JP7024640B2 - 粒子集合体の製造方法、電極板の製造方法及び粒子集合体 - Google Patents
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Description
第3工程で湿潤粒子を得る手法としては、例えば、粘土状混合物を細孔から押し出し切断して湿潤粒子を得る手法や、粘土状混合物を平板状にし縦横に切断して湿潤粒子を得る手法、粘土状混合物を棒状に延ばし切断して湿潤粒子を得る手法などが挙げられる。或いは更に、上記の手法により得られた湿潤粒子を丸める手法が挙げられる。
しかし、攪拌式混合造粒装置で形成した従来の粒子集合体を用いて電極板を形成すると、活物質粒子のかさ密度に対して導電粒子のかさ密度が小さすぎる場合、特に、活物質粒子と導電粒子のかさ密度比(活物質粒子/導電粒子)が15以上である場合に、活物質粒子と導電粒子とが均一に分散した未乾燥活物質膜を形成するのが困難となることが判ってきた。
また、「活物質粒子と導電粒子のかさ密度比(活物質粒子/導電粒子)」とは、活物質粒子のかさ密度と導電粒子のかさ密度との比である。
また、本実施形態では、活物質粒子11は、リチウムイオンを挿入離脱可能な正極活物質粒子、具体的には、リチウム遷移金属複合酸化物粒子の1つであるリチウムニッケルコバルトマンガン酸化物粒子である。この活物質粒子11の平均粒子径は6μmであり、かさ密度は1.12g/cm3である。
また、結着剤13は、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)である。
これに対し、攪拌式混合造粒装置を用いて、活物質粒子11と、導電粒子12と、結着剤13を分散媒14に分散させた結着剤分散液15とを同時に混合し、造粒することにより製造した従来の粒子集合体922(以下、比較形態の粒子集合体922とも言う)について、展延性試験を同様に行うと、第2容器52を直交方向CHにx=1.0mm変位させるのに必要な剪断応力Pbは、およそ0.5MPaであった(図6参照)。従って、実施形態の粒子集合体22は、比較形態の粒子集合体922よりも、展延性試験における剪断応力Pbが大幅に小さくなっている。このような展延性の良好な粒子集合体22は、後述するように、湿潤粒子21内に占める結着剤分散液15の割合のバラツキが小さく、かつ、湿潤粒子21内で活物質粒子11と導電粒子12とが均一に分散している。
また、比較形態の湿潤粒子921に比べて、実施形態の湿潤粒子21では、活物質粒子11の周囲を結着剤分散液15が取り囲んでおり、活物質粒子11と結着剤分散液15との接触面積が広くなっている。結着剤分散液15に周囲を取り囲まれていない比較形態の活物質粒子11は、隣り合う活物質粒子11との摩擦が大きいため、湿潤粒子21内で移動し難い。これに対し、結着剤分散液15に周囲を取り囲まれている実施形態の活物質粒子11は、隣り合う活物質粒子11との摩擦が小さいため、湿潤粒子21内で移動し易い。このため、比較形態の粒子集合体922に比べ、実施形態の粒子集合体22は、展延性が良好になるため、前述の展延性試験における剪断応力Pbが大幅に小さくなったと考えられる。また、実施形態の粒子集合体22及び比較形態の粒子集合体922について、多数のSEM画像を調査した結果、比較形態の粒子集合体922に比べて、実施形態の粒子集合体22では、湿潤粒子21内に占める結着剤分散液15の割合のバラツキが小さいことも判った。
まず「第1粒子集合体製造工程S1」において、湿潤粒子21が集合した粒子集合体22を形成する。本実施形態では、第1粒子集合体製造工程S1の各工程(第1工程S11、第2工程S12及び第3工程S13)を連続して行って、粒子集合体22を連続生産する。
第1未乾燥膜形成工程S2は、第1粒子集合体形成工程S1に続いて連続的に行う。即ち、押し出し機150で製造された粒子集合体22が、ロールプレス装置200の集合体供給部240に投入されるように、押し出し機150及びロールプレス装置200が配置されている。
次いで、本発明の効果を検証するために行った試験の結果について説明する。実施例4として、実施形態と同様の活物質粒子11(LiNiCoMn酸化物粒子)及び導電粒子12(AB粒子)を用いて、実施形態と同様にして粒子集合体22を形成し、更にこの粒子集合体22を用いて、実施形態と同様にして正極板1を製造した。具体的には、表1に示すように、実施例4では、かさ密度が1.12g/cm3である活物質粒子11と、かさ密度が0.06g/cm3である導電粒子12をそれぞれ用いた(かさ密度比(活物質粒子/導電粒子)は、1.12/0.06=18.7)。
