JP2013140745A - 非水電解質二次電池用多孔質アルミニウム集電体の製造方法、非水電解質二次電池用正極の製造方法、ならびに、当該正極を用いた非水電解質二次電池 - Google Patents
非水電解質二次電池用多孔質アルミニウム集電体の製造方法、非水電解質二次電池用正極の製造方法、ならびに、当該正極を用いた非水電解質二次電池 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】リチウムの吸蔵放出が可能な少なくとも活物質を溶媒に分散したスラリーが充填された多孔質アルミニウム集電体を含み、電極密度向上率が110〜500%であることを特徴とする非水電解質二次電池用正極の製造方法、ならびに、当該正極の製造方法を用いた非水電解質二次電池。
【選択図】図2
Description
、当該混合粉末の全体に対するアルミニウム粉末の体積割合が5〜20%の混合粉末を、アルミニウム板と複合化した状態で200MPa以上の圧力で加圧成形した後、この加圧成形体を不活性雰囲気中でアルミニウム粉末又はアルミニウム板の低い方の融点以上で、かつ、支持粉末の融点未満の温度域での熱処理により接合させ、その後、支持粉末を除去することによって製造されることを特徴とする非水電解質二次電池用多孔質アルミニウム集電体の製造方法とした。
本発明に用いる多孔質アルミニウム集電体は、所定の体積割合で混合したアルミニウム粉末と支持粉末の混合粉末をアルミニウム板と複合化して加圧成形した後に、その成形体を不活性雰囲気中で熱処理してアルミニウム粉末又はアルミニウム板から液相を生じさせ、アルミニウム粉末同士及びアルミニウム粉末とアルミニウム板とを接合し、最終的に支持粉末を除去することで得られる。多孔質アルミニウム集電体は、支持粉末が除去された空隙と、その空隙の周囲を形成する接合したアルミニウム粉末の結合金属粉末壁とによって構成される。結合金属粉末壁には多くの微細な孔が形成されており、空隙同士がこれら微細孔によって連結したオープンセル型の構造となっている。
多孔質アルミニウム集電体の空孔率は80%以上、95%以下あり、好ましくは85%以上である。この範囲にすることより、電極としての強度を保ちつつ、集電体の孔内に所望量の活物質スラリーを充填することができ、かつ、電池の高出力化、高容量化が可能となる。
本発明で用いるアルミニウム粉末には、純アルミニウム粉末が用いられる。純アルミニウムとは、純度99.0mass%以上のアルミニウムである。アルミニウム粉末の粒径は1〜50μmが好ましい。多孔質アルミニウムの製造において支持粉末の表面を満遍なくアルミニウム粉末で覆うためには、アルミニウム粉末の粒径はより小さい方が好ましく、1〜10μmが更に好ましい。アルミニウム粉末の粒径は、レーザー回折散乱法(マイクロトラック法)で測定したメジアン径で規定する。
本発明では支持粉末としては、アルミニウム粉末の融点よりも高い融点を有するものを用いる。また、混合粉末をアルミニウム板と複合化する場合には、アルミニウム粉末とアルミニウム板の低い方の融点よりも高い融点を有するものを用いる。このような支持粉末としては水溶性塩が好ましく、入手の容易性から塩化ナトリウムや塩化カリウムが好適に用いられる。支持粉末が除去されることで形成された空間が多孔質アルミニウムの孔になることから、支持粉末の粒径が孔径に反映される。そこで、本発明で用いる支持粉末の粒径は、100〜1000μmとするのが好ましい。支持粉末の粒径は、ふるいの目開きで規定する。従って、分級によって支持粉末の粒径を揃えることで、孔径の揃った多孔質アルミニウム集電体が得られる。
