JP2012069427A

JP2012069427A - 活物質及び二次電池

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Publication number: JP2012069427A
Application number: JP2010214351A
Authority: JP
Inventors: Ikuo Uematsu; 育生植松; Naoaki Sakurai; 直明桜井; Naoya Hayamizu; 直哉速水; Katsuhiro Sato; 勝広佐藤; Junji Baba; 淳次馬場; Masaomi Nakahata; 政臣中畑; Shuichi Kimura; 修一木村
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-09-24
Filing date: 2010-09-24
Publication date: 2012-04-05

Abstract

【課題】活物質及び二次電池において、電池性能の安定化が求められている。
【解決手段】実施形態は、二次電池１として集電体２１，２３と、粒状の基材４１及び基材４１の外面に成膜された活物質材４２を具備する活物質３３、及び、活物質３３同士及び集電体２１，２３と活物質３３を結着させるバインダー３１を有する活物質層２２，２４と、を備える構成とした。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、活物質及びこの活物質を用いた二次電池に関する。

従来、蓄電装置として、非水電解質二次電池等のＬｉ二次電池が注目されている。このような二次電池は、金属容器又はラミネートフィルム等で形成された外装材と、外装材内に電解質液とともに収納された電極体と、電極体に接続されているとともに外側に露出した電極端子と、を備えている。

電極体は、集電体板に、負極活物質層を形成した負極板と、集電体板に正極活物質層を形成した正極板とを、セパレータを間に挟んで重ね合わせ、これらを積層して構成される（例えば、特許文献１参照）。

集電体板に設ける正極活物質層又は負極活物質層は、活物質、バインダー及び導電剤を混合及び分散させた電極液を集電材等の基材に塗液する、または、活物質、バインダー及び導電剤を混合及び分散させた電極膜を成膜することで形成される。

特開２０１０−８６８１３号公報

上述した活物質及び二次電池は、電池性能の安定化が求められている。

実施形態の活物質は、粒状に形成された基材と、前記基材の外面に成膜された活物質材と、を備える。

実施形態の二次電池は、集電体と、前記集電体に設けられたバインダーと、前記バインダー内に複数設けられ、粒状の基材及び前記基材の外面に成膜された活物質材を具備する活物質と、を備える。

第１の実施形態に係る二次電池の構成を示す断面図。同二次電池に用いられる活物質層の構成を模式的に示す説明図。同活物質層の要部構成を模式的に示す断面図。第２の実施形態に係る二次電池の要部構成を模式的に示す断面図。第３の実施形態に係る二次電池の要部構成を一部断面で模式的に示す説明図。第４の実施形態に係る二次電池の要部構成を模式的に示す説明図。

実施形態に係る二次電池１を、図１乃至図３を用いて説明する。図１は実施形態に係る二次電池１の構成を一部断面で示す斜視図、図２は二次電池１に用いられる活物質層２２，２４の構成を模式的に示す断面図、図３は活物質層２２，２４に用いられる活物質３３の構成を模式的に示す断面図である。

本実施形態に係る二次電池１は、非水電解質二次電池であり、例えば、リチウムイオン電池である。また、このような二次電池１は、扁平型、角型、円筒型、コイン型、シート型、その他用途に応じて、各種形状に形成されている。図１に示すように、二次電池１は、外装部材５と、電極体６と、非水電解液７を備えている。

外装部材５は、例えば、ラミネートフィルムにより形成された扁平な矩形箱状に形成されている。なお、ラミネートフィルムとは、例えば、金属層が樹脂層により被覆された多層フィルムである。この金属層は、アルミニウム又はアルミニウム合金から成る箔等である。また、樹脂層は、ポリプロピレン、ポリエチレン、ナイロン、ポリエチレンテレフタレート等の高分子材料が用いられる。

このような外装部材５は、その内部に、電極体６及び非水電解液７を収納する。なお、外装部材５は、その一端面に延出され、電極体６と接続される正極端子及び負極端子を有するが、ここではその詳細な説明は省略する。なお、外装部材５は、金属性容器であってもよい。

