JP5317544B2 - リチウム二次電池の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、信頼性の高いリチウム二次電池およびその製造方法に関する。

環境保護、省エネルギーの観点から、エンジンとモータを動力源として併用したハイブリッド電気自動車が開発、製品化されている。また、将来的には燃料電池をエンジン替わりに用いる燃料電池ハイブリッド自動車の開発も盛んになってきている。この電気ハイブリッド自動車のエネルギー源として、電気を繰り返し充電放電可能な二次電池は必須の技術である。
なかでも、リチウム二次電池はその動作電圧が高く、高い出力を得やすいので有力な電池であり、今後ハイブリッド自動車の電源としてますます重要性が増してきている電池である。これらに関しする文献としては、下記に示す特許文献１および特許文献２がある。

ハイブリッド自動車用として用いられるリチウム二次電池としては信頼性が最も重要である。リチウム二次電池の製造時に信頼性に影響を与える項目として、製造工程の装置及び配管等からの微小金属粉末の混入および原材料粉末中の粗大粉末がある。

金属粉末が混入した場合、充電放電を繰り返すうちに金属イオンとなって負極部にデンドライト状に析出し、やがて正極と負極を隔てるセパレータを破って正極に到達し内部短絡することで発火事故となる。一方原材料中の粗大粉末は塗布された電極表面から突出しセパレータを傷つけ突き抜けることで内部短絡に至る。

特開２００６−３３８９７７号 特開２００７−３１７５８２号

本発明の目的は、製造工程での混入微小金属粉末および原材料粉末中の粗大粉末を除去することで内部短絡による発火がない高信頼なリチウム二次電池を提供することにある。

上記の高信頼なリチウム二次電池を作製するためには、製造工程での混入微小金属異物および原材料粉末中の粗大粉末のある電極膜スラリーを高圧下でフィルターリング除去すればよい。

製造工程での混入微小金属異物および原材料粉末中の粗大粉末を除去することで、これらに起因した内部短絡の無い高信頼なリチウム二次電池を製造することが可能となる。

製造工程での混入微小金属異物について、内部短絡を起こす場合の寸法としては、通常セパレータ厚さ以上の概略３０μｍ以上のものである。また、原材料粉末中の粗大粉末の寸法としては、塗布乾燥後の電極膜厚の１／２以上のものが混入しているとプレス工程後も膜面に突起が発生するような概略３０〜４０μｍ以上のものである。
従って、混入微小金属異物および粗大粉末を除去するフィルターとしては目開き３０μｍ程度が必要になる。
しかしながら、電極膜材料を混練したスラリーの粘度は通常１０００〜３００００ｃｐｓであることから細かいフィルターを通過させることが困難である。すなわち、スラリーをフィルターに導入し圧力を付加した場合、フィルターが十分粗い場合には低圧力でもスラリーは通過する。しかし、フィルターが細かい場合にはフィルター通過が困難となるので圧力を高くする必要がある。フィルターにスラリーが詰まった状態で圧力を高くしていくと、フィルター強度を超えた場合にはフィルター破損が起こる、あるいは、スラリー中の粒子が濾され溶剤分のみが通過するという現象が起こり圧力を大きくできない。
したがって、これらの現象が発生しないような圧力範囲でフィルター濾過をおこなう必要がある。これに適した圧力としては、溶液分離の観点からは１ＭＰａ以下、またフィルター強度としては１０ＭＰａ以下とする必要があることから、通常は１ＭＰａ以下とする必要がある。この圧力範囲で粘度３００００ｃｐｓ程度のスラリーを濾過できるフィルター目開きとしては概略５０μｍ以上となる。すなわち、濾過でフィルター除去できるもののサイズとしては５０μｍ以上となる。

したがって、５０μｍより小さなサイズのものを除去する場合には、液分離やフィルター破損のないような条件でフィルター除去を行う必要がある。
はじめに溶剤分離であるが、分離の発生はスラリーに圧力を加えた場合、フィルター前後で圧力差がある場合、すなわち圧力が付加されたスラリーがフィルター通過後に圧力低下する、例えば大気圧状態となるような場合に顕著になる。一方、３００００ｃｐｓの溶液を３０μｍ以下の目開きを輸送するのに必要な圧力としては概略１０ＭＰａ以上の圧力が必要となる。

