JP7242868B2 - 電極用成形体の製造方法 - Google Patents

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Description

本開示は、電極用成形体の製造方法に関する。
リチウムイオン電池等の電池に含まれる電解質としては、通常、電解液が用いられる。近年においては、安全性(例えば、液漏れの防止)の観点から、電解液を固体電解質に置き換えた全固体電池の開発が検討されている。
上記のような電池に適用される電極の製造においては、通常、活物質等の電極材料、及び溶剤を含む塗布液が用いられる(例えば、国際公開第2017/104405号参照)。
電極活物質を含む粉体を用いたリチウムイオン電池用電極の製造としては、例えば、基材上に供給された電極活物質を含む粉体をスキージロールによりスキージして粉体層を形成した後、上記基材を鉛直下方向に搬送しながら、一対のプレス用ロールにより、上記基材に上記粉体層を圧密して電極シートを製造するリチウムイオン電池用電極の製造方法において、上記基材上に上記粉体を供給する供給工程と、一方の上記プレス用ロールの回転軸を通る鉛直線と、上記回転軸と上記スキージロールの回転軸を通る線の成す角度であるスキージ角度θが、0°~60°の位置に配置された上記スキージロールにより、上記基材上に供給された上記粉体を均し上記粉体層を形成する粉体層形成工程と、上記一対のプレス用ロールにより上記基材に上記粉体層を圧密する圧密工程と、を含むリチウムイオン電池用電極の製造方法が知られている(例えば、国際公開第2016/111137号参照。)。
塗布液を用いて電極を形成する方法(例えば、国際公開第2017/104405号に記載の方法)においては、通常、塗布液を乾燥することが必要である。乾燥が十分でない場合、電極に溶剤が残留することによって電池性能(例えば、放電容量、及び出力特性)が低下する可能性がある。特に、全固体電池においては、電極に残留する溶剤は少ないことが好ましい。
そこで、例えば、国際公開第2016/111137号には、粉体を用いて電池用電極を製造する方法が提案されている。
国際公開第2016/111137号においては、基材上に粉体を供給する工程があり、その後、スキージによる粉体層の形成と粉体層の圧密とが行われて電池用電極が得られる。しかしながら、基材上に粉体を供給する工程において、基材上に供給された粉体の質量分布が大きいと、その後の工程を経ても、密度分布の面内バラツキが大きい電池用電極が製造されてしまうことがある。
そこで、本開示は、上記の事情に鑑みてなされたものである。
本開示の一実施形態は、質量分布の面内均一性に優れる電極用成形体を製造しうる電極用成形体の製造方法を提供することを目的とする。
本開示は、以下の形態を含む。
<1> 電極活物質を含む電極材料を準備する第1工程と、
開口部が長方形である角筒状の保形部材であって、一方の開口部Lを構成する一対の長辺側端部にて一方の端部Xが他方の端部Yよりも他方の開口部M側に存在する保形部材を、開口部Lを下にして上記保形部材の軸方向が重力方向に沿うように配置し、上記保形部材の開口部Mから上記保形部材内に上記電極材料を供給する第2工程と、
上記保形部材の開口部Lと支持体とを開口部Lの短辺方向に沿って相対移動させつつ、上記支持体上に上記保形部材内の上記電極材料を開口部Lから排出して、上記支持体上に上記電極材料による膜を形成する第3工程と、
をこの順に有し、
上記第1工程にて準備された上記電極材料のかさ密度をD[g/cm]とし、上記保形部材の開口部Lにおける上記電極材料のかさ密度をD[g/cm]としたとき、かさ密度D/かさ密度D=1.1~30を満たし、
開口部Lの短辺方向の幅をT[mm]とし、開口部Lを構成する端部Xと上記支持体との距離をT[mm]としたとき、幅T>距離Tの関係を満たす、
電極用成形体の製造方法。
<2> 上記幅T及び上記距離Tが、幅T/距離T=1.5~500を満たす、<1>に記載の電極用成形体の製造方法。
<3> 上記距離Tが0.1mm~1.0mmである、<1>又は<2>に記載の電極用成形体の製造方法。
<4> 上記幅Tが1.5mm~50mmである、<1>~<3>のいずれか1つに記載の電極用成形体の製造方法。
<5> 上記かさ密度Dが0.55g/cm~3.0g/cmである、<1>~<4>のいずれか1つに記載の電極用成形体の製造方法。
<6> 上記かさ密度Dが0.1g/cm~0.5g/cmである、<1>~<5>のいずれか1つに記載の電極用成形体の製造方法。
<7> 上記かさ密度D及び上記かさ密度Dが、かさ密度D/かさ密度D=1.5~20を満たす、<1>~<6>のいずれか1つに記載の電極用成形体の製造方法。
<8> 上記第2工程において、上記保形部材の開口部Mから上記保形部材内に上記電極材料を供給することが、圧送手段により、上記保形部材の開口部Mから上記保形部材内に上記電極材料を圧送することで行われる、<1>~<7>のいずれか1つに記載の電極用成形体の製造方法。
本開示の一実施形態によれば、質量分布の面内均一性に優れる電極用成形体を製造しうる電極用成形体の製造方法を提供することができる。
図1は、本開示に係る電極用成形体の製造方法における第2工程の一実施形態を説明する概念図である。 図2は、図1に示す第2工程における電極材料の動きを説明するための概念図である。 図3は、図1に示す第2工程における電極材料の動きを説明するための概念図である。 図4は、本開示に係る電極用成形体の製造方法における第3工程の一実施形態を説明する概念図である。ここで、 図5は、本開示に係る電極用成形体の製造方法における第4工程を説明するための概念図である。
以下、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。本開示は、以下の実施形態に何ら制限されず、本開示の目的の範囲内において、適宜変更を加えて実施することができる。各図面において同一の符号を用いて示す構成要素は、同一の構成要素であることを意味する。各図面において重複する構成要素、及び符号については、説明を省略することがある。図面における寸法の比率は、必ずしも実際の寸法の比率を表すものではない。
本開示において、「~」を用いて表される数値範囲は、「~」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。本開示に段階的に記載されている数値範囲において、ある数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。また、本開示に記載されている数値範囲において、ある数値範囲で記載された上限値又は下限値は、実施例に示されている値に置き換えてもよい。
本開示において、「工程」との用語には、独立した工程だけでなく、他の工程と明確に区別できない場合であっても工程の所期の目的が達成されれば、本用語に含まれる。
本開示において、「(メタ)アクリル」とは、アクリル及びメタクリルの双方、又は、いずれか一方を意味する。
本開示において、組成物中の各成分の量は、組成物中に各成分に該当する物質が複数存在する場合、特に断らない限り、組成物中に存在する複数の物質の合計量を意味する。
本開示において、「質量%」と「重量%」とは同義であり、「質量部」と「重量部」とは同義である。
本開示において、2以上の好ましい態様の組み合わせは、より好ましい態様である。
本開示において、「固形分」とは、1gの試料に対して、窒素雰囲気下、200℃で6時間乾燥処理を行った際に、揮発又は蒸発によって消失しない成分を意味する。
<電極用成形体の製造方法>
本開示に係る電極用成形体の製造方法は、電極活物質を含む電極材料を準備する第1工程と、開口部が長方形である角筒状の保形部材であって、一方の開口部Lを構成する一対の長辺側端部にて一方の端部Xが他方の端部Yよりも他方の開口部M側に存在する保形部材を、開口部Lを下にして保形部材の軸方向が重力方向に沿うように配置し、保形部材の他方の開口部Mから保形部材内に電極材料を供給する第2工程と、保形部材の開口部Lと支持体とを開口部Lの短辺方向に沿って相対移動させつつ、支持体上に保形部材内の電極材料を開口部Lから排出して、支持体上に電極材料による膜を形成する第3工程と、をこの順に有し、第1工程にて準備された電極材料のかさ密度をD[g/cm]とし、保形部材の開口部Lにおける電極材料のかさ密度をD[g/cm]としたとき、かさ密度D/かさ密度D=1.1~30を満たし、開口部Lの短辺方向の幅をT[mm]とし、開口部Lを構成する端部Xと上記支持体との距離をT[mm]としたとき、幅T>距離Tの関係を満たす、電極用成形体の製造方法である。
本開示において、「端部X」及び「端部Y」とは、いずれも、開口部Lを構成する一対の長辺における辺全体を指し、直線状である。
また、角筒状の保形部材はその形状が示す通り矩形(即ち、長方形)の貫通孔を有している。
本開示に係る電極用成形体の製造方法は、質量分布の面内均一性に優れる電極用成形体を製造しうる。本開示に係る電極用成形体の製造方法がこの効果を奏する理由は、以下のように推察される。
本開示に係る電極用成形体の製造方法では、上記の第1工程、第2工程、及び第3工程を含む。
つまり、本開示に係る電極用成形体の製造方法では、準備した電極材料を、一旦、角筒状の保形部材へと供給し、保形部材を経た電極材料が支持体へと排出される。
また、第1工程にて準備された電極材料のかさ密度Dと、保形部材の下部開口部である開口部Lにおける電極材料のかさ密度Dと、は、かさ密度D/かさ密度D=1.1~30を満たしている。このことから、電極材料は、保形部材の開口部Lに到達するまでに圧密されており、更には、保形部材の貫通孔の形状である直方体の形状に成形されていると推測される。これにより、保形部材の開口部Lでは、電極材料の密度分布が整えられるものと考えられる。
その後、圧密された電極材料が、保形部材の排出口である開口部Lから、開口部Lの短辺方向に沿って相対移動している支持体へと排出される。このとき、保形部材の開口部Lの短辺方向の幅Tと、開口部Lを構成する端部X(即ち、保形部材の開口部Lを構成する辺のうち膜の形成方向上流側の辺)と支持体との距離Tとが、幅T>距離Tの関係を満たす。これにより、保形部材にて成形された電極材料は、支持体へと排出される際にその厚みが薄くなるよう、膜厚規制される。この膜厚規制により、電極材料は更に圧密され、密度分布の均一化が図られるものと考えられる。
以上の結果、本実施形態に係る電極用成形体の製造方法では、質量分布の面内均一性に優れる電極用成形体が製造されるものと推察される。
なお、上記のように、第3工程にて膜厚規制が行われることで、目的とする厚みの電極用成形体が得られやすい、といった効果も奏する。
〔かさ密度D及びかさ密度D
本開示に係る電極用成形体の製造方法では、第1工程にて準備された電極材料のかさ密度をD[g/cm]とし、保形部材の開口部Lにおける電極材料のかさ密度をD[g/cm]としたとき、かさ密度D/かさ密度D=1.1~30を満たすことを要する。
かさ密度D及びかさ密度Dが、上記の関係を満たすことで、支持体へと排出される電極材料の密度分布が整えられ、また、保形部材内部での詰まり、支持体への排出不良等を抑制することができる。
上記と同様の理由から、かさ密度D及びかさ密度Dは、かさ密度D/かさ密度D=1.5~20を満たすことが好ましく、かさ密度D/かさ密度D=2.0~10を満たすことがより好ましく、かさ密度D/かさ密度D=4.0~10を満たすことが更に好ましい。
