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JP5636965B2 - リチウムイオン二次電池用電極体の製造方法、及びリチウムイオン二次電池の製造方法 - Google Patents

リチウムイオン二次電池用電極体の製造方法、及びリチウムイオン二次電池の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、集電体及び該集電体上に積層された正極層又は負極層を備える電極体の製造方法、並びに、集電体、正極層、電解質層、負極層、及び集電体を該順序にて備えた電池を製造する方法に関する。
リチウムイオン二次電池は、他の二次電池よりもエネルギー密度が高く、高電圧での動作が可能という特徴を有している。そのため、小型軽量化を図りやすい二次電池として携帯電話等の情報機器に使用されており、近年、電気自動車やハイブリッド自動車用等、大型の動力用としての需要も高まっている。
リチウムイオン二次電池には、正極層及び負極層と、これらの間に配置される電解質層とが備えられ、電解質層に備えられる電解質としては、例えば非水系の液体や固体が用いられる。電解質に液体(以下において、「電解液」という。)が用いられる場合には、電解液が正極層や負極層の内部へと浸透しやすい。そのため、正極層や負極層に含有されている活物質と電解液との界面が形成されやすく、性能を向上させやすい。ところが、広く用いられている電解液は可燃性であるため、安全性を確保するためのシステムを搭載する必要がある。一方、固体の電解質(以下において、「固体電解質」という。)は不燃性であるため、上記システムを簡素化できる。それゆえ、不燃性である固体電解質を含有する層(以下において、「固体電解質層」という。)が備えられる形態のリチウムイオン二次電池(以下において、「固体電池」という。)が提案されている。
このような電池に関する技術として、例えば特許文献1には、金属を有する集電体上に、正極又は負極の活物質を有する合剤層を形成する合剤層形成工程と、前記合剤層上に被覆層を形成する被覆層形成工程と、前記被覆層とともに前記合剤層をプレスするプレス工程とを備えた、電池用電極の製造方法が開示されている。
また、特許文献2には、帯状の正極集電体箔の表面に正極活物質層が形成され1回折り又は2回以上の葛折りにより折畳まれかつ一方の側縁に正極端子が接続された正極シートと、前記正極シートの折畳み面積に相応した面積を有する負極集電体箔の表面に負極活物質層が形成され前記折畳まれる正極シートの間にポリマー電解質層を介して挟持されかつ一方の側縁に負極端子が接続された負極シートとを備えたリチウムイオンポリマー二次電池において、前記ポリマー電解質層が、前記負極シートの表面に形成された負極側第1電解質層と、前記負極側第1電解質層に連設され前記負極シートの他方の側縁の端面に形成された負極側第2電解質層とを有することを特徴とすることを特徴とするリチウムイオンポリマー二次電池が開示されている。
さらに、特許文献3には、集電体の一方の面に正極が形成され、他方の面に負極が形成された双極型電極を、電解質層を挟んで少なくとも2層以上直列に積層した双極型二次電池要素を、外装材に密封してなる双極型二次電池モジュールにおいて、双極型二次電池要素と外装材との間に前記外装材よりも引張応力が高い部材を挿入することを特徴とする双極型二次電池モジュールが開示されている。
特開2005−276444号公報 特開2004−207118号公報 特開2008−140633号公報
特許文献1には、集電体上に、正極又は負極の活物質を有する合剤層を形成し、該合剤層上に被覆層を形成して、該被覆層とともに合剤層を積層方向にプレスする工程を備えた電池用電極の製造方法が開示されている。特許文献1に記載の発明によれば、かかる工程を経ることによって、合剤層の空隙率を減らせるとしている。しかしながら、上記のように集電体と合剤層とを備えた積層体を積層方向に加圧すると、除荷した後に集電体から合剤層(正極層又は負極層)が剥がれるという問題があった。これは、以下に説明する理由によると考えられる。すなわち、上記のように合剤層を積層方向に加圧すると、集電体と合剤層とがそれぞれ積層方向に垂直な面方向に伸びる。このとき集電体と合剤層との伸び率が異なるため、集電体と合剤層との間において、積層方向に垂直な面方向の応力が発生し、この応力が原因となって、集電体から合剤層(正極層又は負極層)が剥がれやすくなる。