図１に示すように、電極体６は、正極１１と、負極１２と、セパレータ１３と、を備えている。正極１１は、アルミニウム等の箔からなる矩形状の正極集電体２１と、正極集電体２１の両面に形成された正極活物質層２２と、を備えている。

負極１２は、アルミニウム等の箔からなる矩形状の負極集電体２３と、負極集電体２３の両面に形成された負極活物質層２４と、を備えている。

セパレータ１３は、正極１１及び負極１２間に設けられ、正極１１及び負極１２を隔てる。このようなセパレータ１３は、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン、アクリル系樹脂、ポリアミド樹脂、ナイロン、ポリエステル、ポリカーボネート、フェノール樹脂、セルロース又はポリフッ化ビニリデンを含む多孔質フィルム又は合成樹脂製不織布等である。

次に、正極活物質層２２及び負極活物質層２４（活物質層２２，２４）の構成を、図２を用いて説明する。

活物質層２２，２４は、図２に示すように、バインダー３１と、複数の導電剤３２と、複数の活物質３３と、を備えている。なお、図２に示す活物質層２２，２４は、例えば、有機溶剤等による液状の電極液の構成であり、活物質層２２，２４が膜状となると、導電剤３２及び活物質３３、導電剤３２同士、及び、活物質３３同士は互いに結着される。

バインダー３１は、例えば、高分子材料であり、導電剤３２及び活物質３３、活物質３３同士、各集電体２１，２３及び活物質３３、及び、各集電体２１，２３及び導電剤３２を結着させる結着剤である。導電剤３２は、導電性に優れた物質である。導電剤３２は、例えば、カーボン及びグラファイト等が挙げられる。

活物質３３は、電極が正極１１であれば正極活物質が、負極１２であれば負極活物質が用いられる。活物質３３は、図３に示すように、基材４１と、活物質材４２と、を備えている。

基材４１は、粒状又は球状であって、例えば、その直径φが０．１〜１０μｍのいずれかに形成されている。基材４１は、例えばポリスチレン（ＰＳ）、ポリカーボネート（ＰＣ）若しくはポリプロピレン（ＰＰ）等のラテックス、アルミナ若しくはジルコニア等の金属酸化物、シリカ等の無機物、又は、金若しくはアルミニウム等の金属を主成分とする材料のいずれか一、又は、複数の組合せにより形成された材料であればよい。

活物質材４２は、正極活物質又は負極活物質により形成されている。活物質材４２は、基材４１の外面にスパッタやＣＶＤ塗布、コーティング、スプレー噴霧、ゾルゲル法又は溶液中での析出等により成膜される。なお、活物質材４２の膜厚は、０．００１〜１００μｍ程度に成膜される。この膜厚は手法によって異なり、例えばＣＶＤを用いる場合１０μｍ以下となる。

このような活物質材４２は、例えばＬｉ塩が用いられる。具体的には、活物質材４２は、カーボン、オリビン酸型リン酸鉄リチウム、チタン酸リチウム、コバルト酸化物、ニッケル酸化物、マンガン酸化物を含む材料の一種類又は複数の材料の組合せが用いられる。

このように構成された活物質３３は、基材４１の表面に活物質材４２を形成することで、活物質材４２の形状の外形状、特に、活物質３３の外形寸法を基材４１の形状により制御することが可能となる。これにより、活物質３３の外形寸法を管理することが容易となり、活物質３３の外形状のばらつきを防止することが可能となる。

活物質３３の外形状のばらつきを防止することで、活物質３３の内部への不要な非水電解液７のしみこみの回避することが可能となる。また、分散時の活物質３３の破壊を防止することが可能となる。

また、活物質３３の外形状は、基材４１の形状及び外径により管理することが可能となり、様々な外形状とすることが可能となる。

さらに、このような活物質３３を用いた二次電池１とすることで、活物質３３の外形状のばらつきが防止されるため、二次電池１の性能の均一化、及び、製造におけるマージンの拡大が可能となる。

