JP7365048B2 - Method for manufacturing positive electrode of secondary battery, and secondary battery - Google Patents

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Description

本発明は、多孔集電体を含む正極を具備する二次電池の正極の製造方法、および、多孔集電体を含む正極を具備する二次電池に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a positive electrode of a secondary battery including a positive electrode including a porous current collector, and a secondary battery including a positive electrode including a porous current collector.

携帯電話端末の普及、および、環境問題に対応した電気自動車の開発に伴い、高容量の二次電池が要望されている。二次電池としてはリチウムイオン二次電池が普及している。 With the spread of mobile phone terminals and the development of electric vehicles that address environmental issues, there is a demand for high-capacity secondary batteries. Lithium ion secondary batteries are popular as secondary batteries.

リチウムイオン二次電池よりも、さらに高容量の二次電池として、正極活物質として硫黄を有するリチウム硫黄電池が注目されている。硫黄は理論容量が1670mAh/g程度であり、リチウムイオン電池の代表的な正極活物質であるLiCoO(約140mAh/g)よりも、理論容量が10倍程度高い。また、硫黄は低価格かつ資源が豊富である。 Lithium-sulfur batteries that have sulfur as a positive electrode active material are attracting attention as secondary batteries with even higher capacity than lithium-ion secondary batteries. Sulfur has a theoretical capacity of about 1670 mAh/g, which is about 10 times higher than that of LiCoO 2 (about 140 mAh/g), which is a typical positive electrode active material of lithium ion batteries. In addition, sulfur is inexpensive and abundant as a resource.

電池のエネルギー密度向上には、より多くの正極活物質を正極に担持することが有効である。特開2018-200827号公報には、表面積の広いニッケル多孔板の表面を硫化することによって、正極活物質である硫化ニッケルを生成したリチウム硫黄二次電池が開示されている。 In order to improve the energy density of a battery, it is effective to support a larger amount of positive electrode active material on the positive electrode. JP 2018-200827A discloses a lithium-sulfur secondary battery in which nickel sulfide, which is a positive electrode active material, is produced by sulfurizing the surface of a nickel porous plate with a large surface area.

特開2018-200827号公報JP2018-200827A

本発明の実施形態は、製造が容易なエネギー密度が高い二次電池の正極の製造方法、および、製造が容易なエネギー密度が高い二次電池を提供することを目的とする。 Embodiments of the present invention aim to provide a method for manufacturing a positive electrode of a secondary battery that is easy to manufacture and has a high energy density, and a secondary battery that is easy to manufacture and has a high energy density.

本発明の実施形態の二次電池の正極の製造方法は、炭素粒子と硫黄とを、硫黄の融点以上の温度において混合し、混合体を作製する工程と、前記混合体にバインダーと溶媒とを加えてスラリーを作製する工程と、多孔板に前記スラリーをコーティングする塗布工程と、前記溶媒を蒸発する乾燥工程と、前記多孔板をプレス加工し厚さを75%以下とする圧縮工程と、を上記順序に具備し、前記塗布工程から前記乾燥工程が、繰り返し行われる。 A method for manufacturing a positive electrode for a secondary battery according to an embodiment of the present invention includes a step of mixing carbon particles and sulfur at a temperature equal to or higher than the melting point of sulfur to prepare a mixture, and adding a binder and a solvent to the mixture. In addition, a step of preparing a slurry, a coating step of coating a perforated plate with the slurry, a drying step of evaporating the solvent, and a compression step of pressing the perforated plate to a thickness of 75% or less. The steps from the coating step to the drying step are repeated in the above order.

本発明の実施形態の二次電池は、正極が、多孔板と、前記多孔板の内部の壁面に配設されている正極活物質と、電解質と、を有し、前記正極活物質は、硫黄が含浸した炭素粒子と、バインダーと、を含み、前記正極の硫黄担持量が、5mg/cm以上であり、前記正極の表面に、面積が100μm以上の開口が、0.2個/mm以上ある。 In a secondary battery according to an embodiment of the present invention, a positive electrode includes a perforated plate, a positive electrode active material disposed on an inner wall surface of the perforated plate, and an electrolyte, and the positive electrode active material includes sulfur. The positive electrode contains carbon particles impregnated with carbon particles and a binder, the amount of sulfur supported on the positive electrode is 5 mg/cm 2 or more, and the surface of the positive electrode has 0.2 openings/mm with an area of 100 μm 2 or more. There are 2 or more.

本発明の実施形態によれば、製造が容易なエネギー密度が高い二次電池の正極の製造方法、および、製造が容易なエネギー密度が高い二次電池を提供できる。 According to the embodiments of the present invention, it is possible to provide a method for manufacturing a positive electrode of a secondary battery that is easy to manufacture and has a high energy density, and a secondary battery that is easy to manufacture and has a high energy density.

