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JP7488208B2 - Secondary battery and method for manufacturing electrode for secondary battery - Google Patents
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Description

本発明は二次電池、及び二次電池用電極の製造方法に関する。 The present invention relates to a secondary battery and a method for manufacturing electrodes for secondary batteries.

二次電池は、正極及び負極の間にセパレータを介在させ、これらを捲回又は積層して形成される電極体と、電解液と、を電池ケース内に収納して構成される。二次電池に用いられる正極及び負極は、集電箔と、集電箔の表面上に形成される活物質を含む活物質層と、を有する。さらに、活物質層には、導電材やバインダが混合される場合がある。活物質層を構成する各材料の間の空隙は、電解液で満たされることにより、活物質と電解液との界面におけるイオン拡散が円滑に行われる。 A secondary battery is constructed by placing a separator between a positive electrode and a negative electrode, winding or stacking them to form an electrode body, and storing an electrolyte in a battery case. The positive and negative electrodes used in secondary batteries have a current collector foil and an active material layer containing an active material formed on the surface of the current collector foil. Furthermore, a conductive material and a binder may be mixed into the active material layer. The gaps between the materials that make up the active material layer are filled with the electrolyte, allowing smooth ion diffusion at the interface between the active material and the electrolyte.

二次電池の一つであるリチウムイオン二次電池は、高いエネルギー密度や大きい電池容量を要する電気自動車やハイブリッド自動車の駆動用電源に用いられる。特許文献1には、正極活物質を含む正極活物質層が正極集電体上に保持された構成を有するリチウム二次電池用正極およびその製造方法であって、正極活物質層は、正極集電体上に形成されたカーボンナノウォールと、カーボンナノウォールに担持された正極活物質とを備える構成が開示されている。 Lithium ion secondary batteries, which are one type of secondary battery, are used as power sources for driving electric vehicles and hybrid vehicles, which require high energy density and large battery capacity. Patent Document 1 discloses a positive electrode for a lithium secondary battery having a configuration in which a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material is held on a positive electrode current collector, and a manufacturing method thereof, in which the positive electrode active material layer comprises carbon nanowalls formed on the positive electrode current collector and a positive electrode active material supported on the carbon nanowalls.

特開2011-103255号公報JP 2011-103255 A

上記のようなリチウムイオン二次電池では、電解液が活物質層の表面及び周縁から中央部分に向かって浸透する。そして、浸透経路の下流である中央部分には電解液が浸透しにくいことが知られている。例えば、活物質層において電解液が枯渇する部分が生じた場合には、当該部分における抵抗が上昇し、電池性能が低下する。したがって、このような二次電池では、活物質と電解液との界面等におけるイオン拡散が円滑になるように、活物質層中における電解液の浸透経路を適切に確保することが好ましい。 In the above-mentioned lithium-ion secondary battery, the electrolyte permeates from the surface and periphery of the active material layer toward the center. It is known that the electrolyte does not easily permeate the center, which is downstream of the permeation path. For example, if a part of the active material layer is depleted of electrolyte, the resistance in that part increases and the battery performance decreases. Therefore, in such a secondary battery, it is preferable to properly secure the permeation path of the electrolyte in the active material layer so that ion diffusion is smooth at the interface between the active material and the electrolyte.

特許文献1に記載の技術では、正極集電体上に形成されたカーボンナノウォールによって正極活物質層中の空隙量を適切に保ち、電解液の浸透経路を確保している。しかしながら、特許文献1に記載の技術では、電解液の浸透経路の方向制御が不十分である。そのため、中央部分まで均一に電解液が浸透せず、抵抗が上昇する可能性がある。その結果、電池性能を満足に発揮できないという問題があった。 In the technology described in Patent Document 1, the carbon nanowalls formed on the positive electrode current collector maintain an appropriate amount of voids in the positive electrode active material layer, ensuring a permeation path for the electrolyte. However, the technology described in Patent Document 1 does not adequately control the direction of the electrolyte permeation path. As a result, the electrolyte does not permeate uniformly to the center, which can lead to an increase in resistance. As a result, there is a problem in that the battery performance cannot be satisfactorily demonstrated.

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、電解液の浸透性を向上し、電池の内部抵抗を低減する二次電池、及び二次電池用電極の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve these problems, and aims to provide a secondary battery that improves the permeability of the electrolyte and reduces the internal resistance of the battery, and a method for manufacturing electrodes for the secondary battery.

一実施の形態にかかる二次電池は、集電箔と、集電箔の表面上に垂直配向した薄片状のカーボンナノ構造体と、集電箔の表面において互いに対向するカーボンナノ構造体間に保持された活物質と、を有し、カーボンナノ構造体は、集電箔の表面に沿った第1の方向に配向した状態で互いに離間して第1の方向に並列配置される。 The secondary battery according to one embodiment has a current collecting foil, thin carbon nanostructures oriented vertically on the surface of the current collecting foil, and an active material held between the carbon nanostructures facing each other on the surface of the current collecting foil, and the carbon nanostructures are arranged in parallel in the first direction, spaced apart from each other, while being oriented in the first direction along the surface of the current collecting foil.

また、一実施の形態にかかる二次電池用電極の製造方法は、集電箔の表面上に触媒層を形成するステップと、触媒層を起点として集電箔の表面上に垂直配向した薄片状のカーボンナノ構造体を気相成長させるステップと、集電箔上に少なくとも活物質を含む活物質層を形成するステップと、を有し、カーボンナノ構造体は、集電箔の表面に沿った第1の方向に配向した状態で互いに離間して第1の方向に並列配置される。 In addition, a method for manufacturing an electrode for a secondary battery according to one embodiment includes the steps of forming a catalyst layer on the surface of a current collector foil, vapor-growth of vertically oriented flaky carbon nanostructures on the surface of the current collector foil starting from the catalyst layer, and forming an active material layer containing at least an active material on the current collector foil, in which the carbon nanostructures are spaced apart from each other and arranged in parallel in the first direction while being oriented in a first direction along the surface of the current collector foil.

本発明により、電解液の浸透性を向上し、電池の内部抵抗を低減する二次電池、及び二次電池用電極の製造方法を提供することができる。 The present invention provides a secondary battery that improves the permeability of the electrolyte and reduces the internal resistance of the battery, and a method for manufacturing electrodes for the secondary battery.

実施の形態1にかかる二次電池の一例を示す斜視図である。1 is a perspective view showing an example of a secondary battery according to a first embodiment; 図1に示す二次電池が有する電極体の一部を示す斜視図である。2 is a perspective view showing a part of an electrode assembly of the secondary battery shown in FIG. 1. 実施の形態1にかかる二次電池においてカーボンナノ構造体が第1の方向に配向した一例を示す図である。3 is a diagram showing an example in which carbon nanostructures are oriented in a first direction in the secondary battery according to the first embodiment; FIG. 実施の形態1にかかる二次電池においてカーボンナノ構造体が第1の方向に配向した他の例を示す図である。10 is a diagram showing another example in which carbon nanostructures are oriented in a first direction in the secondary battery according to the first embodiment. FIG. 実施の形態1にかかる二次電池においてカーボンナノ構造体が第1の方向及び第2の方向に配向した一例を示す図である。3 is a diagram showing an example in which carbon nanostructures are oriented in a first direction and a second direction in the secondary battery according to the first embodiment; FIG. 実施の形態1にかかる二次電池が有するカーボンナノ構造体の構成を説明する図である。1A and 1B are diagrams illustrating the configuration of a carbon nanostructure included in a secondary battery according to a first embodiment. 実施の形態1にかかる二次電池用電極の製造方法の一例を示すフローチャートである。2 is a flowchart showing an example of a method for manufacturing a secondary battery electrode according to the first embodiment. 図7に示すフローチャートの触媒層形成工程を示す斜視図である。FIG. 8 is a perspective view showing a catalyst layer forming step in the flowchart shown in FIG. 7 . 図7に示すフローチャートの気相成長工程を示す斜視図及び平面図である。8A and 8B are perspective and plan views showing the vapor phase growth process of the flow chart shown in FIG. 7 . 図7に示すフローチャートの活物質層形成工程を示す斜視図及び平面図である。8A and 8B are a perspective view and a plan view showing the active material layer forming step in the flowchart shown in FIG. 7 . 実施例及び比較例1、2の二次電池のIV抵抗を比較した結果を示すグラフである。1 is a graph showing the results of comparing the IV resistance of secondary batteries of Example and Comparative Examples 1 and 2. 比較例1の二次電池における内部抵抗の分布を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the distribution of internal resistance in the secondary battery of Comparative Example 1.

実施の形態1
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。図面では、説明の便宜上、各構成の寸法関係が適宜変更されているため、図面に示される寸法関係は、実際の寸法関係を示すものではない。そして、以下の説明において同一又は同等の要素には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
First embodiment
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following embodiment. In order to clarify the description, the following description and drawings are appropriately simplified. In the drawings, the dimensional relationship of each component is appropriately changed for the convenience of the description, so the dimensional relationship shown in the drawings does not represent the actual dimensional relationship. In the following description, the same or equivalent elements are given the same reference numerals, and duplicated description will be omitted.

本実施形態にかかる二次電池1では、特に、電極体15を構成する負極板20に特徴の1つを有するため、負極板20について特に詳細に説明する。ただし、本発明は、電極体15を構成する正極板の構造にも適用可能である。 In the secondary battery 1 according to this embodiment, one of the features is the negative electrode plate 20 that constitutes the electrode body 15, so the negative electrode plate 20 will be described in particular detail. However, the present invention is also applicable to the structure of the positive electrode plate that constitutes the electrode body 15.

本実施形態では、二次電池1をリチウムイオン二次電池に具体化して説明する。まず、図1を参照して、本実施形態にかかる二次電池1の概要について説明する。図1は、実施の形態1にかかる二次電池の一例を示す斜視図である。図1は、二次電池1の外観を示している。 In this embodiment, the secondary battery 1 will be described as a lithium ion secondary battery. First, an overview of the secondary battery 1 according to this embodiment will be described with reference to FIG. 1. FIG. 1 is a perspective view showing an example of a secondary battery according to the first embodiment. FIG. 1 shows the external appearance of the secondary battery 1.

図1に示すように、二次電池1は、主に、ケース本体11及び蓋12からなる電池ケース10と、負極端子13と、正極端子14と、を有する。なお、二次電池1を複数組み合わせることで組電池を形成することができ、二次電池1はその組電池の1つのセルとすることができる。 As shown in FIG. 1, the secondary battery 1 mainly has a battery case 10 consisting of a case body 11 and a lid 12, a negative terminal 13, and a positive terminal 14. A battery pack can be formed by combining multiple secondary batteries 1, and the secondary battery 1 can be one cell of the battery pack.

ケース本体11は、上端が開口した扁平な直方体形状を有する。蓋12は、矩形板状を有し、ケース本体11の開口を密封するものである。蓋12には、電池ケース10の内側に形成される電槽に電解液を注入する際に用いられる注液口等が設けられる。電池ケース10は、例えばアルミニウム又はその合金等で構成される。電槽内には、電解液と電極体15とが収納される。本実施形態にかかる二次電池1は、電解液として有機溶媒に支持塩を含有した非水電解液を用いるリチウムイオン二次電池である。 The case body 11 has a flat rectangular parallelepiped shape with an open top. The lid 12 has a rectangular plate shape and seals the opening of the case body 11. The lid 12 is provided with a liquid injection port and the like that is used when injecting an electrolyte into a battery case formed inside the battery case 10. The battery case 10 is made of, for example, aluminum or an alloy thereof. The electrolyte and the electrode body 15 are stored inside the battery case. The secondary battery 1 according to this embodiment is a lithium ion secondary battery that uses a nonaqueous electrolyte solution containing a supporting salt in an organic solvent as the electrolyte solution.

