JP7402838B2 - 負極板の製造方法 - Google Patents

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本発明は、集電箔上に、鱗片状黒鉛粒子及びバインダ樹脂を含む活物質層を備える負極板、この負極板を備えるリチウムイオン二次電池、及び、この負極板の製造方法に関する。
リチウムイオン二次電池(以下、単に「電池」ともいう)に用いられる負極板として、集電箔上に、鱗片状黒鉛粒子(負極活物質粒子)及びバインダ樹脂を含む活物質層が形成された負極板が知られている。このような負極板は、例えば以下の手法により製造する。即ち、鱗片状黒鉛粒子、バインダ樹脂からなるバインダ粒子及び分散媒を混合し、鱗片状黒鉛粒子を分散媒に分散させると共にバインダ粒子を分散媒に溶解させた活物質ペーストを予め得ておく。そして、この活物質ペーストを集電箔上に塗布して、集電箔上に未乾燥活物質層を形成する。その後、この未乾燥活物質層に熱風を吹き付け加熱乾燥させて、活物質層を形成する。これにより、分散媒中に溶解していたバインダ樹脂が析出して、この析出したバインダ樹脂によって鱗片状黒鉛粒子同士及び鱗片状黒鉛粒子と集電箔とが結着する。以下では、この負極板の製造方法を「従来製法」ともいう。なお、この従来製法に関連する従来技術として、例えば特許文献1が挙げられる。
特開2020-087569号公報
しかしながら、上述の従来製法では、分散媒を含む活物質ペーストを用いているため、分散媒を除去するべく、未乾燥活物質層を加熱乾燥させる工程が必要である。このため、負極板の生産性が低く、負極板が高価になる。
ところで、鱗片状黒鉛粒子は、概ね、一対の主面(ベーサル面)と、ベーサル面同士の間を結んでベーサル面に略直交するエッジ面とを含む扁平状の形態を有する。電池において、リチウムイオンは、鱗片状黒鉛粒子のうち主にエッジ面を通じて、粒子外部から粒子内部に挿入され、或いは粒子内部から粒子外部へ放出される。このため、エッジ面が活物質層の表面を向くように立ち上がった姿勢で活物質層内に配置された鱗片状黒鉛粒子が多く、ベーサル面が活物質層の表面を向くように横に寝た姿勢で活物質層内に配置された鱗片状黒鉛粒子が少ないほど、リチウムイオンが活物質層の外部から内部にスムーズに挿入され易く、或いは活物質層の内部から外部にスムーズに放出され易い。従って、このような活物質層を有する負極板を用いて電池を製造すれば、電池抵抗を低くできる。
しかし、上述の従来製法では、多くの鱗片状黒鉛粒子は、ベーサル面が活物質層の表面を向く、いわゆる横に寝た姿勢で活物質層内に配置されてしまう。活物質ペーストを集電箔上に塗布する際に、鱗片状黒鉛粒子は、一対のベーサル面が集電箔の主面と平行になるように横に寝た姿勢で配置され易い。また、活物質ペーストの塗工時には、立ち上がった姿勢で配置された鱗片状黒鉛粒子でも、その後の熱風の吹き付けにより倒れて、横に寝た姿勢になり易いなどの理由が考えられる。このような活物質層は、リチウムイオンが活物質層内に挿入され難く、活物質層から放出され難いため、この負極板を用いて電池を製造すると、電池抵抗が高くなる。
このように、上述の従来製法で製造される負極板は、高価で、かつ電池抵抗が高くなる課題があった。
本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、安価で、かつ電池抵抗を低くできる負極板の製造方法を提供するものである。
まず、集電箔と、上記集電箔上に形成され、鱗片状黒鉛粒子及びバインダ樹脂を含み、上記鱗片状黒鉛粒子同士及び上記鱗片状黒鉛粒子と上記集電箔とが、熱溶融した上記バインダ樹脂によって結着され、XRD分析によるピーク強度比Rpが130以下(Rp≦130)である活物質層と、を備える負極板とするのが好ましい
上述の負極板は、活物質層をなす鱗片状黒鉛粒子同士及び鱗片状黒鉛粒子と集電箔とが、熱溶融したバインダ樹脂によって結着されている。このような活物質層は、前述の従来製法のように分散媒を含む活物質ペーストを用いることなく、乾式でバインダ樹脂からなるバインダ粒子を熱溶融させることにより形成できる。従って、分散媒を除去するための加熱乾燥工程が不要であり、従来製法に比べて、負極板の生産性が高く、負極板を安価にできる。
更に、上述の負極板の活物質層は、XRD分析によるピーク強度比Rpが130以下である。なお、「ピーク強度比Rp」とは、以下の手法で得られる値である。即ち、負極板の活物質層について、CuKα線を用いたX線回折(XRD)測定を行う。(004)面の存在を示すピークは回折角2θ=54.6deg付近に、(110)面の存在を示すピークは回折角2θ=77.5deg付近にそれぞれ現れる。(004)面のピーク強度(カウント数)P(004)を(110)面のピーク強度(カウント数)P(110)で除して、ピーク強度比Rp(=P(004)/P(110))を算出する。