実施形態の二次電池の構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram of a secondary battery according to an embodiment. 実施形態の変形例の二次電池の構成図である。It is a block diagram of the secondary battery of the modification of embodiment. 実施形態の二次電池の製造方法のフローチャートである。1 is a flowchart of a method for manufacturing a secondary battery according to an embodiment. 実施形態の二次電池に用いた多孔板の写真である。It is a photograph of a perforated plate used in a secondary battery of an embodiment. 実施形態の二次電池に用いた圧縮処理前の正極の写真である。It is a photograph of the positive electrode before compression processing used in the secondary battery of the embodiment. 比較例の二次電池に用いた圧縮処理前の正極の写真である。It is a photograph of a positive electrode used in a secondary battery of a comparative example before compression treatment. 実施形態の二次電池の正極の写真である。It is a photograph of the positive electrode of the secondary battery of the embodiment. 比較例の二次電池の正極の写真である。It is a photograph of the positive electrode of a secondary battery of a comparative example. 実施形態の二次電池の充放電特性である。It is a charge-discharge characteristic of the secondary battery of embodiment.

<電池の構成>
図1に示すように、本実施形態の二次電池1(以下、「電池」ともいう。)は、集電体である多孔板を含む正極20と、セパレータ30と、リチウムイオンを吸蔵脱離する負極活物質を含む負極40と、を具備する。電池1は、ラミネートパック50に封入されている。
<Battery configuration>
As shown in FIG. 1, the secondary battery 1 (hereinafter also referred to as "battery") of the present embodiment includes a positive electrode 20 including a porous plate serving as a current collector, a separator 30, and a separator 30 that absorbs and deintercalates lithium ions. and a negative electrode 40 containing a negative electrode active material. The battery 1 is enclosed in a laminate pack 50.

正極20は、多孔板と、多孔板の内部の壁面に配設されている正極活物質と、電解質と、を有する。多孔板として用いた発泡アルミニウムであるセルメット(登録商標)は、気孔率98%、比表面積8500m/m、孔径0.45mm、厚さ1.0mmである(図4)。 The positive electrode 20 includes a perforated plate, a positive electrode active material disposed on an inner wall surface of the perforated plate, and an electrolyte. Celmet (registered trademark), which is a foamed aluminum used as the perforated plate, has a porosity of 98%, a specific surface area of 8500 m 2 /m 3 , a pore diameter of 0.45 mm, and a thickness of 1.0 mm (FIG. 4).

正極活物質は、硫黄が含浸した炭素粒子と、バインダーと、を含む。電解質は、正極活物質が壁面にコーティングされた多孔板の内部空間を充填している。 The positive electrode active material includes sulfur-impregnated carbon particles and a binder. The electrolyte fills the internal space of a porous plate whose walls are coated with a positive electrode active material.

バインダーは、CMC(カルボキシメチルセルロース)およびSBR(スチレン・ブタジエン・ラバー)である。正極20と負極40の間に配置されているセパレータ30は、必須の構成要素ではないが、セパレータ30は、極間距離を短くする機能および電解質の担持機能を有する。 The binders are CMC (carboxymethyl cellulose) and SBR (styrene butadiene rubber). Although the separator 30 disposed between the positive electrode 20 and the negative electrode 40 is not an essential component, the separator 30 has a function of shortening the distance between electrodes and a function of supporting an electrolyte.

後述するように、電池1は、製造が容易であるが、正極20の硫黄担持量が、5mg/cm以上であるため、エネギー密度が高い。すなわち、電池1は、正極20の硫黄担持量が多いにもかかわらず、正極20の表面に、面積が100μm以上の開口が、0.2個/mm以上ある。 As will be described later, the battery 1 is easy to manufacture, but has a high energy density because the amount of sulfur supported on the positive electrode 20 is 5 mg/cm 2 or more. That is, in the battery 1, although the amount of sulfur supported on the positive electrode 20 is large, the surface of the positive electrode 20 has 0.2 or more openings/mm 2 with an area of 100 μm 2 or more.

なお、図2に示す変形例の二次電池1Aは、複数の正極20と複数のセパレータ30と複数の負極40とが交互に積層された積層電池である。正極20とセパレータ30と負極40とを有する複数の電池セルは、隣り合う電池セルと正極20および負極40を共有した状態である。負極40は、厚さ8μmの銅板を芯材とし、両面に60μmの金属リチウム板を有する。複数の電池セルは並列接続されているため、電池1Aの電圧は、電池1と同じである。 Note that the secondary battery 1A of the modified example shown in FIG. 2 is a stacked battery in which a plurality of positive electrodes 20, a plurality of separators 30, and a plurality of negative electrodes 40 are alternately stacked. A plurality of battery cells each having a positive electrode 20, a separator 30, and a negative electrode 40 share the positive electrode 20 and the negative electrode 40 with adjacent battery cells. The negative electrode 40 has a core material of a copper plate having a thickness of 8 μm, and metal lithium plates having a thickness of 60 μm on both sides. Since the plurality of battery cells are connected in parallel, the voltage of battery 1A is the same as that of battery 1.

