JP2014207104A - 電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 クラックの発生が抑制された電池の製造方法を提供する。【解決手段】本発明に係る電池の製造方法では、最終プレス工程の前に、正極層も負極層も高い圧力（第１プレス圧、第２プレス圧）でプレスされて、この段階で電池の入出力性能を高められる。このときのプレス圧は、上述したクラック発生の虞がないため、ある程度高くすることができる。その後の最終プレス工程では、そのプレス圧（第３プレス圧）は、電池の入出力性能のために高圧にする必要がない。したがって、第３プレス圧を第２プレス圧よりも低くし、最終プレス工程においてクラックが発生する事態を抑制することができる。【選択図】 図１

Description

本発明は、電池の製造方法に関するものである。

従来より、正極層と負極層とで固体電解質層を挟んだ構造の全固体電池が知られている。全固体電池は、電極をプレス成形する際のプレス圧を高めるほど入出力性能の向上が図られることが知られている。また、界面抵抗を低減する目的で、固体電解質層をプレス成形し、その固体電解質層と正極層とをプレスした後、正極層が形成された面と反対側の面上に負極層を最終プレスする技術が、たとえば下記特許文献１（特開２００９−２５２６７０号公報）に開示されている。

特開２００９−２５２６７０号公報

しかしながら、上述した電池の製造方法では、正極層と負極層とでその面積（積層方向に直交する面の面積）が異なる場合、電池の入出力性能を向上させるために最終プレスの際のプレス圧を高めると、面積が広い方の極にクラックが生じやすい。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、クラックの発生が抑制された電池の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る電池の製造方法は、正極層と負極層のうち、積層方向に直交する面の面積が狭い一方の層を第１プレス圧でプレスする工程と、正極層と負極層のうち、積層方向に直交する面の面積が広い他方の層を第２プレス圧でプレスする工程と、他方の層の表面に電解質層を配置するとともに、一方の層と他方の層との間に電解質層が挟まれるように一方の層を配置する電解質配置工程と、正極層、電解質層および負極層を、第２プレス圧より低い第３プレス圧でプレスする最終プレス工程とを含む。

上記電池の製造方法においては、正極層、電解質層および負極層をプレスする最終プレス工程の前に、正極層および負極層がそれぞれプレスされる。このときのプレス圧（第１プレス圧、第２プレス圧）は、クラック発生の虞がないため、ある程度高くすることができる。そして、最終プレス工程におけるプレス圧（第３プレス圧）を第２プレス圧よりも低くすることで、最終プレス工程においてクラックが発生する事態が抑制される。

また、電解質配置工程の際、電解質層に対して負荷される圧力が、第３プレス圧より低く、２００ＭＰａ以下である態様であってもよい。この場合、電解質配置工程の際に電解質層が完全につぶれることが抑制され、その結果、最終プレス工程における十分な密着性が担保される。

また、最終プレス工程の際、電解質層を加熱する態様であってもよい。この場合、最終プレス工程における密着性の向上が図られる。

また、電解質配置工程の際、転写により、一方の層の表面に電解質層を配置する態様であってもよい。この場合、電解質層に含まれる溶液が、一方の層の中に浸透する事態が抑制される。

本発明によれば、クラックの発生が抑制された電池の製造方法が提供される。

図１は、本発明の第１実施形態に係る電池の製造方法を示したフロー図である。 図２は、本発明の第２実施形態に係る電池の製造方法を示したフロー図である。 図３は、本発明の実施例について示した表である。 図４は、本発明の実施例における出力性能の比較を示したグラフである。 図５は、本発明の実施例における入力性能の比較を示したグラフである。 図６は、従来技術に係る電池の製造方法を示したフロー図である。 図７は、従来技術に係る電池の製造方法において生じるクラックを示した模式図である。

以下、実施形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、同一又は同等の要素については同一の符号を付し、説明が重複する場合にはその説明を省略する。

まず、第１実施形態に係る電池の製造方法の説明に先立ち、従来技術に係る電池の製造方法について、図６のフロー図を参照しつつ説明する。

従来技術に係る電池の製造方法においては、図６に示すように、正極製膜工程、負極製膜工程、固体電解質層製膜工程それぞれにおいて、正極、負極、固体電解質層が別々に製膜される。具体的には、正極、負極、固体電解質層となるべきペーストを、製膜用フィルム（たとえば、Ａｌ箔やＣｕ箔）上に塗布して、所定の寸法に打ち抜く。

