JPWO2020017439A1 - 電解質シートの製造方法及び二次電池の製造方法 - Google Patents

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Abstract

1種又は2種以上のポリマと、酸化物粒子と、リチウム塩、ナトリウム塩、カルシウム塩、及びマグネシウム塩からなる群より選ばれる少なくとも1種の電解質塩と、下記一般式(10)で表される化合物及びイオン液体の少なくとも一方と、分散媒とを含有する電解質スラリー組成物を基材上に塗工する工程と、塗工された電解質スラリー組成物から分散媒を除去して基材上に電解質層を形成する工程とを備え、基材の分散媒に対する接触角が60°以下である、電解質シートの製造方法が開示される。RAO−(CH2CH2O)y−RB(10)[式(10)中、RA及びRBはそれぞれ独立に炭素数1〜4のアルキル基を示し、yは1〜6の整数を示す。]

Description

本発明は、電解質シートの製造方法及び二次電池の製造方法に関する。
近年、携帯型電子機器、電気自動車等の普及により、高性能な二次電池が必要とされている。中でもリチウム二次電池は、高いエネルギー密度を有するため、電気自動車用電池、電力貯蔵用電池等の電源として注目されている。具体的には、電気自動車用電池としてのリチウム二次電池は、エンジンを搭載しないゼロエミッション電気自動車、エンジン及び二次電池の両方を搭載したハイブリッド電気自動車、電力系統から直接充電させるプラグイン・ハイブリッド電気自動車等の電気自動車に採用されている。また、電力貯蔵用電池としてのリチウム二次電池は、電力系統が遮断された非常時に、予め貯蔵しておいた電力を供給する定置式電力貯蔵システム等に用いられている。
このような広範な用途に使用するために、より高いエネルギー密度のリチウム二次電池が求められており、その開発が進められている。特に、電気自動車用のリチウム二次電池には、高い入出力特性及び高いエネルギー密度に加えて、高い安全性が要求されるため、安全性を確保するためのより高度な技術が求められる。従来、リチウム二次電池の安全性を向上させる方法として、電解液で使用される成分をゲル化して、ゲル電解質を形成する方法等が知られている(例えば、特許文献1、2参照)。
特開2000−164254号公報 特開2007−141467号公報
ところで、基材と基材上に設けられた電解質層とを備える電解質シートを作製する場合、電解質成分と分散媒とを含有する電解質スラリー組成物を基材上に塗工し、塗工された電解質スラリー組成物から分散媒を除去して基材上に電解質層を形成することが一般的である。電解質シートを安定的に供給するためには、塗工乾燥工程において、電解質層が大きく変化しないことが重要となる。特に、電解質シートの製造においては、電解質スラリー組成物を塗工したときの塗工幅が分散媒を除去した後においても大きく変動しないことが求められる。
そこで、本発明は、電解質スラリー組成物を塗工したときの塗工幅が分散媒を除去した後においても変動し難い電解質シートの製造方法を提供することを主な目的とする。
本発明の第1の態様は、1種又は2種以上のポリマと、酸化物粒子と、リチウム塩、ナトリウム塩、カルシウム塩、及びマグネシウム塩からなる群より選ばれる少なくとも1種の電解質塩と、下記一般式(10)で表される化合物及びイオン液体の少なくとも一方と、分散媒とを含有する電解質スラリー組成物を基材上に塗工する工程と、塗工された電解質スラリー組成物から分散媒を除去して基材上に電解質層を形成する工程とを備え、基材の分散媒に対する接触角が60°以下である、電解質シートの製造方法である。
O−(CHCHO)−R (10)
[式(10)中、R及びRはそれぞれ独立に炭素数1〜4のアルキル基を示し、yは1〜6の整数を示す。]
基材は、分散媒に対する接触角が60°以下であると、他の部材(例えば、粘着テープ等)との密着性に優れる傾向にある。そのため、このような基材を用いることによって、基材と基材上に設けられた電解質層との密着性に優れることが推測される。
接触角は、好ましくは40°以下である。
酸化物粒子は、好ましくは、SiO、Al、AlOOH、MgO、CaO、ZrO、TiO、LiLaZr12、及びBaTiOからなる群より選ばれる少なくとも1種の粒子である。
イオン液体は、好ましくは、カチオン成分として、鎖状四級オニウムカチオン、ピペリジニウムカチオン、ピロリジニウムカチオン、ピリジニウムカチオン、及びイミダゾリウムカチオンからなる群より選ばれる少なくとも1種を含む。
イオン液体は、好ましくは、アニオン成分として、下記一般式(A)で表されるアニオン成分の少なくとも1種を含む。
N(SO2m+1)(SO2n+1 (A)
[式(A)中、m及びnは、それぞれ独立に0〜5の整数を表す。]
ポリマは、好ましくは四フッ化エチレン及びフッ化ビニリデンからなる群より選ばれる第1の構造単位を有する。
ポリマは、好ましくはポリマを構成する構造単位の中に、第1の構造単位と、ヘキサフルオロプロピレン、アクリル酸、マレイン酸、エチルメタクリレート、及びメチルメタクリレートからなる群より選ばれる第2の構造単位とが含まれる。
電解質塩は、好ましくはイミド系リチウム塩である。
一般式(10)で表される化合物は、好ましくはテトラエチレングリコールジメチルエーテルを含む。
本発明の第2の態様は、正極集電体上に正極合剤層を形成して正極を得る工程と、負極集電体上に負極合剤層を形成して負極を得る工程と、上述の製造方法によって得られた電解質シートの電解質層を正極と負極との間に配置する工程とを備える、二次電池の製造方法である。
本発明によれば、電解質スラリー組成物を塗工したときの塗工幅が分散媒を除去した後においても変動し難い電解質シートの製造方法が提供される。このような製造方法で製造される電解質シートは、電解質層と基材との密着性の点においても優れることが推測される。また、本発明によれば、このような製造方法で得られた電解質シートを用いた二次電池の製造方法が提供される。
第1実施形態に係る二次電池を示す斜視図である。 図1に示した二次電池における電極群の一実施形態を示す分解斜視図である。 図1に示した二次電池における電極群の一実施形態を示す模式断面図である。 (a)は一実施形態に係る電解質シートを示す模式断面図であり、(b)は他の実施形態に係る電解質シートを示す模式断面図である。 第2実施形態に係る二次電池における電極群の一実施形態を示す模式断面図である。
以下、図面を適宜参照しながら、本発明の実施形態について説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態において、その構成要素(ステップ等も含む)は、特に明示した場合を除き、必須ではない。各図における構成要素の大きさは概念的なものであり、構成要素間の大きさの相対的な関係は各図に示されたものに限定されない。
本明細書における数値及びその範囲は、本発明を制限するものではない。本明細書において、「〜」を用いて示された数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値をそれぞれ最小値及び最大値として含む範囲を示す。本明細書において段階的に記載されている数値範囲において、一つの数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の上限値又は下限値に置き換えてもよい。また、本明細書中に記載される数値範囲において、その数値範囲の上限値又は下限値は、実施例中に示されている値に置き換えてもよい。
[第1実施形態]
図1は、第1実施形態に係る二次電池を示す斜視図である。図1に示すように、二次電池1は、正極、負極及び電解質層から構成される電極群2と、電極群2を収容する袋状の電池外装体3とを備えている。正極及び負極には、それぞれ正極集電タブ4及び負極集電タブ5が設けられている。正極集電タブ4及び負極集電タブ5は、それぞれ正極及び負極が二次電池1の外部と電気的に接続可能なように、電池外装体3の内部から外部へ突き出している。
