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JP2004362859A - Lithium ion secondary battery - Google Patents

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JP2004362859A
JP2004362859A JP2003157753A JP2003157753A JP2004362859A JP 2004362859 A JP2004362859 A JP 2004362859A JP 2003157753 A JP2003157753 A JP 2003157753A JP 2003157753 A JP2003157753 A JP 2003157753A JP 2004362859 A JP2004362859 A JP 2004362859A
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electrolyte
electrode
battery
lithium ion
ion secondary
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JP2003157753A
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Japanese (ja)
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Tatsuhiro Fukuzawa
達弘 福沢
Koichi Nemoto
好一 根本
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Nissan Motor Co Ltd
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Nissan Motor Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode for a lithium-ion secondary battery capable of lowering Li-ion diffusion resistance inside the electrode when high-current-rate charge and discharge are carried out. <P>SOLUTION: The electrode for a lithium-ion secondary battery has an electrolyte-retaining material arranged in gaps between electrode active materials. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウムイオン二次電池、特に電極に電解質保持材料を用いてなるリチウムイオン二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、環境保護のため二酸化炭素排出量の低減が切に望まれている。自動車業界では、電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)の導入による二酸化炭素排出量の低減に期待が集まっており、これらの実用化の鍵を握るモータ駆動用二次電池の開発が鋭意行われている。二次電池としては、高エネルギー密度、高出力密度が達成できるリチウムイオン二次電池に注目が集まっている。ただし、自動車に適用するためには、大出力を確保するために、複数の二次電池を直列に接続して用いる必要がある。
【0003】
しかしながら、接続部を介して電池を接続した場合、接続部の電気抵抗によって出力が低下してしまう。また、接続部を有する電池は空間的にも不利益を有する。即ち、接続部によって、電池の出力密度やエネルギー密度の低下がもたらされる。
【0004】
この問題を解決するものとして、集電体の両側に正極活物質と負極活物質とを配置したバイポーラ電池が開発されている。
【0005】
このうち、電解質として高分子電解質を用いてなるバイポーラ電池が提案されている(例えば、特許文献1、2参照。)。これらのうち高分子固体電解質を用いてなるバイポーラポリマー電池では、電池内に溶液(電解液)を含まないため、液漏れやガス発生の心配がなく、信頼性が高く、また構造的にも密閉シールが不要なバイポーラ電池を提供できる利点を有するものである。また、高分子電解質として高分子ゲル電解質を用いてなるバイポーラ電池では、イオン伝導度に優れ、電池の出力密度やエネルギー密度も十分に得られるため、実用化段階に最も近いバイポーラ電池として期待されている。
【0006】
バイポーラ電池用電極において、特にリチウムイオン二次電池用電極を用いる場合、活物質の粒子径を細かくすることにより、活物質の表面積を増やし、活物質粒子内をLiイオンが拡散する距離を短くし、反応抵抗の低減が行われている(例えば、特許文献3参照。)。
【0007】
【特許文献1】
特開2000−100471号公報
【特許文献2】
特開平11−204136号公報
【特許文献3】
特開2000−260423号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、かような電極内で高い電流レートの放電を行おうとすると、電極内に含まれる電解液中のLiイオンが急激に活物質中に取り込まれ、電極内のLiイオン濃度が低下し、セパレーター内の電解質から供給されてくるLiイオンが電極内を拡散する抵抗が反応全体を律速することになる。
【0009】
電極内のLiイオン拡散抵抗は、電極全体の厚さを薄くすることにより、小さくすることができるが、電極を薄くすると電池の容量密度が小さくなってしまう問題がある。
【0010】
本発明の目的は、高電流レートの充放電時に発生する、電極内部のLiイオン濃度の低下を防ぐことができるリチウムイオン二次電池用電極を提供することである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電極活物質間の空隙に配置されてなる電解質保持材料を有することを特徴とするリチウムイオン二次電池用電極である。
【0012】
【発明の効果】
本発明のリチウムイオン二次電池用電極は、電極活物質間に電解質保持材料を有するため、電極内に保持される電解質の量を増やすことが可能となり得る。これにより、Liイオン拡散抵抗を下げることができ、高電流レートの充放電時に生じる電極内部のLiイオン濃度低下を防ぐことができる。従って、本発明の電極を用いたリチウムイオン二次電池は、出力特性に優れるものとすることが可能となり得る。
【0013】
さらに、本発明の電池をバイポーラ型、組電池化することにより高容量、高出力の電池とすることができ、駆動用電源としてEVやHEV等の車両に有用である。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態につき、説明する。
【0015】
本発明は、電極活物質間の空隙に配置されてなる電解質保持材料を有することを特徴とするリチウムイオン二次電池用電極に関するものである。
【0016】
参考までに、一般的なリチウムイオン二次電池用電極および電解質層の模式図を図1に示す。図1において、1枚の集電体1上に電極層2が形成された電極上に、さらに電解質層(電解質膜)3が形成されている構造となっている。電極層2内には、電極活物質4および電極活物質4間の空隙に電解質5がふくまれている。かような電池において高電流レートで充放電を行った場合、電極層2内部に存在するLiイオン6が急激に電極活物質4内に吸収される。これにより、電極層2内のLiイオン濃度が低下すると、電解質層3からLiイオン6が拡散して供給されるのである。このようにLiイオン6が電解質層3を出入りするのと同時に、電子が導電化材(図示せず)を通して移動するのである。
【0017】
本発明者らは、電解質層3から供給されるLiイオン6の電極層2内における拡散抵抗が反応全体の律速となることに着目し、鋭意検討を行った結果、電極の電極活物質間の空隙に電解質保持材料を配置させることにより電極特性を向上させ得ることを見出した。以下、本発明の電極についてより詳細に説明する。
【0018】
本発明のリチウムイオン二次電池用電極を模式的に図2に示す。なお、本発明においては、説明の都合上、図面が誇張されているが、本発明の技術的範囲が提示した図面の形態に限定されるものではない。
【0019】
図2において、集電体1上に電極層2が形成され、さらに電極層2の上に電解質層(電解質膜)3が形成されている構造となっている。電極層2は電極活物質4、電解質5、および、電極活物質4間の空隙に配置されてなる電解質保持材料7を有するものである。図2(a)では電解質保持材料7にセラミックス多孔体(活性炭)を用いた例であり、図2(b)では電解質保持材料7に樹脂中空糸を用いた例であり、図2(c)では電解質保持材料7に不織布を用いた例である。
【0020】
電解質保持材料とは、電解質を保持する部材である。これにより、電極内部に保持される電解質の量を増やすことができ、さらに、電解質保持材料によって電極の奥にも電解質を保持することが可能となり得る。
【0021】
例えば、電解質として、セパレーターに電解液を含浸させるなどして電解液を用いた場合、セパレーター側から電極側に電解液の移動があり、電解液が電極内の空隙や電解質保持材料に吸収されることになる。また、電解質としての高分子電解質には、高分子ゲル電解質と全固体高分子電解質とがある。電解質として全固体高分子電解質を用いた場合、電解質層から電極側への電解質の移動はないため、予め電極側にも高分子電解質を入れて電極内の空隙や電解質保持材料に吸収させておく必要がある。電解質に高分子ゲル電解質を用いた場合、ゲル中の電解液が電極側に移動することもあるため、電極側へ電解液が移動することもある。しかし、ゲル中の電解液の移動は望ましくないので、予め電極側に高分子ゲル電解質を入れて電極内の空隙や電解質保持材料に吸収させておく方が望ましい。
【0022】
かような電解質保持材料が電極内部に存在することで、高レート充放電時にLiイオンが電解質保持材料からも供給されるため、Liイオン伝導がスムーズになる。従って、Liイオンの拡散抵抗を下げることができ、電極内部のLiイオン濃度低下を防ぐことが可能となり得る。ゆえに、本発明の電解質保持材料を有する電極は、電極全体の厚さを薄くしなくともLiイオンの拡散抵抗を小さくすることができ、さらには電極を薄くすることによる電池の容量密度の低下をも防ぐことが可能となり得る。なお、電極層には、バインダ、導電助剤等が、本発明の電極が所望する電極特性を有するように含まれ得るが、図中では説明の都合上、その記載を省略した。
【0023】
本発明で用いられる電解質保持材料としては、樹脂中空糸、不織布、多孔質アルミナ、セラミックス多孔体、および、活性炭などが挙げられる。
【0024】
樹脂中空糸としては、例えば、ポリエチレン中空糸、ポリプロピレン中空糸などが挙げられるが、電解質の保持量を多くするために多孔性中空糸を用いることが好ましい。また、樹脂中空糸は0.1〜90μmの中空径を有するものを用いるのが好ましい。なお、本発明において「中空径」とは、ストロー状の樹脂中空糸が有する空洞部分の径を意味する。
【0025】
不織布としては、ポリエチレン不織布、ポリプロピレン不織布などが挙げられる。不織布は、30〜95%の空隙率を有するものを用いるのが好ましい。
【0026】
セラミックス多孔体としては、多孔質アルミナ、多孔質ジルコニアなどのセラミックス多孔体が挙げられる。また、活性炭としては、椰子殻活性炭などが挙げられる。セラミックス多孔体および活性炭は、0.1〜90μmの細孔径を有するものが好ましい。
【0027】
これらは、1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。また、電解質保持材料は、電解質を保持する部材であれば、特にこれらに限定されるものではない。
【0028】
本発明の電極における電解質保持材料の含有量は、電極の厚さ、反応抵抗など所望する電極特性が得られるように適宜決定すればよい。
【0029】
電解質保持材料の大きさは、種類によって様々であり一様に定義できないため、電極の厚さ、反応抵抗など所望する電極特性が得られるように適宜決定すればよいが、好ましくは1.0〜100μm、より好ましくは5.0〜50μmの範囲である。ここでいう「電解質保持材料の大きさ」とは、電解質保持材料の絶対最大長(その物質がとり得る最大の大きさを意味する。)のことである。また、不織布が縮小している場合には、これを広げた時の大きさが上記範囲に含まれることが望ましい。
【0030】
電極内の電解質保持材料は、電極の断面を電子顕微鏡等で観察することにより分析することができる。また、本発明の電極が電池に含まれた場合においても、電池を解体して電極を取り出し、上記の方法と同様にして、電解質保持材料を分析することができる。
【0031】
正極における電極層(単に、「正極層」とも記載する。)内では、電解質保持材料および正極活物質が含まれ、これらの他に電子伝導性を高めるための導電助材、バインダ、イオン伝導性を高めるためのリチウム塩、および電解質などが含まれ得る。
【0032】
正極活物質としては、遷移金属とリチウムとの複合酸化物であるリチウム−遷移金属複合酸化物が好適に使用できる。正極活物質として、具体的には、LiCoOなどのLi・Co系複合酸化物、LiNiOなどのLi・Ni系複合酸化物、スピネルLiMnなどのLi・Mn系複合酸化物、LiFeOなどのLi・Fe系複合酸化物およびこれらの遷移金属の一部を他の元素により置換したものなどが使用できる。これらリチウム−遷移金属複合酸化物は、反応性、サイクル耐久性に優れ、低コストな材料である。そのためこれらの材料を電極に用いることにより、出力特性に優れた電池を形成することができる点で有利である。この他、LiFePOなどの遷移金属とリチウムのリン酸化合物や硫酸化合物;V、MnO、TiS、MoS、MoOなどの遷移金属酸化物や硫化物;PbO、AgO、NiOOHなどが挙げられる。
