JP6573250B2 - Method for producing non-aqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、非水電解質二次電池の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a nonaqueous electrolyte secondary battery.
近年、環境保護運動の高まりを背景として、電気自動車(EV)、ハイブリッド電気自動車(HEV)、および燃料電池車(FCV)の開発が進められている。これらのモータ駆動用電源としては繰り返し充放電可能な二次電池等のモータ駆動用電気デバイスが適している。特に高容量、高出力が期待できる非水電解質二次電池、なかでもリチウムイオン二次電池が注目を集めており、現在急速に開発が進められている。 In recent years, the development of electric vehicles (EV), hybrid electric vehicles (HEV), and fuel cell vehicles (FCV) has been promoted against the background of the increasing environmental protection movement. As these motor driving power sources, motor driving electric devices such as secondary batteries that can be repeatedly charged and discharged are suitable. In particular, non-aqueous electrolyte secondary batteries that can be expected to have high capacity and high output, particularly lithium ion secondary batteries, are attracting attention, and are currently being developed rapidly.
非水電解質二次電池は、集電体表面に形成された正極活物質(例えば、LiCoO2、LiMnO2、LiNiO2等)を含む正極活物質層を有する。また、非水電解質二次電池は、かかる集電体とは別の集電体表面に形成された負極活物質(例えば、金属リチウム、コークスや天然・人造黒鉛などの炭素質材料や、Sn、Si等の金属やその酸化物材料等)を含む負極活物質層を有する。さらに、非水電解質二次電池は、この正極活物質層および負極活物質層との間に設けられ、これらの正極活物質層および負極活物質層を分離する電解質を含む電解質層とを有している。 The nonaqueous electrolyte secondary battery has a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material (for example, LiCoO 2 , LiMnO 2 , LiNiO 2, etc.) formed on the current collector surface. In addition, the non-aqueous electrolyte secondary battery includes a negative electrode active material (for example, carbonaceous material such as metallic lithium, coke and natural / artificial graphite, Sn, A negative electrode active material layer including a metal such as Si or an oxide material thereof. Furthermore, the nonaqueous electrolyte secondary battery includes an electrolyte layer that is provided between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer and includes an electrolyte that separates the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer. ing.
このうち、集電体表面に形成された正極活物質層を有する正極は、通常、集電体表面に正極活物質を含む正極スラリーを塗布して形成される。集電体表面に形成された負極活物質層を有する負極は、通常、集電体表面に負極活物質を含む負極スラリーを塗布して形成される。 Among these, the positive electrode having the positive electrode active material layer formed on the current collector surface is usually formed by applying a positive electrode slurry containing the positive electrode active material on the current collector surface. A negative electrode having a negative electrode active material layer formed on the current collector surface is usually formed by applying a negative electrode slurry containing a negative electrode active material to the current collector surface.
詳しくは、上記正極スラリーは、通常、正極活物質、アセチレンブラック等の導電助剤にポリフッ化ビニリデン(PVDF)等のバインダを溶かした溶媒(N−メチル−2−ピロリドン(NMP)等)を加えながら混合し、更に該溶媒を加え混合し粘度調整して作製される。同様に上記負極スラリーは、通常、負極活物質、アセチレンブラック等の導電助剤にPVDF等のバインダを溶かした溶媒(NMP)を加えながら混合し、更に該溶媒を加え混合し粘度調整して作製される。 Specifically, the positive electrode slurry is usually added with a solvent (N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) or the like) in which a binder such as polyvinylidene fluoride (PVDF) is dissolved in a positive electrode active material or a conductive aid such as acetylene black. The mixture is further mixed, and the solvent is added and mixed to adjust the viscosity. Similarly, the negative electrode slurry is usually prepared by adding a solvent (NMP) in which a binder such as PVDF is added to a conductive auxiliary agent such as a negative electrode active material and acetylene black, and further mixing and adjusting the viscosity. Is done.
上記で得られた正極スラリーによる正極原反の作製方法は、まずアルミニウム(厚さ20μm程度)の薄膜(Al箔)をロールで購入し正極集電箔とし、該正極集電箔表面に正極スラリーを塗布、乾燥、ロールプレスを行い、正極原反を作製する。同様に、上記で得られた負極スラリーによる負極原反の作製方法は、まず銅(厚さ10μm程度)の薄膜(Cu箔)をロールで購入し負極集電箔とし、該負極集電箔表面に負極スラリーを塗布、乾燥、ロールプレスを行い、負極原反を作製する。 The method for preparing the positive electrode raw material by the positive electrode slurry obtained above is as follows. First, a thin film (Al foil) of aluminum (thickness of about 20 μm) is purchased in a roll to form a positive electrode current collector foil, and the positive electrode slurry is formed on the surface of the positive electrode current collector foil. Is applied, dried, and roll-pressed to prepare a positive electrode raw material. Similarly, the negative electrode raw material by the negative electrode slurry obtained above is prepared by first purchasing a thin film (Cu foil) of copper (thickness of about 10 μm) as a negative electrode current collector foil, and the surface of the negative electrode current collector foil. A negative electrode slurry is applied to the substrate, dried, and roll-pressed to prepare a negative electrode raw material.
上記で得られた電極(正極及び負極)原反及びセパレータ原反は、スリッターで所望のサイズの矩形形状にカットし、乾燥を経て正極、負極、セパレータとなる。これら正極、負極、セパレータを、正極、セパレータ、負極、セパレータ、正極・・の順に交互に積層することで所望の積層数(セル数)からなる積層体となる。尚、セパレータ原反は、例えば、ポリエチレン(PE)製の微多孔膜(厚さ25μm程度)等をロールで購入し、セパレータ原反とした。 The electrode (positive electrode and negative electrode) raw material and the separator raw material obtained above are cut into a rectangular shape of a desired size by a slitter, and dried to become a positive electrode, a negative electrode, and a separator. By laminating these positive electrodes, negative electrodes, and separators alternately in the order of positive electrode, separator, negative electrode, separator, positive electrode,..., A laminate having a desired number of layers (number of cells) is obtained. In addition, the separator original fabric purchased the microporous film (thickness of about 25 micrometers) made from polyethylene (PE) etc. with the roll, and was used as the separator original fabric.
次に、上記積層体(の各集電体)に正極、負極集電板(正極、負極タブ)を超音波溶接機にて接合後、電池外装体、例えば、矩形形状のラミネート封止体に入れ4辺のうちの3辺封止(熱封止)にて注液前封止体とする。注液装置にて上記注液前封止体内部に電解液を注液する。これによりセパレータに電解液を含浸した電解質層が形成される。その後、ラミネート封止体の残る1辺を封止(熱封止)することで、電池を作製することができる。 Next, after the positive electrode and the negative electrode current collector plate (positive electrode, negative electrode tab) are joined to the laminate (each current collector) with an ultrasonic welding machine, the battery outer body, for example, a rectangular laminate sealing body is formed. It is set as the sealing body before liquid injection by 3 side sealing (heat sealing) of 4 sides. An electrolyte solution is injected into the pre-injection sealed body with an injection device. As a result, an electrolyte layer in which the separator is impregnated with the electrolytic solution is formed. Thereafter, the remaining side of the laminate sealing body is sealed (heat sealed), whereby a battery can be manufactured.
ここで、電解液主成分は、電気自動車(EV)の場合(エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)の混合溶媒)を使用するのが一般的である。又、電解液の中に、負極側の活物質表面に初回充電時、生成される保護皮膜(以下SEI;Solid Electrolyte Interface)を形成するための添加剤(SEI形成用添加剤)を混ぜたものが用いられている(特許文献1参照)。 Here, the main component of the electrolytic solution is generally an electric vehicle (EV) (a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC)). In addition, an electrolyte (additive for SEI formation) for forming a protective film (hereinafter referred to as SEI; Solid Electrolyte Interface) generated at the time of initial charge on the active material surface on the negative electrode side is mixed with the electrolyte. Is used (see Patent Document 1).
上記添加剤の効果としては、特許文献1に記載の通り、負極電極表面に初回充電時、生成されるSEIとして、上記添加剤由来のものを生成させる事により抵抗上昇を抑え、電極表面での電解液分解を抑制し電池寿命を向上させる効果がある事が知られている。 As described in Patent Document 1, as an effect of the additive, as the SEI generated on the negative electrode surface is initially charged, the increase in resistance is suppressed by generating a product derived from the additive, and on the electrode surface. It is known that there is an effect of suppressing the electrolytic solution decomposition and improving the battery life.
しかしながら、特許文献1では、電池製造プロセスを工夫し均一な(高品質な)SEI生成による性能向上を図るところまでは至っていなかった。 However, Patent Document 1 has not yet reached a point where the battery manufacturing process is devised to improve performance by generating uniform (high quality) SEI.
即ち、SEIは組成及び皮膜厚さ一定が望ましいとされている。しかしながら、特許文献1等の従来の電池製造プロセスでは上記SEI形成用添加剤は電解液中に溶解させ、注液前封止体内部(の積層体)に注液する関係上、初回充電時、電解液の浸透性の良い電極外側からSEIの形成が開始される。更にSEIの形成が進むと正極側に存在する添加剤が負極に移動しSEIを形成し始める。その際、前述と同様に浸透性の良い電極外側からSEIが形成される。結果として、電極内側の集電体近傍の負極活物質表面と電極(活物質層)外側近傍の負極活物質表面に形成されるSEIの厚さ、組成が異なる電池となる(即ち、電極外側近傍のSEIが厚くなる)。初回充電工程の目的の1つとしてSEIの形成があるが、上記のような複雑なプロセスをたどるため、充電時間の後の高温エージング、更には常温エージングによるSEIの形成が完了するまでの時間が長く必要となり、尚且つ品質バラツキが発生するという課題があった。 That is, it is considered that SEI has a desirable composition and uniform film thickness. However, in the conventional battery manufacturing process such as Patent Document 1, the SEI formation additive is dissolved in the electrolytic solution, and injected into the inside of the sealing body before injection (stacked body thereof). The formation of SEI starts from the outside of the electrode with good electrolyte permeability. As SEI formation further proceeds, the additive present on the positive electrode side moves to the negative electrode and begins to form SEI. At that time, the SEI is formed from the outer side of the electrode having good permeability in the same manner as described above. As a result, a battery having different thickness and composition of SEI formed on the surface of the negative electrode active material near the current collector inside the electrode and the surface of the negative electrode active material near the outside of the electrode (active material layer) is obtained. The SEI becomes thicker). One of the purposes of the initial charging process is the formation of SEI. However, in order to follow the complicated process as described above, the time required to complete the formation of SEI by high-temperature aging after charging time and further by room temperature aging is completed. There was a problem that it was necessary for a long time and quality variation occurred.
そこで本発明は、高品質な(負極活物質層の厚さ方向で皮膜厚さ均一な)SEI皮膜生成により電池性能の向上を図ることのできる非水電解質二次電池の製造方法を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention provides a method for producing a non-aqueous electrolyte secondary battery capable of improving battery performance by generating a high-quality SEI film (the film thickness is uniform in the thickness direction of the negative electrode active material layer). With the goal.
本発明は、負極形成に用いる負極スラリーに、SEI形成用添加剤を含むことを特徴とする非水電解質二次電池の製造方法である。 The present invention is a method for producing a non-aqueous electrolyte secondary battery, wherein the negative electrode slurry used for negative electrode formation contains an additive for SEI formation.
本発明の負極によれば、高品質な(特に負極活物質層の厚さ方向に皮膜が均一な)SEIの生成により電池性能の向上を図ることのできる非水電解質二次電池の製造方法を提供することができる。 According to the negative electrode of the present invention, there is provided a method for producing a non-aqueous electrolyte secondary battery capable of improving battery performance by generating high-quality SEI (particularly, a uniform film in the thickness direction of the negative electrode active material layer). Can be provided.
本発明の非水電解質二次電池の製造方法は、負極形成に用いる負極スラリーに、SEI形成用添加剤を含むことを特徴とするものである。好ましくは、電解液及び正極形成に用いる正極スラリーが、いずれもSEI形成用添加剤を含まないのが望ましい。詳しくは、本発明の製造方法は、正極スラリーを用いた正極形成工程と、負極スラリーを用いた負極形成工程と、前記正極形成工程と前記負極形成工程で得られた正極と負極と、セパレータとを積層して積層体を形成する工程と、外装体内部に入れた前記積層体に電解液を注液する工程とを含むものである。そして、前記負極スラリーにSEI形成用添加剤を含むことを特徴とする。好ましくは、前記電解液及び前記正極スラリーが、いずれもSEI形成用添加剤を含まないのが望ましい。また本発明の非水電解質二次電池は、上記製造方法により得られてなることを特徴とするものである。かかる構成を有する本発明の製造方法及びこれにより得られた電池では、上記した発明の作用効果を奏することができるものである。 The method for producing a non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention is characterized in that the negative electrode slurry used for forming the negative electrode contains an additive for SEI formation. Preferably, it is desirable that neither the electrolyte solution nor the positive electrode slurry used for positive electrode formation contains an additive for SEI formation. Specifically, the production method of the present invention includes a positive electrode forming step using a positive electrode slurry, a negative electrode forming step using a negative electrode slurry, a positive electrode and a negative electrode obtained in the positive electrode forming step and the negative electrode forming step, a separator, And a step of injecting an electrolytic solution into the laminate placed in the exterior body. The negative electrode slurry contains an additive for forming SEI. Preferably, neither the electrolyte solution nor the positive electrode slurry contains an additive for forming SEI. The nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention is obtained by the above production method. With the manufacturing method of the present invention having such a configuration and the battery obtained thereby, the operational effects of the above-described invention can be achieved.
まず、本発明の非水電解質二次電池の好ましい実施形態として、非水電解質リチウムイオン二次電池について説明するが、以下の実施形態のみには制限されない。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 First, although a nonaqueous electrolyte lithium ion secondary battery will be described as a preferred embodiment of the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention, it is not limited to only the following embodiments. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. In addition, the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and may be different from the actual ratios.
リチウムイオン二次電池の構造・形態で区別した場合には、積層型(扁平型)電池、巻回型(円筒型)電池など特に制限されず、従来公知のいずれの構造にも適用されうる。 When distinguished by the structure and form of the lithium ion secondary battery, it is not particularly limited, such as a stacked (flat) battery or a wound (cylindrical) battery, and can be applied to any conventionally known structure.
同様に、電解質の形態で区別した場合にも、特に制限はない。例えば、非水電解液をセパレータに含浸させた液体電解質型電池、ポリマー電池とも称される高分子ゲル電解質型電池および固体高分子電解質(全固体電解質)型電池のいずれにも適用されうる。本実施形態では、高分子ゲル電解質および固体高分子電解質に関しても、これら高分子ゲル電解質や固体高分子電解質をセパレータに含浸させたものを使用することができる。 Similarly, there is no particular limitation when distinguished by the form of electrolyte. For example, the present invention can be applied to any of a liquid electrolyte type battery in which a separator is impregnated with a nonaqueous electrolytic solution, a polymer gel electrolyte type battery also called a polymer battery, and a solid polymer electrolyte (all solid electrolyte) type battery. In the present embodiment, as for the polymer gel electrolyte and the solid polymer electrolyte, those obtained by impregnating a separator with the polymer gel electrolyte or the solid polymer electrolyte can be used.
以下の説明では、双極型でない(内部並列接続タイプ)リチウムイオン二次電池につき図面を用いて説明するが、決してこれらに制限されるべきものではなく、双極型(内部直列接続タイプ)リチウムイオン二次電池にも適用し得るものである。 In the following description, a lithium ion secondary battery that is not a bipolar type (internal parallel connection type) will be described with reference to the drawings. However, the present invention should not be limited to these, and the bipolar type (internal series connection type) lithium ion secondary battery It can also be applied to secondary batteries.
図1は、双極型でない扁平型(積層型)の非水電解質リチウムイオン二次電池(以下、単に「積層型電池」ともいう)の一実施形態の基本構成を示す概略図である。図1に示すように、本実施形態の積層型電池10は、実際に充放電反応が進行する略矩形の発電要素21が、外装体である電池外装材29の内部に封止された構造を有する。ここで、発電要素21は、正極と、電解質層17と、負極とを積層した構成を有している。正極は、正極集電体11の両面に正極活物質層13が配置された構造を有する。負極は、負極集電体12の両面に負極活物質層15が配置された構造を有する。具体的には、1つの正極活物質層13とこれに隣接する負極活物質層15とが、電解質層17を介して対向するようにして、負極、電解質層および正極がこの順に積層されている。これにより、隣接する正極、電解質層および負極は、1つの単電池層19を構成する。したがって、本実施形態の積層型電池10は、単電池層19が複数積層されることで、電気的に並列接続されてなる構成を有するともいえる。なお、双極型(内部直列接続タイプ)の積層型(積層構造)のリチウムイオン二次電池では、単電池層(単セル)が複数積層されることで、電気的に直列接続されてなる構成を有するともいえる。 FIG. 1 is a schematic diagram showing a basic configuration of an embodiment of a flat (stacked) non-aqueous electrolyte lithium ion secondary battery (hereinafter also simply referred to as “stacked battery”) that is not bipolar. As shown in FIG. 1, the stacked battery 10 of the present embodiment has a structure in which a substantially rectangular power generation element 21 in which a charge / discharge reaction actually proceeds is sealed inside a battery exterior material 29 that is an exterior body. Have. Here, the power generation element 21 has a configuration in which a positive electrode, an electrolyte layer 17, and a negative electrode are stacked. The positive electrode has a structure in which the positive electrode active material layer 13 is disposed on both surfaces of the positive electrode current collector 11. The negative electrode has a structure in which the negative electrode active material layers 15 are disposed on both surfaces of the negative electrode current collector 12. Specifically, the negative electrode, the electrolyte layer, and the positive electrode are laminated in this order so that one positive electrode active material layer 13 and the negative electrode active material layer 15 adjacent thereto face each other with the electrolyte layer 17 therebetween. . Thereby, the adjacent positive electrode, electrolyte layer, and negative electrode constitute one unit cell layer 19. Therefore, it can be said that the stacked battery 10 of the present embodiment has a configuration in which a plurality of the single battery layers 19 are stacked and electrically connected in parallel. Note that a bipolar (internal series connection type) lithium-ion secondary battery (stacked structure) has a configuration in which a plurality of single battery layers (single cells) are stacked to be electrically connected in series. It can be said that it has.
なお、発電要素21の両最外層に位置する最外層正極集電体には、いずれも片面のみに正極活物質層13が配置されているが、両面に活物質層が設けられてもよい。すなわち、片面にのみ活物質層を設けた最外層専用の集電体とするのではなく、両面に活物質層がある集電体をそのまま最外層の集電体として用いてもよい。また、図1とは正極および負極の配置を逆にすることで、発電要素21の両最外層に最外層負極集電体が位置するようにし、該最外層負極集電体の片面または両面に負極活物質層が配置されているようにしてもよい。 In addition, although the positive electrode active material layer 13 is arrange | positioned only at one side in the outermost layer positive electrode collector located in both outermost layers of the electric power generation element 21, an active material layer may be provided in both surfaces. That is, instead of using a current collector dedicated to the outermost layer provided with an active material layer only on one side, a current collector having an active material layer on both sides may be used as it is as an outermost current collector. In addition, the arrangement of the positive electrode and the negative electrode is reversed from that in FIG. 1, so that the outermost layer negative electrode current collector is positioned on both outermost layers of the power generation element 21, and the outermost layer negative electrode current collector is disposed on one or both surfaces. A negative electrode active material layer may be disposed.
また、本実施形態では、電極(正極ないし負極)には、自立電極を含むものである。自立電極とは金属箔(集電体)がなくても形状を担保するものである。即ち、自立電極(自立構造)は、構造的(ないし強度的)には、金属箔(集電体)がなくても活物質層だけで形状を担保できるものである。但し、自立電極(自立構造)といえども、電極要素としては、集電体(但し、金属箔以外にも金属箔より機械的強度が低く、形状を担保し得ない金属の蒸着膜やメッキ薄膜、更には金属配線などでもよい)と活物質層とが必要である。上記に定義した自立電極は、活物質層(正極活物質層、負極活物質層)と、前記活物質層の片面に直接形成されてなる集電体(正極集電体、負極集電体)とを有する。そして、前記活物質層が、多孔質骨格体と、前記多孔質骨格体の空孔内に保持される活物質(正極活物質,負極活物質)とを含むものである。 In the present embodiment, the electrode (positive electrode or negative electrode) includes a self-supporting electrode. A self-supporting electrode secures the shape without a metal foil (current collector). In other words, the self-supporting electrode (self-supporting structure) can be structurally (or strength) secured with only the active material layer without the metal foil (current collector). However, even if it is a self-supporting electrode (self-supporting structure), the electrode element is a current collector (however, other than the metal foil, the mechanical strength is lower than that of the metal foil, and the metal deposited film or plated thin film that cannot secure the shape. In addition, a metal wiring or the like may be required) and an active material layer. The self-supporting electrode defined above includes an active material layer (positive electrode active material layer, negative electrode active material layer) and a current collector (positive electrode current collector, negative electrode current collector) formed directly on one side of the active material layer. And have. The active material layer includes a porous skeleton and an active material (positive electrode active material, negative electrode active material) held in the pores of the porous skeleton.
本明細書中、「集電体」と記載する場合、正極集電体、負極集電体の両方を指す場合もあるし、片方のみを指す場合もあるし、双極型電池の双極型電極用集電体を指す場合もある。同様に、「活物質層」と記載する場合、正極活物質層、負極活物質層の両方を指す場合もあるし、片方のみを指す場合もある。同様に、「活物質」と記載する場合、正極活物質,負極活物質の両方を指す場合もあるし、片方のみを指す場合もある。同様に「電極」と記載する場合、正極、負極の両方を指す場合もあるし、片方のみを指す場合もある。 In this specification, when it is described as “current collector”, it may refer to both a positive electrode current collector and a negative electrode current collector, or may refer to only one, or for a bipolar electrode of a bipolar battery. Sometimes refers to a current collector. Similarly, when describing as “active material layer”, both the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer may be referred to, or only one of them may be referred to. Similarly, when describing as "active material", both a positive electrode active material and a negative electrode active material may be pointed out, and only one side may be pointed out. Similarly, when describing as "electrode", both a positive electrode and a negative electrode may be pointed out, and only one side may be pointed out.
正極集電体11および負極集電体12には、各電極(正極および負極)と導通される正極集電タブ(正極集電板)25および負極集電タブ(負極集電板)27の一方の先端部がそれぞれ取り付けられている。また正極集電タブ25および負極集電タブ27のもう一方の先端部は、電池外装材29の端部に挟まれるようにして電池外装材29の外部に導出される構造を有している。正極集電タブ25および負極集電タブ27はそれぞれ、必要に応じて電極端子リード(正極端子リードおよび負極端子リード)(図示せず)を介して、各電極の正極集電体11および負極集電体12に超音波溶接や抵抗溶接等により取り付けられていてもよい。 The positive electrode current collector 11 and the negative electrode current collector 12 include one of a positive electrode current collector tab (positive electrode current collector plate) 25 and a negative electrode current collector tab (negative electrode current collector plate) 27 that are electrically connected to each electrode (positive electrode and negative electrode). The tip of each is attached. Further, the other end portions of the positive electrode current collecting tab 25 and the negative electrode current collecting tab 27 have a structure of being led out of the battery outer packaging material 29 so as to be sandwiched between the end portions of the battery outer packaging material 29. The positive electrode current collecting tab 25 and the negative electrode current collecting tab 27 are respectively connected to the positive electrode current collector 11 and the negative electrode current collector 11 of each electrode via electrode terminal leads (positive electrode terminal lead and negative electrode terminal lead) (not shown) as necessary. The electric body 12 may be attached by ultrasonic welding, resistance welding, or the like.
以下、本実施形態の積層型電池について、上記した構成要件ごとに詳細に説明する。なお、積層構造電池10の各構成要件(構成部材)については、下記の形態のみに制限されることはなく、従来公知の形態も同様に採用されうる。 Hereinafter, the stacked battery of the present embodiment will be described in detail for each of the above-described configuration requirements. In addition, about each component (constituent member) of the laminated battery 10, it does not restrict | limit only to the following form, A conventionally well-known form may be employ | adopted similarly.
(1)集電体
集電体は、導電性材料から構成され、その一方の面または両面に活物質層が配置される。集電体を構成する材料に特に制限はなく、例えば、金属や、導電性高分子材料または非導電性高分子材料に導電性フィラーが添加された導電性を有する樹脂が採用されうる。
(1) Current collector The current collector is made of a conductive material, and an active material layer is disposed on one or both surfaces thereof. There is no particular limitation on the material constituting the current collector, and for example, a conductive resin in which a conductive filler is added to a metal or a conductive polymer material or a non-conductive polymer material may be employed.
金属としては、アルミニウム、ニッケル、鉄、ステンレス鋼、チタン、銅などが挙げられる。これらのほか、ニッケルとアルミニウムとのクラッド材、銅とアルミニウムとのクラッド材、あるいはこれらの金属の組み合わせのめっき材などが好ましく用いられうる。また、金属表面にアルミニウムが被覆されてなる箔であってもよい。なかでも導電性や電池作動電位の観点からは、アルミニウム、ステンレス鋼、および銅が好ましい。 Examples of the metal include aluminum, nickel, iron, stainless steel, titanium, and copper. In addition to these, a clad material of nickel and aluminum, a clad material of copper and aluminum, or a plating material of a combination of these metals can be preferably used. Moreover, the foil by which aluminum is coat | covered on the metal surface may be sufficient. Of these, aluminum, stainless steel, and copper are preferable from the viewpoint of conductivity and battery operating potential.
金属を用いた集電体の形態としては金属箔の他に、金属蒸着層、金属メッキ層、導電性プライマ層、金属配線を用いてもよい。金属蒸着層及び金属メッキ層は、活物質層の片面に、真空蒸着法や各種メッキ法により、極めて薄い金属蒸着層や金属メッキ層を形成(配置)することができる。金属配線も活物質層の片面に、真空蒸着法や各種メッキ法により、極めて薄い金属配線を形成(配置)することができる。また、金属配線にプライマ層を含浸させて、熱圧着により貼り付けることができる。さらに、金属配線としてパンチングメタルシートやエキスパンドメタルシートを用いる場合には、パンチングメタルシートやエキスパンドメタルシートの両面に電極スラリーを塗布、乾燥することで活物質層に挟まれた金属配線(集電体)を配置することができる。金属箔を用いる場合にも、金属箔上(片面又は両面)に電極スラリーを塗布、乾燥することで、活物質層の片面に金属箔(集電体)を配置することができる。また、導電性プライマ層は、基本的にはカーボン(鎖状、繊維状)や金属フィラー(集電体材料に用いられるアルミニウム、銅、ステンレス鋼、ニッケル粉など)に樹脂を混合して作製することができる。配合は様々である。これを活物質層の片面に塗布、乾燥することで形成(配置)することができる。 As a form of the current collector using metal, a metal vapor deposition layer, a metal plating layer, a conductive primer layer, and a metal wiring may be used in addition to the metal foil. The metal vapor deposition layer and the metal plating layer can form (arrange) an extremely thin metal vapor deposition layer or metal plating layer on one surface of the active material layer by a vacuum vapor deposition method or various plating methods. As for the metal wiring, an extremely thin metal wiring can be formed (arranged) on one surface of the active material layer by vacuum vapor deposition or various plating methods. Further, a metal wiring can be impregnated with a primer layer and attached by thermocompression bonding. Furthermore, when a punching metal sheet or an expanded metal sheet is used as the metal wiring, an electrode slurry is applied to both sides of the punching metal sheet or the expanded metal sheet and dried, so that the metal wiring sandwiched between the active material layers (current collector) ) Can be arranged. Even when the metal foil is used, the metal foil (current collector) can be disposed on one side of the active material layer by applying and drying the electrode slurry on the metal foil (one side or both sides). The conductive primer layer is basically prepared by mixing a resin with carbon (chain, fiber) or metal filler (aluminum, copper, stainless steel, nickel powder, etc. used for the current collector material). be able to. The formulation varies. It can be formed (arranged) by applying and drying this on one side of the active material layer.
上記導電性プライマ層は、導電性を有する集電接着層を含む。好適には、導電性プライマ層は、導電性を有する集電接着層からなる。導電性プライマ層が導電性を有するには、具体的な形態として、1)樹脂を構成する高分子材料が導電性高分子である形態、2)集電接着層が樹脂および導電性フィラー(導電材)を含む形態が挙げられる。 The conductive primer layer includes a current collecting adhesive layer having conductivity. Preferably, the conductive primer layer comprises a current collecting adhesive layer having conductivity. In order for the conductive primer layer to have conductivity, specific modes are as follows: 1) the polymer material constituting the resin is a conductive polymer, 2) the current collecting adhesive layer is a resin and a conductive filler (conductive) Material).
上記1)の形態に用いられる導電性高分子は、導電性を有し、電荷移動媒体として用いられるイオンに関して伝導性を有さない材料から選択される。これらの導電性高分子は、共役したポリエン系がエネルギー帯を形成し伝導性を示すと考えられている。代表的な例としては電解コンデンサなどで実用化が進んでいるポリエン系導電性高分子を用いることができる。具体的には、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリパラフェニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリアクリロニトリル、ポリオキサジアゾール、またはこれらの混合物などが好ましい。電子伝導性および電池内で安定に使用できるという観点から、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレンがより好ましい。 The conductive polymer used in the form 1) is selected from materials having conductivity and not having conductivity with respect to ions used as a charge transfer medium. These conductive polymers are considered to be conductive because the conjugated polyene system forms an energy band. As a typical example, a polyene-based conductive polymer that has been put into practical use in an electrolytic capacitor or the like can be used. Specifically, polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polyacetylene, polyparaphenylene, polyphenylene vinylene, polyacrylonitrile, polyoxadiazole, or a mixture thereof is preferable. Polyaniline, polypyrrole, polythiophene, and polyacetylene are more preferable from the viewpoint of electronic conductivity and stable use in the battery.
上記2)の形態に用いられる導電性フィラー(導電材)は、導電性を有する材料から選択される。好ましくは、導電性を有する集電接着層内のイオン透過を抑制する観点から、電荷移動媒体として用いられるイオンに関して伝導性を有さない材料を用いるのが望ましい。 The conductive filler (conductive material) used in the form 2) is selected from materials having conductivity. Preferably, from the viewpoint of suppressing ion permeation in the current collecting adhesive layer having conductivity, it is desirable to use a material that does not have conductivity with respect to ions used as the charge transfer medium.
具体的には、アルミニウム材、ステンレス(SUS)材、カーボン材、銀材、金材、銅材、チタン材などが挙げられるが、これらに限定されるわけではない。これらの導電性フィラーは1種単独で用いられてもよいし、2種以上併用してもよい。また、これらの合金材が用いられてもよい。好ましくは銀材、金材、アルミニウム材、ステンレス材、カーボン材、さらに好ましくはカーボン材である。また、これらの導電性フィラー(導電材)は、粒子系セラミック材料や樹脂材料の周りに導電性材料(上記導電材)をめっき等でコーティングしたものでもよい。 Specific examples include, but are not limited to, aluminum materials, stainless steel (SUS) materials, carbon materials, silver materials, gold materials, copper materials, and titanium materials. These conductive fillers may be used alone or in combination of two or more. Moreover, these alloy materials may be used. Silver material, gold material, aluminum material, stainless steel material, carbon material is preferable, and carbon material is more preferable. Further, these conductive fillers (conductive materials) may be those obtained by coating a conductive material (the above-mentioned conductive material) around the particle ceramic material or resin material with plating or the like.
前記カーボン材としては、例えば、アセチレンブラック、バルカン、ブラックパール、カーボンナノファイバー、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノバルーン、ハードカーボン、およびフラーレンからなる群より選択される少なくとも1種が挙げられる。これらのカーボン材は電位窓が非常に広く、正極電位および負極電位の双方に対して幅広い範囲で安定であり、さらに導電性に優れている。また、カーボン材は非常に軽量なため、質量の増加が最小限になる。さらに、カーボン材は、電極の導電助剤として用いられることが多いため、これらの導電助剤と接触しても、同材料であるがゆえに接触抵抗が非常に低くなる。なお、カーボン材を導電性粒子として用いる場合には、カーボンの表面に疎水性処理を施すことにより電解質のなじみ性を下げ、集電体の空孔に電解質が染み込みにくい状況を作ることも可能である。 Examples of the carbon material include at least one selected from the group consisting of acetylene black, vulcan, black pearl, carbon nanofiber, ketjen black, carbon nanotube, carbon nanohorn, carbon nanoballoon, hard carbon, and fullerene. Can be mentioned. These carbon materials have a very wide potential window, are stable in a wide range with respect to both the positive electrode potential and the negative electrode potential, and are excellent in conductivity. Also, since the carbon material is very lightweight, the increase in mass is minimized. Furthermore, since carbon materials are often used as conductive aids for electrodes, even if they come into contact with these conductive aids, the contact resistance is very low because of the same material. When carbon materials are used as conductive particles, it is possible to reduce the compatibility of the electrolyte by applying a hydrophobic treatment to the surface of the carbon, making it difficult for the electrolyte to penetrate into the current collector holes. is there.
導電性フィラー(導電材)の形状は、特に制限はなく、粒子状、粉末状、繊維状、板状、塊状、布状、またはメッシュ状などの公知の形状を適宜選択することができる。例えば、樹脂に対して広範囲に亘って導電性を付与したい場合は、粒子状の導電材料を使用することが好ましい。一方、樹脂において特定方向への導電性をより向上させたい場合は、繊維状等の形状に一定の方向性を有するような導電材料を使用することが好ましい。 The shape of the conductive filler (conductive material) is not particularly limited, and a known shape such as a particle shape, a powder shape, a fiber shape, a plate shape, a lump shape, a cloth shape, or a mesh shape can be appropriately selected. For example, when it is desired to impart conductivity to a resin over a wide range, it is preferable to use a particulate conductive material. On the other hand, when it is desired to further improve the conductivity in a specific direction in the resin, it is preferable to use a conductive material having a certain direction in the shape of a fiber or the like.
導電性フィラーの平均粒子径は、特に限定されるものではないが、0.01〜10μm程度であることが望ましい。なお、本明細書中において、「粒子径」とは、導電性フィラーの輪郭線上の任意の2点間の距離のうち、最大の距離Lを意味する。「平均粒子径」の値としては、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用い、数〜数十視野中に観察される粒子の粒子径の平均値として算出される値を採用するものとする。後述する活物質粒子などの粒子径や平均粒子径も同様に定義することができる。 Although the average particle diameter of a conductive filler is not specifically limited, It is desirable that it is about 0.01-10 micrometers. In the present specification, “particle diameter” means the maximum distance L among the distances between any two points on the contour line of the conductive filler. As the value of “average particle diameter”, the average particle diameter of particles observed in several to several tens of fields using an observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM). The calculated value shall be adopted. Particle diameters and average particle diameters of active material particles to be described later can be defined similarly.
また、集電接着層が導電性フィラーを含む形態の場合、集電接着層を形成する樹脂は、上記導電性フィラーに加えて、当該導電性フィラーを結着させる導電性のない高分子材料を含んでいてもよい。集電接着層の構成材料として導電性のない高分子材料を用いることで、導電性フィラーの結着性を高め、電池の信頼性を高めることができる。高分子材料は、印加される正極電位および負極電位に耐えうる材料から選択される。 In the case where the current collecting adhesive layer contains a conductive filler, the resin forming the current collecting adhesive layer is made of a non-conductive polymer material that binds the conductive filler in addition to the conductive filler. May be included. By using a non-conductive polymer material as the constituent material of the current collecting adhesive layer, the binding property of the conductive filler can be improved and the reliability of the battery can be improved. The polymer material is selected from materials that can withstand the applied positive electrode potential and negative electrode potential.
導電性のない高分子材料の例としては、好ましくは、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリスチレン(PS)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリイミド(PI)、ポリアミド(PA)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメチルアクリレート(PMA)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリ塩化ビニリデン(PVDC)またはこれらの混合物が挙げられる。これらの材料は電位窓が非常に広く正極電位、負極電位のいずれに対しても安定である。また軽量であるため、電池の高出力密度化が可能となる。 Examples of polymer materials having no electrical conductivity are preferably polyethylene (PE), polypropylene (PP), polystyrene (PS), polyethylene terephthalate (PET), polyethernitrile (PEN), polyimide (PI), polyamide ( PA), polyamideimide (PAI), polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene-butadiene rubber (SBR), polyacrylonitrile (PAN), polymethyl acrylate (PMA), polymethyl methacrylate (PMMA), polyvinyl chloride (PVC) ), Polyvinylidene fluoride (PVdF), polyvinylidene chloride (PVDC), or mixtures thereof. These materials have a very wide potential window and are stable to both positive and negative electrode potentials. Moreover, since it is lightweight, it becomes possible to increase the output density of the battery.
導電性フィラーの含有量も特に制限はない。特に、樹脂が導電性高分子材料を含み、十分な導電性が確保できる場合は、導電性フィラーを必ずしも添加する必要はない。しかしながら、樹脂が非導電性高分子材料のみからなる場合は、導電性を付与するために導電性フィラーの添加が必須となる。この際の導電性フィラーの含有量は、非導電性高分子材料の全質量に対して、好ましくは5〜90質量%であり、より好ましくは30〜85質量%であり、さらに好ましくは50〜80質量%である。かような量の導電性フィラーを樹脂に添加することにより、樹脂の質量増加を抑制しつつ、非導電性高分子材料にも十分な導電性を付与することができる。 The content of the conductive filler is not particularly limited. In particular, when the resin includes a conductive polymer material and sufficient conductivity can be secured, it is not always necessary to add a conductive filler. However, when the resin is made of only a nonconductive polymer material, it is essential to add a conductive filler in order to impart conductivity. The content of the conductive filler at this time is preferably 5 to 90% by mass, more preferably 30 to 85% by mass, and still more preferably 50 to 90% by mass with respect to the total mass of the nonconductive polymer material. 80% by mass. By adding such an amount of conductive filler to the resin, sufficient conductivity can be imparted to the non-conductive polymer material while suppressing an increase in the mass of the resin.
上記導電性プライマ層には、導電性フィラーおよび樹脂の他、他の添加剤を含んでいてもよいが、好ましくは、導電性フィラーおよび樹脂からなる。 The conductive primer layer may contain other additives in addition to the conductive filler and the resin, but preferably includes the conductive filler and the resin.
また、上記集電体を構成する材料のうち、導電性高分子材料としては、例えば、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリパラフェニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリアクリロニトリル、およびポリオキサジアゾールなどが挙げられる。かような導電性高分子材料は、導電性フィラーを添加しなくても十分な導電性を有するため、製造工程の容易化または集電体の軽量化の点において有利である。 Among the materials constituting the current collector, examples of the conductive polymer material include polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polyacetylene, polyparaphenylene, polyphenylene vinylene, polyacrylonitrile, and polyoxadiazole. . Since such a conductive polymer material has sufficient conductivity without adding a conductive filler, it is advantageous in terms of facilitating the manufacturing process or reducing the weight of the current collector.
非導電性高分子材料としては、例えば、ポリエチレン(PE;高密度ポリエチレン(HDPE)、低密度ポリエチレン(LDPE))、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリイミド(PI)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリアミド(PA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメチルアクリレート(PMA)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、およびポリスチレン(PS)などが挙げられる。かような非導電性高分子材料は、優れた耐電位性または耐溶媒性を有しうる。 Examples of non-conductive polymer materials include polyethylene (PE; high density polyethylene (HDPE), low density polyethylene (LDPE)), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polyether nitrile (PEN), polyimide ( PI), polyamideimide (PAI), polyamide (PA), polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene-butadiene rubber (SBR), polyacrylonitrile (PAN), polymethyl acrylate (PMA), polymethyl methacrylate (PMMA), Examples include polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene fluoride (PVdF), and polystyrene (PS). Such a non-conductive polymer material may have excellent potential resistance or solvent resistance.
