JP5775444B2 - Nonaqueous electrolyte battery electrode and nonaqueous electrolyte battery - Google Patents
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Description
本発明は、非水電解質電池に関し、特にシート状の導電性芯材と、その表面に配されたセラミックス膜で構成された活物質層とを有し、かつ柔軟性を有する非水電解質電池用電極に関する。 The present invention relates to a non-aqueous electrolyte battery, and in particular, for a non-aqueous electrolyte battery having a sheet-like conductive core material and an active material layer composed of a ceramic film disposed on the surface thereof and having flexibility. It relates to an electrode.
近年、パソコン、携帯電話などの電子機器のモバイル化が急速に進んでいる。これらの電子機器の電源として、小型で軽量かつ高容量な一次電池や二次電池が必要とされている。また、ハイブリッド自動車(HEV)や電気自動車用の電源として、高率充放電特性に優れた二次電池が必要とされている。これらの理由から、高容量で出力特性に優れた非水電解質電池の開発が広く行われている。 In recent years, electronic devices such as personal computers and mobile phones are rapidly becoming mobile. As power sources for these electronic devices, small, light, and high capacity primary batteries and secondary batteries are required. Further, as a power source for a hybrid vehicle (HEV) or an electric vehicle, a secondary battery excellent in high rate charge / discharge characteristics is required. For these reasons, non-aqueous electrolyte batteries having high capacity and excellent output characteristics have been widely developed.
非水電解質電池は、正極、負極およびこれらの間に介在するセパレータを備える。電極は、一般に、導電性芯材と、導電性芯材の表面に配された活物質層とを含む。活物質層の主流は合剤層であり、合剤層は、活物質を必須成分として含み、バインダー、導電材などを任意成分として含む。一方、電極の活物質密度を高めるために、バインダーや導電材を含まないセラミックス膜を活物質層として用いる検討も行われている。 The nonaqueous electrolyte battery includes a positive electrode, a negative electrode, and a separator interposed therebetween. The electrode generally includes a conductive core material and an active material layer disposed on the surface of the conductive core material. The mainstream of the active material layer is a mixture layer, and the mixture layer includes an active material as an essential component, and includes a binder, a conductive material, and the like as optional components. On the other hand, in order to increase the active material density of the electrode, studies have been made to use a ceramic film containing no binder or conductive material as an active material layer.
セラミックス膜は、焼結が可能な無機系活物質(例えば金属酸化物)の焼結体であり、例えば以下の方法で得られる。
まず、活物質、バインダーおよび分散媒を混合して、活物質スラリーを調製する。次に、活物質スラリーを支持体に塗布し、乾燥させて、活物質グリーンシートを作製する。活物質グリーンシートを所望の厚さになるように積層し、積層体を、例えば500〜1000℃で焼成することで、活物質の焼結体であるセラミックス膜が得られる。得られた焼結体を導電性芯材に固定することで、活物質層が得られる。
The ceramic film is a sintered body of an inorganic active material (for example, metal oxide) that can be sintered, and can be obtained by, for example, the following method.
First, an active material, a binder, and a dispersion medium are mixed to prepare an active material slurry. Next, an active material slurry is apply | coated to a support body and it is made to dry, and an active material green sheet is produced. An active material green sheet is laminated so as to have a desired thickness, and the laminate is fired at, for example, 500 to 1000 ° C. to obtain a ceramic film that is a sintered body of the active material. An active material layer is obtained by fixing the obtained sintered body to the conductive core material.
しかし、上記のように、セラミックス膜を形成した後、これを導電性芯材に固定して活物質層を形成する場合、活物質層と導電性芯材との接触抵抗が大きくなりやすい。活物質層と導電性芯材との接触抵抗が大きくなると、集電効率が低くなり、十分な容量が得られなかったり、出力特性が低下したりする。 However, as described above, when the ceramic material is formed and then fixed to the conductive core material to form the active material layer, the contact resistance between the active material layer and the conductive core material tends to increase. When the contact resistance between the active material layer and the conductive core is increased, the current collection efficiency is lowered, and sufficient capacity cannot be obtained or the output characteristics are deteriorated.
一方、導電性芯材とともに活物質グリーンシートを焼成すると、活物質層と導電性芯材との接触抵抗を小さくすることができるが、導電性芯材が劣化しやすい。特にAlを含む導電性芯材は耐熱性が低いため、このような劣化が顕著である。 On the other hand, when the active material green sheet is fired together with the conductive core material, the contact resistance between the active material layer and the conductive core material can be reduced, but the conductive core material tends to deteriorate. In particular, since the conductive core material containing Al has low heat resistance, such deterioration is remarkable.
また、セラミックス膜は高密度であり、樹脂バインダーなどを含まないため、柔軟性に乏しい。柔軟性が不十分であると、取り扱いが困難になるとともに、二次電池においては、充放電に伴う応力を緩和することが困難となる。従って、セラミックス膜は、粉砕されやすく、サイクル特性が低下しやすい。 Moreover, since the ceramic film has a high density and does not contain a resin binder or the like, it is poor in flexibility. When the flexibility is insufficient, handling becomes difficult, and in the secondary battery, it becomes difficult to relieve stress accompanying charge / discharge. Therefore, the ceramic film is easily pulverized, and the cycle characteristics are likely to deteriorate.
ここで、特許文献1は、活物質層に、スリット状などの溝を形成することにより、活物質層と芯材との密着性を向上させることができると述べている。
また、特許文献2は、焼結体の機械的強度を向上させるために、焼結体の内部に繊維状補強材を分散させることを提案している。
Here,
Patent Document 2 proposes to disperse a fibrous reinforcing material inside the sintered body in order to improve the mechanical strength of the sintered body.
セラミックス膜により形成された活物質層の導電性芯材との密着性は、特許文献1のように、活物質層に溝を形成することにより、ある程度向上すると考えられる。しかし、セラミックス膜に大きな衝撃や応力が付与されると、その粉砕を防ぐことは困難である。したがって、活物質層に溝を形成しても、活物質層と導電性芯材との接触抵抗を低減することはできない。
The adhesion of the active material layer formed of the ceramic film to the conductive core material is considered to be improved to some extent by forming a groove in the active material layer as in
特許文献2のように、焼結体の内部に繊維状補強材を分散させると、焼結体の機械的強度は向上すると考えられるが、焼結体の粉砕を抑制する効果は限定的である。また、繊維状補強材の混入により、十分な活物質密度が得られない場合がある。さらに、焼結体の強度を高めても、活物質層と導電性芯材との接触抵抗を低減することはできない。 As in Patent Document 2, if the fibrous reinforcing material is dispersed inside the sintered body, it is considered that the mechanical strength of the sintered body is improved, but the effect of suppressing the pulverization of the sintered body is limited. . Moreover, sufficient active material density may not be obtained due to the mixing of the fibrous reinforcing material. Furthermore, even if the strength of the sintered body is increased, the contact resistance between the active material layer and the conductive core cannot be reduced.
上記のように、セラミックス膜により形成された活物質層と導電性芯材との接触抵抗を低減することは困難であり、セラミックス膜の粉砕を抑制しつつ、電極に柔軟性を付与することも困難である。 As described above, it is difficult to reduce the contact resistance between the active material layer formed of the ceramic film and the conductive core material, and it is possible to impart flexibility to the electrode while suppressing pulverization of the ceramic film. Have difficulty.
上記に鑑み、本発明の一局面は、シート状の導電性芯材と、前記導電性芯材の表面に配されたカーボン層と、前記カーボン層の表面に配された活物質層と、前記活物質層を覆う被覆層と、を有し、前記カーボン層は、厚さが0.5μmより大きく、30μm以下であり、かつ導電性炭素材料を含み、前記活物質層は、厚さ20〜120μmの少なくとも1つのセラミックス膜を含み、前記セラミックス膜は、リチウムを吸蔵および放出可能な遷移金属酸化物の焼結体であり、前記被覆層は、厚さが0.1μmより大きく、20μm以下であり、かつイオン伝導性ポリマーを含む、非水電解質電池用電極に関する。 In view of the above, one aspect of the present invention is a sheet-like conductive core, a carbon layer disposed on the surface of the conductive core, an active material layer disposed on the surface of the carbon layer, A coating layer covering the active material layer, wherein the carbon layer has a thickness of greater than 0.5 μm and less than or equal to 30 μm and includes a conductive carbon material, and the active material layer has a thickness of 20 to 120 μm of at least one ceramic film, the ceramic film is a transition metal oxide sintered body capable of inserting and extracting lithium, and the coating layer has a thickness greater than 0.1 μm and less than 20 μm. The present invention also relates to an electrode for a nonaqueous electrolyte battery, which includes an ion conductive polymer.
本発明の他の局面は、正極、負極、前記正極と前記負極との間に介在するセパレータおよび非水電解質を備え、前記正極、前記負極および前記セパレータが、積層または捲回されて電極群を構成しており、前記正極および前記負極の少なくとも一方が、上記のセラミックス膜を含む電極である、非水電解質電池に関する。 Another aspect of the present invention includes a positive electrode, a negative electrode, a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and a non-aqueous electrolyte. The positive electrode, the negative electrode, and the separator are stacked or wound to form an electrode group. The present invention relates to a nonaqueous electrolyte battery in which at least one of the positive electrode and the negative electrode is an electrode including the ceramic film.
本発明によれば、高容量な非水電解質電池用電極を得るために、活物質の焼結体であるセラミックス膜を用いる場合に、活物質層と導電性芯材との密着性を向上させることができる。その結果、活物質層と導電性芯材との接触抵抗を低減することができる。また、セラミックス膜が粉砕されにくくなり、さらに、粉砕された場合でも、二次電池のサイクル特性の低下を抑制することができる。 According to the present invention, in order to obtain a high-capacity non-aqueous electrolyte battery electrode, when a ceramic film which is a sintered body of an active material is used, the adhesion between the active material layer and the conductive core material is improved. be able to. As a result, the contact resistance between the active material layer and the conductive core material can be reduced. In addition, the ceramic film is less likely to be pulverized, and even when pulverized, it is possible to suppress a decrease in cycle characteristics of the secondary battery.
本発明の非水電解質電池用電極は、シート状の導電性芯材と、導電性芯材の表面に配されたカーボン層と、カーボン層の表面に配された活物質層と、活物質層を覆う被覆層とを有する。活物質層は、少なくとも1つのセラミックス膜を含む。すなわちセラミックス膜は、カーボン層を介して導電性芯材の表面に固定されている。被覆層は、セラミックス膜の導電性芯材への固定を補強している。セラミックス膜は、リチウムを吸蔵および/または放出可能な遷移金属酸化物である活物質の焼結体である。 An electrode for a nonaqueous electrolyte battery of the present invention includes a sheet-like conductive core material, a carbon layer disposed on the surface of the conductive core material, an active material layer disposed on the surface of the carbon layer, and an active material layer And a covering layer covering. The active material layer includes at least one ceramic film. That is, the ceramic film is fixed to the surface of the conductive core material via the carbon layer. The coating layer reinforces the fixing of the ceramic film to the conductive core material. The ceramic film is a sintered body of an active material that is a transition metal oxide capable of occluding and / or releasing lithium.
