JP7763566B2 - Secondary battery electrode and method for manufacturing secondary battery electrode - Google Patents
Secondary battery electrode and method for manufacturing secondary battery electrodeInfo
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Description
本発明は、二次電池用電極、及び二次電池用電極の製造方法に関する。 The present invention relates to an electrode for a secondary battery and a method for manufacturing an electrode for a secondary battery.
二次電池は、パソコンや携帯端末等のいわゆるポータブル電源や車両駆動用電源として広く用いられている。二次電池の中でも、特に、軽量で高エネルギー密度が得られるリチウムイオン二次電池は、電気自動車、ハイブリッド自動車、プラグインハイブリッド自動車等の車両の駆動用高出力電源として好適に用いられている。リチウムイオン二次電池は、リチウムイオンを吸蔵・放出する正極(正極板)及び負極(負極板)の電極間を、電解質中のリチウムイオンが移動することで充放電可能な二次電池である。 Secondary batteries are widely used as portable power sources for devices such as personal computers and mobile terminals, as well as for driving vehicles. Among secondary batteries, lithium-ion secondary batteries, which are lightweight and offer high energy density, are particularly well suited for use as high-output power sources for driving vehicles such as electric vehicles, hybrid vehicles, and plug-in hybrid vehicles. Lithium-ion secondary batteries are capable of charging and discharging by the movement of lithium ions in an electrolyte between a positive electrode (positive electrode plate) and a negative electrode (negative electrode plate), which store and release lithium ions.
このような二次電池では、更なる高出力化を図るために、内部抵抗を低減することが求められている。二次電池を構成する電極中の内部抵抗は、活物質/活物質界面や活物質/集電体界面等の電子移動抵抗、イオン移動抵抗、活物質/電解液界面の界面移動抵抗等の複数の抵抗成分から構成される。中でも、イオン移動抵抗は、電解液中のリチウムイオンの移動し易さ(イオン伝導度)の影響を受ける抵抗成分である。 In order to achieve even higher output in such secondary batteries, it is necessary to reduce the internal resistance. The internal resistance in the electrodes that make up a secondary battery is composed of multiple resistance components, such as electron transfer resistance at the active material/active material interface and active material/current collector interface, ion transfer resistance, and interfacial transfer resistance at the active material/electrolyte interface. Of these, ion transfer resistance is a resistance component that is affected by the ease of movement of lithium ions in the electrolyte (ionic conductivity).
リチウムイオン二次電池等の二次電池に用いられる電極は、導電性の集電箔と、集電箔上に保持された活物質等を含む合材層と、を備えている。例えば、二次電池を構成する電極材料として、高容量且つ不可逆容量が小さく、又電気伝導性に優れていることから、天然黒鉛、人造黒鉛、天然黒鉛及び人造黒鉛の非晶質体等の黒鉛系材料が広く利用されている。 Electrodes used in secondary batteries such as lithium-ion secondary batteries comprise a conductive current collector foil and a composite layer containing an active material, etc., held on the current collector foil. For example, graphite-based materials such as natural graphite, artificial graphite, and amorphous forms of natural and artificial graphite are widely used as electrode materials for secondary batteries because they have high capacity, low irreversible capacity, and excellent electrical conductivity.
特許文献1には、以下の特徴を有する密閉型非水電解質二次電池が開示されている。特許文献2に記載の密閉型非水電解質二次電池の非水電解質には、所定の電池電圧を超えた際に分解してガスを発生し得るガス発生剤が含まれ、電池ケースには、上記ガスの発生に伴って電池ケース内の圧力が上昇した際に作動する電流遮断機構が備えられている。また、この密閉型非水電解質二次電池の正極は、少なくとも正極活物質を含む正極合材層を備えている。そして、正極合材層は、導電剤として導電性のカーボン粒子と平均細孔径が0.2μm~0.5μmの膨張化黒鉛とを含むことが記載されている。 Patent Document 1 discloses a sealed non-aqueous electrolyte secondary battery having the following characteristics: The non-aqueous electrolyte of the sealed non-aqueous electrolyte secondary battery described in Patent Document 2 contains a gas generating agent that decomposes to generate gas when a predetermined battery voltage is exceeded, and the battery case is equipped with a current interruption mechanism that activates when the pressure inside the battery case increases due to the generation of gas. Furthermore, the positive electrode of this sealed non-aqueous electrolyte secondary battery includes a positive electrode composite layer that contains at least a positive electrode active material. It is also described that the positive electrode composite layer contains, as a conductive agent, conductive carbon particles and expanded graphite with an average pore diameter of 0.2 μm to 0.5 μm.
特許文献1に記載の技術では、磁場配向により、膨張化黒鉛の(002)面(層面)を正極集電体に対して立ち上がるように配向させることにより、膨張化黒鉛の(002)面同士の間に形成される細孔(内部細孔)は膨張化黒鉛内を正極集電体に対して縦方向に貫通するように配置(例えば、細孔の中心軸と正極集電体の表面とのなす角度が60°~90°となるように配置)される。 The technology described in Patent Document 1 uses magnetic field orientation to orient the (002) plane (layer plane) of the expanded graphite so that it stands up relative to the positive electrode current collector. This causes the pores (internal pores) formed between the (002) planes of the expanded graphite to be arranged so that they penetrate the expanded graphite vertically relative to the positive electrode current collector (for example, so that the angle between the central axis of the pore and the surface of the positive electrode current collector is 60° to 90°).
また、特許文献2には、リチウムイオンを吸蔵・放出することが可能な黒鉛を含む非水系二次電池用炭素材が開示されている。該炭素材は、細孔径0.01μm以上1μm以下の範囲の積算細孔容積が0.08mL/g以上であり、フロー式粒子像分析より求められる円形度が0.88以上であり、下記式(1A)で表される細孔径と粒子径の比(PD/d50(%))が1.8以下であることを特徴とするものである。
PD/d50(%)=水銀圧入法により求められる細孔分布における細孔径0.01μm以上1μm以下の範囲のモード細孔径(PD)/体積基準平均粒子径(d50)×100 (1A)
Patent Document 2 discloses a carbon material for non-aqueous secondary batteries containing graphite capable of absorbing and releasing lithium ions. The carbon material is characterized by having an integrated pore volume of 0.08 mL/g or more in the pore diameter range of 0.01 μm to 1 μm, a circularity of 0.88 or more as determined by flow particle image analysis, and a ratio of pore diameter to particle diameter (PD/d50(%)) expressed by the following formula (1A) of 1.8 or less.
PD/d50 (%) = Mode pore diameter (PD) of pore diameters in the range of 0.01 μm to 1 μm in the pore distribution obtained by mercury intrusion porosimetry / Volume-based average particle diameter (d50) × 100 (1A)
特許文献2には、高容量且つ、優れた入出力特性を備えた非水系二次電池を得ることが可能な炭素材を提供し、その結果として、高性能な非水系二次電池を提供できることが記載されている。 Patent Document 2 describes the provision of a carbon material that can be used to obtain a non-aqueous secondary battery with high capacity and excellent input/output characteristics, thereby providing a high-performance non-aqueous secondary battery.
炭素原子の六角網目構造が発達した高結晶性の黒鉛系材料は、炭素原子の六角網平面が複数の層を形成するように重なった層状構造を有し、層面内方向は黒鉛結晶構造における(002)面で表される。リチウムイオン二次電池では、その層間へのリチウムイオンの挿入(吸蔵)及び層間からのリチウムイオンの脱離(放出)により充放電が行われる。高結晶性の黒鉛系材料は、典型的には、鱗片状、板状等の扁平な形状を有しているため、合材層内での配向度を高めることにより内部抵抗の低減が図られる。 Highly crystalline graphite-based materials, which have a well-developed hexagonal network structure of carbon atoms, have a layered structure in which the hexagonal network planes of carbon atoms overlap to form multiple layers, and the in-plane direction of the layers is represented by the (002) plane in the graphite crystal structure. In lithium-ion secondary batteries, charging and discharging are carried out by the insertion (absorption) of lithium ions between the layers and the desorption (release) of lithium ions from between the layers. Highly crystalline graphite-based materials typically have a flat shape, such as a flake or plate shape, so internal resistance can be reduced by increasing the degree of orientation within the composite layer.
特許文献1に記載される磁場配向の技術を用いて、このような黒鉛系材料を集電箔の表面に対して垂直配向すると、電解液中のリチウムイオンは、直線的又は直線に近い経路で合材層内を移動することができる。そのため、電極におけるイオン移動抵抗が小さくなり、高い入出力特性が得られる。 By using the magnetic field orientation technology described in Patent Document 1 to orient such graphite-based materials perpendicular to the surface of the current collector foil, lithium ions in the electrolyte can move within the composite layer along a linear or nearly linear path. This reduces the ion migration resistance in the electrode, resulting in high input/output characteristics.
また、層状構造を有する黒鉛系材料におけるリチウムイオンの挿入・脱離は、層間が露出したエッジ面から行なわれる。したがって、磁場配向によって、エッジ面からのリチウムイオン受け入れ性が向上し、入出力特性が向上することが知られている。しかしながら、鱗片状、板状等の扁平な形状を有する黒鉛系材料では、そもそも粒子表面におけるエッジ面の占める割合が少ない。そのため、充放電時に電解液と黒鉛系材料との界面におけるリチウムイオンの移動がスムーズに行われず界面移動抵抗が上昇するという問題があった。 In addition, in graphite-based materials with a layered structure, the insertion and desorption of lithium ions occurs from the edge surfaces where the interlayers are exposed. Therefore, it is known that magnetic field orientation improves lithium ion acceptance from the edge surfaces, improving input/output characteristics. However, in graphite-based materials with flat shapes such as flakes or plates, the edge surfaces make up a small proportion of the particle surface. As a result, there is a problem in that lithium ions do not move smoothly at the interface between the electrolyte and the graphite-based material during charge and discharge, resulting in increased interfacial migration resistance.
一方、鱗片状黒鉛等を機械的及び物理的処理により球形化した黒鉛系材料を負極の活物質として用いた場合、高いエネルギー密度が得られるとともに、鱗片状黒鉛と比べて粒子表面に占めるエッジ面の割合が多いために界面移動抵抗が低減される等の利点がある。 On the other hand, when graphite-based materials such as flake graphite that have been spheroidized through mechanical and physical processing are used as the active material for the negative electrode, high energy density can be obtained, and there are advantages such as reduced interfacial migration resistance due to a higher proportion of edge faces on the particle surface compared to flake graphite.
