JP2010218970A - リチウムイオン二次電池の正極の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】リチウムイオン二次電池の正極活物質に含まれる不純物や、製造工程において混入する異物を良好に除去したリチウムイオン二次電池の正極の製造方法を提供する。
【解決手段】活物質から電極合剤を作成する混練工程Ｓ１１と、集電体に電極合剤を塗工する塗工工程Ｓ１２と、集電体に塗工された状態の電極合剤を洗浄液によって洗浄する洗浄工程Ｓ１３と、集電体に塗工された状態の電極合剤をプレス加工するプレス工程Ｓ１４と、を具備するリチウムイオン二次電池の正極の製造工程Ｓ１であって、洗浄工程Ｓ１３は、塗工工程Ｓ１２とプレス工程Ｓ１４との間に行う。
【選択図】図２
【解決手段】活物質から電極合剤を作成する混練工程Ｓ１１と、集電体に電極合剤を塗工する塗工工程Ｓ１２と、集電体に塗工された状態の電極合剤を洗浄液によって洗浄する洗浄工程Ｓ１３と、集電体に塗工された状態の電極合剤をプレス加工するプレス工程Ｓ１４と、を具備するリチウムイオン二次電池の正極の製造工程Ｓ１であって、洗浄工程Ｓ１３は、塗工工程Ｓ１２とプレス工程Ｓ１４との間に行う。
【選択図】図２
Description
本発明は、リチウムイオン二次電池の正極の製造方法に関し、特にリチウムイオン二次電池の正極の製造工程において混入する異物を除去する技術に関する。
リチウムイオン二次電池の正極材料（正極活物質）として、安全性やコスト等の点からオリビン型正極材料（ＬｉＭＰＯ４）が広く用いられている。しかし、ＬｉＭＰＯ４には、製造時に生成された不純物（ＬｉＭＰＯ４におけるＭを主体としたもの）が含まれ、このような正極活物質における不純物の電解液への溶出による電池容量の劣化等の問題がある。
そこで、上記のような不純物を除去するために、正極活物質の製造工程においては、この正極活物質を得るための焼成工程の後に、純水による正極活物質の洗浄が行われている（例えば、特許文献１参照）。しかし、それ以降の正極の製造工程において上記の不純物以外の異物が混入する可能性があるため、洗浄の効果が低くなる恐れがある。
本発明は、リチウムイオン二次電池の正極活物質に含まれる不純物や、正極の製造工程において混入する異物を良好に除去したリチウムイオン二次電池の正極の製造方法を提供することを課題とする。
請求項１においては、正極活物質から正極合剤を作成する混練工程と、前記正極合剤を被塗工材に塗工する塗工工程と、前記正極合剤の洗浄を行う洗浄工程と、前記正極合剤をプレス加工するプレス工程と、を具備するリチウムイオン二次電池の正極の製造方法であって、前記洗浄工程は、前記塗工工程と前記プレス工程との間に行うものである。
請求項２においては、前記洗浄工程において、前記塗工工程で被塗工材に塗工された正極合剤を、前記被塗工材から剥離した状態で洗浄するものである。
請求項３においては、前記正極活物質は、組成式ＬｉＭＰＯ４（Ｍは、Ｆｅ，Ｍｎ，Ｃｏ，Ｎｉからなる群から選択される一種以上の元素）で表されるオリビン型正極活物質であり、前記洗浄工程における前記正極合剤の洗浄に用いられる洗浄液は、フッ素含有リチウム塩を支持電解質とする前記リチウムイオン二次電池の電解液と、重量比にて３００〜１００００ｐｐｍの水と、からなるものである。
本発明によれば、リチウムイオン二次電池の正極活物質に含まれる不純物や、正極の製造工程において混入する異物を良好に除去したリチウムイオン二次電池の正極の製造が可能となる。
また、本発明により製造される正極を用いれば、正極の製造環境による容量維持率のバラツキがなく、良好なサイクル特性を有するリチウムイオン二次電池を製造することができる。
また、本発明により製造される正極を用いれば、正極の製造環境による容量維持率のバラツキがなく、良好なサイクル特性を有するリチウムイオン二次電池を製造することができる。
以下では、正極１について説明する。正極１は、リチウムイオン二次電池の正極であり、金属箔である集電体２の表面に、ペースト状の電極合剤３を塗工し、乾燥させた後、ロールプレス等の所定の処理を経て形成される。
集電体２は、電極合剤３が塗工される被塗工材であって、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼等の金属箔からなる正極集電体である。ただし、実用性及びコスト等の点からアルミニウムを集電体２として用いるのが好ましい。
電極合剤３は、粉末状の活物質４を溶媒で混練したペースト状の正極合剤であり、必要に応じて、添加剤（導電助剤や結着剤や増粘剤等）が添加される。
ただし、活物質４としては、リチウムを挿入脱離可能かつ明確な結晶構造を有する材料が好ましく、具体的には組成式ＬｉＭＰＯ４（Ｍは、Ｆｅ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｚｎ，Ａｌ，Ｇａ，Ｍｇ，Ｂ，Ｎｂからなる群から選択される一種以上の元素）で表されるオリビン型正極活物質、又は組成式ＬｉＭＯｘ（Ｍは、Ｆｅ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｚｎ，Ａｌ，Ｇａ，Ｍｇ，Ｂ，Ｎｂからなる群から選択される一種以上の元素であり、かつ、０≦ｘ≦４）で表される正極活物質、特に実用性及びコスト等の点からＬｉＦｅＰＯ４が好ましい。
