JPWO2005081336A1 - リチウムイオン二次電池の製造法 - Google Patents
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Abstract
Description
[図2]比較例1に係るシート状負極板の断面模式図である。
[図3]比較例2に係るシート状負極板の断面模式図である。
[図4]実施例2に係るシート状負極板の断面模式図である。
まず、リード形成部を備えたシート状極板を作製する工程Aについて説明する。シート状極板は、電極芯材の両面に電極合剤を担持させることで得られる。具体的には、電極合剤を含むペーストを電極芯材に塗布し、乾燥させることで、電極合剤を電極芯材に担持させることができる。
多孔質絶縁層は、グラビアロールを含む塗工装置を用いて、無機酸化物フィラーおよび結着剤を含むスラリーを、シート状極板のリード形成部を除く表面に塗布し、乾燥することで得られる。
なお、従来のグラビア印刷の分野では、上記のように、塗工途中で案内ロールもしくはグラビアロールを上下に移動させる操作は行われない。通常は、グラビアロールの周面に所定のパターンを形成することにより、塗膜にパターンを設けるからである。
シート状極板や電極芯材の移送速度は、特に限定されないが、3〜50m/分が好ましい。また、スラリーやペーストを均一にシート状極板や電極芯材の表面に塗布する観点から、グラビアロールの回転数は、その周面の速度がシート状極板や電極芯材の移送速度の110〜250%とすることが好ましい。
無機酸化物フィラーおよび結着剤を含むスラリーは、25℃における粘度が10〜80mPa・sのニュートン流体であることが好ましい。
リード形成部へのリードの接続方法は、特に限定されないが、一般的には溶接が行われる。リード形成部には、多孔質絶縁層に含まれる無機酸化物フィラーや樹脂結着剤が付着していないため、溶接はスムーズに行われ、リードと電極芯材との接触抵抗も小さくなる。
シート状正極は、正極芯材およびその両面に担持された正極合剤を有する。また、シート状負極は、負極芯材およびその両面に担持された負極合剤を有する。正極芯材には、例えばアルミニウム箔やアルミニウム合金箔が好ましく用いられるが、これに限定されない。また、負極芯材には、例えば銅箔や銅合金箔が好ましく用いられるが、これに限定されない。
非水溶媒は、特に限定されないが、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)等の炭酸エステル;γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、蟻酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸メチル等のカルボン酸エステル;ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン等のエーテル等が用いられる。非水溶媒は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。これらのうちでは、特に炭酸エステルが好ましく用いられる。
《比較例1》
(i)正極の作製
平均粒径3μmのコバルト酸リチウム3kgと、ポリフッ化ビニリデン(呉羽化学(株)製の#1320)のN−メチル−2−ピロリドン(NMP)溶液(固形分12重量%)1kgと、アセチレンブラック90gと、適量のNMPとを、双腕式練合機にて攪拌し、正極合剤ペーストを調製した。
平均粒径20μmの人造黒鉛3kgと、スチレン−ブタジエン共重合体の分散液(日本ゼオン(株)製のBM−400B)(固形分40重量%)75gと、カルボキシメチルセルロース(CMC)30gと、適量の水とを、双腕式練合機にて攪拌し、負極合剤ペーストを調製した。
芯材であるシート状の銅箔21の両面に、負極合剤22が担持されている。負極合剤の剥離により形成された芯材の露出部23は、銅箔21の一方および他方の面にそれぞれ位相差をもって位置している。芯材の露出部23の一方は、リード形成部となり、リード24が溶接されている。
体積基準の平均粒径(メディアン径)0.3μmのアルミナ970gと、ポリアクリロニトリル誘導体の分散液(日本ゼオン(株)製のBM−720H)(固形分8重量%)375gと、適量のNMPとを、双腕式練合機にて攪拌し、無機酸化物フィラーと樹脂結着剤とを含むスラリーを調製した。
