する。
(Production method)
The method for producing the battery electrode of the present invention is not particularly limited, and the electrode of the present invention can be produced by appropriately referring to conventionally known knowledge in the field of battery electrode production. Hereinafter, as shown in FIG. 1, a method for manufacturing an electrode 1 having a structure having fine holes made of a conductive material as a conductive material will be briefly described.

電極1は、例えば、活物質を含む活物質スラリーを調製し、当該活物質スラリーを導電性構造体に含浸させ、集電体の表面に塗布することによって作製されうる。以下、かような製造方法を工程順に詳細に説明する。   The electrode 1 can be produced, for example, by preparing an active material slurry containing an active material, impregnating the active material slurry into a conductive structure, and coating the surface of the current collector. Hereinafter, such a manufacturing method will be described in detail in the order of steps.

本工程においては、所望の正極活物質、および必要に応じて他の成分(例えば、バインダ、支持塩(リチウム塩)、イオン伝導性ポリマー、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。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。なお、正極を作製するにはスラリー中に正極活物質を添加し、負極を作製するにはスラリー中に負極活物質を添加すべきであることは当然である。   In this step, a desired positive electrode active material and other components (for example, a binder, a supporting salt (lithium salt), an ion conductive polymer, a polymerization initiator, etc.) are mixed in a solvent, if necessary. An active material slurry is prepared. The specific form of each component blended in the active material slurry is as described in the column of the configuration of the electrode of the present invention, and thus detailed description thereof is omitted here. In addition, it is natural that a positive electrode active material should be added to the slurry to produce the positive electrode, and a negative electrode active material should be added to the slurry to produce the negative electrode.

溶媒の種類や混合手段は特に制限されず、電極製造について従来公知の知見が適宜参照されうる。溶媒の一例を挙げると、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルホルムアミドなどが用いられうる。バインダとしてポリフッ化ビニリデン(PVdF)を採用する場合には、NMPを溶媒として用いるとよい。   The kind of solvent and the mixing means are not particularly limited, and conventionally known knowledge about electrode production can be appropriately referred to. As an example of the solvent, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylformamide, dimethylacetamide, methylformamide and the like can be used. When adopting polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder, NMP is preferably used as a solvent.

続いて、活物質層3を形成するための集電体2を準備する。本工程において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。   Subsequently, a current collector 2 for forming the active material layer 3 is prepared. The specific form of the current collector prepared in this step is the same as that described in the column of the configuration of the electrode of the present invention, and a detailed description thereof will be omitted here.

続いて、活物質4を充填するための導電性構造体5を準備する。本工程において準備する導電性構造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。シート状の導電性構造体の調製方法は特に制限されず、従来公知の知見を適宜参照することにより調製されうる。   Subsequently, a conductive structure 5 for filling the active material 4 is prepared. Since the specific form of the conductive structure prepared in this step is as described in the column of the configuration of the electrode of the present invention, detailed description is omitted here. The method for preparing the sheet-like conductive structure is not particularly limited, and can be prepared by appropriately referring to conventionally known knowledge.

続いて、上記で調製した活物質スラリーを、導電性構造体に含浸させることによって、導電性構造体の中に活物質を保持させることができる。含浸させる方法としては、特に制限されないが、単純に混合するほかに、機械的に押し込む方法が採用されうる。機械的に押し込む方法としては、例えば、振動をかけて導電性構造体の空間中に活物質を入りやすくする、プレスなどで圧力をかけて導電性構造体の空間中に活物質を押し込むなどの方法がある。または、温度を変化させて導電性構造体を膨張させ、活物質を導電性構造体の空間中に入りやすくするなどの方法を用いてもよい。圧力をかけて押し込む場合、好ましくは、ロールプレスなどを用いて、0.2〜20MPaで加圧する。   Subsequently, by impregnating the conductive structure with the active material slurry prepared above, the active material can be retained in the conductive structure. The impregnation method is not particularly limited, but a method of mechanically pushing in addition to simple mixing may be employed. Examples of the mechanical pushing method include making the active material easily enter the space of the conductive structure by applying vibration, and pressing the active material into the space of the conductive structure by applying pressure with a press or the like. There is a way. Alternatively, a method may be used in which the conductive structure is expanded by changing the temperature so that the active material easily enters the space of the conductive structure. When pushing in applying pressure, Preferably it pressurizes at 0.2-20 Mpa using a roll press etc.

導電性構造体の微細孔の充填率は、例えば、充填前後の重量を測定するなどの方法を用いて見積もることができる。活物質を機械的に押し込むことにより、より高い充填率が得られうる。活物質の充填率は、高いほど好ましいが、実質的に、好ましくは50質量%以上、より好ましくは70質量%以上である。   The filling rate of the micropores of the conductive structure can be estimated using a method such as measuring the weight before and after filling. A higher filling factor can be obtained by mechanically pushing the active material. The higher the filling rate of the active material, the better. However, it is substantially preferably 50% by mass or more, more preferably 70% by mass or more.

