JP2013161689A - 二次電池用電極とその製造方法 - Google Patents

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利彦 三橋
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Abstract

【課題】電極合材層中の結着材の偏析を抑制して電極集電体と電極合材層との剥離強度を向上させると共に、反応抵抗が低減された二次電池用電極を提供すること。
【解決手段】本発明の二次電池用電極84において、電極合材層90は、電極活物質130と、溶剤不溶分が相互に異なる第1の結着材110及び第2の結着材120を少なくとも含んでいる。上記第1の結着材の溶剤不溶分Aは、上記第2の結着材の溶剤不溶分Bよりも大きく、電極合材層は、厚み方向に、上記第2の結着材を上記第1の結着材よりも多く含んでいる上層部92と、上記第1の結着材を上記第2の結着材よりも多く含んでいる下層部94とを備えている
【選択図】図3

Description

本発明は、二次電池用の電極とその製造方法に関する。詳しくは、電極活物質と結着材とを含む電極合材層が電極集電体上に保持された構成を有する電極とその製造方法に関する。
リチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池その他の二次電池は、例えば、電気を駆動源として利用する車両に搭載される電源、或いはパソコンや携帯端末その他の電気製品等に用いられる電源として重要性が高まっている。特に軽量で高エネルギー密度が得られるリチウムイオン二次電池は、車両搭載用高出力電源として好ましい。
典型的な構成のリチウムイオン二次電池では、導電性部材(電極集電体)の上にリチウムイオンを可逆的に吸蔵及び放出し得る物質(電極活物質)を主体とする電極材料が層状に形成された構成(以下、かかる層状形成物を「電極合材層」という。)の電極を備える。かかる電極は、典型的には、電極活物質と結着材(バインダ)等とを適当な溶媒(例えば水)に分散させて混練したペースト状の組成物(ペースト状組成物にはスラリー状組成物及びインク状組成物が包含される。)を調製し、これを電極集電体上に塗布して乾燥することにより形成されている。
ところで、電極集電体上に塗布されたペースト状の組成物を乾燥して電極合材層を形成する際、組成物の表面から該組成物中の溶媒が蒸発する。このため、溶媒の対流によって該組成物に含まれる結着材が移動して組成物の表面に結着材が偏析(マイグレーション)してしまう場合がある。この結果、電極集電体と電極合材層との間において十分な剥離強度(密着力)が得られないという問題がある。かかる問題に対応すべく、従来技術として、特許文献1及び2が挙げられる。特許文献1には、集電体上に組成物を塗布して乾燥させることを複数回繰り返すことによって多層の正極合材層を形成する方法及び該正極合材層を備える正極が記載されている。特許文献2には、2層からなる電極合材層において上層の結着材濃度を下層の結着材濃度よりも高くした電極層を備える負極が記載されている。
特開2009−245827号公報 特開2010−182479号公報
しかしながら、電極集電体上に塗布する組成物の量が多くなると、複数層に分けて組成物を塗布した場合であっても結着材の偏析を十分に抑制できず、十分な剥離強度が得られない場合がある。また、本発明者は、結着材の性質上剥離強度の高いもの(即ち密着力の高いもの)は同時に反応抵抗が高くなる傾向にあるとの知見を得た。このため、剥離強度の高い結着材を用いることによって電極集電体と電極合材層との剥離強度を高めようとすると反応抵抗が増加してしまい、他方で、反応抵抗を低減しようとすると電極集電体と電極合材層との剥離強度が不十分となってしまうという課題を発見した。
本発明は、上述した課題を解決すべく創出されたものであり、その目的は、電極合材層中の結着材の偏析を抑制して電極集電体と電極合材層との剥離強度を向上させると共に、反応抵抗が低減された二次電池用電極を提供することであり、合わせて該電極を好適に製造する方法を提供することである。
上記目的を実現すべく、本発明により、電極集電体上に電極合材層が形成された二次電池用電極が提供される。ここで開示される二次電池用電極において、上記電極合材層は、電極活物質と、水系の結着材であって以下のように定義される溶剤不溶分(質量%):
25℃の温度条件下、テトラヒドロフラン50ml中に該水系の結着材20gを添加した場合において、所定の条件で混合したときの該結着材の全添加量に対する該テトラヒドロフラン中に溶解しない不溶分として残った質量の百分率;
が相互に異なる第1の結着材及び第2の結着材を少なくとも含んでいる。上記第1の結着材の溶剤不溶分Aは、上記第2の結着材の溶剤不溶分Bよりも大きい。上記電極合材層は、厚み方向に、上記第2の結着材を上記第1の結着材よりも多く含んでいる上層部と、上記第1の結着材を上記第2の結着材よりも多く含んでいる下層部とを備えていることを特徴とする。
本発明によって提供される二次電池用電極では、溶剤不溶分が相対的に大きい第1の結着材が電極合材層の下層部(電極集電体側)に優勢に配置され、溶剤不溶分が相対的に小さい第2の結着材が電極合材層の上層部(電極合材層の表層側)に優勢に配置されている。かかる構成によると、電極集電体と電極合材層との間において高い剥離強度を有すると共に、反応抵抗は低いものとなり得る。
ここで開示される二次電池用電極の好適な一態様では、上記第1の結着材の溶剤不溶分Aは90質量%以上であり、上記第2の結着材の溶剤不溶分Bは85質量%以下であることを特徴とする。
かかる構成によると、電極集電体と電極合材層との間においてより高い剥離強度を有すると共に、反応抵抗はより低いものとなり得る。
ここで開示される二次電池用電極の好適な一態様では、上記上層部に含まれる結着材よりも上記下層部に含まれる結着材のほうが多いことを特徴とする。
かかる構成によると、下層部に多くの結着材が含まれているため電極集電体と電極合材層との間においてより高い剥離強度を有する。
好ましい一態様では、上記第1の結着材及び上記第2の結着材は、いずれもスチレンブタジエンゴムである。
