JP7206344B2 - 電気化学装置及び電子装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電気化学の技術分野に関し、具体的には、電気化学装置及び該電気化学装置を備える電子装置に関する。
リチウムイオン電池（電気化学装置）は、エネルギー密度が大きく、サイクル寿命が長く、公称電圧が高く、自己放電率が低く、小型、軽量などの多くの利点を有し、家電製品、電気自動車、電動二輪車及びエネルギー貯蔵などの分野に広く応用される。近年、電気自動車及び携帯電子機器の急速な発展に伴い、リチウムイオン電池の耐用寿命に対する要求がますます高くなる。しかしながら、従来のリチウムイオン電池は、サイクル数の増加につれて、リチウムイオン電池の内部における電極アセンブリが徐々に変形し、外装体の封止信頼性が低下し、リチウムイオン電池の耐用寿命の向上に影響する。このため、コストが低く、かつリチウムイオン電池が使用中に変形することを回避できるだけでなく、外装体の封止信頼性が高いことを実現可能な技術案が急務となっている。
本発明は、従来のリチウムイオン電池に存在する、変形抑制と外装体の封止信頼性とを両立できないという問題を解決するために、第１電極シート、第２電極シート、第１セパレータ及び第２セパレータを含む電気化学装置であって、前記第１セパレータは第１多孔質基材を含み、前記第２セパレータは第２多孔質基材を含み、前記第１電極シート、前記第１セパレータ、前記第２電極シート及び前記第２セパレータにより電極アセンブリを形成し、前記第１多孔質基材の少なくとも一方の表面にポリマー接着層が設けられ、前記第２多孔質基材の少なくとも一方の表面にポリマー接着層が設けられない、電気化学装置を提供する。
いくつかの実施例において、前記第１多孔質基材の両面のいずれにも、ポリマー接着層が設けられる。いくつかの実施例において、前記第２多孔質基材の両面のいずれにも、ポリマー接着層が設けられない。いくつかの実施例において、前記第２多孔質基材の一方のみの表面に、ポリマー接着層が設けられない。いくつかの実施例において、前記第１多孔質基材の一方のみの表面に、ポリマー接着層が設けられ、前記第２多孔質基材の一方のみの表面には、ポリマー接着層が設けられない。
いくつかの実施例において、前記第１多孔質基材と前記ポリマー接着層との間には、無機材料層がさらに設けられ、前記第２多孔質基材の表面には、前記無機材料層が設けられない。
いくつかの実施例において、前記第１電極シートは正極シートであり、前記第２電極シートは負極シートであるか、又は前記第１電極シートは負極シートであり、前記第２電極シートは正極シートである。前記ポリマー接着層は、面密度が０．５ｍｇ／１５４０．２５ｍｍ２～１０ｍｇ／１５４０．２５ｍｍ２である。
いくつかの実施例において、前記第１多孔質基材と前記第２多孔質基材は、それぞれ独立して、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリ-ｐ-フェニレンテレフタルアミド、ポリブチレンテレフタレート、ポリエステル、ポリアセタール、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアリールエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリベンゾイミダゾール、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンエーテル、シクロオレフィンコポリマー、ポリフェニレンサルファイド、及びポリ（２－ビニルナフタレン）からなる群から選ばれる少なくとも１種のポリマーからなるポリマーフィルム、多層ポリマーフィルム、または不織布である。
いくつかの実施例において、前記ポリマー接着層はポリマーを含み、前記ポリマーは、フッ化ビニリデン－ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン－トリクロロエチレン共重合体、ポリアクリル酸エステル、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸塩、ポリアクリロニトリル、ポリビニルピロリドン、ポリ酢酸ビニル、エチレン－酢酸ビニル共重合体、ポリイミド、ポリエチレンオキシド、酢酸セルロース、セルロースアセテートブチレート、セルロースアセテートプロピオネート、シアノエチル化アミロペクチン、シアノエチル化ポリビニルアルコール、シアノエチルセルロース、シアノエチルスクロース、アミロペクチン、カルボキシメチルセルロース、カルボキシメチルセルロースナトリウム、カルボキシメチルセルロースリチウム、アクリロニトリル－スチレン－ブタジエン共重合体、ポリビニルアルコール、スチレン-ブタジエン共重合体、及びポリフッ化ビニリデンからなる群から選ばれる少なくとも１つを含む。
