JP4318233B2 - Lithium secondary battery and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はリチウム二次電池に関する。更に詳しくは高容量、高エネルギー密度で内部抵抗が小さく、高生産性、低コストなリチウム二次電池に関し、特に電解液に代えて固体状又はゲル状の電解質を用いた場合に好適なリチウム二次電池に存する。
【0002】
【従来の技術】
リチウム二次電池は、通常リチウムイオンを吸蔵放出可能な正極と負極、及び主としてリチウム塩と溶媒とからなる非水系電解液によって構成されている。正極と負極は多孔性のフィルムからなるセパレーターによって隔てられ、多孔性フィルムの孔を満たしている非水系電解液によってイオン的に結合されている。ところが電解液に用いる溶媒は、多くが有機化合物液体で可燃性、臭気を有することが多く、非水系電解液を用いた電池は漏液や発火の危険を有している。このため近年では、安全性を向上させるために非水系電解液を、ゲル状電解質に置き換える電池の開発が行われている。ゲル状電解質では非水系電解液が、例えばポリマーに保持されており、イオン伝導度等その特性の多くは電解液の性能を保持しているが、流動性は極めて低く形状維持性があり、揮発速度も抑制されている。従って、漏液や発火の危険を低減できる。特にリチウム金属を用いる二次電池においては、リチウムのデンドライト析出による内部短絡からくる発熱、発火が問題となっているが、ゲル状電解質ではデンドライト析出が抑制されるとの報告があり実用化が望まれていた。
【0003】
さらに上記のような、ポリマー中に電解液を含有したゲル状電解質は、正極と負極を隔てる電解質層部に使用された場合、従来のリチウム二次電池と異なりセパレータを用いずとも動作が可能で、セパレーターを省略してゲル状電解質層を挟んで正極と負極と接合させて用いることが出来る。この様なポリマー電解質を用いた電池は液漏れの可能性が低いため、外装を簡略化でき液系に比して軽量、簡略にできるという利点がある。さらにカード状の薄型電池を実現できる可能性がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ゲル状電解質は、自立性があり、それ自身でセパレータを代替しうるものであるが、機械的強度は決して十分とは言えず、ゲル状電解質のみでは特に様々な応力がかかる厳しい環境下においては絶縁性等に問題点がある。
そこで、ゲル状電解質の中にセパレータを設けることによって、その機械的強度を上げる試みもなされてきた。しかしながら、このようなセパレータの使用の際には、以下のような製造上の問題がある。
【0005】
即ち、一般的にリチウム二次電池は、正極、多孔性フィルムからなるセパレータ、負極をロール状とし、各ロールの端を束ねてコア材に張力をかけながら巻き取っていき、巻き取り長が所定の長さに達した時点で切断して積層体を形成する。その後、積層体の側面より主として電解質を注入してイオン移動相を形成する。この手法においては、多孔性フィルムをロールとして準備する必要があり、多孔性フィルム用の巻き取り機も必要になる。また電解質の注入にはかなりの時間がかかりコストアップの要因となる。
【0006】
また、多孔性フィルム等のセパレータを用いる際の別の問題として、電池を平板的に積層しにくいことが挙げられる。平板積層の場合、セパレータに張力をかけたまま積層、組立するのは困難である。一方、薄く柔らかいセパレーターを単に端を保持しただけで、皺等が寄らないようにしつつ正確に位置決めして積層するのは現実的ではない。さらに、セパレーターを厚くし、皺が寄りにくいようにすると、電解質層の厚みが厚くなり、抵抗が増大し、容量の低下を招く。特に形状可変性のあるケースに電池が収納される場合は、ケースで電池を押さえつけておくことができないため、電解液の注入時にセパレーターの位置のずれ等が生じやすい。これらの問題は平板状電池が大面積になるほど顕著になる。このためセパレーターを用いた薄型平板状電池の製造には困難が伴った。
【0007】
一方、ゲル状電解質を用いた電池については、以下のような問題もある。
最初に、ゲル状電解質の界面における抵抗の問題が挙げられる。ゲル状電解質は電解液がポリマーのネットワークに保持されており、巨視的には電解液の流動性がない状態である。このようなゲル状電解質から形成される電解質層は自立性があるため、電解質層と電極の張り合わせ面では、固体状の平面を張り合わせることになり、相互のゲル状電解質の密着性が悪くなり、イオン伝導性が損なわれる。このような抵抗の増加は容量、レート特性、サイクル特性の低下を引き起こす。
【0008】
また、製造上の問題もある。例えばUSP5,453,335やUSP5,609,974には活物質、高分子及び電解液からなる電極を形成し、その後にゲル状の電解質層を形成している。このような手法では、電極中のゲル状電解質の形成と電解質層のゲル状電解質の形成が別に行われるため、工程が長くなりコストがかかるという欠点がある。また、電極の形成段階から電解液を含有させるため、電極の分散、塗布のすべての工程において水分を管理しなければならないという問題もある。これは、分散機、塗布機を除湿管理された室内(ドライルーム)に設置することによって達成されるものであるが、そのためにはかなり大きなドライルームが必要になりコストがかかる。また工程が長くなればなるほど、ドライルーム内であっても水分を吸収する可能性も高くなる。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記実状に鑑みて為されたものであり、その目的は、機械的強度に優れたリチウム二次電池を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、サイクル特性・容量に優れたリチウム二次電池を提供することにある。
さらにまた、本発明の他の目的は、製造工程が少なく生産性の高いリチウム二次電池を提供することにある。さらにまた、本発明の他の目的は、大面積化が可能なリチウム二次電池を提供することにある。さらにまた、本発明の他の目的は、上記のようなリチウム二次電池の製造方法を提供することにある。
【0010】
本発明者は、上記目的は、非電気導電性の粉体と非電気導電性の結合剤とを有する中間層とを電極間に設けることによって達成されることを見出し、本発明を完成した。
即ち、本発明の要旨は、(1)正極、(2)負極、(3)それらの中間に設けられた、非電気導電性の粉体と非電気導電性の結合剤とを含有する中間層、を有するリチウム二次電池であって、(1)正極及び/又は(2)負極が、粉体状の活物質及び結合剤を含有する活物質層と、活物質層内に形成されたゲル状電解質からなるイオン移動相とから構成されており、(3)の中間層が、非電気導電性である粉体と非電気導電性である結合剤とを含有する骨格層と、骨格層内に形成されたゲル状電解質からなるイオン移動相とから構成され且つ(3)の非電気導電性の粉体がシリカ、酸化チタン及び酸化アルミニウムから選ばれたものであり、該(1)〜(3)の結合剤がポリフッ化ビニリデンであり且つ該(1)〜(3)のゲル状電解質が、ポリアクリロニトリルまたは末端にアクリル基を有するポリエチレンオキシド樹脂を含んだものであり、正極、負極の活物質層の厚みが1〜300μmであり、中間層の厚みが1〜200μmであり且つ中間層の空隙率、即ち、骨格層の空隙内に形成されたイオン移動相の中間層における体積割合、が30〜95%である、ことを特徴とするリチウム二次電池に存する。
また、本発明の他の要旨は、(1)正極、(2)負極、及び(3)それらの中間に設けられた、非電気導電性の粉体と非電気導電性の結合剤とを含有する中間層を有し、前記正極及び/又は前記負極は、粉体状の活物質及び活物質を固定する結合剤を含有する活物質層と、該活物質層内に形成されたゲル状電解質からなるイオン移動相とから構成され、前記中間層は、非電気導電性である粉体と非電気導電性である結合剤とを含有する骨格層と、該骨格層内に形成されたゲル状電解質からなるイオン移動相とから構成され、前記正極及び/又は負極内に形成されたイオン移動相と、前記中間層内に形成されたイオン移動相とが連続していることを特徴とするリチウム二次電池であって、(3)の非電気導電性の粉体がシリカ、酸化チタン及び酸化アルミニウムから選ばれたものであり、該(1)〜(3)の結合剤がポリフッ化ビニリデンであり且つ該(1)〜(3)のゲル状電解質が、ポリアクリロニトリルまたは末端にアクリル基を有するポリエチレンオキシド樹脂を含んだものであり、正極、負極の活物質層の厚みが1〜300μmであり、中間層の厚みが1〜200μmであり且つ中間層の空隙率、即ち、骨格層の空隙内に形成されたイオン移動相の中間層における体積割合、が30〜95%である、リチウム二次電池に存する。
また、本発明のさらに他の要旨は、正極と負極との間のほぼ全体に亘って、チウムイオン導電性の電解質を含有する、中間層である電解質層が設けられ、前記正極及び/又は前記負極は、粉体状の活物質及び活物質を固定する結合剤を含有する活物質層と、該活物質層内に形成されたゲル状電解質からなるイオン移動相とから構成され、前記電解質層は、非電気導電性である粉体と非電気導電性である結合剤とを含有する骨格層と、該骨格層内に形成されたゲル状電解質からなるイオン移動相とから構成され、前記正極及び/又は負極内に形成されたイオン移動相と、前記電解質層内に形成されたイオン移動相とが連続していることを特徴とするリチウム二次電池であって、該非電気導電性の粉体がシリカ、酸化チタン及び酸化アルミニウムから選ばれたものであり、活物質を固定する結合剤及び非電気導電性である結合剤が何れもポリフッ化ビニリデンであり且つ該ゲル状電解質が、ポリアクリロニトリルまたは末端にアクリル基を有するポリエチレンオキシド樹脂を含んだものであり、正極、負極の活物質層の厚みが1〜300μmであり、中間層の厚みが1〜200μmであり且つ中間層の空隙率、即ち、骨格層の空隙内に形成されたイオン移動相の中間層における体積割合、が30〜95%である、リチウム二次電池に存する。
また、本発明の他の要旨は、正極と負極との中間に、非電気導電性の粉体と非電気導電性の結合剤とを含有する中間層を形成するリチウム二次電池の製造方法であって、該中間層は、非電気導電性の粉体と非電気導電性の結合剤と溶剤とを含有する塗料を塗布・乾燥する中間層形成工程を含むものであり、該中間層形成工程後、イオン移動相原料を含浸する含浸工程を有するものであり、ゲル状電解質を形成するイオン移動相原料として、(i)電解液とゲル化ポリマーとを含有するもの、または、(ii)電解液とモノマーを含有するもの、を使用するものであり、正極及び/又は負極が、粉体状の活物質及び結合剤を含有する活物質層で構成され、中間層の非電気導電性の粉体がシリカ、酸化チタン及び酸化アルミニウムから選ばれたものであり、該結合剤及び非電気導電性の結合剤がポリフッ化ビニリデンであり且つ該イオン移動相原料から形成されるイオン移動相に含まれるゲル状電解質が、ポリアクリロニトリルまたは末端にアクリル基を有するポリエチレンオキシド樹脂を含んだものであり、正極、負極の活物質層の厚みが1〜300μmであり、中間層の厚みが1〜200μmであり且つ中間層の空隙率、即ち、骨格層の空隙内に形成されたイオン移動相の中間層における体積割合、が30〜95%である、リチウム二次電池の製造方法に存する。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明のリチウム二次電池は、通常、正極、負極及びそれらの間に設けられた電解質層とを有し、さらに、正極及び負極の間に中間層を設けたことを特徴の1つとしている。中間層は、正極及び負極の少なくとも一方と接する状態で設けられているのが好ましく、特に、正極及び負極の少なくとも一方と一体的に設けられていることが特性上好ましい。一体的とは、電極と中間層とが少なくとも一部において連続している状態を示し、後述のような製造方法にて製造することが可能である。
【0012】
中間層は、電解質としての機能も兼ねるよう、リチウムイオン伝導性の電解質を含有するのが好ましい。さらに、電極間のほぼ全面に亘って設けられた電解質層が、リチウムイオン導電性の電解質に加え、非電気導電性の粉体と非電気導電性の結合剤とを含有することによって、中間層を兼ねることが、製造工程の簡略化及び電池の機械的強度の観点から好ましい。この場合、中間層と電解質層とは、実質的に同じ機能、組成となる。
以下、まず、電解質層について説明する。
【0013】
電解質層は、正極と負極の間のリチウムイオンの移動を担い、リチウムイオン導電性の電解質を含有する。本発明においては、正極活物質や負極活物質等に対して安定であり、かつリチウムイオンが正極活物質や負極活物質と電気化学反応をするための移動を行い得る非水物質であればいずれのものでも使用することができる。特には、主としてリチウム塩からなる支持電解質と非水系溶媒からなる電解液が特性状優れるため好ましく使用できる。
支持電解質としては、LiPF6 、LiAsF6 、LiSbF6 、LiBF4 、LiClO4 、LiI、LiBr、LiCl、LiAlCl、LiHF2 、LiSCN、LiSO3 CF2 等のリチウム塩が挙げられる。これらのうちでは特にLiPF6 、LiClO4 が好適である。
【0014】
これら支持電解質を溶媒に溶解して用いる場合の含有量は、一般的に0.5〜2.5mol/Lである。これら支持電解質を溶解する溶媒は特に限定されないが、比較的高誘電率の溶媒が好適に用いられる。具体的にはエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート等の環状カーボネート類、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート等の非環状カーボネート類、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジメトキシエタン等のグライム類、γ−ブチルラクトン等のラクトン類、スルフォラン等の硫黄化合物、アセトニトリル等のニトリル類等が挙げられる。またこれらの1種又は2種以上の混合物を使用することもできる。これらのうちでは、特にエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート等の環状カーボネート類、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート等の非環状カーボネート類から選ばれた1種又は2種以上が好適である。またこれらの分子中の水素原子の一部をハロゲン等に置換したものも使用できる。またこれらの電解液に、添加剤等を加えてもよい。添加剤としては例えば、トリフルオロプロピレンカーボネート、ビニリデンカーボネート、1,6−Dioxaspiro[4,4]nonane−2,7−dione、12−クラウン−4−エーテル等が電池の安定性、性能、寿命を高める目的で使用できる。
【0015】
本発明においては、液漏れを抑制し安全性を高める目的で、電解質としてゲル状電解質を用いることもでき、また、好ましい。
ゲル状電解質とは主として電解液と高分子とからなり、電解液が高分子のネットワーク中に保持されて全体としての流動性が著しく低下したものである。イオン伝導性等の特性は通常の電解液に近い特性を示すが、流動性、揮発性等は著しく抑制され、安全性が高められている。
【0016】
高分子の種類は、電解液に対してゲルを形成し且つ電池材料として安定である限り、特に制限されない。しかしながら、リチウム電池に使用される電解液が通常極性を有するため、ある程度の極性を有する高分子が好ましい。ポリマーの分子量は、通常10,000〜5,000,000、好ましくは100,000〜1,000,000の範囲とされる。分子量が低過ぎる場合はゲルの形成が困難であり、分子量が高過ぎる場合は粘度が高過ぎて取り扱いが困難となる。
ゲル状電解質の形成工程には、(1)冷却によってゲル化可能な高分子が含有された電解液を加温状態で使用して常温まで高分子を冷却する方法、(2)モノマーが含有された電解液を使用してモノマーを重合させる方法が好適に使用される。
【0017】
上記(1)の方法で使用される高分子の具体例としては、ポリアクリロニトリルが挙げられる。また、上記のポリマーの変成体、誘導体、ランダム共重合体、交互共重合体、グラフト共重合体、ブロック共重合体等も使用できる。
【0018】
上記(2)の方法において、モノマーの重合により生成させる好適な高分子としては、末端にアクリル基を有するポリエチレンオキシド樹脂が挙げられる。重合の制御が容易で且つ重合時に副生成物が発生しない付加重合により生成される高分子が好適である。特に、反応性不飽和基含有モノマーの付加重合により生成される高分子は、その生産性にも優れる。
【0019】
そして、上記(2)の方法において使用される反応性不飽和基含有モノマーとしては、末端にアクリル基を有するポリエチレンオキシド樹脂が挙げられる。
【0020】
上記のモノマーの重合方法としては、熱、紫外線、電子線等による方法が挙げられるが、生産性の観点から紫外線による方法が好ましい。この場合、反応を効果的に進行させるため、電解液に紫外線に反応する重合開始剤を配合することも出来る。紫外線重合開始剤としては、ベンゾイン、ベンジル、アセトフェノン、ベンゾフェノン、ミヒラーケトン、ビアセチル、ベンゾイルパーオキサイド等が挙げられる。これらの開始剤は、単独であるいは複数を組み合わせて用いることができる。
【0021】
熱重合の場合は、熱重合開始剤の種類及び量、モノマーの種類及び量、モノマー中の反応基数等を変えることにより、ゲルの構造制御が出来、イオン伝導度等を向上させることが出来る。更に、全体の反応が一様に進むため均一なゲルが形成される。熱重合においては、反応制御のため、重合開始剤を使用することが出来る。熱重合開始剤としては、1,1−ジ(ターシャルブチルパーオキシ)−3,3,5−トリメチルシクロヘキサン、2,2−ビス−[4,4−ジ(ターシャルブチルパーオキシシクロヘキシル)プロパン]、1,1−ジ(ターシャルブチルパーオキシ)−シクロヘキサン、ターシャリブチルパーオキシ−3,5,5−トリメチルヘキサノネート、ターシャリブチルパーオキシ−2−エチルヘキサノネート、ジベンゾイルパーオキサイド等が挙げられる。これらの開始剤は、単独であるいは複数を組み合わせて用いることができる。
【0022】
ゲル状電解質中の高分子の比率は、通常0.1〜80重量%、好ましくは1〜50重量%である。高分子の比率が低過ぎる場合は電解液の保持が困難となって液漏れが発生し、高過ぎる場合はイオン伝導度が低下して電池特性が低下する。溶媒に対するポリマーの割合は、分子量に応じて適宜選択されるが、通常0.1〜50重量%、好ましくは1〜30重量%とされる。高分子の割合が少な過ぎる場合は、ゲルの形状が困難となり電解液の保持性が低下して流動及び液漏れの問題が生じる傾向がある。ポリマーの割合が多過ぎる場合は、粘度が高くなり過ぎて取り扱いが困難となり、また、電解液の濃度低下によりイオン伝導度が低下してレート特性等の電池特性が低下する傾向にある。
【0023】
ゲル状電解質層は、さらに電解液中で固体状態で存在する骨格ポリマーを含有することができる。骨格ポリマーは、前述のゲル形成のためのポリマー(以下、対比的にこれを「ゲルポリマー」と称することがある。)と対比して言えば、電解質の骨格として機能する。固体状態で存在するとは、使用される電解液中に不溶であるか、たかだか膨潤するだけのものである。骨格ポリマーとしては、使用する電解液中の溶媒の溶解度パラメータよりも0.05(cal/cc)0.5 以上、好ましくは0.1(cal/cc)0.5 以上、さらに好ましくは0.2(cal/cc)0.5 以上、最も好ましくは0.5(cal/cc)0.5 以上異なる溶解度パラメータを有するポリマーを使用するのが好ましい。
【0024】
上記の骨格ポリマーの種類は、使用される電解液によって異なるが、リチウムイオン電池に一般的に使用される極性の高い溶媒に対しては以下の様なポリマーが挙げられる。すなわち、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ−1,1−ジメチルエチレン等のアルカン系ポリマー、ポリブタジエン、ポリイソプレン等の不飽和系ポリマー、ポリスチレン、ポリメチルスチレン、ポリビニルピリジン、ポリ−N−ビニルピロリドン等の環を有するポリマー、ポリメタクリル酸メチル、ポリメタクリル酸エチル、ポリメタクリル酸ブチル、ポリアクリル酸メチル、ポリアクリル酸エチル、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリアクリルアミド等のアクリル誘導体系ポリマー、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂、ポリアクリロニトリル、ポリビニリデンシアニド等のCN基含有ポリマー、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール等のポリビニルアルコール系ポリマー、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン等のハロゲン含有ポリマー、ポリジメチルシロキサン等のシリコーン系ポリマーが使用できる。また、上記のポリマー混合物、変成体、誘導体、ランダム共重合体、交互共重合体、グラフト共重合体、ブロック共重合体等であってもよい。これらのポリマーの分子量は、通常10,000〜3,000,000、好ましくは100,000〜1,000,000とされる。分子量が低過ぎる場合は、強度が低下することがあり、高過ぎる場合は、粘度が高くなり形成が困難になることがある。分子量を高くすることが機械的強度の確保の点から好ましい。
