JP5375959B2 - 正電極板、電池、及び、正電極板の製造方法 - Google Patents
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Description
このような電池に関して、例えば、特許文献1には、導電層(カーボンコート層)の上に、カルボキシメチルセルロース(以下、CMCともいう)のみを結着材とした活物質層(正極活物質層)を備える正極(正電極板)が開示されている。
さらに、活物質ペースト中に存在するCMCの粘度が、時間の経過と共に極端に低下してしまう。このため、正電極板を製造するに当たっては、活物質ペーストを混練後、速やかに塗布しなければならない。また、混練後しばらく時間が経った活物質ペーストは粘度が低下して、塗布の工程に用いることができない。かくして、正電極板を生産(製造)する場合の効率が悪くなる不具合があった。
このような凝集体を含んだ活物質ペーストを塗布して正電極板を製造すると、例えば、凝集体が点在してしまい、この活物質ペーストを基体に薄く一様に塗布できないので、充放電に伴う反応が正極活物質層の部位によってばらつき、正電極板、ひいてはこれを用いた電池の特性が安定しない。また、異物除去のため、この活物質ペーストをフィルタに通すことがあるが、凝集体が生じていると、フィルタが凝集体により目詰まりを起こしやすく、活物質ペーストの通過量を減少させるので、生産性が低下する不具合もある。
また、CMC、PEOと共にPTFEを用いた場合に比して、PTFEを含まない方が正極活物質層の剥離強度が高く、電池抵抗変化率(電池抵抗値を、電池の初期の電池抵抗値で割ったもの)も小さく抑えることができることが判ってきた。
また、そのような電池は、特許文献1の電池、即ち、結着材にCMCのみを用いた電池に比しても、剥離強度を高く、また、電池抵抗変化率を小さくできる。
かくして、上述の正電極板は、結着材にPTFEを用いた正極活物質層を備えたものより、また、結着材にCMCのみを用いた正極活物質層を備えたものより、正極活物質層の剥離強度を向上でき、電池抵抗の増加を抑制できる。
また、上述の正電極板では、基体と正極活物質層との間にカーボンコート層を介在させてなるので、基体と正極活物質層との間の結着力を確実に大きくすることができる。
また、正極活物質粒子は、例えば、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウム等のリチウム遷移金属複合酸化物粒子や、鉄オリビン化合物が挙げられる。
また、カーボンコート層に含む炭素粉体としては、例えば、アセチレンブラック、ファーネスブラック、ケッチェンブラックなどのカーボンブラックや、グラファイト粉末等が挙げられる。
次に、本発明の実施形態1について、図面を参照しつつ説明する。
まず、本実施形態1にかかる正電極板30を用いてなる電池1(実施例1)について説明する。図1に実施例1の電池1の斜視図を示す。
この電池1は、正電極板30のほかに負電極板40及びセパレータ50を有する発電要素20、及び、図示しない電解液を備える捲回形のリチウムイオン二次電池である(図1参照)。この電池1は、発電要素20及び電解液(図示しない)を矩形箱状の電池ケース10に収容している。この電池ケース10は、共にアルミニウム製の電池ケース本体11及び封口蓋12を有する。このうち電池ケース本体11は有底矩形箱形であり、この電池ケース10と発電要素20との間には、樹脂からなり、箱状に折り曲げた絶縁フィルム(図示しない)が介在させてある。
このうち、セラミックコート層42は、アルミナ及びポリフッ化ビニリデン(PVDF)からなる。このセラミックコート層42により、セパレータ50の小穴や異物による短絡に伴い、セパレータ50の収縮や破壊が起きた場合でも、その短絡点を広げないようにすることができる。また、負極活物質層41は、グラファイトからなる負極活物質(図示しない)、カルボキシルメチルセルロース(CMC)からなる結着材(図示しない)、及び、スチレンブタジエンラバー(SBR、図示しない)を含む。なお、スチレンブタジエンラバーは、ペーストに用いるとCMCに比して高い結着作用を呈するので、負極活物質層を形成するにあたり、その形状を適切に保持することができる。
本実施形態1では、負極活物質層41内における、これらの重量比を、負極活物質:結着材:SBR=98:1:1とした。
この正電極板30は、図3,4に示すように、長手方向DAに延びる帯状で、アルミニウムからなるアルミ箔38と、このアルミ箔38の主面(第1箔主面38a,第2箔主面38b)上にそれぞれ形成したカーボンコート層37,37と、このカーボンコート層37上に形成された正極活物質層31とを有している。