【0033】
正極活物質の粒径は、特に限定されるものではなく、従来公知の粒径範囲のものを使用すればよく、具体的には、電極抵抗を低減するために、正極活物質微粒子の平均粒径が0.1〜5μmであるとよい。
【0034】
導電助材としては、アセチレンブラック、カーボンブラック、グラファイト等が挙げられる。ただし、これらに限られるわけではない。
【0035】
バインダとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、SBR、ポリイミドなどが使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。
【0036】
リチウム塩としては、LiBETI(リチウムビス(パーフルオロエチレンスルホニルイミド);Li(CSONとも記載)、LiBF、LiPF、LiN(SOCF、LiN(SO、LiBOB(リチウムビスオキサイドボレート)またはこれらの混合物などが使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。
【0037】
電解質としては、電解質層に高分子電解質を用いる場合には、正極層にも高分子電解質が含まれていることが望ましい。正極層における正極活物質間の空隙に高分子電解質を充填することによって、正極層におけるイオン伝導がスムーズになり、リチウムイオン二次電池全体としての出力向上が図れるためである。
【0038】
前記高分子電解質としては、本発明において、高分子に電解液を保持させた高分子ゲル電解質と、高分子電解質とリチウム塩などの支持塩のみで構成される全固体高分子電解質と、が挙げられる。
【0039】
全固体高分子電解質としては、特に限定されるものではなく、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリプロピレンオキシド(PPO)、これらの共重合体などが挙げられる。かようなポリアルキレンオキシド系高分子は、LiBF、LiPF、LiN(SOCF、LiN(SOなどのリチウム塩をよく溶解しうる。また、架橋構造を形成することによって、優れた機械的強度が発現する。本発明において全固体高分子電解質は、電極特性をより向上させるために、正極層および負極層の双方に含まれることが好適である。
【0040】
また、高分子ゲル電解質としては、イオン導伝性を有する全固体高分子電解質に、電解液を含んだものであるが、さらに、リチウムイオン導伝性を持たない高分子(ホストポリマー)の骨格中に、同様の電解液を保持させたものも含まれる。
【0041】
ここで、高分子ゲル電解質に含まれる電解液(電解質塩および可塑剤)としては、通常リチウムイオン電池で用いられるものであればよく、例えば、LiBOB(リチウムビスオキサイドボレート)、LiPF、LiBF、LiClO、LiAsF、LiTaF、LiAlCl、Li10Cl10等の無機酸陰イオン塩、LiCFSO、Li(CFSON、Li(CSON(LiBETI)等の有機酸陰イオン塩の中から選ばれる、少なくとも1種類のリチウム塩(電解質塩)を含み、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)等の環状カーボネート類;ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネート等の鎖状カーボネート類;テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジブトキシエタン等のエーテル類;γ−ブチロラクトン等のラクトン類;アセトニトリル等のニトリル類;プロピオン酸メチル等のエステル類;ジメチルホルムアミド等のアミド類;酢酸メチル、蟻酸メチルの中から選ばれる少なくともから1種類または2種以上を混合した、非プロトン性溶媒等の有機溶媒(可塑剤)を用いたものなどが使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。
【0042】
高分子ゲル電解質に用いられるリチウムイオン導伝性を持たない高分子としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリビニルクロライド(PVC)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)などが使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。なお、PAN、PMMAなどは、どちらかと言うとイオン伝導性がほとんどない部類に入るものであるため、上記イオン伝導性を有する高分子とすることもできるが、ここでは高分子ゲル電解質に用いられるリチウムイオン導伝性を持たない高分子として例示したものである。
【0043】
高分子ゲル電解質中のホストポリマーと電解液との比率(質量比)は、使用目的などに応じて決定すればよいが、2:98〜90:10の範囲である。すなわち、電極層の外周部からの電解質の染み出しについても、絶縁層や絶縁処理部を設けることで効果的にシールすることができる。そのため、上記高分子ゲル電解質中のホストポリマーと電解液との比率(質量比)に関しても、比較的電池特性を優先したものとすることができる。
【0044】
正極層において、正極活物質、導電助材、バインダ、高分子電解質(ホストポリマー、電解液など)、リチウム塩等の成分配合量は、電池の使用目的(出力重視、エネルギー重視など)、イオン伝導性等を考慮して決定すべきである。例えば、電極層内における高分子電解質の配合量が少なすぎると、電極層内でのイオン伝導抵抗やイオン拡散抵抗が大きくなり、電池性能が低下してしまう。一方、正極層内における高分子電解質の配合量が多すぎると、電池のエネルギー密度が低下してしまう。従って、これらの要因を考慮して、目的に合致した高分子(ゲル)電解質量を決定する。
【0045】
正極層の厚さは、特に限定するものではなく、配合量について述べたように、電池の使用目的(出力重視、エネルギー重視など)、イオン伝導性を考慮して決定すべきである。一般的な正極層の厚さは10〜500μm程度である。すなわち、電解質保持材料を有することにより、正極の厚さを薄くしなくとも、Liイオン拡散抵抗を小さくすることができ、十分な電池の容量密度が得られる。
【0046】
次に、負極における電極層(単に、「負極層」とも記載する。)内では、負極活物質および電解質保持材料が含まれ、これらの他に、電子伝導性を高めるための導電助材、バインダ、イオン伝導性を高めるためのリチウム塩、高分子電解質などが含まれ得る。
【0047】
電解質層に全固体高分子電解質を用いる場合には、負極層にも全固体高分子電解質が含まれていることが望ましい。負極層における負極活物質間の空隙に全固体高分子電解質を充填することによって、負極層におけるイオン伝導がスムーズになり、リチウムイオン二次電池全体としての出力向上が図れるためである。
【0048】
負極活物質の種類以外は、基本的に「正極層」の項で記載した内容と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【0049】
負極活物質としては、各種の天然黒鉛や人造黒鉛、例えば繊維状黒鉛、鱗片状黒鉛、球状黒鉛などの黒鉛類、および各種のリチウム合金類などが挙げられる。具体的には、カーボン、グラファイト、金属酸化物、リチウム−金属複合酸化物などを用いることができるが、好ましくはカーボンまたはリチウム−遷移金属複合酸化物である。これらカーボンまたはリチウム−遷移金属複合酸化物は、反応性、サイクル耐久性に優れ、低コストな材料である。そのため、これらの材料を電極に用いることにより、出力特性に優れた電池を形成することができる。なお、リチウム−遷移金属複合酸化物としては、例えば、LiTi12などのリチウム−チタン複合酸化物などを用いることができる。また、カーボンとしては、例えば、黒鉛(グラファイト)、ハードカーボン、ソフトカーボンなどを用いることができる。
【0050】
負極層の厚さは、特に限定するものではなく、正極層と同様に、電池の使用目的(出力重視、エネルギー重視など)、イオン伝導性を考慮して決定すべきである。一般的な負極層の厚さは10〜500μm程度である。すなわち、負極を薄くしなくとも、Liイオン拡散抵抗を小さくすることができ、十分な電池の容量密度が得られる。
【0051】
さらに、本発明の電極(負極および正極)に用いられる集電体としては、特に制限されるものではなく、従来公知のものを利用することができ、例えば、アルミニウム箔、ステンレス箔、ニッケルとアルミニウムのクラッド材、銅とアルミニウムのクラッド材、あるいはこれらの金属の組み合わせのめっき材などが好ましく使える。また、金属表面に、アルミニウムを被覆させた集電体であってもよい。また、場合によっては、2つ以上の金属箔を張り合わせた集電体を用いてもよい。耐蝕性、作り易さ、経済性などの観点からは、アルミニウム箔を集電体として用いることが好ましい。
【0052】
集電体の厚さは、特に限定されないが、通常は1〜100μm程度である。また、集電体の長さないし形状は、所望する電極が得られるように適宜決定すればよい。
【0053】
本発明の電極の製造方法としては、電極活物質、電解質保持材料を含むスラリーを調整する段階と、前記スラリーを集電体上に塗布する段階と、を含む方法である。かような本発明の製造方法によれば、簡易な方法により電解質保持材料を含む電極を製造することが可能である。
【0054】
まず、電極活物質、電解質保持材料を含むスラリーを調整する段階においては、電極活物質、電解質保持材料などの他に必要に応じて、バインダ、導電助剤などを溶媒中で混合してスラリーを調整する。なお、正極および負極における電極活物質、電解質保持材料、およびその他の成分などについては、上述した通りであるため、ここではその説明を省略する。
【0055】
スラリーの溶媒や混合手段は、各種公知の技術を使用すればよく、特に限定されるものではない。スラリーの溶媒としては、例えば、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルホルアミド、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)などが挙げられる。バインダとしてポリフッ化ビニリデン(PVDF)を用いた場合には、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)を用いることが好ましい。
【0056】
電解質保持材料を含むスラリーを集電体上に塗布、乾燥させた後に、電解質保持材料を含まないスラリーを塗布、乾燥させることにより、図2に示したように電極の奥の方にも電解質保持材料を保持させることができる。これにより、高レート充放電時におけるLiイオン伝導がスムーズとなり、Liイオンの拡散抵抗を下げることができ、電極内部のLiイオン濃度低下を防ぐことが可能となり得る。
【0057】
次に前記スラリーを集電体上に塗布する段階としては、特に限定されず、コーター、スクリーン印刷法など公知の方法により、電極が所望する厚さを得られるように塗布すればよい。上記第1の製造方法は、電池の電解質に電解液を含浸させたセパレーターを用いる場合に適している。
【0058】
また、本発明の電極の製造方法は上述のものに限られず、第2の製造方法としては、上述の方法に、塗布したスラリーを乾燥する段階と、乾燥したスラリーに電解質溶液を含浸させる段階と、前記電解質溶液を重合させる段階と、をさらに加えて電極を製造してもよい。かような第2の製造方法は、電池の電解質に高分子電解質を用いる場合などに適している。
【0059】
塗布したスラリーを乾燥する段階において、乾燥方法は特に限定されず、真空乾燥機等を用いて行えばよい。この段階において、電極活物質間に空隙が形成され、かつ前記空隙に配置されてなる電解質保持材料を有している。また、乾燥時間や乾燥温度は、スラリーの供給量やスラリーの溶媒の揮発速度に応じて適宜決定すればよい。
【0060】
乾燥したスラリーに電解質溶液を含浸させる段階として、含浸方法は特に限定されず、従来公知の方法を用いて行えばよい。また、アプリケーターやコーターなどを用いれば微量の供給も可能である。含浸させる電解質溶液は、好ましくは電解質層の形成に用いた電解質溶液と同じものを用い、他に、重合開始剤、高分子電解質の場合には溶媒等が含まれ得る。
【0061】
重合開始剤は、重合方法(熱重合法、紫外線重合法、放射線重合法、電子線重合法など)や重合させる化合物に応じて適宜選択する必要がある。例えば、紫外線重合開始剤としてベンジルジメチルケタール、熱重合開始剤としてアゾビスイソブチロニトリルなどが挙げられるが、これらに制限されるべきものではない。
【0062】
電解質溶液を重合させる段階において、重合方法としては特に限定されないが、熱重合、紫外線重合、放射線重合、電子線重合による重合方法が挙げられる。重合方法は、含浸させた電解質溶液に含まれる化合物に応じて適宜選択すればよいが、簡便かつ確実に重合を行うことができるという理由から、熱重合を行うことが好ましい。また、重合条件等は、溶媒の供給量、溶媒の揮発速度、架橋速度などに応じて決定される。また、必要に応じて乾燥段階を加えてもよい。
【0063】
本発明の電極の第3の製造方法としては、第1の製造方法におけるスラリーを調整する段階で電解質溶液も含ませてもよい。すなわち、電極活物質、電解質保持材料、電解質溶液を含むスラリーを集電体上に塗布する段階と、前記電解質溶液を重合させる段階と、を含む本発明の電極の製造方法であってもよい。かような第3の製造方法は、電池の電解質に高分子電解質を用いる場合などに適している。