【0025】
特に、使用される電解液が炭酸エチレン又は炭酸プロピレンを含有している場合は、骨格ポリマーとして、下記の式C及び/又は式Dの繰り返し単位から成るポリマーを使用するのが好ましい。その理由は次の通りである。
すなわち、ゲル化ポリマーと電解液が加温された状態になる場合があるため、使用される電解液としては、沸点の高い炭酸エチレン又は炭酸プロピレンを含有している電解液が製造上の安全性及び管理の点から効果的である。そして、極性を有し且つ比較的高い溶解度パラメータを持つ電解液に対し、以下の組成の骨格ポリマーは、その溶解度を低く抑えることが出来、骨格維持の観点から効果が高い。
【0026】
【化1】
C:−(CH2 −CR5 6 )−
D:−(CH2 −CR5 =CH2 −CH2 )−
(ただし、R5 は、−H、−F、−Cl又は−CH3 基、R6 は、−H、−F、−Cl、−C6 5 基を表す。)
【0027】
本発明では、上記の液状やゲル状の電解質の外、固体電解質を使用することもできる。固体電解質は例えば、ゲル状電解質に用いられる支持電解質と高分子とを混合することによって得られる。
次に、中間層について説明する。中間層は、少なくとも非電気導電性粉体と非電気導電性結合剤とを含有する。
【0028】
中間層に用いられる非電気導電性粉体としては、電池内で安定に存在し非電気伝導性であればいかなるものであっても用いることができる。例えば各種の無機粉体を使用することができる。無機粉体としては、酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化チタン等の酸化物粉末、が用いられる。これらは必要に応じて元素置換、表面処理、固溶体化されていてもかまわない。またカーボンブラック、グラファイト、SnO2 、ITO、金属粉末など導電性金属及び導電性を有する化合物や酸化物の微粉末の表面を、非電気伝導性の物質で表面処理することによって、電気絶縁性を持たせて使用することも可能である。これらの非電気伝導性粉体は、併用して用いられてもかまわない。これらの粉末の粒径は好ましくは0.001〜50μmである。0.1μm以下の微粒子を用いる場合は、二次構造としてストラクチャーが発達しており、二次粒子径がある程度の大きさであるものが好ましい。特に好ましくは0.1〜10μmの範囲にすると分散、塗布の容易さ、空隙のコントロールに優れる。粉体の比表面積は0.01〜300m2 /gとするのが好ましい。低すぎると調製した塗料の安定性が低下する。高すぎると塗料の粘度が上昇して分散、塗布に困難をきたす。粉体の形状は球状、針状、棒状、防錐状、板状等特に限定されないが球状、針状、防錐状等が好ましい。また多孔性粉体を使用することもできる。
【0029】
中間層に用いられる非電気導電性の結合剤としては、前記粉体を保持し、非電気伝導性であり、電池中で安定に存在する物であり、ポリフッ化ビニリデンを使用する。保持の形態としては、化学的に結合しているもの、物理的に結合しているもの、結合剤の網目構造によって保持するもの等が挙げられる。
【0030】
中間層は好ましくは、電解質層の一部又は全部の機能を有する。
【0031】
明の効果が顕著である点で特に好ましい態様においては、電解質層は中間層を兼ね(即ち同一であり)、該中間層(=電解質層)が、非水電解液を含むゲル状電解質を含む。
【0032】
また、中間層はゲル状電解質以外に、電解液中で固体状態で存在する骨格ポリマーを含有することができ、また好ましい。この場合、中間層は、粉体と骨格ポリマーとを含有する骨格層と骨格層内に形成されたゲル状電解質からなるイオン移動相とから構成されるのが好ましい。発明の効果が顕著である点でより好ましい態様においては、電解質層は中間層を兼ね(即ち同一であり)、該中間層が、骨格ポリマーとゲル状電解質とを含む。中間層に用いる結合剤は、上記骨格ポリマーとして用いることができる。
中間層が、電解質層の一部又は全部の機能を有する場合、中間層が有する電解質としては、前記電解質層に使用したのと同様のものが使用できる。
【0033】
非電気導電性の粉体と非電気導電性の結合剤の比率は、0.01〜100重量%、特に0.1〜100重量%とすることが好ましい。特に、結合剤として骨格ポリマーを使用する場合、粉体に対する結合剤の割合は通常0.01〜100重量%、好ましくは0.1〜30重量%である。これは粉体の比表面積等によって調製することが好ましい。中間層が非電気導電性の粉体と非電気導電性の結合剤とを含有する骨格層と、骨格層の空隙内に形成されたイオン移動相とからなる場合、中間層の空隙率、即ち、中間層におけるイオン移動相の体積割合は30〜95%である。空隙率を低くすれば機械強度が向上し、高くすればイオン伝導度が向上する。空隙率は目的に応じて好ましい値を選択すれば良い。空隙率は粉体と結合剤の比率、カレンダー工程等によって制御することができる。
【0034】
中間層を含む電解質層の厚みは1〜200μmである。薄くなると、電池全体の容量が低下すると共に、正極と負極の絶縁性が低下する傾向にある。厚いと内部抵抗が増大して、容量が低下し、レート特性が悪化する傾向にある。次に電極について説明する。正極又は負極は、好ましくは、リチウムイオンを吸蔵放出可能な活物質層と活物質層内に形成されるイオン移動相とから構成される。
【0035】
本発明の正極に用いられる正極活物質としては、有機、無機各種の化合物を用いることができる。無機化合物として、遷移金属酸化物、リチウムと遷移金属との複合酸化物、遷移金属硫化物等が挙げられる。ここで遷移金属としてはFe、Co、Ni、Mn等が用いられる。具体的には、MnO、V2 5 、V6 13、TiO2 等の遷移金属酸化物粉末、ニッケル酸リチウム、コバルト酸リチウム、マンガン酸リチウム等のリチウムと遷移金属との複合酸化物粉末、TiS2 、FeS、MoS2 等の遷移金属硫化物粉末等が挙げられる。これらの化合物はその特性を向上させるために部分的に元素置換したものであっても良い。有機化合物としては、例えばポリアニリン、ポリピロール、ポリアセン、ジスルフィド系化合物、ポリスルフィド系化合物、N−フルオロピリジニウム塩等が挙げられる。正極活物質として、これらの無機化合物、有機化合物を混合して用いても良い。これら正極の活物質の粒径は、それぞれ電池の他の構成要件とのかねあいで適宜選択すればよいが、通常1〜30μm、特に1〜10μmとすることで、レート特性、サイクル特性等の電池特性が向上するので好ましい。
【0036】
負極に用いられる負極活物質としてはグラファイトやコークス等の炭素系活物質が挙げられる。これらの炭素系活物質は金属やその塩、酸化物との混合体、被覆体の形であっても利用できる。またけい素、錫、亜鉛、マンガン、鉄、ニッケル等の酸化物、あるいは硫酸塩。さらには金属リチウムやLi−Al、Li−Bi−Cd、Li−Sn−Cd等のリチウム合金、リチウム遷移金属窒化物、シリコン等も使用できる。これら負極の活物質の粒径は、それぞれ電池のその他の構成要件とのかねあいで適宜選択すればよいが、通常1〜50μm、特に15〜30μmとすることで、初期効率、レート特性、サイクル特性等の電池特性が向上するので好ましい。
【0037】
活物質層は、電極の強度を高め、さらには集電体との接着性を高めるためと共に、活物質を活物質層内に固定するために、さらに結合剤を含有する。使用する結合剤の種類としては、ポリフッ化ビニリデンを使用する。
【0038】
電極中には必要に応じて導電材料、補強材等の各種の機能を発現する添加剤、粉体、充填材等を含有していても良い。導電材料としては、上記活物質に適量混合して導電性を付与できるものであれば特に制限は無いが、通常、アセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛等の炭素粉末や、各種の金属のファイバー、箔等が挙げられる。添加剤としてはトリフルオロプロピレンカーボネート、ビニリデンカーボネート、カテコールカーボネート、1,6−Dioxaspiro[4,4]nonane−2,7−dione、12−クラウン−4−エーテル等が電池の安定性、寿命を高めるために使用することができる。補強材としては各種の無機、有機の球状、板状、棒状又は繊維状等のフィラー等が使用できる。
【0039】
活物質層の厚みは正極、負極とも1〜300μmの範囲である。300μmより厚くすると、イオン伝導が低下しレート特性が悪くなる傾向にある。1μmより薄くなると、電池内において電極質層、集電体等の占める割合が増大して、電池全体としての容量が低下する傾向にある。本発明においては、大面積で均一な電解質層が形成可能で、正極と負極のサイズは任意にできる。本発明においては、特に正極及び/又は負極の面積を50cm2 以上にすることも可能である。正極と負極のサイズ比はほぼ同一とすることが好ましい。特に負極を正極に対してやや大きめに設定すると絶縁性が高まり、デンドライト発生も抑制され好ましい。活物質層内に形成されるイオン移動相としては前記電解質層に使用される各種の電解質が用いられる。
【0040】
活物質層は、通常集電体上に設けられる。集電体としては、一般的にアルミ箔や銅箔等の金属箔を用いることができる。厚みは、好ましくは1〜30μmである。薄すぎると機械的強度が弱くなり、生産上問題になることがある。厚すぎると電池全体としての容量が低下することがある。これら集電体表面に予め粗化処理を行うと、活物質層の接着強度が高くなるので好ましい。表面の粗面化方法としては、機械的研磨法、電解研磨法又は化学研磨法が挙げられる。機械的研磨法としては、研磨剤粒子を固着した研磨布紙、砥石、エメリバフ、鋼線等を備えたワイヤーブラシ等で集電体表面を研磨する方法が挙げられる。また接着強度や導電性を高めるために、集電体表面に別の層を形成しても良い。
【0041】
好ましい態様においては、正極及び/又は負極は、粉体状の活物質と結合剤とを含有する活物質層と該活物質層内に形成されたゲル状電解質からなるイオン移動相とから構成され、中間層は、非電気伝導性の粉体と非電気伝導性の結合剤とを含有する骨格層と、該骨格層内に形成されたゲル状電解質からなるイオン移動相とから構成され、且つ電極内のイオン移動相と中間層内のイオン移動相とが連続している。このような構成によって、正極及び/又は負極と中間層とを一体的に設けることができる。その結果、界面抵抗を下げることが可能になり、容量やレート特性を向上させることができる。また、このような構造の電池は、後述するように、活物質層と骨格層とを形成した後に、イオン移動相の材料となる物質をそれぞれの層に同時に含浸させることで容易に製造できる。
【0042】
また、この態様においても、電解質層は中間層を兼ねる(即ち同一)のが好ましい。即ち、正極及び/又は負極は、粉体状の活物質及び活物質を固定する結合剤を含有する活物質層と、該活物質層内に形成されたゲル状電解質からなるイオン移動相とから構成され、電解質層は、非電気導電性である粉体と非電気導電性である結合剤とを含有する骨格層と、該骨格層内に形成されたゲル状電解質からなるイオン移動相とから構成され、且つ正極及び/又は負極内に形成されたイオン移動相と電解質層内に形成されたイオン移動相とが連続しているのが、好ましい。
【0043】
なお、「連続」であるとは、簡便にはゲル状電解質の破壊なしには双方が剥離できないことによって判断できる。
また、正極中のイオン移動相と中間層あるいは電解質層中のイオン移動相と負極中のイオン移動相とがすべて連続となっているのが、本発明の効果が大きく、好ましい。
【0044】
本発明のリチウム二次電池は、好ましくは、正極と負極と電解質層とが平板的に積層してケース内に収納される。平板的に積層される場合、本発明の効果が顕著である。使用するケースとしては、形状可変性のあるものが好ましく、本発明の効果も顕著である。形状可変性のあるケースとは柔軟性、屈曲性、可撓性等を有するケースを意味し、材質としては、プラスチック、高分子フィルム、金属フィルム、ゴム、薄い金属板等が挙げられる。ケースの具体例としては、ビニール袋の様な高分子フィルムからなる袋、高分子フィルムからなる真空包装用袋もしくは真空パック、金属箔と高分子フィルムとのラミネート素材からなる真空包装用袋もしくは真空パック、プラスチックで形成された缶、プラスチックの板で挟んで周囲を溶着、接着、はめ込み等で固定したケース等が挙げられる。これらの中では、気密性、形状可変性の点で高分子フィルムからなる真空包装用袋もしくは真空パック、または金属箔と高分子フィルムとのラミネート素材からなる真空包装用袋もしくは真空パックが好ましい。これらのケースは、金属缶の様な重量、剛性がなく、柔軟性、屈曲性、可撓性等を有するため、電池を収納後曲げたりできる形状自由性があるとともに、軽量化が図れるという利点を持つ。むろん電池の機器への装着等の利便を図るため、形状可変性のあるケースに電池を封入し好ましい形状に成形後、必要ならば複数のケースを剛性を持つ外装ケースに収納することも可能である。
【0045】
次に、本発明の電池の製造方法について説明する。
本発明方法では、正極と負極との中間に、非電気導電性の粉体と非電気導電性の結合剤とを含有する中間層を形成する。中間層の形成させる方法としては、非導電性の粉体と非電気導電性の結合剤と溶剤とを含有する塗料を塗布・乾燥する方法が好ましい。このような中間層形成工程を経由して中間層を形成させれば、セパレータを設置するような煩雑な手間をかけることなく、容易に機械的強度に優れた電池を製造することができる。
【0046】
なお、「中間層形成工程」とは、必ずしも、この工程で中間層を完全に形成させることを要求するものではなく、便宜上用いた名称である。
前述のように、中間層は、ゲル電解質以外に骨格ポリマーを含有するのが好ましい。この場合の中間層の形成方法としては、好ましくは、非電気導電性の粉体と非電気導電性の骨格ポリマーと溶剤とを含有する塗料を塗布・乾燥した後、イオン移動相の原料を含浸させる。このような含浸工程を包含させることによって、前述の好ましい構造の中間層を形成させることができる。
イオン移動相の原料としては、イオン移動相の組成と同じものであってもよく、また、含浸工程後に所定の処理を施すことによって、イオン移動相となるものであっても良い。ゲル状電解質からなるイオン移動相は、一般に粘度が高いので、以下の方法を採用するのが好ましい。
【0047】
(1)イオン移動相原料として電解液とゲル化ポリマーとを含有するものを使用し、含浸を加温状態にて行い、含浸工程後、これを冷却することによってゲル状電解質を形成する方法。この方法においては、イオン移動相材料が、加温状態では溶液状の如く粘度が低い状態であり、常温ではゲル状である。
(2)イオン移動相原料として、電解液とモノマーとを含有し、含浸工程後、モノマーを重合することによってゲル状電解質を形成する方法。この方法においては、モノマーとして、重合によってイオン移動相原料がゲル化するものを選ぶ。
【0048】
さらに好ましい方法においては、(1)集電体上に、正極活物資又は負極活物質と結合剤を含有する活物質層を形成する活物質層形成工程と、(2)活物質層上に直接的又は間接的に、好ましくは直接的に非電気導電性の粉体と非電気導電性の結合剤とを含有する層を形成する中間層形成工程と、(3)活物質層形成工程及び中間層形成工程の後に、イオン移動相原料を含浸する含浸工程とを包含する。この方法においては、活物質層や骨格層等が形成された後にイオン移動相が含浸されるので、それぞれのイオン移動相は連続しており、正極及び/又は負極と中間層とを一体的に設けることが可能になる。このような方法においては、(2)の工程によって好ましくは前記の骨格層が形成されるが、必ずしもその必要はなく、例えばゲルの前駆体の如きものであってもよい。
【0049】
特に、製造の容易さから、(1)及び(2)の工程における層の形成を、それぞれの原料を含有する塗料を塗布・乾燥することによって行うのが好ましい。上記(1)の活物質形成工程における塗布、上記(2)の中間層形成工程における塗布とは、逐次又は同時に行うことができる。また、逐次又は同時に塗布した後に乾燥を行うことも可能である。この方法の場合、塗布あるいは乾燥の工程の回数を低減することができる。塗布の前には、ボールミル、サンドミル、二軸混練機等によって、分散塗料化することができる。使用する溶剤としては、使用する結合剤を溶解するものであれば、N−メチルピロリドンのような一般的に使用される各種の無機溶剤、有機溶剤が使用できる。
【0050】
また、骨格層等や活物質層の形成方法として、それぞれの組成の混合物を加熱することによって軟化させた状態で、圧着させるあるいは吹き付ける方法も採用できる。
塗布・乾燥する方法においても、圧着又は吹き付ける方法においても、中間層における粉体に対する骨格ポリマーの重量割合は、粉体の比表面積によって適宜選べばよいが、通常0.01〜100%、好ましくは0.1〜30%である。骨格ポリマーの量が多すぎると、中間層内の空隙の量が低下し、イオン移動相原料の含浸が難しくなることがある。
【0051】
さらにまた、活物質層形成後、カレンダー処理を加えた後に中間層形成工程を行うこともできる。この場合,活物質層の充填率(イオン移動相の体積割合)をカレンダー処理の条件で制御できるため、活物質層内の成分の配合量の自由度が増す。また、活物質層の平坦性が高まるので、電池を平板的に積層する場合の作業性が向上する。
【0052】
イオン移動相原料の含浸方法としては、通常は塗布した後所定の時間放置するだけで十分であるが、含浸の効率や速度を高めるため、圧入、真空含浸等の操作を行ってもよい。イオン移動相は、層内の空隙を完全に充填していることが好ましいが、ある程度の空隙が残っていても電池特性に大きな支障はない。支障が生じる場合は、上記の圧入、真空含浸等の含浸方法を採用することができる。
【0053】
【実施例】
以下に実施例及び比較例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発見はその要旨を超えない限り以下に示す実施例に限定されるものではない。実施例及び比較例とも使用される原料は、使用前に粉体は240℃で24時間真空乾燥した。結合剤、支持電解質は110℃で4時間乾燥した。モノマーはモレキュラーシーブにて脱水処理して用いた。電解液はリチウム電池用にあらかじめ脱水されているものを使用した。
【0054】
まず、以下に示す組成に従い正極用塗料、負極用塗料を調整した。
正極塗料・負極塗料の原料としては以下のものを使用した。
正極活物質 LiCoO2 粉 (日本化学社製)
導電材 アセチレンブラック (電気化学工業製)
負極活物質 SFG15:グラファイト (TIMCAL社製)
結合剤 ポリフッ化ビニリデン (呉羽化学製)
溶剤 Nメチルピロリドン (三菱化学製)
(正極用塗料組成)
LiCoO2 90.0部
アセチレンブラック 5.0部
ポリフッ化ビニリデン 5.0部
Nメチルピロリドン 100.0部
(負極用塗料組成)
SFG15 90.0部
ポリフッ化ビニリデン 10.0部
Nメチルピロリドン 150.0部
【0055】
上記材料をそれぞれサンドミルで1時間混練・分散処理を行い塗料化した。正極用塗料を厚さ20μmのアルミ箔上にドクターブレードを用いて塗布し、120℃で乾燥して空隙を有する正極活物質を有する層を得た。負極用塗料は、厚さ20μmの銅箔上に同様にして形成した。カレンダー工程を経たのちの各層の空隙の量は、厚みと重量の測定から、正極で約30体積%、負極で約40体積%であった。ここまでの工程はすべて通常の環境化で行った。
【0056】
次に中間層用に下記の塗料A〜Cを調製した。
塗料A組成
シリカ(日本アエロジル製造OX−50) 100部
ポリフッ化ビニリデン 50部
Nメチルピロリドン 850部
塗料B組成
酸化チタン(石原産業製FTL−300) 100部
ポリフッ化ビニリデン 3部
Nメチルピロリドン 240部
塗料C組成
酸化アルミニウム(住友化学製AA−10) 100部
ポリフッ化ビニリデン 2部
Nメチルピロリドン 100部
それぞれの塗料を10分間サンドミルで分散した。
【0057】
参考例1
