JP2008140638A - Bipolar battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、正極材、集電体および負極材がこの順序で積層された電極を有する双極型二次電池に関する。本発明の双極型二次電池は、例えば、電気自動車、燃料電池車及びハイブリッド電気自動車等のモータ等の駆動用電源として用いられる。 The present invention relates to a bipolar secondary battery having an electrode in which a positive electrode material, a current collector, and a negative electrode material are laminated in this order. The bipolar secondary battery of the present invention is used as a driving power source for motors of electric vehicles, fuel cell vehicles, and hybrid electric vehicles, for example.
近年、環境保護のため二酸化炭素排出量の低減が切に望まれている。自動車業界では、電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)の導入による二酸化炭素排出量の低減に期待が集まっており、これらの実用化の鍵を握るモータ駆動用二次電池の開発が鋭意行われている。二次電池としては、高エネルギー密度、高出力密度が達成できるリチウムイオン二次電池に注目が集まっている。ただし、自動車に適用するためには、大出力を確保するために、複数の二次電池を直列に接続して用いる必要がある。 In recent years, reduction of carbon dioxide emissions has been strongly desired for environmental protection. In the automobile industry, there are high expectations for reducing carbon dioxide emissions by introducing electric vehicles (EVs) and hybrid electric vehicles (HEVs), and we are eager to develop secondary batteries for motor drives that hold the key to their practical application. Has been done. As a secondary battery, attention is focused on a lithium ion secondary battery that can achieve a high energy density and a high output density. However, in order to apply to an automobile, it is necessary to use a plurality of secondary batteries connected in series in order to ensure a large output.
しかしながら、接続部を介して電池を接続した場合、接続部の電気抵抗によって出力が低下してしまう。また、接続部を有する電池は空間的にも不利益を有する。すなわち、接続部の占有体積によって、電池の出力密度やエネルギー密度の低下がもたらされる。 However, when a battery is connected via the connection portion, the output is reduced due to the electrical resistance of the connection portion. Further, the battery having the connection portion has a disadvantage in terms of space. In other words, the output volume and energy density of the battery are reduced due to the occupied volume of the connection portion.
この問題を解決するものとして、集電体の両側に正極活物質と負極活物質とを配置した双極型二次電池が開発されている。かかる双極型二次電池は、電池内で、集電体である金属箔の片面に正極、反対側の面に負極を形成した双極型電極を電解質層を挟んで積層した構成を有する。そのため、このような電池では、集電体は厚み方向にしか電流は流れないため、面方向の抵抗は低い必要はない。したがって集電体として重量があり厚い金属箔を用いる必要がない。 In order to solve this problem, a bipolar secondary battery in which a positive electrode active material and a negative electrode active material are arranged on both sides of a current collector has been developed. Such a bipolar secondary battery has a configuration in which a bipolar electrode in which a positive electrode is formed on one surface of a metal foil as a current collector and a negative electrode is formed on the opposite surface is laminated with an electrolyte layer interposed therebetween. Therefore, in such a battery, since the current flows only in the thickness direction of the current collector, the resistance in the surface direction does not need to be low. Therefore, it is not necessary to use a thick and thick metal foil as a current collector.
ところが、このような構成の双極型二次電池では、正極側での集電箔の溶出、負極側での集電箔とリチウム(Li)との合金化などの問題がある。 However, the bipolar secondary battery having such a configuration has problems such as elution of the current collector foil on the positive electrode side and alloying of the current collector foil and lithium (Li) on the negative electrode side.
このような問題を解決するために、特許文献1では集電体に合金であるステンレス鋼を用いており、このような構成とすることで一枚の集電箔で双極型電池の集電箔を形成することが可能である。
ところが、このような構成でも初期的に電池を動作させることは可能であるが、実際は、電池は長期間使用される。そのため、このような構成で長期的な電池保存およびサイクル試験を行うと正極側の面が腐食し、ピンホールが生じて電池の耐久性が急激に低下するという問題が生じた。 However, even with such a configuration, it is possible to operate the battery initially, but the battery is actually used for a long time. Therefore, when a long-term battery storage and cycle test is performed with such a configuration, the surface on the positive electrode side corrodes, pinholes are generated, and the durability of the battery is drastically reduced.
そこで、本発明の目的は、集電体を軽量化し、高エネルギー密度化を図ると共に、長期の信頼性に優れた双極型二次電池を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a bipolar secondary battery that is light in weight and has a high energy density and is excellent in long-term reliability.
本発明は、集電体の一方の面に電気的に結合した正極と、前記集電体の反対側の面に電気的に結合した負極と、それらの間に配置された電解質層とを備え、それらが交互に積層された双極型二次電池であって、
正極活物質の酸化還元電位が集電体の溶出電位よりも低く、かつ負極活物質の酸化還元電位が集電体のリチウム合金化電位よりも高く構成されていることを特徴とする双極型二次電池により達成することができる。
The present invention includes a positive electrode electrically coupled to one surface of the current collector, a negative electrode electrically coupled to the opposite surface of the current collector, and an electrolyte layer disposed therebetween. A bipolar secondary battery in which they are alternately stacked,
A bipolar two-type battery characterized in that the redox potential of the positive electrode active material is lower than the elution potential of the current collector, and the redox potential of the negative electrode active material is higher than the lithium alloying potential of the current collector. This can be achieved with a secondary battery.
本発明の双極型二次電池では、上記のような構成とすることで双極型電池の集電体を一枚の箔として構成が可能になり軽量化が可能になる。また、集電体の溶出電位が正極活物質の酸化還元電位よりも高く、集電体のLi合金化電位が負極活物質の酸化還元電位よりも低いため信頼性の高い双極型二次電池を構成することが可能である。 In the bipolar secondary battery of the present invention, the current collector of the bipolar battery can be configured as a single foil, and the weight can be reduced. In addition, since the elution potential of the current collector is higher than the redox potential of the positive electrode active material, and the Li alloying potential of the current collector is lower than the redox potential of the negative electrode active material, a highly reliable bipolar secondary battery can be obtained. It is possible to configure.
本発明の双極型二次電池は、集電体の一方の面に電気的に結合した正極と、前記集電体の反対側の面に電気的に結合した負極と、それらの間に配置された電解質層とを備え、それらが交互に積層された双極型二次電池において、
前記正極活物質の酸化還元電位が前記集電体の溶出電位よりも低く、かつ前記負極活物質の酸化還元電位が前記集電体のリチウム合金化電位よりも高く構成されていることを特徴とするものである。このような構成とすることで一枚の集電体で正極及び負極活物質の両方の酸化還元電位に耐えうる集電体を構成できるため、集電体の厚みを十分に小さくし、かつ信頼性の高い双極型二次電池を構成することが可能になるからである。その結果、電池を軽量化することができ、高出力密度の電池を形成することが可能になる。
The bipolar secondary battery of the present invention is disposed between a positive electrode electrically coupled to one surface of the current collector, a negative electrode electrically coupled to the opposite surface of the current collector, and the positive electrode. A bipolar secondary battery in which the electrolyte layers are alternately stacked,
The redox potential of the positive electrode active material is lower than the elution potential of the current collector, and the redox potential of the negative electrode active material is higher than the lithium alloying potential of the current collector. To do. With such a configuration, a current collector that can withstand the redox potentials of both the positive electrode and the negative electrode active material can be configured with a single current collector, so that the thickness of the current collector can be made sufficiently small and reliable. This is because a high-performance bipolar secondary battery can be configured. As a result, the battery can be reduced in weight, and a battery with a high output density can be formed.
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明するが、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、以下の形態のみには制限されない。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. 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. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. In addition, the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and may be different from the actual ratios.
図1は、本発明の双極型二次電池の代表的な一実施形態である双極型リチウムイオン二次電池(以下、単に「双極型二次電池」とも称する)の概要を模式的に表した断面概略図である。なお、本明細書においては、双極型のリチウムイオン二次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。 FIG. 1 schematically shows an outline of a bipolar lithium ion secondary battery (hereinafter also simply referred to as “bipolar secondary battery”), which is a typical embodiment of the bipolar secondary battery of the present invention. FIG. In the present specification, a bipolar lithium ion secondary battery will be described in detail as an example, but the technical scope of the present invention is not limited to such a form.
図1に示す本実施形態の双極型二次電池10は、実際に充放電反応が進行する略矩形の電池要素(双極型電池構造体)21が、電池外装材29であるラミネートシートの内部に封止された構造を有する。
In the bipolar
図1に示すように、本実施形態の双極型二次電池10の電池要素21は、集電体11の一方の面に電気的に結合した正極(正極活物質層)13が形成され、前記集電体11の反対側の面に電気的に結合した負極(負極活物質層)15が形成された複数の双極型電極16を有する。各双極型電極16は、電解質層17を介して積層されて電池要素(双極型電池構造体)21を形成する。この際、一の双極型電極16aの正極13と前記一の双極型電極16aに隣接する他の双極型電極16bの負極15とが電解質層17を介して向き合うように、各双極型電極16および電解質層17が交互に積層されている。即ち、一の双極型電極16aの正極13と前記一の双極型電極16aに隣接する他の双極型電極16bの負極15の間に電解質層17が挟まれて配置されている。
As shown in FIG. 1, the
隣接する正極13、電解質層17、および負極15は、一つの単電池層(=電池単位ないし単セル)19を構成する。従って、双極型二次電池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、電解質層17からの電解液の漏れによる液絡を防止するために単電池層19の周辺部にはシール部31が配置されている。該シール部31を設けることで隣接する集電体11間を絶縁し、隣接する電極間の接触による短絡を防止することもできる。なお、電池要素(双極型電池構造体)21の最外層に位置する正極側の最外層集電体11aには、片面のみに正極活物質層13が形成されている。また、電池要素21の最外層に位置する負極側の最外層集電体11bには、片面のみに負極活物質層15が形成されている。
The adjacent
さらに、図1に示す双極型二次電池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、電池外装材29であるラミネートシートから導出している。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、同様に電池外装材29であるラミネートシートから導出している。
Furthermore, in the bipolar
さらに、本発明では、その特徴的な構成として、前記正極13の正極活物質の酸化還元電位が前記集電体11の溶出電位よりも低く、かつ前記負極15の負極活物質の酸化還元電位が前記集電体11のリチウム合金化電位よりも高く構成されていることを特徴とするものである。
Furthermore, in the present invention, as a characteristic configuration, the redox potential of the positive electrode active material of the
ここで、電極の酸化還元電位は正極13あるいは負極15の単極測定により容易に測定できる。具体的には対称極をリチウム金属とし、電解質を挟み込んで単極−リチウム電池を作製し、充放電を行えばよい。通常、これにより限りなく遅い速度での充放電曲線を得て、プラトーが生じた電圧がその電極の酸化還元電位となる。なお、当該測定に用いる電解質は、その後、実際に双極型二次電池に適用すべきものと同様のものを用いるのが望ましい。即ち、実際に使用する系で評価すればよい。ただし、これに制限されるものではない。
Here, the oxidation-reduction potential of the electrode can be easily measured by unipolar measurement of the
また、前記正極電位あるいは負極電位が集電体の溶出電位、および合金化電位を越えていないか(即ち、双方の電位の高低)を求める際は集電体の定電位印加測定により容易に測定できる。具体的には対称極をリチウム金属とし、電解質を挟み込んで集電体−リチウム電池を作製し、上記正極、あるいは負極の酸化還元電位を印加し、電流を測定することで測定する。電流が流れ続ければ集電体の溶出、あるいは合金化が進行しており、流れていなければ正極電位あるいは負極電位が集電体の溶出電位、および合金化電位を越えていないと判断する。即ち、電流が流れていなければ、正極の酸化還元電位が集電体の溶出電位よりも低いと判断でき、負極の酸化還元電位が集電体の合金化電位よりも高いと判断できる。なお、当該測定に用いる電解質も、その後、実際に双極型二次電池に適用すべきものと同様のものを用いるのが望ましい。即ち、実際に使用する系で評価すればよい。ただし、これに制限されるものではない。更に本発明では、必ずしも集電体の溶出電位、および合金化電位の正確な値まで特定できなくてもよい。例えば、上記測定により、少なくとも正極活物質の酸化還元電位が、集電体の溶出電位よりも低いこと、および少なくとも負極活物質の酸化還元電位が、集電体のLi合金化電位よりも高いことが明確になればよい(詳しくは実施例の表3、5の注記を参照のこと。)。 In addition, when determining whether the positive electrode potential or the negative electrode potential does not exceed the elution potential of the current collector and the alloying potential (that is, the level of both potentials), it is easily measured by applying a constant potential to the current collector. it can. Specifically, the symmetry electrode is made of lithium metal, an electrolyte is sandwiched between the current collector and the lithium battery, the redox potential of the positive electrode or the negative electrode is applied, and the current is measured. If the current continues to flow, elution or alloying of the current collector proceeds, and if it does not flow, it is determined that the positive electrode potential or the negative electrode potential does not exceed the elution potential of the current collector and the alloying potential. That is, if no current is flowing, it can be determined that the redox potential of the positive electrode is lower than the elution potential of the current collector, and that the redox potential of the negative electrode is higher than the alloying potential of the current collector. The electrolyte used for the measurement is preferably the same as that which should be applied to the bipolar secondary battery after that. In other words, the evaluation may be performed using a system actually used. However, it is not limited to this. Furthermore, in the present invention, it is not always necessary to specify the elution potential of the current collector and the accurate value of the alloying potential. For example, according to the above measurement, at least the redox potential of the positive electrode active material is lower than the elution potential of the current collector, and at least the redox potential of the negative electrode active material is higher than the Li alloying potential of the current collector. (For details, see the notes in Tables 3 and 5 in the Examples.)
以下、本発明の当該特徴的な構成について、好適な実施形態ごとに詳細に説明する。 Hereinafter, the characteristic configuration of the present invention will be described in detail for each preferred embodiment.
(第1の実施形態について)
本発明の好適な実施形態(第1の実施形態)としては、正極活物質として、オリビン系正極材料を、負極活物質として、カーボンもしくはリチウム−遷移金属複合酸化物を、集電体として、鉄、クロム、ニッケル、マンガン、チタン、モリブデン、バナジウム、ニオブ、銅、銀、金およびカーボンよりなる群から選ばれてなる少なくとも1種類の集電体材料で構成された集電体を用いることを特徴とするものである(後述する実施例1〜3、5と比較例3を対比参照のこと)。
(About the first embodiment)
As a preferred embodiment (first embodiment) of the present invention, an olivine positive electrode material is used as a positive electrode active material, carbon or a lithium-transition metal composite oxide is used as a negative electrode active material, iron is used as a current collector. Using a current collector composed of at least one current collector material selected from the group consisting of chromium, nickel, manganese, titanium, molybdenum, vanadium, niobium, copper, silver, gold, and carbon (Refer to Examples 1 to 3 and 5 and Comparative Example 3 described later in comparison).
本発明の第1の実施形態では、上記したように、正極活物質としてオリビン系正極材料を選択し、かかるオリビン系正極材料の酸化還元電位が、集電体の溶出電位よりも低くなるように集電体材料を適宜選択し、負極活物質の酸化還元電位がかかる集電体の合金化電位よりも高い負極材料を適宜選択してなるものである。 In the first embodiment of the present invention, as described above, an olivine-based positive electrode material is selected as the positive electrode active material, and the redox potential of the olivine-based positive electrode material is lower than the elution potential of the current collector. A current collector material is appropriately selected, and a negative electrode material in which the redox potential of the negative electrode active material is higher than the alloying potential of the current collector is appropriately selected.
すなわち、正極活物質としてオリビン系正極材料を用いることで正極の酸化還元電位が低下し、集電体材料として溶出しやすい材料でも使用でき、集電体として使用可能な材料が増える。また電池の平均動作電圧が低下することで電池の長期信頼性が向上する。詳しくは、オリビン系の材料を用いると平均動作電圧が低下し、出力、エネルギーは多少低下するが、集電体の選択肢が増えること、長期的な信頼性が向上することで結果としてオリビンを使用する方がよい(オリビン正極材料であるLiFePO4の酸化還元電位:3.4V vs Li+/Li)。 That is, by using an olivine-based positive electrode material as a positive electrode active material, the redox potential of the positive electrode is lowered, and even a material that is easily eluted as a current collector material can be used, and the number of materials that can be used as a current collector increases. Moreover, the long-term reliability of a battery improves because the average operating voltage of a battery falls. Specifically, when olivine-based materials are used, the average operating voltage is reduced and the output and energy are somewhat reduced, but olivine is used as a result of increased current collector options and improved long-term reliability. (Oxidation-reduction potential of LiFePO 4 which is an olivine positive electrode material: 3.4 V vs Li + / Li).
上記オリビン系正極材料としては、特に制限されるものではなく、例えば、LiFePO4、LiMnPO4、LiCoPO4などが挙げられるが、これらに何ら制限されるものではない。これらは1種単独で使用しても良いし、2種以上を併用しても良い。 The olivine-based positive electrode material is not particularly limited, and examples thereof include LiFePO 4 , LiMnPO 4 , and LiCoPO 4 , but are not limited thereto. These may be used alone or in combination of two or more.
本発明の第1の実施形態では、上述したようにオリビン系正極材料に組み合わせる負極活物質としては、通常リチウムイオン二次電池に用いられている負極活物質なら何でもよく、具体的にはカーボンもしくはリチウム−遷移金属複合酸化物を用いることができる。すなわち、オリビン系正極材料に組み合わせることのできる集電体に対し、負極活物質のカーボンもしくはリチウム−遷移金属複合酸化物の酸化還元電位はいずれも、これら集電体の合金化電位よりも高く構成することができるためである。 In the first embodiment of the present invention, as described above, the negative electrode active material to be combined with the olivine-based positive electrode material may be any negative electrode active material usually used in lithium ion secondary batteries, specifically, carbon or A lithium-transition metal composite oxide can be used. That is, for the current collector that can be combined with the olivine-based positive electrode material, the redox potential of the carbon or lithium-transition metal composite oxide of the negative electrode active material is higher than the alloying potential of these current collectors. This is because it can be done.
上記負極活物質材料であるカーボンもしくはリチウム−遷移金属複合酸化物としては、特に制限されるものではなく、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、グラファイト、活性炭、カーボンファイバ、コークス、ソフトカーボン、ハードカーボン(難黒鉛化炭素材料)などの結晶性炭素材や非結晶性炭素材等のカーボン;リチウム−チタン複合酸化物などのリチウム−移金属複合酸化物などが挙げられるが、これらに何ら制限されるものではない。これらは1種単独で使用しても良いし、2種以上を併用しても良い。 Carbon or lithium-transition metal composite oxide as the negative electrode active material is not particularly limited, and natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, graphite, activated carbon, carbon fiber, coke, and soft carbon. , Carbons such as crystalline carbon materials such as hard carbon (non-graphitizable carbon material) and non-crystalline carbon materials; lithium-transfer metal composite oxides such as lithium-titanium composite oxides, and the like. It is not limited. These may be used alone or in combination of two or more.
本発明の第1の実施形態では、上記したように、集電体として、鉄、クロム、ニッケル、マンガン、チタン、モリブデン、バナジウム、ニオブ、銅、銀、金およびカーボンよりなる群から選ばれてなる少なくとも1種類の集電体材料で構成された集電体を用いることができるものである。これらの集電体材料を上記した正極及び負極活物質材料と組み合わせて用いることで、上記した本発明の特徴的な要件を具備することができ、信頼性の高い電池を高い電池を構成することが可能になるからである。なお、各集電体材料を2種以上用いた例としては、例えば、ステンレス鋼が一般的であるが、これらに何ら制限されるものではない。また本実施形態では、ニッケルとアルミニウムのクラッド材、銅とアルミニウムのクラッド材、あるいはこれらの集電体材料の組み合わせのめっき材なども好ましく使える。即ち、本実施形態では、負極活物質が酸化還元電位の低いハードカーボンやグラファイト等のカーボンの場合、当該負極活物質の酸化還元電位がアルミニウム集電体のLi合金化電位よりも低く、集電体を一枚の箔として構成することはできない。ただし、集電体を一枚の箔として構成しない場合には、負極側にアルミニウムを用いなければよく、正極側にAl、負極側にNiないしCuの構成のクラッド材を集電体として用いることができる。この場合にも、負極活物質は何でもよく、特に制限されるものではない。また、上記集電体材料である金属表面に、アルミニウム等の他の集電体材料を被覆させた集電体であってもよい。この場合にも、めっき等により表面被覆するアルミニウム等の他の集電体材料を、負極側に用いなければよく、金属表面の正極側にアルミニウム等の他の集電体材料を被覆したものを集電体として用いることができる。また、場合によっては、2つ以上の上記集電体材料である金属箔を張り合わせた集電体を用いてもよい。 In the first embodiment of the present invention, as described above, the current collector is selected from the group consisting of iron, chromium, nickel, manganese, titanium, molybdenum, vanadium, niobium, copper, silver, gold, and carbon. A current collector made of at least one type of current collector material can be used. By using these current collector materials in combination with the above-described positive electrode and negative electrode active material, the above-described characteristic requirements of the present invention can be achieved, and a highly reliable battery can be configured as a high battery. This is because it becomes possible. In addition, as an example using 2 or more types of each collector material, although stainless steel is common, for example, it is not restrict | limited at all. In the present embodiment, a clad material of nickel and aluminum, a clad material of copper and aluminum, or a plating material of a combination of these current collector materials can be preferably used. That is, in this embodiment, when the negative electrode active material is carbon such as hard carbon or graphite having a low redox potential, the redox potential of the negative electrode active material is lower than the Li alloying potential of the aluminum current collector, The body cannot be configured as a single foil. However, when the current collector is not configured as a single foil, it is not necessary to use aluminum on the negative electrode side, and a clad material composed of Al on the positive electrode side and Ni or Cu on the negative electrode side is used as the current collector. Can do. Also in this case, the negative electrode active material may be anything and is not particularly limited. The current collector may be a current collector obtained by coating the metal surface as the current collector material with another current collector material such as aluminum. In this case as well, other current collector materials such as aluminum coated on the surface by plating or the like need not be used on the negative electrode side, and other current collector materials such as aluminum coated on the positive electrode side of the metal surface may be used. It can be used as a current collector. Moreover, you may use the electrical power collector which bonded together the metal foil which is two or more said electrical power collector materials depending on the case.
上記集電体としては、特に鉄を主とした合金材料(実施例1〜3参照のこと。)、および集電体の材料として、チタンを用いた集電体(実施例5参照のこと。)に効果がある。上記鉄を主とした合金材料としては、特に制限されるものではないが、鉄を主成分とし、Cr、Ni等を合金化したステンレス鋼(SUS304、SUS316Lなど)を用いることが好ましい。これらの集電体を用いることで正極、負極活物質の両酸化還元電位に耐えうる集電体にできるからである。また、このような集電体とすることで0Vに電圧をおとすことが可能になる点でも優れている。特に、上記Cr、Niに、更にMo成分を有するステンレス鋼(SUS316L)を用いることが好ましい(実施例1〜2と実施例3を対比参照のこと)。 As the current collector, an alloy material mainly containing iron (see Examples 1 to 3), and a current collector using titanium as the material of the current collector (see Example 5). Is effective. The alloy material mainly composed of iron is not particularly limited, but it is preferable to use stainless steel (SUS304, SUS316L, etc.) mainly composed of iron and alloyed with Cr, Ni, or the like. This is because by using these current collectors, a current collector that can withstand both redox potentials of the positive electrode and the negative electrode active material can be obtained. Further, such a current collector is also excellent in that the voltage can be reduced to 0V. In particular, it is preferable to use stainless steel (SUS316L) further containing a Mo component for Cr and Ni (see the comparison between Examples 1 and 2 and Example 3).
(第2の実施形態について)
本発明の他の好適な実施形態(第2の実施形態)としては、正極活物質として、リチウム−遷移金属複合酸化物を、負極活物質として、チタン酸リチウムを、集電体として鉄、クロム、ニッケル、マンガン、チタン、モリブデン、バナジウム、ニオブ、アルミニウム、銀、金、白金およびアルミよりなる群から選ばれてなる少なくとも1種類の集電体材料で構成された集電体を用いることを特徴とするものである(後述する実施例6〜10と比較例2を対比参照のこと)。
(About the second embodiment)
As another preferred embodiment (second embodiment) of the present invention, a lithium-transition metal composite oxide is used as a positive electrode active material, lithium titanate is used as a negative electrode active material, and iron or chromium is used as a current collector. A current collector made of at least one current collector material selected from the group consisting of nickel, manganese, titanium, molybdenum, vanadium, niobium, aluminum, silver, gold, platinum, and aluminum (Refer to Examples 6 to 10 and Comparative Example 2 described later in comparison).
本発明の第2の実施形態では、上記したように、負極活物質としてチタン酸リチウムを選択し、かかるチタン酸リチウムの酸化還元電位が、集電体のリチウム合金化電位よりも高く構成されている集電体材料を適宜選択し、かかる集電体の溶出電位よりも低い正極材料を適宜選択してなるものである。 In the second embodiment of the present invention, as described above, lithium titanate is selected as the negative electrode active material, and the redox potential of the lithium titanate is higher than the lithium alloying potential of the current collector. The current collector material is appropriately selected, and a positive electrode material lower than the elution potential of the current collector is appropriately selected.
