JP2016177876A - リチウムイオン二次電池用電極、その製造方法及びリチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】大粒径成分である第1の活物質2、小粒径成分である第2の活物質3、バインダー及び導電助剤を含む活物質層1を、第1の活物質2と第2の活物質3との重量比が30:70以上100:0以下である大粒径領域4と、大粒径領域4よりも第1の活物質2の含有量が少ない小粒径領域5とを含んで形成し、大粒径領域4を、リチウムイオン二次電池用電極として非水電解液と接する端部寄りとなるように集電体上に配置する。非水電解液の含浸性が向上し、リチウムイオンの電導性が確保されて、出力特性の向上を図ることができる。
【選択図】 図1
Description
従来、リチウムイオン二次電池の電極を製造する際には、活物質やバインダー、導電助剤等を含む活物質スラリーを調製し、これを集電体の表面に均一に塗布することによって、活物質層が形成されている。
また、例えば特許文献3では、活物質やバインダーと共に活物質平均粒径よりも大きな気孔形成材を添加した電極スラリーを集電体へ塗工し、圧縮した後、気孔形成材を加熱除去することにより、活物質層に活物質平均粒径よりも大きな空隙を形成して、電解液を貯留することで高い出力特性を確保している。
そこで本発明は、高出力が要求されるリチウムイオン二次電池用電極において、電解液の含浸性を向上させることでリチウムイオン伝導性を十分に確保して、高出力特性を向上させうるリチウムイオン二次電池用電極及びリチウムイオン二次電池を提供することを目的としている。
また、本発明の他の態様によれば、少なくとも正極電極及び負極電極のいずれか一方として、上記態様のリチウムイオン二次電池用電極を備えることを特徴とするリチウムイオン二次電池、が提供される。
以下の詳細な説明では、本発明の実施形態の完全な理解を提供するように多くの特定の細部について記載される。しかしながら、かかる特定の細部がなくても1つ以上の実施態様が実施できることは明らかである。他にも図面を簡潔にするために、周知の構造及び装置が略図で示されている。
また、本発明の一実施形態におけるリチウムイオン二次電池用電極は、以下に記載する実施形態に限定され得るものではなく、当業者の知識に基づいて設計の変更などの変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施形態も本発明の実施形態の範囲に含まれ得るものである。
活物質層1は大粒径成分である第1の活物質2と、第1の活物質2の粒径よりも粒径の小さい小粒径成分である第2の活物質3と、図示しないバインダー及び導電助剤等の混合物とを含む。そして、活物質層1には、大粒径成分である第1の活物質2と小粒径成分である第2の活物質3との重量比が規定された大粒径領域4と、大粒径領域4よりも第1の活物質2の含有量が少ない小粒径領域5とが形成されている。
大粒径領域4において、第1の活物質2が30wt%に満たない場合、大粒径領域4において空隙が十分に形成されず発明の効果を十分に得ることができないため、本発明の一実施形態では、大粒径領域4において第1の活物質2は30wt%以上である。
例えば、後述の図4に示す円筒型リチウムイオン二次電池30にリチウムイオン二次電池用電極10が適用される場合には、図2において集電体6の延びる方向、つまり図2において上下方向が、図4に示す円筒型リチウムイオン二次電池30の長手方向となり、リチウムイオン二次電池用電極10は、図4のリチウムイオン二次電池用電極である正極10a、負極10bに示すように、円筒型リチウムイオン二次電池30の長手方向に沿って長い形状となる。以下、集電体6の延びる方向(図2において上下方向)を、リチウムイオン二次電池用電極10の長手方向という。
上記導電助剤の含有量は、本発明の一実施形態では、活物質重量に対して、1重量%以上90重量%未満である。導電助剤の含有量が活物質重量に対して、1重量%未満であると、導電性が不足して電極抵抗が増加する場合があり、90重量%以上であると、活物質量が不足してリチウム吸蔵容量が低下してしまうことがある。
リチウムイオン二次電池用電極10に含まれるバインダーは、本発明の一実施形態では、全活物質重量に対し、3重量%以上40重量%以下である。バインダーが全活物質重量に対し、3重量%より少ない場合、十分な結着をすることできず、40重量%より大きい場合には、電極体積あたりの容量が大きく低下する。本発明の他の実施形態では、バインダーが全活物質重量に対し、3重量%以上25重量%以下である。