そして、第１プレス工程において、製膜された負極と固体電解質層とを重ねた状態で平面プレスする。このとき、電池の入出力性能を高めるために、負極をある程度の高圧（たとえば、４３０ＭＰａ）でプレスする。さらに、固体電解質層を保持している製膜用フィルムを剥がす。

次に、第２プレス工程として、プレス後の負極と固体電解質層との積層体に、正極と負極との間に固体電解質層が挟まれるように（すなわち、負極とは反対側に）正極を配置し、正極、固体電解質層、負極が重なった状態で平面プレスする。このとき、第１のプレス工程同様、ある程度の高圧（たとえば、４３０ＭＰａ）でプレスする。それにより、正極が、負極と固体電解質層との積層体に接着される。このような接着は、固体電解質の粒子のアンカー力によるものと考えられる。

最後に、正極タブおよび負極タブを備えたラミネートセルに電極を封入することで、電池が完成する。

以上のようにして作製される従来の電池においては、第２プレス工程において、図７に示すようなクラックが発生しやすかった。

図７において、符号１０、１２、１４はそれぞれ、負極、固体電解質層、正極を示し、負極の面積が正極の面積よりも広くなっている。このように、負極１０の面積と正極１４の面積とを異ならせることで、重ね合わせる際の位置ズレがある程度許容される。すなわち、負極１０と正極１４とを同じ面積寸法で形成した場合には、位置ズレなく重ね合わせる必要があるが、そのような位置合わせは非常に困難であり、時間や手間の観点から不利である。重ね合わせ時の位置ズレは、特に、重ね合わせる電極の数が多い場合（多層の場合）に大きくなる。そのため、重ね合わせ時の位置ズレがある程度許容されるように、正極もしくは負極のいずれかの面積を大きくしておくことが効果的である。

ただし、図７に示すように、負極１０の面積と正極１４の面積とが異なる場合に、高い圧力でプレスすると、面積が広い方の負極１０には、正極１４と重なっている領域にのみ圧力が加わり、その他の領域（周縁領域）には圧力が加わらないことに起因し、クラック（ヒビや剥離等を含む）が発生する。これは、圧力が加わる部分（内側）の負極が変形し、圧力が加わらない部分（外側）の負極は変形しないため、固体電解質層の強度以上に変位すると、この境目の部分でクラックが発生するためであると考えられる。このようなクラックが発生すると、固体電解質層において電気的絶縁性を確保することが難しくなる。

そこで、発明者らは、上記クラックの発生を抑制する技術について鋭意研究を重ね、本発明の電池の製造方法を見出すに至った。
（第１実施形態）

以下、本発明の第１実施形態に係る電池の製造方法について、図１のフロー図を参照しつつ説明する。

第１実施形態に係る電池の製造方法においては、図１に示すように、正極製膜工程および負極製膜工程それぞれにおいて、正極、負極を別々に製膜する。具体的には、正極、負極となるべきペーストを、製膜用フィルム上に塗布する。

製膜された正極は、正極プレス工程においてプレスする。このとき、電池の入出力性能を高めるために、正極を高圧の第１プレス圧（たとえば、６００ＭＰａ）でプレスする。その後、所定の寸法（たとえば１ｃｍ^２）に打ち抜く。

製膜された負極も、負極プレス工程においてプレスする。このとき、電池の入出力性能を高めるために、負極を高圧の第２プレス圧（たとえば、６００ＭＰａ）でプレスする。

そして、負極プレス工程に続く固体電解質層形成工程において、プレスした負極上に、アプリケータを用いて固体電解質用のペーストを、塗工やスプレーなどにより粉末状に塗布して、２０μｍ厚さの固体電解質層を形成する。この工程では、固体電解質層はプレスされない。その後、負極と固体電解質層との積層体を、１．３３ｃｍ^２の寸法に打ち抜く。すなわち、正極に比べて負極のほうが、その面積（積層方向に直交する面の面積）が広くなるように設計されている。

