JP6125182B2 - 非水電解質二次電池 - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、電極及び電池に関する。
リチウムイオン二次電池は、正極と、負極と、セパレータと、電解液とを備えるもので、正極と負極の間にセパレータが配置され、セパレータに電解液が保持される。実際の電池においては、正極、セパレータ、負極を積層し、これらを捲回して大きな電気容量を得ていることが多い。
セパレータは正極と負極間の直接の接触を防止するとともに電解液を保持する目的で使用されている。セパレータはその厚さは小さいほうがインピーダンスを小さくでき、また電解液量を少なくできるので望ましいが、一方、セパレータを薄くすると機械的強度が低下し、製造時や実使用時にセパレータが切れて正極と負極とが直接接触するリスクが高まる。
また、一般的に上述の電池に用いられる電極群は、正極、第１セパレータ、負極、第２セパレータの各部品を積層しながらこれらを捲回して製造される。その際、製造効率を上げるために捲回速度を上げることが望ましいが、そうすると正極、第１セパレータ、負極、第２セパレータに個別にかかる機械的負荷が大きくなる。一方、大きな電池容量を得るためにはセパレータや各電極の集電体に使用される金属箔（例えばアルミニウム箔）の厚さは薄くすることが望ましく、製造効率の向上と電池容量の向上の両立は難しい。また、正極と負極とが直接接触しないようにセパレータは両極間の適切な位置に存在しなければならず、捲回時に高度な位置制御を必要とすることから捲回装置のコストダウンや捲回速度向上の障害になっている。
本発明が解決しようとする課題は、安全で製造効率の高い電極及び電池を提供することにある。
実施形態によれば、正極と、負極と、正極及び負極の間に介在したセパレータと、電解液とを備えた非水電解質二次電池が提供される。正極は、正極集電体と、正極集電体に形成される正極活物質含有層と、正極集電体と電気的に接続される正極集電タブとを含んでいる。負極は、負極集電体と、負極集電体に形成される負極活物質含有層と、負極集電体と電気的に接続される負極集電タブとを含んでいる。セパレータは、正極活物質含有層の表面及び正極集電タブの表面の一部に、複数箇所に分散して付着した絶縁性物質と、負極活物質含有層の表面及び負極集電タブの表面の一部に、複数箇所に分散して付着した絶縁性物質とからなる。正極の絶縁性物質の一部と負極の絶縁性物質の一部とは、交差するように重なっている。正極及び負極の絶縁性物質は、電解液に不溶性の材料からなる。
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。実施形態によれば、集電体と、活物質含有層と、集電タブと、絶縁性物質（電気伝導性が無い物質）と含む電極が提供される。活物質含有層は、集電体の片面または両面に形成される。集電タブは、集電体と電気的に接続される。絶縁性物質は、活物質含有層及び集電タブの表面の一部に付着している。
絶縁性物質はセパレータとして機能するため、電極にセパレータの機能を付与することにより、単独の部品としてのセパレータを省略できる。また、電極にセパレータに相当する物質を付着させることにより機械的強度が増すので電極捲回時に電極が切れにくくなり、捲回速度を上げたり、電極の集電体の厚さを薄くしたりできる。また、電極にセパレータが付着して常に追随するので捲回時に電極とセパレータの位置関係が変化することがなく捲回時の捲きズレ不良を低減させることが可能である。さらに、活物質含有層の表面とセパレータが一体であるため、捲回時にセパレータが単独で切れて電極群内で正極と負極が接触することがなくなり、電池の安全性を向上することができる。
絶縁性物質は、電解液に不溶性のものが好ましく、具体例には、セルロース、ポリエチレン、ポリプロピレンなどが含まれる。ポリプロピレン、ポリエチレンは、球状、繊維状に加工しやすく、電解液に不溶性であるため、望ましい。また、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂も使用可能である。熱可塑性樹脂及び／または熱硬化性樹脂を使用することにより、絶縁性物質を加熱して溶融させることで付着させることが可能である。使用する絶縁性物質の種類は、１種類または２種類以上にすることができる。
絶縁性物質は、単体の粒子、複合粒子、これらの粒子の集合体等の形態にすることができる。粒子の形態は、１種類のみにしても、複数種を組み合わせても良い。
