JP6269369B2 - 非水電解液二次電池およびその製造方法 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の一実施形態の非水電解液二次電池の断面斜視図である。本実施形態の非水電解液二次電池では、電池ケース1の内部には電極体9が非水電解液(不図示)と共に収容されている。電極体9は、正極3と、負極5と、正極3と負極5との間に設けられたセパレータ7とを有する。
図2は、本実施形態の正極を模式的に示す平面図である。図3は、正極に含まれる第1造粒粒子を模式的に示す断面図である。図4は、正極に含まれる第2造粒粒子を模式的に示す平面図である。
第1造粒粒子40では、有機系スラリーに比べて、有機系結着剤43の含有量を少なくすることができる。好ましくは、第1造粒粒子40は、86質量%以上99.3質量%以下の第1正極活物質41と、0.2質量%以上4質量%以下の有機系結着剤43と、0.5質量%以上10質量%以下の第1導電剤とを含む。
第2造粒粒子50では、水系スラリーに比べて、水系結着剤53の含有量を少なくすることができる。好ましくは、第2造粒粒子50は、86質量%以上99.3質量%以下の第2正極活物質51と、0.2質量%以上4質量%以下の水系結着剤53と、0.5質量%以上10質量%以下の第2導電剤とを含む。
負極5は、非水電解液二次電池の負極として従来公知の構成を有することが好ましい。例えば、負極5は、負極集電体と、負極集電体に設けられた負極合剤層とを有することが好ましい。負極合剤層は、負極集電体の片面に設けられていても良いし、負極集電体の両面に設けられていても良い。負極合剤層が設けられた負極集電体の面には、負極集電体が負極合剤層から露出する部分(負極側未塗工部)が負極集電体の幅方向一端に設けられていることが好ましい。負極側未塗工部は、電池ケース1に設けられた負極端子(例えば電池ケース1のケース本体)に電気的に接続されることが好ましい。
セパレータ7は、非水電解液二次電池のセパレータとして従来公知の構成を有することが好ましく、後述の実施例に記載の構成に限定されない。
非水電解液は、非水電解液二次電池の非水電解液として従来公知の組成を有することが好ましく、後述の実施例に記載の組成に限定されない。
次に示す方法にしたがって製造された正極3とセパレータ7と負極5とを用いて電極体9を製造した後、電極体9を電池ケース1に収容し、その電池ケース1を封止する。その後、電池ケース1に形成されている注液口から非水電解液を注入し、その注液口を封止する。このようにして本実施形態の非水電解液二次電池を製造できる。以下では、正極3の好ましい製造方法を示す。
図5は、本実施形態の非水電解液二次電池の正極の製造方法を工程順に示すフロー図である。図6は、第1湿潤造粒粒子を模式的に示す断面図である。図7は、第2湿潤造粒粒子を模式的に示す断面図である。図8は、本実施形態の非水電解液二次電池の正極の製造方法の一工程を示す側面図である。
第1湿潤造粒粒子140の作製工程S101では、第1造粒粒子40となる第1湿潤造粒粒子140を作製する。具体的には、第1正極活物質41と有機系結着剤43と第1導電剤とを混合した後、有機溶媒145を更に加えて造粒する。これにより、第1湿潤造粒粒子140が得られる。
第2湿潤造粒粒子150の作製工程S102では、第2造粒粒子50となる第2湿潤造粒粒子150を作製する。具体的には、第2正極活物質51と水系結着剤53と第2導電剤とを混合した後、水系溶媒155を更に加えて造粒する。これにより、第2湿潤造粒粒子150が得られる。
第1湿潤造粒粒子140と第2湿潤造粒粒子150との混合工程S103では、第1湿潤造粒粒子140と第2湿潤造粒粒子150とを混合する。
転写工程S104では、湿潤造粒粒子の混合物を正極集電体31の表面に圧着した後、乾燥させる。これにより、正極集電体31の表面では、有機溶媒145が第1湿潤造粒粒子140から除去されて第1造粒粒子40が得られ、水系溶媒155が第2湿潤造粒粒子150から除去されて第2造粒粒子50が得られる。このようにして、第1造粒粒子40と第2造粒粒子50とを含む正極合剤層33が正極集電体31の表面に形成される。