(004)面のピーク強度P(004)が大きいほど、ベーサル面が活物質層の表面を向く横に寝た姿勢の鱗片状黒鉛粒子が多く、(110)面のピーク強度P(110)が大きいほど、エッジ面が活物質層の表面を向く立ち上がった姿勢の鱗片状黒鉛粒子が多いことが判っている。前述の従来製法で製造した負極板の活物質層では、後述するように、例えばピーク強度比Rpが180を超える。
これに対し、上述の負極板の活物質層は、ピーク強度比Rpが130以下であるため、従来製法で得られる負極板の活物質層に比して、ベーサル面が活物質層の表面を向く横に寝た姿勢の鱗片状黒鉛粒子が少なく、エッジ面が活物質層の表面を向く立ち上がった姿勢の鱗片状黒鉛粒子が多くなっている。このような活物質層は、リチウムイオンが活物質層内に挿入され易く、活物質層から放出され易いため、この活物質層を有する負極板を用いて電池を製造すれば、電池抵抗を低くできる。
このように、上述の負極板は、安価な負極板で、かつ電池抵抗を低くできる。
なお、「鱗片状黒鉛粒子」とは、鱗片状黒鉛粒子の厚みt(ベーサル面に直交する方向の粒子厚み)に対する鱗片状黒鉛粒子の最大径dであるアスペクト比(d/t)が5以上の黒鉛粒子をいう。このアスペクト比(d/t)は、走査型電子顕微鏡を用いて個々の黒鉛粒子を拡大観察して個々の黒鉛粒子のアスペクト比(d/t)をそれぞれ測定し、複数の黒鉛粒子のアスペクト比(d/t)の平均を算出して求める。
また、上記の負極板を備えるリチウムイオン二次電池とするのが好ましい
上述のリチウムイオン二次電池は、前述した負極板を備えるため、電池を安価にできると共に、電池抵抗を低くできる。
前述の課題を解決するための本発明の一態様は、集電箔と、上記集電箔上に形成され、鱗片状黒鉛粒子及びバインダ樹脂を含み、上記鱗片状黒鉛粒子同士及び上記鱗片状黒鉛粒子と上記集電箔とが、熱溶融した上記バインダ樹脂によって結着され、XRD分析によるピーク強度比Rpが130以下(Rp≦130)である活物質層と、を備える負極板の製造方法であって、分散媒を用いることなく乾式で、上記集電箔上に、上記鱗片状黒鉛粒子に上記バインダ樹脂からなるバインダ粒子が付着した複合活物質粒子が堆積した、未圧縮の未圧縮活物質層を形成する未圧縮層形成工程と、上記未圧縮活物質層及び上記集電箔を加熱プレスして、上記鱗片状黒鉛粒子同士及び上記鱗片状黒鉛粒子と上記集電箔とを、熱溶融した上記バインダ樹脂で結着すると共に、上記鱗片状黒鉛粒子を上記ピーク強度比Rpが130以下となる配置とした上記活物質層を形成するプレス工程と、を備え、上記未圧縮層形成工程で上記未圧縮活物質層を形成した後、上記プレス工程で上記未圧縮活物質層を加熱プレスするまで、上記未圧縮活物質層に磁場を付与せず、前記未圧縮層形成工程は、前記複合活物質粒子を成膜領域に供給する供給工程と、上記成膜領域において、静電気力により、上記複合活物質粒子を上記集電箔に向けて飛ばし、上記集電箔上に上記複合活物質粒子を堆積させて前記未圧縮活物質層を形成する静電堆積工程と、を有する負極板の製造方法である。但し、上記ピーク強度比Rpは、上記負極板の上記活物質層について、CuKα線を用いたX線回折(XRD)測定を行い、回折角2θ=54.6deg付近に現れる(004)面の存在を示すピークのピーク強度(カウント数)P(004)を、回折角2θ=77.5deg付近に現れる(110)面の存在を示すピークのピーク強度(カウント数)P(110)で除した値(P(004)/P(110))である。
上述の負極板の製造方法では、上述の未圧縮層形成工程及びプレス工程を備えるので、活物質ペーストを用いることなく、乾式で活物質層を形成できる。従って、分散媒を除去するための加熱乾燥工程が不要であり、前述の従来製法に比べて、負極板の生産性が高く、負極板を安価に製造できる。
更に、上述の製造方法では、XRD分析によるピーク強度比Rpが130以下である活物質層を形成する。この活物質層は、前述のように、従来製法で得られる負極板の活物質層に比して、リチウムイオンが活物質層内に挿入され易く、活物質層から放出され易いため、この活物質層を有する負極板を用いて電池を製造すれば、電池抵抗を低くできる。
このように、上述の製造方法によれば、安価でかつ電池抵抗を低くできる負極板を製造できる。
更に、上述の負極板の製造方法では、未圧縮層形成工程において、複合活物質粒子を成膜領域に供給し(供給工程)、静電気力によって複合活物質粒子を集電箔上に堆積させて未圧縮活物質層を形成する(静電堆積工程)。このようにすることで、未圧縮活物質層を容易に形成できる。
供給工程で、複合活物質粒子を成膜領域に供給する手法としては、例えば、複合活物質粒子を磁性キャリア粒子に静電吸着させて複合キャリア粒子を形成し、この複合キャリア粒子を成膜領域に供給することによって、複合活物質粒子を成膜領域に供給する手法が挙げられる。また、ロールやベルト上に複合活物質粒子を層状に配置し、ロールやベルトの進行により、複合活物質粒子を成膜領域に供給する手法を採用することもできる。
