JP7156363B2 - 二次電池用電極、該電極を用いた二次電池およびそれらの製造方法 - Google Patents
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Description
特許文献2:再公表特許WO2015/198519号公報
集電体と、
前記集電体の少なくとも片面に形成された、活物質および第1バインダを含む活物質層と、
前記活物質層の表面に形成された、非導電性粒子および第2バインダを含む絶縁層と、を有し、
前記活物質層に存在する、前記活物質層の単位厚さ当たりの前記第1バインダおよび前記第2バインダの量に対する、前記活物質層と前記絶縁層との界面領域に存在する、前記界面領域の単位厚さ当たりの前記第1バインダおよび前記第2バインダの量の比率である界面バインダ比が85%以上である。
集電体の表面に、活物質および第1バインダを含む活物質層を形成する工程と、
前記活物質層の表面に、非導電性粒子および第2バインダを含む絶縁層を形成する工程と、
を有し、
前記絶縁層を形成する工程は、前記活物質層に存在する、前記活物質層の単位厚さ当たりの前記第1バインダおよび前記第2バインダの量に対する、前記活物質層と前記絶縁層との界面領域に存在する、前記界面領域の単位厚さ当たりの前記第1バインダおよび前記第2バインダの量の比率である界面バインダ比が85%以上であるように前記絶縁層を形成する。
負極は、例えば、負極活物質が負極用バインダによって負極集電体に結着され、負極活物質が負極活物質層として負極集電体上に積層された構造を有する。本実施形態における負極活物質は、充放電に伴いリチウムイオンを可逆的に吸蔵及び放出が可能な材料であれば、本発明の効果を著しく損なわない限り任意のものを用いることができる。通常は、正極の場合と同様に、負極も集電体上に負極活物質層を設けて構成されたものを用いる。なお、正極と同様に、負極も適宜その他の層を備えていてもよい。
正極とは、電池内における高電位側の電極のことをいい、一例として、充放電に伴いリチウムイオンを可逆的に吸蔵、放出可能な正極活物質を含み、正極活物質が正極バインダにより一体化された正極活物質層として集電体上に積層された構造を有する。本発明の一形態において、正極は、単位面積当たりの充電容量を3mAh/cm2以上有し、好ましくは3.5mAh/cm2以上有する。また、安全性の観点などから単位面積当たりの正極の充電容量が、15mAh/cm2以下であることが好ましい。ここで、単位面積当たり充電容量とは、活物質の理論容量から計算される。すなわち、単位面積当たりの正極の充電容量は、(正極に用いられる正極活物質の理論容量)/(正極の面積)によって計算される。なお、正極の面積とは、正極両面ではなく片面の面積のことを言う。
LiyNi(1-x)MxO2 (A)
(但し、0≦x<1、0<y≦1.2、MはCo、Al、Mn、Fe、Ti及びBからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素である。)
絶縁層は、上述した正極および負極において、活物質層の表面に形成されることによって、集電体および活物質層とともに、正極および負極の一部を構成する。以下に、絶縁層の材質等について詳細に説明する。
絶縁層は、正極または負極の活物質層の一部を被覆するように絶縁層用スラリー組成物を塗工し、溶媒を乾燥除去することにより形成することができる。絶縁層は電極の片面のみに形成してもよいが、両面に絶縁層を形成した場合(特に対称構造として)、電極のソリを低減できるという利点がある。
次に、絶縁層の形成方法について説明する。絶縁層を形成するための材料としては、非導電性フィラー、バインダおよび溶媒を混合分散したペースト状(スラリー状またはインク状を含む。以下同じ。)のものが用いられる。
絶縁層の厚みは、1μm以上30μm以下であることが好ましく、2μm以上15μm以下であることがより好ましい。
活物質層および絶縁層がバインダを含むことは前述したとおりである。本形態の特徴の一つとして、特定の界面バインダ比を有することを挙げることができる。
界面バインダ比=Bt2/Bt1
で与えられる。
(Mi+Mb)/(Mi+Mb+Ms)
で与えられる。混ざり合いをより抑制するためには、絶縁層用スラリーの固形分比は50質量%より大きいことが好ましい。
