JP7008813B2 - バイポーラ電極の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、バイポーラ電極の製造方法に関する。
従来、１枚の集電体の一方の表面に正極活物質層を備え、他方の表面に負極活物質層を備えるバイポーラ電極が知られている。
前記従来のバイポーラ電極を製造する際には、前記集電体の一方の表面に負極合剤スラリーを塗布し、他方の表面に正極合剤スラリーを塗布して、該負極合剤スラリー及び該正極合剤スラリーを乾燥する。そして、乾燥した前記負極合剤スラリー及び前記正極合剤スラリーをプレスすることにより、所定の密度を備える前記負極活物質層及び前記正極活物質層が形成される。
ところが、前記従来のバイポーラ電極において、正極活物質層と負極活物質層とは、それぞれ異なる材質からなり、それぞれ異なる柔軟性を備えている。このため、乾燥した前記負極合剤スラリー及び前記正極合剤スラリーをプレスする際に、該負極合剤スラリーと該正極合剤スラリーのうち、圧縮されやすい方が優先的にプレスされることとなり、形成された前記負極活物質層及び前記正極活物質層において、所望の密度が得られなかったり、前記集電体と間で所望の密着性が得られなかったりする。この結果、前記従来のバイポーラ電極では、高負荷時の出力の低下を招いたり、耐久性が低下したりするという問題がある。
前記問題を解決するために、正極集電体の一方の表面に正極活物質層を形成し、負極集電体の一方の表面に負極活物質層を形成した後、両集電体の活物質層が形成されていない面同士を対向させて接着剤層を介して接合したバイポーラ電極及びその製造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１記載のバイポーラ電極によれば、前記正極活物質層と前記負極活物質層とがそれぞれ独立に形成されるので、両活物質層において所望の密度と前記各集電体に対する所望の密着性とを得ることができると考えられる。
特開２００５－３１７４６８号公報
しかしながら、特許文献１記載のバイポーラ電極によれば、正極側と負極側とで２枚の集電体を必要とし、両集電体を接合するために接着剤層を必要とするので、電池を形成したときに該電池のエネルギー密度が低くなるという不都合がある。また、正極側と負極側とでそれぞれの活物質層が独立に形成されるので、プレス工程を２回必要とし、製造工程が多くなるという不都合がある。
本発明は、かかる不都合を解消して、製造工程を少なくすることができ、優れたエネルギー密度を備える電池を形成することができるバイポーラ電極の製造方法を提供することを目的とする。
かかる目的を達成するために、本発明のバイポーラ電極の製造方法は、集電体の第１の表面の第１の範囲に第１の活物質層を形成する第１の電極合剤スラリーを塗布する工程と、該集電体の第２の表面の該第１の範囲の内周側の第２の範囲に第２の活物質層を形成する第２の電極合剤スラリーを塗布する工程と、該集電体の第２の表面の該第２の範囲の外周側の該第２の範囲に接する第３の範囲に端部電気絶縁層を形成する電気絶縁剤スラリーを塗布するか、該端部電気絶縁層を形成する電気絶縁シートを配置する工程と、該第１の電極合剤スラリーと該第２の電極合剤スラリーと該電気絶縁剤スラリーとを乾燥させる工程と、乾燥後の該第１の電極合剤スラリーと該第２の電極合剤スラリーと該電気絶縁剤スラリー又は該電気絶縁シートとを同時にプレスして該第１の活物質層と該第２の活物質層と該端部電気絶縁層とを形成する工程とを備えることを特徴とする。
本発明のバイポーラ電極の製造方法では、まず、集電体の第１の表面に第１の活物質層を形成する第１の電極合剤スラリーを塗布し、該集電体の第２の表面に第２の活物質層を形成する第２の電極合剤スラリーを塗布する。ここで、前記バイポーラ電極をリチウムイオン二次電池に用いる場合に、第１の活物質層が形成される領域と、第２の活物質層が形成される領域とが等しく、平面視したときに両活物質層が前記集電体を介して重なり合っているときには、リチウムの析出を回避するために、両活物質層について高精度の位置合わせが必要とされる。