【0064】
本発明の電極の第4の製造方法としては、まず、電極活物質、電解質保持材料を含む正極スラリーを集電体上に塗布し乾燥させ、同様にして、負極スラリーを別の集電体上に塗布して乾燥させる。次に、これらを多孔性ポリプロピレンフィルム等のセパレーターを介して、負極、セパレーター、正極、セパレーターの順に積層した後、電解質溶液を含浸させて重合を行うことにより電極を製造してもよい。かような第4の製造方法は、電池の電解質に高分子電解質を用いる場合などに適している。
【0065】
上述の通り、本発明の電極は高レート充放電時に生じる電極内部のLiイオンの濃度低下を防ぎ、電極反応をスムーズにすることが可能である。従って、本発明の電極を正極および/または負極に用いたリチウムイオン二次電池は、出力特性に優れた電池となり得る。また、本発明の電極を少なくとも一つの電極として含む二次電池は本発明の技術的範囲に属するものである。
【0066】
かような電池において、正極活物質としてリチウム−遷移金属複合酸化物を用い、負極活物質としてカーボンまたはリチウム−遷移金属複合酸化物を用いることが好ましい。かような化合物を用いることにより、低コストな材料で、反応性、サイクル耐久性に優れる電極とすることができる。
【0067】
正極活物質におけるリチウム−遷移金属複合酸化物としては、上述した通りであるが、LiMn、LiCoO、LiNiO、およびこれらの遷移金属の一部を他の元素により置換したものなどが挙げられる。
【0068】
また、負極活物質においては、上述した通りであるが、カーボンとしてハードカーボン、グラファイト等、リチウム−遷移金属複合酸化物としてはLiTi12等が挙げられる。
【0069】
また、電解質としては、上述した通りであるが、高分子電解質を用いることが好ましい。これは、液漏れの問題がないため、信頼性の高い電池とすることが可能なためである。
【0070】
なお、正極および負極における電極活物質、電解質保持材料、およびその他の成分などについては、上述した通りであるため、ここではその詳細な説明を省略する。
【0071】
本発明の電極を用いたリチウムイオン二次電池としては、特に制限されるものではなく、例えば、形態・構造で区別した場合には、積層型(扁平型)電池、巻回型(円筒型)電池など、従来公知のいずれの形態・構造にも適用し得るものである。また、リチウムイオン二次電池内の電気的な接続形態(電極構造)で見た場合、バイポーラ型ではない(内部並列接続タイプ)電池およびバイポーラ型(内部直列接続タイプ)電池のいずれにも適用し得るものである。バイポーラ型電池では、通常の電池に比べて単電池の電圧が高く、容量、出力特性に優れた電池を構成できる。また、ポリマー電池は液漏れが生じないので、液絡の問題が無く信頼性が高く、かつ簡易な構成で出力特性に優れた非水電池を形成することができる点では有利である。更に、正極活物質としてリチウム−遷移金属複合酸化物を用いたリチウムイオン二次電池では、反応性、サイクル耐久性に優れ、低コストな材料であるから、これらの材料を正極電極に用いることにより、出力特性により優れた電池を形成することができる点では有利である。また、積層型(扁平型)電池構造を採用することで簡単な熱圧着などのシール技術により長期信頼性を確保でき、コスト面や作業性の点では有利である。しかし、本発明のリチウムイオン二次電池は、優れた電池を得るために、バイポーラ型リチウムイオン二次電池として用いるのが好ましい。しかし、特にこれに限定されず、例えば、積層型リチウムイオン二次電池、倦回型リチウムイオン二次電池などが例示できるが、好ましくはバイポーラ型リチウムイオン二次電池(以下、単に「バイポーラ電池」とも称する。)である。
【0072】
以下に、本発明のリチウムイオン二次電池の好適な態様の一つである、電解質に高分子電解質(より詳細には、全固体高分子電解質または高分子ゲル電解質)を用いたバイポーラ電池につき簡単に説明する。しかし、これらは本発明の例示に過ぎず、これらに限定されるものではない。
【0073】
本発明のバイポーラ電池の基本構成の概略を、図3〜6を用いて簡単に説明する。このうち図3には、バイポーラ電池を構成するバイポーラ電極の構造を模式的に表わした断面概略図を示し、図4には、バイポーラ電池を構成する単電池層の構造を模式的に表わした断面概略図を示し、図5には、バイポーラ電池の全体構造を模式的に表わした断面概略図を示し、図6には、バイポーラ電池内に複数積層された単電池層が直列に接続されてなることを(記号化して)概念的に表わした概略図を示す。
【0074】
図3〜6に示したように、1枚の集電体11の片面に正極層12を設け、もう一方の面に負極層13を設けたバイポーラ電極15(図3参照のこと)を、高分子電解質層14を挟み隣り合うバイポーラ電極15の電極層12、13が対向するようになっている。すなわち、バイポーラ電池21では、集電体11の片方の面上に正極層12を有し、他方の面上に負極層13を有するバイポーラ電極(電極層)15を、電解質層14を介して複数枚積層した構造の電極積層体(バイポーラ電池本体)17からなるものである。最上層と最下層の電極15a、15bは、バイポーラ電極構造ではなく集電体11(または負極端子板19もしくは正極端子板18)に必要な片面のみの電極層(負極層13または正極層12)を形成した構造となっている(図5参照のこと)。
【0075】
バイポーラ電極の積層回数は、所望する電圧に応じて調節する。シート状電池の厚みを極力薄くしても十分な出力が確保できるのであれば、バイポーラ電極の積層回数を少なくしてもよい。
【0076】
また、本発明のバイポーラ電池21では、使用する際の外部からの衝撃、環境劣化を防止するために、電極積層体17部分を電池外装材(外装パッケージ)20に減圧封入するのがよい(図5、6参照のこと)。
【0077】
電池外装材20としては、軽量化の観点からは、アルミニウム、ステンレス、ニッケル、銅などの金属(合金を含む)をポリプロピレンフィルム等の絶縁体で被覆したアルミラミネートパックなどの高分子−金属複合ラミネートフィルムなど、従来公知のものを用いて、その周辺部の一部または全部を熱融着にて接合することにより、電極積層体17を収納し減圧封入(密封)するのが好ましい。
【0078】
このバイポーラ電池21の基本構成は、図6に示すように、複数積層した単電池層(単セル)16が直列に接続された構成ともいえる。なお、本発明のバイポーラ電池は、リチウムイオンの移動によって充放電が媒介されるバイポーラリチウムイオン二次電池に用いられる。ただし、電池特性の向上等の効果が得られるのであれば、他の種類の電池に適用することを妨げるものではない。
【0079】
本発明のバイポーラ電池の他の構成要素については、特に制限されるべきものではなく、従来公知のバイポーラ電池に幅広く適用可能である。
【0080】
また、バイポーラ電池の作製方法としては、上述した本発明のリチウムイオン二次電池用電極をバイポーラ電極として用い、これと電解質層(膜)を高真空下で十分に乾燥させた後、それぞれを適当なサイズに切り出す。切り出されたバイポーラ電極と電解質層とを所定数、張り合わせてバイポーラ電池積層体(電極積層体)を作製する方法である。
【0081】
さらに、電解質層(膜)が一面または両面に形成されたバイポーラ電極の場合には、高真空下で十分加熱乾燥してから、電解質層(膜)が形成された電極を適当なサイズに複数個切りだし、切り出された電極を直接貼り合わせて、バイポーラ電池本体(電極積層体)を作製してもよい。
【0082】
上記電極積層体の積層数は、バイポーラ電池に求める電池特性を考慮して決定される。また、正極側の最外層には、集電体上に正極層のみを形成した電極を配置する。負極側の最外層には、集電体上に負極層のみを形成した電極を配置する。バイポーラ電極と電解質層(膜)とを積層、あるいは電解質層(膜)が形成された電極を積層させてバイポーラ電池を得る段階は、電池内部に水分等が混入するのを防止する観点から、不活性雰囲気下で行うことが好ましい。例えば、アルゴン雰囲気下や窒素雰囲気下でバイポーラ電池を作製するとよい。
【0083】
また、全固体高分子電解質層を用いる場合において電解質層は、上記した通りであるが、例えば、全固体高分子電解質の原料高分子、リチウム塩等をNMPのような溶媒に溶解させて調製した溶液を硬化させることによって製造される。また、高分子ゲル電解質層を用いる場合において電解質層は、例えば、高分子ゲル電解質の原料として、ホストポリマーと電解液、リチウム塩、重合開始剤等からなるプレゲル溶液を不活性雰囲気下で加熱乾燥と同時に重合(架橋反応を促進)させることによって製造される。
【0084】
例えば、上記電極(正極および/または負極)上に、調製された上記溶液またはプレゲル溶液を塗布し、所定の厚さの電解質層またはその一部(電解質層厚さの半分程度の電解質膜)を形成する。その後、電解質層(膜)が積層された電極を硬化または加熱乾燥と同時に重合(架橋反応を促進)させることによって、電解質の機械的強度を高め、電解質層(膜)を製膜形成する(完成させる)。
【0085】
あるいは、別途、電極間に積層される電解質層またはその一部(電解質層厚さの半分程度の電解質膜)を準備する。電解質層(膜)は、上記溶液またはプレゲル溶液を、PETフィルムなど適当なフィルム上に塗布し、硬化または加熱乾燥と同時に重合(架橋反応を促進)させることによって製造される。
【0086】
硬化または加熱乾燥は真空乾燥機(真空オーブン)などを用いることができる。加熱乾燥の条件は溶液またはプレゲル溶液に応じて決定され、一義的に規定できないが、通常は30〜110℃で0.5〜12時間である。
【0087】
電解質層(膜)の厚さは、スペーサなどを用いて制御できる。光重合開始剤を用いる場合には、光透過性のギャップに流し込み、乾燥及び光重合ができるような紫外線照射装置を用いて紫外線を照射して、電解質層内のポリマーを光重合させ架橋反応を進行させて製膜するとよい。ただし、この方法に限定されないことは勿論である。重合開始剤の種類に応じて、放射線重合、電子線重合、熱重合などを使いわける。
【0088】
また、上記で用いるフィルムは、製造過程で80℃程度に加熱されることもありえるため、当該温度程度での十分な耐熱性を有し、さらに溶液またはプレゲル溶液との反応性がなく、製造過程で剥離し除去する必要上、離型性に優れたものを用いるのが望ましく、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリプロピレンフィルムなどを使用することができるが、これらに制限されるべきものではない。
【0089】
なお電解質層の幅は、バイポーラ電極の集電体の電極形成部サイズよりも若干小さくすることが多い。
【0090】
上記溶液またはプレゲル溶液の組成成分やその配合量などについては、使用目的に応じて適宜決定されるべきものである。
【0091】
なお、電解液を染み込ませたセパレータは、バイポーラ型でない従来の溶液系のバイポーラ電池に用いられる電解質層と同様の構成であり、従来公知の各種製造方法、例えば、電解液を染み込ませたセパレータをバイポーラ電極に挟み込んで積層する方法や真空注液法などにより製造できるため、以下、詳しい説明は省略する。
【0092】
絶縁層は、集電体同士が接触したり、電解液が漏れ出したり、積層電極の端部の僅かな不ぞろいなどによる短絡が起こるのを防止する目的で、各電極の周囲に形成されてなるものである(図示せず)。集電体延長部側に絶縁層を設けてもよい。これは、車両駆動用電源として利用するような場合に、電池寿命の長期化が望まれていることを勘案すれば、使用期間中に、電解質層から上記集電体延長部や絶縁用セパレータを伝わって、極めてゆっくりではあるが外部にまで染み出すおそれもなくはないからである。
【0093】
絶縁層としては、絶縁性、電解液の漏出や外部からの水分の透湿に対するシール性(密封性)、電池動作温度下での耐熱性などを有するものであればよく、例えば、エポキシ樹脂、ゴム、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミドなどが使用できるが、耐蝕性、耐薬品性、作り易さ(製膜性)、経済性などの観点からは、エポキシ樹脂が好ましい。
【0094】
正極および負極端子板は、必要に応じて使用すればよい。用いる場合には、端子としての機能を有するほか、薄型化の観点からは極力薄い方がよいが、積層されてなる電極、電解質および集電体はいずれも機械的強度が弱いため、これらを両側から挟示し支持するだけの強度を持たせることが望ましい。さらに、端子部での内部抵抗を抑える観点から、正極および負極端子板の厚さは、通常0.1〜2mm程度が望ましいといえる。
【0095】
正極および負極端子板の材質は、通常リチウムイオン電池で用いられる材質を用いることができる。例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金などを利用することができる。耐蝕性、作り易さ、経済性などの観点からは、アルミニウムを用いることが好ましい。
【0096】
正極端子板と負極端子板との材質は、同一の材質を用いてもよいし、異なる材質のものを用いてもよい。さらに、これら正極および負極端子板は、材質の異なるものを多層に積層したものであってもよい。
【0097】
バイポーラ電池は、使用する際の外部からの衝撃、環境劣化を防止するために、バイポーラ電池本体である電池積層体全体を電池外装材ないし電池ケース(図示せず)に収容するとよい。軽量化の観点からは、アルミニウム、ステンレス、ニッケル、銅などの金属(合金を含む)をポリプロピレンフィルム等の絶縁体で被覆した高分子−金属複合ラミネートフィルムやアルミラミネートパックなど、従来公知の電池外装材を用いて、その周辺部の一部または全部を熱融着にて接合することにより、電池積層体を収納し密封した構成とするのが好ましい。この場合、上記正極および負極リードは、上記熱融着部に挟まれて上記電池外装材の外部に露出される構造とすればよい。また、熱伝導性に優れた高分子−金属複合ラミネートフィルムやアルミラミネートパックなどを用いることが、自動車の熱源から効率よく熱を伝え、電池内部を電池動作温度まですばやく加熱することができる点で好ましい。