芯材であるシート状の銅箔31の両面に、負極合剤32が担持されている。負極合剤の剥離により形成された芯材の露出部33は、銅箔31の一方および他方の面にそれぞれ位相差をもって位置している。芯材の露出部33の一方は、リード形成部となり、リード34が溶接されている。多孔質絶縁層35は、負極合剤32の全体を覆うように形成されている。なお、リード34が溶接されているリード形成部の背面は、リードが接続しやすいように、多孔質絶縁層の無い部分となっている。
比較例2と同様に調製した、無機酸化物フィラーと樹脂結着剤とを含むスラリーを、比較例1と同様に作製したシート状負極板の一方の表面に、図1に示すような塗工装置を用いて、連続塗布し、乾燥させて、厚さ20μmの多孔質絶縁層を形成した。その後、シート状負極板の他方の表面にも、同様にして、多孔質絶縁層を形成した。
リード形成部においては、芯材の露出部が形成されるように、シート状負極板の進行方向前方に位置する案内ロール(図1の第1案内ロール11に相当)を上方に移動させることにより、グラビアロールからシート状負極を離した。案内ロールの移動は、コンピュータにより制御した。
芯材であるシート状の銅箔41の両面に、負極合剤42が担持されている。負極合剤の剥離により形成された芯材の露出部43は、銅箔41の一方および他方の面にそれぞれ位相差をもって位置している。芯材の露出部43の一方は、リード形成部となり、リード44が溶接されている。多孔質絶縁層45は、負極合剤42の全体を覆うように形成されている。リード44が溶接されているリード形成部の背面にも、多孔質絶縁層が形成されている。
実施例1〜3および比較例1〜3の電池を、以下に示す方法で評価した。結果を表1に記す。
各電池について、慣らし充放電を二度行い、その後、測定周波数1kHzでのインピーダンスを求めた。
20℃環境において、各電池について、以下の(1)〜(3)のパターンで充放電を500サイクル繰り返し、500サイクル目の放電容量の初期容量に対する比率を百分率で求めた。
(1)定電流充電:1400mA(終止電圧4.2V)
(2)定電圧充電:4.2V(終止電流100mA)
(3)定電流放電:400mA(終止電圧3V)
20℃環境下において、各電池について、以下の充電を行った。
(1)定電流充電:1400mA(終止電圧4.25V)
(2)定電圧充電:4.25v(終止電流100mA)
20℃環境下において、充電後の電池の側面から、2.7mm径の鉄製丸釘を、5mm/秒の速度で貫通させた。電池の貫通箇所近傍における1秒後の到達温度を測定した。
まず、多孔質絶縁層を有さない比較例1の場合、釘刺し試験における1秒後の到達温度が高く、加熱が顕著である。
また、多孔質絶縁層をグラビアロールを用いてシート状負極の全面に形成し、その後、多孔質絶縁層の一部を剥離して芯材にリードを溶接した比較例3の場合、釘刺し試験における到達温度は比較例1と比較して低く、安全性は向上しているが、電池抵抗が高く、サイクル容量維持率も劣っている。リードを芯材から剥がしてリード形成部を分析したところ、除去しきれなかった無機酸化物フィラーがリードと芯材との間に残存していることがわかった。
まず、リード形成部を備えたシート状極板を作製する工程Aについて説明する。シート状極板は、電極芯材の両面に電極合剤を担持させることで得られる。具体的には、電極合剤を含むペーストを電極芯材に塗布し、乾燥させることで、電極合剤を電極芯材に担持させることができる。
多孔質絶縁層は、グラビアロールを含む塗工装置を用いて、無機酸化物フィラーおよび結着剤を含むスラリーを、シート状極板のリード形成部を除く表面に塗布し、乾燥することで得られる。
なお、従来のグラビア印刷の分野では、上記のように、塗工途中で案内ロールもしくはグラビアロールを上下に移動させる操作は行われない。通常は、グラビアロールの周面に所定のパターンを形成することにより、塗膜にパターンを設けるからである。
シート状極板や電極芯材の移送速度は、特に限定されないが、3〜50m/分が好ましい。また、スラリーやペーストを均一にシート状極板や電極芯材の表面に塗布する観点から、グラビアロールの回転数は、その周面の速度がシート状極板や電極芯材の移送速度の110〜250%とすることが好ましい。
無機酸化物フィラーおよび結着剤を含むスラリーは、25℃における粘度が10〜80mPa・sのニュートン流体であることが好ましい。
リード形成部へのリードの接続方法は、特に限定されないが、一般的には溶接が行われる。リード形成部には、多孔質絶縁層に含まれる無機酸化物フィラーや樹脂結着剤が付着していないため、溶接はスムーズに行われ、リードと電極芯材との接触抵抗も小さくなる。