いくつかの実施例において、前記無機材料層は無機粒子を含み、前記無機粒子は、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、二酸化ハフニウム、酸化スズ、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、炭化ケイ素、ベーマイト、水酸化マグネシウム、水酸化アルミニウム、チタン酸カルシウム、チタン酸バリウム、リン酸リチウム、リン酸チタンリチウム、チタン酸ランタンリチウムからなる群から選ばれる少なくとも１つを含む。
いくつかの実施例において、前記電極アセンブリは巻回構造であり、かつ前記電極アセンブリの最外周は、前記第２多孔質基材である。さらに、本発明にかかる電気化学装置を備える電子装置を提供する。
本発明により、以下の有益な効果を達成することができる。
本発明に係る多層構造を有する電極アセンブリを用いて製造した電気化学装置は、第１セパレータと第２セパレータにおける異なるポリマー接着層の設置方式により、正極シートと負極シートが離隔され、電極アセンブリの形態維持及び角部における応力の解放に寄与でき、電気化学装置の変形を抑制するとともに、外装体の封止信頼性を向上することができる。
本発明に係る電気化学装置における電極アセンブリの１種の巻回構造を示す概略図である。 本発明に係る電気化学装置における電極アセンブリの１種の積層方式を示す概略図である。 本発明に係る電気化学装置における電極アセンブリの巻回方式を示す概略図である。 本発明に係る電気化学装置における電極アセンブリの１種の積層方式を示す概略図である。 本発明に係る電気化学装置における電極アセンブリの１種の積層方式を示す概略図である。 本発明に係る電気化学装置における電極アセンブリの１種の積層方式を示す概略図である。 本発明に係る電気化学装置における電極アセンブリの一実施形態を示す概略図である。 本発明に係る電気化学装置における電極アセンブリの一実施形態を示す概略図である。 本発明に係る電気化学装置における電極アセンブリの一実施形態を示す概略図である。 本発明に係る電気化学装置における電極アセンブリの一実施形態を示す概略図である。
本発明の目的、技術案及び利点をより明確にするために、以下に本発明の実施例を参照しながら、本発明の技術案を明確かつ全体的に説明する。当然ながら、説明される実施例は、本発明の一部の実施例に過ぎず、全ての実施例ではない。
本発明は、第１電極シート、第２電極シート、第１セパレータ及び第２セパレータを含む電気化学装置であって、第１セパレータは第１多孔質基材を含み、第２セパレータは第２多孔質基材を含み、第１電極シート、第１セパレータ、第２電極シート及び第２セパレータは順に積層設置されて電極アセンブリを形成し、ここで、第１多孔質基材の少なくとも一方の表面にはポリマー接着層が設けられており、第２多孔質基材の少なくとも一方の表面にはポリマー接着層が設けられていない電気化学装置を提供する。
本発明において、第１電極シートは正極シートであってもよく、負極シートであってもよい。同様に、第２電極シートは正極シートであってもよく、負極シートであってもよい。ただし、第１電極シートと第２電極シートの電気的極性は、逆である。例えば、第１電極シートが正極シートである場合、第２電極シートが負極シートとなり、第１電極シートが負極シートである場合、第２電極シートが正極シートとなる。電極アセンブリは積み重ね、折り畳み又は巻き取りの構造であってもよく、第１電極シートと第２電極シートとは、介在するポリマー接着層が設けられた第１セパレータにより互いに離隔し、電極アセンブリに巻き取った後、ポリマー接着層が設けられた第１セパレータは、電極アセンブリの角部における応力の解放に寄与する。本発明において、ポリマー接着剤を第１セパレータの表面に設置することにより、ポリマー接着層を形成してもよい。また、第２セパレータも、第１電極シートと第２電極シートとの間に設けられてもよい。第１セパレータと第２セパレータは、互いに連結されてもよく、連結されなくてもよいが、好ましくは、第１セパレータと第２セパレータは互いに連結されない。
第１多孔質基材と第２多孔質基材は、本分野で常用される多孔質基材材料から選択されてもよい。
前記したように、本発明に係る電気化学装置において、正極シート又は負極シートの間に設けられた第１セパレータの第１多孔質基材の少なくとも一方の表面にポリマー接着層が設けられている。したがって、正極シートと負極シーのうち少なくとも一者の表面は、ポリマー接着層と直接接触する。具体的には、前記第１多孔質基材の両面のいずれにもポリマー接着層が設けられているか、又は第１多孔質基材の一方のみの表面にポリマー接着層が設けられている。
本発明に係る電気化学装置の一実施形態において、第２多孔質基材の両面のいずれにも、前記ポリマー接着層が設けられていない。この場合、第２セパレータは第２基材のみからなり、正極シートと負極シートに接着作用を有しない。
本発明に係る電気化学装置の一実施形態において、第２多孔質基材の一方のみの表面には、ポリマー接着層が設けられていない。より具体的な実施形態において、第２多孔質基材の、第１セパレータから離れた表面には、ポリマー接着層が設けられていない。この場合、ポリマー接着層が設けられていない表面は、電解液との直接接触を回避でき、ポリマー接着層の電解液への溶解によるゲル化問題を緩和することができる。
