JP5550091B2

JP5550091B2 - 非水電解質二次電池用電極の製造方法およびそれを用いた非水電解質二次電池

Info

Publication number: JP5550091B2
Application number: JP2009128363A
Authority: JP
Inventors: 文昭小保内
Original assignee: NEC Energy Devices Ltd
Current assignee: Envision AESC Energy Devices Ltd
Priority date: 2009-05-28
Filing date: 2009-05-28
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2029-05-28
Also published as: JP2010277798A

Description

本発明は、非水電解液二次電池用電極の製造方法およびそれを用いた非水電解質二次電池に関する。

近年、環境問題から電気自動車やハイブリッド自動車への関心が高まり、その駆動源である二次電池の高エネルギー密度化、高容量化への技術的要求は一段と高まっている。従来の非水電解質二次電池における電極の製造方法では、活物質主材、導電付与剤、結着剤等を溶剤と混合または混錬した電極合剤を金属箔からなる集電体上に連続または間欠塗布した後、圧延ローラにて加圧成型する。その後加圧成型した圧延体を製品サイズにスリットまたは切断する。

一方、集電体上に電極合剤を必要としない領域（例えば集電用タブを接続する領域）を設け、予めマスキングテープを金属箔からなる集電体上に貼り付けてから電極合剤を塗布、乾燥、圧延処理後にマスキングテープを除去して、電極合剤を必要とされない集電体上の領域の電極合剤層を選択的に除去する方法が提案されている。（例えば特許文献１、２参照）

特開平１０−０１２２２１号公報特開２０００−１３３２５０号公報

従来技術においては、前述の圧延体をスリットまたは切断する際には、集電体上に形成された電極合剤と金属箔からなる集電体を同時に切断するために、集電体の側面は切断工程によりバリや歪が発生するなど集電体の切断面は歪な形状となる。また集電体の切断面付近の電極合剤は剥がれやすくなり、次工程の電池組立工程において、剥がれた電極合剤の活物質粒子等は異物となり電池の信頼性を損なう可能性がある。

即ち、圧延体を切断した際に切断方向に集電体状の電極合剤層のダレを発生させ切断面の活電極合剤層は剥離しやすく、剥離した電極合剤の粒子は自己放電等の不具合を引き起こし、信頼性を低下させる恐れがあった。

また、マスキングテープ等で集電体上の集電用タブの接続領域のパターンニングを行った後、電極合剤を塗工した際、マスキングテープ上の分離する電極合剤層が厚くなってくると、マスキングテープを集電体から剥離する際に、集電体上の電極合剤とマスキングテープ上の電極合剤との分離時のパターン精度が粗くなり、また、分離時に活物質が剥離しやすくなり異物の発生源となりやすい問題があった。

本発明の課題は、信頼性の高い非水電解質二次電池および、それに用いる非水電解質二次電池用電極の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するため本発明の非水電解質二次電池用電極の製造方法は、金属箔からなる集電体上に間隔を置いてマスキングテープを貼付する工程と、前記マスキングテープおよび前記集電体上に活物質と結着剤を含む電極合剤を塗布、乾燥し塗工体を形成する工程と、前記塗工体を圧延ロールにより加圧成型し圧延体を形成する工程と、前記圧延体のマスキングテープ貼付部を、前記マスキングテープ上の前記電極合剤、前記マスキングテープおよび前記集電体ごと切断する工程と、前記マスキングテープを前記集電体から剥離する工程をと、含むことを特徴とする。

また、前記マスキングテープの厚さが、前記圧延体の電極合剤の厚さと同等であることを特徴とする。

また、本発明の非水電解質二次電池は、予め集電体の切断する領域にマスキングテープを貼付した金属箔からなる集電体上に活物質と結着剤を含む電極合剤を塗布、乾燥、圧延し、マスキングテープを切断し、剥離して製造された電極を備えたことを特徴とする。

また、前記活物質としてリチウム含有複合酸化物を用い、前記集電体としてアルミニウム箔を用いた電極を正極に備えたことを特徴とする。さらに、前記活物質として炭素材料を用い、前記集電体として銅箔を用いた電極を負極に備えたことを特徴とする。

本発明の非水電解質二次電池電池用電極の製造方法およびそれを用いた非水電解質二次電池によれば、非水電解質二次電池電池用電極を形成する際の圧延体の切断時に、集電体上の電極合剤を直接切断することがないため、電極の切断面からは、正極あるいは負極から正極活物質粒子あるいは負極活物質粒子等の脱落を発生させず、自己放電等の不具合を発生させないような信頼性の高い非水電解質二次電池用電極およびそれを用いた非水電解質二次電池を提供することができる。また、マスキングテープの厚さを電極合剤の厚さと同等とすることにより、マスキングテープ上の電極合剤を薄くでき、マスキングテープ剥離後の電極合剤、即ち正極活物質層あるいは負極活物質層の端面を精度よく成形を行うことによって、セパレーターを介しての正極活物質層と負極活物質層の積層精度の設計マージンを少なくすることが可能となり材料を低減することができる。