このカーボンコート層37は、後述する正極活物質層31の形成の際、後述の活物質ペースト31Pがアルミ箔38に接触して腐食を発生するのを防止し、アルミ箔38と正極活物質層31との物理的接触の補助的役割を果たす。
なお、この正極活物質層31は、後に詳述するが、正極活物質粒子36、第1結着材32A、第2結着材32B及び導電材35に、イオン交換水AQを加えて混練した活物質ペースト31Pを塗布し、乾燥させて、さらにこれを圧縮したものである。
まず、電池1のうち、製造して間もない新品(初期)の電池1について試験を行った。具体的には、電池容量の評価試験として、1Cの電流値で端子間電圧が4.1V(満充電電圧)になるまで定電流充電をした電池1について、1Cの電流値で端子間電圧が2.5Vになるまで定電流放電を行い、放電した電気量(電池容量)を測定した。また、電池抵抗の評価試験では、上述の電池容量の試験の後に、1Cの電流値で、端子間電圧が3.537V(充電状態(SOC)が30%に相当(2.5〜4.1Vの電圧範囲における電池容量を100%としたとき))になるまで充電し、その後、その電圧を一定に保ちつつ電流値を1Cから0.02Cまで徐々に小さくしながら充電を行った(定電圧充電)。30秒間の休止の後、30Cの電流値で定電流放電し、放電開始後10秒目の電圧の値を測定した。この時点での電池抵抗値をオームの法則により算出した。
その後、電池1の電池抵抗値を、上述と同様にして測定した。そして、サイクル試験後における電池1の電池抵抗変化率を算出した。この電池抵抗変化率は、サイクル試験後の電池抵抗値を、サイクル試験前の、新品(初期)時の電池抵抗値で割ったものである。
このうち実施例2にかかる電池101は、正極活物質粒子36及び導電材35のほか、結着材として第2結着材32B(PEO)のみを用いた正極活物質層131を有する正電極板130を用いている(図1,5参照)。この正極活物質層131内における、これらの重量比は、正極活物質粒子36:導電材35:第2結着材32B=87:10:2とした。
また、実施例3にかかる電池201は、電池1で用いた、LiNi0.82Co0.15Al0.03O2からなる正極活物質粒子36に代えて、LiCoO2からなる正極活物質粒子236を用いた正極活物質層231を有する正電極板230を用いた(図1,6参照)。この正極活物質層内における、これらの重量比は、正極活物質粒子236:導電材35:第1結着材32A:第2結着材32B=87:10:1:1とした。
また、比較例2にかかる電池C2は、正極活物質粒子36及び導電材35のほか、結着材として第1結着材32A(CMC)のみを用いた正極活物質層を有する正電極板を用いた。この正極活物質層内における、これらの重量比は、正極活物質粒子36:導電材35:第1結着材32A=87:10:2とした。
これら電池1,101,201及び比較電池C1,C2の試験結果を表1に示す。
なお、正電極板における正極活物質層の剥離強度は、比較電池C1に用いた正電極板における正極活物質層の剥離強度を基準として、相対値(%)を示してある。
さらに、電池1,101,201にそれぞれ用いた正電極板30,130,230における正極活物質層31,131,231の剥離強度は、いずれも比較電池C1のそれよりも相対的に高い。このことから、PTFEを含むよりも、このPTFEを含まない正極活物質層の方が、その剥離強度を高くできることが判る。
さらに、電池1,101,201にそれぞれ用いた正電極板30,130,230が有する正極活物質層31,131,231の剥離強度が、いずれも比較電池C2のそれよりも相対的に高い。このことから、結着材にCMCのみを用いるより、PEOのみ、又は、PEO及びCMCのみを用いた正極活物質層の方が、その剥離強度を高くできることが判る。
なお、LiCoO2を正極活物質とした実施例3の電池201についても、実施例2の電池101における、正極活物質をLiCoO2とした電池(特性の詳細は示さない)に比して、その電池抵抗変化率を小さくできることが判っている。
従って、PEO及びCMCのみからなる結着材を用いた正極活物質層を有する正電極板30,230を用いるのがより好ましいことが判る。
また、PEO及びCMCをそれぞれ1wt%ずつ含む正極活物質層を有する正電極板30を用いた電池1は、電池抵抗の増加をより抑制できる。
まず、アルミ箔38にカーボンコート層37を形成する。この工程では、炭素粉体CPをなす30重量部のアセチレンブラックと、PVDFをn−メチルピロリドン(NMP)で混合した、固形分率13%のPVDF/NMP溶液とを用いて、アセチレンブラック及びPVDFの固形分比が30:70になるように均一に混合して、図示しないカーボンコート層用ペーストを作製した。
