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

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 Download PDF

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Description

本発明は、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、この粒子集合体を用いた電極板の製造方法、及び、粒子集合体に関する。
電池やキャパシタ等の蓄電デバイスに用いられる電極板として、活物質粒子、導電粒子、結着剤等を含む活物質層を、集電箔上に形成した電極板が知られている。このような電極板は、例えば以下の手法によって製造する。まず、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を用意する。具体的には、例えば、材料の混合及び造粒を行うことが可能な攪拌式混合造粒装置を用いて、活物質粒子、導電粒子、結着剤及び分散媒を混合し、造粒することにより、湿潤粒子からなる粒子集合体を得る。なお、例えば特許文献1に、攪拌式混合造粒装置を用いて、湿潤粒子からなる粒子集合体を形成することが記載されている(特許文献1の図1等を参照)。
一方で、3本のロール(第1ロール、第1ロールに平行に配置された第2ロール、及び、第2ロールに平行に配置された第3ロール)を備えるロールプレス装置を用意する。そして、上述の粒子集合体を第1ロールと第2ロールとの第1ロール間隙に通して圧延し、第2ロール上に未乾燥活物質膜を造膜する。続いて、第2ロールと第3ロールとの第2ロール間隙に通した集電箔上に、第2ロール上の未乾燥活物質膜を転写する。その後、この集電箔上の未乾燥活物質膜を乾燥させて、活物質層を形成する。かくして、集電箔上に活物質層を有する電極板が形成される。
特開2018-60678号公報
しかしながら、上述の攪拌式混合造粒装置で形成した粒子集合体を用いて電極板を形成すると、活物質粒子と導電粒子とが均一に分散できていない未乾燥活物質膜が形成される場合があった。攪拌式混合造粒装置は、活物質粒子と導電粒子とを均一に分散し難いため、湿潤粒子内で活物質粒子と導電粒子とが均一に分散できていない湿潤粒子も形成される。このため、このような湿潤粒子を含む粒子集合体を圧延して未乾燥活物質膜を形成すると、活物質粒子と導電粒子とが均一に分散できていない未乾燥活物質膜が形成されると考えられる。
本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、湿潤粒子内で活物質粒子と導電粒子とが均一に分散した湿潤粒子が集合した粒子集合体を製造できる粒子集合体の製造方法、当該粒子集合体を用いた電極板の製造方法、及び、粒子集合体を提供することを目的とする。
上記課題を解決するための本発明の一態様は、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である。
上述の粒子集合体の製造方法では、まず第1工程で導電粒子と結着剤分散液とを混合して、第1混合物を得る。かさ密度が互いに異なる活物質粒子と導電粒子とを、結着剤を分散媒に分散させた粘稠な結着剤分散液に同時に混合しようとすると、活物質粒子、導電粒子、結着剤及び分散媒を均一に分散するのが難しい場合がある。しかし、まずは活物質粒子を加えずに、導電粒子のみを粘稠な結着剤分散液と混合すると、導電粒子を結着剤分散液に均一に分散できることが判ってきた。従って、この第1工程において、導電粒子、結着剤及び分散媒が均一に分散した第1混合物を得ることができる。
次に、第2工程で第1混合物と活物質粒子とを混練して粘土状の粘土状混合物を得る。このように、予め第1工程で第1混合物を形成しておき、この第1混合物と活物質粒子とを混練すると、活物質粒子、導電粒子、結着剤及び分散媒を均一に分散できることが判ってきた。従って、この第2工程において、活物質粒子、導電粒子、結着剤及び分散媒が均一に分散した粘土状混合物を得ることができる。
その後、第3工程で、粘土状混合物から、湿潤粒子が集合した粒子集合体を得る。粘土状混合物において、活物質粒子、導電粒子、結着剤及び分散媒を均一に分散できているため、湿潤粒子においても、活物質粒子、導電粒子、結着剤及び分散媒が均一に分散できている。従って、上述の製造方法によれば、湿潤粒子内で活物質粒子と導電粒子とが均一に分散した湿潤粒子が集合した粒子集合体を製造できる。
なお、第2工程における第1混合物と活物質粒子との混練の手法としては、例えば、バッチ式の混練機を用いて第1混合物と活物質粒子とを混練してもよいし、連続式の混練機を用いて第1混合物と活物質粒子とを混練してもよい。また、混練機としては、例えば、単軸混練機や二軸混練機、3軸以上の多軸混練機を用いることができる。
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。
更に、上記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とすると良い。
ところで、電極板の活物質層において、導電粒子は、隣り合う活物質粒子同士の間に配置されて導電パスを形成する。活物質粒子のかさ密度に対して導電粒子のかさ密度が大きいほど、つまり、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)が小さいほど、活物質層の導電性が低下することが判ってきた。このため、かさ密度比(活物質粒子/導電粒子)が小さいほど、活物質層の導電性を確保するために、活物質層における導電粒子の配合割合を多くし、その代わりに活物質粒子の配合割合を少なくする必要がある。すると、活物質層における活物質粒子の配合割合を少なくするほど、この電極板を用いた電池におけるエネルギ密度(Wh/kg)が低下する。従って、電池を構成したときのエネルギ密度を高めるべく、かさ密度比(活物質粒子/導電粒子)を大きくしたい。
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。
これに対し、上述の粒子集合体の製造方法では、前述のように、まず第1工程で導電粒子と結着剤分散液とを混合して、導電粒子、結着剤及び分散媒が均一に分散した第1混合物を得た上で、第2工程で第1混合物と活物質粒子とを混練する。このため、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)が大きくても、活物質粒子、導電粒子、結着剤及び分散媒を均一に分散できる。従って、かさ密度比(活物質粒子/導電粒子)が大きくても、活物質粒子、導電粒子、結着剤及び分散媒が均一に分散した粘土状混合物を得ることができる。そしてその後、第3工程で、この粘土状混合物から、活物質粒子、導電粒子、結着剤及び分散媒が均一に分散した湿潤粒子からなる粒子集合体を得ることができる。従って、上述の製造方法によれば、かさ密度比(活物質粒子/導電粒子)が15以上であるにも拘わらず、湿潤粒子内で活物質粒子と導電粒子とが均一に分散した湿潤粒子が集合した粒子集合体を製造できる。
