JP2014191876A - Electrode for lithium ion secondary battery, lithium ion secondary battery, and apparatus and method for manufacturing electrode for battery - Google Patents
Electrode for lithium ion secondary battery, lithium ion secondary battery, and apparatus and method for manufacturing electrode for battery Download PDFInfo
- Publication number
- JP2014191876A JP2014191876A JP2013063860A JP2013063860A JP2014191876A JP 2014191876 A JP2014191876 A JP 2014191876A JP 2013063860 A JP2013063860 A JP 2013063860A JP 2013063860 A JP2013063860 A JP 2013063860A JP 2014191876 A JP2014191876 A JP 2014191876A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- active material
- current collector
- electrode
- coating liquid
- lithium ion
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 45
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 45
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 42
- 238000000034 method Methods 0.000 title abstract description 16
- 239000011149 active material Substances 0.000 claims abstract description 185
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 24
- 230000037431 insertion Effects 0.000 claims abstract description 16
- 238000003780 insertion Methods 0.000 claims abstract description 15
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 7
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 100
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 99
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 75
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 41
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 claims description 21
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 20
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 13
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 9
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 9
- 239000007774 positive electrode material Substances 0.000 claims description 8
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 7
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000003795 desorption Methods 0.000 claims description 5
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims description 5
- 238000005275 alloying Methods 0.000 claims description 4
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 claims description 4
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000010030 laminating Methods 0.000 claims description 2
- 150000003377 silicon compounds Chemical class 0.000 claims description 2
- 206010048010 Withdrawal syndrome Diseases 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 45
- 239000007773 negative electrode material Substances 0.000 description 13
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 5
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 5
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 5
- -1 LiMnPO 4 Inorganic materials 0.000 description 4
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 4
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 3
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 3
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 3
- 229910012851 LiCoO 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 2
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 2
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 description 2
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 2
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 2
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 2
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 2
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 2
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 2
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 2
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 2
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 description 2
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 2
- 229920000036 polyvinylpyrrolidone Polymers 0.000 description 2
- 239000001267 polyvinylpyrrolidone Substances 0.000 description 2
- 235000013855 polyvinylpyrrolidone Nutrition 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 2
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 2
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 description 2
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OIFBSDVPJOWBCH-UHFFFAOYSA-N Diethyl carbonate Chemical compound CCOC(=O)OCC OIFBSDVPJOWBCH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- KMTRUDSVKNLOMY-UHFFFAOYSA-N Ethylene carbonate Chemical compound O=C1OCCO1 KMTRUDSVKNLOMY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010707 LiFePO 4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910015643 LiMn 2 O 4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002995 LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910014422 LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910013290 LiNiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910013870 LiPF 6 Inorganic materials 0.000 description 1
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920003171 Poly (ethylene oxide) Polymers 0.000 description 1
- 239000004962 Polyamide-imide Substances 0.000 description 1
- 239000004793 Polystyrene Substances 0.000 description 1
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000006230 acetylene black Substances 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 description 1
- WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N antimony atom Chemical compound [Sb] WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 description 1
- RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N arsenic atom Chemical compound [As] RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012752 auxiliary agent Substances 0.000 description 1
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 description 1
- 239000011889 copper foil Substances 0.000 description 1
- 230000001351 cycling effect Effects 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 239000010419 fine particle Substances 0.000 description 1
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000006713 insertion reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002346 layers by function Substances 0.000 description 1
- 229910003002 lithium salt Inorganic materials 0.000 description 1
- 159000000002 lithium salts Chemical class 0.000 description 1
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052752 metalloid Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002738 metalloids Chemical class 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920002312 polyamide-imide Polymers 0.000 description 1
- 229920005596 polymer binder Polymers 0.000 description 1
- 239000002491 polymer binding agent Substances 0.000 description 1
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 description 1
- 229920002223 polystyrene Polymers 0.000 description 1
- HNJBEVLQSNELDL-UHFFFAOYSA-N pyrrolidin-2-one Chemical compound O=C1CCCN1 HNJBEVLQSNELDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 239000002210 silicon-based material Substances 0.000 description 1
- 238000009751 slip forming Methods 0.000 description 1
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 1
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 229920003048 styrene butadiene rubber Polymers 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Secondary Cells (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
Abstract
Description
この発明は、リチウムイオン二次電池に好適な電極の構造および該構造を有する電極を製造するための技術に関するものである。 The present invention relates to a structure of an electrode suitable for a lithium ion secondary battery and a technique for producing an electrode having the structure.
リチウムイオン二次電池における負極活物質材料としては、放電電位が低く比較的比容量が大きい炭素材料が広く実用化されている。一方、電池容量のさらなる増大を図るため、近年では、例えばシリコンやスズなどが活物質材料として注目されるようになってきている。これらの材料はリチウムと合金化反応することによりリチウムを吸蔵するものであり、炭素材料よりも相当に大きな理論容量を有している。しかしながら、これらの材料はリチウムの挿入脱離反応における体積変化が大きく、充放電を繰り返すことによって材料の崩壊が進むためサイクル寿命が短いという問題があり、二次電池用の材料として実用化されるには至っていない。 As a negative electrode active material in a lithium ion secondary battery, a carbon material having a low discharge potential and a relatively large specific capacity has been widely put into practical use. On the other hand, in order to further increase the battery capacity, in recent years, for example, silicon and tin have been attracting attention as active material materials. These materials occlude lithium by an alloying reaction with lithium, and have a considerably larger theoretical capacity than carbon materials. However, these materials have a large volume change in the insertion / extraction reaction of lithium, and there is a problem that the cycle life is short due to the progress of material decay due to repeated charge / discharge, and it is put to practical use as a material for a secondary battery. It has not reached.
この問題に対応するため、例えば特許文献1に記載の技術では、互いに空隙率が異なる複数層を有するとともにポリマー結着剤を含む負極活物質層を形成し、層内に形成された空隙によって膨張および収縮時の体積変化を緩和している。ただし、この技術における負極活物質層は表面が平坦なものであり活物質使用量に対して表面積が小さく、また内部の空隙率が大きいことから高速充放電特性の点では改善の余地がある。
In order to cope with this problem, for example, in the technique described in
一方、本願出願人らは、活物質層の表面積を増大させて充放電特性を向上させるべく、表面に凹凸を有する立体構造の活物質層を形成する方法として、特許文献2に記載の技術を先に開示している。この技術では、塗布方式としてノズルスキャン方式を採用し、集電体として機能する基材に対し多数の吐出口を配列したノズルを相対移動させながら、各吐出口から活物質材料を含む塗布液を連続的に吐出させることで塗布液を基材表面にライン状に塗布する。これにより、基材表面に沿ってライン状の活物質パターンが多数並んだ、いわゆるラインアンドスペース構造の活物質層を形成している。このような構造では、使用活物質量に対する表面積を大きく取ることができるので、より充放電特性の良好な電極を構成することが可能である。
On the other hand, the applicants of the present application described the technique described in
例えばシリコン系材料のような体積変化の大きい活物質材料を用い、特許文献2に記載の技術でラインアンドスペース構造の活物質層を作成することで、材料の持つ高容量特性と立体構造の持つ高速充放電特性とを両立させることが期待される。しかしながら、本願発明者らの知見によれば、表面積の増大によってリチウムイオンの挿入・脱離が各所で活発に行われるようになるため、依然として膨張・収縮に起因する活物質層の劣化の問題が残り、サイクル特性に関してはさらなる改善が求められる。
For example, by using an active material material having a large volume change such as a silicon-based material and creating an active material layer having a line-and-space structure by the technique described in
この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、高容量および優れた充放電特性を有し、しかもサイクル特性も良好である電池用電極およびその製造技術を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a battery electrode having high capacity, excellent charge / discharge characteristics, and good cycle characteristics, and a manufacturing technique thereof.