集電体上に設けた正極活物質層上に塗料Aをドクターブレードを用いて塗布し、120℃で乾燥して空隙を有する骨格層を形成した。ここまでの工程も、すべて通常の環境化で行った。その後、塗膜をドライルーム内において120℃で再乾燥し、所定の形状に打ち抜いた。電極のサイズは多孔性フィルムを平板積層する困難さを考慮し、4平方センチメートルと小さく設定した。このようにして得られたシートと、及び負極活物質層とに、それぞれ下記の組成の電解質液を塗布し含浸させた。
【0058】
骨格層の空隙内に電解質液を含浸させることにより、イオン伝導性を有する電解質層として作用するようになる。その電解質層を内側にして正極、負極を積層して端子をつけ、真空パックに封入してリチウム二次電池を作成し評価を行った。
【0059】
実施例
参考例1において、塗料Aを塗料Bに変更した。120℃で乾燥後の骨格層の厚みは約40ミクロン、空隙率は75〜85体積%であった。ここまでの工程はすべて通常の環境化で行った。その後、塗膜をドライルーム内において120℃で再乾燥し、所定の形状に打ち抜いた。さらに含浸させる液の組成を以下の様に変更した。
(含浸液組成)
PC 40.8部EC 40.8部LiClO4 10.4部ポリアクリロニトリル 8.0部(ただし、ポリアクリロニトリル:分子量150,000、Aldrich社製)。
【0060】
上記の含浸液は110℃で溶解し均一な溶液とした。この溶液を110℃に加温した状態で空隙を有する正極活物質層及び骨格層並びに負極活物質層に、ドクターブレードで塗布して含浸させた。その後0℃で冷却し、含浸させた含浸液をゲル化し、活物質層内の空隙と骨格層の空隙内にゲル状電解質を形成して、負極と電解質層を上に有する正極とを得た。それ以外は参考例1と電池を形成した。
【0061】
実施例
参考例1において、含浸させる液の組成を以下の様に変更した。
(含浸液組成)
PC 40.8部
EC 40.8部
LiClO4 10.4部
ポリアクリロニトリル 8.0部
(ただし、ポリアクリロニトリル:分子量150,000、Aldrich社製)。
【0062】
上記の含浸液は110℃で溶解し均一な溶液とした。この溶液を110℃に加温した状態で正極活物質層及び骨格層並びに負極活物質層に、ドクターブレードで塗布して含浸させた。その後0℃で冷却し、含浸させた含浸液をゲル化し、活物質層内の空隙と骨格層の空隙内にゲル状電解質を形成して、負極と電解質層を上に有する正極とを得た。それ以外は参考例1と同様にして電池を形成した。
【0063】
実施例
参考例1において、含浸させる液の組成を以下の様に変更した。
(含浸液組成)
PC 40部
EC 40部
LiClO4 10部
Photomer4050 6部
Photomer4158 3部
Trignox21 1部
(ただし、Photomer4050、Photomer4158:末端にアクリル基を有するポリエチレンオキシド樹脂(Henkel社製)、Trignox21:熱架橋開始剤(チバガイギー社製)。
【0064】
上記の含浸液を正極活物質層及び骨格層並びに負極活物質層に、ドクターブレードで塗布して含浸させた。溶液は粘度が低く含浸は急速に終了した。その後、90℃で30分硬化することによって、含浸させた電解液をゲル化し、イオン移動相がゲル状電解質からなる、負極と電解質層を上に有する正極とを得た。それ以外は参考例1と同様にして電池を形成した。
【0065】
実施例
参考例1において、塗料Aを塗料Cに変更した。120℃で乾燥後の骨格層の厚みは約70ミクロン、空隙率は約80体積%であった。ここまでの工程はすべて通常の環境化で行った。その後、塗膜をドライルーム内において120℃で再乾燥し、所定の形状に打ち抜いた。また負極活物質層上にも塗料Cを塗布して、120℃で乾燥して骨格層を負極上にも形成した。この骨格層の厚みは約10ミクロン、空隙率は平均60体積%であった。骨格層を有する正極活物質層への含浸液の組成、ゲル化方法、及び骨格層を有する負極活物質層への含浸液の組成・ゲル化方法は参考と同様である。それ以外は参考例1と同様にして電池を形成した。
【0066】
実施例
参考例1において、塗料Aを塗料Bに変更した。120℃で乾燥後の骨格層の厚みは約40ミクロン、空隙率は75〜85体積%であった。また負極活物質層上にも塗料Cを塗布して、120℃で乾燥して骨格層を負極上にも形成した。この骨格層の厚みは約10ミクロン、空隙率は平均60体積%であった。ここまでの工程はすべて通常の環境化で行った。その後、塗膜をドライルーム内において120℃で再乾燥し、所定の形状に打ち抜いた。参考で用いたのと同じ含浸液を、110℃に加温した状態で正極側、負極側それぞれのシートに塗布し、活物質層内、骨格層内の空隙に含浸させた。含浸液が溶液状態の段階で、正極側、負極側を積層し、その後0℃で冷却することによって、含浸させた電解液をゲル化し、活物質層内の空隙と骨格層の空隙内に、正極、電解質層、負極一体となったゲル状電解質を形成した。それ以外は参考例1と同様にして電池を形成した。
【0067】
比較例1
参考例1において、中間層の形成を省略し、厚み25ミクロンのセパレータ2枚を電解質層中に設けた。即ち、電解液を正極、負極、セパレータに含浸後、セパレータを広げて、位置決めをして平板上に積層した。それ以外は参考例1と同様にして電池を作成した。
【0068】
比較例2
参考例1において、中間層の形成を省略し、厚み60ミクロンの不織布を電解質層中に設けた。即ち、電解液を正極、負極、不織布に含浸後、不織布の位置決めをして平板上に積層した。それ以外は参考例1と同様にして電池を作成した。
【0069】
比較例3
実施例において、骨格層の形成を省略した正極活物質層、及び負極活物質層に、実施例で用いられたのと同様の含浸液を110℃に加温した状態で塗布し、含浸させてから、後0℃で冷却することによって電極内にゲル状電解質を形成した。その後正極、負極上に、実施例で用いられた電解質原液の架橋開始剤をダロキュア1173(紫外線架橋開始剤、チバガイギー製)に置き換えた液を塗布し、紫外線を照射することによって、厚さ60ミクロンの電解質層を形成した。その後、電解質層側を内側にして正極と負極を積層した。それ以外は参考例1と同様にして電池を作成した。
【0070】
比較例4
実施例において、骨格層の形成を省略した正極活物質層、及び負極活物質層に、実施例で用いられたのと同様の含浸液を110℃に加温した状態で塗布し、含浸させた。さらに60ミクロンの厚みの不織布を該液中に浸すことによって、不織布中の空隙を含浸液で満たした。その後、含浸液が溶液状の状態で、正極、不織布、負極を積層した。その後0℃で冷却し、含浸させた電解液をゲル化し、正極、電解質層、負極中のゲル状電解質が一体化した電池を得た。それ以外は参考例1と同様にして電池を作成した。
【0071】
参考例
中間層単独としての評価を行うために、各塗料A〜Cを厚さ20μmのアルミ箔上にドクターブレードを用いて塗布し、120℃で乾燥して空隙を有する層をアルミ箔上に形成した。基材を除いた塗膜の重量、厚みを測定するとともに、LiClO4 を1mol/Lの濃度でプロピレンカーボネート:エチレンカーボネート=(1:1)液に溶解させた電解液を空隙中に含浸させ、同一形状のアルミ箔を対極とすることにより、インピーダンス測定により塗膜中のイオン伝導度を測定した。また、比較のため、市販のセパレータ及び不織布を用いた場合のイオン伝導度も測定した。
【0072】
表−1に参考例の結果を示す。厚みはマイクロメータにて測定した。空隙率は厚みと重量の測定より、材料の真比重を用いて計算した。多孔性フィルムについてはカタログ値を採用した。シート抵抗は4探針電極を持つ抵抗計によって、面抵抗として測定した。多孔性フィルムについてはアルミ箔上に置いて測定を行った。イオン伝導度はインピーダンスアナライザーを用いて交流伝導度を測定し、100KHzの周波数における伝導度から計算した。
【0073】
表−2及び表−3に、実施例、参考例及び比較例の結果を示す。電解質層構造体とは、正極と負極を隔てる部分のもので、実施例、参考例では中間層、比較例では多孔性フィルムである。電池の容量は0.046/cm2 の電流密度(ほぼC/24のレートに対応)で4.05Vまで定電流条件充電後、4.05Vの電圧で0.0046/cm2 の電流密度まで定電圧充電することによって充電させた電池を、0.046cm2 の電流密度で2.7Vまで定電流条件放電した時に取り出せる容量を、集電体を除いた正極単位体積当たりの容量として算出した。サイクル特性は0.55/cm2 の電流密度で4.05Vまで定電流条件充電後、4.05Vの電圧で0.0011/cm2 の電流密度まで定電圧充電することによって充電させた電池を、0.55/cm2 の電流密度で2.7Vまで定電流条件放電したサイクルを繰り返し、20サイクル経過した後の容量の維持率を%で示した。表−3には、ゲル化を行った工程数、ゲル状電解質の界面の数も併せて示す。ゲル化を行った工程数は、正極、負極、電解質層、すべてについてゲル状電解質形成に要する工程が行われる回数の総和を示す。ゲル状電解質の界面数は張り合わせ面などゲル状電解質同士が張り合わされて形成される界面の総数を示す。
【0074】
表−1に示すように非電気伝導性の粉体と非電気伝導性の結合剤によって形成された中間層は、多孔性フィルムと同等の空隙を有する。電気絶縁性にはなんら問題はなく、イオン伝導性は多孔性フィルムと同等かそれ以上である。このため正極と負極を隔てる層として問題なく機能すると考えられる。実際、表−2に示すように電解液を用いた電池において、多孔性フィルムを用いた場合と比較して、容量は高く、サイクル特性は問題ない電池が得られる。比較例の容量が低いのは、平板積層され金属缶で押さえつけられていない電池では、電極と多孔性フィルムの間が電解液のため浮きやすく、抵抗が高くなるためと推測される。実施例、参考例では構造体が電極に一体化しているため、このような問題は生じにくい。また比較例1〜2では、作業性を考慮して4平方センチメートルと極めて小さいサイズの電極を使用したにもかかわらず、特にセパレータを用いた場合、平板積層電池に組み立てる際、皺がよったり、端が折れたりしやすく、多孔性フィルムへの電解液の含浸、電極と多孔性フィルムの積層、位置決めに細心の注意と多大な時間を要したが、参考例1では単に含浸させ、正極と負極を積層するだけで簡単に組立が完了した。
【0075】
表−3に示されるゲル状電解質を用いた電池においても、実施例1〜5の電池は、比較例3〜4と比較して電池特性上何ら問題はなく、むしろ特性的に優れる場合が多い。実施例1〜4と比較例3にみるように、工程上はゲル化の工程数が少なくて済み、設備の簡略化がはかれるとともに、工程短縮による水分の混入抑制、設備投資の軽減、生産性の向上等が実現できる。ゲル状電解質の原液の塗布も正極側、負極側2回で済み、電解質用に改めて塗布したり、多孔性フィルムに別に含浸させたりする必要がない。さらに界面が少ないことから余分な抵抗が発生せず、界面数の多い比較例3と比較すると、サイクル特性に優れる。またゲル状電解質を一体化した実施例と比較例4の比較でも、実施例は電池特性上何ら問題はなく、容量的には上回る。工程上はゲル化の工程数は同数であるが、実施例においては、ゲル状電解質の原液の塗布が正極側、負極側2回で済むのに対し、比較例4では、不織布に別に含浸させておき、搬送してきて積層する必要があり余分な手間がかかる。また比較例4では不織布の位置決めが必要であったが、実施例では正極と負極を積層するだけであり、工程が簡便になる。
【0076】
【発明の効果】
本発明によれば、正極、負極の間に非電気伝導性の粉体と非電気伝導性の結合剤を含む層が形成されているため、電解質層の少なくとも一部分は非電気伝導性の粉体と非電気伝導性の結合剤によって補強されることになる。粉体と結合剤によって形成される構造体は、高分子フィルムの補強剤等に粉体が使用されていることからわかるように機械的強度に優れる。そのため電解質層の機械的強度が全体として高くなる。特に粉体は各種の材質、形状、粒径のものが存在するため、その種類を選ぶことにより、機械的強度、細孔構造等各種の特性をコントロールできる。
【0077】
また、中間層が、正極、負極少なくとも一方の上に一体となって形成されている場合は、この層が正極と負極を隔てる電気絶縁性で、イオン伝導性を持つ電解質層として作用し得る。つまり電解質層の少なくとも一部は正極、あるいは負極の上に一体として形成されていることになる。このため別途セパレーターのような物を用意したり、そのための組立設備を設ける必要はない。少なくとも一方が中間層を上に有している正極と負極を積層するだけで、電池を組み立てることができ装置が簡略化される。また薄く扱いにくいセパレーターのようなものを位置決めする必要はなくなる。これは電池を大面積平板上に積層する際、あるいは容量増加のため電解質層部分の膜厚を薄くする際、工程上が容易になり利点が極めて大きい。
【0078】
特にゲル状電解質を用いたリチウム二次電池の場合、ゲルの強度が補強されることによる効果は大きく、ショートの危険を低減できる。USP5,453,335、同5,609,974に見られるような、電解質層をゲル状電解質の原液として電極上に塗布し、ゲル化することによって電解質層を形成する手法においては、非電気伝導性の粉体を原液に分散しておくことにより、形成された電解質層が粉体成分で補強され、機械強度が著しく高まる。また粉体を原液に分散することにより、原液の粘度が適度に高まり、電極上での流動を抑え電解質層の形成を容易にする。これは高分子の添加による増粘と違い、糸を引いたりする現象を伴わない粘度コントロール法であるため極めて有効である。
【0079】
また、活物質層と骨格層とを形成した後に、イオン移動相原料を含浸させる方法は、以下のような点にいて優れている。まず活物質層、さらに活物質層上に形成された粉体層は、電解液を含まない状態で形成されるため、乾燥工程等によって容易に水分除去が行われうる。そのため水分管理をする必要がなく通常の雰囲気下で製造を行うことが可能である。従って、分散機、塗布機ともドライルーム内に設置する必要はなく、設備の簡略化がはかれる。これらの層の形成法としては、活物質あるいは粉体と結合剤を、適当な溶液とともに分散塗料化し、塗布後、乾燥する手法が用いることができるが、このような手法は塗布が容易で高速化が可能であり生産性が極めて高い。また塗膜にカレンダー工程を加えることによって塗膜を圧密し活物質の充填量を高めたり、中間層中の粉体の充填率をコントロールすることも可能である。また集電体を含む塗膜全体の剛性が高まり、塗膜の平坦性が増すため、電池を平板積層する場合の作業性が高まる。さらに塗布による膜形成では厚みを1ミクロン程度の膜厚にすることも可能である。このことは電池の内部抵抗を下げ、容量の増加に寄与する。しかもこの薄膜化には工程上の困難は伴わない。多孔性フィルムでは例えば50ミクロン以下を実現しようとすると、まず強度上問題からフィルムの伸び、切断、よじれ等が発生してフィルムをうまく扱えない。特に平板積層する場合、厚みが50ミクロン以下になるような多孔性フィルムを皺などがないように広げることは極めて困難で、大面積化は不可能に近い。またゲル状電解質の単独体で電解質層とする手法では膜厚の均一性に問題があるとともに、電解質層の機械的強度に問題がある。本発明の手法では面積の制約はなく、“塗布のロール幅”ד任意の長さ”の電極に対して、薄くて均一かつ機械的強度に優れる電解質層を工程上の困難なく形成することが可能となる。一例として、90cm幅のロールに本発明の手法によって、活物質層、骨格層を形成して、180cmの長さに裁断すれば畳1枚大の電池を作ることも可能である。塗布においてはこの面積に対しても、20ミクロンの均一な層を形成することは困難でなく、20ミクロン厚の電解質層を形成できる。20ミクロン厚の多孔性フィルムをきれいに広げて、しかも電極に密着させるのは、面積が50平方センチメートル程度の段階で著しい困難が伴い、畳一枚大にすることはとうてい不可能である。むろん上記に示したような効果はイオン移動相として電解液系の電解質を用いる場合も発揮される。
【0080】
さらに正極、負極、電解質層内に存在するゲル状電解質の形成は、活物質層、骨格層上に、イオン移動相原料を塗布し、空隙を満たした後、ゲル状電解質を形成させるだけでよい。ゲル状電解質を形成させる工程は正極側、負極側それぞれ一回に減らすこともできるため工程が簡略化される。USP5,453,335、同5,609,974に示される様な手法では、正極側、負極側、電解質層と3回から4回のゲル化工程が必要であるのと比較して、工程の簡略化の効果は大きい。特にゲル状電解質がモノマーを重合させることによって形成される場合や、加温状態で含浸を行いそれを冷却することによって形成される場合は、ゲル状電解質の形成に分単位の時間を要するため、工程の省略による生産性、コスト低減への効果は大きい。
【0081】
さらに、本発明では、電解質層のゲル状電解質の少なくとも一部と電極内のゲル状電解質とを連続体として形成させることができる。連続体となって密着したゲル状電解質は、イオンの移動が完全に行われ、形状維持性のあるゲル状電解質を用いた場合に問題になる、電解質層と正極、負極の界面の接合不良などによる余計な界面抵抗を軽減できる。このため電池の内部抵抗を下げることができ、容量、レート特性が改善される。特に、電池の内部のゲル状電解質(正極、負極、中間層あるいは電解質層)がすべて連続体として形成されるこの場合、イオンの移動は完全に確保され、内部抵抗低減、容量、レート特性改善への効果は大きい。
【0082】
ゲル状電解質がモノマーを重合することによって形成される場合は、モノマーを含む液の粘度が低く含浸は容易である。特に活物質層あるいは骨格層上に塗布する場合は、活物質層、あるいはそれに骨格層を加えた厚み(通常1ミリメートル以下)分だけ含浸が進行すれば良いため、含浸は急速に完了する。またゲル状電解質が、主として電解液と高分子からなる電解液成分を、加温状態で含浸したのち冷却することによって形成される場合も、塗布による手法によれば、含浸は活物質層、あるいはそれに骨格層を加えた厚み分だけ進行すれば良いため、加温し溶液状にしていてもまだ粘度が高い、溶液状とした高分子ゲル状電解質の含浸も十分に進行する。
【0083】
本発明においては、ゲル状電解質の界面の影響が抑制され内部抵抗が低く実現できているため、界面の接触を良くするために、高い剛性を持つケースに収納して積層された電池を押さえつけ、電池に圧力を加えた状態にする必要はない。そのため正極・電解質層・負極を平板的に積層し、形状可変性のあるケースに収納しても問題なく動作する。このため薄型にできるとともに湾曲させることなども可能で、電池特性を損なうことなく電池の形状自由性を高めることができる。
【0084】
【表1】
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a lithium secondary battery. More specifically, the present invention relates to a lithium secondary battery having a high capacity, high energy density, low internal resistance, high productivity, and low cost, and is particularly suitable when a solid or gel electrolyte is used instead of the electrolyte. Next battery.
[0002]
[Prior art]