カーボン層は、導電性炭素材料を含んでおり、集電効率を向上させる機能を有する。導電性炭素材料は、セラミックス膜に比べて柔軟性が高いため、カーボン層は活物質層に加えられる応力を緩和する作用も有する。セラミックス膜を、カーボン層を介さずに導電性芯材の表面に固定する場合、導電性芯材とセラミックス膜との接触面積が小さくなり、活物質層と導電性芯材との接触抵抗が大きくなる。 The carbon layer contains a conductive carbon material and has a function of improving current collection efficiency. Since the conductive carbon material has higher flexibility than the ceramic film, the carbon layer also has an action of relaxing stress applied to the active material layer. When the ceramic film is fixed to the surface of the conductive core material without using a carbon layer, the contact area between the conductive core material and the ceramic film is reduced, and the contact resistance between the active material layer and the conductive core material is increased. Become.
活物質層を覆う被覆層は、イオン伝導性ポリマーを含んでいる。イオン伝導性ポリマーは粘性を有する。したがって、被覆層の存在により、活物質層と導電性芯材との密着性が飛躍的に向上する。その結果、活物質層と導電性芯材との接触抵抗がさらに低減し、集電効率がさらに向上する。なお、被覆層が存在しない場合、活物質層と導電性芯材との接触抵抗を十分に低減するためには、非常に厚いカーボン層が必要となる。また、厚いカーボン層であっても、セラミックス層を導電性芯材に固定する機能は極めて限定的である。一方、被覆層が存在する場合には、カーボン層が効果的に作用するため、カーボン層が薄くても、活物質層と導電性芯材との接触抵抗が低減しやすい。 The coating layer covering the active material layer contains an ion conductive polymer. The ion conductive polymer has a viscosity. Therefore, the adhesion between the active material layer and the conductive core material is dramatically improved by the presence of the coating layer. As a result, the contact resistance between the active material layer and the conductive core material is further reduced, and the current collection efficiency is further improved. When there is no coating layer, a very thick carbon layer is required to sufficiently reduce the contact resistance between the active material layer and the conductive core material. Moreover, even if it is a thick carbon layer, the function which fixes a ceramic layer to an electroconductive core material is very limited. On the other hand, when the coating layer is present, the carbon layer acts effectively, so that even if the carbon layer is thin, the contact resistance between the active material layer and the conductive core is likely to be reduced.
活物質層を覆う被覆層には、セラミックス膜自体の強度を補強する効果もある。被覆層により、セラミックス膜が補強されているため、充放電の繰り返しによる応力や大きな衝撃がセラミックス膜に付与された場合でも、その粉砕を抑制することができる。 The covering layer covering the active material layer also has an effect of reinforcing the strength of the ceramic film itself. Since the ceramic film is reinforced by the coating layer, the pulverization can be suppressed even when a stress or a large impact due to repeated charge / discharge is applied to the ceramic film.
さらに、被覆層は、セラミックス膜が粉砕された場合に、活物質が導電性芯材から脱落することを防止する。被覆層によるセラミックス膜を導電性芯材に固定する作用により、セラミックス膜が粉砕された場合でも、カーボン層との接触を失いにくい。従って、例えば二次電池の充放電の繰り返しによる応力でセラミックス膜が粉砕されてしまった場合でも、比較的良好なサイクル特性を維持することが可能である。 Furthermore, the coating layer prevents the active material from falling off the conductive core material when the ceramic film is pulverized. Even when the ceramic film is pulverized by the action of fixing the ceramic film by the coating layer to the conductive core material, it is difficult to lose contact with the carbon layer. Therefore, for example, even when the ceramic film is pulverized due to stress due to repeated charge and discharge of the secondary battery, it is possible to maintain relatively good cycle characteristics.
被覆層には、導電性材料が含まれていてもよい。導電性材料としては、例えば、カーボン層を構成する導電性炭素材料として使用できる材料を用いることができるが、特に限定されない。 The covering layer may contain a conductive material. As the conductive material, for example, a material that can be used as the conductive carbon material constituting the carbon layer can be used, but it is not particularly limited.
本発明の好ましい態様においては、複数のセラミックス膜が、カーボン層の表面にランダムに、または規則的に配列されている。例えば、複数のセラミックス膜は、カーボン層の表面に、格子状もしくはタイル状に配列されていることが好ましい。 In a preferred embodiment of the present invention, a plurality of ceramic films are arranged randomly or regularly on the surface of the carbon layer. For example, the plurality of ceramic films are preferably arranged in a lattice shape or a tile shape on the surface of the carbon layer.
被覆層に含まれるイオン伝導性ポリマーは、フッ素樹脂、エチレンオキサイド単位を含む樹脂、アクリロニトリル単位を含む樹脂およびアクリレート単位を含む樹脂よりなる群から選択される少なくとも1種であることが好ましい。また、フッ素樹脂は、フッ化ビニリデン単位を含む共重合体またはポリフッ化ビニリデンを含むことが好ましい。これらの樹脂は、単独で用いてもよく、複数種を組み合わせて用いてもよい。 The ion conductive polymer contained in the coating layer is preferably at least one selected from the group consisting of a fluororesin, a resin containing an ethylene oxide unit, a resin containing an acrylonitrile unit, and a resin containing an acrylate unit. Moreover, it is preferable that a fluororesin contains the copolymer or polyvinylidene fluoride containing a vinylidene fluoride unit. These resins may be used alone or in combination of two or more.
以下、本発明の非水電解質電池用電極の構成について、より詳細に説明する。
[活物質層]
活物質層は、少なくとも1つのセラミックス膜により形成されており、セラミックス膜は、リチウムを吸蔵および/または放出可能な遷移金属酸化物の焼結体である。遷移金属酸化物は、正極活物質として用いられるものでも、負極活物質として用いられるものでもよい。
Hereinafter, the configuration of the nonaqueous electrolyte battery electrode of the present invention will be described in more detail.
[Active material layer]
The active material layer is formed of at least one ceramic film, and the ceramic film is a sintered body of a transition metal oxide capable of occluding and / or releasing lithium. The transition metal oxide may be used as a positive electrode active material or may be used as a negative electrode active material.
活物質層(すなわちセラミックス膜)の厚さは、焼結体の利点を活かして、高容量の電極を得る観点からは、少なくとも20μm以上とすることが望まれる。活物質層の厚さが20μm未満であると、電池内部における活物質層の占める割合が過剰に小さくなり、高容量化が困難になる。また、セラミックス膜の強度が小さくなり、粉砕されやすくなる。 The thickness of the active material layer (that is, the ceramic film) is preferably set to at least 20 μm or more from the viewpoint of obtaining a high-capacity electrode taking advantage of the sintered body. When the thickness of the active material layer is less than 20 μm, the proportion of the active material layer in the battery becomes excessively small, and it is difficult to increase the capacity. Further, the strength of the ceramic film is reduced and the ceramic film is easily pulverized.
一方、集電効率や出力特性を確保する観点からは、活物質層の厚さは、120μm以下とすることが望まれる。厚さが120μmを超えると、電極の柔軟性が不十分になったり、活物質層と導電性芯材との密着性を確保することが困難になったりする。また、活物質層内部へのリチウムイオンの拡散が困難になり、出力特性が低下する。さらに、充放電に伴う膨張収縮の応力により、セラミックス膜が粉砕されやすくなる。 On the other hand, from the viewpoint of securing current collection efficiency and output characteristics, it is desirable that the thickness of the active material layer be 120 μm or less. When the thickness exceeds 120 μm, the flexibility of the electrode becomes insufficient, or it becomes difficult to ensure the adhesion between the active material layer and the conductive core material. Further, it becomes difficult to diffuse lithium ions into the active material layer, and the output characteristics are deteriorated. Furthermore, the ceramic film is easily pulverized by the expansion and contraction stress accompanying the charge / discharge.
容量、接触抵抗、柔軟性等を優れたバランスで得る観点から、活物質層の厚さの範囲の下限は、20μm、30μmまたは50μmであってもよい。また、活物質層の厚さの範囲の上限は、100μm、90μmまたは80μmであってもよい。活物質層の厚さの好ましい範囲は、例えば、50〜100μm、50〜80μmなどである。 From the viewpoint of obtaining an excellent balance of capacity, contact resistance, flexibility, etc., the lower limit of the thickness range of the active material layer may be 20 μm, 30 μm, or 50 μm. The upper limit of the thickness range of the active material layer may be 100 μm, 90 μm, or 80 μm. The preferable range of the thickness of the active material layer is, for example, 50 to 100 μm, 50 to 80 μm, and the like.
活物質層の厚さは、任意の10点以上の厚さの平均値として求めればよい。なお、セラミックス膜の2つの主要平坦面が凹凸を有する場合には、それらの面の中心線間の距離がセラミックス膜の厚さになる。 What is necessary is just to obtain | require the thickness of an active material layer as an average value of the thickness of arbitrary 10 points | pieces or more. In addition, when the two main flat surfaces of the ceramic film have irregularities, the distance between the center lines of these surfaces becomes the thickness of the ceramic film.
活物質層は、複数のセラミックス膜を含むことができる。複数のセラミックス膜を導電性芯材の面方向に配列させて活物質層を形成する場合、それぞれのセラミックス膜の間には隙間が存在する。従って、柔軟性を有する電極が得られる。複数のセラミックス膜は、カーボン層の表面にランダム(不規則)に配列されていてもよく、規則的に配列されていてもよい。例えば、複数のセラミックス膜は、カーボン層の表面に、格子状もしくはタイル状に配列させることができる。活物質層の均一性や、高容量化の観点からは、複数のセラミックス膜は、規則的に配列していることが好ましく、格子状に配列されていることがより好ましい。このような電極は、特に高容量であり、かつ優れた柔軟性を有する。なお、複数のセラミックス膜の形状は、特に限定されず、全て同じでもよく、それぞれが固有の形状を有してもよい。 The active material layer can include a plurality of ceramic films. When an active material layer is formed by arranging a plurality of ceramic films in the plane direction of the conductive core material, there are gaps between the ceramic films. Therefore, an electrode having flexibility can be obtained. The plurality of ceramic films may be arranged randomly (irregularly) on the surface of the carbon layer, or may be regularly arranged. For example, the plurality of ceramic films can be arranged in a lattice shape or a tile shape on the surface of the carbon layer. From the viewpoint of the uniformity of the active material layer and the increase in capacity, the plurality of ceramic films are preferably arranged regularly, and more preferably arranged in a lattice pattern. Such an electrode has a particularly high capacity and excellent flexibility. In addition, the shape of the plurality of ceramic films is not particularly limited, and may be all the same, or each may have a unique shape.