絶縁性物質粒子の形状は特に限定されないが、充放電による電荷の移動を阻害しないように活物質との接触面積が極力小さくなる形状であることが望ましい。同時に、正極と負極との接触を防止し、また、捲回時に伸縮する電極に追随できずに剥離する部分が発生するのを抑えるため、絶縁性物質の複数個所が電極に付着していることが望ましい。これらを考慮すると、たとえば、球形、円柱形、繊維状の形状が挙げられる。粒子形状は、１種類または２種類以上にすることができる。
絶縁性物質の長さは０．００１μｍ以上１ｍｍ以下が望ましい。長さを０．００１μｍ以上にすることにより、正極と負極の接触の可能性をより低くすることができる。また、長さを１ｍｍ以下にすることにより、抵抗を小さくすることができる。長さのより好ましい範囲は、２μｍ以上５０μｍ以下の範囲である。
絶縁性物質の短辺方向の幅は０．００１μｍ以上１ｍｍ以下が望ましい。短辺方向の幅を０．００１μｍ以上にすることにより、正極と負極の接触の可能性をより低くすることができる。また、短辺方向の幅を１ｍｍ以下にすることにより、抵抗を小さくすることができる。短辺方向の幅のより好ましい範囲は、２μｍ以上５０μｍ以下の範囲である。
絶縁性物質の長辺方向の幅は、０．００１μｍ以上１０００ｍｍ以下が望ましい。長辺方向の幅を０．００１μｍ以上にすることにより、正極と負極の接触の可能性をより低くすることができる。また、長辺方向の幅を１０００ｍｍ以下にすることにより、抵抗を小さくすることができる。長辺方向の幅のより好ましい範囲は、２μｍ以上５０μｍ以下の範囲である。
絶縁性物質は、直径０．００１μｍ以上１ｍｍ以下の球状粒子、直径０．００１μｍ以上１ｍｍ以下で、かつ長さ０．００１μｍ以上１０００ｍｍ以下の繊維状粒子、もしくは該球状粒子と該繊維状粒子の混合物であることが望ましい。これにより、抵抗及び正極と負極の接触の可能性をさらに小さくすることができる。
絶縁性物質の付着方法には、絶縁性物質をバインダーと共に活物質表面または集電タブ表面に塗工する、スプレー、静電塗装、印刷、転写を用いることができ、また、絶縁性物質を活物質表面または集電タブ表面に塗工、印刷、スプレーなどの手段によって位置させた後、加熱して溶着させる方法等を挙げることができ、いずれを用いてもよい。印刷の例には、インクジェット、グラビア印刷、オフセット印刷、スクリーン印刷が含まれる。また、熱溶着は絶縁性物質の融点を利用して電極に付着させる方法である。バインダーには、ＰＶＤＦなどの電解液に溶解しない材料等を挙げることができる。中でも、インクジェット、グラビア印刷、オフセット印刷、スクリーン印刷、転写は、絶縁性物質を任意の位置や任意の方向に配列させるのに適しており、望ましい。グラビア印刷によると、製造コストを低く抑えることも可能である。
絶縁性物質の量に関しては、絶縁性物質が付着した後においても電極活物質が露出して電解液と十分に接することで十分な電池特性を発揮し、かつ正極と負極を重ねて捲回した際に正極と負極とが接することが無いようにすることが望ましい。
絶縁性物質を付着させる範囲は、正負極の片面もしくは両面にすることができ、片面の場合には、相手極と接触する可能性のある部分を含むことが望ましい。付着量が十分な場合、どちらか一方の電極のみ絶縁性物質を付着しても良い。
絶縁性物質は、活物質含有層及び集電タブの表面の一部に散在（複数箇所に分散）して付着していることが望ましい。活物質含有層の表面を露出させることによって、活物質と電解液との接触面積を十分に確保することができると共に、電極間のイオン拡散を円滑にすることができる。また、電極を捲回する際、その表面に付着された絶縁性物質は付着部分が伸縮の力を受けて付着状態を維持できずに剥離する可能性がある。その際、絶縁性物質が複数個所で電極表面に付着していることにより一部の付着部分が剥離した場合においても絶縁性物質全体としては電極表面への付着状態を維持できる。
絶縁性物質は、活物質含有層及び集電タブの表面の一部にランダムに配置されていても、規則性をもって配置されていても良い。絶縁性物質の配列の向きは、電極の幅方向、長さ方向、前記以外の方向のいずれの方向も選択可能である。絶縁性物質の間隔を広くして絶縁性物質が付着していない活物質を多くするためには正極と負極とが対向した際、絶縁性物質が交差するように配列されていることが望ましい。さらに、電極の幅方向に近い角度（幅方向とほぼ平行）で絶縁性物質が配列していると、電極を捲回し、捲回された電極に電解液を浸透させた際、電解液の浸透を妨げないため、さらに望ましい。
電極がゆがんだり捲回による変形を受けたりしても正極と負極が直接接触しないような間隔にすることが望ましい。