かさ密度Dとしては、使用する電極材料の種類及び量とその他の任意の成分の種類及び量とに応じて設定さればよく、0.1g/cm~0.5g/cmが好ましく、0.20g/cm~0.48g/cmがより好ましく、0.30g/cm~0.45g/cmが更に好ましい。
かさ密度Dとしては、保形部材中での電極材料の成形性と、保形部材内部での詰まり、支持体への排出不良等の抑制の観点から、0.55g/cm~3.0g/cmが好ましく、0.7g/cm~2.5g/cmがより好ましく、0.8g/cm~2.0g/cmが更に好ましい。
第1工程にて準備された電極材料のかさ密度Dは、後述の通りに、準備された電極材料のかさ密度を測定して得られる値である。
また、保形部材の開口部Lにおける電極材料のかさ密度Dは、保形部材及び/又は支持体の移動を停止した後、電極材料を排出している状態の保形部材を支持体から離し、支持体との接触面から深さ1cmの箇所に存在する電極材料のかさ密度を測定して得られる値である。
ここで、かさ密度D及びかさ密度Dは、ある体積の試料を採取し、採取した試料の重さを測定し、測定した重さ[g]を採取した試料の容積[cm]で除することで求められる。
かさ密度Dの測定の場合、まず、上記のように、保形部材及び/又は支持体の移動を停止した後、電極材料を排出している状態の保形部材を支持体から離し、支持体との接触面から深さ1cmまでの電極材料を剃刀にて除去する。その後、露出した表面から、深さ方向に1cmの枠型のトムソン刃(刃の1辺は1cm、正方形)を用いて、電極材料を1cmの体積で切り出し、その重さ[g]を電子天秤にて測定することで、かさ密度Dが求められる。
かさ密度Dの測定の場合、第1工程にて準備された電極材料に対し、任意の箇所から上記と同様の方法で電極材料を1cmの体積で切り出し、その重さ[g]を電子天秤にて測定することで、かさ密度Dが求められる。
〔幅T及び距離T
本開示に係る電極用成形体の製造方法は、開口部Lの短辺方向の幅をT[mm]とし、開口部Lを構成する端部Xと支持体との距離をT[mm]としたとき、幅T>距離Tの関係を満たすことを要する。
幅T及び距離Tが上記の関係を満たすことで、支持体へと排出される際に電極材料の膜厚が規制されることで、圧密される。その結果、支持体上に排出された電極材料の密度分布の均一化が図られる。
上記と同様の理由から、幅T及び距離Tは、幅T/距離T=1.5~500を満たすことが好ましく、幅T/距離T=3.0~150を満たすことがより好ましく、幅T/距離T=10~100を満たすことが更に好ましい。
幅Tとしては、支持体上に形成される電極材料の膜厚に応じて設定さればく、1.5mm~50mmが好ましく、5mm~30mmがより好ましく、7.5mm~25mmが更に好ましい。
距離Tとしては、目的とする電極用成形体の膜厚に応じて設定さればよく、0.1mm~1.0mmが好ましく、0.2mm~0.9mmがより好ましく、0.3~0.8mmが更に好ましい。
ここで、幅T及び距離Tは、例えば、デジタルノギス又はテーパーゲージを用いて測定する。
本開示に係る電極用成形体の製造方法では、第1工程、第2工程、及び第3工程を含むが、必要に応じて、支持体上の電極材料膜の膜厚を規制する第4工程、形成された電極材料膜上に保護部材を載せる第5工程等を更に有していてもよい。
以下、本開示に係る電極用成形体の製造方法における各工程について、説明する。
〔第1工程〕
本開示に係る電極用成形体の製造方法は、電極材料を準備する第1工程を有する。
本開示において、「電極材料を準備する」とは、電極材料を使用可能な状態にすることを意味し、特に断りのない限り、電極材料を調製することを含む。すなわち、第1工程においては、予め調製した電極材料又は市販されている電極材料を準備してもよいし、電極材料を調製してもよい。
第1工程にて準備される電極材料は、電極活物質を含み、且つ、上述するかさ密度Dを満たす組成とすることが好ましい。
[電極材料]
電極材料は、電極活物質を含む。電極材料は、必要に応じて、電極活物質以外の成分を含んでいてもよい。
以下、電極材料に含まれる成分について説明する。
(電極活物質)
電極活物質は、周期律表における第1族又は第2族に属する金属元素のイオンを挿入、及び放出することが可能な物質である。
電極活物質としては、例えば、正極活物質及び負極活物質が挙げられる。
-正極活物質-
正極活物質としては、制限されず、正極に用いられる公知の活物質を利用できる。正極活物質としては、可逆的にリチウムイオンを挿入及び放出できる正極活物質であることが好ましい。
正極活物質としては、具体的には、例えば、遷移金属酸化物、及びリチウムと複合化できる元素(例えば、硫黄)が挙げられる。上記の中でも、正極活物質は、遷移金属酸化物であることが好ましい。
遷移金属酸化物は、Co(コバルト)、Ni(ニッケル)、Fe(鉄)、Mn(マンガン)、Cu(銅)、及びV(バナジウム)からなる群より選択される少なくとも1種の遷移金属元素(以下、「元素Ma」という。)を含む遷移金属酸化物であることが好ましい。
遷移金属酸化物がLi及び元素Maを含む場合、元素Maに対するLiのモル比(Liの物質量/元素Maの物質量)は、0.3~2.2であることが好ましい。本開示において「元素Maの物質量」とは、元素Maに該当する全ての元素の総物質量をいう。
また、遷移金属酸化物は、リチウム以外の第1族の元素、第2族の元素、Al(アルミニウム)、Ga(ガリウム)、In(インジウム)、Ge(ゲルマニウム)、Sn(スズ)、Pb(鉛)、Sb(アンチモン)、Bi(ビスマス)、Si(ケイ素)、P(リン)、及びB(ホウ素)からなる群より選択される少なくとも1種の遷移金属元素(以下、「元素Mb」という。)を含んでいてもよい。元素Mbの含有量(すなわち、元素Mbに該当する全ての元素の総含有量)は、元素Maの物質量に対して、0mol%~30mol%であることが好ましい。
遷移金属酸化物としては、例えば、層状岩塩型構造を有する遷移金属酸化物、スピネル型構造を有する遷移金属酸化物、リチウム含有遷移金属リン酸化合物、リチウム含有遷移金属ハロゲン化リン酸化合物、及びリチウム含有遷移金属ケイ酸化合物が挙げられる。
層状岩塩型構造を有する遷移金属酸化物としては、例えば、LiCoO(コバルト酸リチウム[LCO])、LiNi(ニッケル酸リチウム)、LiNi0.85Co0.10Al0.05(ニッケルコバルトアルミニウム酸リチウム[NCA])、LiNi1/3Co1/3Mn1/3(ニッケルマンガンコバルト酸リチウム[NMC])、及びLiNi0.5Mn0.5(マンガンニッケル酸リチウム)が挙げられる。
スピネル型構造を有する遷移金属酸化物としては、例えば、LiCoMnO、LiFeMn、LiCuMn、LiCrMn、及びLiNiMnが挙げられる。
リチウム含有遷移金属リン酸化合物としては、例えば、オリビン型リン酸鉄塩(例えば、LiFePO、及びLiFe(PO)、ピロリン酸鉄塩(例えば、LiFeP)、リン酸コバルト塩(例えば、LiCoPO)、及び単斜晶ナシコン型リン酸バナジウム塩(例えば、Li(PO(リン酸バナジウムリチウム))が挙げられる。
リチウム含有遷移金属ハロゲン化リン酸化合物としては、例えば、フッ化リン酸鉄塩(例えば、LiFePOF)、フッ化リン酸マンガン塩(例えば、LiMnPOF)、及びフッ化リン酸コバルト塩(例えば、LiCoPOF)が挙げられる。
リチウム含有遷移金属ケイ酸化合物としては、例えば、LiFeSiO、LiMnSiO、及びLiCoSiOが挙げられる。
遷移金属酸化物は、層状岩塩型構造を有する遷移金属酸化物であることが好ましく、LiCoO(コバルト酸リチウム[LCO])、LiNi0.85Co0.10Al0.05(ニッケルコバルトアルミニウム酸リチウム[NCA])、及びLiNi1/3Co1/3Mn1/3(ニッケルマンガンコバルト酸リチウム[NMC])からなる群より選択される少なくとも1種の化合物であることがより好ましい。
正極活物質は、市販品であってもよいし、公知の方法(例えば、焼成法)によって製造された合成品であってもよい。例えば、焼成法によって得られた正極活物質は、水、酸性水溶液、アルカリ性水溶液、又は有機溶剤を用いて洗浄されてもよい。
正極活物質の組成は、誘導結合プラズマ(ICP)発光分光分析法を用いて測定する。
正極活物質の形状は、制限されないが、取扱性の観点から、粒子状であることが好ましい。
正極活物質の体積平均粒子径は、制限されず、例えば、0.1μm~50μmとすることができる。正極活物質の体積平均粒子径は、0.3μm~40μmであることが好ましく、0.5μm~30μmであることがより好ましい。
正極活物質の体積平均粒子径が0.3μm以上であることで、電極材料の集合体を容易に形成することができ、また、取り扱いの際に電極材料が飛散することを抑制できる。正極活物質の体積平均粒子径が40μm以下であることで、電極用成形体の厚さを容易に調節することができ、また、成形過程において空隙の発生を抑制することができる。
正極活物質の体積平均粒子径は、以下の方法により測定する。
正極活物質と溶剤(例えば、ヘプタン、オクタン、トルエン、又はキシレン)とを混合することによって、0.1質量%の正極活物質を含む分散液を調製する。1kHzの超音波を10分間照射した分散液を測定試料とする。レーザ回折/散乱式粒度分布測定装置(例えば、株式会社堀場製作所製のLA-920)を用いて、温度25℃の条件下でデータの取り込みを50回行い、体積平均粒子径を求める。測定用のセルには、石英セルを用いる。上記測定を5つの試料を用いて行い、測定値の平均を正極活物質の体積平均粒子径とする。その他の詳細な条件については、必要に応じて、「JIS Z 8828:2013」を参照する。
正極活物質の粒子径を調整する方法としては、例えば、粉砕機、又は分級機を用いる方法が挙げられる。
電極材料は、1種単独の正極活物質を含んでいてもよいし、2種以上の正極活物質を含んでいてもよい。
正極活物質の含有量は、電極材料の全固形分質量に対して、10質量%~95質量%であることが好ましく、30質量%~90質量%であることより好ましく、50質量%~85質量であること更に好ましく、60質量%~80質量%であること特に好ましい。
-負極活物質-
負極活物質としては、制限されず、負極に用いられる公知の活物質を利用できる。負極活物質は、可逆的にリチウムイオンを挿入及び放出できる負極活物質であることが好ましい。
負極活物質としては、例えば、炭素質材料、金属酸化物(例えば、酸化スズ)、酸化ケイ素、金属複合酸化物、リチウム単体、リチウム合金(例えば、リチウムアルミニウム合金)、及びリチウムと合金を形成可能な金属(例えば、Sn、Si、及びIn)が挙げられる。上記の中でも、負極活物質は、信頼性の観点から、炭素質材料、又はリチウム複合酸化物であることが好ましい。
炭素質材料は、実質的に炭素からなる材料である。
炭素質材料としては、例えば、石油ピッチ、カーボンブラック(例えば、アセチレンブラック)、黒鉛(例えば、天然黒鉛、及び人造黒鉛(例えば、気相成長黒鉛))、ハードカーボン、及び合成樹脂(例えば、ポリアクリロニトリル(PAN)、及びフルフリルアルコール樹脂)を焼成してなる炭素質材料が挙げられる。炭素質材料としては、例えば、炭素繊維(例えば、ポリアクリロニトリル系炭素繊維、セルロース系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維、脱水PVA(ポリビニルアルコール)系炭素繊維、リグニン炭素繊維、ガラス状炭素繊維、及び活性炭素繊維)も挙げられる。黒鉛としては、例えば、メソフェーズ微小球体、グラファイトウィスカー、及び平板状の黒鉛も挙げられる。
