JP6826240B2 - リチウムイオン二次電池用電極、及びリチウムイオン二次電池 - Google Patents

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Description

本発明は、電極活物質層の端部に隣接し、かつ該端部を覆うように配置された絶縁樹脂層を備えるリチウムイオン二次電池用電極、及びリチウムイオン二次電池に関する。
リチウムイオン二次電池は、電力貯蔵用の大型定置用電源、電気自動車用等の電源として利用されており、近年では電池の小型化及び薄型化の研究が進展している。リチウムイオン二次電池は、金属箔の表面に電極活物質層を形成した両電極と、両電極の間に配置されるセパレータを備えるものが一般的である。セパレータは、両電極間の短絡防止や電解液を保持する役割を果たす。
リチウムイオン二次電池では、特に、集電体上の活物質層の端部近傍で短絡の発生率が高くなる。これに対し、両電極間の短絡をより確実に防止するために、上記短絡の発生率が高い部分を絶縁テープで被覆した非水系二次電池が従来技術として知られている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に記載の非水系二次電池では、集電体の露出部と正極合剤層の塗布部との境目部分に絶縁テープを貼り付けることにより、内部短絡をより確実に防止している。
特開2009−134915号
しかしながら、積層型電池の場合、電極の層数が大きくなると、絶縁テープが貼り付けられている電極端部の重なり部分の厚みが大きくなる。このため、積層した電極を電池の筐体に収納することが難しくなったり、積層した電極を筐体に収納した後に積層した電極にかかる圧力が不均一になったりする場合があった。この場合、積層した電極に局所的な劣化が生じ、その結果、電池の寿命が短くなる場合がある。
そこで、本発明は、電池の寿命を長くすることができるリチウムイオン二次電池用電極及びその電極を備えたリチウムイオン二次電池を提供することを課題とする。
本発明者は、鋭意検討の結果、電極活物質層の端部に隣接し、かつ該端部を覆うように絶縁樹脂層を配置し、さらに、電極平坦部の厚さ(T1)に対する、電極盛り上がり部の厚さ(T2)の比(T2/T1)を所定値未満とし、かつT2−T1で表される厚さ差を所定値未満とすることにより、電池の寿命を長くできることを見出した。そして、本発明者は、以下の本発明を完成させた。本発明の要旨は、以下の[1]〜[7]である。
[1]集電体と、前記集電体の表面上に設けられる電極活物質層及び絶縁樹脂層とを備え、前記絶縁樹脂層が、前記電極活物質層の端部に隣接し、かつ該端部を覆うように配置されるリチウムイオン二次電池用電極であって、
前記リチウムイオン二次電池用電極は、前記電極活物質層及び絶縁樹脂層が設けられる前記表面において、電極平坦部と、前記電極平坦部よりも前記端部側に配置され、かつ前記電極平坦部より肉厚な電極盛り上がり部とを備え、
前記電極平坦部の厚さ(T1)に対する、前記電極盛り上がり部の厚さ(T2)の比(T2/T1)が1.25未満であり、かつT2−T1で表される厚さ差が15μm未満であるリチウムイオン二次電池用電極。
[2]前記絶縁樹脂層に隣接する前記電極活物質層の端部が、前記電極活物質層の中央部から離れるに従って厚さが小さくなる傾斜部により構成され、
前記電極平坦部の厚さ(T1)に対する、前記傾斜部の幅(W)の比(W/T1)で表されるエッジファクターが1.0〜15.0である上記[1]に記載のリチウムイオン二次電池用電極。
[3]前記電極活物質層が正極活物質層である上記[1]又は[2]に記載のリチウムイオン二次電池用電極。
[4]前記電極活物質層が、電極活物質と、バインダーとを含む上記[1]〜[3]のいずれか1つに記載のリチウムイオン二次電池用電極。
[5]上記[1]〜[4]のいずれか1つに記載のリチウムイオン二次電池用電極を備えるリチウムイオン二次電池。
[6]負極と、正極とを備え、
前記正極が、前記リチウムイオン二次電池用電極である上記[5]に記載のリチウムイオン二次電池。
[7]正極と、負極とがそれぞれが複数層設けられるように交互に配置され、各層を構成する正極それぞれの集電体の端部が纏められて正極端子に接続され、かつ各層を構成する負極それぞれの集電体の端部が纏められ負極端子に接続されるリチウムイオン二次電池であって、
前記正極、又は前記負極の少なくとも一方が、前記リチウムイオン二次電池用電極により構成され、
前記絶縁樹脂層は、前記集電体の纏められた端部側において、前記電極活物質層の端部に隣接するよう配置される上記[5]又は[6]に記載のリチウムイオン二次電池。
本発明によれば、電池の寿命を長くすることができるリチウムイオン二次電池用電極及びその電極を備えたリチウムイオン二次電池を提供することができる。
図1は、本発明の一実施形態におけるリチウムイオン二次電池用電極の概略断面図である。 図2は、電極活物質層用組成物の塗布に用いるダイヘッドの一例を示す図である。 図3は、電極活物質層用組成物の塗布を説明するための図である。 図4は、絶縁樹脂層用組成物の塗布に用いるダイヘッドの一例を示す図である。 図5は、絶縁樹脂層用組成物の塗布を説明するための図である。 図6は、電極活物質層及び絶縁樹脂層を形成した集電体の分割を説明するための図である。 図7は、本発明の一実施形態におけるリチウムイオン二次電池用電極の変形例の概略断面図である。 図8は、本発明の一実施形態におけるリチウムイオン二次電池の概略断面図である。 図9は、本発明の一実施形態におけるリチウムイオン二次電池の変形例の概略断面図である。
[リチウムイオン二次電池用電極]
以下、図1を参照して本発明の一実施形態におけるリチウムイオン二次電池用電極について説明する。図1は、本発明の一実施形態におけるリチウムイオン二次電池用電極の概略断面図である。