電解液が含有する有機溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、等を用いることができる。また、支持塩としては、例えば、LiPF、LiBF、LiN(SOCF、LiN(SO、LiCFSO、LiCSO、LiC(SOCF、LiClO等のリチウム塩を用いることができる。 Examples of the organic solvent contained in the electrolyte include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), etc. Examples of the supporting salt include lithium salts such as LiPF6 , LiBF4 , LiN( SO2CF3 ) 2 , LiN ( SO2C2F5 ) 2 , LiCF3SO3 , LiC4F9SO3 , LiC( SO2CF3 ) 3 , and LiClO4 .

負極端子13及び正極端子14は、蓋12を貫通しており、電槽内に収納される電極体15と電気的に接続される。負極端子13及び正極端子14は、電極体15に対して電流の入出力を行うための電極である。また、負極端子13及び正極端子14は、それぞれ電池ケース10から外側に突出するように設けられる極柱部を有する。 The negative terminal 13 and the positive terminal 14 penetrate the lid 12 and are electrically connected to the electrode body 15 housed in the battery case. The negative terminal 13 and the positive terminal 14 are electrodes for inputting and outputting current to and from the electrode body 15. In addition, the negative terminal 13 and the positive terminal 14 each have a pole portion that protrudes outward from the battery case 10.

電極体15は、正極板と、負極板20と、セパレータと、を有する。電極体15は、それぞれ帯状の正極板及び負極板20が帯状のセパレータを介して積層された状態で長さ方向に捲回し、これを扁平状に圧縮した捲回電極体である。 The electrode body 15 has a positive electrode plate, a negative electrode plate 20, and a separator. The electrode body 15 is a wound electrode body in which strip-shaped positive and negative electrode plates 20 are stacked with strip-shaped separators between them, wound in the length direction, and then compressed into a flat shape.

正極板及び負極板20は、それぞれ、集電箔と、活物質を含む活物質層と、を有する。正極板及び負極板20を構成する各活物質層は、各集電箔の少なくとも一方の表面上に、集電箔の長さ方向に沿って形成される。各集電箔の幅方向の一方の縁部には、活物質層が形成されず、集電箔の長さ方向に渡って集電箔が露出した露出部が設けられる。電極体15において、電極体15の捲回軸の軸線方向の一方側には、正極板の露出部が配置され、他方側には、負極板20の露出部23が配置される。負極板20における活物質層22の軸線方向の長さは、正極板における活物質層の軸線方向の長さよりも大きいことが好ましい。 The positive electrode plate and the negative electrode plate 20 each have a current collector foil and an active material layer containing an active material. Each active material layer constituting the positive electrode plate and the negative electrode plate 20 is formed on at least one surface of each current collector foil along the length of the current collector foil. On one edge in the width direction of each current collector foil, no active material layer is formed, and an exposed portion is provided in which the current collector foil is exposed along the length of the current collector foil. In the electrode body 15, the exposed portion of the positive electrode plate is arranged on one side of the axial direction of the winding axis of the electrode body 15, and the exposed portion 23 of the negative electrode plate 20 is arranged on the other side. It is preferable that the axial length of the active material layer 22 in the negative electrode plate 20 is greater than the axial length of the active material layer in the positive electrode plate.

正極板は、正極板の露出部に付設された正極集電板を介して正極端子14と電気的に接続される。負極板20は、負極板20の露出部23に付設された負極集電板を介して負極端子13と電気的に接続される。 The positive electrode plate is electrically connected to the positive electrode terminal 14 via a positive electrode collector plate attached to the exposed portion of the positive electrode plate. The negative electrode plate 20 is electrically connected to the negative electrode terminal 13 via a negative electrode collector plate attached to the exposed portion 23 of the negative electrode plate 20.

セパレータには、リチウムイオンが通過可能な多孔質の絶縁シートが用いられる。セパレータは、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)等の絶縁性樹脂材料で構成される。セパレータは、正極板の活物質層と負極板20の活物質層22とを絶縁するように配置される。セパレータの軸線方向の長さは、負極板20の活物質層22の軸線方向の長さよりも大きいことが好ましい。 The separator is a porous insulating sheet that allows lithium ions to pass through. The separator is made of an insulating resin material such as polyethylene (PE) or polypropylene (PP). The separator is arranged so as to insulate the active material layer of the positive electrode plate from the active material layer 22 of the negative electrode plate 20. It is preferable that the axial length of the separator is greater than the axial length of the active material layer 22 of the negative electrode plate 20.

そして、正極板の活物質層、負極板20の活物質層22、及びセパレータは、電槽内において電解液により含浸される。例えば、これらの活物質層では、活物質を構成する各材料の間の微小な空隙に電解液が浸透することで活物質と電解質との間で電荷担体であるリチウムイオンの受け渡しが行われる。正極板及び負極板20に蓄電された電気は、それぞれ正極集電板及び負極集電板で集電され、正極端子14及び負極端子13から出力される。 The active material layer of the positive electrode plate, the active material layer 22 of the negative electrode plate 20, and the separator are impregnated with an electrolyte in the battery container. For example, in these active material layers, the electrolyte permeates the minute gaps between the materials that make up the active material, and lithium ions, which are charge carriers, are transferred between the active material and the electrolyte. The electricity stored in the positive electrode plate and the negative electrode plate 20 is collected by the positive electrode current collector plate and the negative electrode current collector plate, respectively, and output from the positive electrode terminal 14 and the negative electrode terminal 13.

正極板を構成する集電箔は、長尺な帯状の導電材からなる金属箔である。正極板の集電箔には、例えばアルミニウム又はその合金を用いることができる。正極板を構成する活物質層は、少なくとも活物質を有する。活物質層は、導電材及びバインダ等を含んでもよい。 The current collector foil constituting the positive electrode plate is a metal foil made of a long strip-shaped conductive material. For example, aluminum or an alloy thereof can be used for the current collector foil of the positive electrode plate. The active material layer constituting the positive electrode plate has at least an active material. The active material layer may contain a conductive material and a binder, etc.

正極活物質は、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な材料であり、例えば、コバルト酸リチウム(LiCoO)、ニッケル酸リチウム(LiNiO)、マンガン酸リチウム(LiMn)等を用いることができる。 The positive electrode active material is a material capable of absorbing and releasing lithium ions, and examples of the material that can be used include lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), and lithium manganese oxide (LiMn 2 O 4 ).

導電材としては、例えば、アセチレンブラック等のカーボンブラック、活性炭、黒鉛等の炭素材料等を用いることができる。バインダとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリエチレンオキサイド(PEO)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ブチルゴム(BR)等を用いることができる。 As the conductive material, for example, carbon black such as acetylene black, activated carbon, graphite, and other carbon materials can be used. As the binder, for example, polyvinylidene fluoride (PVdF), polyethylene oxide (PEO), styrene butadiene rubber (SBR), butyl rubber (BR), etc. can be used.

このような正極板を形成する際は、活物質、導電材、バインダ、及びバインダを均一に溶解又は分散し得る溶媒を混練してペーストを得る。さらに、得られたペーストを集電箔の表面上に塗工して乾燥し、圧縮することで正極板を形成することができる。 When forming such a positive electrode plate, the active material, conductive material, binder, and a solvent capable of uniformly dissolving or dispersing the binder are kneaded to obtain a paste. The obtained paste is then applied to the surface of a current collector foil, dried, and compressed to form a positive electrode plate.

次に、図2を参照して、負極(負極板20)の詳細な構成を説明する。図2は、図1に示す二次電池が有する電極体の一部を示す斜視図である。図2には、電極体15のうち、負極板20のみを図示しており、正極板及びセパレータの図示を省略している。 Next, the detailed configuration of the negative electrode (negative electrode plate 20) will be described with reference to FIG. 2. FIG. 2 is a perspective view showing a part of the electrode body of the secondary battery shown in FIG. 1. In FIG. 2, only the negative electrode plate 20 of the electrode body 15 is shown, and the positive electrode plate and separator are not shown.

以下の説明では、集電箔21の幅方向をX方向、X方向に直交する方向であって、集電箔21の長さ方向をY方向、X方向及びY方向に直交する方向であって、集電箔21の表面21s(XY面)に対して垂直方向をZ方向とする。 In the following description, the width direction of the current collecting foil 21 is the X direction, a direction perpendicular to the X direction, the length direction of the current collecting foil 21 is the Y direction, a direction perpendicular to the X and Y directions, and the Z direction is a direction perpendicular to the surface 21s (XY plane) of the current collecting foil 21.

なお、電極体15において、X方向は電極体15の軸線方向と一致し、Y方向は電極体15が捲回される捲回方向に沿っている。電極体15は、軸線方向が電池ケース10の長さ方向と略一致し、電極体15の軸線方向と直交する高さ方向が電池ケース10の高さ方向と略一致するように、電槽に配置される。 In addition, in the electrode body 15, the X direction coincides with the axial direction of the electrode body 15, and the Y direction is along the winding direction in which the electrode body 15 is wound. The electrode body 15 is placed in the battery case so that the axial direction approximately coincides with the length direction of the battery case 10, and the height direction perpendicular to the axial direction of the electrode body 15 approximately coincides with the height direction of the battery case 10.

負極板20は、集電箔21と、活物質層22と、を有する。集電箔21は、長尺な帯状の導電材料からなる金属箔である。集電箔21には、例えば銅又はその合金等を用いることができる。活物質層22は、少なくとも、カーボンナノ構造体30と、触媒層31と、活物質40と、を有する。活物質層22は、導電材及びバインダ等を含んでもよい。 The negative electrode plate 20 has a current collector foil 21 and an active material layer 22. The current collector foil 21 is a metal foil made of a long strip-shaped conductive material. The current collector foil 21 can be made of, for example, copper or an alloy thereof. The active material layer 22 has at least a carbon nanostructure 30, a catalyst layer 31, and an active material 40. The active material layer 22 may contain a conductive material, a binder, etc.

導電材としては、例えば、正極板と同様の炭素材料等を用いることができる。また、バインダとしては、例えば、正極板と同様のものを用いることができる。その他、増粘剤等の添加剤を適宜使用することもできる。増粘剤としては、例えば、カルボキシメチルセルロース(CMC)、メチルセルロース(MC)等を用いることができる。 As the conductive material, for example, the same carbon material as that of the positive electrode plate can be used. As the binder, for example, the same material as that of the positive electrode plate can be used. In addition, additives such as thickeners can be used as appropriate. As the thickener, for example, carboxymethylcellulose (CMC), methylcellulose (MC), etc. can be used.