上記の導電性高分子材料または非導電性高分子材料には、必要に応じて導電性フィラーが添加されうる。特に、集電体の基材となる樹脂が非導電性高分子のみからなる場合は、樹脂に導電性を付与するために必然的に導電性フィラーが必須となる。導電性フィラーは、導電性を有する物質であれば特に制限なく用いることができる。例えば、導電性、耐電位性、またはリチウムイオン遮断性に優れた材料として、金属および導電性カーボンなどが挙げられる。金属としては、特に制限されないが、Ni、Ti、Al、Cu、Pt、Fe、Cr、Sn、Zn、In、Sb、およびKからなる群から選択される少なくとも1種の金属もしくはこれらの金属を含む合金または金属酸化物を含むことが好ましい。また、導電性カーボンとしては、特に制限されないが、アセチレンブラック、バルカン、ブラックパール、カーボンナノファイバー、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノバルーン、およびフラーレンからなる群から選択される少なくとも1種を含むことが好ましい。導電性フィラーの添加量は、集電体に十分な導電性を付与できる量であれば特に制限はなく、一般的には、5〜35質量%程度である。 A conductive filler may be added to the conductive polymer material or the non-conductive polymer material as necessary. In particular, when the resin used as the base material of the current collector is made of only a non-conductive polymer, a conductive filler is inevitably necessary to impart conductivity to the resin. The conductive filler can be used without particular limitation as long as it is a substance having conductivity. For example, metals, conductive carbon, etc. are mentioned as a material excellent in electroconductivity, electric potential resistance, or lithium ion barrier | blocking property. The metal is not particularly limited, but at least one metal selected from the group consisting of Ni, Ti, Al, Cu, Pt, Fe, Cr, Sn, Zn, In, Sb, and K, or these metals. It is preferable to include an alloy or metal oxide. Further, the conductive carbon is not particularly limited, but is at least one selected from the group consisting of acetylene black, vulcan, black pearl, carbon nanofiber, ketjen black, carbon nanotube, carbon nanohorn, carbon nanoballoon, and fullerene. Preferably it contains seeds. The amount of the conductive filler added is not particularly limited as long as it is an amount capable of imparting sufficient conductivity to the current collector, and is generally about 5 to 35% by mass.
集電体の大きさは、電池の使用用途に応じて決定される。例えば、高エネルギー密度が要求される大型の電池に用いられるのであれば、面積の大きな集電体が用いられる。 The size of the current collector is determined according to the intended use of the battery. For example, if it is used for a large battery that requires a high energy density, a current collector having a large area is used.
集電体の厚さは、好ましくは1〜100μm、より好ましくは3〜80μm、さらに好ましくは5〜40μmである。自立電極では、薄膜化が可能であることから、好ましくは1〜18μm、より好ましくは2〜15μm、さらに好ましくは3〜13μmである。これは、自立電極を作製する際には、従来の塗工・乾燥工程を経ることなく作製可能である。そのため、従来の塗工・乾燥工程を経る必要のない金属蒸着層、金属メッキ層、導電性プライマ層若しくは金属配線を集電体を用いる場合には、塗工・乾燥工程で必要とされる引張り強度を有している必要がない。その分、必要に応じ、集電体の厚みを薄くすることができ、集電体の設計の自由度が向上し、電極、ひいては電池の軽量化にも寄与する。 The thickness of the current collector is preferably 1 to 100 μm, more preferably 3 to 80 μm, and still more preferably 5 to 40 μm. Since the self-standing electrode can be thinned, it is preferably 1 to 18 μm, more preferably 2 to 15 μm, and further preferably 3 to 13 μm. This can be produced without going through a conventional coating / drying process when producing a free-standing electrode. Therefore, when a current collector is used for a metal vapor deposition layer, metal plating layer, conductive primer layer or metal wiring that does not need to undergo the conventional coating / drying process, the tension required in the coating / drying process is required. There is no need to have strength. Accordingly, the thickness of the current collector can be reduced as necessary, and the degree of freedom in designing the current collector is improved, which contributes to the weight reduction of the electrodes, and hence the battery.
集電体として複数の貫通孔を有するパンチングメタルシートやエキスパンドメタルシート等を用いる場合、当該貫通孔の形状としては、四角形、菱形、亀甲形状、六角形、丸形、角型、星形、十文字形などが挙げられる。かような所定形状の多数の孔をプレス加工により、例えば、千鳥配置や、並列配置となるように形成したものが、いわゆるパンチングメタルシートなどである。また、千鳥状の切れ目を入れたシートを引き伸ばして略ひし形の貫通孔を多数形成したものが、いわゆるエキスパンドメタルシートなどである。 When using a punching metal sheet or an expanded metal sheet having a plurality of through holes as a current collector, the through holes have a quadrilateral shape, rhombus shape, turtle shell shape, hexagonal shape, round shape, square shape, star shape, cross shape, etc. Examples include shapes. A so-called punching metal sheet or the like is formed by pressing a large number of holes having such a predetermined shape, for example, in a staggered arrangement or a parallel arrangement. A so-called expanded metal sheet or the like is formed by stretching a sheet with staggered cuts to form a large number of substantially diamond-shaped through holes.
集電体に、上記した複数の貫通孔を有する集電体を用いる場合、集電体の貫通孔の開口率は、特に限定されない。ただし、集電体の開口率の下限の目安は、好ましくは10面積%以上、より好ましくは30面積%以上、さらに好ましくは50面積%以上、さらに好ましくは70面積%以上、さらに好ましくは90面積%以上である。このように、本実施形態の電極においては、90面積%以上の開口率を有する集電体も使用することができる。また、上限としては、例えば、99面積%以下、あるいは、97面積%以下などである。このように、有意に大きな開口率を有する集電体を有して形成される電極を備える積層構造電池10は、その重量を有意に減少させることができ、ひいては、容量を増加させることができ、高密度化をすることができる。 When the current collector having the plurality of through holes described above is used for the current collector, the aperture ratio of the through holes of the current collector is not particularly limited. However, the lower limit of the aperture ratio of the current collector is preferably 10 area% or more, more preferably 30 area% or more, further preferably 50 area% or more, more preferably 70 area% or more, and further preferably 90 area. % Or more. Thus, in the electrode of this embodiment, a current collector having an aperture ratio of 90 area% or more can also be used. Moreover, as an upper limit, it is 99 area% or less, or 97 area% or less, for example. As described above, the stacked structure battery 10 including the electrodes formed with the current collector having a significantly large aperture ratio can significantly reduce the weight, and thus can increase the capacity. The density can be increased.
集電体に、上記した複数の貫通孔を有する集電体を用いる場合、集電体の貫通孔の孔径(開口径)も同様に、特に制限されない。ただし、集電体の開口径の下限の目安は、好ましくは10μm以上、より好ましくは20μm以上、さらに好ましくは50μm以上、特に好ましくは150μm以上である。上限としては、例えば、300μm以下、好ましくは、200μm以下程度である。なお、ここでいう開口径とは、貫通孔=開口部の外接円の直径である。外接円の直径は、レーザー顕微鏡や工具顕微鏡などにより集電体の表面観察を行い、開口部に外接円をフィッティングさせ、それを平均化したものである。 When the current collector having the plurality of through holes is used as the current collector, the diameter (opening diameter) of the through holes of the current collector is not particularly limited as well. However, the lower limit of the opening diameter of the current collector is preferably 10 μm or more, more preferably 20 μm or more, still more preferably 50 μm or more, and particularly preferably 150 μm or more. As an upper limit, it is 300 micrometers or less, for example, Preferably, it is about 200 micrometers or less. In addition, the opening diameter here is the diameter of the circumscribed circle of the through hole = opening. The diameter of the circumscribed circle is obtained by observing the surface of the current collector with a laser microscope or a tool microscope, fitting the circumscribed circle to the opening, and averaging the results.
(2)電極(正極および負極)及び電極活物質層
正極および負極は、リチウムイオンの授受により電気エネルギーを生み出す機能を有する。正極は、正極活物質を必須に含み、負極は負極活物質を必須に含む。
(2) Electrode (Positive Electrode and Negative Electrode) and Electrode Active Material Layer The positive electrode and the negative electrode have a function of generating electric energy by transferring lithium ions. The positive electrode essentially includes a positive electrode active material, and the negative electrode essentially includes a negative electrode active material.
特に本発明では、負極活物質層の厚さ方向にかかわらず、負極活物質粒子表面にSEI形成用添加剤由来の高品質な(均一な厚さの)SEIを有するものである。これは、本発明の製造方法により得られた負極活物質層では、電極内側の負極集電体近傍の負極活物質表面と、電極(負極活物質層)外側近傍の負極活物質表面とで、初回充電時に形成されるSEIの厚さ等が異なるという課題を生じさせないためである(図7〜図10と図11〜図14を対比参照のこと)。また、初回充電工程の目的の1つとして負極活物質粒子表面へのSEIの形成がある。SEI形成用添加剤を含む負極スラリーを用いることで、初回充電時に正極側の液体電解質やゲル電解質中の該添加剤を含まない為、正極側から負極側に該添加剤を移動させてSEIを形成させる必要がなく、複雑なプロセスをたどる必要もないため、初回充電時間が短くでき、生産効率よく安価な負極、ひいては電池を提供できる。更に図4に示すように初回充電後に14日以上もかけて高温エージング、更には14日以上の常温エージングを行う必要がなく、図10に示すように品質バラツキが発生するという問題も生じない為、高品質でより一層安価な負極、ひいては電池を提供できる。 In particular, in the present invention, regardless of the thickness direction of the negative electrode active material layer, the surface of the negative electrode active material particles has high quality (uniform thickness) SEI derived from the additive for SEI formation. In the negative electrode active material layer obtained by the production method of the present invention, the negative electrode active material surface near the negative electrode current collector inside the electrode and the negative electrode active material surface near the outside of the electrode (negative electrode active material layer) This is to prevent the problem that the thickness of the SEI formed at the first charge is different (refer to FIGS. 7 to 10 and FIGS. 11 to 14). One purpose of the initial charging step is to form SEI on the surface of the negative electrode active material particles. By using the negative electrode slurry containing the additive for SEI formation, the additive in the liquid electrolyte or gel electrolyte on the positive electrode side is not included at the time of the initial charge. Since it does not need to be formed and does not need to follow a complicated process, the initial charge time can be shortened, and an inexpensive negative electrode and thus a battery can be provided with high production efficiency. Further, as shown in FIG. 4, it is not necessary to perform high temperature aging over 14 days or more after the first charge, and further room temperature aging for 14 days or more, and there is no problem of quality variation as shown in FIG. Therefore, it is possible to provide a high-quality and more inexpensive negative electrode, and thus a battery.
更に本発明では、正極活物質層にSEI形成用添加剤を含まないのが望ましい。これにより、電極内側の負極集電体近傍の負極活物質表面と、電極(負極活物質層)外側近傍の負極活物質表面とで、形成されるSEIの厚さ等が異なるという課題を生じさせないためである(図7〜図10と図11〜図14を対比参照のこと)。また、初回充電工程の目的の1つとしてSEIの形成がある。正極活物質層内にSEI形成用添加剤を含むと、初回充電時に正極活物質層内の該加剤側を電解液に溶解させ負極側に移動させた上で、SEIを形成させる必要があるなど、複雑なプロセスをたどるため、初回充電時間が長くなる。更にその後、図4に示すように14日以上もかけて高温エージング、更には14日以上の常温エージングを行う必要があるにもかかわらず、図10に示すように品質バラツキが発生するという課題があった。本発明では、SEI形成用添加剤を負極スラリーに添加し、電解液及び正極スラリーに添加しない製法により得られた電池構成であるため、上記した課題を解消することができる点で優れている。 Further, in the present invention, it is desirable that the positive electrode active material layer does not contain an additive for SEI formation. Thereby, the negative electrode active material surface in the vicinity of the negative electrode current collector inside the electrode and the negative electrode active material surface in the vicinity of the electrode (negative electrode active material layer) outside do not cause a problem that the thickness of the formed SEI is different. (For comparison, see FIGS. 7 to 10 and FIGS. 11 to 14). One purpose of the initial charging process is the formation of SEI. When an additive for forming SEI is included in the positive electrode active material layer, it is necessary to form SEI after the additive side in the positive electrode active material layer is dissolved in the electrolytic solution and moved to the negative electrode side during the initial charge. In order to follow a complicated process, the first charge time becomes longer. Further, after that, as shown in FIG. 4, although it is necessary to perform high temperature aging over 14 days or more, and room temperature aging for 14 days or more, there is a problem that quality variation occurs as shown in FIG. there were. In this invention, since it is a battery structure obtained by the manufacturing method which adds the additive for SEI formation to a negative electrode slurry, and does not add to electrolyte solution and a positive electrode slurry, it is excellent at the point which can eliminate the above-mentioned subject.
これらの電極構造は、積層構造電池の場合、図1の形態のように上記集電体の表面に活物質を含む活物質層が形成されてなる構造である。一方、双極型二次電池の場合の電極(双極型電極)は、集電体の一方の面に正極活物質を含む正極活物質層が形成され、他方の面に負極活物質を含む負極活物質層が形成されてなる構造を有する。すなわち、集電体を介して正極(正極活物質層)および負極(負極活物質層)が一体化した形態を有する。なお、活物質層には、活物質以外にも必要に応じて導電助剤、バインダ、更には電解質として電解質塩(リチウム塩)やイオン伝導性ポリマーなどの添加剤が含まれうる。また、負極では、水系溶媒を用いた負極スラリーを使用して作製する場合には、上記の他に、水系バインダ、増粘剤(CMCなど)などの添加剤が含まれうる。 In the case of a laminated battery, these electrode structures are structures in which an active material layer containing an active material is formed on the surface of the current collector as shown in FIG. On the other hand, in the case of a bipolar secondary battery (bipolar electrode), a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material is formed on one surface of a current collector, and a negative electrode active material containing a negative electrode active material on the other surface. It has a structure in which a material layer is formed. That is, the positive electrode (positive electrode active material layer) and the negative electrode (negative electrode active material layer) are integrated with each other through the current collector. In addition to the active material, the active material layer may contain a conductive additive, a binder, and an additive such as an electrolyte salt (lithium salt) or an ion conductive polymer as an electrolyte as necessary. In addition, in the negative electrode, when the negative electrode slurry using an aqueous solvent is used, in addition to the above, additives such as an aqueous binder and a thickener (such as CMC) can be included.
(2a)正極活物質
正極活物質としては、従来公知のものを使用することができる。
(2a) Positive electrode active material As a positive electrode active material, a conventionally well-known thing can be used.
正極活物質としては、例えば、LiMn2O4、LiCoO2、LiNiO2、Li(Ni,Co,Mn)O2、Li2MnO3、Li2MnO3−LiMO2系(M=Co、Niなど)固溶体およびこれらの遷移金属の一部が他の元素により置換されたもの等のリチウム−遷移金属複合酸化物、リチウム−遷移金属リン酸化合物、リチウム−遷移金属硫酸化合物などが挙げられる。場合によっては、2種以上の正極活物質が併用されてもよい。好ましくは、容量、出力特性の観点から、リチウム−遷移金属複合酸化物が、正極活物質として用いられる。なお、上記以外の正極活物質が用いられてもよいことは勿論である。またLiNiO2、Li(Ni,Co,Mn)O2、Li2MnO3等のエネルギー密度が高い正極活物質は、電池を高容量化しやすく、車載用電池に用いた場合、1回の充電での走行距離を延ばすことができるなどの点でも有利である。 Examples of the positive electrode active material include LiMn 2 O 4 , LiCoO 2 , LiNiO 2 , Li (Ni, Co, Mn) O 2 , Li 2 MnO 3 , Li 2 MnO 3 —LiMO 2 (M = Co, Ni, etc.) ) Lithium-transition metal composite oxides such as solid solutions and those in which some of these transition metals are substituted with other elements, lithium-transition metal phosphate compounds, lithium-transition metal sulfate compounds, and the like. In some cases, two or more positive electrode active materials may be used in combination. Preferably, a lithium-transition metal composite oxide is used as the positive electrode active material from the viewpoint of capacity and output characteristics. Of course, positive electrode active materials other than those described above may be used. In addition, a positive electrode active material having a high energy density such as LiNiO 2 , Li (Ni, Co, Mn) O 2 , or Li 2 MnO 3 is easy to increase the capacity of the battery. It is also advantageous in that the travel distance can be extended.
正極活物質の平均粒子径は特に制限されないが、高出力化の観点からは、好ましくは1〜25μmである。 The average particle size of the positive electrode active material is not particularly limited, but is preferably 1 to 25 μm from the viewpoint of increasing the output.
正極活物質の量は、特に制限されないが、好ましくは正極活物質層(形成用原料)の総量に対して、50〜99質量%、より好ましくは70〜97質量%、さらに好ましくは80〜96質量%の範囲である。 The amount of the positive electrode active material is not particularly limited, but is preferably 50 to 99% by mass, more preferably 70 to 97% by mass, and still more preferably 80 to 96%, based on the total amount of the positive electrode active material layer (forming raw material). It is the range of mass%.
(2b)負極活物質
負極活物質は、放電時にリチウムイオンを放出し、充電時にリチウムイオンを吸蔵できる組成を有する。負極活物質は、リチウムを可逆的に吸蔵および放出できるものであれば特に制限されないが、負極活物質の例としては、SiやSnなどの金属、あるいはTiO、Ti2O3、TiO2、もしくはSiO2、SiO、SnO2などの金属酸化物、Li4/3Ti5/3O4もしくはLi7MnNなどのリチウムと遷移金属との複合酸化物、Li−Pb系合金、Li−Al系合金、Li、または天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック、活性炭、カーボンファイバー、コークス、ソフトカーボン、もしくはハードカーボンなどの炭素材料などが好ましく挙げられる。このうち、リチウムと合金化する元素を用いることにより、従来の炭素系材料に比べて高いエネルギー密度を有する高容量および優れた出力特性の電池を得ることが可能となる。上記負極活物質は、単独で使用されてもあるいは2種以上の混合物の形態で使用されてもよい。上記のリチウムと合金化する元素としては、以下に制限されることはないが、具体的には、Si、Ge、Sn、Pb、Al、In、Zn、H、Ca、Sr、Ba、Ru、Rh、Ir、Pd、Pt、Ag、Au、Cd、Hg、Ga、Tl、C、N、Sb、Bi、O、S、Se、Te、Cl等が挙げられる。
(2b) Negative electrode active material A negative electrode active material has a composition which can discharge | release lithium ion at the time of discharge and can occlude lithium ion at the time of charge. The negative electrode active material is not particularly limited as long as it can reversibly occlude and release lithium. Examples of the negative electrode active material include metals such as Si and Sn, TiO, Ti 2 O 3 , TiO 2 , or Metal oxides such as SiO 2 , SiO, SnO 2 , complex oxides of lithium and transition metals such as Li 4/3 Ti 5/3 O 4 or Li 7 MnN, Li—Pb alloys, Li—Al alloys , Li, or carbon materials such as natural graphite, artificial graphite, carbon black, activated carbon, carbon fiber, coke, soft carbon, or hard carbon. Among these, by using an element that forms an alloy with lithium, it becomes possible to obtain a battery having a high capacity and an excellent output characteristic having a higher energy density than that of a conventional carbon-based material. The negative electrode active material may be used alone or in the form of a mixture of two or more. The element alloying with lithium is not limited to the following, but specifically, Si, Ge, Sn, Pb, Al, In, Zn, H, Ca, Sr, Ba, Ru, Rh, Ir, Pd, Pt, Ag, Au, Cd, Hg, Ga, Tl, C, N, Sb, Bi, O, S, Se, Te, Cl, and the like.
上記活物質のうち、炭素材料、ならびに/またはSi、Ge、Sn、Pb、Al、In、およびZnからなる群より選択される少なくとも1種以上の元素を含むことが好ましく、炭素材料、Si、またはSnの元素を含むことがより好ましい。炭素材料のうち、リチウム対比放電電位が低い黒鉛を用いることがさらに好ましい。 Among the active materials, it preferably contains a carbon material and / or at least one element selected from the group consisting of Si, Ge, Sn, Pb, Al, In, and Zn. Or it is more preferable that the element of Sn is included. Of the carbon materials, it is more preferable to use graphite having a low lithium relative discharge potential.
上記負極活物質を負極として使用する際には、負極活物質を含む負極活物質層を板状に成形しそのまま負極としてもよいし、集電体の表面に上記負極活物質粒子を含む負極活物質層を形成して負極としてもよい。後者の形態における負極活物質粒子の平均粒子径は、特に制限されないが、負極活物質の高容量化、反応性、サイクル耐久性の観点からは、好ましくは1〜100μmであり、さらに高出力化の観点から、より好ましくは1〜25μmである。このような範囲であれば、二次電池は、高出力条件下での充放電時における電池の内部抵抗の増大が抑制され、充分な電流を取り出しうる。なお、負極活物質が二次粒子である場合には該二次粒子を構成する一次粒子の平均粒子径が10nm〜1μmの範囲であるのが望ましいといえるが、本実施形態では、必ずしも上記範囲に制限されるものではない。ただし、製造方法にもよるが、負極活物質が凝集、塊状などにより二次粒子化したものでなくても良いことはいうまでもない。かかる負極活物質の粒径および一次粒子の粒径は、レーザー回折法を用いて得られたメディアン径を使用できる。なお、負極活物質粒子の形状は、その種類や製造方法等によって取り得る形状が異なり、例えば、球状(粉末状)、板状、針状、柱状、角状などが挙げられるがこれらに限定されるものではなく、いずれの形状であれ問題なく使用できる。好ましくは、充放電特性などの電池特性を向上し得る最適の形状を適宜選択するのが望ましい。 When the negative electrode active material is used as a negative electrode, the negative electrode active material layer containing the negative electrode active material may be formed into a plate shape and used as it is, or the negative electrode active material containing the negative electrode active material particles on the surface of the current collector. A material layer may be formed to form a negative electrode. The average particle diameter of the negative electrode active material particles in the latter form is not particularly limited, but is preferably 1 to 100 μm from the viewpoint of high capacity, reactivity, and cycle durability of the negative electrode active material, and further increase the output. From the viewpoint, the thickness is more preferably 1 to 25 μm. Within such a range, the secondary battery can suppress an increase in the internal resistance of the battery during charging and discharging under high output conditions, and can extract a sufficient current. In addition, when the negative electrode active material is secondary particles, it can be said that the average particle diameter of primary particles constituting the secondary particles is desirably in the range of 10 nm to 1 μm. It is not limited to. However, it goes without saying that, depending on the manufacturing method, the negative electrode active material may not be a secondary particle formed by aggregation, lump or the like. As the particle size of the negative electrode active material and the particle size of the primary particles, the median diameter obtained using a laser diffraction method can be used. The shape of the negative electrode active material particles varies depending on the type and manufacturing method, and examples thereof include a spherical shape (powdered shape), a plate shape, a needle shape, a column shape, and a square shape, but are not limited thereto. Any shape can be used without any problem. Preferably, an optimal shape that can improve battery characteristics such as charge / discharge characteristics is appropriately selected.
負極活物質の量は、特に制限されないが、好ましくは負極活物質層(形成用原料)の総量に対して、50〜99質量%、より好ましくは70〜97質量%、さらに好ましくは80〜96質量%の範囲である。 The amount of the negative electrode active material is not particularly limited, but is preferably 50 to 99% by mass, more preferably 70 to 97% by mass, and still more preferably 80 to 96%, based on the total amount of the negative electrode active material layer (forming raw material). It is the range of mass%.
(2b)導電助剤
導電助剤とは、活物質層の導電性を向上させるために配合される添加物をいう。導電助剤としては、アセチレンブラック、カーボンブラック、ケッチェンブラック、グラファイト等のカーボン粉末や、気相成長炭素繊維(VGCF;登録商標)等の種々の炭素繊維、膨張黒鉛などが挙げられる。しかし、導電助剤がこれらに限定されないことはいうまでもない。活物質層が導電助剤を含むと、活物質層の内部における電子ネットワークが効果的に形成され、電池の出力特性の向上に寄与しうる。但し、活物質に導電性材料である炭素材料を用いる場合において、活物質だけでも電子ネットワークが効果的に形成され、電池の出力特性の向上に寄与する場合には、導電助剤を添加しなくともよい。
(2b) Conductive aid The conductive aid refers to an additive blended to improve the conductivity of the active material layer. Examples of the conductive aid include carbon powders such as acetylene black, carbon black, ketjen black, and graphite, various carbon fibers such as vapor grown carbon fiber (VGCF; registered trademark), expanded graphite, and the like. However, it goes without saying that the conductive aid is not limited to these. When the active material layer contains a conductive additive, an electronic network inside the active material layer is effectively formed, which can contribute to improvement of the output characteristics of the battery. However, in the case where a carbon material that is a conductive material is used as the active material, an electronic network can be effectively formed only by the active material, and if the conductive material contributes to the improvement of the output characteristics of the battery, a conductive auxiliary agent is not added. Also good.
正極活物質層へ混入されてなる導電助剤の含有量は、正極活物質層(形成用原料)の総量に対して、1質量%以上、より好ましくは3質量%以上、さらに好ましくは5質量%以上の範囲である。また、正極活物質層へ混入されてなる導電助剤の含有量は、正極活物質層(形成用原料)の総量に対して、15質量%以下、より好ましくは10質量%以下、さらに好ましくは7質量%以下の範囲である。活物質自体の電子導電性は低く導電助剤の量によって電極抵抗を低減できる正極活物質層での導電助剤の配合比(含有量)を上記範囲内に規定することで以下の効果が発現される。即ち、電極反応を阻害することなく、電子導電性を十分に担保することができ、電極密度の低下によるエネルギー密度の低下を抑制でき、ひいては電極密度の向上によるエネルギー密度の向上を図ることができる。 The content of the conductive additive mixed in the positive electrode active material layer is 1% by mass or more, more preferably 3% by mass or more, and further preferably 5% by mass with respect to the total amount of the positive electrode active material layer (formation raw material). % Or more. In addition, the content of the conductive additive mixed into the positive electrode active material layer is 15% by mass or less, more preferably 10% by mass or less, further preferably, with respect to the total amount of the positive electrode active material layer (formation raw material). It is the range of 7 mass% or less. By defining the compounding ratio (content) of the conductive auxiliary agent in the positive electrode active material layer within the above range, the electronic conductivity of the active material itself is low and the electrode resistance can be reduced by the amount of the conductive auxiliary agent. Is done. That is, it is possible to sufficiently ensure the electronic conductivity without hindering the electrode reaction, to suppress the decrease in the energy density due to the decrease in the electrode density, and to improve the energy density due to the increase in the electrode density. .
負極活物質層へ混入されてなる導電助剤の含有量としては、負極活物質により異なることから一義的には規定することができない。即ち、負極活物質自体が優れた電子導電性を有する、グラファイト(黒鉛)、ソフトカーボン、ハードカーボン等の炭素材料、金属材料を用いる場合には、負極活物質層への導電助剤の含有は特に必要がない。導電助剤を含有するとしても、負極側の電極構成材料の総量に対して、せいぜい0.1〜1質量%の範囲で十分である。一方、正極活物質と同様に電子導電性は低く導電助剤の量によって電極抵抗を低減できる。リチウム合金系負極材料、リチウム−遷移金属複合酸化物(例えば、Li4Ti5O12)などの負極活物質を用いる場合には、正極活物質層へ混入されてなる導電助剤の含有量と同程度の含有量とするのが望ましい。即ち、負極活物質層へ混入されてなる導電助剤の含有量も、負極側の電極構成材料の総量に対して、好ましくは1〜10質量%、より好ましくは2〜8質量%、特に好ましくは3〜7質量%の範囲とするのが望ましい。 The content of the conductive additive mixed into the negative electrode active material layer cannot be uniquely defined because it varies depending on the negative electrode active material. That is, when a carbon material such as graphite (graphite), soft carbon, hard carbon, or a metal material is used, in which the negative electrode active material itself has excellent electronic conductivity, the inclusion of the conductive assistant in the negative electrode active material layer is There is no particular need. Even if it contains a conductive additive, a range of 0.1 to 1% by mass at most is sufficient with respect to the total amount of the electrode constituting material on the negative electrode side. On the other hand, like the positive electrode active material, the electronic conductivity is low, and the electrode resistance can be reduced by the amount of the conductive auxiliary. In the case of using a negative electrode active material such as a lithium alloy negative electrode material or a lithium-transition metal composite oxide (for example, Li 4 Ti 5 O 12 ), the content of the conductive additive mixed in the positive electrode active material layer and It is desirable to have the same content. That is, the content of the conductive additive mixed in the negative electrode active material layer is also preferably 1 to 10% by mass, more preferably 2 to 8% by mass, particularly preferably relative to the total amount of the electrode constituent material on the negative electrode side. Is preferably in the range of 3 to 7% by mass.
(2c)バインダ(結着剤)
バインダは、活物質層中の構成部材同士または活物質層と集電体とを結着させて電極構造を維持する目的で添加される。バインダとしては、上記目的を達成できる絶縁性材料であって、充放電時に副反応(酸化還元反応)を起こさない材料であればよく、特に限定されないが、例えば、以下の材料が挙げられる。ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルニトリル、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリアミド、セルロース、カルボキシメチルセルロース(CMC)、エチレン−酢酸ビニル共重合体、ポリ塩化ビニル、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、エチレン・プロピレンゴム、エチレン・プロピレン・ジエン共重合体、スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物などの熱可塑性高分子、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)等のフッ素樹脂、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF−HFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−HFP−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ペンタフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF−PFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ペンタフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−PFP−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−パーフルオロメチルビニルエーテル−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−PFMVE−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−クロロトリフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−CTFE系フッ素ゴム)等のビニリデンフルオライド系フッ素ゴム、エポキシ樹脂等が挙げられる。中でも、ポリフッ化ビニリデン、ポリイミド、スチレン・ブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロース、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリロニトリル、ポリアミドであることがより好ましい。これらの好適なバインダは、耐熱性に優れ、さらに電位窓が非常に広く正極電位、負極電位双方に安定であり活物質層に使用が可能となる。これらのバインダは、単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。しかし、バインダがこれらに限定されないことはいうまでもない。
(2c) Binder (binder)
The binder is added for the purpose of maintaining the electrode structure by binding the constituent members in the active material layer or the active material layer and the current collector. The binder is not particularly limited as long as it is an insulating material that can achieve the above-described purpose and does not cause a side reaction (oxidation-reduction reaction) at the time of charge / discharge, and examples thereof include the following materials. Polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate (PET), polyether nitrile, polyacrylonitrile, polyimide, polyamide, cellulose, carboxymethyl cellulose (CMC), ethylene-vinyl acetate copolymer, polyvinyl chloride, styrene-butadiene rubber (SBR), isoprene Rubber, butadiene rubber, ethylene / propylene rubber, ethylene / propylene / diene copolymer, styrene / butadiene / styrene block copolymer and its hydrogenated product, styrene / isoprene / styrene block copolymer and its hydrogenated product, etc. Thermoplastic polymer, polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), Tet Fluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), ethylene / tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), ethylene / chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), polyfluorinated Fluorine resin such as vinyl (PVF), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-based fluororubber (VDF-HFP-based fluororubber), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene-based fluororubber (VDF-HFP-TFE-based fluorine) Rubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene-based fluoro rubber (VDF-PFP-based fluoro rubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene-tetrafluoroethylene-based fluoro rubber (VDF-PFP-TFE fluorine rubber), vinylidene fluoride-perfluoromethyl vinyl ether-tetrafluoroethylene fluorine rubber (VDF-PFMVE-TFE fluorine rubber), vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene fluorine rubber (VDF) Vinylidene fluoride fluororubbers such as (-CTFE fluororubber) and epoxy resins. Among these, polyvinylidene fluoride, polyimide, styrene / butadiene rubber, carboxymethyl cellulose, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyacrylonitrile, and polyamide are more preferable. These suitable binders are excellent in heat resistance, have a very wide potential window, are stable at both the positive electrode potential and the negative electrode potential, and can be used for the active material layer. These binders may be used independently and may use 2 or more types together. However, it goes without saying that the binder is not limited to these.
バインダの量は、電極(正極、負極)活物質等を結着することができる量であれば特に限定されるものではないが、好ましくは電極(正極、負極)活物質層(またはその形成用原料)の総量に対して、0.5〜15質量%であり、より好ましくは1〜10質量%である。 The amount of the binder is not particularly limited as long as it can bind the electrode (positive electrode, negative electrode) active material and the like, but preferably the electrode (positive electrode, negative electrode) active material layer (or its formation) It is 0.5-15 mass% with respect to the total amount of a raw material), More preferably, it is 1-10 mass%.
(2d)電解質塩(リチウム塩)
電解質塩(リチウム塩)としては、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiTaF6、LiAlCl4、Li2B10Cl10、LiCF3SO3、Li(CF3SO2)2N、Li(C2F5SO2)2N、ビスペンタフルオロエチルスルホニルイミドリチウム(LiBETI)等が挙げられる。更には、後述する電解質層に用いられる電解質塩(リチウム塩)を適宜利用することができる。電極活物質層中に含まれる電解質塩(リチウム塩)の配合比は、特に限定されない。配合比は、非水溶媒系二次電池についての公知の知見を適宜参照することにより、調整されうる。
(2d) Electrolyte salt (lithium salt)
As the electrolyte salt (lithium salt), LiPF 6, LiBF 4, LiClO 4, LiAsF 6, LiTaF 6, LiAlCl 4, Li 2 B 10 C l10, LiCF 3 SO 3, Li (CF 3 SO 2) 2 N, Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N, bispentafluoroethylsulfonylimide lithium (LiBETI), and the like can be given. Furthermore, an electrolyte salt (lithium salt) used for an electrolyte layer described later can be appropriately used. The compounding ratio of the electrolyte salt (lithium salt) contained in the electrode active material layer is not particularly limited. The mixing ratio can be adjusted by appropriately referring to known knowledge about non-aqueous solvent secondary batteries.
(2e)イオン伝導性ポリマー
イオン伝導性ポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)系ポリマー、ポリプロピレンオキシド(PPO)系のポリマー、それらの共重合体のリチウム塩を含み得るイオン伝導性ポリマー(固体高分子電解質材料)などが挙げられる。更には、後述する電解質層に用いられる電解質塩(リチウム塩)を適宜利用することができる。電極活物質層中に含まれるイオン伝導性ポリマーの配合比は、特に限定されない。配合比は、非水溶媒系二次電池についての公知の知見を適宜参照することにより、調整されうる。
(2e) Ion conductive polymer Examples of the ion conductive polymer include polyethylene oxide (PEO) -based polymers, polypropylene oxide (PPO) -based polymers, and ion-conductive polymers (solids) that can include lithium salts of these copolymers. Polymer electrolyte material). Furthermore, an electrolyte salt (lithium salt) used for an electrolyte layer described later can be appropriately used. The compounding ratio of the ion conductive polymer contained in the electrode active material layer is not particularly limited. The mixing ratio can be adjusted by appropriately referring to known knowledge about non-aqueous solvent secondary batteries.
(2f)増粘剤またはカルボキシメチルセルロース(CMC)誘導体
負極の作製に、水系溶媒を含む水系スラリーを用いてなる場合には、負極活物質中に負極活物質、増粘剤またはCMC誘導体、水系バインダを含む。好ましくは、更にアルカリ金属および/またはアルカリ土類金属、炭酸アルカリを含む。必要に応じてその他の添加剤をさらに含む。このうち、負極活物質については、すでに説明している通りである。
(2f) Thickener or carboxymethylcellulose (CMC) derivative When an aqueous slurry containing an aqueous solvent is used for producing the negative electrode, the negative electrode active material, the thickener or CMC derivative, the aqueous binder in the negative electrode active material including. Preferably, an alkali metal and / or an alkaline earth metal and an alkali carbonate are further contained. If necessary, other additives are further included. Among these, the negative electrode active material is as already described.
増粘剤のCMCないしCMC塩は、その分子中に、カルボキシルメチル基(−CH2COOH)の他に、その塩として、−CH2COONa、−CH2COOLi、−CH2COOK、−CH2COONH4等が存在する。こうした多数の種類(化合物)を包含するCMCないしCMC塩としては、既に多くの種類(化合物)が市販されており、これらの中から適宜選択して使用することができる。これら市販品の多くは、分子中の−CH2COOH基の水素原子の一部または全部がカチオン種であるNa、Li、K、NH4などであるものが用いられており、カチオン種であるNa、Li、K、NH4量は任意に調整可能である。本実施形態では、−CH2COONaなどカチオン種であるNa等の部分でミセルを形成する為、CMCないしCMC塩の分子鎖の末端はNa等のカチオン種のものを用いるのが望ましいといえる。 In addition to the carboxylmethyl group (—CH 2 COOH), the CMC or CMC salt of the thickener includes —CH 2 COONa, —CH 2 COOLi, —CH 2 COOK, —CH 2 in addition to the carboxylmethyl group (—CH 2 COOH). COONH 4 etc. exist. As CMC or CMC salt including such a large number of types (compounds), many types (compounds) are already commercially available, and can be appropriately selected from these. Many of these commercially available products are those in which some or all of the hydrogen atoms of the —CH 2 COOH group in the molecule are cationic species such as Na, Li, K, NH 4, etc., and are cationic species. The amounts of Na, Li, K, and NH 4 can be arbitrarily adjusted. In this embodiment, micelles are formed at a portion of Na, which is a cationic species such as —CH 2 COONa, and therefore it can be said that it is desirable to use a cationic species such as Na at the end of the molecular chain of CMC or CMC salt.
CMC誘導体としては、増粘剤のCMCないしCMC塩の分子中に存在する−CH2COOR基の全部または一部が、−CH2CHO基、−CH2CH2OH基、−CH3基のいずれかになっているものなどが挙げられる。ここで、CMCないしCMC塩の分子中に存在する−CH2COOR基としては、1種だけでもよいし、2種以上であってもよい。1種の場合には、分子中に存在する−CH2COOR基のRには、Na、Li、K、NH4などのカチオン種のいずれかが挙げられる。また2種以上の場合には、分子中に存在する−CH2COOR基のRには、少なくともNa、Li、K、NH4などのカチオン種が含まれていればよく、その他に、H(水素原子)を有するものであってもよい。初期充電前の負極活物質層の構成材料としてCMCないしCMC塩ではなく、CMC誘導体を含有することで、CMC誘導体では分子中に存在する−CH2COOR基が、初期充電で還元分解されにくい安定な−CH2CHO基、−CH2CH2OH基、−CH3基のいずれかになっている。そのため、初期充電でのCMCないしCMC塩の還元分解を抑制でき、ガス発生のみならず充放電効率の改善による容量の優れた負極を提供できる。 As the CMC derivative, all or part of the —CH 2 COOR group present in the molecule of the CMC or CMC salt of the thickener is a —CH 2 CHO group, a —CH 2 CH 2 OH group, a —CH 3 group. Some of them are listed here. Here, the —CH 2 COOR group present in the molecule of the CMC or CMC salt may be one type or two or more types. In the case of one type, R of the —CH 2 COOR group present in the molecule includes any one of cationic species such as Na, Li, K, and NH 4 . In the case of two or more species, it is sufficient that R of the —CH 2 COOR group present in the molecule contains at least a cationic species such as Na, Li, K, NH 4, etc. It may have a hydrogen atom). By containing a CMC derivative instead of CMC or CMC salt as a constituent material of the negative electrode active material layer before the initial charge, the -CH 2 COOR group present in the molecule is not easily reduced and decomposed by the initial charge. A —CH 2 CHO group, a —CH 2 CH 2 OH group, or a —CH 3 group. Therefore, reductive decomposition of CMC or CMC salt at the initial charge can be suppressed, and a negative electrode having excellent capacity by improving not only gas generation but also charge / discharge efficiency can be provided.