本開示において、「平板状」とは、反対方向を向く2つの主平面を有する形状を意味する。
金属複合酸化物としては、リチウムを吸蔵及び放出可能な金属複合酸化物であることが好ましい。
リチウムを吸蔵及び放出可能な金属複合酸化物は、高電流密度充放電特性の観点から、チタン及びリチウムからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含むことが好ましい。
金属酸化物、及び金属複合酸化物は、特に非晶質酸化物であることが好ましい。ここで、「非晶質」とは、CuKα線を用いたX線回折法において、2θ値で20°~40°の領域に頂点を有するブロードな散乱帯を有する物質を意味する。非晶質酸化物は、結晶性の回折線を有してもよい。非晶質酸化物において、2θ値で40°~70°の領域に観察される結晶性の回折線のうち最も強い強度は、2θ値で20°~40°の領域に観察されるブロードな散乱帯の頂点の回折線強度の100倍以下であることが好ましく、5倍以下であることがより好ましい。非晶質酸化物は、結晶性の回折線を有しないことが特に好ましい。
金属酸化物、及び金属複合酸化物は、カルコゲナイドであることも好ましい。カルコゲナイドは、金属元素と周期律表における第16族の元素との反応生成物である。
非晶質酸化物、及びカルコゲナイドからなる化合物群の中でも、半金属元素の非晶質酸化物、及びカルコゲナイドが好ましく、周期律表における第13族~15族の元素、Al、Ga、Si、Sn、Ge、Pb、Sb、及びBiからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含む酸化物、並びにカルコゲナイドがより好ましい。
非晶質酸化物、及びカルコゲナイドの好ましい例としては、Ga、SiO、GeO、SnO、SnO、PbO、PbO、Pb、Pb、Pb、Sb、Sb、SbBi、SbSi、Bi、SnSiO、GeS、SnS、SnS、PbS、PbS、Sb、Sb、及びSnSiSが挙げられる。また、上記した化合物は、リチウムとの複合酸化物(例えば、LiSnO)であってもよい。
負極活物質は、チタンを更に含むことも好ましい。リチウムイオンの吸蔵放出時の体積変動が小さいことから急速充放電特性に優れ、そして、電極の劣化が抑制されることでリチウムイオン二次電池の寿命向上が可能となる観点から、チタンを含む負極活物質は、LiTi12(チタン酸リチウム[LTO])であることが好ましい。
負極活物質は、市販品であってもよいし、公知の方法(例えば、焼成法)によって製造された合成品であってもよい。例えば、焼成法によって得られた負極活物質は、水、酸性水溶液、アルカリ性水溶液、又は有機溶剤を用いて洗浄されてもよい。
負極活物質は、例えば、CGB20(日本黒鉛工業株式会社)として入手可能である。
負極活物質の組成は、誘導結合プラズマ(ICP)発光分光分析法を用いて測定する。
負極活物質の形状は、制限されないが、取り扱い易く、そして、量産の際に均一性を管理しやすいという観点から、粒子状であることが好ましい。
負極活物質の体積平均粒子径は、0.1μm~60μmであることが好ましく、0.3μm~50μmであることがより好ましく、0.5μm~40μmであることが特に好ましい。
負極活物質の体積平均粒子径が0.1μm以上であることで、電極材料の集合体を容易に形成することができ、また、取り扱いの際に電極材料が飛散することを抑制できる。負極活物質の体積平均粒子径が60μm以下であることで、電極用成形体の厚さを容易に調節することができ、また、成形過程において空隙の発生を抑制することができる。
負極活物質の体積平均粒子径は、上記正極活物質の体積平均粒子径の測定方法に準ずる方法により測定する。
負極活物質の粒子径を調整する方法としては、例えば、粉砕機、又は分級機を用いる方法が挙げられる。上記方法においては、例えば、乳鉢、ボールミル、サンドミル、振動ボールミル、衛星ボールミル、遊星ボールミル、旋回気流型ジェットミル、又は篩が好適に用いられる。負極活物質の粉砕においては、水、又は有機溶剤(例えば、メタノール)を用いる湿式粉砕も必要に応じて行うことができる。所望の粒子径に調整する方法は、分級であることが好ましい。分級においては、例えば、篩、又は風力分級機を用いることができる。分級は、乾式であってもよいし、湿式であってもよい。
負極活物質として、Sn、Si、又はGeを含む非晶質酸化物を用いる場合、上記非晶質酸化物と併用することができる好ましい負極活物質としては、例えば、リチウムイオン又はリチウム金属を吸蔵及び放出できる炭素材料、リチウム、リチウム合金、及びリチウムと合金可能な金属が挙げられる。
電極材料は、1種単独の負極活物質を含んでいてもよいし、2種以上の負極活物質を含んでいてもよい。
負極活物質の含有量は、電極材料の全固形分質量に対して、10質量%~80質量%であることが好ましく、20質量%~80質量%であることがより好ましく、30質量%~80質量%であることが更に好ましく、40質量%~75質量%であることが特に好ましい。
正極活物質及び負極活物質の表面は、それぞれ、表面被覆剤で被覆されていてもよい。表面被覆剤としては、例えば、Ti、Nb、Ta、W、Zr、Si、又はLiを含む金属酸化物が挙げられる。上記金属酸化物としては、例えば、チタン酸スピネル、タンタル系酸化物、ニオブ系酸化物、及びニオブ酸リチウム系化合物が挙げられる。具体的な化合物としては、例えば、LiTi12、LiTaO、LiNbO、LiAlO、LiZrO、LiWO、LiTiO、Li、LiPO、LiMoO、及びLiBOが挙げられる。
(無機固体電解質)
電極材料は、電池性能(例えば、放電容量、及び出力特性)の向上という観点から、無機固体電解質を含むことが好ましい。
ここで、「固体電解質」とは、内部においてイオンを移動させることができる固体状の電解質を意味する。
無機固体電解質は、主たるイオン伝導性材料として有機物を含む電解質ではないことから、有機固体電解質(例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)に代表される高分子電解質、及びリチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiTFSI)に代表される有機電解質塩)とは明確に区別される。また、無機固体電解質は、定常状態では固体であるため、カチオン若しくはアニオンに解離又は遊離していない。よって、電解液、及びポリマー中でカチオン若しくはアニオンに解離又は遊離している無機電解質塩(例えば、LiPF、LiBF、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(LiFSI)、及びLiCl)とも明確に区別される。
無機固体電解質は、周期律表における第1族又は第2族に属する金属元素のイオンの伝導性を有する無機固体電解質であれば制限されず、電子伝導性を有しないことが一般的である。
本開示に係る電極用成形体の製造方法によって得られる電極用成形体がリチウムイオン電池に用いられる場合、無機固体電解質は、リチウムイオンのイオン伝導性を有することが好ましい。
無機固体電解質としては、例えば、硫化物系無機固体電解質、及び酸化物系無機固体電解質が挙げられる。上記の中でも、無機固体電解質は、活物質と無機固体電解質との間に良好な界面を形成できるという観点から、硫化物系無機固体電解質であることが好ましい。
-硫化物系無機固体電解質-
硫化物系無機固体電解質は、硫黄原子(S)を含み、周期律表における第1族又は第2族に属する金属元素のイオン伝導性を有し、かつ、電子絶縁性を有することが好ましい。
硫化物系無機固体電解質は、少なくともLi、S、及びPを含有し、リチウムイオン伝導性を有することがより好ましい。硫化物系無機固体電解質は、必要に応じて、Li、S、及びP以外の元素を含んでいてもよい。
硫化物系無機固体電解質としては、例えば、下記式(A)で示される組成を有する無機固体電解質が挙げられる。
a1b1c1d1e1 :式(A)
式(A)中、Lは、Li、Na、及びKからなる群より選択される少なくとも1種の元素を表し、Liであることが好ましい。
式(A)中、Mは、B、Zn、Sn、Si、Cu、Ga、Sb、Al、及びGeからなる群より選択される少なくとも1種の元素を表し、B、Sn、Si、Al、又はGeであることが好ましく、Sn、Al、又はGeであることがより好ましい。
式(A)中、Aは、I、Br、Cl、及びFからなる群より選択される少なくとも1種の元素を表し、I、又はBrであることが好ましく、Iであることがより好ましい。
式(A)中、a1は、1~12を表し、1~9であることが好ましく、1.5~4であることがより好ましい。
式(A)中、b1は、0~1を表し、0~0.5であることがより好ましい。
式(A)中、c1は、1を表す。
式(A)中、d1は、2~12を表し、3~7であることが好ましく、3.25~4.5であることがより好ましい。
式(A)中、e1は、0~5を表し、0~3であることが好ましく、0~1であることがより好ましい。
式(A)中、b1、及びe1が0であることが好ましく、b1、及びe1が0であり、かつ、a1、c1、及びd1の比(即ち、a1:c1:d1)が、1~9:1:3~7であることがより好ましく、b1、及びe1が0であり、かつ、a1、c1、及びd1の比(即ち、a1:c1:d1)が、1.5~4:1:3.25~4.5であることが特に好ましい。
各元素の組成比は、例えば、硫化物系無機固体電解質を製造する際の原料化合物の配合量を調整することにより制御できる。
硫化物系無機固体電解質は、非結晶(ガラス)であってもよいし、結晶化(ガラスセラミックス化)していてもよいし、一部のみが結晶化していてもよい。上記のような硫化物系無機固体電解質としては、例えば、Li、P、及びSを含有するLi-P-S系ガラス、並びにLi、P、及びSを含有するLi-P-S系ガラスセラミックスが挙げられる。上記の中でも、硫化物系無機固体電解質は、Li-P-S系ガラスであることが好ましい。
硫化物系無機固体電解質のリチウムイオン伝導度は、1×10-4S/cm以上であることが好ましく、1×10-3S/cm以上であることがより好ましい。硫化物系無機固体電解質のリチウムイオン伝導度の上限は、制限されないが、例えば、1×10-1S/cm以下であることが実際的である。
硫化物系無機固体電解質は、例えば、(1)硫化リチウム(LiS)と硫化リン(例えば、五硫化二燐(P))との反応、(2)硫化リチウムと単体燐及び単体硫黄の少なくとも一方との反応、又は(3)硫化リチウムと硫化リン(例えば、五硫化二燐(P))と単体燐及び単体硫黄の少なくとも一方との反応により製造できる。
Li-P-S系ガラス、及びLi-P-S系ガラスセラミックスの製造における、LiSとPとのモル比(LiS:P)は、65:35~85:15であることが好ましく、68:32~77:23であることがより好ましい。LiSとPとのモル比を上記範囲にすることにより、リチウムイオン伝導度をより高めることができる。
硫化物系無機固体電解質としては、例えば、LiSと、第13族~第15族の元素の硫化物とを含む原料組成物を用いてなる化合物が挙げられる。
