WO2011049153A1 - リチウム二次電池およびリチウム二次電池用集電箔の製造方法、ならびにリチウム二次電池用集電箔 - Google Patents

リチウム二次電池およびリチウム二次電池用集電箔の製造方法、ならびにリチウム二次電池用集電箔 Download PDF

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foil
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澤井　岳彦
慎治 齊藤
和憲 浦尾
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Definitions

  • the present invention relates to a lithium secondary battery, a method for producing a current collector foil for a lithium secondary battery, and a current collector foil for a lithium secondary battery produced by this method.
  • a lithium secondary battery in which a negative electrode is formed using a material capable of occluding and releasing lithium ions can suppress the precipitation of dendrites compared to a lithium battery in which a negative electrode is formed using metallic lithium. This has the advantage that a battery with improved safety by preventing a short circuit can be provided. In recent years, high capacity of this lithium secondary battery has been demanded, but it will be used for power charging and discharging as a battery for power applications, and lithium metal will deposit on the negative electrode, leading to an internal short circuit, and in the worst case heat generation There is a risk of fire accidents.
  • Patent Document 1 netting, punching metal with holes or lath processing
  • Patent Document 2 metal foil with irregularities on the surface
  • Patent Document 3 a material in which 3% of the total thickness of one electrode plate including the current collector and the mixture layer of the negative electrode or the positive electrode is 25% or less is known (Patent Document 3).
  • Patent Document 4 an apparatus for continuously producing a paste-type electrode plate while measuring a continuous paste weight without contact with the paste.
  • the second step is a process for removing protrusions by moving the active material film while maintaining the straight blade edge at a predetermined distance from the surface of the active material film.
  • the foil metal powder at the time of processing remains on the surface and the mixture layer is formed later. There is a problem that the mixture layer is mixed in as it is.
  • the present invention has been made in order to address the above-described problems, and is capable of preventing the active material from peeling, and a lithium secondary battery capable of preventing generation of processed metal powder on the current collector foil in the electrode manufacturing process, and It aims at providing the manufacturing method of the current collector foil for lithium secondary batteries, and the current collector foil for lithium secondary batteries manufactured by this method.
  • the method for producing a lithium secondary battery of the present invention includes an electrode production process for producing a positive electrode and a negative electrode, a process for forming an electrode group by laminating or winding the positive electrode and the negative electrode through a separator, and the electrode group And a step of immersing in an electrolyte solution,
  • the electrode manufacturing step includes a perforating step of forming a plurality of through-holes having a protruding portion that penetrates the current collector foil and protrudes toward at least one current collector foil surface, and forms a mixture layer on the current collector foil And a mixture forming step It is a manufacturing method characterized by performing a mixture formation process continuously, without winding up the current-collected foil perforated after the said perforation process.
  • the perforating step is a step of breaking through the current collector foil to form a through hole.
  • the manufacturing method of the said collector foil for lithium secondary batteries, and the collector foil for lithium secondary batteries manufactured by this method It is characterized by the above-mentioned.
  • the lithium secondary battery manufacturing method of the present invention continuously forms a mixture layer without winding up the current collector foil punched after the punching step, punching that is likely to occur during winding of the roll after the punching step, etc. There will be no damage to the rear projection. As a result, metal powder is not generated during current collector foil processing.
  • the lithium secondary battery obtained by the production method of the present invention has a plurality of holes through which the positive electrode and the negative electrode foil-shaped current collector penetrate as a battery constituent member, and the hole is surrounded by a foil-shaped current collector. Projecting to at least one surface side of the hole, the projecting portion around the hole creates an anchoring effect on the active material mixture, and improves the holding capacity of the active material mixture layer formed on the current collector surface.
  • FIG. 1 and 2 are cross-sectional views showing an example of a positive or negative electrode plate
  • FIG. 3 is an end view in which the shape of the hole tip of the electrode plate is bent outward.
  • the negative electrode for a lithium secondary battery includes, as a negative electrode mixture layer, a material capable of occluding and releasing lithium ions as an active material as a main material, and kneading the material, a binder, a dispersion solvent, and the like.
  • the paste is made into a paste and applied to both sides of the foil-like current collector 1a.
  • Examples of materials capable of inserting and extracting lithium ions include carbon materials, lithium-aluminum alloys, silicon-based or tin-based lithium alloys, and the like. Among these, it is preferable to use a carbon material for reasons such as a large amount of occlusion / release of lithium ions and a small irreversible capacity.
  • a carbon material for reasons such as a large amount of occlusion / release of lithium ions and a small irreversible capacity.
  • an aluminum foil is used for the positive electrode and a copper foil is used for the negative electrode in view of electrochemical properties, processability to a foil shape, and cost.
  • the positive electrode for a lithium secondary battery includes, as an active material for forming a positive electrode mixture layer, a lithium-containing metal oxide, a lithium-containing metal phosphate compound, or a lithium-containing compound as a main material, the material, a binder, It can be formed by kneading a dispersion solvent or the like into a paste and applying it to both surfaces of the current collector 1a.
  • the lithium-containing metal oxide include LiCoO 2 , Li (Ni / Co / Mn) O 2 , and LiMn 2 O 4.
  • the lithium-containing metal phosphate compound include LiFePO 4 , LiCoPO 4 , and LiMnPO 4.
  • lithium-containing compound examples include LiTi 2 (PO 4 ) 3 and LiFeO 2 .
  • LiCoO 2 , Li (Ni / Co / Mn) O 2 , LiMn 2 O 4 , and LiFePO 4 are preferably used in terms of electrochemical characteristics, safety, and cost.
  • FIG. 1 and 2 are cross-sectional views of one positive or negative electrode plate comprising a foil-like current collector having a plurality of through-holes having protrusions and a mixture layer.
  • t 1 the thickness including the protruding portion of the current collector 1a provided with the protruding hole 1c having the protruding portion 1d around the through hole.
  • the thicknesses of the current collector 1a and the mixture layer 1b are combined.
