JP2008108649A - Method for manufacturing positive electrode for lithium secondary battery for vehicle - Google Patents
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Abstract
【課題】水系の正極活物質組成物を使用して、高性能な車両用リチウム二次電池を構築する用途に適した正極を効率よく製造する方法を提供すること。
【解決手段】本発明により提供される正極製造方法では、アルカリ反応性の正極集電体(例えばアルミニウム箔)の表面に、正極活物質としてのリチウム遷移金属酸化物粉末と導電材としてのカーボン粉末と水系媒体とを含む水系の正極活物質組成物を付与する。その付与された前記正極活物質組成物を誘導加熱により乾燥して未圧縮の正極活物質層を形成し、これを圧縮して該正極活物質層の密度を2.3〜2.6g/cm3に調整する。この方法は、上記リチウム遷移金属酸化物がリチウムニッケル系酸化物である車両用リチウム電池正極を製造する方法として特に好ましく採用され得る。
【選択図】図1The present invention provides a method for efficiently producing a positive electrode suitable for use in constructing a high-performance lithium secondary battery for a vehicle using an aqueous positive electrode active material composition.
In the positive electrode manufacturing method provided by the present invention, a lithium transition metal oxide powder as a positive electrode active material and a carbon powder as a conductive material are formed on the surface of an alkali-reactive positive electrode current collector (for example, an aluminum foil). And an aqueous positive electrode active material composition containing an aqueous medium. The applied positive electrode active material composition is dried by induction heating to form an uncompressed positive electrode active material layer, which is compressed to a density of the positive electrode active material layer of 2.3 to 2.6 g / cm. Adjust to 3 . This method can be particularly preferably employed as a method for producing a lithium battery positive electrode for vehicles in which the lithium transition metal oxide is a lithium nickel oxide.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、車両に搭載されるリチウム二次電池を構築するための正極を製造する方法に関する。また本発明は、該方法により製造された正極を備える車両用リチウム二次電池に関する。 The present invention relates to a method of manufacturing a positive electrode for constructing a lithium secondary battery mounted on a vehicle. Moreover, this invention relates to the lithium secondary battery for vehicles provided with the positive electrode manufactured by this method.
正極と負極との間をリチウムイオンが行き来することによって充電および放電するリチウム二次電池が知られている。この種の二次電池の一つの典型的な構成では、上記正極として、リチウムイオンを可逆的に吸蔵および放出し得る材料(正極活物質)が正極集電体に保持された構成の正極を備える。正極活物質の代表例としては、リチウムと一種または二種以上の遷移金属元素とを構成金属元素として含む酸化物(以下、「リチウム遷移金属酸化物」ともいう。)が挙げられる。
特許文献1には、LiCoO2粒子に有機溶剤を加えた混練物を押出成形してなる厚膜形状の成形体を正極集電体に固定してリチウム二次電池用の正極を製造する技術が記載されている。また、アルカリ二次電池等に用いられる電極の製造方法に関する従来技術文献として特許文献2が挙げられる。
Lithium secondary batteries that are charged and discharged by lithium ions traveling between a positive electrode and a negative electrode are known. In one typical configuration of this type of secondary battery, the positive electrode includes a positive electrode having a configuration in which a material capable of reversibly occluding and releasing lithium ions (positive electrode active material) is held in a positive electrode current collector. . As a typical example of the positive electrode active material, an oxide containing lithium and one or more transition metal elements as constituent metal elements (hereinafter also referred to as “lithium transition metal oxide”) can be given.
Patent Document 1 discloses a technique for manufacturing a positive electrode for a lithium secondary battery by fixing a thick film-shaped molded body obtained by extruding a kneaded material obtained by adding an organic solvent to LiCoO 2 particles to a positive electrode current collector. Are listed. Further, Patent Document 2 is cited as a prior art document relating to a method for manufacturing an electrode used for an alkaline secondary battery or the like.
ところで、携帯電話等のように一般家庭で用いられる電化製品用(民生用)のリチウム二次電池では、エネルギー密度の向上(容量の増大)が特に重視される。このため、活物質層の密度を高くする、該活物質層における正極活物質の含有割合を高くする、等の手法により正極活物質層の単位体積当たりに存在する正極活物質の量を多くする努力がなされている。車両用のリチウム二次電池(例えば、ハイブリッド自動車、電気自動車等の動力源として用いられるリチウム二次電池、典型的にはリチウムイオン電池)においてもエネルギー密度の高さが求められることは言うまでもない。しかし車両用のリチウム二次電池では、民生用のリチウム二次電池に比べて、短時間に大きな電力を取り出せる性能(すなわち高出力であること)の重要度がより高くなる傾向にある。また、かかる高出力を幅広い温度域において(例えば−30℃程度の低温であっても)安定的に発揮し得ることも重要である。 By the way, in a lithium secondary battery for electric appliances (consumer use) used in a general household such as a mobile phone, improvement of energy density (increase in capacity) is particularly emphasized. For this reason, the amount of the positive electrode active material present per unit volume of the positive electrode active material layer is increased by increasing the density of the active material layer or increasing the content ratio of the positive electrode active material in the active material layer. Efforts are made. It goes without saying that high energy density is also required for lithium secondary batteries for vehicles (for example, lithium secondary batteries used as power sources for hybrid vehicles, electric vehicles, etc., typically lithium ion batteries). However, in lithium secondary batteries for vehicles, the importance of the ability to extract a large amount of power in a short time (that is, high output) tends to be more important than lithium secondary batteries for consumer use. It is also important that such high output can be stably exhibited in a wide temperature range (for example, even at a low temperature of about −30 ° C.).
一方、リチウム二次電池用の正極を製造するにあたって正極集電体に正極活物質を保持させる代表的な方法の一つとして、正極活物質の粉末等を適当な媒体に分散させたペースト状の組成物(正極活物質組成物)をアルミニウム箔等の正極集電体に塗布し、これを熱風乾燥機等に通過させて乾燥させることにより正極活物質層を形成する方法が挙げられる。かかる方法に使用する正極活物質組成物としては、環境負荷の軽減、材料費の低減、設備の簡略化、廃棄物の減量、取扱性の向上等の観点から、上記媒体(正極活物質粉末等の分散媒)が水系媒体である水系の正極活物質組成物(すなわち、上記媒体を構成する溶媒が水系溶媒である組成物)が好ましい。 On the other hand, as one of the typical methods for holding the positive electrode active material on the positive electrode current collector in manufacturing a positive electrode for a lithium secondary battery, a paste-like material in which a positive electrode active material powder or the like is dispersed in an appropriate medium is used. A method of forming a positive electrode active material layer by applying a composition (positive electrode active material composition) to a positive electrode current collector such as an aluminum foil, passing it through a hot air dryer or the like, and drying it. The positive electrode active material composition used in such a method includes the above-mentioned medium (positive electrode active material powder, etc.) from the viewpoints of reducing environmental burden, reducing material costs, simplifying equipment, reducing waste, improving handling properties An aqueous positive electrode active material composition in which the dispersion medium is an aqueous medium (that is, a composition in which the solvent constituting the medium is an aqueous solvent) is preferable.
そこで本発明は、水系の正極活物質組成物を使用して、より高性能な(例えば、より高い出力を安定して発揮し得る)車両用リチウム二次電池を構築する用途に適した正極を効率よく製造する方法を提供することを目的とする。また本発明は、上記方法により製造された正極を用いて構築された車両用リチウム二次電池および該電池を備える車両の提供を目的とする。 Therefore, the present invention provides a positive electrode suitable for use in constructing a lithium secondary battery for a vehicle having higher performance (for example, capable of stably exhibiting higher output) by using an aqueous positive electrode active material composition. It aims at providing the method of manufacturing efficiently. Another object of the present invention is to provide a lithium secondary battery for a vehicle constructed using the positive electrode produced by the above method and a vehicle including the battery.
本発明者は、リチウム遷移金属酸化物を含む水系の正極活物質組成物を、一般的なリチウム二次電池用正極集電体(典型的にはアルミニウム製)に付与して正極を作製する場合に生じる特有の事象に着目した。そして、かかる事象の発生を抑制した上で所定の性状となるように正極活物質層を形成することにより、より高性能の車両用リチウム二次電池を構築可能な正極を効率よく製造し得ることを見出して本発明を完成するに至った。 When the present inventor applies an aqueous positive electrode active material composition containing a lithium transition metal oxide to a general positive electrode current collector (typically made of aluminum) for a lithium secondary battery to produce a positive electrode We focused on the unique events that occur in And, by suppressing the occurrence of such an event and forming the positive electrode active material layer so as to have a predetermined property, a positive electrode capable of constructing a higher performance lithium secondary battery for vehicles can be efficiently manufactured. As a result, the present invention has been completed.
本発明によると、車両用のリチウム二次電池(典型的にはリチウムイオン電池)に用いられる正極を製造する方法が提供される。該正極は、正極集電体と、該集電体上に形成された正極活物質層とを有する。この製造方法では、正極集電体として、アルカリと反応してガスを発生する金属材料製の集電体(以下、「アルカリ反応性集電体」ということもある。)を使用する。当該方法は、かかる正極集電体の表面に、正極活物質としてのリチウム遷移金属酸化物粉末と、導電材としてのカーボン粉末と、水系媒体と、を含む正極活物質組成物を付与(典型的には塗布)することを含む。また、前記集電体に付与された前記正極活物質組成物を誘導加熱により乾燥して、該集電体上に未圧縮の正極活物質層を形成することを含む。さらに、その未圧縮の正極活物質層を圧縮して、該活物質層の密度を凡そ2.3〜2.6g/cm3に調整することを含む。
このように誘導加熱を利用して正極活物質組成物を乾燥させ、かつ正極活物質層の密度を上記範囲に調整することによって、該活物質層への電解質(典型的には液状電解質、すなわち電解液)の浸透性と該活物質層の導電性とがより高度なレベルでバランスした正極活物質層を、より的確に(より確実に、すなわち効率よく)形成することができる。かかる正極活物質層を備える正極によると、例えば、低温(例えば−30℃)においても良好な初期出力を示し、かつ充放電を繰り返した後における出力(耐久後出力、特に低温における耐久後出力)にも優れた車両用リチウム二次電池が構築され得る。
According to the present invention, a method for producing a positive electrode used in a lithium secondary battery (typically a lithium ion battery) for vehicles is provided. The positive electrode includes a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer formed on the current collector. In this manufacturing method, a current collector made of a metal material that reacts with alkali to generate gas (hereinafter sometimes referred to as “alkali-reactive current collector”) is used as the positive electrode current collector. In this method, a positive electrode active material composition containing a lithium transition metal oxide powder as a positive electrode active material, a carbon powder as a conductive material, and an aqueous medium is applied to the surface of the positive electrode current collector (typical). Application). Further, the method includes drying the positive electrode active material composition applied to the current collector by induction heating to form an uncompressed positive electrode active material layer on the current collector. Furthermore, the uncompressed positive electrode active material layer is compressed to adjust the density of the active material layer to about 2.3 to 2.6 g / cm 3 .
Thus, by drying the positive electrode active material composition using induction heating and adjusting the density of the positive electrode active material layer to the above range, an electrolyte (typically a liquid electrolyte, that is, a liquid electrolyte, that is, The positive electrode active material layer in which the permeability of the electrolytic solution) and the conductivity of the active material layer are balanced at a higher level can be formed more accurately (more reliably, that is, efficiently). According to the positive electrode provided with such a positive electrode active material layer, for example, it shows a good initial output even at a low temperature (for example, −30 ° C.) and outputs after repeated charge and discharge (output after endurance, especially output after endurance at low temperature). In addition, an excellent lithium secondary battery for a vehicle can be constructed.
好ましい一つの態様では、前記正極活物質組成物として、該組成物の固形分換算として凡そ10〜20質量%の割合で前記カーボン粉末(導電材)を含有する組成物を使用する。正極活物質組成物に含まれる固形分(正極活物質層形成成分)に占める導電材の含有割合を多くすることは、より高出力のリチウム二次電池を構築するという観点から有利に寄与し得る。上述のように誘導加熱により乾燥させた上で適度な性状(密度)に調整された正極活物質層は、このように導電材の含有割合が比較的多い組成でありながら電解液の浸透性が良好なものであり得る。したがって、かかる組成を採用することによる出力向上効果をより効率よく発揮することができる。 In a preferred embodiment, as the positive electrode active material composition, a composition containing the carbon powder (conductive material) at a ratio of approximately 10 to 20% by mass in terms of solid content of the composition is used. Increasing the content of the conductive material in the solid content (positive electrode active material layer forming component) contained in the positive electrode active material composition can advantageously contribute from the viewpoint of constructing a higher-power lithium secondary battery. . The positive electrode active material layer, which has been dried by induction heating and adjusted to an appropriate property (density) as described above, has a composition with a relatively high content of the conductive material as described above, but has an electrolyte solution permeability. It can be good. Therefore, the output improvement effect by employ | adopting this composition can be exhibited more efficiently.
ここに開示される方法は、例えば、前記リチウム遷移金属酸化物がリチウムニッケル系酸化物、リチウムコバルト系酸化物およびリチウムマンガン系酸化物から選択される一種または二種以上である正極を製造する方法として好ましく採用され得る。特に、前記リチウム遷移金属酸化物がリチウムニッケル系酸化物である正極の製造方法として好適である。リチウムニッケル系酸化物は、リチウムコバルト系酸化物やリチウムマンガン系酸化物に比べて、水系溶媒に分散された場合にリチウムがより溶出しやすい(したがってアルカリ反応性集電体と反応してガスを発生しやすい)ことから、ここに開示される製造方法を適用することによる効果が特によく発揮される。 The method disclosed herein is, for example, a method for producing a positive electrode in which the lithium transition metal oxide is one or more selected from lithium nickel oxide, lithium cobalt oxide and lithium manganese oxide. Can be preferably employed. In particular, it is suitable as a method for producing a positive electrode in which the lithium transition metal oxide is a lithium nickel oxide. Lithium nickel-based oxides are more likely to elute lithium when dispersed in aqueous solvents than lithium cobalt-based oxides and lithium-manganese oxides (thus reacting with an alkali-reactive current collector to release gas. In particular, the effect of applying the manufacturing method disclosed herein is particularly well exhibited.
好ましい一つの態様では、前記集電体がアルミニウム製の集電体(例えばアルミニウム箔)である。ここに開示される方法では集電体に付与された正極活物質組成物を誘導加熱により乾燥させるので、アルカリ反応性の高いアルミニウム製の集電体を用いた場合であっても、高性能の車両用リチウム二次電池を構築するのに適した正極を的確に製造することができる。 In a preferred embodiment, the current collector is an aluminum current collector (eg, aluminum foil). In the method disclosed herein, the positive electrode active material composition applied to the current collector is dried by induction heating. Therefore, even when an aluminum current collector having high alkali reactivity is used, a high performance is obtained. A positive electrode suitable for constructing a lithium secondary battery for vehicles can be accurately manufactured.
