JP2017054637A - 非水電解液二次電池の製造方法 - Google Patents

非水電解液二次電池の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】遷移金属の溶出抑制効果が向上した非水電解液二次電池の製造方法を提供する。【解決手段】非水電解液二次電池の製造方法は、正極活物質としてリチウム含有遷移金属酸化物を含有する正極合材層を備えた非水電解液二次電池の製造方法である。当該製造方法は、正極活物質に対する芳香族ニトリル化合物の質量比率が0.1質量%以上4質量%以下となるように、該正極活物質と該芳香族ニトリル化合物とを混合することにより、混合体を調製するステップ(S101)と、該混合体、導電材、バインダおよび溶媒を混合することにより、造粒体を調製するステップ(S102)と、該造粒体を正極集電体の表面に配置することにより、正極合材層の少なくとも一部を形成するステップ(S103)と、を備える。【選択図】図2

Description

本発明は、非水電解液二次電池の製造方法に関する。
特開2011−77016号公報(特許文献1)には、電解液にアジポニトリルを添加することにより、正極活物質の表面に、該アジポニトリルに由来する被膜を形成する技術が開示されている。
特開2011−77016号公報
非水電解液二次電池の正極活物質として、たとえばLiCoO2等に代表されるリチウム(Li)含有遷移金属酸化物が知られている。Li含有遷移金属酸化物は、その結晶構造(ホスト構造)の隙間に、Liイオン(ゲスト)を可逆的に吸蔵放出することができる。
Li含有遷移金属酸化物において、ホスト構造を構成する遷移金属は、電池の充放電に伴い、酸化還元される。すなわち充電時は、低酸化状態の遷移金属(たとえばCo3+)が電子を放出して高酸化状態(たとえばCo4+)となり、放電時は、高酸化状態の遷移金属が電子を受け取り低酸化状態に戻る。
Li含有遷移金属酸化物の結晶構造は、遷移金属の酸化状態が高くなる程、不安定となる。そのため、たとえば高温サイクル等の使用態様において、Li含有遷移金属酸化物中の遷移金属が、電解液中へと溶出することがある。電解液中に溶出した遷移金属は、負極側へと移動し、負極上に析出する。遷移金属が負極上に析出すると、Liイオンの移動が阻害され、抵抗増加の要因になると考えられる。
特許文献1によれば、電解液にアジポニトリル等の脂肪族ニトリル化合物を添加しておくことにより、正極活物質の表面に被膜が形成され、遷移金属の溶出を抑制できるとされている。しかしながら、その効果は未だ十分とはいえない。
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものである。すなわち本発明の目的は、正極活物質に含有される遷移金属の溶出抑制効果が向上した、非水電解液二次電池の製造方法を提供することである。
〔1〕非水電解液二次電池の製造方法は、正極活物質としてリチウム含有遷移金属酸化物を含有する正極合材層を備えた非水電解液二次電池の製造方法である。当該製造方法は、正極活物質に対する芳香族ニトリル化合物の質量比率が0.1質量%以上4質量%以下となるように、該正極活物質と該芳香族ニトリル化合物とを混合することにより、混合体を調製するステップと、該混合体、導電材、バインダおよび溶媒を混合することにより、造粒体を調製するステップと、該造粒体を正極集電体の表面に配置することにより、正極合材層の少なくとも一部を形成するステップと、を備える。
通常、非水電解液二次電池の正極合材層には、正極活物質の他、導電材、バインダといった各種成分が含有される。特許文献1のように、電解液にニトリル化合物を添加する態様では、正極活物質以外の成分にもニトリル化合物に由来する被膜が付着してしまう。すなわち、被膜を正極活物質の表面に選択的に配置できないため、被膜による溶出抑制効果が十分に発揮されないと考えられる。
上記〔1〕の製造方法では、予め正極活物質と芳香族ニトリル化合物とを混合することにより、正極活物質の表面に芳香族ニトリル化合物を直接付着させる。上記〔1〕の製造方法では、この操作の後に、導電材、バインダ等を追加し、造粒体を調製している。
造粒体とは、正極活物質、バインダ等を含有する造粒粒子(複合粒子)の集合体である。造粒体を、たとえばロール成形によってシート状とし、さらに正極集電体上に配置することにより、正極合材層を形成できる。従来、正極合材層の形成方法としては、正極活物質、バインダ等を多量の溶媒に分散させて塗料(「ペースト」、「スラリー」等とも称される)を形成し、該塗料を正極集電体上に塗工する方法が一般的である。しかしこの方法によると、塗料の形成過程で、芳香族ニトリル化合物が正極活物質の表面から流れ落ちてしまう。正極活物質が多量の溶媒中において攪拌されるためである。
塗料に比して、造粒体は少量の溶媒で形成できる。そのため上記〔1〕の製造方法によれば、芳香族ニトリル化合物を正極活物質の表面に選択的に配置した状態を維持したまま、正極合材層を形成できる。これにより、たとえば初期の充放電時に、正極活物質の表面に芳香族ニトリル化合物に由来する被膜を均一に形成できると考えられる。
さらに上記〔1〕の製造方法では、ニトリル化合物として、芳香族ニトリル化合物を用いる。遷移金属の溶出は、正極活物質の表面における電子の授受に起因すると考えられる。芳香族ニトリル化合物は、正極活物質の表面で電子供与性を示すと考えられる。そのため、正極活物質の表面に、芳香族ニトリル化合物に由来する被膜を均一に形成しておくことにより、電子の授受は当該被膜において生起することになる。これにより遷移金属の溶出が抑制されると考えられる。
ただし、正極活物質に対する芳香族ニトリル化合物の質量比率は、0.1質量%以上4質量%以下とする。上記〔1〕の製造方法では、正極活物質の表面に芳香族ニトリル化合物を選択的に配置しているため、0.1質量%の添加で十分な溶出抑制効果が得られる。しかし、芳香族ニトリル化合物の質量比率が4質量%を超えると、芳香族ニトリル化合物に由来する被膜が余剰のLiイオンとも反応するため、電池容量の低下が大きくなる可能性がある。また厚く形成された被膜が抵抗増加の要因となる可能性もある。
なお上記〔1〕の製造方法では、芳香族ニトリル化合物を含有する造粒体を用いて、正極合材層全体を形成してもよいし、正極合材層の一部分を形成してもよい。
〔2〕上記〔1〕の製造方法において、正極合材層は以下のように形成されることが好ましい。正極合材層は、正極集電体の表面に沿って、長手方向に延びるように形成される。長手方向と直交する幅方向において、正極合材層は、中央部と、該中央部を挟む第1端部および第2端部とを含む。中央部は、芳香族ニトリル化合物を含まない。第1端部および第2端部は、造粒体を含む。正極合材層の全幅をW0、第1端部の幅をW1、第2端部の幅をW2とするとき、正極合材層は、下記式(I):
