JP2016181363A - Method for manufacturing lithium ion secondary battery, and precursor of lithium ion secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、リチウムイオン二次電池の製造方法及びリチウムイオン二次電池の前駆体に関する。 The present invention relates to a method for producing a lithium ion secondary battery and a precursor of a lithium ion secondary battery.
リチウムイオン二次電池の放電容量が初期充電後に低下することを防止するために、電池の初期充電工程の前に、負極とリチウム金属とを反応させるリチウムプレドープが従来から行われている(例えば特許文献1)。プレドープを行うと、初期充電工程において、リチウムシリケート等の副生成物が生成されたり、電解液中のリチウムイオンが失われて放電容量が低下したりすることを防止することができる。 In order to prevent the discharge capacity of the lithium ion secondary battery from decreasing after the initial charging, lithium pre-doping for reacting the negative electrode with lithium metal has been conventionally performed before the initial charging process of the battery (for example, Patent Document 1). When pre-doping is performed, it is possible to prevent a by-product such as lithium silicate from being generated in the initial charging step, or loss of lithium ions in the electrolytic solution and a reduction in discharge capacity.
特許文献1のリチウムプレドープは、プレドープに用いられるリチウム金属片を電極積層体の積層方向の両端に配置することにより行う。しかし、この方法によれば、電極積層体のリチウム金属片に近い部分と遠い部分とで、ドープされるリチウムイオンの量及びドープの速度が異なってしまう。したがって、電極積層体の全体に均一にドープするのに長時間を要するという問題があった。
The lithium pre-doping in
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、リチウムイオン二次電池の前駆体の全体に速やかかつ略均一にリチウムプレドープを行い得るリチウムイオン二次電池の製造方法及びリチウムイオン二次電池の前駆体を提供する。 The present invention has been made in view of the above problems, and a method for producing a lithium ion secondary battery and a lithium ion secondary battery capable of quickly and substantially uniformly performing lithium pre-doping on the entire precursor of the lithium ion secondary battery A battery precursor is provided.
(1)本発明のリチウムイオン二次電池の製造方法は、貫通孔が形成された負極集電体に負極活物質層が形成された負極と、セパレータと、貫通孔が形成された正極集電体に正極活物質層が形成された正極とをこの順で1ユニットとして積層した電極対を形成する電極対形成工程と、前記電極対間にセパレータを介装させて3ユニット以上積層するユニット積層工程と、少なくとも1カ所の電極対間を含む2カ所以上の電極対の積層方向の端部にリチウム供給体を積層したリチウムイオン二次電池の前駆体を形成する前駆体形成工程と、前記負極と前記正極との間に電解質を配した状態でリチウムプレドープを行うプレドープ工程とを有する。
本発明は、各電極対にリチウムイオンを速やかかつ略均一に拡散させることができる。
(1) A method for producing a lithium ion secondary battery according to the present invention includes a negative electrode in which a negative electrode active material layer is formed on a negative electrode current collector in which through holes are formed, a separator, and a positive electrode current collector in which through holes are formed. An electrode pair forming step for forming an electrode pair in which a positive electrode having a positive electrode active material layer formed on the body is laminated in this order as one unit, and a unit lamination in which three or more units are laminated with a separator interposed between the electrode pairs A precursor forming step of forming a precursor of a lithium ion secondary battery in which a lithium supply body is stacked at an end in a stacking direction of at least two electrode pairs including at least one electrode pair, and the negative electrode And a pre-doping step of performing lithium pre-doping with an electrolyte disposed between the positive electrode and the positive electrode.
According to the present invention, lithium ions can be diffused quickly and substantially uniformly in each electrode pair.
(2)本発明は、前記前駆体形成工程において前記リチウム供給体を1ユニット以上総ユニット数/2以下の整数以下のユニット間隔を設けて前記電極対間に積層してもよい。
本発明は、各電極対にリチウムイオンを特に効率よく拡散させることができる。
(2) According to the present invention, in the precursor forming step, the lithium supply body may be stacked between the electrode pairs by providing unit intervals of 1 unit or more and a total unit number / 2 or less.
The present invention can diffuse lithium ions to each electrode pair particularly efficiently.
(3)本発明の前記負極集電体及び前記正極集電体に形成された前記貫通孔の平均孔径は、0.08mm以上0.5mm以下であるとよい。
本発明は、リチウムイオンをより一層効率よく拡散させることができる。
(3) The average hole diameter of the said through-hole formed in the said negative electrode collector of this invention and the said positive electrode collector is good in it being 0.08 mm or more and 0.5 mm or less.
The present invention can diffuse lithium ions even more efficiently.
(4)本発明は、前記リチウムイオン二次電池の前駆体の最外層に位置する前記正極の外表面側に前記リチウム供給体を積層してもよい。
本発明は、リチウムイオンをより一層均一に拡散させることができる。
(4) In the present invention, the lithium supply body may be laminated on the outer surface side of the positive electrode located in the outermost layer of the precursor of the lithium ion secondary battery.
The present invention can diffuse lithium ions more uniformly.