本発明の一実施形態におけるリチウムイオン二次電池用電極10は、大粒径成分である第1の活物質2、小粒径成分である第2の活物質3、バインダー及び導電助剤を含み、第1の活物質2と前記第2の活物質3との重量比が30:70以上100:0以下である第1の電極スラリーと、同様に、第1の活物質2、第2の活物質3、バインダー及び導電助剤を含み、第1の活物質2の含有量が第1の電極スラリーよりも少ない第2の電極スラリーとを、集電体上に塗布乾燥し、ロールプレスして作製される。
つまり、大粒径領域4となる第1の電極スラリーは、第1の活物質2と第2の活物質3とバインダー及び導電助剤を含んでいればよく、小粒径領域5となる第2の電極スラリーは、第1の活物質2及び第2の活物質3または第1の活物質2と、バインダー及び導電助剤を含んでいればよい。第2の電極スラリーに含まれる第1の活物質2及び第2の活物質3は、第1の電極スラリーに含まれる第1の活物質2及び第2の活物質3と粒径の異なる同一の物質であればよい。第2の電極スラリーに含まれるバインダー及び導電助剤は、第1の電極スラリーに含まれるバインダー及び導電助剤と同一であってもよく、異なる物質であってもよい。
第1の電極スラリーと第2の電極スラリーとは同じ溶媒で調整されていることが好ましい。上記溶媒は上記バインダー樹脂を溶解可能であれば、特に限定されず、N−メチルピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミド等の有機溶剤や水を用いることができる。
電極スラリーを塗布乾燥した塗膜をプレスすることで、小粒径領域5に合わせて電極密度を調整した場合に、大粒径領域4では活物質粒子間に空隙が残るため、電解液の含浸を促すことができる。活物質層1をプレスする手段としては、特に限定はされず、平板プレス機やロールプレス機等、一般的に用いられる手段を用いることができる。
図4は、本発明におけるリチウムイオン二次電池用電極10を適用した円筒型リチウムイオン二次電池30の一例を示す断面模式図である。
本発明を適用した円筒型リチウムイオン二次電池30は、電池容器としてニッケルメッキを施された鉄製の有底円筒状電池缶11を有している。電池缶11には、帯状の集電体6上に、集電体6の幅方向の両端に大粒径領域4が形成され、両端の2つの大粒径領域4の間に小粒径領域5が形成されてなる正極10a及び負極10bと、セパレータ12とが、断面渦巻状に捲回されて収容されている。
ガスケット16は、短絡防止や電解液の漏出を防止するための部材であり、ポリプロピレン等の絶縁性の物質を用いることができる。
なお、上記実施形態においては、リチウムイオン二次電池用電極として捲回構造を有する場合について説明したが、積層構造を有する場合であっても適用することができる。
<正極の作製>
(実施例1)
活物質として平均粒径(D50)が5μmのリチウムマンガン複合酸化物と、導電助剤としてアセチレンブラックと、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(PVdF)と、をそれぞれ86:8:6の比率で混合してプラネタリーミキサーで混練し、溶媒としてN−メチル−2−ピロリドンを適量添加して粘度調整を施して、第1の正極スラリーを得た。
活物質として平均粒径(D50:メジアン径)が13μmのリチウムマンガン複合酸化物を使用したこと以外は第一の電極スラリーと同様に調整して、第2の正極スラリーを得た。
つまり、第1の正極スラリーは平均粒径が5μmの活物質のみを用い、第2の正極スラリーは平均粒径が13μmの活物質のみを用いた。
塗膜の乾燥後の膜厚は50μmであり、正極集電体としてはアルミニウム箔(15μm厚)を使用した。得られた正極塗膜を、第1の正極スラリーから形成された塗膜の電極密度が2.8g/cm3となるようロールプレスし、正極を完成させた。
第1の正極スラリーの活物質として、平均粒径(D50)が13μmのリチウムマンガン複合酸化物と平均粒径(D50)が5μmのリチウムマンガン複合酸化物とを重量比70:30で混合したものを使用したこと以外は実施例1と同様とした。
すなわち、小粒径領域は平均粒径が5μmと13μmの活物質を重量比70:30で混合して形成し、大粒径領域は平均粒径が13μmの活物質のみで形成した。