原料組成物としては、例えば、LiS-P、LiS-LiI-P、LiS-LiI-LiO-P、LiS-LiBr-P、LiS-LiO-P、LiS-LiPO-P、LiS-P-P、LiS-P-SiS、LiS-P-SnS、LiS-P-Al、LiS-GeS、LiS-GeS-ZnS、LiS-Ga、LiS-GeS-Ga、LiS-GeS-P、LiS-GeS-Sb、LiS-GeS-Al、LiS-SiS、LiS-Al、LiS-SiS-Al、LiS-SiS-P、LiS-SiS-P-LiI、LiS-SiS-LiI、LiS-SiS-LiSiO、LiS-SiS-LiPO、及びLi10GeP12が挙げられる。上記の中でも、原料組成物は、高いリチウムイオン伝導度の観点から、LiS-P、LiS-GeS-Ga、LiS-SiS-P、LiS-SiS-LiSiO、LiS-SiS-LiPO、LiS-LiI-LiO-P、LiS-LiO-P、LiS-LiPO-P、LiS-GeS-P、又はLi10GeP12であることが好ましく、LiS-P、Li10GeP12、又はLiS-P-SiSであることがより好ましい。
上記した原料組成物を用いて硫化物系無機固体電解質を製造する方法としては、例えば、非晶質化法が挙げられる。
非晶質化法としては、例えば、メカニカルミリング法、及び溶融急冷法が挙げられる。上記の中でも、常温での処理が可能となり、また、製造工程の簡略化を図ることができる観点から、メカニカルミリング法が好ましい。
-酸化物系無機固体電解質-
酸化物系無機固体電解質は、酸素原子(O)を含み、周期律表における第1族又は第2族に属する金属元素のイオン伝導性を有し、かつ、電子絶縁性を有することが好ましい。
酸化物系無機固体電解質のイオン伝導度は、1×10-6S/cm以上であることが好ましく、5×10-6S/cm以上であることがより好ましく、1×10-5S/cm以上であることが特に好ましい。酸化物系無機固体電解質のイオン伝導度の上限は、制限されないが、例えば、1×10-1S/cm以下であることが実際的である。
酸化物系無機固体電解質としては、例えば、以下の化合物が挙げられる。ただし、酸化物系無機固体電解質は、以下の化合物に制限されない。
(1)LixaLayaTiO(以下、「LLT」という。xaは0.3≦xa≦0.7を満たし、yaは0.3≦ya≦0.7を満たす。)
(2)LixbLaybZrzbbb mbnb(MbbはAl、Mg、Ca、Sr、V、Nb、Ta、Ti、Ge、In、及びSnからなる群より選択される少なくとも1種の元素である。xbは5≦xb≦10を満たし、ybは1≦yb≦4を満たし、zbは1≦zb≦4を満たし、mbは0≦mb≦2を満たし、nbは5≦nb≦20を満たす。)
(3)Lixcyccc zcnc(MccはC、S、Al、Si、Ga、Ge、In、及びSnからなる群より選択される少なくとも1種の元素である。xcは0≦xc≦5を満たし、ycは0≦yc≦1を満たし、zcは0≦zc≦1を満たし、ncは0≦nc≦6を満たす。)
(4)Lixd(Al,Ga)yd(Ti,Ge)zdSiadmdnd(xdは1≦xd≦3を満たし、ydは0≦yd≦1を満たし、zdは0≦zd≦2を満たし、adは0≦ad≦1を満たし、mdは1≦md≦7を満たし、ndは3≦nd≦13を満たす。)
(5)Li(3-2xe)ee xeeeO(xeは0≦xe≦0.1を満たし、Meeは2価の金属原子を表し、Deeはハロゲン原子又は2種以上のハロゲン原子の組み合わせを表す。)
(6)LixfSiyfzf(xfは1≦xf≦5を満たし、yfは0<yf≦3を満たし、zfは1≦zf≦10を満たす。)
(7)Lixgygzg(xgは1≦xg≦3を満たし、ygは0<yg≦2を満たし、zgは1≦zg≦10を満たす。)
(8)LiBO
(9)LiBO-LiSO
(10)LiO-B-P
(11)LiO-SiO
(12)LiBaLaTa12
(13)LiPO(4-3/2w)(wはw<1を満たす。)
(14)LISICON(Lithium super ionic conductor)型結晶構造を有するLi3.5Zn0.25GeO
(15)ペロブスカイト型結晶構造を有するLa0.55Li0.35TiO
(16)NASICON(Natrium super ionic conductor)型結晶構造を有するLiTi12
(17)Li1+xh+yh(Al,Ga)xh(Ti,Ge)2-xhSiyh3-yh12(xhは0≦xh≦1を満たし、yhは0≦yh≦1を満たす。)
(18)ガーネット型結晶構造を有するLiLaZr12(以下、「LLZ」という。)
酸化物系無機固体電解質としては、Li、P、及びOを含むリン化合物も好ましい。Li、P、及びOを含むリン化合物としては、例えば、リン酸リチウム(LiPO)、リン酸リチウムの酸素の一部を窒素で置換したLiPON、及びLiPOD1(D1は、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、Ru、Ag、Ta、W、Pt、及びAuからなる群より選択される少なくとも1種の元素である。)が挙げられる。
酸化物系無機固体電解質としては、LiAlON(Alは、Si、B、Ge、Al、C、及びGaからなる群より選択される少なくとも1種の元素である。)も好ましい。
上記の中でも、酸化物系無機固体電解質は、LLT、LixbLaybZrzbbb mbnb(Mbb、xb、yb、zb、mb、及びnbは、上記のとおりである。)、LLZ、LiBO、LiBO-LiSO、又はLixd(Al,Ga)yd(Ti,Ge)zdSiadmdnd(xd、yd、zd、ad、md、及びndは、上記のとおりである。)であることが好ましく、LLT、LLZ、LAGP(Li1.5Al0.5Ge1.5(PO)、又はLATP([Li1.4TiSi0.42.612]-AlPO)であることがより好ましく、LLZであることが特に好ましい。
無機固体電解質は、粒子状であることが好ましい。
無機固体電解質の体積平均粒子径は、0.01μm以上であることが好ましく、0.1μm以上であることがより好ましい。無機固体電解質の体積平均粒子径の上限は、100μm以下であることが好ましく、50μm以下であることがより好ましい。
無機固体電解質の体積平均粒子径は、以下の方法により測定する。
無機固体電解質と水(水に不安定な物質の体積平均粒子径を測定する場合はヘプタン)とを混合することによって、1質量%の無機固体電解質を含む分散液を調製する。1kHzの超音波を10分間照射した分散液を測定試料とする。レーザ回折/散乱式粒度分布測定装置(例えば、株式会社堀場製作所製のLA-920)を用いて、温度25℃の条件下でデータの取り込みを50回行い、体積平均粒子径を求める。測定用のセルには、石英セルを用いる。上記測定を5つの試料を用いて行い、測定値の平均を無機固体電解質の体積平均粒子径とする。その他の詳細な条件については、必要に応じて、「JIS Z 8828:2013」を参照する。
電極材料は、1種単独の無機固体電解質を含んでいてもよいし、2種以上の無機固体電解質を含んでいてもよい。
電極材料が無機固体電解質を含む場合、無機固体電解質の含有量は、界面抵抗の低減、及び電池特性維持効果(例えばサイクル特性の向上)の観点から、電極材料の全固形分質量に対して、1質量%以上であることが好ましく、5質量%以上であることがより好ましく、10質量%以上であることが特に好ましい。同様の観点から、無機固体電解質の含有量の上限は、電極材料の全固形分質量に対して、90質量%以下であることが好ましく、70質量%以下であることがより好ましく、50質量%以下であることが特に好ましい。
(バインダー)
電極材料は、電極材料同士の密着性の向上という観点から、バインダーを含むことが好ましい。バインダーとしては、有機ポリマーであれば制限されず、電池材料の正極又は負極において結着剤として用いられる公知のバインダーを利用できる。バインダーとしては、例えば、含フッ素樹脂、炭化水素系熱可塑性樹脂、アクリル樹脂、及びウレタン樹脂が挙げられる。
含フッ素樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリビニレンジフルオリド(PVdF)、及びポリビニレンジフルオリドとヘキサフルオロプロピレンとの共重合物(PVdF-HFP)が挙げられる。
炭化水素系熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、スチレンブタジエンゴム(SBR)、水素添加スチレンブタジエンゴム(HSBR)、ブチレンゴム、アクリロニトリルブタジエンゴム、ポリブタジエン、及びポリイソプレンが挙げられる。
アクリル樹脂としては、例えば、ポリ(メタ)アクリル酸メチル、ポリ(メタ)アクリル酸エチル、ポリ(メタ)アクリル酸イソプロピル、ポリ(メタ)アクリル酸イソブチル、ポリ(メタ)アクリル酸ブチル、ポリ(メタ)アクリル酸ヘキシル、ポリ(メタ)アクリル酸オクチル、ポリ(メタ)アクリル酸ドデシル、ポリ(メタ)アクリル酸ステアリル、ポリ(メタ)アクリル酸2-ヒドロキシエチル、ポリ(メタ)アクリル酸、ポリ(メタ)アクリル酸ベンジル、ポリ(メタ)アクリル酸グリシジル、ポリ(メタ)アクリル酸ジメチルアミノプロピル、及び上記樹脂を形成するモノマーの共重合体が挙げられる。
バインダーとしては、ビニル系モノマーの共重合体も挙げられる。
ビニル系モノマーの共重合体としては、例えば、(メタ)アクリル酸メチル-スチレン共重合体、(メタ)アクリル酸メチル-アクリロニトリル共重合体、及び(メタ)アクリル酸ブチル-アクリロニトリル-スチレン共重合体が挙げられる。
バインダーの重量平均分子量は、10,000以上であることが好ましく、20,000以上であることがより好ましく、50,000以上であることが特に好ましい。
バインダーの重量平均分子量の上限は、1,000,000以下であることが好ましく、200,000以下であることがより好ましく、100,000以下であることが特に好ましい。
バインダーにおける水分濃度は、質量基準で、100ppm以下であることが好ましい。
バインダーにおける金属濃度は、質量基準で、100ppm以下であることが好ましい。
電極材料は、1種単独のバインダーを含んでいてもよいし、2種以上のバインダーを含んでいてもよい。
電極材料がバインダーを含む場合、バインダーの含有量は、界面抵抗の低減性、及びその維持性の観点から、電極材料の全固形分質量に対して、0.01質量%以上であることが好ましく、0.1質量%以上であることがより好ましく、1質量%以上であることが特に好ましい。バインダーの含有量の上限は、電池性能の観点から、電極材料の全固形分質量に対して、10質量%以下であることが好ましく、5質量%以下であることがより好ましく、3質量%以下であることが特に好ましい。
電極材料が、電極活物質、無機固体電解質、及びバインダーを含む場合、バインダーの質量に対する活物質及び無機固体電解質の合計質量の比([活物質の質量+無機固体電解質の質量]/[バインダーの質量])は、1,000~1であることが好ましく、500~2であることがより好ましく、100~10であることが特に好ましい。
(導電助剤)
電極材料は、活物質の電子伝導性の向上という観点から、導電助剤を含むことが好ましい。導電助剤としては、制限されず、公知の導電助剤を利用できる。特に、電極材料が正極活物質を含む場合、電極材料は、導電助剤を含むことが好ましい。
導電助剤としては、例えば、黒鉛(例えば、天然黒鉛、及び人造黒鉛)、カーボンブラック(例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、及びファーネスブラック)、無定形炭素(例えば、ニードルコークス)、炭素繊維(例えば、気相成長炭素繊維、及びカーボンナノチューブ)、他の炭素質材料(例えば、グラフェン、及びフラーレン)、金属粉(例えば、銅粉、及びニッケル粉)、金属繊維(例えば、銅繊維、及びニッケル繊維)、及び導電性高分子(例えば、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、及びポリフェニレン誘導体)が挙げられる。