(5)本発明は、0.09mm以上0.21mm以下の厚さ寸法を有する前記リチウム供給体を300μm以上1000μm以下の間隔となるように前記電極対間に配してもよい。
本発明は、リチウムイオンを各電極対により効率よく拡散させることができ、またリチウム供給体を容易に積層することができる。
(5) In the present invention, the lithium supply body having a thickness dimension of 0.09 mm or more and 0.21 mm or less may be arranged between the electrode pairs so as to have an interval of 300 μm or more and 1000 μm or less.
In the present invention, lithium ions can be efficiently diffused by each electrode pair, and a lithium supply body can be easily laminated.
(6)本発明のリチウムイオン二次電池の前駆体は、貫通孔が形成された負極集電体に負極活物質層が形成された負極と、セパレータと、貫通孔が形成された正極集電体に正極活物質層が形成された正極とを、この順で1ユニットとして積層した電極対を、前記電極対間にセパレータを介装させつつ3ユニット以上積層するとともに、少なくとも1カ所の電極対間を含む2カ所以上の前記電極対の端部にリチウム供給体を積層させている。 (6) The precursor of the lithium ion secondary battery of the present invention includes a negative electrode current collector in which a through hole is formed, a negative electrode in which a negative electrode active material layer is formed, a separator, and a positive electrode current collector in which through holes are formed. Three or more electrode pairs in which a positive electrode having a positive electrode active material layer formed on the body is laminated in this order as one unit are laminated with a separator interposed between the electrode pairs, and at least one electrode pair Lithium supply bodies are stacked at the ends of the electrode pairs at two or more places including the gap.
(7)本発明のリチウムイオン二次電池の前駆体は、前記リチウム供給体を1ユニット以上総ユニット数/2以下の整数以下のユニット間隔を設けて前記電極対間に積層していてもよい。 (7) In the precursor of the lithium ion secondary battery of the present invention, the lithium supply body may be laminated between the electrode pairs by providing unit intervals of 1 unit or more and a total unit number / 2 or less. .
本発明は、リチウムイオンドープを速やかかつ略均一に行うことができるため、プレドープ工程の所要時間を短縮化することができるという効果を奏する。 According to the present invention, since lithium ion doping can be performed quickly and substantially uniformly, the time required for the pre-doping step can be shortened.
以下、本発明の実施形態について図を参照して説明する。
図1に示すように、本発明の第一実施形態の製造方法は、負極集電体2aに負極活物質層2bが形成された負極2と、セパレータ3と、正極集電体4aに正極活物質層4bが形成された正極4とを積層させて形成されるリチウムイオン二次電池1の製造方法である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, the manufacturing method of 1st embodiment of this invention is the
図1又は図2に示すように、本実施形態では、負極2とセパレータ3と正極4とをこの順で1ユニットとして積層した電極対Aを形成する電極対形成工程と、電極対A,A間にセパレータ3を介装させつつ4ユニット以上積層するユニット積層工程と、2ユニット以上の間隔を空けた2カ所以上の電極対A,A間のそれぞれにリチウム供給体5を積層したリチウムイオン二次電池の前駆体(以下「前駆体」という)Bを形成する前駆体形成工程と、負極2と正極4との間に電解質(不図示。以下同様)を配した状態でリチウムプレドープを行うプレドープ工程とを有する。
As shown in FIG. 1 or FIG. 2, in the present embodiment, an electrode pair forming step for forming an electrode pair A in which the
<電極対形成工程>
(負極2の作製)
負極2は、導電性を有した板状の集電体(負極集電体2a)の表面に負極活物質層2bを設けて形成する。負極活物質層2bの構成材料(負極材)には、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な負極活物質を含む材料であって、プレドープ工程においてリチウムと不可逆的な反応を起こす負極活物質を含む材料であれば特に制限されず、公知の負極材が適用可能である。
<Electrode pair formation process>
(Preparation of negative electrode 2)
The
負極集電体2aの材料,面積及び厚さ寸法は特に制限されず、公知のリチウムイオン二次電池の負極集電体2aと同じ材料,面積及び厚さ寸法のものを適用することができる。負極集電体2aには、具体的には例えば、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼等の金属を用いた圧延銅箔や電解銅箔等の金属板を好適に用いることができる。負極集電体2aの寸法は、例えば面積4cm×5.5cm、厚さ寸法5μm〜30μmとすることができる。
The material, area, and thickness of the negative electrode
本実施形態で使用する負極集電体2aには、その厚さ方向に電解液が通過することを可能にする貫通孔hが複数設けられている。複数の貫通孔hの形状、大きさ、個数、相対配置は特に制限されない。貫通孔hの平均孔径は、0.08mm以上0.5mm以下であることが好ましい。貫通孔hの平均孔径を上記のように設定することでリチウムイオンを可及的速やかに通過させることができるとともに、負極集電体2aの板面に負極活物質を適切に保持させることができる。
貫通孔hは、互いに独立していてもよいし、互いに連結していてもよい。貫通孔hの個数が多過ぎたり、貫通孔hが大き過ぎたり、偏って配置されたりしていると、負極集電体2aの表面に負極活物質層2bを保持することが難しくなる場合がある。この場合を考慮して、貫通孔hの個数や配置等を適宜調整する。
The negative electrode
The through holes h may be independent from each other or may be connected to each other. If the number of through holes h is too large, the through holes h are too large, or are biased, it may be difficult to hold the negative electrode
リチウムプレドープを行う際に、負極集電体2aの片面又は両面に形成された負極活物質層2bに対して均一にリチウム金属を拡散させるために、負極活物質層2bを形成した負極集電体2aの領域の全面に亘って均一になるべく多数の貫通孔hが配置されていることが好ましい。
負極集電体2aに設けられた複数の貫通孔hの形状や大きさは、互いに同じであってもよいし、異なっていてもよい。
A negative electrode current collector formed with a negative electrode
The shape and size of the plurality of through holes h provided in the negative electrode
負極活物質としては、例えばリチウムと合金化可能なケイ素や酸化ケイ素、スズ、酸化鉄等からなる炭素材料と、ポリフッ化ビニリデン、ポリイミド、ポリアクリル酸、SBR、カルボキシメチルセルロースのような結着剤とを溶媒に分散させてなる負極用スラリーを用いて構成されたものが用いられている。 As the negative electrode active material, for example, a carbon material composed of silicon, silicon oxide, tin, iron oxide or the like that can be alloyed with lithium, and a binder such as polyvinylidene fluoride, polyimide, polyacrylic acid, SBR, carboxymethylcellulose, A material composed of a slurry for a negative electrode in which is dispersed in a solvent is used.