なお、この実施例4の正極板1の第1活物質層5及び第2活物質層6には、活物質粒子11が94.5wt%、導電粒子12が4.0wt%、結着剤13が1.5wt%含まれる。活物質粒子11の配合割合が多いため、この正極板1を用いて形成した電池において、エネルギ密度(Wh/kg)が十分に高くなる(表1において「◎」印で示す)。
但し、このように活物質粒子11のかさ密度に対して導電粒子12のかさ密度が大きくなると、つまり、かさ密度比(活物質粒子/導電粒子)が小さくなると、第1活物質層5及び第2活物質層6の導電性が低下することが判っている。そこで、この実施例1では、第1活物質層5及び第2活物質層6の導電性が実施例4,5の第1活物質層5及び第2活物質層6の導電性と同程度となるように、導電粒子12の配合割合を4.0wt%から9.0wt%に増やし、その代わりに活物質粒子11の配合割合を94.5wt%から89.5wt%に減らした。
なお、このように第1活物質層5及び第2活物質層6における活物質粒子11の配合割合を少なくすると、この正極板1を用いた電池のエネルギ密度(Wh/kg)は、実施例4,5の正極板1を用いた電池のエネルギ密度よりも低くなる(表1において「△」印で示す)
但し、この実施例2では、実施例4,5よりもかさ密度比(活物質粒子/導電粒子)が小さいため、第1活物質層5及び第2活物質層6の導電性が実施例4,5の第1活物質層5及び第2活物質層6の導電性と同程度となるように、導電粒子12の配合割合を4.0wt%から6.0wt%に増やし、その代わりに活物質粒子11の配合割合を94.5wt%から92.5wt%に減らした。
なお、この実施例2では、第1活物質層5及び第2活物質層6における活物質粒子11の配合割合が、実施例1よりは多いが実施例4,5よりも少ないため、この正極板1を用いた電池のエネルギ密度(Wh/kg)は、実施例1の正極板1を用いた電池のエネルギ密度よりは高くなるが、実施例4,5の正極板1を用いた電池のエネルギ密度よりも低くなる(表1において「○」印で示す)。
但し、この実施例3では、実施例4,5よりもかさ密度比(活物質粒子/導電粒子)が小さいため、第1活物質層5及び第2活物質層6の導電性が実施例4,5の第1活物質層5及び第2活物質層6の導電性と同程度となるように、導電粒子12の配合割合を4.0wt%から5.5wt%に増やし、その代わりに活物質粒子11の配合割合を94.5wt%から93.0wt%に減らした。
なお、この実施例3では、第1活物質層5及び第2活物質層6における活物質粒子11の配合割合が、実施例1,2よりは多いが実施例4,5よりも少ないため、この正極板1を用いた電池のエネルギ密度(Wh/kg)は、実施例1,2の電極板1を用いた電池のエネルギ密度よりは高くなるが、実施例4,5の電極板1を用いた電池のエネルギ密度よりも低くなる(表1において「○」印で示す)。
また、第1工程S11,S41、第2工程S12,S42及び第3工程S13,S43を、二軸混練機100、及び、この二軸混練機100の下流に配置した押し出し機150を用いて連続して行うので、粒子集合体22を容易に連続生産できる。
例えば、実施形態では、粒子集合体として、正極板1の活物質層(第1活物質層5及び第2活物質層)を形成するのに用いる正極用の粒子集合体22を例示したが、これに限られない。負極板の活物質層を形成するのに用いる負極用の粒子集合体、及び、負極板の製造方法に、本発明を適用することもできる。
3 集電箔
5 第1活物質層
5x 第1未乾燥活物質膜
6 第2活物質層
6x 第2未乾燥活物質膜
11 活物質粒子
12 導電粒子
13 結着剤
14 分散媒
15 結着剤分散液
16 第1混合物
17 粘土状混合物
21 湿潤粒子
22 粒子集合体
100 二軸混練機
150 押し出し機
165h 押し出し孔
200 ロールプレス装置
210 第1ロール
220 第2ロール
230 第3ロール
D 直径
H 高さ
BH 押圧方向
CH 直交方向
G1 第1ロール間隙
G2 第2ロール間隙
S1 第1粒子集合体製造工程(粒子集合体製造工程)
S11 第1工程
S12 第2工程
S13 第3工程
S2 第1未乾燥膜形成工程(未乾燥膜形成工程)
S21 第1造膜工程(造膜工程)
S22 第1転写工程(転写工程)
S3 第1乾燥工程(乾燥工程)
S4 第2粒子集合体製造工程(粒子集合体製造工程)
S41 第1工程
S42 第2工程
S43 第3工程
S5 第2未乾燥膜形成工程(未乾燥膜形成工程)
S51 第2造膜工程(造膜工程)
S52 第2転写工程(転写工程)
S6 第2乾燥工程(乾燥工程)
Claims (16)
- 活物質粒子、導電粒子、結着剤及び分散媒を含む湿潤粒子が集合した粒子集合体の製造方法であって、
上記導電粒子と上記結着剤を上記分散媒に分散させた結着剤分散液とを混合して第1混合物を得る第1工程、