<電池の製造方法>
図3のフローチャートにそって電池1の正極20の製造方法を説明する。
<Battery manufacturing method>
A method for manufacturing the positive electrode 20 of the battery 1 will be explained along the flowchart of FIG.

<ステップS10>混合体作製工程
炭素粒子と硫黄とが、硫黄の融点以上の温度において混合されることによって、混合体が作製される。
<Step S10> Mixture Preparation Step A mixture is prepared by mixing carbon particles and sulfur at a temperature equal to or higher than the melting point of sulfur.

例えば、炭素粒子であるケッチェンブラック(KB)40wt%と硫黄(S)粉末60wt%とが、125℃において12時間、混合撹拌される。硫黄の融点は、113℃である。溶融した硫黄は、多孔質である炭素粒子の表面および孔に含浸し、S/KB複合体が作製される。 For example, 40 wt% of Ketjenblack (KB), which is carbon particles, and 60 wt% of sulfur (S) powder are mixed and stirred at 125° C. for 12 hours. The melting point of sulfur is 113°C. The molten sulfur impregnates the surface and pores of the porous carbon particles, producing an S/KB composite.

炭素粒子としては、好ましくは、KB等の多孔質グラファイト、グラフェン、カーボンナノホーン、フラーレン、および、カーボンナノチューブの少なくともいずれか、または、これらの凝集体である。
炭素粒子としては、2nm以上50nm以下の空孔がある中空シェル構造を有する多孔質の炭素粒子または多孔質の炭素粒子の凝集体であることが特に好ましい。
The carbon particles are preferably at least one of porous graphite such as KB, graphene, carbon nanohorns, fullerene, and carbon nanotubes, or aggregates thereof.
The carbon particles are particularly preferably porous carbon particles or aggregates of porous carbon particles having a hollow shell structure with pores of 2 nm or more and 50 nm or less.

<ステップS20>スラリー作製工程
混合体(S/KB複合体)96.5wt%に、バインダー3.5wt%と溶媒とを加えてから、ボールミルを用いて12時間、混合することによって混合体のスラリーが作製される。
<Step S20> Slurry preparation process 3.5 wt% of binder and solvent are added to 96.5 wt% of the mixture (S/KB composite), and then mixed for 12 hours using a ball mill to form a slurry of the mixture. is produced.

バインダーは、平均分子量25万のCMCおよび平均分子量100万のSBRを含み、重量比は、(CMC/SBR=2/1)である。バインダーは電解液と反応しないものであれば特に限定されることはない。 The binder contains CMC with an average molecular weight of 250,000 and SBR with an average molecular weight of 1 million, and the weight ratio is (CMC/SBR=2/1). The binder is not particularly limited as long as it does not react with the electrolyte.

バインダーとしては、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリイミド(PI)、ポリアミド(PA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメチルアクリレート(PMA)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリアクリル酸(PAA)、ポリアクリル酸リチウム(PAALi)、エチレンオキシド、もしくは、一置換エポキサイドの開環重合物などのポリアルキレンオキサイド、または、これらの混合物が挙げられる。 As a binder, polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polyethernitrile (PEN), polyimide (PI), polyamide (PA), polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene butadiene rubber (SBR) ), polyacrylonitrile (PAN), polymethyl acrylate (PMA), polymethyl methacrylate (PMMA), polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl alcohol (PVA), polyacrylic acid (PAA), poly Examples include polyalkylene oxides such as lithium acrylate (PAALi), ethylene oxide, or ring-opening polymers of monosubstituted epoxides, or mixtures thereof.

溶媒は、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)等の有機溶剤でもよいが、扱いが容易である水を用いることが好ましい。なお、電解液に替えて固体電解質を用いてもよい。 The solvent may be an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), but it is preferable to use water because it is easy to handle. Note that a solid electrolyte may be used instead of the electrolytic solution.

本実施形態の正極20の製造方法では、後述するように、スラリー作製工程(S20)における、スラリーの粘度および固形分率の調整が重要である。 In the method for manufacturing the positive electrode 20 of this embodiment, as described later, it is important to adjust the viscosity and solid content of the slurry in the slurry production step (S20).

<ステップS30>繰り返し回数初期化
塗布工程(S40)および乾燥工程(S50)の繰り返し回数Nが、初期値の1に設定される。すなわち、本実施形態の正極の製造方法では、塗布工程(S40)および乾燥工程(S50)が、所定の回数k、繰り返し行われる。
<Step S30> Initialization of the number of repetitions The number of repetitions N of the coating process (S40) and the drying process (S50) is set to an initial value of 1. That is, in the positive electrode manufacturing method of this embodiment, the coating step (S40) and the drying step (S50) are repeatedly performed a predetermined number of times k.