CMC誘導体では、CMCないしCMC塩の分子中に存在する−CH2COOR基(水系スラリー中では電離してCH2COO−(イオン基)の状態で存在)の全部または一部が還元反応により、安定な−CH2CHO基、−CH2CH2OH基、−CH3基のいずれかになっている。かかるCMCないしCMC塩の分子中に存在する−CH2COOR基(水系スラリー中で電離した状態のCH2COO−)の還元割合は、10〜100%、好ましくは50〜100%、より好ましくは80〜100%、特に好ましくは100%である。還元割合が10%未満であれば、得られるCMC誘導体を初回充電した際のガス発生を十分に抑えるのが困難となる場合がある。10%以上、好ましくは50%以上、より好ましくは80%以上とすることで、得られるCMC誘導体を初回充電した際のガス発生を十分に抑えることができる。よって、−CH2COOR基(CH2COO−基)の還元割合は必ずしも全部(=100%)でなくともよいといえるが、還元割合100%とすることで、得られるCMC誘導体を初回充電した際のガス発生を格段に抑制することができる。また、容量向上にも大いに寄与し得る点でも好ましいといえるものである。還元割合は、CMC誘導体につき表面ESCA(X線光電子分光法(装置))などを用いて測定することができる。この他にも、1H NMR(核磁気共鳴分光法)、14C NMR、二次元NMRを用いたCOSY(COrrelation SpectroscopY, COrrelated SpectroscopY)測定法等を用いて測定(補足)することもできる。なお、上記還元割合に代えて、後述するアルカリ金属および/またはアルカリ土類金属の含有量を満足するものであれば、本発明の所期の目的及び効果を達成できているものである。そのため、上記した高価な装置を購入して上記還元割合を求めなくても、アルカリ金属および/またはアルカリ土類金属の含有量を測定することで、本発明の所期の目的及び効果の達成が確認可能であることから、上記還元割合は、いわば任意要件といえるものである。 In the CMC derivative, all or a part of —CH 2 COOR groups (ionized in an aqueous slurry and present in the state of CH 2 COO − (ionic groups)) present in the molecule of CMC or CMC salt are reduced, It is a stable —CH 2 CHO group, —CH 2 CH 2 OH group, or —CH 3 group. The reduction ratio of —CH 2 COOR groups (CH 2 COO − ionized in an aqueous slurry) present in the molecule of CMC or CMC salt is 10 to 100%, preferably 50 to 100%, more preferably 80 to 100%, particularly preferably 100%. If the reduction ratio is less than 10%, it may be difficult to sufficiently suppress gas generation when the obtained CMC derivative is charged for the first time. By setting it to 10% or more, preferably 50% or more, more preferably 80% or more, gas generation when the obtained CMC derivative is initially charged can be sufficiently suppressed. Therefore, it can be said that the reduction ratio of the —CH 2 COOR group (CH 2 COO — group) is not necessarily all (= 100%), but by setting the reduction ratio to 100%, the obtained CMC derivative was charged for the first time. The generation of gas at the time can be remarkably suppressed. Moreover, it can be said that it is preferable also in that it can greatly contribute to the capacity improvement. The reduction ratio can be measured for each CMC derivative using surface ESCA (X-ray photoelectron spectroscopy (apparatus)) or the like. In addition, it can also be measured (supplemented) using a COSY (Correlated Spectroscopy Y, Correlated Spectroscopy Y) measurement method using 1 H NMR (nuclear magnetic resonance spectroscopy), 14 C NMR, two-dimensional NMR, or the like. Note that the intended purpose and effect of the present invention can be achieved as long as the content of alkali metal and / or alkaline earth metal described later is satisfied instead of the reduction ratio. Therefore, it is possible to achieve the intended object and effect of the present invention by measuring the content of alkali metal and / or alkaline earth metal without purchasing the above-mentioned expensive apparatus and determining the reduction ratio. Since it can be confirmed, the reduction ratio is an arbitrary requirement.
水系溶媒を用いた負極スラリーを用いて形成された負極活物質層に含まれる増粘剤またはCMC誘導体の含有量は、負極活物質層の総量に対して、0.1〜10質量%、好ましくは0.5〜2質量%の範囲である。CMC誘導体の含有量が0.1質量%以上であれば、負極製造過程での増粘効果を十分に発現し、平坦で滑らかな表面の負極活物質層とすることができる。また、得られた負極の初期充電でのCMCないしCMC塩の還元分解を抑制でき、ガス発生のみならず充放電効率の改善による容量の優れた負極を提供できる。またCMC誘導体の含有量が10質量%以下であれば、優れた増粘効果により水系の負極スラリーの粘度を適当に調整することができ、所望の負極活物質層とすることができる。また、得られた負極の初期充電でのCMCないしCMC塩の還元分解を抑制でき、ガス発生のみならず充放電効率の改善による容量の優れた負極を提供できる。 The content of the thickener or CMC derivative contained in the negative electrode active material layer formed using the negative electrode slurry using the aqueous solvent is 0.1 to 10% by mass, preferably with respect to the total amount of the negative electrode active material layer. Is in the range of 0.5-2% by weight. When the content of the CMC derivative is 0.1% by mass or more, the thickening effect in the negative electrode production process is sufficiently exhibited, and the negative electrode active material layer having a flat and smooth surface can be obtained. In addition, reductive decomposition of CMC or CMC salt in the initial charging of the obtained negative electrode can be suppressed, and a negative electrode having excellent capacity not only by gas generation but also by improvement of charge / discharge efficiency can be provided. Moreover, if content of a CMC derivative is 10 mass% or less, the viscosity of an aqueous | water-based negative electrode slurry can be appropriately adjusted with the outstanding thickening effect, and it can be set as a desired negative electrode active material layer. In addition, reductive decomposition of CMC or CMC salt in the initial charging of the obtained negative electrode can be suppressed, and a negative electrode having excellent capacity not only by gas generation but also by improvement of charge / discharge efficiency can be provided.
増粘剤またはCMC誘導体の重量平均分子量は、5000〜1200000、好ましくは6000〜1100000、より好ましくは7000〜1000000の範囲である。CMC誘導体の重量平均分子量が5000以上であれば、負極水系スラリーの粘度を適度に保つことができるなど、CMC誘導体が還元される前の増粘剤のCMCないしCMC塩を水に溶解した際に、負極の水系スラリーの粘度を適度に保つことができる。その結果、負極の製造段階で増粘剤として有効に利用することができる点で有利である。CMC誘導体の重量平均分子量が1200000以下であれば、CMC誘導体が還元される前の増粘剤のCMCないしCMC塩を水等の水系溶媒に溶解した際にゲル状態となることなく、負極の水系スラリーの粘度を適度に保つことができる。その結果、負極の製造段階で増粘剤として有効に利用することができる点で有利である。CMC誘導体の重量平均分子量の測定方法としては、例えば、金属−アミン錯体および/または金属−アルカリ錯体を含有する溶媒を移動相溶媒としたゲルパーミュエーションクロマトグラフィーを用いてCMC誘導体の分子量分布の測定を行うことができる。かかる分子量分布から、CMC誘導体の重量平均分子量の分子量を算出することができる。なお、CMC誘導体の重量平均分子量の測定方法としては、上記方法に何ら制限されるものではなく、従来公知の方法により測定、算出することができる。 The weight average molecular weight of the thickener or CMC derivative is in the range of 5000 to 1200000, preferably 6000 to 1100000, more preferably 7000 to 1000000. When the weight average molecular weight of the CMC derivative is 5000 or more, the viscosity of the negative electrode aqueous slurry can be kept moderate. For example, when the CMC or CMC salt of the thickener before the CMC derivative is reduced is dissolved in water. The viscosity of the aqueous slurry of the negative electrode can be kept moderate. As a result, it is advantageous in that it can be effectively used as a thickener in the production stage of the negative electrode. If the CMC derivative has a weight average molecular weight of 1200000 or less, the CMC or CMC salt of the thickener before the reduction of the CMC derivative is dissolved in an aqueous solvent such as water, and the negative aqueous system The viscosity of the slurry can be kept moderate. As a result, it is advantageous in that it can be effectively used as a thickener in the production stage of the negative electrode. As a method for measuring the weight average molecular weight of the CMC derivative, for example, the molecular weight distribution of the CMC derivative is measured using gel permeation chromatography using a solvent containing a metal-amine complex and / or a metal-alkali complex as a mobile phase solvent. Measurements can be made. From the molecular weight distribution, the molecular weight of the weight average molecular weight of the CMC derivative can be calculated. In addition, as a measuring method of the weight average molecular weight of a CMC derivative, it does not restrict | limit at all to the said method, It can measure and calculate by a conventionally well-known method.
(2g)水系バインダ
水系バインダとは、水系溶媒に均一に分散可能なバインダのことを意味する。なお正極の作製に用いるバインダを単にバインダと称し、区別する。正極の作製に用いるバインダとは、有機溶媒に均一に混合(溶解)あるいは分散可能なバインダのことを意味する。
(2g) Aqueous binder An aqueous binder means a binder that can be uniformly dispersed in an aqueous solvent. Note that a binder used for manufacturing a positive electrode is simply referred to as a binder and is distinguished. The binder used for producing the positive electrode means a binder that can be uniformly mixed (dissolved) or dispersed in an organic solvent.
水系溶媒を用いた負極スラリーを用いて形成された負極活物質層に含まれる水系バインダとしては、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、エチレン・プロピレンゴム、ニトリルゴム(またはニトリルブタジエンゴム;NBR)、エチレン−プロピレン−ジエンゴム(EPDM)、アクリレート系ゴム、スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物などゴム系バインダを用いることもできる。更に、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリアミド、セルロース、エチレン−酢酸ビニル共重合体、ポリ塩化ビニル、ポリアクリレート、ポリビニールアルコール、メチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ポリエチレンオキサイド、ポリエチレングリコールなどの水系バインダ等を挙げることができる。中でも、ポリイミド、スチレン・ブタジエンゴム、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリロニトリル、ポリアミドであることがより好ましい。これらの好適な水系バインダは、耐熱性に優れ、さらに電位窓が非常に広く正極電位、負極電位双方に安定であり負極活物質層に使用が可能となる。これらの水系バインダは、単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。但し、本実施形態では上記に例示したものに何ら制限されるものではなく、従来公知の各種の水系バインダを用いることができる。これらは、電極製造時には、上記水系バインダを安価な水等の水系溶媒中に粒子状に分散させた状態で用いられる。これらの水系バインダを用いることで、従来のポリフッ化ビニリデン(PVDF)等の有機溶剤系バインダのように、高価なNMP等の有機溶媒に溶解(混合或いは分散)させて用いる場合に比べて、低コスト化を図ることができる。さらに、充電時の加熱分解発熱量が低く、高容量が得やすく、サイクル特性に優れるなどの点から望ましい。なお、これら水系バインダは強い結着性(結着効果)はあるものの、増粘性が十分でない。そのため、電極作成時に水系スラリーに水系バインダを加えただけでは十分な増粘効果が得られない。そこで、増粘性に優れるCMCないしCMC塩を増粘剤として用いることで、水系バインダに増粘性を付与するものである。 Examples of the aqueous binder contained in the negative electrode active material layer formed using the negative electrode slurry using an aqueous solvent include styrene / butadiene rubber (SBR), isoprene rubber, butadiene rubber, ethylene / propylene rubber, nitrile rubber (or nitrile butadiene). Rubber; NBR), ethylene-propylene-diene rubber (EPDM), acrylate rubber, styrene / butadiene / styrene block copolymer and its hydrogenated product, rubber system such as styrene / isoprene / styrene block copolymer and its hydrogenated product A binder can also be used. Furthermore, polyethylene (PE), polypropylene (PP), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyethylene terephthalate (PET), polyether nitrile (PEN), polyacrylonitrile, polyimide, polyamide, cellulose, ethylene-vinyl acetate copolymer, Examples thereof include water-based binders such as polyvinyl chloride, polyacrylate, polyvinyl alcohol, methyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, polyethylene oxide, and polyethylene glycol. Among these, polyimide, styrene / butadiene rubber, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyacrylonitrile, and polyamide are more preferable. These suitable aqueous binders are excellent in heat resistance, have a very wide potential window, are stable at both the positive electrode potential and the negative electrode potential, and can be used for the negative electrode active material layer. These aqueous binders may be used alone or in combination of two or more. However, the present embodiment is not limited to those exemplified above, and various conventionally known aqueous binders can be used. These are used in a state where the aqueous binder is dispersed in the form of particles in an aqueous solvent such as inexpensive water at the time of manufacturing the electrode. By using these water-based binders, as compared with the case where they are dissolved (mixed or dispersed) in an expensive organic solvent such as NMP, such as conventional organic solvent-based binders such as polyvinylidene fluoride (PVDF), it is low. Cost can be reduced. Furthermore, it is desirable from the viewpoints of low thermal decomposition calorific value at the time of charge, easy to obtain high capacity, and excellent cycle characteristics. Although these water-based binders have strong binding properties (binding effects), they are not sufficiently thickened. Therefore, a sufficient thickening effect cannot be obtained only by adding an aqueous binder to the aqueous slurry at the time of electrode preparation. Therefore, CMC or CMC salt excellent in thickening is used as a thickening agent to impart thickening to the aqueous binder.
水系バインダの含有量は、負極活物質等を結着することができる量であれば特に限定されるものではないが、好ましくは負極活物質層の総量に対して、0.5〜15質量%であり、より好ましくは1〜10質量%である。但し、上記範囲を外れても、本発明の作用効果を有効に発現し得る範囲であれば、十分に適用可能である。水系バインダの含有量が0.5質量%以上であれば、水系スラリーを用いて塗工、乾燥することで十分な結着効果を発現し、得られる負極活物質層において負極活物質同士または負極活物質と集電体とを結着し、導電性の3次元ネットワークを形成し得るものである。また、初回充電でのCMCないしCMC塩の還元分解を抑制でき、ガス発生のみならず充放電効率の改善による容量の優れた負極を提供できる。また、水系バインダの含有量が15質量%以下であれば、負極活物質層に占める水系バインダ量を十分に抑えることができ、初回充電でのCMCないしCMC塩の還元分解を抑制でき、ガス発生のみならず充放電効率の改善による高容量の負極を提供できる。また、水系スラリーを用いて塗工、乾燥することで十分な結着(バインダ)効果を発現し、得られる負極活物質層において、負極活物質同士を結着し、高い導電性の3次元ネットワークを形成し得るものである。 The content of the aqueous binder is not particularly limited as long as it is an amount capable of binding the negative electrode active material and the like, but preferably 0.5 to 15% by mass with respect to the total amount of the negative electrode active material layer. More preferably, it is 1-10 mass%. However, even if it is out of the above range, it can be sufficiently applied as long as the effects of the present invention can be effectively expressed. If the content of the aqueous binder is 0.5% by mass or more, a sufficient binding effect can be obtained by coating and drying using the aqueous slurry, and the negative electrode active material layers or the negative electrodes are obtained in the obtained negative electrode active material layer. The active material and the current collector can be bound to form a conductive three-dimensional network. In addition, reductive decomposition of CMC or CMC salt at the first charge can be suppressed, and a negative electrode having excellent capacity not only by gas generation but also by improvement of charge / discharge efficiency can be provided. Further, if the content of the aqueous binder is 15% by mass or less, the amount of the aqueous binder in the negative electrode active material layer can be sufficiently suppressed, the reductive decomposition of CMC or CMC salt in the first charge can be suppressed, and the gas generation In addition, it is possible to provide a high-capacity negative electrode by improving charge / discharge efficiency. In addition, a sufficient binding (binder) effect is achieved by coating and drying using an aqueous slurry, and in the obtained negative electrode active material layer, the negative electrode active materials are bonded to each other, and a highly conductive three-dimensional network is obtained. Can be formed.
(2h)アルカリ金属及び/又はアルカリ土類金属
水系スラリーを用いた負極活物質層に含まれるアルカリ金属及び/又はアルカリ土類金属は、充放電容量を改善することができる。該アルカリ金属及び/又はアルカリ土類金属としては、特に制限されるものではなく、Li、Na、K、Rb、Cs、Be、Mg、Ca、Sr、Ba等を挙げることができるが、これらに制限されるものではない。これらは1種単独でも、2種以上を含有していてもよい。
(2h) Alkali metal and / or alkaline earth metal The alkali metal and / or alkaline earth metal contained in the negative electrode active material layer using the aqueous slurry can improve the charge / discharge capacity. The alkali metal and / or alkaline earth metal is not particularly limited, and examples thereof include Li, Na, K, Rb, Cs, Be, Mg, Ca, Sr, and Ba. It is not limited. These may be used alone or in combination of two or more.
アルカリ金属及び/又はアルカリ土類金属の含有量は、負極活物質層の総量に対して、50〜30000ppm、好ましくは100ppm〜20000ppmの範囲である。但し、上記範囲を外れても、本発明の作用効果を有効に発現し得る範囲であれば、十分に適用可能である。アルカリ金属及び/又はアルカリ土類金属の含有量が50ppm以上であれば、充放電容量の改善に有効な含有効果が認められる。また30000ppm以下であれば、充放電容量の改善に寄与することができる点で有利である。 Content of an alkali metal and / or alkaline-earth metal is 50-30000 ppm with respect to the total amount of a negative electrode active material layer, Preferably it is the range of 100 ppm-20000 ppm. However, even if it is out of the above range, it can be sufficiently applied as long as the effects of the present invention can be effectively expressed. When the content of the alkali metal and / or alkaline earth metal is 50 ppm or more, an effective content effect for improving the charge / discharge capacity is recognized. Moreover, if it is 30000 ppm or less, it is advantageous at the point which can contribute to the improvement of charging / discharging capacity.
水系溶媒を用いた負極スラリーを用いて形成された負極活物質層中のアルカリ金属及び/又はアルカリ土類金属は、負極製造過程でアルカリ又はアルカリ水を添加することにより、負極活物質層に持ち込まれる成分である。具体的には、負極製造段階でアルカリ水を用いることで、CMCないしCMC塩を還元することで、リチウム、カルシウム、マグネシウム、ナトリウム、カリウムなどの元素を含有した負極活物質層が得られる。これらは、後述するように酸化物(酸化リチウム、酸化カリウム)や炭酸塩(例えば、炭酸リチウム、炭酸カリウム)等の形態で存在していてもよい。 The alkali metal and / or alkaline earth metal in the negative electrode active material layer formed using the negative electrode slurry using the aqueous solvent is brought into the negative electrode active material layer by adding alkali or alkaline water during the negative electrode manufacturing process. It is a component. Specifically, a negative electrode active material layer containing an element such as lithium, calcium, magnesium, sodium, or potassium can be obtained by reducing CMC or CMC salt by using alkaline water in the negative electrode manufacturing stage. These may exist in the form of oxides (lithium oxide, potassium oxide), carbonates (for example, lithium carbonate, potassium carbonate) and the like, as will be described later.
(2i)炭酸アルカリ
水系溶媒を用いた負極スラリーを用いて形成された負極活物質層には、炭酸アルカリ(Li2CO3)を含むのが好ましい。具体的には、水系スラリーを用いた負極活物質層に炭酸アルカリを含むことで、初回充電でのCMCないしCMC塩の還元分解を大幅に抑制することができ、ガス発生の抑制のみならず、充放電効率が大幅に改善された優れた負極を提供できる。更に初回充放電の効率がよくなる点でも優れている(実施例参照)。該炭酸アルカリも、負極製造過程でアルカリ又はアルカリ水を添加することにより、大気中(ないし水系スラリー)の二酸化炭素との反応により、負極活物質層に持ち込まれる成分である。
(2i) Alkali carbonate The negative electrode active material layer formed using a negative electrode slurry using an aqueous solvent preferably contains an alkali carbonate (Li 2 CO 3 ). Specifically, by including alkali carbonate in the negative electrode active material layer using an aqueous slurry, reductive decomposition of CMC or CMC salt at the first charge can be significantly suppressed, not only suppressing gas generation, An excellent negative electrode with significantly improved charge / discharge efficiency can be provided. Furthermore, it is also excellent in that the efficiency of the first charge / discharge is improved (see Examples). The alkali carbonate is also a component brought into the negative electrode active material layer by reaction with carbon dioxide in the atmosphere (or aqueous slurry) by adding alkali or alkaline water during the negative electrode manufacturing process.
炭酸アルカリとしては、特に制限されるものではなく、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸ルビジウム、炭酸セシウム、炭酸ベリリウム、炭酸マグネシウム、炭酸カルシウム、炭酸ストロンチウム、炭酸バリウム、炭酸アンモニウムなどが挙げられるが、これらに何ら制限されるものではない。これらは1種単独でも、2種以上が併用して含まれていてもよい。なかでも炭酸リチウムが好ましい。この場合には、CMC誘導体の被膜の表面に炭酸リチウムを点在させる、若しくは炭酸リチウムの被膜を形成することができる。この炭酸リチウムは負極活物質のSEI(表面皮膜)の成分でもあるため、ガス発生抑制効果・容量アップの効果に加え、寿命性能の向上を図ることもできる点で優れている。CMC誘導体の被膜の表面への炭酸リチウムの点在化若しくは炭酸リチウムの被膜化は負極製造時になされる以外にも、更に初回充放電によりなされることもある。 The alkali carbonate is not particularly limited, and examples include lithium carbonate, sodium carbonate, potassium carbonate, rubidium carbonate, cesium carbonate, beryllium carbonate, magnesium carbonate, calcium carbonate, strontium carbonate, barium carbonate, and ammonium carbonate. However, it is not limited to these. These may be used alone or in combination of two or more. Of these, lithium carbonate is preferred. In this case, lithium carbonate can be scattered on the surface of the CMC derivative coating, or a lithium carbonate coating can be formed. Since this lithium carbonate is also a component of the SEI (surface film) of the negative electrode active material, it is excellent in that the life performance can be improved in addition to the gas generation suppressing effect and the capacity increasing effect. Scattering of lithium carbonate on the surface of the coating of the CMC derivative or coating of lithium carbonate may be performed by initial charge / discharge as well as during the production of the negative electrode.
炭酸アルカリの含有量としては、負極活物質層の総量に対して、0.01〜5質量%の範囲とするのが好ましい。但し、上記範囲を外れても、本発明の作用効果を有効に発現し得る範囲であれば、十分に適用可能である。炭酸アルカリの含有量が0.01質量%以上であれば、CMC誘導体の負膜36の表面に炭酸リチウムの被膜37を形成可能である。そのため、ガス発生抑制効果・容量アップの効果に加え、寿命性能の向上を図ることができる点で優れている。一方、炭酸アルカリの含有量が5質量%以下であれば、負極活物質の含有量を低減させることなく、高容量を保持しつつ、CMC誘導体の負膜36の表面に炭酸リチウムの被膜37を形成可能である。そのため、ガス発生抑制効果・容量アップの効果に加え、寿命性能の向上を図ることができる。 As content of alkali carbonate, it is preferable to set it as the range of 0.01-5 mass% with respect to the total amount of a negative electrode active material layer. However, even if it is out of the above range, it can be sufficiently applied as long as the effects of the present invention can be effectively expressed. If the alkali carbonate content is 0.01% by mass or more, a lithium carbonate coating 37 can be formed on the surface of the negative film 36 of the CMC derivative. Therefore, in addition to the effect of suppressing gas generation and the effect of increasing the capacity, it is excellent in that the life performance can be improved. On the other hand, if the alkali carbonate content is 5 mass% or less, the lithium carbonate coating 37 is formed on the surface of the negative film 36 of the CMC derivative while maintaining a high capacity without reducing the content of the negative electrode active material. It can be formed. Therefore, in addition to the effect of suppressing gas generation and the effect of increasing capacity, it is possible to improve the life performance.
(2j)その他の添加剤
水系溶媒を用いた負極スラリーを用いて形成された負極活物質層には、負極活物質、CMC誘導体、水系バインダ、アルカリ金属および/またはアルカリ土類金属の他に、その他の添加剤(例えば、導電助剤、電解質塩(リチウム塩)、イオン伝導性ポリマー等)が保持されることが好ましい。これら導電助剤、電解質塩(リチウム塩)、イオン伝導性ポリマーについても、すでに説明している通りである。
(2j) Other additives In addition to the negative electrode active material, CMC derivative, aqueous binder, alkali metal and / or alkaline earth metal, the negative electrode active material layer formed using the negative electrode slurry using the aqueous solvent includes It is preferable that other additives (for example, conductive assistant, electrolyte salt (lithium salt), ion conductive polymer, etc.) are retained. These conductive assistants, electrolyte salts (lithium salts), and ion conductive polymers are also as already described.
(2k)自立電極に用いられる多孔質骨格体
自立電極に用いられる多孔質骨格体としては、不織布、織布、金属発泡体(ないし金属多孔体)、カーボンペーパーなどが望ましい。このうち、多孔質骨格体に用いられる不織布は、繊維が異方向に重なって形成されている。不織布には、樹脂製の材料が使用されており、例えばポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、セルロース、ナイロン、EVA樹脂(エチレン−酢酸ビニル共重合体樹脂)等の繊維が適用されうる。なお、多孔質骨格体として、不織布以外の形態としては、樹脂製の織布(規則性のある樹脂多孔体)、金属発泡体ないし金属多孔体、カーボンペーパーなどが挙げられる。ここで、樹脂製の織布に用いられる樹脂としては、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、EVA樹脂などが例示できるが、これらに何ら制限されるものではない。金属発泡体ないし金属多孔体としては、好ましくは、Cu、Ni、Al、Tiの少なくとも1種の金属発泡体ないし金属多孔体などが例示できるが、これらに何ら制限されるものではない。好ましくは、Cu、Alの少なくとも1種の金属多孔体、カーボンペーパー、ポリプロピレン、ポリエチレン、EVA樹脂製の不織布である。
(2k) Porous skeleton used for self-supporting electrode As the porous skeleton used for the self-supporting electrode, non-woven fabric, woven fabric, metal foam (or metal porous material), carbon paper and the like are desirable. Among these, the nonwoven fabric used for the porous skeleton is formed by overlapping fibers in different directions. A resin material is used for the nonwoven fabric, and fibers such as polypropylene, polyethylene, polyethylene terephthalate, cellulose, nylon, EVA resin (ethylene-vinyl acetate copolymer resin), and the like can be applied. Examples of the porous skeleton body other than the nonwoven fabric include resin woven fabric (regular resin porous body), metal foam or metal porous body, and carbon paper. Here, examples of the resin used for the woven fabric made of resin include polypropylene, polyethylene, polyethylene terephthalate, EVA resin, and the like, but are not limited thereto. Preferred examples of the metal foam or metal porous body include, but are not limited to, at least one metal foam or metal porous body of Cu, Ni, Al, and Ti. Preferably, it is a nonwoven fabric made of at least one metal porous body of Cu and Al, carbon paper, polypropylene, polyethylene, and EVA resin.
活物質層に占める骨格部の多孔質骨格体の割合は、2体積%以上、好ましくは7体積%以上の範囲である。一方、活物質層に占める骨格部の多孔質骨格体の割合は、28体積%以下、好ましくは12体積%以下の範囲である。活物質層に占める多孔質骨格体の割合が上記範囲内であれば、電極反応を阻害することない点で優れている。 The proportion of the porous skeleton in the skeleton part in the active material layer is in the range of 2% by volume or more, preferably 7% by volume or more. On the other hand, the proportion of the porous skeleton in the skeleton part in the active material layer is 28% by volume or less, preferably 12% by volume or less. If the ratio of the porous skeleton in the active material layer is within the above range, the electrode reaction is not hindered.
多孔質骨格体の空孔率(空隙率)としては、好ましくは70%〜98%、より好ましくは90〜95%である。上記範囲内であれば、発明の効果が有効に得られる点で優れている。 The porosity (porosity) of the porous skeleton is preferably 70% to 98%, more preferably 90 to 95%. If it is in the said range, it is excellent in the point from which the effect of invention is acquired effectively.
多孔質骨格体の空孔径としては、世の中で使用されている活物質が十分に充填できる50〜100μm程度が望ましい。上記範囲内であれば、発明の効果が有効に得られる点で優れている。即ち、多孔質骨格体の空孔径が100μm以下であれば、本実施形態の効果が有効に得られ、当該空孔径が50μm以上であれば、使用する活物質の粒径の制約なく使用用途に応じて適切な活物質を適宜選択することができる点で優れている。 The pore size of the porous skeleton is preferably about 50 to 100 μm that can be sufficiently filled with active materials used in the world. If it is in the said range, it is excellent in the point from which the effect of invention is acquired effectively. That is, if the pore size of the porous skeleton is 100 μm or less, the effect of the present embodiment can be obtained effectively. If the pore size is 50 μm or more, the particle size of the active material to be used can be used without any restrictions. Accordingly, it is excellent in that an appropriate active material can be appropriately selected.
多孔質骨格体の厚さは、活物質層の厚さより小さければよく、通常1〜120μm程度、好ましくは1〜20μm程度であることが好ましい。 The thickness of the porous skeleton need only be smaller than the thickness of the active material layer, and is usually about 1 to 120 μm, preferably about 1 to 20 μm.
各活物質層の厚さについても特に制限はないが、電子抵抗を抑えるという観点から、各活物質層の厚さ(片面)は、1〜120μm程度であることが好ましい。 Although there is no restriction | limiting in particular also about the thickness of each active material layer, From a viewpoint of suppressing electronic resistance, it is preferable that the thickness (one side) of each active material layer is about 1-120 micrometers.
各活物質層の空孔率については、電解液の含浸、保持によるLiイオンの導電性(拡散性)を高めたり、電子抵抗を抑えるという観点から、各活物質層の空孔率は、10〜40%程度であることが好ましい。 With respect to the porosity of each active material layer, the porosity of each active material layer is 10 from the viewpoint of increasing the conductivity (diffusibility) of Li ions by impregnating and holding the electrolytic solution and suppressing the electronic resistance. It is preferably about ˜40%.
(3)電解質層
本実施形態の電解質層は、電解質と、該電解質を空孔に含浸または保持してなるセパレータとからなる。セパレータを有する電解質層は、正極と負極との間の空間的な隔壁(スペーサ)として機能する。また、これと併せて、充放電時における正負極間でのリチウムイオンの移動媒体である電解質を保持する機能をも有する。さらに、本実施形態では、上記したように接着層18(18a、18b)を用いてセパレータと電極の間を接着することで、セパレータの熱収縮による短絡を防止することができる。さらに、電極活物質層とセパレータの接着界面において、セパレータ側の接着部分(接着層)が必要以上に塑性変形することを防止ることができる。加えて充放電に伴う電極の膨張収縮にあっても単電池層(単セル)中でセパレータ−電極間の密着性を保つことができる。その結果、セパレータ−電極間の接着部分である接着層への目詰まりを効果的に抑制・防止することができ、電池のサイクル耐久性(容量維持率)を向上させることができ、サイクル急劣化も効果的に防止することができる。
(3) Electrolyte layer The electrolyte layer of this embodiment consists of an electrolyte and a separator formed by impregnating or holding the electrolyte in pores. The electrolyte layer having a separator functions as a spatial partition (spacer) between the positive electrode and the negative electrode. In addition, it also has a function of holding an electrolyte that is a lithium ion transfer medium between the positive and negative electrodes during charging and discharging. Further, in the present embodiment, as described above, the short circuit due to the thermal contraction of the separator can be prevented by bonding the separator and the electrode using the adhesive layer 18 (18a, 18b). Further, it is possible to prevent the adhesive portion (adhesive layer) on the separator side from being plastically deformed more than necessary at the adhesive interface between the electrode active material layer and the separator. In addition, the adhesion between the separator and the electrode can be maintained in the single battery layer (single cell) even when the electrode expands and contracts due to charge / discharge. As a result, clogging of the adhesive layer, which is the bonding part between the separator and the electrode, can be effectively suppressed / prevented, the cycle durability (capacity retention rate) of the battery can be improved, and the cycle is rapidly deteriorated. Can also be effectively prevented.
電解質層を構成する電解質に特に制限はなく、液体電解質、ならびに高分子ゲル電解質および高分子固体電解質などのポリマー電解質が適宜用いられうる。 There is no restriction | limiting in particular in the electrolyte which comprises an electrolyte layer, Polymer electrolytes, such as a liquid electrolyte and a polymer gel electrolyte and a polymer solid electrolyte, can be used suitably.
(3a)液体電解質
液体電解質は、溶媒に支持塩であるリチウム塩が溶解したものである。溶媒としては、例えば、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジプロピルカーボネート(DPC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、プロピオン酸メチル(MP)、酢酸メチル(MA)、ギ酸メチル(MF)、4−メチルジオキソラン(4MeDOL)、ジオキソラン(DOL)、2−メチルテトラヒドロフラン(2MeTHF)、テトラヒドロフラン(THF)、ジメトキシエタン(DME)、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、およびγ−ブチロラクトン(GBL)などが挙げられる。これらの溶媒は、1種を単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせた混合物として使用してもよい。また、支持塩(リチウム塩)としては、特に制限はないが、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiTaF6、LiSbF6、LiAlCl4、Li2B10Cl10、LiI、LiBr、LiCl、LiAlCl、LiHF2、LiSCN等の無機酸陰イオン塩、LiCF3SO3、Li(CF3SO2)2N、LiBOB(リチウムビスオキサイドボレート)、LiBETI(リチウムビス(パーフルオロエチレンスルホニルイミド);Li(C2F5SO2)2Nとも記載)等の有機酸陰イオン塩などが挙げられる。これらの電解質塩は、単独で使用されてもあるいは2種以上の混合物の形態で使用されてもよい。
(3a) Liquid electrolyte The liquid electrolyte is obtained by dissolving a lithium salt as a supporting salt in a solvent. Examples of the solvent include dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate (DPC), ethyl methyl carbonate (EMC), methyl propionate (MP), methyl acetate (MA), and methyl formate (MF). 4-methyldioxolane (4MeDOL), dioxolane (DOL), 2-methyltetrahydrofuran (2MeTHF), tetrahydrofuran (THF), dimethoxyethane (DME), ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC) , And γ-butyrolactone (GBL). These solvents may be used alone or as a mixture of two or more. As the supporting salt (lithium salt) is not particularly limited, LiPF 6, LiBF 4, LiClO 4, LiAsF 6, LiTaF 6, LiSbF 6, LiAlCl 4, Li 2 B 10 Cl 10, LiI, LiBr, LiCl Inorganic acid anion salts such as LiAlCl, LiHF 2 , LiSCN, LiCF 3 SO 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, LiBOB (lithium bisoxide borate), LiBETI (lithium bis (perfluoroethylenesulfonylimide); And organic acid anion salts such as Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N). These electrolyte salts may be used alone or in the form of a mixture of two or more.
一方、ポリマー電解質は、電解液を含むゲル電解質と、電解液を含まない高分子固体電解質に分類される。 On the other hand, the polymer electrolyte is classified into a gel electrolyte containing an electrolytic solution and a polymer solid electrolyte containing no electrolytic solution.
(3b)ゲル電解質
ゲル電解質は、リチウムイオン伝導性を有するマトリックスポリマーに、上記の液体電解質が注入されてなる構成を有する。リチウムイオン伝導性を有するマトリックスポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシドを主鎖または側鎖に持つポリマー(PEO)、ポリプロピレンオキシドを主鎖または側鎖に持つポリマー(PPO)、ポリエチレングリコール(PEG)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメタクリル酸エステル、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンの共重合体(PVdF−HFP)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリ(メチルアクリレート)(PMA)、ポリ(メチルメタクリレート)(PMMA)などが挙げられる。また、上記のポリマー等の混合物、変成体、誘導体、ランダム共重合体、交互共重合体、グラフト共重合体、ブロック共重合体なども使用できる。これらのうち、PEO、PPOおよびそれらの共重合体、PVdF、PVdF−HFPを用いることが望ましい。かようなマトリックスポリマーには、リチウム塩等の電解質塩がよく溶解しうる。
(3b) Gel electrolyte The gel electrolyte has a configuration in which the above liquid electrolyte is injected into a matrix polymer having lithium ion conductivity. Examples of the matrix polymer having lithium ion conductivity include a polymer having polyethylene oxide in the main chain or side chain (PEO), a polymer having polypropylene oxide in the main chain or side chain (PPO), polyethylene glycol (PEG), poly Acrylonitrile (PAN), polymethacrylic acid ester, polyvinylidene fluoride (PVdF), copolymer of polyvinylidene fluoride and hexafluoropropylene (PVdF-HFP), polyacrylonitrile (PAN), poly (methyl acrylate) (PMA), poly (Methyl methacrylate) (PMMA) etc. are mentioned. In addition, mixtures of the above-described polymers, modified products, derivatives, random copolymers, alternating copolymers, graft copolymers, block copolymers, and the like can also be used. Among these, it is desirable to use PEO, PPO and their copolymers, PVdF, PVdF-HFP. In such a matrix polymer, an electrolyte salt such as a lithium salt can be well dissolved.
(3c)高分子固体電解質
高分子固体電解質は、上記のマトリックスポリマーに支持塩(リチウム塩)が溶解してなる構成を有し、有機溶媒を含まない。したがって、電解質層が高分子固体電解質から構成される場合には電池からの液漏れの心配がなく、電池の信頼性が向上しうる。
(3c) Polymer solid electrolyte The polymer solid electrolyte has a structure in which a supporting salt (lithium salt) is dissolved in the above matrix polymer, and does not contain an organic solvent. Therefore, when the electrolyte layer is composed of a polymer solid electrolyte, there is no fear of liquid leakage from the battery, and the battery reliability can be improved.
高分子ゲル電解質や高分子固体電解質のマトリックスポリマーは、架橋構造を形成することによって、優れた機械的強度を発揮しうる。架橋構造を形成させるには、適当な重合開始剤を用いて、高分子電解質形成用の重合性ポリマー(例えば、PEOやPPO)に対して熱重合、紫外線重合、放射線重合、電子線重合などの重合処理を施せばよい。なお、上記電解質は、電極の活物質層中に含まれていてもよい。 A matrix polymer of a polymer gel electrolyte or a polymer solid electrolyte can exhibit excellent mechanical strength by forming a crosslinked structure. In order to form a crosslinked structure, thermal polymerization, ultraviolet polymerization, radiation polymerization, electron beam polymerization, etc. are performed on a polymerizable polymer (for example, PEO or PPO) for forming a polymer electrolyte, using an appropriate polymerization initiator. A polymerization treatment may be performed. In addition, the said electrolyte may be contained in the active material layer of an electrode.
更に本発明では、液体電解質やゲル電解質等にSEI形成用添加剤を含まないのが望ましい。これにより、電極内側の負極集電体近傍の負極活物質表面と、電極(負極活物質層)外側近傍の負極活物質表面とで、形成されるSEIの厚さ等が異なるという課題を生じさせないためである(図7〜図10と図11〜図14を対比参照のこと)。また、初回充電工程の目的の1つとしてSEIの形成がある。液体電解質やゲル電解質等にSEI形成用添加剤を含むと、初回充電時に正極側の液体電解質やゲル電解質中の該添加剤を負極側に移動させてSEIを形成させる必要があるなど、複雑なプロセスをたどるため、初回充電時間が長くなる。更にその後、図4に示すように14日以上もかけて高温エージング、更には14日以上の常温エージングを行う必要があるにもかかわらず、図10に示すように品質バラツキが発生するという課題があった。本発明では、SEI形成用添加剤を負極スラリーに添加し、電解液及び正極スラリーに添加しない製法により得られた電池構成であるため、上記した課題を解消することができる点で優れている。 Further, in the present invention, it is desirable that the liquid electrolyte, the gel electrolyte and the like do not contain an additive for forming SEI. Thereby, the negative electrode active material surface in the vicinity of the negative electrode current collector inside the electrode and the negative electrode active material surface in the vicinity of the electrode (negative electrode active material layer) outside do not cause a problem that the thickness of the formed SEI is different. (For comparison, see FIGS. 7 to 10 and FIGS. 11 to 14). One purpose of the initial charging process is the formation of SEI. When the SEI formation additive is included in the liquid electrolyte, the gel electrolyte, etc., it is necessary to form the SEI by moving the additive in the liquid electrolyte on the positive electrode side or the gel electrolyte to the negative electrode side at the first charge. Since the process is followed, the first charge time is increased. Further, after that, as shown in FIG. 4, although it is necessary to perform high temperature aging over 14 days or more, and room temperature aging for 14 days or more, there is a problem that quality variation occurs as shown in FIG. there were. In this invention, since it is a battery structure obtained by the manufacturing method which adds the additive for SEI formation to a negative electrode slurry, and does not add to electrolyte solution and a positive electrode slurry, it is excellent at the point which can eliminate the above-mentioned subject.
(3d)セパレータ
セパレータとしては、特に制限されるものではなく、従来公知のものを適宜利用することができる。例えば、上記電解質を吸収保持するポリマーや繊維からなる多孔性シートのセパレータや不織布セパレータ等を挙げることができる。
(3d) Separator The separator is not particularly limited, and conventionally known separators can be appropriately used. For example, a porous sheet separator or nonwoven fabric separator made of a polymer or fiber that absorbs and holds the electrolyte can be used.
前記ポリマーないし繊維からなる多孔性シートのセパレータとしては、例えば、微多孔質(微多孔膜)を用いることができる。該ポリマーないし繊維からなる多孔性シートの具体的な形態としては、例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)などのポリオレフィン;これらを複数積層した積層体(例えば、PP/PE/PPの3層構造をした積層体など)、ポリイミド、アラミド、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン(PVdF−HFP)等の炭化水素系樹脂、ガラス繊維などからなる微多孔質(微多孔膜)セパレータが挙げられる。 As the separator of the porous sheet made of the polymer or fiber, for example, a microporous (microporous film) can be used. Specific examples of the porous sheet made of the polymer or fiber include polyolefins such as polyethylene (PE) and polypropylene (PP); a laminate in which a plurality of these are laminated (for example, three layers of PP / PE / PP) And a microporous (microporous membrane) separator made of a hydrocarbon resin such as polyimide, aramid, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVdF-HFP), glass fiber, and the like.