負極活物質層2bの形成方法は特に限定されず、例えば負極活物質と、バインダーとなる結着剤、必要に応じて加えられた導電助剤を溶媒に分散させてなる負極用スラリーを負極集電体2a上に途工し、負極材に含まれる溶媒を乾燥除去して得る方法が挙げられる。負極活物質、バインダー樹脂及び導電助剤の種類及び組み合わせは特に限定されず、公知のリチウムイオン二次電池の負極活物質層2bを構成する材料の組み合わせが適用できる。
The formation method of the negative electrode
(正極4の作製)
正極4は、導電性を有した板状の集電体(正極集電体4a)の表面に正極活物質層4bを設けて形成される。正極集電体4aの材料、面積及び厚みは特に制限されず、公知のリチウムイオン二次電池の正極集電体4aと同じ材料、面積及び厚さ寸法を有する金属板を適用することができる。具体的に正極集電体4aには、例えば、面積4cm×5.5cm、厚さ寸法5μm〜30μmの圧延アルミニウム箔等を用いることができる。正極集電体4aには、アルミニウム箔のほか、特に限定されないが、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼等の金属を用いることができる。なお、正極4と負極2の面積は等しいことが好ましい。
(Preparation of positive electrode 4)
The
正極集電体4aには、その厚さ方向に電解液が通過可能な貫通孔hが複数設けられている。複数の貫通孔hの形状、大きさ、個数、相対配置の説明は、負極集電体2aに形成された貫通孔hの説明と同様である。
The positive electrode
正極活物質層4bの構成材料(正極材)としては、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な正極活物質を含む材料であれば特に限定されず、公知のリチウムイオン二次電池の正極材が適用可能である。
The constituent material (positive electrode material) of the positive electrode
正極活物質として、例えば一般式LiMxOy(ただし、Mは金属であり、x及びyは金属Mと酸素Oの組成比である)で表される金属酸リチウム化合物が用いられる。具体的には、金属酸リチウム化合物としては、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウム、これらの三元系、リン酸鉄リチウム等が用いられる。 As the positive electrode active material, for example, a metal acid lithium compound represented by the general formula LiMxOy (where M is a metal and x and y are composition ratios of the metal M and oxygen O) is used. Specifically, lithium cobaltate, lithium nickelate, lithium manganate, a ternary system thereof, lithium iron phosphate, or the like is used as the lithium metalate compound.