A lithium secondary battery is generally composed of a positive electrode and a negative electrode capable of occluding and releasing lithium ions, and a non-aqueous electrolyte mainly composed of a lithium salt and a solvent. The positive electrode and the negative electrode are separated by a separator made of a porous film, and are ionically bonded by a non-aqueous electrolyte solution that fills the pores of the porous film. However, most of the solvents used in the electrolytic solution are organic compound liquids, and are often flammable and odorous. A battery using a non-aqueous electrolytic solution has a risk of leakage or ignition. For this reason, in recent years, in order to improve safety, a battery that replaces a non-aqueous electrolyte with a gel electrolyte has been developed. In gel electrolytes, non-aqueous electrolytes are held in, for example, polymers, and many of their properties, such as ionic conductivity, maintain the performance of the electrolyte, but the fluidity is extremely low and the shape is maintainable, and the volatilization The speed is also suppressed. Therefore, the risk of leakage or ignition can be reduced. In particular, in secondary batteries using lithium metal, heat generation and ignition due to internal short circuit due to lithium dendrite precipitation have been a problem. It was rare.
[0003]
Furthermore, unlike the conventional lithium secondary battery, a gel electrolyte containing an electrolyte in a polymer as described above can be operated without using a separator, unlike the conventional lithium secondary battery. The separator can be omitted and the gel electrolyte layer can be sandwiched between the positive electrode and the negative electrode. Since the battery using such a polymer electrolyte has a low possibility of liquid leakage, there is an advantage that the exterior can be simplified and the weight can be simplified compared to the liquid system. Furthermore, there is a possibility that a card-like thin battery can be realized.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Gel electrolytes are self-supporting and can replace separators by themselves, but the mechanical strength is never sufficient, and gel electrolytes alone are particularly difficult in severe environments where various stresses are applied. There are problems with insulation.
Thus, attempts have been made to increase the mechanical strength of the gel electrolyte by providing a separator. However, when using such a separator, there are the following manufacturing problems.
[0005]
That is, in general, a lithium secondary battery has a positive electrode, a separator made of a porous film, and a negative electrode in a roll shape. The ends of each roll are bundled and wound while applying tension to the core material, and the winding length is predetermined. When reaching the length, the laminate is cut. Thereafter, an electrolyte is mainly injected from the side surface of the laminate to form an ion mobile phase. In this method, it is necessary to prepare the porous film as a roll, and a winder for the porous film is also required. In addition, electrolyte injection takes a considerable amount of time and increases costs.
[0006]
Another problem when using a separator such as a porous film is that it is difficult to stack the batteries in a flat plate. In the case of flat plate lamination, it is difficult to laminate and assemble while applying tension to the separator. On the other hand, it is not practical to accurately position and stack thin and soft separators by simply holding the ends and preventing wrinkles and the like from approaching. Further, if the separator is made thick so that the wrinkles are not easily moved, the thickness of the electrolyte layer is increased, the resistance is increased, and the capacity is reduced. In particular, when the battery is stored in a case having shape changeability, the battery cannot be pressed down by the case, and therefore, the position of the separator is likely to be shifted when the electrolyte is injected. These problems become more prominent as the planar battery has a larger area. Therefore, it has been difficult to manufacture a thin flat battery using a separator.
[0007]
On the other hand, the battery using the gel electrolyte also has the following problems.
First, there is a problem of resistance at the interface of the gel electrolyte. In the gel electrolyte, the electrolytic solution is held in a polymer network, and macroscopically there is no fluidity of the electrolytic solution. Since the electrolyte layer formed from such a gel electrolyte is self-supporting, the solid surface is bonded to the bonding surface of the electrolyte layer and the electrode, and the adhesion of the gel electrolyte to each other deteriorates. , Ion conductivity is impaired. Such an increase in resistance causes a decrease in capacity, rate characteristics, and cycle characteristics.
[0008]
There are also manufacturing problems. For example, in USP 5,453,335 and USP 5,609,974, an electrode made of an active material, a polymer, and an electrolytic solution is formed, and then a gel electrolyte layer is formed. Such a method has a drawback in that the formation of the gel electrolyte in the electrode and the formation of the gel electrolyte in the electrolyte layer are performed separately, resulting in a long process and cost. Further, since the electrolytic solution is contained from the electrode formation stage, there is a problem that moisture must be managed in all steps of electrode dispersion and coating. This is achieved by installing a disperser and a coating machine in a dehumidified room (dry room). However, this requires a considerably large dry room and is expensive. In addition, the longer the process, the higher the possibility of absorbing moisture even in a dry room.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
This invention is made | formed in view of the said actual condition, The objective is to provide the lithium secondary battery excellent in mechanical strength.
Another object of the present invention is to provide a lithium secondary battery having excellent cycle characteristics and capacity.
Furthermore, another object of the present invention is to provide a lithium secondary battery having a small number of manufacturing steps and high productivity. Still another object of the present invention is to provide a lithium secondary battery capable of increasing the area. Still another object of the present invention is to provide a method for producing the lithium secondary battery as described above.
[0010]
  The present inventor has found that the above object can be achieved by providing an intermediate layer having a non-electrically conductive powder and a non-electrically conductive binder between the electrodes, and has completed the present invention.
  That is, the gist of the present invention is (1) a positive electrode, (2) a negative electrode, and (3) an intermediate layer provided between them and containing a non-electrically conductive powder and a non-electrically conductive binder. HaveA lithium secondary battery comprising: (1) a positive electrode and / or (2) an active material layer containing a powdered active material and a binder, and a gel electrolyte formed in the active material layer The intermediate layer of (3) is formed in the skeleton layer containing a non-electrically conductive powder and a non-electrically conductive binder. And the non-electroconductive powder of (3) is selected from silica, titanium oxide, and aluminum oxide, and comprises (1) to (3). The binder is polyvinylidene fluoride, and the gel electrolytes (1) to (3) contain polyacrylonitrile or a polyethylene oxide resin having an acrylic group at the terminal, and are used for the active material layers of the positive electrode and the negative electrode. Thickness is 1 to 300 μm, medium Porosity and thickness of the layer is 1~200μm intermediate layer, i.e., the volume ratio in the intermediate layer of ion transfer phase formed in the void of the skeleton layer, but 30 to 95%It exists in the lithium secondary battery characterized by this.
  Another gist of the present invention includes (1) a positive electrode, (2) a negative electrode, and (3) a non-electrically conductive powder and a non-electrically conductive binder provided between them. The positive electrode and / or the negative electrode includes an active material layer containing a powdery active material and a binder for fixing the active material, and a gel electrolyte formed in the active material layer The intermediate layer is composed of a skeleton layer containing a non-electrically conductive powder and a non-electrically conductive binder, and a gel formed in the skeleton layer. Lithium comprising an ion mobile phase comprising an electrolyte, wherein the ion mobile phase formed in the positive electrode and / or negative electrode and the ion mobile phase formed in the intermediate layer are continuous Secondary batteryWherein the non-electrically conductive powder of (3) is selected from silica, titanium oxide and aluminum oxide, the binder of (1) to (3) is polyvinylidene fluoride, and The gel electrolytes (1) to (3) contain polyacrylonitrile or a polyethylene oxide resin having an acrylic group at the end, and the active material layers of the positive electrode and the negative electrode have a thickness of 1 to 300 μm, and an intermediate layer Lithium secondary battery in which the thickness of the intermediate layer is 1 to 200 μm and the porosity of the intermediate layer, that is, the volume ratio of the ion mobile phase formed in the voids of the skeleton layer in the intermediate layer is 30 to 95%Exist.
