JP5375959B2 - 正電極板、電池、及び、正電極板の製造方法 - Google Patents

正電極板、電池、及び、正電極板の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、基体と、この基体に形成した正極活物質層と、を備える正電極板、この正電極板を用いた電池に関する。また、そのような正電極板の製造方法に関する。
近年、ハイブリッド自動車やノート型パソコン、ビデオカムコーダなどのポータブル電子機器の駆動用電源に、リチウムイオン二次電池(以下、単に電池ともいう)が利用されている。
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。
特開2006−4739号公報
上述の電池では、カーボンコート層上に正極活物質層を形成するため、正極活物質層の剥離強度を高くできる利点がある。しかしながら、結着材に用いるCMCは、例えば、リチウム複合酸化物などアルカリ性を示す物質の存在下では、そのCMCの構造が変化してしまう。これにより、CMCの粘度が、例えば、ポリエチレンオキサイド(以下、PEOともいう)等、他の結着材に比して低くなる。このため、特許文献1に記載の正電極板を製造する際に、CMC(結着材)、正極活物質粒子、導電材及び溶媒を混練した活物質ペーストの粘度も低くなり、この活物質ペースト中で活物質が沈降したり、これを基体上に塗布しても、乾燥するまでに、活物質ペーストが塗布の範囲よりも広がったり、基体上から活物質ペーストが流れ落ちる等の不具合が生じる虞がある。
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。
また、特許文献1には、正極活物質層の結着材として、例えば、CMCのほかにポリテトラフルオロエチレン(以下、PTFEともいう)も例示されている。しかしながら、このPTFEを結着材に用いて活物質ペーストを作製すると、活物質ペースト内で、PTFE粒子と導電材とが凝集体を形成しやすい。例えば、導電材にアセチレンブラックを用いた場合、このPTFE粒子は活物質ペースト内で分散せずに、その一部がアセチレンブラックと共に、比較的大きな凝集体(粒径:50μm以上)を形成してしまう。
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。
本発明は、かかる知見に鑑みてなされたものであって、正極活物質層の剥離強度が高く、電池抵抗の増加を抑制した正電極板、さらにはこの正電極板を用いた電池を提供することを目的とする。また、正極活物質層を適切に製造できる正電極板の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一態様は、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である。
ところで、結着材としてPEOを、或いは、PEO及びCMCを用いた正極活物質層を備える正電極板を用いた電池は、結着材にPEO及びCMCと共にPTFEを用いた正極活物質層を備えた電池に比して、正極活物質層の剥離強度が高く、また、電池抵抗変化率を小さく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、この正極活物質層の形成にあたり、活物質ペースト内に、PTFE由来の凝集体が形成されない。つまり、この正電極板では、そのような凝集体の形成を防止して、活物質ペーストが基体に均一に塗布される。従って、この正電極板を用いることで電池の特性を安定させることができる。
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。
なお、正極活物質層に含む導電材としては、例えば、上述した炭素粉体や、ニッケル粉末等の金属粉体などが挙げられる。
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。
さらに、上述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とすると良い。
結着材としてPEO及びCMCのみを含んだ正極活物質層を備える正電極板を用いた電池は、結着材としてPEOのみを含んだ正極活物質層を備える正電極板を用いた電池よりも、その電池抵抗変化率を小さくできることが判ってきた。このことから、上述の正電極板を電池に用いれば、電池抵抗の増加を抑制した電池にすることができる。
さらに、上述のいずれか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%ずつ含む正電極板とすると良い。
結着材としてPEO及びCMCをそれぞれ1wt%ずつ含む正極活物質層を備える正電極板を用いた電池が、CMCのみを含んだ正極活物質層を用いた電池だけでなく、PEOのみを含んだ正極活物質層を用いた電池よりも、その電池抵抗変化率を小さくできることが判ってきた。これは、CMCのみでは正電極活物質粒子の被覆量が小さく、正極活物質粒子の表面が劣化してしまう。逆に、PEOのみでは正極活物質粒子の被覆量が大きくなって、粒子の表面積のうち電池反応に関与する面積が狭くなって、電池として充放電を繰り返すと正電極活物質粒子の内部が劣化しやすいからであると考えられる。このことから、上述の正電極板を電池に用いれば、電池抵抗の増加を抑制した電池にすることができる。
