JP2022141439A - 電極の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
この種の二次電池に備えられる正極および負極(以下、正負極を特に区別しない場合は単に「電極」という)の典型的な構造として、箔状の電極集電体の片面もしくは両面に電極活物質を主成分とする電極活物質層が形成されているものが挙げられる。
あるいは、このような合材スラリーによる成膜に代えて、合材スラリーよりも固形分の割合が比較的高く、溶媒が活物質粒子の表面とバインダ分子の表面に保持されたような状態で粒状集合体が形成されたいわゆる湿潤粉体(Moisture Powder)を用いて成膜する湿潤粉体成膜(Moisture Powder Sheeting:MPS)も検討されている。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、両端の形態が好適に調整された電極活物質層を備える電極の製造方法を提供することである。
かかる電極の製造方法によると、塗膜が電極集電体上に漏れ出すことを防止しつつ、該塗膜を圧縮成形することができる。これによって、両端の形態が好適に調整された電極活物質層を得ることができる。
詳細については後述するが、かかる成形ロールを用いることで、両端の形態(形状を含めた形態)がより好適に調整された電極活物質層を得ることができるため、好ましい。
なお、本明細書および特許請求の範囲において、所定の数値範囲をA~B(A、Bは任意の数値)と記すときは、A以上B以下の意味である。したがって、Aを上回り且つBを下回る場合を包含する。
先ず、ステップS1では、電極材料を準備する。なお、本実施形態では、電極材料として湿潤粉体を使用する場合について説明するが、電極材料をかかる材料に限定することを意図したものではない。電極材料としては、例えば、ドライ(乾燥)粉体や、電極活物質,バインダ,導電材,溶媒等を混合して調製されるスラリー状(インク状、ペースト状を包含する)の電極材料等を用いることもできる。なお、合材スラリー状の電極材料を用いる場合は適切な粘度に調製されていることが好ましく、かかる粘度としては、市販の粘度計を用いて25℃-20rpmで測定したときに、概ね10000mPa・s~30000mPa・s程度の高粘度流体(例えば、20000mPa・s)ものを好ましく用いることができる。なお、湿潤粉体は、塗膜の両端の形態を効率よく調整するという観点から、好ましく用いることができる。
また、最小の溶媒で活物質間の液架橋を実現するために、使用する粉体材料の表面と使用する溶媒には、適度な親和性があることが望ましい。
「緩め嵩比重Xと真比重Yとの比:Y/X」が、
1.2以上、好ましくは1.4以上(さらには1.6以上)であって、好ましくは2以下であるような湿潤粉体が挙げられる。
具体的に、図3に示すような撹拌造粒機10の混合容器12内に固形分である電極活物質と種々の添加物(バインダ樹脂、増粘材、導電材等)を投入し、モータ18を駆動させて回転羽根14を、例えば、2000rpm~5000rpmの回転速度で1~30秒間程度、回転させることによって固形物の混合体を製造する。そして、固形分が55%以上、より好ましくは60%以上(例えば65~90%)になるように計量された少量の溶媒を混合容器12内に添加し、回転羽根14を、例えば100rpm~1000rpmの回転速度で1~30秒間程度さらに回転させる。これによって、混合容器12内の各材料と溶媒が混合されて湿潤状態の造粒体(湿潤粉体)を製造することができる。なお、さらに1000rpm~3000rpm程度の回転速度で1~5秒間程度の短い撹拌を断続的に行うことで、湿潤粉体の凝集を防止することができる。
上述したプロセスによって電極材料としての気相制御湿潤粉体(湿潤粉体)を準備し(ステップS1)、次に、ステップS2~4を実施する。上記ステップS2~4を実施するための好ましい電極製造装置として、図4に示す電極製造装置20が挙げられる。かかる電極製造装置は、大まかにいって、図示しない供給室から搬送されてきたシート状の電極集電体32の表面上に湿潤粉体30を供給して塗膜36を形成する成膜ユニット60と、電極集電体32における塗膜36が形成されていない塗膜非形成部分34に、成形ロール50の両端を当接させ、かつ、当接部51の間に存在する凹部の中央部分51bに、所定の接触圧で該塗膜を接触させることによって、当該塗膜のシート長手方向における両端部分37の形態を整えるロール成形ユニット62と、ロール成形後の塗膜36を適切に乾燥させて、電極活物質層を形成する乾燥ユニット64とを備える。以下、各ユニットについて説明する。
かかるロール成形によると、塗膜36が塗膜非形成部分34の表面上に漏れ出すことを防止しつつ、該塗膜を圧縮成形することができる。これによって、シート長手方向Xにおける端部37の形態が好適に調整された電極活物質層を得ることができる。
