JPWO2017057762A1 - リチウムイオン二次電池の電極部、リチウムイオン二次電池及びリチウムイオン二次電池の製造方法 - Google Patents
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Abstract
正極と負極とその間に電解質層を有するリチウムイオン二次電池の電極部であって、前記正極と前記負極は、集電体とその表面に積層された活物質層からなり、前記正極と前記負極の集電体端部と、前記正極と前記負極のそれぞれに積層される別の前記負極と前記正極の前記集電体端部に対向する部分と、が絶縁塗膜によって被膜されているリチウムイオン二次電池の電極部。
Description
本発明は、リチウムイオン二次電池の電極部、リチウムイオン二次電池及びリチウムイオン二次電池の製造方法に関する。
本願は、２０１５年９月３０日に日本に出願された特願２０１５−１９５３４５号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
本願は、２０１５年９月３０日に日本に出願された特願２０１５−１９５３４５号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
リチウムイオン二次電池は、鉛蓄電池やニッケル水素電池に比べてエネルギー密度及び起電力が高いという特長を有しているため、小型化・軽量化が要求される各種の機器用電源として広く利用されている。このリチウムイオン二次電池は、特許文献１に示されるように、正極活物質が正極集電体に塗工された正極部と、負極活物質が負正極集電体に塗工された負極部とを有している。そして、これら両極部間にセパレータ及び電解質を介在させて積層させるとともに、その積層体をケース内に密封させて構成されている。
このリチウムイオン二次電池の製造においては、両電極間に所定の圧力が加えられる。なぜならば、電極と電解質とを十分に密着させないと電池の内部抵抗が大きくなって損失電力が増してしまうとともに、電解質と電極とが十分な接触面積を有していないと、所定の電池容量が得られなくなるからである。
ところで、このようなリチウムイオン二次電池の製造時における加圧作用は、両電極間に短絡を生じさせ、製品の歩留まりを低下させてしまうおそれがあった。特に、負極部の製造時に行われるカッターによる切断の際に、その負極部の切断面に突起（所謂、バリ）が生じると、その突起がセパレータを破ってしまい、両電極間に短絡を生じさせるからである。このような不都合を防止するために、電極の短絡の生じやすい箇所に、予め、ポリイミドあるいはポプロピレン製等の電気絶縁材（絶縁テープ）を貼着することが行われている（例えば、特許文献２参照）。
しかしながら、従来の絶縁テープを用いて両電極間の絶縁を図るリチウムイオン二次電池の場合、絶縁テープは、常時、電解質と接しているために絶縁テープの粘着剤の粘着力が弱まり、絶縁テープが剥がれてしまうおそれがあるとともに、絶縁テープの厚さが厚くなると、電池性能に悪影響を与えるおそれがあった。また、絶縁テープを用いて絶縁を図るリチウムイオン二次電池の場合は、絶縁テープを張り付けなければならないという面倒な工程を必要とし、生産性に劣るという欠点があった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、電極間の絶縁層の密着性を向上させることで、両電極間の短絡を防止でき、電池性能を維持できるリチウムイオン二次電池の電極部、その電極部を用いたリチウムイオン二次電池及びその製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明に係るリチウムイオン二次電池の電極部は、正極と負極とその間に電解質層を有するリチウムイオン二次電池の電極部であって、前記正極と前記負極は、集電体とその表面に積層された活物質層からなり、前記正極と前記負極の集電体端部と、前記正極と前記負極のそれぞれに積層される別の前記負極と前記正極の前記集電体端部に対向する部分と、が絶縁塗膜によって被膜されていることを特徴としている。なお、絶縁塗膜とは、電気絶縁性を有する塗料を塗布して構成される塗膜を示す。また、この電極部は、正極と負極とその間に電解質層を有するリチウムイオン二次電池の電極部であって、前記正極と前記負極は、集電体とその表面に積層された活物質層からなり、前記正極及び前記負極の何れか一方の、前記正極と前記負極とが対向する面の端部において電解質層が形成されていない集電体露呈部が設けられ、前記集電体露呈部が絶縁塗膜によって被膜されているリチウムイオン二次電池の電極部であることが好ましい。
