JP2014038795A - Lithium ion secondary battery electrode manufacturing method, manufacturing apparatus, and lithium ion secondary battery electrode - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、リチウムイオン二次電池に好適な電池用電極の構造およびそれを製造する技術に関するものである。 The present invention relates to a structure of a battery electrode suitable for a lithium ion secondary battery and a technique for manufacturing the same.
リチウムイオン二次電池用の電極のうち特に負極としては、放電電位やエネルギー密度などの物性値から例えば黒鉛のような炭素材料を活物質として用いたものが実用化されている。そして、近年においては、単位質量当たり、単位体積当たりの充放電容量が炭素材料よりも大きなシリコンまたはその化合物を活物質材料として用いることが検討されている。しかしながら、シリコン系活物質はリチウムイオンの吸蔵・放出の過程における体積変化が大きく、特に二次電池用途においては寿命(サイクル特性)が著しく短くなることからこれまで実用化されるに至っていない。 Among the electrodes for lithium ion secondary batteries, in particular, as a negative electrode, a material using a carbon material such as graphite as an active material has been put into practical use because of physical properties such as discharge potential and energy density. In recent years, it has been studied to use silicon or a compound thereof having a charge / discharge capacity per unit mass per unit volume larger than that of a carbon material as an active material. However, silicon-based active materials have a large volume change in the process of occlusion / release of lithium ions, and particularly in secondary battery applications, the lifetime (cycle characteristics) is remarkably shortened, so that they have not been put into practical use.
シリコン系活物質を用いた二次電池の構成例としては、例えば特許文献1に記載されたものがある。特許文献1には、集電体として機能する銅箔の表面にRFスパッタリングによって柱状構造を有する非晶質シリコンの薄膜を形成したものを負極電極とした構成が記載されている。
For example,
この特許文献1では、充放電サイクルにおける膨張・収縮に起因して生じる応力が活物質膜に形成された切れ目によって緩和され、これによって活物質膜の剥離が抑制されることで電極のサイクル特性が改善されるとしている。しかしながら、上記従来技術では、集電体膜表面の凹凸に起因して活物質膜に現れる厚みの薄い部分に切れ目を生じさせることで柱状構造を得ている。このため、得られる活物質膜の構造は成膜時の集電体膜の表面状態に依存することになり、性能の再現性および安定性に欠けるという問題があった。
In
このように、充放電サイクルにおける体積変化の大きい活物質材料を用い、しかも性能が良好かつ安定した電池用電極を製造する技術については、これまでのところ確立されるに至っていない。 As described above, a technique for producing a battery electrode that uses an active material having a large volume change in a charge / discharge cycle and has good performance and stability has not been established so far.
この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、充放電サイクルにおける体積変化の大きい活物質材料を用いた場合でも、性能が良好かつ安定したリチウムイオン二次電池用電極およびその製造技術を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and provides an electrode for a lithium ion secondary battery having good performance and stability even when an active material having a large volume change in a charge / discharge cycle is used, and a manufacturing technique thereof. For the purpose.
この発明にかかるリチウムイオン二次電池用電極は、上記目的を達成するため、集電体として機能する基材と、前記基材表面に形成された、活物質材料を含み互いに離隔して前記基材表面から突出した複数のストライプ状の活物質パターンとを備えている。 In order to achieve the above object, an electrode for a lithium ion secondary battery according to the present invention includes a base material functioning as a current collector and an active material formed on the base material surface and spaced apart from each other. And a plurality of striped active material patterns protruding from the material surface.
また、この発明にかかるリチウムイオン二次電池用電極の製造方法は、上記目的を達成するため、所定の配列方向に沿って複数の吐出口が列状に配置されたノズル体と、集電体として機能する基材とを、前記基材の表面に対し前記吐出口の各々が近接対向する状態に配置する工程と、前記吐出口の各々から活物質材料を含む塗布液を吐出させながら、前記基材に対して前記ノズル体を前記基材の表面に沿って前記吐出口の配列方向と交わる方向に相対移動させて、互いに離隔し前記基材表面から突出した複数のストライプ状の活物質パターンを前記基材表面に形成する工程とを備えている。 Moreover, in order to achieve the above object, a method for manufacturing an electrode for a lithium ion secondary battery according to the present invention includes a nozzle body in which a plurality of discharge ports are arranged in a row along a predetermined arrangement direction, and a current collector A substrate that functions as a step of disposing each of the discharge ports in close proximity to the surface of the substrate, and while discharging a coating liquid containing an active material from each of the discharge ports, A plurality of stripe-shaped active material patterns protruding from the substrate surface separated from each other by moving the nozzle body relative to the substrate along the surface of the substrate in a direction intersecting the array direction of the discharge ports Forming on the substrate surface.
また、この発明にかかるリチウムイオン二次電池用電極の製造装置は、上記目的を達成するため、所定の配列方向に沿って複数の吐出口が列状に配置され、前記吐出口の各々から活物質材料を含む塗布液を連続的に吐出するノズル体と、集電体として機能する基材を、前記基材の表面に対し前記吐出口の各々が近接対向する状態に保持する保持手段と、前記吐出口が前記基材表面に沿って移動するように、前記ノズル体と前記基材とを相対的に移動させる移動手段とを備え、前記ノズル体と前記基材とを相対移動させながら前記複数の吐出口の各々から前記塗布液を前記基材表面に吐出させることで活物質パターンを基材表面に形成する。 In addition, in order to achieve the above object, the apparatus for manufacturing an electrode for a lithium ion secondary battery according to the present invention has a plurality of discharge ports arranged in a line along a predetermined arrangement direction, and is activated from each of the discharge ports. A nozzle body that continuously discharges a coating liquid containing a material, and a holding unit that holds a base material functioning as a current collector in a state in which each of the discharge ports is in close proximity to the surface of the base material; Moving means for relatively moving the nozzle body and the base material so that the discharge port moves along the surface of the base material, while moving the nozzle body and the base material relatively An active material pattern is formed on the substrate surface by discharging the coating liquid from each of a plurality of discharge ports onto the substrate surface.
これらの発明において、前記基材表面からの前記活物質パターンの頂部高さの半分の高さにおける前記活物質パターンの幅をW、隣接する前記活物質パターン間の当該高さにおける間隔をS、当該高さにおける前記活物質パターンの充電前の幅に対する充電後の幅の比として定義される膨張係数をnとしたとき、次式:
S/W≧n2/20
の関係が満たされるようにする。
In these inventions, the width of the active material pattern at a height half the height of the top of the active material pattern from the surface of the base material is W, and the interval at the height between adjacent active material patterns is S, When an expansion coefficient defined as a ratio of a width after charging to a width before charging of the active material pattern at the height is n, the following formula:
S / W ≧ n 2/20
So that the relationship is satisfied.
詳しくは後述するが、本願発明者らは、上記条件が満たされるように活物質パターンの幅W、間隔Sおよび膨張係数nの組み合わせを選んだとき、充放電の繰り返しにおける容量の低下を極めて小さく抑えることができることを見出した。すなわち、上記関係式を満たすようなストライプ状の活物質パターンを基材表面に形成することで、この発明では、充放電サイクルにおける体積変化の大きい活物質材料を用いた場合でも性能が良好かつ安定したリチウムイオン二次電池用電極を得ることが可能である。 As will be described in detail later, the inventors of the present application have a very small capacity drop in repeated charge / discharge cycles when a combination of the width W, the interval S, and the expansion coefficient n of the active material pattern is selected so that the above conditions are satisfied. It was found that it can be suppressed. That is, by forming a stripe-shaped active material pattern that satisfies the above relational expression on the substrate surface, the present invention provides good and stable performance even when using an active material having a large volume change in the charge / discharge cycle. It is possible to obtain the lithium ion secondary battery electrode.