このカーボンコート層用ペースト(図示しない)を、厚さが15μmのアルミ箔38の両面(第1箔主面38a,第2箔主面38b)にグラビアコータで塗布し、その後に乾燥させて、カーボンコート層37を形成した。
この工程では、混合槽901と、この混合槽901内に収容した収容物を、剪断しつつ攪拌する攪拌羽根902とを備える混練機900を用いる。
このフィルタ通過工程では、混練機900でできた活物質ペースト31Pをフィルタ910に通す。これにより、活物質ペースト31P内に混在している異物を除去する。なお、フィルタ910を通過した活物質ペースト31Pは、ダイ710のペースト保持部711に収容される。
この吐出口712は、スリット状で、長手方向DAに移動するアルミ箔38の両面に形成したカーボンコート層37,37上に、帯状に活物質ペースト31Pを吐出するべく、アルミ箔38の幅方向(図7中、奥行き方向)に平行に開口している。
まず、巻出し部701に捲回した、帯状のアルミ箔38(厚さ:15μm)を長手方向DAに移動させる。なお、このアルミ箔38の両面には、カーボンコート層37,37が予め塗布されている。そのアルミ箔38上のカーボンコート層37に、ダイ710により活物質ペースト31Pを塗布する。
その後、この活物質ペースト31Pをヒータ730で乾燥させ未圧縮活物質層31Bとした。そして、この未圧縮活物質層31Bを片側のカーボンコート層37上に担持した片面担持アルミ箔38Kを、一旦巻取り部702に巻き取る。
プレス装置800は、巻出し部801、プレスローラ810、巻取り部802及び複数の補助ローラ820を備えている。このプレス装置800により、巻出し部801から上述のプレス前の活物質積層板30Bを、2つのプレスローラ810,810の間に通して、厚み方向DTに圧縮する。
かくして、アルミ箔38の両側に、圧縮済みの2つの正極活物質層31、31を積層してなる正電極板30を得る(図3,4参照)。
具体的には、上述の活物質ペースト31P、即ち、結着材として第1結着材32A(CMC)及び第2結着材32B(PEO)を含む活物質ペースト31Pについて、放置時間が0h(製作直後)、24h、48h、72h、96hの時点における各粘度を測定した。
一方、この活物質ペースト31Pの比較として、結着材として第1結着材32A(CMC)のみを含む活物質ペースト(比較ペーストEP)について、放置時間が0h(製作直後)、24h、48hの時点における各粘度についても測定した。
活物質ペースト31Pの粘度の測定では、まず、30℃の恒温槽内で、E型粘度計VMの基盤VMB上に、作製直後の活物質ペースト31Pを、ギャップが100μmとなるように配置した。そして、その活物質ペースト31Pの上方からコーンプレートVMCを、このコーンプレートVMCの先端が基盤VMBに当接するまで移動させた。その後、コーンプレートVMCを、軸芯AXを中心とした1rpmの剪断速度(回転速度)で定速回転させて、活物質ペースト31Pの粘度を測定した。さらに、放置時間が24h,48h,72h,96hの時点での粘度も測定した。
比較例の比較ペーストEPについても、活物質ペースト31Pと同様にして、放置時間が0h,24h,48hの時点での粘度を測定した。これらの結果について、図10に示す。
まず、放置時間が0h、即ち、作製直後について比較すると、活物質ペースト31Pの粘度は、比較ペーストEPの粘度よりも高い。このことから、活物質ペーストの結着材として、CMCのみならず、PEOをも用いることで、活物質ペーストの粘度を向上させうることが判る。
但し、活物質ペースト31Pにおいては、粘度の低下速度(粘度の変化量を放置時間で除したもの)が、比較ペーストEPのそれよりも小さい。即ち、活物質ペースト31Pは、粘度の経時的な低下が緩やかである。これは、活物質ペースト31P中のPEOが、CMCに比して高い耐アルカリ性を有しており、活物質ペースト31P中でPEOの粘度が維持されるためであると考えられる。
この正電極板30の製造方法では、上述のフィルタ通過工程を備えるので、フィルタ910による異物の除去が可能な上、上述の凝集体による目詰まりがなく、効率的に異物を除去できる。
電池101における正電極板130の正極活物質層形成工程のうちの塗工工程では、図11に示す塗工装置700のダイ710を用いて、アルミ箔38の両面に形成したカーボンコート層37,37のいずれかに、活物質ペースト131Pを塗布する。
電池201における正電極板230の正極活物質層形成工程のうちの塗工工程では、図12に示す塗工装置700のダイ710を用いて、アルミ箔38の両面に形成したカーボンコート層37,37のいずれかに、活物質ペースト231Pを塗布する。