また、本発明に係るリチウムイオン二次電池の電極部は、正極と負極とその間に電解質層を有するリチウムイオン二次電池の電極部であって、前記正極と前記負極の端部に形成される突起部と、前記突起部が形成された前記正極と前記負極のそれぞれに積層される別の前記負極と前記正極の前記突起部に対向する部分と、が絶縁塗膜によって被膜されていることを特徴としている。また、この電極部は、正極と負極とその間に電解質層を有するリチウムイオン二次電池の電極部であって、前記正極及び前記負極の何れか一方の電極の端部に突起部が形成され、
他の一方の電極の、前記突起部に対向する端部において電解質層が形成されていない集電体露呈部が設けられ、前記突起部と前記集電体露呈部の少なくとも一方が絶縁塗膜によって被膜されているリチウムイオン二次電池の電極部であることが好ましい。
また、上記目的を達成するために、本発明に係るリチウムイオン二次電池は、上述の電極部を備えたことを特徴としている。
そして、上記目的を達成するために、本発明に係るリチウムイオン二次電池の製造方法は、上述の電極部を備えたリチウムイオン二次電池の製造方法であって、前記正極と前記負極の集電体端部と、前記正極と前記負極のそれぞれに積層される別の前記負極と前記正極の前記集電体端部に対向する部分と、を絶縁塗膜によって被膜する工程を有することを特徴としている。また、この方法は、前記正極及び前記負極の何れか一方の、前記正極と前記負極とが対向する面の端部において電解質層が形成されていない集電体露呈部を設け、前記集電体露呈部を絶縁塗膜によって被膜する工程を有するリチウムイオン二次電池の製造方法であることが好ましい。
また、本発明に係るリチウムイオン二次電池の電極部は、正極と負極とその間に電解質層を有するリチウムイオン二次電池の電極部であって、前記正極と前記負極の端部に形成される突起部と、前記突起部が形成された前記正極と前記負極のそれぞれに積層される別の前記負極と前記正極の前記突起部に対向する部分と、が絶縁塗膜によって被膜されていることを特徴としている。また、この電極部は、正極と負極とその間に電解質層を有するリチウムイオン二次電池の電極部であって、前記正極及び前記負極の何れか一方の電極の端部に突起部が形成され、
他の一方の電極の、前記突起部に対向する端部において電解質層が形成されていない集電体露呈部が設けられ、前記突起部と前記集電体露呈部の少なくとも一方が絶縁塗膜によって被膜されているリチウムイオン二次電池の電極部であることが好ましい。
また、上記目的を達成するために、本発明に係るリチウムイオン二次電池は、上述の電極部を備えたことを特徴としている。
そして、上記目的を達成するために、本発明に係るリチウムイオン二次電池の製造方法は、上述の電極部を備えたリチウムイオン二次電池の製造方法であって、前記正極と前記負極の集電体端部と、前記正極と前記負極のそれぞれに積層される別の前記負極と前記正極の前記集電体端部に対向する部分と、を絶縁塗膜によって被膜する工程を有することを特徴としている。また、この方法は、前記正極及び前記負極の何れか一方の、前記正極と前記負極とが対向する面の端部において電解質層が形成されていない集電体露呈部を設け、前記集電体露呈部を絶縁塗膜によって被膜する工程を有するリチウムイオン二次電池の製造方法であることが好ましい。