この発明にかかるリチウムイオン二次電池用電極は、上記目的を達成するため、集電体と、第1の活物質を含み集電体表面の複数箇所においてそれぞれ集電体表面から突出する複数の凸部を有する第1活物質構造体と、第1の活物質と組成が異なる第2の活物質を含み、集電体表面の複数箇所においてそれぞれ集電体表面から突出する複数の凸部を有し、集電体表面において第1活物質構造体とは配置された第2活物質構造体とを備え、しかも、第1の活物質は理論容量が第2の活物質よりも大きく、かつ、第2の活物質はリチウムイオン挿入脱離反応における体積変化が第1の活物質よりも小さい。 In order to achieve the above object, an electrode for a lithium ion secondary battery according to the present invention includes a current collector and a plurality of first active materials and a plurality of protrusions protruding from the current collector surface at a plurality of locations on the current collector surface. A first active material structure having a convex portion and a second active material having a composition different from that of the first active material, and a plurality of convex portions protruding from the current collector surface at a plurality of locations on the current collector surface, respectively The first active material structure is disposed on the current collector surface, and the first active material has a theoretical capacity larger than that of the second active material, and The second active material has a smaller volume change in the lithium ion insertion / release reaction than the first active material.
このように構成された発明では、第1活物質構造体および第2活物質構造体のそれぞれが集電体表面から突出する複数の凸部を有しており、活物質の使用量に対して表面積を大きく取ることができるので、充放電特性の優れた電極を構成することができる。また、理論容量が大きい第1の活物質を含む第1活物質構造体を備えることにより、高容量が得られる。ここで、理論容量が大きい活物質はリチウムイオン挿入脱離反応における体積変化も大きい傾向があるから、活物質として第1の活物質のみを含む電極においては活物質の崩壊に起因するサイクル特性の悪化が問題となる。 In the invention configured as described above, each of the first active material structure and the second active material structure has a plurality of protrusions protruding from the surface of the current collector. Since the surface area can be increased, an electrode having excellent charge / discharge characteristics can be formed. Moreover, high capacity | capacitance is obtained by providing the 1st active material structure containing the 1st active material with a large theoretical capacity | capacitance. Here, since an active material having a large theoretical capacity tends to have a large volume change in the lithium ion insertion / release reaction, an electrode including only the first active material as an active material has cycle characteristics resulting from the collapse of the active material. Deterioration becomes a problem.
そこで、この発明では、理論容量は小さいが体積変化のより少ない第2の活物質による第2活物質構造体を併設している。第2の活物質が第1の活物質とともにリチウムイオンの吸蔵・放出を担うことで、第1の活物質の膨張・収縮が緩和され、サイクル特性が改善される。すなわち、この発明にかかるリチウムイオン二次電池用電極は、高容量および優れた充放電特性を有し、しかもサイクル特性も良好なものである。 Therefore, in the present invention, the second active material structure is provided side by side with the second active material having a small theoretical capacity but a smaller volume change. Since the second active material, together with the first active material, is responsible for occlusion / release of lithium ions, the expansion / contraction of the first active material is relaxed, and the cycle characteristics are improved. That is, the electrode for a lithium ion secondary battery according to the present invention has high capacity, excellent charge / discharge characteristics, and good cycle characteristics.
また、この発明にかかる電池用電極製造装置は、上記目的を達成するため、集電体として機能する基材を保持する保持手段と、第1の活物質を含む第1塗布液と、第1の活物質とは組成の異なる第2の活物質を含む第2塗布液とをそれぞれ個別に吐出して基材に塗布する塗布手段と、基材と塗布手段とを所定の相対移動方向に相対移動させる相対移動手段とを備え、塗布手段は、相対移動方向と直交する方向において交互に第1塗布液と第2塗布液とを基材に塗布する。 In order to achieve the above object, a battery electrode manufacturing apparatus according to the present invention includes a holding means for holding a base material functioning as a current collector, a first coating liquid containing a first active material, A coating means for individually applying a second coating liquid containing a second active material having a composition different from that of the active material, and coating the base material and the coating means in a predetermined relative movement direction. Relative movement means for moving, and the coating means alternately coats the first coating liquid and the second coating liquid on the substrate in a direction orthogonal to the relative movement direction.
このように構成された発明では、第1塗布液として上記した第1の活物質を含むものを、また第2塗布液として上記した第2の活物質を含むものを用いることで、上記構成および特性を有するリチウムイオン二次電池用電極を効率よく製造することが可能である。 In the invention configured as described above, by using the first coating liquid containing the first active material as described above and the second coating liquid containing the second active material as described above, It is possible to efficiently produce a lithium ion secondary battery electrode having characteristics.
この電池用電極製造装置において、塗布手段は、例えば、第1塗布液を連続的に送出可能な複数の第1吐出口と第2塗布液を連続的に送出可能な複数の第2吐出口とが相対移動方向に直交する方向に交互に配列されたノズル体を備える構成であってもよい。このような構成では、単一のノズル体を用いて第1の活物質による構造体と第2の活物質による構造体とを形成することができる。 In this battery electrode manufacturing apparatus, the coating means includes, for example, a plurality of first discharge ports capable of continuously sending the first coating liquid and a plurality of second discharge ports capable of continuously sending the second coating liquid. May be configured to include nozzle bodies alternately arranged in a direction orthogonal to the relative movement direction. In such a configuration, the structure body made of the first active material and the structure body made of the second active material can be formed using a single nozzle body.
また例えば、塗布手段は、第1塗布液を連続的に送出可能な複数の第1吐出口が相対移動方向に直交する方向に配列された第1ノズル体と、相対移動方向において第1ノズル体と異なる位置に配置され、第2塗布液を連続的に送出可能な複数の第2吐出口が相対移動方向に直交する方向に配列された第2ノズル体とを備え、相対移動方向に直交する方向における複数の第1吐出口の位置と複数の第2吐出口の位置とが互いに異なる構成であってもよい。このような構成では、第1および第2ノズル体はそれぞれ単一の塗布液を吐出可能な構成であればよく、このような構成としては公知のものを適用することが可能である。 Further, for example, the coating means includes a first nozzle body in which a plurality of first discharge ports capable of continuously delivering the first coating liquid are arranged in a direction orthogonal to the relative movement direction, and the first nozzle body in the relative movement direction. And a plurality of second discharge ports arranged continuously in a direction perpendicular to the relative movement direction, and orthogonal to the relative movement direction. The positions of the plurality of first discharge ports and the positions of the plurality of second discharge ports in the direction may be different from each other. In such a configuration, each of the first and second nozzle bodies only needs to have a configuration capable of discharging a single coating liquid, and a known configuration can be applied as such a configuration.
また例えば、これらの電極製造装置においては、例えば、ロール状に巻回された長尺シート状の基材を保持するとともに該ロールから引き出される基材を一定速度で巻き取る1対のローラ部材を備え、該ローラ部材が保持手段および相対移動手段としての機能を有する構成であってもよい。このような構成では、長尺シート状の基材に上記した第1活物質構造体および第2活物質構造体を連続的に形成することで、上記のような優れた特性を有するリチウムイオン二次電池用電極を効率よく生産することが可能である。 Further, for example, in these electrode manufacturing apparatuses, for example, a pair of roller members that hold a long sheet-like base material wound in a roll shape and wind up the base material drawn from the roll at a constant speed are provided. The roller member may have a function as a holding unit and a relative moving unit. In such a configuration, the first active material structure and the second active material structure described above are continuously formed on a long sheet-like base material, so that the lithium ion secondary battery having the above excellent characteristics can be obtained. It is possible to efficiently produce secondary battery electrodes.