前記微多孔質(微多孔膜)セパレータの厚みとして、使用用途により異なることから一義的に規定することはできない。1例を示せば、電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)、燃料電池自動車(FCV)などのモータ駆動用二次電池などの用途においては、単層あるいは多層で4〜60μmであることが望ましい。前記微多孔質(微多孔膜)セパレータの微細孔径は、最大で1μm以下(通常、数十nm程度の孔径である)、その気孔率(空孔率)は20〜80%であることが望ましい。 The thickness of the microporous (microporous membrane) separator cannot be uniquely defined because it varies depending on the intended use. For example, in applications such as secondary batteries for driving motors such as electric vehicles (EV), hybrid electric vehicles (HEV), and fuel cell vehicles (FCV), it is 4 to 60 μm in a single layer or multiple layers. Is desirable. The microporous (microporous membrane) separator preferably has a fine pore diameter of 1 μm or less (usually a pore diameter of about several tens of nanometers) and a porosity (porosity) of 20 to 80%. .
前記不織布セパレータとしては、綿、レーヨン、アセテート、ナイロン、ポリエステル;PP、PEなどのポリオレフィン;ポリイミド、アラミドなど従来公知のものを、単独または混合して用いる。また、不織布のかさ密度は、含浸させた高分子ゲル電解質により十分な電池特性が得られるものであればよく、特に制限されるべきものではない。 As the nonwoven fabric separator, cotton, rayon, acetate, nylon, polyester; polyolefins such as PP and PE; conventionally known ones such as polyimide and aramid are used alone or in combination. The bulk density of the nonwoven fabric is not particularly limited as long as sufficient battery characteristics can be obtained by the impregnated polymer gel electrolyte.
前記不織布セパレータの気孔率(空孔率)は45〜90%であることが好ましい。さらに、不織布セパレータの厚さは、電解質層と同じであればよく、好ましくは5〜200μmであり、特に好ましくは10〜100μmである。厚さが5μm未満では電解質の保持性が悪化し、200μmを超える場合には抵抗が増大することになる。 The nonwoven fabric separator preferably has a porosity (porosity) of 45 to 90%. Furthermore, the thickness of the nonwoven fabric separator may be the same as that of the electrolyte layer, preferably 5 to 200 μm, particularly preferably 10 to 100 μm. When the thickness is less than 5 μm, the electrolyte retention deteriorates, and when it exceeds 200 μm, the resistance increases.
(4)接着層
接着層18(18a、18b)は、電極(正極ないし負極)と、セパレータのいずれにも接着して、セパレータの熱収縮による短絡を防止する目的で設けられてなるものである。本実施形態では、上記した適切な接着強度と透気度比を兼ね備えることができるように接着層を形成する必要がある。これにより、電極活物質層とセパレータの接着界面において、セパレータ側の接着部分(接着層)が必要以上に塑性変形することを防止することができる。加えて充放電に伴う電極の膨張収縮にあっても単電池層(単セル)中でセパレータ−電極間の密着性を保つことができる。その結果、セパレータ−電極間の接着部分である接着層への目詰まりを効果的に抑制・防止することができ、電池のサイクル耐久性(容量維持率)を向上させることができ、サイクル急劣化も効果的に防止することができる。
(4) Adhesive layer The adhesive layer 18 (18a, 18b) is provided for the purpose of adhering to both the electrode (positive electrode or negative electrode) and the separator and preventing a short circuit due to thermal contraction of the separator. . In the present embodiment, it is necessary to form an adhesive layer so that the above-described appropriate adhesive strength and air permeability ratio can be provided. Thereby, it is possible to prevent the adhesive portion (adhesive layer) on the separator side from being plastically deformed more than necessary at the adhesive interface between the electrode active material layer and the separator. In addition, the adhesion between the separator and the electrode can be maintained in the single battery layer (single cell) even when the electrode expands and contracts due to charge / discharge. As a result, clogging of the adhesive layer, which is the bonding part between the separator and the electrode, can be effectively suppressed / prevented, the cycle durability (capacity retention rate) of the battery can be improved, and the cycle is rapidly deteriorated. Can also be effectively prevented.
接着層に用いられる材料としては、上記目的を達成できる絶縁性材料であって、充放電時に副反応(酸化還元反応)を起こさない材料であればよく、リチウムイオン二次電池用バインダに使用されている材料などを使用することができるが、特に制限されない。例えば、以下の材料が挙げられる。ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)などのオレフィン系樹脂、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルニトリル、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリアミド、セルロース、カルボキシメチルセルロース(CMC)、エチレン−酢酸ビニル共重合体、ポリ塩化ビニル、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、エチレン・プロピレンゴム、エチレン・プロピレン・ジエン共重合体、スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物などの熱可塑性高分子、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン(PVdF−HFP)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)等のフッ素樹脂、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF−HFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−HFP−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ペンタフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF−PFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ペンタフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−PFP−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−パーフルオロメチルビニルエーテル−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−PFMVE−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−クロロトリフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−CTFE系フッ素ゴム)等のビニリデンフルオライド系フッ素ゴム、エポキシ樹脂、(メタ)アクリル系樹脂、アラミド等が挙げられる。中でも、ポリフッ化ビニリデン、ポリイミド、スチレン・ブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロース、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリロニトリル、ポリアミドであることがより好ましい。これらの好適な接着層に用いられる材料は、耐熱性に優れ、さらに電位窓が非常に広く正極電位、負極電位双方に安定であり接着層に使用が可能となる。これらの接着層に用いられる材料は、単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。しかし、接着層に用いられる材料がこれらに限定されないことはいうまでもない。これらのうち、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)ないしPVDFを含む材料、(メタ)アクリル系樹脂、オレフィン系樹脂などは、正極側、負極側のいすれの電位にも強いことから、いずれにも適用可能である。また、SBRなどは、負極電位に強いことから負極側に用いるのが好ましい。更に、PTFEなどは、正極電位に強いことから正極側に用いるのが好ましい。ここで、PVDFないしPVDFを含む材料は、接着温度(接着層の表面が軟化し始め、接着性を有する温度;軟化開始温度)をセパレータ変形温度域よりも低い温度で設定できる。それ故、電池反応を極力阻害しないので、出力特性に更なる効果がある。更に、PVDFやPVDFを含む材料は、軟化開始温度からの変性量が大きいので、すぐに接着させることができるので、熱プレス時間を短くする、或いは熱プレス温度を低く設定することもできる。 The material used for the adhesive layer is an insulating material that can achieve the above-described purpose, and may be any material that does not cause a side reaction (oxidation-reduction reaction) during charge and discharge, and is used for a binder for a lithium ion secondary battery. However, it is not particularly limited. For example, the following materials are mentioned. Olefin resins such as polyethylene (PE) and polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polyether nitrile, polyacrylonitrile, polyimide, polyamide, cellulose, carboxymethyl cellulose (CMC), ethylene-vinyl acetate copolymer, polychlorinated Vinyl, styrene / butadiene rubber (SBR), isoprene rubber, butadiene rubber, ethylene / propylene rubber, ethylene / propylene / diene copolymer, styrene / butadiene / styrene block copolymer and hydrogenated products thereof, styrene / isoprene / styrene Thermoplastic polymers such as block copolymers and hydrogenated products thereof, polyvinylidene fluoride (PVdF), polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVdF-HFP), Lafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), ethylene / tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), polychloro Fluoropolymers such as trifluoroethylene (PCTFE), ethylene / chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), polyvinyl fluoride (PVF), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-based fluororubber (VDF-HFP-based fluororubber), Vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene fluorine rubber (VDF-HFP-TFE fluorine rubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene fluorine rubber (VDF) PFP-based fluororubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene-tetrafluoroethylene-based fluororubber (VDF-PFP-TFE-based fluororubber), vinylidene fluoride-perfluoromethylvinylether-tetrafluoroethylene-based fluororubber (VDF-PFMVE) -TFE fluorine rubber), vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene fluorine rubber (VDF-CTFE fluorine rubber) and other vinylidene fluoride fluorine rubber, epoxy resin, (meth) acrylic resin, aramid, etc. . Among these, polyvinylidene fluoride, polyimide, styrene / butadiene rubber, carboxymethyl cellulose, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyacrylonitrile, and polyamide are more preferable. The materials used for these suitable adhesive layers are excellent in heat resistance, have a very wide potential window, are stable at both the positive electrode potential and the negative electrode potential, and can be used for the adhesive layer. The materials used for these adhesive layers may be used alone or in combination of two or more. However, it goes without saying that the material used for the adhesive layer is not limited to these. Of these, for example, materials containing polyvinylidene fluoride (PVdF) or PVDF, (meth) acrylic resins, olefinic resins, etc. are resistant to both positive and negative electrode potentials. Applicable. SBR or the like is preferably used on the negative electrode side because it is strong against the negative electrode potential. Furthermore, PTFE is preferably used on the positive electrode side because it is resistant to the positive electrode potential. Here, the material containing PVDF or PVDF can set the bonding temperature (the temperature at which the surface of the bonding layer starts to soften and have adhesiveness; the softening start temperature) at a temperature lower than the separator deformation temperature range. Therefore, since the battery reaction is not inhibited as much as possible, there is a further effect on the output characteristics. Furthermore, PVDF and PVDF-containing materials have a large amount of modification from the softening start temperature, and can be bonded immediately, so that the hot press time can be shortened or the hot press temperature can be set low.
また、PVDFを含む材料としては、PVDFの単独重合体、PVDFの一部(例えば、繰り返し単位の側鎖など)に置換基(例えば、カルボキシル基)を導入したもの、PVDFと他の1以上のポリマーとのランダム、ブロック、交互、グラフト共重合体(2元共重合体、3元共重合体、4元共重合体・・・等)、PVDFと1以上の他の(共)重合体を含むポリマーアロイなどが挙げられる。なかでも、PVDFにカルボキシル基を混入してなるもの(例えば、カルボキシル基を一部側鎖に持つ構造;−(CH(COOH)−CF2)n−、あるいは−(CH2−CF(COOH))n−、あるいは−(CH2−CF2−)n−(CH(COOH)−CF2)m−、あるいは−(CH2−CF2−)n−(CH2−CF(COOH))m−など)が望ましい。PVDFへカルボキシル基を混入することで融点を、1〜10℃程度下げる(調節する)ことができる。このようにカルボキシル基の混入量を調節することで、電池積層体の端側(上下端)と中央側の接着層が同時に軟化開始するように、電池積層体の各接着層の接着温度(接着層の表面が軟化し始め、接着性を有する温度;軟化開始温度)を簡単に調節できる。同様に、SBRの場合は、スチレンとブタジエンの共重合体であるため、スチレンの割合を増やすと融点を1〜10℃程度上げることができる。このようにスチレンの割合を調節することで、電池積層体の端側(上下端)と中央側の接着層が同時に軟化開始するように、電池積層体の各接着層の接着温度(接着層の表面が軟化し始め、接着性を有する温度;軟化開始温度)を簡単に調節することもできる。 Moreover, as a material containing PVDF, a homopolymer of PVDF, a material in which a substituent (for example, a carboxyl group) is introduced into a part of PVDF (for example, a side chain of a repeating unit), PVDF and one or more other materials Random, block, alternating, graft copolymer (binary copolymer, ternary copolymer, quaternary copolymer, etc.) with polymer, PVDF and one or more other (co) polymers Examples thereof include polymer alloys. Among them, PVDF mixed with a carboxyl group (for example, a structure having a carboxyl group partially in the side chain; — (CH (COOH) —CF 2 ) n —, or — (CH 2 —CF (COOH) ) n -, or - (CH 2 -CF 2 -) n - (CH (COOH) -CF 2) m -, or - (CH 2 -CF 2 -) n - (CH 2 -CF (COOH)) m -Etc.) is desirable. By mixing a carboxyl group into PVDF, the melting point can be lowered (adjusted) by about 1 to 10 ° C. By adjusting the amount of carboxyl groups mixed in this way, the adhesive temperature (adhesion) of each adhesive layer of the battery stack is such that the end layer (upper and lower ends) and the center adhesive layer of the battery stack start to soften simultaneously. The surface of the layer begins to soften and the temperature at which it has adhesiveness; Similarly, since SBR is a copolymer of styrene and butadiene, the melting point can be increased by about 1 to 10 ° C. by increasing the proportion of styrene. By adjusting the ratio of styrene in this way, the adhesive temperature (of the adhesive layer) of each adhesive layer of the battery laminate is such that the adhesive layer on the end side (upper and lower ends) and the central side of the battery laminate starts to soften simultaneously. The temperature at which the surface starts to soften and has adhesiveness; the softening start temperature) can also be easily adjusted.
接着層の厚さは、本実施形態の上記目的・効果が達成できる範囲内でできるだけ薄くするのが、Liイオンの拡散距離が長くなるのを抑制でき、電池の軽量化にも寄与する点で望ましい。かかる観点から接着層の厚さは、接着層の形態にもよるが、セパレータ及び電極表面全体(全面)に接着層が存在している場合には、0.1〜10μmが好ましく、より好ましくは0.1〜5μm、特に好ましくは1〜2μmの範囲である。接着層の厚さが0.1μm以上であれば、セパレータと電極との間の接着を十分に維持することができ、製造が容易にできるため好ましい。接着層の厚さが10μm以下であれば、電池の負荷特性に悪影響を及ぼす虞が小さく、エネルギー密度が著しく低下するのを防止することができるため好ましい。 The thickness of the adhesive layer should be as thin as possible within the range in which the above-mentioned objects and effects of the present embodiment can be achieved. This can suppress the increase in the diffusion distance of Li ions and contribute to the weight reduction of the battery. desirable. From this viewpoint, the thickness of the adhesive layer depends on the form of the adhesive layer, but when the adhesive layer is present on the entire surface of the separator and the electrode (entire surface), 0.1 to 10 μm is preferable, and more preferable. It is 0.1-5 micrometers, Most preferably, it is the range of 1-2 micrometers. If the thickness of the adhesive layer is 0.1 μm or more, it is preferable because the adhesion between the separator and the electrode can be sufficiently maintained and the production can be facilitated. If the thickness of the adhesive layer is 10 μm or less, it is preferable because the risk of adversely affecting the load characteristics of the battery is small and the energy density can be prevented from significantly decreasing.
また、セパレータ及び電極表面全体にストライプ状またはドット状に接着部(接着層)が存在している場合(図3参照)には、接着層の厚さは、0.1〜5μm、好ましくは1〜2μmの範囲である。接着層の厚さが0.1μm以上であれば、製造が容易にできるため好ましく、接着層の厚さが5μm以下であれば、電池の負荷特性に悪影響を及ぼす虞が小さいため好ましい。 Moreover, when the adhesion part (adhesion layer) exists in stripe form or the dot form in the separator and the whole electrode surface (refer FIG. 3), the thickness of an adhesion layer is 0.1-5 micrometers, Preferably it is 1 It is in the range of ˜2 μm. If the thickness of the adhesive layer is 0.1 μm or more, it is preferable because it can be easily manufactured, and if the thickness of the adhesive layer is 5 μm or less, it is preferable because there is little possibility of adversely affecting the load characteristics of the battery.
接着層の厚さは、接着層が脆くうまく剥がせない場合もあり得ることから、電池を解体し、断面出しして、SEM(走査型電子顕微鏡)の断面画像から計測することができる。 The thickness of the adhesive layer can be measured from a cross-sectional image of an SEM (scanning electron microscope) by disassembling the battery and taking out a cross-section because the adhesive layer is brittle and may not peel off well.
接着層の空孔率(気孔率ともいう)は、セパレータ空孔率や接着層の形態にもよるが、セパレータ及び電極表面全体(全面)に接着層が存在している場合やストライプ状やドット状に接着部が存在している場合、30〜90%、好ましくは60〜90%の範囲である。接着層の空孔率が30%以上であれば、目詰まりの一因となることもなく、Liイオンの拡散を妨げず抵抗増大を防止することができる点で優れている。接着層の空孔率が90%以下であれば、接着力が著しく低下するのを効果的に抑制することができる。なお、上記に挙げた接着層の空孔率は、セパレータ空孔率が45〜55%程度の場合に好適な組み合わせの例であり、当該セパレータの空孔率が増減した場合には、接着層の空孔率もこれに比例して増減させればよい。このように、セパレータ空孔率よりも接着層の空孔率を若干高くしているのは、電極表面に形成される接着層の存在により、Liイオンの拡散を阻害しないようにするためである。 The porosity of the adhesive layer (also referred to as porosity) depends on the separator porosity and the form of the adhesive layer, but when the adhesive layer is present on the entire surface of the separator and electrode (entire surface), stripes or dots When the adhesive part exists in the shape, it is 30 to 90%, preferably 60 to 90%. If the porosity of the adhesive layer is 30% or more, it is excellent in that it can prevent clogging and prevent increase in resistance without impeding the diffusion of Li ions. When the porosity of the adhesive layer is 90% or less, it is possible to effectively suppress the adhesive force from being significantly reduced. The porosity of the adhesive layer listed above is an example of a combination that is suitable when the separator porosity is about 45 to 55%. When the porosity of the separator increases or decreases, the adhesive layer The porosity may be increased or decreased in proportion to this. The reason why the porosity of the adhesive layer is slightly higher than the separator porosity is to prevent the diffusion of Li ions from being inhibited by the presence of the adhesive layer formed on the electrode surface. .
一方、ドット状に接着部を設ける場合であって、接着部の割合が非常に小さい場合に、接着部(接着層)の空孔率は、むしろ小さい方がよく、10%以下、好ましくは0%である。これは、割合の大きい非接着部が、新たな電解液保持部として有効に機能するためである。接着部の割合が非常に小さい場合の接着部の割合は、接着性と電池性能とを考慮して適宜決定すればよい。ただし、上記したように当該接着部(接着層)の空孔率は60%以上、好ましくは60〜90%であっても特に問題はない。 On the other hand, when the adhesive portion is provided in a dot shape and the proportion of the adhesive portion is very small, the porosity of the adhesive portion (adhesive layer) should be rather small, preferably 10% or less, preferably 0. %. This is because the non-adhesive portion having a large ratio functions effectively as a new electrolyte solution holding portion. What is necessary is just to determine suitably the ratio of the adhesion part when the ratio of an adhesion part is very small in consideration of adhesiveness and battery performance. However, as described above, there is no particular problem even if the porosity of the adhesive portion (adhesive layer) is 60% or more, preferably 60 to 90%.
接着層内に存在する空孔率は、ます、電池を解体して、各接着層を取り出し、電解質を洗浄除去し、乾燥した後に水銀圧入法などを用いて測定することができる。但し、接着層が脆くうまく剥がせない場合などには、電池を解体し、断面だしして、SEM(走査型電子顕微鏡)の断面画像から接着層の空間部分をマッピングによりカウント(計測)することもできる。 The porosity present in the adhesive layer can be measured using the mercury intrusion method or the like after disassembling the battery, taking out each adhesive layer, washing and removing the electrolyte, and drying. However, if the adhesive layer is brittle and cannot be peeled off, disassemble the battery, take out the cross section, and count (measure) the space portion of the adhesive layer from the cross-sectional image of the SEM (scanning electron microscope) by mapping. You can also.
また、セパレータ及び電極表面に存在する接着部(または非接着部)の割合は、電池を解体し、断面だしして、SEMの断面画像から接着部(ドット)をマッピングによりカウント(計測)することで算出できる。 Moreover, the ratio of the adhesion part (or non-adhesion part) which exists in the separator and the electrode surface disassembles a battery, takes out a cross section, and counts (measures) the adhesion part (dot) by mapping from the cross-sectional image of SEM. It can be calculated by
接着層の形態としては、本実施形態の上記目的・効果を達成できるものであればよく、特に制限されるものではない。例えば、(i)セパレータ及び電極の表面全体(全面)に接着層が存在していてもよい。この場合には、当該接着部が、保液空間を有するべく、多孔質層となっている必要がある(上記空孔率参照)。あるいは、(ii)セパレータ及び電極表面に、接着層の存在する接着部と接着層の存在しない非接着部が形成されるように接着層が間隔をあけて存在していてもよい。接着部は、セパレータ及び電極表面に均等性が保たれるように配置されているのが望ましい。上記(ii)の場合には、非接着部が保液空間として有効に機能することから、当該接着部(接着層)は、保液空間を有する多孔質層であってもよい。或いは、保液空間が存在しない無孔質(=気孔率(空孔率)0%)であってもよい。特にドット状に接着部を設ける場合(=接着部の割合が非常に小さい場合)に、当該接着部を保液空間が存在しない無孔質(=気孔率(空孔率)0%)とするのがよい。 The form of the adhesive layer is not particularly limited as long as it can achieve the objects and effects of the present embodiment. For example, (i) the adhesive layer may be present on the entire surface (entire surface) of the separator and the electrode. In this case, the bonding portion needs to be a porous layer so as to have a liquid retaining space (see the porosity). Alternatively, (ii) the adhesive layer may be present on the separator and the electrode surface at an interval so that an adhesive portion where the adhesive layer exists and a non-adhesive portion where the adhesive layer does not exist are formed. It is desirable that the bonding portion is arranged so that uniformity is maintained on the separator and the electrode surface. In the case of (ii) above, since the non-adhesive portion functions effectively as the liquid retention space, the adhesion portion (adhesive layer) may be a porous layer having a liquid retention space. Alternatively, it may be nonporous (= porosity (porosity) 0%) in which no liquid retention space exists. In particular, when an adhesive part is provided in a dot shape (= when the ratio of the adhesive part is very small), the adhesive part is made nonporous (= porosity (porosity) 0%) with no liquid retention space. It is good.
図2Aは、電極表面にストライプ状の接着部を設けた様子を表す平面図である。図2B、2Cは、電極表面にドット状の接着部を設けた様子を表す平面図である。 FIG. 2A is a plan view showing a state in which stripe-shaped adhesive portions are provided on the electrode surface. 2B and 2C are plan views showing a state in which a dot-shaped adhesive portion is provided on the electrode surface.
具体的には、(iia)図2Aに示すように、セパレータ及び電極表面31に、ストライプ状の接着部33aとストライプ(33a)ストライプ(33a)の間に非接着部35が形成されるように接着層(33a)が間隔をあけて存在していてもよい。(iib)図2B、2Cに示すように、セパレータ及び電極表面31に、ドット状の接着部33bとドット(33b)とドット(33b)の間に非接着部35が形成されるように接着層(33b)が間隔をあけて点在して存在していてもよい。(iib)の例としては、(b1)セパレータ及び電極表面31の四隅だけにドット状の接着部33bが存在し、四隅のドット(接着部33b)以外のセパレータ及び電極表面31に非接着部35が形成されるように接着層が間隔をあけて存在していてもよい(図2B)。或いは(b2)セパレータ及び電極表面31にドット状の接着部33bが均等性を保つように点在し、ドット(33b)とドット(33b)の間のセパレータ及び電極表面31に非接着部35が形成されるように接着層が間隔をあけて存在していてもよい。例えば、セパレータ及び電極表面31に、横3点×縦4点で合計12点のドット状の接着部33bが等間隔に点在し、12点のドット(接着部33b)以外のセパレータ及び電極表面31に非接着部35が形成されるように接着層が間隔をあけて存在していてもよい(図2C)。但し、これらの形態に何ら制限されるものではなく、格子状、菱形格子状、短冊状、連続又は不連続な円や楕円などのリング状や多角形状、波形状、半円状、不定形状など、本実施形態の上記目的・効果を達成できるものであれば他のいかなる形態でもよい。 Specifically, (iii) As shown in FIG. 2A, a non-adhesive portion 35 is formed on the separator and electrode surface 31 between the stripe-shaped adhesive portion 33a and the stripe (33a) stripe (33a). The adhesive layer (33a) may be present at an interval. (Iib) As shown in FIGS. 2B and 2C, an adhesive layer is formed on the separator and electrode surface 31 such that a non-adhesive portion 35 is formed between the dot-like adhesive portion 33b and the dot (33b) and the dot (33b). (33b) may be present at intervals. As an example of (iib), (b1) The dot-like adhesion portions 33b exist only at the four corners of the separator and the electrode surface 31, and the non-adhesion portions 35 are formed on the separator and the electrode surface 31 other than the four corner dots (adhesion portion 33b). An adhesive layer may be present at an interval so that is formed (FIG. 2B). Alternatively, (b2) dot-like adhesive portions 33b are scattered on the separator and electrode surface 31 so as to maintain uniformity, and non-adhesive portions 35 are provided on the separator and electrode surface 31 between the dots (33b) and dots (33b). Adhesive layers may be present at intervals so as to be formed. For example, on the separator and electrode surface 31, a total of 12 dot-like adhesive portions 33 b with 3 horizontal points × 4 vertical points are scattered at equal intervals, and the separator and electrode surfaces other than 12 dots (adhesive portion 33 b) Adhesive layers may be present at intervals such that a non-adhesive portion 35 is formed on 31 (FIG. 2C). However, it is not limited to these forms at all, such as a lattice shape, a rhombus lattice shape, a strip shape, a ring shape such as a continuous or discontinuous circle or ellipse, a polygonal shape, a wave shape, a semicircular shape, an indefinite shape, etc. Any other form may be used as long as the object and effect of the present embodiment can be achieved.
また、本実施形態では、接着層の軟化点は、セパレータの軟化点よりも低いのが好ましい。これは、セパレータの形状を保ちながら、接着層の表面を軟化させて接着性を出させることで電極−セパレータ間を接着させることができる点で優れているためである。かかる観点から、接着層の軟化点を、セパレータの軟化点より5〜10℃低くするのが好ましい。 In the present embodiment, the softening point of the adhesive layer is preferably lower than the softening point of the separator. This is because it is excellent in that the electrode-separator can be adhered by softening the surface of the adhesive layer to bring out adhesion while maintaining the shape of the separator. From this viewpoint, it is preferable that the softening point of the adhesive layer is 5 to 10 ° C. lower than the softening point of the separator.
ここで、接着層の軟化点温度およびセパレータの軟化点温度は、いずれもビカット軟化温度(ビカット軟化点、Vicat Softening Temperature、VST)とし、JIS K 7206(1999年)により測定することができる。JIS K 7206(1999年)の概要を説明すれば、加熱浴槽の中に規定された寸法の試験片を据え、中央部に一定の断面積(JIS K 7206では1mm2)の端面を押し当てた状態で浴槽の温度を上昇させる。試験片に端面が一定の深さまで食い込んだ時の温度をビカット軟化温度(単位:℃)とするものである。 Here, the softening point temperature of the adhesive layer and the softening point temperature of the separator are both set to the Vicat softening temperature (Vicat Softening Temperature, VST), and can be measured by JIS K 7206 (1999). To explain the outline of JIS K 7206 (1999), a test piece having a prescribed size was set in a heating bath, and an end surface of a constant cross-sectional area (1 mm 2 in JIS K 7206) was pressed to the center. Increase the temperature of the bathtub in the state. The temperature when the end surface bites into the test piece to a certain depth is the Vicat softening temperature (unit: ° C.).
接着層の形成は、実施例に示すように、予めセパレータ表面に、接着層を形成するための樹脂材料を適当な溶剤に溶解した接着スラリー(濃度変化により接着層の空孔率を調整可能)を所望の厚さ、形状(全面、ストライプ状、ドット状等)に塗布、乾燥する。これによりセパレータと接着層を一体化できる。なお、正負極のいずれか一方に接着層を設ける場合、いずれでも本実施形態の効果は同じである。ただ、電極サイズが異なる場合には、サイズの大きい電極側(通常、負極側)に設けた方が、サイズの大きい電極と同じサイズのセパレータが熱収縮して、サイズの小さい電極よりも小さくなるまでは、対向する電極同士が接触しないため有利ともいえる。この接着層と一体化したセパレータを通常のセパレータと同様にして、正極、負極の間に挟み込んで、発電要素(電池積層体)21を形成する。その後、発電要素21の上下方向からホットプレス装置(図2、5参照)20でホットプレスすることで、接着層と一体化したセパレータの接着層18(接着部)の表面部分を軟化させて接着性をださせて電極とも接着させる。これにより、電極−セパレータ間を接着してなる接着層18を形成することができる。さらにホットプレスすることなく、接着層と一体化したセパレータを用いて形成した発電要素21を真空シールすることにより、セパレータと電極とを接着層を介して接してもよい。これにより、電極−セパレータ間を接着してなる接着層18を形成することもできる。或いは、予め電極(正極ないし負極)側に接着スラリーを塗布して接着層と一体化した電極を作製してもよい。その後は、同様にして発電要素21を形成し、ホットプレスすることで、電極−セパレータ間を接着してなる接着層18を形成することもできる。さらにホットプレスすることなく、接着層と一体化した電極を用いて形成した発電要素21を真空シールすることにより、セパレータと電極とを接着層を介して接してもよい。これにより、電極−セパレータ間を接着してなる接着層18を形成することもできる。 As shown in the examples, the adhesive layer is formed in advance by an adhesive slurry in which a resin material for forming the adhesive layer is dissolved in an appropriate solvent on the separator surface (the porosity of the adhesive layer can be adjusted by changing the concentration). Is applied to a desired thickness and shape (entire surface, stripe shape, dot shape, etc.) and dried. Thereby, a separator and an adhesive layer can be integrated. In addition, when providing an adhesive layer in any one of positive and negative electrodes, the effect of this embodiment is the same in any case. However, when the electrode sizes are different, the separator of the same size as the larger electrode is heat-shrinked and smaller than the smaller electrode when the electrode is provided on the larger electrode side (usually the negative electrode side). Up to this point, it can be said that the opposing electrodes do not contact each other, which is advantageous. A separator integrated with the adhesive layer is sandwiched between a positive electrode and a negative electrode in the same manner as a normal separator to form a power generation element (battery stack) 21. Thereafter, the surface of the adhesive layer 18 (adhesive portion) of the separator integrated with the adhesive layer is softened and bonded by hot pressing from the vertical direction of the power generating element 21 with a hot press device (see FIGS. 2 and 5) 20. Adhesive with the electrode. Thereby, the contact bonding layer 18 formed by bonding between the electrode and the separator can be formed. Furthermore, you may contact | connect a separator and an electrode through an adhesive layer by vacuum-sealing the electric power generation element 21 formed using the separator integrated with the adhesive layer, without hot-pressing. Thereby, the adhesive layer 18 formed by adhering between the electrode and the separator can also be formed. Or you may produce the electrode which apply | coated the adhesive slurry beforehand to the electrode (positive electrode or negative electrode) side, and was integrated with the contact bonding layer. Thereafter, the power generation element 21 is formed in the same manner, and the adhesive layer 18 formed by adhering between the electrode and the separator can be formed by hot pressing. Furthermore, the separator and the electrode may be brought into contact with each other through the adhesive layer by vacuum-sealing the power generating element 21 formed using the electrode integrated with the adhesive layer without performing hot pressing. Thereby, the adhesive layer 18 formed by adhering between the electrode and the separator can also be formed.
(5)集電板(集電タブ;外部リード)
リチウムイオン二次電池(積層構造電池)10においては、電池外部に電流を取り出す目的で、集電板(集電タブ)25、27を用いてもよい。集電板(集電タブ)25、26は、集電体11、12に電気的に接続され、外装材であるラミネートフィルム等の外部に取り出されている。
(5) Current collector (current collector tab; external lead)
In the lithium ion secondary battery (laminated structure battery) 10, current collecting plates (current collecting tabs) 25 and 27 may be used for the purpose of taking out current outside the battery. The current collector plates (current collector tabs) 25 and 26 are electrically connected to the current collectors 11 and 12 and are taken out to the outside such as a laminate film as an exterior material.
集電板25、27を構成する材料は、特に制限されず、リチウムイオン二次電池用の集電板として従来用いられている公知の高導電性材料が用いられうる。集電板の構成材料としては、例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金等の金属材料が好ましい。軽量、耐食性、高導電性の観点から、より好ましくはアルミニウム、銅であり、特に好ましくはアルミニウムである。なお、正極集電板(正極集電タブ)25と負極集電板(負極集電タブ)27とでは、同一の材料が用いられてもよいし、異なる材料が用いられてもよい。 The material constituting the current collecting plates 25 and 27 is not particularly limited, and a known highly conductive material conventionally used as a current collecting plate for a lithium ion secondary battery can be used. As a constituent material of the current collector plate, for example, metal materials such as aluminum, copper, titanium, nickel, stainless steel (SUS), and alloys thereof are preferable. From the viewpoint of light weight, corrosion resistance, and high conductivity, aluminum and copper are more preferable, and aluminum is particularly preferable. In addition, the same material may be used for the positive electrode current collecting plate (positive electrode current collecting tab) 25 and the negative electrode current collecting plate (negative electrode current collecting tab) 27, and different materials may be used.
(5a)電極(正極および負極)端子リード(内部リード)
図1に示す積層構造電池10においては、負極端子リードおよび正極端子リード(図示せず)をそれぞれ介して、集電体11、12は集電板(集電タブ)25、27と電気的に接続されていてもよい。但し。集電体11、12の一部を電極端子リード(内部リード)のように伸ばして、直接集電板(集電タブ)25、27と電気的に接続することもできる。したがって、電極端子リード(図示せず)は、必要に応じて適宜用いればよい、任意構成部材といえるものである。
(5a) Electrode (positive electrode and negative electrode) terminal lead (internal lead)
In the laminated battery 10 shown in FIG. 1, the current collectors 11 and 12 are electrically connected to current collector plates (current collecting tabs) 25 and 27 through a negative terminal lead and a positive terminal lead (not shown), respectively. It may be connected. However. A part of the current collectors 11 and 12 can be extended like electrode terminal leads (internal leads) and directly connected to current collector plates (current collection tabs) 25 and 27. Therefore, the electrode terminal lead (not shown) can be said to be an optional component that may be used as needed.
負極および正極端子リードの材料は、公知の積層型二次電池で用いられるリードを用いることができる。なお、電池外装材から取り出された部分は、周辺機器や配線などに接触して漏電したりして製品(例えば、自動車部品、特に電子機器等)に影響を与えないように、耐熱絶縁性の熱収縮チューブなどにより被覆するのが好ましい。 As a material for the negative electrode and the positive electrode terminal lead, a lead used in a known laminated secondary battery can be used. In addition, the parts removed from the battery exterior material should be heat-insulating so that they do not affect products (for example, automobile parts, especially electronic devices) by touching peripheral devices or wiring and causing leakage. It is preferable to coat with a heat shrinkable tube or the like.
(6)電池外装材
電池外装材としては、従来公知の金属缶ケースを用いることができる。そのほか、図1に示すようなラミネートフィルム29を外装材として用いて、発電要素21をパックしてもよい。ラミネートフィルムは、例えば、ポリプロピレン、アルミニウム、ナイロンがこの順に積層されてなる3層構造として構成されうる。このようなラミネートフィルムを用いることにより、外装材の開封、容量回復材の添加、外装材の再封止を容易に行うことができる。また、高出力化や冷却性能に優れ、EV、HEV用の大型機器用電池に好適に利用することができるという観点からもラミネートフィルム外装材が望ましい。
(6) Battery exterior material As a battery exterior material, a conventionally well-known metal can case can be used. In addition, the power generation element 21 may be packed using a laminate film 29 as shown in FIG. The laminate film can be configured as a three-layer structure in which, for example, polypropylene, aluminum, and nylon are laminated in this order. By using such a laminate film, it is possible to easily open the exterior material, add the capacity recovery material, and reseal the exterior material. In addition, a laminate film exterior material is also desirable from the viewpoint that it is excellent in high output and cooling performance and can be suitably used for a battery for large equipment for EV and HEV.
[リチウムイオン二次電池の外観構成]
図3は、積層構造電池の代表的な実施形態である扁平な積層型(積層構造)のリチウムイオン二次電池の外観を表した斜視図である。
[Appearance structure of lithium ion secondary battery]
FIG. 3 is a perspective view showing the appearance of a flat laminated (laminated structure) lithium ion secondary battery which is a typical embodiment of a laminated battery.
図3に示すように、扁平な積層型のリチウムイオン二次電池30では、長方形状の扁平な形状を有しており、その両側部からは電力を取り出すための正極集電タブ38、負極集電タブ39が引き出されている。発電要素37は、リチウムイオン二次電池30の電池外装材32によって包まれ、その周囲は熱融着されており、発電要素37は、正極集電タブ38および負極集電タブ39を外部に引き出した状態で密封されている。ここで、発電要素37は、先に説明した図1に示す積層型のリチウムイオン二次電池(積層構造電池)10の発電要素21に相当するものである。発電要素37は、正極、電解質層および負極で構成される単電池層(単セル)19が複数積層されたものである。 As shown in FIG. 3, the flat laminated lithium ion secondary battery 30 has a rectangular flat shape, and a positive current collecting tab 38 for taking out electric power from both sides thereof, a negative current collecting tab, and the like. The electric tab 39 is pulled out. The power generation element 37 is wrapped by the battery outer packaging material 32 of the lithium ion secondary battery 30 and the periphery thereof is heat-sealed. The power generation element 37 pulls out the positive electrode current collection tab 38 and the negative electrode current collection tab 39 to the outside. Sealed. Here, the power generation element 37 corresponds to the power generation element 21 of the stacked lithium ion secondary battery (stacked structure battery) 10 shown in FIG. 1 described above. The power generation element 37 is formed by laminating a plurality of single battery layers (single cells) 19 composed of a positive electrode, an electrolyte layer, and a negative electrode.
なお、上記リチウムイオン二次電池は、積層型の扁平な形状のものに制限されるものではない。巻回型のリチウムイオン二次電池では、円筒型形状のものであってもよいし、こうした円筒型形状のものを変形させて、長方形状の扁平な形状にしたようなものであってもよいなど、特に制限されるものではない。上記円筒型の形状のものでは、その外装材に、ラミネートフィルムを用いてもよいし、従来の円筒缶(金属缶)を用いてもよいなど、特に制限されるものではない。好ましくは、発電要素がアルミニウムラミネートフィルムで外装される。当該形態により、軽量化が達成されうる。 The lithium ion secondary battery is not limited to a stacked flat shape. The wound lithium ion secondary battery may have a cylindrical shape, or may have a shape that is a flattened rectangular shape by deforming such a cylindrical shape. There is no particular limitation. In the said cylindrical shape thing, a laminate film may be used for the exterior material, and the conventional cylindrical can (metal can) may be used, for example, It does not restrict | limit. Preferably, the power generation element is covered with an aluminum laminate film. With this configuration, weight reduction can be achieved.
また、図3に示す集電タブ38、39の取り出しに関しても、特に制限されるものではない。正極集電タブ38と負極集電タブ39とを同じ辺から引き出すようにしてもよいし、正極集電タブ38と負極集電タブ39をそれぞれ複数に分けて、各辺から取り出しようにしてもよいなど、図3に示すものに制限されるものではない。また、巻回型のリチウムイオン電池では、タブに変えて、例えば、円筒缶(金属缶)を利用して端子を形成すればよい。 Further, the removal of the current collecting tabs 38 and 39 shown in FIG. 3 is not particularly limited. The positive electrode current collecting tab 38 and the negative electrode current collecting tab 39 may be drawn out from the same side, or the positive electrode current collecting tab 38 and the negative electrode current collecting tab 39 may be divided into a plurality of parts and taken out from each side. It is not limited to the one shown in FIG. Further, in a wound type lithium ion battery, instead of a tab, for example, a terminal may be formed using a cylindrical can (metal can).
上記リチウムイオン二次電池(積層構造電池)10は、電気自動車やハイブリッド電気自動車や燃料電池車やハイブリッド燃料電池自動車などの大容量電源として、高体積エネルギー密度、高体積出力密度が求められる車両駆動用電源や補助電源に好適に利用することができる。 The lithium ion secondary battery (stacked structure battery) 10 is a vehicle drive that requires a high volume energy density and a high volume output density as a large-capacity power source for an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, a fuel cell vehicle, and a hybrid fuel cell vehicle. It can be suitably used as a power source or auxiliary power source.
なお、上記実施形態は、積層構造電池として、積層型のリチウムイオン二次電池を例示したが、これに制限されるわけではなく、他のタイプの二次電池、さらには、一次電池やキャパシタにも適用できる。 In addition, although the said embodiment illustrated the laminated type lithium ion secondary battery as a laminated structure battery, it is not necessarily restricted to this, For another type of secondary battery, Furthermore, to a primary battery and a capacitor. Is also applicable.
以上説明した本実施形態の非水電解質二次電池(積層構造電池)は、以下の効果を有する。 The nonaqueous electrolyte secondary battery (laminated structure battery) of the present embodiment described above has the following effects.
