JP2004158205A - 非水電解質二次電池の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】かさ密度が0.5g/cc以上であり黒鉛粒子C1が球状等となる黒鉛と、かさ密度が0.25g/cc以下であり黒鉛粒子C2が針状やフレーク状となる黒鉛を混合した、かさ密度が0.4g/cc以上の黒鉛混合物を負極活物質とし、この負極活物質に少なくともバインダを添加した負極活物質合材12bを負極12に担持させた構成とする。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、負極電極の負極活物質に黒鉛を用いた非水電解質二次電池の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
非水電解質二次電池では、負極活物質に金属イオンの吸蔵体として各種炭素材料を用いることがある。そして、この炭素材料の中でも特に黒鉛(グラファイト)は、比較的安価で取り扱いが容易であり、充放電電位がリチウム金属の溶出電位に近く、充放電の可逆性に優れていることから、リチウムイオン二次電池等に広く用いられている。
【0003】
上記黒鉛を負極活物質として、高エネルギー密度の非水電解質二次電池を製造するには、負極への充填性が高い黒鉛を用いる必要がある。この黒鉛の充填性を表す指標の一つとしてかさ密度があり、黒鉛自体の真密度は約2.2g/ccであるが、この黒鉛の粒子形状等を調整することにより、適宜のかさ密度の黒鉛を製造することができる。例えば、図3に示すように、黒鉛粒子C1を球状に近い大きな塊とした場合には、1.0g/cc程度のかさ密度の高い黒鉛となり、図4に示すように、黒鉛粒子C2の形状を針状やフレーク状とした場合には、0.18g/cc程度のかさ密度の低い黒鉛となる。
【0004】
上記黒鉛を負極活物質として用いるには、この黒鉛にバインダ等を添加してペースト状の合材とする。そして、この合材を負極の集電基材となる銅箔等の表面に塗布し乾燥させて圧密化することによりこの負極に担持させる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、かさ密度の高い黒鉛は、バインダを添加して合材としたときに、このバインダを黒鉛粒子間に取り込み難く、合材のペースト中で沈降し易くなる。このため、電池のエネルギー密度を高めるために、かさ密度の高い黒鉛を使用すると、合材中に黒鉛とバインダが不均一に分布するようになるので、良好な充放電特性が得られなくなるという問題があった。また、このような分布の不均一があると、充放電により負極活物質が膨張収縮を繰り返した場合に、合材の電気抵抗が増加し易くなり、寿命性能が低下するという問題もあった。
【0006】
なお、逆にかさ密度の低い黒鉛を使用しても、圧密化によって圧迫することにより多孔度を低下させて充填性を高めることはできるが、針状やフレーク状の黒鉛粒子C2がこの圧密化によって集電基材の表面に平行に配向されるようになるために、電解液が浸透し難くなってエネルギー密度を十分に高めることができない。
【0007】
本発明は、かかる事情に対処するためになされたものであり、かさ密度の高い黒鉛と低い黒鉛を混合して負極活物質として用いることにより、エネルギー密度を高めると共に電池性能も向上させることができる非水電解質二次電池の製造方法を提供することを目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】
請求項1の非水電解質二次電池の製造方法は、かさ密度が0.5g/cc以上の1種以上の黒鉛とかさ密度が0.25g/cc以下の1種以上の黒鉛とを混合し、かさ密度を0.4g/cc以上とした黒鉛混合物を負極活物質の主成分とした合材を負極に担持させたことを特徴とする。
【0009】
請求項1の発明によれば、かさ密度が高い黒鉛にかさ密度の低い黒鉛を混合することにより、かさ密度の高い球状等の黒鉛粒子の間に、かさ密度の低い針状やフレーク状等の黒鉛粒子が混入するので、これらの黒鉛混合物の粒子間にバインダが入り込み易くなり、合材中で黒鉛とバインダが不均一に分布するようなことがなくなる。即ち、バインダは、大きな球状等からなる黒鉛粒子だけの間の広い間隙には入り込み難いが、この間隙に針状やフレーク状等からなる黒鉛粒子が混入することにより、これらの粒子間に容易に入り込むことができるようになる。これに対して、例えば小さい球状や太いフレーク状の粒子形状を有し、かさ密度が0.4g/cc程度となる黒鉛だけを用いた場合には、大きい球状の粒子からなる黒鉛だけを用いた場合よりは多少改善されるが、球状等と針状、フレーク状等の黒鉛粒子を混合した場合ほど粒子間にバインダが入り込み易くなるようなことはない。従って、このような黒鉛混合物を用いることにより、合材中に黒鉛とバインダとが不均一に分布するようなことがなくなるので良好な電池特性を得ることができる。しかも、このような黒鉛混合物は、全体では0.4g/cc以上の比較的高いかさ密度となるので、負極への充填性を十分に高めることができ、非水電解質二次電池の高エネルギー密度化を損なうようなことがなくなる。