すなわち、負極活物質としてチタン酸リチウム(Li4Ti5O12)を用いることで負極の酸化還元電位が上昇し、集電体材料として合金化しやすい材料でも使用でき、集電体として使用可能な材料が増える。また電池の平均動作電圧が低下することで電池の長期信頼性が向上するためである。詳しくは、チタン酸リチウムを用いると平均動作電圧が低下し、出力、エネルギーは多少低下するが、集電体の選択肢が増えること、長期的な信頼性が向上することで結果としてチタン酸リチウムを使用する方がよい(チタン酸リチウムの酸化還元電位:1.5V vs Li+/Li)。 That is, by using lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ) as the negative electrode active material, the redox potential of the negative electrode is increased, and even a material that is easily alloyed can be used as a current collector material, and can be used as a current collector. More materials. Moreover, it is because the long-term reliability of a battery improves because the average operating voltage of a battery falls. Specifically, when lithium titanate is used, the average operating voltage is reduced and the output and energy are somewhat reduced, but the choice of current collectors is increased, and long-term reliability is improved, resulting in the lithium titanate being reduced. It is better to use (redox potential of lithium titanate: 1.5 V vs Li + / Li).
本発明の第2の実施形態では、上述したように負極活物質のチタン酸リチウムに組み合わせる正極活物質としては、通常リチウムイオン二次電池に用いられている正極活物質なら何でもよく、具体的にはリチウム−遷移金属複合酸化物を好適に用いることができる。すなわち、負極活物質のチタン酸リチウムに組み合わせることのできる集電体に対し、正極活物質のリチウム−遷移金属複合酸化物などの酸化還元電位はいずれも、これら集電体の溶出電位よりも低く構成することができるためである。 In the second embodiment of the present invention, as described above, the positive electrode active material combined with the lithium titanate of the negative electrode active material may be any positive electrode active material that is usually used in lithium ion secondary batteries. Is preferably a lithium-transition metal composite oxide. That is, for the current collector that can be combined with the lithium titanate of the negative electrode active material, the redox potential of the lithium-transition metal composite oxide of the positive electrode active material is lower than the elution potential of these current collectors. This is because it can be configured.
第2の実施形態で用いることのできる正極活物質としては、上記した通り、通常リチウムイオン二次電池に用いられている正極活物質なら何でもよく、特に制限されるものではない。例えば、LiCoO2などのLi・Co系複合酸化物、層状酸化物のLiNiO2などのLi・Ni系複合酸化物、スピネルマンガン系のLiMn2O4などのLi・Mn系複合酸化物、LiFeO2、オリビン系のLiFePO4などのLi・Fe系複合酸化物などが挙げられる。この他、オリビン系の、LiMnPO4、LiCoPO4などの遷移金属とリチウムのリン酸化合物や硫酸化合物;V2O5、MnO2、TiS2、MoS2、MoO3などの遷移金属酸化物や硫化物;PbO2、AgO、NiOOHなどが挙げられる。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。容量、出力特性に優れた電池を構成できることから、正極活物質として遷移金属とリチウムとの複合酸化物(リチウム−遷移金属複合酸化物)を用いるのが望ましい。これらは1種単独で使用しても良いし、2種以上を併用しても良い。 As described above, the positive electrode active material that can be used in the second embodiment is not particularly limited as long as it is a positive electrode active material that is usually used in a lithium ion secondary battery. For example, Li · Co based composite oxides such as LiCoO 2 , Li · Ni based composite oxides such as layered oxide LiNiO 2 , Li · Mn based composite oxides such as spinel manganese based LiMn 2 O 4 , LiFeO 2 And Li · Fe-based composite oxides such as olivine-based LiFePO 4 . In addition, olivine-based transition metals such as LiMnPO 4 and LiCoPO 4 and lithium phosphate compounds and sulfate compounds; transition metal oxides such as V 2 O 5 , MnO 2 , TiS 2 , MoS 2 , and MoO 3 , and sulfides. Products; PbO 2 , AgO, NiOOH and the like. In some cases, two or more positive electrode active materials may be used in combination. Since a battery having excellent capacity and output characteristics can be formed, it is desirable to use a composite oxide of lithium and transition metal (lithium-transition metal composite oxide) as the positive electrode active material. These may be used alone or in combination of two or more.
なかでも、第1の実施形態で用いたと同様の、オリビン系正極材料を用いるのが、正極側でもオリビン系の材料を用いることで集電体の選択肢が増え、長期的な信頼性をより一層向上することができるためである。すなわち、本実施形態では、負極側にチタン酸リチウムを用いることで集電体の選択肢が増え、長期的な信頼性を向上させることができるものであるが、これに加えて正極側でも同様の作用効果を発現し得るオリビン系正極材料を併用することで、より一層の長期信頼性を獲得することができるためである(実施例10と他の実施例1〜9を対比参照のこと。)。 Among them, the same olivine-based positive electrode material as that used in the first embodiment is used. However, the use of the olivine-based material on the positive electrode side also increases the choice of current collectors, further improving long-term reliability. It is because it can improve. That is, in this embodiment, the choice of the current collector is increased by using lithium titanate on the negative electrode side, and long-term reliability can be improved. This is because it is possible to obtain further long-term reliability by using an olivine-based positive electrode material capable of exhibiting the action and effect (see comparison between Example 10 and other Examples 1 to 9). .
本発明の第2の実施形態では、上記したように、集電体として、鉄、クロム、ニッケル、マンガン、チタン、モリブデン、バナジウム、ニオブ、銀、金、白金およびアルミニウムよりなる群から選ばれてなる少なくとも1種類の集電体材料で構成された集電体を用いるものである。これらの集電体材料を上記した正極及び負極活物質材料と組み合わせて用いることで、上記した本発明の特徴的な要件を具備することができ、信頼性の高い電池を高い電池を構成することが可能になるからである。なお、各集電体材料を2種以上用いた例としては、例えば、特に鉄を主とした合金材料であるステンレス鋼が一般的であるが、これらに何ら制限されるものではない。また本実施形態では、ニッケルとアルミニウムのクラッド材、あるいはこれらの集電体材料である金属の組み合わせのめっき材なども好ましく使える。また、上記集電体材料である金属(アルミニウムを除く)表面に、他の集電体材料であるアルミニウムを被覆させた集電体であってもよい。また、場合によっては、2つ以上の上記集電体材料である金属箔を張り合わせた集電体を用いてもよい。 In the second embodiment of the present invention, as described above, the current collector is selected from the group consisting of iron, chromium, nickel, manganese, titanium, molybdenum, vanadium, niobium, silver, gold, platinum, and aluminum. A current collector made of at least one current collector material is used. By using these current collector materials in combination with the above-described positive electrode and negative electrode active material, the above-described characteristic requirements of the present invention can be achieved, and a highly reliable battery can be configured as a high battery. This is because it becomes possible. In addition, as an example using two or more kinds of each current collector material, for example, stainless steel which is an alloy material mainly including iron is generally used, but is not limited thereto. In the present embodiment, nickel and aluminum clad materials, or plating materials made of a combination of these metal materials are preferably used. Further, a current collector in which the surface of a metal (excluding aluminum) as the current collector material is coated with aluminum as another current collector material may be used. Moreover, you may use the electrical power collector which bonded together the metal foil which is two or more said electrical power collector materials depending on the case.
上記鉄を主とした合金材料としては、特に制限されるものではないが、鉄を主成分とし、Cr、Niを合金化したステンレス鋼(SUS304)、更にMo成分を有するステンレス鋼(SUS316L)などを挙げることができる。集電体にステンレス鋼を用いることで正極、負極活物質の両酸化還元電位に耐えうる集電体とすることができ、0Vに電圧をおとすことが可能になる点でも優れている。 The alloy material mainly composed of iron is not particularly limited, but stainless steel mainly composed of iron and alloyed with Cr and Ni (SUS304), stainless steel having Mo component (SUS316L), and the like. Can be mentioned. By using stainless steel as the current collector, the current collector can withstand both redox potentials of the positive electrode and the negative electrode active material, which is excellent in that the voltage can be reduced to 0V.
上記集電体としては、特に白金、金、アルミニウム(実施例6〜10参照のこと。)に集電体の溶出、合金化を防止し、長期信頼性を向上させる効果があり好ましい。とりわけ、集電体の材料として、純アルミニウム(アルミニウムの単金属)を用いた集電体(実施例8〜10参照のこと。)に、集電体の溶出、合金化を防止し、長期信頼性を向上させる顕著な効果があり、耐蝕性、作り易さ、経済性などの観点からもより好ましい。さらに、アルミニウムは、金属材料の中でも非常に軽いため電池の重量出力密度が向上する。また、非常に安価で加工しやすいため、製造が容易である点でも優れている。なお、一枚の単金属(例えば、純アルミニウム)とは、金属(アルミニウム)の純度が98%以上のものをいうものとする。 Especially as said collector, platinum, gold | metal | money, and aluminum (refer Examples 6-10) have the effect which prevents elution and alloying of a collector, and improves long-term reliability, and is preferable. In particular, current collectors using pure aluminum (a single metal of aluminum) as a current collector material (see Examples 8 to 10) are prevented from elution and alloying, and long-term reliability. It is more preferable from the viewpoint of corrosion resistance, ease of production, economy, and the like. Furthermore, since aluminum is very light among metal materials, the weight output density of the battery is improved. Moreover, since it is very cheap and easy to process, it is excellent also in that it is easy to manufacture. Note that a single metal (for example, pure aluminum) means a metal (aluminum) having a purity of 98% or more.
(第3の実施形態について)
本発明の他の好適な実施形態(第3の実施形態)としては、正極活物質としてリチウム−遷移金属複合酸化物を、負極活物質としてカーボンもしくはリチウム−遷移金属複合酸化物を、集電体としてチタン材料で構成された集電体を用いることを特徴とするものである(後述する実施例4、5と比較例1を対比参照のこと)。
(About the third embodiment)
In another preferred embodiment (third embodiment) of the present invention, a lithium-transition metal composite oxide is used as a positive electrode active material, carbon or a lithium-transition metal composite oxide is used as a negative electrode active material, and a current collector. A current collector made of a titanium material is used (refer to comparison between Examples 4 and 5 and Comparative Example 1 described later).
かかる第3の実施形態は、特許文献1のように通常のリチウムイオン二次電池に用いることができる正極活物質のリチウム−遷移金属複合酸化物及び負極活物質のカーボンもしくはリチウム−遷移金属複合酸化物に、正極側での集電箔の溶出、負極側での集電箔とLiとの合金化問題を解決できるステンレス鋼集電体を用いた際の問題を解決してなる構成を提示してなるものである。すなわち、上記正極及び負極活物質に対する集電体材料として、上記正極活物質の酸化還元電位が集電体の溶出電位よりも低く、かつ上記負極活物質の酸化還元電位が集電体のリチウム合金化電位よりも高く構成されてなる集電体材料を用いて構成されていることを特徴とするものである。これにより、長期的な電池保存およびサイクル試験を行うと正極側の面が腐食し、ピンホールが生じて電池の耐久性が急激に低下する問題を解消することができるものである。 The third embodiment is a positive electrode active material lithium-transition metal composite oxide and a negative electrode active material carbon or lithium-transition metal composite oxidation that can be used in an ordinary lithium ion secondary battery as in Patent Document 1. Presents a structure that solves the problem of using a stainless steel current collector that can solve the elution of the current collector foil on the positive electrode side and the alloying problem between the current collector foil and Li on the negative electrode side. It will be. That is, as the current collector material for the positive electrode and the negative electrode active material, the redox potential of the positive electrode active material is lower than the elution potential of the current collector, and the redox potential of the negative electrode active material is the lithium alloy of the current collector It is characterized in that it is configured using a current collector material that is configured to be higher than the formation potential. Thereby, when a long-term battery storage and a cycle test are performed, the positive electrode side surface is corroded, pinholes are generated, and the problem that the durability of the battery rapidly decreases can be solved.
本発明の第3の実施形態では、上記したように、通常のリチウムイオン二次電池に用いることができる正極活物質のリチウム−遷移金属複合酸化物及び負極活物質のカーボンもしくはリチウム−遷移金属複合酸化物を選択し、かかるリチウム−遷移金属複合酸化物の酸化還元電位が、集電体の溶出電位よりも低く、かつカーボンもしくはリチウム−遷移金属複合酸化物の酸化還元電位が、集電体のリチウム合金化電位よりも高く構成された集電体材料としてチタン材料を選択してなるものである。 In the third embodiment of the present invention, as described above, a lithium-transition metal composite oxide of a positive electrode active material and a carbon or lithium-transition metal composite of a negative electrode active material that can be used for a normal lithium ion secondary battery. An oxide is selected, the redox potential of the lithium-transition metal composite oxide is lower than the elution potential of the current collector, and the redox potential of the carbon or lithium-transition metal composite oxide is less than that of the current collector. A titanium material is selected as a current collector material configured higher than the lithium alloying potential.
第3の実施形態で用いることのできる正極活物質としては、上記した通り、通常リチウムイオン二次電池に用いられている正極活物質なら何でもよく、特に制限されるものではない。例えば、LiCoO2などのLi・Co系複合酸化物、層状酸化物のLiNiO2などのLi・Ni系複合酸化物、スピネルマンガン系のLiMn2O4などのLi・Mn系複合酸化物、LiFeO2、オリビン系のLiFePO4などのLi・Fe系複合酸化物遷などが挙げられる。この他、LiMnPO4、LiCoPO4などの遷移金属とリチウムのリン酸化合物や硫酸化合物;V2O5、MnO2、TiS2、MoS2、MoO3などの遷移金属酸化物や硫化物;PbO2、AgO、NiOOHなどが挙げられる。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。なかでも正極活物質としてリチウム−遷移金属複合酸化物を用いることで、容量、出力特性に優れた電池を構成できることから望ましい。これらは、1種単独で使用しても良いし、2種以上を併用しても良い。 The positive electrode active material that can be used in the third embodiment is not particularly limited as long as it is a positive electrode active material that is usually used in a lithium ion secondary battery as described above. For example, Li · Co based composite oxides such as LiCoO 2 , Li · Ni based composite oxides such as layered oxide LiNiO 2 , Li · Mn based composite oxides such as spinel manganese based LiMn 2 O 4 , LiFeO 2 And Li · Fe-based complex oxides such as olivine-based LiFePO 4 . In addition, phosphoric acid compounds and sulfuric acid compounds of transition metals and lithium such as LiMnPO 4 and LiCoPO 4 ; transition metal oxides and sulfides such as V 2 O 5 , MnO 2 , TiS 2 , MoS 2 , and MoO 3 ; PbO 2 , AgO, NiOOH and the like. In some cases, two or more positive electrode active materials may be used in combination. In particular, it is desirable to use a lithium-transition metal composite oxide as the positive electrode active material because a battery having excellent capacity and output characteristics can be configured. These may be used individually by 1 type and may use 2 or more types together.
第3の実施形態で用いることのできる負極活物質としては、上記した通り、通常リチウムイオン二次電池に用いられている負極活物質なら何でもよく、具体的には、カーボンもしくはリチウム−遷移金属複合酸化物を用いることができる。 As described above, the negative electrode active material that can be used in the third embodiment may be any negative electrode active material that is normally used in lithium ion secondary batteries. Specifically, carbon or lithium-transition metal composites may be used. An oxide can be used.
上記負極活物質材料であるカーボンもしくはリチウム−遷移金属複合酸化物としては、特に制限されるものではなく、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、グラファイト、活性炭、カーボンファイバ、コークス、ソフトカーボン、ハードカーボン(難黒鉛化炭素材料)などの結晶性炭素材や非結晶性炭素材等のカーボン;リチウム−チタン複合酸化物などのリチウム−移金属複合酸化物などが挙げられるが、これらに何ら制限されるものではない。これらは1種単独で使用しても良いし、2種以上を併用しても良い。 Carbon or lithium-transition metal composite oxide as the negative electrode active material is not particularly limited, and natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, graphite, activated carbon, carbon fiber, coke, and soft carbon. , Carbons such as crystalline carbon materials such as hard carbon (non-graphitizable carbon material) and non-crystalline carbon materials; lithium-transfer metal composite oxides such as lithium-titanium composite oxides, and the like. It is not limited. These may be used alone or in combination of two or more.
本発明の第3の実施形態では、上記したように、集電体として、チタン材料で構成された集電体を用いるものである。かかる集電体材料を上記した正極及び負極活物質材料と組み合わせて用いることで、上記した本発明の特徴的な要件を具備することができ、信頼性の高い電池を高い電池を構成することが可能になるからである。即ち、正極側での集電体の溶出、負極側での集電体材料とリチウムとの合金化を防止し、長期信頼性を向上させる効果が顕著である。チタンは正極活物質の高い酸化還元電位と、負極活物質の低い酸化還元電位に唯一耐えうる集電体材料であり、正極活物質と負極活物質の酸化還元電位間に高い電位差を有する組み合わせの材料においても高い信頼性を維持し、集電体の厚みを十分に小さくし、かつ信頼性の高い双極型二次電池を構成することが可能になるからである。 In the third embodiment of the present invention, as described above, a current collector made of a titanium material is used as the current collector. By using such a current collector material in combination with the above-described positive electrode and negative electrode active material, the above-described characteristic features of the present invention can be satisfied, and a highly reliable battery can constitute a high battery. Because it becomes possible. That is, the elution of the current collector on the positive electrode side and the alloying of the current collector material and lithium on the negative electrode side are prevented, and the effect of improving long-term reliability is remarkable. Titanium is a current collector material that can only withstand the high redox potential of the positive electrode active material and the low redox potential of the negative electrode active material, and has a combination of a high potential difference between the redox potential of the positive electrode active material and the negative electrode active material. This is because it is possible to maintain a high reliability in the material, to sufficiently reduce the thickness of the current collector, and to form a highly reliable bipolar secondary battery.
以上が、本発明の双極型二次電池の特徴的な構成要件に関する説明であり、他の構成要件に関しては特に制限されるものではない。よって、以下では、本発明の双極型二次電池の特徴的な構成要件以外の他の構成要件に関し、双極型リチウムイオン二次電池を例に取り説明するが、本発明がこれらに制限されるものではない。 The above is the description regarding the characteristic configuration requirements of the bipolar secondary battery of the present invention, and the other configuration requirements are not particularly limited. Therefore, in the following, regarding the other constituent elements other than the characteristic constituent elements of the bipolar secondary battery of the present invention, the bipolar lithium ion secondary battery will be described as an example, but the present invention is limited to these. It is not a thing.
[集電体]
本発明で用いることのできる集電体11としては、本発明の双極型二次電池の特徴的な構成要件を具備するものであればよく、特に制限されるものではない。具体的には、上記第1〜第3の実施形態で説明した通りであるが、更に、本発明の双極型二次電池の特徴的な構成要件を具備するものであれば、集電体として、高分子材料を主成分とする導電性高分子膜であるものを使用することもできる。これらの集電体を用いることで軽量化が可能になり、また正極、負極活物質の両酸化還元電位に耐えうる集電体にできるからである。また、このような集電体とすることで0Vに電圧をおとすことが可能になる。
[Current collector]
The
ここでいう導電性高分子とは、高分子材料と導電性を付加する為の導電性フィラーとで構成されているフィラー分散型導電性高分子、高分子材料自体が導電性を有する導電性ポリマー両方を含む。 The conductive polymer mentioned here is a filler-dispersed conductive polymer composed of a polymer material and a conductive filler for adding conductivity, and a conductive polymer in which the polymer material itself has conductivity. Includes both.
さらに、本発明で用いることのできる集電体としては、製法上、スプレーコートなどの薄膜製造技術により、所望の形状に製膜して形成したものを利用することもできる。例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS304,316Lなど)、これらの合金などの金属粉末を主成分として、これにバインダ(樹脂)、溶剤を含む集電体金属ペーストを加熱して成形してなるものである。これら金属粉末は1種単独で用いてもよいし、2種以上を混合して用いてもよいし、さらに、製法上の特徴を生かして金属粉末の種類の異なるものを多層に積層したものであってもよい。好ましくは、正極と負極とを電子伝導性により結合する主成分としてケイ素材料(例えば、平均粒子径10nm〜100μm程度のシリコン粒子のほか、平均繊維径10nm〜100μm程度、繊維長さ0.1〜1000μm程度のシリコンナノチューブ、シリコンマイクロチューブ、シリコンナノファイバ、シリコンマイクロファイバ、シリコンナノコイル、シリコンマイクロコイルなどの繊維状のものなど)を用い、さらに樹脂(バインダー)として、例えば、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、エポキシ樹脂、ベークライトのいずれか、もしくはこれらの複数からなるものを適当な配合比率で配合したものを用いて形成したものであってもよい。安価で耐酸化性を有する集電体とすることができる。その結果、長期の信頼性を有する双極型二次電池を安価に作ることができるためである。 Furthermore, as a current collector that can be used in the present invention, a current collector formed by forming a film into a desired shape by a thin film manufacturing technique such as spray coating can be used. For example, a current collector metal paste containing a metal powder such as aluminum, copper, titanium, nickel, stainless steel (SUS304, 316L, etc.) or an alloy thereof as a main component and containing a binder (resin) and a solvent is heated. It is formed by molding. These metal powders may be used singly or as a mixture of two or more, and moreover, by utilizing the characteristics of the manufacturing method, different types of metal powders are laminated in multiple layers. There may be. Preferably, a silicon material (for example, silicon particles having an average particle diameter of about 10 nm to 100 μm, an average fiber diameter of about 10 nm to 100 μm, a fiber length of 0.1 to 0.1%, as a main component for bonding the positive electrode and the negative electrode by electronic conductivity. For example, polyolefins, polyamides, polyimides, etc. are used as the resin (binder) using silicon nanotubes of about 1000 μm, silicon microtubes, silicon nanofibers, silicon microfibers, silicon nanocoils, silicon microcoils, etc. , Polyamide imide, epoxy resin, bakelite, or a mixture of these at a suitable blending ratio may be used. An inexpensive current collector having oxidation resistance can be obtained. As a result, a bipolar secondary battery having long-term reliability can be manufactured at low cost.
上記バインダとしては、特に制限されるべきものではなく、例えば、エポキシ樹脂など、従来公知の樹脂バインダ材料を用いることができるほか、導電性高分子材料を用いても良い。 The binder is not particularly limited. For example, a conventionally known resin binder material such as an epoxy resin can be used, and a conductive polymer material may be used.
集電体の厚さは、特に限定されないが、通常は1〜100μm程度である。 Although the thickness of a collector is not specifically limited, Usually, it is about 1-100 micrometers.
集電体11は、通常の金属箔などを用いることができるほか、真空プロセスを用いて形成することができる。具体的にはスパッタ、蒸着、イオンプレーティングおよび溶射などに代表されるPVD(Physical Vapor Deposition;物理気相成長法ないし物理的蒸着法)、CVD(Chemical Vapor Deposition;化学気相成長法ないし化学的蒸着法)、のいずれかの方法により形成することもできる。スパッタ法としては、例えば、集電体、更には後述する電極の形成に適した電子サイクロトロン共鳴スパッタ法、あるいは後述する電解質層(セパレータを用いなくともよい、固体電解質を用いる場合に適している)やシール部等の形成に適した高周波(RF)スパッタ法、マグネトロンスパッタ法、対向ターゲットスパッタ法、ミラートロンスパッタ法、イオンビームスパッタ法などが挙げられるが、これらに制限されるものではない。蒸着法としては、CVD(化学的蒸着法)とPVD(物理的蒸着法)が挙げられる。CVDとしては、熱CVD、プラズマCVD、光CVD、エピタキシャルCVD、アトミックレイヤーCVDなどが挙げられるが、これらに制限されるものではない。PVDとしては、スパッタ法、パルスレーザ蒸着法、真空蒸着法、イオンプレーティング法、分子線エピタキシー法、電子ビーム蒸着法、溶射法などが挙げられるが、これらに制限されるものではない。
The
[電極(正極及び負極)]
正極(正極活物質層ともいう)13および負極(負極活物質層ともいう)15の構成については、特に限定されず、公知の正極および負極が適用可能である。電極には、電極が正極であれば正極活物質、電極が負極であれば負極活物質が含まれる。
[Electrodes (positive electrode and negative electrode)]
The structures of the positive electrode (also referred to as positive electrode active material layer) 13 and the negative electrode (also referred to as negative electrode active material layer) 15 are not particularly limited, and known positive electrodes and negative electrodes are applicable. The electrode includes a positive electrode active material if the electrode is a positive electrode and a negative electrode active material if the electrode is a negative electrode.
正極活物質および負極活物質の材料(材質)としては、本発明の双極型二次電池の特徴的な構成要件を具備するものであればよく、特に制限されるものではなく、電池の種類に応じて適宜選択すればよい。具体的には、上記第1〜第3の実施形態で説明した通りである。 The material (material) of the positive electrode active material and the negative electrode active material is not particularly limited as long as it has the characteristic constituent requirements of the bipolar secondary battery of the present invention. What is necessary is just to select suitably according to. Specifically, it is as described in the first to third embodiments.
正極活物質の粒径は、双極型二次電池の電極抵抗を低減するために、双極型でない溶液(電解液)系のリチウムイオン二次電池で用いられる一般に用いられる粒径よりも小さいものを使用するとよい。具体的には、正極活物質微粒子の平均粒径が0.1〜10μm、好ましくは0.1〜5μmであるとよい。 In order to reduce the electrode resistance of the bipolar secondary battery, the particle size of the positive electrode active material should be smaller than that generally used for solution (electrolyte) lithium ion secondary batteries that are not bipolar. It is good to use. Specifically, the average particle diameter of the positive electrode active material fine particles is 0.1 to 10 μm, preferably 0.1 to 5 μm.
