JP2012074201A - Lithium ion secondary battery, vehicle, electronic device and manufacturing method of lithium ion secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、正負両極の活物質の間に電解質層を介在させてなるリチウムイオン二次電池、これを備える車両および電子機器ならびに該電池の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a lithium ion secondary battery in which an electrolyte layer is interposed between positive and negative electrode active materials, a vehicle and an electronic device including the same, and a method for manufacturing the battery.
従来、このようなリチウムイオン二次電池として、正極活物質を積層した集電体と、負極活物質を積層した集電体とをそれぞれ用意し、電解液を含浸させたセパレータを各集電体で挟み込んで構成されたものが知られている。ただし、特許文献1、2等で指摘されているとおり、活物質を集電体に積層したリチウムイオン二次電池では、活物質が集電体から剥離してしまうことが問題となっていた。
Conventionally, as such a lithium ion secondary battery, a current collector in which a positive electrode active material is laminated and a current collector in which a negative electrode active material is laminated are prepared, and a separator impregnated with an electrolytic solution is provided for each current collector. It is known that it is sandwiched between the two. However, as pointed out in
つまり、特許文献1では、活物質と集電体との密着性が不十分であるために、活物質が集電体から剥離する点が指摘されている。また、特許文献2では、活物質層と電解液との接触面積を広くするために活物質層に溝を設けた場合に、この溝が原因となって、活物質層が集電体から剥離する点が指摘されている。
That is,
このような問題に対応するために、特許文献1では、導電性保護膜により活物質を覆うことで、活物質と集電体の密着性を高めて、集電体からの活物質の剥離を抑制している。また、特許文献2では、溝の端を活物質層の周縁から離しておくことで、集電体からの活物質層の剥離を抑制している。
In order to cope with such a problem, in
しかしながら、特許文献1では、導電性保護膜という部材が別途必要になるためコストアップが引き起こされるおそれがあるとともに、活物質層と集電体の密着性が確実に得られるように、導電性保護膜により活物質層をきっちりと覆う必要があり、製造工程の複雑化が問題となるおそれもあった。また、特許文献2では、活物質層の溝を原因とするものには有効であったとしても、その他の原因によって集電体から活物質層が剥離する場合には、必ずしも有効とは言えなかった。
However, in
この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、集電体に活物質層を積層したリチウムイオン二次電池において、集電体からの活物質層の剥離を抑制可能とする技術の提供を目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a technique capable of suppressing separation of an active material layer from a current collector in a lithium ion secondary battery in which an active material layer is stacked on a current collector. And
この発明にかかるリチウムイオン二次電池は、上記目的を達成するため、第1の集電体層、第1の活物質層、電解質層、第2の活物質層および第2の集電体層をこの順番に積層した構造を有し、第1の活物質層は、第1の集電体層表面に互いに離隔したライン状パターンを互いに平行に複数配してなるストライプ構造を有し、ライン状パターンの長手方向において第1の集電体層表面と接するライン状パターンの長さ寸法が、長手方向と直交する幅方向において第1の集電体層表面と接するライン状パターンの幅寸法の4倍以上であることを特徴としている。 In order to achieve the above object, a lithium ion secondary battery according to the present invention includes a first current collector layer, a first active material layer, an electrolyte layer, a second active material layer, and a second current collector layer. Are stacked in this order, and the first active material layer has a stripe structure in which a plurality of line-shaped patterns spaced apart from each other are arranged in parallel on the surface of the first current collector layer. The length dimension of the line-shaped pattern in contact with the first current collector layer surface in the longitudinal direction of the line-shaped pattern is equal to the width dimension of the line-shaped pattern in contact with the first current collector layer surface in the width direction orthogonal to the longitudinal direction. It is characterized by four times or more.
このように構成された発明(リチウムイオン二次電池)では、第1の活物質層は、第1の集電体層表面に互いに離隔したライン状パターンを互いに平行に複数配してなるストライプ構造を有している。しかも、ライン状パターンの長手方向において第1の集電体層表面と接するライン状パターンの長さ寸法が、長手方向と直交する幅方向において第1の集電体層表面と接するライン状パターンの幅寸法の4倍以上となっている。このように本発明では、第1の活物質層と集電体層表面との接触面積が広くとられており、集電体層からの活物質層の剥離を効果的に抑制することが可能となっている。 In the invention thus configured (lithium ion secondary battery), the first active material layer has a stripe structure in which a plurality of line-shaped patterns separated from each other are arranged in parallel on the surface of the first current collector layer. have. Moreover, the length of the line-shaped pattern in contact with the surface of the first current collector layer in the longitudinal direction of the line-shaped pattern is equal to the length of the line-shaped pattern in contact with the surface of the first current collector layer in the width direction orthogonal to the longitudinal direction. It is at least four times the width dimension. As described above, in the present invention, the contact area between the first active material layer and the surface of the current collector layer is wide, and it is possible to effectively suppress peeling of the active material layer from the current collector layer. It has become.