ここで例えば、複数の活物質パターンが互いに平行で、幅が互いに等しく、かつ、隣接する活物質パターン間の間隔が一定であるようにしてもよい。このようにすれば、互いに等しい断面形状を有する複数の活物質パターンを一定ピッチで並べて基材表面に形成することができ、充放電サイクルにおける各活物質パターンの膨張・収縮の挙動を揃えて性能をより安定させることができる。 Here, for example, the plurality of active material patterns may be parallel to each other, the widths may be equal to each other, and the interval between adjacent active material patterns may be constant. In this way, a plurality of active material patterns having the same cross-sectional shape can be formed on the substrate surface by arranging them at a constant pitch, and the performance of expansion / contraction of each active material pattern is uniform in the charge / discharge cycle. Can be made more stable.
また、活物質材料としては、例えばシリコンまたはその化合物を用いることができる。これらのシリコン系活物質材料は、黒鉛などの炭素材料に比べて大きな容量が得られるものの、充放電サイクルにおける体積変化がより大きいことが知られている。シリコン系活物質材料を用いるに際して本発明を適用することにより、高容量と優れた充放電サイクル特性とを両立させることが可能である。 As the active material, for example, silicon or a compound thereof can be used. These silicon-based active material materials are known to have a larger volume change in charge / discharge cycles, although a larger capacity can be obtained than carbon materials such as graphite. By applying the present invention when using a silicon-based active material, it is possible to achieve both high capacity and excellent charge / discharge cycle characteristics.
また例えば、塗布液が導電助剤をさらに含んでもよい。活物質材料とともに導電助剤を含有させると、活物質パターンにおける活物質材料の含有量が低下することにより活物質パターンの膨張量が小さくなる。すなわち、活物質材料と導電助剤との混合比率を制御することで、活物質パターンの膨張量を制御することが可能である。このことを利用して、電極としての容量とサイクル特性とをバランスさせた電池用電極を製造することが可能である。 For example, the coating liquid may further contain a conductive additive. When a conductive additive is contained together with the active material, the amount of expansion of the active material pattern is reduced by reducing the content of the active material in the active material pattern. In other words, the amount of expansion of the active material pattern can be controlled by controlling the mixing ratio of the active material and the conductive additive. By utilizing this fact, it is possible to manufacture a battery electrode that balances the capacity and cycle characteristics as an electrode.
またこれらの発明においては、例えば、複数の吐出口の開口形状が互いに等しく、かつ配列方向における吐出口の配列ピッチが一定であってもよい。このようにすれば、互いに等しい断面形状を有する複数の活物質パターンを一定ピッチで並べて基材表面に形成することができ、充放電サイクルにおける各活物質パターンの膨張・収縮の挙動を揃えて性能をより安定させることができる。 In these inventions, for example, the opening shapes of the plurality of discharge ports may be equal to each other and the arrangement pitch of the discharge ports in the arrangement direction may be constant. In this way, a plurality of active material patterns having the same cross-sectional shape can be formed on the substrate surface by arranging them at a constant pitch, and the performance of expansion / contraction of each active material pattern is uniform in the charge / discharge cycle. Can be made more stable.
また例えば、隣接する活物質パターン間の活物質パターンの延設方向に直交する幅方向における間隔を、幅方向における活物質パターンの幅よりも小さくするようにしてもよい。活物質パターン間の間隔を大きくすれば、活物質の膨張に対する余裕度は高くなるが、電極としての面積当たりの活物質量が減るため容量が小さくなる。本願発明者らの知見では代表的な活物質における充電時の膨張量は幅方向において最大で2倍程度であるから、活物質パターンの幅よりも大きな間隔を設けることは無駄である。パターン幅より小さな間隔を設けることで、電極としての容量とサイクル特性とをバランスさせた電池用電極を製造することができる。 Further, for example, the interval in the width direction perpendicular to the extending direction of the active material patterns between adjacent active material patterns may be made smaller than the width of the active material pattern in the width direction. Increasing the interval between the active material patterns increases the margin for expansion of the active material, but decreases the capacity because the amount of active material per area as an electrode decreases. According to the knowledge of the inventors of the present application, since the expansion amount during charging of a typical active material is about twice in the width direction, it is useless to provide an interval larger than the width of the active material pattern. By providing an interval smaller than the pattern width, it is possible to manufacture a battery electrode in which the capacity as the electrode and the cycle characteristics are balanced.
また例えば、幅方向における開口幅が活物質パターンの幅よりも小さい吐出口から塗布液を吐出して、該吐出後に塗布液を基材表面で広がらせるようにしてもよい。高容量と優れたサイクル特性とを両立させるためには、活物質パターンの断面形状および隣接パターンとの間隔を微細なものとする必要がある。特にパターン間隔を小さくするためには、ノズル体において隣接する吐出口間の間隔を小さくする必要があり、吐出口周辺部材が肉薄となってその強度低下が問題となり得る。吐出後に塗布液を基材表面で広がらせることにより、吐出口間の間隔は完成後のパターン間隔よりも大きくてもよいこととなるので、このような問題を回避することが可能である。 Further, for example, the coating liquid may be discharged from a discharge port whose opening width in the width direction is smaller than the width of the active material pattern, and the coating liquid may be spread on the substrate surface after the discharge. In order to achieve both high capacity and excellent cycle characteristics, the cross-sectional shape of the active material pattern and the interval between adjacent patterns must be fine. In particular, in order to reduce the pattern interval, it is necessary to reduce the interval between adjacent discharge ports in the nozzle body, and the discharge port peripheral member becomes thin, and its strength can be a problem. By spreading the coating liquid on the surface of the substrate after ejection, the interval between the ejection ports may be larger than the pattern interval after completion, so that such a problem can be avoided.
また例えば、活物質材料と導電助剤との混合比率を調整することで、膨張係数を制御するようにすることも可能である。充電時における活物質パターンの膨張は活物質がリチウムイオンを吸蔵することによって生じ、その膨張量は当該パターンにおける活物質の含有量に依存する。導電助剤を添加して活物質の比率を変化させることで、膨張係数を制御することが可能である。上記関係式を満たすためにこのことを利用することができる。例えば活物質パターンの寸法に制約がある場合に、活物質パターンの膨張係数を調整することで上記関係を充足させることが可能である。 Further, for example, the expansion coefficient can be controlled by adjusting the mixing ratio of the active material and the conductive additive. The expansion of the active material pattern during charging is caused by the occlusion of lithium ions by the active material, and the expansion amount depends on the content of the active material in the pattern. It is possible to control the expansion coefficient by adding a conductive aid and changing the ratio of the active material. This can be used to satisfy the above relation. For example, when the dimensions of the active material pattern are limited, the above relationship can be satisfied by adjusting the expansion coefficient of the active material pattern.
この発明によれば、活物質パターンの幅W、間隔Sおよび活物質パターン自体が有する物性値である膨張係数nの組み合わせを適宜に選ぶことで、充放電サイクルにおける体積変化の大きい活物質材料を用いた場合でも性能が良好かつ安定したリチウムイオン二次電池用電極を得ることが可能である。 According to the present invention, an active material having a large volume change in the charge / discharge cycle can be obtained by appropriately selecting a combination of the width W of the active material pattern, the interval S, and the expansion coefficient n which is a physical property value of the active material pattern itself. Even when used, it is possible to obtain an electrode for a lithium ion secondary battery having good performance and stability.