  In addition, still another aspect of the present invention covers almost the entire area between the positive electrode and the negative electrode,ReContains a thion ion conductive electrolyteThe middle classAn electrolyte layer is provided, and the positive electrode and / or the negative electrode includes an active material layer containing a powdery active material and a binder for fixing the active material, and a gel electrolyte formed in the active material layer. The electrolyte layer is composed of a skeleton layer containing a non-electrically conductive powder and a non-electrically conductive binder, and a gel electrolyte formed in the skeleton layer. Lithium ion, wherein the ion mobile phase formed in the positive electrode and / or negative electrode and the ion mobile phase formed in the electrolyte layer are continuous. Secondary batteryThe non-electrically conductive powder is selected from silica, titanium oxide and aluminum oxide, and the binder for fixing the active material and the non-electrically conductive binder are both polyvinylidene fluoride. And the gel electrolyte contains polyacrylonitrile or a polyethylene oxide resin having an acrylic group at the end, the thickness of the active material layer of the positive electrode and the negative electrode is 1 to 300 μm, and the thickness of the intermediate layer is 1 to Lithium secondary battery having 200 μm and a porosity of the intermediate layer, that is, a volume ratio in the intermediate layer of the ion mobile phase formed in the void of the skeleton layer, of 30 to 95%Exist.
  The other gist of the present invention is as follows.A method for manufacturing a lithium secondary battery in which an intermediate layer containing a non-electrically conductive powder and a non-electrically conductive binder is formed between a positive electrode and a negative electrode. It includes an intermediate layer forming step of applying and drying a paint containing a conductive powder, a non-electrically conductive binder, and a solvent, and after the intermediate layer forming step, impregnation with an ion mobile phase raw material As an ion mobile phase material for forming a gel electrolyte, (i) containing an electrolytic solution and a gelled polymer, or (ii) using an electrolytic solution and a monomer The positive electrode and / or the negative electrode are composed of an active material layer containing a powdery active material and a binder, and the non-electrically conductive powder of the intermediate layer is made of silica, titanium oxide, and aluminum oxide. The binder and non-electric The conductive binder is polyvinylidene fluoride, and the gel electrolyte contained in the ion mobile phase formed from the ion mobile phase raw material contains polyacrylonitrile or a polyethylene oxide resin having an acrylic group at the end. The thickness of the active material layer of the positive electrode and the negative electrode is 1 to 300 μm, the thickness of the intermediate layer is 1 to 200 μm, and the porosity of the intermediate layer, that is, the intermediate of the ion mobile phase formed in the voids of the skeleton layer Method for manufacturing lithium secondary battery, wherein volume ratio in layer is 30 to 95%Exist.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The lithium secondary battery of the present invention usually has a positive electrode, a negative electrode and an electrolyte layer provided therebetween, and further has an intermediate layer provided between the positive electrode and the negative electrode. . The intermediate layer is preferably provided in contact with at least one of the positive electrode and the negative electrode, and particularly preferably provided integrally with at least one of the positive electrode and the negative electrode. The term “integral” refers to a state in which the electrode and the intermediate layer are continuous at least partially, and can be manufactured by a manufacturing method as described below.
[0012]
The intermediate layer preferably contains a lithium ion conductive electrolyte so as to function also as an electrolyte. Furthermore, the electrolyte layer provided over almost the entire surface between the electrodes contains a non-electroconductive powder and a non-electrically conductive binder in addition to the lithium ion conductive electrolyte, thereby providing an intermediate layer. It is preferable from the viewpoint of simplification of the manufacturing process and mechanical strength of the battery. In this case, the intermediate layer and the electrolyte layer have substantially the same function and composition.
Hereinafter, first, the electrolyte layer will be described.
[0013]
The electrolyte layer is responsible for the movement of lithium ions between the positive electrode and the negative electrode, and contains a lithium ion conductive electrolyte. In the present invention, any non-aqueous material that is stable with respect to a positive electrode active material, a negative electrode active material, etc., and that can move for lithium ions to perform an electrochemical reaction with the positive electrode active material or the negative electrode active material. Can also be used. In particular, a supporting electrolyte mainly composed of a lithium salt and an electrolytic solution composed of a non-aqueous solvent are preferably used because of excellent characteristics.
As the supporting electrolyte, LiPF6, LiAsF6, LiSbF6, LiBFFourLiClOFour, LiI, LiBr, LiCl, LiAlCl, LiHF2, LiSCN, LiSOThreeCF2And lithium salts such as Of these, LiPF in particular6LiClOFourIs preferred.
[0014]
The content in the case of using these supporting electrolytes dissolved in a solvent is generally 0.5 to 2.5 mol / L. The solvent for dissolving these supporting electrolytes is not particularly limited, but a solvent having a relatively high dielectric constant is preferably used. Specifically, cyclic carbonates such as ethylene carbonate and propylene carbonate, acyclic carbonates such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate and ethyl methyl carbonate, glymes such as tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran and dimethoxyethane, γ-butyllactone, etc. Lactones, sulfur compounds such as sulfolane, nitriles such as acetonitrile, and the like. Moreover, these 1 type, or 2 or more types of mixtures can also be used. Of these, one or more selected from cyclic carbonates such as ethylene carbonate and propylene carbonate, and acyclic carbonates such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate are particularly preferable. In addition, those in which some of hydrogen atoms in these molecules are substituted with halogen or the like can be used. Moreover, you may add an additive etc. to these electrolyte solutions. Examples of additives include trifluoropropylene carbonate, vinylidene carbonate, 1,6-Dioxaspiro [4,4] nonane-2,7-dione, 12-crown-4-ether, etc. Can be used for enhancing purposes.
[0015]
In the present invention, a gel electrolyte can also be used as an electrolyte for the purpose of suppressing liquid leakage and improving safety, and is preferable.
The gel electrolyte mainly consists of an electrolytic solution and a polymer, and the electrolytic solution is held in a polymer network and the fluidity as a whole is remarkably lowered. Although characteristics such as ion conductivity are similar to those of ordinary electrolytes, fluidity and volatility are remarkably suppressed and safety is enhanced.
[0016]
The type of polymer is not particularly limited as long as it forms a gel with respect to the electrolyte and is stable as a battery material. However, since the electrolyte used for the lithium battery usually has polarity, a polymer having a certain degree of polarity is preferable. The molecular weight of the polymer is usually in the range of 10,000 to 5,000,000, preferably 100,000 to 1,000,000. If the molecular weight is too low, gel formation is difficult, and if the molecular weight is too high, the viscosity is too high and handling becomes difficult.
The gel electrolyte forming step includes (1) a method of cooling a polymer to room temperature by using an electrolyte containing a polymer that can be gelled by cooling in a heated state, and (2) a monomer. A method of polymerizing the monomer using the electrolytic solution is preferably used.
[0017]
  As a specific example of the polymer used in the method (1) aboveTheRear critronitriLeCan be mentioned. Also, the above polymerModified products, derivatives, random copolymers, alternating copolymers, graft copolymers, block copolymers and the like can also be used.
[0018]
  In the above method (2), as a suitable polymer formed by polymerization of monomersIncludes a polyethylene oxide resin having an acrylic group at the terminal. HeavyPolymers produced by addition polymerization that can be easily controlled and do not generate by-products during polymerization are preferred. In particular, a polymer produced by addition polymerization of a reactive unsaturated group-containing monomer is excellent in productivity.
[0019]
  And as a reactive unsaturated group containing monomer used in the method of said (2),Is a polyethylene oxide resin having an acrylic group at the end.Can be mentioned.
[0020]
Examples of the method for polymerizing the monomer include methods using heat, ultraviolet rays, electron beams, and the like. From the viewpoint of productivity, a method using ultraviolet rays is preferred. In this case, in order to effectively advance the reaction, a polymerization initiator that reacts with ultraviolet rays can be blended in the electrolytic solution. Examples of the ultraviolet polymerization initiator include benzoin, benzyl, acetophenone, benzophenone, Michler ketone, biacetyl, benzoyl peroxide and the like. These initiators can be used alone or in combination.
[0021]
In the case of thermal polymerization, the structure of the gel can be controlled and the ionic conductivity can be improved by changing the type and amount of the thermal polymerization initiator, the type and amount of the monomer, the number of reactive groups in the monomer, and the like. Furthermore, since the entire reaction proceeds uniformly, a uniform gel is formed. In thermal polymerization, a polymerization initiator can be used for reaction control. As thermal polymerization initiators, 1,1-di (tertiarybutylperoxy) -3,3,5-trimethylcyclohexane, 2,2-bis- [4,4-di (tertiarybutylperoxycyclohexyl) propane ], 1,1-di (tertiary butyl peroxy) -cyclohexane, tertiary butyl peroxy-3,5,5-trimethyl hexanonate, tertiary butyl peroxy-2-ethyl hexanonate, dibenzoyl per Examples include oxides. These initiators can be used alone or in combination.
[0022]
The ratio of the polymer in the gel electrolyte is usually 0.1 to 80% by weight, preferably 1 to 50% by weight. When the ratio of the polymer is too low, it is difficult to hold the electrolytic solution and leakage occurs, and when it is too high, the ionic conductivity is lowered and the battery characteristics are lowered. Although the ratio of the polymer with respect to a solvent is suitably selected according to molecular weight, it is 0.1-50 weight% normally, Preferably it is 1-30 weight%. When the ratio of the polymer is too small, the gel shape becomes difficult, and the retention of the electrolytic solution tends to be lowered, thereby causing a problem of flow and liquid leakage. When the proportion of the polymer is too large, the viscosity becomes too high and handling becomes difficult, and the ion conductivity is lowered due to the decrease in the concentration of the electrolytic solution, and the battery characteristics such as the rate characteristics tend to be lowered.
[0023]
The gel electrolyte layer can further contain a skeleton polymer that exists in a solid state in the electrolytic solution. The skeleton polymer functions as an electrolyte skeleton in contrast to the above-described polymer for gel formation (hereinafter, sometimes referred to as “gel polymer”). Presence in the solid state means that it is insoluble or only swells in the electrolyte used. The backbone polymer is 0.05 (cal / cc) than the solubility parameter of the solvent in the electrolyte used.0.5Or more, preferably 0.1 (cal / cc)0.5Or more, more preferably 0.2 (cal / cc)0.5Or more, most preferably 0.5 (cal / cc)0.5It is preferable to use polymers having different solubility parameters.
[0024]
Although the kind of said skeleton polymer changes with electrolyte solutions used, the following polymers are mentioned with respect to the highly polar solvent generally used for a lithium ion battery. That is, an alkane polymer such as polyethylene, polypropylene and poly-1,1-dimethylethylene, an unsaturated polymer such as polybutadiene and polyisoprene, a ring such as polystyrene, polymethylstyrene, polyvinylpyridine, and poly-N-vinylpyrrolidone. Polymers having poly (methyl methacrylate), poly (ethyl methacrylate), poly (butyl methacrylate), poly (methyl acrylate), poly (ethyl acrylate), poly (acrylic acid), poly (methacrylic acid), polyacrylamide and other acrylic derivative polymers, polyvinyl fluoride, poly (fluoride) Fluorine resins such as vinylidene chloride and polytetrafluoroethylene, CN group-containing polymers such as polyacrylonitrile and polyvinylidene cyanide, polyvinyl alcohol polymers such as polyvinyl acetate and polyvinyl alcohol Chromatography, polyvinyl chloride, halogen-containing polymers such as polyvinylidene chloride, silicone-based polymers such as polydimethylsiloxane can be used. Moreover, said polymer mixture, a modified body, a derivative | guide_body, a random copolymer, an alternating copolymer, a graft copolymer, a block copolymer, etc. may be sufficient. The molecular weight of these polymers is usually 10,000 to 3,000,000, preferably 100,000 to 1,000,000. If the molecular weight is too low, the strength may decrease, and if it is too high, the viscosity may increase and formation may be difficult. It is preferable to increase the molecular weight from the viewpoint of securing mechanical strength.
[0025]
In particular, when the electrolytic solution used contains ethylene carbonate or propylene carbonate, it is preferable to use a polymer comprising repeating units of the following formula C and / or formula D as the skeleton polymer. The reason is as follows.
That is, since the gelled polymer and the electrolyte solution may be in a heated state, the electrolyte solution used is an electrolyte solution containing ethylene carbonate or propylene carbonate having a high boiling point for safety in production. And effective in terms of management. And with respect to the electrolyte solution which has polarity and a comparatively high solubility parameter, the skeleton polymer of the following composition can suppress the solubility low, and its effect is high from a viewpoint of skeleton maintenance.
[0026]
[Chemical 1]
C:-(CH2-CRFiveR6) −
D:-(CH2-CRFive= CH2-CH2) −
(However, RFiveIs —H, —F, —Cl or —CHThreeGroup, R6Are -H, -F, -Cl, -C6HFiveRepresents a group. )
[0027]
In the present invention, a solid electrolyte can be used in addition to the liquid or gel electrolyte. The solid electrolyte can be obtained, for example, by mixing a supporting electrolyte used for a gel electrolyte and a polymer.
Next, the intermediate layer will be described. The intermediate layer contains at least a non-electrically conductive powder and a non-electrically conductive binder.
[0028]
  As the non-electrically conductive powder used for the intermediate layer, any powder can be used as long as it is stably present in the battery and is non-electrically conductive. For example, various inorganic powdersBodyCan be used. As inorganic powderThe acidSilicon fluoride, aluminum oxide, titanium oxideEtc.The oxide powder is used. These may be element-substituted, surface-treated, or solid solution as necessary.Yes. MaThe surface of conductive metal such as carbon black, graphite, SnO2, ITO, metal powder, and fine powder of conductive compounds and oxides is surface treated with a non-electrically conductive material to provide electrical insulation. It is also possible to use it. These non-electrically conductive powders may be used in combination. The particle size of these powders is preferably 0.001 to 50 μm. When fine particles of 0.1 μm or less are used, it is preferable that the structure is developed as a secondary structure and the secondary particle diameter is a certain size. Particularly preferably, when the thickness is in the range of 0.1 to 10 μm, the dispersion, the ease of coating, and the control of voids are excellent. The specific surface area of the powder is preferably 0.01 to 300 m @ 2 / g. If it is too low, the stability of the prepared paint will be reduced. If it is too high, the viscosity of the coating will increase, making it difficult to disperse and apply. The shape of the powder is not particularly limited, such as a spherical shape, a needle shape, a rod shape, a conical shape, and a plate shape. Porous powder can also be used.
[0029]
  The non-electrically conductive binder used for the intermediate layer is a material that holds the powder, is non-electrically conductive, and exists stably in the battery.Polyvinylidene fluoride is used. ProtectionExamples of the holding form include those that are chemically bonded, those that are physically bonded, and those that are held by the network structure of the binder.
[0030]
  The intermediate layer preferably has some or all of the functions of the electrolyte layerThe
[0031]
DepartureIn a particularly preferred embodiment in that the light effect is remarkable, the electrolyte layer also serves as an intermediate layer (that is, is the same), and the intermediate layer (= electrolyte layer) contains a gel electrolyte containing a non-aqueous electrolyte.Mu
[0032]
In addition to the gel electrolyte, the intermediate layer can contain a skeleton polymer that exists in a solid state in the electrolytic solution, and is preferable. In this case, the intermediate layer is preferably composed of a skeleton layer containing powder and a skeleton polymer, and an ion mobile phase composed of a gel electrolyte formed in the skeleton layer. In a more preferred embodiment in that the effect of the invention is remarkable, the electrolyte layer also serves as an intermediate layer (that is, is the same), and the intermediate layer includes a skeleton polymer and a gel electrolyte. The binder used for the intermediate layer can be used as the backbone polymer.
When the intermediate layer has a function of part or all of the electrolyte layer, the same electrolyte as that used for the electrolyte layer can be used as the electrolyte of the intermediate layer.
[0033]
  The ratio of the non-electrically conductive powder and the non-electrically conductive binder is preferably 0.01 to 100% by weight, particularly 0.1 to 100% by weight. In particular, when a skeleton polymer is used as the binder, the ratio of the binder to the powder is usually 0.01 to 100% by weight, preferably 0.1 to 30% by weight. This is preferably prepared according to the specific surface area of the powder. When the intermediate layer is composed of a skeleton layer containing a non-electrically conductive powder and a non-electrically conductive binder, and an ion mobile phase formed in the voids of the skeleton layer, the porosity of the intermediate layer, that is, , Volume fraction of ion mobile phase in the intermediate layerIs 30 to 95%. Lowering the porosity improves the mechanical strength, and increasing the porosity improves the ionic conductivity. What is necessary is just to select a preferable value for a porosity according to the objective. The porosity can be controlled by the ratio between the powder and the binder, the calendar process, and the like.