或いは、本発明の他の態様は、前述した正電極板、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%とした上記電池について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である。
上記の電池は、前述した正電極板、及び、銅からなる負電極板用基体と、負極活物質層と、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、サイクル試験の前後での電池抵抗変化率が、100〜110%の範囲にある特性を有してなる。このため、基体と正極活物質層との間の結着力を確実に大きくしつつ、正極活物質層の剥離強度が高く、電池抵抗の増加を抑制した電池とすることができる。
さらに、前述した電池を搭載し、この電池による電気エネルギを動力源の全部又は一部に使用する車両とすると良い。
上記の車両は、前述した電池、即ち、前述の正電極板を用いた電池を搭載しているので、駆動性能の劣化を抑制した車両とすることができる。
なお、車両としては、電池による電気エネルギを動力源の全部又は一部に使用する車両であれば良く、例えば、電気自動車、ハイブリッド自動車、プラグインハイブリッド自動車、ハイブリッド鉄道車両、フォークリフト、電気車いす、電動アシスト自転車、電動スクータが挙げられる。
或いは、前述した電池を搭載し、この電池による電気エネルギをエネルギ源の全部又は一部として使用する電池搭載機器とすると良い。
上述の電池搭載機器は、前述した電池、即ち、前述の正電極板を用いた電池を搭載しているので、特性の劣化を抑制した電池搭載機器とすることができる。
なお、電池搭載機器としては、電池を搭載し、これをエネルギ源の全部又は一部として使用する機器であれば良く、例えば、パーソナルコンピュータ、携帯電話、電池駆動の電動工具、無停電電源装置など、電池で駆動される各種の家電製品、オフィス機器、産業機器が挙げられる。
或いは、本発明の他の態様は、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である。
上述の正電極板の製造方法では、結着材にPEOを、又は、PEO及びCMCを用いた活物質ペーストを、予め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。このため、良好な剥離強度を有し、適切な形状を維持した正極活物質層を基体に形成した正電極板を製造できる。
また、PEOは、CMCよりも高い耐アルカリ性を有する。このため、結着材にPEO、又は、PEO及びCMCを用いた場合には、アルカリ性を示す正極活物質粒子と混ぜた場合でも、時間の経過と共に活物質ペーストに生じる粘度の低下が、CMCのみを用いた場合に比して緩やかである。このため、正電極板の製造において、例えば、予め製造しておいた活物質ペーストを順次基体に塗布しても、活物質ペーストの粘度の変化が少なく、正極活物質層の厚みなどにばらつきが生じにくく、また、効率良く正電極板を製造できる。
しかも、結着材として、PEOを、或いは、PEO及びCMCを用いた正極活物質層を備える正電極板を電池に用いることで、その電池抵抗の増加を抑制できる利点もある。また、活物質ペーストにPTFEを含まないので、活物質ペーストに凝集体が生じずに、活物質ペーストを薄く一様に塗布することができる。
また、上述の正電極板の製造方法において、正極活物質層形成工程では、基体上に形成したカーボンコート層上に塗布するので、形成した正極活物質層と基体との間の結着力を確実に大きくすることができる。
さらに、上述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とすると良い。
上述の正電極板の製造方法では、上述のフィルタ通過工程を備えるので、フィルタによる異物の除去が可能な上、凝集体による目詰まりもなく、効率的に異物を除去できる。
なお、フィルタとしては、捕集効率90%が50μm以下のものであり、具体的には、ポリプロピレン又はポリエチレン製の不織布の多層ロール、不織布の単層プリーツ、糸巻きフィルタなどが挙げられる。
実施形態1にかかる電池の斜視図である。 実施形態1の負電極板の斜視図である。 実施形態1の正電極板の斜視図である。 実施形態1の正電極板の拡大断面図(図3のA部)である。 実施形態1の正電極板の斜視図である。 実施形態1の正電極板の斜視図である。 実施形態1の正電極板の正極活物質層形成工程の説明図である。 実施形態1の正電極板の正極活物質層形成工程の説明図である。 粘度計の説明図である。 放置時間の長さによる、活物質ペーストの粘度の変化を示すグラフである。 実施形態1の正電極板の正極活物質層形成工程の説明図である。 実施形態1の正電極板の正極活物質層形成工程の説明図である。 参考形態1の車両の説明図である。 参考形態2の電池搭載機器の説明図である。
(実施形態1)
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。