特許文献2には、内部空隙(内部細孔)同士の配向や間隔が制御された球状の炭素材について記載されているが、炭素材粒子間での相対的な内部空隙の配向を考慮していない。したがって、合材層内で内部空隙がランダムに配向すると、リチウムイオンの移動経路が複雑になり、電極におけるイオン移動抵抗が増大するとういう問題があった。 Patent Document 2 describes a spherical carbon material in which the orientation and spacing of internal voids (internal pores) are controlled, but does not take into consideration the relative orientation of the internal voids between carbon material particles. Therefore, if the internal voids are randomly oriented within the composite layer, the migration paths of lithium ions become complex, posing a problem of increased ion migration resistance in the electrode.
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、イオン移動抵抗が低減されることにより電池性能を向上する二次電池用電極、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 was conceived to solve these problems and aims to provide a secondary battery electrode that improves battery performance by reducing ion migration resistance, as well as a method for manufacturing such an electrode.
一実施の形態にかかる二次電池用電極は、集電箔と、集電箔の表面上に形成され、磁場配向可能な黒鉛粒子を含む合材層と、を有し、合材層の一方の面から他方の面に向かって形成される孔路のうち、黒鉛粒子の粒子間に形成された外部細孔を通る孔路に対する黒鉛粒子の内部に形成された内部細孔を通る孔路の各孔路長の比である孔路比が0.8~1.2である。 An electrode for a secondary battery according to one embodiment comprises a current collector foil and a composite layer formed on the surface of the current collector foil and containing magnetically oriented graphite particles. Among the pore paths formed from one surface of the composite layer to the other, the pore path ratio, which is the ratio of the pore path lengths of the pore paths passing through the external pores formed between the graphite particles to the pore path lengths of the pore paths passing through the internal pores formed inside the graphite particles, is 0.8 to 1.2.
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、内部に複数の内部細孔を備え、磁場配向可能な黒鉛粒子を形成する黒鉛粒子形成工程と、黒鉛粒子及び溶媒を少なくとも含むペーストを集電箔の表面に塗工して塗膜を形成する塗工工程と、集電箔の表面に対して略垂直方向となる磁場を塗膜に印加することにより塗膜に含まれる黒鉛粒子を配向させる磁場配向工程と、配向した黒鉛粒子を含む塗膜を乾燥して集電箔の表面上に合材層を形成する合材層形成工程と、を有し、合材層の一方の面から他方の面に向かって形成される孔路のうち、黒鉛粒子の粒子間に形成された外部細孔を通る孔路に対する内部細孔を通る孔路の各孔路長の比である孔路比が0.8~1.2となるように設定される。 In one embodiment, a method for manufacturing a secondary battery electrode includes a graphite particle formation process in which magnetically oriented graphite particles having multiple internal pores are formed; a coating process in which a paste containing at least graphite particles and a solvent is applied to the surface of a current collector foil to form a coating film; a magnetic field orientation process in which a magnetic field substantially perpendicular to the surface of the current collector foil is applied to the coating film to orient the graphite particles contained in the coating film; and a composite layer formation process in which the coating film containing the oriented graphite particles is dried to form a composite layer on the surface of the current collector foil. Of the pore paths formed from one surface of the composite layer to the other, the pore path ratio, which is the ratio of the pore path lengths of the paths passing through the internal pores to the pore path lengths of the paths passing through the external pores formed between the graphite particles, is set to be 0.8 to 1.2.
本発明により、イオン移動抵抗が低減されることにより電池性能を向上する二次電池用電極、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 electrode that improves battery performance by reducing ion migration resistance, as well as a method for manufacturing a secondary battery electrode.
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。
First Embodiment
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following embodiments. In addition, the following description and drawings have been simplified as appropriate for clarity of explanation.
以下、本実施形態にかかる二次電池用電極の好適な実施形態の一つとして、リチウムイオン二次電池の負極に具体化して説明する。リチウムイオン二次電池は、電気化学反応に際し、正極(正極板)と負極(負極板)との間で電荷担体であるリチウムイオン1が電解液中を伝導することで、充放電が実現される二次電池である。このようなリチウムイオン二次電池は、例えば、電気自動車(EV)、ハイブリッド自動車(HV)、プラグインハイブリッド自動車(PHEV)等の車両の駆動用電源として好適に用いられる。 The following describes one preferred embodiment of the secondary battery electrode according to this embodiment, specifically as the negative electrode of a lithium-ion secondary battery. A lithium-ion secondary battery is a secondary battery in which charging and discharging are achieved by the conduction of lithium ions 1, which are charge carriers, through an electrolyte between a positive electrode (positive electrode plate) and a negative electrode (negative electrode plate) during an electrochemical reaction. Such lithium-ion secondary batteries are suitable for use as power sources for vehicles such as electric vehicles (EVs), hybrid vehicles (HVs), and plug-in hybrid vehicles (PHEVs).
図1を参照して本実施形態にかかる二次電池用電極(負極板E1)の概略を説明する。図1は、実施の形態1にかかる二次電池用電極を示す断面図である。図1に示す断面図は、集電箔10の表面に直交する負極板E1の断面の一部を示している。 The secondary battery electrode (negative electrode plate E1) according to this embodiment will be outlined with reference to Figure 1. Figure 1 is a cross-sectional view showing the secondary battery electrode according to embodiment 1. The cross-sectional view shown in Figure 1 shows a portion of the cross section of the negative electrode plate E1 perpendicular to the surface of the current collector foil 10.
図1に示すように、負極板E1は、集電箔10と、集電箔10の表面上に形成される合材層20と、を有する。集電箔10は、板状又は箔状に形成され、導電性の良好な金属により構成される。集電箔10を構成する金属は、例えば銅、銅合金、ニッケル、チタン、ステンレス鋼等が挙げられる。集電箔10は、例えば5μm~50μmの厚さを有する。 As shown in FIG. 1, the negative electrode plate E1 has a current collector foil 10 and a composite layer 20 formed on the surface of the current collector foil 10. The current collector foil 10 is formed in the shape of a plate or foil and is made of a metal with good conductivity. Examples of metals that make up the current collector foil 10 include copper, copper alloys, nickel, titanium, and stainless steel. The current collector foil 10 has a thickness of, for example, 5 μm to 50 μm.
合材層20は、幅方向の一方の縁に沿った縁部を除いて、集電箔10の少なくとも一方の表面上に形成される。また、負極板E1は、集電箔10の当該縁部に、合材層20が形成されず集電箔10が露出した露出部を有する。露出部は、負極の外部端子と電気的に接続される部分である。合材層20は、黒鉛粒子30を少なくとも含み、集電箔10に保持される。合材層20は、さらに結着剤、及び増粘剤を含んでも良く、必要に応じてその他の添加剤を含んでも良い The composite layer 20 is formed on at least one surface of the current collector foil 10, excluding an edge along one widthwise edge. The negative electrode plate E1 also has an exposed portion at the edge of the current collector foil 10 where the composite layer 20 is not formed and the current collector foil 10 is exposed. The exposed portion is the portion electrically connected to the negative electrode's external terminal. The composite layer 20 contains at least graphite particles 30 and is held by the current collector foil 10. The composite layer 20 may further contain a binder and a thickener, and may also contain other additives as needed.
黒鉛粒子30は、リチウムイオン1の吸蔵及び放出が可能な活物質として機能する。合材層20全体に占める黒鉛粒子30の割合は、高出力特性及び高エネルギー密度を実現する観点から、例えば、80質量%~99.5質量%が好ましく、特に95質量%~99.5質量%とすることが好ましい。 The graphite particles 30 function as an active material capable of absorbing and releasing lithium ions 1. From the perspective of achieving high output characteristics and high energy density, the proportion of graphite particles 30 in the entire composite layer 20 is preferably, for example, 80% to 99.5% by mass, and particularly preferably 95% to 99.5% by mass.
結着剤としては、例えばスチレンブタジエンゴム(SBR)、ブチルゴム(BR)等のゴム類、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリエチレンオキサイド(PEO)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素系樹脂等を用いることができる。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)等のセルロース類を用いることができる。合材層20全体に占める結着剤及び増粘剤の合計の割合は、例えば、0.5質量%~5質量%が好ましく、特に1質量%~3質量%とすることが好ましい。 Binders that can be used include rubbers such as styrene butadiene rubber (SBR) and butyl rubber (BR), and fluorine-based resins such as polyvinylidene fluoride (PVDF), polyethylene oxide (PEO), and polytetrafluoroethylene (PTFE). Thickeners that can be used include celluloses such as carboxymethyl cellulose (CMC) and methyl cellulose (MC). The total proportion of binder and thickener in the composite layer 20 is preferably 0.5% to 5% by mass, and more preferably 1% to 3% by mass.
本実施形態にかかる負極板E1に含まれる黒鉛粒子30は、磁場の印加により磁化容易方向に配向され得る黒鉛系材料である。黒鉛粒子30は、炭素原子の六角網平面が複数の層を形成するように重なった層状構造を有することが好ましい。また、黒鉛粒子30は、その短軸径に対する長軸径の比(長軸径/短軸径)であるアスペクト比の平均が1.0~1.5である略球状の粒子形態であることが好ましい。このような黒鉛粒子30は、形状異方性が抑制されているものの、磁場の印加により層面を集電箔10に対して略垂直に配向させることができる。本実施形態において、長軸径は、黒鉛粒子30の長軸方向の最も長い径の平均であり、短軸径は黒鉛粒子30の長軸方向に直交する短軸方向の最も長い径の平均である。 The graphite particles 30 contained in the negative electrode plate E1 according to this embodiment are a graphite-based material that can be oriented in the direction of easy magnetization by the application of a magnetic field. The graphite particles 30 preferably have a layered structure in which hexagonal planes of carbon atoms overlap to form multiple layers. Furthermore, the graphite particles 30 preferably have a substantially spherical particle shape with an average aspect ratio, which is the ratio of the major axis diameter to the minor axis diameter (major axis diameter/minor axis diameter), of 1.0 to 1.5. Although such graphite particles 30 have suppressed shape anisotropy, the layer planes can be oriented substantially perpendicular to the current collector foil 10 by the application of a magnetic field. In this embodiment, the major axis diameter is the average of the longest diameters in the major axis direction of the graphite particles 30, and the minor axis diameter is the average of the longest diameters in the minor axis direction perpendicular to the major axis direction of the graphite particles 30.