電池外装体3は、例えばラミネートフィルムで形成されていてよい。ラミネートフィルムは、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム等の樹脂フィルムと、アルミニウム、銅、ステンレス鋼等の金属箔と、ポリプロピレン等のシーラント層とがこの順で積層された積層フィルムであってよい。
図2は、図1に示した二次電池1における電極群2の一実施形態を示す分解斜視図である。図3は、図1に示した二次電池1における電極群2の一実施形態を示す模式断面図である。図2及び図3に示すように、本実施形態に係る電極群2Aは、正極6と、電解質層7と、負極8とをこの順に備えている。正極6は、正極集電体9と、正極集電体9上に設けられた正極合剤層10とを備えている。正極集電体9には、正極集電タブ4が設けられている。負極8は、負極集電体11と、負極集電体11上に設けられた負極合剤層12とを備えている。負極集電体11には、負極集電タブ5が設けられている。
正極集電体9は、アルミニウム、ステンレス鋼、チタン等で形成されていてよい。正極集電体9は、具体的には、例えば孔径0.1〜10mmの孔を有するアルミニウム製穿孔箔、エキスパンドメタル、発泡金属板等であってよい。正極集電体9は、上記以外にも、電池の使用中に溶解、酸化等の変化を生じないものであれば、任意の材料で形成されていてよく、また、その形状、製造方法等も制限されない。
正極集電体9の厚さは、10μm以上100μm以下であってよく、正極全体の体積を小さくする観点から、好ましくは10μm以上50μm以下であり、電池を形成する際に小さな曲率で正極を捲回する観点から、より好ましくは10μm以上20μm以下である。
正極合剤層10は、一実施形態において、正極活物質と、導電剤と、結着剤とを含有する。
正極活物質は、リチウム遷移金属酸化物、リチウム遷移金属リン酸塩等のリチウム遷移金属化合物であってよい。
リチウム遷移金属酸化物は、例えば、マンガン酸リチウム、ニッケル酸リチウム、コバルト酸リチウム等であってよい。リチウム遷移金属酸化物は、マンガン酸リチウム、ニッケル酸リチウム、コバルト酸リチウム等に含有されるMn、Ni、Co等の遷移金属の一部を、1種若しくは2種以上の他の遷移金属、又はMg、Al等の金属元素(典型元素)で置換したリチウム遷移金属酸化物であってもよい。すなわち、リチウム遷移金属酸化物は、LiM又はLiM (Mは少なくとも1種の遷移金属を含む)で表される化合物であってよい。リチウム遷移金属酸化物は、具体的には、Li(Co1/3Ni1/3Mn1/3)O、LiNi1/2Mn1/2、LiNi1/2Mn3/2等であってよい。
リチウム遷移金属酸化物は、エネルギー密度を更に向上させる観点から、好ましくは下記式(1)で表される化合物である。
LiNiCo 2+e (1)
[式(1)中、Mは、Al、Mn、Mg、及びCaからなる群より選ばれる少なくとも1種であり、a、b、c、d、及びeは、それぞれ0.2≦a≦1.2、0.5≦b≦0.9、0.1≦c≦0.4、0≦d≦0.2、−0.2≦e≦0.2、かつb+c+d=1を満たす数である。]
リチウム遷移金属リン酸塩は、LiFePO、LiMnPO、LiMn 1−xPO(0.3≦x≦1、MはFe、Ni、Co、Ti、Cu、Zn、Mg、及びZrからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素である)等であってよい。
正極活物質は、造粒されていない一次粒子であってもよく、造粒された二次粒子であってもよい。
正極活物質の粒径は、正極合剤層10の厚さ以下になるように調整される。正極活物質中に正極合剤層10の厚さ以上の粒径を有する粗粒子がある場合、ふるい分級、風流分級等により粗粒子を予め除去し、正極合剤層10の厚さ以下の粒径を有する正極活物質を選別する。
正極活物質の平均粒径は、好ましくは0.1μm以上、より好ましくは1μm以上である。また、好ましくは30μm以下、より好ましくは25μm以下である。正極活物質の平均粒径は、正極活物質全体の体積に対する比率(体積分率)が50%のときの粒径(D50)である。正極活物質の平均粒径(D50)は、レーザー散乱型粒径測定装置(例えば、マイクロトラック)を用いて、レーザー散乱法により水中に正極活物質を懸濁させた懸濁液を測定することで得られる。
正極活物質の含有量は、正極合剤層全量を基準として、70質量%以上、80質量%以上、又は85質量%以上であってよい。正極活物質の含有量は、正極合剤層全量を基準として、95質量%以下、92質量%以下、又は90質量%以下であってよい。
導電剤は、特に限定されないが、黒鉛、アセチレンブラック、カーボンブラック、炭素繊維、カーボンナノチューブ等の炭素材料などであってよい。導電剤は、上述した炭素材料の2種以上の混合物であってもよい。
導電剤の含有量は、正極合剤層全量を基準として、0.1質量%以上、1質量%以上、又は3質量%以上であってよい。導電剤の含有量は、正極6の体積の増加及びそれに伴う二次電池1のエネルギー密度の低下を抑制する観点から、正極合剤層全量を基準として、好ましくは15質量%以下、より好ましくは10質量%以下、更に好ましくは8質量%以下である。
結着剤は、正極6の表面で分解しないものであれば制限されないが、四フッ化エチレン、フッ化ビニリデン、ヘキサフルオロプロピレン、アクリル酸、マレイン酸、エチルメタクリレート、及びメチルメタクリレートからなる群より選ばれる少なくとも1種をモノマ単位として含むポリマ、スチレン−ブタジエンゴム、イソプレンゴム、アクリルゴム等のゴムなどであってよい。結着剤は、好ましくは四フッ化エチレンとフッ化ビニリデンとを構造単位として含むコポリマである。
結着剤の含有量は、正極合剤層全量を基準として、0.5質量%以上、1質量%以上、又は3質量%以上であってよい。結着剤の含有量は、正極合剤層全量を基準として、20質量%以下、15質量%以下、又は10質量%以下であってよい。
正極合剤層10は、イオン液体を更に含有していてもよい。
イオン液体は、後述の電解質スラリー組成物で使用されるイオン液体を用いることができる。正極合剤層10に含まれるイオン液体の含有量は、正極合剤層全量を基準として、好ましくは3質量%以上、より好ましくは5質量%以上、更に好ましくは10質量%以上である。正極合剤層10に含まれるイオン液体の含有量は、正極合剤層全量を基準として、好ましくは30質量%以下、より好ましくは25質量%以下、更に好ましくは20質量%以下である。
正極合剤層10に含まれるイオン液体には電解質塩が溶解されていてもよい。電解質塩は、後述の電解質スラリー組成物で使用される電解質塩を用いることができる。
正極合剤層10の厚さは、導電率を更に向上させる観点から、正極活物質の平均粒径以上の厚さであり、具体的には、10μm以上、15μm以上、又は20μm以上であってよい。正極合剤層10の厚さは、100μm以下、80μm以下、又は70μm以下であってよい。正極合剤層の厚さを100μm以下とすることにより、正極合剤層10の表面近傍及び正極集電体9の表面近傍の正極活物質の充電レベルのばらつきに起因する充放電の偏りを抑制できる。
負極集電体11は、アルミニウム、銅、ニッケル、ステンレス等の金属、それらの合金などであってよい。負極集電体11は、軽量で高い重量エネルギー密度を有するため、好ましくはアルミニウム及びその合金である。負極集電体11は、薄膜への加工のし易さ及びコストの観点から、好ましくは銅である。
負極集電体11の厚さは、10μm以上100μm以下であってよく、負極全体の体積を小さくする観点から、好ましくは10μm以上50μm以下であり、電池を形成する際に小さな曲率で負極を捲回する観点から、より好ましくは10μm以上20μm以下である。
負極合剤層12は、一実施形態において、負極活物質と、結着剤とを含有する。
負極活物質は、エネルギーデバイスの分野で常用されるものを使用できる。負極活物質としては、具体的には、例えば、金属リチウム、チタン酸リチウム(LiTi12)、リチウム合金又はその他の金属化合物、炭素材料、金属錯体、有機高分子化合物等が挙げられる。負極活物質はこれらの1種単独、若しくは2種以上の混合物であってよい。炭素材料としては、天然黒鉛(鱗片状黒鉛等)、人造黒鉛等の黒鉛(グラファイト)、非晶質炭素、炭素繊維、及びアセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック等のカーボンブラックなどが挙げられる。負極活物質は、より大きな理論容量(例えば500〜1500Ah/kg)を得る観点から、シリコン、スズ又はこれらの元素を含む化合物(酸化物、窒化物、他の金属との合金)であってもよい。
