JP2022158238A - 二次電池用電極の製造方法および湿潤粉体 - Google Patents
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Abstract
Description
湿潤粉体は、該湿潤粉体を構成する凝集粒子において、固相と液相とが後述するキャピラリー状態を形成していることにより、より好適に電極集電体上に電極活物質層を形成することができる。このようなキャピラリー状態を好適に形成するために、該湿潤粉体の固形分率は70質量%以上であることが好ましい。かかる構成によれば、実質的にバインダ樹脂を含まない態様であっても電極活物質層を形成することができる。
かかる構成によれば、一定量の吸油量を備えるカーボンナノチューブを用いることにより、第1混合処理におけるカーボンナノチューブへの非水電解液の含侵がより好適に行うことができる。これにより、造粒工程において、液架橋力が十分に発揮された湿潤粉体を
製造することができる。
かかる構成によれば、湿潤粉体からなる電極活物質層をより効率よく電極集電体上に製造することができる。
かかる構成によれば、電極密度が向上した電極を好適に製造し得る湿潤粉体を提供することができる。
本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。ここで開示される技術の内容は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。
また、寸法関係(長さ、幅、高さ等)は実際の寸法関係を反映するものではない。
なお、本明細書において範囲を示す「A~B(ただし、A、Bは任意の値。)」の表記は、A以上B以下を意味するものとする。
造粒工程S110では、図2に示すように、カーボンナノチューブと非水電解液とを混合する第1混合処理(S112)と、第1混合処理の後、さらに電極活物質を加えて混合する第2混合処理(S114)と、第1および第2混合処理によって得られた混合物を圧縮する処理(S116)とを含む。
湿潤粉体を構成する凝集粒子における固相(活物質粒子等の固形成分)、液相(非水電解液等の液体成分)および気相(空隙)の存在形態(充填状態)に関しては、「ペンジュラー状態」、「ファニキュラー状態」、「キャピラリー状態」および「スラリー状態」の4つに分類することができる。
「ペンジュラー状態」は、図3の(A)に示すように、凝集粒子1中の固形成分(固相)2間を架橋するように液体成分(液相)3が不連続に存在する状態であり、固形成分2は相互に連なった(連続した)状態で存在し得る。図示されるように液体成分3の含有率は相対的に低く、その結果として凝集粒子1中に存在する空隙(気相)4の多くは、連続して存在し、外部に通じる連通孔を形成している。
「ファニキュラー状態」は、図3の(B)に示すように、凝集粒子1中の液体成分3の含有率がペンジュラーよりも相対的に高い状態であり、凝集粒子1中の固形成分2の周囲に液体成分3が連続して存在する状態となっている。但し、液体成分3の量は依然少ないため、ペンジュラー状態と同様に、固形成分2は相互に連なった(連続した)状態で存在する。凝集粒子1中に存在する空隙4のうち、外部に通じる連通孔の割合はやや減少し、不連続な孤立空隙の存在割合が増加していく傾向にあるが連通孔の存在は認められる。
「スラリー状態」は、図3の(D)に示すように、もはや固形成分2は、液体成分3中に懸濁した状態であり、凝集粒子とは呼べない状態となっている。気相は上記キャピラリー状態よりもさらに存在しない。
なお、本明細書において「固形分率」とは、湿潤粉体全体に占める固形成分の割合のことをいう。
なお、本明細書において、「平均粒径」とは、一般的なレーザ回析・光散乱法に基づく体積基準の粒度分布において、粒径が小さい微粒子側からの累積頻度50体積%に相当する粒径(D50、メジアン径ともいう。)をいう。
なお、カーボンナノチューブの吸油量は、試薬液体としてジブチルフタレート(DBP)を使用し、JIS K6217-4:2008に記載の方法に準拠して測定することができる。
また、カーボンナノチューブの平均直径は、特に限定されるものではないが、例えば、2nm以上150nm以下であってよく、5nm以上120nm以下であってよい。なお、カーボンナノチューブの平均長さおよび平均直径は、例えば電子顕微鏡観察に基づく測定で得られた値を採用することができる。