また、この発明にかかる電池用電極製造方法は、上記目的を達成するため、集電体として機能する基材の表面に第1の活物質を含む第1塗布液を塗布して、集電体表面の複数箇所においてそれぞれ集電体表面から突出する複数の凸部を有する第1活物質構造体を形成する工程と、基材の表面に、リチウムイオン挿入脱離反応における体積変化および理論容量が第1の活物質よりも小さい第2の活物質を含む第2塗布液を塗布して、集電体表面の複数箇所においてそれぞれ集電体表面から突出する複数の凸部を有する第2活物質構造体を形成する工程とを備え、第1活物質構造体と第2活物質構造体とを集電体表面において互いに離隔して形成する。 In addition, in order to achieve the above object, the battery electrode manufacturing method according to the present invention applies a first coating liquid containing a first active material to the surface of a base material that functions as a current collector. A step of forming a first active material structure having a plurality of convex portions projecting from the current collector surface at a plurality of locations on the surface, and a volume change and a theoretical capacity in a lithium ion insertion / desorption reaction on the surface of the substrate; A second active material having a plurality of protrusions that protrude from the current collector surface at a plurality of locations on the current collector surface by applying a second coating liquid containing a second active material smaller than the first active material Forming a structure, and forming the first active material structure and the second active material structure separately from each other on the current collector surface.
このように構成された発明では、上記のように優れた特性を有するリチウムイオン二次電池用電極を効率的に製造することが可能である。なお、第1活物質構造体を形成する工程と、第2活物質構造体を形成する工程とはいずれが先に実行されてもよく、また同時に実行されてもよい。 In the invention configured as described above, it is possible to efficiently manufacture an electrode for a lithium ion secondary battery having excellent characteristics as described above. In addition, any of the process of forming a 1st active material structure and the process of forming a 2nd active material structure may be performed previously, and may be performed simultaneously.
上記した各発明においては、例えば、第1活物質構造体の凸部のそれぞれは集電体表面に沿った所定の延設方向に延設されたライン状に形成される一方、第2活物質構造体の凸部のそれぞれは延設方向に延設されたライン状に形成され、延設方向に直交する方向において、第1活物質構造体の凸部と第2活物質構造体の凸部とが交互に配置された構成であってもよい。 In each of the above-described inventions, for example, each of the protrusions of the first active material structure is formed in a line extending in a predetermined extending direction along the current collector surface, while the second active material Each of the convex portions of the structure is formed in a line extending in the extending direction, and in the direction orthogonal to the extending direction, the convex portion of the first active material structure and the convex portion of the second active material structure And may be arranged alternately.
このような構成では、各々がライン状に形成された第1活物質構造体の凸部はライン延設方向と直交する方向、つまりライン断面を拡張する方向に膨張し、しかも各凸部の周囲に体積変化を吸収する空間があるので、第1活物質構造体の崩壊が抑制される。そして、第1活物質構造体の凸部に隣接して第2活物質構造体の凸部が設けられているので、リチウムイオンの吸蔵を効果的に分担させることができる。これらの特徴により、サイクル特性がさらに改善される。 In such a configuration, the convex portions of the first active material structures each formed in a line shape expand in a direction orthogonal to the line extending direction, that is, a direction of expanding the line cross section, and around each convex portion. Since there is a space for absorbing the volume change, the collapse of the first active material structure is suppressed. And since the convex part of a 2nd active material structure is provided adjacent to the convex part of a 1st active material structure, occlusion of lithium ion can be shared effectively. These characteristics further improve the cycle characteristics.
また例えば、延設方向に直交する断面における第2活物質構造体の凸部の断面積が、延設方向における第1活物質構造体の凸部の断面積よりも大きい構成であってもよい。第1の活物質に比べて第2の活物質は理論容量が小さいため、電極としての容量は第1の活物質のみで構成された同構造の電極に比べると小さくなる。第2活物質構造体の凸部の断面積を大きくすることで理論容量の低さを補って、電極容量の低下を抑えることができる。 For example, the cross-sectional area of the convex part of the 2nd active material structure in the cross section orthogonal to the extending direction may be larger than the cross-sectional area of the convex part of the 1st active material structure in the extending direction. . Since the second active material has a smaller theoretical capacity than the first active material, the capacity as an electrode is smaller than that of an electrode having the same structure constituted only by the first active material. By increasing the cross-sectional area of the convex portion of the second active material structure, it is possible to compensate for the low theoretical capacity and suppress the decrease in electrode capacity.
この場合、例えば、第1の活物質の単位体積当たりの理論容量をQ1、第1活物質構造体の凸部のうち集電体表面に接触する部分の幅および集電体表面からの高さをそれぞれW1およびH1とし、第2の活物質の単位体積当たりの理論容量をQ2、第2活物質構造体の凸部のうち集電体表面に接触する部分の幅および集電体表面からの高さをそれぞれW2およびH2としたとき、以下の関係式:
W1・H1≦W2・H2・(Q2/Q1)
の関係が成立する構成であってもよい。詳しくは後述するが、このような構成では、第1の活物質のみを活物質とする電極と同等の容量を得られ、しかもサイクル特性はより優れたものとなる。
In this case, for example, the theoretical capacity per unit volume of the first active material is Q1, the width of the convex portion of the first active material structure that contacts the current collector surface, and the height from the current collector surface Is W1 and H1, respectively, the theoretical capacity per unit volume of the second active material is Q2, the width of the portion of the convex portion of the second active material structure that contacts the current collector surface and the current from the current collector surface When the height is W2 and H2, respectively, the following relational expression:
W1 / H1 ≦ W2 / H2 (Q2 / Q1)
A configuration in which the above relationship is established may be adopted. Although details will be described later, in such a configuration, a capacity equivalent to that of an electrode using only the first active material as an active material can be obtained, and the cycle characteristics are further improved.
また例えば、第1の活物質は、リチウムとの合金化反応によりリチウムを吸蔵する材料を含むものであってもよい。このような形でリチウムを吸蔵するタイプの活物質材料は一般的に高容量であるが体積変化が大きい。したがってこのような材料を用いる電極に本発明を適用した場合、上記した作用効果は特に顕著なものとなる。より具体的には、第1の活物質として、シリコンまたはシリコン化合物を含むものを好適に使用可能である。 For example, the first active material may include a material that occludes lithium by an alloying reaction with lithium. An active material of a type that occludes lithium in such a form generally has a high capacity but a large volume change. Therefore, when the present invention is applied to an electrode using such a material, the above-described effects are particularly remarkable. More specifically, a material containing silicon or a silicon compound can be suitably used as the first active material.
一方、第2の活物質としては、例えばカーボンまたは金属酸化物を含むものとすることができる。これらの活物質材料は結晶格子内にリチウムを吸蔵するタイプのものであり、容量は大きくできないが体積変化も小さい。したがって本発明の第2の活物質として特に好適なものである。 On the other hand, as the second active material, for example, carbon or a metal oxide can be included. These active material materials are of a type that occludes lithium in the crystal lattice, and the capacity cannot be increased, but the volume change is small. Therefore, it is particularly suitable as the second active material of the present invention.
また、この発明にかかるリチウムイオン二次電池は、上記目的を達成するため、上記したいずれかのリチウムイオン二次電池用電極と同一構成を有する負極電極と、電解質層と、正極活物質層および正極集電体が積層されてなる正極電極とが順番に積層された構造を有している。このように構成された発明では、上記したように高容量、高速充放電特性および優れたサイクル特性を兼備する負極電極を備えることで、これらの特性が良好なリチウムイオン二次電池を構成することが可能である。 In order to achieve the above object, a lithium ion secondary battery according to the present invention has a negative electrode having the same configuration as any of the above-described lithium ion secondary battery electrodes, an electrolyte layer, a positive electrode active material layer, It has a structure in which a positive electrode formed by laminating a positive electrode current collector is laminated in order. In the invention configured as described above, by providing the negative electrode having both high capacity, high-speed charge / discharge characteristics and excellent cycle characteristics as described above, a lithium ion secondary battery having good characteristics can be configured. Is possible.
この発明によれば、理論容量の大きい第1の活物質による第1活物質構造体と、これに比して容量は劣るがリチウム挿入脱離反応における体積変化の少ない第2の活物質による第2活物質構造体とを集電体表面に混在させることで、高容量および優れた充放電特性を有し、しかもサイクル特性が良好な電池用電極を提供することが可能となる。 According to the present invention, the first active material structure having the first active material having a large theoretical capacity, and the second active material having a smaller capacity than the first active material structure but having a small volume change in the lithium insertion / elimination reaction can be obtained. By mixing the two active material structures on the surface of the current collector, it is possible to provide a battery electrode having high capacity, excellent charge / discharge characteristics, and good cycle characteristics.