上記第1混合物と上記活物質粒子とを混練して、粘土状の粘土状混合物を得る第2工程、及び、
上記粘土状混合物から上記湿潤粒子が集合した上記粒子集合体を得る第3工程、を備える
粒子集合体の製造方法。 - 請求項1に記載の粒子集合体の製造方法であって、
前記活物質粒子と前記導電粒子のかさ密度比(活物質粒子/導電粒子)が、15以上である
粒子集合体の製造方法。 - 請求項1または請求項2に記載の粒子集合体の製造方法であって、
前記導電粒子のかさ密度が、0.08g/cm3以下である
粒子集合体の製造方法。 - 請求項1~請求項3のいずれか一項に記載の粒子集合体の製造方法であって、
前記第3工程は、
前記粘土状混合物を押し出し機の押し出し孔から押し出し切断して、円柱状の前記湿潤粒子を造粒する
粒子集合体の製造方法。 - 請求項4に記載の粒子集合体の製造方法であって、
前記第3工程は、
直径D、高さH=0.5D~2.0Dの円柱状に前記湿潤粒子を造粒する
粒子集合体の製造方法。 - 請求項1~請求項5のいずれか一項に記載の粒子集合体の製造方法であって、
前記第1工程及び前記第2工程を連続して行って、前記粘土状混合物を連続生産する
粒子集合体の製造方法。 - 請求項6に記載の粒子集合体の製造方法であって、
前記第1工程は、
二軸混練機を用いて、前記導電粒子と前記結着剤分散液とを混合して前記第1混合物を形成し、
前記第2工程は、
上記二軸混練機内の上記第1混合物に前記活物質粒子を加え混練して前記粘土状混合物を形成する
粒子集合体の製造方法。 - 請求項6または請求項7に記載の粒子集合体の製造方法であって、
前記第2工程に連続して前記第3工程も行って、前記湿潤粒子が集合した前記粒子集合体を連続生産する
粒子集合体の製造方法。 - 請求項8に記載の粒子集合体の製造方法であって、
前記第1工程、前記第2工程及び前記第3工程を、二軸混練機、及び、この二軸混練機の下流に配置した押し出し機を用いて連続して行い、
上記第1工程は、
上記二軸混練機を用いて、前記導電粒子と前記結着剤分散液とを混合して前記第1混合物を形成し、
上記第2工程は、
上記二軸混練機内の上記第1混合物に前記活物質粒子を加え混練して前記粘土状混合物を形成し、
上記第3工程は、
上記粘土状混合物を上記押し出し機の押し出し孔から押し出し切断して、円柱状の前記湿潤粒子を造粒する
粒子集合体の製造方法。 - 集電箔と、この集電箔上に形成され、活物質粒子、導電粒子及び結着剤を含む活物質層と、を備える電極板の製造方法であって、
請求項1~請求項9のいずれか一項に記載の粒子集合体の製造方法により、上記活物質粒子、上記導電粒子、上記結着剤及び分散媒を含む湿潤粒子が集合した粒子集合体を形成する粒子集合体製造工程と、
上記粒子集合体を圧延した未乾燥活物質膜を、上記集電箔上に形成する未乾燥膜形成工程と、
上記集電箔上の上記未乾燥活物質膜を乾燥させて、上記活物質層を形成する乾燥工程と、
を備える
電極板の製造方法。 - 請求項10に記載の電極板の製造方法であって、
前記粒子集合体製造工程、前記未乾燥膜形成工程及び前記乾燥工程を連続して行って、前記活物質層を連続して形成する
電極板の製造方法。 - 請求項10または請求項11に記載の電極板の製造方法であって、
前記未乾燥膜形成工程は、
第1ロールとこの第1ロールに平行に配置された第2ロールとの第1ロール間隙に、上記粒子集合体を通し圧延して、上記第2ロール上に未乾燥活物質膜を造膜する造膜工程、及び、
上記第2ロールとこの第2ロールに平行に配置された第3ロールとの第2ロール間隙に通した上記集電箔上に、上記第2ロール上の上記未乾燥活物質膜を転写する転写工程、を有する
電極板の製造方法。 - 活物質粒子、導電粒子、結着剤及び分散媒を含みこれらが混練された粘土状の粘土状混合物からなる湿潤粒子が集合してなり、圧延し集電箔に転写して電極板の活物質層を形成する粒子集合体であって、
上記粒子集合体は、上記粒子集合体を2.0MPaで押圧しつつ、この押圧方向に直交する直交方向に1.0mm変位させるのに必要な剪断応力を測定する展延性試験における上記剪断応力が、0.3MPa以下である
粒子集合体。 - 請求項13に記載の粒子集合体であって、
前記活物質粒子と前記導電粒子のかさ密度比(活物質粒子/導電粒子)が、15以上である
粒子集合体。 - 請求項13または請求項14に記載の粒子集合体であって、
前記導電粒子のかさ密度が、0.08g/cm3以下である
粒子集合体。 - 請求項13~請求項15のいずれかに一項に記載の粒子集合体であって、
直径D、高さH=0.5D~2.0Dの円柱状の前記湿潤粒子を集合した集合体である
粒子集合体。
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