説明

リチウム二次電池の電極の製造方法、リチウム二次電池の電極及びリチウム二次電池

【課題】リチウム二次電池の充放電特性を改善し得るリチウム二次電池の電極の製造方法を提供する。
【解決手段】リチウム二次電池の電極の製造方法は、集電体の上に、活物質の二次粒子を含む活物質層を形成する工程と、活物質層の表面にレーザーを照射することによって、集電体に至らない複数の凹部を活物質層に形成する凹部形成工程とを備える。凹部形成工程において、活物質の二次粒子が凹部に露出するようにレーザーを照射する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、リチウム二次電池の電極の製造方法、リチウム二次電池の電極及びリチウム二次電池に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、電子機器などの電源としてリチウム二次電池が広く用いられるようになってきている。例えば、特許文献1には、活物質層に多数の独立した穴部が形成された活物質層を有する電極を備えるリチウム二次電池が開示されている。特許文献1には、活物質層に独立した穴部を多数設けることにより、優れた充放電特性が得られる旨が記載されている。また、穴部の形成方法として、針を活物質層に挿入する方法や、レーザーにより活物質層の一部を溶解させる方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2007−250510号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
針を用いて活物質層に穴を形成する方法では、針の挿入により、針が挿入された部分に存在していた活物質層が周囲に押しのけられる。このため、穴部を構成する壁部は、高い密度を有し、他の部分よりも低い空隙率を有する。従って、穴の壁面を介してのリチウムイオンの脱挿入が困難となる場合がある。それに対して、レーザーを用いて活物質層に穴を形成する場合は、壁部の密度が物理的に高められにくい。このため、レーザーを用いて活物質層に穴を形成する方法は、壁部の密度が低い穴を活物質層に形成する方法として有用であると考えられる。しかしながら、本発明者は、鋭意研究の結果、レーザーを用いて穴が形成された活物質層を有する電極を用いてリチウム二次電池を構成した場合であっても、リチウム二次電池の充放電特性を十分に改善できない場合があることを見出した。
【0005】
本発明は、リチウム二次電池の充放電特性を改善し得るリチウム二次電池の電極の製造方法を提供することを主な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明のリチウム二次電池の電極の製造方法は、集電体の上に、活物質の二次粒子を含む活物質層を形成する工程と、活物質層の表面にレーザーを照射することによって、集電体に至らない複数の凹部を活物質層に形成する凹部形成工程とを備える。凹部形成工程において、活物質の二次粒子が凹部に露出するようにレーザーを照射する。
【0007】
本発明のリチウム二次電池は、上記のリチウム二次電池の電極を備える。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、リチウム二次電池の充放電特性を改善し得るリチウム二次電池の電極の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】本発明の一実施形態におけるリチウム二次電池の略図的断面図である。
【図2】本発明の一実施形態におけるリチウム二次電池の電極の一部の略図的平面図である。
【図3】図2の線III−IIIにおける略図的断面図である。
【図4】実施例1で作製した正極の正極活物質層の表面に形成した凹部の開口部のSEM像である。
【図5】比較例1で作製した正極の正極活物質層の表面に形成した凹部の開口部のSEM像である。
【図6】実施例などで作製した正極を作用極として用いた三電極式試験用セルの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。
【0011】
また、実施形態において参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。具体的な物体の寸法比率などは、以下の説明を参酌して判断されるべきである。