正極13の厚さは、電池の使用目的(出力重視、エネルギー重視など)、イオン伝導性を考慮して適宜決定すればよく、通常1〜500μm程度である。
The thickness of the
正極13は、通常のスラリーを塗布(コーティング)する方法のほか、真空プロセスを用いて形成することができる。具体的には上記集電体の項で説明したようなスパッタ、蒸着、イオンプレーティングおよび溶射などに代表されるPVD、CVD、のいずれかの方法により形成することもできる。スパッタ法としては、例えば、電極、更には上記集電体の形成に適した電子サイクロトロン共鳴スパッタ法、電解質層や周辺絶縁層の形成に適した高周波(RF)スパッタ法、マグネトロンスパッタ法、対向ターゲットスパッタ法、ミラートロンスパッタ法、イオンビームスパッタ法などが挙げられるが、これらに制限されるものではない。蒸着法としては、CVDとPVDが挙げられる。CVDとしては、熱CVD、プラズマCVD、光CVD、エピタキシャルCVD、アトミックレイヤーCVDなどが挙げられるが、これらに制限されるものではない。PVDとしては、スパッタ法、パルスレーザ蒸着法、真空蒸着法、イオンプレーティング法、分子線エピタキシー法、電子ビーム蒸着法、溶射法などが挙げられるが、これらに制限されるものではない。
The
こうした形成法に適した正極活物質としては、例えば、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウム、コバルトニッケル酸リチウム、ニッケルマンガン酸リチウム、コバルトニッケルマンガン酸リチウム、オリビンなどが好適に利用可能である。こうした形成法を用いた場合には、正極の厚さは、0.001〜10μm、好ましくは0.01〜1μmの範囲まで薄膜化を図ることができる。 As the positive electrode active material suitable for such a forming method, for example, lithium cobaltate, lithium nickelate, lithium manganate, lithium cobalt nickelate, lithium nickel manganate, lithium cobalt nickel manganate, olivine, and the like can be suitably used. is there. When such a forming method is used, the thickness of the positive electrode can be reduced to 0.001 to 10 μm, preferably 0.01 to 1 μm.
負極活物質の粒径は、双極型二次電池の電極抵抗を低減するために、双極型でない溶液(電解液)系のリチウムイオン二次電池で用いられる一般に用いられる粒径よりも小さいものを使用するとよい。具体的には、負極活物質微粒子の平均粒径が0.1〜10μm、好ましくは0.1〜5μmであるとよい。 In order to reduce the electrode resistance of the bipolar secondary battery, the negative electrode active material should have a particle size smaller than that generally used in solution (electrolyte) lithium ion secondary batteries that are not bipolar. It is good to use. Specifically, the average particle diameter of the negative electrode active material fine particles is 0.1 to 10 μm, preferably 0.1 to 5 μm.
負極15の厚さは、電池の使用目的(出力重視、エネルギー重視など)、イオン伝導性を考慮して適宜決定すればよく、通常1〜500μm程度である。
The thickness of the
負極は、通常のスラリーを塗布(コーティング)する方法のほか、スパッタ、蒸着、CVD、PVD、イオンプレーティングおよび溶射のいずれかの方法によっても形成することもできる。こうした形成法に適した負極活物質としては、チタン酸リチウムのほか、カーボン、リチウム金属、リチウムアルミ合金、リチウムスズ合金、リチウムケイ素合金などが好適に利用可能である。こうした形成法を用いた場合には、負極の厚さは、0.001〜10μm、好ましくは0.01〜1μmの範囲まで薄膜化を図ることができる。 The negative electrode can be formed by any method of sputtering, vapor deposition, CVD, PVD, ion plating, and thermal spraying in addition to a method of applying (coating) a normal slurry. As the negative electrode active material suitable for such a forming method, carbon, lithium metal, lithium aluminum alloy, lithium tin alloy, lithium silicon alloy and the like can be suitably used in addition to lithium titanate. When such a forming method is used, the thickness of the negative electrode can be reduced to 0.001 to 10 μm, preferably 0.01 to 1 μm.
電極は、電子伝導性を高めるための導電材(以下、導電助剤とも称する)、バインダ、電解質(ポリマーマトリックス、イオン伝導性高分子、電解液など)、イオン伝導性を高めるための電解質支持塩(リチウム塩)などが含まれ得る。 Electrodes include a conductive material (hereinafter also referred to as a conductive auxiliary agent) for increasing electron conductivity, a binder, an electrolyte (polymer matrix, ion conductive polymer, electrolyte, etc.), and an electrolyte supporting salt for increasing ion conductivity. (Lithium salt) and the like may be included.
上記導電材としては、アセチレンブラック、カーボンブラック、グラファイト、炭素繊維などが挙げられる。導電助剤を含ませることによって、電極で発生した電子の伝導性を高めて、電池性能を向上させることができる。 Examples of the conductive material include acetylene black, carbon black, graphite, and carbon fiber. By including a conductive additive, the conductivity of electrons generated at the electrode can be increased, and the battery performance can be improved.
上記バインダとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、スチレンブタジエンゴム、ポリイミドなどが挙げられる。ただし、これらに限られるわけではない。 Examples of the binder include polyvinylidene fluoride (PVdF), styrene butadiene rubber, and polyimide. However, it is not necessarily limited to these.
電解質としては、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリプロピレンオキシド(PPO)、それらの共重合体などのイオン伝導性高分子(固体高分子電解質)などが挙げられる。 Examples of the electrolyte include polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), and ion conductive polymers (solid polymer electrolytes) such as copolymers thereof.
イオン伝導性を高めるための電解質支持塩(リチウム塩)は、電池の種類に応じて選択すればよい。双極型二次電池が、双極型リチウムイオン二次電池である場合には、電解質支持塩(リチウム塩)としては、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiTaF6、LiAlCl4、Li2B10Cl10等の無機酸陰イオン塩、LiCF3SO3、Li(CF3SO2)2N、Li(C2F5SO2)2N等の有機酸陰イオン塩、またはこれらの混合物などが使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。
An electrolyte supporting salt (lithium salt) for increasing ion conductivity may be selected according to the type of battery. Bipolar secondary battery, when a bipolar lithium ion secondary battery, as the electrolyte support salt (lithium salt), LiPF 6, LiBF 4, LiClO 4,
活物質、導電材、バインダ、電解質(ポリマーマトリックス、イオン伝導性高分子、電解液など)、電解質支持塩(リチウム塩)などの電極の構成材料の配合量は、電池の使用目的(出力重視、エネルギー重視など)、イオン伝導性を考慮して決定することが好ましい。 The compounding amount of the electrode constituent materials such as active material, conductive material, binder, electrolyte (polymer matrix, ion conductive polymer, electrolyte, etc.), electrolyte support salt (lithium salt), etc. It is preferable to determine in consideration of ionic conductivity.
本発明では、後述する製造方法や実施例に示すように、活物質、導電材、バインダ等の電極の構成材料の粒子間に形成される空隙部分に、さらに固体電解質(ゲル電解質を含む)を含浸させてなるのが望ましい。 In the present invention, as shown in the manufacturing method and examples described later, a solid electrolyte (including a gel electrolyte) is further added to void portions formed between particles of electrode constituent materials such as an active material, a conductive material, and a binder. It is desirable to impregnate.
[電解質層]
電解質層は、液体、ゲル、固体のいずれの相であってもよい。電池が破損した際の安全性や液絡の防止を考慮すると、電解質層は、ゲルポリマー電解質層、全固体電解質層のような固体電解質を用いることが好ましい。電解質層として固体電解質(詳しくは、後述するが、高分子ゲル電解質、固体高分子型電解質、無機固体型電解質すべてを含めるものとする)を用いることにより漏液を防止することが可能となり、液絡を防ぎ信頼性の高い双極型二次電池を構成できるからである。また、固体電解質を用いる場合、初回充電で発生するガス(気泡)が、電極間に止まり抜けにくい構造を有しており、本発明の構成を適用することによる恩恵を最もよく享受することができ、双極型二次電池の信頼性を高めることができるためである。即ち、本発明の作用効果を顕著に発現することができる電池構成ともいえる。双極型二次電池の信頼性を高めることができる。
[Electrolyte layer]
The electrolyte layer may be a liquid, gel, or solid phase. In consideration of safety when the battery is damaged and prevention of liquid junction, the electrolyte layer is preferably a solid electrolyte such as a gel polymer electrolyte layer or an all-solid electrolyte layer. By using a solid electrolyte (which will be described later in detail, including a polymer gel electrolyte, a solid polymer electrolyte, and an inorganic solid electrolyte) as the electrolyte layer, it becomes possible to prevent liquid leakage. This is because it is possible to construct a bipolar secondary battery that prevents entanglement and has high reliability. In addition, when a solid electrolyte is used, the gas (bubbles) generated by the initial charge has a structure that does not easily stop between the electrodes, and the benefits of applying the configuration of the present invention can be most enjoyed. This is because the reliability of the bipolar secondary battery can be increased. That is, it can be said that the battery configuration can remarkably exhibit the effects of the present invention. The reliability of the bipolar secondary battery can be improved.
電解質層としてゲルポリマー電解質層(高分子ゲル電解質)を用いることで、電解質の流動性がなくなり、集電体への電解質の流出をおさえ、各層間のイオン伝導性を遮断することが可能になる。ゲル電解質のホストポリマーとしては、PEO、PPO、PVdF、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレンコポリマー(PVdF−HFP)、PAN、PMA、PMMAなどがあげられる。また、可塑剤としては通常リチウムイオン電池に用いられる電解液を用いることが可能である。 By using a gel polymer electrolyte layer (polymer gel electrolyte) as the electrolyte layer, the fluidity of the electrolyte is lost, the electrolyte is prevented from flowing out to the current collector, and the ionic conductivity between the layers can be blocked. . Examples of the gel electrolyte host polymer include PEO, PPO, PVdF, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVdF-HFP), PAN, PMA, and PMMA. Moreover, as a plasticizer, it is possible to use the electrolyte solution normally used for a lithium ion battery.
電解質層として全固体電解質層(固体高分子型電解質、無機固体型電解質)を用いた場合も、電解質の流動性がなくなるため、集電体への電解質の流出がなくなり、各層間のイオン伝導性を遮断することが可能になる。全固体電解質層を用いた場合、電解質層からの電解液の浸透のおそれがないため、集電体の空孔率が高くてもよい。特に全固体電解質層を用いてなる(さらに上記電極(正極及び負極)中の電解質成分にも全固体電解質を用いてなる)全固体電池であるのが望ましい。これは、本発明においては双極型二次電池に用いる電解質は、液体であってもよいし、ゲルや固体であってもよいが、特に固体である場合は、酸化反応が起こりにくく、より耐久性が向上するためである。 Even when an all-solid electrolyte layer (solid polymer electrolyte, inorganic solid electrolyte) is used as the electrolyte layer, the electrolyte does not flow and the electrolyte does not flow out to the current collector. Can be cut off. When the all solid electrolyte layer is used, the current collector may have a high porosity because there is no fear of permeation of the electrolyte solution from the electrolyte layer. In particular, it is desirable to be an all-solid battery using an all-solid electrolyte layer (further using an all-solid electrolyte as an electrolyte component in the electrodes (positive electrode and negative electrode)). In the present invention, the electrolyte used in the bipolar secondary battery may be a liquid, a gel or a solid. However, particularly when it is a solid, the oxidation reaction hardly occurs and the electrolyte is more durable. This is because the property is improved.
上記ゲルポリマー電解質(高分子ゲル電解質)は、PEO、PPOなどの全固体型高分子電解質に、通常リチウムイオン電池で用いられる電解液を含ませることにより作製される。PVdF、PAN、PMMAなど、リチウムイオン伝導性をもたない高分子の骨格中に、電解液を保持させたものもゲルポリマー電解質(高分子ゲル電解質)にあたる。ゲルポリマー電解質(高分子ゲル電解質)を構成するポリマーと電解液との比率は、特に限定されず、ポリマー100%を全固体高分子電解質、電解液100%を液体電解質とすると、その中間体はすべてゲルポリマー電解質(高分子ゲル電解質)の概念に含まれる。また、セラミックなどの無機固体などイオン伝導性を持つ無機固体型電解質も全固体型電解質にあたる。よって、上記高分子ゲル電解質、固体高分子型電解質、無機固体型電解質すべてを含めて固体電解質とする。 The gel polymer electrolyte (polymer gel electrolyte) is produced by including an electrolyte solution usually used in a lithium ion battery in an all solid polymer electrolyte such as PEO or PPO. PVdF, PAN, PMMA, and the like, in which the electrolyte solution is held in a polymer skeleton having no lithium ion conductivity, also corresponds to the gel polymer electrolyte (polymer gel electrolyte). The ratio of the polymer constituting the gel polymer electrolyte (polymer gel electrolyte) and the electrolytic solution is not particularly limited. When 100% of the polymer is an all solid polymer electrolyte and 100% of the electrolytic solution is a liquid electrolyte, the intermediate is All are included in the concept of gel polymer electrolyte (polymer gel electrolyte). An inorganic solid electrolyte having ion conductivity such as an inorganic solid such as ceramic corresponds to the all solid electrolyte. Therefore, the polymer gel electrolyte, the solid polymer electrolyte, and the inorganic solid electrolyte are all included in the solid electrolyte.
電解質層中には、イオン伝導性を確保するために支持塩が含まれることが好ましい。電池がリチウム二次電池である場合には、支持塩としては、LiBF4、LiPF6、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2、またはこれらの混合物などが使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。PEO、PPOのようなポリアルキレンオキシド系高分子は、前述の通り、LiBF4、LiPF6、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2などのリチウム塩をよく溶解しうる。また、架橋構造を形成することによって、優れた機械的強度が発現する。 The electrolyte layer preferably contains a supporting salt in order to ensure ionic conductivity. When the battery is a lithium secondary battery, LiBF 4 , LiPF 6 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 , or a mixture thereof is used as the supporting salt. it can. However, it is not necessarily limited to these. As described above, polyalkylene oxide polymers such as PEO and PPO often dissolve lithium salts such as LiBF 4 , LiPF 6 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , and LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2. Yes. Moreover, excellent mechanical strength is exhibited by forming a crosslinked structure.
電解質層としては、具体的には、従来公知の材料として、(a)高分子ゲル電解質(ゲルポリマー電解質)、(b)全固体高分子電解質(高分子固体電解質、無機固体型電解質)、(c)液体電解質(電解液)または(d)これら電解質を含浸させたセパレータ(不織布セパレータを含む)を用いることができる。好ましくは、出力特性、容量、反応性、サイクル耐久性に優れ、低コストな材料である、ゲル電解質材料を好適に使用できる。 Specifically, as the electrolyte layer, conventionally known materials include (a) polymer gel electrolyte (gel polymer electrolyte), (b) all solid polymer electrolyte (polymer solid electrolyte, inorganic solid electrolyte), ( c) Liquid electrolytes (electrolytic solutions) or (d) separators impregnated with these electrolytes (including nonwoven fabric separators) can be used. Preferably, a gel electrolyte material that is excellent in output characteristics, capacity, reactivity, and cycle durability and is a low-cost material can be suitably used.
(a)ゲルポリマー電解質(高分子ゲル電解質)
ゲルポリマー電解質(高分子ゲル電解質)とは、ポリマーマトリックス中に電解液を保持させたものをいう。電解質としてゲルポリマー電解質を用いることで電解質の流動性がなくなり、導電性高分子膜などの集電体層への電解質の流出をおさえ、各層間のイオン伝導性を遮断することが容易になる点で優れている。
(A) Gel polymer electrolyte (polymer gel electrolyte)
The gel polymer electrolyte (polymer gel electrolyte) refers to an electrolyte solution held in a polymer matrix. By using a gel polymer electrolyte as the electrolyte, the fluidity of the electrolyte is lost, and it is easy to cut off the ionic conductivity between each layer by suppressing the outflow of the electrolyte to the current collector layer such as a conductive polymer film. Is excellent.
高分子ゲル電解質として用いるポリマーマトリックス(高分子)ないしゲル電解質のホストポリマーとしては、たとえば、ポリエチレンオキシドを主鎖または側鎖に持つポリマー(PEO)、ポリプロピレンオキシドを主鎖または側鎖に持つポリマー(PPO)、ポリエチレングリコール(PEG)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメタクリル酸エステル、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンの共重合体(PVdF−HFP)、ポリ(メチルメタクリレート)(PMMA)およびそれらの共重合体が望ましく、中でもPEO、PPOおよびそれらの共重合体、あるいは、PVdF−HFPを用いることが望ましい。また、可塑剤としては通常リチウムイオン電池に用いられる電解液を用いることが可能である。かかる電解液とは、電解質塩を溶媒に溶かしたものであり、電解質としては、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiTaF6、LiAlCl4、Li2B10Cl10等の無機酸陰イオン塩、LiCF3SO3、Li(CF3SO2)2N、Li(C2F5SO2)2N等の有機酸陰イオン塩の中から選ばれる、少なくとも1種が、溶媒としては、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、γ−ブチロラクトン(GBL)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)およびそれらの混合物が望ましい。
Examples of the polymer matrix (polymer) used as the polymer gel electrolyte or the host polymer of the gel electrolyte include polymers having polyethylene oxide in the main chain or side chain (PEO), polymers having polypropylene oxide in the main chain or side chain ( PPO), polyethylene glycol (PEG), polyacrylonitrile (PAN), polymethacrylic acid ester, polyvinylidene fluoride (PVdF), a copolymer of polyvinylidene fluoride and hexafluoropropylene (PVdF-HFP), poly (methyl methacrylate) ( PMMA) and copolymers thereof are desirable, and among them, PEO, PPO and copolymers thereof, or PVdF-HFP is desirably used. Moreover, as a plasticizer, it is possible to use the electrolyte solution normally used for a lithium ion battery. And such electrolyte, which electrolyte salt dissolved in a solvent, as the electrolyte, LiPF 6, LiBF 4, LiClO 4,
本発明におけるゲル電解質中の電解液の割合としては、特に制限されるべきものではないが、イオン伝導度などの観点から、数質量%〜98質量%程度とするのが望ましい。本発明では、電解液の割合が70質量%以上の、電解液が多いゲル電解質について、特に効果がある。 The ratio of the electrolytic solution in the gel electrolyte in the present invention is not particularly limited, but is preferably about several mass% to 98 mass% from the viewpoint of ionic conductivity. The present invention is particularly effective for a gel electrolyte having a large amount of electrolytic solution in which the proportion of the electrolytic solution is 70% by mass or more.
(b)全固体型電解質(全固体高分子電解質、高分子固体電解質、無機固体型電解質)
電解質として全固体型電解質を用いることで電解質の流動性がなくなり、集電体層への電解質の流出がなくなり各層間のイオン伝導性を遮断することが可能になる点で優れている。
(B) All solid electrolyte (all solid polymer electrolyte, polymer solid electrolyte, inorganic solid electrolyte)
The use of an all solid electrolyte as the electrolyte is superior in that the fluidity of the electrolyte is lost, the electrolyte does not flow out to the current collector layer, and the ion conductivity between the layers can be blocked.
全固体高分子電解質としては、例えば、PEO、PPO、これらの共重合体などの公知の固体高分子電解質、セラミックなどのイオン伝導性を持つ無機固体型電解質が挙げられる。固体高分子電解質中には、イオン伝導性を確保するためにリチウム塩が含まれる。リチウム塩としては、LiBF4、LiPF6、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2、またはこれらの混合物などが使用できる。 Examples of the all solid polymer electrolyte include known solid polymer electrolytes such as PEO, PPO, and copolymers thereof, and inorganic solid electrolytes having ion conductivity such as ceramics. The solid polymer electrolyte contains a lithium salt in order to ensure ionic conductivity. As the lithium salt, LiBF 4 , LiPF 6 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 , or a mixture thereof can be used.
(c)液体電解質(電解液)
電解液とは、電解質塩を溶媒に溶かしたものが挙げられる。ここで、電解質としては、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiTaF6、LiAlCl4、Li2B10Cl10等の無機酸陰イオン塩、LiCF3SO3、Li(CF3SO2)2N、Li(C2F5SO2)2N等の有機酸陰イオン塩の中から選ばれる、少なくとも1種が、溶媒としては、EC、PC、GBL、DMC、DECおよびそれらの混合物が望ましい。
(C) Liquid electrolyte (electrolyte)
Examples of the electrolytic solution include those obtained by dissolving an electrolyte salt in a solvent. Here, as the electrolyte, LiPF 6, LiBF 4, LiClO 4,
電解質のなかでは、ゲル電解質を含浸させたセパレータが好ましい。容量、出力特性に優れた電池を構成できるからである。 Among electrolytes, a separator impregnated with a gel electrolyte is preferable. This is because a battery having excellent capacity and output characteristics can be configured.
(d)上記電解質を含浸させたセパレータ(不織布セパレータを含む)
セパレータに含浸させることのできる電解質としては、既に説明した(a)〜(c)と同様のものを用いることができる。
(D) Separator impregnated with the electrolyte (including non-woven separator)
As the electrolyte that can be impregnated in the separator, the same electrolytes as those already described (a) to (c) can be used.
上記セパレータとしては、例えば、上記電解質を吸収保持するポリマーからなる多孔性シートおよび不織布を挙げることができる。 Examples of the separator include a porous sheet and a nonwoven fabric made of a polymer that absorbs and holds the electrolyte.
多孔性シートとしては、例えば、微多孔質セパレータを用いることができる。該ポリマーとしては、例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)などのポリオレフィン;PP/PE/PPの3層構造をした積層体、ポリイミド、アラミドが挙げられる。上記セパレータの厚みとして、使用用途により異なることから一義的に規定することはできないが、電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)、燃料電池自動車(FCV)などのモータ駆動用二次電池などの用途においては、単層あるいは多層で4〜60μmであることが望ましい。上記セパレータの微細孔径は、最大で1μm以下(通常、数十nm程度の孔径である)、その空孔率は20〜80%であることが望ましい。 As the porous sheet, for example, a microporous separator can be used. Examples of the polymer include polyolefins such as polyethylene (PE) and polypropylene (PP); laminates having a three-layer structure of PP / PE / PP, polyimide, and aramid. The thickness of the separator cannot be unambiguously defined because it varies depending on the intended use, but a secondary battery for driving a motor such as an electric vehicle (EV), a hybrid electric vehicle (HEV), a fuel cell vehicle (FCV), etc. In the above application, it is desirable that the thickness is 4 to 60 μm in a single layer or multiple layers. The separator preferably has a fine pore size of 1 μm or less (usually a pore size of about several tens of nm) and a porosity of 20 to 80%.
不織布としては、綿、レーヨン、アセテート、ナイロン、ポリエステル;PP、PEなどのポリオレフィン;ポリイミド、アラミドなど従来公知のものを、単独または混合して用いる。また、不織布のかさ密度は、含浸させた高分子ゲル電解質により十分な電池特性が得られるものであればよく、特に制限されるべきものではない。不織布セパレータの空孔率は50〜90%であることが好ましい。さらに、不織布セパレータの厚さは、電解質層と同じであればよく、好ましくは5〜200μmであり、特に好ましくは10〜100μmである。厚さが5μm未満では電解質の保持性が悪化し、200μmを超える場合には抵抗が増大することになる。 As the nonwoven fabric, cotton, rayon, acetate, nylon, polyester; polyolefins such as PP and PE; conventionally known materials such as polyimide and aramid are used alone or in combination. The bulk density of the nonwoven fabric is not particularly limited as long as sufficient battery characteristics can be obtained by the impregnated polymer gel electrolyte. The porosity of the nonwoven fabric separator is preferably 50 to 90%. Furthermore, the thickness of the nonwoven fabric separator may be the same as that of the electrolyte layer, preferably 5 to 200 μm, particularly preferably 10 to 100 μm. When the thickness is less than 5 μm, the electrolyte retention deteriorates, and when it exceeds 200 μm, the resistance increases.
さらに、本発明では、スパッタ、蒸着、CVD、PVD、イオンプレーティングおよび溶射のいずれかの方法により電解質層を形成することもできる。こうした形成法に適した電解質層としては、リン酸リチウムオキシナイトライドガラス、リン酸リチウム、チオリシコン化合物、Li3PO4−Li2S−SiS2ガラス、Li2S−P2S5ガラスなどが好適に利用可能である。 Furthermore, in the present invention, the electrolyte layer can be formed by any one of sputtering, vapor deposition, CVD, PVD, ion plating, and thermal spraying. Examples of the electrolyte layer suitable for such a forming method include lithium phosphate oxynitride glass, lithium phosphate, thiolicicon compound, Li 3 PO 4 —Li 2 S—SiS 2 glass, Li 2 S—P 2 S 5 glass, and the like. It can be suitably used.