本発明におけるリチウムイオン二次電池の電極部、リチウムイオン二次電池及びリチウムイオン二次電池の製造方法では、正極、負極に突起部（所謂、バリ）が形成される場合であっても、突起部近傍の正極と負極との間に絶縁塗膜が介在されているので、正極と負極との短絡を効果的に防止することができる。また、電極間の絶縁塗膜の密着性を向上させることで、リチウムイオン二次電池の性能を維持することができる。しかも、絶縁塗膜は電気絶縁性を有する塗料を塗布することによって形成することができるので、従来の絶縁テープを張着するよりも厚みを抑え、且つ簡単に行うことができるから、電極部の生産性を高めることができる。
本発明に係るリチウムイオン二次電池の電極部において、絶縁塗膜（即ち、電気絶縁性を有する塗料）は、電気的絶縁性を有する絶縁粒子を含んで構成されていることを特徴としている。前記粒子は、アルミナやシリカ等の無機粒子や、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、シリコン樹脂等の有機材料からなる有機粒子であることが好ましい。
本発明におけるリチウムイオン二次電池の電極部では、絶縁塗膜がアルミナ等の絶縁粒子を含んで構成されるので、機械的強度に優れた絶縁塗膜を形成することができる。
本発明に係るリチウムイオン二次電池の電極部において、絶縁塗膜は多孔質であることを特徴としている。
本発明におけるリチウムイオン二次電池の電極部では、絶縁塗膜が多孔質であるから、正極の正極活物質層及び負極の負極活物質層の接触面積の低下を抑制することができる。
本発明に係るリチウムイオン二次電池の電極部、その電極部を用いるリチウムイオン二次電池及びそのリチウムイオン二次電池の製造方法は、正極又は／及び負極に絶縁塗膜が設けられているので、正極や負極に突起部が生じていてセパレータが破損しても、電極間の絶縁層（つまり、絶縁塗膜）の密着性を向上させることで、正極と負極との間の短絡を効果的に防止でき、電池性能を維持できる。しかも、絶縁塗膜は電気絶縁性を有する塗料を塗布することで形成されるので、従来の絶縁テープを張着するよりも厚みを抑え、簡単に行うことができ、電極部及びリチウムイオン二次電池の生産性を高めることができる。
以下、本発明に係る電極部、リチウムイオン二次電池及びリチウムイオン二次電池の製造方法について、図面を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施の形態に係るリチウムイオン二次電池ＬＢの断面図であり、ここでは、上側に負極１が設けられ、下側に正極１０が設けられている。そして、負極１と正極１０との間にセパレータ２０及び電解質層２２が介在している。電極部Ｐは、正極１０と負極１とそれらの間に電解質層２２を有し、リチウムイオン二次電池を構成する。
負極１は、例えば銅箔で構成される負極集電体（集電体）２と、その負極集電体２の上下面にそれぞれ生成された負極活物質層（活物質層）３とを有して構成されている。負極活物質層３としては、アルミニウム、黒鉛、金属シリコンあるいは金属リチウム箔等の周知の負極活物質が使用される。そして、この負極集電体２には、一方の一辺側（図１では左側）の一部から突出する端子４が設けられている。
負極１の集電体端部１ｅは、この負極１が例えばロール・ツー・ロール法（ＲｔｏＲ法）等によって大面積で製造された後に所望の大きさに切り出される際にカッターで切断された部分を示している。カッターの性能状態によっては、負極１の集電体端部１ｅにおいて、負極活物質層３の表面からその負極１の材料が突出する突起部（所謂、バリであり、図４参照）が生じ易い。ここで、集電体端部１ｅは、負極集電体２と負極集電体２の上下面にそれぞれ生成された負極活物質層３との積層体の端部のことである。
正極１０は、例えばアルミニウム箔から成る正極集電体（集電体）１１と、その正極集電体１１の上下面にそれぞれ生成された正極活物質層（活物質層）１２とを有して構成されている。この正極活物質層１２は、主として正極活物質とバインダーとにより構成され、必要に応じて導電助剤が添加される。
