JP2013054871A - Secondary battery and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は二次電池とその製造方法に関する。 The present invention relates to a secondary battery and a manufacturing method thereof.
本明細書において「二次電池」とは、繰り返し充電可能な電池一般をいい、例えば、リチウム二次電池(典型的にはリチウムイオン二次電池)、ニッケル水素電池等のいわゆる蓄電池を包含する。 In the present specification, the “secondary battery” generally refers to a battery that can be repeatedly charged, and includes, for example, a so-called storage battery such as a lithium secondary battery (typically a lithium ion secondary battery), a nickel hydride battery, or the like.
リチウムイオン二次電池は、ニッケル水素電池等の二次電池は、ニッケル水素電池等の他の二次電池に対して、比較的高容量かつ高出力を実現できる。このため、特に、車両の駆動輪に連結されたモータを駆動させる電源(車両搭載用電源)として重要性が高まっている。 A lithium ion secondary battery, such as a nickel metal hydride battery, can achieve a relatively high capacity and high output relative to other secondary batteries such as a nickel metal hydride battery. For this reason, in particular, the importance is increasing as a power source (vehicle-mounted power source) for driving a motor coupled to a driving wheel of the vehicle.
リチウムイオン二次電池は、一つの典型的な構成として、リチウムイオンを可逆的に吸蔵及び放出し得る電極活物質を主成分とする電極活物質層(具体的には、正極活物質層及び負極活物質層)が電極集電体の表面に保持された構成の電極を備えている。 As one typical configuration, a lithium ion secondary battery has an electrode active material layer mainly composed of an electrode active material capable of reversibly occluding and releasing lithium ions (specifically, a positive electrode active material layer and a negative electrode). An active material layer) is provided on the surface of the electrode current collector.
電極活物質層は、例えば、ペースト状組成物を正極集電体に塗布し、乾燥させ、さらに必要に応じて圧延することによって、電極集電体の表面に形成されている。ここで、ペースト状組成物にはスラリー状組成物が包含される。 The electrode active material layer is formed on the surface of the electrode current collector, for example, by applying a paste-like composition to the positive electrode current collector, drying, and rolling as necessary. Here, the paste-like composition includes a slurry-like composition.
例えば、正極活物質層は、予めリチウム遷移金属複合酸化物等の正極活物質を高導電性材料の粉末(導電材)及び結着材等とともに適当な溶媒中で混合して正極活物質層形成用のペースト状組成物を調製しておく。そして、この組成物を正極集電体に塗布することによって正極活物質層を形成している。このような電極においては、集電体と活物質層の密着性が高まることで電極の集電性が向上し、リチウムイオン二次電池の充放電サイクル特性が良好となる。反対に、集電体と活物質層の密着性が悪いと電極の集電性が低下する。 For example, a positive electrode active material layer is formed by previously mixing a positive electrode active material such as a lithium transition metal composite oxide together with a highly conductive material powder (conductive material) and a binder in an appropriate solvent. A paste-like composition is prepared. And the positive electrode active material layer is formed by apply | coating this composition to a positive electrode electrical power collector. In such an electrode, the adhesiveness between the current collector and the active material layer is increased, whereby the current collecting property of the electrode is improved, and the charge / discharge cycle characteristics of the lithium ion secondary battery are improved. On the other hand, when the adhesion between the current collector and the active material layer is poor, the current collecting property of the electrode is lowered.
かかる電極における集電体と活物質層との密着性を高めるための従来技術としては、例えば、特許文献1が挙げられる。特許文献1に開示の技術では、アルミニウム箔からなる集電体の表面の平均粗さRaが0.3μm以上1.5μm以下、最大高さRyが0.5μm以上5.0μm以下となるように粗面化処理を施すことが開示されている。特許文献1によれば、かかる構成によって、集電体の表面積が増大し、活物質層と集電体との密着性を高められるとされている。 As a prior art for improving the adhesiveness between the current collector and the active material layer in such an electrode, for example, Patent Document 1 can be cited. In the technique disclosed in Patent Document 1, the average roughness Ra of the surface of the current collector made of aluminum foil is 0.3 μm or more and 1.5 μm or less, and the maximum height Ry is 0.5 μm or more and 5.0 μm or less. It is disclosed that a roughening treatment is performed. According to Patent Document 1, this configuration increases the surface area of the current collector and improves the adhesion between the active material layer and the current collector.
ところで、二次電池では、集電体に塗工した活物質層は、充放電に伴い膨張収縮を繰り返す。また、車両(典型的には自動車、特にハイブリッド自動車、電気自動車)の動力源として用いられる二次電池は、家庭用の電気機器などに比べて極めてハイレートでの充放電を繰り返し、かつ、長期の使用が想定されている。車両の動力源として用いられる二次電池では、ハイレートでの充放電が繰り返されるため、集電体に塗工した活物質層は大きな膨張収縮を繰り返す。このため、車両駆動用電池では、特に、集電体に塗工された活物質層が集電体から剥がれ易い。これに対し、特許文献1に開示されているように、集電体の表面の平均粗さを規定するだけでは十分な密着性が得られない場合がある。 By the way, in the secondary battery, the active material layer applied to the current collector repeatedly expands and contracts with charge and discharge. In addition, secondary batteries used as power sources for vehicles (typically automobiles, in particular hybrid cars, electric cars) are repeatedly charged and discharged at a very high rate compared to household electric appliances, etc. Use is envisaged. In a secondary battery used as a power source for a vehicle, charging and discharging at a high rate are repeated, so that the active material layer applied to the current collector is repeatedly expanded and contracted. For this reason, in the vehicle driving battery, in particular, the active material layer applied to the current collector is easily peeled off from the current collector. On the other hand, as disclosed in Patent Document 1, sufficient adhesion may not be obtained simply by defining the average roughness of the surface of the current collector.
本発明に係る二次電池は、集電体と、集電体の表面に保持された活物質層とを備えている。ここで、活物質層は、電極活物質と水系バインダとを少なくとも含んでいる。そして、活物質層を保持した集電体の表面に、算術平均粗さRa1が0.3μm〜1μmの第1凹凸を有している。さらに、第1凹凸の表面に、算術平均粗さRa2が0.01μm〜0.2μmの第2凹凸を有している。 The secondary battery according to the present invention includes a current collector and an active material layer held on the surface of the current collector. Here, the active material layer includes at least an electrode active material and an aqueous binder. And on the surface of the electrical power collector holding the active material layer, it has 1st unevenness | corrugation whose arithmetic mean roughness Ra1 is 0.3 micrometer- 1 micrometer. Furthermore, the surface of the first unevenness has second unevenness having an arithmetic average roughness Ra 2 of 0.01 μm to 0.2 μm.
ここで、「電極活物質」とは、二次電池において電荷担体となる化学種(例えば、リチウムイオン二次電池ではリチウムイオン)を可逆的に吸蔵及び放出(典型的には挿入及び離脱)可能な物質をいう。また、「水系バインダ」とは、上記電極活物質とともに活物質層を形成する組成物であって、水に溶解又は分散する物質をいう。 Here, the “electrode active material” can reversibly occlude and release (typically insertion and removal) chemical species that serve as charge carriers in the secondary battery (for example, lithium ions in the lithium ion secondary battery). Refers to a substance. The “aqueous binder” is a composition that forms an active material layer together with the electrode active material and is a substance that dissolves or disperses in water.
かかる二次電池によれば、集電体表面のより大きな第1凹凸の表面に、より微細な第2凹凸が存在している。第1凹凸と第2凹凸で形成される複雑な界面によって、集電体と活物質層とは機械的に強固な接合形態で結合されうる。これにより、集電体と活物質層との剥離強度が高く、集電性が向上して充放電サイクル特性(代表的には、容量維持率)に優れた二次電池が実現される。 According to such a secondary battery, finer second irregularities exist on the surface of the larger first irregularities on the current collector surface. The current collector and the active material layer can be bonded in a mechanically strong bonding form by a complicated interface formed by the first unevenness and the second unevenness. Accordingly, a secondary battery having high peel strength between the current collector and the active material layer, improved current collection, and excellent charge / discharge cycle characteristics (typically capacity retention rate) is realized.
この場合、例えば、第2凹凸の算術平均粗さRa2は0.01μm以上であり、かつ、第1凹凸の算術平均粗さRa1の10%以下であってもよい。第1凹凸と第2凹凸の関係がこのような形態であると、集電体と活物質層は、機械的により強固な結合が可能となる。 In this case, for example, the arithmetic average roughness Ra 2 of the second unevenness may be 0.01 μm or more and 10% or less of the arithmetic average roughness Ra 1 of the first unevenness. When the relationship between the first unevenness and the second unevenness is such a form, the current collector and the active material layer can be mechanically and more strongly bonded.
