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WO2012077197A1 - 電極体の製造方法 - Google Patents

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WO2012077197A1
WO2012077197A1 PCT/JP2010/072024 JP2010072024W WO2012077197A1 WO 2012077197 A1 WO2012077197 A1 WO 2012077197A1 JP 2010072024 W JP2010072024 W JP 2010072024W WO 2012077197 A1 WO2012077197 A1 WO 2012077197A1
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WO
WIPO (PCT)
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layer
electrolyte
electrode
slurry
electrode layer
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2010/072024
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
博司 陶山
重規 濱
悟志 若杉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to PCT/JP2010/072024 priority Critical patent/WO2012077197A1/ja
Priority to JP2012547628A priority patent/JP5626360B2/ja
Priority to US13/885,210 priority patent/US9099694B2/en
Priority to CN2010800699976A priority patent/CN103329335A/zh
Publication of WO2012077197A1 publication Critical patent/WO2012077197A1/ja
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Ceased legal-status Critical Current

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    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
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    • H01M4/0402Methods of deposition of the material
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
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    • H01M10/056Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
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    • H01M4/621Binders
    • H01M4/622Binders being polymers
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    • H01M50/46Separators, membranes or diaphragms characterised by their combination with electrodes
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing an electrode body that has a pair of electrode layers and an electrolyte layer disposed between the pair of electrode layers that can be used for a solid battery or the like.
  • a lithium ion secondary battery (hereinafter sometimes referred to as a “lithium battery”) has characteristics that it has a higher energy density than other secondary batteries and can operate at a high voltage. For this reason, it is used as a secondary battery that can be easily reduced in size and weight in information equipment such as a mobile phone, and in recent years, there is an increasing demand for large motive power such as for electric vehicles and hybrid vehicles.
  • the lithium ion secondary battery includes a positive electrode layer and a negative electrode layer, and an electrolyte layer disposed between them.
  • a non-aqueous liquid or solid is used as the electrolyte layer.
  • electrolytic solution a liquid (hereinafter referred to as “electrolytic solution”) is used as the electrolyte, the electrolytic solution easily penetrates into the positive electrode layer and the negative electrode layer. Therefore, an interface between the active material contained in the positive electrode layer or the negative electrode layer and the electrolytic solution is easily formed, and the performance is easily improved.
  • the widely used electrolyte is flammable, it is necessary to mount a system for ensuring safety.
  • solid electrolyte since the solid electrolyte (hereinafter referred to as “solid electrolyte”) is nonflammable, the above system can be simplified. Therefore, a lithium ion secondary battery (hereinafter referred to as “solid battery”) in a form provided with a layer containing a solid electrolyte that is nonflammable (hereinafter referred to as “solid electrolyte layer”) has been proposed. Yes.
  • Patent Document 1 discloses a step of adjusting an active material slurry by dispersing an active material in a solvent containing a lithium ion conductive binder, and a solvent containing a lithium ion conductive binder.
  • the step of adjusting the solid electrolyte slurry by dispersing the sulfide-based solid electrolyte in the substrate, dropping the active material slurry and the solid electrolyte slurry on the substrate, adjusting the thickness of the slurry with a blade, and further drying by heating and peeling.
  • the thickness of the sheet constituting the lithium battery can be adjusted to a desired thickness.
  • a lithium battery is manufactured through a process of laminating and hot-pressing an active material sheet and a solid electrolyte sheet formed by heat drying and peeling, the active material sheet and the solid electrolyte are produced. Adhesion with the sheet tends to be insufficient. Therefore, the lithium battery manufactured by the method disclosed in Patent Document 1 has a problem that the internal resistance tends to increase.
  • an object of the present invention is to provide an electrode body manufacturing method capable of manufacturing an electrode body with reduced internal resistance.
  • a first aspect of the present invention is a method for manufacturing an electrode body including a pair of electrode layers and an electrolyte layer disposed between the pair of electrode layers, and at least releases or occludes metal ions.
  • An active material, an electrolyte having conductivity of metal ions, and a binder is dispersed in a solvent to prepare an electrode slurry.
  • An electrode layer forming step for forming an electrode layer a process of preparing an electrolyte slurry by dispersing an electrolyte having conductivity of at least the metal ions in a solvent, and applying the electrolyte slurry to the surface of the electrode layer, And an electrolyte layer forming step of forming a sheet-like electrolyte layer on the surface of the layer.
  • the method includes a solvent removal step of removing the solvent contained in the electrode layer by drying the electrode layer between the electrode layer formation step and the electrolyte layer formation step. Also good.
  • an electrode body comprising a pair of electrode layers and an electrolyte layer disposed between the pair of electrode layers, wherein at least a binder and a metal ion
  • An electrode slurry is prepared by dispersing an active material capable of releasing or occluding and releasing metal ions and an electrolyte having conductivity of the metal ions in a solvent, and the electrode slurry is applied to the surface of the electrolyte layer.
  • a solvent removing step of removing the solvent contained in the electrolyte layer by drying the electrolyte layer is provided between the electrolyte layer forming step and the electrode layer forming step. Also good.
  • the binder may be butylene rubber.
  • an electrolyte layer is formed on the surface of the electrode layer through a process of applying electrolyte slurry to the surface of the sheet-like electrode layer containing the binder.
  • the binder contained in the electrode layer to which the electrolyte slurry is applied absorbs the solvent contained in the electrolyte slurry and expands.
  • the binder contained in the electrode layer expands, one end of a part of the expanded binder enters the electrolyte slurry, so that the electrode layer and the electrolyte layer can be joined via the expanded binder.
  • the manufacturing method of an electrode body which can manufacture the electrode body with which internal resistance was reduced can be provided.
  • the first aspect of the present invention by having a solvent removal step between the electrode layer formation step and the electrolyte layer formation step, it becomes easy to form the electrode layer in addition to the above effects.
  • an electrode layer is formed on the surface of the electrolyte layer through a process of applying an electrode slurry to the surface of the sheet-like electrolyte layer containing the binder.
  • the binder contained in the electrolyte layer to which the electrode slurry is applied absorbs the solvent contained in the electrode slurry and expands.
  • the binder contained in the electrolyte layer expands, one end of the expanded binder enters into the electrode slurry, so that the electrolyte layer and the electrode layer can be joined via the expanded binder. Even if the electrolyte layer and the electrode layer thus bonded are dried and the solvent is removed, the electrolyte layer and the electrode layer can be bonded via the contracted binder. It becomes possible to improve the adhesiveness. Therefore, according to the 2nd aspect of this invention, the manufacturing method of an electrode body which can manufacture the electrode body with which internal resistance was reduced can be provided.
  • the manufacturing method of an electrode body which can manufacture easily the electrode body by which internal resistance was reduced is possible. Can be provided.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a laminated body 10.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a positive electrode layer 2 ′ and a substrate 1. It is sectional drawing of the electrolyte slurry 3s apply
  • an embodiment of manufacturing an electrode body for a lithium ion secondary battery by the electrode body manufacturing method of the present invention will be described below.
  • the form shown below is an illustration of this invention and this invention is not limited to the form shown below.
  • FIG. 1 is a flowchart for explaining a method for manufacturing an electrode body according to the first embodiment (hereinafter, also referred to as “manufacturing method of the first embodiment”) according to the first embodiment.
  • the manufacturing method of the first embodiment includes a first electrode layer forming step S11, a solvent removing step S12, an electrolyte layer forming step S13, a solvent removing step S14, a pressing step S15, It includes a two-electrode layer forming step S16, a solvent removing step S17, a laminating step S18, and a pressing step S19.
  • the first electrode layer forming step S11 (hereinafter simply referred to as “S11”) is a first electrode layer (sheet-like first electrode layer constituting the electrode body.
  • S11 is a step of adjusting the first electrode slurry by dispersing an active material capable of occluding and releasing lithium ions, an electrolyte having lithium ion conductivity, and a binder in a solvent, and based on the adjusted first electrode slurry. Applying to the material.
  • a known active material that can be contained in the positive electrode layer of the lithium ion secondary battery can be appropriately used.
  • examples of such an active material include lithium cobaltate (LiCoO 2 ).
  • a known electrolyte that can be contained in the positive electrode layer of the lithium ion secondary battery can be appropriately used as the electrolyte.
  • a known solid electrolyte such as a sulfide solid electrolyte produced in the above manner can be appropriately used.
  • S11 as a binder, the well-known binder which can be used when producing the positive electrode layer of a lithium ion secondary battery can be used suitably.
  • a binder examples include butylene rubber, polyvinylidene fluoride (PVdF), styrene-butadiene rubber (SBR), and the like.
  • a solvent the well-known solvent which can be used when adjusting the slurry used at the time of positive electrode layer preparation of a lithium ion secondary battery can be used suitably.