上記の中でも、導電助剤は、炭素繊維、及び金属繊維からなる群より選択される少なくとも1種の導電助剤であることが好ましい。
導電助剤の形状としては、例えば、繊維状、針状、筒状、ダンベル状、円盤状、及び楕円球状が挙げられる。上記の中でも、導電助剤の形状は、活物質の電子伝導性の向上という観点から、繊維状であることが好ましい。
導電助剤のアスペクト比は、1.5以上であることが好ましく、5以上であることがより好ましい。導電助剤のアスペクト比が1.5以上であることで、電極活物質の電子伝導性を向上できるため、電池の出力特性を向上できる。
導電助剤のアスペクト比は、10,000以下であることが好ましく、5,000以下であることがより好ましく、1,000以下であることが特に好ましい。更に、導電助剤のアスペクト比は、500以下であることが好ましく、300以下であることがより好ましく、100以下であることが特に好ましい。導電助剤のアスペクト比が10,000以下であることで、導電助剤の分散性を向上でき、導電助剤が電極用成形体を突き抜けることによる短絡を効率的に防止できる。
導電助剤のアスペクト比は、以下の方法により測定する。走査型電子顕微鏡(SEM)(例えば、PHILIPS社製XL30)を用いて1000倍~3000倍の観察倍率で撮影した任意の3視野のSEM像を、BMP(ビットマップ)ファイルに変換する。画像解析ソフト(例えば、旭エンジニアリング株式会社製のIP-1000PCの統合アプリケーションである「A像くん」)を用いて50個の導電助剤の画像を取り込む。各導電助剤が重なることなく観察される状態で、各導電助剤の長さの最大値と最小値とを読み取る。「導電助剤の長さの最大値」とは、導電助剤の外周のある点から他の点までの線分のうち、長さが最大となる線分の長さ(すなわち長軸長)を意味する。「導電助剤の長さの最小値」とは、導電助剤の外周のある点から他の点までの線分であって、上記最大値を示す線分と直交する線分のうち、長さが最小となる線分の長さ(すなわち短軸長)を意味する。50個の各導電助剤の長さの最大値(長軸長)のうち、上位5点及び下位5点を除く40点の平均値(A)を求める。次に、50個の各導電助剤の長さの最小値(短軸長)のうち、上位5点及び下位5点を除く40点の平均値(B)を求める。平均値(A)を平均値(B)で除することによって、導電助剤のアスペクト比を算出する。
導電助剤の短軸長は、10μm以下であることが好ましく、8μm以下であることがより好ましく、5μm以下であることが特に好ましい。
導電助剤の短軸長は、1nm以上であることが好ましく、3nm以上であることがより好ましく、5nm以上であることが特に好ましい。
導電助剤の短軸長は、導電助剤のアスペクト比の測定方法において算出される50個の各導電助剤の長さの最小値である。
導電助剤の短軸長の平均値は、8μm以下であることが好ましく、5μm以下であることがより好ましく、3μm以下であることが特に好ましい。
導電助剤の短軸長の平均値は、1nm以上であることが好ましく、2nm以上であることがより好ましく、3nm以上であることが特に好ましい。
導電助剤の短軸長の平均値は、導電助剤のアスペクト比の測定方法において算出される50個の各導電助剤の長さの最小値(短軸長)のうち、上位1割(すなわち上位5点)及び下位1割(すなわち下位5点)を除いた各導電助剤の短軸長の平均値である。
電極材料は、1種単独の導電助剤を含んでいてもよいし、2種以上の導電助剤を含んでいてもよい。
電極材料が導電助剤を含む場合、導電助剤の含有量は、活物質の電子伝導性の向上という観点から、電極材料の全固形分質量に対して、0質量%を超え10質量%以下であることが好ましく、0.5質量%~8質量%であることがより好ましく、1質量%~7質量%であることが特に好ましい。
(リチウム塩)
電極材料は、電池性能の向上の観点から、リチウム塩を含むことが好ましい。リチウム塩としては、制限されず、公知のリチウム塩を利用できる。
リチウム塩としては、特開2015-088486号公報の段落0082~段落0085に記載のリチウム塩が好ましい。
電極材料は、1種単独のリチウム塩を含んでいてもよいし、2種以上のリチウム塩を含んでいてもよい。
電極材料がリチウム塩を含む場合、リチウム塩の含有量は、電極材料の全固形分質量に対して、0.1質量%~10質量%であることが好ましい。
(分散剤)
電極材料は、分散剤を含むことが好ましい。電極材料が分散剤を含むことで、電極活物質、及び無機固体電解質のいずれか一方の濃度が高い場合における凝集を抑制できる。
分散剤としては、制限されず、公知の分散剤を利用できる。分散剤としては、分子量が200以上3000未満の低分子又はオリゴマーからなり、下記官能基群(I)より選択される少なくとも1種の官能基と、炭素数8以上のアルキル基又は炭素数10以上のアリール基と、を同一分子内に有する化合物が好ましい。
官能基群(I)は、酸性基、塩基性窒素原子を有する基、(メタ)アクリロイル基、(メタ)アクリルアミド基、アルコキシシリル基、エポキシ基、オキセタニル基、イソシアネート基、シアノ基、スルファニル基、及びヒドロキシ基からなる群より選択される少なくとも1種の官能基であり、酸性基、塩基性窒素原子を有する基、アルコキシシリル基、シアノ基、スルファニル基、及びヒドロキシ基からなる群が好ましく、カルボキシ基、スルホン酸基、シアノ基、アミノ基、及びヒドロキシ基からなる群がより好ましい。
電極材料は、1種単独の分散剤を含んでいてもよいし、2種以上の分散剤を含んでいてもよい。
電極材料が分散剤を含む場合、分散剤の含有量は、凝集防止と電池性能との両立の観点から、電極材料の全固形分質量に対して、0.2質量%~10質量%であることが好ましく、0.5質量%~5質量%であることがより好ましい。
(液体成分)
電極材料は、液体成分を含んでいてもよい。液体成分としては、例えば、電解液が挙げられる。
電解液としては、制限されず、公知の電解液を利用できる。電解液としては、例えば、電解質と、溶剤と、を含む電解液が挙げられる。具体的な電解液としては、例えば、電解質としてリチウム塩化合物と、溶剤としてカーボネート化合物と、を含む電解液が挙げられる。
リチウム塩化合物としては、例えば、ヘキサフルオロリン酸リチウムが挙げられる。電解液は、1種単独のリチウム塩化合物を含んでいてもよいし、2種以上のリチウム塩化合物を含んでいてもよい。
カーボネート化合物としては、例えば、炭酸エチルメチル、炭酸エチレン、及び炭酸プロピレンが挙げられる。電解液は、1種単独のカーボネート化合物を含んでいてもよいし、2種以上のカーボネート化合物を含んでいてもよい。
電解液に含まれる電解質としては、例えば、上記「無機固体電解質」の項において説明した材料も挙げられる。
電解液の成分として、例えば、イオン液体を用いてもよい。イオン液体は、電解質として用いても溶剤として用いてもよい。
電極材料における電解液の含有量は、電極材料の全質量に対して、30質量%以下であることが好ましく、20質量%以下であることがより好ましく、15質量%以下であることが特に好ましい。電極材料における電解液の含有量が30質量%以下であることで、電極材料を成形した際に電解液が滲み出ることを抑制することができる。
電極材料における電解液の含有量の下限は、電池性能の向上の観点から、電極材料の全質量に対して、0.01質量%以上であることが好ましく、0.1質量%以上であることがより好ましい。
電極材料は、液体成分として、電解液の成分として含まれる溶剤以外の溶剤(以下、単に「溶剤」ともいう。)を含んでいてもよい。溶剤としては、例えば、アルコール化合物溶剤、エーテル化合物溶剤、アミド化合物溶剤、アミノ化合物溶剤、ケトン化合物溶剤、芳香族化合物溶剤、脂肪族化合物溶剤、及びニトリル化合物溶剤が挙げられる。
アルコール化合物溶剤としては、例えば、メチルアルコール、エチルアルコール、1-プロピルアルコール、2-プロピルアルコール、2-ブタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、グリセリン、1,6-ヘキサンジオール、シクロヘキサンジオール、ソルビトール、キシリトール、2-メチル-2,4-ペンタンジオール、1,3-ブタンジオール、及び1,4-ブタンジオールが挙げられる。
エーテル化合物溶剤としては、例えば、アルキレングリコールアルキルエーテル(例えば、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコール、ジプロピレングリコール、プロピレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、トリエチレングリコール、ポリエチレングリコール、プロピレングリコールモノメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、トリプロピレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、及びジエチレングリコールモノブチルエーテル)、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ジブチルエーテル、テトラヒドロフラン、及びジオキサンが挙げられる。
アミド化合物溶剤としては、例えば、N,N-ジメチルホルムアミド、1-メチル-2-ピロリドン、2-ピロリジノン、1,3-ジメチル-2-イミダゾリジノン、2-ピロリジノン、ε-カプロラクタム、ホルムアミド、N-メチルホルムアミド、アセトアミド、N-メチルアセトアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、N-メチルプロパンアミド、及びヘキサメチルホスホリックトリアミドが挙げられる。
アミノ化合物溶剤としては、例えば、トリエチルアミン、ジイソプロピルエチルアミン、及びトリブチルアミンが挙げられる。
ケトン化合物溶剤としては、例えば、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、及びシクロヘキサノンが挙げられる。
芳香族化合物溶剤としては、例えば、ベンゼン、トルエン、及びキシレンが挙げられる。
脂肪族化合物溶剤としては、例えば、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、及びデカンが挙げられる。
ニトリル化合物溶剤としては、例えば、アセトニトリル、プロピロニトリル、及びイソブチロニトリルが挙げられる。
溶剤は、ニトリル化合物溶剤、芳香族化合物溶剤、及び脂肪族化合物溶剤からなる群より選択される少なくとも1種の溶剤であることが好ましく、イソブチロニトリル、トルエン、及びヘプタンからなる群より選択される少なくとも1種の溶剤であることがより好ましく、トルエン、及びヘプタンからなる群より選択される少なくとも1種の溶剤であることが特に好ましい。
溶剤の沸点は、常圧(即ち1気圧)において、50℃以上であることが好ましく、70℃以上であることがより好ましい。溶剤の沸点の上限は、常圧(即ち1気圧)において、250℃以下であることが好ましく、220℃以下であることがより好ましい。
電極材料は、1種単独の溶剤を含んでいてもよいし、2種以上の溶剤を含んでいてもよい。
