JP2009199962A - Separator-incorporated electrode, its manufacturing method, and power storage device using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は電極とセパレータとの技術に関し、特に電極とセパレータとが合体されたものに適用して有効な技術である。 The present invention relates to an electrode and separator technology, and is particularly effective when applied to a combination of an electrode and a separator.
以下に説明する技術は、本発明を完成するに際し、本発明者によって検討されたものであり、その概要は次のとおりである。 The technology described below has been studied by the present inventors in completing the present invention, and the outline thereof is as follows.
電池、電気二重層キャパシタ等の蓄電装置は、その構成要素として、内部に電極を有している。かかる電極は、セパレータとは別体に構成されている。すなわち、電極とセパレータとは別々に準備され、電池等の蓄電装置を組み立てる際に組み合わせられる。例えば、電極とセパレータを交互に積層するか、電極とセパレータとを重ねて捲回する等して電極ユニットを製造する。さらに、該電極およびセパレータに電解液を含浸させ、封止することにより蓄電装置を製造していた。 Power storage devices such as batteries and electric double layer capacitors have electrodes inside as constituent elements. Such an electrode is configured separately from the separator. That is, the electrode and the separator are prepared separately and combined when assembling a power storage device such as a battery. For example, an electrode unit is manufactured by alternately laminating electrodes and separators or winding the electrodes and separators. Further, the power storage device is manufactured by impregnating the electrode and the separator with an electrolytic solution and sealing.
該電解液中には、イオンが存在している。蓄電源の充放電により、セパレータに保液された電解液中のイオンが電極中に取り込まれ、また電極中からセパレータへ放出されることになる。つまり、セパレータに保液された電解液がイオン伝導層となっているのである。 Ions are present in the electrolytic solution. Due to charging / discharging of the accumulator, ions in the electrolyte retained in the separator are taken into the electrode and discharged from the electrode to the separator. That is, the electrolytic solution retained in the separator is an ion conductive layer.
しかし、かかる手段で電極とセパレータとを組み合わせて構成した蓄電装置では、電極表面とセパレータとの間の、通過するイオンに対する抵抗(内部抵抗)が大きいという問題があった。 However, in the power storage device configured by combining the electrode and the separator by such means, there is a problem that the resistance (internal resistance) to the passing ions between the electrode surface and the separator is large.
上記問題は、特にイオン伝導層としてリチウムイオン伝導性のポリマーを正極、負極間に接合したポリマー電池で顕著であった。そのため、内部抵抗を減らす試みが種々提案されている。その内の一つとして、特許文献1には、セパレータに設けたバインダ樹脂層と、電極の集電体上に設けた活物質層とが密着させられた構成が記載されている。活物質層は半乾きの状態で圧延されて、集電体と活物質層との積層体が形成されている。かかる構成では、電極が密着させられたセパレータ上のバインダ樹脂層の溶媒が、加熱蒸発させられることで、電極とセパレータとの積層体が製造できる旨述べられている。
The above-mentioned problem is particularly remarkable in a polymer battery in which a lithium ion conductive polymer is bonded between a positive electrode and a negative electrode as an ion conductive layer. For this reason, various attempts to reduce the internal resistance have been proposed. As one of them,
すなわち、先ず、正極および負極のそれぞれの活物質層を集電体上に塗布して、その後に活物質を乾燥させることで各電極を形成する。併せて、主成分ポリフッ化ビニリデンを溶媒に溶かしたバインダ樹脂溶液を、セパレータに塗布する。このセパレータ上に、上記の如く別途形成した各電極を重ね合わせる。セパレータと電極を密着させたまま、セパレータ上に塗布したバインダの溶剤を蒸発させて電池積層体を形成する。その後、この電池積層体に電解液を含浸させて、リチウムイオン二次電池を製造する方法が記載されている。
従来は、電極を構成する集電体上に、活物質等の電極合材層からなる塗料を、ダイコータやコンマコータで塗工し乾燥していた。そのようにして得られた電極合材層の表面は、微視的に見た場合には細かい凹凸があり、セパレータとの密着性が良好ではなかった。かかる電極合材層とセパレータとの界面の密着性は、イオン通過時の内部抵抗に大きく影響する。また、かかる電極合材層表面の凹凸が原因で、蓄電装置自体がショートする場合もある。 Conventionally, a paint composed of an electrode mixture layer such as an active material is applied on a current collector constituting an electrode with a die coater or a comma coater and dried. The surface of the electrode mixture layer thus obtained had fine irregularities when viewed microscopically, and the adhesion with the separator was not good. The adhesion at the interface between the electrode mixture layer and the separator greatly affects the internal resistance when ions pass through. In addition, the power storage device itself may be short-circuited due to the unevenness on the surface of the electrode mixture layer.
このような不具合を防ぐため、電極合材層表面の平滑化が図られている。例えば、集電体上に湿式で塗工した電極合材層を、プレスする手段がある。しかし、微視的にみた場合には、依然として電極合材層とセパレータとの界面は、十分には密着していない。すなわち、電極合材層の表面、セパレータ表面には、それぞれ機械的な平滑面を形成することができず、それぞれの微細な凹凸が、密着性を阻害している。 In order to prevent such a problem, the surface of the electrode mixture layer is smoothed. For example, there is a means for pressing an electrode mixture layer applied wet on a current collector. However, when viewed microscopically, the interface between the electrode mixture layer and the separator is still not sufficiently adhered. That is, a mechanically smooth surface cannot be formed on the surface of the electrode mixture layer and the surface of the separator, respectively, and each fine unevenness inhibits adhesion.
また、電極合材層表面を平滑面化して凹凸を抑制するためのプレス工程を別途設けることは、製造コスト的にもコストアップにつながる。よって、かかるプレス工程を省ける技術の開発が求められていた。 In addition, providing a separate pressing step for smoothing the surface of the electrode mixture layer and suppressing unevenness leads to an increase in manufacturing cost. Therefore, there has been a demand for the development of a technique that can omit such a pressing process.
前記特許文献1の構成では、活物質には圧延が施されている。また、セパレータと電極とを密着させるには、接着層としてのバインダ層が必須の構成として設けられている。しかし、本発明では、特許文献1に記載の例とは異なり、別途接着層を設けることなく、且つ、電極合材層の平滑面化を施さないで電極合材層とセパレータとの密着性の向上を図ることにある。
In the configuration of
本発明の目的は、電極合材層とセパレータとの界面における、イオン通過の内部抵抗の低減を図るために、セパレータが予め合体された電極構造を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an electrode structure in which separators are combined in advance in order to reduce the internal resistance of ion passage at the interface between the electrode mixture layer and the separator.
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。 The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。すなわち、電極とセパレータとを間に活物質等の電極合材層を介して分離しないように合体させた。 Of the inventions disclosed in the present application, the outline of typical ones will be briefly described as follows. That is, the electrode and the separator were combined so as not to be separated via an electrode mixture layer such as an active material.
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。 Among the inventions disclosed in the present application, effects obtained by typical ones will be briefly described as follows.
本発明では、予め湿式の状態で電極の電極合材層にセパレータが合体される。よって、それぞれを別に構成して、電極合材層を乾燥した後に、セパレータと組み合わせる従来技術に比べて、電極合材層とセパレータとの密着性を高めることができる。 In the present invention, the separator is combined with the electrode mixture layer of the electrode in a wet state in advance. Therefore, the adhesiveness between the electrode mixture layer and the separator can be enhanced as compared with the conventional technique in which each is configured separately and the electrode mixture layer is dried and then combined with the separator.
これにより、電極合材層とセパレータとの界面における、イオン通過の内部抵抗の低減を図ることができる。 Thereby, the internal resistance of ion passage can be reduced at the interface between the electrode mixture layer and the separator.