また、第1の集電体層表面からのライン状パターンの高さ寸法が幅寸法よりも小さいように構成しても良い。このように、ライン状パターンの高さを抑えることで、集電体からの活物質層の剥離をより効果的に抑制することが可能となる。 Moreover, you may comprise so that the height dimension of the line-shaped pattern from the 1st collector layer surface may be smaller than a width dimension. In this manner, by suppressing the height of the line pattern, it is possible to more effectively suppress the peeling of the active material layer from the current collector.
上記のような構造を有するリチウムイオン二次電池は種々の応用分野が考えられるが、例えば電気自動車のような各種車両の電源として、また、このリチウムイオン二次電池を電源として動作する電子回路部を備えた各種の電子機器に適用することが可能である。 The lithium ion secondary battery having the above-described structure can be applied in various fields. For example, an electronic circuit unit that operates as a power source for various vehicles such as an electric vehicle and uses the lithium ion secondary battery as a power source. It is possible to apply to various electronic devices provided with.
また、この発明にかかるリチウムイオン二次電池の製造方法は、上記目的を達成するため、第1の集電体層表面に、互いに離隔したライン状パターンを互いに平行に複数配してなるストライプ構造を有する第1の活物質層を形成する第1工程と、第1の活物質層表面に、電解質層、第2の活物質層および第2の集電体層をこの順番に積層する第2工程とを備え、ライン状パターンの長手方向において第1の集電体層表面と接するライン状パターンの長さ寸法が、長手方向と直交する幅方向において第1の集電体層表面と接するライン状パターンの幅寸法の4倍以上であることを特徴としている。 Further, in order to achieve the above object, a method for manufacturing a lithium ion secondary battery according to the present invention has a stripe structure in which a plurality of line-shaped patterns separated from each other are arranged in parallel on the surface of the first current collector layer. A first step of forming a first active material layer having a second layer, and an electrolyte layer, a second active material layer, and a second current collector layer are laminated in this order on the surface of the first active material layer A line in which the length dimension of the line-shaped pattern in contact with the surface of the first current collector layer in the longitudinal direction of the line-shaped pattern is in contact with the surface of the first current collector layer in the width direction orthogonal to the longitudinal direction. It is characterized by being at least four times the width dimension of the pattern.
このように構成された発明(リチウムイオン二次電池の製造方法)では、第1の活物質層は、第1の集電体層表面に互いに離隔したライン状パターンを互いに平行に複数配してなるストライプ構造を有している。しかも、ライン状パターンの長手方向において第1の集電体層表面と接するライン状パターンの長さ寸法が、長手方向と直交する幅方向において第1の集電体層表面と接するライン状パターンの幅寸法の4倍以上となっている。このように本発明では、第1の活物質層と集電体層表面との接触面積が広くとられており、集電体からの活物質層の剥離を効果的に抑制することが可能となっている。 In the invention configured as described above (a method for manufacturing a lithium ion secondary battery), the first active material layer includes a plurality of line-shaped patterns arranged in parallel to each other on the surface of the first current collector layer. The stripe structure is as follows. Moreover, the length of the line-shaped pattern in contact with the surface of the first current collector layer in the longitudinal direction of the line-shaped pattern is equal to the length of the line-shaped pattern in contact with the surface of the first current collector layer in the width direction orthogonal to the longitudinal direction. It is at least four times the width dimension. As described above, in the present invention, the contact area between the first active material layer and the current collector layer surface is wide, and it is possible to effectively suppress peeling of the active material layer from the current collector. It has become.
本発明では、第1の活物質層と集電体層表面との接触面積が広くとられており、集電体からの活物質層の剥離を効果的に抑制することが可能となっている。 In the present invention, the contact area between the first active material layer and the current collector layer surface is wide, and it is possible to effectively suppress peeling of the active material layer from the current collector. .