電解液は、特に限定されないが、電池の動作電位において安定な非水電解液が好ましい。非水電解液の具体例としては、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、t-ジフルオロエチレンカーボネート(t-DFEC)、ブチレンカーボネート(BC)、ビニレンカーボネート(VC)、ビニルエチレンカーボネート(VEC)等の環状カーボネート類;アリルメチルカーボネート(AMC)、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)、ジプロピルカーボネート(DPC)等の鎖状カーボネート類;プロピレンカーボネート誘導体;ギ酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸エチル等の脂肪族カルボン酸エステル類;γ―ブチロラクトン(GBL)等の環状エステル類、などの非プロトン性有機溶媒が挙げられる。非水電解液は、一種を単独で、または二種以上を組み合わせて使用することができる。また、スルホラン、フッ素化スルホラン、プロパンスルトン、プロペンスルトン等の含硫黄環状化合物を用いることが出来る。
電池要素10が正極11と負極12との間にセパレータ13を有する場合、セパレータ13としては特に制限されず、ポリプロピレン、ポリエチレン、フッ素系樹脂、ポリアミド、ポリイミド、ポリエステル、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンテレフタレート、セルロース等の多孔質フィルムや不織布、また、これらを基材としてシリカやアルミナ、ガラスなどの無機物を、付着もしくは接合したものや、単独で不織布や布として加工したものを用いることができる。セパレータ13の厚みは任意であってよい。ただし、高エネルギー密度の観点からは薄いほうが好ましく、例えば、10~30μmとすることができる。
複数の電池を組み合わせて組電池とすることができる。組電池は、例えば、本実施形態に係る2以上の電池を、直列および/または並列に接続した構成とすることができる。電池の直列数および並列数はそれぞれ、組電池の目的とする電圧および容量に応じて適宜選択することができる。
上述した電池またはその組電池は、車両に用いることができる。電池または組電池を利用できる車両としては、ハイブリッド車、燃料電池車、電気自動車(いずれも四輪車(乗用車、トラック、バス等の商用車、軽自動車等)のほか、二輪車(バイク)や三輪車を含む)が挙げられる。なお、本実施形態に係る車両は自動車に限定されるわけではなく、他の車両、例えば電車、船舶、潜水艦、人工衛星等の、地上だけでなく地上以外でのあらゆる移動体の各種電源として用いることもできる。このような車両の一例として、図8に電気自動車の模式図を示す。図8に示す電気自動車300は、上述した電池を複数、直列および並列に接続し、必要とされる電圧および容量を満たすように構成された組電池310を有する。
上述した電池またはその組電池は、蓄電装置に用いることができる。二次電池または組電池を利用した蓄電装置としては、例えば、一般家庭に供給される商用電源と家電製品等の負荷との間に接続され、停電時等のバックアップ電源や補助電源として使用されるものや、太陽光発電等の、再生可能エネルギーによる時間変動の大きい電力出力を安定化するための、大規模電力貯蔵用としても使用されるものが挙げられる。このような蓄電装置の一例を、図9に模式的に示す。図9に示す蓄電装置301は、上述した電池を複数、直列および並列に接続し、必要とされる電圧および容量を満たすように構成された組電池311を有する。
さらに、上述した電池またはその組電池は、携帯電話、ノートパソコンなどのモバイル機器の電源などとしてもとして利用できる。
正極活物質としてのリチウムニッケル複合酸化物(LiNi0.80Mn0.10Co0.10O2)、導電助材としてのカーボンブラック、バインダ(第1バインダ)としてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)を、92:5:3の質量比で計量し、それらを溶媒としてのN-メチルピロリドンを用いて混練し、正極活物質層用スラリーとした。
非導電性粒子としてのアルミナ(住友化学社製AKP-3000)とバインダ(第2バインダ)としてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)を所定の質量比で計量し、それらを溶媒としてのN-メチルピロリドンを用いて混練し、絶縁層用スラリーとした。