  • good proportion of the electrode plate total thickness t 1 is 3% or more with respect to electrode plates total thickness t 0 value obtained by subtracting t 1 from. In particular, 10% or more and 50% or less are more preferable.
  • the thickness t 1 of the current collector 1a means that the protrusion 1d around the hole 1c provided in the current collector 1a protrudes only to one surface side of the current collector 1a. It is the height from the non-projecting surface to the tip of the projecting portion 1d (FIG. 1), and when the projecting portion 1d around the hole 1c projects to both surfaces of the current collector 1a, the projecting portion 1d on one surface side This is the height from the tip to the tip of the protrusion 1d on the opposite surface side (FIG. 2). Further, these protrusions and holes may be formed over the entire surface of the current collector, or may be formed in a part leaving a flat foil part of a non-projection surface in part.
  • the protruding hole tip 1d ′ is preferably bent into a bent shape. The bending direction may be outside or inside with respect to the hole, but the outside is better as the holding force of the active material.
  • the foil cross-sectional shape of the foil protruding hole may be any shape such as a polygonal pyramid, a cylindrical shape, a conical shape, or a combination of these shapes.
  • a conical shape is more preferable from the viewpoint of the processing speed, the processing shot life of the processing jig, and the possibility of generation of cutting powder and peeling powder after processing the tip of the protruding hole.
  • this foil protrusion hole is a through-hole formed by breaking through the current collector foil, it is preferable because the current collecting effect is improved.
  • the through-hole formed by breaking through the current collector foil has a large current charge / discharge compared to the through-hole formed in the current collector foil by punching or the unevenness formed by embossing. Excellent durability such as internal short circuit during cycling.
  • the through hole is a circular hole having a diameter t 2 of 50 to 150 ⁇ m, the height t 3 of the protrusion is 50 to 400 ⁇ m, and the distance t 4 between the adjacent through holes is 300 to 2000 ⁇ m.
  • the separator that can be used in the lithium secondary battery is one that electrically insulates the positive electrode and the negative electrode to hold the electrolytic solution.
  • Examples of the separator include synthetic resins and inorganic fibers, and specific examples thereof include polyethylene and polypropylene films.
  • the lithium secondary battery it is preferable to use a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt, an ion conductive polymer, or the like as an electrolyte in which the electrode group described above is immersed.
  • non-aqueous solvent in the non-aqueous electrolyte containing a lithium salt examples include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), and methyl ethyl carbonate (MEC).
  • lithium salts that can be dissolved in the non-aqueous solvent include lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium borotetrafluoride (LiBF 4 ), and lithium trifluoromethanesulfonate (LiSO 3 CF 4 ).
  • FIG. 4 is a diagram showing an outline of an electrode manufacturing apparatus used in an electrode manufacturing process in which a current collector foil processing apparatus and a mixture layer forming apparatus are continuously arranged.
  • the electrode manufacturing device 2 includes a current collector foil processing device 3, a press roll device 4 for bending the tip shape of the protruding portion inside or outside the hole after current collector processing, and a continuous type after current collector foil processing.
  • the coating device 5 for forming the agent layer is continuously arranged in this order along the production line of the current collector 1 serving as a positive electrode or a negative electrode without winding the current collector foil 1a around a roll.
  • the press roll apparatus 4 is arrange
  • the current collector foil processing device 3 is a device in which a projecting hole 1c, which is a through hole continuously penetrating the current collector foil 1a, is provided.
  • This apparatus is composed of a punch 3a disposed perpendicular to the foil surface above or below the current collector foil 1a and a die 3b disposed on the lower surface or upper surface of the current collector foil 1a and having a recess.
  • This is a mold.
  • a cross section of the mold is shown in FIG.
  • a specific mold is constituted by an upper mold 3a ′ and a lower mold 3b ′ in which a plurality of punches 3a and a plurality of dies 3b are arranged.
  • the punch 3a and the die 3b are formed on the mold abutting surface 3c.
  • Die 3b having a recess of a long depth t 6 than the length t 5 of the protrusions of the punch 3a is provided in the die abutment surfaces 3c of the mating.
  • the upper mold 3a ′ and the lower mold 3b ′ are continuously engaged with each other and opened, so that the punch 3a presses the current collecting foil 1a into the recess of the die 3b, thereby collecting the current collecting foil 1a.
  • the tip of the punch 3a is preferably conical.
  • the press roll device 4 is a press roll device that bends the tip of the projecting hole inward or outward after providing the projecting hole 1c in the current collector foil 1a.
  • the press roll device 4 includes a roller 4a that supports a current collector foil 1a provided with a protruding hole, and a pressing roller 4b that can move back and forth with respect to the roller 4a. When the pressing roller 4b presses the current collector foil 1a on the roller 4a, the tip of the protruding hole can be bent inward or outward of the through hole.
  • a current collector foil for a lithium secondary battery can be produced by winding the current collector foil without performing a mixture forming step.
  • a spacer is provided between the layers of the current collector foil to be wound.
  • a plan view of the obtained current collector foil for a lithium secondary battery is shown in FIG.
  • the vertical part in the center of the drawing is a part provided with a plurality of through holes, and both side parts are aluminum foil parts where no through holes are provided.
  • the coating device 5 is a device that forms the positive or negative electrode mixture layer 1b on the surfaces on both sides of the current collector foil 1a in which the protruding holes are formed.
  • a coating device for transferring the mixture paint on the current collector foil 1a by a roll coater, a die coater, etc., a spray device for spraying the mixture paint, or a current collector foil in the coating liquid An immersion apparatus for immersing 1 is used.
  • a coating apparatus and a dipping apparatus that can simultaneously form the mixture layer 1b on both sides of the current collector foil 1 are preferable.
  • a slit die coater for simultaneous coating on both sides is more preferable.
  • the mixture is applied and dried in a drying oven.
  • a vertical or horizontal drying furnace can be used.