図1はこの発明を用いて製造される電池の構成例を示す図である。より詳しくは、図1(a)は負極電極としてこの発明にかかるリチウムイオン二次電池用電極の一実施形態を採用したリチウムイオン二次電池モジュールの断面構造を示す模式図であり、図1(b)はその負極電極を示す斜視図である。このリチウムイオン二次電池モジュール1は、負極集電体11の上に負極活物質層12と、電解質層13と、正極活物質層16および正極集電体17を含む正極電極15とを順番に積層した構造を有している。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a battery manufactured using the present invention. More specifically, FIG. 1A is a schematic diagram showing a cross-sectional structure of a lithium ion secondary battery module that employs an embodiment of an electrode for a lithium ion secondary battery according to the present invention as a negative electrode, and FIG. b) is a perspective view showing the negative electrode. In this lithium ion
図1(b)は負極集電体11表面に負極活物質層12を形成してなる負極電極10の構造を示している。図1(b)に示すように、負極活物質層12は図1(a)の紙面に垂直な方向に沿って延びるライン状のパターン121,122が図1(a)における左右方向に一定間隔を空けて多数並んだ、ラインアンドスペース構造となっている。より詳しくは、負極活物質層12は、比較的幅の狭い第1ライン121と、より幅の広い第2ライン122とが負極集電体11表面に交互に並んだ構造となっている。この例では第1ライン121と第2ライン122との集電体11表面からの高さは同じであるが、これに限定されない。
FIG. 1B shows the structure of a
上記構造を有する負極活物質層12は電解質層13を介して正極活物質層16と対向している。正極活物質層16は正極活物質材料により正極集電体17の表面に形成された略一様な厚さの薄膜である。電解質層13としては、正極電極15と負極電極10との間隙空間に充填された固体電解質によるもの、セパレータと電解液とにより構成されるもののいずれであってもよい。こうして形成されたリチウムイオン二次電池モジュール1に適宜タブ電極が設けられたり、複数のモジュールが積層されてパッケージに収容され、リチウムイオン二次電池Bが構成される。
The negative electrode
ここで、リチウムイオン二次電池モジュール1の各層を構成する材料として、正極集電体17、負極集電体11としては例えばアルミニウム箔、銅箔をそれぞれ用いることができる。また、正極活物質層16を構成する活物質材料としては、正極活物質として公知の材料、例えばLiCoO2(LCO)を主体とするもの、LiNiO2またはLiFePO4、LiMnPO4、LiMn2O4、またLiMeO2(Me=MxMyMz;Me、Mは遷移金属、x+y+z=1)で代表的に示される化合物、例えばLiNi1/3Mn1/3Co1/3O2、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2などを用いることができる。
Here, as the material constituting each layer of the lithium ion
また、電解質層13を構成するセパレータとしては例えばポリプロピレン(PP)シートを、電解液としては例えば、支持塩としてのリチウム塩、例えば六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を含むエチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合物(EC/DEC)を用いることができる。また、電解質層13を固体電解質により構成する場合には、例えばポリエチレンオキサイドとポリスチレンとの共重合体を用いることができる。なお、各機能層の材質についてはこれらに限定されるものではない。
The separator constituting the
一方、負極活物質層12は、2種類の活物質材料により構成される。より具体的には、負極活物質層12を構成する第1ライン121と第2ライン122とはそれぞれ異なる組成の活物質材料を有している。このうち幅の狭い第1ライン121は、比較的理論容量の大きい活物質材料(以下、「第1の活物質」と称する)を含む。理論容量の大きな負極用活物質材料としては、リチウムとの合金化反応によりリチウムを吸蔵するタイプのものが知られている。代表的には例えばシリコン(Si)およびその化合物(例えばSiO)、スズ(Sn)およびその化合物(例えばSnO)などである。これ以外に、リチウム金属と合金を形成する金属または半金属として、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、アルミニウム(Al)、ゲルマニウム(Ge)、鉛(Pb)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)などがある。以下ではその一例として単結晶シリコン微粒子を採り上げる。
On the other hand, the negative electrode
第1ライン121より幅広の第2ライン122は、第1ライン121を構成する活物質より理論容量は小さいものの、リチウム挿入および脱離時の体積変化がより小さい活物質材料(以下、「第2の活物質」と称する)を含む。理想的には体積変化がほぼないことが望ましい。リチウム挿入脱離反応における体積変化の小さい材料としては、結晶格子間にリチウムを吸蔵するタイプのものが知られており、例えば黒鉛のようなカーボン系材料や金属酸化物系活物質などが代表的である。金属酸化物としては、例えばLi4Ti5O12(LTO)、Nb2O5、TiO2、WO2、MoO2、Fe2O3などがある。以下ではその一例として黒鉛を採り上げる。
The
第1ライン121を構成する例えばシリコンのような理論容量の大きな活物質は、一般的にリチウム挿入脱離反応における体積変化も大きい。このような材料を負極活物質として用いる場合、充放電に伴う膨張・収縮により活物質層の崩壊が進行するため、サイクル寿命が短いという問題がある。特に、本実施形態のラインアンドスペース構造のように活物質層を立体的な構造として表面積を増大させている場合、表面積の増大に伴って充放電特性が向上し、またライン間の空隙により膨張を吸収することができる。しかしながら、活物質層へのリチウムイオンの挿入・脱離が表面各所で活発になることで膨張・収縮が激しくなるため、依然としてサイクル特性の改善が必要である。
The active material having a large theoretical capacity such as silicon constituting the
そこで、この実施形態では、例えばシリコンのような理論容量は大きいが体積変化の大きい第1の活物質により構成された第1ライン121と、例えば黒鉛のような理論容量は小さいが体積変化も少ない第2の活物質により構成された第2ライン122とを混在させて負極集電体11上に形成することで、高容量と高速充放電特性とを確保しながらサイクル特性の改善が図られている。
Therefore, in this embodiment, for example, the
この実施形態の負極電極10は、理論容量の大きな第1の活物質により、所定方向に延設された複数の第1ライン121を有する。活物質層が互いに離隔した複数のライン状に形成されることで、リチウム挿入による膨張は主としてラインの延設方向に直交する方向、つまりラインの断面を拡張させる方向に生じる。このようにラインの膨張方向が規制されており、しかも各ラインの周囲に膨張を吸収することができる空間が設けられているため、ランダムな方向への膨張を許容する場合に比べて活物質層の崩壊が起こりにくい。
The
また、活物質層12を構成するラインの一部をより体積変化の小さい第2の活物質により構成した第2ライン122としリチウムを吸蔵する作用を担わせることで、第1ライン121の体積変化はより緩和される。特に第1ライン121に隣接して第2ライン122を配置する、つまり第1ライン121と第2ライン122とを交互に並べた場合、リチウムイオンの吸蔵を第1ライン121と第2ライン122とに効果的に分散して担わせることができる。
Moreover, the volume change of the
また第2ライン122は膨張が少ないため、第1ライン121と第2ライン122との空隙の大部分を第1ライン121の膨張吸収のために供することができる。また隣接するラインが共に膨張する場合に比べてライン間の空隙を小さくしてラインの密度を高めることができる。また、第1ライン121と第2ライン122とを互いに離隔配置しておくことで、第1ライン121の膨張を許容するとともに、第2ライン122が膨張した第1ライン121による側方からの押圧力を受けて崩壊するのを防止することができる。