また、蓄電装置の組立時等における、別々の電極とセパレータとを組合せる工程を削減できる。また、電極合材層を集電体に塗布した後でのプレス工程をも省くことができる。 In addition, it is possible to reduce the process of combining separate electrodes and separators when assembling the power storage device. Moreover, the press process after apply | coating an electrode compound-material layer to a collector can also be skipped.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明に係わるセパレータ合体型の電極の構成を示す断面図である。図2(a)は従来構成の問題点を説明する断面説明図である。(b)は本発明の電極合材層とセパレータとの界面状況を説明する断面説明図である。図3(a)、(b)は、セパレータ合体型の電極の構成の変形例を示す説明図である。図4は、セパレータ合体型の電極を用いた蓄電装置の構成を模式的に示す説明図である。 FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a separator-integrated electrode according to the present invention. FIG. 2A is a cross-sectional explanatory view for explaining the problems of the conventional configuration. (B) is sectional explanatory drawing explaining the interface state of the electrode compound-material layer of this invention, and a separator. FIGS. 3A and 3B are explanatory views showing a modification of the structure of the separator-integrated electrode. FIG. 4 is an explanatory view schematically showing a configuration of a power storage device using separator-integrated electrodes.
本発明に係わる電極10は、電極10とセパレータ20とが予め合体された構成である。電極10は、図1に示すように、電極合材層10aと集電体10bとから構成されている。電極10とセパレータ20とは、電極合材層10aを介して、分離しないように合体している。このようにして、セパレータ合体型電極100が構成されている。
The
電極合材層10aは、セパレータ20と、集電体10bの双方に、例えば電極合材層10aの成分により、密着・合体している。少なくとも、電極合材層10aとセパレータ20とを接合するための接着層は、電極合材層10aとセパレータ20との間には設けられていない。セパレータ20の表面には、所定層厚の接着層が一様には設けられていないのである。
The
本発明のセパレータ合体型電極100では、例えば、電極合材層10a中に入っているバインダが、セパレータ20をつなぎ止める働きをする。未乾燥の状態で電極合材層10aがセパレータ20に接して乾燥され、電極合材層10aからセパレータ20が剥がれなくなっているのである。勿論、上記のように電極合材層10aとセパレータ20とが剥がれなくなっていれば、必ずしも、電極合材層10a中にバインダを含まなくともよい。
In the separator combined
このように、電極10とセパレータ20とを合体させることで、電極合材層10aとセパレータ20との間の、イオン通過に関係する内部抵抗を、低くすることができる。
Thus, by combining the
上述の従来例のように、集電体に塗工した後にプレスする等の処理を行っても、微視的には、電極合材層表面には微細な凹凸が依然として残る。また、セパレータにも、微視的には微細な凹凸が存在する。両者を蓄電装置の組立時に組み合わせても、両者の界面には非接合部分が発生して、イオン通過に関わる内部抵抗の低減には限界があった。かかる様子を、図2(a)に模式的に示した。 Even when a treatment such as pressing after applying to the current collector is performed as in the conventional example described above, microscopic irregularities still remain on the surface of the electrode mixture layer. The separator also has microscopic unevenness microscopically. Even when both are combined at the time of assembling the power storage device, a non-bonded portion is generated at the interface between the two, and there is a limit to the reduction of internal resistance related to ion passage. Such a state is schematically shown in FIG.
本発明では、湿式の状態の電極合材層の表面にセパレータを密着させて合体状態にして、その状態を維持したまま乾燥させる。これにより、電極合材層の表面は、セパレータ面に沿うようになり、両者の界面の密着性をより強固にすることができる。 In the present invention, the separator is brought into intimate contact with the surface of the wet electrode mixture layer, and dried while maintaining the state. Thereby, the surface of an electrode compound-material layer comes to follow a separator surface, and can make the adhesiveness of both interface stronger.
すなわち、本発明に係わるセパレータ合体型の電極では、図2(b)に示すように、セパレータ20面が接触した電極合材層10aの界面では、セパレータ20面に合わせるようにして電極合材層10aの面が形成されている。これにより、電極合材層10aの微細な表面凹凸に起因する、セパレータ20面への非接合部分の発生が抑制される。
That is, in the separator-integrated electrode according to the present invention, as shown in FIG. 2B, the electrode mixture layer is aligned with the
そのため、イオン通過に関わる内部抵抗を、低く抑えることができる。所謂、電極合材層10aとセパレータ20との界面の通過抵抗を低減させることができるのである。
Therefore, the internal resistance related to ion passage can be kept low. In other words, the passage resistance at the interface between the
本発明に係るセパレータ合体型電極で実測できる抵抗値は、前記直流内部抵抗である。一般には、測定される直流内部抵抗は、イオンの電極合材層・セパレータとの界面通過時の抵抗、イオンのセパレータ通過抵抗、液抵抗、電極表面の電荷移動抵抗、電極のバルク抵抗等を含んだ総体としての値である。しかし、前記の如く、電極とセパレータとの密着性のみを改善したセパレータ合体型電極では、イオンの界面通過抵抗以外の他の抵抗条件は、ほぼ一定と見做すことができる。従って、本発明に係るセパレータ合体型電極における直流内部抵抗の低減は、実質的にはイオンの界面通過抵抗の低減によるものと見做して差し支えない。 The resistance value that can be measured with the separator-integrated electrode according to the present invention is the DC internal resistance. In general, the measured DC internal resistance includes the resistance of ions passing through the electrode mixture layer / separator interface, the resistance of ions passing through the separator, the liquid resistance, the charge transfer resistance of the electrode surface, the bulk resistance of the electrode, etc. It is the value as a whole. However, as described above, in the separator-integrated electrode in which only the adhesion between the electrode and the separator is improved, the resistance conditions other than the ion interface passage resistance can be considered to be substantially constant. Therefore, the reduction of the DC internal resistance in the separator combined electrode according to the present invention can be considered to be substantially due to the reduction of the ion interface passage resistance.
かかるイオンの通過抵抗の低減は、セパレータ合体型の電極に使用するセパレータの特性によっても大きく影響を受ける。 The reduction of the ion passage resistance is greatly influenced by the characteristics of the separator used for the separator-integrated electrode.
セパレータには、イオンが通過するための空隙が空いている。合体させるセパレータの特性としては、イオンの通過の度合いを、例えば、透気度を指標とした場合には、5sec/100mL以上に設定することが好ましい。尚、透気度に関しては、セパレータのイオン通過面上の位置により、測定値に多少の違いが発生する。よって、セパレータのイオン通過面を複数に分割して、その分割した箇所で測定した各々の透気度を平均することにより、より正確に求めることができる。 The separator has a gap for ions to pass through. As the characteristics of the separator to be combined, it is preferable to set the degree of ion passage to 5 sec / 100 mL or more when the air permeability is used as an index. Regarding the air permeability, there are some differences in measured values depending on the position of the separator on the ion passage surface. Therefore, it can obtain | require more correctly by dividing | segmenting the ion passage surface of a separator into plurality, and averaging each air permeability measured in the divided | segmented location.
透気度が5sec/100mL未満では、液が通りやすくなるため、湿式状態の電極合材層が上記セパレータの空隙を貫通して、反対極へと通じ短絡の原因となる場合がある。そこで、セパレータに形成されている空隙をある程度以下に抑えることが必要である。 If the air permeability is less than 5 sec / 100 mL, the liquid can easily pass through, so that the wet electrode mixture layer penetrates the gap of the separator and leads to the opposite electrode, which may cause a short circuit. Therefore, it is necessary to keep the gap formed in the separator below to some extent.