  • examples of such a solvent include heptane, toluene, dibutyl ether and the like.
  • a known base material that can be used when forming a positive electrode layer of a lithium ion secondary battery can be appropriately used.
  • the method of applying the first electrode slurry is not particularly limited as long as it is a method that can be used when applying the slurry.
  • a known method such as a doctor blade method may be used. it can.
  • Solvent removal step S12 is a step of removing the solvent contained in the first electrode slurry applied to the substrate in S11. By removing the solvent, it becomes easy to form the positive electrode layer.
  • the form of S12 is not particularly limited as long as the solvent can be removed. For example, a substrate coated with the first electrode slurry is treated at 120 ° C. under atmospheric pressure. And maintaining the environment for 60 minutes.
  • the electrolyte layer (sheet-like electrolyte layer, hereinafter referred to as the first embodiment) is formed on the surface of the positive electrode layer from which the solvent has been removed in S12.
  • the electrolyte layer is formed on the surface of the positive electrode layer from which the solvent has been removed in S12.
  • it is a step of forming a “solid electrolyte layer”.
  • S13 includes a step of preparing an electrolyte slurry by dispersing an electrolyte having lithium ion conductivity and a binder in a solvent, and a step of applying the adjusted electrolyte slurry to the surface of the positive electrode layer.
  • electrolyte a known electrolyte that can be contained in the solid electrolyte layer of the lithium ion secondary battery can be appropriately used.
  • a known solid electrolyte such as a sulfide solid electrolyte produced in the above manner can be appropriately used.
  • the well-known binder which can be used when producing the solid electrolyte layer of a lithium ion secondary battery can be used suitably.
  • a binder examples include butylene rubber, polyvinylidene fluoride (PVdF), styrene-butadiene rubber (SBR), and the like.
  • the well-known solvent which can be used when adjusting the slurry used at the time of solid electrolyte layer preparation of a lithium ion secondary battery can be used suitably.
  • examples of such a solvent include heptane, toluene, dibutyl ether and the like.
  • the method of applying the electrolyte slurry is not particularly limited as long as it is a method that can be used when applying the slurry.
  • a known method such as a doctor blade method can be used.
  • Solvent removal step S14 is a step of removing the solvent contained in the electrolyte slurry applied to the surface of the positive electrode layer in S13. By removing the solvent, the electrolyte layer can be easily formed.
  • the form of S14 is not particularly limited as long as the solvent can be removed. For example, a structure having an electrolyte slurry applied to the surface of the positive electrode layer is treated with atmospheric pressure. And a step of holding in an environment of 120 ° C. for 60 minutes.
  • the pressure applied to the positive electrode layer and the solid electrolyte layer in S15 is not particularly limited, and can be, for example, 50 MPa or more and 400 MPa or less.
  • the time (pressing time) which gives a pressure by S15 is not specifically limited, For example, it can be 5 to 300 second.
  • the second electrode layer forming step S16 (hereinafter simply referred to as “S16”) is a second electrode layer (sheet-like second electrode layer constituting the electrode body.
  • S16 is a step of adjusting the second electrode slurry by dispersing an active material capable of occluding and releasing lithium ions, an electrolyte having lithium ion conductivity, and a binder in a solvent, and based on the adjusted second electrode slurry. Applying to the material.
  • a known active material that can be contained in the negative electrode layer of the lithium ion secondary battery can be appropriately used.
  • examples of such an active material include graphite.
  • a known electrolyte that can be contained in the negative electrode layer of the lithium ion secondary battery can be appropriately used as the electrolyte, and such a substance is the same as the electrolyte that can be used in S11.
  • An electrolyte can be exemplified.
  • a known binder and a known solvent that can be used when preparing the negative electrode layer of the lithium ion secondary battery can be appropriately used.
  • the binder and solvent similar to the binder and solvent which can be used by S11 can be illustrated.
  • a known base material that can be used when forming a negative electrode layer of a lithium ion secondary battery can be appropriately used.
  • a substrate for example, a known metal foil represented by Cu foil or the like that can function as a negative electrode current collector is preferably used.
  • the method of applying the second electrode slurry is not particularly limited as long as it is a method that can be used when applying the slurry.
  • a known method such as a doctor blade method may be used. it can.
  • Solvent removal step S17 is a step of removing the solvent contained in the second electrode slurry applied to the substrate in S16. By removing the solvent, it becomes easy to form the negative electrode layer.
  • the form of S16 is not particularly limited as long as the solvent can be removed. For example, a substrate coated with the second electrode slurry is heated to 120 ° C. under atmospheric pressure. And maintaining the environment for 60 minutes.
  • the solid electrolyte layer pressed in S15 is sandwiched between the positive electrode layer that is also pressed in S15 and the negative electrode layer from which the solvent is removed in S17. And a step of laminating a positive electrode layer, a solid electrolyte layer, and a negative electrode layer. If the positive electrode layer is formed through the process of applying the first electrode slurry on the surface of the Al foil in S12, and the negative electrode layer is formed through the process of applying the second electrode slurry to the surface of the Cu foil in S16, it is formed in S18.
  • the resulting laminate has a structure as shown in FIG. A laminate 10 shown in FIG.
  • the laminated body 10 having the electrode body 6 configured by disposing the solid electrolyte layer 3 between the positive electrode layer 2 and the negative electrode layer 4, the Al foil 1 functions as a positive electrode current collector, and the Cu foil 5 is a negative electrode. Functions as a current collector.
  • the laminated body 10 formed in this way is pressed in a press step S19 described later, and further, through a process of being housed in a known exterior material and sealed, becomes a lithium ion secondary battery.
  • the laminate 10 formed in S18 is laminated in the stacking direction of the positive electrode layer 2, the solid electrolyte layer 3, and the negative electrode layer 4 (vertical direction in FIG. 2). ).
  • the laminate 10 formed in S18 is laminated in the stacking direction of the positive electrode layer 2, the solid electrolyte layer 3, and the negative electrode layer 4 (vertical direction in FIG. 2). ).
  • the adhesion between the positive electrode layer 2 and the solid electrolyte layer 3 can be easily improved.
  • the pressure provided to the laminated body 10 by S19 is a pressure which can improve the adhesiveness between an adjacent base material and a layer, and between adjacent layers.
  • the pressure may be 100 MPa or more and 600 MPa or less.
  • the time (pressing time) which provides a pressure by S19 is not specifically limited, For example, it can be 5 to 300 second.
  • FIG. 3A shows a cross section of the positive electrode layer and the substrate that have undergone S11 and S12.
  • FIG. 3B shows an enlarged cross section of the substrate and the positive electrode layer shown in FIG.
  • the binders 2x, 2x,... Contained in the positive electrode layer 2 ′ whose other end is arranged in the electrolyte slurry 3s are solid electrolyte particles 3z, 3z contained in the electrolyte slurry 3s. ... and entangled.
  • the positive electrode layer 2 and the solid electrolyte layer 3 can be bonded via the binders 2x, 2x,... Contained in the positive electrode layer 2 ′, the positive electrode layer 2 and the solid electrolyte layer 3 can be joined. It becomes possible to improve the adhesiveness.
  • an electrode body with reduced internal resistance can be manufactured.
  • FIG. 4 is a flowchart for explaining a method for manufacturing an electrode body according to the second embodiment of the present invention (hereinafter, also referred to as “manufacturing method of the second embodiment”).
  • the manufacturing method of the second embodiment includes an electrolyte layer forming step S21, a solvent removing step S22, a first electrode layer forming step S23, a solvent removing step S24, a pressing step S25, It includes a two-electrode layer forming step S26, a solvent removing step S27, a laminating step S28, and a pressing step S29.
  • Electrolyte layer forming step S21 is an electrolyte layer (sheet-like electrolyte layer constituting the electrode body.
  • solid electrolyte layer It is a process of forming.
  • S21 includes a step of preparing an electrolyte slurry by dispersing an electrolyte having lithium ion conductivity and a binder in a solvent, and a step of applying the adjusted electrolyte slurry to the surface of the substrate.
  • the electrolyte, the binder, and the solvent known electrolytes, binders, and solvents that can be used when producing a solid electrolyte layer of a lithium ion secondary battery can be appropriately used.
  • an electrolyte, a binder, and a solvent the thing similar to the electrolyte, binder, and solvent which can be used by S13 can be illustrated.
  • the well-known base material which can peel off the produced solid electrolyte layer can be suitably used for the base material on which the electrolyte slurry is applied.
  • a known resin film such as polytetrafluoroethylene (PTFE) or polyethylene terephthalate (PET) can be used.
  • Solvent removal step S22 is a step of removing the solvent contained in the electrolyte slurry applied to the substrate in S21. By removing the solvent, it becomes easy to form the solid electrolyte layer.