上述したように、本実施形態の活物質３３を用いた二次電池１によれば、外径を管理した粒状の基材４１の外面に活物質材４２を形成することで、活物質３３の外形状の管理が可能となり、二次電池１の性能の均一化が可能となる。

なお、上述した二次電池１は、一つの例示する実施形態であり、上述の製造方法に示す工程に限定されない。

次に、図４を用いて、第２の実施形態に係る二次電池１に用いる活物質３３Ａについて説明する。

なお、第２の実施形態に係る二次電池１のうち、第１の実施形態に係る二次電池１と同様の構成には、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

第２の実施形態に係る二次電池１は、活物質層２２，２４に、バインダー３１と、複数の活物質３３Ａと、を備えている。活物質３３Ａは、基材４１と、活物質材４２と、薄膜層４３と、を備えている。

薄膜層４３は、リチウムイオンが可動して透過する膜又は導電性に優れリチウムイオンが結晶構造を通じて移動し放出される膜である。薄膜層４３は、その厚さが１μｍを超えると、イオン授受の効率が低下するため、その厚さが１ｎｍ〜１μｍであることが好ましい。薄膜層４３は、例えばリチウム系の有機膜及びリチウム系の無機膜の少なくとも一方を含んで形成される。薄膜層４３は、上述した導電剤３２と同様の機能を有する。薄膜層４３は、活物質材４２の外面に、ＣＶＤ、塗布、コーティング、スプレー噴霧、ゾルゲル法や溶液中での析出等で成膜された皮膜である。

このように構成された活物質３３Ａを用いた二次電池１は、上述した活物質３３を用いた二次電池１と同様の効果を得ることが可能となる。また、バインダー３１内に別途上述した導電剤３２を設けなくてもよい。

次に、図５を用いて、第３の実施形態に係る二次電池１に用いる活物質層２２Ｂ，２４Ｂについて説明する。なお、図５に示す活物質層２２Ｂ，２４Ｂは、液状時（電極液）の構成であり、活物質層２２Ｂ，２４Ｂが膜状となると、各活物質３３、３３Ｂは互いにバインダーにより結着される。

なお、第３の実施形態に係る二次電池１のうち、上述した第１、第２の実施形態に係る二次電池１と同様の構成には、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

第３の実施形態に係る二次電池１は、活物質層２２Ｂ，２４Ｂを有している。活物質層２２Ｂ，２４Ｂは、バインダー３１と、複数の活物質３３及び活物質３３Ｂと、を備えている。活物質３３Ｂは、基材４１と、基材４１の外面に形成された活物質３３と異なる材料で形成された活物質材４２Ｂを備えている。

即ち、活物質層２２Ｂ、２４Ｂは、異なる材料（活物質材４２，４２Ｂ）で形成された２種類の活物質３３，３３Ｂを有する構成である。

このように異なる２種類の活物質３３，３３Ｂを有する二次電池１は、上述した第１、第２の実施形態に係る二次電池１と同様の効果を得ることが可能となる。また、異なる材料で形成された活物質材４２，４２Ｂを用いることで、二次電池１の用途に合わせて、適宜、活物質層２２Ｂ，２４Ｂを設定することが可能となる。

なお、本実施形態の二次電池１においては、導電剤３２については省略したが、バインダー３１中に導電剤３２を有してもよく、又、活物質３３及び３３Ｂを、上述した活物質３３Ａと同様に、薄膜層４３を設ける構成であってもよい。

次に、図６を用いて、第４の実施形態に係る二次電池１に用いる活物質層２２Ｃ，２４Ｃについて説明する。なお、図６に示す活物質層２２Ｃ，２４Ｃは、液状時（電極液）の構成であり、活物質層２２Ｃ，２４Ｃが膜状となると、各活物質３３、３３Ｃは互いにバインダー３１により結着される。

なお、第４の実施形態に係る二次電池１のうち、上述した第１乃至第３の実施形態に係る二次電池１と同様の構成には、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