例えば、本発明者の実験では、セパレータのイオンが通過する空隙を円形の貫通孔とみなした場合、その貫通孔の口径を10μm以下に設定すればよいことがわかった。10μmより大きい口径の場合には、電極合材層がセパレータを通して反対極に通じ、短絡の原因となるおそれがある。 For example, in the experiment of the present inventor, when the gap through which ions of the separator pass is regarded as a circular through hole, it has been found that the diameter of the through hole may be set to 10 μm or less. When the diameter is larger than 10 μm, the electrode mixture layer passes through the separator to the opposite electrode, which may cause a short circuit.
かかる構成のセパレータ合体型電極100は、以下のようにして製造することができる。例えば、電極10とセパレータ20との双方に接する電極合材層10aを、湿潤状態から乾燥させる工程で製造することができる。
The separator combined
すなわち、スラリー等の塗工により形成された、湿った電極合材層10aには、集電体10bおよびセパレータ20が貼りつけられる。電極合材層10aが湿った状態では、電極合材層10aの表面は、貼りつけられているセパレータ20面の微細な凹凸状況に沿って馴染むように形成される。このように電極合材層10aの表面とセパレータ20面が密着した状態で、この状態を維持しながら、電極合材層10aを乾燥装置等に入れて乾燥させる。これにより、電極合材層10aにセパレータ20が密着させられた状態で固着される。
That is, the
例えば、電極合材層10aのスラリーを集電体10bに所定層厚で塗布して、塗布した電極合材層10aが乾かないうちにセパレータ20を電極合材層10a上に載せ、その後に乾燥装置等で乾かせばよい。
For example, a slurry of the
かかる固着に関しては、前述の如く、電極合材層10a中のバインダ成分が関与して、電極合材層10aとセパレータ20との密着性を確保していると考えられる。かかるバインダ成分は、元々は活物質と導電材等とのつなぎの役目を持たせるために加えられているものである。しかし、本発明者は、かかるバインダをセパレータとの接着にも使用できる点を見出したのである。尤も、電極合材層10aには、前述の如く、必ずしもバインダを含まなくても構わない。実質的にセパレータとの接着性を有するバインダとしての機能を発揮する成分が含まれていればよい。
Regarding the fixing, as described above, it is considered that the binder component in the
湿潤状態の電極合材層10aとは、上記の如く、例えば、電極合材層10aを集電体10b等に所定層厚で塗布できる状態のスラリーに調整しておけばよい。
As described above, the wet
例えば、蓄電装置が電池の場合には、電極反応に関与する活物質、導電材、バインダ等からなる電極合材層10aを、水等の溶媒でスラリー状に混合する。実質的に、バインダの働きを有するものであれば、バインダを入れない構成もありうる。
For example, when the power storage device is a battery, the
一方、蓄電装置が電気二重層を利用したキャパシタの場合には、上記電池における酸化還元反応に関与する活物質の代わりに、酸化還元には関与しない活性炭等の物質を用いる。その他は、電池等の電極合材層10aに用いる成分と同じものを使用する。
On the other hand, when the power storage device is a capacitor using an electric double layer, a substance such as activated carbon that does not participate in redox is used instead of the active material that participates in the redox reaction in the battery. Others are the same as the components used for the
尚、本明細書では、蓄電装置としてのキャパシタで使用する電極の集電体に設ける、酸化還元反応に関与しない活性炭等の物質も、説明の便宜上、特段の支障が出ない範囲で活物質と呼ぶことにする。 Note that in this specification, a material such as activated carbon that does not participate in the oxidation-reduction reaction provided on the current collector of the electrode used in the capacitor as the power storage device is also defined as an active material within a range that does not cause any particular problem for convenience of explanation. I will call it.
かかるセパレータ合体型電極100の構成は、例えば、図1に示すように、1枚の電極10と1枚のセパレータ20とを単位として、両者を電極合材層10aで貼りあわせる。かかるセパレータ合体型の電極100としては、負極でも、正極でも、いずれの場合でも構わない。
For example, as shown in FIG. 1, the separator-integrated
あるいは、例えば、図3(a)、(b)に示すように、集電体10bとセパレータ20とを、間に電極合材層10aを介して、交互に積層しても構わない。図3(a)は、両端にセパレータ20を設け、両セパレータ20間に集電体10bと、集電体10bの両面に設けた電極合材層10aを設ける構成である。
Alternatively, for example, as illustrated in FIGS. 3A and 3B, the
あるいは、例えば、図3(b)に示すように、両端に負極11、正極12の両集電体11a、12aを設けて、両集電体11a、12aの間に、電極合材層11b、12bを介して、1枚のセパレータ20を設けてもよい。
Alternatively, for example, as shown in FIG. 3B, both
尚、図3(a)、(b)には、集電体、セパレータの合計が3枚の場合を示しているが、集電体、セパレータの枚数は、3枚以上であってもよい。 3A and 3B show the case where the total number of current collectors and separators is three, the number of current collectors and separators may be three or more.
かかる構成のセパレータ合体型電極100は、図4に示すように、例えば、蓄電装置200としてのリチウムイオン電池200a、あるいはリチウムイオンキャパシタ200bに設ける。図4に示す例は、負極11に使用する図1に示す構成のセパレータ合体型電極100を一つのユニットとして、複数ユニットを正極12と交互に積層して構成した。
As shown in FIG. 4, the separator combined
負極11は、貫通孔13を設けた負極集電体11aと、負極用の電極合材層11bから構成されている。かかる負極集電体11a上には端子11cが設けられる。各端子11cは結線して負極用の外部接続端子11dを構成する。同様に、正極12も負極11の複数ユニットに対応して複数枚設けられている。正極12は貫通孔14を設けた正極集電体12aと、正極用の電極合材層12bから構成されている。かかる正極集電体12a上には端子12cが設けられる。各端子12cを結線して正極用の外部接続端子12dを構成する。
The
負極11にセパレータ20を合体させた構成では、負極11とセパレータ20とのサイズがほぼ同じ場合、すなわち両者のエッジ部分がほぼ一致している場合には、セパレータ20を介して設ける正極12のサイズは、負極11と異なることが好ましい。例えば、図5に示すように、負極11の外周が、正極12の外周より2mm以上大きくなるように設定する。これにより両者の短絡防止が図れて好ましい。尚、図5には、負極11と、正極12の大きさを模式的に対比して示した。
In the configuration in which the
負極11の外周が、正極12の外周より2mm未満の場合には、両エッジ部分が近接して、両者が短絡する虞がある。また、正極と負極のサイズに15mmを超える差がありすぎると、エネルギー密度が低下し、好ましくない。よって、例えば、負極11の外周と正極12の外周の差が15mm以下のサイズとなるように設定する。すなわち、図5に示すように、外周の差は、2mm以上、15mm以下が好ましい。
When the outer periphery of the
尚、上記負極、正極の大きさの制限は、負極がセパレータと合体されている場合である。しかし、本発明は正極に当然に適用できるため、正極がセパレータと合体されている場合には、セパレータは負極とほぼ同じサイズかそれ以上で、正極が負極よりその外周が2mm以上、15mm以下の範囲で小さければよい。 In addition, the restriction | limiting of the magnitude | size of the said negative electrode and a positive electrode is a case where the negative electrode is united with the separator. However, since the present invention is naturally applicable to the positive electrode, when the positive electrode is combined with the separator, the separator is approximately the same size or larger than the negative electrode, and the outer periphery of the positive electrode is 2 mm or more and 15 mm or less than the negative electrode. Small in range.