<ステップS40>塗布工程
多孔板の表面にスラリーが塗布される。多孔板の表面に混合体のスラリーを滴下すると、スラリーは多孔板の内部の空間に吸い込まれていく。すなわち、スラリーは界面張力により、多孔板の孔(空隙部)の内部に浸透する。スラリーをスプレーコートしてもよい。スラリーを一度に過剰に塗布すると、多孔板の表面に広がってしまう。
<Step S40> Coating process Slurry is coated on the surface of the porous plate. When the slurry of the mixture is dropped onto the surface of the perforated plate, the slurry is sucked into the space inside the perforated plate. That is, the slurry permeates into the pores (voids) of the porous plate due to interfacial tension. The slurry may also be spray coated. If too much slurry is applied at once, it will spread over the surface of the perforated plate.

実施形態の製造方法では、1回にコーティングするスラリーの量は予め設定される。例えば、硫黄担持量が、15mg/cmの正極20を、6回塗布によって製造する場合には、1回の塗布による硫黄担持量が、2.5mg/cmとなるようにスラリーが調整される。なお、1回の塗布による硫黄担持量は、3mg/cm以下が好ましい。 In the manufacturing method of the embodiment, the amount of slurry coated at one time is set in advance. For example, when producing the positive electrode 20 with a sulfur loading of 15 mg/cm 2 by coating six times, the slurry is adjusted so that the sulfur loading in one coating is 2.5 mg/cm 2 . Ru. Note that the amount of sulfur supported by one coating is preferably 3 mg/cm 2 or less.

硫黄量(担持量)は、(塗布/乾燥)工程の前後の重量測定から算出される。 The amount of sulfur (supported amount) is calculated from weight measurements before and after the (coating/drying) process.

多孔板の比表面積は、1500m/m以上が好ましく、3000m/m以上が特に好ましい。広い表面積を得るために、多孔板は、気孔率が50%以上で、連続気孔を有し、さらに、閉気孔をほとんど含まないことが好ましい。なお、空孔率が98%超の多孔板は機械的強度が弱く取り扱いが容易ではない。 The specific surface area of the perforated plate is preferably 1500 m 2 /m 3 or more, particularly preferably 3000 m 2 /m 3 or more. In order to obtain a large surface area, the porous plate preferably has a porosity of 50% or more, has continuous pores, and contains almost no closed pores. Note that a porous plate with a porosity of more than 98% has weak mechanical strength and is not easy to handle.

二次元表面を有する平板の表面積は平面視寸法に比例する。これに対して三次元網目構造を有する多孔板の表面積は、平面視寸法(外面面積)および厚さに比例する。多孔板の表面積は、同じ平面視寸法の二次元表面を有する平板の表面積の2倍以上が好ましく、5倍以上が特に好ましい。なお、技術的な観点から多孔板の表面積は、同じ平面視寸法の二次元表面を有する平板の表面積の100倍以下である。 The surface area of a flat plate having a two-dimensional surface is proportional to its planar dimension. On the other hand, the surface area of a porous plate having a three-dimensional network structure is proportional to the planar dimension (outer surface area) and thickness. The surface area of the perforated plate is preferably twice or more, particularly preferably 5 times or more, the surface area of a flat plate having a two-dimensional surface with the same dimensions in plan view. Note that from a technical standpoint, the surface area of the perforated plate is 100 times or less the surface area of a flat plate having a two-dimensional surface with the same dimensions in plan view.

比表面積は、例えば、静電容量法によって測定される。静電容量法は、試料の静電容量が表面積に比例することを利用する測定方法である。表面積が既知の金属板等を複数枚用意し、それぞれの静電容量を測定する。そして、「静電容量」対「面積」の検量線を作成することで、試料の表面積が検量法により算出される。一方、気孔率は、試料の比重と体積とから算出される。 The specific surface area is measured, for example, by a capacitance method. The capacitance method is a measurement method that utilizes the fact that the capacitance of a sample is proportional to its surface area. Prepare multiple metal plates with known surface areas and measure the capacitance of each. Then, by creating a calibration curve of "capacitance" versus "area", the surface area of the sample is calculated by the calibration method. On the other hand, the porosity is calculated from the specific gravity and volume of the sample.

