JP2022169234A - ラミネート型二次電池の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
電解液が注液された状態で2時間以上静置し、初期充電および充放電サイクルを実施することにより、大型電極体への電解液の含浸が促進される。かかる構成によれば、電極面積が20cm×40cm以上である大型電極体であっても、電解液を均一に含浸させる製造方法が実現される。
かかる構成によれば、平均膜厚が比較的厚く、かつ、正極活物質の平均粒径が比較的小さく高密度化された電極であっても、非水電解液が好適に含浸する製造方法を提供することができる。
かかる構成によれば、非水電解液の粘度を下げることができ、より好適に非水電解液の含浸を促進させることができる。
かかる構成によれば、大型電極体に対して電解液をより均一に含浸させることができる。
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。
なお、本明細書において「ラミネート型電池」とは、ラミネートフィルムを外装体として利用し、その内部に電極体を収容した構成の電池全般をいう。ラミネート型電池は、例えば、リチウムイオン二次電池やニッケル水素電池等のいわゆる蓄電池(化学電池)であってもよく、電気二重層キャパシタ等のキャパシタ(物理電池)であってもよい。
図1は、一実施形態に係るラミネート型電池1を模式的に示す平面図である。ラミネート型電池1は、ラミネート外装体10と、該ラミネート外装体10に収容されている電極体20と、非水電解液(図示せず)と、を備えている。ラミネート外装体10は、袋状であり、電極体20を収容する空間の周縁部が熱溶着(ヒートシール)されることにより封止されている。ラミネート外装体10の外部には、正極端子30と負極端子40とが突出している。正極端子30と負極端子40とは、ラミネート外装体10の内部から外部に延びている。正極端子30と負極端子40とは外部端子である。
なお、本明細書において、「平均粒径」とは、一般的なレーザ回折・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。
支持塩としては、従来のこの種の非水電解液二次電池に用いられる支持塩を特に制限することなく用いることができる。例えば、LiPF6,LiBF4,LiAsF6,LiCF3SO3,LiC4F9SO3,LiN(CF3SO2)2,LiC(CF3SO2)3等のリチウム塩を用いることができる。なかでも、LiPF6を好ましく用いることができる。支持塩の濃度は、例えば1.1mol/L以上1.5mol/L以下にするとよい。
なお、本実施形態に係る非水系二次電池の非水電解液は、本発明の効果を著しく損なわない限りにおいて、例えば、ビフェニル(BP)、シクロヘキシルベンゼン(CHB)等のガス発生剤;被膜形成剤;分散剤;増粘剤等の各種添加剤を含んでいてもよい。
ここに開示される製造方法は、図2に示すように、典型的には以下の3つの工程:(1)ラミネート外装体に大型電極体を収容する工程(S110);(2)ラミネート外装体の内部空間に非水電解液を注液してラミネート型電池を構築する工程(S120);(3)大型電極体に電解液を含浸させる工程(S130);を包含する。ここに開示される製造方法は、電解液含浸工程S130によって大型電極体に電解液を均一に含浸させることによって特徴づけられている。したがって、その他の工程は特に限定されず、従来この種の製造方法と同様の構成でよい。以下、各工程について順に説明する。
まず、ラミネート外装体10の4つの辺のうち、いずれか1つの辺を開放した状態(以下、開口部ともいう。)で静置する。該開口部から所定量の電解液を注液する。好ましくは、ラミネート外装体10の長辺のうち、どちらか一方の辺を開放して非水電解液を注液するとよい。注液は、従来公知の電解液注液装置を適宜使用することができる。
なお、ここでいう「減圧環境下」とは、ラミネート外装体内部の圧力が大気圧よりも低くなる状態であればよい。かかる減圧は、開口部を一度仮封止してラミネート外装体内部だけを減圧してもよいし、大型電極体が収容されたラミネート外装体の全体を減圧雰囲気下に置いて減圧してもよい。減圧後の電池ケース内の圧力は、特に限定されるものではないが、例えば1kPa~30kPa程度、好ましくは5kPa~20kPa程度とするとよい。
なお、「1C」とは、活物質の理論容量により予測した電池容量(Ah)を1時間で充電できる電流値(電流密度)を意味する。したがって、例えば、1/3Cとは、当該電池容量を3時間で充電できる電流値を意味し、20Cとは当該電池容量を20分の1時間で充電できる電流値を意味する。
交流インピーダンス測定により得られたプロットを等価回路にフィッティングさせて解析することにより、円弧形状の直径を反応抵抗として算出することができる。
また、充電および放電の間に休止期間(充放電される電流が0とされる期間)は、設けられていてもよく、設けられていなくてもよい。好ましい一態様では、充電および放電の間に10分程度(例えば5~15分程度)の休止期間を設けるとよい。
なお、かかるインピーダンス測定は、同様の製造方法で製造されるすべてのラミネート型電池に対して行う必要はない。例えば、同様の製造方法で製造される数千個(例えば1000~3000個)のラミネート型電池のうち、無作為に抽出された1個以上(例えば1~10個)の電池に対して実施すればよい。
正極活物質としてのLiFePO4(平均粒径D50:10μm)と、導電材としてのアセチレンブラック(AB)と、バインダとしてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)とを、これらの材料の質量比が92:5:3となるように、溶媒としてのN-メチルピロリドン(NMP)と混合して、正極ペーストを調製した。かかる正極ペーストを、正極集電体としての矩形状のアルミニウム箔の両面に塗布した。このとき、片面の平均膜厚が100μmとなるようにした。これを乾燥することにより、正極を作製した。