また、図4に示すリチウムイオン電池200aでは、予め負極11にリチウムイオンをドープするために用いられるリチウム極15が、負極11、正極13とは別途設けられている。図4に示すように、リチウム極15は、例えば、金属リチウム15aから構成され、リチウム極集電体15bに設けられている。セパレータ20を介して、積層構成の最外部に位置する負極11に、対面して配置する。リチウム極集電体15bには、リチウム極端子が設けられる。かかるリチウム極端子は負極11の端子11cと共に結線されて、外部接続端子11dにつながる。
Further, in the
図4に示すように、負極11と、正極12と、リチウム極15とで、三極積層ユニット30を構成する。かかる三極積層ユニット30は、深絞りされたラミネートフィルム容器40aの外装容器40に収められる。三極積層ユニット30が収められたラミネートフィルム容器40a内には、電解液が充填され、三極積層ユニット30は電解液に含浸している。かかる構成のラミネートフィルム容器40aからは、図4に示すように、前記外部接続端子11d、12dが外部に出され、必要な外部への端子接続を行う。
As shown in FIG. 4, the
セパレータ合体型電極100の材料構成については、次の通りである。
The material configuration of the separator combined
蓄電装置200に使用される電極合材層には、負極活物質としてリチウムイオン等のイオンをドープ、あるいは脱ドープできる物質を用いる。例えば、グラファイト、種々の炭素材料、PAS等を含めたポリアセン系物質、スズ酸化物、珪素化合物等である。かかる負極活物質は、粉末状、粒状、短繊維状等に形成され、後記するバインダ等と混合してスラリーに形成して、負極集電体上等に塗布する。
For the electrode mixture layer used in the
正極活物質としては、リチウムイオンやアニオンを可逆的にドープ、あるいは脱ドープできる物質を用いる。例えば、活性炭、導電性高分子、PASを含めたポリアセン系物質等である。蓄電装置をリチウムイオン二次電池として構成する場合には、リチウム含有金属酸化物、特に、リチウム含有遷移金属酸化物あるいはリチウム硫化物等を用いる。 As the positive electrode active material, a material that can be reversibly doped or dedoped with lithium ions or anions is used. For example, activated carbon, conductive polymers, polyacene-based materials including PAS, and the like. When the power storage device is configured as a lithium ion secondary battery, a lithium-containing metal oxide, particularly a lithium-containing transition metal oxide or lithium sulfide is used.
バインダとしては、例えば、SBR等のゴム系バインダ、ポリ四フッ化エチレン、ポリフッ化ビニリデン等の含フッ素系樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂を用いる。 As the binder, for example, a rubber-based binder such as SBR, a fluorine-containing resin such as polytetrafluoroethylene or polyvinylidene fluoride, or a thermoplastic resin such as polypropylene or polyethylene is used.
また、導電材としては、例えば、アセチレンブラック、グラファイト、金属粉末等を用いる。かかる導電材は、必要に応じて、適宜量使用すればよい。 Further, as the conductive material, for example, acetylene black, graphite, metal powder, or the like is used. The conductive material may be used in an appropriate amount as necessary.
集電体としては、集電体の表裏面を貫く貫通孔を供えているものを用いる。例えば、エキスパンドメタル、パンチメタル、網、発泡体等である。貫通孔の形状、個数等は、特に限定することはなく、リチウムイオン等のイオンの移動を妨害しないものであればよい。負極集電体には、例えば、ステンレス鋼、銅、ニッケル等を用いる。正極集電体には、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼等を用いる。 As the current collector, one provided with a through hole penetrating the front and back surfaces of the current collector is used. For example, expanded metal, punch metal, net, foam and the like. The shape and number of the through holes are not particularly limited as long as they do not hinder the movement of ions such as lithium ions. For the negative electrode current collector, for example, stainless steel, copper, nickel or the like is used. For the positive electrode current collector, for example, aluminum, stainless steel, or the like is used.
セパレータには、電解液、負極活物質、正極活物質等に対して反応することなく、耐久性があるものを用いる。イオンが通過できるように、セパレータの表裏面を連通する気孔を有し、電気伝導性のない多孔質体であればよい。材質としては、例えば、紙等のセルロース、ポリエチレン、ポリプロピレン等を用いる。 A separator having durability without reacting with an electrolytic solution, a negative electrode active material, a positive electrode active material, or the like is used. Any porous body having pores communicating with the front and back surfaces of the separator and having no electrical conductivity may be used so that ions can pass through. As the material, for example, cellulose such as paper, polyethylene, polypropylene, or the like is used.
電解液としては、高電圧でも電気分解を起こさず、かつ、リチウムイオンを安定的に存在させるという観点から選ぶ。例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、アセトニトリル、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、ジオキシソラン、塩化メチレン、スルホラン等を、単独で、あるいは適宜混合したものを用いる。 The electrolyte is selected from the viewpoint of preventing electrolysis even at a high voltage and allowing lithium ions to exist stably. For example, ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, γ-butyrolactone, acetonitrile, dimethoxyethane, tetrahydrofuran, dioxysolane, methylene chloride, sulfolane, or the like may be used alone or in an appropriate mixture.
かかる電解液に溶かす電解質としては、例えば、LiClO4、LiAsF6、LiBF4、LiPF6、LIN(C2F5SO2)2等を用いる。 As the electrolyte dissolved in the electrolytic solution, for example, LiClO 4 , LiAsF 6 , LiBF 4 , LiPF 6 , LIN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 or the like is used.
また、外装容器としては、例えば、アルミニウムのラミネートフィルムを用いる。あるいは外側にナイロンフィルム、中心にアルミニウム箔、内側に変性ポリプロピレン等を配した3層ラミネートフィルムを用いる。 Moreover, as an exterior container, the laminated film of aluminum is used, for example. Alternatively, a three-layer laminate film having a nylon film on the outside, an aluminum foil in the center, and a modified polypropylene on the inside is used.
上記の本発明に係る構成を、以下、実施例により詳細に検証した。 The configuration according to the present invention described above was verified in detail by the following examples.
(実施例1)
[負極の製造]フラン樹脂炭の原料であるフルフリルアルコールを、60℃で24時間保持して樹脂を硬化させ、黒色樹脂を得た。かかる黒色樹脂を電気炉内に入れ、窒素雰囲気下にて1200℃まで3時間で昇温し、その到達温度にて2時間保持した。放冷冷却後、取り出した試料をボールミルで粉砕して、D50%(50%体積累積径)=5.0μmの難黒鉛化炭素粉末(水素原子/炭素原子=0.008)を得た。
Example 1
[Production of Negative Electrode] Furfuryl alcohol, which is a raw material of furan resin charcoal, was held at 60 ° C. for 24 hours to cure the resin, thereby obtaining a black resin. The black resin was placed in an electric furnace, heated to 1200 ° C. in 3 hours in a nitrogen atmosphere, and held at that temperature for 2 hours. After cooling by cooling, the sample taken out was pulverized by a ball mill to obtain non-graphitizable carbon powder (hydrogen atom / carbon atom = 0.008) having D50% (50% volume cumulative diameter) = 5.0 μm.
かかる試料86重量部を、アセチレンブラック粉体6重量部、アクリル系樹脂バインダ5重量部、カルボキシメチルセルロース3重量部、水200重量部と、充分混合した。これにより負極用の電極合材層となるスラリーを得た。 86 parts by weight of the sample was sufficiently mixed with 6 parts by weight of acetylene black powder, 5 parts by weight of an acrylic resin binder, 3 parts by weight of carboxymethyl cellulose, and 200 parts by weight of water. This obtained the slurry used as the electrode compound-material layer for negative electrodes.