ただし、活物質４としては、リチウムを挿入脱離可能かつ明確な結晶構造を有する材料が好ましく、具体的には組成式ＬｉＭＰＯ４（Ｍは、Ｆｅ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｚｎ，Ａｌ，Ｇａ，Ｍｇ，Ｂ，Ｎｂからなる群から選択される一種以上の元素）で表されるオリビン型正極活物質、又は組成式ＬｉＭＯｘ（Ｍは、Ｆｅ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｖ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｚｎ，Ａｌ，Ｇａ，Ｍｇ，Ｂ，Ｎｂからなる群から選択される一種以上の元素であり、かつ、０≦ｘ≦４）で表される正極活物質、特に実用性及びコスト等の点からＬｉＦｅＰＯ４が好ましい。
また、前記溶媒としては、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、ジメチルアセトアミド（ＤＭＡ）等が挙げられる。
前記導電助剤としては、アセチレンブラック（ＡＢ）、天然黒鉛、人造黒鉛等が挙げられる。
前記結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、スチレン‐ブタジエン共重合体（ＳＢＲ）等が挙げられる。
前記増粘剤としては、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）等が挙げられる。
なお、これらの溶媒及び添加剤はリチウムイオン二次電池の製造に用いられる公知の物質であって、それらの種類を限定するものではない。
前記導電助剤としては、アセチレンブラック（ＡＢ）、天然黒鉛、人造黒鉛等が挙げられる。
前記結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、スチレン‐ブタジエン共重合体（ＳＢＲ）等が挙げられる。
前記増粘剤としては、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）等が挙げられる。
なお、これらの溶媒及び添加剤はリチウムイオン二次電池の製造に用いられる公知の物質であって、それらの種類を限定するものではない。
図１に示すように、正極１は、集電体２と、集電体２上に塗工され乾燥された後にプレス加工されて層状に形成された電極合剤３とからなるシート状のリチウムイオン二次電池の正極である。
［第一実施形態］
以下では、本発明に係るリチウムイオン二次電池の正極の製造方法の第一実施形態である正極１の製造工程Ｓ１について説明する。
図２に示すように、製造工程Ｓ１は、混練工程Ｓ１１、塗工工程Ｓ１２、洗浄工程Ｓ１３、プレス工程Ｓ１４を具備する。
以下では、本発明に係るリチウムイオン二次電池の正極の製造方法の第一実施形態である正極１の製造工程Ｓ１について説明する。
図２に示すように、製造工程Ｓ１は、混練工程Ｓ１１、塗工工程Ｓ１２、洗浄工程Ｓ１３、プレス工程Ｓ１４を具備する。
混練工程Ｓ１１においては、プラネタリミキサ等の公知の混練装置を用いて、活物質４と前記添加剤とを前記溶媒で混練し、ペースト状の電極合剤３を作成する。
塗工工程Ｓ１２においては、ダイコータ等の公知の塗工装置を用いて、混練工程Ｓ１１で作成された電極合剤３を集電体２の表面に塗工した後、乾燥させ、塗工体５を作成する。
なお、本工程における乾燥の温度及び時間は、電極合剤３の種類等に応じて適宜選択される。
なお、本工程における乾燥の温度及び時間は、電極合剤３の種類等に応じて適宜選択される。
洗浄工程Ｓ１３においては、塗工工程Ｓ１２で作成された塗工体５を洗浄液６に浸漬させて洗浄する。換言すれば、集電体２に塗工された状態の電極合剤３を洗浄液６によって洗浄する。
なお、本工程における塗工体５の洗浄方法は、活物質４に含まれる不純物（ＬｉＭＰＯ４におけるＭを主体としたもの）や、外部から混入した異物等を十分に除去できればよく、上記のような洗浄方法に限定するものではない。
なお、本工程における塗工体５の洗浄方法は、活物質４に含まれる不純物（ＬｉＭＰＯ４におけるＭを主体としたもの）や、外部から混入した異物等を十分に除去できればよく、上記のような洗浄方法に限定するものではない。
洗浄液６は、活物質４に含まれる不純物（ＬｉＭＰＯ４におけるＭを主体としたもの）や、外部から混入した異物等を除去するものである。
洗浄液６としては、一般的に純水が挙げられ、前記不純物等を除去できればその種類を限定しないが、洗浄による活物質４におけるリチウムの減少等を考慮して、以下のような、重量比にて３００〜１００００ｐｐｍの水を含むリチウムイオン二次電池用電解液が好ましい。
即ち、洗浄液６は、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）や四フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ４）等のフッ素含有リチウム塩を支持電解質として含み、このフッ素含有リチウム塩を環状カーボネートや鎖状カーボネート等の溶媒で希釈した、一般的にリチウムイオン二次電池に用いられる電解液に水を加え、重量比にて３００〜１００００ｐｐｍの水を含むようにしたものであることが好ましい。