特許文献2に記載の発明では、上記問題について考慮されておらず、特許文献2に記載の発明によっても、上記問題は解決できなかった。特許文献3には、集電体、正極層及び負極層を有する積層体を収容した外装材内部の内圧を低くし、該外装材内の部材を加圧することが記載されている(0067段落等)。かかる形態とすることによって、電池の使用時に集電体から正極層又は負極層が剥がれることは、ある程度防げると考えられる。しかしながら、製造過程において集電体から正極層又は負極層が剥がれる虞があることについては、特許文献3に記載の発明でも考慮されていないため、特許文献3に記載の発明によっても、上記問題は解決できなかった。
そこで本発明は、集電体と該集電上に積層された正極層又は負極層との剥離が防止される電極体の製造方法、及び電池の製造方法を提供することを課題とする。
上記課題を解決するために、本発明は以下の構成をとる。すなわち、
本発明の第1の態様は、集電体、及び該集電体上に積層された正極層又は負極層を備えるリチウムイオン二次電池用電極体の製造方法であって、集電体、及び集電体上に積層された正極層又は負極層を備える積層体を作製する積層工程と、積層工程で作製した積層体を積層方向に50MPa以上800MPa以下の圧力で加圧する加圧工程と、加圧工程の後、10MPa以上30MPa以下の圧力にて0.1時間以上10時間以下の間、積層体を積層方向に加圧したまま拘束する拘束工程と、を含む、リチウムイオン二次電池用電極体の製造方法である。
以下、正極層に接触する集電体と負極層に接触する集電体とを区別する必要がない場合は、それらの集電体を単に「集電体」と表記する場合があり、区別する必要がある場合は、正極層に接触する集電体を「正極集電体」、負極層に接触する集電体を「負極集電体」を表記する場合がある。また、正極層と負極層とを区別する必要がない場合は、両者のどちらかを指すものとして「電極層」と表記する場合がある。
また、上記本発明の第1の態様の電極体の製造方法の拘束工程において、0.5時間以上5時間以下の間、積層体を積層方向に拘束することがより好ましい。
また、上記本発明の第1の態様の電極体の製造方法の拘束工程において、1時間以上3時間以下の間、積層体を積層方向に拘束することがさらに好ましい。
また、上記本発明の第1の態様の電極体の製造方法は、積層工程において、金属箔を含む集電体、及び該集電体上に積層された、カーボン系負極合材を含む負極層、を備える積層体を作製する場合に好適である。
本発明の第2の態様は、正極集電体、正極層、電解質層、負極層、及び負極集電体を該順序にて備えたリチウムイオン二次電池を製造する方法であって、正極集電体、正極層、電解質層、負極層、及び負極集電体を該順序で備えた積層体を作製する積層工程と、積層工程で作製した積層体を積層方向に50MPa以上800MPa以下の圧力で加圧する加圧工程と、加圧工程の後、10MPa以上30MPa以下の圧力にて0.1時間以上10時間以下の間、積層体を積層方向に加圧したまま拘束する拘束工程と、を含む、リチウムイオン二次電池の製造方法である。
本発明の第1の態様によれば、集電体と該集電体上に積層された正極層又は負極層とを備える積層体を、所定の圧力にて所定の時間、積層方向に加圧して拘束することによって、徐荷後も集電体と該集電体上に積層された正極層又は負極層との剥離が防止される電極体の製造方法を提供することができる。
本発明の第2の態様によれば、正極集電体、正極層、電解質層、負極層、及び負極集電体を該順序で備えた積層体を、所定の圧力にて所定の時間、積層方向に加圧して拘束することによって、徐荷後も集電体と該集電体上に積層された正極層又は負極層との剥離が防止される電池の製造方法を提供することができる。
本発明の電極体の製造方法に含まれる工程を示すフローチャートである。 本発明の電極体の製造方法の一例について、その過程を概略的に示す断面図である。 本発明の電極体の製造方法の他の例について、その過程を概略的に示す断面図である。 従来の電池の製造方法について、その過程を概略的に示す断面図である。
以下、図面を参照しつつ、本発明について説明する。
最初に従来の電池の製造方法の問題を説明したうえで、本発明の電極体の製造方法について説明する。
