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JP7500928B2 - Electrode structure, secondary battery, and method for manufacturing electrode structure - Google Patents
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JP7500928B2 - Electrode structure, secondary battery, and method for manufacturing electrode structure - Google Patents

Electrode structure, secondary battery, and method for manufacturing electrode structure Download PDF

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JP7500928B2 JP2019146362A JP2019146362A JP7500928B2 JP 7500928 B2 JP7500928 B2 JP 7500928B2 JP 2019146362 A JP2019146362 A JP 2019146362A JP 2019146362 A JP2019146362 A JP 2019146362A JP 7500928 B2 JP7500928 B2 JP 7500928B2
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Description

本明細書では、電極構造体、二次電池及び電極構造体の製造方法を開示する。 This specification discloses an electrode structure, a secondary battery, and a method for manufacturing the electrode structure.

従来、この種の二次電池としては、イオン伝導性を有するセパレータが、活物質層を有する一対の電極間に配設され、セパレータと電極との間の少なくとも一方に、イオン伝導性を有する多孔質絶縁層が配設されたものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。この二次電池では、電池の異常温度上昇時にセパレータがシャットダウン機能を有すると共に、さらに温度が上昇して樹脂が融解、流動化しても、正極と負極との間の短絡を防止することができるとしている。また、二次電池としては、正極板および負極板の少なくとも一方の集電体の上に、電極活物質とバインダとを造粒してなる電極合剤粒子により形成される正極合剤層または負極合剤層を備えており、正極板と負極板の間に、ポリオレフィン粒子を造粒してなるセパレータ粒子により形成されるセパレータ粒子層を有するものが提案されている(例えば、特許文献2参照)。この二次電池では、コストを削減しつつ電池抵抗を低減することができる、としている。更に、二次電池としては、正極の負極と対向する面及び負極の正極と対向する面の少なくとも一方に、アミノ酸、セラミック粒子及び結着剤を含む絶縁層を有する電極体と、非水電解液層とを有し、非水電解液層は、正極、負極又はそれらの面上の絶縁層と直接接触しており、正極と負極との間にセパレーターを有さない、セパレーターレス電池が提案されている(例えば、特許文献3参照)。この二次電池では、過充電状態でも熱暴走を抑制することが可能な、長期的な安全性の高い電池を提供することができる、としている。 Conventionally, as a secondary battery of this type, a separator having ion conductivity is arranged between a pair of electrodes having an active material layer, and a porous insulating layer having ion conductivity is arranged at least on one side between the separator and the electrode (see, for example, Patent Document 1). In this secondary battery, the separator has a shutdown function when the temperature of the battery rises abnormally, and even if the temperature rises further and the resin melts and becomes fluid, it is possible to prevent a short circuit between the positive electrode and the negative electrode. In addition, as a secondary battery, a positive electrode mixture layer or a negative electrode mixture layer formed of electrode mixture particles formed by granulating an electrode active material and a binder on at least one of the current collectors of the positive electrode plate and the negative electrode plate has been proposed, and a separator particle layer formed of separator particles formed by granulating polyolefin particles has been proposed between the positive electrode plate and the negative electrode plate (see, for example, Patent Document 2). It is said that this secondary battery can reduce the battery resistance while reducing costs. Furthermore, a separatorless battery has been proposed as a secondary battery, which has an electrode body having an insulating layer containing amino acids, ceramic particles and a binder on at least one of the surfaces of the positive electrode facing the negative electrode and the negative electrode facing the positive electrode, and a non-aqueous electrolyte layer, and the non-aqueous electrolyte layer is in direct contact with the positive electrode, the negative electrode or the insulating layer on those surfaces, and does not have a separator between the positive electrode and the negative electrode (see, for example, Patent Document 3). It is said that this secondary battery can provide a battery with high long-term safety that can suppress thermal runaway even in an overcharged state.

特開2006-351386号公報JP 2006-351386 A 特開2014-41793号公報JP 2014-41793 A 特開2018-156844号公報JP 2018-156844 A

しかしながら、特許文献1~3の二次電池では、電池出力及びエネルギー密度を向上するべくセパレータもしくは絶縁層を薄くしようとすると、孔の中をLiデンドライトが成長して、あるいは孔を通じて直接短絡する問題があった。ところで、二次電池では、無孔性ポリマー隔壁に電解液を含浸し、ゲル電解質を形成することで、イオン伝導率を発現させたセパレータとすることがある。しかしながら、電解液を含浸すると、無孔性ポリマー隔壁は膨潤することから、電極体が変形することがあった。 However, in the secondary batteries of Patent Documents 1 to 3, when an attempt is made to thin the separator or insulating layer in order to improve the battery output and energy density, there is a problem that Li dendrites grow in the pores or directly short-circuit through the pores. Meanwhile, in secondary batteries, a separator that exhibits ionic conductivity may be obtained by impregnating a nonporous polymer partition with an electrolyte to form a gel electrolyte. However, when impregnated with an electrolyte, the nonporous polymer partition swells, which can cause the electrode body to deform.

本開示は、このような課題に鑑みなされたものであり、分離膜の膨張をより抑制し、電池性能をより向上することができる電極構造体、二次電池及び電極構造体の製造方法を提供することを主目的とする。 The present disclosure has been made in consideration of these problems, and has as its main objective the provision of an electrode structure, a secondary battery, and a method for manufacturing an electrode structure that can further suppress the expansion of the separation membrane and further improve battery performance.

上述した目的を達成するために鋭意研究したところ、本発明者らは、無孔性の分離膜に所定量のセラミック粒子を入れ込むと、分離膜の膨張をより抑制し、且つイオン伝導度及び容量をより好適にすることができることを見いだし、本明細書で開示する発明を完成するに至った。 After extensive research to achieve the above-mentioned objective, the inventors discovered that adding a certain amount of ceramic particles to a non-porous separation membrane can further suppress the expansion of the separation membrane and improve the ionic conductivity and capacity, leading to the completion of the invention disclosed in this specification.

即ち、本明細書で開示する電極構造体は、
活物質を含む柱状の第1電極と、
無孔質でありイオン伝導性及び絶縁性を有する樹脂を含み、前記第1電極を被覆しておりセラミック粒子を5質量%以上70質量%以下の範囲で含む分離膜と、
を備えたものである。
That is, the electrode structure disclosed in the present specification is
A columnar first electrode containing an active material;
A separation membrane that is non-porous and contains a resin having ion conductivity and insulation properties, covers the first electrode, and contains ceramic particles in an amount of 5% by mass to 70% by mass.
It is equipped with the following:

本明細書で開示する二次電池は、
上述した電極構造体と、
前記分離膜を介して複数の前記第1電極の間に存在し活物質を含む第2電極と、
を備えたものである。
The secondary battery disclosed in this specification is
The electrode structure described above;
a second electrode that is disposed between the first electrodes via the separation membrane and contains an active material;
It is equipped with the following:

本明細書で開示する電極構造体の製造方法は、
イオン伝導性及び絶縁性を有する樹脂を含みセラミック粒子を5質量%以上70質量%以下の範囲で含む膜を、活物質を含む柱状の第1電極の外周に形成し、加熱溶融して無孔質の分離膜を前記第1電極の表面に形成する形成工程、を含むものである。
The method for producing an electrode structure disclosed in the present specification includes the steps of:
The method includes a forming step of forming a membrane containing a resin having ion conductivity and insulation properties and containing ceramic particles in a range of 5% by mass to 70% by mass on the outer periphery of a columnar first electrode containing an active material, and heating and melting the membrane to form a nonporous separation membrane on the surface of the first electrode.

本開示は、分離膜の膨張をより抑制し、且つイオン伝導度及び放電容量をより好適にするなど、電池性能をより向上することができる。このような効果が得られる理由は、以下のように推察される。例えば、所定の添加量の範囲でセラミックス粒子を添加すると、セラミック粒子が形成する骨格によりイオン伝導度の低下を抑制しつつ、樹脂の膨潤が抑制されるものと推察される。 The present disclosure can further improve battery performance by further suppressing the expansion of the separation membrane and improving ionic conductivity and discharge capacity. The reason for this effect is believed to be as follows. For example, it is believed that when ceramic particles are added within a specified range of addition amount, the skeleton formed by the ceramic particles suppresses the decrease in ionic conductivity while suppressing the swelling of the resin.

二次電池10の一例を示す模式図。FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a secondary battery 10. 二次電池10Bの一例を示す模式図。FIG. 4 is a schematic diagram showing an example of a secondary battery 10B. 電極構造体20を含む二次電池10の製造工程の一例を示す説明図。3A to 3C are explanatory diagrams showing an example of a manufacturing process for a secondary battery 10 including an electrode structure 20. アルミナ粒子添加量に対するイオン伝導度及び膜厚増加率の関係図。FIG. 1 is a graph showing the relationship between the amount of alumina particles added and the ionic conductivity and the rate of increase in film thickness.