また、本発明によると、他の側面として、電極活物質と、水系の結着材であって以下のように定義される溶剤不溶分(質量%):
25℃の温度条件下、テトラヒドロフラン50ml中に該水系の結着材20gを添加した場合において、所定の条件で混合したときの該結着材の全添加量に対する該テトラヒドロフラン中に溶解しない不溶分として残った質量(典型的にはゲルの形態で残った量。ゲル量)の百分率;
が相互に異なる第1の結着材及び第2の結着材を少なくとも含む電極合材層が電極集電体上に形成された二次電池用電極を製造する方法が提供される。即ちここで開示される二次電池用電極の製造方法は、上記電極活物質と上記第1の結着材とを少なくとも含むペースト状の第1の組成物を上記電極集電体の表面に塗布すること、上記電極活物質と上記第2の結着材とを少なくとも含むペースト状の第2の組成物を上記第1の組成物上に塗布すること、上記第1の組成物と上記第2の組成物とを乾燥させて電極合材層を形成すること、
を包含する。ここで、上記第1の結着材の溶剤不溶分Aは、上記第2の結着材の溶剤不溶分Bよりも大きく(即ちA>B)、上記第1の組成物中の電極活物質に対する上記第1の結着材の質量比Cが、上記第2の組成物中の電極活物質に対する上記第2の結着材の質量比Dよりも大きくなる(即ちC>D)ように上記第1の結着材及び上記第2の結着材の添加量が調整されていることを特徴とする。
本発明の二次電池用電極の製造方法では、第1の組成物中に含まれる第1の結着材の溶剤不溶分Aは、第2の組成物中に含まれる第2の結着材の溶剤不溶分Bよりも大きい。さらに、第1の組成物中の電極活物質に対する第1の結着材の質量比Cが、第2の組成物中の電極活物質に対する第2の結着材の質量比Dよりも大きい。
このように、第1の結着材の溶剤不溶分Aが第2の結着材の溶剤不溶分Bより大きく、該第1の結着材の質量比Cが相対的に大きい第1の組成物を電極集電体上に塗布し、第2の結着材の質量比Dが第1の組成物に含まれる第1の結着材の質量比Cよりも小さい第2の組成物を上記第1の組成物上に塗布することによって、結着材の過度な偏析(具体的には電極合材層の上層部(特に表面部)への結着材の偏在)の発生が抑えられて電極集電体に近接する領域において結着材が不足するのを防止することができる。さらに、本発明の製造方法によると、形成された電極合材層中において、溶剤不溶分が相互に異なる第1の結着材と第2の結着材とが好適な割合及び存在位置にあるため、反応抵抗の低減が実現される。従って、本構成の製造方法によると、電極集電体と電極合材層との剥離強度を向上させると共に、反応抵抗が低減された二次電池用電極を製造することができる。
ここで開示される製造方法の好適な一態様では、上記第1の結着材として溶剤不溶分Aが90質量%以上の結着材を使用し、且つ、上記第2の結着材として溶剤不溶分Bが85質量%以下の結着材を使用することを特徴とする。
かかる構成によると、電極集電体と電極合材層との剥離強度をより向上させると共に、反応抵抗がより低減された二次電池用電極を製造することができる。
ここで開示される製造方法の好適な一態様では、上記質量比Cと上記質量比Dとの比C/Dが1<C/D≦2となるように上記第1の結着材及び上記第2の結着材の添加量が調整されていることを特徴とする。
上記比C/Dが上記範囲となるように第1の結着材及び第2の結着材の添加量をそれぞれ調整することによって、電極合材層を形成する際に結着材が良好に分散され得る。このため、反応抵抗を低減させると共に、電極集電体と電極合材層との間においてより大きな剥離強度を備える電極を製造することができる。
ここで開示される製造法の好適な一態様では、上記第1の結着材及び上記第2の結着材としていずれもスチレンブタジエンゴムを用いることを特徴とする。
スチレンブタジエンゴム(SBR)は、溶剤不溶分の調整が容易であるため、所望の物性を有するSBRを用いて上記電極を製造することができる。
また、本発明によると、ここで開示されるいずれかの二次電池用電極又はいずれかの方法により製造された二次電池用電極を用いて構築された二次電池(例えばリチウムイオン二次電池)が提供される。かかる二次電池は、上記二次電池用電極を少なくとも一方の電極(好ましくは少なくとも負極)に用いて構築されていることから、より良好な電池性能を示すものであり得る。
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、ここで開示されるいずれかの二次電池を備える車両が提供される。特に、軽量で高出力が得られることから、上記二次電池がリチウムイオン二次電池であって、該リチウムイオン二次電池を動力源として備える車両(典型的には自動車、特にハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車のような電動機を備える自動車)が好適である。
本発明の一実施形態に係る二次電池の外形を模式的に示す斜視図である。 図1中のII‐II線に沿う断面図である。 本発明の一実施形態に係る負極の構造を模式的に示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る二次電池用電極の製造方法を説明するためのフローチャートである。 結着材の溶剤不溶分と剥離強度及び反応抵抗の関係を示すグラフである。 例5〜例14に係る負極シートの剥離強度を示すグラフである。 例5〜例14に係るリチウムイオン二次電池の反応抵抗を示すグラフである。 本発明に係る二次電池を備えた車両(自動車)を模式的に示す側面図である。
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に基づいて実施することができる。
ここで開示される二次電池用電極及び該電極を製造する方法の好適な実施形態の一つとして、リチウムイオン二次電池用の負極を製造する方法を例にして詳細に説明するが、本発明の適用対象をかかる種類の二次電池及び電極(負極)に限定することを意図したものではない。例えば、他の金属イオン(例えばマグネシウムイオン)を電荷担体とする二次電池にも適用することができる。