図1に示すように、本発明の一実施形態におけるリチウムイオン二次電池用電極10は、集電体20と、集電体20の両側の表面上に設けられる電極活物質層30及び絶縁樹脂層40とを備えている。そして、それぞれの絶縁樹脂層40が、電極活物質層30の端部31に隣接し、かつ端部31を覆うように配置される。さらに、リチウムイオン二次電池用電極10は、電極活物質層30及び絶縁樹脂層40が設けられる表面において、電極平坦部11と、電極平坦部11よりも端部側に配置され、かつ電極平坦部11より肉厚な電極盛り上がり部12とを備える。また、電極活物質層30は、好ましくは、電極平坦部11を構成し、表面が平坦な電極活物質層平坦部33と、電極活物質層平坦部33よりも端部側に配置され、かつ電極活物質層平坦部33より肉厚な電極活物質層盛り上がり部34を備える。符号T1は電極平坦部11の厚さを示し、符号T2は電極盛り上がり部12の厚さを示す。なお、電極盛り上がり部12の厚さが一定でない場合は、符号T2は電極盛り上がり部12の厚さの最大値を示す。
電極平坦部11の厚さ(T1)に対する、電極盛り上がり部12の厚さ(T2)の比(T2/T1)は、1.25未満である。上記比(T2/T1)が1.25以上であると、電極を積層したとき、電極盛り上がり部12の重なり部分の厚みが電極平坦部11の重なり部分に比べて、大きくなりすぎてしまい、積層した電極を筐体に収納した後に積層した電極にかかる圧力が不均一になる場合がある。この場合、積層した電極に局所的な劣化が生じ、その結果、電池の寿命が短くなる場合がある。電池の寿命の観点から、電極平坦部11の厚さ(T1)に対する、電極盛り上がり部12の厚さ(T2)の比(T2/T1)は、好ましくは1.20以下であり、より好ましくは1.10以下であり、さらに好ましくは1.05以下である。なお、上記比(T2/T1)の範囲の下限値は1である。
電極盛り上がり部12の厚さ(T2)と電極平坦部11の厚さ(T1)との間の厚さ差、すなわちT2−T1で表される厚さ差は15μm未満である。T2−T1で表される厚さ差が15μm以上であると、電極を積層したとき、電極盛り上がり部12の重なり部分の厚みが電極平坦部11の重なり部分に比べて、大きくなりすぎてしまい、積層した電極を筐体に収納した後に積層した電極にかかる圧力が不均一になる場合がある。この場合、積層した電極に局所的な劣化が生じ、その結果、電池の寿命が短くなる場合がある。電池の寿命の観点から、T2−T1で表される厚さ差は、好ましくは10μm以下であり、より好ましくは5μm以下である。なお、T2−T1で表される厚さ差の範囲の下限値は0である。
なお、後述するように、電極活物質層用組成物や絶縁樹脂層用組成物の粘度、及び加圧プレスするときのプレスの圧力を調整することにより、電極の端部における盛り上がりを抑え、比(T2/T1)、及びT2−T1の値を上述の範囲内にすることができる。
絶縁樹脂層40に隣接する電極活物質層30の端部31は、電極活物質層30の中央部32から離れるに従って厚さが小さくなる傾斜部31により構成されていることが好ましい。これにより、電極活物質層及び絶縁樹脂層を形成した集電体を加圧プレスしたとき、集電体にシワが生じたり、電極活物質層及び絶縁樹脂層の粉落ちが発生したりするのをより抑制できる。
なお、電極活物質層及び絶縁樹脂層を形成した集電体の加圧プレスについては、後で説明する。また、傾斜部31は、電極活物質層用組成物の粘度を調整することで形成できる。
電極平坦部11の厚さ(T1)に対する、傾斜部31の幅(W)の比(W/T1)で表されるエッジファクターは、好ましくは1.0〜15.0であり、より好ましくは4.0〜13.0である。エッジファクターが1.0〜15.0であると、電極活物質層及び絶縁樹脂層を形成した集電体を加圧プレスしたとき、集電体にシワが生じたり、電極活物質層及び絶縁樹脂層の粉落ちが発生したりするのをより抑制できる。なお、電極活物質層及び絶縁樹脂層を形成した集電体の加圧プレスについては、後で説明する。
また、後述の電極活物質層用組成物の粘度、及び加圧プレスするときのプレスの圧力を調整することにより、エッジファクターの値を上述の範囲内にすることができる。
(集電体)
集電体20を構成する材料としては、例えば、銅、アルミニウム、チタン、ニッケル、ステンレス鋼等の導電性を有する金属が挙げられる。これらの中では、集電体20が正極集電体の場合、アルミニウム、チタン、ニッケル及びステンレス鋼が好ましく、アルミニウムがより好ましい。また、集電体20が負極集電体の場合、銅、チタン、ニッケル及びステンレス鋼が好ましく、銅がより好ましい。集電体20は、一般的に金属箔からなり、その厚さは、特に限定されないが、1〜50μmが好ましく、5〜20μmがより好ましい。集電体20の厚さが1〜50μmであると、集電体20のハンドリングが容易になるとともに、エネルギー密度の低下を抑制できる。
(電極活物質層)
電極活物質層30は、典型的には、電極活物質と、電極用バインダーとを含む。電極が正極である場合、電極活物質層は正極活物質層となり、電極活物質は正極活物質となる。一方、電極が負極の場合、電極活物質層は負極活物質層となり、電極活物質は負極活物質となる。リチウムイオン二次電池では、通常、リチウムを保有する正極の正極活物質に比べて、リチウムを受け入れる負極の負極活物質が多めに搭載される。すなわち、正極の正極活物質量に比べて負極活物質量を多くした負極を使用する。これは、充電時に負極がリチウムイオンを受け入れられず、負極上にリチウム金属が析出することを防止するための措置である。このため、対向する正極と負極とでは、負極活物質量が正極活物質量よりも多く存在するように構成することが好ましい。同様の理由で対向した正極/負極の面積は正極よりも負極を大きく設計することが好ましい。これは位置ずれした場合にも常に負極活物質量が多い状態を維持するためである。そして、負極活物質層に比べて面積の小さい正極活物質層の領域と正極活物質層の形成されていない領域との境界部分に絶縁樹脂層を形成することで、内部短絡をより確実に防止できる。したがって、絶縁樹脂層40を設ける電極活物質層30は好ましくは正極活物質層であり、電極活物質は好ましくは正極活物質である。
