JP7215329B2 - 蓄電素子 - Google Patents
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Description
本発明の一態様は、負極基材及び負極合剤層を有する負極を備え、上記負極合剤層の平均厚さが50μm以上であり、上記負極合剤層の破壊強度Bに対する上記負極基材と上記負極合剤層との間の剥離強度Aの割合であるA/Bが0.025以上である蓄電素子である。
すなわち、蓄電素子の合剤層の厚さを増大させた場合、負極基材と負極合剤層との間の剥離強度が小さいと、負極のスリット工程時に負極合剤層が負極基材から剥がれやすくなり、負極合剤の脱落量が多くなる。また、負極基材と負極合剤層との間の剥離強度が十分に大きい場合でも、負極合剤層の破壊強度が大きくなり過ぎると、負極合剤層が過度に剛直となり、負極のスリット工程時にスリット領域周辺の負極合剤も巻き込んでスリットされたり、負極合剤層に割れが生じたりする。その結果、負極合剤の脱落量が多くなる。これに対して、当該蓄電素子では上記負極合剤層の破壊強度Bに対する上記負極基材と上記負極合剤層との間の剥離強度Aの割合であるA/Bを0.025以上に規定することで、蓄電素子の合剤層の厚さを増大させた場合においても、負極のスリット工程時に負極合剤層が負極基材から剥がれたり、負極合剤が巻き込まれてスリットされたりする事象を回避できる。従って、負極合剤の脱落に対する抑制効果が優れると推測される。ただし、この理由のみに限定解釈されるものではない。
負極基材と負極合剤層との間の剥離強度Aは、例えば以下の方法により測定される。
負極合剤層が両面に塗工された電極から、片面の負極合剤層を剥離し、長さ4.0cm×幅2.0cmに切り出した後、負極合剤層側を下にして両面テープ(3M社製「ST416-P」)で測定台座に貼り付けて固定する。剥離テープ(3M社製「スコッチメンディングテープ」)を固定面と逆側の面に貼り付け、剥離角度180度、引張速度100mm/minで引き剥がした際の強度を荷重測定器(株式会社イマダ製「フォースゲージZTS-20N」を用いて測定する。
負極合剤層の破壊強度Bは、例えば以下の方法により測定される。
負極合剤層が両面に塗工された電極から、片面の負極合剤層を剥離し、長さ4.0cm×幅4.0cmに切り出した後、負極合剤層側を下にして、両面テープ(3M社製「ST416-P」)で測定台座に貼り付けて固定したあと、負極基材を引き剥がして負極合剤層のみとする。剥離テープ(3M社製「スコッチメンディングテープ」)を固定面と逆側の面に貼り付け、剥離角度180度、引張速度100mm/minで引き剥がした際の強度を荷重測定器(株式会社イマダ製「フォースゲージZTS-20N」を用いて測定する。なお、破壊強度Bの測定においては、上記剥離強度Aの測定で用いたサンプルを用いてもよい。
本発明の当該蓄電素子は、負極、正極及び非水電解質を有する。以下、当該蓄電素子の一例として、非水電解質二次電池(特にリチウムイオン非水電解質二次電池)について説明するが、本発明の適用対象を限定する意図ではない。上記負極及び正極は、通常、セパレータを介して積層又は巻き付けにより交互に重畳された電極体を形成する。この電極体はケース(電池容器)に収納され、このケース内に非水電解質が充填される。上記非水電解質は、正極と負極との間に介在する。また、上記ケースとしては、非水電解質二次電池のケースとして通常用いられる公知の金属製ケース等を用いることができる。
負極は、負極基材と、負極合剤層とを有する。