洗浄液６としては、一般的に純水が挙げられ、前記不純物等を除去できればその種類を限定しないが、洗浄による活物質４におけるリチウムの減少等を考慮して、以下のような、重量比にて３００〜１００００ｐｐｍの水を含むリチウムイオン二次電池用電解液が好ましい。
即ち、洗浄液６は、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）や四フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ４）等のフッ素含有リチウム塩を支持電解質として含み、このフッ素含有リチウム塩を環状カーボネートや鎖状カーボネート等の溶媒で希釈した、一般的にリチウムイオン二次電池に用いられる電解液に水を加え、重量比にて３００〜１００００ｐｐｍの水を含むようにしたものであることが好ましい。
このように、洗浄液６は主にリチウムイオン二次電池の電解液から構成されるので、活物質４を純水によって洗浄する場合と比較して、活物質４におけるリチウムの減少を抑制することができる。更に、洗浄液６には水が含まれているので、洗浄液６におけるフッ素含有リチウム塩と水との化学反応により発生するフッ化水素（ＨＦ）によって活物質４に含まれる不純物（ＬｉＭＰＯ４におけるＭを主体としたもの）を良好に除去することができる。
また、洗浄工程Ｓ１３で洗浄液６が塗工体５に残留した場合でも、洗浄液６はリチウムイオン二次電池の電解液と同一の成分を有するため、リチウムイオン二次電池の充放電を阻害することはない。
また、洗浄工程Ｓ１３で洗浄液６が塗工体５に残留した場合でも、洗浄液６はリチウムイオン二次電池の電解液と同一の成分を有するため、リチウムイオン二次電池の充放電を阻害することはない。
上記のように、洗浄液６を用いて塗工体５の洗浄を行った後は、塗工体５を真空乾燥させる。
なお、本工程における乾燥の温度及び時間は、電極合剤３の種類等に応じて適宜選択される。
なお、本工程における乾燥の温度及び時間は、電極合剤３の種類等に応じて適宜選択される。
プレス工程Ｓ１４においては、洗浄工程Ｓ１３で洗浄・乾燥された塗工体５をロールプレス等の公知の技術によりプレス加工し、正極１を作成する。換言すれば、集電体２に塗工された状態の電極合剤３をプレス加工する。
以上のように、正極１の製造工程Ｓ１は、塗工工程Ｓ１２とプレス工程Ｓ１４との間に洗浄工程Ｓ１３を有する、より詳細には、図３に示すように、集電体２に電極合剤３を塗工し、乾燥させた後であって、集電体２に電極合剤３が塗工された状態のもの（塗工体５）をプレス加工して正極１を作成する前に、洗浄液６を用いて塗工体５の洗浄を行うので、正極１の製造環境の異物の多少に関わらず、活物質４に含まれる不純物や、外部から混入した異物等を良好に除去することが可能となる。したがって、製造工程Ｓ１によって製造される正極１をリチウムイオン二次電池に用いることで、正極１の製造環境による容量維持率のバラツキがなく、良好なサイクル特性を有するリチウムイオン二次電池を製造することができる。
［第二実施形態］
以下では、本発明に係るリチウムイオン二次電池の正極の製造方法の第二実施形態である正極１の製造工程Ｓ２について説明する。
なお、製造工程Ｓ２は、製造工程Ｓ１の洗浄工程Ｓ１３を洗浄工程Ｓ２３としたものであり、以下の説明において、第一実施形態の製造工程Ｓ１と共通する部分には同一の符号を付して、その説明は省略する。
以下では、本発明に係るリチウムイオン二次電池の正極の製造方法の第二実施形態である正極１の製造工程Ｓ２について説明する。
なお、製造工程Ｓ２は、製造工程Ｓ１の洗浄工程Ｓ１３を洗浄工程Ｓ２３としたものであり、以下の説明において、第一実施形態の製造工程Ｓ１と共通する部分には同一の符号を付して、その説明は省略する。
洗浄工程Ｓ２３においては、塗工工程Ｓ１２で作成された塗工体５から電極合剤３を剥離した後、電極合剤３を洗浄液６に浸漬させて洗浄する。
なお、本工程における電極合剤３の剥離方法は、塗工体５に対して引っ張り方向に弱いテンション（例えば、３Ｎ以下）をかけた状態でロールプレスを行う等、電極合剤３が欠損等することなく塗工体５から剥離できれば、その方法を限定するものではない。
また、電極合剤３の洗浄方法は、活物質４に含まれる不純物（ＬｉＭＰＯ４におけるＭを主体としたもの）や、外部から混入した異物等を十分に除去できればよく、上記のような洗浄方法に限定するものではない。
なお、本工程における電極合剤３の剥離方法は、塗工体５に対して引っ張り方向に弱いテンション（例えば、３Ｎ以下）をかけた状態でロールプレスを行う等、電極合剤３が欠損等することなく塗工体５から剥離できれば、その方法を限定するものではない。
また、電極合剤３の洗浄方法は、活物質４に含まれる不純物（ＬｉＭＰＯ４におけるＭを主体としたもの）や、外部から混入した異物等を十分に除去できればよく、上記のような洗浄方法に限定するものではない。
電極合剤３を洗浄液６によって洗浄した後は、電極合剤３を真空乾燥させる。