上記で準備した集電体2の表面に、活物質を含浸させた導電性構造体を塗布し、塗膜を形成する。その後、乾燥処理を施す。これにより、塗膜中の溶媒が除去され、活物質層となるべき塗膜が形成される。形成される塗膜の厚さは特に制限されないが、通常は5〜200μm程度である。   The conductive structure impregnated with the active material is applied to the surface of the current collector 2 prepared above to form a coating film. Thereafter, a drying process is performed. Thereby, the solvent in a coating film is removed and the coating film which should become an active material layer is formed. The thickness of the coating film to be formed is not particularly limited, but is usually about 5 to 200 μm.

活物質を含浸させた導電性構造体を塗布するための塗布手段も特に限定されない。接着または圧着などの一般的に用いられている手段が採用されうる。例えば、電池用バインダなどを接着材として用いて接着することができる。   The application means for applying the conductive structure impregnated with the active material is not particularly limited. Commonly used means such as adhesion or pressure bonding can be employed. For example, it can be bonded using a battery binder or the like as an adhesive.

(第2実施形態)
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。
(Second Embodiment)
In 2nd Embodiment, a battery is comprised using the battery electrode of said 1st Embodiment.

すなわち、本発明の第2実施形態は、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つの単電池層を有するリチウムイオン二次電池であって、前記正極および前記負極の少なくとも一方が本発明の電極である、電池である。本発明の電極は、正極、負極、バイポーラ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電池は、本発明の技術的範囲に属する。ただし、好ましくは、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、電池の耐久性を効果的に向上させうる。   That is, the second embodiment of the present invention is a lithium ion secondary battery having at least one single battery layer in which a positive electrode, an electrolyte layer, and a negative electrode are laminated in this order, and at least one of the positive electrode and the negative electrode Is a battery which is an electrode of the present invention. The electrode of the present invention can be applied to any of a positive electrode, a negative electrode, and a bipolar electrode. A battery including the electrode of the present invention as at least one electrode belongs to the technical scope of the present invention. However, preferably, all of the electrodes constituting the battery are the electrodes of the present invention. By adopting such a configuration, the durability of the battery can be effectively improved.

本発明の電池は、バイポーラ型のリチウムイオン二次電池(以下、「バイポーラ電池」とも称する)でありうる。図2は、バイポーラ電池である、本発明の電池を示す断面図である。以下、図2に示すバイポーラ電池を例に挙げて詳細に説明するが、本発明の技術的範囲はかような形態のみに制限されない。   The battery of the present invention may be a bipolar lithium ion secondary battery (hereinafter also referred to as “bipolar battery”). FIG. 2 is a cross-sectional view showing a battery of the present invention which is a bipolar battery. Hereinafter, the bipolar battery shown in FIG. 2 will be described in detail as an example, but the technical scope of the present invention is not limited to such a form.

図2に示す本実施形態のバイポーラ電池10は、実際に充放電反応が進行する略矩形の電池要素21が、外装であるラミネートシート29の内部に封止された構造を有する。   The bipolar battery 10 of this embodiment shown in FIG. 2 has a structure in which a substantially rectangular battery element 21 in which a charge / discharge reaction actually proceeds is sealed inside a laminate sheet 29 that is an exterior.

図2に示すように、本実施形態のバイポーラ電池10の電池要素21は、正極活物質層13と、負極活物質層15とが集電体11のそれぞれの面に形成されたバイポーラ電極を複数個有する。各バイポーラ電極は、電解質層17を介して積層されて電池要素21を形成する。この際、一のバイポーラ電極の正極活物質層13と前記一のバイポーラ電極に隣接する他のバイポーラ電極の負極活物質層15とが電解質層17を介して向き合うように、各バイポーラ電極および電解質層17が積層されている。   As shown in FIG. 2, the battery element 21 of the bipolar battery 10 of this embodiment includes a plurality of bipolar electrodes in which a positive electrode active material layer 13 and a negative electrode active material layer 15 are formed on each surface of a current collector 11. Have one. Each bipolar electrode is laminated via an electrolyte layer 17 to form a battery element 21. At this time, each bipolar electrode and electrolyte layer are arranged such that the positive electrode active material layer 13 of one bipolar electrode and the negative electrode active material layer 15 of another bipolar electrode adjacent to the one bipolar electrode face each other through the electrolyte layer 17. 17 are stacked.

そして、隣接する正極活物質層13、電解質層17、および負極活物質層15は、一つの単電池層19を構成する。従って、バイポーラ電池10は、単電池層19が積層されてなる構成を有するともいえる。また、単電池層19の外周には、隣接する集電体11間を絶縁するための絶縁層31が設けられている。なお、電池要素21の最外層に位置する集電体(最外層集電体)(11a、11b)には、片面のみに、正極活物質層13(正極側最外層集電体11a)または負極活物質層15(負極側最外層集電体11b)のいずれか一方が形成されている。   The adjacent positive electrode active material layer 13, electrolyte layer 17, and negative electrode active material layer 15 constitute one unit cell layer 19. Therefore, it can be said that the bipolar battery 10 has a configuration in which the single battery layers 19 are stacked. In addition, an insulating layer 31 for insulating adjacent current collectors 11 is provided on the outer periphery of the unit cell layer 19. The current collector (outermost layer current collector) (11a, 11b) located in the outermost layer of the battery element 21 has a positive electrode active material layer 13 (positive electrode side outermost layer current collector 11a) or a negative electrode only on one side. One of the active material layers 15 (negative electrode side outermost layer current collector 11b) is formed.