そこで、本発明のバイポーラ電極の製造方法では、前記集電体の第１の表面の第１の範囲に前記第１の電極合剤スラリーを塗布する一方、該集電体の第２の表面の該第１の範囲の内周側の第２の範囲に前記第２の電極合剤スラリーを塗布する。このようにするときには、前記第１の電極合剤スラリーの塗布領域である前記第１の範囲の内周側に、前記第２の電極合剤スラリーの塗布領域が位置することになる。これは、換言すれば、前記第１の電極合剤スラリーにより形成される第１の活物質層の内周側に、前記第２の電極合剤スラリーにより形成される第２の活物質層が位置し、平面視したときに両活物質層が前記集電体を介して完全には重なり合っていないことを意味する。
従って、本発明のバイポーラ電極の製造方法では、形成される第１の活物質層と第２の活物質層とについて、高精度の位置合わせを必要とせず、バイポーラ電極を容易に製造することができる。
一方、形成される第１の活物質層と第２の活物質層とが、平面視したときに前記集電体を介して完全には重なり合っていないときには、該第１の活物質層の該第２の活物質層と対向していない非対向部分において、プレス不足や、クラック、滑落、シワ等が発生することがある。
そこで、本発明のバイポーラ電極の製造方法では、次いで、前記集電体の第２の表面の前記第２の範囲の外周側の該第２の範囲に接する第３の範囲に端部電気絶縁層を形成する電気絶縁剤スラリーを塗布するか、該端部電気絶縁層を形成する電気絶縁シートを配置する。そして、前記第１の電極合剤スラリーと前記第２の電極合剤スラリーと前記電気絶縁剤スラリーとを（前記電気絶縁シートを配置するときには該第１の電極合剤スラリーと該記第２の電極合剤スラリーとを）乾燥させた後、乾燥後の該第１の電極合剤スラリーと該第２の電極合剤スラリーと該電気絶縁剤スラリー又は該電気絶縁シートとを同時にプレスして前記第１の活物質層と前記第２の活物質層と前記端部電気絶縁層とを形成する。
このようにするときには、前記第１の活物質層の前記第２の活物質層と対向していない非対向部分は、前記端部電気絶縁層と対向することになる。そこで、前記第１の活物質層の前記非対向部分のプレス不足を回避して、該第１の活物質層と前記第２の活物質層とを均一にプレスすることができ、しかもクラック、滑落、シワ等の発生を防止することができる。
本発明のバイポーラ電極の製造方法によれば、乾燥後の前記第１の電極合剤スラリーと前記第２の電極合剤スラリーとを同時にプレスして前記第１の活物質層と前記第２の活物質層とを形成することができるので、製造工程を少なくすることができる。また、本発明のバイポーラ電極の製造方法によれば、１枚の集電体の両面に前記第１の活物質層と前記第２の活物質層とを形成することができ、２枚の集電体を用いる場合に両集電体を接合する接着剤層を必要としないので、得られたバイポーラ電極から形成される電池の容積を低減することができ、優れたエネルギー密度を備える電池を形成することができる。
本発明のバイポーラ電極の製造方法において、前記第１の活物質層と前記第２の活物質層とはどちらを正極活物質層としてもよく、どちらを負極活物質層としてもよいが、例えば、前記第１の活物質層は負極活物質層であり、前記第１の電極合剤スラリーは負極合剤スラリーであり、前記第２の活物質層は正極活物質層であり、前記第２の電極合剤スラリーは正極合剤スラリーであることが好ましい。このようにするときには、前記負極活物質層の内周側に前記正極活物質層が位置することとなり、例えば、本発明のバイポーラ電極の製造方法により得られたバイポーラ電極を用いてリチウムイオン二次電池を形成したときに、リチウムの析出を防止することができる。
本発明のバイポーラ電極の製造方法において、集電体の第１の表面に第１の電極合剤スラリーを塗布する工程を示す説明的断面図。 本発明のバイポーラ電極の製造方法において、集電体の第２の表面に第２の電極合剤スラリーを塗布する工程を示す説明的断面図。 本発明のバイポーラ電極の製造方法において、集電体の第２の表面に電気絶縁剤スラリーを塗布するか、又は電気絶縁シートを配置する工程を示す説明的断面図。 本発明のバイポーラ電極の製造方法において、第１の活物質層、第２の活物質層及び端部電気絶縁層を形成する工程を示す説明的断面図。
