JP6494273B2 - 非水電解質二次電池用電極巻回素子、それを用いた非水電解質二次電池、及び非水電解質二次電池用電極巻回素子の製造方法 - Google Patents
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(リチウムイオン二次電池の全体構成)
まず、図1及び図2を参照して、本発明の実施形態に係るリチウムイオン二次電池の構成について説明する。図1は、巻回素子100の平面図と、巻回素子100の領域Aを拡大した拡大図とを示す。図2は、正極、負極および2枚のセパレータが積層された電極積層体100aの平面図と、電極積層体100aの領域Aを拡大した拡大図とを示す。
帯状負極10は、負極集電体10bと、負極集電体10bの両面に形成された負極活物質層10aとを含む。帯状負極10は、いわゆる水系負極である。したがって、本実施形態に係る巻回素子100及びリチウムイオン二次電池は、水系負極を備えたものである。
次に、非水電解質リチウムイオン二次電池の製造方法について説明する。
(帯状正極の製造方法)
帯状正極30は、例えば、以下の方法により作製される。すなわち、正極活物質層の材料を有機溶媒や水に分散させることで正極合剤スラリーを形成し、この正極合剤スラリーを集電体上に塗工する。これにより、塗工層が形成される。ついで、塗工層を乾燥する。ついで、乾燥した塗工層を正極集電体30bとともに圧延する。これにより、帯状正極30が作製される。
帯状負極10は、例えば、以下の方法により作製される。すなわち、負極活物質層の材料を水に分散させることで負極合剤スラリーを形成し、この負極合剤スラリーを集電体上に塗工する。これにより、塗工層を形成する。ついで、塗工層を乾燥する。負極合剤スラリー中では、フッ素樹脂微粒子及びエラストマー系高分子の微粒子が負極活物質層10a内に分散している。ついで、乾燥した塗工層を負極集電体10bとともに圧延する。これにより、帯状負極10が作製される。
ついで、帯状負極10、帯状セパレータ20、帯状正極30、及び帯状セパレータ20をこの順で積層することで電極積層体100aを作製する。ついで、電極積層体100aを巻回する。これにより、電極積層体100aのある部分の表面(すなわち帯状セパレータ20)に電極積層体100aの他の部分の裏面(すなわち帯状負極10)が接触する。これにより、巻回素子100が作製される。ついで、巻回素子100を押しつぶすことで扁平状の巻回素子100を作製する。ついで、扁平状の巻回素子100を非水電解液とともに外装体(例えばラミネートフィルム)に挿入し、外装体を封止することで、リチウムイオン二次電池を作製する。なお、外装体を封止する際には、各集電体に導通する端子を外装体の外部に突出させる。
(正極の作製)
コバルト酸リチウム、カーボンブラック、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)を固形分の質量比96:2:2でN−メチルピロリドン中に溶解分散させることで正極合剤スラリーを作製した。ついで、正極合剤スラリーを厚さ12μmのアルミ箔集電体の両面に塗布後、乾燥した。乾燥後の塗工層を圧延することで正極活物質層を作製した。集電体及び正極活物質層の総厚は120μmであった。ついで、アルミリード線を電極端部に溶接することで帯状正極を得た。
黒鉛、変性SBR微粒子の水分散体、PVDF水分散体中でアクリル樹脂を重合させて複合化したフッ素樹脂含有微粒子の水分散体、カルボキシメチルセルロースのナトリウム塩を固形分の質量比97:1:1:1で水溶媒中に溶解分散させることで、負極合剤スラリーを作製した。ついで、この負極合剤スラリーを厚さ10μmの銅箔集電体の両面に塗布後、乾燥した。乾燥後の塗工層を圧延することで負極活物質層を得た。集電体及び負極活物質層の総厚は120μmであった。その後、ニッケルリード線を端部に溶接することで帯状負極を得た。なお、本実施例で使用したフッ素樹脂含有微粒子の平均粒子径をレーザ回折法で測定したところ、300nm程度であった。また、フッ素樹脂含有微粒子をSEMで観察したところ、球状粒子であった。