[シール部]
シール部(シーラントないし周辺絶縁層とも称されている)31は、電解質層17の漏れを防止するために単電池層19の周辺部に配置されている。この他にも電池内で隣り合う集電体同士が接触したり、積層電極の端部の僅かな不ぞろいなどによる短絡が起こったりするのを防止することもできる。該シール部31としては、例えば、PE、PPなどのポリオレフィン樹脂、エポキシ樹脂、ゴム、ポリイミドなどが使用でき、耐蝕性、耐薬品性、製膜性、経済性などの観点からは、ポリオレフィン樹脂が好ましい。ただし、これらに何ら制限されるものではない。
[Seal part]
A seal portion (also referred to as a sealant or a peripheral insulating layer) 31 is disposed in the peripheral portion of the
シール部31も、スパッタ、蒸着、CVD、PVD、イオンプレーティングおよび溶射のいずれかの方法により形成することもできる。こうした形成法に適したシール部31としては、アルミナ、シリカ、マグネシア、イットリアなどが好適に利用可能である。
The
[正極および負極タブ]
双極型二次電池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)が外装材であるラミネートシート29の外部に取り出されている。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、外装材29の外部に取り出される。
[Positive electrode and negative electrode tab]
In the bipolar
タブ(正極タブ25および負極タブ27)を構成する材料は、特に制限されず、双極型二次電池用のタブとして従来用いられている公知の高導電性材料が用いられうる。タブの構成材料としては、例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金等の金属材料が好ましく、より好ましくは軽量、耐食性、高導電性の観点からアルミニウム、銅などが好ましい、特に好ましくはアルミニウムである。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。また、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 constituting the tabs (the
さらに、電流取り出し用の高導電性タブ25、27により、少なくても正極および負極末端極の電極投影面、詳しくは正極および負極末端極の電極投影面の集電体である最外層集電体11a、11bすべてを覆って構成されるのが望ましい(図1参照等のこと)。このような構成とすることで双極型二次電池の電流を面で受けることが可能になるためである。その結果、電池の出力が向上する点で優れている。より好ましくは、電流取り出し用の高導電性タブ25、27により少なくても正極および負極末端極の電極投影面すべてを覆い、さらに外装ケースにより覆って構成されるのが望ましい。最外装の電流取り出し部を低抵抗化することで面方向の電流取り出しにおいて低抵抗化が可能になる。さらに、かかる電流取り出し部の低抵抗化により電池の高出力化が可能になるためである。
Furthermore, the outermost current collector which is the current collector of the electrode projection surfaces of at least the positive electrode and the negative electrode end electrode, more specifically, the electrode projection surfaces of the positive electrode and the negative electrode end electrode, by the highly
[正極および負極端子板]
正極および負極端子板は、必要に応じて使用する。例えば、最外部の集電体11a、11bから正極タブ25及び負極タブ27を直接取り出す場合には、正極および負極端子板は用いなくてもよい。
[Positive electrode and negative electrode terminal plate]
The positive electrode and the negative electrode terminal plate are used as necessary. For example, when the
正極および負極端子板の材料は、従来公知のリチウムイオン電池で用いられる材料を用いることができる。例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼、これらの合金を利用することができる。耐蝕性、作り易さ、経済性などの観点からは、アルミニウムを用いることが好ましい。さらに、端子部での内部抵抗を抑える観点から、正極および負極端子板の厚さは、通常、0.1〜2mm程度が望ましい。 As a material for the positive electrode and the negative electrode terminal plate, a material used in a conventionally known lithium ion battery can be used. For example, aluminum, copper, titanium, nickel, stainless steel, and alloys thereof can be used. Aluminum is preferably used from the viewpoints of corrosion resistance, ease of production, economy, and the like. Furthermore, from the viewpoint of suppressing internal resistance at the terminal portion, the thickness of the positive electrode and the negative electrode terminal plate is usually preferably about 0.1 to 2 mm.
[正極および負極リード]
正極および負極リードに関しても、必要に応じて使用する。例えば、最外部の集電体11a、11bから出力電極端子(正極タブ25及び負極タブ27)を直接取り出す場合(図7参照のこと)には、正極および負極リードは用いなくてもよい。
[Positive electrode and negative electrode lead]
The positive electrode and the negative electrode lead are also used as necessary. For example, when the output electrode terminals (the
正極および負極リードの材料は、公知のリチウムイオン電池で用いられるリードを用いることができる。なお、電池外装材から取り出された部分は、周辺機器や配線などに接触して漏電したりして製品(例えば、自動車部品、特に電子機器等)に影響を与えないように、耐熱絶縁性の熱収縮チューブなどにより被覆するのが好ましい。 As a material for the positive electrode and the negative electrode lead, a lead used in a known lithium ion battery can be used. In addition, the parts removed from the battery exterior material should be heat-insulating so that they do not affect products (for example, automobile parts, especially electronic devices) by touching peripheral devices or wiring and causing leakage. It is preferable to coat with a heat shrinkable tube or the like.
[電池外装材]
電池外装材29としては、従来公知の金属缶ケースを用いることができほか、アルミニウムを含むラミネートフィルムを用いた電池要素(電池構造体)21を覆うことができる袋状のケースを用いることができる。該ラミネートフィルムには、例えば、PP、アルミニウム、ナイロンをこの順に積層してなる3層構造のラミネートフィルム等を用いることができるが、これらに何ら制限されるものではない。
[Battery exterior materials]
As the
[双極型二次電池の外観構成]
図2は、本発明に係る双極型二次電池の代表的な実施形態である積層型の扁平な双極型二次電池の外観を表した斜視図である。
[Appearance structure of bipolar secondary battery]
FIG. 2 is a perspective view showing the appearance of a laminated flat bipolar secondary battery which is a typical embodiment of the bipolar secondary battery according to the present invention.
図2に示すように、積層型の扁平な双極型二次電池10では、長方形状の扁平な形状を有しており、その両側部からは電力を取り出すための正極タブ25、負極タブ27が引き出されている。電池要素(電池構造体)21は、双極型二次電池10の電池外装材29によって包まれ、その周囲は熱融着されており、電池要素(電池構造体)(図示せず)は正極タブ25及び負極タブ27を引き出した状態で密封されている。ここで、電池要素(電池構造体)21は、先に説明した図1に示す双極型二次電池の電池要素(電池構造体)21に相当するものであり、集電体11、正極(正極活物質層)13、電解質層17および負極(負極活物質層)15で構成れるまでの単電池層(単セル)19が複数積層されたものである。
As shown in FIG. 2, the laminated flat bipolar
なお、本発明の双極型二次電池10は、図1、2に示すような積層型の扁平な形状のものに制限されるものではなく、巻回型の双極型二次電池では、円筒型形状のものであってもよいし、こうした円筒型形状のものを変形させて、長方形状の扁平な形状にしたようなものであってもよいなど、特に制限されるものではない。上記円筒型の形状のものでは、その外装材に、ラミネートフィルムを用いてもよいし、従来の円筒缶(金属缶)を用いてもよいなど、特に制限されるものではない。こうした巻回型の双極型二次電池の場合には、ガスだまり部を形成した電池要素(電池構造体)を巻回する前に、後述する製造方法における工程(I)〜(III)を行えばよい。即ち、ガスだまり部を形成した電池要素(電池構造体)を巻回する前に、初回充電、更にはその後の充放電を行った後、ガスだまり部にガスを排出させ、その後に、ガスだまり部を形成した電池要素(電池構造体)を巻回し、外装材のラミネートフィルムや従来の円筒缶(金属缶)に収納し、密封するようにすればよい。
The bipolar
また、図2に示すタブ25、27の取り出しに関しても、特に制限されるものではなく、正極タブ25と負極タブ27とを同じ辺から引き出すようにしてもよいし、正極タブ25と負極タブ27をそれぞれ複数に分けて、各辺から取り出しようにしてもよいなど、図7に示すものに制限されるものではない。また、巻回型の双極型二次電池では、タブに変えて、例えば、円筒缶(金属缶)を利用して端子を形成すればよい。
Further, the removal of the
本発明の双極型二次電池は、電気自動車やハイブリッド電気自動車や燃料電池車やハイブリッド燃料電池自動車などの大容量電源として、高体積エネルギー密度、高体積出力密度が求められる車両駆動用電源や補助電源に好適に利用することができる。 The bipolar secondary battery according to the present invention is a power source for driving a vehicle or an auxiliary power source that requires high volume energy density and high volume output density as a large capacity power source for an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, a fuel cell vehicle, a hybrid fuel cell vehicle and the like. It can utilize suitably for a power supply.
[組電池]
本発明の組電池は、本発明の双極型二次電池を複数個接続して構成した物である。詳しくは少なくとも2つ以上用いて、直列化あるいは並列化あるいはその両方で構成されるものである。直列、並列化することで容量および電圧を自由に調節することが可能になる。なお、本発明の組電池では、本発明の双極型二次電池のほか、他の二次電池(例えば、双極型でない通常のリチウムイオン二次電池など)を用いて、これらを直列に、並列に、または直列と並列とに、複数個組み合わせて、組電池を構成することもできる。
[Battery]
The assembled battery of the present invention is constituted by connecting a plurality of bipolar secondary batteries of the present invention. Specifically, at least two or more are used, and are configured by serialization, parallelization, or both. Capacitance and voltage can be freely adjusted by paralleling in series. In the assembled battery of the present invention, in addition to the bipolar secondary battery of the present invention, other secondary batteries (for example, a normal lithium ion secondary battery that is not bipolar) are used in series and in parallel. Alternatively, an assembled battery can be configured by combining a plurality of them in series or in parallel.
本発明の組電池における双極型二次電池の数および接続の仕方は、電池に求める出力および容量に応じて決定されるとよい。本発明の組電池を構成した場合、双極型二次電池単独(素電池)と比較して、電池としての安定性が増す。また、本発明の組電池を構成することにより、本発明の組電池のなかの1つの単電池層(単セル)の劣化による組電池全体への影響を低減することもできる。 The number of bipolar secondary batteries and the manner of connection in the assembled battery of the present invention may be determined according to the output and capacity required of the battery. When the assembled battery of this invention is comprised, the stability as a battery increases compared with a bipolar secondary battery single (unit cell). Further, by configuring the assembled battery of the present invention, it is possible to reduce the influence on the entire assembled battery due to deterioration of one single battery layer (single cell) in the assembled battery of the present invention.
また、図3は、本発明に係る組電池の代表的な実施形態の外観図であって、図3Aは組電池の平面図であり、図3Bは組電池の正面図であり、図3Cは組電池の側面図である。 3 is an external view of a typical embodiment of the assembled battery according to the present invention, FIG. 3A is a plan view of the assembled battery, FIG. 3B is a front view of the assembled battery, and FIG. It is a side view of an assembled battery.
図3に示すように、本発明に係る組電池300は、本発明の双極型二次電池が複数、直列に又は並列に接続して装脱着可能な小型の組電池250を形成し、この装脱着可能な小型の組電池250をさらに複数、直列に又は並列に接続して、高体積エネルギー密度、高体積出力密度が求められる車両駆動用電源や補助電源に適した大容量、大出力を持つ組電池300を形成することもできる。図3Aは、組電池300の平面図、図3Aは正面図、図3Cは側面図を示しているが、作成した装脱着可能な小型の組電池250は、バスバーのような電気的な接続手段を用いて相互に接続し、この組電池250は接続治具310を用いて複数段積層される。何個の双極型二次電池を接続して組電池250を作成するか、また、何段の組電池250を積層して組電池300を作成するかは、搭載される車両(電気自動車)の電池容量や出力に応じて決めればよい。
As shown in FIG. 3, an assembled
[車両]
本発明の双極型二次電池またはこれらを複数個組み合わせてなる組電池は、好ましくは、車両の駆動用電源として用いられうる。本発明の双極型二次電池または組電池を、例えば、自動車ならばハイブリット車、燃料電池車、電気自動車(いずれも四輪車(乗用車、トラック、バスなどの商用車、軽自動車など)のほか、二輪車(バイク)や三輪車を含む)に用いることにより高寿命で信頼性の高い自動車となるからである。ただし、用途が自動車に限定されるわけではなく、例えば、他の車両であれば、電車などの移動体の各種電源であっても適用は可能であるし、無停電電源装置などの載置用電源として利用することも可能である。
[vehicle]
The bipolar secondary battery of the present invention or an assembled battery formed by combining a plurality of these can be preferably used as a power source for driving a vehicle. The bipolar secondary battery or the assembled battery of the present invention is, for example, a hybrid vehicle, a fuel cell vehicle, an electric vehicle (all are automobiles, commercial vehicles such as passenger cars, trucks, buses, light vehicles, etc.) This is because it can be used for motorcycles (including motorcycles) and tricycles) to provide a long-life and highly reliable automobile. However, the application is not limited to automobiles. For example, if it is another vehicle, it can be applied to various power sources for moving bodies such as trains, and it can be used for mounting uninterruptible power supplies and the like. It can also be used as a power source.
以上の双極型二次電池またはこれらを複数個組み合わせてなる組電池を車両、例えば、自動車ならばハイブリット車、燃料電池車、電気自動車(いずれも四輪車(乗用車、トラック、バスなどの商用車、軽自動車など)のほか、二輪車(バイク)や三輪車を含む)に用いることにより高寿命で信頼性の高い自動車となるからである。他の車両、例えば、電車であっても適用は可能である。 The above bipolar secondary battery or an assembled battery formed by combining a plurality of these batteries is a vehicle, for example, a hybrid vehicle, a fuel cell vehicle, an electric vehicle (for automobiles, commercial vehicles such as automobiles, trucks, buses, etc.). In addition to light vehicles, etc., motorcycles (including motorcycles) and tricycles) can be used to provide a long-life and highly reliable vehicle. The present invention can be applied to other vehicles such as trains.
図4は、本発明の組電池を搭載した車両の概念図である。 FIG. 4 is a conceptual diagram of a vehicle equipped with the assembled battery of the present invention.
図4に示したように、組電池300を電気自動車400のような車両に搭載するには、電気自動車400の車体中央部の座席下に搭載する。座席下に搭載すれば、車内空間およびトランクルームを広く取ることができるからである。なお、組電池300を搭載する場所は、座席下に限らず、後部トランクルームの下部でもよいし、車両前方のエンジンルームでも良い。以上のような組電池300を用いた電気自動車400は高い耐久性を有し、長期間使用しても十分な出力を提供しうる。さらに、燃費、走行性能に優れた電気自動車、ハイブリッド自動車を提供できる。本発明の組電池を搭載した車両としては、図4に示すような電気自動車のほか、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車などに幅広く適用できるものである。
As shown in FIG. 4, in order to mount the assembled
[双極型二次電池の製造方法]
次に、本発明の双極型二次電池の製造方法としては、特に制限されるものではなく、従来公知の方法を適用して作製することができる。
[Production method of bipolar secondary battery]
Next, the method for manufacturing the bipolar secondary battery of the present invention is not particularly limited, and can be manufactured by applying a conventionally known method.
(I)双極型二次電池の作製工程
双極型二次電池の作製工程としては、特に制限されるものではなく、従来公知の製造方法を利用して作製することができる。
(I) Production Process of Bipolar Secondary Battery The production process of the bipolar secondary battery is not particularly limited, and can be produced using a conventionally known production method.
この際、シール部31を形成する際に、所定のガスだまり部35ができるように各単電池層19の1辺に、好ましくは1辺のみに、シール部31と電極−電解質対向部33との間に初回充電で発生するガス量に見合うだけ(好ましくは、所定のマージンを持たせておくのがよい)ガスだまり部35ができるように、電極−電解質対向部33から所定の間隔を空けてシール部31を形成すればよい。
At this time, when the
ここで、初回充電で発生するガス量は、予め予備実験などを行って、単電池層から発生するガス量を測定して置けばよい。 Here, the amount of gas generated by the initial charge may be set by measuring the amount of gas generated from the unit cell layer by conducting a preliminary experiment or the like in advance.
また、本発明では、従来と同様に、水分や空気等がシール部内の単電池層19やガスだまり部35に残留を防止する観点から、不活性ガス雰囲気下で行うことが望ましいが、より好ましくは、減圧(真空)下で行うのが望ましい。これは、後述するガス排出工程(III)を実施するまでに、ガスだまり部35内部を減圧(真空)状態にしておくことで、ガス排出工程を実施した際に、簡単に発生ガスをガスだまり35に排出して、ためることができるためである。また、ガス排出工程を実施して所望の双極型二次電電池を完成した状態で、ガスだまり部35の内圧上昇がなく、シール部31を耐圧構造とする必要がなく、シール部31に用いる材料が制限されず、またその使用量も少なくてよいなどの点で優れている。
Further, in the present invention, as in the prior art, it is desirable to perform in an inert gas atmosphere from the viewpoint of preventing moisture, air, and the like from remaining in the
以上が、本工程における本発明に特有の製造要件といえるものである。上記以外の製造要件に関しては、特に制限されるものではないため、以下に簡単に説明するが、本発明の製造方法がこれらに何ら制限されるものでないことはいうまでもない。 The above is the manufacturing requirement peculiar to the present invention in this step. Manufacturing requirements other than those described above are not particularly limited and will be briefly described below, but it goes without saying that the manufacturing method of the present invention is not limited to these.
(i)正極用組成物の塗布
まず、適当な集電体を準備する。正極用組成物は、通常はスラリー(正極用スラリー)として得られ、集電体の一方の面に塗布される。塗布方法には、バーコーティング、スプレーコーティングのほか、スクリーン印刷、インクジェット方式で印刷する塗布方法なども含まれる。さらに、上記したように真空プロセスを用いて形成することができる。具体的には蒸着、イオンプレーティングおよび溶射などに代表されるPVD(Physical Vapor Deposition;物理気相成長法ないし物理的蒸着法)、CVD(Chemical Vapor Deposition;化学気相成長法ないし化学的蒸着法)、のいずれかの方法により形成することもできる。これら真空プロセスを用いて形成する方法に関しては、既に説明した通りであるので、ここでの説明は省略する。以下の、電極、電解質層、シール部などに関しても、これら真空プロセスを用いて形成する方法が適用できるが、既に説明した通りであるの、以下の電極、電解質層、シール部での説明も省略する。
(I) Application of positive electrode composition First, an appropriate current collector is prepared. The positive electrode composition is usually obtained as a slurry (positive electrode slurry) and applied to one surface of the current collector. Examples of the application method include bar coating and spray coating, as well as an application method in which printing is performed by screen printing or an inkjet method. Furthermore, it can be formed using a vacuum process as described above. Specifically, PVD (Physical Vapor Deposition; physical vapor deposition or physical vapor deposition), CVD (Chemical Vapor Deposition) or chemical vapor deposition represented by vapor deposition, ion plating, thermal spraying, etc. ). Since the method of forming using these vacuum processes is as already described, the description thereof is omitted here. For the following electrodes, electrolyte layers, seal portions, etc., the method of forming using these vacuum processes can be applied. However, as already explained, the explanation for the following electrodes, electrolyte layers, seal portions is also omitted. To do.
正極用スラリーは、正極活物質を含む溶液である。他成分として、導電助剤、バインダ、重合開始剤、高分子ゲル電解質の原料(高分子原料、電解液など)、リチウム塩などが任意で含まれる。高分子電解質層に高分子ゲル電解質を用いることから、正極活物質微粒子同士を結びつける従来公知のバインダ、電子伝導性を高めるための導電助剤、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)などのスラリー粘度調整溶媒などが含まれていればよく、高分子ゲル電解質の原料やリチウム塩などは含まれていなくても良い。 The positive electrode slurry is a solution containing a positive electrode active material. As other components, a conductive aid, a binder, a polymerization initiator, a polymer gel electrolyte raw material (polymer raw material, electrolytic solution, etc.), a lithium salt, and the like are optionally included. Since a polymer gel electrolyte is used for the polymer electrolyte layer, a conventionally known binder that binds the positive electrode active material fine particles to each other, a conductive auxiliary agent for enhancing electronic conductivity, a slurry such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) It is sufficient that a viscosity adjusting solvent or the like is included, and the polymer gel electrolyte raw material or lithium salt may not be included.
高分子ゲル電解質の高分子原料は、PEO、PPO、これらの共重合体などが挙げられ、分子内に架橋性の官能基(炭素−炭素二重結合など)を有することが好ましい。この架橋性の官能基を用いて高分子原料を架橋することによって、機械的強度が向上する。 Examples of the polymer raw material for the polymer gel electrolyte include PEO, PPO, and copolymers thereof, and preferably have a crosslinkable functional group (such as a carbon-carbon double bond) in the molecule. By cross-linking the polymer raw material using this cross-linkable functional group, the mechanical strength is improved.
正極活物質、導電助剤、バインダ、リチウム塩、電解液に関しては、前述した化合物を用いることができる。 With respect to the positive electrode active material, the conductive additive, the binder, the lithium salt, and the electrolytic solution, the aforementioned compounds can be used.
重合開始剤は、重合させる化合物に応じて選択する必要がある。例えば、光重合開始剤としてベンジルジメチルケタール、熱重合開始剤としてアゾビスイソブチロニトリルが挙げられる。 The polymerization initiator needs to be selected according to the compound to be polymerized. For example, benzyl dimethyl ketal is used as the photopolymerization initiator, and azobisisobutyronitrile is used as the thermal polymerization initiator.
NMPなどの溶媒は、正極用スラリーの種類に応じて選択する。 A solvent such as NMP is selected according to the type of the positive electrode slurry.
正極活物質、リチウム塩、導電助剤等の添加量は、双極型二次電池の目的等に応じて調節すればよく、通常用いられる量を添加すればよい。重合開始剤の添加量は、高分子原料に含まれる架橋性官能基の数に応じて決定される。通常は高分子原料に対して0.01〜1質量%程度である。 The addition amount of the positive electrode active material, the lithium salt, the conductive auxiliary agent, etc. may be adjusted according to the purpose of the bipolar secondary battery, etc., and the amount usually used may be added. The addition amount of the polymerization initiator is determined according to the number of crosslinkable functional groups contained in the polymer raw material. Usually, it is about 0.01-1 mass% with respect to a polymeric raw material.
(ii)正極の形成
正極用スラリーが塗布された集電体を乾燥して、含まれる溶媒を除去し、正極を形成する。それと同時に、正極用スラリーによっては、架橋反応を進行させて、高分子固体電解質の機械的強度を高めてもよい。乾燥は真空乾燥機などを用いることができる。乾燥の条件は塗布された正極用スラリーに応じて決定され、一義的に規定できないが、通常は40〜150℃で5分〜20時間である。
(Ii) Formation of positive electrode The current collector coated with the positive electrode slurry is dried to remove the solvent contained therein to form the positive electrode. At the same time, depending on the positive electrode slurry, the cross-linking reaction may be advanced to increase the mechanical strength of the polymer solid electrolyte. For drying, a vacuum dryer or the like can be used. The drying conditions are determined according to the applied positive electrode slurry and cannot be uniquely defined, but are usually 40 to 150 ° C. and 5 minutes to 20 hours.
作製した正極は、表面の平滑性および厚さの均一性を向上させるためにプレス操作を行うのがよい。プレス操作は冷間でプレスロールする方法または熱間でプレスロールする方法のいずれの方法でも良い。熱間でプレスロールする方法の場合は、電解質支持塩や重合性ポリマーが分解する温度以下で行うのが望ましい。プレス圧力は線圧で200〜1000kg/cmで行うことが望ましい。 The produced positive electrode is preferably subjected to a pressing operation in order to improve surface smoothness and thickness uniformity. The press operation may be either a cold press roll method or a hot press roll method. In the case of a hot-rolling method, it is desirable to carry out at a temperature below the temperature at which the electrolyte supporting salt and the polymerizable polymer are decomposed. The pressing pressure is desirably a linear pressure of 200 to 1000 kg / cm.
(iii)負極用組成物の塗布
正極が形成された面と反対側の集電体の表面に、負極活物質を含む負極用組成物(負極用スラリー)を塗布する。
(Iii) Application of negative electrode composition A negative electrode composition (negative electrode slurry) containing a negative electrode active material is applied to the surface of the current collector opposite to the surface on which the positive electrode is formed.
負極用スラリーは、負極活物質を含む溶液である。他成分として、導電助剤、バインダ、重合開始剤、高分子ゲル電解質の原料(高分子原料、電解液など)およびリチウム塩などが任意で含まれる。使用される原料や添加量については、「(i)正極用組成物の塗布」の項での説明と同様であるため、ここでは説明を省略する。 The negative electrode slurry is a solution containing a negative electrode active material. As other components, a conductive assistant, a binder, a polymerization initiator, a polymer gel electrolyte raw material (polymer raw material, electrolytic solution, etc.), a lithium salt, and the like are optionally included. Since the raw materials used and the addition amount are the same as those described in the section “(i) Application of positive electrode composition”, description thereof is omitted here.
(iv)負極の形成
負極用スラリーが塗布された集電体を乾燥して、含まれる溶媒を除去し、負極を形成する。それと同時に、負極用スラリーによっては、架橋反応を進行させて、高分子ゲル電解質の機械的強度を高めてもよい。この作業により、バイポーラ電極が完成する。乾燥は真空乾燥機などを用いることができる。乾燥の条件は塗布された負極用スラリーに応じて決定され、一義的に規定できないが、通常は40〜150℃で5分〜20時間である。
(Iv) Formation of negative electrode The current collector coated with the negative electrode slurry is dried to remove the solvent contained therein, thereby forming the negative electrode. At the same time, depending on the slurry for the negative electrode, the crosslinking reaction may be advanced to increase the mechanical strength of the polymer gel electrolyte. This work completes the bipolar electrode. For drying, a vacuum dryer or the like can be used. The drying conditions are determined according to the applied slurry for negative electrode and cannot be uniquely defined, but are usually 40 to 150 ° C. and 5 minutes to 20 hours.