図4は、従来の電池の製造方法について、その過程を概略的に示す断面図である。従来の電池の製造方法では、まず、図4(a)に示すように、正極集電体1、正極層2、電解質層3、負極層4及び負極集電体5を備える積層体10aを作製していた。積層体10aの作製方法としては、例えば、以下のような方法がある。まず、正極層2を構成する組成物を正極集電体1上に塗布して乾燥させ、正極集電体1上に正極層2を積層する。また、負極集電体5上には負極層4を構成する組成物を塗布して乾燥させ、負極集電体5上に負極層4を積層する。この時点では、正極集電体1及び正極層は、次の工程まで取り扱い可能な程度に結着している。また、負極集電体5及び負極層4も同様に、次の工程まで取り扱い可能な程度に結着している。
次に、固体電解質等を含む組成物を正極層2上と負極層4上とにそれぞれに塗布して、正極層2上と負極層4上とのそれぞれに電解質層3の一部を形成し、当該電解質層3の一部同士を合わせるようにして重ねることによって、正極集電体1、正極層2、電解質層3、負極層4、及び負極集電体5がその順で積層された積層体10aを作製することができる。
上述したようにして積層体10aを作製した後、図4(b)に示すように、積層体10aを積層方向に圧力P1を加えることによって、正極層2や負極層4等に含まれる空隙を減らすとともに、正極層2に含まれる正極活物質や負極層4に含まれる負極活物質と固体電解質との界面を増やすようにしていた。
このようにして製造された従来の電池は、圧力P1を除荷後、例えば、図4(c)に示すように、正極集電体1側を谷として反りが生じ、負極層4と負極集電体5との間で剥離する虞があった。これには、以下の2つの原因があると考えられる。1つ目の原因は以下の通りである。積層体10aを積層方向に加圧すると、積層体10aを構成する層が、それぞれ積層方向に垂直な面方向に伸びる。このとき集電体と電極層との伸び率が異なるため、集電体と電極層との間において、積層方向に垂直な面方向の応力が発生する。この応力が原因となって、集電体と電極層とが剥がれ易くなる。2つ目の原因は、正極集電体1と正極層2との間の結着力の方が、負極集電体5と負極層4との間の結着力より強かったということである。
上述したように、従来の電池の製造方法では、集電体と該集電上に積層された正極層又は負極層との間で剥離が起こるという問題があった、なお、従来の電池の製造方法について説明したが、正極集電体上に正極層が形成された電極体、又は、負極集電体上に負極層が形成された電極体のみを作製する場合であっても、積層方向に強く加圧したとき、上記1つ目の原因によって、同様に剥離する虞があった。しかしながら、以下に説明するように、本発明の電極体の製造方法によれば、上記問題を解決することができる。
図1は、本発明の電極体の製造方法に含まれる工程を示すフローチャートである。本発明の電極体の製造方法は、図1に示すように、積層工程(以下、「S11」と表記する場合がある。)と、加圧工程(以下、「S12」と表記する場合がある。)と、拘束工程(以下、「S13」と表記する場合がある。)を有する。これらの工程を経ることによって、集電体と該集電上に積層された正極層又は負極層との剥離が防止される電極体を製造することができる。
1.第一実施形態
図2は、本発明の電極体の製造方法の一例について、その過程を概略的に示す断面図である。図1及び図2を参照しつつ、第一実施形態にかかる本発明の電極体の製造方法について説明する。
<積層工程(S11)>
S11は、集電体、及び該集電体上に積層された正極層又は負極層を備える積層体を作製する工程である。
上述したように、集電体と該集電上に積層された正極層又は負極層との剥離が起こるのは、正極集電体上に正極層が積層された電極体、又は、負極集電体上に負極層が積層された電極体を積層方向に強く加圧するからである。一方、電池を作製する場合、負極集電体、負極層、電解質層、正極層、及び正極集電体を積層した積層体を作製した後、該積層体を積層方向に加圧することがある。よって、図2には、正極集電体1上に正極層2が積層された積層体、又は、負極集電体5上に負極層4が積層された積層体を個別に加圧するのではなく、これらの積層体と電解質層3とを備える積層体10aを作製した後、積層体10aを積層方向に加圧して電池を製造する方法について示している。すなわち、図2には、本発明の電極体の製造方法によって、正極集電体1上に正極層2が積層された電極体、及び、負極集電体5上に負極層4が積層された電極体を同時に作製する方法について例示している。なお、図2に示した積層体10aは、正極集電体1、正極層2、電解質層3、負極層4、及び負極集電体5を該順序にて備えており、図2は本発明の電池の製造方法を例示しているともいえる。ただし、本発明はかかる形態に限定されない。本発明の電極体の製造方法において、S11では、集電体、及び該集電体上に積層された正極層又は負極層を備える積層体を作製すればよい。すなわち、S11は、正極集電体と該正極集電体上に積層された正極層とからなる積層体、若しくは、負極集電体と該負極集電体上に積層された負極層とからなる積層体を作製する工程であってもよい。