0.33%≦{(W1+W2)/W0}×100≦9.56% (I)
を満たすように形成される。
遷移金属の溶出は、正極合材層の幅方向の両端部(第1端部および第2端部)において顕著である。通常、非水電解液二次電池では、負極合材層の面積が、正極合材層の面積より大きく、正極合材層の全面が負極合材層と対向するように設計されている。ここでは、負極合材層のうち、正極合材層と対向する部分を「対向部」と称し、正極合材層と対向しない余分な部分を「非対向部」と称することにする。
非対向部は、正極合材層と対向しないため、正極合材層から直接Liイオンを受け取ることはない。しかし、Liイオンが負極合材層中を拡散するため、対向部から非対向部へとLiイオンが拡散することがある。ゆえに非対向部と隣接する正極合材層の両端部では、正極合材層の中央部に比し、多くのLiイオンを負極合材層へと供給することになる。これにより、正極合材層の両端部では、正極合材層の中央部に比し、正極電位が上昇しやすくなり、遷移金属の溶出が起こりやすくなると考えられる。
正極合材層の両端部で局所的に遷移金属の溶出が起こると、該正極合材層と対向する負極合材層の両端部において、抵抗が増加し、局所的にLiが析出する可能性がある。
上記〔2〕の製造方法では、正極合材層の両端部(すなわち第1端部および第2端部)に、芳香族ニトリル化合物を含有する造粒体を局所的に配置する。中央部は、芳香族ニトリル化合物を含有しない。これにより、芳香族ニトリル化合物の添加による悪影響(たとえば容量低下等)を最小限としつつ、遷移金属の溶出を効率的に抑制できる。
上記式(I)に示すように、芳香族ニトリル化合物を含有する造粒体が配置される両端部の幅比率(百分率)は、正極合材層の全幅に対して、好ましくは0.33%以上9.56%以下とする。かかる範囲において、遷移金属の溶出抑制効果が大きく、さらに容量低下および抵抗増加が少ないためである。
なお中央部は、たとえば芳香族ニトリル化合物を含有しない造粒体から形成してもよいし、あるいは芳香族ニトリル化合物を含有しないペーストを塗工することにより形成してもよい。
上記によれば、正極活物質に含有される遷移金属の溶出抑制効果が向上した非水電解液二次電池の製造方法が提供される。
本発明の実施形態に係る非水電解液二次電池の製造方法の概略を示すフローチャートである。 正極製造ステップの概略を示すフローチャートである。 配置ステップを図解する概略図である。 正極の構成の一例を示す概略図である。 負極の構成の一例を示す概略図である。 電極群の構成の一例を示す概略図である。 非水電解液二次電池の構成の一例を示す概略断面図である。
以下、本発明の実施形態(以下「本実施形態」と記す)の一例を説明する。ただし本実施形態は、以下の説明に限定されるものではない。以下の説明では、非水電解液二次電池を単に「電池」と記す場合がある。
<非水電解液二次電池の製造方法>
本実施形態の非水電解液二次電池の製造方法は、正極活物質としてリチウム含有遷移金属酸化物を含有する正極合材層を備えた非水電解液二次電池の製造方法である。図1は、本実施形態の非水電解液二次電池の製造方法の概略を示すフローチャートである。非水電解液二次電池の製造方法は、正極製造ステップ(S100)、負極製造ステップ(S200)、電極群製造ステップ(S300)、ケース収容ステップ(S400)および注液ステップ(S500)を備える。以下、各ステップを説明する。
《正極製造ステップ(S100)》
正極製造ステップでは、たとえば図4に示す正極100を製造する。
図2は、正極製造ステップの概略を示すフローチャートである。図2に示すように、正極製造ステップは、予備混合ステップ(S101)、造粒ステップ(S102)および配置ステップ(S103)を含む。すなわち、非水電解液二次電池の製造方法が、予備混合ステップ、造粒ステップおよび配置ステップを備えることになる。予備混合ステップ、造粒ステップおよび配置ステップは、この順に実行される。
《予備混合ステップ(S101)》
予備混合ステップでは、正極活物質と芳香族ニトリル化合物とを混合することにより、混合体を調製する。
(正極活物質)
本実施形態では、正極活物質としてLi含有遷移金属酸化物を用いる。Li含有遷移金属酸化物は、ホスト構造を構成する遷移金属原子および酸素原子と、ゲストであるLiイオンとを含む。ホスト構造は、たとえば層状岩塩型構造、スピネル型構造、オリビン型構造等で有り得る。Li含有遷移金属酸化物としては、たとえばLiCoO2、LiNiO2、一般式LiNiaCob2(ただし式中、a+b=1、0<a<1、0<b<1である。)で表される化合物、LiMnO2、LiMn24、一般式LiNiaCobMnc2(ただし式中、a+b+c=1、0<a<1、0<b<1、0<c<1である。)で表される化合物(たとえばLiNi1/3Co1/3Mn1/32等)、LiFePO4等が挙げられる。Li含有遷移金属酸化物は1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
Li含有遷移金属酸化物は、添加元素として、たとえばマグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、珪素(Si)、カリウム(K)、カルシウム(Ca)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)、ルビジウム(Rb)、ストロンチウム(Sr)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)およびタングステン(W)等を含有していてもよい。ホスト構造の一部をこれらの元素で置換することにより、遷移金属の溶出を抑制できる場合もある。特に添加元素は、Zr、Ti、MgおよびWからなる群より選択される少なくとも1種であることが好ましい。添加量は、たとえば0.01〜1.0mоl%程度であってもよい。添加元素は、Li含有遷移金属酸化物に固溶していてもよいし、Li含有遷移金属酸化物の表面に担持されているだけでもよい。
(芳香族ニトリル化合物)
芳香族ニトリル化合物は、液体であってもよいし、固体(粉末)であってもよい。芳香族ニトリル化合物およびこれに由来する被膜は、正極活物質の表面において電子供与性を示し、遷移金属の溶出を抑制すると考えられる。本実施形態の芳香族ニトリル化合物は、下記化学式(i):
Ar−(CN)n (i)
で表される化合物を示す。
上記化学式(i)中、Arは置換されていてもよい芳香族基(アリール基)を示す。(CN)はニトリル基を示す。nは1以上の整数である。すなわち芳香族ニトリル化合物は、ニトリル基を複数有していてもよい。ニトリル基は、芳香族基に直接結合していてもよいし、芳香族基に結合した置換基(たとえばアルキル基等)に結合していてもよい。