  • the method for producing a lithium secondary battery according to the present invention includes a perforation step, a tip end processing step for a protruding hole, and a mixture layer formation for a continuously supplied current collecting foil using the electrode production apparatus.
  • the process is performed continuously.
  • the surface of current collection foil does not contact and rub against each other by winding up or unwinding current collection foil. Therefore, the current collector foil cutting powder and the current collector foil falling powder are not generated from the hole tip after the current collector foil processing.
  • the current collector foil 1a is transported in contact with the transport rolls R1 to R5 after passing through the perforating process.
  • the intermittent conveyance generated in the punching process by the rolls R3 and R4 is returned to the continuous conveyance. Since the through-holes of the current collector foil 1a are densely formed as described above, the through-hole forming surface is subjected to a surface pressure as a whole, and is taken up by a winding roll in contact with the through-hole forming surface.
  • the through hole is not blocked. In addition, it can wind up with a winding roll, without contacting a through-hole formation surface.
  • a sectional view of such a transport roll is shown in FIG.
  • an electrode group is formed by producing an electrode for producing a positive electrode and a negative electrode by the above method, and then laminating or winding the obtained positive electrode and negative electrode through a separator.
  • a well-known method can be employ
  • Example 1 A positive electrode of a lithium secondary battery was produced by the following method. Olivine type lithium iron phosphate having a secondary particle size of 2 to 3 ⁇ m as a positive electrode active material, 84 parts by weight of the active material, 8 parts by weight of conductive carbon and a mixture of conductive carbon fiber bodies as a conductive agent, As a binder, 8 parts by weight of polyvinylidene fluoride was added. To this, N-methylpyrrolidone was added as a dispersion solvent and kneaded to prepare a positive electrode mixture (positive electrode slurry). An aluminum foil having a thickness of 20 ⁇ m and a width of 150 mm is prepared. This aluminum foil is supplied in a state of being wound around a supply roll.
  • the aluminum foil drawn out from the supply roll is subjected to protrusion drilling in the current collector foil processing device 3 portion of the manufacturing apparatus shown in FIG. Perforation was performed such that the foil protrusion height t 1 shown in FIG. 2 was 120 ⁇ m. Thereafter, the perforated aluminum foil was guided to the coating device 5 without operating the press roll device 4.
  • the positive electrode slurry was applied to both sides of the processed aluminum foil and dried. In the perforation and coating process, the aluminum foil was continuously supplied from the supply roll, and was continuously guided to the coating process without being wound after the perforation process. Then, the positive electrode for lithium secondary batteries was obtained by pressing and cutting. After coating and drying a positive electrode slurry on both surfaces of an aluminum foil, the positive electrode total thickness t 0 when the press was 160 .mu.m.
  • Example 2 A negative electrode of a lithium secondary battery was produced by the following method. To a mixture of 94 parts by weight of graphite powder and 1 part by weight of conductive carbon and conductive carbon fiber as a conductive agent, 5 parts by weight of polyvinylidene fluoride as a binder is added, and N-methyl as a dispersion solvent is added thereto. Pyrrolidone was added and kneaded to prepare a negative electrode mixture (negative electrode slurry).
  • a copper foil having a thickness of 10 ⁇ m and a width of 150 mm is prepared.
  • This copper foil is supplied in a state wound on a supply roll.
  • the copper foil drawn out from the supply roll is subjected to protrusion drilling in the current collector foil processing device 3 portion of the manufacturing apparatus shown in FIG. Perforation was performed so that the foil protrusion height t 1 shown in FIG. 2 was 90 ⁇ m.
  • the perforated copper foil was guided to the coating device 5 without operating the press roll device 4.
  • the negative electrode slurry was applied to both sides of the processed copper foil and dried. In the perforation and coating process, the copper foil was continuously supplied from the supply roll, and was continuously guided to the coating process without being wound after the perforation process. Then, the negative electrode for lithium secondary batteries was obtained by pressing and cutting.
  • the negative electrode total thickness t 0 when pressed after applying and drying the negative electrode slurry on both sides of the copper foil was 120 ⁇ m.
  • Example 3 A 3.4 V-10 Ah aluminum laminated film pack type lithium ion battery was produced using the produced positive and negative electrode plates.
  • the electrolytic solution one obtained by dissolving 1 mol / l of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) in a solution mixed at a volume ratio of EC and MEC of 30:70 was used.
  • a woven fabric made of PP resin fiber and having a thickness of 40 ⁇ m was used as the positive / negative electrode separation insulator.
  • the obtained lithium ion battery had excellent characteristics for large-current charge / discharge, excellent durability, and safety.
  • Example 4 In the manufacturing method of Example 1, after the protrusion drilling process, the press roll device 4 is operated, and the pressing roller 4b is pressed against the aluminum foil on the roller 4a, so that the tip of the protruding hole is bent inside or outside the through hole. It was.
  • the foil protrusion height t 1 after processing shown in FIG. 2 was 150 ⁇ m. Otherwise, a positive electrode having a total positive electrode thickness t 0 of 180 ⁇ m was obtained in the same manner as in Example 1.
  • Example 5 In the manufacturing method of Example 2, after the protrusion drilling process, the press roll device 4 is operated and the pressing roller 4b is pressed against the copper foil on the roller 4a, so that the tip of the protruding hole is bent inward or outward of the through hole. It was.
  • the foil protrusion height t 1 after processing shown in FIG. 2 was 120 ⁇ m. Otherwise, the negative electrode having the total negative electrode thickness t 0 of 140 ⁇ m was obtained in the same manner as in Example 1.
  • Example 6 A 3.4 V-10 Ah aluminum laminated film pack type lithium ion battery was produced using the produced positive and negative electrode plates.
  • the electrolytic solution one obtained by dissolving 1 mol / l of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) in a solution mixed at a volume ratio of EC and MEC of 30:70 was used.
  • a woven fabric made of PP resin fiber and having a thickness of 40 ⁇ m was used as the positive / negative electrode separation insulator.