図1はリチウムイオン二次電池の概略構造を示す図である。より詳しくは、図1(a)は本発明の一実施形態としてのリチウムイオン二次電池モジュールの断面構造を示す図であり、図1(b)はその概観斜視図であり、図1(c)はその負極集電体と負極活物質層のみを示した外観斜視図である。このリチウムイオン二次電池モジュール1は、負極集電体11の上に負極活物質層12、固体電解質層13、正極活物質層14および正極集電体15を順番に積層した構造を有している。この明細書では、X、YおよびZ座標方向をそれぞれ図1(a)に示すように定義する。
FIG. 1 is a diagram showing a schematic structure of a lithium ion secondary battery. More specifically, FIG. 1A is a diagram showing a cross-sectional structure of a lithium ion secondary battery module as one embodiment of the present invention, FIG. 1B is an overview perspective view thereof, and FIG. ) Is an external perspective view showing only the negative electrode current collector and the negative electrode active material layer. The lithium ion
図1(b)および図1(c)に示すように、負極活物質層12はY方向に沿って延びるライン状のパターン121がX方向に一定間隔を空けて多数並んだ、ラインアンドスペース構造(ストライプ構造)となっている。また固体電解質層13は固体電解質によって形成されており、その下面が負極活物質層12の凹凸に対応する凹凸形状となっている一方、上面は略平坦となっている。
As shown in FIGS. 1B and 1C, the negative electrode
負極集電体11の表面に形成された、負極活物質層12のライン状パターン121は、次のような寸法関係を備える。つまり、ライン状パターン12の長手方向Yにおいて負極集電体11表面と接するライン状パターン12の長さ寸法Laは、長手方向Yと直交する幅方向Xにおいて負極集電体11表面と接するライン状パターンの幅寸法Daの4倍以上となっている(La≧4×Da)。このように本実施形態では、負極活物質層12と負極集電体11表面との接触面積が広くとられており、負極集電体11からの負極活物質層12の剥離を効果的に抑制することが可能となっている。
The
さらに、負極集電体11表面からのライン状パターン12の高さ寸法Haは、ライン状パターン12の幅寸法Daよりも小さくなっている(Ha<Da)。このように、本実施形態では、ライン状パターン12の高さを抑えることで、負極集電体11からの負極活物質層12の剥離をより効果的に抑制することが可能となっている。
Further, the height dimension Ha of the line-shaped
そして、このように略平坦に形成された固体電解質層13に正極活物質層14および正極集電体15が積層されて、リチウムイオン二次電池モジュール1が形成される。このリチウムイオン二次電池モジュール1に適宜タブ電極が設けられたり、複数のモジュールが積層されてリチウムイオン電池が構成される。
Then, the positive electrode
ここで、各層を構成する材料としては、負極集電体11、正極集電体15として例えば銅箔、アルミニウム箔をそれぞれ用いることができる。また、正極活物質としては例えばLiCoO2(LCO)を主体とするものを、負極活物質としては例えばLi4Ti5O12(LTO)を主体としたものをそれぞれ用いることができる。また、固体電解質層13としては、例えばポリエチレンオキサイドおよびポリスチレンを用いることができる。
Here, as a material constituting each layer, for example, a copper foil or an aluminum foil can be used as the negative electrode
このような構成(組成および構造)を有するリチウムイオン二次電池モジュール1は、薄型で折り曲げ容易である。また、負極活物質層12を図示したような凹凸を有する立体的構造として、その体積に対する表面積を大きくしているので、薄い固体電解質層13を介した正極活物質層14との対向表面積を大きく取ることができ、高効率・高出力が得られる。このように、上記構造を有するリチウムイオン電池は小型で高性能を得ることができるものである。
The lithium ion
次に、上記したリチウムイオン二次電池モジュール1を製造する方法について説明する。従来、この種のモジュールは各機能層に対応する薄膜材料を積層することによって形成されてきたが、この製造方法ではモジュールの高密度化に限界がある。また、従来から提案されている製造方法(例えば、特開2005−116248号公報)では、工程が多く製造に時間がかかり、また各機能層間の分離が難しい。これに対し、以下に説明する製造方法では、少ない工程で、また既存の処理装置を用いて、上記のような構造のリチウムイオン電池モジュール1を製造することが可能である。
Next, a method for manufacturing the above-described lithium ion
図2は図1の電池の製造方法の一例を示すフローチャートである。この製造方法では、まず負極集電体11となる金属箔、例えば銅箔を準備する(ステップS101)。薄い銅箔は搬送や取り扱いが難しいので、例えば片面をガラス板等のキャリアに貼り付ける等により搬送性を高めておくことが好ましい。
FIG. 2 is a flowchart showing an example of a method for manufacturing the battery of FIG. In this manufacturing method, first, a metal foil, such as a copper foil, to be the negative electrode
続いて、銅箔の一方面に、負極活物質を含む塗布液をノズルディスペンス法、中でも塗布液を吐出するノズルを塗布対象面に対し相対移動させるノズルスキャン法により塗布する(ステップS102)。塗布液としては、例えば、前記した負極活物質を含む有機系LTO材料を用いることができる。塗布液には、負極活物質の他に、導電助剤としてのアセチレンブラック(AB)またはケッチェンブラック、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン(PVDF)、スチレンブタジエンラバー(SBR)、ポリビニルピロリドン(PVP)、ポリビニルアルコール(PVA)またはポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、溶剤としてのN−メチル−2−ピロリドン(NMP)などを混合したものを用いることができる。なお、後述する実施例の試作に用いた塗布液では、LTO:AB:PVDFの組成比をおよそ8:1:1とした。 Subsequently, a coating liquid containing a negative electrode active material is applied to one surface of the copper foil by a nozzle dispensing method, particularly a nozzle scanning method in which a nozzle for discharging the coating liquid is moved relative to the surface to be coated (step S102). As the coating solution, for example, an organic LTO material containing the negative electrode active material described above can be used. In addition to the negative electrode active material, the coating solution includes acetylene black (AB) or ketjen black as a conductive auxiliary agent, polyvinylidene fluoride (PVDF), styrene butadiene rubber (SBR), polyvinyl pyrrolidone (PVP) as a binder. ), Polyvinyl alcohol (PVA) or polytetrafluoroethylene (PTFE), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) as a solvent, and the like can be used. In the coating liquid used for the trial production of the examples described later, the composition ratio of LTO: AB: PVDF was about 8: 1: 1.