前記圧縮は、圧縮後の正極活物質層の細孔分布において、直径0.3〜2.0μmの細孔の容積割合が全細孔容積の凡そ70%以上(典型的には凡そ75〜85%)となるように行うことが好ましい。かかる性状となるように調整された正極活物質層は、リチウムイオンの伝導性に優れる。したがって、該正極活物質層を有する正極は、より高性能な車両用リチウム二次電池を構築するものであり得る。 In the compression, the volume ratio of pores having a diameter of 0.3 to 2.0 μm is approximately 70% or more of the total pore volume in the pore distribution of the positive electrode active material layer after compression (typically approximately 75 to 85). %) Is preferable. The positive electrode active material layer adjusted to have such properties is excellent in lithium ion conductivity. Therefore, the positive electrode having the positive electrode active material layer can be used to construct a higher performance lithium secondary battery for vehicles.
本発明によると、ここに開示されるいずれかの方法により製造された車両用リチウム二次電池正極が提供される。該正極は、低温においても良好な初期出力を示し、かつ充放電を繰り返した後における出力にも優れた車両用リチウム二次電池(典型的にはリチウムイオン電池)を構築するものであり得る。 According to the present invention, a positive electrode for a lithium secondary battery for vehicles manufactured by any of the methods disclosed herein is provided. The positive electrode can be used to construct a lithium secondary battery for a vehicle (typically a lithium ion battery) that exhibits a good initial output even at a low temperature and has an excellent output after repeated charge and discharge.
ここに開示される発明には、車両用のリチウム二次電池に用いられる正極であって、正極活物質としてのリチウムニッケル系酸化物粉末と導電材としてのカーボン粉末(典型的には、平均粒径が前記リチウムニッケル系酸化物粉末の平均粒径の凡そ1/50以下、例えば凡そ1/50〜1/1000、好ましくは凡そ1/50〜1/500であるカーボン粉末。例えば、平均粒径が凡そ10〜200nm、好ましくは凡そ20〜200nmであるカーボン粉末。)と水系溶媒とを含むアルカリ性の正極活物質組成物をアルミニウム製の集電体に付与し、その付与された前記組成物を誘導加熱により乾燥して前記集電体の表面に正極活物質層を形成してなる車両用リチウム二次電池正極が含まれる。前記正極活物質組成物における前記カーボン粉末の含有割合は、固形分換算で凡そ10〜20質量%である。そして、前記正極活物質層の密度は凡そ2.3〜2.6g/cm3(好ましくは凡そ2.3〜2.5g/cm3)である。 The invention disclosed herein includes a positive electrode used in a lithium secondary battery for a vehicle, and a lithium nickel-based oxide powder as a positive electrode active material and a carbon powder as a conductive material (typically average particles A carbon powder having a diameter of about 1/50 or less, for example, about 1/50 to 1/1000, preferably about 1/50 to 1/500 of the average particle diameter of the lithium nickel oxide powder. Is applied to an aluminum current collector, and the applied composition is applied to the aluminum positive electrode active material composition containing a water-based solvent and an alkaline positive electrode active material composition containing about 10 to 200 nm, preferably about 20 to 200 nm. A positive electrode for a lithium secondary battery for vehicles formed by forming a positive electrode active material layer on the surface of the current collector by drying by induction heating is included. The content ratio of the carbon powder in the positive electrode active material composition is about 10 to 20% by mass in terms of solid content. The density of the positive electrode active material layer is about 2.3 to 2.6 g / cm 3 (preferably about 2.3 to 2.5 g / cm 3 ).
本発明によると、また、ここに開示されるいずれかの正極(ここに開示されるいずれかの方法により製造された正極であり得る。)と、リチウムイオンを吸蔵および放出し得る負極と、非水系電解液と、を備える車両用リチウム二次電池が提供される。かかる構成の電池は、上記正極を備えることから、低温においても良好な初期出力を示し、かつ充放電を繰り返した後における出力に優れたものであり得る。
ここに開示される発明は、他の側面として、ここに開示されるいずれかの正極(ここに開示されるいずれかの方法により製造された正極であり得る。)を用意すること;および、該正極を用いてリチウム二次電池を構築すること;を含む車両用リチウム二次電池製造方法を提供する。
According to the present invention, any positive electrode disclosed herein (which can be a positive electrode manufactured by any method disclosed herein), a negative electrode capable of inserting and extracting lithium ions, There is provided a lithium secondary battery for vehicles comprising an aqueous electrolyte. Since the battery having such a configuration includes the positive electrode, it can exhibit a good initial output even at a low temperature and can be excellent in output after repeated charge and discharge.
In another aspect, the invention disclosed herein provides any positive electrode disclosed herein (which can be a positive electrode manufactured by any method disclosed herein); and A method for producing a lithium secondary battery for a vehicle, comprising: constructing a lithium secondary battery using a positive electrode.
ここに開示される車両用リチウム二次電池の好ましい一態様では、該電池を構成する正極が、測定温度25℃において前記正極を前記電解液に浸漬してから2秒間に生じる湿潤熱が全湿潤熱の凡そ43〜50%の範囲にある。該電池を構成する正極は、かかる特性(すなわち、浸漬後2秒間に生じる湿潤熱が全湿潤熱に占める割合)を発揮するように前記未圧縮の正極活物質層を圧縮して得られた正極であり得る。
かかる正極を用いて構築された車両用リチウム二次電池は、該正極の備える正極活物質層が優れた電解液浸透性を有することから、より良好な出力(特に初期低温出力)が実現され得る。
In a preferable aspect of the lithium secondary battery for vehicles disclosed herein, the positive electrode constituting the battery is fully wetted by heat of wetting generated for 2 seconds after the positive electrode is immersed in the electrolyte at a measurement temperature of 25 ° C. It is in the range of about 43-50% of heat. The positive electrode constituting the battery is a positive electrode obtained by compressing the uncompressed positive electrode active material layer so as to exhibit such characteristics (that is, the ratio of wet heat generated in 2 seconds after immersion to the total wet heat). It can be.
A lithium secondary battery for a vehicle constructed using such a positive electrode can achieve better output (especially initial low temperature output) because the positive electrode active material layer provided in the positive electrode has excellent electrolyte permeability. .
本発明によると、ここに開示されたいずれかの車両用リチウム二次電池(ここに開示されたいずれかの方法により製造された正極を備えるリチウム二次電池であり得る。)を備える車両が提供される。上記車両用リチウム二次電池は、車両に搭載されるリチウム二次電池として適した性能(例えば、低温においても良好な初期出力を示し、かつ充放電を繰り返した後における出力にも優れること)を高レベルでバランスよく発揮するものであり得る。したがって、かかるリチウム二次電池は、自動車等の車両に搭載されるモーター(電動機)用の電源として好適に使用され得る。 According to the present invention, there is provided a vehicle including any of the vehicle lithium secondary batteries disclosed herein (which may be a lithium secondary battery including a positive electrode manufactured by any of the methods disclosed herein). Is done. The above-mentioned lithium secondary battery for vehicles has performance suitable as a lithium secondary battery mounted on a vehicle (for example, it exhibits a good initial output even at low temperatures and is excellent in output after repeated charge and discharge). It can be well balanced at a high level. Therefore, such a lithium secondary battery can be suitably used as a power source for a motor (electric motor) mounted on a vehicle such as an automobile.
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項(例えば、正極活物質層の密度、細孔分布、電解液浸透性等の特性およびその調整方法)以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄(例えば、誘導加熱装置の具体的な構成、負極、セパレータおよび電解質の構成および製法、その他リチウム二次電池の構築に係る一般的技術等)は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. In addition, matters other than matters specifically mentioned in the present specification (for example, characteristics such as density of positive electrode active material layer, pore distribution, electrolyte permeability, and adjustment method thereof) are necessary for the implementation of the present invention. (For example, specific configurations of induction heating devices, configurations and manufacturing methods of negative electrodes, separators, and electrolytes, and other general technologies related to the construction of lithium secondary batteries, etc.) It can be grasped as a design matter. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in this specification and common technical knowledge in the field.
ここに開示される方法は、正極集電体に正極活物質組成物を付与して正極活物質層を形成する過程を含む車両用リチウム二次電池正極の製造(さらには車両用リチウム二次電池の製造)に適用される。前記正極集電体としては、アルカリと反応してガスを発生する金属材料製の正極集電体が使用される。また、前記正極活物質組成物としては、正極活物質としてのリチウム遷移金属酸化物粉末と、導電材としてのカーボン粉末と、水系媒体と、を含む水系の正極活物質組成物が用いられる。特に、アルカリと反応してガスを発生する金属材料製の正極集電体の表面に、アルカリ性の上記正極活物質組成物(例えば、pHが10〜14程度の正極活物質組成物)を付与する過程を含む車両用リチウム二次電池正極の製造方法として好適である。 The method disclosed herein is a method for producing a positive electrode for a lithium secondary battery for a vehicle including a process of forming a positive electrode active material layer by applying a positive electrode active material composition to a positive electrode current collector (further, a lithium secondary battery for a vehicle). Applicable to manufacturing). As the positive electrode current collector, a positive electrode current collector made of a metal material that reacts with alkali to generate gas is used. As the positive electrode active material composition, an aqueous positive electrode active material composition containing a lithium transition metal oxide powder as a positive electrode active material, a carbon powder as a conductive material, and an aqueous medium is used. In particular, the alkaline positive electrode active material composition (for example, a positive electrode active material composition having a pH of about 10 to 14) is applied to the surface of a positive electrode current collector made of a metal material that reacts with alkali to generate gas. It is suitable as a method for producing a positive electrode for a lithium secondary battery for vehicles including the process.
正極集電体の構成材料たる上記「アルカリと反応してガスを発生する金属材料」としては、加工性、導電性、比重等の観点から、アルミニウム(Al)、アルミニウムを主成分とする合金(アルミニウム合金)等のアルミニウム材料を好ましく使用することができる。正極集電体の構成材料として使用し得る他の金属材料としては、亜鉛(Zn)、スズ(Sn)等の両性金属およびこれらの金属のいずれか主成分とする合金が例示される。 As the above-mentioned “metal material that reacts with alkali to generate gas” as the constituent material of the positive electrode current collector, aluminum (Al), an alloy containing aluminum as a main component (from the viewpoint of workability, conductivity, specific gravity, etc.) An aluminum material such as an aluminum alloy can be preferably used. Examples of other metal materials that can be used as the constituent material of the positive electrode current collector include amphoteric metals such as zinc (Zn) and tin (Sn), and alloys containing any one of these metals as main components.
使用する正極集電体の形状は、得られた正極を用いて構築される車両用リチウム二次電池の形状等に応じて異なり得るため特に制限はなく、棒状、板状、シート状、箔状、メッシュ状等の種々の形態であり得る。ここに開示される製造方法は、例えばシート状もしくは箔状の集電体を用いた正極の製造に好ましく適用することができる。かかる方法により製造された正極を用いて構築される車両用リチウム二次電池の好ましい一態様として、捲回型の電極体を備えるリチウム二次電池が挙げられる。該電池の外形は特に限定されず、例えば直方体状、扁平形状、円筒状等の外形であり得る。 The shape of the positive electrode current collector to be used is not particularly limited because it can vary depending on the shape of the lithium secondary battery for vehicles constructed using the obtained positive electrode, and is in the form of a rod, plate, sheet, foil It can be in various forms such as mesh. The production method disclosed herein can be preferably applied to the production of a positive electrode using, for example, a sheet-like or foil-like current collector. As a preferred embodiment of the lithium secondary battery for vehicles constructed using the positive electrode manufactured by such a method, a lithium secondary battery including a wound electrode body can be mentioned. The outer shape of the battery is not particularly limited, and may be, for example, a rectangular parallelepiped shape, a flat shape, a cylindrical shape, or the like.
上記正極の製造に用いられる正極活物質組成物の構成成分たるリチウム遷移金属酸化物(典型的には粒子状)としては、この種のリチウム二次電池(典型的にはリチウムイオン電池)の正極活物質として機能し得る層状構造の酸化物あるいはスピネル構造の酸化物を適宜選択して使用することができる。例えば、リチウムニッケル系酸化物(該酸化物を構成する主たる遷移金属元素がニッケルであるリチウム遷移金属酸化物をいう。以下同じ。)、リチウムコバルト系酸化物およびリチウムマンガン系酸化物から選択される一種または二種以上のリチウム遷移金属酸化物の使用が好ましい。本発明に係る製造方法の特に好ましい適用対象は、正極活物質としてリチウムニッケル系酸化物を用いた(典型的には、正極活物質が実質的にリチウムニッケル系酸化物からなる)正極である。 As a lithium transition metal oxide (typically particulate) as a constituent component of the positive electrode active material composition used in the production of the positive electrode, a positive electrode of this type of lithium secondary battery (typically a lithium ion battery) is used. An oxide having a layered structure or an oxide having a spinel structure that can function as an active material can be appropriately selected and used. For example, a lithium nickel oxide (referred to as a lithium transition metal oxide in which the main transition metal element constituting the oxide is nickel; the same applies hereinafter), a lithium cobalt oxide, and a lithium manganese oxide are selected. The use of one or more lithium transition metal oxides is preferred. A particularly preferred application target of the production method according to the present invention is a positive electrode using a lithium nickel-based oxide as a positive electrode active material (typically, the positive electrode active material substantially consists of a lithium nickel-based oxide).
ここで「リチウムニッケル系酸化物」とは、リチウムとニッケルとを構成金属元素とする酸化物の他、リチウムおよびニッケル以外に他の少なくとも一種の金属元素(すなわち、リチウムおよびニッケル以外の遷移金属元素および/または典型金属元素)をニッケルよりも少ない割合(原子数換算。リチウムおよびニッケル以外の金属元素を二種以上含む場合にはそれらの合計量としてニッケルよりも少ない割合)で含む複合酸化物をも包含する意味である。かかる金属元素は、例えば、コバルト(Co),アルミニウム(Al),マンガン(Mn),クロム(Cr),鉄(Fe),バナジウム(V),マグネシウム(Mg),チタン(Ti),ジルコニウム(Zr),ニオブ(Nb),モリブデン(Mo),タングステン(W),銅(Cu),亜鉛(Zn),ガリウム(Ga),インジウム(In),スズ(Sn),ランタン(La)およびセリウム(Ce)からなる群から選択される一種または二種以上の金属元素であり得る。同様に、リチウムコバルト系酸化物とは、リチウムおよびコバルト以外に他の少なくとも一種の金属元素をコバルトよりも少ない割合で含む複合酸化物をも包含する意味であり、リチウムマンガン酸化物とは、リチウムおよびマンガン以外に他の少なくとも一種の金属元素をマンガンよりも少ない割合で含む複合酸化物をも包含する意味である。 Here, the “lithium nickel oxide” means an oxide having lithium and nickel as constituent metal elements, and at least one other metal element in addition to lithium and nickel (that is, a transition metal element other than lithium and nickel) And / or a composite oxide containing a typical metal element) in a proportion smaller than nickel (in terms of the number of atoms. If two or more metal elements other than lithium and nickel are contained, the total amount thereof is a proportion less than nickel). Is also meant to encompass. Such metal elements include, for example, cobalt (Co), aluminum (Al), manganese (Mn), chromium (Cr), iron (Fe), vanadium (V), magnesium (Mg), titanium (Ti), zirconium (Zr). ), Niobium (Nb), molybdenum (Mo), tungsten (W), copper (Cu), zinc (Zn), gallium (Ga), indium (In), tin (Sn), lanthanum (La) and cerium (Ce) ) Or one or more metal elements selected from the group consisting of: Similarly, the lithium-cobalt-based oxide is meant to include a composite oxide containing at least one other metal element in addition to lithium and cobalt in a proportion smaller than cobalt. In addition, it is meant to include composite oxides containing at least one other metal element in addition to manganese in a smaller proportion than manganese.