本実施形態の非水電解質二次電池(積層構造電池)10は、SEI形成用添加剤を含む負極スラリーを用いて形成された負極を有するため、当該負極ではSEIが均一に形成されている。SEIは抵抗成分となるため、均一に形成されている本発明の非水電解質二次電池(積層構造電池)では、容量低下が抑制され、長寿命化が図れる点で優れている(図11〜14と図7〜図10とを対比参照のこと)。 Since the nonaqueous electrolyte secondary battery (laminated structure battery) 10 of this embodiment has a negative electrode formed using a negative electrode slurry containing an additive for SEI formation, SEI is uniformly formed in the negative electrode. Since SEI becomes a resistance component, the nonaqueous electrolyte secondary battery (laminated structure battery) of the present invention that is uniformly formed is excellent in that the capacity reduction is suppressed and the life can be extended (FIGS. 11 to 11). 14 and FIG. 7 to FIG. 10).
[非水電解質二次電池の製造方法]
本発明の非水電解質二次電池の製造方法は、負極形成に用いる負極スラリーに、SEI形成用添加剤を含むことを特徴とするものである。好ましくは、電解液及び正極形成に用いる正極スラリーが、いずれもSEI形成用添加剤を含まないのが望ましい。
[Method for producing non-aqueous electrolyte secondary battery]
The method for producing a non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention is characterized in that the negative electrode slurry used for forming the negative electrode contains an additive for SEI formation. Preferably, it is desirable that neither the electrolyte solution nor the positive electrode slurry used for positive electrode formation contains an additive for SEI formation.
図4は、本発明の製造方法の工程フローを表す図面である。図4に示すように、本発明の製造方法は、正極スラリーを用いた正極形成工程[I]と、負極スラリーを用いた負極形成工程[II]と、前記形成工程で得られた正極、負極と、セパレータとを積層して積層体を形成する工程[III]と、前記積層体に電解液を注液する工程[IV]とを含むものである。そして、前記負極スラリーにSEI形成用添加剤を含むことを特徴とする。好ましくは、前記電解液及び前記正極スラリーが、いずれもSEI形成用添加剤を含まないのが望ましい。かかる構成を有する本発明の製造方法及びこれにより得られた電池では、上記した発明の作用効果を奏することができるものである。以下、図4に示す各工程ごとに説明する。 FIG. 4 is a drawing showing the process flow of the manufacturing method of the present invention. As shown in FIG. 4, the production method of the present invention includes a positive electrode forming step [I] using a positive electrode slurry, a negative electrode forming step [II] using a negative electrode slurry, and a positive electrode and a negative electrode obtained in the forming step. And a step [III] of laminating a separator to form a laminate, and a step [IV] of injecting an electrolyte into the laminate. The negative electrode slurry contains an additive for forming SEI. Preferably, neither the electrolyte solution nor the positive electrode slurry contains an additive for forming SEI. With the manufacturing method of the present invention having such a configuration and the battery obtained thereby, the operational effects of the above-described invention can be achieved. Hereinafter, each step shown in FIG. 4 will be described.
[I]正極形成工程
正極スラリーを用いた正極形成工程[I]は、特に制限されるものではなく従来公知の方法を適用することができる。以下、正極形成工程[I]につき説明する。
[I] Positive Electrode Formation Step The positive electrode formation step [I] using the positive electrode slurry is not particularly limited, and a conventionally known method can be applied. Hereinafter, the positive electrode forming step [I] will be described.
正極形成工程[I]としては、としては、特に制限されるものではなく、量産化(生産効率)の観点からは下記の工程手順(1)〜(3)で行うのがよいが、必ずしも、かかる工程手順に何ら制限されるものではない。まず、(1)正極スラリーを調製する(正極スラリー調製工程)。(2)次に、得られた正極スラリーを、集電体の表面に正極スラリーを塗布、乾燥、ロールプレスを行い、正極原反を作製する(正極原反作製工程)を行う。(3)上記で得られた正極原反を、裁断手段を用いて所望の形状、大きさにカットし、乾燥を経て正極を得る(正極作製工程)。 The positive electrode forming step [I] is not particularly limited, and may be performed by the following steps (1) to (3) from the viewpoint of mass production (production efficiency). The process procedure is not limited at all. First, (1) a positive electrode slurry is prepared (positive electrode slurry preparation step). (2) Next, apply the positive electrode slurry to the surface of the current collector, dry, and roll press the resulting positive electrode slurry to produce a positive electrode raw material (positive electrode raw material preparation step). (3) The positive electrode raw material obtained above is cut into a desired shape and size using a cutting means, and dried to obtain a positive electrode (positive electrode manufacturing step).
(1)正極スラリー調製工程(図4の「スラリー作製」工程1a)
(正極スラリーの調製方法)
本工程は、正極スラリーを調製することできればよく、特に制限されるものではなく従来公知の方法を適用することができる。詳しくは、正極活物質、導電助剤にバインダを溶かしたスラリー粘度調整溶媒(NMP等)を加えながら混合し、更に該溶媒を加え混合し粘度調整して作製される。即ち、正極スラリーはホモジナイザーまたは混練装置などを用いてスラリー粘度調整溶媒および固形分よりスラリー化(インク化)される。
(1) Positive electrode slurry preparation step (“slurry production” step 1a in FIG. 4)
(Method for preparing positive electrode slurry)
This step is not particularly limited as long as a positive electrode slurry can be prepared, and conventionally known methods can be applied. Specifically, the slurry is prepared by adding a slurry viscosity adjusting solvent (NMP or the like) in which a binder is dissolved in a positive electrode active material and a conductive additive, and further adding and mixing the solvent to adjust the viscosity. That is, the positive electrode slurry is slurried (inked) from the slurry viscosity adjusting solvent and the solid content using a homogenizer or a kneader.
(正極スラリーの組成)
こうして得られた正極スラリーは、正極活物質を含む溶液である。他成分として、導電助剤、バインダ、重合開始剤、電解質の原料(固体電解質用高分子ないしホストポリマー、電解液など)、支持塩(リチウム塩)およびスラリー粘度調整溶媒などが任意で含まれる。すなわち、正極スラリーは、溶液系のリチウムイオン電池と同様に、正極活物質のほか、導電助剤、電解質の原料、支持塩(リチウム塩)、スラリー粘度調整溶媒、重合開始剤等を任意で含む材料を所定の比率で混合して作製することができる。
(Composition of positive electrode slurry)
The positive electrode slurry thus obtained is a solution containing a positive electrode active material. As other components, a conductive additive, a binder, a polymerization initiator, an electrolyte raw material (polymer or host polymer for solid electrolyte, electrolyte, etc.), a supporting salt (lithium salt), a slurry viscosity adjusting solvent, and the like are optionally included. That is, the positive electrode slurry optionally includes, in addition to the positive electrode active material, a conductive additive, an electrolyte raw material, a supporting salt (lithium salt), a slurry viscosity adjusting solvent, a polymerization initiator, and the like, in the same manner as a solution-type lithium ion battery. It can be produced by mixing the materials at a predetermined ratio.
更に本発明では、正極スラリーが、SEI形成用添加剤を含まないのが望ましい。これにより、従来の電解液にSEI形成用添加剤を添加した時と同様に、電極内側の集電体近傍の負極活物質表面と電極(活物質層)外側近傍の負極活物質表面に形成されるSEIの厚さ等が異なるという課題を解消することに大いに寄与し得るものである。また、初回充電工程の目的の1つとしてSEIの形成がある。正極側にSEI形成用添加剤があると、従来の電解液にSEI形成用添加剤を添加した時と同様に、複雑なプロセスをたどるため、初回充電時間が長くなり品質バラツキが発生するという課題を解消することにも大いに寄与し得るものである。 Furthermore, in the present invention, it is desirable that the positive electrode slurry does not contain an additive for forming SEI. As a result, in the same manner as when the SEI forming additive is added to the conventional electrolyte, it is formed on the surface of the negative electrode active material near the current collector inside the electrode and the surface of the negative electrode active material near the outside of the electrode (active material layer). This can greatly contribute to solving the problem that the thickness of SEI differs. One purpose of the initial charging process is the formation of SEI. When there is an SEI formation additive on the positive electrode side, the same process as when adding an SEI formation additive to a conventional electrolyte solution follows a complicated process. It can greatly contribute to eliminating the problem.
電解質層に高分子ゲル電解質を用いる場合には、上記正極スラリーには、正極活物質の他に、正極活物質微粒子同士を結びつける従来公知のバインダ、電子伝導性を高めるための導電助剤、溶媒などが含まれていればよい。よって、高分子ゲル電解質の原料のホストポリマー、電解液やリチウム塩などは含まれていなくても良い。電解質層に電解液を含浸させたセパレータを用いる場合も同様である。 When a polymer gel electrolyte is used for the electrolyte layer, the positive electrode slurry includes, in addition to the positive electrode active material, a conventionally known binder that binds the positive electrode active material fine particles to each other, a conductive auxiliary agent for increasing electronic conductivity, and a solvent. Etc. should be included. Therefore, the host polymer, electrolyte solution, lithium salt, and the like, which are raw materials for the polymer gel electrolyte, may not be included. The same applies when a separator having an electrolyte layer impregnated with an electrolyte is used.
(正極スラリーに含まれる固形分(正極活物質層の構成成分))
ここで、正極活物質、導電助剤及びバインダ等の正極スラリー中の固形分(正極活物質層の構成成分)については既に説明した通りである。これらの固形分の各成分の量も、正極活物質層の構成比率(各成分の含有量)となるようにそれぞれ配合すればよい。
(Solid content contained in positive electrode slurry (component of positive electrode active material layer))
Here, the solid content (components of the positive electrode active material layer) in the positive electrode slurry such as the positive electrode active material, the conductive additive and the binder is as described above. What is necessary is just to mix | blend the quantity of each component of these solid content, respectively so that it may become the structure ratio (content of each component) of a positive electrode active material layer.
正極スラリーに含まれる電解質の高分子原料(高分子ゲル電解質の原料のホストポリマーないし高分子固体電解質の高分子原料)は、PEO、PPO、これらの共重合体などが挙げられ、分子内に架橋性の官能基(炭素−炭素二重結合など)を有することが好ましい。この架橋性の官能基を用いて高分子電解質を架橋することによって、機械的強度が向上する。 Examples of the polymer material of the electrolyte contained in the positive electrode slurry (host polymer of polymer gel electrolyte or polymer material of polymer solid electrolyte) include PEO, PPO, and copolymers thereof, and is crosslinked within the molecule. It is preferable to have a functional group (such as a carbon-carbon double bond). By cross-linking the polymer electrolyte using this cross-linkable functional group, the mechanical strength is improved.
重合開始剤は、重合させる化合物に応じて選択する必要がある。例えば、光重合開始剤としてベンジルジメチルケタール、熱重合開始剤としてアゾビスイソブチロニトリルが挙げられる。重合開始剤の添加量は、電解質の高分子原料に含まれる架橋性官能基の数に応じて決定される。通常は高分子原料に対して0.01〜1質量%程度である。 The polymerization initiator needs to be selected according to the compound to be polymerized. For example, benzyl dimethyl ketal is used as the photopolymerization initiator, and azobisisobutyronitrile is used as the thermal polymerization initiator. The addition amount of the polymerization initiator is determined according to the number of crosslinkable functional groups contained in the polymer material of the electrolyte. Usually, it is about 0.01-1 mass% with respect to a polymeric raw material.
(正極スラリーに含まれるスラリー粘度調整溶媒)
スラリー粘度調整溶媒としては、特に制限されることはないが、例えば、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルホルムアミドなどが挙げられる。
(Slurry viscosity adjusting solvent contained in positive electrode slurry)
The slurry viscosity adjusting solvent is not particularly limited, and examples thereof include N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylformamide, dimethylacetamide, and methylformamide.
(正極スラリーの粘度)
正極スラリーの粘度を特に気にする必要なく、広い粘度範囲において適用可能である。ここで、正極スラリーの粘度としては、好ましくは500〜10000mPa・s、より好ましくは800〜9000mPa・s、さらに好ましくは1000〜8000mPa・sである。正極スラリーの粘度が500mPa・s以上であれば、塗工機(コータなど)を用いて、搬送される集電箔上に正極スラリーを所定の厚さに均一に塗布することができる。その結果得られる正極では、均一で平坦な表面を有する正極活物質層を形成することができる。正極スラリーの粘度が100000mPa・s以下であれば、塗工機(コータなど)を用いて、搬送される集電箔上に正極スラリーを所定の厚さに均一に塗工することができ、その後の乾燥を短時間で行うことができる。その結果得られる正極では、均一で平坦な表面を有する正極活物質層を形成することができる。
(Viscosity of positive electrode slurry)
It is not necessary to be particularly concerned about the viscosity of the positive electrode slurry, and can be applied in a wide viscosity range. Here, the viscosity of the positive electrode slurry is preferably 500 to 10000 mPa · s, more preferably 800 to 9000 mPa · s, and still more preferably 1000 to 8000 mPa · s. When the viscosity of the positive electrode slurry is 500 mPa · s or more, the positive electrode slurry can be uniformly applied to a predetermined thickness on the current collector foil to be conveyed using a coating machine (coater or the like). In the positive electrode obtained as a result, a positive electrode active material layer having a uniform and flat surface can be formed. If the viscosity of the positive electrode slurry is 100000 mPa · s or less, the positive electrode slurry can be uniformly applied to a predetermined thickness on the current collector foil conveyed using a coating machine (coater, etc.), and then Can be dried in a short time. In the positive electrode obtained as a result, a positive electrode active material layer having a uniform and flat surface can be formed.
(2)正極原反作製工程(図4の「塗布・乾燥」工程1b+「プレス」工程1c)
本工程は、得られた正極スラリーを、集電体の表面に塗布、乾燥、プレスを行い、正極原反を作製することできればよく、特に制限されるものではなく従来公知の方法を適用することができる。
(2) Positive electrode fabric preparation process (“application / drying” process 1b + “press” process 1c in FIG. 4)
This step is not particularly limited as long as the obtained positive electrode slurry can be applied to the surface of the current collector, dried and pressed to produce the positive electrode raw material, and a conventionally known method is applied. Can do.
(集電体;正極集電箔)
集電体については既に説明した通りである。なお、正極原反の作製に用いる場合には、従来公知の製造方法と同様に、金属薄膜(集電体に使用する材料及び厚さからなる金属箔、例えば、厚さ20μmのアルミニウム箔)をロールで購入し正極集電箔として使用するのが望ましい。
(Current collector; positive electrode current collector foil)
The current collector is as described above. In addition, when using it for preparation of a positive electrode raw material, similarly to a conventionally well-known manufacturing method, the metal thin film (The metal foil which consists of the material used for a collector and thickness, for example, 20-micrometer-thick aluminum foil). It is desirable to purchase it as a roll and use it as a positive electrode current collector foil.
(スラリー塗布)
巻出しローラーに取り付けられた上記正極集電箔から巻き出しながら連続搬送される集電体の表面への正極スラリーの塗布方法としては、特に制限されるものではなく従来公知の方法を適用することができる。例えば、連続搬送される集電体上に正極スラリーを連続塗工可能な方法として、例えば、コータを用いた塗布方法、インクジェット工法やスクリーン印刷塗布工法などのパターニング塗布工法などを用いることができる。なお、スラリー塗布では、概ね目付けないし塗布質量の精度が部分ごとで(どの部分をとっても)±5質量%程度の範囲内になるように均一に塗布されているのが望ましい。
(Slurry application)
The method of applying the positive electrode slurry to the surface of the current collector that is continuously conveyed while being unwound from the positive electrode current collector foil attached to the unwinding roller is not particularly limited, and a conventionally known method is applied. Can do. For example, a coating method using a coater, a patterning coating method such as an ink jet method or a screen printing coating method can be used as a method capable of continuously coating the positive electrode slurry on the continuously conveyed current collector. In the slurry application, it is desirable that the coating is generally performed so that the basis weight or the accuracy of the application mass is within a range of about ± 5% by mass (any part).
(搬送手段)
上記集電箔の搬送手段としては、従来公知の搬送手段を用いることができるものである。例えば、巻出しロールから巻取りロールの間を走行する集電箔の安定に搬送できるように、一定間隔をあけて設けられるガイドロール等を用いることができるが、これらに何ら制限されるものではない。ガイドロールに関しては、集電箔、更には該集電箔上に正極スラリーを塗布した状態で、塗工機(コータ)、乾燥装置(乾燥炉)、更にはロールプレス装置を通過させ、搬送するために設けられている。そのため、上記した各種装置周辺又は内部を通過、搬送させるために必要な個所に適当数を適宜配置されてなるものである。即ち、ガイドロール以外にも、図示していないだけで、従来公知の各種搬送手段が適宜利用されてなるものである。こうした搬送手段を用いることで、設備コストを抑えつつ製造速度を高速にすることができ、コスト低減を図りながら正極活物質層を製造できる。
(Conveying means)
As the current collector foil conveying means, a conventionally known conveying means can be used. For example, it is possible to use a guide roll or the like provided at regular intervals so that the current collector foil traveling between the winding roll and the winding roll can be stably conveyed. Absent. With respect to the guide roll, the current collector foil and further the positive electrode slurry applied on the current collector foil are passed through a coating machine (coater), a drying device (drying furnace), and further a roll press device and conveyed. It is provided for. For this reason, an appropriate number is appropriately arranged at the locations necessary for passing and transporting around and inside the various devices described above. In other words, other than the guide rolls, various well-known conveying means are appropriately used, not shown. By using such a conveying means, the manufacturing speed can be increased while suppressing the equipment cost, and the positive electrode active material layer can be manufactured while reducing the cost.
(乾燥;スラリー粘度調整溶媒の除去)
次に、正極スラリー塗膜が形成された集電体を乾燥して、スラリー塗膜中に含まれるスラリー粘度調整溶媒を除去する。乾燥の条件としては特に制限されるものではなく従来公知の製造方法を適用することができる。具体的に、乾燥の条件は、塗布された正極スラリーに応じて決定され、一義的に規定できないが、通常は40〜150℃、好ましくは80〜130℃で、5分〜20時間である。乾燥雰囲気も特に制限されるものではなく、生産コストの観点から、大気雰囲気で行うのが望ましいが、これに制限されるものではない。乾燥手段(装置)は、通常の連続乾燥が可能な、熱風乾燥、赤外線(IR)乾燥を用いた乾燥手段を使用することができるほか、真空乾燥を用いた乾燥手段を使用することもできる。また熱風乾燥とIR乾燥を併用した乾燥手段を使用してもよい。
(Drying; Removal of slurry viscosity adjusting solvent)
Next, the current collector on which the positive electrode slurry coating film is formed is dried, and the slurry viscosity adjusting solvent contained in the slurry coating film is removed. The drying conditions are not particularly limited, and conventionally known production methods can be applied. Specifically, the drying conditions are determined according to the applied positive electrode slurry and cannot be uniquely defined, but are usually 40 to 150 ° C., preferably 80 to 130 ° C., and 5 minutes to 20 hours. The drying atmosphere is not particularly limited, and is preferably performed in an air atmosphere from the viewpoint of production cost, but is not limited thereto. As the drying means (apparatus), a drying means using hot air drying and infrared (IR) drying capable of normal continuous drying can be used, and a drying means using vacuum drying can also be used. Moreover, you may use the drying means which used hot air drying and IR drying together.
上記塗布、乾燥は、集電体の表面(A面)で行った後、集電体のもう一方の表面(B面)につき、同様の塗布、乾燥を行うことで、集電体の両面に乾燥塗膜を形成することができる。なお、上記塗布、乾燥をA面とB面の両面同時に行ってもよい。上記塗布、乾燥をA面とB面の両面同時に行う場合には、下面側のスラリーが垂れるのを防止する観点から、集電体の搬送方向を水平方向から垂直方向(上から下に向かう方式、あるいは下から上に向かう方式)にして行ってもよい。この場合には、搬送装置、塗布(塗工)装置、乾燥装置等を横置きから縦置き(或いは縦置きから横置き)に設置して行えばよい。また、双極型電極の場合には、A面(またはB面)に上記正極スラリーを用いて乾燥塗膜(正極活物質層)を形成し、B面(またはA面)に後述する負極スラリーを用いて乾燥塗膜(負極活物質層)を形成してもよい。この場合にも、上記塗布、乾燥をA面、B面の順に行ってもよいし、上記塗布、乾燥をA面とB面の両面同時に行ってもよい。 The above application and drying are performed on the current collector surface (A surface), and then the other surface (B surface) of the current collector is applied and dried in the same manner on both surfaces of the current collector. A dry coating film can be formed. In addition, you may perform the said application | coating and drying simultaneously for both A surface and B surface. In the case where the application and drying are performed simultaneously on both the A side and the B side, from the viewpoint of preventing the slurry on the lower side from dripping, the current carrying direction of the current collector is changed from the horizontal direction to the vertical direction (from top to bottom). Alternatively, the method may be performed from the bottom to the top). In this case, a conveying device, a coating (coating) device, a drying device, and the like may be installed from horizontal to vertical (or from vertical to horizontal). In the case of a bipolar electrode, a dry coating film (positive electrode active material layer) is formed on the A surface (or B surface) using the positive electrode slurry, and a negative electrode slurry described later is formed on the B surface (or A surface). It may be used to form a dry coating film (negative electrode active material layer). Also in this case, the application and drying may be performed in the order of the A surface and the B surface, or the application and drying may be performed simultaneously on both the A surface and the B surface.
(乾燥塗膜のプレス)
次に、スラリー塗膜を乾燥した後の乾燥塗膜を有する集電体をプレスして、スラリー乾燥塗膜(正極活物質層)が目標密度になるように調整することで、正極原反を得る。
(Dry coating press)
Next, by pressing the current collector having the dried coating film after drying the slurry coating film and adjusting the slurry dried coating film (positive electrode active material layer) to have a target density, obtain.
プレスの条件としては、特に制限されるものではなく従来公知の製造方法を適用することができる。具体的に、両面に乾燥塗膜を有する集電体を連続搬送しながらロールプレスにより、スラリー乾燥塗膜(正極活物質層)が目標密度0.90〜1.10g/cm3の範囲になるように調整するのが望ましい。但し、本発明では上記目標密度の範囲に何ら制限されるものではなく、電池の使用目的(出力重視、エネルギー重視など)、イオン伝導性等を考慮して適宜決定すればよい。また、プレス方式は、冷間プレス、熱間プレスのどちらでもよい。 The press conditions are not particularly limited, and conventionally known production methods can be applied. Specifically, the slurry dry coating film (positive electrode active material layer) falls within the target density range of 0.90 to 1.10 g / cm 3 by roll pressing while continuously transporting the current collector having the dry coating film on both sides. It is desirable to adjust as follows. However, the present invention is not limited to the above target density range, and may be appropriately determined in consideration of the purpose of use of the battery (output importance, energy importance, etc.), ion conductivity, and the like. The press method may be either a cold press or a hot press.
尚、乾燥塗膜を有する集電体は、通常、連続搬送しながらロールプレスされた後、巻き取りローラーに巻きとることで、ロール状の正極原反として得ることができる。好ましくは、巻き取りローラーで巻き取ることなく、上記プレス後、搬送される正極原反(乾燥塗膜を有する集電体)を以下の裁断手段によりカットするようにしてもよい。 In addition, the collector which has a dry coating film can be normally obtained as a roll-form positive electrode raw material by roll-rolling, carrying continuously, and winding on a winding roller. Preferably, the positive electrode fabric (current collector having a dried coating film) to be conveyed after the pressing may be cut by the following cutting means without being wound by a winding roller.
(3)正極作製工程(図4の「スリット」工程1d)
本工程では、上記で得られた正極原反を、裁断手段を用いて所望の形状、大きさにカット(裁断)し、乾燥を経て正極を得る。
(3) Positive electrode manufacturing step (“slit” step 1d in FIG. 4)
In this step, the positive electrode fabric obtained above is cut (cut) into a desired shape and size using a cutting means, and dried to obtain a positive electrode.
(正極原反のカット(裁断))
上記で得られた正極原反を、適当な裁断手段を用いて所望の形状、大きさにカットする方法としては、特に制限されるものではなく従来公知の製造方法を適用することができる。具体的に、上記で得られた、巻き取りローラーによりロール状に巻き取られた正極原反を、再度、巻出しローラーに取り付けて、正極原反を巻出しなからスリッター等の裁断手段を用いて、所望の形状、大きさ、詳しくは目的の電極サイズに合わせて矩形形状にカットすればよい。なお、裁断手段は上記スリッター等に何ら制限されるものではなく、従来公知の裁断手段を適宜利用することができる。好ましくは、巻き取りローラーで巻き取ることなく、上記プレス工程後、搬送される正極原反(乾燥塗膜を有する集電体)に対して、スリッター等の裁断手段を用いて目的の電極サイズに合わせて矩形形状等にカットするのが工数を削減できる点で望ましい。
(Cut positive electrode fabric (cutting))
The method for cutting the positive electrode raw material obtained above into a desired shape and size using an appropriate cutting means is not particularly limited, and a conventionally known production method can be applied. Specifically, the positive electrode raw material wound up in a roll shape by the take-up roller obtained above is attached again to the unwinding roller, and the positive electrode raw material is not unwound, so a cutting means such as a slitter is used. Then, it may be cut into a rectangular shape in accordance with the desired shape and size, specifically, the target electrode size. The cutting means is not limited to the slitter and the like, and conventionally known cutting means can be used as appropriate. Preferably, the positive electrode fabric (current collector having a dried coating film) conveyed after the pressing step without being wound by a take-up roller is made to have a desired electrode size using a cutting means such as a slitter. In addition, it is desirable to cut it into a rectangular shape or the like in terms of reducing the man-hours.
(乾燥;付着水分の除去)
次に、カットされた正極を乾燥して、上記(2)の正極原反作製工程の乾燥で付着した水分を除去する。乾燥の条件としては特に制限されるものではなく従来公知の製造方法を適用することができる。具体的に、乾燥の条件は、正極サイズなどに応じて決定され、一義的に規定できないが、通常は真空乾燥機を用いて、70℃以上で、7時間以上で乾燥を行う。乾燥雰囲気も特に制限されるものではないが、不活性ガス(窒素ガス)で置換した後、減圧して真空乾燥を行うのが望ましいが、これに制限されるものではない。乾燥手段(装置)は、真空乾燥装置を用いた乾燥手段を使用することもできる。また真空乾燥とIR乾燥を併用した乾燥手段を使用してもよい。上記乾燥を経て、所望の目標密度、サイズ、形状を有する正極を得ることができる。
(Drying; removal of adhering water)
Next, the cut positive electrode is dried to remove moisture adhering to the drying in the positive electrode raw material preparation step (2). The drying conditions are not particularly limited, and conventionally known production methods can be applied. Specifically, the drying conditions are determined according to the size of the positive electrode and cannot be uniquely defined. Usually, however, drying is performed at 70 ° C. or higher for 7 hours or longer using a vacuum dryer. The drying atmosphere is not particularly limited, but it is desirable to perform vacuum drying under reduced pressure after substitution with an inert gas (nitrogen gas), but is not limited thereto. As the drying means (apparatus), a drying means using a vacuum drying apparatus can also be used. Moreover, you may use the drying means which used vacuum drying and IR drying together. Through the drying, a positive electrode having a desired target density, size, and shape can be obtained.
[II]負極形成工程
本発明では、負極形成に用いる負極スラリーに、SEI形成用添加剤を含むことを特徴とするものである。当該負極スラリーを用いた負極形成工程[II]は、特に制限されるものではなく従来公知の方法を適用することができる。以下、負極形成工程[II]につき説明する。
[II] Negative electrode forming step The present invention is characterized in that the negative electrode slurry used for forming the negative electrode contains an additive for SEI formation. The negative electrode forming step [II] using the negative electrode slurry is not particularly limited, and a conventionally known method can be applied. Hereinafter, the negative electrode forming step [II] will be described.
負極形成工程[II]としては、特に制限されるものではなく、量産化(生産効率)の観点からは下記の工程手順(1)〜(3)で行うのがよいが、必ずしも、かかる工程手順に何ら制限されるものではない。まず、(1)負極スラリーを調製する(負極スラリー調製工程)。(2)次に、得られた負極スラリーを、集電体の表面に負極スラリーを塗布、乾燥、プレスを行い、負極原反を作製する(負極原反作製工程)を行う。(3)上記で得られた負極原反を、裁断手段を用いて所望の形状、大きさにカットし、乾燥を経て負極を得る(負極作製工程)。 The negative electrode formation step [II] is not particularly limited, and may be carried out by the following step procedures (1) to (3) from the viewpoint of mass production (production efficiency), but is not necessarily performed. There is no limit to this. First, (1) a negative electrode slurry is prepared (negative electrode slurry preparation step). (2) Next, the obtained negative electrode slurry is coated with the negative electrode slurry on the surface of the current collector, dried and pressed to produce a negative electrode original fabric (negative electrode original fabric production step). (3) The negative electrode raw material obtained above is cut into a desired shape and size using a cutting means, and dried to obtain a negative electrode (negative electrode preparation step).
(1)負極スラリー調製工程(図4の「スラリー作製」工程2a)
(負極スラリーの調製方法)
本工程は、上記したように本発明の特徴であるSEI形成用添加剤を含む負極スラリーを調製することできればよく従来公知の調製方法を適宜適用することができる。詳しくは、負極活物質、導電助剤、SEI形成用添加剤にバインダを溶かしたスラリー粘度調整溶媒(NMP等)を加えながら混合し、更に該溶媒を加え混合し粘度調整して作製される。図5Aは、スラリー作製装置の概要を模式的に表した図面である。図5Bは、図5のスラリー作製装置を用いた負極スラリーの調製方法を模式的に表した図面であり、図5Cは図5Bにより得られたスラリー中の負極活物質の様子を模式的に表した図面である。図5A、Bに示すように、スラリー作製装置51の容器52内部に、正極活物質(粉末)、導電助剤(粉末)、SEI形成用添加剤(粉末)を入れ、バインダを溶かしたスラリー粘度調整溶媒(NMP等)を加えながら、容器蓋53に備えられた撹拌手段54を用いて混合(分散・撹拌)し、更に該溶媒を加え混合し粘度調整して作製される。なお、正極スラリーは、図5に示すスラリー作製装置51の他にもホモジナイザーまたは混練装置などを用いてスラリー粘度調整溶媒および固形分より負極スラリーを調製してもよい。得られた負極スラリーでは、図5Cに示すように、負極活物質(粒子)55表面にスラリー粘度調整溶媒(NMP等)に溶解ないし分散したSEI形成用添加剤56が被覆ないし付着している。なお、SEI形成用添加剤は、その後の乾燥により負極活物質(粒子)55表面に溶解ないし分散分散した状態で被覆ないし付着される(図11A、図12参照)。
(1) Negative electrode slurry preparation step (“slurry preparation” step 2a in FIG. 4)
(Method for preparing negative electrode slurry)
As long as this process can prepare the negative electrode slurry containing the additive for SEI formation which is the characteristic of this invention as mentioned above, a conventionally well-known preparation method can be applied suitably. Specifically, the negative electrode active material, the conductive additive, and the SEI forming additive are mixed while adding a slurry viscosity adjusting solvent (NMP or the like) in which a binder is dissolved, and the solvent is further added and mixed to adjust the viscosity. FIG. 5A is a drawing schematically showing an outline of a slurry preparation apparatus. FIG. 5B is a drawing schematically showing a method for preparing a negative electrode slurry using the slurry preparing apparatus of FIG. 5, and FIG. 5C schematically shows a state of the negative electrode active material in the slurry obtained from FIG. 5B. It is the drawing. As shown in FIGS. 5A and 5B, a slurry viscosity in which a positive electrode active material (powder), a conductive auxiliary agent (powder), and an additive for SEI formation (powder) are placed in a container 52 of a slurry preparation apparatus 51 and a binder is dissolved. It is prepared by mixing (dispersing / stirring) using the stirring means 54 provided in the container lid 53 while adding the adjusting solvent (NMP or the like), further adding the solvent, mixing and adjusting the viscosity. As the positive electrode slurry, a negative electrode slurry may be prepared from the slurry viscosity adjusting solvent and the solid content using a homogenizer or a kneading apparatus in addition to the slurry preparation apparatus 51 shown in FIG. In the obtained negative electrode slurry, as shown in FIG. 5C, the SEI forming additive 56 dissolved or dispersed in the slurry viscosity adjusting solvent (NMP or the like) is coated or adhered on the surface of the negative electrode active material (particles) 55. The SEI forming additive is coated or adhered to the surface of the negative electrode active material (particles) 55 in a dissolved or dispersed state by subsequent drying (see FIGS. 11A and 12).
(負極スラリーの組成)
こうして得られた負極スラリーは、少なくとも正極活物質とSEI形成用添加剤とを含む溶液である。他成分として、導電助剤、バインダ、重合開始剤、電解質の原料(固体電解質用高分子ないしホストポリマー、電解液など)、支持塩(リチウム塩)およびスラリー粘度調整溶媒などが任意で含まれる。すなわち、負極スラリーは、本発明の特徴であるSEI形成用添加剤を含む以外は、溶液系のリチウムイオン電池と同様に、負極活物質のほか、導電助剤、電解質の原料、支持塩(リチウム塩)、スラリー粘度調整溶媒、重合開始剤等を任意で含む材料を所定の比率で混合して作製することができる。
(Composition of negative electrode slurry)
The negative electrode slurry thus obtained is a solution containing at least a positive electrode active material and an additive for SEI formation. As other components, a conductive additive, a binder, a polymerization initiator, an electrolyte raw material (polymer or host polymer for solid electrolyte, electrolyte, etc.), a supporting salt (lithium salt), a slurry viscosity adjusting solvent, and the like are optionally included. That is, the negative electrode slurry is the same as the solution type lithium ion battery except that it contains the SEI forming additive, which is a feature of the present invention, in addition to the negative electrode active material, the conductive additive, the electrolyte raw material, the supporting salt (lithium Salt), a slurry viscosity adjusting solvent, a polymerization initiator, and the like.
電解質層に高分子ゲル電解質を用いる場合には、上記負極スラリーには、負極活物質及びSEI形成用添加剤の他に、負極活物質微粒子同士を結びつける従来公知のバインダ、電子伝導性を高めるための導電助剤、溶媒などが含まれていればよい。よって、高分子ゲル電解質の原料のホストポリマー、電解液やリチウム塩などは含まれていなくても良い。電解質層に電解液を含浸させたセパレータを用いる場合も同様である。 In the case where a polymer gel electrolyte is used for the electrolyte layer, the negative electrode slurry includes a conventionally known binder that binds the negative electrode active material fine particles in addition to the negative electrode active material and the SEI forming additive, in order to increase electronic conductivity. The conductive auxiliary agent, the solvent and the like may be included. Therefore, the host polymer, electrolyte solution, lithium salt, and the like, which are raw materials for the polymer gel electrolyte, may not be included. The same applies when a separator having an electrolyte layer impregnated with an electrolyte is used.
(負極スラリーに含まれる固形分(正極活物質層の構成成分))
ここで、負極活物質、導電助剤及びバインダ等の負極スラリー中の固形分(負極活物質層の構成成分)については既に説明した通りである。これらの固形分の各成分の量も、負極活物質層の構成比率(各成分の含有量)となるようにそれぞれ配合すればよい。
(Solid content in negative electrode slurry (component of positive electrode active material layer))
Here, the solid content (components of the negative electrode active material layer) in the negative electrode slurry such as the negative electrode active material, the conductive additive, and the binder is as described above. What is necessary is just to mix | blend the quantity of each component of these solid content, respectively so that it may become the structure ratio (content of each component) of a negative electrode active material layer.
負極スラリーに含まれる電解質の高分子原料(高分子ゲル電解質の原料のホストポリマーないし高分子固体電解質の高分子原料)は、PEO、PPO、これらの共重合体などが挙げられ、分子内に架橋性の官能基(炭素−炭素二重結合など)を有することが好ましい。この架橋性の官能基を用いて高分子電解質を架橋することによって、機械的強度が向上する。 Examples of the polymer material of the electrolyte contained in the negative electrode slurry (host polymer of polymer gel electrolyte or polymer material of solid polymer electrolyte) include PEO, PPO, and copolymers thereof, and is crosslinked within the molecule. It is preferable to have a functional group (such as a carbon-carbon double bond). By cross-linking the polymer electrolyte using this cross-linkable functional group, the mechanical strength is improved.
重合開始剤は、重合させる化合物に応じて選択する必要がある。例えば、光重合開始剤としてベンジルジメチルケタール、熱重合開始剤としてアゾビスイソブチロニトリルが挙げられる。重合開始剤の添加量は、電解質の高分子原料に含まれる架橋性官能基の数に応じて決定される。通常は高分子原料に対して0.01〜1質量%程度である。 The polymerization initiator needs to be selected according to the compound to be polymerized. For example, benzyl dimethyl ketal is used as the photopolymerization initiator, and azobisisobutyronitrile is used as the thermal polymerization initiator. The addition amount of the polymerization initiator is determined according to the number of crosslinkable functional groups contained in the polymer material of the electrolyte. Usually, it is about 0.01-1 mass% with respect to a polymeric raw material.
(負極スラリーに含まれるSEI形成用添加剤)
本発明の製造方法は、負極形成に用いる負極スラリーに、SEI形成用添加剤を含むことを特徴とするものである。これにより、電極内側の負極集電体近傍の負極活物質表面と、電極(負極活物質層)外側近傍の負極活物質表面とで、形成されるSEIの厚さ等が異なるという課題を生じさせないためである(図7〜図10と図11〜図14を対比参照のこと)。また、初回充電工程の目的の1つとしてSEIの形成がある。電解液にSEI形成用添加剤があると、初回充電時に正極側の電解液中の該添加剤を負極側に移動させてSEIを形成させる必要があるなど、複雑なプロセスをたどるため、初回充電時間が長くなる。更にその後、図4に示すように14日以上もかけて高温エージング、更には14日以上の常温エージングを行う必要があるにもかかわらず、図10に示すように品質バラツキが発生するという課題があった。本発明の製造方法では、SEI形成用添加剤を負極スラリーに添加し、電解液及び正極スラリーに添加しない構成とすることで、上記した課題を解消することができる点で優れている。
(Additive for SEI formation contained in negative electrode slurry)
The production method of the present invention is characterized in that the negative electrode slurry used for forming the negative electrode contains an additive for forming SEI. Thereby, the negative electrode active material surface in the vicinity of the negative electrode current collector inside the electrode and the negative electrode active material surface in the vicinity of the electrode (negative electrode active material layer) outside do not cause a problem that the thickness of the formed SEI is different. (For comparison, see FIGS. 7 to 10 and FIGS. 11 to 14). One purpose of the initial charging process is the formation of SEI. If there is an additive for SEI formation in the electrolytic solution, it is necessary to move the additive in the electrolytic solution on the positive electrode side to the negative electrode side to form SEI at the time of initial charging. The time will be longer. Further, after that, as shown in FIG. 4, although it is necessary to perform high temperature aging over 14 days or more, and room temperature aging for 14 days or more, there is a problem that quality variation occurs as shown in FIG. there were. In the manufacturing method of this invention, it is excellent at the point which can eliminate the above-mentioned subject by setting it as the structure which adds the additive for SEI formation to a negative electrode slurry, and does not add to electrolyte solution and a positive electrode slurry.
上記SEI形成用添加剤は、リチウム金属に対して0.2Vより高い貴なる電位で還元分解される化合物を含むのが望ましい。具体的には、SEI形成用添加剤として、ビニレンカーボネート、スルホン酸エステルおよびこれらの誘導体よりなる群から選ばれてなる少なくとも一種を含むのが望ましい。SEI形成用添加剤は、電解液が分解されるよりも前に還元分解されて活物質表面に緻密で安定な皮膜(SEI)を形成することにより、電解液との反応を抑制する働きをする。リチウム金属に対して0.2V以下となり黒鉛等の負極活物質(粒子)にリチウムイオンがインタカレートされ始めると負極の反応性も急激に増してくる。また、電解液中で溶媒分子と溶媒和しているリチウムイオンが黒鉛等の負極活物質(粒子)にインタカレートされる際には脱溶媒和するが、皮膜(SEI)の質が悪い場合には脱溶媒和反応がスムーズに行われず電池特性の低下を招いたり、黒鉛等の負極活物質(粒子)表層の剥離などの劣化が引き起こされたりする場合がある。したがって、SEI形成用添加剤としては少なくとも還元分解電位として等の負極活物質(粒子)に対するリチウムイオンのインタカレーションが開始される0.2Vより貴な電位を有し、且つ緻密で電気化学的な安定性の高い皮膜(SEI)を形成することが望ましい。 The SEI-forming additive preferably contains a compound that is reductively decomposed at a noble potential higher than 0.2 V with respect to lithium metal. Specifically, it is desirable that the SEI forming additive includes at least one selected from the group consisting of vinylene carbonate, sulfonic acid ester, and derivatives thereof. The additive for SEI formation functions to suppress reaction with the electrolyte by being reduced and decomposed before the electrolyte is decomposed to form a dense and stable film (SEI) on the active material surface. . When the lithium ion begins to be intercalated to the negative electrode active material (particles) such as graphite, the reactivity of the negative electrode increases rapidly. Also, when lithium ions solvated with solvent molecules in the electrolyte are intercalated into negative electrode active materials (particles) such as graphite, they are desolvated but the film (SEI) quality is poor In some cases, the desolvation reaction is not carried out smoothly, leading to a decrease in battery characteristics, or deterioration such as peeling of the surface layer of a negative electrode active material (particle) such as graphite. Therefore, as an additive for SEI formation, it has a potential no higher than 0.2 V at which lithium ion intercalation with respect to the negative electrode active material (particles) starts, such as at least a reductive decomposition potential, and is dense and electrochemical. It is desirable to form a highly stable coating (SEI).