S11は、例えば、図2(a)に示したように、正極集電体1、正極層2、電解質層3、負極層4、及び負極集電体5を備える積層体10aを作製する工程とすることができる。積層体10aを作製する具体的な方法としては、例えば、以下のような方法がある。まず、正極活物質と固体電解質と結着用バインダーとを含む正極材をスラリー状にしたものを正極集電体1上に塗布して乾燥させて正極層2を積層する。また、負極活物質と固体電解質と結着用バインダーとを含む負極材をスラリー状にしたものを負極集電体5上に塗布して乾燥させて負極層4を積層する。その後、固体電解質と結着用バインダーとを含む組成物を正極層2上と負極層4上とのそれぞれに塗布して、正極層2上と負極層4上とのそれぞれに電解質層3の一部を積層する。その後、当該電解質層3の一部同士を合わせるようにして重ねることによって、正極集電体1、正極層2、電解質層3、負極層4、及び負極集電体5がその順で積層された積層体10aを作製することができる。
正極層2に含有される正極活物質としては、コバルト酸リチウム等に代表される公知の正極活物質を適宜用いることができる。また、正極層2に含有される固体電解質としては、LiPO等の酸化物系固体電解質のほか、LiPSや、LiS:P=50:50〜100:0となるようにLiS及びPを混合して作製した硫化物系固体電解質(例えば、質量比で、LiS:P=70:30となるようにLiS及びPを混合して作製した硫化物固体電解質)等、公知の固体電解質を適宜用いることができる。さらに、正極層2に含有される結着用バインダーとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等のフッ素含有樹脂を挙げることができる。このほか、正極層2には、アセチレンブラック等の公知の導電材を含有させることも可能である。正極層2の厚みは特に限定されないが、例えば、0.1μm以上1000μm以下であることが好ましい。
負極層4には、負極活物質としてグラファイト等を含む公知のカーボン系負極合材を用いることができる。ただし、負極層4に含有される負極活物質はグラファイトに限定されず、その他の公知の負極活物質を適宜用いることができる。また、負極層4に含有される固体電解質としては、正極層2に用いることが可能な上記固体電解質と同様の物質を用いることができる。さらに、負極層4に含有される結着用バインダーとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等のフッ素含有樹脂を挙げることができる。このほか、負極層4には、アセチレンブラック等の公知の導電材を含有させることも可能である。負極層4の厚みは特に限定されないが、例えば、0.1μm以上1000μm以下であることが好ましい。
電解質層3に用いられる固体電解質としては、電池に使用可能な公知の固体電解質であれば特に限定されず、正極層2や負極層4に用いることが可能な上記固体電解質と同様の物質を用いることができる。電解質層3の厚さは、電解質の種類や電池の構成等によって大きく異なるものであるが、例えば、0.1μm以上1000μm以下の範囲内、中でも0.1μm以上300μm以下の範囲内であることが好ましい。
正極集電体1や負極集電体5としては、Al箔、Cu箔、Ni箔、Fe箔、CuNi箔、CuFe箔等の金属箔等、電池に使用可能な公知の集電体を適宜用いることができる。
<加圧工程(S12)>
S12は、S11で作製した積層体を積層方向に加圧する工程である。S12において積層体を加圧する手段は特に限定されず、公知の手段によって加圧することができる。