本発明に係る電気化学装置の一実施形態において、第１多孔質基材の一方のみの表面にポリマー接着層が設けられており、第２多孔質基材の一方のみの表面にポリマー接着層が設けられていない。このような実施例において、ポリマー接着層は、第１多孔質基材と第２多孔質基材のそれぞれのいずれか一方の表面に設けられてもよい。
ポリマー接着層は、隣接する機能層同士を接着する役割を果たし、第１多孔質基材又は第２多孔質基材の表面に設けられたポリマー接着層の面密度は、接着強度に大きな影響を与えられる。本発明において、ポリマー接着層の面密度は０．５ｍｇ／１５４０．２５ｍｍ２～１０ｍｇ／１５４０．２５ｍｍ２である。ポリマー接着層の面密度が小さすぎると、接着効果が良くない。一方、ポリマー接着層の面密度が増大すると接着強度を向上させることができるが、効果的な接着強度を確保できる上で、ポリマー接着層の面密度が大きすぎると材料の無駄やコストの増加を招く。したがって、ポリマー接着層の面密度は、好ましくは、０．５ｍｇ／１５４０．２５ｍｍ２～１０ｍｇ／１５４０．２５ｍｍ２である。
本発明に係る電気化学装置において、第１多孔質基材及び第２多孔質基材は、それぞれ独立して、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリ-ｐ-フェニレンテレフタルアミド、ポリブチレンテレフタレート、ポリエステル、ポリアセタール、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアリールエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリベンゾイミダゾール、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンエーテル、シクロオレフィンコポリマー、ポリフェニレンサルファイド、及びポリ（２－ビニルナフタレン）からなる群から選ばれる少なくとも１種のポリマーからなるポリマーフィルム、多層ポリマーフィルム、または不織布であってもよい。
ポリマー接着層は粘着性を有し、正極シート又は負極シートを、それと隣接するセパレータと接着することができ、電極アセンブリの形態維持（定型）に寄与する。また、ポリマー接着層自体の弾性により、巻回電極アセンブリの巻回後の角部における応力の解放を促進し、電極アセンブリの変形を抑制し、電極アセンブリの安定性及び安全性を向上することができる。ポリマー接着層は、ポリマーからなる接着剤を含み、前記ポリマーは、フッ化ビニリデン－ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン－トリクロロエチレン共重合体、ポリアクリル酸エステル、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸塩、ポリアクリロニトリル、ポリビニルピロリドン、ポリ酢酸ビニル、エチレン－酢酸ビニル共重合体、ポリイミド、ポリエチレンオキシド、酢酸セルロース、セルロースアセテートブチレート、セルロースアセテートプロピオネート、シアノエチル化アミロペクチン、シアノエチル化ポリビニルアルコール、シアノエチルセルロース、シアノエチルスクロース、アミロペクチン、カルボキシメチルセルロース、カルボキシメチルセルロースナトリウム、カルボキシメチルセルロースリチウム、アクリロニトリル－スチレン－ブタジエン共重合体、ポリビニルアルコール、スチレン-ブタジエン共重合体、及びポリフッ化ビニリデンからなる群から選ばれる少なくとも１つを含む。
ポリマー接着層の機械的強度及び熱安定性を向上させるために、第１多孔質基材とポリマー接着層との間に無機材料層を設けてもよい。前記無機材料層は、無機粒子を含み、該無機粒子は、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、二酸化ハフニウム、酸化スズ、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、炭化ケイ素、ベーマイト、水酸化マグネシウム、水酸化アルミニウム、チタン酸カルシウム、チタン酸バリウム、リン酸リチウム、リン酸チタンリチウム、チタン酸ランタンリチウムからなる群から選ばれる少なくとも１つを含む。
本発明に係る電気化学装置の一実施形態において、第２多孔質基材の表面には、無機材料層が設けられていない。いくつかの場合、第２セパレータの厚さを薄くし、電気化学装置のエネルギー密度を向上するために、第２多孔質基材の表面に無機材料層が設けられなくてもよい。