なお、「かさ密度」は、以下の手法により測定する。即ち、内部の半径が50.5mm、高さが50mmの有底円筒状の容器を用意し、この容器内に、容器内の全体が粉体で満たされるまで、静かに粉体(活物質粒子または導電粒子)を投入する。その後、容器の上面を越える過剰な粉体を除去して、容器の上面と容器内に満たされた粉体を面一にする。その後、容器内の粉体の重量(g)を測定し、容器の容積(cm3)で除して、当該粉体のかさ密度(g/cm3)を得る。
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。
更に、上記のいずれか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とすると良い。
導電粒子のかさ密度が小さいと、具体的には0.08g/cm3以下である場合、特に、活物質粒子と導電粒子とが均一に分散した湿潤粒子を形成するのが困難となる。これに対し、上述の粒子集合体の製造方法では、前述のように、まず第1工程で導電粒子と結着剤分散液とを混合して、導電粒子、結着剤及び分散媒が均一に分散した第1混合物を得た上で、第2工程で第1混合物と活物質粒子とを混練する。このため、導電粒子のかさ密度が小さくても、活物質粒子、導電粒子、結着剤及び分散媒を均一に分散できる。従って、導電粒子のかさ密度が小さくても、活物質粒子、導電粒子、結着剤及び分散媒が均一に分散した粘土状混合物を得ることができる。そしてその後、第3工程で、この粘土状混合物から、活物質粒子、導電粒子、結着剤及び分散媒が均一に分散した湿潤粒子からなる粒子集合体を得ることができる。従って、上述の製造方法によれば、導電粒子のかさ密度が0.08g/cm3以下であるにも拘わらず、湿潤粒子内で活物質粒子と導電粒子とが均一に分散した湿潤粒子が集合した粒子集合体を製造できる。
更に、上記のいずれか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とすると良い。
攪拌式混合造粒装置を用いて粒子集合体を形成した場合、湿潤粒子の粒径バラツキが非常に大きくなる。湿潤粒子の粒径バラツキが大きい場合、前述のロールプレス装置を用いて未乾燥活物質膜を形成する際、大粒の湿潤粒子が第1ロールと第2ロールとの第1ロール間隙で適切に圧延されずに第1ロール間隙に詰まり易い。このようになると、第2ロール上に造膜される未乾燥活物質膜にスジ状の欠点が生じ、更に集電箔上に転写される未乾燥活物質膜にもスジ状の欠点が生じる。
これに対し、上述の粒子集合体の製造方法では、第3工程で、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湿潤粒子を造粒するので、攪拌式混合造粒装置を用いて形成した従来の湿潤粒子に比して、粒径バラツキが小さい湿潤粒子を形成できる。このため、前述のロールプレス装置を用いて未乾燥活物質膜を形成する際に、湿潤粒子が第1ロールと第2ロールとの第1ロール間隙に詰まるのを抑制できるので、第2ロール上に造膜される未乾燥活物質膜、及び、集電箔上に転写される未乾燥活物質膜にスジ状の欠点が生じることを抑制できる。
更に、上記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とすると良い。
上述の粒子集合体の製造方法では、湿潤粒子を直径D、高さH=0.5D~2.0Dの円柱状に造粒する。このような湿潤粒子は、攪拌式混合造粒装置で形成した従来の湿潤粒子よりも、粒径バラツキが小さい。また、この湿潤粒子は、直径Dに対して高さHが短すぎずかつ長すぎないため、前述のロールプレス装置を用いて未乾燥活物質膜を形成する際に、湿潤粒子が第1ロールと第2ロールとの第1ロール間隙に詰まるのをより一層抑制できる。従って、第2ロール上に造膜される未乾燥活物質膜、及び、集電箔上に転写される未乾燥活物質膜にスジ状の欠点が生じることをより一層抑制できる。
更に、上記のいずれか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とすると良い。
上述の粒子集合体の製造方法では、第1工程及び第2工程を連続して行って粘土状混合物を連続生産するため、粘土状混合物を効率良く製造できる。
更に、上記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とすると良い。
上述の粒子集合体の製造方法では、第1工程において、二軸混練機を用いて導電粒子と結着剤分散液とを混合して、第1混合物を形成するため、第1混合物を容易かつ連続して形成できる。更に第2工程として、この二軸混練機内の第1混合物に活物質粒子を加え混練して粘土状混合物を形成する。このため、第1工程に続いて第2工程を行うことができると共に、粘土状混合物を容易かつ連続して形成できる。
更に、上記のいずれか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とすると良い。
上述の粒子集合体の製造方法では、第2工程に連続して第3工程も行うので、第1工程、第2工程及び第3工程を連続して行って、粒子集合体を連続して製造できる。従って、粒子集合体を効率良く製造できる。
更に、上記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とすると良い。
上述の粒子集合体の製造方法では、第1工程、第2工程及び第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うので、粒子集合体を容易に連続生産できる。
また、他の態様は、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、上記のいずれか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である。
上述の電極板の製造方法では、粒子集合体製造工程において、前述の粒子集合体の製造方法により粒子集合体を形成する。このため、この粒子集合体は、湿潤粒子内で活物質粒子と導電粒子とが均一に分散した湿潤粒子からなる。従って、未乾燥膜形成工程において、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できる。更に、乾燥工程において、活物質粒子と導電粒子とが均一に分散した活物質層を形成できる。
更に、上記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とすると良い。
上述の電極板の製造方法では、粒子集合体製造工程、未乾燥膜形成工程及び乾燥工程を連続して行って、活物質層を連続して形成するので、電極板を効率良く生産できる。
更に、上記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とすると良い。
上述の電極板の製造方法では、未乾燥膜形成工程は上述の造膜工程及び転写工程を有し、これらの工程を行うことによって、集電箔上に未乾燥活物質膜を形成する。このため、集電箔上に未乾燥活物質膜を容易に形成できると共に、集電箔上に未乾燥活物質膜を有する未乾燥電極板を連続生産できる。
また、他の態様は、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である。