電極活物質層30の厚さは、特に限定されないが、集電体の片面あたり、10〜100μmが好ましく、20〜80μmがより好ましい。なお、電極活物質層30の厚さは、具体的には、電極活物質層平坦部33の厚さである。
<正極活物質>
正極活物質層に使用される正極活物質としては、例えば、金属酸リチウム化合物が挙げられる。金属酸リチウム化合物としては、コバルト酸リチウム(LiCoO)、ニッケル酸リチウム(LiNiO)、マンガン酸リチウム(LiMn)等が例示できる。また、正極活物質として、オリビン型リン酸鉄リチウム(LiFePO)等を使用してもよい。さらに、正極活物質として、リチウム以外の金属を複数使用したものを使用してもよく、三元系と呼ばれるNCM(ニッケルコバルトマンガン)系酸化物、NCA(ニッケルコバルトアルミニウム系)系酸化物等を使用してもよい。正極活物質として、これらの物質を1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
<負極活物質>
負極活物質層に使用される負極活物質としては、グラファイト、ハードカーボン等の炭素材料、スズ化合物とシリコンと炭素の複合体、リチウム等が挙げられるが、これら中では炭素材料が好ましく、グラファイトがより好ましい。負極活物質として、上記物質を1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
<電極活物質の平均粒子径>
電極活物質の平均粒子径は、特に限定されないが、0.5〜50μmであることが好ましく、1〜30μmであることがより好ましく、5〜25μmであることがさらに好ましい。なお、平均粒子径は、レーザー回折・散乱法によって求めた電極活物質の粒度分布において、体積積算が50%での粒径(D50)を意味する。
<電極活物質の含有量>
電極活物質層30における電極活物質の含有量は、電極活物質層全量基準で、60〜99質量%が好ましく、80〜99質量%がより好ましく、90〜98質量%がさらに好ましい。
<電極用バインダー>
電極用バインダーの具体例としては、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(PVdF−HFP)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素含有樹脂、ポリメチルアクリレート(PMA)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)等のアクリル樹脂、ポリ酢酸ビニル、ポリイミド(PI)、ポリアミド(PA)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリアクリロニトリル(PAN)、アクリロニトリル・ブタジエンゴム、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリ(メタ)アクリル酸、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ヒドロキシエチルセルロース、及びポリビニルアルコール等が挙げられる。これらバインダーは、1種単独で使用されてもよいし、2種以上が併用されてもよい。また、カルボキシメチルセルロース等は、ナトリウム塩等の塩の態様にて使用されていてもよい。
電極活物質層30における電極用バインダーの含有量は、電極活物質層全量基準で、0.5〜20質量%であることが好ましく、1.0〜10質量%がより好ましい。
<導電助剤>
電極活物質層30は、導電助剤を含有してもよい。導電助剤は、上記電極活物質よりも導電性が高い材料が使用され、具体的には、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、カーボンナノチューブ、棒状カーボン等の炭素材料等が挙げられる。導電助剤は1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。電極活物質層30において、導電助剤が含有される場合、導電助剤の含有量は、電極活物質層全量基準で、0.5〜15質量%であることが好ましく、1〜10質量%であることがより好ましい。導電助剤の含有量が0.5〜15質量%であると、電池抵抗が上昇して出力性能が低下することを抑制できるとともに、導電助剤がバインダーを吸収して粉落ちが発生することを抑制できる。
電極活物質層30は、本発明の効果を損なわない範囲内において、電極活物質、導電助剤、及び電極用バインダー以外の他の任意成分を含んでもよい。ただし、電極活物質層の総質量のうち、電極活物質、導電助剤、及び電極用バインダーの総含有量は、90質量%以上であることが好ましく、95質量%以上であることがより好ましい。
(絶縁樹脂層)