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
本実施形態のバイポーラ電極の製造方法では、まず、図１に示すように、集電体１の第１の表面の第１の範囲に第１の電極合剤スラリー２を塗布する。
次に、図２に示すように、集電体１の第２の表面（第１の電極合剤スラリー２を塗布した面の反対側の面）の前記第１の範囲の内周側の第２の範囲に第２の電極合剤スラリー３を塗布する。
次に、図３に示すように、集電体１の第２の表面の第２の範囲の外周側の第２の範囲に接する第３の範囲に電気絶縁剤スラリー４を塗布する。電気絶縁剤スラリー４は、前工程で塗布された第２の電極合剤スラリー３に接するように塗布する。
このとき、電気絶縁剤スラリー４を塗布する代わりに、電気絶縁シート４を配置してもよい。
次に、第１の電極合剤スラリー２と第２の電極合剤スラリー３と電気絶縁剤スラリー４とを乾燥させる。尚、電気絶縁剤スラリー４を塗布する代わりに、電気絶縁シート４を配置した場合には、第１の電極合剤スラリー２と第２の電極合剤スラリー３とを乾燥させる。
次に、図４に示すように、乾燥された第１の電極合剤スラリー２と第２の電極合剤スラリー３と電気絶縁剤スラリー４とを、又は乾燥された第１の電極合剤スラリー２と第２の電極合剤スラリー３と電気絶縁シート４とを、同時にプレスして、第１の活物質層２ａと第２の活物質層３ａと端部電気絶縁層４ａとを形成する。
この結果、集電体１の第１の表面の第１の範囲に第１の活物質層２ａを備え、集電体１の第２の表面の該第１の範囲の内周側の第２の範囲に第２の活物質層３ａを備え、前記第２の範囲の外周側の第２の範囲に接する第３の範囲に端部電気絶縁層４ａを備えるバイポーラ電極５を得ることができる。
本実施形態のバイポーラ電極の製造方法において、集電体１としては、例えば、銅、アルミニウム、ニッケル、チタン、ステンレス鋼の箔又は板、カーボンシート、カーボンナノチューブシート等を用いることができる。集電体１は、主に前記いずれかの材料の単体で構成することができるが、必要に応じて２種以上の材料からなる金属クラッド箔等で構成することもできる。集電体１は、５～１００μｍの範囲の厚さとすることができるが、構造及び性能の点で７～２０μｍの範囲の厚さとすることが好ましい。
本実施形態のバイポーラ電極の製造方法において、第１の活物質層２ａと第２の活物質層３ａとはどちらを正極活物質層としてもよく、どちらを負極活物質層としてもよいが、例えば、第１の活物質層２ａは負極活物質層であり、第２の活物質層３ａは正極活物質層であることが好ましい。
この場合、第１の活物質層２ａとしての負極活物質層を形成する第１の電極合剤スラリー２は負極合剤スラリーであり、該負極合剤スラリーは、負極活物質、導電助剤、結着剤（バインダー）により構成される。また、第２の活物質層３ａとしての正極活物質層を形成する第２の電極合剤スラリー３は正極合剤スラリーであり、該正極合剤スラリーは、正極活物質、導電助剤、結着剤（バインダー）により構成される。
前記負極活物質としては、例えば、カーボン粉末（非晶質炭素）、シリカ（ＳｉＯｘ）、チタン複合酸化物（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ７、ＴｉＯ２、Ｎｂ２ＴｉＯ７）、スズ複合酸化物、リチウム合金、金属リチウム等を挙げることができ、その１種又は２種以上を用いることができる。前記カーボン粉末としては、ソフトカーボン（易黒鉛化炭素）、ハードカーボン（難黒鉛化炭素）、グラファイト（黒鉛）の１種以上を用いることができる。
前記正極活物質としては、例えば、リチウム複合酸化物（ＬｉＮｉｘＣｏｙＭｎｚＯ２（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）、ＬｉＮｉｘＣｏｙＡｌｚＯ２（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１））、リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ４（ＬＦＰ））等を挙げることができ、その１種又は２種以上を用いることができる。