  • the form of S22 is not particularly limited as long as the solvent can be removed.
  • the substrate coated with the electrolyte slurry is placed in an environment of 120 ° C. under atmospheric pressure. It can be set as the process of hold
  • the first electrode layer (sheet-like first electrode) constituting the electrode body is formed on the surface of the solid electrolyte layer from which the solvent has been removed in S22.
  • the layer is referred to as “positive electrode layer”.
  • S23 is a step of adjusting the first electrode slurry by dispersing an active material capable of occluding and releasing lithium ions, an electrolyte having lithium ion conductivity, and a binder in a solvent, and the adjusted first electrode slurry as a solid Applying to the surface of the electrolyte layer.
  • the active material the electrolyte, the binder, and the solvent
  • known active materials, electrolytes, binders, and solvents that can be used when preparing the positive electrode layer of the lithium ion secondary battery are appropriately used. Can do. Examples of such active materials, electrolytes, binders, and solvents include the same active materials, electrolytes, binders, and solvents that can be used in S11.
  • the method of applying the first electrode slurry is not particularly limited as long as it is a method that can be used when applying the slurry. For example, a known method such as a doctor blade method may be used. it can.
  • Solvent removal step S24 is a step of removing the solvent contained in the first electrode slurry applied to the surface of the solid electrolyte layer in S23. By removing the solvent, it becomes easy to form the positive electrode layer.
  • the form of S24 is not particularly limited as long as the solvent can be removed.
  • the structure having the first electrode slurry applied to the surface of the solid electrolyte layer is formed.
  • the pressure applied to the solid electrolyte layer and the positive electrode layer in S25 is not particularly limited, and can be, for example, 50 MPa or more and 400 MPa or less.
  • the time (pressing time) which provides a pressure by S25 is not specifically limited, For example, it can be 5 to 300 second.
  • the second electrode layer forming step S26 (hereinafter simply referred to as “S26”), the second electrode layer (sheet-like second electrode layer constituting the electrode body.
  • S26 the second electrode layer (sheet-like second electrode layer constituting the electrode body.
  • negative electrode layer the second electrode layer constituting the electrode body.
  • Solvent removal step S27 (hereinafter, simply referred to as “S27”) is a step of removing the solvent contained in the second electrode slurry applied to the base material in S26. Since S27 is the same process as S17, description thereof is omitted.
  • the solid electrolyte layer pressed in S25 is sandwiched between the positive electrode layer similarly pressed in S25 and the negative electrode layer from which the solvent is removed in S27.
  • a step of laminating a positive electrode layer, a solid electrolyte layer, and a negative electrode layer In S28, before disposing the negative electrode layer on one surface of the solid electrolyte layer, the substrate coated with the electrolyte slurry is peeled off from the solid electrolyte layer, and then the side on which the peeled substrate is disposed. The negative electrode layer is disposed on the surface of the solid electrolyte layer.
  • the laminate formed in S28 has a structure in which the Al foil 1 is removed from the laminate 10 shown in FIG. .
  • a lithium ion secondary battery is manufactured using the laminate formed in S28, a positive electrode current collector is disposed so as to be in contact with the positive electrode layer, and then pressed in a pressing step S29 described later, and further publicly known.
  • a lithium ion secondary battery can be manufactured through a process such as being housed in an outer packaging material and sealed.
  • the pressing step S29 (hereinafter, simply referred to as “S29”), a structure formed by disposing a positive electrode current collector on the positive electrode layer side of the laminate formed in S28, a positive electrode layer, a solid electrolyte layer, And it is the process of pressing to the lamination direction of a negative electrode layer.
  • S29 a structure formed by disposing a positive electrode current collector on the positive electrode layer side of the laminate formed in S28, a positive electrode layer, a solid electrolyte layer, And it is the process of pressing to the lamination direction of a negative electrode layer.
  • the pressure applied to the structure in S29 is particularly limited as long as it can increase the adhesion between the adjacent base material and the layer and between the adjacent layers.
  • it can be set to 100 MPa or more and 600 MPa or less.
  • the time (pressing time) which provides a pressure by S29 is not specifically limited, For example, it can be 5 to 30 seconds.
  • the positive electrode layer is formed through a process of applying the first electrode slurry to the surface of the solid electrolyte layer.
  • the binder is entangled with the solid electrolyte particles to express adhesion.
  • one end of the expanded binder is disposed in the solid electrolyte layer, and the other end is disposed in the electrode slurry.
  • the binder contained in the solid electrolyte layer in which the other end is arranged in the electrode slurry is also entangled with the particles contained in the electrode slurry.
  • the solid electrolyte layer and the positive electrode layer can be bonded via the binder contained in the solid electrolyte layer, so that the adhesion between the solid electrolyte layer and the positive electrode layer can be improved.
  • Become By improving the adhesion between the solid electrolyte layer and the positive electrode layer, it is possible to reduce the lithium ion conduction resistance at the interface between the solid electrolyte layer and the positive electrode layer. Therefore, according to the manufacturing method of the second embodiment, an electrode body with reduced internal resistance can be manufactured.
  • an embodiment in which an electrode body is produced through a process of applying electrolyte slurry to the surface of the positive electrode layer (first embodiment), and a positive electrode layer on the surface of the solid electrolyte layer are prepared.
  • coating the 1st electrode slurry for is illustrated, this invention is not limited to the said form.
  • the method for producing an electrode body of the present invention can be configured to produce an electrode body through a process of applying an electrolyte slurry to the surface of the negative electrode layer (first embodiment), and the negative electrode is formed on the surface of the solid electrolyte layer. It is also possible to adopt a form (second embodiment) in which an electrode body is manufactured through a process of applying a slurry for forming a layer.
  • a mode having a solvent removal step between the first electrode layer forming step and the electrolyte layer forming step is exemplified, but the present invention is not limited to this mode.
  • the manufacturing method of the electrode body of the present invention can also be configured such that there is no solvent removal step between the electrode layer forming step and the electrolyte layer forming step.
  • the binder used when adjusting the electrode slurry or the electrolyte slurry is appropriately selected from binders that can be used when preparing the electrode layer and the electrolyte layer of the battery. Can be used. However, it is preferable to use butylene rubber as the binder from the standpoint of making the electrode body with reduced internal resistance into a form that can be easily manufactured.
  • the active material, electrolyte, and binder used when adjusting electrode slurry are prepared.
  • the mass ratio of the solvent can be appropriately determined in consideration of performance to be exhibited by the electrode body to be produced and workability during production.
  • the active material contained in the electrode slurry is 60 parts by mass or more and 80 parts by mass or more from the viewpoint of obtaining high electrode performance. It is preferable.
  • the active material in the electrode slurry is 98 parts by mass or less, and preferably 95 parts by mass or less.
  • the electrolyte in the electrode slurry is 5 parts by mass or more, and preferably 10 parts by mass or more.
  • the electrolyte in the electrode slurry is 40 parts by mass or less, and preferably 20 parts by mass or less.
  • the binder in the electrode slurry is 0.1 parts by mass or more, and preferably 1 part by mass or more.
  • the binder in the electrode slurry is 5 parts by mass or less, and preferably 3 parts by mass or less. Moreover, what is necessary is just to adjust the quantity of the solvent used when adjusting an electrode slurry according to the quantity of the substance disperse
  • the mass ratio of the electrolyte, the binder, and the solvent used when adjusting the electrolyte slurry for preparing the electrolyte layer depends on the performance of the electrode body to be produced and the manufacturing time. It can be determined appropriately in consideration of the workability and the like.
  • the electrolyte slurry when the electrolyte slurry is 100 parts by mass, the electrolyte contained in the electrolyte slurry is 95 parts by mass or more and 99 parts by mass or more from the viewpoint of connection of a conduction path of lithium ions.
  • the electrolyte in the electrolyte slurry is 99 parts by mass or less, and preferably 95 parts by mass or less.
  • the binder in the electrolyte slurry is 0.1 parts by mass or more, and preferably 1 part by mass or more.
  • the binder in the electrolyte slurry is 5 parts by mass or less, and preferably 3 parts by mass or less.
  • the manufacturing method according to the second embodiment after one electrode layer is formed on the surface of the solid electrolyte layer, before the other electrode layer is formed on the back surface side of the surface on which the electrode layer is formed. Then, the substrate is removed. Therefore, it is possible to manufacture the electrode body by the method for manufacturing the electrode body of the first embodiment according to the first embodiment from the viewpoint of easily reducing the manufacturing efficiency of the electrode body by deleting such steps. preferable.
  • the manufacturing method of 1st Embodiment is limited to the said form. It is not a thing.
  • the binder does not have to be dispersed in the electrolyte slurry applied to the surface of the positive electrode layer (first electrode layer).
  • the manufacturing method of 2nd Embodiment is limited to the said form Is not to be done.