[0034]
  The thickness of the electrolyte layer including the intermediate layerIs 1~ 200 μm. When the thickness is reduced, the capacity of the entire battery is lowered and the insulation between the positive electrode and the negative electrode tends to be lowered. If it is thick, the internal resistance increases, the capacity decreases, and the rate characteristics tend to deteriorate. Next, the electrode will be described. The positive electrode or the negative electrode is preferably composed of an active material layer capable of occluding and releasing lithium ions and an ion mobile phase formed in the active material layer.
[0035]
As the positive electrode active material used in the positive electrode of the present invention, various organic and inorganic compounds can be used. Examples of the inorganic compound include transition metal oxides, composite oxides of lithium and transition metals, transition metal sulfides, and the like. Here, Fe, Co, Ni, Mn, or the like is used as the transition metal. Specifically, MnO, V2OFive, V6O13TiO2Transition metal oxide powders such as lithium nickel oxide, lithium cobaltate, lithium manganate and other complex oxide powders of TiS, TiS2, FeS, MoS2And transition metal sulfide powders. These compounds may be partially element-substituted in order to improve the characteristics. Examples of the organic compound include polyaniline, polypyrrole, polyacene, disulfide compounds, polysulfide compounds, N-fluoropyridinium salts, and the like. A mixture of these inorganic compounds and organic compounds may be used as the positive electrode active material. The particle size of the active material of these positive electrodes may be appropriately selected depending on the other constituent elements of the battery, but it is usually 1-30 μm, particularly 1-10 μm. This is preferable because the characteristics are improved.
[0036]
Examples of the negative electrode active material used for the negative electrode include carbon-based active materials such as graphite and coke. These carbon-based active materials can be used even in the form of a metal, a salt thereof, a mixture with an oxide, or a coating. Also oxides or sulfates of silicon, tin, zinc, manganese, iron, nickel, etc. Furthermore, lithium metal such as lithium metal, Li—Al, Li—Bi—Cd, Li—Sn—Cd, lithium transition metal nitride, silicon, or the like can be used. The particle size of the negative electrode active material may be selected as appropriate in consideration of the other constituent elements of the battery. Usually, the initial efficiency, rate characteristics, cycle characteristics are set to 1 to 50 μm, particularly 15 to 30 μm. It is preferable because battery characteristics such as are improved.
[0037]
  The active material layer further contains a binder in order to increase the strength of the electrode, further improve the adhesion to the current collector, and fix the active material in the active material layer.TheThe types of binders used arePolyvinylidene fluoride is used.
[0038]
The electrode may contain additives, powders, fillers, and the like that exhibit various functions such as a conductive material and a reinforcing material, as necessary. The conductive material is not particularly limited as long as it is capable of imparting conductivity by mixing an appropriate amount of the above active material. Usually, carbon powder such as acetylene black, carbon black, graphite, and various metal fibers and foils are used. Etc. Additives such as trifluoropropylene carbonate, vinylidene carbonate, catechol carbonate, 1,6-Dioxaspiro [4,4] nonane-2,7-dione, 12-crown-4-ether improve the stability and life of the battery. Can be used for. As the reinforcing material, various inorganic, organic spherical, plate-like, rod-like or fibrous fillers can be used.
[0039]
  The thickness of the active material layer is positive electrode, negative electrode andAlso 1It is in the range of ˜300 μm. If it is thicker than 300 μm, ionic conduction tends to decrease and the rate characteristics tend to deteriorate. When the thickness is less than 1 μm, the ratio of the electrode layer, the current collector and the like in the battery increases, and the capacity of the battery as a whole tends to decrease. In the present invention, a uniform electrolyte layer having a large area can be formed, and the sizes of the positive electrode and the negative electrode can be arbitrarily set. In the present invention, in particular, the area of the positive electrode and / or the negative electrode can be 50 cm @ 2 or more. The size ratio between the positive electrode and the negative electrode is preferably substantially the same. In particular, it is preferable to set the negative electrode slightly larger than the positive electrode because the insulation is enhanced and the generation of dendrites is suppressed. As the ion mobile phase formed in the active material layer, various electrolytes used in the electrolyte layer are used.
[0040]
The active material layer is usually provided on the current collector. In general, a metal foil such as an aluminum foil or a copper foil can be used as the current collector. The thickness is preferably 1 to 30 μm. If it is too thin, the mechanical strength becomes weak, which may cause problems in production. If it is too thick, the capacity of the entire battery may be reduced. It is preferable to roughen the surfaces of these current collectors in advance because the adhesive strength of the active material layer is increased. Examples of the surface roughening method include a mechanical polishing method, an electrolytic polishing method, and a chemical polishing method. Examples of the mechanical polishing method include a method of polishing the surface of the current collector with a wire brush provided with abrasive cloth paper, a grindstone, an emery buff, a steel wire or the like to which abrasive particles are fixed. In addition, another layer may be formed on the current collector surface in order to increase the adhesive strength and conductivity.
[0041]
In a preferred embodiment, the positive electrode and / or the negative electrode is composed of an active material layer containing a powdery active material and a binder, and an ion mobile phase comprising a gel electrolyte formed in the active material layer. The intermediate layer is composed of a skeleton layer containing a non-electrically conductive powder and a non-electrically conductive binder, and an ion mobile phase comprising a gel electrolyte formed in the skeleton layer; and The ion mobile phase in the electrode and the ion mobile phase in the intermediate layer are continuous. With such a configuration, the positive electrode and / or the negative electrode and the intermediate layer can be provided integrally. As a result, the interface resistance can be lowered and the capacity and rate characteristics can be improved. In addition, as will be described later, a battery having such a structure can be easily manufactured by forming an active material layer and a skeleton layer and then simultaneously impregnating each layer with a material that is a material of an ion mobile phase.
[0042]
Also in this embodiment, it is preferable that the electrolyte layer also serves as an intermediate layer (that is, the same). That is, the positive electrode and / or the negative electrode includes a powdery active material and an active material layer containing a binder for fixing the active material, and an ion mobile phase composed of a gel electrolyte formed in the active material layer. The electrolyte layer is composed of a skeleton layer containing a non-electrically conductive powder and a non-electrically conductive binder, and an ion mobile phase composed of a gel electrolyte formed in the skeleton layer. It is preferable that the ion mobile phase formed in the positive electrode and / or the negative electrode and the ion mobile phase formed in the electrolyte layer are continuous.
[0043]
Note that “continuous” can be determined simply because both cannot be peeled off without breaking the gel electrolyte.
Further, it is preferable that the ion mobile phase in the positive electrode and the ion mobile phase in the intermediate layer or the electrolyte layer and the ion mobile phase in the negative electrode are all continuous because the effect of the present invention is great.
[0044]
In the lithium secondary battery of the present invention, the positive electrode, the negative electrode, and the electrolyte layer are preferably laminated in a flat plate and accommodated in a case. When laminated in a flat plate, the effect of the present invention is remarkable. As a case to be used, those having shape changeability are preferable, and the effect of the present invention is also remarkable. The case having shape change means a case having flexibility, flexibility, flexibility, and the like, and examples of the material include plastic, polymer film, metal film, rubber, thin metal plate and the like. Specific examples of the case include a bag made of a polymer film such as a plastic bag, a vacuum packaging bag or vacuum pack made of a polymer film, a vacuum packaging bag or vacuum made of a laminate material of a metal foil and a polymer film. Examples include a pack, a can made of plastic, and a case where the periphery is fixed by welding, bonding, fitting, etc. sandwiched between plastic plates. Among these, a vacuum packaging bag or vacuum pack made of a polymer film or a vacuum packaging bag or vacuum pack made of a laminate material of a metal foil and a polymer film is preferable in terms of airtightness and shape changeability. These cases do not have the same weight and rigidity as metal cans, and have flexibility, flexibility, flexibility, etc., so that there is the freedom of shape that can be bent after storage of the battery and the weight can be reduced. have. Of course, for the convenience of battery installation, etc., it is possible to enclose the battery in a shape-variable case, shape it into a preferred shape, and then store multiple cases in a rigid outer case if necessary. is there.
[0045]
Next, the manufacturing method of the battery of this invention is demonstrated.
In the method of the present invention, an intermediate layer containing a non-electrically conductive powder and a non-electrically conductive binder is formed between the positive electrode and the negative electrode. As a method of forming the intermediate layer, a method of applying and drying a paint containing a non-conductive powder, a non-electric conductive binder, and a solvent is preferable. If the intermediate layer is formed through such an intermediate layer forming step, a battery having excellent mechanical strength can be easily manufactured without taking the troublesome work of installing a separator.
[0046]
The “intermediate layer forming step” does not necessarily require that the intermediate layer be completely formed in this step, but is a name used for convenience.
As described above, the intermediate layer preferably contains a skeleton polymer in addition to the gel electrolyte. In this case, the intermediate layer is preferably formed by applying and drying a paint containing a non-electrically conductive powder, a non-electrically conductive skeleton polymer, and a solvent, and then impregnating the ion mobile phase raw material. Let By including such an impregnation step, an intermediate layer having the above-mentioned preferred structure can be formed.
The raw material of the ion mobile phase may be the same as the composition of the ion mobile phase, or may be the ion mobile phase by performing a predetermined treatment after the impregnation step. Since an ion mobile phase made of a gel electrolyte generally has a high viscosity, it is preferable to employ the following method.
[0047]
(1) A method of forming a gel electrolyte by using an ion mobile phase raw material containing an electrolytic solution and a gelled polymer, performing impregnation in a heated state, and cooling the impregnation step. In this method, the ion mobile phase material has a low viscosity like a solution in a heated state, and is in a gel state at room temperature.
(2) A method of forming a gel electrolyte by containing an electrolytic solution and a monomer as an ion mobile phase raw material, and polymerizing the monomer after the impregnation step. In this method, the monomer is selected so that the ion mobile phase raw material is gelled by polymerization.
[0048]
In a more preferred method, (1) an active material layer forming step of forming an active material layer containing a positive electrode active material or a negative electrode active material and a binder on a current collector; and (2) directly on the active material layer. An intermediate layer forming step of forming a layer containing a non-electrically conductive powder and a non-electrically conductive binder preferably or indirectly, and (3) an active material layer forming step and an intermediate After the layer formation step, an impregnation step of impregnating the ion mobile phase raw material is included. In this method, since the ion mobile phase is impregnated after the active material layer, the skeleton layer, and the like are formed, each ion mobile phase is continuous, and the positive electrode and / or the negative electrode and the intermediate layer are integrated. It becomes possible to provide. In such a method, the skeleton layer is preferably formed by the step (2), but it is not always necessary, and it may be a gel precursor, for example.
[0049]
In particular, from the viewpoint of ease of production, it is preferable to form the layers in the steps (1) and (2) by applying and drying a paint containing the respective raw materials. The coating in the active material forming step (1) and the coating in the intermediate layer forming step (2) can be performed sequentially or simultaneously. It is also possible to dry after applying sequentially or simultaneously. In the case of this method, the number of coating or drying steps can be reduced. Prior to coating, it can be formed into a dispersion paint by a ball mill, a sand mill, a twin-screw kneader or the like. As the solvent to be used, various inorganic solvents and organic solvents that are generally used such as N-methylpyrrolidone can be used as long as they dissolve the binder to be used.
[0050]
In addition, as a method for forming the skeleton layer or the like or the active material layer, a method in which the mixture having each composition is softened by heating or being sprayed can be employed.
In the coating / drying method and the pressure bonding or spraying method, the weight ratio of the skeleton polymer to the powder in the intermediate layer may be appropriately selected depending on the specific surface area of the powder, but is usually 0.01 to 100%, preferably 0.1 to 30%. If the amount of the skeleton polymer is too large, the amount of voids in the intermediate layer may be reduced, and impregnation with the ion mobile phase raw material may be difficult.
[0051]
Furthermore, after the active material layer is formed, an intermediate layer forming step can be performed after a calendar process is applied. In this case, since the filling rate (volume ratio of the ion mobile phase) of the active material layer can be controlled by the calendering conditions, the degree of freedom of the amount of components in the active material layer is increased. In addition, since the flatness of the active material layer is increased, workability in the case of stacking the batteries in a flat plate is improved.
[0052]
As a method for impregnating the ion mobile phase material, it is usually sufficient to leave it for a predetermined time after application, but operations such as press-fitting and vacuum impregnation may be performed in order to increase the efficiency and speed of impregnation. It is preferable that the ion mobile phase completely fills the voids in the layer, but even if a certain amount of voids remain, there is no significant hindrance to battery characteristics. When troubles occur, the above-described impregnation methods such as press-fitting and vacuum impregnation can be employed.
[0053]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples. However, the present invention is not limited to the examples shown below as long as the gist thereof is not exceeded. The raw materials used in both Examples and Comparative Examples were vacuum-dried at 240 ° C. for 24 hours before use. The binder and supporting electrolyte were dried at 110 ° C. for 4 hours. The monomer was used after dehydration treatment with molecular sieve. The electrolyte used was previously dehydrated for lithium batteries.
[0054]
First, a positive electrode paint and a negative electrode paint were prepared according to the following composition.
The following were used as raw materials for the positive electrode paint and the negative electrode paint.
Cathode active material LiCoO2Powder (Nippon Chemical Co., Ltd.)
Conductive material Acetylene Black (manufactured by Denki Kagaku Kogyo)
Negative electrode active material SFG15: Graphite (manufactured by TIMCAL)
Binder Polyvinylidene fluoride (Kureha Chemical)
Solvent N-methylpyrrolidone (Mitsubishi Chemical)
(Positive electrode coating composition)
LiCoO2                    90.0 parts
Acetylene black 5.0 parts
Polyvinylidene fluoride 5.0 parts
N-methylpyrrolidone 100.0 parts
(Negative electrode coating composition)
SFG15 90.0 parts
Polyvinylidene fluoride 10.0 parts
N-methylpyrrolidone 150.0 parts
[0055]
The above materials were each kneaded and dispersed in a sand mill for 1 hour to form a paint. The positive electrode coating material was applied onto an aluminum foil having a thickness of 20 μm using a doctor blade and dried at 120 ° C. to obtain a layer having a positive electrode active material having voids. The negative electrode paint was formed in the same manner on a 20 μm thick copper foil. The amount of voids in each layer after the calendar process was about 30% by volume for the positive electrode and about 40% by volume for the negative electrode, as measured by thickness and weight. All the steps up to here were performed in a normal environment.
[0056]
Next, the following coating materials A to C were prepared for the intermediate layer.
Paint A composition
Silica (Japan Aerosil Manufacturing OX-50) 100 parts
50 parts of polyvinylidene fluoride
850 parts of N-methylpyrrolidone
Paint B composition
100 parts of titanium oxide (FTL-300 manufactured by Ishihara Sangyo)
Polyvinylidene fluoride 3 parts
240 parts of N-methylpyrrolidone
Paint C composition
100 parts of aluminum oxide (AA-10, manufactured by Sumitomo Chemical)
Polyvinylidene fluoride 2 parts
100 parts of N-methylpyrrolidone
Each paint was dispersed in a sand mill for 10 minutes.
[0057]
referenceExample 1
The coating material A was apply | coated using the doctor blade on the positive electrode active material layer provided on the electrical power collector, and it dried at 120 degreeC, and formed the frame | skeleton layer which has a space | gap. All processes up to this point were performed in a normal environment. Thereafter, the coating film was re-dried at 120 ° C. in a dry room and punched into a predetermined shape. The size of the electrode was set as small as 4 square centimeters in consideration of difficulty in laminating the porous film. An electrolyte solution having the following composition was applied and impregnated on the sheet thus obtained and the negative electrode active material layer, respectively.
[0058]
By impregnating the electrolyte solution in the voids of the skeleton layer, it acts as an electrolyte layer having ion conductivity. A positive electrode and a negative electrode were laminated with the electrolyte layer on the inside, terminals were attached, and sealed in a vacuum pack to make a lithium secondary battery for evaluation.
[0059]
  Example1
  referenceIn Example 1, paint A was changed to paint B. The thickness of the skeleton layer after drying at 120 ° C. was about 40 microns, and the porosity was 75 to 85% by volume. All the steps up to here were performed in a normal environment. Thereafter, the coating film was re-dried at 120 ° C. in a dry room and punched into a predetermined shape. Further, the composition of the liquid to be impregnated was changed as follows.
(Impregnating liquid composition)
PC 40.8 parts EC 40.8 parts LiClO4 10.4 parts Polyacrylonitrile 8.0 parts (however, polyacrylonitrile: molecular weight 150,000, manufactured by Aldrich).
