JP2021125300A - 非水電解液蓄電デバイスおよび非水電解液蓄電デバイスの製造方法 - Google Patents

非水電解液蓄電デバイスおよび非水電解液蓄電デバイスの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】低抵抗化が図られた非水電解質蓄電デバイスの製造方法の提供。
【解決手段】活物質粒子98と、バインダと、カルボキシメチルセルロース97とを水系溶媒に混合した合剤ペーストを用意する工程と、合剤ペーストを集電体92に塗布する工程と、合剤ペーストを乾燥させる工程とを含んでいる。ここで、合剤ペースト中の固形分率において、エーテル化度40(mol/C6)以下のカルボキシメチルセルロースの割合が0.5wt%以上である非水電解液蓄電デバイスの製造方法。
【選択図】図7

Description

本発明は、非水電解液蓄電デバイスおよび非水電解液蓄電デバイスの製造方法に関する。
特許3444616号には、非水二次電池用負極に関する発明が開示されている。ここで開示された非水二次電池用負極は、炭素質材料粒子、該炭素質材料粒子に対して20重量%未満の合材、及び集電体から構成されている。かかる非水二次電池用負極において、炭素質材料粒子は、炭素網面の面間隔d002が0.337nm未満の黒鉛質粒子、または該黒鉛質粒子と50重量%以下の他の炭素質材料からなる。非水二次電池用負極の空孔率が10〜60%で、空孔径0.1〜10μmの範囲にある空孔の占める体積が全空孔体積に対して80%以上であることが特徴とされている。
特開2006−59690号公報には、非水電解質二次電池の負極について開示されている。ここで開示された負極は、細孔直径10μm以下の細孔容積が0.15cc/g〜0.35cc/gである。さらに増加容積細孔分布において細孔直径0.4〜3.5μmにピークを有している。さらに細孔直径0.001μm〜10μmの範囲での累積細孔分布曲線の累積40%〜60%での傾きが1.5〜4.5の範囲である。かかる負極を具備した非水電解質二次電池は、充放電サイクル寿命が向上するとされている。
特許3444616号 特開2006−59690号公報
ところで、本発明者は、非水電解液蓄電デバイスに関し、低抵抗化を図るべく、活物質層中にLiが拡散しやすい構造とすることを考えている。
ここで開示される非水電解液蓄電デバイスの製造方法は、活物質粒子と、バインダと、カルボキシメチルセルロースとを水系溶媒に混合した合剤ペーストを用意する工程と、合剤ペーストを集電体に塗布する工程と、合剤ペーストを乾燥させる工程とを含んでいる。ここで、合剤ペースト中の固形分率において、エーテル化度40(mol/C6)以下のカルボキシメチルセルロースの割合が0.5wt%以上である。この場合、製造される非水電解質二次電池は、Liが拡散しやすい構造を有する活物質層を有し、低抵抗化が図られる。
合剤ペースト中の固形分率において、エーテル化度40(mol/C6)以下のカルボキシメチルセルロースの割合が2wt%以下であってもよい。
合剤ペーストを用意する工程は、活物質粒子とバインダとが水系溶媒に混合された合剤ペーストが用意され、当該合剤ペーストに、エーテル化度40(mol/C6)以下のカルボキシメチルセルロースを混入する工程を含んでいてもよい。
ここで開示される非水電解液蓄電デバイスは、エーテル化度40(mol/C6)以下のカルボキシメチルセルロースが含まれており、単位面積当りの4μm以上106μm以下の細孔が総細孔容積の25%以上有する活物質層を備えている。このため、Liが拡散しやすく、低抵抗化が図られる。
活物質層に含まれるエーテル化度40(mol/C6)以下のカルボキシメチルセルロースの割合は、例えば、0.5wt%以上であってもよい。活物質層に含まれる前記エーテル化度40(mol/C6)以下のカルボキシメチルセルロースの割合は、例えば、2wt%以下であってもよい。活物質層に含まれるカルボキシメチルセルロースのうち、エーテル化度40(mol/C6)以下のカルボキシメチルセルロースの割合が50%以上であってもよい。
図1は、リチウムイオン二次電池1の構成を示す斜視図である。 図2は、電極体20の構成を説明する部分展開図である。 図3は、電極シートを作製する工程を模式的に示したプロセス図である。 図4は、活物質層の表面のSEM写真である。 図5は、活物質層の表面の穴95を拡大したSEM写真である。 図6は、合剤ペースト96が塗布された集電体92を模式的に示す断面図である。 図7は、合剤ペースト96が乾燥した状態を示す集電体92を模式的に示す断面図である。 図8は、活物質層の水銀ポロシメータの測定結果を示すグラフである。 図9は、活物質層の水銀ポロシメータの測定結果を示すグラフである。
以下、ここで開示される非水電解液蓄電デバイスおよび非水電解液蓄電デバイスの製造方法の一実施形態を説明する。ここで説明される実施形態は、当然ながら特に本発明を限定することを意図したものではない。本発明は、特に言及されない限りにおいて、ここで説明される実施形態に限定されない。本明細書において数値範囲を示す「X〜Y」などの表記は、特に言及されない限りにおいて「X以上Y以下」を意味する。
本明細書において「非水電解液蓄電デバイス」とは、電荷担体を含む非水電解液を用いた蓄電デバイスである。蓄電デバイスは、充電と放電を行なうことができるデバイスをいう。非水電解液蓄電デバイスには、非水電解液二次電池が含まれる。「非水電解液二次電池」とは、電荷担体を含む非水電解液を用い、正負極間の電荷担体の移動に伴って繰り返しの充放電が可能な電池一般をいう。非水電解液蓄電デバイスには、一般にリチウムイオン電池やリチウム二次電池などと称される電池の他、リチウムポリマー電池、リチウムイオンキャパシタなどが包含される。以下、非水電解液二次電池の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池1を例にして、ここに開示される技術について説明する。なお、ここではリチウムイオン二次電池が例示されているが、非水電解液二次電池は、リチウムイオン二次電池に限定されない。
図1は、リチウムイオン二次電池1の構成を示す斜視図である。図1では、リチウムイオン二次電池1の電池ケース10の一部が切り欠かれており、電池ケース10の内部の電極体20が露見した状態で図示されている。図2は、電極体20の構成を説明する部分展開図である。
リチウムイオン二次電池1は、図1に示されているように、電池ケース10内に、電極体20と、非水電解液(図示省略)を収容している。電極体20は、絶縁フィルム(図示省略)に覆われた状態で電池ケース10内に収容されている。電極体20は、例えば、図2に示されているように、長尺の帯状の第1のセパレータシート51または第2のセパレータシート52を介在させて、正極シート30と負極シート40とを重ねて捲回した、いわゆる捲回電極体である。なお、電極体20の他の形態として、セパレータシートを介在させて、正極シートと負極シートとを重ねた、いわゆる積層型の電極体でもよい。図1中のWは、捲回電極体の捲回軸に沿った幅方向を示している。図2に示す捲回電極体20の捲回軸WLと一致する方向である。