(正極の製造)
(第1湿潤造粒粒子の作製)
第1正極活物質として、Liと3種の遷移金属元素(Ni、Co及びMn)とを含む複合酸化物(Ni:Cо:Mn=1:1:1(モル比))からなる粉末(平均粒径が10μm)を準備した。第1導電剤として、アセチレンブラック(電気化学工業株式会社製、商品名「デンカブラック(登録商標)」)を準備した。有機系結着剤として、PVDF粉体(株式会社クレハ・バッテリー・マテリアルズ・ジャパン製、グレード番号「W#1300」)を準備した。
第2正極活物質として上述の第1正極活物質と同一のものを準備し、第2導電剤として上述の第1導電剤と同一のものを準備した。水系結着剤として、PTFE−水分散体(PTFEが水に分散されたもの。ダイキン工業株式会社製、品番「D−210C」)を準備した。さらに、増粘剤として、CMC(carboxymethyl cellulose)(第1工業製薬株式会社製、品番「BSH−12」)を準備した。
第1湿潤造粒粒子の配合量を90質量%とし、第2湿潤造粒粒子の配合量を10質量%として、第1湿潤造粒粒子と第2湿潤造粒粒子とを混合した。このとき、第1湿潤造粒粒子及び第2湿潤造粒粒子のそれぞれが変形しないように、第1湿潤造粒粒子と第2湿潤造粒粒子との混合条件を調整した。
図8に示す成形転写装置を用いて第1湿潤造粒粒子と第2湿潤造粒粒子との混合物(湿潤造粒粒子の混合物)を正極集電体に転写した。具体的には、正極集電体(厚さが15μmのアルミニウム箔)を第2ロールRbと第3ロールRcとの間に通して矢印の方向に搬送させた状態で、湿潤造粒粒子の混合物を第1ロールRaと第2ロールRbとの間に供給した。これにより、湿潤造粒粒子の混合物は、第1ロールRaと第2ロールRbとにより圧縮されて層状に成形され、得られた成形体は、第2ロールRbと第3ロールRcとの間で正極集電体の一方の表面に圧着された。
負極活物質として鱗片状黒鉛(平均粒径が10μm)を準備した。質量比で98:1:1となるように負極活物質とSBR(結着剤)とCMCのナトリウム塩とを混ぜ(プラネタリーミキサーによる混合)、水で希釈した。このようにして負極合剤スラリーを得た。
まず、PE(polyethylene)からなるセパレータ(厚さ:25μm、幅:59.5mm)を準備した。正極合剤層と負極合剤層との間にセパレータを設け、正極側未塗工部と負極側未塗工部とが正極集電体(又は負極集電体)の幅方向においてセパレータから逆向きに突出するように正極と負極とセパレータとを配置した。次に、正極集電体(又は負極集電体)の幅方向に対して平行となるように巻回軸を配置し、その巻回軸を用いて正極、セパレータ及び負極を巻回させた。このようにして円筒型の電極体を得た。
体積比で3:5:2となるようにEC(ethylene carbonate)とEMC(ethyl methyl carbonate)とDMC(dimethyl carbonate)とを混合して、混合溶媒を得た。この混合溶媒に、濃度が1.0mol/LとなるようにLiPF6を入れた。調製された非水電解液を蓋体の注液用孔から注入してから、電池ケース内を減圧した。これにより、非水電解液は、正極合剤層、負極合剤層及びセパレータに含浸された。その後、注液用孔を封止して、本実施例のリチウムイオン二次電池(直径:18mm、高さ:65.0mm、理論容量:1.0Ah)を得た。
第1湿潤造粒粒子及び第2湿潤造粒粒子の各配合量を表1に示す値に変更したことを除いては上記実施例1に記載の方法にしたがって、リチウムイオン二次電池を製造した。
次に示す方法にしたがって正極を製造したことを除いては上記実施例1に記載の方法にしたがって、リチウムイオン二次電池を製造した。