[0060]
  The above impregnation solution was dissolved at 110 ° C. to obtain a uniform solution. This solution was heated to 110 ° C. and applied to a positive electrode active material layer, a skeleton layer, and a negative electrode active material layer having voids with a doctor blade and impregnated. Thereafter, it was cooled at 0 ° C., and the impregnated impregnating solution was gelled to form a gel electrolyte in the voids in the active material layer and the skeleton layer, thereby obtaining a positive electrode having a negative electrode and an electrolyte layer thereon. . Other than thatreferenceA battery was formed with Example 1.
[0061]
  Example2
  referenceIn Example 1, the composition of the liquid to be impregnated was changed as follows.
(Impregnating liquid composition)
  PC 40.8 parts
  EC 40.8 parts
  LiClOFour           10.4 parts
  8.0 parts of polyacrylonitrile
(However, polyacrylonitrile: molecular weight 150,000, manufactured by Aldrich).
[0062]
  The above impregnation solution was dissolved at 110 ° C. to obtain a uniform solution. With this solution heated to 110 ° C., the positive electrode active material layer, the skeleton layer, and the negative electrode active material layer were applied and impregnated with a doctor blade. Thereafter, it was cooled at 0 ° C., and the impregnated impregnating solution was gelled to form a gel electrolyte in the voids in the active material layer and the skeleton layer, thereby obtaining a positive electrode having a negative electrode and an electrolyte layer thereon. . Other than thatreferenceExample 1 andIn the same wayA battery was formed.
[0063]
  Example3
referenceIn Example 1, the composition of the liquid to be impregnated was changed as follows.
(Impregnating liquid composition)
  40 PCs
  EC 40 parts
  LiClOFour               10 copies
  Photomer 4050 6 parts
  Photomer 4158 3 parts
  Trignox21 1 part
  (However, Photomer 4050, Photomer 4158: Polyethylene oxide resin having an acrylic group at the end (manufactured by Henkel), Trignox 21: Thermal crosslinking initiator (manufactured by Ciba Geigy).
[0064]
  The above impregnating solution was applied to the positive electrode active material layer, the skeleton layer, and the negative electrode active material layer with a doctor blade and impregnated. The solution had a low viscosity and the impregnation was completed rapidly. Thereafter, the impregnated electrolytic solution was gelled by curing at 90 ° C. for 30 minutes to obtain a negative electrode having an ion mobile phase made of a gel electrolyte and a positive electrode having an electrolyte layer thereon. Other than thatreferenceA battery was formed as in Example 1.
[0065]
  Example4
  referenceIn Example 1, paint A was changed to paint C. The thickness of the skeleton layer after drying at 120 ° C. was about 70 microns, and the porosity was about 80% by volume. All the steps up to here were performed in a normal environment. Thereafter, the coating film was re-dried at 120 ° C. in a dry room and punched into a predetermined shape. Also, the coating material C was applied on the negative electrode active material layer and dried at 120 ° C. to form a skeleton layer on the negative electrode. The thickness of this skeleton layer was about 10 microns, and the average porosity was 60% by volume. The composition of the impregnation liquid into the positive electrode active material layer having a skeleton layer, the gelation method, and the composition / gelation method of the impregnation liquid into the negative electrode active material layer having a skeleton layer are:referenceExample1It is the same. Other than thatreferenceA battery was formed as in Example 1.
[0066]
  Example5
  referenceIn Example 1, paint A was changed to paint B. The thickness of the skeleton layer after drying at 120 ° C. was about 40 microns, and the porosity was 75 to 85% by volume. Also, the coating material C was applied on the negative electrode active material layer and dried at 120 ° C. to form a skeleton layer on the negative electrode. The thickness of this skeleton layer was about 10 microns, and the average porosity was 60% by volume. All the steps up to here were performed in a normal environment. Thereafter, the coating film was re-dried at 120 ° C. in a dry room and punched into a predetermined shape.referenceExample1The same impregnating solution as used in the above was applied to each sheet on the positive electrode side and the negative electrode side while being heated to 110 ° C., and impregnated into the voids in the active material layer and the skeleton layer. When the impregnating solution is in a solution state, the positive electrode side and the negative electrode side are laminated, and then cooled at 0 ° C. to gel the impregnated electrolytic solution, into the voids in the active material layer and the skeleton layer, A gel electrolyte integrated with the positive electrode, the electrolyte layer, and the negative electrode was formed. Other than thatreferenceA battery was formed as in Example 1.
[0067]
  Comparative Example 1
  referenceIn Example 1, the formation of the intermediate layer was omitted, and two separators having a thickness of 25 microns were provided in the electrolyte layer. That is, after impregnating the positive electrode, the negative electrode, and the separator with the electrolytic solution, the separator was spread, positioned, and laminated on the flat plate. Other than thatreferenceA battery was prepared in the same manner as in Example 1.
[0068]
  Comparative Example 2
  referenceIn Example 1, the formation of the intermediate layer was omitted, and a non-woven fabric having a thickness of 60 microns was provided in the electrolyte layer. That is, after impregnating the electrolytic solution into the positive electrode, the negative electrode, and the nonwoven fabric, the nonwoven fabric was positioned and laminated on the flat plate. Other than thatreferenceA battery was prepared in the same manner as in Example 1.
[0069]
  Comparative Example 3
  Example1In Example 1, the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer in which the formation of the skeleton layer was omitted1The same impregnating solution as used in the above was applied in a heated state at 110 ° C., impregnated, and then cooled at 0 ° C. to form a gel electrolyte in the electrode. Then on the positive and negative electrodes, the examples3An electrolyte layer having a thickness of 60 microns was formed by applying a solution obtained by replacing the cross-linking initiator of the electrolyte stock solution used in the above with Darocur 1173 (UV cross-linking initiator, manufactured by Ciba Geigy) and irradiating with UV light. Thereafter, the positive electrode and the negative electrode were laminated with the electrolyte layer side inside. Other than thatreferenceA battery was prepared in the same manner as in Example 1.
[0070]
  Comparative Example 4
  Example1In Example 1, the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer in which the formation of the skeleton layer was omitted1The same impregnating solution as used in 1 was applied while being heated to 110 ° C. and impregnated. Furthermore, a void in the nonwoven fabric was filled with the impregnating liquid by immersing a nonwoven fabric having a thickness of 60 microns in the liquid. Then, the positive electrode, the nonwoven fabric, and the negative electrode were laminated with the impregnating solution in a solution state. Thereafter, it was cooled at 0 ° C., and the impregnated electrolyte was gelled to obtain a battery in which the positive electrode, the electrolyte layer, and the gel electrolyte in the negative electrode were integrated. Other than thatreferenceA battery was prepared in the same manner as in Example 1.
[0071]
Reference example
In order to evaluate the intermediate layer alone, each of the paints A to C was applied onto an aluminum foil having a thickness of 20 μm using a doctor blade, and dried at 120 ° C. to form a layer having voids on the aluminum foil. . While measuring the weight and thickness of the coating film excluding the substrate, LiClOFourIs impregnated in an air gap in a solution of propylene carbonate: ethylene carbonate = (1: 1) at a concentration of 1 mol / L, and an aluminum foil of the same shape is used as a counter electrode to measure the impedance in the coating film. The ionic conductivity of was measured. For comparison, the ionic conductivity was also measured when a commercially available separator and nonwoven fabric were used.
[0072]
Table 1 shows the results of the reference examples. The thickness was measured with a micrometer. The porosity was calculated from the measurement of thickness and weight using the true specific gravity of the material. Catalog values were adopted for porous films. The sheet resistance was measured as a sheet resistance by a resistance meter having four probe electrodes. The porous film was measured on an aluminum foil. The ionic conductivity was calculated from the conductivity at a frequency of 100 KHz by measuring the AC conductivity using an impedance analyzer.
[0073]
  Table-2 and Table-3 show examples.Reference examplesAnd the result of a comparative example is shown. The electrolyte layer structure is the part separating the positive electrode and the negative electrode.Reference examplesIn the intermediate layer, the comparative example is a porous film. The capacity of the battery is 0.046 / cm2 current density (corresponding to a rate of about C / 24) and charged at a constant current condition up to 4.05V, then a voltage of 4.05V is constant voltage up to 0.0046 / cm2 The capacity that can be taken out when the battery charged by charging was discharged at a current density of 0.046 cm @ 2 at a constant current condition up to 2.7 V was calculated as the capacity per unit volume of the positive electrode excluding the current collector. The cycle characteristics are as follows. A battery charged by charging at a constant current condition of up to 0.005 V / cm2 at a current density of 0.55/cm@2 and then charged at a voltage of 4.05 V to a current density of 0.0011/cm@2 The cycle of discharging at a constant current condition up to 2.7 V at a current density of .55 / cm @ 2 was repeated, and the capacity retention rate after 20 cycles was indicated in%. Table 3 also shows the number of gelation steps and the number of gel electrolyte interfaces. The number of steps in which gelation is performed indicates the total number of times that the steps required for forming the gel electrolyte are performed for the positive electrode, the negative electrode, and the electrolyte layer. The number of interfaces of the gel electrolyte indicates the total number of interfaces formed by bonding gel electrolytes such as a bonded surface.
[0074]
  As shown in Table 1, the intermediate layer formed of the non-electrically conductive powder and the non-electrically conductive binder has voids equivalent to the porous film. There is no problem with the electrical insulation, and the ionic conductivity is equal to or higher than that of the porous film. For this reason, it is thought that it functions without a problem as a layer which separates a positive electrode and a negative electrode. In fact, as shown in Table 2, in a battery using an electrolytic solution, a battery having a high capacity and no problem in cycle characteristics can be obtained as compared with the case where a porous film is used. The reason why the capacity of the comparative example is low is presumed to be that the resistance between the electrode and the porous film easily floats due to the electrolytic solution and the resistance increases in the case of a flat plate laminated battery that is not pressed by a metal can. ExampleReference examplesThen, since the structure is integrated with the electrode, such a problem hardly occurs. Further, in Comparative Examples 1 and 2, in consideration of workability, an electrode with an extremely small size of 4 square centimeters was used. It took a lot of time and great care to impregnate the porous film with electrolyte, laminate the electrode with the porous film, and position it.referenceIn Example 1, the assembly was completed simply by impregnation and lamination of the positive electrode and the negative electrode.
[0075]
  Also in the battery using the gel electrolyte shown in Table 3,1-5This battery has no problem in battery characteristics as compared with Comparative Examples 3 and 4, and is rather excellent in characteristics in many cases. Example1-4As shown in Comparative Example 3, the number of gelation steps is small in the process, and the equipment can be simplified. In addition, the reduction of moisture by reducing the process, the reduction of capital investment, and the improvement of productivity are realized. it can. The gel electrolyte stock solution only needs to be applied twice on the positive electrode side and the negative electrode side, and it is not necessary to reapply for the electrolyte or impregnate the porous film separately. Further, since there are few interfaces, no extra resistance is generated, and the cycle characteristics are excellent as compared with Comparative Example 3 having a large number of interfaces. An embodiment in which a gel electrolyte is integrated5In comparison with Comparative Example 4, Example5There is no problem in terms of battery characteristics and the capacity is exceeded. The number of steps of gelation is the same on the process, but the example5In contrast, the gel electrolyte stock solution only needs to be applied twice on the positive electrode side and the negative electrode side, whereas in Comparative Example 4, it is necessary to impregnate the nonwoven fabric separately, transport it, and laminate it, which takes extra time. . In Comparative Example 4, the positioning of the nonwoven fabric was necessary.5Then, only a positive electrode and a negative electrode are laminated, and the process becomes simple.
[0076]
【The invention's effect】
According to the present invention, since the layer containing the non-electrically conductive powder and the non-electrically conductive binder is formed between the positive electrode and the negative electrode, at least a part of the electrolyte layer is a non-electrically conductive powder. And will be reinforced by a non-electrically conductive binder. The structure formed by the powder and the binder is excellent in mechanical strength, as can be seen from the fact that the powder is used as a reinforcing agent for the polymer film. Therefore, the overall mechanical strength of the electrolyte layer is increased. In particular, since powders have various materials, shapes, and particle sizes, various properties such as mechanical strength and pore structure can be controlled by selecting the type.
[0077]
Further, when the intermediate layer is integrally formed on at least one of the positive electrode and the negative electrode, this layer can act as an electrolyte layer having electrical insulation and ion conductivity separating the positive electrode and the negative electrode. That is, at least a part of the electrolyte layer is integrally formed on the positive electrode or the negative electrode. For this reason, it is not necessary to prepare a separate separator or an assembly facility therefor. A battery can be assembled by simply stacking a positive electrode and a negative electrode, at least one of which has an intermediate layer thereon, and the device is simplified. It also eliminates the need for positioning a thin and cumbersome separator. This is very advantageous because the process is facilitated when the battery is stacked on a large area flat plate or when the thickness of the electrolyte layer is reduced to increase the capacity.
[0078]
In particular, in the case of a lithium secondary battery using a gel electrolyte, the effect of reinforcing the gel strength is great, and the risk of short-circuiting can be reduced. In the method of forming an electrolyte layer by applying the electrolyte layer as a gel electrolyte stock solution on the electrode and gelling as seen in US Pat. Nos. 5,453,335 and 5,609,974, non-electric conduction By dispersing the conductive powder in the stock solution, the formed electrolyte layer is reinforced with the powder component, and the mechanical strength is remarkably increased. Further, by dispersing the powder in the stock solution, the viscosity of the stock solution is increased moderately, and the flow on the electrode is suppressed to facilitate the formation of the electrolyte layer. This is extremely effective because it is a viscosity control method that does not involve the phenomenon of pulling the yarn, unlike the thickening by addition of a polymer.
[0079]
Further, the method of impregnating the ion mobile phase material after forming the active material layer and the skeleton layer is excellent in the following points. First, since the active material layer and the powder layer formed on the active material layer are formed in a state that does not include an electrolyte solution, moisture can be easily removed by a drying process or the like. Therefore, it is not necessary to manage moisture, and the production can be performed in a normal atmosphere. Therefore, it is not necessary to install both the disperser and the coating machine in the dry room, and the equipment can be simplified. As a method for forming these layers, a method can be used in which an active material or a powder and a binder are dispersed in a suitable solution together with a suitable solution, and after application, the coating is dried. And productivity is extremely high. Further, by adding a calendering process to the coating film, it is possible to consolidate the coating film to increase the filling amount of the active material, and to control the filling rate of the powder in the intermediate layer. In addition, since the rigidity of the entire coating film including the current collector is increased and the flatness of the coating film is increased, workability in the case of stacking the batteries in a flat plate is improved. Further, in the film formation by coating, the thickness can be about 1 micron. This reduces the internal resistance of the battery and contributes to an increase in capacity. In addition, there are no process difficulties associated with this thinning. For example, if it is attempted to realize a thickness of 50 microns or less with a porous film, the film cannot be handled well because elongation, cutting, kinking, and the like of the film occur due to strength problems. In particular, when laminating flat plates, it is extremely difficult to widen a porous film having a thickness of 50 microns or less so as not to have wrinkles, and it is almost impossible to increase the area. In addition, the technique of using a gel electrolyte alone as an electrolyte layer has a problem in film thickness uniformity and a problem in the mechanical strength of the electrolyte layer. In the method of the present invention, there is no area limitation, and an electrolyte layer having a thin, uniform and excellent mechanical strength is formed without difficulty in the process on an electrode of “roll width of application” × “any length”. Is possible. As an example, an active material layer and a skeleton layer can be formed on a 90 cm wide roll by the method of the present invention and cut into a length of 180 cm to make a battery of one tatami mat. In application, it is not difficult to form a uniform layer having a thickness of 20 microns even for this area, and an electrolyte layer having a thickness of 20 microns can be formed. It is difficult to spread a 20-micron-thick porous film neatly and adhere to an electrode at the stage where the area is about 50 square centimeters. Of course, the above-described effects are also exhibited when an electrolyte electrolyte is used as the ion mobile phase.
[0080]
Furthermore, the gel electrolyte existing in the positive electrode, the negative electrode, and the electrolyte layer may be formed by applying an ion mobile phase raw material on the active material layer and the skeleton layer, filling the voids, and then forming the gel electrolyte. . Since the step of forming the gel electrolyte can be reduced once for each of the positive electrode side and the negative electrode side, the step is simplified. In the method as shown in USP 5,453,335, 5,609,974, the gelation process is required three times to four times with the positive electrode side, the negative electrode side, and the electrolyte layer. The effect of simplification is great. Especially when the gel electrolyte is formed by polymerizing the monomer, or when it is formed by impregnation in a heated state and cooling it, it takes time in minutes to form the gel electrolyte. The effect on productivity and cost reduction by omitting the process is great.