このようなリチウム遷移金属酸化物(典型的には粒子状)としては、例えば、従来公知の方法で調製・提供されるリチウム遷移金属酸化物粉末(以下、活物質粉末ということもある。)をそのまま使用することができる。例えば、原子組成に応じて適宜選択されるいくつかの原料化合物を所定のモル比で混合し、適当な手段で焼成することによって該酸化物を調製することができる。また、焼成物を適当な手段で粉砕、造粒および分級することにより、所望する平均粒径および/または粒径分布を有する二次粒子によって実質的に構成されたリチウム遷移金属酸化物粉末を得ることができる。ここに開示される方法は、例えば、平均粒径が凡そ1〜25μm(典型的には凡そ2〜15μm)の範囲にある二次粒子によって実質的に構成されたリチウム遷移金属酸化物粉末を用いて好ましく実施することができる。このようなリチウム遷移金属酸化物粉末の調製方法自体は本発明を何ら特徴付けるものではないため、これ以上の詳細な説明は省略する。 As such a lithium transition metal oxide (typically in a particulate form), for example, a lithium transition metal oxide powder (hereinafter sometimes referred to as an active material powder) prepared and provided by a conventionally known method is used. It can be used as it is. For example, the oxide can be prepared by mixing several raw material compounds appropriately selected according to the atomic composition at a predetermined molar ratio and firing by an appropriate means. Further, the fired product is pulverized, granulated and classified by an appropriate means to obtain a lithium transition metal oxide powder substantially composed of secondary particles having a desired average particle size and / or particle size distribution. be able to. The method disclosed herein uses, for example, a lithium transition metal oxide powder substantially composed of secondary particles having an average particle size in the range of about 1 to 25 μm (typically about 2 to 15 μm). Can be preferably implemented. Since the preparation method of such a lithium transition metal oxide powder itself does not characterize the present invention at all, further detailed description is omitted.
ここに開示される方法に使用される正極活物質組成物は、該組成物から形成される正極活物質層の導電性を高める導電材としてのカーボン粉末を含む。該カーボン粉末としては、種々のカーボンブラック(例えば、アセチレンブラック、ファーネスブラック、ケッチェンブラック)、グラファイト粉末、等のカーボン粉末を用いることができる。これらのうちアセチレンブラックを好ましく採用することができる。該カーボン粉末を構成する粒子(カーボン粒子)の平均粒径は、活物質粉末を構成する粒子(リチウム遷移金属酸化物の粒子、典型的には二次粒子)の平均粒径の凡そ1/50〜1/1000(より好ましくは凡そ1/100〜1/500)に相当する平均粒径であることが好ましい。また、該カーボン粉末を構成する粒子(典型的には一次粒子)の平均粒径が凡そ10〜200nm(例えば凡そ20〜100nm)であるカーボン粉末(アセチレンブラック等)を好ましく使用することができる。 The positive electrode active material composition used in the method disclosed herein includes carbon powder as a conductive material that increases the conductivity of the positive electrode active material layer formed from the composition. As the carbon powder, various carbon blacks (for example, acetylene black, furnace black, ketjen black), graphite powder, and the like can be used. Of these, acetylene black can be preferably employed. The average particle size of particles (carbon particles) constituting the carbon powder is approximately 1/50 of the average particle size of particles (lithium transition metal oxide particles, typically secondary particles) constituting the active material powder. It is preferable that the average particle size corresponds to ˜1 / 1000 (more preferably about 1/100 to 1/500). Moreover, carbon powder (acetylene black etc.) whose particle diameter (typically primary particle) which comprises this carbon powder is about 10-200 nm (for example, about 20-100 nm) can be used preferably.
上記正極活物質組成物は、上述のようなリチウム遷移金属酸化物粉末と、カーボン粉末と、水系媒体と、を含む水系組成物である。典型的には、該水系媒体にリチウム遷移金属酸化物粉末およびカーボン粉末が分散した形態の水系正極活物質組成物が用いられる。ここで「水系溶媒」とは、水または水を主体とする混合溶媒を指す概念である。かかる混合溶媒を構成する水以外の溶媒としては、水と均一に混合し得る有機溶媒(低級アルコール、低級ケトン等)の一種または二種以上を適宜選択して用いることができる。例えば、該水系溶媒の80質量%以上(より好ましくは90質量%以上、さらに好ましくは95質量%以上)が水である水系溶媒の使用が好ましい。特に好ましい例として、実質的に水からなる水系溶媒が挙げられる。 The positive electrode active material composition is an aqueous composition containing the above-described lithium transition metal oxide powder, carbon powder, and an aqueous medium. Typically, an aqueous positive electrode active material composition in which lithium transition metal oxide powder and carbon powder are dispersed in the aqueous medium is used. Here, the “aqueous solvent” is a concept indicating water or a mixed solvent mainly composed of water. As a solvent other than water constituting such a mixed solvent, one or more organic solvents (lower alcohol, lower ketone, etc.) that can be uniformly mixed with water can be appropriately selected and used. For example, it is preferable to use an aqueous solvent in which 80% by mass or more (more preferably 90% by mass or more, more preferably 95% by mass or more) of the aqueous solvent is water. A particularly preferred example is an aqueous solvent substantially consisting of water.
上記正極活物質組成物は、リチウム遷移金属酸化物粉末(正極活物質)、カーボン粉末(導電材)および水系溶媒の他に、一般的なリチウム二次電池正極の製造において正極活物質層の形成に用いられる液状組成物(典型的には水性組成物)に配合され得る一種または二種以上の材料を必要に応じて含有することができる。そのような材料の例としてバインダおよび流動性(典型的には粘度)調整剤が挙げられる。上記バインダとしては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等の水分散性のポリマーを好ましく選択することができる。また、上記流動性調整剤としては、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ポリビニルアルコール(PVA)等の、使用する水系溶媒に溶解可能な(典型的には水溶性の)ポリマーを好ましく使用することができる。 In addition to lithium transition metal oxide powder (positive electrode active material), carbon powder (conductive material), and aqueous solvent, the positive electrode active material composition forms a positive electrode active material layer in the production of a general lithium secondary battery positive electrode. As needed, it can contain the 1 type (s) or 2 or more types of material which can be mix | blended with the liquid composition (typically aqueous composition) used for (1). Examples of such materials include binders and flowability (typically viscosity) modifiers. As the binder, a water dispersible polymer such as polytetrafluoroethylene (PTFE) or polyvinylidene fluoride (PVDF) can be preferably selected. As the fluidity modifier, a polymer (typically water-soluble) that can be dissolved in an aqueous solvent to be used, such as carboxymethyl cellulose (CMC) and polyvinyl alcohol (PVA), can be preferably used.
特に限定するものではないが、正極活物質組成物の固形分濃度(不揮発分、すなわち正極活物質層形成成分の割合)は、例えば凡そ40〜60質量%程度であり得る。該固形分(正極活物質層形成成分)に占める正極活物質の含有割合は、凡そ50質量%以上(典型的には50〜95%)であることが好ましく、凡そ75〜90質量%であることがより好ましい。また、上記固形分に占める導電材の含有割合は、例えば凡そ5〜25質量%とすることができる。車両用リチウム二次電池として殊に適した性能(例えば、低温における初期出力および該出力の耐久性等の出力特性に優れること)を有する電池を構築するのに適した正極を製造するという観点から、導電材の含有割合が凡そ10〜20質量%(例えば凡そ10〜15質量%)である正極活物質組成物を好ましく使用することができる。この場合において、該組成物における正極活物質の含有割合は凡そ80〜90質量%(例えば85〜90質量%)とすることが適当である。
また、正極活物質および導電材以外の正極活物質層形成成分を含有する組成物では、それら任意成分の合計含有割合(正極活物質層形成成分全体に占める割合)を凡そ7質量%以下とすることが好ましく、凡そ5質量%以下(例えば凡そ1〜5質量%)とすることがより好ましい。上記任意成分の合計含有割合が凡そ3質量%以下(例えば凡そ1〜3質量%)であってもよい。
Although not particularly limited, the solid content concentration of the positive electrode active material composition (nonvolatile content, that is, the ratio of the positive electrode active material layer forming component) can be, for example, about 40 to 60% by mass. The content ratio of the positive electrode active material in the solid content (positive electrode active material layer forming component) is preferably about 50% by mass or more (typically 50 to 95%), preferably about 75 to 90% by mass. It is more preferable. Moreover, the content rate of the electrically-conductive material which occupies for the said solid content can be about 5-25 mass%, for example. From the viewpoint of producing a positive electrode suitable for constructing a battery having performances particularly suitable as a lithium secondary battery for vehicles (for example, excellent output characteristics such as initial output at low temperature and durability of the output). A positive electrode active material composition having a conductive material content of about 10 to 20% by mass (for example, about 10 to 15% by mass) can be preferably used. In this case, it is appropriate that the content ratio of the positive electrode active material in the composition is about 80 to 90% by mass (for example, 85 to 90% by mass).
Moreover, in the composition containing the positive electrode active material layer forming component other than the positive electrode active material and the conductive material, the total content ratio of these optional components (the ratio of the total positive electrode active material layer forming component) is about 7% by mass or less. It is preferably about 5% by mass or less (for example, about 1 to 5% by mass). The total content of the above optional components may be about 3% by mass or less (for example, about 1 to 3% by mass).
ここに開示される方法では、上述のような水系の正極活物質組成物を、アルカリ反応性集電体(例えば、少なくとも正極活物質組成物が塗布される箇所の表面がアルミニウムまたはアルミニウム合金により構成されている集電体、典型的にはアルミニウム箔)に付与する。かかる正極活物質組成物の付与は、例えば、適当な塗布装置(スリットコーター、ダイコーター、コンマコーター等)を使用して、集電体の表面に所定量の上記正極活物質組成物を層状に塗布する態様で行うことができる。該組成物の塗布量(集電体の単位面積当たりの塗布量)は特に限定されず、正極および電池の形状等に応じて適宜異なり得る。例えば、上述のような捲回型の電極体を備える車両用リチウム二次電池の構築に使用される正極を作製する場合には、箔状集電体(例えば、厚さ10〜30μm程度のアルミニウム箔等の金属箔を好ましく用いることができる。)の表面に上記組成物を、固形分換算の塗布量(すなわち、乾燥後の質量)が凡そ5〜20mg/cm2程度となるように塗布するとよい。かかる塗布量の正極活物質組成物を集電体の片面に塗布してもよく、集電体の両面に正極活物質組成物を塗布してその合計塗布量が上記範囲となるようにしてもよい。集電体の両面に正極活物質組成物を塗布する態様を好ましく採用することができる。
このようにして正極集電体に付与された正極活物質組成物を乾燥させることにより、未圧縮の正極活物質層が形成される。
In the method disclosed herein, an aqueous positive electrode active material composition as described above is prepared by using an alkali-reactive current collector (for example, at least the surface where the positive electrode active material composition is applied is made of aluminum or an aluminum alloy). Current collector, typically an aluminum foil). The application of the positive electrode active material composition is performed, for example, by using a suitable coating apparatus (slit coater, die coater, comma coater, etc.) and laminating a predetermined amount of the positive electrode active material composition on the surface of the current collector. It can carry out in the aspect to apply | coat. The coating amount of the composition (the coating amount per unit area of the current collector) is not particularly limited, and may be appropriately varied depending on the shape of the positive electrode and the battery. For example, when producing a positive electrode used in the construction of a lithium secondary battery for a vehicle having a wound electrode body as described above, a foil-like current collector (for example, aluminum having a thickness of about 10 to 30 μm) A metal foil such as a foil can be preferably used.) When the above composition is applied to the surface so that the coating amount in terms of solid content (that is, the mass after drying) is about 5 to 20 mg / cm 2. Good. Such a coating amount of the positive electrode active material composition may be applied to one side of the current collector, or the positive electrode active material composition may be applied to both sides of the current collector so that the total coating amount falls within the above range. Good. The aspect which apply | coats a positive electrode active material composition to both surfaces of a collector can be employ | adopted preferably.
Thus, an uncompressed positive electrode active material layer is formed by drying the positive electrode active material composition provided to the positive electrode current collector.
ここで、正極活物質としてリチウム遷移金属酸化物を用いた水系の正極活物質組成物では、該リチウム遷移金属酸化物(特にリチウムニッケル系酸化物)を構成するリチウムの一部が水系媒体に溶出して該組成物の液性がアルカリ性(例えば、pH10〜14程度のアルカリ性)となりがちである。このようなアルカリ性の正極活物質組成物をアルカリ反応性集電体(例えばアルミニウム箔)に付与して一般的な熱風乾燥機等の手段により乾燥させると、内部にマクロな空孔を含んだ性状の正極活物質層が形成される。かかる空孔は、アルカリ性の正極活物質組成物と正極集電体との反応ガス(典型的にはH2ガス)の気泡に起因するものと考えられる。このようなマクロな空孔を多く含んだ正極活物質層では、該活物質層への電解液の浸透性と該活物質層の導電性とを高度なレベルでバランスさせることが困難である。 Here, in an aqueous positive electrode active material composition using a lithium transition metal oxide as a positive electrode active material, a part of lithium constituting the lithium transition metal oxide (particularly lithium nickel oxide) is eluted in an aqueous medium. Thus, the liquidity of the composition tends to be alkaline (for example, alkaline having a pH of about 10 to 14). When such an alkaline positive electrode active material composition is applied to an alkali-reactive current collector (for example, an aluminum foil) and dried by means of a general hot air drier or the like, it contains macroscopic voids inside. The positive electrode active material layer is formed. Such vacancies are considered to be caused by bubbles of a reaction gas (typically H 2 gas) between the alkaline positive electrode active material composition and the positive electrode current collector. In such a positive electrode active material layer containing many macroscopic voids, it is difficult to balance the permeability of the electrolytic solution into the active material layer and the conductivity of the active material layer at a high level.