正極シート30は、図2に示されているように、正極集電体32と、正極活物質層34とを備えている。正極集電体32は、正極活物質層34を保持し、正極活物質層34に電荷を供給したり回収したりするための部材である。正極集電体32は、電池内の正極環境において電気化学的に安定であり、導電性の良好な金属(例えばアルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、チタン、ステンレス鋼など)からなる導電性部材により好適に構成される。この実施形態では、正極集電体32は、例えば、アルミニウム箔であり、幅方向の片側の端部に一定の幅で未形成部32Aが設定されている。正極活物質層34は、未形成部32Aを除いて正極集電体32の両面に形成されている。ここで、未形成部32Aは、電極体20の正極集電部となりうる。
正極活物質層34は、正極活物質粒子を含む多孔質体である。正極活物質層34には、電解液が含浸しうる。正極活物質粒子は、リチウムイオン二次電池では、リチウム遷移金属複合材料のように、電荷担体であるリチウムイオンを充電時に放出し、放電時に吸収しうる材料である。正極活物質層34には、付加的に、導電材やリン酸三リチウム(LiPO;以下、単に「LPO」と記す)が含まれていてもよい。
正極活物質層34は、典型的には、粒状の正極活物質が導電材と共にバインダ(結着剤)により互いに結合されるとともに、正極集電体32に接合されている。
正極活物質としては、従来からリチウムイオン二次電池の正極活物質として用いられる各種の材料を特に制限なく使用することができる。好適例として、リチウムニッケル酸化物(例えばLiNiO)、リチウムコバルト酸化物(例えばLiCoO)、リチウムマンガン酸化物(例えばLiMn)や、これらの複合体(例えば、LiNi0.5Mn1.5、LiNi1/3Co1/3Mn1/3)などの、リチウムと遷移金属元素とを構成金属元素として含む酸化物(リチウム遷移金属酸化物)の粒子や、リン酸マンガンリチウム(LiMnPO)、リン酸鉄リチウム(LiFePO)などの、リチウムと遷移金属元素とを構成金属元素として含むリン酸塩の粒子などが挙げられる。
このような正極活物質層34は、例えば、正極ペーストを、正極集電体32の表面に供給した後、乾燥して分散媒を除去することにより作製することができる。正極ペーストは、正極活物質と導電材とバインダとを適当な分散媒に分散させてなる合剤である。ここで、バインダは、例えば、(メタ)クリル酸エステル重合体などのアクリル系樹脂、ポリフッ化ビニリデン(PolyVinylidene DiFluoride、PVDF)などのハロゲン化ビニル樹脂、ポリエチレンオキサイド(Polyethylene Oxide、PEO)などのポリアルキレンオキサイドなどが用いられる。分散媒は、例えばN−メチル−2−ピロリドンである。導電材を含む構成においては、導電材として、例えば、カーボンブラック(典型的にはアセチレンブラック、ケッチェンブラック)、活性炭、黒鉛、炭素繊維などの炭素材料が好適に用いられる。これらの導電材は、いずれか1種を単独で、あるいは2種以上を組み合わせて用いられてもよい。
正極活物質粒子の平均粒子径(D50)は特に制限されない。正極活物質粒子の平均粒子径(D50)は、例えば、1μm以上であってもよく、好ましくは3μm以上、例えば5μm以上であってもよい。また、正極活物質粒子の平均粒子径(D50)は、例えば、15μm以下であってもよく、好ましくは10μm以下、例えば8μm以下であってもよい。
正極活物質層34全体に占める正極活物質の割合は、およそ75質量%以上、典型的には80質量%以上、例えば85質量%以上であってよく、典型的には99質量%以下、例えば95質量%以下でありうる。正極活物質層34における導電材の割合は、正極活物質100質量部に対して、典型的には1質量部以上、好ましくは3質量部以上、例えば5質量部以上であり、典型的には15質量部以下、好ましくは12質量部以下、例えば10質量部以下である。正極活物質層34におけるバインダの割合は、正極活物質100質量部に対して、典型的には0.5質量部以上、好ましくは1質量部以上、例えば1.5質量部以上であり、典型的には10質量部以下、好ましくは8質量部以下、例えば5質量部以下とすることができる。
また、正極活物質層34のプレス後の厚み(平均厚みである。以下同じ。)は、典型的には10μm以上、例えば15μm以上であって、典型的には50μm以下、30μm以下、例えば25μm以下とすることができる。また、正極活物質層34の密度は特に限定されないが、典型的には1.5g/cm以上、例えば2g/cm以上であって、3g/cm以下、例えば2.5g/cm以下とすることができる。正極活物質層34は、正極活物質粒子がバインダで接合された正極活物質粒子の層である。正極活物質層34は、微視的には、非水電解液が含浸しうる微細な空隙を有している。
なお、本明細書において「平均粒子径」とは、特に断りのない限り、レーザ回折散乱法によって得られる体積基準の粒度分布における累積50%粒子径(D50)である。また、当該粒度分布における小粒径側からの累積10%に相当する粒子径をD10、累積90%に相当する粒子径をD90、最大頻度径をDmaxという。
負極シート40は、負極集電体42と、負極活物質層44とを備えている。負極集電体42は、負極活物質層44を保持し、負極活物質層44に電荷を供給したり回収したりするための部材である。負極集電体42は、電池内の負極環境において電気化学的に安定であり、導電性の良好な金属(例えば、銅、ニッケル、チタン、ステンレス鋼など)からなる導電性部材を好適に使用することができる。この実施形態では、負極集電体42は、例えば、銅箔であり、幅方向の片側の端部に一定の幅で未形成部42Aが設定されている。負極活物質層44は、未形成部42Aを除いて負極集電体42の両面に形成されている。ここで、未形成部42Aは、電極体20の負極集電部となりうる。
負極活物質層44は、負極活物質粒子を含む多孔質体である。負極活物質層44には、電解液が含浸しうる。負極活物質粒子は、リチウムイオン二次電池では、リチウム遷移金属複合材料のように、電荷担体であるリチウムイオンを充電時に吸蔵し、放電時に放出しうる材料である。負極活物質粒子としては、従来からリチウムイオン二次電池の負極活物質として用いられる各種の材料を特に制限なく使用することができる。好適例として、人造黒鉛、天然黒鉛、アモルファスカーボンおよびこれらの複合体(例えばアモルファスカーボンコートグラファイト)などに代表される炭素材料、あるいは、シリコン(Si)などのリチウムと合金を形成する材料、これらのリチウム合金(例えば、LiM、Mは、C、Si、Sn、Sb、Al、Mg、Ti、Bi、Ge、PbまたはPなどであり、Xは自然数。)、シリコン化合物(SiOなど)などのリチウム貯蔵性化合物が挙げられる。
この負極シート40は、例えば、負極ペーストを負極集電体42の表面に供給した後、乾燥して分散媒を除去することにより作製することができる。負極ペーストは、粉体状の負極活物質とバインダ(例えば、スチレンブタジエン共重合体(SBR)、アクリル酸変性SBR樹脂(SBR系ラテックス)などのゴム類、カルボキシメチルセルロース(CMC)などのセルロース系ポリマーなど)とを適当な分散媒に分散させた合剤である。ここで、適当な分散媒としては、例えば、水やN−メチル−2−ピロリドンなどが挙げられ、好ましくは水である。
負極活物質粒子の平均粒子径(D50)は特に制限されない。負極活物質粒子の平均粒子径(D50)は、例えば、0.5μm以上であってよく、1μm以上が好ましく、より好ましくは5μm以上である。また、負極活物質粒子の平均粒子径(D50)は、30μm以下であってよく、20μm以下が好ましく、15μm以下がより好ましい。