負極活物質の平均粒径(D50)は、粒径減少に伴う不可逆容量の増加を抑制しつつ、かつ、電解質塩の保持能力を高めたバランスの良い負極を得る観点から、好ましくは1μm以上、より好ましくは5μm以上、更に好ましくは10μm以上であり、また、好ましくは50μm以下、より好ましくは40μm以下、更に好ましくは30μm以下である。負極活物質の平均粒径(D50)は、上述した正極活物質の平均粒径(D50)と同様の方法により測定される。
負極活物質の含有量は、負極合剤層全量を基準として、60質量%以上、65質量%以上、又は70質量%以上であってよい。負極活物質の含有量は、負極合剤層全量を基準として、99質量%以下、95質量%以下、又は90質量%以下であってよい。
結着剤及びその含有量は、上述した正極合剤層10における結着剤及びその含有量と同様であってよい。
負極合剤層12は、負極8の抵抗を更に低くする観点から、導電剤を更に含有してもよい。導電剤及びその含有量は、上述した正極合剤層10における導電剤及びその含有量と同様であってよい。
負極合剤層12は、イオン液体を更に含有していてもよい。
イオン液体は、後述の電解質スラリー組成物で使用されるイオン液体を用いることができる。負極合剤層12に含まれるイオン液体の含有量は、負極合剤層全量を基準として、好ましくは3質量%以上、より好ましくは5質量%以上、更に好ましくは10質量%以上である。負極合剤層12に含まれるイオン液体の含有量は、負極合剤層全量を基準として、好ましくは30質量%以下、より好ましくは25質量%以下、更に好ましくは20質量%以下である。
負極合剤層12に含まれるイオン液体には、上述した正極合剤層10に使用できる電解質塩と同様の電解質塩が溶解されていてもよい。
負極合剤層12の厚さは、10μm以上、15μm以上、又は20μm以上であってよい。負極合剤層12の厚さは、100μm以下、80μm以下、又は70μm以下であってよい。
電解質層7は、基材上に電解質スラリー組成物を用いて電解質シートを作製することによって形成される。電解質スラリー組成物は、1種又は2種以上のポリマと、酸化物粒子と、リチウム塩、ナトリウム塩、カルシウム塩、及びマグネシウム塩からなる群より選ばれる少なくとも1種の電解質塩と、下記一般式(10)で表される化合物(グライム)及びイオン液体の少なくとも一方と、分散媒とを含有する。ここで、基材の分散媒に対する接触角は、60°以下である。
電解質スラリー組成物は、1種又は2種以上のポリマを含有する。ポリマは、好ましくは、四フッ化エチレン及びフッ化ビニリデンからなる群より選ばれる第1の構造単位を有する。
ポリマを構成する構造単位の中には、前記第1の構造単位と、ヘキサフルオロプロピレン、アクリル酸、マレイン酸、エチルメタクリレート、及びメチルメタクリレートからなる群より選ばれる第2の構造単位とが含まれていてもよい。すなわち、第1の構造単位及び第2の構造単位は、1種のポリマに含まれてコポリマを構成していてもよく、それぞれ別のポリマに含まれて、第1の構造単位を有する第1のポリマと、第2の構造単位を有する第2のポリマとの少なくとも2種のポリマを構成していてもよい。
ポリマは、具体的には、ポリ四フッ化エチレン、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとのコポリマ等であってよい。
ポリマの含有量は、電解質スラリー組成物の分散媒を除いた成分全量を基準として、好ましくは3質量%以上である。ポリマの含有量は、電解質スラリー組成物の分散媒を除いた成分全量を基準として、好ましくは50質量%以下、より好ましくは40質量%以下である。ポリマの含有量は、電解質スラリー組成物の分散媒を除いた成分全量を基準として、好ましくは3〜50質量%、より好ましくは3〜40質量%である。
本実施形態に係るポリマは、電解質スラリー組成物に含まれるイオン液体との親和性に優れるため、電解質層7を形成したときにグライム又はイオン液体中の電解質を保持する。これにより、電解質層7に荷重が加えられた際のグライム又はイオン液体の液漏れが抑制される。
電解質スラリー組成物は、酸化物粒子を含有する。酸化物粒子は、例えば無機酸化物の粒子である。無機酸化物は、例えば、Li、Mg、Al、Si、Ca、Ti、Zr、La、Na、K、Ba、Sr、V、Nb、B、Ge等を構成元素として含む無機酸化物であってよい。酸化物粒子は、好ましくは、SiO、Al、AlOOH、MgO、CaO、ZrO、TiO、LiLaZr12、及びBaTiOからなる群より選ばれる少なくとも1種の粒子である。酸化物粒子は極性を有するため、電解質層7中の電解質の解離を促進し、電池特性を高めることができる。
酸化物粒子は、一般に、見かけ上の幾何学的形態から判断して、一体的に単一の粒子を形成している一次粒子(二次粒子を構成していない粒子)と、複数の一次粒子が集合することで形成される二次粒子とを含んでいてもよい。
酸化物粒子の比表面積は、2〜380m/g、5〜100m/g、10〜80m/g、又は15〜60m/gであってよい。比表面積が2〜380m/gであると、二次電池の放電特性により優れる傾向にある。同様の観点から、酸化物粒子の比表面積は、5m/g以上、10m/g以上、又は15m/g以上であってもよく、100m/g以下、80m/g以下、又は60m/g以下であってもよい。酸化物粒子の比表面積は、一次粒子及び二次粒子を含む酸化物粒子全体の比表面積を意味し、BET法によって測定される。
酸化物粒子の平均一次粒径(一次粒子の平均粒径)は、導電率を更に向上させる観点から、好ましくは0.005μm(5nm)以上、より好ましくは0.01μm(10nm)以上、更に好ましくは0.015μm(15nm)以上である。酸化物粒子の平均一次粒径は、電解質層7を薄くする観点から、好ましくは1μm以下、より好ましくは0.1μm以下、更に好ましくは0.05μm以下である。酸化物粒子の平均一次粒径は、電解質層7を薄層化する観点及び電解質層7の表面からの酸化物粒子の突出を抑制する観点から、好ましくは0.005〜1μm、0.01〜0.1μm、又は0.015〜0.05μmである。酸化物粒子の平均一次粒径は、酸化物粒子を透過型電子顕微鏡等によって観察することによって測定できる。
酸化物粒子の平均粒子径は、好ましくは0.005μm以上、より好ましくは0.01μm以上、更に好ましくは0.03μm以上である。酸化物粒子の平均粒子径は、好ましくは5μm以下、より好ましくは3μm以下、更に好ましくは1μm以下である。酸化物粒子の平均粒子径は、レーザー回折法により測定され、体積累積粒度分布曲線を小粒径側から描いた場合に、体積累積が50%となる粒子径に対応する。
酸化物粒子の形状は、例えば塊状又は略球状であってよい。酸化物粒子のアスペクト比は、電解質層7の薄層化を容易にする観点から、好ましくは10以下、より好ましくは5以下、更に好ましくは2以下である。アスペクト比は、酸化物粒子の走査型電子顕微鏡写真から算出した、粒子の長軸方向の長さ(粒子の最大長さ)と、粒子の短軸方向の長さ(粒子の最小長さ)との比として定義される。粒子の長さは、前記写真を、市販の画像処理フト(例えば、旭化成エンジニアリング株式会社製の画像解析ソフト、A像くん(登録商標))を用いて、統計的に計算して求められる。