S12は、例えば、図2(b)に示したように、積層体10aを積層方向に圧力P1で加圧する工程とすることができる。積層体10aを積層方向に加圧することによって、正極層2や負極層4等に含まれる空隙を減らすとともに、正極層2に含まれる正極活物質や負極層4に含まれる負極活物質(以下、正極活物質と負極活物質とを区別する必要がない場合は、両者のどちらかを指すものとして「活物質」と表記する場合がある。)と、固体電解質との接触面積を増大させることができる。S12において、圧力P1の強さは50MPa以上800MPa以下であることが好ましく、加圧時間は1秒以上10時間以下であることが好ましい。圧力P1の強さが上記範囲の下限値より弱い場合や加圧時間が上記範囲の下限値より短い場合は、正極層2や負極層4等に含まれる空隙が多く残り、活物質と固体電解質との接触面積が少なくなる虞がある。一方、圧力P1の強さ上記範囲の上限値より強い場合や加圧時間が上記範囲の上限値より短い場合は、正極層2及び負極層4に含まれる空隙が少なくなり過ぎてしまい、充放電時の活物質の膨張収縮によって、正極層2及び負極層4が割れる虞がある。
<拘束工程(S13)>
S13は、S12の後、S11で作製した積層体を積層方向に加圧して拘束する工程である。
S13は、例えば、図2(c)に示したように、適切な拘束手段20、20を用いて、積層体10aを積層方向に圧力P2で加圧したまま拘束する工程とすることができる。
S12において、積層体10aの積層方向に強い圧力を加えると、積層体10aを構成する各層が、図2(b)に示したように、積層方向に垂直な面方向に伸ばされる。このとき、上述したように、正極集電体1と正極層2との間、及び負極集電体5と負極層4との間に応力が発生する。しかしながら、S13において、0.1MPa以上100MPa以下の圧力P2にて所定の時間の間、積層体10aを積層方向に加圧したまま拘束することによって、正極集電体1と正極層2との間、及び負極集電体5と負極層4との間に発生していた応力を緩和することができる。よって、正極集電体1と正極層2との間、及び負極集電体5と負極層4との間での剥離を防止することができる。
S13において、積層体を加圧する圧力の強さは、1MPa以上50MPa以下であることが好ましく、10MPa以上30MPa以下であることがより好ましい。また、S12において、積層体を加圧する時間は、0.1時間以上10時間以下であることが好ましく、0.5時間以上5時間以下であることがより好ましく、1時間以上3時間以下であることがさらに好ましい。積層体を加圧する圧力が1MPa未満であると、電極層と集電体との間の接着力が不足して、電極層と集電体との剥離を防止できない虞がある。一方、積層体を加圧する圧力が50MPaを超えると、S13において集電体と電極層との間で常に応力が生じたまま加圧されることとなり、集電体と電極層との間の応力の緩和が十分に行われない虞がある。また、積層体を加圧する時間が0.1時間より短いと、集電体と電極層との間の応力の緩和が十分に行われない虞がある。一方、積層体を加圧する時間が10時間より長いと、正極層及び負極層が硬化し、充放電時の活物質の膨張収縮により、正極層及び負極層が割れる虞がある。
2.第二実施形態
図1及び図3を参照しつつ、第二実施形態にかかる本発明の電極体の製造方法について説明する。図3は、本発明の電極体の製造方法の他の例について、その過程を概略的に示す断面図である。
図3に示した方法は、S12以外は上記第一実施形態と同様である。すなわち、図3(a)に示したように積層体10aを作製する工程は、上記第一実施形態のS11と同様であるため、説明を省略する。
図3に示した方法では、S12をCIP(Cold Isostatic Press)によって行う。より具体的には、図3(b)に示すように、積層体10aを外装材30に封入し、さらにその外側を被覆材31で被覆し、CIPを行う。外装材30としては、従来の電池に用いられている公知の外装材を適宜用いることができる。例えば、アルミニウム製の外装材を用いることができる。また、被覆材31は、CIPを行う際に積層体10aが圧媒(水等)で濡れることを防止する目的で用いられるものである。被覆材31としては、従来用いられているものを特に限定することなく用いることができきる。CIPで積層体10aに加える圧力は、50MPa以上800MPa以下の範囲で任意の値を選択することができる。当該圧力は、例えば、196MPa程度とすることができる。また、加圧する時間は、1秒以上10時間以下の範囲で任意の時間を設定することができる。CIPを行うことによって、積層体10aを等方加圧することができる。