カーボンナノ構造体30は、炭素原子が幾何学的に結合した微細構造を有する。カーボンナノ構造体30は、炭素の六角板状結晶が単一の層状に連なったグラフェンシートが集電箔21の表面21sに対して垂直方向に成長し、二次元的に広がった炭素材料である。このような二次元の構造体として、グラフェンシートを複数重ねて壁状に成長させたカーボンナノウォールが知られている。 The carbon nanostructure 30 has a microstructure in which carbon atoms are geometrically bonded. The carbon nanostructure 30 is a carbon material in which graphene sheets, consisting of hexagonal plate-shaped carbon crystals linked together in a single layer, grow vertically to the surface 21s of the current collecting foil 21 and spread out two-dimensionally. A known example of such a two-dimensional structure is the carbon nanowall, in which multiple graphene sheets are stacked and grown in a wall shape.

本実施形態においては、カーボンナノ構造体30は、複数のカーボンナノチューブ(以下、CNT)の集合体により構成されるカーボンナノチューブ構造体である。CNTは、グラフェンシートが筒状に丸まったチューブ形状を有し、1次元の構造体に分類される。CNTは、その軸方向が垂直方向に沿って、集電箔21の表面21sから垂直方向に成長したものである。CNTの寸法は、例えば、直径は数nm~数百nm程度、長さは数μm以上に形成することができる。CNTは、単層であってもよく、多層であってもよい。CNTにより構築されるカーボンナノ構造体30は、負極板20における電子伝導性の向上に寄与する。 In this embodiment, the carbon nanostructure 30 is a carbon nanotube structure composed of an aggregate of multiple carbon nanotubes (hereinafter, CNTs). CNTs have a tube shape in which graphene sheets are rolled into a cylindrical shape, and are classified as one-dimensional structures. CNTs grow vertically from the surface 21s of the current collector foil 21 with their axial direction aligned vertically. The dimensions of the CNTs can be, for example, a diameter of several nm to several hundred nm, and a length of several μm or more. The CNTs may be single-layered or multi-layered. The carbon nanostructure 30 constructed from CNTs contributes to improving the electronic conductivity of the negative electrode plate 20.

CNTの集合体であるカーボンナノ構造体30は、後述する触媒層31を起点として、集電箔21の表面21s上に垂直配向している。カーボンナノ構造体30の基端は、触媒層31又は集電箔21と接触している。カーボンナノ構造体30は、集電箔21の表面21s上に複数個が規則的なパターンで配置される。 The carbon nanostructures 30, which are aggregates of CNTs, are vertically oriented on the surface 21s of the current collector foil 21, starting from the catalyst layer 31 described below. The base ends of the carbon nanostructures 30 are in contact with the catalyst layer 31 or the current collector foil 21. Multiple carbon nanostructures 30 are arranged in a regular pattern on the surface 21s of the current collector foil 21.

カーボンナノ構造体30の起点となる触媒層31は、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、モリブデン(Mo)、又は金(Au)等の金属微粒子で構成される。触媒層31は、カーボンナノ構造体30の数量に応じた複数個の触媒層31が規則的なパターンで形成される。触媒層31を構成する金属微粒子は、カーボンナノ構造体30を構成するCNTが気相成長する際の核となる。各触媒層31は、集電箔21の表面21s上であって、それぞれ対応するカーボンナノ構造体30の基端側に配置されている。 The catalyst layer 31, which is the starting point of the carbon nanostructure 30, is composed of metal particles such as iron (Fe), nickel (Ni), cobalt (Co), molybdenum (Mo), or gold (Au). The catalyst layer 31 is formed in a regular pattern with multiple catalyst layers 31 corresponding to the number of carbon nanostructures 30. The metal particles that make up the catalyst layer 31 serve as nuclei for the vapor phase growth of the CNTs that make up the carbon nanostructure 30. Each catalyst layer 31 is located on the surface 21s of the current collecting foil 21, on the base end side of the corresponding carbon nanostructure 30.

集電箔21の表面21sにおいて、互いに対向するカーボンナノ構造体30間には活物質40が保持される。活物質40は、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な材料であり、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、ハードカーボン、ソフトカーボン、活性炭等の炭素材料を用いることができる。活物質40の形状や寸法は特に制限されないが、本実施形態では、活物質40として、優れた充放電特性を有することから、鱗片状、鱗状、及び塊状の天然黒鉛が好適に用いられる。このような黒鉛は、造粒処理を施して用いることもできる。 On the surface 21s of the current collector foil 21, active material 40 is held between the opposing carbon nanostructures 30. The active material 40 is a material capable of absorbing and releasing lithium ions, and may be, for example, a carbon material such as natural graphite, artificial graphite, hard carbon, soft carbon, or activated carbon. There are no particular limitations on the shape or dimensions of the active material 40, but in this embodiment, flake, scale, or chunky natural graphite is preferably used as the active material 40 because it has excellent charge/discharge characteristics. Such graphite may also be used after being subjected to a granulation process.

黒鉛は、炭素の六角板状結晶が単一の層状に連なったグラフェンシートが複数重なった積層構造体であり、各層間に吸蔵されるリチウムイオンの可逆的な挿入と脱離は、黒鉛の複数の層が重なった縁が露出したエッジ面40e(積層面)を通じて行われる。一方、黒鉛粒子において比較的大面積を占めるベーサル面40b(グラフェンシートの平面であって、ベンゼン縮合面)は、通常、リチウムイオンの挿入及び脱離に寄与しない面とされている。したがって、活物質40として黒鉛粒子を用いる場合は、エッジ面40eからのリチウムイオンの挿入及び脱離の反応速度が、二次電池の入出力特性を制限する一つの要因となる。 Graphite is a laminated structure of multiple graphene sheets, each of which is a single layer of hexagonal carbon platelet crystals. The reversible insertion and desorption of lithium ions stored between the layers occurs through edge faces 40e (layered faces) where the edges of multiple overlapping graphite layers are exposed. On the other hand, the basal faces 40b (planes of the graphene sheets, benzene condensation faces) that occupy a relatively large area in graphite particles are generally not considered to contribute to the insertion and desorption of lithium ions. Therefore, when graphite particles are used as the active material 40, the reaction speed of the insertion and desorption of lithium ions from the edge faces 40e is one factor that limits the input/output characteristics of the secondary battery.

本実施形態では、負極板20を構成する活物質40として、天然黒鉛のうち扁平な円盤形状を有する鱗片状の黒鉛粒子を用いた場合について説明する。本実施形態では、黒鉛粒子からなる活物質40は、任意のアスペクト比を有し、その長径が100μmであり、短径は長径以下の長さであり、長径及び短径と直交する厚さが1.0μmである場合を例に挙げて説明する。また、活物質40のうち、長径方向に広がる面がベーサル面40bであり、ベーサル面40bと直交する方向にエッジ面40eが形成される(図10を参照)。なお、図2以降の図面において、視認性を確保するために、活物質40にはハッチングを付与している場合があるが、当該ハッチングは断面を示しているわけではない。 In this embodiment, a case where a scaly graphite particle having a flat disk shape among natural graphite is used as the active material 40 constituting the negative electrode plate 20 will be described. In this embodiment, the active material 40 made of graphite particles has an arbitrary aspect ratio, its major axis is 100 μm, its minor axis is a length equal to or shorter than the major axis, and its thickness perpendicular to the major axis and minor axis is 1.0 μm will be described as an example. In addition, the surface of the active material 40 that extends in the major axis direction is the basal surface 40b, and the edge surface 40e is formed in the direction perpendicular to the basal surface 40b (see FIG. 10). Note that in the drawings from FIG. 2 onwards, the active material 40 may be hatched to ensure visibility, but the hatching does not indicate a cross section.

ここで、図3~図5を参照して、カーボンナノ構造体30の配置パターンの詳細について説明する。図3は、実施の形態1にかかる二次電池においてカーボンナノ構造体が第1の方向に配向した一例を示す図である。図4は、実施の形態1にかかる二次電池においてカーボンナノ構造体が第1の方向に配向した他の例を示す図である。図5は、実施の形態1にかかる二次電池においてカーボンナノ構造体が第1の方向及び第2の方向に配向した一例を示す図である。 Here, the arrangement pattern of the carbon nanostructures 30 will be described in detail with reference to Figures 3 to 5. Figure 3 is a diagram showing an example in which the carbon nanostructures are oriented in a first direction in a secondary battery according to the first embodiment. Figure 4 is a diagram showing another example in which the carbon nanostructures are oriented in a first direction in a secondary battery according to the first embodiment. Figure 5 is a diagram showing an example in which the carbon nanostructures are oriented in a first direction and a second direction in a secondary battery according to the first embodiment.

なお、図3~図5において、各図の上側には、活物質層22形成前において表面21s上にカーボンナノ構造体30が形成された集電箔21の外観を上から見た平面図を示している。また、図3~図5において、各図の下側には、活物質層22形成後であって捲回された電極体15を構成する負極板20の外観を斜め方向から見た斜視図を示している。そして、図3~図5において、白抜き矢印は電解液の流れを示している。 In addition, in the upper part of each of Figures 3 to 5, a plan view of the appearance of the current collector foil 21 with carbon nanostructures 30 formed on the surface 21s before the active material layer 22 is formed is shown, as viewed from above. Also, in the lower part of each of Figures 3 to 5, a perspective view of the appearance of the negative electrode plate 20 constituting the wound electrode body 15 after the active material layer 22 is formed is shown, as viewed from an oblique direction. And in Figures 3 to 5, the outlined arrows indicate the flow of the electrolyte.

まず、カーボンナノ構造体30のZ方向の配向について説明する。図3~図5に示すように、各カーボンナノ構造体30は、集電箔21の表面21s上に垂直配向している。すなわち、各カーボンナノ構造体30は、電極体15の軸線方向(X方向)及び捲回方向(Y方向)に対して垂直に配向している。以下、3通りの配置パターンを例に挙げて、カーボンナノ構造体30のX方向及びY方向の配向について詳細を説明する。 First, the orientation of the carbon nanostructures 30 in the Z direction will be described. As shown in Figures 3 to 5, each carbon nanostructure 30 is vertically oriented on the surface 21s of the current collecting foil 21. That is, each carbon nanostructure 30 is oriented perpendicular to the axial direction (X direction) and winding direction (Y direction) of the electrode body 15. Below, the orientation of the carbon nanostructures 30 in the X direction and Y direction will be described in detail using three arrangement patterns as examples.

図3には、カーボンナノ構造体30の配置パターンの一例として、第1パターンを示している。第1パターンは、集電箔21の表面21s上において、X方向に配向したカーボンナノ構造体30が千鳥状に二次元配列されている。すなわち、第1パターンでは、X方向が第1の方向に相当する。 Figure 3 shows a first pattern as an example of an arrangement pattern of carbon nanostructures 30. In the first pattern, carbon nanostructures 30 oriented in the X direction are arranged two-dimensionally in a staggered pattern on the surface 21s of the current collecting foil 21. That is, in the first pattern, the X direction corresponds to the first direction.