  • the binder may not be dispersed in the first electrode slurry applied to the surface of the solid electrolyte layer (electrolyte layer).
  • Lithium ion secondary battery cell having an electrode body manufactured by the electrode body manufacturing method of the present invention (Example) and lithium ion secondary battery cell having an electrode body manufactured by a method different from the present invention (Comparative Example) ) And the performance was evaluated.
  • a positive electrode mixture slurry (electrode slurry) is prepared using the following amounts of active material, electrolyte, binder, and solvent, and Al is obtained by a doctor blade method. Coated on foil. Then, the solvent was removed by holding for 60 minutes under a temperature environment of 120 ° C. and drying.
  • the composition of the positive mix slurry used when producing a positive electrode layer was made the same.
  • composition of positive electrode mixture slurry Active material (LiCoO 2 ): 1040 mg Electrolyte (75Li 2 S ⁇ 25P 2 S 5 ): 445 mg Binder (butylene rubber): 15mg Solvent (heptane): 660 mg
  • an electrolyte slurry was prepared using the following amounts of electrolyte, binder, and solvent, and the prepared electrolyte slurry was doctor bladed on the surface of the positive electrode mixture layer from which the solvent was removed. It was coated by the method. Then, the solvent was removed by holding for 60 minutes under a temperature environment of 120 ° C. and drying. Thereafter, the positive electrode mixture layer on which the solid electrolyte layer was formed was cut out to a size of 1 cm 2 and pressed at a pressure of 98 MPa for 30 seconds.
  • a negative electrode mixture slurry (electrode slurry) was prepared using an active material, an electrolyte, a binder, and a solvent in the following amounts in an inert gas, and coated on a Cu foil by a doctor blade method. Then, the solvent was removed by holding for 60 minutes under a temperature environment of 120 ° C. and drying. Thereafter, the negative electrode mixture layer from which the solvent was removed was cut out to a size of 1 cm 2 .
  • Active material graphite
  • Binder butylene rubber): 21mg
  • the positive electrode mixture layer in which the pressed solid electrolyte layer is formed and the cut out negative electrode mixture layer are arranged so that the solid electrolyte layer is disposed between the positive electrode mixture layer and the negative electrode mixture layer.
  • the battery cells of the examples were manufactured by stacking and pressing at a pressure of 421.4 MPa for 30 seconds.
  • Comparative Example A solid electrolyte layer was produced by pressing an electrolyte (65 mg of Li 7 P 3 S 11 ) at a pressure of 98 MPa for 30 seconds in an inert gas. Further, the positive electrode mixture layer from which the solvent was removed was cut out to a size of 1 cm 2 . Then, the cut-out positive electrode mixture layer was placed on the surface of the pressed solid electrolyte layer, and pressed at a pressure of 98 MPa for 30 seconds. Furthermore, the negative electrode mixture (6 on the side opposite to the side where the positive electrode mixture layer is disposed so that the solid electrolyte layer is sandwiched between the positive electrode mixture layer and the negative electrode mixture layer disposed on the surface of the Cu foil. After placing 0.0 mg of graphite and 6.0 mg of Li 7 P 3 S 11 ), pressing was performed at a pressure of 421.4 MPa for 30 seconds to produce a battery cell of a comparative example.
  • the reaction resistance of the battery cell of the example was 34.1 ⁇ , whereas the reaction resistance of the battery cell of the comparative example was 40.3 ⁇ . Therefore, the battery cell of the Example provided with the electrode body manufactured with the manufacturing method of the electrode body of this invention was able to reduce reaction resistance about 15.4% rather than the battery cell of a comparative example. Further, as shown in Table 1, the discharge capacity of the battery cell of the comparative example was 91.1 mAh, whereas the discharge capacity of the battery cell of the example was 101.6 mAh, and the discharge capacity was 11.5 mAh. % Can be increased.

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Abstract

本発明は、内部抵抗が低減された電極体を製造することが可能な、電極体の製造方法を提供する。 本発明は、一対の電極層と該一対の電極層の間に配設された電解質層とを備える電極体を製造する方法であって、少なくとも、金属イオンを放出又は吸蔵放出可能な活物質、金属イオンの伝導性を有する電解質、及び、バインダーを溶媒中に分散させて電極スラリーを調整し、該電極スラリーを基材に塗布する過程を経て、バインダーを含むシート状の電極層を形成する工程と、少なくとも金属イオンの伝導性を有する電解質を溶媒中に分散させて電解質スラリーを調整し、該電解質スラリーを電極層の表面に塗布する過程を経て、電極層の表面にシート状の電解質層を形成する工程と、を有する電極体の製造方法とする。