  • the obtained lithium ion battery was more excellent in charge / discharge of a large current than the battery of Example 3, was excellent in durability, and was safe.
  • Example 1 Comparative Example 1
  • the current collector foils were wound around rolls, respectively, after the protrusion drilling process. Thereafter, using the wound roll as a foil supply roll, a positive electrode plate and a negative electrode plate were produced in the same manner as in Example 1 and Example 2, respectively.
  • a lithium ion battery was obtained by the same method as in Example 3. The obtained lithium ion battery had excellent characteristics for large current charge / discharge in the initial charge / discharge, but was inferior in durability and safety due to an internal short circuit during the cycle.
  • the method for producing a lithium secondary battery of the present invention is a method for producing an electrode in which an unsafe event such as an internal short circuit does not occur in a lithium secondary battery that has a high capacity and can be repeatedly charged and discharged with a large current. It can be applied to the production of lithium secondary batteries for many future uses.

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Abstract

　活物質の剥離防止が可能であるとともに、電極製造工程で集電箔の加工金属粉の発生を防止できる製造方法であり、リチウム二次電池の製造方法は、正極および負極を製造する電極製造工程と、上記正極および負極をセパレータを介して積層あるいは捲回することにより電極群を形成する工程と、上記電極群を電解液に浸漬する工程とを備え、上記電極製造工程は、集電箔を貫通し、かつ少なくとも一方の集電箔面側に突出する突出部を有する複数の貫通孔を形成する穿孔工程と、この集電箔に合剤層を形成する合剤形成工程とを備え、上記穿孔工程後に穿孔された集電箔を巻き取ることなく連続して合剤形成工程を行なうことを特徴とする。

Description

リチウム二次電池およびリチウム二次電池用集電箔の製造方法、ならびにリチウム二次電池用集電箔
　本発明はリチウム二次電池およびリチウム二次電池用集電箔の製造方法、ならびにこの方法で製造されるリチウム二次電池用集電箔に関する。
　リチウムイオンの吸蔵、放出が可能な材料を用いて負極を形成したリチウム二次電池は、金属リチウムを用いて負極を形成したリチウム電池に比べてデンドライトの析出を抑制することができるため、電池の短絡を防止して安全性を高めた電池を提供できるという利点を有している。
　近年、このリチウム二次電池の高容量化が求められる一方、パワー用途の電池として大電流充放電に供されることとなり、負極上で金属リチウムが析出して内部短絡に至り、最悪の場合発熱や発火事故の生じるおそれがある。
　従来は、リチウム金属酸化物正極材または炭素系負極材自体の高容量化により、負極上で金属リチウムを析出させないように負極側で余裕を持って吸蔵または放出反応が可能なように工夫してきた。または活物質粒子の小粒径化による比表面積の増加や電極設計による電極面積の増加等の工夫がなされてきた。これらの工夫によって電池設計としては安全な方向へ進んだものの、電池製造面での活物質脱落や剥離による短絡対策に対しては不十分であったために、さらに集電体に工夫を施したものが提案されてきた。例えば網状にしたり、穴を開けたパンチングメタルやラス加工を施したもの（特許文献１）、さらには表面に凹凸を有する金属箔を使用したりしたもの（特許文献２）、集電体を貫通する複数の孔を有し、該孔は孔の周囲が箔状集電体の少なくとも一方の面側へ突出してなり、上記箔状集電体の上記孔周囲の突出部を含めた厚さが、上記負極または上記正極の該集電体および該合剤層を合わせた１枚の極板総厚さの３％をこえ２５％以下としたもの（特許文献３）等が知られている。
　しかしながら、前述の提案された網状、パンチングメタルやラス加工手段では、電極集電体の本来有すべき強度が低下することとなった。一方、単に箔に凹凸をつける提案の方式では、活物質の剥離防止技術として通常の平面箔の接触方式と変わらず、大電流による充放電サイクルを繰り返すと、正・負極活物質が膨張収縮して集電箔から剥離・脱落し、内部短絡を誘発して結果、発熱等に至るおそれがある。加えてこれらの方式では、集電箔加工時の箔金属粉が電池内に紛れ込み、内部短絡の原因となる問題がある。