以下、上記の特殊な凹凸形態についてさらに説明する。本発明に係る集電体の活物質層を備える表面(断面)の粗さ曲線は、波形として見た場合に、低い周波数成分と大きな振幅を持つ大まかな第1凹凸と、この第1凹凸の表面に形成される高い周波数成分と小さな振幅を持つ微細な第2凹凸とから構成される。この第1凹凸はうねり成分と見ることもできる。本発明においては、このような第1凹凸と第2凹凸からなる表面形態を、算術平均粗さRa1及びRa2で表わしている。 Hereinafter, the above-described special uneven form will be further described. The roughness curve of the surface (cross section) provided with the active material layer of the current collector according to the present invention, when viewed as a waveform, is a rough first unevenness having a low frequency component and a large amplitude, and the first unevenness. It is composed of a high frequency component formed on the surface and fine second irregularities having a small amplitude. This first unevenness can also be regarded as a swell component. In the present invention, such a surface form composed of the first unevenness and the second unevenness is represented by arithmetic average roughness Ra 1 and Ra 2 .
ここで、「算術平均粗さ」は、対象表面の粗さ曲線からその平均線の方向に基準長さLだけを抜き取り、この抜取り部分の平均線から測定曲線までの偏差の絶対値を合計し、平均した値である。算術平均粗さは、適切な表面粗さ測定器機で対象となる表面(断面)の粗さ曲線を得て、粗さ曲線から表面粗さを表すパラメータを計算することで測定できる。 Here, the “arithmetic mean roughness” means that only the reference length L is extracted from the roughness curve of the target surface in the direction of the average line, and the absolute value of the deviation from the average line of the extracted portion to the measurement curve is totaled. The average value. The arithmetic average roughness can be measured by obtaining a roughness curve of a target surface (cross section) with an appropriate surface roughness measuring instrument and calculating a parameter representing the surface roughness from the roughness curve.
ここで、第1凹凸の算術平均粗さRa1を算出するには、例えば、第1凹凸に比べて高い周波数成分と小さな振幅を持つ微細な凹凸(第2凹凸に相当する凹凸)を無視するとよい。また、第1凹凸の表面に形成される高い周波数成分と小さな振幅を持つ微細な第2凹凸の算術平均粗さRa2を算出するには、例えば、第2凹凸に比べて、第1凹凸に相当するうねりを無視するとよい。 Here, in order to calculate the arithmetic average roughness Ra 1 of the first unevenness, for example, when the fine unevenness (the unevenness corresponding to the second unevenness) having a higher frequency component and a smaller amplitude than the first unevenness is ignored. Good. In order to calculate the arithmetic average roughness Ra 2 of the fine second unevenness having a high frequency component and small amplitude formed on the surface of the first unevenness, for example, the first unevenness is compared with the second unevenness. Ignore the corresponding swell.
ここで開示される二次電池の好ましい一態様では、上記水系バインダは、フッ素系樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレンからなる群から選択される少なくとも一種のバインダであってもよい。これらの水系バインダーを用いることで、集電体の表面に保持される活物質層を均質なものとすることができる。 In a preferred aspect of the secondary battery disclosed herein, the aqueous binder may be at least one binder selected from the group consisting of a fluorine-based resin, polyethylene, and polypropylene. By using these aqueous binders, the active material layer held on the surface of the current collector can be made homogeneous.
ここで開示される二次電池の好ましい一態様では、上記集電体は、アルミニウム又はアルミニウム合金で形成されている。このような集電体を用いれば、上記の特殊な凹凸形態を形成することができる。 In a preferred embodiment of the secondary battery disclosed herein, the current collector is formed of aluminum or an aluminum alloy. If such a current collector is used, the above-described special uneven form can be formed.
上記電極活物質は、各種の負極活物質又は正極活物質であり得る。そして、ここで開示される二次電池用電極における好ましい一態様は、正極活物質である。なかでも特に、層状構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物を主体に構成される正極活物質が挙げられる。 The electrode active material may be various negative electrode active materials or positive electrode active materials. And the preferable one aspect | mode in the electrode for secondary batteries disclosed here is a positive electrode active material. Among these, a positive electrode active material mainly composed of a lithium transition metal composite oxide having a layered structure can be given.
また、本発明に係る二次電池の製造方法は、少なくとも電極活物質と水系バインダとを含む活物質層が集電体の表面に形成された二次電池の製造方法である。かかる方法は、算術平均粗さRa1が凡そ0.3μm〜1μmの第1凹凸を有する集電体を用意すること、少なくとも前記電極活物質と前記水系バインダと水系溶媒とを混合してなる水性ペーストのpHを凡そ10〜13に調整すること、前記pHを調整された水性ペーストを前記集電体の表面に塗布して活物質層を形成すること、を包含する。 The method for manufacturing a secondary battery according to the present invention is a method for manufacturing a secondary battery in which an active material layer including at least an electrode active material and an aqueous binder is formed on the surface of a current collector. This method is prepared by preparing a current collector having first irregularities having an arithmetic average roughness Ra 1 of approximately 0.3 μm to 1 μm, and by mixing at least the electrode active material, the aqueous binder, and an aqueous solvent. It includes adjusting the pH of the paste to about 10 to 13, and applying the aqueous paste having the adjusted pH to the surface of the current collector to form an active material layer.
本発明に係る二次電池の製造方法は、以下の工程A〜工程Cを含んでいる。
工程Aは、算術平均粗さRa1が凡そ0.3μm〜1μmの第1凹凸を有する集電体を用意する工程である。
工程Bは、少なくとも電極活物質と水系バインダと水系溶媒とを混合し、pHが凡そ10〜13に調整された水性ペーストを用意する工程である。
工程Cは、工程Aで用意された集電体の表面に、工程Bで用意された水性ペーストを塗布することによって、集電体の表面に、電極活物質と水系バインダとを含む活物質層を形成する工程である。
The method for manufacturing a secondary battery according to the present invention includes the following steps A to C.
Step A is a step of preparing a current collector having first irregularities with an arithmetic average roughness Ra 1 of approximately 0.3 μm to 1 μm.
Step B is a step of preparing an aqueous paste in which at least the electrode active material, the aqueous binder, and the aqueous solvent are mixed and the pH is adjusted to about 10-13.
Step C is an active material layer containing an electrode active material and an aqueous binder on the surface of the current collector by applying the aqueous paste prepared in Step B to the surface of the current collector prepared in Step A. Is a step of forming.
この場合、算術平均粗さRa1が凡そ0.3μm〜1μmの第1凹凸を有する集電体に、pHを10〜13に調整した上記水性ペースト(ペースト状組成物も含む)を塗布することで、第1凹凸の表面に前述の算術平均粗さRa2が0.01〜0.2μmの第2凹凸を形成することができる。 In this case, the aqueous paste (including the paste-like composition) having a pH adjusted to 10 to 13 is applied to a current collector having first irregularities with an arithmetic average roughness Ra 1 of about 0.3 μm to 1 μm. Thus, the second unevenness having the arithmetic average roughness Ra 2 of 0.01 to 0.2 μm can be formed on the surface of the first unevenness.
すなわち、算術平均粗さRa1が0.3μm〜1μmの第1凹凸を有する集電体に水性ペーストを塗布することによって、集電体の第1凹凸の表面が水性ペーストによって腐食され、第1凹凸の表面にさらに微細な第2凹凸が形成される。この場合、活物質層を形成する工程(集電体に水性ペーストを塗布する工程)において、第2凹凸の凹凸が形成されるが、この場合、水性ペーストは、第1凹凸と第2凹凸で形成される集電体の複雑な界面に密に馴染むので、集電体と活物質層とが機械的に強固に結合する。 That is, by applying the aqueous paste to the current collector having the first unevenness having an arithmetic average roughness Ra1 of 0.3 μm to 1 μm, the surface of the first unevenness of the current collector is corroded by the aqueous paste, and the first A finer second unevenness is formed on the uneven surface. In this case, in the step of forming the active material layer (step of applying the aqueous paste to the current collector), the second unevenness is formed. In this case, the aqueous paste is composed of the first unevenness and the second unevenness. The current collector and the active material layer are mechanically firmly bonded to each other because they are closely adapted to the complex interface of the current collector to be formed.
これにより、集電体と活物質層との剥離強度が高く、集電性が向上して充放電サイクル特性(代表的には、容量維持率及び寿命)に優れた二次電池を提供することができる。ここで提供される二次電池は、集電体と活物質層との剥離強度が高いことから、良好な集電性と容量維持率を示すものであり得る。この場合、水系バインダは、フッ素系樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレンからなる群から選択される少なくとも一種を用いてもよい。また、集電体は、アルミニウム又はアルミニウム合金で形成されていてもよい。 This provides a secondary battery having high peel strength between the current collector and the active material layer, improved current collection, and excellent charge / discharge cycle characteristics (typically capacity retention and life). Can do. Since the secondary battery provided here has high peel strength between the current collector and the active material layer, the secondary battery can exhibit good current collection and capacity retention. In this case, the water-based binder may be at least one selected from the group consisting of a fluorine-based resin, polyethylene, and polypropylene. The current collector may be formed of aluminum or an aluminum alloy.