上記のフッ素樹脂含有微粒子の水分散体と、ポリ−N−ビニルアセトアミドと、カルボン酸変性ポリアクリル酸ブチル水分散体と、架橋ポリスチレン粒子と、平均粒子径0.5μmのアルミナ粒子とを水溶媒中に溶解分散させることで接着層合剤スラリーを作製した。
負極、セパレータ、正極、セパレータをこの順に積層し、直径3cmの巻き芯を用いて、この積層体を長手方向に巻きつけた。端部をテープにて固定した後、巻き芯を取り除き、厚さ3cmの2枚の金属プレートの間に円筒状電極巻回素子を挟み、3秒間保持することで、扁平状の電極巻回素子を得た。
この電極巻回素子を48時間放置前後の素子の厚み増加率を計測し、形状安定性とした。厚み増加率が小さいほど形状安定性が良好なので(すなわち、巻回素子の歪みが小さいので)好ましい。厚み増加率は、48時間放置前後の素子の厚み増加量を放置前の素子の厚みで除算することで得られる。
上記電極巻回素子をポリプロピレン/アルミ/ナイロンの3層からなるラミネートフィルムに、2本のリード線が外に出るように電解液とともに減圧封止することで、電池を作製した。電解液には、エチレンカーボネート/エチルメチルカーボネートを3対7(体積比)で混合した溶媒に1MのLiPF6を溶解させたものを使用した。この電池を90℃に加熱した厚さ3cmの2枚の金属プレートの間に挟み、5分間保持した。この電池を設計容量の1/10CA(1CAは1時間放電率)で4.4Vまで定電流充電行い、引き続き4.4Vで1/20CAになるまで定電圧充電を行った。その後1/2CAで3.0Vまで定電流放電を行うことで、電池を作製した。また、このときの容量を初期放電容量とした。
作製した電池を0.5CA、4.4Vの定電流充電、0.05CAまでの定電圧充電、の充電工程と、0.5CA、3.0Vの定電流放電の放電工程を繰り返すサイクル試験を行い、100サイクル後の初期放電容量に対する放電容量の減少率(維持率)を計測し、寿命性能評価とした。放電容量の減少率が小さいほど寿命特性に優れているおり、好ましい。維持率は、100サイクル後の放電容量を初期放電容量で除算することで得られる。
作製した電池の初回放電容量を測定後の厚みを計測して初期厚みとし、25℃下で、4.4Vで1/2CA低電流充電、1/20CA低電圧充電、1/2CA定電流放電をこの順に100サイクル繰り返した。その後、電池の厚みを厚み計で計測し、初期厚みからの変化率を算出した。膨れ率が小さいほど電池の寸法安定性に優れており好ましい。また、膨れ率が小さいほど、接着層の接着性が大きいと言える。
上記電池の初回放電容量を測定後、島津製作所社製卓上型精密万能試験機AGS−Xを用いて座屈強度(耐座屈性)を測定した。具体的には、電池を15mmの間隙を持った治具に載せ、間隙直径2mmφの曲率、幅30mmの圧子を捲回素子に対して平行になるように配置した。そして、圧子で下方に1mm/分で押していく際にかかる荷重を計測し、荷重の最大値を電池の座屈点とみなし、座屈強度とした。試験を行うに際しては、まず、接着層を持たない未塗工のポリエチレン多孔質フィルムをセパレータとして使用した他は上記と同様の工程を行うことで基準の電池を作製した。そして、基準の電池に対して上記試験を行うことで、基準の最大荷重を計測した。その後、実施例1の電池に対して同様の試験を行うことで、実施例1の最大荷重を計測した。基準の最大荷重に対して、150%未満である場合は×、150%以上250%未満を△、250%以上を○とした。