(二次電池)
実施形態で説明する本開示の二次電池は、第1電極と分離膜とを含む電極構造体と、第2電極と、を備える。電極構造体は、活物質を含む柱状の第1電極と、無孔質でありイオン伝導性及び絶縁性を有する樹脂を含み第1電極を被覆しておりセラミック粒子を5質量%以上70質量%以下の範囲で含む分離膜と、を備えている。第2電極は、分離膜を介して複数の第1電極の間に存在し活物質を含むものである。ここで、第1電極は負極であり、第2電極は正極であることが好ましいが、第1電極は正極であり、第2電極は負極であるものとしてもよい。また、「柱状」とは、屈曲しない太さのもののほか、屈曲可能な繊維状の太さのものも含むものとする。この第1電極は、柱状であればよく、その断面は円形であってもよいし、多角形であってもよい。また、第2電極は、第1電極の周りに存在するものとしてもよいし、第1電極の間の空間に充填されているものとしてもよい。また、この二次電池は、分離膜を介して正極と隣り合う状態で複数の負極が結束された構造を有するものとしてもよい。この二次電池は、第1電極、第2電極及び分離膜のうち1以上に電解液を含むものとしてもよい。また、正極及び負極には、集電線などの集電部材が埋設されているものとしてもよいし、この集電部材を備えないものとしてもよい。ここでは、説明の便宜のため、第1電極を負極とし、第2電極を正極とし、リチウムイオンをキャリアとするリチウム二次電池をその主たる一例として以下説明する。
(Secondary battery)
The secondary battery of the present disclosure described in the embodiment includes an electrode structure including a first electrode and a separation membrane, and a second electrode. The electrode structure includes a columnar first electrode including an active material, and a separation membrane that is non-porous, includes a resin having ion conductivity and insulation properties, covers the first electrode, and includes ceramic particles in a range of 5% by mass to 70% by mass. The second electrode is present between a plurality of first electrodes via the separation membrane and includes an active material. Here, it is preferable that the first electrode is a negative electrode and the second electrode is a positive electrode, but the first electrode may be a positive electrode and the second electrode may be a negative electrode. In addition, the term "columnar" includes not only those with a thickness that does not bend, but also those with a fibrous thickness that can be bent. The first electrode may be columnar, and the cross section may be circular or polygonal. The second electrode may be present around the first electrode, or may be filled in the space between the first electrodes. In addition, the secondary battery may have a structure in which a plurality of negative electrodes are bound together in a state adjacent to the positive electrode via a separation membrane. This secondary battery may contain an electrolyte in one or more of the first electrode, the second electrode, and the separator. In addition, the positive electrode and the negative electrode may have a current collecting member such as a current collecting wire embedded therein, or may not have such a current collecting member. For ease of explanation, the following description will be given mainly as an example of a lithium secondary battery in which the first electrode is the negative electrode, the second electrode is the positive electrode, and lithium ions are used as the carrier.

次に、本実施形態で開示する二次電池について図面を用いて説明する。図1は、二次電池10の一例を示す模式図である。図2は、二次電池10Bの一例を示す模式図である。二次電池10は、図1に示すように、第1電極としての負極11と、負極集電体12と、分離膜15と、第2電極としての正極16と、正極集電体17と、を備えている。電極構造体20は、負極11と、分離膜15とにより構成されている。この二次電池10は、柱状の負極活物質からなる負極11と、負極11の周りに分離膜15を介して形成された正極活物質層からなる正極16とを備えている。この二次電池10は、分離膜15及び正極16を介した状態で複数の負極11が結束された構造を有する。また、この二次電池10では、50本以上の負極11が結束された構造を有しているものとしてもよい。二次電池10Bは、柱状の負極11と、負極11の表面に形成された分離膜15とを有する電極構造体20と、複数の電極構造体20の間に正極16が充填された構造を有する。 Next, the secondary battery disclosed in this embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a secondary battery 10. FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of a secondary battery 10B. As shown in FIG. 1, the secondary battery 10 includes a negative electrode 11 as a first electrode, a negative electrode current collector 12, a separation membrane 15, a positive electrode 16 as a second electrode, and a positive electrode current collector 17. The electrode structure 20 is composed of the negative electrode 11 and the separation membrane 15. This secondary battery 10 includes a negative electrode 11 made of a columnar negative electrode active material, and a positive electrode 16 made of a positive electrode active material layer formed around the negative electrode 11 through the separation membrane 15. This secondary battery 10 has a structure in which a plurality of negative electrodes 11 are bound together with the separation membrane 15 and the positive electrode 16 interposed therebetween. In addition, this secondary battery 10 may have a structure in which 50 or more negative electrodes 11 are bound together. The secondary battery 10B has an electrode structure 20 having a columnar negative electrode 11 and a separation membrane 15 formed on the surface of the negative electrode 11, and a positive electrode 16 is filled between the multiple electrode structures 20.

負極11は、活物質を含む柱状の物質である。この二次電池10では、複数の柱状の負極が所定方向に配列されている。負極11は、端面以外の外周が分離膜15を介して正極16に対向している。例えば、負極11は、セル全体の負極容量の1/nの容量を有し、n個が負極集電体12に並列接続されているものとしてもよい。この負極11は、長手方向に垂直な断面の直径Dが10μm以上であることが好ましく、15μm以上であることがより好ましく、30μm以上であるものとしてもよい。また、負極11の直径Dは、800μm以下であることが好ましく、500μm以下であることがより好ましく、400μm以下であるものとしてもよい。この直径Dが10μm以上では、電極構造体としての強度を担保することができ安定した充放電ができる。また、この直径Dが800μm以下ではキャリアのイオンの移動距離が長くなりすぎず、高出力性能が得られる。また、この直径Dが10~500μmの範囲では、単位体積あたりのエネルギー密度をより高めることができる。あるいは、この範囲では、キャリアのイオンの移動距離をより短くすることができ、より大きな電流で充放電を行うことができる。この柱状体の長手方向の長さは、二次電池の用途などに応じて適宜定めることができ、例えば、20mm以上200mm以下の範囲などとしてもよい。柱状体の長さが20mm以上では、電池容量をより高めることができ好ましく、200mm以下では、負極の電気抵抗をより低減することができ好ましい。この負極は、負極活物質としての炭素材料を含むものとしてもよい。炭素材料としては、例えば、グラファイト類や、コークス類、ガラス状炭素類、難黒鉛化性炭素類、熱分解炭素類のうち1以上が挙げられる。このうち、人造黒鉛、天然黒鉛などのグラファイト類が好ましい。また、グラファイト構造を有する炭素繊維としてもよい。このような炭素繊維は、例えば、繊維方向である長手方向に結晶が配向したものが好ましい。また、長手方向(繊維方向)に直交する方向に断面視したときに結晶が中心から外周面側に放射状に配向したものであることが好ましい。あるいは、柱状の負極は、キャリアのイオンを吸蔵放出可能な複合酸化物を柱状体に成形したものとしてもよい。複合酸化物としては、例えば、リチウムチタン複合酸化物やリチウムバナジウム複合酸化物などが挙げられる。この負極は、その表面の少なくとも一部に導電成分が形成されているものとしてもよい。この導電成分により、導電性をより高めることができる。この導電成分は、導電性の高い材料であれば特に限定されないが、例えば、金属としてもよい。 The negative electrode 11 is a columnar material containing an active material. In this secondary battery 10, multiple columnar negative electrodes are arranged in a predetermined direction. The outer periphery of the negative electrode 11, except for the end faces, faces the positive electrode 16 via a separation membrane 15. For example, the negative electrode 11 may have a capacity of 1/n of the negative electrode capacity of the entire cell, and n pieces may be connected in parallel to the negative electrode current collector 12. The negative electrode 11 preferably has a diameter D of 10 μm or more in a cross section perpendicular to the longitudinal direction, more preferably 15 μm or more, and may be 30 μm or more. The diameter D of the negative electrode 11 is preferably 800 μm or less, more preferably 500 μm or less, and may be 400 μm or less. When the diameter D is 10 μm or more, the strength of the electrode structure can be ensured, and stable charging and discharging can be performed. When the diameter D is 800 μm or less, the movement distance of the carrier ions is not too long, and high output performance can be obtained. In addition, when the diameter D is in the range of 10 to 500 μm, the energy density per unit volume can be increased. Alternatively, in this range, the moving distance of the carrier ions can be shortened, and charging and discharging can be performed with a larger current. The length of the columnar body in the longitudinal direction can be appropriately determined depending on the application of the secondary battery, and may be, for example, in the range of 20 mm to 200 mm. When the length of the columnar body is 20 mm or more, the battery capacity can be increased, and when it is 200 mm or less, the electrical resistance of the negative electrode can be reduced, which is preferable. The negative electrode may contain a carbon material as a negative electrode active material. Examples of the carbon material include one or more of graphites, cokes, glassy carbons, non-graphitizable carbons, and pyrolytic carbons. Among these, graphites such as artificial graphite and natural graphite are preferable. In addition, carbon fibers having a graphite structure may be used. For example, such carbon fibers are preferably those in which the crystals are oriented in the longitudinal direction, which is the fiber direction. In addition, it is preferable that the crystals are oriented radially from the center to the outer peripheral surface when viewed in cross section in a direction perpendicular to the longitudinal direction (fiber direction). Alternatively, the columnar negative electrode may be a columnar body made of a complex oxide capable of absorbing and releasing carrier ions. Examples of the complex oxide include lithium titanium complex oxide and lithium vanadium complex oxide. This negative electrode may have a conductive component formed on at least a part of its surface. The conductive component can further increase the conductivity. The conductive component is not particularly limited as long as it is a highly conductive material, but it may be, for example, a metal.