また、電極活物質は、各種の負極活物質又は正極活物質であり得て、より好適には正極活物質である。そして、ここで開示される製造方法における好ましい一態様は、上記電極活物質は、層状構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物である。このような層状構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物は、水系溶媒中にリチウムイオンが溶出することにより概ねpH10以上のアルカリ性を呈するものが得られ易い。従って、上記水性ペーストのpHを10〜13にすることが容易になる。
The electrode active material can be various negative electrode active materials or positive electrode active materials, and more preferably is a positive electrode active material. In a preferred embodiment of the production method disclosed herein, the electrode active material is a lithium transition metal composite oxide having a layered structure. As the lithium transition metal composite oxide having such a layered structure, a material exhibiting an alkalinity of approximately
このような二次電池は、例えば自動車等の車両に搭載される電池として好適である。従って本発明によると、ここで開示される何れかの二次電池を備える車両が提供される。このため、特にハイレート充放電が要求される車両に搭載されるモータ駆動のための動力源(電源)として使用される電池として適した性能を備える。従って、本発明によると、ここで開示される二次電池(典型的にはリチウムイオン二次電池)を備えた車両が提供される。特に、該リチウムイオン二次電池を動力源(典型的には、ハイブリッド車両又は電気車両の動力源)として備える車両(例えば自動車)などが好適に提供される。 Such a secondary battery is suitable as a battery mounted on a vehicle such as an automobile. Therefore, according to the present invention, a vehicle including any of the secondary batteries disclosed herein is provided. For this reason, performance suitable as a battery used as a power source (power source) for driving a motor mounted on a vehicle that is particularly required to be charged at a high rate is provided. Therefore, according to the present invention, a vehicle provided with the secondary battery (typically a lithium ion secondary battery) disclosed herein is provided. In particular, a vehicle (for example, an automobile) provided with the lithium ion secondary battery as a power source (typically, a hybrid vehicle or an electric vehicle) is suitably provided.
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事項は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. It should be noted that matters other than matters specifically mentioned in the present specification and necessary for carrying out the present invention can be grasped as design matters of those skilled in the art based on the prior art in this field. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in this specification and common technical knowledge in the field.
以下、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池を説明する。ここでは、まずリチウムイオン二次電池の正極を説明する。ここで、正極は、正極集電体と、正極活物質層とを備えている。 Hereinafter, the lithium ion secondary battery according to the present embodiment will be described. Here, the positive electrode of a lithium ion secondary battery will be described first. Here, the positive electrode includes a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer.
≪正極集電体≫
正極集電体は、従来のリチウムイオン二次電池(典型的にはリチウムイオン二次電池)の正極に用いられている集電体と同様、導電性の良好な金属からなる導電性部材が好ましく用いられる。例えば、アルミニウム、ニッケル、チタン、鉄等を主成分とする金属又はその合金を用いることができ、より好ましくは、アルミニウム又はアルミニウム合金である。正極集電体の形状については特に制限はなく、リチウムイオン二次電池の形状等に応じて様々なものを考慮することができる。例えば、棒状、板状、シート状、箔状、メッシュ状等の種々の形態であり得る。典型的にはシート状のアルミニウム製の正極集電体が用いられる。
≪Positive electrode current collector≫
The positive electrode current collector is preferably a conductive member made of a highly conductive metal, like the current collector used for the positive electrode of a conventional lithium ion secondary battery (typically a lithium ion secondary battery). Used. For example, a metal containing aluminum, nickel, titanium, iron or the like as a main component or an alloy thereof can be used, and aluminum or an aluminum alloy is more preferable. There is no restriction | limiting in particular about the shape of a positive electrode electrical power collector, Various things can be considered according to the shape of a lithium ion secondary battery, etc. For example, it may be in various forms such as a bar shape, a plate shape, a sheet shape, a foil shape, and a mesh shape. Typically, a sheet-like positive electrode current collector made of aluminum is used.
≪正極活物質層≫
正極活物質層は、上記正極集電体の表面に形成されている。正極活物質層には、正極活物質と、水系バインダが含まれている。
≪Positive electrode active material layer≫
The positive electrode active material layer is formed on the surface of the positive electrode current collector. The positive electrode active material layer includes a positive electrode active material and an aqueous binder.
≪正極活物質≫
正極活物質としては、本発明の目的を実現し得る性状の正極活物質である限りにおいて、その組成や形状に特に制限はない。典型的な正極活物質として、リチウム及び少なくとも1種の遷移金属元素を含む複合酸化物が挙げられる。例えば、コバルトリチウム複合酸化物(LiCoO2)、ニッケルリチウム複合酸化物(LiNiO2)、マンガンリチウム複合酸化物(LiMn2O4)、あるいは、ニッケル・コバルト系のLiNixCo1−xO2(0<x<1)、コバルト・マンガン系のLiCoxMn1−xO2(0<x<1)、ニッケル・マンガン系のLiNixMn1−xO2(0<x<1)やLiNixMn2−xO4(0<x<2)で表わされるような、遷移金属元素を2種含むいわゆる二元系リチウム含有複合酸化物、或いは、一般式:
Li(LiaMnxCoyNiz)O2
(式中のa、x、y、zはa+x+y+z=1を満足する実数)
で表わされるような、遷移金属元素を3種含むいわゆる三元系リチウム含有複合酸化物でもよい。
≪Positive electrode active material≫
The positive electrode active material is not particularly limited in its composition and shape as long as it is a positive electrode active material having a property capable of realizing the object of the present invention. A typical positive electrode active material includes a composite oxide containing lithium and at least one transition metal element. For example, cobalt lithium composite oxide (LiCoO 2 ), nickel lithium composite oxide (LiNiO 2 ), manganese lithium composite oxide (LiMn 2 O 4 ), or nickel-cobalt-based LiNi x Co 1-x O 2 ( 0 <x <1), cobalt / manganese-based LiCo x Mn 1-x O 2 (0 <x <1), nickel / manganese-based LiNi x Mn 1-x O 2 (0 <x <1) and LiNi x Mn 2-x O 4, as represented by (0 <x <2), a so-called binary lithium-containing composite oxide containing two kinds of transition metal elements, or the general formula:
Li (Li a Mn x Co y Ni z) O 2
(Where a, x, y, and z are real numbers satisfying a + x + y + z = 1)
A so-called ternary lithium-containing composite oxide containing three kinds of transition metal elements may be used.
また、上記正極活物質として一般式がLiMAO4(ここでMは、Fe,Co,Ni及びMnから成る群から選択される少なくとも1種の金属元素であり、Aは、P,Si,S及びVから成る群から選択される元素である。)で表記されるポリアニオン型化合物も挙げられる。 The positive electrode active material has a general formula of LiMAO 4 (where M is at least one metal element selected from the group consisting of Fe, Co, Ni and Mn, and A is P, Si, S and And an anion selected from the group consisting of V.).
ここで本発明においては、後で詳しく説明する通り、電極活物質を含む水性ペーストのpHを10〜13に調整するとの観点から、正極活物質は、層状構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物であるのが好ましい。例えば、上記のLiCoO2、LiNiO2、Li2MnO3、或いは遷移金属元素を3種含むニッケル・コバルト・マンガン系のような三元系リチウム含有複合酸化物である。 Here, in the present invention, as will be described in detail later, from the viewpoint of adjusting the pH of the aqueous paste containing the electrode active material to 10 to 13, the positive electrode active material is a lithium transition metal composite oxide having a layered structure. Preferably there is. For example, the above-mentioned LiCoO 2 , LiNiO 2 , Li 2 MnO 3 , or a ternary lithium-containing composite oxide such as a nickel / cobalt / manganese system containing three kinds of transition metal elements.
このような正極活物質を構成する化合物は、例えば、従来公知の方法で調製し、提供することができる。例えば、原子組成に応じて適宜選択されるいくつかの原料化合物を所定のモル比で混合し、当該混合物を適当な手段によって焼成する。これにより、正極活物質を構成する化合物として適当な酸化物を調製することができる。また、焼成物は、適当な手段で粉砕、造粒及び分級するとよい。これにより、所望する平均粒径及び/又は粒径分布を有する二次粒子によって実質的に構成された粒状の正極活物質粉末を得ることができる。なお、正極活物質(リチウム含有複合酸化物粉末等)の調製方法自体は本発明を何ら特徴付けるものではない。 The compound which comprises such a positive electrode active material can be prepared and provided by a conventionally well-known method, for example. For example, several raw material compounds appropriately selected according to the atomic composition are mixed at a predetermined molar ratio, and the mixture is fired by an appropriate means. Thereby, an oxide suitable as a compound constituting the positive electrode active material can be prepared. The fired product may be pulverized, granulated and classified by an appropriate means. Thereby, the granular positive electrode active material powder substantially comprised by the secondary particle which has a desired average particle diameter and / or particle size distribution can be obtained. In addition, the preparation method itself of a positive electrode active material (lithium containing complex oxide powder etc.) does not characterize this invention at all.
また、本実施形態に係る正極に形成される正極活物質層に導電材を含ませる場合には、導電材は、特定のものに限定されることはなく、従来この種の二次電池で用いられている各種の導電材を用いることができる。例えばカーボン粉末やカーボンファイバー等のカーボン材料が導電材として用いられる。カーボン粉末としては、種々のカーボンブラック(例えば、アセチレンブラック、ファーネスブラック、ケッチェンブラック)、グラファイト粉末、等のカーボン粉末を用いることができる。これらのうち一種又は二種以上を併用してもよい。 In addition, when a conductive material is included in the positive electrode active material layer formed on the positive electrode according to the present embodiment, the conductive material is not limited to a specific material, and is conventionally used in this type of secondary battery. Various conductive materials that have been used can be used. For example, carbon materials such as carbon powder and carbon fiber are used as the conductive material. As the carbon powder, various carbon blacks (for example, acetylene black, furnace black, ketjen black), graphite powder, and the like can be used. Among these, you may use together 1 type, or 2 or more types.