絶縁樹脂層40は、電極の端部における絶縁を確保できるものであればよく、樹脂成分を含む。樹脂成分としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(PVdF−HFP)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素含有樹脂、ポリメチルアクリレート(PMA)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)等のアクリル樹脂、ポリ酢酸ビニル、ポリイミド(PI)、ポリアミド(PA)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリアクリロニトリル(PAN)、アクリロニトリル・ブタジエンゴム、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリ(メタ)アクリル酸、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ヒドロキシエチルセルロース、及びポリビニルアルコール等が挙げられる。これらバインダーは、1種単独で使用されてもよいし、2種以上が併用されてもよい。また、カルボキシメチルセルロース等は、ナトリウム塩等の塩の態様にて使用されていてもよい。これらの高分子は、単独で用いてもよいし、これらの高分子を重ね合わせて複層体として用いてもよい。さらに、これらの高分子には、種々の添加剤を用いてもよく、その種類や含有量は特に制限されない。また、樹脂成分には、必要に応じて、絶縁性微粒子も配合してもよい。絶縁性微粒子としては、無機粒子、有機粒子等が挙げられる。
添加剤として無機粒子を用いると、通常は絶縁層の剛性を高くできることや乾燥収縮の低減ができる。このような無機粒子の材料としては、例えば、酸化アルミニウム(アルミナ)、酸化アルミニウムの水和物(ベーマイト(AlOOH))、ギブサイト(Al(OH))、酸化ケイ素、酸化マグネシウム(マグネシア)、水酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化チタン(チタニア)、BaTiO、ZrO、アルミナ−シリカ複合酸化物等の酸化物粒子、窒化アルミニウム、窒化硼素等の窒化物粒子、シリコン、ダイヤモンド等の共有結合性結晶粒子、硫酸バリウム、フッ化カルシウム、フッ化バリウム等の難溶性イオン結晶粒子、タルク、モンモリロナイト等の粘土微粒子等が挙げられる。これらの中でも、電解液中での安定性と電位安定性の観点から酸化物粒子が好ましく、中でも吸水性が低く耐熱性(例えば180℃以上の高温に対する耐性)に優れる観点から酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化アルミニウムの水和物、酸化マグネシウム及び水酸化マグネシウムがより好ましく、酸化アルミニウム、酸化アルミニウムの水和物、酸化マグネシウム及び水酸化マグネシウムがより好ましく、酸化アルミニウムが特に好ましい。
有機粒子としては、通常は重合体の粒子を用いる。有機粒子は、当該有機粒子の表面の官能基の種類及び量を調整することにより、水に対する親和性を制御でき、ひいては絶縁層に含まれる水分量を制御できる。また有機粒子は、通常は金属イオンの溶出が少ない点で、優れる。このような有機粒子の材料としては、例えば、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリイミド、メラミン樹脂、フェノール樹脂等の各種重合体化合物等が挙げられる。粒子を形成する上記重合体化合物は、例えば、混合物、変成体、誘導体、ランダム共重合体、交互共重合体、グラフト共重合体、ブロック共重合体、架橋体等であっても使用しうる。また、有機粒子は、2種以上の重合体化合物の混合物により形成されていてもよい。
これらの無機粒子及び有機粒子は、1種を単独で使用してもよいし、2種以上を混合して使用してもよい。
絶縁樹脂層が絶縁性微粒子を含有する場合における絶縁性微粒子の含有量は特に限定されない。なお、絶縁性微粒子の含有量が小さい場合には、絶縁層内に空隙が生じにくく、電極を圧密する際に電極活物質層の変形に追従せずに盛り上がることがある。また、絶縁性微粒子の含有量が大きい場合には、電極活物質層の変形に対する追従は優れるものの、微粒子の材質によってはプレスロールを傷つけるおそれがある。このような観点から、絶縁性微粒子の含有量は、電極活物質の種類やプレス設定によって、適宜選択されることが好ましい。
絶縁樹脂層40の厚さは、短絡抑制効果の観点から、1〜100μmが好ましい。なお、絶縁樹脂層40の厚さは、集電体20の厚さ方向の厚さである。
[リチウムイオン二次電池用電極の製造方法]
本発明の一実施形態におけるリチウムイオン二次電池用電極は、例えば、以下の製造方法により製造することができる。本発明の一実施形態におけるリチウムイオン二次電池用電極の製造方法の一例では、まず、電極活物質層用組成物を集電体上に塗布して集電体上に電極活物質層を形成する。その後、塗布した絶縁樹脂層用組成物が電極活物質層の端部に隣接し、かつその端部を覆うように絶縁樹脂層用組成物を塗布して絶縁樹脂層を形成する。
(電極活物質層形成工程)
電極活物質層形成工程においては、まず、電極活物質と、電極用バインダーと、溶媒とを含む電極活物質層用組成物を用意する。電極活物質層用組成物に使用する溶媒には、例えば、シクロヘキサノン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、テトラヒドロフラン、トルエン、イソプロピルアルコール、N−メチルピロリドン(NMP)、エタノール、水等が挙げられる。電極活物質層用組成物は、必要に応じて配合される導電助剤等のその他成分を含んでもよい。電極活物質、電極用バインダー等の詳細は上記で説明したとおりである。電極活物質層用組成物はスラリーの状態である。
電極活物質層用組成物の粘度は、好ましくは2500〜12000mPa・s、より好ましくは3000〜10000mPa・sである。なお、粘度とは、B型粘度計で60rpm、25℃の条件で、スピンドルの回転を開始してから2分後に測定した粘度である。粘度を上記範囲内とすることで、電極活物質層盛り上がり部34の厚さを小さくすることができる。そして、電極活物質層盛り上がり部34の厚さを小さくすることで、上記のように比(T2/T1)及びT2−T1の値を小さくしやすくなる。