さらに、図2に示すバイポーラ電池10では、正極側最外層集電体11aが延長されて正極タブ25とされ、外装であるラミネートシート29から導出している。一方、負極側最外層集電体11bが延長されて負極タブ27とされ、同様にラミネートシート29から導出している。   Further, in the bipolar battery 10 shown in FIG. 2, the positive electrode side outermost layer current collector 11a is extended to form a positive electrode tab 25, which is led out from a laminate sheet 29 which is an exterior. On the other hand, the negative electrode side outermost layer current collector 11 b is extended to form a negative electrode tab 27, which is similarly derived from the laminate sheet 29.

以下、本実施形態のバイポーラ電池10を構成する部材について簡単に説明する。ただし、電極を構成する成分については上記で説明した通りであるため、ここでは説明を省略する。また、本発明の技術的範囲が下記の形態のみに制限されることはなく、従来公知の形態が同様に採用されうる。   Hereinafter, members constituting the bipolar battery 10 of the present embodiment will be briefly described. However, since the components constituting the electrode are as described above, the description thereof is omitted here. Further, the technical scope of the present invention is not limited to the following forms, and conventionally known forms can be similarly adopted.

[電解質層]
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。
[Electrolyte layer]
A liquid electrolyte or a polymer electrolyte can be used as the electrolyte constituting the electrolyte layer 17.

液体電解質は、可塑剤である有機溶媒に支持塩であるリチウム塩が溶解した形態を有する。可塑剤として用いられうる有機溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)やプロピレンカーボネート(PC)等のカーボネート類が例示される。また、支持塩(リチウム塩)としては、LiBETI等の電極の活物質層に添加されうる化合物が同様に採用されうる。   The liquid electrolyte has a form in which a lithium salt as a supporting salt is dissolved in an organic solvent as a plasticizer. Examples of the organic solvent that can be used as the plasticizer include carbonates such as ethylene carbonate (EC) and propylene carbonate (PC). Further, as the supporting salt (lithium salt), a compound that can be added to the active material layer of the electrode, such as LiBETI, can be similarly employed.

一方、ポリマー電解質は、電解液を含むゲル電解質と、電解液を含まない真性ポリマー電解質に分類される。   On the other hand, the polymer electrolyte is classified into a gel electrolyte containing an electrolytic solution and an intrinsic polymer electrolyte containing no electrolytic solution.

ゲル電解質は、イオン伝導性ポリマーからなるマトリックスポリマーに、上記の液体電解質が注入されてなる構成を有する。マトリックスポリマーとして用いられるイオン伝導性ポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリプロピレンオキシド(PPO)、およびこれらの共重合体等が挙げられる。かようなポリアルキレンオキシド系高分子には、リチウム塩などの電解質塩がよく溶解しうる。   The gel electrolyte has a configuration in which the above liquid electrolyte is injected into a matrix polymer made of an ion conductive polymer. Examples of the ion conductive polymer used as the matrix polymer include polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), and copolymers thereof. In such polyalkylene oxide polymers, electrolyte salts such as lithium salts can be well dissolved.

なお、電解質層17が液体電解質やゲル電解質から構成される場合には、電解質層17にセパレータを用いてもよい。セパレータの具体的な形態としては、例えば、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィンからなる微多孔膜が挙げられる。   In the case where the electrolyte layer 17 is composed of a liquid electrolyte or a gel electrolyte, a separator may be used for the electrolyte layer 17. Specific examples of the separator include a microporous film made of polyolefin such as polyethylene or polypropylene.

真性ポリマー電解質は、上記のマトリックスポリマーに支持塩(リチウム塩)が溶解してなる構成を有し、可塑剤である有機溶媒を含まない。従って、電解質層17が真性ポリマー電解質から構成される場合には電池からの液漏れの心配がなく、電池の信頼性が向上しうる。   The intrinsic polymer electrolyte has a structure in which a supporting salt (lithium salt) is dissolved in the matrix polymer, and does not include an organic solvent that is a plasticizer. Therefore, when the electrolyte layer 17 is composed of an intrinsic polymer electrolyte, there is no fear of liquid leakage from the battery, and the reliability of the battery can be improved.

ゲル電解質や真性ポリマー電解質のマトリックスポリマーは、架橋構造を形成することによって、優れた機械的強度を発現しうる。架橋構造を形成させるには、適当な重合開始剤を用いて、高分子電解質形成用の重合性ポリマー(例えば、PEOやPPO)に対して熱重合、紫外線重合、放射線重合、電子線重合等の重合処理を施せばよい。   The matrix polymer of the gel electrolyte or the intrinsic polymer electrolyte can exhibit excellent mechanical strength by forming a crosslinked structure. In order to form a crosslinked structure, thermal polymerization, ultraviolet polymerization, radiation polymerization, electron beam polymerization, etc. are performed on a polymerizable polymer (for example, PEO or PPO) for forming a polymer electrolyte using an appropriate polymerization initiator. A polymerization treatment may be performed.