導電性芯材の一方の表面を法線方向から見たときに、セラミックス膜がその表面を覆う割合(芯材被覆率A)は、80〜98%であることが好ましい。芯材被覆率Aを80%以上とすることで、高容量化が容易となる。また、芯材被覆率Aを98%以下とすることで、隣接するセラミックス膜同士の間に十分な隙間を形成することができる。よって、高容量かつ柔軟性に優れた電極を設計しやすい。 When one surface of the conductive core material is viewed from the normal direction, the ratio of the ceramic film covering the surface (core material coverage A) is preferably 80 to 98%. When the core material coverage A is 80% or more, it is easy to increase the capacity. Further, by setting the core material coverage A to 98% or less, a sufficient gap can be formed between adjacent ceramic films. Therefore, it is easy to design an electrode having a high capacity and excellent flexibility.
また、導電性芯材の法線方向から見たときのセラミックス膜の面積(以下、上面面積)は、セラミックス膜1つあたり0.4〜100mm2であることが好ましい。セラミックス膜の1つあたりの上面面積は、例えば10個以上のセラミックス膜の上面面積の平均として求めればよい。セラミックス膜の1つあたりの上面面積を0.4mm2以上とすることで、セラミックス膜の取り扱いが容易になる。また、セラミックス膜の1つあたりの上面面積を100mm2以下とすることで、セラミックス膜がより粉砕されにくくなる。 Moreover, it is preferable that the area (henceforth, upper surface area) of the ceramic film when it sees from the normal line direction of an electroconductive core material is 0.4-100 mm < 2 > per ceramic film. What is necessary is just to obtain | require the upper surface area per one ceramic film as an average of the upper surface area of ten or more ceramic films, for example. By setting the upper surface area per ceramic film to 0.4 mm 2 or more, handling of the ceramic film becomes easy. Further, when the upper surface area per ceramic film is 100 mm 2 or less, the ceramic film is more difficult to be pulverized.
セラミックス膜の1つあたりの上面面積の好ましい範囲の下限は、0.5mm2、1mm2、3mm2または5mm2であってもよい。また、好ましい範囲の上限は、80mm2、70mm2、60mm2または25mm2であってもよい。これらの下限と上限は任意に組み合わせてよい。 The lower limit of the preferable range of the upper surface area per ceramic film may be 0.5 mm 2 , 1 mm 2 , 3 mm 2 or 5 mm 2 . Further, the upper limit of the preferable range may be 80 mm 2 , 70 mm 2 , 60 mm 2 or 25 mm 2 . These lower limits and upper limits may be combined arbitrarily.
リチウムを吸蔵および/または放出可能な遷移金属酸化物は、リチウムと遷移金属元素Meとを含む複合酸化物であってもよい。複合酸化物は、層状もしくは六方晶の結晶構造、スピネル構造またはオリビン構造を有することが好ましい。遷移金属元素Meとしては、例えば、Co、Ni、Mn、Fe、Tiなどが挙げられるが、これらに限定されない。例えば、層状もしくは六方晶の結晶構造を有するリチウム含有複合酸化物は、一般的LixMO2(0.9≦x≦1.1、0≦y≦1、0≦z≦1、Mは少なくとも1種の金属元素であり、かつCo、NiおよびMnよりなる群から選ばれる少なくとも1種の遷移金属を含む)が挙げられる。金属元素Mは、Al、Mg、Ca等の典型金属元素をその一部として含んでもよい。 The transition metal oxide capable of occluding and / or releasing lithium may be a composite oxide containing lithium and the transition metal element Me. The composite oxide preferably has a layered or hexagonal crystal structure, a spinel structure, or an olivine structure. Examples of the transition metal element Me include, but are not limited to, Co, Ni, Mn, Fe, Ti, and the like. For example, a lithium-containing composite oxide having a layered or hexagonal crystal structure is generally Li x MO 2 (0.9 ≦ x ≦ 1.1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1, M is at least And at least one transition metal selected from the group consisting of Co, Ni, and Mn. The metal element M may include a typical metal element such as Al, Mg, or Ca as a part thereof.
遷移金属酸化物の具体例としては、LiCoO2、LiNi1/2Mn1/2O2、LiNi1/2Co1/2O2、LiNiO2、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2、LiNi1/2Fe1/2O2、LiMn2O4、LiFePO4、LiCoPO4、LiMnPO4、Li4/3Ti5/3O4等が挙げられる。遷移金属酸化物は1種のみを単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。 Specific examples of the transition metal oxide include LiCoO 2 , LiNi 1/2 Mn 1/2 O 2 , LiNi 1/2 Co 1/2 O 2 , LiNiO 2 , LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3. Examples thereof include O 2 , LiNi 1/2 Fe 1/2 O 2 , LiMn 2 O 4 , LiFePO 4 , LiCoPO 4 , LiMnPO 4 , and Li 4/3 Ti 5/3 O 4 . A transition metal oxide may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type.
活物質層を構成するセラミックス膜は、焼結により互いに拡散結合した遷移金属酸化物の粒子の集合体である。従って、拡散結合する前の粒子間の隙間や、焼結の際に焼失する樹脂成分等に由来して、多孔質構造を有する。ここで、セラミックス膜の空隙率は3〜15%であることが好ましい。セラミックス膜の空隙率は、例えば10個以上のセラミックス膜の空隙率を水銀ポロシメータにより測定し、それらの平均として求めればよい。空隙率が3%以上であるセラミックス膜は、柔軟性が比較的高いため、粉砕されにくく、二次電池のサイクル特性を低下させにくい。また、空隙率が3%以上であると、十分なイオン伝導性が確保され、出力特性も維持しやすい。一方、セラミックス膜の空隙率を15%以下とすることで、電池全体に占める活物質の割合を高く維持できるため、十分な高容量化を達成しやすい。 The ceramic film constituting the active material layer is an aggregate of transition metal oxide particles that are diffusion-bonded to each other by sintering. Therefore, it has a porous structure due to a gap between particles before diffusion bonding, a resin component burned out during sintering, and the like. Here, the porosity of the ceramic film is preferably 3 to 15%. The porosity of the ceramic film may be obtained, for example, by measuring the porosity of 10 or more ceramic films with a mercury porosimeter and averaging them. A ceramic film having a porosity of 3% or more is relatively high in flexibility, so that it is difficult to be pulverized and it is difficult to deteriorate the cycle characteristics of the secondary battery. Further, when the porosity is 3% or more, sufficient ion conductivity is ensured and the output characteristics are easily maintained. On the other hand, by setting the porosity of the ceramic film to 15% or less, it is possible to maintain a high ratio of the active material in the entire battery, and thus it is easy to achieve a sufficiently high capacity.
セラミックス膜は、遷移金属酸化物以外の成分を、少量であれば含んでもよい。遷移金属酸化物以外の成分とは、例えば、焼結を促進する金属、樹脂成分の残渣などが挙げられる。これらの成分がセラミックス膜に含まれる場合であっても、活物質層としての機能に大きな影響はない。すなわち、セラミックス膜は、実質的に遷移金属酸化物から構成されていればよい。 The ceramic film may contain a component other than the transition metal oxide in a small amount. Examples of the components other than the transition metal oxide include metals that promote sintering, residues of resin components, and the like. Even when these components are contained in the ceramic film, the function as the active material layer is not greatly affected. That is, the ceramic film only needs to be substantially composed of a transition metal oxide.
[セラミックス膜の製造方法]
次に、セラミックス膜の製造方法について、図1のフロー図を参照しながら説明する。ただし、以下の方法は一例に過ぎず、セラミックス膜の製造方法を限定するものではない。
(1)活物質スラリーの調製(S11)
まず、活物質である遷移金属酸化物の粉末、バインダーおよび分散媒を混合して、活物質スラリーを調製する。活物質スラリーには、必要に応じて可塑剤等の添加剤を加えてもよい。活物質スラリーに含まれる遷移金属酸化物の粉末の平均粒径(体積基準のメディアン径)は、焼結性を向上させて高密度なセラミックスを得る観点から、0.1〜10μmであることが好ましく、0.5〜5μmであることがより好ましい。
[Method of manufacturing ceramic film]
Next, a method for manufacturing a ceramic film will be described with reference to the flowchart of FIG. However, the following method is only an example, and does not limit the method of manufacturing the ceramic film.
(1) Preparation of active material slurry (S11)
First, a transition metal oxide powder, a binder and a dispersion medium, which are active materials, are mixed to prepare an active material slurry. You may add additives, such as a plasticizer, to an active material slurry as needed. The average particle diameter (volume-based median diameter) of the transition metal oxide powder contained in the active material slurry is 0.1 to 10 μm from the viewpoint of improving the sinterability and obtaining a high-density ceramic. Preferably, it is 0.5-5 micrometers.
活物質スラリーにおけるバインダーの量は、遷移金属酸化物100重量部あたり、例えば5〜20重量部である。活物質スラリーにおける可塑剤の量は、遷移金属酸化物100重量部あたり、例えば0.5〜10重量部である。バインダーおよび可塑剤は共に、活物質を焼結させるための焼成時に分解して焼失する樹脂成分であり、セラミックス膜には含まれない。 The amount of the binder in the active material slurry is, for example, 5 to 20 parts by weight per 100 parts by weight of the transition metal oxide. The amount of the plasticizer in the active material slurry is, for example, 0.5 to 10 parts by weight per 100 parts by weight of the transition metal oxide. Both the binder and the plasticizer are resin components that decompose and burn out during firing for sintering the active material, and are not included in the ceramic film.
分散媒としては、例えば、2−プロパノール等のアルコール系溶媒や、酢酸n−ブチル等のエステル系溶媒などが用いられる。活物質スラリーに添加されるバインダーおよび可塑剤は、分散媒に分散されていてもよく、溶解していてもよい。バインダーとしては、例えば、ポリビニルブチラールなどが挙げられる。可塑剤としては、例えば、フタル酸ジブチルなどが挙げられる。可塑剤を用いることで、グリーンシートに適度な柔軟性および弾力性を与えることができる。 As the dispersion medium, for example, an alcohol solvent such as 2-propanol or an ester solvent such as n-butyl acetate is used. The binder and plasticizer added to the active material slurry may be dispersed in a dispersion medium or may be dissolved. Examples of the binder include polyvinyl butyral. Examples of the plasticizer include dibutyl phthalate. By using a plasticizer, the green sheet can be provided with appropriate flexibility and elasticity.
(2)グリーンシートの形成(S12)
活物質スラリーを、表面に離型剤層を有する支持体に塗布する。塗布した活物質スラリーを乾燥させることで、活物質グリーンシートが得られる。支持体としては、例えば、ポリエステル樹脂を主成分とし、表面に離型剤層を有するフィルムなどを用いることができる。
(2) Green sheet formation (S12)
The active material slurry is applied to a support having a release agent layer on the surface. An active material green sheet is obtained by drying the applied active material slurry. As the support, for example, a film having a polyester resin as a main component and having a release agent layer on the surface can be used.
活物質スラリーを塗布する方法は、薄膜状の活物質グリーンシートを形成可能なスラリーの塗布方法であれば特に限定されない。例えば、ダイコータを用いる方法、ドクターブレード法などが挙げられる。 The method for applying the active material slurry is not particularly limited as long as it is a slurry applying method capable of forming a thin-film active material green sheet. Examples thereof include a method using a die coater and a doctor blade method.