なお、本工程における乾燥の温度及び時間は、電極合剤３の種類等に応じて適宜選択される。
なお、本工程における乾燥の温度及び時間は、電極合剤３の種類等に応じて適宜選択される。
上記のように、電極合剤３を洗浄・乾燥した後は、電極合剤３を前記結着剤等によって再び集電体２に接着させ、塗工体５とする。
以上のように、製造工程Ｓ２の洗浄工程Ｓ２３では、洗浄液６を用いて電極合剤３のみを単独で洗浄する。
即ち、図４に示すように、製造工程Ｓ２は、集電体２に電極合剤３を塗工し、乾燥させた後であって、集電体２に電極合剤３が接着された状態のもの（塗工体５）をプレス加工して正極１を作成する前に、集電体２から電極合剤３を剥離させ、洗浄液６を用いて電極合剤３のみを単独で洗浄するので、活物質４に含まれる不純物や、外部から混入した異物等を製造工程Ｓ１と比較して更に良好に除去することが可能となる。したがって、製造工程Ｓ２によって製造される正極１をリチウムイオン二次電池に用いることで、正極１の製造環境による容量維持率のバラツキがなく、良好なサイクル特性を有するリチウムイオン二次電池を製造することができる。
即ち、図４に示すように、製造工程Ｓ２は、集電体２に電極合剤３を塗工し、乾燥させた後であって、集電体２に電極合剤３が接着された状態のもの（塗工体５）をプレス加工して正極１を作成する前に、集電体２から電極合剤３を剥離させ、洗浄液６を用いて電極合剤３のみを単独で洗浄するので、活物質４に含まれる不純物や、外部から混入した異物等を製造工程Ｓ１と比較して更に良好に除去することが可能となる。したがって、製造工程Ｓ２によって製造される正極１をリチウムイオン二次電池に用いることで、正極１の製造環境による容量維持率のバラツキがなく、良好なサイクル特性を有するリチウムイオン二次電池を製造することができる。
［第三実施形態］
以下では、本発明に係るリチウムイオン二次電池の正極の製造方法の第三実施形態である正極１の製造工程Ｓ３について説明する。
なお、製造工程Ｓ３は、製造工程Ｓ１の塗工工程Ｓ１２を塗工工程Ｓ３２とし、洗浄工程Ｓ１３を洗浄工程Ｓ３３としたものであり、以下の説明において、第一実施形態の製造工程Ｓ１と共通する部分には同一の符号を付して、その説明は省略する。
以下では、本発明に係るリチウムイオン二次電池の正極の製造方法の第三実施形態である正極１の製造工程Ｓ３について説明する。
なお、製造工程Ｓ３は、製造工程Ｓ１の塗工工程Ｓ１２を塗工工程Ｓ３２とし、洗浄工程Ｓ１３を洗浄工程Ｓ３３としたものであり、以下の説明において、第一実施形態の製造工程Ｓ１と共通する部分には同一の符号を付して、その説明は省略する。
塗工工程Ｓ３２においては、ダイコータ等の公知の塗工装置を用いて、混練工程Ｓ３１で作成された電極合剤３をポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等からなる被塗工材である剥離用部材７に塗工した後、乾燥させる。
なお、剥離用部材７は、他部材に対する剥離性が良く、電極合剤３を容易に剥離できるものであれば、その種類を限定しない。
また、本工程における乾燥の温度及び時間は、電極合剤３の種類等に応じて適宜選択される。
なお、剥離用部材７は、他部材に対する剥離性が良く、電極合剤３を容易に剥離できるものであれば、その種類を限定しない。
また、本工程における乾燥の温度及び時間は、電極合剤３の種類等に応じて適宜選択される。
洗浄工程Ｓ３３においては、塗工工程Ｓ３２で塗工された電極合剤３を剥離用部材７から剥離した後、電極合剤３を洗浄液６に浸漬させて洗浄する。
なお、電極合剤３の洗浄方法は、活物質４に含まれる不純物（ＬｉＭＰＯ４におけるＭを主体としたもの）や、外部から混入した異物等を十分に除去できればよく、上記のような洗浄方法に限定するものではない。
なお、電極合剤３の洗浄方法は、活物質４に含まれる不純物（ＬｉＭＰＯ４におけるＭを主体としたもの）や、外部から混入した異物等を十分に除去できればよく、上記のような洗浄方法に限定するものではない。
電極合剤３を洗浄液６によって洗浄した後は、電極合剤３を真空乾燥させる。
なお、本工程における乾燥の温度及び時間は、電極合剤３の種類等に応じて適宜選択される。
なお、本工程における乾燥の温度及び時間は、電極合剤３の種類等に応じて適宜選択される。
上記のように、電極合剤３を洗浄・乾燥した後は、電極合剤３を前記結着剤等によって再び集電体２に接着させ、塗工体５とする。
以上のように、製造工程Ｓ３の塗工工程Ｓ３２では、電極合剤３が容易に剥離できる剥離用部材７に電極合剤３を塗工し、洗浄工程Ｓ３３では、電極合剤３を剥離用部材７から剥離させて洗浄液６を用いて電極合剤３のみを単独で洗浄する。
即ち、図５に示すように、製造工程Ｓ３は、電極合剤３を剥離用部材７に塗工し、乾燥させた後であって、集電体２に電極合剤３が接着された状態のもの（塗工体５）をプレス加工して正極１を作成する前に、電極合剤３を剥離用部材７から剥離させ、洗浄液６を用いて電極合剤３のみを単独で洗浄するので、活物質４に含まれる不純物や、外部から混入した異物等を製造工程Ｓ１と比較して更に良好に除去することが可能となる。したがって、製造工程Ｓ３によって製造される正極１をリチウムイオン二次電池に用いることで、正極１の製造環境による容量維持率のバラツキがなく、良好なサイクル特性を有するリチウムイオン二次電池を製造することができる。