　一方、リチウム二次電池の電極の製造方法として、ペーストに非接触で、連続的なペースト重量を測定しながら、ペースト式極板を連続的に製造する装置が開示されている（特許文献４）。
　また、リチウムを吸蔵・放出する活物質膜を集電体箔上に真空プロセスで形成する第１の工程と、この活物質膜表面の突起物を直線状刃先を有する刃物で除去する第２の工程とを有し、第２の工程は、直線状刃先を活物質膜の表面から所定の距離に維持した状態で活物質膜を移動させることにより突起物を除去する工程であるリチウム電池用電極の製造方法が開示されている（特許文献５）。
　しかしながら、集電体箔の表面に、この集電体を貫通する複数の孔を設け、ロール状に巻き取る場合、加工時の箔金属粉が表面に残存してその後の合剤層形成時にも、そのまま合剤層内に紛れ込んでしまうという問題がある。
特開平１１－２６０３７５号公報 特開２００４－３４２５１９号公報 特開２００８－３１１１７１号公報 特開平０８－９６８０６号公報 特開２００８－４２８１号公報
　本発明は以上のような問題に対処するためになされたもので、活物質の剥離防止が可能であるとともに、電極製造工程で集電箔の加工金属粉の発生を防止できるリチウム二次電池およびリチウム二次電池用集電箔の製造方法、ならびにこの方法で製造されるリチウム二次電池用集電箔の提供を目的とする。
　本発明のリチウム二次電池の製造方法は、正極および負極を製造する電極製造工程と、上記正極および負極をセパレータを介して積層あるいは捲回することにより電極群を形成する工程と、上記電極群を電解液に浸漬する工程とを備えてなる製造方法であって、
　上記電極製造工程は、集電箔を貫通し、かつ少なくとも一方の集電箔面側に突出する突出部を有する複数の貫通孔を形成する穿孔工程と、この集電箔に合剤層を形成する合剤形成工程とを備え、
　上記穿孔工程後に穿孔された集電箔を巻き取ることなく連続して合剤形成工程を行なうことを特徴とする製造方法である。
　特に、上記穿孔工程が集電箔を突き破って貫通孔を形成する工程であることを特徴とする。
　また、上記リチウム二次電池用集電箔の製造方法、ならびにこの方法で製造されるリチウム二次電池用集電箔であることを特徴とする。
　本発明のリチウム二次電池製造法は、穿孔工程後に穿孔された集電箔を巻き取ることなく連続して合剤層を形成するので、穿孔工程後のロール巻取り時などに発生しやすい穿孔後の突出部の破損などが生じない。その結果、集電箔加工時の金属粉が発生しない。
　また、本発明の製造法によって得られるリチウム二次電池は、電池構成部材として正極および負極箔状集電体が貫通する複数の孔を有し、該孔は孔の周囲が箔状集電体の少なくとも一方の面側へ突出してなり、この孔周囲の突出部により活物質合剤へのアンカー効果を生みだし、集電体表面に形成する活物質合剤層の保持能力が向上し、合剤層の剥離を防止することができ、より多くの活物質を電池内に収納することが可能である。
　また正極または負極箔状集電体を貫通する複数の孔の周囲に突出部を有する加工を施した後、該集電箔を巻き取ることなく、また搬送時に該突出部が搬送機材に接触することなく、連続的に箔加工と箔上への活物質合剤層の形成を可能とし、また、該突出部の先端部が孔の内側または外側に屈曲する形状に加工するものである。これらのリチウム二次電池の電極製造法によって得られるリチウム二次電池は、充放電中に正極または負極合剤層が膨張収縮しても、それぞれの粒子間や集電体との密着性が維持されることならびに箔加工時の金属粉が発生せず、内部短絡などの安全性向上させることができる。さらに突出部孔の先端形状が内側または外側に屈曲させることにより、さらに活物質の保持能力は向上すると同時に先端が丸くなっていることで孔先端部が万が一、電極外に飛び出してもセパレータを突き破って対極との内部短絡を生じることがない。
正または負極板の一例を示す断面図である。 他の正または負極板の一例を示す断面図である。 極板の孔先端部の形状を外側に屈曲させた端面図である。 連続式突出部を形成する集電箔の加工装置および合剤層形成装置である。 搬送ロールの断面図の断面図である。 金型の断面図である。 リチウム二次電池用集電箔の平面図である。
　本発明の製造方法で得られるリチウム二次電池に使用される集電体としての正極または負極集電箔の一例について図に基づいて説明する。図１および図２は正または負極板の一例を示す断面図であり、図３は極板の孔先端部の形状を外側に屈曲させた端面図である。
　上記リチウム二次電池用負極は、負極合剤層として、活物質となるリチウムイオンの吸蔵・放出が可能な材料を主材料とし、該材料と、結着剤と、分散溶媒等とを混練してペースト状にし、箔状集電体１ａの両面に塗布して製造される。
　リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な材料としては、炭素材、リチウム－アルミニウム合金、シリコン系またはスズ系リチウム合金などを挙げることができる。この中で、リチウムイオンの吸蔵・放出量が多く、不可逆容量が小さいなどの理由から、炭素材を用いることが好ましい。また、本発明に用いることができる集電体１ａとしては、電気化学的性質、箔状への加工性やコスト面から、正極ではアルミ箔、負極では銅箔が用いられている。
　上記リチウム二次電池用正極は、正極合剤層を形成する活物質として、リチウム含有金属酸化物、リチウム含有金属リン酸化合物またはリチウム含有化合物を主材料とし、該材料と、結着剤と、分散溶媒等を混練してペースト状にし、集電体１aの両面に塗布して形成することができる。
　リチウム含有金属酸化物としては、ＬｉＣｏＯ2、Ｌｉ（Ｎｉ／Ｃｏ／Ｍｎ）Ｏ2、ＬｉＭｎ2Ｏ4などが挙げられ、リチウム含有金属リン酸化合物としては、ＬｉＦｅＰＯ4、ＬｉＣｏＰＯ4、ＬｉＭｎＰＯ4などが挙げられ、リチウム含有化合物としては、ＬｉＴｉ2（ＰＯ4）3、ＬｉＦｅＯ2などが挙げられる。この中で、電気化学特性、安全性やコスト面で、ＬｉＣｏＯ2、Ｌｉ（Ｎｉ／Ｃｏ／Ｍｎ）Ｏ2、ＬｉＭｎ2Ｏ4、ＬｉＦｅＰＯ4を用いることが好ましい。