活物質グリーンシートの厚さは、所望のセラミックス膜の厚さに応じて調整すればよく、例えば3〜50μmである。必要であれば、複数の活物質グリーンシートを積層して、積層体を形成してもよい。活物質層の厚さを大きく、例えば50μm以上にする場合、複数の活物質グリーンシートを所望の厚さになるように積層すればよい。 What is necessary is just to adjust the thickness of an active material green sheet according to the thickness of the desired ceramic film | membrane, for example, is 3-50 micrometers. If necessary, a plurality of active material green sheets may be laminated to form a laminate. When the thickness of the active material layer is large, for example, 50 μm or more, a plurality of active material green sheets may be laminated so as to have a desired thickness.
(3)グリーンチップの形成(S13)
次に、活物質グリーンシートまたはその積層体を裁断して、所望の上面面積(例えば1〜25mm2)を有するグリーンチップを形成する。グリーンチップの形状は、所望のセラミックス膜の形状に応じて決定すればよい。例えば、矩形、菱形、三角形などの多角形のタイル状に裁断すればよい。
(3) Green chip formation (S13)
Next, the active material green sheet or the laminate thereof is cut to form a green chip having a desired upper surface area (for example, 1 to 25 mm 2 ). The shape of the green chip may be determined according to the desired shape of the ceramic film. For example, it may be cut into polygonal tiles such as rectangles, rhombuses, and triangles.
(4)グリーンチップの焼成(S14)
次に、グリーンチップを焼成して活物質を焼結させる。このとき、焼成を2段階以上に分けて行うことが好ましい。第1段階は、脱バインダー工程であり、バインダーが酸素と反応して十分に燃焼し、除去される。したがって、第2段階では、十分に活物質を焼結させることができ、高密度化させることが容易となる。
(4) Green chip firing (S14)
Next, the green chip is fired to sinter the active material. At this time, it is preferable to perform the firing in two or more stages. The first stage is a debinding process, where the binder reacts with oxygen and burns and is removed. Therefore, in the second stage, the active material can be sufficiently sintered and the density can be easily increased.
第1段階では、所望の大きさに裁断されたグリーンチップを、200〜400℃で2〜10時間、酸素雰囲気下で仮焼成する。この焼成により、グリーンチップに含まれるバインダーや可塑剤は分解され、ガスとしてグリーンチップから放出される。その後、続けて、第2段階の焼成を行う。第2段階では、仮焼成後のグリーンチップを、500〜1000℃で1〜5時間、酸素雰囲気下で焼成する。このような2段階の焼成により、遷移金属酸化物の焼結体であるセラミックス膜が得られる。セラミックス膜の空隙率は、温度、時間などの焼成条件を変化させることで制御できる。 In the first stage, the green chip cut to a desired size is temporarily fired at 200 to 400 ° C. for 2 to 10 hours in an oxygen atmosphere. By this firing, the binder and plasticizer contained in the green chip are decomposed and released from the green chip as gas. Subsequently, the second stage baking is performed. In the second stage, the temporarily fired green chip is fired at 500 to 1000 ° C. for 1 to 5 hours in an oxygen atmosphere. By such two-stage firing, a ceramic film that is a sintered body of a transition metal oxide is obtained. The porosity of the ceramic film can be controlled by changing firing conditions such as temperature and time.
[カーボン層]
カーボン層は、導電性芯材と活物質層との間に配されている。カーボン層は、活物質層に加えられる応力を緩和するとともに、セラミックス膜と導電性芯材との接触抵抗を低減する。また、被覆層と一体となって、セラミックス膜を導電性芯材に固定する機能の一部を担っている。カーボン層は、導電性炭素材料と、バインダーとを含むことが好ましい。
[Carbon layer]
The carbon layer is disposed between the conductive core material and the active material layer. The carbon layer relieves stress applied to the active material layer and reduces the contact resistance between the ceramic film and the conductive core material. Moreover, it is integral with the coating layer and takes part of the function of fixing the ceramic film to the conductive core. The carbon layer preferably contains a conductive carbon material and a binder.
生産性の観点からは、導電性芯材の一方の表面を法線方向から見たときに、カーボン層がその表面を覆う割合(芯材被覆率B)は、75〜100%であることが好ましく、例えば75〜95%でもよい。すなわち、カーボン層は、導電性芯材の表面を完全に覆っている必要はない。また、上記のような芯材被覆率Bが満たされる範囲であれば、各セラミックス膜と導電性芯材との間に、部分的にカーボン層が介在しないところがあってもよい。 From the viewpoint of productivity, when one surface of the conductive core material is viewed from the normal direction, the ratio of the carbon layer covering the surface (core material coverage B) is 75 to 100%. For example, it may be 75 to 95%. That is, the carbon layer does not have to completely cover the surface of the conductive core material. Moreover, as long as the core material coverage B as described above is satisfied, there may be a portion where no carbon layer is partially interposed between each ceramic film and the conductive core material.
カーボン層に含まれる導電性炭素材料としては、充放電の際に化学変化を起こしにくい電子伝導性材料であれば特に限定なく用いられる。たとえば、天然黒鉛(燐片状黒鉛など)、人造黒鉛などの黒鉛類、アセチレンブラック、ケッチェンブラックなどのカーボンブラック類、炭素繊維などが挙げられる。導電性炭素材料の平均粒径(体積基準のメディアン径)は、所望のカーボン層の厚さに応じて選択すればよい。 The conductive carbon material contained in the carbon layer is not particularly limited as long as it is an electron conductive material that hardly undergoes a chemical change during charge and discharge. For example, natural graphite (flaky graphite and the like), graphite such as artificial graphite, carbon blacks such as acetylene black and ketjen black, carbon fibers and the like can be mentioned. The average particle diameter (volume-based median diameter) of the conductive carbon material may be selected according to the desired carbon layer thickness.
カーボン層に含まれるバインダーは、特に限定されないが、例えば、フッ素樹脂、アクリルゴム、ニトリルゴムなどが挙げられる。これらのうちでは、電池内での安定性や取り扱い性を考慮すると、フッ素樹脂が好ましく、特にポリフッ化ビニリデンが好ましい。 Although the binder contained in a carbon layer is not specifically limited, For example, a fluororesin, an acrylic rubber, a nitrile rubber etc. are mentioned. Of these, fluororesins are preferable, and polyvinylidene fluoride is particularly preferable in consideration of stability and handling in the battery.
カーボン層における導電性炭素材料の含有量は、25〜70重量%であることが好ましく、35〜55重量%であることがより好ましい。導電性炭素材料の含有量を25重量%以上とすることで、十分な導電性を確保しやすくなる。また、導電性炭素材料の含有量を70重量%以下とすることで、バインダーの含有量が相対的に多くなり、セラミックス膜と導電性芯材との十分な接触を確保しやすくなる。なお、カーボン層の導電性炭素材料以外の残部は実質的にバインダーで占められるが、カーボン層は、導電性炭素材料とバインダー以外に、少量(例えば10重量%以下)の各種添加剤を含んでもよい。 The content of the conductive carbon material in the carbon layer is preferably 25 to 70% by weight, and more preferably 35 to 55% by weight. By setting the content of the conductive carbon material to 25% by weight or more, it becomes easy to ensure sufficient conductivity. Further, by setting the content of the conductive carbon material to 70% by weight or less, the content of the binder is relatively increased, and it is easy to ensure sufficient contact between the ceramic film and the conductive core material. The remainder of the carbon layer other than the conductive carbon material is substantially occupied by the binder, but the carbon layer may contain a small amount (for example, 10% by weight or less) of various additives in addition to the conductive carbon material and the binder. Good.
カーボン層の厚さは0.5μmより大きく、30μm以下である。カーボン層の厚さについても任意の10点以上の厚さの平均値として求めればよい。導電性芯材やカーボン層の表面が凹凸を有する場合には、それらの面の中心線間の距離がカーボン層の厚さになる。カーボン層の厚さが0.5μm以下であると、セラミックス膜と導電性芯材との接触抵抗を十分に低減することができない。一方、カーボン層の厚さが30μmを超えると、電池内部におけるカーボン層の占める割合が過剰に大きくなり、高容量化が困難になる。カーボン層の厚さ範囲の下限は、1μm、3μmまたは5μmであってもよい。また、カーボン層の厚さの範囲の上限は、25μm、20μm、15μmまたは10μmであってもよい。これらの下限と上限は任意に組み合わせてよい。カーボン層の厚さの好ましい範囲は、例えば3〜20μmである。 The thickness of the carbon layer is greater than 0.5 μm and not greater than 30 μm. What is necessary is just to obtain | require about the thickness of a carbon layer also as an average value of the thickness of arbitrary 10 points or more. When the surface of the conductive core material or the carbon layer has irregularities, the distance between the center lines of those surfaces becomes the thickness of the carbon layer. When the thickness of the carbon layer is 0.5 μm or less, the contact resistance between the ceramic film and the conductive core cannot be sufficiently reduced. On the other hand, when the thickness of the carbon layer exceeds 30 μm, the proportion of the carbon layer in the battery becomes excessively large, and it is difficult to increase the capacity. The lower limit of the thickness range of the carbon layer may be 1 μm, 3 μm, or 5 μm. Further, the upper limit of the thickness range of the carbon layer may be 25 μm, 20 μm, 15 μm, or 10 μm. These lower limits and upper limits may be combined arbitrarily. A preferable range of the thickness of the carbon layer is, for example, 3 to 20 μm.
[被覆層]
活物質層を覆うように形成される被覆層は、イオン伝導性ポリマーを含む。ここで、イオン伝導性ポリマーとは、非水電解質を保持することで、イオン伝導性(特にリチウムイオン伝導性)を発現し得るポリマーを意味する。このようなイオン伝導性を有することから、被覆層で活物質層が覆われていても、イオンの移動はほとんど阻害されない。イオン伝導性ポリマーは、セラミックス膜の表面の他に、隣接する複数のセラミックス膜の間の隙間にも存在していてもよい。このような隙間は、イオン伝導性ポリマーで満たされていてもよく、満たされていなくてもよい。また、各セラミックス膜は、被覆層によって完全に覆われていてもよく、一部が被覆層で覆われずに露出していてもよい。
[Coating layer]
The coating layer formed so as to cover the active material layer includes an ion conductive polymer. Here, the ion conductive polymer means a polymer capable of expressing ion conductivity (particularly lithium ion conductivity) by holding a non-aqueous electrolyte. Since it has such ionic conductivity, even if the active material layer is covered with the coating layer, the movement of ions is hardly inhibited. In addition to the surface of the ceramic film, the ion conductive polymer may be present in a gap between a plurality of adjacent ceramic films. Such a gap may or may not be filled with an ion conductive polymer. Each ceramic film may be completely covered with the coating layer, or a part thereof may be exposed without being covered with the coating layer.