第1の正極スラリー及び第2の正極スラリーを同時多層塗布が可能なダイコータにて正極集電体へ塗布する際に、第1の正極スラリーを、約10mmの余白を空けて約45mm幅2条で塗工し、第2の正極スラリーを、第1の正極スラリーの流れ方向両端部に約10mmずつと第1の正極スラリーの余白とに塗布されるようダイコータ内の流路を設計して塗布したこと以外は実施例1と同様とした。
(実施例4)
第2の正極スラリーの活物質として、平均粒径(D50)が13μmのリチウムマンガン複合酸化物と平均粒径(D50)が5μmのリチウムマンガン複合酸化物とを重量比40:60で混合したものを使用したこと以外は実施例1と同様とした。
活物質として平均粒径(D50)が13μmのリチウムマンガン複合酸化物と平均粒径(D50)が5μmのリチウムマンガン複合酸化物とを重量比70:30で混合したこと以外は実施例1の第1の正極スラリーと同様に調整して、第1の正極スラリーを得た。第1の正極スラリーをダイコータにて正極集電体へ均一に塗布乾燥し、得られた塗膜を電極密度が2.8g/cm3となるようロールプレスしたこと以外は実施例1と同様に正極を完成させた。すなわち、正極集電体上に、大粒径領域と小粒径領域とを形成せずに小粒径領域のみを形成した。
第1の正極スラリー及び第2の正極スラリーを同時多層塗布が可能なダイコータにて正極集電体へ塗布する際に、第1の正極スラリーを約20mmの余白を空けて約65mm幅2条で塗工し、第2の正極スラリーを、第1の正極スラリーどうしの間に塗布されるようダイコータ内の流路を設計して塗布したこと以外は、実施例1と同様に正極を完成させた。つまり、大粒径領域を正極集電体の端部に設けなかった。
第1の正極スラリー及び第2の正極スラリーを同時多層塗布が可能なダイコータにて正極集電体へ塗布し、乾燥させて塗膜を得た。正極集電体の、リチウムイオン二次電池用電極10の長手方向の長さは150mmであり、第1の正極スラリーは約50mm幅で塗布し、第2の正極スラリーは、第1の正極スラリーの流れ方向両端部に約50mmずつ塗布されるよう、ダイコータ内の流路を設計して塗布したこと以外は、実施例1と同様に正極を完成させた。
第1の正極スラリーの活物質として、平均粒径(D50)が10μmのリチウムマンガン複合酸化物を使用し、第2の正極スラリーの活物質として平均粒径(D50)が11μmのリチウムマンガン複合酸化物を使用したこと以外は実施例1と同様とした。
(比較例5)
第2の正極スラリーの活物質として、平均粒径(D50)が1μmのリチウムマンガン複合酸化物を増粒して得られた凝集粒子を使用したこと以外は実施例1と同様とした。凝集粒子の平均粒径(D50)は10μmであった。
負極活物質として天然黒鉛、導電助剤としてアセチレンブラック、バインダーとしてスチレンブタジエンゴム、増粘材としてカルボキシメチルセルロースをそれぞれ90:8:1:1の比率で混合してディスパーで混練し、溶媒として純水を適量添加して粘度調整を施して、リチウムイオン二次電池用負極スラリーを得た。
得られた負極スラリーを負極集電体へダイコータにて塗布し、乾燥させて塗膜を得た。負極集電体としては銅箔(10μm厚)を使用した。負極活物質層は正極活物質層の容量と比較して、1.1倍になるように目付け量を調整して塗布した。
上述の手順で得られた正極と負極とを、セパレータ(型番2200、セルガード製)を介して対向させて捲回し、タブ付けして電池缶へ封入した。電解液は、エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DMC)との3:7(体積比)の混合溶液に、LiPF6を1Mとなるように加え、さらにビニレンカーボネート(VC)を2重量%添加したものを使用した。
各実施例および比較例で作製したリチルムイオン二次電池に対して、放電レート試験を行った。充放電時の電圧は3.0V〜4.2Vとした。初めに初期放電容量評価として0.2Cでの定電流充放電を1回行い、続いて1C、5C、10C、20Cで放電レート試験を行った。放電レート試験時の充電はすべて0.2Cで行った。
各実施例および比較例で作製した電池に対して、初期放電容量評価における放電容量を100%としたときの放電容量維持率を、図5に示す。図5において、横軸は放電レート〔C〕、縦軸は、0.2Cで充電したときの、放電容量維持率〔% VS.0.2C〕である。