図3はノズルスキャン法による材料塗布の様子を模式的に示す図である。より詳しくは、図3(a)はノズルスキャン法による塗布の様子をX方向から見た図、図3(b)および図3(c)は同じ様子をそれぞれY方向、斜め上方から見た図である。ノズルスキャン法によって塗布液を基材に塗布する技術は公知であり、本方法においてもそのような公知技術を適用することが可能であるので、装置構成については説明を省略する。 FIG. 3 is a diagram schematically showing a state of material application by the nozzle scanning method. More specifically, FIG. 3 (a) is a view of the state of application by the nozzle scanning method as seen from the X direction, and FIGS. 3 (b) and 3 (c) are views of the same state as seen from the Y direction and obliquely from above. It is. A technique for applying a coating solution to a substrate by a nozzle scanning method is known, and such a known technique can also be applied to this method, and thus the description of the apparatus configuration is omitted.
ノズルスキャン法では、上記有機系LTO材料を塗布液として吐出するための吐出口311を1つまたは複数穿設されたノズル31を銅箔11の上方に配置し、吐出口311から一定量の塗布液32を吐出させながら、ノズル31を銅箔11に対し相対的に矢印方向Dnに一定速度で走査移動させる。こうすることで、銅箔11上には塗布液32がY方向に沿ったライン状に塗布される。ノズル31に複数の吐出口311を設けることで1回の走査移動で複数のストライプを形成することができ、必要に応じて走査移動を繰り返すことで、銅箔11の全面にライン状に塗布液を塗布することができる。これを乾燥硬化させることで、銅箔11の上面に負極活物質によるライン状パターン121が形成される。また、塗布液に光硬化性樹脂を添加し塗布後に光照射して硬化させるようにしてもよい。
In the nozzle scanning method, a
この時点では、略平坦な銅箔11の表面に対して負極活物質層12を部分的に盛り上げた状態となっており、単に上面が平坦となるように塗布液を塗布する場合に比べて、活物質の使用量に対する表面積を大きくすることができるので、後に形成される正極活物質との対向面積を大きくして高出力を得ることができる。
At this time, the negative electrode
図2のフローチャートの説明を続ける。こうして形成された、銅箔11に負極活物質層12を積層してなる積層体の上面に対し、適宜の塗布方法、例えばナイフコート法やバーコート法により電解質塗布液を塗布する(ステップS103)。電解質塗布液としては、前記した高分子電解質材料、例えばポリエチレンオキサイド、ポリスチレンなどの樹脂、支持塩としての例えばLiPF6および溶剤としての例えばジエチレンカーボネートなどを混合したものを用いることができる。ここでの塗布方法としては上記に限定されないが、塗布後の表面を略平坦にすることのできる方法であることが好ましい。
The description of the flowchart of FIG. 2 will be continued. An electrolyte coating solution is applied to the upper surface of the laminate formed by laminating the negative electrode
続いて正極活物質層14および正極集電体としてのアルミニウム箔15を積層する。ここではその一例を説明する。まず、正極集電体としてのアルミニウム箔15に予め正極活物質を含む塗布液を塗布して略一様な正極活物質層14をアルミニウム箔15の表面に形成しておく。正極活物質を含む塗布液としては、例えば、前記した正極活物質と、導電助剤としての例えばアセチレンブラック、結着剤としてのSBR、分散剤としてのカルボキシメチルセルロース(CMC)および溶剤としての純水などを混合した水系LCO材料を用いることができる。また、塗布方法としては、上記したナイフコート法やバーコート法のほか、スピンコート法のように、平面上に平坦な膜を形成することが可能な公知の塗布方法を適宜採用することができる。
Subsequently, a positive electrode
そして、ステップS103において塗布された電解質塗布液が硬化する前に、正極活物質層14が形成されたアルミニウム箔15を貼り合わせて、正極活物質層14と電解質塗布液とを密着させる(ステップS104)。このとき、より密着性を高めるために、アルミニウム箔15表面の正極活物質層14にも電解質塗布液を塗布しておいてもよい。
Then, before the electrolyte coating solution applied in step S103 is cured, the
こうすることで、負極集電体11、負極活物質層12、固体電解質層13、正極活物質層14および正極集電体15が順に積層されてなるリチウムイオン二次電池モジュール1が形成される。なお、上記方法以外にも、例えば、電解質塗布液の塗布後これを硬化させて固体電解質層13を形成した後に、正極活物質を含む塗布液を塗布して正極活物質層14を形成し、さらに正極集電体15を貼り合わせるようにしてもよい。
In this way, the lithium ion
次に、図1のリチウムイオン二次電池モジュール1における負極活物質層の構造について、図4ないし図5を参照しながらさらに詳しく説明する。図4は負極活物質層の断面形状を示す拡大断面図である。また、図5は図4の構造と従来の電池モジュールの構造との差異を模式的に示す図である。
Next, the structure of the negative electrode active material layer in the lithium ion
図1に示すように、この実施形態における負極活物質層12は、Y方向に延びる複数のライン状パターン121がX方向に互いに離隔した島状に配置された構造を有している。図4はX−Z平面で切断したライン状パターン121の断面を示しており、同図に示されるように、ライン状パターン121の表面は上(Z方向)に凸の滑らかな曲面となっている。
As shown in FIG. 1, the negative electrode
本願発明者らが試作した電池モジュール1における各部の代表的な寸法は、ライン状パターン121の幅Daが約170μm、高さHaは約100μmである。また、隣接するライン状パターン121,121間の距離Sは約160μmである。また、固体電解質層13の厚さHdは約200μmである。