負極集電体12は、導電性を有する部材であり、負極11の端面が電気的に接続されている。負極集電体12には、50本以上の負極11が並列接続されている。この負極集電体12は、例えば、カーボンペーパー、アルミニウム、銅、チタン、ステンレス鋼、ニッケル、鉄、白金、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラスなどのほか、接着性、導電性及び耐酸化(還元)性向上の目的で、アルミニウムや銅などの表面をカーボン、ニッケル、チタン、銀、白金、金などで処理したものも用いることができる。負極集電体12の形状は、複数の負極11が接続できるものであれば特に限定されず、例えば、板状、箔状、フィルム状、シート状、ネット状、パンチ又はエキスパンドされたもの、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の形成体などが挙げられる。 The negative electrode collector 12 is a conductive member, and the end faces of the negative electrodes 11 are electrically connected to the negative electrode collector 12. 50 or more negative electrodes 11 are connected in parallel to the negative electrode collector 12. The negative electrode collector 12 can be made of, for example, carbon paper, aluminum, copper, titanium, stainless steel, nickel, iron, platinum, baked carbon, conductive polymer, conductive glass, or aluminum or copper whose surface is treated with carbon, nickel, titanium, silver, platinum, gold, or the like for the purpose of improving adhesion, conductivity, and oxidation (reduction) resistance. The shape of the negative electrode collector 12 is not particularly limited as long as it can connect multiple negative electrodes 11, and examples of the shape include plate, foil, film, sheet, net, punched or expanded, lath, porous, foam, and fiber group formation.

分離膜15は、キャリアであるイオン(例えばリチウムイオン)のイオン伝導性を有し負極11と正極16とを絶縁するものである。分離膜15は、正極16と対向する負極11の外周面の全体に形成されており、負極11と正極16との短絡を防止している。分離膜15は、イオン伝導性と絶縁性とを有する樹脂21と、導電性を有さない(絶縁性を有する)セラミック粒子22とを含む。この分離膜15は、例えば、樹脂21とセラミック粒子22とを含む原料溶液から自立膜を作製し、負極11の表面をこの自立膜で被覆させることにより形成されてもよいし、原料溶液へ負極11を浸漬させてその表面にコートすることにより形成されるものとしてもよい。この分離膜15の樹脂21としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)や、PVdFとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体(PVdF-HFP)、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)、及びPMMAとアクリルポリマーとの共重合体などが挙げられる。例えば、PVdFとHFPとの共重合体では、電解液の一部がこの膜を膨潤ゲル化し、イオン伝導膜となる。この分離膜15の厚さLは、例えば、2μm以上であることが好ましく、5μm以上であることがより好ましく、8μm以上であるものとしてもよい。厚さLが2μm以上では、絶縁性を確保する上で好ましい。特に、分離膜15の厚さが2μm以上であれば、作製しやすい。また、分離膜15の厚さLは、15μm以下であることが好ましく、10μm以下であることがより好ましい。厚さLが15μm以下では、イオン伝導性の低下を抑制できる点や、セルに占める体積をより低減する上で好ましい。厚さLが2~15μmの範囲では、イオン伝導性及び絶縁性が好適である。 The separation membrane 15 has ion conductivity for the carrier ions (e.g., lithium ions) and insulates the negative electrode 11 from the positive electrode 16. The separation membrane 15 is formed on the entire outer peripheral surface of the negative electrode 11 facing the positive electrode 16, and prevents short-circuiting between the negative electrode 11 and the positive electrode 16. The separation membrane 15 includes a resin 21 having ion conductivity and insulating properties, and ceramic particles 22 that are not conductive (insulating). The separation membrane 15 may be formed, for example, by preparing a free-standing membrane from a raw material solution containing the resin 21 and the ceramic particles 22 and coating the surface of the negative electrode 11 with the free-standing membrane, or by immersing the negative electrode 11 in the raw material solution and coating the surface. Examples of the resin 21 of the separation membrane 15 include polyvinylidene fluoride (PVdF), a copolymer of PVdF and hexafluoropropylene (PVdF-HFP), polymethyl methacrylate (PMMA), and a copolymer of PMMA and an acrylic polymer. For example, in the case of a copolymer of PVdF and HFP, a part of the electrolyte swells and gels the membrane, forming an ion-conductive membrane. The thickness L of the separation membrane 15 is, for example, preferably 2 μm or more, more preferably 5 μm or more, and may be 8 μm or more. A thickness L of 2 μm or more is preferable in terms of ensuring insulation. In particular, a thickness of 2 μm or more of the separation membrane 15 is easy to manufacture. The thickness L of the separation membrane 15 is preferably 15 μm or less, more preferably 10 μm or less. A thickness L of 15 μm or less is preferable in terms of suppressing a decrease in ion conductivity and further reducing the volume occupied by the cell. A thickness L in the range of 2 to 15 μm is preferable in terms of ion conductivity and insulation.

セラミック粒子22は、分離膜15の内部で骨格を形成するものである。このセラミック粒子22は、例えば、酸化アルミニウム(アルミナ)、酸化ケイ素(シリカ)、酸化チタン(チタニア)、水酸化酸化アルミニウム(ベーマイト)、酸化ジルコニウム(ジルコニア)、炭化ケイ素、窒化ケイ素などのうち1以上が挙げられる。このうち、アルミナ、シリカ、チタニア及びベーマイトが好ましく、アルミナがより好ましい。このセラミック粒子22は、平均粒径が0.4μm以上4μm以下の範囲であることが好ましく、0.44μm以上3.5μm以下の範囲であることがより好ましい。この平均粒径は、より小さいことが、よりイオン伝導度をより向上することができ好ましく、1μm以下が更に好ましい。この平均粒径は、走査型電子顕微鏡により撮像した画像を用いて、各粒子の最長長さを求め、これを平均した値として求めることができる。このセラミック粒子22は、樹脂との全体のうち、5質量%以上70質量%以下の範囲で含むものとする。セラミック粒子22が5質量%以上では、イオン伝導度の低下を抑制しつつ、膜厚増加をより抑制することができる。また、70質量%以下では、膜厚増加をより低減すると共にイオン伝導度の低下を抑制することができる。セラミック粒子22の添加量は、9質量%以上がより好ましく、20質量%以上が更に好ましい。また、セラミック粒子22の添加量は、67質量%以下がより好ましく、60質量%以下が更に好ましい。 The ceramic particles 22 form a skeleton inside the separation membrane 15. The ceramic particles 22 may be, for example, one or more of aluminum oxide (alumina), silicon oxide (silica), titanium oxide (titania), aluminum hydroxide oxide (boehmite), zirconium oxide (zirconia), silicon carbide, silicon nitride, etc. Among these, alumina, silica, titania, and boehmite are preferred, and alumina is more preferred. The average particle size of the ceramic particles 22 is preferably in the range of 0.4 μm to 4 μm, and more preferably in the range of 0.44 μm to 3.5 μm. The smaller the average particle size, the more improved the ion conductivity can be, and 1 μm or less is even more preferred. The average particle size can be determined by averaging the longest length of each particle using an image captured by a scanning electron microscope. The ceramic particles 22 are contained in the range of 5% by mass to 70% by mass of the entire resin. When the amount of ceramic particles 22 is 5% by mass or more, the increase in film thickness can be suppressed while suppressing the decrease in ion conductivity. Furthermore, when the amount of ceramic particles 22 is 70% by mass or less, the increase in film thickness can be further reduced and the decrease in ion conductivity can be suppressed. The amount of ceramic particles 22 added is more preferably 9% by mass or more, and even more preferably 20% by mass or more. Furthermore, the amount of ceramic particles 22 added is more preferably 67% by mass or less, and even more preferably 60% by mass or less.