正極活物質層4bの形成方法は特に限定されず、例えば正極活物質と、バインダーとなる結着剤、必要に応じて加えられた導電助剤を溶媒に分散させてなる正極用スラリーを正極集電体4a上に途工し、正極材に含まれる溶媒を乾燥除去して得る方法が挙げられる。正極活物質、バインダー樹脂及び導電助剤の種類及び組み合わせは特に限定されず、公知のリチウムイオン二次電池の負極活物質層2bを構成する材料の組み合わせが適用できる。
The formation method of the positive electrode
負極活物質層2bと正極活物質層4bとを対向させて負極2と正極4とを配置し、更に両電極の間にセパレータ3を配置して、負極2と、セパレータ3と、正極4とをこの順で1ユニットとして積層した電極対Aを作製する。
The
<ユニット積層工程>
そして、セパレータ3を介装させて電極対Aを3ユニット以上(本実施形態では4ユニット)積層する。このように電極対Aを積層することで、負極2、セパレータ3、正極4、セパレータ3・・・がこの順で積層される。
<Unit lamination process>
Then, three or more electrode pairs A (4 units in this embodiment) are stacked with the
なお、ユニット積層工程は、セパレータ3を1ユニットの電極対Aごとに介装する限り、1ユニットの電極対形成工程ごとにセパレータ3を介装させて行っても、予め複数ユニットの電極対Aを用意した上で、電極対Aごとにセパレータ3を介装させて行っても、どちらでもよい。
In addition, as long as the unit stacking step is performed by interposing the
<前駆体形成工程>
2ユニット以上の間隔を空けた2カ所以上の電極対A,A間(すなわち電極対Aの積層方向の端部)のそれぞれに、リチウム供給体5を積層して前駆体Bを得る。本実施形態では、具体的には、4ユニットの電極対Aの真ん中(2ユニットの電極対A,Aと2ユニットの電極対A,Aに挟まれる電極対Aの積層方向の端部)にリチウム供給体5を配した前駆体Bを1セットとして、4セットの前駆体Bを積層する。すなわち、積層方向の一端側から2ユニットの位置でリチウム供給体5を積層した後、4ユニット毎に間隔を空けて3カ所にリチウム供給体5を配し、積層方向の他端側に2ユニットの電極対Aを積層している。
<Precursor formation step>
A precursor B is obtained by laminating a
なお、前駆体形成工程は、電極対形成工程及びユニット積層工程と同時に行っても、分けて行ってもよい。前駆体形成工程を電極対形成工程及びユニット積層工程と同時に行う場合は、負極2−セパレータ3−正極4−セパレータ3を積層する間(すなわち電極対形成工程及びユニット積層工程を繰り返す際に)にリチウム供給体5を配していく。一方、前駆体形成工程を電極対形成工程及びユニット積層工程と分けて行う場合は、予め電極対Aを複数作成しておき、セパレータ3を介装させつつ電極対Aを複数ユニット重ねる度にリチウム供給体5を配する。このように電極対形成工程及びユニット積層工程とリチウム供給体5の介装工程とを分けて行うと、前駆体Bの作製を効率的に行うことができる。
積層前又は積層後に負極2及び正極4をプレスして、各電極を構成する電極活物質層の体積密度を調整してもよい。
The precursor forming step may be performed simultaneously with the electrode pair forming step and the unit stacking step or separately. When the precursor forming step is performed simultaneously with the electrode pair forming step and the unit stacking step, the negative electrode 2-separator 3-positive electrode 4-
You may press the
セパレータ3は絶縁性を有し、電解液を保持又は通過させることが可能なものであれば特に限定されず、公知のリチウムイオン二次電池で使用されるセパレータ3が適用可能である。セパレータ3の具体例としては、不織布、オレフィン系樹脂からなる多孔質膜、絶縁性粒子からなる多孔性絶縁膜等が挙げられる。セパレータ3の厚みは、絶縁性が保たれる厚みであれば特に限定されず、例えば5〜50μm程度の厚みが挙げられる。
The
リチウム供給体5を構成する材料は、接触した電解液にリチウム金属又はリチウムイオンが溶出する材料であれば特に限定されず、公知のリチウムプレドープに使用されるリチウム金属含有材料が適用できる。例えば、リチウム金属又はリチウム合金からなる金属箔、リチウム金属又はリチウム合金を含む多孔性樹脂材料、リチウム金属又はリチウム合金を含む多孔性無機材料等、が挙げられる。リチウム供給体5がリチウム金属箔であると、リチウムプレドープの進行とともにリチウム金属箔が溶解して無くなる。
The material which comprises the
リチウム供給体5の形状は、電極対Aの表面すなわち負極2又は正極4の平板面に対向して載置することができる平面を有する板状であればよい。具体的に、板状のリチウム供給体5としては、薄く延した箔、線材のリチウム金属で編まれた平面状の布材、導電板の表面上に形成されたリチウム金属の膜等の形状を含む。なお、リチウム供給体5の負極2又は正極4に対向させる平板面の面積は、短絡防止の観点から負極2又は正極4の板面よりもわずかに小さく形成されていることが望ましい。
The shape of the
リチウム供給体5の厚さは特に限定されず、負極2の不可逆容量を担保する量のリチウム金属を供給可能な厚さを適宜設定すればよいが、溶け残りが発生するのは好ましくない。したがって、リチウム供給体5の厚さ寸法は、例えば、90μm以上210μm以下であることが好ましく、100μm〜200μmの範囲であればより好ましい。
また、リチウム供給体5の配置間隔は、300μm以上1000μm以下であることが好ましく、400μm以上900μm以下であることがより好ましい。このような厚さ寸法にすることにより、皺等を生じさせずにリチウム供給体5を容易に積層することが可能となる。
The thickness of the
Moreover, the arrangement interval of the
このようにリチウム供給体5を少なくとも1か所の電極対A,A同士の間を含む単数又は複数ユニットの電極対Aの端部に1ユニット以上総ユニット数/2以下の整数以下のユニット間隔を設けて配することによって、リチウム金属又はリチウムイオンの拡散を電極対Aの積層方向に双方向に速やかに拡散させてリチウムドープを速やかに行うことが可能となる。
In this way, the unit interval of 1 unit or more and the total number of units / 2 or less of the
