JP5720411B2 - 非水電解質二次電池の製造方法 - Google Patents
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Description
1−1.組電池
本形態の組電池BPは,図1に示すように,電池100を直列に接続した組電池である。電池100は,角型の単電池である。組電池BPでは,図1に示すように,電池100の正極端子と,その電池100に隣り合う電池100の負極端子とが,バスバー190を介して締結されている。この締結は,ボルトとナットによりなされている。
電池100は,リチウムイオン二次電池である。電池100の概略構成を図2の断面図に示す。図2は,図1に示した組電池BPから電池100を取り出して描いたものである。電池容器110は,図2に示すように,電池容器本体120と,封口板130とを備えるものである。電池容器110の内部には,捲回電極体10が配置されている。この捲回電極体10は,実際に発電に寄与する発電要素である。封口板130は,電池容器本体120の開口部を塞ぐためのものである。そのため,電池容器本体120に接合されている。
図3は,捲回電極体10を示す斜視図である。図3に示すように,捲回電極体10は扁平形状をしている。捲回電極体10の一方の端部には,正極端部30が突出している。正極端部30は,後述するように,正極板の正極芯材が突出している箇所である。捲回電極体10の他方の端部には,負極端部40が突出している。負極端部40は,後述するように,負極板の負極芯材が突出している箇所である。
図5は,正極板P(もしくは負極板N)の斜視断面図である。図5中の括弧外の各符号は,正極の場合の各部を,括弧内の各符号は,負極の場合の各部を示している。図5中の矢印Aが示す方向は,図4中の矢印Aが示す方向と同じである。すなわち,正極板P(もしくは負極板N)の幅方向である。図5中の矢印Bが示す方向は,図4中の矢印Bが示す方向と同じである。すなわち,正極板P(もしくは負極板N)の長手方向である。
ここで,電池の製造方法の概要について説明する。図6に示すように,本形態の電池の製造方法は,正極用塗工液作製工程と,正極板作製工程と,負極用塗工液作製工程と,負極板作製工程と,電極体作製工程と,電池組立工程とを有する方法である。なお,正極板の作製と負極板の作製とは,いずれを先に行ってもよい。
本形態の電池の製造方法は,正極用塗工液作製工程に特徴点を有する。したがって,まず,正極用塗工液作製工程について説明する。本形態の正極用塗工液作製工程は,図7および次に示すように,導電材分散工程と,粉状結着材混合工程と,正極活物質混合工程とを有する。これらの工程には,従来の混練機を用いればよい。
(A−1)導電材分散工程
(A−2)粉状結着材混合工程
(A−3)正極活物質混合工程
まず,溶媒に,導電材を混入する。溶媒および導電材は,上記のものから選んでよい。そして,導電材を混合した溶液に,比較的強いせん断力を与えて導電材を分散させる。この混練により,導電材溶液が作製される。
続いて,導電材溶液に結着材を混入する。ここで,導電材溶液に混入するのは,結着材を分散させた結着材溶液ではなく,粉状の結着材である。そして,粉状の結着材を投入後には,強いせん断力を加えずに混練を行う。そのため,結着材が導電材を被覆することを抑制できる。これにより,溶媒中に導電材と結着材とを含む導電材結着材溶液が作製される。
続いて,導電材結着材溶液に,正極活物質を混入する。そして,正極活物質を混入した導電材結着材溶液を適宜攪拌する。この際の攪拌についても,それほど大きなせん断力を加えない。したがって,正極活物質は結着材に被覆されにくい。これにより,正極用塗工液が作製される。
本形態のリチウムイオン二次電池の製造方法は,前述の正極用塗工液作製工程を採用することに特徴のある方法である。そして,本形態のリチウムイオン二次電池の製造方法は,次に示す製造工程を有する。
(A)正極用塗工液作製工程
(A−1)導電材分散工程
(A−2)粉状結着材混合工程