結着剤として上記実施例1の水系結着剤と同一のものを用いたことを除いては上記比較例1に記載の方法にしたがって正極合剤スラリー(水系スラリー)を作製し、その水系スラリーを用いて正極を製造した。それ以外の点については上記実施例1に記載の方法にしたがって、リチウムイオン二次電池を製造した。
上記比較例1の有機系スラリーの配合量を50質量%とし、上記比較例2の水系スラリーの配合量を50質量%として、上記比較例1の有機系スラリーと上記比較例2の水系スラリーとを混合した。すると、ゲル化が発生した。そのため、正極を製造することはできず、リチウムイオン二次電池の製造を断念した。
第1湿潤造粒粒子及び第2湿潤造粒粒子の各配合量を表1に示す値に変更したことを除いては上記実施例1に記載の方法にしたがって、リチウムイオン二次電池を製造した。
まず、実施例1のリチウムイオン二次電池をSOC(State of Charge)20%の状態に調整した。次に、25℃の環境下で、10Cの電流(電池容量の10倍の電流)で10秒間、放電を行った後の電圧変化分(ΔV)を求めた。求められたΔVを電流で除してI−V抵抗を求めた。この一連の作業を5個のリチウムイオン二次電池に対して行い、その平均値を算出した。同様の方法にしたがって、実施例2〜5及び比較例1〜5(比較例3を除く)のリチウムイオン二次電池の25℃でのI−V抵抗(平均値)を算出した。
−15℃の環境下で電圧変化分(ΔV)を求めたことを除いては上述の<25℃でのI−V抵抗の測定>で記載した方法にしたがって、−15℃でのI−V抵抗(平均値)を算出した。
実施例1のリチウムイオン二次電池から正極を取り出し、正極合剤層が正極集電体から剥離するのに要する強度(正極合剤層の剥離強度)を測定した。具体的には、JIS C 5016に記載の方法に準拠して90度剥離試験を行って、正極合剤層の剥離強度(単位長さ当たり)を求めた。この一連の作業を3個のリチウムイオン二次電池から取り出した正極に対して行い、その平均値を算出した。同様の方法にしたがって、実施例2〜5及び比較例1〜5(比較例3を除く)での正極合剤層の剥離強度(単位長さ当たり)を求めた。剥離強度が大きい方が正極合剤層が正極集電体から剥離し難いことを意味する。
Claims (3)
- 正極と、負極と、前記正極と前記負極との間に設けられたセパレータと、少なくとも前記セパレータに保持された非水電解液とを備えた非水電解液二次電池であって、
前記正極は、正極集電体と、前記正極集電体に設けられた正極合剤層とを有し、
前記正極合剤層は、
複数個の第1正極活物質と、第1導電剤と、結着剤とを含む第1造粒粒子と、
複数個の第2正極活物質と、第2導電剤と、結着剤とを含む第2造粒粒子と、
を有し、
前記第1造粒粒子に含まれる前記結着剤は、PVDF、PEO、PANまたはPMMAであり、
前記第2造粒粒子に含まれる前記結着剤は、PTFE、FEPまたはPFAである、
非水電解液二次電池。 - 前記正極合剤層は、10質量%以上75質量%以下の前記第2造粒粒子を含む請求項1に記載の非水電解液二次電池。
- 正極と、負極と、前記正極と前記負極との間に設けられたセパレータと、少なくとも前記セパレータに保持された非水電解液とを備えた非水電解液二次電池の製造方法であって、
有機溶媒を用いて、複数個の第1正極活物質と、第1導電剤と、結着剤とを造粒することにより、第1湿潤造粒粒子を作製する工程と、
水系溶媒を用いて、複数個の第2正極活物質と、第2導電材と、結着剤とを造粒することにより、第2湿潤造粒粒子を作製する工程と、
前記第1湿潤造粒粒子と前記第2湿潤造粒粒子とを混合することにより、混合物を得る工程と、
前記混合物を正極集電体の表面に転写することにより、前記正極を製造する工程と、
を含み、
前記第1湿潤造粒粒子に含まれる前記結着剤は、PVDF、PEO、PANまたはPMMAであり、
前記第2湿潤造粒粒子に含まれる前記結着剤は、PTFE、FEPまたはPFAである、
非水電解液二次電池の製造方法。
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