[絶縁層]
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。
[Insulation layer]
In the bipolar battery 10, an insulating layer 31 is usually provided around each unit cell layer 19. This insulating layer 31 is provided for the purpose of preventing the adjacent current collectors 11 in the battery from contacting each other and the occurrence of a short circuit due to a slight unevenness at the end of the unit cell layer 19 in the battery element 21. It is done. The installation of such an insulating layer 31 ensures long-term reliability and safety, and can provide a high-quality bipolar battery 10.

絶縁層31としては、絶縁性、固体電解質の脱落に対するシール性や外部からの水分の透湿に対するシール性(密封性)、電池動作温度下での耐熱性などを有するものであればよく、例えば、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリイミド樹脂、ゴムなどが用いられうる。なかでも、耐蝕性、耐薬品性、作り易さ(製膜性)、経済性などの観点から、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂が好ましい。   The insulating layer 31 only needs to have insulating properties, sealing properties against falling off of the solid electrolyte, sealing properties against moisture permeation from the outside (sealing properties), heat resistance under battery operating temperature, etc. Urethane resin, epoxy resin, polyethylene resin, polypropylene resin, polyimide resin, rubber and the like can be used. Of these, urethane resins and epoxy resins are preferred from the viewpoints of corrosion resistance, chemical resistance, ease of production (film forming properties), economy, and the like.

[タブ]
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。
[tab]
In the bipolar battery 10, a tab (positive electrode tab 25 and negative electrode tab 27) electrically connected to the outermost current collector (11a, 11b) is used for taking out current to the outside of the battery. Take out to the outside. Specifically, the positive electrode tab 25 electrically connected to the positive electrode outermost layer current collector 11a and the negative electrode tab 27 electrically connected to the negative electrode outermost layer current collector 11b are formed on the laminate sheet 29. Take out to the outside.

タブ(正極タブ25および負極タブ27)の材質は、特に制限されず、バイポーラ電池用のタブとして従来用いられている公知の材質が用いられうる。例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金等が例示される。なお、正極タブ25と負極タブ27とでは、同一の材質が用いられてもよいし、異なる材質が用いられてもよい。なお、本実施形態のように、最外層集電体(11a、11b)を延長することによりタブ(25、27)としてもよいし、別途準備したタブを最外層集電体に接続してもよい。   The material of the tabs (the positive electrode tab 25 and the negative electrode tab 27) is not particularly limited, and a known material conventionally used as a tab for a bipolar battery can be used. Examples thereof include aluminum, copper, titanium, nickel, stainless steel (SUS), and alloys thereof. Note that the same material may be used for the positive electrode tab 25 and the negative electrode tab 27, or different materials may be used. As in the present embodiment, the outermost layer current collectors (11a, 11b) may be extended to form tabs (25, 27), or a separately prepared tab may be connected to the outermost layer current collector. Good.

[外装]
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。
[Exterior]
In the bipolar battery 10, the battery element 21 is preferably housed in an exterior such as a laminate sheet 29 in order to prevent external impact and environmental degradation during use. The exterior is not particularly limited, and a conventionally known exterior can be used. A polymer-metal composite laminate sheet or the like excellent in thermal conductivity can be preferably used in that heat can be efficiently transferred from a heat source of an automobile and the inside of the battery can be rapidly heated to the battery operating temperature.

本実施形態のバイポーラ電池10によれば、本発明の電極が集電体11の両面に形成されてなるバイポーラ電極が採用されている。このため、本実施形態のバイポーラ電池は出力特性に優れる。   According to the bipolar battery 10 of the present embodiment, a bipolar electrode in which the electrode of the present invention is formed on both surfaces of the current collector 11 is employed. For this reason, the bipolar battery of this embodiment is excellent in output characteristics.

ここで、上述したような本発明の作用効果は、高出力条件下において用いられる二次電池において特に顕著に発現しうる。従って、本発明の二次電池は、高出力条件下において用いられることが好ましい。具体的には、本発明の二次電池は、好ましくは20C以上、より好ましくは50C以上、さらに好ましくは100C以上の出力を必要とする条件下において用いられる。   Here, the operational effects of the present invention as described above can be particularly remarkably exhibited in a secondary battery used under high output conditions. Therefore, the secondary battery of the present invention is preferably used under high output conditions. Specifically, the secondary battery of the present invention is used under conditions that require an output of preferably 20 C or higher, more preferably 50 C or higher, and even more preferably 100 C or higher.

(第3実施形態)
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。
(Third embodiment)
In the third embodiment, a plurality of the bipolar batteries of the second embodiment are connected in parallel and / or in series to constitute an assembled battery.

図3は、本実施形態の組電池を示す斜視図である。   FIG. 3 is a perspective view showing the assembled battery of the present embodiment.