(A−3)正極活物質混合工程
(B)正極板作製工程
(C)負極用塗工液作製工程
(D)負極板作製工程
(E)電極体作製工程
(F)電池組立工程
前述のとおり,(A−1)導電材分散工程と,(A−2)粉状結着材混合工程と,(A−3)正極活物質混合工程とを経て,正極用塗工液が得られる。ここで用いる正極活物質,導電材,増粘材,結着材,溶媒として,上記の正極用材料を用いればよい。
上記の正極用塗工液作製工程により作製された正極用塗工液を,正極芯材PBであるアルミニウム箔に塗工して正極用ペースト層とする。正極用ペースト層とは,正極合材層PAの乾燥前の層のことである。次に,正極用ペースト層の形成された正極芯材PBを乾燥炉の内部に搬送しつつその正極用ペースト層を乾燥させる。これにより,正極芯材PBに正極合材層PAが形成される。ここで,正極芯材PBの両面に正極合材層PAを形成することが好ましい。これにより,正極板Pが作製される。なお,正極板Pに適宜ロールプレス工程やスリット工程を施してもよい。
負極の混練については,従来どおりでよい。すなわち,上記の負極活物質と増粘材と結着材とを溶媒に一括して混入する。負極活物質が,導電性のある炭素系材料であり,別途導電材を混入する必要がないからである。上記の負極活物質等を溶媒に混入した後,適宜攪拌する。これにより,負極用塗工液が作製される。
負極板Nについても正極板Pと同様に作製する。つまり,負極芯材NBである銅箔に負極用塗工液を塗工する。そして,乾燥炉内で負極用ペースト層を乾燥させることで,負極板Nが作製される。
続いて,捲回電極体10を作製する。その際に,図4に示したように,正極板Pおよび負極板Nに,これらの間にセパレータS,Tを介在させて積み重ねた状態で捲回する。これにより,円筒形状の捲回電極体が作製される。この円筒形状の捲回電極体を円筒の径方向から圧縮することにより,図3に示したような扁平形状の捲回電極体10が作製される。
次に,捲回電極体10を電池容器本体120に収容する。また,封口板130を電池容器本体120に接合する。この接合にレーザ溶接を用いるとよい。もちろん,その他の接合方法を用いてもよい。そして,注液孔140から電池容器本体120の内部に電解液を注入する。次に,蓋体170を封口板130に接合する。これにより,電池100が組み立てられる。
電池容器110の内部に電解液を注入した後,電解液は捲回電極体10の正極合材層PAおよび負極合材層NAに徐々に含浸していく。この電解液の含浸後に,初期充電工程や高温エージング工程等を施すこととするとよい。また,その他の各種の検査工程を行ってもよい。以上の工程を経ることにより,本形態の電池100が製造される。
5−1.本形態の電池
本形態の電池の製造方法により製造された電池100の正極板Pでの正極合材層PAの内部構造を概念的に描いた図を図8に示す。図8では,結着材にドットのハッチングを施している。正極活物質にはハッチングを施していない。導電材については黒く塗りつぶしてある。
図8に示すように,正極活物質の表面は,それほど結着材に覆われていない。そのため,多くのリチウムイオンが正極活物質の表面に到達しやすい。したがって,リチウムイオンのインターカレーションやデインターカレーションが起こりやすい。つまり,正極活物質の大部分が電極反応に寄与する。そのため,電池の直流抵抗は小さい。さらに,特にハイレート充放電を行う際に,出力の低下がそれほどない。
さらに,結着材は導電材の表面の一部も覆っている。しかし,正極活物質の場合と同様に,結着材が導電材の表面を覆いつくすことはない。つまり,この正極用塗工液を用いて製造される電池における電子伝導性はよい。
従来の電池の正極板での正極合材層の内部構造を概念的に描いた図を図9に示す。図9において,結着材,正極活物質,導電材に施したハッチングについては,図8と同様である。図9に示すように,結着材は,正極活物質の表面の大部分を覆っている。そのため,リチウムイオンの到達しうる正極活物質の表面積は,本形態の正極板Pにおける正極活物質の表面積より十分に小さい。つまり,正極活物質の電極反応への寄与が少ない。そのため,電池の直流抵抗は,本形態の電池に比べて高い。