ここで、前記スルホン酸エステル及びその誘導体としては、特に制限されるものではなく、鎖状モノエステル、鎖状ジエステル、環状ジエステル、及びスルトン等の分子内環状エステルおよびその誘導体を挙げることができる。前記スルホン酸エステルとしては、鎖状スルホン酸エステル、環状モノスルホン酸エステル、環状ジスルホン酸エステルを挙げることができるが、これらに制限されるものではない。 Here, the sulfonic acid ester and derivatives thereof are not particularly limited, and examples thereof include intramolecular cyclic esters such as chain monoesters, chain diesters, cyclic diesters, and sultone and derivatives thereof. Examples of the sulfonic acid ester include a chain sulfonic acid ester, a cyclic monosulfonic acid ester, and a cyclic disulfonic acid ester, but are not limited thereto.
前記鎖状スルホン酸エステルとしては、例えば、メタンスルホン酸メチルエステル、メタンスルホン酸エチルエステル、ブスルファン(テトラメチレン−ビス(メタンスルホネート)等が挙げられるが、これらに制限されるものではない。 Examples of the chain sulfonic acid ester include methanesulfonic acid methyl ester, methanesulfonic acid ethyl ester, and busulfan (tetramethylene-bis (methanesulfonate)), but are not limited thereto.
前記環状モノスルホン酸エステルとしては、例えば、環状分子内エステルである1,3−プロパンスルトン、1,4−ブタンスルトン、α−トリフルオロメチル−γ−スルトン、β−トリフルオロメチル−γ−スルトン、γ−トリフルオロメチル−γ−スルトン、α−メチル−γ−スルトン、α,β−ジ(トリフルオロメチル)−γ−スルトン、α,α−ジ(トリフルオロメチル)−γ−スルトン、α−ウンデカフルオロペンチル−γ−スルトン、α−ヘプタフルオロプロピル−γ−スルトン等が挙げられるが、これらに制限されるものではない。 Examples of the cyclic monosulfonic acid ester include 1,3-propane sultone, 1,4-butane sultone, α-trifluoromethyl-γ-sultone, β-trifluoromethyl-γ-sultone, which are cyclic intramolecular esters, γ-trifluoromethyl-γ-sultone, α-methyl-γ-sultone, α, β-di (trifluoromethyl) -γ-sultone, α, α-di (trifluoromethyl) -γ-sultone, α- Examples include, but are not limited to, undecafluoropentyl-γ-sultone, α-heptafluoropropyl-γ-sultone, and the like.
前記環状ジスルホン酸エステルとしては、例えば、メチレンメタンジスルホネート、エチレンメタンジスルホネート、プロピレンメタンジスルホネート等が挙げられるが、これらに制限されるものではない。 Examples of the cyclic disulfonate include, but are not limited to, methylene methane disulfonate, ethylene methane disulfonate, propylene methane disulfonate, and the like.
更に、前記スルホン酸エステルとしては、下記の化学式1、2の少なくともいずれか一種を有するものが望ましい。 Furthermore, as said sulfonate ester, what has at least any one of following Chemical formula 1, 2 is desirable.
上記式中、Xは、側鎖を有していても良いアルキレン基、または酸素原子を示す。Yは、側鎖を有していても良いアルキレン基、無置換のアルキレン基を示す。Zは、メチレン基または単結合を示す。 In the above formula, X represents an alkylene group which may have a side chain, or an oxygen atom. Y represents an alkylene group which may have a side chain, or an unsubstituted alkylene group. Z represents a methylene group or a single bond.
上記式中、nは、0、1、2のいずれかであり、R1〜R6は、水素原子または炭素数1以上12以下のアルキル基、炭素数3以上6以下のシクロアルキル基、炭素数6以上12以下のアリール基からそれぞれ独立に選択される。 In the above formula, n is 0, 1, or 2, and R 1 to R 6 are a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 12 carbon atoms, a cycloalkyl group having 3 to 6 carbon atoms, carbon Each is independently selected from aryl groups having a number of 6 or more and 12 or less.
前記スルホン酸エステルとしては、具体的には、1,3−プロパンスルトン又は1,4−ブタンスルトンの少なくとも一種が挙げられる。更にメチレンメタンジスルホネート、エチレンメタンジスルホネート及びプロピレンメタンジスルホネートから選ばれる少なくとも一種の環状ジスルホン酸エステルが挙げられるが、これらに何ら制限されるものではない。 Specific examples of the sulfonic acid ester include at least one of 1,3-propane sultone and 1,4-butane sultone. Further, at least one cyclic disulfonic acid ester selected from methylene methane disulfonate, ethylene methane disulfonate, and propylene methane disulfonate is exemplified, but the invention is not limited thereto.
これら化合物のなかでも、下記の化合物1で示されるメチレンメタンジスルホネート、化合物2で示されるエチレンメタンジスルホネート、化合物3ないし化合物9等の環状化合物、および化合物10の1,3−プロパンを挙げることができる。 Among these compounds, mention may be made of methylene methane disulfonate represented by the following compound 1, ethylene methane disulfonate represented by compound 2, cyclic compounds such as compound 3 to compound 9, and 1,3-propane of compound 10. Can do.
また、EI形成用添加剤は、複数種類を添加してもよい。例えば、化合物1ないし化合物9に化合物10のスルトン化合物を加えても良い。また、ビニレンカーボネート化合物を加えても良い。これによって、負極(活物質粒子)表面に形成される皮膜(SEI)の安定性の向上、電解液やポリマーゲル電解質中に含まれている非プロトン性有機溶媒の分解の抑制、あるいは電池内部の水分による特性の劣化を防止する効果が顕著となり(大きくなり)、サイクル特性向上、セルの膨れ抑制、内部抵抗上昇の抑制が図れる点で優れている。 Moreover, you may add multiple types for the additive for EI formation. For example, a sultone compound of Compound 10 may be added to Compound 1 to Compound 9. A vinylene carbonate compound may be added. This improves the stability of the coating (SEI) formed on the surface of the negative electrode (active material particles), suppresses the decomposition of the aprotic organic solvent contained in the electrolyte or polymer gel electrolyte, The effect of preventing deterioration of characteristics due to moisture becomes remarkable (increases), which is excellent in that cycle characteristics are improved, cell swelling is suppressed, and internal resistance is suppressed.
本発明の環状ジスルホン酸エステル等のSEI形成用添加剤は非水電解液二次電池の電極上で皮膜(SEI)を形成する。すなわち、スルホン酸エステル化合物等のSEI形成用添加剤が、電解液やポリマーゲル電解質中に含まれている非プロトン性有機溶媒等が分解するよりも先に被膜(SEI)を形成することができ、非プロトン性有機溶媒の分解が抑制されるので、分解による気体の発生による電池の膨れの抑制やレート特性改善がきる。また、正極(活物質層)にマンガン酸リチウム等のリチウムマンガン複合酸化物(正極活物質)を含む場合には、電解液やゲル電解質中に溶出したマンガンが負極(活物質粒子)表面に吸着することを防止することができる。その結果、抵抗上昇によるレート特性の低下の抑制やサイクル特性向上に有効である。 The additive for SEI formation such as the cyclic disulfonic acid ester of the present invention forms a film (SEI) on the electrode of the non-aqueous electrolyte secondary battery. That is, SEI-forming additives such as sulfonic acid ester compounds can form a coating (SEI) before the aprotic organic solvent contained in the electrolyte solution or polymer gel electrolyte is decomposed. Since the decomposition of the aprotic organic solvent is suppressed, the swelling of the battery due to the generation of gas due to the decomposition can be suppressed and the rate characteristics can be improved. In addition, when the positive electrode (active material layer) contains a lithium manganese complex oxide (positive electrode active material) such as lithium manganate, manganese eluted in the electrolyte or gel electrolyte is adsorbed on the surface of the negative electrode (active material particles). Can be prevented. As a result, it is effective for suppressing a decrease in rate characteristics due to an increase in resistance and improving cycle characteristics.
上記SEI形成用添加剤は、負極スラリーの固形分(負極活物質層の構成成分)の総量に対して、0.5〜2.0質量%の範囲であることが望ましい。かかる範囲内であれば、厚さ方向にかかわらず、電極内側の負極集電体近傍の負極活物質表面と、電極(負極活物質層)外側近傍の負極活物質表面とで、形成されるSEIの厚さ等が異なるという課題を生じさせることなく、高品質な(均一な厚さの)SEIを形成することができる(図7〜図10と図11〜図14を対比参照のこと)。また、初回充電工程の目的の1つとしてSEIの形成がある。電解液にSEI形成用添加剤があると、初回充電時に正極側の電解液中の該添加剤を負極側に移動させてSEIを形成させる必要があるなど、複雑なプロセスをたどるため、初回充電時間が長くなる。更にその後、図4に示すように14日以上もかけて高温エージング、更には14日以上の常温エージングを行う必要があるにもかかわらず、図10に示すように品質バラツキが発生するという課題があった。上記範囲内のSEI形成用添加剤を負極スラリーに添加することで、電解液及び正極スラリーに添加しない構成とすることができ、上記した課題を解消することができる点で優れている。 The SEI-forming additive is desirably in the range of 0.5 to 2.0% by mass with respect to the total amount of solid content of the negative electrode slurry (component of the negative electrode active material layer). Within this range, regardless of the thickness direction, the SEI formed by the negative electrode active material surface near the negative electrode current collector inside the electrode and the negative electrode active material surface near the electrode (negative electrode active material layer) outside. High-quality (uniform thickness) SEI can be formed without causing a problem that the thicknesses of the layers are different (see FIGS. 7 to 10 and FIGS. 11 to 14). One purpose of the initial charging process is the formation of SEI. If there is an additive for SEI formation in the electrolytic solution, it is necessary to move the additive in the electrolytic solution on the positive electrode side to the negative electrode side to form SEI at the time of initial charging. The time will be longer. Further, after that, as shown in FIG. 4, although it is necessary to perform high temperature aging over 14 days or more, and room temperature aging for 14 days or more, there is a problem that quality variation occurs as shown in FIG. there were. By adding the SEI-forming additive within the above range to the negative electrode slurry, it is possible to obtain a configuration in which the SEI formation additive is not added to the electrolytic solution and the positive electrode slurry, which is excellent in that the above-described problems can be solved.
更に本発明では、上記したSEI形成用添加剤を含有する負極スラリーにおいて、スラリー粘度調整溶媒(NMPなど)に代えて、水系溶媒(水など)を用いることもできる。水系溶媒(水など)を用いた負極スラリーの調製方法としては、特に制限され得るものではない。例えば、負極活物質、SEI形成用添加剤のほか、水系バインダ、増粘剤であるCMCないしCMC塩、さらに必要があれば導電助剤等を混合した後、水等の水系溶媒を用いて負極スラリー(水系スラリー)を調製することができる。 Furthermore, in the present invention, an aqueous solvent (such as water) can be used in place of the slurry viscosity adjusting solvent (such as NMP) in the negative electrode slurry containing the SEI forming additive described above. The method for preparing a negative electrode slurry using an aqueous solvent (such as water) is not particularly limited. For example, in addition to the negative electrode active material and the SEI forming additive, an aqueous binder, a CMC or CMC salt that is a thickener, and a conductive aid if necessary are mixed, and then the negative electrode is used with an aqueous solvent such as water. A slurry (aqueous slurry) can be prepared.
更に、上記水系溶媒を用いた負極スラリー(水系スラリー)では、集電体への塗布前または、後述する塗布後にアルカリ水を添加するのが望ましい。ここで、アルカリ水としては、特に制限されるものではなく、水酸化リチウム水溶液、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液、水酸化ルビジウム水溶液、水酸化セシウム水溶液、水酸化ベリリウム水溶液、水酸化マグネシウム水溶液、水酸化カルシウム水溶液、水酸化ストロンチウム水溶液、水酸化バリウム水溶液、水酸化アンモニウム水溶液などが挙げられるが、これらに何ら制限され理ものではない。これらは1種単独でも、2種以上が併用して含まれていてもよい。なかでも水酸化リチウム水溶液が好ましい。この場合には、増粘剤として含有されているCMCないしCMC塩を還元(脱炭酸)反応してCMC誘導体にすることができる。加えてアルカリ水として水酸化リチウム水溶液を選択することで負極活物質(粒子)表面或いは負極活物質(粒子)表面に点在或いは被膜化されたCMC誘導体表面に炭酸リチウムを形成することができる。詳しくは、炭酸リチウム(Li2CO3)を粒状に点在させる、若しくは炭酸リチウムの被膜を形成することができる。これにより、初回充放電効率を上げることができる。さらにガスの発生をより一層抑制するができる。また、この炭酸リチウムは負極活物質のSEI(保護皮膜)の成分でもあるため、ガス発生抑制効果・容量アップの効果に加え、寿命性能の向上を図ることもできる点で優れている。CMC誘導体の被膜の表面への炭酸リチウムの点在化若しくは炭酸リチウムの被膜化は負極製造時になされる以外にも、更に初回充放電によりなされることもある。詳しくは、初回充放電で負極活物質(粒子)の表面に副反応によりSEI(保護皮膜)ができるため、当該表面皮膜に活物質(電池容量の一部)が使われるため、その分量だけ電池の容量が減少してしまっていた。しかしながら、水酸化リチウム(LiOH)水溶液を選択することで予め電極製造段階でこうしたSEI(保護皮膜)を形成することができるため、初回充放電効率がアップさせることができる。言い換えれば、初回充放電でのロスを抑えることができる。 Further, in the negative electrode slurry (aqueous slurry) using the aqueous solvent, it is desirable to add alkaline water before application to the current collector or after application described later. Here, the alkaline water is not particularly limited, and lithium hydroxide aqueous solution, sodium hydroxide aqueous solution, potassium hydroxide aqueous solution, rubidium aqueous solution, cesium hydroxide aqueous solution, beryllium hydroxide aqueous solution, magnesium hydroxide aqueous solution. , A calcium hydroxide aqueous solution, a strontium hydroxide aqueous solution, a barium hydroxide aqueous solution, an ammonium hydroxide aqueous solution, etc., but are not limited to these. These may be used alone or in combination of two or more. Of these, an aqueous lithium hydroxide solution is preferred. In this case, CMC or CMC salt contained as a thickener can be reduced (decarboxylated) to form a CMC derivative. In addition, by selecting a lithium hydroxide aqueous solution as the alkaline water, lithium carbonate can be formed on the surface of the negative electrode active material (particles) or on the surface of the CMC derivative scattered or coated on the negative electrode active material (particles) surface. Specifically, lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) can be scattered in a granular form, or a lithium carbonate film can be formed. Thereby, the initial charge / discharge efficiency can be increased. Furthermore, generation of gas can be further suppressed. Further, since this lithium carbonate is also a component of the SEI (protective film) of the negative electrode active material, it is excellent in that the life performance can be improved in addition to the gas generation suppressing effect and the capacity increasing effect. Scattering of lithium carbonate on the surface of the coating of the CMC derivative or coating of lithium carbonate may be performed by initial charge / discharge as well as during the production of the negative electrode. Specifically, since the SEI (protective film) can be formed on the surface of the negative electrode active material (particles) by a side reaction during the first charge / discharge, the active material (part of the battery capacity) is used for the surface film. The capacity of was decreasing. However, since such SEI (protective film) can be formed in advance in the electrode manufacturing stage by selecting a lithium hydroxide (LiOH) aqueous solution, the initial charge / discharge efficiency can be increased. In other words, loss at the first charge / discharge can be suppressed.
水系溶媒を用いた負極スラリーに添加されるアルカリ濃度は、アルカリ成分のアルカリ金属/アルカリ土類金属の含有量が、負極活物質層(に相当する負極活物質層用原料)の総量に対して50〜30000ppm、好ましくは100〜20000ppmの範囲である。但し、上記範囲を外れても、本発明の作用効果を有効に発現し得る範囲であれば、十分に適用可能である。アルカリ金属及び/又はアルカリ土類金属の含有量が50ppm以上であれば、充放電容量の改善に有効な含有効果が認められる。また30000ppm以下であれば、充放電容量の改善に寄与することができる点で有利である。 The alkali concentration added to the negative electrode slurry using the aqueous solvent is such that the alkali metal / alkaline earth metal content of the alkaline component is the total amount of the negative electrode active material layer (corresponding to the negative electrode active material layer raw material). It is in the range of 50 to 30000 ppm, preferably 100 to 20000 ppm. However, even if it is out of the above range, it can be sufficiently applied as long as the effects of the present invention can be effectively expressed. When the content of the alkali metal and / or alkaline earth metal is 50 ppm or more, an effective content effect for improving the charge / discharge capacity is recognized. Moreover, if it is 30000 ppm or less, it is advantageous at the point which can contribute to the improvement of charging / discharging capacity.
アルカリ水中のアルカリ濃度は、特に制限されるものではないが、pH9〜14、好ましくはpH12〜14の範囲であればよい。アルカリ濃度が上記範囲内であれば、増粘剤として含有されているCMCないしCMC塩を還元(脱炭酸)反応してCMC誘導体にすることができる。これにより、初回充放電効率を上げることができる。さらにガス発生をより一層抑制するができる。なお、上記pHは、水系スラリーの配合にもよるが、これらの配合の等電点を狙うのがよい。即ち、水系スラリー中のCMCないしCMC塩を完全に還元できる量のアルカリ又はアルカリ水を添加すればよいといえる。 The alkali concentration in the alkaline water is not particularly limited, but may be in the range of pH 9 to 14, preferably pH 12 to 14. If the alkali concentration is within the above range, CMC or CMC salt contained as a thickener can be reduced (decarboxylated) to form a CMC derivative. Thereby, the initial charge / discharge efficiency can be increased. Furthermore, gas generation can be further suppressed. In addition, although the said pH is based also on the mixing | blending of aqueous slurry, it is good to aim at the isoelectric point of these mixing | blendings. That is, it can be said that an alkali or alkaline water in an amount capable of completely reducing CMC or CMC salt in the aqueous slurry may be added.
アルカリ水の添加量は、特に制限されるものではないが、水系スラルーに対して0.1〜10質量%の範囲であればよい。上記範囲内であれば、増粘剤として含有されているCMCないしCMC塩を還元(脱炭酸)反応してCMC誘導体にすることができる。 The addition amount of the alkaline water is not particularly limited, but may be in the range of 0.1 to 10% by mass with respect to the aqueous slurr. If it is in the said range, CMC thru | or CMC salt contained as a thickener can be reduced (decarboxylation) reaction, and can be made into a CMC derivative.
次に、本発明のSEI形成用添加剤を含有する負極スラリーを用いて形成した電池(発電要素)と、従来のSEI形成用添加剤を含有する電解液を注液した電池(発電要素)におけるSEI形成プロセスに違いによる電池性能への影響につき図面を用いて説明する。 Next, in a battery (power generation element) formed using a negative electrode slurry containing the SEI formation additive of the present invention and a battery (power generation element) into which an electrolyte containing a conventional SEI formation additive was injected The influence on the battery performance due to the difference in the SEI formation process will be described with reference to the drawings.
まず、図6Aは、電解液またはゲル電解質中の溶媒由来の被膜による影響を表す断面概略図であり、図6Bは、SEI形成用添加剤由来の被膜による影響を表す断面概略図である。図7は、従来(特許文献1)の電解液またはゲル電解質中のSEI形成用添加剤由来のSEI形成プロセスのうち電解液の注液直後の様子を模式的に表した電極断面概略図である。図8は、従来(特許文献1)の電解液またはゲル電解質中のSEI形成用添加剤由来のSEI形成プロセスのうち初回充電直後の様子を模式的に表した電極断面概略図である。図9は、従来(特許文献1)の電解液またはゲル電解質中のSEI形成用添加剤由来のSEI形成プロセスのうち初回充電により負極外側にSEIを形成し始めた様子を模式的に表した電極断面概略図である。図10は、従来(特許文献1)の電解液またはゲル電解質中のSEI形成用添加剤由来のSEI形成プロセスのうち初回充電により、正極の電解液中の添加剤が負極側に移動し負極内側にもSEIを形成されてなる様子を模式的に表した電極断面概略図である。図11は、本発明の負極スラリー中のSEI形成用添加剤由来のSEI形成プロセスのうち、負極スラリーを乾燥する際の様子を模式的に表した負極電極断面概略図である。図12は、本発明の負極スラリー中のSEI形成用添加剤由来のSEI形成プロセスのうち電解液の注液前の様子を模式的に表した電極断面概略図である。図13は、本発明の負極スラリー中のSEI形成用添加剤由来のSEI形成プロセスのうち電解液の注液後の様子を模式的に表した電極断面概略図である。図14は、本発明の負極スラリー中のSEI形成用添加剤由来のSEI形成プロセスのうち初回充電後の様子を模式的に表した電極断面概略図である。 First, FIG. 6A is a schematic cross-sectional view showing the influence of a coating derived from a solvent in an electrolytic solution or gel electrolyte, and FIG. 6B is a schematic cross-sectional view showing the influence of a coating derived from an additive for SEI formation. FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of an electrode schematically showing a state immediately after injection of an electrolyte in a SEI formation process derived from an additive for SEI formation in a conventional electrolyte (Patent Document 1) or gel electrolyte. . FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of an electrode schematically showing a state immediately after the first charge in the SEI formation process derived from the additive for SEI formation in the conventional electrolyte solution or gel electrolyte (Patent Document 1). FIG. 9 is an electrode schematically showing a state in which SEI starts to be formed on the outside of the negative electrode by initial charging in the SEI formation process derived from the additive for SEI formation in the conventional electrolyte solution or gel electrolyte (Patent Document 1). FIG. FIG. 10 shows that the additive in the electrolyte solution of the positive electrode moves to the negative electrode side by the initial charge in the SEI formation process derived from the SEI formation additive in the conventional electrolyte solution or gel electrolyte, and the negative electrode inner side. It is the electrode cross-sectional schematic which represented typically a mode that SEI was formed. FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of a negative electrode electrode schematically showing a state in which the negative electrode slurry is dried in the SEI formation process derived from the SEI formation additive in the negative electrode slurry of the present invention. FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of an electrode schematically showing a state before injection of an electrolytic solution in the SEI formation process derived from the SEI formation additive in the negative electrode slurry of the present invention. FIG. 13 is a schematic cross-sectional view of an electrode schematically showing a state after injection of an electrolytic solution in the SEI formation process derived from the SEI formation additive in the negative electrode slurry of the present invention. FIG. 14 is a schematic cross-sectional view of an electrode schematically showing the state after the initial charge in the SEI formation process derived from the SEI formation additive in the negative electrode slurry of the present invention.
まず、図6Aに示すように、SEI形成用添加剤がない場合には、初回充電時に負極電極57表面で、電解液またはゲル電解質中の溶媒分子(例えば、EC、PC、DEC、DMC等)が分解し、該溶媒由来の高抵抗な被膜58が形成される。即ち、SEI形成用添加剤がない場合には、初回充電時に負極電極57表面での電解液の分解が進行し、電解液の枯渇により電池寿命が低下すると共に、高抵抗な皮膜58の形成により、電池の内部抵抗が上昇し、取り出し電流の一部が抵抗発熱によりロスし、電池容量の低下につながっていた。本発明では、図6Bに示すように、SEI形成用添加剤を加えることで、負極電極57表面に初回充電時、生成されるSEI59として、上記SEI形成用添加剤由来のものを生成させることができる。SEI形成用添加剤由来のSEI59により、電池の内部抵抗の上昇を抑え、さらに負極電極57表面での電解液またはゲル電解質中の溶媒分子の分解を抑制し、電池寿命を向上させることができるものである。 First, as shown in FIG. 6A, when there is no SEI formation additive, solvent molecules (for example, EC, PC, DEC, DMC, etc.) in the electrolytic solution or gel electrolyte on the surface of the negative electrode 57 at the time of initial charge. Is decomposed to form a high-resistance film 58 derived from the solvent. That is, in the absence of the SEI forming additive, the decomposition of the electrolytic solution on the surface of the negative electrode 57 proceeds during the initial charge, and the battery life is reduced due to the depletion of the electrolytic solution. The internal resistance of the battery increased, and part of the extracted current was lost due to resistance heat generation, leading to a decrease in battery capacity. In the present invention, as shown in FIG. 6B, by adding the SEI formation additive, it is possible to generate the SEI 59 derived from the SEI formation additive on the surface of the negative electrode 57 during the initial charge. it can. SEI 59 derived from the SEI forming additive can suppress an increase in the internal resistance of the battery, further suppress the decomposition of solvent molecules in the electrolyte solution or gel electrolyte on the surface of the negative electrode 57, and improve the battery life. It is.
次に図7に示す従来の電解液(またはゲル電解質)中のSEI形成用添加剤由来のSEI形成プロセスでは、電解液の注液直後、SEI形成用添加剤18は、電解液またはゲル電解質中に分散ないし溶解されて正極及び負極活物質層13、15の外側から含浸される。電解液またはゲル電解質の含浸に伴い、正極及び負極活物質層13、15の中の正極及び負極活物質粒子14、16表面に付着される。その為、正極活物質層13、負極活物質層15にかかわらず、電解液(またはゲル電解質)中に均一に含まれる。SEI形成用添加剤18を含む電解液の含浸性は、図7に示すように活物質層13、15の外側が良く、内側(集電体11、12側)が悪い。図7では、SEI形成用添加剤18を含む電解液の浸透性が良く含浸している活物質層13、15の外側は、電解液及びSEI形成用添加剤18の濃度も濃いことから、濃い色で表示し、SEI形成用添加剤18も多く付着している様子を表している。一方、SEI形成用添加剤18を含む電解液の浸透性が悪くあまり含浸していない活物質層13、15の内側は、電解液及びSEI形成用添加剤18の濃度も薄いことから、薄い色で表示し、SEI形成用添加剤18も少ししか付着していない様子を表している。 Next, in the SEI formation process derived from the SEI formation additive in the conventional electrolyte solution (or gel electrolyte) shown in FIG. 7, immediately after the injection of the electrolyte solution, the SEI formation additive 18 is contained in the electrolyte solution or gel electrolyte. And is impregnated from the outside of the positive and negative electrode active material layers 13 and 15. Accompanying the impregnation with the electrolytic solution or gel electrolyte, it adheres to the surfaces of the positive electrode and negative electrode active material particles 14 and 16 in the positive electrode and negative electrode active material layers 13 and 15. Therefore, regardless of the positive electrode active material layer 13 and the negative electrode active material layer 15, they are uniformly contained in the electrolytic solution (or gel electrolyte). As shown in FIG. 7, the outer side of the active material layers 13 and 15 is good and the inner side (current collectors 11 and 12 side) is poor in the impregnation property of the electrolytic solution containing the SEI forming additive 18. In FIG. 7, the outside of the active material layers 13 and 15 impregnated with the electrolyte solution containing the SEI forming additive 18 is highly concentrated because the concentration of the electrolyte solution and the SEI forming additive 18 is also high. It is displayed in color and shows that a large amount of SEI forming additive 18 is also adhered. On the other hand, the inside of the active material layers 13 and 15 that are poorly permeable to the electrolyte solution containing the SEI forming additive 18 and not so impregnated has a low concentration because the concentration of the electrolyte solution and the SEI forming additive 18 is low. It shows that the additive 18 for SEI formation is attached only a little.
次に、図8に示す従来の電解液(またはゲル電解質)中のSEI形成用添加剤由来のSEI形成プロセスでは初回充電直後、充電器22による電子(e−)移動に伴い、Liイオン20が正極側13から負極側15に電解質層17を介して移動する様子を表している。 Next, in the SEI formation process derived from the additive for SEI formation in the conventional electrolyte solution (or gel electrolyte) shown in FIG. 8, immediately after the first charge, Li ions 20 are transferred along with the movement of electrons (e − ) by the charger 22. The state of moving from the positive electrode side 13 to the negative electrode side 15 via the electrolyte layer 17 is shown.
更に図9に示す従来の電解液またはゲル電解質中のSEI形成用添加剤由来のSEI形成プロセスでは初回充電により負極15外側にSEI18aを形成し始めた様子を表している。即ち、初回充電により、電解液(またはゲル電解質)中のSEI形成用添加剤18が負極活物質層15表面(外側)で電気分解を起こしSEI18aを形成し始めるが、電解液の浸透性が良い負極活物質層15の外側から形成する様子を表している。このとき、正極活物質層13側では、電解液(またはゲル電解質)中のSEI形成用添加剤18は電気分解されないため、そのままの状態で存在している。 Further, the SEI formation process derived from the SEI formation additive in the conventional electrolyte or gel electrolyte shown in FIG. 9 shows that the SEI 18a has started to be formed outside the negative electrode 15 by the initial charge. That is, by the first charge, the SEI forming additive 18 in the electrolytic solution (or gel electrolyte) starts to electrolyze on the surface (outside) of the negative electrode active material layer 15 to form the SEI 18a, but the electrolytic solution has good permeability. A mode that it forms from the outer side of the negative electrode active material layer 15 is represented. At this time, on the positive electrode active material layer 13 side, the SEI forming additive 18 in the electrolytic solution (or gel electrolyte) is not electrolyzed, and thus remains as it is.
最後に、図10に示す従来の電解液またはゲル電解質中のSEI形成用添加剤由来のSEI形成プロセスでは、初回充電が進みにつれ、正極側13の電解液中の添加剤18が負極側15に移動し、活物質層15の内側(集電体12側)にもSEI18aを形成する。SEI18aは、抵抗成分となるため、均一組成、均一分布(即ち、活物質層15の厚さ方向にかかわらず均一な厚さ)が電池性能では重要となる。図10に示す従来の電解液またはゲル電解質中のSEI形成用添加剤由来のSEI形成プロセスでは、初回充電後、高温エージング、更には常温エージングを共に14日間以上経ることで、正極側13の電解液(またはゲル電解質)中のSEI形成用添加剤18が負極側15に移動する。こうして長時間をかけて、正極側13のSEI形成用添加剤18を負極側15まで移動させることで、負極活物質層15内側の負極活物質粒子16表面にもSEI18aが形成される。しかし、同時に負極活物質層15外側の負極活物質粒子16表面のSEI18aも成長し、より厚膜となる。そのため、電池性能に重要とされる負極活物質層15の厚さ方向にかかわらず均一な厚さのSEI18aを形成することはできていなかった。また、負極活物質層15内側の負極活物質粒子16表面にもSEI18aを形成するには、初回充電後、極めて長い期間、しかも高温でエージングを行う必要があり、極めて生産効率が悪く、コスト高の原因の1つともなっていた。なお、高温エージングは、エージング後の電池の電圧が所望のレベルとなるように、通常、40〜80℃で14日〜30日程度行われている。常温エージングも、通常、常温下で、14日〜30日程度行われている。 Finally, in the SEI formation process derived from the SEI formation additive in the conventional electrolyte solution or gel electrolyte shown in FIG. 10, the additive 18 in the electrolyte solution on the positive electrode side 13 is transferred to the negative electrode side 15 as the initial charge progresses. The SEI 18a is also formed inside the active material layer 15 (current collector 12 side). Since the SEI 18a becomes a resistance component, a uniform composition and a uniform distribution (that is, a uniform thickness regardless of the thickness direction of the active material layer 15) are important in battery performance. In the SEI formation process derived from the SEI formation additive in the conventional electrolyte solution or gel electrolyte shown in FIG. 10, high temperature aging and further normal temperature aging are both performed for 14 days or more after the initial charge, so The SEI forming additive 18 in the liquid (or gel electrolyte) moves to the negative electrode side 15. Thus, the SEI 18 a is formed on the surface of the negative electrode active material particles 16 inside the negative electrode active material layer 15 by moving the SEI forming additive 18 on the positive electrode side 13 to the negative electrode side 15 over a long time. However, at the same time, the SEI 18a on the surface of the negative electrode active material particles 16 outside the negative electrode active material layer 15 also grows and becomes a thicker film. Therefore, the SEI 18a having a uniform thickness cannot be formed regardless of the thickness direction of the negative electrode active material layer 15 which is important for battery performance. In addition, in order to form the SEI 18a also on the surface of the negative electrode active material particles 16 inside the negative electrode active material layer 15, it is necessary to perform aging at a high temperature for a very long period after the initial charge, and the production efficiency is extremely low and the cost is high. It was one of the causes. The high temperature aging is usually performed at 40 to 80 ° C. for about 14 to 30 days so that the voltage of the battery after aging becomes a desired level. Room temperature aging is also usually performed at room temperature for about 14 to 30 days.
一方、図11に示す本発明の負極スラリー中のSEI形成用添加剤由来のSEI形成プロセスでは、負極スラリーの乾燥の際の様子を表している。SEI形成用添加剤18を含む負極スラリーを集電箔12上に塗布後、乾燥することで、乾燥塗膜を形成している。塗布直後の負極スラリー塗膜(ウェット状態)15’には粘度調整溶媒9に溶解した添加剤18が溶液の形態で存在している。そのため、この負極スラリー塗膜15’中を乾燥することで、負極スラリー塗膜15’から粘度調整溶媒9が蒸発していくことで、溶解されていた添加剤18は、乾いて固形化する際に結晶性の為、塗膜15’内の活物質粒子16表面に析出する。これにより、粘度調整溶媒9が蒸発した部分の乾燥塗膜においては、厚さ方向にかかわらず均一に添加剤18が活物質粒子16表面全体に析出した状態となっている。即ち、乾燥後の乾燥塗膜(負極活物質層15;図12参照)の外側と内側でSEI形成用添加剤18の分布にバラつきがなく均一に存在させることができる。このとき、正極側13には、添加剤18は存在していない。 On the other hand, the SEI formation process derived from the additive for SEI formation in the negative electrode slurry of the present invention shown in FIG. 11 shows the state of drying of the negative electrode slurry. A negative electrode slurry containing the SEI forming additive 18 is applied onto the current collector foil 12 and then dried to form a dry coating film. The additive 18 dissolved in the viscosity adjusting solvent 9 is present in the form of a solution in the negative electrode slurry coating (wet state) 15 ′ immediately after coating. Therefore, by drying the negative electrode slurry coating film 15 ′, the viscosity adjusting solvent 9 evaporates from the negative electrode slurry coating film 15 ′, so that the dissolved additive 18 is dried and solidified. Because of its crystallinity, it is deposited on the surface of the active material particles 16 in the coating film 15 '. Thereby, in the dry coating film of the portion where the viscosity adjusting solvent 9 has evaporated, the additive 18 is uniformly deposited on the entire surface of the active material particles 16 regardless of the thickness direction. That is, the distribution of the SEI forming additive 18 can be uniformly present on the outside and the inside of the dried coating film after drying (the negative electrode active material layer 15; see FIG. 12). At this time, the additive 18 is not present on the positive electrode side 13.
次に、図12に示す本発明の負極スラリー中のSEI形成用添加剤由来のSEI形成プロセスでは、電解液の注液前の様子を表している。負極スラリー中にSEI形成用添加剤18を加えて負極電極を形成している。その為、負極活物質層15内に負極活物質16表面にのみSEI形成用添加剤18が付着されている。また、負極活物質層15の厚さ方向にかかわらず均一にSEI形成用添加剤18が負極活物質粒子16表面に付着した状態となっている。即ち負極活物質層15の外側と内側でSEI形成用添加剤18の分布にバラつきがなく均一に存在させることができていることがわかる。このとき、正極側13には、添加剤18は存在していない。 Next, in the SEI formation process derived from the additive for SEI formation in the negative electrode slurry of the present invention shown in FIG. 12, the state before injection of the electrolytic solution is shown. The negative electrode is formed by adding the SEI forming additive 18 to the negative electrode slurry. Therefore, the SEI forming additive 18 is attached only to the surface of the negative electrode active material 16 in the negative electrode active material layer 15. Further, the SEI forming additive 18 is uniformly attached to the surface of the negative electrode active material particles 16 regardless of the thickness direction of the negative electrode active material layer 15. That is, it can be seen that the distribution of the SEI forming additive 18 can be uniformly present between the outer side and the inner side of the negative electrode active material layer 15 without variation. At this time, the additive 18 is not present on the positive electrode side 13.
そのため、図13に示す本発明の負極スラリー中のSEI形成用添加剤由来のSEI形成プロセスでは、電解液の注液後に、結晶化して負極活物質粒子16表面に付着していた添加剤18が電解液中の溶媒に溶解して、活物質16粒子表面をコーティングする。この際、活物質層15の外側と内側で負極活物質粒子16表面をコーティングした添加剤18の分布にバラつきがなく、活物質層15内の全て(内側から外側までの全域)の負極活物質粒子16表面に均一に存在(コーティング)させることができていることがわかる。一方、正極側13には、注液後にも、添加剤18は存在していない。 Therefore, in the SEI formation process derived from the SEI formation additive in the negative electrode slurry of the present invention shown in FIG. 13, the additive 18 that crystallizes and adheres to the surface of the negative electrode active material particles 16 after the injection of the electrolytic solution. The surface of the active material 16 particles is coated by dissolving in a solvent in the electrolytic solution. At this time, the distribution of the additive 18 coated on the surface of the negative electrode active material particles 16 on the outer side and the inner side of the active material layer 15 does not vary, and all the negative electrode active materials in the active material layer 15 (the entire region from the inner side to the outer side). It can be seen that the particles 16 can be uniformly present (coated) on the surface. On the other hand, the additive 18 does not exist on the positive electrode side 13 even after the injection.
最後に、図14に示す本発明の負極スラリー中のSEI形成用添加剤由来のSEI形成プロセスでは、初回充電後の様子を表している。本発明では、初回充電により、活物質層15内の全て負極活物質16粒子表面に均一にコーティングされていた添加剤18由来のSEI18aを形成することができる。そのため、負極電極の活物質層15の膜厚に関係なく活物質層15の全域で(外側から内側まで)均一なSEI18aを短時間に形成することができる。これは、添加剤18が負極活物質粒子16表面に既に均一にコーティングされているため、移動する必要がなく、素早くSEI18aを生成することができるものである。 Finally, the SEI formation process derived from the SEI formation additive in the negative electrode slurry of the present invention shown in FIG. 14 shows the state after the initial charge. In the present invention, the SEI 18a derived from the additive 18 that is uniformly coated on the surface of the negative electrode active material 16 particles in the active material layer 15 can be formed by the initial charging. Therefore, a uniform SEI 18a can be formed in a short time in the entire area of the active material layer 15 (from the outside to the inside) regardless of the thickness of the active material layer 15 of the negative electrode. This is because the additive 18 is already uniformly coated on the surface of the negative electrode active material particles 16, so that it is not necessary to move and the SEI 18 a can be generated quickly.
尚、初回充放電後の充放電サイクルにより負極活物質粒子16の体積が膨張・収縮する。そうすることで、活物質16粒子自身に加わる内部応力及び/又は電極15内の周囲の活物質粒子16によって加えられる圧縮応力などによって活物質粒子16表層部に亀裂が入るなどして、電気化学的に活性な新生表面が新たに生じることになる。従来のように電解液中に添加剤18を含む場合には、図10に示すように、活物質層15の外側と内側とでSEI18aの厚さにバラツキがあり、特に活物質層15の内側(集電体12側)では、殆どSEI18aが形成できていないか、形成できていても外側の活物質粒子16表面に形成されたSEI18aの厚膜に比べて膜厚が極めて薄い状態となっている。そのため、新生表面に対して、活物質層15の内側においてSEI18aの形成がより一層困難となって、電池劣化を助長する要因となっていた。一方、本発明では、負極スラリーに、SEI形成用添加剤18を含むことで、図14に示すように、活物質層15の外側と内側とで均一な厚さのSEI18aが形成されている。そのため、充放電により活物質16粒子の膨張・収縮により生じた生表面に対しても、活物質層15の全域(外側、内側)で良質なSEI18aを素早く形成することができ、電池劣化を効果的に防止することができる点で優れている。 In addition, the volume of the negative electrode active material particles 16 expands and contracts due to the charge / discharge cycle after the first charge / discharge. By doing so, the surface layer of the active material particle 16 is cracked by internal stress applied to the active material 16 particle itself and / or compressive stress applied by the surrounding active material particles 16 in the electrode 15. Newly active nascent surfaces are created. When the additive 18 is included in the electrolytic solution as in the prior art, the thickness of the SEI 18a varies between the outside and inside of the active material layer 15, as shown in FIG. On the current collector 12 side, the SEI 18a is hardly formed, or even if it is formed, the film thickness is extremely thin compared to the thick film of the SEI 18a formed on the outer active material particle 16 surface. Yes. Therefore, the formation of SEI 18a on the inner surface of the active material layer 15 becomes more difficult with respect to the nascent surface, which is a factor that promotes battery deterioration. On the other hand, in the present invention, by including the SEI forming additive 18 in the negative electrode slurry, the SEI 18a having a uniform thickness is formed on the outside and inside of the active material layer 15, as shown in FIG. Therefore, a good quality SEI 18a can be quickly formed in the entire area (outside and inside) of the active material layer 15 even on the raw surface caused by the expansion / contraction of the active material 16 particles by charging / discharging, and the battery deterioration is effective. It is excellent in that it can be prevented.