また、封口蓋12は矩形板状であり、電池ケース本体11の開口を閉塞して、この電池ケース本体11に溶接されている。この封口蓋12には、発電要素20と接続している正極集電部材71及び負極集電部材72のうち、それぞれ先端に位置する正極端子部71A及び負極端子部72Aが貫通しており、図1中、上方に向く蓋表面12aから突出している。これら正極端子部71A及び負極端子部72Aと封口蓋12との間には、それぞれ絶縁性の樹脂からなる絶縁部材75が介在し、互いを絶縁している。さらに、この封口蓋12には矩形板状の安全弁77も封着されている。
また、図示しない電解液は、エチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)とジメチルカーボネート(DMC)とを、体積比でEC:EMC:DMC=1:3:3に調整した混合有機溶媒に、溶質としてLiPF6を添加し、リチウムイオンを1mol/lの濃度とした有機電解液である。
また、発電要素20は、帯状の負電極板40及び正電極板30が、ポリエチレンからなる帯状のセパレータ50を介して扁平形状に捲回されてなる(図1参照)。なお、この発電要素20の正電極板30及び負電極板40はそれぞれ、クランク状に屈曲した板状の正極集電部材71又は負極集電部材72と接合している。
発電要素20のうち負電極板40は、図2に示すように、長手方向DAに延びる帯状で、銅からなる銅箔48と、この銅箔48の第1箔主面48a及び第2箔主面48b上にそれぞれ積層配置した2つの負極活物質層41,41と、これら負極活物質層41,41上に形成されてなるセラミックコート層42とを有している。
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。
次いで、上述の発電要素20を構成する正電極板30について、図3,4を参照しつつ説明する。
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。
このうちカーボンコート層37は、厚さ2μmで、アセチレンブラックからなる炭素粉体CPの他、図示しないポリフッ化ビニリデン(PVDF)を含む。なおカーボンコート層37内における、これらの重量比(固形分比)を、炭素粉体CP:PVDF=30:70とした。
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。
また、正電極板30の正極活物質層31には、次述するように、第1結着材32AであるCMC、及び、第2結着材32BであるPEOを含む一方、ポリテトラフルオリエチレン(PTFE)は含んでいない。このため、アルミ箔38上に、この正極活物質層31の剥離強度の低下が懸念される。しかしながら、本実施形態1では、アルミ箔38上にカーボンコート層37を有するため、カーボンコート層37のアンカー効果により、アルミ箔38と正極活物質層31との間の結着力を確実に大きくすることができる。従って、このカーボンコート層37上に形成した正極活物質層31の剥離強度を高くし、安定して正極活物質層31をアルミ箔38に保持することができる。
本実施形態1のうち、実施例1にかかる正極活物質層31は、PTFEを含まず、LiNi0.82Co0.15Al0.032からなる正極活物質粒子36、及び、アセチレンブラックからなる導電材35のほか、結着材として第1結着材32A(CMC)、及び、第2結着材32B(PEO)のみを含む(図3,4参照)。また、正極活物質層31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:第2結着材32B=87:10:1:1とした。
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。
発明者らは、上述した電池1の特性(電池容量及び電池抵抗)についての評価試験を行った。
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。
上述の試験を行った電池1について、2.5〜4.1Vの電圧範囲で定電流充電及び定電流放電(電流値はいずれも1C)を繰り返すサイクル試験を実施した。具体的には、1組の充放電を1サイクルとして、2000サイクルを連続して繰り返した。
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。
また、発明者らは、電池1における正電極板30の正極活物質層31の剥離強度について測定した。具体的には、図示しない引張試験機を用いて、剥離強度よりも十分粘着性の高い両面テープで正電極板30を固定し、この正電極板30に垂直な方向に正極活物質層31を引っ張ったときの強度を測定した。
そのほか、他の実施例である電池101,201、比較例である電池C1,C2も製作し、これらの特性についての評価試験、及び、正電極板の剥離強度の測定を、電池1と同様に行った。
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、LiNi0.82Co0.15Al0.032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1にかかる電池C1は、正極活物質粒子36、導電材35、第1結着材32A(CMC)、及び、第2結着材32B(PEO)の他に、PTFEを含む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:第2結着材32B:PTFE=87:10:1:1:1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。