さらに、最終プレス工程として、負極と固体電解質層との積層体の上に正極を重ねて、固体電解質層が介在するように正極合材層と負極合材層とを対向させてプレスする接着工程をおこなう。このときのプレス圧は、第２プレス圧よりも低い第３のプレス圧（たとえば、５０ＭＰａ）である。

最後に、正極タブおよび負極タブを備えたラミネートセルに電極を封入することで、電池が完成する。

以上で示した電池の製造方法では、最終プレス工程の前に、正極層も負極層も高い圧力（第１プレス圧、第２プレス圧）でプレスされて、この段階で電池の入出力性能を高められる。このときのプレス圧は、上述した従来技術におけるクラック発生の虞がないため、ある程度高くすることができる。

その後の最終プレス工程では、そのプレス圧（第３プレス圧）は、電池の入出力性能のために高圧にする必要がない。したがって、第３プレス圧を第２プレス圧よりも低くして、最終プレス工程においてクラックが発生する事態を抑制することができる。

なお、本実施形態において用いることができる正極、負極、固体電解質層の構成や製法は、以下のとおりである。

（正極合材の作製）
正極を構成する正極合材は、たとえば、以下のようにして作製することができる。まず、ＰＰ製容器に、ヘプタン、ＢＲ系バインダーの５ｗｔ％のヘプタン溶液、正極活物質として平均粒径４μｍのＬｉＮｉＣｏＭｎＯ、平均粒径０．８μｍの硫化物固体電解質としてＬｉＩを含むＬｉ２_Ｓ−Ｐ_２Ｓ_５系ガラスセラミック、導電助剤としてＶＧＣＦを容器に加え、超音波分散装置（エスエムテー社製ＵＨ−５０）で３０秒間攪拌する。次に、容器を、振とう器（柴田科学社製 ＴＴＭ−１）で３分間振とうさせ、さらに、超音波分散装置で３０秒間攪拌する。そして、振とう器で３分間振とうした後、アプリケータを使用して、ブレード法により、カーボン塗工Ａｌ箔（昭和電工社製ＳＤＸ）上に塗工する。塗工した電極は、１００℃のホットプレート上で３０分間乾燥させる。

（負極合材の作製）
負極を構成する負極合材は、たとえば、以下のようにして作製することができる。まず、ＰＰ製容器に、ヘプタン、ＢＲ系バインダーの５ｗｔ％のヘプタン溶液、負極活物質として平均粒径１０μｍの天然黒鉛系カーボン（三菱化学製）、平均粒径１．５μｍの硫化物固体電解質としてＬｉＩを含むＬｉ_２Ｓ−Ｐ_２Ｓ_５系ガラスセラミックを容器に加え、超音波分散装置（エスエムテー社製ＵＨ−５０）で３０秒間攪拌する。次に、容器を、振とう器（柴田科学社製 ＴＴＭ−１）で３０分間振とうさせる。振とう器で３０分間振とうした後、アプリケータを使用して、ブレード法にてＣｕ箔上に塗工する。塗工した電極は、１００℃のホットプレート上で３０分間乾燥させる。

（固体電解質層の作製）
固体電解質層用のペーストは、たとえば、以下のようにして作製することができる。ＰＰ製容器に、ヘプタン、ＢＲ系バインダーの５ｗｔ％のヘプタン溶液、平均粒径２．５μｍの硫化物固体電解質としてＬｉＩを含むＬｉ_２Ｓ−Ｐ_２Ｓ_５系ガラスセラミックを加え、超音波分散装置（エスエムテー社製ＵＨ−５０）で３０秒間攪拌する。次に、容器を、振とう器（柴田科学社製 ＴＴＭ−１）で３０分間振とうさせる。その後、アプリケータを用いて、ブレード法にて負極上に塗工する。塗工した負極は、１００℃のホットプレート上で３０分間乾燥させる。

（正極合材）
正極合材は、正極活物質、固体電解質、バインダー、導電助剤（場合によっては増粘剤）の混合体である。正極活物質にはコーティングが実施される。正極活物質は、リチウム二次電池の電極活物質材料として用いられる材料であれば限定されない。たとえば、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ_２）の他、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ_２）、ＬｉＮｉ_１／３Ｍｎ_１／３Ｃｏ_１／３Ｏ_２、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ_２Ｏ_４）、Ｌｉ_１＋ｘＭｎ_{２−ｘ−ｙ}Ｍ_ｙＯ（Ｍが、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｚｎから選ばれる一種以上）で表される組成の異種元素置換Ｌｉ−Ｍｎスピネル、チタン酸リチウム（Ｌｉ_ｘＴｉＯ_ｙ）、リン酸金属リチウム（ＬｉＭＰＯ_４、ＭがＦｅ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ）などを採用することができる。