また、黒鉛粒子30の1粒子あたりの平均粒径は、例えば、1μm~40μmであることが好ましく、特に5μm~12μmとすることが好ましい。黒鉛粒子30の平均粒径は、SEM(Scanning Electron Microscope)や粒度分布測定により測定することができる。 The average particle size of the graphite particles 30 is preferably, for example, 1 μm to 40 μm, and particularly preferably 5 μm to 12 μm. The average particle size of the graphite particles 30 can be measured using a scanning electron microscope (SEM) or particle size distribution measurement.
黒鉛粒子30のBET法による比表面積は、例えば2m2/g~10m2/gが好ましく、特に3m2/g~5m2/gとすることが好ましい。 The specific surface area of the graphite particles 30 as measured by the BET method is preferably, for example, 2 m 2 /g to 10 m 2 /g, and more preferably 3 m 2 /g to 5 m 2 /g.
黒鉛粒子30が上記の性状を有することにより、例えばアスペクト比が1.5以上の場合と比べて充填性が向上するため、高いエネルギー密度及び高容量化を実現し得る。また、黒鉛粒子30の表面にリチウムイオン1が挿入・脱離するエッジ面を十分に確保することができるとともに、合材層20内には適度な空隙(後述する外部細孔50)が確保されることにより電解液が過不足なく行き渡るためリチウムイオン1の移動がスムーズになる。その結果、電池の高速充放電特性及び入出力特性が向上する。 When the graphite particles 30 have the above properties, packing is improved compared to when the aspect ratio is 1.5 or greater, for example, making it possible to achieve high energy density and high capacity. Furthermore, sufficient edge surfaces for lithium ions 1 to be inserted and removed can be secured on the surface of the graphite particles 30, and adequate voids (external pores 50, described below) are secured within the composite layer 20, allowing the electrolyte to be distributed evenly, resulting in smooth movement of the lithium ions 1. As a result, the high-speed charge/discharge characteristics and input/output characteristics of the battery are improved.
そして、黒鉛粒子30は、内部に複数のスリット状の細孔(空隙)を備えている。以下、黒鉛粒子30の内部に形成された細孔を内部細孔40と呼ぶ。個々の黒鉛粒子30の内部では、複数の内部細孔40が積層された状態で略同一方向に延びて存在していることが好ましい。このような黒鉛粒子30は、層面及び内部細孔40の配向が揃った黒鉛の層状構造の等方性が高い粒子であるといえる。黒鉛粒子30の等方性の平均は、75%以上であることが好ましい。本実施形態における等方性の測定方法については後述する。 The graphite particles 30 have multiple slit-shaped pores (voids) inside. Hereinafter, the pores formed inside the graphite particles 30 are referred to as internal pores 40. Preferably, multiple internal pores 40 are stacked inside each graphite particle 30, extending in approximately the same direction. Such graphite particles 30 can be said to be particles with a highly isotropic layered structure of graphite, with the layer planes and internal pores 40 oriented in a uniform manner. The average isotropy of the graphite particles 30 is preferably 75% or higher. The method for measuring isotropy in this embodiment will be described later.
さらに、内部細孔40は、その長軸方向が集電箔10の表面に対して略垂直となるように黒鉛粒子30が配向している。すなわち、集電箔10の表面と内部細孔40の長軸方向とがなす角度は、45°~90°である。黒鉛粒子30の内部に形成された細孔の全個数に対してこのような内部細孔40が75%以上の割合で存在することが好ましい。 Furthermore, the graphite particles 30 are oriented so that the long axis direction of the internal pores 40 is approximately perpendicular to the surface of the current collector foil 10. In other words, the angle between the surface of the current collector foil 10 and the long axis direction of the internal pores 40 is 45° to 90°. It is preferable that such internal pores 40 account for 75% or more of the total number of pores formed inside the graphite particles 30.
このように、黒鉛粒子30の粒子内及び粒子間の双方で内部細孔40が略同一方向に配向すると、合材層20内におけるリチウムイオン1の移動経路がより直線的になる。そのため、二次電池を構成した場合の負極板E1では、内部細孔40に浸透した電解液中のイオン伝導度が高くなり、イオン移動抵抗が低減される。 In this way, when the internal pores 40 are oriented in approximately the same direction both within and between the graphite particles 30, the migration path of the lithium ions 1 within the composite layer 20 becomes more linear. Therefore, in the negative electrode plate E1 used in a secondary battery, the ionic conductivity of the electrolyte that has permeated the internal pores 40 increases, reducing ion migration resistance.
また、二次電池を構成した場合の負極板E1では、合材層20内において黒鉛粒子30の外部に存在し粒子間に形成される細孔(空隙)に電解液が浸透される。以下、合材層20内において黒鉛粒子30の粒子間の細孔を外部細孔50と呼ぶ。 Furthermore, in the negative electrode plate E1 when a secondary battery is constructed, the electrolyte penetrates into the pores (voids) that exist outside the graphite particles 30 and are formed between the particles in the composite layer 20. Hereinafter, the pores between the graphite particles 30 in the composite layer 20 are referred to as external pores 50.
本実施形態にかかる負極板E1は、内部細孔40を通る孔路L1と外部細孔50を通る孔路L2との関係性に特徴の1つを有する。合材層20の厚さ方向における一方の面から他方の面に向かって形成される孔路L1、L2は、電解液中のリチウムイオン1の移動経路となる。電解液中のリチウムイオン1は、直線的又は直線に近い経路で合材層20の一方の面から他方の面まで移動することが好ましい。そのため、孔路の曲路率が1に近づく(低下する)ほどリチウムイオン1の移動経路が直線的であって抵抗が低くなる。一方、孔路の曲路率が1から離れる(高くなる)ほどリチウムイオン1の移動経路が屈曲していて抵抗が高くなる。曲路率は、孔路の屈曲度を示すものであり、孔路長に比例するとともに合材層20の厚さに反比例する。 One of the characteristics of the negative electrode plate E1 according to this embodiment is the relationship between the pore path L1 passing through the internal pore 40 and the pore path L2 passing through the external pore 50. The pore paths L1 and L2, which are formed from one surface to the other in the thickness direction of the composite layer 20, serve as migration paths for lithium ions 1 in the electrolyte. It is preferable for lithium ions 1 in the electrolyte to migrate from one surface of the composite layer 20 to the other in a straight or nearly straight path. Therefore, as the tortuosity of the pore path approaches 1 (decreases), the migration path of lithium ions 1 becomes more linear and the resistance decreases. On the other hand, as the tortuosity of the pore path deviates from 1 (increases), the migration path of lithium ions 1 becomes more curved and the resistance increases. The tortuosity indicates the degree of curvature of the pore path and is proportional to the pore path length and inversely proportional to the thickness of the composite layer 20.
本発明者らによる解析から、電極におけるイオン移動抵抗の増減は、活物質の粒子間に存在する外部細孔だけでなく、粒子内の内部細孔にも要因があることが確認されている。ここで、図9及び図10を参照して、イオン移動抵抗の増減の要因について説明する。図9は、粒子内の内部細孔がランダムに配向した球形化黒鉛粒子を含む電極について説明する図である。図10は、鱗片状黒鉛粒子が含まれる電極について説明する図である。 Analysis by the inventors has confirmed that increases and decreases in ion migration resistance in electrodes are due not only to external pores present between active material particles, but also to internal pores within the particles. Here, factors that cause increases and decreases in ion migration resistance will be explained with reference to Figures 9 and 10. Figure 9 is a diagram illustrating an electrode containing spheroidized graphite particles in which the internal pores are randomly oriented. Figure 10 is a diagram illustrating an electrode containing flake graphite particles.
図9に示す負極板E2は、合材層21に略球状の球形化黒鉛粒子31を活物質として含んでいる。例えば、原料として鱗片状黒鉛等を球形化処理することにより、原料の鱗片状黒鉛等に比べて結晶性や配向が抑制された球形化黒鉛が得られる。球形化処理には、力学的エネルギーを与えることによって球形化する方法や複数の微粒子を造粒して球形化する方法等がある。 The negative electrode plate E2 shown in Figure 9 contains approximately spherical spheroidized graphite particles 31 as the active material in the composite layer 21. For example, by spheroidizing raw material such as flake graphite, spherical graphite with reduced crystallinity and orientation compared to the raw material flake graphite can be obtained. Spheroidization methods include applying mechanical energy to create spheroids and granulating multiple fine particles to create spheroids.
このような球形化黒鉛粒子31を活物質として用いれば、充填性が向上するため、高容量化が期待できるものの、電解液中のリチウムイオン1は粒子表面を回り込んで移動する必要があることから、電解液中でのリチウムイオン1の移動効率が悪化し、電極におけるイオン移動抵抗が上昇するという問題がある。 Using such spherical graphite particles 31 as the active material improves packing and is expected to result in higher capacity. However, because lithium ions 1 in the electrolyte must move around the particle surfaces, the migration efficiency of lithium ions 1 in the electrolyte decreases, resulting in an increase in ion migration resistance in the electrode.
図10に示す負極板E3は、合材層22に扁平な形状の鱗片状黒鉛粒子32を活物質として含んでいる。このような鱗片状黒鉛粒子32を用いて合材層22を形成する場合、鱗片状黒鉛粒子32を含むペーストを塗工する際や合材層22の圧密化を行なう際の応力等によって、鱗片状黒鉛粒子32の層面が集電箔10の表面に平行な方向側に配向しやすい。そのため、磁場配向の技術を用いて、鱗片状黒鉛粒子32の層面が集電箔10の表面に対して略垂直になるように配向することにより、電解液中のリチウムイオン1が鱗片状黒鉛粒子32の粒子内外で直線的又は直線に近い経路で移動することができるようになる。すなわち、鱗片状黒鉛粒子32内の内部細孔42を通る孔路の曲路率と鱗片状黒鉛粒子32間の外部細孔52を通る孔路の曲路率とが、ともに低くなる。これにより、電極におけるイオン移動抵抗が小さくなる。 The negative electrode plate E3 shown in Figure 10 contains flat flake graphite particles 32 as the active material in the composite layer 22. When the composite layer 22 is formed using such flake graphite particles 32, stresses such as those generated when applying a paste containing the flake graphite particles 32 or when compacting the composite layer 22 tend to cause the layer surfaces of the flake graphite particles 32 to orient in a direction parallel to the surface of the current collector foil 10. Therefore, by using magnetic field orientation technology to orient the layer surfaces of the flake graphite particles 32 so that they are approximately perpendicular to the surface of the current collector foil 10, lithium ions 1 in the electrolyte can migrate in a linear or nearly linear path within and outside the flake graphite particles 32. In other words, the tortuosity of the pore paths passing through the internal pores 42 within the flake graphite particles 32 and the tortuosity of the pore paths passing through the external pores 52 between the flake graphite particles 32 are both reduced. This reduces the ion migration resistance in the electrode.