また、リチウム供給体5の厚さを90μm以上210μm以下、より好ましくは10μm以上200μm以下の範囲に設定することで、リチウム供給体5を電極対A,A間に配する際にリチウム供給体5(例えばリチウム金属箔)に皺がよることを低減することができる。これにより、電極対Aに対してリチウム供給体5が密着する部分と密着しない部分が発生する場合に生じるドープむらが発生することを抑制して、電極対Aに速やかかつ均一にリチウムドープを行うことが可能となる。
Further, by setting the thickness of the
<外装体6への封入>
前駆体Bを1セット以上形成した後、前駆体Bを外装体6で仮封止する。外装体6の種類は特に限定されず、公知のリチウムイオン二次電池に使用される金属製又は樹脂製の外装体6を採用することができる。本実施形態においては、外装体6として樹脂フィルムを用いて、前駆体Bをラミネートしたシート型のセルを得る。セルの仮封止にあたっては、負極集電体2a及び正極集電体4aにそれぞれ電気的に接続させたリードタブ7を外装体6の外部に突出させる。
<Encapsulation in
After forming one or more sets of the precursors B, the precursors B are temporarily sealed with the
ラミネートセルは、仮封止を部分的に解いて、電解質を注入した後に完全に封止する。電解質は、ゲル状又は液状であることが好ましく、液状の電解液であることがより好ましい。ゲル状又は液状であると、リチウム供給体5から溶出したリチウム金属又はリチウムイオンの電解質内における拡散効率が高まり、リチウムプレドープの処理効率が向上する。
The laminate cell is completely sealed after partially releasing the temporary sealing and injecting the electrolyte. The electrolyte is preferably in the form of a gel or liquid, and more preferably a liquid electrolyte. When it is in a gel or liquid state, the diffusion efficiency of lithium metal or lithium ions eluted from the
(電解液について)
本実施形態においては、リチウム供給体5にリチウム金属が含まれるので、電解質としては、水分が実質的に含まれない非水系電解液が好ましい。非水系電解液としては、例えば、非水系溶媒にリチウム塩が溶解された公知の非水系電解液が挙げられる。非水溶媒は、γ−ブチロラクトン等のラクトン化合物;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、メチルエチルカーボネート等の炭酸エステル化合物;ギ酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸メチル等のカルボン酸エステル化合物;テトラヒドロフラン、ジメトキシエタン等のエーテル化合物;テトラヒドロフラン、ジメトキシエタン等のエーテル化合物;アセトニトリル等のニトリル化合物;スルホラン等のスルホン化合物、ジメチルホルムアミド等のアミド化合物等、単独または2種類以上を混合して調製される。電解質塩としては、リチウムイオン二次電池において通常用いられるものであれば特に限定されず、例えば、六フッ化リン酸リチウム、過塩素酸リチウム、四フッ化ホウ酸リチウム等のリチウム塩等が挙げられる。電解液のリチウム塩濃度は特に限定されず、例えば、0.5〜2mol/L程度が挙げられる。
(About electrolyte)
In this embodiment, since lithium metal is contained in the
<プレドープ工程>
封止したラミネートセルを所定温度で静置することによって、リチウムプレドープを自然に進行させることができる。この際、ラミネートセルを加圧することにより、リチウムプレドープを更に促進することができる。リチウム供給体5から電解液に溶出したリチウム金属又はリチウムイオンは、負極集電体2aの貫通孔h及び正極集電体4aの貫通孔hを通過して、各負極活物質層2bに拡散及び浸透する。
<Pre-doping process>
Lithium pre-doping can be allowed to proceed naturally by allowing the sealed laminate cell to stand at a predetermined temperature. At this time, the lithium pre-dope can be further promoted by pressurizing the laminate cell. Lithium metal or lithium ions eluted from the
仮に、リチウム供給体5を前駆体Bの両端(最外層)のみに配するか、前駆体Bの中心に単数配するだけでは、リチウム金属箔の拡散が行われにくい箇所が発生しやすく、リチウムイオンのドープが不均一となる。その結果、リチウムイオン二次電池1の充放電時に反応が先行して進む部分はリチウムが結合することにより物理的に膨張するが、反応し難い部分は膨張しない。このため、不均一な反応は、負極活物質の不均一な膨張によるうねり又は歪みを引き起こし、負極活物質の部分的な剥がれ(ピール)が生じて電池のサイクル特性を低下させることとなる。
If the
一方、本実施形態の製造方法によれば、リチウム金属又はリチウムイオンを各負極活物質層2bに速やかにドープさせることができるため、リチウムイオン二次電池1の初期充電時にリチウム金属又はリチウムイオンが略均一にドープされた状態にすることができる。そのため、本実施形態の製造方法は、リチウムイオン二次電池1の充放電による負極活物質の膨張収縮が均一に行われ易く、サイクル後の負極2のピール強度も均一となり、結果としてサイクル特性を向上させることができるという効果を奏する。
On the other hand, according to the manufacturing method of the present embodiment, lithium metal or lithium ions can be quickly doped into each negative electrode
なお、前駆体Bの最外層に位置する負極2及び正極4の外表面側にセパレータ3を介してリチウム供給体5を積層するとなおよい。リチウム供給体5をこのように配することで、電極対Aに対してリチウムイオンを積層方向の双方から拡散させ、より速やかにドープを行うことができる。
In addition, it is more preferable that the
以下、実施例を示して本発明についてさらに詳しく説明する。ただし、本発明は以下に示す実施例に何ら限定されない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples.