Figure 0005375959
表1によれば、電池1,101,201の電池抵抗変化率は、いずれも比較電池C1のそれより小さい。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を有する正電極板を用いた電池の方が、その電池抵抗変化率を小さ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。
また、電池1,101,201と、比較電池C2とを比較すると、電池1,101,201の電池抵抗変化率はいずれも、比較電池C2より小さい。このことから、結着材にCMCのみを用いる(比較電池C2)よりも、結着材にPEOのみ(電池1)、又は、PEO及びCMCのみ(電池101,201)を用いた、正極活物質層を有する正電極板を用いた電池は、その電池抵抗変化率を小さ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。
かくして、電池1,101,201の正電極板30,130,230は、比較電池C1、即ち、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、比較電池C2、即ち、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31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、表1によれば、正極活物質層に同じ正極活物質粒子36を用いた電池1と電池101とを比較すると、結着材としてPEO及びCMCのみを含んだ正極活物質層31を有する正電極板30を用いた電池1が、結着材としてPEOのみを含んだ正極活物質層131を有する正電極板130を用いた電池101よりも、その電池抵抗変化率を小さ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、電池1の電池抵抗変化率は、比較電池C1,C2のみならず、電池101の電池抵抗変化率に比しても小さい。このことから、結着材として第1結着材32A(CMC)及び第2結着材32B(PEO)をそれぞれ1wt%ずつ含む正極活物質層31を有する正電極板30を用いるのが特に良いことが判る。これは、CMCのみでは正電極活物質粒子の被覆量が小さく、正極活物質粒子の表面が劣化してしまう。逆に、PEOのみでは正極活物質粒子の被覆量が大きくなって、粒子の表面積のうち電池反応に関与する面積が狭くなって、電池として充放電を繰り返すと正電極活物質粒子の内部が劣化しやすいからであると考えられる。
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。
次に、本実施形態1にかかる正電極板30を用いた電池1の製造方法について、図面を参照しつつ説明する。
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。
次いで、正極活物質粒子36、導電材35、第1結着材32A及び第2結着材32Bを混練して活物質ペースト31Pを形成する工程について、図7を参照しつつ説明する。
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。
この工程では、正極活物質粒子36を87重量部、導電材35を10重量部、第1結着材32AをなすCMCを1重量部、第2結着材32BをなすPEOを1重量部、及び、イオン交換水AQを85重量部を、混練機900の混合槽901にそれぞれ投入し、攪拌羽根902を用いて混合した。これにより、均一な活物質ペースト31Pを得る。
次いで、混練後の活物質ペースト31Pを、フィルタ910に通すフィルタ通過工程について、図7を参照しつつ説明する。このフィルタ通過工程で用いるフィルタ910は、ポリプロピレン製の不織布の多層ロールフィルタ(捕集効率90%=40μm)からなり、上述の混練機900と、次述する塗工装置700のダイ710との間に位置する。
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。
次いで、正極活物質粒子36、導電材35、第1結着材32A及び第2結着材32Bを混練した活物質ペースト31Pを、上述のカーボンコート層37上に塗布させ乾燥させて、正極活物質層31を形成する正極活物質層形成工程について、図7を参照しつつ説明する。なお、この正極活物質層形成工程は、図7に示す塗工装置700を用いる塗工工程と、図8に示すプレス装置800を用いるプレス工程とを含む。
まず、塗工装置700を用いる塗工工程について説明する。この塗工装置700は、巻出し部701、ダイ710、ヒータ730、巻取り部702、及び、複数の補助ローラ740を備えている(図7参照)。
このうち、ダイ710は、フィルタ910を通過した活物質ペースト31Pを内部に貯留してなる金属製のペースト保持部711と、このペースト保持部711に保持した活物質ペースト31Pをカーボンコート層37に向かって連続的に吐出する吐出口712とを有する。