芳香族基は、芳香族炭化水素基でもよいし、芳香族複素環基でもよい。芳香族炭化水素基としては、たとえばフェニル基、ナフチル基、アントラニル基等が挙げられる。芳香族複素環基としては、たとえばフリル基、ピリジニル基、チエニル基、キノリル基、インドリル基等が挙げられる。
芳香族ニトリル化合物は、ニトリル基を少なくとも一つ有する限り、ニトリル基以外に、芳香族基に結合した置換基を有していてもよい。そうした置換基としては、たとえば炭素数が1〜10の直鎖状もしくは分岐状のアルキル基、ハロゲン原子、カルボキシ基、炭素数が1〜10の直鎖状もしくは分岐状のアルコキシ基およびニトロ基等が挙げられる。
芳香族ニトリル化合物の具体例としては、たとえばベンゾニトリル、2−メチルベンゾニトリル、3−メチルベンゾニトリル、4−メチルベンゾニトリル、4−フルオロ−3−メチルベンゾニトリル等が挙げられる。芳香族ニトリル化合物は、1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
正極活物質と芳香族ニトリル化合物との混合操作には、一般的な混合装置、攪拌装置、造粒装置等を用いることができる。たとえばプラネタリミキサ、ハイスピードミキサ(アーステクニカ社製)等を用いることができる。
具体的な操作としては、たとえば混合装置の混合槽に、所定量の正極活物質と、芳香族ニトリル化合物とを投入し、攪拌、混合することにより、混合体を調製できる。攪拌羽根の回転速度、混合時間等は、処理量等に応じて適宜変更できる。この際、正極活物質に対する芳香族ニトリル化合物の質量比率が0.1質量%以上4質量%以下となるように、正極活物質と芳香族ニトリル化合物とを混合する。本発明者の検討では、当該質量比率が0.1質量%の場合に十分な効果が実証されている。また同質量比率が4質量%を超えると、電池容量の低下、抵抗増加等が引き起こされる可能性がある。該質量比率は、0.1質量%以上4質量%以下である限り、たとえば0.1質量%以上2質量%以下であってもよいし、2質量%以上4質量%以下であってもよい。
《造粒ステップ(S102)》
造粒ステップでは、予備混合ステップで得た混合体、導電材、バインダおよび溶媒を混合することにより、造粒体を調製する。造粒ステップは、予備混合ステップで用いた混合装置内において、予備混合ステップに引き続いて実行することができる。
たとえば、混合装置の混合槽内で、混合体を調製した後、該混合槽に、導電材、バインダおよび溶媒を追加投入し、攪拌、混合することにより、造粒体を調製できる。造粒体の固形分は、正極活物質を、たとえば80〜98質量%程度含有するように調製される。ここで固形分とは混合物(造粒体等)において溶媒以外の成分を示す。造粒体の固形分は、後に正極合材層を構成することになる。
(導電材)
造粒体の固形分は、導電材を、たとえば1〜10質量%程度含有するように調製される。導電材は、特に限定されない。導電材は、たとえばアセチレンブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック類であってもよい。あるいは導電材として、黒鉛等を用いてもよい。
(バインダ)
造粒体の固形分は、バインダを、たとえば1〜10質量%程度含有するように調製される。バインダは特に限定されない。バインダは、たとえばポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等であってもよい。あるいはバインダは、フッ化ビニリデン(VDF)、テトラフルオロエチレン(TFE)等の単量体と、その他の単量体との共重合体であってもよい。VDFまたはTFEと共重合可能な単量体としては、たとえばヘキサフルオロプロピレン(HFP)、エチレン、パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)等が挙げられる。共重合体は、交互共重合体、ランダム共重合体、グラフト共重合体、ブロック共重合体等であってもよい。
(溶媒)
溶媒は、バインダ等に応じて適宜選択できる。溶媒には、たとえばN−メチル−2−ピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、イソプロピルアルコール(IPA)、水等を用いることができる。
溶媒の使用量は、混合物が塗料化せず、かつ所定の粒子凝集による複合化(造粒)が起こる量とする。溶媒は、たとえば造粒体の固形分比率が70〜80質量%となるように調製される。ここで固形分比率とは、混合物(造粒体等)において溶媒以外の成分が占める質量比率を示すものとする。
《配置ステップ(S103)》
配置ステップでは、造粒体を正極集電体の表面に配置することにより、正極合材層の少なくとも一部を形成する。配置ステップでは、造粒体を用いて正極合材層全体を形成してもよいし、正極合材層の一部分を形成してもよい。以下では、一例として、正極合材層の幅方向の両端部に、芳香族ニトリル化合物を含有する造粒体を配置する態様を説明する。以下では、便宜上、芳香族ニトリル化合物を含有する造粒体を「第1造粒体」と、芳香族ニトリル化合物を含有しない造粒体を「第2造粒体」と記す。第2造粒体は、芳香族ニトリル化合物を添加しないことを除いては、第1造粒体と同様にして調製できる。
図3は、配置ステップを図解する概略図である。電極製造装置90は、供給部95と、3本のロール(Aロール91、Bロール92およびCロール93)とから構成される。各ロールに描かれた曲線矢印は、各ロールの回転方向を示している。
供給部95は、内部で第1端部供給部95A、中央部供給部95Bおよび第2端部供給部95Cに仕切られている。芳香族ニトリル化合物を含有する第1造粒体は、第1端部供給部95Aおよび第2端部供給部95Cに供給される。中央部供給部95Bには、芳香族ニトリル化合物を含有しない第2造粒体を供給する。
供給部95は、第1造粒体および第2造粒体を、Aロール91とBロール92とのギャップに供給する。第1造粒体および第2造粒体は、Aロール91またはBロール92の軸方向において、第1端部供給部95A、中央部供給部95Bおよび第2端部供給部95Cに対応する位置に、それぞれ供給される。AロールとBロールとのギャップでは、第1造粒体および第2造粒体が圧密され、シート状に成形される。ここで第1造粒体と第2造粒体とは一体となる。シート状となった造粒体の目付量(単位面積あたりの質量)は、ロール間のギャップによって調整可能である。
次いで、シート状となった造粒体を正極集電体の表面に配置する。図3に示すように、正極集電体101はCロール93上を搬送され、Bロール92とCロール93とのギャップに供給される。正極集電体は、たとえばAl箔等のシート部材でよい。第1造粒体および第2造粒体は、Aロール91とBロール92とのギャップを出た後、Bロール92上を搬送され、Bロール92とCロール93とのギャップに供給される。