多孔板には、発泡金属、金属不織布、金属繊維集合体、または金属粒子集合体等を用いることができる。多孔板は、例えば、発泡樹脂の孔の内面(壁面)に金属層をコーティングした後、発泡樹脂を分解することで作製される。発泡樹脂としては、気孔率が高く、セル径の均一性が高く、熱分解性に優れている発泡ウレタンが好ましい。金属層がニッケルの場合には、発泡樹脂の孔の壁面にカーボン粉末等を塗布して導電化処理したり、ダイレクトめっき法を用いたりして、ニッケルめっき膜がコーティングされる。水溶液を用いた電気めっき法により成膜困難な金属層、例えばアルミニウム層は、溶融塩浴を用いた電気めっき法により行われる。 Foamed metal, metal nonwoven fabric, metal fiber aggregate, metal particle aggregate, or the like can be used for the porous plate. The porous plate is produced, for example, by coating the inner surfaces (wall surfaces) of holes in a foamed resin with a metal layer and then decomposing the foamed resin. As the foamed resin, urethane foam is preferred because it has high porosity, high uniformity of cell diameter, and excellent thermal decomposition properties. When the metal layer is nickel, a nickel plating film is applied by coating the walls of the holes in the foamed resin with carbon powder or the like to make them conductive, or by using a direct plating method. Metal layers that are difficult to form by electroplating using an aqueous solution, such as aluminum layers, are formed by electroplating using a molten salt bath.

<ステップS45>ブロー工程
より効率的に多孔板の深部にスラリーを侵透するためには、多孔板の表面に気体を吹き付けることが好ましい。
<Step S45> Blow Step In order to more efficiently penetrate the slurry deep into the perforated plate, it is preferable to blow gas onto the surface of the perforated plate.

例えば、コンプレッサで加圧した空気、または、窒素ガスが、スプレーノズルを用いて、多孔板に吹き付けられる。 For example, compressed air or nitrogen gas is sprayed onto the perforated plate using a spray nozzle.

<ステップS50>乾燥工程
スラリーの乾燥温度は溶剤の沸点よりも、低く設定される。溶媒が水の場合には、例えば、乾燥温度は、75℃である。このため、溶剤は急激に蒸発することなく、正極活物質が多孔板の内部の壁面に層状に配設される。もちろん、乾燥工程において、徐々に温度を上昇し、最終的に溶剤の沸点以上にまで加熱されてもよい。しかし、少なくとも溶剤の90重量%以上が蒸発するまでは乾燥温度は沸点以下に保持されることが好ましい。
<Step S50> Drying process The drying temperature of the slurry is set lower than the boiling point of the solvent. When the solvent is water, the drying temperature is, for example, 75°C. Therefore, the positive electrode active material is arranged in a layered manner on the inner wall surface of the porous plate without the solvent evaporating rapidly. Of course, in the drying process, the temperature may be gradually increased to finally reach the boiling point of the solvent or higher. However, it is preferred that the drying temperature be maintained below the boiling point until at least 90% by weight of the solvent has evaporated.

<ステップS60、ステップS70>繰り返し
所定の回数kになるまで、塗布工程S40から乾燥工程S50が、繰り返し行われる。繰り返し回数kは、2回以上50回以下であることが好ましく、特に好ましくは、3回以上10回以下である。
<Step S60, Step S70> Repetition The coating step S40 to the drying step S50 are repeatedly performed until a predetermined number k is reached. The number of repetitions k is preferably 2 times or more and 50 times or less, particularly preferably 3 times or more and 10 times or less.

繰り返し回数kが、前記下限以上であれば、広い表面積の正極を得ることができる。また、繰り返し回数kが、前記上限以下であれば、生産性が低下することがない。 If the number of repetitions k is equal to or greater than the lower limit, a positive electrode with a large surface area can be obtained. Moreover, if the number of repetitions k is equal to or less than the upper limit, productivity will not decrease.

図5に、本製造方法によって作製された圧縮前の正極の写真を示す。比較のため、1回の塗布によって同じ硫黄担持量とした正極の写真を図6に示す。 FIG. 5 shows a photograph of the positive electrode before compression produced by the present production method. For comparison, FIG. 6 shows a photograph of a positive electrode with the same amount of sulfur supported by one application.

図5に示す本製造方法によって作製された圧縮前の正極の表面には複数の開口がある。図4に示した多孔板の表面の写真と比べると、孔の壁面に正極活物質が塗布されていることがわかる。これに対して、図6に示す比較例の正極の表面には、ひび割れの溝だけがある。 There are a plurality of openings on the surface of the positive electrode before compression manufactured by the present manufacturing method shown in FIG. When compared with the photograph of the surface of the porous plate shown in FIG. 4, it can be seen that the positive electrode active material is applied to the walls of the holes. In contrast, there are only crack grooves on the surface of the positive electrode of the comparative example shown in FIG.

<ステップS80>圧縮工程
図5に示した正極(70mm角)が、プレス装置(圧力:90kN)によって圧縮される。例えば、1mm厚の厚さの正極が、0.4mm厚の正極20に圧縮される。圧縮条件は、厚さが75%以下となることが好ましく、50%以下が特に好ましい。
<Step S80> Compression step The positive electrode (70 mm square) shown in FIG. 5 is compressed by a press device (pressure: 90 kN). For example, a 1 mm thick positive electrode is compressed into a 0.4 mm thick positive electrode 20. The compression conditions are such that the thickness is preferably 75% or less, particularly preferably 50% or less.