前記導電助剤としては、アセチレンブラック（ＡＢ）、ケッチェンブラック（ＫＢ）等のカーボンブラック、グラファイト粉末等の炭素材料、ニッケル粉末等の導電性金属粉末等を挙げることができ、その１種又は２種以上を用いることができる。
前記結着剤としては、セルロース系ポリマー、フッ素系樹脂、酢酸ビニル共重合体、ゴム類等を挙げることができ、その１種又は２種以上を用いることができる。具体的には、溶剤系分散媒体を用いる場合の結着剤として、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリ塩化ビニリデン（ＰＶｄＣ）、ポリエチレンオキサイド（ＰＥＯ）等を挙げることができ、水系分散媒体を用いる場合の結着剤として、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、アクリル酸変性ＳＢＲ樹脂（ＳＢＲ系ラテックス）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ヒドロキシプロピルメチルセルロース（ＨＰＭＣ）、テトラフルオロエチレン－ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）等を挙げることができる。
前記負極合剤スラリーは、例えば、前記負極活物質と、前記導電助剤と、前記結着剤とを、負極活物質：導電助剤：結着剤＝８０～９９．５：０～１０：０．５～２０の質量比で全体が１００になるようにして、Ｎ－メチル－２－ピロリドン（ＮＭＰ）等の分散媒体と混合することにより形成することができる。前記負極合剤スラリーは、例えば、ダイコーター等の塗布装置により、０．５～５０ｍ／分の塗工速度で、集電体１に塗布する。
前記正極合剤スラリーは、例えば、前記正極活物質と、前記導電助剤と、前記結着剤とを、正極活物質：導電助剤：結着剤＝８０～９９：０．５～１９．５：０．５～１９．５の質量比で全体が１００になるようにして、Ｎ－メチル－２－ピロリドン（ＮＭＰ）等の分散媒体と混合することにより形成することができる。前記正極合剤スラリーは、例えば、ダイコーター等の塗布装置により、０．５～５０ｍ／分の塗工速度で、集電体１に塗布する。
本実施形態のバイポーラ電極の製造方法において、端部電気絶縁層４ａを形成する電気絶縁剤スラリー４は、電気絶縁層用材料と、結着剤（バインダー）とにより構成される。前記電気絶縁層用材料としては、無機酸化物粒子、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２等のセラミックス微粒子を挙げることができ、前記結着剤としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）等を挙げることができる。
電気絶縁剤スラリー４は、例えば、前記電気絶縁層用材料と、前記結着剤とを、電気絶縁層用材料：結着剤＝１０～５０：９０～５０の質量比で全体が１００になるようにして、Ｎ－メチル－２－ピロリドン（ＮＭＰ）等の分散媒体と混合することにより形成することができる。電気絶縁剤スラリー４は、例えば、ダイコーター等の塗布装置により、０．５～５０ｍ／分の塗工速度で、集電体１に塗布する。
また、端部電気絶縁層４ａを形成する電気絶縁シート４としては、例えば、前記電気絶縁層用材料をテープ状にしたものを用いることができる。
本実施形態のバイポーラ電極の製造方法において、前記負極合剤スラリーと前記正極合剤スラリーと電気絶縁剤スラリー４との乾燥又は、前記負極合剤スラリーと前記正極合剤スラリーとの乾燥は、４５～１３０℃の範囲の温度で、好ましくは１０～２０℃程度ずつ温度勾配を設けた多段の乾燥炉内で行うことが好ましい。前記多段の乾燥炉としては、例えば、１段目を６０℃、２段目を８０℃、３段目を１００℃、４段目を１２０℃、５段目を１００℃とするものを用いることができる。
前記乾燥は、前記負極合剤スラリーと前記正極合剤スラリーと電気絶縁剤スラリー４との乾燥又は、前記負極合剤スラリーと前記正極合剤スラリーとの乾燥を一括して行ってもよく、各スラリーを塗布後、それぞれ個別に行うようにしてもよい。