正極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵及び放出を可逆的に進行する種々の活物質材料を用いることができる。例えば、コバルト酸リチウム、マンガン酸リチウム、ニッケル酸リチウム、チタン酸リチウム等のリチウム複合金属酸化物を用いることができる。また、負極１の負極活物質層３に金属リチウムが用いられたときは、リチウムを含まないＦｅＯＯＨやＮｉＯＯＨ等の正極活物質が用いられる。そして、この正極集電体１１には、一方の一辺側（図示の例では右側）の一部から突出して設けられている端子１３が設けられている。
正極活物質層１２の表面には、電気絶縁性を有する塗料を塗布して構成される絶縁塗膜１４が設けられている。この塗料には、このアルミナ（酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３））やシリカ（二酸化ケイ素（ＳｉＯ２））等の無機粒子を含んで構成され、塗膜の機械強度が増加されている。
図１に示すように、絶縁塗膜１４は、正極１０のうち、少なくとも、負極１の集電体端部１ｅに対向する部分１０ｅに設けられる。具体的には、正極集電体１１の上下面のうち、負極１の集電体端部１ｅに対向する所定の範囲に、正極活物質層１２と連ねて設けられている。例えば、負極集電体２が銅から構成され、負極活物質層３が、活物質として酸化硅素を含む構成で構成されている場合、絶縁塗膜１４の厚みは１μｍ以上３０μｍ以下であることが好ましい。絶縁塗膜１４が上記条件を満たすと、負極１と正極１０とをセパレータ２０を介して積層した際に、仮に集電体端部１ｅに形成された突起部がセパレータ２０を貫通していても、その突起部の先端が絶縁塗膜１４の表面或いは絶縁塗膜１４内に配され、負極１と正極１０との間の短絡をより確実に防止することができる。但し、絶縁塗膜１４の厚み及び機械強度は、負極集電体２、負極活物質層３、正極集電体１１及び正極活物質層１２の材質等を考慮して、適切に設定されることが好ましい。
なお、図１では、負極１の集電体端部１ｅ以外に、正極１０に設けられている正極活物質層１２の周囲部分にも絶縁塗膜１４が塗布されている。
また、絶縁塗膜１４が多孔質である場合は、即ち、電気絶縁性を有する塗料が塗布されて形成された塗膜が多孔質である場合は、正極１０の表面全体に絶縁塗膜１４を形成することもできる。
なお、図１では、負極１の集電体端部１ｅ以外に、正極１０に設けられている正極活物質層１２の周囲部分にも絶縁塗膜１４が塗布されている。
また、絶縁塗膜１４が多孔質である場合は、即ち、電気絶縁性を有する塗料が塗布されて形成された塗膜が多孔質である場合は、正極１０の表面全体に絶縁塗膜１４を形成することもできる。
セパレータ２０は、イオン透過性膜として機能するものであれば使用することができる。例えば、ポリエチレン多孔質フィルムやポリプロピレンの多孔質フィルムや不織布を用いることができる。
電解質層２２は、公知の電解液等で構成され、外装体２４内でゲル化するゲル電解質であってもよい。
電解質層２２は、公知の電解液等で構成され、外装体２４内でゲル化するゲル電解質であってもよい。
負極１、正極１０及びセパレータ２０の平面形状は、それぞれ矩形を呈した相似関係を有していて、略同一の面積に形成されている。因みに、セパレータ２０の面積が一番大きく、次ぎが負極１で、正極１０が最も小さく形成されている。例えば、一例としては、セパレータ２０の長辺の長さが５６．８ｍｍ、短辺の長さが４２．６ｍｍ、負極１のそれらが５４．８ｍｍ、４１．６ｍｍ、及び正極１０のそれらが５３．８ｍｍ、４０．６ｍｍとされている。
セパレータ２０を介在させた負極１及び正極１０の間には、電解質層２２が設けられている。電解質層２２には、周知の電解質、電解液を用いることができる。例えば、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌＯ４のようなリチウム塩と、エチレンカーボネート（ＥＣ）及びジエチルカーボネート（ＤＥＣ）の混合溶媒との電解液等を用いることができる。
上述の負極１、正極１０、セパレータ２０及び電解質層２２は、周知のリチウムイオン二次電池と同様に、これらの積層体（即ち、電極部Ｐ）がラミネートアルミフィルム等からなる外装体２４内に密封させてリチウムイオン二次電池ＬＢが製造される。電解質層２２は、負極１と正極１０との間以外に、電極部Ｐの周囲にも充填されている。