非水電解液が含侵したカーボンナノチューブと電極活物質とが、圧縮されながら擦りあわされることにより、含侵していた非水電解液がカーボンナノチューブから押し出されて電極活物質の表面に優先的に付着しながら凝集粒子が構成される。また、混合物から気体が押し出されて電極活物質同士の間隙が小さくなり、該活物質の密度が高い状態になる。すなわち、固形成分(ここでは電極活物質)2と液体成分(ここでは非水電解液)3とが、図3(C)に示すようなキャピラリー状態の凝集粒子1を形成することができる。非水電解液が押し出されたカーボンナノチューブは、高い圧縮力によって粉砕されながら形成された凝集粒子に巻き込まれ、凝集粒子の表面に付着する。
なお、本明細書において「実質的に含まない」とは、意図的に対象成分を添加していないことをいい、該成分を全く含まないか、あるいはここに開示される製造方法において何ら意味をなさない程度のごく微量(いわゆるコンタミ程度)しか含まれていないことをいう。
電極形成工程S120は、造粒工程S110によって造粒される湿潤粉体を用いて、該湿潤粉体からなる電極活物質層を電極集電体上に供給して電極を形成する工程である。湿潤粉体20からなる電極活物質層32の形成は、図5に模式的に示すようなロール成膜装置40を用いて行うことができる。図示されるように、ロール成膜装置40は、第1の回転ロール41(以下「供給ロール41」ともいう。)と、該第1の回転ロール41に対向して配置される第2の回転ロール42(以下「転写ロール42」ともいう。)と、を備えている。供給ロール41の外周面と転写ロール42の外周面は互いに対向しており、これら一対の回転ロール41、42は、図5の矢印に示すように逆方向に回転することができる。また、供給ロール41と転写ロール42との間隙(ギャップ)は、長尺なシート状の電極集電体31上に形成する電極活物質層32の所望の厚さに応じた距離だけ離れている。また、かかるギャップのサイズを調整することにより、供給ロール41と転写ロール42との間を通過する湿潤粉体20を圧縮する力を調整することもできる。このため、湿潤粉体20の固形分率等に応じて、供給ロール41と転写ロール42とのギャップのサイズを調整することにより、造粒粒子同士が好適に一体化され、引き伸ばされて膜状に成形される。
本実施形態に係るロール成膜装置40では、転写ロール42の隣に第3の回転ロールとしてバックアップロール43が配置されている。バックアップロール43は、電極集電体31を転写ロール42まで搬送する役割を果たす。転写ロール42とバックアップロール43は、図5の矢印に示すように、逆方向に回転する。
特に限定するものではないが、供給ロール41、転写ロール42およびバックアップロール43各ギャップのサイズ(幅)は、電極活物質層32の成膜時の平均膜厚が10μm以上300μm以下(例えば、20μm以上150μm以下)となるようなギャップサイズに設定すればよい。
なお、図5では、供給ロール41、転写ロール42、バックアップロール43は、それぞれの回転軸が水平に並ぶように配置されているが、かかるロールの配置はこれに限られたものではない。
図6に示すリチウムイオン二次電池100は、密閉可能な箱型電池ケース50に、扁平形状の捲回電極体80と、非水電解液(図示せず)とが、収容されて構築される。電池ケース50には、外部接続用の正極端子52および負極端子54と、電池ケース50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薄肉の安全弁56とが設けられている。また、電池ケース50には、非水電解液または非水溶媒を注入するための注入口(図示せず)が設けられている。正極端子52と正極集電板52aは、電気的に接続されている。負極端子54と負極集電板54aは、電気的に接続されている。
下記に示す正極材料を用いて、図1に示すフローにしたがって非水電解液二次電池用の電極を作製した。
まず、正極活物質としてレーザ回折・散乱方式に基づく平均粒径(D50)が20μmであるリチウム遷移金属酸化物(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)、導電材として吸油量が280ml/gであるカーボンナノチューブ(CNT)を用意した。かかる正極活物質とCNTとの質量比は90:10となるように調整した。
非水電解液としては、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30:40:30の体積比で含む混合溶媒に、支持塩としてのLiPF6を1mol/Lの濃度で溶解させたものを用意した。