また、上記「(ii)正極の形成」の項で説明したプレス操作は、例えば、集電体の片面に正極活物質層を形成した後に、電池に用いる複数の正極活物質層につき、全体をまとめて行っても良い。負極活物質層についても同様である。更には集電体の片面に正極活物質層を形成し、他面に負極活物質層を形成した後に、正極活物質層および負極活物質層をまとめてプレス操作を行っても良い。プレス操作に要する工数を大幅に低減することができるためである。一方、正極活物質層および負極活物質層を構成する各層ごとに所定の膜厚を確保する観点からは、正極活物質層および負極活物質層を構成する各層ごとに行うのが望ましい。このようにプレス操作の対象や時期については、必要に応じて適宜選択すればよい。また、プレス条件については、正極活物質層または負極活物質層の各層ごとの場合でも、電池に用いる複数の正極活物質層および/または負極活物質層につき、全体をまとめて行う場合であっても、上記「(ii)正極の形成」の項で説明した範囲内において調製することができる。 In addition, the press operation described in the section “(ii) Formation of positive electrode” is performed by, for example, forming a positive electrode active material layer on one side of a current collector, and then forming a whole for a plurality of positive electrode active material layers used in a battery. You may go together. The same applies to the negative electrode active material layer. Furthermore, after the positive electrode active material layer is formed on one surface of the current collector and the negative electrode active material layer is formed on the other surface, the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer may be pressed together. This is because the man-hours required for the pressing operation can be greatly reduced. On the other hand, from the viewpoint of securing a predetermined film thickness for each layer constituting the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer, it is desirable to carry out for each layer constituting the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer. Thus, what is necessary is just to select suitably the object and time of press operation as needed. In addition, the pressing condition is a case where a plurality of positive electrode active material layers and / or negative electrode active material layers used in the battery are collectively performed even for each layer of the positive electrode active material layer or the negative electrode active material layer. Can also be prepared within the range described in the section “(ii) Formation of positive electrode”.
(v)双極型電極および電解質層の作製(電解質の作製)
上述の通りに作製した双極型電極の両面の正極及び負極全面、並びにセパレータの所定の位置(中央部;電極面積またはそれより広い面積部分)に、ゲル原料溶液(プレゲル溶液)や固体電解質の前駆体溶液を含浸させ、重合させ、双極型電極および電解質層を作製する。これにより、電極のイオン伝導性を高めることができると共に所望の電解質層を形成することができるものである。また、電極の空孔部分にゲル電解質や固体電解質を含浸させることで、ますます初回充電で発生したガス(気泡)が電極や電解質層の空孔部分を通じて抜けにくい構造となるが、本発明のように、意図的にガスだまり部を設け、ここに発生ガスを排出させてためる構造の双極型二次電池では、上記電極のイオン伝導性を高める効果を有効に発現した上で、発生ガス(気泡)によるイオン伝導を阻害することなく電池性能の低下を防止できる点で優れている。
(V) Production of bipolar electrode and electrolyte layer (production of electrolyte)
A gel raw material solution (pre-gel solution) or a precursor of a solid electrolyte is formed on the positive and negative electrode surfaces on both sides of the bipolar electrode prepared as described above, and at a predetermined position of the separator (center portion: electrode area or larger area). A body solution is impregnated and polymerized to produce a bipolar electrode and an electrolyte layer. Thereby, the ion conductivity of the electrode can be increased and a desired electrolyte layer can be formed. In addition, by impregnating the pore portion of the electrode with gel electrolyte or solid electrolyte, the gas (bubbles) generated by the first charge is more difficult to escape through the pore portion of the electrode or electrolyte layer. As described above, in the bipolar secondary battery having a structure in which the gas reservoir is intentionally provided and the generated gas is discharged, the effect of increasing the ion conductivity of the electrode is effectively expressed, and the generated gas ( It is excellent in that the battery performance can be prevented from deteriorating without hindering ion conduction due to air bubbles).
双極型電極に含浸させるゲル原料溶液(プレゲル溶液)は、高分子ゲル電解質の原料高分子(ホストポリマー)、リチウム塩、重合開始剤等を溶媒に溶解させて調製した溶液を意味する。ホストポリマー、リチウム塩などは、双極型二次電池の正極において記載した説明と同様であるため、ここではその説明を省略する。 The gel raw material solution (pregel solution) impregnated in the bipolar electrode means a solution prepared by dissolving a raw material polymer (host polymer) of a polymer gel electrolyte, a lithium salt, a polymerization initiator and the like in a solvent. Since the host polymer, the lithium salt, and the like are the same as those described in the positive electrode of the bipolar secondary battery, the description thereof is omitted here.
双極型電極に含浸させる固体電解質の前駆体溶液は、高分子固体電解質の原料高分子(ホストポリマー)、リチウム塩、重合開始剤等を混合して調製した溶液を意味する。ホストポリマー、リチウム塩などは、双極型二次電池の正極において記載した説明と同様であるため、ここではその説明を省略する。 The solid electrolyte precursor solution impregnated in the bipolar electrode means a solution prepared by mixing a raw material polymer (host polymer) of a polymer solid electrolyte, a lithium salt, a polymerization initiator, and the like. Since the host polymer, the lithium salt, and the like are the same as those described in the positive electrode of the bipolar secondary battery, the description thereof is omitted here.
重合開始剤は、重合方法(熱重合法、紫外線重合法、放射線重合法、電子線重合法など)や重合させる化合物に応じて適宜選択する必要がある。例えば、紫外線重合開始剤としてベンジルジメチルケタール、熱重合開始剤としてアゾビスイソブチロニトリルなどが挙げられるが、これらに制限されるべきものではない。また、溶媒としては、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、n−ピロリドンなどのスラリー粘度調整用溶媒などが挙げられる。重合開始剤の添加量は、ホストポリマーに含まれる架橋性官能基の数に応じて決定される。通常は上記ホストポリマーに対して0.01〜1質量%程度である。 The polymerization initiator needs to be appropriately selected according to the polymerization method (thermal polymerization method, ultraviolet polymerization method, radiation polymerization method, electron beam polymerization method, etc.) and the compound to be polymerized. For example, benzyl dimethyl ketal as an ultraviolet polymerization initiator and azobisisobutyronitrile and the like as a thermal polymerization initiator can be mentioned, but it should not be limited to these. Examples of the solvent include slurry viscosity adjusting solvents such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) and n-pyrrolidone. The addition amount of the polymerization initiator is determined according to the number of crosslinkable functional groups contained in the host polymer. Usually, it is about 0.01-1 mass% with respect to the said host polymer.
ゲル原料溶液や固体電解質の前駆体溶液の含浸は、双極型電極両面の正極及び負極の全面、並びにセパレータ上の中央部に塗布し、真空乾燥により乾燥(ゲル原料溶では、溶媒を除去)させることで、正極及び負極の空隙部にゲル電解質ないし全固体電解質を含有してなる双極型電極、並びにセパレータの多孔質部分にゲル電解質ないし全固体電解質を含有してなる電解質層を得ることができる。ゲル原料溶液ないし固体電解質の前駆体溶液は、まだゲル状や固体状になっていないため、電極およびセパレータに浸透していく。また、前記含浸には、アプリケーターやコーターなどを用いれば微量の供給も可能である。 The impregnation with the gel raw material solution or the solid electrolyte precursor solution is applied to the entire surface of the positive electrode and negative electrode on both sides of the bipolar electrode and the central portion on the separator, and dried by vacuum drying (the solvent is removed in the case of the gel raw material solution). Thus, a bipolar electrode containing a gel electrolyte or an all solid electrolyte in the gap between the positive electrode and the negative electrode, and an electrolyte layer containing a gel electrolyte or an all solid electrolyte in the porous portion of the separator can be obtained. . Since the gel raw material solution or the precursor solution of the solid electrolyte has not yet become a gel or solid, it penetrates into the electrode and the separator. Further, for impregnation, if an applicator or a coater is used, a very small amount can be supplied.
その後、ゲル原料溶液ないし固体電解質の前駆体溶液を含浸させた電極およびセパレータに含まれるホストポリマーを、熱、紫外線、放射線、電子線等により重合(架橋)する。重合には、簡便かつ確実に重合を行うことができることから、熱重合を行うことが望ましい。乾燥ないし熱重合は、真空乾燥機など従来公知の装置を用いることができる。乾燥ないし熱重合の条件はゲル原料溶液や固体電解質の前駆体溶液に応じて適宜決定すればよい。得られるセパレータの電解質塗布部分のサイズ(面積)は、単電池層(単セル)の集電体の電極形成部のサイズ(面積)よりも若干小さくしても良いし、同じにしても良いし、若干大きくしても良いなど、特に制限されるものではない。 Thereafter, the electrode polymer impregnated with the gel raw material solution or the solid electrolyte precursor solution and the host polymer contained in the separator are polymerized (crosslinked) by heat, ultraviolet rays, radiation, electron beams or the like. Since the polymerization can be carried out simply and reliably, it is desirable to carry out the polymerization. For drying or thermal polymerization, a conventionally known apparatus such as a vacuum dryer can be used. The conditions for drying or thermal polymerization may be appropriately determined according to the gel raw material solution or the solid electrolyte precursor solution. The size (area) of the electrolyte application part of the separator obtained may be slightly smaller or the same as the size (area) of the electrode forming part of the current collector of the single battery layer (single cell). However, it may be slightly larger, and is not particularly limited.
本発明において、電解質層は、好ましくはゲル原料溶液や固体電解質の前駆体溶液(ポリマー電解質原料溶液)をセパレータに含浸させて重合(架橋)されてなる。セパレータを用いることにより、電解液の充填量を高めることができるとともに、熱伝導性を確保することができるため、好適に用いられる。しかし、本発明の電解質層は、かような構成に限定されず、セパレータを含まない従来公知の電解質層を用いてもよい。 In the present invention, the electrolyte layer is preferably polymerized (crosslinked) by impregnating a separator with a gel raw material solution or a solid electrolyte precursor solution (polymer electrolyte raw material solution). By using the separator, the filling amount of the electrolytic solution can be increased and the thermal conductivity can be secured, so that it is preferably used. However, the electrolyte layer of the present invention is not limited to such a configuration, and a conventionally known electrolyte layer that does not include a separator may be used.
以上のように作製した双極型電極を高真空下で十分加熱乾燥してから、双極型電極と電解質層をそれぞれを適当なサイズに複数個切りだす。電解質層は、双極型電極の集電体サイズよりも若干大きくすることが望ましい。 The bipolar electrode produced as described above is sufficiently heated and dried under high vacuum, and then a plurality of bipolar electrodes and electrolyte layers are cut into appropriate sizes. The electrolyte layer is desirably slightly larger than the current collector size of the bipolar electrode.
(vi)シール部前駆体の形成
上記(v)で得られた双極型電極の正極周辺部の電極未塗布部分にディスペンサ等を用いて、電極13の外周部(4辺全て)にシール部前駆体(例えば、1液性未硬化エポキシ樹脂)を塗布する。
(Vi) Formation of seal portion precursor A seal portion precursor is formed on the outer peripheral portion (all four sides) of the
次に上記(v)で得られた電解質層を正極側に集電体を覆うように設置する。 Next, the electrolyte layer obtained in the above (v) is installed on the positive electrode side so as to cover the current collector.
その後、電解質層のうち、外周部近傍のゲル電解質未塗布部分のセパレータの上から電極未塗布部分(=ゲル電解質未塗布部分;前記シール部前駆体を塗布した部分と同じ部分)にディスペンサ等を用いて、電解質層外周部のセパレータにシール部前駆体(例えば、1液性未硬化エポキシ樹脂)を塗布し、含浸させる。セパレータ内部(含浸)とその上部(負極周辺部の電極未塗布部分に相当する位置)にシール部前駆体が位置するように、必要に応じて数回に分けて塗布してもよい。シール部前駆体の塗布位置については、それぞれガスだまりの体積B(ガスだまり部)、そのほか3辺の体積Aとなるように塗布すればよい。 After that, in the electrolyte layer, a dispenser or the like is applied to the electrode uncoated portion (= the gel electrolyte uncoated portion; the same portion as the portion where the seal portion precursor is coated) from above the separator in the vicinity of the outer periphery of the gel electrolyte. The seal part precursor (for example, one-component uncured epoxy resin) is applied to the separator on the outer periphery of the electrolyte layer and impregnated. You may apply | coat in several times as needed so that a seal | sticker part precursor may be located in a separator inside (impregnation) and the upper part (position corresponding to the electrode non-application part of a negative electrode peripheral part). As for the application position of the seal portion precursor, it may be applied so that the volume B of the gas reservoir (gas reservoir portion) and the volume A of three sides are obtained.
さらに、本発明では、必要に応じて、負極側のガスだまり部に図4のように、活性炭などのガス吸着材料を含有するガス吸着層を配置してもよい。該ガス吸着層の形成に用いたガス吸着スラリーは、ガス吸着材料と、電極に用いたと同様なバインダーと、NMP等の適当な粘度調整溶媒を添加し、混合してガス吸着スラリーを調製し、集電体に負極を作成した後に、当該集電体の負極側の外周部に塗布、乾燥してガス吸着層を形成してもよい。該ガス吸着層は、負極とシール部との間の外周部(ガスだまり部内部)にいわば額縁状に形成すればよい。さらに、負極側のハードカーボン電極部をガスだまり部に図5のように延長した負極を作成し、ガスだまり部に負極材料で形成されたガス吸着層を形成してもよい。 Furthermore, in the present invention, a gas adsorbing layer containing a gas adsorbing material such as activated carbon may be disposed in the gas reservoir on the negative electrode side as required, as shown in FIG. The gas adsorbing slurry used for forming the gas adsorbing layer is prepared by adding a gas adsorbing material, a binder similar to that used for the electrode, and an appropriate viscosity adjusting solvent such as NMP, and mixing them to prepare a gas adsorbing slurry. After the negative electrode is formed on the current collector, the gas adsorbing layer may be formed by applying and drying the outer peripheral portion of the current collector on the negative electrode side. What is necessary is just to form this gas adsorption layer in the shape of a frame in the outer peripheral part (inside a gas pool part) between a negative electrode and a seal part. Further, a negative electrode in which the hard carbon electrode portion on the negative electrode side is extended to the gas reservoir portion as shown in FIG. 5 may be prepared, and a gas adsorption layer formed of a negative electrode material may be formed on the gas reservoir portion.
なお、上記(i)〜(vi)の工程を行う際には、電池内部に水分等が混入するのを防止する観点から、アルゴン、窒素などの不活性雰囲気下で行うことが好ましい。 In addition, when performing the said process (i)-(vi), it is preferable to carry out in inert atmosphere, such as argon and nitrogen, from a viewpoint which prevents a water | moisture content etc. mixing in the inside of a battery.
(vii)電池要素(電池構造体)の作製
上記で得られた双極型電極と電解質層を、真空(減圧)密封しつつ、正極(活物質層)と負極(活物質層)が電解質層を挟んで対向するように、それぞれ交互に順次積層し、熱プレス機により面圧0.1〜2.0kg/cm2、好ましくは0.5〜1.0kg/cm2、より好ましくは25〜150℃、好ましくは45〜100℃、より好ましくは60〜80℃で0.1〜2時間、好ましくは0.5〜1時間熱プレスすることにより、未硬化のシール部前駆体を硬化する。この工程は使用する接着剤により決められる値であり、たとえばエポキシ樹脂の硬化温度、あるいはオレフィン系のホットメルトの融点により決定される。本工程(vii)によりシール部を所定の厚みまでプレス、さらに硬化を行うことで単電池層(単セル)が所望のセル数積層された電池要素(電池構造体)を作成することができる。積層数は、双極型二次電池に求められる電池特性を考慮して決定される。電解質層が一面または両面に形成された双極型電極を、直接貼り合わせてもよい。最外層の電解質層上には、それぞれ電流取り出し用の電極を配置する。正極側の最外層には、集電体上に正極のみを形成した電流取り出し用の電極を配置する。負極側の最外層には、集電体上に負極のみを形成した電流取り出し用の電極を配置する。双極型電極と電解質層とを積層させて双極型二次電池を得る段階は、従来と同様に、不活性雰囲気下(例えば、アルゴン雰囲気下や窒素雰囲気下)で行ってもよいが、本発明では、当該作製工程では、双極型電極と電解質層を順次積層後、真空(減圧)にしてガスだまり部を含むシール部の内側全体の雰囲気ガス(不活性ガスないし空気)を排気しながら、熱プレス機により熱プレスすることにより、未硬化のシール部前駆体を硬化すると共に真空密封するのが望ましい。これにより、シール部で真空密封されたガスだまり部の内部が真空(減圧)状態になった電池要素(電池構造体)を形成することができるためである。ここでの真空(減圧)条件としては、大気圧を101.3kPaに対して2kPa以下、好ましくは1kPa以下、より好ましくは0.5kPa以下とするのが望ましい。また、こうした真空環境は、双極型電極及び電解質層の積層作業から熱プレス機までの全体工程が真空になるようにするのが望ましい。こうした真空環境は、例えば、高性能真空ポンプを用いた真空チャンバー内部に積層機構追加した真空積層装置を用いて行うことができる。
(Vii) Fabrication of battery element (battery structure) The positive electrode (active material layer) and the negative electrode (active material layer) serve as the electrolyte layer while the bipolar electrode and the electrolyte layer obtained above are sealed in vacuum (reduced pressure). The layers are alternately laminated so as to face each other, and the surface pressure is 0.1 to 2.0 kg / cm 2 , preferably 0.5 to 1.0 kg / cm 2 , more preferably 25 to 150 by a hot press. The uncured seal portion precursor is cured by hot pressing at 0.1 ° C., preferably 45 to 100 ° C., more preferably 60 to 80 ° C. for 0.1 to 2 hours, preferably 0.5 to 1 hour. This step is a value determined by the adhesive used, and is determined by, for example, the curing temperature of the epoxy resin or the melting point of the olefinic hot melt. In this step (vii), a battery element (battery structure) in which a desired number of single battery layers (single cells) are stacked can be created by pressing the seal portion to a predetermined thickness and further curing. The number of stacked layers is determined in consideration of battery characteristics required for a bipolar secondary battery. A bipolar electrode having an electrolyte layer formed on one surface or both surfaces may be directly bonded. On the outermost electrolyte layer, electrodes for taking out current are respectively arranged. In the outermost layer on the positive electrode side, an electrode for current extraction in which only the positive electrode is formed on the current collector is disposed. In the outermost layer on the negative electrode side, a current extracting electrode in which only the negative electrode is formed on the current collector is disposed. The step of obtaining a bipolar secondary battery by laminating a bipolar electrode and an electrolyte layer may be performed under an inert atmosphere (for example, under an argon atmosphere or a nitrogen atmosphere), as in the prior art. Then, in this manufacturing process, after sequentially laminating the bipolar electrode and the electrolyte layer, a vacuum (reduced pressure) is applied, and the atmosphere gas (inert gas or air) inside the seal portion including the gas reservoir portion is exhausted, It is desirable that the uncured seal portion precursor is cured and vacuum-sealed by hot pressing with a press. Thereby, the battery element (battery structure) in which the inside of the gas reservoir portion vacuum-sealed by the seal portion is in a vacuum (reduced pressure) state can be formed. As a vacuum (reduced pressure) condition here, it is desirable that the atmospheric pressure is 2 kPa or less, preferably 1 kPa or less, more preferably 0.5 kPa or less with respect to 101.3 kPa. Further, in such a vacuum environment, it is desirable that the entire process from the lamination operation of the bipolar electrode and the electrolyte layer to the hot press machine is evacuated. Such a vacuum environment can be performed using, for example, a vacuum laminating apparatus in which a laminating mechanism is added inside a vacuum chamber using a high-performance vacuum pump.
(viii)電極タブの取り付け
得られた電池要素(電池構造体)の両電池最外部の単電池層の集電体に正極タブ及び負極タブを配設(電気的に接続)する。電池最外部の単電池層の集電体に取り付けるタブは、カーボン系導電性接着剤等で接着してもよい。
(Viii) Attaching electrode tabs A positive electrode tab and a negative electrode tab are disposed (electrically connected) to the current collector of the single battery layer on the outermost side of both batteries of the obtained battery element (battery structure). The tab attached to the current collector of the battery cell outermost layer may be bonded with a carbon-based conductive adhesive or the like.
必要に応じて、正極タブ及び負極タブに、さらに正極リード及び負極リードをそれぞれ接合(電気的に接続)してもよい。正極リードおよび負極リードの接合方法としては特に制限されるべきものではないが、接合温度の低い超音波溶接等が好適に利用し得るものであるが、これに限定されるべきものではなく、従来公知の接合方法を適宜利用することができ、タブと同じように、カーボン系導電性接着剤等で接着してもよい。 If necessary, a positive electrode lead and a negative electrode lead may be further joined (electrically connected) to the positive electrode tab and the negative electrode tab, respectively. The method for joining the positive electrode lead and the negative electrode lead is not particularly limited, but ultrasonic welding having a low bonding temperature can be suitably used. A known joining method can be used as appropriate, and it may be bonded with a carbon-based conductive adhesive or the like in the same manner as the tab.
(ix)双極型二次電池の作製
次いで、この電極タブが取り付けられた電池要素(電池構造体)を、外部からの衝撃、環境劣化を防止するために、アルミラミネート等の電池外装材ないし電池ケースを用い真空密封し、外周を熱融着によってシールし、双極型二次電池(初回充電・ガス抜き前のもの)を製造する。電池外装材(金属−高分子ラミネート材)の材質は、内面がポリプロピレンフィルム等の絶縁体で被覆された金属(アルミニウム、ステンレス、ニッケル、銅など)が好適である。
(Ix) Production of Bipolar Secondary Battery Next, the battery element (battery structure) to which this electrode tab is attached is applied to a battery exterior material or battery such as an aluminum laminate in order to prevent external impact and environmental degradation. The case is vacuum-sealed and the outer periphery is sealed by thermal fusion to produce a bipolar secondary battery (before initial charging and degassing). The material of the battery exterior material (metal-polymer laminate material) is preferably a metal (aluminum, stainless steel, nickel, copper, etc.) whose inner surface is coated with an insulator such as a polypropylene film.
以上が、本発明の双極型二次電池の製造方法の全工程にあたるものである。 The above is the whole process of the manufacturing method of the bipolar secondary battery of the present invention.
本発明の双極型二次電池の製造方法では、さらに後述する実施例で用いたような組立方法を用いるのが望ましい。以下、これらの組立方法についてき、図面を用いて説明する。 In the method for manufacturing a bipolar secondary battery of the present invention, it is desirable to use an assembling method as used in the examples described later. Hereinafter, these assembling methods will be described with reference to the drawings.
図5は、実施の形態1に係る双極型電池(電解液系双極型電池)の製造方法を説明するための工程図である。 FIG. 5 is a process diagram for explaining the manufacturing method of the bipolar battery (electrolyte-based bipolar battery) according to the first embodiment.
実施の形態1に係る双極型電池の製造方法は、電極形成工程、シール部前駆体配置工程、電極セット工程、電解質層形成工程、真空導入工程、電極積層工程、プレス工程、および、真空解除工程を有する。 The bipolar battery manufacturing method according to Embodiment 1 includes an electrode forming step, a seal portion precursor arranging step, an electrode setting step, an electrolyte layer forming step, a vacuum introducing step, an electrode stacking step, a pressing step, and a vacuum releasing step. Have
次に、図6〜図17を参照し、各工程を順次説明する。 Next, each step will be described in order with reference to FIGS.
図6は、図5に示される電極形成工程に係る正極を説明するための正面図、図7は、図5に示される電極形成工程に係る負極を説明するための背面図、図8は、図6の線VIII−VIIIに関する断面図である。 6 is a front view for explaining the positive electrode according to the electrode forming step shown in FIG. 5, FIG. 7 is a rear view for explaining the negative electrode according to the electrode forming step shown in FIG. 5, and FIG. It is sectional drawing regarding line VIII-VIII of FIG.
電極形成工程においては、まず、正極スラリーが、調整される。正極スラリーは、例えば、所定の比に調整された正極活物質、導電助剤およびバインダを有し、粘度調整溶媒を添加することで、所定の粘度にされるが、これらに何ら制限されるものではない。 In the electrode forming step, first, the positive electrode slurry is adjusted. The positive electrode slurry has, for example, a positive electrode active material, a conductive additive and a binder adjusted to a predetermined ratio, and is adjusted to a predetermined viscosity by adding a viscosity adjusting solvent, but is not limited to these. is not.
正極活物質、導電助剤、バインダ及び粘度調整溶媒に関しては、上述したものから適宜選択して用いることができる。 The positive electrode active material, conductive additive, binder and viscosity adjusting solvent can be appropriately selected from those described above.
