JP2013254692A - 電池及び電池の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】正極(2)および負極(1)の少なくとも一方が、活物質(45A)及び、温度の上昇につれて電気抵抗が増加するPTC特性を有する電子導電性材料(45C)を1種類以上含有する活物質層(4,5)を集電体(6,7)上に形成してなる電池であって、前記活物質層(4,5)中の前記電子導電性材料(45C)は前記集電体(6,7)近傍ほど含有率が高く、前記集電体と反対側で低くなる分布を有する構造を有する電池。
【選択図】図3
Description
例えば、下記特許文献1では、正極にPTC特性を有する層が正極集電体に対して実質的に平行に延びるように設けられている。下記特許文献2は、正極活物質層および負極活物質層の少なくとも一方に、PTC特性を有する粉末を含む電極構造である。また、下記特許文献3では、正極または負極の少なくとも一方に、電子導電性充填材と樹脂とからなるPTC特性を有する電子導電性材料を含む電極構造をとる。
また、この活物質層は一工程にて形成できることから、電池製造工程の仕様変更や追加をする必要がない。
図1はこの発明の実施の形態1に係わる電池構成を説明するための電池主要部の部分断面模式図である。この実施の形態の電池は、負極集電体6上に負極活物質層4が形成された負極1と、正極集電体7上に正極活物質層5が形成された正極2、そして正極2と負極1に挟持されたセパレータ3からなる。
カーボン材料とは、例えばアセチレンブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック、チャンネルブラック等に代表されるカーボンブラックやグラファイト、カーボン繊維等である。
また、金属炭化物とは例えば、TiC、ZrC、VC、NbC、TaC、Mo2C、WC、B4C、Cr3C2等である。
金属窒化物とは、例えばTiN、ZrN、VN、NbN、TaN、Cr2N等である。
金属ホウ化物とは、例えばTiB2、ZrB2、NbB2、CrB、MoB、WB等である。
カーボン粉末、金属粉末、金属窒化物、金属炭化物、金属ホウ化物等のいずれか1種類以上を、融点が90℃以上160℃以下の範囲内にある樹脂と一定の比率で混合し、樹脂の軟化点以上の温度に加熱しながら混練した。
次いで、混練した材料を冷却した後、粗く剪断し、さらに電子導電性材料の粒子径が0.1〜100μmとなるようにジェットミルにて微粉砕を行った。このときの粉砕条件により粒子径の範囲をより精度良く決定することが可能となる。
また、これらの金属酸化物のPTC機能が発現する温度は希土類のドープによるキュリー点の変化から調節することができる。
この実施例1では、正極活物質層5にPTC機能を有する材料を添加して正極2を製造した。
電子伝導性材料(45C)としてW2C35重量部及びカーボンブラック45重量部をポリエチレン20重量部にて比重が約6.8となるよう被覆した微粉末を用いた。LiCoO2からなる正極活物質70重量部(45A)、導電助剤(例えばロンザ社製KS−6)1重量部(45B)、PVDF3.5重量部(バインダ)に分散が均一となるようN−メチルピロリドン(以下、NMP)(分散媒)を複数回に分けて添加して混練し、それらの良好な分散体を調製した。
その後、加熱しながら、さらにNMPを添加して分散体の粘度を低下させた後、電子導電性材料(45C)を25.5重量部添加して混合し、正極活物質層ペーストを調製した。
その後、正極活物質層ペーストを正極集電体7となる厚み20μmのアルミニウム箔上にドクターブレード法により厚み100μmに塗布して正極活物質層5を形成した。ここで、LiCoO2(正極活物質)の比重は約5であるのに対し、使用した電子導電性材料の比重は約6.8であり、電子導電性材料の方が比重が大きい。正極活物質層ペーストの粘度を十分に低くすることで電極層内で比重の大きい電子導電性材料が塗布時に先に堆積することから、活物質層5中の電子導電性材料(45C)は集電体(7、67)近傍ほど含有率が高く、対面側すなわち集電体と反対側で低くなる分布を有する構造となる。従って正極活物質層ペーストは集電体の片側の面に一度塗布すればよい。形成した活物質層5を80℃送風乾燥により乾燥させた後、ロールプレスにより厚さ70μmの正極活物質層5を形成した正極2を作製した。
この実施例2では、負極活物質層4にPTC機能を有する材料を添加して負極1を製造した。
PTC特性を有する電子導電性材料(45C)として、電子伝導性材料としてのW2C25重量部及びカーボンブラック55重量部をポリエチレン20重量部にて比重が約4.5となるよう被覆した微粉末を用いた。負極活物質(45A)にメソフェーズカーボンマイクロビーズ(以下、MCMBと略す)を使用し、MCMBを52重量部、PVDF7重量部(バインダ)に分散が均一となるようNMP(分散媒)を複数回に分けて混練し、それらの良好な分散体を調製した。
その後、さらにNMPを添加して分散体の粘度を低下させた後、電子導電性材料を41重量部添加して混合し、負極活物質層ペーストを調製した。