また、絶縁性物質の単位粒子同士は互いに付着しないか、もしくは電極表面との付着強度よりも弱い強度で互いが付着していることにより、電極が破断した際にも絶縁性物質が電極に追随して電極の絶縁性を維持することが可能となる。
実施形態の電極を図１及び図２を参照して説明する。図１に示すように、電極１は、シート状の集電体２と、活物質含有層３と、帯状の集電タブ４と、絶縁性物質５と含む。活物質含有層３は、集電体２の両面に形成される。集電タブ４は、集電体２のうち活物質含有層３が形成されていない部分からなることにより、集電体２と電気的に接続されている。絶縁性物質５は、活物質含有層３及び集電タブ４の表面の一部に付着している。絶縁性物質５は、図２に示すように、絶縁性物質粒子５ａと、絶縁性物質粒子５ａの表面に部分的に接着したバインダー５ｂとを有する複合粒子である。絶縁性物質粒子５ａは、バインダー５ｂによって活物質含有層３（または集電タブ４）の表面に接合される。複合粒子の一部は、単独で、他の一部は複数個が凝集した状態で表面に付着している。
この図１に示す電極１を一方極１及び他方極６とし、図３に示すように、一方極１の絶縁性物質５と他方極６の絶縁性物質５とを接触させると、一方極１と他方極６を絶縁性物質５によって絶縁させることができ、絶縁性物質５をセパレータとして機能させることができる。なお、絶縁性物質５は、一方極１または他方極６の一方のみに形成しても良い。
実施例の電極及び電池を以下に説明する。
リチウムイオン二次電池の正極及び負極の表面に、繊維直径１０μｍ、繊維長さ５０μｍのポリプロピレン繊維をＰＶＤＦを介して付着させる。付着させる範囲は、正負極それぞれの活物質含有層の全面とそれに続く幅３ｍｍにわたる集電タブ表面とする。これにより、正極と負極を積層し、これらを高速で捲回しても正負極間の絶縁性を維持することができる。
また、図４に示すように、正極７の表面において、ポリプロピレン繊維８を正極７の幅方向（捲回軸と平行な方向）Ｘに対して角度θ傾斜させて配置する。一方、図５に示すように、負極９の表面において、ポリプロピレン繊維８を負極９の幅方向（捲回軸と平行な方向）Ｘに対して角度θ傾斜させて配置する。なお、負極９のポリプロピレン繊維８は、正極７と反対向きに傾斜させる。ポリプロピレン繊維８の配列は、例えば、グラビア印刷により行なうことができる。正極７と負極９を重ねると、図６に示すように、正極７のポリプロピレン繊維８と負極９のポリプロピレン繊維８が交差して接触するため、正負極間の絶縁性の確実性をより高めることができる。角度θは、正負極で同じでも異なっていても良いが、０°〜４５°の範囲にすることが望ましい（０°は正極７または負極９の幅方向Ｘに平行に配置する場合である）。これにより、正負極への電解液の浸透性を確保することができる。
絶縁性物質の長さ、幅（長辺方向及び短辺方向）、間隔、角度等は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、光学顕微鏡等による観測で測定した値の平均値が使用される。
非水電解質電池の一例を図７に示す。図７に示す角型非水電解質電池において、捲回電極群１３は、金属製の有底矩形筒状容器（外装部材）１１内に収納されている。捲回電極群１３は、例えば、負極、セパレータ、正極、セパレータの順で積層した積層物を渦巻状に捲回し、プレス成型することにより形成される。
負極タブ１８は、その一端が負極集電体に電気的に接続され、他端が負極端子２０に電気的に接続されている。負極端子２０は、矩形蓋体１２に負極ガスケット２１を介して固定されている。正極タブ１７は、その一端が正極集電体に電気的に接続され、他端が矩形蓋体１２に固定された正極端子１９に電気的に接続されている。正極タブ１７と負極タブ１８は、それぞれ、正負極集電体との接触抵抗を低減するために、正負極集電体と同様の材料であることが好ましい。
非水電解液は、例えば容器１１の開口部から注入されて、容器１１内に収容されている。容器１１の開口部に矩形蓋体１２を溶接することにより、捲回電極群１３及び非水電解液が容器１１内に封止されている。
なお、図７では、電極群を収納する容器に金属製容器を用いたが、金属製容器の代りにラミネートフィルム製容器を用いることができる。また、図７では、捲回型電極群を用いたが、正極と負極がセパレータを介して交互に積層された積層型電極群を用いても良い。
以下、正極、負極、非水電解液について説明する。