なお、本発明において、S12で積層体10aを加圧する方法としては、ロールプレスや平面プレスによる方法を採用することもできる。このときは、被覆材31が不要であり、積層体10aを加圧する強さ及び時間は、上記CIPと同一とすることができる。
このようにCIP等によって積層体10aを加圧することによっても、正極層2や負極層4等に含まれる空隙を減らすとともに、正極層2に含まれる正極活物質や負極層4に含まれる負極活物質と、固体電解質との接触面積を増大させることができる。
また、上記のようにCIPを行った場合も積層体10aの積層方向に加圧されるため、積層体10aを構成する各層が積層方向に垂直な面方向に伸ばされる。このとき、上述したように、正極集電体1と正極層2との間、及び負極集電体5と負極層4との間に応力が発生する。そのため、CIPを行った後は、図3(c)に示すように、被覆材31は除去して、外装材30に封入された積層体10aを上記第一実施形態のS13と同様に加圧したまま拘束する。かかる工程を経ることによって、正極集電体1と正極層2との間、及び負極集電体5と負極層4との間での剥離を防止することができる。
以上、現時点において最も実践的で好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明した。しかしながら、本発明は本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う電極体の製造方法及び電池の製造方法もまた本発明の技術的範囲に包含されるものとして理解されなければならない。
本発明の電極体の製造方法は、携帯機器、電気自動車、ハイブリッド車等の電源として用いられる電池に備えられる電極体の製造に適用することができる。
1 正極集電体
2 正極層
3 電解質層
4 負極層
5 負極集電体
10a 積層体
20 拘束手段
30 外装材
31 被覆材

Claims (7)

  1. 集電体、及び該集電体上に積層された正極層又は負極層を備えるリチウムイオン二次電池用電極体の製造方法であって、
    前記集電体、及び前記集電体上に積層された前記正極層又は前記負極層を備える積層体を作製する積層工程と、
    前記積層工程で作製した前記積層体を積層方向に50MPa以上800MPa以下の圧力で加圧する加圧工程と、
    前記加圧工程の後、10MPa以上30MPa以下の圧力にて0.1時間以上10時間以下の間、前記積層体を積層方向に加圧したまま拘束する拘束工程と、
    を含む、リチウムイオン二次電池用電極体の製造方法。
  2. 前記拘束工程において、0.5時間以上5時間以下の間、前記積層体を積層方向に拘束する、請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用電極体の製造方法。
  3. 前記拘束工程において、1時間以上3時間以下の間、前記積層体を積層方向に拘束する、請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用電極体の製造方法。
  4. 前記積層工程において、金属箔を含む前記集電体、及び該集電体上に積層された、カーボン系負極合材を含む前記負極層を備える前記積層体を作製する、請求項1〜のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池用電極体の製造方法。
  5. 正極集電体、正極層、電解質層、負極層、及び負極集電体を該順序にて備えたリチウムイオン二次電池を製造する方法であって、
    前記正極集電体、前記正極層、前記電解質層、前記負極層、及び前記負極集電体を該順序で備えた積層体を作製する積層工程と、
    前記積層工程で作製した前記積層体を積層方向に50MPa以上800MPa以下の圧力で加圧する加圧工程と、
    前記加圧工程の後、10MPa以上30MPa以下の圧力にて0.1時間以上10時間以下の間、前記積層体を積層方向に加圧したまま拘束する拘束工程と、
    を含む、リチウムイオン二次電池の製造方法。
  6. 前記正極層及び前記負極層が固体電解質を含む、請求項1〜4のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池用電極体の製造方法。
  7. 前記正極層及び前記負極層が固体電解質を含む、請求項5に記載のリチウムイオン二次電池の製造方法。
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