ここで開示されるリチウムイオン二次電池用電極(負極)の製造方法は、図4に示すように、第1の組成物塗布工程(S10)と、第2の組成物塗布工程(S20)と、乾燥工程(S30)とを包含する。
まず、第1の組成物塗布工程(S10)について説明する。第1の組成物塗布工程には、負極活物質(電極活物質)と第1の結着材とを少なくとも含むペースト状の第1の組成物を用意すること、及び用意した第1の組成物を負極集電体(電極集電体)上に塗布することが含まれている。
ここで開示されるリチウムイオン二次電池の負極に用いられる負極活物質(電極活物質)は、本発明の目的を実現し得る性状の負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。例えば、グラファイトカーボン、アモルファスカーボン等の炭素系材料、リチウム遷移金属複合酸化物(例えば、LiTi12等のリチウムチタン複合酸化物)、リチウム遷移金属複合窒化物等が例示される。中でも天然黒鉛(もしくは人造黒鉛)を主成分とする負極活物質(典型的には、実質的に天然黒鉛(もしくは人造黒鉛)からなる負極活物質)の使用が好ましい。かかる黒鉛は鱗片状の黒鉛を球形化したものであり得る。例えば、平均粒径(メジアン径d50)が凡そ5μm〜30μmの範囲にある球形化天然黒鉛(もしくは球形化人造黒鉛)を負極活物質として好ましく用いることができる。さらに、該黒鉛粒子の表面にアモルファスカーボン(非晶質炭素)がコートされた炭素質粉末を用いてもよい。なお、平均粒径は、市販されている種々のレーザー回折・散乱法に基づく粒度分布測定装置によって容易に測定することができる。
ここで開示されるリチウムイオン二次電池の負極に用いられる第1の結着材(即ち、第1の組成物用途に用いられる結着材(バインダ))としては、水系の結着材、即ち水に溶解または分散するポリマー材料を好ましく採用し得る。水に溶解または分散するポリマー材料としては、例えば、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリアクリレート(アクリル酸エステル単独重合体または共重合体)、ポリウレタン、ポリエチレンオキサイド(PEO)、ポリエチレン等が挙げられる。好ましくは、第1の結着材としてスチレンブタジエンゴムが用いられる。
第1の結着材の溶剤不溶分A(質量%)は、後述する第2の結着材の溶剤不溶分B(質量%)よりも大きい。即ち溶剤不溶分A>溶剤不溶分Bである。第1の結着材の溶剤不溶分Aは90質量%以上(通常は90質量%〜99質量%、例えば90質量%〜95質量%)である。かかる範囲内の結着材(第1の結着材)は、反応抵抗が比較的低いという性質を有するため該結着材を含む負極を備えるリチウムイオン二次電池では、充放電時における反応抵抗の低減を図ることができる。
ここで、所定の水系の結着材について溶剤不溶分(質量%)とは、以下のように定義される。25℃の温度条件下、テトラヒドロフラン(tetrahydrofuran,THF)50ml中に該水系の結着材20gを添加した場合において、所定の条件で混合(例えば、市販のスターラーを用いて500rpmの回転数で60分間混練)したときの該結着材の全添加量に対する該テトラヒドロフラン中に溶解しない不溶分として残った質量の百分率{(不溶分として残った質量)/(結着材の全添加量)×100}である。テトラヒドロフラン中に溶解しない不溶分として残った質量とは、典型的には、ゲルの形態で残った量(ゲル量)である。
第1の組成物に含まれる負極活物質に対する第1の結着材の質量比Cは、後述する第2の組成物に含まれる負極活物質に対する第2の結着材の質量比Dよりも大きい。即ち、質量比C>質量比Dである。質量比Cは、第1の組成物に含まれる負極活物質を100としたときに、1〜5(例えば1〜4、好ましくは1〜2)の範囲内であり得る。
また、第1の組成物に含まれる第1の結着材の含有量は、負極合材層の固形分全量を100質量%としたときに0.9質量%〜4.7質量%の範囲内であり得る。
また、ここで開示されるリチウムイオン二次電池の負極は必要に応じて増粘材を含有することができる。かかる増粘材としては、水に溶解又は分散するポリマー材料を採用し得る。水に溶解する(水溶性の)ポリマー材料としては、例えば、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);等が挙げられる。第1の組成物の混練(調製)の際の作業性および安定性等の観点からCMC等のセルロース誘導体が好ましく使用される。
第1の組成物に含まれる増粘材の含有量は、負極活物質の種類や量に応じて適宜選択すればよく、例えば、負極合材層の固形分全量を100質量%としたときに0.5質量%〜2質量%の範囲内であり得る。
上記負極活物質と第1の結着材と増粘材とを溶媒中で混ぜ合せる(混練)操作は、例えば、適当な混練機(プラネタリーミキサー、ホモディスパー、クレアミックス、フィルミックス等)を用いて行うことができる。上記ペースト状の第1の組成物を用意(調製)するにあたっては、先ず、負極活物質と第1の結着材と増粘材とを少量の水系の溶媒(例えば水)で固練りし、その後、得られた混練物を適量の溶媒で希釈してもよい。特に限定するものではないが、乾燥効率を向上させるために第1の組成物の固形分濃度(不揮発分、即ち負極合材層形成成分の割合。)は、例えば凡そ45質量%以上(典型的には50〜80質量%)であることが好ましい。固形分濃度が上記範囲よりも小さすぎると、第1の組成物が負極集電体上で弾かれてしまい、均一な厚みに塗工できない場合がある。一方、固形分濃度が上記範囲よりも大きすぎると、第1の組成物の取扱性(例えば、該第1の組成物を負極集電体(特に箔状集電体)に塗布する際の塗工性等)が低下しやすくなることがある。
上記負極集電体としては、従来のリチウムイオン二次電池の負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、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できる。負極集電体の形状は、リチウムイオン二次電池の形状等に応じて異なり得るため、特に制限はなく、棒状、板状、シート状、箔状等の種々の形態であり得る。ここで開示される技術は、例えばシート状若しくは箔状の集電体を用いた電極の製造に好ましく適用することができる。