負極活物質層44全体に占める負極活物質の割合は、およそ50質量%以上とすることが適当であり、好ましくは90質量%〜99質量%、例えば95質量%〜99質量%である。バインダを使用する場合には、負極活物質層44に占めるバインダの割合を、負極活物質100質量部に対して例えば0.1質量部〜5質量部程度とすることができ、通常はおよそ0.5質量部〜2質量部とすることが適当である。負極活物質層44の厚み(平均厚みである。以下同じ。)は、例えば10μm以上、典型的には20μm以上であって、80μm以下、典型的には50μm以下とすることができる。また、負極活物質層44の密度は特に限定されないが、例えば0.8g/cm以上、典型的には1.0g/cm以上であって、1.5g/cm以下、典型的には1.4g/cm以下、例えば1.3g/cm以下とすることができる。負極活物質層44は、負極活物質粒子がバインダで接合された負極活物質粒子の層である。負極活物質層44は、微視的には、非水電解液が含浸しうる微細な空隙を有している。
セパレータシート51,52は、正極シート30と負極シート40とを絶縁するとともに、正極活物質層34と負極活物質層44との間で電荷担体の移動経路を提供する構成要素である。このようなセパレータシート51,52は、典型的には上記正極活物質層34と負極活物質層44との間に配置される。セパレータシート51,52は、非水電解液の保持機能や、所定の温度において電荷担体の移動経路を閉塞するシャットダウン機能を備えていてもよい。このようなセパレータシート51,52は、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエステル、セルロース、ポリアミドなどの樹脂からなる微多孔質樹脂シートにより好適に構成することができる。
PEやPPなどのポリオレフィン樹脂からなる微多孔質シートは、シャットダウン温度を80℃〜140℃(典型的には110℃〜140℃、例えば120℃〜135℃)の範囲に好適に設定できる。シャットダウン温度とは、電池が発熱した際に電池の電気化学反応を停止させる温度である。シャットダウンは、例えば、セパレータシート51,52が溶融または軟化することで発現されうる。セパレータシート51,52は、単一の材料から構成される単層構造であってもよい。またセパレータシート51,52は、材質や性状(例えば、平均厚みや空孔率など)の異なる2種以上の微多孔質樹脂シートが積層された構造(例えば、PE層の両面にPP層が積層された三層構造)であってもよい。
セパレータシート51,52の厚み(平均厚みである。以下同じ。)は特に限定されないが、通常、10μm以上、典型的には15μm以上、例えば17μm以上とすることができる。また、上限については、40μm以下、典型的には30μm以下、例えば25μm以下とすることができる。基材の平均厚みが上記範囲内にあることで、電荷担体の透過性を良好に保つことができ、かつ、微小な短絡(漏れ電流)がより生じ難くなる。このため、入出力密度と安全性とを高いレベルで両立することができる。
非水電解液としては、典型的には、非水溶媒中に電解質としての支持塩(例えば、リチウム塩、ナトリウム塩、マグネシウム塩などであり、リチウムイオン二次電池ではリチウム塩)を溶解または分散させたものを特に制限なく用いることができる。
非水溶媒としては、一般的なリチウムイオン二次電池において電解液として用いられるカーボネート類、エーテル類、エステル類、ニトリル類、スルホン類、ラクトン類などの各種の有機溶媒を特に制限なく用いることができる。例えば、具体的には、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)などの鎖状カーボネートや、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)などの環状カーボネートが挙げられる。また、正極の酸性雰囲気で分解されて水素イオンを発生する溶媒(例えば環状カーボネート)などが、一部に含まれていてもよい。このような非水溶媒は、フッ素化されていてもよい。また非水溶媒は、1種を単独で、あるいは2種以上を混合溶媒として用いることができる。
支持塩としては、一般的なリチウムイオン二次電池に用いられる各種のものを適宜選択して採用することができる。例えば、LiPF、LiBF、LiClO、LiAsF、Li(CFSON、LiCFSOなどのリチウム塩を用いることが例示される。支持塩は、1種を単独で、あるいは2種以上を組み合わせて用いられてもよい。かかる支持塩は、例えば、非水電解質における濃度が0.7mol/L〜1.3mol/Lの範囲内となるように調製されてもよい。
また、非水電解質は、二次電池の特性を損なわない限り、各種の添加剤などを含んでいてもよい。かかる添加剤としては、ガス発生剤、被膜形成剤などとして、電池の入出力特性の向上、サイクル特性の向上、初期充放電効率の向上などのうち、1または2以上の目的で使用されうる。かかる添加剤としては、具体的には、フルオロリン酸塩(好ましくはジフルオロリン酸塩。例えば、LiPOで表されるジフルオロリン酸リチウム)、リチウムビス(オキサラト)ボレート(LiBOB)などのオキサラト錯体化合物が挙げられる。非水電解質全体に対するこれらの添加剤の濃度は、通常0.1mol/L以下(典型的には0.005mol/L〜0.1mol/L)とすることが適当である。
なお、図1に示したリチウムイオン二次電池1は、電池ケース10として扁平な角型電池ケースを使用している。しかしながら、電池ケース10は、非扁平の角型電池ケースや円筒型電池ケース、コイン型電池ケースなどであってもよい。あるいは、リチウムイオン二次電池1は、金属製の電池ケースシート(典型的にはアルミニウムシート)と樹脂シートが張り合わされて袋状に形成されたラミネートバッグであってもよい。また例えば、電池ケースは、アルミニウム、鉄、およびこれらの金属の合金、高強度プラスチックなどにより形成されていてもよい。
図1に示したリチウムイオン二次電池1は、いわゆる捲回電極体20を備えている。図1に示された捲回電極体20は、図2に示されているように、長尺の正極シート30と負極シート40とが2枚のセパレータシート51,52で互いに絶縁された状態で重ねられ、捲回軸WLを中心に捲回されている。正極活物質層34の幅W1と、負極活物質層44の幅W2と、セパレータの幅W3とは、W1<W2<W3の関係を満たす。正極シート30と、負極シート40と、2枚のセパレータシート51,52は、負極活物質層44が正極活物質層34を覆い、セパレータシート51,52が負極活物質層44を覆うように重ねられる。
ここでは、リチウムイオン二次電池1の電極体20として、捲回型の電極体が例示されている。特に言及されない限りにおいて、電極体20は、捲回型の電極体に限定されない。電極体20は、図示は省略するが、例えば、複数枚の正極シート30と負極シート40とがそれぞれセパレータシート51,52で絶縁されて積層された形態の、いわゆる平板積層型の電極体であってもよい。また、正極シート30と負極シート40がそれぞれ1枚ずつ電池ケースに収容された単セルであってもよい。