電極活物質層は、例えば、公知のコーティング方法で、上記電極活物質層用組成物を集電体の上に塗布し、乾燥することによって形成することができる。上記電極活物質層用組成物を集電体用シートの上に塗布する方法には、例えば、ダイコート法、スリットコート法、コンマコート法、リップコート法、ディップコート法、スプレーコート法、ロールコート法、ドクターブレード法、バーコート法、グラビアコート法、スクリーン印刷法等が挙げられる。これらの塗布方法の中で、電極活物質層の端部に傾斜部を容易に形成できるという観点から、ダイコート法が好ましい。以下、ダイコート法を例に挙げて、図2及び図3を参照して電極活物質層用組成物の集電体上への塗布を説明する。
図2は、電極活物質層用組成物の塗布に用いるダイヘッドの一例を示す図である。ダイヘッド50には、吐出口51が設けられている。ダイヘッド50に供給された電極活物質層用組成物は、吐出口51から吐出される。
図3に示すように、符号121の方向に移動している集電体120の上に、ダイヘッド50から電極活物質層用組成物を吐出させる。これにより、集電体120の上に電極活物質層130を形成することができる。電極活物質層用組成物の粘度を調整することで、電極活物質層130の側面131を傾斜させることができる。また、電極活物質層用組成物の粘度を調整することで、電極活物質層盛り上がり部34の厚さを小さくして(図1参照)、T2/T1の値及びT2−T1の値を上記した範囲内に調整することもできる。電極活物質層130が上に形成された集電体120は不図示の乾燥機の中を通過する。これにより、集電体120の上に形成された電極活物質層130は乾燥する。乾燥温度は、上記溶媒を除去できれば特に限定されないが、例えば40〜120℃、好ましくは50〜90℃である。また、乾燥時間は、特に限定されないが、例えば、30秒〜10分間である。
電極活物質層130の乾燥後、同様な方法で、集電体120の反対側の表面上にも電極活物質層130を形成する。
(絶縁樹脂層形成工程)
次に、塗布した縁樹脂層用組成物が電極活物質層130の端部131に隣接し、かつ端部131を覆うように、絶縁樹脂層用組成物を塗布する。まず、絶縁性微粒子と、電極用バインダーと、溶媒とを含む絶縁樹脂層用組成物を用意する。絶縁樹脂層用組成物における溶媒の具体例としては、N−メチルピロリドン、N−エチルピロリドン、ジメチルアセトアミド、及びジメチルホルムアミドから選択される1種又は2種以上が挙げられる。また、絶縁樹脂層用組成物は、必要に応じて配合されるその他の任意成分を含んでいてもよい。絶縁性微粒子、絶縁樹脂層用バインダー等の詳細は上記で説明したとおりである。絶縁樹脂層用組成物はスラリーの状態となる。
絶縁樹脂層用組成物の固形分濃度は、好ましくは5〜75質量%、より好ましくは15〜50質量%である。絶縁樹脂層用組成物の固形分濃度が5〜75質量%であると、塗布した絶縁樹脂層用組成物を十分に乾燥できるとともに、塗布した絶縁樹脂層用組成物の膜厚が小さくなり過ぎるのを抑制でき、絶縁樹脂層の厚み精度が安定する。また、絶縁樹脂層用組成物の粘度は、好ましくは1000〜10000mPa・s、より好ましくは2000〜6000mPa・sである。絶縁樹脂層用組成物の粘度が1000〜10000mPa・sであると、電極活物質層ににじみが生じるのを抑制できるとともに、絶縁樹脂層に大きな盛り上がりが生じたり、スジ引きが生じたりするのを抑制できる。なお、粘度とは、B型粘度計で60rpm、25℃の条件で、スピンドルの回転を開始してから2分後に測定した粘度である。
絶縁樹脂層は、上記絶縁樹脂層用組成物を使用して公知の方法で形成すればよく、例えば、上記絶縁樹脂層用組成物を集電体120の電極活物質層130の端部付近に塗布し、乾燥することによって形成することができる。上記絶縁樹脂層用組成物を集電体120の上に塗布する方法には、例えば、ダイコート法、スリットコート法、コンマコート法、リップコート法、ディップコート法、スプレーコート法、ロールコート法、ドクターブレード法、バーコート法、グラビアコート法、スクリーン印刷法等が挙げられる。これらの塗布方法の中で、電極活物質層130の端部付近に精度よく絶縁樹脂層用組成物を塗布できるという観点から、ダイコート法が好ましい。以下、ダイコート法を例に挙げて、図4及び図5を参照して絶縁樹脂層用組成物の塗布を説明する。
図4は、絶縁樹脂層用組成物の塗布に用いるダイヘッドの一例を示す図である。ダイヘッド60には、2つの吐出口61,62が設けられている。2つの吐出口61,62の位置は、電極活物質層130の端部付近の位置にそれぞれ相当する。ダイヘッド60に供給された電極活物質層用組成物は、2つの吐出口61,62から吐出される。これにより、塗布した絶縁樹脂層用組成物が電極活物質層130の端部131に隣接し、かつ端部131を覆うように、絶縁樹脂層用組成物を塗布することができる。
図5に示すように、符号121の方向に移動している、電極活物質層130を上に形成した集電体120の上に、ダイヘッド60から絶縁樹脂層用組成物を吐出させる。これにより、絶縁樹脂層140が電極活物質層130の端部131に隣接し、かつ端部131を覆うように、集電体120の上に絶縁樹脂層140を形成することができる。上に絶縁樹脂層140が形成された集電体120は不図示の乾燥機の中を通過する。これにより、集電体120の上に形成された絶縁樹脂層140は乾燥する。乾燥温度は、溶媒を除去できれば特に限定されないが、例えば40〜120℃、好ましくは50〜90℃である。また、乾燥時間は、特に限定されないが、例えば、30秒〜10分間である。
絶縁樹脂層140の乾燥後、同様な方法で、集電体120の反対側の表面上にも絶縁樹脂層140を形成する。
(加圧プレス工程)
上に電極活物質層130及び絶縁樹脂層140を形成した集電体120は、好ましくは加圧プレスする。加圧プレスすることで、電極活物質層130の端部付近の盛り上がりをさらに小さくすることができ、比(T2/T1)、及びT2−T1の値を上記範囲内に調整しやすくなる。加圧プレスは、ロールプレス等により行えばよい。