(負極スラリーに含まれる溶媒)
スラリー粘度調整溶媒としては、特に制限されることはないが、例えば、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルホルムアミドなどが挙げられる。
(Solvent contained in negative electrode slurry)
The slurry viscosity adjusting solvent is not particularly limited, and examples thereof include N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylformamide, dimethylacetamide, and methylformamide.
また、粘度調整溶媒としての水系溶媒としては、特に制限されるものではなく、従来公知の水系溶媒を用いることができるものである。例えば、水(具体的には、純水、超純水、蒸留水、イオン交換水、地下水、井戸水、上水(水道水)等)、水とアルコール(例えば、エチルアルコール、メチルアルコール、イソプロピルアルコールなど)との混合液等を用いることができる。但し、本実施形態では、これらに何ら制限されるものではなく、本実施形態の作用効果を損なわない範囲内であれば、従来公知の水系溶媒を適宜選択して利用することができる。 Further, the aqueous solvent as the viscosity adjusting solvent is not particularly limited, and a conventionally known aqueous solvent can be used. For example, water (specifically, pure water, ultrapure water, distilled water, ion exchange water, ground water, well water, tap water (tap water), etc.), water and alcohol (eg, ethyl alcohol, methyl alcohol, isopropyl alcohol) Etc.) can be used. However, in the present embodiment, the present invention is not limited to these, and conventionally known aqueous solvents can be appropriately selected and used as long as the effects of the present embodiment are not impaired.
(負極スラリーの粘度)
負極スラリーの粘度を特に気にする必要なく、広い粘度範囲において適用可能である。ここで、本実施形態における負極スラリーの粘度としては、好ましくは500〜10000mPa・s、より好ましくは800〜9000mPa・s、さらに好ましくは1000〜8000mPa・sである。負極スラリーの粘度が500mPa・s以上であれば、塗工機(コータなど)を用いて、搬送される集電箔上に負極スラリーを所定の厚さに均一に塗布することができる。その結果得られる負極では、均一で平坦な表面を有する負極活物質層を形成することができる。負極スラリーの粘度が100000mPa・s以下であれば、塗工機(コータなど)を用いて、搬送される集電箔上に負極スラリーを所定の厚さに均一に塗工することができ、その後の乾燥を短時間で行うことができる。その結果得られる負極では、均一で平坦な表面を有する負極活物質層を形成することができる。
(Viscosity of negative electrode slurry)
The viscosity of the negative electrode slurry is not particularly concerned and can be applied in a wide viscosity range. Here, as a viscosity of the negative electrode slurry in this embodiment, Preferably it is 500-10000 mPa * s, More preferably, it is 800-9000 mPa * s, More preferably, it is 1000-8000 mPa * s. When the viscosity of the negative electrode slurry is 500 mPa · s or more, the negative electrode slurry can be uniformly applied to a predetermined thickness on the current collector foil to be conveyed using a coating machine (coater or the like). In the negative electrode obtained as a result, a negative electrode active material layer having a uniform and flat surface can be formed. If the viscosity of the negative electrode slurry is 100000 mPa · s or less, the negative electrode slurry can be uniformly applied to a predetermined thickness on the current collector foil conveyed using a coating machine (coater or the like), and then Can be dried in a short time. In the negative electrode obtained as a result, a negative electrode active material layer having a uniform and flat surface can be formed.
(2)負極原反作製工程(図4の「塗布・乾燥」工程2b+「プレス」工程2c)
本工程は、得られた負極スラリーを、集電体の表面に塗布、乾燥、プレスを行い、負極原反を作製することできればよく、特に制限されるものではなく従来公知の方法を適用することができる。
(2) Negative electrode raw material production process ("application / drying" process 2b + "press" process 2c in FIG. 4)
This step is not particularly limited as long as the obtained negative electrode slurry can be applied to the surface of the current collector, dried and pressed to produce the negative electrode raw material, and a conventionally known method is applied. Can do.
(集電体;負極集電箔)
集電体については既に説明した通りである。なお、負極原反の作製に用いる場合には、従来公知の製造方法と同様に、金属薄膜(集電体に使用する材料及び厚さからなる金属箔、例えば、厚さ10μmの銅箔など)をロールで購入し負極集電箔として使用するのが望ましい。
(Current collector; negative electrode current collector foil)
The current collector is as described above. In addition, when used for production of the negative electrode raw material, a metal thin film (a metal foil made of a material and a thickness used for a current collector, for example, a copper foil having a thickness of 10 μm, etc.) is used in the same manner as a conventionally known manufacturing method Is preferably purchased as a roll and used as a negative electrode current collector foil.
(スラリー塗布)
巻出しローラーに取り付けられた上記負極集電箔から巻き出しながら連続搬送される集電体の表面への負極スラリーの塗布方法としては、特に制限されるものではなく従来公知の方法を適用することができる。例えば、連続搬送される集電体上に負極スラリーを連続塗工可能な方法として、例えば、ダイなどの各種コータを用いた塗布方法、インクジェット工法やスクリーン印刷塗布工法などのパターニング塗布工法などを用いることができる。なお、スラリー塗布では、概ね目付けないし塗布質量の精度が部分ごとで(どの部分をとっても)±5質量%程度の範囲内になるように均一に塗布されているのが望ましい。
(Slurry application)
The method of applying the negative electrode slurry to the surface of the current collector that is continuously conveyed while being unwound from the negative electrode current collector foil attached to the unwinding roller is not particularly limited, and a conventionally known method is applied. Can do. For example, as a method capable of continuously applying the negative electrode slurry onto the continuously conveyed current collector, for example, a coating method using various coaters such as a die, a patterning coating method such as an ink jet method or a screen printing coating method is used. be able to. In the slurry application, it is desirable that the coating is generally performed so that the basis weight or the accuracy of the application mass is within a range of about ± 5% by mass (any part).
(搬送手段)
上記集電箔の搬送手段としては、従来公知の搬送手段を用いることができるものである。例えば、巻出しロールから巻取りロールの間を走行する集電箔の安定に搬送できるように、一定間隔をあけて設けられるガイドロール等を用いることができるが、これらに何ら制限されるものではない。ガイドロールに関しては、集電箔、更には該集電箔上に負極スラリーを塗布した状態で、塗工機(コータ)、乾燥装置(乾燥炉)、更にはロールプレス装置を通過させ、搬送するために設けられている。そのため、上記した各種装置周辺又は内部を通過、搬送させるために必要な個所に適当数を適宜配置されてなるものである。即ち、ガイドロール以外にも、図示していないだけで、従来公知の各種搬送手段が適宜利用されてなるものである。こうした搬送手段を用いることで、設備コストを抑えつつ製造速度を高速にすることができ、コスト低減を図りながら負極活物質層を製造できる。
(Conveying means)
As the current collector foil conveying means, a conventionally known conveying means can be used. For example, it is possible to use a guide roll or the like provided at regular intervals so that the current collector foil traveling between the winding roll and the winding roll can be stably conveyed. Absent. With respect to the guide roll, the current collector foil and further the negative electrode slurry applied on the current collector foil are passed through a coating machine (coater), a drying device (drying furnace), and further a roll press device and conveyed. It is provided for. For this reason, an appropriate number is appropriately arranged at the locations necessary for passing and transporting around and inside the various devices described above. In other words, other than the guide rolls, various well-known conveying means are appropriately used, not shown. By using such a conveying means, the production speed can be increased while suppressing the equipment cost, and the negative electrode active material layer can be produced while reducing the cost.
(乾燥;スラリー粘度調整溶媒の除去)
次に、負極スラリー塗膜が形成された集電体を乾燥して、スラリー塗膜中に含まれるスラリー粘度調整溶媒ないし水系溶媒を除去する。乾燥の条件としては特に制限されるものではなく従来公知の製造方法を適用することができる。具体的に、乾燥の条件は、塗布された負極スラリーに応じて決定され、一義的に規定できないが、通常は40〜150℃、好ましくは80〜130℃で、5分〜20時間である。乾燥雰囲気も特に制限されるものではなく、生産コストの観点から、大気雰囲気で行うのが望ましいが、これに制限されるものではない。乾燥手段(装置)は、通常の連続乾燥が可能な、熱風乾燥、赤外線(IR)乾燥を用いた乾燥手段を使用することができるほか、真空乾燥を用いた乾燥手段を使用することもできる。また熱風乾燥とIR乾燥を併用した乾燥手段を使用してもよい。
(Drying; Removal of slurry viscosity adjusting solvent)
Next, the current collector on which the negative electrode slurry coating film has been formed is dried to remove the slurry viscosity adjusting solvent or aqueous solvent contained in the slurry coating film. The drying conditions are not particularly limited, and conventionally known production methods can be applied. Specifically, the drying conditions are determined according to the applied negative electrode slurry and cannot be uniquely defined, but are usually 40 to 150 ° C., preferably 80 to 130 ° C., and 5 minutes to 20 hours. The drying atmosphere is not particularly limited, and is preferably performed in an air atmosphere from the viewpoint of production cost, but is not limited thereto. As the drying means (apparatus), a drying means using hot air drying and infrared (IR) drying capable of normal continuous drying can be used, and a drying means using vacuum drying can also be used. Moreover, you may use the drying means which used hot air drying and IR drying together.
上記塗布、乾燥は、集電体の表面(A面)で行った後、集電体のもう一方の表面(B面)につき、同様の塗布、乾燥を行うことで、集電体の両面に乾燥塗膜を形成することができる。なお、上記塗布、乾燥をA面とB面の両面同時に行ってもよい。上記塗布、乾燥をA面とB面の両面同時に行う場合には、下面側のスラリーが垂れるのを防止する観点から、集電体の搬送方向を水平方向から垂直方向(上から下に向かう方式、あるいは下から上に向かう方式)にして行ってもよい。この場合には、搬送装置、塗布(塗工)装置、乾燥装置等を横置きから縦置き(或いは縦置きから横置き)に設置して行えばよい。また、双極型電極の場合には、A面(またはB面)に上記正極スラリーを用いて乾燥塗膜(正極活物質層)を形成し、B面(またはA面)に上記負極スラリーを用いて乾燥塗膜(負極活物質層)を形成してもよい。この場合にも、上記塗布、乾燥をA面、B面の順に行ってもよいし、上記塗布、乾燥をA面とB面の両面同時に行ってもよい。 The above application and drying are performed on the current collector surface (A surface), and then the other surface (B surface) of the current collector is applied and dried in the same manner on both surfaces of the current collector. A dry coating film can be formed. In addition, you may perform the said application | coating and drying simultaneously for both A surface and B surface. In the case where the application and drying are performed simultaneously on both the A side and the B side, from the viewpoint of preventing the slurry on the lower side from dripping, the current carrying direction of the current collector is changed from the horizontal direction to the vertical direction (from top to bottom). Alternatively, the method may be performed from the bottom to the top). In this case, a conveying device, a coating (coating) device, a drying device, and the like may be installed from horizontal to vertical (or from vertical to horizontal). In the case of a bipolar electrode, a dry coating film (positive electrode active material layer) is formed on the A surface (or B surface) using the positive electrode slurry, and the negative electrode slurry is used on the B surface (or A surface). A dry coating film (negative electrode active material layer) may be formed. Also in this case, the application and drying may be performed in the order of the A surface and the B surface, or the application and drying may be performed simultaneously on both the A surface and the B surface.
(乾燥塗膜のプレス)
次に、スタリー塗膜を乾燥した後の乾燥塗膜を有する集電体をプレスして、スラリー乾燥塗膜(正極活物質層)が目標密度になるように調整することで、負極原反を得る。
(Dry coating press)
Next, by pressing the current collector having the dried coating film after drying the starry coating film and adjusting the slurry dry coating film (positive electrode active material layer) to have a target density, obtain.
プレスの条件としては、特に制限されるものではなく従来公知の製造方法を適用することができる。具体的に、両面に乾燥塗膜を有する集電体を連続搬送しながらロールプレスにより、スラリー乾燥塗膜(負極活物質層)が目標密度0.90〜1.10g/cm3の範囲になるように調整するのが望ましい。但し、本発明では上記目標密度の範囲に何ら制限されるものではなく、電池の使用目的(出力重視、エネルギー重視など)、イオン伝導性等を考慮して適宜決定すればよい。また、プレス方式は、冷間プレス、熱間プレスのどちらでもよい。 The press conditions are not particularly limited, and conventionally known production methods can be applied. Specifically, the slurry dry coating film (negative electrode active material layer) is within a target density range of 0.90 to 1.10 g / cm 3 by roll press while continuously transporting a current collector having a dry coating film on both sides. It is desirable to adjust as follows. However, the present invention is not limited to the above target density range, and may be appropriately determined in consideration of the purpose of use of the battery (output importance, energy importance, etc.), ion conductivity, and the like. The press method may be either a cold press or a hot press.
尚、乾燥塗膜を有する集電体は、通常、連続搬送しながらロールプレスされた後、巻き取りローラーに巻きとることで、ロール状の負極原反として得ることができる。好ましくは、巻き取りローラーで巻き取ることなく、上記プレス後、搬送される負極原反(乾燥塗膜を有する集電体)を以下の裁断手段によりカットするようにしてもよい。 In addition, the collector which has a dry coating film can be normally obtained as a roll-shaped negative electrode original fabric by winding on a winding roller, after being roll-pressed, carrying continuously. Preferably, the negative electrode fabric (current collector having a dry coating film) to be conveyed after the pressing may be cut by the following cutting means without being wound by a winding roller.
(3)負極作製工程(図4の「スリット」工程2d)
本工程では、上記で得られた負極原反を、裁断手段を用いて所望の形状、大きさにカット(裁断)し、乾燥を経て負極を得る。
(3) Negative electrode manufacturing step (“slit” step 2d in FIG. 4)
In this step, the negative electrode raw material obtained above is cut (cut) into a desired shape and size using a cutting means, and dried to obtain a negative electrode.
(負極原反のカット(裁断))
上記で得られた負極原反を、適当な裁断手段を用いて所望の形状、大きさにカットする方法としては、特に制限されるものではなく従来公知の製造方法を適用することができる。具体的に、上記で得られた、巻き取りローラーによりロール状に巻き取られた負極原反を、再度、巻出しローラーに取り付けて、負極原反を巻出しなからスリッター等の裁断手段を用いて、所望の形状、大きさ、詳しくは目的の負極電極サイズに合わせて矩形形状にカットすればよい。なお、裁断手段は上記スリッター等に何ら制限されるものではなく、従来公知の裁断手段を適宜利用することができる。好ましくは、巻き取りローラーで巻き取ることなく、上記プレス工程後、搬送される負極原反(乾燥塗膜を有する集電体)に対して、スリッター等の裁断手段を用いて目的の負極電極サイズに合わせて矩形形状等にカットするのが工数を削減できる点で望ましい。
(Cut negative electrode fabric (cutting))
The method for cutting the negative electrode raw material obtained above into a desired shape and size using an appropriate cutting means is not particularly limited, and conventionally known production methods can be applied. Specifically, the negative electrode raw material wound up in a roll shape by the take-up roller obtained above is attached to the unwinding roller again, and the negative electrode raw material is not unwound so that a cutting means such as a slitter is used. Then, it may be cut into a rectangular shape in accordance with the desired shape and size, specifically the target negative electrode size. The cutting means is not limited to the slitter and the like, and conventionally known cutting means can be used as appropriate. Preferably, the target negative electrode size using a cutting means such as a slitter is applied to the negative electrode fabric (current collector having a dry coating film) conveyed after the pressing step without being wound by a winding roller. It is desirable to cut it into a rectangular shape or the like according to the point of reducing the man-hours.
(乾燥;付着水分の除去)
次に、カットされた負極を乾燥して、上記(2)の負極原反作製工程の乾燥で付着した水分を除去する。乾燥の条件としては特に制限されるものではなく従来公知の製造方法を適用することができる。具体的に、乾燥の条件は、負極サイズなどに応じて決定され、一義的に規定できないが、通常は真空乾燥機を用いて、70℃以上で、7時間以上で乾燥を行う。乾燥雰囲気も特に制限されるものではないが、不活性ガス(窒素ガス)で置換した後、減圧して真空乾燥を行うのが望ましいが、これに制限されるものではない。乾燥手段(装置)は、真空乾燥装置を用いた乾燥手段を使用することもできる。また真空乾燥とIR乾燥を併用した乾燥手段を使用してもよい。上記乾燥を経て、所望の目標密度、サイズ、形状を有する負極を得ることができる。
(Drying; removal of adhering water)
Next, the cut negative electrode is dried to remove moisture adhering to the negative electrode raw material preparation step (2). The drying conditions are not particularly limited, and conventionally known production methods can be applied. Specifically, the drying conditions are determined according to the size of the negative electrode and cannot be uniquely defined. Usually, however, drying is performed at 70 ° C. or higher for 7 hours or longer using a vacuum dryer. The drying atmosphere is not particularly limited, but it is desirable to perform vacuum drying under reduced pressure after substitution with an inert gas (nitrogen gas), but is not limited thereto. As the drying means (apparatus), a drying means using a vacuum drying apparatus can also be used. Moreover, you may use the drying means which used vacuum drying and IR drying together. Through the drying, a negative electrode having a desired target density, size, and shape can be obtained.
[III]積層体を形成する工程(図4の「積層・タブ溶接」工程3a)
本工程[III]では、前記正極形成工程[I]と前記負極形成工程[II]で得られた正極と負極と、セパレータとを積層して積層体を形成するものである。
[III] Step of Forming the Laminate (“Lamination / Tab Welding” Step 3a in FIG. 4)
In this step [III], the positive electrode and the negative electrode obtained in the positive electrode forming step [I] and the negative electrode forming step [II], and a separator are laminated to form a laminate.
(積層体の形成方法)
これら前記正極形成工程[I]と前記負極形成工程[II]で得られた正極と負極と、セパレータを、正極、セパレータ、負極、セパレータ、正極・・の順に交互に積層する。そうすることで所望の積層数(セル数)からなる積層体とすることができる(図1の発電要素21や図4参照)。
(Method for forming laminate)
The positive electrode and the negative electrode obtained in the positive electrode forming step [I] and the negative electrode forming step [II], and a separator are alternately stacked in the order of a positive electrode, a separator, a negative electrode, a separator, and a positive electrode. By doing so, it can be set as the laminated body which consists of desired lamination | stacking number (cell number) (refer the electric power generation element 21 of FIG. 1, and FIG. 4).
ここで、セパレータは、正極、負極と同様にして、例えば、ポリエチレン(PE)製の微多孔膜(厚さ25μm程度)等をロールで購入するなどして、セパレータ原反を得る。このセパレータ原反を、裁断手段を用いて所望の形状、大きさにカット(裁断)し、乾燥を経てセパレータを得るのが望ましい。 Here, the separator is obtained in the same manner as the positive electrode and the negative electrode, for example, by purchasing a microporous film (thickness of about 25 μm) made of polyethylene (PE) or the like with a roll. It is desirable to cut (cut) the raw material of the separator into a desired shape and size using a cutting means, and obtain the separator through drying.
(セパレータ原反のカット(裁断))
セパレータ原反を、適当な裁断手段を用いて所望の形状、大きさにカットする方法としては、特に制限されるものではなく従来公知の製造方法を適用することができる。具体的に、ロール状に巻き取られたセパレータ原反を、巻出しローラーに取り付けて、セパレータ原反を巻出しなからスリッター等の裁断手段を用いて、所望の形状、大きさ、詳しくは目的のセパレータサイズに合わせて矩形形状にカットすればよい。なお、裁断手段は上記スリッター等に何ら制限されるものではなく、従来公知の裁断手段を適宜利用することができる。
(Separator material cut (cut))
The method of cutting the separator raw fabric into a desired shape and size using an appropriate cutting means is not particularly limited, and conventionally known production methods can be applied. Specifically, the separator roll wound up in a roll is attached to the unwinding roller, and since the separator blank is unwound, using a cutting means such as a slitter, the desired shape, size, and in detail What is necessary is just to cut into a rectangular shape according to the separator size. The cutting means is not limited to the slitter and the like, and conventionally known cutting means can be used as appropriate.
(乾燥;付着水分の除去)
次に、カットされたセパレータを乾燥して、付着した水分を除去する。乾燥の条件としては特に制限されるものではなく従来公知の製造方法を適用することができる。具体的に、乾燥の条件は、セパレータサイズなどに応じて決定され、一義的に規定できないが、通常は真空乾燥機を用いて、70℃以上で、7時間以上で乾燥を行う。乾燥雰囲気も特に制限されるものではないが、不活性ガス(窒素ガス)で置換した後、減圧して真空乾燥を行うのが望ましいが、これに制限されるものではない。乾燥手段(装置)は、真空乾燥装置を用いた乾燥手段を使用することもできる。また真空乾燥とIR乾燥を併用した乾燥手段を使用してもよい。上記乾燥を経て、所望の目標密度、サイズ、形状を有するセパレータを得ることができる。
(Drying; removal of adhering water)
Next, the cut separator is dried to remove the attached moisture. The drying conditions are not particularly limited, and conventionally known production methods can be applied. Specifically, the drying conditions are determined according to the separator size and the like and cannot be uniquely defined. Usually, however, the drying is performed at 70 ° C. or higher for 7 hours or longer using a vacuum dryer. The drying atmosphere is not particularly limited, but it is desirable to perform vacuum drying under reduced pressure after substitution with an inert gas (nitrogen gas), but is not limited thereto. As the drying means (apparatus), a drying means using a vacuum drying apparatus can also be used. Moreover, you may use the drying means which used vacuum drying and IR drying together. Through the above drying, a separator having a desired target density, size, and shape can be obtained.
(積層方法)
正極、セパレータ、負極の積層は、特に制限されるものではなく、手動で行ってもよいほか、自動化(機械化)してもよい。自動化(機械化)には、既に市販品の積層機を用いてもよいし、内製した積層機を用いることもできる。
(Lamination method)
The lamination of the positive electrode, the separator, and the negative electrode is not particularly limited, and may be performed manually or may be automated (mechanical). For automation (mechanization), a commercially available lamination machine may be used, or an in-house produced lamination machine may be used.
(積層体の概要)
図15は、積層体の基本構成を模式的に表した分解斜視図である。図15に示す積層体61は、正極62を16枚、負極63を17枚、セパレータ64を32枚用いて、上から順に、負極63、セパレータ64、正極62、セパレータ64、・・の順に交互に積層したものである。
(Outline of laminate)
FIG. 15 is an exploded perspective view schematically showing the basic configuration of the laminate. 15 uses 16 positive electrodes 62, 17 negative electrodes 63, and 32 separators 64, and in order from the top, negative electrode 63, separator 64, positive electrode 62, separator 64,... Are laminated.
(タブの溶接)
次に、図15に示すように、上記積層体61(の各集電体;図示せず)に正極タブ62a、負極タブ63aを溶接により接合する。必要に応じて、溶接後に余分なタブ等をトリミングにより除去するのが望ましい。かかる接合方法としては特に制限されるものではないが、超音波溶接機にて行うのが、接合時に発熱(加熱)せず、極めて短時間で接合できる為、熱による電極活物質層の劣化を防止できる点で優れている。この際、図15に示すように正極タブ62aと、負極タブ63aとは、同じ辺(同じ取出し側)で対向(対峙)するように配置することができる。これにより、各正極62(16枚)の正極タブ62aを1つに束ねて1つの正極集電板(正極集電タブ:図18の符号62A;図1の符号25、図3の符号48参照)として外装体から取り出すことができる。同様に各負極63(17枚)の負極タブ63aを1つに束ねて1つの負極集電板(負極集電タブ:図18の符号63A;図1の符号27、図3の符号49参照)として外装体から取り出すことができる。但し、図1、3に示すように、正極集電板(正極集電タブ)と、負極集電板(負極集電タブ)とが、反対の辺(異なる取出し辺)となるように、正極タブ62aと、負極タブ63aを配置してもよいなど、特に制限されるものではない。
(Tab welding)
Next, as shown in FIG. 15, the positive electrode tab 62a and the negative electrode tab 63a are joined to the said laminated body 61 (each collector of it; not shown) by welding. If necessary, it is desirable to remove excess tabs and the like by trimming after welding. Such a joining method is not particularly limited, but the ultrasonic active machine does not generate heat (heat) at the time of joining and can be joined in a very short time, so that the electrode active material layer is deteriorated by heat. It is excellent in that it can be prevented. At this time, as shown in FIG. 15, the positive electrode tab 62a and the negative electrode tab 63a can be arranged so as to face each other (opposite) on the same side (the same extraction side). Thus, the positive electrode tabs 62a of the positive electrodes 62 (16 sheets) are bundled into one positive current collector plate (positive electrode current collector tab: reference numeral 62A in FIG. 18; reference numeral 25 in FIG. 1, reference numeral 48 in FIG. 3) ) Can be taken out from the exterior body. Similarly, the negative electrode tab 63a of each negative electrode 63 (17 sheets) is bundled into one negative current collector plate (negative current collector tab: reference numeral 63A in FIG. 18; reference numeral 27 in FIG. 1, reference numeral 49 in FIG. 3) Can be taken out from the exterior body. However, as shown in FIGS. 1 and 3, the positive electrode current collector plate (positive electrode current collector tab) and the negative electrode current collector plate (negative electrode current collector tab) are arranged on opposite sides (different extraction sides). The tab 62a and the negative electrode tab 63a may be arranged, and is not particularly limited.
なお、図2で説明したように、セパレータに接着層を形成して積層してもよい。これにより、電極(正極ないし負極)とセパレータとが積層してもズレることなく安定に積層できるため、端部でセパレータから電極がはみ出して微小短絡を生ずることがないように、検査項目を設けて、ズレがないか検査する手間が省ける点で優れている。 As described with reference to FIG. 2, an adhesive layer may be formed on the separator and stacked. As a result, even if the electrode (positive electrode or negative electrode) and the separator are stacked, they can be stably stacked without shifting. Therefore, an inspection item is provided so that the electrode does not protrude from the separator at the end and cause a short circuit. This is superior in that it eliminates the trouble of inspecting for misalignment.
[IV]積層体に電解液を注液する工程(図4の「注液」工程3b)
本工程では、積層体に電解液を注液する。図16は、積層体を電池外装体に用いるラミネートフィルムで上下から挟む(収納する)様子を模式的に表した図面である。図17は、積層体を外装体に収納し、外装体の3辺を封止した3辺封止体の様子を模式的に表した図面である。図18は、3辺封止体の残る1辺の開口部から電解液を注液する装置構成を模式的に表した図面である。
[IV] A step of injecting an electrolyte into the laminate (“injection” step 3b in FIG. 4)
In this step, an electrolytic solution is injected into the laminate. FIG. 16 is a drawing schematically showing a state in which the laminate is sandwiched (stored) from above and below by a laminate film used for a battery exterior body. FIG. 17 is a drawing schematically showing a state of a three-side sealed body in which a laminated body is housed in an exterior body and three sides of the exterior body are sealed. FIG. 18 is a drawing schematically showing a device configuration for injecting an electrolytic solution from the opening on one side where the three-side sealing body remains.
(積層体の外装材への収納;注液前の準備段階その1)
まず、図16に示すように、積層体61を電池外装体に用いるラミネートフィルム65で上下から、正極集電板(正極集電タブ)62Aと、負極集電板(負極集電タブ)63Aが電池外装体の外部に取り出せるようにして、挟み込む。次に、図17に示すように、上下のラミネートフィルム65の外周部(封止部)66のうち3辺を熱圧着して封止する。なお、上下のラミネートフィルム65のうち、正極集電板(正極集電タブ)62Aと、負極集電板(負極集電タブ)63Aを外部に取り出す辺の内側には、絶縁補強シート67を設けてもよい。これにより、想定外の強い振動や衝撃、更には使用中にユーザーが誤って刃物等で引っ掻くなど想定外の事故が起きても、上下のラミネートフィルム65の一部が損傷し、ラミネートフィルム65内部のAl箔がむき出しになるのを防止することができる。その結果、正極集電板(正極集電タブ)62Aや負極集電板(負極集電タブ)63Aが、上下のラミネートフィルム65内部のAl箔と接触することもなく、電池の安全性を格段に高めることができる点で優れている。
(Storing the laminated body in an exterior material; preparation stage 1 before injection)
First, as shown in FIG. 16, a laminate film 65 using the laminated body 61 as a battery exterior body has a positive electrode current collector plate (positive electrode current collector tab) 62 </ b> A and a negative electrode current collector plate (negative electrode current collector tab) 63 </ b> A from above and below. Insert the battery so that it can be taken out of the battery case. Next, as shown in FIG. 17, three sides of the outer peripheral portions (sealing portions) 66 of the upper and lower laminate films 65 are sealed by thermocompression bonding. An insulating reinforcing sheet 67 is provided on the inner side of the upper and lower laminate films 65 where the positive electrode current collector plate (positive electrode current collector tab) 62A and the negative electrode current collector plate (negative electrode current collector tab) 63A are taken out. May be. As a result, even if an unexpected accident such as an unexpected strong vibration or impact, or a user accidentally scratching with a blade during use, part of the upper and lower laminate films 65 is damaged, It is possible to prevent the Al foil from being exposed. As a result, the positive electrode current collector plate (positive electrode current collector tab) 62A and the negative electrode current collector plate (negative electrode current collector tab) 63A do not come into contact with the Al foils in the upper and lower laminate films 65, and the safety of the battery is remarkably increased. It is excellent in that it can be increased.
(3辺封止体の作製;注液前の準備段階その2)
上下のラミネートフィルム65の外周部(熱封止部)66のうち3辺を熱圧着して封止することで、図17に示すように、積層体(図示せず)を外装体65aに収納し、外装体65aの外周部(封止部66)のうち3辺を封止(熱封止部66a)した3辺封止体71を得ることができる。図16の封止部66は、熱圧着して封止する前の状態(上下のラミネートフィルム65が熱融着して貼り合わされていない状態)をいう。図17の熱圧着部66aは、熱圧着して封止した後の状態(上下のラミネートフィルム65が熱融着して貼り合わされた状態)をいう。この際、正極集電板(正極集電タブ)62A、負極集電板(負極集電タブ)63Aを取り出す辺の熱封止部66は、封止しておくのが好ましい。これは、その後の注液時に、これらの正極集電板(正極集電タブ)62A、負極集電板(負極集電タブ)63Aが開口部にあると、注液時に電解液が飛び散るなどする恐れがあるためである。
(Preparation of three-side sealed body; preparation stage 2 before injection)
By sealing and sealing three sides of the outer peripheral portions (heat sealing portions) 66 of the upper and lower laminate films 65, the laminate (not shown) is stored in the exterior body 65a as shown in FIG. And the 3 side sealing body 71 which sealed 3 sides (heat sealing part 66a) among the outer peripheral parts (sealing part 66) of the exterior body 65a can be obtained. 16 indicates a state before sealing by thermocompression bonding (a state where the upper and lower laminate films 65 are not thermally bonded and bonded). The thermocompression bonding part 66a in FIG. 17 refers to a state after thermocompression bonding and sealing (a state in which the upper and lower laminate films 65 are heat-sealed and bonded). At this time, it is preferable to seal the heat sealing portion 66 on the side where the positive electrode current collecting plate (positive electrode current collecting tab) 62A and the negative electrode current collecting plate (negative electrode current collecting tab) 63A are taken out. This is because when the positive electrode current collector plate (positive electrode current collector tab) 62A and the negative electrode current collector plate (negative electrode current collector tab) 63A are in the opening at the time of the subsequent injection, the electrolyte scatters at the time of injection. Because there is a fear.
(注液)
図18に示す注液装置81にて上記注液前の3辺封止体71の残る1辺の開口部68より、上記3辺封止体71内部に、電解液貯蔵タンク(図示せず)に接続された電解液輸送ライン83の先端に設けられた注液ノズル85から電解液を注液する。これによりセパレータに電解液を含浸した電解質層が形成される。この際、電解液が上記3辺封止体71内部の積層体、特にセパレータおよび電極活物質層にできるだけ早く含浸できるように、3辺封止体71は、真空ポンプ(図示せず)に連結された真空ボックス87に収納し、減圧して内部を高真空状態にした状態で注液を行うのが望ましい。注液後、3辺封止体71を真空ボックス87から取出し、3辺封止体71の残る1辺を封止(熱封止)して、ラミネートタイプ(積層構造)のリチウムイオン二次電池を完成したとしてもよい。本工程で用いられる電解液に関しては、既に説明した通りである。
(Liquid injection)
In the liquid injection device 81 shown in FIG. 18, an electrolyte storage tank (not shown) is provided inside the three-side sealing body 71 from the remaining one side opening 68 of the three-side sealing body 71 before the injection. The electrolyte solution is injected from an injection nozzle 85 provided at the tip of the electrolyte solution transport line 83 connected to. As a result, an electrolyte layer in which the separator is impregnated with the electrolytic solution is formed. At this time, the three-side sealing body 71 is connected to a vacuum pump (not shown) so that the electrolyte can be impregnated in the laminate inside the three-side sealing body 71, particularly the separator and the electrode active material layer as soon as possible. It is desirable to carry out liquid injection in a state where the vacuum box 87 is housed and the pressure is reduced and the inside is in a high vacuum state. After the injection, the three-side sealing body 71 is taken out from the vacuum box 87, and the remaining one side of the three-side sealing body 71 is sealed (heat-sealed) to form a laminate type (laminated structure) lithium ion secondary battery. May be completed. The electrolytic solution used in this step is as already described.
更に本発明では、電解液が、SEI形成用添加剤を含まないのが望ましい。これにより、電極内側の負極集電体近傍の負極活物質表面と、電極(負極活物質層)外側近傍の負極活物質表面とで、形成されるSEIの厚さ等が異なるという課題を生じさせないためである(図7〜図10と図11〜図14を対比参照のこと)。また、初回充電工程の目的の1つとしてSEIの形成がある。電解液にSEI形成用添加剤があると、初回充電時に正極側の電解液中の該添加剤を負極側に移動させてSEIを形成させる必要があるなど、複雑なプロセスをたどるため、初回充電時間が長くなる。更にその後、図4に示すように14日以上もかけて高温エージングを行う必要があるにもかかわらず、図10に示すように品質バラツキが発生するという課題があった。本発明の製造方法では、SEI形成用添加剤を負極スラリーに添加し、電解液及び正極スラリーに添加しない構成とすることで、上記した課題を解消することができる点で優れている。 Furthermore, in the present invention, it is desirable that the electrolytic solution does not contain an additive for forming SEI. Thereby, the negative electrode active material surface in the vicinity of the negative electrode current collector inside the electrode and the negative electrode active material surface in the vicinity of the electrode (negative electrode active material layer) outside do not cause a problem that the thickness of the formed SEI is different. (For comparison, see FIGS. 7 to 10 and FIGS. 11 to 14). One purpose of the initial charging process is the formation of SEI. If there is an additive for SEI formation in the electrolytic solution, it is necessary to move the additive in the electrolytic solution on the positive electrode side to the negative electrode side to form SEI at the time of initial charging. The time will be longer. Furthermore, as shown in FIG. 4, although it is necessary to perform high temperature aging over 14 days or more as shown in FIG. 4, there is a problem that quality variation occurs as shown in FIG. In the manufacturing method of this invention, it is excellent at the point which can eliminate the above-mentioned subject by setting it as the structure which adds the additive for SEI formation to a negative electrode slurry, and does not add to electrolyte solution and a positive electrode slurry.
但し、本発明では、工程[IV]後、図4に示すように、以下の工程を行ってよい。この場合、3辺封止体71の残る1辺を封止(熱封止)せずに、クリップなどにより開閉自在な状態としておき、プレ充電や初充電で発生したガスを外装体から排出できるようにしておくのが望ましい。 However, in the present invention, after the step [IV], as shown in FIG. 4, the following steps may be performed. In this case, the remaining one side of the three-side sealing body 71 is not sealed (thermally sealed), but can be opened and closed by a clip or the like, and the gas generated by precharging or initial charging can be discharged from the exterior body. It is desirable to do so.
一定時間放置して注液された電解液を含浸させる第1含浸工程[V]と、プレ初回充電を行うプレ初回充電工程[VI]と、一定時間放置して電解液の含浸を促進させる第2含浸工程[VII]と、初回充電を行う初回充電工程[VIII]と、を含むのが望ましい。これらの工程を含むことで、電解液の含浸が隅々まで行き渡り、電池反応面積を損なうことなく、初回放電以降の充放電サイクルを行うことができる。また、図4に示すように、本発明の製造方法では、負極スラリーにSEI形成用添加剤が含まれるため、図11〜図14で説明したように、SEI形成が短時間に形成されるため、初回充電工程後に14日以上の高温エージング、更に必要に応じて14日以上の常温エージングを行わなくとも、SEIの形成を完了することができる。さらにプレ初回充電や初回充電時に大量に発生するガス(初回放電時やその後の充放電サイクルではほとんどガス発生しない)を、簡単に排出させることができる。以下、工程[V]以降につき、説明する。 A first impregnation step [V] for impregnating the electrolyte that has been allowed to stand for a certain period of time, a pre-initial charge step [VI] for performing the pre-initial charge, and a first step for promoting impregnation of the electrolyte by leaving for a certain period of time. 2 It is desirable to include an impregnation step [VII] and an initial charging step [VIII] for performing initial charging. By including these steps, the electrolytic solution is thoroughly impregnated, and charge / discharge cycles after the initial discharge can be performed without impairing the battery reaction area. Further, as shown in FIG. 4, in the manufacturing method of the present invention, since the SEI formation additive is included in the negative electrode slurry, the SEI formation is formed in a short time as described with reference to FIGS. The formation of SEI can be completed without performing high-temperature aging for 14 days or more after the initial charging step and, further, room temperature aging for 14 days or more as required. Furthermore, a large amount of gas generated at the time of pre-initial charge or initial charge (almost no gas is generated during the initial discharge or the subsequent charge / discharge cycle) can be easily discharged. Hereinafter, step [V] and subsequent steps will be described.
[V]第1含浸工程(図4の「含浸」工程3c)
本工程では、注液後の3辺封止体を、一定時間放置して注液された電解液を含浸させることできればよく、特に制限されるものではなく従来公知の方法を適用することができる。通常、1時間〜24時間程度放置することで、開口部より注液した電解液が、セパレータ及び活物質層内部にまで含浸させるものである。場合によっては、注液工程で用いた真空ボックス87や真空ポンプを利用して、加減圧を繰り返すなどして電池内部に電解液が含浸しやすい環境下で行うようにしてもよい。また、雰囲気も、水分を含まないドライな環境下、例えば、ドライな不活性ガス雰囲気下で行うのがよい。また、場合によっては、電極が破壊されない程度の緩やかな超音波振動を加えることで、電解液が含浸されるのを促進するようにしてもよい。また、電解液を電極外側だけでなく、電極内側(集電体側)まで十分に含浸させておくことで、上記したように、初充電時に電極の厚さ方向にかかわりなく、電極外側から内側(集電体側)まで均一なSEIを形成することができる点でも優れている。
[V] First impregnation step (“impregnation” step 3c in FIG. 4)
In this step, it is only necessary that the three-side sealed body after the injection is allowed to be impregnated with the electrolyte that has been allowed to stand for a certain period of time, and is not particularly limited, and a conventionally known method can be applied. . Usually, the electrolytic solution poured from the opening is impregnated into the separator and the active material layer by leaving it to stand for about 1 to 24 hours. Depending on the case, it may be performed in an environment in which the battery is easily impregnated with the electrolytic solution by repeating the pressurization and depressurization using the vacuum box 87 or the vacuum pump used in the liquid injection process. Also, the atmosphere is preferably performed in a dry environment containing no moisture, for example, in a dry inert gas atmosphere. Moreover, depending on the case, you may make it accelerate | stimulate that an electrolyte solution is impregnated by applying the gentle ultrasonic vibration of the grade which does not destroy an electrode. In addition, by sufficiently impregnating the electrolyte not only outside the electrode but also inside the electrode (current collector side), as described above, from the outside of the electrode to the inside ( It is also excellent in that uniform SEI can be formed up to the current collector side.