6−1.電極体の形状
本形態では,扁平形状の捲回電極体10を備えるリチウムイオン二次電池の製造方法について説明した。しかし,扁平形状の捲回電極体10を有する電池に限らない。円筒形状の捲回電極体を用いることもできる。また,捲回しないで正極板と負極板とを平積みした電極体を用いる電池にも適用することができる。その他,正極板と負極板とを積層した積層電極体を備える電池であれば適用可能である。
以上,詳細に説明したように,本実施の形態に係る電池の製造方法は,正極用塗工液作製工程を有する。正極用塗工液作製工程は,導電材分散工程と,粉状結着材混合工程と,正極活物質混合工程とを有する。粉状結着材混合工程では,導電材を分散させた導電材溶液に粉体状の結着材を混入する。そしてその後に,正極活物質を混入する。そのため,結着材が正極活物質を覆いつくすことはほとんどない。これにより,出力特性の優れた非水電解質二次電池とその製造方法が実現されている。
ここで,結着材と電池性能との関連性について行った実験を説明する。この実験では,結着材として,次のものを用いた電池を作製し,その電池性能を比較した。
正極用塗工液の結着材の添加方法
実施例 粉状で添加
比較例 溶液状で添加
この実施例と比較例とでは,上記以外の相違点を除いて,共通の条件を採用した。
正極用塗工液
正極活物質 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2
導電材 アセチレンブラック(AB)
結着材 ポリフッ化ビニリデン(PVDF)
溶媒 NMP
負極用塗工液
負極活物質 グラファイト
結着材 スチレンブタジエンゴム(SBR)
増粘材 カルボキシメチルセルロース(CMC)
溶媒 水
本実験では,次の測定項目について評価した。
B−1)直流抵抗
B−2)出力特性
本実験では,直流抵抗を,インピーダンス測定から求めた。また,本実験では,出力特性を,0.1A/cm2の定電流で放電したときの電圧の時間変化により評価することとした。
上記の実験を行った結果,電池の直流抵抗は,表2に示す結果となった。実施例の電池では,その直流抵抗は15.3mΩであった。一方,比較例の電池では,その直流抵抗は16.5mΩであった。このように,実施例の電池の直流抵抗は,比較例の電池の直流抵抗より低い。
直流抵抗
実施例 15.3mΩ
比較例 16.5mΩ
30…正極端部
40…負極端部
50…正極端子
60…負極端子
100…電池
110…電池容器
120…電池容器本体
130…封口板
140…注液孔
150…絶縁部材
160…絶縁部材
170…蓋体
BP…組電池
P…正極板
P1…正極塗工部
P2…正極非塗工部
N…負極板
N1…負極塗工部
N2…負極非塗工部
S,T…セパレータ
Claims (1)
- 少なくとも正極活物質と導電材と結着材とを溶媒に混入するとともに混練して正極用塗工液を作製する正極用塗工液作製工程と,
前記正極用塗工液を正極芯材に塗工して乾燥させることで正極板とする正極板作製工程と,
前記正極板と負極板とをこれらの間にセパレータを挟んだ状態で積み重ねて電極体とする電極体作製工程と,
前記電極体を電池容器に収容するとともに前記電池容器に電解液を注入して非水電解質電池とする電池組立工程とを有し,
前記正極用塗工液作製工程は,
溶媒に導電材を混入するとともに混練を行い,導電材を分散させて導電材溶液とする導電材分散工程と,
前記導電材溶液に粉状の結着材を混入して混練を行い,導電材結着材溶液とする粉状結着材混合工程と,
前記導電材結着材溶液に正極活物質を混入して撹拌を行い,正極用塗工液とする正極活物質混合工程とを有し,
前記粉状結着材混合工程における混練および前記正極活物質混合工程における撹拌をともに,前記導電材分散工程における混練のせん断力よりも弱いせん断力で行うことを特徴とする非水電解質二次電池の製造方法。
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