≪水系バインダ≫
さらに、本実施形態では、正極活物質層を形成する組成物として水性ペースト(典型的にはペースト状又はスラリー状に調製された組成物、以下、正極活物質層形成用ペーストともいう。)を用いる。このため、本実施形態に係る正極に形成される正極活物質層に含まれる水系バインダ(結着材)としては、水に溶解又は分散するポリマー材料を好ましく採用することができる。
≪Water-based binder≫
Furthermore, in the present embodiment, an aqueous paste (typically a composition prepared in a paste or slurry form, hereinafter also referred to as a positive electrode active material layer forming paste) is used as the composition for forming the positive electrode active material layer. Use. For this reason, as a water-based binder (binder) contained in the positive electrode active material layer formed in the positive electrode according to the present embodiment, a polymer material that is dissolved or dispersed in water can be preferably used.
水に溶解する(水溶性の)ポリマー材料としては、カルボキシメチルセルロース(CMC)、メチルセルロース(MC)、酢酸フタル酸セルロース(CAP)、ヒドロキシプロピルメチルセルロース(HPMC)等のセルロース系ポリマー;ポリビニルアルコール(PVA);等が例示される。 Cellulose polymers such as carboxymethylcellulose (CMC), methylcellulose (MC), cellulose acetate phthalate (CAP), hydroxypropylmethylcellulose (HPMC), etc .; polyvinyl alcohol (PVA) And the like are exemplified.
また、水に分散する(水分散性の)ポリマー材料としては、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)等のビニル系重合体;ポリエチレンオキサイド(PEO)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重含体(PFA)等のフッ素系樹脂;酢酸ビニル共重合体;スチレンブタジエンゴム(SBR)等のゴム類等が例示される。 Examples of polymer materials that are dispersed in water (water-dispersible) include vinyl polymers such as polyethylene (PE) and polypropylene (PP); polyethylene oxide (PEO), polytetrafluoroethylene (PTFE), and tetrafluoroethylene. -Fluororesin such as perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA); vinyl acetate copolymer; rubbers such as styrene butadiene rubber (SBR).
なお、本発明においては、活物質層の形成(典型的には塗工)の容易性の観点から、水系バインダとしてはポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素系樹脂、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)を用いるのがより好ましい。 In the present invention, from the viewpoint of easy formation of the active material layer (typically coating), the water-based binder is a fluorine resin such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyethylene (PE), polypropylene. It is more preferable to use (PP).
また、「水性ペースト」とは、電極活物質の分散媒として水又は水を主体とする混合溶媒(水系溶媒)を用いた組成物を指す概念である。該混合溶媒を構成する水以外の溶媒としては、水と均一に混合し得る有機溶媒(低級アルコール、低級ケトン等)の一種又は二種以上を適宜選択して用いることができる。 The “aqueous paste” is a concept indicating a composition using water or a mixed solvent mainly composed of water (aqueous solvent) as a dispersion medium of the electrode active material. As the solvent other than water constituting the mixed solvent, one or more organic solvents (lower alcohol, lower ketone, etc.) that can be uniformly mixed with water can be appropriately selected and used.
次に、本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池の製造方法について、図1及び図2を参照しながら説明する。ここでは、特に正極の製造方法を説明する。ここで、正極の製造方法は、以下の工程A〜工程Cを含んでいる。
工程A:算術平均粗さRa1が0.3μm〜1μmの第1凹凸62aを有する集電体62を用意する。
工程B:少なくとも電極活物質と水系バインダと水系溶媒とを混合し、pHが10〜13に調整された水性ペーストを用意する。
工程C:工程Aで用意された集電体62の表面に、工程Bで用意された水性ペーストを塗布することによって、集電体62の表面に、電極活物質と水系バインダとを含む活物質層を形成する。
Next, a method for manufacturing a lithium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Here, a method for manufacturing a positive electrode will be described in particular. Here, the manufacturing method of the positive electrode includes the following steps A to C.
Step A: A
Step B: An aqueous paste whose pH is adjusted to 10 to 13 is prepared by mixing at least an electrode active material, an aqueous binder, and an aqueous solvent.
Step C: An active material containing an electrode active material and an aqueous binder on the surface of the
≪工程A≫
具体的には、工程Aでは、算術平均粗さRa1が0.3μm〜1μm(0.3μm≦Ra1≦1.0μmの第1凹凸62aを有するアルミニウム製のシート状正極集電体62(電極集電体)を用意する。より好ましくは、Ra1は0.5μm以上(0.5μm≦Ra1)、さらには0.7μm以上(0.7μm≦Ra1)であり、さらにはRa1は0.9μm以下(Ra1≦0.9μm)であることが好ましい。正極集電体62の厚さは、第1凹凸62aを含めた状態で凡そ10μm〜30μm程度とすることができる。
≪Process A≫
Specifically, in the process A, the arithmetic average roughness Ra 1 is 0.3 μm to 1 μm (the aluminum sheet-like positive electrode
≪工程B≫
次に、工程Bでは、正極活物質(例えばコバルト酸リチウム粒子)と、導電材(例えばグラファイト)と、水系バインダー(例えばPTFE)とを所定の水系溶媒(例えばイオン交換水)に分散させて、水性ペースト(即ち正極活物質層形成用ペースト)を調製する。必要であれば、分散剤等の添加材を加えることもできる。ここで、水性ペーストは、pHを概ね10〜13の範囲内となるよう調整する。
≪Process B≫
Next, in step B, a positive electrode active material (for example, lithium cobaltate particles), a conductive material (for example, graphite), and an aqueous binder (for example, PTFE) are dispersed in a predetermined aqueous solvent (for example, ion-exchanged water). An aqueous paste (that is, a positive electrode active material layer forming paste) is prepared. If necessary, an additive such as a dispersant may be added. Here, the aqueous paste is adjusted so that the pH is approximately in the range of 10 to 13.
水性ペーストにおいては、正極活物質を構成するリチウムイオンが水系溶媒中に溶出する。これにより、水性ペーストは自ずとアルカリ性を呈する。正極活物質が層状構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物である場合では、特にpHの調整を行うことなく、水性ペーストのpHは概ね10〜13の範囲内となる。 In the aqueous paste, lithium ions constituting the positive electrode active material are eluted in the aqueous solvent. Thereby, the aqueous paste naturally exhibits alkalinity. In the case where the positive electrode active material is a lithium transition metal composite oxide having a layered structure, the pH of the aqueous paste is generally in the range of 10 to 13 without particularly adjusting the pH.
また、例えば、正極活物質がスピネル構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物である場合は、水性ペーストのpHは9〜10程度にとどまる。このように水性ペーストのpHが十分に大きくならない場合には、例えば、水酸化リチウムを加える等して水性ペーストのpHが10〜13の範囲となるように調整するとよい。また逆に、水性ペーストのpHが13を超過するような場合には、水性ペースト中にCO2を吹きこむ等してpHが凡そ10〜13の範囲となるよう調整するとよい。 For example, when the positive electrode active material is a lithium transition metal composite oxide having a spinel structure, the pH of the aqueous paste is only about 9 to 10. When the pH of the aqueous paste does not become sufficiently high as described above, for example, lithium hydroxide may be added to adjust the pH of the aqueous paste to be in the range of 10-13. Conversely, in the case that the pH of the aqueous paste exceeds 13, it may be adjusted so that the pH is equal Komu blown CO 2 in the aqueous paste is approximately 10 to 13 range.