【0012】
図1に示されるように、リチウム二次電池1は、電池容器17を備えている。本実施形態では、電池容器17は、円筒型である。但し、本発明において、電池容器の形状は、円筒型に限定されない。電池容器の形状は、例えば、扁平形状であってもよい。
【0013】
電池容器17内には、非水電解質を含浸した電極体10が収納されている。
【0014】
非水電解質としては、リチウム二次電子に用いられる公知の非水電解質を用いることができる。非水電解質は、溶質、溶媒などを含む。
【0015】
非水電解質に含まれる溶質としては、LiPFなど公知のリチウム塩を用いることができる。非水電解質に含まれる溶媒としては、例えば、環状カーボネート、鎖状カーボネート、及び環状カーボネートと鎖状カーボネートとの混合溶媒などが挙げられる。環状カーボネートの具体例としては、例えば、エチレンカーボネートなどが挙げられる。鎖状カーボネートの具体例としては、例えば、ジメチルカーボネートなどが挙げられる。また、非水電解質に含まれる溶媒としてイオン性液体を用いることもできる。非水電解質は、ポリエチレンオキシド、ポリアクリロニトリルなどのポリマー電解質に電解液を含浸したゲル状ポリマー電解質、LiI、LiNなどの無機固体電解質などであってもよい。
【0016】
電極体10は、電極としての正極11及び負極12と、正極11及び負極12の間に配置されているセパレータ16とが巻回されてなる。
【0017】
図2及び図3に示されるように、正極11は、正極集電体13と、正極活物質層14とを有する。正極集電体13は、例えば、Alなどの金属、Alなどの金属を含む合金により構成することができる。
【0018】
正極活物質層14は、正極集電体13の少なくとも一方の表面の上に配されている。具体的には、本実施形態では、正極活物質層14の一方の表面に配されている。正極活物質層14は、正極活物質の二次粒子を含む。正極活物質層14は、正極集電体13に至らない複数の凹部15を有する。この複数の凹部15は、正極活物質層14にレーザーが照射されることで形成された凹部である。
【0019】
正極活物質の二次粒子は、凹部15に露出している。具体的には、正極活物質の二次粒子は、隣接した二次粒子が溶融されて一体化された状態になっていない。このように、溶融されて一体化されていない状態の二次粒子が凹部15に露出している。正極活物質の二次粒子間の隙間が、凹部15に連通していることが好ましい。
【0020】
凹部15は、正極活物質層14の表面に開口している開口部を有する。凹部15の開口部の直径dは特に限定されないが、0.001μm〜0.3μm程度の範囲であることが好ましい。凹部15の開口部の直径dがこの範囲にあることにより、電極からの正極活物質層の剥離を抑制し、かつ、正極活物質層内部へのリチウムイオンの移動がスムーズに行われ、電池性能が向上する。
【0021】
また、複数の凹部15のうち、互いに隣接する凹部15間の距離W1は、500μm以下であることが好ましく、200μm以下であることがより好ましい。互いに隣接する凹部15間の距離W1がこの範囲にあることにより、電極内の反応電位をより均一にすることができるため、電位差に伴う電解液の分解など、電池の充放電反応以外の副反応を抑制することができる。
【0022】
また、凹部15の深さW2は、正極活物質層14の厚みW3の60%〜99%程度の範囲であることが好ましく、80%〜99%程度の範囲であることがより好ましい。この範囲にあることにより、電極内部への電解液の拡散がスムーズに進み、電極反応がより均一化される。
【0023】
凹部15の壁部の密度は、低いことが好ましい。凹部15の壁部の密度が低いと、正極活物質の二次粒子が、凹部15に露出しやすくなる。凹部15の壁部の空隙率は、40〜90%程度であることが好ましい。凹部15の壁部の空隙率がこの範囲にあると、正極活物質の二次粒子が、凹部15に露出しやすくなる。
【0024】
凹部15の形状は、特に限定されない。例えば、凹部15は、軸方向が正極集電極13の厚み方向に沿った円筒状、正極集電極13側に向かって先細る円錐状または円錐台状などであってもよい。
【0025】