酸化物粒子は、表面処理剤で表面処理されていてもよい。表面処理剤としては、例えば、ケイ素含有化合物等が挙げられる。ケイ素含有化合物は、メチルトリメトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、ジメトキシジフェニルシラン、n−プロピルトリメトキシシラン、ヘキシルトリメトキシシラン、テトラエトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、n−プロピルトリエトキシシラン等のアルコキシシラン、2−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン等のエポキシ基含有シラン、N−2−(アミノエチル)−3−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、N−2−(アミノエチル)−3−アミノプロピルトリメトキシシラン、3−アミノプロピルトリエトキシシラン、N−フェニル−3−アミノプロピルトリメトキシシラン等のアミノ基含有シラン、ヘキサメチルジシラザン等のシラザン、ジメチルシリコーンオイル等のシロキサンなどであってもよい。
表面処理剤で表面処理された酸化物粒子は、公知の方法によって製造したものを用いてもよく、市販品をそのまま用いてもよい。
酸化物粒子の含有量は、電解質スラリー組成物の分散媒を除いた成分全量を基準として、好ましくは5質量%以上、より好ましくは10質量%以上、更に好ましくは15質量%以上、特に好ましくは20質量%以上であり、また、好ましくは60質量%以下、より好ましくは50質量%以下、更に好ましくは40質量%以下である。
電解質スラリー組成物は、電解質塩を含有する。電解質塩は、リチウム塩、ナトリウム塩、カルシウム塩、及びマグネシウム塩からなる群より選ばれる少なくとも1種である。電解質塩は、正極6と負極8との間でカチオンを授受させるために用いられる化合物である。上記の電解質塩は、低温では解離度が低く、グライム又はイオン液体中で拡散し易いことに加え、高温により熱分解しないため、二次電池が使用可能な環境温度が広範となる点で好ましい。電解質塩は、フッ素イオン電池において用いられる電解質塩であってもよい。
電解質塩のアニオン成分は、ハロゲン化物イオン(I、Cl、Br等)、SCN、BF 、BF(CF、BF(C、PF 、ClO 、SbF 、N(SOF) 、N(SOCF 、N(SO 、B(C 、B(O 、C(SOF) 、C(SOCF 、CFCOO、CFSO、CSO、B(O 等であってよい。電解質塩のアニオン成分は、好ましくは、N(SOF) 、N(SOCF 等の後述のイオン液体のアニオン成分で例示される式(A)で表されるアニオン成分、PF 、BF 、B(O 、又はClO である。
なお、以下では下記の略称を用いる場合がある。
[FSI]:N(SOF) 、ビス(フルオロスルホニル)イミドアニオン
[TFSI]:N(SOCF 、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドアニオン
[BOB]:B(O 、ビスオキサレートボラートアニオン
[f3C]:C(SOF) 、トリス(フルオロスルホニル)カルボアニオン
リチウム塩は、LiPF、LiBF、Li[FSI]、Li[TFSI]、Li[f3C]、Li[BOB]、LiClO、LiBF(CF)、LiBF(C)、LiBF(C)、LiBF(C)、LiC(SOCF、CFSOOLi、CFCOOLi、及びR’COOLi(R’は、炭素数1〜4のアルキル基、フェニル基、又はナフチル基である。)からなる群より選ばれる少なくとも1種であってよい。
ナトリウム塩は、NaPF、NaBF、Na[FSI]、Na[TFSI]、Na[f3C]、Na[BOB]、NaClO、NaBF(CF)、NaBF(C)、NaBF(C)、NaBF(C)、NaC(SOCF、CFSOONa、CFCOONa、及びR’COONa(R’は、炭素数1〜4のアルキル基、フェニル基、又はナフチル基である。)からなる群より選ばれる少なくとも1種であってよい。
カルシウム塩は、Ca(PF、Ca(BF、Ca[FSI]、Ca[TFSI]、Ca[f3C]、Ca[BOB]、Ca(ClO、Ca[BF(CF)]、Ca[BF(C)]、Ca[BF(C)]、Ca[BF(C)]、Ca[C(SOCF、(CFSOO)Ca、(CFCOO)Ca、及び(R’COO)Ca(R’は、炭素数1〜4のアルキル基、フェニル基、又はナフチル基である。)からなる群より選ばれる少なくとも1種であってよい。
マグネシウム塩は、Mg(PF、Mg(BF、Mg[FSI]、Mg[TFSI]、Mg[f3C]、Mg[BOB]、Na(ClO、Mg[BF(CF)]、Mg[BF(C)]、Mg[BF(C)]、Mg[BF(C)]、Mg[C(SOCF、(CFSOMg、(CFCOO)Mg、及び(R’COO)Mg(R’は、炭素数1〜4のアルキル基、フェニル基、又はナフチル基である。)からなる群より選ばれる少なくとも1種であってよい。
電解質塩は、好ましくは、イミド系リチウム塩、イミド系ナトリウム塩、イミド系カルシウム塩、及びイミド系マグネシウム塩からなる群より選ばれる1種であり、より好ましくは、イミド系リチウム塩である。
イミド系リチウム塩は、Li[TFSI]、Li[FSI]等であってよい。イミド系ナトリウム塩は、Na[TFSI]、Na[FSI]等であってよい。イミド系カルシウム塩は、Ca[TFSI]、Ca[FSI]等であってよい。イミド系マグネシウム塩は、Mg[TFSI]、Mg[FSI]等であってよい。
電解質スラリー組成物は、一般式(10)で表される化合物(グライム)及びイオン液体の少なくとも一方を含有する。グライム及びイオン液体は、分散媒に包含されない。電解質スラリー組成物は、放電特性の観点から、イオン液体を含有することが好ましい。
グライムは、一般式(10)で表される化合物である。
O−(CHCHO)−R (10)
式(10)中、R及びRはそれぞれ独立に炭素数1〜4のアルキル基を示し、yは1〜6の整数を示す。R及びRとしてのアルキル基は、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、t−ブチル基等であってよい。これらの中でも、アルキル基は、メチル基又はエチル基であることが好ましい。
グライムとしては、例えば、トリエチレングリコールジメチルエーテル(「トリグライム」又は「G3」という場合がある)、テトラエチレングリコールジメチルエーテル(「テトラグライム」又は「G4」という場合がある)、ペンタエチレングリコールジメチルエーテル(「ペンタグライム」又は「G5」という場合がある)、ヘキサエチレングリコールジメチルエーテル(「ヘキサグライム」又は「G6」という場合がある)等が挙げられる。これらは、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いてもよい。これらの中でも、グライムは、好ましくはトリグライム又はテトラグライムであり、より好ましくはテトラグライムである。
電解質スラリー組成物がグライムを含有する場合、グライムの一部又は全部は、電解質塩と錯体を形成していてもよい。グライムと電解質塩とで形成される錯体は、イオン液体と同様の性質を有し得る。
イオン液体は、以下のアニオン成分及びカチオン成分を含む。なお、本実施形態におけるイオン液体は、−20℃以上で液状の物質である。イオン液体は、構成するカチオンとアニオンの間に働く強い静電的な相互作用により水、分散媒等の分子性液体とは異なり、蒸気圧がほとんどないことが知られている。
イオン液体のアニオン成分は、特に限定されないが、Cl、Br、I等のハロゲンのアニオン、BF 、N(SOF) 等の無機アニオン、B(C 、CHSO、CFSO、N(SO 、N(SOCF 、N(SO 等の有機アニオンなどであってよい。
イオン液体のアニオン成分は、好ましくは、下記一般式(A)で表されるアニオン成分の少なくとも1種を含む。
N(SO2m+1)(SO2n+1 (A)
式(A)中、m及びnは、それぞれ独立に0〜5の整数を表す。m及びnは、互いに同一でも異なっていてもよく、好ましくは互いに同一である。
式(A)で表されるアニオン成分は、例えば、N(SO 、N(SOF) 、N(SOCF 、及びN(SO である。
イオン液体のアニオン成分は、比較的低粘度でイオン伝導度を更に向上させるとともに、充放電特性も更に向上させる観点から、より好ましくは、N(SO 、CFSO、N(SOF) 、N(SOCF 、及びN(SO からなる群より選ばれる少なくとも1種を含み、更に好ましくはN(SOF) を含む。