図1はこの発明を用いて製造される電池の構成例を示す図である。より詳しくは、図1(a)は負極電極としてこの発明にかかるリチウムイオン二次電池用電極の一実施形態を採用したリチウムイオン二次電池モジュールの断面構造を示す模式図であり、図1(b)はその負極電極を示す斜視図である。このリチウムイオン二次電池モジュール1は、負極集電体11の上に負極活物質層12、セパレータ131と電解液132とを有する電解質層13、正極活物質層14および正極集電体15を順番に積層した構造を有している。この明細書では、X、YおよびZ座標方向をそれぞれ図1(a)に示すように定義する。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a battery manufactured using the present invention. More specifically, FIG. 1A is a schematic diagram showing a cross-sectional structure of a lithium ion secondary battery module that employs an embodiment of an electrode for a lithium ion secondary battery according to the present invention as a negative electrode, and FIG. b) is a perspective view showing the negative electrode. In this lithium ion
図1(b)は負極集電体11表面に負極活物質層12を形成してなる負極電極10の構造を示している。図1(b)に示すように、負極活物質層12はY方向に沿って延びるストライプ状のパターン121がX方向に一定間隔を空けて多数並んだ、ラインアンドスペース構造となっている。
FIG. 1B shows the structure of a
一方、正極電極は正極集電体15の表面に略一様に正極活物質層14が積層された構造を有している。そして、上記のように構成された正極電極および負極電極10がそれぞれの活物質層を内向きにしてセパレータ131を介して重ね合わされ、隙間に電解液132が含浸されることにより、リチウムイオン二次電池モジュール1が形成される。このリチウムイオン二次電池モジュール1に適宜タブ電極が設けられたり、複数のモジュールが積層されてリチウムイオン二次電池が構成される。
On the other hand, the positive electrode has a structure in which the positive electrode
ここで、リチウムイオン二次電池モジュール1の各層を構成する材料として、正極集電体15、負極集電体11としては例えばアルミニウム箔、銅箔をそれぞれ用いることができる。また、正極活物質層14としては、正極活物質として公知の材料、例えばLiCoO2、LiMnO2およびそれらの混合物を用いることができる。また、セパレータ131としては例えばポリプロピレン(PP)シートを、電解液132としては例えば、支持塩としてのリチウム塩、例えば六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を含むエチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合物(EC/DEC)を用いることができる。なお、各機能層の材質についてはこれらに限定されるものではない。
Here, as the material constituting each layer of the lithium ion
また、負極活物質層12としては、単結晶シリコン粒子または非晶質シリコン粒子、もしくは例えばSiO、SiOCのようなシリコン化合物を用いることができる。リチウムイオン二次電池としてはこれまで例えば黒鉛のような炭素材料を負極活物質として用いたものが実用化されているが、シリコン系活物質は炭素系活物質よりも高い比容量を有しており(代表的には、黒鉛の約370mAh/gに対して単結晶シリコンでは約4000mAh/g)、より充放電容量の大きな電池を構成することが可能である。
As the negative electrode
ただし、シリコン系活物質のようにリチウムとの合金を形成することで負極活物質として作用する材料では、充放電に伴うリチウムイオンの吸蔵・放出サイクルにおける活物質の体積変化が大きい。このため、充放電サイクルにおいて膨張収縮が繰り返されることに起因して活物質層の損壊や集電体層からの剥離が進み、容量が次第に低下してくる。すなわち、このように充放電による体積変化の大きい材料を活物質として用いる場合、電極の充放電サイクル特性が問題となる可能性がある。 However, in a material that acts as a negative electrode active material by forming an alloy with lithium, such as a silicon-based active material, the volume change of the active material in the lithium ion storage / release cycle accompanying charge / discharge is large. For this reason, due to the repeated expansion and contraction in the charge / discharge cycle, the active material layer is broken or peeled off from the current collector layer, and the capacity gradually decreases. That is, when a material having a large volume change due to charge / discharge is used as an active material, the charge / discharge cycle characteristics of the electrode may become a problem.
そこで、この実施形態では、図1(b)に示すようにラインアンドスペース構造の負極集電体層12を形成し、複数のストライプ状のパターン121の間に形成される隙間空間によってパターン121の体積変化を吸収することができるようにしている。すなわち、各活物質パターン121を一軸方向に延びるストライプ状とすることにより、各活物質パターン121がランダムな方向へ膨張するのを抑制し、その膨張の方向をパターン延設方向に直交する方向に限定することができる。そして、パターンが膨張する方向に隙間を設けることにより、膨張によってパターンに加わる応力を緩和して、パターンの損壊や剥がれを防止することができる。
Therefore, in this embodiment, the negative electrode
このようなパターンを形成する1つの方法として、活物質材料を含むペースト状の塗布液を負極集電体11の表面にストライプ状に塗布しこれを硬化させる方法がある。以下、このような塗布技術による負極電極の製造過程について説明する。
As one method for forming such a pattern, there is a method in which a paste-like coating liquid containing an active material is applied to the surface of the negative electrode
図2は負極電極の製造過程を模式的に示す図である。より詳しくは、図2(a)は負極電極10を製造するための電極製造装置の一例20における主要構成を示す図であり、図2(b)はそのうちのノズル体21の下面における吐出口211の配置を示す図である。また、図2(c)はこの電極製造装置20による負極電極の製造過程を示す斜視図である。
FIG. 2 is a diagram schematically showing the manufacturing process of the negative electrode. More specifically, FIG. 2A is a diagram showing a main configuration in an example 20 of an electrode manufacturing apparatus for manufacturing the
上記のようなラインアンドスペース構造の負極活物質層12は、図2(a)に示すように、負極活物質材料を含む塗布液Lを連続的に吐出するノズル体21を負極集電体11の表面に近接対向配置し、ノズル体21と負極集電体11とを相対的に移動させることにより作製可能である。より具体的には、この電極製造装置20は、上面が略平坦で負極集電体11を載置可能な載置面となった可動ステージ22を有している。可動ステージ22はステージ駆動機構23により駆動されてY方向に水平移動可能となっている。そして、可動ステージ22の上面に載置された負極集電体11の上方には、図2(b)に示すようにX方向に沿って複数の吐出口211が下面に設けられたノズル体21が配置される。このときノズル体21の下面に設けられた吐出口211は負極集電体11の表面に近接対向配置される。ノズル体21の内部には負極活物質材料を含むペースト状の塗布液が貯留されている。
As shown in FIG. 2A, the negative electrode
塗布液としては、上記した負極活物質材料に、結着剤としての例えばポリフッ化ビニリデン(PVDF)やポリアミドイミド、溶剤としての例えばN−メチルピロリドン(NMP)などを混錬してその粘度を適当に調整したものを用いることができる。また、後述するように、例えばアセチレンブラックやカーボンブラックなどの導電助剤をさらに加えてもよい。 As the coating solution, the above-described negative electrode active material is kneaded with, for example, polyvinylidene fluoride (PVDF) or polyamideimide as a binder, for example N-methylpyrrolidone (NMP) as a solvent, and the viscosity is appropriately adjusted. What was adjusted to can be used. Further, as will be described later, for example, a conductive additive such as acetylene black or carbon black may be further added.