上記第1の組成物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。例えば、ダイコーター、グラビアコーター、コンマコーター、スリットコーター等の適当な塗布装置を使用することにより、負極集電体の表面に第1の組成物を好適に塗布することができる。
次に、第2の組成物塗布工程(S20)について説明する。第2の組成物塗布工程には、負極活物質(電極活物質)と第2の結着材とを少なくとも含むペースト状の第2の組成物を用意すること、及び該用意した第2の組成物を上記第1の組成物上に塗布することが含まれている。
ここで開示される第2の組成物に含まれる負極活物質としては、第1の組成物に使用される負極活物質と同様のものを適宜採用することができる。第1の組成物に使用される負極活物質と同じ負極活物質を用いることが好ましい。
ここで開示されるリチウムイオン二次電池の負極に用いられる第2の結着材(即ち、第2の組成物用途に用いられる結着材)としては、第1の組成物に使用される第1の結着材と同様のものであって第1の結着材の溶剤不溶分Aよりも小さい溶剤不溶分Bである結着材を適宜採用することができる。第1の結着材に使用される結着材と同じ種類の結着材を第2の結着材として使用することが好ましい。好ましくは、第2の結着材としてスチレンブタジエンゴムが用いられる。
第2の結着材の溶剤不溶分B(質量%)は、第1の結着材の溶剤不溶分A(質量%)よりも小さい。即ち溶剤不溶分A>溶剤不溶分Bである。第2の結着材の溶剤不溶分Bは85質量%以下(通常は70質量%〜85質量%、例えば75質量%〜80質量%)である。かかる範囲内の結着材(第2の結着材)は、剥離強度が比較的高いという性質を有するため該結着材を含む負極を備えるリチウムイオン二次電池では、負極合材層と負極集電体との間における剥離強度の向上を図ることができる。
上述したように、第1の組成物に含まれる負極活物質に対する第1の結着材の質量比Cは、第2の組成物に含まれる負極活物質に対する第2の結着材の質量比Dよりも大きい。質量比Dは、第2の組成物に含まれる負極活物質を100としたときに、0.5〜3(例えば0.5〜2、好ましくは0.8〜1.2)の範囲内であり得る。
また、第2の組成物に含まれる第2の結着材の含有量は、負極合材層の固形分全量を100質量%としたときに0.5質量%〜2.9質量%の範囲内であり得る。
上記第1の組成物及び上記第2の組成物を調製する際に、上記第1の結着材の質量比Cと上記第2の結着材の質量比Dとの比C/Dが1より大きくなるように上記第1の結着材及び上記第2の結着材の添加量をそれぞれ調整する。好ましくは、1<C/D≦2(例えば、1.5≦C/D≦2)となるように上記第1の結着材及び上記第2の結着材の添加量をそれぞれ調整することである。C/Dが上記範囲となる第1の組成物及び第2の組成物を用いて形成された負極は、負極集電体と負極合材層との密着力(剥離強度)がより高まると共に、反応抵抗がより低減され得る。
なお、第1の組成物と第2の組成物の塗布量(目付量)は通常は等量であるが、第1の組成物の塗布量が第2の組成物の塗布量より多くてもよいし、第2の組成物の塗布量が第1の組成物の塗布量より多くてもよい。典型的には、第1の組成物と第2の組成物との合計量を100質量%として、第1の組成物と第2の組成物との比は40:60〜60:40である。
そして、上記第1の組成物を塗布する方法と同様の技法を適宜採用することによって、上記第1の組成物上に上記第2の組成物を塗布することができる。このとき、いわゆる「wet on wet」と称される状態で第1の組成物及び第2の組成物を塗布する。なお、第2の組成物は、上記第1の組成物に使用される増粘材と同様のものを適宜採用することができる。第1の組成物に使用される増粘材と同じ増粘材を用いることが好ましい。
次に、乾燥工程(S30)について説明する。乾燥工程では、負極集電体(電極集電体)上に塗布された第1の組成物と第2の組成物とを適当な乾燥手段で同時に乾燥させることにより負極集電体(電極集電体)上に負極合材層(電極合材層)を形成することが含まれている。
例えば、第1の組成物及び第2の組成物が塗布された負極集電体が乾燥炉内を通過することによって、これら組成物を連続して同時に乾燥させることができる。このときの乾燥温度は、例えば、凡そ70℃〜200℃(典型的には凡そ120℃〜150℃)である。乾燥時間は、例えば、凡そ10秒〜120秒(典型的には凡そ20秒〜60秒)である。上記各組成物から溶媒を除去することによって負極集電体82上に負極合材層90(図3参照)を形成する。その後、必要に応じて圧縮(プレス)する。これにより、負極集電体82と、該負極集電体82上に形成された負極合材層90とを備える負極84を作製することができる。圧縮(プレス)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。
次に、上記の製造方法により作製された負極の構造について説明する。
図3に示すように、本実施形態に係る負極84は、負極集電体82と、該集電体82上に形成された負極合材層90とを備えている。負極合材層90は、負極活物質130及び溶剤不溶分が相互に異なる第1の結着材110及び第2の結着材120を含んでいる。負極合材層90は、厚み方向に、負極集電体82に近接する下層部94と負極集電体82よりも対極(典型的には正極)側に離れた上層部92とを備えている。上層部92は、第2の結着材120を第1の結着材110よりも多く含んでいる。下層部94は、第1の結着材110を第2の結着材120よりも多く含んでいる。また、負極合材層90は、第1の結着材110を第2の結着材よりも多く含んでいる。上記の製造方法によると、結着材の偏析の発生が防止されて、第1の組成物に含まれている第1の結着材110が下層部94に優勢に配置され、第2の組成物に含まれている第2の結着材120が上層部92に優勢に配置される。このように、結着材(即ち第1の結着材110及び第2の結着材120)の過度な偏析の発生が抑えられた負極合材層90では、負極集電体82と負極合材層90との間の密着力(剥離強度)の向上が実現できる。また、溶剤不溶分が相互に異なる第1の結着材110と第2の結着材120とがバランスよく含まれているため反応抵抗の低減が実現され得る。