厚さ変化が前記範囲以下であれば、電池1は、体積当たりのエネルギー密度が高くなり、小型化できる。さらに、正極20に含まれる電解液が少ないため、電池1は、重量当たりのエネルギー密度が高くなり、軽量化できる。さらに、活物質の表面と多孔板との距離が短くなるため、密着性が向上する。さらに、電子伝導性が向上するため、高電流における充放電特性(レート特性)が改善する。 When the thickness change is within the above range, the battery 1 has a high energy density per volume and can be miniaturized. Furthermore, since the positive electrode 20 contains less electrolyte, the battery 1 has a higher energy density per weight, and can be made lighter. Furthermore, since the distance between the surface of the active material and the porous plate is shortened, adhesion is improved. Furthermore, since the electron conductivity is improved, the charge/discharge characteristics (rate characteristics) at high currents are improved.

図7に示すように、本実施形態の正極20の表面には、大きな開口がある。具体的には、面積が100μm以上の開口が、0.2個/mm以上ある。そして、正極20の表面の開口率は、5%以上である。 As shown in FIG. 7, the surface of the positive electrode 20 of this embodiment has a large opening. Specifically, there are 0.2 or more openings/mm 2 or more with an area of 100 μm 2 or more. The aperture ratio of the surface of the positive electrode 20 is 5% or more.

図6に示した正極を正極20と同じ条件にて圧縮加工した正極を、図8に示す。表面に開口はない。このため、図8に示す比較例の正極では、正極として作用する面積は、二次元表面の表面積と略同じである。これに対して正極20の比表面積は、100m/mであり、平板正極0の比表面積(1m/m)の100倍であった。正極20の比表面積が、10m/m以上であれば、電池のエネルギー密度改善効果が顕著である。 A positive electrode obtained by compressing the positive electrode shown in FIG. 6 under the same conditions as the positive electrode 20 is shown in FIG. There are no openings on the surface. Therefore, in the positive electrode of the comparative example shown in FIG. 8, the area that acts as a positive electrode is approximately the same as the surface area of the two-dimensional surface. On the other hand, the specific surface area of the positive electrode 20 was 100 m 2 /m 3 , which was 100 times the specific surface area of the flat positive electrode 0 (1 m 2 /m 3 ). If the specific surface area of the positive electrode 20 is 10 m 2 /m 3 or more, the effect of improving the energy density of the battery is significant.

製造された正極20を用いて電池1が作製される。例えば、アルゴン雰囲気下のグローブボックス内で、正極20に電解液を滴下してから、正極20の上にセパレータ30が配設される。セパレータ30に電解液を適量加えてから、60℃で60分間保持することによって電解液をセパレータ30に浸漬させた。 A battery 1 is manufactured using the manufactured positive electrode 20. For example, an electrolytic solution is dropped onto the positive electrode 20 in a glove box under an argon atmosphere, and then the separator 30 is disposed on the positive electrode 20 . After adding an appropriate amount of electrolyte to the separator 30, the separator 30 was immersed in the electrolyte by holding at 60° C. for 60 minutes.

セパレータ30としては、例えば、電解液を吸収保持するガラス繊維製セパレータ、樹脂からなる多孔シートおよび不織布を挙げることができる。多孔シートは、例えば、多孔樹脂で構成される。 Examples of the separator 30 include a glass fiber separator that absorbs and retains electrolyte, a porous sheet made of resin, and a nonwoven fabric. The porous sheet is made of, for example, porous resin.

多孔シートを構成する樹脂としては、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)などのポリオレフィン;PP/PE/PPの3層構造をした積層体、ポリイミド、アラミドなどが挙げられる。特にポリオレフィン系微多孔セパレータおよびガラス繊維製セパレータは、有機溶媒に対して化学的に安定であり、電解液との反応性を低く抑えることができることから、多孔シートとして好ましい。 Examples of the resin constituting the porous sheet include polyolefins such as polyethylene (PE) and polypropylene (PP); a laminate having a three-layer structure of PP/PE/PP, polyimide, and aramid. In particular, polyolefin-based microporous separators and glass fiber separators are preferred as porous sheets because they are chemically stable to organic solvents and can suppress reactivity with electrolytes.