本発明に係る電気化学装置において、正極シートは、正極集電体と、正極集電体に設けられた正極活物質層とを含み、前記正極活物質層は、正極活物質、バインダーと導電剤を含む。正極活物質は、リチウムイオンを可逆的に吸蔵・放出可能な化合物を含む。正極活物質は、リチウムと、コバルト、マンガン又はニッケルからなる群から選ばれる少なくとも１つの元素とを含む複合酸化物を含んでもよい。正極活物質の具体的な種類は、具体的に限定されず、需要に応じて選択すればよい。正極活物質としては、コバルト酸リチウムＬｉＣｏＯ２（ＬＣＯ）、ニッケルコバルトマンガン酸リチウム（８１１，７１２，６２２，５２３，１１１）、ニッケルコバルトアルミン酸リチウム、リン酸鉄リチウム、リン酸マンガン鉄リチウム、マンガン酸リチウムからなる群から少なくとも１つを任意に選択してもよい。これらの正極活物質は、単独で使用してもよく、任意の２種以上を併用してもよい。また、上記正極活物質は、ドーピングされていてもよい。
正極活物質は、表面に塗膜を有してもよく、又は塗膜中の化合物成分と一致する別の化合物と混合してもよい。この塗膜は、塗布元素を有する酸化物、水酸化物、オキシ水酸化物、オキシ炭酸塩およびヒドロキシ炭酸塩からなる群から選ばれる少なくとも１つの塗布元素化合物を含んでもよい。塗膜に用いる化合物は、非晶質であっても結晶質であってもよい。塗布元素は、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｋ、Ｎａ、Ｃａ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｂ、ＡまたはＺｒのうちの１種または複数種を含んでもよい。正極活物質の性能に悪影響を与えない限り、任意の方法で塗膜を施してもよい。例えば、該方法は、当業者にとって周知の任意の塗布方法、例えば、スプレー法、浸漬法等を含んでもよい。
バインダーは、正極活物質粒子同士の結合を強化し、正極活物質と集電体との結合をさらに強化することができる。バインダーの非限定的な例としては、ポリビニルアルコール、ヒドロキシプロピルセルロース、ジアセチルセルロース、ポリ塩化ビニル、カルボキシル化ポリ塩化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリアクリル酸エステル、エチレンオキシド基含有ポリマー、ポリビニルピロリドン、ポリウレタン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ１，１－ジフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、スチレンブタジエンゴム、アクリル酸（エステル）化スチレンブタジエンゴム、エポキシ樹脂、ナイロン等が挙げられる。
正極活物質層は、導電剤を含むことによって、正極シートに導電性を付与する。該導電剤は、化学変化を引き起こさない限り、任意の導電性材料を含んでもよい。導電剤の非限定的な例としては、カーボン系材料（例えば、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、炭素繊維、カーボンナノチューブ、グラフェンなど）、金属系材料（例えば、銅、ニッケル、アルミニウム、銀などを含む金属粉、金属繊維など）、導電性ポリマー（例えば、ポリフェニレン誘導体）及びそれらの混合物が挙げられる。
正極集電体は、アルミニウム箔、銅箔又はニッケル箔であってもよいが、これに限定されない。
負極シートは、負極集電体と、該集電体に設けられた負極活物質層とを含み、負極活物質層は、負極活物質を含み、負極活物質の具体的な種類は、具体的に制限されず、需要に応じて選択すればよい。具体的には、負極活物質は、天然黒鉛、人造黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ（ＭＣＭＢと略称する）、ハードカーボン、ソフトカーボン、シリコン、シリコン－炭素複合体、Ｌｉ－Ｓｎ合金、Ｌｉ－Ｓｎ－Ｏ合金、Ｓｎ、ＳｎＯ、ＳｎＯ２、スピネル構造のリチウム化ＴｉＯ２－Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２、Ｌｉ－Ａｌ合金のうちの１種又は複数種であってもよい。炭素材料の非限定的な例としては、結晶性炭素、非晶質炭素またはこれらの混合物などが挙げられる。結晶性炭素は、不規則形状や、シート状、小フレーク状、球状または繊維状の天然黒鉛または人造黒鉛であってもよい。非晶質炭素は、メソフェーズピッチ炭化物、か焼コークス等であってもよい。
負極活物質層は、バインダーを含んでもよい。バインダーは、負極活物質粒子同士の結合、および負極活物質と集電体との結合を強める。バインダーの非限定的な例としては、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ジアセチルセルロース、ポリ塩化ビニル、カルボキシル化ポリ塩化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、エチレンオキシド基含有ポリマー、ポリビニルピロリドン、ポリウレタン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ１，１－ジフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、スチレンブタジエンゴム、アクリル酸（エステル）化スチレンブタジエンゴム、エポキシ樹脂、ナイロン等が挙げられる。