Description

電極体の製造方法
 本発明は、固体電池等に使用可能な、一対の電極層と該一対の電極層の間に配設された電解質層とを有する電極体の製造方法に関する。
 リチウムイオン二次電池(以下において、「リチウム電池」ということがある。)は、他の二次電池よりもエネルギー密度が高く、高電圧での動作が可能という特徴を有している。そのため、小型軽量化を図りやすい二次電池として携帯電話等の情報機器に使用されており、近年、電気自動車やハイブリッド自動車用等、大型の動力用としての需要も高まっている。
 リチウムイオン二次電池には、正極層及び負極層と、これらの間に配置される電解質層とが備えられ、電解質層に備えられる電解質としては、例えば非水系の液体や固体が用いられる。電解質に液体(以下において、「電解液」という。)が用いられる場合には、電解液が正極層や負極層の内部へと浸透しやすい。そのため、正極層や負極層に含有されている活物質と電解液との界面が形成されやすく、性能を向上させやすい。ところが、広く用いられている電解液は可燃性であるため、安全性を確保するためのシステムを搭載する必要がある。一方、固体の電解質(以下において、「固体電解質」という。)は不燃性であるため、上記システムを簡素化できる。それゆえ、不燃性である固体電解質を含有する層(以下において、「固体電解質層」という。)が備えられる形態のリチウムイオン二次電池(以下において、「固体電池」という。)が提案されている。
 このような固体電池に関する技術として、例えば特許文献1には、リチウムイオン伝導性バインダーを含む溶媒中に活物質を分散させて活物質スラリーを調整する工程と、リチウムイオン伝導性バインダーを含む溶媒中に硫化物系固体電解質を分散させて固体電解質スラリーを調整する工程と、活物質スラリー及び固体電解質スラリーを、それぞれ基板に滴下し、ブレードでスラリー厚みを調整して、さらに加熱乾燥及び剥離することにより活物質シート及び固体電解質シートをそれぞれ形成する工程と、固体電解質シートを2枚の活物質シートで挟持し、該2枚の活物質シートをさらに2枚の集電体シートで挟持して積層体を形成する工程と、該積層体をリチウムイオン伝導性バインダーの融点以上の温度で真空ホットプレスする工程と、を有するリチウム電池の製造方法が開示されている。
特開2010-33918号公報
 特許文献1に開示されている技術によれば、リチウム電池を構成するシートの厚みを所望の厚みに調整することが可能になると考えられる。しかしながら、特許文献1に開示されているように、加熱乾燥及び剥離して形成した活物質シート及び固体電解質シートを積層してホットプレスする工程を経てリチウム電池を製造すると、活物質シートと固体電解質シートとの密着が不十分になりやすい。それゆえ、特許文献1に開示されている方法で製造したリチウム電池は、内部抵抗が増大しやすいという問題があった。
 そこで本発明は、内部抵抗が低減された電極体を製造することが可能な、電極体の製造方法を提供することを課題とする。
 上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
  本発明の第1の態様は、一対の電極層と該一対の電極層の間に配設された電解質層とを備える電極体を製造する方法であって、少なくとも、金属イオンを放出又は吸蔵放出可能な活物質、金属イオンの伝導性を有する電解質、及び、バインダーを溶媒中に分散させて電極スラリーを調整し、該電極スラリーを基材に塗布する過程を経て、上記バインダーを含むシート状の電極層を形成する電極層形成工程と、少なくとも上記金属イオンの伝導性を有する電解質を溶媒中に分散させて電解質スラリーを調整し、該電解質スラリーを電極層の表面に塗布する過程を経て、電極層の表面にシート状の電解質層を形成する電解質層形成工程と、を有することを特徴とする、電極体の製造方法である。
 上記本発明の第1の態様において、電極層形成工程と電解質層形成工程との間に、電極層を乾燥させることにより電極層に含まれていた溶媒を除去する溶媒除去工程を有していても良い。
 本発明の第2の態様は、一対の電極層と該一対の電極層の間に配設された電解質層とを備える電極体を製造する方法であって、少なくとも、バインダー、及び、金属イオンの伝導性を有する電解質を溶媒中に分散させて電解質スラリーを調整し、該電解質スラリーを基材に塗布する過程を経て、上記バインダーを含むシート状の電解質層を形成する電解質層形成工程と、少なくとも、上記金属イオンを放出又は吸蔵放出可能な活物質、及び、上記金属イオンの伝導性を有する電解質を溶媒中に分散させて電極スラリーを調整し、該電極スラリーを前記電解質層の表面に塗布する過程を経て、電解質層の表面にシート状の電極層を形成する電極層形成工程と、を有することを特徴とする、電極体の製造方法である。
 上記本発明の第2の態様において、電解質層形成工程と電極層形成工程との間に、電解質層を乾燥させることにより電解質層に含まれていた溶媒を除去する溶媒除去工程を有していても良い。
 また、上記本発明の第1の態様及び上記本発明の第2の態様において、バインダーがブチレンゴムであっても良い。
 本発明の第1の態様では、バインダーを含むシート状の電極層の表面に、電解質スラリーを塗布する過程を経て、電極層の表面に電解質層を形成する。かかる形態とすることにより、電解質スラリーが塗布された電極層に含まれているバインダーが、電解質スラリーに含まれている溶媒を吸収して膨張する。電極層に含まれているバインダーが膨張すると、膨張したバインダーの一部はその一端が電解質スラリーへと入り込むので、膨張したバインダーを介して電極層と電解質層とを接合することが可能になる。このようにして接合された電極層及び電解質層を乾燥させて溶媒を除去しても、収縮したバインダーを介して電極層と電解質層とを接合することが可能になるので、電極層と電解質層との密着性を高めることが可能になる。ここで、電極層と電解質層との密着性を高めることにより、電極層と電解質層との界面における物質の移動抵抗を低減することが可能になる。したがって、本発明の第1の態様によれば、内部抵抗が低減された電極体を製造することが可能な、電極体の製造方法を提供することができる。
 本発明の第1の態様において、電極層形成工程と電解質層形成工程との間に溶媒除去工程を有することにより、上記効果に加えて、電極層を成形することが容易になる。
 本発明の第2の態様では、バインダーを含むシート状の電解質層の表面に、電極スラリーを塗布する過程を経て、電解質層の表面に電極層を形成する。かかる形態とすることにより、電極スラリーが塗布された電解質層に含まれているバインダーが、電極スラリーに含まれている溶媒を吸収して膨張する。電解質層に含まれているバインダーが膨張すると、膨張したバインダーの一部はその一端が電極スラリーへと入り込むので、膨張したバインダーを介して電解質層と電極層とを接合することが可能になる。このようにして接合された電解質層及び電極層を乾燥させて溶媒を除去しても、収縮したバインダーを介して電解質層と電極層とを接合することが可能になるので、電解質層と電極層との密着性を高めることが可能になる。したがって、本発明の第2の態様によれば、内部抵抗が低減された電極体を製造することが可能な、電極体の製造方法を提供することができる。
 本発明の第2の態様において、電解質層形成工程と電極層形成工程との間に溶媒除去工程を有することにより、上記効果に加えて、電解質層を成形することが容易になる。
 また、本発明の第1の態様及び本発明の第2の態様において、バインダーがブチレンゴムであることにより、内部抵抗が低減された電極体を容易に製造することが可能な、電極体の製造方法を提供することができる。
第1実施形態にかかる本発明の電極体の製造方法を説明するフローチャートである。 積層体10を説明する断面図である。 正極層2’及び基材1の断面図である。 基材1及び正極層2’並びに該正極層2’の表面に塗布された電解質スラリー3sの断面図である。 第2実施形態にかかる本発明の電極体の製造方法を説明するフローチャートである。
 図面を参照しつつ、本発明の電極体の製造方法によって、リチウムイオン二次電池用の電極体を製造する形態について、以下に説明する。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明は以下に示す形態に限定されるものではない。
 図1は、第1実施形態にかかる本発明の電極体の製造方法(以下において、「第1実施形態の製造方法」ということがある。)を説明するフローチャートである。図1に示すように、第1実施形態の製造方法は、第1電極層形成工程S11と、溶媒除去工程S12と、電解質層形成工程S13と、溶媒除去工程S14と、プレス工程S15と、第2電極層形成工程S16と、溶媒除去工程S17と、積層工程S18と、プレス工程S19と、を有している。
 第1電極層形成工程S11(以下において、単に「S11」という。)は、電極体を構成する第1電極層(シート状の第1電極層。以下、第1実施形態の製造方法に関する説明において、「正極層」という。)を形成する工程である。S11は、リチウムイオンを吸蔵放出可能な活物質と、リチウムイオン伝導性を有する電解質と、バインダーとを溶媒中に分散させて第1電極スラリーを調整するステップと、調整した第1電極スラリーを基材に塗布するステップと、を有している。
