JP2023122455A - 電極の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
70℃以上100℃未満の表面温度に調節されたロールプレスを用いて、前記電極組成物を加圧する加圧工程と、
を有する、
電極の製造方法。
先ず、第1の実施形態について説明する。
本実施形態について説明するにあたり、先ず、本実施形態で製造される電極を備えたリチウムイオン二次電池の二次電池モジュールの構成について述べる。図1は、第1の実施形態に係る二次電池モジュールを示す概略断面図である。
正極活物質としては、リチウムと遷移金属との複合酸化物{遷移金属元素が1種である複合酸化物(LiCoO2、LiNiO2、LiAlMnO4、LiMnO2及びLiMn2O4等)、遷移金属元素が2種である複合酸化物(例えばLiFeMnO4、LiNi1-xCoxO2、LiMn1-yCoyO2、LiNi1/3Co1/3Al1/3O2及びLiNi0.8Co0.15Al0.05O2)及び遷移金属元素が3種類以上である複合酸化物[例えばLiMaM'bM”cO2(M、M'及びM”はそれぞれ異なる遷移金属元素であり、a+b+c=1を満たす。例えばLiNi1/3Mn1/3Co1/3O2)等]等}、リチウム含有遷移金属リン酸塩(例えばLiFePO4、LiCoPO4、LiMnPO4及びLiNiPO4)、遷移金属酸化物(例えばMnO2及びV2O5)、遷移金属硫化物(例えばMoS2及びTiS2)及び導電性高分子(例えばポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン及びポリ-p-フェニレン及びポリビニルカルバゾール)等が挙げられ、2種以上を併用しても良い。
なお、リチウム含有遷移金属リン酸塩は、遷移金属サイトの一部を他の遷移金属で置換したものであっても良い。
正極活物質の周囲が被覆樹脂で被覆されていると、電極の体積変化が緩和され、電極の膨張を抑制することができる。
これらの導電助剤は1種単独で用いられても良いし、2種以上併用しても良い。また、これらの合金又は金属酸化物として用いられても良い。
また、これらの導電助剤としては、粒子系セラミック材料や樹脂材料の周りに導電性材料[好ましくは、上記した導電助剤のうち金属のもの]をめっき等でコーティングしたものでも良い。
導電助剤としては、上述した被覆正極活物質に含まれる導電助剤と同様のものを好適に用いることができる。
ここで、非結着体とは、正極活物質が結着材(バインダともいう)により位置を固定されておらず、正極活物質同士及び正極活物質と集電体が不可逆的に固定されていないことを意味する。
粘着性樹脂としては、例えば、特開2017-54703号公報に記載された非水系二次電池活物質被覆樹脂に少量の有機溶剤を混合してそのガラス転移温度を室温以下に調整したもの、及び、特開平10-255805号公報に粘着剤として記載されたもの等を好適に用いることができる。
従って、溶液乾燥型の電極バインダ(結着材)と粘着性樹脂とは異なる材料である。
負極活物質としては、公知のリチウムイオン電池用負極活物質が使用でき、炭素系材料[黒鉛、難黒鉛化性炭素、アモルファス炭素、樹脂焼成体(例えばフェノール樹脂及びフラン樹脂等を焼成し炭素化したもの等)、コークス類(例えばピッチコークス、ニードルコークス及び石油コークス等)及び炭素繊維等]、珪素系材料[珪素、酸化珪素(SiOx)、珪素-炭素複合体(炭素粒子の表面を珪素及び/又は炭化珪素で被覆したもの、珪素粒子又は酸化珪素粒子の表面を炭素及び/又は炭化珪素で被覆したもの並びに炭化珪素等)及び珪素合金(珪素-アルミニウム合金、珪素-リチウム合金、珪素-ニッケル合金、珪素-鉄合金、珪素-チタン合金、珪素-マンガン合金、珪素-銅合金及び珪素-スズ合金等)等]、導電性高分子(例えばポリアセチレン及びポリピロール等)、金属(スズ、アルミニウム、ジルコニウム及びチタン等)、金属酸化物(チタン酸化物及びリチウム・チタン酸化物等)及び金属合金(例えばリチウム-スズ合金、リチウム-アルミニウム合金及びリチウム-アルミニウム-マンガン合金等)等及びこれらと炭素系材料との混合物等が挙げられる。
導電助剤及び被覆樹脂としては、上述した被覆正極活物質と同様の導電助剤及び被覆樹脂を好適に用いることができる。