【0098】
さらに、本発明では、上記のリチウムイオン二次電池を複数個接続して構成した組電池とすることができる。すなわち、本発明のリチウムイオン二次電池を少なくとも2個以上を用いて直列および/または並列に接続して構成し構成し組電池化することにより、高容量、高出力の電池モジュールを形成することが出来る。そのため、使用目的ごとの電池容量や出力に対する要求に、比較的安価に対応することが可能になる。
【0099】
具体的には、例えば、上記のリチウムイオン二次電池をN個並列に接続し、N個並列にしたリチウムイオン二次電池をさらにM個直列にして金属製ないし樹脂製の組電池ケースに収納し、組電池とする。この際、リチウムイオン二次電池の直列/並列接続数は、使用目的に応じて決定する。例えば、電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)などの大容量電源として、高エネルギー密度、高出力密度が求められる車両の駆動用電源に適用し得るように組み合わせればよい。また、組電池用の正極端子および負極端子と、各リチウムイオン二次電池の電極リードとは、リード線等を用いて電気的に接続すればよい。また、リチウムイオン二次電池同士を直列/並列に接続する際には、スペーサやバスバーのような適当な接続部材を用いて電気的に接続すればよい。ただし、本発明の組電池は、ここで説明したものに制限されるべきものではなく、従来公知のものを適宜採用することができる。また、該組電池には、使用用途に応じて、各種計測機器や制御機器類を設けてもよく、例えば、電池電圧を監視するために電圧計測用コネクタなどを設けておいてもよいなど、特に制限されるものではない。
【0100】
本発明では、上記のリチウムイオン二次電池および/または組電池を駆動用電源などとして搭載した車両とすることができる。本発明のリチウムイオン二次電池および/または組電池は、上述のように各種特性を有し、特に、出力特性に優れる電池である。このため、エネルギー密度および出力密度に関して、とりわけ厳しい要求がなされる車両、例えば、電気自動車やハイブリッド電気自動車等の駆動用電源として好適であり、燃費、走行性能に優れた電気自動車、ハイブリッド自動車を提供できる。例えば、電気自動車ないしハイブリッド電気自動車の車体中央部の座席下に組電池を駆動用電源として搭載するのが、社内空間およびトランクルームを広く取れるため便利である。ただし、本発明では、これらに何ら制限されるべきものではなく、電池は、車両の床下、トランクルーム、エンジンルーム、屋根、ボンネットフード内などに設置することができる。なお、本発明では、組電池だけではなく、使用用途によっては、バイポーラ電池を搭載するようにしてもよいし、これら組電池とリチウムイオン二次電池を組み合わせて搭載するようにしてもよい。また、本発明のリチウムイオン二次電池および/または組電池を駆動用電源として搭載することのできる車両としては、上記の電気自動車やハイブリッド電気自動車が好ましいが、これらに制限されるものではない。さらに、本発明のリチウムイオン二次電池および/または組電池は駆動用電源の他に、燃料電池自動車やハイブリッド燃料電池自動車の補助電源として用いられてもよい。
【0101】
【実施例】
本発明の効果を、以下の実施例および比較例を用いて説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例に限定されるものではない。
【0102】
実施例1
<リチウムイオン二次電池用電極の作製>
(1)正極の作製
まず、正極活物質、電解質保持材料を含む正極スラリーを集電体上に塗布した。正極活物質としてLiMn(75質量%)、導電助剤としてアセチレンブラック(5質量%)、バインダとしてPVDF(10質量%)、電解質保持材料として平均粒径10μm、細孔径1μmの多孔質アルミナ(10質量%)、および、スラリー粘度調整溶媒としてNMP(適量)を用いて正極スラリーを調整した。前記スラリーを、集電体であるSUS箔(厚さ20μm)の片面に塗布した。次に、塗布したスラリーを120℃程度で乾燥させ、厚さ20μmの正極層を作製した。
【0103】
(2)負極の作製
まず、負極活物質、電解質保持材料を含む負極スラリーを集電体上に塗布した。負極活物質としてハードカーボン(80質量%)、バインダとしてPVDF(10質量%)、電解質保持材料として平均粒径10μm、細孔径1μmの多孔質アルミナを(10質量%)、および、スラリー粘度調整溶媒としてNMP(適量)を用いて負極スラリーを調整した。前記負極スラリーを、正極を塗布したSUS箔の反対の面に塗布した。次に、塗布した負極スラリーを120℃程度で乾燥させて、厚さ20μmの負極層を作製した。
【0104】
<高分子ゲル電解質層(膜)の作製>
ポリマー(ポリエチレンオキシドとポリプロピレンオキシドとの共重合体、重量平均分子量8000、10質量%)と、EC:PC=1:1(質量比)の溶媒(可塑剤)にリチウム塩として1.0MのLiBETIを溶解したもの(90質量%)と、重合開始剤としてt−ヘキシルパーオキシピパレート(ポリマーに対して1質量%)とを溶解させてプレゲル溶液とした。このプレゲル溶液をセパレーターとしてPP製不織布(厚さ100μm)に含浸させ、不活性雰囲気下で90℃で熱重合を行った。
【0105】
<バイポーラ電池の作製>
上述の通り作製したリチウムイオン二次電池用電極(正極および負極からなるバイポーラ電極)に、高分子電解質に用いたものと同じプレゲル溶液を含浸させ、不活性雰囲気下で90℃で熱重合させることにより、電極内に高分子ゲル電解質を保持させた。
【0106】
バイポーラ電極の正極と負極とが電解質を保持させたセパレーター(高分子ゲル電解質)を挟んで対向するように積層して単電池層を積層した。さらに、単電池層が5層(単電池層5セル分)形成されるように電極を積層し、積層体を得た。
【0107】
前記積層体を電池外装材であるアルミラミネートフィルムで封止し、バイポーラ電池を作製した。
【0108】
比較例1
電解質保持材料を持たないバイポーラ電極(負極および正極)を用いた以外は実施例1と同様にして、単電池層が5層(単電池層5セル分)形成されるように電極を積層し、アルミラミネートフィルムで封止したバイポーラ電池を作製した。
【0109】
<評価>
上記実施例1の本発明のバイポーラ電池、および、比較例1の電解質保持材料を持たない高分子バイポーラ電池を恒温槽に入れ、電池温度を25℃とした後、充放電装置を用いて放電性能試験を行った。
【0110】
放電性能試験は、定電流定電圧充電することにより電池を満充電(21.0V)まで充電し、5CAの電流レートで15.0Vまで定電流放電を行った後、放電容量を測定し、放電反応率(5CAでの放電容量/電池の理論容量×100)を求めることにより行った。その結果を図7に示す。
【0111】
なお、電池の理論容量は、正極活物質の理論容量と、正極活物質塗布量から求められる。
【0112】
図7において、比較例1のバイポーラ電池の放電反応率は55%であるのに対し、本発明のバイポーラ電池は96%であることが示されている。
【図面の簡単な説明】
【図1】一般的なリチウムイオン二次電池用電極および電解質層の模式図である。
【図2】本発明のリチウムイオン二次電池用電極の模式図である。図2(a)では電解質保持材料7にセラミックス多孔体(活性炭)を用いた例であり、図2(b)では電解質保持材料7に樹脂中空糸を用いた例であり、図2(c)では電解質保持材料7に不織布を用いた例である。
【図3】本発明のバイポーラ電池を構成するバイポーラ電極の基本構造を模式的に表わした断面概略図である。
【図4】本発明のバイポーラ電池を構成する単電池層(単セル)の基本構造を模式的に表わした断面概略図である。
【図5】本発明のバイポーラ電池の基本構造を模式的に表わした断面概略図である。
【図6】本発明のバイポーラ電池の基本構成を模式的に表わしてなる概略図である。
【図7】本発明のバイポーラ電池の放電性能試験の結果を示す図面である。
【符号の説明】
1、11…集電体、2…電極層、3…電解質層、4…電極活物質、5…電解質、6…リチウムイオン、7…電解質保持材料、12…正極層、13…負極層、14…高分子電解質、15…バイポーラ電極、15a…集電体の必要な片面のみに負極層を配置した電極、15b…集電体の必要な片面のみに正極層を配置した電極、16…単電池層、17…電極積層体、18…正極端子板、19…負極端子板、20…電池外装材、21…バイポーラ電池。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a lithium ion secondary battery, and more particularly to a lithium ion secondary battery using an electrode for an electrolyte holding material.
[0002]
[Prior art]
In recent years, reduction of carbon dioxide emission has been urgently required for environmental protection. In the automotive industry, expectations are growing for the reduction of carbon dioxide emissions through the introduction of electric vehicles (EV) and hybrid electric vehicles (HEV), and the development of motor-driven secondary batteries, which are key to their practical use, is keenly pursued. Is being done. As a secondary battery, attention has been focused on a lithium ion secondary battery capable of achieving high energy density and high output density. However, in order to apply it to an automobile, it is necessary to use a plurality of secondary batteries connected in series in order to secure a large output.
[0003]
However, when a battery is connected via the connection, the output decreases due to the electrical resistance of the connection. Also, batteries with connections have spatial disadvantages. That is, the connection portion lowers the output density and energy density of the battery.
[0004]
As a solution to this problem, a bipolar battery in which a positive electrode active material and a negative electrode active material are arranged on both sides of a current collector has been developed.
[0005]
Among them, a bipolar battery using a polymer electrolyte as an electrolyte has been proposed (for example, see Patent Documents 1 and 2). Among them, the bipolar polymer battery using a solid polymer electrolyte has high reliability because there is no solution (electrolyte solution) in the battery, so there is no risk of liquid leakage or gas generation, and the structure is sealed. This has the advantage that a bipolar battery that does not require a seal can be provided. In addition, a bipolar battery using a polymer gel electrolyte as a polymer electrolyte has excellent ionic conductivity and can sufficiently obtain the output density and energy density of the battery, so it is expected to be the closest bipolar battery to the stage of practical use. I have.