(活物質コーティング）
活物質コーティングは、リチウムイオン導電性能を有し、かつ、活物質や固体電解質と接触しても流動しない被覆層の形態を維持し得る物質を含有していればよい。被覆層を構成する固体電解質の具体例としては、ＬｉＮｂＯ_３の他、Ｌｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２、Ｌｉ_３ＰＯ_４などがある。

（負極活物質）
負極活物質は、グラファイトの他、ハードカーボンなどの炭素材料（Ｃ）、ＳｉおよびＳｉ合金などを用いることができる。
（固体電解質）
固体電解質は、リチウム二次電池の固体電解質材料として用いられる材料であれば限定されない。たとえば、Ｌｉ_２Ｏ−Ｂ_２Ｏ_３−Ｐ_２Ｏ_５、Ｌｉ_２Ｏ−ＳｉＯ_２などの酸化物系非晶質固体電解質、Ｌｉ_２Ｓ−ＳｉＳ_２、ＳｉＩ−Ｌｉ_２Ｓ−ＳｉＳ_２、ＬｉＩ−Ｌｉ_２Ｓ−Ｐ_２Ｓ_５、ＬｉＩ−Ｌｉ_２Ｓ−Ｐ_２Ｏ_５、ＬｉＩ−Ｌｉ_３ＰＯ_４−Ｐ_２Ｓ_５、Ｌｉ_２Ｓ−Ｐ_２Ｓ_５などの硫化物系非晶質固体電解質、あるいは、ＬｉＩ、Ｌｉ_３Ｎ、Ｌｉ_５Ｌａ_３Ｔａ_２Ｏ_１２、Ｌｉ_７Ｌａ_３Ｚｒ_２Ｏ_１２、Ｌｉ_６、ＢａＬａ_２Ｔａ_２Ｏ_１２、Ｌｉ_３ＰＯ_{（４−３／２ｗ）}Ｎ_{ｗ（ｗ＜１）}、Ｌｉ_３．６Ｓｉ_０．６Ｏ_４などの結晶質酸化物・酸窒化物などがある。

（バインダー）
バインダーは、ブチレンゴム（ＢＲ）、ＰＶｄＦ、ＳＢＲなどを用いることができる。

（導電助剤）
導電助剤は、ＶＧＣＦ、アセチレンブラック（ＡＢ）、ケッチェンブラック（ＫＢ）、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、カーボンナノファイバー（ＣＮＦ）などを用いることができる。

（第２実施形態）
以下、本発明の第２実施形態に係る電池の製造方法について、図２のフロー図を参照しつつ説明する。

第２実施形態に係る電池の製造方法は、固体電解質層が別途に製膜される点において上述した第１実施形態に係る電池の製造方法と異なり、その他の点は第１実施形態に係る電池の製造方法と同一または同様である。すなわち、第１実施形態同様、正極に比べて負極のほうが面積（積層方向に直交する面の面積）が広くなるように設計されている。また、第１実施形態に係る電池の製造方法同様、製膜された負極および正極は、接着工程（最終プレス工程）の前に、ある程度の高圧（たとえば、６００ＭＰａ）でプレスされる。

固体電解質層製膜工程では、固体電解質用のペーストを、アプリケータを用いて、製膜用フィルム（たとえば、Ａｌ箔）上に塗布して、固体電解質層を製膜する。さらに、固体電解質層を乾燥させて、固体電解質層内に含まれる溶液を除去する。

続いて、固体電解質層を、第１実施形態と同様にしてプレスされた負極に転写する。このときの圧力（転写圧）は５０ＭＰａである。

その後、最終プレス工程として、第１の実施形態と同様の積層配置で（すなわち、固体電解質層が介在するように正極合材層と負極合材層とを対向させて）プレスする接着工程をおこなう。このときのプレス圧は２００ＭＰａである。この最終プレスは加熱下（たとえば、１５０℃）でおこなう。