ここで、上層部92に含まれる結着材(第1の結着材110及び第2の結着材120)よりも下層部94に含まれる結着材(第1の結着材110及び第2の結着材120)のほうが多いことが好ましい。かかる負極84では下層部94により多くの結着材(第1の結着材110及び第2の結着材120)が含まれているため負極集電体82と負極合材層90との間においてより高い剥離強度を有する。
なお、負極合材層90に含まれる第1の結着材110の含有量(典型的には質量)をXとし、該負極合材層90に含まれる第2の結着材120の含有量(典型的には質量)をYとしたときのX/Yは1よりも大きい。好ましくは、1<X/Y≦2の範囲内(例えば1<X/Y≦1.5の範囲内)である。
次に、本発明をリチウムイオン二次電池の正極に適用する態様について説明する。ここで開示される正極は、少なくとも正極活物質と導電材と結着材とを含む正極合材層が正極集電体上に形成された構成をしており、上記負極を製造する方法と同様の方法によって作製することができる。
ここで開示されるリチウムイオン二次電池の正極で用いられる正極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な材料であって、リチウム元素と一種または二種以上の遷移金属元素を含むリチウム含有化合物(例えばリチウム遷移金属複合酸化物)が挙げられる。例えば、リチウムニッケル複合酸化物(例えばLiNiO)、リチウムコバルト複合酸化物(例えばLiCoO)、リチウムマンガン複合酸化物(例えばLiMn)、或いは、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物(例えばLiNi1/3Co1/3Mn1/3)のような三元系リチウム含有複合酸化物が挙げられる。
また、一般式がLiMPO或いはLiMVO或いはLiMSiO(式中のMはCo、Ni、Mn、Feのうちの少なくとも一種以上の元素)等で表記されるようなポリアニオン系化合物(例えばLiFePO、LiMnPO、LiFeVO、LiMnVO、LiFeSiO、LiMnSiO、LiCoSiO)を上記正極活物質として用いてもよい。
上記導電材としては、従来この種のリチウムイオン二次電池で用いられているものであればよく、特定の導電材に限定されない。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を用いることができる。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等)、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。
また、上記結着材としては、一般的なリチウムイオン二次電池の正極に使用される結着材と同様のものであって溶剤不溶分が相互に異なる少なくとも2種の結着材を適宜採用することができる。水系の溶媒を用いて組成物を調製する場合には、上記負極に使用されるものを適宜採用することができる。また、溶剤系の溶媒を用いて組成物を調製する場合には、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリ塩化ビニリデン(PVDC)等の有機溶媒(非水溶媒)に溶解するポリマー材料を用いることができる。溶剤系の溶媒としては、例えばN−メチルピロリドン(NMP)等が挙げられる。
上記正極集電体としては、従来の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、アルミニウム材又はアルミニウム材を主体とする合金材を用いることができる。正極集電体の形状は、負極集電体の形状と同様であり得る。
以下、ここで開示される負極84を備えるリチウムイオン二次電池10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、上記負極84が採用される限りにおいて、作製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。以下の実施形態では、捲回電極体50および非水電解液を角型形状の電池ケース15に収容した構成のリチウムイオン二次電池10を例にして説明する。
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。
図1は、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池(二次電池)10を模式的に示す斜視図である。図2は、図1中のII−II線に沿う縦断面図である。
図1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、金属製(樹脂製又はラミネートフィルム製も好適である。)の電池ケース15を備える。このケース(外容器)15は、上端が開放された扁平な直方体状のケース本体30と、その開口部20を塞ぐ蓋体25とを備える。溶接等により蓋体25は、ケース本体30の開口部20を封止している。ケース15の上面(すなわち蓋体25)には、捲回電極体50のシート状の正極64と電気的に接続する正極端子60および該電極体のシート状の負極84と電気的に接続する負極端子80が設けられている。また、蓋体25には、従来のリチウムイオン二次電池のケースと同様に、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40が設けられている。ケース15の内部には、正極64および負極84を計二枚のセパレータ95とともに積層して捲回し、次いで得られた捲回体を側面方向から押しつぶして拉げさせることによって作製される扁平形状の捲回電極体50及び電解質(例えば非水電解液)が収容されている。