バインダ(第2バインダ)としてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)を、溶媒としてのN-メチルピロリドンを用いて溶解し、バインダースラリーとした。なお、バインダースラリー中のバインダ濃度は10wt%とした。
集電体として厚み20μmのアルミニウム箔を用意した。アルミニウム箔上に、上記の正極活物質層用スラリーを塗工し、さらに、正極活物質層用スラリーが乾燥する前に、正極活物質層用スラリー上に絶縁層用スラリーを塗工した。正極活物質層用スラリーおよび絶縁層用スラリーの塗工には、1つのバックアップロールに対して2つのダイヘッドを有する1ロール2ヘッド式ダイコーターを用いた。塗工した正極活物質用スラリーおよび絶縁層用スラリーを乾燥および加圧し、これによって正極を作製した。
作製した実施例1~3および比較例1について、界面バインダ比を求めた。界面バインダ比は、前述した断面SEM-EDXにより求めた。ただし、第1バインダおよび第2バインダはどちらもポリフッ化ビニリデンを用いていたことからEDXではフッ素のみを抽出し、フッ素の量から界面バインダ比を求めた。さらに、作製した実施例1~3および比較例1について、テープ剥離試験を行い、絶縁層の密着力を評価した。テープ剥離試験は、次のようにして行った。
二次電池の正極および負極として用いられる電極であって、
集電体と、
前記集電体の少なくとも片面に形成された、活物質および第1バインダを含む活物質層と、
前記活物質層の表面に形成された、非導電性粒子および第2バインダを含む絶縁層と、を有し、
前記活物質層に存在する、前記活物質層の単位厚さ当たりの前記第1バインダおよび前記第2バインダの量に対する、前記活物質層と前記絶縁層との界面領域に存在する、前記界面領域の単位厚さ当たりの前記第1バインダおよび前記第2バインダの量の比率である界面バインダ比が85%以上である電極。
前記第1バインダおよび前記第2バインダは同じ元素を含む付記1に記載の電極。
前記第1バインダおよび前記第2バインダは同じバインダである付記2に記載の電極。
前記第1バインダおよび前記第2バインダはフッ素を含む付記2または3に記載の電極。
前記第1バインダおよび前記第2バインダは、ポリフッ化ビニリデンである付記4に記載の電極。
前記絶縁層は、前記非導電性粒子を含む第1の層と、前記非導電性粒子を含まない第2の層とを有し、前記第2の層は、前記活物質層と前記第1の層との間に設けられている付記1から5のいずれかに記載の電極。
付記1から6のいずれかに記載の電極を正極および負極として有する二次電池であって、
少なくとも1つの前記正極と、
少なくとも1つの前記負極と、
電解液と、
前記正極と前記負極とを互いに対向させて前記電解液とともに封入する外装体と、
を有する二次電池。
二次電池の正極および負極として用いられる電極の製造方法であって、
集電体の表面に、活物質および第1バインダを含む活物質層を形成する工程と、
前記活物質層の表面に、非導電性粒子および第2バインダを含む絶縁層を形成する工程と、
を有し、
前記絶縁層を形成する工程は、前記活物質層に存在する、前記活物質層の単位厚さ当たりの前記第1バインダおよび前記第2バインダの量に対する、前記活物質層と前記絶縁層との界面領域に存在する、前記界面領域の単位厚さ当たりの前記第1バインダおよび前記第2バインダの量の比率である界面バインダ比が85%以上であるように前記絶縁層を形成する、電極の製造方法。
前記活物質層を形成する工程は、
前記活物質、前記第1バインダおよび第1溶媒を含む活物質層用スラリーを塗工する工程と、
塗工した前記活物質層用スラリーを乾燥させる工程と、
を含み、
前記絶縁層を形成する工程は、
前記非導電性粒子、前記第2バインダおよび第2溶媒を含む絶縁層用スラリーを塗工する工程と、
塗工した前記絶縁層用スラリーを乾燥させる工程と、
を含む、付記8に記載の電極の製造方法。
前記活物質層用スラリーを塗工する工程と、
前記絶縁層用スラリーを塗工する工程と、
をこの順番に実施し、
前記活物質層用スラリーを乾燥させる工程および前記絶縁層用スラリーを乾燥させる工程を同時に実施し、これによって、前記活物質層を形成する工程と前記絶縁層を形成する工程とを同時に行う、付記9に記載の電極の製造方法。
前記第1バインダおよび前記第2バインダは同じ元素を含む付記8から10のいずれかに記載の電極の製造方法。