以上で示した第２実施形態においても、最終プレス工程の前に、正極層も負極層も高い圧力でプレスされるため、上述した第１実施形態と同様の効果（すなわち、クラック発生の抑制）を奏する。

加えて、第２実施形態においては、固体電解質層を負極に転写する際に、固体電解質層の溶液が除去されているため、溶液が負極に浸透する事態が防止されている。溶液の電極への浸透は電池性能の低下を招くため、溶液の浸透が防止された本実施形態においては、電池性能の向上が図られている。

また、最終プレス工程において、加熱下においてプレス（加熱プレス）することで、密着性の向上が図られている。

なお、第２実施形態における転写圧は、５０ＭＰａに限らず、２００ＭＰａ以下の範囲において適宜増減してもよい。転写圧が２００ＭＰａを超えた場合（たとえば、３００ＭＰａ）には、固体電解質の粒子がほとんど潰れきってしまいその充填率が９割程度に達するため、最終プレス工程では、高い圧力（たとえば５００ＭＰａ）で高温下（たとえば２００℃）でないと接着されない。この程度の高圧になると、負極にクラックが生じる可能性が高まるため、固体電解質のある程度の潰れ代が確保される２００ＭＰａ以下の転写圧であることが好ましい。

以下、本発明の実施例について、図３の表を参照しつつ説明する。

図３の表に示すように、上述した実施形態のように正極と負極とを別々にプレスした実施例１−６と、上述した従来技術のように負極上で正極をプレスした比較例１、２とにより、それぞれの入出力性能を評価した。

出力の測定は、各実施例により作製した電池を、１／３Ｃ−ＣＣＣＶ充放電した後、ＳＯＣ２０％にまでＳＯＣ調整をおこない、ＳＯＣ２０％から２．５Ｖカットの低ワット放電をおこない、５秒間放電可能な出力を測定した。

入力の測定は、出力測定後に、ＳＯＣ０％から２５℃の１．５Ｃのレートで充電し、このときの充電可能容量を測定した。なお、充電の終了条件は、電池上限電圧に到達するか、５ｍＶ電圧降下のいずれか早い方とした。

入出力性能の評価結果は、図３の表の結果欄、図４のグラフ（出力性能の比較）および図５のグラフ（入力性能の比較）に示すとおりであった。なお、評価結果の数値（パーセンテージ）は、比較例１の入出力性能に対する比を示している。

これらの評価結果から明らかなように、正極と負極とを別々にプレスした実施例１−６のいずれも、負極上で正極をプレスした比較例１の入出力性能よりも高かった。

また、第１実施形態に示したように固体電解質層を負極上で塗工形成した実施例１に比べて、第２実施形態に示したように固体電解質層を負極に転写した実施例２−６のほうが、入出力性能が高くなる傾向があった。これは、実施例２−６では、固体電解質層の溶液の負極への浸透が抑制されたためであると考えられる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。たとえば、上述した実施形態では負極の面積が正極の面積よりも広い態様を示したが、反対に、負極の面積が正極の面積よりも狭い態様であってもよい。

１０…負極、１２…固体電解質層、１４…正極。

Claims (4)

1. 正極層と負極層のうち、積層方向に直交する面の面積が狭い一方の層を第１プレス圧でプレスする工程と、
   正極層と負極層のうち、積層方向に直交する面の面積が広い他方の層を第２プレス圧でプレスする工程と、
   前記他方の層の表面に電解質層を配置するとともに、前記一方の層と前記他方の層との間に前記電解質層が挟まれるように前記一方の層を配置する電解質配置工程と、
   前記正極層、前記電解質層および前記負極層を、前記第２プレス圧より低い第３プレス圧でプレスする最終プレス工程と
   を含む、電池の製造方法。
2. 前記電解質配置工程の際、前記電解質層に対して負荷される圧力が、第３プレス圧より低く、２００ＭＰａ以下である、請求項１に記載の電池の製造方法。
3. 前記最終プレス工程の際、前記電解質層を加熱する、請求項１または２に記載の電池の製造方法。
4. 前記電解質配置工程の際、転写により、前記他方の層の表面に前記電解質層を配置する、請求項１−３のいずれか一項に記載の電池の製造方法。

Images