また、鱗片状黒鉛粒子32がこのように配向することよって、エッジ面からのリチウムイオン受け入れ性が向上し、入出力特性が向上することが知られている。しかしながら、鱗片状、板状等の扁平な形状を有する高結晶性の黒鉛系材料では、明確なエッジ面を持たない低結晶性の球形化黒鉛粒子31に比して単位体積あたりのエッジ面の割合が少ないため、界面移動抵抗が増大するという問題があった。その結果、図10に示した鱗片状黒鉛粒子32を含む負極板E3を使用した二次電池では、図9に示した球形化黒鉛粒子31を含む負極板E2を使用した二次電池に比べて内部抵抗が大きくなる傾向がある。 It is also known that such orientation of the flake graphite particles 32 improves lithium ion acceptance from the edge surfaces, resulting in improved input/output characteristics. However, highly crystalline graphite-based materials having flat shapes such as flakes or plates have a smaller proportion of edge surfaces per unit volume than low-crystalline spheroidized graphite particles 31, which do not have distinct edge surfaces, resulting in the problem of increased interfacial migration resistance. As a result, secondary batteries using negative electrode plate E3 containing flake graphite particles 32 as shown in Figure 10 tend to have higher internal resistance than secondary batteries using negative electrode plate E2 containing spheroidized graphite particles 31 as shown in Figure 9.
ここで、磁場配向によるイオン移動抵抗の低減効果が鱗片状黒鉛粒子32等の扁平な形状の黒鉛系材料に限定される要因としては、活物質の粒子形状(例えば、平均粒径、粒子形態)だけではなく、球形化黒鉛粒子31を形成する際の球形化処理によって黒鉛の層状構造が異方性を有することが考えられる。黒鉛の層状構造の異方性が高い球形化黒鉛粒子31では、球形化黒鉛粒子31内の内部細孔41の配向がランダムになるため、内部細孔41を通る孔路が複雑化して曲路率が高くなる。その結果、電極におけるイオン移動抵抗が増大する。 Here, the reason why the effect of reducing ion migration resistance due to magnetic field orientation is limited to flat-shaped graphite-based materials such as flake graphite particles 32 is thought to be not only the particle shape of the active material (e.g., average particle size, particle morphology), but also the anisotropy of the layered structure of graphite due to the spheroidization process used to form the spheroidized graphite particles 31. In spheroidized graphite particles 31 with a highly anisotropic layered structure of graphite, the orientation of the internal pores 41 within the spheroidized graphite particles 31 becomes random, making the paths through the internal pores 41 more complex and increasing the tortuosity. As a result, the ion migration resistance in the electrode increases.
さらに、合材層21内を通過する孔路のうち、内部細孔41を通る孔路と球形化黒鉛粒子31間の外部細孔51を通る孔路との各孔路長の差が大きい(例えば、孔路比が1から離れた値となる)場合、いずれか一方の孔路に電解液中のリチウムイオン1が集中し、電解液中におけるリチウムイオン1の濃度分布が偏ることにより電解液抵抗が上昇することを見出した。 Furthermore, it was discovered that when there is a large difference in the path lengths between the paths passing through the internal pores 41 and the paths passing through the external pores 51 between the spheroidized graphite particles 31 among the pore paths passing through the composite layer 21 (for example, when the path length ratio is a value far from 1), lithium ions 1 in the electrolyte solution concentrate in one of the pore paths, causing a bias in the concentration distribution of lithium ions 1 in the electrolyte solution, resulting in an increase in electrolyte resistance.
本実施形態では、合材層20内を通過する孔路L1、L2のうち、外部細孔50を通る孔路L2に対する内部細孔40を通る孔路L1の各孔路長の比である孔路比が1に近い値である。例えば、孔路比は、0.8~1.2であることが好ましく、0.86~1.17であることがより好ましい。これにより、内部細孔40と外部細孔50とのいずれか一方へのリチウムイオン1の集中が抑制されるため電解液抵抗が低減される。内部細孔40を通る孔路L1と外部細孔50を通る孔路L2との各孔路長が等しい時、孔路比が1となり、電解液抵抗が最小となる。なお、孔路比の算出方法については後述する。 In this embodiment, of the pore paths L1, L2 passing through the composite layer 20, the pore path ratio, which is the ratio of the pore path length of the pore path L1 passing through the internal pore 40 to the pore path L2 passing through the external pore 50, is a value close to 1. For example, the pore path ratio is preferably 0.8 to 1.2, and more preferably 0.86 to 1.17. This suppresses the concentration of lithium ions 1 in either the internal pore 40 or the external pore 50, thereby reducing electrolyte resistance. When the pore path lengths of the pore path L1 passing through the internal pore 40 and the pore path L2 passing through the external pore 50 are equal, the pore path ratio is 1, and electrolyte resistance is minimized. The method for calculating the pore path ratio will be described later.
次に、上記した負極板E1の製造方法について、図2を参照して説明する。図2は、実施の形態1にかかる二次電池用電極の製造方法を示すフローチャートである。 Next, a method for manufacturing the negative electrode plate E1 described above will be described with reference to Figure 2. Figure 2 is a flowchart showing a method for manufacturing a secondary battery electrode according to the first embodiment.
図2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の黒鉛粒子形成工程では、内部に複数の内部細孔40を備え、磁場配向可能な黒鉛粒子30を形成する。ステップS2の塗工工程では、黒鉛粒子30及び溶媒を少なくとも含むペーストを集電箔10の表面に塗工して塗膜を形成する。ステップS3の磁場配向工程では、集電箔10の表面に対して略垂直方向となる磁場を塗膜に印加することにより塗膜に含まれる黒鉛粒子30を配向させる。ステップS4の合材層形成工程では、配向した黒鉛粒子30を含む塗膜を乾燥して集電箔10の表面上に合材層20を形成する。本実施形態にかかる二次電池用電極の製造方法では、上記工程により、合材層20の一方の面から他方の面に向かって形成される孔路L1、L2のうち、黒鉛粒子30の粒子間に形成された外部細孔50を通る孔路L2に対する内部細孔40を通る孔路L1の各孔路長の比である孔路比が0.8~1.2となるように設定される。これらの各工程についてより詳細に説明する。 As shown in FIG. 2, the method for manufacturing a secondary battery electrode according to this embodiment includes the following steps S1 to S4. In the graphite particle formation step of step S1, graphite particles 30 having a plurality of internal pores 40 therein and capable of being magnetically oriented are formed. In the coating step of step S2, a paste containing at least the graphite particles 30 and a solvent is applied to the surface of the current collector foil 10 to form a coating film. In the magnetic field orientation step of step S3, a magnetic field that is approximately perpendicular to the surface of the current collector foil 10 is applied to the coating film to orient the graphite particles 30 contained in the coating film. In the composite layer formation step of step S4, the coating film containing the oriented graphite particles 30 is dried to form a composite layer 20 on the surface of the current collector foil 10. In the method for manufacturing a secondary battery electrode according to this embodiment, the pore path ratio, which is the ratio of the pore length of the pore paths L1, L2 formed from one surface of the composite layer 20 to the pore path length of the pore paths L1 passing through the internal pores 40 to the pore path L2 passing through the external pores 50 formed between the graphite particles 30, is set to 0.8 to 1.2. Each of these steps will be described in more detail below.
黒鉛粒子形成工程では、原料となる黒鉛系の炭素材料(原料黒鉛)を球形化処理して、アスペクト比の平均が1.0~1.5であり、等方性の平均が75%以上である略球状の黒鉛粒子30を形成する。 In the graphite particle formation process, the raw graphite-based carbon material (raw graphite) is subjected to a spheroidizing process to form approximately spherical graphite particles 30 with an average aspect ratio of 1.0 to 1.5 and an average isotropy of 75% or more.
このような黒鉛粒子30としては、球形化処理を施した天然黒鉛又はその非晶質体等が挙げられ、黒鉛のみで形成される粒子又は粒子全体の50質量%以上、好ましくは80%質量%以上を黒鉛が占める粒子である。原料黒鉛としては、炭素原子の六角網平面が複数の層を形成するように重なった層状構造を有する結晶性の高い天然黒鉛を用いることが好ましく、例えば、鱗状、鱗片状、塊状又は板状の天然黒鉛が挙げられる。特に、鱗片状黒鉛であることが好ましい。 Examples of such graphite particles 30 include natural graphite or its amorphous form that has been subjected to a spheroidizing process, and are particles formed solely from graphite or particles in which graphite accounts for 50% by mass or more, preferably 80% by mass or more, of the entire particle. As the raw graphite, it is preferable to use highly crystalline natural graphite that has a layered structure in which hexagonal network planes of carbon atoms overlap to form multiple layers, and examples include scaly, flake, block, or plate-like natural graphite. Scaly graphite is particularly preferred.
本実施形態では、黒鉛粒子30の等方性を制御することが可能な球形化処理として粉砕処理を適用する。そこで、図4を参照して、等方性を制御する方法の一例を説明する。図4は、粉砕処理の処理形態を説明する図である。 In this embodiment, a pulverization process is used as a spheroidization process that can control the isotropy of the graphite particles 30. Therefore, an example of a method for controlling isotropy will be described with reference to Figure 4. Figure 4 is a diagram illustrating the processing form of the pulverization process.