本発明においては、混合粉末をアルミニウム板と複合化した状態で用いる。アルミニウム板とは無孔の板や箔及び、有孔の金網、エキスパンドメタル、パンチングメタル等の網状体である。アルミニウム板が支持体となり多孔質アルミニウム集電体の強度が向上し、更に導電性が向上する。多孔質アルミニウム集電体の強度が高いほど、電極作製工程において多孔質アルミニウムが欠落することはなく、十分な電池機能を発揮することができ、また外部刺激からの衝撃に強い電池の作製が可能となる。アルミニウム板の材質は、純アルミニウム又はアルミニウム合金が用いられ、アルミニウム合金としては、アルミニウム−チタン合金、アルミニウム−マンガン合金、アルミニウム−鉄合金、アルミニウム−ニッケル合金などが好適に用いられる。
アルミニウム粉末と支持粉末の混合割合は、それぞれの体積をVal、Vsとしてアルミニウム粉末の体積率であるVal/(Val+Vs)が5〜20%、好ましくは5〜10%である。ここで体積Val、Vsはそれぞれの重量と比重から求めた値である。アルミニウム粉末の体積率が20%を超える場合には、支持粉末の含有率が少な過ぎるために支持粉末同士が接触することなく独立して存在することになり、支持粉末を十分に除去しきれない。除去しきれない支持粉末は、多孔質アルミニウム集電体の腐食の原因となる。一方、アルミニウム粉末の体積率が5%未満の場合には、多孔質アルミニウムを構成する壁が薄くなり過ぎることで、多孔質アルミニウム集電体の強度が不十分となり、取り扱いや形状維持が困難となる。
混合粉末を成形用金型に充填する際に、混合粉末とアルミニウム板とを複合化する。複合化の形態としては、混合粉末の間にアルミニウム板を挟んでも、混合粉末をアルミニウム板で挟んでも構わない。また、混合粉末とアルミニウム板の複合化を繰り返して多段にすることもできる。複合化の際にはアルミニウム粉末や支持粉末の粒径、混合割合の異なる混合粉末や、種類の異なる複数のアルミニウム板を組み合わせることもできる。
加圧成形時の圧力は、200MPa以上とする必要がある。十分な圧力を加えて成形することでアルミニウム粉末同士が擦れ合い、アルミニウム粉末同士の接合を阻害するアルミニウム粉末表面の強固な酸化皮膜が破壊される。この酸化皮膜は融解したアルミニウムを閉じ込め、互いに接触することを妨げると共に、融解アルミニウムとの濡れ性に劣り、液体状のアルミニウムを排斥する作用がある。そのため、加圧成形の圧力が200MPa未満の場合にはアルミニウム粉末表面の酸化皮膜の破壊が不十分で、加熱時に融解したアルミニウムが成形体の外に滲み出し玉状のアルミニウムの塊が形成される。アルミニウム塊が存在する状態で電極を作製した場合、この凸状の部分がセパレータを突き破ってショートの原因となる点で弊害となる。成形圧力は使用する装置や金型が許容する限り大きい方が形成される多孔質アルミニウム壁が強固になって好ましい。しかしながら、400MPaを超えると効果が飽和する傾向がある。加圧成形体の離型性を高める目的でステアリン酸等の脂肪酸、ステアリン酸亜鉛等の金属石鹸、各種ワックス、合成樹脂、オレフィン系合成炭化水素等の潤滑剤を使用することが好ましい。
熱処理は使用するアルミニウム粉末の融点以上で、かつ、支持粉末の融点未満の温度で行う。混合粉末をアルミニウム板と複合化する場合には、アルミニウム粉末とアルミニウム板の低い方の融点以上で、かつ、支持粉末の融点未満の温度で熱処理を行う。また、アルミニウム粉末の融点とは、純アルミニウム又はアルミニウム合金の液相が生じる温度であり、アルミニウム板の融点とは、金属材料の場合には同様に液相が生じる温度である。液相が生じる温度まで加熱することで、アルミニウム粉末又はアルミニウム板から液相が滲み出し、アルミニウム粉末同士およびアルミニウム粉末とアルミニウム板とが金属的に結合する。
熱処理における加熱保持時間は、1〜60分程度が好ましい。また、熱処理時に加圧成形体に荷重を掛け、加圧成形体の圧縮を行ったり、加熱と冷却の繰り返しを複数回行ってもよい。