樹脂集電体の形状は特に限定されず、導電性高分子材料からなるシート状の集電体、及び、導電性高分子材料で構成された微粒子からなる堆積層であっても良い。
樹脂集電体の厚さは、特に限定されないが、50μm~500μmであることが好ましい。
導電性高分子材料を構成する導電剤としては、上述した被覆正極活物質に含まれる導電助剤と同様のものを好適に用いることができる。
電気的安定性の観点から、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリメチルペンテン(PMP)及びポリシクロオレフィン(PCO)が好ましく、更に好ましくはポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)及びポリメチルペンテン(PMP)である。
電解液としては、公知のリチウムイオン電池の製造に用いられる、電解質及び非水溶媒を含有する公知の電解液を使用することができる。
電解液の電解質濃度が1mol/L未満であると、電池の充分な入出力特性が得られないことがあり、5mol/Lを超えると、電解質が析出してしまうことがある。
なお、電解液の電解質濃度は、リチウムイオン電池用電極又はリチウムイオン電池を構成する電解液を、溶媒等を用いずに抽出して、その濃度を測定することで確認することができる。
以下、リチウムイオン二次電池の電極(正電極及び負電極)の製造方法にについて説明する。
図2は、第1の実施形態によるリチウムイオン二次電池の電極の製造方法を工程順に示すフロー図である。
マスキング工程S1では、図3に示すように、間欠的に配置された電極組成物層配置部に対応する大きさの開口部A1,A2,A3,A4及びA5を有するマスク層110を、連続するシート状の基材100上に載置する。基材100上にマスク層110が載置された状態では、マスク層110の開口(ここでは、A1,A2,A3,A4及びA5のみ図示する。)から基材100の電極組成物層配置部が露出する。ここで、電極組成物層配置部が間欠的に配置されているとは、基材100の表面に、電極組成物層が配置される部分(電極組成物層配置部)と、電極組成物層が配置されていない部分(電極組成物層非配置部)とが存在し、電極組成物層配置部が2個以上存在し、かつ、互いに接触していない状態を意味する。互いに接触しないように設けられた電極組成物層配置部同士の距離は、一定であってもよく、異なっていてもよい。
供給工程S2では、基材上に電極活物質を含む電極組成物を連続的に供給する。
連続的に供給する、とは、後述する除去工程S3によって形成される2以上の電極組成物層配置部に跨るように、電極組成物を途切れないように供給することを意味する。この時、電極組成物を間欠的に供給してもよい。ただし、電極組成物を間欠的に供給する場合、電極組成物を間欠的に供給することで基材上に形成された電極組成物を、後述する除去工程によって2以上の電極組成物層配置部とする必要がある。従って、間欠的に供給された1つの電極組成物に1つの電極組成物層配置部しか形成しない場合は、基材上に電極組成物を連続的に供給しているとはいえない。
電極組成物の厚さを調整する方法としては、スキージ、回転ローラ、ドクターブレード、アプリケータ等を用いる方法が挙げられる。電極組成物の厚さを調整する工程は、上述した供給工程S2において用いられる装置によって行われてもよく、供給工程において用いられる装置とは別の装置を用いて行われてもよい。
供給工程S2では、長尺シート状の基材100上に、電極組成物120を連続的に供給する。供給された電極組成物120は、基材100上に載置されたマスク層140の開口A1,A2,A3,A4及びA5内を埋め込んでマスク層110上を覆うように堆積される。電極組成物120としては、上述した電極活物質(導電助剤及び被覆樹脂で被覆された被覆正極活物質又は被覆負極活物質)が用いられる。
ホッパーと基材との相対位置の変化速度は、電極組成物層120の密度や厚さ、及び電極組成物層の粘度により適宜調整することができる。
除去工程S3では、基材100上に供給された電極組成物の一部を除去して、基材表面の電極組成物層配置部に電極組成物層を形成する。電極組成物層が形成されなかった領域が、電極組成物層非配置部となる。