分離膜15は、キャリアであるイオンを伝導する電解液を含むものとしてもよい。この電解液は、例えば、非水系溶媒などが挙げられる。電解液の溶媒としては、例えば、非水電解液の溶媒などが挙げられる。この溶媒としては、例えば、カーボネート類、エステル類、エーテル類、ニトリル類、フラン類、スルホラン類及びジオキソラン類などが挙げられ、これらを単独又は混合して用いることができる。具体的には、カーボネート類としてエチレンカーボネート(EC)やプロピレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ブチレンカーボネート、クロロエチレンカーボネートなどの環状カーボネート類や、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジエチルカーボネート、エチル-n-ブチルカーボネート、メチル-t-ブチルカーボネート、ジ-i-プロピルカーボネート、t-ブチル-i-プロピルカーボネートなどの鎖状カーボネート類、γ-ブチルラクトン、γ-バレロラクトンなどの環状エステル類、ギ酸メチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酪酸メチルなどの鎖状エステル類、ジメトキシエタン、エトキシメトキシエタン、ジエトキシエタンなどのエーテル類、アセトニトリル、ベンゾニトリルなどのニトリル類、テトラヒドロフラン、メチルテトラヒドロフラン、などのフラン類、スルホラン、テトラメチルスルホランなどのスルホラン類、1,3-ジオキソラン、メチルジオキソランなどのジオキソラン類などが挙げられる。この電解液には、二次電池10のキャリアであるイオンを含む支持塩を溶解したものとしてもよい。支持塩としては、例えば、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiN(CF3SO22、LiC(CF3SO23、LiSbF6、LiSiF6、LiAlF4、LiSCN、LiClO4、LiCl、LiF、LiBr、LiI、LiAlCl4などが挙げられる。このうち、LiPF6、LiBF4、LiClO4などの無機塩、及びLiCF3SO3、LiN(CF3SO22、LiC(CF3SO23などの有機塩からなる群より選ばれる1種又は2種以上の塩を組み合わせて用いることが電気特性の点から見て好ましい。この支持塩は、電解液中の濃度が0.1mol/L以上5mol/L以下であることが好ましく、0.5mol/L以上2mol/L以下であることがより好ましい。 The separation membrane 15 may contain an electrolyte that conducts ions, which are carriers. Examples of the electrolyte include non-aqueous solvents. Examples of the solvent for the electrolyte include solvents for non-aqueous electrolytes. Examples of the solvent include carbonates, esters, ethers, nitriles, furans, sulfolanes, and dioxolanes, which may be used alone or in combination. Specific examples of carbonates include cyclic carbonates such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate, vinylene carbonate, butylene carbonate, and chloroethylene carbonate; chain carbonates such as dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), diethyl carbonate, ethyl-n-butyl carbonate, methyl-t-butyl carbonate, di-i-propyl carbonate, and t-butyl-i-propyl carbonate; cyclic esters such as γ-butyl lactone and γ-valerolactone; chain esters such as methyl formate, methyl acetate, ethyl acetate, and methyl butyrate; ethers such as dimethoxyethane, ethoxymethoxyethane, and diethoxyethane; nitriles such as acetonitrile and benzonitrile; furans such as tetrahydrofuran and methyltetrahydrofuran; sulfolanes such as sulfolane and tetramethylsulfolane; and dioxolanes such as 1,3-dioxolane and methyldioxolane. The electrolyte may have dissolved therein a supporting salt containing ions that are carriers for the secondary battery 10. Examples of supporting salts include LiPF6 , LiBF4 , LiAsF6 , LiCF3SO3 , LiN( CF3SO2 ) 2 , LiC( CF3SO2 ) 3 , LiSbF6 , LiSiF6 , LiAlF4, LiSCN , LiClO4 , LiCl, LiF, LiBr, LiI , and LiAlCl4 . Among these, it is preferable from the viewpoint of electrical properties to use a combination of one or more salts selected from the group consisting of inorganic salts such as LiPF6 , LiBF4 , LiClO4 , and organic salts such as LiCF3SO3 , LiN( CF3SO2 ) 2 , LiC( CF3SO2 ) 3 . The concentration of this supporting salt in the electrolyte is preferably 0.1 mol/L or more and 5 mol/L or less, and more preferably 0.5 mol/L or more and 2 mol/L or less.

正極16は、正極活物質を有し、負極11の外周に分離膜15を介して形成されている。正極16は、二次電池10の作製時において、柱状の負極11を内包し断面の外形を六角形状とするものとしてもよい(図1参照)。この形状であれば、正極活物質が外周に形成された負極11を結束すると、正極16が負極11の間に充填されやすく好ましい。この正極16は、複数の負極11の間に存在するものとすればよく、図1に示すように、外形が六角形状であることに限定されない。正極16は、それ自体に導電性を有するものとし、集電部材などは省略されているものとしてもよい。正極16は、その端面が正極集電体17に直接接続されているものとしてもよいし、側面全体に正極集電体が接続されるものとしてもよい。この正極16は、例えば、負極11の外周に分離膜15を形成したのち、その外周に正極16の原料を塗布して形成されたものとしてもよい。 The positive electrode 16 has a positive electrode active material and is formed on the outer periphery of the negative electrode 11 via a separation film 15. The positive electrode 16 may be formed to have a hexagonal cross-sectional shape that includes the columnar negative electrode 11 when the secondary battery 10 is produced (see FIG. 1). This shape is preferable because when the negative electrodes 11 with the positive electrode active material formed on the outer periphery are bound, the positive electrode 16 is easily filled between the negative electrodes 11. The positive electrode 16 may be formed between a plurality of negative electrodes 11, and is not limited to having a hexagonal outer shape as shown in FIG. 1. The positive electrode 16 may be conductive in itself, and a current collecting member may be omitted. The positive electrode 16 may be formed such that its end face is directly connected to the positive electrode current collector 17, or the positive electrode current collector is connected to the entire side surface. The positive electrode 16 may be formed, for example, by forming a separation film 15 on the outer periphery of the negative electrode 11, and then applying the raw material of the positive electrode 16 to the outer periphery.

正極16は、正極活物質を含んでいるが、正極活物質が導電性を有さない場合は、例えば導電性を有する導電材を混合して成形したものとしてもよい。この正極16は、例えば、正極活物質と、必要に応じて導電材と、結着剤とを混合し成形したものとしてもよい。正極活物質は、例えば、キャリアであるリチウムを吸蔵放出可能な材料が挙げられる。正極活物質としては、例えば、リチウムと遷移金属とを有する化合物、例えば、リチウムと遷移金属元素とを含む酸化物や、リチウムと遷移金属元素とを含むリン酸化合物などが挙げられる。具体的には、基本組成式をLi(1-x)MnO2(0≦x≦1など、以下同じ)やLi(1-x)Mn24などとするリチウムマンガン複合酸化物、基本組成式をLi(1-x)CoO2などとするリチウムコバルト複合酸化物、基本組成式をLi(1-x)NiO2などとするリチウムニッケル複合酸化物、基本組成式をLi(1-x)CoaNibMnc2(a>0、b>0、c>0、a+b+c=1)、Li(1-x)CoaNibMnc4(0<a<1、0<b<1、1≦c<2、a+b+c=2)などとするリチウムコバルトニッケルマンガン複合酸化物、基本組成式をLiV23などとするリチウムバナジウム複合酸化物、基本組成式をV25などとする遷移金属酸化物などを用いることができる。また、基本組成式をLiFePO4とするリン酸鉄リチウム化合物などを正極活物質として用いることができる。これらのうち、リチウムコバルトニッケルマンガン複合酸化物、例えば、LiCo1/3Ni1/3Mn1/32やLiNi0.4Co0.3Mn0.32などが好ましい。なお、「基本組成式」とは、他の元素、例えば、AlやMgなどの成分を含んでもよい趣旨である。 The positive electrode 16 includes a positive electrode active material, but when the positive electrode active material does not have electrical conductivity, it may be formed by mixing, for example, a conductive material having electrical conductivity. The positive electrode 16 may be formed by mixing, for example, a positive electrode active material, and, if necessary, a conductive material and a binder. The positive electrode active material may be, for example, a material capable of absorbing and releasing lithium, which is a carrier. The positive electrode active material may be, for example, a compound having lithium and a transition metal, such as an oxide containing lithium and a transition metal element, or a phosphate compound containing lithium and a transition metal element. Specifically, lithium manganese composite oxides having a basic composition formula of Li (1-x) MnO2 (0≦x≦1, etc., the same applies below) or Li (1-x) Mn2O4 , etc. , lithium cobalt composite oxides having a basic composition formula of Li (1-x) CoO2 , etc., lithium nickel composite oxides having a basic composition formula of Li (1-x) NiO2 , etc., lithium cobalt nickel manganese composite oxides having a basic composition formula of Li (1-x) CoaNibMncO2 (a>0, b >0, c>0, a+b+c=1), Li (1-x) CoaNibMncO4 ( 0 <a<1, 0<b < 1 , 1≦c<2, a+b+c= 2 ), etc., lithium vanadium composite oxides having a basic composition formula of LiV2O3 , etc. , 5 , etc. can be used. In addition, a lithium iron phosphate compound having a basic composition formula of LiFePO 4 , etc. can be used as the positive electrode active material. Among these, lithium cobalt nickel manganese composite oxides, such as LiCo 1/3 Ni 1/3 Mn 1/3 O 2 and LiNi 0.4 Co 0.3 Mn 0.3 O 2 , are preferred. The term "basic composition formula" means that other elements, such as Al and Mg, may be included.