上述の粒子集合体は、湿潤粒子が粘土状混合物からなり、かつ、粒子集合体は上述の展延性試験における剪断応力が0.3MPa以下である。このような展延性の良好な粒子集合体に含まれる湿潤粒子では、攪拌式混合造粒装置で形成した従来の粒子集合体よりも、湿潤粒子内で活物質粒子と導電粒子とが均一に分散していることが判ってきた。従って、このような特性を有する粒子集合体を圧延し集電箔に転写して電極板を形成すれば、集電箔上に形成される未乾燥活物質膜及びそれを乾燥させた活物質層を、点状の欠点が無く、活物質粒子と導電粒子とが均一に分散したものとすることができる。
なお、「展延性試験」は、以下の手法により行う。即ち、粒子集合体を有底円筒状の第1容器及び第2容器で挟んで、第1容器及び第2容器の軸方向(押圧方向)に2.0MPaの圧力で押圧する。この押圧した状態で、第2容器を押圧方向に直交する直交方向に移動させる。そして、第2容器を直交方向に1.0mm変位させるのに必要な剪断応力を測定する。
更に、上記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とすると良い。
上述の粒子集合体では、前述のように、湿潤粒子が粘土状混合物からなり、かつ、粒子集合体は展延性試験における剪断応力が0.3MPa以下であるため、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以上であるにも拘わらず、活物質粒子と導電粒子とが均一に分散している。従って、この粒子集合体を用いて電極板を形成すれば、集電箔上に形成される未乾燥活物質膜及びそれを乾燥させた活物質層を、活物質粒子と導電粒子とが均一に分散したものとすることができる。
更に、上記のいずれか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とすると良い。
上述の粒子集合体では、前述のように、湿潤粒子が粘土状混合物からなり、かつ、粒子集合体は展延性試験における剪断応力が0.3MPa以下であるため、導電粒子のかさ密度が0.08g/cm3以下であるにも拘わらず、活物質粒子と導電粒子とが均一に分散している。従って、この粒子集合体を用いて電極板を形成すれば、集電箔上に、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及び活物質層を形成できる。
更に、上記のいずれか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とすると良い。
上述の粒子集合体は、直径D、高さH=0.5D~2.0Dの円柱状の湿潤粒子を集合した集合体であるため、攪拌式混合造粒装置で形成した従来の湿潤粒子よりも、粒径バラツキが小さい。また、この湿潤粒子は、直径Dに対して高さHが短すぎずかつ長すぎないため、前述のロールプレス装置を用いて未乾燥活物質膜を形成する際に、湿潤粒子が第1ロールと第2ロールとの第1ロール間隙に詰まるのを抑制できる。従って、第2ロール上に造膜される未乾燥活物質膜、及び、集電箔上に転写される未乾燥活物質膜にスジ状の欠点が生じることを抑制できる。
実施形態に係る正極板の斜視図である。 実施形態に係る湿潤粒子の斜視図である。 実施形態に係る湿潤粒子のSEM画像である。 図4の一部を拡大した湿潤粒子のSEM画像である。 粒子集合体について行う展延性試験を示す説明図である。 実施形態及び比較形態の粒子集合体について、展延性試験における変位xと剪断応力Pbとの関係を示すグラフである。 実施形態及び比較形態の正極板について、活物質層の表面における材料色差(輝度)と画素数の関係を示すグラフである。 実施形態に係る正極板の製造方法のフローチャートである。 実施形態に係り、第1粒子集合体製造工程サブルーチンのフローチャートである。 実施形態に係り、第2粒子集合体製造工程サブルーチンのフローチャートである。 実施形態に係る粒子集合体の製造方法のうち、二軸混練機を用いて粘土状混合物を形成する様子を示す説明図である。 実施形態に係る粒子集合体の製造方法のうち、押し出し機を用いて湿潤粒子を形成する様子を示す説明図である。 実施形態に係る正極板の製造方法のうち、ロールプレス装置を用いて集電箔上に未乾燥活物質膜を形成する様子を示す説明図である。 比較形態に係る湿潤粒子のSEM画像である。 図14の一部を拡大した湿潤粒子のSEM画像である。
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。図1に、本実施形態に係る正極板(電極板)1の斜視図を示す。なお、以下では、正極板1の長手方向EH、幅方向FH及び厚み方向GHを、図1に示す方向と定めて説明する。この正極板1は、ハイブリッドカーやプラグインハイブリッドカー、電気自動車等の車両などに搭載される角型で密閉型のリチウムイオン二次電池を製造するのに、具体的には、扁平状捲回型の電極体を製造するのに用いられる帯状の正極板である。
正極板1は、長手方向EHに延びる帯状のアルミニウム箔からなる集電箔3を有する。この集電箔3の第1主面3aのうち、幅方向FHの中央でかつ長手方向EHに延びる領域上には、第1活物質層5が帯状に形成されている。また、集電箔3の反対側の第2主面3bのうち、幅方向FHの中央でかつ長手方向EHに延びる領域上にも、第2活物質層6が帯状に形成されている。正極板1のうち幅方向FHの両端部は、それぞれ、厚み方向GHに第1活物質層5及び第2活物質層6が存在せず、集電箔3が厚み方向GHに露出した露出部1mとなっている。
第1活物質層5及び第2活物質層6は、それぞれ、活物質粒子11、導電粒子12及び結着剤13から構成されている。活物質粒子11、導電粒子12及び結着剤13の重量割合は、活物質粒子:導電粒子:結着剤=94.5:4.0:1.5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、導電粒子12は、炭素系材料からなる炭素系導電粒子、具体的には、アセチレンブラック(AB)粒子である。この導電粒子12の平均粒子径は0.03μmであり、かさ密度は0.08g/cm3以下(本実施形態では0.06g/cm3)である。従って、活物質粒子11と導電粒子12のかさ密度比(活物質粒子/導電粒子)は、15以上(本実施形態では、1.12/0.06=18.7)となっている。このようにかさ密度比(活物質粒子/導電粒子)を大きくすると(活物質粒子11のかさ密度に対して導電粒子12のかさ密度を小さくすると)、第1活物質層5及び第2活物質層6の導電性を確保するために必要な導電粒子12の配合割合を少なくし(本実施形態では4.0wt%)、活物質粒子11の配合割合を多くできる(本実施形態では94.5wt%)。
また、結着剤13は、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)である。
上述の第1活物質層5及び第2活物質層6は、後述するように、湿潤粒子21(図2参照)が集合した粒子集合体22を用いて形成されている。各々の湿潤粒子21は、直径D(本実施形態ではD=2.0mm)、高さH=0.5D~2.0D(本実施形態ではH=D=2.0mm)の円柱状である。また、湿潤粒子21は、活物質粒子11、導電粒子12、結着剤13及び分散媒14からなる粘土状の粘土状混合物17から出来ている。従って、この湿潤粒子21に用いられている活物質粒子11と導電粒子12のかさ密度比(活物質粒子/導電粒子)は、15以上(本実施形態では18.7)であり、導電粒子12のかさ密度は、0.08g/cm3以下(本実施形態では0.06g/cm3)である。