Bロール92とCロール93とのギャップでは、第1造粒体および第2造粒体が正極集電体101に押しつけられ、第1造粒体および第2造粒体は、Bロール92から離れて、正極集電体101の表面に圧着される。換言すれば、第1造粒体および第2造粒体が正極集電体の表面に転写される。こうして第1造粒体および第2造粒体が正極集電体の表面に配置され、正極合材層102が形成される。すなわち造粒体(第1造粒体)が正極集電体101の表面に配置されることにより、正極合材層102の少なくとも一部(両端部)が形成される。
造粒体を正極集電体上に配置した後、造粒体に残存する溶媒を揮発させるために、乾燥操作を行ってもよい。乾燥操作は、たとえばCロール93以降のパスライン上に設けられた熱風乾燥炉(図示せず)をおいて行われる。また一方の表面に造粒体が配置された正極集電体を再度Cロール93に供給することにより、正極集電体の両方の表面に造粒体を配置することもできる。
正極集電体上に配置された造粒体は、正極合材層となる。その後、正極合材層の厚さおよび密度を調整するために、圧縮操作を行ってもよい。圧縮操作は、たとえばロール圧延機を用いて行われる。
最後に、たとえばスリッタ等を用いて所定のサイズに切断加工することにより、たとえば図4に示す正極100が完成する。
図4は、正極の構成の一例を示す概略図である。正極100は、帯状のシート部材である。図4に示すように、正極合材層102は、正極集電体101の表面に沿って、長手方向LDに延びるように形成されている。正極集電体の厚さは、たとえば10〜25μm程度である。正極合材層の厚さは、たとえば20〜150μm程度である。
正極合材層102は、供給部95内の仕切り(第1端部供給部95A、中央部供給部95Bおよび第2端部供給部95C)に対応して、3つの部分から構成されている。すなわち正極合材層102は、長手方向LDと直交する幅方向WDにおいて、中央部102Bと、中央部102Bを挟む第1端部102Aおよび第2端部102Cとを含むように形成されている。
中央部102Bは、芳香族ニトリル化合物を含有しない第2造粒体から形成されている。換言すれば、中央部102Bは、芳香族ニトリル化合物を含まないように形成されている。第1端部102Aおよび第2端部102Cは、芳香族ニトリル化合物を含有する第1造粒体を含むように形成されている。このように、芳香族ニトリル化合物を含有する第1造粒体を正極合材層の両端部に局所的に配置することにより、遷移金属の溶出を効率的に抑制できる。正極合材層の両端部は、遷移金属の溶出量が特に多い部分であるためである。
本実施形態では、正極合材層102の全幅をW0、第1端部102Aの幅をW1、第2端部102Cの幅をW2とするとき、正極合材層は、上記式(I)を満たすように形成することが好ましい。これにより、遷移金属の溶出抑制効果を高め、さらに容量低下および抵抗増加を抑制することができる。
上記式(I)において、「(W1+W2)/W0×100」は、正極合材層の全幅に対する両端部(第1端部および第2端部)の幅比率(百分率)を示す。全幅に対する幅比率は、0.33%以上9.56%以下である限り、たとえば0.33%以上4.12%以下であってもよいし、4.12%以上9.56%以下であってもよい。第1端部の幅(W1)と第2端部の幅(W2)とは、同じであってもよいし、互いに異なっていてもよい。ただし、生産性等を考慮すると、W1とW2とは同じ幅であることが好ましい。
なお供給部95(図3を参照のこと)内の仕切りを無くすことにより、芳香族ニトリル化合物を含有する造粒体を用いて、正極合材層全体を形成してもよい。その場合も、造粒体において、正極活物質の表面に芳香族ニトリル化合物が配置されているため、遷移金属の溶出抑制効果は示される。また中央部は、造粒体ではなく塗料から形成してもよい。その場合、芳香族ニトリル化合物を含有しない塗料を用いることが好ましい。
以上、正極製造ステップを説明した。本実施形態の製造方法は、上記の正極製造ステップを備える限り、その他のステップは特に限定されない。以下、正極製造ステップ以外の各ステップの一例を説明する。
《負極製造ステップ(S200)》
負極製造ステップでは、たとえば図5に示す負極200を製造する。図5は、負極の構成の一例を示す概略図である。負極200は、帯状のシート部材である。負極200は、負極集電体201と、負極集電体201の表面に形成された負極合材層202とを含む。負極集電体は、たとえば銅(Cu)箔等のシート部材でよい。負極集電体の厚さは、たとえば5〜25μm程度である。負極合材層の厚さは、たとえば20〜150μm程度である。
先ず、負極活物質を含有する負極合材を調製する。負極合材は、前述の造粒体に調製してもよいし、溶媒中に分散させてペーストに調製してもよい。
たとえば、所定の混合装置を用いて、負極活物質、増粘材およびバインダ等を溶媒中で混練することにより、ペースト状の負極合材(以下「負極合材ペースト」と称する)を調製できる。ペーストの溶媒には、たとえば水等を用いることができる。
負極合材は、負極活物質を、たとえば95〜99質量%程度含有するように調製される。負極活物質は、たとえば黒鉛、易黒鉛化性炭素、難黒鉛化性炭素等の炭素系負極活物質であってもよいし、珪素(Si)、錫(Sn)等を含有する合金系負極活物質であってもよい。
負極合材は、増粘材を、たとえば0.5〜2.5質量%程度含有するように調製される。増粘材は、たとえばカルボキシメチルセルロースナトリウム(CMC−Na)、ポリアクリル酸ナトリウム(PAA−Na)、ポリビニルアルコール(PVA)等であってもよい。
負極合材は、バインダを、たとえば0.5〜2.5質量%程度含有するように調製される。バインダは、たとえばスチレンブタジエンゴム(SBR)、アクリロニトリルブタジエンゴム(NBR)、PTFE等であってもよい。
負極合材ペーストを調製した後、負極合材ペーストを負極集電体の表面に塗工し、乾燥させることにより、負極合材層を形成する。負極合材ペーストの塗工には、たとえばダイコータ、グラビアコータ等を用いることができる。その後、たとえばロール圧延機を用いて負極合材層を圧縮し、スリッタ等を用いて所定の寸法に裁断することにより、負極を製造することができる。
《電極群製造ステップ(S300)》
電極群製造ステップでは、正極および負極を用いて電極群を製造する。図6は、電極群の構成の一例を示す概略図である。図6に示す電極群800は、巻回型の電極群である。電極群800は、たとえば所定の巻回装置を用いて、正極100と負極200との間にセパレータ300が介在するように、これらを積層し、さらに巻回することにより製造できる。巻回後、電極群の外形が扁平状となるように、プレス成形を行ってもよい。プレス成形には、たとえば平板プレス機等が用いられる。