In addition, since the
このように、負極活物質層12を上記構造とすることで、高容量および優れた充放電特性とともに、良好なサイクル特性を有する電極を構成することができる。サイクル特性の改善は、上記した立体構造により第1ライン121の崩壊自体を抑制する効果と、体積変化の少ない第2ライン122が電極全体としての容量低下の進行を緩やかにする効果とによるものである。ただし、第2ライン122は理論容量の小さい活物質材料を含むため、理論容量の大きい材料で構成されたラインの一部を単に置き換えるだけでは電極全体としての容量が減少してしまう。これを回避するためのライン寸法の設計について、次に説明する。
Thus, the electrode which has a favorable cycling characteristic can be comprised with high capacity | capacitance and the outstanding charging / discharging characteristic by making the negative electrode
図2は容量の減少を回避するために必要なラインの寸法を示す図である。図において点線は第1ライン121がリチウム挿入により膨張した状態を模式的に示す。まず、図2(a)に示すように、活物質層を構成するラインの全てが高理論容量の活物質材料で形成された第1ライン121である場合を考える。各第1ライン121は同一の断面形状を有するものとし、集電体11に接する部分におけるライン幅を符号W1、集電体11表面からの高さを符号H1で表す。
FIG. 2 is a diagram showing the dimensions of a line necessary for avoiding a decrease in capacity. In the figure, a dotted line schematically shows a state in which the
第1の活物質の単位体積当たりの理論容量をQ1としたとき、紙面に垂直な方向における単位長さ当たりの第1ライン121の容量C1は次式:
C1=W1・H1・Q1 … (式1)
により表すことができる。
When the theoretical capacity per unit volume of the first active material is Q1, the capacity C1 of the
C1 = W1, H1, Q1 (Formula 1)
Can be represented by
一方、図2(b)に示すように、活物質層を構成するラインのうち半分をより理論容量の低い第2ライン122に置き換えた場合を考える。第2ライン122の集電体11に接する部分におけるライン幅を符号W2、集電体11表面からの高さを符号H2で表す。第2ライン122を構成する第2の活物質の単位体積当たりの理論容量をQ2(<Q1)としたとき、紙面に垂直な方向における単位長さ当たりの第2ライン122の容量C2は次式:
C2=W2・H2・Q2 … (式2)
により表すことができる。置き換えによる容量の減少を回避するためには、(式2)で表される容量C2が(式1)で表される容量C1以上であることが必要である。これらの条件から次式:
W1・H1≦W2・H2・(Q2/Q1) … (式3)
が得られる。なお、第1ライン121と第2ライン122との間に隙間を確保するために、各ライン幅とラインピッチPとの間で次式:
W2<(2P−W1) … (式4)
の関係が満たされる必要がある。なお、リチウム吸蔵に伴って第1ライン121の幅が例えば最大n倍にまで膨張すると考えた場合、最大まで膨張した状態でも第1ライン121と第2ライン122とが接触しないための条件は、次式:
W2<(2P−n・W1) … (式5)
により表される。
On the other hand, as shown in FIG. 2B, a case is considered in which half of the lines constituting the active material layer is replaced with a
C2 = W2, H2, Q2 (Formula 2)
Can be represented by In order to avoid a decrease in capacity due to replacement, the capacity C2 expressed by (Expression 2) needs to be equal to or greater than the capacity C1 expressed by (Expression 1). From these conditions:
W1 / H1 ≦ W2 / H2 (Q2 / Q1) (Formula 3)
Is obtained. In addition, in order to secure a gap between the
W2 <(2P-W1) (Formula 4)
The relationship needs to be satisfied. In addition, when it thinks that the width | variety of the
W2 <(2P-n · W1) (Formula 5)
It is represented by
以上より、第1ライン121と第2ライン122とを同じ高さとした場合、理論容量が小さい第2の活物質を含む第2ライン122の幅W2を第1ライン121の幅W1よりも大きくする必要がある。原理的には、上記(式3)により示されるように、理論容量の大きさに応じてラインの断面積が調整されれば足りる。そして、電解質層13と接する第2ライン122の表面積が増大することで、電解質層13中のリチウムイオンを効率よく吸蔵することが可能となり、第1ライン121が吸蔵すべきリチウムイオンの量を減らしてその膨張を緩和することができる。
As described above, when the
次に、上記のような構造を有する負極電極10を製造するための技術について説明する。このようなラインアンドスペース構造の活物質層を形成するための技術としては、例えば本願出願人が前述の特許文献2(特開2011−258367号公報)において先に開示したように、いわゆるノズルスキャン方式の塗布技術を応用することが可能である。
Next, a technique for manufacturing the
図3はこの発明にかかる電極製造装置の2つの実施形態を示す模式図である。より詳しくは、図3(a)はこの発明にかかる電極製造装置の第1実施形態の主要構成を示す図であり、図3(b)はこの発明にかかる電極製造装置の第2実施形態の主要構成を示す図である。 FIG. 3 is a schematic view showing two embodiments of the electrode manufacturing apparatus according to the present invention. More specifically, FIG. 3 (a) is a diagram showing a main configuration of the first embodiment of the electrode manufacturing apparatus according to the present invention, and FIG. 3 (b) is a diagram of the second embodiment of the electrode manufacturing apparatus according to the present invention. It is a figure which shows main structures.
第1実施形態の電極製造装置100は、完成後の電極および電池において負極集電体11として機能する金属製のシートSを基材として、その表面に活物質材料を塗布して活物質層を形成することで、集電体と活物質とが積層された電池用電極10を製造するための装置である。なお、シートSとしては単体の金属箔または薄板でもよいが、キャリアとしての例えば樹脂製シートに金属箔を貼り合わせたものや化学的に金属を析出させたものなどを好適に用いることができる。
The
以後の説明のために、図3に示すようにXYZ座標軸を設定する。ここでXY平面が水平面であり、Z軸は鉛直軸と一致する。Z軸における正方向は鉛直上向き方向である。 For the following explanation, XYZ coordinate axes are set as shown in FIG. Here, the XY plane is a horizontal plane, and the Z axis coincides with the vertical axis. The positive direction on the Z-axis is a vertically upward direction.