即ち、図５に示すように、製造工程Ｓ３は、電極合剤３を剥離用部材７に塗工し、乾燥させた後であって、集電体２に電極合剤３が接着された状態のもの（塗工体５）をプレス加工して正極１を作成する前に、電極合剤３を剥離用部材７から剥離させ、洗浄液６を用いて電極合剤３のみを単独で洗浄するので、活物質４に含まれる不純物や、外部から混入した異物等を製造工程Ｓ１と比較して更に良好に除去することが可能となる。したがって、製造工程Ｓ３によって製造される正極１をリチウムイオン二次電池に用いることで、正極１の製造環境による容量維持率のバラツキがなく、良好なサイクル特性を有するリチウムイオン二次電池を製造することができる。
以下では、正極１を用いたリチウムイオン二次電池について説明する。
正極１を用いたリチウムイオン二次電池は、正極１の他に、負極、セパレータ、外装体等から構成され、正極１と前記負極との間に前記セパレータを介装し、積層又は巻回して電極群とし、この電極群を前記外装体に収納した後、前記電解液を含浸させることで製造される。
正極１を用いたリチウムイオン二次電池は、正極１の他に、負極、セパレータ、外装体等から構成され、正極１と前記負極との間に前記セパレータを介装し、積層又は巻回して電極群とし、この電極群を前記外装体に収納した後、前記電解液を含浸させることで製造される。
前記負極は、正極１と同様に、銅、ニッケル、ステンレス鋼等の金属箔からなる負極集電体の表面にペースト状の負極合剤を塗工し、乾燥させた後、ロールプレス等の所定の処理を経て形成される。
前記負極合剤は、粉末状の負極活物質と、前記添加剤とを前記溶媒で混練したものである。
ただし、前記負極活物質としては、活物質４と同様に、リチウムを挿入脱離可能かつ明確な結晶構造を有する材料が好ましく、電池電圧の高電圧化による付加価値を考慮すると、炭素系材料が好ましい。
炭素系材料の相変化は黒鉛構造に密接に関係しており、Ｘ線回折等によって測定される結晶構造から本実施形態に適した材料を選択する。具体的には、黒鉛構造の層間距離ｄ、このｄ値から算出される格子定数Ｃ０（＝２ｄ）、及び結晶子サイズＬＣから判断でき、ｄ値が大きくＬＣが小さい難黒鉛化炭素系材料よりも、ｄ値が小さくＬＣが大きい天然黒鉛や、メソカーボンマイクロビーズ等の人造黒鉛の方が電位平坦性に優れているため本実施形態に適している。これらの材料については、実使用領域での入出力特性を確保する必要もあり、粒径の変更や、表面被覆等の改質手法が多く提案されているが、本実施形態におけるリチウムイオン二次電池では、１Ｃでの充電時に、電圧変化がＶ１±０．１Ｖ（Ｖ１は電池系固有の一定値）の範囲で容量の５０％以上を充電可能であれば、材料特性の詳細は問わない。
ただし、前記負極活物質としては、活物質４と同様に、リチウムを挿入脱離可能かつ明確な結晶構造を有する材料が好ましく、電池電圧の高電圧化による付加価値を考慮すると、炭素系材料が好ましい。
炭素系材料の相変化は黒鉛構造に密接に関係しており、Ｘ線回折等によって測定される結晶構造から本実施形態に適した材料を選択する。具体的には、黒鉛構造の層間距離ｄ、このｄ値から算出される格子定数Ｃ０（＝２ｄ）、及び結晶子サイズＬＣから判断でき、ｄ値が大きくＬＣが小さい難黒鉛化炭素系材料よりも、ｄ値が小さくＬＣが大きい天然黒鉛や、メソカーボンマイクロビーズ等の人造黒鉛の方が電位平坦性に優れているため本実施形態に適している。これらの材料については、実使用領域での入出力特性を確保する必要もあり、粒径の変更や、表面被覆等の改質手法が多く提案されているが、本実施形態におけるリチウムイオン二次電池では、１Ｃでの充電時に、電圧変化がＶ１±０．１Ｖ（Ｖ１は電池系固有の一定値）の範囲で容量の５０％以上を充電可能であれば、材料特性の詳細は問わない。
前記セパレータは、正極１と前記負極との間に介装されて、それらを離間させるものである。
前記セパレータは、一般的にリチウムイオン二次電池に用いられるセパレータであって、ポリエチレン、ポリプロピレンといったポリオレフィン樹脂等からなり、その種類を限定するものではない。
前記セパレータは、一般的にリチウムイオン二次電池に用いられるセパレータであって、ポリエチレン、ポリプロピレンといったポリオレフィン樹脂等からなり、その種類を限定するものではない。
前記外装体は、一般的にリチウムイオン二次電池に用いられる容器であって、アルミニウム、ステンレス鋼、金属樹脂複合フィルム等からなり、その種類を限定するものではない。
以上のような正極１を用いたリチウムイオン二次電池は、前述のように、正極１の製造環境による容量維持率のバラツキがなく、良好なサイクル特性を有する。
以下では、図６を用いて、本発明に係る実施例１〜３、並びに比較例１〜３に基づいて、正極１を用いたリチウムイオン二次電池のサイクル特性等を説明する。換言すれば、前述の実施形態である製造工程Ｓ１、Ｓ２、又はＳ３により製造される正極１をリチウムイオン二次電池に用いることによって奏する効果について説明する。
図６は、実施例１〜３、並びに比較例１〜３における、正極の製造環境と、リチウムイオン二次電池の容量維持率との関係を示すマップであり、横軸を前記正極の製造環境とし、縦軸を前記リチウムイオン二次電池の容量維持率としてプロットしたものである。