上記積層の際には、図2に示すように、正極64の正極合材層非形成部分(即ち正極合材層66が形成されずに正極集電体62が露出した部分)と負極84の負極合材層非形成部分(即ち負極合材層90が形成されずに負極集電体82が露出した部分)とがセパレータ95の幅方向の両側からそれぞれはみ出すように、正極64と負極84とを幅方向にややずらして重ね合わせる。その結果、捲回電極体50の捲回方向に対する横方向において、正極64および負極84の電極合材層非形成部分がそれぞれ捲回コア部分(すなわち正極64の正極合材層形成部分と負極84の負極合材層形成部分と二枚のセパレータ95とが密に捲回された部分)から外方にはみ出ている。かかる正極側はみ出し部分に正極端子60を接合して、上記扁平形状に形成された捲回電極体50の正極64と正極端子60とを電気的に接続する。同様に負極側はみ出し部分に負極端子80を接合して、負極84と負極端子80とを電気的に接続する。なお、正負極端子60,80と正負極集電体62,82とは、例えば、超音波溶接、抵抗溶接等によりそれぞれ接合することができる。
上記電解質としては、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。かかる非水電解液は、典型的には、適当な非水溶媒(有機溶媒)に支持塩を含有させた組成を有する。上記非水溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)等から選択される一種又は二種以上を用いることができる。また、上記支持塩(支持電解質)としては、例えば、LiPF,LiBF等のリチウム塩を用いることができる。さらに上記非水電解液に、ジフルオロリン酸塩(LiPO)やリチウムビスオキサレートボレート(LiBOB)を溶解させてもよい。
また、上記セパレータとしては、従来公知のものを特に制限なく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。ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリスチレン(PS)等の多孔質ポリオレフィン系樹脂シートが好ましい。
以下、本発明に関する実施例を説明するが、本発明をかかる実施例に示すものに限定することを意図したものではない。
[負極シートの作製]
<例1>
負極活物質としての平均粒径20μmの天然黒鉛と、結着材としての溶剤不溶分が95質量%であるSBRと、増粘材としてのCMCとの質量比が98:1:1となるように秤量し、これら材料を水に分散させて例1に係るペースト状の組成物を調製した。例1に係る組成物を厚さ10μmの負極集電体(銅箔)の両面に片面当たり10mg/cm(固形分基準)となるように塗布した。その後、例1に係る組成物を乾燥させて圧延処理を施すことによって負極集電体上に負極合材層が形成された例1に係る負極シートを作製した。
<例2>
溶剤不溶分が95質量%であるSBRに代えて、溶剤不溶分が80質量%のSBRを用いた他は例1と同様にして、例2に係る負極シートを作製した。
<例3>
溶剤不溶分が95質量%であるSBRに代えて、溶剤不溶分が70質量%のSBRを用いた他は例1と同様にして、例3に係る負極シートを作製した。
<例4>
溶剤不溶分が95質量%であるSBRに代えて、溶剤不溶分が61質量%のSBRを用いた他は例1と同様にして、例4に係る負極シートを作製した。
[剥離強度試験]
上記のように作製した例1から例4に係る負極シートに対して、JIS K6854−1に準じて90°剥離試験を行った。即ち、各負極シートの負極合材層形成部分を120mm×15mmで切り出し、負極集電体の両面に形成された負極合材層のいずれか一方において負極合材層の片方の端部から40mmを残して該負極集電体から剥がした。両面粘着テープで上記負極シートを引張試験機の架台に固定して、剥がした負極合材層を引張冶具(例えばクランプ)に固定した。そして、引張冶具を鉛直方向上側に20mm/minの速度で引張上げて、負極合材層が負極集電体から剥がれたときの剥離強度(引っ張り強度)[N/m]を測定した。測定結果を表1及び図5に示す。
Figure 2013161689
表1及び図5に示すように、SBRの溶剤不溶分が61質量%から大きくなるにつれて剥離強度が大きくなっており、溶剤不溶分が80質量%のときに剥離強度が最大であることが確認された。一方で、溶剤不溶分が80質量%よりもさらに大きくなると剥離強度が小さくなることが確認された。
[リチウムイオン二次電池の作製]
<例1〜例4>
正極活物質としてのLiNi1/3Mn1/3Co1/3と、導電材としてのアセチレンブラック(AB)と、結着材としてのPVDFとの質量比が90:5:5となるように秤量し、これら材料をNMPに分散させてペースト状の正極合材層形成用組成物を調製した。該組成物を厚さ15μmの正極集電体(アルミニウム箔)の両面に片面当たり塗布量15mg/cm(固形分基準)となるように塗布した。その後、該組成物を乾燥させて圧延処理を施すことによって正極集電体上に正極合材層が形成された例1に係る正極シートを作製した。
そして、上記作製した例1に係る正極シート及び例1に係る負極シートを厚さ25μmのセパレータシート(ポリプロピレン/ポリエチレン複合体多孔質膜)を挟んで対向配置させ(積層させ)、これを電解液と共にラミネート型のケース(ラミネートフィルム)に収容することにより例1に係るリチウムイオン二次電池を構築した。電解液としては、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3:3:4の混合溶媒に1mol/LのLiPFを溶解させたものを使用した。また、例2から例4に係る負極シートを用いて、上記例1に係るリチウムイオン二次電池と同様にして例2から例4に係るリチウムイオン二次電池を構築した。
[反応抵抗測定]
上記作製した例1から例4に係るリチウムイオン二次電池に適当なコンディショニング処理(例えば、正極理論容量の1/10Cの充電レートで3時間の定電流(CC)充電を行い、さらに1/3Cの充電レートで4.1Vまで定電流で充電する操作と、1/3Cの放電レートで3.0Vまで定電流放電させる操作とを2〜3回繰り返す初期充放電処理)を行った後、SOC40%の充電状態に調整した。ここで1Cとは、正極の理論容量より予測した電池容量(Ah)を1時間で充電できる電流量を意味する。