 S11において、活物質としては、リチウムイオン二次電池の正極層に含有させることが可能な公知の活物質を適宜用いることができる。そのような活物質としては、コバルト酸リチウム(LiCoO)等を例示することができる。また、S11において、電解質としては、リチウムイオン二次電池の正極層に含有させることが可能な公知の電解質を適宜用いることができる。そのような電解質としては、LiPO等の酸化物系固体電解質のほか、LiPSや、LiS:P=50:50~100:0となるようにLiS及びPを混合して作製した硫化物系固体電解質(例えば、質量比で、LiS:P=75:25となるようにLiS及びPを混合して作製した硫化物固体電解質)等、公知の固体電解質を適宜用いることができる。また、S11において、バインダーとしては、リチウムイオン二次電池の正極層を作製する際に使用可能な公知のバインダーを適宜用いることができる。そのようなバインダーとしては、ブチレンゴムのほか、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、スチレン-ブタジエンゴム(SBR)等を例示することができる。また、S11において、溶媒としては、リチウムイオン二次電池の正極層作製時に用いるスラリーを調整する際に使用可能な公知の溶媒を適宜用いることができる。そのような溶媒としては、ヘプタンのほか、トルエン、ジブチルエーテル等を例示することができる。また、S11において、第1電極スラリーを塗布される基材としては、リチウムイオン二次電池の正極層を形成する際に使用可能な公知の基材を適宜用いることができる。そのような基材としては、例えば、正極集電体としても機能させることが可能な、Al箔等に代表される公知の金属箔を用いることが好ましい。また、S11において、第1電極スラリーを塗布する方法は、スラリーを塗布する際に使用可能な方法であれば特に限定されるものではなく、例えば、ドクターブレード法等の公知の方法を用いることができる。
 溶媒除去工程S12(以下において、単に「S12」という。)は、S11で基材に塗布された第1電極スラリーに含まれていた溶媒を除去する工程である。溶媒を除去することにより、正極層を成形することが容易になる。第1実施形態の製造方法において、S12は、溶媒を除去可能であればその形態は特に限定されるものではなく、例えば、第1電極スラリーが塗布された基材を、大気圧下120℃の環境に60分間に亘って保持する工程、とすることができる。
 電解質層形成工程S13(以下において、単に「S13」という。)は、S12で溶媒が除去された正極層の表面に、電極体を構成する電解質層(シート状の電解質層。以下、第1実施形態の製造方法に関する説明において、「固体電解質層」という。)を形成する工程である。S13は、リチウムイオン伝導性を有する電解質と、バインダーとを溶媒中に分散させて電解質スラリーを調整するステップと、調整した電解質スラリーを正極層の表面に塗布するステップと、を有している。
 S13において、電解質としては、リチウムイオン二次電池の固体電解質層に含有させることが可能な公知の電解質を適宜用いることができる。そのような電解質としては、LiPO等の酸化物系固体電解質のほか、LiPSや、LiS:P=50:50~100:0となるようにLiS及びPを混合して作製した硫化物系固体電解質(例えば、質量比で、LiS:P=75:25となるようにLiS及びPを混合して作製した硫化物固体電解質)等、公知の固体電解質を適宜用いることができる。また、S13において、バインダーとしては、リチウムイオン二次電池の固体電解質層を作製する際に使用可能な公知のバインダーを適宜用いることができる。そのようなバインダーとしては、ブチレンゴムのほか、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、スチレン-ブタジエンゴム(SBR)等を例示することができる。また、S13において、溶媒としては、リチウムイオン二次電池の固体電解質層作製時に用いるスラリーを調整する際に使用可能な公知の溶媒を適宜用いることができる。そのような溶媒としては、ヘプタンのほか、トルエン、ジブチルエーテル等を例示することができる。また、S13において、電解質スラリーを塗布する方法は、スラリーを塗布する際に使用可能な方法であれば特に限定されるものではなく、例えば、ドクターブレード法等の公知の方法を用いることができる。
 溶媒除去工程S14(以下において、単に「S14」という。)は、S13で正極層の表面に塗布された電解質スラリーに含まれていた溶媒を除去する工程である。溶媒を除去することにより、電解質層を成形することが容易になる。第1実施形態の製造方法において、S14は、溶媒を除去可能であればその形態は特に限定されるものではなく、例えば、正極層の表面に塗布された電解質スラリーを有する構造体を、大気圧下120℃の環境に60分間に亘って保持する工程、とすることができる。
 プレス工程S15(以下において、単に「S15」という。)は、S14で溶媒が除去された、基材表面に形成されている正極層及び固体電解質層を、正極層及び固体電解質層の積層方向へとプレスする工程である。プレスすることにより、基材と正極層との密着性、及び、正極層と固体電解質層との密着性を高めることが容易になる。第1実施形態の製造方法において、S15で正極層及び固体電解質層へと付与される圧力は特に限定されるものではなく、例えば、50MPa以上400MPa以下とすることができる。また、第1実施形態の製造方法において、S15で圧力を付与する時間(プレスする時間)は特に限定されるものではなく、例えば、5秒以上300秒以下とすることができる。
 第2電極層形成工程S16(以下において、単に「S16」という。)は、電極体を構成する第2電極層(シート状の第2電極層。以下、第1実施形態の製造方法に関する説明において、「負極層」という。)を形成する工程である。S16は、リチウムイオンを吸蔵放出可能な活物質と、リチウムイオン伝導性を有する電解質と、バインダーとを溶媒中に分散させて第2電極スラリーを調整するステップと、調整した第2電極スラリーを基材に塗布するステップと、を有している。
 S16において、活物質としては、リチウムイオン二次電池の負極層に含有させることが可能な公知の活物質を適宜用いることができる。そのような活物質としては、グラファイト等を例示することができる。また、S16において、電解質としては、リチウムイオン二次電池の負極層に含有させることが可能な公知の電解質を適宜用いることができ、そのような物質としては、S11で使用可能な電解質と同様の電解質を例示することができる。また、S16において、バインダー及び溶媒は、リチウムイオン二次電池の負極層を作製する際に使用可能な公知のバインダー及び公知の溶媒を適宜用いることができる。そのようなバインダー及び溶媒としては、S11で使用可能なバインダー及び溶媒と同様のバインダー及び溶媒を例示することができる。また、S16において、第2電極スラリーを塗布される基材としては、リチウムイオン二次電池の負極層を形成する際に使用可能な公知の基材を適宜用いることができる。そのような基材としては、例えば、負極集電体としても機能させることが可能な、Cu箔等に代表される公知の金属箔を用いることが好ましい。また、S16において、第2電極スラリーを塗布する方法は、スラリーを塗布する際に使用可能な方法であれば特に限定されるものではなく、例えば、ドクターブレード法等の公知の方法を用いることができる。
 溶媒除去工程S17(以下において、単に「S17」という。)は、S16で基材に塗布された第2電極スラリーに含まれていた溶媒を除去する工程である。溶媒を除去することにより、負極層を成形することが容易になる。第1実施形態の製造方法において、S16は、溶媒を除去可能であればその形態は特に限定されるものではなく、例えば、第2電極スラリーが塗布された基材を、大気圧下120℃の環境に60分間に亘って保持する工程、とすることができる。
 積層工程S18(以下において、単に「S18」という。)は、S15でプレスされた固体電解質層が、同じくS15でプレスされた正極層、及び、S17で溶媒が除去された負極層によって挟まれるように、正極層、固体電解質層、及び、負極層を積層する工程である。S12においてAl箔の表面に第1電極スラリーを塗布する過程を経て正極層を形成し、S16においてCu箔の表面に第2電極スラリーを塗布する過程を経て負極層を形成した場合、S18で形成される積層体は図2に示すような構造になる。図2に示す積層体10は、Al箔1と、該Al箔1の表面に形成された正極層2と、該正極層2の表面に形成された固体電解質層3と、該固体電解質層3の表面に配設された負極層4と、該負極層4の表面に配設されたCu箔5と、を有している。正極層2と負極層4との間に固体電解質層3を配設して構成される電極体6を有する積層体10において、Al箔1は正極集電体として機能し、Cu箔5は負極集電体として機能する。このようにして形成された積層体10は、後述するプレス工程S19でプレスされ、さらに、公知の外装材に収容され密閉される等の過程を経て、リチウムイオン二次電池となる。
 プレス工程S19(以下において、単に「S19」という。)は、S18で形成された積層体10を、正極層2、固体電解質層3、及び、負極層4の積層方向(図2の紙面上下方向)へとプレスする工程である。プレスすることにより、Cu箔5と負極層4との密着性、及び、負極層4と固体電解質層3との密着性を高めることが容易になるほか、Al箔1と正極層2との密着性、及び、正極層2と固体電解質層3との密着性を高めることも容易になる。第1実施形態の製造方法において、S19で積層体10へと付与される圧力は、隣接する基材と層との間、及び、隣接する層の間の密着性を高め得る圧力であれば特に限定されるものではなく、例えば、100MPa以上600MPa以下とすることができる。また、第1実施形態の製造方法において、S19で圧力を付与する時間(プレスする時間)は特に限定されるものではなく、例えば、5秒以上300秒以下とすることができる。
 S11乃至S19を経て、正極層及び負極層と、該正極層及び負極層の間に配設された固体電解質層とを備える電極体を製造する、第1実施形態の製造方法では、S13において、正極層の表面に電解質スラリーを塗布する過程を経て固体電解質層が形成される。S11及びS12を経た正極層では、バインダーが活物質及び固体電解質粒子と絡んで密着力を発現している。図3AにS11及びS12を経た正極層及び基材の断面を示す。また、図3Bには、図3Aに示した基材及び正極層並びに該正極層の表面に塗布された電解質スラリーの断面を拡大して示す。図3Aに示すように、基材1の表面に形成された正極層2’では、バインダー2x、2x、…が活物質2y、2y、…及び固体電解質粒子2z、2z、…と絡んで密着力を発現している。このように構成される正極層2’の表面に電解質スラリー3sを塗布する過程を経て固体電解質層3を形成すると、図3Bに示すように、正極層2’に含まれているバインダー2x、2x、…の少なくとも一部が、電解質スラリー3sに含まれている溶媒を吸収して膨張し、膨張した一部のバインダー2x、2x、…の一端が正極層2’内に、他端が電解質スラリー3s内に配置されるようになる。そして、電解質スラリー3s内に他端が配置されるようになった、正極層2’内に含まれていたバインダー2x、2x、…は、電解質スラリー3sに含まれている固体電解質粒子3z、3z、…とも絡み合う。その結果、正極層2’内に含まれていたバインダー2x、2x、…を介して、正極層2と固体電解質層3とを接合することが可能になるので、正極層2と固体電解質層3との密着性を高めることが可能になる。正極層2と固体電解質層3との密着性を高めることにより、正極層2と固体電解質層3との界面におけるリチウムイオンの伝導抵抗を低減することが可能になる。したがって、第1実施形態の製造方法によれば、内部抵抗が低減された電極体を製造することが可能になる。