上記負極基材は、導電性を有する基材である。負極基材の材質としては、銅、ニッケル、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼等の金属又はそれらの合金が用いられ、銅又は銅合金が好ましい。また、負極基材の形態としては、箔、蒸着膜等が挙げられ、コストの面から箔が好ましい。つまり、負極基材としては銅箔が好ましい。銅箔としては、圧延銅箔、電解銅箔等が例示される。なお、「導電性」を有するとは、JIS-H-0505(1975年)に準拠して測定される体積抵抗率が1×107Ω・cm以下であることを意味し、「非導電性」とは、上記体積抵抗率が1×107Ω・cm超であることを意味する。
負極合剤層は、負極基材の少なくとも一方の面に沿って直接又は中間層を介して積層される。負極合剤層は、負極活物質を含むいわゆる負極合剤から形成される。
上記負極活物質としては、通常、リチウムイオンを吸蔵及び放出することができる材質が用いられる。本実施形態に係る蓄電素子は、負極合剤層が負極活物質として炭素材料を含むことが好ましい。負極合剤層が負極活物質として炭素材料を含有することで、蓄電素子の体積エネルギー密度を高めることができる。また、炭素材料は剛直なため、負極のスリット工程時において負極合剤の脱落が生じやすいが、上記A/Bを0.025以上に規定することで、負極のスリット工程時における負極合剤の脱落に対する抑制効果がより好適に発揮され得る。
負極合剤層は、本発明の効果を損なわない範囲で、上記炭素材料以外の他の負極活物質を含有していてもよい。そのような他の負極活物質の例としては、Si、Sn等の金属又は半金属;Si酸化物、Ti酸化物、Sn酸化物等の金属酸化物又は半金属酸化物;Li4Ti5O12、LiTiO2、TiNb2O7等のチタン含有酸化物;ポリリン酸化合物;炭化ケイ素等が挙げられる。
上記負極合剤は、必要に応じて導電剤、バインダー、増粘剤、フィラー等の任意成分を含む。
上記中間層は、負極基材の表面の被覆層であり、炭素粒子等の導電性粒子を含むことで負極基材と負極合剤層との接触抵抗を低減する。中間層の構成は特に限定されず、例えば樹脂バインダー及び導電性粒子を含有する組成物により形成できる。ここで開示される技術は、上記中間層を有さない態様で好ましく実施され得る。
正極は、正極基材と、正極合剤層とを有する。上記正極合剤層は、正極活物質を含有する。上記正極合剤層は、上記正極基材の少なくとも一方の面に沿って直接又は中間層を介して積層される。
上記非水電解質としては、一般的な非水電解質二次電池(蓄電素子)に通常用いられる公知の非水電解質が使用できる。上記非水電解質は、非水溶媒と、この非水溶媒に溶解されている電解質塩を含む。なお、上記非水電解質は、固体電解質等であってもよい。
上記セパレータとしては、例えば織布、不織布、多孔質樹脂フィルム等が用いられる。これらの中でも、強度の観点から多孔質樹脂フィルムが好ましく、非水電解質の保液性の観点から不織布が好ましい。上記セパレータの主成分としては、強度の観点から例えばポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンが好ましく、耐酸化分解性の観点から例えばポリイミドやアラミド等が好ましい。また、これらの樹脂を複合してもよい。
次に、本発明の実施形態の蓄電素子の具体的構成例について説明する。図1に、本発明の蓄電素子の一例である矩形状の非水電解質二次電池1の概略図を示す。なお、同図は、ケース内部を透視した図としている。図1に示す非水電解質二次電池1は、電極体2がケース3に収納されている。電極体2は、正極活物質を備える正極と、負極活物質を備える負極とが、セパレータを介して捲回されることにより形成されている。正極は、正極リード4’を介して正極端子4と電気的に接続され、負極は、負極リード5’を介して負極端子5と電気的に接続されている。上記負極として、本発明の一実施形態に係る負極が用いられている。また、ケース3内には図示しない注入孔から非水電解質(電解液)が注入される。