なお、除去工程S3よりも後に加圧工程S4が行われる場合であって、加圧工程S4によって電極組成物層の大きさが変化する場合には、加圧後に所望の形状となるような電極組成物層の大きさを予め設定しておくことが好ましい。
除去工程S3では、マスク層110を基材100上から除去する。このとき、マスク層110の開口部の中に配置されている電極組成物120は基材100上に残存することとなる。一方、マスク層140上に供給された電極組成物120は、マスク層110と共に基材100上から除去される。マスク層110の開口部(A1、A2、A3、A4及びA5)があった領域だけに電極組成物120が残存することで、基材100上には、電極組成物120からなる電極組成物層120Aが間欠的に形成される。
加圧工程S4では、供給工程S3によって基材上に供給された電極組成物を、ロールプレスにより加圧して、被覆活物質層を得る。ロールプレスにおける線圧は特に限定されず、電極組成物の組成、電極組成物の流動性及び電極組成物の密度に応じて、調整することができる。
加圧工程S4では、基材100上に配置された電極組成物層120をロールプレス140a及び140bにより加圧する。電極組成物層120の加圧によって、基材100上に被覆活物質層130が形成される。本実施形態では、加圧工程の際に、ロールプレス140a及び140bの表面温度を70℃以上100℃未満の範囲内の所定温度に調節し、温度調節されたロールプレス140a及び140bを用いて電極組成物層120を加圧する。
ロールプレス140a及び140bの表面温度が100℃以上であると、電極組成物層120が配置された基材100が劣化するおそれがある。特に基材100として樹脂集電体を用いた場合に劣化する可能性が高い。
ロールプレス140a及び140bの表面温度を70℃以上100℃未満の範囲内に調節して加圧工程S4を行うことにより、基材100の性能を保持しつつ、加熱を伴う加圧により被覆活物質を被覆する被覆樹脂が十分に溶融して、優れた強度の電極が得られることとなる。
ロールプレス140a及び140bの周速度が5mm/s未満であると、加圧時における電極組成物層120へのロールプレス140a及び140bからの熱伝達が過剰となり、電極組成物層120が配置された基材100(特に樹脂集電体)が劣化するおそれがある。
ロールプレス140a及び140bの周速度が40mm/s超であると、加圧時における電極組成物層120へのロールプレス140a及び140bからの熱伝達が不十分となり、電極組成物層120において被覆活物質を被覆する被覆樹脂が十分に溶融しない。
ロールプレス140a及び140bの表面温度を、70℃以上100℃未満の範囲内の温度に調節すると共に、ロールプレス140a及び140bの周速度を5mm/s以上40mm/s以下に調節して加圧工程S4を行うことにより、優れた強度の電極が確実に得られることとなる。
ガラス転移温度Tgが-70℃未満である被覆樹脂を電極組成物層120の被覆活物質の被覆樹脂に用いると、被覆樹脂の結晶性が高過ぎるため、加圧工程S4時におけるロールプレス140a及び140bの温度を上記の所定範囲内に調節しても、電極強度に反映されない可能性がある。
ガラス転移温度Tgが50℃超である被覆樹脂を電極組成物層120の被覆活物質の被覆樹脂に用いると、加圧工程S4時におけるロールプレス140a及び140bの表面温度を例えば上述した所定範囲における最大値である100℃未満程度とすれば被覆樹脂が流動すると考えられるが、被覆樹脂が十分に溶融しきれず、電極強度に反映されない可能性がある。
ロールプレス140a及び140bの表面温度を、70℃以上100℃未満の範囲内の温度に調節すると共に、ガラス転移温度Tgが-70℃以上50℃以下の範囲内の温度である被覆樹脂を、電極組成物層120の材料である被覆活物質を被覆する被覆樹脂に用いることにより、優れた強度の電極が確実に得られることとなる。
当該差分が70℃未満であると、電極組成物層120の加圧時に電極組成物層120の材料である被覆活物質を被覆する被覆樹脂が十分に溶融しない。
当該差分が150℃超であると、電極組成物層120が配置された基材100(特に樹脂集電体)が劣化するおそれがある。