電極製造装置100は、ロール状に巻回された活物質形成前のシートSを保持するとともにシートSを一定速度で送り出す供給ローラ101と、活物質層が形成された後のシートSを巻き取る巻き取りローラ102とを備えている。シートSはこれらのローラに掛け渡されており、ローラの回転に伴って矢印方向Dtに一定速度で搬送される。図3の例では、供給ローラ101および巻き取りローラ102はそれぞれX軸と平行な回転軸を有しており、ローラ101,102が回転することで、シートSはY軸に平行な方向に搬送される。すなわち、この例ではシートSの搬送方向DtはY方向である。
The
この電極製造装置100には装置各部の動作を制御する制御ユニット110が設けられており、ローラ101,102は制御ユニット110に設けられた搬送制御部114からの制御指令に応じて回転してシートSを搬送する。
The
搬送方向Dtに搬送されるシートSの搬送経路に沿って、その上流側から順に、第1塗布ノズル150、第2塗布ノズル160および乾燥用ヒータ170が、それぞれシートSの上面に対向するように配置されている。したがって、シートS表面の1点に着目すると、当該点は供給ローラ101から送り出されて第1塗布ノズル150との対向位置、第2塗布ノズル160との対向位置および乾燥用ヒータ170との対向位置を順番に通過することになる。シートS下面側で第1塗布ノズル150および第2塗布ノズル160に対応する位置には、それぞれバックアップローラ103および104が設けられている。
Along the conveyance path of the sheet S conveyed in the conveyance direction Dt, the
第1塗布ノズル150は、制御ユニット110に設けられた第1塗布液供給部111から圧送される第1の活物質を含むペースト状の第1塗布液の供給を受けて、該塗布液を下面の吐出口から吐出してシートS表面に塗布する。第1塗布液供給部111は、第1塗布液を貯留する貯留部と、第1塗布ノズル150への第1塗布液の圧送およびその停止を司る例えばモーノポンプなどの送液部とを含む。これにより、第1塗布ノズル150は第1塗布液を一定流量で連続的に吐出することができる。
The
第2塗布ノズル160は、制御ユニット110に設けられた第2塗布液供給部112から圧送される第2の活物質を含むペースト状の第2塗布液の供給を受けて、該塗布液をシートS表面に塗布する。第2塗布液供給部112は、第1塗布液供給部と同様に、第2塗布液を貯留する貯留部と、第2塗布ノズル160への第2塗布液の圧送およびその停止を司る例えばモーノポンプなどの送液部とを含む。これにより、第2塗布ノズル160は第2塗布液を一定流量で連続的に吐出することができる。
The
乾燥用ヒータ170は、制御ユニット20に設けられたヒータ制御部113により所定の温度に制御される。乾燥用ヒータ170は第1塗布ノズル150および第2塗布ノズル160からシートS表面に塗布された塗布液を加熱してその乾燥固化を促進する。乾燥後のシートSは巻き取りローラ102により再びロール状に巻き取られる。
The drying
一方、図3(b)に示す第2実施形態の電極製造装置200は、塗布ノズルの構造およびそれに伴うバックアップローラの配置が上記した第1実施形態のものとは異なっている。これらの点を除けば各部の構成は第1実施形態と同一であるため、第1実施形態と同一の構成には同一符号を付して説明を省略する。
On the other hand, the
後述するように、この実施形態の塗布ノズル250は単一の筺体に互いに独立した2種類の吐出口を有しており、これら2種類の吐出口から第1塗布液および第2塗布液をそれぞれ吐出することが可能となっている。したがって、塗布ノズル250は1つだけ設けられ、これに伴いバックアップローラ203も1つだけ設けられる。そして、第1塗布液供給部111からの第1塗布液、第2塗布液供給部112からの第2塗布液はいずれも塗布ノズル250に供給される。
As will be described later, the
これら2つの実施形態において、活物質を含む第1塗布液および第2塗布液としては、それぞれ上記した第1の活物質または第2の活物質の他に、導電助剤としてのアセチレンブラックまたはケッチェンブラック、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン(PVDF)、スチレンブタジエンラバー(SBR)、ポリビニルピロリドン(PVP)、ポリビニルアルコール(PVA)またはポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、溶剤としてのN−メチル−2−ピロリドン(NMP)などを混合したものを用いることができる。なお、第1の活物質としてのシリコンまたはその化合物を含む第1塗布液については、結着剤としてポリアミドイミドを好適に用いることができる。 In these two embodiments, as the first coating liquid and the second coating liquid containing the active material, in addition to the first active material or the second active material described above, acetylene black or kettle as a conductive auxiliary agent, respectively. Chain black, polyvinylidene fluoride (PVDF), styrene butadiene rubber (SBR), polyvinyl pyrrolidone (PVP), polyvinyl alcohol (PVA) or polytetrafluoroethylene (PTFE) as binder, N-methyl-2 as solvent -What mixed pyrrolidone (NMP) etc. can be used. In addition, about the 1st coating liquid containing the silicon | silicone or its compound as a 1st active material, a polyamideimide can be used suitably as a binder.
このような材料を混合してなる塗布液の組成比を変えることで、その粘度を適宜に調整することが可能である。本実施形態のように塗布ノズルから連続的に送出されて構造体を形成するための塗布液としては、例えば粘度を500Pa・sないし10000Pa・sとしたペースト状のものが好適である。 By changing the composition ratio of the coating liquid obtained by mixing such materials, the viscosity can be adjusted appropriately. As the coating liquid for continuously forming from the coating nozzle to form the structure as in the present embodiment, a paste-like liquid having a viscosity of 500 Pa · s to 10000 Pa · s is suitable, for example.
図4は第1実施形態の電極製造装置における塗布ノズルの構造を示す図である。より詳しくは、図4(a)は第1塗布ノズル150の内部構造を示す側面図であり、図4(b)は第1塗布ノズル150および第2塗布ノズル160それぞれの下面の構造を示す図である。また、図4(c)は第1塗布ノズル150および第2塗布ノズル160による塗布の様子を示す図である。
FIG. 4 is a view showing the structure of the coating nozzle in the electrode manufacturing apparatus of the first embodiment. More specifically, FIG. 4A is a side view showing the internal structure of the
図4(a)に示すように、第1塗布ノズル150は内部に第1塗布液を一時的に貯留可能なマニホールド空間151を有するとともに、図4(b)に示すように、下面152に複数の吐出口153を有している。各吐出口153はそれぞれ第1ライン121の断面形状に対応する互いに同一の開口形状を有しており、第1塗布ノズル150の下面152にX方向に一定間隔で配置される。マニホールド空間151には第1塗布液供給部111から圧送される第1塗布液が供給され、該マニホールド空間151に各吐出口153が連通している。したがって、第1塗布液供給部111から第1塗布ノズル150に対して第1塗布液が圧送されると、該第1塗布液はマニホールド空間151を経由して各吐出口153から吐出される。
As shown in FIG. 4A, the
第2塗布ノズル160もその内部構造は第1塗布ノズル150と基本的に同じであるが、吐出口の形状および配置が異なっている。すなわち、図4(b)に示すように、第2塗布ノズル160の下面162には、第2ライン122の断面形状に対応して第1塗布ノズル150の吐出口153よりもX方向の開口寸法が大きい吐出口163がX方向に等間隔で配置されている。ただし、各吐出口163のX方向位置は、第1塗布ノズル150の吐出口153の配列ピッチの半分だけずれている。
The internal structure of the
第1塗布ノズル150および第2塗布ノズル160に設けられた吐出口153および163からそれぞれ第1塗布液および第2塗布液を一定流量で連続的に吐出させることで、図4(c)に示すように、第1塗布液により形成される第1ライン121と、第2塗布液により形成される第2ライン122とが互いに平行に、かつX方向に交互に並んだ活物質層12がシートS上に形成される。活物質層12が形成されたシートSは、最終的には適宜のサイズに裁断されて負極集電体11として機能する。
FIG. 4C shows that the first application liquid and the second application liquid are continuously discharged from the
図5は第2実施形態の電極製造装置における塗布ノズルの構造を示す図である。より詳しくは、図5(a)は塗布ノズル250の内部構造を示す側面図であり、図5(b)は塗布ノズル250の下面の構造を示す図である。また、図5(c)は塗布ノズル250による塗布の様子を示す図である。
FIG. 5 is a view showing the structure of the coating nozzle in the electrode manufacturing apparatus of the second embodiment. More specifically, FIG. 5A is a side view showing the internal structure of the
図5(a)に示すように、第2実施形態の塗布ノズル250は内部に独立した2つのマニホールド空間251,252を有している。このうち第1のマニホールド空間251には第1塗布液供給部111からの第1塗布液が供給される一方、第2のマニホールド空間252には第2塗布液供給部112からの第2塗布液が供給される。第1のマニホールド空間251はノズル下面253に穿設された第1吐出口254に連通し、第2のマニホールド空間252はノズル下面253に穿設された第2吐出口255に連通する。
As shown in FIG. 5A, the
図5(b)に示すように、第1吐出口254および第2吐出口255はノズル下面253にX方向に一列に配置されており、しかも第1吐出口254と第2吐出口255とがX方向に交互に等間隔で配列される。
As shown in FIG. 5B, the
第1吐出口254から第1塗布液を、また第2吐出口255から第2塗布液をそれぞれ一定流量で連続的に吐出させることで、図5(c)に示すように、第1塗布液により形成される第1ライン121と、第2塗布液により形成される第2ライン122とが互いに平行に、かつX方向に交互に並んだ活物質層12がシートS上に形成される。
By continuously discharging the first coating liquid from the
このように、上記した第1実施形態の電極製造装置100、第2実施形態の電極製造装置200のいずれによっても、図1(b)に示す構造の負極電極10を製造することが可能である。すなわち、これらの電極製造装置100,200は、高容量かつ充放電特性に優れ、しかもサイクル特性の良好な負極電極を製造することが可能となっている。
Thus, it is possible to manufacture the