更に、上記の負極板の製造方法であって、前記未圧縮層形成工程は、更に、前記複合活物質粒子を磁性キャリア粒子に静電吸着させた複合キャリア粒子を、マグネットロールのロール表面に磁気吸着させる磁気吸着工程を有し、前記供給工程は、上記マグネットロールの回転により、上記ロール表面に磁気吸着させた上記複合キャリア粒子を、前記成膜領域に供給するキャリア供給工程であり、前記静電堆積工程は、上記成膜領域において、上記複合キャリア粒子のうち上記複合活物質粒子を前記集電箔に向けて飛ばす負極板の製造方法とするのが好ましい。
上述の負極板の製造方法では、未圧縮層形成工程は、上述の磁気吸着工程及びキャリア供給工程を有しており、磁性キャリア粒子及びマグネットロールを用いて複合活物質粒子を成膜領域に供給する。このようにすることで、未圧縮活物質層を容易に形成できる。
実施形態に係る電池の斜視図である。 実施形態に係る負極板の斜視図である。 実施形態に係る負極板のうち、第1活物質層の模式的な断面図である。 実施形態に係る負極板の製造方法のフローチャートである。 実施形態に係る活物質層形成装置の説明図である。 実施形態に係り、マグネットロールの下方においてロール表面に複合キャリア粒子を磁気吸着させ、マグネットロールの回転により、ロール表面上の複合キャリア粒子を上方へ移動させる様子を模試的に示す説明図である。 実施形態に係り、成膜領域において、複合キャリア粒子のうち複合活物質粒子を集電箔に向けて飛ばし、集電箔上に複合活物質粒子を堆積させる様子を模試的に示す説明図である。 実施例1~4及び比較例に係る電池の電池抵抗比を示すグラフである。
(実施形態)
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。図1に、本実施形態に係る電池(リチウムイオン二次電池)100の斜視図を示す。この電池100は、ハイブリッドカーやプラグインハイブリッドカー、電気自動車等の車両などに搭載される角型で密閉型のリチウムイオン二次電池である。電池100は、電池ケース110と、この内部に収容された電極体120及び電解液115と、電池ケース110に支持された正極端子部材130及び負極端子部材140等から構成されている。
このうち電池ケース110は、アルミニウムからなる直方体箱状であり、上側のみが開口した有底角筒状のケース本体部材111と、このケース本体部材111の開口を閉塞する形態で溶接された矩形板状のケース蓋部材113とから構成されている。ケース蓋部材113には、正極端子部材130及び負極端子部材140が、それぞれケース蓋部材113と電気的に絶縁された状態で固設されている。
電極体120は、扁平状をなし、横倒しにした状態で電池ケース110内に収容されている。この電極体120は、帯状の正極板121と帯状の負極板1とを、帯状の一対のセパレータ125を介して互いに重ね、軸線周りに扁平状に捲回したものである。
このうち正極板121は、帯状のアルミニウム箔からなる集電箔と、この集電箔の両主面上にそれぞれ形成された活物質層とを有する。これらの活物質層は、それぞれ、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な正極活物質粒子と、導電粒子と、バインダ樹脂とから構成されている。本実施形態では、正極活物質粒子はリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物粒子であり、導電粒子はアセチレンブラック(AB)粒子であり、バインダ樹脂はポリフッ化ビニリデン(PVDF)である。
次に、本実施形態に係る負極板1について説明する。図2に負極板1の斜視図を、図3に負極板1のうち第1活物質層5の模式的な断面図を示す。なお、以下では、負極板1の長手方向EH、幅方向FH及び厚み方向GHを、図2及び図3に示す方向と定めて説明する。この負極板1は、長手方向EHに延びる帯状で、厚み8μmの銅箔からなる集電箔3を有する。この集電箔3の第1主面3aのうち、幅方向FHの一方側(図2中、左斜め上方)でかつ長手方向EHに延びる領域上には、厚み60μmの第1活物質層5(以下、単に「活物質層5」ともいう)が帯状に形成されている。また、集電箔3の反対側の第2主面3bのうち、幅方向FHの一方側でかつ長手方向EHに延びる領域上にも、厚み60μmの第2活物質層6(以下、単に「活物質層6」ともいう)が帯状に形成されている。負極板1のうち幅方向FHの他方側(図2中、右斜め下方)は、厚み方向GHに活物質層5,6が存在せず、集電箔3が厚み方向GHに露出した露出部1rとなっている。
活物質層5,6は、それぞれ、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な負極活物質粒子である鱗片状黒鉛粒子11と、バインダ樹脂13とから構成されている。本実施形態では、バインダ樹脂13はPVDFである。鱗片状黒鉛粒子11及びバインダ樹脂13の重量割合は、活物質粒子:バインダ樹脂=95:5である。活物質層5,6を構成する鱗片状黒鉛粒子11同士、及び、鱗片状黒鉛粒子11と集電箔3とは、熱溶融したバインダ樹脂13によって結着されている。