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。
また、ヒータ730は、アルミ箔38、及び、このアルミ箔38に塗布された活物質ペースト31Pを加熱する。これにより、2つのヒータ730,730の間を移動している間に、このカーボンコート層37に塗布された活物質ペースト31Pの乾燥が徐々に進み、ヒータ730を通過し終えたときには、活物質ペースト31Pは全乾燥、即ち、活物質ペースト31P内のイオン交換水AQが全て蒸発している。
次いで、塗工工程について説明する。
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。
次に、この塗工装置700を再度用いて、上述の片面担持アルミ箔38K(アルミ箔38)の、未圧縮活物質層31Bを担持していない側のカーボンコート層37に、活物質ペースト31Pを塗布する。そして、この活物質ペースト31Pをヒータ730で全乾燥させる。かくして、アルミ箔38の両面のカーボンコート層37,37上に未圧縮活物質層31B,31Bをそれぞれ積層配置した、プレス前の活物質積層板30Bが作製される。
次いで、正極活物質層形成工程のうち、プレス装置800を用いるプレス工程について図8を参照しつつ説明する。
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)。
ところで、発明者らは、作製からの時間の経過(放置時間)による、活物質ペーストの粘度の変化について調査した。
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。
なお、各活物質ペーストの粘度の測定には、図9に示すE型粘度計VMを用いた。このE型粘度計VMは、軸芯AXを中心に回転可能な、片面が円錐形状のコーンプレートVMC(外径が14mm、コーン角度が3°)と、軸芯AXに垂直な平面形状の基盤VMBとを有する回転粘度計である。
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。
図10のグラフは、放置時間の長さによる、各活物質ペーストの粘度の変化を示したグラフである。
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。
従って、結着材としてPEO及びCMCを用いた活物質ペースト31Pを、上述の塗工工程において、カーボンコート層37上に塗布しても、ヒータ730で乾燥させるまでに、この活物質ペースト31Pが塗布の範囲よりも広がったり、アルミ箔38上から流れ落ちる等の不具合が発生するのを防止できる。即ち、本実施形態1の製造方法では、適切な形状を維持した正極活物質層31をアルミ箔38(カーボンコート層37)上に形成した正電極板30を製造できる。
また、正極活物質層形成工程では、アルミ箔38上に形成したカーボンコート層37上に塗布させるので、カーボンコート層37のアンカー効果により、形成した正極活物質層31とアルミ箔38との間の結着力を確実に大きくすることができる。
また、図10のグラフによれば、活物質ペースト31P、及び、比較ペーストEPとも、放置時間が長くなるに従って、各々の粘度が低下する。これは、いずれのペースト(活物質ペースト31P,比較ペーストEP)に含まれる正極活物質粒子36がアルカリ性を示すため、これに伴ってCMCの粘度が、時間の経過とともに徐々に低下していくためであると考えられる。
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。
従って、活物質ペースト31Pを、前述の塗工工程で用いると、活物質ペースト31Pの粘度の経時的な変化が少なく、正電極板30を多数製造する場合でも、正極活物質層31の厚みなどにばらつきが生じにくく、また、効率良く正電極板30を製造できる。
また、上述の正電極板30とは別に、負電極板40を製作した。具体的には、グラファイト粉末を98重量部と、1.23wt%のCMC水溶液を81重量部(即ち、CMCを1重量部)と、イオン交換水を4重量部とを混合した。さらにイオン交換水を70重量部追加し均一に混練した後、スチレンブタジエンラバー(SBR)を1重量部加えて攪拌し、負極ペースト(図示しない)を作製した。一方、アクリル樹脂をNMPで混合した固形分率10%のアクリル樹脂/NMP溶液を用いて、アルミナと結着材とを、これらの固形分比がアルミナ:結着材=95:5で均一に混合して、図示しないセラミックペーストを製作した。
まず、厚さが10μmの銅箔48の両面に、上述の負極ペーストをダイコータで塗布し、その後に乾燥させ、これを銅箔48と共にプレスして、負極活物質層41を形成した。この負極活物質層41上に、周知のグラビアコータを用いてセラミックペーストを塗布し、これを乾燥させてセラミックコート層42とした。かくして、負電極板40ができあがる(図2参照)。
上述のように作製した正電極板30と負電極板40との間に、20μmのセパレータ50を介在させて捲回し、発電要素20とする。さらに、正電極板30(アルミ箔38)及び負電極板40(銅箔48)にそれぞれ正極集電部材71及び負極集電部材72を溶接し、電池ケース本体11に挿入し、図示しない電解液を注入後、封口蓋12で電池ケース本体11を溶接で封口する。かくして、電池1が完成する(図1参照)。