加圧プレスの圧力は、所望の電極密度が達成でき、集電体120にシワ等が発生しなければ特に限定されない。例えば、電極盛り上がり部の厚さを小さくすることができるという観点から、加圧プレスの圧力は、ロールプレスの場合、線圧で、好ましくは100〜2000kN/m、より好ましくは200〜1000kN/mである。
(分割)
電極活物質層130及び絶縁樹脂層140を形成した集電体120は、例えば、図6の符号150の点線に沿って切断され、複数のリチウムイオン二次電池用電極に分割される。これにより、図1に示す、本発明の一実施形態におけるリチウムイオン二次電池用電極10を製造することができる。
本発明の一実施形態におけるリチウムイオン二次電池用電極10は以下のように変形することができる。
(変形例1)
以上の本発明の一実施形態におけるリチウムイオン二次電池用電極10は集電体20の両面上に、電極活物質層30及び絶縁樹脂層40を形成していた。しかし、図7に示すリチウムイオン二次電池用電極10Aのように、集電体20の一方の面上にのみ、電極活物質層30及び絶縁樹脂層40を形成してもよい。
(変形例2)
本発明の一実施形態のリチウムイオン二次電池用電極の製造方法の上記一例では、本発明の一実施形態のリチウムイオン二次電池用電極を製造する際、電極活物質層用組成物及び絶縁樹脂層用組成物を別々に塗布した。しかし、電極活物質層用組成物及び絶縁樹脂層用組成物を同時に塗布してもよい。
本発明の一実施形態におけるリチウムイオン二次電池用電極及びその変形例は、本発明のリチウムイオン二次電池用電極の一実施形態にすぎない。したがって、本発明の一実施形態におけるリチウムイオン二次電池用電極及びその変形例は、本発明のリチウムイオン二次電池用電極を限定しない。
[リチウム二次イオン電池]
図8を参照して、本発明の一実施形態におけるリチウムイオン二次電池を説明する。図8は、本発明の一実施形態におけるリチウムイオン二次電池の概略断面図である。図8に示すように、本発明の一実施形態におけるリチウムイオン二次電池1は、本発明の一実施形態におけるリチウムイオン二次電池用電極10を正極及び負極として備える。
本発明の一実施形態におけるリチウムイオン二次電池1では、正極としてのリチウムイオン二次電池用電極10と、負極としてのリチウムイオン二次電池用電極10とがそれぞれが複数層設けられるように交互に配置されている。そして、各層を構成する正極としてのリチウムイオン二次電池用電極10それぞれの集電体20の端部が纏められて正極端子2に接続され、かつ各層を構成する負極としてのリチウムイオン二次電池用電極10それぞれの集電体20の端部が纏められ負極端子3に接続されている。さらに、絶縁樹脂層40は、集電体120の纏められた端部側において、電極活物質層30の端部に隣接するよう配置されている。これにより、リチウムイオン二次電池用電極10の端部の重なり部分4,5の厚みが大きくなることを抑制できる。そして、積層した電極10を電池1の筐体6,7に収納することが容易になったり、積層した電極10を筐体6,7に収納した後に積層した電極10にかかる圧力が不均一になったりすることを抑制できる。その結果、積層した電極10に局所的な劣化を防ぎ、電池の寿命を長くすることができる。さらに、電極10の利用率が高くなり、リチウムイオン二次電池1のエネルギー密度を高くすることができる。なお、筐体6,7は、角型、円筒型、ラミネート型等のいずれでもよい。
本発明の一実施形態のおけるリチウムイオン二次電池1は、好ましくは正極10及び負極10の間に配置されるセパレータ8をさらに備える。セパレータ8が設けられることで、正極10及び負極10の間の短絡がより一層効果的に防止される。また、セパレータ8は、後述する電解質9を保持してもよい。正極10又は負極10に設けられる絶縁樹脂層40は、セパレータに接触していてもよいし、接触していなくてもよいが、接触することが好ましい。
セパレータ8としては、多孔性の高分子膜、不織布、ガラスファイバー等が挙げられ、これらの中では多孔性の高分子膜が好ましい。多孔性の高分子膜としては、オレフィン系多孔質フィルムが例示される。セパレータ8は、リチウムイオン二次電池駆動時の発熱により加熱されて熱収縮等することがあるが、そのような熱収縮時でも、上記絶縁樹脂層が設けられることで短絡が抑制しやすくなる。
本は発明のリチウムイオン二次電池は、電解質9を備える。電解質は特に限定されず、リチウムイオン二次電池1で使用される公知の電解質9を使用すればよい。電解質9としては例えば電解液を使用する。電解質9は、例えば、積層した電極10を筐体6,7に収納した後に、筐体6,7の中に充填される。
電解液としては、有機溶媒と、電解質塩を含む電解液が例示できる。有機溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、γ−ブチロラクトン、スルホラン、ジメチルスルホキシド、アセトニトリル、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、メチルアセテート等の極性溶媒、又はこれら溶媒の2種類以上の混合物が挙げられる。電解質塩としては、LiClO、LiPF、LiBF、LiAsF、LiSbF、LiCFCO、LiPFSO、LiN(SOCF、LiN(SOCFCF、LiN(COCF及びLiN(COCFCF、リチウムビスオキサレートボラート(LiB(C)等のリチウムを含む塩が挙げられる。また、有機酸リチウム塩−三フッ化ホウ素錯体、LiBH等の錯体水素化物等の錯体が挙げられる。これらの塩又は錯体は、1種単独で使用してもよいが、2種以上の混合物であってもよい。また、電解質9は、上記電解液にさらに高分子化合物を含むゲル状電解質であってもよい。高分子化合物としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン等のフッ素系ポリマー、ポリ(メタ)アクリル酸メチル等のポリアクリル系ポリマーが挙げられる。なお、ゲル状電解質は、セパレータとして使用されてもよい。