[0006]
In a bipolar battery electrode, particularly when a lithium ion secondary battery electrode is used, by increasing the particle size of the active material, the surface area of the active material is increased, and the distance over which Li ions diffuse in the active material particles is reduced. The reaction resistance has been reduced (for example, see Patent Document 3).
[0007]
[Patent Document 1]
JP 2000-100471 A
[Patent Document 2]
JP-A-11-204136
[Patent Document 3]
JP-A-2000-260423
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, when an attempt is made to discharge at a high current rate in such an electrode, the Li ions in the electrolyte contained in the electrode are rapidly incorporated into the active material, and the Li ion concentration in the electrode decreases, and the separator The resistance of the diffusion of Li ions supplied from the electrolyte in the electrode in the electrode determines the overall reaction.
[0009]
The Li ion diffusion resistance in the electrode can be reduced by reducing the thickness of the entire electrode, but there is a problem that the capacity density of the battery decreases when the electrode is thinned.
[0010]
An object of the present invention is to provide an electrode for a lithium ion secondary battery that can prevent a decrease in Li ion concentration inside the electrode, which occurs during charge and discharge at a high current rate.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is an electrode for a lithium ion secondary battery, comprising an electrolyte holding material disposed in a gap between electrode active materials.
[0012]
【The invention's effect】
Since the electrode for a lithium ion secondary battery of the present invention has an electrolyte holding material between electrode active materials, it may be possible to increase the amount of electrolyte held in the electrode. As a result, the Li ion diffusion resistance can be reduced, and it is possible to prevent a decrease in the Li ion concentration inside the electrode, which occurs during charge and discharge at a high current rate. Therefore, a lithium ion secondary battery using the electrode of the present invention can have excellent output characteristics.
[0013]
Further, by converting the battery of the present invention into a bipolar type and a battery pack, a high-capacity, high-output battery can be obtained, which is useful as a drive power source for vehicles such as EVs and HEVs.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
[0015]
The present invention relates to an electrode for a lithium ion secondary battery, comprising an electrolyte holding material disposed in a gap between electrode active materials.
[0016]
For reference, FIG. 1 shows a schematic view of a general lithium ion secondary battery electrode and an electrolyte layer. FIG. 1 shows a structure in which an electrolyte layer (electrolyte film) 3 is further formed on an electrode in which an electrode layer 2 is formed on one current collector 1. In the electrode layer 2, the electrolyte 5 is filled in the electrode active material 4 and the space between the electrode active materials 4. When charging and discharging are performed at a high current rate in such a battery, Li ions 6 existing inside the electrode layer 2 are rapidly absorbed into the electrode active material 4. As a result, when the Li ion concentration in the electrode layer 2 decreases, Li ions 6 are diffused and supplied from the electrolyte layer 3. As described above, at the same time as the Li ions 6 move in and out of the electrolyte layer 3, the electrons move through the conductive material (not shown).
[0017]
The present inventors have paid attention to the fact that the diffusion resistance of Li ions 6 supplied from the electrolyte layer 3 in the electrode layer 2 determines the rate of the entire reaction, and as a result of intensive studies, as a result, the electrode active material It has been found that the electrode characteristics can be improved by disposing the electrolyte holding material in the voids. Hereinafter, the electrode of the present invention will be described in more detail.
[0018]
FIG. 2 schematically shows the electrode for a lithium ion secondary battery of the present invention. In the present invention, the drawings are exaggerated for the sake of explanation, but the technical scope of the present invention is not limited to the illustrated drawings.
[0019]
FIG. 2 shows a structure in which an electrode layer 2 is formed on a current collector 1 and an electrolyte layer (electrolyte film) 3 is formed on the electrode layer 2. The electrode layer 2 has an electrode active material 4, an electrolyte 5, and an electrolyte holding material 7 arranged in a gap between the electrode active materials 4. 2A shows an example in which a ceramic porous body (activated carbon) is used as the electrolyte holding material 7, and FIG. 2B shows an example in which a resin hollow fiber is used as the electrolyte holding material 7, and FIG. In this example, a nonwoven fabric is used as the electrolyte holding material 7.
[0020]
The electrolyte holding material is a member that holds an electrolyte. Thereby, the amount of the electrolyte held inside the electrode can be increased, and further, the electrolyte can be held deep inside the electrode by the electrolyte holding material.
[0021]
For example, as an electrolyte, when an electrolytic solution is used by impregnating the separator with the electrolytic solution or the like, there is a movement of the electrolytic solution from the separator side to the electrode side, and the electrolytic solution is absorbed by the voids and the electrolyte holding material in the electrode. Will be. The polymer electrolyte as the electrolyte includes a polymer gel electrolyte and an all solid polymer electrolyte. When using an all-solid polymer electrolyte as the electrolyte, there is no movement of the electrolyte from the electrolyte layer to the electrode side, so the polymer electrolyte is also put in the electrode side in advance and absorbed in the gaps in the electrode and the electrolyte holding material. There is a need. When a polymer gel electrolyte is used as the electrolyte, the electrolyte in the gel may move to the electrode side, and thus the electrolyte may move to the electrode side. However, since the movement of the electrolytic solution in the gel is not desirable, it is preferable to put a polymer gel electrolyte on the electrode side in advance and absorb it in the gaps in the electrode or the electrolyte holding material.
[0022]
Since such an electrolyte holding material is present inside the electrode, Li ions are also supplied from the electrolyte holding material during high-rate charge / discharge, so that Li ion conduction becomes smooth. Therefore, the diffusion resistance of Li ions can be reduced, and it is possible to prevent a decrease in Li ion concentration inside the electrode. Therefore, the electrode having the electrolyte holding material of the present invention can reduce the diffusion resistance of Li ions without reducing the thickness of the entire electrode, and furthermore, reduces the capacity density of the battery due to the thinner electrode. Can also be prevented. The electrode layer may contain a binder, a conductive additive, and the like so that the electrode of the present invention has the desired electrode characteristics. However, in the drawings, the description is omitted for convenience of explanation.
[0023]
Examples of the electrolyte retaining material used in the present invention include a resin hollow fiber, a nonwoven fabric, a porous alumina, a ceramic porous body, and activated carbon.
[0024]
Examples of the resin hollow fiber include a polyethylene hollow fiber and a polypropylene hollow fiber, and it is preferable to use a porous hollow fiber in order to increase the amount of retained electrolyte. Further, it is preferable to use a resin hollow fiber having a hollow diameter of 0.1 to 90 μm. In addition, in this invention, "hollow diameter" means the diameter of the hollow part which the straw-shaped resin hollow fiber has.
[0025]
Examples of the nonwoven fabric include a polyethylene nonwoven fabric and a polypropylene nonwoven fabric. It is preferable to use a nonwoven fabric having a porosity of 30 to 95%.
[0026]
Examples of the porous ceramics include porous ceramics such as porous alumina and porous zirconia. Activated carbon includes coconut shell activated carbon. The ceramic porous body and activated carbon preferably have a pore diameter of 0.1 to 90 μm.
[0027]
These may be used alone or in combination of two or more. The electrolyte holding material is not particularly limited as long as the material holds the electrolyte.
[0028]
The content of the electrolyte retaining material in the electrode of the present invention may be appropriately determined so as to obtain desired electrode characteristics such as the electrode thickness and the reaction resistance.
[0029]
Since the size of the electrolyte holding material varies depending on the type and cannot be uniformly defined, it may be appropriately determined so as to obtain desired electrode characteristics such as electrode thickness and reaction resistance, but preferably from 1.0 to 1.0. It is 100 μm, more preferably in the range of 5.0 to 50 μm. Here, the “size of the electrolyte holding material” refers to the absolute maximum length of the electrolyte holding material (meaning the maximum size that the substance can take). When the nonwoven fabric is reduced, it is desirable that the size of the expanded nonwoven fabric is included in the above range.
[0030]
The electrolyte holding material in the electrode can be analyzed by observing the cross section of the electrode with an electron microscope or the like. In addition, even when the battery of the present invention is included in a battery, the battery can be disassembled, the electrode can be taken out, and the electrolyte-holding material can be analyzed in the same manner as described above.
[0031]
The electrode layer of the positive electrode (also simply referred to as “positive electrode layer”) contains an electrolyte holding material and a positive electrode active material, and further includes a conductive auxiliary material for enhancing electron conductivity, a binder, and an ion conductive material. , A lithium salt for increasing the concentration, an electrolyte, and the like.
[0032]
As the positive electrode active material, a lithium-transition metal composite oxide which is a composite oxide of a transition metal and lithium can be suitably used. As the positive electrode active material, specifically, LiCoO 2 Li-Co based composite oxides such as LiNiO 2 Li-Ni based composite oxide such as spinel LiMn 2 O 4 Li-Mn based composite oxides such as LiFeO 2 Li-Fe-based composite oxides such as those described above, and those obtained by partially replacing these transition metals with other elements can be used. These lithium-transition metal composite oxides are excellent in reactivity and cycle durability, and are low-cost materials. Therefore, using these materials for the electrode is advantageous in that a battery having excellent output characteristics can be formed. In addition, LiFePO 4 Phosphoric acid compounds and sulfuric acid compounds of transition metals and lithium; 2 O 5 , MnO 2 , TiS 2 , MoS 2 , MoO 3 Transition metal oxides and sulfides such as PbO 2 , AgO, NiOOH and the like.
[0033]
The particle size of the positive electrode active material is not particularly limited, and a particle having a conventionally known particle size range may be used. Specifically, in order to reduce the electrode resistance, the average particle size of the fine particles of the positive electrode active material is reduced. The diameter is preferably 0.1 to 5 μm.
[0034]
Examples of the conductive additive include acetylene black, carbon black, and graphite. However, it is not limited to these.
[0035]
As the binder, polyvinylidene fluoride (PVDF), SBR, polyimide or the like can be used. However, it is not limited to these.
[0036]
Examples of lithium salts include LiBETI (lithium bis (perfluoroethylenesulfonylimide); Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N), LiBF 4 , LiPF 6 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 , LiBOB (lithium bis oxide borate) or a mixture thereof can be used. However, it is not limited to these.
[0037]
When a polymer electrolyte is used for the electrolyte layer, it is desirable that the positive electrode layer also contains the polymer electrolyte. By filling the gap between the positive electrode active materials in the positive electrode layer with the polymer electrolyte, the ion conduction in the positive electrode layer becomes smooth, and the output of the lithium ion secondary battery as a whole can be improved.
[0038]
Examples of the polymer electrolyte include, in the present invention, a polymer gel electrolyte in which a polymer holds an electrolytic solution, and an all-solid polymer electrolyte composed only of a polymer electrolyte and a supporting salt such as a lithium salt. Can be
[0039]
The all solid polymer electrolyte is not particularly limited, and examples thereof include polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), and a copolymer thereof. Such a polyalkylene oxide-based polymer is LiBF 4 , LiPF 6 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 And other lithium salts. Further, by forming a crosslinked structure, excellent mechanical strength is exhibited. In the present invention, the all solid polymer electrolyte is preferably contained in both the positive electrode layer and the negative electrode layer in order to further improve the electrode characteristics.
[0040]
As the polymer gel electrolyte, an all-solid polymer electrolyte having ion conductivity and an electrolyte solution is included, but a skeleton of a polymer (host polymer) having no lithium ion conductivity is further provided. Among them, those holding similar electrolytes are also included.