本発明に係る製造方法では、上記乾燥の手段として誘導加熱(induction heating;IH加熱)を採用する。かかるIH加熱によると、金属製の集電体を効率よく加熱することができる。また、その加熱された集電体からの伝熱によって、該集電体に付与された正極活物質組成物を速やかに乾燥させることができる。このように集電体からの伝熱を利用するので、集電体と正極活物質組成物との接触部(界面)を優先的に、効率よく乾燥させることができる。これらのことによって、水を含む状態の(典型的にはアルカリ性の)正極活物質組成物が集電体に接触する時間を極力短縮することができ、該集電体からのガス(典型的にはH2ガス)発生を高度に抑制することができる。その結果、上記マクロな空孔の発生が効果的に低減された(均一性のよい)正極活物質層を形成することができる。 In the manufacturing method according to the present invention, induction heating (IH heating) is employed as the drying means. According to such IH heating, the metal current collector can be efficiently heated. Further, the positive electrode active material composition applied to the current collector can be quickly dried by heat transfer from the heated current collector. Since heat transfer from the current collector is used in this way, the contact portion (interface) between the current collector and the positive electrode active material composition can be preferentially and efficiently dried. As a result, the time during which the positive electrode active material composition containing water (typically alkaline) is in contact with the current collector can be reduced as much as possible, and the gas from the current collector (typically Can highly suppress the generation of H 2 gas). As a result, it is possible to form a positive electrode active material layer in which the generation of the macro voids is effectively reduced (good uniformity).
このようなIH加熱自体は、従来公知のIH加熱技術を利用して行うことができる。例えば図2に示すように、正極活物質組成物が付与された正極集電体32の搬送経路に沿って配置された一個または複数個のコイル65(図2には3個を示している)を有する構成の誘導加熱装置64を好ましく用いることができる。コイル65の両端は図示しない高周波電源に接続されており、これにより任意のタイミングでコイル65に高周波電流を付与することができる。なお、誘導加熱装置64の構成は、図2に示すように平面状に(例えば、集電体32の表面とほぼ平行な渦巻状に)巻かれたコイル65が集電体32の一方の面側に配置された構成に限定されない。例えば、同様に巻かれたコイル65が集電体32の両面側に設けられた構成であってもよく、あるいは筒状に巻かれたコイル65の内部に集電体32を通過させる構成であってもよい。 Such IH heating itself can be performed using a conventionally known IH heating technique. For example, as shown in FIG. 2, one or a plurality of coils 65 (three are shown in FIG. 2) arranged along the transport path of the positive electrode current collector 32 to which the positive electrode active material composition is applied. An induction heating device 64 having a configuration including the above can be preferably used. Both ends of the coil 65 are connected to a high-frequency power source (not shown), whereby a high-frequency current can be applied to the coil 65 at an arbitrary timing. As shown in FIG. 2, the induction heating device 64 has a configuration in which a coil 65 wound in a planar shape (for example, in a spiral shape substantially parallel to the surface of the current collector 32) has one surface of the current collector 32. It is not limited to the structure arrange | positioned at the side. For example, the coil 65 wound similarly may be provided on both sides of the current collector 32, or the current collector 32 may be passed through the coil 65 wound in a cylindrical shape. May be.
ここに開示される技術では、典型的には、上記IH加熱により正極活物質組成物を乾燥させて得られた未圧縮の正極活物質層(すなわち乾燥されたままの正極活物質層)の密度を調整して、所定の密度を有する正極活物質層を形成する。この密度を調整する方法としては、未圧縮の正極活物質層が片面または両面(好ましくは両面)に形成された集電体を厚み方向に圧縮する方法を好ましく採用することができる。該圧縮は、従来公知のロールプレス法、平板プレス法等の圧縮方法を適用して行うことができる。 In the technique disclosed herein, typically, the density of the uncompressed positive electrode active material layer (that is, the positive electrode active material layer as dried) obtained by drying the positive electrode active material composition by the IH heating described above. Is adjusted to form a positive electrode active material layer having a predetermined density. As a method for adjusting the density, a method in which a current collector in which an uncompressed positive electrode active material layer is formed on one surface or both surfaces (preferably both surfaces) is compressed in the thickness direction can be preferably employed. The compression can be performed by applying a compression method such as a conventionally known roll press method or flat plate press method.
図1を参照しつつ、本発明の方法により正極集電体の表面に水系の正極活物質組成物を塗布して正極を作製する好ましい一態様例を説明する。
図1に示す正極作製装置60は、それぞれ正極集電体32に一方の面および他方の面に正極活物質組成物を塗布する二つのコーター(塗布装置、例えばスリットコーター)62,66と、該集電体32を電磁誘導加熱可能に設けられた二つの誘導加熱装置64,68と、乾燥された正極活物質組成物(未圧縮の正極活物質層)を有する正極集電体32に厚み方向への応力を付与可能に構成されたロールプレス機75とを備える。
With reference to FIG. 1, a preferred embodiment example in which a positive electrode is produced by applying a water-based positive electrode active material composition to the surface of a positive electrode current collector by the method of the present invention will be described.
A positive electrode preparation device 60 shown in FIG. 1 includes two coaters (coating devices, for example, slit coaters) 62 and 66 for applying a positive electrode active material composition to one surface and the other surface of the positive electrode current collector 32, respectively. The current collector 32 is provided with two induction heating devices 64 and 68 provided to be capable of electromagnetic induction heating, and the positive electrode current collector 32 having a dried positive electrode active material composition (uncompressed positive electrode active material layer) in the thickness direction. And a roll press machine 75 configured to be able to apply a stress to the head.
巻出ロール72から巻き出される正極集電体(典型的にはアルミニウム箔)32は、第一コーター62へと搬送され、該コーター62によって集電体32の一方の面に水性の正極活物質組成物(例えば、リチウムニッケル系酸化物およびアセチレンブラックを水系媒体に分散させた組成のアルカリ性組成物)が塗布される。該組成物が一方の面に塗布された集電体32は次いで第一誘導加熱装置64へと送られる。該装置64は、例えば図2に示す構造のコイル65が集電体32の搬送路に沿って配置された構成の誘導加熱装置であり得る。この誘導加熱装置64により引き起こされる電磁誘導によって集電体32が加熱され、これにより上記一方の面に塗布された正極活物質組成物が乾燥されて、該一方の面に未圧縮の正極活物質層が形成される。コーター62から誘導加熱装置64までの好適な距離は、正極集電体32の搬送速度や正極活物質組成物の塗布量等によって異なり得るが、通常は、正極集電体32に正極活物質組成物が塗布されてから該集電体32の誘導加熱を開始するまで(典型的には、塗布された正極活物質組成物のうち少なくとも集電体32との界面部分が乾燥されるタイミングと概ね一致する。)の時間が凡そ30秒以下(例えば凡そ1〜30秒、好ましくは凡そ3〜15秒)となるようにコーター62および誘導加熱装置64の配置を設定することが好ましい。また、未乾燥の正極活物質組成物と集電体32との接触時間を上記時間とし得るように正極集電体32の搬送速度を設定することが好ましい。 The positive electrode current collector (typically aluminum foil) 32 unwound from the unwinding roll 72 is conveyed to the first coater 62, and an aqueous positive electrode active material is provided on one surface of the current collector 32 by the coater 62. A composition (for example, an alkaline composition having a composition in which lithium nickel oxide and acetylene black are dispersed in an aqueous medium) is applied. The current collector 32 coated with the composition on one side is then sent to the first induction heating device 64. The apparatus 64 may be an induction heating apparatus having a configuration in which, for example, a coil 65 having a structure shown in FIG. 2 is arranged along the conveyance path of the current collector 32. The current collector 32 is heated by electromagnetic induction caused by the induction heating device 64, whereby the positive electrode active material composition applied to the one surface is dried, and the uncompressed positive electrode active material is applied to the one surface. A layer is formed. A suitable distance from the coater 62 to the induction heating device 64 may vary depending on the conveying speed of the positive electrode current collector 32, the coating amount of the positive electrode active material composition, and the like. After the material is applied, until the induction heating of the current collector 32 is started (typically, the timing at which at least the interface portion of the applied positive electrode active material composition with the current collector 32 is dried is approximately It is preferable to set the arrangement of the coater 62 and the induction heating device 64 so that the time of the coincidence) is approximately 30 seconds or less (for example, approximately 1 to 30 seconds, preferably approximately 3 to 15 seconds). Moreover, it is preferable to set the conveyance speed of the positive electrode current collector 32 so that the contact time between the undried positive electrode active material composition and the current collector 32 can be the above time.
このようにして一方の表面に未圧縮の(誘導加熱により乾燥されたままの状態の)正極活物質層が形成された正極集電体32は、搬送ロール74,74を経て第二コーター66へと送られる。該コーター66によって集電体32の他方の表面に正極活物質組成物が塗布される。その集電体32は次いで第二誘導加熱装置68(第一誘導加熱装置64と同様の構成を有する装置であり得る。)へと送られ、ここで上記他方の表面に塗布された正極活物質組成物が乾燥される。このようにして、集電体32の一方の面および他方の面の両面に未圧縮の正極活物質層が形成される。これをロールプレス機75に供給して正極活物質層の性状を調整する。より詳しくは、ロールプレス機75に具備される圧縮ロール76,76の間に、未圧縮の正極活物質層を両面に有する集電体32を通過させて、これに厚み方向への応力を付与する。このことによって、図3に示すように、ここに開示される好ましい性状(例えば、密度、細孔分布および電解液浸透性のうち少なくとも一つ、好ましくは二つ以上)を有する正極活物質層35,35が正極集電体32の両面に形成される。かかる構成を有する正極30は、図1に示すように、ロールプレス機75の下流において巻取ロール78に巻き取られる。このようにして正極30を製造することができる。 In this way, the positive electrode current collector 32 in which the uncompressed positive electrode active material layer is formed on one surface (while being dried by induction heating) passes through the transport rolls 74 and 74 to the second coater 66. Sent. The positive electrode active material composition is applied to the other surface of the current collector 32 by the coater 66. The current collector 32 is then sent to a second induction heating device 68 (which may be a device having a configuration similar to that of the first induction heating device 64), where the positive electrode active material applied to the other surface. The composition is dried. In this way, an uncompressed positive electrode active material layer is formed on both the one surface and the other surface of the current collector 32. This is supplied to a roll press machine 75 to adjust the properties of the positive electrode active material layer. More specifically, the current collector 32 having uncompressed positive electrode active material layers on both sides is passed between the compression rolls 76 and 76 provided in the roll press machine 75, and stress in the thickness direction is applied thereto. To do. As a result, as shown in FIG. 3, the positive electrode active material layer 35 having the preferable properties disclosed herein (for example, at least one, preferably two or more of density, pore distribution, and electrolyte permeability). , 35 are formed on both surfaces of the positive electrode current collector 32. As shown in FIG. 1, the positive electrode 30 having such a configuration is wound around a winding roll 78 downstream of the roll press machine 75. In this way, the positive electrode 30 can be manufactured.
上記圧縮の程度(圧縮条件)は、正極活物質層の密度を凡そ2.3〜2.6g/cm3(より好ましくは凡そ2.3〜2.5g/cm3)に調整し得る程度とすることが適当である。誘導加熱により乾燥させて得られた正極活物質層であって上記密度を有する正極活物質層(典型的には、上記誘導加熱により乾燥されたままの密度の(未圧縮の)正極活物質層を適度に圧縮して得られた正極活物質層)を備える正極は、常温のみならず低温(例えば−30℃程度の低温)においても良好な初期出力を示し、かつ充放電を繰り返した後における出力にも優れた高性能の車両用リチウム二次電池を構築するものであり得る。したがって、上記範囲の密度を有するように正極活物質層(ひいては正極)の製造条件を管理することにより、このような高性能の車両用リチウム二次電池を構築するのに適したリチウム二次電池正極を効率よく(安定して)製造することができる。 The degree of compression (compression condition) is such that the density of the positive electrode active material layer can be adjusted to about 2.3 to 2.6 g / cm 3 (more preferably about 2.3 to 2.5 g / cm 3 ). It is appropriate to do. A positive electrode active material layer obtained by drying by induction heating and having the above density (typically, a positive (uncompressed) positive electrode active material layer that has been dried by the above induction heating) The positive electrode provided with a positive electrode active material layer obtained by appropriately compressing the material shows a good initial output not only at room temperature but also at a low temperature (for example, a low temperature of about −30 ° C.), and after repeated charging and discharging. It is possible to construct a high-performance lithium secondary battery for a vehicle that is excellent in output. Therefore, a lithium secondary battery suitable for constructing such a high-performance lithium secondary battery for vehicles by managing the manufacturing conditions of the positive electrode active material layer (and thus the positive electrode) so as to have a density in the above range. The positive electrode can be produced efficiently (stable).
上記正極活物質層の密度は常法により測定することができる。実用上は、集電体の単位面積当たりに付与される正極活物質組成物の量(固形分換算、集電体の両面に正極活物質組成物が付与される場合にはそれらの合計量)、正極の厚さ(正極集電体および正極活物質層を含む正極全体の厚さ)および該正極を構成する正極集電体の厚さ(通常は、該正極の製造に使用する正極集電体の厚さと概ね一致する。)から正極活物質層の密度を算出する方法の採用が簡便であり好ましい。例えば、次式:{(正極の厚さ)−(正極集電体の厚さ)}/(単位面積当たりの固形分換算の塗布量);により算出される値を、ここに開示される技術における正極活物質層の密度の値として好ましく採用することができる。また、このように塗布量および正極の厚さを利用して正極活物質層の密度を管理する手法には、該正極の生産管理を行うに当たって上記密度を管理しやすいというメリットがある。例えば、図1に示す製造装置60において、コーター62,66に正極活物質組成物の吐出量(正極集電体への塗布量)を検出する吐出量計を設置し、ロールプレス機75の下流(巻取ロール78側)に正極30の厚さを検出する膜厚測定器を設けることにより、目標範囲内の密度を有する正極活物質層が適切に形成されているかどうかを監視し、該密度が上記範囲内から外れそうになった場合にはその情報をフィードバックして上記吐出量やプレス条件等を修正するような制御を行うことができる。このことによって、上述した好ましい範囲の密度を有する正極を安定して効率よく(確実に)製造することができる。 The density of the positive electrode active material layer can be measured by a conventional method. In practice, the amount of the positive electrode active material composition applied per unit area of the current collector (in terms of solid content, the total amount when the positive electrode active material composition is applied to both sides of the current collector) , The thickness of the positive electrode (the total thickness of the positive electrode including the positive electrode current collector and the positive electrode active material layer) and the thickness of the positive electrode current collector constituting the positive electrode (usually the positive electrode current collector used for the production of the positive electrode) The method of calculating the density of the positive electrode active material layer from the general thickness of the body is simple and preferable. For example, the technique disclosed herein is a value calculated by the following formula: {(thickness of positive electrode) − (thickness of positive electrode current collector)} / (coating amount in terms of solid content per unit area); The density value of the positive electrode active material layer can be preferably adopted. In addition, the method of managing the density of the positive electrode active material layer using the coating amount and the thickness of the positive electrode as described above has an advantage that the density can be easily managed when performing production management of the positive electrode. For example, in the manufacturing apparatus 60 shown in FIG. 1, a discharge meter for detecting the discharge amount of the positive electrode active material composition (amount applied to the positive electrode current collector) is installed in the coaters 62 and 66, and downstream of the roll press machine 75. By providing a film thickness measuring device for detecting the thickness of the positive electrode 30 on the winding roll 78 side, it is monitored whether or not a positive electrode active material layer having a density within the target range is appropriately formed. When it is likely to fall out of the above range, the information can be fed back and control can be performed to correct the discharge amount, press conditions, and the like. By this, the positive electrode which has the density of the preferable range mentioned above can be manufactured stably and efficiently (reliably).