以上の本発明の一実施形態におけるリチウムイオン二次電池は以下のように変形することができる。
(変形例1)
本発明の一実施形態におけるリチウムイオン二次電池は、正極及び負極として本発明の一実施形態のリチウムイオン二次電池用電極10を備えていたが、正極及び負極として本発明の一実施形態のリチウムイオン二次電池用電極の変形例10Aを備えてもよい。
(変形例2)
本発明の一実施形態におけるリチウムイオン二次電池は、正極及び負極として本発明の一実施形態のリチウムイオン二次電池用電極10を備えていたが、正極及び負極のいずれか一方の電極として本発明の一実施形態のリチウムイオン二次電池用電極10を備えていればよい。また、正極及び負極のいずれか一方の電極として本発明の一実施形態のリチウムイオン二次電池用電極の変形例10Aを備えてもよい。なお、上述したように、負極よりも正極の方が通常、電極面積が小さいので、絶縁樹脂層40は、負極よりも正極において内部短絡をより確実に防止できる。したがって、本発明の一実施形態におけるリチウムイオン二次電池は、少なくとも正極として本発明の一実施形態のリチウムイオン二次電池用電極10もしくはその変形例10Aを備えることが好ましい。
例えば、図9に示すリチウムイオン二次電池1Aのように、正極のみに本発明の一実施形態のリチウムイオン二次電池用電極10を使用し、負極には絶縁樹脂層が形成されていない電極10Bを使用してもよい。
本発明の一実施形態におけるリチウムイオン二次電池及びその変形例は、本発明のリチウムイオン二次電池の一実施形態にすぎない。したがって、本発明の一実施形態におけるリチウムイオン二次電池及びその変形例は、本発明のリチウムイオン二次電池を限定しない。
以下に実施例を用いて本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
得られたリチウムイオン二次電池用電極は、以下の評価方法により評価した。
(寿命特性)
実施例、比較例で作製したセルを、以下の条件で充放電を繰り返した。
充電:0.2A、4.2Vの定電流の後、0.01Aの電流値となるまで定電圧充電
放電:0.2Aの定電流、3.0Vの終止条件で放電
繰り返し数:1000回
1000回の充放電の後の放電容量を1回目の放電容量の値で除した割合を容量維持率とし、以下のように評価した。
○:80%≦容量維持率
×:容量維持率<80%
(電極平坦部の厚さ(T1)、電極盛り上がり部の厚さ(T2))
電極平坦部の厚さ(T1)及び電極盛り上がり部の厚さ(T2)は、厚み計(商品名「デジマイクロ MF−501」、(株)ニコン製)を使用して測定した。
(傾斜部の幅(W))
裁断機を使用して電極を切断して、電極断面観察用の試料を作製した。そして、レーザー顕微鏡(商品名「LEXT OLS450」、オリンパス(株)製)を用いて100〜200倍の倍率にて試料の電極断面を観察し、傾斜部(W)を測長した。
[実施例1]
(正極活物質層の形成)
正極活物質としてのNCA系酸化物(平均粒子径10μm)、導電助剤としてのアセチレンブラック、電極用バインダーとしてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)及び溶媒としてのN−メチルピロリドン(NMP)を混合して正極活物質層用スラリーを得た。正極活物質層用スラリー中のNCA系酸化物の含有量は62質量%であり、アセチレンブラックの含有量は1.4質量%であった。また、PVdFの含有量は1.6質量%であり、NMPの含有量は35質量%であった。この正極活物質層用スラリーの粘度は7460mPa・sであった。なお、粘度は、B型粘度計で60rpm、25℃の条件で、スピンドルの回転を開始してから2分後に測定したものである。この正極活物質層用スラリーを、図2に示すようなダイコータを使用して、正極集電体としての厚さ15μmのアルミニウム箔の両面に塗布し、予備乾燥後、120℃で真空乾燥し、正極活物質層をアルミニウム箔上に形成した。次いで反対側を同様に塗工しアルミニウム箔の両面に正極活物質層を形成した。
図4に示すようなダイコータを使用して、塗布した絶縁樹脂層用スラリーが正極活物質層の端部に隣接し、かつ該端部を覆うように、正極活物質層を形成したアルミニウム箔に絶縁樹脂層用スラリーを塗布した。絶縁樹脂層用スラリーとしては、粘度5430mPa・sの樹脂成分がポリイミド樹脂であるものを使用した。粘度は、B型粘度計で60rpm、25℃の条件で、スピンドルの回転を開始してから2分後に測定したものである。そして、その塗膜を60℃で10分間乾燥することによって、正極活物質層を形成したアルミニウム箔に絶縁樹脂層を形成した。次いで、反対側を同様に塗工し両面に絶縁樹脂層を有するアルミニウム箔を得た。その後、絶縁樹脂層を形成したアルミニウム箔を、400kN/mの線圧でローラにより加圧プレスし、さらに電極寸法の100mm×200mm角に打ち抜いて、両面に絶縁樹脂層を有する正極とした。該寸法のうち、正極極活物質が塗布された面積は100mm×180mmであった。なお、両面に形成された正極活物質層の厚さは、片面あたり50μmであった。
(負極の作製)
負極活物質としてグラファイト(平均粒子径10μm)100質量部と、負極用バインダーとしてカルボキシメチルセルロース(CMC)のナトリウム塩を1.5質量部及びスチレンブタジエンゴム(SBR)1.5質量部と、溶媒として水とを混合し、固形分50質量%に調整した負極活物質層用スラリーを得た。この負極活物質層用スラリーを、負極集電体としての厚さ12μmの銅箔の両面に塗布して100℃で真空乾燥した。その後、両面に負極活物質層用スラリーを塗布した負極集電体を、300kN/mの線圧でローラにより加圧プレスし、さらに電極寸法の110mm×210mm角に打ち抜いて、両面に負極活物質層を有する負極とした。該寸法のうち、負極活物質が塗布された面積は110mm×190mmであった。なお、両面に形成された負極活物質層の厚さは、片面あたり50μmであった。また、負極には絶縁樹脂層を形成しなかった。