また、これらの活物質層5,6は、XRD分析によるピーク強度比Rpが130以下、具体的には、ピーク強度比RpがRp=23である。なお、ピーク強度比Rpは、株式会社リガクの試料水平型多目的X線回折装置:UltimaIVを用いてXRD分析を行い、前述の手法によって求めた。
活物質層5,6を構成する各々の鱗片状黒鉛粒子11は、概ねランダムな姿勢で配置されている。即ち、エッジ面11Eが活物質層5,6の厚み方向GHを向き、ベーサル面11Bが活物質層5,6の表面5m,6mに沿う(厚み方向GHに直交する)平面方向MHを向く姿勢で配置された鱗片状黒鉛粒子11や、ベーサル面11Bが活物質層5,6の厚み方向GHを向き、エッジ面11Eが平面方向MHを向く姿勢で配置された鱗片状黒鉛粒子11、エッジ面11E及びベーサル面11Bがそれぞれ厚み方向GH及び平面方向MHに対して斜めを向く姿勢で配置された鱗片状黒鉛粒子11が、ランダムに活物質層5,6中に含まれている。
上述の負極板1は、活物質層5,6をなす鱗片状黒鉛粒子11同士及び鱗片状黒鉛粒子11と集電箔3とが、熱溶融したバインダ樹脂13によって結着されている。このような活物質層5,6は、従来製法のように分散媒を含む活物質ペーストを用いることなく、後述するように、乾式でバインダ樹脂13からなるバインダ粒子13Pを熱溶融させることにより形成できる。従って、分散媒を除去するための加熱乾燥工程が不要であり、従来製法に比べて、負極板1の生産性が高く、負極板1を安価にできる。また、この負極板1を用いた電池100を安価にできる。
更に、負極板1の活物質層5,6は、ピーク強度比Rpが130以下であるため、従来製法で得られる負極板の活物質層に比して、ベーサル面11Bが活物質層5,6の表面5m,6mを向く横に寝た姿勢の鱗片状黒鉛粒子11が少なく、エッジ面11Eが活物質層5,6の表面5m,6mを向く立ち上がった姿勢の鱗片状黒鉛粒子11が多くなっている。このような活物質層5,6は、リチウムイオンが活物質層5,6内に挿入され易く、活物質層5,6から放出され易いため、この活物質層5,6を有する負極板1を用いた電池100では、後述するように電池抵抗Rを低くできる。
次いで、上記の負極板1の製造方法について説明する(図4~図7参照)。まず「複合活物質粉体作製工程S1」(図4参照)において、鱗片状黒鉛粒子11に、バインダ樹脂13からなるバインダ粒子13Pが付着した複合活物質粒子21が集合した複合活物質粉体22を作製する。具体的には、鱗片状黒鉛粒子11が集合した黒鉛粉体12と、バインダ粒子13P(本実施形態ではPVDF粒子)が集合したバインダ粉体14を用意する。そして、黒鉛粉体12及びバインダ粉体14を、黒鉛粉体:バインダ粉体=95:5の重量割合でミキサ(日本コークス工業株式会社のMPミキサ)に投入し、4500rpmで2分間攪拌混合する。これにより、個々の鱗片状黒鉛粒子11に複数のバインダ粒子13Pが付着した複合活物質粒子21からなり、粒度D50(メディアン径)が約10μmの複合活物質粉体22を得る。この複合活物質粉体22には、分散媒は含まない(固形分率NVが100wt%)。
次に、「静電吸着工程S2」(図4参照)において、上述の複合活物質粉体22と、磁性キャリア粒子51が集合した磁性キャリア粉体52とを混合して、複合活物質粒子21を磁性キャリア粒子51に静電吸着させた複合キャリア粒子61からなる複合キャリア粉体62を得る。本実施形態では、磁性キャリア粉体52として、パウダーテック株式会社のMF96-100(粒度D50(メディアン径)は約100μm)を用いた。この静電吸着工程S2では、複合活物質粉体22及び磁性キャリア粉体52を、体積比VR(複合活物質粉体/磁性キャリア粉体)=0.4でポリ容器内に入れ、このポリ容器をポットミル回転台に乗せて105rpmで90分間混合する。これにより、複数の複合活物質粒子21が個々の磁性キャリア粒子51に静電吸着した複合キャリア粒子61からなる複合キャリア粉体62を得る。
なお、詳細な調査結果の説明は省略するが、上述の体積比VRは、0.2~0.6の範囲内とするのが好ましい。この体積比VRが0.2よりも小さいと、磁性キャリア粉体52に対して複合活物質粉体22が少なすぎるため、後述する第1未圧縮層形成工程S3及び第2未圧縮層形成工程S5において、集電箔3に向けて飛翔する複合活物質粒子21の量が少なくなり、第1未圧縮活物質層5X及び第2未圧縮活物質層6Xの目付量が少なくなる。一方、体積比VRが0.6よりも大きいと、磁性キャリア粉体52に対して複合活物質粉体22が多すぎるため、複合活物質粉体22と磁性キャリア粉体52と適切に混合できず、適切に複合キャリア粉体62を作製できない。このため、後述する第1未圧縮層形成工程S3及び第2未圧縮層形成工程S5において、均一な第1未圧縮活物質層5X及び第2未圧縮活物質層6Xを形成するのが難しくなるからである。