[0041]
Here, the electrolyte solution (electrolyte salt and plasticizer) contained in the polymer gel electrolyte may be any one that is usually used in a lithium ion battery. For example, LiBOB (lithium bisoxide borate), LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiTaF 6 , LiAlCl 4 , Li 2 B 10 Cl 10 Acid anion salts such as LiCF 3 SO 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N (LiBETI) and other organic acid anion salts, at least one lithium salt (electrolyte salt), and cyclic carbonates such as propylene carbonate (PC) and ethylene carbonate (EC); dimethyl carbonate; Chain carbonates such as methyl ethyl carbonate and diethyl carbonate; ethers such as tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,4-dioxane, 1,2-dimethoxyethane and 1,2-dibutoxyethane; and γ-butyrolactone Lactones; nitriles such as acetonitrile; esters such as methyl propionate; amides such as dimethylformamide; an aprotic solvent in which at least one or two or more selected from methyl acetate and methyl formate are mixed Organic solvents such as plastic ), And the like can be used as that used. However, it is not limited to these.
[0042]
Examples of the polymer having no lithium ion conductivity used for the polymer gel electrolyte include polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl chloride (PVC), polyacrylonitrile (PAN), and polymethyl methacrylate (PMMA). it can. However, it is not limited to these. Since PAN, PMMA, and the like fall into the category of having little ionic conductivity, they can be the above-mentioned polymers having ionic conductivity, but are used here as polymer gel electrolytes. It is exemplified as a polymer having no lithium ion conductivity.
[0043]
The ratio (mass ratio) between the host polymer and the electrolytic solution in the polymer gel electrolyte may be determined according to the purpose of use, etc., and is in the range of 2:98 to 90:10. That is, leakage of the electrolyte from the outer peripheral portion of the electrode layer can be effectively sealed by providing the insulating layer and the insulating portion. Therefore, the battery characteristics can be given a relatively high priority also with respect to the ratio (mass ratio) between the host polymer and the electrolytic solution in the polymer gel electrolyte.
[0044]
In the positive electrode layer, the amount of components such as a positive electrode active material, a conductive auxiliary material, a binder, a polymer electrolyte (a host polymer, an electrolytic solution, etc.), a lithium salt, etc. depends on the purpose of use of the battery (e.g. The decision should be made in consideration of gender. For example, if the blending amount of the polymer electrolyte in the electrode layer is too small, the ionic conduction resistance and the ionic diffusion resistance in the electrode layer will increase, and the battery performance will decrease. On the other hand, if the blending amount of the polymer electrolyte in the positive electrode layer is too large, the energy density of the battery decreases. Therefore, a polymer (gel) electrolytic mass that meets the purpose is determined in consideration of these factors.
[0045]
The thickness of the positive electrode layer is not particularly limited, and should be determined in consideration of the intended use of the battery (e.g., emphasis on output, energy, etc.) and ionic conductivity, as described for the blending amount. The thickness of a general positive electrode layer is about 10 to 500 μm. That is, by having the electrolyte holding material, the Li ion diffusion resistance can be reduced without reducing the thickness of the positive electrode, and a sufficient battery capacity density can be obtained.
[0046]
Next, in the electrode layer of the negative electrode (also simply referred to as “negative electrode layer”), a negative electrode active material and an electrolyte holding material are included, and in addition to these, a conductive auxiliary material for improving electron conductivity, a binder, and the like. , A lithium salt for enhancing ionic conductivity, a polymer electrolyte, and the like.
[0047]
When an all solid polymer electrolyte is used for the electrolyte layer, it is desirable that the negative electrode layer also contains the all solid polymer electrolyte. By filling the voids between the negative electrode active materials in the negative electrode layer with the all-solid polymer electrolyte, the ion conduction in the negative electrode layer becomes smooth, and the output of the lithium ion secondary battery as a whole can be improved.
[0048]
Except for the type of the negative electrode active material, the content is basically the same as that described in the section of “Positive electrode layer”, and thus the description is omitted here.
[0049]
Examples of the negative electrode active material include various natural graphites and artificial graphites, for example, graphites such as fibrous graphite, flaky graphite, spherical graphite, and various lithium alloys. Specifically, carbon, graphite, metal oxide, lithium-metal composite oxide and the like can be used, and carbon or lithium-transition metal composite oxide is preferable. These carbon or lithium-transition metal composite oxides are excellent in reactivity and cycle durability, and are low-cost materials. Therefore, by using these materials for the electrodes, a battery having excellent output characteristics can be formed. In addition, as the lithium-transition metal composite oxide, for example, Li 4 Ti 5 O 12 And the like can be used. As the carbon, for example, graphite (graphite), hard carbon, soft carbon, or the like can be used.
[0050]
The thickness of the negative electrode layer is not particularly limited, and should be determined in consideration of the intended use of the battery (e.g., emphasis on output and energy) and ionic conductivity, similarly to the positive electrode layer. The thickness of a general negative electrode layer is about 10 to 500 μm. That is, even if the negative electrode is not made thin, the Li ion diffusion resistance can be reduced, and a sufficient capacity density of the battery can be obtained.
[0051]
Further, the current collector used for the electrode (negative electrode and positive electrode) of the present invention is not particularly limited, and a conventionally known current collector can be used. For example, aluminum foil, stainless steel foil, nickel and aluminum , A clad material of copper and aluminum, or a plated material of a combination of these metals is preferably used. Alternatively, a current collector in which aluminum is coated on a metal surface may be used. In some cases, a current collector in which two or more metal foils are bonded may be used. It is preferable to use an aluminum foil as a current collector from the viewpoints of corrosion resistance, ease of production, economy, and the like.
[0052]
The thickness of the current collector is not particularly limited, but is usually about 1 to 100 μm. Further, the length or shape of the current collector may be appropriately determined so that a desired electrode is obtained.
[0053]
The method for producing an electrode according to the present invention includes a step of preparing a slurry containing an electrode active material and an electrolyte retaining material, and a step of applying the slurry on a current collector. According to such a manufacturing method of the present invention, it is possible to manufacture an electrode including an electrolyte holding material by a simple method.
[0054]
First, in the step of adjusting the slurry containing the electrode active material and the electrolyte holding material, as necessary, in addition to the electrode active material and the electrolyte holding material, a binder, a conductive auxiliary agent, and the like are mixed in a solvent to form a slurry. adjust. Since the electrode active material, the electrolyte holding material, and other components in the positive electrode and the negative electrode are as described above, the description thereof is omitted here.
[0055]
The solvent of the slurry and the mixing means may use various known techniques, and are not particularly limited. Examples of the solvent for the slurry include dimethylformamide, dimethylacetamide, methylformamide, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) and the like. When polyvinylidene fluoride (PVDF) is used as the binder, it is preferable to use N-methyl-2-pyrrolidone (NMP).
[0056]
After the slurry containing the electrolyte holding material is applied and dried on the current collector, the slurry containing no electrolyte holding material is applied and dried, so that the electrolyte holding material is also provided at the back of the electrode as shown in FIG. Material can be retained. Thereby, Li ion conduction at the time of high-rate charge / discharge becomes smooth, the diffusion resistance of Li ions can be reduced, and a decrease in Li ion concentration inside the electrode can be prevented.
[0057]
Next, the step of applying the slurry on the current collector is not particularly limited, and the slurry may be applied by a known method such as a coater or a screen printing method so as to obtain a desired thickness of the electrode. The first manufacturing method is suitable for a case where a separator in which an electrolyte of a battery is impregnated with an electrolytic solution is used.
[0058]
In addition, the method for manufacturing the electrode of the present invention is not limited to the above-described method, and the second method includes the steps of: drying the applied slurry; and impregnating the dried slurry with an electrolyte solution. And the step of polymerizing the electrolyte solution. Such a second manufacturing method is suitable for a case where a polymer electrolyte is used as the electrolyte of the battery.
[0059]
At the stage of drying the applied slurry, the drying method is not particularly limited, and may be performed using a vacuum dryer or the like. At this stage, a void is formed between the electrode active materials, and the electrolyte holding material is provided in the void. Further, the drying time and the drying temperature may be appropriately determined according to the supply amount of the slurry and the volatilization rate of the solvent of the slurry.
[0060]
As a step of impregnating the dried slurry with the electrolyte solution, the impregnation method is not particularly limited, and may be performed using a conventionally known method. In addition, a small amount can be supplied by using an applicator or a coater. The electrolyte solution to be impregnated is preferably the same as the electrolyte solution used for forming the electrolyte layer, and may further contain a polymerization initiator, a solvent in the case of a polymer electrolyte, and the like.
[0061]
The polymerization initiator needs to be appropriately selected according to the polymerization method (thermal polymerization method, ultraviolet polymerization method, radiation polymerization method, electron beam polymerization method, etc.) and the compound to be polymerized. For example, benzyl dimethyl ketal as an ultraviolet polymerization initiator and azobisisobutyronitrile as a thermal polymerization initiator are exemplified, but not limited thereto.
[0062]
At the stage of polymerizing the electrolyte solution, the polymerization method is not particularly limited, and examples thereof include a polymerization method using thermal polymerization, ultraviolet polymerization, radiation polymerization, and electron beam polymerization. The polymerization method may be appropriately selected according to the compound contained in the impregnated electrolyte solution, but it is preferable to perform thermal polymerization because the polymerization can be performed easily and reliably. The polymerization conditions and the like are determined according to the supply amount of the solvent, the evaporation rate of the solvent, the crosslinking rate, and the like. Further, a drying step may be added if necessary.
[0063]
As a third manufacturing method of the electrode of the present invention, an electrolyte solution may be included in the step of adjusting the slurry in the first manufacturing method. That is, the method for producing an electrode of the present invention may include a step of applying a slurry containing an electrode active material, an electrolyte holding material, and an electrolyte solution onto a current collector, and a step of polymerizing the electrolyte solution. Such a third manufacturing method is suitable for a case where a polymer electrolyte is used as the electrolyte of the battery.
[0064]
As a fourth manufacturing method of the electrode of the present invention, first, a positive electrode slurry containing an electrode active material and an electrolyte holding material is applied on a current collector and dried, and in the same manner, a negative electrode slurry is coated on another current collector. And dried. Next, these may be laminated in the order of a negative electrode, a separator, a positive electrode, and a separator via a separator such as a porous polypropylene film, and then impregnated with an electrolyte solution and polymerized to produce an electrode. Such a fourth manufacturing method is suitable for a case where a polymer electrolyte is used as the electrolyte of the battery.
[0065]
As described above, the electrode of the present invention can prevent a decrease in the concentration of Li ions inside the electrode that occurs at the time of high-rate charging and discharging, and can smoothly perform the electrode reaction. Therefore, a lithium ion secondary battery using the electrode of the present invention for the positive electrode and / or the negative electrode can be a battery having excellent output characteristics. A secondary battery including the electrode of the present invention as at least one electrode belongs to the technical scope of the present invention.
[0066]
In such a battery, it is preferable to use a lithium-transition metal composite oxide as a positive electrode active material and use carbon or a lithium-transition metal composite oxide as a negative electrode active material. By using such a compound, an electrode having excellent reactivity and cycle durability can be obtained with a low-cost material.
[0067]
The lithium-transition metal composite oxide in the positive electrode active material is as described above. 2 O 4 , LiCoO 2 , LiNiO 2 And those obtained by partially substituting these transition metals with other elements.
[0068]
As for the negative electrode active material, as described above, carbon such as hard carbon and graphite, and lithium-transition metal composite oxide such as Li 4 Ti 5 O 12 And the like.
[0069]
As the electrolyte, as described above, a polymer electrolyte is preferably used. This is because there is no problem of liquid leakage, and a highly reliable battery can be obtained.
[0070]
Since the electrode active material, the electrolyte holding material, and other components in the positive electrode and the negative electrode are as described above, detailed description thereof is omitted here.