そして、SOC40%に調整された各二次電池に対して、測定温度−30℃において、測定周波数範囲0.001Hz〜100kHz、振幅5mVの条件で交流インピーダン測定を行い、得られたCole−Coleプロットにおける円弧の直径を測定し、その値を反応抵抗[mΩ]とした。各二次電池の反応抵抗を表1及び図5に示す。
表1及び図5に示すように、SBRの溶剤不溶分が大きくなるにつれて、反応抵抗が低下していることが確認された。例えば、溶剤不溶分が95質量%であるSBR(例1)を用いた二次電池では、溶剤不溶分が80質量%であるSBR(例2)を用いた二次電池と比較して反応抵抗が凡そ25%小さくなっていることが確認された。
[負極シートの作製]
<例5>
負極活物質としての平均粒径20μmの天然黒鉛と、第1の結着材としての溶剤不溶分が95質量%であるSBRと、増粘材としてのCMCとの質量比が98:1.2:1となるように秤量し、これら材料を水に分散させて例5に係るペースト状の第1の組成物を調製した。
また、負極活物質としての平均粒径20μmの天然黒鉛と、第2の結着材としての溶剤不溶分が80質量%であるSBRと、増粘材としてのCMCとの質量比が98:0.8:1となるように秤量し、これら材料を水に分散させて例5に係るペースト状の第2の組成物を調製した。
そして、例5に係る第1の組成物を厚さ10μmの負極集電体(銅箔)の両面に片面当たり5mg/cm(固形分基準)となるように塗布した。その後、上記第1の組成物が乾燥する前に、例5に係る第2の組成物を上記第1の組成物上に片面当たり5mg/cm(固形分基準)となるように塗布した。その後、例5に係る第1の組成物及び第2の組成物を乾燥させて圧延処理を施すことによって負極集電体上に負極合材層が形成された例5に係る負極シートを作製した。
<例6>
負極活物質としての平均粒径20μmの天然黒鉛と、第1の結着材としての溶剤不溶分80質量%であるSBRと、CMCとの質量比が98:1.2:1となるように秤量し、これら材料を水に分散させて例6に係るペースト状の第1の組成物を調製した。例5に係る第1の組成物に代えて、例6に係る第1の組成物を用いた他は例5と同様にして、例6に係る負極シートを作製した。
<例7>
負極活物質としての平均粒径20μmの天然黒鉛と、第2の結着材としての溶剤不溶分95質量%であるSBRと、CMCとの質量比が98:0.8:1となるように秤量し、これら材料を水に分散させて例7に係るペースト状の第2の組成物を調製した。例5に係る第2の組成物に代えて、例7に係る第2の組成物を用いた他は例5と同様にして、例7に係る負極シートを作製した。
<例8>
例5に係る第1の組成物に代えて例6に係る第1の組成物を用い、例5に係る第2の組成物に代えて例7に係る第2の組成物を用いた他は例5と同様にして、例8に係る負極シートを作製した。
<例9>
負極活物質としての平均粒径20μmの天然黒鉛と、第1の結着材としての溶剤不溶分80質量%であるSBRと、増粘材としてのCMCとの質量比が98:1:1となるように秤量し、これら材料を水に分散させて例9に係るペースト状の第1の組成物を調製した。
そして、例9に係る第1の組成物を厚さ10μmの負極集電体(銅箔)の両面に片面当たり5mg/cm(固形分基準)となるように塗布した。その後、上記第1の組成物が乾燥する前に、例9に係る第2の組成物として例9に係る第1の組成物を上記第1の組成物上にさらに片面当たり5mg/cm(固形分基準)となるように塗布した。その後、例9に係る第1の組成物及び第2の組成物を乾燥させて圧延処理を施すことによって負極集電体上に負極合材層が形成された例9に係る負極シートを作製した。
<例10>
負極活物質としての平均粒径20μmの天然黒鉛と、第1の結着材としての溶剤不溶分95質量%であるSBRと、増粘材としてのCMCとの質量比が98:1:1となるように秤量し、これら材料を水に分散させて例10に係るペースト状の第1の組成物を調製した。例9に係る第1の組成物に代えて例10に係る第1の組成物を用い、例9に係る第2の組成物に代えて例10に係る第1の組成物を用いた他は例9と同様にして、例10に係る負極シートを作製した。
<例11>
例5に係る第1の組成物に代えて例10に係る第1の組成物を用い、例5に係る第2の組成物に代えて例9に係る第1の組成物を用いた他は例5と同様にして、例11に係る負極シートを作製した。
<例12>
例10に係る第1の組成物を厚さ10μmの負極集電体(銅箔)の両面に片面当たり10mg/cm(固形分基準)となるように塗布した。その後、例10に係る第1の組成物を乾燥させて圧延処理を施すことによって負極集電体上に負極合材層が形成された例12に係る負極シートを作製した。
<例13>
例9に係る第1の組成物を厚さ10μmの負極集電体(銅箔)の両面に片面当たり10mg/cm(固形分基準)となるように塗布した。その後、例9に係る第1の組成物を乾燥させて圧延処理を施すことによって負極集電体上に負極合材層が形成された例13に係る負極シートを作製した。
<例14>
負極活物質としての平均粒径20μmの天然黒鉛と、結着材としての溶剤不溶分が95質量%であるSBRと、溶剤不溶分が80質量%であるSBRと、増粘材としてのCMCとの質量比が98:0.5:0.5:1となるように秤量し、これら材料を水に分散させて例14に係るペースト状の組成物を調製した。例14に係る組成物を厚さ10μmの負極集電体(銅箔)の両面に片面当たり10mg/cm(固形分基準)となるように塗布した。その後、例14に係る組成物を乾燥させて圧延処理を施すことによって負極集電体上に負極合材層が形成された例14に係る負極シートを作製した。例5から例14に係る負極シートの構成を表2及び表3に示す。
Figure 2013161689
Figure 2013161689
[剥離強度試験]
上記のように作製した例5から例14に係る負極シートに対して、JIS K6854−1に準じて90°剥離試験を行った。かかる剥離試験は、例1から例4に係る負極シートの場合と同様にして測定した。測定結果を表2及び表3、図6に示す。
[リチウムイオン二次電池の作製]
<例5〜例14>