このうち第1実施形態は、第1塗布ノズル150および第2塗布ノズル160のそれぞれにおいて吐出口の配列ピッチが大きいため、吐出口の周囲を比較的肉厚に形成することが可能である。このため、加圧された高粘度の塗布液を吐出するのに十分な強度を確保することができる。ただし、電極製造装置100における第1塗布ノズル150と第2塗布ノズル160との相対的な取り付け位置精度がライン配置の精度に影響を及ぼす。一方、第2実施形態の塗布ノズル250では位置精度の問題は生じないが、吐出口の配列ピッチが小さいため肉厚が薄くなる。必要に応じてこれらを使い分けることが望ましい。
Among these, in the first embodiment, since the arrangement pitch of the discharge ports is large in each of the
以上説明したように、この実施形態では、負極集電体11が本発明の「基材」および「集電体」に相当している。また、複数の第1ライン121が全体として本発明の「第1活物質構造体」に相当し、各第1ライン121が「第1活物質構造体の凸部」に相当している。一方、複数の第2ライン122が全体として本発明の「第2活物質構造体」に相当し、各第2ライン122が「第2活物質構造体の凸部」に相当している。
As described above, in this embodiment, the negative electrode
また、上記した電極製造装置100,200においては、供給ローラ101および巻き取りローラ102が本発明の「1対のローラ部材」として機能しており、これらが本発明の「保持手段」および「相対移動手段」としての機能を有している。また、第1実施形態における第1塗布ノズル150および第2塗布ノズル160がそれぞれ本発明の「第1ノズル体」および「第2ノズル体」として機能している。また、第2実施形態における塗布ノズル250が本発明の「ノズル体」として機能している。
In the
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記した第1実施形態の電極製造装置100では第1の活物質を含む第1塗布液を基材Sに塗布した後、第2の活物質を含む第2塗布液を塗布しているが、この順序は逆であってもよい。
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications other than those described above can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, in the
また例えば、上記実施形態の電極製造装置100等では、ロール状に巻回された長尺シートの基材Sに活物質材料を含む塗布液を塗布して再び巻回する、いわゆるロール・トゥ・ロール方式の製造方法により電極を連続的に製造している。しかしながら、本発明はこれに限定されず、例えば独立した枚葉の基材に対して塗布液を塗布する枚葉式の製造装置および製造方法に対しても適用可能である。この場合、基材を固定し塗布ノズルを移動させるようにしてもよい。
Further, for example, in the
また、上記実施形態における活物質パターンの断面形状はその一例を示したものであって、これに限定されず、任意の断面形状を用いることが可能である。またノズル体に設ける吐出口の開口形状も、上記実施形態のような矩形に限定されず、種々のものを用いることが可能である。 Moreover, the cross-sectional shape of the active material pattern in the said embodiment shows the example, Comprising: It is not limited to this, It is possible to use arbitrary cross-sectional shapes. Moreover, the opening shape of the discharge port provided in the nozzle body is not limited to the rectangular shape as in the above embodiment, and various types can be used.
本発明によれば、高容量かつ充放電特性に優れ、しかもサイクル特性の良好なリチウムイオン二次電池用の負極電極を提供することが可能であり、これを利用したリチウムイオン二次電池の性能を向上させることが可能である。 According to the present invention, it is possible to provide a negative electrode for a lithium ion secondary battery having high capacity, excellent charge / discharge characteristics, and good cycle characteristics, and the performance of a lithium ion secondary battery using the same. It is possible to improve.
1 リチウムイオン二次電池モジュール
10 負極電極
11 負極集電体(基材、集電体)
100,200 電極製造装置
101 供給ローラ(ローラ部材、保持手段、相対移動手段)
102 巻き取りローラ(ローラ部材、保持手段、相対移動手段)
121 第1ライン(第1活物質構造体、凸部)
122 第2ライン122(第2活物質構造体、凸部)
150 第1塗布ノズル(第1ノズル体)
160 第2塗布ノズル(第2ノズル体)
250 塗布ノズル(ノズル体)
B リチウムイオン二次電池
1 Lithium ion
100, 200
102 Winding roller (roller member, holding means, relative moving means)
121 1st line (1st active material structure, convex part)
122 2nd line 122 (2nd active material structure, convex part)
150 First application nozzle (first nozzle body)
160 Second application nozzle (second nozzle body)
250 Application nozzle (nozzle body)
B Lithium ion secondary battery
Claims (15)
第1の活物質を含み前記集電体表面の複数箇所においてそれぞれ前記集電体表面から突出する複数の凸部を有する第1活物質構造体と、
前記第1の活物質と組成が異なる第2の活物質を含み、前記集電体表面の複数箇所においてそれぞれ前記集電体表面から突出する複数の凸部を有し、前記集電体表面において前記第1活物質構造体とは離隔配置された第2活物質構造体と
を備え、
前記第1の活物質は理論容量が前記第2の活物質よりも大きく、かつ、前記第2の活物質はリチウムイオン挿入脱離反応における体積変化が前記第1の活物質よりも小さいリチウムイオン二次電池用電極。 A current collector,
A first active material structure including a first active material and having a plurality of protrusions protruding from the current collector surface at a plurality of locations on the current collector surface;
A second active material having a composition different from that of the first active material, and having a plurality of convex portions respectively projecting from the current collector surface at a plurality of locations on the current collector surface; A second active material structure spaced apart from the first active material structure,
The first active material has a theoretical capacity larger than that of the second active material, and the second active material has lithium ions whose volume change in the lithium ion insertion / desorption reaction is smaller than that of the first active material. Secondary battery electrode.
W1・H1≦W2・H2・(Q2/Q1)
の関係が成立する請求項1ないし3のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池用電極。 The theoretical capacity per unit volume of the first active material is Q1, the width of the portion of the first active material structure that contacts the current collector surface, and the height from the current collector surface. Are W1 and H1, respectively, Q2 is the theoretical capacity per unit volume of the second active material, and the width of the portion of the convex portion of the second active material structure that contacts the current collector surface and the current collector When the height from the electrical surface is W2 and H2, respectively, the following relational expression:
W1 / H1 ≦ W2 / H2 (Q2 / Q1)
The electrode for a lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein:
第1の活物質を含む第1塗布液と、前記第1の活物質とは組成の異なる第2の活物質を含む第2塗布液とをそれぞれ個別に吐出して前記基材に塗布する塗布手段と、
前記基材と前記塗布手段とを所定の相対移動方向に相対移動させる相対移動手段と
を備え、
前記塗布手段は、前記相対移動方向と直交する方向において交互に前記第1塗布液と前記第2塗布液とを前記基材に塗布する電池用電極製造装置。 Holding means for holding a base material that functions as a current collector;
Application in which a first coating liquid containing a first active material and a second coating liquid containing a second active material having a composition different from that of the first active material are individually ejected and applied to the substrate. Means,
A relative movement means for relatively moving the base material and the coating means in a predetermined relative movement direction;
The battery electrode manufacturing apparatus for applying the first coating liquid and the second coating liquid to the base material alternately in the direction orthogonal to the relative movement direction.