シート状正極は、正極芯材およびその両面に担持された正極合剤を有する。また、シート状負極は、負極芯材およびその両面に担持された負極合剤を有する。正極芯材には、例えばアルミニウム箔やアルミニウム合金箔が好ましく用いられるが、これに限定されない。また、負極芯材には、例えば銅箔や銅合金箔が好ましく用いられるが、これに限定されない。
非水溶媒は、特に限定されないが、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)等の炭酸エステル;γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、蟻酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸メチル等のカルボン酸エステル;ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン等のエーテル等が用いられる。非水溶媒は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。これらのうちでは、特に炭酸エステルが好ましく用いられる。
《比較例1》
(i)正極の作製
平均粒径3μmのコバルト酸リチウム3kgと、ポリフッ化ビニリデン(呉羽化学(株)製の♯1320)のN−メチル−2−ピロリドン(NMP)溶液(固形分12重量%)1kgと、アセチレンブラック90gと、適量のNMPとを、双腕式練合機にて攪拌し、正極合剤ペーストを調製した。
平均粒径20μmの人造黒鉛3kgと、スチレン−ブタジエン共重合体の分散液(日本ゼオン(株)製のBM−400B)(固形分40重量%)75gと、カルボキシメチルセルロース(CMC)30gと、適量の水とを、双腕式練合機にて攪拌し、負極合剤ペーストを調製した。
芯材であるシート状の銅箔21の両面に、負極合剤22が担持されている。負極合剤の剥離により形成された芯材の露出部23は、銅箔21の一方および他方の面にそれぞれ位相差をもって位置している。芯材の露出部23の一方は、リード形成部となり、リード24が溶接されている。
体積基準の平均粒径(メディアン径)0.3μmのアルミナ970gと、ポリアクリロニトリル誘導体の分散液(日本ゼオン(株)製のBM−720H)(固形分8重量%)375gと、適量のNMPとを、双腕式練合機にて攪拌し、無機酸化物フィラーと樹脂結着剤とを含むスラリーを調製した。
芯材であるシート状の銅箔31の両面に、負極合剤32が担持されている。負極合剤の剥離により形成された芯材の露出部33は、銅箔31の一方および他方の面にそれぞれ位相差をもって位置している。芯材の露出部33の一方は、リード形成部となり、リード34が溶接されている。多孔質絶縁層35は、負極合剤32の全体を覆うように形成されている。なお、リード34が溶接されているリード形成部の背面は、リードが接続しやすいように、多孔質絶縁層の無い部分となっている。
比較例2と同様に調製した、無機酸化物フィラーと樹脂結着剤とを含むスラリーを、比較例1と同様に作製したシート状負極板の一方の表面に、図1に示すような塗工装置を用いて、連続塗布し、乾燥させて、厚さ20μmの多孔質絶縁層を形成した。その後、シート状負極板の他方の表面にも、同様にして、多孔質絶縁層を形成した。
比較例2と同様に調製した、無機酸化物フィラーと樹脂結着剤とを含むスラリーを、比較例1と同様に作製したシート状負極板の一方の表面に、図1に示すような塗工装置を用いて、リード形成部を除いて、間欠的に塗布し、乾燥させて、厚さ20μmの多孔質絶縁層を形成した。その後、シート状負極板の他方の表面にも、同様にして、多孔質絶縁層を形成した。
リード形成部においては、芯材の露出部が形成されるように、シート状負極板の進行方向前方に位置する案内ロール(図1の第1案内ロール11に相当)を上方に移動させることにより、グラビアロールからシート状負極を離した。案内ロールの移動は、コンピュータにより制御した。
実施例1と同様にして、無機酸化物フィラーと樹脂結着剤とを含むスラリーを、シート状負極板の一方の表面に、リード形成部を除いて、間欠的に塗布し、乾燥させて、厚さ20μmの多孔質絶縁層を形成した。一方、シート状負極板の他方の表面には、多孔質絶縁層を連続塗布により全面に形成した。