負極活物質層は、導電剤を含む。該導電剤は、化学変化を引き起こさない限り、任意の導電性材料を含むことができる。導電性材料の非限定的な例としては、カーボン系材料（例えば、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、炭素繊維、カーボンナノチューブなど）、金属系材料（例えば、銅、ニッケル、アルミニウム、銀などを含む金属粉、金属繊維など）、導電性ポリマー（例えば、ポリフェニレン誘導体）及びそれらの混合物が挙げられる。
負極集電体は、銅箔、ニッケル箔、ステンレス箔、チタン箔、発泡ニッケル、発泡銅、導電性金属で被覆されたポリマー基材及びそれらの組み合わせから選択してもよい。
本発明において、電気化学装置は、二次電池であってもよい。本発明の電気化学装置は、可逆的に吸蔵・放出可能なイオンの種類により、リチウムイオン電池、ナトリウムイオン電池、マグネシウムイオン電池であってもよく、本発明はリチウムイオン電池を例として詳細に説明する。本発明の電気化学装置は、電解質の形態により、液体電池、ゲル電池であってもよく、固体電池であってもよい。
リチウムイオン電池において、封止材はアルミラミネートフィルムであってもよい。包装過程中に、外装体で包む。包装用アルミラミネートフィルムは硬度が低いことから、電極アセンブリに対して拘束作用をほぼ有せず、また、リチウムイオン電池の充放電過程中に発生した電極シートの膨張による応力がその角部で解放できないことから、リチウムイオン電池が変形しやすく、幅及び厚さ寸法が制御不能となる。したがって、巻回構造のパウチ型リチウムイオン電池であれば、接着機能を有する塗膜付きセパレータによって電極シートの接着及び定型を実現し、同時に有機物塗膜の可圧縮性によって角部における応力の解放を実現し、これによりリチウムイオン電池の変形を抑制する場合が多い。しかしながら、このような接着機能を有する有機化合物塗膜は、ポリマー接着層であることが多く、有機物塗膜は高温化成過程中に電解液中のある溶媒や添加剤と相互に作用してゲルを形成しやすい。形成したゲルは、アルミラミネート袋の辺縁における封止領域に粘着することがある。包装フィルムの封止は、主に、アルミラミネートフィルムの内層を構成するポリプロピレン（ＰＰ）が高温及び大きな圧力下で溶融接着することにより行う。この場合、封止領域におけるゲルは、両側のアルミラミネートフィルムのポリプロピレン層の間に介在し、ポリプロピレン溶融接着の効果に影響し、封止強度が不十分になり、少なくとも、アルミラミネート袋の辺縁の封止有効期間に影響可能であり、ひいては、封止が完全に失効し漏液が生じるという深刻な問題が起こることもある。
採用される２つ多孔質基材は、いずれも両面にポリマー接着層を塗布するか、又はいずれもポリマー接着層を全く設けない場合には、リチウムイオン電池の電極アセンブリの変形抑制と外装体の封止信頼性とを両立することができない。リチウムイオン電池の変形は、界面劣化及びサイクル性能の急遽低下を招き、さらにリチウム析出等のセキュリティリスクを招く。封止強度が不十分であると、リチウムイオン電池の封止有効期間を大幅に短縮し、漏液の恐れもある。
本発明は、ポリマー接着剤が設けられた第１セパレータにより正極シートと負極シートが離隔し、ポリマー接着層の可撓性によって電極アセンブリの定型及び角部における応力の解放を促進し、これによりパウチ型リチウムイオン電池外装体の封止信頼性を向上し、リチウムイオン電池の耐用寿命を延長することができる。
本発明において、第２多孔質基材の少なくとも一方の表面には、ポリマー接着層が設けられていない。換言すれば、第２セパレータは、両面のいずれにもポリマー接着層が設けられていない一層のセパレータであってもよく、第２セパレータの内側表面（電極アセンブリの中心に面する表面）のみにポリマー接着層が設けられていてもよい。本発明に係る電気化学装置において、巻回電極アセンブリの最外側は、両面のいずれにもポリマー接着層が設けられていない多孔質基材で巻き終わる。電極アセンブリの表面には電解液と接触するポリマー接着剤が存在しないため、ポリマー接着層が電解液へ溶解することによりリチウムイオン電池化成過程中にゲル形成を招きやすいという問題を緩和することができる。ゲルが形成すると、他の物品と粘着しやすく、巻回電極アセンブリの後続の外装工程においてアルミラミネートフィルムの内側を構成するポリプロピレンの封止操作に影響し、リチウムイオン電池外装体の封止信頼性が低下することがある。
以下、図面及び具体的な実施例を参照しながら、本発明に係る電気化学装置を詳細に説明する。
本発明に係る電気化学装置構造の利点を検証するために、リチウムイオン電池の電極アセンブリの変形及びゲル形成状況を測定した。
＜正極シートの製造＞