図3に示すように、組電池40は、上記の第2実施形態のバイポーラ電池が複数個接続されることにより構成される。具体的には、各バイポーラ電池10の正極タブ25および負極タブ27がバスバーを用いて接続されることにより、各バイポーラ電池10が接続されている。組電池40の一の側面には、組電池40全体の電極として、電極ターミナル(42、43)が設けられている。   As shown in FIG. 3, the assembled battery 40 is configured by connecting a plurality of the bipolar batteries of the second embodiment. Specifically, each bipolar battery 10 is connected by connecting the positive electrode tab 25 and the negative electrode tab 27 of each bipolar battery 10 using a bus bar. On one side surface of the assembled battery 40, electrode terminals (42, 43) are provided as electrodes of the entire assembled battery 40.

組電池40を構成する複数個のバイポーラ電池10を接続する際の接続方法は特に制限されず、従来公知の手法が適宜採用されうる。例えば、超音波溶接、スポット溶接などの溶接を用いる手法や、リベット、カシメなどを用いて固定する手法が採用されうる。かような接続方法によれば、組電池40の長期信頼性が向上しうる。   The connection method when connecting the plurality of bipolar batteries 10 constituting the assembled battery 40 is not particularly limited, and a conventionally known method can be appropriately employed. For example, a technique using welding such as ultrasonic welding or spot welding, or a technique of fixing using rivets, caulking, or the like can be employed. According to such a connection method, the long-term reliability of the assembled battery 40 can be improved.

本実施形態の組電池40によれば、組電池40を構成する個々のバイポーラ電池10が出力特性に優れることから、出力特性に優れる組電池が提供されうる。   According to the assembled battery 40 of the present embodiment, each bipolar battery 10 constituting the assembled battery 40 is excellent in output characteristics, and therefore, an assembled battery excellent in output characteristics can be provided.

なお、組電池40を構成するバイポーラ電池10の接続は、複数個全て並列に接続してもよく、また、複数個全て直列に接続してもよく、さらに、直列接続と並列接続とを組み合わせてもよい。   The connection of the bipolar batteries 10 constituting the assembled battery 40 may be all connected in parallel, all may be connected in series, or a combination of series connection and parallel connection may be used. Also good.

(第4実施形態)
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などの車両が挙げられる。
(Fourth embodiment)
In the fourth embodiment, the bipolar battery 10 of the second embodiment or the assembled battery 40 of the third embodiment is mounted as a motor driving power source to constitute a transportation system. As a transportation system using the bipolar battery 10 or the assembled battery 40 as a power source for a motor, for example, a complete electric vehicle not using gasoline, a hybrid vehicle such as a series hybrid vehicle or a parallel hybrid vehicle, and a fuel cell vehicle, a wheel motor is used. Vehicles such as automobiles driven by

参考までに、図4に、組電池40を搭載する自動車50の概略図を示す。自動車50に搭載される組電池40は、上記で説明したような特性を有する。このため、組電池40を搭載する自動車50は出力特性に優れ、長期間にわたって使用した後であっても充分な出力を提供しうる。   For reference, FIG. 4 shows a schematic diagram of an automobile 50 on which the assembled battery 40 is mounted. The assembled battery 40 mounted on the automobile 50 has the characteristics as described above. For this reason, the automobile 50 equipped with the assembled battery 40 has excellent output characteristics and can provide sufficient output even after being used for a long period of time.

以上のように、本発明の幾つかの好適な実施形態について示したが、本発明は、以上の実施形態に限られるものではなく、当業者によって種々の変更、省略、および追加が可能である。例えば、以上の説明ではバイポーラ型のリチウムイオン二次電池(バイポーラ電池)を例に挙げて説明したが、本発明の電池の技術的範囲がバイポーラ電池のみに制限されることはなく、例えば、バイポーラ型でないリチウムイオン二次電池であってもよい。参考までに、図5に、バイポーラ型でないリチウムイオン二次電池60の概要を示す断面図を示す。なお、図5に示すリチウムイオン二次電池60においては、負極活物質層15が正極活物質層13よりも一回り小さいが、かような形態のみには制限されない。正極活物質層13と同じかまたは一回り大きい負極活物質層15もまた、用いられうる。   As described above, some preferred embodiments of the present invention have been described. However, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications, omissions, and additions can be made by those skilled in the art. . For example, in the above description, a bipolar lithium ion secondary battery (bipolar battery) has been described as an example. However, the technical scope of the battery of the present invention is not limited to a bipolar battery. A non-type lithium ion secondary battery may be used. For reference, FIG. 5 is a cross-sectional view showing an outline of a lithium ion secondary battery 60 that is not bipolar. In the lithium ion secondary battery 60 shown in FIG. 5, the negative electrode active material layer 15 is slightly smaller than the positive electrode active material layer 13, but is not limited to such a form. A negative electrode active material layer 15 that is the same as or slightly larger than the positive electrode active material layer 13 may also be used.

本発明の効果を、以下の実施例および比較例を用いて説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例に示す形態のみに制限されるわけではない。   The effects of the present invention will be described using the following examples and comparative examples. However, the technical scope of the present invention is not limited to only the forms shown in the following examples.