【0010】
なお、上記非水電解質二次電池の製造方法では、合材が負極の集電基材となる金属箔の表面に塗布されて圧密化されることにより担持されるようにすることが好ましい。このようにすれば、金属箔の表面に塗布された合材が圧密化されるので、これにより多孔度を例えば30〜45%の範囲内の最適な値に調整することができ、電池特性を損なわない範囲内でエネルギー密度を高めることができる。また、粒子形状が針状やフレーク状等の黒鉛は、圧密化により伸展し易い特徴を有するため、粒子形状が球状等の黒鉛と混合して圧密化することにより、合材の導電性を高めることもできるようになる。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【0012】
図1〜図2は本発明の一実施形態を示すものであって、図1は黒鉛混合物に混合されたかさ密度の高い黒鉛粒子C1とかさ密度の低い黒鉛粒子C2を示す拡大図、図2は大型の非水電解質二次電池に用いられる長円筒形巻回型の発電要素の構成を示す組み立て斜視図である。
【0013】
大型の非水電解質二次電池に用いられる長円筒形巻回型の発電要素1の構成例を図2に示す。この発電要素1は、正極11と負極12をセパレータ13を介して長円筒形に巻回している。正極11は、集電基材となる帯状のアルミニウム箔11aの表面に正極活物質合材11bを担持させたものである。負極12は、集電基材となる帯状の銅箔12aの表面に負極活物質合材12bを担持させたものである。なお、これらの正極11と負極12は、上下の側端部に合材11b,12bを塗布しない未塗工部を設けておき、この未塗工部でアルミニウム箔11aと銅箔12aが露出するようにして、発電要素1の両端部から端子への接続を行うようにしている。
【0014】
正極活物質合材11bは、リチウムコバルト複合酸化物等のリチウム含有複合酸化物を正極活物質とし、これにバインダや導電補助剤を添加すると共に溶剤を加えてペースト状にしたものであり、アルミニウム箔11aの表面に塗布し乾燥させることにより正極11に担持させている。
【0015】
負極活物質合材12bは、負極活物質として、かさ密度が0.5g/cc以上の黒鉛とかさ密度が0.25g/cc以下の黒鉛とを混合した、かさ密度が0.4g/cc以上の黒鉛混合物を用いる。図3に示したように、かさ密度が0.5g/cc以上の黒鉛の黒鉛粒子C1は、一般には球状に近い大きな塊となる。また、図4に示したように、かさ密度が0.25g/cc以下の黒鉛の黒鉛粒子C2は、一般には針状やフレーク状のものとなる。これらの黒鉛粒子C1,C2が混合されると、図1に示すように、かさ密度の高い黒鉛粒子C1の間の広い間隙に、かさ密度の低い黒鉛粒子C2が混入するので、添加するバインダがこのかさ密度の低い黒鉛粒子C2間やこれとかさ密度の高い黒鉛粒子C1との間に入り込み易くなり、全体としてこれらの黒鉛粒子C1,C2の間にバインダが均一に広がるようになる。
【0016】
負極活物質合材12bは、上記負極活物質にバインダを添加すると共に溶剤を加えてペースト状にしたものである。バインダとしては、ポリフッ化ビニリデン等のように非水電解液に溶解し難いものが用いられる。このバインダの添加率は、負極活物質合材12bに対して2〜10wt%の範囲内が適当である。バインダの添加率が2wt%未満になると、負極活物質合材12b中の黒鉛粒子C1,C2間や負極12の銅箔12aの表面との結合が不十分になり、この負極12から負極活物質合材12bが脱落するおそれがある。また、バインダの添加率が10wt%を超えると、負極活物質合材12bの導電性が低下すると共に、黒鉛の含有量が減少するためにエネルギー密度も低下することになる。
【0017】
上記負極活物質合材12bは、銅箔12aの表面に塗布し乾燥させて圧密化することにより負極12に担持させている。圧密化は、ローラ等を用いることにより銅箔12aの表面に塗布された負極活物質合材12bを圧迫するものであり、これにより負極活物質合材12bの多孔度が30〜45%の範囲内となるようにしている。多孔度が大きくなりすぎるとエネルギー密度が低下し、小さくなりすぎると充放電特性が低下する。
【0018】
