JP6369027B2 - 電池用電極の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、リチウムイオン電池などの電極の製造に関する。

リチウムイオン２次電池は電解質内において電気化学反応により発電を行なう発電要素として、リチウム金属酸化物からなる正極と、炭素材からなる負極とを交互に積層している。

こうしたリチウムイオン２次電池の電極に関して、特許文献１は正極、負極及び分離膜に電極面に垂直な複数の微細な孔部（マイクロホール）をレーザー加工により形成し、電極への電解液の浸透を促進することを提案している。

特許３６９０５２２号公報

電極への電解液の均一な浸潤のためには、マイクロホールを高密度で数多く設ける必要がある。一方、電極の体積を確保するためには、各マイクロホールの径を小さくする必要がある。つまり、電極の性能を上げるためには、電極に径の小さなマイクロホールを数多く形成することが望ましい。

特許文献１には、レーザ加工によるマイクロホールの形成方法で形成されるマイクロホールの径は０．５ミリメートル（ｍｍ）と説明されている。一方、電極の体積損失を小さくするためには、マイクロホールの径を数十ミクロンメートル（μｍ）に抑えることが望ましい。

この発明は、電極へのマイクロホールの形成に関わる以上の問題を解決すべくなされたもので、数十μｍの径の多数のマイクロホールを備えた電極を容易に製造できるようにすることを目的とする。

以上の目的を達成するために、この発明のある実施形態は、電極板に厚さ方向の数十μm の径の複数の微細な孔部を形成する電極の製造方法に適用される。製造方法は、集電箔に活物質を塗布して電極板を形成する電極板形成工程と、ラジアル方向に複数のピンを突出させたローラ状の治具を用いて電極板に孔部を形成する孔部形成工程と、孔部を形成した電極板を厚さ方向にプレスするプレス工程と、を含んで構成される。さらに、孔部形成工程は、前記集電箔に塗布された前記活物質に前記孔部に対応する突起を所定圧力でプレスする工程を含む。

孔部を形成した電極板を厚さ方向にプレスすることで、電極板の活物質が圧縮される。圧縮された活物質は厚さ方向と直交する方向へ膨出し、孔部を収縮させる。結果として、孔部が小径化し、活物質の体積密度がプレス工程以前と比べて増加する。また、プレス工程で電極板を厚さ方向にプレスすることで活物質の表面の凹凸が均され、均一な平面となる。

この発明の第１の実施形態による電極の製造方法を工程順に説明する、電極板の断面図である。 この発明の第１の実施形態による孔部形成工程を説明する、電極板と治具の斜視図である。 この発明の第１の実施形態によるプレス工程を説明する、電極板とプレス治具の断面図である。 この発明の第２の実施形態によるプレス工程を説明する、電極板とプレス治具の断面図である。

図１−３を参照して、この発明の第１の実施形態を説明する。

この実施形態はリチウムイオン２次電池の電極の製造方法に関する。リチウムイオン２次電池は電解質内において電気化学反応により発電を行なう発電要素として、リチウム金属酸化物からなる正極と、炭素材からなる負極と、を備える。正極と負極は交互に積層される。正極と負極はいずれも、集電箔の上に活物質を塗布することで形成される。正極と負極は塗布される活物質が異なるのみで、他の仕様は同じであるため、以下の説明では正極と負極を電極と総称する。

この実施形態による電極の製造方法は、次の３つの工程からなる。

すなわち、電極板形成工程と、孔部形成工程と、プレス工程である。

図１を参照すると、電極板形成工程では、図の（ａ）に示すように、集電箔１の一面に活物質２を塗布することで、集電箔１と活物質２が一体化された電極板３を形成する。

図２を参照すると、孔部形成工程では、ラジアル方向に数多くのピン７を突出させたローラ状の治具５を用いる。治具５を所定圧力Ｐ_１で電極板３の活物質２の表面に押しつけて転動させることで、活物質２にピン７の密度に応じた多数の孔部４が等間隔で規則的に形成される。

再び図１を参照すると、孔部形成工程においては、治具５の個々のピン７が図の（ｂ）に示すように活物質２に貫入し、活物質２の塑性変形により活物質２に多数の孔部４が形成される。孔部形成工程は好ましくは電極板形成工程で集電箔１に塗布された活物質２が塑性変形しやすい状態、すなわち活物質２が硬化する前に実施する。孔部形成工程により、図の（ｅ）に示すようにピン７の径に略等しい径Ｗ_Ａの孔部４が活物質２に多数形成される。

このように、ラジアル方向に数多くのピン７を突出させたローラ状の治具５を用いることで孔部４を容易に形成することができる。しかしながら、この発明は孔部形成工程における孔部４の形成方法には限定されない。例えば、表面に数多くのピン７を突設した板状の治具を上方から活物質２に押しつけて孔部４を形成することも可能である。あるいは、前記従来技術が提案するレーザ加工により孔部４を形成しても良い。

図３を参照すると、プレス工程では、多数の孔部４を形成した活物質２に、平面状の押圧面を有するプレス治具６を用いて上方から垂直方向に圧力Ｐ_２を加える。

再び図１を参照すると、図の（ｃ）に示すように、上方から垂直方向の圧力Ｐ_２を加えられた活物質２は圧縮変形し、上下方向の寸法、すなわち厚さをＨ_ＡからＨ_Ｂへと減じる一方、圧縮により減じた体積相当分の活物質２を孔部４の内側に進出させる。その結果、孔部４は図の（ｄ）に示すように、図の（ｅ）に示すプレス工程以前の径Ｗ_Ａより小さな径Ｗ_Ｂへと収縮する。このときプレス治具６が活物質２に加える圧力Ｐ_２は、孔部形成工程でローラ状の治具５が活物質２に加える圧力Ｐ_１より小さな値に設定される。