本実施形態1にかかる正電極板30の製造方法では、PTFEを含むことなく、結着材として第1結着材32A(CMC)、及び、第2結着材32B(PEO)のみを用いた活物質ペースト31Pを、アルミ箔38(カーボンコート層37上)に塗布し、乾燥させて正極活物質層31を形成する正極活物質層形成工程を備える。このため、前述した表1の電池1、即ち、良好な剥離強度を有し、その電池抵抗の増加を抑制できる電池1の正電極板30を製造できる。
しかも、結着材として第1結着材32A(CMC)、及び、第2結着材32B(PEO)のみを用いた正極活物質層31を備える正電極板30を電池1に用いることで、その電池抵抗の増加を抑制できる利点もある(前述した表1参照)。また、活物質ペースト31PにPTFEを含まないので、活物質ペースト31P中に凝集体が生じずに、活物質ペースト31Pを薄く一様に塗布することができる。
また、活物質ペースト31PにはPTFEを含まない。このため、活物質ペースト31P内で、PTFE粒子、及び、アセチレンブラックからなる導電材35による凝集体が形成されない。
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。
なお、実施例2にかかる電池101の正電極板130の製造方法、及び、実施例3にかかる電池201の正電極板230の製造方法は、正極活物質層形成工程の塗工工程で用いる活物質ペーストが、上述の電池1の正電極板30の製造方法と異なり、それ以外については同じであるので、説明を省略する。
正電極板130の製造方法では、図11に示す混練機900を用いて、活物質ペースト131Pを形成する。具体的には、正極活物質粒子36を87重量部、導電材35を10重量部、第2結着材32B(PEO)を1重量部、及び、イオン交換水AQを85重量部を、第1混練機900の混合槽901にそれぞれ投入し、攪拌羽根902を用いて混合した。これにより、均一な活物質ペースト131Pを得る。
次いで、フィルタ通過工程では、図11に示すフィルタ910を用いて、混練機900でできた活物質ペースト131Pをフィルタ910に通し、活物質ペースト131P内に混在している異物を除去する。
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。
また、正電極板230の製造方法では、図12に示す混練機900を用いて、活物質ペースト231Pを形成する。具体的には、上述の電池1の正極活物質粒子36とは異なる、LiCoO2からなる正極活物質粒子236を87重量部、導電材35を10重量部、第1結着材32A(CMC)、第2結着材32B(PEO)を1重量部、及び、イオン交換水AQを85重量部を、第1混練機900の混合槽901にそれぞれ投入し、攪拌羽根902を用いて混合した。これにより、均一な活物質ペースト231Pを得る。
次いで、フィルタ通過工程では、図12に示すフィルタ910を用いて、混練機900でできた活物質ペースト231Pをフィルタ910に通し、活物質ペースト231P内に混在している異物を除去する。
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。
参考形態1
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。
参考形態1の車両400は、前述した電池1,101,201、即ち、前述の正電極板30,130,230を用いた電池1,101,201を搭載しているので、駆動性能の劣化を抑制した車両400とすることができる。
参考形態2
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。
参考形態2のハンマードリル500は、前述した電池1,101,201、即ち、前述の正電極板30,130,230を用いた電池1,101,201を搭載しているので、特性の劣化を抑制したハンマードリル500とすることができる。
以上において、本発明を実施形態1に即して説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることは言うまでもない。
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。
1,101,201 電池
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)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 請求項1又は請求項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。
  4. 請求項1請求項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。
  5. 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。
  6. 請求項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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