本発明の非水電解質二次電池用電極の製造方法における集電体上にマスキングテープを形成する工程を示す斜視図。本発明の非水電解質二次電池用電極の製造方法における集電体上に電極合剤を塗布乾燥する工程を示す図、図２(a)は塗工装置全体の模式断面図、図２（ｂ）は塗布部の模式断面図。本発明の非水電解質二次電池用電極の製造方法における集電体上に電極合剤を塗工した工程を示す斜視図。本発明の非水電解質二次電池用電極の製造方法における電極合剤を塗工した塗工体の断面図。本発明の非水電解質二次電池用電極の製造方法における圧延体の断面図。本発明の非水電解質二次電池用電極の製造方法における切断部分を示す圧延体の断面図。本発明の非水電解質二次電池用電極の製造方法における切断後の圧延体の断面図。参考例の非水電解質二次電池用電極の製造方法における切断後の圧延体の平面図。本発明の非水電解質二次電池用電極の製造方法における切断後の圧延体の平面図。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。

先ず、本発明に使用する集電体について説明する。集電体としては、正極集電体はアルミニウム箔、負極集電体は銅箔等の金属箔を用いる。集電体の厚さは５〜５０μｍ程度である。図１に示すようにこの集電体１の上に電極サイズに切断する間隔毎にあらかじめマスキングテープ２を貼り付ける。ここでマスキングテープの厚さは電極合剤の加圧成型後の厚さと同等であるとよい。例えば電極合剤の加圧後の厚さが８０μｍの場合は、７０〜８０μｍの厚さのマスキングテープを選択するとよい。マスキングテープの幅は切断精度等から３〜６ｍｍ程度がよい。マスキングテープの材質はクレープ紙、ポリエステルなどのプラスチック系等の基材上にゴム系やアクリル系の粘着材を形成したものが用いられる。

次に、電極合剤について説明する。正極の電極合剤は例えばマンガン酸リチウムからなる正極活物質粒子に、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）からなる結着剤とアセチレンブラックからなる導電剤をミキサーにより混合して作製する。負極の電極合剤は例えばグラファイト粉末からなる負極活物質粒子に、ＰＶＤＦからなる結着剤とアセチレンブラックからなる導電剤をミキサーにより混合して作製する。

上述のように作製した電極合剤を、図２に示すように塗工装置４０により、マスキングテープ２が予め貼り付けられた集電体１の上に塗布、乾燥し、塗工体５を形成する。ここでヘッドの先端にブレード、ナイフ等を用いた場合には電極合剤３の塗布部となるヘッド４の先端と集電体１との距離が固定されるため、マスキングテープ１の有無にかかわらず、塗布された塗工体５の表面は平滑となる。

図３に示すようにマスキングテープ２を貼り付けた集電体上の全面に電極合剤が形成され塗工体５となる。なお、図３において塗工体５の部分には集電体と区別のため斜線を施した。次に図４の塗工体５の断面図に示すように反対面側も同様なプロセスでマスキングテープ２を対抗面と位置合わせして貼り付けた集電体１上に電極合剤を形成して塗工体５を形成する。

次に集電体の両面に形成された塗工体を圧延ロールにより加圧成型して所定の厚みまで圧縮し図５の断面図に示すように高密度の電極合剤が形成された圧延体６とする。ここでマスキングテープ２上の部分の圧延体６ａとマスキングテープが無い部分の圧延体６は厚みが異なるために圧縮率が異なり、この圧延体６、６ａの境界８に歪みが生ずる。

次に圧延体を所望の電極サイズにカッター、スリッター等により切断する。その際には図６に示すようにマスキングテープ２の貼付部を切断位置９として切断する。次に図７に示すようにマスキングテープ２を集電体１から剥離し、非水電解質二次電池用電極とする。剥離したマスキングテープ２上の圧延体６ａはマスキングテープ２と一緒に剥離され、切断部の集電体には圧延体が残らない構造となる。ここでマスキングテープ２の集電体１からの剥離の際には、マスキングテープ２上の部分の圧延体６ａとマスキングテープが無い部分の圧延体６の間の境界には歪が発生しているため境界に沿って圧延体６、６ａは分離しやすく、またマスキングテープ上の圧延体６ａは厚みが薄いためマスキングテープ２の剥離の際は分離しやすい構造となる。なおここでは切断した後にマスキングテープを剥離する順に説明したが、マスキングテープを集電体から剥離した後に、マスキングテープが貼り付けられていた集電体の露出部分を所望の電極サイズに切断することもできる。

ここで圧延を行わず集電体上とマスキングテープ上との塗工体の境界に歪を生じることなくマスキングテープを集電体から剥離する場合には、マスキングテープの剥離時に塗工体の分離面となる境界がはっきりせず、マスキングテープの剥離後の塗工体の端面を上部から見た場合には凹凸が大きく、直線状に精度よく分離することができず、端面の形状は直線性からの変形が生ずる。また、端面の形状の変形が起きた場合には塗工体の分離したときの剥離量も多くなり、異物の発生が多くなり信頼性が低下する。

また、圧延を行った場合でも、マスキングテープ上の圧延体は薄いほうが好ましい。マスキングテープ上の圧延体が薄い場合には、マスキングテープを剥離する際に圧延体の分離したときの剥離量が厚い場合に比べ相対的に少なくなる。

