JP7242868B2 - 電極用成形体の製造方法 - Google Patents
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Description
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。
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。
<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D1[g/cm3]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D2[g/cm3]としたとき、かさ密度D2/かさ密度D1=1.1~30を満たし、
開口部Lの短辺方向の幅をT1[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T2[mm]としたとき、幅T1>距離T2の関係を満たす、
電極用成形体の製造方法。
<3> 上記距離T2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T1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。
<6> 上記かさ密度D1が0.1g/cm3~0.5g/cm3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D1及び上記かさ密度D2が、かさ密度D2/かさ密度D1=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。
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。
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D1[g/cm3]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D2[g/cm3]としたとき、かさ密度D2/かさ密度D1=1.1~30を満たし、開口部Lの短辺方向の幅をT1[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T2[mm]としたとき、幅T1>距離T2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D1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D2と、は、かさ密度D2/かさ密度D1=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T1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T2とが、幅T1>距離T2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。
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D1[g/cm3]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D2[g/cm3]としたとき、かさ密度D2/かさ密度D1=1.1~30を満たすことを要する。
かさ密度D1及びかさ密度D2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D1及びかさ密度D2は、かさ密度D2/かさ密度D1=1.5~20を満たすことが好ましく、かさ密度D2/かさ密度D1=2.0~10を満たすことがより好ましく、かさ密度D2/かさ密度D1=4.0~10を満たすことが更に好ましい。
また、保形部材の開口部Lにおける電極材料のかさ密度D2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。
かさ密度D2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1cm3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D2が求められる。
かさ密度D1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1cm3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D1が求められる。
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T1[mm]とし、開口部Lを構成する端部Xと支持体との距離をT2[mm]としたとき、幅T1>距離T2の関係を満たすことを要する。
幅T1及び距離T2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T1及び距離T2は、幅T1/距離T2=1.5~500を満たすことが好ましく、幅T1/距離T2=3.0~150を満たすことがより好ましく、幅T1/距離T2=10~100を満たすことが更に好ましい。
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。
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D1を満たす組成とすることが好ましい。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
原料組成物としては、例えば、Li2S-P2S5、Li2S-LiI-P2S5、Li2S-LiI-Li2O-P2S5、Li2S-LiBr-P2S5、Li2S-Li2O-P2S5、Li2S-Li3PO4-P2S5、Li2S-P2S5-P2O5、Li2S-P2S5-SiS2、Li2S-P2S5-SnS、Li2S-P2S5-Al2S3、Li2S-GeS2、Li2S-GeS2-ZnS、Li2S-Ga2S3、Li2S-GeS2-Ga2S3、Li2S-GeS2-P2S5、Li2S-GeS2-Sb2S5、Li2S-GeS2-Al2S3、Li2S-SiS2、Li2S-Al2S3、Li2S-SiS2-Al2S3、Li2S-SiS2-P2S5、Li2S-SiS2-P2S5-LiI、Li2S-SiS2-LiI、Li2S-SiS2-Li4SiO4、Li2S-SiS2-Li3PO4、及びLi10GeP2S12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、Li2S-P2S5、Li2S-GeS2-Ga2S3、Li2S-SiS2-P2S5、Li2S-SiS2-Li4SiO4、Li2S-SiS2-Li3PO4、Li2S-LiI-Li2O-P2S5、Li2S-Li2O-P2S5、Li2S-Li3PO4-P2S5、Li2S-GeS2-P2S5、又はLi10GeP2S12であることが好ましく、Li2S-P2S5、Li10GeP2S12、又はLi2S-P2S5-SiS2であることがより好ましい。
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。
(1)LixaLayaTiO3(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)LixbLaybZrzbMbb mbOnb(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)LixcBycMcc zcOnc(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)zdSiadPmdOnd(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)Mee xeDeeO(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)LixfSiyfOzf(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)LixgSygOzg(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)Li3BO3
(9)Li3BO3-Li2SO4
(10)Li2O-B2O3-P2O5
(11)Li2O-SiO2
(12)Li6BaLa2Ta2O12
(13)Li3PO(4-3/2w)Nw(wはw<1を満たす。)
(14)LISICON(Lithium super ionic conductor)型結晶構造を有するLi3.5Zn0.25GeO4
(15)ペロブスカイト型結晶構造を有するLa0.55Li0.35TiO3
(16)NASICON(Natrium super ionic conductor)型結晶構造を有するLiTi2P3O12
(17)Li1+xh+yh(Al,Ga)xh(Ti,Ge)2-xhSiyhP3-yhO12(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Li7La3Zr2O12(以下、「LLZ」という。)
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、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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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。
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。
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。
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。
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D2/かさ密度D1=1.5~20を達成し易くなる。
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。
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。
既述のかさ密度D2/かさ密度D1=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。
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。
また、保形部材の開口部Lの長辺方向の幅をT3としたとき、T3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T3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T4としたとき、T4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T4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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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T2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T2と同じ厚さの電極材料膜22が形成される。
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。
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。
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T3よりも大きいことが好ましく、具体的には、T3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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
[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(LiCoO2、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D1を既述の方法で測定したところ、0.3g/cm3であった。
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T4が50.00mmであった。また、開口部Lの短辺方向の幅T1は15mmであり、開口部Lの長辺方向の幅T3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。
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。
つまり、保形部材10の端部X 10xと支持体30との距離T2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D2を既述のようにして測定したところ、1.2g/cm3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。
保形部材の形状を適宜変更し、幅T1及び距離T2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。
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)T4は400mmとし、幅T1及び距離T2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。
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 LiPF6 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。
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。
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。
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。
保形部材10の形状を適宜変更し、幅T1及び距離T2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。
<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、1cm2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1cm2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。
A:0%≦σ<1%
B:1%≦σ<3%
C:3%≦σ<5%
D:5%≦σ<10%
E:10%≦σ
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
Claims (8)
- 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D1[g/cm3]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D2[g/cm3]としたとき、かさ密度D2/かさ密度D1=1.1~10を満たし、
前記かさ密度D 2 が0.55g/cm 3 ~3.0g/cm 3 であり、
開口部Lの短辺方向の幅をT1[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T2[mm]としたとき、幅T1>距離T2の関係を満たし、
前記幅T 1 及び前記距離T 2 が、幅T 1 /距離T 2 =1.5~500を満たし、
前記幅T 1 が1.5mm~50mm、前記距離T 2 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 2 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。 - 前記幅T1及び前記距離T2が、幅T1/距離T2=3.0~150を満たす、請求項1に記載の電極用成形体の製造方法。
- 前記距離T2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。
- 前記幅T1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。
- 前記かさ密度D2が0.7g/cm3~2.5g/cm3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。
- 前記かさ密度D1が0.1g/cm3~0.5g/cm3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。
- 前記かさ密度D1及び前記かさ密度D2が、かさ密度D2/かさ密度D1=1.5~6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。
- 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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