≪工程C≫
図1は、工程Cを具現化した電極製造装置200を示す図である。図1に示すように、電極製造装置200は、概略的には、巻出ロール205、ペースト塗布部220、乾燥炉225及び巻取ロール210を備えている。電極製造装置200は、正極集電体62を巻出ロール205から送り出し、ペースト塗布部220において、調製した水性ペーストを正極集電体62上に塗布する。上記ペースト塗布部220において水性ペーストを塗布する方法としては、従来公知の方法と同様の技法を適宜採用することができる。ペースト塗布部220では、例えば、スリットコーター、ダイコーター、グラビアコーター等の適当な塗付装置を使用することによって、正極集電体62上に上記の水性ペーストを好適に塗布することができる。
≪Process C≫
FIG. 1 is a diagram illustrating an
ここで、水性ペーストが塗布された正極集電体62の表面の第1凹凸62aは、図2(a)及び(b)に示すように、アルカリ性を示す水性ペーストによって腐食され、さらに微細な第2凹凸62bが形成される。なお、ここで、図2中の(a)は、正極集電体62の表面の第1凹凸62aを描写している。図2中の(b)は、第1凹凸62aに形成された微細な第2凹凸62bを描写している。図2の(a),(b)は、それぞれ模式的に描写しており、実際の第1凹凸62a、第2凹凸62bの形状を必ずしも正確に描写していない。
Here, as shown in FIGS. 2A and 2B, the
ここで、水性ペーストは、正極活物質からリチウムイオンが水系溶媒中に溶出するので、アルカリ性を呈する。工程Cにおいて、水性ペーストが金属製の正極集電体62に塗布されると、正極集電体62表面において水性ペーストが触れた部分にアルカリによる腐食が起こる。そして、上記第1凹凸62aの表面に算術平均粗さRa2が凡そ0.01μm〜0.2μmの微細な第2凹凸62bが形成される。この際、かかる微細な第2凹凸62bは、水性ペーストが正極集電体62を腐食させることによって形成される。なお、第1凹凸62aと第2凹凸62bの表面粗さの関係では、微細な第2凹凸62bの算術平均粗さRa2は0.01μm以上でかつRa1の10%以下の大きさであることが好ましい。
Here, the aqueous paste exhibits alkalinity because lithium ions are eluted from the positive electrode active material into the aqueous solvent. In Step C, when the aqueous paste is applied to the metal positive electrode
このため、水性ペーストは微細な第2凹凸62bの内部にまで行き渡る。また、水性ペーストは、正極集電体62に塗布された領域において、かかる微細な第2凹凸62bを形成する。この際、正極集電体62に予め第1凹凸62aが形成されているので、第1凹凸62aのうねりに沿って第2凹凸62bが形成される。この結果、水性ペーストは、第1凹凸62aに第2凹凸62bが重なった複雑な表面形状に沿って正極集電体62と接する。
For this reason, the aqueous paste reaches the inside of the fine
次に、図1に示すように、水性ペーストが塗布された正極集電体62は、テンションローラ215によって一定のテンションが加えられた状態で乾燥炉225内へと送り出される。そして、乾燥炉225において正極集電体62上に形成された水系溶剤の蒸発及び水性ペースト(正極活物質層形成用ペースト)の乾燥を同時に実施する。乾燥温度は、バインダの融点以下が望ましく、50℃〜150℃程度であり、好ましくは70℃〜90℃である。また、乾燥時間は40秒〜300秒程度であり、好ましくは50秒〜80秒である。このように、水性ペーストが第1凹凸62aと第2凹凸62bのスケールの異なる凹凸に十分に行き渡った状態で乾燥し活物質層64を形成する。このため、より広い表面積で正極集電体62と活物質層64が接することとなる。
Next, as shown in FIG. 1, the positive electrode
特に、本実施形態では、塗布工程において、正極集電体62の第1凹凸62aが水性ペーストによって腐食され、第1凹凸62aの表面にさらに微細な第2凹凸62bが形成される。この際、第2凹凸62bは水性ペーストに接触することによって形成されるので、水性ペーストが第2凹凸62bの微細な凹凸に密着した状態で乾燥工程に送られる。このため、水性ペーストが乾燥することによって形成される正極活物質層64と、正極集電体62をより強固に結合させることができる。
In particular, in the present embodiment, in the coating process, the
なお、上記乾燥する方法としては、余分な揮発成分を除去できるものであれば特に限定されない。例えば、熱風装置、各種赤外線装置、電磁誘導装置、マイクロ波装置等の適当な乾燥装置を使用することができる。 The drying method is not particularly limited as long as it can remove excess volatile components. For example, an appropriate drying device such as a hot air device, various infrared devices, an electromagnetic induction device, or a microwave device can be used.
図1に示すように、正極集電体62上に正極活物質層64が形成された正極シート66(正極)は、巻取ロール210に巻き取られる。なお、正極シート66は、必要に応じてプレス(圧縮)してもよい。プレス(圧縮)方法としては、従来公知のロールプレス法、平板プレス法等の圧縮方法を採用することができる。これにより、正極活物質層64の厚さを調整することができる。正極活物質層64の厚さを調整するにあたり、膜厚測定器で該厚みを測定し、プレス圧を調整して所望の厚さになるまで複数回圧縮してもよい。
As shown in FIG. 1, the positive electrode sheet 66 (positive electrode) in which the positive electrode
上記製造方法によって得られた正極シート(正極)66は、正極集電体62と活物質層64の界面形態がスケールの異なる2通りの凹凸により形成されている。好適には、正極活物質層64を保持した正極集電体62は、算術平均粗さRa1が凡そ0.3μm〜1μmの第1凹凸62aを有し、さらに、第1凹凸62aの表面に、算術平均粗さRa2が凡そ0.01μm〜0.2μmの第2凹凸62bを有する。かかる第1凹凸62aと第2凹凸62bで構成される複雑で、かつ広い表面積で、正極集電体62と正極活物質層64とが接することになる。正極集電体62と正極活物質層64の間に、より高い密着性及びより強い接着性を確保することができる。
The positive electrode sheet (positive electrode) 66 obtained by the above manufacturing method is formed by two unevennesses in which the interface form between the positive electrode
次に、上記正極を使用して構築されるリチウムイオン二次電池の一形態を説明する。まず、上述した正極(正極シート66)と組み合わせて使用するのに適する負極、セパレータ等について説明する。負極は、従来と同様の構成をとり得る。かかる負極を構成する負極集電体としては、例えば、銅材やニッケル材或いはそれらを主体とする合金材を用いることが好ましい。負極集電体の形状は、正極の形状と同様であり得る。典型的にはシート状の銅製の負極集電体が用いられる。 Next, an embodiment of a lithium ion secondary battery constructed using the positive electrode will be described. First, a negative electrode, a separator and the like suitable for use in combination with the positive electrode (positive electrode sheet 66) described above will be described. The negative electrode can have the same configuration as before. As a negative electrode current collector constituting such a negative electrode, for example, a copper material, a nickel material, or an alloy material mainly composed of them is preferably used. The shape of the negative electrode current collector can be the same as the shape of the positive electrode. Typically, a sheet-like copper negative electrode current collector is used.
負極に形成される負極活物質層に含まれる負極活物質としては、リチウムを吸蔵及び放出可能な材料であればよく、例えば、黒鉛(グラファイト)等の炭素材料、リチウム・チタン酸化物(Li4Ti5O12)等の酸化物材料、スズ、アルミニウム(Al)、亜鉛(Zn)、ケイ素(Si)等の金属もしくはこれらの金属元素を主体とする金属合金からなる金属材料、等が挙げられる。典型例として、黒鉛等から成る粉末状の炭素材量が挙げられる。例えば、黒鉛粒子を好ましく用いることができる。 The negative electrode active material contained in the negative electrode active material layer formed on the negative electrode may be any material that can occlude and release lithium. For example, carbon materials such as graphite, lithium titanium oxide (Li 4 Examples thereof include oxide materials such as Ti 5 O 12 ), metals such as tin, aluminum (Al), zinc (Zn), and silicon (Si), or metal materials composed of metal alloys mainly composed of these metal elements. . A typical example is the amount of powdery carbon material made of graphite or the like. For example, graphite particles can be preferably used.
負極に形成される負極活物質層には、上記負極活物質の他に、例えば上記正極活物質層に配合され得る一種又は二種以上の材料を必要に応じて含有させることができる。そのような材料として、上記の正極活物質層の構成材料として列挙したようなバインダ(結着材)及び分散剤等として機能し得る各種の材料を同様に使用し得る。なお、バインダについては水系のものに限定されることなく、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等の溶剤系バインダを用いることもできる。 The negative electrode active material layer formed on the negative electrode can contain, in addition to the negative electrode active material, for example, one or more materials that can be blended in the positive electrode active material layer, if necessary. As such materials, various materials that can function as binders (binders), dispersants, and the like as listed as constituent materials of the positive electrode active material layer can be used as well. The binder is not limited to a water-based one, and a solvent-based binder such as polyvinylidene fluoride (PVDF) can also be used.
本実施形態に係る負極は、負極活物質と結着材等とを従来と同様の適当な溶媒(水、有機溶媒等)に分散させてなるペースト状の組成物(以下、負極活物質層形成用ペーストという)を調製する。調製した該負極活物質層形成用ペーストを負極集電体に塗布し、乾燥させた後、圧縮(プレス)することによって、負極集電体と該負極集電体上に形成された負極活物質層とを備える負極を作製することができる。 The negative electrode according to the present embodiment is a paste-like composition (hereinafter referred to as negative electrode active material layer formation) in which a negative electrode active material, a binder, and the like are dispersed in an appropriate solvent (water, organic solvent, etc.) similar to the conventional one. Preparation paste). The prepared negative electrode active material layer forming paste is applied to the negative electrode current collector, dried, and then compressed (pressed) to form the negative electrode current collector and the negative electrode active material formed on the negative electrode current collector A negative electrode provided with a layer can be produced.
また、正極と負極とともに使用されるセパレータとしては、従来と同様のセパレータを使用することができる。例えば、樹脂からなる多孔性シート(微多孔質樹脂シート)を好ましく用いることができる。かかる多孔性シートの構成材料としては、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリスチレン等のポリオレフィン系樹脂が好ましい。 Moreover, as a separator used with a positive electrode and a negative electrode, the separator similar to the past can be used. For example, a porous sheet made of resin (a microporous resin sheet) can be preferably used. As a constituent material of such a porous sheet, polyolefin resins such as polyethylene (PE), polypropylene (PP), and polystyrene are preferable.