この実施形態では、電池ケース10は、図1に示されているように、ケース本体11と、蓋12とにより構成されている。ケース本体11は、一面が開口した扁平な略長方形のケースである。蓋12は、ケース本体11の開口に装着され、開口を閉じる部材である。蓋12は、従来のリチウムイオン二次電池の電池ケースと同様に、電池ケースの内部で発生したガスを外部に排出するための安全弁や、電解液の注入を行う注液口などを有していてもよい。蓋12には、正極端子38と負極端子48とが設けられている。正極端子38と負極端子48は、それぞれ電池ケース10と絶縁されている。正極端子38および負極端子48は、それぞれ電池ケース10内に延びた正極集電端子38aおよび負極集電端子48aを有している。正極集電端子38aおよび負極集電端子48aは、それぞれ正極シート30および負極シート40に電気的に接続されている。リチウムイオン二次電池1は、正極端子38および負極端子48を通じて外部装置との間で、電力の入力と出力ができるよう構成されている。
ここに開示されるリチウムイオン二次電池は各種用途に利用可能であるが、従来品に比べ、例えば、ハイレートでの繰り返し充放電時に高い安全性を兼ね備えたものでありうる。また、これらの優れた電池性能と信頼性(過充電時の熱安定性などの安全性を包含する)とを高いレベルで両立可能なものでありうる。したがって、このような特徴を活かして、高エネルギー密度や高入出力密度が要求される用途、高い信頼性を要求される用途で好ましく用いられる。かかる用途としては、例えば、プラグインハイブリッド自動車、ハイブリッド自動車、電気自動車などの車両に搭載される駆動用電源が挙げられる。なお、かかる二次電池は、典型的には複数個を直列および/または並列に接続してなる組電池の形態で使用されうる。
ところで、本発明者は、新たな非水電解液蓄電デバイスの製造方法を提案する。ここで開示される非水電解液蓄電デバイスの製造方法によれば、活物質層中にLiを拡散させるための新たな活物質層の構造が実現されうる。ここでは、非水電解液蓄電デバイスの製造方法の一つの適用例として、非水電解液二次電池の製造方法を例示する。ここで開示される非水電解液二次電池の製造方法は、特に正極シート30または負極シート40などの電極シートを作製する工程に適用されうる。図3は、電極シートを作製する工程を模式的に示したプロセス図である。ここで開示される非水電解液二次電池の製造方法は、適宜に他の非水電解液蓄電デバイスの同様構造に適用されうる。
ここで開示される非水電解液二次電池の製造方法は、例えば、正極シート30または負極シート40を作製する工程において、合剤ペーストを用意する工程と、合剤ペーストを集電体に塗布する工程と、合剤ペーストを乾燥させる工程とが含まれている。
合剤ペーストを用意する工程では、活物質粒子と、バインダと、カルボキシメチルセルロースとを水系溶媒に混合した合剤ペーストが用意される。正極シート30を製造する場合には、正極活物質粒子と、バインダと、カルボキシメチルセルロースとを水系溶媒に混合した合剤ペーストが用意される。負極シート40を製造する場合には、正極活物質粒子と、バインダと、カルボキシメチルセルロースとを水系溶媒に混合した合剤ペーストが用意される。ここで用意される合剤ペーストには、活物質粒子と、バインダと、カルボキシメチルセルロースと、水系溶媒が少なくとも含まれているとよい。合剤ペーストには、増粘剤や分散剤などが適宜に添加されていてもよい。増粘剤は、合剤ペーストの粘度を調整する材料である。分散剤は、配合された材料を分散させる材料である。
水系溶媒としては、例えば、水(例えば、イオン交換水,RO水,蒸留水など)である。ここで、合剤ペースト中の固形分率において、エーテル化度40(mol/C6)以下のカルボキシメチルセルロースの割合は、例えば、0.5wt%以上であるとよく、好ましくは、例えば、1wt%以上、であるとよい。エーテル化度40(mol/C6)以下のカルボキシメチルセルロースは、水に対して不溶解性を示す水不溶解性カルボキシメチルセルロースとして、区分されうる。合剤ペーストに含まれるカルボキシメチルセルロースには、全てが水不溶解性カルボキシメチルセルロースである必要はない。カルボキシメチルセルロースには、水不溶解性カルボキシメチルセルロースだけでなく、水溶性カルボキシメチルセルロースが含まれていてもよい。合剤ペースト中の固形分率において、エーテル化度40(mol/C6)以下のカルボキシメチルセルロースの割合は、例えば、15wt%以下であるとよく、好ましくは、例えば、10wt%以下であるとよい。これによって、水不溶解性カルボキシメチルセルロースの凝集が抑制され、適当な大きさの穴が形成される。
カルボキシメチルセルロースは、セルロースの誘導体であり、セルロースの骨格を構成するグルコピラノースモノマーのヒドロキシ基の一部にカルボキシメチル基(−CH−COOH)を結合させたものである。カルボキシメチル基はセルロースの構成単位の無水グルコースのアルコール性ヒドロキシル基とエーテル結合で置換されている。かかる置換度合い(置換度)を、エーテル化度という。アルコール性ヒドロキシル基は、無水グルコース1個に3個存在している。ここでは、エーテル化度は、(mol/C6)で評価されている。カルボキシメチルセルロースは、エーテル化度が低ければ低いほど、水不溶解性を示す傾向がある。
なお、水系溶媒は、水不溶解性カルボキシメチルセルロースについて、水と同様の性能を示す溶媒であるとよい。このため、水系溶媒には、イオン交換水,RO水,蒸留水などが含まれうる。
合剤ペーストは、例えば、図3に示されているように、水系溶媒と、活物質粒子と、バインダと、カルボキシメチルセルロースとが予め定められた配合で、混練機81によって混ぜ合わされることによって作製される。この際、合剤ペーストには、増粘剤や分散剤が適宜に含まれていてもよい。
なお、合剤ペーストを用意する工程では、水不溶解性カルボキシメチルセルロースは、最後に投入されるとよい。例えば、図3に示されているように、固練り段階71、希釈段階72、バインダ投入段階73を経て、その後に水不溶解性カルボキシメチルセルロースが混入されるとよい。ここで、固練り段階71では、活物質粒子と増粘剤などを少量の水系溶媒に混ぜられた合剤が得られる。ここで、増粘剤には、水溶性カルボキシメチルセルロースが含まれうる。希釈段階72では、固練りされた合剤に水系溶媒を加えられる。バインダ投入段階73では、希釈された合剤にバインダが加えられる。水不溶解性カルボキシメチルセルロースは、希釈された合剤に混入されるとよい。
本発明者の知見によれば、例えば、活物質粒子が黒鉛粒子である場合、水不溶解性カルボキシメチルセルロースが固練り段階で投入されると、水不溶解性カルボキシメチルセルロースが黒鉛表面に付着して、黒鉛表面の反応面積を減らす可能性がある。また、合剤ペーストの他の材料が混入された後で、水不溶解性カルボキシメチルセルロースが混入されることによって、水不溶解性カルボキシメチルセルロースの混練時間が減る。このため、混練によって水不溶解性カルボキシメチルセルロースがほぐれるのが防止される。つまり、水不溶解性カルボキシメチルセルロースがほぐされずに、大きなゲル粒子として残される。この結果、40μm以上の大きな細孔が割合多く形成されるようになる。