(1)使用した原料
本実施例で使用した原料を以下に示す。
[実施例1]
(負極2の作製)
厚さ10μmのパンチング銅箔(厚さ10μm,穴径0.35mm,空孔率16.7%、福田金属箔粉工業(株)社製)の両面に、片面塗工厚み30μmで負極材を塗布し負極2を得た。得られた負極2は、負極活物質層2b部分が40mm×55mmであった。
(1) Used raw materials The raw materials used in this example are shown below.
[Example 1]
(Preparation of negative electrode 2)
A negative electrode material with a single-side coating thickness of 30 μm on both sides of a 10 μm-thick punched copper foil (thickness 10 μm, hole diameter 0.35 mm, porosity 16.7%, manufactured by Fukuda Metal Foil Powder Co., Ltd.) The
(正極4の作製)
負極2の製造工程と同様に、厚さ15μmのパンチングAl箔(穴径0.35mm、空孔率16.7%、福田金属箔粉工業(株)社製)の両面に、上記で得られた正極材を片面厚さ42.5μm塗布した。得られた正極4は、正極活物質層4b部分が40mm×55mmであった。
(Preparation of positive electrode 4)
Similar to the manufacturing process of the
(電解液の作製)
有機溶媒として、EC及びPCの混合溶媒(EC:PC=30:70(体積比))をポリ容器に量り取り、ここにシュウ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体を加えて、シュウ酸リチウム−三フッ化ホウ素錯体中のリチウム原子の濃度が1.0モル/kgとなるようにし、23℃で混合することにより、電解液を得た。
(Preparation of electrolyte)
As an organic solvent, a mixed solvent of EC and PC (EC: PC = 30: 70 (volume ratio)) is weighed into a plastic container, to which a lithium oxalate-boron trifluoride complex is added, and lithium oxalate-3 The concentration of lithium atoms in the boron fluoride complex was adjusted to 1.0 mol / kg and mixed at 23 ° C. to obtain an electrolytic solution.
(リチウムイオン二次電池1の製造)
上記で得られた負極2及び正極4の間に厚さ25μm、表面積42cm×57cmのセパレータ3(積水化学工業(株)社製)を、負極2−セパレータ3−正極4を1ユニットとして、各ユニット間にセパレータ3を介装させつつ4ユニットの電極対Aを積層した。4ユニットの電極対Aの積層方向中央(すなわち電極対Aを2ユニットずつに分けた箇所)に表面積40mm×55mm,厚さ0.1mmのリチウム箔を配して1セットの前駆体Bとし、4セットを積層させた。この場合、リチウム箔の設置枚数は計4枚で、設置間隔は880μmであった。そして4セットの前駆体Bの積層方向の一端側に配された正極4にセパレータ3を介装させて更に負極2を積層した前駆体Bを作製した(図1参照)。
(Manufacture of lithium ion secondary battery 1)
A separator 3 (manufactured by Sekisui Chemical Co., Ltd.) having a thickness of 25 μm and a surface area of 42 cm × 57 cm between the
(リチウムドープ工程)
前駆体Bの各負極2及び各正極4からリードタブ7を突出させた状態で、前駆体Bをアルミニウムラミネート外装体6で仮封止し、外装体6内部に電解液を注液した上で、前駆体Bを真空封止してリチウムイオン二次電池1のセルを得た。その後、得られたセルを加圧治具により加圧及び固定し、45℃の恒温槽中にて5時間静置することによりリチウムプレドープ処理を行った。
(Lithium doping process)
In a state where the
[実施例2]
厚さ寸法が実施例1の半分である0.05mmのリチウム箔を、図3に示すように実施例1の半分の間隔である2ユニット間隔で計8枚配し、その際の設置間隔を440μmとした以外は、実施例1と同条件でリチウムイオン二次電池を作製した。
[Example 2]
As shown in FIG. 3, a total of 8 lithium foils having a thickness of half that of Example 1 are arranged at intervals of 2 units, which is a half interval of Example 1, and the installation interval at that time is set as follows. A lithium ion secondary battery was produced under the same conditions as in Example 1 except that the thickness was 440 μm.
[実施例3]
厚さ寸法が実施例1の1/4である0.025mmのリチウム箔を、図4に示すように実施例1の約1/4倍の間隔である1ユニット間隔で計16枚配し、その際の設置間隔を220μmとした以外は、実施例1と同条件でリチウムイオン二次電池1を作製した。
[Example 3]
A total of 16 pieces of 0.025 mm lithium foil having a thickness dimension of 1/4 of Example 1 are arranged at intervals of 1 unit, which is about 1/4 times that of Example 1, as shown in FIG. A lithium ion
[実施例4]
厚さ寸法が実施例1の1.67倍ある0.167mmのリチウム箔を、図5に示すように8ユニット間隔で計3枚配し、その際の設置間隔を実施例1の2倍の1760μmとした以外は、実施例1と同条件でリチウムイオン二次電池を作製した。
[Example 4]
As shown in FIG. 5, a total of three lithium foils having a thickness of 1.67 mm, which is 1.67 times that of Example 1, are arranged at intervals of 8 units, and the installation interval at that time is twice that of Example 1. A lithium ion secondary battery was produced under the same conditions as in Example 1 except that the thickness was 1760 μm.