Typical dimensions of each part in the
また、負極集電体11からライン状パターン121が立ち上がる位置、つまり負極集電体11、負極活物質のライン状パターン121および固体電解質層13の三者が互いに接する接触点Pにおけるライン状パターン121表面の勾配、言い換えれば、接触点Pにおいてライン状パターン121に引いた接線と負極集電体層11とがなす角のうちライン状パターン121を含む側の角θは、90度よりも小さい。以下、この明細書では、この角θを「接地角」と称することとする。
Further, the
なお、本願発明者らの知見によれば、電池として良好な特性が得られる各部の寸法の好ましい範囲は概ね以下の通りである。すなわち、ライン状パターン121の幅Daは20μmないし300μm、その高さHaは約10μmないし300μmであり、かつ断面のアスペクト比、つまり幅Daに対する高さHaの比が0.5以上であることが好ましい。つまり、ライン状パターン12の長手方向Yにおいて負極集電体11表面と接するライン状パターン12の長さ寸法Laは、長手方向Yと直交する幅方向Xにおいて負極集電体11表面と接するライン状パターンの幅寸法Daの4倍以上となっている(La≧4×Da)。こうして、負極活物質層12と負極集電体11表面との接触面積が広くとられており、負極集電体11からの負極活物質層12の剥離を効果的に抑制することが可能となっている。さらに、負極集電体11表面からのライン状パターン12の高さ寸法Haは、ライン状パターン12の幅寸法Daよりも小さくなっている(Ha<Da)。こうして、ライン状パターン12の高さを抑えることで、負極集電体11からの負極活物質層12の剥離をより効果的に抑制することが可能となっている。
According to the knowledge of the inventors of the present application, the preferred ranges of the dimensions of the respective parts where good characteristics are obtained as a battery are as follows. That is, the
本実施形態の電池が良好な特性を示した理由について、本願発明者らは以下のように考えた。図5(a)に示すように、本実施形態のリチウムイオン二次電池モジュール1に外部直流電源Vcを接続し、正極集電体15に負極集電体11よりも高電位を与えた場合を考える。この状態は、リチウムイオン二次電池モジュール1を外部直流電源Vcによって充電する場合に相当する。このとき、正極活物質14内のリチウム原子が電子(図中「e−」で示す)を放出してリチウムイオン(図中「Li+」で示す)となり、固体電解質層13内を泳動して負極活物質層12(ライン状パターン121)に到達する。そして、負極集電体11を介して負極活物質層12に供給される電子と再結合する。こうして負極活物質層12にリチウム原子が貯蔵されることで、外部から見ればリチウムイオン二次電池モジュール1が充電される。
The inventors considered the reason why the battery of the present embodiment exhibited good characteristics as follows. As shown in FIG. 5A, a case where an external DC power source Vc is connected to the lithium ion
この実施形態では、接触点Pにおける接地角θが90度よりも小さい。このため、ライン状パターン121の厚みは接触点Pで極めて小さく、特にこの実施形態では接触点Pにおいて負極集電体11と固体電解質層13とが接しているので厚みはゼロであり、接触点Pから離れるにしたがって厚みが大きくなる。したがって、接触点Pの近傍において、負極集電体11と固体電解質層13とが非常に薄い負極活物質層12を挟んで対向することになる。このため、負極活物質層12内においてリチウムイオンと電子とが再結合するために移動する距離は極めて短くて済む。反対に負極活物質層12内のリチウム原子が電子を放出する放電時においても同様である。このことが充放電特性の向上に寄与していると考えられる。一方、接触点Pから離れた領域では、負極活物質層12が十分な厚みを有しているため、多くのリチウム原子を貯蔵することができ、大容量を得ることが可能である。こうして、本実施形態のリチウムイオン二次電池モジュール1では良好な充放電特性と大容量とを両立させることが可能となっている。
In this embodiment, the contact angle θ at the contact point P is smaller than 90 degrees. Therefore, the thickness of the
前記した従来技術の電池においても、例えば図5(b)に示すように、負極活物質層をごく薄く形成することによって良好な充放電特性を得ることは可能と考えられる。しかしながら、このような構成では使用される負極活物質の量(体積)が少ないため、貯蔵できるリチウム原子の量が限られ、高容量化は難しい。また、図5(c)に示すように、負極活物質層を厚くすれば容量を増大させることができるが、接地角θが90度あるいはそれ以上である場合、負極活物質層内でのイオンや電子の移動距離が長くなるため、充放電特性は劣ることになる。 In the above-described prior art battery as well, it is considered possible to obtain good charge / discharge characteristics by forming the negative electrode active material layer very thinly, for example, as shown in FIG. However, in such a configuration, since the amount (volume) of the negative electrode active material used is small, the amount of lithium atoms that can be stored is limited, and it is difficult to increase the capacity. Further, as shown in FIG. 5C, the capacity can be increased by increasing the thickness of the negative electrode active material layer. However, when the ground angle θ is 90 degrees or more, ions in the negative electrode active material layer can be increased. In addition, since the distance traveled by the electrons becomes longer, the charge / discharge characteristics are inferior.