セパレータは、たとえばポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)等のポリオレフィン系樹脂から構成される微多孔膜であってもよい。セパレータは、単一の層から構成されていてもよいし、複数の層から構成されていてもよい。たとえばセパレータは、PEの微多孔膜からなる単一層であってもよいし、PEの微多孔膜とPPの微多孔膜とがPP/PE/PPの順に積層された3層構造であってもよい。セパレータは、その表面に耐熱層を有していてもよい。耐熱層は、たとえばアルミナ等の無機フィラー、アラミド等の耐熱性樹脂等から構成される。セパレータの厚さは、たとえば5〜30μm程度である。
《ケース収容ステップ(S400)》
ケース収容ステップでは、電極群を電池ケースに収容する。図7は、非水電解液二次電池の構成の一例を示す概略断面図である。たとえば図7に示すように、電極群800は、電池ケース500に収容される。この際、電極群800は、電池ケース500に設けられた外部端子501,502と接続される。
図7に示す電池ケース500は、角形の電池ケースである。電池ケース500は、典型的には、有底角形のケース本体と、蓋とから構成される。電池ケース500の材質は、たとえばAl合金等である。図示していないが、電池ケース500には、注液口、安全弁、電流遮断機構等が設けられていてもよい。
《注液ステップ(S500)》
注液ステップでは、電池ケースに電解液を注入する。電解液600は、たとえば電池ケース500に設けられた注液口(図示せず)から注入できる。注入後、注液口は、所定の手段で封止される。これにより電池ケースが密閉され、非水電解液二次電池1000が完成する。
電解液は、非プロトン性溶媒に、支持塩としてLi塩を溶解させた液体電解質である。非プロトン性溶媒には、たと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)、ブチレンカーボネート(BC)およびγ−ブチロラクトン(γBL)等の環状カーボネート類、ならびにジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)およびジエチルカーボネート(DEC)等の鎖状カーボネート類等を用いることができる。これらの非プロトン性溶媒を2種以上混合して混合溶媒としてもよい。混合溶媒において、環状カーボネート類と鎖状カーボネート類との体積比は、たとえば環状カーボネート類:鎖状カーボネート類=1:9〜5:5程度でよい。かかる範囲において、電気伝導率と電気化学的な安定性とのバランスが良い。
Li塩には、たとえばLiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、Li[(FSO22N](略称「LiFSI」)、Li[(CF3SO22N](略称「LiTFSI」)、Li[CF3SO3]等を用いることができる。電解液は2種以上のLi塩を含有していてもよい。Li塩の濃度は、たとえば0.5〜2.0mоl/l(モル/リットル)程度(典型的には0.8〜1.2mоl/l程度)である。
電解液は、上記の成分の他、添加剤を含有していてもよい。添加剤としては、たとえば、Li[(C242B](略称「LiBOB」)、Li[(C24)BF2]、Li[(C242PF2]等のオキサラト錯体をアニオンとするLi塩、ビニレンカーボネート(VC)、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、エチレンサルファイト(ES)、プロパンスルトン(PS)、Li[PO22]、シクロヘキシルベンゼン(CHB)、ビフェニル(BP)等を用いることができる。
以上、角形電池を例にとって本実施形態を説明したが、本実施形態は角形電池に限定されない。本実施形態は、たとえば円筒形電池、ラミネート式電池等に適用してもよい。電極群も巻回型に限定されない。電極群は、積層型(「スタック型」とも称される)としてもよい。上記のように、本実施形態によれば、正極合材層の幅方向の両端部における遷移金属の溶出を効率的に抑制できる。その結果、負極合材層の幅方向の端部におけるLi析出も抑制できると考えられる。したがって本実施形態は、Li析出耐性(充電時にLi析出が起こりにくいこと)が重視される車載用途の非水電解液二次電池に、特に好適である。
<非水電解液二次電池の製造>
以下のようにして、各種製造方法によって非水電解液二次電池を製造し、電池性能を評価した。
《実施例1》
以下の材料を準備した
正極活物質:LiNi1/3Co1/3Mn1/32(Zrが0.5mоl%添加されたもの)
導電材 :アセチレンブラック
バインダ :PVDF
芳香族ニトリル化合物:ベンゾニトリル
溶媒 :NMP
正極集電体:Al箔(A8021材、厚さ15μm)。
1.正極製造ステップ(S100)
1−1.予備混合ステップ(S101)
プラネタリミキサの混合槽に、正極活物質に対する芳香族ニトリル化合物の質量比率が0.1質量%となるように、正極活物質と芳香族ニトリル化合物とを投入し、混合することにより混合体を調製した。
1−2.造粒ステップ(S102)
プラネタリミキサの混合槽に、導電材、バインダおよび溶媒を追加投入し、混合体、導電材、バインダおよび溶媒を混合することにより、第1造粒体を調製した。第1造粒体の固形分の配合は、質量比で、正極活物質:導電材:バインダ=90:8:2となるように調整した。溶媒量は、第1造粒体の固形分比率が77質量%となるように調整した。第1造粒体に含まれる造粒粒子の粒径は、0.2〜3.0mm程度まで複合化していた。
また予備混合ステップを行わないことを除いては、第1造粒体と同様にして、芳香族ニトリル化合物を含有しない第2造粒体を調製した。
1−3.配置ステップ(S103)
図3に示す電極製造装置90に、第1造粒体および第2造粒体を供給することにより、各造粒体を正極集電体101の表面に配置し、正極合材層102を形成した。上記式(I)に示す全幅に対する両端部の幅比率は、「0.33%」に調整した。中央部は、第1造粒体を含まず、第2造粒体を含む部分である。前述のとおり、第1造粒体は芳香族ニトリル化合物を含有する造粒体であり、第2造粒体は芳香族ニトリル化合物を含有しない造粒体である。すなわち中央部は、芳香族ニトリル化合物を含まないように形成された。
上記と同様にして、正極集電体のもう一方の表面(裏面)にも正極合材層を配置した。さらに所定の寸法に加工することにより、図4に示す正極100を製造した。
2.負極製造ステップ(S200)
以下の材料を準備した
負極活物質:黒鉛
増粘材 :CMC−Na
バインダ :SBR
溶媒 :水
負極集電体:Cu箔。
プラネタリミキサの混合槽に、負極活物質、増粘材、バインダおよび溶媒を投入し、混練した。これにより負極合材ペーストを調製した。負極合材ペーストにおける固形分の配合は、質量比で負極活物質:増粘材:バインダ=98:1:1とした。
ダイコータを用いて、負極合材ペーストを負極集電体の表面に塗工し、乾燥させた。これにより負極合材層を形成した。圧延ローラを用いて、負極合材層を所定の厚さに圧縮し、さらにスリッタを用いて、所定の寸法に裁断した。こうして図5に示す負極200を製造した。