リチウムイオン二次電池ＬＢを製造する際は、例えば、先ず、負極集電体２の上下面に負極活物質を含む負極材を５μｍから１００μｍ程度の厚みで塗布した後、負極材に含まれる溶媒を乾燥除去し、負極活物質層３を形成し、負極１とする。
次に、例えば、正極集電体１１の上下面に正極活物質を含む正極材を５μｍから１００μｍ程度の厚みで塗布した後、正極材に含まれる溶媒を乾燥除去し、正極活物質層１２を形成し、正極１０とする。
負極１及び正極１０は、生産性を高めるために、ＲｔｏＲ法によって製造することができ、その場合は大面積の各電極部からカッター等で上述したような所望の大きさに切断し、負極１及び正極１０とする。その際に、例えば負極１の集電体端部１ｅに突起部が形成されることがある。
次に、例えば、正極集電体１１の上下面に正極活物質を含む正極材を５μｍから１００μｍ程度の厚みで塗布した後、正極材に含まれる溶媒を乾燥除去し、正極活物質層１２を形成し、正極１０とする。
負極１及び正極１０は、生産性を高めるために、ＲｔｏＲ法によって製造することができ、その場合は大面積の各電極部からカッター等で上述したような所望の大きさに切断し、負極１及び正極１０とする。その際に、例えば負極１の集電体端部１ｅに突起部が形成されることがある。
次に、電気絶縁性を有する塗液を、例えばダイ方式、グラビア方式等の公知の塗工方法で、正極１０のうち、少なくとも、図１に示すように負極１の集電体端部１ｅに対向する部分に、塗布し、絶縁塗膜１４を形成する工程を行う。
その後、突起部６を絶縁塗膜１４に対向させる形で、セパレータ２０を介して負極１と正極１０とを積層し、これらを外装体２４で仮封止したラミネートセルを得る。セルを仮封止する際、端子４，１３をそれぞれ外装体２４の外部に突出させる。続いて、ラミネートセルの仮封止を部分的に解いて、電解質層２２を形成した後で完全に封止する。以上の工程により、図１に示すリチウムイオン二次電池ＬＢが得られる。
その後、突起部６を絶縁塗膜１４に対向させる形で、セパレータ２０を介して負極１と正極１０とを積層し、これらを外装体２４で仮封止したラミネートセルを得る。セルを仮封止する際、端子４，１３をそれぞれ外装体２４の外部に突出させる。続いて、ラミネートセルの仮封止を部分的に解いて、電解質層２２を形成した後で完全に封止する。以上の工程により、図１に示すリチウムイオン二次電池ＬＢが得られる。
上記構成からなる正極１０、リチウムイオン二次電池ＬＢ及びその製造方法では、正極１０に絶縁塗膜１４が設けられているので、仮に負極１の集電体端部１ｅにバリ等の突起部が形成されていてセパレータ２０が破損しても、負極１と正極１０との短絡を効果的に防止することができる。また、電極間の絶縁塗膜１４の密着性を向上させることで、リチウムイオン二次電池ＬＢの性能を維持することができる。しかも、絶縁塗膜１４は電気絶縁性を有する塗膜を塗布するだけで形成することができるので、従来の絶縁テープを張着するよりも簡単に行い、電極部Ｐ及びリチウムイオン二次電池ＬＢの生産性を高めることができる。しかも、絶縁塗膜１４の厚みは１０μｍ程度とすることができるので、従来の絶縁テープ厚の３５μｍより薄く、電池性能の低下を抑制することができる。また、絶縁塗膜１４が多孔質である場合は、正極１０の正極活物質層１２の接触面積の低下を抑制することができる。
また、上記構成からなる電極部Ｐ及びリチウムイオン二次電池ＬＢでは、絶縁塗膜１４（即ち、電気絶縁性を有する塗料）がアルミナやシリカ等の無機粒子を含んで構成されるので、機械的強度に優れた絶縁塗膜１４を形成することができる。
また、上記構成からなる電極部Ｐ及びリチウムイオン二次電池ＬＢでは、絶縁塗膜が多孔質であるので、正極活物質層１２及び負極活物質層３の接触面積の低下を抑制することができる。