その後、負極活物質ペーストを負極集電体6となる厚さ20μmの銅箔上にドクターブレード法により厚み70μmに塗布して負極活物質層4を形成した。ここで、MCMBの比重は1〜2であるのに対し、使用した電子導電性材料の比重は約4.5であり、電子導電性材料の方が比重が大きい。負極活物質層ペーストの粘度を十分に低くすることで電極層内で比重の大きい電子導電性材料が塗布時に先に堆積することから、活物質層4中の電子導電性材料(45C)は集電体(6,67)近傍ほど含有率が高く、対面側すなわち集電体と反対側で低くなる分布を有する構造となる。従って負極活物質層ペーストは集電体の片側の面に一度塗布すればよい。形成した活物質層4を80℃送風乾燥により乾燥させた後、ロールプレスにより厚さ70μmの負極活物質層4を形成した負極1を作製した。
この比較例ではPTC機能を有する材料を添加しない正極を作製した。
LiCoO2からなる正極活物質91重量部、導電助剤(例えばロンザ社製KS−6)6重量部、PVDF3重量部(バインダ)にNMP(分散媒)を添加して混練し、それらの分散体を調製した。その後、正極集電体7となる厚み20μmのアルミニウム箔上にドクターブレード法により厚み100μmに塗布して正極活物質層(5)を形成した。形成した活物質層を80℃送風乾燥により乾燥させた後、ロールプレスにより厚さ70μmの正極活物質層(5)を形成した正極(1)を作製した。
この比較例ではPTC機能を有する材料を添加しない負極を作製した。
負極活物質にMCMBを使用し、MCMBを90重量部、PVDF10重量部(バインダ)をNMP(分散媒)に分散して作製した負極活物質ペーストを、厚さ20μmの銅箔から成る負極集電体上にドクターブレード法により厚さ100μmに塗布した。形成した活物質層を80℃送風乾燥により乾燥させた後、ロールプレスにより厚さ70μmの負極活物質層(4)を形成した負極(1)を作製した。
この比較例3ではPTC機能を有する電子導電性材料を添加した正極であって、活物質層内で電子導電性材料の分布が生じない構造を作製した。
電子伝導性材料としてW2C35重量部及びカーボンブラック45重量部をポリエチレン20重量部にて比重が約6.8となるよう被覆した微粉末を用いた。LiCoO2からなる正極活物質70重量部、導電助剤(例えばロンザ社製KS−6)1重量部、PVDF3.5重量部(バインダ)、電子導電性材料を25.5重量部に分散が均一となるようNMP(分散媒)を複数回に分けて添加して混練し、それらの良好な分散体を調製して正極活物質層ペーストを調製した。その後、希釈を行うことなく正極活物質層ペーストを正極集電体(7)となる厚み20μmのアルミニウム箔上にドクターブレード法により厚み100μmに塗布して正極活物質層を形成した。形成した活物質層を80℃送風乾燥により乾燥させた後、ロールプレスにより厚さ70μmの正極活物質層(5)を形成した正極(2)を作製した。
図4にて示されるように、実施例1および2では高温で5〜8倍程度の電気抵抗率の増大が生じており、PTC特性が発現していることから温度上昇時の短絡電流の低減が期待される。また、比較例3において25℃電気抵抗率から130℃に昇温することで電気抵抗率が低下しているが、これは電子導電性材料中の樹脂の軟化・溶融に伴い形状が変化して電極の充填密度が増したためである。すなわち、適切な電極構成を採らない場合には短絡電流を減衰することはできない。
Claims (8)
- 正極および負極の少なくとも一方が、活物質及び、温度の上昇につれて電気抵抗が増加するPTC特性を有する電子導電性材料を1種類以上含有する活物質層を集電体上に形成してなる電池であって、前記活物質層中の前記電子導電性材料は前記集電体近傍ほど含有率が高く、前記集電体と反対側で低くなる分布を有する構造を有することを特徴とする電池。
- 前記活物質層が導電助剤をさらに含有することを特徴とする請求項1に記載の電池。
- 前記電子導電性材料は前記活物質よりも比重が大きいことを特徴とする請求項1または2に記載の電池。
- 前記電子導電性材料は、カーボン粉末、金属粉末、金属窒化物、金属炭化物、金属ホウ化物のうちの1種類以上を樹脂で被覆した構造を有することを特徴とする請求項1から3までのいずれか1項に記載の電池。
- 前記電子導電性材料を被覆する前記樹脂が導電性が低く90℃以上160℃以下の範囲内の融点を有することを特徴とする請求項4に記載の電池。
- 前記電子導電性材料は、PTC特性を有する金属酸化物であることを特徴とする請求項1から3までのいずれか1項に記載の電池。
- 活物質層のための、活物質と、温度の上昇につれて電気抵抗が増加するPTC特性を有する電子導電性材料の1種類以上を分散媒に分散させて活物質層ペーストを生成する工程と、
前記活物質層ペーストを集電体の片側の面に一度塗布する工程と、
により前記集電体上に活物質層を形成することを特徴とする電池の製造方法。 - 前記活物質層ペーストを生成する工程において、
前記活物質を分散媒に分散させ分散体を生成し、
前記分散体の粘度を低下させて前記活物質より比重が大きい前記電子導電性材料を混合する、
ことを特徴とする請求項7に記載の電池の製造方法。
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