正極に含まれる導電材は、電池性能に悪影響を及ぼさない電子伝導性材料であれば特に限定されず、例えば、天然黒鉛(鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛)や人造黒鉛などの黒鉛、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、カーボンウィスカ、ニードルコークス、炭素繊維、金属(銅、ニッケル、アルミニウム、銀、金など)などの1種又は2種以上を混合したものを用いることができる。結着材は、活物質粒子や導電材粒子を繋ぎ止めて所定の形状を保つ役割を果たすものであり、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、或いはポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、エチレンプロピレンジエンモノマー(EPDM)ゴム、スルホン化EPDMゴム、天然ブチルゴム(NBR)等を単独で、あるいは2種以上の混合物として用いることができる。また、水系バインダーであるセルロース系やスチレンブタジエンゴム(SBR)の水分散体等を用いることもできる。 The conductive material contained in the positive electrode is not particularly limited as long as it is an electronically conductive material that does not adversely affect the battery performance, and can be, for example, a mixture of one or more of graphite such as natural graphite (scale graphite, flake graphite) or artificial graphite, acetylene black, carbon black, ketjen black, carbon whisker, needle coke, carbon fiber, metal (copper, nickel, aluminum, silver, gold, etc.). The binder plays a role in connecting the active material particles and the conductive material particles to maintain a predetermined shape, and can be, for example, fluorine-containing resins such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), and fluorine rubber, or thermoplastic resins such as polypropylene and polyethylene, ethylene propylene diene monomer (EPDM) rubber, sulfonated EPDM rubber, natural butyl rubber (NBR), etc., used alone or as a mixture of two or more. In addition, a cellulose-based aqueous binder or an aqueous dispersion of styrene butadiene rubber (SBR) can also be used.

正極16において、正極活物質の含有量は、より多いことが好ましく、正極16の質量全体に対して70質量%以上であることが好ましく、80質量%以上であることがより好ましい。導電材の含有量は、正極16の全体の質量に対して0質量%以上20質量%以下の範囲であることが好ましく、0質量%以上10質量%以下の範囲であることがより好ましい。このような範囲では、電池容量の低下を抑制し、導電性を十分に付与することができる。また、結着材の含有量は、正極16の質量全体に対して0.1質量%以上5質量%以下の範囲であることが好ましく、0.2質量%以上3質量%以下の範囲であることがより好ましい。 In the positive electrode 16, the content of the positive electrode active material is preferably higher, and is preferably 70% by mass or more, and more preferably 80% by mass or more, relative to the total mass of the positive electrode 16. The content of the conductive material is preferably in the range of 0% by mass or more and 20% by mass or less, and more preferably in the range of 0% by mass or more and 10% by mass or less, relative to the total mass of the positive electrode 16. In such a range, the decrease in battery capacity can be suppressed and sufficient conductivity can be imparted. In addition, the content of the binder is preferably in the range of 0.1% by mass or more and 5% by mass or less, and more preferably in the range of 0.2% by mass or more and 3% by mass or less, relative to the total mass of the positive electrode 16.

正極集電体17は、導電性を有する部材であり、正極16に電気的に接続されている。正極集電体17には、50本以上の正極16の端面が並列接続されている。この正極集電体17は、負極集電体12と同様の部材とするものとしてもよい。 The positive electrode collector 17 is a conductive member and is electrically connected to the positive electrode 16. The end faces of 50 or more positive electrodes 16 are connected in parallel to the positive electrode collector 17. This positive electrode collector 17 may be made of the same material as the negative electrode collector 12.

この二次電池10において、イオン伝導度は、より高いことが好ましいが、0.1mS/cm以上であることが好ましく、0.18mS/cm以上であることがより好ましく、0.2mS/cm以上であることが更に好ましい。イオン伝導度がより高ければ、放電容量をより高めることなどができる。この二次電池10において、膜厚増加率は、より小さいことが好ましいが、1.6以下が好ましく、1.5以下がより好ましく、1.4以下が更に好ましい。膜厚増加率がより小さければ、その外周に形成された正極の構造を維持しやすい。この膜厚増加率は、電解液の添加前の膜厚tbと電解液の添加後の膜厚taとをSEM観察画像から測定し、ta/tbから求めるものとする。また、この二次電池10において、放電容量は、より大きいことが好ましいが、0.16mAh以上であることが好ましく、0.17mAh以上がより好ましく、0.18mAh以上が更に好ましい。このときの二次電池10の体積エネルギー密度は、より高いことがより好ましく、例えば、650Wh/L以上であることが好ましく、830Wh/L以上であることがより好ましく、900Wh/L以上であることが更に好ましい。 In this secondary battery 10, the ion conductivity is preferably higher, but is preferably 0.1 mS/cm or more, more preferably 0.18 mS/cm or more, and even more preferably 0.2 mS/cm or more. If the ion conductivity is higher, the discharge capacity can be increased. In this secondary battery 10, the film thickness increase rate is preferably smaller, but is preferably 1.6 or less, more preferably 1.5 or less, and even more preferably 1.4 or less. If the film thickness increase rate is smaller, it is easier to maintain the structure of the positive electrode formed on its periphery. This film thickness increase rate is obtained by measuring the film thickness tb before the addition of the electrolyte and the film thickness ta after the addition of the electrolyte from an SEM observation image, and calculating ta/tb. In addition, in this secondary battery 10, the discharge capacity is preferably higher, but is preferably 0.16 mAh or more, more preferably 0.17 mAh or more, and even more preferably 0.18 mAh or more. In this case, the volumetric energy density of the secondary battery 10 is preferably higher, for example, 650 Wh/L or more, more preferably 830 Wh/L or more, and even more preferably 900 Wh/L or more.

この二次電池10において、正極活物質の容量に対する負極活物質の容量の比である正負極容量比(負極容量/正極容量)は、1.0以上1.5以下の範囲とすることが好ましく、より好ましくは1.2以下の範囲である。正極の形成厚さは、負極の直径及び正負極容量比に応じて適宜設定されるが、例えば、5μm以上50μm以下の範囲としてもよい。正極の形成厚さは、例えば、負極上に形成された部分のうち最大の厚さをいうものとする。 In this secondary battery 10, the positive/negative electrode capacity ratio (negative electrode capacity/positive electrode capacity), which is the ratio of the capacity of the negative electrode active material to the capacity of the positive electrode active material, is preferably in the range of 1.0 to 1.5, more preferably in the range of 1.2 or less. The thickness of the positive electrode is set appropriately according to the diameter of the negative electrode and the positive/negative electrode capacity ratio, but may be, for example, in the range of 5 μm to 50 μm. The thickness of the positive electrode refers to, for example, the maximum thickness of the portion formed on the negative electrode.

(二次電池(電極構造体)の製造方法)
次に、二次電池(電極構造体)の製造方法について説明する。この製造方法は、形成工程と第2電極作製工程とを含むものとしてもよい。形成工程では、イオン伝導性及び絶縁性を有する樹脂を含みセラミック粒子を5質量%以上70質量%以下の範囲で含む膜を、活物質を含む柱状の第1電極の外周に形成し、加熱溶融して無孔質の分離膜を第1電極の表面に形成する。第2電極作製工程では、電極構造体の外面に第2電極を形成する。図3は、電極構造体20を含む二次電池10の製造工程の一例を示す説明図であり、図3Aが分離膜形成処理、図3Bが加熱処理、図3Cが余剰部分の切断処理、図3Dが余剰部分の整形処理、図3Eが電極構造体20の説明図、図3Fが第2電極作製工程である。原料としての膜は、溶媒に樹脂及びセラミック粒子を入れてスラリー状にし、基材に塗布、乾燥して所定厚さの自立した膜体として得るものとしてもよい。樹脂やセラミック粒子などは、上述したものを適宜用いればよい。溶媒としては、樹脂を溶解することができるものが好ましく、例えば、N-メチルピロリドン(NMP)などが挙げられる。膜の厚さは、例えば、2μm以上が好ましく、5μm以上がより好ましく、8μm以上であるものとしてもよい。また、膜の厚さは、15μm以下が好ましく、10μm以下がより好ましい。セラミック粒子は、平均粒径が0.4μm以上4μm以下の範囲が好ましく、0.44μm以上3.5μm以下の範囲がより好ましい。第1電極は、例えば、その直径を10μm以上800μm以下の範囲としてもよい。セラミック粒子22の添加量は、9質量%以上がより好ましく、20質量%以上が更に好ましい。また、セラミック粒子22の添加量は、67質量%以下がより好ましく、60質量%以下が更に好ましい。
(Method of manufacturing secondary battery (electrode structure))
Next, a method for manufacturing a secondary battery (electrode structure) will be described. This manufacturing method may include a forming step and a second electrode fabricating step. In the forming step, a membrane containing a resin having ion conductivity and insulation properties and containing ceramic particles in the range of 5% by mass to 70% by mass is formed on the outer periphery of a columnar first electrode containing an active material, and is heated and melted to form a non-porous separation membrane on the surface of the first electrode. In the second electrode fabricating step, a second electrode is formed on the outer surface of the electrode structure. FIG. 3 is an explanatory diagram showing an example of a manufacturing process of a secondary battery 10 including an electrode structure 20, in which FIG. 3A is a separation membrane forming process, FIG. 3B is a heating process, FIG. 3C is a cutting process of the excess part, FIG. 3D is a shaping process of the excess part, FIG. 3E is an explanatory diagram of the electrode structure 20, and FIG. 3F is a second electrode fabricating step. The membrane as a raw material may be obtained by putting resin and ceramic particles into a solvent to form a slurry, applying it to a substrate, and drying it to obtain a self-supporting membrane of a predetermined thickness. The resin, ceramic particles, etc. may be appropriately used as described above. The solvent is preferably one capable of dissolving the resin, and examples thereof include N-methylpyrrolidone (NMP). The thickness of the film is preferably 2 μm or more, more preferably 5 μm or more, and may be 8 μm or more. The thickness of the film is preferably 15 μm or less, and more preferably 10 μm or less. The ceramic particles preferably have an average particle size in the range of 0.4 μm to 4 μm, and more preferably 0.44 μm to 3.5 μm. The first electrode may have a diameter in the range of 10 μm to 800 μm, for example. The amount of the ceramic particles 22 added is more preferably 9% by mass or more, and even more preferably 20% by mass or more. The amount of the ceramic particles 22 added is more preferably 67% by mass or less, and even more preferably 60% by mass or less.