上記負極活物質合材12bを担持させた負極12は、ポリエチレン樹脂の微多孔膜からなるセパレータ13を介し正極11と重ね合わせて巻回することにより発電要素1が作製される。そして、この発電要素1の両端面にはみ出したアルミニウム箔11aと銅箔12aをそれぞれ正負極の端子に接続すると共に、この発電要素1を電池容器に収納し非水電解液を注入して密閉することにより非水電解質二次電池が製造される。
【0019】
上記構成により本実施形態の非水電解質二次電池の製造方法は、負極12の負極活物質合材12bに用いる負極活物質の黒鉛が、かさ密度の高い黒鉛粒子C1とかさ密度の低い黒鉛粒子C2とを混合した黒鉛混合物からなるので、これらの黒鉛粒子C1,C2の間にバインダが入り込み易くなり、負極活物質合材12b中に黒鉛とバインダが均一に分布するようになって、良好な電池特性を得ることができる。しかも、これらかさ密度の異なる黒鉛粒子C1,C2が混合した黒鉛混合物は、全体でも0.4g/cc以上の比較的高いかさ密度となるような割合で配合されるので、負極12への充填性を十分に高めることができる。さらに、この負極活物質合材12bは、かさ密度の高い黒鉛粒子C1の間にかさ密度の低い黒鉛粒子C2が混入しているので、圧密化を行っても、このかさ密度の低い黒鉛粒子C2が銅箔12aの表面に平行に配向されてしまうようなことがなくなり、電解液の浸透が妨げられるおそれも生じない。
【0020】
なお、上記実施形態では、かさ密度が高い黒鉛粒子C1として球状に近い大きな塊の粒子形状を示したが、黒鉛のかさ密度が0.5g/cc以上であれば、どのような粒子形状であっても間隙にバインダが入り込み難くなるので、同様の効果を得ることができる。また、かさ密度が低い黒鉛粒子C2として針状やフレーク状の粒子形状を示したが、黒鉛のかさ密度が0.25g/cc以下であれば、どのような粒子形状であっても、かさ密度の高い黒鉛粒子C1の間に入り込むことができるので、同様の効果を得ることができる。
【0021】
また、上記実施形態では、黒鉛混合物として、かさ密度の高いものを1種と低いものを1種ずつ混合する場合を示したが、いずれのかさ密度の黒鉛であっても、2種以上用いることができる。さらに、上記実施形態では、黒鉛混合物をそのまま負極活物質として用いたが、このような黒鉛混合物を主成分とするものであれば、他の添加物を含んだ負極活物質を用いることもできる。さらに、上記実施形態では、負極活物質にバインダを添加し溶剤を加えてペースト状の負極活物質合材12bを作製したが、この負極活物質に少なくともバインダを添加した負極活物質合材12bであればよく、その他の添加物の有無は問わない。
【0022】
また、上記実施形態では、負極12をセパレータ13を介して正極11と共に長円筒形に巻回した発電要素1について示したが、巻回の形状は任意であり、積層型の発電要素にも同様に実施可能である。さらに、上記実施形態では、正極活物質にリチウム含有複合酸化物を用いた非水電解質二次電池について示したが、他の正極活物質を用いる非水電解質二次電池の製造方法にも同様に実施可能である。
【0023】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の非水電解質二次電池の製造方法によれば、負極活物質としてかさ密度の高い黒鉛にかさ密度の低い黒鉛を混合した黒鉛混合物を用いることにより、非水電解質二次電池の高エネルギー密度化を図ると共に、電池特性も向上させることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態を示すものであって、黒鉛混合物に混合されたかさ密度の高い黒鉛粒子C1とかさ密度の低い黒鉛粒子C2を示す拡大図である。
【図2】本発明の一実施形態を示すものであって、大型の非水電解質二次電池に用いられる長円筒形巻回型の発電要素の構成を示す組み立て斜視図である。
【図3】従来例を示すものであって、かさ密度の高い黒鉛の黒鉛粒子C1を示す拡大図である。
【図4】従来例を示すものであって、かさ密度の低い黒鉛の黒鉛粒子C2を示す拡大図である。
【符号の説明】
C1 かさ密度の高い黒鉛の黒鉛粒子
C2 かさ密度の低い黒鉛の黒鉛粒子
12 負極
12a 銅箔
12b 負極活物質合材
Claims (1)
- かさ密度が0.5g/cc以上の1種以上の黒鉛とかさ密度が0.25g/cc以下の1種以上の黒鉛とを混合し、かさ密度を0.4g/cc以上とした黒鉛混合物を負極活物質の主成分とした合材を負極に担持させたことを特徴とする非水電解質二次電池の製造方法。
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