図６は、実施例１〜３、並びに比較例１〜３における、正極の製造環境と、リチウムイオン二次電池の容量維持率との関係を示すマップであり、横軸を前記正極の製造環境とし、縦軸を前記リチウムイオン二次電池の容量維持率としてプロットしたものである。
以下に示す実施例及び比較例では、クリーンルーム（クラス１０００）、クリーンルーム（クラス１００００）、及び粉塵等の対策未実施のそれぞれ三種類の環境下において、リチウムイオン二次電池の正極の製造を行い、これらの正極を用いてリチウムイオン二次電池を製造する。
［実施例１］
リチウムイオン二次電池の製造にあたって、まず、正極を製造する。
正極活物質としてカーボンコートされたＬｉＦｅＰＯ４、導電助剤としてアセチレンブラック（ＡＢ）、結着剤としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を用い、ＬｉＦｅＰＯ４：ＡＢ：ＰＶＤＦ＝８５：５：１０（ｗｔ％）の割合で、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）を分散溶媒として混練してペースト状の合剤を作成し、これを正極合剤とする。
リチウムイオン二次電池の製造にあたって、まず、正極を製造する。
正極活物質としてカーボンコートされたＬｉＦｅＰＯ４、導電助剤としてアセチレンブラック（ＡＢ）、結着剤としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を用い、ＬｉＦｅＰＯ４：ＡＢ：ＰＶＤＦ＝８５：５：１０（ｗｔ％）の割合で、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）を分散溶媒として混練してペースト状の合剤を作成し、これを正極合剤とする。
そして、前記正極合剤をアルミニウム箔上に塗工した後、乾燥させ、これを塗工体とする。
ここで、前記塗工体の洗浄を行う。
フッ素含有リチウム塩であるＬｉＰＦ６を環状カーボネートと鎖状カーボネートとの混合溶媒で希釈して作成した電解液に水を加え、重量比にて１０００ｐｐｍの水を含む洗浄液を作成する。
フッ素含有リチウム塩であるＬｉＰＦ６を環状カーボネートと鎖状カーボネートとの混合溶媒で希釈して作成した電解液に水を加え、重量比にて１０００ｐｐｍの水を含む洗浄液を作成する。
そして、前記塗工体を前記洗浄液に３０分浸漬させて洗浄した後、前記塗工体を１００℃の雰囲気で６時間、真空乾燥させる。
洗浄・乾燥された前記塗工体にロールプレスによる処理を行って正極とする。
次に、負極を製造する。
負極活物質として平均粒子径２０μｍ、格子定数Ｃ０＝０．６７ｎｍ、結晶子サイズＬＣ＝２７ｎｍ、及び黒鉛化度０．９以上の天然黒鉛、結着剤としてスチレン‐ブタジエン共重合体（ＳＢＲ）、増粘剤としてカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）を用い、天然黒鉛：ＳＢＲ：ＣＭＣ＝９５：２．５：２．５（ｗｔ％）の割合で、水中で混練してペースト状の合剤を作成し、これを負極合剤とする。
負極活物質として平均粒子径２０μｍ、格子定数Ｃ０＝０．６７ｎｍ、結晶子サイズＬＣ＝２７ｎｍ、及び黒鉛化度０．９以上の天然黒鉛、結着剤としてスチレン‐ブタジエン共重合体（ＳＢＲ）、増粘剤としてカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）を用い、天然黒鉛：ＳＢＲ：ＣＭＣ＝９５：２．５：２．５（ｗｔ％）の割合で、水中で混練してペースト状の合剤を作成し、これを負極合剤とする。
そして、前記負極合剤を銅箔上に塗工した後、乾燥させ、ロールプレスによる処理を行って負極とする。
この時、前記正極の理論容量と前記負極の理論容量の比率が１：１．５となるように前記負極合剤の塗工量を調整する。
この時、前記正極の理論容量と前記負極の理論容量の比率が１：１．５となるように前記負極合剤の塗工量を調整する。
最後に、前記正極と前記負極との間に、ポリプロピレン‐ポリエチレン複合体多孔質膜からなるセパレータを介装し、巻回して電極群とし、この電極群を正極端子と負極端子を取り出すことができる構造をした内容積１００ｃｃのアルミニウムからなる外装体に収納した後、前記電解液を含浸させてリチウムイオン二次電池とする。
続いて、上記のように、三種類の環境下において製造された正極を用いたリチウムイオン二次電池について、それぞれ評価を行う。
具体的には、リチウムイオン二次電池のサイクル試験の結果に基づいて、その評価を行う。
まず、定電流‐定電圧方式により、前記正極の理論容量より予測した電池容量（Ａｈ）の１／５の電流値で充電上限電圧まで充電を行い、更にその電圧で充電を続けて初期の電流値の１／１０になった時点で充電を終了した後、前記正極の理論容量より予測した電池容量（Ａｈ）の１／５の電流値で３Ｖまで放電を行う充放電サイクルを３回繰り返す。
具体的には、リチウムイオン二次電池のサイクル試験の結果に基づいて、その評価を行う。