次に、「第1未圧縮層形成工程S3」(図4参照)において、集電箔3の第1主面3a上に、複合活物質粒子21が堆積した未圧縮の第1未圧縮活物質層5X(以下、単に「未圧縮活物質層5X」ともいう)を形成する。この第1未圧縮層形成工程S3と後述する第1プレス工程S4は、活物質層形成装置200(図5~図7参照)を用いて連続して行う。活物質層形成装置200は、集電箔3上に未圧縮活物質層5Xを形成する層形成部203と、未圧縮活物質層5X及び集電箔3を加熱プレスして、未圧縮活物質層5Xから活物質層5を形成するプレス部205とを備える。
層形成部203は、静電吸着工程S2で得た複合キャリア粉体62をマグネットロール220に供給する供給部210と、供給部210の上方に配置されたマグネットロール220と、マグネットロール220と平行に配置され、集電箔3を長手方向EHに搬送するバックアップロール230と、これらマグネットロール220及びバックアップロール230に電気的に接続する直流電源240と、磁性キャリア粒子51を回収する回収部250とを有する。
このうち供給部210は、複合キャリア粉体62を収容する容器211と、この容器211内に設けられた3つの攪拌翼213,214,215とを有しており、容器211内に投入された複合キャリア粉体62を、上方のマグネットロール220に向けて送るように構成されている。また、供給部210の容器211のうち、図5中、右上の部位には、マグネットロール220のロール表面220mに向けて突出するスキージ217が設けられている。このスキージ217は、ロール表面220m上に磁気吸着された複合キャリア粉体62を均す。
マグネットロール220は、そのロール表面220mに生じた磁力Fgによって、複合キャリア粒子61をロール表面220mに吸着可能である。また、マグネットロール220の回転により、ロール表面220mに磁気吸着させた複合キャリア粒子61を、マグネットロール220と集電箔3との間隙KB(成膜領域MR)に向けて搬送する。具体的には、マグネットロール220は、軟磁性の金属(本実施形態ではアルミニウム)からなる円筒状の金属筒221と、この金属筒221の内部に金属筒221と同軸に配置された、5極構造を有する円柱状の内部マグネット部223とを有する。
金属筒221の外周面221mは、マグネットロール220のロール表面220mをなす。この金属筒221は、これに連結されたモータ(不図示)によって、図5中、反時計回りに回転する。
一方、内部マグネット部223は、固定されており回転しない。内部マグネット部223は、外周側にN極を有する複数の磁石(第1磁石223N1及び第4磁石223N2)と、外周側にS極を有する複数の磁石(第2磁石223S1、第3磁石223S2及び第5磁石223S3)とが周方向SHに配置されている。第1磁石223N1は上方に配置されており、この第1磁石223N1から反時計回りに、第2磁石223S1、第3磁石223S2、第4磁石223N2、第5磁石223S3が配置されている。
バックアップロール230は、マグネットロール220の上方にロール間隙KAを空けて、マグネットロール220と平行に配置されており、バックアップロール230に巻きつけた集電箔3とマグネットロール220との間には、間隙KB(成膜領域MR)が形成されている。このバックアップロール230は、これに連結されたモータ(不図示)によってマグネットロール220とは反対方向(図5中、時計回り)に回転し、図5中、右斜め下方から活物質層形成装置200の層形成部203に供給される集電箔3の第2主面3bに接触して、巻きつけた集電箔3を後述するプレス部205に向けて長手方向EHに搬送する。
直流電源240は、その正極がバックアップロール230に、負極がマグネットロール220に電気的に接続され、また、バックアップロール230は接地されている。この直流電源240により、本実施形態では、マグネットロール220とバックアップロール230との間に直流電圧Vd=-800Vを掛ける。具体的には、バックアップロール230を基準(0V)として、マグネットロール220の電位を-800Vとする。これにより、マグネットロール220上の複合キャリア粒子61をなす複合活物質粒子21に静電気力Fsが掛かり、複合活物質粒子21がロール表面220mから集電箔3に向けて飛翔する。
回収部250は、マグネットロール220の図5中、左方に配置されている。この回収部250は、マグネットロール220のロール表面220mに向けて突出する回収ブレード251を有する。この回収ブレード251は、ロール表面220mに磁気吸着されている磁性キャリア粒子51を掻き取って回収する。
活物質層形成装置200のプレス部205は、ロール間隙KCを空けて平行に配置された一対のプレスロール271,272を有する。これらのプレスロール271,272は、層形成部203から搬送される集電箔3及び未圧縮活物質層5Xを、ロール間隙KCにおいて加熱プレス可能に構成されている。