[比較例1]
セパレータ3を介装させつつ16ユニットの電極対Aを連続して積層し、積層方向の一端の正極4にセパレータ3を挟んで負極2を積層し、積層方向の両端に(設置間隔は3520μm)、厚さ0.2mmのリチウム箔を配したこと以外は実施例1と同条件でリチウムイオン二次電池セルを作製した。
[Comparative Example 1]
16 units of electrode pairs A are continuously stacked with the
[比較例2]
正極4に孔無しの正極集電体4aを用い、負極2に孔無しの負極集電体2aを用いたこと以外は、実施例1と同条件でリチウムイオン二次電池を作製した。
[Comparative Example 2]
A lithium ion secondary battery was produced under the same conditions as in Example 1 except that the positive electrode
<評価方法>
(リチウムイオン二次電池の充放電特性の評価)
実施例1−4及び比較例1,2で得られたリチウムイオン二次電池について、25℃において0.2Cの定電流定電圧充電を、上限電圧4.2Vとして電流値が0.1Cに収束するまで行った後、0.2Cの定電流放電を2.5Vまで行った。次いで、充放電電流を0.2Cとして同様の方法で、充放電サイクルを3回繰り返し行い、リチウムイオン二次電池の状態を安定させた。次いで、充放電電流を0.2Cとして同様の方法で、充放電を行い、容量発現率({[1サイクル目の放電容量(mAh)]/[定格容量(mAh)]}×100)(%)、充放電電流を1Cとして同様の方法で、充放電サイクルを繰り返し行い、100サイクルでの容量維持率({[100サイクル目の放電容量(mAh)]/[1サイクル目の放電容量(mAh)]}×100)(%)を算出した。
<Evaluation method>
(Evaluation of charge / discharge characteristics of lithium ion secondary battery)
About the lithium ion secondary battery obtained in Example 1-4 and Comparative Examples 1 and 2, constant current constant voltage charge of 0.2 C at 25 ° C. was converged to 0.1 C with an upper limit voltage of 4.2 V. Then, 0.2 C constant current discharge was performed up to 2.5V. Subsequently, the charge / discharge current was set to 0.2 C, and the charge / discharge cycle was repeated three times in the same manner to stabilize the state of the lithium ion secondary battery. Next, charging / discharging was performed in the same manner with a charging / discharging current of 0.2 C, and a capacity expression rate ({[discharge capacity (mAh) of the first cycle) / [rated capacity (mAh)]} × 100) (% ), The charge / discharge current is set to 1 C in the same manner, the charge / discharge cycle is repeated, and the capacity retention rate at 100 cycles ({[discharge capacity at the 100th cycle (mAh)] / [discharge capacity at the first cycle (mAh) )]} × 100) (%).
(リチウムイオン二次電池1の負極2の剥離強度)
負極2へのリチウムドープのムラ(バラつき)は、リチウムドープ後に充放電された負極2の最大の剥離強度と最小の剥離強度との差(すなわち剥離強度の差異の最大値)を測定することで行った。
(Peeling strength of the
The unevenness (variation) of lithium doping to the
すなわち、負極2へのリチウムドープのムラ(バラつき)が大きいと、充放電によりバルクとしては、リチウムの吸蔵量(ドープ量)が均一になっていたとしても、充放電による電極体積の膨張収縮による歪にて電極が劣化し、その負極2の剥離強度の差として現れる。そこで、負極2へのリチウムドープのムラ(バラつき)は次のように測定した。
That is, if the unevenness (variation) of lithium dope in the
充放電後のリチウムイオン二次電池の負極2(出荷時に0.2Cにて3サイクル充放電後と規定)を、90度剥離試験機(TE−3001:テスター産業(株)製)にて、剥離強度を測定した。
試験機の測定部であるアルミ板の基台に巾19mmの両面テープ(SPG−19:スリーエム ジャパン(株)製)を貼り付け、その上に負極2を貼り付ける。負極2の端部を挟み、引っ張る動作を一度行った。測定は、各層の負極2の周辺部と中央部とを分け、負極2の剥離強度の差を測定した。
The
A 19 mm wide double-sided tape (SPG-19: manufactured by 3M Japan Co., Ltd.) is affixed to the base of an aluminum plate, which is a measurement unit of the testing machine, and the
周辺部は、例えば、負極2の端縁から内側に約1/3までの領域とし、残りの約1/3の領域を中央部とすることが出来る。具体的に、本実施例では、巾19mmのテープを負極2の端縁に合わせて貼着し、剥離して周辺部の測定を行った。また、負極2の一辺及びこれに交叉する辺の中心点に両面テープの幅方向の中心が合うようにしてテープを貼着し、剥離して中央部の測定を行った。剥離速度は、30mm/分とし、剥離角度は90度とし、剥離時の剥離強度を測定した。なお、圧着は金属のローラーで行った。
The peripheral portion can be, for example, a region extending about 1/3 from the edge of the
上記各実施例1−4および比較例1,2のリチウムドープの完了までに要した時間,100サイクル時の容量維持率及び負極2の最大剥離強度差の評価結果は表1に示すとおりである。
Table 1 shows the evaluation results of the time required for completion of lithium doping in each of the above Examples 1-4 and Comparative Examples 1 and 2, the capacity retention ratio at 100 cycles, and the maximum peel strength difference of the
上記の結果から、実施例1−4のリチウムプレドープ方法によれば、ドープの完了までを8時間以内と比較的短時間とすることができた。また、実施例1−4のリチウムプレドープ方法によれば、負極活物質層2bの剥離強度の差異を0.040N/mm以下(すなわち略一定)とし、均質で優れた構造的強度の電極が得られることが分かった。また、実施例1−4のリチウムプレドープ方法によれば、容量維持率80%以上と高度にすることができることが分かった。