また、特に電解質材料を含む塗布液の塗布によって固体電解質層を形成する場合、接地角θが90度以上であれば負極集電体と負極活物質との接触点に塗布液がうまく回り込まず、接触点Pに空隙が生じるおそれがある。これに対し、本実施形態のように接地角θを90度未満とすれば、負極集電体と負極活物質との接触点に電解質材料が確実に回り込み、負極集電体、負極活物質および固体電解質を接触点Pにおいて互いに接触させることができ、上記のように特性の優れた電池を得ることができる。 In particular, when the solid electrolyte layer is formed by application of a coating solution containing an electrolyte material, the coating solution does not wrap around the contact point between the negative electrode current collector and the negative electrode active material if the ground angle θ is 90 degrees or more, There is a possibility that a gap is generated at the contact point P. On the other hand, when the grounding angle θ is less than 90 degrees as in this embodiment, the electrolyte material surely goes around the contact point between the negative electrode current collector and the negative electrode active material, and the negative electrode current collector, the negative electrode active material, and The solid electrolytes can be brought into contact with each other at the contact point P, and a battery having excellent characteristics as described above can be obtained.
以上のように、この実施形態では、負極集電体11、負極活物質層12、固体電解質層13、正極活物質層14および正極集電体15を順番に積層してなるリチウムイオン二次電池モジュール1において、負極活物質としてLi4Ti5O12、固体電解質としてポリエチレンオキサイドおよびポリスチレン、正極活物質としてLiCoO2をそれぞれ主たる材料として用い、しかも負極活物質層12を、ライン状パターン121を複数配したストライプ構造とする。そして、負極集電体11に対するライン状パターン121の接地角θを90度よりも小さくしたことにより、常温で動作し、高容量で充放電特性も良好な電池を構成することが可能となっている。
As described above, in this embodiment, the lithium ion secondary battery in which the negative electrode
ここで、負極活物質層12を構成するライン状パターン121は、負極活物質を含む塗布液を吐出するノズル31を基材(負極集電体11)表面に対しY方向に相対移動させることで形成されたものである。このような、いわゆるノズルスキャン法によるパターン形成では、互いに平行な多数のライン状パターンを短時間で制御性よく形成することができ、微細なパターンも形成することが可能である。そのため、電気的特性が良好で安定した電池を、優れた生産性で、しかも低い製造コストで製造することができる。
Here, the
また、ライン状パターン121の表面を鋭い角のない滑らかな曲面とすることで、負極集電体11および負極活物質層12による負極側構造体と固体電解質層13との密着度を高めることができる。これにより、例えば電池モジュールの屈曲によってこれらの界面が剥離するなどの損傷を受け難く特性の安定した電池を構成することが可能となる。これにより折り曲げ可能な電池を構成することができ、種々の形状の容器への収納も容易となる。そして、上記したノズルスキャン法による塗布は、このような断面形状を有するライン状パターン121を形成するのに特に好適な方法である。なお、本実施形態にかかる負極活物質層12の構造は、固体電解質層を有する電池のみならず、セパレータと電解液とで構成される液体電解質層を有する電池においてもその特性を向上させる上で有効なものであるが、この場合には、上記したライン状パターン121の表面を滑らかな曲面とすることは必須の要件ではない。
Further, by making the surface of the line pattern 121 a smooth curved surface without sharp corners, the degree of adhesion between the negative electrode
また、上記実施形態における負極活物質層12は、Y方向に延びるライン状パターン121をX方向に複数並べた島状構造を有するものであり、各ライン状パターン121は互いに独立して負極集電体11表面に形成されている。しかしながら、本明細書にいう「島状構造」は、各パターンの主要部が実質的に独立して存在していることを表す概念であり、各パターンが完全に独立したものだけでなく、以下に例示するようにその一部が繋がっていてもよい。
Further, the negative electrode
図6は負極活物質層の他のパターンの例を示す図である。ここで例示する負極活物質層122では、図1の例と同様に、複数のライン状パターン122aが負極集電体11の表面に形成されるとともに、隣接するライン状パターン122a同士が同材料による接続部位122bによって互いに接続されている。このような構造であっても、各ライン状パターン122aが図1の例におけるライン状パターン121と同様の機能を有しており、これらが実質的に島状構造をなしているということができる。
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of another pattern of the negative electrode active material layer. In the negative electrode