得られたスラリーを、負極集電体としての厚さ32μm(気孔率50%)の銅製エキスパンドメタルの両面に塗工した。これにより、負極用の電極合材層を形成した。電極合材層が乾く前に、最大口径が1μmで透気度が10sec/100mLのセルロース系セパレータを重ね、60℃に設定した乾燥機の中で乾燥した。これにより、セパレータ合体型の負極を得た。電極合材層に含まれる負極活物質の量を、表裏両面を含む負極の面積で割った値(負極活物質の目付量)は4.0mg/cm2であった。尚、集電体のほぼ全ての貫通穴は、電極合材層により閉塞された。 The obtained slurry was coated on both sides of a copper expanded metal having a thickness of 32 μm (porosity 50%) as a negative electrode current collector. Thereby, the electrode compound material layer for negative electrodes was formed. Before the electrode mixture layer was dried, a cellulose-based separator having a maximum aperture of 1 μm and an air permeability of 10 sec / 100 mL was stacked and dried in a dryer set at 60 ° C. As a result, a separator-integrated negative electrode was obtained. The value (weight per unit area of the negative electrode active material) obtained by dividing the amount of the negative electrode active material contained in the electrode mixture layer by the area of the negative electrode including both the front and back surfaces was 4.0 mg / cm 2 . Note that almost all through holes of the current collector were blocked by the electrode mixture layer.
[正極の製造]比表面積2000m2/gの市販されている活性炭粉末85重量部、アセチレンブラック粉体5重量部、アクリル系樹脂バインダ6重量部、カルボキシメチルセルロース4重量部および水200重量部を、充分混合した。これにより正極用の電極合材層となるスラリーを得た。 [Production of positive electrode] 85 parts by weight of a commercially available activated carbon powder having a specific surface area of 2000 m 2 / g, 5 parts by weight of acetylene black powder, 6 parts by weight of an acrylic resin binder, 4 parts by weight of carboxymethyl cellulose and 200 parts by weight of water, Mix well. This obtained the slurry used as the electrode compound-material layer for positive electrodes.
厚さ35μm(気孔率50%)のアルミニウム製エキスパンドメタルの両面に非水系のカーボン系導電塗料をスプレー方式にてコーティングし、乾燥させた。これにより、導電層が形成された正極集電体を得た。全体の厚さ(集電体厚さと導電層厚さとの合計)は52μmであった。 A non-aqueous carbon conductive paint was coated on both sides of an aluminum expanded metal having a thickness of 35 μm (porosity 50%) by a spray method and dried. This obtained the positive electrode electrical power collector in which the conductive layer was formed. The total thickness (the sum of the current collector thickness and the conductive layer thickness) was 52 μm.
正極集電体を垂直方向に牽引しながら、電極合材層としてのスラリーをダイコータにて、この正極集電体の両面に均等に塗工した。これを乾燥し、プレスすることで、厚み129μmの正極を得た。電極合材層の厚みは77μmであった。また、電極合材層に含まれる正極活物質の量を、表裏両面を含む正極の面積で割った値(正極活物質の目付量)は3.5mg/cm2であった。尚、集電体のほぼ全ての貫通穴は、電極合材層により閉塞された。 While pulling the positive electrode current collector in the vertical direction, the slurry as the electrode mixture layer was uniformly coated on both surfaces of the positive electrode current collector with a die coater. This was dried and pressed to obtain a positive electrode having a thickness of 129 μm. The thickness of the electrode mixture layer was 77 μm. Moreover, the value (weight per unit area of the positive electrode active material) obtained by dividing the amount of the positive electrode active material contained in the electrode mixture layer by the area of the positive electrode including both the front and back surfaces was 3.5 mg / cm 2 . Note that almost all through holes of the current collector were blocked by the electrode mixture layer.
[負極の単位重量当りの静電容量測定]評価用負極として、上記セパレータ合体型の負極を1.5cm×2.0cmのサイズに切り出した。また、セパレータとして、厚さ50μmのポリエチレン製不織布を用意した。また、評価用負極の対極として、1.5cm×2.0cmのサイズで、厚み200μmの金属リチウムを用意した。評価用負極と、金属リチウムを、セパレータを介して対向させることにより、模擬セルを組んだ。 [Capacitance Measurement per Unit Weight of Negative Electrode] As a negative electrode for evaluation, the separator-integrated negative electrode was cut into a size of 1.5 cm × 2.0 cm. Further, a polyethylene nonwoven fabric having a thickness of 50 μm was prepared as a separator. Moreover, as a counter electrode of the negative electrode for evaluation, metallic lithium having a size of 1.5 cm × 2.0 cm and a thickness of 200 μm was prepared. A simulation cell was assembled by making the negative electrode for evaluation and metallic lithium face each other via a separator.
金属リチウムを参照極として用いた。電解液としてはプロピレンカーボネートにLiPF6を1.2モル/Lの濃度で溶解した溶液を用いた。充電電流1mAにて負極活物質に500mAh/g分のリチウムイオンを充電した。その後、放電電流1mAにて、負極電位が1.5Vに達するまで放電を行った。放電開始1分後の負極電位より更に0.2Vの電位変化が生じるまでの放電時間に基づき、負極の単位重量当りの静電容量を求めた。静電容量は、4286F/gであった。 Metallic lithium was used as a reference electrode. As the electrolytic solution, a solution obtained by dissolving LiPF 6 in propylene carbonate at a concentration of 1.2 mol / L was used. The negative electrode active material was charged with 500 mAh / g of lithium ions at a charging current of 1 mA. Thereafter, discharging was performed at a discharge current of 1 mA until the negative electrode potential reached 1.5V. The electrostatic capacity per unit weight of the negative electrode was determined based on the discharge time until a potential change of 0.2 V further occurred from the negative electrode potential one minute after the start of discharge. The capacitance was 4286 F / g.
[正極の単位重量当りの静電容量測定]評価用正極として、上記正極を1.5cm×2.0cmのサイズに切り出した。また、セパレータとして、厚さ50μmのポリエチレン製不織布を用意した。また、評価用正極の対極として、1.5cm×2.0cmのサイズで、厚み200μmの金属リチウムを用意した。評価用正極と、金属リチウムを、セパレータを介して対向させることにより、模擬セルを組んだ。 [Capacitance Measurement per Unit Weight of Positive Electrode] The positive electrode was cut into a size of 1.5 cm × 2.0 cm as a positive electrode for evaluation. Further, a polyethylene nonwoven fabric having a thickness of 50 μm was prepared as a separator. Moreover, as a counter electrode of the positive electrode for evaluation, metallic lithium having a size of 1.5 cm × 2.0 cm and a thickness of 200 μm was prepared. A simulation cell was assembled by making an evaluation positive electrode and metallic lithium face each other via a separator.
金属リチウムを参照極として用いた。電解液としてはプロピレンカーボネートにLiPF6を1.2モル/Lの濃度で溶解した溶液を用いた。充電電流1mAにて3.6Vまで充電した。その後、定電圧充電を行った。総充電時間が1時間を経過した後に、放電電流1mAにて正極電位が2.5Vに達するまで放電を行った。正極電位が3.5Vから2.5Vに達するまでの放電時間に基づき、正極の単位重量当りの静電容量を求めた。静電容量は、140F/gであった。 Metallic lithium was used as a reference electrode. As the electrolytic solution, a solution obtained by dissolving LiPF 6 in propylene carbonate at a concentration of 1.2 mol / L was used. The battery was charged to 3.6 V at a charging current of 1 mA. Thereafter, constant voltage charging was performed. After a total charging time of 1 hour, discharging was performed at a discharge current of 1 mA until the positive electrode potential reached 2.5V. Based on the discharge time until the positive electrode potential reached from 3.5V to 2.5V, the capacitance per unit weight of the positive electrode was determined. The capacitance was 140 F / g.