実施例1のフッ素樹脂含有微粒子の水分散体と、ポリ−N−ビニルアセトアミドと、架橋ポリメチルメタクリレート粒子と、ベーマイト粒子とを水溶媒中に溶解分散させることで接着層合剤スラリーを作製した。ここで、ポリ−N−ビニルアセトアミドは接着層用結着剤を構成するものである。また、架橋ポリメチルメタクリレート粒子及びベーマイト粒子は耐熱性フィラーを構成するものである。架橋ポリメチルメタクリレート粒子とベーマイト粒子との混合比(体積比)は50:50とした。また、フッ素樹脂含有微粒子と、接着層用結着剤と、耐熱性フィラーとの混合比(体積比)は、45:4:51とした。上記以外は実施例1と同様の処理を行った。
実施例1のフッ素樹脂含有微粒子の水分散体と、ポリビニルピロリドンと、カルボン酸変性ポリアクリル酸ブチルと、架橋ポリメチルメタクリレート粒子と、アルミナ粒子とを水溶媒中に溶解分散させることで接着層合剤スラリーを作製した。ここで、ポリビニルピロリドンとカルボン酸変性アクリル酸ブチルは接着層用結着剤を構成するものである。ポリビニルピロリドンとカルボン酸変性アクリル酸ブチルとの混合比は1:5とした。また、架橋ポリメチルメタクリレート粒子及びアルミナ粒子は耐熱性フィラーを構成するものである。架橋ポリメチルメタクリレート粒子とベーマイト粒子との混合比(体積比)は30:70とした。また、フッ素樹脂含有微粒子と、接着層用結着剤と、耐熱性フィラーとの混合比(体積比)は、44:6:50とした。上記以外は実施例1と同様の処理を行った。
実施例1のフッ素樹脂含有微粒子の水分散体と、ポリビニルアルコールと、架橋ポリスチレン粒子とを水溶媒中に溶解分散させることで接着層合剤スラリーを作製した。ここで、ポリビニルアルコールは接着層用結着剤を構成するものである。また、架橋ポリスチレン粒子は耐熱性フィラーを構成するものである。フッ素樹脂含有微粒子と、接着層用結着剤と、耐熱性フィラーとの混合比(体積比)は、45:4:51とした。上記以外は実施例1と同様の処理を行った。
実施例1のフッ素樹脂含有微粒子の水分散体と、ポリ−N−ビニルアセトアミドと、カルボン酸変性アクリル酸ブチルとを水溶媒中に溶解分散させることで接着層合剤スラリーを作製した。ここで、ポリ−N−ビニルアセトアミドとカルボン酸変性アクリル酸ブチルは接着層用結着剤を構成するものである。ポリ−N−ビニルアセトアミドとカルボン酸変性アクリル酸ブチルとの混合比は1:5とした。また、フッ素樹脂含有微粒子と、接着層用結着剤との混合比(体積比)は、93:7とした。上記以外は実施例1と同様の処理を行った。
実施例1のフッ素樹脂含有微粒子の水分散体と、ポリ−N−ビニルアセトアミドと、非変性ポリメチルメタクリレートと、架橋ポリスチレン粒子と、ベーマイト粒子とを水溶媒中に溶解分散させることで接着層合剤スラリーを作製した。ここで、ポリ−N−ビニルアセトアミドと非変性SBRは接着層用結着剤を構成するものである。ポリ−N−ビニルアセトアミドと非変性SBRとの混合比は1:4とした。また、架橋ポリスチレン粒子及びベーマイト粒子は耐熱性フィラーを構成するものである。架橋ポリスチレン粒子とベーマイト粒子との混合比(体積比)は25:75とした。また、フッ素樹脂含有微粒子と、接着層用結着剤と、耐熱性フィラーとの混合比(体積比)は、44:6:50とした。上記以外は実施例1と同様の処理を行った。
実施例1のフッ素樹脂含有微粒子の水分散体と、ポリビニルアルコールと、ポリエチレンアイオノマーの水分散体と、アルミナ粒子とを水溶媒中に溶解分散させることで接着層合剤スラリーを作製した。ここで、ポリビニルアルコールとポリエチレンアイオノマーは接着層用結着剤を構成するものである。ポリビニルアルコールとポリエチレンアイオノマー(固形分)との混合比は1:5とした。また、アルミナ粒子は耐熱性フィラーを構成するものである。また、フッ素樹脂含有微粒子と、接着層用結着剤と、耐熱性フィラーとの混合比(体積比)は、44:6:50とした。上記以外は実施例1と同様の処理を行った。