以上、本発明によるその実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、絶縁塗膜１４を多孔質とし、絶縁塗膜１４の小孔でセパレータ２０のイオン透過機能を達成する場合は、セパレータ２０を省略し、厚みを適切に調節した絶縁塗膜１４のみを正極活物質層１２上に設けてもよい。
例えば、絶縁塗膜１４を多孔質とし、絶縁塗膜１４の小孔でセパレータ２０のイオン透過機能を達成する場合は、セパレータ２０を省略し、厚みを適切に調節した絶縁塗膜１４のみを正極活物質層１２上に設けてもよい。
また、上記実施形態では、図１に示すように、絶縁塗膜１４が正極１０のうち負極１の集電体端部１ｅに対向する正極集電体１１の上下面に、正極活物質層１２と連ねて設けられている例について説明したが、このような形態に限定されることはない。例えば、図２に示すように、絶縁塗膜１４は正極集電体１１とは反対側の正極活物質層１２の表面上に設けられていてもよい。また、図３に示すように、絶縁塗膜１４は、正極活物質層１２の端部よりの表面から端部を覆うと共に、負極１の集電体端部１ｅに対向する正極集電体１１の上下面に亘って設けられていてもよい。また、図４に示すように、負極１の集電体端部１ｅに突起部６が形成された場合に、絶縁塗膜１４は突起部６を直接被覆するように設けられていてもよい。
さらに、上述した実施形態の負極１と正極１０とが逆であってもよい。つまり、正極１０の集電体端部と、負極のうち正極の集電体端部に対向する部分とが絶縁塗膜１４によって被覆されていてもよい。
さらに、上述した実施形態の負極１と正極１０とが逆であってもよい。つまり、正極１０の集電体端部と、負極のうち正極の集電体端部に対向する部分とが絶縁塗膜１４によって被覆されていてもよい。
また、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。
１ 負極
１ｅ 集電体端部
２ 負極集電体（集電体）
３ 負極活物質層（活物質層）
１０ 正極
１０ｅ 集電体端部に対向する部分
１１ 正極集電体（集電体）
１２ 正極活物質層（活物質層）
１４ 絶縁塗膜
２０ セパレータ
２２ 電解質
ＬＢ リチウムイオン二次電池
Ｐ 電極部
１ｅ 集電体端部
２ 負極集電体（集電体）
３ 負極活物質層（活物質層）
１０ 正極
１０ｅ 集電体端部に対向する部分
１１ 正極集電体（集電体）
１２ 正極活物質層（活物質層）
１４ 絶縁塗膜
２０ セパレータ
２２ 電解質
ＬＢ リチウムイオン二次電池
Ｐ 電極部
Claims (6)
- 正極と負極とその間に電解質層を有するリチウムイオン二次電池の電極部であって、
前記正極と前記負極は、集電体とその表面に積層された活物質層からなり、
前記正極と前記負極の集電体端部と、前記正極と前記負極のそれぞれに積層される別の前記負極と前記正極の前記集電体端部に対向する部分と、が絶縁塗膜によって被膜されているリチウムイオン二次電池の電極部。 - 正極と負極とその間に電解質層を有するリチウムイオン二次電池の電極部であって、
前記正極と前記負極の端部に形成される突起部と、前記突起部が形成された前記正極と前記負極のそれぞれに積層される別の前記負極と前記正極の前記突起部に対向する部分と、が絶縁塗膜によって被膜されているリチウムイオン二次電池の電極部。 - 前記絶縁塗膜は、アルミナやシリカ等の無機粒子を含んで構成されている請求項１又は請求項２に記載のリチウムイオン二次電池の電極部。
- 前記絶縁塗膜は多孔質である請求項１から請求項３の何れか一項に記載のリチウムイオン二次電池の電極部。
- 請求項１から請求項４の何れか一項に記載のリチウムイオン二次電池の電極部を備えたリチウムイオン二次電池。
- 請求項１から請求項４の何れか一項に記載のリチウムイオン二次電池の電極部を備えたリチウムイオン二次電池の製造方法であって、
前記正極と前記負極の集電体端部と、前記正極と前記負極のそれぞれに積層される別の前記負極と前記正極の前記集電体端部に対向する部分と、を絶縁塗膜によって被膜する工程を有するリチウムイオン二次電池の製造方法。
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