ステージ駆動機構23が可動ステージ22を移動させることにより、負極集電体11とノズル体21との相対移動が実現される。すなわち、可動ステージ22が矢印方向Dsへ駆動されると、相対的にはノズル体21が負極集電体11の表面に沿って矢印方向Dnへと移動する。このようにして負極集電体11とノズル体21との相対移動を行いつつ、各吐出口211から吐出させた塗布液Lを負極集電体11に塗布することによって、負極集電体11の表面には、ノズル移動方向Dnに沿った互いに平行な多数のストライプ状の活物質パターン121が形成される。
When the
なお、このような塗布方法はいわゆるノズルスキャン法と称されるものである。ノズルスキャン法によって塗布液を基材に塗布する技術は公知であり、本方法においてもそのような公知技術を適用することが可能であるので、装置構成については詳しい説明を省略する。 Such a coating method is called a so-called nozzle scan method. A technique for applying a coating solution to a substrate by a nozzle scanning method is known, and such a known technique can also be applied to this method, and therefore a detailed description of the apparatus configuration is omitted.
図3は吐出口および活物質パターンの寸法の関係を示す図である。より具体的には、図3(a)は吐出口211の寸法とパターン121の断面形状との関係を示す図である。また、図3(b)ないし図3(d)はパターン断面形状の他の例を示す図である。図3(a)に示すように、ノズル体21の下面に設けられた複数の吐出口211は、いずれも同一の開口形状および寸法を有している。具体的には、各吐出口211はX方向における開口長さL1、これに直交する方向の開口長さL2を有する矩形の開口形状を有しており、それらがX方向に沿って等間隔(配列ピッチP)で一列に配列されている。各部の寸法例としては、例えばL1=40μm、L2=30μm、P=60μmとすることができる。この場合、X方向における吐出口211間の間隔Dは20μmである。
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the dimensions of the discharge port and the active material pattern. More specifically, FIG. 3A is a diagram showing the relationship between the dimensions of the
このような寸法を有する吐出口211から吐出される塗布液により負極集電体11表面に形成される活物質パターン121の断面形状は、塗布液が非常に高い粘度を有する場合には吐出口211の開口形状とほぼ同じになると考えられる。しかしながら、断面形状を厳密に維持すべくそのような高粘度の塗布液を押し出してパターンを形成することは容易でなく、ある程度の流動性を持った(つまり粘度の低い)塗布液が用いられるのがより現実的である。
The cross-sectional shape of the
このような流動性を有する塗布液が吐出口211から吐出され負極集電体11に塗布されると、図3(a)に示すように、負極集電体11上では吐出口211の開口幅L1よりも幅が広がった状態で活物質パターン121が形成される。また吐出口211の矩形形状の角部に対応する部分は丸みを帯びた形状となる。活物質パターン121の幅が広がることにより、隣接する活物質パターン121間の間隔は、隣接する吐出口211間の間隔よりも若干小さくなる。
When the coating liquid having such fluidity is discharged from the
活物質パターン121の断面形状が必ずしも矩形とならないことを考慮して、各活物質パターン121の幅およびそれらの間隔を以下のように定義する。負極集電体11表面からの活物質パターン121頂部の高さをH1としたとき、その半分の高さH2、つまり負極集電体11表面から0.5H1の高さにおける、X方向に沿ったパターン121の寸法をパターン幅W、当該高さにおけるX方向に沿った隣接パターン間の距離をパターン間隔Wとする。
Considering that the cross-sectional shape of the
上記したように、塗布液の流動性に起因して、形成されるパターンの幅Wは吐出口211の幅211より広くなる一方、パターン間隔Sは吐出口211の間隔Dよりも狭くなる。このことは、活物質パターン121を狭い間隔で形成したい場合に有利に作用する。電極としての容量を大きくするためには、負極集電体11の表面に担持される活物質の量を多くする必要があり、このためには多数のストライプ状パターンを狭い間隔で形成することが好ましい。一方、ノズル体21において複数の吐出口211間の間隔Dを小さくすることは、吐出口211の側壁を構成する部材の厚みが薄くなることにつながり、吐出口211周辺の強度が低下してしまうという問題が生じる。
As described above, due to the fluidity of the coating liquid, the width W of the pattern to be formed is wider than the
吐出後に塗布液を側方に広がらせてパターン幅Wを増大させることで、吐出口211間の間隔Dは設計上のパターン間隔Sよりも大きくすることができ、このような強度の低下を回避することが可能である。パターン幅Wおよび間隔Sを設計通りの値とするには、塗布液の粘度、吐出口211の形状、塗布液の吐出量およびノズル体21と負極集電体11との相対移動速度等の塗布条件が高い精度で管理される必要があるが、ノズルスキャン法による塗布技術はこのような要求に応えることができる十分な実績を有する。例えば前述した寸法例のノズル体21を用いて、パターン高さH1=20μmm、パターン幅W=50μm、パターン間隔S=10μmの活物質パターンを形成することが可能である。これに対して、前述の特許文献1では、活物質の膨張を吸収するための空隙を計画的にかつ制御性よく活物質層に配置するための技術が確立されているとは言い難い。
By spreading the coating liquid laterally after ejection and increasing the pattern width W, the interval D between the
なお、活物質パターンの断面形状は、上記に限定されず、吐出口の開口形状や塗布液の粘度等により種々のものが考えられる。その一部の例を図3(b)ないし図3(d)に示した。図3(b)は断面形状が台形である活物質パターンの例を、図3(c)は断面形状が三角形である活物質パターンの例を、また図3(d)は断面形状が倒立台形である活物質パターンの例をそれぞれ示している。さらに、これらの角部が丸みを帯びた形状も考えられる。これらの任意の形状のパターンについても、図3(b)ないし図3(d)にそれぞれ示すように、パターン高さの半分の高さにおけるパターンの寸法および間隔としてパターン幅Wおよびパターン間隔Sを定義することが可能である。 The cross-sectional shape of the active material pattern is not limited to the above, and various shapes can be considered depending on the opening shape of the discharge port, the viscosity of the coating liquid, and the like. Some examples are shown in FIGS. 3B to 3D. 3B shows an example of an active material pattern having a trapezoidal cross section, FIG. 3C shows an example of an active material pattern having a triangular cross section, and FIG. 3D shows an inverted trapezoidal cross section. Each example of an active material pattern is shown. Further, a shape with rounded corners is also conceivable. For patterns of these arbitrary shapes, as shown in FIGS. 3B to 3D, the pattern width W and the pattern interval S are set as the pattern size and interval at half the pattern height. It is possible to define.
前述したように、シリコン系活物質材料のように合金を形成することでリチウムを吸蔵するタイプの活物質材料では、充放電サイクルにおける活物質層の体積変化が大きい。この実施形態の活物質層12はストライプ状の活物質パターン121により構成されているので、その長手方向への寸法変化が抑えられ、充電に伴う材料の膨張は断面形状の膨らみとして現れる。特に、活物質パターン121の頂部側はセパレータ131および対極電極によって膨張が規制されるので、主として断面が側方に膨らむこととなる。ここで、活物質パターン121の膨張の程度を定量的に表すパラメータとして膨張係数nを導入し、これを以下のように定義する。
As described above, in an active material material that occludes lithium by forming an alloy, such as a silicon-based active material, the volume change of the active material layer in the charge / discharge cycle is large. Since the
図4は膨張係数の定義を説明する図である。図4(a)における活物質パターン121は、充電前(もしくは放電状態)の断面形状が実線により、また充電状態の断面形状が点線により示されている。前述の定義から、放電状態におけるパターン121の幅Wは、パターン高さH1の半分の高さH2におけるパターン寸法により表すことができる。一方、充電状態でのパターン121の幅Wcについても、同じ高さH2におけるパターン寸法により表すこととする。そして、放電状態におけるパターン幅に対する充電状態のパターン幅、すなわち次式:
n=Wc/W … (式1)
により表される数値nを、当該パターンの膨張係数と定義する。膨張係数nは活物質層の組成に依存する値である。
FIG. 4 is a diagram for explaining the definition of the expansion coefficient. In the
n = Wc / W (Formula 1)
Is defined as the expansion coefficient of the pattern. The expansion coefficient n is a value that depends on the composition of the active material layer.