このように、合剤ペーストを用意する工程では、活物質粒子とバインダとが水系溶媒に混合された合剤ペーストが用意され、当該合剤ペーストに、エーテル化度40(mol/C6)以下のカルボキシメチルセルロースを混入する工程が含まれているとよい。換言すると、合剤ペーストを用意する工程では、水不溶解性カルボキシメチルセルロースが最後に投入されるとよい。水不溶解性カルボキシメチルセルロースが最後に投入されることによって、用意された合剤ペーストにおいて、水不溶解性カルボキシメチルセルロースが、は、活物質粒子の表面の反応面積を減らしにくく、水不溶解性カルボキシメチルセルロースが大きなゲル粒子の状態で、合剤ペースト中に残る。
合剤ペーストを集電体に塗布する工程では、図3に示されているように、用意された合剤ペーストが集電体に塗布される。ここで、集電体は、例えば、帯状の集電箔であり、搬送装置82によって搬送される。混練機81で混練された合剤ペーストは、供給配管83を通じてダイ84に供給される。ダイ84の吐出口は、搬送装置82によって搬送される集電体に向けられている。ダイ84から吐出された合剤ペーストは、搬送装置82によって搬送される集電体の上に塗布される。例えば、正極シート30を製造する場合には、正極活物質粒子を含む合剤ペーストが、正極集電体32に予め定められた目付量で塗布されるとよい。負極シート40を製造する場合には、負極活物質粒子を含む合剤ペーストが、負極集電体42に予め定められた目付量で塗布されるとよい。
合剤ペーストを乾燥させる工程では、例えば、合剤ペーストが塗布された集電体が、所定の乾燥雰囲気に設定された乾燥炉85内に置かれ、合剤ペーストを乾燥させるとよい。これにより、集電体の上に活物質層が形成される。その後、活物質層が形成された集電体をプレス機86に適宜に通過させることによって、活物質層が適当な厚さに調整される。
図4は、活物質層の表面のSEM写真である。このようにして形成された電極シート90では、図4に示されているように、活物質層94の表面には、活物質層94内に凹んだ穴95が多数形成される。かかる穴95は、活物質層94の通常の活物質粒子間の空隙に起因する細孔よりも格段に大きい。また、穴95は、活物質層94の表面に適当に分散して形成される。図5は、活物質層の表面の穴95を拡大したSEM写真である。なお、かかる写真は、それぞれ穴95の一例を示すに過ぎない。
なお、増粘剤として用いられるカルボキシメチルセルロースには、水不溶解性カルボキシメチルセルロースが少し含まれている場合がある。水不溶解性カルボキシメチルセルロースが含まれている場合には、活物質層94にこのような穴95が形成される場合がある。しかし、水不溶解性カルボキシメチルセルロースが一定以上に含まれていないと、活物質層94の表面に、このような穴95は適当に分散して形成されない。低抵抗化を図るとの観点では、穴95は適当に分散して形成されていることが望ましい。かかる観点で、本発明者は、合剤ペーストには、水不溶解性カルボキシメチルセルロースが一定以上に含まれていることが必要であると考えている。本発明者は、例えば、活物質層94に含まれるカルボキシメチルセルロースのうち、エーテル化度40(mol/C6)以下である水不溶解性カルボキシメチルセルロースの割合は、50%以上であることが好ましいと考えている。ここで、水不溶解性カルボキシメチルセルロースは、合剤ペースト96を調整する際に用意されるとよい。エーテル化度40(mol/C6)や、水不溶解性カルボキシメチルセルロースの割合は、カルボキシメチルセルロース(CMC)を準備する際に、材料メーカーに指定することで得られる。このようなカルボキシメチルセルロースは、例えば、日本製紙株式会社などから入手可能である。また、例えば、市販の材料として日本製紙株式会社製、SLD−F1,SLD−FMなどが利用できる。
図6は、合剤ペースト96が塗布された集電体92を模式的に示す断面図である。図7は、合剤ペースト96が乾燥した状態を示す集電体92を模式的に示す断面図である。集電体に塗布された合剤ペースト96には、上述したように水不溶解性カルボキシメチルセルロース97が一定以上の割合で分散している。水不溶解性カルボキシメチルセルロース97は、図6に示されているように、水系溶媒を含んで膨潤している。このため、水不溶解性カルボキシメチルセルロース97は、活物質粒子98よりも格段に大きい体積を有している。
乾燥工程では、図7に示されているように、合剤ペースト96中の水系溶媒が消失する。このうち、合剤ペースト96のうち活物質粒子98の間隙に含まれた水系溶媒は乾燥しやすい。これに対して、水不溶解性カルボキシメチルセルロース97に含まれる水系溶媒は、乾燥が遅い。このため、水不溶解性カルボキシメチルセルロース97の周りで、乾燥により活物質粒子98の層が形成される。また水不溶解性カルボキシメチルセルロース97に含まれる水系溶媒が次第に消失していく。水系溶媒が消失していく過程で、水不溶解性カルボキシメチルセルロース97は萎む。
このため、集電体92に塗布された合剤ペースト96中において、水不溶解性カルボキシメチルセルロース97が膨潤して存在していたところに穴95が形成される。他方で、水不溶解性カルボキシメチルセルロース97は、活物質粒子98に吸着しているため萎んだ後も、当該穴95に残る。このように形成された穴95は、一部において活物質層94の表面に露見している。リチウムイオン二次電池1では、電池ケース10内に電解液が注入されている(図1参照)。水不溶解性カルボキシメチルセルロース97は、水系溶媒に対しては膨潤するが、電解液の溶媒である非水溶媒に対しては同様に膨潤しない。このため、リチウムイオン二次電池1(図1参照)内では、活物質層94の穴95の中で萎んだ状態で存在するのみである。水不溶解性カルボキシメチルセルロース97に起因した穴95は、活物質層94の表面に分散して多数形成される。
水不溶解性カルボキシメチルセルロース97に起因した穴95は、水不溶解性カルボキシメチルセルロース97が、合剤ペースト96中で膨潤した際の大きさに近い大きさを有する。かかる穴95の大きさは、例えば、水銀ポロシメータでの測定で、単位面積当りの4μm以上106μm以下の大きさの穴95として測定され、抽出されうる。穴95は、かかる大きさにおいて、活物質層94における活物質粒子98間の細孔と区別される。より明確に区別するため、10μm以上、さらには15μm以上の穴として測定してもよい。また、例えば、活物質層94に用いられる活物質粒子98の平均粒径(D50)の半分よりも大きい穴95として、測定し、抽出してもよい。
この結果、例えば、単位面積当りの4μm以上106μm以下の細孔が総細孔容積の25%以上有する活物質層94が形成されうる。かかる総細孔容積に対する4μm以上106μm以下の細孔の割合は、例えば、水銀ポロシメータによって電極シート90を測定することによって測定されうる。本発明者の知見では、合剤ペースト96中に、上述したように水不溶解性カルボキシメチルセルロース97が一定以上の割合で含まない場合には、それを乾燥させた活物質層94において、単位面積当りの4μm以上106μm以下の上述したような穴95は総細孔容積の25%以上の大きな割合にならない。特に、活物質粒子の平均粒径(D50)が50μm以下(例えば、30μm以下)であるような場合に、水不溶解性カルボキシメチルセルロース97に起因する上述したような穴95は、総細孔容積の25%以上は形成されない。