電極材料における溶剤(電解液の成分として含まれる溶剤を含む。以下、本段落において同じ。)の含有量は、電極材料の全質量に対して、30質量%以下であることが好ましく、20質量%以下であることがより好ましく、15質量%以下であることが特に好ましい。電極材料における溶剤の含有量が30質量%以下であることで、電池性能の劣化を抑制することができ、また、電極材料を成形した際に溶剤が滲み出ることを抑制することができる。電極材料における溶剤の含有量の下限は、制限されず、0質量%以上であってもよいし、0質量%を超えてもよい。
電極材料における液体成分の含有量は、電極材料の全質量に対して、30質量%以下であることが好ましく、20質量%以下であることがより好ましく、15質量%以下であることが特に好ましい。電極材料における液体成分の含有量が30質量%以下であることで、電極材料を成形した際に液体成分が滲み出ることを抑制することができる。また、液体成分が溶剤を含む場合には、電池性能の劣化を抑制することができる。電極材料における液体成分の含有量の下限は、制限されず、0質量%以上であってもよいし、0質量%を超えてもよい。
上記の他、電極材料としては、例えば、以下の材料を用いることもできる。
(1)特開2017-104784号公報の段落0029~段落0037に記載の造粒体。
(2)特開2016-059870号公報の段落0054に記載の正極合剤塗料。
(3)特開2016-027573号公報の段落0017~段落0070に記載の複合粒子。
(4)特許第6402200号公報の段落0020~段落0033に記載の複合粒子。
(5)特開2019-046765号公報の段落0040~段落0065に記載の電極組成物。
(6)特開2017-054703号公報の段落0080~段落0114に記載の材料(例えば、活物質、正極スラリー、及び負極スラリー)。
(7)特開2014-198293号公報に記載の粉体。
(8)特開2016-062654号公報の段落0024~段落0025、段落0028、及び段落0030~段落0032に記載の活物質、バインダー、及び複合粒子。
(電極材料の調製方法)
電極材料は、例えば、電極活物質と、必要に応じて、電極活物質以外の上記成分と、を混合することによって調製できる。
混合方法としては、例えば、ボールミル、ビーズミル、プラネタリミキサー、ブレードミキサー、ロールミル、ニーダー、又はディスクミルを用いる方法が挙げられる。
〔第2工程〕
本開示に係る電極用成形体の製造方法は、第1工程後、開口部が長方形である角筒状の保形部材であって、一方の開口部Lを構成する一対の長辺側端部にて一方の端部Xが他方の端部Yよりも他方の開口部M側に存在する保形部材を、開口部Lを下にして保形部材の軸方向が重力方向に沿うように配置し、保形部材の他方の開口部Mから保形部材内に電極材料を供給する第2工程を有する。
第2工程においては、連続的な電極材料の供給を行い、第2工程を連続して行う観点から、既述のかさ密度D/かさ密度D=1.1~30を達成し易くなる観点から、及び、電極材料の密度分布の更なる均一化を図る観点から、電極材料の供給手段として、圧送手段を用いることが好ましい。
即ち、第2工程においては、保形部材の開口部Mから保形部材内に電極材料を供給することが、圧送手段により、保形部材の開口部Mから保形部材内に電極材料を圧送することで行われることが好ましい。
第2工程の具体的な実施形態について、以下、図面を参照して説明する。
図1は、本開示に係る電極用成形体の製造方法における第2工程の一実施形態を説明する概念図である。図2及び図3は、図1に示す第2工程における電極材料の動きを説明するための概念図である。
図1~図3を参照して、第2工程について説明する。
図1では、圧送手段50を用いて、保形部材10の開口部M 12から保形部材10の内部に電極材料20を供給している態様を示している。
ここで、保形部材10の開口部L 14では、開口部L 14を構成する一対の長辺側端部の一方の端部X 10xが他方の端部Y 10yよりも他方の開口部M 12側に存在する。
そして、図1に示すように、保形部材10は、開口部L 14を下にして軸方向(矢印B方向)が重力方向(矢印G方向)と平行になるように配置されている。そのため、電極材料20が保形部材10の開口部M 12から供給されると、支持体30と保形部材10の内部とで構成された空間に電極材料20が埋まっていく。
図2に示す圧送手段50は、一対のロール部材50a及び50bと、一対のロール部材50a及び50bの上部に結合し且つ電極材料20を収容する容器52と、から構成されている。
容器52内に収容された電極材料20は、ロール部材50aの矢印a方向への回転とロール部材50bの矢印b方向への回転とにより、密度を高めながら送り出される。
このようにして、電極材料20が保形部材10の開口部M 12に向かって圧送されると、保形部材10内での電極材料20の密度が高くなりやすく、既述のかさ密度D/かさ密度D=1.5~20を達成し易くなる。
圧送手段50を用いて電極材料20が圧送される場合、電極材料20にかかる圧力によっては、保形部材10に供給される前の段階で電極材料20が板状に成形されることがある。
この場合は、図2に示すように、成形された電極材料20が保形部材10の内部に挿入され、図3に示すように、成形された電極材料20が支持体30まで到達、接触することとなる。
ここで、圧送手段50にて電極材料20を成形する場合、その形状は、保形部材10の内部形状(即ち、矩形の貫通孔の形状)に合わせたものであることが好ましい。
成形された電極材料20の動きについて詳細に説明する。
図2に示すように、支持体30が搬送され、保形部材10の開口部L 14の下まで到達すると、成形された電極材料20の保形部材10への供給が開始される。その後、成形された電極材料20の供給が継続することで、図3に示すように、成形された電極材料20が支持体30まで到達、接触する。
圧送手段50としては、一対のロール部材を用いた例を示したが、これに限定されるものではなく、電極材料20を密度を高めながら送り出す(即ち、圧送する)ことができればよく、スクリューフィーダー、モーノポンプ、ギアポンプ等であってもよい。
以上、保形部材10の内部へと電極材料20を圧送する態様について説明したが、既述のかさ密度D/かさ密度D=1.1~30を達成するための方法は、この方法に限定されない。
既述のかさ密度D/かさ密度D=1.1~30を達成するための方法としては、例えば、保形部材10の内部に供給された電極材料20を、保形部材10の内部にて圧密する方法が挙げられる。
具体的には、支持体30と保形部材10の内部とで構成された空間に電極材料20を充填し、充填した電極材料20上から重しを載せて、保形部材10の内部にて電極材料20を圧密する方法が挙げられる。
[保形部材]
第2工程で用いる保形部材は、開口部が長方形である角筒形状であって、一方の開口部Lを構成する一対の長辺側端部の一方の端部Xが他方の端部Yよりも他方の開口部M側に存在する形状を有する。
保形部材は、電極材料の圧密によっても形状が変化しない素材で作製されていることが好ましい。
例えば、保形部材は、金属製、特に、ステンレス製であることが好ましい。
保形部材の大きさとしては、開口部Lの短辺方向の幅Tが既述の範囲であることが好ましい。
また、保形部材の開口部Lの長辺方向の幅をTとしたとき、Tは、後述する第3工程で形成される電極材料膜又は製造される電極用成形体の幅に応じて設定されればよい。幅Tとしては、例えば、10mm~2000mmが好ましく、40mm~1500mmがより好ましく、100mm~1000mmが更に好ましい。
保形部材の高さ、即ち、開口部L 14を構成する端部Yから開口部M 12までの長さをTとしたとき、Tは、保形部材の内部の容積の確保、電極材料の形成性、装置の重量、移動性等に応じて、適宜、設定されればよい。長さTとしては、例えば、5mm~1000mmが好ましく、10mm~500mmがより好ましく、30mm~300mmが更に好ましい。
また、保形部材の内周面は、電極材料の滑らかな移動を図る観点から、電極材料が付着しにくい表面性状であることが好ましい。
具体的には、保形部材の内周面は離型性を有することが好ましい。
離型性を発現するためには、例えば、保形部材の内周面には、フッ素原子及びケイ素原子の少なくとも一方を含む表面層を有することが好ましい。
上記の表面層としては、フッ素原子を分子内に有する化合物及びケイ素原子を分子内に有する化合物の少なくとも一方を含む層であることが好ましい。
フッ素原子を分子内に有する化合物としては、フッ素原子を分子内に有する樹脂が好ましく、具体的には、例えば、テトラフルオロエチレン-パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、ポリエチレン-テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリクロロ三フッ化エチレン(PCTFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)等が挙げられる。
一方、ケイ素原子を分子内に有する化合物としては、ケイ素原子を分子内に有する樹脂が好ましい。ケイ素原子を分子内に有する樹脂として具体的には、例えば、メチルシリコーン樹脂、フェニルシリコーン樹脂、メチルフェニルシリコーン樹脂、エポキシ変性シリコーン樹脂、ポリエステル変性シリコーン樹脂、ウレタン変性シリコーン樹脂等が挙げられる。
また、上記の表面層は更に帯電防止剤を含むことが好ましい。
帯電防止剤としては、従来公知の帯電防止剤が用いられる。
表面層の形成には、市販のコート剤を用いてもよいし、具体的には、例えば、吉田SKT株式会社製のバイコート(登録商標)シリーズ、日本フッ素工業株式会社製のAμcort(エーミューコート)、NF-004、NF-015、NF-004EC、NF-004A、NF-015A、NF-015EC等が用いられる。
日本フッ素工業株式会社製の「EC」シリーズは、帯電防止能を有するコート剤である。
また、保形部材の内周面は、表面層の下層として下塗り層を有していてもよい。
下塗り層としては、接触部材の表面のサンドブラスト等用いて粗面化した後に、エポキシ樹脂を主とした材料を塗工して得られる層などが挙げられる。
また、保形部材の内周面は、電極材料の離型性をより高める観点から、算術平均粗さRaが10μm以下であることが好ましい。
保形部材の内周面における算術平均粗さRaは、8μm以下であることが好ましく、5μm以下であることが更に好ましい。
保形部材の内周面における算術平均粗さRaの下限としては、例えば、0.05μmである。
なお、保形部材の内周面における算術平均粗さRaは、以下の方法で測定される。
保形部材の内周面をレーザー変位計等で測定を行い表面形状のプロファイルを算出する。算出した粗さ曲線からその平均線の方向に基準長さLだけ抜き取り、この抜き取り部分の平均線の方向にx軸を、縦倍率の方向にy軸を取り、粗さ曲線をy=f(x)で表したときに、以下の式によって求められる。
Figure 0007242868000001
〔第3工程〕
本開示に係る電極用成形体の製造方法では、第2工程後、保形部材の開口部Lと支持体とを開口部Lの短辺方向に沿って相対移動させつつ、支持体上に保形部材内の電極材料を開口部Lから排出して、支持体上に電極材料による膜を形成する第3工程を有する。
ここで、開口部Lから排出された電極材料は、端部Xと支持体との間の空隙を通過しつつ、支持体上に供給される。
第3工程の具体的な実施形態について、以下、図面を参照して説明する。
ここで、第3工程について、図4を用いて説明する。ここで、図4は、本開示に係る電極用成形体の製造方法における第3工程の一実施形態を説明する概念図である。