3.電極群製造ステップ(S300)
巻回装置を用いて、正極と負極との間にセパレータが介在するように、これらを積層し、巻回した。これにより巻回体を得た。平板プレス機を用いて、巻回体を扁平状に成形した。こうして図6に示す電極群800を得た。
4.ケース収容ステップ(S400)
角形の電池ケースを準備した。図7に示すように、電極群800と外部端子501,502とを接続し、電極群800を電池ケース500に収容した。
5.注液ステップ(S500)
以下の組成を有する電解液を準備した
混合溶媒:[EC:DMC:EMC=3:4:3]
Li塩 :LiPF6(1mоl/l)。
電池ケースに設けられた注液口から、電解液を注入し、電池ケースを密閉した。以上の製造方法により、実施例1に係る非水電解液二次電池(定格容量=4Ah)を製造した。
6.初期充放電
以下に示す条件で初期充放電を行った。ここで電流値の単位「C」は電池の定格容量を1時間で放電しきる電流を示すものとする。また「CC」は定電流を、「CV」は定電圧を、「CCCV」は定電流−定電圧方式をそれぞれ示すものとする。
充電:CC電流=1C、カット電圧=4.1V
放電:CC電流=1/3C、カット電圧3.0V。
《実施例2および3》
実施例2および3では、表1に示すように、予備混合ステップにおいて、正極活物質に対する芳香族ニトリル化合物の質量比率を変更した。さらに電極製造装置の供給部内の仕切り位置を変更することにより、上記式(I)に示す正極合材層の全幅に対する両端部の幅比率を、「4.12%」、「9.56%」にそれぞれ調整した。これらを除いては、実施例1と同様にして、実施例2および3に係る非水電解液二次電池を製造した。
Figure 2017054637
《比較例1》
比較例1では、芳香族ニトリル化合物を添加することなく、正極活物質、導電材、バインダおよび溶媒を混合することにより、造粒体を調製した。図3に示す電極製造装置90において、供給部95を、内部に仕切りのない供給部とした電極製造装置を準備した。造粒体を電極製造装置に供給することにより、造粒体を正極集電体の表面に配置し、正極合材層全体を形成した。これらを除いては、実施例1と同様にして、非水電解液二次電池を製造した。比較例1は、芳香族ニトリル化合物を使用しない比較例である。
《比較例2》
比較例2では、予備混合ステップを行わず、正極活物質、芳香族ニトリル化合物、導電材、バインダおよび溶媒を一括混合することより、正極合材層となるべき混合物を調製した。混合物において、正極活物質に対する芳香族ニトリル化合物の質量比率は2質量%とした。しかし比較例2では、混合物の固形分比率を69質量%としたため、所定の凝集が起こらず、造粒体は形成できなかった。この混合物を図3に示す電極製造装置(供給部に仕切りのないもの)に供給することにより、正極合材層全体を形成した。これらを除いては、比較例1と同様にして、非水電解液二次電池を製造した。比較例2は、芳香族ニトリル化合物を使用するが、造粒体は形成しない比較例である。また比較例2は、芳香族ニトリル化合物が正極合材層全体に一様に分布した比較例でもある。
《比較例3》
比較例3では、予備混合ステップを行わず、正極活物質、導電材、バインダおよび溶媒を一括混合することより、造粒体を調製した。その後、造粒体に芳香族ニトリル化合物を添加して混合した。造粒体において、正極活物質に対する芳香族ニトリル化合物の質量比率は2質量%とした。これらを除いては、比較例1と同様にして、非水電解液二次電池を製造した。比較例3は、製造方法が予備混合ステップを含まない比較例である。また比較例3は、芳香族ニトリル化合物が正極合材層全体に一様に分布した比較例でもある。
《比較例4》
比較例4では、電解液に芳香族ニトリル化合物を添加した。芳香族ニトリル化合物の添加量は、電池内に含まれる正極活物質の量に対して2質量%とした。これを除いては、比較例1と同様にして、非水電解液二次電池を製造した。比較例4は、電解液に芳香族ニトリル化合物を添加した比較例である。
《比較例5》
比較例5では、正極活物質に対する芳香族ニトリル化合物の質量比率を5質量%に変更した。さらに上記式(I)に示す両端部の幅比率を「4.15%」に調整することを除いては、実施例1と同様にして、非水電解液二次電池を製造した。比較例5は、正極活物質に対する芳香族ニトリル化合物の質量比率が4質量%を超える比較例である。
《比較例6》
比較例6では、予備混合ステップを行わずに、正極活物質、芳香族ニトリル化合物、導電材、バインダおよび溶媒を一括混合することにより、造粒体を調製した。実施例2等と同様にして、正極合材層の両端部に、芳香族ニトリル化合物を含有する造粒体を配置し、中央部に芳香族ニトリル化合物を含有しない第2造粒体を配置した。正極合材層の全幅に対する両端部の幅比率は「4.13%」に調整した。比較例6は、芳香族ニトリル化合物を含有する造粒体を、正極合材層の両端部に局所的に配置したが、製造方法が予備混合ステップを含まない比較例である。
《比較例7》
比較例7では、正極活物質、芳香族ニトリル化合物、導電材、バインダおよび溶媒を一括混合することにより、正極合材ペースト(塗料)を調製した。正極活物質に対する芳香族ニトリル化合物の質量比率は、2質量%とした。正極合材ペーストの固形分比率は、63質量%とした。ダイコータを用いて、正極合材ペーストを正極集電体の表面に塗工し、乾燥させることにより、正極合材層を形成した。これらを除いては、実施例1と同様にして、非水電解液二次電池を製造した。
《比較例8》
比較例8では、芳香族ニトリル化合物に代えて、スルホン酸エステル化合物(ベンゼンスルホン酸メチル)を用いて造粒体を調製した。スルホン酸エステル化合物を含有する造粒体が正極合材層の両端部に配置され、第2造粒体(無添加品)が正極合材層の中央部に配置されるようにして、正極合材層を形成した。正極合材層の全幅に対する両端部の幅比率は、「4.1%」に調整した。これらを除いては、実施例1と同様にして、非水電解液二次電池を製造した。
<電池性能の評価>
以下のようにして、上記の各製造方法によって製造された各非水電解液二次電池の性能を評価した。
1.初期容量の測定
以下の条件でCCCV充放電を行い、初期容量(放電容量)を測定した。結果を表2に示す。表2の初期容量の欄に示す数値は、電池の初期容量を、正極活物質の質量で除した値である。
CCCV充電:CC電流=1C、CV電圧=4.1V、カット電流=0.01C
CCCV放電:CC電流=1C、CV電圧=3.0V、カット電流=0.01C。
2.高温サイクル試験(抵抗増加率の測定)
以下の条件でフルレンジサイクルを500サイクル実施した。
試験温度:60℃
充電 :CC電流=2C、カット電圧=4.1V
放電 :CC電流=2C、カット電圧=3.0V。
500サイクル後、上記「1.初期容量の測定」と同条件でサイクル後容量を測定した。サイクル後容量を初期容量で除することにより、サイクル後容量維持率(百分率)を求めた。結果を表2に示す。