イオン伝導性ポリマーとカーボン層とを併用する場合には、少量のイオン伝導性ポリマーでも、セラミックス膜を導電性芯材に固定する高い能力を発揮する。また、イオン伝導性ポリマーは電極に柔軟性を付与する。イオン伝導性ポリマーを含む被覆層は、薄く形成することが容易であり、電池に占める被覆層の体積を小さくできるため、電極の高容量化も阻害されない。 When the ion conductive polymer and the carbon layer are used in combination, even a small amount of the ion conductive polymer exhibits a high ability to fix the ceramic film to the conductive core material. The ion conductive polymer imparts flexibility to the electrode. The coating layer containing the ion conductive polymer can be easily formed thin, and the volume of the coating layer in the battery can be reduced, so that the increase in capacity of the electrode is not hindered.
非水電解質を保持することでイオン伝導性を発現し得るポリマーは、非水電解質を保持することでゲルを形成するものであることが好ましい。ゲルは、必要に応じて導電助材を含んでいてもよい。ゲルの作用により、外部からの応力によるセラミックス膜の破損や導電性芯材からの活物質の剥がれを抑制する効果が大きくなる。例えば、電極を捲回することにより生じる応力を効果的に緩和でき、充放電に伴う活物質の膨張収縮によりセラミックス膜が粉砕された場合でも、活物質が導電性芯材から剥がれ落ちにくくなる。一方、イオンはゲル中の非水電解質を比較的容易に移動できるため、高電流密度での充放電特性も良好に維持される。 The polymer capable of expressing ionic conductivity by holding a non-aqueous electrolyte is preferably one that forms a gel by holding the non-aqueous electrolyte. The gel may contain a conductive additive as necessary. Due to the action of the gel, the effect of suppressing breakage of the ceramic film due to external stress and peeling of the active material from the conductive core material is increased. For example, the stress generated by winding the electrode can be effectively relieved, and even when the ceramic film is pulverized by the expansion and contraction of the active material due to charge and discharge, the active material is hardly peeled off from the conductive core material. On the other hand, since ions can move relatively easily in the nonaqueous electrolyte in the gel, the charge / discharge characteristics at a high current density are also maintained well.
非水電解質を保持することでイオン伝導性を発現し得るポリマーとしては、フッ素樹脂、エチレンオキサイド単位を含む樹脂、アクリロニトリル単位を含む樹脂、アクリレート単位を含む樹脂などが挙げられる。これらは1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。これらのうちでは、非水電解質を保持する能力が高く、かつ化学的に安定であることから、フッ素樹脂を用いることが好ましい。フッ素樹脂は、フッ化ビニリデン単位を含む共重合体またはポリフッ化ビニリデンを含むことが好ましい。 Examples of the polymer capable of exhibiting ionic conductivity by retaining the nonaqueous electrolyte include a fluororesin, a resin containing an ethylene oxide unit, a resin containing an acrylonitrile unit, and a resin containing an acrylate unit. These may be used individually by 1 type and may be used in combination of 2 or more type. Among these, it is preferable to use a fluororesin because it has a high ability to retain a non-aqueous electrolyte and is chemically stable. The fluororesin preferably contains a copolymer containing polyvinylidene fluoride units or polyvinylidene fluoride.
フッ化ビニリデン(VDF)単位を含む共重合体は、例えば、フッ化ビニリデン単位とヘキサフルオロプロピレン(HFP)単位とを含む。この場合、共重合体に占めるヘキサフルオロプロピレン単位の含有割合は0.1〜20モル%であることが好ましい。ヘキサフルオロプロピレン単位の含有割合が大きくなると、非水電解質に対する親和性が高くなることから、イオン伝導性が大きくなる傾向がある。一方、ヘキサフルオロプロピレン単位の含有割合が小さくなると、非水電解質に対する親和性が低くなることから、イオン伝導性ポリマーに保持される非水電解質の量が少なくなる傾向がある。この場合、ポリマーに保持される非水電解質の量は少なくなるが、セラミックス膜との密着性を維持しやすい。ヘキサフルオロプロピレン単位の含有割合を上記のように設定することで、被覆層は、セラミックス膜に対する密着性とイオン伝導性とをバランスよく発揮することができる。 The copolymer containing a vinylidene fluoride (VDF) unit includes, for example, a vinylidene fluoride unit and a hexafluoropropylene (HFP) unit. In this case, the content ratio of hexafluoropropylene units in the copolymer is preferably 0.1 to 20 mol%. When the content ratio of the hexafluoropropylene unit is increased, the affinity for the nonaqueous electrolyte is increased, so that the ionic conductivity tends to be increased. On the other hand, when the content ratio of the hexafluoropropylene unit is small, the affinity for the non-aqueous electrolyte is lowered, and therefore the amount of the non-aqueous electrolyte held by the ion conductive polymer tends to be reduced. In this case, the amount of non-aqueous electrolyte held by the polymer is reduced, but it is easy to maintain adhesion with the ceramic film. By setting the content ratio of the hexafluoropropylene unit as described above, the coating layer can exert a good balance between adhesion to the ceramic film and ion conductivity.
フッ化ビニリデン単位を含む共重合体は、フッ化ビニリデン単位とヘキサフルオロプロピレン(HFP)単位の他に、更にテトラフルオロエチレン単位を含んでもよい。共重合体がテトラフルオロエチレン単位を含むことで、イオン伝導性ポリマーの強度が向上する傾向がある。この場合、共重合体全体に占めるヘキサフルオロプロピレン単位の含有割合は3〜20モル%であることが好ましい。 The copolymer containing vinylidene fluoride units may further contain tetrafluoroethylene units in addition to vinylidene fluoride units and hexafluoropropylene (HFP) units. There exists a tendency for the intensity | strength of an ion conductive polymer to improve because a copolymer contains a tetrafluoroethylene unit. In this case, the content of hexafluoropropylene units in the entire copolymer is preferably 3 to 20 mol%.
被覆層の厚さは0.1μmより大きく、20μm以下である。ここで、被覆層の厚さとは、セラミックス層の主要平坦面からの厚さであり、任意の10点以上の厚さの平均値を求めればよい。セラミックス層の主要平坦面や被覆層の表面が凹凸を有する場合には、それらの面の中心線間の距離が被覆層の厚さになる。被覆層の厚さが0.1μm以下であると、活物質層と導電性芯材との十分な密着性が得られない。また、被覆層の厚さが小さすぎると、活物質層の脱落を十分に抑制できない場合がある。一方、被覆層の厚さが20μmを超えると、電池内部における被覆層の占める割合が過剰に大きくなり、高容量化が困難になったり、イオンの移動が阻害されることで出力特性が低下したりする。 The thickness of the coating layer is greater than 0.1 μm and not greater than 20 μm. Here, the thickness of the coating layer is the thickness from the main flat surface of the ceramic layer, and an average value of the thicknesses of arbitrary 10 points or more may be obtained. When the main flat surface of the ceramic layer or the surface of the coating layer has irregularities, the distance between the center lines of those surfaces becomes the thickness of the coating layer. When the thickness of the coating layer is 0.1 μm or less, sufficient adhesion between the active material layer and the conductive core material cannot be obtained. Moreover, when the thickness of the coating layer is too small, the active material layer may not be sufficiently prevented from falling off. On the other hand, if the thickness of the coating layer exceeds 20 μm, the proportion of the coating layer in the battery becomes excessively large, and it becomes difficult to increase the capacity, or the output characteristics deteriorate due to the inhibition of ion migration. Or
被覆層の厚さ範囲の下限は、0.2μm、0.5μm、1μmまたは5μmであってもよい。また、被覆層の厚さの範囲の上限は、18μm、15μmまたは10μmであってもよい。これらの下限と上限は任意に組み合わせてよい。被覆層の厚さの好ましい範囲は、例えば0.5〜20μm、1〜20μmなどである。 The lower limit of the thickness range of the coating layer may be 0.2 μm, 0.5 μm, 1 μm, or 5 μm. Further, the upper limit of the thickness range of the coating layer may be 18 μm, 15 μm, or 10 μm. These lower limits and upper limits may be combined arbitrarily. The preferable range of the thickness of the coating layer is, for example, 0.5 to 20 μm, 1 to 20 μm, and the like.
なお、電極がカーボン層と被覆層の両方を具備することで、それぞれを単独で具備する場合に比べて、それぞれの作用が効果的に発揮される。すなわち、セラミックス膜と導電性芯材との密着性が大きく向上するとともに、電極の柔軟性も大きくなる。そして、セラミックス膜の破砕が抑制され、サイクル特性の劣化も抑制される。従って、カーボン層と被覆層を併用する場合には、それぞれを薄く形成することができる。例えば、カーボン層を30μm以下に薄くしても、セラミックス膜と導電性芯材との十分な密着性が維持され、それらの間の接触抵抗も小さく維持できる。それゆえ、電極の高容量化を達成することも容易となる。 In addition, since the electrode includes both the carbon layer and the coating layer, the respective functions are effectively exhibited as compared with the case where each electrode is provided alone. That is, the adhesion between the ceramic film and the conductive core material is greatly improved, and the flexibility of the electrode is also increased. And crushing of a ceramic film is suppressed and deterioration of cycling characteristics is also suppressed. Therefore, when using a carbon layer and a coating layer together, each can be formed thin. For example, even if the carbon layer is thinned to 30 μm or less, sufficient adhesion between the ceramic film and the conductive core material is maintained, and the contact resistance between them can be kept small. Therefore, it is easy to achieve a high capacity of the electrode.
[導電性芯材]
シート状の導電性芯材は、いわゆる集電体であり、金属箔が好ましく用いられる。金属箔は、圧延により得られたものでもよく、電解により得られたものでもよい。金属箔の材料としては、特に限定されないが、Al、Fe、Cu、Ti、Niなどが好ましい。これらは単独で金属箔を形成していてもよく、複数種が合金となって金属箔を形成していてもよい。正極の導電性芯材としては、特にAl箔または、Feなどを含むAl合金箔が好適であり、負極の導電性芯材としては、特に銅箔または銅合金箔が好適である。導電性芯材の厚さは、例えば8〜20μmである。
[Conductive core]
The sheet-like conductive core material is a so-called current collector, and a metal foil is preferably used. The metal foil may be obtained by rolling or may be obtained by electrolysis. The material of the metal foil is not particularly limited, but Al, Fe, Cu, Ti, Ni and the like are preferable. These may form metal foil independently, and multiple types may become an alloy and may form metal foil. Especially as a conductive core material of a positive electrode, Al foil or Al alloy foil containing Fe etc. is suitable, and especially copper foil or copper alloy foil is suitable as a conductive core material of a negative electrode. The thickness of the conductive core material is, for example, 8 to 20 μm.
なお、Alを含む導電性芯材は、優れた導電性を有するものの耐熱性が低い。そのため、Alを含む導電性芯材に活物質スラリーを塗布し、活物質スラリーの付着した導電性芯材を焼成してセラミックス膜を得ることは困難である。よって、本発明は、Alを含む導電性芯材を用いる場合に大きな効果を発揮する。 In addition, although the conductive core material containing Al has excellent conductivity, it has low heat resistance. Therefore, it is difficult to obtain a ceramic film by applying an active material slurry to a conductive core material containing Al and firing the conductive core material to which the active material slurry is adhered. Therefore, this invention exhibits a big effect, when using the electroconductive core material containing Al.