　図１および図２は突出部を有する複数の貫通孔を備えた箔状集電体および合剤層からなる１枚の正または負極板の断面図である。
　貫通孔周囲に突出部１ｄを有する突出孔１ｃが設けられた集電体１ａの突出部を含めた厚さをｔ1とすると、集電体１ａおよび合剤層１ｂの厚さを合わせた１枚の極板総厚さｔ0からｔ1を差し引いた値に対する極板総厚さｔ1の割合が３％以上であることがよい。特に１０％以上、５０％以下がより好ましい。
　ここで集電体１ａの厚さｔ1とは、集電体１ａに設けられた孔１ｃ周囲の突出部１ｄが集電体１ａの一方の面側のみへ突出している場合は、孔１ｃの非突出面から突出部１ｄの先端までの高さであり（図１）、孔１ｃ周囲の突出部１ｄが集電体１ａの両面へ突出している場合は、一方の面側の突出部１ｄの先端から反対の面側の突出部１ｄの先端までの高さである（図２）。またこれらの突出部と孔とは、集電体の全面にわたって形成されていても、また一部に非突出面の平坦な箔部を残して一部分に形成されていてもよい。好ましくは電池製造上の集電箔の強度の関係で、一部に形成されている方がより良い。特に、集電箔の両幅部分には突出孔を形成することなく、平坦な箔部分を残すことが好ましい。本発明の製造方法において、両幅部分の平坦な箔部分が搬送ローラに挟持され、突出孔の先端部分が搬送用ロールに接触しない。
　さらに図３に示すように電池内での短絡防止から、該突出孔先端部１ｄ'は屈曲形状に曲げられているものがよい。曲げる方向は孔に対して外側でも内側でもよいが、活物質の保持力としては外側がより良い。
　上記箔突出孔の箔断面形状は、多角錐、円柱状、円錐状等また、これら形状の組み合わせなどいずれの形状でも使用可能である。加工速度や加工治具の加工ショットライフ、さらには突出孔先端部の加工後の箔の切り粉や剥離粉の発生可能性から、円錐状がより好ましい。
　また、この箔突出孔は、集電箔を突き破って形成される貫通孔であることが集電効果を向上させるので好ましい。集電箔を突き破って形成される貫通孔は、集電箔にパンチング加工で形成される貫通孔またはエンボス加工で形成される凹凸に比較して、リチウム二次電池としたときの大電流充放電に優れ、サイクル時の内部短絡等の耐久性に優れる。
　集電箔を突き破って形成される複数の貫通孔を図２に示す。貫通孔の直径ｔ2が５０～１５０μｍの円孔であり、突出部の高さｔ3が５０～４００μｍであり、隣接する貫通孔との距離ｔ4が３００～２０００μｍである。
　貫通孔分布を上記範囲に設けることにより、貫通孔形成面が全体として面圧を受けることになり、例えば直接貫通孔形成面に接して巻き取りロールで巻き取っても貫通孔が塞がれることがない。
　該リチウム二次電池に使用できるセパレータは、正極および負極を電気的に絶縁して電解液を保持するものである。上記セパレータは合成樹脂製や無機繊維製などを挙げることができ、その具体例としては、ポリエチレンやポリプロピレンフィルムなどを挙げることができる。
　該リチウム二次電池において、上述する電極群が浸漬される電解液としては、リチウム塩を含む非水電解液またはイオン伝導ポリマーなどを用いることが好ましい。
　リチウム塩を含む非水電解液における非水溶媒としては、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、メチルエチルカーボネート（ＭＥＣ）等が挙げられる。
　また、上記非水溶媒に溶解できるリチウム塩としては、六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ6）、ホウ四フッ化リチウム（ＬｉＢＦ4）、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム（ＬｉＳＯ3ＣＦ4）等が挙げられる。
　図４は集電箔の加工装置および合剤層形成装置が連続して配置された電極製造工程に用いる電極製造装置の概要を示す図である。
　電極製造装置２は、集電箔加工装置３と、集電箔加工後に突出部の先端形状を孔の内側または外側に屈曲させるためのプレスロール装置４と、集電箔加工後に連続式に合剤層を形成する塗工装置５とが正極または負極となる集電体１の製造ラインに沿って該集電箔１ａを途中でロールに巻き取ることなくこの順に連続的に配置されている。なお、プレスロール装置４は必要に応じて配置される。
　集電箔加工装置３は集電箔１ａに連続して貫通した貫通孔である突出孔１ｃを設ける装置である。この装置は、集電箔１ａの箔面上方または下方の箔面に対して垂直に配置されるポンチ３ａと、集電箔１ａの下面または上面に配置されて凹部を有するダイ３ｂとから構成される金型である。
　金型の断面を図６に示す。複数のポンチ３ａおよび複数のダイ３ｂが配列された上型金型３ａ’および下型金型３ｂ’とで具体的な金型が構成される。
　ポンチ３ａおよびダイ３ｂは、金型衝合面３ｃに形成されている。ポンチ３ａの突出部の長さｔ5よりも長い深さｔ6の凹部を有するダイ３ｂが相手側の金型衝合面３ｃに設けられている。
　上型金型３ａ’および下型金型３ｂ’が相互に衝合および型開きを連続的に繰り返すことで、ポンチ３ａがダイ３ｂの凹部に集電箔１ａを加圧することで集電箔１ａに突出孔１ｃが設けられる。ポンチ３ａの先端部は円錐形にすることが好ましい。
　プレスロール装置４は、集電箔１ａに突出孔１ｃを設けた後で、この突出孔の先端部を内側または外側に屈曲させるプレスロール装置である。プレスロール装置４は突出孔を設けた集電箔１ａを支えるローラ４ａとこのローラ４ａに対して前後に移動できる押圧ローラ４ｂとから構成される。押圧ローラ４ｂがローラ４ａ上の集電箔１ａを押し付けることで、突出孔の先端を貫通孔の内側または外側に屈曲させることができる。
　上記集電箔加工装置３を用いて、合剤形成工程を行なうことなく、集電箔を巻き取ることでリチウム二次電池用集電箔を製造することができる。この場合、巻き取られる集電箔の層間にスペーサを設ける。得られたリチウム二次電池用集電箔の平面図を図７に示す。図７において、図面の中央の縦の部分が複数の貫通孔を設けている部分であり、両側部分が貫通孔を設けていないアルミニウム箔の部分である。