図4では、矢印A方向に搬送されている支持体30上に、保形部材10の開口部L 14から電極材料20が排出され、支持体30上に電極材料20による電極材料膜22が形成される態様を示している。
電極材料膜22が形成される動作について具体的に説明する。
図4に示すように、保形部材10の開口部L 14は、開口部L 14を構成する一対の長辺側端部の一方の端部(即ち辺)X 10xが他方の端部(即ち辺)Y 10yよりも他方の開口部M 12側に存在し、端部X 10xと支持体との間で距離Tの空隙が形成される。
そのため、保形部材10の開口部L 14から排出された電極材料20は、支持体の矢印A方向への移動に伴い、端部X 10xと支持体との間に形成された空隙へと搬送される。そして、搬送された電極材料20は、空隙を通過する際に働く膜厚規制力により、膜厚が規制され、空隙の大きさ、即ち、距離Tと同じ厚さの電極材料膜22が形成される。
本開示に係る電極用成形体の製造方法では、既述の通り、幅T>距離Tとしていることから、上記の膜厚規制力により加えられる圧力により、電極材料20の圧密が進み、密度分布が更に低減されるものと考えられる。
図4において、保形部材10の開口部L 14を構成する端部Y 10yと支持体30との距離は、電極材料20を効率よく端部X 10xと支持体30との間に形成された空隙へと移動させる観点からは、小さいほどよく、例えば、10μm以下が好ましく、5μm以下がより好ましい。
また、端部Y 10yと支持体30との距離は、小さすぎると端部Y 10yと支持体30とが接触して支持体30を傷つけてしまうことがあるため、下限値としては、例えば、1μmが好ましい。
図1~図4に示す保形部材10では、開口部Lを構成する端部X 10xが保形部材10の躯体から構成されているが、上記の距離Tが得られれば、この構成に限定されるものではない。例えば、保形部材は、端部Xに相当する箇所に別の部材(例えば、ロール部材)を有していてもよい。
図1~図4では、固定した保形部材10に対し、支持体30が矢印A方向に搬送される態様を示しているが、この態様に限定されるものではない。
本開示に係る電極用成形体の製造方法では、保形部材の開口部Lと支持体とが開口部Lの短辺方向に沿って相対移動していればよく、上記の態様の他、固定した支持体に対し、保形部材が移動する態様であってもよいし、支持体と保形部材との両方が移動する態様であってもよい。
但し、電極材料膜22を連続的に形成するためには、長尺の支持体を用い、固定した保形部材に対し、長尺の支持体が移動する態様が好ましい。
ここで、支持体の搬送機構としては、制限されず、公知の搬送手段を利用でき、例えば、ベルトコンベア、リニアモーションガイド、及びクロスローラーテーブルが挙げられる。
[支持体]
第3工程に用いられる支持体は、保形部材の開口部Lから排出される電極材料を受ける必要があることから、保形部材の開口部Lよりも広い面積を有する。
特に、連続的に電極材料膜を形成する観点からは、長尺の支持体を用いることが好ましい。長尺の支持体の場合、その幅が、保形部材の開口部Lの長辺方向の幅Tよりも大きいことが好ましく、具体的には、Tよりも0.5%以上(より好ましくは、2%以上)大きいことが好ましい。
支持体としては、第3工程を経て製造された電極用成形体に対して行う後工程に応じて、適宜、選択されればよい。
支持体として具体的には、例えば、離型材又は集電体が好ましいものとして挙げられる。
支持体の一例である離型材としては、例えば、離型紙(例えば、リンテック株式会社製の剥離紙)、表面処理が施された金属(例えば、アルミニウム、及びステンレス鋼(一般的に「SUS」と称される。)、表面層を有するフィルム、及び表面層を有する紙が挙げられ、中でも、離型紙が好ましい。
支持体の一例である集電体としては、特に制限されず、公知の集電体(正極集電体及び負極集電体)を利用できる。
正極集電体としては、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、ニッケル、及びチタンが挙げられる。正極集電体は、アルミニウム、又はアルミニウム合金であることが好ましい。正極集電体は、表面にカーボン、ニッケル、チタン、若しくは銀を含む被覆層を有する、アルミニウム、又はステンレス鋼であることも好ましい。
負極集電体としては、例えば、アルミニウム、銅、銅合金、ステンレス鋼、ニッケル、及びチタンが挙げられる。負極集電体は、アルミニウム、銅、銅合金、又はステンレス鋼であることが好ましく、銅、又は銅合金であることがより好ましい。負極集電体は、表面にカーボン、ニッケル、チタン、若しくは銀を含む被覆層を有する、アルミニウム、銅、銅合金、又はステンレス鋼であることも好ましい。
集電体としては、アルミニウム箔、又は銅箔であることが好ましい。アルミニウム箔は、通常、正極における集電体として利用される。銅箔は、通常、負極における集電体として利用される。
支持体の形状は、搬送性等の観点から、平板状、フィルム状、又はシート状であることが好ましい。
支持体の平均厚さは、搬送性等の観点から、5μm以上であることが好ましく、10μm以上であることがより好ましく、20μm以上であることが特に好ましい。
平均厚さは、柔軟性、及び軽量性の観点から、500μm以下であることが好ましく、300μm以下であることがより好ましく、200μm以下であることが特に好ましい。
支持体の平均厚さは、断面観察によって測定される3か所の厚さの算術平均とする。断面観察においては、公知の顕微鏡(例えば、走査型電子顕微鏡)を用いることができる。
支持体の大きさは、制限されず、製造する電極用成形体の大きさ、製造工程に用いる各種部材の大きさ等に応じて決定すればよい。
〔第4工程〕
本開示に係る電極用成形体の製造方法は、必要に応じて、第3工程後、支持体上に形成された電極材料膜の膜厚を規制する第4工程を有していてもよい。
電極材料膜の膜厚を規制することで、電極用成形体の質量分布の面内均一性を更に高めることができる。
第4工程について、図5を参照して説明する。ここで、図5は、本開示に係る電極用成形体の製造方法における第4工程を説明するための概念図である。
図5に示すように、支持体30上に形成された電極材料膜22は、規制ロール40にて膜厚の規制が行われる。
第4工程に用いられる規制手段としては、規制ロール等のロール部材(例えば、スキージーロールともいう)他、スクレーパー、及び板状の部材(例えば、スキージ)等が挙げられる。
本開示において、電極材料の量、密度分布等を規制する際には、上記の規制手段の他に、電極材料を振動させる振動手段を併用してもよい。
振動手段を有することで、電極材料の量、密度分布等が制御しやすくなる。
なお、振動手段としては、例えば、一般的な加振装置等が挙げられる。
〔第5工程〕
本開示に係る電極用成形体の製造方法は、第3工程又は第4工程後に、形成された電極材料膜上に保護部材を載せる第5工程を有していてもよい。
電極材料膜上に保護部材を載せることで、電極材料膜から、電極材料の一部が飛散、剥離することを抑制し、更に、後工程での加工性及び搬送性を向上することができる。
保護部材としては、電極材料の飛散、剥離等から保護する部材であればよい。具体的に、例えば、既述の支持体と同様、例えば、離型材又は集電体が好ましい。保護部材として用いられる離型材及び集電体は、支持体として用いられる離型材及び集電体と同様であり、好ましい態様も同様である。
なお、本開示に係る電極用成形体の製造方法においては、支持体と保護部材とが共に集電体であることはなく、例えば、支持体として集電体を用いる場合には、保護部材は離型材が選択される。
〔その他の工程〕
本開示に係る電極用成形体の製造方法は、以下のその他の工程を含んでいてもよい。
例えば、電極材料膜を加圧する第6工程、第5工程で載せられた保護部材上に電極材料膜を転写する第7工程等を含んでいてもよい。
(第6工程)
本開示に係る電極用成形体の製造方法は、第3工程、第4工程、又は第5工程後に、電極材料膜を加圧する第6工程を有していてもよい。
本開示に係る電極用成形体の製造方法が成形工程を含むことで、電極材料の密度を高め且つ密度の均一化を図ることができる。
第6工程で用いられる加圧手段としては、加圧ロール対、プレス機が挙げられる。
電極材料を加圧する場合、圧力は、1MPa~1GPaであることが好ましく、5MPa~500MPaであることがより好ましく、10MPa~300MPaであることが特に好ましい。
第6工程では、複数の加圧手段(例えば、加圧ロール対)を用いて、電極材料を段階的に加圧してもよい。複数の加圧手段を用いて電極材料を段階的に加圧することで、電極材料の密度分布をより均一にできる。
例えば、ロール間の隙間を段階的に狭く調整した、複数の加圧ロール対を用いることで、電極材料を段階的に加圧できる。
第6工程では、加圧手段と電極材料(具体的には、電極材料が供給された第1支持体)とを相対移動させて行うことが好ましい。
本開示において、「加圧手段と電極材料とを相対移動させる」とは、電極材料に対して加圧手段を一方向に移動させること、加圧手段に対して電極材料を一方向に移動させること、及び、加圧手段と電極材料とをそれぞれ一方向に移動させること、を含む。中でも、「加圧手段と電極材料とを相対移動させる」方法としては、加圧手段に対して電極材料を一方向に移動させることが好ましい。
電極材料(具体的には、電極材料膜が形成された支持体)を移動させる手段としては、制限されず、公知の搬送手段を利用でき、例えば、ベルトコンベア、リニアモーションガイド、及びクロスローラーテーブルが挙げられる。
第6工程においては、成形性の向上の観点から、例えば、30℃~100℃にて加熱された電極材料を加圧してもよい。
(第7工程)
本開示に係る電極用成形体の製造方法は、第5工程後に、保護部材上に電極材料を転写する第7工程を行ってもよい。
第7工程では、第5工程を経ることで、支持体と保護部材との間に電極材料膜が挟持された積層体が形成された後には、積層体を上下反転することで、保護部材上に上記電極材料を転写する。
第7工程において、保護部材が集電体である場合には、保護部材上に電極材料が転写され、集電体付電極用成形体が得られる。
<<電極用成形体>>
本開示に係る電極用成形体の製造方法によって得られる電極用成形体は、密度の面内均一性に優れるため、種々の電極として用いることができる。
電極用成形体は、全固体二次電池の電極用成形体であることが好ましい。
電極用成形体の形状は、制限されず、用途に応じて適宜決定すればよい。電極用成形体の形状は、平板状であることが好ましい。
電極用成形体の平均厚さは、電池性能(例えば、放電容量、及び出力特性)の向上の観点から、0.01m~2mmであることが好ましく、0.05mm~1.5mmであることがより好ましく、0.1mm~1mmであることが特に好ましい。
電極用成形体の平均厚さは、第1支持体の平均厚さと同様の方法で測定される。
以下、実施例により本開示を詳細に説明するが、本開示はこれらに制限されるものではない。
<硫化物系無機固体電解質(Li-P-S系ガラス)の調製>
硫化物系無機固体電解質は、T.Ohtomo,A.Hayashi,M.Tatsumisago,Y.Tsuchida,S.Hama,K.Kawamoto,Journal of Power Sources,233,(2013),pp231-235、及びA.Hayashi,S.Hama,H.Morimoto,M.Tatsumisago,T.Minami,Chem.Lett.,(2001),pp872-873を参考にして調製した。