 図4は、第2実施形態にかかる本発明の電極体の製造方法(以下において、「第2実施形態の製造方法」ということがある。)を説明するフローチャートである。図4に示すように、第2実施形態の製造方法は、電解質層形成工程S21と、溶媒除去工程S22と、第1電極層形成工程S23と、溶媒除去工程S24と、プレス工程S25と、第2電極層形成工程S26と、溶媒除去工程S27と、積層工程S28と、プレス工程S29と、を有している。
 電解質層形成工程S21(以下において、単に「S21」という。)は、電極体を構成する電解質層(シート状の電解質層。以下、第2実施形態の製造方法に関する説明において、「固体電解質層」という。)を形成する工程である。S21は、リチウムイオン伝導性を有する電解質と、バインダーとを溶媒中に分散させて電解質スラリーを調整するステップと、調整した電解質スラリーを基材の表面に塗布するステップと、を有している。
 S21において、電解質、バインダー、及び、溶媒としては、リチウムイオン二次電池の固体電解質層を作製する際に用いることが可能な公知の電解質、バインダー、及び、溶媒を適宜用いることができる。そのような電解質、バインダー、及び、溶媒としては、S13で使用可能な電解質、バインダー、及び、溶媒と同様のものを例示することができる。また、S21において、電解質スラリーを塗布される基材は、作製された固体電解質層を剥がすことが可能な公知の基材を適宜用いることができる。そのような基材としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)やポリエチレンテレフタラート(PET)等の公知の樹脂フィルムを用いることができる。
 溶媒除去工程S22(以下において、単に「S22」という。)は、S21で基材に塗布された電解質スラリーに含まれていた溶媒を除去する工程である。溶媒を除去することにより、固体電解質層を成形することが容易になる。第2実施形態の製造方法において、S22は、溶媒を除去可能であればその形態は特に限定されるものではなく、例えば、電解質スラリーが塗布された基材を、大気圧下120℃の環境に60分間に亘って保持する工程、とすることができる。
 第1電極層形成工程S23(以下において、単に「S23」という。)は、S22で溶媒が除去された固体電解質層の表面に、電極体を構成する第1電極層(シート状の第1電極層。以下、第2実施形態の製造方法に関する説明において、「正極層」という。)を形成する工程である。S23は、リチウムイオンを吸蔵放出可能な活物質と、リチウムイオン伝導性を有する電解質と、バインダーとを溶媒中に分散させて第1電極スラリーを調整するステップと、調整した第1電極スラリーを固体電解質層の表面に塗布するステップと、を有している。
 S23において、活物質、電解質、バインダー、及び、溶媒としては、リチウムイオン二次電池の正極層を作製する際に用いることが可能な公知の活物質、電解質、バインダー、及び、溶媒を適宜用いることができる。そのような活物質、電解質、バインダー、及び、溶媒としては、S11で使用可能な活物質、電解質、バインダー、及び、溶媒と同様のものを例示することができる。また、S23において、第1電極スラリーを塗布する方法は、スラリーを塗布する際に使用可能な方法であれば特に限定されるものではなく、例えば、ドクターブレード法等の公知の方法を用いることができる。
 溶媒除去工程S24(以下において、単に「S24」という。)は、S23で固体電解質層の表面に塗布された第1電極スラリーに含まれていた溶媒を除去する工程である。溶媒を除去することにより、正極層を成形することが容易になる。第2実施形態の製造方法において、S24は、溶媒を除去可能であればその形態は特に限定されるものではなく、例えば、固体電解質層の表面に塗布された第1電極スラリーを有する構造体を、大気圧下120℃の環境に60分間に亘って保持する工程、とすることができる。
 プレス工程S25(以下において、単に「S25」という。)は、S24で溶媒が除去された、基材表面に形成されている固体電解質層及び正極層を、固体電解質層及び正極層の積層方向へとプレスする工程である。プレスすることにより、固体電解質層と正極層との密着性を高めることが容易になる。第2実施形態の製造方法において、S25で固体電解質層及び正極層へと付与される圧力は特に限定されるものではなく、例えば、50MPa以上400MPa以下とすることができる。また、第2実施形態の製造方法において、S25で圧力を付与する時間(プレスする時間)は特に限定されるものではなく、例えば、5秒以上300秒以下とすることができる。
 第2電極層形成工程S26(以下において、単に「S26」という。)は、電極体を構成する第2電極層(シート状の第2電極層。以下、第2実施形態の製造方法に関する説明において、「負極層」という。)を形成する工程である。S26はS16と同様の工程であるため、説明を省略する。
 溶媒除去工程S27(以下において、単に「S27」という。)は、S26で基材に塗布された第2電極スラリーに含まれていた溶媒を除去する工程である。S27はS17と同様の工程であるため、説明を省略する。
 積層工程S28(以下において、単に「S28」という。)は、S25でプレスされた固体電解質層が、同じくS25でプレスされた正極層、及び、S27で溶媒が除去された負極層によって挟まれるように、正極層、固体電解質層、及び、負極層を積層する工程である。S28では、固体電解質層の一方の表面に負極層を配設する前に、電解質スラリーが塗布された基材を固体電解質層から剥がし、その後、剥がされた基材が配設されていた側の、固体電解質層の表面に、負極層を配設する。S26においてCu箔の表面に第2電極スラリーを塗布する過程を経て負極層を形成した場合、S28で形成される積層体は図2に示した積層体10からAl箔1を除いた構造になる。S28で形成した積層体を用いてリチウムイオン二次電池を作製する際には、正極層と接触するように正極集電体を配設した後、後述するプレス工程S29でプレスされ、さらに、公知の外装材に収容され密閉される等の過程を経ることにより、リチウムイオン二次電池を作製することができる。
 プレス工程S29(以下において、単に「S29」という。)は、S28で形成された積層体の正極層側に正極集電体を配設して形成した構造体を、正極層、固体電解質層、及び、負極層の積層方向へとプレスする工程である。プレスすることにより、正極集電体と正極層との密着性、負極集電体と負極層との密着性、及び、負極層と固体電解質層との密着性を高めることが容易になるほか、正極層と固体電解質層との密着性を高めることも容易になる。第2実施形態の製造方法において、S29で構造体へと付与される圧力は、隣接する基材と層との間、及び、隣接する層の間の密着性を高め得る圧力であれば特に限定されるものではなく、例えば、100MPa以上600MPa以下とすることができる。また、第2実施形態の製造方法において、S29で圧力を付与する時間(プレスする時間)は特に限定されるものではなく、例えば、5秒以上30秒以下とすることができる。
 S21乃至S29を経て、正極層及び負極層と、該正極層及び負極層の間に配設された固体電解質層とを備える電極体を製造する、第2実施形態の製造方法では、S23において、固体電解質層の表面に第1電極スラリーを塗布する過程を経て正極層が形成される。S21及びS22を経た固体電解質層では、バインダーが固体電解質粒子と絡んで密着力を発現している。そして、この固体電解質層の表面に第1電極スラリーを塗布する過程を経て正極層を形成すると、固体電解質層に含まれているバインダーの少なくとも一部が、電極スラリーに含まれている溶媒を吸収して膨張し、膨張した一部のバインダーの一端が固体電解質層内に、他端が電極スラリー内に配置されるようになる。電極スラリー内に他端が配置されるようになった、固体電解質層内に含まれていたバインダーは、電極スラリーに含まれている粒子とも絡み合う。その結果、固体電解質層内に含まれていたバインダーを介して、固体電解質層と正極層とを接合することが可能になるので、固体電解質層と正極層との密着性を高めることが可能になる。固体電解質層と正極層との密着性を高めることにより、固体電解質層と正極層との界面におけるリチウムイオンの伝導抵抗を低減することが可能になる。したがって、第2実施形態の製造方法によれば、内部抵抗が低減された電極体を製造することが可能になる。
 本発明の電極体の製造方法に関する上記説明では、正極層の表面に電解質スラリーを塗布する過程を経て電極体を製造する形態(第1実施形態)、及び、固体電解質層の表面に正極層作製用の第1電極スラリーを塗布する過程を経て電極体を製造する形態(第2実施形態)を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。本発明の電極体の製造方法は、負極層の表面に電解質スラリーを塗布する過程を経て電極体を製造する形態(第1実施形態)とすることも可能であり、固体電解質層の表面に負極層作製用のスラリーを塗布する過程を経て電極体を製造する形態(第2実施形態)とすることも可能である。
 また、上記説明では、第1電極層形成工程と電解質層形成工程との間に溶媒除去工程を有する形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。本発明の電極体の製造方法は、電極層形成工程と電解質層形成工程との間に溶媒除去工程を有しない形態とすることも可能である。ただし、電極層や電解質層を容易に成形可能な形態にする等の観点からは、電極層形成工程と電解質層形成工程との間に溶媒除去工程を有する形態とすることが好ましい。
 また、上述のように、本発明の電極体の製造方法において、電極スラリーや電解質スラリーを調整する際に使用するバインダーは、電池の電極層や電解質層を作製する際に使用可能なバインダーを適宜用いることができる。ただし、内部抵抗が低減された電極体を容易に製造可能な形態にする等の観点からは、バインダーとしてブチレンゴムを用いることが好ましい。