イオン液体のカチオン成分は、特に限定されないが、好ましくは鎖状四級オニウムカチオン、ピペリジニウムカチオン、ピロリジニウムカチオン、ピリジニウムカチオン、及びイミダゾリウムカチオンからなる群より選ばれる少なくとも1種である。
鎖状四級オニウムカチオンは、例えば、下記一般式(2)で表される化合物である。
Figure 2020017439
[式(2)中、R〜Rは、それぞれ独立に、炭素数が1〜20の鎖状アルキル基、又はR−O−(CH−で表される鎖状アルコキシアルキル基(Rはメチル基又はエチル基を表し、nは1〜4の整数を表す)を表し、Xは、窒素原子又はリン原子を表す。R〜Rで表されるアルキル基の炭素数は、好ましくは1〜20、より好ましくは1〜10、更に好ましくは1〜5である。]
ピペリジニウムカチオンは、例えば、下記一般式(3)で表される、窒素を含む六員環環状化合物である。
Figure 2020017439
[式(3)中、R及びRは、それぞれ独立に、炭素数が1〜20のアルキル基、又はR−O−(CH−で表されるアルコキシアルキル基(Rはメチル基又はエチル基を表し、nは1〜4の整数を表す)を表す。R及びRで表されるアルキル基の炭素数は、好ましくは1〜20、より好ましくは1〜10、更に好ましくは1〜5である。]
ピロリジニウムカチオンは、例えば、下記一般式(4)で表される五員環環状化合物である。
Figure 2020017439
[式(4)中、R及びRは、それぞれ独立に、炭素数が1〜20のアルキル基、又はR−O−(CH−で表されるアルコキシアルキル基(Rはメチル基又はエチル基を表し、nは1〜4の整数を表す)を表す。R及びRで表されるアルキル基の炭素数は、好ましくは1〜20、より好ましくは1〜10、更に好ましくは1〜5である。]
ピリジニウムカチオンは、例えば、一般式(5)で示される化合物である。
Figure 2020017439
[式(5)中、R〜R13は、それぞれ独立に、炭素数が1〜20のアルキル基、R−O−(CH−で表されるアルコキシアルキル基(Rはメチル基又はエチル基を表し、nは1〜4の整数を表す)、又は水素原子を表す。R〜R13で表されるアルキル基の炭素数は、好ましくは1〜20、より好ましくは1〜10、更に好ましくは1〜5である。]
イミダゾリウムカチオンは、例えば、一般式(6)で示される化合物である。
Figure 2020017439
[式(6)中、R14〜R18は、それぞれ独立に、炭素数が1〜20のアルキル基、R−O−(CH−で表されるアルコキシアルキル基(Rはメチル基又はエチル基を表し、nは1〜4の整数を表す)、又は水素原子を表す。R14〜R18で表されるアルキル基の炭素数は、好ましくは1〜20、より好ましくは1〜10、更に好ましくは1〜5である。]
グライム及びイオン液体の合計の含有量は、電解質層7を好適に作製する観点から、電解質スラリー組成物の分散媒を除いた成分全量を基準として、10質量%以上であってよく、80質量%以下であってよい。グライム及びイオン液体の合計の含有量は、リチウム二次電池を高い負荷率で充放電することを可能にする観点から、電解質スラリー組成物の分散媒を除いた成分全量を基準として、好ましくは20質量%以上、より好ましくは30質量%以上である。
電解質層7におけるグライム及びイオン液体の合計の単位体積あたりの電解質塩の濃度は、充放電特性を更に向上させる観点から、好ましくは0.5mol/L以上、より好ましくは0.7mol/L以上、更に好ましくは1.0mol/L以上であり、また、好ましくは3.0mol/L以下、より好ましくは2.5mol/L以下、更に好ましくは2.3mol/L以下である。
電解質スラリー組成物は、分散媒を含有する。ただし、上述のグライム及びイオン液体は、分散媒に包含されない。分散媒としては、特に制限されないが、例えば、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルアセトアミド、アセトン、エチルメチルケトン、シクロヘキサノン、γ−ブチロラクトン、2−ブタノール、ジメチルスルホキシド等が挙げられる。これらは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。
電解質スラリー組成物はその他の成分を含有していてもよい。その他の成分としては、例えば、セルロース繊維、樹脂繊維、ガラス繊維等が挙げられる。その他の成分の含有量は、電解質スラリー組成物の分散媒を除いた成分全量を基準として、0.1〜20質量%であってよい。
電解質スラリー組成物中の含有成分濃度は、電解質スラリー組成物の全質量を基準として、5〜70質量%であってよい。
電解質スラリー組成物は、1種又は2種以上のポリマ、酸化物粒子、リチウム塩、ナトリウム塩、カルシウム塩及びマグネシウム塩からなる群より選ばれる少なくとも1種の電解質塩、一般式(10)で表される化合物及びイオン液体の少なくとも一方、分散媒、並びにその他の成分を混合、混練することによって調製することができる。混合及び混練は、通常の撹拌機、らいかい機、三本ロール、ボールミル、ビーズミル等の分散機を適宜、組み合わせて行うことができる。
電解質層7として使用される電解質シートは、上述の電解質スラリー組成物を基材上に配置する工程と、配置された電解質スラリー組成物から分散媒を除去して基材上に電解質層を形成する工程とを備える製造方法によって作製される。図4(a)は、一実施形態に係る電解質シートを示す模式断面図である。図4(a)に示すように、電解質シート13Aは、基材14と、基材14上に設けられた電解質層7とを有する。電解質層7は、電解質スラリー組成物から分散媒を除いた成分で構成され得る。
電解質スラリー組成物を基材上に配置する方法としては、特に制限されないが、例えば、ドクターブレード法、ディッピング法、スプレー法等による塗布などが挙げられる。
電解質スラリー組成物から分散媒を除去する方法としては、特に制限されないが、例えば、電解質スラリー組成物を加熱して分散媒を揮発させる方法等が挙げられる。加熱温度は、使用される分散媒に合わせて適宜設定することができる。
基材14は、電解質スラリー組成物で使用される分散媒に対する接触角が60°以下であり、分散媒を揮発させる際の加熱に耐え得る耐熱性を有し、かつ電解質スラリー組成物によって膨潤しないものであれば制限されない。基材14は、樹脂からなるフィルムであってよく、より具体的には、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリ四フッ化エチレン、ポリイミド、ポリエーテルサルフォン、ポリエーテルケトン等の樹脂(汎用のエンジニアプラスチック)からなるフィルムであってよい。基材14は、上記条件を満たす市販品を適宜選択して用いることができる。
基材14の電解質スラリー組成物で使用される分散媒に対する接触角は、塗工乾燥工程において、電解質スラリー組成物を塗工したときの塗工幅が分散媒を除去した後においても小さくなり難く、塗工幅の変動が生じ難いことから、60°以下であり、50°以下、45°以下、40°以下、35°以下、30°以下、25°以下、20°以下、又は15°以下であってもよい。また、基材14は、分散媒に対する接触角が60°以下であると、他の部材(例えば、粘着テープ等)との密着性に優れる傾向にある。そのため、このような基材を用いることによって、基材と基材上に設けられた電解質層との密着性に優れることが推測される。基材14の電解質スラリー組成物で使用される分散媒に対する接触角は、特に制限されないが、電解質スラリー組成物を塗工したときの塗工幅が分散媒を除去した後においても大きくなり難く、塗工幅の変動が生じ難いことから、1°以上、2°以上、3°以上、4°以上、5°以上、6°以上、7°以上、又は8°以上であってよい。なお、本明細書において、基材14の電解質スラリー組成物で使用される分散媒に対する接触角は、例えば、実施例に記載の方法によって求めることができる。
基材14は、シリコーン等の表面処理剤で離型処理が施されていても施されていなくてもよいが、接触角をより小さくできる傾向にあることから、表面処理剤で離型処理が施されていないことが好ましい。