接合体中の支持粉末の除去は、支持粉末を水に溶出させて行う方法が好適に用いられる。接合体を十分な量の水浴または流水浴に浸漬する等の方法により、支持粉末を容易に溶出することができる。支持粉末として水溶性塩を用いる場合には、これを溶出させる水は、イオン交換水や蒸留水等、不純物の少ない方が好ましいが、水道水でも特に問題は無い。浸漬時間は、通常、数時間〜24時間程度の範囲で適宜選択される。浸漬中に超音波等によって振動を与えることにより、溶出を促進することもできる。
本発明に係る非水電解質二次電池用正極は上述の多孔質アルミニウム集電体に、少なくとも正極活物質を溶媒に分散したスラリーを充填することにより得られ、導電助剤、結着剤及び増粘剤を更に加えても良い。
また、圧入法に替えて、正極活物質、導電助剤及び結着剤を溶媒に分散したスラリー中に多孔質アルミニウム集電体を浸漬し、正極活物質、導電助剤、結着剤を多孔質アルミニウム集電体の孔中に拡散させる方法(以下、浸漬法と称する)を採用してもよい。
以上のようにして正極活物質、導電助剤及び結着剤が充填された正極は、50〜200℃で溶媒を飛散させて乾燥される。
{(Wacb/Vacb)be/(Wacb/Vacb)af}×100(%)である。
負極としては、リチウムの吸蔵放出が可能であって、負極集電体と、負極集電体上に少なくとも負極活物質を溶媒に分散したスラリーを塗布することにより得られ、導電助剤、結着剤及び増粘剤を更に加えても良い。
負極活物質としては非水電解質二次電池に使用できるものであれば特に制限されるものではなく、例えば、天然黒鉛や人造黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、ハードカーボンやソフトカーボンなどの炭素材料、Al、Si、Sn等のリチウムと化合することができる金属材料や合金材料、チタン酸リチウム(Li4Ti5O12)などの酸化物材料を用いることができる。
また、導電助剤としては正極に用いるのと同様のもの、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラック、活性炭、黒鉛等を挙げることができる。更に、増粘剤としては、カルボキシメチルセルロース(CMC)の水溶液等を用いることができる。
正極と負極のセパレータとしては、一般的に用いられているポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)などの高分子膜が用いられる。また、非水電解質としては、エチレンカーボネート(EC)、ジエチルカーボネート(DEC)などの有機溶媒に溶解させた六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、過塩素酸リチウム(LiClO4)を用いることができる。
この実施例は、本発明に係る非水電解質二次電池用正極に用いる多孔質アルミニウム集電体に関するものである。
アルミニウム粉末として、粒径の異なる下記純アルミニウム粉末(A1〜A3)を用いた。支持粉末として、粒径の異なる塩化ナトリウム粉末(B1〜B3)、ならびに、粒径605μmの塩化カリウム(C1)を用いた。表1、2に示すように各粉末を混合し、混合粉末を調製した。
A1:メジアン径3μm(融点:660℃)
A2:メジアン径7μm(融点:660℃)
A3:メジアン径17μm(融点:660℃)
B1:粒径605μm(ふるい目開き中央値)(融点:800℃)
B2:粒径400μm(ふるい目開き中央値)(融点:800℃)
B3:粒径120μm(ふるい目開き中央値)(融点:800℃)
<塩化カリウム粉末>
C1:粒径605μm(ふるい目開き中央値)(融点:776℃)
(支持粉末の残留性)
支持粉末を除去した後の重量を測定し、この重量が原料として使用したアルミニウム粉末とエキスパンドメタルの重量の合計より重い場合は支持粉末が残留しているとして不合格(×)とした。一方、軽い場合には支持粉末の残留が無いものとして合格(○)とした。支持粉末の残留が無い多孔質アルミニウムは、全ての孔が外部と連通を持ったオープンセル型の多孔体であることが分かる。