上述のように製造した非水電解質二次電池用電極、即ち正極として使用する場合には例えば、正極活物質としてリチウム含有複合酸化物を用い、集電体としてはアルミニウム箔を用い、負極として使用する場合には負極活物質として炭素材料を用い、集電体として銅箔を用いてそれぞれ正極、負極とする。これらの正極、負極をセパレータを介して積層或いは巻回して非水電解質とともに外装体に収納し非水電解質二次電池とすることができる。

次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する。非水電解質二次電池用電極としてリチウムイオン電池の正極を例に説明する。

(実施例１)
図１に示すように正極の集電体１としては２０μｍ厚、幅２５０ｍｍのアルミ箔を用いた。アルミ箔からなる集電体１上に電極サイズとなる２５０ｍｍ間隔（後の切断ラインとなる個所）にポリエステルの基材上にアクリル系の粘着材を形成したマスキングテープ２（幅３mm、厚み７０μｍ）を貼り付ける。

次にマンガン酸リチウムからなる正極活物質粒子に、ＰＶＤＦからなる結着剤とアセチレンブラックからなる導電剤をミキサーにより混合した電極合剤を製作する。図２に示すように電極合剤３をマスキングテープ２があらかじめ貼り付けられた集電体１上に塗工装置４０のヘッド４から電極合剤３を塗布する。ここで塗工体５の厚さは集電体１とヘッド４との距離で決まり、塗工体５の厚みを１１０μｍとなるように設定した。電極合剤３が塗布された集電体１を１３０℃の乾燥工程を経て乾燥し、図３に示すように集電体１上に塗工体５を形成した。次に塗工体を形成した面の反対側の面にもマスキングテープを貼り付けた位置と対向する位置に同様にマスキングテープ２を貼り付け、電極合剤を塗布、乾燥し、塗工体５を形成する。集電体１の両面にマスキングテープ２、塗工体５を形成した時の塗工体の断面図を図４に示す。

その後、集電体の両面に形成された塗工体を圧延ロールにより圧延を行い片側の圧延体６の厚さが８０μｍの厚みまで圧縮した。この時の圧延体の断面図を図５に示す。

次に、図６に示す圧延体のマスキングテープを貼り付けた部分を切断位置９としてカッターにより製品サイズ毎に切断した。その後、図７に示すようにマスキングテープ２を集電体１から剥離した。

図９にマスキングテープを剥離した時の上側から見た圧延体パターン１２を示す。マスキングテープを剥離した部分の圧延体の端面の凹凸、即ちパターン精度１２ａは５μｍであった。

(実施例２)
マスキングテープの厚さを５０μｍとした以外は実施例１と同様にして圧延体を作製しマスキングテープを集電体から剥離した部分の圧延体の端面の凹凸、を観察した結果、パターン精度は１０μｍであった。

（比較例）
実施例と同様に塗工体を形成した後、圧延を行わないでマスキングテープを剥離した場合の表面から見た塗工体パターン１１を図８に示す。マスキングマスキングテープを剥離した部分の塗工体の端面の凹凸、即ちパターン精度１１ａは、パターンの境界が明確ではなく４０μｍとなった。

圧延を行わずマスキングテープの有無の境界面に歪を与えない場合には、マスキングテープの剥離時に分離面がはっきりせず、上側から見た場合は剥離部分は凹凸の大きい状態で分離され、パターンの端部は直線からの偏倚が大きい。また、パターンの端部の凹凸が大きい場合、電極となる電極活物質粒子等の剥奪量も大きくなり、信頼性が低下する。また、マスキングテープの厚さが薄い場合には、マスキングテープ上の塗工体、圧延体が厚くなり、パターンの端部のパターン精度を上げるためにはマスキングテープの厚さは、圧延体の厚さと同等であることが好ましい。

１集電体
２マスキングテープ
３電極合剤
４ヘッド
５塗工体
６圧延体
６ａ（マスキングテープ上の）圧延体
８境界
９切断位置
１１塗工体パターン
１１ａパターン精度
１２圧延体パターン
１２ａパターン精度
４０塗工装置

Claims

金属箔からなる集電体上に間隔を置いてマスキングテープを貼付する工程と、
前記マスキングテープおよび前記集電体上に活物質と結着剤を含む電極合剤を塗布、乾燥し塗工体を形成する工程と、
前記塗工体を圧延ロールにより加圧成型し圧延体を形成する工程と、
前記圧延体のマスキングテープ貼付部を、前記マスキングテープ上の前記電極合剤、前記マスキングテープおよび前記集電体ごと切断する工程と、
前記マスキングテープを前記集電体から剥離する工程と、を含むことを特徴とする非水電解質二次電池用電極の製造方法。
前記マスキングテープの厚さが、前記圧延体の電極合剤の厚さよりも０〜３０μｍ小さいことを特徴とする請求項１に記載の非水電解質二次電池用電極の製造方法。
前記塗工体の表面は前記マスキングテープ上と前記集電体上との間で平滑に形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の非水電解質二次電池用電極の製造方法。