 また、本発明の電極体の製造方法において、電極スラリー(正極層作製用の第1電極スラリー、及び、負極層作製用の第2電極スラリー)を調整する際に用いる、活物質、電解質、バインダー、及び、溶媒の質量比は、作製する電極体が発現すべき性能や製造時の作業性等を考慮して適宜決定することができる。本発明の電極体の製造方法において、電極スラリーを100質量部とするとき、該電極スラリーに含まれる活物質は、高い電極性能を得るという観点から60質量部以上とし、80質量部以上とすることが好ましい。また、成型性や可撓性を得るという観点から、電極スラリー内の活物質は98質量部以下とし、95質量部以下とすることが好ましい。また、リチウムイオンの伝導経路の接続という観点から、電極スラリー内の電解質は5質量部以上とし、10質量部以上とすることが好ましい。また、高い電極性能を得るという観点から、電極スラリー内の電解質は40質量部以下とし、20質量部以下とすることが好ましい。また、成型性や可撓性を得るという観点から、電極スラリー内のバインダーは0.1質量部以上とし、1質量部以上とすることが好ましい。また、リチウムイオンの伝導経路の接続という観点から、電極スラリー内のバインダーは5質量部以下とし、3質量部以下とすることが好ましい。また、電極スラリーを調整する際に用いる溶媒の量は、溶媒に分散させる物質の量に応じて調整すれば良い。
 また、本発明の電極体の製造方法において、電解質層作製用の電解質スラリーを調整する際に用いる、電解質、バインダー、及び、溶媒の質量比は、作製する電極体が発現すべき性能や製造時の作業性等を考慮して適宜決定することができる。本発明の電極体の製造方法において、電解質スラリーを100質量部とするとき、該電解質スラリーに含まれる電解質は、リチウムイオンの伝導経路の接続という観点から、95質量部以上とし、99質量部以上とすることが好ましい。また、成型性や可撓性を得るという観点からは、電解質スラリー内の電解質は、99質量部以下とし、95質量部以下とすることが好ましい。また、成型性や可撓性を得るという観点から、電解質スラリー内のバインダーは0.1質量部以上とし、1質量部以上とすることが好ましい。また、リチウムイオンの伝導経路の接続という観点から、電解質スラリー内のバインダーは5質量部以下とし、3質量部以下とすることが好ましい。また、電解質スラリーを調整する際に用いる溶媒の量は、溶媒に分散させる物質の量に応じて調整すれば良い。
 また、上述のように、第2実施形態の製造方法では、固体電解質層の表面に一方の電極層を形成した後、該電極層を形成した面の裏面側に他方の電極層を形成する前に、基材を除去する。それゆえ、かかる工程を削除することにより電極体の製造効率を高めやすい形態にする等の観点からは、第1実施形態にかかる本発明の電極体の製造方法によって、電極体を製造することが好ましい。
 また、第1実施形態の製造方法に関する上記説明では、バインダーが分散された電解質スラリーを調整するステップを含むS13を有する形態を例示したが、第1実施形態の製造方法は当該形態に限定されるものではない。第1実施形態の製造方法において、正極層(第1電極層)の表面に塗布する電解質スラリーには、バインダーが分散されていなくても良い。また、第2実施形態の製造方法に関する上記説明では、バインダーが分散された第1電極スラリーを調整するステップを含むS23を有する形態を例示したが、第2実施形態の製造方法は当該形態に限定されるものではない。第2実施形態の製造方法において、固体電解質層(電解質層)の表面に塗布する第1電極スラリーには、バインダーが分散されていなくても良い。
 本発明の電極体の製造方法によって製造した電極体を有するリチウムイオン二次電池セル(実施例)、及び、本発明とは異なる方法で製造した電極体を有するリチウムイオン二次電池セル(比較例)を作製し、性能を評価した。
 <正極合剤層の作製>
  不活性ガス(アルゴンガス。以下において同じ。)中で、下記に示す量の活物質、電解質、バインダー、及び、溶媒を用いて正極合剤スラリー(電極スラリー)を作製し、ドクターブレード法でAl箔上に塗工した。その後、120℃の温度環境下で60分間に亘って保持して乾燥させることにより、溶媒を除去した。なお、実施例及び比較例において、正極層を作製する際に用いた正極合剤スラリーの組成は、同一とした。
  [正極合剤スラリーの配合]
  活物質(LiCoO):1040mg
  電解質(75LiS・25P):445mg
  バインダー(ブチレンゴム):15mg
  溶媒(ヘプタン):660mg
 <電池セルの作製>
  ・実施例
  不活性ガス中で、以下に示す量の電解質、バインダー、及び、溶媒を用いて電解質スラリーを作製し、作製した電解質スラリーを、溶媒が除去された正極合剤層の表面にドクターブレード法で塗工した。その後、120℃の温度環境下で60分間に亘って保持して乾燥させることにより、溶媒を除去した。その後、固体電解質層が形成された正極合剤層を1cmの大きさに切り抜き、98MPaの圧力で30秒間に亘ってプレスした。
  [電解質スラリーの配合]
  電解質(75LiS・25P):1040mg
  バインダー(ブチレンゴム):10mg
  溶媒(ヘプタン):1450mg
 一方、不活性ガス中で、以下に示す量の活物質、電解質、バインダー、及び、溶媒を用いて負極合剤スラリー(電極スラリー)を作製し、ドクターブレード法でCu箔上に塗工した。その後、120℃の温度環境下で60分間に亘って保持して乾燥させることにより、溶媒を除去した。その後、溶媒が除去された負極合剤層を1cmの大きさに切り抜いた。
  [負極合剤スラリーの配合]
  活物質(グラファイト):1040mg
  電解質(75LiS・25P):1040mg
  バインダー(ブチレンゴム):21mg
  溶媒(ヘプタン):1400mg
 プレスされた固体電解質層が形成されている正極合剤層と、切り抜かれた負極合剤層とを、正極合剤層と負極合剤層との間に固体電解質層が配設されるように積層し、421.4MPaの圧力で30秒間に亘ってプレスすることにより、実施例の電池セルを作製した。
 ・比較例
  不活性ガス中で、電解質(65mgのLi11)を98MPaの圧力で30秒間に亘ってプレスすることにより固体電解質層を作製した。また、溶媒が除去された正極合剤層を1cmの大きさに切り抜いた。そして、切り抜かれた正極合剤層をプレスされた固体電解質層の表面に配置し、98MPaの圧力で30秒間に亘ってプレスした。さらに、正極合剤層とCu箔の表面に配置された負極合剤層とで固体電解質層を挟持するように、正極合剤層が配設されている側の反対側に負極合剤(6.0mgのグラファイト及び6.0mgのLi11)を配置した後、421.4MPaの圧力で30秒間に亘ってプレスすることにより、比較例の電池セルを作製した。
 <性能評価>
  作製した実施例の電池セル及び比較例の電池セルを充電状態(SOC)0%~100%で充放電した後、SOC80%に充電し、交流インピーダンス測定によって抵抗を測定した。また、電池セル当たりの放電容量についても測定した。結果を表1に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 表1に示したように、実施例の電池セルは反応抵抗が34.1Ωであったのに対し、比較例の電池セルは反応抵抗が40.3Ωであった。したがって、本発明の電極体の製造方法によって製造した電極体を備える実施例の電池セルは、比較例の電池セルよりも反応抵抗を15.4%程度低減することができた。また、表1に示したように、比較例の電池セルの放電容量が91.1mAhであったのに対し、実施例の電池セルの放電容量が101.6mAhであり、放電容量を11.5%程度増大させることができた。
 1…Al箔(基材、正極集電体)
 2、2’…正極層(電極層)
 2x…バインダー
 2y…活物質
 2z、3z…固体電解質粒子
 3…固体電解質層(電解質層)
 3s…電解質スラリー
 4…負極層(電極層)
 5…Cu箔(基材、負極集電体)
 6…電極体
 10…積層体

Claims (5)

  1. 一対の電極層と該一対の電極層の間に配設された電解質層とを備える電極体を製造する方法であって、
     少なくとも、金属イオンを放出又は吸蔵放出可能な活物質、前記金属イオンの伝導性を有する電解質、及び、バインダーを溶媒中に分散させて電極スラリーを調整し、該電極スラリーを基材に塗布する過程を経て、前記バインダーを含むシート状の電極層を形成する、電極層形成工程と、
     少なくとも前記金属イオンの伝導性を有する電解質を溶媒中に分散させて電解質スラリーを調整し、該電解質スラリーを前記電極層の表面に塗布する過程を経て、前記電極層の表面にシート状の電解質層を形成する、電解質層形成工程と、
    を有することを特徴とする、電極体の製造方法。
  2. 前記電極層形成工程と前記電解質層形成工程との間に、前記電極層を乾燥させることにより前記電極層に含まれていた溶媒を除去する溶媒除去工程を有することを特徴とする、請求項1に記載の電極体の製造方法。
  3. 一対の電極層と該一対の電極層の間に配設された電解質層とを備える電極体を製造する方法であって、
     少なくとも、バインダー、及び、金属イオンの伝導性を有する電解質を溶媒中に分散させて電解質スラリーを調整し、該電解質スラリーを基材に塗布する過程を経て、前記バインダーを含むシート状の電解質層を形成する、電解質層形成工程と、
     少なくとも、前記金属イオンを放出又は吸蔵放出可能な活物質、及び、前記金属イオンの伝導性を有する電解質を溶媒中に分散させて電極スラリーを調整し、該電極スラリーを前記電解質層の表面に塗布する過程を経て、前記電解質層の表面にシート状の電極層を形成する、電極層形成工程と、
    を有することを特徴とする、電極体の製造方法。
  4. 前記電解質層形成工程と前記電極層形成工程との間に、前記電解質層を乾燥させることにより前記電解質層に含まれていた溶媒を除去する溶媒除去工程を有することを特徴とする、請求項3に記載の電極体の製造方法。
  5. 前記バインダーがブチレンゴムであることを特徴とする、請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の電極体の製造方法。
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