[実施例2,3及び比較例1〜3]
実施例2,3及び比較例1〜3において、表1に示すように、正極活物質層用スラリーの粘度、及び正極活物質層用スラリーを塗布した正極集電体のプレス圧力を変更した。これにより、下記の表2に示す電極平坦部の厚さ(T1)、電極盛り上がり部の厚さ(T2)、及び電極活物質層の傾斜部の幅(W)を有する実施例2,3及び比較例1〜3の正極を作製した。
[比較例4]
絶縁樹脂層用スラリーの代わりに、加圧プレス工程の後に絶縁テープ((株)寺岡製作所製、型番:652S、厚さ:25μm)を用いて絶縁樹脂層を形成した以外は、実施例1の正極と同様の方法で比較例4の正極を作製した。
(電解液の調製)
エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)を3:7の体積比(EC:DEC)で混合した溶媒に、電解質塩としてLiPFを1モル/リットルとなるように溶解して、電解液を調製した。
(電池の製造)
上記で得た絶縁樹脂層を有する負極10枚と、正極9枚と、セパレータ18枚を積層して積層体を得た。ここで、負極と正極は交互に配置して、各負極と正極の間にセパレータを配置した。また、セパレータとしては、ポリエチレン製多孔質フィルムを用いた。各正極の正極集電体の露出部の端部を纏めて超音波融着で接合するとともに、外部に突出する端子用タブを接合した。同様に、各負極の負極集電体の露出部の端部を纏めて超音波融着で接合するとともに、外部に突出する端子用タブを接合した。次いで、アルミラミネートフィルムで上記積層体を挟み、端子用タブを外部に突出させ、三辺をラミネート加工によって封止した。封止せずに残した一辺から、上記で得た電解液を注入し、真空封止することによってラミネート型のセルを製造した。
測定結果及び評価結果を次の表2に示す。
Figure 0006826240
Figure 0006826240
以上の実施例1〜3に示すように、リチウムイオン二次電池用電極のT2/T1の値が1.25未満となるようにし、かつT2−T1の値が15μm未満となるようにすることにより、リチウムイオン二次電池の寿命特性を改善できることがわかった。それに対して、比較例1、2及び4のリチウムイオン二次電池では、リチウムイオン二次電池用電極のT2/T1の値が1.25以上であり、かつT2−T1の値が15μm以上であったので、寿命特性が悪かった。比較例3のリチウムイオン二次電池では、リチウムイオン二次電池用電極のT2/T1の値は1.25未満であったものの、T2−T1の値が15μm以上であったので、寿命特性が悪かった。
1,1A リチウムイオン二次電池
2 正極端子
3 負極端子
6,7 筐体
8 セパレータ
9 電解質
10,10A,10B リチウムイオン二次電池用電極(正極,負極)
11 電極平坦部
12 電極盛り上がり部
20,120 集電体
30,130 電極活物質層
31,131 端部(傾斜部)
32 中央部
33 電極活物質層平坦部
34 電極活物質層盛り上がり部
40,140 絶縁樹脂層
50,60 ダイヘッド
51,61,62 吐出口

Claims (6)

  1. 集電体と、前記集電体の表面上に設けられる電極活物質層及び絶縁樹脂層とを備え、前記絶縁樹脂層が、前記電極活物質層の端部に隣接し、かつ該端部を覆うように配置されるリチウムイオン二次電池用電極であって、
    前記リチウムイオン二次電池用電極は、前記電極活物質層及び絶縁樹脂層が設けられる前記表面において、電極平坦部と、前記電極平坦部よりも前記端部側に配置され、かつ前記電極平坦部より肉厚な電極盛り上がり部とを備え、
    前記電極平坦部の厚さ(T1)に対する、前記電極盛り上がり部の厚さ(T2)の比(T2/T1)が1.25未満であり、かつT2−T1で表される厚さ差が15μm未満であり、
    前記絶縁樹脂層に隣接する前記電極活物質層の端部が、前記電極活物質層の中央部から離れるに従って厚さが小さくなる傾斜部により構成され、
    前記電極平坦部の厚さ(T1)に対する、前記傾斜部の幅(W)の比(W/T1)で表されるエッジファクターが1.0〜13.0であるリチウムイオン二次電池用電極。
  2. 前記電極活物質層が正極活物質層である請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用電極。
  3. 前記電極活物質層が、電極活物質と、バインダーとを含む請求項1又は2に記載のリチウムイオン二次電池用電極。
  4. 請求項1〜のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用電極を備えるリチウムイオン二次電池。
  5. 負極と、正極とを備え、
    前記正極が、前記リチウムイオン二次電池用電極である請求項に記載のリチウムイオン二次電池。
  6. 正極と、負極とがそれぞれが複数層設けられるように交互に配置され、各層を構成する正極それぞれの集電体の端部が纏められて正極端子に接続され、かつ各層を構成する負極それぞれの集電体の端部が纏められ負極端子に接続されるリチウムイオン二次電池であって、
    前記正極、又は前記負極の少なくとも一方が、前記リチウムイオン二次電池用電極により構成され、
    前記絶縁樹脂層は、前記集電体の纏められた端部側において、前記電極活物質層の端部に隣接するよう配置される請求項又はに記載のリチウムイオン二次電池。
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