熱処理時において、融解したアルミニウムの滲み出しの有無を目視観察により評価した。滲み出しが生じなかったものを合格(○)、生じたものを不合格(×)とした。
支持粉末を除去した際に結合金属粉末壁が崩壊したか否かを、多孔質アルミニウム集電体試料の形状変化の目視観察により評価した。形状が変化しなかったものを合格(○)、変化したものを不合格(×)とした。
上記支持粉末の残留性、外観性及び形状性の評価に合格した多孔質アルミニウム試料に対し、図1に示す強度測定用治具を用いてその荷重維持性を調べた。図に示すように、支持用ローラ2、2(ローラ間の長さL=25.0±0.2mm)上に載置した多孔質アルミニウム試料3の上に、荷重用ローラ1を押し付けて一定速度で降下させた際の荷重を測定した。折れ易い試料は、荷重が最大値に達した後に急激に荷重が低下する。そこで、最大荷重に達した点から更に荷重用ローラ1を2mm降下させた時点における荷重が最大荷重の80%以上だったものを合格(○)、80%未満であったものを不合格(×)とした。荷重用ローラ1の降下速度は1mm/minとした。
比較例3では、アルミニウム粉末の体積割合が多過ぎたために独立して存在する支持粉末が生じて除去が困難となり、支持粉末の残留性が不合格であった。
比較例4では、アルミニウム粉末の体積割合が少な過ぎたために多孔質アルミニウムの結合金属粉末壁が非常に薄くなって崩壊し、形状性が不合格であった。
比較例5では、アルミニウム粉末の体積割合が少な過ぎたと共に被覆面積割合Cの値が低かったために多孔質アルミニウムの結合金属粉末壁が非常に薄くなって崩壊し、形状性が不合格であった。
比較例6では、加圧成形圧力が低過ぎたためにアルミニウム粉末の新生面の露出が不十分となり、熱処理時に融解アルミニウムの滲み出しが生じて外観性が不合格であった。
比較例7では、熱処理温度が高過ぎたために、融解アルミニウムの滲み出しが生じて外観性が不合格であった。
比較例8では、熱処理温度が低過ぎたためアルミニウム粉末同士およびアルミニウム粉末とエキスパンドメタルとの接合が十分に進行せず、荷重維持性が不合格であった。
この実施例は、本発明に係る非水電解質二次電池用正極及びこれを用いた非水電解質二次電池に関するものである。
(正極の作製)
正極活物質として炭素被覆リン酸鉄リチウム100重量部;導電助剤としてアセチレンブラック6.8重量部;結着剤として、水分散バインダである固形分濃度40質量%のアクリル系共重合体3重量部(固形分として)、ならびに、分散剤として;水溶液中の固形分濃度2質量%のカルボキシメチルセルロース2重量部(固形分として)を、溶媒であるイオン交換水5gに分散してスラリーを調製した。
上記のプレス処理した正極試料を作用極に用いた3極式評価セルを作製した。対極及び参照極にはリチウム金属を用いた。電解液として、エチレンカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネートとの混合溶媒(体積比で2:5:3)にLiPF6を1.3mol/L溶解させた非水電解液を用い、セパレータとして、微多孔質ポリエチレン膜を用いた。外装体には、ポリプロピレンブロックを加工した樹脂製容器を用い、作用極、対極及び参照極に設けた各端子の開放端部が外部露出するように電極群を収納封口した。
上述のように作製した電池を用いて、充放電特性の評価試験を行った。充放電試験は0.1Cの電流で4.2Vまで充電し、0.1Cの電流で2.0Vまで放電させ、このときの充放電効率を求めた。電極容量、放電容量及び充放電効率の結果を、表3に示す。また、充放電曲線を図2、3に示す。表3及び図2、3から、発明例11はいずれの比較例よりも高い放電容量及び充放電効率を示しており、良好な電池特性である。
前記充放電試験500サイクル後に多孔質アルミニウム集電体から電極活物質が脱落したか否かを目視観察により評価し、その結果を表3に示した。電極活物質の脱落がなかったものを○、電極活物質の脱落が若干見られたものを△、電極活物質の脱落が顕著に見られたものを×とした。発明例11では、充放電試験500サイクル後の電極に活物質の脱落は見られなかった。