具体的には、個々のカーボンナノ構造体30は、X方向に延在するように配向され、XZ平面に広がる薄片状を呈している。X方向に配向した複数のカーボンナノ構造体30が互いに離間し、所定間隔毎にX方向に並列配置された列30aを形成している。さらに、当該列30aがY方向に互いに離間し、所定間隔毎に複数形成され、各列30aはX方向に延在している。X方向に隣接する2つカーボンナノ構造体30の中間位置には、隣接する列30aを構成する1つのカーボンナノ構造体30が配置されるように、Y方向に隣接して対向するカーボンナノ構造体30は互い違いに配置されている。すなわち、X方向に隣接する2つカーボンナノ構造体30と、当該2つのカーボンナノ構造体30の中間位置に配置された隣接する列30aを構成する1つのカーボンナノ構造体30と、の3つのカーボンナノ構造体30は、正三角形又は二等辺三角形の頂点に配置されている。 Specifically, each carbon nanostructure 30 is oriented to extend in the X direction and has a flake shape extending in the XZ plane. A plurality of carbon nanostructures 30 oriented in the X direction are spaced apart from each other to form a row 30a arranged in parallel in the X direction at a predetermined interval. Furthermore, the rows 30a are spaced apart from each other in the Y direction, and a plurality of rows 30a are formed at a predetermined interval, and each row 30a extends in the X direction. The carbon nanostructures 30 adjacent and facing each other in the Y direction are arranged alternately so that one carbon nanostructure 30 constituting the adjacent row 30a is arranged at the midpoint between two carbon nanostructures 30 adjacent in the X direction. In other words, the three carbon nanostructures 30, namely the two carbon nanostructures 30 adjacent in the X direction and one carbon nanostructure 30 constituting the adjacent row 30a arranged at the midpoint between the two carbon nanostructures 30, are arranged at the vertices of an equilateral triangle or an isosceles triangle.

第1パターンが適用された負極板20を含む電極体15が収納された二次電池1において、電解液は、カーボンナノ構造体30の隣接する列30aと列30aとの間の隙間を通って流れる。第1パターンでは、この隙間が軸線方向に延在するため、軸線方向における活物質層22の周縁となる両端部から中央に向かって電解液の供給を促すことができる。 In a secondary battery 1 housing an electrode body 15 including a negative electrode plate 20 to which the first pattern is applied, the electrolyte flows through the gaps between adjacent rows 30a of the carbon nanostructures 30. In the first pattern, these gaps extend in the axial direction, so that the supply of electrolyte can be promoted from both ends, which are the periphery of the active material layer 22 in the axial direction, toward the center.

続いて、図4には、カーボンナノ構造体30の配置パターンの他の例として、第2パターンを示している。第2パターンは、集電箔21の表面21s上において、Y方向に配向したカーボンナノ構造体30が千鳥状に二次元配列されている。すなわち、第2パターンでは、Y方向が第1の方向に相当する。 Next, FIG. 4 shows a second pattern as another example of the arrangement pattern of the carbon nanostructures 30. In the second pattern, the carbon nanostructures 30 oriented in the Y direction are arranged two-dimensionally in a staggered manner on the surface 21s of the current collecting foil 21. That is, in the second pattern, the Y direction corresponds to the first direction.

具体的には、個々のカーボンナノ構造体30は、Y方向に延在するように配向され、YZ平面に広がる薄片状を呈している。Y方向に配向した複数のカーボンナノ構造体30が互いに離間し、所定間隔毎にY方向に並列配置された列30bを形成している。さらに、当該列30bがX方向に互いに離間し、所定間隔毎に複数形成され、各列30bはY方向に延在している。Y方向に隣接する2つカーボンナノ構造体30の中間位置には、隣接する列30bを構成する1つのカーボンナノ構造体30が配置されるように、X方向に隣接して対向するカーボンナノ構造体30は互い違いに配置されている。すなわち、Y方向に隣接する2つカーボンナノ構造体30と、当該2つのカーボンナノ構造体30の中間位置に配置された隣接する列30bを構成する1つのカーボンナノ構造体30と、の3つのカーボンナノ構造体30は、正三角形又は二等辺三角形の頂点に配置されている。 Specifically, each carbon nanostructure 30 is oriented to extend in the Y direction and has a flake shape extending in the YZ plane. A plurality of carbon nanostructures 30 oriented in the Y direction are spaced apart from each other to form a row 30b arranged in parallel in the Y direction at a predetermined interval. Furthermore, the rows 30b are spaced apart from each other in the X direction, and a plurality of rows 30b are formed at a predetermined interval, and each row 30b extends in the Y direction. The carbon nanostructures 30 adjacent and facing each other in the X direction are arranged alternately so that one carbon nanostructure 30 constituting the adjacent row 30b is arranged at the midpoint between two carbon nanostructures 30 adjacent in the Y direction. In other words, the three carbon nanostructures 30, namely the two carbon nanostructures 30 adjacent in the Y direction and the one carbon nanostructure 30 constituting the adjacent row 30b arranged at the midpoint between the two carbon nanostructures 30, are arranged at the vertices of an equilateral triangle or an isosceles triangle.

第2パターンが適用された負極板20を含む電極体15が収納された二次電池1において、電解液は、カーボンナノ構造体30の隣接する列30bと列30bとの間の隙間を通って流れる。第2パターンでは、この隙間が捲回方向に延在するため、捲回方向における活物質層22(電極体15)の下端から上端に向かって電解液の供給を促すことができる。 In a secondary battery 1 housing an electrode assembly 15 including a negative electrode plate 20 to which the second pattern is applied, the electrolyte flows through the gap between adjacent rows 30b of the carbon nanostructures 30. In the second pattern, this gap extends in the winding direction, so that the supply of electrolyte can be promoted from the lower end to the upper end of the active material layer 22 (electrode assembly 15) in the winding direction.

続いて、図5には、カーボンナノ構造体30の配置パターンの他の例として、第3パターンを示している。第3パターンは、第1のパターン及び第2のパターンを組み合わせた配置パターンである。第3パターンでは、集電箔21の表面21s上において、X方向に配向したカーボンナノ構造体30が千鳥状に二次元配列した領域と、Y方向に配向したカーボンナノ構造体30が千鳥状に二次元配列した異配向領域と、が形成される。すなわち、第3パターンでは、X方向及びY方向の一方が第1の方向に相当し、他方が第2の方向に相当する。 Next, FIG. 5 shows a third pattern as another example of the arrangement pattern of the carbon nanostructures 30. The third pattern is an arrangement pattern that combines the first pattern and the second pattern. In the third pattern, a region in which the carbon nanostructures 30 oriented in the X direction are two-dimensionally arranged in a staggered pattern and a different orientation region in which the carbon nanostructures 30 oriented in the Y direction are two-dimensionally arranged in a staggered pattern are formed on the surface 21s of the current collecting foil 21. That is, in the third pattern, one of the X direction and the Y direction corresponds to the first direction, and the other corresponds to the second direction.

第3パターンでは、活物質層22の中央部分22aにY方向に延在する複数の列30bを配置し、当該中央部分22aを除いた活物質層22の他の部分(非中央部分22b)にX方向に延在する複数の列30aを配置する。中央部分22aとは、X方向における活物質層22の中央を含んでX方向に所定の幅を有し、Y方向に沿って延在する活物質層22の中央領域である。すなわち、異配向領域は、中央部分22aに配置されている。 In the third pattern, multiple rows 30b extending in the Y direction are arranged in the central portion 22a of the active material layer 22, and multiple rows 30a extending in the X direction are arranged in the remaining portion (non-central portion 22b) of the active material layer 22 excluding the central portion 22a. The central portion 22a is the central region of the active material layer 22 that includes the center of the active material layer 22 in the X direction, has a predetermined width in the X direction, and extends along the Y direction. In other words, the different orientation region is arranged in the central portion 22a.

中央部分22aでは、列30b同士はX方向に互いに離間し、所定間隔毎に形成される。Y方向に隣接する2つカーボンナノ構造体30の中間位置には、X方向に隣接する列30bを構成する1つのカーボンナノ構造体30が配置されるように、X方向に隣接する列30b同士が互い違いに配置されている。非中央部分22bでは、列30a同士はY方向に互いに離間し、所定間隔毎に形成される。X方向に隣接する2つカーボンナノ構造体30の中間位置には、Y方向に隣接する列30aを構成する1つのカーボンナノ構造体30が配置されるように、Y方向に隣接する列30aが互い違いに配置されている。 In the central portion 22a, the rows 30b are spaced apart from each other in the X direction and are formed at a predetermined interval. The rows 30b adjacent in the X direction are staggered so that one carbon nanostructure 30 constituting the row 30b adjacent in the X direction is located at the midpoint between two carbon nanostructures 30 adjacent in the Y direction. In the non-central portion 22b, the rows 30a are spaced apart from each other in the Y direction and are formed at a predetermined interval. The rows 30a adjacent in the Y direction are staggered so that one carbon nanostructure 30 constituting the row 30a adjacent in the Y direction is located at the midpoint between two carbon nanostructures 30 adjacent in the X direction.

列30aと列30bとは、互いに離間して配置される。そして、列30a同士又は列30b同士の間に電解液が流れる流路となる隙間を確保するために、各列30a、30bは、それぞれ少なくとも2つ以上を設けることが好ましい。 The rows 30a and 30b are spaced apart from each other. In order to ensure a gap between the rows 30a or between the rows 30b that serves as a flow path for the electrolyte to flow, it is preferable to provide at least two rows 30a and two rows 30b.

第3パターンでは、非中央部分22bにおいて列30aと列30aとの隙間が軸線方向に延在する。また、中央部分22aにおいて列30bと列30bとの隙間が捲回方向に延在する。したがって、電解液は、非中央部分22bにおいては、軸線方向における活物質層22の周縁となる両端部から中央に向かって流れ、中央部分22aにおいては、捲回方向における活物質層22(電極体15)の下端から上端に向かって流れる。これにより、電極体15(活物質層22)の中央部分22a且つ上端部に対する電解液の供給を促し、中央部分22a且つ上端部の領域に対する電解液の浸透性が向上する。 In the third pattern, the gaps between the rows 30a in the non-central portion 22b extend in the axial direction. Also, the gaps between the rows 30b in the central portion 22a extend in the winding direction. Therefore, in the non-central portion 22b, the electrolyte flows from both ends that are the periphery of the active material layer 22 in the axial direction toward the center, and in the central portion 22a, the electrolyte flows from the lower end to the upper end of the active material layer 22 (electrode body 15) in the winding direction. This promotes the supply of electrolyte to the central portion 22a and the upper end of the electrode body 15 (active material layer 22), improving the permeability of the electrolyte to the region of the central portion 22a and the upper end.

なお、第1の方向及び第2の方向はX方向及びY方向に限定されるものではない。第1の方向及び第2の方向は集電箔21の表面21sに沿った異なる方向であればよく、例えばX方向及びY方向のように必ずしも互いに直交する方向である必要はない。 The first direction and the second direction are not limited to the X direction and the Y direction. The first direction and the second direction may be different directions along the surface 21s of the current collecting foil 21, and do not necessarily have to be perpendicular to each other, such as the X direction and the Y direction.

以上、上記3通りの配置パターンを例示してカーボンナノ構造体30の配向について説明した。次に、図6を参照して、カーボンナノ構造体30の寸法等の構成を説明する。図6は、実施の形態1にかかる二次電池が有するカーボンナノ構造体の構成を説明する図である。 The orientation of the carbon nanostructures 30 has been described above using the above three arrangement patterns as examples. Next, the configuration of the carbon nanostructures 30, such as their dimensions, will be described with reference to FIG. 6. FIG. 6 is a diagram illustrating the configuration of the carbon nanostructures possessed by the secondary battery according to the first embodiment.