これらの理由から、図１に示すように、３０μｍ以上のものをフィルター除去するには、１０ＭＰａ以上の圧力をかけ、またフィルター部分での溶液分離を起こさないようフィルター前後でも常にスラリーに圧力がかかった状態でスラリー移動するようなフィルター構造とすればよい。すなわち、フィルターの後方に流量を制御するための圧力隔壁を設けることで高圧力付加状態でのフィルターリングと流量コントロールの両立が可能となる。

当然のことながら、スラリーに加える必要圧力としては、フィルター目開きとスラリーの粘度、スラリー中の粉末サイズ、スラリーの固形分濃度とに関係する。この関係を、図２に示す。
粉末サイズとして平均粒子径（Ｄ５０）に対し、累積９５％粒径（Ｄ９５）が１．５〜２．５倍の範囲のもので、フィルター目開きがＤ５０の３倍としたとき、具体的にはＤ５０が１０μｍ、粘度が３００００ｃｐｓ、スラリー中の固形分が３０±５vol％のスラリーで、目開き３０μｍで通過面積が３０ｃｍ２のフィルターを、２０リットル／時で通過させるのに必要な圧力としては３０ＭＰａ以上となる。

また、Ｄ５０が小さくなればなるほどＤ５０の３倍程度の目開きのフィルター通過必要圧力としては大きくなり、Ｄ５０が１０μｍで３０ＭＰａ、Ｄ５０が５μｍで９０ＭＰａ、Ｄ５０が３μｍで１５０ＭＰａとなる。
〔各実施例の説明〕
以上、本発明に係る粗大粉末および工程異物のフィルター除去についての方法を説明したが、リチウム電池を製造して評価した結果について以下に述べる。

正極電極膜のスラリーは、正極活物質としてリチウム遷移金属複合酸化物のリチウムマンガンコバルトニッケル複合酸化物（ ＬｉＭｎＣｏＮｉＯ）粉末を用いた。粉末サイズとしては平均粒子径（Ｄ５０）が９．６μｍ、累積９０％粒径（Ｄ９０）が１６．０μｍ、累積９５％粒径（Ｄ９５）が１８．５μｍであった。このリチウムマンガンコバルトニッケル複合酸化物を８５重量部に対して、導電材として黒鉛粉末を９重量部およびカーボンブラックを２重量部とを混合して正極合剤を調製した。この正極合剤にポリフッ化ビニリデン（以下、ＰＶＤＦと略記する。）が４重量部となるようにバインダ溶液を加えるとともにＮ−メチル−２−ピロリドン（以下、ＮＭＰと略記する。）に分散させてスラリー状とした。スラリーの固形分濃度３２ｖｏｌ％，粘度は２２０００ｃｐｓであった。
同様に負極電極膜のスラリーは、負極活物質として平均粒子径（Ｄ５０）が９．５μｍ、累積９０％粒径（Ｄ９０）が１６．５μｍ、累積９５％粒径（Ｄ９５）が２０．２μｍであった。この非晶質炭素粉末９０重量部、導電材としてカーボンブラックを５重量部とを混合して負極合剤を調製した。この負極合剤にＰＶＤＦが５重量部となるようにバインダ溶液を加えるとともにＮＭＰに分散させてスラリー状とした。スラリーの固形分濃度３０ｖｏｌ％，粘度は２０００ｃｐｓであった。
続いて、これら正極スラリー及び負極スラリーを３０μｍ目開きのフィルター濾過を圧力２００ＭＰaで行った。このフィルター通過スラリーを、塗布乾燥後膜厚として６０〜７０μｍで、正極はアルミ箔に、また負極は銅箔に塗布， 乾燥， ローラープレスして正極電極及び負極電極を作製した。
次に、厚み３０μｍ 、空孔率が４５％のポリエチレンから成る微多孔性セパレータを挟んで上記の正極と負極を渦巻き状に捲回して電極群を作製した。この電極群にリードを取り付けて有底円筒状の容器（電池缶）に収容し、さらに非水電解液を封入することにより、円筒形リチウム二次電池を組立てた。
（比較例）
実施例1と異なるのは、目開き７０μｍフィルターを用い圧力は０．２ＭＰaで濾過を行ったことで、その他はすべて実施例１と同様に円筒形リチウム二次電池を組立てた。
〔試験・評価〕
実施例１及び比較例の電池について、所定回数の充放電を繰り返した後の充電した電池について、１０間放置した時点での電圧低下率が５ｍＶ／ｄａｙ以上のもを不良とした場合、実施例１では０．１％以下の不良率であるのに対し比較例では１〜１．５％であった。