　塗工装置５は、突出孔が形成された集電箔１ａ上の両側の表面に正または負極合剤層１ｂを形成する装置である。合剤層１ｂ形成装置としては、集電箔１ａ上に、合剤塗料をロールコーター、ダイコーターなどで転写する塗工装置、合剤塗料を噴射するスプレー装置、また塗料液中に集電箔１を浸積する浸漬装置などが挙げられる。これらの中で集電箔１の両面を同時に合剤層１ｂを形成できる、塗工装置、浸漬装置が好ましい。特に両面同時塗工のスリットダイコート装置がより好ましい。
　合剤を塗工後に乾燥炉にて乾燥する。乾燥炉としては縦型または横型の乾燥炉を使用することができる。
　本発明のリチウム二次電池の製造方法は、上記電極製造装置を用いて、連続的に供給される集電箔に対して、穿孔工程と、突出孔の先端部加工工程と、合剤層形成工程を連続して行なう。連続して行なうことにより、集電箔を巻き取ったり、巻き出したりすることで集電箔の表面同士が接触してこすれ合うことがない。そのため、集電箔加工後に孔先端部から集電箔切り粉や集電箔脱落粉が発生しない。
　集電箔１ａは、集電箔に対して穿孔工程を経た後、搬送用のロールＲ１～Ｒ５に接触して搬送される。ロールＲ３、Ｒ４で穿孔工程で発生する断続搬送を連続搬送に戻す。集電箔１ａの貫通孔が上記したように密集して形成されているので、貫通孔形成面が全体として面圧を受けることになり、貫通孔形成面に接して巻き取りロールで巻き取っても貫通孔が塞がれることがない。
　なお、貫通孔形成面に接することなく巻き取りロールで巻き取ることができる。そのような搬送ロールの断面図を図５に示す。穿孔工程で形成された突出孔１ｃの先端加工の突出部１ｄが箔搬送用のロールＲ１のロール表面に接触することのないように、搬送ロールＲ１に彫り込み６を入れた形状とする。先端加工の突出部１ｄが集電箔両面に存在する場合は、搬送ロールＲ１およびＲ２の双方に彫り込みを入れる。
　本発明のリチウム二次電池の製造方法において、正極および負極を製造する電極を上記方法で製造した後、得られた正極および負極をセパレータを介して積層あるいは捲回することにより電極群を形成する工程、および電極群を電解液に浸漬する工程は、特に制限なく公知の方法を採用できる。
　本発明の連続式の箔加工・合剤形成装置により製造される電極は、加工箔の切り粉や脱落粉が皆無となるので、内部短絡によるリチウム二次電池の不安全性が解消できる。
実施例１
　リチウム二次電池の正極を以下の方法で製造した。
　二次粒子径が２～３μｍのオリビン型リン酸鉄リチウムを正極活物質とし、該活物質８４重量部に、導電剤として８重量部の導電性カーボンおよび導電性カーボン繊維体の混合体と、結着剤として８重量部のポリフッ化ビニリデンを添加した。これに分散溶媒として、Ｎ－メチルピロリドンを添加し、混練して、正極合剤（正極スラリー）を作製した。
　２０μｍ厚さで、１５０ｍｍ幅のアルミニウム箔を準備する。このアルミニウム箔は供給ロールに巻かれた状態で供給される。
　供給ロールから引き出されたアルミニウム箔は、図４に示す製造装置の集電箔加工装置３部分において突起穿孔加工を施す。図２に示す箔突起高さｔ1が１２０μｍとなるように穿孔した。その後、プレスロール装置４を作動させることなく、穿孔されたアルミニウム箔を塗工装置５に導いた。上記正極スラリーを該加工アルミニウム箔の両面に塗布、乾燥した。穿孔および塗工工程において、アルミニウム箔は連続して供給ロールから供給され、穿孔工程後に巻き取られることなく、連続して塗工工程に導かれた。その後、プレス、裁断してリチウム二次電池用の正極を得た。アルミニウム箔の両面に正極スラリーを塗布・乾燥後、プレスした時の正極総厚さｔ０は１６０μｍであった。
実施例２
　リチウム二次電池の負極を以下の方法で製造した。
　黒鉛粉末９４重量部および導電剤として１重量部の導電性カーボンおよび導電性カーボン繊維体の混合体に、結着剤として５重量部のポリフッ化ビニリデンを添加し、これに分散溶媒としてＮ－メチルピロリドンを添加し混練して、負極合剤（負極スラリー）を作製した。
　１０μｍ厚さで、１５０ｍｍ幅の銅箔を準備する。この銅箔は供給ロールに巻かれた状態で供給される。
　供給ロールから引き出された銅箔は、図４に示す製造装置の集電箔加工装置３部分において突起穿孔加工を施す。図２に示す箔突起高さｔ1が９０μｍとなるように穿孔した。その後、プレスロール装置４を作動させることなく、穿孔された銅箔を塗工装置５に導いた。上記負極スラリーを該加工銅箔の両面に塗布、乾燥した。穿孔および塗工工程において、銅箔は連続して供給ロールから供給され、穿孔工程後に巻き取られることなく、連続して塗工工程に導かれた。その後、プレス、裁断してリチウム二次電池用の負極を得た。銅箔の両面に負極スラリーを塗布・乾燥後、プレスした時の負極総厚さｔ0は１２０μｍであった。
実施例３
　作製した正、負極板を用いて３．４Ｖ－１０Ａｈのアルミラミネートフィルムパック式リチウムイオン電池を作製した。電解液にはＥＣ、ＭＥＣ体積比で３０：７０に混合した溶液中に６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）を１ｍｏｌ／ｌ溶解したものを用いた。正・負極板隔離絶縁体には、ＰＰ樹脂繊維製の厚さ４０μｍの織布を用いた。
　得られたリチウムイオン電池は、大電流充放電に優れた特性であり、耐久性に優れ、また安全性が得られた。
実施例４
　実施例１の製造方法において、突起穿孔加工後に、プレスロール装置４を作動させ、押圧ローラ４ｂをローラ４ａ上のアルミニウム箔に押し付けることで、突出孔の先端を貫通孔の内側または外側に屈曲させた。図２に示す加工後の箔突起高さｔ1は１５０μｍであった。それ以外は実施例１と同一の方法で正極総厚さｔ0が１８０μｍの正極を得た。
実施例５
　実施例２の製造方法において、突起穿孔加工後に、プレスロール装置４を作動させ、押圧ローラ４ｂをローラ４ａ上の銅箔に押し付けることで、突出孔の先端を貫通孔の内側または外側に屈曲させた。図２に示す加工後の箔突起高さｔ1は１２０μｍであった。それ以外は実施例１と同一の方法で負極総厚さｔ0が１４０μｍの負極を得た。