[三極積層ユニットの作製]セパレータ合体型の負極を、6.2cm×7.7cm(端子溶接部を除く)のサイズで、ロールカッターによりセパレータごと切り出し、12枚の負極を用意した。正極を5.8cm×7.3cm(端子溶接部を除く)のサイズで切り出し、11枚の正極を用意した。尚、セパレータは、負極と一体化しており、負極の切り出しにより、端子溶接部以外の3辺は、セパレータのエッジと負極のエッジは一致している。 [Preparation of Tripolar Laminate Unit] A separator-integrated negative electrode was cut into a size of 6.2 cm × 7.7 cm (excluding the terminal welded portion) with a roll cutter, and 12 negative electrodes were prepared. The positive electrode was cut out with a size of 5.8 cm × 7.3 cm (excluding the terminal welded portion) to prepare 11 positive electrodes. The separator is integrated with the negative electrode, and the edge of the separator and the edge of the negative electrode coincide with each other on the three sides other than the terminal welded portion by cutting out the negative electrode.
正極集電体、負極集電体の端子溶接部がそれぞれ反対側になるように、正極と負極とを交互に積層した。この際、負極外周よりも正極外周が2mm小さくなるように配置した。 The positive electrode and the negative electrode were alternately laminated so that the terminal welds of the positive electrode current collector and the negative electrode current collector were on opposite sides. At this time, the outer periphery of the positive electrode was arranged to be 2 mm smaller than the outer periphery of the negative electrode.
尚、電極の最外部が負極となるように積層した。最上部と最下部とは負極に一体化したセパレータが配置されている。積層した正極、負極の集合体の4辺をテープで留めた。正極集電体の端子溶接部(11枚)を、幅50mm、長さ50mm、厚さ0.2mmのアルミニウム製正極端子にまとめて超音波溶接した。負極集電体の端子溶接部(12枚)を、幅50mm、長さ50mm、厚さ0.2mmの銅製負極端子にまとめて超音波溶接した。これにより、電極積層ユニットを構成した。 In addition, it laminated | stacked so that the outermost part of an electrode might become a negative electrode. The uppermost part and the lowermost part have separators integrated with the negative electrode. Four sides of the laminated positive and negative electrode assemblies were fastened with tape. The terminal welded portions (11 sheets) of the positive electrode current collector were collectively ultrasonically welded to an aluminum positive electrode terminal having a width of 50 mm, a length of 50 mm, and a thickness of 0.2 mm. The terminal welded portions (12 sheets) of the negative electrode current collector were collectively ultrasonically welded to a copper negative electrode terminal having a width of 50 mm, a length of 50 mm, and a thickness of 0.2 mm. Thereby, the electrode lamination unit was constituted.
リチウム極集電体として、厚さ80μmのステンレス網を用意した。金属リチウム箔を、ステンレス網に圧着して、リチウム極とした。リチウム極を、最外部の負極と完全に対向するように、電極積層ユニットの上部に1枚配置した。これにより、三極積層ユニットを得た。尚、リチウム極集電体の端子溶接部は負極端子溶接部に抵抗溶接した。 A stainless steel net having a thickness of 80 μm was prepared as a lithium electrode current collector. A metal lithium foil was pressure-bonded to a stainless steel mesh to form a lithium electrode. One lithium electrode was placed on top of the electrode stack unit so as to completely face the outermost negative electrode. Thereby, a three-pole laminated unit was obtained. The terminal welding part of the lithium electrode current collector was resistance welded to the negative electrode terminal welding part.
[セルの作製および電解液の含浸]三極積層ユニットの形状にあわせて3.5mmに深絞りしたラミネートフィルムを2枚用意した。このラミネートフィルムを合わせて、ラミネートフィルム容器を形成した。その間へ上記三極積層ユニットを設置し、ラミネートフィルム容器の三辺を熱融着して袋状にした。電解液として、プロピレンカーボネートに対して1モル/Lの濃度となるようにLiPF6を溶解した溶液を用意した。 [Preparation of Cell and Impregnation with Electrolytic Solution] Two laminate films deep-drawn to 3.5 mm in accordance with the shape of the three-pole laminated unit were prepared. This laminate film was put together to form a laminate film container. In the meantime, the three-pole laminated unit was installed, and three sides of the laminated film container were heat-sealed to form a bag. As an electrolytic solution, a solution in which LiPF 6 was dissolved so as to have a concentration of 1 mol / L with respect to propylene carbonate was prepared.
ラミネートフィルム容器の熱融着されていない残りの一辺に漏斗を挿入して、スポイトにて電解液を少量注液しては真空含浸を繰り返し、総量15gを含浸させた。その後に、残り一辺を、減圧下にて熱融着して、フィルム型セルを完成させた。フィルム型セルは、4セル組み立てた。尚、セル内に配置された金属リチウムは、負極活物質の重量当り500mAh/g相当である。 A funnel was inserted into the remaining side of the laminate film container that was not heat-sealed, and a small amount of electrolyte was injected with a dropper, and vacuum impregnation was repeated to impregnate a total amount of 15 g. Then, the remaining one side was heat-sealed under reduced pressure, and the film type cell was completed. Four film type cells were assembled. In addition, the metallic lithium arrange | positioned in a cell is equivalent to 500 mAh / g per weight of a negative electrode active material.
[セルの初期評価]電解液を含浸してから20日間放置後に、4セルのうち1セルを分解した。分解したセルでは、金属リチウムは完全に無くなっていた。このことから、負極活物質には、単位重量当り500mAh/gのリチウムイオンが予めドープされた(プレドープされた)と判断した。 [Initial Evaluation of Cell] After impregnating with the electrolytic solution, the cell was allowed to stand for 20 days, and 1 cell out of 4 cells was decomposed. In the decomposed cell, the lithium metal was completely lost. From this, it was judged that the negative electrode active material was pre-doped (pre-doped) with 500 mAh / g lithium ions per unit weight.
[セルの特性評価]1000mAの定電流で、セル電圧が3.8Vになるまで充電した。その後3.8Vの定電圧を印加する定電流−定電圧充電を30分間行った。次いで、500mAの定電流でセル電圧が2.2Vになるまで放電した。この3.8V−2.2Vのサイクルを繰り返し、10回目の放電におけるセル容量および直流内部抵抗を評価した。 [Evaluation of cell characteristics] The battery was charged at a constant current of 1000 mA until the cell voltage reached 3.8V. After that, constant current-constant voltage charging for applying a constant voltage of 3.8 V was performed for 30 minutes. Next, the battery was discharged at a constant current of 500 mA until the cell voltage was 2.2V. This cycle of 3.8V-2.2V was repeated, and the cell capacity and DC internal resistance in the 10th discharge were evaluated.
続いて、−20℃の恒温槽内に2時間放置後、同様の3.8V−2.2Vのサイクルを500回繰り返し、室温に戻してセル容量を評価した。結果を−20℃での500サイクル後における容量保持率とともに図6に示す。但し、データは3セルの平均である。 Subsequently, after being left in a thermostatic bath at −20 ° C. for 2 hours, the same cycle of 3.8 V to 2.2 V was repeated 500 times, and the cell capacity was evaluated by returning to room temperature. The results are shown in FIG. 6 together with the capacity retention after 500 cycles at −20 ° C. However, the data is an average of 3 cells.
(比較例1)
[負極の製造]負極集電体として、厚さ32μm(気孔率50%)の銅製エキスパンドメタルを用意した。この両面に、上記負極用の電極用合材層のスラリーをダイコータにて均等に塗工した。これにより、負極活物質が4.0mg/cm2である負極合材層を有する負極を得た。
(Comparative Example 1)
[Production of Negative Electrode] A copper expanded metal having a thickness of 32 μm (porosity 50%) was prepared as a negative electrode current collector. On both surfaces, the slurry of the electrode mixture layer for the negative electrode was uniformly coated with a die coater. This obtained the negative electrode which has a negative electrode compound material layer whose negative electrode active material is 4.0 mg / cm < 2 >.