本参考形態1の車両400は、前述した電池1を複数搭載したものである。具体的には、図13に示すように、車両400は、エンジン440、フロントモータ420及びリアモータ430を併用して駆動するハイブリッド自動車である。この車両400は、車体490、エンジン440、これに取り付けられたフロントモータ420、リアモータ430、ケーブル450、インバータ460、及び、複数の電池1,101,201を自身の内部に有する組電池410を有している。
また、本参考形態2のハンマードリル500は、前述した電池1,101,201を含むバッテリパック510を搭載したものであり、図14に示すように、バッテリパック510、本体520を有する電池搭載機器である。なお、バッテリパック510はハンマードリル500の本体520のうちパック収容部521に脱着可能に収容されている。
例えば、実施形態1では、カーボンコート層に含む炭素粉体として、アセチレンブラックを用いたが、例えば、アセチレンブラック以外の、ファーネスブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラックや、グラファイト粉末等を用いても良い。また、正電極板にアセチレンブラックからなる導電材を用いたが、例えば、上述した炭素粉体のうち、アセチレンブラック以外のものや、ニッケル粉末等の金属粉末などを用いても良い。
また、正極活物質粒子にニッケルコバルト酸リチウムを用いたが、例えば、このほかの、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウム等のリチウム遷移金属複合酸化物や、鉄オリビン化合物を用いても良い。
30,130,230 正電極板
31,131,231 正極活物質層
31P,131P,231P 活物質ペースト
32A 第1結着材(結着材)
32B 第2結着材(結着材)
35 導電材
36,236 正極活物質粒子
37 カーボンコート層
38 アルミ箔(基体)
CP 炭素粉体
400 車両
500 ハンマードリル(電池搭載機器)
910 フィルタ
Claims (6)
- アルミニウムからなる基体と、
上記基体に形成してなり、正極活物質粒子、導電材及び結着材を含む正極活物質層と、を備える
正電極板であって、
上記基体と上記正極活物質層との間に、炭素粉体を含むカーボンコート層を介在させてなり、
上記結着材は、
ポリエチレンオキサイド、又は、ポリエチレンオキサイド及びカルボキシメチルセルロースからなる
正電極板。 - 請求項1に記載の正電極板であって、
前記結着材は、
ポリエチレンオキサイド及びカルボキシメチルセルロースのみからなる
正電極板。 - 請求項1又は請求項2に記載の正電極板であって、
前記正極活物質層は、
前記ポリエチレンオキサイド及び前記カルボキシメチルセルロースをそれぞれ1wt%ずつ含む
正電極板。 - 請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の正電極板、及び、
銅からなる負電極板用基体と、上記負電極板用基体に形成してなり、グラファイトからなる負極活物質粒子及び結着材を含む負極活物質層と、上記負極活物質層上に形成されてなるセラミックコート層と、を備える負電極板を用いた
電池であって、
この電池の充電状態(SOC)が0〜100%の範囲を、1Cの電流値で定電流充電及び定電流放電により交互に2000回ずつ繰り返すサイクル試験の前後で、上記SOCを30%とした上記電地について30Cの電流値で定電流放電を行い、放電開始後10秒経過時点の電圧の値を測定して、上記サイクル試験前後での上記電池の抵抗値をそれぞれ算出したとき、
上記サイクル試験後の上記抵抗値を、上記サイクル試験前の上記抵抗値で割った電池抵抗変化率が、100〜110%の範囲にある特性を有してなる
電池。 - アルミニウムからなる基体と、
上記基体に形成してなり、正極活物質粒子、導電材及び結着材を含む正極活物質層と、を備える
正電極板の製造方法であって、
上記正電極板は、
上記基体と上記正極活物質層との間に、炭素粉体を含むカーボンコート層を介在させてなり、
上記結着材は、
ポリエチレンオキサイド、又は、ポリエチレンオキサイド及びカルボキシメチルセルロースからなり、
上記正極活物質粒子、上記導電材及び上記結着材を混練した活物質ペーストを、予め上記基体に形成した上記カーボンコート層上に塗布し乾燥させて、上記正極活物質層を形成する正極活物質層形成工程、を備える
正電極板の製造方法。 - 請求項5に記載の正電極板の製造方法であって、
前記正極活物質層形成工程に先立ち、
混練後の前記活物質ペーストを、捕集効率90%が50μm以下のフィルタに通すフィルタ通過工程を備える
正電極板の製造方法。
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