図4に示すように、粉砕処理は、物質へ加える力の種類、処理形態により分類される。物質に加える力は、衝撃力、圧縮力、摩砕力、剪断力の4つに大別される。そして、粉砕の処理形態は、衝撃力、圧縮力、剪断力により粒子全体を破壊する体積粉砕と、摩砕力、剪断力により粒子表面を削り取っていく表面粉砕と、の2つに大別される。 As shown in Figure 4, crushing processes are classified by the type of force applied to the material and the processing form. The forces applied to the material can be broadly divided into four types: impact force, compression force, grinding force, and shear force. Crushing processing forms can be broadly divided into two types: volumetric crushing, which destroys the entire particle using impact force, compression force, and shear force, and surface crushing, which scrapes away the particle surface using grinding force and shear force.
これらのうち、黒鉛粒子30の等方性を高めるためには、表面粉砕を狙う方法を選択することが好ましい。例えば、表面粉砕方式の粉砕機としてジェットミルを用いることができる。これに限らず、粉砕処理は、体積粉砕の有無に関わらず、最終的に表面粉砕の占める割合が高くなるような方法であれば良い。粉砕後は、平均粒径が所望の範囲内となるように分級処理を行なうことが好ましい。 Of these, it is preferable to select a method that aims for surface grinding in order to increase the isotropy of the graphite particles 30. For example, a jet mill can be used as a surface grinding mill. However, the grinding process is not limited to this, and any method that ultimately results in a high proportion of surface grinding, regardless of whether or not volume grinding is performed, is sufficient. After grinding, it is preferable to perform a classification process so that the average particle size falls within the desired range.
例えば、鱗片状黒鉛を表面粉砕して得られる略球状の黒鉛粒子30は、鱗片状黒鉛の層状構造を維持しながら形状異方性が抑制された性状を有しており、単位体積あたりのエッジ面の割合が増加している。また、このような黒鉛粒子30の内部では、スリット状の内部細孔40が積層された状態で配置されているため、内部細孔40の長軸方向が略同一方向に揃った等方性の高い黒鉛粒子30を得ることができる。このように、球形化処理の方法として、表面粉砕を狙う方法を用いると、黒鉛粒子30の高い等方性を確保することが可能である。球形化処理の方法は、黒鉛粒子30における高い等方性を確保できる方法であればよく、この方法に限定されるものではない。 For example, the roughly spherical graphite particles 30 obtained by surface-pulverizing flake graphite have properties in which shape anisotropy is suppressed while maintaining the layered structure of flake graphite, and the proportion of edge surfaces per unit volume is increased. Furthermore, because slit-shaped internal pores 40 are arranged in a stacked state inside such graphite particles 30, highly isotropic graphite particles 30 can be obtained in which the long axes of the internal pores 40 are aligned in roughly the same direction. In this way, using a method that aims for surface pulverization as the spheroidization method makes it possible to ensure high isotropy of the graphite particles 30. The spheroidization method is not limited to this method, as long as it can ensure high isotropy in the graphite particles 30.
続いて、塗工工程では、まず、黒鉛粒子30、結着剤、増粘剤、及び必要に応じてその他の添加剤を含む粉体に溶媒を添加し、プラネタリミキサ等の混錬機を用いて混練することにより負極合材層形成用のペーストを調製する。 Next, in the coating process, a solvent is added to a powder containing graphite particles 30, a binder, a thickener, and, if necessary, other additives, and the mixture is kneaded using a kneading machine such as a planetary mixer to prepare a paste for forming the negative electrode composite layer.
溶媒は、用いる結着剤に応じて適宜選択されるものである。溶媒としては、例えば、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)、メチルエチルケトン(MEK)、ジメチルホルムアミド(DMF)、トルエン等の非水系溶媒、非水系溶媒を組み合わせた混合溶媒、水、水を主体とする混合溶媒等の水系溶媒を用いることができる。 The solvent is selected appropriately depending on the binder used. Examples of solvents that can be used include non-aqueous solvents such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), methyl ethyl ketone (MEK), dimethylformamide (DMF), and toluene; mixed solvents that combine non-aqueous solvents; and aqueous solvents such as water and mixed solvents that mainly consist of water.
次いで、調製したペーストを集電箔10の表面に塗工することにより、集電箔10の表面上に塗膜を形成する。ペーストは、例えばダイコータ、スリットコータ、コンマコータ、グラビアコータ、ブレードコータ等の塗工方法を用いて集電箔10の表面に塗工することができる。 The prepared paste is then applied to the surface of the current collector foil 10 to form a coating film on the surface of the current collector foil 10. The paste can be applied to the surface of the current collector foil 10 using a coating method such as a die coater, slit coater, comma coater, gravure coater, or blade coater.
続いて、磁場配向工程では、磁力線の向きが集電箔10の表面に対して略垂直方向となるように磁場発生体を集電箔10の近傍に配置する。そして、集電箔10の表面に対して略垂直方向に磁力線が発生する磁場を塗膜に印加する。磁場発生体としては、所要の磁場を発生することができるものであれば特に限定されず、例えば、永久磁石や電磁石等を用いることができる。 Next, in the magnetic field orientation process, a magnetic field generator is placed near the current collector foil 10 so that the magnetic field lines are oriented approximately perpendicular to the surface of the current collector foil 10. A magnetic field that generates magnetic field lines approximately perpendicular to the surface of the current collector foil 10 is then applied to the coating film. There are no particular limitations on the magnetic field generator as long as it can generate the required magnetic field; for example, a permanent magnet or an electromagnet can be used.
磁場配向工程において、塗膜に対して作用させる磁場の磁束密度は、例えば100mT~1Tであり、典型的には300mT~500mTである。磁場の磁束密度が大きいほど、黒鉛粒子30の配向度を高めることができる。また、塗膜に対して磁場を印加する時間は、例えば1秒~30秒程度である。磁場が印加された塗膜に含まれる黒鉛粒子30は、磁化容易方向である層面が磁力線の向きに近づくように配向されるため、層面間の内部細孔40が集電箔10の表面に対して略垂直となるように配向する。 In the magnetic field orientation process, the magnetic flux density of the magnetic field applied to the coating film is, for example, 100 mT to 1 T, and typically 300 mT to 500 mT. The greater the magnetic flux density of the magnetic field, the greater the degree of orientation of the graphite particles 30. The magnetic field is applied to the coating film for, for example, 1 to 30 seconds. When a magnetic field is applied, the graphite particles 30 contained in the coating film are oriented so that the layer plane, which is the direction of easy magnetization, approaches the direction of the magnetic field lines, and therefore the internal pores 40 between the layer planes are oriented approximately perpendicular to the surface of the current collector foil 10.
続いて、合材層形成工程では、上記のように配向した黒鉛粒子30を含む塗膜を乾燥させて、塗膜に含まれる溶媒を除去する。塗膜の乾燥方法としては、自然、熱風、低湿風、真空、赤外線、遠赤外線、電子線等による乾燥を単独または組み合わせて用いることができる。さらに、乾燥したものをロールプレス、平板プレス等のプレス方法を用いてプレスし、合材層20の密度及び厚さを調整する。これにより、集電箔10の表面上に合材層20を形成することができる。 Next, in the composite layer formation process, the coating film containing the oriented graphite particles 30 as described above is dried to remove the solvent contained in the coating film. The coating film can be dried using natural air, hot air, low-humidity air, vacuum, infrared, far-infrared, electron beam, or other methods, either alone or in combination. The dried product is then pressed using a pressing method such as a roll press or a flat press to adjust the density and thickness of the composite layer 20. This allows the composite layer 20 to be formed on the surface of the current collector foil 10.
以上の工程により、図1に示す負極板E1を製造することができる。本実施形態では、製造された負極板E1について、黒鉛粒子30の等方性及び合材層20内の孔路比についてそれぞれ評価を行なった。 The above steps allow the negative electrode plate E1 shown in Figure 1 to be manufactured. In this embodiment, the manufactured negative electrode plate E1 was evaluated for the isotropy of the graphite particles 30 and the pore ratio within the composite layer 20.
黒鉛粒子30の等方性の度合いは、FIB-SEM測定により得られる黒鉛粒子30の断面SEM画像に対して画像解析を行い評価した。なお、FIB-SEMとは、集束イオンビーム(FIB;Focused Ion Beam)にて試料(例えば、負極板E1)を加工し、当該試料の露出した断面をSEMにて観察することを意味する。試料を加工する方法としては、例えば、適当な樹脂で固めた試料を、所望の断面で切断し、その切断面を少しずつ削りながらSEM観察を行うとよい。 The degree of isotropy of the graphite particles 30 was evaluated by performing image analysis on cross-sectional SEM images of the graphite particles 30 obtained by FIB-SEM measurement. Note that FIB-SEM refers to processing a sample (e.g., negative electrode plate E1) with a focused ion beam (FIB) and observing the exposed cross section of the sample with an SEM. For example, a sample can be processed by cutting a sample solidified with an appropriate resin at the desired cross section and gradually scraping the cut surface while performing SEM observation.
そこで、図5を参照して、黒鉛粒子30の等方性を求める方法について説明する。図5は、粒子の等方性を求める方法を説明する図である。FIB-SEM測定により得られた断面SEM画像に基づいて、黒鉛粒子30を任意に60粒子選択し、選択された黒鉛粒子30の断面をそれぞれ長軸方向の向きに応じて分割した各黒鉛切片の断面毎に画像解析を行い、各黒鉛切片の断面の面積及び角度を算出した。ここで、黒鉛粒子30の断面に含まれる複数の黒鉛切片のそれぞれは、炭素原子の六角網平面が複数の層を形成するように略同一方向に重なった集合体である。 A method for determining the isotropy of graphite particles 30 will now be described with reference to Figure 5. Figure 5 is a diagram illustrating the method for determining particle isotropy. Based on cross-sectional SEM images obtained by FIB-SEM measurement, 60 graphite particles 30 were randomly selected, and the cross section of each selected graphite particle 30 was divided according to the direction of its long axis. Image analysis was then performed on each cross section of each graphite slice, and the cross-sectional area and angle of each graphite slice were calculated. Here, each of the multiple graphite slices included in the cross section of graphite particle 30 is an aggregate in which the hexagonal planes of carbon atoms are stacked in approximately the same direction to form multiple layers.