また、上記圧縮の程度は、得られる正極活物質層の細孔分布において、直径0.3〜2.0μmの細孔の容積割合が全細孔容積の凡そ70〜85%(より好ましくは凡そ70〜80%)となるように行うことが好ましい。換言すれば、ここに開示される方法により製造される正極の好ましい一つの態様では、該正極を構成する正極活物質層の細孔分布において、直径0.3〜2.0μmの細孔の容積割合が全細孔容積の凡そ70〜85%(より好ましくは凡そ70〜80%)である。
上記サイズの細孔は、この正極活物質層に電解質(典型的には液状)が含浸された形態のリチウム二次電池において、リチウムイオンの移動(拡散)に特に効果的に寄与し得る。したがって、かかるサイズの細孔の割合が比較的多い(例えば、上述のように凡そ70%以上である)正極活物質層を備える正極は、良好なリチウムイオン輸送性を示すことから、急速充放電性能に優れたリチウム二次電池の構成要素として好適である。なお、直径0.3〜2.0μmの細孔の容積割合が上記範囲を大きく上回るような正極活物質層は製造が困難であり、また、そのような細孔分布を有する正極活物質層では電解液浸透性や導電性とのバランスが損なわれがちである。したがって、実用上は、直径0.3〜2.0μmの細孔の容積割合を凡そ85%以下(より好ましくは凡そ80%以下)とすることが適当である。なお、上記細孔分布は市販の水銀ポロシメータ等を用いて測定することができる。かかる好ましい細孔分布を有する正極活物質層は、例えば、予備実験により適切な圧縮条件を求めておき、実際の正極製造時に該条件を適用して上記圧縮を行うことによって効率よく製造することができる。
The degree of compression is such that the volume ratio of pores having a diameter of 0.3 to 2.0 μm is approximately 70 to 85% of the total pore volume (more preferably approximately) in the pore distribution of the obtained positive electrode active material layer. 70 to 80%). In other words, in one preferred embodiment of the positive electrode produced by the method disclosed herein, the pore volume of a diameter of 0.3 to 2.0 μm in the pore distribution of the positive electrode active material layer constituting the positive electrode. The proportion is about 70 to 85% (more preferably about 70 to 80%) of the total pore volume.
The pores of the above size can particularly effectively contribute to the movement (diffusion) of lithium ions in a lithium secondary battery in which the positive electrode active material layer is impregnated with an electrolyte (typically liquid). Accordingly, a positive electrode including a positive electrode active material layer having a relatively large proportion of pores having such a size (for example, approximately 70% or more as described above) exhibits good lithium ion transportability, and thus is rapidly charged / discharged. It is suitable as a component of a lithium secondary battery having excellent performance. In addition, it is difficult to manufacture a positive electrode active material layer in which the volume ratio of pores having a diameter of 0.3 to 2.0 μm greatly exceeds the above range, and in a positive electrode active material layer having such a pore distribution, The balance between electrolyte permeability and conductivity tends to be impaired. Therefore, in practical use, it is appropriate that the volume ratio of pores having a diameter of 0.3 to 2.0 μm is about 85% or less (more preferably about 80% or less). The pore distribution can be measured using a commercially available mercury porosimeter or the like. Such a positive electrode active material layer having a preferable pore distribution can be efficiently produced by, for example, obtaining appropriate compression conditions by preliminary experiments and applying the above conditions during actual positive electrode production to perform the above compression. it can.
また、上記圧縮の程度は、得られる正極を用いて構築される車両用リチウム二次電池に備えられる電解質(典型的には液状電解質、すなわち電解液)に該正極を浸漬してから2秒の間に生じる湿潤熱が全湿潤熱の凡そ43〜50%の範囲となる程度とすることが好ましい(測定温度は25℃とする。)。換言すれば、ここに開示される方法により製造される正極の好ましい一つの態様では、該正極を上記電解液に浸漬してから2秒間に生じる湿潤熱が全湿潤熱の凡そ43〜50%の範囲にある。
上記湿潤熱は、上記電解液が正極活物質層の表面(細孔表面を含む)を濡らすときに生じる熱量として把握され得る。この熱量は、市販のマイクロカロリメータ等を用いて検出(測定)することができる。例えば、浸漬開始からの経過時間を横軸とし、経過時間毎に生じた熱量またはその積分値を縦軸とした測定チャートから、上記浸漬後2秒間の湿潤熱が全湿潤熱に占める割合(以下、この割合を「初期含浸率」ということがある。)を求めることができる。
かかる初期含浸率が高い正極活物質層は、電解液の浸透性(電解液に対する濡れ性)が高く、したがって該活物質層の細部(細孔内)にまで電解液を適切に行き渡らせる性能に優れる。このため正極活物質層を構成する正極活物質を隅々まで有効に利用できるので、良好な出力を発揮するリチウム二次電池を構築し得る。また、該正極活物質をより均一に利用することができるので、電池性能(出力等)の耐久性の点においても有利である。かかる好ましい初期含浸率を示す正極活物質層は、例えば、予備実験により適切な圧縮条件を求めておき、実際の正極製造時において該条件を適用して上記圧縮を行うことによって効率よく製造することができる。
The degree of compression is about 2 seconds after the positive electrode is immersed in an electrolyte (typically a liquid electrolyte, ie, an electrolytic solution) provided in a lithium secondary battery for vehicles constructed using the positive electrode obtained. It is preferable that the heat of wetting generated between them be in the range of about 43 to 50% of the total heat of wetting (the measurement temperature is 25 ° C.). In other words, in one preferred embodiment of the positive electrode produced by the method disclosed herein, the heat of wetting generated for 2 seconds after immersing the positive electrode in the electrolyte is approximately 43 to 50% of the total wet heat. Is in range.
The wetting heat can be grasped as the amount of heat generated when the electrolyte wets the surface (including the pore surface) of the positive electrode active material layer. This amount of heat can be detected (measured) using a commercially available microcalorimeter or the like. For example, from the measurement chart in which the elapsed time from the start of immersion is the horizontal axis and the amount of heat generated at each elapsed time or the integrated value thereof is the vertical axis, the ratio of the heat of wetting for 2 seconds after the immersion to the total wet heat (below) , This ratio may be referred to as “initial impregnation rate”).
Such a positive electrode active material layer having a high initial impregnation rate has a high electrolyte permeability (wetability with respect to the electrolyte solution), and thus has a performance of appropriately spreading the electrolyte solution to the details (in the pores) of the active material layer. Excellent. For this reason, since the positive electrode active material which comprises a positive electrode active material layer can be utilized effectively to every corner, the lithium secondary battery which exhibits a favorable output can be constructed | assembled. Moreover, since the positive electrode active material can be used more uniformly, it is advantageous in terms of durability of battery performance (output, etc.). The positive electrode active material layer exhibiting such a preferable initial impregnation rate is efficiently manufactured by, for example, obtaining appropriate compression conditions by a preliminary experiment and applying the above conditions during the actual positive electrode manufacturing to perform the above compression. Can do.
本発明により提供される正極は、各種形態の車両用リチウム二次電池を構築するための正極として好ましく利用される。例えば、上記正極と、負極集電体の表面に負極活物質層を有する負極と、該正負極間に配置される電解質と、典型的には正負極集電体を離隔するセパレータ(電解質が固体である場合には不要であり得る。)とを備える車両用リチウム二次電池の構成要素として好ましく使用され得る。かかる電池を構成する外容器の構造(例えば金属製の筐体やラミネートフィルム構造物)やサイズ、あるいは正負極集電体を主構成要素とする電極体の構造(例えば捲回構造や積層構造)等について特に制限はない。例えば、アルミニウム等からなる正極用箔状集電体の表面に正極活物質層を形成してなる正極シートと、金属(例えば銅)またはカーボン等からなる負極用箔状集電体の表面に適当な負極活物質を付着させてなる負極シートとを、多孔質ポリオレフィンシート等のセパレータを介して重ね合わせ、これを捲回してなる捲回電極体の構成要素(該電極体を構成する正極シート)として、ここに開示される正極を好適に利用することができる。かかる構成の捲回電極体を電解液(典型的には後述するような非水電解液)とともに適当な容器に収容することによって車両用リチウム二次電池が構築される。 The positive electrode provided by the present invention is preferably used as a positive electrode for constructing various types of vehicle lithium secondary batteries. For example, the positive electrode, a negative electrode having a negative electrode active material layer on the surface of the negative electrode current collector, an electrolyte disposed between the positive and negative electrodes, and a separator that typically separates the positive and negative electrode current collectors (the electrolyte is a solid In other words, it may be unnecessary as a component of a lithium secondary battery for vehicles. Structure (for example, metal casing or laminate film structure) and size of an outer container constituting such a battery, or structure of an electrode body (for example, a wound structure or a laminated structure) having a positive / negative electrode current collector as a main component There is no particular restriction on the etc. For example, suitable for a positive electrode sheet formed by forming a positive electrode active material layer on the surface of a foil-like current collector for positive electrode made of aluminum or the like, and a foil-like current collector for negative electrode made of metal (for example, copper) or carbon Constituent elements of a wound electrode body obtained by stacking and winding a negative electrode sheet formed by attaching a negative electrode active material with a separator such as a porous polyolefin sheet (positive electrode sheet constituting the electrode body) As described above, the positive electrode disclosed herein can be preferably used. A lithium secondary battery for a vehicle is constructed by housing the wound electrode body having such a configuration in an appropriate container together with an electrolytic solution (typically a nonaqueous electrolytic solution as described later).
以下、本発明により提供される正極および該正極を備える車両用リチウム二次電池の一実施形態につき、図4〜図6に示す模式図を参照しつつ説明する。
図示されるように、本実施形態に係る車両用のリチウム二次電池10は、金属製(樹脂製又はラミネートフィルム製も好適である。)の筐体(外容器)12を備えており、この筐体12の中には、長尺シート状の正極シート30、セパレータ50A、負極シート40およびセパレータ50Bをこの順に積層し次いで扁平形状に捲回することにより構成された捲回電極体20が収容される。
Hereinafter, an embodiment of a positive electrode provided by the present invention and a lithium secondary battery for a vehicle including the positive electrode will be described with reference to schematic diagrams shown in FIGS.
As shown in the figure, the lithium secondary battery 10 for a vehicle according to the present embodiment includes a housing (outer container) 12 made of metal (resin or laminate film is also suitable). The casing 12 accommodates a wound electrode body 20 configured by laminating a long sheet-like positive electrode sheet 30, a separator 50A, a negative electrode sheet 40, and a separator 50B in this order and then winding them into a flat shape. Is done.
正極30は、ここに開示されるいずれかの方法を適用して製造されたものであって、長尺シート状の正極集電体32と、その片面または両面に形成された正極活物質層35とを備える。 The positive electrode 30 is manufactured by applying any one of the methods disclosed herein, and is a long sheet-like positive electrode current collector 32 and a positive electrode active material layer 35 formed on one or both sides thereof. With.
他方、負極40は、長尺シート状の負極集電体42とその表面に形成された負極活物質層45とを備える。負極集電体42としては銅等の金属から成るシート材(典型的には銅箔等の金属箔)を好ましく使用し得る。リチウムイオンを吸蔵および放出し得る負極活物質としては、少なくとも一部にグラファイト構造(層状構造)を含む炭素材料を好適に使用することができる。いわゆる黒鉛質のもの(グラファイト)、難黒鉛化炭素質のもの(ハードカーボン)、易黒鉛化炭素質のもの(ソフトカーボン)、これらを組み合わせた構造を有するもの等のいずれの炭素材料も使用可能である。例えば、天然黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、高配向性グラファイト(HOPG)等を用いることができる。このような負極活物質をバインダ(正極側と同様のものを使用することができる。)及び必要に応じて用いられる導電材(正極側と同様のものを使用することができる。)と混合して調製した負極活物質層形成用の組成物(負極活物質組成物)を、負極集電体42の片面または両面に塗布し、次いで該塗布物を乾燥させることにより、当該集電体42の所望する部位に負極活物質層45を形成することができる(図5)。特に限定するものではないが、負極活物質100質量部に対するバインダの使用量は例えば0.5〜10質量部の範囲とすることができる。負極活物質組成物を乾燥させる方法としては、正極活物質組成物と同様の誘導加熱を好ましく採用することができる。あるいは熱風乾燥その他の方法によって負極活物質組成物を乾燥させてもよく、これらの方法を適宜組み合わせて乾燥させてもよい。
また、正負極シートと重ね合わせて使用されるセパレータ50A,50Bとしては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂から成る多孔質フィルムを好適に使用し得る。
On the other hand, the negative electrode 40 includes a long sheet-like negative electrode current collector 42 and a negative electrode active material layer 45 formed on the surface thereof. As the negative electrode current collector 42, a sheet material (typically a metal foil such as a copper foil) made of a metal such as copper can be preferably used. As a negative electrode active material capable of inserting and extracting lithium ions, a carbon material containing a graphite structure (layered structure) at least partially can be preferably used. Any carbon material such as so-called graphitic (graphite), non-graphitizable carbon (hard carbon), graphitizable carbon (soft carbon), or a combination of these can be used. It is. For example, natural graphite, mesocarbon microbeads (MCMB), highly oriented graphite (HOPG), etc. can be used. Such a negative electrode active material is mixed with a binder (the same material as the positive electrode side can be used) and a conductive material used as necessary (the same material as the positive electrode side can be used). The composition for forming the negative electrode active material layer (negative electrode active material composition) was applied to one or both surfaces of the negative electrode current collector 42, and then the coated material was dried, whereby the current collector 42 The negative electrode active material layer 45 can be formed at a desired site (FIG. 5). Although it does not specifically limit, the usage-amount of the binder with respect to 100 mass parts of negative electrode active materials can be made into the range of 0.5-10 mass parts, for example. As a method of drying the negative electrode active material composition, induction heating similar to that of the positive electrode active material composition can be preferably employed. Alternatively, the negative electrode active material composition may be dried by hot air drying or other methods, and these methods may be appropriately combined and dried.
Moreover, as separator 50A, 50B used by overlapping with a positive / negative electrode sheet, the porous film which consists of polyolefin resin, such as polyethylene and a polypropylene, can be used conveniently, for example.