分離膜形成処理では、第1電極を収容する半円状のくぼみを有する被覆用ジグ30を用いるものとしてもよい(図3A)。例えば、被覆用ジグ30の上に、原料としての膜と第1電極とを載置し、第1電極を膜で被覆した上に、被覆用ジグ30を被せて押圧するものとしてもよい。そして、加熱部31により、この被覆ジグ30ごと加熱処理するものとしてもよい(図3B)。加熱温度は、膜に含まれる樹脂の特性に応じて適宜定められるが、例えば、100℃以上200℃以下の範囲としてもよいし、120℃以上180℃以下の範囲としてもよい。このとき、膜の一部が余剰部分として存在する場合は、その余剰部分を切断処理し(図3C)、余剰部分を被覆用ジグ30のくぼみに合わせて被覆ジグ30ごと再度、加熱部31により加熱処理を行う(図3D)。この再加熱により、分離膜15の外周面が整えられる(図3E)。そして、分離膜15の表面に、第2電極の活物質を含むスラリーをコートし、単セルを得ることができる(図3F)。第2電極は、上述した正極の構成を適宜採用すればよい。このようにして、電極構造体20や、二次電池10を作製することができる。 In the separation membrane forming process, a coating jig 30 having a semicircular recess for accommodating the first electrode may be used (FIG. 3A). For example, the membrane as a raw material and the first electrode may be placed on the coating jig 30, and the first electrode may be covered with the membrane and then pressed with the coating jig 30. Then, the coating jig 30 may be heated by the heating unit 31 (FIG. 3B). The heating temperature is appropriately determined according to the characteristics of the resin contained in the membrane, and may be, for example, in the range of 100°C to 200°C or in the range of 120°C to 180°C. At this time, if a part of the membrane exists as an excess part, the excess part is cut off (FIG. 3C), and the excess part is aligned with the recess of the coating jig 30 and is heated again by the heating unit 31 together with the coating jig 30 (FIG. 3D). This reheating adjusts the outer peripheral surface of the separation membrane 15 (FIG. 3E). Then, a slurry containing the active material of the second electrode is coated on the surface of the separation membrane 15 to obtain a single cell (FIG. 3F). The second electrode may be appropriately configured as the positive electrode described above. In this manner, the electrode structure 20 and the secondary battery 10 can be produced.

以上詳述した電極構造体20及び二次電池10では、分離膜15の膨張をより抑制し、且つイオン伝導度及び放電容量をより好適にするなど、電池性能をより向上することができる。このような効果が得られる理由は、以下のように推察される。例えば、所定の添加量の範囲でセラミックス粒子22を添加すると、セラミック粒子22が形成する骨格により、イオン伝導度の低下を抑制しつつ、樹脂の膨潤が抑制されるものと推察される。 The electrode structure 20 and secondary battery 10 described above can further improve battery performance by further suppressing the expansion of the separation membrane 15 and making the ionic conductivity and discharge capacity more favorable. The reason for such effects is presumed to be as follows. For example, it is presumed that when ceramic particles 22 are added within a specified addition amount range, the skeleton formed by the ceramic particles 22 suppresses the decrease in ionic conductivity while suppressing the swelling of the resin.

なお、本開示は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。 It goes without saying that the present disclosure is in no way limited to the above-described embodiments, and may be implemented in various forms as long as they fall within the technical scope of the present disclosure.

例えば、上述した実施形態では、二次電池10において、負極や正極は、集電部材を内包しないものについて説明したが、特にこれに限定されず、各電極は、集電線などの集電部材を埋設していてもよい。 For example, in the above embodiment, the negative and positive electrodes of the secondary battery 10 are described as not including a current collecting member, but this is not particularly limited, and each electrode may have a current collecting member such as a current collecting wire embedded therein.

また、上述した実施形態では、二次電池のキャリアをリチウムイオンとしたが、特にこれに限定されず、ナトリウムイオンやカリウムイオンなどのアルカリ金属イオン、カルシウムイオンやマグネシウムイオンなどの2族元素イオンとしてもよい。また、正極活物質は、キャリアのイオンを含むものとすればよい。また、電解液を非水系電解液としたが、水溶液系電解液としてもよい。 In the above-described embodiment, the carrier of the secondary battery is lithium ion, but is not limited thereto, and may be alkali metal ions such as sodium ions and potassium ions, or Group 2 element ions such as calcium ions and magnesium ions. The positive electrode active material may contain carrier ions. Although the electrolyte is a non-aqueous electrolyte, it may be an aqueous electrolyte.

上述した実施形態では、柱状の負極は、円柱形状である例を説明したが、特にこれに限定されず、四角柱や六角柱などの形状としてもよい。 In the above embodiment, the columnar negative electrode is described as being cylindrical, but is not limited thereto and may be in the shape of a square prism, a hexagonal prism, or the like.

上述した実施形態では、二次電池10の製造方法としたが、第2電極作製工程を省略し、電極構造体20の製造方法としてもよい。 In the above-described embodiment, a method for manufacturing a secondary battery 10 is used, but the second electrode fabrication process may be omitted and a method for manufacturing an electrode structure 20 may be used.

以下には、上述した二次電池を具体的に作製した例を実験例として説明する。実験例3~6、8~13、17~19が本開示の実施例に相当し、実験例1、2、7、14~16が比較例に相当する。 Below, specific examples of fabricating the above-mentioned secondary batteries are described as experimental examples. Experimental examples 3 to 6, 8 to 13, and 17 to 19 correspond to examples of the present disclosure, and experimental examples 1, 2, 7, and 14 to 16 correspond to comparative examples.

(実験例1の分離膜)
セラミック粒子を含み、イオン伝導性及び絶縁性を有する自立した樹脂膜(分離膜となる膜)を作製した。まず、N-メチルピロリドン(NMP)にポリフッ化ビニリデン-co-ヘキサフルオロプロピレン(PVdF-HFP)を混合し、1晩以上撹拌し、PVdF-HFPを溶解した。これを用いて作製したものを実験例1の分離膜とした。
(Separation membrane of Experimental Example 1)
A self-supporting resin membrane (membrane to be a separation membrane) containing ceramic particles and having ion conductivity and insulation properties was prepared. First, polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene (PVdF-HFP) was mixed with N-methylpyrrolidone (NMP) and stirred overnight or more to dissolve the PVdF-HFP. The separation membrane of Experimental Example 1 was prepared using this.

(実験例2~7の分離膜)
N-メチルピロリドン(NMP)に、セラミック粒子としての平均粒径0.44μmのアルミナ粉末(Al23,住友化学製)を混合し、30分間の超音波処理を行い分散液を得た。この分散液に、ポリフッ化ビニリデン-co-ヘキサフルオロプロピレン(PVdF-HFP)を混合し、1晩以上撹拌し、PVdF-HFPを分散液に溶解した。このとき、アルミナとPVdF-HFPの合計質量に対して、2質量%、9質量%、33質量%、50質量%、67質量%、75質量%となるように、アルミナの量を調整したものをそれぞれ実験例2~7の分離膜とした。
(Separation membranes of Experimental Examples 2 to 7)
Alumina powder (Al 2 O 3 , manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.) having an average particle size of 0.44 μm as ceramic particles was mixed into N-methylpyrrolidone (NMP), and ultrasonic treatment was performed for 30 minutes to obtain a dispersion. Polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene (PVdF-HFP) was mixed into this dispersion, and the mixture was stirred overnight or more to dissolve PVdF-HFP in the dispersion. The amount of alumina was adjusted to 2 mass%, 9 mass%, 33 mass%, 50 mass%, 67 mass%, and 75 mass% relative to the total mass of alumina and PVdF-HFP, and these were used as separation membranes of Experimental Examples 2 to 7, respectively.