発明例11で作製した乾燥後の正極試料を、平板プレス機により圧力0.17トン/cm2でプレス処理した。プレス処理後の電極密度は0.62g/cm3であり、電極密度向上率は111%であった。表3に示すように、良好な電池特性である。充放電試験500サイクル後の電極に活物質の脱落は見られなかった。
発明例11で作製した乾燥後の正極試料を、平板プレス機により圧力0.78トン/cm2でプレス処理した。プレス処理後の電極密度は2.80g/cm3であり、電極密度向上率は500%であった。表3に示すように、良好な電池特性である。充放電試験500サイクル後の電極に活物質の脱落は見られなかった。
実施例1の比較例1で作製した、エキスパンドメタルを使用しない多孔質アルミニウム集電体を用いた。発明例11と同じ条件で正極試料を作製した。乾燥後の電極密度は0.57g/cm3であった。これを平板プレス機により圧力0.52トン/cm2でプレス処理した。プレス処理後の電極密度は1.87g/cm3であり、電極密度向上率は328%であった。エキスパンドメタルを使用しない多孔質アルミニウム集電体を用いたため、発明例11に比べて、放電容量が3.2mAh/g、充放電効率が0.06%低下した。また、エキスパンドメタルを使用していないため、強度が不十分であり、電極作製工程で多孔質アルミニウム集電体の一部が欠落した。このため、充放電試験500サイクル後の電極に活物質の脱落が顕著に見られた。
電極容量、放電容量及び充放電効率の結果を表3に、充放電曲線を図2に示す。
発明例11で作製した乾燥後の正極試料を用いたが、プレス処理を行わなかった。従って、電極密度向上率は100%であった。正極試料にプレス処理を実施しなかったため、発明例11に比べて、放電容量が1.6mAh/g、充放電効率が0.52%低下した。また、この比較例では充電カーブが緩やかであり、分極が見られた。これは、プレス処理をしていないため、集電体と活物質との接触が不十分であることから、電気抵抗が大きくなったと考えられる。充放電試験500サイクル後の電極に活物質の脱落が顕著に見られた。これは、プレス処理をしなかったためと考えられる。
電極容量、放電容量及び充放電効率の結果を表3に、充放電曲線を図2に示す。
発明例11で作製した乾燥後の正極試料を、平板プレス機により圧力0.16トン/cm2でプレス処理した。プレス処理後の電極密度は0.59g/cm3であり、電極密度向上率は105%であった。正極試料の電極密度向上率が低過ぎたため、発明例11に比べて、放電容量が1.3mAh/g、充放電効率が0.43%低下した。また、この発明例では充電カーブが緩やかであり、分極が見られた。これは、プレス処理が過小であるため、集電体と活物質との接触が不十分であることから、電気抵抗が大きくなったと考えられる。充放電試験500サイクル後の電極に活物質の脱落が若干見られた。これは、プレス処理による電極密度向上率が過小であったためと考えられる。
電極容量、放電容量及び充放電効率の結果を表3に示す。
発明例11で作製した乾燥後の正極試料を、平板プレス機により圧力0.79トン/cm2でプレス処理した。プレス処理後の電極密度は2.85g/cm3であり、電極密度向上率は509%であった。正極試料の電極密度向上率が高過ぎたため、発明例11に比べて、放電容量が2.2mAh/g、充放電効率が0.45%低下した。放電試験500サイクル後の電極に活物質の脱落が若干見られた。これは、プレス処理による電極密度向上率が過大であったため考えられる。
電極容量、放電容量及び充放電効率の結果を表3に示す。
発明例11において、多孔質アルミニウム集電体に代えて厚さ20μmのアルミニウム箔を集電体に用い、この集電体上にスラリーを塗布して乾燥させた。アルミニウム箔の1m2当たりに塗布した活物質、導電助剤及び結着剤の合計重量は、乾燥状態で600g/m2であった。