まず、互いに隣接するカーボンナノ構造体間の距離について説明する。図6に示すように、同一方向に配向された複数のカーボンナノ構造体30は、互いに離間して所定間隔毎に同一方向に並列配置される。同一方向に配向したカーボンナノ構造体30では、同一方向に互いに隣接するカーボンナノ構造体30間の間隔Cは、20μm以上、活物質40の長径以下であることが好ましい。間隔Cが20μmより小さいと、電解液の流れを妨げる場合がある。間隔Cが活物質40の長径(本実施形態では、100μm)より大きいと、活物質40をカーボンナノ構造体30間に保持することが困難になる。 First, the distance between adjacent carbon nanostructures will be described. As shown in FIG. 6, multiple carbon nanostructures 30 oriented in the same direction are arranged in parallel in the same direction at a predetermined distance from each other. In carbon nanostructures 30 oriented in the same direction, the distance C between adjacent carbon nanostructures 30 in the same direction is preferably 20 μm or more and less than the major axis of the active material 40. If the distance C is less than 20 μm, it may hinder the flow of the electrolyte. If the distance C is greater than the major axis of the active material 40 (100 μm in this embodiment), it becomes difficult to hold the active material 40 between the carbon nanostructures 30.

また、同一方向に配向したカーボンナノ構造体30と、これに対して直交する方向に対向するカーボンナノ構造体30と、は厚みT方向に対向している。この厚みT方向に対向するカーボンナノ構造体30間の間隔Lは、活物質40の厚さ以上であることが好ましい。本実施形態では、間隔Lは、10μm以上である。間隔Lが活物質40の厚さより小さいと、カーボンナノ構造体30間に活物質40を保持することが困難になる。 In addition, the carbon nanostructures 30 oriented in the same direction and the carbon nanostructures 30 facing each other in a direction perpendicular to the carbon nanostructures 30 facing each other in the thickness T direction are opposed to each other. It is preferable that the distance L between the carbon nanostructures 30 facing each other in the thickness T direction is equal to or greater than the thickness of the active material 40. In this embodiment, the distance L is equal to or greater than 10 μm. If the distance L is smaller than the thickness of the active material 40, it becomes difficult to hold the active material 40 between the carbon nanostructures 30.

さらに、例えば、第3パターンのように、カーボンナノ構造体30が異なる2つの方向に配向する場合、互いに直交しつつ隣接するカーボンナノ構造体30間の間隔は、間隔Cと同様に、20μm以上、活物質40の長径以下であることが好ましい。 Furthermore, for example, when the carbon nanostructures 30 are oriented in two different directions, as in the third pattern, the spacing between adjacent carbon nanostructures 30 that are perpendicular to each other is preferably 20 μm or more and less than the major axis of the active material 40, similar to spacing C.

続いて、個別のカーボンナノ構造体30の好適な寸法について説明する。個別のカーボンナノ構造体30は薄片状に形成され、厚さT、幅W、及び高さHを有する。なお、厚さT及び幅Wは、カーボンナノ構造体30のXY平面に沿う長さであり、高さHは、カーボンナノ構造体30のZ方向に沿う長さである。 Next, the preferred dimensions of the individual carbon nanostructures 30 will be described. The individual carbon nanostructures 30 are formed in a thin flake shape and have a thickness T, a width W, and a height H. Note that the thickness T and the width W are the lengths of the carbon nanostructures 30 along the XY plane, and the height H is the length of the carbon nanostructures 30 along the Z direction.

カーボンナノ構造体30の厚さTは、3μm以上、10μm以下であることが好ましい。厚さTが3μmより小さいと、製造が困難になる場合がある。一方、厚さTが3μm以上であると後述するインクジェットプリント法を用いて、配置パターンを自在に作成することができる。厚さTが10μmより大きいと、負極板20中に占めるカーボンナノ構造体30の体積の占有率が増大し、これによりエネルギー密度が低下する場合がある。 The thickness T of the carbon nanostructure 30 is preferably 3 μm or more and 10 μm or less. If the thickness T is less than 3 μm, manufacturing may be difficult. On the other hand, if the thickness T is 3 μm or more, the arrangement pattern can be freely created using the inkjet printing method described below. If the thickness T is more than 10 μm, the volume occupancy rate of the carbon nanostructure 30 in the negative electrode plate 20 increases, which may result in a decrease in energy density.

カーボンナノ構造体30の幅Wは、活物質40の長径以上、200μm以下であることが好ましい。カーボンナノ構造体30の幅Wが活物質40の長径(本実施形態では、100μm)以上であると、厚み方向に対向するカーボンナノ構造体30間に活物質40を確実に保持することができる。幅Wが200μmを超えると、幅方向に直交する方向に向かう電解液の流れが妨げられる場合がある。 The width W of the carbon nanostructure 30 is preferably equal to or greater than the major axis of the active material 40 and equal to or less than 200 μm. If the width W of the carbon nanostructure 30 is equal to or greater than the major axis of the active material 40 (100 μm in this embodiment), the active material 40 can be reliably held between the carbon nanostructures 30 facing each other in the thickness direction. If the width W exceeds 200 μm, the flow of the electrolyte in a direction perpendicular to the width direction may be impeded.

カーボンナノ構造体30の高さHは、活物質40の長径以下であることが好ましい。本実施形態では、高さHは、100μm以下である。高さHが必要以上に高いと、カーボンナノ構造体30の生成に時間がかかり生産性が低下する場合がある。また、高さHが必要以上に高いと、活物質層22の厚みが増大し、二次電池1が大型化する可能性がある。 The height H of the carbon nanostructure 30 is preferably equal to or less than the major axis of the active material 40. In this embodiment, the height H is equal to or less than 100 μm. If the height H is higher than necessary, it may take a long time to produce the carbon nanostructure 30, resulting in reduced productivity. Furthermore, if the height H is higher than necessary, the thickness of the active material layer 22 may increase, which may result in an increased size of the secondary battery 1.

さらに、間隔L及び高さHは、ともに活物質40の長径の1/√2倍以下であることが好ましい。本実施形態では、間隔L及び高さHは、70μm以下である。間隔L及び高さHが活物質40の長径の1/√2倍以上であると、カーボンナノ構造体30間に保持された活物質40のベーサル面40bとカーボンナノ構造体30(Z方向)とのなす角度が45°以下となる。Z方向に対する活物質40のベーサル面40bの傾きを低減することにより、活物質40のエッジ面40eが電解液面に対してより多く露出する。活物質40のエッジ面40eが電解液面に多く露出すると、負極においてリチウムイオンの受け入れ性が向上する。これにより、エッジ面40eからのリチウムイオンの挿入及び脱離の反応速度が増加し、二次電池1の入出力特性が向上する。 Furthermore, it is preferable that the interval L and the height H are both 1/√2 times or less of the major axis of the active material 40. In this embodiment, the interval L and the height H are 70 μm or less. When the interval L and the height H are 1/√2 times or more of the major axis of the active material 40, the angle between the basal surface 40b of the active material 40 held between the carbon nanostructures 30 and the carbon nanostructure 30 (Z direction) is 45° or less. By reducing the inclination of the basal surface 40b of the active material 40 with respect to the Z direction, the edge surface 40e of the active material 40 is exposed more to the electrolyte surface. When the edge surface 40e of the active material 40 is exposed more to the electrolyte surface, the lithium ion acceptance in the negative electrode is improved. This increases the reaction rate of the insertion and desorption of lithium ions from the edge surface 40e, improving the input/output characteristics of the secondary battery 1.

そして、カーボンナノ構造体30の密度は、50mg/cm以上、200μg/cm以下であることが好ましい。この範囲外であると製造が困難になる場合がある。 The density of the carbon nanostructure 30 is preferably 50 mg/cm 3 or more and 200 μg/cm 3 or less. If it is outside this range, manufacturing may become difficult.

以上の構成を有するカーボンナノ構造体30を含む二次電池用電極の製造方法について、図7を参照して説明する。図7は、実施の形態1にかかる二次電池用電極の製造方法の一例を示すフローチャートである。以下の説明では、本実施形態にかかる二次電池用電極の製造方法を上記した負極板20の製造方法に具体化して説明するが、本実施形態にかかる二次電池用電極の製造方法は、正極板にも適用可能である。 A method for manufacturing an electrode for a secondary battery including the carbon nanostructure 30 having the above configuration will be described with reference to FIG. 7. FIG. 7 is a flowchart showing an example of a method for manufacturing an electrode for a secondary battery according to the first embodiment. In the following description, the method for manufacturing an electrode for a secondary battery according to this embodiment will be specifically described as a method for manufacturing the negative electrode plate 20 described above, but the method for manufacturing an electrode for a secondary battery according to this embodiment can also be applied to a positive electrode plate.

図7に示すように、本実施形態にかかる二次電池用電極の製造方法は、以下のステップS1~S4の工程を有する。ステップS1の触媒層形成工程では、集電箔21の表面21s上に触媒層31を形成する。ステップS2の気相成長工程では、触媒層31を起点として集電箔21の表面21s上に垂直配向した薄片状のカーボンナノ構造体30を気相成長させる。ステップS3の活物質層形成工程では、集電箔21の表面21s上に少なくとも活物質40を含む活物質層22を形成する。 As shown in FIG. 7, the method for manufacturing an electrode for a secondary battery according to this embodiment includes the following steps S1 to S4. In the catalyst layer formation step of step S1, a catalyst layer 31 is formed on the surface 21s of the current collector foil 21. In the vapor phase growth step of step S2, vertically oriented flaky carbon nanostructures 30 are vapor-grown on the surface 21s of the current collector foil 21 starting from the catalyst layer 31. In the active material layer formation step of step S3, an active material layer 22 containing at least an active material 40 is formed on the surface 21s of the current collector foil 21.

上記の各工程について、図8~図10を参照してより詳細に説明する。図8は、図7に示すフローチャートの触媒層形成工程を示す斜視図である。図9は、図7に示すフローチャートの気相成長工程を示す斜視図及び平面図である。図10は、図7に示すフローチャートの活物質層形成工程を示す斜視図及び平面図である。なお、図8~図10において、斜視図は集電箔21の外観を斜め方向から見た図を示しており、平面図は集電箔21の外観を上から見た図を示している。また、図10の斜視図では、活物質40の図示を省略している。 The above steps will be described in more detail with reference to Figures 8 to 10. Figure 8 is a perspective view showing the catalyst layer formation step in the flowchart shown in Figure 7. Figure 9 is a perspective view and a plan view showing the vapor phase growth step in the flowchart shown in Figure 7. Figure 10 is a perspective view and a plan view showing the active material layer formation step in the flowchart shown in Figure 7. Note that in Figures 8 to 10, the perspective view shows the external appearance of the current collector foil 21 as seen from an oblique direction, and the plan view shows the external appearance of the current collector foil 21 as seen from above. Also, the active material 40 is omitted from the perspective view of Figure 10.

図8に示すように、まず、ステップS1では、集電箔21の少なくとも一方の表面21s上に触媒層31を構成する金属微粒子を塗布する。金属微粒子を塗布する際の塗布パターンは、上記で説明した規則的な配置パターンに基づいて設計する。金属微粒子の塗布には、例えば、インクジェットプリント法等の印刷法を用いることができる。 As shown in FIG. 8, first, in step S1, metal particles constituting the catalyst layer 31 are applied to at least one surface 21s of the current collecting foil 21. The application pattern for applying the metal particles is designed based on the regular arrangement pattern described above. For example, a printing method such as inkjet printing can be used to apply the metal particles.