第４の実施形態に係る二次電池１は、活物質層２２Ｃ，２４Ｃを有している。活物質層２２Ｃ，２４Ｃは、バインダー３１と、複数の活物質３３及び活物質３３Ｃと、を備えている。

活物質３３Ｃは、活物質３３と同様に、基材４１と、基材４１の外面に形成された活物質３３と同様の材料で形成された活物質材４２を備えている。なお、活物質３３Ｃは、その基材４１の外径が、活物質３３の基材４１の外径と異なる。即ち、活物質層２２Ｃ，２４Ｃは、異なる外径を有する２種類の活物質３３，３３Ｃを用いる構成である。

このように異なる２種類の外径を有する活物質３３，３３Ｃを有する二次電池１は、上述した第１乃至第３の実施形態に係る二次電池１と同様の効果を得ることが可能となる。また、異なる外径の基材４１を用いることで、二次電池１の用途に合わせて、適宜、活物質層２２Ｃ，２４Ｃを設定することが可能となる。

さらに、異なる外径の基材４１を用いることで、図６に示すように、活物質３３，３３Ｃ間の隙間を減少させることが可能となり、バインダー３１内の、活物質３３，３３Ｃの密度を増大させることが可能となる。これにより、二次電池１の性能を向上させることが可能となる。

なお、本実施形態の二次電池１においては、導電剤３２については省略したが、バインダー３１中に導電剤３２を有してもよく、又、活物質３３及び３３Ｂを、上述した活物質３３Ａと同様に、薄膜層４３を設ける構成であってもよい。また、活物質３３と活物質３３Ｃとの活物質材４２は、同一材料であっても、異なる材料であってもよい。

また、上述した実施形態では、二次電池１は、非水電解液７を用いる構成を説明したがこれに限定されない。非水電解液７を用いない二次電池であっても、上述した各活物質層２２，２２Ｂ，２２２Ｃ，２４，２４Ｂ，２４Ｃを用いることで、本実施形態と同様の効果を得ることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…二次電池、５…外装部材、６…電極体、７…非水電解液、１１…正極、１２…負極、１３…セパレータ、２１…正極集電体、２２、２２Ｂ、２２Ｃ…正極活物質層、２３…負極集電体、２４、２４Ｂ，２４Ｃ…負極活物質層、３１…バインダー、３２…導電剤、３３、３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ…活物質、４１…基材、４２、４２Ｂ…活物質材、４２．４２Ｂ…活物質材、４３…薄膜層。

Claims

粒状に形成された基材と、
前記基材の外面に成膜された活物質材と、
を備えることを特徴とする活物質。
前記活物質材の外面に成膜された薄膜層をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の活物質。
前記基材は、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリカーボネート（ＰＣ）若しくはポリプロピレン（ＰＰ）等のラテックス、アルミナ若しくはジルコニア等の金属酸化物、シリカ等の無機物、又は、金若しくはアルミニウム等の金属を主成分とする材料のいずれか一、又は、複数の組合せにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載の活物質。
集電体と、
粒状の基材及び前記基材の外面に成膜された活物質材を具備する活物質、及び、前記活物質同士及び前記集電体と前記活物質を結着させるバインダーを有する活物質層と、
を備えることを特徴とする二次電池。
前記基材は、その外径が二種類以上の異なる形状に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の二次電池。
前記複数の活物質は、二種類以上の異なる前記活物質材で形成されることを特徴とする請求項４に記載の二次電池。
前記活物質は、前記活物質材の外面に成膜された薄膜層をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の二次電池。
前記基材は、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリカーボネート（ＰＣ）若しくはポリプロピレン（ＰＰ）等のラテックス、アルミナ若しくはジルコニア等の金属酸化物、シリカ等の無機物、又は、金若しくはアルミニウム等の金属を主成分とする材料のいずれか一、又は、複数の組合せにより形成されていることを特徴とする請求項４に記載の二次電池。