実施例1のフッ素樹脂含有微粒子の水分散体と、ポリビニルアルコールと、カルボキシメチルセルロースのナトリウム塩と、カルボン酸変性ポリアクリル酸ブチル水分散体と、架橋ポリメチルメタクリレート粒子と、ベーマイト粒子とを水溶媒中に溶解分散させることで接着層合剤スラリーを作製した。ここで、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロースのナトリウム塩、及びカルボン酸変性ポリアクリル酸ブチルは接着層用結着剤を構成するものである。ポリビニルピロリドン、カルボキシメチルセルロースのナトリウム塩、及びカルボン酸変性ポリアクリル酸ブチルの混合比(質量比)は45:10:5とした。また、架橋ポリメチルメタクリレート粒子と、ベーマイト粒子は耐熱性フィラーを構成するものである。架橋ポリメチルメタクリレート粒子とベーマイト粒子との混合比(体積比)は50:50とした。また、フッ素樹脂含有微粒子と、接着層用結着剤と、耐熱性フィラーとの混合比(体積比)は、44:6:50とした。イオン性水溶性結着剤のフッ素樹脂含有微粒子に対する含有率は0.7質量%である。上記以外は実施例1と同様の処理を行った。
セパレータ製造において、PVDFをN−メチルピロリドンに溶解させた溶液を、厚さ12μmの多孔質ポリエチレンフィルムの両面に塗布し、溶液が塗布されたフィルムを水中に浸漬させた後乾燥することで、フィルムの両面に網目状に多孔質化した接着層を形成した。接着層の厚さは3μmであった。上記以外は実施例1と同様の処理を行った。
実施例1のフッ素樹脂含有微粒子の水分散体と、カルボン酸変性ポリアクリル酸ブチルと、ポリアクリル酸ナトリウムと、アルミナ粒子とを水溶媒中に溶解分散させることで接着層合剤スラリーを作製した。ここで、カルボン酸変性アクリル酸ブチルとポリアクリル酸は接着層用結着剤を構成するものである。カルボン酸変性アクリル酸ブチルとポリアクリル酸との混合比(質量比)は1:5とした。また、アルミナ粒子は耐熱性フィラーを構成するものである。フッ素樹脂含有微粒子と、接着層用結着剤と、耐熱性フィラーとの混合比(体積比)は、44:6:50とした。イオン性水溶性結着剤であるポリアクリル酸ナトリウムのフッ素樹脂含有微粒子に対する含有率は2.3質量%である。上記以外は実施例1と同様の処理を行った。
実施例1のフッ素樹脂含有微粒子の水分散体と、イソブチレンマレイン酸共重合物のナトリウム塩と、アルミナ粒子とを水溶媒中に溶解分散させることで接着層合剤スラリーを作製した。ここで、イソブチレンマレイン酸共重合物ナトリウム塩は接着層用結着剤を構成するものである。また、アルミナ粒子は耐熱性フィラーを構成するものである。フッ素樹脂含有微粒子と、接着層用結着剤と、耐熱性フィラーとの混合比(体積比)は、45:4:51とした。イオン性水溶性結着剤であるイソブチレンマレイン酸共重合物ナトリウム塩のフッ素樹脂含有微粒子に対する含有率は8.9質量%である。上記以外は実施例1と同様の処理を行った。
実施例1のフッ素樹脂含有微粒子の水分散体と、ポリビニルアルコールと、カルボキシメチルセルロースのナトリウム塩と、アルミナ粒子とを水溶媒中に溶解分散させることで接着層合剤スラリーを作製した。ここで、ポリビニルアルコールと、カルボキシメチルセルロースのナトリウム塩は接着層用結着剤を構成するものである。ポリビニルアルコールと、カルボキシメチルセルロースのナトリウム塩との混合比(質量比)は1:1とした。また、アルミナ粒子は耐熱性フィラーを構成するものである。フッ素樹脂含有微粒子と、接着層用結着剤と、耐熱性フィラーとの混合比(体積比)は、45:4:51とした。イオン性水溶性結着剤であるカルボキシメチルセルロースナトリウム塩のフッ素樹脂含有微粒子に対する含有率は4.4質量%である。上記以外は実施例1と同様の処理を行った。