次に、上記のように構成される電池の用途について説明する。本実施形態のリチウムイオン二次電池モジュール1は、常温において高容量かつ充放電特性の良好なものであるので、以下に例示するように各種の機器への応用が考えられる。なお、以下は本実施形態の電池を応用しうる機器の態様の一部を例示するものであって、本発明にかかる電池の適用範囲がこれらに限定されるものではない。
Next, the use of the battery configured as described above will be described. Since the lithium ion
図7は本発明にかかる電池を搭載した機器の一例としての車両、具体的には電気自動車を模式的に示す図である。この電気自動車50は、車輪51と、該車輪51を駆動するモータ52と、該モータ52に電力を供給する電池53とを備えている。この電池53として、上記したリチウムイオン二次電池モジュール1を多数直並列接続した構成を採用することができる。このように構成された電池53は、高い電流供給能力を有するとともに短時間での充電が可能であるため、電気自動車50のような車両の駆動用電源として好適なものである。
FIG. 7 is a diagram schematically showing a vehicle, specifically an electric vehicle, as an example of a device equipped with a battery according to the present invention. The
図8は本発明にかかる電池を搭載した機器の他の例としての電子機器、具体的にはICカード(スマートカード)を模式的に示す図である。このICカード70は、互いに重ね合わせられることでカード型のパッケージを構成する1対の筐体71,72と、該筐体内に収容される回路モジュール73および該回路モジュール73の電源となる電池74とを備えている。このうち回路モジュール73は、外部との通信のためのループ状のアンテナ731と、該アンテナ731を介した外部機器とのデータ交換および種々の演算・記憶処理を実行する集積回路(IC)を含む回路ブロック732とを備えている。また、電池74としては、上記したリチウムイオン二次電池モジュール1を1組または複数組備えるものを用いることができる。
FIG. 8 is a diagram schematically showing an electronic device, specifically, an IC card (smart card) as another example of a device equipped with a battery according to the present invention. The
このような構成によれば、それ自身は電源を有さない一般的なICカードに比べて、外部機器との通信可能距離を拡張することができ、またより複雑な処理を行うことが可能となる。本発明にかかる電池74は小型・薄型で大容量を得ることができるので、このようなカード型の機器に好適に適用することができる。
According to such a configuration, the communicable distance with the external device can be extended and more complicated processing can be performed as compared with a general IC card that does not have a power supply. Become. Since the
これ以外にも、電動アシスト自転車、電動工具、ロボットなどの機械類や、パーソナルコンピュータ、携帯電話や携帯型音楽プレイヤー、デジタルカメラやビデオカメラなどのモバイル機器、ゲーム機、ポータブル型の測定機器、通信機器や玩具など各種の電子機器に、本発明にかかる電池を採用することが可能である。 Other than this, machinery such as electric assist bicycles, electric tools, robots, personal computers, mobile phones and portable music players, mobile devices such as digital cameras and video cameras, game machines, portable measuring devices, communication The battery according to the present invention can be employed in various electronic devices such as devices and toys.
以上説明したように、上記実施形態では、負極集電体11が本発明の「第1の集電体層」に相当し、負極活物質層12が本発明の「第1の活物質層」に相当し、固体電解質層13が本発明の「電界質層」に相当し、正極活物質層14が本発明の「第2の活物質層」に相当し、正極集電体15が本発明の「第2の集電体層」に相当している。また、図2のフローチャートにおけるステップS101およびS102が本発明の「第1工程」に相当し、ステップS103およびS104が本発明の「第2工程」に相当している。
As described above, in the above embodiment, the negative electrode
また、上記実施形態における電気自動車50が本発明の「車両」に相当している。さらに、上記実施形態におけるICカード70が本発明の「電子機器」に相当しており、そのうち回路ブロック73が本発明の「電子回路部」としてそれぞれ機能している。
Further, the
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記実施形態では、負極活物質層についてはノズルスキャン法による塗布で、また固体電解質層についてはナイフコート法またはバーコート法による塗布で形成しているが、各層の形成方法はこれらに限定されず、公知の種々の塗布方法を適用することが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications other than those described above can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, in the above embodiment, the negative electrode active material layer is formed by application by a nozzle scan method, and the solid electrolyte layer is formed by application by a knife coat method or a bar coat method, but the formation method of each layer is limited to these. Instead, various known coating methods can be applied.