基材14は、電解質層を製造する過程において分散媒を揮発させる処理温度に耐えられる耐熱温度を有していればよい。耐熱温度は、基材14が樹脂で形成されている場合、基材14の軟化点(塑性変形し始める温度)又は融点のうち、より低い温度である。基材14の耐熱温度は、電解質層7に用いられるグライム及びイオン液体との適応性の観点から、好ましくは50℃以上、より好ましくは100℃以上、更に好ましくは150℃以上であり、また、例えば400℃以下であってよい。上記の耐熱温度を有する基材を使用すれば、上述したような分散媒を好適に使用できる。
基材14の厚さは、塗布装置での引張り力に耐え得る強度を維持しつつ、可能な限り薄いことが好ましい。基材14の厚さは、電解質シート13A全体の体積を小さくしつつ、電解質スラリー組成物を基材14に塗布する際に強度を確保する観点から、好ましくは5μm以上、より好ましくは10μm以上、更に好ましくは25μm以上であり、また、好ましくは100μm以下、より好ましくは50μm以下、更に好ましくは40μm以下である。
電解質シートは、ロール状に巻き取りながら連続的に製造することもできる。その場合には、電解質層7の表面が基材14の背面に接触して電解質層7の一部が基材14に貼りつくことにより、電解質層7が破損することがある。このような事態を防ぐために、電解質シートは他の実施形態として、電解質層7の基材14と反対側に保護材を設けたものであってもよい。図4(b)は、他の実施形態に係る電解質シートを示す模式断面図である。図4(b)に示すように、電解質シート13Bは、電解質層7の基材14と反対側に保護材15を更に備えている。
保護材15は、電解質層7から容易に剥離可能なものであればよく、好ましくはポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ四フッ化エチレン等の無極性の樹脂フィルムである。無極性の樹脂フィルムを用いると、電解質層7と保護材15とが互いに貼りつかず、保護材15を容易に剥離することができる。
保護材15の厚さは、電解質シート13B全体の体積を小さくしつつ、強度を確保する観点から、好ましくは5μm以上、より好ましくは10μmであり、また、好ましくは100μm以下、より好ましくは50μm以下、更に好ましくは30μm以下である。
保護材15の耐熱温度は、低温環境での劣化を抑制するとともに、高温環境下での軟化を抑制する観点から、好ましくは−30℃以上、より好ましくは0℃以上であり、また、好ましくは100℃以下、より好ましくは50℃以下である。保護材15を設ける場合、上述した分散媒の揮発工程を必須としないため、耐熱温度を高くする必要がない。
電解質層7の厚さは、導電率を高め、強度を向上させる観点から、好ましくは5μm以上、より好ましくは10μm以上である。電解質層7の厚さは、電解質層7の抵抗を抑制する観点から、好ましくは200μm以下、より好ましくは150μm以下、更に好ましくは100μm以下、特に好ましくは50μm以下である。
続いて、上述した二次電池1の製造方法について説明する。本実施形態に係る二次電池1の製造方法は、正極集電体9上に正極合剤層10を形成して正極6を得る第1の工程と、負極集電体11上に負極合剤層12を形成して負極8を得る第2の工程と、上述の製造方法によって得られた電解質シートの電解質層7を正極6と負極8との間に配置する第3の工程とを備える。
第1の工程において、正極6は、例えば、正極合剤層に用いる材料を混練機、分散機等を用いて分散媒に分散させてスラリー状の正極合剤を得た後、この正極合剤をドクターブレード法、ディッピング法、スプレー法等により正極集電体9上に塗布し、その後分散媒を揮発させることにより得られる。分散媒を揮発させた後、必要に応じて、ロールプレスによる圧縮成型工程が設けられてもよい。正極合剤層10は、上述した正極合剤の塗布から分散媒の揮発までの工程を複数回行うことにより、多層構造の正極合剤層として形成されてもよい。
第1の工程において用いられる分散媒は、水、1−メチル−2−ピロリドン(以下、NMPともいう。)等であってよい。
第2の工程において、負極集電体11に負極合剤層12を形成する方法は、上述した第1の工程と同様の方法であってよい。
第3の工程において、電解質シート13Aを用いて正極6と負極8との間に電解質層7を配置する方法は、例えば、電解質シート13Aから基材14を剥離し、正極6、電解質層7、及び負極8を、例えば、ラミネートにより積層することで二次電池1が得られる。このとき、電解質層7が、正極6の正極合剤層10側かつ負極8の負極合剤層12側に位置するように、すなわち、正極集電体9、正極合剤層10、電解質層7、負極合剤層12、及び負極集電体11がこの順で配置されるように積層する。
[第2実施形態]
次に、第2実施形態に係る二次電池について説明する。図5は、第2実施形態に係る二次電池における電極群の一実施形態を示す模式断面図である。図5に示すように、第2実施形態における二次電池が第1実施形態における二次電池と異なる点は、電極群2Bが、バイポーラ電極16を備えている点である。すなわち、電極群2Bは、正極6と、第1の電解質層7と、バイポーラ電極16と、第2の電解質層7と、負極8とをこの順に備えている。
バイポーラ電極16は、バイポーラ電極集電体17と、バイポーラ電極集電体17の負極8側の面(正極面)に設けられた正極合剤層10と、バイポーラ電極集電体17の正極6側の面(負極面)に設けられた負極合剤層12とを備えている。
バイポーラ電極集電体17において、正極面は、好ましくは耐酸化性に優れた材料で形成されていてよく、アルミニウム、ステンレス鋼、チタン等で形成されていてよい。バイポーラ電極集電体17において、負極面は、リチウムと合金を形成しない材料で形成されていてよく、具体的には、ステンレス鋼、ニッケル、鉄、チタン等で形成されていてよい。正極面及び負極面に異種の金属を用いる場合、バイポーラ電極集電体17は、異種金属箔を積層させたクラッド材であってよい。ただし、チタン酸リチウムのように、リチウムと合金を形成しない電位で動作する負極8を用いる場合、上述の制限はなくなり、負極面は、正極集電体9と同様の材料であってよい。その場合、バイポーラ電極集電体17は、単一の金属箔であってよい。単一の金属箔としてのバイポーラ電極集電体17は、孔径0.1〜10mmの孔を有するアルミニウム製穿孔箔、エキスパンドメタル、発泡金属板等であってよい。バイポーラ電極集電体17は、上記以外にも、電池の使用中に溶解、酸化等の変化を生じないものであれば、任意の材料で形成されていてよく、また、その形状、製造方法等も制限されない。
バイポーラ電極集電体17の厚さは、10μm以上100μm以下であってよく、正極全体の体積を小さくする観点から、好ましくは10μm以上50μm以下であり、電池を形成する際に小さな曲率でバイポーラ電極を捲回する観点から、より好ましくは10μm以上20μm以下である。
続いて、第2実施形態に係る二次電池の製造方法について説明する。本実施形態に係る二次電池の製造方法は、正極集電体9上に正極合剤層10を形成して正極6を得る第1の工程と、負極集電体11上に負極合剤層12を形成して負極8を得る第2の工程と、バイポーラ電極集電体17の一方の面に正極合剤層10を形成し、他方の面に負極合剤層12を形成してバイポーラ電極16を得る第3の工程と、正極6とバイポーラ電極16との間及び負極8とバイポーラ電極16との間に上述の製造方法によって得られた電解質シートの電解質層7を配置する第4の工程とを有する。
第1の工程及び第2の工程は、第1実施形態における第1の工程及び第2の工程と同様の方法であってよい。
第3の工程において、バイポーラ電極集電体17の一方の面に正極合剤層10を形成する方法は、第1実施形態における第1の工程と同様の方法であってよい。バイポーラ電極集電体17の他方の面に負極合剤層12を形成する方法は、第1実施形態における第2の工程と同様の方法であってよい。
第4の工程における正極6とバイポーラ電極16との間に上述の製造方法によって得られた電解質シートの電解質層7を配置する方法及び負極8とバイポーラ電極16との間に上述の製造方法によって得られた電解質シートの電解質層7を配置する方法は、第1実施形態における第3の工程と同様の方法であってよい。