正極活物質層14に含まれる正極活物質の種類は、特に限定されず、公知の正極活物質を用いることができる。正極活物質は、例えば、層状構造を有することが好ましい。好ましく用いられる層状構造を有する正極活物質としては、層状構造を有するリチウム含有遷移金属酸化物が挙げられる。このようなリチウム含有遷移金属酸化物としては、例えば、コバルト酸リチウム、コバルト−ニッケル−マンガンのリチウム複合酸化物、アルミニウム−ニッケル−マンガンのリチウム複合酸化物、アルミニウム−ニッケル−コバルトの複合酸化物などのコバルト及びマンガンの少なくとも1種を含むリチウム複合酸化物などが挙げられる。正極活物質は、1種類のみから構成されていてもよいし、2種類以上により構成されていてもよい。
【0026】
正極活物質の二次粒子の平均粒径は、通常3μm〜30μm程度の範囲であり、5μm〜15μm程度の範囲であることがより好ましい。
【0027】
なお、正極活物質の二次粒子の平均粒径は、レーザー回折散乱法で測定された粒度分布における累積50体積%径の値である。
【0028】
正極活物質層14は、正極活物質に加えて、結着剤、導電剤などの適宜の材料を含んでいてもよい。好ましく用いられる結着剤の具体例としては、例えばポリフッ化ビニリデンなどが挙げられる。好ましく用いられる導電剤の具体例としては、例えば、黒鉛、アセチレンブラックなどの炭素材料などが挙げられる。
【0029】
正極11は、以下のようにして製造することができる。
【0030】
まず、正極集電体13の上に、正極活物質の二次粒子を含む正極活物質層を形成する。正極活物質層は、正極集電体13の片面のみの上に形成してもよいし、両面の上に形成してもよい。
【0031】
次に、正極活物質層の表面にレーザーを照射する。これにより、正極活物質層に正極集電体13に至らない複数の凹部15を形成することにより正極活物層14を完成させる。このとき、正極活物質の二次粒子が凹部15に露出するようにレーザーを照射する。具体的には、正極活物質の二次粒子の表面の少なくとも一部が、凹部15の表面に露出するようにレーザーを照射する。すなわち、レーザーにより隣接する二次粒子が溶融されて一体化することにより、凹部15に露出するに二次粒子が無くならないようにレーザーを照射することが好ましい。
【0032】
レーザーの出力は、通常0.1W〜1.5W程度の範囲であり、0.5W〜1.0W程度の範囲であることが好ましい。レーザーの出力が大きすぎると、レーザーにより隣接する二次粒子が溶融されて一体化し、凹部15に露出するに二次粒子が無くなってしまう場合がある。また、レーザーの出力が小さすぎると、凹部15が形成されない場合がある。
【0033】
レーザーの波長は、通常10nm〜600nm程度の範囲であり、10nm〜400nmであることが好ましい。レーザーの波長がこの範囲にあることにより、凹部15を高い精度で形成することができる。
【0034】
レーザーによる凹部15の形成は、例えばトレパニングモードで行うことが好ましい。レーザーによる凹部15の形成をトレパニングモードで行うことにより、凹部15を高い精度で形成することができる。
【0035】
レーザーのビーム径は、1μm〜50μm程度とすることが好ましい。レーザーのビーム径が大きくなりすぎると、凹部15の開口部の直径dが大きくなりすぎる場合がある。レーザーのビーム径が小さくなりすぎると、凹部15の開口部の直径dが小さくなりすぎる場合がある。
【0036】
レーザーの照射は、正極活物質の二次粒子間の隙間が凹部15に連通するように行うことが好ましい。
【0037】
また、凹部15の深さW2が正極活物質層14の厚みW3の60%〜99%程度の範囲となるようにレーザーを照射して、各凹部15を形成することが好ましい。この範囲の中でも、80%〜99%程度であることがより好ましい。
【0038】
レーザーを複数回照射して各凹部15を形成することが好ましい。
【0039】
また、レーザーを複数回照射して各凹部15を形成するに際し、レーザーを照射する位置を少しずつずらしてレーザーを照射し、凹部15を形成してもよい。例えば、正極活物質層14の第1の位置にレーザーを照射した後に、第2の位置にレーザーを照射するなどして、各凹部15を形成してもよい。これにより、凹部15の同じ位置に何度もレーザーが照射されたり、長時間にわたってレーザーが照射されることを抑制できる。よって、凹部15の壁面において、正極活物質の二次粒子の多くが溶融して正極活物質の二次粒子が凹部15に露出しなくなることを抑制することができる。