この比較例では、正極試料に多孔質アルミニウム集電体を用いなかったため、乾燥後の集電体表面がひび割れてアルミニウム箔から剥離してしまい電池特性の評価ができなかった。そのため、放電試験500サイクル後の電極状態を観察できなかった。
発明例11において、多孔質アルミニウム集電体に代えて厚さ20μmのアルミニウム箔を集電体に用い、この集電体上にスラリーを塗布して乾燥させた。アルミニウム箔の1m2当たりに塗布した活物質、導電助剤及び結着剤の合計重量は、乾燥状態においてひび割れや剥離が生じない154g/m2とした。
このようにして作製した乾燥後の正極試料の電極密度は1.20g/cm3であった。次いで、これを平板プレス機により圧力0.24トン/cm2でプレス処理した。プレス処理後の電極密度は1.81g/cm3であり、電極密度向上率は151%であった。この比較例では、正極試料に多孔質アルミニウム集電体を用いなかったため、発明例11に比べて、放電容量が2.0mAh/g、充放電効率が1.17%低下した。充放電試験500サイクル後の電極に活物質の脱落は見られなかった。
電極容量、放電容量及び充放電効率の結果を表3に、充放電曲線を図3に示す。
更に、本発明の電池は電極作製工程において多孔質アルミニウム集電体が欠落することはなく、十分な電池機能を発揮できる強度を有している。このように、本発明に係る非水電解質二次電池用正極を用いることにより、高強度かつ高容量の非水電解質二次電池が得られる。
2・・支持用ローラ
3・・多孔質アルミニウム試料
L・・支持用ローラ間の長さ
Claims (7)
- アルミニウム粉末と支持粉末の混合粉末であって、当該混合粉末の全体に対するアルミニウム粉末の体積割合が5〜20%の混合粉末を、アルミニウム板と複合化した状態で200MPa以上の圧力で加圧成形した後、この加圧成形体を不活性雰囲気中でアルミニウム粉末又はアルミニウム板の低い方の融点以上で、かつ、支持粉末の融点未満の温度域での熱処理により接合させ、その後、支持粉末を除去することによって製造されることを特徴とする非水電解質二次電池用多孔質アルミニウム集電体の製造方法。
- 前記アルミニウム粉末の粒径と体積をそれぞれdal、Valとし、前記支持粉末の粒径と体積をそれぞれds、Vsとして規定されるアルミニウ粉末に覆われる支持粉末表面の被覆面積割合C=(Val×ds)/(4Vs×dal)×100が70%以上である
、請求項1に記載の非水電解質二次電池用多孔質アルミニウム集電体の製造方法。 - 前記支持粉末が、塩化ナトリウム、塩化カリウム又はこれらの混合物である、請求項1又は2に記載の非水電解質二次電池用多孔質アルミニウム集電体の製造方法。
- 前記多孔質アルミニウム集電体の空孔率を80%以上、95%以下とした、請求項1〜3のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池用多孔質アルミニウム集電体の製造方法。
- 請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法で製造された非水電解質二次電池用多孔質アルミニウム集電体にリチウムの吸蔵放出が可能な少なくとも活物質を溶媒に分散したスラリーを充填し、加圧して電極密度向上率を110〜500%としたことを特徴とする非水電解質二次電池用正極の製造方法。
- 前記スラリーを充填した非水電解質二次電池用多孔質アルミニウム集電体を、平板プレス処理によって加圧する、請求項5に記載の非水電解質二次電池用正極の製造方法。
- 請求項5又は6に記載の非水電解質二次電池用正極の製造方法により製造した正極と、リチウムの吸蔵放出が可能な負極と、これら正負極間に配置されたセパレータと、非水電解質とを備えたことを特徴とする非水電解質二次電池。
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