例えば、図5に示す黒鉛粒子30は、1粒子の断面に14個の黒鉛切片を含んでいる。黒鉛切片の断面の角度は、一定方向と当該断面の長軸方向とのなす角度である。面積をベクトルの大きさとし、角度をベクトルの向きとして、黒鉛切片の断面毎に成分ベクトルfを求めた後、各成分ベクトルfを合成した合成ベクトルPを算出した。また、算出された合成ベクトルPを基準とし、成分ベクトルfの先端のそれぞれとの距離を大きさとする法線ベクトルnを算出した。そして、合成ベクトルPの大きさと各法線ベクトルnの大きさとの合計に対する合成ベクトルPの割合を等方性(%)として算出した。 For example, the graphite particle 30 shown in Figure 5 contains 14 graphite segments in the cross section of one particle. The angle of the cross section of a graphite segment is the angle between a certain direction and the long axis direction of the cross section. A component vector f was determined for each cross section of the graphite segment, with the area being the vector's magnitude and the angle being the vector's direction, and then a resultant vector P was calculated by combining each component vector f. Furthermore, a normal vector n was calculated, with the calculated resultant vector P as the base and the distance to each of the tips of the component vector f as its magnitude. The ratio of the resultant vector P to the sum of the magnitude of the resultant vector P and the magnitude of each normal vector n was then calculated as isotropy (%).
また、孔路比は、FIB-SEM測定により得られた断面SEM画像から3次元モデルを構築し、当該3次元モデルに対して画像解析を行なうことにより求めた。そこで、図6を参照して、孔路比を求める方法について説明する。図6は、孔路比を求める方法を説明する図である。なお、図6の上側には負極板E1の3次元モデルを示している。また、図6の下側には、当該3次元モデルにおけるA領域周辺の拡大図とB領域周辺の拡大図を示している。 The hole path ratio was determined by constructing a three-dimensional model from cross-sectional SEM images obtained by FIB-SEM measurement and performing image analysis on the three-dimensional model. Therefore, a method for determining the hole path ratio will be explained with reference to Figure 6. Figure 6 is a diagram illustrating the method for determining the hole path ratio. The upper part of Figure 6 shows a three-dimensional model of negative electrode plate E1. The lower part of Figure 6 shows an enlarged view of the area around region A and the area around region B in the three-dimensional model.
FIB-SEM測定により得られた3次元モデルのデータから、内部細孔40を通る孔路L1及び外部細孔50を通る孔路L2をそれぞれ任意に10個ずつ選択して計測した孔路長についてそれぞれ平均値を算出した。さらに、外部細孔50を通る孔路L2の孔路長に対する内部細孔40を通る孔路L1の孔路長(孔路L1の孔路長/孔路L2の孔路長)の比を孔路比として算出した。 From the data of the three-dimensional model obtained by FIB-SEM measurement, 10 paths L1 passing through the internal pore 40 and 10 paths L2 passing through the external pore 50 were randomly selected and measured, and the average path length was calculated for each. Furthermore, the ratio of the path length of the path L1 passing through the internal pore 40 to the path length of the path L2 passing through the external pore 50 (path length of path L1 / path length of path L2) was calculated as the path ratio.
なお、孔路比を算出する別の方法として、電気化学的測定法を用いることもできる。電気化学的測定法を用いる場合、まず、測定用の対称セルを構築し、これを用いて交流インピーダンス測定によりイオン移動抵抗Rionを実測する。イオン移動抵抗Rionは、電極内部におけるリチウムイオンの移動に関する抵抗である。 As another method for calculating the hole ratio, electrochemical measurement can also be used. When using electrochemical measurement, a symmetrical measurement cell is first constructed and used to measure the ion transfer resistance R ion by AC impedance measurement. The ion transfer resistance R ion is the resistance related to the transfer of lithium ions inside the electrode.
その後、下記式(1)によって合材層20内に形成された全ての孔路(孔路L1及び孔路L2)を合計した総孔路長を算出する。下記式(1)におけるLは総孔路長(μm)、κは電解液の導電率(S/m)、εは極板の空隙率(%)、S:極板の面積(μm2)である。
L=Rion(κεS) ・・・式(1)
Then, the total pore length of all pores (pores L1 and L2) formed in the composite layer 20 is calculated using the following formula (1): L in the formula (1) is the total pore length (μm), κ is the conductivity of the electrolyte (S/m), ε is the porosity of the electrode plate (%), and S is the area of the electrode plate (μm 2 ).
L=R ion (κεS) ...Formula (1)
そして、3次元モデルを用いたシミュレーションにより孔路L2の孔路長を計測する。さらに、総孔路長から孔路L2の孔路長を引くことにより孔路L1の孔路長を算出する。このように、電気化学的測定法により孔路L2の孔路長及び孔路L1の孔路長を求めて孔路比(孔路L1の孔路長/孔路L2の孔路長)を算出することができる。 Then, the path length of hole L2 is measured through a simulation using a three-dimensional model. Furthermore, the path length of hole L1 is calculated by subtracting the path length of hole L2 from the total path length. In this way, the path lengths of hole L2 and hole L1 are determined using electrochemical measurement, and the path ratio (path length of hole L1 / path length of hole L2) can be calculated.
孔路比は、黒鉛粒子30の等方性、集電箔10に対する黒鉛粒子30の配向度、及び合材層20の密度により制御することができる。黒鉛粒子30の等方性は、黒鉛粒子形成工程で用いる原料黒鉛の結晶性や球形化処理の方法(粉砕処理の処理形態等)により調整することができる。例えば、原料黒鉛の結晶性が高いほど、表面粉砕の割合が高いほど、等方性が高くなるため、内部細孔40を通る孔路L1の孔路長が短くなる。 The pore path ratio can be controlled by the isotropy of the graphite particles 30, the degree of orientation of the graphite particles 30 relative to the current collector foil 10, and the density of the composite layer 20. The isotropy of the graphite particles 30 can be adjusted by the crystallinity of the raw graphite used in the graphite particle formation process and the method of spheroidization (such as the form of the crushing process). For example, the higher the crystallinity of the raw graphite and the higher the proportion of surface crushing, the higher the isotropy, and therefore the shorter the pore path length L1 passing through the internal pores 40.
集電箔10に対する黒鉛粒子30の配向度は、磁場配向工程における磁場の印加条件(磁場の磁束密度、磁力線の向き)を変更することにより調整することができる。例えば、集電箔10の表面と内部細孔40の長軸方向とのなす角度が90°に近づくほど、内部細孔40を通る孔路L1の孔路長が短くなる。 The degree of orientation of the graphite particles 30 relative to the current collector foil 10 can be adjusted by changing the magnetic field application conditions (magnetic flux density of the magnetic field, direction of the magnetic field lines) in the magnetic field orientation process. For example, the closer the angle between the surface of the current collector foil 10 and the major axis direction of the internal pores 40 is to 90°, the shorter the path length of the pore path L1 passing through the internal pores 40 becomes.
合材層20の密度は、合材層形成工程で行なうプレス時の圧力の増減により調整することができる。例えば、プレス時の圧力を増加させると合材層20が高密度化し、外部細孔50が潰れて曲路率が大きくなるため、外部細孔50を通る孔路L2の孔路長が長くなる。 The density of the composite layer 20 can be adjusted by increasing or decreasing the pressure applied during the pressing process in the composite layer formation process. For example, increasing the pressure applied during pressing increases the density of the composite layer 20, causing the outer pores 50 to collapse and increase the tortuosity, thereby lengthening the length of the hole paths L2 passing through the outer pores 50.
次に、図3を参照して、実施例及び比較例について説明する。なお、実施例は、本発明を限定するものではない。図3は、各実施例及び各比較例の電極を説明する表である。表中の平均粒径は、レーザー回折法で測定された体積基準の平均粒径(D50)である。また、表中のアスペクト比は、FIB-SEM測定により得られた粒子の断面SEM画像を用いて測定した。 Next, examples and comparative examples will be described with reference to Figure 3. Note that the examples do not limit the present invention. Figure 3 is a table explaining the electrodes of each example and comparative example. The average particle size in the table is the volume-based average particle size (D50) measured by laser diffraction. The aspect ratio in the table was measured using cross-sectional SEM images of particles obtained by FIB-SEM measurement.
(実施例1)
[負極板の作製]
図2に示したフローにしたがって負極板E1を作製した。黒鉛粒子形成工程では、原料黒鉛として平均粒径:14μm、アスペクト比:3.0、等方性:95%を有する鱗片状粒子(天然黒鉛)を用いて、ジェットミルにより当該鱗片状粒子を粉砕して黒鉛粒子30を形成した。得られた黒鉛粒子30は、平均粒径:7μm、アスペクト比:1.5、等方性:75%を有していた。
Example 1
[Preparation of negative electrode plate]
Negative electrode plate E1 was produced according to the flow shown in Fig. 2. In the graphite particle formation step, flake particles (natural graphite) having an average particle size of 14 µm, an aspect ratio of 3.0, and an isotropy of 95% were used as raw graphite, and the flake particles were pulverized using a jet mill to form graphite particles 30. The obtained graphite particles 30 had an average particle size of 7 µm, an aspect ratio of 1.5, and an isotropy of 75%.
塗工工程では、黒鉛粒子30と、結着剤としてのSBRと、増粘剤としてのCMCと、を98:1:1の混合比で混合し、溶媒としてイオン交換水を添加して混練することによりペーストを調製した。調製したペーストは、負極の集電箔10である銅箔の両面に塗工した。なお、負極のペーストは、目付量が4.7mg/cm2となるように塗工量を調整した。これにより、銅箔の表面上に塗膜を形成した。 In the coating process, graphite particles 30, SBR as a binder, and CMC as a thickener were mixed in a mixing ratio of 98:1:1, and ion-exchanged water was added as a solvent and kneaded to prepare a paste. The prepared paste was applied to both sides of copper foil, which served as a negative electrode current collector foil 10. The coating amount of the negative electrode paste was adjusted so that the coating weight was 4.7 mg/ cm2 . This formed a coating film on the surface of the copper foil.
磁場配向工程では、表面上に塗膜が形成された銅箔を上下方向から挟み込むように一対の永久磁石を配置し、塗膜に磁場を印加した。磁場の磁束密度は500mTであり、磁場の印加時間は10秒であった。磁場を印加する際の磁力線の向きは、銅箔の表面に対して略垂直方向である。これにより、内部細孔40の長軸方向が銅箔の表面に対して略垂直となるように黒鉛粒子30を配向させた。 In the magnetic field orientation process, a pair of permanent magnets were placed above and below the copper foil with the coating film formed on its surface, and a magnetic field was applied to the coating film. The magnetic flux density of the magnetic field was 500 mT, and the magnetic field application time was 10 seconds. The direction of the magnetic field lines when applying the magnetic field was approximately perpendicular to the surface of the copper foil. This oriented the graphite particles 30 so that the long axis direction of the internal pores 40 was approximately perpendicular to the surface of the copper foil.