例えば、正極活物質粒子の平均粒子径(D50)は、例えば、1μm以上15μm以下程度である。このため、このような正極活物質粒子が用いられた場合、正極活物質層34において、単位面積当りの4μm以上106μm以下の細孔は、そもそも多く形成されない。また、負極活物質粒子の平均粒子径(D50)は、例えば、0.5μm以上30μm以下である。このような負極活物質粒子が用いられた場合でも、負極活物質層44において、単位面積当りの4μm以上106μm以下の細孔は、総細孔容積の25%以上の割合では、到底形成されない。
正極シート30と負極シート40とのうち何れか一方において、ここで開示される電極シートが用いられた場合、電解液は、毛細管現象によって活物質層94に含浸していく。この際、当該穴95は、活物質粒子間の空隙に起因する細孔よりも格段に大きいため電解液が入りやすい。穴95は、活物質粒子間の空隙に起因する細孔に繋がっている。このため、活物質層の内部でリチウムの移動距離が短くなり、Li塩の濃度ムラが生じにくくなる。穴95は、活物質層94に電解液が入りやすく、活物質層94に電解液が含浸する入口になりやすい。そして、活物質層94の表面に、このような穴95が分散して形成される。このため、活物質層94全体として、電解液が含浸しやすくなる。このように、ここで開示された製造方法で製造された非水電解液二次電池では、活物質層中に電解液が含浸しやすく、かつ、Liが拡散しやすい。このため、低抵抗化が図られる。
図8および図9は、活物質層の水銀ポロシメータの測定結果を示すグラフである。図8では、活物質層の細孔径分布が示されている。図9では、活物質層94の細孔径分布が示されている。
ここでは、活物質粒子として黒鉛と、バインダとしてスチレン−ブタジエン共重合体(SBR)と、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース(CMC)とを、イオン交換水中で混練して、負極活物質層形成用の合剤ペーストを用意した。この合剤ペーストを銅箔(負極集電体)の両面に塗工して、乾燥後にロールプレスした。ここで活物質層94の厚さを40μmとし,単位面積当りの重量を5mg/cmとした。
ここでは、水不溶解性カルボキシメチルセルロースを含まない活物質層K1,水不溶解性カルボキシメチルセルロースの割合が0.2wt%である活物質層K2,水不溶解性カルボキシメチルセルロースの割合が0.5wt%である活物質層K3を用意した。図8および図9では、ここで用意された活物質層K1,K2,K3の水銀ポロシメータの測定結果を示すグラフが示されている。
図8に示されているように、ここで用意された活物質層K1,K2,K3は、それぞれ4μmよりも小さいところに、細孔径分布のピークがある。かかるピークは、それぞれ活物質粒子間の細孔に起因している。水不溶解性カルボキシメチルセルロースの割合が少ない活物質層K1,K2と比べると、水不溶解性カルボキシメチルセルロースの割合が0.5wt%である活物質層K3では、活物質粒子間の細孔に起因するピークとは別に、4μm〜106μmの範囲に細孔径分布のピークがもう一つ形成されている。4μm〜106μmの範囲の細孔径分布のピークは、乾燥工程で、水不溶解性カルボキシメチルセルロースが萎んだ後に形成される穴95(図4および図7参照)に起因して形成されているものと考えられる。また、水不溶解性カルボキシメチルセルロースが萎んだ後に形成される穴95(図4および図7参照)に起因して、水不溶解性カルボキシメチルセルロースの割合が0.5wt%である活物質層K3では、図9に示されているように、水銀ポロシメータの圧力が小さい分に細孔容積が多くなる部分がある。このように、水不溶解性カルボキシメチルセルロースが萎んだ後に形成される穴95に起因して、通常の活物質粒子間の細孔よりも格段に大きな穴がある程度の量で分散して形成されているものと考えられる。
[非水電解液二次電池の構築]
本発明者は、正極活物質層34と負極活物質層44(図2参照)に含まれる水不溶解性カルボキシメチルセルロースの添加量をそれぞれ変えて試験用電池を構築した。
ここでは、正極活物質としてのLiNi1/3Co1/3Mn1/3と、導電材としてのアセチレンブラックと、バインダとを、ペースト溶媒中で混練して、正極活物質層形成用ペーストを調製した。このペーストをアルミニウム箔(正極集電体)の両面に塗工して、乾燥後にロールプレスすることによって、正極集電体上に正極活物質層を備えた正極を作製した。ここで、非水系溶媒で正極活物質層形成用ペーストを調整する場合には、例えば、ペースト溶媒にN-メチル-2-ピロリドン (N-methylpyrrolidone、NMP)が用いられ、バインダには、ポリフッ化ビニリデン(PolyVinylidene DiFluoride、PVDF)が用いられる。これに対して、水系溶媒を用いて正極活物質層形成用ペーストを調整する場合には、バインダには、ポリテトラフルオロエチレン (polytetrafluoroethylene, PTFE)、ポリアクリル酸ナトリウム、またはスチレンアクリル酸が用いられうる。ここでは、水不溶解性カルボキシメチルセルロースが用いられる場合を比較するため、正極活物質層形成用ペーストを調整するのに水系溶媒が用いられ、バインダにスチレンアクリル酸が用いられた。
次に、負極活物質としての黒鉛と、バインダとしてのスチレン−ブタジエン共重合体(SBR)と、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース(CMC)とを、イオン交換水中で混練して、負極活物質層形成用ペーストを調製した。このペーストを銅箔(負極集電体)の両面に塗工して、乾燥後にロールプレスすることによって、負極集電体上に負極活物質層を備えた負極を作製した。
各試験用電池には、正極活物質層形成用ペーストまたは負極活物質層形成用ペーストを用意する工程において、最後に水不溶解性カルボキシメチルセルロース(日本製紙株式会社製SLD−FM)を加えた。水不溶解性カルボキシメチルセルロースの添加量は、ペースト中の予め定められた割合となるように調整した。その余の点で、特に言及されない場合、正極活物質層形成用ペーストまたは負極活物質層形成用ペーストには、水不溶解性カルボキシメチルセルロースは意図的に含まれていない。
次に、セパレータには、ポリエチレン(PE)製の多孔質基材からなるセパレータを用いた。このセパレータを上記作製した正極と負極の間に挟みこんで、電極体を準備した。また、非水電解液として、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)とエチルメチルカーボネート(EMC)とを3:4:3の体積比で含む混合溶媒に、支持塩としてのLiPFを1mol/Lの濃度で溶解させたものを準備した。
そして、電極体の正負極にそれぞれリード端子を溶着した後、ラミネート製の電池ケースに挿入し、上記準備した非水電解液を注液して、リチウムイオン二次電池(電池容量15mAh)を構築した。
[エージング]
非水電解液を注液し10時間経過した電池を、SOC(State Of Charge)80%に充電した後、20時間、60℃で保管する。
[Liの拡散抵抗の測定]
Liの拡散抵抗の測定では、未充電の電極(負極と負極)または(正極と正極)を重ね合わせて、交流インピーダンス測定によってコールコールプロットを得た。ここで得られたコールコールプロットに―R―抵抗と―Wo−拡散抵抗でフィッティングをかけることで未充電の電極のイオン拡散抵抗が得る。ここでは、水不溶解性カルボキシメチルセルロースを加えない電極のイオン拡散抵抗を100として、各電極のイオン拡散抵抗を評価した。