インクジェットプリント法を用いて触媒層31を形成する場合、まず触媒インクを調製する。触媒インクは、金属微粒子と、適当な結着材及び溶媒と、を含んだ所要の粘度を有する分散液である。調製した触媒インクは、インクジェットプリンタのノズルから噴出させ、予めコンピュータ上で設計した塗布パターンに基づいて集電箔21の表面21sに付着させる。集電箔21の表面21sに付着した触媒インクは、乾燥させて溶媒を除去することにより、集電箔21の表面21s上に触媒層31を形成することができる。 When forming the catalyst layer 31 using the inkjet printing method, first, a catalyst ink is prepared. The catalyst ink is a dispersion liquid having the required viscosity that contains metal particles, an appropriate binder, and a solvent. The prepared catalyst ink is sprayed from the nozzle of an inkjet printer and adhered to the surface 21s of the current collector foil 21 based on a coating pattern that has been designed in advance on a computer. The catalyst ink adhered to the surface 21s of the current collector foil 21 can be dried to remove the solvent, thereby forming the catalyst layer 31 on the surface 21s of the current collector foil 21.

このように、インクジェットプリント法を用いると、コンピュータ及びプリンタを用いた画像作成及びプリントアウトの作業と同様に、容易な方法で金属微粒子を集電箔21に塗布できる。したがって、インクジェットプリント法を用いれば、触媒層31の形状を精密に制御することができるため、非常に薄くて均一な触媒層31を作製できる。 In this way, inkjet printing can be used to easily apply metal particles to the current collector foil 21, similar to the process of creating and printing an image using a computer and a printer. Therefore, inkjet printing can be used to precisely control the shape of the catalyst layer 31, making it possible to produce a very thin and uniform catalyst layer 31.

また、インクジェットプリント法では、コンピュータ上で自在に塗布パターンを設計することができるため、例えば、上記で説明した第1パターン、第2パターン、又は第3パターン等の所望の配置パターンに基づく触媒層31を容易に作製することできる。 In addition, with the inkjet printing method, the application pattern can be freely designed on a computer, so that the catalyst layer 31 can be easily produced based on a desired arrangement pattern, such as the first pattern, the second pattern, or the third pattern described above.

次に、図9に示すように、ステップS2では、CVD(Chemica Vapor Deposition)法を用いてCNTの集合体であるカーボンナノ構造体30を生成する。まず、ステップS1で得られた触媒層31を有する集電箔21をCVD装置の反応炉内に設置して、所要の温度まで加熱する。この反応炉内に、炭素源となる炭化水素ガスを含むガスを導入し、数百℃~数千℃の反応温度で加熱保持する。加熱により炭化水素ガスがベンゼン環縮合し、触媒層31を構成する金属微粒子を核として複数のCNTが気相成長する。この時、各CNTは、集電箔21の表面21sからZ方向の上側に向かって成長する。個々の触媒層31において、多数のCNTが集合した状態で成長することにより、薄片状のカーボンナノ構造体30が形成される。 Next, as shown in FIG. 9, in step S2, a carbon nanostructure 30, which is an aggregate of CNTs, is produced using a chemical vapor deposition (CVD) method. First, the current collector foil 21 having the catalyst layer 31 obtained in step S1 is placed in a reactor of a CVD device and heated to a required temperature. Gas containing a hydrocarbon gas as a carbon source is introduced into this reactor, and the reaction temperature is heated and maintained at several hundred to several thousand degrees Celsius. The heating causes benzene ring condensation of the hydrocarbon gas, and multiple CNTs grow in the vapor phase with the metal fine particles that constitute the catalyst layer 31 as nuclei. At this time, each CNT grows from the surface 21s of the current collector foil 21 toward the upper side in the Z direction. In each catalyst layer 31, a large number of CNTs grow in an aggregated state, forming a flaky carbon nanostructure 30.

このように形成されたカーボンナノ構造体30は、集電箔21の表面21s上に垂直配向している。また、カーボンナノ構造体30の配置パターンは、触媒層31の塗布パターンに応じたものである。このように形成されるカーボンナノ構造体30は、その幅方向が集電箔21の表面21sに沿った第1の方向に配向した状態で互いに離間して第1の方向に並列配置されることが好ましい。さらに、複数形成されたカーボンナノ構造体30のうち、その幅方向が第1の方向とは異なる第2の方向に配向した状態でカーボンナノ構造体30が互いに離間して第2の方向に並列配置される異配向領域を有していてもよい。なお、カーボナノ構造体は、露出部23を除いた集電箔21の長さ方向に延在する帯状の範囲に形成される。 The carbon nanostructures 30 thus formed are vertically oriented on the surface 21s of the current collector foil 21. The arrangement pattern of the carbon nanostructures 30 corresponds to the application pattern of the catalyst layer 31. The carbon nanostructures 30 thus formed are preferably arranged in parallel in a first direction with their widths oriented in a first direction along the surface 21s of the current collector foil 21, and spaced apart from each other. Furthermore, among the multiple carbon nanostructures 30 formed, there may be a different orientation region in which the carbon nanostructures 30 are arranged in parallel in a second direction with their widths oriented in a second direction different from the first direction, and spaced apart from each other. The carbon nanostructures are formed in a band-like range extending in the length direction of the current collector foil 21, excluding the exposed portion 23.

カーボンナノ構造体30の形状(厚さT、幅W、高さH)は、ステップS1において形成される触媒層31の形状と、ステップS2における気相成長の反応時間と、を調整することにより自在に制御可能である。また、金属微粒子の塗布条件やCVDの反応条件を適宜変更することにより、任意の密度を有するカーボンナノ構造体30を形成することができる。そして、カーボンナノ構造体30の配置パターンは、ステップS1における触媒層31の塗布パターンに対応するものであるため、インクジェットプリント法を用いた触媒層31のパターニングにより自在に制御可能である。 The shape (thickness T, width W, height H) of the carbon nanostructure 30 can be freely controlled by adjusting the shape of the catalyst layer 31 formed in step S1 and the reaction time of the vapor phase growth in step S2. In addition, by appropriately changing the application conditions of the metal microparticles and the CVD reaction conditions, it is possible to form carbon nanostructures 30 with any density. Furthermore, the arrangement pattern of the carbon nanostructures 30 corresponds to the application pattern of the catalyst layer 31 in step S1, and therefore can be freely controlled by patterning the catalyst layer 31 using an inkjet printing method.

次に、ステップS3では、集電箔21の表面21s上に少なくとも活物質40を含む活物質層22を形成し、負極板20を作製する。ステップS3における負極板20の作製方法は特に限定されないが、例えば、図10に示すように、少なくとも活物質40と、バインダを均一に溶解又は分散し得る溶媒と、を含むペースト41を調製する。ペースト41は、活物質40及び溶媒を含み、必要に応じて導電材及びバインダ等を添加し、これらを混錬することにより得られる。 Next, in step S3, an active material layer 22 containing at least an active material 40 is formed on the surface 21s of the current collector foil 21 to produce the negative electrode plate 20. The method for producing the negative electrode plate 20 in step S3 is not particularly limited, but for example, as shown in FIG. 10, a paste 41 containing at least the active material 40 and a solvent capable of uniformly dissolving or dispersing the binder is prepared. The paste 41 contains the active material 40 and a solvent, and is obtained by adding a conductive material, a binder, etc. as necessary and kneading them.

その後、ステップS2で得られたカーボンナノ構造体30を有する集電箔21の表面21s上に、調製したペースト41を塗工する。ペースト41は、露出部23を除いた集電箔21の長さ方向に延在する帯状の範囲に塗工する。ペースト41が塗工された集電箔21の表面21s上では、カーボンナノ構造体30間の隙間に活物質40が充填されている。カーボンナノ構造体30は、所定の配置パターンを用いて形成されるため、活物質40は、活物質40のベーサル面40bとカーボンナノ構造体30(Z方向)とのなす角度が45°以下となるようにカーボンナノ構造体30間の隙間に充填される。 Then, the prepared paste 41 is applied to the surface 21s of the current collector foil 21 having the carbon nanostructures 30 obtained in step S2. The paste 41 is applied to a band-like area extending in the longitudinal direction of the current collector foil 21 excluding the exposed portion 23. On the surface 21s of the current collector foil 21 on which the paste 41 is applied, the active material 40 is filled in the gaps between the carbon nanostructures 30. Since the carbon nanostructures 30 are formed using a predetermined arrangement pattern, the active material 40 is filled in the gaps between the carbon nanostructures 30 so that the angle between the basal surface 40b of the active material 40 and the carbon nanostructures 30 (Z direction) is 45° or less.

次に、ステップS4では、集電箔21の表面21s上に塗工されたペースト41を乾燥させて溶媒を除去した後、これを圧縮する。このようにして、集電箔21の表面21s上に活物質層22が形成された負極板20が得られる。捲回された負極板20は、例えば図2に示される通りである。活物質層22における活物質40は、活物質40のベーサル面40bとカーボンナノ構造体30(Z方向)とのなす角度が45°以下となるようにカーボンナノ構造体30間に保持される。 Next, in step S4, the paste 41 applied on the surface 21s of the current collector foil 21 is dried to remove the solvent, and then compressed. In this manner, a negative electrode plate 20 is obtained in which an active material layer 22 is formed on the surface 21s of the current collector foil 21. The wound negative electrode plate 20 is, for example, as shown in FIG. 2. The active material 40 in the active material layer 22 is held between the carbon nanostructures 30 so that the angle between the basal surface 40b of the active material 40 and the carbon nanostructures 30 (Z direction) is 45° or less.

このように、集電箔21の表面21s上にカーボンナノ構造体30を規則的な配置パターンを用いて形成し、形成されたカーボンナノ構造体30間に活物質40を充填することにより、カーボンナノ構造体30間に活物質40が保持された活物質層22を有する負極板20が製造される。 In this way, the carbon nanostructures 30 are formed in a regular arrangement pattern on the surface 21s of the current collecting foil 21, and active material 40 is filled between the formed carbon nanostructures 30, thereby producing a negative electrode plate 20 having an active material layer 22 in which active material 40 is held between the carbon nanostructures 30.

次に、以下の各負極板を備えた評価用の二次電池(実施例、及び比較例1、2)を作製し、その性能を評価した。なお、実施例は本発明を限定するものではない。 Next, secondary batteries for evaluation (Examples and Comparative Examples 1 and 2) were fabricated with the following negative electrode plates, and their performance was evaluated. Note that the Examples do not limit the present invention.

(実施例)
図3のフローに示す製造方法にしたがって製造した負極板20と、正極板と、セパレータと、を用いて実施例にかかる二次電池(セル)を作製した。実施例の二次電池1は、カーボンナノ構造体30の配置パターンとして第3パターンを適用した図5に示される負極板20を備える。
(Example)
A secondary battery (cell) according to the embodiment was fabricated using a negative electrode plate 20, a positive electrode plate, and a separator, which were manufactured according to the manufacturing method shown in the flow of Fig. 3. The secondary battery 1 of the embodiment includes the negative electrode plate 20 shown in Fig. 5, in which the third pattern is applied as the arrangement pattern of the carbon nanostructures 30.