次に、上述の活物質層形成装置200を用いて行う第1未圧縮層形成工程S3及び第1プレス工程S4(図4参照)について説明する(図5~図7参照)。第1未圧縮層形成工程S3は、第1磁気吸着工程S31と、第1キャリア供給工程(第1供給工程)S32と、第1静電堆積工程S33をこの順に有する。
まず「第1磁気吸着工程S31」において、静電吸着工程S2で得た複合キャリア粉体62をなす複合キャリア粒子61を、マグネットロール220のロール表面220mに磁気吸着させる。具体的には、複合キャリア粉体62を供給部210の容器211内に投入し、この複合キャリア粉体62を攪拌翼213,214,215によって上方のマグネットロール220に向けて送る。そして、マグネットロール220の下方において、複合キャリア粉体62をなす複合キャリア粒子61を、ロール表面220mに生じている磁力Fgによってロール表面220mに磁気吸着させる。
続いて、「第1キャリア供給工程S32」において、マグネットロール220(金属筒221)の回転により、下方でロール表面220mに磁気吸着させた複合キャリア粒子61を、上方に移動させて成膜領域MRに供給する。具体的には、ロール表面220m上の複合キャリア粒子61は、複数の複合キャリア粒子61が数珠繋ぎ状に並んだキャリア群71を形成する。このキャリア群71は、右斜め下方のロール表面220m上において、第4磁石223N2のN極により、ロール表面220mから立ち上がった姿勢となる。その後、キャリア群71は、第4磁石223N2と第5磁石223S3の境界近傍上を通過する際に、ロール表面220mに沿った横倒しの姿勢となる。次に、キャリア群71は、第5磁石223S3のS極により、再びロール表面220mから立ち上がった姿勢となる。その後、キャリア群71は、第5磁石223S3と第1磁石223N1との境界近傍上を通過する際に、再びロール表面220mに沿った横倒しの姿勢となる。そして、キャリア群71は、成膜領域MRに供給される。
続いて、「第1静電堆積工程S33」において、成膜領域MRにおいて、マグネットロール220と集電箔3との間に印加した直流電圧Vdにより、複合キャリア粒子61のうち複合活物質粒子21を集電箔3に向けて飛ばし、集電箔3上に複合活物質粒子21を堆積させて未圧縮活物質層5Xを形成する。具体的には、ロール表面220m上のキャリア群71は、成膜領域MRの近傍において、第1磁石223N1のN極により、再びロール表面220mから立ち上がった姿勢となる。一方、バックアップロール230により、集電箔3を成膜領域MRに搬送する。成膜領域MRでは、マグネットロール220と集電箔3との間に印加した直流電圧Vdにより、複合キャリア粒子61のうち複合活物質粒子21を、ロール表面220mから集電箔3に向けて飛ばし、集電箔3上に複合活物質粒子21を堆積させて未圧縮活物質層5Xを連続形成する。なお、その後、ロール表面220mに残った磁性キャリア粒子51を、マグネットロール220の回転により下方に移動させ、回収部250の回収ブレード251で掻き取って回収する。
次に、「第1プレス工程S4」において、未圧縮活物質層5X及び集電箔3を加熱プレスして、未圧縮活物質層5Xから、鱗片状黒鉛粒子11同士及び鱗片状黒鉛粒子11と集電箔3とを、熱溶融したバインダ樹脂13で結着すると共に、鱗片状黒鉛粒子11をXRD分析によるピーク強度比Rpが130以下(Rp≦130)となる配置とした活物質層5を形成する。
具体的には、未圧縮活物質層5Xが形成された集電箔3を、層形成部203からプレス部205に搬送し、プレス部205の一対のプレスロール271,272により加熱プレスする。この加熱プレスのプレス条件(加熱温度、プレス圧等)は、予め予備実験を行って適切なプレス条件を設定する。これにより、未圧縮活物質層5Xに含まれるバインダ粒子13Pを一旦溶融して、バインダ樹脂13を介して鱗片状黒鉛粒子11同士や鱗片状黒鉛粒子11と集電箔3とを結着する。これと共に、ピーク強度比Rpが130以下(Rp≦130)となるように鱗片状黒鉛粒子11を配置する。かくして、鱗片状黒鉛粒子11、及び、熱溶融したバインダ樹脂13からなる活物質層5を集電箔3上に連続形成する。なお、この集電箔3上に活物質層5を有する負極板を「片側負極板1Y」ともいう。
次に、上述の片側負極板1Yについて、前述の第1未圧縮層形成工程S3と同様な第2未圧縮層形成工程S5を行って、集電箔3の第2主面3b上に第2未圧縮活物質層6X(以下、単に「未圧縮活物質層6X」ともいう)を形成する。その後、第1プレス工程S4と同様な第2プレス工程S6を行って、未圧縮活物質層6Xから活物質層6を形成する。