次いで、得られた湿潤粉体(正極材料)を上記ロール成膜装置に供給し、別途用意したアルミ箔からなる長尺シート状の正極集電体の表面に正極活物質層を形成した。湿潤粉体からなる電極活物質層は、電極集電体上に好適に転写され、剥離等の不具合は観察されなかった。これにより、シート状の正極集電体上に正極活物質層が形成された正極シートを得た。
比較対象として、導電材としてアセチレンブラックを用いた正極材料からなる正極を作製した。具体的には、正極活物質としてレーザ回折・散乱方式に基づく平均粒径(D50)が20μmであるリチウム遷移金属酸化物(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)、導電材としてアセチレンブラック(AB)を用意した。かかる正極活物質とABとの質量比は90:10となるように調整した。
非水電解液としては、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30:40:30の体積比で含む混合溶媒に、支持塩としてのLiPF6を1mol/Lの濃度で溶解させたものを用意した。
次いで、得られた湿潤粉体(正極材料)を上記成膜装置に供給し、別途用意したアルミ箔からなる長尺シート状の正極集電体の表面に正極活物質層の形成を試みたが、正極集電体上に正極活物質層を形成することができなかった。
するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、
変更したものが含まれる。
2 固形成分(固相)
3 液体成分(液相)
4 空隙(気相)
20 湿潤粉体
22 電極活物質
24 非水電解液
26 カーボンナノチューブ
31 電極集電体
32 電極活物質層
40 ロール成膜装置
41 第1の回転ロール(供給ロール)
42 第2の回転ロール(転写ロール)
43 バックアップロール
45 隔壁
50 電池ケース
52 正極端子
52a 正極集電板
54 負極端子
54a 負極集電板
56 安全弁
60 正極シート
62 正極集電体
64 正極活物質層
66 正極活物質層非形成部
70 負極シート
72 負極集電体
74 負極活物質層
76 負極活物質層非形成部
80 捲回電極体
90 セパレータ
100 リチウムイオン二次電池
Claims (5)
- 正負極いずれかの電極集電体および電極活物質層を有する電極の製造方法であって、
電極活物質と、カーボンナノチューブと、非水電解液とを少なくとも含有する凝集粒子によって形成される湿潤粉体を造粒する工程と、
前記湿潤粉体からなる電極活物質層を前記電極集電体上に供給して電極を形成する工程と、
を包含し、
前記造粒工程は、
前記カーボンナノチューブと前記非水電解液とを混合して、前記カーボンナノチューブに前記非水電解液を含浸させるように混合する第1混合処理と、
前記非水電解液が含浸したカーボンナノチューブと、前記電極活物質とを混合する第2混合処理と、
前記第1および第2混合処理により得られた混合物を圧縮する処理が含まれる、非水電解液二次電池用電極の製造方法。 - 前記造粒工程において造粒される前記湿潤粉体は、前記凝集粒子において固相と液相とがキャピラリー状態を形成しており、
湿潤粉体全体を100質量%としたときに、固形分率が70質量%以上である、請求項1に記載の電極の製造方法。 - 前記カーボンナノチューブの吸油量が、280mL/100g以上1000mL/100g以下である、請求項1または2に記載の電極の製造方法。
- 前記電極形成工程は、第1のロールと、前記第1のロールに対向して配置される第2のロールとの間に供給された前記湿潤粉体を、前記第2のロールの外周面上に前記電極活物質層として付着させるとともに、前記第2のロールに別途供給される前記電極集電体の表面に、該第2のロールの外周面上から前記電極活物質層を転写することにより、前記電極を形成する、請求項1~3のいずれか一項に記載の電極の製造方法。
- 正負極いずれかの電極集電体上に電極活物質層を形成するための湿潤粉体であって、
電極活物質と、カーボンナノチューブと、非水電解液と、を含む凝集粒子によって構成されており、
湿潤粉体全体を100質量%としたときに、固形分率が70質量%以上であり、
前記凝集粒子は、固相と液相とがキャピラリー状態を形成しており、
前記カーボンナノチューブの吸油量が、280mL/100g以上1000mL/100g以下である、湿潤粉体。
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