粒子集合体22は、展延性試験(図5参照)における剪断応力Pbが、0.3MPa以下(具体的には、約0.1MPa)である。この展延性試験は、粒子集合体22を有底円筒状の第1容器51及び第2容器52で挟んで、第1容器51及び第2容器52の軸方向(押圧方向BH、図5中、上下方向)に2.0MPaの圧力で押圧する。この押圧した状態で、第2容器52を押圧方向BHに直交する直交方向CH(図5中、右方)に移動させる。そして、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(MPa)を測定する。なお、上述の押圧方向BHに掛ける圧力(2.0MPa)は、後述するロールプレス装置200(図13参照)を用いて、粒子集合体22から未乾燥活物質膜(第1未乾燥活物質膜5xまたは第2未乾燥活物質膜6x)を造膜する際に、第1ロール210及び第2ロール220によって粒子集合体22に掛かるプレス圧力に基づいて決定した値である。
図6に、展延性試験における変位x(mm)と剪断応力Pb(MPa)との関係を示す。図6から判るように、本実施形態の粒子集合体22では、展延性試験において第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0.1MPaであった。
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。
次に、図3に、本実施形態の湿潤粒子21の一部分のSEM画像を示す。また、図4に、図3の湿潤粒子21の一部を拡大したSEM画像を示す。なお、図3に記載した一点鎖線Aは、湿潤粒子21の円筒状の粒子表面を示している。また、図3及び図4において、粒状に白い大きな粒子は、活物質粒子11である。一方、導電粒子12は、隣り合う活物質粒子11同士の間(図3及び図4において黒い部分)に多数存在している。
また、図4において、主に活物質粒子11の周囲を取り囲むように存在する灰色部分は、結着剤13が分散媒14に分散した結着剤分散液15を示す。なお、結着剤分散液15の存在箇所は、Cryo-FIB-SEMにより特定した。即ち、測定用試料を-130℃の環境下に置いて観察したSEM画像と、測定用試料から分散媒14を昇華させた後に再び当該測定用試料の同一部位を観察したSEM画像とを比較することにより、昇華前に結着剤分散液15が存在していた部分を特定した。
また、図14及び図15に、前述のように攪拌式混合造粒装置で製造した比較形態の粒子集合体22の湿潤粒子921のSEM画像(図14は図3と同じ倍率、図15は図4と同じ倍率)を示す。なお、図14に記載した一点鎖線Bは、1つの湿潤粒子921の粒子表面を示している。
図4と図15の比較から判るように、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、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。
また、湿潤粒子21内における活物質粒子11と導電粒子12の分散性について、上述のSEM画像による評価に加え、「輝度解析試験」を行って定量的に評価した(図7参照)。即ち、実施形態に係る粒子集合体22を用いて、後述する製造方法により正極板1を製造した。そして、正極板1の第1活物質層5の表面における材料色差(輝度)を画像解析した。
具体的には、導電粒子12であるアセチレンブラック粒子は、極めて反射率が低い。一方、活物質粒子11は、ニッケルやコバルトを含み、反射率が高い。従って、正極板1の第1活物質層5の表面のうち、導電粒子12が多く存在する部分(活物質粒子11が少ない部分)は、輝度が低くなり、活物質粒子11が多く存在する部分(導電粒子12が少ない部分)は、輝度が高くなる。そこで、正極板1の第1活物質層5の表面を写した画像(全画素数:25万個)について、各画素の輝度を測定した。図7に、解析した各画素の輝度の度数分布を示す。また、比較形態の粒子集合体922についても同様にして画像解析した。
図7のグラフから明らかなように、比較形態の粒子集合体922を用いた正極板に比べ、実施形態の粒子集合体22を用いた正極板1では、輝度バラツキが小さくなった。具体的には、比較形態の粒子集合体922を用いた正極板では、輝度バラツキ(輝度の標準偏差)が5.4であったのに対し、実施形態の粒子集合体22を用いた正極板1では、輝度バラツキ(輝度の標準偏差)が3.0であった。このことから、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では、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と考えられる。
以上で説明したように、本実施形態の粒子集合体22は、湿潤粒子21が粘土状混合物17からなり、かつ、粒子集合体22は展延性試験における剪断応力Pbが0.3MPa以下(本実施形態では約0.1MPa)である。このような展延性の良好な粒子集合体22に含まれる湿潤粒子21では、従来の粒子集合体922の湿潤粒子921に比べ、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。従って、後述するように、このような特性を有する粒子集合体22を圧延し集電箔3に転写して正極板1を形成すれば、集電箔3上に形成される未乾燥活物質膜(第1未乾燥活物質膜5x及び第2未乾燥活物質膜6x)及びそれを乾燥させた活物質層(第1活物質層5及び第2活物質層6)を、点状の欠点が無く、活物質粒子11と導電粒子12とが均一に分散したものとすることができる。
また、本実施形態では、活物質粒子11と導電粒子12のかさ密度比(活物質粒子/導電粒子)が15以上(本実施形態では18.7)であり、導電粒子12のかさ密度が0.08g/cm3以下(本実施形態では0.06g/cm3)である。しかし、前述のように、湿潤粒子21が粘土状混合物17からなり、かつ、粒子集合体22は展延性試験における剪断応力が0.3MPa以下(本実施形態では約0.1MPa)であるため、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、本実施形態の粒子集合体22は、直径D、高さH=0.5D~2.0D(本実施形態ではH=D)の円柱状の湿潤粒子21を集合した集合体であるため、攪拌式混合造粒装置を用いて形成した比較形態の湿潤粒子921よりも、粒径バラツキが小さい。また、この湿潤粒子21は、直径Dに対して高さHが短すぎずかつ長すぎないため、後述するロールプレス装置200を用いて未乾燥活物質膜(第1未乾燥活物質膜5x及び第2未乾燥活物質膜6x)を形成する際に、湿潤粒子21が第1ロール210と第2ロール220との第1ロール間隙G1に詰まるのを抑制できる。従って、第2ロール220上に造膜される未乾燥活物質膜(第1未乾燥活物質膜5x及び第2未乾燥活物質膜6x)、及び、集電箔3上に転写される未乾燥活物質膜(第1未乾燥活物質膜5x及び第2未乾燥活物質膜6x)にスジ状の欠点が生じることを抑制できる。
次いで、粒子集合体22の製造方法及び粒子集合体22を用いた正極板1の製造方法について説明する(図8~図13参照)。本実施形態では、「第1粒子集合体製造工程S1」から「第1乾燥工程S3」までを連続して行って第1活物質層5を連続して形成し、「第2粒子集合体製造工程S4」から「第2乾燥工程S6」までを連続して行って第2活物質層6を連続して形成する。