このように磁場配向させた黒鉛粒子30を含む塗膜を熱風乾燥した後、所定の寸法に裁断し、合材層20の密度が1.12g/cm3となるようにロールプレスを行なうことにより負極板E1を作製した。このようにして得られた実施例1の負極板E1の孔路比は、0.860であった。 The coating film containing the magnetically oriented graphite particles 30 was dried with hot air, cut to a predetermined size, and roll-pressed to produce negative electrode plate E1 so that the density of composite layer 20 became 1.12 g/ cm3 . The path ratio of negative electrode plate E1 of Example 1 obtained in this manner was 0.860.
(実施例2)
合材層20の密度が1.15g/cm3となるようにロールプレスを行なったことを除いて、実施例1と同様に負極板E1を製造した。このようにして得られた実施例2の負極板E1の孔路比は、0.940であった。
Example 2
Negative electrode plate E1 was produced in the same manner as in Example 1, except that roll pressing was performed so that the density of composite layer 20 became 1.15 g/cm 3. The negative electrode plate E1 of Example 2 thus obtained had a path ratio of 0.940.
(実施例3)
合材層20の密度が1.20g/cm3となるようにロールプレスを行なったことを除いて、実施例1と同様に負極板E1を製造した。このようにして得られた実施例3の負極板E1の孔路比は、1.01であった。
Example 3
Negative electrode plate E1 was produced in the same manner as in Example 1, except that roll pressing was performed so that the density of composite layer 20 was 1.20 g/cm 3. The negative electrode plate E1 of Example 3 thus obtained had a path ratio of 1.01.
(実施例4)
合材層20の密度が1.30g/cm3となるようにロールプレスを行なったことを除いて、実施例1と同様に負極板E1を製造した。このようにして得られた実施例4の負極板E1の孔路比は、1.17であった。
Example 4
Negative electrode plate E1 was produced in the same manner as in Example 1, except that roll pressing was performed so that the density of composite layer 20 became 1.30 g/cm 3. The negative electrode plate E1 of Example 4 thus obtained had a path ratio of 1.17.
(比較例1)
黒鉛粒子形成工程を省略し、実施例1で用いた黒鉛粒子30の代わりに原料黒鉛の鱗片状粒子を用いて実施例1と同様に負極板を製造した。
(Comparative Example 1)
A negative electrode plate was produced in the same manner as in Example 1, except that the graphite particle formation step was omitted and scaly particles of raw graphite were used instead of the graphite particles 30 used in Example 1.
(比較例2)
原料黒鉛の鱗片状粒子を用いて、体積粉砕方式の粉砕機であるボールミルにより当該鱗片状粒子を粉砕して球状粒子を形成した。得られた球状粒子は、平均粒径:7μm、アスペクト比:1.5、等方性:55%を有していた。当該球状粒子を用いて実施例1と同様の塗工工程、磁場配向工程、及び合材層形成工程を行なうことにより負極板を製造した。このようにして得られた比較例2の負極板の孔路比は、1.69であった。
(Comparative Example 2)
Spherical particles were formed by crushing raw graphite flake particles in a ball mill, a volumetric crushing mill. The resulting spherical particles had an average particle size of 7 μm, an aspect ratio of 1.5, and an isotropy of 55%. A negative electrode plate was manufactured using the spherical particles through the same coating, magnetic field orientation, and composite layer formation processes as in Example 1. The negative electrode plate of Comparative Example 2 thus obtained had a hole path ratio of 1.69.
(比較例3)
磁場配向工程を省略したことを除いて実施例1と同様に負極板を製造した。このようにして得られた比較例3の負極板の孔路比は、2.11であった。
(Comparative Example 3)
A negative electrode plate was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the magnetic field orientation step was omitted. The negative electrode plate of Comparative Example 3 thus obtained had a hole path ratio of 2.11.
(比較例4)
合材層の密度が1.15g/cm3となるようにロールプレスを行なったことを除いて、実施例1と同様に負極板を製造した。このようにして得られた実施例2の負極板の孔路比は、1.87であった。
(Comparative Example 4)
A negative electrode plate was produced in the same manner as in Example 1, except that roll pressing was performed so that the density of the composite layer became 1.15 g/cm. The negative electrode plate of Example 2 thus obtained had a path ratio of 1.87 .
[正極板の作製]
正極板は以下の通り作製した。正極活物質には、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2で表される平均組成を有するニッケルマンガンコバルト酸リチウム(NMC)を用いた。導電材には、アセチレンブラック(AB)を用いた。結着剤には、PVDFを用いた。また、溶媒には、NMPを用いた。
[Preparation of positive electrode plate]
The positive electrode plate was fabricated as follows. The positive electrode active material was lithium nickel manganese cobalt oxide (NMC) with an average composition represented by LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2. The conductive material was acetylene black (AB). The binder was PVDF. The solvent was NMP.
正極活物質、導電材、及び結着剤の質量比が、NMC:AB:PVDF=96:3:1となるようにそれぞれ秤量し、所要量の溶媒を添加して混練することによりペーストを調製した。調製したペーストは、正極の集電箔であるアルミニウム箔の両面に塗工した。なお、正極のペーストは、目付量が5.55mg/cm2となるように塗工量を調整した。そして、塗工されたペーストを熱風乾燥した後、所定の寸法に裁断し、合材層の密度が2.6g/cm3となるようにロールプレスを行なうことにより正極板を作製した。 The positive electrode active material, conductive material, and binder were weighed out so that the mass ratio was NMC:AB:PVDF = 96:3:1, and the required amount of solvent was added and kneaded to prepare a paste. The prepared paste was applied to both sides of aluminum foil, which served as a positive electrode current collector foil. The coating amount of the positive electrode paste was adjusted so that the basis weight was 5.55 mg/ cm2 . The applied paste was then dried with hot air, cut to a predetermined size, and roll pressed to produce a positive electrode plate with a composite layer density of 2.6 g/ cm3 .
[電解液の調製]
エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)とエチルメチルカーボネート(EMC)とを体積比が1:1:1となるように混合した混合溶媒に、1mol/Lの濃度で支持塩LiPF6を溶解して電解液を調製した。
[Preparation of Electrolyte Solution]
An electrolyte solution was prepared by dissolving a supporting salt LiPF 6 at a concentration of 1 mol/L in a mixed solvent prepared by mixing ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), and ethyl methyl carbonate (EMC) in a volume ratio of 1:1:1.
[評価用電池セルの構築]
負極板(実施例1~4、比較例1~4)と、正極板と、を対向させて互いの間にポリエチレン(PE)製の多孔質セパレータを介在させた電極体を電池ケースの内側に収納し、電解液を加えて密封することにより、評価用電池セルを構築した。
[Construction of evaluation battery cell]
A negative electrode plate (Examples 1 to 4, Comparative Examples 1 to 4) and a positive electrode plate were placed facing each other with a porous separator made of polyethylene (PE) interposed between them. The electrode assembly was then housed inside a battery case, and an electrolyte solution was added and the case was sealed to construct a battery cell for evaluation.
[イオン移動抵抗の評価]
イオン移動抵抗の測定は、非ファラデー反応を行う対称セルの交流インピーダンス測定によって行った。その結果を図7に示す。図7は、各実施例及び各比較例における孔路比とイオン移動抵抗との関係を示すグラフである。
[Evaluation of ion migration resistance]
The ion migration resistance was measured by measuring the AC impedance of a symmetric cell in which a non-Faraday reaction was performed. The results are shown in Figure 7. Figure 7 is a graph showing the relationship between the hole ratio and the ion migration resistance in each example and each comparative example.
図7に示すように、比較例1については評価を行なっていないものの、比較例2~4ではいずれもイオン移動抵抗の抵抗値が6.0mΩ以上であったのに対し、実施例1~4ではいずれもイオン移動抵抗の抵抗値が6.0mΩ以下であり、抵抗が低減されていることが確認された。 As shown in Figure 7, although no evaluation was performed on Comparative Example 1, the ion migration resistance values for Comparative Examples 2 to 4 were all 6.0 mΩ or higher, whereas the ion migration resistance values for Examples 1 to 4 were all 6.0 mΩ or lower, confirming that resistance was reduced.
この結果からわかるように、負極板に含まれる活物質の粒子形状が同じアスペクト比の略球状であっても、孔路比が1に近いほどイオン移動抵抗が低減されることが確認された。 As can be seen from these results, even if the particle shape of the active material contained in the negative electrode plate is approximately spherical with the same aspect ratio, it was confirmed that the closer the pore ratio is to 1, the lower the ion migration resistance.
[直流内部抵抗(DCIR)の評価]
各評価用電池セルに対して直流内部抵抗(DCIR)測定を行い、直流内部抵抗を求めた。その結果を図8に示す。図8は、各実施例及び各比較例の電極を含む評価用電池セルの直流内部抵抗を示すグラフである。なお、DCIR測定は、-30℃の温度環境下、SOC(State Of Charge)50%から15Cの電流値で放電を行った時の、放電開始から10秒間の電圧降下量を測定し、この電圧降下量を対応する電流値で除することで抵抗値(mΩ)を算出した。
[Evaluation of DC Internal Resistance (DCIR)]
Direct current internal resistance (DCIR) measurements were performed on each test battery cell to determine the DC internal resistance. The results are shown in FIG. 8 . FIG. 8 is a graph showing the DC internal resistance of test battery cells including electrodes from each example and comparative example. DCIR measurements were performed by measuring the voltage drop for 10 seconds from the start of discharge when discharging from a 50% SOC (State of Charge) at a current value of 15 C in a temperature environment of −30°C, and then dividing this voltage drop by the corresponding current value to calculate the resistance value (mΩ).