[VI]プレ初回充電工程(図4の「含浸」工程3d)
本工程では、第1含浸工程を終えた3辺封止体の残る1辺をクリップで閉じた後、所定の充電レートにてプレ初回充電を行うことできればよく、特に制限されるものではなく従来公知の方法を適用することができる。通常、充電レート0.1C〜1.0Cで0.5〜1.0時間程度行えばよい。これにより、不良品を簡単に見つけて取り除くことができる。また、図4に示すように、かかるプレ初回充電工程から、電極の厚さ方向にかかわりなく、電極外側から内側(集電体側)まで均一なSEIの形成を開始させることができる。さらにプレ初回充電時に発生するガスを、クリップなどで閉じた状態にしてプレ初回充電後に、該クリップを外して3辺封止体71の1辺を開放することで、プレ初回充電で発生したガスを外装体から簡単に排出させることができる。また、クリップなどで閉じた状態にしてプレ初回充電後に、例えば、外装体の未封止の辺の反対側の辺から、ローラ掛けして、電池内部に発生したガスを外装体の未封止の辺側(外装体と積層体との隙間の内部空間部分)に押し出してもよい。その後、クリップを外して3辺封止体71の1辺を開放することで、プレ初回充電で発生したガスを外装体から簡単かつ確実に排出させることができる。
[VI] Pre-initial charging step ("impregnation" step 3d in FIG. 4)
In this step, it is only necessary to perform pre-initial charging at a predetermined charging rate after the remaining one side of the three-side sealing body after the first impregnation step is closed with a clip, and is not particularly limited. A known method can be applied. Usually, it may be performed at a charge rate of 0.1 C to 1.0 C for about 0.5 to 1.0 hour. As a result, defective products can be easily found and removed. Moreover, as shown in FIG. 4, formation of uniform SEI can be started from this pre-initial charging process from the outer side of the electrode to the inner side (current collector side) regardless of the thickness direction of the electrode. Further, the gas generated during the pre-initial charge is closed by a clip or the like, and after the pre-initial charge, the gas is generated during the pre-initial charge by removing the clip and opening one side of the three-side sealing body 71 Can be easily discharged from the exterior body. In addition, after pre-initial charging in a closed state with a clip or the like, for example, by rolling from the side opposite to the unsealed side of the exterior body, the gas generated inside the battery is unsealed. You may extrude to the edge side (internal space part of the clearance gap between an exterior body and a laminated body). Thereafter, by removing the clip and opening one side of the three-side sealing body 71, the gas generated by the pre-initial charge can be easily and reliably discharged from the exterior body.
[VII]第2含浸工程(図4の「含浸」工程3e)
本工程では、プレ初回充電後の3辺封止体を、一定時間放置して電解液の含浸を促進させることできればよく、特に制限されるものではなく従来公知の方法を適用することができる。通常、24時間以上(数日程度まで)放置することで、電解液が、特にセパレータ及び活物質層の隅々にまで含浸するのを促進させるものである。場合によっては、注液工程で用いた真空ボックス87や真空ポンプを利用して、加減圧を繰り返すなどして電池内部に電解液が含浸しやすい環境下で行うようにしてもよい。また、雰囲気も、水分を含まないドライな環境下、例えば、ドライな不活性ガス雰囲気下で行うのがよい。また、場合によっては、電極が破壊されない程度の緩やかな超音波振動を加えることで、電解液が含浸されるのを促進するようにしてもよい。また、電解液を電極外側だけでなく、電極内側(集電体側)まで十分に含浸させておくことで、上記したように、初充電時に電極の厚さ方向にかかわりなく、電極外側から内側(集電体側)まで均一なSEIを形成することができる点でも優れている。また、かかる第2含浸工程でも図4に示すように、SEIの形成が進行しており、電解液を電極外側だけでなく、電極内側(集電体側)まで十分にSEIの形成を進行させることができる。
[VII] Second impregnation step ("impregnation" step 3e in FIG. 4)
In this step, it is only necessary that the three-side sealed body after the pre-initial charge is allowed to stand for a certain period of time to promote the impregnation with the electrolytic solution, and is not particularly limited, and a conventionally known method can be applied. Usually, by leaving it to stand for 24 hours or more (up to about several days), the electrolytic solution is promoted to impregnate into every corner of the separator and the active material layer. Depending on the case, it may be performed in an environment in which the battery is easily impregnated with the electrolytic solution by repeating the pressurization and depressurization using the vacuum box 87 or the vacuum pump used in the liquid injection process. Also, the atmosphere is preferably performed in a dry environment containing no moisture, for example, in a dry inert gas atmosphere. Moreover, depending on the case, you may make it accelerate | stimulate that an electrolyte solution is impregnated by applying the gentle ultrasonic vibration of the grade which does not destroy an electrode. In addition, by sufficiently impregnating the electrolyte not only outside the electrode but also inside the electrode (current collector side), as described above, from the outside of the electrode to the inside ( It is also excellent in that uniform SEI can be formed up to the current collector side. Also, in the second impregnation step, as shown in FIG. 4, the formation of SEI is progressing, and the formation of SEI is sufficiently advanced not only outside the electrode but also inside the electrode (current collector side). Can do.
[VIII]初回充電工程(図4の「含浸」工程3f)
本工程では、所定の充電レートにて初回充電を行うことできればよく、特に制限されるものではなく従来公知の方法を適用することができる。通常、充電レート0.1C〜2.0Cで、満充電になるまで(通常、単電池層当たりの電圧が4.2Vになるまで)行えばよい。これにより、図4に示すように、負極電極の厚さ方向にかかわりなく、電極外側から内側(集電体側)まで均一なSEIの形成を完成させることができる。本発明ではSEIの形成が短時間でできるため、初回充電も3時間程度で行うことができる。一方、図7〜図10に示す従来の製造方法では、初回充電時に正極側から負極側に電解液(特に添加剤)の移動が必要となるため、SEIの形成に長時間を要し、初回充電も5.5時間程度と本発明の2倍近くかかる。更に言えば、従来の製造方法では、図4に示すように、初回充電だけでは、SEIの形成が完了せず、その後、14日以上の高温エージング、更には14日以上の常温エージングを行う必要があり、これによりやっとSEIの形成が完了していた。
[VIII] Initial charging step ("impregnation" step 3f in FIG. 4)
In this step, it is only necessary that the initial charging can be performed at a predetermined charging rate, and there is no particular limitation, and a conventionally known method can be applied. Usually, the charging may be performed at a charging rate of 0.1 C to 2.0 C until the battery is fully charged (usually, the voltage per unit cell layer is 4.2 V). Thereby, as shown in FIG. 4, formation of uniform SEI from the outer side of the electrode to the inner side (current collector side) can be completed irrespective of the thickness direction of the negative electrode. In the present invention, since the SEI can be formed in a short time, the initial charge can be performed in about 3 hours. On the other hand, in the conventional manufacturing method shown in FIGS. 7 to 10, since it is necessary to move the electrolyte (particularly the additive) from the positive electrode side to the negative electrode side during the initial charge, it takes a long time to form SEI. Charging takes about 5.5 hours, nearly twice as long as the present invention. Furthermore, in the conventional manufacturing method, as shown in FIG. 4, the formation of SEI is not completed by only the initial charge, and then high temperature aging for 14 days or more, and further room temperature aging for 14 days or more are necessary. As a result, the formation of SEI was finally completed.
本工程では、さらにプレ初回充電時に発生する大量のガスを、クリップなどで閉じた状態にして初回充電後に、該クリップを外して3辺封止体71の1辺を開放することで、初回充電で発生した大量のガスを外装体から簡単に排出させることができる。また、クリップなどで閉じた状態にして初回充電後に、例えば、外装体の未封止の辺の反対側の辺から、ローラ掛けして、電池内部に発生した大量のガスを外装体の未封止の辺側(外装体と積層体との隙間の内部空間部分)に押し出してもよい。その後、クリップを外して3辺封止体71の1辺を開放することで、初回充電で発生したガスを外装体から簡単かつ確実に排出させることができる。最後に、3辺封止体71を真空ボックス87から取出し、3辺封止体71の残る1辺を封止(熱封止)して、ラミネートタイプ(積層構造)のリチウムイオン二次電池を完成させることができる。 In this process, a large amount of gas generated during pre-initial charging is closed with a clip or the like, and after the initial charging, the clip is removed and one side of the three-side sealing body 71 is opened to perform initial charging. A large amount of gas generated in can be easily discharged from the exterior body. In addition, after the initial charge in a closed state with a clip or the like, for example, a large amount of gas generated inside the battery is unsealed by rolling the roller from the side opposite to the unsealed side of the exterior body. You may extrude to the edge | side of a stop (internal space part of the clearance gap between an exterior body and a laminated body). Thereafter, by removing the clip and opening one side of the three-side sealing body 71, the gas generated by the initial charge can be easily and reliably discharged from the exterior body. Finally, the three-side sealing body 71 is taken out from the vacuum box 87, and the remaining one side of the three-side sealing body 71 is sealed (heat-sealed) to obtain a laminate type (laminated structure) lithium ion secondary battery. Can be completed.
本発明の製造方法では、本工程により所望の非水電解質二次電池を得ることができ、図4に示すように、14日以上を要する高温エージング工程、更に必要に応じて14日以上を要する常温エージング(図示せず)を行う必要がなく、極めて短時間で電池を完成させることができる(生産効率、量産化の)点で優れている。 In the production method of the present invention, a desired nonaqueous electrolyte secondary battery can be obtained by this step. As shown in FIG. 4, a high-temperature aging step that requires 14 days or more, and further 14 days or more as required. There is no need to perform room temperature aging (not shown), and the battery can be completed in a very short time (in terms of production efficiency and mass production).
以上説明した本実施形態の非水電解質二次電池(積層構造電池)は、以下の効果を有する。 The nonaqueous electrolyte secondary battery (laminated structure battery) of the present embodiment described above has the following effects.
本実施形態の非水電解質二次電池の製造方法は、負極形成に用いる負極スラリーに、SEI形成用添加剤を含むことを特徴とするものである。好ましくは、電解液及び正極形成に用いる正極スラリーが、いずれもSEI形成用添加剤を含まないものである。 The method for producing a non-aqueous electrolyte secondary battery according to this embodiment is characterized in that the negative electrode slurry used for forming the negative electrode contains an additive for SEI formation. Preferably, the electrolyte solution and the positive electrode slurry used for positive electrode formation do not contain any additive for SEI formation.
上記構成を有することで、高品質な(特に負極活物質層の厚さ方向に皮膜が均一な)SEIの生成により電池性能の向上を図ることができる。 By having the above configuration, battery performance can be improved by generating high-quality SEI (particularly, a uniform film in the thickness direction of the negative electrode active material layer).
即ち、SEIは抵抗成分となるため、該SEIを負極電極の厚さ方向にかかわらず均一に形成することができる本実施形態の製造方法では、得られる電池の容量低下が抑制され、長寿命化が図れる(図11〜14と図7〜図10とを対比参照のこと)。 That is, since the SEI becomes a resistance component, in the manufacturing method of the present embodiment in which the SEI can be uniformly formed regardless of the thickness direction of the negative electrode, a decrease in the capacity of the obtained battery is suppressed and the life is extended. (Refer to FIG. 11 to FIG. 14 and FIG. 7 to FIG. 10 for comparison).
更に、図4に示すように、14日以上を要する高温エージング工程、更には14日以上の常温エージングを行う必要がなく、極めて短時間で電池を完成させることができる(生産効率、量産化の)点で優れている。 Furthermore, as shown in FIG. 4, there is no need to perform a high temperature aging process that requires 14 days or more, and further room temperature aging for 14 days or more, and the battery can be completed in a very short time (production efficiency and mass production). ) Excellent in terms.
実施例1
図4に示す工程フローに従って電池を作製した。
Example 1
A battery was produced according to the process flow shown in FIG.
[I]正極形成工程
(1)正極スラリー調製工程(図4の「スラリー作製」工程1a)
正極活物質としてLiMn2O4(平均粒子径:15μm)92質量%、導電助剤としてアセチレンブラック 4質量%、およびバインダとしてPVdF 4質量%からなる固形分を用意した。この固形分に対し、スラリー粘度調整溶媒であるN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を適量添加して、スラリー粘度を20000〜300000cpsの範囲(概ね10000cps程度)となるように粘度調整して正極スラリーを作製した。
[I] Positive electrode forming step (1) Positive electrode slurry preparing step (“Slurry making” step 1a in FIG. 4)
A solid content comprising 92% by mass of LiMn 2 O 4 (average particle size: 15 μm) as a positive electrode active material, 4% by mass of acetylene black as a conductive auxiliary agent, and 4% by mass of PVdF as a binder was prepared. A suitable amount of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), which is a slurry viscosity adjusting solvent, is added to the solid content, and the viscosity is adjusted so that the slurry viscosity is in the range of 20000 to 300,000 cps (approximately 10000 cps). A slurry was prepared.
(2)正極原反作製工程(図4の「塗布・乾燥」工程1b+「プレス」工程1c)
厚さ20μmのアルミニウム箔をロールで購入し正極集電箔として使用した。巻出しローラーに取り付けられた上記正極集電箔から巻き出しながら連続搬送される集電体上に正極スラリーをコータを用いて連続塗布した。次に、正極スラリー塗膜が形成された集電体を熱風乾燥とIR乾燥を併用した乾燥手段を使用して連続乾燥して、スラリー塗膜中に含まれるスラリー粘度調整溶媒を除去した。乾燥の条件は80〜130℃の範囲内で行った。上記塗布、乾燥は、集電体の表面(A面)で行った後、集電体のもう一方の表面(B面)につき、同様の塗布、乾燥を行うことで、集電体の両面に乾燥塗膜を形成した。次に、乾燥塗膜を有する集電体をロールプレスして、スラリー乾燥塗膜(正極活物質層)が目標密度(1.0g/cm3程度)になるように調整することで、正極原反を得た。また、プレス方式は、冷間プレスを用いた。
(2) Positive electrode fabric preparation process (“application / drying” process 1b + “press” process 1c in FIG. 4)
An aluminum foil having a thickness of 20 μm was purchased as a roll and used as a positive electrode current collector foil. The positive electrode slurry was continuously applied using a coater onto the current collector that was continuously conveyed while being unwound from the positive electrode current collector foil attached to the unwinding roller. Next, the current collector on which the positive electrode slurry coating film was formed was continuously dried using a drying means using both hot air drying and IR drying to remove the slurry viscosity adjusting solvent contained in the slurry coating film. The drying conditions were in the range of 80 to 130 ° C. The above application and drying are performed on the current collector surface (A surface), and then the other surface (B surface) of the current collector is applied and dried in the same manner on both surfaces of the current collector. A dry coating was formed. Next, the current collector having a dry coating film is roll-pressed and adjusted so that the slurry dry coating film (positive electrode active material layer) has a target density (about 1.0 g / cm 3 ). Got anti. Moreover, the press system used the cold press.
(3)正極作製工程(図4の「スリット」工程1d)
上記で得られた、巻き取りローラーによりロール状に巻き取られた正極原反を、再度、巻出しローラーに取り付けて、正極原反を巻出しなからスリッター(裁断手段)を用いて、目的の電極サイズに合わせて矩形形状にカットした。次に、カットされた正極を真空乾燥機を用いて、70℃以上で、7時間以上乾燥して、上記(2)の正極原反作製工程の乾燥で付着した水分を除去して、所望の目標密度、サイズ、形状を有する正極(厚さ180±10μm)を得た。
(3) Positive electrode manufacturing step (“slit” step 1d in FIG. 4)
The positive electrode raw material wound up in a roll shape by the winding roller obtained above is attached again to the unwinding roller, and since the positive electrode raw material is not unwound, a slitter (cutting means) is used. A rectangular shape was cut according to the electrode size. Next, the cut positive electrode is dried at 70 ° C. or higher for 7 hours or more by using a vacuum dryer to remove moisture adhered by drying in the positive electrode raw material preparation step (2) above, A positive electrode (thickness 180 ± 10 μm) having a target density, size, and shape was obtained.
[II]負極形成工程
(1)負極スラリー調製工程(図4の「スラリー作製」工程2a)
負極活物質として人造黒鉛(平均粒子径:20μm)93質量%、導電助剤としてアセチレンブラック0.5質量%、バインダとしてPVdF 5質量%、SEI形成用添加剤としてメチレンメタンジスルホネート1.5質量%からなる固形分を用意した。この固形分に対し、スラリー粘度調整溶媒であるN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を適量添加して、スラリー粘度を20000〜300000cpsの範囲(概ね10000cps程度)となるように粘度調整して負極スラリーを作製した。
[II] Negative electrode formation step (1) Negative electrode slurry preparation step ("slurry preparation" step 2a in FIG. 4)
Artificial graphite (average particle size: 20 μm) 93% by mass as a negative electrode active material, acetylene black 0.5% by mass as a conductive additive, PVdF 5% by mass as a binder, and methylene methane disulfonate 1.5% by mass as an additive for SEI formation % Solid content was prepared. An appropriate amount of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), which is a slurry viscosity adjusting solvent, is added to the solid content, and the viscosity is adjusted so that the slurry viscosity is in the range of 20000 to 300,000 cps (approximately 10000 cps). A slurry was prepared.
(2)負極原反作製工程(図4の「塗布・乾燥」工程2b+「プレス」工程2c)
厚さ10μmの銅箔をロールで購入し負極集電箔として使用した。巻出しローラーに取り付けられた上記負極集電箔から巻き出しながら連続搬送される集電体上に負極スラリーをコータを用いて連続塗布した。次に、負極スラリー塗膜が形成された集電体を熱風乾燥とIR乾燥を併用した乾燥手段を使用して連続乾燥して、スラリー塗膜中に含まれるスラリー粘度調整溶媒を除去した。乾燥の条件は80〜130℃の範囲内で行った。上記塗布、乾燥は、集電体の表面(A面)で行った後、集電体のもう一方の表面(B面)につき、同様の塗布、乾燥を行うことで、集電体の両面に乾燥塗膜を形成した。次に、乾燥塗膜を有する集電体をロールプレスして、スラリー乾燥塗膜(負極活物質層)が目標密度(1.0g/cm3程度)になるように調整することで、負極原反を得た。また、プレス方式は、冷間プレスを用いた。
(2) Negative electrode raw material production process ("application / drying" process 2b + "press" process 2c in FIG. 4)
A copper foil having a thickness of 10 μm was purchased as a roll and used as a negative electrode current collector foil. A negative electrode slurry was continuously applied using a coater onto a current collector that was continuously conveyed while being unwound from the negative electrode current collector foil attached to an unwinding roller. Next, the current collector on which the negative electrode slurry coating film was formed was continuously dried using a drying means that used both hot air drying and IR drying to remove the slurry viscosity adjusting solvent contained in the slurry coating film. The drying conditions were in the range of 80 to 130 ° C. The above application and drying are performed on the current collector surface (A surface), and then the other surface (B surface) of the current collector is applied and dried in the same manner on both surfaces of the current collector. A dry coating was formed. Next, the current collector having a dry coating film is roll-pressed and adjusted so that the slurry dry coating film (negative electrode active material layer) has a target density (about 1.0 g / cm 3 ). Got anti. Moreover, the press system used the cold press.
(3)負極作製工程(図4の「スリット」工程2d)
上記で得られた、巻き取りローラーによりロール状に巻き取られた負極原反を、再度、巻出しローラーに取り付けて、負極原反を巻出しなからスリッターを用いて、目的の電極サイズに合わせて矩形形状にカットした。次に、カットされた負極を、真空乾燥機を用いて、70℃以上で、7時間以上乾燥して、上記(2)の負極原反作製工程の乾燥で付着した水分を除去して、所望の目標密度、サイズ、形状を有する負極(厚さ130±10μm)を得た。
(3) Negative electrode manufacturing step (“slit” step 2d in FIG. 4)
The negative electrode raw material wound up in the form of a roll by the winding roller obtained above is attached again to the unwinding roller, and the negative electrode raw material is not unwound, so it is adjusted to the desired electrode size using a slitter. And cut into a rectangular shape. Next, the cut negative electrode is dried at 70 ° C. or higher for 7 hours or more using a vacuum dryer to remove moisture adhered by drying in the negative electrode raw material preparation step of (2) above. A negative electrode (thickness 130 ± 10 μm) having the target density, size, and shape was obtained.
[III]正極、負極、セパレータを積層して積層体を形成する工程(図4の「積層・タブ溶接」工程3a)
図15に示すように、上記工程[I]及び工程[II]で得られた正極28枚と負極29枚と、セパレータ56枚を、正極、セパレータ、負極、セパレータ、正極・・の順に交互に積層し所望の積層数(セル数16)からなる積層体を形成した。ここで、セパレータは、正極、負極と同様にして、ポリプロピレン(PP)製の微多孔膜(厚さ25μm)をロールで購入してセパレータ原反とし、このセパレータ原反を、スリッターを用いて目的のセパレータサイズに合わせて矩形形状にカットし、真空乾燥機を用いて、70℃以上で、7時間以上、乾燥を行ったものを使用した。次に、図15に示すように、上記積層体の各集電体に正極タブ、負極タブを超音波溶接機にて接合し、トリミングした。
[III] Step of laminating the positive electrode, the negative electrode, and the separator to form a laminate (“lamination / tab welding” step 3a in FIG. 4)
As shown in FIG. 15, 28 positive electrodes and 29 negative electrodes obtained in the above steps [I] and [II] and 56 separators are alternately arranged in the order of positive electrode, separator, negative electrode, separator, positive electrode,. A laminated body having a desired number of stacked layers (16 cells) was formed. Here, the separator is the same as the positive electrode and the negative electrode, and a polypropylene (PP) microporous film (thickness 25 μm) is purchased with a roll as a separator raw material. The separator raw material is used with a slitter. It was cut into a rectangular shape according to the separator size and dried at 70 ° C. or higher for 7 hours or more using a vacuum dryer. Next, as shown in FIG. 15, a positive electrode tab and a negative electrode tab were joined to each current collector of the laminate by an ultrasonic welding machine and trimmed.
[IV]積層体に電解液を注液する工程(図4の「注液」工程3b)
まず、図16に示すように、積層体を電池外装体に用いるラミネートフィルムで上下から、正極集電板(正極集電タブ)と、負極集電板(負極集電タブ)が電池外装体の外部に取り出せるようにして、挟み込み、上下のラミネートフィルムの外周部(封止部)のうち3辺を熱圧着して封止した。これにより、図17に示す3辺封止体を得た。次に、図18に示す注液装置にて3辺封止体の残る1辺の開口部より、電解液を注液する。これによりセパレータに電解液を含浸した電解質層が形成される。
[IV] A step of injecting an electrolyte into the laminate (“injection” step 3b in FIG. 4)
First, as shown in FIG. 16, the laminate is a laminate film used for a battery outer package, and a positive electrode current collector plate (positive electrode current collector tab) and a negative electrode current collector plate (negative electrode current collector tab) are formed from the upper and lower sides of the battery outer package. Between the outer peripheral portions (sealing portions) of the upper and lower laminate films, the three sides were sealed by thermocompression bonding so that they could be taken out to the outside. This obtained the 3 side sealing body shown in FIG. Next, an electrolytic solution is injected from the opening on one side where the three-side sealing body remains with the liquid injection device shown in FIG. As a result, an electrolyte layer in which the separator is impregnated with the electrolytic solution is formed.
ここで、電解液には、エチレンカーボネート(EC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジエチルカーボネート(DEC)の混合溶媒(30:30:40(体積比))を溶媒とした。また1.0MのLiPF6を支持塩とした。さらに、上記溶媒と上記支持塩との合計100質量%となるように添加して、電解液を作製した。なお、「1.0MのLiPF6」とは、当該混合溶媒および支持塩の混合物における支持塩(LiPF6)濃度が1.0Mであるという意味である。 Here, a mixed solvent (30:30:40 (volume ratio)) of ethylene carbonate (EC), ethyl methyl carbonate (EMC), and diethyl carbonate (DEC) was used as the solvent for the electrolytic solution. Further, 1.0M LiPF 6 was used as a supporting salt. Furthermore, it added so that it might become a total of 100 mass% of the said solvent and the said support salt, and produced electrolyte solution. “1.0 M LiPF 6 ” means that the concentration of the supporting salt (LiPF 6 ) in the mixture of the mixed solvent and the supporting salt is 1.0 M.
[V]第1含浸工程(図4の「含浸」工程3c)
次に、注液後の3辺封止体を一定時間(1間以上、ここでは2時間)放置して注液された電解液を含浸させた。
[V] First impregnation step (“impregnation” step 3c in FIG. 4)
Next, the three-sided sealed body after the injection was allowed to stand for a certain period of time (one hour or more, here 2 hours), and impregnated with the injected electrolyte.
[VI]プレ初回充電工程(図4の「含浸」工程3d)
次に、第1含浸工程を終えた3辺封止体の残る1辺をクリップで閉じた後、所定の充電レート(充電レート0.1Cで1時間)にてプレ初回充電を行った。図4に示すように、プレ初回充電工程から、電極の厚さ方向にかかわりなく、電極外側から内側(集電体側)まで均一なSEIの形成を開始させることができる。さらにプレ初回充電時に発生したガスを、クリップを外して3辺封止体の残る1辺を開放することで外装体から排出させた。
[VI] Pre-initial charging step ("impregnation" step 3d in FIG. 4)
Next, the remaining one side of the three-side sealing body after the first impregnation step was closed with a clip, and then pre-initial charging was performed at a predetermined charging rate (1 hour at a charging rate of 0.1 C). As shown in FIG. 4, formation of uniform SEI can be started from the outer side of the electrode to the inner side (current collector side) regardless of the thickness direction of the electrode from the pre-initial charging step. Further, the gas generated during the pre-initial charge was discharged from the exterior body by removing the clip and opening the remaining one side of the three-side sealing body.
[VII]第2含浸工程(図4の「含浸」工程3e)
プレ初回充電後の3辺封止体を、一定時間24時間以上(ここでは24時間)放置して電解液の含浸を促進させた。
[VII] Second impregnation step ("impregnation" step 3e in FIG. 4)
The three-sided sealed body after the pre-initial charge was allowed to stand for a predetermined time of 24 hours or longer (here, 24 hours) to promote the impregnation of the electrolytic solution.
[VIII]初回充電工程(図4の「含浸」工程3f)
本工程では、第2含浸工程3辺封止体の残る1辺をクリップで閉じた後、所定の充電レートにて(充電レート1.0Cで、満充電(単電池層の電位4.2Vになるまで)初回充電を行った。図4に示すように、負極電極の厚さ方向にかかわりなく、電極外側から内側(集電体側)まで均一なSEIの形成を完成させることができた。本実施例ではSEIの形成が短時間でできるため、初回充電は3時間で行うことができた。さらにプレ初回充電時に発生した大量のガスを、クリップを外して3辺封止体の1辺を開放することで、外装体から排出させた。最後に、3辺封止体の残る1辺を封止(熱封止)して、ラミネートタイプ(積層構造)のリチウムイオン二次電池を完成させた。
[VIII] Initial charging step ("impregnation" step 3f in FIG. 4)
In this step, after the remaining one side of the second impregnation step 3 side sealing body is closed with a clip, at a predetermined charging rate (at a charging rate of 1.0 C, fully charged (to a cell layer potential of 4.2 V) As shown in Fig. 4, formation of uniform SEI was completed from the outside of the electrode to the inside (current collector side), regardless of the thickness direction of the negative electrode. In the example, the SEI can be formed in a short time, so that the initial charge can be performed in 3 hours.In addition, a large amount of gas generated during the pre-initial charge is removed from the clip, and one side of the three-side sealed body is removed. Finally, the remaining side of the three-side sealed body was sealed (heat sealed) to complete a laminate type (laminated structure) lithium ion secondary battery. It was.
比較例1
SEI形成用添加剤を含まない負極スラリーを用い、電解液にSEI形成用添加剤を加え、初回充電工程後に、高温エージング工程を行った以外は、実施例と同様にして、リチウムイオン二次電池を完成させた。
Comparative Example 1
Lithium ion secondary battery in the same manner as in Example, except that negative electrode slurry not containing SEI formation additive was used, SEI formation additive was added to the electrolyte, and high temperature aging process was performed after the initial charging process. Was completed.
ここで、負極スラリーは以下の通り調整したものを用いた。
い 負極活物質として人造黒鉛(平均粒子径:20μm)94.5質量%、導電助剤としてアセチレンブラック0.5質量%、バインダとしてPVdF 5質量%からなる固形分を用意した。この固形分に対し、スラリー粘度調整溶媒であるN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を適量添加して、スラリー粘度を20000〜300000cpsの範囲(概ね10000cps程度)となるように粘度調整して負極スラリーを作製した。
Here, the negative electrode slurry prepared as follows was used.
A solid content comprising 94.5% by mass of artificial graphite (average particle size: 20 μm) as a negative electrode active material, 0.5% by mass of acetylene black as a conductive additive, and 5% by mass of PVdF as a binder was prepared. An appropriate amount of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), which is a slurry viscosity adjusting solvent, is added to the solid content, and the viscosity is adjusted so that the slurry viscosity is in the range of 20000 to 300,000 cps (approximately 10000 cps). A slurry was prepared.
また、電解液は以下の組成のものを用いた。 Moreover, the thing of the following compositions was used for electrolyte solution.
電解液には、エチレンカーボネート(EC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジエチルカーボネート(DEC)の混合溶媒(30:30:40(体積比))に、電解質として1.0MのLiPF6を支持塩を溶解し、さらに、SEI形成用添加剤としてメチレンメタンジスルホネート(MMD)1.6質量%となるように添加して、電解液を作製した。 The electrolyte includes a mixed solvent of ethylene carbonate (EC), ethyl methyl carbonate (EMC), and diethyl carbonate (DEC) (30:30:40 (volume ratio)) and 1.0M LiPF 6 as an electrolyte as a supporting salt. Was further added as an additive for SEI formation so as to be 1.6% by mass of methylenemethane disulfonate (MMD) to prepare an electrolytic solution.
比較例1では、図7〜図10に示すように、初回充電時に正極側から負極側に電解液(特に添加剤)の移動が必要となるため、SEIの形成に長時間を要し、初回充電も5.5時間と実施例1の2倍近くかかった。 In Comparative Example 1, as shown in FIG. 7 to FIG. 10, it is necessary to move the electrolyte (particularly the additive) from the positive electrode side to the negative electrode side during the initial charge. Charging also took 5.5 hours, nearly twice that of Example 1.
更に、比較例1では、図4に示すように、初回充電だけでは、SEIの形成が完了せず、その後、55℃で20日間の高温エージング、更には20日の常温エージングを行う必要があった。これによりやっとSEIの形成を完了することができた。 Furthermore, in Comparative Example 1, as shown in FIG. 4, the formation of SEI was not completed by only the initial charge, and then high temperature aging at 55 ° C. for 20 days and further room temperature aging for 20 days had to be performed. It was. This finally completed the formation of SEI.
本発明の製造方法では、本工程により所望の非水電解質二次電池を得ることができ、図4に示すように、長期間の高温エージング工程および常温エージング工程を行う必要がなく、極めて短時間で電池を完成させることができた。 In the production method of the present invention, a desired nonaqueous electrolyte secondary battery can be obtained by this step, and as shown in FIG. 4, there is no need to perform a long-term high-temperature aging step and a normal-temperature aging step, and an extremely short time. I was able to complete the battery.
6.電池特性評価
(1)SEI形成用添加剤の含有量(添加剤→SEIへの移行量)
実施例1及び比較例1の電池の各作製工程で、セパレータに含浸されている電解液を抜き出し(できるだけ負極側に含浸した電解液を抜き出し)、燃焼イオンクロマトグラフにより、SEI形成用添加剤の含有量(質量)を測定した。得られた結果を下記表1に示す。表1中の含有量は、サンプルリングした電解液の含有量全体(100質量%)に対する割合(質量%)を示す。
6). Battery Characteristic Evaluation (1) Content of SEI formation additive (amount of transition from additive to SEI)
In each production step of the battery of Example 1 and Comparative Example 1, the electrolyte solution impregnated in the separator was extracted (the electrolyte solution impregnated on the negative electrode side was extracted as much as possible), and the SEI formation additive was analyzed by combustion ion chromatography. The content (mass) was measured. The obtained results are shown in Table 1 below. Content in Table 1 shows the ratio (mass%) with respect to the whole content (100 mass%) of the sampled electrolyte solution.
実施例1では、図11、13、14に示すように、負極活物質粒子表面上で添加剤から該添加剤由来のSEIが生成されるため、電解液中への溶解は起こらない為、どの段階の電解液にも添加剤は観察されなかった。一方、比較例1では、初回充電後にも電解液中に添加剤から該添加剤由来のSEIへの移行が完了しておらず、最終的に常温エージングによりSEIの形成が完了したことがわかった。 In Example 1, as shown in FIGS. 11, 13, and 14, since SEI derived from the additive is generated from the additive on the surface of the negative electrode active material particles, the dissolution into the electrolytic solution does not occur. No additive was observed in the stage electrolyte. On the other hand, in Comparative Example 1, it was found that the transition from the additive to the SEI derived from the additive was not completed in the electrolytic solution even after the first charge, and the formation of SEI was finally completed by room temperature aging. .
(2)SEM観察
実施例1及び比較例1の電池の作製工程のうち、初回充電後に、負極(活物質層)の厚さ方向の外側と内側(集電体側)の断面をSEM(走査型電子顕微鏡)で撮影し、画像解析して、活物質粒子表面のSEI(皮膜)ないし添加剤(析出粒子)の様子を観察した。その結果、実施例1では、負極(活物質層)の厚さ方向の外側と内側(集電体側)において、厚さ方向にかかわらず均一なSEI(皮膜)が形成されており、なおかつ添加剤と思われる析出粒子は観察されなかった。このことから、図11〜14で説明した通り、初回充電により短時間でSEIの形成が完了していることが確認された。また、負極(活物質層)の厚さ方向にかかわらず、(外側と内側で)高品質な(均一な厚さの)SEIが形成されていることが確認できた。一方、比較例1では、図7〜11に示すように、負極(活物質層)の外側では非常に厚膜なSEIが形成されているのに対し、内側では全くSEIが形成されていないか、形成されていても非常に薄膜なSEIであることが確認できた。また、活物質粒子の表面に被膜ではなく、添加剤が析出されたと思われる添加剤粒子が認められた。
(2) SEM observation In the manufacturing steps of the batteries of Example 1 and Comparative Example 1, after the first charge, the cross sections of the outer side and the inner side (current collector side) in the thickness direction of the negative electrode (active material layer) were SEM (scanning type). The images were taken with an electron microscope and analyzed, and the state of SEI (film) or additives (precipitated particles) on the surface of the active material particles was observed. As a result, in Example 1, uniform SEI (film) was formed on the outer side and the inner side (current collector side) of the negative electrode (active material layer) regardless of the thickness direction, and the additive No precipitated particles that seemed to be observed. From this, it was confirmed that the formation of SEI was completed in a short time by the first charge as described in FIGS. Further, it was confirmed that high-quality (uniform thickness) SEI was formed (outside and inside) regardless of the thickness direction of the negative electrode (active material layer). On the other hand, in Comparative Example 1, as shown in FIGS. 7 to 11, very thick SEI is formed on the outer side of the negative electrode (active material layer), whereas no SEI is formed on the inner side. Even if it was formed, it was confirmed that it was a very thin SEI. Moreover, the additive particle | grains from which the additive was thought to have precipitated instead of the film on the surface of the active material particle were recognized.
9 粘度調整溶媒、
10、30 リチウムイオン二次電池(積層構造電池)、
11 正極集電体(箔)、
12 負極集電体(箔)、
13 正極活物質層、
14 正極活物質(粒子)、
15 負極活物質層、
15’ 負極スラリー塗膜(ウェット状態)、
16 負極活物質(粒子)、
17 電解質層、
18 SEI形成用添加剤、
18a SEI、
19 単電池層、
20 Liイオン、
21、37 発電要素、
22 充電器、
25、38 正極集電板(正極集電タブ)、
27、39 負極集電板(負極集電タブ)、
29、32 電池外装材(ラミネートフィルム)、
31 セパレータ及び電極表面、
33a ストライプ状の接着部(ストライプ)、
33b ドット状の接着部(ドット)、
35 非接着部、
51 スラリー作製装置、
52 スラリー作製装置の容器、
53 スラリー作製装置の容器蓋、
54 撹拌手段、
55 負極活物質(粒子)、
56 SEI形成用添加剤、
57 負極電極、
58 電解液中の溶媒由来の高抵抗な皮膜、
59 SEI形成用添加剤由来のSEI、
61 積層体、
62 正極、
62a 正極タブ、
62A 正極集電タブ
63 負極、
63a 負極タブ
63A 負極集電タブ
64 セパレータ、
65 ラミネートフィルム、
65a 外装体、
66 ラミネートフィルムの外周部(封止部)、
66a 外装体の熱封止部、
67 絶縁補強シート、
68 3辺封止体の残る1辺の開口部、
71 3辺封止体、
81 注液装置、
83 電解液輸送ライン、
85 注液ノズル、
87 真空ボックス。
9 Viscosity adjusting solvent,
10, 30 Lithium ion secondary battery (stacked structure battery),
11 positive electrode current collector (foil),
12 Anode current collector (foil),
13 positive electrode active material layer,
14 positive electrode active material (particles),
15 negative electrode active material layer,
15 'negative electrode slurry coating (wet state),
16 negative electrode active material (particles),
17 electrolyte layer,
18 SEI forming additive,
18a SEI,
19 cell layer,
20 Li ion,
21, 37 Power generation element,
22 Charger,
25, 38 Positive current collector (positive current collector tab),
27, 39 Negative electrode current collector plate (negative electrode current collector tab),
29, 32 Battery exterior material (laminate film),
31 Separator and electrode surface,
33a Striped adhesive part (stripe),
33b Dot-shaped adhesive part (dot),
35 Non-adhesive part,
51 slurry preparation equipment,
52 Container for slurry preparation device,
53 Container lid of slurry preparation device,
54 stirring means,
55 negative electrode active material (particles),
56 SEI forming additive,
57 negative electrode,
58 High resistance film derived from solvent in electrolyte,
59 SEI derived from SEI forming additive,
61 laminate,
62 positive electrode,
62a positive electrode tab,
62A Positive current collecting tab 63 Negative electrode,
63a Negative electrode tab 63A Negative electrode current collecting tab 64 Separator,
65 Laminated film,
65a exterior body,
66 The outer peripheral part (sealing part) of the laminate film,
66a heat sealing part of the outer package,
67 Insulation reinforcement sheet,
68 Opening on one side where the three-side sealing body remains,
71 3 side sealing body,
81 liquid injection device,
83 Electrolyte transport line,
85 Injection nozzle,
87 Vacuum box.
Claims (4)
前記SEI形成用添加剤が、環状ジスルホン酸エステルであり、
前記SEI形成用添加剤が、負極スラリーの固形分(負極活物質層の構成成分)の総量に対して、0.5〜2.0質量%の範囲であることを特徴とする非水電解質二次電池の製造方法。 At least the negative electrode slurry used for negative electrode formation contains an additive for SEI formation,
The SEI forming additive, Ri cyclic disulfonic acid ester der,
The non-aqueous electrolyte 2 is characterized in that the SEI-forming additive is in the range of 0.5 to 2.0 mass% with respect to the total amount of solid content of the negative electrode slurry (component of the negative electrode active material layer). A method for manufacturing a secondary battery.
正極活物質を含む正極スラリーを用いた正極形成工程と、
負極活物質を含む負極スラリーを用いた負極形成工程と、
前記正極形成工程と前記負極形成工程で得られた正極と負極と、セパレータとを積層して積層体を形成する工程と、
前記積層体に電解液を注液する工程と、を含み、
前記負極スラリーに、SEI形成用添加剤を含むことを特徴とする非水電解質二次電池の製造方法。 It is a manufacturing method of Claims 1-3 ,
A positive electrode forming step using a positive electrode slurry containing a positive electrode active material;
A negative electrode forming step using a negative electrode slurry containing a negative electrode active material;
A step of laminating the positive electrode and the negative electrode obtained in the positive electrode forming step and the negative electrode forming step, and a separator to form a laminate;
Injecting an electrolyte solution into the laminate,
A method for producing a non-aqueous electrolyte secondary battery, wherein the negative electrode slurry contains an additive for SEI formation.
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