前記基材の表面に、リチウムイオン挿入脱離反応における体積変化および理論容量が前記第1の活物質よりも小さい第2の活物質を含む第2塗布液を塗布して、前記集電体表面の複数箇所においてそれぞれ前記集電体表面から突出する複数の凸部を有する第2活物質構造体を形成する工程と
を備え、前記第1活物質構造体と前記第2活物質構造体とを前記集電体表面において互いに離隔して形成する電池用電極製造方法。 Applying a first coating liquid containing a first active material to the surface of a base material functioning as a current collector, a plurality of protrusions projecting from the current collector surface respectively at a plurality of locations on the current collector surface Forming a first active material structure having:
A surface of the current collector is coated with a second coating liquid containing a second active material whose volume change and theoretical capacity in the lithium ion insertion / desorption reaction is smaller than that of the first active material. Forming a second active material structure having a plurality of convex portions projecting from the surface of the current collector at a plurality of locations of the first active material structure and the second active material structure, The battery electrode manufacturing method which forms mutually spaced apart on the said collector surface.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013063860A JP2014191876A (en) | 2013-03-26 | 2013-03-26 | Electrode for lithium ion secondary battery, lithium ion secondary battery, and apparatus and method for manufacturing electrode for battery |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013063860A JP2014191876A (en) | 2013-03-26 | 2013-03-26 | Electrode for lithium ion secondary battery, lithium ion secondary battery, and apparatus and method for manufacturing electrode for battery |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2014191876A true JP2014191876A (en) | 2014-10-06 |
Family
ID=51837984
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2013063860A Pending JP2014191876A (en) | 2013-03-26 | 2013-03-26 | Electrode for lithium ion secondary battery, lithium ion secondary battery, and apparatus and method for manufacturing electrode for battery |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2014191876A (en) |
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20170111289A (en) * | 2016-03-25 | 2017-10-12 | 주식회사 엘지화학 | Electrode for secondary battery |
JP2017228421A (en) * | 2016-06-22 | 2017-12-28 | 日産自動車株式会社 | Manufacturing device of secondary battery, nozzle used in manufacturing secondary battery, and manufacturing method of secondary battery |
WO2018008955A1 (en) * | 2016-07-04 | 2018-01-11 | 주식회사 엘지화학 | Negative electrode and secondary battery including same negative electrode |
WO2018008954A1 (en) * | 2016-07-04 | 2018-01-11 | 주식회사 엘지화학 | Positive electrode and secondary battery including same positive electrode |
KR20180004678A (en) * | 2016-07-04 | 2018-01-12 | 주식회사 엘지화학 | Negative electrode and lithium secondarty battery comprising the negative electrode |
CN108352506A (en) * | 2016-07-04 | 2018-07-31 | 株式会社Lg化学 | Positive electrode and secondary battery including the positive electrode |
WO2020162284A1 (en) * | 2019-02-08 | 2020-08-13 | エムテックスマート株式会社 | Method for manufacturing all-solid-state battery |
US20200313176A1 (en) * | 2019-03-29 | 2020-10-01 | Ningde Amperex Technology Limited | Electrode and electrochemical device including the same |
WO2024122810A1 (en) * | 2022-12-06 | 2024-06-13 | 에스케이온 주식회사 | Negative electrode for lithium secondary battery and lithium secondary battery comprising same |
-
2013
- 2013-03-26 JP JP2013063860A patent/JP2014191876A/en active Pending
Cited By (19)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20170111289A (en) * | 2016-03-25 | 2017-10-12 | 주식회사 엘지화학 | Electrode for secondary battery |
KR102106986B1 (en) | 2016-03-25 | 2020-05-06 | 주식회사 엘지화학 | Electrode for secondary battery |
JP2017228421A (en) * | 2016-06-22 | 2017-12-28 | 日産自動車株式会社 | Manufacturing device of secondary battery, nozzle used in manufacturing secondary battery, and manufacturing method of secondary battery |
KR20180004678A (en) * | 2016-07-04 | 2018-01-12 | 주식회사 엘지화학 | Negative electrode and lithium secondarty battery comprising the negative electrode |
KR102005281B1 (en) * | 2016-07-04 | 2019-07-31 | 주식회사 엘지화학 | Negative electrode and lithium secondarty battery comprising the negative electrode |
CN108352505A (en) * | 2016-07-04 | 2018-07-31 | 株式会社Lg化学 | Negative electrode and secondary battery including same |
CN108352506A (en) * | 2016-07-04 | 2018-07-31 | 株式会社Lg化学 | Positive electrode and secondary battery including the positive electrode |
JP2018537815A (en) * | 2016-07-04 | 2018-12-20 | エルジー・ケム・リミテッド | Positive electrode and secondary battery including the positive electrode |
EP3343675A4 (en) * | 2016-07-04 | 2019-01-16 | LG Chem, Ltd. | NEGATIVE ELECTRODE AND SECONDARY BATTERY COMPRISING SAID NEGATIVE ELECTRODE |
JP2019507460A (en) * | 2016-07-04 | 2019-03-14 | エルジー・ケム・リミテッド | A negative electrode and a secondary battery including the negative electrode |
WO2018008954A1 (en) * | 2016-07-04 | 2018-01-11 | 주식회사 엘지화학 | Positive electrode and secondary battery including same positive electrode |
US10622625B2 (en) | 2016-07-04 | 2020-04-14 | Lg Chem, Ltd. | Positive electrode and secondary battery including the same |
WO2018008955A1 (en) * | 2016-07-04 | 2018-01-11 | 주식회사 엘지화학 | Negative electrode and secondary battery including same negative electrode |
US11043692B2 (en) | 2016-07-04 | 2021-06-22 | Lg Chem, Ltd. | Negative electrode and secondary battery including the same |
JP2020129495A (en) * | 2019-02-08 | 2020-08-27 | エムテックスマート株式会社 | Method for producing all-solid-state battery |
WO2020162284A1 (en) * | 2019-02-08 | 2020-08-13 | エムテックスマート株式会社 | Method for manufacturing all-solid-state battery |
CN113438986A (en) * | 2019-02-08 | 2021-09-24 | 玛太克司马特股份有限公司 | Method for manufacturing all-solid-state battery |
US20200313176A1 (en) * | 2019-03-29 | 2020-10-01 | Ningde Amperex Technology Limited | Electrode and electrochemical device including the same |
WO2024122810A1 (en) * | 2022-12-06 | 2024-06-13 | 에스케이온 주식회사 | Negative electrode for lithium secondary battery and lithium secondary battery comprising same |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2014191876A (en) | Electrode for lithium ion secondary battery, lithium ion secondary battery, and apparatus and method for manufacturing electrode for battery | |
JP7329803B2 (en) | lithium secondary battery | |
CN100431202C (en) | Negative electrode for secondary cell,secondary cell, and method for producing negative electrode for secondary cell | |
JP5189210B2 (en) | Anode for non-aqueous electrolyte secondary battery and non-aqueous electrolyte secondary battery | |
JPWO2015104933A1 (en) | Method for producing non-aqueous electrolyte secondary battery | |
US11108032B2 (en) | Method and apparatus for manufacturing secondary battery | |
JP2010097843A (en) | Lithium-ion secondary battery | |
TWI496334B (en) | Lithium ion secondary battery and preparation process of same | |
JP2011028883A (en) | Nonaqueous electrolyte secondary battery | |
KR101538842B1 (en) | Method and apparatus for manufacturing electrode for lithium-ion secondary battery and electrode for lithium-ion secondary battery | |
JP2014164982A (en) | Electrode for battery, battery, method of manufacturing electrode for battery, and apparatus of manufacturing electrode for battery | |
CN117099240A (en) | Lithium secondary battery | |
JP2023537922A (en) | In-line contact prelithiation | |
CN101952998A (en) | Method for producing electrode for electrochemical device | |
JP7409762B2 (en) | Nonaqueous electrolyte secondary battery and method for manufacturing nonaqueous electrolyte secondary battery | |
WO2022181363A1 (en) | Lithium secondary battery | |
JP5250365B2 (en) | Electrode plate for lithium ion secondary battery and lithium ion secondary battery | |
JP6102442B2 (en) | Lithium ion secondary battery | |
JP2014038794A (en) | Lithium ion secondary battery electrode manufacturing method and manufacturing apparatus and lithium ion secondary battery electrode | |
WO2018180020A1 (en) | Method and device for producing secondary battery | |
JP5045085B2 (en) | Negative electrode for lithium secondary battery | |
JP2014038795A (en) | Lithium ion secondary battery electrode manufacturing method, manufacturing apparatus, and lithium ion secondary battery electrode | |
JP2008181835A (en) | Negative electrode for lithium secondary battery | |
US20240332490A1 (en) | Battery electrode and manufacture thereof | |
JP7035702B2 (en) | Lithium ion secondary battery |