正極スラリーは、例えば、所定の厚さ及び材料の集電体111の一方の面に塗布される。正極スラリーの塗膜は、例えば、真空オーブンを利用して、乾燥させられ、所定の厚さの正極活物質層からなる正極113を形成する。この際、粘度調整溶媒は、揮発することで除去される。
The positive electrode slurry is applied to one surface of the
次に、負極スラリーが、調整される。負極スラリーは、所定の比に調整された負極活物質、バインダ、更に必要に応じて導電助剤を有し、粘度調整溶媒を添加することで、所定の粘度にされる。負極活物質導電助剤、バインダ及び粘度調整溶媒に関しては、上述したものから適宜選択して用いることができる。 Next, the negative electrode slurry is adjusted. The negative electrode slurry has a negative electrode active material adjusted to a predetermined ratio, a binder, and, if necessary, a conductive additive, and is adjusted to a predetermined viscosity by adding a viscosity adjusting solvent. The negative electrode active material conductive additive, the binder, and the viscosity adjusting solvent can be appropriately selected from those described above.
負極スラリーは、集電体111の他方の面に、塗布される。負極スラリーの塗膜は、例えば、真空オーブンを利用して、乾燥させられ、所定の厚さの負極活物質層からなる負極112を形成する。この際、粘度調整溶媒は、揮発することで除去される。
The negative electrode slurry is applied to the other surface of the
この結果、集電体111の一方の面および他方の面に、正極113および負極112がそれぞれ形成された双極型電極(電解質層が未形成の双極型電池)110が得られる。
As a result, a bipolar electrode 110 (a bipolar battery without an electrolyte layer) 110 in which the
双極型電池110は、所定のサイズに切り取られる。正極113および負極112の外周部は、集電体を露出させるために、適当な幅、具体的には5〜20mm、好ましくは10〜15mmの幅で剥がし取られる。
The bipolar battery 110 is cut to a predetermined size. The outer peripheral parts of the
正極113および負極112の厚さは、特に限定されず、電池の使用目的(例えば、出力重視、エネルギー重視)や、イオン伝導性を考慮して設定される。
The thicknesses of the
図9は、図5に示されるシール部前駆体配置工程の第1シール部前駆体を説明するための正面図、図10は、図9の線X−Xに関する断面図、図11は、図5に示されるシール部前駆体配置工程の第2シール部前駆体を説明するための正面図、図12は、図9の線XII−XIIに関する断面図である。 9 is a front view for explaining the first seal portion precursor in the seal portion precursor arrangement step shown in FIG. 5, FIG. 10 is a cross-sectional view taken along line XX in FIG. 9, and FIG. FIG. 12 is a cross-sectional view taken along line XII-XII in FIG. 9, illustrating a second seal portion precursor in the seal portion precursor arranging step shown in FIG.
シール部前駆体配置工程においては、まず、集電体111が露出している正極側外周部に、第1シール部前駆体(1液性未硬化エポキシ樹脂)114が配置される。この際、外周部端面から適当な幅、具体的には10〜15mmの幅で、未配置部位が設けられる。第1シール部前駆体114の配置は、例えば、ディスペンサを用いる塗布が適用される。
In the seal part precursor arranging step, first, a first seal part precursor (one-component uncured epoxy resin) 114 is arranged on the outer peripheral part of the positive electrode side where the
次に、セパレータ120が、集電体111の正極側面の全てを覆うように配置される。セパレータ120としては、特に制限されるものではなく、上記したようなものが利用でき、その厚みおよびサイズも同様である。セパレータ120のサイズは、集電体111の正極側面の全てを覆うことが望ましいことから、集電体111の正極側面のサイズよりも縦及び横それぞれ5〜10mm大きなサイズとするのが望ましい。
Next, the
その後、セパレータ120上に、第2シール部前駆体(例えば、1液性未硬化エポキシ樹脂)116が配置される。この際、第2シール部前駆体116は、第1シール部前駆体114の配置部位と相対するように(重なるように)位置決めされる。第2シール部前駆体116の配置は、例えば、ディスペンサを用いる塗布が適用される。
Thereafter, a second seal portion precursor (for example, a one-component uncured epoxy resin) 116 is disposed on the
第1シール部前駆体114および第2シール部前駆体116の構成材料は、1液性未硬化エポキシ樹脂に限定されず、使用環境下において良好なシール効果を発揮するものを、用途に応じて適宜選択することができる。例えば、その他の熱硬化型樹脂(ポリプロピレンやポリエチレン等)や、熱可塑型樹脂を適用することが可能である。
The constituent material of the first
セパレータ120の構成材料は、ポリエチレン、ポリプロピレン等のその他のポリオレフィンや、ポリアミドや、ポリイミドなどの樹脂材料が適用することが可能である。
As a constituent material of the
図13は、図5に示される電極セット工程に係る保持機構のクリップ機構を説明するための概略図、図14は、電極セット工程を説明するための断面図である。 FIG. 13 is a schematic view for explaining a clip mechanism of the holding mechanism according to the electrode setting step shown in FIG. 5, and FIG. 14 is a cross-sectional view for explaining the electrode setting step.
電極セット工程においては、所定枚数(図では6枚の例を示す)の双極型電極110(110A〜110F)が、負極面を上にした状態で、電極ストッカ(積層手段)150にセットされる。なお、最下位に保持される双極型電池110Fは、第1シール部前駆体114、第2シール部前駆体116およびセパレータ120は、配置されていない。
In the electrode setting step, a predetermined number of bipolar electrodes 110 (110A to 110F) (six examples are shown in the figure) are set in the electrode stocker (laminating means) 150 with the negative electrode face up. . In the
電極ストッカ(積層手段)150は、保持機構、支持構造体154、受け台156、位置センサ158および制御部(不図示)を有する。
The electrode stocker (stacking means) 150 includes a holding mechanism, a
保持機構は、双極型電池110の外周部の対向する2箇所を把持自在であるクリップ機構153を6個有しており、6枚の双極型電池110をセットすることが可能である。クリップ機構153によって把持される双極型電池110の部位は、外周部端面から約10mm幅の範囲の領域に位置し、第1シール部前駆体114および第2シール部前駆体116が配置されていない未配置部位である。
The holding mechanism has six
クリップ機構153は、弾性力に基づいており、下方および上方アーム191,193、ガイドブロック195、可動ブロック197および駆動ロッド198を有する。
The
下方アーム191は、双極型電池110が載置される先端部、および、先端部から下方段差部192を介して延長する基部を有する。上方アーム193は、双極型電池110を押圧する先端部、先端部から第1上方傾斜部を介して延長する中間部、および、中間部から第2上方傾斜部194を介して延長する基部を有する。下方および上方アーム191、192は、例えば、バネからなる弾性部材(不図示)によって、互いに近接するように弾性的に付勢されている。
The
ガイドブロック195は、下方アーム191の基部に固定されており、また、貫通孔196を有する。可動ブロック197は、ガイドブロック195と下方アーム191の下方段差部192との間に配置され、例えば、バネからなる弾性部材(不図示)によって、ガイドブロック195に向かって弾性的に付勢されている。
The
駆動ロッド198は、往復動自在に配置されており、かつ、駆動ロッド198の径は、ガイドブロック195の貫通孔196を通過できるように設定されている。したがって、駆動ロッド198における貫通孔196から突出する先端部は、可動ブロック197を押圧し、下方アーム191の下方段差部192に向かって移動させる。
The
可動ブロック197は、上方アーム193の第2上方傾斜部194と当接しているため、可動ブロック197の移動は、上方アーム193の上昇を引き起こす。
Since the
つまり、駆動ロッド198を突出させると、下方および上方アーム191、192の先端部は離間するため、双極型電池110を配置、あるいは把持されている双極型電池110の取り外し(リリース)が可能である。一方、駆動ロッド198を後退させると、下方および上方アーム191、192の先端部が近接するため、双極型電池110を把持することが可能である。なお、クリップ機構153は、双極型電池110を把持自在であれば、上記構成に特に限定されない。
That is, when the
支持構造体154は、双極型電池110のセットの際の干渉を避けるため、フレーム形状であり、かつ、保持機構が取付けられている。保持機構は、双極型電池110が位置合せされかつ互いに接触しないように、双極型電池110の面方向(XY軸方向)に対して垂直な方向(Z軸方向)に、取り付けられる。
The
また、支持構造体154には、受け台156に向かって垂直な方向に移動するためのZ軸移動手段(不図示)が配置されている。Z軸移動手段は、支持構造体154を受け台156に対して相対移動させるため、設置スペースを有効利用することが可能である。特に、電極ストッカ150は、真空処理装置160(後述)の内部に配置されるため、真空処理装置160を小型化することにより、設備コストの低減を図ることが可能である。
The
Z軸移動手段を支持構造体154に配置する場合、受け台156およびその周辺の構成を簡略化することが可能であるが、Z軸移動手段を受け台156に配置し、受け台156を支持構造体154に対して相対移させることも可能である。この場合、支持構造体154が固定式となり、受け台156は、支持構造体154の内部を移動するため、支持構造体154のブレを抑制することが可能である。
When the Z-axis moving means is disposed on the
受け台156は、積層された双極型電池110を支持するために使用される。受け台156には、双極型電池110の面方向に移動するためのXY軸移動手段(不図示)が、配置されている。なお、XY軸移動手段の一方の軸方向を、受け台156の次工程への移動方向と一致させることによって、XY軸移動手段を、受け台156の次工程への移動機構として、兼用することも可能である。
The
位置センサ158は、支持構造体154の上面における双極型電池110の4辺に対応する位置に配置され、2次元位置検出手段を構成する。したがって、位置センサ158は、双極型電池110の相対移動の際つまり受け台156に向かった双極型電池110の移動の際における位置ズレを検出することが可能である。2次元位置検出手段は、例えば、CCD(固体撮像素子)イメージセンサを利用することも可能である。この場合、支持構造体154の上面における4隅の1つに配置することで、2次元位置検出手段を構成することができる。
The
制御部は、クリップ機構153に把持されている双極型電池110を、積層するために使用され、例えば、クリップ機構153による双極型電池110の把持およびリリースの制御や、位置センサ158の検出結果に基づくXY軸移動手段の制御を実行する。したがって、位置センサ158およびXY軸移動手段は、双極型電池110の相対移動の際における位置ズレを修正するための修正手段を構成する。
The control unit is used to stack the bipolar battery 110 held by the
電解質層形成工程においては、最上位に保持される双極型電池110Aを除いた、5枚の双極型電池110B〜110Fの負極112に、1mlの電解液を、例えば、マイクロピペットを用いて、負極面にたらすことで、滲み込まされる。
In the electrolyte layer forming step, 1 ml of the electrolyte is applied to the
電解液は、PC(プロピレンカーボネート)およびEC(エチレンカーボネート)からなる有機溶媒、支持塩としてのリチウム塩(LiPF6)および少量の界面活性剤を含んでいる。なお、リチウム塩濃度は、1Mである。 The electrolytic solution contains an organic solvent composed of PC (propylene carbonate) and EC (ethylene carbonate), a lithium salt (LiPF 6 ) as a supporting salt, and a small amount of a surfactant. The lithium salt concentration is 1M.
上記電解液に用いる有機溶媒は、PCおよびECに特に限定されず、例えば、その他の環状カーボネート類、ジメチルカーボネート等の鎖状カーボネート類、テトラヒドロフラン等のエーテル類を適用することが可能である。リチウム塩は、LiPF6に特に限定されず、例えば、その他の無機酸陰イオン塩、LiCF3SO3等の有機酸陰イオン塩を、適用することが可能である。 The organic solvent used for the electrolytic solution is not particularly limited to PC and EC. For example, other cyclic carbonates, chain carbonates such as dimethyl carbonate, and ethers such as tetrahydrofuran can be applied. The lithium salt is not particularly limited to LiPF 6 , and other inorganic acid anion salts and organic acid anion salts such as LiCF 3 SO 3 can be applied.
図15は、図5に示される真空導入工程〜真空解除工程に係る真空処理装置を説明するための概略図、図16は、図5に示される電極積層工程を説明するための概略図、図17は、図5に示されるプレス工程を説明するための断面図である。 15 is a schematic diagram for explaining the vacuum processing apparatus according to the vacuum introduction process to the vacuum release process shown in FIG. 5, and FIG. 16 is a schematic diagram for explaining the electrode stacking process shown in FIG. 17 is a cross-sectional view for explaining the pressing step shown in FIG.
真空処理装置160は、真空手段162、プレス手段172および制御部178を有する。
The
真空手段162は、真空チャンバ163、真空ポンプ164および配管系165を有する。真空チャンバ163は、着脱自在(開放自在)の蓋部と、電極ストッカ150およびプレス手段172が配置される固定式の基部を有する。真空ポンプ164は、例えば、遠心式であり、真空チャンバ163の内部を真空状態にするために使用される。配管系165は、真空ポンプ164と真空チャンバ163と連結するために使用され、リークバルブ(不図示)が配置されている。
The
プレス手段172は、下部プレスプレート174、下部プレスプレート174に対して近接離間自在に配置される上部プレスプレート176、下部加熱手段175および上部加熱手段177を有する。
The
下部プレスプレート174は、電極ストッカ150の受け台156が配置される。上部プレスプレート176は、下部プレスプレート174と連携し、双極型電池110の積層体を押圧するために使用される。
The
下部加熱手段175および上部加熱手段177は、例えば、抵抗発熱体を有しており、下部プレスプレート174および上部プレスプレート176の内部に配置され、下部プレスプレート174および上部プレスプレート176の温度を上昇させるために使用される。
The lower heating means 175 and the upper heating means 177 have, for example, resistance heating elements and are disposed inside the
制御部178は、上部プレスプレート176の移動や押圧力、下部加熱手段175および上部加熱手段177の温度を制御することで、双極型電池110の積層体に対する適当な熱プレスを、真空下で実施するために使用される。
The
なお、下部加熱手段175および上部加熱手段177の一方を省略したり、下部加熱手段175および上部加熱手段177を、下部プレスプレート174および上部プレスプレート176の外部に配置したりすることも可能である。
Note that one of the
次に、真空処理装置160が適用される真空導入工程〜真空解除工程を順次説明する。
Next, a vacuum introduction process to a vacuum release process to which the
真空導入工程においては、真空チャンバ163の蓋部が外され、双極型電池110を保持している電極ストッカ150が、真空チャンバ163の基部に配置される。そして、真空チャンバ163の蓋部が装着されて、真空チャンバ163が密閉されると、真空ポンプ164が稼働され、真空チャンバ163の内部が、真空状態にされる。
In the vacuum introduction process, the lid of the
電極積層工程においては、真空下で、Z軸移動手段によって電極ストッカ150の支持構造体154が、受け台156に向かって移動する。つまり、保持機構(クリップ機構153)および受け台156は、双極型電池110の面方向に対して垂直な方向に関し、Z軸移動手段によって相対移動する。相対移動は、双極型電池110のブレを抑制するため、双極型電池110が精度良く積層される。
In the electrode stacking step, the
そして、支持構造体154のクリップ機構153に把持されている双極型電池110が、受け台156に接触するタイミングで、クリップ機構153の駆動ロッド198が制御され、双極型電池110の把持を解消する。
Then, when the bipolar battery 110 held by the
一方、位置センサ158が、双極型電池110の相対移動の際における位置ズレを検出すると、XY軸移動手段が制御され、受け台156の面方向の位置が調整される。これにより、積層精度がさらに向上する。また、受け台156は、保持機構と無関係のため、受け台156の移動は、双極型電池110の位置に影響を及ぼさず、位置ズレの調整が容易である。
On the other hand, when the
そして、受け台156に対する支持構造体154の移動を継続することで、双極型電池110F〜110Aが、順次積層される。
Then, by continuing the movement of the
以上のように、双極型電池110のブレが抑制され、双極型電池を精度良く積層することができる。したがって、双極型電池110を構成する双極型電極および電解質層のずれの発生が抑制され、内部短絡の発生が避けられるため、不良品の発生を削減することが可能となる。 As described above, blurring of the bipolar battery 110 is suppressed, and the bipolar batteries can be stacked with high accuracy. Therefore, the occurrence of displacement between the bipolar electrode and the electrolyte layer constituting the bipolar battery 110 is suppressed and the occurrence of an internal short circuit can be avoided, so that the occurrence of defective products can be reduced.
また、真空下での積層のため、電極および電解質層の積層界面に対する気泡の混入が抑制される。そのため、使用時のイオンの移動は、害されず、電池抵抗は増大しないため、高出力密度を達成することができる。つまり、気泡の混入が抑制された双極型電池が得られるため、使用時におけるイオンの移動は、害されず、電池抵抗は増大しないため、高出力密度を達成することができる。 In addition, since the layers are stacked under vacuum, mixing of bubbles with respect to the stack interface between the electrode and the electrolyte layer is suppressed. Therefore, the movement of ions during use is not harmed and the battery resistance does not increase, so that a high output density can be achieved. That is, since a bipolar battery in which the mixing of bubbles is suppressed is obtained, the movement of ions during use is not harmed, and the battery resistance does not increase, so that a high output density can be achieved.
なお、XY軸移動手段は、受け台156に配置することに限定されず、保持機構に配置することで、受け台156およびその近傍の構造を簡素化することも可能である。また、Z軸移動手段を、クリップ機構153に配置することも可能である。
Note that the XY-axis moving means is not limited to being disposed on the
プレス工程においては、電極ストッカ150の受け台156が下部プレスプレート174に配置される。この際、受け台156には、電極積層工程によって形成された双極型電池110の積層体100が保持されている。上部プレスプレート176が下部プレスプレート174に向かって降下し、積層体100を押圧し、1kg/cm2の面圧を付与する。
In the pressing process, the
一方、下部加熱手段175および上部加熱手段177が稼働され、下部プレスプレート174および上部プレスプレート176を介して、双極型電池110の積層体を加熱する。双極型電池110の積層体は、第1シール部前駆体114および第2シール部前駆体116を構成する1液性未硬化エポキシ樹脂の硬化温度である80℃に昇温する。
On the other hand, the lower heating means 175 and the upper heating means 177 are operated to heat the laminate of the bipolar battery 110 via the
電極積層工程における真空状態を維持した状態で、このプレス条件(面圧1kg/cm2かつ80℃)で、1時間保持することで、第1シール部前駆体114および第2シール部前駆体116が硬化し、所定の厚みの第1シール115および第2シール117が形成され、積層体100が得られる。
The first
以上のように、プレスが真空下で積層されるため、積層界面にパージガスが混入することを抑制することができる。また、プレス時における下部プレスプレート174と上部プレスプレート176の間の距離を制御し、積層体100の厚みを、所定の値に設定することで、体積減および電解質抵抗の低減を図ることができる。
As described above, since the presses are laminated under vacuum, it is possible to suppress the purge gas from being mixed into the lamination interface. Further, by controlling the distance between the
また、加熱プレスであるため、第1シール部前駆体114および第2シール部前駆体116の硬化が同時に実施されるため、製造工程の短縮を図ることができる。
Moreover, since it is a heating press, the first
真空解除工程においては、真空ポンプ164の稼働が停止され、リークバルブを開にすることで、真空チャンバ163の真空状態が解除される。上部プレスプレート176が上昇し、真空チャンバ163の蓋部が外される。下部プレスプレート174に配置されている電極ストッカ150の受け台156が、積層体100を保持した状態で、取り出される。また、受け台156以外の電極ストッカ150の部品も取り出される。
In the vacuum release process, the
双極型電池の積層体100は、その後、最上位および最下位に端子プレート101,102が配置され、外装ケース104に収容される(図1および図2参照)。
In the
図18は、実施の形態1に係る双極型電池の内部短絡試験結果を説明するための図表である。 FIG. 18 is a chart for explaining the internal short-circuit test result of the bipolar battery according to the first embodiment.
実施の形態1と比較例を対象とし、初回充電完了後の1時間目において測定される電圧で評価した。評価基準は、電圧の顕著な低下の有無である。符号OKおよびNGは、電圧の顕著な低下が無いものおよび有るものを、それぞれ表している。数字は、サンプル数を10とした場合における、OKあるいはNGと評価された個数である。なお、比較例は、実施の形態1に係る製造装置を利用せずに製造された双極型電池である。初回充電条件は、21V−0.5Cで4時間である。 The first embodiment and the comparative example were targeted, and evaluation was performed using a voltage measured in the first hour after the completion of the initial charge. The evaluation criterion is the presence or absence of a significant decrease in voltage. The symbols OK and NG represent those that do not have a significant drop in voltage and those that have a voltage, respectively. The numbers are the numbers evaluated as OK or NG when the number of samples is 10. The comparative example is a bipolar battery manufactured without using the manufacturing apparatus according to the first embodiment. The initial charge condition is 4 hours at 21V-0.5C.
図18に示されるように、実施の形態1は、NGと評価されたものが存在せず、比較例は、4個がNGである。また、NGと評価された比較例を、解体調査を行った結果、電極のずれによるショートが確認された。つまり、実施の形態1は、比較例と比較し、不良品の発生が抑制されており、歩留まりが向上している。 As shown in FIG. 18, the first embodiment is not evaluated as NG, and four comparative examples are NG. Moreover, as a result of conducting a disassembly investigation on the comparative example evaluated as NG, a short circuit due to electrode displacement was confirmed. That is, in the first embodiment, the generation of defective products is suppressed and the yield is improved as compared with the comparative example.
図19は、実施の形態1に係る変形例を説明するための概略図である。 FIG. 19 is a schematic diagram for explaining a modification according to the first embodiment.
電池の出力密度を向上させるため、プレス工程を、第1および第2プレス工程に2分割し、初充電で発生する気泡を取り除くための初充電工程を、挿入することも可能である。初充電条件は、例えば、正極の塗布重量から概算された容量ベースで、21V−0.5Cで4時間である。 In order to improve the output density of the battery, it is possible to divide the pressing process into two parts, a first pressing process and a second pressing process, and to insert an initial charging process for removing bubbles generated by the initial charging. The initial charging condition is, for example, 4 hours at 21 V-0.5 C on a capacity basis estimated from the coating weight of the positive electrode.
この場合、真空処理装置160に、充放電装置180を配置する。充放電装置180は、プレス手段172の下部プレスプレート174と上部プレスプレート176を介し、積層体100と電気的に接続可能に構成される。
In this case, the charge /
第1プレス工程のプレス条件は、面圧1kg/cm2かつ常温の状態での60秒間保持である。第2プレス工程のプレス条件は、面圧1kg/cm2かつ80℃の状態での1時間保持である。なお、第1プレス工程のプレス条件は、特に限定されず、第2プレス工程のプレス条件を考慮し、第1シール部前駆体および第2シール部前駆体が硬化しないように設定される。 The pressing condition of the first pressing step is holding for 60 seconds at a surface pressure of 1 kg / cm 2 and a normal temperature. The pressing condition of the second pressing step is holding for 1 hour at a surface pressure of 1 kg / cm 2 and 80 ° C. In addition, the press conditions of a 1st press process are not specifically limited, Considering the press conditions of a 2nd press process, it sets so that a 1st seal | sticker part precursor and a 2nd seal | sticker part precursor may not harden | cure.
以上のように、実施の形態1は、良好な歩留まりを達成し得る電解液系双極型電池の製造方法および製造装置を、提供することができる。 As described above, the first embodiment can provide a method and an apparatus for manufacturing an electrolyte-based bipolar battery that can achieve a good yield.
なお、電解質層(セパレータ)を別体として、双極型電極(電解質層が未配置の双極型電池)と交互に積層することも可能である。この場合、保持機構は、電解質層および双極型電極を交互に把持し、かつ、双極型電極および電解質層が、位置合せされかつ互いに接触しないように、双極型電極および電解質層の面方向に対して垂直な方向に、支持構造体154に取り付けられることとなる。
In addition, it is also possible to laminate | stack alternately with a bipolar type electrode (bipolar type | mold battery with no electrolyte layer arrange | positioned) by making an electrolyte layer (separator) into a different body. In this case, the holding mechanism holds the electrolyte layer and the bipolar electrode alternately, and is aligned with respect to the plane direction of the bipolar electrode and the electrolyte layer so that the bipolar electrode and the electrolyte layer are aligned and do not contact each other. And attached to the
また、電極セット工程は、設置工程などを考慮すると、大気下で実施することが好ましいが、必要に応じて、真空下で実施することも可能である。 In addition, the electrode setting process is preferably performed in the atmosphere in consideration of the installation process and the like, but may be performed in a vacuum as necessary.
プレス工程の前に、双極型電池110、積層体100、あるいは下部および上部プレスプレート174,176を予熱するための予熱工程を有することも可能である。この場合、プレス工程の時間を短縮することが可能になる。
It is also possible to have a preheating step for preheating the bipolar battery 110, the laminate 100, or the lower and
双極型電池110の予熱は、例えば、双極型電池110を保持している電極ストッカ150の全体を、オーブンに配置し、昇温させることで実施される。
The preheating of the bipolar battery 110 is performed, for example, by placing the
積層体100の予熱は、例えば、積層体100が配置される受け台156に加熱手段を内蔵させ、当該加熱手段によって受け台156を昇温させることで実施される。また、受け台156を、下部プレスプレート174に配置し、下部加熱手段175によって昇温させた後で、電極ストッカ150に組み込むことによっても、積層体100の予熱を、実施することも可能である。
Preheating of the
下部および上部プレスプレート174,176の予熱は、例えば、受け台156の配置前から、下部加熱手段175および上部加熱手段177を稼働させることで実施される。
The preheating of the lower and
次に、実施の形態2を説明する。以下において、実施の形態1と同様の機能を有する部材については類似する符号を使用し、重複を避けるため、その説明を省略する。 Next, a second embodiment will be described. In the following, members having the same functions as those in the first embodiment are denoted by similar reference numerals, and the description thereof is omitted to avoid duplication.