以下に、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
(基材の準備)
以下の基材を準備した。
基材A(東京フィルムサービス株式会社製、PETフィルム、離型処理:無)
基材B(東京フィルムサービス株式会社製、ポリイミドフィルム、離型処理:無)
基材C(東京フィルムサービス株式会社製、非シリコーン離型PETフィルム重剥離品、離型処理:有、離型処理剤中のシリコーンの有無:無)
基材D(東京フィルムサービス株式会社製、シリコーン離型PETフィルム重剥離品、離型処理:有、離型処理剤中のシリコーンの有無:有)
基材E(東京フィルムサービス株式会社製、シリコーン離型PETフィルム軽剥離品、離型処理:有、離型処理剤中のシリコーンの有無:有)
基材F(東京フィルムサービス株式会社製、非シリコーン離型PETフィルム軽剥離品、離型処理:有、離型処理剤中のシリコーンの有無:無)
基材G(東京フィルムサービス株式会社製、非シリコーン離型PETフィルム軽剥離品、離型処理:有、離型処理剤中のシリコーンの有無:無)
(基材の分散媒に対する接触角の測定)
基材A〜Gについて、基材の分散媒に対する接触角を測定した。測定には、接触角計(協和界面化学株式会社製、商品名:Drop Master300)を用いた。測定は、基材にプローブ液体として分散媒として使用するN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を滴下することによって行った。測定条件は、温度を25℃とし、プローブ液体の液適量を1μLとし、測定タイミングをプローブの液適下後1000m秒とした。測定の試行数を3回とし、得られた数値の平均値を接触角θとして求めた。結果を表1に示す。
(基材とポリエステル粘着テープとの密着性評価)
基材A〜Gについて、密着性の評価を行った。密着性の評価は、基材からポリエステル(PEs)粘着テープ(No.31Bテープ、日東電工株式会社製)を剥離する剥離力を測定することによって行った。基材を幅25mm、長さ300mmにカットしたサンプルに対して、基材にポリエステル粘着テープを2kgローラーで1往復させて貼り合わせた。室温(25℃)にて30分間静置した後、引張試験機を用いて180°方向へ300mm/分で引っ張り、剥離力を測定した。結果を表1に示す。
[実施例1]
(電解質スラリー組成物の調製)
乾燥アルゴン雰囲気下で乾燥したリチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(Li[TFSI])を電解質塩として用い、テトラエチレングリコールジメチルエーテル(G4)に、電解質塩のモル濃度が2.3mol/Lとなるように溶解させ、Li[TFSI]のG4溶液を調製した。次に、ポリマとしてのフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとのコポリマ(PVDF−HFP)と、酸化物粒子としてのSiO粒子(製品名:AEROSIL OX50、日本アエロジル株式会社製、比表面積:50m/g、平均一次粒径:約40nm)とを混合した後、分散媒としてのN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を添加し、更にLi[TFSI]のG4溶液を更に添加して混合することによって、スラリーを得た。このとき、ポリマと、酸化物粒子と、Li[TFSI]
のG4溶液との質量比は、ポリマ:酸化物粒子:Li[TFSI]のG4溶液=34:23:43であった。得られたスラリーに対して、分散媒であるNMPを加えて粘度を調節し、電解質スラリー組成物Aを得た。電解質スラリー組成物A中の含有成分濃度は、電解質スラリー組成物Aの全質量を基準として、28質量%であった。
(電解質シートの作製)
電解質スラリー組成物Aを基材A上にアプリケータを用いて塗工した。塗工された電解質スラリー組成物Aを100℃で1時間加熱乾燥することによって、分散媒を揮発させ、基材上に電解質層を備える電解質シートを得た。
(塗工幅の測定)
上記で作製した電解質シートの電解質層(電解質スラリー組成物Aの分散媒を揮発させた後のもの)の幅を測定し、電解質スラリー組成物Aの塗工幅(220mm)に対する電解質シートの電解質層の幅の比率(電解質シートの電解質層の幅/電解質スラリー組成物Aの塗工幅)を塗工幅維持率として百分率で算出した。結果を表1に示す。
(正極の作製)
層状型リチウム・ニッケル・マンガン・コバルト複合酸化物(正極活物質)78.5質量部、アセチレンブラック(導電剤、平均粒径48nm、製品名:HS−100、デンカ株式会社)5質量部、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとのコポリマ溶液(結着剤、固形分12質量%)2.5質量部、電解質塩のイオン液体溶液(1.5M/Li[FSI]/[Py13][FSI])14質量部を混合して正極合剤スラリーを調製した。この正極合剤スラリーを集電体(厚さ20μmのアルミニウム箔)上に塗工量147g/mで塗工し、80℃で乾燥させることにより、合剤密度2.9g/cmの正極合剤層を形成した。これをφ15mmに打ち抜き、正極とした。
(負極の作製)
黒鉛A(負極活物質、日立化成株式会社製)78質量部、黒鉛B(日本黒鉛工業株式会社製)2.4質量部、炭素繊維(導電剤、製品名:VGCF−H、昭和電工株式会社)0.6質量部、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとのコポリマ溶液(結着剤、固形分12質量%)5質量部、電解質塩を溶解させたイオン液体(1.5M/Li[FSI]/[Py13][FSI])14質量部を混合して負極合剤スラリーを調製した。この負極合剤スラリーを集電体(厚さ10μmの銅箔)上に塗工量68g/mで塗工し、80℃で乾燥させることにより、合剤密度1.9g/cmの負極合剤層を形成した。これをφ16mmに打ち抜き、負極とした。
(二次電池の作製)
得られた電解質シートをφ16mmに打ち抜き、基材Aを剥がすことによって電解質層を得た。正極、電解質層、及び負極を用いて評価用二次電池を作製した。ここで、乾燥アルゴン雰囲気下で乾燥したリチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(Li[FSI])を電解質塩として用い、N−メチル−N−プロピルピロリジニウムビス(フルオロスルホニル)イミド([Py13][FSI])に、電解質塩の濃度が1.5mol/Lとなるように溶解させてLi[FSI]の[Py13][FSI]溶液を調製した。CR2016型のコインセル容器内に、Li[FSI]の[Py13][FSI]溶液を加え、正極、電解質層、及び負極をこの順に重ねて配置した後、絶縁性のガスケットを介して電池容器上部をかしめて密閉し、二次電池を得た。
(電池の放電レート特性の測定)
得られた二次電池について、25℃での放電レート特性を、充放電装置(東洋システム株式会社製)を用いて以下の充放電条件の下で測定した。
(1)終止電圧4.2V、0.05Cで定電流定電圧(CCCV)充電を行った後、0.05Cで終止電圧2.7Vまで定電流(CC)放電するサイクルを2サイクル行った。なお、Cとは「電流値(A)/電池容量(Ah)」を意味する。
(2)次いで、終止電圧4.2V、0.05Cで定電流定電圧(CCCV)充電を行った後、0.1Cで終止電圧2.7Vまで定電流(CC)放電、するサイクルを1サイクル行った。さらに1サイクルごとに定電流(CC)放電のレートを0.2、0.3、0.5、1.0Cと変化させ、放電レート特性を評価した。結果を表1に示す。
[実施例2]
基材Aを基材Bに変更した以外は、実施例1と同様にして、電解質シート及び二次電池を作製し、実施例1と同様の評価を行った。結果を表1に示す。
[実施例3]
基材Aを基材Cに変更した以外は、実施例1と同様にして、電解質シート及び二次電池を作製し、実施例1と同様の評価を行った。結果を表1に示す。
[実施例4]
基材Aを基材Dに変更した以外は、実施例1と同様にして、電解質シート及び二次電池を作製し、実施例1と同様の評価を行った。結果を表1に示す。