膨張係数nは以下のようにして実測することができる。図4(b)に示すように、測定対象であるストライプ状の活物質パターンT2が形成された金属箔集電体T1、セパレータT3およびリチウム金属箔T4を積層し、電解液(図示省略)を含浸させてテストピースT0を作成する。セパレータT3およびリチウム金属箔T4には対応する位置に観察用の小孔T31、T41をそれぞれ設けておく。なお、シリコン系活物質材料は本実施形態において負極活物質材料として機能させることを予定するものであるが、対極としてリチウム金属箔を組み合わせた場合においては正極として作用する。しかしながら、このことは膨張係数nを求めることを目的とする実験に影響を与えない。正負いずれの極に用いられてもリチウムイオンの吸蔵・放出のプロセスには変化がないからである。 The expansion coefficient n can be measured as follows. As shown in FIG. 4B, a metal foil current collector T1, a separator T3, and a lithium metal foil T4 on which a stripe-shaped active material pattern T2 to be measured is laminated, and an electrolytic solution (not shown) is used. A test piece T0 is prepared by impregnation. The separator T3 and the lithium metal foil T4 are respectively provided with observation small holes T31 and T41 at corresponding positions. The silicon-based active material is intended to function as a negative electrode active material in the present embodiment, but acts as a positive electrode when a lithium metal foil is combined as a counter electrode. However, this does not affect experiments aimed at obtaining the expansion coefficient n. This is because there is no change in the process of occlusion / release of lithium ions regardless of whether it is used for positive or negative electrodes.
図4(c)に示すように、こうして作成されたテストピースT0を充放電計測器T5に接続して充放電動作を行わせ、例えばレーザー顕微鏡により小孔T31、T41を介して活物質パターンT2をin−situ観察しその寸法を計測する。こうして充電状態のパターン幅Wcと放電状態のパターン幅Wとを求め、膨張係数nを求めることができる。なお、膨張係数nの求め方はこれに限定されるものではなく、充電状態と放電状態との間でパターン幅を比較することができれば他の方法であってもよい。 As shown in FIG. 4 (c), the test piece T0 thus created is connected to a charge / discharge measuring instrument T5 to perform a charge / discharge operation. For example, the active material pattern T2 is passed through small holes T31 and T41 by a laser microscope. Is observed in-situ and the dimensions are measured. Thus, the pattern width Wc in the charged state and the pattern width W in the discharged state can be obtained, and the expansion coefficient n can be obtained. The method of obtaining the expansion coefficient n is not limited to this, and other methods may be used as long as the pattern width can be compared between the charged state and the discharged state.
本願発明者らは、充放電による体積変化の大きい活物質材料を用いて充放電サイクル特性の優れた電極を形成することのできる条件を見出すことを目的として次に説明する実験を行った。この実験では、組成の異なる(したがって膨張係数nが異なる)複数の活物質パターンを種々の寸法で作成し、その充放電サイクル特性の評価を行った。 The inventors of the present application conducted an experiment described below for the purpose of finding conditions under which an electrode having excellent charge / discharge cycle characteristics can be formed using an active material having a large volume change due to charge / discharge. In this experiment, a plurality of active material patterns having different compositions (and thus different expansion coefficients n) were prepared with various dimensions, and the charge / discharge cycle characteristics were evaluated.
図5は活物質パターンの組成と膨張係数との関係の例を示す図である。ここでは活物質として単結晶シリコン粉末を使用し、結着剤としてのポリアミドイミドを加えてNMP溶剤に混ぜ込み混錬したものを塗布液として使用した。また、導電助剤としてのカーボンブラックを混合することで、活物質パターンにおける活物質の含有比率を変化させた。 FIG. 5 is a diagram showing an example of the relationship between the composition of the active material pattern and the expansion coefficient. Here, a single crystal silicon powder was used as an active material, and a polyamideimide as a binder was added and mixed into an NMP solvent and kneaded to be used as a coating solution. Moreover, the content ratio of the active material in an active material pattern was changed by mixing carbon black as a conductive support agent.
その一例である負極材料1では、溶剤を除く固体成分のうち単結晶シリコン粉末を90重量%、ポリアミドイミドを10重量%とし、カーボンブラックを加えていない。このときの膨張係数nは1.95であった。このことは、充電によりパターン幅Wが2倍近くまで膨張することを示す。
In the
負極材料2では、44重量%のカーボンブラックを加え、単結晶シリコン粉末の含有量を46重量%とした。ポリアミドイミドの含有量は10重量%である。体積変化の大きいシリコンの含有量が低下したことにより、膨張係数nは1.75と負極材料1よりも小さな値となっている。さらに単結晶シリコン粉末の含有量を19重量%まで低下させ、カーボンブラックを71重量%、ポリアミドイミドを10重量%含ませた負極材料3では、膨張係数nが1.42となった。
In the
なお、現在実用化されている炭素系活物質は、図5に「従来例」として示されるように、シリコン含有量を0としてカーボンブラック(より一般的には黒鉛)に活物質としての機能を持たせたものに相当する。この場合の膨張係数nは1.05程度であり、シリコン系活物質に比べて十分に小さい。したがって充放電サイクル特性は良好である。 The carbon-based active material currently in practical use has a silicon content of 0 and functions as an active material in carbon black (more generally, graphite) as shown in FIG. 5 as a “conventional example”. Equivalent to what you have. In this case, the expansion coefficient n is about 1.05, which is sufficiently smaller than the silicon-based active material. Therefore, the charge / discharge cycle characteristics are good.
なお、活物質パターンにおけるシリコン含有量を低くすると膨張係数nが小さくなるが、吸蔵できるリチウムの量も少なくなって電極としての容量は小さくなる。一方、シリコン含有量を大きくすると充放電容量は増大するが、膨張係数nが大きくなり充放電サイクルにおける膨張収縮に起因する容量の経時的低下が問題となり得る。この問題に対しては活物質層をラインアンドスペース構造とすることで応力を緩和し容量低下の抑制を図ることができるが、膨張を吸収するべく活物質パターンの隙間を大きくすると実質的に活物質の量が少なくなり、容量自体が小さくなってしまう。 Note that when the silicon content in the active material pattern is lowered, the expansion coefficient n is reduced, but the amount of lithium that can be occluded is also reduced, and the capacity as an electrode is reduced. On the other hand, when the silicon content is increased, the charge / discharge capacity is increased, but the expansion coefficient n is increased, and a decrease in capacity over time due to expansion / contraction in the charge / discharge cycle can be a problem. To solve this problem, the active material layer has a line-and-space structure, which can relieve stress and suppress the decrease in capacity. However, if the gap of the active material pattern is increased to absorb the expansion, the active material layer is substantially activated. The amount of material is reduced and the capacity itself is reduced.