正極活物質であるコバルト酸リチウム、アセチレンブラック、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を質量比９４：３：３で混合し、Ｎ－メチルピロリドン（ＮＭＰ）を溶媒として添加して固形分含有量が７５％のスラリーに調製し、均一に撹拌した。スラリーを厚さが１２μｍのアルミニウム箔の一方の表面に均一に塗布し、９０℃の条件下で乾燥させ、冷間プレス後に正極活物質層の厚さが１００μｍの正極シートを得た。そして、該正極シートの他方の表面に以上の操作を再度に行い、両面に正極活物質層が塗布された正極シートを得た。正極シートを切断して形を整え、タブを溶接した後に、後続の実験に使用した。
＜第１セパレータの製造＞
製造されたプロピレン－フッ化ビニリデン共重合体、Ｎ－ドデシルジメチルアミン、ポリジメチルシロキサンを質量比９０：３：７で混合し、得られた混合物をアセトンに溶解し、固形分含有量が４０％の接着剤スラリーを得た。該接着剤スラリーを第１多孔質基材（厚さ９μｍ、材質がポリエチレン、孔隙率３６％）の両面に均一に塗布し、ポリマー接着層を形成し、単層のポリマー接着層の厚さを２μｍにした。
＜負極シートの製造＞
負極活物質である人造黒鉛、アセチレンブラック、スチレンブタジエンゴム及びカルボキシメチルセルロースナトリウムを質量比９６：１：１．５：１．５で混合し、脱イオン水を溶媒として添加して固形分含有量が７０％のスラリーに調製し、均一に撹拌した。スラリーを厚さが８μｍの銅箔の一方の表面に均一に塗布し、１１０℃の条件下で乾燥させ、冷間プレス後に負極活物質層の厚さが１５０μｍの、片面に負極活物質層が塗布された負極シートを得た。そして、該負極シートの他方の表面に以上の塗布操作を再度に行い、両面に負極活物質層が塗布された負極シートを得た。負極シートを切断して形を整え、タブを溶接した後に、後続の実験に使用した。
＜第２セパレータの製造＞
第２多孔質基材は、厚さが９μｍ、材質がポリエチレン、孔隙率が３６％であった。
＜電解液の製造＞
含水量が１０ｐｐｍ未満の環境下に、非水有機溶媒である炭酸エチレン（ＥＣ）、炭酸ジエチル（ＤＥＣ）、炭酸プロピレン（ＰＣ）、プロピオン酸プロピル（ＰＰ）、炭酸ビニレン（ＶＣ）を質量比２０：３０：２０：２８：２で混合し、得られた非水有機溶媒に六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）を添加、溶解し、均一に混合してＬｉＰＦ６と非水有機溶媒とを質量比８：９２で含む電解液を得た。
＜電極アセンブリの製造＞
図１を参照すると、巻回式リチウムイオン電池における電極アセンブリの横断面が示されている。巻回式リチウムイオン電池における電極アセンブリの横断面は、順に積層された第１電極シート１、第１セパレータ３、第２電極シート２、第２セパレータ４、第１電極シート１に設けられた複数の第１タブ５、及び第２電極シート２に設けられた複数の第２タブ６を有する。また、電極アセンブリの各機能層が巻き終わる時に、第２セパレータ４が最外側に位置する。
図２は、図１に示される巻回式リチウムイオン電池における電極アセンブリの各層の積層構造を示す概略図である。図２において、第１電極シート１は正極シートであり、第２電極シート２は負極シートであり、第１セパレータ３は第１多孔質基材３０を含み、第１多孔質基材３０の両面に面密度が０．５ｍｇ／１５４０．２５ｍｍ２のポリマー接着層３１とポリマー接着層３２が塗布されている。第２セパレータ４は第２多孔質基材４０からなり、第２多孔質基材４０の両面のいずれにもポリマー接着層が塗布されていない。
図３には、電極アセンブリの一種の巻回電極アセンブリの製造プロセスが示されている。巻取設備中には、第１セパレータ３（ポリマー接着層が設けられたセパレータ）及び第２セパレータ４（ポリマー接着層が設けられていないセパレータ）はそれぞれ両側から入り、第２セパレータ４は外側に位置して入る。巻芯８が回転する時に、第１電極シート１、第２電極シート２、第１セパレータ３及び第２セパレータ４は、ローラー７に沿って走行し、これによって第１電極シート１（正極シート）、第１セパレータ３、第２電極シート２（負極シート）、第２セパレータ４の交互巻回を実現する。図１に示されるように、巻き終わる時に、第２セパレータ４は最外側に位置する。
＜リチウムイオン電池の製造＞
巻き取った電極アセンブリを外装用アルミラミネートフィルムからなる外装体に置き、注液口を設置した。注液口から電解液を注入し、封止、さらに化成、容量グレード分け等の工程を経てリチウムイオン電池を製造した。
本実施例に係る電気化学装置における電極アッセンブリは、図４に示されている。本実施例２に係る電気化学装置は、第１多孔質基材３０の一方のみの表面にポリマー接着層３１が設けられた点で実施例１と相違した。また、図４に示されるように、第２多孔質基材４０の、第２電極シート２に近い一方の表面にポリマー接着層４１が塗布された。
図５に示されるように、本実施例に係る電気化学装置は、第１多孔質基材３０の一方のみの表面にポリマー接着層３１が設けられ、第１多孔質基材３０とポリマー接着層３２との間に無機材料層３４がさらに設けられた点で、実施例１と相違した。