芯材であるシート状の銅箔41の両面に、負極合剤42が担持されている。負極合剤の剥離により形成された芯材の露出部43は、銅箔41の一方および他方の面にそれぞれ位相差をもって位置している。芯材の露出部43の一方は、リード形成部となり、リード44が溶接されている。多孔質絶縁層45は、負極合剤42の全体を覆うように形成されている。リード44が溶接されているリード形成部の背面にも、多孔質絶縁層が形成されている。
グラビアロールの周面の進行方向とシート状負極板の進行方向とを、同じ向きとしたこと以外、実施例1と同様に、無機酸化物フィラーと樹脂結着剤とを含むスラリーを、シート状負極板の表面に、リード形成部を除いて、間欠的に塗布し、乾燥させて、厚さ20μmの多孔質絶縁層を形成した。
実施例1〜3および比較例1〜3の電池を、以下に示す方法で評価した。結果を表1に記す。
各電池について、慣らし充放電を二度行い、その後、測定周波数1kHzでのインピーダンスを求めた。
20℃環境において、各電池について、以下の(1)〜(3)のパターンで充放電を500サイクル繰り返し、500サイクル目の放電容量の初期容量に対する比率を百分率で求めた。
(1)定電流充電:1400mA(終止電圧4.2V)
(2)定電圧充電:4.2V(終止電流100mA)
(3)定電流放電:400mA(終止電圧3V)
20℃環境下において、各電池について、以下の充電を行った。
(1)定電流充電:1400mA(終止電圧4.25V)
(2)定電圧充電:4.25v(終止電流100mA)
20℃環境下において、充電後の電池の側面から、2.7mm径の鉄製丸釘を、5mm/秒の速度で貫通させた。電池の貫通箇所近傍における1秒後の到達温度を測定した。
まず、多孔質絶縁層を有さない比較例1の場合、釘刺し試験における1秒後の到達温度が高く、加熱が顕著である。
また、多孔質絶縁層をグラビアロールを用いてシート状負極の全面に形成し、その後、多孔質絶縁層の一部を剥離して芯材にリードを溶接した比較例3の場合、釘刺し試験における到達温度は比較例1と比較して低く、安全性は向上しているが、電池抵抗が高く、サイクル容量維持率も劣っている。リードを芯材から剥がしてリード形成部を分析したところ、除去しきれなかった無機酸化物フィラーがリードと芯材との間に残存していることがわかった。
Claims (8)
- リード形成部を備えたシート状極板を作製する工程A、
前記シート状極板の表面に、前記リード形成部を除いて、間欠的に、無機酸化物フィラーおよび結着剤を含む多孔質絶縁層を形成する工程B、
前記リード形成部にリードを接続する工程C、および
前記リードが接続されたシート状極板を用いて、電池を組み立てる工程D、
を含むリチウムイオン二次電池の製造方法において、
前記工程Bが、無機酸化物フィラーおよび結着剤を含むスラリーをグラビアロールの周面に塗布し、複数の案内ロールにより移送されている前記シート状極板の前記リード形成部を除く表面に、前記グラビアロールの周面に塗布されたスラリーを転写する工程と、前記リード形成部において、前記複数の案内ロールおよび前記グラビアロールより選択される少なくとも1つを移動させることにより、前記シート状極板を前記グラビアロールから離す工程とを含む、リチウムイオン二次電池の製造法。 - 前記工程Aが、電極合剤を含むペーストをグラビアロールの周面に塗布し、複数の案内ロールにより移送されている電極芯材の表面に、前記グラビアロールの周面に塗布されたペーストを転写する工程を含む、請求項1記載のリチウムイオン二次電池の製造法。
- 前記グラビアロールの周面の少なくとも一部は、セラミックで覆われている請求項1記載のリチウム二次電池の製造法。
- 前記グラビアロールの周面の少なくとも一部は、セラミックで覆われている請求項2記載のリチウム二次電池の製造法。
- 前記工程Bにおいて、前記グラビアロールの周面に塗布されたスラリーの一部が、前記シート状極板の表面に転写されずに、ブレードで掻き落とされる請求項1記載のリチウムイオン二次電池の製造法。
- 前記工程Aにおいて、前記グラビアロールの周面に塗布されたペーストの一部が、前記電極芯材の表面に転写されずに、ブレードで掻き落とされる請求項2記載のリチウムイオン二次電池の製造法。
- 前記グラビアロールの周面の進行方向と、前記シート状極板の進行方向とが、互いに逆方向である請求項1記載のリチウムイオン二次電池の製造法。
- 前記グラビアロールの周面の進行方向と、前記電極芯材の進行方向とが、互いに逆方向である請求項2記載のリチウムイオン二次電池の製造法。
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