[電極の製造方法]
次に、本発明の非水電解質電池用電極の製造方法について、図2を参照しながら説明する。
(i)カーボン層の形成
まず、導電性炭素材料、バインダーおよび分散媒を所定の割合で混合し、導電性ペーストを調製する。導電性ペーストを、シート状の導電性芯材の一方または両方の表面に塗布し、60〜120℃で乾燥させて、カーボン層を形成する。バインダーには、フッ素樹脂などを用いればよく、分散媒には、N−メチル−2−ピロリドンなどを用いればよい。
[Electrode manufacturing method]
Next, the manufacturing method of the electrode for nonaqueous electrolyte batteries of this invention is demonstrated, referring FIG.
(I) Formation of carbon layer First, a conductive carbon material, a binder, and a dispersion medium are mixed at a predetermined ratio to prepare a conductive paste. A conductive paste is applied to one or both surfaces of a sheet-like conductive core, and dried at 60 to 120 ° C. to form a carbon layer. A fluorine resin or the like may be used for the binder, and N-methyl-2-pyrrolidone or the like may be used for the dispersion medium.
(ii)活物質層の作製
複数のセラミックス膜を、カーボン層の表面に配置し、活物質層を形成する。このとき、セラミックス膜を規則的に配列させることが好ましい。セラミックス膜をカーボン層の表面に搭載する方法としては、特に限定されないが、例えば、半導体素子などを基板に搭載するときに用いられる素子搭載装置を用いれば容易に搭載することができる。このような搭載装置は、少なくとも1つの吸引ノズルを有する搭載ヘッドを具備している。搭載ヘッドは、所定の供給位置に供給されるセラミックス膜を1つまたは複数同時にピックアップした後、導電性芯材の所望の位置に移動し、その位置でセラミックス膜をリリースする。このような動作により、複数のセラミックス膜をカーボン層の表面に短時間で配置することができる。なお、カーボン層がバインダーを含むことで粘着性を有する場合、セラミックス膜のリリースおよび導電性芯材への固定が容易であり、セラミックス膜の位置ずれも防止しやすい。
(Ii) Production of active material layer A plurality of ceramic films are arranged on the surface of the carbon layer to form an active material layer. At this time, it is preferable to arrange the ceramic films regularly. The method for mounting the ceramic film on the surface of the carbon layer is not particularly limited, but for example, it can be easily mounted by using an element mounting apparatus used when mounting a semiconductor element or the like on a substrate. Such a mounting device comprises a mounting head having at least one suction nozzle. The mounting head picks up one or more ceramic films supplied to a predetermined supply position, then moves to a desired position of the conductive core material, and releases the ceramic film at that position. By such an operation, a plurality of ceramic films can be disposed on the surface of the carbon layer in a short time. In addition, when the carbon layer includes a binder and has adhesiveness, it is easy to release the ceramic film and fix it to the conductive core, and it is easy to prevent displacement of the ceramic film.
(iii)被覆層の形成
イオン伝導性ポリマーと溶媒とを混合し、被覆層形成用ペーストを調製する。このとき、溶媒としては、N−メチル−2−ピロリドンなどを用いてもよく、非水電解質を用いてもよい。得られた被覆層形成用ペーストを活物質層の表面に塗布し、得られた塗膜を60〜100℃で乾燥させる。
(Iii) Formation of coating layer An ion conductive polymer and a solvent are mixed to prepare a coating layer forming paste. At this time, N-methyl-2-pyrrolidone or the like may be used as the solvent, or a non-aqueous electrolyte may be used. The obtained paste for forming a coating layer is applied to the surface of the active material layer, and the obtained coating film is dried at 60 to 100 ° C.
被覆層の形成においては、被覆層形成用ペーストを、例えば、ダイコータ、ドクターブレード、ディップコートなどを用いて活物質層の表面に塗布すればよい。また、被覆層形成用ペーストの粘度を調整して、カーボン層を介して活物質層が配置された導電性芯材を、被覆層形成用ペーストに浸漬してもよい。 In forming the coating layer, the coating layer forming paste may be applied to the surface of the active material layer using, for example, a die coater, a doctor blade, or a dip coat. Moreover, the viscosity of the coating layer forming paste may be adjusted, and the conductive core material in which the active material layer is disposed via the carbon layer may be immersed in the coating layer forming paste.
被覆層形成用ペーストの溶媒として非水電解質を用いる場合には、上記プロセスを経た時点で、イオン導電性ポリマーを含む被覆層が形成される。一方、被覆層形成用ペーストの溶媒としてN−メチル−2−ピロリドンなどの電解質ではない溶媒を用いる場合には、その後、乾燥塗膜が液状の非水電解質と接触させることにより、イオン導電性ポリマーを含む被覆層が形成される。 When a non-aqueous electrolyte is used as the solvent for the coating layer forming paste, a coating layer containing an ion conductive polymer is formed after the above process. On the other hand, when a non-electrolyte solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone is used as the solvent for the coating layer forming paste, the dried coating film is then brought into contact with a liquid non-aqueous electrolyte to thereby obtain an ionic conductive polymer. A coating layer containing is formed.
図2は、セラミックス膜からなる活物質層を備える電極の構造の一例を概念的に示す縦断面図であり、図3は、同電極の上面図である。図2は図3のII−II線断面図に相当する。 FIG. 2 is a longitudinal sectional view conceptually showing an example of the structure of an electrode including an active material layer made of a ceramic film, and FIG. 3 is a top view of the electrode. 2 corresponds to a cross-sectional view taken along line II-II in FIG.
電極10は、シート状の導電性芯材11と、導電性芯材11の両面に配されたカーボン層12と、カーボン層の表面に配された活物質層13と、活物質層を覆う被覆層14とを具備する。図2では、カーボン層12、活物質層13および被覆層14が導電性芯材11の両面に形成されているが、本発明の電極はこのような構造に限られず、カーボン層12、活物質層13および被覆層14を導電性芯材11の片面だけに形成することもできる。
The
活物質層13は、複数の実質的に同じ形状のセラミックス膜13aからなり、これらのセラミックス膜13aは格子状もしくはタイル状に配列されている。ただし、セラミックス膜の形状や配列の仕方はこれに限定されない。
The
隣接するセラミックス膜同士の間の隙間(図3のG1およびG2)は、0.05mm〜1mmであることが望ましい。隙間をこのような範囲に設定すれば、芯材被覆率Aを上記範囲に設定することが容易となる。 The gap (G1 and G2 in FIG. 3) between adjacent ceramic films is preferably 0.05 mm to 1 mm. If the gap is set in such a range, the core material coverage A can be easily set in the above range.
[電池]
本発明の非水電解質電池は、正極、負極、正極と負極との間に介在するセパレータおよび非水電解質を備え、正極、負極およびセパレータが、積層または捲回されて電極群を構成しており、正極および負極の少なくとも一方が、上記のセラミックス膜を含む電極である、非水電解質電池に関する。上記のセラミックス膜を含む電極は、高容量であり、かつ屈曲に対する耐性が高いことから、積層型の電極群に限らず、捲回型の電極群の作製にも適している。
図4は、電極10を備えた積層型の電極群を具備する非水電解質電池の構造の一例を概念的に示す縦断面図である。なお、図4は、本発明の電池の一例に過ぎず、本発明を限定するものではない。
[battery]
The nonaqueous electrolyte battery of the present invention includes a positive electrode, a negative electrode, a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and a nonaqueous electrolyte, and the positive electrode, the negative electrode, and the separator are stacked or wound to constitute an electrode group. In addition, the present invention relates to a nonaqueous electrolyte battery in which at least one of a positive electrode and a negative electrode is an electrode including the ceramic film. Since the electrode including the ceramic film has a high capacity and high resistance to bending, the electrode is suitable not only for a laminated electrode group but also for a wound electrode group.
FIG. 4 is a longitudinal sectional view conceptually showing an example of the structure of a nonaqueous electrolyte battery including a stacked electrode group including the
図4においては、第1電極10と、第1電極10を挟持する一対の第2電極20と、第1電極10と第2電極20との間に介在する微多孔性のセパレータ30とが、積層型の電極群を形成している。第1電極10は、第1導電性芯材11とその両面に形成された複数のセラミックス膜13aからなる第1活物質層13とを具備する。第2電極20は、第2導電性芯材21と、その片面に付着させた第2活物質層23とを具備する。図4では、第2活物質層23は、一枚のシート状に描写されているが、第1電極10と同じように、複数のセラミックス膜により第2活物質層を形成してもよい。第2活物質層はセパレータ30を介して第1活物質層と対向するように配置されている。電極群には、図示しない非水電解質が含浸されている。
In FIG. 4, the
非水電解質は、液状であることが好ましい。液状の非水電解質は、第1電極10の表面を被覆する被覆層14を形成するポリマーに保持されるほか、セパレータ30、セラミックス膜13aなどにも含浸される。液状の非水電解質は、セラミックス膜の空隙にも容易に侵入することができる。液状の非水電解質は、液状の非水溶媒と、これに溶解する溶質(リチウム塩等)とを含む。
The non-aqueous electrolyte is preferably liquid. The liquid non-aqueous electrolyte is held by the polymer that forms the
電極群は、非水電解質とともに、フレキシブルなシートからなる封筒状の外装体40に収容される。ただし、第1電極10に接続された第1リード15と、第2電極20に接続された第2リード25が、外装体40の開口から外部に導出される。外装体40の開口端部と各リードとの間に封止樹脂41を介在させることで、開口を密封することが容易となる。封筒状の外装体を構成するフレキシブルなシートには、例えば、水蒸気に対するバリア層とその両面に貼り付けられた樹脂膜とのラミネートフィルムを用いることができる。バリア層としては、Al箔が好ましい。
The electrode group is housed in an envelope-shaped
非水電解質を構成する非水溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートなどの環状カーボネート類と、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネートなどの鎖状カーボネート類との混合溶媒が好ましい。また、カーボネート類は、その他の様々な従来から用いられている溶媒と併用することができる。 As the non-aqueous solvent constituting the non-aqueous electrolyte, a mixed solvent of cyclic carbonates such as ethylene carbonate and propylene carbonate and chain carbonates such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate is preferable. Further, the carbonates can be used in combination with other various conventionally used solvents.
リチウム塩としては、無機リチウムフッ化物、リチウムイミド化合物などが挙げられる。無機リチウムフッ化物としては、LiPF6、LiBF4等が挙げられる。リチウムイミド化合物としては、LiN(CF3SO2)2等が挙げられる。 Examples of the lithium salt include inorganic lithium fluoride and a lithium imide compound. Examples of the inorganic lithium fluoride include LiPF 6 and LiBF 4 . Examples of the lithium imide compound include LiN (CF 3 SO 2 ) 2 .
第2活物質層は、合剤層、気相法(蒸着など)により形成される堆積膜、セラミックス膜、金属箔等のいずれにより形成してもよい。合剤層とは、リチウムイオンを吸蔵および/または放出可能な第2活物質を必須成分として含み、バインダー、増粘剤、導電材などを任意成分として含む混合物の層である。 The second active material layer may be formed of any of a mixture layer, a deposited film formed by a vapor phase method (evaporation or the like), a ceramic film, a metal foil, or the like. The mixture layer is a layer of a mixture containing a second active material capable of occluding and / or releasing lithium ions as an essential component, and a binder, a thickener, a conductive material and the like as optional components.