図６に示されるように、本実施例に係る電気化学装置は、第２多孔質基材４０の、第２電極シート２に近い一方の表面にポリマー接着層４１が塗布された点で、実施例１と相違した。
図７に示されるように、本実施例に係る電気化学装置は、巻回された電極アセンブリの片側に位置する各層の第１電極シートと各層の第２電極シートのみにタブが設けられており、片側マルチタブ構造を形成し、第１セパレータ３と第２セパレータ４が連結されていない点で、実施例１と相違した。
図８に示されるように、本実施例に係る電気化学装置は、巻回された電極アセンブリの片側に位置する正極シートと負極シートの中央部のみに正極タブと負極タブが設けられ、第１セパレータ３と第２セパレータ４が連結されていない点で、実施例１と相違した。
図９に示されるように、本実施例に係る電気化学装置は、巻回された電極アセンブリにおいて、電極アセンブリが第１電極１（正極シート）の外側で巻き終わり、巻回された電極アセンブリにおける正極シートと負極シートの開始部にそれぞれ一つの正極タブと一つの負極タブ（シングルタブ構造）が設けられた点で、実施例１と相違した。
図１０に示されるように、本実施例に係る電気化学装置は、巻回された電極アセンブリに全タブ構造を有し、すなわち、電極シートの辺縁における、活物質層を塗布せずに金属箔を露出する領域を、タブに型抜きせずにそのまま保留した点で、実施例１と相違した。
比較例１
本実施例に係る電気化学装置は、第１多孔質基材３０を第１セパレータ３とし、第２多孔質基材４０を第２セパレータ４とした点で、実施例１と相違した。
比較例２
本実施例に係る電気化学装置は、第１セパレータ３の第１多孔質基材３０の両面にポリマー接着層が塗布され、第２セパレータ４の第２多孔質基材４０の両面にポリマー接着層が塗布された点で、実施例１と相違した。
実施例１～実施例８、比較例１と比較例２の電極アセンブリの冷間プレス後の状態、電極アセンブリの満充電後の状態、及び化成過程中のゲル溶出状況を観察し、結果を表１に示す。
Figure 0007206344000001
表１から分かるように、本発明に係る巻回構造を採用する電極アセンブリは、優れた冷間プレス後の定型効果を発揮でき、第２セパレータにポリマー接着層が設けられていないため、電池化成過程中にゲルが溶出するという問題が発生しなかった。また、従来のリチウムイオン電池中のセパレータにおいて、ポリマー接着剤のコストは、セパレータ全体のコストの３０％程度を占める。本発明により、第１セパレータ（塗膜付きセパレータ）と第２セパレータを混用する方式を採用することによってポリマー接着剤の使用量を減少することができ、またポリマー接着剤の使用量を大幅に減少することによって、リチウムイオン電池のコストを大幅に低下させることができる。
また、ポリマー接着層の面密度による電極アセンブリの性能への影響について検討した。
本実施例に係る電気化学装置は、ポリマー接着層の面密度が５ｍｇ／１５４０．２５ｍｍ２に変更され、第２セパレータの両面のいずれにもポリマー接着層が設けられていない点で、実施例５と相違した。
本実施例に係る電気化学装置は、ポリマー接着層の面密度が１０ｍｇ／１５４０．２５ｍｍ２に変更され、第２セパレータの両面のいずれにもポリマー接着層が設けられていない点で、実施例５と相違した。
本実施例に係る電気化学装置は、ポリマー接着層の面密度が０．３ｍｇ／１５４０．２５ｍｍ２に変更され、第２セパレータの両面のいずれにもポリマー接着層が設けられていない点で、実施例１と相違した。
本実施例に係る電気化学装置は、ポリマー接着層の面密度が１５ｍｇ／１５４０．２５ｍｍ２に変更され、第２セパレータの両面のいずれにもポリマー接着層が設けられていない点で、実施例１と相違した。
ポリマー接着層の面密度が異なる各電極アセンブリを測定し、測定結果を表２に示す。
Figure 0007206344000002
表２から分かるように、ポリマー接着層の面密度が０．５ｍｇ／１５４０．２５ｍｍ２～１０ｍｇ／１５４０．２５ｍｍ２の範囲内である場合、良好なリチウムイオン電池の定型効果が得られたと共に、リチウムイオン電池に高いエネルギー密度を持たせることができた。ポリマー接着層の面密度が０．５ｍｇ／１５４０．２５ｍｍ２未満の場合、ポリマー接着剤の量が少なすぎたため、リチウムイオン電池の定型効果が悪くなり、ポリマー接着層の面密度が１０ｍｇ／１５４０．２５ｍｍ２より高くなった場合、良好なリチウムイオン電池の定型効果が得られたが、リチウムイオン電池のエネルギー密度の低下を招いた。
本発明により、本発明にかかる電気化学装置を備える電子装置をさらに提供する。該電子装置は、スマートフォン、電気自動車、電動自転車、ノートパソコン、カメラ、電動玩具、無人航空機等であってもよい。
上記明細書の開示に基づいて、当業者は上記実施形態に対して適宜変更、修正することもできる。したがって、本発明は以上に開示、説明した具体的な実施形態に限定されるものではなく、本発明に対するいくつかの修正及び変更も本発明の請求項の保護範囲内に含まれることが考えられる。
１ 第１電極シート
２ 第２電極シート