(実験例8~16の分離膜)
平均粒径0.88μmのアルミナ粉末(住友化学製)、平均粒径1.6μmのアルミナ粉末(住友化学製)、平均粒径3.5μmのアルミナ粉末(住友化学製)、とした以外は実験例4と同様に作製したものを実験例8~10の分離膜とした。平均粒径0.88μmのアルミナ粉末、平均粒径1.6μmのアルミナ粉末、平均粒径3.5μmのアルミナ粉末、とした以外は実験例6と同様に作製したものを実験例11~13の分離膜とした。平均粒径0.88μmのアルミナ粉末、平均粒径1.6μmのアルミナ粉末、平均粒径3.5μmのアルミナ粉末、とした以外は実験例7と同様に作製したものを実験例14~16の分離膜とした。
(Separation membranes of Experimental Examples 8 to 16)
The separation membranes of Experimental Examples 8 to 10 were prepared in the same manner as in Experimental Example 4, except that the alumina powders had an average particle size of 0.88 μm (manufactured by Sumitomo Chemical), 1.6 μm (manufactured by Sumitomo Chemical), and 3.5 μm (manufactured by Sumitomo Chemical) were used. The separation membranes of Experimental Examples 11 to 13 were prepared in the same manner as in Experimental Example 6, except that the alumina powders had an average particle size of 0.88 μm, 1.6 μm, and 3.5 μm were used. The separation membranes of Experimental Examples 14 to 16 were prepared in the same manner as in Experimental Example 7, except that the alumina powders had an average particle size of 0.88 μm, 1.6 μm, and 3.5 μm were used.

(実験例17~19の分離膜)
セラミック粒子として、平均粒径0.5μmのチタニア粉末(ルチル型TiO2,日本アエロジル製)を用いた以外は実験例4と同様に作製したものを用いて実験例17の分離膜とした。セラミック粒子として、平均粒径0.8μmのシリカ粉末(SiO2,日本アエロジル製)を用いた以外は実験例4と同様に作製したものを用いて実験例18の分離膜とした。セラミック粒子として、平均粒径0.8μmの水酸化酸化アルミニウム粉末(AiOOH)を用いた以外は実験例4と同様に作製したものを実験例19の分離膜とした。
(Separation membranes of Experimental Examples 17 to 19)
The separation membrane of Experimental Example 17 was prepared in the same manner as in Experimental Example 4, except that titania powder (rutile type TiO2 , manufactured by Nippon Aerosil) having an average particle size of 0.5 μm was used as the ceramic particles. The separation membrane of Experimental Example 18 was prepared in the same manner as in Experimental Example 4, except that silica powder ( SiO2 , manufactured by Nippon Aerosil) having an average particle size of 0.8 μm was used as the ceramic particles. The separation membrane of Experimental Example 19 was prepared in the same manner as in Experimental Example 4, except that aluminum oxide hydroxide powder (AiOOH) having an average particle size of 0.8 μm was used as the ceramic particles.

(電極構造体及び評価セルの作製)
電極構造体は、図3に示すような工程で作製した。まず、上述したPVdF-HFP溶液、または、セラミック粒子-PVdF-HFPスラリーをガラス板に塗布し、NMPを乾燥させ、厚さ5μmの自立した樹脂膜(分離膜)を得た。このいずれかの樹脂膜で直径400μmの柱状炭素電極を包み、150℃の熱融着により、柱状電極/アルミナ-PVdF-HFP膜の一体物を得た(図3A,B)。不要な樹脂膜を切断し(図3C)、余剰部分を再度150℃で熱融着して形状を整え(図3D)、外周に正極ペーストをディップコートしたのち、乾燥させることで、厚さ50μmの正極合材層を形成し、柱状電極構造体を得た。正極ペーストは、正極活物質としてのLiNi1/3Co1/3Mn1/32と、導電材としてのカーボンブラック(電気化学工業製デンカブラック)と、結着材としてのPVdFバインダとを質量比で、95:3:2となるよう秤量し、水中に分散させることで作製した。柱状電極構造体を非水系電解液に1晩以上浸漬し、分離膜に非水系電解液を含浸させたものを密封することによって、評価セルである柱状二次電池とした。非水電解液には、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)を体積比で30/40/30で混合した混合溶媒に、LiPF6を1Mの濃度で溶解させたものを用いた。
(Preparation of electrode structure and evaluation cell)
The electrode structure was produced by the process shown in FIG. 3. First, the above-mentioned PVdF-HFP solution or ceramic particle-PVdF-HFP slurry was applied to a glass plate, and the NMP was dried to obtain a self-supporting resin film (separation film) having a thickness of 5 μm. A columnar carbon electrode having a diameter of 400 μm was wrapped in either of these resin films, and a columnar electrode/alumina-PVdF-HFP film integral was obtained by heat fusion at 150 ° C. (FIGS. 3A, B). Unnecessary resin films were cut off (FIG. 3C), and the surplus part was heat fused again at 150 ° C. to adjust the shape (FIG. 3D), and the outer periphery was dip-coated with a positive electrode paste, followed by drying to form a positive electrode composite layer having a thickness of 50 μm, thereby obtaining a columnar electrode structure. The positive electrode paste was prepared by weighing out LiNi1 / 3Co1 /3Mn1 / 3O2 as a positive electrode active material, carbon black (Denka Black manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) as a conductive material, and PVdF binder as a binder in a mass ratio of 95:3:2 and dispersing them in water. The columnar electrode structure was immersed in a non-aqueous electrolyte solution overnight or more, and the separator impregnated with the non-aqueous electrolyte solution was sealed to prepare a columnar secondary battery as an evaluation cell. The non-aqueous electrolyte solution was a mixture of ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), and ethyl methyl carbonate (EMC) in a volume ratio of 30/40/30, in which LiPF6 was dissolved at a concentration of 1M.

(分離膜の評価)
分離膜のイオン導電率、膜厚増加率の評価法は以下の通りである。上述したPVdF-HFPまたは、セラミック粒子-PVdF-HFPスラリーをポリテトラフルオロエチレン製シャーレに所定量秤量し、NMPを蒸発させることで、厚さ100μmの分離膜を得た。この膜を上述した電解液に2日間以上浸漬した。浸漬前後の膜厚を比較し、膜厚増加率(-)を算出した。また、浸漬後の分離膜を2枚のNi電極で挟んだ測定セルを作製し、交流インピーダンス法によって、分離膜の伝導度を評価した。上記作製した測定セルに対し、ACインピーダンスアナライザー(Agilent4294A)を用い、開回路電圧で振幅±500mV、周波数領域を1Hz~100kHz、測定温度を25℃で測定し、集電体間の抵抗からイオン伝導度(mS/cm)を算出した。
(Evaluation of separation membrane)
The ionic conductivity and the membrane thickness increase rate of the separation membrane were evaluated as follows. A predetermined amount of the above-mentioned PVdF-HFP or ceramic particle-PVdF-HFP slurry was weighed into a polytetrafluoroethylene petri dish, and NMP was evaporated to obtain a separation membrane having a thickness of 100 μm. This membrane was immersed in the above-mentioned electrolytic solution for 2 days or more. The membrane thickness before and after immersion was compared to calculate the membrane thickness increase rate (-). In addition, a measurement cell was prepared in which the separation membrane after immersion was sandwiched between two Ni electrodes, and the conductivity of the separation membrane was evaluated by an AC impedance method. The measurement cell prepared above was measured using an AC impedance analyzer (Agilent 4294A) at an open circuit voltage with an amplitude of ±500 mV, a frequency range of 1 Hz to 100 kHz, and a measurement temperature of 25 ° C., and the ionic conductivity (mS / cm) was calculated from the resistance between the current collectors.

(評価セルの評価)
上記作製した柱状評価セルの充放電試験は、2V~4.2Vの電圧範囲、0.2Cの充放電レートで、20℃の恒温槽中で行った。充電は、CCCVモード、放電はCCモードで行った。
(Evaluation of Evaluation Cells)
A charge/discharge test of the prepared columnar evaluation cell was carried out in a thermostatic chamber at 20° C. at a voltage range of 2 V to 4.2 V and a charge/discharge rate of 0.2 C. Charging was carried out in CCCV mode, and discharging was carried out in CC mode.