上記作製した正極と負極とを、用意したセパレータを介して積層し、電極面積が20cm×40cmの大型電極体を作製した。次に、作製した大型電極体の正極と負極のそれぞれに電極端子を取り付けた。これを、2枚のラミネートフィルムで挟み込み、長辺を1辺のみ開口し、残り3辺を熱溶着した。これにより、大型電極体をラミネート外装体の内部に収容した。なお、ラミネートフィルムは、ポリプロピレンからなるシーラント層と、アルミ蒸着層と、ナイロンからなる保護層とを備えるものを使用した。
まず、上記大型電極体が収容されたラミネート外装体を40℃の恒温槽で2時間静置した。所定量の非水電解液を、ラミネート外装体の開口部から3回に分けて注液した。なお、注液するごとに減圧環境下において3分間静置した。ラミネート外装体の開口部を熱溶着により封止して、評価用ラミネート型電池を得た。
上記評価用ラミネート型電池に対して、電解液含浸工程を実施した。具体的には、非水電解液の注液が完了したラミネート型電池を40℃の恒温槽で2時間静置した。その後、25℃の温度環境下において、正負極端子間の電圧が3.3Vになるまで1/3Cのレートで充電した後、定電圧で充電した(CCCV充電)。次いで、振幅:10mV、測定周波数範囲:1000000Hz~0.1Hz、測定電圧:3.3Vの条件でインピーダンス測定を実施し、得られたプロットを等価回路にフィッティングさせて解析することで、ラミネート型電池の抵抗値を算出した。また、ここでのインピーダンス測定の結果は、充放電サイクル前のプロット(基準A)として模式的に図4に示す。
次に、初期充電が完了したラミネート型電池に対して、正負極端子間の電圧が3.8Vになるまで1/3Cの充電レートで定電流充電した後10分間休止する操作と、正負極端子間の電圧が2.5Vになるまで1/3Cの放電レートで定電流放電した後10分間休止する操作とを1サイクル(CC充放電サイクル)として、これを2サイクル繰り返した。その後、正負極端子間の電圧が4.0Vになるまで1/5Cの充電レートで定電流充電し、終止電流(1/100C)になるまで定電圧充電した後10分間休止する操作と、正負極端子間の電圧が2.5Vになるまで1/5Cの放電レートで定電流放電し、終止電流(1/100C)になるまで定電圧放電した後10分間休止する操作とを1サイクル(CCCV充放電サイクル)として、2サイクル繰り返した。
電解液含浸工程および電解液含浸工程後の静置の条件を表1に示すように変更して、実施例2および比較例1~6を実施した。なお、サイクル数が1および2サイクルの時は上記CC充放電サイクルのみを実施し、3サイクルの時は上記CC充放電サイクルを2回繰り返した後にCCCV充放電サイクルを1サイクル実施した。
充放電サイクル処理後の実施例1のラミネート型電池に対して、上述した方法でインピーダンス測定を行い、抵抗値を測定した。ここでのインピーダンス測定の結果は、充放電サイクル後のプロット(基準B)として模式的に図4に示す。充放電サイクル処理後の各評価用ラミネート型電池(実施例1,2および比較例1~6)を表1に示す条件で静置し、インピーダンス測定を行い、抵抗値を測定した。ここでのインピーダンス測定の結果は、表1および、プロットA~Cとして模式的に図4に示す。なお、大型電極体に非水電解液が均一に含浸することにより抵抗値が低下する傾向にあるため、プロットの円弧が小さいほど電解液が均一に含浸していると評価することができる。したがって、実施例1の充放電サイクル後のプロット(基準B)と、電解液含浸工程後に静置した後に測定された各評価用ラミネート型電池のプロットが一致していれば、大型電極体に非水電解液が均一に含浸していると評価することができる。
また、XRF(蛍光X線分析)を用いて、リン(P)をマッピングすることにより、非水電解液に支持塩として含まれるLiPF6の分散状態を確認した。XRFのマッピング図を模式的に図5および図6に示す。また、図5はリン(P)の分散状態が良好であることを示し、図6はリン(P)が偏在しているため、分散不良であることを示す。分散状態が良好である場合には「○」、分散不良である場合には「×」として、結果を表1に示す。なお、リン(P)の分散状態が良好である場合には、非水電解液が均一に含浸していると評価することができる。
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。
10 ラミネート外装体
20 電極体
30 正極端子
40 負極端子
Claims (4)
- 少なくとも正極および負極を備え、かつ、電極面積が20cm×40cm以上である大型電極体をラミネート外装体に収容する工程;
前記大型電極体が収容されたラミネート外装体の内部空間に電解液を注液して、ラミネート型電池を構築する工程;
前記大型電極体に前記電解液を含浸させる工程;
を包含し、
前記電解液含浸工程には、
前記電解液が注液されたラミネート型電池を2時間以上静置する処理と、
前記静置後のラミネート型電池を初期充電する処理と、
前記初期充電後のラミネート型電池に対して少なくとも4回以上充放電サイクルを繰り返す処理と、
が含まれる、ラミネート型電池の製造方法。 - 前記正極は、正極集電体と、該集電体上に形成された正極活物質層とを備えており、
前記正極活物質層の平均膜厚が100μm以上であって、
前記正極活物質層は平均粒径が10μm以下の正極活物質を含む、請求項1に記載のラミネート型電池の製造方法。 - 前記静置処理が、30℃以上80℃以下の環境下において実施される、請求項1または2に記載のラミネート型電池の製造方法。
- 前記ラミネート型電池を構築する工程において注液される前記電解液の液量は、予め定められており、該電解液の注液が所定の間隔を設けつつ少なくとも3回以上に分けて実施される、請求項1~3のいずれか一項に記載のラミネート型電池の製造方法。
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