図5に示すように、正極シート30及び負極シート40の長手方向に沿う一方の端部には上記活物質組成物を塗布せず、よって活物質層35,45が形成されない部分を形成する。正負極シート30,40を二枚のセパレータ50A,50Bとともに重ね合わせる際には、両活物質層35,45が重ね合わさると同時に正極シートの活物質層未形成部分と負極シートの活物質層未形成部分とが長手方向に沿う一方の端部と他方の端部に別々に配置されるように、正負極シート30,40をややずらして重ね合わせる。この状態で計四枚のシート30,40,50A,50Bを捲回し、次いで得られた捲回体を側面方向から押しつぶして拉げさせることによって扁平形状の捲回電極体20が得られる。 As shown in FIG. 5, the active material composition is not applied to one end portion along the longitudinal direction of the positive electrode sheet 30 and the negative electrode sheet 40, so that a portion where the active material layers 35 and 45 are not formed is formed. When the positive and negative electrode sheets 30 and 40 are overlapped together with the two separators 50A and 50B, both the active material layers 35 and 45 are overlapped, and at the same time, the active material layer unformed portion of the positive electrode sheet and the active material layer of the negative electrode sheet are not yet formed. The positive and negative electrode sheets 30 and 40 are slightly shifted and overlapped so that the formation part is separately disposed at one end and the other end along the longitudinal direction. In this state, a total of four sheets 30, 40, 50A, 50B are wound, and then the obtained wound body is crushed from the side surface direction and crushed to obtain the flat wound electrode body 20.
次いで、得られた捲回電極体20を筐体12に収容するとともに(図6)、上記正極活物質層未形成部分32及び負極活物質層未形成部分42を、一部が筐体12の外部に配置される外部接続用正極端子14及び外部接続用負極端子16の各々と電気的に接続する。
そして、適当な液状電解質或いは固体(若しくはゲル状)電解質、ここでは適当な非水系電解液(例えばLiPF6等のリチウム塩を適当量含むジエチルカーボネートとエチレンカーボネートとの混合溶媒のような非水系電解液)を筐体12内に配置(注液)し、筐体12の開口部を当該筐体とそれに対応する蓋部材13との溶接等により封止して、本実施形態に係るリチウム二次電池10の構築(組み立て)が完成する。なお、筐体12の封止プロセスや電解質配置(注液)プロセスは、従来のリチウム二次電池の製造で行われている手法と同様でよく、本発明を特徴付けるものではない。
Next, the obtained wound electrode body 20 is accommodated in the housing 12 (FIG. 6), and the positive electrode active material layer unformed portion 32 and the negative electrode active material layer unformed portion 42 are partly formed in the housing 12. The external connection positive terminal 14 and the external connection negative terminal 16 are electrically connected to each other.
Then, a suitable liquid electrolyte or solid (or gel) electrolyte, here a suitable non-aqueous electrolyte (for example, a non-aqueous electrolyte such as a mixed solvent of diethyl carbonate and ethylene carbonate containing a suitable amount of lithium salt such as LiPF 6) Liquid) is disposed (injected) in the housing 12, and the opening of the housing 12 is sealed by welding or the like between the housing and the corresponding lid member 13, and the lithium secondary according to the present embodiment. Construction (assembly) of the battery 10 is completed. In addition, the sealing process of the housing | casing 12 and an electrolyte arrangement | positioning (liquid injection) process may be the same as the method currently performed by manufacture of the conventional lithium secondary battery, and do not characterize this invention.
本発明に係る車両用リチウム二次電池は、上記のような優れた性能(出力性能、耐久性等)を有することから、自動車等の車両に搭載されるモーター(電動機)用電源として好適に使用され得る。かかるリチウム二次電池は、それらの複数個を直列および/または並列に接続してなる組電池の形態で使用されてもよい。したがって本発明は、図7に模式的に示すように、かかるリチウム二次電池(組電池の形態であり得る。)10を電源として備える車両(典型的には自動車、特にハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車のような電動機を備える自動車)1を提供する。 Since the lithium secondary battery for vehicles according to the present invention has the excellent performance (output performance, durability, etc.) as described above, it is suitably used as a power source for a motor (electric motor) mounted on a vehicle such as an automobile. Can be done. Such lithium secondary batteries may be used in the form of an assembled battery formed by connecting a plurality of them in series and / or in parallel. Accordingly, as schematically shown in FIG. 7, the present invention provides a vehicle (typically an automobile, particularly a hybrid automobile, an electric automobile, etc.) having such a lithium secondary battery (which may be in the form of an assembled battery) 10 as a power source. An automobile equipped with an electric motor such as a fuel cell automobile) 1 is provided.
本発明を実施するにあたって上述のような本発明の効果が発揮される理由を明らかにする必要はないが、該効果に関連し得る要因として例えば以下のことが挙げられる。
上述のように、アルカリ性の正極活物質組成物をアルミニウム箔等のアルカリ反応性の集電体に付与して一般的な熱風乾燥機等により乾燥させると、反応ガス(典型的にはH2ガス)に起因するマクロな空孔を内包した性状の正極活物質層が形成される。このようなマクロな空孔を多く含んだ正極活物質層は、該活物質層の性状を調整(例えば圧縮等の手法により密度を調整)して電解液浸透性と導電性とのバランスをとろうとしても、かかるバランスを高度なレベルで実現することは困難である。これは、正極活物質層を圧縮しても上記マクロな空孔は消失し難いため、かかるマクロな空孔の存在により該空孔以外の部分は見かけの密度(上記マクロな空孔を含めた正極活物質層全体の密度)以上に高密度に(過度に)圧縮され、その結果、導電性が十分に向上する密度に至る以前に電解液の浸透性が低下してしまうためではないかと考えられる。また、このような密度の不均一さが目立つ正極活物質層は、電池性能(例えば出力性能)の耐久性の観点からも不利である。
Although it is not necessary to clarify the reason why the above-described effects of the present invention are exerted in implementing the present invention, examples of factors that may be related to the effects include the following.
As described above, when an alkaline positive electrode active material composition is applied to an alkali-reactive current collector such as an aluminum foil and dried by a general hot air dryer or the like, a reaction gas (typically H 2 gas) is obtained. ), A positive electrode active material layer having a property including macroscopic pores is formed. Such a positive electrode active material layer containing a large number of macropores adjusts the properties of the active material layer (for example, the density is adjusted by a technique such as compression) to balance the electrolyte solution permeability and conductivity. Even so, it is difficult to achieve such a balance at a high level. This is because even if the positive electrode active material layer is compressed, the macro vacancies are not easily lost. The density of the positive electrode active material layer is compressed to a higher density (excessively) or higher, and as a result, the permeability of the electrolytic solution decreases before reaching a density that sufficiently improves the conductivity. It is done. Further, such a positive electrode active material layer in which the density non-uniformity is conspicuous is disadvantageous from the viewpoint of durability of battery performance (for example, output performance).
このような事象は、民生用のリチウム二次電池(携帯電話用のリチウム二次電池等)に比べて高い割合で導電材を含む組成の水性正極活物質組成物(例えば、正極活物質粉末の平均粒径の凡そ1/50〜1/500の平均粒径を有するカーボン粉末が固形分換算で凡そ10〜20質量%の割合で配合された正極活物質組成物)では特に顕在化しやすい。これは、民生用リチウム二次電池に備えられる正極活物質層のように導電材の含有割合が比較的低い組成では該正極活物質層の密度が主として正極活物質粒子の粒径に依存するのに対して、車両用リチウム二次電池において好まれる正極活物質層のように導電材の含有割合が比較的高い組成では、該正極活物質層の密度が導電材の粒径に影響されがちとなるためである。例えば、該導電材の粒子が正極活物質粒子の隙間に充填されることにより、上記マクロな空孔以外の部分の正極活物質層の密度が過度に上昇しやすくなる。 Such an event is caused by an aqueous positive electrode active material composition having a composition containing a conductive material at a higher rate than a lithium secondary battery for consumer use (such as a lithium secondary battery for a mobile phone) (for example, a positive electrode active material powder). The positive electrode active material composition in which carbon powder having an average particle size of about 1/50 to 1/500 of the average particle size is blended at a ratio of about 10 to 20% by mass in terms of solid content is particularly easily manifested. This is because the density of the positive electrode active material layer mainly depends on the particle size of the positive electrode active material particles in a composition having a relatively low content of the conductive material, such as a positive electrode active material layer provided in a lithium secondary battery for consumer use. On the other hand, in a composition having a relatively high content of the conductive material such as a positive electrode active material layer preferred in a lithium secondary battery for vehicles, the density of the positive electrode active material layer tends to be influenced by the particle size of the conductive material. It is to become. For example, when the conductive material particles are filled in the gaps between the positive electrode active material particles, the density of the positive electrode active material layer in portions other than the macro vacancies tends to be excessively increased.
本発明に係る製造方法では、上記水系正極活物質組成物を誘導加熱により乾燥させて未圧縮の正極活物質層を形成することにより上記マクロな空孔の発生が防止された正極活物質層(未圧縮の正極活物質層)を形成し、次いで、その未圧縮の正極活物質層を適度に(例えば、上述した適切な密度が実現されるように)圧縮する。このことによって、高性能を発揮するのに適した性状(例えば、反応ガスに起因するマクロな空孔が少ないことおよび適切な密度を有すること)の正極活物質層を効率よく作製することができる。このような正極活物質層によると、電解液浸透性と導電性とをより高いレベルでバランスさせることができる。したがって、ここに開示される技術によると、アルカリ反応性の正極集電体に水系の正極活物質組成物を適用して得られたものでありながら、また、導電材を比較的多く含む組成であっても、より高性能な車両用リチウム二次電池を構築する用途に適した正極を的確に製造することができる。 In the production method according to the present invention, the water-based positive electrode active material composition is dried by induction heating to form an uncompressed positive electrode active material layer, thereby preventing the generation of macroscopic voids ( An uncompressed positive electrode active material layer) is formed, and then the uncompressed positive electrode active material layer is appropriately compressed (for example, so as to achieve the appropriate density described above). This makes it possible to efficiently produce a positive electrode active material layer having properties suitable for exhibiting high performance (for example, having few macro vacancies due to the reaction gas and having an appropriate density). . According to such a positive electrode active material layer, electrolyte permeability and conductivity can be balanced at a higher level. Therefore, according to the technique disclosed herein, it is obtained by applying a water-based positive electrode active material composition to an alkali-reactive positive electrode current collector, and also has a composition containing a relatively large amount of conductive material. Even if it exists, the positive electrode suitable for the use which constructs a lithium secondary battery for vehicles with higher performance can be manufactured exactly.
以下、本発明に関する実験例につき説明するが、本発明をかかる具体例に示すものに限定することを意図したものではない。 Hereinafter, experimental examples relating to the present invention will be described. However, the present invention is not intended to be limited to the specific examples.
<実験例1>
[正極の作製]
以下のようにして、LiNiO2で表される組成のリチウムニッケル系酸化物(ニッケル酸リチウム)を正極活物質として有するリチウムイオン電池正極を製造した。
すなわち、ニッケル酸リチウム粉末(平均粒径約10μm)とアセチレンブラック(一次粒子の平均粒径約40nm、二次粒子の平均粒径約500nm)とカルボキシメチルセルロース(CMC)とポリテトラフルオロエチレンとを、これら材料の質量比が87:11:1:1であり且つ固形分濃度が45質量%となるようにイオン交換水と混合して、ペースト状の水系正極活物質組成物を調製した。
<Experimental example 1>
[Production of positive electrode]
A lithium ion battery positive electrode having a lithium nickel-based oxide (lithium nickelate) having a composition represented by LiNiO 2 as a positive electrode active material was produced as follows.
That is, lithium nickelate powder (average particle size of about 10 μm), acetylene black (average particle size of primary particles of about 40 nm, average particle size of secondary particles of about 500 nm), carboxymethylcellulose (CMC) and polytetrafluoroethylene, A paste-like aqueous positive electrode active material composition was prepared by mixing with ion-exchanged water so that the mass ratio of these materials was 87: 11: 1: 1 and the solid content concentration was 45 mass%.
図1に示す概略構成の正極製造装置60を用いて、正極集電体(ここでは厚さ15μmのアルミニウム箔を使用した。)32の両面に上記正極活物質組成物を塗布し、乾燥および圧縮を行って正極30を作製した。
すなわち、正極集電体32を巻出ロール72から巻取ロール78へと150cm/minの進行速度で搬送しつつ、正極集電体32の一方の表面に第一コーター62により正極活物質組成物を塗布した。次いで、該組成物が付与された集電体32を、図2に示すサイズおよび構造を有する3個のコイル65が集電体32の搬送路に沿って相互に約10cmの間隔をあけて配置された構成の第一誘導加熱装置64へと導入した。コイル65から集電体32までの距離は4cmとし、コイル65への高周波電流の印加条件は100kHz、3Aとした。この誘導加熱装置64を通過させることにより上記一方の表面に塗布された正極活物質組成物を乾燥させた。このとき、正極活物質組成物が集電体32に塗布されてから第一誘導加熱装置64により乾燥されるまでの時間(より詳しくは、集電体32の所定箇所が、コーター62における正極活物質組成物の塗布位置から誘導加熱装置65の上流側端(すなわち最もコーター62側に配置されたコイル65)に差し掛かるまでの時間)は約10秒であった。
Using the positive electrode manufacturing apparatus 60 having the schematic configuration shown in FIG. 1, the positive electrode active material composition is applied to both surfaces of a positive electrode current collector (15 μm thick aluminum foil is used here) 32, and dried and compressed. Thus, the positive electrode 30 was produced.
That is, the positive electrode current collector 32 is conveyed from the unwinding roll 72 to the winding roll 78 at a traveling speed of 150 cm / min, and the positive electrode active material composition is formed on one surface of the positive electrode current collector 32 by the first coater 62. Was applied. Next, the current collector 32 to which the composition is applied is arranged such that three coils 65 having the size and structure shown in FIG. 2 are spaced from each other along the transport path of the current collector 32 by about 10 cm. It introduced into the 1st induction heating apparatus 64 of the structure comprised. The distance from the coil 65 to the current collector 32 was 4 cm, and the application condition of the high frequency current to the coil 65 was 100 kHz, 3A. The positive electrode active material composition applied to the one surface was dried by passing through the induction heating device 64. At this time, the time from when the positive electrode active material composition is applied to the current collector 32 until it is dried by the first induction heating device 64 (more specifically, the predetermined location of the current collector 32 is the positive electrode active material in the coater 62. The time from the application position of the substance composition to the upstream end of the induction heating device 65 (that is, the time to reach the coil 65 arranged closest to the coater 62) was about 10 seconds.
次いで、集電体32の他方の表面に第二コーター66により正極活物質組成物を塗布し、第一誘導加熱装置64と同様に構成された第二誘導加熱装置68により上記他方の表面に塗布された正極活物質組成物を乾燥させた。このようにして、集電体32の一方の面および他方の面の両面に未圧縮の正極活物質層を形成した。ここで、上記正極活物質組成物の塗布量は、集電体32の両面に塗布された正極活物質組成物の合計塗布量(固形分換算)が12.8g/cm2となるように調節した。 Next, the positive electrode active material composition is applied to the other surface of the current collector 32 by the second coater 66, and applied to the other surface by the second induction heating device 68 configured similarly to the first induction heating device 64. The prepared positive electrode active material composition was dried. In this way, an uncompressed positive electrode active material layer was formed on both the one surface and the other surface of the current collector 32. Here, the coating amount of the positive electrode active material composition is adjusted so that the total coating amount (in terms of solid content) of the positive electrode active material composition coated on both surfaces of the current collector 32 is 12.8 g / cm 2. did.