実施例６
　作製した正、負極板を用いて３．４Ｖ－１０Ａｈのアルミラミネートフィルムパック式リチウムイオン電池を作製した。電解液にはＥＣ、ＭＥＣ体積比で３０：７０に混合した溶液中に６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）を１ｍｏｌ／ｌ溶解したものを用いた。正・負極板隔離絶縁体には、ＰＰ樹脂繊維製の厚さ４０μｍの織布を用いた。
　得られたリチウムイオン電池は、実施例３の電池よりさらに大電流充放電に優れた特性であり、耐久性に優れ、また安全性が得られた。
比較例１
　実施例１および実施例２の製造方法において、突起穿孔加工後に、集電箔をそれぞれロールに巻き取った。その後、この巻き取ったロールを箔供給ロールとして用いて、実施例１および実施例２と同一の方法で正極板および負極板をそれぞれ製造した。
　次に、実施例３と同一の方法でリチウムイオン電池を得た。
　得られたリチウムイオン電池は、初期の充放電は大電流充放電に優れた特性であったが、サイクル時の内部短絡等で耐久性および安全性が劣っていた。
　本発明のリチウム二次電池の製造方法は、高容量であって、大電流充放電が繰り返し可能であるリチウム二次電池において、内部短絡等の不安全性事象が生じない電極の製造方法なので、今後の多くの用途のリチウム二次電池製造に応用できる。
　１　　正または負極
　１ａ　正または負極集電箔
　１ｂ　正または負極合剤層
　１ｃ　孔
　１ｄ　突出部
　１ｄ'　突出先端部屈曲形状例
　２　電極製造装置
　３　金型による箔加工装置
　４　プレスロール装置
　５　塗工装置
　６　彫り込み

Claims (13)

  1. 　正極および負極を製造する電極製造工程と、
    　前記正極および負極をセパレータを介して積層あるいは捲回することにより電極群を形成する工程と、
    　前記電極群を電解液に浸漬する工程とを備えてなるリチウム二次電池の製造方法であって、
    　前記電極製造工程は、集電箔を貫通し、かつ少なくとも一方の集電箔面側に突出する突出部を有する複数の貫通孔を形成する穿孔工程と、この穿孔された集電箔に合剤層を形成する合剤形成工程とを備え、
    　前記穿孔工程後に穿孔された前記集電箔を巻き取ることなく連続して前記合剤形成工程を行なうことを特徴とするリチウム二次電池の製造方法。
  2. 　前記穿孔工程が前記集電箔を突き破って貫通孔を形成する工程であることを特徴とする請求項１記載のリチウム二次電池の製造方法。
  3. 　前記集電箔を突き破って貫通孔を形成する工程は、上型金型および下型金型の一方の衝合面に形成されるポンチと、このポンチ突出部の長さよりも長い深さを有する凹部が前記上型金型および下型金型の他方の衝合面に形成されるダイとから構成される集電箔加工装置を用いて、前記上型金型および下型金型が前記集電箔を挟んで前記ポンチと前記ダイとが相互に衝合することにより貫通孔が設けられる工程であることを特徴とする請求項２記載のリチウム二次電池の製造方法。
  4. 　前記複数の貫通孔は、直径が５０～１５０μｍの円孔であり、前記突出部の高さが５０～４００μｍであり、隣接する貫通孔との距離が３００～２０００μｍであることを特徴とする請求項３記載のリチウム二次電池の製造方法。
  5. 　前記集電箔の幅方向両幅部分は、前記複数の貫通孔が形成されておらず平坦な箔部分であることを特徴とする請求項１記載のリチウム二次電池の製造方法。
  6. 　前記集電箔がアルミニウム箔または銅箔であることを特徴とする請求項１記載のリチウム二次電池の製造方法。
  7. 　前記穿孔工程後に前記突出部が集電箔搬送用の機材部に接触することなく集電箔が搬送されることを特徴とする請求項１記載のリチウム二次電池の製造方法。
  8. 　前記穿孔工程後に前記突出部の先端を貫通孔の内側または外側に屈曲するような形状に加工する工程を有することを特徴とする請求項１記載のリチウム二次電池の製造方法。
  9. 　前記合剤形成工程は、突出孔が形成された集電箔上の両側の表面に正または負極合剤層を形成する工程と、乾燥炉にて乾燥する乾燥工程とを備えることを特徴とする請求項１記載のリチウム二次電池の製造方法。
  10. 　金属箔の主面を貫通し、かつ少なくとも一方の主面側に突出する突出部を有する複数の貫通孔を形成する穿孔工程を備えるリチウム二次電池用集電箔の製造方法であって、
    　前記貫通孔が前記集電箔を突き破って形成される貫通孔であり、
    　前記貫通孔を形成する工程は、上型金型および下型金型の一方の衝合面に形成されるポンチと、このポンチ突出部の長さよりも長い深さを有する凹部が前記上型金型および下型金型の他方の衝合面に形成されるダイとから構成される集電箔加工装置を用いて、前記上型金型および下型金型が前記集電箔を挟んで前記ポンチと前記ダイとが相互に衝合することにより貫通孔が設けられる工程であることを特徴とするリチウム二次電池用集電箔の製造方法。
  11. 　金属箔の箔面を貫通し、かつ少なくとも一方の箔面側に突出する突出部を有する複数の貫通孔を有するリチウム二次電池用集電箔であって、
    　前記貫通孔が前記集電箔を突き破って形成される複数の貫通孔であり、前記複数の貫通孔は、直径が５０～１５０μｍの円孔であり、前記突出部の高さが５０～４００μｍであり、隣接する貫通孔との距離が３００～２０００μｍであることを特徴とするリチウム二次電池用集電箔。
  12. 　前記集電箔の幅方向両幅部分は、前記複数の貫通孔が形成されておらず平坦な箔部分であることを特徴とする請求項１１記載のリチウム二次電池用集電箔。
  13. 　前記集電箔がアルミニウム箔または銅箔であることを特徴とする請求項１１または請求項１２記載のリチウム二次電池用集電箔。
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