図8に示すように、比較例1~4ではいずれも直流内部抵抗の抵抗値が1.4mΩ以上であったのに対し、実施例1~4ではいずれも直流内部抵抗の抵抗値が1.4mΩ以下であり、抵抗が低減されていることが確認された。 As shown in Figure 8, the DC internal resistance values for all of Comparative Examples 1 to 4 were 1.4 mΩ or higher, whereas the DC internal resistance values for all of Examples 1 to 4 were 1.4 mΩ or lower, confirming that resistance was reduced.
この結果からわかるように、負極板に含まれる活物質の粒子形状が略球状である場合には、直流内部抵抗が低減されることが確認されたが、等方性が高くてもアスペクト比が大きい鱗片状粒子である場合には、直流内部抵抗が悪化した。また、活物質の粒子形状が略球状である場合は、等方性が高いほど、磁場配向により電極の配向性が向上して直流内部抵抗を良化することができた。さらに、孔路比は、1に近いほど直流内部抵抗の低減効果が高いことがわかった。 As can be seen from these results, it was confirmed that DC internal resistance was reduced when the particle shape of the active material contained in the negative electrode plate was approximately spherical, but DC internal resistance deteriorated when the particles were scaly and had a large aspect ratio, even if they were highly isotropic. Furthermore, when the particle shape of the active material was approximately spherical, the higher the isotropy, the better the electrode orientation due to magnetic field orientation, and the better the DC internal resistance. Furthermore, it was found that the closer the hole ratio was to 1, the greater the effect of reducing DC internal resistance.
以上説明したように、本実施形態にかかる二次電池用電極は、集電箔10と、集電箔10の表面上に形成され、磁場配向可能な黒鉛粒子30を含む合材層20と、を有している。また、合材層20の一方の面から他方の面に向かって形成される孔路L1、L2のうち、黒鉛粒子30の粒子間に形成された外部細孔50を通る孔路L2に対する黒鉛粒子30の内部に形成された内部細孔40を通る孔路L1の各孔路長の比である孔路比が0.8~1.2である。 As explained above, the secondary battery electrode according to this embodiment includes a current collector foil 10 and a composite layer 20 formed on the surface of the current collector foil 10 and containing magnetically oriented graphite particles 30. Furthermore, of the pore paths L1, L2 formed from one surface of the composite layer 20 to the other, the pore path ratio, which is the ratio of the pore path length of the pore paths L1 passing through the internal pores 40 formed inside the graphite particles 30 to the pore path L2 passing through the external pores 50 formed between the graphite particles 30, is 0.8 to 1.2.
このような構成によれば、黒鉛粒子30の粒子内及び粒子間の双方で複数の内部細孔40が略同一方向に配向するため、内部細孔40を通る孔路L1がより直線的となり、電解液中のリチウムイオン1の移動がスムーズになる。その結果、電極におけるイオン移動抵抗が低減され、電池の高速充放電特性及び入出力特性が向上する。 With this configuration, multiple internal pores 40 are oriented in approximately the same direction both within and between the graphite particles 30, making the pore paths L1 through the internal pores 40 more linear and allowing for smoother movement of lithium ions 1 in the electrolyte. As a result, ion migration resistance in the electrode is reduced, improving the battery's high-speed charge/discharge characteristics and input/output characteristics.
また、孔路比が0.86~1.17であることにより、イオン移動抵抗の低減効果がより一層高まる。 Furthermore, a hole ratio of 0.86 to 1.17 further enhances the effect of reducing ion migration resistance.
また、黒鉛粒子30は、アスペクト比の平均が1.0~1.5であることが好ましい。これにより、粒子の単位体積あたりに占めるエッジ面の割合を増加させて、界面移動抵抗を低減することができる。さらに、アスペクト比の平均が1.0~1.5である略球形状に形成されることによって黒鉛粒子30の充填性が向上するため、合材層20を高密度化できる。その結果、高いエネルギー密度及び高容量化を実現することができる。 It is also preferable that the graphite particles 30 have an average aspect ratio of 1.0 to 1.5. This increases the proportion of edge faces per unit volume of the particle, reducing interfacial migration resistance. Furthermore, by forming the graphite particles 30 into a roughly spherical shape with an average aspect ratio of 1.0 to 1.5, the packing of the graphite particles 30 is improved, allowing the composite layer 20 to be densified. As a result, high energy density and high capacity can be achieved.
また、黒鉛粒子30は、炭素原子の六角網平面が複数の層を形成するように重なった層状構造を有し、等方性の平均が75%以上である。等方性は、層の集合体である黒鉛切片の断面の面積を大きさとし断面と一定方向とのなす角度を向きとして黒鉛粒子30に含まれる黒鉛切片毎に求められる成分ベクトルfを合成した合成ベクトルPと、合成ベクトルPを基準とし成分ベクトルfの先端のそれぞれとの距離を大きさとする各法線ベクトルnと、を算出し、合成ベクトルPの大きさと各法線ベクトルnの大きさとの合計に対する合成ベクトルPの大きさの割合として算出される。 The graphite particles 30 have a layered structure in which hexagonal planes of carbon atoms overlap to form multiple layers, and the average isotropy is 75% or more. The isotropy is calculated by calculating a resultant vector P, which is a composite of component vectors f obtained for each graphite segment contained in the graphite particle 30, with the cross-sectional area of the graphite segment, which is an aggregate of layers, as the size and the angle between the cross-section and a certain direction as the direction, and each normal vector n, which has the magnitude of the distance from the tip of each component vector f to the resultant vector P as the base, as the ratio of the magnitude of the resultant vector P to the sum of the magnitudes of the resultant vector P and the normal vector n.
このようにして導かれる黒鉛粒子30における層状構造の等方性が高いほど、磁場配向によって電極の配向性を向上させることができ、その結果、内部抵抗を低減することができる。 The more isotropic the layered structure of the graphite particles 30 obtained in this way is, the more the orientation of the electrode can be improved by magnetic field orientation, and as a result, the internal resistance can be reduced.
そして、本実施形態にかかる二次電池用電極の製造方法によれば、上記の効果を奏する二次電池用電極を製造することができる。 Furthermore, the method for manufacturing a secondary battery electrode according to this embodiment makes it possible to manufacture a secondary battery electrode that achieves the above-mentioned effects.
1 リチウムイオン
10 集電箔
20、21、22 合材層
30 黒鉛粒子
31 球形化黒鉛粒子
32 鱗片状黒鉛粒子
40、41、42 内部細孔
50、51、52 外部細孔
E1、E2、E3 負極板
L1、L2 孔路
1 Lithium ion 10 Current collector foil 20, 21, 22 Composite layer 30 Graphite particles 31 Spheroidized graphite particles 32 Scaly graphite particles 40, 41, 42 Internal pores 50, 51, 52 External pores E1, E2, E3 Negative electrode plates L1, L2 Hole path
Claims (2)
前記黒鉛粒子及び溶媒を少なくとも含むペーストを集電箔の表面に塗工して塗膜を形成する塗工工程と、
前記集電箔の表面に対して略垂直方向となる磁場を前記塗膜に印加することにより前記塗膜に含まれる前記黒鉛粒子を配向させる磁場配向工程と、
配向した前記黒鉛粒子を含む前記塗膜を乾燥して前記集電箔の表面上に合材層を形成する合材層形成工程と、を有し、
前記合材層の厚さ方向における一方の面から他方の面に向かって形成される孔路のうち、前記黒鉛粒子の粒子間に形成された外部細孔を通る最短距離の孔路に対する前記内部細孔を通る最短距離の孔路の各孔路長の比である孔路比が0.8~1.2となるように設定され、
前記黒鉛粒子は、
アスペクト比の平均が1.0~1.5であり、
炭素原子の六角網平面が複数の層を形成するように重なった層状構造を有し、
層面間の前記内部細孔の長軸方向が前記集電箔に対して略垂直となるように配向され、
前記合材層の前記厚さ方向における断面SEM画像において、前記層の集合体である黒鉛切片の断面の面積を大きさとし前記断面の長軸方向と一定方向とのなす角度を向きとして前記黒鉛粒子に含まれる前記黒鉛切片毎に求められる成分ベクトルを合成した合成ベクトルと、前記合成ベクトルを基準とし前記成分ベクトルの先端のそれぞれとの距離を大きさとする各法線ベクトルと、を算出し、
前記合成ベクトルの大きさと各法線ベクトルの大きさとの合計に対する前記合成ベクトルの大きさの割合として算出される等方性の平均が75%以上であり、
前記黒鉛粒子形成工程では、
前記等方性の平均が75%以上となるように、天然黒鉛に対して少なくとも表面粉砕による球形化処理を施して前記黒鉛粒子を形成する二次電池用電極の製造方法。 a graphite particle forming step of forming graphite particles having a plurality of internal pores therein and capable of being magnetically oriented;
a coating step of coating a paste containing at least the graphite particles and a solvent on a surface of a current collector foil to form a coating film;
a magnetic field orientation step of applying a magnetic field to the coating film in a direction substantially perpendicular to the surface of the current collecting foil to orient the graphite particles contained in the coating film;
a composite layer forming step of drying the coating film containing the oriented graphite particles to form a composite layer on the surface of the current collecting foil,
Among the pore paths formed from one surface to the other surface in the thickness direction of the composite layer, a pore path ratio, which is a ratio of the pore path length of the shortest pore path passing through the internal pores to the pore path length of the shortest pore path passing through the external pores formed between the graphite particles , is set to be 0.8 to 1.2,
The graphite particles are
The average aspect ratio is 1.0 to 1.5,
It has a layered structure in which hexagonal planes of carbon atoms are stacked to form multiple layers,
the long axis direction of the internal pores between the layer surfaces is oriented substantially perpendicular to the current collecting foil,
In a cross-sectional SEM image of the composite layer in the thickness direction, a composite vector is calculated by combining component vectors obtained for each of the graphite segments contained in the graphite particle, with the area of the cross section of the graphite segments that is an aggregate of the layers as a size and the angle formed by the long axis direction of the cross section and a certain direction as a direction, and each normal vector is calculated with the composite vector as a reference and the distance to each of the tips of the component vectors as a size,
the average isotropy calculated as a ratio of the magnitude of the resultant vector to the sum of the magnitude of the resultant vector and the magnitudes of each normal vector is 75% or more;
In the graphite particle forming step,
A method for manufacturing an electrode for a secondary battery, comprising: subjecting natural graphite to at least surface pulverization to form spheroidized graphite particles so that the average isotropy is 75% or more.
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