例1に係る負極シートに代えて、例5から例14に係る負極シートを用いた他は例1と同様にして、例5から例14に係るリチウムイオン二次電池を作製した。
作製した例5から例14に係るリチウムイオン二次電池について、上記例1から例4に係る二次電池の場合と同様にして、反応抵抗[mΩ]を測定した。測定結果を表2及び表3、図7に示す。
剥離強度試験の結果より、例5及び例6に係る負極シートの剥離強度が特に高いことが確認された。一方、反応抵抗試験の結果より、例5に係るリチウムイオン二次電池の反応抵抗が最も低く、例6のリチウムイオン二次電池と比較しても反応抵抗が大きく低下していることが確認された。
また、第1の組成物中の負極活物質に対する第1の結着材の質量比が、第2の組成物中の負極活物質に対する第2の結着材の質量比よりも大きい場合には、剥離強度が大きく向上するとともに反応抵抗が大きく低減していることが確認された(例5及び例11)。
また、例5及び例8より、第1の組成物に含まれる第1の結着材の溶剤不溶分が第2の組成物に含まれる第2の結着材の溶剤不溶分よりも大きい場合に、剥離強度が大きく向上するとともに反応抵抗が大きく低減していることが確認された。
以上の各試験の結果より、例5に係る負極シート及びリチウムイオン二次電池が最も優れていることが確認された。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本発明に係る電極(典型的には負極)は電極集電体と電極合材層との間の剥離強度(密着力)が高く電極として安定しており反応抵抗が低減されているため、該電極を含むリチウムイオン二次電池10は、特に自動車等の車両に搭載されるモーター(電動機)用電源として好適に使用し得る。従って本発明は、図8に模式的に示すように、かかるリチウムイオン二次電池10(典型的には当該電池10を複数個直列接続してなる組電池)を電源として備える車両(典型的には自動車、特にハイブリッド自動車、電気自動車、燃料自動車のような電動機を備える自動車)100を提供する。
10 リチウムイオン二次電池(二次電池)
15 電池ケース
20 開口部
25 蓋体
30 ケース本体
40 安全弁
50 捲回電極体
60 正極端子
62 正極集電体
64 正極
66 正極合材層
80 負極端子
82 負極集電体
84 負極
90 負極合材層
92 上層部
94 下層部
95 セパレータ
100 車両(自動車)
110 第1の結着材
120 第2の結着材
130 負極活物質

Claims (9)

  1. 電極集電体上に電極合材層が形成された二次電池用電極であって、
    前記電極合材層は、電極活物質と、水系の結着材であって以下のように定義される溶剤不溶分(質量%):
    25℃の温度条件下、テトラヒドロフラン50ml中に該水系の結着材20gを添加した場合において、所定の条件で混合したときの該結着材の全添加量に対する該テトラヒドロフラン中に溶解しない不溶分として残った質量の百分率;
    が相互に異なる第1の結着材及び第2の結着材を少なくとも含んでおり、
    前記第1の結着材の溶剤不溶分Aは、前記第2の結着材の溶剤不溶分Bよりも大きく、
    前記電極合材層は、厚み方向に、前記第2の結着材を前記第1の結着材よりも多く含んでいる上層部と、前記第1の結着材を前記第2の結着材よりも多く含んでいる下層部とを備えていることを特徴とする、二次電池用電極。
  2. 前記第1の結着材の溶剤不溶分Aは90質量%以上であり、前記第2の結着材の溶剤不溶分Bは85質量%以下であることを特徴とする、請求項1に記載の二次電池用電極。
  3. 前記上層部に含まれる結着材よりも前記下層部に含まれる結着材のほうが多いことを特徴とする、請求項1又は2に記載の二次電池用電極。
  4. 前記第1の結着材及び前記第2の結着材は、いずれもスチレンブタジエンゴムであることを特徴とする、請求項1から3のいずれか一項に記載の二次電池用電極。
  5. 電極活物質と、水系の結着材であって以下のように定義される溶剤不溶分(質量%):
    25℃の温度条件下、テトラヒドロフラン50ml中に該水系の結着材20gを添加した場合において、所定の条件で混合したときの該結着材の全添加量に対する該テトラヒドロフラン中に溶解しない不溶分として残った質量の百分率;
    が相互に異なる第1の結着材及び第2の結着材を少なくとも含む電極合材層が電極集電体上に形成された二次電池用電極を製造する方法であって、
    前記電極活物質と前記第1の結着材とを少なくとも含むペースト状の第1の組成物を前記電極集電体の表面に塗布すること、
    前記電極活物質と前記第2の結着材とを少なくとも含むペースト状の第2の組成物を前記第1の組成物上に塗布すること、
    前記第1の組成物と前記第2の組成物とを乾燥させて電極合材層を形成すること、
    を包含し、
    ここで、前記第1の結着材の溶剤不溶分Aは、前記第2の結着材の溶剤不溶分Bよりも大きく、
    前記第1の組成物中の電極活物質に対する前記第1の結着材の質量比Cが、前記第2の組成物中の電極活物質に対する前記第2の結着材の質量比Dよりも大きくなるように前記第1の結着材及び前記第2の結着材の添加量が調整されていることを特徴とする、二次電池用電極の製造方法。
  6. 前記第1の結着材として溶剤不溶分Aが90質量%以上の結着材を使用し、且つ、前記第2の結着材として溶剤不溶分Bが85質量%以下の結着材を使用することを特徴とする、請求項5に記載の製造方法。
  7. 前記質量比Cと前記質量比Dとの比C/Dが1<C/D≦2となるように前記第1の結着材及び前記第2の結着材の添加量が調整されていることを特徴とする、請求項5又は6に記載の製造方法。
  8. 前記第1の結着材及び前記第2の結着材としていずれもスチレンブタジエンゴムを用いることを特徴とする、請求項5から7のいずれか一項に記載の製造方法。
  9. 請求項1から4のいずれか一項に記載の二次電池用電極或いは請求項5から8のいずれか一項に記載の製造方法により得られた二次電池用電極を備える二次電池。
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