はじめに、ロール間ギャップG1,G2間に存在する塗膜36aの端部Qと、成形ロール50を通過した直後の塗膜36bの端部Rとを、二次元センサ54によって測定する。そして、塗膜36bの幅方向Yにおける延伸量(即ち、端部Qおよび端部Rの変化量)を算出する。さらに、塗膜36bの幅方向Yにおける全幅を、二次元センサ54によって測定する。
上記のとおり得られた延伸量,全幅を、次の式:k={(延伸量×2)/全幅}×100(%)に導入することで、幅変化率kを導出することができる。なお、幅変化率kの大きさは、ここで開示される技術の効果が発揮される限りにおいて特に制限されないが、概ね0.5~5%の範囲内(好ましくは、0.5~2%)とすることができる。
次に、上記電極活物質層の目付量に、転写ロール42および転写ロール用バックアップロール44の回転速度比(即ち、転写ロール42の回転速度/転写ロール用バックアップロール44の回転速度)を掛けて、該転写ロールの表面上の塗膜36a(図7を参照)の推定目付量(g/cm2)を算出する。続いて、塗膜36aの厚みS(μm)(図7を参照)を、二次元センサ等によって測定する。そして、上記推定目付量を上記塗膜の厚みで除することによって、該塗膜の膜密度(g/cm3)を算出する。
上記のとおり得られた電極活物質層の密度,塗膜の膜密度を、次の式:θ=(電極活物質層の膜密度/塗膜の膜密度)×100(%)に導入することによって、空隙圧縮率θを導出することができる。なお、空隙圧縮率θの大きさは、ここで開示される技術の効果が発揮される限りにおいて特に制限されないが、概ね0.5~5%の範囲内(好ましくは、0.5~3%)とすることができる。
以上、ここで開示される電極の製造方法の一例について説明したが、ここで開示される電極の製造方法の内容をかかる具体例に限定するものではない。ここで開示される電極の製造方法は、上述した具体例をその目的を変更しない限りにおいて種々変更したものが包含される。
本実施形態のリチウムイオン二次電池(非水電解液二次電池)100は、扁平形状の捲回電極体80と非水電解液(図示せず)とが電池ケース(即ち外装容器)70に収容された電池である。電池ケース70は、一端(電池の通常の使用状態における上端部に相当する。)に開口部を有する箱形(すなわち有底直方体状)のケース本体72と、該ケース本体72の開口部を封止する蓋体74とから構成される。ここで、捲回電極体80は、該捲回電極体の捲回軸が横倒しとなる姿勢(即ち、捲回電極体80の捲回軸方向と蓋体74の面方向とはほぼ平行である。)で、電池ケース70(ケース本体72)内に収容されている。電池ケース70の材質としては、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケルめっき鋼といった軽量で熱伝導性の良い金属材料が好ましく用いられ得る。
また、図8に示すように、蓋体74には外部接続用の正極端子81および負極端子86が設けられている。蓋体74には、電池ケース70の内圧が所定レベル以上に上昇した場合に該内圧を開放するように設定された排気弁76と、非水電解液を電池ケース70内に注入するための注入口(図示せず)が設けられている。電池ケース70は、蓋体74を電池ケース本体72の開口部の周縁に溶接することによって、該電池ケース本体72と蓋体74との境界部を接合(密閉)することができる。
扁平形状の捲回電極体80は、例えば、上述した電極製造装置20により湿潤粉体30からなる活物質層が形成された正負極シート83,88および長尺なシート状のセパレータ90を、断面が真円状の円筒形状になるように捲回した後で、該円筒型の捲回体を捲回軸に対して直交する一の方向に(典型的には側面方向から)押しつぶして(プレスして)拉げさせることによって、扁平形状に成形することができる。かかる扁平形状とすることで、箱形(有底直方体状)の電池ケース70内に好適に収容することができる。なお、上記捲回方法としては、例えば円筒形状の捲回軸の周囲に正負極およびセパレータを捲回する方法を好適に採用し得る。
(負極材料の準備)
負極材料として好適に使用し得る気相制御湿潤粉体を作製し、次いで、該作製された湿潤粉体(負極材料)を用いて銅箔上に負極活物質層を形成した。
本試験例では、負極活物質としてレーザ回折・散乱方式に基づく平均粒子径(D50)が10μmである黒鉛粉、バインダ樹脂としてスチレンブタジエンゴム(SBR)、増粘剤としてカルボキシメチルセルロース(CMC)、溶媒として水を用いた。
先ず、成形ロールを通過する直前の塗膜の幅方向Yにおける全幅を測定したところ、210mmであった。また、成形ロールを通過した直後の塗膜の幅方向Yにおける全幅を測定したところ、212.5mmであった。そして、幅変化率k=(成形ロールを通過した直後の塗膜の全幅)/(成形ロールを通過する直前の塗膜の全幅)とすると、1.01と算出された。