図20は、実施の形態2に係る双極型電池の製造方法を説明するための工程図である。 FIG. 20 is a process diagram for explaining the bipolar battery manufacturing method according to the second embodiment.
実施の形態2に係る双極型電池は、ゲルポリマー電解質系であり、その製造方法は、電極形成工程、電解質層形成工程、シール部前駆体形成工程、電極セット工程、真空導入工程、電極積層工程、プレス工程および真空解除工程を有する。 The bipolar battery according to Embodiment 2 is a gel polymer electrolyte system, and its manufacturing method includes an electrode formation process, an electrolyte layer formation process, a seal portion precursor formation process, an electrode setting process, a vacuum introduction process, and an electrode lamination process. And a pressing step and a vacuum releasing step.
次に、各工程を順次説明する。図21は、図20に示されるシール部前駆体配置工程を説明するための断面図、図22は、図20に示される電極セット工程を説明するための断面図ある。 Next, each step will be described sequentially. FIG. 21 is a cross-sectional view for explaining the seal portion precursor arranging step shown in FIG. 20, and FIG. 22 is a cross-sectional view for explaining the electrode setting step shown in FIG.
電極形成工程においては、実施の形態1と同様に、集電体211の一方の面および他方の面に、正極213および負極212がそれぞれ形成された双極型電極(電解質層が未形成の双極型電池210)が得られる。
In the electrode formation step, as in the first embodiment, a bipolar electrode in which the
電解質層形成工程においては、電解質が、正極213および負極212の電極部に塗布される。
In the electrolyte layer forming step, an electrolyte is applied to the electrode portions of the
電解質は、電解液[90重量%]およびホストポリマー[10重量%]の有し、粘度調整溶媒を添加することで、塗布に適した粘度にされている。 The electrolyte has an electrolytic solution [90% by weight] and a host polymer [10% by weight], and has a viscosity suitable for coating by adding a viscosity adjusting solvent.
電解液は、PC(プロピレンカーボネート)およびEC(エチレンカーボネート)からなる有機溶媒、支持塩としてのリチウム塩(LiPF6)を含んでいる。リチウム塩濃度は、1Mである。 The electrolytic solution contains an organic solvent composed of PC (propylene carbonate) and EC (ethylene carbonate), and a lithium salt (LiPF 6 ) as a supporting salt. The lithium salt concentration is 1M.
ホストポリマーは、HFP(ヘキサフルオロプロピレン)コポリマーを10%含むPVDF−HFP(ポリフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンの共重合体)である。粘度調製溶媒は、DMC(ジメチルカーボネート)である。 The host polymer is PVDF-HFP (copolymer of polyvinylidene fluoride and hexafluoropropylene) containing 10% of HFP (hexafluoropropylene) copolymer. The viscosity adjusting solvent is DMC (dimethyl carbonate).
電極部に塗布された電解質は、乾燥され、DMCを揮発させることで、正極213および負極212上に、ゲルポリマー電解質層218,219が形成される。
The electrolyte applied to the electrode part is dried and the DMC is volatilized to form gel polymer electrolyte layers 218 and 219 on the
ホストポリマーは、PVDF−HFPに限定されず、その他のリチウムイオン伝導性を持たない高分子や、イオン伝導性を有する高分子(固体高分子電解質)を適用することも可能である。その他のリチウムイオン伝導性を持たない高分子は、例えば、PAN(ポリアクリロニトリル)、PMMA(ポリメチルメタクリレート)である。イオン伝導性を有する高分子は、例えば、PEO(ポリエチレンオキシド)やPPO(ポリプロピレンオキシド)である。粘度調製溶媒は、DMCに限定されない。 The host polymer is not limited to PVDF-HFP, and other polymers that do not have lithium ion conductivity or polymers that have ion conductivity (solid polymer electrolyte) can also be applied. Other polymers having no lithium ion conductivity are, for example, PAN (polyacrylonitrile) and PMMA (polymethyl methacrylate). Examples of the polymer having ion conductivity include PEO (polyethylene oxide) and PPO (polypropylene oxide). The viscosity adjusting solvent is not limited to DMC.
シール部前駆体形成工程にいては、実施の形態1と同様に、第1シール部前駆体214、セパレータ220および第2シール部前駆体216が配置される。
In the seal portion precursor forming step, the first
電極セット工程においては、保持機構(クリップ機構253)、支持構造体154、受け台156、位置センサ158および制御部(不図示)を有する電極ストッカ250を使用することで、実施の形態1と同様に、6枚の双極型電池210(210A〜210F)が、負極面を上にした状態で、電極ストッカ250にセットされる。なお、最下位に保持される双極型電池210Fは、正極側のゲルポリマー電解質層218、第1シール部前駆体214、第2シール部前駆体216およびセパレータ220を有していない。
In the electrode setting step, an
真空導入工程においては、真空手段、プレス手段および制御部を有する真空処理装置を使用することで、実施の形態1と同様に、双極型電池210を保持している電極ストッカが、真空チャンバの基部に配置されると、真空チャンバの内部が、真空状態に保持される。 In the vacuum introduction process, by using a vacuum processing apparatus having a vacuum unit, a press unit, and a control unit, the electrode stocker holding the bipolar battery 210 is connected to the base of the vacuum chamber as in the first embodiment. When placed in the vacuum chamber, the inside of the vacuum chamber is maintained in a vacuum state.
電極積層工程においては、真空下で、保持機構(クリップ機構253)および受け台256は、双極型電池210の面方向に対して垂直な方向に関し、Z軸移動手段によって相対移動する。相対移動は、双極型電池210のブレを抑制するため、双極型電池210が精度良く積層される。
In the electrode stacking step, the holding mechanism (clip mechanism 253) and the
そして、支持構造体254のクリップ機構253に把持されている双極型電池210が、受け台256に接触するタイミングで、クリップ機構253の駆動ロッドが制御され、双極型電池210の把持を解消する。
Then, when the bipolar battery 210 held by the
一方、位置センサ258が、双極型電池210の相対移動の際における位置ズレを検出すると、XY軸移動手段が制御され、受け台256の面方向の位置が調整される。これにより、積層精度がさらに向上する。また、受け台256は、保持機構と無関係のため、受け台256の移動は、双極型電池210の位置に影響を及ぼさず、位置ズレの調整が容易である。
On the other hand, when the
そして、受け台256に対する支持構造体254の移動を継続することで、双極型電池210F〜210Aが、順次積層される。
Then, by continuing the movement of the
以上のように、双極型電池210のブレが抑制され、双極型電池を精度良く積層することができる。したがって、双極型電池210を構成する双極型電極および電解質層のずれの発生が抑制され、内部短絡の発生が避けられるため、不良品の発生を削減することが可能となる。 As described above, blurring of the bipolar battery 210 is suppressed, and the bipolar batteries can be stacked with high accuracy. Therefore, the occurrence of displacement between the bipolar electrode and the electrolyte layer constituting the bipolar battery 210 is suppressed, and the occurrence of an internal short circuit can be avoided, so that the occurrence of defective products can be reduced.
また、真空下での積層のため、電極および電解質層の積層界面に対する気泡の混入が抑制される。その結果、気泡の混入が抑制された双極型電池が得られるため、使用時におけるイオンの移動は、害されず、電池抵抗は増大しないため、高出力密度を達成することができる。 In addition, since the layers are stacked under vacuum, mixing of bubbles with respect to the stack interface between the electrode and the electrolyte layer is suppressed. As a result, a bipolar battery in which mixing of air bubbles is suppressed is obtained, and movement of ions during use is not harmed and battery resistance does not increase, so that a high output density can be achieved.
プレス工程においては、積層体200が、真空状態を維持した状態で、加熱プレスされる。プレス条件は、面圧1kg/cm2かつ80℃の状態での1時間保持である。これにより、第1シール部前駆体および第2シール部前駆体が硬化し、所定の厚みの第1シールおよび第2シールが形成される。また、ゲルポリマー電解質層218,219は、可塑化し、所定の厚みを有することなる。 In the pressing step, the laminated body 200 is heated and pressed while maintaining a vacuum state. The pressing condition is holding for 1 hour at a surface pressure of 1 kg / cm 2 and 80 ° C. Accordingly, the first seal portion precursor and the second seal portion precursor are cured, and the first seal and the second seal having a predetermined thickness are formed. Further, the gel polymer electrolyte layers 218 and 219 are plasticized and have a predetermined thickness.
また、加熱下でプレスされるため、第1シール部前駆体214および第2シール部前駆体216の硬化、ゲルポリマー電解質層218,219の完成が同時に実施されるため、製造工程の短縮を図ることができる。
In addition, since the pressing is performed under heating, the first
真空解除工程においては、真空チャンバの真空状態が解除され、積層体200が取り出される。 In the vacuum releasing step, the vacuum state of the vacuum chamber is released and the stacked body 200 is taken out.
以上のように、実施の形態2は、良好な歩留まりを達成し得るゲルポリマー電解質系双極型電池の製造方法および製造装置を、提供することができる。 As described above, Embodiment 2 can provide a gel polymer electrolyte bipolar battery manufacturing method and manufacturing apparatus that can achieve a good yield.
なお、実施の形態2に係る双極型電池の内部短絡試験結果は、図18に示される実施の形態1と同様であり、比較例と比較し、不良品の発生が抑制されており、歩留まりが向上している。 In addition, the internal short circuit test result of the bipolar battery according to the second embodiment is the same as that of the first embodiment shown in FIG. 18, and the occurrence of defective products is suppressed as compared with the comparative example, and the yield is high. It has improved.
また、ゲルポリマー電解質層218,219は、ポリマー骨格に電解液を保持した熱可塑型であるため、漏液が防止され、液絡を防ぎ信頼性の高い双極型電池を構成することが可能である。ゲルポリマー電解質は、熱可塑型に限定されず、熱可塑型を適用することも可能である。この場合も、漏液が防止され、液絡を防ぐことが可能である。 In addition, since the gel polymer electrolyte layers 218 and 219 are of a thermoplastic type in which an electrolytic solution is held in a polymer skeleton, it is possible to prevent leakage and prevent a liquid junction and constitute a highly reliable bipolar battery. is there. The gel polymer electrolyte is not limited to the thermoplastic type, and a thermoplastic type can also be applied. Also in this case, leakage is prevented and a liquid junction can be prevented.
次に、実施の形態3を説明する。 Next, a third embodiment will be described.
図23は、実施の形態3に係る双極型電池の製造方法を説明するための工程図である。 FIG. 23 is a process diagram for explaining the manufacturing method of the bipolar battery according to the third embodiment.
実施の形態3に係る双極型電池は、全固体電解質系であり、その製造方法は、電極形成工程、電解質層形成工程、電極セット工程、真空導入工程、電極積層工程、プレス工程および真空解除工程を有する。 The bipolar battery according to Embodiment 3 is an all-solid electrolyte system, and the manufacturing method thereof includes an electrode forming process, an electrolyte layer forming process, an electrode setting process, a vacuum introducing process, an electrode stacking process, a pressing process, and a vacuum releasing process. Have
次に、各工程を順次説明する。図24は、図23に示される固体電解質層の形成を説明するための断面図、図25は、図23に示される電極セット工程の形成を説明するための断面図、図26は、実施の形態3に係る真空処理装置を説明するための概略図である。 Next, each step will be described sequentially. 24 is a cross-sectional view for explaining the formation of the solid electrolyte layer shown in FIG. 23, FIG. 25 is a cross-sectional view for explaining the formation of the electrode setting step shown in FIG. 23, and FIG. It is the schematic for demonstrating the vacuum processing apparatus which concerns on the form 3.
電極形成工程においては、まず、正極スラリーが調整される。正極スラリーは、正極活物質[22重量%]、導電助剤[6重量%]、ポリマー[18重量%]、支持塩としてのリチウム塩[9重量%]、スラリー粘度調整溶媒[45重量%]、および、微量の重合開始剤を含んでいる。 In the electrode forming step, first, the positive electrode slurry is adjusted. The positive electrode slurry comprises a positive electrode active material [22% by weight], a conductive auxiliary agent [6% by weight], a polymer [18% by weight], a lithium salt [9% by weight] as a supporting salt, and a slurry viscosity adjusting solvent [45% by weight]. And a small amount of a polymerization initiator.
正極活物質は、LiMn2O4である。導電助剤は、アセチレンブラックである。ポリマーは、ポリエチレンオキシド(PEO)である。リチウム塩は、Li(C2F5SO2)2Nである。スラリー粘度調整溶媒は、NMPである。重合開始剤は、AIBN(アゾビスイソブチロニトリル)である。 The positive electrode active material is LiMn 2 O 4 . The conductive auxiliary agent is acetylene black. The polymer is polyethylene oxide (PEO). The lithium salt is Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N. The slurry viscosity adjusting solvent is NMP. The polymerization initiator is AIBN (azobisisobutyronitrile).
正極スラリーは、ステンレススチール箔からなる集電体311の一方の面に塗布される。正極スラリーの塗膜は、例えば、オーブンを利用して、110℃かつ4時間保持され、熱重合により硬化することで、正極活物質層からなる正極313が形成される。
The positive electrode slurry is applied to one surface of a
次に、負極スラリーが調整される。負極スラリーは、負極活物質[14重量%]、導電助剤[4重量%]、ポリマー[20重量%]、支持塩としてのリチウム塩[11重量%]、スラリー粘度調整溶媒[51重量%]、および、微量の重合開始剤を含んでいる。 Next, the negative electrode slurry is adjusted. The negative electrode slurry comprises a negative electrode active material [14% by weight], a conductive auxiliary agent [4% by weight], a polymer [20% by weight], a lithium salt [11% by weight] as a supporting salt, and a slurry viscosity adjusting solvent [51% by weight]. And a small amount of a polymerization initiator.
負極活物質は、Li4Ti5O12である。導電助剤は、アセチレンブラックである。ポリマーは、PEOである。リチウム塩は、Li(C2F5SO2)2Nである。スラリー粘度調整溶媒は、NMPである。重合開始剤は、AIBNである。 The negative electrode active material is Li 4 Ti 5 O 12 . The conductive auxiliary agent is acetylene black. The polymer is PEO. The lithium salt is Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N. The slurry viscosity adjusting solvent is NMP. The polymerization initiator is AIBN.
負極スラリーは、集電体311の他方の面に、塗布される。負極スラリーの塗膜は、例えば、オーブンを利用して、110℃かつ4時間保持され、熱重合により硬化することで、負極活物質層からなる負極312が形成される。
The negative electrode slurry is applied to the other surface of the
この結果、集電体311の一方の面および他方の面に、正極313および負極312がそれぞれ形成された双極型電極(電解質層が未形成の双極型電池310)が得られる。
As a result, a bipolar electrode in which the
双極型電池310は、330×250(mm)のサイズに切り取られる。正極313および負極312の外周部は、集電体311を露出させるために、10mmの幅で剥がし取られる。
The bipolar battery 310 is cut to a size of 330 × 250 (mm). The outer peripheral portions of the
電解質層形成工程においては、まず、固体電解質スラリーが調整される。固体電解質スラリーは、ポリマー[64.5重量%]および支持塩としてのリチウム塩[35.5重量%]を含んでおり、粘度調製溶媒によって所定の粘度とされている。 In the electrolyte layer forming step, first, a solid electrolyte slurry is prepared. The solid electrolyte slurry contains a polymer [64.5% by weight] and a lithium salt [35.5% by weight] as a supporting salt, and has a predetermined viscosity by a viscosity adjusting solvent.
ポリマーは、PEOである。リチウム塩は、Li(C2F5SO2)2Nである。粘度調製溶媒は、アセトニトリルである。ポリマーは、PEOに限定されず、その他の固体高分子電解質(例えば、PPO)や、セラミックなどのイオン伝導性を持つ無機固体型電解質を適用することも可能である。 The polymer is PEO. The lithium salt is Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N. The viscosity adjusting solvent is acetonitrile. The polymer is not limited to PEO, and other solid polymer electrolytes (for example, PPO) and inorganic solid electrolytes having ion conductivity such as ceramics can also be applied.
固体電解質スラリーは、正極313の電極部分のみに塗布される。固体電解質スラリーの塗布層は、乾燥させることで粘度調製溶媒が揮発し、40μmの全固体電解質層339が形成される。全固体電解質層339においては、漏液は皆無となり、信頼性の高い双極型電池を構成できる。
The solid electrolyte slurry is applied only to the electrode portion of the
一方、集電体311が露出している双極型電池310の正極側外周部には、絶縁材料315が配置される。絶縁材料315は、例えば、ポリイミド製カプトンテープである。
On the other hand, an insulating
電極セット工程においては、保持機構(クリップ機構353)、支持構造体354、受け台356、位置センサ358および制御部(不図示)を有する電極ストッカ350を使用することで、実施の形態1と同様に、6枚の双極型電池310(310A〜310F)が、負極面を上にした状態で、電極ストッカ350にセットされる。なお、最下位に保持される双極型電池310Fは、正極313、全固体電解質層339および絶縁材料315を有していない。最上位に保持される双極型電池310Aは、負極312を有していない。
In the electrode setting process, an
真空導入工程においては、真空手段362、プレス手段372および制御部378を有する真空処理装置360を使用することで、実施の形態1と同様に、双極型電池310を保持している電極ストッカ350が、真空チャンバ363の基部に配置されると、真空チャンバ363の内部が、真空状態に保持される。
In the vacuum introduction process, by using the
電極積層工程においては、真空下で、保持機構(クリップ機構353)および受け台356は、双極型電池310の面方向に対して垂直な方向に関し、Z軸移動手段によって相対移動する。相対移動は、双極型電池310のブレを抑制するため、双極型電池310が精度良く積層される。
In the electrode stacking step, the holding mechanism (clip mechanism 353) and the
そして、支持構造体354のクリップ機構353に把持されている双極型電池310が、受け台356に接触するタイミングで、クリップ機構353の駆動ロッドが制御され、双極型電池310の把持を解消する。
Then, when the bipolar battery 310 held by the
一方、位置センサ358が、双極型電池310の相対移動の際における位置ズレを検出すると、XY軸移動手段が制御され、受け台356の面方向の位置が調整される。これにより、積層精度がさらに向上する。また、受け台356は、保持機構と無関係のため、受け台356の移動は、双極型電池310の位置に影響を及ぼさず、位置ズレの調整が容易である。
On the other hand, when the position sensor 358 detects a positional shift during the relative movement of the bipolar battery 310, the XY-axis moving means is controlled, and the position in the surface direction of the
そして、受け台356に対する支持構造体354の移動を継続することで、双極型電池210F〜210Aが、順次積層される。
Then, by continuing the movement of the
以上のように、双極型電池310のブレが抑制され、双極型電池を精度良く積層することができる。したがって、双極型電池310を構成する双極型電極および電解質層のずれの発生が抑制され、内部短絡の発生が避けられるため、不良品の発生を削減することが可能となる。 As described above, blurring of the bipolar battery 310 is suppressed, and the bipolar batteries can be stacked with high accuracy. Therefore, the occurrence of displacement between the bipolar electrode and the electrolyte layer constituting the bipolar battery 310 is suppressed and the occurrence of an internal short circuit can be avoided, so that the occurrence of defective products can be reduced.
また、真空下での積層のため、電極および電解質層の積層界面に対する気泡の混入が抑制される。その結果、気泡の混入が抑制された双極型電池が得られるため、使用時におけるイオンの移動は、害されず、電池抵抗は増大しないため、高出力密度を達成することができる。 In addition, since the layers are stacked under vacuum, mixing of bubbles with respect to the stack interface between the electrode and the electrolyte layer is suppressed. As a result, a bipolar battery in which mixing of air bubbles is suppressed is obtained, and movement of ions during use is not harmed and battery resistance does not increase, so that a high output density can be achieved.
プレス工程においては、積層体300が、真空状態を維持した状態で、プレスされる。プレス条件は、面圧1kg/cm2かつ常温の状態での3分間保持である。これにより、負極312と全固体電解質層339が密着する。実施の形態3に係るプレス工程は、加熱プレスが適用されないため、真空処理装置360のプレス手段372の下部プレスプレート374および上部プレスプレート376には、加熱手段が配置されていない。なお、符号364および365は、真空ポンプおおび配管系を示している。
In the pressing step, the
真空解除工程においては、真空チャンバ363の真空状態が解除され、積層体300が取り出される。
In the vacuum releasing step, the vacuum state of the
以上のように、実施の形態3は、良好な歩留まりを達成し得る全固体電解質系双極型電池の製造方法および製造装置を、提供することができる。 As described above, Embodiment 3 can provide a manufacturing method and a manufacturing apparatus of an all-solid electrolyte bipolar battery that can achieve a good yield.
なお、実施の形態3に係る双極型電池の内部短絡試験結果は、図18に示される実施の形態1と同様であり、比較例と比較し、不良品の発生が抑制されており、歩留まりが向上している。ただし、初回充電条件は、12.5V−0.5Cで4時間である。また、NGと評価された比較例を、解体調査を行った結果、電極のずれによるシール不良が確認された。 In addition, the internal short circuit test result of the bipolar battery according to the third embodiment is the same as that of the first embodiment shown in FIG. 18, and the occurrence of defective products is suppressed as compared with the comparative example, and the yield is increased. It has improved. However, initial charge conditions are 4 hours at 12.5V-0.5C. Further, as a result of conducting a disassembly investigation on the comparative example evaluated as NG, a seal failure due to electrode displacement was confirmed.
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made within the scope of the claims.
例えば、実施の形態1に係る変形例(初充電工程および充放電装置)を、実施の形態2および実施の形態3に適用することで、電池の出力密度を向上させることも可能である。なお、実施の形態3に係る初充電条件は、例えば、正極の塗布重量から概算された容量ベースで、2.5V−0.5Cで4時間である。 For example, it is possible to improve the output density of the battery by applying the modification (the first charging step and the charging / discharging device) according to the first embodiment to the second and third embodiments. The initial charging condition according to Embodiment 3 is, for example, a capacity base estimated from the coating weight of the positive electrode and is 2.5 V-0.5 C for 4 hours.
以下、実施例を用いて本発明を詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail using examples.
実施例1〜10及び比較例1〜3
(I)双極型二次電池の作製工程
<双極型電極の作製>
1.正極の形成
以下の材料を所定の比で混合して正極スラリーを作製した。詳しくは、正極活物質、導電助剤、バインダーを所定の量(表1A〜表1C参照)を、NMPを用いて塗布工程に最適な粘度になるまで添加、混合して正極スラリーを調製した。なお、いずれの実施例及び比較例にも、導電助剤にはアセチレンブラックを、バインダにはPVdFを用いた。
Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 to 3
(I) Production process of bipolar secondary battery <Production of bipolar electrode>
1. Formation of Positive Electrode The following materials were mixed at a predetermined ratio to produce a positive electrode slurry. Specifically, a positive electrode active material, a conductive additive, and a binder were added and mixed in predetermined amounts (see Tables 1A to 1C) until the viscosity became optimum for the coating process using NMP to prepare a positive electrode slurry. In all of the examples and comparative examples, acetylene black was used as the conductive auxiliary agent and PVdF was used as the binder.
次に、厚さ15μmの集電体(表1A〜表1C参照)の片面に、上記正極スラリーを塗布し、乾燥させて厚さ30μmの電極層の正極を形成した。 Next, the positive electrode slurry was applied to one side of a current collector having a thickness of 15 μm (see Tables 1A to 1C) and dried to form a positive electrode having an electrode layer having a thickness of 30 μm.
2.負極の形成
以下の材料を所定の比で混合して負極スラリーを作製した。詳しくは、負極活物質、導電助剤、バインダーを所定の量(表1A〜表1C参照)を、NMPを用いて塗布工程に最適な粘度になるまで添加、混合して負極スラリーを調整した。なお、いずれの実施例及び比較例にも、導電助剤にはアセチレンブラックを、バインダにはPVdFを適宜用いた。
2. Formation of Negative Electrode The following materials were mixed at a predetermined ratio to prepare a negative electrode slurry. Specifically, a negative electrode active material, a conductive auxiliary agent, and a binder were added and mixed in predetermined amounts (see Tables 1A to 1C) until the viscosity became optimum for the coating process using NMP to prepare a negative electrode slurry. In all of the examples and comparative examples, acetylene black was appropriately used as the conductive additive and PVdF was appropriately used as the binder.
次に、正極を形成した集電体の反対面に、上記負極スラリーを塗布し、乾燥させて厚さ30μmの電極層の負極を形成した。この際、正極面積と負極面積を同じとし、正極と負極の集電体への投影図が一致するように調整して正極及び負極を形成した。 Next, the negative electrode slurry was applied to the opposite surface of the current collector on which the positive electrode was formed and dried to form a negative electrode having a 30 μm thick electrode layer. At this time, the positive electrode area and the negative electrode area were the same, and the positive electrode and the negative electrode were formed by adjusting the positive electrode and the negative electrode so that projections onto the current collector coincided with each other.
3.双極型電極の作製
集電体の両面に正極と負極がそれぞれ形成されることにより、双極型電極が形成された。これらの双極型電極を縦330mm×横250mmに切り取り、正極及び負極共に外周部は20mmを剥がしとることにより、集電体の表面を露出させた。これにより、電極面が縦290mm×横210mmであり、外周部に20mmの集電体が露出した双極型電極を作製した(図6〜8参照)。
3. Production of Bipolar Electrode A bipolar electrode was formed by forming a positive electrode and a negative electrode on both sides of the current collector. These bipolar electrodes were cut into a length of 330 mm and a width of 250 mm, and the outer surface of both the positive electrode and the negative electrode was peeled off by 20 mm to expose the surface of the current collector. As a result, a bipolar electrode having an electrode surface of 290 mm long × 210 mm wide and having a current collector of 20 mm exposed on the outer peripheral portion was produced (see FIGS. 6 to 8).