本発明の一実施形態に係る蓄電素子の製造方法は、例えば負極基材と、負極活物質を含有する負極合剤層とを有する負極を作製することを備える。より具体的には、負極活物質と、溶媒とを混合して、負極合剤ペーストを作製すること、上記負極合剤ペーストを負極基材に塗工すること及び上記負極合剤ペーストを乾燥して負極を作製すること(乾燥工程)を備える。上記負極合剤ペーストの固形分比率としては、特に制限されないが、概ね50質量%以上(例えば50質量%以上70質量%以下)が適当であり、好ましくは52質量%以上、より好ましくは55質量%以上(例えば55質量%以上68質量%以下)、さらに好ましくは58質量%以上、特に好ましくは60質量%以上(例えば60質量%以上65質量%以下)である。ここで、「固形分」とは、溶媒以外の成分をいう。
本発明の蓄電素子は、上記実施形態に限定されるものではない。
難黒鉛化炭素からなる負極活物質と、バインダーとしてのスチレンブタジエンゴムと、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロースとを含有し、水を分散媒とする負極合剤ペーストを調製した。負極合剤ペーストの固形分比率は63質量%とした。バインダー及び増粘剤の含有割合は、質量比で表1の通りとし、残部を負極活物質とした。負極合剤ペーストを平均厚さ8μmの銅箔基材の両面に塗工し、熱風乾燥炉を用いて乾燥して、負極合剤層を形成した。各例の乾燥条件としては、実施例1、実施例2、比較例1及び比較例2は、乾燥温度30℃、乾燥時間4分とした。比較例3では、50℃で2分乾燥した後、さらに120℃で2分乾燥した。乾燥後の片面の単位面積当たりの負極合剤(負極合剤ペーストから分散媒を蒸発させたもの)の塗工量は、7.59mg/cm2となるようにした。
ミツトヨ社製の高精度デジマチックマイクロメータを用いて、実施例1~実施例2及び比較例1~比較例3の負極の平均厚さを測定した。1枚の負極に対して、5箇所の厚さを測定し、その平均値から負極基材の平均厚さ8μmを差し引くことで、1枚の負極の負極合剤層の平均厚さとした。
負極合剤層の密度は、上記負極合剤の塗工量(g/cm2)をW、後述する充放電前の負極合剤層の厚さ(cm)をTとしたとき、つぎの式により算出できる。
負極合剤層の密度(g/cm3)=W/T
(負極基材と負極合剤層との間の剥離強度A)
負極基材と負極合剤層との間の剥離強度Aは、前述した方法により測定した。
負極合剤層の破壊強度Bは、前述した方法により測定した。
(負極合剤層の質量に対する負極合剤の脱落量の割合)
実施例1~実施例2及び比較例1~比較例3の負極について、以下の条件にて負極合剤層の質量に対する負極合剤の脱落量の割合を測定した。
負極合剤層が両面に塗工された電極からφ11mmのサンプルを3枚打ち抜き、質量W1を測定する。サンプルをポリプロピレンカップ容器に入れて、振とう機(アズワン製HM-10H)で5分間振とうさせた後、容器からサンプルを取り出し、サンプル質量W2を測定する。負極合剤層の質量に対する負極合剤の脱落量の割合は、つぎの式により算出できる。
負極合剤の脱落量の割合(%)=[(W1-W2)/W1]×100
下記表1に、実施例及び比較例の評価結果を示す。
また、負極合剤層の平均厚さが50μm未満の参考例は、A/Bの値に係わらず負極合剤の脱落が生じにくいことが示された。
2 電極体
3 ケース
4 正極端子
4’ 正極リード
5 負極端子
5’ 負極リード
20 蓄電ユニット
30 蓄電装置
Claims (3)
- 負極基材及び負極合剤層を有する負極を備え、
上記負極合剤層の平均厚さが50μm以上であり、
上記負極合剤層の破壊強度Bに対する上記負極基材と上記負極合剤層との間の剥離強度Aの割合であるA/Bが0.025以上である蓄電素子。 - 上記負極合剤層の破壊強度Bが150N/m以下である請求項1に記載の蓄電素子。
- 上記負極合剤層が負極活物質として炭素材料を含む請求項1又は2に記載の蓄電素子。
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