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。
まず第1粒子集合体製造工程S1(図8参照)の「第1工程S11」(図9参照)において、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とを混合して、第1混合物16を得る。本実施形態では、前述のように、導電粒子12として、平均粒子径が0.03μm、かさ密度が0.08g/cm3以下(本実施形態では0.06g/cm3)であるAB粒子を用いた。また、結着剤13としてPVDFを、分散媒14としてN-メチルピロリドン(NMP)を用いた。また、導電粒子12、結着剤13及び分散媒14の重量割合は、導電粒子:結着剤:分散媒=4.0:1.5:19.0とした。
第1工程S11を行うのに先立ち、攪拌羽根を有するミキサを用いて、分散媒14に結着剤13を加え混合して、分散媒14中に結着剤13が均一に分散した粘稠な結着剤分散液15を得ておく。その後、二軸混練機100(図11参照)を用いて、導電粒子12と結着剤分散液15を混合して、第1混合物16を得る。
この二軸混練機100は、混練シリンダ110と、混練シリンダ110内に互いに平行に配置された一対の混練スクリュ120(図11において、一対の混練スクリュ120は、紙面直交する方向に並んでいる)とを備える。混練シリンダ110には、3つの供給部(上流側から、第1供給部111、第2供給部112及び第3供給部113)が設けられている。このうち第1供給部111には、導電粒子12が単位時間当たり一定量ずつ投入され、第2供給部112には、結着剤分散液15が単位時間当たり一定量ずつ投入される。また、第3供給部113には、活物質粒子11が単位時間当たり一定量ずつ投入される。
この第1工程S11において、まず導電粒子12が第1供給部111から混練シリンダ110内に供給される。この導電粒子12は、一対の混練スクリュ120によって混練シリンダ110内を混練方向KH(図11中、右方)に向けて移動する。そして、第1供給部111よりも下流側(図11中、右方)の第2供給部112から、結着剤分散液15が混練シリンダ110内に供給される。導電粒子12と結着剤分散液15とは、一対の混練スクリュ120によって混合されながら、混練シリンダ110内を混練方向KHに移動し、導電粒子12、結着剤13及び分散媒14が均一に分散した第1混合物16が連続して形成される。
続いて、「第2工程S12」において、第1混合物16と活物質粒子11とを混練して、粘土状の粘土状混合物17を得る。本実施形態では、前述のように、活物質粒子11として、平均粒子径が6μm、かさ密度が1.12g/cm3であるリチウムニッケルコバルトマンガン酸化物粒子を用いた。従って、活物質粒子11と導電粒子12のかさ密度比(活物質粒子/導電粒子)は、15以上(本実施形態では、1.12/0.06=18.7)である。また、活物質粒子11、導電粒子12、結着剤13及び分散媒14の重量割合が、活物質粒子:導電粒子:結着剤:分散媒=94.5:4.0:1.5:19.0となるように、活物質粒子11を用いた。
この第2工程S12も、前述の二軸混練機100により行う。即ち、第2供給部112よりも下流側(図11中、右方)の第3供給部113から、活物質粒子11が混練シリンダ110内に供給される。この活物質粒子11は、混練シリンダ110内の第1混合物16と一対の混練スクリュ120によって混練されながら、混練シリンダ110内を混練方向KHに移動する。これにより、活物質粒子11、導電粒子12、結着剤13及び分散媒14が均一に分散した粘土状混合物17が連続的に生産される。
続いて、「第3工程S13」において、押し出し機150(図12参照)を用いて、粘土状混合物17から、湿潤粒子21が集合した粒子集合体22を得る。押し出し機150は、押出シリンダ160と、押出シリンダ160内に配置された1本の押出スクリュ170と、押出スクリュ170に同期して回転し、押出シリンダ160から押し出された粘土状混合物17を切断する切断刃180とを備える。押出シリンダ160は、前述の二軸混練機100の混練シリンダ110に繋がっており、二軸混練機100で形成された粘土状混合物17が、二軸混練機100の混練シリンダ110から押し出し機150の押出シリンダ160に送られるように構成されている。また、押出シリンダ160の先端部165(図12中、右方)には、粘土状混合物17が外部(図12中、右方)に押し出される複数の押し出し孔165hが設けられている。
この第3工程S13において、第2工程S12で形成された粘土状混合物17は、押出スクリュ170によって押出シリンダ160内を押出方向LH(図12中、右方)に移動し、押出シリンダ160の先端部165の押し出し孔165hから外部に押し出される。そして、押し出された粘土状混合物17は、切断刃130によって切断される。これにより、直径D(本実施形態ではD=2.0mm)、高さH=0.5D~2.0D(本実施形態ではH=D=2.0mm)の円柱状の湿潤粒子21が造粒される。かくして、湿潤粒子21が集合した粒子集合体22が連続生産される。
続いて、「第1未乾燥膜形成工程S2」(図8及び図13参照)において、粒子集合体22を圧延した第1未乾燥活物質膜5xを、集電箔3上に形成する。この第1未乾燥膜形成工程S2は、ロールプレス装置200を用いて行う。このロールプレス装置200は、3本のロール、具体的には、第1ロール210と、この第1ロール210に第1ロール間隙G1を介して平行に配置された第2ロール220と、この第2ロール220に第2ロール間隙G2を介して平行に配置された第3ロール230とを有する。これら第1ロール210~第3ロール230には、それぞれロールを回転駆動させるモータ(不図示)が連結されている。また、ロールプレス装置200は、第1ロール210と第2ロール220との第1ロール間隙G1の上方に、湿潤粒子21からなる粒子集合体22をこの第1ロール間隙G1に向けて供給する集合体供給部240を有する。
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。
第1未乾燥膜形成工程S2を行うにあたり、第1ロール210~第3ロール230を、図13中に矢印で示す回転方向にそれぞれ回転させる。即ち、第1ロール210及び第3ロール230は、同じ回転方向(本実施形態では時計回り)に回転させ、第2ロール220は、これらとは逆方向(本実施形態では反時計回り)に回転させる。また、第1ロール210の周速Vaよりも第2ロール220の周速Vbを速くし、更に第2ロール220の周速Vbよりも第3ロール230の周速Vcを速くする(Va<Vb<Vc)。
まず第1未乾燥膜形成工程S2のうち「第1造膜工程S21」において、第1ロール210と第2ロール220との第1ロール間隙G1に粒子集合体22を通し圧延して、第2ロール220上に第1未乾燥活物質膜5xを造膜する。具体的には、粒子集合体22が押し出し機150からロールプレス装置200の集合体供給部240に投入されると、この粒子集合体22は、第1ロール210と第2ロール220の第1ロール間隙G1に向けて供給され、第1ロール210及び第2ロール220で圧延され、膜状の第1未乾燥活物質膜5xとなって図13中、下方に押し出され、第2ロール220上に造膜される。この第2ロール220上の第1未乾燥活物質膜5xは、第3ロール230側に向けて搬送される。