電池1では、セパレータ30は、厚さ25μmのポリプロピレン多孔シートである。多孔シートであるセパレータの厚みは限定されないが、車両のモータ駆動用二次電池の用途においては、単層または多層で全体の厚みは4μm~60μmであることが好ましい。また、多孔シートからなるセパレータの微細孔の内径は、最大で10μm以下であり(通常は、10nm~100nm程度)、空孔率は20%~80%であることが好ましい。 In battery 1, separator 30 is a porous polypropylene sheet with a thickness of 25 μm. The thickness of the separator, which is a porous sheet, is not limited, but for use as a secondary battery for driving a vehicle motor, it is preferably a single layer or multilayer with a total thickness of 4 μm to 60 μm. Further, the inner diameter of the micropores of the separator made of a porous sheet is preferably 10 μm or less at maximum (usually about 10 nm to 100 nm), and the porosity is preferably 20% to 80%.

電解液は、リチウム塩1モルを、G1(モノグライム)0.5モルおよびG3(トリグライム)0.5モルからなる溶媒に溶解し、添加溶媒であるハイドロフルオロエーテル(HFE:HFCFCHC-O-CFCFH)4モルにて希釈したグライム系溶媒和イオン液体である。リチウム塩は、Li-TFSI(リチウム(トリフルオロメタンスルフォニル)イミドである。 The electrolytic solution was prepared by dissolving 1 mol of lithium salt in a solvent consisting of 0.5 mol of G1 (monoglyme) and 0.5 mol of G3 (triglyme), and adding hydrofluoroether (HFE: HF 2 CF 2 CH 2 ) as an added solvent. This is a glyme-based solvated ionic liquid diluted with 4 moles of CO-CF 2 CF 2 H). The lithium salt is Li-TFSI (lithium (trifluoromethanesulfonyl)imide).

電解液の溶媒としては、ジメトキシエタン、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシド、ブチロラクトン、およびスルホラン等のリチウム二次電池用として一般的な非プロトン性有機溶媒を用いる。電解液に替えて固体電解質を用いてもよい。 As the solvent for the electrolytic solution, aprotic organic solvents commonly used for lithium secondary batteries, such as dimethoxyethane, acetonitrile, tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, butyrolactone, and sulfolane, are used. A solid electrolyte may be used instead of the electrolytic solution.

正極20の上のセパレータ30に負極40を配設し、さらに電解液を注入した後、ラミネートパック50の中に封入することによって、図1に示す構造の電池1を作製した。 The battery 1 having the structure shown in FIG. 1 was produced by disposing the negative electrode 40 on the separator 30 above the positive electrode 20, and then injecting an electrolyte and enclosing it in a laminate pack 50.

負極40は、厚さ8μmの銅板を芯材とする60μmの金属リチウム板である。負極としては、リチウム、リチウム合金、リチウムを吸蔵脱離可能な炭素からなる群から選択される1以上の負極活物質を含んでいればよい。負極に含まれる負極活物質は、リチウムイオンを吸蔵脱離する。 The negative electrode 40 is a 60 μm metal lithium plate having a core material of an 8 μm thick copper plate. The negative electrode may contain at least one negative electrode active material selected from the group consisting of lithium, lithium alloy, and carbon capable of intercalating and deintercalating lithium. The negative electrode active material contained in the negative electrode absorbs and desorbs lithium ions.

なお、電池1Aの製造方法では、正極20、セパレータ30、および、負極40の配設が、繰り返し行われる。 In addition, in the manufacturing method of 1 A of batteries, arrangement|positioning of the positive electrode 20, the separator 30, and the negative electrode 40 is performed repeatedly.

<電池の特性>
上記方法で作製した実施形態の電池1の特性評価結果を以下に示す。充放電評価は、カットオフ電位を、1.0V-3.3V(vs.Li/Li+)、充放電速度を0.01C、電流密度1.52mA/cmとした。
<Battery characteristics>
The characteristics evaluation results of the battery 1 of the embodiment produced by the above method are shown below. For the charge/discharge evaluation, the cutoff potential was 1.0V-3.3V (vs. Li/Li + ), the charge/discharge rate was 0.01C, and the current density was 1.52 mA/cm 2 .

図9に示すように、電池1の5サイクル後の容量は、1167mAh/g-Sであった。なお、上記容量は、正極20の硫黄担持量で規定した容量である。電池の容量は、担持している硫黄量に比例する。すでに説明したように正極20の硫黄担持量が、15mg/cmであり、同じ平面視寸法の平板正極(硫黄担持量0.3mg/cm)の10倍以上である。このため、電池1の正極20の平面面積で規定した容量(エネルギー密度)は、平板集電体を有する電池の10倍以上である。 As shown in FIG. 9, the capacity of battery 1 after 5 cycles was 1167 mAh/g-S. Note that the above capacity is defined by the amount of sulfur supported on the positive electrode 20. The capacity of a battery is proportional to the amount of sulfur it carries. As already explained, the amount of sulfur supported on the positive electrode 20 is 15 mg/cm 2 , which is more than 10 times that of the flat positive electrode (supported amount of sulfur: 0.3 mg/cm 2 ) having the same dimensions in plan view. Therefore, the capacity (energy density) defined by the planar area of the positive electrode 20 of the battery 1 is 10 times or more that of a battery having a flat plate current collector.