第2活物質は、第1活物質として用いられるセラミックス膜の種類や、用途に応じて選択すればよい。例えば、黒鉛粒子などの炭素材料、Siを含む材料、Snを含む材料などが挙げられる。黒鉛粒子としては、天然黒鉛、人造黒鉛、黒鉛化メソフェーズカーボン粒子などが挙げられる。Siを含む材料としては、Si単体、Si合金、SiOx(0<x<2)などが挙げられる。Snを含む材料としては、Sn単体、Sn合金、SnOx(0<x<2)などが挙げられる。第2活物質は、1種のみを単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。 The second active material may be selected according to the type of ceramic film used as the first active material and the application. Examples thereof include carbon materials such as graphite particles, materials containing Si, and materials containing Sn. Examples of the graphite particles include natural graphite, artificial graphite, and graphitized mesophase carbon particles. Examples of the material containing Si include Si simple substance, Si alloy, and SiO x (0 <x <2). Examples of the material containing Sn include Sn alone, Sn alloy, SnO x (0 <x <2), and the like. A 2nd active material may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type.
上記のような第2活物質を用いる場合、第2導電性芯材としては、例えば、銅箔、銅合金箔、ニッケル箔などが用いられる。 When using the second active material as described above, as the second conductive core material, for example, a copper foil, a copper alloy foil, a nickel foil, or the like is used.
合剤層を構成するバインダーとしては、様々な樹脂材料が用いられる。例えば、フッ素樹脂、アクリル樹脂、ゴム粒子などが挙げられる。増粘剤としては、カルボキシメチルセルロース(CMC)等が挙げられる。導電材としては、カーボンブラック、カーボンナノチューブなどが挙げられる。 Various resin materials are used as the binder constituting the mixture layer. For example, a fluororesin, an acrylic resin, a rubber particle, etc. are mentioned. Examples of the thickener include carboxymethyl cellulose (CMC). Examples of the conductive material include carbon black and carbon nanotube.
セパレータとしては、ポリエチレン、ポリプロピレンなどからなる微多孔性膜が一般に用いられている。セパレータの厚みは、例えば5〜30μmである。 As the separator, a microporous film made of polyethylene, polypropylene or the like is generally used. The thickness of the separator is, for example, 5 to 30 μm.
以下、実施例および比較例を挙げて、本発明を具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるわけではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example are given and this invention is demonstrated concretely, this invention is not necessarily limited to a following example.
《実施例1》
(i)セラミックス膜の作製
[第1工程]
活物質である平均粒径1μmのLiNi0.80Co0.15Al0.05O2の粉末100重量部に、バインダーとしてポリビニルブチラール16重量部、可塑剤としてフタル酸ジブチル7.5重量部、分散媒として酢酸n−ブチルを加え、ジルコニアボールと共にボールミルで24時間混合して、活物質スラリーを調製した。
Example 1
(I) Fabrication of ceramic film [first step]
100 parts by weight of LiNi 0.80 Co 0.15 Al 0.05 O 2 powder having an average particle diameter of 1 μm as an active material, 16 parts by weight of polyvinyl butyral as a binder, 7.5 parts by weight of dibutyl phthalate as a plasticizer, and n-acetate as a dispersion medium Butyl was added and mixed with a zirconia ball in a ball mill for 24 hours to prepare an active material slurry.
[第2工程]
表面に離型剤層を有するポリエステル樹脂製のキャリアフィルムに、活物質スラリーをドクターブレード法により塗布した。その後、塗布したスラリーを乾燥させ、活物質グリーンシート(厚さ5μm)を形成した。
[Second step]
The active material slurry was applied to a polyester resin carrier film having a release agent layer on the surface by a doctor blade method. Thereafter, the applied slurry was dried to form an active material green sheet (thickness: 5 μm).
[第3工程]
グリーンシートの積層を行った。具体的には、支持台の上に両面に接着剤層を有するポリエステルフィルムを貼り付け、その接着剤層にグリーンシートを貼り付け、キャリアフィルムの上から、80℃で100kg/cm2の圧力で熱プレスを行った。熱プレス後、キャリアフィルムを剥がした。さらに、支持台に固定されているグリーンシート上に、別のグリーンシートを乗せて、同様に熱プレスを行った。この操作を繰り返して、所望の厚さを有する積層体とした後、積層体をポリエステルフィルムから剥離し、7mm×7mmの大きさに裁断する切れ目を入れて、グリーンチップを作製した。グリーンチップは2枚のアルミナ製セラミック板に挟み込んだ。
[Third step]
Green sheets were laminated. Specifically, a polyester film having an adhesive layer on both sides is attached on a support base, a green sheet is attached to the adhesive layer, and the carrier film is applied at 80 ° C. with a pressure of 100 kg / cm 2 . A hot press was performed. After hot pressing, the carrier film was peeled off. Further, another green sheet was placed on the green sheet fixed to the support base, and hot pressing was performed in the same manner. This operation was repeated to obtain a laminate having a desired thickness, and then the laminate was peeled from the polyester film and cut into a size of 7 mm × 7 mm to produce a green chip. The green chip was sandwiched between two alumina ceramic plates.
[第4工程]
セラミック板に挟み込まれたグリーンチップを焼成装置に導入し、酸素雰囲気中において、昇温速度400℃/hで350℃まで昇温し、350℃で5時間保持して、バインダーなどの有機成分を焼失させた。その後、続けて、酸素雰囲気下で、昇温速度1000℃/hで780℃まで昇温し、そのまま1時間保持して活物質粉末を焼結させた。こうして厚さ80μm、サイズ7mm×7mm(図3のL1=7mm、L2=7mm)のセラミックス膜を作製した。
[Fourth step]
The green chip sandwiched between the ceramic plates is introduced into a firing apparatus, heated to 350 ° C. at a heating rate of 400 ° C./h in an oxygen atmosphere, and held at 350 ° C. for 5 hours to remove organic components such as a binder. Burned out. Subsequently, the temperature was raised to 780 ° C. at a rate of temperature rise of 1000 ° C./h in an oxygen atmosphere, and held for 1 hour to sinter active material powder. Thus, a ceramic film having a thickness of 80 μm and a size of 7 mm × 7 mm (L1 = 7 mm, L2 = 7 mm in FIG. 3) was produced.
(ii)正極の作製
[カーボン層の形成]
ポリフッ化ビニリデン(PVDF、(株)クレハ製の#7200)とアセチレンブラックを80:100の重量割合で混合して、N−メチル−2−ピロリドンとともに混合して、導電性ペーストを調製した。この導電性ペーストを、Al箔からなる導電性芯材(厚さ15μm)の片面にドクターブレード法により塗布し、100℃で乾燥させた。こうして厚さ15μmのカーボン層を形成した。カーボン層により覆われる導電性芯材の表面の割合(芯材被覆率B)は100%とした。
(Ii) Fabrication of positive electrode [Formation of carbon layer]
Polyvinylidene fluoride (PVDF, # 7200 manufactured by Kureha Co., Ltd.) and acetylene black were mixed at a weight ratio of 80: 100, and mixed with N-methyl-2-pyrrolidone to prepare a conductive paste. This conductive paste was applied to one side of a conductive core material (
[活物質層の形成]
カーボン層の表面に、セラミックス膜を格子状(横10個×縦10個の行列状)に配列して正極活物質層とした後、60℃で真空乾燥させた。隣接するセラミックス膜同士の隙間の幅は0.5mmとし、セラミックス膜により覆われる導電性芯材の表面の割合(芯材被覆率A)は96%とした。
[Formation of active material layer]
A ceramic film was arranged on the surface of the carbon layer in a grid pattern (10 rows × 10 rows) to form a positive electrode active material layer, and then vacuum dried at 60 ° C. The width of the gap between adjacent ceramic films was 0.5 mm, and the ratio of the surface of the conductive core material covered with the ceramic film (core material coverage A) was 96%.
[被覆層の形成]
フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体(ヘキサフルオロプロピレン単位の含有割合:0.2モル%、数平均分子量:30万、以下「VDF−HFP共重合体」)をN−メチル−2−ピロリドンに溶解し、VDF−HFP共重合体を3重量%含むN−メチル−2−ピロリドン溶液を調製した。VDF−HFP共重合体が下記の非水電解質を含浸したときの膨潤度(重量増加率)は20%である。この溶液(液温25℃)に、上記で得られた活物質層を浸漬して、その表面に塗布し、110℃で30分間乾燥させ、厚さ5μmの被覆層を形成した。
[Formation of coating layer]
A copolymer of vinylidene fluoride and hexafluoropropylene (content ratio of hexafluoropropylene unit: 0.2 mol%, number average molecular weight: 300,000, hereinafter “VDF-HFP copolymer”) is converted to N-methyl-2. -An N-methyl-2-pyrrolidone solution containing 3% by weight of VDF-HFP copolymer was prepared by dissolving in pyrrolidone. The degree of swelling (weight increase rate) when the VDF-HFP copolymer is impregnated with the following nonaqueous electrolyte is 20%. The active material layer obtained above was immersed in this solution (liquid temperature: 25 ° C.), applied to the surface, and dried at 110 ° C. for 30 minutes to form a coating layer having a thickness of 5 μm.
(iii)負極の作製
負極活物質である平均粒径20μmの球状人造黒鉛と、バインダーであるスチレンブタジエンゴム(SBR)と、水とを混合して、負極合剤ペーストを調製した。SBRの量は、人造黒鉛粒子100重量部あたり1重量部とした。 負極合剤ペーストを、負極導電性芯材である電解銅箔(厚さ8μm)の方面に塗布した後、110℃で乾燥させた。その後、圧延を行って負極を得た。
(Iii) Production of Negative Electrode Spherical artificial graphite having an average particle diameter of 20 μm as a negative electrode active material, styrene butadiene rubber (SBR) as a binder, and water were mixed to prepare a negative electrode mixture paste. The amount of SBR was 1 part by weight per 100 parts by weight of the artificial graphite particles. After apply | coating the negative mix paste on the direction of the electrolytic copper foil (thickness 8 micrometers) which is a negative electrode conductive core material, it was dried at 110 degreeC. Thereafter, rolling was performed to obtain a negative electrode.
(iv)非水電解質の調製
非水溶媒に対して、溶質であるLiPF6を1.25mol/Lの濃度で溶解させて、非水電解質を調製した。非水溶媒は、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)との体積割合1:1:8の混合溶媒であり、これに添加剤として4体積%のビニレンカーボネート(VC)を添加した。
(Iv) Preparation of non-aqueous electrolyte A non-aqueous electrolyte was prepared by dissolving LiPF 6 as a solute at a concentration of 1.25 mol / L in a non-aqueous solvent. The non-aqueous solvent is a mixed solvent of ethylene carbonate (EC), ethyl methyl carbonate (EMC), and dimethyl carbonate (DMC) in a volume ratio of 1: 1: 8, and 4% by volume of vinylene as an additive thereto. Carbonate (VC) was added.