<電解質層の形成>
以下の材料を所定の比で混合して電解質材料を作製した。
<Formation of electrolyte layer>
The following materials were mixed at a predetermined ratio to produce an electrolyte material.
電解液として、1.0M LiPF6含有のプロピレンカーボネート(PC)+エチレンカーボネート(EC)(1:1)90wt%、ホストポリマーとして、HFP成分を10%含むポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレンコポリマー(PVdF−HFP)10wt%、および粘度調整溶媒として、塗布工程に最適な粘度になるまでジメチルカーボネート(DMC)を混合してプレゲル電解質を調製した。 Polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVdF) containing propylene carbonate (PC) containing 1.0 M LiPF 6 +90 wt% of ethylene carbonate (EC) (1: 1) as an electrolyte and 10% of HFP component as a host polymer -HFP) 10 wt% and, as a viscosity adjusting solvent, dimethyl carbonate (DMC) was mixed until the viscosity became optimum for the coating process to prepare a pregel electrolyte.
このプレゲル電解質を先に形成された双極型電極両面の正極及び負極電極部に塗布し、真空乾燥によりDMCを除去、乾燥させることで、ゲル電解質の染み込んだ双極型電極を完成させた(図6〜8参照)。 This pregel electrolyte was applied to the positive and negative electrode portions on both sides of the bipolar electrode formed in advance, and the DMC was removed by drying under vacuum and dried to complete the bipolar electrode soaked with the gel electrolyte (FIG. 6). ~ 8).
<シール部前駆体の形成>
上記で得られた双極型電極の正極周辺部の電極未塗布部分にディスペンサを用いて、図9〜図10のように正極の外周部(4辺全て)に第1シール部前駆体(1液性未硬化エポキシ樹脂)を塗布した。
<Formation of seal part precursor>
Using a dispenser on the electrode-unapplied portion in the periphery of the positive electrode of the bipolar electrode obtained above, the first seal portion precursor (one liquid) is formed on the outer periphery (all four sides) of the positive electrode as shown in FIGS. Non-cured epoxy resin).
次に縦340mm×横260mmのポリエチレンセパレータ(厚さ12μm;以下、スペーサともいう)を、上記第1シール部前駆体を備えた双極型電極の正極側に集電体すべてを覆うように設置した。 Next, a polyethylene separator having a length of 340 mm and a width of 260 mm (thickness: 12 μm; hereinafter also referred to as a spacer) was installed on the positive electrode side of the bipolar electrode provided with the first seal portion precursor so as to cover the entire current collector. .
その後、上記スペーサの上から、電極未塗布部分(前記第1シール部前駆体を塗布した部分と同じ部分)にディスペンサを用いて、図21、図11〜図12のように正極の外周部(4辺全て)に第2シール部前駆体(1液性未硬化エポキシ樹脂)を塗布した。 Then, from the top of the spacer, using a dispenser on the electrode non-applied portion (the same portion as the portion where the first seal portion precursor is applied), the outer peripheral portion of the positive electrode as shown in FIGS. The second seal portion precursor (one-component uncured epoxy resin) was applied to all four sides.
なお、ここでは、セパレータ内部(含浸)とその上部(電極外周部の電極未塗布部分に相当する位置)に第2シール部前駆体が位置するように、必要に応じて数回に分けて塗布してもよい。ただし、後述する熱プレス処理の際に、かかるセパレータ内部に第1ないし第2シール部前駆体を含浸、硬化させることができるため、当該塗布時には含浸させなくてもよい。第2シール部前駆体の塗布位置については、前記第1シール部前駆体を塗布した部分と同じ部分(スペーサを挟んで対向する位置)となるようにした。すなわち、第1シール部前駆体及び第2シール部前駆体の集電体(ないしセパレータ)への投影図が一致するように調整して第1シール部前駆体及び第2シール部前駆体を形成した。 Here, it is applied in several times as necessary so that the second seal portion precursor is located inside the separator (impregnation) and above it (position corresponding to the electrode non-applied portion of the electrode outer peripheral portion). May be. However, since the first or second seal portion precursor can be impregnated and cured inside the separator during the hot press treatment described later, it is not necessary to impregnate the separator during the application. The application position of the second seal portion precursor was the same as the portion where the first seal portion precursor was applied (position facing the spacer). That is, the first seal portion precursor and the second seal portion precursor are formed by adjusting the projections of the first seal portion precursor and the second seal portion precursor onto the current collector (or separator) to coincide with each other. did.
<電極保持機構へのセット>
上記で作成した双極型電極を負極面を上にした状態で、各電極が接触せずかつ電極の面方向に対して垂直方向にずれがなく電極およびシール部位(シール部前駆体塗布部)の外側をチャックすることのできるクリップ機構を備えてなる双極型電極保持機構(支持構造体)に6枚セットをした(図22、図14、図25参照)。このうち、一番下の双極型電極は、シール部位(第1及び第2シール部前駆体)およびセパレータ(スペーサ)は設置しておらず、ゲル電解質は正極面に塗布されていないものを用いた。また、一番上の双極型電極は、ゲル電解質が負極面に塗布されていないものを用いた。あとの4枚の双極型電極は、シール部位(第1及び第2シール部前駆体)およびセパレータ(スペーサ)を備えており、ゲル電解質も正極面および負極面に塗布されていないものを用いた。
<Set to electrode holding mechanism>
With the bipolar electrode created above, with the negative electrode face up, the electrodes do not contact and do not shift in the direction perpendicular to the electrode surface direction. Six sets of bipolar electrode holding mechanisms (support structures) having a clip mechanism capable of chucking the outside were set (see FIGS. 22, 14, and 25). Of these, the bottom bipolar electrode uses a seal portion (first and second seal portion precursors) and a separator (spacer), and the gel electrolyte is not applied to the positive electrode surface. It was. The top bipolar electrode used was one in which the gel electrolyte was not applied to the negative electrode surface. The other four bipolar electrodes were provided with a seal portion (first and second seal portion precursors) and a separator (spacer), and the gel electrolyte was not applied to the positive electrode surface and the negative electrode surface. .
<真空への導入>
上記電極保持機構を積層部位および加圧、加熱プレス部位を有する真空チャンバ内に導入し、真空チャンバ内を真空ポンプにより真空にした(図19、図15、図26参照)。
<Introduction to vacuum>
The electrode holding mechanism was introduced into a vacuum chamber having a laminated portion and a pressurizing / heating press portion, and the vacuum chamber was evacuated by a vacuum pump (see FIGS. 19, 15, and 26).
<電極の積層>
真空チャンバ内の上記電極保持機構(支持構造体)を下降させながら電極受け台上に前記6枚の双極型電極をずれのないように積層し(図16参照)、真空中で単電池が5積層された双極型電池構造体(積層体)を作製した。
<Lamination of electrodes>
While the above-mentioned electrode holding mechanism (support structure) in the vacuum chamber is lowered, the six bipolar electrodes are stacked on the electrode base so as not to be displaced (see FIG. 16). A laminated bipolar battery structure (laminated body) was produced.
<双極型電池のプレス>
上記双極型電池構造体(積層体)を真空中で電極受け台ごとプレス部位に移動し、熱プレス機により面圧1kg/cm2、80℃で1時間熱プレスすることにより、ゲル電解質を可塑化させ電極間距離(正極−負極間)をセパレータの厚みまでプレスすると同時に未硬化のシール部位(第1及び第2シール部前駆体;1液性未硬化エポキシ樹脂)を硬化した。この工程によりシール部を所定の厚みまでプレス、さらに硬化を行うことが可能になる(図17参照)。また、当該熱プレス処理により、可塑化されたゲル電解質がセパレータに含浸される。これにより、電極内部にゲル電解質を保持すると共に、当該セパレータ内部にもゲル電解質を含有してなる電解質層を完成することができる。
<Bipolar battery press>
The bipolar battery structure (laminated body) is moved to the press site together with the electrode base in a vacuum, and the gel electrolyte is plasticized by hot pressing with a hot press machine at a surface pressure of 1 kg / cm 2 and 80 ° C. for 1 hour. The distance between the electrodes (between the positive electrode and the negative electrode) was pressed to the thickness of the separator, and at the same time, the uncured seal portion (first and second seal portion precursors; one-component uncured epoxy resin) was cured. This step makes it possible to press and cure the seal portion to a predetermined thickness (see FIG. 17). Further, the separator is impregnated with the plasticized gel electrolyte by the hot press treatment. Thereby, while holding a gel electrolyte inside an electrode, the electrolyte layer which contains a gel electrolyte also in the said separator inside can be completed.
すなわち、当該熱プレス処理により、電極内部にゲル電解質を保持すると共にセパレータ内部にもゲル電解質を含有してなる電解質層を形成することができるように、先の電解質層の形成工程において、電極へのプレゲル電解質の塗布量を調整すればよい。 That is, in the previous electrolyte layer forming step, the electrode is formed in the above electrolyte layer so that the gel electrolyte can be held inside the electrode and the electrolyte layer containing the gel electrolyte can be formed inside the separator. The amount of the pregel electrolyte applied may be adjusted.
<真空チャンバからの取り出し>
上記真空チャンバ内をリークし大気圧に戻した後に双極型電池構造体(積層体)を取り出し、ゲル電解質型の双極型電池を完成させた(図17参照)。
<Removal from vacuum chamber>
After the inside of the vacuum chamber was leaked and returned to atmospheric pressure, the bipolar battery structure (laminated body) was taken out to complete a gel electrolyte type bipolar battery (see FIG. 17).
以上の工程により、実施例1〜10及び比較例1〜3の電池を作製した。 The batteries of Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 to 3 were manufactured through the above steps.
<評価>
実施例1〜10および比較例1〜3それぞれの電池で充放電試験を行った。実験は100mAの電流で各電池の満充電(表1A〜表1C参照)まで定電流(CC)充電し、その後定電圧(CV)で充電し、あわせて10時間充電した。
<Evaluation>
A charge / discharge test was performed on the batteries of Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 to 3. In the experiment, constant current (CC) charging was performed until each battery was fully charged (see Tables 1A to 1C) with a current of 100 mA, and then charging was performed with a constant voltage (CV) for 10 hours.
その後、これらの電池を100mAの電流で定電流(CC)充電した後、定電流(CC)放電しこれを1サイクルとして、このサイクルを55℃で繰り返し行った(サイクル試験)。 Thereafter, these batteries were charged with a constant current (CC) at a current of 100 mA, then discharged with a constant current (CC), and this cycle was repeated at 55 ° C. (cycle test).
以下の表2A〜表2Cは、サイクル試験の結果であり、サイクル数は容量が60%をきったところでサイクル終了とした。 The following Tables 2A to 2C show the results of the cycle test. The number of cycles was determined to be the end of the cycle when the capacity reached 60%.
比較例1〜3の結果を比較すると、比較例1は、比較例2〜3よりもサイクル特性がよく、ステンレス316Lを用いることで耐久性が向上している。これは比較例2では、集電体であるCuが溶出したことに起因するものと考えられる。比較例3では、集電体であるAlがLiと合金化したことに起因するものと考えられる。 Comparing the results of Comparative Examples 1-3, Comparative Example 1 has better cycle characteristics than Comparative Examples 2-3, and durability is improved by using stainless steel 316L. This is considered to be attributable to the fact that Cu as a current collector was eluted in Comparative Example 2. In Comparative Example 3, it is considered that the current collector Al is alloyed with Li.
しかし、比較例1においても、132サイクル目で急激に電圧が低下した。したがって、特許文献1(特開2001−236946号公報)で示される集電体に合金であるステンレス鋼(今回はSUS316Lであり、特許文献1内に記載される一番よい形態)を用いてもサイクル数が増えた場合は問題が生じる。サイクルが終了した電池を解体すると、集電体であるSUS316Lの正極側に腐食(孔食)が原因と考えられるピンホールが生じており、これにより液絡が発生し電圧が低下したものと考えられる。 However, also in Comparative Example 1, the voltage suddenly decreased at the 132nd cycle. Therefore, even if the current collector shown in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-236946) is made of stainless steel as an alloy (this time, it is SUS316L, the best mode described in Patent Document 1). Problems arise when the number of cycles increases. When the battery after the cycle is dismantled, a pinhole is considered to be caused by corrosion (pitting corrosion) on the positive electrode side of the current collector SUS316L. It is done.
実施例1〜3、5、10と比較例1を比較すると、実施例1〜3はサイクル数が伸びている。この結果は詳しいメカニズムは明らかでないが正極側の作動電位がオリビン正極を用いることで下げることが可能となり腐食の発生が抑えられているものと考えられる。正極側の作動電位がオリビン正極を用いることで下げることが可能となり腐食の発生が抑えられているものと考えられる。また、実施例3、5、10では比較的安価なSUS304などでも効果があることがわかる。 When Examples 1 to 3, 5, and 10 are compared with Comparative Example 1, Examples 1 to 3 have an increased number of cycles. Although the detailed mechanism is not clear from this result, it is considered that the working potential on the positive electrode side can be lowered by using the olivine positive electrode, and the occurrence of corrosion is suppressed. It is considered that the working potential on the positive electrode side can be lowered by using the olivine positive electrode, and the occurrence of corrosion is suppressed. In Examples 3, 5, and 10, it can be seen that SUS304, which is relatively inexpensive, is effective.
実施例6〜10と比較例1を比較すると、実施例6〜10はサイクル数がさらに伸びている。この結果は詳しいメカニズムは明らかでないが負極側の作動電位がチタン酸リチウムを用いることで上げることが可能となり、Liとの合金化を防いでいるものと考えられる。実施例6、実施例9、実施例10からチタン酸リチウム負極に対し、さまざまな正極材料を組み合わせても効果があることが確認できる。また、実施例8〜10の電池と実施例1〜3の電池の重量を比較すると、実施例8〜10の電池は1/2の重量であった。これはAlを集電体材料として使用できるためと考えられ、これにより出力密度、容量密度は向上することが確認できた。 When Examples 6 to 10 are compared with Comparative Example 1, Examples 6 to 10 have a further increased number of cycles. Although the detailed mechanism is not clear from this result, the operating potential on the negative electrode side can be increased by using lithium titanate, and is considered to prevent alloying with Li. From Example 6, Example 9, and Example 10, it can be confirmed that various positive electrode materials can be combined with the lithium titanate negative electrode. Further, when the weights of the batteries of Examples 8 to 10 and the batteries of Examples 1 to 3 were compared, the batteries of Examples 8 to 10 were 1/2 weight. This is considered to be because Al can be used as a current collector material, and it was confirmed that the output density and the capacity density were improved.
実施例4と比較例1を比較すると、集電体にチタンを用いることでサイクル数が向上していることがわかる。また、重量を比較してもチタンでは2/3となっており、これにより出力密度、容量密度は向上することが確認できた。 When Example 4 and Comparative Example 1 are compared, it can be seen that the number of cycles is improved by using titanium for the current collector. Moreover, even when the weight was compared, it was 2/3 for titanium, and it was confirmed that the power density and the capacity density were improved.
尚、実施例1〜10および比較例1〜3それぞれの電池に使用した集電体の溶出電位及びLi合金化電位を表3に、正極及び負極の酸化還元電位を表4に、各実施例の正極及び負極の酸化還元電位及び集電体の溶出電位及びLi合金化電位を表5A〜表5Cに示す。 The elution potential and Li alloying potential of the current collectors used in the batteries of Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 to 3 are shown in Table 3, the redox potentials of the positive electrode and the negative electrode are shown in Table 4, and each example. Tables 5A to 5C show the oxidation-reduction potential of the positive electrode and the negative electrode, the elution potential of the current collector, and the Li alloying potential.
注記)上記表3、5の溶出電位では、集電体が溶出するよりも先に電解液[=EC−DEC(1:1) 1M LIPF6]の分解が生じたものについては、それ以上の測定は困難であることから、測定を停止した。こうした集電体種については、少なくともその集電体の溶出電位が、当該電解液の分解電位(=6V)以上であることから、表3及び表5では、集電体の溶出電位を6V以上(電解液分解以上)としている。なお、電解質の分解電位が高い電解質種に変更して更なる実験を行うこともできるが、表5に示すように、正極の酸化還元電位が、いずれも4.2V以下であったため、かかる実験により、少なくとも正極活物質の酸化還元電位が、集電体の溶出電位よりも低いことが明確になっていることから、更なる溶出電位の測定実験は行わなかった。 Note) With the elution potentials in Tables 3 and 5 above, the breakdown of the electrolyte [= EC-DEC (1: 1) 1M LIPF 6 ] occurred before the current collector eluted. Since the measurement was difficult, the measurement was stopped. For such current collector species, at least the elution potential of the current collector is equal to or higher than the decomposition potential (= 6 V) of the electrolyte solution. Therefore, in Tables 3 and 5, the elution potential of the current collector is 6 V or higher. (More than electrolyte decomposition). Further experiments can be performed by changing to an electrolyte species having a high decomposition potential of the electrolyte. However, as shown in Table 5, since the redox potentials of the positive electrodes were all 4.2 V or less, such an experiment was performed. Thus, since it has become clear that at least the oxidation-reduction potential of the positive electrode active material is lower than the elution potential of the current collector, no further elution potential measurement experiment was performed.
同様に上記表3、5のLi合金化電位については、最初に集電体の酸化還元電位を印加し、当該印加電圧で電流が流れていれば、徐々に印加電圧を小さくして、電流が流れなくなった電圧をLi合金化電位としているが、計測機器の印加可能な電圧範囲(最小印加電圧0V)では、電流が流れ続け、Li合金化電位を特定できなかったもの(Li析出が進行したもの)については、測定を停止した。こうした集電体種については、少なくともその集電体のLi合金化電位が、当該最小印加電圧(=0V)以下であることから、表3及び表5では、集電体のLi合金化電位を0V以下(Li析出が進行)としている。なお、計測機器をより低電圧まで測定可能なものに変更して更なる実験を行うこともできるが、表5に示すように、負極の酸化還元電位が、いずれも0.05V以上であったため、かかる実験により、少なくとも負極活物質の酸化還元電位が、集電体のLi合金化電位よりも高いことが明確になっていることから、更なるLi合金化電位の測定実験は行わなかった。 Similarly, with respect to the Li alloying potentials in Tables 3 and 5 above, when the oxidation-reduction potential of the current collector is first applied and a current flows at the applied voltage, the applied voltage is gradually reduced to reduce the current. The voltage that stopped flowing was set as the Li alloying potential, but in the voltage range (minimum applied voltage 0 V) that can be applied by the measuring instrument, the current continued to flow, and the Li alloying potential could not be specified (Li precipitation progressed). The measurement was stopped. For these current collector types, at least the Li alloying potential of the current collector is equal to or lower than the minimum applied voltage (= 0 V). Therefore, Table 3 and Table 5 show the Li alloying potential of the current collector. 0 V or less (Li precipitation proceeds). Although further experiments can be performed by changing the measuring instrument to one that can measure to a lower voltage, as shown in Table 5, the redox potentials of the negative electrodes were both 0.05 V or higher. Since this experiment clearly shows that at least the redox potential of the negative electrode active material is higher than the Li alloying potential of the current collector, no further experiment for measuring the Li alloying potential was performed.
10 双極型二次電池、
11 集電体、
11a 正極側の最外層集電体、
11b 負極側の最外層集電体、
13 正極(正極活物質層)、
15 負極(負極活物質層)、
16、16a、16b 双極型電極、
17 電解質層(ゲル電解質層)、
17a セパレータ(電解質未塗布部分)、
19 単電池層(=電池単位ないし単セル)、
21 電池要素(双極型電池構造体;積層体)、
25 正極タブ、
27 負極タブ、
29 電池外装材(たとえばラミネートフィルム)、
31 シール部、
31a シール部前駆体(1液性未硬化エポキシ樹脂)、
35 装脱着可能な小型の組電池、
37 組電池、
39 接続治具、
40 電気自動車、
100 積層体、
101,102 端子プレート、
104 外装ケース、
110(110A〜110F) 双極型電極(電解質層が未形成の双極型電池)、
111 集電体、
112 負極、
113 正極、
114 第1シール部前駆体、
115 第1シール、
116 第2シール部前駆体、
117 第2シール、
120 セパレータ、
150 電極ストッカ、
153 クリップ機構、
154 支持構造体、
156 受け台、
158 位置センサ、
160 真空処理装置、
162 真空手段、
163 真空チャンバ、
164 真空ポンプ、
165 配管系、
172 プレス手段、
174 下部プレスプレート、
175 下部加熱手段、
176 上部プレスプレート、
177 上部加熱手段、
178 制御部、
180 充放電装置、
191 下方アーム、
192 下方段差部、
193 上方アーム、
194 第2上方傾斜部、
195 ガイドブロック、
196 貫通孔、
197 可動ブロック、
198 駆動ロッド、
200 積層体、
210 双極型二次電池、
210(210A〜210F) 双極型電極(電解質層が未形成の双極型電池)、
211 集電体、
212 負極、
213 正極、
214 第1シール部前駆体、
216 第2シール部前駆体、
218,219 ゲルポリマー電解質層、
220 セパレータ、
250 電極ストッカ、
253 クリップ機構、
254 支持構造体、
256 受け台、
258 位置センサ、
300 積層体、
310(310A〜310F) 双極型電極(電解質層が未形成の双極型電池)、
311 集電体、
312 負極、
313 正極、
315 絶縁材料、
339 全固体電解質層、
350 電極ストッカ、
353 クリップ機構、
354 支持構造体、
356 受け台、
358 位置センサ、
360 真空処理装置、
362 真空手段、
363 真空チャンバ、
364 真空ポンプ、
365 配管系、
372 プレス手段、
374 下部プレスプレート、
376 上部プレスプレート、
378 制御部。
10 Bipolar secondary battery,
11 Current collector,
11a The outermost layer current collector on the positive electrode side,
11b The outermost layer current collector on the negative electrode side,
13 positive electrode (positive electrode active material layer),
15 negative electrode (negative electrode active material layer),
16, 16a, 16b bipolar electrode,
17 electrolyte layer (gel electrolyte layer),
17a separator (electrolyte non-application part),
19 single battery layer (= battery unit or single cell),
21 battery element (bipolar battery structure; laminate),
25 positive electrode tab,
27 negative electrode tab,
29 Battery exterior materials (eg laminate films),
31 seal part,
31a Seal part precursor (one-component uncured epoxy resin),
35 A small assembled battery that can be attached and detached,
37 battery pack,
39 Connecting jig,
40 electric car,
100 laminates,
101,102 terminal plate,
104 exterior case,
110 (110A to 110F) bipolar electrode (bipolar battery without an electrolyte layer),
111 current collector,
112 negative electrode,
113 positive electrode,
114 first seal portion precursor,
115 first seal,
116 second seal portion precursor,
117 second seal,
120 separator,
150 electrode stocker,
153 clip mechanism,
154 support structure,
156 cradle,
158 position sensor,
160 vacuum processing equipment,
162 vacuum means,
163 vacuum chamber,
164 vacuum pump,
165 piping system,
172 pressing means,
174 Lower press plate,
175 Lower heating means,
176 Upper press plate,
177 Upper heating means,
178 controller,
180 charging / discharging device,
191 Lower arm,
192 Lower step,
193 Upper arm,
194 second upward inclined portion,
195 guide block,
196 through hole,
197 movable block,
198 Drive rod,
200 laminates,
210 Bipolar secondary battery,
210 (210A to 210F) bipolar electrode (bipolar battery with no electrolyte layer formed),
211 current collector,
212 negative electrode,
213 positive electrode,
214 first seal portion precursor,
216 second seal portion precursor,
218, 219 Gel polymer electrolyte layer,
220 separator,
250 electrode stocker,
253 clip mechanism,
254 support structure,
256 cradle,
258 position sensor,
300 laminates,
310 (310A-310F) bipolar electrode (bipolar battery with no electrolyte layer formed),
311 current collector,
312 negative electrode,
313 positive electrode,
315 insulating material,
339 all solid electrolyte layer,
350 electrode stocker,
353 clip mechanism,
354 support structure,
356 cradle,
358 position sensor,
360 vacuum processing equipment,
362 vacuum means,
363 vacuum chamber,
364 vacuum pump,
365 piping system,
372 press means,
374 Lower press plate,
376 Upper press plate,
378 control unit.
Claims (16)
前記正極の正極活物質の酸化還元電位が前記集電体の溶出電位よりも低く、かつ前記負極の負極活物質の酸化還元電位が前記集電体のリチウム合金化電位よりも高く構成されていることを特徴とする双極型二次電池。 A positive electrode electrically coupled to one surface of the current collector, a negative electrode electrically coupled to the opposite surface of the current collector, and an electrolyte layer disposed therebetween, the alternating layers In the bipolar secondary battery stacked in
The redox potential of the positive electrode active material of the positive electrode is lower than the elution potential of the current collector, and the redox potential of the negative electrode active material of the negative electrode is higher than the lithium alloying potential of the current collector. A bipolar secondary battery characterized by that.
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