<実施例1>
<正極の作製>
正極活物質として、湿式粉砕にて平均粒子径10μmのスピネル型マンガン酸リチウム(LiMn)を平均粒子径0.2μmになるまで粉砕した。このスピネル型マンガン酸リチウム(80質量部)、およびバインダであるポリフッ化ビニリデン(PVdF)(10質量部)を混合し、次いでスラリー粘度調製溶媒であるN−メチル−2−ピロリドン(NMP)に分散して、正極活物質スラリーを調製した。
<Example 1>
<Preparation of positive electrode>
As a positive electrode active material, spinel type lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) having an average particle size of 10 μm was pulverized by wet pulverization until the average particle size became 0.2 μm. This spinel type lithium manganate (80 parts by mass) and polyvinylidene fluoride (PVdF) (10 parts by mass) as a binder are mixed and then dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) as a slurry viscosity adjusting solvent. Thus, a positive electrode active material slurry was prepared.

一方、正極用の集電体として、アルミニウム箔(厚さ:20μm)を準備した。上記で調製した正極活物質スラリーを導電性構造体であるポリピロール多孔膜(平均有効細孔径0.5μm)に含浸させた上で、準備した集電体の一方の表面に重ね、5MPaで加圧し、乾燥することにより、30μm厚の活物質層を有する正極を形成した。   On the other hand, an aluminum foil (thickness: 20 μm) was prepared as a positive electrode current collector. The positive electrode active material slurry prepared above was impregnated into a polypyrrole porous membrane (average effective pore diameter of 0.5 μm), which is a conductive structure, and then superimposed on one surface of the prepared current collector and pressurized at 5 MPa. By drying, a positive electrode having an active material layer with a thickness of 30 μm was formed.

<負極の作製>
負極活物質であるグラファイト(平均粒子径:0.5μm)(90質量部)、およびバインダであるポリフッ化ビニリデン(PVdF)(10質量部)を混合し、次いでスラリー粘度調製溶媒であるN−メチル−2−ピロリドン(NMP)に分散して、負極活物質スラリーを調製した。
<Production of negative electrode>
Graphite (average particle size: 0.5 μm) (90 parts by mass) as a negative electrode active material and polyvinylidene fluoride (PVdF) (10 parts by mass) as a binder are mixed, and then N-methyl as a slurry viscosity adjusting solvent. A negative electrode active material slurry was prepared by dispersing in 2-pyrrolidone (NMP).

一方、負極用の集電体として、銅箔(厚さ:20μm)を準備した。準備した集電体の一方の表面に、上記で調製した負極活物質スラリーを塗布し、5MPaで加圧し、乾燥することにより、25μm厚の活物質層を有する負極を形成した。   On the other hand, a copper foil (thickness: 20 μm) was prepared as a current collector for the negative electrode. The negative electrode active material slurry prepared above was applied to one surface of the prepared current collector, pressurized at 5 MPa, and dried to form a negative electrode having an active material layer with a thickness of 25 μm.

<実施例2>
導電性構造体として、炭素繊維(平均有効細孔径0.5μm)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、試験用セルを作製した。正極活物質層の厚さは30μmであった。
<Example 2>
A test cell was produced in the same manner as in Example 1 except that carbon fibers (average effective pore diameter of 0.5 μm) were used as the conductive structure. The thickness of the positive electrode active material layer was 30 μm.

<実施例3>
導電性構造体として、カーボンナノファイバーを熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂で固定した集合体(平均有効細孔径1μm)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、試験用セルを作製した。正極活物質層の厚さは30μmであった。
<Example 3>
Except that an aggregate (average effective pore diameter of 1 μm) in which carbon nanofibers are fixed with an epoxy resin, which is a thermosetting resin, was used as the conductive structure, the test was performed in the same manner as in Example 1 above. A cell was produced. The thickness of the positive electrode active material layer was 30 μm.

<実施例4>
導電性構造体として、アルミナノウィスカ集合体(平均有効細孔径0.5μm)を用い、正極活物質スラリーを含浸させた上で平面上に5MPaで加圧成形したこと以外は、上記の実施例1と同様の手法により、試験用セルを作製した。正極活物質層の厚さは30μmであった。
<Example 4>
Example 1 except that an alumina whisker aggregate (average effective pore size 0.5 μm) was used as the conductive structure, impregnated with the positive electrode active material slurry, and press-molded at 5 MPa on a flat surface. A test cell was produced in the same manner as described above. The thickness of the positive electrode active material layer was 30 μm.

<実施例5>
バインダとして、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)を20質量部用いたこと以外は、上記の実施例4と同様の手法により、試験用セルを作製した。正極活物質層の厚さは30μmであった。
<Example 5>
A test cell was produced in the same manner as in Example 4 except that 20 parts by mass of polyvinylidene fluoride (PVdF) was used as the binder. The thickness of the positive electrode active material layer was 30 μm.