[0071]
The lithium ion secondary battery using the electrode of the present invention is not particularly limited. For example, when distinguished by the form and structure, a stacked (flat) battery and a wound (cylindrical) battery The present invention can be applied to any conventionally known forms and structures such as batteries. In addition, when viewed in terms of the electrical connection form (electrode structure) in a lithium ion secondary battery, it applies to both non-bipolar (internal parallel connection type) batteries and bipolar (internal series connection type) batteries. What you get. In a bipolar battery, a cell having a higher voltage than a normal battery and having excellent capacity and output characteristics can be constructed. Further, since the polymer battery does not cause liquid leakage, it is advantageous in that a non-aqueous battery having high reliability without a liquid junction problem, and having excellent output characteristics can be formed with a simple configuration. Furthermore, a lithium ion secondary battery using a lithium-transition metal composite oxide as a positive electrode active material is a material having excellent reactivity, cycle durability, and low cost. This is advantageous in that a battery having better output characteristics can be formed. In addition, by adopting a stacked (flat) battery structure, long-term reliability can be ensured by a simple sealing technique such as thermocompression bonding, which is advantageous in terms of cost and workability. However, the lithium ion secondary battery of the present invention is preferably used as a bipolar type lithium ion secondary battery in order to obtain an excellent battery. However, the present invention is not particularly limited thereto. For example, a stacked lithium ion secondary battery, a rechargeable lithium ion secondary battery, and the like can be exemplified. Preferably, a bipolar lithium ion secondary battery (hereinafter simply referred to as a “bipolar battery”) is used. ).
[0072]
The following briefly describes a bipolar battery using a polymer electrolyte (more specifically, an all-solid polymer electrolyte or a polymer gel electrolyte) as one of the preferred embodiments of the lithium ion secondary battery of the present invention. Will be described. However, these are only examples of the present invention, and the present invention is not limited to these.
[0073]
The basic configuration of the bipolar battery of the present invention will be briefly described with reference to FIGS. 3 is a schematic cross-sectional view schematically showing the structure of a bipolar electrode constituting a bipolar battery, and FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a unit cell layer constituting a bipolar battery. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view schematically showing the entire structure of the bipolar battery, and FIG. 6 is a diagram in which a plurality of unit cell layers stacked in the bipolar battery are connected in series. FIG. 2 is a schematic diagram conceptually showing (symbolizing) this.
[0074]
As shown in FIGS. 3 to 6, the bipolar electrode 15 (see FIG. 3) in which the positive electrode layer 12 is provided on one surface of one current collector 11 and the negative electrode layer 13 is provided on the other surface, is The electrode layers 12 and 13 of the bipolar electrode 15 adjacent to each other with the molecular electrolyte layer 14 interposed therebetween face each other. That is, in the bipolar battery 21, a plurality of bipolar electrodes (electrode layers) 15 having the positive electrode layer 12 on one surface of the current collector 11 and the negative electrode layer 13 on the other surface are provided via the electrolyte layer 14. It comprises an electrode laminate (bipolar battery body) 17 having a laminated structure. The electrodes 15a and 15b of the uppermost layer and the lowermost layer are not of a bipolar electrode structure but are formed on only one side of the electrode layer (the negative electrode layer 13 or the positive electrode layer 12) required for the current collector 11 (or the negative electrode terminal plate 19 or the positive electrode terminal plate 18) (See FIG. 5).
[0075]
The number of laminations of the bipolar electrode is adjusted according to a desired voltage. If a sufficient output can be ensured even if the thickness of the sheet-shaped battery is made as thin as possible, the number of times of laminating the bipolar electrodes may be reduced.
[0076]
Further, in the bipolar battery 21 of the present invention, in order to prevent external impact and environmental degradation at the time of use, it is preferable that the electrode laminate 17 is sealed under reduced pressure in a battery exterior material (exterior package) 20 (FIG. 5, 6).
[0077]
From the viewpoint of weight reduction, a polymer-metal composite laminate such as an aluminum laminate pack in which a metal (including an alloy) such as aluminum, stainless steel, nickel, or copper is coated with an insulator such as a polypropylene film is used as the battery exterior material 20. It is preferable that the electrode laminate 17 is housed and sealed under reduced pressure (sealing) by using a conventionally known film or the like and partially or entirely joining the periphery thereof by heat fusion.
[0078]
The basic configuration of the bipolar battery 21 can be said to be a configuration in which a plurality of stacked unit cell layers (single cells) 16 are connected in series, as shown in FIG. The bipolar battery of the present invention is used for a bipolar lithium ion secondary battery in which charging and discharging are mediated by movement of lithium ions. However, this does not prevent application to other types of batteries as long as effects such as improvement in battery characteristics can be obtained.
[0079]
The other components of the bipolar battery of the present invention are not particularly limited, and can be widely applied to conventionally known bipolar batteries.
[0080]
In addition, as a method for manufacturing a bipolar battery, the above-described electrode for a lithium ion secondary battery of the present invention is used as a bipolar electrode, and after thoroughly drying this and an electrolyte layer (membrane) under high vacuum, Cut out the right size. This is a method for producing a bipolar battery laminate (electrode laminate) by laminating a predetermined number of cut-out bipolar electrodes and electrolyte layers.
[0081]
Further, in the case of a bipolar electrode having an electrolyte layer (membrane) formed on one or both surfaces, the electrode is sufficiently heated and dried under a high vacuum, and then a plurality of electrodes having the electrolyte layer (membrane) are formed to an appropriate size. The cut-out and cut-out electrodes may be directly bonded to each other to produce a bipolar battery body (electrode laminate).
[0082]
The number of layers of the electrode stack is determined in consideration of battery characteristics required for a bipolar battery. In the outermost layer on the positive electrode side, an electrode in which only the positive electrode layer is formed on the current collector is arranged. In the outermost layer on the negative electrode side, an electrode in which only the negative electrode layer is formed on the current collector is arranged. The step of obtaining a bipolar battery by laminating a bipolar electrode and an electrolyte layer (membrane) or laminating an electrode on which an electrolyte layer (membrane) is formed is difficult from the viewpoint of preventing moisture and the like from being mixed into the battery. It is preferable to carry out under an active atmosphere. For example, a bipolar battery is preferably manufactured in an argon atmosphere or a nitrogen atmosphere.
[0083]
When the all solid polymer electrolyte layer is used, the electrolyte layer is as described above. For example, the electrolyte layer was prepared by dissolving the raw material polymer of the all solid polymer electrolyte, a lithium salt, and the like in a solvent such as NMP. Manufactured by curing the solution. In the case of using the polymer gel electrolyte layer, the electrolyte layer is, for example, heated and dried in an inert atmosphere by heating a pregel solution comprising a host polymer, an electrolyte solution, a lithium salt, a polymerization initiator, and the like as raw materials for the polymer gel electrolyte. At the same time, it is produced by polymerization (promoting a crosslinking reaction).
[0084]
For example, the prepared solution or pregel solution is applied on the electrode (positive electrode and / or negative electrode), and an electrolyte layer having a predetermined thickness or a part thereof (an electrolyte membrane having a thickness of about half the electrolyte layer thickness) is formed. Form. Thereafter, by curing or heating and drying the electrode on which the electrolyte layer (membrane) is laminated and polymerizing (promoting a crosslinking reaction), the mechanical strength of the electrolyte is increased, and the electrolyte layer (membrane) is formed into a film (completed). Let it do).
[0085]
Alternatively, an electrolyte layer laminated between the electrodes or a part thereof (an electrolyte membrane having a thickness of about half the electrolyte layer thickness) is separately prepared. The electrolyte layer (membrane) is produced by applying the above solution or pregel solution on a suitable film such as a PET film, and curing (or accelerating the crosslinking reaction) at the same time as heating and drying.
[0086]
For curing or heat drying, a vacuum dryer (vacuum oven) or the like can be used. The conditions of the heat drying are determined according to the solution or the pregel solution and cannot be uniquely defined, but are usually at 30 to 110 ° C. for 0.5 to 12 hours.
[0087]
The thickness of the electrolyte layer (membrane) can be controlled using a spacer or the like. When a photopolymerization initiator is used, it is poured into a light-transmitting gap and irradiated with ultraviolet rays using an ultraviolet irradiation device capable of drying and photopolymerization, thereby photopolymerizing the polymer in the electrolyte layer and performing a crosslinking reaction. It is advisable to proceed the film formation. However, it is a matter of course that the present invention is not limited to this method. Depending on the type of the polymerization initiator, radiation polymerization, electron beam polymerization, thermal polymerization, and the like are properly used.
[0088]
Further, since the film used above may be heated to about 80 ° C. during the manufacturing process, the film has sufficient heat resistance at the temperature, and has no reactivity with the solution or the pregel solution. It is desirable to use a material excellent in releasability from the necessity of peeling and removing with, for example, polyethylene terephthalate (PET), a polypropylene film and the like can be used, but it is not limited thereto.
[0089]
The width of the electrolyte layer is often slightly smaller than the size of the electrode forming portion of the current collector of the bipolar electrode.
[0090]
The composition of the above solution or pregel solution and the amount thereof should be appropriately determined according to the purpose of use.
[0091]
The separator impregnated with the electrolytic solution has the same configuration as the electrolyte layer used for the conventional non-bipolar type solution-based bipolar battery, and conventionally known various manufacturing methods, for example, a separator impregnated with the electrolytic solution is used. Since it can be manufactured by a method of sandwiching and stacking between bipolar electrodes or a vacuum injection method, a detailed description thereof will be omitted below.
[0092]
The insulating layer is formed around each electrode for the purpose of preventing current collectors from contacting each other, leaking out of the electrolytic solution, and short-circuiting due to slight irregularities at the ends of the stacked electrodes. (Not shown). An insulating layer may be provided on the current collector extension side. This is because, when used as a vehicle drive power source, considering that a longer battery life is desired, during the use period, the current collector extension and the insulating separator are separated from the electrolyte layer. This is because it is very slow, but there is no danger of seeping out.
[0093]
As the insulating layer, any material having an insulating property, a sealing property (sealing property) against leakage of electrolyte and moisture permeation from the outside, heat resistance at a battery operating temperature, and the like may be used. Rubber, polyethylene, polypropylene, polyimide and the like can be used, but from the viewpoints of corrosion resistance, chemical resistance, ease of production (film-forming properties), economy, etc., epoxy resins are preferred.
[0094]
The positive and negative electrode terminal plates may be used as needed. When used, it is better to have as thin as possible from the viewpoint of thinning in addition to having the function as a terminal, but since the laminated electrodes, electrolyte and current collector all have low mechanical strength, It is desirable to have enough strength to sandwich and support from above. Further, from the viewpoint of suppressing the internal resistance at the terminal portion, it can be said that the thickness of the positive electrode and negative electrode terminal plates is usually preferably about 0.1 to 2 mm.
[0095]
As the material of the positive electrode terminal and the negative electrode terminal plate, a material usually used in a lithium ion battery can be used. For example, aluminum, copper, titanium, nickel, stainless steel (SUS), alloys thereof, and the like can be used. It is preferable to use aluminum from the viewpoints of corrosion resistance, ease of production, economy, and the like.
[0096]
The materials of the positive electrode terminal plate and the negative electrode terminal plate may be the same or different. Further, these positive and negative electrode terminal plates may be formed by laminating different materials from each other in multiple layers.
[0097]
In the bipolar battery, the entire battery stack, which is the bipolar battery main body, may be housed in a battery exterior material or a battery case (not shown) in order to prevent external impact and environmental degradation during use. From the viewpoint of weight reduction, a conventionally known battery package such as a polymer-metal composite laminate film or an aluminum laminate pack in which a metal (including an alloy) such as aluminum, stainless steel, nickel, or copper is coated with an insulator such as a polypropylene film. It is preferable that the battery laminate is housed and sealed by using a material and joining a part or all of its peripheral portion by heat fusion. In this case, the positive electrode and the negative electrode lead may have a structure sandwiched between the heat-sealed portions and exposed to the outside of the battery exterior material. In addition, the use of a polymer-metal composite laminate film or aluminum laminate pack with excellent thermal conductivity allows the heat to be efficiently transmitted from the heat source of the vehicle and quickly heats the inside of the battery to the battery operating temperature. preferable.