(結果と考察)
表1に、実験例1~19のセラミック粒子の種別、粒径(μm)、添加割合(質量%)、分離膜の伝導度(mS/cm)、膜厚増加率(-)、1サイクル目の放電容量(mAh)をまとめて示した。図4は、実験例1~8の分離膜の添加量に対するイオン伝導度(mS/cm)及び膜厚増加率(-)の関係図である。表1及び図4に示すように、アルミナ粒子の添加量が増加すると膜厚増加率が低減し、アルミナ粒子の添加量が減少するとイオン伝導度が増加する傾向が明らかとなった。このイオン伝導性ポリマーに対するアルミナ粒子の添加量は、5質量%以上70質量%以下の範囲で高イオン伝導度と低膜厚増加率とを両立することができることがわかった。また、この添加量は、9質量%以上がより好ましく、20質量%以上が更に好ましいことがわかった。また、この添加量は、67質量%以下がより好ましく、60質量%以下が更に好ましいことがわかった。また、実験例3~6では、実験例1に比してより高い放電容量を示すことがわかった。実験例1では、分離膜の体積膨張が大きいため、正極活物質層に割れなどが生じたものと推察された。このため、実験例1では、放電容量が小さい値を示したものと推察された。また、アルミナ粒子が多い実験例7では、イオン伝導度の低下に起因して放電容量が低下するものと推察された。
(Results and discussion)
Table 1 shows the type of ceramic particles, particle size (μm), addition ratio (mass%), conductivity of the separation membrane (mS/cm), membrane thickness increase rate (-), and discharge capacity (mAh) at the first cycle for Experimental Examples 1 to 19. FIG. 4 is a relationship diagram of the ionic conductivity (mS/cm) and membrane thickness increase rate (-) with respect to the addition amount of the separation membrane for Experimental Examples 1 to 8. As shown in Table 1 and FIG. 4, it was found that the membrane thickness increase rate decreases as the addition amount of the alumina particles increases, and the ionic conductivity increases as the addition amount of the alumina particles decreases. It was found that the addition amount of the alumina particles to this ion conductive polymer can achieve both high ionic conductivity and low membrane thickness increase rate in the range of 5 mass% to 70 mass%. It was also found that the addition amount is more preferably 9 mass% or more, and even more preferably 20 mass% or more. It was also found that the addition amount is more preferably 67 mass% or less, and even more preferably 60 mass% or less. It was also found that Experimental Examples 3 to 6 showed a higher discharge capacity than Experimental Example 1. In Experimental Example 1, it is presumed that the volume expansion of the separator is large, causing cracks in the positive electrode active material layer, and therefore, it is presumed that the discharge capacity is small in Experimental Example 1. In addition, in Experimental Example 7, which contains a large amount of alumina particles, it is presumed that the discharge capacity is reduced due to a decrease in ion conductivity.

実験例4、8~10では、セラミック粒子であるアルミナの添加量が33質量%であり、実験例6、11~13では、アルミナの添加量が67質量%であり、実験例7、14~16では、アルミナの添加量が75質量%である。これらは、いずれも、アルミナ粒径がより小さくなると、伝導度が向上する傾向が示された。また、添加量が33質量%~67質量%の間では、放電容量がほぼ一定値を示した。一方、添加量が75質量%になると容量が低下することがわかった。また、セラミック粒子として、チタニアや、シリカ、ベーマイト(AlOOH)を用いた場合でも同様に、添加したセラミック粒子の種類によらず、粒子添加により高イオン伝導度と膜厚増加率の低減を両立することが可能であることがわかった。そして、膜厚増加率の低減効果により柱状(繊維状)電極電池の放電容量がより高い値を示すことがわかった。 In Experimental Examples 4, 8 to 10, the amount of alumina added as ceramic particles was 33 mass%, in Experimental Examples 6, 11 to 13, the amount of alumina added was 67 mass%, and in Experimental Examples 7, 14 to 16, the amount of alumina added was 75 mass%. In all of these cases, the conductivity tended to improve as the alumina particle size became smaller. In addition, when the amount added was between 33 mass% and 67 mass%, the discharge capacity showed a nearly constant value. On the other hand, it was found that the capacity decreased when the amount added was 75 mass%. In addition, even when titania, silica, or boehmite (AlOOH) was used as the ceramic particles, it was found that it was possible to achieve both high ion conductivity and a reduction in the film thickness increase rate by adding particles, regardless of the type of ceramic particles added. It was also found that the discharge capacity of the columnar (fibrous) electrode battery showed a higher value due to the effect of reducing the film thickness increase rate.

Figure 0007500928000001
Figure 0007500928000001

なお、本開示は上述した実施例に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。 It goes without saying that the present disclosure is in no way limited to the above-mentioned embodiments, and may be implemented in various forms as long as they fall within the technical scope of the present disclosure.

10,10B 二次電池、11 負極、12 負極集電体、15 分離膜、16 正極、17 正極集電体、20 電極構造体、21 樹脂、22 セラミック粒子、30 被覆用ジグ、31 加熱部。 10, 10B secondary battery, 11 negative electrode, 12 negative electrode current collector, 15 separation membrane, 16 positive electrode, 17 positive electrode current collector, 20 electrode structure, 21 resin, 22 ceramic particles, 30 coating jig, 31 heating unit.

Claims (10)

活物質を含む柱状の第1電極と、
無孔質でありイオン伝導性及び絶縁性を有する樹脂を含み、前記第1電極を被覆しておりセラミック粒子を5質量%以上70質量%以下の範囲で含む分離膜と、を備え
前記分離膜は、前記セラミック粒子として酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化チタン、水酸化酸化アルミニウムのうち1以上を含む、電極構造体。
A columnar first electrode containing an active material;
A separation membrane that is non-porous and contains a resin having ion conductivity and insulation properties, covers the first electrode, and contains ceramic particles in a range of 5% by mass to 70% by mass ,
The electrode structure , wherein the separation membrane contains one or more of aluminum oxide, silicon oxide, titanium oxide, and aluminum oxide hydroxide as the ceramic particles .
前記分離膜は、前記セラミック粒子を9質量%以上67質量%以下の範囲で含む、請求項1に記載の電極構造体。 The electrode structure according to claim 1, wherein the separation membrane contains the ceramic particles in a range of 9% by mass to 67% by mass. 前記分離膜は、前記セラミック粒子を20質量%以上60質量%以下の範囲で含む、請求項1又は2に記載の電極構造体。 The electrode structure according to claim 1 or 2, wherein the separation membrane contains the ceramic particles in a range of 20% by mass to 60% by mass. 前記分離膜は、平均粒径が0.4μm以上4μm以下の範囲の前記セラミック粒子を含む、請求項1~のいずれか1項に記載の電極構造体。 4. The electrode structure according to claim 1, wherein the separator contains the ceramic particles having an average particle size in the range of 0.4 μm to 4 μm. 前記分離膜は、平均粒径が1μm以下の範囲の前記セラミック粒子を含む、請求項1~のいずれか1項に記載の電極構造体。 5. The electrode structure according to claim 1, wherein the separator contains the ceramic particles having an average particle size of 1 μm or less . 前記分離膜は、ポリフッ化ビニリデン及びフッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体のうちいずれかの前記樹脂を含む、請求項1~のいずれか1項に記載の電極構造体。 6. The electrode structure according to claim 1, wherein the separator contains the resin selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride and vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer. 前記第1電極は、直径Dが10μm以上800μm以下の範囲である、請求項1~のいずれか1項に記載の電極構造体。 The electrode structure according to any one of claims 1 to 6 , wherein the first electrode has a diameter D in the range of 10 µm to 800 µm. 請求項1~のいずれか1項に記載の電極構造体と、
前記分離膜を介して複数の前記第1電極の間に存在し活物質を含む第2電極と、
を備えた二次電池。
The electrode structure according to any one of claims 1 to 7 ,
a second electrode that is disposed between the first electrodes via the separation membrane and contains an active material;
A secondary battery comprising:
前記第1電極は、負極であり、
前記第2電極は、正極である、請求項に記載の二次電池。
The first electrode is a negative electrode,
The secondary battery according to claim 8 , wherein the second electrode is a positive electrode.
イオン伝導性及び絶縁性を有する樹脂を含みセラミック粒子を5質量%以上70質量%以下の範囲で含む膜を、活物質を含む柱状の第1電極の外周に形成し、加熱溶融して無孔質の分離膜を前記第1電極の表面に形成する形成工程、を含み、
前記セラミック粒子は、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化チタン、水酸化酸化アルミニウムのうち1以上を含む、電極構造体の製造方法。
a forming step of forming a membrane containing a resin having ion conductivity and insulation properties and containing ceramic particles in a range of 5% by mass to 70% by mass on the outer periphery of a columnar first electrode containing an active material, and then heating and melting the membrane to form a non-porous separator on the surface of the first electrode ;
The ceramic particles include one or more of aluminum oxide, silicon oxide, titanium oxide, and aluminum oxide hydroxide .
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