特に、PEシート、PPシート、PE層とPP層とが積層された二層構造シート、二層のPP層の間に一層のPE層が挟まれた態様の三層構造シート等、の多孔質ポリオレフィンシートを好適に使用し得る。なお、電解質として固体電解質もしくはゲル状電解質を使用する場合には、セパレータが不要な場合(すなわちこの場合には電解質自体がセパレータとして機能し得る。)があり得る。 In particular, a porous structure such as a PE sheet, a PP sheet, a two-layer structure sheet in which a PE layer and a PP layer are laminated, and a three-layer structure sheet in which one PE layer is sandwiched between two PP layers. A polyolefin sheet can be suitably used. When a solid electrolyte or a gel electrolyte is used as the electrolyte, a separator may not be necessary (that is, in this case, the electrolyte itself can function as a separator).
電解質としては、従来からリチウムイオン二次電池に用いられる非水系の電解質(典型的には電解液)と同様のものを特に限定なく使用することができる。かかる非水系の電解質は、典型的には、適当な非水溶媒(有機溶媒)に電解質として機能し得るリチウム塩を含有させた組成を有する。上記電解質には、従来からリチウムイオン二次電池に用いられるリチウム塩を適宜選択して使用することができる。 As the electrolyte, the same electrolyte as a non-aqueous electrolyte (typically, an electrolytic solution) conventionally used in lithium ion secondary batteries can be used without particular limitation. Such a non-aqueous electrolyte typically has a composition in which a suitable non-aqueous solvent (organic solvent) contains a lithium salt that can function as an electrolyte. As the electrolyte, a lithium salt conventionally used in lithium ion secondary batteries can be appropriately selected and used.
かかるリチウム塩として、LiPF6、LiClO4、LiAsF6、Li(CF3SO2)2N、LiBF4、LiCF3SO3等が例示される。かかる電解質は、一種のみを単独で、又は二種以上を組み合わせて用いることができる。特に好ましい例として、LiPF6が挙げられる。上記非水溶媒として、エチレンカーボネート(EC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、プロピレンカーボネート(PC)等のカーボネート類が例示される。かかる非水溶媒は、一種のみを単独で、又は二種以上を組み合わせて用いることができる。 Examples of the lithium salt include LiPF 6 , LiClO 4 , LiAsF 6 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 and the like. Such electrolytes can be used alone or in combination of two or more. A particularly preferred example is LiPF 6 . Examples of the non-aqueous solvent include carbonates such as ethylene carbonate (EC), ethyl methyl carbonate (EMC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), and propylene carbonate (PC). Such non-aqueous solvents can be used alone or in combination of two or more.
以下、上記正極シート(正極)66を備えるリチウムイオン二次電池の一形態を図面を参照しつつ説明するが、本発明をかかる実施形態に限定することを意図したものではない。即ち、本実施形態に係る正極が採用される限りにおいて、構築されるリチウムイオン二次電池の形状(外形やサイズ)には特に制限はない。電池外装ケースが角型形状、円筒形状等の形状でもよく、或いは小型のボタン形状であってもよい。また、外装がラミネートフィルム等で構成される薄型シートタイプであってもよい。以下の実施形態では角型形状の電池について説明する。 Hereinafter, although one form of a lithium ion secondary battery provided with the said positive electrode sheet (positive electrode) 66 is demonstrated with reference to drawings, it is not intending to limit this invention to this embodiment. That is, as long as the positive electrode according to the present embodiment is employed, the shape (outer shape and size) of the lithium ion secondary battery to be constructed is not particularly limited. The battery outer case may have a rectangular shape, a cylindrical shape, or a small button shape. Moreover, the thin sheet | seat type comprised by a laminated film etc. may be sufficient as an exterior. In the following embodiment, a rectangular battery will be described.
なお、以下の図面において、同じ作用を奏する部材、部位には同じ符号を付し、重複する説明は省略することがある。また、各図における寸法関係(長さ、幅、厚さ等)は、必ずしも実際の寸法関係を反映するものではない。 In addition, in the following drawings, the same code | symbol is attached | subjected to the member and site | part which show the same effect | action, and the overlapping description may be abbreviate | omitted. Moreover, the dimensional relationship (length, width, thickness, etc.) in each drawing does not necessarily reflect the actual dimensional relationship.
図3は、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池を模式的に示す斜視図である。図4は、図3中のIV−IV線に沿う縦断面図である。図3及び図4に示すように、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池10は、上記の構成材料(正負極それぞれの活物質、正負極それぞれの集電体、セパレータ等)を具備する電極体50と、該電極体50及び適当な非水系の電解質(典型的には電解液)を収容する角型形状(典型的には扁平な直方体形状)の電池ケース15とを備える。
FIG. 3 is a perspective view schematically showing the lithium ion secondary battery according to the present embodiment. 4 is a longitudinal sectional view taken along line IV-IV in FIG. As shown in FIGS. 3 and 4, the lithium ion
ケース15は、上記扁平な直方体形状における幅狭面の一つが開口部20となっている箱型のケース本体30と、その開口部20に取り付けられて(例えば溶接されて)該開口部20を塞ぐ蓋体25とを備えている。ケース15を構成する材質としては、一般的なリチウムイオン二次電池で使用されるものと同様のものを適宜使用することができ、特に制限はない。例えば、金属(例えばアルミニウム、スチール等)製の容器、合成樹脂(例えばポリオレフィン系樹脂等、ポリアミド系樹脂等の高融点樹脂等)製の容器等を好ましく用いることができる。本実施形態に掛かるケース15は例えばアルミニウム製である。
The
蓋体25は、ケース本体30の開口部20の形状に適合する長方形状に形成されている。さらに、蓋体25には、外部接続用の正極端子60と負極端子70とがそれぞれ設けられており、これらの端子60,70の一部は蓋体25からケース15の外方に向けて突出するように形成されている。また、従来のリチウムイオン二次電池のケースと同様に、蓋体25には、電池異常の際にケース15内部で発生したガスをケース15の外部に排出するための安全弁(図示せず)が設けられている。安全弁は、ケース15内部の圧力が所定レベルを超えて上昇したときに、開弁してケース15の外部にガスを排出する機構を備えていれば特に制限無く使用することができる。
The
本実施形態では、図4に示すように、リチウムイオン二次電池10は、捲回電極体50を備えている。電極体50は、捲回軸が横倒しとなる姿勢(すなわち、上記開口部20が捲回軸に対して横方向に位置する向き)でケース本体30に収容されている。電極体50は、長尺シート状の正極集電体62の表面に正極活物質層64が形成された正極シート(正極)66と、長尺シート状の負極集電体(電極集電体)72の表面に負極活物質層(電極活物質層)74が形成された負極シート(負極)76とを2枚の長尺状のセパレータシート80とともに重ね合わせて捲回し、得られた電極体50を側面方向から押しつぶして拉げさせることによって扁平形状に形成されている。
In the present embodiment, as shown in FIG. 4, the lithium ion
また、捲回される正極シート66において、その長手方向に沿う一方の端部には正極活物質層64が形成されずに正極集電体62が露出している、他方、捲回される負極シート76においても、その長手方向に沿う一方の端部は負極活物質層74が形成されずに負極集電体72が露出している。そして、正極集電体62の上記露出している端部に正極端子60が接合され、上記扁平形状に形成された捲回電極体50の正極シート66と電気的に接続されている。同様に、負極集電体72の上記露出している端部に負極端子70が接合され、負極シート76と電気的に接続されている。なお、正負極端子60,70と正負極集電体62,72とは、例えば、超音波溶接、抵抗溶接等によりそれぞれ接合され得る。
Further, in the wound
上記構成の捲回電極体50を構成する材料及び部材自体は、正極としてここで開示される正極(ここでは正極シート66)を採用する以外、従来のリチウムイオン二次電池の電極体と同様でよく特に制限はない。
The material and the member constituting the
正極シート66は、上述したようにして作製される。一方、負極シート76は、長尺状の負極集電体(例えば長尺状の銅箔)72の上に負極活物質層74を形成することによって作製される。即ち、負極活物質(例えばグラファイト)と結着材(例えばPVDF)とを有機溶媒(例えばNMP)に分散させてなる負極活物質層形成用ペーストを調製する。調製した該ペーストを負極集電体72に塗布し、乾燥させた後、圧縮(プレス)することによって負極活物質層74が形成される。なお、負極活物質層74の形成方法自体は、従来と同様でよく本発明を特徴付けるものではない。このため詳細な説明は省略する。
The
本実施形態では、上記作製した正極シート66及び負極シート76を2枚のセパレータ(例えば多孔質ポリオレフィン樹脂)80とともに積み重ね合わせて捲回する。これにより、得られた捲回電極体50の捲回軸が横倒しとなるように、ケース本体30内に捲回電極体50を収容する。そして、適当な支持塩(例えばLiPF6等のリチウム塩)を適当量(例えば濃度1M)含むECとDMCとの混合溶媒(例えば質量比1:1)のような非水電解液を注入する。その後、ケース本体30の開口部20に蓋体25を装着し封止することによって本実施形態のリチウムイオン二次電池10を構築することができる。ケース本体30の開口部20の封止は、例えば、ケース本体30に蓋体25を溶接するとよい。この場合、溶接は、例えばレーザ溶接で行なうとよい。
In the present embodiment, the produced
上述した実施形態では、図2に示すように、正極活物質層64を保持した正極集電体62の表面に、算術平均粗さRa1が凡そ0.3μm〜1μmの第1凹凸62aを有し、さらに、第1凹凸62aの表面に、算術平均粗さRa2が凡そ0.01μm〜0.2μmの第2凹凸62bを有している。このように、第1凹凸62aと第2凹凸62bは、リチウムイオン二次電池の正極に対して適用されている。かかる形態は、正極に限定されず、例えば、リチウムイオン二次電池の負極に対しても適用することができる。また、上述した実施形態では、リチウムイオン二次電池10を例示したが、本発明は、リチウムイオン二次電池に限られず、ニッケル水素電池等の二次電池の電極(正極及び負極)に対しても適用することができる。
In the above-described embodiment, as shown in FIG. 2, the surface of the positive electrode
以下、具体的ないくつかの実施例として、上述した製造方法によって二次電池(ここではリチウムイオン二次電池)を構築し、その性能評価を行った。 Hereinafter, as some specific examples, a secondary battery (here, a lithium ion secondary battery) was constructed by the manufacturing method described above, and its performance was evaluated.