そして、上記誘導加熱により乾燥させて得られた未圧縮の正極活物質層を両面に有する集電体32を、ロールプレス機75に通して圧縮した。このとき、ロールプレス機75の圧縮条件(圧縮後に得られる正極30の厚さ)を調節することにより、正極活物質層の密度が異なる5種類の正極サンプル1〜5を作製した。このうち正極サンプル1は、正極の厚さ(集電体および両面の正極活物質層を含めた全体の厚さ)が73μmとなるように圧縮(ロールプレス)を行って得られたサンプルであって、上記塗布量および正極の厚さから算出した正極活物質層の密度は2.21g/cm3である。正極サンプル2は、正極の厚さが71μmとなるように圧縮を行って得られたサンプルであって、上記と同様に算出した正極活物質層の密度は2.29g/cm3である。正極サンプル3は、正極の厚さが69μmとなるように圧縮して得られたサンプルであって、正極活物質層の密度は2.37g/cm3である。正極サンプル4は、正極の厚さが66μmとなるように圧縮して得られたサンプルであって、正極活物質層の密度は2.51g/cm3である。そして、正極サンプル5は、正極の厚さが64μmとなるように圧縮して得られたサンプルであって、正極活物質層の密度は2.61g/cm3である。なお、得られたサンプルの断面を観察したところ、各サンプルを構成する正極集電体32の厚さは正極活物質層形成前と実質的に同じ厚さ(15μm)に保たれていた。また、ロールプレス機75を通過させる前の(未圧縮の)正極の厚さは約110μm(正極活物質層の密度としては1.35g/cm3)であった。 Then, the current collector 32 having an uncompressed positive electrode active material layer on both sides obtained by drying by induction heating was compressed through a roll press machine 75. At this time, by adjusting the compression conditions of the roll press machine 75 (the thickness of the positive electrode 30 obtained after compression), five types of positive electrode samples 1 to 5 having different positive electrode active material layer densities were produced. Among these, the positive electrode sample 1 is a sample obtained by performing compression (roll press) so that the thickness of the positive electrode (the total thickness including the current collector and the positive electrode active material layers on both sides) becomes 73 μm. The density of the positive electrode active material layer calculated from the coating amount and the thickness of the positive electrode is 2.21 g / cm 3 . The positive electrode sample 2 is a sample obtained by compressing so that the thickness of the positive electrode is 71 μm, and the density of the positive electrode active material layer calculated in the same manner as described above is 2.29 g / cm 3 . The positive electrode sample 3 is a sample obtained by compressing so that the thickness of the positive electrode becomes 69 μm, and the density of the positive electrode active material layer is 2.37 g / cm 3 . The positive electrode sample 4 is a sample obtained by compression so that the thickness of the positive electrode is 66 μm, and the density of the positive electrode active material layer is 2.51 g / cm 3 . The positive electrode sample 5 is a sample obtained by compressing the positive electrode to have a thickness of 64 μm, and the density of the positive electrode active material layer is 2.61 g / cm 3 . In addition, when the cross section of the obtained sample was observed, the thickness of the positive electrode current collector 32 constituting each sample was maintained at substantially the same thickness (15 μm) as that before forming the positive electrode active material layer. The thickness of the positive electrode (uncompressed) before passing through the roll press 75 was about 110 μm (the density of the positive electrode active material layer was 1.35 g / cm 3 ).
[リチウムイオン電池の作製]
以上で得られた正極サンプル1〜5の性能を評価するため、各サンプルをそれぞれ正極に使用して、以下に示す手順で、直径18mm、高さ65mm(即ち18650型)の一般的な円筒型リチウムイオン電池100(図8参照)を作製した。
負極としては以下のものを使用した。すなわち、天然黒鉛(粉末)とスチレンブタジエンラバーとカルボキシメチルセルロースとを、これら材料の質量比が98:1:1であり且つ固形分濃度が45質量%となるようにイオン交換水と混合して、ペースト状の負極活物質組成物を調製した。かかる組成物を、負極集電体としての厚み約15μmの長尺状銅箔の両面に塗布して乾燥させ、銅箔集電体両面に厚み120μmの負極活物質層を形成した。次いで全体の厚さが85μmとなるようにプレスした。
[Production of lithium-ion batteries]
In order to evaluate the performance of the positive electrode samples 1 to 5 obtained as described above, each sample was used as a positive electrode, and a general cylindrical shape having a diameter of 18 mm and a height of 65 mm (that is, 18650 type) was performed according to the following procedure. A lithium ion battery 100 (see FIG. 8) was produced.
The following were used as the negative electrode. That is, natural graphite (powder), styrene butadiene rubber and carboxymethyl cellulose are mixed with ion-exchanged water so that the mass ratio of these materials is 98: 1: 1 and the solid content concentration is 45% by mass, A paste-like negative electrode active material composition was prepared. This composition was applied to both sides of a long copper foil having a thickness of about 15 μm as a negative electrode current collector and dried to form a negative electrode active material layer having a thickness of 120 μm on both sides of the copper foil current collector. Subsequently, it pressed so that the whole thickness might be set to 85 micrometers.
非水電解質(電解液)としては、エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)との3:7(体積比)混合溶媒に1mol/Lの濃度で支持塩(ここではLiPF6)を溶解した組成の非水電解質(電解液)を使用した。
そして、上記で作製した正極サンプルと負極を2枚のセパレータ(ここでは多孔質ポリエチレンシートを用いた。)とともに積層し、この積層シートを捲回して捲回電極体を作製した。この電極体を非水電解質とともに容器に収容し、容器開口部を封止してリチウムイオン電池を構築した。その後、適当なコンディショニング処理(例えば、1/10Cの充電レートで3時間の定電流充電を行い、次いで1/3Cの充電レートで4.1Vまで定電流定電圧で充電する操作と、1/3Cの放電レートで3.0Vまで定電流放電させる操作とを2〜3回繰り返す初期充放電処理)を行うことによって、各正極サンプルに対応した計5種の18650型円筒形状リチウムイオン電池を得た。以下、これらのリチウムイオン電池の構築に使用した正極サンプルの種類に対応づけて、得られたリチウムイオン電池についてもそれぞれサンプル1〜5と称する。
As a non-aqueous electrolyte (electrolytic solution), a supporting salt (here, LiPF 6 ) was dissolved at a concentration of 1 mol / L in a 3: 7 (volume ratio) mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC). A non-aqueous electrolyte (electrolytic solution) having a composition was used.
And the positive electrode sample and negative electrode which were produced above were laminated | stacked with two separators (here the porous polyethylene sheet was used), this laminated sheet was wound, and the wound electrode body was produced. This electrode body was housed in a container together with a nonaqueous electrolyte, and the container opening was sealed to construct a lithium ion battery. Thereafter, an appropriate conditioning process (for example, a constant current charging for 3 hours at a charging rate of 1/10 C, and then charging at a constant current constant voltage up to 4.1 V at a charging rate of 1/3 C; The initial charge / discharge treatment was repeated 2 to 3 times with a constant current discharge operation up to 3.0 V at a discharge rate of 5 to obtain 18650 type cylindrical lithium ion batteries corresponding to each positive electrode sample. . Hereinafter, the obtained lithium ion batteries are also referred to as samples 1 to 5 in association with the types of positive electrode samples used for the construction of these lithium ion batteries.
[初期低温出力の測定]
本評価試験は−30℃で実施した。
上記で得られたリチウムイオン電池(サンプル1〜5)を、定電流定電圧(CC−CV)充電によってSOC(State of Charge)40%の充電状態に調整した。そして、各電池を40W、60W、80Wおよび100Wの定電力(W)で放電させ、放電開始から電池電圧が2.5V(放電カット電圧)に低下するまでの時間(放電秒数)を測定した。その放電秒数に対し上記定電力放電における電力の値(W)をプロットして上記放電秒数が2秒となる電力値(すなわち、−30℃においてSOC40%の状態から2秒間で2.5Vまで放電する出力)を求め、これを当該電池の−30℃における初期CP(Constant Power、定電力)放電出力とした。
[Measurement of initial low temperature output]
This evaluation test was performed at −30 ° C.
The lithium ion batteries (samples 1 to 5) obtained above were adjusted to a 40% SOC (State of Charge) charge state by constant current constant voltage (CC-CV) charging. Each battery was discharged at a constant power (W) of 40 W, 60 W, 80 W and 100 W, and the time (discharge seconds) from the start of discharge until the battery voltage dropped to 2.5 V (discharge cut voltage) was measured. . By plotting the power value (W) in the constant power discharge against the discharge seconds, the power value at which the discharge seconds become 2 seconds (that is, 2.5 V in 2 seconds from the state of SOC 40% at −30 ° C. Output) until the initial CP (Constant Power, constant power) discharge output at −30 ° C. of the battery was obtained.
[耐久後低温出力の測定]
本評価試験は−30℃で実施した。
上記で得られたリチウムイオン電池(サンプル1〜5)に対し、該電池を3.0Vから4.1Vまで定電流(10A)にて充電し、続いて3.0Vまで定電流(10A)にて放電させる充放電サイクルを150サイクル繰り返した。これら150サイクル後の電池について、上記初期低温出力の測定と同様にして低温出力(−30℃における耐久後CP出力)を測定した。
また、上記サンプル1〜5に係るリチウムイオン電池について、充放電サイクルの数を500サイクルとした点以外は上記と同様にして、該500サイクル後の電池の低温出力(−30℃における耐久後CP出力)を測定した。
[Measurement of low temperature output after endurance]
This evaluation test was performed at −30 ° C.
The lithium ion batteries (samples 1 to 5) obtained above were charged with a constant current (10 A) from 3.0 V to 4.1 V, and then to a constant current (10 A) up to 3.0 V. The charge / discharge cycle for discharging was repeated 150 times. For these batteries after 150 cycles, the low-temperature output (CP output after endurance at −30 ° C.) was measured in the same manner as the measurement of the initial low-temperature output.
Further, for the lithium ion batteries according to Samples 1 to 5, the low-temperature output of the battery after 500 cycles (CP after endurance at −30 ° C.) was the same as above except that the number of charge / discharge cycles was 500. Output).
それらの結果を、サンプル4に係るリチウムイオン電池の初期低温出力値を1とした相対出力(出力比)に換算して図9に示した。図中、黒丸で示したプロットは初期低温出力を、黒四角で示したプロットは150サイクル耐久後の低温出力を、十字で示したプロットは500サイクル耐久後の低温出力を表している。
この図からわかるように、初期低温出力については正極活物質層の密度が2.25〜2.6g/cm3(より好ましくは2.3〜2.55g/cm3)の範囲で特に良好な結果が得られた。一方、耐久後低温出力については、150サイクル耐久後および500サイクル耐久後のいずれについても、本例で作製した正極の活物質層密度の範囲では密度が高くなるほど良好な結果が得られた。これらの性能を総合的に勘案すると、正極活物質層密度を2.3〜2.6g/cm3(より好ましくは2.3〜2.5g/cm3、さらに好ましくは2.4〜2.5g/cm3)の範囲に調整することにより、初期低温出力と耐久後低温出力とを高度なレベルでバランスさせた高性能な車両用リチウムイオン電池の構築に適した正極が得られることがわかる。
The results are shown in FIG. 9 in terms of relative output (output ratio) with the initial low-temperature output value of the lithium ion battery according to Sample 4 as 1. In the figure, the plots indicated by black circles indicate the initial low temperature output, the plots indicated by black squares indicate the low temperature output after 150 cycles endurance, and the plots indicated by crosses indicate the low temperature output after 500 cycles endurance.
As can be seen from this figure, the initial low temperature output is particularly good when the positive electrode active material layer has a density of 2.25 to 2.6 g / cm 3 (more preferably 2.3 to 2.55 g / cm 3 ). Results were obtained. On the other hand, as for the low temperature output after endurance, better results were obtained as the density increased in the range of the active material layer density of the positive electrode produced in this example after both endurance for 150 cycles and endurance for 500 cycles. Considering these performances comprehensively, the positive electrode active material layer density is 2.3 to 2.6 g / cm 3 (more preferably 2.3 to 2.5 g / cm 3 , still more preferably 2.4 to 2. 5 g / cm 3 ), it can be seen that a positive electrode suitable for the construction of a high-performance vehicle lithium ion battery in which the initial low temperature output and the low temperature output after endurance are balanced at a high level can be obtained. .
なお、参考例として、サンプル1〜5と同様に正極集電体の両面に合計で12.8g/cm2の正極活物質組成物を塗布し、ただし誘導加熱ではなく該組成物が塗布された集電体を熱風乾燥炉に通過させることにより乾燥させて未圧縮の正極活物質層を形成した後、正極活物質層の密度が2.0〜2.7g/cm3となる範囲で圧縮の程度を異ならせて数種類の正極を作製した。これらの正極を用いて上記と同様にしてリチウムイオン電池(以下、「参考例に係るリチウムイオン電池」ということもある。)を作製し、同様にして初期低温出力を測定した。その結果、誘導加熱により乾燥させた後に圧縮して得られた正極活物質層を備えるサンプル1〜5に係るリチウムイオン電池とは異なり(図9参照)、熱風乾燥により乾燥させた後に圧縮して得られた正極活物質層を備える参考例のリチウムイオン電池では、密度対出力比のグラフにおいて出力比がピークとなる正極活物質層の密度(すなわち、最も高い初期低温出力が得られる密度)が2.2g/cm3程度(正極の厚さとして73μm程度)であり、それよりも密度が高くなっても低くなっても出力は低下する傾向にあった。また、上記出力比のピークに対応する正極活物質層(熱風乾燥の後に圧縮して形成された密度2.2g/cm3の正極活物質層)を備える正極を用いて構築されたリチウムイオン電池の初期低温出力は、サンプル4に係るリチウムイオン電池の初期低温出力値を1とした相対出力(出力比)に換算して0.9未満であった。 As a reference example, a total of 12.8 g / cm 2 of the positive electrode active material composition was applied to both surfaces of the positive electrode current collector as in Samples 1 to 5, except that the composition was applied instead of induction heating. After the current collector is passed through a hot-air drying furnace to be dried to form an uncompressed positive electrode active material layer, compression is performed in a range where the density of the positive electrode active material layer becomes 2.0 to 2.7 g / cm 3 . Several types of positive electrodes were produced at different degrees. Using these positive electrodes, lithium ion batteries (hereinafter sometimes referred to as “lithium ion batteries according to reference examples”) were produced in the same manner as described above, and the initial low-temperature output was measured in the same manner. As a result, unlike the lithium ion batteries according to Samples 1 to 5 provided with the positive electrode active material layer obtained by drying after induction heating (see FIG. 9), the material is compressed after drying by hot air drying. In the lithium ion battery of the reference example provided with the obtained positive electrode active material layer, the density of the positive electrode active material layer having a peak output ratio in the graph of density versus output ratio (that is, the density at which the highest initial low-temperature output is obtained) is The output was about 2.2 g / cm 3 (the thickness of the positive electrode was about 73 μm), and the output tended to decrease even when the density was higher or lower than that. Moreover, the lithium ion battery constructed | assembled using the positive electrode provided with the positive electrode active material layer (The positive electrode active material layer of density 2.2g / cm < 3 > formed by compressing after hot-air drying) corresponding to the peak of the said output ratio. The initial low temperature output of was less than 0.9 in terms of relative output (output ratio) where the initial low temperature output value of the lithium ion battery according to Sample 4 was 1.