前記第1バインダおよび前記第2バインダは同じバインダである付記11に記載の電極の製造方法。
前記第1バインダおよび前記第2バインダはフッ素を含む付記11または12に記載の電極の製造方法。
前記第1バインダおよび前記第2バインダはポリフッ化ビニリデンである付記13に記載の電極の製造方法。
付記8から14のいずれかに記載の製造方法によって正極および負極を製造する工程と、
前記正極と前記負極とを対向配置し、電池要素を構成する工程と、
前記電池要素を、電解液とともに外装体に封入する工程と、
を有する二次電池の製造方法。
10a 正極タブ
10b 負極タブ
11 正極
12 負極
13 セパレータ
31 正極端子
32 負極端子
110 集電体
110a 延長部
111 活物質層
112 絶縁層
Claims (10)
- 二次電池の正極および負極の少なくともいずれか一方に用いられる電極であって、
集電体と、
前記集電体の少なくとも片面に形成された、活物質および第1バインダを含む活物質層と、
前記活物質層の表面に形成された、非導電性粒子および第2バインダを含む絶縁層と、を有し、
前記活物質層と前記絶縁層との界面を中心とした厚さ方向6μmの範囲の領域を界面領域とし、かつ、前記活物質層に存在する、前記活物質層の単位厚さ当たりの前記第1バインダおよび前記第2バインダの質量をBt1、前記界面領域に存在する、前記界面領域の単位厚さ当たりの前記第1バインダおよび前記第2バインダの質量をBt2としたとき、
Bt2/Bt1
で表される界面バインダ比が85%以上である電極。 - 前記第1バインダおよび前記第2バインダはフッ素を含む請求項1に記載の電極。
- 前記第1バインダおよび前記第2バインダは、ポリフッ化ビニリデンである請求項2に記載の電極。
- 前記絶縁層は、前記非導電性粒子を含む第1の層と、前記非導電性粒子を含まない第2の層とを有し、前記第2の層は、前記活物質層と前記第1の層との間に設けられている請求項1から3のいずれかに記載の電極。
- 請求項1から4のいずれか一項に記載の電極を正極および負極の少なくともいずれか一方として有する二次電池であって、
少なくとも1つの前記正極と、
少なくとも1つの前記負極と、
電解液と、
前記正極と前記負極とを互いに対向させて前記電解液とともに封入する外装体と、
を有する二次電池。 - 二次電池の正極および負極の少なくともいずれか一方に用いられる電極の製造方法であって、
集電体の表面に、活物質および第1バインダを含む活物質層を形成する工程と、
前記活物質層の表面に、非導電性粒子および第2バインダを含む絶縁層を形成する工程と、
を有し、
前記絶縁層を形成する工程は、前記活物質層と前記絶縁層との界面を中心とした厚さ方向6μmの範囲の領域を界面領域とし、かつ、前記活物質層に存在する、前記活物質層の単位厚さ当たりの前記第1バインダおよび前記第2バインダの質量をBt1、前記界面領域に存在する、前記界面領域の単位厚さ当たりの前記第1バインダおよび前記第2バインダの質量をBt2としたとき、
Bt2/Bt1
で表される界面バインダ比が85%以上であるように前記絶縁層を形成する、電極の製造方法。 - 前記活物質層を形成する工程は、
前記活物質、前記第1バインダおよび第1溶媒を含む活物質層用スラリーを塗工する工程と、
塗工した前記活物質層用スラリーを乾燥させる工程と、
を含み、
前記絶縁層を形成する工程は、
前記非導電性粒子、前記第2バインダおよび第2溶媒を含む絶縁層用スラリーを塗工する工程と、
塗工した前記絶縁層用スラリーを乾燥させる工程と、
を含む、請求項6に記載の電極の製造方法。 - 前記活物質層用スラリーを塗工する工程と、
前記絶縁層用スラリーを塗工する工程と、
をこの順番に実施し、
前記活物質層用スラリーを乾燥させる工程および前記絶縁層用スラリーを乾燥させる工程を同時に実施し、これによって、前記活物質層を形成する工程と前記絶縁層を形成する工程とを同時に行う、請求項7に記載の電極の製造方法。 - 前記第1バインダおよび前記第2バインダはフッ素を含む請求項6から8のいずれか一項に記載の電極の製造方法。
- 請求項6から9のいずれかに記載の製造方法によって正極および負極を製造する工程と、
前記正極と前記負極とを対向配置し、電池要素を構成する工程と、
前記電池要素を、電解液とともに外装体に封入する工程と、
を有する二次電池の製造方法。
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