From the above results, according to the lithium pre-doping method of Example 1-4, the completion of the doping could be made within a relatively short time of 8 hours or less. Moreover, according to the lithium pre-doping method of Example 1-4, the difference in peel strength of the negative electrode
一方、比較例1,2のリチウムプレドープ方法では、リチウムが完全に溶け切らず、負極活物質層2bの剥離強度の最大の差異が0.050以上と大きく、更に中央部の方が周辺部よりも剥離強度が小さかったことから、リチウムプレドープが不均一となっていることが分かった。また、容量維持率が50%以下と低く、リチウムプレドープによる負極活物質層2bの損傷が生じていることが分かった。
On the other hand, in the lithium pre-doping methods of Comparative Examples 1 and 2, lithium is not completely melted, the maximum difference in peel strength of the negative electrode
以上本発明の実施形態について、リチウム供給体5を4ユニットごとの電極対Aの間隔を空けて配した場合を例として説明したが、リチウム供給体5は、1ユニット以上総ユニット数/2以下の整数以下のユニット間隔を設けて配されていればよい。
As described above, the embodiment of the present invention has been described by taking as an example the case where the
具体的には、リチウム供給体5は、例えば電極対Aの総ユニットが3ユニットである場合は、3/2が1.5であるため、1ユニット毎に配されていればよく、電極対Aの総ユニットが4ユニットから5ユニットである場合は、1ユニット間隔以上2ユニット間隔以下でリチウム箔がリチウムイオンの拡散が均質に行われる位置に配されていればよい。また、例えば電極対Aの総ユニットが18ユニットの場合、1ユニット間隔以上9ユニット間隔以下でリチウム箔が配されていればよい。
このようにリチウム供給体5を配することで、リチウムイオンの移動距離を最長でも前駆体B全体の積層長さの半分以下に抑え、リチウムドープを速やかかつ効率的に行うことができる。
Specifically, for example, when the total unit of the electrode pair A is 3 units, the
By arranging the
1…リチウムイオン二次電池、2…負極、2a…負極集電体、2b…負極活物質層、3…セパレータ、4正極、4a…正極種電体、4b…正極活物質層、5…リチウム供給体、A…電極対、B…前駆体
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記電極対間にセパレータを介装させて3ユニット以上積層するユニット積層工程と、
少なくとも1カ所の電極対間を含む2カ所以上の電極対の積層方向の端部にリチウム供給体を積層したリチウムイオン二次電池の前駆体を形成する前駆体形成工程と、
前記負極と前記正極との間に電解質を配した状態でリチウムプレドープを行うプレドープ工程とを有するリチウムイオン二次電池の製造方法。 A negative electrode in which a negative electrode active material layer is formed on a negative electrode current collector in which through holes are formed, a separator, and a positive electrode in which a positive electrode active material layer is formed on a positive electrode current collector in which through holes are formed. An electrode pair forming step of forming electrode pairs stacked as one unit;
A unit stacking step of stacking three or more units with a separator interposed between the electrode pairs;
A precursor forming step of forming a precursor of a lithium ion secondary battery in which a lithium supply body is stacked at an end in a stacking direction of two or more electrode pairs including at least one electrode pair;
The manufacturing method of a lithium ion secondary battery which has a pre dope process which performs lithium pre dope in the state which arranged electrolyte between the said negative electrode and the said positive electrode.
セパレータと、
貫通孔が形成された正極集電体に正極活物質層が形成された正極とを、
この順で1ユニットとして積層した電極対を、
前記電極対間にセパレータを介装させつつ3ユニット以上積層するとともに、
少なくとも1カ所の電極対間を含む2カ所以上の電極対の端部にリチウム供給体を積層させたリチウムイオン二次電池の前駆体。 A negative electrode in which a negative electrode active material layer is formed on a negative electrode current collector having a through-hole formed therein;
A separator;
A positive electrode in which a positive electrode active material layer is formed on a positive electrode current collector in which a through hole is formed;
The electrode pairs stacked as one unit in this order
While laminating three or more units with a separator interposed between the electrode pairs,
A precursor of a lithium ion secondary battery in which a lithium supply body is laminated on the ends of two or more electrode pairs including at least one electrode pair.
The precursor of the lithium ion secondary battery according to claim 6, wherein the lithium supplier is stacked between the electrode pairs with a unit interval of 1 unit or more and a total unit number of 2 or less.
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