[実施例5]
乾燥アルゴン雰囲気下で乾燥したリチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(Li[FSI])を電解質塩として用い、N−メチル−N−プロピルピロリジニウムビス(フルオロスルホニル)イミド([Py13][FSI])に、電解質塩の濃度が1.5mol/Lとなるように溶解させてLi[FSI]の[Py13][FSI]溶液を調製した。次に、ポリマとしてのフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとのコポリマ(PVDF−HFP)と、酸化物粒子としてのSiO粒子(製品名:AEROSIL OX50、日本アエロジル株式会社製、比表面積:50m/g、平均一次粒径:約40nm)とを混合した後、分散媒としてのN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を添加し、更にLi[FSI]の[Py13][FSI]溶液を更に添加して混合することによって、スラリーを得た。このとき、ポリマと、酸化物粒子と、Li[FSI]の[Py13][FSI]溶液との質量比は、ポリマ:酸化物粒子:Li[FSI]の[Py13][FSI]溶液=30:20:50であった。得られたスラリーに対して、分散媒であるNMPを加えて粘度を調節し、電解質スラリー組成物Bを得た。電解質スラリー組成物B中の含有成分濃度は、電解質スラリー組成物Bの全質量を基準として、28質量%であった。電解質スラリー組成物Aを電解質スラリー組成物Bに変更した以外は、実施例1と同様にして、電解質シート及び二次電池を作製し、実施例1と同様にして、塗工幅維持率を算出し、電池の放電レート特性を測定した。結果を表1に示す。
[実施例6]
基材Aを基材Bに変更した以外は、実施例5と同様にして、電解質シート及び二次電池を作製し、実施例1と同様にして、塗工幅維持率を算出し、電池の放電レート特性を測定した。結果を表1に示す。
[実施例7]
基材Aを基材Cに変更した以外は、実施例5と同様にして、電解質シート及び二次電池を作製し、実施例1と同様にして、塗工幅維持率を算出し、電池の放電レート特性を測定した。結果を表1に示す。
[実施例8]
基材Aを基材Dに変更した以外は、実施例5と同様にして、電解質シート及び二次電池を作製し、実施例1と同様にして、塗工幅維持率を算出し、電池の放電レート特性を測定した。結果を表1に示す。
[比較例1]
基材Aを基材Eに変更した以外は、実施例1と同様にして、電解質シート及び二次電池を作製し、実施例1と同様にして、塗工幅維持率を算出した。結果を表1に示す。なお、比較例1では、塗工幅が充分でなかったことから、電池の放電レート特性については測定しなかった。
[比較例2]
基材Aを基材Fに変更した以外は、実施例1と同様にして、電解質シート及び二次電池を作製し、実施例1と同様にして、塗工幅維持率を算出した。結果を表1に示す。なお、比較例2では、塗工幅が充分でなかったことから、電池の放電レート特性については測定しなかった。
[比較例3]
基材Aを基材Gに変更した以外は、実施例1と同様にして、電解質シート及び二次電池を作製し、実施例1と同様にして、塗工幅維持率を算出した。結果を表1に示す。なお、比較例3では、塗工幅が充分でなかったことから、電池の放電レート特性については測定しなかった。
[比較例4]
基材Aを基材Eに変更した以外は、実施例5と同様にして、電解質シート及び二次電池を作製し、実施例1と同様にして、塗工幅維持率を算出した。結果を表1に示す。なお、比較例4では、塗工幅が充分でなかったことから、電池の放電レート特性については測定しなかった。
[比較例5]
基材Aを基材Fに変更した以外は、実施例5と同様にして、電解質シート及び二次電池を作製し、実施例1と同様にして、塗工幅維持率を算出した。結果を表1に示す。なお、比較例5では、塗工幅が充分でなかったことから、電池の放電レート特性については測定しなかった。
[比較例6]
基材Aを基材Gに変更した以外は、実施例5と同様にして、電解質シート及び二次電池を作製し、実施例1と同様にして、塗工幅維持率を算出した。結果を表1に示す。なお、比較例6では、塗工幅が充分でなかったことから、電池の放電レート特性については測定しなかった。
Figure 2020017439
これらの結果より、本発明の電解質シートの製造方法は、塗工乾燥工程において、電解質スラリー組成物を塗工したときの塗工幅が分散媒を除去した後においても変動し難いというこことが確認された。本発明の電解質シートの製造方法で製造される電解質シートは、電解質層と基材との密着性の点においても優れていることが推測される。
1…二次電池、2,2A,2B…電極群、3…電池外装体、4…正極集電タブ、5…負極集電タブ、6…正極、7…電解質層、8…負極、9…正極集電体、10…正極合剤層、11…負極集電体、12…負極合剤層、13A,13B…電解質シート、14…基材、15…保護材、16…バイポーラ電極、17…バイポーラ電極集電体。

Claims (10)

  1. 1種又は2種以上のポリマと、酸化物粒子と、リチウム塩、ナトリウム塩、カルシウム塩、及びマグネシウム塩からなる群より選ばれる少なくとも1種の電解質塩と、下記一般式(10)で表される化合物及びイオン液体の少なくとも一方と、分散媒とを含有する電解質スラリー組成物を基材上に塗工する工程と、
    塗工された前記電解質スラリー組成物から前記分散媒を除去して前記基材上に電解質層を形成する工程と、
    を備え、
    前記基材の前記分散媒に対する接触角が60°以下である、電解質シートの製造方法。
    O−(CHCHO)−R (10)
    [式(10)中、R及びRはそれぞれ独立に炭素数1〜4のアルキル基を示し、yは1〜6の整数を示す。]
  2. 前記接触角が40°以下である、請求項1に記載の電解質シートの製造方法。
  3. 前記酸化物粒子が、SiO、Al、AlOOH、MgO、CaO、ZrO、TiO、LiLaZr12、及びBaTiOからなる群より選ばれる少なくとも1種の粒子である、請求項1又は2に記載の電解質シートの製造方法。
  4. 前記イオン液体が、カチオン成分として、鎖状四級オニウムカチオン、ピペリジニウムカチオン、ピロリジニウムカチオン、ピリジニウムカチオン、及びイミダゾリウムカチオンからなる群より選ばれる少なくとも1種を含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の電解質シートの製造方法。
  5. 前記イオン液体が、アニオン成分として、下記一般式(A)で表されるアニオン成分の少なくとも1種を含む、請求項1〜4のいずれか一項に記載の電解質シートの製造方法。
    N(SO2m+1)(SO2n+1 (A)
    [式(A)中、m及びnは、それぞれ独立に0〜5の整数を表す。]
  6. 前記ポリマが、四フッ化エチレン及びフッ化ビニリデンからなる群より選ばれる第1の構造単位を有する、請求項1〜5のいずれか一項に記載の電解質シートの製造方法。
  7. 前記ポリマを構成する構造単位の中に、前記第1の構造単位と、ヘキサフルオロプロピレン、アクリル酸、マレイン酸、エチルメタクリレート、及びメチルメタクリレートからなる群より選ばれる第2の構造単位とが含まれる、請求項6に記載の電解質シートの製造方法。
  8. 前記電解質塩が、イミド系リチウム塩である、請求項1〜7のいずれか一項に記載の電解質シートの製造方法。
  9. 前記一般式(10)で表される化合物が、テトラエチレングリコールジメチルエーテルを含む、請求項1〜8のいずれか一項に記載の電解質シートの製造方法。
  10. 正極集電体上に正極合剤層を形成して正極を得る工程と、
    負極集電体上に負極合剤層を形成して負極を得る工程と、
    請求項1〜9のいずれか一項に記載の製造方法によって得られた電解質シートの前記電解質層を前記正極と前記負極との間に配置する工程と、
    を備える、二次電池の製造方法。
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