また、上記実施形態では、負極集電体、負極活物質層および固体電解質層からなる積層体に対して、別途形成した正極活物質層および正極集電体からなる積層体を貼り合わせることで電池を製造しているが、これに限定されず、例えば負極集電体、負極活物質層および固体電解質層からなる積層体に正極活物質材料を含む塗布液を塗布して正極活物質層を形成し、これに正極集電体を貼り合わせるようにしてもよい。 Moreover, in the said embodiment, it is a battery by bonding the laminated body which consists of the positive electrode active material layer and positive electrode collector which were formed separately with respect to the laminated body which consists of a negative electrode collector, a negative electrode active material layer, and a solid electrolyte layer. However, the present invention is not limited to this. For example, a positive electrode active material layer is formed by applying a coating liquid containing a positive electrode active material to a laminate composed of a negative electrode current collector, a negative electrode active material layer, and a solid electrolyte layer. However, a positive electrode current collector may be bonded to this.
この発明にかかるリチウムイオン二次電池は、電池を搭載する車両や各種の電子機器に好適に適用することが可能である。 The lithium ion secondary battery according to the present invention can be suitably applied to a vehicle in which the battery is mounted and various electronic devices.
1,53,74 リチウムイオン二次電池
11 (負極集電体としての)銅箔
12 負極活物質層
13 電解質層
14 正極活物質層
15 (正極集電体としての)アルミニウム箔
31 ノズル
32 負極活物質塗布液
50 電気自動車(車両)
70 ICカード(電子機器)
71,72 カード筐体(筐体)
73 回路モジュール(電子回路部)
121 (負極活物質の)ライン状パターン
1, 53, 74 Lithium ion
70 IC card (electronic equipment)
71, 72 Card housing (housing)
73 Circuit module (electronic circuit part)
121 Line pattern (of negative electrode active material)
Claims (5)
前記第1の活物質層は、前記第1の集電体層表面に互いに離隔したライン状パターンを互いに平行に複数配してなるストライプ構造を有し、
前記ライン状パターンの長手方向において前記第1の集電体層表面と接する前記ライン状パターンの長さ寸法が、前記長手方向と直交する幅方向において前記第1の集電体層表面と接する前記ライン状パターンの幅寸法の4倍以上である
ことを特徴とするリチウムイオン二次電池。 Having a structure in which a first current collector layer, a first active material layer, an electrolyte layer, a second active material layer, and a second current collector layer are laminated in this order;
The first active material layer has a stripe structure in which a plurality of line-shaped patterns spaced apart from each other are arranged in parallel on the surface of the first current collector layer,
The length dimension of the line-shaped pattern in contact with the surface of the first current collector layer in the longitudinal direction of the line-shaped pattern is the length dimension of the line-shaped pattern in contact with the surface of the first current collector layer in the width direction orthogonal to the longitudinal direction. A lithium ion secondary battery characterized by being at least four times the width of the line pattern.
前記リチウムイオン二次電池を電源として動作する電子回路部と
を備えることを特徴とする電子機器。 The lithium ion secondary battery according to claim 1 or 2,
An electronic device comprising: an electronic circuit unit that operates using the lithium ion secondary battery as a power source.
前記第1の活物質層表面に、電解質層、第2の活物質層および第2の集電体層をこの順番に積層する第2工程と
を備え、
前記ライン状パターンの長手方向において前記第1の集電体層表面と接する前記ライン状パターンの長さ寸法が、前記長手方向と直交する幅方向において前記第1の集電体層表面と接する前記ライン状パターンの幅寸法の4倍以上である
ことを特徴とするリチウムイオン二次電池の製造方法。
Forming a first active material layer having a stripe structure in which a plurality of line-shaped patterns spaced apart from each other are arranged in parallel on the surface of the first current collector layer;
A second step of laminating an electrolyte layer, a second active material layer, and a second current collector layer in this order on the surface of the first active material layer;
The length dimension of the line-shaped pattern in contact with the surface of the first current collector layer in the longitudinal direction of the line-shaped pattern is the length dimension of the line-shaped pattern in contact with the surface of the first current collector layer in the width direction orthogonal to the longitudinal direction. A method for producing a lithium ion secondary battery, characterized in that it is at least four times the width of the line pattern.
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