[0098]
Further, in the present invention, a battery pack formed by connecting a plurality of the above-mentioned lithium ion secondary batteries can be provided. That is, a battery module having a high capacity and a high output is formed by using at least two or more lithium ion secondary batteries of the present invention to be connected and connected in series and / or parallel to form a battery pack. Can be done. Therefore, it is possible to respond to the demand for the battery capacity and output for each purpose of use relatively inexpensively.
[0099]
Specifically, for example, N pieces of the above-described lithium ion secondary batteries are connected in parallel, and N pieces of the lithium ion secondary batteries in parallel are further connected in series to be housed in a metal or resin assembled battery case. And a battery pack. At this time, the number of series / parallel connected lithium ion secondary batteries is determined according to the purpose of use. For example, as a large-capacity power supply such as an electric vehicle (EV) or a hybrid electric vehicle (HEV), the power supply may be combined so as to be applicable to a power supply for driving a vehicle requiring a high energy density and a high output density. In addition, the positive electrode terminal and the negative electrode terminal for the assembled battery and the electrode lead of each lithium ion secondary battery may be electrically connected using a lead wire or the like. Further, when connecting lithium ion secondary batteries in series / parallel, the lithium ion secondary batteries may be electrically connected using an appropriate connecting member such as a spacer or a bus bar. However, the battery pack of the present invention should not be limited to the battery described here, and a conventionally known battery can be appropriately used. In addition, the assembled battery may be provided with various measuring devices and control devices according to the intended use, for example, a voltage measuring connector or the like may be provided to monitor the battery voltage. There is no particular limitation.
[0100]
According to the present invention, a vehicle equipped with the above-described lithium ion secondary battery and / or assembled battery as a driving power supply or the like can be provided. The lithium ion secondary battery and / or battery pack of the present invention have various characteristics as described above, and are particularly excellent in output characteristics. For this reason, the present invention provides an electric vehicle and a hybrid vehicle which are suitable as a drive power source for a vehicle, for example, an electric vehicle or a hybrid electric vehicle, which has particularly strict requirements regarding energy density and output density, and which are excellent in fuel efficiency and running performance. it can. For example, it is convenient to mount an assembled battery as a driving power source under a seat in the center of the body of an electric vehicle or a hybrid electric vehicle, because it is possible to widen the office space and the trunk room, which is convenient. However, the present invention is not limited to these, and the battery can be installed under the floor of the vehicle, in a trunk room, in an engine room, on a roof, in a hood, or the like. In the present invention, not only the assembled battery but also a bipolar battery may be mounted depending on the intended use, or these assembled batteries and a lithium ion secondary battery may be mounted in combination. Further, as the vehicle on which the lithium ion secondary battery and / or battery pack of the present invention can be mounted as a driving power source, the above-described electric vehicle or hybrid electric vehicle is preferable, but is not limited thereto. Further, the lithium ion secondary battery and / or the battery pack of the present invention may be used as an auxiliary power source of a fuel cell vehicle or a hybrid fuel cell vehicle in addition to a driving power source.
[0101]
【Example】
The effects of the present invention will be described using the following examples and comparative examples. However, the technical scope of the present invention is not limited to the following examples.
[0102]
Example 1
<Preparation of electrode for lithium ion secondary battery>
(1) Preparation of positive electrode
First, a positive electrode slurry containing a positive electrode active material and an electrolyte holding material was applied on a current collector. LiMn as positive electrode active material 2 O 4 (75% by mass), acetylene black (5% by mass) as a conductive aid, PVDF (10% by mass) as a binder, porous alumina (10% by mass) having an average particle size of 10 μm and a pore size of 1 μm as an electrolyte retaining material, and The positive electrode slurry was adjusted using NMP (suitable amount) as a slurry viscosity adjusting solvent. The slurry was applied to one side of a SUS foil (thickness: 20 μm) as a current collector. Next, the applied slurry was dried at about 120 ° C. to form a positive electrode layer having a thickness of 20 μm.
[0103]
(2) Preparation of negative electrode
First, a negative electrode slurry containing a negative electrode active material and an electrolyte holding material was applied on a current collector. Hard carbon (80% by mass) as a negative electrode active material, PVDF (10% by mass) as a binder, porous alumina having an average particle size of 10 μm and a pore size of 1 μm (10% by mass) as an electrolyte holding material, and a slurry viscosity adjusting solvent The negative electrode slurry was adjusted using NMP (suitable amount). The negative electrode slurry was applied to the opposite side of the SUS foil on which the positive electrode was applied. Next, the applied negative electrode slurry was dried at about 120 ° C. to prepare a negative electrode layer having a thickness of 20 μm.
[0104]
<Preparation of polymer gel electrolyte layer (membrane)>
A polymer (copolymer of polyethylene oxide and polypropylene oxide, weight average molecular weight 8,000, 10% by mass) and a solvent (plasticizer) of EC: PC = 1: 1 (mass ratio) as a lithium salt in 1.0M LiBETI Was dissolved (90% by mass) and t-hexylperoxypiparate (1% by mass based on the polymer) as a polymerization initiator to prepare a pregel solution. This pregel solution was impregnated into a PP nonwoven fabric (thickness: 100 μm) as a separator, and was subjected to thermal polymerization at 90 ° C. in an inert atmosphere.
[0105]
<Preparation of bipolar battery>
Impregnating the same pregel solution as used for the polymer electrolyte into the lithium ion secondary battery electrode (bipolar electrode composed of a positive electrode and a negative electrode) prepared as described above, and thermally polymerizing at 90 ° C. in an inert atmosphere. As a result, the polymer gel electrolyte was held in the electrode.
[0106]
The unit cell layer was formed by laminating the positive electrode and the negative electrode of the bipolar electrode so as to face each other with a separator (polymer gel electrolyte) holding the electrolyte therebetween. Further, the electrodes were laminated so that five unit cell layers (for five unit cell layers) were formed to obtain a laminate.
[0107]
The laminate was sealed with an aluminum laminate film as a battery exterior material to produce a bipolar battery.
[0108]
Comparative Example 1
In the same manner as in Example 1 except that bipolar electrodes (a negative electrode and a positive electrode) having no electrolyte holding material were used, the electrodes were stacked so that five unit cell layers (for five unit cells) were formed. A bipolar battery sealed with an aluminum laminate film was produced.
[0109]
<Evaluation>
The bipolar battery of the present invention of Example 1 and the polymer bipolar battery having no electrolyte retaining material of Comparative Example 1 were placed in a constant temperature bath, the battery temperature was adjusted to 25 ° C., and the discharge performance was measured using a charge / discharge device. The test was performed.
[0110]
In the discharge performance test, the battery was charged to a full charge (21.0 V) by charging at a constant current and a constant voltage, and was discharged at a constant current of 15.0 V at a current rate of 5 CA. The reaction was performed by determining the reaction rate (discharge capacity at 5 CA / theoretical capacity of battery × 100). FIG. 7 shows the result.
[0111]
Note that the theoretical capacity of the battery is obtained from the theoretical capacity of the positive electrode active material and the coating amount of the positive electrode active material.
[0112]
FIG. 7 shows that the discharge reaction rate of the bipolar battery of Comparative Example 1 was 55%, while that of the bipolar battery of the present invention was 96%.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of a general lithium ion secondary battery electrode and an electrolyte layer.
FIG. 2 is a schematic view of an electrode for a lithium ion secondary battery of the present invention. 2A shows an example in which a ceramic porous body (activated carbon) is used as the electrolyte holding material 7, and FIG. 2B shows an example in which a resin hollow fiber is used as the electrolyte holding material 7, and FIG. In this example, a nonwoven fabric is used as the electrolyte holding material 7.
FIG. 3 is a schematic sectional view schematically showing a basic structure of a bipolar electrode constituting the bipolar battery of the present invention.
FIG. 4 is a schematic sectional view schematically showing a basic structure of a unit cell layer (single cell) constituting the bipolar battery of the present invention.
FIG. 5 is a schematic sectional view schematically showing the basic structure of the bipolar battery of the present invention.
FIG. 6 is a schematic diagram schematically showing a basic configuration of a bipolar battery of the present invention.
FIG. 7 is a view showing a result of a discharge performance test of the bipolar battery of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 11 ... current collector, 2 ... electrode layer, 3 ... electrolyte layer, 4 ... electrode active material, 5 ... electrolyte, 6 ... lithium ion, 7 ... electrolyte retention material, 12 ... positive electrode layer, 13 ... negative electrode layer, 14 ... Polymer electrolyte, 15 ... Bipolar electrode, 15a ... Electrode with negative electrode layer only on one side of current collector required, 15b ... Electrode with positive electrode layer only on one side required of current collector, 16 ... Single cell Layer: 17: Electrode laminate, 18: Positive terminal plate, 19: Negative terminal plate, 20: Battery exterior material, 21: Bipolar battery.

Claims (11)

電極活物質間の空隙に配置されてなる電解質保持材料を有することを特徴とするリチウムイオン二次電池用電極。An electrode for a lithium ion secondary battery, comprising an electrolyte holding material disposed in a gap between electrode active materials. 前記電解質保持材料は、樹脂中空糸、不織布、セラミックス多孔体、および、活性炭から選択される少なくとも1つを有することを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用電極。2. The electrode for a lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein the electrolyte retaining material has at least one selected from a resin hollow fiber, a nonwoven fabric, a ceramic porous body, and activated carbon. 3. 電極活物質、電解質保持材料を含むスラリーを調整する段階と、
前記スラリーを集電体上に塗布する段階と、
を含むリチウムイオン二次電池用電極の製造方法。
Adjusting the slurry containing the electrode active material and the electrolyte retaining material,
Applying the slurry on a current collector;
A method for producing an electrode for a lithium ion secondary battery comprising:
電極活物質、電解質保持材料、電解質溶液を含むスラリーを集電体上に塗布する段階と、
前記電解質溶液を重合させる段階と、
を含むリチウムイオン二次電池用電極の製造方法。
Electrode active material, electrolyte holding material, a step of applying a slurry containing an electrolyte solution on the current collector,
Polymerizing the electrolyte solution,
A method for producing an electrode for a lithium ion secondary battery comprising:
請求項1もしくは2に記載のリチウムイオン二次電池用電極、または、請求項3もしくは4に記載の方法により製造されるリチウムイオン二次電池用電極を有することを特徴とするリチウムイオン二次電池。A lithium ion secondary battery comprising the electrode for a lithium ion secondary battery according to claim 1 or 2, or the electrode for a lithium ion secondary battery manufactured by the method according to claim 3 or 4. . 正極活物質は、リチウム−遷移金属複合酸化物であることを特徴とする請求項5に記載のリチウムイオン二次電池。The lithium ion secondary battery according to claim 5, wherein the positive electrode active material is a lithium-transition metal composite oxide. 負極活物質は、カーボンもしくはリチウム−遷移金属複合酸化物であることを特徴とする請求項5または6に記載のリチウムイオン二次電池。7. The lithium ion secondary battery according to claim 5, wherein the negative electrode active material is carbon or a lithium-transition metal composite oxide. 電解質は、高分子電解質であることを特徴とする請求項5〜7のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池。The lithium ion secondary battery according to any one of claims 5 to 7, wherein the electrolyte is a polymer electrolyte. バイポーラ電池である、請求項5〜8のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池。The lithium ion secondary battery according to any one of claims 5 to 8, which is a bipolar battery. 請求項5〜9のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池を複数個接続して構成される組電池。An assembled battery comprising a plurality of the lithium ion secondary batteries according to claim 5 connected to each other. 請求項5〜9のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池、または、請求項10に記載の組電池を搭載されてなる車両。A vehicle equipped with the lithium ion secondary battery according to any one of claims 5 to 9 or the assembled battery according to claim 10.
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