電極端部に大粒径領域を有する実施例1〜4は、電極面内に大粒径領域を有しない比較例1や大粒径領域が端部に存在しない比較例2よりも、電極端部から電解液が含浸しやすくリチウムイオン伝導性が確保されていると考えられる。また、比較例3は電極端部に大粒径領域を有するが、大粒径領域が大粒径領域外の面積よりも大きいため、活物質が偏在して十分な電子伝導性を確保できなかったと考えられる。さらに比較例4では大粒径活物質と他の小粒径活物質の平均粒径の差が小さいため、プレス後の大粒径領域と小粒径領域における密度や空隙率の違いが小さく、電極端部おいて電解液を浸透させるために十分な空隙が確保できなかったと考えられる。同様に、比較例5では大粒径の凝集体活物質がプレス工程で圧壊されたため、電極端部おいて電解液を浸透させるために十分な空隙が確保できなかったと考えられる。以上より本発明の効果が確認できた。
2 第1の活物質
3 第2の活物質
4 大粒径領域
5 小粒径領域
6 集電体
6a 正極集電体
6b 負極集電体
10 リチウムイオン二次電池用電極
10a 正極
10b 負極
12 セパレータ
30 円筒型リチウムイオン二次電池
Claims (9)
- 大粒径成分である第1の活物質、前記大粒径成分よりも粒径の小さい小粒径成分である第2の活物質、バインダー及び導電助剤を含む活物質層が集電体上に積層され、
前記活物質層は前記第1の活物質と前記第2の活物質との重量比が30:70以上100:0以下である大粒径領域と、前記大粒径領域よりも前記第1の活物質の含有量が少ない小粒径領域とを有し、
前記大粒径領域が、電極として非水電解液と接する端部寄りとなる前記集電体上の領域に形成されていることを特徴とするリチウムイオン二次電池用電極。 - 両端が前記非水電解液に接するリチウムイオン二次電池用電極であって、
前記大粒径領域が、前記非水電解液と接する端部寄りとなる前記集電体上の2つの領域それぞれに形成され、
前記小粒径領域が、前記集電体上に形成された一方の前記大粒径領域と他方の前記大粒径領域との間に形成されていることを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用電極。 - 前記第1の活物質の平均粒径が前記第2の活物質の平均粒径の1.2倍以上、10倍以下であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のリチウムイオン二次電池用電極。
- 前記第1の活物質が前記第2の活物質よりも圧壊しにくい活物質であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用電極。
- 前記活物質層における前記大粒径領域の表面積は前記小粒径領域の表面積よりも小さいことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用電極。
- 前記第1の活物質の平均粒径が5μm以上20μm以下であることを特徴とする請求項1から請求項5のうちのいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用電極。
- 大粒径成分である第1の活物質、前記大粒径成分よりも粒径の小さい小粒径成分である第2の活物質、バインダー及び導電助剤を含み、前記第1の活物質と前記第2の活物質との重量比が30:70以上100:0以下である第1の電極スラリーと、前記第1の活物質の含有量が前記第1の電極スラリーよりも少ない第2の電極スラリーとを、前記第1の電極スラリーが、電極として非水電解液と接する端部寄りとなるように集電体上に塗工する工程と、
前記第1の電極スラリー及び前記第2の電極スラリーが塗工された集電体を、ロールプレスする工程と、を備えることを特徴とするリチウムイオン二次電池用電極の製造方法。 - 少なくとも正極電極及び負極電極のいずれか一方として、請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用電極を備えることを特徴とするリチウムイオン二次電池。
- 活物質層が積層された集電体を重ねて捲回することにより、前記正極電極及び前記負極電極が成形され、
成形された前記正極電極及び前記負極電極の両端が非水電解液に接するようになっていることを特徴とする請求項8に記載のリチウムイオン二次電池。
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JP6609946B2 (ja) | 2019-11-27 |
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