続いて、第1未乾燥膜形成工程S2のうち「第1転写工程S22」において、第2ロール220と第3ロール230との第2ロール間隙G2に通した集電箔3上に、第2ロール220上の第1未乾燥活物質膜5xを転写する。具体的には、供給ロール(不図示)から引き出した集電箔3を第3ロール230に巻き付けて、第3ロール230で集電箔3を搬送する。第3ロール230によって搬送された集電箔3は、第2ロール220と第3ロール230との間で第2ロール220上の第1未乾燥活物質膜5xと接触する。そして、第2ロール220と第3ロール230との間で、第1未乾燥活物質膜5xが集電箔3の第1主面3a上に転写され、集電箔3の第1主面3a上に第1未乾燥活物質膜5xが連続的に形成される。なお、この集電箔3上に第1未乾燥活物質膜5xを有する正極板を未乾燥片側正極板1xともいう。
続いて、「第1乾燥工程S3」において、集電箔3上の第1未乾燥活物質膜5xを乾燥させて、第1活物質層5を形成する。具体的には、この未乾燥片側正極板1xを乾燥装置(不図示)内に搬送し、未乾燥片側正極板1xのうち第1未乾燥活物質膜5xに熱風を吹き付け、第1未乾燥活物質膜5x中に残っている分散媒14を蒸発させて、第1活物質層5を形成する。なお、この集電箔3上に第1活物質層5を有する負極板を片側正極板1yともいう。
一方、「第2粒子集合体製造工程S4」において、前述の第1粒子集合体製造工程S1と同様に、「第1工程S41」、「第2工程S42」及び「第3工程S43」を連続して行って(図10参照)、湿潤粒子21が集合した粒子集合体22を連続生産する。即ち、第1工程S41において、別途用意した前述の二軸混練機100を用いて、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とを混合して、第1混合物16を得る。続いて、第2工程S42として、この二軸混練機100内の第1混合物16に活物質粒子11を加え混練して粘土状混合物17を得る。続いて、第3工程S43において、別途用意した前述の押し出し機150を用いて、粘土状混合物17から湿潤粒子21が集合した粒子集合体22を得る。
続いて、「第2未乾燥膜形成工程S5」において、前述の第1未乾燥膜形成工程S2と同様に、「第2造膜工程S51」及び「第2転写工程S52」を連続して行って、粒子集合体22を圧延した第2未乾燥活物質膜6xを、集電箔3上に形成する。即ち、別途用意した前述のロールプレス装置200を用いて、第2造膜工程S51において、粒子集合体22を用いて第2ロール220上に第2未乾燥活物質膜6xを造膜する。続いて、第2転写工程S52において、第2ロール220上の第2未乾燥活物質膜6xを、第3ロール230で搬送される片側正極板1yのうち、集電箔3の第2主面3b上に転写する。これにより、集電箔3の第1主面3a上に乾燥済みの第1活物質層5を有し、集電箔3の第2主面3b上に未乾燥の第2未乾燥活物質膜6xを有する片乾燥両側正極板1zが形成される。
続いて、「第2乾燥工程S6」において、前述の第1乾燥工程S3と同様にして、集電箔3上の第2未乾燥活物質膜6xを乾燥させて、第2活物質層6を形成する。具体的には、片乾燥両側正極板1zを乾燥装置(不図示)内に搬送し、片乾燥両側正極板1zのうち第2未乾燥活物質膜6xに熱風を吹き付けて、第2活物質層6を形成する。これにより、集電箔3、第1活物質層5及び第2活物質層6を有する正極板(プレス前正極板1w)が形成される。
続いて、「プレス工程S7」において、上述のプレス前正極板1wをロールプレス装置(不図示)でプレスして、第1活物質層5及び第2活物質層6の密度をそれぞれ高める。かくして、図1に示した正極板1が完成する。
(実施例及び比較例)
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)。
Figure 0007024640000001
また、実施例5として、実施形態とはかさ密度が異なる活物質粒子11(かさ密度1.59g/cm3)を用い、それ以外は実施形態と同様にして粒子集合体22を形成し、更に実施形態と同様にして正極板1を製造した。この実施例5におけるかさ密度比(活物質粒子/導電粒子)は、1.59/0.06=26.5である。なお、この実施例5の正極板1も、実施例4の正極板1と同様に、第1活物質層5及び第2活物質層6に、活物質粒子11が94.5wt%、導電粒子12が4.0wt%含まれる。従って、実施例4と同様に、この正極板1を用いた電池では、エネルギ密度(Wh/kg)が十分に高くなる(表1において「◎」)。
また、実施例1として、かさ密度が1.59g/cm3である活物質粒子11と、かさ密度が0.25g/cm3である導電粒子12を用いて、粒子集合体22を形成し、更に正極板1を製造した。この実施例1におけるかさ密度比(活物質粒子/導電粒子)は、1.59/0.25=6.4である。
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)
また、実施例2として、かさ密度が1.12g/cm3である活物質粒子11と、かさ密度が0.15g/cm3である導電粒子12を用いて、粒子集合体22を形成し、更に正極板1を製造した。この実施例2におけるかさ密度比(活物質粒子/導電粒子)は、1.12/0.15=7.5である。
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)。
また、実施例3として、かさ密度が1.59g/cm3である活物質粒子11と、かさ密度が0.15g/cm3である導電粒子12を用いて、粒子集合体22を形成し、更に正極板1を製造した。この実施例3におけるかさ密度比(活物質粒子/導電粒子)は、1.59/0.15=10.6である。
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)。
一方、比較例1~比較例5として、表1に示すように、実施例1~実施例5と同様な活物質粒子11及び導電粒子12をそれぞれ用意した。そして、比較例1~5では、材料の混合及び造粒を行うことが可能な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、湿潤粒子921からなる粒子集合体922をそれぞれ得た。その後は、この粒子集合体922を用いて、実施形態と同様にして正極板をそれぞれ製造した。
なお、比較例1~比較例5の正極板を用いて形成した各電池のエネルギ密度(Wh/kg)は、理論上、これらに対応する実施例1~実施例5の正極板1を用いた各電池のエネルギ密度と同様となるため、表1においては、実施例1~実施例5と同様な理論上の評価を記載してある。但し、実際には、比較例1~比較例5では、後述するように活物質粒子11と導電粒子12の分散性が良好な第1活物質層及び第2活物質層を形成できないため、比較例1~比較例5の正極板を用いた電池における実際のエネルギ密度は、対応する実施例1~実施例5の正極板1を用いた電池における実際のエネルギ密度よりも低くなる。