実施例及び比較例のセパレータ構成を表1に示し、評価結果を表2に示す。
100a 積層体
10 帯状負極
10a 負極活物質層
10b 負極集電体
20 帯状セパレータ
20a 接着層
20b−1 フッ素樹脂含有微粒子
20b−2 接着層用結着剤
20c 帯状多孔質膜
30 帯状正極
30a 正極活物質層
30b 正極集電体
Claims (9)
- 帯状正極と、
帯状負極と、
前記帯状正極及び帯状負極の間に配置された帯状多孔質膜と、
前記帯状多孔質膜の表面に形成される接着層と、を備え、
前記接着層は、フッ素樹脂含有微粒子と、前記フッ素樹脂含有微粒子を担持し、かつ、総体積が前記フッ素樹脂含有微粒子の総体積よりも小さい接着層用結着剤と、を含み、
前記接着層用結着剤は、イオン性非水溶性結着剤、非イオン性水溶性結着剤、非イオン性非水溶性結着剤、及びイオン性水溶性結着剤からなる群のうち、少なくともイオン性非水溶性結着剤を含む1種以上の結着剤を含み、
前記イオン性水溶性結着剤の含有率は、前記フッ素樹脂含有微粒子の質量の2質量%以下であることを特徴とする、非水電解質二次電池用電極巻回素子。 - 前記接着層用結着剤は、前記非イオン性水溶性結着剤を含むことを特徴とする、請求項1記載の非水電解質二次電池用電極巻回素子。
- 前記イオン性非水溶性結着剤は、カルボン酸変性アクリル酸エステル、ポリオレフィンアイオノマー、及びカルボン酸変性スチレン−ブダジエン共重合体からなる群から選択されるいずれか1種を含むことを特徴とする、請求項1または2記載の非水電解質二次電池用電極巻回素子。
- 前記非イオン性水溶性結着剤は、ポリ−N−ビニルアセトアミド、ポリビニルアルコール、ヒドロキシエチルセルロース、メチルセルロース、ポリビニルピロリドン、及びポリオキシエチレンからなる群から選択されるいずれか1種以上を含むことを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用電極巻回素子。
- 前記帯状負極は、負極活物質と、前記フッ素樹脂含有微粒子とを含む負極活物質層を備え、
前記接着層は、前記負極活物質層に結着していることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用電極巻回素子。 - 前記フッ素樹脂含有微粒子は、球状粒子であることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用電極巻回素子。
- 前記フッ素樹脂は、ポリフッ化ビニリデンを含むことを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用電極巻回素子。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用電極巻回素子を備えることを特徴とする、非水電解質二次電池。
- フッ素樹脂含有微粒子と、前記フッ素樹脂含有微粒子を担持し、かつ、総体積が前記フッ素樹脂含有微粒子の総体積よりも小さい接着層用結着剤とを含む水系スラリーを帯状多孔質膜の表面に塗工し、乾燥する工程を含み、
前記接着層用結着剤は、イオン性非水溶性結着剤、非イオン性水溶性結着剤、非イオン性非水溶性結着剤、及びイオン性水溶性結着剤からなる群のうち、少なくともイオン性非水溶性結着剤を含む1種以上の結着剤を含み、
前記イオン性水溶性結着剤の含有率は、前記フッ素樹脂含有微粒子の質量の2質量%以下であることを特徴とする、非水電解質二次電池用電極巻回素子の製造方法。
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