[初期常温出力の測定]
本評価試験は25℃で実施した。
上記で得られたリチウムイオン電池(サンプル1〜5)をCC−CV充電によりSOC60%の充電状態に調整した。そして、各電池を40W、60W、80Wおよび100Wの定電力(W)で放電させ、放電開始から電池電圧が2.5V(放電カット電圧)に低下するまでの時間(放電秒数)を測定した。その放電秒数に対して上記定電力放電における電力の値(W)をプロットすることで上記放電秒数が2秒となる電力値を求め、これを当該電池の常温における初期CP放電出力とした。
[Measurement of initial normal temperature output]
This evaluation test was performed at 25 ° C.
The lithium ion batteries (samples 1 to 5) obtained above were adjusted to a SOC of 60% by CC-CV charging. Each battery was discharged at a constant power (W) of 40 W, 60 W, 80 W and 100 W, and the time (discharge seconds) from the start of discharge until the battery voltage dropped to 2.5 V (discharge cut voltage) was measured. . By plotting the power value (W) in the constant power discharge against the discharge seconds, a power value at which the discharge seconds becomes 2 seconds was obtained, and this was used as the initial CP discharge output at room temperature of the battery. .
それらの結果を、サンプル2に係るリチウムイオン電池の初期常温出力値を1とする相対出力(出力比)に換算して図10に示した。この図からわかるように、正極活物質層の密度が2.2〜2.5g/cm3の範囲で良好な結果が得られた。この結果と上記低温出力(初期および耐久後)の結果とを勘案すると、正極活物質層密度を2.3〜2.5g/cm3(より好ましくは2.4〜2.5g/cm3)の範囲に調整することにより、常温から低温にかけての初期出力および耐久後低温出力を高度なレベルでバランスさせた高性能な車両用リチウムイオン電池の構築に適した正極が得られることがわかる。 These results are shown in FIG. 10 in terms of relative output (output ratio) where the initial normal temperature output value of the lithium ion battery according to Sample 2 is 1. As can be seen from this figure, good results were obtained when the density of the positive electrode active material layer was in the range of 2.2 to 2.5 g / cm 3 . Considering this result and the result of the low-temperature output (initial and after durability), the positive electrode active material layer density is 2.3 to 2.5 g / cm 3 (more preferably 2.4 to 2.5 g / cm 3 ). By adjusting to this range, it can be seen that a positive electrode suitable for construction of a high-performance lithium-ion battery for vehicles in which the initial output from normal temperature to low temperature and the low-temperature output after durability are balanced at a high level can be obtained.
なお、上記参考例に係るリチウムイオン電池では、出力比がピークとなる正極活物質層の密度(すなわち、最も高い初期常温出力が得られる密度)が2.1g/cm3程度(正極の厚さとして76μm程度)であり、それよりも密度が高くなっても低くなっても出力は低下する傾向にあった。また、上記出力比のピークに対応する正極活物質層(熱風乾燥の後に圧縮して形成された密度2.1g/cm3の正極活物質層)を備える正極を用いて構築されたリチウムイオン電池の初期常温出力は、サンプル2に係るリチウムイオン電池の初期低温出力値を1とした相対出力(出力比)に換算して0.9未満であった。 In the lithium ion battery according to the above reference example, the density of the positive electrode active material layer having a peak output ratio (that is, the density at which the highest initial normal temperature output is obtained) is about 2.1 g / cm 3 (the thickness of the positive electrode). The output tends to decrease even when the density is higher or lower than that. Moreover, the lithium ion battery constructed | assembled using the positive electrode provided with the positive electrode active material layer (The positive electrode active material layer of density 2.1g / cm < 3 > formed by compressing after hot-air drying) corresponding to the peak of the said output ratio. The initial normal temperature output was less than 0.9 in terms of relative output (output ratio) where the initial low temperature output value of the lithium ion battery according to Sample 2 was 1.
<実験例2>
[正極の作製]
正極の厚さが77μm(正極活物質層の密度が2.06g/cm3)となるように圧縮を行った点以外は実験例1で作製した正極サンプル1〜5と同様の手法によって正極サンプル6を作製した。また、正極の厚さが65μm(正極活物質層の密度が2.56g/cm3)となるように圧縮を行った点以外は正極サンプル1〜5と同様にして正極サンプル7を作製した。
<Experimental example 2>
[Production of positive electrode]
The positive electrode sample was prepared in the same manner as the positive electrode samples 1 to 5 prepared in Experimental Example 1, except that the positive electrode was compressed to have a thickness of 77 μm (the density of the positive electrode active material layer was 2.06 g / cm 3 ). 6 was produced. Moreover, the positive electrode sample 7 was produced like the positive electrode samples 1-5 except having compressed so that the thickness of a positive electrode might be set to 65 micrometers (the density of a positive electrode active material layer is 2.56 g / cm < 3 >).
[細孔分布測定]
実験例1で作製した正極サンプル1(密度2.21g/cm3)、正極サンプル3(密度2.37g/cm3)および上記で作製した正極サンプル6および正極サンプル7について、各正極を構成する正極活物質層の細孔分布を測定した。該細孔分布測定にはユアサアイオニクス社製の全自動細孔分布測定装置、型番「ポアマスター33P(PoreMaster−33P)」を使用し、直径が2μmを超える細孔、直径0.3μm〜2μmの細孔、および直径0.3μm未満の細孔のそれぞれについて、サイズ別の合計細孔容積を求めた。
[Pore distribution measurement]
Each positive electrode is composed of positive electrode sample 1 (density 2.21 g / cm 3 ), positive electrode sample 3 (density 2.37 g / cm 3 ) prepared in Experimental Example 1, and positive electrode sample 6 and positive electrode sample 7 prepared above. The pore distribution of the positive electrode active material layer was measured. For the pore distribution measurement, a fully automatic pore distribution measuring device manufactured by Yuasa Ionics Co., Ltd., model number “Pore Master 33P” is used. Pore with a diameter exceeding 2 μm, diameter 0.3 μm to 2 μm The total pore volume by size was determined for each of the pores and pores having a diameter of less than 0.3 μm.
それらの結果を図11に示す。この図では、各正極サンプルに具備される正極活物質層の細孔分布を、直径0.3μm未満の細孔の合計容積、直径0.3μm〜2μmの細孔の合計容積、直径が2μmを超える細孔の合計容積の順で下から積み上げた棒グラフとして、左からサンプル6、サンプル1、サンプル3、サンプル7の順で表示している。なお、サンプル3およびサンプル7に係る正極では直径0.3μm未満の細孔は検出されなかった。
また、各正極サンプルの全細孔容積を100%として、直径0.3μm〜2μmの細孔の合計容積が上記全細孔容積に占める割合を算出した。その結果を、サンプル名および正極活物質層の密度ともに表1に示す。
The results are shown in FIG. In this figure, the pore distribution of the positive electrode active material layer provided in each positive electrode sample is represented by the total volume of pores having a diameter of less than 0.3 μm, the total volume of pores having a diameter of 0.3 μm to 2 μm, and a diameter of 2 μm. As a bar graph stacked from the bottom in the order of the total volume of the pores exceeding, it is displayed in the order of sample 6, sample 1, sample 3, and sample 7 from the left. In the positive electrodes according to Sample 3 and Sample 7, pores having a diameter of less than 0.3 μm were not detected.
Further, assuming that the total pore volume of each positive electrode sample was 100%, the ratio of the total volume of pores having a diameter of 0.3 μm to 2 μm to the total pore volume was calculated. The results are shown in Table 1 together with the sample name and the density of the positive electrode active material layer.
表1および図11ならびに図9からわかるように、正極活物質層の密度が2.3〜2.6g/cm3に調整された正極(サンプル3,7)では、いずれも、該活物質層において直径0.3μm〜2μmの細孔(リチウムイオンの移動に効果的に寄与するサイズの細孔)の容積割合が70%以上(より詳しくは70〜80%、さらには70〜75%)という高い割合であった。これらの結果は、上記密度および/または容積割合が実現されるように正極活物質層の圧縮を行うことにより、より高性能の(例えば、初期低温出力および耐久後低温出力がより高度なレベルでバランスした)リチウムイオン電池を安定して製造し得ることを支持している。 As can be seen from Table 1, FIG. 11, and FIG. 9, in the positive electrode (samples 3 and 7) in which the density of the positive electrode active material layer was adjusted to 2.3 to 2.6 g / cm 3 , all of the active material layer The volume ratio of pores having a diameter of 0.3 μm to 2 μm (pores having a size that effectively contributes to the movement of lithium ions) is 70% or more (more specifically 70 to 80%, more preferably 70 to 75%). A high percentage. These results show that by compressing the positive electrode active material layer so as to achieve the above density and / or volume ratio, higher performance (for example, initial low temperature output and post-endurance low temperature output at a higher level). It supports that a balanced lithium-ion battery can be manufactured stably.
<実験例3>
実験例1または2で作製したサンプル1,3,6および7に係る正極について、各正極に具備される正極活物質層への電解液含浸性(浸透性)を評価した。この含浸性の評価は、測定温度25℃において該正極をその用途に応じた組成の電解液(ここでは、実験例1においてリチウムイオン電池の構築に用いた電解液)に浸漬して上述の湿潤熱を測定し、その結果から上記初期含浸率(浸漬後2秒間に生じた湿潤熱が全湿潤熱に占める割合)を求めることにより行った。湿潤熱の測定には、株式会社東京理工製のマイクロカロリメータ、型番「マルチマイクロカロリーメーター MMC−5112I」を使用した。得られた結果を、各サンプルの正極活物質層の密度を横軸、初期含浸率を縦軸として図12に示す。
この図からわかるように、正極活物質層の密度が2.3〜2.6g/cm3に調整された正極(サンプル3,7)は、いずれも、該活物質層の初期含浸率が43%以上(より詳しくは43〜45%、さらには43〜44%)という高い電解液含浸性を示した。この結果は、上記密度および/または含浸率が実現されるように正極活物質層の圧縮を行うことにより、より高性能の(例えば、初期低温出力および耐久後低温出力がより高度なレベルでバランスした)リチウムイオン電池を安定して製造し得ることを支持している。
<Experimental example 3>
With respect to the positive electrodes according to Samples 1, 3, 6, and 7 prepared in Experimental Example 1 or 2, the electrolyte solution impregnation property (penetration) into the positive electrode active material layer provided in each positive electrode was evaluated. The evaluation of the impregnation property is carried out by immersing the positive electrode in an electrolytic solution having a composition corresponding to its use at the measurement temperature of 25 ° C. (here, the electrolytic solution used in the construction of the lithium ion battery in Experimental Example 1). The heat was measured, and the initial impregnation rate (the ratio of the wet heat generated in 2 seconds after immersion to the total wet heat) was determined from the result. A microcalorimeter manufactured by Tokyo Riko Co., Ltd., model number “Multi-micro calorimeter MMC-5112I” was used for measurement of heat of wetting. The obtained results are shown in FIG. 12 with the density of the positive electrode active material layer of each sample as the horizontal axis and the initial impregnation rate as the vertical axis.
As can be seen from this figure, in all of the positive electrodes (samples 3 and 7) in which the density of the positive electrode active material layer was adjusted to 2.3 to 2.6 g / cm 3 , the initial impregnation rate of the active material layer was 43. % Or more (more specifically, 43 to 45%, more preferably 43 to 44%). This result shows that by compressing the cathode active material layer so as to achieve the above-mentioned density and / or impregnation rate, higher performance (for example, initial low temperature output and post-endurance low temperature output balance at a higher level) It supports that lithium ion batteries can be manufactured stably.
以上、本発明を詳細に説明したが、上記実施形態は例示にすぎず、ここで開示される発明には上述の具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。例えば、図1には、まず正極集電体32の一方の表面に正極活物質組成物を塗布して誘導加熱により乾燥させ、しかる後に正極集電体32の他方の表面に正極活物質組成物を塗布して誘導加熱により乾燥させる態様の正極製造装置60を例示しているが、例えば正極集電体32の両面にほぼ同時にあるいは相次いで正極活物質組成物を塗布し、その正極集電体32を誘導加熱することにより該集電体32の両面に塗布された正極活物質組成物を同時に乾燥させてもよい。 As mentioned above, although this invention was demonstrated in detail, the said embodiment is only an illustration and what changed and modified the above-mentioned specific example is included in the invention disclosed here. For example, in FIG. 1, a positive electrode active material composition is first applied to one surface of the positive electrode current collector 32 and dried by induction heating, and then the positive electrode active material composition is applied to the other surface of the positive electrode current collector 32. In the embodiment, the positive electrode manufacturing apparatus 60 is coated and dried by induction heating. For example, the positive electrode active material composition is applied to both surfaces of the positive electrode current collector 32 almost simultaneously or successively, and the positive electrode current collector is applied. The positive electrode active material composition applied to both surfaces of the current collector 32 may be simultaneously dried by induction heating 32.
1 車両(自動車)
10,100 リチウム二次電池
12 筐体
20 捲回電極体
30 正極
32 正極集電体
35 正極活物質層
40 負極
50A,50B セパレータ
60 正極作製装置
62,66 コーター(塗布装置)
64,68 誘導加熱装置
65 コイル
75 ロールプレス機(圧縮装置)
76 圧縮ロール
1 Vehicle (Automobile)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10,100 Lithium secondary battery 12 Case 20 Winding electrode body 30 Positive electrode 32 Positive electrode collector 35 Positive electrode active material layer 40 Negative electrode 50A, 50B Separator 60 Positive electrode preparation apparatus 62, 66 Coater (coating apparatus)
64, 68 Induction heating device 65 Coil 75 Roll press machine (compression device)
76 Compression roll
Claims (9)
アルカリと反応してガスを発生する金属材料製の前記正極集電体の表面に、正極活物質としてのリチウム遷移金属酸化物粉末と導電材としてのカーボン粉末と水系媒体とを含む正極活物質組成物を付与すること;
前記集電体に付与された前記正極活物質組成物を誘導加熱により乾燥して該集電体上に未圧縮の正極活物質層を形成すること;および、
その未圧縮の正極活物質層を圧縮して該活物質層の密度を2.3〜2.6g/cm3に調整すること;
を包含する、車両用リチウム二次電池正極の製造方法。 A method for producing a positive electrode used in a lithium secondary battery for vehicles, comprising a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer formed on the current collector:
Positive electrode active material composition comprising lithium transition metal oxide powder as a positive electrode active material, carbon powder as a conductive material, and an aqueous medium on the surface of the positive electrode current collector made of a metal material that reacts with alkali to generate gas Giving things;
Drying the positive electrode active material composition applied to the current collector by induction heating to form an uncompressed positive electrode active material layer on the current collector; and
Compressing the uncompressed positive electrode active material layer to adjust the density of the active material layer to 2.3 to 2.6 g / cm 3 ;
The manufacturing method of the lithium secondary battery positive electrode for vehicles including this.
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