正極は、例えば、正極活物質を含むスラリーをアルミニウム箔もしくはアルミニウム合金箔からなる集電体に塗着し、乾燥し、必要に応じて裁断及びプレスすることにより作製される。正極活物質としては、特に限定されるものではないが、リチウムを吸蔵放出できる酸化物や硫化物、ポリマーなどが使用できる。好ましい活物質としては、高い正極電位が得られるリチウムマンガン複合酸化物、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムコバルト複合酸化物、リチウム燐酸鉄等が挙げられる。また、負極は、負極活物質を含むスラリーをアルミニウム箔もしくはアルミニウム合金箔からなる集電体に塗着、乾燥し、必要に応じて裁断及びプレスすることにより作製される。負極活物質としては、特に限定されるものではないが、リチウムを吸蔵放出できる金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、合金等が使用でき、好ましくは、リチウムイオンの吸蔵放出電位が金属リチウム電位に対して０．４Ｖ以上貴となる物質である。このようなリチウムイオン吸蔵放出電位を有する負極活物質は、アルミニウムもしくはアルミニウム合金とリチウムとの合金反応を抑えられることから、負極集電体および負極関連構成部材へのアルミニウムもしくはアルミニウム合金の使用を可能とする。たとえば、チタン酸化物、リチウムチタン酸化物、タングステン酸化物、アモルファススズ酸化物、スズ珪素酸化物、酸化珪素などがあり、中でもリチウムチタン複合酸化物が好ましい。
非水電解液は、非水溶媒に電解質（例えば、リチウム塩）を溶解させることにより調製された非水電解液が用いられる。非水溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、γ−ブチロラクトン（γ−ＢＬ）、スルホラン、アセトニトリル、１，２−ジメトキシエタン、１，３−ジメトキシプロパン、ジメチルエーテル、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、２−メチルテトラヒドロフラン等を挙げることができる。非水溶媒は、単独で使用しても、２種以上混合して使用してもよい。電解質としては、例えば、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ4）、六フッ過リン酸リチウム（ＬｉＰＦ6）、四フッ化ホウ酸リチウム（ＬｉＢＦ4）、六フッ化砒素リチウム（ＬｉＡｓＦ6）、トリフルオロメタスルホン酸リチウム（ＬｉＣＦ3ＳＯ3）等のリチウム塩を挙げることができる。電解質は単独で使用しても、２種以上混合して使用してもよい。電解質の非水溶媒に対する溶解量は、０．２ｍｏｌ／Ｌ〜３ｍｏｌ／Ｌとすることが望ましい。
これら実施形態の電極によれば、活物質含有層及び集電タブの表面の一部に付着した絶縁性物質を含むため、安全で製造効率の高い電極を提供することができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］
集電体と、
前記集電体に形成される活物質含有層と、
前記集電体と電気的に接続される集電タブと、
前記活物質含有層及び前記集電タブの表面の一部に付着した絶縁性物質と
を含むことを特徴とする電極。
［２］
前記絶縁性物質は、前記活物質含有層及び前記集電タブの表面の一部に散在して付着していることを特徴とする［１］記載の電極。
［３］
前記絶縁性物質は、前記活物質含有層及び前記集電タブの表面の一部に規則性をもって付着していることを特徴とする［１］記載の電極。
［４］
前記絶縁性物質は、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂であることを特徴とする［２］または［３］記載の電極。
［５］
前記絶縁性物質の付着は、バインダー、塗工、スプレー、静電塗装、インクジェット、グラビア印刷、オフセット印刷、スクリーン印刷または転写によるものであることを特徴とする［２］または［３］記載の電極。
［６］
前記絶縁性物質は、直径０．００１μｍ以上１ｍｍ以下の球状粒子、または直径０．００１μｍ以上１ｍｍ以下で、かつ長さ０．００１μｍ以上１０００ｍｍ以下の繊維状粒子、もしくは前記球状粒子と前記繊維状粒子の混合物であることを特徴とする［２］または［３］記載の電極。
［７］
前記絶縁性物質は、単独の粒子か、複数の粒子の集合体の形態で前記活物質含有層及び前記集電タブの表面の一部に付着していることを特徴とする［２］または［３］記載の電極。
［８］
正極及び負極のうち少なくとも一方の電極に、［１］〜［７］いずれか１項記載の電極を用いることを特徴とする電池。
［９］
前記正極及び前記負極に［１］〜［７］いずれか１項記載の電極を用い、前記正極の前記絶縁性物質と前記負極の前記絶縁性物質が互いに接触するように前記正極と前記負極が積層されていることを特徴とする［８］記載の電池。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］