[セルの製作]上記で得られた負極、および実施例1で用いた正極と同じものを用いて、実施例1と同様に、フィルム型セルを4セル組み立てた。尚、正極と負極の間には実施例1にて用いたセパレータと同じものを、別途配置した。また、セル内に配置された金属リチウムは負極活物質の単位重量当り500mAh/g相当である。 [Manufacture of Cells] Using the same negative electrode obtained above and the same positive electrode used in Example 1, four cell-type cells were assembled in the same manner as in Example 1. In addition, the same separator as that used in Example 1 was separately disposed between the positive electrode and the negative electrode. Moreover, the metallic lithium arrange | positioned in a cell is equivalent to 500 mAh / g per unit weight of a negative electrode active material.
[セルの初期評価]セルを組み立ててから20日間放置後に、4セルのうち1セルを分解したところ、金属リチウムは完全に無くなっていた。これにより、負極活物質には、負極活物質の単位重量当り500mAh/gのリチウムイオンが予めドープされたと判断した。 [Initial Evaluation of Cell] After being assembled for 20 days, one of the four cells was disassembled, and lithium metal was completely lost. Accordingly, it was determined that the negative electrode active material was previously doped with 500 mAh / g lithium ions per unit weight of the negative electrode active material.
[セルの特性評価]1000mAの定電流で、セル電圧が3.8Vになるまで充電した。その後3.8Vの定電圧を印加する定電流−定電圧充電を30分間行った。次いで、500mAの定電流でセル電圧が2.2Vになるまで放電した。この3.8V−2.2Vのサイクルを繰り返し、10回目の放電におけるセル容量および直流抵抗を評価した。 [Evaluation of cell characteristics] The battery was charged at a constant current of 1000 mA until the cell voltage reached 3.8V. After that, constant current-constant voltage charging for applying a constant voltage of 3.8 V was performed for 30 minutes. Next, the battery was discharged at a constant current of 500 mA until the cell voltage was 2.2V. This cycle of 3.8V-2.2V was repeated, and the cell capacity and DC resistance in the 10th discharge were evaluated.
続いて、−20℃の恒温槽内に放置後、同様の3.8V−2.2Vのサイクルを500回繰り返し、室温に戻してセル容量を評価した。結果を−20℃での500サイクル後における容量保持率とともに図6に示す。但し、データは3セルの平均である。 Subsequently, after being left in a constant temperature bath at −20 ° C., the same 3.8 V-2.2 V cycle was repeated 500 times, and the cell capacity was evaluated by returning to room temperature. The results are shown in FIG. 6 together with the capacity retention after 500 cycles at −20 ° C. However, the data is an average of 3 cells.
実施例1と比較例1とは、同じ目付量の正極および負極を用いているため、初期の放電容量は同じである。しかし、−20℃における500回のサイクル試験後の容量保持率は、実施例1の方が結果は優れていた。また、−20℃において500サイクル経過したセルを各1セル分解したところ、比較例1の負極表面には若干の金属リチウムが析出していることが確認された。 Since Example 1 and Comparative Example 1 use the same basis weight positive electrode and negative electrode, the initial discharge capacity is the same. However, the capacity retention after 500 cycle tests at −20 ° C. was superior in Example 1. Further, when each cell after 500 cycles at −20 ° C. was disassembled, it was confirmed that some metallic lithium was deposited on the negative electrode surface of Comparative Example 1.
これは、実施例1のように、セパレータ合体型に構成された負極は、セパレータと負極が密着しているために、界面通過抵抗が低くなったと考えられる。その分、実測された直流内部抵抗が低くなっている。 This is presumably because the negative electrode configured in the separator-integrated type as in Example 1 had a low interface passage resistance because the separator and the negative electrode were in close contact with each other. Accordingly, the actually measured DC internal resistance is lowered.
しかし、比較例1の場合には、直接エキスパンドメタルに電極合材層のスラリーを塗工して乾燥させ、一旦電極を構成している。かかる電極の構成に際しては、集電体の凹凸の影響を受け、電極合材層の表面に凹凸ができている。そのため、通過するイオンに対する抵抗が高く、負極活物質の表面内において電流密度にバラツキが生じたと考えられる。これにより負極表面の抵抗が高い部分に金属リチウムが析出したと推測された。結果として、−20℃での500サイクル経過後において、容量保持率が低くなったと考えられる。 However, in the case of the comparative example 1, the electrode composite material layer slurry is directly applied to the expanded metal and dried to once configure the electrode. In the configuration of such an electrode, the surface of the electrode mixture layer is uneven due to the influence of the unevenness of the current collector. For this reason, it is considered that the resistance to ions passing therethrough is high, and the current density varies within the surface of the negative electrode active material. As a result, it was estimated that metallic lithium was deposited on the portion having a high resistance on the negative electrode surface. As a result, it is considered that the capacity retention rate decreased after 500 cycles at -20 ° C.
(実施例2)
[セルの作製]負極サイズを6.0cm×7.5cm(端子溶接部を除く)とする以外は、実施例1と同様に、フィルム型セルを4セル組み立てた。尚、負極外周よりも正極外周が1mm小さく配置されている。また、セル内に配置された金属リチウムは負極活物質の単位重量当り500mAh/g相当である。
(Example 2)
[Preparation of Cell] Four film-type cells were assembled in the same manner as in Example 1 except that the negative electrode size was 6.0 cm × 7.5 cm (excluding the terminal welded portion). Note that the outer periphery of the positive electrode is 1 mm smaller than the outer periphery of the negative electrode. Moreover, the metallic lithium arrange | positioned in a cell is equivalent to 500 mAh / g per unit weight of a negative electrode active material.
[セルの初期評価]セルを組み立ててから20日間放置後に1セルを分解した。金属リチウムは完全に無くなっていた。このことから、負極活物質には、負極活物質の単位重量当り500mAh/gのリチウムイオンが予めドープされたと判断した。 [Initial Evaluation of Cell] One cell was disassembled after being left for 20 days after the cell was assembled. Metallic lithium was completely lost. From this, it was judged that the negative electrode active material was previously doped with 500 mAh / g lithium ions per unit weight of the negative electrode active material.
[セルの特性評価]1000mAの定電流でセル電圧が3.8Vになるまで充電した。その後3.8Vの定電圧を印加する定電流−定電圧充電を30分間行った。次いで、500mAの定電流でセル電圧が2.2Vになるまで放電した。この3.8V−2.2Vのサイクルを繰り返し、10回目の放電におけるセル容量および直流内部抵抗を評価した。 [Evaluation of cell characteristics] The battery was charged at a constant current of 1000 mA until the cell voltage reached 3.8V. After that, constant current-constant voltage charging for applying a constant voltage of 3.8 V was performed for 30 minutes. Next, the battery was discharged at a constant current of 500 mA until the cell voltage was 2.2V. This cycle of 3.8V-2.2V was repeated, and the cell capacity and DC internal resistance in the 10th discharge were evaluated.
続いて、−20℃の恒温槽内に放置後、同様の3.8V−2.2Vのサイクルを500回繰り返し、室温に戻してセル容量を評価した。結果を−20℃での500サイクル後における容量保持率とともに図6に示す。但し、3セルの内1セルはショートしたため、データは2セルの平均である。 Subsequently, after being left in a constant temperature bath at −20 ° C., the same 3.8 V-2.2 V cycle was repeated 500 times, and the cell capacity was evaluated by returning to room temperature. The results are shown in FIG. 6 together with the capacity retention after 500 cycles at −20 ° C. However, since one of the three cells is short-circuited, the data is an average of two cells.
本実施例では、正極外周と負極外周の差は1mmである。このため、電極合材層の脱落により、ショートしたものと考えられる。したがって、正極外周と負極外周の差は2mm以上になるように、電極のサイズを設定することが望ましいことが確認された。 In this example, the difference between the positive electrode outer periphery and the negative electrode outer periphery is 1 mm. For this reason, it is thought that it was short-circuited by dropping of the electrode mixture layer. Therefore, it was confirmed that it is desirable to set the size of the electrode so that the difference between the outer periphery of the positive electrode and the outer periphery of the negative electrode is 2 mm or more.