プレス工程の結果、電極板３の面積に関して活物質２が占めする面積が増大し、孔部４が占める面積が減少する。３次元的にも電極板３に占める活物質２の体積割合が増大し、孔部４の体積割合が減少する。活物質２の体積割合の増大は２次電池の蓄電容量を増大させる効果をもたらす。一方、プレス治具６の圧力Ｐ_２を治具５の圧力Ｐ_１より小さく設定しているので、プレス工程によって電極板３の厚さが過度に薄くなったり、活物質２の密度が過度に上昇したりするのを抑制することができる。

このようにして径を縮小した孔部４が、リチウムイオン２次電池の稼働時には、電解液を活物質に浸透させるマイクロホールとして機能する。発明者らの実験によれば、以上のプレス工程により孔部４の体積を約５０％減少させることができた。このように、この電極製造方法によれば孔部４の径を効率良く減少させることができる。

径Ｗ_Ｂの孔部４をピン７による活物質２の塑性変形のみで形成しようとすれば、ピン７の径をＷ_Ｂに等しく設定しなければならない。しかしながら、ピン７の径を小さくするとピン７の折れやすさが二次関数的に増加する。孔部形成工程の後にプレス工程を行なうこの製造方法によれば、孔部形成工程で使用する治具５のピン７の径を小さくせずに、数十μｍという好ましい径の多数のマイクロホールを活物質２に容易に形成することができる。

この製造方法により製造された電極板３は、プレス工程でプレス治具６を用いて活物質２を圧縮した結果、孔部４の開口部の周囲の活物質２の密度が集電箔１に近い部位の孔部４の周囲の活物質２の密度より高くなる。これは、プレス治具６の押圧面に近い位置ほど、活物質２が押しつぶされるからである。

また、プレス工程を実行することで、活物質２の凹凸が平らに均される。したがって、電極板３の活物質２の厚さを均一にすることができる。

図４を参照して、この発明による電極の製造方法の第２の実施形態を説明する。

この実施形態では、プレス工程で使用するプレス治具６の代わりにローラ状のプレス治具８を用いてプレス工程を実施する。なお、プレス治具８には、治具５のようなピン７は設けられない。プレス治具８の表面は滑らかな曲面である。

プレス治具８は図に示すように、転動しつつ活物質２を押圧する。プレス治具８は第１の実施形態のプレス治具６と同じく上方から垂直に圧力Ｐ_２を活物質２に加える。

この実施形態によっても、第１の実施形態と同様に、プレス工程によって孔部４を縮小させ、格別に細いピン７を用いることなく、数十μｍという好ましい径の多数のマイクロホールを活物質２に容易に形成することができる。また、ローラ状のプレス治具８によって活物質２の表面の凹凸が均されるので、電極板３の活物質２の厚さを均一にすることができる。

以上のように、この発明の第１の実施形態及び第２の実施形態による電池用電極の製造方法は、数十μｍの径の数多くのマイクロホールを有する、活物質の体積密度の高い電極板３の製造を可能とする。このようにして製造された電極板３を所定の寸法に切断することで、高性能の電極を製造することができる。製造された電極は孔部４の開口部の周囲の活物質２の密度が、集電箔１に近い部位の孔部４の周囲の活物質２の密度より高いのが特徴である。この特徴は、孔部４の深部においてリチウムイオンの活物質２への高い浸透性を確保するうえで好ましい。

さらに、この電極を用いてリチウムイオン２次電池を製造することで、リチウムイオン２次電池の蓄電性能や放電性能を強化することができる。

以上の実施形態において、ピン７が孔部４に対応する突起を構成する。

以上のように、この発明をいくつかの特定の実施形態を通じて説明して来たが、この発明は上記の各実施形態に限定されるものではない。当業者にとっては、特許請求の範囲でこれらの実施形態にさまざまな修正あるいは変更を加えることが可能である。

例えば、上記の各実施異形態では電極板形成工程に引き続いて孔部形成工程を実行している。これは、孔部４の形成を容易にするうえで好ましい。一方、集電箔１に活物質２を塗布した後に治具を用いて圧縮することで電極板３を得る場合もある。このようにして既に圧縮力を加えられた電極板３にマイクロホールを形成する場合も、この発明による電極の形成方法を適用することで、マイクロホールの小径化に関して相応の好ましい効果を得ることができる。言い換えれば、既成の電極板３にマイクロホールを形成して電極を製造する場合にも、この発明は有効である。

１ 集電箔
２ 活物質
３ 電極板
４ 孔部
５ 治具
６ プレス治具
７ ピン
８ プレス治具

Claims (4)

1. 電極板に厚さ方向の数十μm の径の複数の微細な孔部を形成する電極の製造方法において、
   集電箔に活物質を塗布して電極板を形成する電極板形成工程と、
   ラジアル方向に複数のピンを突出させたローラ状の治具を用いて前記電極板に孔部を形成する孔部形成工程と、
   前記孔部を形成した前記電極板を厚さ方向に圧縮するプレス工程と、
   を含むとともに、
   前記孔部形成工程は、前記集電箔に塗布された前記活物質に前記孔部に対応する突起を所定圧力でプレスする工程を含む、ことを特徴とする、電池用電極の製造方法。
2. 前記プレス工程で電極板に加えられる圧力は前記所定圧力より低いことを特徴とする請求項１に記載の電池用電極の製造方法。
3. 前記プレス工程により、前記孔部の径が５０％以下に縮小することを特徴とする、請求項１または２に記載の電池用電極の製造方法。
4. 前記電極板形成工程は、前記集電箔に塗布された前記活物質を圧縮する工程を含むことを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の電池用電極の製造方法。

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