<比較例1>
正極活物質として、湿式粉砕にて平均粒子径10μmのスピネル型マンガン酸リチウム(LiMn)を平均粒子径0.2μmになるまで粉砕した。このスピネル型マンガン酸リチウム(80質量部)、導電助剤であるアセチレンブラック(平均粒子径0.4μm)(10質量部)、およびバインダであるポリフッ化ビニリデン(PVdF)(10質量部)を混合し、次いでスラリー粘度調製溶媒であるN−メチル−2−ピロリドン(NMP)に分散して、正極活物質スラリーを調製し、前記正極活物質スラリーを集電体の一方の表面に塗布し、乾燥させて正極を作製したこと以外は、実施例1と同様の手法により各電極を作製した。正極活物質層の厚さは30μmであった。
<Comparative Example 1>
As the positive electrode active material, spinel type lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) having an average particle size of 10 μm was pulverized by wet pulverization until the average particle size became 0.2 μm. Mixing this spinel type lithium manganate (80 parts by mass), acetylene black (average particle size 0.4 μm) (10 parts by mass) as a conductive additive, and polyvinylidene fluoride (PVdF) (10 parts by mass) as a binder Then, it is dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) which is a slurry viscosity adjusting solvent to prepare a positive electrode active material slurry, and the positive electrode active material slurry is applied to one surface of a current collector and dried. Each electrode was produced in the same manner as in Example 1 except that the positive electrode was produced. The thickness of the positive electrode active material layer was 30 μm.

<比較例2>
スピネル型マンガン酸リチウムを70質量部、バインダとして、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)を20質量部用いたこと以外は、上記の比較例1と同様の手法により、試験用セルを作製した。正極活物質層の厚さは30μmであった。
<Comparative example 2>
A test cell was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that 70 parts by mass of spinel type lithium manganate and 20 parts by mass of polyvinylidene fluoride (PVdF) were used as a binder. The thickness of the positive electrode active material layer was 30 μm.

<試験用セルの作製>
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68mm角および70mm角に打ち抜いた。
<Production of test cell>
In order to use as a positive electrode and a negative electrode of a test cell, the positive electrode and the negative electrode prepared in each of the above examples and comparative examples were punched into 68 mm square and 70 mm square using punches, respectively.

さらに、セパレータとしてポリプロピレン微多孔膜(厚さ:25μm)を準備した。また、電解液として、エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)との等体積混合液にリチウム塩であるLiPFを1Mの濃度に溶解させたものを準備した。 Furthermore, a polypropylene microporous film (thickness: 25 μm) was prepared as a separator. Further, as an electrolytic solution was prepared that the LiPF 6 is equal volume mixture of lithium salt of ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) was dissolved in a concentration of 1M.

上記で得られた負極、セパレータ、および正極をこの順に積層し、セパレータに電解液を注入した。次いで、負極および正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、電流取り出し用端子が外部に露出するように電池要素をアルミニウム製のラミネートフィルム中に入れ、ラミネートフィルムの開口部を減圧下で封止して、試験用セルを作製した。   The negative electrode, separator, and positive electrode obtained above were laminated in this order, and the electrolyte was injected into the separator. Next, a current extraction terminal (aluminum terminal for the positive electrode and a nickel terminal for the negative electrode) is connected to the negative electrode and the positive electrode, respectively, and the battery element is placed in an aluminum laminate film so that the current extraction terminal is exposed to the outside. The opening of the laminate film was sealed under reduced pressure to produce a test cell.

<試験用セルの電池特性の評価>
上記の各実施例および比較例について試験用セルを作製し、初充電とガス抜きを実施した。それぞれの試験用セルを2.7Vまで定電流充電(CC)し、その後定電圧(CV)で、合計15時間充電した。次にラミネートを開封し、常温でガス抜きを行なった。ガス抜きは電池を容器中の平板上に置き、重しを上面に載せて容器内を減圧することにより行なった。
<Evaluation of battery characteristics of test cell>
Test cells were prepared for each of the above Examples and Comparative Examples, and initial charging and degassing were performed. Each test cell was charged with a constant current (CC) to 2.7 V, and then charged with a constant voltage (CV) for a total of 15 hours. Next, the laminate was opened and degassed at room temperature. Degassing was performed by placing the battery on a flat plate in a container and placing a weight on the upper surface to decompress the inside of the container.

その後、作製した試験用セルについて、活物質理論容量から算出した50CA電流値により満充電から5秒間の放電を行い、5秒後の電位と電流値から抵抗値を算出し、出力の指標とした。比較例を1としたときの、各実施例で作製した試験用セルの比出力を、下記の表1に示す。   Thereafter, the produced test cell was discharged for 5 seconds from full charge with a 50 CA current value calculated from the active material theoretical capacity, and a resistance value was calculated from the potential and current value after 5 seconds, and used as an output index. . Table 1 below shows the specific output of the test cell produced in each example when the comparative example is 1.

Figure 2008016381
Figure 2008016381

各実施例と比較例との比較から、電極の活物質層において、微細孔を有する導電性構造体を導電材として用いることにより、活物質の粒子径が小さい場合でも活物質層の良好な導電性が維持され、電池の出力が向上しうることがわかる。特に、実施例4は、導電構造体を、導電性が非常に高いアルミニウムとしたため、出力の向上が大きく、微細な活物質粒子の表面が有効に用いられていると考えられる。さらに、実施例5と比較例1との比較から、本発明の電極は、多孔質の構造体自体に活物質保持機能があるため、従来の電極と比較してバインダの量を減らすことができることがわかる。   From the comparison between each example and the comparative example, in the active material layer of the electrode, by using a conductive structure having fine pores as the conductive material, even when the particle size of the active material is small, good conductivity of the active material layer is obtained. It can be seen that the output of the battery can be improved. In particular, in Example 4, since the conductive structure is made of aluminum having very high conductivity, it is considered that the output is greatly improved and the surface of the fine active material particles is effectively used. Furthermore, from the comparison between Example 5 and Comparative Example 1, the electrode of the present invention has an active material holding function in the porous structure itself, so that the amount of the binder can be reduced as compared with the conventional electrode. I understand.