この負極板20において、隣接するカーボンナノ構造体30間の距離は、間隔Cが40μm、間隔Lが50μmであり、互いに直交しつつ隣接するカーボンナノ構造体30間の間隔は40μmである。また、個別のカーボンナノ構造体30の寸法は、厚さTが5μm、幅Wが150μm、高さHが80μm、密度が100mg/cmである。 In this negative electrode plate 20, the distance between adjacent carbon nanostructures 30 is 40 μm (C) and 50 μm (L), and the distance between adjacent carbon nanostructures 30 that are perpendicular to each other is 40 μm. The dimensions of each individual carbon nanostructure 30 are a thickness T of 5 μm, a width W of 150 μm, a height H of 80 μm, and a density of 100 mg/ cm3 .

(比較例1)
比較例1の二次電池100は、集電箔21の表面21s上にカーボンナノ構造体30が形成されていない負極板を備える。比較例1の二次電池100は、カーボンナノ構造体30がないことを除いて、その他の構成は実施例と同様である。
(Comparative Example 1)
The secondary battery 100 of Comparative Example 1 includes a negative electrode plate in which no carbon nanostructures 30 are formed on the surface 21s of the current collecting foil 21. The secondary battery 100 of Comparative Example 1 has the same configuration as that of the Example, except that it does not include the carbon nanostructures 30.

(比較例2)
比較例2の二次電池は、集電箔21の表面21s上にカーボンナノ構造体30がランダムに形成された負極板を備える。この負極板において、カーボンナノ構造体30は、触媒層31を起点として集電箔21の表面21s上に垂直配向しているが、集電箔21の表面21sに沿った配向は、不規則である。また、個別のカーボンナノ構造体30の寸法は実施例と同様であるが、隣接するカーボンナノ構造体30間の距離は規定されない。比較例2の二次電池において、その他の構成は実施例と同様である。
(Comparative Example 2)
The secondary battery of Comparative Example 2 includes a negative electrode plate in which carbon nanostructures 30 are randomly formed on the surface 21s of the current collector foil 21. In this negative electrode plate, the carbon nanostructures 30 are vertically oriented on the surface 21s of the current collector foil 21 starting from the catalyst layer 31, but their orientation along the surface 21s of the current collector foil 21 is irregular. In addition, the dimensions of the individual carbon nanostructures 30 are the same as in the Example, but the distance between adjacent carbon nanostructures 30 is not specified. The other configurations of the secondary battery of Comparative Example 2 are the same as in the Example.

以上の実施例及び比較例1、2の各二次電池について、IV抵抗を測定した結果を図11に示す。図11は、実施例及び比較例1、2の二次電池のIV抵抗を比較した結果を示すグラフである。図11の縦軸は、比較例1の二次電池100についての抵抗値を100%として、IV抵抗を相対値で示している。なお、IV抵抗は所定の条件で放電した際の電圧降下量を放電電流値で除した値とすることで測定した。 The results of measuring the IV resistance for each of the secondary batteries of the above Example and Comparative Examples 1 and 2 are shown in Figure 11. Figure 11 is a graph showing the results of comparing the IV resistance of the secondary batteries of the Example and Comparative Examples 1 and 2. The vertical axis of Figure 11 shows the IV resistance as a relative value, with the resistance value of the secondary battery 100 of Comparative Example 1 set to 100%. The IV resistance was measured by dividing the voltage drop amount when discharging under specified conditions by the discharge current value.

図11に示すように、比較例1の二次電池100のIV抵抗を100%とした場合、IV抵抗は比較例2では5%低下し、実施例では9%低下した。この結果からわかるように、集電箔21の表面21s上に垂直配向したカーボンナノ構造体30が形成された負極板を備えた二次電池(実施例、比較例2)の方が、カーボンナノ構造体30のない負極板を備えた二次電池100(比較例1)に比べてIV抵抗が低下することが確認された。これは、実施例及び比較例2の二次電池では、Z方向に配向されるカーボンナノ構造体30が形成されることにより、Z方向における電解液の流れが良好になり、活物質層22の表面から内部へ向かう電解液の浸透性が向上したためであると考えられる。 As shown in FIG. 11, when the IV resistance of the secondary battery 100 of Comparative Example 1 is taken as 100%, the IV resistance of Comparative Example 2 was reduced by 5%, and that of the Example was reduced by 9%. As can be seen from these results, it was confirmed that the IV resistance of the secondary battery (Example, Comparative Example 2) having a negative electrode plate in which vertically oriented carbon nanostructures 30 are formed on the surface 21s of the current collector foil 21 is lower than that of the secondary battery 100 (Comparative Example 1) having a negative electrode plate without carbon nanostructures 30. This is thought to be because, in the secondary batteries of the Example and Comparative Example 2, the carbon nanostructures 30 oriented in the Z direction are formed, which improves the flow of the electrolyte in the Z direction and improves the permeability of the electrolyte from the surface of the active material layer 22 to the inside.

さらに、実施例の二次電池1と比較例2の二次電池とを比較すると、カーボンナノ構造体30が集電箔21の表面21sに沿った方向に規則的に配向された実施例の二次電池1の場合に、IV抵抗の低減効果が大きいことが判った。実施例の二次電池1のIV抵抗は、比較例2の二次電池のIV抵抗よりも4%低下した。したがって、これら3種類の二次電池のうち、X方向、Y方向、及びZ方向に規則的に配向されたカーボンナノ構造体30を備えた実施例の二次電池1は、最も優れた電池性能を有することが確認された。 Furthermore, when comparing the secondary battery 1 of the embodiment with the secondary battery of the comparative example 2, it was found that the effect of reducing the IV resistance was greater in the case of the secondary battery 1 of the embodiment, in which the carbon nanostructures 30 were regularly oriented in the direction along the surface 21s of the current collecting foil 21. The IV resistance of the secondary battery 1 of the embodiment was 4% lower than the IV resistance of the secondary battery of the comparative example 2. Therefore, it was confirmed that, of these three types of secondary batteries, the secondary battery 1 of the embodiment, which has carbon nanostructures 30 regularly oriented in the X, Y, and Z directions, has the most excellent battery performance.

ここで、図12を参照しつつ、捲回電極体を備える二次電池の内部抵抗の分布について、比較例1の二次電池100を例に挙げて説明する。図12は、比較例1の二次電池における内部抵抗の分布を示す図である。図12に示す二次電池100は、ケース本体11及び蓋12からなる電池ケース10の内側に形成される電槽内にカーボンナノ構造体30のない負極板を含んだ電極体が収納されている比較例1の二次電池100である。 Here, with reference to FIG. 12, the distribution of internal resistance of a secondary battery having a wound electrode body will be described using a secondary battery 100 of Comparative Example 1 as an example. FIG. 12 is a diagram showing the distribution of internal resistance in the secondary battery of Comparative Example 1. The secondary battery 100 shown in FIG. 12 is the secondary battery 100 of Comparative Example 1 in which an electrode body including a negative electrode plate without carbon nanostructures 30 is housed in a battery case formed inside a battery case 10 consisting of a case body 11 and a lid 12.

このような二次電池100では、ハイレートで充放電を行った際の活物質層(活物質)の膨張収縮に伴って、放電時には、電極体の内部に含浸された電解液が電極体の軸線方向の両端部から電極体の外部に排出される。そして、電極体の外部に排出された電解液が、次の充電時に再び電極体の内部に含浸(浸透)しなければ、電極体の内部において電解液の不均一化や電解液が枯渇する部分が生じる可能性がある。 In such a secondary battery 100, the electrolyte impregnated inside the electrode body is discharged from both ends of the electrode body in the axial direction during discharge due to the expansion and contraction of the active material layer (active material) when charging and discharging at a high rate. If the electrolyte discharged to the outside of the electrode body does not impregnate (permeate) again into the electrode body during the next charge, there is a possibility that the electrolyte will become non-uniform inside the electrode body or that some parts will be depleted of electrolyte.

電解液が不均一化した場合は、塩濃度の分布が不均一となり、正極板と負極板との間を流れる電流密度が偏在する。また、電解液が枯渇した部分が生じた場合は、電極体内部の充放電反応に電荷担体であるリチウムイオンを供給できない。これらに起因して、負極板内では、電流が集中する部分でリチウムが析出して容量劣化が生じる虞がある。一方、電流が流れにくい部分では、電池の内部抵抗が上昇する。その結果、二次電池の電池性能が低下する。また、このような二次電池を製造する際の注液工程において、活物質層内への電解液の浸透が不十分であると、充放電反応の不均一さが増す。このため、電解液の浸透性は、電池性能に影響を与えるものである。 If the electrolyte becomes non-uniform, the distribution of salt concentration becomes non-uniform, and the current density flowing between the positive and negative plates becomes uneven. Also, if there are areas where the electrolyte is depleted, lithium ions, which are charge carriers, cannot be supplied to the charge-discharge reaction inside the electrode body. Due to these factors, lithium may be precipitated in the negative plate where the current is concentrated, causing capacity degradation. On the other hand, in areas where the current does not flow easily, the internal resistance of the battery increases. As a result, the battery performance of the secondary battery decreases. Also, if the electrolyte does not penetrate sufficiently into the active material layer during the injection process when manufacturing such a secondary battery, the charge-discharge reaction becomes more non-uniform. For this reason, the permeability of the electrolyte affects the battery performance.

電解液は、活物質層の表面及び周縁から活物質層の中央に向かって浸透する。扁平状の捲回電極体を備えた二次電池においては、軸線方向において電解液の浸透経路の下流である活物質層の中央部分には電解液が浸透しにくい。また、重力の影響により電極体の上端側の上端部において電解液が減少しやすい。したがって、図12に示すように、比較例1の二次電池100では、特に二次電池100(電槽)の中央部分且つ上端部に対する電解液の浸透性が悪く、この部分で電解液の枯渇等が生じて電池の内部抵抗が上昇しやすい。 The electrolyte permeates from the surface and periphery of the active material layer toward the center of the active material layer. In a secondary battery equipped with a flat wound electrode body, the electrolyte does not easily permeate the central part of the active material layer, which is downstream of the electrolyte permeation path in the axial direction. In addition, the electrolyte is likely to decrease at the upper end of the upper end side of the electrode body due to the influence of gravity. Therefore, as shown in FIG. 12, in the secondary battery 100 of Comparative Example 1, the electrolyte permeability is particularly poor in the central part and upper end of the secondary battery 100 (battery case), and the electrolyte is easily depleted in these parts, causing the internal resistance of the battery to increase.

これに対し、実施例の二次電池1において、負極板20は第3パターンを適用して形成されたカーボンナノ構造体30を備えている。これにより、電解液がZ方向に沿って活物質層22の表面から内部に向かって流れる浸透経路が確保される。これに加え、電解液がX方向に沿って活物質層22の両端部から中央部分22aに向かって流れる浸透経路と、電解液がY方向に沿って活物質層22(電極体15)の下端から上端に流れる浸透経路が確保される。 In contrast, in the secondary battery 1 of the embodiment, the negative electrode plate 20 has a carbon nanostructure 30 formed by applying the third pattern. This ensures a permeation path along which the electrolyte flows from the surface of the active material layer 22 toward the inside along the Z direction. In addition, a permeation path along which the electrolyte flows from both ends of the active material layer 22 toward the central portion 22a along the X direction, and a permeation path along which the electrolyte flows from the lower end to the upper end of the active material layer 22 (electrode body 15) along the Y direction are ensured.