(実施例3)
[セルの作製]本実施例では、負極と一体化するセパレータとして、最大口径が20μmで、透気度が2sec/100mLのセルロース系セパレータを用いた。それ以外は、実施例1と同様に、フィルム型セルを4セル組み立てた。尚、セル内に配置された金属リチウムは負極活物質の単位重量当り500mAh/g相当である。
(Example 3)
[Preparation of Cell] In this example, a cellulose separator having a maximum aperture of 20 μm and an air permeability of 2 sec / 100 mL was used as the separator integrated with the negative electrode. Other than that, 4 film type cells were assembled in the same manner as in Example 1. In addition, the metallic lithium arrange | positioned in a cell is equivalent to 500 mAh / g per unit weight of a negative electrode active material.
[セルの初期評価]セルを組み立ててから20日間放置後に1セルを分解したところ、金属リチウムはいずれも完全に無くなっていた。このことから、負極活物質の単位重量当りに500mAh/gのリチウムイオンが予めドープされたと判断した。 [Initial Evaluation of Cell] After assembling the cell, the cell was disassembled after being left for 20 days. As a result, all of the metallic lithium was completely lost. From this, it was judged that 500 mAh / g lithium ion was previously doped per unit weight of the negative electrode active material.
[セルの特性評価]1000mAの定電流でセル電圧が3.8Vになるまで充電した。その後3.8Vの定電圧を印加する定電流−定電圧充電を30分間行った。次いで、500mAの定電流でセル電圧が2.2Vになるまで放電した。この3.8V−2.2Vのサイクルを繰り返し、10回目の放電におけるセル容量および直流抵抗を評価した。続いて、−20℃の恒温槽内に放置後、同様の3.8V−2.2Vのサイクルを500回繰り返し、室温に戻してセル容量を評価した。結果を−20℃での500サイクル後における容量保持率とともに図6に示す。但し、3セルの内1セルはショートしたため、データは2セルの平均である。 [Evaluation of cell characteristics] The battery was charged at a constant current of 1000 mA until the cell voltage reached 3.8V. After that, constant current-constant voltage charging for applying a constant voltage of 3.8 V was performed for 30 minutes. Next, the battery was discharged at a constant current of 500 mA until the cell voltage was 2.2V. This cycle of 3.8V-2.2V was repeated, and the cell capacity and DC resistance in the 10th discharge were evaluated. Subsequently, after being left in a constant temperature bath at −20 ° C., the same 3.8 V-2.2 V cycle was repeated 500 times, and the cell capacity was evaluated by returning to room temperature. The results are shown in FIG. 6 together with the capacity retention after 500 cycles at −20 ° C. However, since one of the three cells is short-circuited, the data is an average of two cells.
負極と一体化しセパレータの透気度が2sec/100mLと小さいため、界面通過抵抗が低くなっている。その分、実測された直流内部抵抗は小さく、特性に優れる。しかし、3セルのうち1セルはショートした。これは、電極合材層がセパレータの開口部を通して貫通し、ショートしたものと考えられる。したがって、電極と一体化させるセパレータとしては、最大口径が10μm以下であり、かつ透気度が2sec/100mLより大きいことが必要と考えた。実用的範囲としては、余裕をみて、透気度が5sec/100mL以上であることが望ましいと判断した。 Since the air permeability of the separator integrated with the negative electrode is as small as 2 sec / 100 mL, the interface passage resistance is low. Therefore, the measured DC internal resistance is small and excellent in characteristics. However, one of the three cells was shorted. This is considered that the electrode mixture layer penetrated through the opening of the separator and was short-circuited. Therefore, it was considered that the separator integrated with the electrode needs to have a maximum aperture of 10 μm or less and an air permeability of greater than 2 sec / 100 mL. As a practical range, it was judged that it is desirable that the air permeability is 5 sec / 100 mL or more with a margin.
本発明は電池やキャパシタ等の蓄電装置のセパレータ合体型の電極の分野に有効に利用することができる。 The present invention can be effectively used in the field of separator-integrated electrodes of power storage devices such as batteries and capacitors.
10 電極
10a 電極合材層
10b 集電体
11 負極
11a 負極集電体
11b 電極合材層
11c 端子
11d 外部接続端子
12 正極
12a 正極集電体
12b 電極合材層
12c 端子
12d 外部接続端子
13 貫通孔
14 貫通孔
15 リチウム極
15a 金属リチウム
15b リチウム極集電体
20 セパレータ
30 三極積層ユニット
40 外装容器
40a ラミネートフィルム容器
100 セパレータ合体型電極
200 蓄電装置
200a リチウムイオン電池
200b リチウムイオンキャパシタ
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記電極は、セパレータが前記電極から分離しないように合体され、
セパレータが合体された電極の透気度は、5sec/100mL以上であることを特徴とするセパレータ合体型の電極。 An electrode used in a power storage device,
The electrodes are combined so that the separator does not separate from the electrodes,
A separator-integrated electrode, wherein the gas permeability of the electrode combined with the separator is 5 sec / 100 mL or more.
前記電極には、セパレータが分離しないように前記電極に密着して合体されていることを特徴とするセパレータ合体型の電極。 The separator-integrated electrode according to claim 1,
A separator-integrated electrode, wherein the electrode is closely bonded to the electrode so that the separator is not separated.
前記電極は、セパレータが、前記電極を構成する集電体上の電極用の活物質層等の電極合材層に密着して合体されていることを特徴とするセパレータ合体型の電極。 The separator-integrated electrode according to claim 1 or 2,
A separator-integrated electrode characterized in that the electrode is bonded to an electrode mixture layer such as an active material layer for an electrode on a current collector constituting the electrode.
前記集電体には、貫通孔が設けられていることを特徴とするセパレータ合体型の電極。 In the separator coalescence type electrode according to any one of claims 1 to 3,
A separator-integrated electrode, wherein the current collector is provided with a through hole.
前記セパレータは、貫通する空隙の口径が10μm以下で、前記電極の大きさ以上の大きさに形成されていることを特徴とするセパレータ合体型の電極。 In the separator coalescence type electrode according to any one of claims 1 to 4,
The separator is a combined separator type electrode having a diameter of a through-hole of 10 μm or less and a size larger than the size of the electrode.
前記セパレータと前記電極との間に、前記セパレータと前記電極との双方に接して設けられた湿潤状態の電極用の活物質層等の電極合材層を乾燥させる工程を有することを特徴とするセパレータ合体型電極の製造方法。 A method for producing a separator-integrated electrode that is combined so as not to separate the separator,
A step of drying an electrode mixture layer such as an active material layer for a wet electrode provided in contact with both the separator and the electrode is provided between the separator and the electrode. Manufacturing method of separator combined electrode.
湿潤状態の電極用の活物質層等の電極合材層と前記セパレータとを合わせる工程を有することを特徴とするセパレータ合体型電極の製造方法。 A method for producing a separator-integrated electrode that is combined so as not to separate the separator,
A method for producing a separator-integrated electrode, comprising a step of combining an electrode mixture layer such as an active material layer for a wet electrode with the separator.
前記電極合材層は、前記電極を構成する貫通孔を設けた集電体に接して設けられていることを特徴とセパレータ合体型電極の製造方法。 In the manufacturing method of the separator united electrode according to claim 6 or 7,
The electrode composite material layer is provided in contact with a current collector provided with a through-hole constituting the electrode, and a method for producing a separator combined electrode.
前記蓄電装置は、リチウムイオン電池、あるいはリチウムイオンキャパシタであることを特徴とする蓄電装置。 The power storage device according to claim 9, wherein
The power storage device is a lithium ion battery or a lithium ion capacitor.
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