このように、充放電による体積変化の大きい活物質材料を用いる場合、サイクル特性を重視すると容量が小さくなり、容量を大きくしようとするとサイクル特性が劣化してしまうというトレードオフがあり、高容量と優れた充放電サイクル特性とを両立させるための条件についてはこれまで確立されるに至っていなかった。 In this way, when using an active material having a large volume change due to charge and discharge, there is a trade-off that if the cycle characteristics are emphasized, the capacity decreases, and if the capacity is increased, the cycle characteristics deteriorate. The conditions for achieving both excellent charge / discharge cycle characteristics have not been established so far.
本願発明者らは、以下に説明する実験により、活物質材料の膨張係数nとパターン寸法(パターン幅Wおよび間隔S)とを適宜に組み合わせることで、高容量と充放電サイクル特性とを両立させた電極を作製可能であることを見出した。 The inventors of the present application achieve both high capacity and charge / discharge cycle characteristics by appropriately combining the expansion coefficient n of the active material and the pattern dimensions (pattern width W and interval S) through experiments described below. It was found that an electrode can be produced.
実験では、組成を異ならせた複数の塗布液を用いて前述の方法によりそれぞれ負極電極を作成し、セパレータおよび正極電極と組み合わせて2032型コイン電池を試作し、その充放電サイクル特性を測定した。負極集電体としては厚さ10μmの圧延銅箔を用い、塗布液の組成および寸法を変えて複数種の負極電極を作製した。 In the experiment, a negative electrode was prepared by the above-described method using a plurality of coating liquids having different compositions, a 2032 type coin battery was made in combination with the separator and the positive electrode, and charge / discharge cycle characteristics were measured. A rolled copper foil having a thickness of 10 μm was used as the negative electrode current collector, and a plurality of types of negative electrode electrodes were produced by changing the composition and dimensions of the coating solution.
正極電極としては、厚さ20μmの圧延アルミニウム箔に、正極活物質材料としてのLiCoO2(LCO)、導電助剤としてのカーボンブラックおよび結着剤としてのPVDFを重量比8:1:1で混錬したものをNMP溶剤に混ぜ込んだ塗布液をブレードコーターにより均一塗布し乾燥させたものを用いた。また、セパレータとしてはPP製シートを、電解液としては、1mol/dm3のLiPF6を溶解させたEC/DEC混合物を使用した。 As the positive electrode, 20 μm thick rolled aluminum foil was mixed with LiCoO 2 (LCO) as a positive electrode active material, carbon black as a conductive auxiliary agent, and PVDF as a binder at a weight ratio of 8: 1: 1. A solution obtained by uniformly applying a coating solution obtained by mixing the smelted material in an NMP solvent with a blade coater and drying the coating solution was used. Further, a PP sheet was used as the separator, and an EC / DEC mixture in which 1 mol / dm 3 of LiPF 6 was dissolved was used as the electrolyte.
充放電サイクル特性の評価は、25℃において、0.1Cレート、カットオフ電圧0ないし2.0V(フルセル)で10サイクルの充放電を行い、各サイクルにおける放電容量を測定して、以下の式:
(容量維持率)=(10サイクル目の放電容量)/(1サイクル目の放電容量)×100 [%] … (式2)
で定義される容量維持率を算出することにより行った。以下、その結果の一部について説明する。
The evaluation of the charge / discharge cycle characteristics was carried out by charging / discharging 10 cycles at 25 ° C. at a 0.1 C rate and a cut-off voltage of 0 to 2.0 V (full cell), and measuring the discharge capacity in each cycle. :
(Capacity maintenance ratio) = (Discharge capacity at the 10th cycle) / (Discharge capacity at the 1st cycle) × 100 [%] (Equation 2)
This was done by calculating the capacity retention rate defined in Hereinafter, a part of the result will be described.
図6は充放電サイクルにおける放電容量の変化の例を示す図である。ここでは、図5の負極材料1を用い、パターン幅Wを一定(50μm)としパターン間隔Sを変化させて活物質パターンを作製した試料を用いた。図6は、充放電サイクルごとの放電容量を、初期容量を100%として、またパターン間隔Sとパターン幅Wとの比の値(S/W)をパラメータとして示したものである。パターン間隔Sの範囲としては、6μm(S/W=0.12)から12μm(S/W=0.24)とした。
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a change in discharge capacity in a charge / discharge cycle. Here, a sample was used in which the
パターン間隔Sとパターン幅Wとの比S/Wが比較的大きい場合にはサイクルごとの放電容量の変化は僅かである一方、この比の値がある程度より小さくなるとサイクルごとに放電容量が急激に低下してゆく傾向が、図6から読み取れる。この実験では、10サイクル目の容量が初期容量の90%以上を維持しているものを良品として、良品を得るための条件を探索した。 When the ratio S / W between the pattern interval S and the pattern width W is relatively large, the change in the discharge capacity for each cycle is slight. On the other hand, when the value of this ratio becomes smaller than a certain level, the discharge capacity rapidly increases for each cycle. The tendency to decrease can be seen from FIG. In this experiment, a condition in which the capacity at the 10th cycle maintained 90% or more of the initial capacity was determined as a non-defective product, and the conditions for obtaining a non-defective product were searched.
図7は実験結果の例を示す図である。より詳しくは、図7(a)は、負極材料1を用い、パターン幅Wを50μmおよび70μmの2種類としてパターン間隔Sを種々に変化させて測定した、パターン間隔Sとパターン幅Wとの比S/Wと、10サイクル後の容量維持率との関係を示す図である。また、図7(b)および図7(c)は、同じ実験をそれぞれ負極材料2および負極材料3を用いて行った結果を示している。
FIG. 7 is a diagram showing an example of experimental results. More specifically, FIG. 7A shows the ratio between the pattern interval S and the pattern width W, which was measured by using the
これらの結果から、パターン間隔Sとパターン幅Wとの比S/Wが小さい領域では容量維持率が小さいが、比の値をある程度より大きくすると容量維持率が急激に立ち上がり、良好な充放電サイクル特性が得られることがわかる。容量維持率の立ち上がり位置は負極材料によって異なり、膨張係数nが小さいほど、比の値S/Wが小さい領域で容量維持率が立ち上がる。すなわち、比の値S/Wが同じであれば、膨張係数nが小さいほどサイクル特性は良好である。したがって、パターン幅Wが同じであれば膨張係数nが小さいほどパターン間隔Sを小さくすることができる。これは、パターンの膨張が小さいため、これを吸収するためのスペースも少なくて済むことの表れと見られる。 From these results, the capacity retention ratio is small in the region where the ratio S / W between the pattern interval S and the pattern width W is small, but when the ratio value is made larger than a certain value, the capacity retention ratio rises sharply and a good charge / discharge cycle is achieved. It can be seen that the characteristics can be obtained. The rising position of the capacity retention rate varies depending on the negative electrode material, and the capacity retention rate rises in a region where the ratio value S / W is smaller as the expansion coefficient n is smaller. That is, if the ratio value S / W is the same, the smaller the expansion coefficient n, the better the cycle characteristics. Therefore, if the pattern width W is the same, the pattern interval S can be reduced as the expansion coefficient n is reduced. This can be seen as an indication that the expansion of the pattern is small, so that the space for absorbing it can be reduced.
また、同じ材料では、パターン幅Wによらず同じ傾向が表れているが、パターン幅Wの小さい方が、若干立ち上がりが早くなって(図において左方に偏倚して)いる。これは、パターン幅Wが大きくなると1つのパターン内での膨張に起因する応力が大きくなり、これを吸収しきれなくなってパターンの損壊が起きやすいためと考えられる。 Further, the same material shows the same tendency regardless of the pattern width W, but the smaller the pattern width W, the slightly faster the rise (biased to the left in the figure). This is presumably because when the pattern width W increases, the stress due to expansion in one pattern increases, and it is impossible to absorb this and the pattern is easily damaged.