即ち、「第2未圧縮層形成工程S5」の「第2磁気吸着工程S51」において、静電吸着工程S2で得た複合キャリア粒子61を、マグネットロール220のロール表面220mに磁気吸着させ、「第2キャリア供給工程(第2供給工程)S52」でマグネットロール220により複合キャリア粒子61を成膜領域MRに供給する。続いて、「第2静電堆積工程S53」で、成膜領域MRにおいて、複合キャリア粒子61のうち複合活物質粒子21を集電箔3の第2主面3bに向けて飛ばし、第2主面3b上に複合活物質粒子21を堆積させて第2未圧縮活物質層6Xを連続形成する。
その後、「第2プレス工程S6」で、第2未圧縮活物質層6X、集電箔3及び第1活物質層5を加熱プレスして、第2未圧縮活物質層6Xから第2活物質層6を形成し、切断前の切断前負極板1Zを作製する。この「第2プレス工程S6」においても、第2未圧縮活物質層6X及び集電箔3を加熱プレスして、第2未圧縮活物質層6Xから、鱗片状黒鉛粒子11同士及び鱗片状黒鉛粒子11と集電箔3とを、熱溶融したバインダ樹脂13で結着すると共に、鱗片状黒鉛粒子11をXRD分析によるピーク強度比Rpが130以下(Rp≦130)となる配置とした活物質層6を形成する。
次に、「切断工程S7」において、上述の切断前負極板1Zを幅方向FHの中央で長手方向EHに沿って切断(2分割)し、図に示した負極板1を得る。
以上で説明したように、負極板1の製造方法では、未圧縮層形成工程S3,S5及びプレス工程S4,S6を備えるので、従来製法のように分散媒を含む活物質ペーストを用いることなく、乾式で活物質層5,6を形成できる。従って、分散媒を除去するための加熱乾燥工程が不要であり、従来製法に比べて、負極板1の生産性が高く、安価な負極板1を製造できる。
更に、負極板1の製造方法では、XRD分析によるピーク強度比Rpが130以下である活物質層5,6を形成する。この活物質層5,6は、従来製法で得られる負極板の活物質層に比して、リチウムイオンが活物質層5,6内に挿入され易く、活物質層5,6から放出され易いため、この活物質層5,6を有する負極板1を用いて電池100を製造すれば、後述するように電池抵抗Rを低くできる。
このように、負極板1の製造方法によれば、安価でかつ電池抵抗Rを低くできる負極板1を製造できる。
更に、本実施形態では、未圧縮層形成工程S3,S5において、磁性キャリア粒子51及びマグネットロール220を用いて複合活物質粒子21を成膜領域MRに供給し、成膜領域MRにおいて、静電気力Fsによって複合活物質粒子21を集電箔3上に堆積させて未圧縮活物質層5X,6Xを形成する。このようにすることで、未圧縮活物質層5X,6Xを容易に形成できる。
(試験結果)
次いで、本発明の効果を検証するために行った試験結果について説明する。
実施例1として、実施形態と同様の、集電箔3上に活物質層5(電極密度0.91g/cm3)を有する片側負極板1Z(以下、単に「負極板1Z」ともいう)を用意した。
実施例2として、実施形態の負極板1Zについて、ロール間隙を40μmとした一対のプレスロールでロールプレスして、活物質層5を更に圧密化した負極板(電極密度1.19g/cm3)を作製した。
実施例3として、実施形態の負極板1Zについて、ロール間隙を35μmとした一対のプレスロールでロールプレスして、活物質層5を更に圧密化した負極板(電極密度1.21g/cm3)を作製した。
実施例4として、実施形態の負極板1Zについて、ロール間隙を30μmとした一対のプレスロールでロールプレスして、活物質層5を更に圧密化した負極板(電極密度1.41g/cm3)を作製した。
一方、比較例として、前述の従来製法により負極板1Zを製造した。即ち、鱗片状黒鉛粒子11、バインダ粒子13P及び分散媒(水)を混合し、鱗片状黒鉛粒子11を分散媒に分散させると共にバインダ粒子13Pを分散媒に溶解させた活物質ペーストを予め得ておく。そして、この活物質ペーストを集電箔3上に塗布して、集電箔3上に未乾燥活物質層を形成し、その後、この未乾燥活物質層に熱風を吹き付け加熱乾燥させて、活物質層5を形成して、比較例の負極板1Z(電極密度0.86g/cm3)を得た。
次に、実施例1~4及び比較例の負極板1Zの活物質層5について、それぞれ前述のXRD分析を行ってピーク強度比Rpを求めた。その結果、ピーク強度比Rpは、比較例では184、実施例1では23、実施例2では76、実施例3では117、実施例4では126であった(図8も参照)。
次に、実施例1~4及び比較例の負極板1Zを用いて、それぞれラミネートセル型のリチウムイオン電池(不図示)を作製した。即ち、各負極板1Zと、正極板とを、セパレータを介して対向させて、電解液と共に、ラミネートフィルムからなる外装体内に収容し、試験用の電池をそれぞれ作製した。
次に、各電池について、それぞれ電池抵抗Rを測定した。具体的には、電池を環境温度-10℃下において、SOCを56%(電池電圧3.70V)に調整する。その後、1Cの定電流Iで10秒間放電を行い、放電前後の電池電圧Vを測定し、電池電圧Vの変化量ΔVを求める。また、R=ΔV/Iにより各電池の電池抵抗(IV抵抗)Rをそれぞれ求める。そして、比較例の電池の電池抵抗Rの基準(=1.00)として、実施例1~4の電池の電池抵抗Rの「電池抵抗比」をそれぞれ算出した。その結果を図8に示す。