[0081]
Furthermore, in the present invention, at least a part of the gel electrolyte in the electrolyte layer and the gel electrolyte in the electrode can be formed as a continuous body. Gel-like electrolyte that is in close contact with the continuum is a problem when using a gel-like electrolyte that is completely ion-moved and has a shape-maintaining property, such as poor bonding at the interface between the electrolyte layer and the positive and negative electrodes Extra interface resistance due to can be reduced. For this reason, the internal resistance of the battery can be lowered, and the capacity and rate characteristics are improved. In particular, the gel electrolyte (positive electrode, negative electrode, intermediate layer or electrolyte layer) inside the battery is formed as a continuous body. In this case, ion migration is completely ensured, and internal resistance is reduced, capacity and rate characteristics are improved. The effect of is great.
[0082]
When the gel electrolyte is formed by polymerizing a monomer, the liquid containing the monomer has a low viscosity and is easily impregnated. In particular, when coating is performed on the active material layer or the skeleton layer, the impregnation is rapidly completed because the impregnation only needs to proceed by the thickness of the active material layer or the thickness of the skeleton layer (usually 1 mm or less). Further, when the gel electrolyte is formed by impregnating an electrolyte component mainly composed of an electrolyte solution and a polymer in a heated state and then cooling, the impregnation is performed according to an application method. Since it only needs to proceed by the thickness of the skeleton layer added thereto, the impregnation of the polymer gel electrolyte in the form of a solution having a high viscosity even when heated to form a solution sufficiently proceeds.
[0083]
In the present invention, since the influence of the interface of the gel electrolyte is suppressed and the internal resistance is low, in order to improve the interface contact, the battery stacked in a case with high rigidity is pressed down, There is no need to put pressure on the battery. Therefore, even if the positive electrode, the electrolyte layer, and the negative electrode are laminated in a flat plate and housed in a case having shape changeability, the operation can be performed without any problem. For this reason, it is possible to make it thin and bend it, and it is possible to increase the shape freedom of the battery without impairing the battery characteristics.
[0084]
[Table 1]

Claims (12)

(1)正極、(2)負極、(3)それらの中間に設けられた、非電気導電性の粉体と非電気導電性の結合剤とを含有する中間層、を有するリチウム二次電池であって、(1)正極及び/又は(2)負極が、粉体状の活物質及び結合剤を含有する活物質層と、活物質層内に形成されたゲル状電解質からなるイオン移動相とから構成されており、(3)の中間層が、非電気導電性である粉体と非電気導電性である結合剤とを含有する骨格層と、骨格層内に形成されたゲル状電解質からなるイオン移動相とから構成され且つ(3)の非電気導電性の粉体がシリカ、酸化チタン及び酸化アルミニウムから選ばれたものであり、該(1)〜(3)の結合剤がポリフッ化ビニリデンであり且つ該(1)〜(3)のゲル状電解質が、ポリアクリロニトリルまたは末端にアクリル基を有するポリエチレンオキシド樹脂を含んだものであり、正極、負極の活物質層の厚みが1〜300μmであり、中間層の厚みが1〜200μmであり且つ中間層の空隙率、即ち、骨格層の空隙内に形成されたイオン移動相の中間層における体積割合、が30〜95%である、ことを特徴とするリチウム二次電池。 (1) A lithium secondary battery having a positive electrode, (2) a negative electrode, and (3) an intermediate layer containing non-electrically conductive powder and a non-electrically conductive binder provided between them. And (1) a positive electrode and / or (2) a negative electrode comprising an active material layer containing a powdery active material and a binder, and an ion mobile phase comprising a gel electrolyte formed in the active material layer The intermediate layer of (3) includes a skeleton layer containing a non-electrically conductive powder and a non-electrically conductive binder, and a gel electrolyte formed in the skeleton layer. And the non-electrically conductive powder of (3) is selected from silica, titanium oxide and aluminum oxide, and the binders of (1) to (3) are polyfluorinated. The gel electrolyte of vinylidene and (1) to (3) is polyacrylonitrile or Includes a polyethylene oxide resin having an acrylic group at the end, the thickness of the active material layer of the positive electrode and the negative electrode is 1 to 300 μm, the thickness of the intermediate layer is 1 to 200 μm, and the porosity of the intermediate layer, That is, the lithium secondary battery characterized in that the volume ratio in the intermediate layer of the ion mobile phase formed in the voids of the skeleton layer is 30 to 95%. 正極及び/又は負極と中間層とが接してなる請求項1に記載のリチウム二次電池。 The lithium secondary battery according to claim 1, wherein the positive electrode and / or the negative electrode and the intermediate layer are in contact with each other. 正極及び/又は負極と中間層とが一体的に設けられてなる請求項2に記載のリチウム二次電池。 The lithium secondary battery according to claim 2, wherein the positive electrode and / or the negative electrode and the intermediate layer are integrally provided. 中間層が、さらにリチウムイオン導電性の電解質を含有する請求項1乃至3のいずれか1つに記載のリチウム二次電池。 The lithium secondary battery according to claim 1, wherein the intermediate layer further contains a lithium ion conductive electrolyte. 中間層が非水系電解液を含むゲル状電解質を含む請求項4に記載のリチウム二次電池。The lithium secondary battery according to claim 4, wherein the intermediate layer includes a gel electrolyte containing a nonaqueous electrolytic solution. (1)正極、(2)負極、及び(3)それらの中間に設けられた、非電気導電性の粉体と非電気導電性の結合剤とを含有する中間層を有し、前記正極及び/又は前記負極は、粉体状の活物質及び活物質を固定する結合剤を含有する活物質層と、該活物質層内に形成されたゲル状電解質からなるイオン移動相とから構成され、前記中間層は、非電気導電性である粉体と非電気導電性である結合剤とを含有する骨格層と、該骨格層内に形成されたゲル状電解質からなるイオン移動相とから構成され、前記正極及び/又は負極内に形成されたイオン移動相と、前記中間層内に形成されたイオン移動相とが連続していることを特徴とするリチウム二次電池であって、(3)の非電気導電性の粉体がシリカ、酸化チタン及び酸化アルミニウムから選ばれたものであり、該(1)〜(3)の結合剤がポリフッ化ビニリデンであり且つ該(1)〜(3)のゲル状電解質が、ポリアクリロニトリルまたは末端にアクリル基を有するポリエチレンオキシド樹脂を含んだものであり、正極、負極の活物質層の厚みが1〜300μmであり、中間層の厚みが1〜200μmであり且つ中間層の空隙率、即ち、骨格層の空隙内に形成されたイオン移動相の中間層における体積割合、が30〜95%である、リチウム二次電池。 (1) a positive electrode, (2) a negative electrode, and (3) an intermediate layer containing a non-electrically conductive powder and a non-electrically conductive binder provided between them, The negative electrode is composed of a powdery active material and an active material layer containing a binder for fixing the active material, and an ion mobile phase made of a gel electrolyte formed in the active material layer, The intermediate layer is composed of a skeleton layer containing a non-electrically conductive powder and a non-electrically conductive binder, and an ion mobile phase comprising a gel electrolyte formed in the skeleton layer. A lithium secondary battery characterized in that an ion mobile phase formed in the positive electrode and / or negative electrode and an ion mobile phase formed in the intermediate layer are continuous, (3) The non-electrically conductive powder is selected from silica, titanium oxide and aluminum oxide The binders of (1) to (3) are polyvinylidene fluoride and the gel electrolyte of (1) to (3) contains polyacrylonitrile or a polyethylene oxide resin having an acrylic group at the end The active material layer thickness of the positive electrode and the negative electrode is 1 to 300 μm, the thickness of the intermediate layer is 1 to 200 μm, and the porosity of the intermediate layer, that is, the ions formed in the voids of the skeleton layer The lithium secondary battery whose volume ratio in the intermediate | middle layer of a mobile phase is 30 to 95%. 正極と負極との間のほぼ全体に亘って、リチウムイオン導電性の電解質を含有する、中間層である電解質層が設けられ、前記正極及び/又は前記負極は、粉体状の活物質及び活物質を固定する結合剤を含有する活物質層と、該活物質層内に形成されたゲル状電解質からなるイオン移動相とから構成され、前記電解質層は、非電気導電性である粉体と非電気導電性である結合剤とを含有する骨格層と、該骨格層内に形成されたゲル状電解質からなるイオン移動相とから構成され、前記正極及び/又は負極内に形成されたイオン移動相と、前記電解質層内に形成されたイオン移動相とが連続していることを特徴とするリチウム二次電池であって、該非電気導電性の粉体がシリカ、酸化チタン及び酸化アルミニウムから選ばれたものであり、活物質を固定する結合剤及び非電気導電性である結合剤が何れもポリフッ化ビニリデンであり且つ該ゲル状電解質が、ポリアクリロニトリルまたは末端にアクリル基を有するポリエチレンオキシド樹脂を含んだものであり、正極、負極の活物質層の厚みが1〜300μmであり、中間層の厚みが1〜200μmであり且つ中間層の空隙率、即ち、骨格層の空隙内に形成されたイオン移動相の中間層における体積割合、が30〜95%である、リチウム二次電池。 An electrolyte layer, which is an intermediate layer containing a lithium ion conductive electrolyte, is provided over almost the entire area between the positive electrode and the negative electrode, and the positive electrode and / or the negative electrode includes a powdery active material and an active layer. An active material layer containing a binder for fixing a substance and an ion mobile phase made of a gel electrolyte formed in the active material layer, the electrolyte layer comprising a non-electrically conductive powder and Ion migration formed in the positive electrode and / or negative electrode, comprising a skeletal layer containing a non-electrically conductive binder and an ion mobile phase comprising a gel electrolyte formed in the skeleton layer A lithium secondary battery characterized in that a phase and an ion mobile phase formed in the electrolyte layer are continuous, wherein the non-electrically conductive powder is selected from silica, titanium oxide and aluminum oxide Active material Both the fixing binder and the non-electrically conductive binder are polyvinylidene fluoride, and the gel electrolyte contains polyacrylonitrile or a polyethylene oxide resin having an acrylic group at the terminal, a positive electrode, a negative electrode The thickness of the active material layer is 1 to 300 μm, the thickness of the intermediate layer is 1 to 200 μm, and the porosity of the intermediate layer, that is, the volume ratio of the ion mobile phase formed in the voids of the skeleton layer in the intermediate layer , 30 to 95% lithium secondary battery. 正極と負極との中間に、非電気導電性の粉体と非電気導電性の結合剤とを含有する中間層を形成するリチウム二次電池の製造方法であって、該中間層は、非電気導電性の粉体と非電気導電性の結合剤と溶剤とを含有する塗料を塗布・乾燥する中間層形成工程を含むものであり、該中間層形成工程後、イオン移動相原料を含浸する含浸工程を有するものであり、ゲル状電解質を形成するイオン移動相原料として、(i)電解液とゲル化ポリマーとを含有するもの、または、(ii)電解液とモノマーを含有するもの、を使用するものであり、正極及び/又は負極が、粉体状の活物質及び結合剤を含有する活物質層で構成され、中間層の非電気導電性の粉体がシリカ、酸化チタン及び酸化アルミニウムから選ばれたものであり、該結合剤及び非電気導電性の結合剤がポリフッ化ビニリデンであり且つ該イオン移動相原料から形成されるイオン移動相に含まれるゲル状電解質が、ポリアクリロニトリルまたは末端にアクリル基を有するポリエチレンオキシド樹脂を含んだものであり、正極、負極の活物質層の厚みが1〜300μmであり、中間層の厚みが1〜200μmであり且つ中間層の空隙率、即ち、骨格層の空隙内に形成されたイオン移動相の中間層における体積割合、が30〜95%である、リチウム二次電池の製造方法。A method for manufacturing a lithium secondary battery in which an intermediate layer containing a non-electrically conductive powder and a non-electrically conductive binder is formed between a positive electrode and a negative electrode. It includes an intermediate layer forming step of applying and drying a paint containing a conductive powder, a non-electrically conductive binder, and a solvent, and after the intermediate layer forming step, impregnation with an ion mobile phase raw material As an ion mobile phase material for forming a gel electrolyte, (i) one containing an electrolytic solution and a gelled polymer, or (ii) one containing an electrolytic solution and a monomer is used. The positive electrode and / or the negative electrode are composed of an active material layer containing a powdery active material and a binder, and the non-electrically conductive powder of the intermediate layer is made of silica, titanium oxide, and aluminum oxide. The binder and non-electric The conductive binder is polyvinylidene fluoride, and the gel electrolyte contained in the ion mobile phase formed from the ion mobile phase raw material contains polyacrylonitrile or a polyethylene oxide resin having an acrylic group at the end. The thickness of the active material layer of the positive electrode and the negative electrode is 1 to 300 μm, the thickness of the intermediate layer is 1 to 200 μm, and the porosity of the intermediate layer, that is, the intermediate of the ion mobile phase formed in the voids of the skeleton layer The manufacturing method of a lithium secondary battery whose volume ratio in a layer is 30 to 95%. (1)集電体上に、正極活物質又は負極活物質と結合剤を含有する活物質層を形成する活物質層形成工程、(2)活物質層上に直接的又は間接的に、非電気導電性の粉体と非電気導電性の結合剤とを含有する層を形成する中間層形成工程、及び(3)活物質層形成工程及び中間層形成工程の後に、イオン移動相原料を含浸する含浸工程、を含む請求項に記載のリチウム二次電池の製造方法であり、
ゲル状電解質を形成するイオン移動相原料として、(i)電解液とゲル化ポリマーとを含有するもの、または、(ii)電解液とモノマーを含有するもの、を使用するものであり、
該非電気導電性の粉体がシリカ、酸化チタン及び酸化アルミニウムから選ばれたものであり、該結合剤及び非電気導電性の結合剤がポリフッ化ビニリデンであり且つ該イオン移動相原料から形成されるイオン移動相に含まれるゲル状電解質が、ポリアクリロニトリルまたは末端にアクリル基を有するポリエチレンオキシド樹脂を含んだものであり、正極、負極の活物質層の厚みが1〜300μmであり、中間層の厚みが1〜200μmであり且つ中間層の空隙率、即ち、骨格層の空隙内に形成されたイオン移動相の中間層における体積割合、が30〜95%である、リチウム二次電池の製造方法。
(1) an active material layer forming step of forming an active material layer containing a positive electrode active material or a negative electrode active material and a binder on a current collector; (2) directly or indirectly on the active material layer; An intermediate layer forming step for forming a layer containing an electrically conductive powder and a non-electrically conductive binder, and (3) impregnation with an ion mobile phase raw material after the active material layer forming step and the intermediate layer forming step The method for producing a lithium secondary battery according to claim 8 , comprising an impregnation step.
As an ion mobile phase raw material for forming a gel electrolyte, (i) one containing an electrolytic solution and a gelled polymer or (ii) one containing an electrolytic solution and a monomer is used.
The non-electrically conductive powder is selected from silica, titanium oxide and aluminum oxide, and the binder and the non-electrically conductive binder are polyvinylidene fluoride and formed from the ion mobile phase raw material. The gel electrolyte contained in the ion mobile phase contains polyacrylonitrile or a polyethylene oxide resin having an acrylic group at the terminal, the thickness of the active material layer of the positive electrode and the negative electrode is 1 to 300 μm, and the thickness of the intermediate layer Is a method for producing a lithium secondary battery, in which the porosity of the intermediate layer is 30 to 95%, that is, the volume ratio of the ion mobile phase formed in the void of the skeleton layer in the intermediate layer.
(1)及び(2)の工程における層の形成を、それぞれの原料を含有する塗料を塗布・乾燥することによって行う請求項9に記載のリチウム二次電池の製造方法。 The method for producing a lithium secondary battery according to claim 9, wherein the layers in the steps (1) and (2) are formed by applying and drying a paint containing each raw material. イオン移動相原料が電解液とモノマーとを含有し、含浸工程後、モノマーを重合することによって末端にアクリル基を有するポリエチレンオキシド樹脂を含んだゲル状電解質を形成する請求項8及び9のいずれか1つに記載のリチウム二次電池の製造方法。 The ion mobile phase raw material contains an electrolyte solution and a monomer, and after the impregnation step, the monomer is polymerized to form a gel electrolyte containing a polyethylene oxide resin having an acrylic group at the terminal. The manufacturing method of the lithium secondary battery as described in one. イオン移動相原料が電解液とゲル化ポリマーとを含有し、含浸を加温状態にて行い、含浸工程後、これを冷却することによってポリアクリロニトリルを含んだゲル状電解質を形成する請求項8及び9のいずれか1つに記載のリチウム二次電池の製造方法。9. The ion mobile phase raw material contains an electrolytic solution and a gelled polymer, and the impregnation is performed in a heated state, and after the impregnation step, the gel electrolyte containing polyacrylonitrile is formed by cooling it. method for producing a lithium secondary battery according to any one of 9.
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