具体的には、アルゴン雰囲気下(露点-70℃)のグローブボックス内で、硫化リチウム(LiS、Aldrich社製、純度>99.98%)2.42g、五硫化二リン(P、Aldrich社製、純度>99%)3.9gをそれぞれ秤量した後、上記硫化リチウム、及び上記五硫化二リンを、メノウ製乳鉢を用いて、5分間混合した。なお、LiSとPとのモル比(LiS:P)は、75:25とした。
ジルコニア製45mL容器(フリッチュ社製)に、直径5mmのジルコニアビーズを66個投入し、次いで、上記硫化リチウムと上記五硫化二リンとの混合物の全量を投入した後、アルゴン雰囲気下で容器を完全に密閉した。フリッチュ社製遊星ボールミルP-7(商品名)に容器を取り付け、温度25℃、回転数510rpm(revolutions per minute)で20時間メカニカルミリングを行うことによって、黄色粉体の硫化物系固体電解質(Li-P-S系ガラス)6.2gを得た。以上の工程を10回繰り返し、62gの硫化物系固体電解質を得た
<実施例1>
[正極用電極材料(P-1)の調製]
ジルコニア製45mL容器(フリッチュ社製)に、直径5mmのジルコニアビーズを180個投入し、次いで、調製した上記Li-P-S系ガラス3.0gを投入した。フリッチュ社製遊星ボールミルP-7に容器を取り付け、温度25℃、回転数300rpmで2時間混合した。次に、活物質としてLCO(LiCoO、日本化学工業株式会社製)6.8g、及び導電助剤として株式会社デンカ製のLi-100(0.2g)を容器に投入し、次いで、遊星ボールミルP-7に容器を取り付け、温度25℃、回転数100rpmで10分間混合を行うことによって、粒子状の正極用電極材料(P-1)を得た。以上の工程を100回繰り返して、必要量の正極用電極材料(P-1)を得た。
得られた正極用電極材料(P-1)のかさ密度Dを既述の方法で測定したところ、0.3g/cmであった。
[保形部材の準備]
図1に示すような保形部材10を準備した。
即ち、開口部が長方形である角筒形状であって、一方の開口部L 14を構成する一対の長辺側端部の一方の端部X 10xが他方の端部Y 10yよりも他方の開口部M 12側に存在する形状を有する保形部材10を作製した。
ここで、保形部材10は、端部X 10xと開口部M 12との距離が49.50mmであって、端部Y 10yから開口部MまでのTが50.00mmであった。また、開口部Lの短辺方向の幅Tは15mmであり、開口部Lの長辺方向の幅Tは180mmであった。
続いて、保形部材の内周面には、以下の方法で表面層を形成した。
まず、保形部材の内周面に、既述の方法で下塗り層を形成した後、日本フッ素工業株式会社製のNF-004(主材料:FEP)を用いてフッ素樹脂コーティングを行い、表面層を形成した。
[正極シートの作製]
図1に示す方法にて、以下のように正極シートを作製した。
正極用電極材料(P-1)を、並列に配置した4台のスクリューフィーダー(アズワン株式会社製、粉体計量供給機(スクリュータイプ)、PSF-100SA)に投入した。スクリューフィーダーの下部には、図1に示すような圧送手段50が設けられており、この圧送手段50を通じて、正極用電極材料(P-1)を、保形部材10の開口部M 14へと供給した。
圧送手段50におけるロール対50a及び50bは、いずれも外径50mmのステンレス製のロール部材であって、ロール間距離は15mmであり、ロールの回転速度は5m/minであった。
圧送手段50の下部には、上記の保形部材10を、開口部L 14を下にして、軸方向が重力方向(図1における矢印G方向)に沿うように配置させた。より具体的には、上記の保形部材10を、開口部L 14を下にして、保形部材10の端部Y 10yと支持体30との間に5μmの隙間ができ、且つ、保形部材10の端部X 10xと支持体30との距離Tが0.5mm(500μm)となるように、テーパーゲージ等を用いて調節して、配置した。
つまり、保形部材10の端部X 10xと支持体30との距離Tは0.5mm(500μm)であり、保形部材10の端部Y 10yと支持体30との距離は5μmであった。
支持体30が搬送速度5m/minにて矢印A方向に搬送され、開口部L 14の下にまで到達した後、圧送手段50により正極用電極材料(P-1)を保形部材10へと圧送し、保形部材10を通じて、正極用電極材料(P-1)を支持体30上へ排出させた。
ここで、支持体30は、離型紙:リンテック株式会社製の剥離紙(グラシンダイレクトタイプ、平均厚さ:60μm、幅200mm、長さ300mm)であった。
保形部材10の開口部L 14における電極材料のかさ密度Dを既述のようにして測定したところ、1.2g/cmであった。
以上の手順によって、支持体30上には、厚み500μm、幅180mm、長さ290mmの粉体シート(正極シート)が得られた。
<実施例2~5>
保形部材の形状を適宜変更し、幅T及び距離Tを下記表1のように変えた以外は、実施例1と同様にして、粉体シートを作製した。
<実施例6~11>
保形部材の形状を適宜変更し、保形部材10の端部Y 10yから開口部Mまでの長さ(高さ)Tは400mmとし、幅T及び距離Tを下記表1のように変え、且つ、圧送手段50を用いなかった以外は、実施例1~3とそれぞれ同様にして、粉体シートを作製した。
より具体的には、開口部L 14の下に支持体30を配置し、保形部材10の容積一杯に、スパチュラにて正極用電極材料(P-1)を入れ、その正極用電極材料(P-1)上に500g又は3000gの重りを載せた後、支持体30を搬送速度5m/minにて矢印A方向に搬送させて、正極用電極材料(P-1)を支持体30上へ排出させた。
<実施例12>
正極用電極材料(P-1)と電解液とを混練することによって調製した正極用電極材料(P-2)を用いたこと以外は、実施例1と同様の手順によって、粉体シートを作製した。電解液の含有量は、正極用電極材料(P-2)の全質量に対して、30質量%であった。電解液としては、アルドリッチ社製のヘキサフルオロリン酸リチウム溶液(1.0M LiPF in EC/EMC=50/50(v/v))を用いた。「EC」とは、炭酸エチレンを意味する。「EMC」とは、炭酸エチルメチルを意味する。
<実施例13>
上記正極用電極材料(P-2)を用いたこと以外は、実施例6と同様の手順によって、粉体シートを作製した。
<比較例1>
開口部L 14の下に支持体30を配置し、保形部材10の容積一杯に、スパチュラにて正極用電極材料(P-1)を入れた後、支持体30を搬送速度5m/minにて矢印A方向に搬送させた以外は、実施例1と同様にして、粉体シート(正極シート)を作製した。
<比較例2>
保形部材10を用いなかった以外は、実施例1と同様にして、粉体シート(正極シート)を作製した。
つまり、圧送手段50におけるロール対50a及び50bにて圧送した電極材料を、そのまま支持体上に供給し、粉体シートを作製した。
<比較例3>
保形部材10の形状を適宜変更し、幅T及び距離Tを下記表1のように変えた以外は、実施例1と同様にして、粉体シートを作製した。
<評価>
<質量分布の均一性に関する評価>
粉体シートの80か所([幅方向に8か所]×[長さ方向に10か所])から、それぞれ、1cmの大きさの試験片を切り取った。試験片の切り取りには、1つの枠あたりの枠内面積を1cmに調節した枠状のトムソン刃を用いた。次に、粉体シートの合計80か所から切り取った各試験片の質量を測定した。各試験片の質量から、粉体シートの全体における質量の標準偏差(σ)を求め、以下の基準に従って、質量分布の均一性を評価した。以下の基準のうち、A、B、及びCを合格とした。
(基準)
A:0%≦σ<1%
B:1%≦σ<3%
C:3%≦σ<5%
D:5%≦σ<10%
E:10%≦σ
Figure 0007242868000002
表1より、実施例1~13は、比較例1~3に比べて、質量分布の均一性が高いことがわかった。
〔符号の説明〕
10 :保形部材
10x:端部X
10y:端部Y
12 :開口部M
14 :開口部L
20 :電極材料
22 :電極材料膜
30 :支持体
40 :規制ロール
50 :圧送手段
50a:ロール部材
50b:ロール部材
52 :容器
A :支持体30の搬送方向
B :保形部材10の軸方向
G :重力方向
a :ロール部材50aの回転方向
b :ロール部材50bの回転方向
2019年8月19日に出願された日本国特許出願2019-149867号の開示は、その全体が参照により本明細書に取り込まれる。本明細書に記載された全ての文献、特許出願、及び技術規格は、個々の文献、特許出願、及び技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記載された場合と同程度に、本明細書に参照により取り込まれる。

Claims (8)

  1. 粒子状である電極活物質を含む電極材料を準備する第1工程と、
    開口部が長方形である角筒状の保形部材であって、一方の開口部Lを構成する一対の長辺側端部にて一方の端部Xが他方の端部Yよりも他方の開口部M側に存在する保形部材を、開口部Lを下にして当該保形部材の軸方向が重力方向に沿うように配置し、前記保形部材の開口部Mから当該保形部材内に前記電極材料を供給する第2工程と、
    前記保形部材の開口部Lと支持体とを開口部Lの短辺方向に沿って相対移動させつつ、該支持体上に前記保形部材内の前記電極材料を開口部Lから排出して、当該支持体上に前記電極材料による膜を形成する第3工程と、
    をこの順に有し、
    前記第1工程にて準備された前記電極材料のかさ密度をD[g/cm]とし、前記保形部材の開口部Lにおける前記電極材料のかさ密度をD[g/cm]としたとき、かさ密度D/かさ密度D=1.1~10を満たし、
    前記かさ密度D が0.55g/cm ~3.0g/cm であり、
    開口部Lの短辺方向の幅をT[mm]とし、開口部Lを構成する端部Xと前記支持体との距離をT[mm]としたとき、幅T>距離Tの関係を満たし、
    前記幅T 及び前記距離T が、幅T /距離T =1.5~500を満たし、
    前記幅T が1.5mm~50mm、前記距離T が0.1mm~1.0mmであり、
    前記第3工程において、前記開口部Lから排出された前記電極材料は、前記端部Xと前記支持体との間の距離T である空隙を通過しつつ、前記支持体上に供給される、
    電極用成形体の製造方法。
  2. 前記幅T及び前記距離Tが、幅T/距離T3.0150を満たす、請求項1に記載の電極用成形体の製造方法。
  3. 前記距離Tが0.1mm~0.9mmである、請求項1又は請求項2に記載の電極用成形体の製造方法。
  4. 前記幅Tが1.5mm~20mmである、請求項1~請求項3のいずれか1項に記載の電極用成形体の製造方法。
  5. 前記かさ密度D0.7g/cm2.5g/cmである、請求項1~請求項4のいずれか1項に記載の電極用成形体の製造方法。
  6. 前記かさ密度Dが0.1g/cm~0.5g/cmである、請求項1~請求項5のいずれか1項に記載の電極用成形体の製造方法。
  7. 前記かさ密度D及び前記かさ密度Dが、かさ密度D/かさ密度D=1.5~を満たす、請求項1~請求項6のいずれか1項に記載の電極用成形体の製造方法。
  8. 前記第2工程において、前記保形部材の開口部Mから当該保形部材内に前記電極材料を供給することが、圧送手段により、前記保形部材の開口部Mから当該保形部材内に前記電極材料を圧送することで行われる、請求項1~請求項7のいずれか1項に記載の電極用成形体の製造方法。
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