(v)電池の作製
正極および負極にそれぞれリードを接続した後、正極活物質層と負極活物質層とがセパレータを介して対向するように、これらを積層し、電極群を得た。電極群は、バリア層としてAl箔を有するラミネートフィルムからなる封筒状の外装体に挿入し、続いて、非水電解質を注液して、電極群に非水電解質を真空含浸させた。その後、各リードを外部に導出させた状態で外装体の開口を封止した。
(V) Production of Battery After connecting the lead to the positive electrode and the negative electrode, respectively, these were laminated so that the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer were opposed to each other through a separator to obtain an electrode group. The electrode group was inserted into an envelope-shaped exterior body made of a laminate film having an Al foil as a barrier layer, and then a nonaqueous electrolyte was injected to impregnate the electrode group with the nonaqueous electrolyte. Thereafter, the opening of the outer package was sealed with each lead led out.
(vi)電気化学評価
[初期容量]
25℃環境下で、電池電圧が4.2Vになるまで0.5Cのレートで定電流充電を行い、引き続き4.2Vの定電圧で0.05Cになるまで充電を行い、その後、0.2Cの定電流で2.5Vになるまで放電を行い、初度の放電容量を求めた。
(Vi) Electrochemical evaluation [initial capacity]
Under a 25 ° C. environment, constant current charging is performed at a rate of 0.5 C until the battery voltage reaches 4.2 V, then charging is continued until 0.05 C at a constant voltage of 4.2 V, and then 0.2 C Discharge was performed at a constant current of 2.5 V until the initial discharge capacity was obtained.
[サイクル特性]
上記と同じ条件で充放電を20サイクル繰り返し、20サイクル目に得られた放電容量の初期容量に対する割合を百分率で求めた。
[Cycle characteristics]
Charging / discharging was repeated 20 cycles under the same conditions as described above, and the ratio of the discharge capacity obtained at the 20th cycle to the initial capacity was determined as a percentage.
[レート特性]
25℃環境下で、初度の電池を電池電圧が4.2Vになるまで0.5Cのレートで定電流充電を行い、引き続き4.2Vの定電圧で0.05Cになるまで充電を行い、その後、1Cの定電流で2.5Vになるまで放電を行い、初度の放電容量を求めた。
1Cでの放電容量の0.2Cでの放電容量に対する割合(1C/0.2C)を百分率で求めた。
評価結果を表1に示す。
[Rate characteristics]
Under a 25 ° C. environment, the first battery is charged at a constant current rate of 0.5 C until the battery voltage reaches 4.2 V, and then charged at a constant voltage of 4.2 V until it reaches 0.05 C. Discharging was performed at a constant current of 1 C until it reached 2.5 V, and the initial discharge capacity was determined.
The ratio (1C / 0.2C) of the discharge capacity at 1C to the discharge capacity at 0.2C was determined as a percentage.
The evaluation results are shown in Table 1.
《実施例2》
セラミックス膜の厚さを20μmとしたこと以外、実施例1と同様にして電池を作製し、同様に評価した。
《実施例3》
セラミックス膜の厚さを120μmとしたこと以外、実施例1と同様にして電池を作製し、同様に評価した。
Example 2
A battery was prepared in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the ceramic film was 20 μm, and evaluated in the same manner.
Example 3
A battery was prepared in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the ceramic film was 120 μm, and evaluated in the same manner.
《実施例4》
カーボン層の厚さを1μmとしたこと以外、実施例1と同様にして電池を作製し、同様に評価した。
《実施例5》
カーボン層の厚さを30μmとしたこと以外、実施例1と同様にして電池を作製し、同様に評価した。
Example 4
A battery was prepared in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the carbon layer was 1 μm, and evaluated in the same manner.
Example 5
A battery was prepared in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the carbon layer was 30 μm, and evaluated in the same manner.
《実施例6》
被覆層の厚さを0.5μmとしたこと以外、実施例1と同様にして電池を作製し、同様に評価した。
《実施例7》
被覆層の厚さを20μmとしたこと以外、実施例1と同様にして電池を作製し、同様に評価した。
Example 6
A battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the coating layer was 0.5 μm, and was similarly evaluated.
Example 7
A battery was prepared in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the coating layer was 20 μm, and evaluated in the same manner.
《比較例1》
セラミックス膜の厚さを130μmとしたこと以外、実施例1と同様にして電池を作製し、同様に評価した。
《比較例2》
カーボン層の厚さを0.5μmとしたこと以外、実施例1と同様にして電池を作製し、同様に評価した。
<< Comparative Example 1 >>
A battery was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the ceramic film was 130 μm.
<< Comparative Example 2 >>
A battery was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the carbon layer was 0.5 μm.
《比較例3》
カーボン層の厚さを40μmとしたこと以外、実施例1と同様にして電池を作製し、同様に評価した。
《比較例4》
被覆層の厚さを0.1μmとしたこと以外、実施例1と同様にして電池を作製し、同様に評価した。
<< Comparative Example 3 >>
A battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the carbon layer was 40 μm, and evaluated in the same manner.
<< Comparative Example 4 >>
A battery was prepared in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the coating layer was 0.1 μm, and evaluated in the same manner.
《比較例5》
被覆層の厚さを25μmとしたこと以外、実施例1と同様にして電池を作製し、同様に評価した。
実施例2〜7および比較例1〜4の評価結果を表1に示す。
<< Comparative Example 5 >>
A battery was prepared in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the coating layer was 25 μm, and evaluated in the same manner.
The evaluation results of Examples 2 to 7 and Comparative Examples 1 to 4 are shown in Table 1.
実施例1〜7の電池では、良好でバランスの良い電気化学特性が得られた。一方、比較例1〜5ではバランスの良好な電気化学特性を得ることができなかった。 In the batteries of Examples 1 to 7, good and well-balanced electrochemical characteristics were obtained. On the other hand, Comparative Examples 1 to 5 could not obtain a well-balanced electrochemical characteristic.
比較例1では、セラミックス膜の厚さが130μmと厚かったため、導電性芯材とセラミックス膜との十分な密着性を確保することができなかったと考えられる。また、セラミックス膜内部でのリチウムイオンの拡散が遅くなり、レート特性が低下したと推測される。 In Comparative Example 1, since the thickness of the ceramic film was as thick as 130 μm, it is considered that sufficient adhesion between the conductive core material and the ceramic film could not be ensured. In addition, it is presumed that the diffusion of lithium ions inside the ceramic film slowed down, and the rate characteristics deteriorated.
比較例2では、カーボン層が0.5μmと薄かったため、十分な導電性を確保できず、放電容量、サイクル特性およびレート特性が低下したと推測される。 In Comparative Example 2, since the carbon layer was as thin as 0.5 μm, it was presumed that sufficient conductivity could not be secured, and the discharge capacity, cycle characteristics, and rate characteristics were lowered.
比較例3では、カーボン層が40μmと厚かったため、レート特性が低下したと推測される。 In Comparative Example 3, the carbon layer was as thick as 40 μm, so it is estimated that the rate characteristics were deteriorated.
比較例4では、被覆層が0.1μmと薄かったため、導電性芯材とセラミックス膜との十分な密着性を確保することができず、サイクル特性およびレート特性が低下したと推測される。 In Comparative Example 4, since the coating layer was as thin as 0.1 μm, it was estimated that sufficient adhesion between the conductive core material and the ceramic film could not be ensured, and the cycle characteristics and rate characteristics were deteriorated.
比較例5では、被覆層が25μmと厚かったため、電極間におけるリチウムイオンの拡散が遅くなり、レート特性が低下したと推測される。 In Comparative Example 5, since the coating layer was as thick as 25 μm, it is estimated that the diffusion of lithium ions between the electrodes was slowed and the rate characteristics were lowered.
次に、実施例1〜7の正極を、直径4mmの巻き芯を中心に捲回したところ、セラミックス膜の剥離は見られなかった。一方、比較例2、3、5の正極ではセラミックス膜の剥れが見られた。 Next, when the positive electrodes of Examples 1 to 7 were wound around a core having a diameter of 4 mm, the ceramic film was not peeled off. On the other hand, peeling of the ceramic film was observed in the positive electrodes of Comparative Examples 2, 3, and 5.
なお、正極活物質をLiCoO2に変更し、上記実施例1〜7および比較例1〜5と同様の電池を作製して同様に評価したところ、類似の結果が得られた。 In addition, when the positive electrode active material was changed to LiCoO 2 and batteries similar to those in Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 5 were prepared and evaluated in the same manner, similar results were obtained.
本発明によれば、非水電解質電池用電極を高容量化しつつ、活物質層と導電性芯材との密着性や屈曲に対する耐性を確保できる。本発明の非水電解質電池は、例えば、パソコン、携帯電話などの電子機器、ハイブリッド自動車、電気自動車等の電源として有用である。 According to the present invention, it is possible to secure adhesion between the active material layer and the conductive core material and resistance to bending while increasing the capacity of the electrode for the nonaqueous electrolyte battery. The non-aqueous electrolyte battery of the present invention is useful as a power source for electronic devices such as personal computers and mobile phones, hybrid vehicles, and electric vehicles.
10:電極(第1電極)、11:導電性芯材(第1導電性芯材)、12:カーボン層、13:活物質層(第1活物質層)、13a:セラミックス膜、14:被覆層、15:第1リード、20:第2電極、30:セパレータ、21:第2導電性芯材、23:第2活物質層、25:第2リード、40:外装体、41:封止樹脂 10: electrode (first electrode), 11: conductive core material (first conductive core material), 12: carbon layer, 13: active material layer (first active material layer), 13a: ceramic film, 14: coating Layer: 15: first lead, 20: second electrode, 30: separator, 21: second conductive core material, 23: second active material layer, 25: second lead, 40: exterior body, 41: sealing resin
Claims (9)
前記導電性芯材の表面に配されたカーボン層と、
前記カーボン層の表面に配された活物質層と、
前記活物質層を覆う被覆層と、を有し、
前記カーボン層は、厚さが0.5μmより大きく、30μm以下であり、かつ導電性炭素材料を含み、
前記活物質層は、厚さ20〜120μmの少なくとも1つのセラミックス膜を含み、前記セラミックス膜は、リチウムを吸蔵および/または放出可能な遷移金属酸化物の焼結体であり、
前記被覆層は、厚さが0.1μmより大きく、20μm以下であり、かつイオン伝導性ポリマーを含む、非水電解質電池用電極。 A sheet-like conductive core;
A carbon layer disposed on the surface of the conductive core;
An active material layer disposed on the surface of the carbon layer;
A coating layer covering the active material layer,
The carbon layer has a thickness greater than 0.5 μm and 30 μm or less, and includes a conductive carbon material,
The active material layer includes at least one ceramic film having a thickness of 20 to 120 μm, and the ceramic film is a transition metal oxide sintered body capable of inserting and extracting lithium,
The coating layer is an electrode for a non-aqueous electrolyte battery having a thickness greater than 0.1 μm and 20 μm or less and containing an ion conductive polymer.
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