<サンプル1>
正極は、以下の手順で作製した。
まず、以下に示す配合で正極活物質、導電材及び増粘剤を水に分散した後、結着材をPTFEが2重量部となるように加えることによって、正極水性ペーストを作製した。また、ここで作製された正極水性ペーストのpHは、12.5であった。
正極活物質:リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物 100重量部
導電材:デンカブラック粉末 4重量部(固形分重量)
増粘剤:カルボキシメチルセルロース 1重量部(固形分重量)
結着材:PTFEの水分散体 2重量部(固形分重量)
<Sample 1>
The positive electrode was produced by the following procedure.
First, the positive electrode active material, the conductive material, and the thickener were dispersed in water with the following composition, and then the binder was added so that PTFE was 2 parts by weight to prepare a positive electrode aqueous paste. Moreover, the pH of the positive electrode aqueous paste produced here was 12.5.
Positive electrode active material: Lithium nickel manganese cobalt composite oxide 100 parts by weight Conductive material: Denka black powder 4 parts by weight (solid content weight)
Thickener: Carboxymethylcellulose 1 part by weight (solid content weight)
Binder: PTFE aqueous dispersion 2 parts by weight (solid content weight)
次に、正極集電体62として厚さ15μmで算術平均粗さRa1が0.5μmのアルミニウム箔を用意し、上記の正極水性ペーストを上記正極集電体62の両面に所定量塗布した後、95℃で1分間乾燥した。乾燥後、該塗布物をプレスして正極活物質層64を備える正極シート66を作製した。正極シート66について、図5参照。
Next, an aluminum foil having a thickness of 15 μm and an arithmetic average roughness Ra 1 of 0.5 μm was prepared as the positive electrode
負極は、図示は省略するが、以下の手順で作製した。
負極活物質として天然黒鉛を用い、バインダとしてのスチレンブタジエンゴム(SBR)、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース(CMC)との質量比が98:1:1となるように秤量する。次に、秤量されたこれら材料をイオン交換水に分散させて負極活物質層形成用ペーストを調製した。そして、該ペーストを厚さ10μmの銅箔の両面に所定塗布して乾燥した後、プレスして負極シートを作製した。
Although not shown, the negative electrode was produced by the following procedure.
Natural graphite is used as the negative electrode active material and weighed so that the mass ratio of styrene butadiene rubber (SBR) as the binder and carboxymethyl cellulose (CMC) as the thickener is 98: 1: 1. Next, these weighed materials were dispersed in ion-exchanged water to prepare a negative electrode active material layer forming paste. And after apply | coating this paste on both surfaces of 10-micrometer-thick copper foil predeterminedly and drying, it pressed and produced the negative electrode sheet.
非水電解液には、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)とエチルメチルカーボネート(EMC)との体積比3:5:2の混合溶媒に1mol/LのLiPF6を溶解させたものを用いた。 The non-aqueous electrolyte is prepared by dissolving 1 mol / L LiPF 6 in a mixed solvent of ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC) and ethyl methyl carbonate (EMC) in a volume ratio of 3: 5: 2. Using.
上述したように得られた正極シートと負極シートとは、二枚のセパレータシート(ポリプロピレン製多孔質セパレータ)と共に重ね合わせて捲回して捲回電極体を得る。そして、得られた捲回電極体を扁平形状に押しつぶし、上述した非水電解液とともに円筒型の容器に収容して、理論容量1000mAhのリチウムイオン二次電池を構成した。
<サンプル2>
集電体として、算術平均粗さRa1が0.84μmのアルミニウム箔を用いた以外は、サンプル1と同様にして電池を構成した。
<サンプル3>
サンプル1と同様に正極水性ペーストを作製した後、当該ペーストにCO2を吹きこんでpHを10〜11(ここでは、pH10.6)に調整した以外は、サンプル1と同様にして電池を構成した。
The positive electrode sheet and the negative electrode sheet obtained as described above are rolled together with two separator sheets (polypropylene porous separator) to obtain a wound electrode body. The obtained wound electrode body was crushed into a flat shape and housed in a cylindrical container together with the non-aqueous electrolyte described above to constitute a lithium ion secondary battery with a theoretical capacity of 1000 mAh.
<Sample 2>
As a current collector, the arithmetic average roughness Ra 1, except that an aluminum foil 0.84 .mu.m, and a battery in the same manner as Sample 1.
<Sample 3>
A battery was constructed in the same manner as Sample 1, except that a positive electrode aqueous paste was prepared in the same manner as Sample 1 and then the pH was adjusted to 10 to 11 (here, pH 10.6) by blowing CO 2 into the paste. did.
<サンプル4>
集電体として、算術平均粗さRa1が0.12μmのアルミニウム箔を用いた以外は、サンプル1と同様にして電池を構成した。
<サンプル5>
集電体として、算術平均粗さRa1が1.4μmのアルミニウム箔を用いた以外は、サンプル1と同様にして電池を構成した。
<サンプル6>
サンプル1と同様に正極水性ペーストを作製した後、ペーストにCO2を吹きこんでpHを10より低く調整した(ここでは、pH9.3)以外は、サンプル1と同様にして電池を構成した。
<サンプル7>
サンプル1と同様に正極水性ペーストを作製した後、ペーストに水酸化リチウムを加えてpHを13より高く調整した(ここでは、pH13.7)以外は、サンプル1と同様にして電池を構成した。
<Sample 4>
As a current collector, the arithmetic average roughness Ra 1, except that an aluminum foil 0.12 .mu.m, and a battery in the same manner as Sample 1.
<Sample 5>
As a current collector, the arithmetic average roughness Ra 1, except that aluminum foil was used 1.4 [mu] m, and a battery in the same manner as Sample 1.
<Sample 6>
A positive electrode aqueous paste was prepared in the same manner as in Sample 1, and then a battery was constructed in the same manner as Sample 1 except that the paste was blown with CO 2 to adjust the pH to below 10 (here, pH 9.3).
<Sample 7>
A positive electrode aqueous paste was prepared in the same manner as in Sample 1, and then a battery was constructed in the same manner as in Sample 1 except that lithium hydroxide was added to the paste to adjust the pH higher than 13 (here, pH 13.7).
上記で得られた実施例及び比較例の正極水性ペーストのpHと、集電体からの正極活物質層の剥離強度、得られた電池の電池容量を測定し、下記表1に示した。また、正極の断面をSEMで観察し、正極集電体62の表面に形成された、より微細な凹凸(第2凹凸62b(図2参照)に相当する凹凸)についての表面粗さRa2を測定し、併せて下記表1に示した。
The pH of the positive electrode aqueous pastes of Examples and Comparative Examples obtained above, the peel strength of the positive electrode active material layer from the current collector, and the battery capacity of the obtained battery were measured and are shown in Table 1 below. Further, the cross section of the positive electrode is observed with an SEM, and the surface roughness Ra 2 of finer irregularities (the irregularities corresponding to the
なお、サンプル5は、用いた集電体の算術平均粗さRa1が1.4μmと大きすぎ、正極水性ペーストの塗工重量が安定せず、適当な正極を得ることができなかった。また、サンプル7は、用いた正極水性ペーストpHが高すぎ、正極水性ペーストの塗布により集電体の腐食が大きく塗工重量が安定せず、適当な正極を得ることができなかった。 Incidentally, sample 5 has an arithmetic average roughness Ra 1 of the current collector was employed 1.4μm and too large, the coating weight of the positive electrode aqueous paste is not stable, it was not possible to obtain a suitable cathode. Further, in Sample 7, the pH of the positive electrode aqueous paste used was too high, the current collector was corroded greatly by the application of the positive electrode aqueous paste, the coating weight was not stable, and an appropriate positive electrode could not be obtained.