このように、パターン間隔Sとパターン幅Wとの比S/W、膨張係数nおよび容量維持率の間には相関があり、それらの相関に基づき、10サイクル後の容量維持率が90%以上の良品を得るための条件を求めると、次式:
S/W ≧ n2/20 … (式3)
により、よい近似が得られることがわかった。
Thus, there is a correlation among the ratio S / W between the pattern interval S and the pattern width W, the expansion coefficient n, and the capacity retention rate, and based on these correlations, the capacity retention rate after 10 cycles is 90% or more. The conditions for obtaining good products are as follows:
S / W ≧ n 2/20 ... ( Equation 3)
Thus, a good approximation can be obtained.
なお、(式3)において、左辺を大きくしようとすると、集電体上においてパターン間の空隙が多くなり充放電に寄与する活物質の量が少なくなる。パターン間隔Sが最大でもパターン幅Wよりも小さくなるように、つまり左辺が1より小さくなるようにすることが初期容量を確保するという観点からは好ましい。一方、単体で体積変化の大きい材料で右辺を小さくしようとすると、導電助剤等の添加により活物質の含有量を低下させる必要があるので、やはり活物質の量が少なくなってしまう。これらは初期容量の低下につながる。したがって、高容量と優れた充放電サイクル特性とを両立させるためには、(式3)を満たす範囲において等号成立に近い条件を選ぶことが好ましいと言える。
In
以上より、例えばシリコン系活物質のように充放電による体積変化の大きい活物質材料を用いて、高容量かつサイクル特性の優れたリチウムイオン二次電池用電極を製造するためには、例えば次のような製造プロセスを実行すればよいこととなる。 From the above, for example, in order to manufacture an electrode for a lithium ion secondary battery having high capacity and excellent cycle characteristics using an active material having a large volume change due to charge and discharge, such as a silicon-based active material, for example, Such a manufacturing process may be executed.
図8は電極製造プロセスの一態様を示すフローチャートである。ここでは、活物質パターンの寸法が予め設定されており、その設計条件を満たしつつ、高容量と良好なサイクル特性とを両立させた電極を製造するものとする。まず、使用する活物質材料について、導電助剤等の添加物との混合比と膨張係数nとの関係を把握する(ステップS101)。なお、例えば過去の実験や文献等から活物質材料の組成と膨張係数nとの関係が既知である場合には、その情報を利用してもよい。その知見に基づき、与えられた寸法との兼ね合いで上記(式3)の条件を満たす膨張係数nとなる混合比で材料を混合し塗布液を調製する(ステップS102)。なお、吐出後の塗布液の広がりについては塗布液の粘度に依存するので、塗布液への溶剤の添加量によって調整することが可能である。 FIG. 8 is a flowchart showing an aspect of the electrode manufacturing process. Here, the dimensions of the active material pattern are set in advance, and an electrode that satisfies both the design conditions and has both high capacity and good cycle characteristics is manufactured. First, for the active material to be used, the relationship between the mixing ratio of the additive such as the conductive additive and the expansion coefficient n is grasped (step S101). In addition, for example, when the relationship between the composition of the active material and the expansion coefficient n is known from past experiments and literatures, the information may be used. Based on the knowledge, the materials are mixed at a mixing ratio that satisfies the above-mentioned (Equation 3) condition in consideration of the given dimensions and the coating liquid is prepared (step S102). Note that the spread of the coating liquid after ejection depends on the viscosity of the coating liquid, and can be adjusted by the amount of the solvent added to the coating liquid.
こうして得られた塗布液を例えば図2に示す電極製造装置20に適用して、負極電極を製造する。具体的には、負極集電体11となる金属箔、例えば銅箔を電極製造装置20の可動ステージ22にセットし(ステップS103)、ステージ駆動機構23により可動ステージ22を移動させる(ステップS104)。この状態で、ノズル体21に設けられた吐出口211の各々から上記で調製した塗布液を吐出させて活物質パターンを形成する(ステップS105)。このようにして、高容量と良好な充放電サイクル特性とを両立させた電極を優れた生産性で製造することが可能である。
The coating solution thus obtained is applied to, for example, the
なお、活物質パターンの幅Wおよび間隔Sのいずれかが自由に設定可能である場合には、予め調製された、あるいは適宜に調製した活物質材料を含む塗布液の物性に合わせて、上記(式3)を満たすような活物質パターンの幅Wおよび間隔Sのパターンを形成することで、同様にして高容量と良好な充放電サイクル特性とを両立させた電極を製造することが可能である。 In addition, when any of the width W and the interval S of the active material pattern can be freely set, the above (in accordance with the physical properties of the coating liquid containing the active material prepared in advance or appropriately prepared ( By forming a pattern having an active material pattern width W and spacing S that satisfies Equation 3), it is possible to produce an electrode that achieves both high capacity and good charge / discharge cycle characteristics in the same manner. .
また、図2に示す電極製造装置20は枚葉状のシート体である負極集電体11に対して塗布液を塗布することで負極電極10を製造する装置であるが、より大量生産に適した形態として、例えば以下に説明するいわゆるロール・トゥ・ロール方式の製造装置によって電極を製造することも可能である。
An
図9は電極製造装置の他の構成例を示す図である。この電極製造装置30は、ロール状に巻回された活物質形成前の長尺シート体3を保持するとともにシート体3を一定速度で送り出す供給ローラ32と、活物質層が形成された後のシートSを巻き取る巻き取りローラ33とを備えている。これらがローラ駆動機構36により回転駆動されることにより、シート体3が所定の搬送方向Dsに一定の速度で搬送される。シート体3は完成後の電極において集電体として機能するものであり、例えば金属箔を用いることができるが、搬送を容易にするために例えば樹脂シートで裏打ちされたものでもよい。
FIG. 9 is a diagram showing another configuration example of the electrode manufacturing apparatus. The
供給ローラ32から巻き取りローラ33に至る搬送経路上には、シート体3の表面に対向してノズル体31が設けられている。このノズル体31の構造は前述のノズル体21と同一のものであってよい。ノズル体31には塗布液供給部35から適宜の組成に調製された塗布液が供給される。
On the conveyance path from the
ノズル体31は、塗布液供給部35から活物質を含む塗布液の供給を受けて、該塗布液をシート体3の表面に塗布する。シート体3を挟んでノズル体31と反対側に設けられたノズル対向ローラ34は、ノズル体31とシート体3との位置関係を一定に維持して安定した塗布を可能にするバックアップローラとして機能する。
The
このような構成を有する電極製造装置30を用いた場合においても、形成すべき活物質パターンの膨張係数nとその寸法(パターン幅Wおよび間隔S)との関係を(式3)を満たすものとすることにより、高容量と良好な充放電サイクル特性とを両立させた電極を製造することが可能である。
Even when the
以上説明したように、上記実施形態では、負極集電体11が本発明の「基材」に相当している。また、図2の電極製造装置20では、可動ステージ22が本発明の「保持手段」として機能し、ステージ駆動機構23が本発明の「移動手段」として機能している。一方、図9の電極製造装置30では、シート体3が本発明の「基材」に相当しており、ローラ32〜34が本発明の「保持手段」として機能し、ローラ駆動機構36が本発明の「移動手段」として機能している。
As described above, in the above embodiment, the negative electrode
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記実施形態では負極活物質として単結晶シリコン粉末を用いているが、これ以外にも、非晶質シリコンや、SiOやSiOCなどのシリコン化合物を用いるようにしてもよい。なお、上記したリチウムイオン二次電池用電極の構造は、これらのシリコン系活物質に限らず、充放電における体積変化の大きい他の活物質材料を用いた場合でも、容量とサイクル特性との両立を図る上で有効なものである。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications other than those described above can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, although single crystal silicon powder is used as the negative electrode active material in the above embodiment, amorphous silicon or silicon compounds such as SiO and SiOC may be used. The structure of the lithium ion secondary battery electrode described above is not limited to these silicon-based active materials, and even when other active material having a large volume change in charge / discharge is used, both capacity and cycle characteristics are compatible. It is effective in aiming at.