次に、実施例1~5及び比較例1~5の各正極板の活物質層(第1活物質層及び第2活物質層)の状態を評価した。具体的には、第1活物質層及び第2活物質層に点状の欠点が生じているか否かを目視にて調査した。また、第1活物質層及び第2活物質層における活物質粒子11と導電粒子12の分散性を前述の輝度解析試験により調査した。その結果、比較例1~5の正極板の第1活物質層及び第2活物質層には、点状の欠点が生じていた(表1において「×」印で示す)。また、比較例1~3の正極板の第1活物質層及び第2活物質層では、活物質粒子11と導電粒子12とが均一に分散できていなかった(表1において「△」印で示す)。また、比較例4,5の正極板の第1活物質層及び第2活物質層では、比較例1~3に比べて、活物質粒子11と導電粒子12の分散性が良くなかった(表1において「×」印で示す)。
これに対し、実施例1~5の正極板1の第1活物質層5及び第2活物質層6には、点状の欠点が生じていなかった(表1において「○」印で示す)。また、実施例1~5の正極板1の第1活物質層5及び第2活物質層6では、活物質粒子11と導電粒子12とが均一に分散できていた(表1において「○」印で示す)。
このような結果を生じた理由は以下であると考えられる。即ち、比較例1~5に係る粒子集合体922は、湿潤粒子921内に占める結着剤分散液15の割合が湿潤粒子921毎に大きくバラつく。このため、結着剤分散液15の割合が大きな湿潤粒子921は、ロールプレス装置200の第2ロール220上から集電箔3に転写され難く、湿潤粒子921が集電箔3に転写されないと、第1未乾燥活物質膜及び第2未乾燥活物質膜に点状の欠点が生じる。このため、第1未乾燥活物質膜及び第2未乾燥活物質膜を乾燥させた第1活物質層及び第2活物質層にも点状の欠点が生じたと考えられる。
また、攪拌式混合造粒装置は、活物質粒子11と導電粒子12とを均一に分散し難いため、比較例1~5では、湿潤粒子921内で活物質粒子11と導電粒子12とが均一に分散できていない湿潤粒子921が形成される。特に、活物質粒子11と導電粒子12のかさ密度比(活物質粒子/導電粒子)が15以上である場合や、導電粒子12のかさ密度が0.08g/cm3以下である場合に、活物質粒子11と導電粒子12とを均一に分散し難くなるため、比較例4,5では、比較例1~3よりも更に湿潤粒子921内で活物質粒子11と導電粒子12とが均一に分散できていない湿潤粒子921が形成され易い。
このため、比較例1~5の湿潤粒子921を圧延して第1未乾燥活物質膜及び第2未乾燥活物質膜を形成すると、活物質粒子11と導電粒子12とが均一に分散できていない第1未乾燥活物質膜及び第2未乾燥活物質膜となる。特に、比較例4,5では、活物質粒子11と導電粒子12とが均一に分散できていない第1未乾燥活物質膜及び第2未乾燥活物質膜が形成される。更に、第1未乾燥活物質膜及び第2未乾燥活物質膜を乾燥させた第1活物質層及び第2活物質層も、活物質粒子11と導電粒子12とが均一に分散できていない第1活物質層及び第2活物質層となる。特に、比較例4,5では、活物質粒子11と導電粒子12とが均一に分散できていない第1活物質層及び第2活物質層が形成されたと考えられる。
これに対し、実施例1~5に係る粒子集合体22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。このため、第1未乾燥活物質膜5x及び第2未乾燥活物質膜6xに点状の欠点が生じ難い。また、第1未乾燥活物質膜5x及び第2未乾燥活物質膜6xを乾燥させた第1活物質層5及び第2活物質層6にも点状の欠点が生じ難かったと考えられる。
また、実施例1~5では、前述の第1工程S11,S41~第3工程S13,S43を含む第1粒子集合体製造工程S1及び第2粒子集合体製造工程S4を行って、粒子集合体22を形成することにより、活物質粒子11と導電粒子12のかさ密度比(活物質粒子/導電粒子)の大きさに拘わらず、また、導電粒子12のかさ密度の大きさに拘わらず、湿潤粒子21内で活物質粒子11と導電粒子12とが均一に分散した湿潤粒子21を形成できる。
このため、実施例1~5の湿潤粒子21を圧延して第1未乾燥活物質膜5x及び第2未乾燥活物質膜6xを形成すると、活物質粒子11と導電粒子12とが均一に分散した第1未乾燥活物質膜5x及び第2未乾燥活物質膜6xを形成できる。更に、第1未乾燥活物質膜5x及び第2未乾燥活物質膜6xを乾燥させた第1活物質層5及び第2活物質層6も、活物質粒子11と導電粒子12とが均一に分散した第1活物質層5及び第2活物質層6となったと考えられる。
なお、実施例1~5の正極板1では、いずれも、第1活物質層5及び第2活物質層6に点状の欠点がなく、活物質粒子11と導電粒子12とが均一に分散できている点で良好あるが、これらの正極板1を用いて電池を構成したときの電池のエネルギ密度(Wh/kg)について違いがある。即ち、活物質粒子11と導電粒子12のかさ密度比(活物質粒子/導電粒子)が15未満である実施例1~3の正極板1では、電池を構成したときに電池のエネルギ密度が低く、特に、かさ密度比(活物質粒子/導電粒子)が7未満である実施例1の正極板1では、電池のエネルギ密度が特に低くなる。従って、実施例4,5のように、活物質粒子11と導電粒子12のかさ密度比(活物質粒子/導電粒子)は、15以上とするのが好ましい。
以上で説明したように、粒子集合体22の製造方法では、まず第1工程S11,S41で導電粒子12と結着剤分散液15とを混合して、第1混合物16を得る。かさ密度が互いに異なる活物質粒子11と導電粒子12とを、結着剤13を分散媒14に分散させた粘稠な結着剤分散液15に同時に混合しようとすると、活物質粒子11、導電粒子12、結着剤13及び分散媒14を均一に分散するのが難しい場合がある。しかし、まずは活物質粒子11を加えずに、導電粒子12のみを粘稠な結着剤分散液15と混合すると、導電粒子12を結着剤分散液15に均一に分散できる。従って、第1工程S11,S41において、導電粒子12、結着剤13及び分散媒14が均一に分散した第1混合物16を得ることができる。
次に、第2工程S12,S42で第1混合物16と活物質粒子11とを混練して粘土状混合物17を得る。このように、予め第1工程S11,S41で第1混合物16を形成しておき、この第1混合物16と活物質粒子11とを混練すると、活物質粒子11、導電粒子12、結着剤13及び分散媒14を均一に分散できる。従って、この第2工程S12,S42において、活物質粒子11、導電粒子12、結着剤13及び分散媒14が均一に分散した粘土状混合物17を得ることができる。
その後、第3工程S13,S43で、粘土状混合物17から、湿潤粒子21が集合した粒子集合体22を得る。粘土状混合物17において、活物質粒子11、導電粒子12、結着剤13及び分散媒14を均一に分散できているため、湿潤粒子21においても、活物質粒子11、導電粒子12、結着剤13及び分散媒14が均一に分散できている。従って、上述の製造方法によれば、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な湿潤粒子21で、かつ、湿潤粒子21内で活物質粒子11と導電粒子12とが均一に分散した湿潤粒子21が集合した粒子集合体22を製造できる。