このように、実施例の二次電池1では、電解液の浸透経路が制御され、電解液の枯渇等が生じやすい二次電池1(電槽)の中央部分22a且つ上端部に対する電解液の浸透性が向上する。これにより、実施例の二次電池1では、電解液が電極体15の全体に渡って浸透するため、充放電反応の均一性が増す。その結果、比較例1、2の各二次電池と比べて、特に電槽の中央部分22a且つ上端部における電池の内部抵抗の増加が抑制される。 In this way, in the secondary battery 1 of the embodiment, the permeation path of the electrolyte is controlled, and the permeability of the electrolyte to the central portion 22a and the upper end portion of the secondary battery 1 (battery case), where the electrolyte is likely to run out, is improved. As a result, in the secondary battery 1 of the embodiment, the electrolyte permeates throughout the entire electrode body 15, and the uniformity of the charge and discharge reaction is increased. As a result, compared to the secondary batteries of Comparative Examples 1 and 2, the increase in the internal resistance of the battery is suppressed, especially in the central portion 22a and the upper end portion of the battery case.

また、実施例の二次電池1において、負極板20に含まれる活物質40は、エッジ面40eが電解液面に対してより露出した姿勢でカーボンナノ構造体30間に保持されている。このため、エッジ面40eでのリチウムイオンの受け入れ性が向上し、リチウムイオンの挿入及び脱離の反応速度が増加することにより二次電池1の入出力特性が向上する。そして、カーボンナノ構造体30は、電子伝導性の高いCNTによって構成されるため、実施例の二次電池1においては、活物質40間及び/又は活物質40と集電体(集電箔21)との間の電子移動が円滑に行われる。 In addition, in the secondary battery 1 of the embodiment, the active material 40 contained in the negative electrode plate 20 is held between the carbon nanostructures 30 with the edge surface 40e more exposed to the electrolyte surface. This improves the lithium ion acceptance at the edge surface 40e, and increases the reaction rate of the insertion and desorption of lithium ions, thereby improving the input/output characteristics of the secondary battery 1. Furthermore, since the carbon nanostructure 30 is composed of CNTs with high electronic conductivity, in the secondary battery 1 of the embodiment, electrons move smoothly between the active materials 40 and/or between the active material 40 and the current collector (current collector foil 21).

また、CNTで構築されるカーボンナノ構造体30は、例えば、連続的な壁状の構造を有するカーボンナノウォールと比べて、断続的な薄片状の構造体として形成される。このような構成により、カーボンナノ構造体30間の隙間に電解液が滞りなく流れるための流路を形成することができる。これにより、活物質層22における電解液の流れが良好になり、電解液の浸透性の低下が抑制される。したがって、実施例の二次電池1においては、活物質40間及び/又は活物質40と電解液との界面におけるイオン拡散が円滑に行われる。 Furthermore, the carbon nanostructures 30 constructed from CNTs are formed as discontinuous flake-like structures, compared to, for example, carbon nanowalls, which have a continuous wall-like structure. With this configuration, it is possible to form flow paths through the gaps between the carbon nanostructures 30 for the electrolyte to flow smoothly. This improves the flow of electrolyte in the active material layer 22, and suppresses a decrease in the permeability of the electrolyte. Therefore, in the secondary battery 1 of the embodiment, ion diffusion between the active materials 40 and/or at the interface between the active material 40 and the electrolyte is smoothly performed.

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、二次電池1を構成する各種材料は、上記実施の形態で挙げられるものに限らない。 The present invention is not limited to the above embodiment, and can be modified as appropriate without departing from the spirit of the invention. For example, the various materials constituting the secondary battery 1 are not limited to those listed in the above embodiment.

また、上記実施の形態では、集電箔21の表面21sに沿った方向として、カーボンナノ構造体30がX方向及びY方向に配向された場合について説明したが、カーボンナノ構造体30の配向や配置パターンはこれに限られたものではない。所望の方向に配向したカーボンナノ構造体30を適宜組み合わせることにより電解液の浸透経路を制御して、悪化した電解液の流れを局所的に改善することができる。 In addition, in the above embodiment, the carbon nanostructures 30 are oriented in the X and Y directions along the surface 21s of the current collecting foil 21, but the orientation and arrangement pattern of the carbon nanostructures 30 are not limited to this. By appropriately combining carbon nanostructures 30 oriented in the desired direction, it is possible to control the permeation path of the electrolyte and locally improve the deteriorated flow of the electrolyte.

また、上記実施の形態では、鱗片状の黒鉛粒子を活物質40として用いる場合について説明した。しかしながら、活物質40の種類、形状、及び寸法はこれに限定されるものではなく、用いる活物質40に応じてカーボンナノ構造体30の配置パターン及び寸法等を適宜設計すればよい。 In the above embodiment, a case has been described in which flake-shaped graphite particles are used as the active material 40. However, the type, shape, and dimensions of the active material 40 are not limited to this, and the arrangement pattern and dimensions of the carbon nanostructures 30 can be appropriately designed according to the active material 40 used.

さらに、上記実施の形態では、扁平形状の捲回型電極体を備える二次電池1について説明したが、二次電池1は、複数の板状の正極板及び負極板20がセパレータを介して積層された積層型の電極体を備える二次電池として構成することもできる。 Furthermore, in the above embodiment, the secondary battery 1 having a flat wound electrode body has been described, but the secondary battery 1 can also be configured as a secondary battery having a stacked electrode body in which multiple plate-shaped positive and negative electrode plates 20 are stacked with separators between them.

1、100 二次電池
10 電池ケース
11 ケース本体
12 蓋
13 負極端子
14 正極端子
15 電極体
20 負極板
21 集電箔
21s 表面
22 活物質層
22a 中央部分
22b 非中央部分
23 露出部
30 カーボンナノ構造体
30a、30b 列
31 触媒層
40 活物質
40b ベーサル面
40e エッジ面
41 ペースト
C 間隔
H 高さ
L 間隔
T 厚さ
W 幅
1, 100 Secondary battery 10 Battery case 11 Case body 12 Lid 13 Negative electrode terminal 14 Positive electrode terminal 15 Electrode body 20 Negative electrode plate 21 Current collector foil 21s Surface 22 Active material layer 22a Central portion 22b Non-central portion 23 Exposed portion 30 Carbon nanostructures 30a, 30b Row 31 Catalyst layer 40 Active material 40b Basal surface 40e Edge surface 41 Paste C Spacing H Height L Spacing T Thickness W Width

Claims (9)

集電箔と、
前記集電箔の表面上に垂直配向した薄片状のカーボンナノ構造体と、
前記集電箔の表面において互いに対向するカーボンナノ構造体間に保持された活物質と、
を有し、
前記カーボンナノ構造体は、前記集電箔の表面に沿った第1の方向に配向した状態で互いに離間して前記第1の方向に並列配置され、
前記第1の方向とは異なる第2の方向に配向した状態で前記カーボンナノ構造体が互いに離間して前記第2の方向に並列配置される異配向領域を有する、
二次電池。
A current collecting foil;
A flaky carbon nanostructure vertically oriented on a surface of the current collecting foil;
an active material held between carbon nanostructures facing each other on a surface of the current collector foil;
having
the carbon nanostructures are arranged in parallel in a first direction along a surface of the current collecting foil while being spaced apart from each other and oriented in the first direction;
a different orientation region in which the carbon nanostructures are oriented in a second direction different from the first direction and are spaced apart from each other and arranged in parallel in the second direction;
Secondary battery.
前記第1の方向は、前記集電箔の幅方向と長さ方向の一方である、
請求項に記載の二次電池。
The first direction is one of the width direction and the length direction of the current collecting foil.
The secondary battery according to claim 1 .
前記第2の方向は、前記集電箔の幅方向と長さ方向の他方である、
請求項又はに記載の二次電池。
The second direction is the other of the width direction and the length direction of the current collecting foil.
The secondary battery according to claim 1 or 2 .
前記第1の方向を前記集電箔の幅方向とし、前記第2の方向を前記集電箔の長さ方向とした場合、
前記異配向領域は、前記集電箔の幅方向において、前記活物質が含まれる活物質層の中央を含んだ中央部分に配置される、
請求項乃至のいずれか1項に記載の二次電池。
When the first direction is the width direction of the current collecting foil and the second direction is the length direction of the current collecting foil,
the different orientation region is disposed in a central portion including a center of an active material layer containing the active material in a width direction of the current collector foil.
The secondary battery according to claim 1 .
前記集電箔の表面に直交する方向を垂直方向とし、前記活物質が円盤形状を有する場合、
前記カーボンナノ構造体の垂直方向の高さは、前記活物質の長径の1/√2倍以上であり、
前記集電箔の表面において対向するカーボンナノ構造体間の距離は、前記活物質の長径の1/√2倍以下である、
請求項乃至のいずれか1項に記載の二次電池。
When the direction perpendicular to the surface of the current collector foil is defined as the vertical direction and the active material has a disk shape,
The vertical height of the carbon nanostructure is 1/√2 times or more the major axis of the active material,
The distance between the opposing carbon nanostructures on the surface of the current collecting foil is 1/√2 times or less of the major axis of the active material.
The secondary battery according to claim 1 .
同一方向に配向して互いに隣接するカーボンナノ構造体間の距離は、円盤形状を有する前記活物質の長径以下である、
請求項乃至のいずれか1項に記載の二次電池。
The distance between adjacent carbon nanostructures oriented in the same direction is equal to or less than the major axis of the active material having a disk shape.
The secondary battery according to claim 1 .
前記カーボンナノ構造体は、カーボンナノチューブ構造体である、
請求項乃至のいずれか1項に記載の二次電池。
The carbon nanostructure is a carbon nanotube structure.
The secondary battery according to claim 1 .
集電箔の表面上に触媒層を形成するステップと、
前記触媒層を起点として前記集電箔の表面上に垂直配向した薄片状のカーボンナノ構造体を気相成長させるステップと、
前記集電箔の表面上に少なくとも活物質を含む活物質層を形成するステップと、
を有し、
前記カーボンナノ構造体は、前記集電箔の表面に沿った第1の方向に配向した状態で互いに離間して前記第1の方向に並列配置され、
前記カーボンナノ構造体が前記第1の方向とは異なる第2の方向に配向した状態で互いに離間して前記第2の方向に並列配置される異配向領域を有する、
二次電池用電極の製造方法。
forming a catalyst layer on a surface of a current collector foil;
A step of vapor-growing vertically oriented flake-like carbon nanostructures on the surface of the current collector foil starting from the catalyst layer;
forming an active material layer containing at least an active material on a surface of the current collector foil;
having
the carbon nanostructures are arranged in parallel in a first direction along a surface of the current collecting foil while being spaced apart from each other and oriented in the first direction;
The carbon nanostructures have different orientation regions in which the carbon nanostructures are oriented in a second direction different from the first direction and are spaced apart from each other and arranged in parallel in the second direction.
A method for manufacturing an electrode for a secondary battery.
前記触媒層の形成は、
インクジェットプリント法を用いて行われる、
請求項に記載の二次電池用電極の製造方法。
The formation of the catalyst layer is
This is done using an inkjet printing method.
The method for producing the secondary battery electrode according to claim 8 .
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