このように、本発明の電極は、従来、粒子径の小さい活物質を用いた場合に困難であった導電材と活物質との良好な導電ネットワークの形成を可能とし、その結果、電池の出力特性の向上に有効に寄与しうる。   As described above, the electrode of the present invention enables the formation of a good conductive network between a conductive material and an active material, which has conventionally been difficult when an active material having a small particle diameter is used, and as a result, the output of the battery It can contribute effectively to the improvement of characteristics.

本発明の電池用電極の一実施形態(第1実施形態)を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows one Embodiment (1st Embodiment) of the battery electrode of this invention. 第2実施形態のバイポーラ電池の好ましい一実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows preferable one Embodiment of the bipolar battery of 2nd Embodiment. 第3実施形態の組電池を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the assembled battery of 3rd Embodiment. 第3実施形態の組電池を搭載する第4実施形態の自動車の概略図である。It is the schematic of the motor vehicle of 4th Embodiment carrying the assembled battery of 3rd Embodiment. バイポーラ型でないリチウムイオン二次電池の概要を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the outline | summary of the lithium ion secondary battery which is not a bipolar type.

符号の説明Explanation of symbols

1 電極、
2 集電体、
3 活物質層、
4 活物質、
5 導電性構造体、
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、
15 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 バイポーラ型でないリチウムイオン二次電池。
1 electrode,
2 current collector,
3 active material layer,
4 active materials,
5 conductive structure,
10 Bipolar battery,
11 Current collector,
11a, 11b outermost layer current collector,
13 positive electrode active material layer,
15 negative electrode active material layer,
17 electrolyte layer,
19 cell layer,
21 battery elements,
25 positive electrode tab,
27 negative electrode tab,
29 Laminate sheet,
31 insulating layer,
33 positive electrode current collector,
35 negative electrode current collector,
40 battery packs,
42, 43 electrode terminals,
50 cars,
60 Lithium ion secondary battery that is not bipolar.

Claims (11)

集電体と、前記集電体の表面に形成された、活物質および導電材を含む活物質層と、を有する電池用電極であって、
前記導電材が、導電性材料を含み、微細孔を有する導電性構造体であることを特徴とする、電池用電極。
A battery electrode comprising: a current collector; and an active material layer including an active material and a conductive material formed on a surface of the current collector,
The electrode for a battery, wherein the conductive material is a conductive structure including a conductive material and having fine holes.
前記導電性構造体の全体が導電性材料からなる、請求項1に記載の電池用電極。   The battery electrode according to claim 1, wherein the entire conductive structure is made of a conductive material. 前記導電性構造体が、内部の基材と表面の導電性材料からなる、請求項1に記載の電池用電極。   The battery electrode according to claim 1, wherein the conductive structure includes an inner base material and a surface conductive material. 前記導電性材料が高分子材料を主体とした材料である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の電池用電極。   The battery electrode according to claim 1, wherein the conductive material is a material mainly composed of a polymer material. 前記導電性材料が金属材料を主体とした材料である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の電池用電極。   The battery electrode according to claim 1, wherein the conductive material is a material mainly composed of a metal material. 前記導電性材料が炭素材料を主体とした材料である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の電池用電極。   The battery electrode according to any one of claims 1 to 3, wherein the conductive material is a material mainly composed of a carbon material. 前記導電性構造体の平均有効細孔径と活物質の平均粒子径との比が0.5以上20以下である、請求項1〜6のいずれか1項に記載の電池用電極。   The battery electrode according to any one of claims 1 to 6, wherein a ratio between an average effective pore size of the conductive structure and an average particle size of the active material is 0.5 or more and 20 or less. 前記導電性構造体の微細孔に活物質の粒子を機械的に押し込むことを含む、請求項1〜7のいずれか1項に記載の電池用電極の製造方法。   The manufacturing method of the battery electrode of any one of Claims 1-7 including pushing the particle | grains of an active material into the micropore of the said electroconductive structure mechanically. 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。
A lithium ion secondary battery having at least one single cell layer in which a positive electrode, an electrolyte layer, and a negative electrode are laminated in this order,
The lithium ion secondary battery whose at least one of the said positive electrode or the said negative electrode is the electrode for batteries of any one of Claims 1-7.
請求項9に記載のリチウムイオン二次電池を用いた組電池。   An assembled battery using the lithium ion secondary battery according to claim 9. 請求項10に記載のリチウムイオン二次電池、または請求項10に記載の組電池を搭載した車両。   A vehicle equipped with the lithium ion secondary battery according to claim 10 or the assembled battery according to claim 10.
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