また高温サイクル試験の前後で、IV抵抗を測定し、サイクル後IV抵抗を初期IV抵抗で除することにより、抵抗増加率を求めた。結果を表2に示す。
3.遷移金属の溶出量の測定
高温サイクル試験後の電池を解体し、負極を回収した。負極集電体から負極合材層を剥離し、負極合材を回収した。誘導結合プラズマ発光分析装置(ICP−AES)を用いて、負極合材に含まれる遷移金属(Co、Ni、Mn、Zr)の量、すなわち正極から溶出した遷移金属の量を測定した。結果を表2に示す。
Figure 2017054637
<結果と考察>
表1および表2より、以下の条件を満たす実施例に係る製造方法で製造された電池では、遷移金属の溶出量が少ない、すなわち遷移金属の溶出抑制効果が大きいことが分かる。
(a)予め正極活物質と芳香族ニトリル化合物とを混合する予備混合ステップを行う。
(b)正極活物質に対する芳香族ニトリル化合物の質量比率は0.1質量%以上4質量%以下である。
(c)造粒体を正極集電体の表面に配置することにより、正極合材層の少なくとも一部を形成する。
また実施例に係る製造方法で製造された電池では、容量低下が小さく(初期容量が大きく)、初期抵抗が低く、サイクル後の容量維持率が高く、さらにはサイクル後の抵抗増加率も低い。両端部の幅比率が0.33%以上9.56%以下となるように、正極合材層を形成したことにより、芳香族ニトリル化合物による悪影響を抑制できたと考えられる。
比較例1は、遷移金属の溶出量が多い。芳香族ニトリル化合物を用いていないためと考えられる。
比較例2では、遷移金属の溶出抑制効果が小さい。予備混合ステップを行っていないため、正極活物質の表面に芳香族ニトリル化合物が配置されていないと考えられる。また造粒できていないため、正極活物質の表面における芳香族ニトリル化合物の分布が斑になりやすくなっているとも考えられる。
比較例3では、遷移金属の溶出抑制効果が小さい。造粒体が形成された後に、芳香族ニトリル化合物を添加しても、正極活物質の表面に芳香族ニトリル化合物を配置できないことによると考えられる。
比較例4では、遷移金属の溶出抑制効果が小さい。芳香族ニトリル化合物を電解液に添加すると、正極活物質の表面に、芳香族ニトリル化合物に由来する被膜を選択的に形成できないことによると考えられる。
正極活物質に対する芳香族ニトリル化合物の比率を5質量%とした比較例5では、容量低下が大きく(初期容量が小さく)、サイクル後の抵抗増加率が高い。実施例1〜3の結果を考慮すると、正極活物質に対する芳香族ニトリル化合物の質量比率は0.1質量%以上4質量%以下であることを要する。
比較例6では、遷移金属の溶出抑制効果が小さい。正極活物質、芳香族ニトリル化合物、導電材およびバインダを一括混合すると、正極活物質の表面に芳香族ニトリル化合物を選択的に配置できず、正極活物質の表面に均一な被膜が形成されないと考えられる。
比較例7では、遷移金属の溶出抑制効果が小さい。正極合材を塗料化(ペースト化)すると、芳香族ニトリル化合物が正極活物質の表面に付着しない、あるいは付着しても流れ落ちることによると考えられる。
比較例8では、遷移金属の溶出抑制効果が小さい。比較例8で用いたスルホン酸エステル化合物は、芳香族ニトリル化合物と同様に、芳香族基を含む。しかし、スルホン酸エステル化合物は、芳香族ニトリル化合物と同様の遷移金属の溶出抑制効果を示さなかった。スルホン酸エステル構造とニトリル基の電子吸引性の違いにより、化合物全体の電子供与性が異なると考えられる。
今回開示された実施形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
90 電極製造装置、91 Aロール、92 Bロール、93 Cロール、95 供給部、95A 第1端部供給部、95B 中央部供給部、95C 第2端部供給部、100 正極、101 正極集電体、102 正極合材層、102A 第1端部、102B 中央部、102C 第2端部、200 負極、201 負極集電体、202 負極合材層、300 セパレータ、500 電池ケース、501,502 外部端子、600 電解液、800 電極群、1000 非水電解液二次電池、LD 長手方向、WD 幅方向。

Claims (2)

  1. 正極活物質としてリチウム含有遷移金属酸化物を含有する正極合材層を備えた非水電解液二次電池の製造方法であって、
    前記正極活物質に対する芳香族ニトリル化合物の質量比率が0.1質量%以上4質量%以下となるように、前記正極活物質と前記芳香族ニトリル化合物とを混合することにより、混合体を調製するステップと、
    前記混合体、導電材、バインダおよび溶媒を混合することにより、造粒体を調製するステップと、
    前記造粒体を正極集電体の表面に配置することにより、前記正極合材層の少なくとも一部を形成するステップと、を備える、非水電解液二次電池の製造方法。
  2. 前記正極合材層は、前記表面に沿って、長手方向に延びるように形成され、
    前記長手方向と直交する幅方向において、
    前記正極合材層は、中央部と、前記中央部を挟む第1端部および第2端部とを含み、
    前記中央部は、前記芳香族ニトリル化合物を含まず、
    前記第1端部および前記第2端部は、前記造粒体を含み、
    前記正極合材層の全幅をW0、前記第1端部の幅をW1、前記第2端部の幅をW2とするとき、前記正極合材層は、下記式(I):
    0.33%≦{(W1+W2)/W0}×100≦9.56% (I)
    を満たすように形成される、請求項1に記載の非水電解液二次電池の製造方法。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019185940A (ja) * 2018-04-05 2019-10-24 トヨタ自動車株式会社 非水電解質二次電池の製造方法
US11183687B2 (en) 2017-10-02 2021-11-23 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Method of producing electrode plate and electrode plate
WO2023127228A1 (ja) * 2021-12-27 2023-07-06 パナソニックIpマネジメント株式会社 二次電池用電極、二次電池用電極の製造方法、及び二次電池

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018195506A (ja) * 2017-05-19 2018-12-06 株式会社東芝 二次電池用電極、二次電池、電池パック、および車両

Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002358959A (ja) * 2001-03-27 2002-12-13 Showa Denko Kk 正極活物質、その製造方法、該正極活物質を用いたペースト、正極及び非水電解質二次電池
JP2004164911A (ja) * 2002-11-11 2004-06-10 Toyota Motor Corp 蓄電素子用電極とその製造方法とその製造装置
JP2007519186A (ja) * 2004-02-16 2007-07-12 エルジー・ケム・リミテッド リチウム2次電池用電極
JP2009543318A (ja) * 2006-07-07 2009-12-03 エルジー・ケム・リミテッド シアノ基を有する非水電解液添加剤及びこれを用いた電気化学素子
WO2010001892A1 (ja) * 2008-07-04 2010-01-07 ソニー株式会社 二次電池および電子機器
JP2011119097A (ja) * 2009-12-02 2011-06-16 Sony Corp 非水電解質電池
JP2011222531A (ja) * 2001-02-02 2011-11-04 Daikin Ind Ltd 電極表面被膜形成剤
WO2012029388A1 (ja) * 2010-09-02 2012-03-08 日本電気株式会社 二次電池
JP2012195223A (ja) * 2011-03-17 2012-10-11 Mitsubishi Chemicals Corp 非水系電解液及びそれを用いたリチウム二次電池
JP2013206598A (ja) * 2012-03-27 2013-10-07 Nippon Zeon Co Ltd 二次電池正極用複合粒子、二次電池用正極及び二次電池
JP2015011896A (ja) * 2013-06-28 2015-01-19 トヨタ自動車株式会社 二次電池用電極の製造方法
JP2015032478A (ja) * 2013-08-02 2015-02-16 トヨタ自動車株式会社 二次電池
JP2015138611A (ja) * 2014-01-21 2015-07-30 トヨタ自動車株式会社 二次電池用正極の製造方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8197964B2 (en) * 2007-07-09 2012-06-12 Sony Corporation Battery
JP5619412B2 (ja) 2009-09-04 2014-11-05 三洋電機株式会社 非水電解質二次電池および非水電解質二次電池の製造方法
US9673446B2 (en) * 2012-02-28 2017-06-06 Hitachi Maxell, Ltd. Lithium ion secondary battery containing a negative electrode material layer containing Si and O as constituent elements
JP6344384B2 (ja) 2013-05-13 2018-06-20 日本ゼオン株式会社 電気化学素子電極用複合粒子、電気化学素子電極用複合粒子の製造方法、電気化学素子電極および電気化学素子
EP3174139B1 (en) * 2014-07-22 2020-08-19 Zeon Corporation Production method for electrochemical element electrode and electrochemical device

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011222531A (ja) * 2001-02-02 2011-11-04 Daikin Ind Ltd 電極表面被膜形成剤
JP2002358959A (ja) * 2001-03-27 2002-12-13 Showa Denko Kk 正極活物質、その製造方法、該正極活物質を用いたペースト、正極及び非水電解質二次電池
JP2004164911A (ja) * 2002-11-11 2004-06-10 Toyota Motor Corp 蓄電素子用電極とその製造方法とその製造装置
JP2007519186A (ja) * 2004-02-16 2007-07-12 エルジー・ケム・リミテッド リチウム2次電池用電極
JP2009543318A (ja) * 2006-07-07 2009-12-03 エルジー・ケム・リミテッド シアノ基を有する非水電解液添加剤及びこれを用いた電気化学素子
WO2010001892A1 (ja) * 2008-07-04 2010-01-07 ソニー株式会社 二次電池および電子機器
JP2011119097A (ja) * 2009-12-02 2011-06-16 Sony Corp 非水電解質電池
WO2012029388A1 (ja) * 2010-09-02 2012-03-08 日本電気株式会社 二次電池
JP2012195223A (ja) * 2011-03-17 2012-10-11 Mitsubishi Chemicals Corp 非水系電解液及びそれを用いたリチウム二次電池
JP2013206598A (ja) * 2012-03-27 2013-10-07 Nippon Zeon Co Ltd 二次電池正極用複合粒子、二次電池用正極及び二次電池
JP2015011896A (ja) * 2013-06-28 2015-01-19 トヨタ自動車株式会社 二次電池用電極の製造方法
JP2015032478A (ja) * 2013-08-02 2015-02-16 トヨタ自動車株式会社 二次電池
JP2015138611A (ja) * 2014-01-21 2015-07-30 トヨタ自動車株式会社 二次電池用正極の製造方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11183687B2 (en) 2017-10-02 2021-11-23 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Method of producing electrode plate and electrode plate
JP2019185940A (ja) * 2018-04-05 2019-10-24 トヨタ自動車株式会社 非水電解質二次電池の製造方法
WO2023127228A1 (ja) * 2021-12-27 2023-07-06 パナソニックIpマネジメント株式会社 二次電池用電極、二次電池用電極の製造方法、及び二次電池

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