また、本実施形態の粒子集合体22の製造方法では、前述のように、まず第1工程S11,S41で導電粒子12と結着剤分散液15とを混合して、導電粒子12、結着剤13及び分散媒14が均一に分散した第1混合物16を得た上で、第2工程S12,S42で第1混合物16と活物質粒子11とを混練する。このため、活物質粒子11と導電粒子12のかさ密度比(活物質粒子/導電粒子)が大きくても、或いは導電粒子12のかさ密度が小さくても、活物質粒子11、導電粒子12、結着剤13及び分散媒14を均一に分散できる。従って、かさ密度比(活物質粒子/導電粒子)が大きくても、或いは導電粒子12のかさ密度が小さくても、活物質粒子11、導電粒子12、結着剤13及び分散媒14が均一に分散した粘土状混合物17を得ることができる。そしてその後、第3工程S13,S43で、この粘土状混合物17から、活物質粒子11、導電粒子12、結着剤13及び分散媒14が均一に分散した湿潤粒子21からなる粒子集合体22を得ることができる。従って、本実施形態の製造方法によれば、かさ密度比(活物質粒子/導電粒子)が15以上であるにも拘わらず、また、導電粒子12のかさ密度が0.08g/cm3以下であるにも拘わらず、湿潤粒子21内で活物質粒子11と導電粒子12とが均一に分散した湿潤粒子21が集合した粒子集合体22を製造できる。
また、本実施形態の粒子集合体22の製造方法では、第3工程S13,S43で、粘土状混合物17を押し出し機150の押し出し孔165hから押し出し切断して円柱状の湿潤粒子21を造粒するので、攪拌式混合造粒装置を用いて形成した比較形態の湿潤粒子921に比して、粒径バラツキが小さい湿潤粒子21を形成できる。このため、ロールプレス装置200を用いて第1未乾燥活物質膜5x及び第2未乾燥活物質膜6xを形成する際に、湿潤粒子21が第1ロール210と第2ロール220との第1ロール間隙G1に詰まるのを抑制できるので、第2ロール220上に造膜される第1未乾燥活物質膜5x及び第2未乾燥活物質膜6x、及び、集電箔3上に転写される第1未乾燥活物質膜5x及び第2未乾燥活物質膜6xにスジ状の欠点が生じることを抑制できる。
本実施形態の粒子集合体22の製造方法では、湿潤粒子21を直径D、高さH=0.5D~2.0D(本実施形態ではH=D)の円柱状に造粒する。このような湿潤粒子21は、攪拌式混合造粒装置を用いて形成した比較形態の湿潤粒子921よりも、粒径バラツキが小さい。また、この湿潤粒子21は、直径Dに対して高さHが短すぎずかつ長すぎないため、ロールプレス装置200を用いて第1未乾燥活物質膜5x及び第2未乾燥活物質膜6xを形成する際に、湿潤粒子21が第1ロール210と第2ロール220との第1ロール間隙G1に詰まるのをより一層抑制できる。従って、第2ロール220上に造膜される第1未乾燥活物質膜5x及び第2未乾燥活物質膜6x、及び、集電箔3上に転写される第1未乾燥活物質膜5x及び第2未乾燥活物質膜6xにスジ状の欠点が生じることをより一層抑制できる。
また、本実施形態の粒子集合体22の製造方法では、第1工程S11,S41及び第2工程S12,S42を連続して行って粘土状混合物17を連続生産するため、粘土状混合物17を効率良く製造できる。
また、本実施形態の粒子集合体22の製造方法では、第1工程S11,S41において、二軸混練機100を用いて導電粒子12と結着剤分散液15とを混合して、第1混合物16を形成するため、第1混合物16を容易かつ連続して形成できる。更に第2工程S12,S42として、この二軸混練機100内の第1混合物16に活物質粒子11を加え混練して粘土状混合物17を形成する。このため、第1工程S11,S41に続いて第2工程S12,S42を行うことができると共に、粘土状混合物17を容易かつ連続して形成できる。
また、本実施形態の粒子集合体22の製造方法では、第2工程S12,S42に連続して第3工程S13,S43も行うので、第1工程S11,S41、第2工程S12,S42及び第3工程S13,S43を連続して行って、粒子集合体22を連続して製造できる。
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。
また、本実施形態の正極板1の製造方法では、第1粒子集合体製造工程S1及び第2粒子集合体製造工程S4において、前述の粒子集合体22の製造方法により粒子集合体22を形成する。このため、この粒子集合体22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な湿潤粒子21で、かつ、湿潤粒子21内で活物質粒子11と導電粒子12とが均一に分散した湿潤粒子21からなる。従って、第1未乾燥膜形成工程S2及び第2未乾燥膜形成工程S5において、点状の欠点が無く、活物質粒子11と導電粒子12とが均一に分散した第1未乾燥活物質膜5x及び第2未乾燥活物質膜6xを形成できる。更に、第1乾燥工程S3及び第2乾燥工程S6において、点状の欠点が無く、活物質粒子11と導電粒子12とが均一に分散した第1活物質層5及び第2活物質層6を形成できる。
また、本実施形態の正極板1の製造方法では、第1粒子集合体製造工程S1、第1未乾燥膜形成工程S2及び第1乾燥工程S3を連続して行って、第1活物質層5を連続して形成し、第2粒子集合体製造工程S4、第2未乾燥膜形成工程S5及び第2乾燥工程S6を連続して行って、第2活物質層6を連続して形成するので、正極板1を効率良く生産できる。
また、本実施形態の正極板1の製造方法では、第1未乾燥膜形成工程S2は第1造膜工程S21及び第1転写工程S22を有し、第2未乾燥膜形成工程S5は第2造膜工程S51及び第2転写工程S52を有し、これらの工程を行うことによって、集電箔3上に第1未乾燥活物質膜5x及び第2未乾燥活物質膜6xを形成する。このため、集電箔3上に第1未乾燥活物質膜5x及び第2未乾燥活物質膜6xを容易に形成できると共に、集電箔3上に第1未乾燥活物質膜5xを有する未乾燥片側正極板1x、または、集電箔3上に第2未乾燥活物質膜6xを有する片乾燥両側正極板1zを連続生産できる。
以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることは言うまでもない。
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。
1 正極板(電極板)
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)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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。
  9. 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。
  10. 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。
  11. 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。
  12. 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。
  13. 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。
  14. 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。
  15. 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。
  16. 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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