[初期抵抗の測定]
25℃の温度条件下において、電池をSOC60%の状態に調整し、15mAで10秒間の定電流充電と定電流放電を行い、このときの電圧上昇と電圧降下とから初期抵抗を求めた。ここでは、充電時に得られた抵抗を初期抵抗として採用した。
[容量試験]
上記エージング後に、電池の容量を測定した。ここで、電池容量は、電池をCCCV充電によって4.1Vに調整し、その後、予め定められたCCCV放電によって、3.1Vまで放電する。そのときに放電された電気量によって求められる。容量維持率は、電池をSOC80%に調整した後、100A〜150Aの予め定められた電流値で、5秒間の充電と5秒間の放電を1サイクルとして、予め定められた回数(ここでは、1000サイクル)繰り返し、当該サイクル試験後に電池容量を再度測定した。サイクル試験後の電池容量を、サイクル試験前の電池容量で割った値を、容量維持率とした。
[ハイレートサイクル試験]
上記初期抵抗測定後の電池にハイレートサイクル試験を行った。ここでのハイレートサイクル試験は、予め定められたパルス電流で充放電を行なった。ここでは、例えば、車両用途にて、高速道路でのアクセルペダルの動きを模した条件などで生じうる、パルス電流がハイレートサイクル試験用に用意されるとよい。
かかる試験結果を表1に纏めた。
Figure 2021125300
表1において、各サンプルは、活物質層で示された活物質層を作製する際に、合剤ペーストに水不溶解性カルボキシメチルセルロースを添加したものである。水不溶解性カルボキシメチルセルロース(CMC)の添加量(合剤ペースト中の固形分率)および添加された水不溶解性カルボキシメチルセルロースのエーテル化度は、それぞれ表1に示されたとおりである。
サンプル7は、負極活物質層を形成する際に、負極活物質層形成用ペーストに対して水不溶解性カルボキシメチルセルロースを添加しないものである。サンプル8は、正極活物質層を形成する際に、正極活物質層形成用ペーストに対して水不溶解性カルボキシメチルセルロースを添加しないものである。
サンプル1は、負極活物質層を形成する際に、負極活物質層形成用ペーストに対して水不溶解性カルボキシメチルセルロースを0.5wt%添加したものである。ここで水不溶解性カルボキシメチルセルロースのエーテル化度は、40(mol/C6)とした。その余の点で、サンプル7と同じ構成とした。
サンプル2は、負極活物質層を形成する際に、負極活物質層形成用ペーストに対して水不溶解性カルボキシメチルセルロースを0.4wt%添加したものである。ここで水不溶解性カルボキシメチルセルロースのエーテル化度は、40(mol/C6)とした。その余の点で、サンプル7と同じ構成とした。
サンプル3は、負極活物質層を形成する際に、負極活物質層形成用ペーストに対して水不溶解性カルボキシメチルセルロースを0.5wt%添加したものである。ここで水不溶解性カルボキシメチルセルロースのエーテル化度は、42(mol/C6)とした。その余の点で、サンプル7と同じ構成とした。
サンプル4は、負極活物質層を形成する際に、負極活物質層形成用ペーストに対して水不溶解性カルボキシメチルセルロースを2wt%添加したものである。ここで水不溶解性カルボキシメチルセルロースのエーテル化度は、42(mol/C6)とした。その余の点で、サンプル7と同じ構成とした。
サンプル5は、負極活物質層を形成する際に、負極活物質層形成用ペーストに対して水不溶解性カルボキシメチルセルロースを2wt%添加したものである。ここで水不溶解性カルボキシメチルセルロースのエーテル化度は、40(mol/C6)とした。その余の点で、サンプル7と同じ構成とした。
サンプル6は、正極活物質層を形成する際に、正極活物質層形成用ペーストに対して水不溶解性カルボキシメチルセルロースを0.5wt%添加したものである。ここで水不溶解性カルボキシメチルセルロースのエーテル化度は、40(mol/C6)とした。その余の点で、サンプル8と同じ構成とした。
Li拡散抵抗(%)は、活物質層で示された活物質層のLi拡散抵抗であり、それぞれ活物質層に水不溶解性カルボキシメチルセルロースが添加されていないサンプル7,8を100として評価した。Li拡散抵抗(%)の測定方法は、上述のとおりである。
4μ〜106μmの総細孔容積割合(%)は、総細孔容積に対する細孔径4μ〜106μmの容積割合であり、活物質層で示された活物質層について水銀ポロシメータによって測定された値である。
表1では、ハイレート耐久性(%)は、上述したハイレートサイクル試験において、抵抗値が初期抵抗の1.06倍となるまでのサイクル数で評価した。ハイレート耐久性(%)は、それぞれ活物質層に水不溶解性カルボキシメチルセルロースが添加されていないサンプル7,8を100として評価した。また、容量維持率(%)については、上述した容量試験の結果を基に、それぞれ活物質層に水不溶解性カルボキシメチルセルロースが添加されていないサンプル7,8の容量維持率を100として相対的に評価した。
ここで、サンプル1〜5では、負極活物質層を形成する工程において、負極活物質層形成用ペーストに水不溶解性カルボキシメチルセルロースを混入したものである。それぞれハイレートサイクル試験および容量試験で用いられた試験用電池には、水不溶解性カルボキシメチルセルロースが混入されないサンプル8の正極シートが用いられた。サンプル6では、正極活物質層を形成する工程において、正極活物質層形成用ペーストに水不溶解性カルボキシメチルセルロースを混入したものである。試験用電池には、水不溶解性カルボキシメチルセルロースが混入されないサンプル7の負極シートが用いられた。サンプル7,8は、それぞれ水不溶解性カルボキシメチルセルロースが混入されていない。サンプル7,8では、互いに組み合わされて試験用電池が作製された。
表1に示されているように、サンプル1は、Li拡散抵抗、ハイレート耐久性および容量維持率の観点で全て、サンプル7に比べて向上している。つまり、負極活物質層形成が形成される際に、エーテル化度40(mol/C6)のカルボキシメチルセルロースが、負極活物質層形成用ペーストに0.5wt%の割合で混入していることが、寄与していると考えられる。他方で、サンプル5に示されているように、エーテル化度40(mol/C6)のカルボキシメチルセルロースの割合が0.4wt%である場合には、Li拡散抵抗、ハイレート耐久性および容量維持率の観点で、それほどの向上が見られない。また、サンプル5に示されているように、エーテル化度40(mol/C6)のカルボキシメチルセルロースの割合が2wt%である場合に、Li拡散抵抗、ハイレート耐久性および容量維持率の観点で全て、さらに顕著に向上している。また、サンプル3,4に示されているように、エーテル化度42(mol/C6)のカルボキシメチルセルロースが混入された場合には、Li拡散抵抗、ハイレート耐久性および容量維持率の観点で、向上が見られない。エーテル化度40(mol/C6)は、低い程、水不溶解性を示す。