図8のグラフから明らかなように、活物質層5のピーク強度比Rpが130を超える比較例の電池に比して、活物質層5のピーク強度比Rpが130以下の実施例1~4の電池では、いずれも電池抵抗比(電池抵抗R)が小さくなる。更に、実施例1~4の各電池同士で比較すると、ピーク強度比Rpの値が小さいほど、電池抵抗比(電池抵抗R)が小さくなることが判る。
ピーク強度比Rpの値が小さい活物質層5ほど、ベーサル面11Bが活物質層5の表面5mを向く横に寝た姿勢の鱗片状黒鉛粒子11が少なく、エッジ面11Eが活物質層5の表面5mを向く立ち上がった姿勢の鱗片状黒鉛粒子11が多くなっている。このような活物質層5は、リチウムイオンが活物質層5内に挿入され易く、活物質層5から放出され易い。このため、ピーク強度比Rpの値が小さい活物質層5を有する負極板1を用いた電池ほど、電池抵抗比(電池抵抗R)が小さくなったと考えられる。
以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることは言うまでもない。
1 負極板
3 集電箔
5 第1活物質層
5X 第1未圧縮活物質層
6 第2活物質層
6X 第2未圧縮活物質層
11 鱗片状黒鉛粒子
11E エッジ面
11B ベーサル面
13 バインダ樹脂
13P バインダ粒子
21 複合活物質粒子
51 磁性キャリア粒子
61 複合キャリア粒子
100 電池(リチウムイオン二次電池)
120 電極体
200 活物質層形成装置
220 マグネットロール
220m ロール表面
230 バックアップロール
240 直流電源
MR 成膜領域
Vd 直流電圧
Fg 磁力
Fs 静電気力
S1 複合活物質粉体作製工程
S2 静電吸着工程
S3 第1未圧縮層形成工程
S31 第1磁気吸着工程
S32 第1キャリア供給工程(第1供給工程)
S33 第1静電堆積工程
S4 第1プレス工程
S5 第2未圧縮層形成工程
S51 第2磁気吸着工程
S52 第2キャリア供給工程(第2供給工程)
S53 第2静電堆積工程
S6 第2プレス工程

Claims (2)

  1. 集電箔と、
    上記集電箔上に形成され、
    鱗片状黒鉛粒子及びバインダ樹脂を含み、
    上記鱗片状黒鉛粒子同士及び上記鱗片状黒鉛粒子と上記集電箔とが、熱溶融した上記バインダ樹脂によって結着され、
    XRD分析によるピーク強度比Rpが130以下(Rp≦130)である
    活物質層と、を備える
    負極板の製造方法であって、
    分散媒を用いることなく乾式で、上記集電箔上に、上記鱗片状黒鉛粒子に上記バインダ樹脂からなるバインダ粒子が付着した複合活物質粒子が堆積した、未圧縮の未圧縮活物質層を形成する未圧縮層形成工程と、
    上記未圧縮活物質層及び上記集電箔を加熱プレスして、上記鱗片状黒鉛粒子同士及び上記鱗片状黒鉛粒子と上記集電箔とを、熱溶融した上記バインダ樹脂で結着すると共に、上記鱗片状黒鉛粒子を上記ピーク強度比Rpが130以下となる配置とした上記活物質層を形成するプレス工程と、を備え、
    上記未圧縮層形成工程で上記未圧縮活物質層を形成した後、上記プレス工程で上記未圧縮活物質層を加熱プレスするまで、上記未圧縮活物質層に磁場を付与せず、
    前記未圧縮層形成工程は、
    前記複合活物質粒子を成膜領域に供給する供給工程と、
    上記成膜領域において、静電気力により、上記複合活物質粒子を上記集電箔に向けて飛ばし、上記集電箔上に上記複合活物質粒子を堆積させて前記未圧縮活物質層を形成する静電堆積工程と、を有する
    負極板の製造方法。
    但し、上記ピーク強度比Rpは、上記負極板の上記活物質層について、CuKα線を用いたX線回折(XRD)測定を行い、回折角2θ=54.6deg付近に現れる(004)面の存在を示すピークのピーク強度(カウント数)P(004)を、回折角2θ=77.5deg付近に現れる(110)面の存在を示すピークのピーク強度(カウント数)P(110)で除した値(P(004)/P(110))である。
  2. 請求項に記載の負極板の製造方法であって、
    前記未圧縮層形成工程は、更に、前記複合活物質粒子を磁性キャリア粒子に静電吸着させた複合キャリア粒子を、マグネットロールのロール表面に磁気吸着させる磁気吸着工程を有し、
    前記供給工程は、上記マグネットロールの回転により、上記ロール表面に磁気吸着させた上記複合キャリア粒子を、前記成膜領域に供給するキャリア供給工程であり、
    前記静電堆積工程は、上記成膜領域において、上記複合キャリア粒子のうち上記複合活物質粒子を前記集電箔に向けて飛ばす
    負極板の製造方法。
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