まず、定電流‐定電圧方式により、前記正極の理論容量より予測した電池容量（Ａｈ）の１／５の電流値で充電上限電圧まで充電を行い、更にその電圧で充電を続けて初期の電流値の１／１０になった時点で充電を終了した後、前記正極の理論容量より予測した電池容量（Ａｈ）の１／５の電流値で３Ｖまで放電を行う充放電サイクルを３回繰り返す。
その後、６０℃の恒温槽内において定電流充電及び定電流放電による前記リチウムイオン二次電池のサイクル試験を行う。
このようにして、三種類の環境下において製造された正極を用いたリチウムイオン二次電池のサイクル試験を行い、その結果を横軸を前記正極の製造環境とし、縦軸を前記リチウムイオン二次電池の容量維持率としてそれぞれプロットする（図６参照）。
なお、前記容量維持率は、サイクル試験後の電池容量を初期容量で除することで算出する。
なお、前記容量維持率は、サイクル試験後の電池容量を初期容量で除することで算出する。
［実施例２］
本実施例においては、正極の製造以外は、実施例１と同様にリチウムイオン二次電池を製造し、その評価を行う。
本実施例においては、正極の製造以外は、実施例１と同様にリチウムイオン二次電池を製造し、その評価を行う。
本実施例における正極の製造方法について説明する。
まず、実施例１と同様に、正極合剤、そして塗工体を作成する。
まず、実施例１と同様に、正極合剤、そして塗工体を作成する。
次に、前記塗工体に３Ｎのテンションをかけた状態でロールプレスを行って、前記塗工体から前記正極合剤を剥離した後、この正極合剤を実施例１での塗工体と同様に、洗浄・乾燥させる。
洗浄・乾燥された前記正極合剤を前記結着剤によってアルミニウム箔に接着させた後、ロールプレスによる処理を行って正極とする。
［実施例３］
本実施例においては、正極の製造以外は、実施例１と同様にリチウムイオン二次電池を製造し、その評価を行う。
本実施例においては、正極の製造以外は、実施例１と同様にリチウムイオン二次電池を製造し、その評価を行う。
本実施例における正極の製造方法について説明する。
まず、実施例１と同様に、正極合剤を作成する。
まず、実施例１と同様に、正極合剤を作成する。
次に、前記正極合剤をポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）からなる板材上に塗工した後、乾燥させる。
そして、前記板材から前記正極合剤を剥離した後、この正極合剤を実施例２と同様に、洗浄・乾燥させる。
洗浄・乾燥された前記正極合剤を前記結着剤によってアルミニウム箔に接着させた後、ロールプレスによる処理を行って正極とする。
［比較例１］
本比較例においては、正極の製造以外は、実施例１と同様にリチウムイオン二次電池を製造し、その評価を行う。
本比較例においては、正極の製造以外は、実施例１と同様にリチウムイオン二次電池を製造し、その評価を行う。
本比較例における正極の製造方法について説明する。
まず、実施例１と同様に、正極合剤、そして塗工体を作成する。
まず、実施例１と同様に、正極合剤、そして塗工体を作成する。
そして、前記塗工体にロールプレスによる処理を行って正極とした後、この正極を実施例１での塗工体と同様に、洗浄・乾燥させる。
上記のように、本比較例では、洗浄を行わずに実施例１と同様に正極を製造し、最後にこの正極を洗浄する。
［比較例２］
本比較例においては、正極の製造以外は、実施例１と同様にリチウムイオン二次電池を製造し、その評価を行う。
本比較例においては、正極の製造以外は、実施例１と同様にリチウムイオン二次電池を製造し、その評価を行う。
本比較例における正極の製造方法について説明する。
まず、正極活物質を実施例１での塗工体と同様に、洗浄・乾燥させる。
まず、正極活物質を実施例１での塗工体と同様に、洗浄・乾燥させる。
次に、洗浄された前記正極活物質を用いて、実施例１と同様に、正極合剤、そして塗工体を作成する。
そして、前記塗工体にロールプレスによる処理を行って正極とする。
上記のように、本比較例では、正極活物質の状態で洗浄を行い、後は実施例１と同様に正極を製造する。
［比較例３］
本比較例においては、正極の製造以外は、実施例１と同様にリチウムイオン二次電池を製造し、その評価を行う。
本比較例においては、正極の製造以外は、実施例１と同様にリチウムイオン二次電池を製造し、その評価を行う。
本比較例における正極の製造方法について説明する。
本比較例では、洗浄を行わずに実施例１と同様に正極を製造する。
本比較例では、洗浄を行わずに実施例１と同様に正極を製造する。
以上のように、実施例１〜３、並びに比較例１〜３に基づいてリチウムイオン二次電池を製造し、その評価を行うことによって得られた結果を図６に示す。
図６に示すように、比較例１、つまり塗工体にロールプレスを行って正極とした状態で洗浄を行った場合や、比較例３、つまり洗浄を行わない場合は、正極の製造環境がクリーンルーム（クラス１０００）の時、リチウムイオン二次電池の容量維持率が８０％を上回るが、正極の製造環境がクリーンルーム（クラス１００００）や粉塵等の対策未実施の環境の時、リチウムイオン二次電池の容量維持率が急激に悪化し、８０％を下回っている。