図5は、90度はく離接着強さ試験方法を示す図である。正極剥離強度は、図5に示したように、90度はく離接着強さ試験方法(JIS K 6854−1)に準じて測定した。ここで、試料120は、正極シート66の片面の正極活物質層64に、日東電工製の粘着テープ105(No.3303N)を貼り、幅15mm×長さ120mmの大きさに切り出す。切り出した試料120は、一端から40mmだけ粘着テープ105を剥がしておく。次いで、ステージ115に日東電工製両面テープ(No.501F)を貼る。この両面テープ110上に、粘着テープ105を下にして上記試料120を貼りつける。次に、試料120の剥がした40mmの部分をチャック125に固定する。そして、ステージ115に対して90°でチャック125を引っ張り、引っ張り荷重を測定する。チャック125の引っ張りには、ミネベア製万能試験機を用いた。引張り速度は、20m/minで行った。得られた引張り荷重(N)は、試料120の幅(15mm)で除して、剥離強度N/mを求めた。
FIG. 5 is a diagram showing a 90-degree peel adhesion strength test method. As shown in FIG. 5, the positive electrode peel strength was measured according to a 90-degree peel adhesion strength test method (JIS K 6854-1). Here, the
また、電池容量の測定は、各電池に対し、2Aで4.1Vまで充電し、2Aで3.0Vまで放電するサイクルを、25℃にて1000サイクル行った後、電池横領を測定し、初期に対する充放電サイクル後の容量維持率を算出した。なお、容量維持率は、「1000サイクル後の放電容量」/「初回の放電容量」×100(%)とした。 In addition, the battery capacity was measured by charging a battery to 4.1 V at 2 A and discharging to 3.0 V at 2 A, 1000 cycles at 25 ° C., and then measuring the battery embedding. The capacity retention rate after the charge / discharge cycle was calculated. The capacity retention rate was “discharge capacity after 1000 cycles” / “initial discharge capacity” × 100 (%).
表1のサンプル4及びサンプル5に示される通り、Ra1で表わされる集電体に設けられる大きな凹凸が大きすぎても、小さすぎても、正極活物質層の剥離強度の高い電極は得られないことが分かった。そして、サンプル6及びサンプル7に示される通り、たとえ大きな凹凸のRa1が適切な範囲であっても、Ra2で表わされる細かい凹凸が適切な大きさでないと、正極活物質層の剥離強度の高い電極は得られないことが分かった。 As shown in Sample 4 and Sample 5 in Table 1, an electrode having a high peel strength of the positive electrode active material layer can be obtained even if the large unevenness provided on the current collector represented by Ra 1 is too large or too small. I found that there was no. And as shown in Sample 6 and Sample 7, even if Ra 1 with large irregularities is in an appropriate range, if the fine irregularities represented by Ra 2 are not of an appropriate size, the peel strength of the positive electrode active material layer It was found that a high electrode could not be obtained.
サンプル1〜3の正極は、集電体の表面に適切な表面粗さRa1の大きな凹凸と、さらに適切な表面粗さRa2の微細な凹凸とが存在し、正極活物質層は複雑な界面形態で強固に集電体と結合されていることが確認できた。 Positive samples 1-3, and large irregularities suitable surface roughness Ra 1 on the surface of the current collector, there is a more suitable surface roughness Ra 2 fine irregularities, the positive electrode active material layer is complex It was confirmed that the interface was firmly bonded to the current collector.
また、pHが高い正極ペーストを集電体に塗布すると集電体の塗布面が腐食される。その腐食の程度は正極ペーストpHに依存する。この際、pH10〜13程度で適切な表面粗さRa2が安定して得られ易い。そして正極ペーストのpHを適切な範囲に調製することで、特別な粗面化加工を必要とすることなく、第2凹凸62bに相当する、適切な表面粗さRa2の微細な凹凸を集電体の表面に形成できる。
Moreover, when the positive electrode paste having a high pH is applied to the current collector, the coated surface of the current collector is corroded. The degree of corrosion depends on the positive electrode paste pH. At this time, it is easy to stably obtain an appropriate surface roughness Ra 2 at a pH of about 10 to 13. Then, by adjusting the pH of the positive electrode paste to an appropriate range, it is possible to collect fine irregularities having an appropriate surface roughness Ra 2 corresponding to the
ここで開示された二次電池(サンプル1〜3)は、正極活物質層64を保持した正極集電体62の表面に、算術平均粗さRa1が凡そ0.3μm〜1μmの第1凹凸62aを有し、さらに、第1凹凸62aの表面に、算術平均粗さRa2が凡そ0.01μm〜0.2μmの第2凹凸62bを有する。この場合、容量維持率が大幅に向上される。これは集電体と電極活物質層との密着性が向上したことに由来するものと考えられる。また、ここで開示された二次電池により、リチウムイオン二次電池のハイレート特性、急速充放電特性等が向上されることが予想される。すなわち、上記形態では、第2凹凸62bの存在により、正極集電体62と正極活物質層64とが微細に密着し、接触面積が広くなる。このため、正極集電体62と正極活物質層64の剥離強度が向上するとの効果だけでなく、正極活物質層64と正極集電体62の間の電荷の移動に要する抵抗も低減するものと考えられる。
The secondary batteries (samples 1 to 3) disclosed herein have first irregularities on the surface of the positive electrode
以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、勿論、種々の改変が可能である。 As mentioned above, although this invention was demonstrated by suitable embodiment, such description is not a limitation matter and of course various modifications are possible.
ここで開示される技術によると、集電体の特別な粗面化処理を必要とせずに、集電体と電極活物質層とが強固に結合された二次電池を提供することができる。この二次電池は、集電体と活物質層の密着性に優れ、さらに接触面積が増大されているため、性能低下(例えば容量維持率の低下)が抑制された、耐久性のよいリチウムイオン二次電池等の二次電池を提供することができる。従って、本発明によると、図6に示されるように、かかるリチウムイオン二次電池10(当該電池10を複数個直列に接続して形成される組電池の形態であり得る。)を電源として備える車両1000(典型的には自動車、特にハイブリッド自動車、電気自動車のような電動機を備える自動車)を提供することができる。
According to the technique disclosed here, a secondary battery in which the current collector and the electrode active material layer are firmly bonded can be provided without requiring a special roughening treatment of the current collector. This secondary battery has excellent durability between the current collector and the active material layer, and the contact area has been increased, so that the lithium ion has good durability with reduced performance degradation (for example, reduced capacity retention rate). A secondary battery such as a secondary battery can be provided. Therefore, according to the present invention, as shown in FIG. 6, the lithium ion secondary battery 10 (which may be in the form of an assembled battery formed by connecting a plurality of the
10 リチウムイオン二次電池
15 電池ケース
20 開口部
25 蓋体
30 ケース本体
50 捲回電極体
60 正極端子
62 正極集電体(電極集電体)
64 正極活物質層(電極活物質層)
66 正極シート(正極)
70 負極端子
72 負極集電体(電極集電体)
74 負極活物質層(電極活物質層)
76 負極シート(負極)
80 セパレータ
105 粘着テープ
110 両面テープ
115 ステージ
120 試料
125 チャック
200 電極製造装置
205 巻出ロール
210 巻取ロール
215 テンションローラ
220 ペースト塗布部
225 乾燥炉
1000 車両
DESCRIPTION OF
64 Positive electrode active material layer (electrode active material layer)
66 Positive electrode sheet (positive electrode)
70
74 Negative electrode active material layer (electrode active material layer)
76 Negative electrode sheet (negative electrode)
80
Claims (10)
前記集電体の表面に保持された活物質層と
を備え、
ここで、
前記活物質層は、電極活物質と水系バインダとを少なくとも含んでおり、
前記活物質層を保持した前記集電体の表面に、算術平均粗さRa1が0.3μm〜1μmの第1凹凸を有し、さらに、
前記第1凹凸の表面に、算術平均粗さRa2が0.01μm〜0.2μmの第2凹凸を有する、二次電池。 A current collector,
An active material layer held on the surface of the current collector,
here,
The active material layer includes at least an electrode active material and an aqueous binder,
On the surface of the current collector holding the active material layer, the arithmetic mean roughness Ra 1 has first irregularities of 0.3 μm to 1 μm,
Wherein the first roughened surface of the arithmetic average roughness Ra 2 has a second unevenness of 0.01 to 0.2 [mu] m, the secondary battery.
少なくとも前記電極活物質と前記水系バインダと水系溶媒とを混合し、pHが10〜13に調整された水性ペーストを用意する工程Bと、
前記工程Aで用意された前記集電体の表面に、前記工程Bで用意された前記水性ペーストを塗布することによって、前記集電体の表面に、前記電極活物質と前記水系バインダとを含む活物質層を形成する工程Cと
を包含する、二次電池の製造方法。 Step A for preparing a current collector having first irregularities with an arithmetic average roughness Ra 1 of 0.3 μm to 1 μm;
Step B for preparing an aqueous paste having a pH adjusted to 10 to 13 by mixing at least the electrode active material, the aqueous binder, and an aqueous solvent;
By applying the aqueous paste prepared in Step B to the surface of the current collector prepared in Step A, the surface of the current collector includes the electrode active material and the aqueous binder. A method for manufacturing a secondary battery, comprising: step C of forming an active material layer.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20141104 |