本実施形態のバイポーラ電極の製造方法において、乾燥された前記負極合剤スラリーと前記正極合剤スラリーと電気絶縁剤スラリー４とのプレス又は、乾燥された前記負極合剤スラリーと前記正極合剤スラリーと、電気絶縁シート４とのプレスは、例えば、ロールプレス機を用いて一括して行うことができる。前記ロールプレス機によるプレスは、例えば、１００～１４０℃の範囲の温度下に、０．５～２ｔｏｎ／ｃｍの範囲の荷重、０．１～５０ｍ／分の範囲の速度で行うことができる。
本実施形態のバイポーラ電極の製造方法により得られたバイポーラ電極５は、端部電気絶縁層４ａを備えていない従来のバイポーラ電極に対して、負極活物質層２ａと正極活物質層３ａとが均一にプレスされている。この結果、本実施形態のバイポーラ電極の製造方法により得られたバイポーラ電極５は、端部電気絶縁層４ａを備えていない従来のバイポーラ電極に対して、正極活物質層３ａの密度を約１５％向上させることができる。
また、バイポーラ電極５によれば、負極活物質層２ａ、正極活物質層３ａの端部におけるクラック、滑落、シワ等の発生を防止することができ、電池を形成したときに充放電サイクルの繰り返し時に負極活物質層２ａ、正極活物質層３ａの端部から内部短絡が発生することを防止することができる。
また、バイポーラ電極５によれば、負極活物質層２ａ、正極活物質層３ａの端部における滑落を防止できるので、滑落した小片が負極活物質層２ａ又は、正極活物質層３ａに混入することによる生じる自己放電を防止することができ、製造工程において定期的に実施される清掃作業の回数を削減することができるという効果も得ることができる。
１…集電体、 ２…第１の電極合剤スラリー、 ２ａ…第１の活物質層、 ３…第２の電極合剤スラリー、 ３ａ…第２の活物質層、 ４…電気絶縁剤スラリー又は電気絶縁シート、 ４ａ…端部電気絶縁層、 ５…バイポーラ電極。

Claims (4)

  1. 集電体の第１の表面の第１の範囲に第１の活物質層を形成する第１の電極合剤スラリーを塗布する工程と、
    該集電体の第２の表面の該第１の範囲の内周側の第２の範囲に第２の活物質層を形成する第２の電極合剤スラリーを塗布する工程と、
    該集電体の第２の表面の該第２の範囲の外周側の第２の範囲に接する第３の範囲に端部電気絶縁層を形成する電気絶縁剤スラリーを塗布する工程と、
    該第１の電極合剤スラリーと該第２の電極合剤スラリーと該電気絶縁剤スラリーとを乾燥させる工程と、
    乾燥後の該第１の電極合剤スラリーと該第２の電極合剤スラリーと該電気絶縁剤スラリーとを同時にプレスして該第１の活物質層と該第２の活物質層と該端部電気絶縁層とを形成する工程とを備えることを特徴とするバイポーラ電極の製造方法。
  2. 請求項１記載のバイポーラ電極の製造方法において、前記第１の活物質層は負極活物質層であり、前記第１の電極合剤スラリーは負極合剤スラリーであり、前記第２の活物質層は正極活物質層であり、前記第２の電極合剤スラリーは正極合剤スラリーであることを特徴とするバイポーラ電極の製造方法。
  3. 集電体の第１の表面の第１の範囲に第１の活物質層を形成する第１の電極合剤スラリーを塗布する工程と、
    該集電体の第２の表面の該第１の範囲の内周側の第２の範囲に第２の活物質層を形成する第２の電極合剤スラリーを塗布する工程と、
    該集電体の第２の表面の該第２の範囲の外周側の第２の範囲に接する第３の範囲に端部電気絶縁層を形成する電気絶縁シートを配置する工程と、
    該第１の電極合剤スラリーと該第２の電極合剤スラリーとを乾燥させる工程と、
    乾燥後の該第１の電極合剤スラリーと該第２の電極合剤スラリーと該電気絶縁シートとを同時にプレスして該第１の活物質層と該第２の活物質層と該端部電気絶縁層とを形成する工程とを備えることを特徴とするバイポーラ電極の製造方法。
  4. 請求項３記載のバイポーラ電極の製造方法において、前記第１の活物質層は負極活物質層であり、前記第１の電極合剤スラリーは負極合剤スラリーであり、前記第２の活物質層は正極活物質層であり、前記第２の電極合剤スラリーは正極合剤スラリーであることを特徴とするバイポーラ電極の製造方法。
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