図６に示すように、比較例１、つまり塗工体にロールプレスを行って正極とした状態で洗浄を行った場合や、比較例３、つまり洗浄を行わない場合は、正極の製造環境がクリーンルーム（クラス１０００）の時、リチウムイオン二次電池の容量維持率が８０％を上回るが、正極の製造環境がクリーンルーム（クラス１００００）や粉塵等の対策未実施の環境の時、リチウムイオン二次電池の容量維持率が急激に悪化し、８０％を下回っている。
これは、正極の製造環境における粉塵等の異物の量が多くなればなるほど、リチウムイオン二次電池の容量維持率が悪化することから明らかなように、外部から混入する異物が原因でリチウムイオン二次電池の容量維持率が悪化し、塗工体にロールプレスを行って正極とした状態で洗浄を行ったとしても、ロールプレスによって正極の空隙が減少しており、洗浄効率が著しく低下したためである。
また、比較例２、つまり正極活物質の状態で洗浄を行う場合においても、正極の製造環境がクリーンルーム（クラス１０００）やクリーンルーム（クラス１００００）の時、リチウムイオン二次電池の容量維持率が８５％を上回るが、正極の製造環境が粉塵等の対策未実施の環境の時、リチウムイオン二次電池の容量維持率が急激に悪化し、８０％を下回っている。
これは、正極活物質の状態で洗浄を行ったとしても、それ以降の正極の製造工程において外部から異物が混入したためである。
一方、実施例１、つまり正極合剤をアルミニウム箔上に塗工して塗工体とした状態で洗浄を行った場合は、すべての環境下においてリチウムイオン二次電池の容量維持率が８５％前後であり、十分に高い容量維持率を有している。
これは、正極の製造工程において、より正極に近い工程で洗浄を行ったため、洗浄後から正極の完成に至るまでに外部から混入する異物が少量であったためである。
また、実施例２、つまり塗工体から正極合剤を剥離して正極合剤単独の状態で洗浄を行った場合や、実施例３、つまりＰＴＦＥからなる板材から正極合剤を剥離して正極合剤単独の状態で洗浄を行った場合は、すべての環境下においてリチウムイオン二次電池の容量維持率が９０％前後であり、更に高い容量維持率を有している。
これは、正極の製造工程において、より正極に近い工程で洗浄を行ったことに加え、正極合剤単独の状態で洗浄を行ったことで、正極合剤をアルミニウム箔上に塗工した塗工体の状態で洗浄を行うよりも十分に正極合剤が洗浄されたためである。
以上のように、正極の製造工程において、正極合剤をアルミニウム箔やＰＴＦＥからなる板材等の所定の部材に塗工し、乾燥させた後であって、アルミニウム箔に正極合剤が塗工された状態のものにロールプレスを行う前に、正極合剤を洗浄液によって洗浄することで、正極の製造環境の異物の多少に関わらず、正極活物質に含まれる不純物や、外部から混入した異物等を良好に除去することが可能となり、特に正極合剤を前記所定の部材から剥離させて洗浄液を用いて正極合剤のみを単独で洗浄することで、正極活物質に含まれる不純物や、外部から混入した異物等を更に良好に除去することが可能となる。したがって、このように製造された正極を用いることで、正極の製造環境による容量維持率のバラツキがなく、良好なサイクル特性を有するリチウムイオン二次電池を製造できることが明らかになった。
また、クリーンルームを使用せず、粉塵等の対策未実施の環境において正極を製造することが可能となるため、コストを低減することができる。
また、クリーンルームを使用せず、粉塵等の対策未実施の環境において正極を製造することが可能となるため、コストを低減することができる。
１ 正極
２ 集電体（被塗工材）
３ 電極合剤
４ 活物質
５ 塗工体
６ 洗浄液
７ 剥離用部材（被塗工材）
２ 集電体（被塗工材）
３ 電極合剤
４ 活物質
５ 塗工体
６ 洗浄液
７ 剥離用部材（被塗工材）
Claims (3)
- 正極活物質から正極合剤を作成する混練工程と、
前記正極合剤を被塗工材に塗工する塗工工程と、
前記正極合剤の洗浄を行う洗浄工程と、
前記正極合剤をプレス加工するプレス工程と、を具備するリチウムイオン二次電池の正極の製造方法であって、
前記洗浄工程は、前記塗工工程と前記プレス工程との間に行うリチウムイオン二次電池の正極の製造方法。 - 前記洗浄工程において、前記塗工工程で被塗工材に塗工された正極合剤を、前記被塗工材から剥離した状態で洗浄する請求項１に記載のリチウムイオン二次電池の正極の製造方法。
- 前記正極活物質は、組成式ＬｉＭＰＯ４（Ｍは、Ｆｅ，Ｍｎ，Ｃｏ，Ｎｉからなる群から選択される一種以上の元素）で表されるオリビン型正極活物質であり、
前記洗浄工程における前記正極合剤の洗浄に用いられる洗浄液は、フッ素含有リチウム塩を支持電解質とする前記リチウムイオン二次電池の電解液と、重量比にて３００〜１００００ｐｐｍの水と、からなる請求項１又は請求項２に記載のリチウムイオン二次電池の正極の製造方法。
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|---|---|---|---|
| JP2009066674A JP2010218970A (ja) | 2009-03-18 | 2009-03-18 | リチウムイオン二次電池の正極の製造方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
2009
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