なお、6層の正極20を含む正極積層体を具備する電池1Aが、電池1の6倍の容量を有することは言うまでも無い。例えば、電池1Aは、正極積層体の硫黄担持量が、15.4mg/cmであり、総容量5.3Ah、重量エネルギー密度269Wh/kg、体積エネルギー密度430Wh/Lであった。 It goes without saying that the battery 1A, which includes a positive electrode laminate including six layers of positive electrodes 20, has a capacity six times that of the battery 1. For example, in battery 1A, the amount of sulfur supported in the positive electrode laminate was 15.4 mg/cm 2 , the total capacity was 5.3 Ah, the gravimetric energy density was 269 Wh/kg, and the volumetric energy density was 430 Wh/L.

なお、正極20の比表面積を、10m/m以上とするためには、スラリーの粘度(25℃)が、2mPa/s以上70mPa/s以下となるように溶媒量が調整されることが好ましい。さらに、スラリーの固形分率は、10wt%以上20wt%以下であることが好ましい。 In addition, in order to make the specific surface area of the positive electrode 20 10 m 2 / m 3 or more, the amount of solvent may be adjusted so that the viscosity (25° C.) of the slurry is 2 mPa/s or more and 70 mPa/s or less. preferable. Further, the solid content of the slurry is preferably 10 wt% or more and 20 wt% or less.

本発明は、上述した実施形態および変形例に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更、組み合わせ、および応用が可能であることは勿論である。 It goes without saying that the present invention is not limited to the embodiments and modifications described above, and that various modifications, combinations, and applications can be made without departing from the spirit of the invention.

1、1A・・・二次電池
20・・・正極
30・・・セパレータ
40・・・負極
50・・・ラミネートパック
1, 1A... Secondary battery 20... Positive electrode 30... Separator 40... Negative electrode 50... Laminate pack

Claims (6)

炭素粒子と硫黄とを、硫黄の融点以上の温度において混合し、混合体を作製する工程と、
前記混合体にバインダーと溶媒とを加えてスラリーを作製する工程と、
多孔板に前記スラリーをコーティングする塗布工程と、
前記溶媒を蒸発する乾燥工程と、
前記多孔板をプレス加工し、厚さを75%以下とする圧縮工程と、を上記順序に具備し、
前記塗布工程から前記乾燥工程が、繰り返し行われることを特徴とする二次電池の正極の製造方法。
A step of mixing carbon particles and sulfur at a temperature higher than the melting point of sulfur to produce a mixture;
Adding a binder and a solvent to the mixture to create a slurry;
a coating step of coating a porous plate with the slurry;
a drying step of evaporating the solvent;
a compression step of pressing the porous plate to a thickness of 75% or less, in the above order,
A method for manufacturing a positive electrode for a secondary battery, characterized in that the coating step to the drying step are repeatedly performed.
前記塗布工程と前記乾燥工程との間に、前記多孔板に気体を吹き付けるブロー工程を更に具備することを特徴とする請求項1に記載の二次電池の正極の製造方法。 2. The method for manufacturing a positive electrode for a secondary battery according to claim 1, further comprising a blowing step of blowing gas onto the porous plate between the coating step and the drying step. 前記正極の硫黄担持量が、5mg/cm以上であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の二次電池の正極の製造方法。 The method for manufacturing a positive electrode for a secondary battery according to claim 1 or 2, wherein the amount of sulfur supported on the positive electrode is 5 mg/cm 2 or more. 正極が、多孔板と、前記多孔板の内部の壁面に配設されている正極活物質と、電解質と、を有し、
前記正極活物質は、硫黄が含浸した炭素粒子と、バインダーと、を含み、
前記正極の硫黄担持量が、5mg/cm以上であり、
前記正極の表面に、面積が100μm以上の開口が、0.2個/mm以上あることを特徴とする二次電池。
The positive electrode includes a perforated plate, a positive electrode active material disposed on an inner wall surface of the perforated plate, and an electrolyte,
The positive electrode active material includes sulfur-impregnated carbon particles and a binder,
The amount of sulfur supported on the positive electrode is 5 mg/cm 2 or more,
A secondary battery characterized in that the surface of the positive electrode has 0.2 or more openings/mm 2 or more with an area of 100 μm 2 or more.
前記正極の前記表面の開口率が、5%以上であることを特徴とする請求項4に記載の二次電池。 The secondary battery according to claim 4, wherein the surface of the positive electrode has an aperture ratio of 5% or more. 複数の正極を含む正極積層体を有することを特徴とする請求項5に記載の二次電池。 The secondary battery according to claim 5, comprising a positive electrode laminate including a plurality of positive electrodes.
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