３ 第１セパレータ
３０ 第１多孔質基材
３１ ポリマー接着層
３２ ポリマー接着層
３４ 無機材料層
４ 第２セパレータ
４０ 第２多孔質基材
４１ ポリマー接着層
５ 第１タブ
６ 第２タブ
７ ローラー
８ 巻芯

Claims (11)

  1. 第１電極シート、第２電極シート、第１セパレータ及び第２セパレータを備える電気化学装置であって、
    前記第１セパレータは第１多孔質基材を含み、
    前記第２セパレータは第２多孔質基材を含み、
    前記第１電極シート、前記第１セパレータ、前記第２電極シート及び前記第２セパレータは、順に積層設置されて電極アセンブリを形成しており、
    前記第１多孔質基材の少なくとも一方の表面にはポリマー接着層が設けられており、
    前記第２多孔質基材の両面のいずれにもポリマー接着層が設けられておらず、
    前記電極アセンブリは巻回構造であり、かつ前記電極アセンブリの最外周は、前記第２多孔質基材である、
    ことを特徴とする電気化学装置。
  2. 前記第１多孔質基材の両面のいずれにも、ポリマー接着層が設けられている、請求項１に記載の電気化学装置。
  3. 前記第１多孔質基材の一方のみの表面に、ポリマー接着層が設けられている、請求項１に記載の電気化学装置。
  4. 前記第１多孔質基材と前記ポリマー接着層との間に、無機材料層がさらに設けられている、請求項１～３のいずれか一項に記載の電気化学装置。
  5. 前記第２多孔質基材の表面には、前記無機材料層が設けられていない、請求項４に記載の電気化学装置。
  6. 前記第１電極シートは正極シートであり、前記第２電極シートは負極シートであるか、又は前記第１電極シートは負極シートであり、前記第２電極シートは正極シートである、請求項１に記載の電気化学装置。
  7. 前記ポリマー接着層は、面密度が０．５ｍｇ／１５４０．２５ｍｍ２～１０ｍｇ／１５４０．２５ｍｍ２である、請求項１～３のいずれか一項に記載の電気化学装置。
  8. 前記第１多孔質基材及び前記第２多孔質基材は、それぞれ独立して、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリ-ｐ-フェニレンテレフタルアミド、ポリブチレンテレフタレート、ポリエステル、ポリアセタール、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアリールエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリベンゾイミダゾール、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンエーテル、シクロオレフィンコポリマー、ポリフェニレンサルファイド、及びポリ（２－ビニルナフタレン）からなる群から選ばれる少なくとも１種のポリマーからなるポリマーフィルム、多層ポリマーフィルム、または不織布である、請求項１～３のいずれか一項に記載の電気化学装置。
  9. 前記ポリマー接着層は、ポリマーを含み、
    前記ポリマーは、フッ化ビニリデン－ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン－トリクロロエチレン共重合体、ポリアクリル酸エステル、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸塩、ポリアクリロニトリル、ポリビニルピロリドン、ポリ酢酸ビニル、エチレン－酢酸ビニル共重合体、ポリイミド、ポリエチレンオキシド、酢酸セルロース、セルロースアセテートブチレート、セルロースアセテートプロピオネート、シアノエチル化アミロペクチン、シアノエチル化ポリビニルアルコール、シアノエチルセルロース、シアノエチルスクロース、アミロペクチン、カルボキシメチルセルロース、カルボキシメチルセルロースナトリウム、カルボキシメチルセルロースリチウム、アクリロニトリル－スチレン－ブタジエン共重合体、ポリビニルアルコール、スチレン－ブタジエン共重合体及びポリフッ化ビニリデンからなる群から選ばれる少なくとも１つを含む、請求項１～３のいずれか一項に記載の電気化学装置。
  10. 前記無機材料層は、無機粒子を含み、
    前記無機粒子は、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、二酸化ハフニウム、酸化スズ、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、炭化ケイ素、ベーマイト、水酸化マグネシウム、水酸化アルミニウム、チタン酸カルシウム、チタン酸バリウム、リン酸リチウム、リン酸チタンリチウム、チタン酸ランタンリチウムからなる群から選ばれる少なくとも１つを含む、請求項４または５に記載の電気化学装置。
  11. 請求項１～１０のいずれか一項に記載の電気化学装置を備える電子装置。
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