続いて、成形ロールを通過する直前の塗膜の厚みTを測定したところ、109μmとなった。また、乾燥工程後の電極活物質層の厚みを測定したところ、107.3μmであった。そして、空隙圧縮率θ=(成形ロールを通過する直前の塗膜の厚み)/(乾燥工程後の電極活物質層の厚み)とすると、1.02と算出された。なお、上記測定は、市販の二次元センサを用いて行った。
上記のとおり得られた気相湿潤粉体を、電極製造装置に供給し、転写ロール用バックアップロールから搬送されてきた銅箔からなる負極集電体の表面に塗膜を転写した。そして、上記のとおり段差Hの大きさを規定した成形ロールによって塗膜の形態の調整を行った後、乾燥させることで、試験例1に係る負極を作製した。図9は、試験例1に係る負極のSEM断面画像である。
ロール成形を行わなかった以外は試験例1と同様にして、試験例2に係る負極を作製した。図10は、試験例2に係る負極のSEM断面画像である。
2 活物質粒子(固層)
3 溶媒(液相)
4 空隙(気相)
10 撹拌造粒機
12 混合容器
14 回転羽根
16 回転軸
18 モータ
20 電極製造装置
30 湿潤粉体(電極材料)
32 電極集電体
34 塗膜非形成部分
36,36a,36b 塗膜
37 塗膜の端部
40 供給ロール
42 転写ロール
43 転写ロール段差部
44 転写ロール用バックアップロール
50 成形ロール
51 当接部
51a 凹部
51b 凹部の中央部分
52 成形ロール用バックアップロール
54 非接触(二次元)変位センサ
60 成膜ユニット
62 ロール成形ユニット
64 乾燥ユニット
70 電池ケース
72 ケース本体
74 蓋体
76 排気弁
80 捲回電極体
81 正極端子
81a 正極集電板
82 正極集電体
82a 正極活物質層非形成部分
83 正極シート(正極)
84 正極活物質層
86 負極端子
86a 負極集電板
87 負極集電体
87a 負極活物質層非形成部分
88 負極シート(負極)
89 負極活物質層
90 セパレータシート(セパレータ)
100 リチウムイオン二次電池
X シート長手方向
Y 幅方向
G1,G2 ロール間ギャップ
Claims (6)
- 正負極いずれかの長尺なシート状の電極集電体と、該電極集電体上に形成された長尺なシート状の電極活物質層を備える電極の製造方法であって、以下の工程:
電極材料を準備する、電極材料準備工程;
前記電極材料を用いて、前記電極集電体上のシート長手方向に塗膜を形成する成膜工程;
前記電極集電体における前記塗膜が形成されていない塗膜非形成部分に、成形ロールの両端を当接させ、かつ、該当接部間に存在する凹部の中央部分に、所定の接触圧で該塗膜を接触させることによって、当該塗膜の前記シート長手方向における両端部分の形態を整えるロール成形工程;
を包含する、電極の製造方法。 - さらに前記成形ロールに対向するバックアップロールが存在し、
前記ロール成形工程において、前記成形ロールの回転速度をA、前記バックアップロールの回転速度をBとしたときに、回転速度比(A/B)が0.98≦A/B≦1.02の範囲内となるように、該成形ロールおよび該バックアップロールを回転させる、請求項1に記載の電極の製造方法。 - 前記電極材料は、湿潤粉体を含み、
該湿潤粉体は、複数の電極活物質粒子と、バインダ樹脂と、溶媒とを含む凝集粒子によって構成されており、
ここで、前記湿潤粉体を構成する少なくとも50個数%以上の前記凝集粒子は、固相と液相と気相とがペンジュラー状態またはファニキュラー状態を形成している、請求項1または2に記載の電極の製造方法。 - 前記湿潤粉体が、所定の容積(mL)の容器に力を加えずにすり切りに該湿潤粉体(g)を入れて計測した嵩比重を緩め嵩比重X(g/mL)とし、
気相が存在しないと仮定して当該湿潤粉体の組成から算出される比重を真比重Y(g/mL)としたとき、
緩め嵩比重Xと真比重Yとの比:Y/Xが、1.2以上である、請求項3に記載に記載の電極の製造方法。 - 前記成膜工程は、
一対の回転ロール間に前記電極材料を供給して一方の回転ロールの表面に該電極材料からなる塗膜を形成し、
別の回転ロール上に搬送されてきた前記電極集電体の表面に、前記塗膜を転写することによって行われる、請求項1~4のいずれか一項に記載の電極の製造方法。 - 前記成形ロールを通過する前後の、前記シート長手方向に直交する方向における該塗膜の幅変化率をk、
前記成形ロールを通過する前後において、前記塗膜中に存在する空隙が圧縮される空隙圧縮率をθ、
前記一対の回転ロールを通過し、前記成形ロールを通過する前の塗膜の厚みをT、
としたときに、
前記ロール成形工程において、前記当接部と、前記凹部の中央部分との距離Hが、下記式:
H≦T/(kθ)
を満たすような前記成形ロールを用いる、請求項5に記載の電極の製造方法。
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