また、サンプル6は、Li拡散抵抗、ハイレート耐久性および容量維持率の観点で全て、サンプル8に比べて向上している。つまり、正極活物質層形成が形成される際に、エーテル化度40(mol/C6)のカルボキシメチルセルロースが、正極活物質層形成用ペーストに0.5wt%の割合で混入していることが、寄与していると考えられる。正極活物質層が形成される過程において、正極活物質層形成用ペーストに含まれる水不溶解性カルボキシメチルセルロースが萎んだ後に穴95が形成されることは、正極活物質層および負極活物質層において同様である。このため、正極についても負極と同様の傾向を示すものと考えられる。このことから、合剤ペースト中の固形分率において、エーテル化度40(mol/C6)以下のカルボキシメチルセルロースの割合が0.5wt%以上であることによって、Li拡散抵抗、ハイレート耐久性および容量維持率の観点で全て向上することが期待できる。
なお、表1で挙げた例では、正極活物質層形成用ペーストまたは負極活物質層形成用ペーストを用意する工程において、水不溶解性カルボキシメチルセルロースは最後に加えた。表2は、負極活物質層形成用ペーストを用意する工程において、水不溶解性カルボキシメチルセルロースを加えるタイミングを評価した試験を示す。表2のサンプル21では、負極活物質層形成用ペーストを用意する工程において、水不溶解性カルボキシメチルセルロースを固練り段階で加えた。サンプル22では、負極活物質層形成用ペーストを用意する工程において、水不溶解性カルボキシメチルセルロースをバインダ投入段階の後で加えた。サンプル23では、負極活物質層形成用ペーストを用意する工程において、水不溶解性カルボキシメチルセルロースを加えなかったものである。サンプル21〜23はその余の点で、同じ構成とした。例えば、サンプル21とサンプル22は、水不溶解性カルボキシメチルセルロースの添加量や水不溶解性カルボキシメチルセルロースのエーテル化度を同じとした。ここでは、水不溶解性カルボキシメチルセルロースのエーテル化度は40(mol/C6)とした。
Figure 2021125300
表2に示されているように、水不溶解性カルボキシメチルセルロースを固練り段階で加えた場合には、試験用電池の初期抵抗は、水不溶解性カルボキシメチルセルロースを加えない場合よりも大きくなる場合がある。また、活物質層中の40μm以上の細孔容積は、固練り段階で水不溶解性カルボキシメチルセルロースを加えた場合よりも最後に加えた方が多くなる。このため、上述のように、低抵抗化を図るためとの観点で、水不溶解性カルボキシメチルセルロースを加える場合には、正極活物質層形成用ペーストまたは負極活物質層形成用ペーストを用意する工程において、水不溶解性カルボキシメチルセルロースは最後に加えるのがよい。
ここで開示される非水電解質二次電池または電極シートは、上述のようにエーテル化度40(mol/C6)以下のカルボキシメチルセルロース(水不溶解性カルボキシメチルセルロース)が含まれているとよい。その結果、単位面積当りの4μm以上106μm以下の細孔が総細孔容積の25%以上有する活物質層94を備えているとよい。この場合、上述のように非水電解液二次電池の活物質層中に電解液が含浸しやすく、かつ、Liが拡散しやすい。このため、非水電解液二次電池の低抵抗化が図られる。
ここで開示される非水電解質二次電池または電極シートは、例えば、活物質層94に含まれるエーテル化度40(mol/C6)以下のカルボキシメチルセルロースの割合が0.5wt%以上であってもよい。この場合、水不溶解性カルボキシメチルセルロースに起因する穴95が多数分散して形成された活物質層94が安定して得られる。また、水不溶解性カルボキシメチルセルロースを過剰に入れすぎると、電池抵抗が上がる場合がある。かかる観点において、活物質層94に含まれるエーテル化度40(mol/C6)以下のカルボキシメチルセルロースの割合は、例えば、2wt%以下であってもよい。
ここで開示される非水電解質二次電池または電極シートは、例えば、活物質層94に含まれるカルボキシメチルセルロースのうち、エーテル化度40(mol/C6)以下のカルボキシメチルセルロースの割合が50%以上であってもよい。この場合、水不溶解性カルボキシメチルセルロースに起因する穴95が多数分散して形成された活物質層94が安定して得られる。
以上、ここで開示される非水電解液蓄電デバイスおよび非水電解液蓄電デバイスの製造方法について、非水電解液二次電池(具体的には、リチウムイオン二次電池)を例に種々説明した。特に言及されない限りにおいて、ここで挙げられた非水電解液蓄電デバイスおよび非水電解液蓄電デバイスの製造方法の実施形態などは、本発明を限定しない。
例えば、ここで開示される電極シートおよび電極シートの製造方法は、リチウムイオンキャパシタの負極シートのように、集電体の上に活物質粒子の層が形成される、非水電解液蓄電デバイスの電極シートに広く適用されうる。ここで開示される方法によれば、水不溶解性カルボキシメチルセルロースに起因する穴95が多数分散して形成された活物質層94(図4および図5参照)が安定して得られる。
1 リチウムイオン二次電池
10 電池ケース
20 電極体(捲回電極体)
30 正極シート
32 正極集電体
32A 未形成部
34 正極活物質層
38 正極端子
38a 正極集電端子
40 負極シート
42 負極集電体
42A 未形成部
44 負極活物質層
48 負極端子
48a 負極集電端子
51 セパレータシート
52 セパレータシート
81 混練機
82 搬送装置
83 供給配管
84 ダイ
85 乾燥炉
86 プレス機
90 電極シート
92 集電体
94 活物質層
95 穴
96 合剤ペースト
97 水不溶解性カルボキシメチルセルロース
98 活物質粒子
WL 捲回軸

Claims (7)

  1. 活物質粒子と、バインダと、カルボキシメチルセルロースとを水系溶媒に混合した合剤ペーストを用意する工程と、
    前記合剤ペーストを集電体に塗布する工程と、
    前記合剤ペーストを乾燥させる工程と
    を含み、
    前記合剤ペースト中の固形分率において、エーテル化度40(mol/C6)以下のカルボキシメチルセルロースの割合が0.5wt%以上である、
    非水電解液蓄電デバイスの製造方法。
  2. 前記合剤ペースト中の固形分率において、エーテル化度40(mol/C6)以下のカルボキシメチルセルロースの割合が15wt%以下である、請求項1に記載された非水電解液蓄電デバイスの製造方法。
  3. 前記合剤ペーストを用意する工程は、活物質粒子とバインダとが水系溶媒に混合された合剤ペーストが用意され、当該合剤ペーストに、エーテル化度40(mol/C6)以下のカルボキシメチルセルロースを混入する工程を含む、請求項1または2に記載された非水電解液蓄電デバイスの製造方法。
  4. エーテル化度40(mol/C6)以下のカルボキシメチルセルロースが含まれており、単位面積当りの4μm以上106μm以下の細孔が総細孔容積の25%以上有する活物質層を備えた、非水電解液蓄電デバイス。
  5. 前記活物質層に含まれる前記エーテル化度40(mol/C6)以下のカルボキシメチルセルロースの割合が0.5wt%以上である、請求項4に記載された非水電解液蓄電デバイス。
  6. 前記活物質層に含まれる前記エーテル化度40(mol/C6)以下のカルボキシメチルセルロースの割合が2wt%以下である、請求項4に記載された非水電解液蓄電デバイス。
  7. 前記活物質層に含まれるカルボキシメチルセルロースのうち、前記エーテル化度40(mol/C6)以下のカルボキシメチルセルロースの割合が50%以上である、請求項4から6までの何れか一項に記載された非水電解液蓄電デバイス。
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