実施例１と同様にして正負極スラリーを作製し、４０μｍ目開きのフィルター濾過を圧力１００ＭＰaで行い、実施例１と同様に円筒形リチウム二次電池を組立てた。この電池について実施例１と同様の試験・評価をしたところ不良率は０．３〜０．５％であった。
以上説明したように、粗大粉末除去および工程異物をフィルター除去することでリチウム電池の信頼性が大幅に向上できることがわかる。

また、本実施形態では、正極活物質のリチウム遷移金属複合酸化物にリチウム、マンガン、コバルト、ニッケルの複合酸化物を例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。本実施形態以外でも、例えば、スピネル結晶構造や層状結晶構造のリチウムマンガン複酸化物や、結晶中のマンガンやリチウムの一部をそれら以外の例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｍｇ等の元素で置換又はドープした材料、結晶中の酸素の一部をＳ、Ｐ等の元素で置換又はドープした材料を挙げることができる。

また更に、本実施形態ではバインダとしてＰＶＤＦの例を示したが、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリブタジエン、ブチルゴム、ニトリルゴム、スチレン／ブタジエンゴム、多硫化ゴム、ニトロセルロ−ス、シアノエチルセルロース、各種ラテックス、アクリロニトリル、フッ化ビニル、フッ化ビニリデン、フッ化プロピレン、フッ化クロロプレン等の重合体及びこれらの混合体等を挙げることができる。

また同様に、溶媒としてＮＭＰについて例示したが、これに限定されるものではない。

上記の通り、本発明によれば、リチウム電池電極膜スラリー中の粗大粉末及び工程混入異物の除去を実現できるので、信頼性が高いリチウム電池を提供することができるとともに、このようなリチウム電池を用いた機器・装置の安全性も向上することが出来る。

目開き３０μｍフィルター濾過するときの平均粒子径と加圧力を示す図。 本実施例の高圧でスラリーを濾過するためのフィルター構造を示す図。

符号の説明

１…スラリー、
２…フィルター容器、
３…フィルター、
４…流量制御用耐圧隔壁、
５…高圧スラリー部、
６…低圧スラリー部。

Claims (5)

1. リチウムイオンを挿入脱離可能な正極と、リチウムイオンを挿入脱離可能な負極とが電解質を介して形成されるリチウム二次電池の製造方法において、
   前記正極の形成に用いる正極スラリー及び前記負極の形成に用いる負極スラリーをフィルターを用いて濾過を行う工程と、
   前記フィルターを通過した正極および負極スラリーを、それぞれアルミ箔および銅箔上に塗布・乾燥する工程と、を有し、
   前記濾過を行う工程において、耐圧容器にその周囲を囲まれたスラリー通過経路と、前記スラリー通過経路内のスラリー挿入口側に設けられたフィルターと、前記スラリー通過経路内の前記フィルターよりもスラリー挿入口側と出口側とにおいて前記スラリーに前記フィルターで溶液分離を起こさないように圧力がかかった状態で移動するようにする、前記フィルターよりも出口側に設けられた圧力隔壁とを具備してなる濾過装置を用いることにより、前記正極および負極のそれぞれの塗布乾燥電極膜厚の１／２以上の大きさの粗大粒子および工程混入異物を除去することを特徴とするリチウム二次電池の製造方法。
2. 前記粗大粒子および工程混入異物の除去が、正極および負極の塗布前のスラリーを３０〜３００ＭＰａの圧力を加えた状態のままで前記フィルターを通過させることを特徴とする請求項１記載のリチウム二次電池の製造方法。
3. 前記フィルターの目開きが、スラリー中の活物質の平均粒径の５倍以下、または活物質の累積９５％粒子径の２倍以下、または３０μｍ以下であることを特徴とする請求項２記載のリチウム二次電池の製造方法。
4. 前記スラリーは、活物質、導電助材、バインダおよび溶剤からなる組成で粘度が１０００〜３００００ｃｐｓであることを特徴とする請求項２記載のリチウム二次電池の製造方法。
5. 前記バインダおよび溶剤が、ポリフッ化ビニリデンおよびＮーメチルー２ーピロリドンであることを特徴とする請求項４記載のリチウム二次電池の製造方法。

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