ロールプレス140a及び140bの表面温度を、70℃以上100℃未満の範囲内の温度であり、且つ当該表面温度と電極組成物層120の材料である被覆活物質を被覆する被覆樹脂のガラス転移温度Tgとの差分が70℃以上150℃以下の範囲内の温度となるように調節して加圧工程S4を行うことにより、優れた強度の電極が確実に得られることとなる。
切断工程S5では、表面に複数の被覆活物質層130が形成された基材100について、電極組成物層非配置部で切断して、集電体(正極集電体又は負極集電体)上に被覆活物質層(正極活物質層又は負極活物質層)が設けられてなる個々の電極(正電極又は負電極)を切り出す。基材を切断する方法は特に限定されないが、公知の切断方法(回転式切断刃、ギロチン刃、トムソン型及びレーザーによる切断等)が挙げられる。
以下、第2の実施形態について説明する。本実施形態では、第1の実施形態と同様にリチウムイオン二次電池用の電極の製造方法を開示するが、製造プロセスが一部異なる点で第1の実施形態と相違する。
図7は、第2の実施形態によるリチウムイオン二次電池の電極の製造方法を工程順に示すフロー図である。
加熱工程S11では、加圧工程S4に先立って、供給工程S3によって基材上に供給された電極組成物を予備的に加熱する。
具体的には、面状に加熱する加熱プレス機又は線状に加熱するロールプレスを用いて、加熱プレス機又はロールプレスの表面温度を、続く加圧工程S4における温度と同等の温度、即ち70℃以上100℃未満の範囲内の所定温度に調節して、基材上の電極組成物を加熱する。このとき、加圧工程S4とは異なり、基材上の電極組成物を殆ど加圧することなく加熱する。
本実施形態では、加圧工程S4に先立って先ず加熱工程S11を行うことにより、電極組成物層の材料である被覆活物質を被覆する被覆樹脂が溶融する。引き続き加圧工程S4を行う際に、加熱工程S11により被覆樹脂が適度に溶融した状態とされているため、ロールプレスの表面温度を電極組成物層が配置された基材を劣化させる懸念のない程度に調節して電極組成物層を加圧することができる。これにより、基材の劣化を確実に抑えつつも、ロールプレスにより電極組成物層の被覆樹脂を十分に溶融して優れた強度の電極を得ることができる。
70℃以上100℃未満の表面温度に調節されたロールプレスを用いて、前記電極組成物を加圧する加圧工程と、
を有する。
前記基材上に供給された前記電極組成物を加熱する加熱工程を有する。
前記加圧工程の前又は後に、前記基材上に連続的に供給された前記電極組成物の一部を除去し、前記基材上に前記電極組成物を間欠的に残す除去工程を有する。
2 負電極
3 正電極
7,8 導電部
9 枠部材
10 負極側電流供給層
11 負極集電体
12 負極活物質層
13 セパレータ
14 正極活物質層
15 正極集電体
16 正極側電流取出層
20 電池セル
100 基材
110 マスク層
120 電極組成物
120A 電極組成物層
130 被覆活物質層
140a及び140b ロールプレス
Claims (6)
- 基材上に、被覆活物質を含む電極組成物を供給する供給工程と、
70℃以上100℃未満の表面温度に調節されたロールプレスを用いて、前記電極組成物を加圧する加圧工程と、
を有する、
電極の製造方法。 - 前記加圧工程における前記ロールプレスの周速度は、5mm/s以上40mm/s以下である、
請求項1に記載の電極の製造方法。 - 前記加圧工程における前記ロールプレスの表面温度と、前記被覆活物質の被覆樹脂のガラス転移温度との差分が、70℃以上150℃以下である、
請求項1又は2に記載の電極の製造方法。 - 前記被覆樹脂のガラス転移温度が-70℃以上50℃以下である、
請求項3に記載の電極の製造方法。 - 前記加圧工程の前に、
前記基材上に供給された前記電極組成物を加熱する加熱工程を有する、
請求項1~4のいずれか1項に記載の電極の製造方法。 - 前記供給工程では、前記基材上に前記電極組成物を連続的に供給し、
前記加圧工程の前又は後に、前記基材上に連続的に供給された前記電極組成物の一部を除去し、前記基材上に前記電極組成物を間欠的に残す除去工程を有する、
請求項1~5のいずれか1項に記載の電極の製造方法。
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