集電体と、
前記集電体に形成される活物質含有層と、
前記集電体と電気的に接続される集電タブと、
前記活物質含有層及び前記集電タブの表面の一部に付着した絶縁性物質と
を含むことを特徴とする電極。
［２］
前記絶縁性物質は、前記活物質含有層及び前記集電タブの表面の一部に散在して付着していることを特徴とする［１］記載の電極。
［３］
前記絶縁性物質は、前記活物質含有層及び前記集電タブの表面の一部に規則性をもって付着していることを特徴とする［１］記載の電極。
［４］
前記絶縁性物質は、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂であることを特徴とする［２］または［３］記載の電極。
［５］
前記絶縁性物質の付着は、バインダー、塗工、スプレー、静電塗装、インクジェット、グラビア印刷、オフセット印刷、スクリーン印刷または転写によるものであることを特徴とする［２］または［３］記載の電極。
［６］
前記絶縁性物質は、直径０．００１μｍ以上１ｍｍ以下の球状粒子、または直径０．００１μｍ以上１ｍｍ以下で、かつ長さ０．００１μｍ以上１０００ｍｍ以下の繊維状粒子、もしくは前記球状粒子と前記繊維状粒子の混合物であることを特徴とする［２］または［３］記載の電極。
［７］
前記絶縁性物質は、単独の粒子か、複数の粒子の集合体の形態で前記活物質含有層及び前記集電タブの表面の一部に付着していることを特徴とする［２］または［３］記載の電極。
［８］
正極及び負極のうち少なくとも一方の電極に、［１］〜［７］いずれか１項記載の電極を用いることを特徴とする電池。
［９］
前記正極及び前記負極に［１］〜［７］いずれか１項記載の電極を用い、前記正極の前記絶縁性物質と前記負極の前記絶縁性物質が互いに接触するように前記正極と前記負極が積層されていることを特徴とする［８］記載の電池。
１，６…電極、２…集電体、３…活物質含有層、４…集電タブ、５…絶縁性物質、５ａ…絶縁性物質粒子、５ｂ…バインダー、７…正極、８…ポリプロピレン繊維、９…負極、１１…容器、１３…電極群、１７…正極タブ、１８…負極タブ、１９…正極端子、２０…負極端子、２１…負極ガスケット。
Claims (6)
- 正極と、負極と、前記正極及び前記負極の間に介在したセパレータと、電解液とを備え、
前記正極は、正極集電体と、前記正極集電体に形成される正極活物質含有層と、前記正極集電体と電気的に接続される正極集電タブとを含み、
前記負極は、負極集電体と、前記負極集電体に形成される負極活物質含有層と、前記負極集電体と電気的に接続される負極集電タブとを含み、
前記セパレータは、前記正極活物質含有層の表面及び前記正極集電タブの表面の一部に、複数箇所に分散して付着した絶縁性物質と、前記負極活物質含有層の表面及び前記負極集電タブの表面の一部に、複数箇所に分散して付着した絶縁性物質とからなり、
前記正極の絶縁性物質の一部と前記負極の絶縁性物質の一部とは、交差するように重なっており、
前記正極及び負極の絶縁性物質は、前記電解液に不溶性の材料からなる非水電解質二次電池。 - 前記正極及び負極の絶縁性物質の少なくとも一方は、前記正極活物質含有層又は前記負極活物質含有層並びに前記正極集電タブ又は前記負極集電タブの表面の一部に規則性をもって付着している請求項１記載の非水電解質二次電池。
- 前記正極及び負極の絶縁性物質の少なくとも一方は、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂である請求項１または２記載の非水電解質二次電池。
- 前記正極及び負極の絶縁性物質の少なくとも一方の付着は、バインダー、塗工、スプレー、静電塗装、インクジェット、グラビア印刷、オフセット印刷、スクリーン印刷または転写によるものである請求項１乃至３のいずれか１項に記載の非水電解質二次電池。
- 前記正極及び負極の絶縁性物質の少なくとも一方は、直径０．００１μｍ以上１ｍｍ以下の球状粒子、または直径０．００１μｍ以上１ｍｍ以下で、かつ長さ０．００１μｍ以上１０００ｍｍ以下の繊維状粒子、もしくは前記球状粒子と前記繊維状粒子の混合物である請求項１乃至４のいずれか１項に記載の非水電解質二次電池。
- 前記正極及び負極の絶縁性物質の少なくとも一方は、単独の粒子か、複数の粒子の集合体の形態にある請求項１乃至４のいずれか１項に記載の非水電解質二次電池。
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