また、上記実施形態の負極材料では、結着剤の混合比を一定として活物質と導電助剤との混合比を種々に変えているが、結着剤の混合比についても変化させてもよい。また導電助剤および結着剤の種類についても上記したものに限定されない。 Further, in the negative electrode material of the above embodiment, the mixing ratio of the active material and the conductive additive is changed variously while the mixing ratio of the binder is constant, but the mixing ratio of the binder may also be changed. . Further, the types of conductive assistant and binder are not limited to those described above.
また、上記実施形態における活物質パターンの断面形状はその一例を示したものであって、これに限定されず、任意の断面形状を用いることが可能である。またノズル体に設ける吐出口の開口形状も、上記実施形態のような矩形に限定されず、種々のものを用いることが可能である。 Moreover, the cross-sectional shape of the active material pattern in the said embodiment shows the example, Comprising: It is not limited to this, It is possible to use arbitrary cross-sectional shapes. Moreover, the opening shape of the discharge port provided in the nozzle body is not limited to the rectangular shape as in the above embodiment, and various types can be used.
本発明によれば、高容量と優れたサイクル特性とを両立させたリチウムイオン二次電池を製造することが可能である。 According to the present invention, it is possible to manufacture a lithium ion secondary battery having both high capacity and excellent cycle characteristics.
1 リチウムイオン二次電池モジュール
3 シート体(基材)
10 負極電極
11 負極集電体(基材)
12 負極活物質層
13 電解質層
14 正極活物質層
15 正極集電体
20,30 電極製造装置
21,31 ノズル体
22 可動ステージ(保持手段)
23 ステージ駆動機構(移動手段)
32〜34 ローラ(保持手段)
36 ローラ駆動機構(移動手段)
121 (負極)活物質パターン
211 吐出口
S パターン間隔
W パターン幅
1 Lithium ion
10
DESCRIPTION OF
23 Stage drive mechanism (moving means)
32-34 Roller (holding means)
36 Roller drive mechanism (moving means)
121 (Negative electrode)
Claims (12)
前記基材表面に形成された、活物質材料を含み互いに離隔して前記基材表面から突出した複数のストライプ状の活物質パターンと
を備え、
前記基材表面からの前記活物質パターンの頂部高さの半分の高さにおける前記活物質パターンの幅をW、隣接する前記活物質パターン間の当該高さにおける間隔をS、当該高さにおける前記活物質パターンの充電前の幅に対する充電後の幅の比として定義される膨張係数をnとしたとき、次式:
S/W≧n2/20
の関係を満たすリチウムイオン二次電池用電極。 A base material that functions as a current collector;
A plurality of stripe-shaped active material patterns formed on the surface of the base material and including active material materials and spaced apart from each other and projecting from the surface of the base material;
The width of the active material pattern at half the height of the top portion of the active material pattern from the surface of the substrate is W, the interval at the height between adjacent active material patterns is S, and the height at the height is When the expansion coefficient defined as the ratio of the width after charging to the width before charging of the active material pattern is n, the following formula:
S / W ≧ n 2/20
An electrode for a lithium ion secondary battery that satisfies the above relationship.
前記吐出口の各々から活物質材料を含む塗布液を吐出させながら、前記基材に対して前記ノズル体を前記基材の表面に沿って前記吐出口の配列方向と交わる方向に相対移動させて、互いに離隔し前記基材表面から突出した複数のストライプ状の活物質パターンを前記基材表面に形成する工程と
を備え、
前記基材表面からの前記活物質パターンの頂部高さの半分の高さにおける前記活物質パターンの幅をW、隣接する前記活物質パターン間の当該高さにおける間隔をS、当該高さにおける前記活物質パターンの充電前の幅に対する充電後の幅の比として定義される膨張係数をnとしたとき、次式:
S/W≧n2/20
の関係が満たされるリチウムイオン二次電池用電極の製造方法。 A state in which each of the discharge ports is close to and opposed to the surface of the substrate, with a nozzle body in which a plurality of discharge ports are arranged in a row along a predetermined arrangement direction and a base material that functions as a current collector A process of arranging in
While discharging a coating liquid containing an active material from each of the discharge ports, the nozzle body is moved relative to the base material along the surface of the base material in a direction intersecting the array direction of the discharge ports. Forming a plurality of stripe-shaped active material patterns on the substrate surface that are separated from each other and protrude from the substrate surface,
The width of the active material pattern at half the height of the top portion of the active material pattern from the surface of the substrate is W, the interval at the height between adjacent active material patterns is S, and the height at the height is When the expansion coefficient defined as the ratio of the width after charging to the width before charging of the active material pattern is n, the following formula:
S / W ≧ n 2/20
The manufacturing method of the electrode for lithium ion secondary batteries with which the relationship of is satisfy | filled.
集電体として機能する基材を、前記基材の表面に対し前記吐出口の各々が近接対向する状態に保持する保持手段と、
前記吐出口が前記基材表面に沿って移動するように、前記ノズル体と前記基材とを相対的に移動させる移動手段と
を備え、
前記基材表面からの前記活物質パターンの頂部高さの半分の高さにおける前記活物質パターンの幅をW、隣接する前記活物質パターン間の当該高さにおける間隔をS、当該高さにおける前記活物質パターンの充電前の幅に対する充電後の幅の比として定義される膨張係数をnとしたとき、次式:
S/W≧n2/20
の関係を満たす前記活物質パターンを、前記ノズル体と前記基材とを相対移動させながら前記複数の吐出口の各々から前記塗布液を前記基材表面に吐出させることで形成するリチウムイオン二次電池用電極の製造装置。 A plurality of discharge ports are arranged in a row along a predetermined arrangement direction, and a nozzle body that continuously discharges a coating liquid containing an active material from each of the discharge ports;
Holding means for holding the base material functioning as a current collector in a state in which each of the discharge ports is in close proximity to the surface of the base material;
Moving means for relatively moving the nozzle body and the base material so that the discharge port moves along the surface of the base material;
The width of the active material pattern at half the height of the top portion of the active material pattern from the surface of the substrate is W, the interval at the height between adjacent active material patterns is S, and the height at the height is When the expansion coefficient defined as the ratio of the width after charging to the width before charging of the active material pattern is n, the following formula:
S / W ≧ n 2/20
Lithium ion secondary is formed by discharging the coating liquid from each of the plurality of discharge ports to the substrate surface while relatively moving the nozzle body and the substrate while satisfying the relationship of Battery electrode manufacturing equipment.
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JP2018092857A (en) * | 2016-12-07 | 2018-06-14 | 三洋電機株式会社 | Negative electrode for nonaqueous electrolyte secondary battery and nonaqueous electrolyte secondary battery |
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2012
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