【0040】
各凹部15に照射するレーザーの照射回数は、通常1回〜15回程度の範囲であり、3回〜10回程度の範囲であることが好ましい。このときの周波数は、0.1〜300kHz程度であることが好ましい。レーザーの照射回数が多すぎると、レーザーにより隣接する二次粒子が溶融されて一体化し、凹部15に露出するに二次粒子が無くなってしまう場合がある。また、レーザーの照射回数が少なすぎると、凹部15が形成されない場合がある。
【0041】
負極12は、負極集電体と、負極集電体の少なくとも一方の表面の上に配された負極活物質層とを有する。負極集電体は、例えば、銅などの金属や、銅などの金属を含む合金により構成することができる。
【0042】
負極12の負極活物質層には、正極11の正極活物質層14に形成された凹部15と同様の凹部が形成されていてもよいし、形成されていなくてもよい。
【0043】
負極活物質は、リチウムを可逆的に吸蔵・放出できるものであれば特に限定されない。負極活物質としては、例えば、炭素材料、リチウムと合金化する材料、酸化スズなどの金属酸化物などが挙げられる。リチウムと合金化する材料としては、例えば、シリコン、ゲルマニウム、スズ及びアルミニウムからなる群から選ばれた1種以上の金属、またはシリコン、ゲルマニウム、スズ及びアルミニウムからなる群から選ばれた1種以上の金属を含む合金からなるものが挙げられる。炭素材料の具体例としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、メソフェーズピッチ系炭素繊維(MCF)、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、コークス、ハードカーボン、フラーレン、カーボンナノチューブなどが挙げられる。
【0044】
負極活物質層には、グラファイトなどの公知の炭素導電剤、カルボキシメチルセルロースナトリウム(CMC)、スチレンブタジエンゴム(SB)などの結着剤などが含まれていてもよい。
【0045】
なお、負極12が、正極11の凹部15と同様の凹部を有する場合、正極11の製造方法と同様にして、凹部を有する負極12を製造することができる。
【0046】
本実施形態に係るリチウム二次電池1の正極11の製造方法では、複数の凹部15を正極活物質層14に形成する工程において、正極活物質の二次粒子が凹部15に露出するようにレーザーを照射する。これにより、リチウム二次電池1の充放電特性を改善し得る正極11を好適に製造することができる。
【0047】
正極11を用いたリチウム電池1の充放電特性が改善される理由は、次のように考えることができる。すなわち、正極11では、レーザーが照射されることで形成された、正極集電体13に至らない複数の凹部15が正極活物質層14に設けられている。そして、凹部15においては、正極活物質の二次粒子が凹部15に露出している。このため、凹部15の壁面を介して正極活物質層14でのリチウムイオンの脱挿入が起こりやすくなる。よって、正極11を用いたリチウム電池1の充放電特性が改善されると考えられる。
【0048】
正極活物質の二次粒子が凹部15に露出していない状態になると、リチウム二次電池の充放電特性の改善効果が小さくなるため好ましくない。
【0049】
凹部15において、正極活物質の二次粒子間の隙間が、凹部15に連通していると、この隙間を介して正極活物質層14でのリチウムイオンの脱挿入が起こりやすい。よって、リチウム電池1の充放電特性がより改善される。
【0050】
また、凹部15の深さW2が正極活物質層14の厚みW3の60%〜99%程度の範囲であると、凹部15の壁面のリチウムイオンの脱挿入が起こる部分が多くなる。よって、正極11を用いたリチウム電池1の充放電特性がより改善される。
【0051】
さらに、レーザーを複数回照射して各凹部15を形成することにより、凹部15の壁面において、正極活物質の二次粒子の多くが溶融して正極活物質の二次粒子が凹部15に露出しなくなることを抑制することができる。
【0052】
なお、上述の通り、負極12は、正極11と同様に、負極活物質層に凹部を有していてもよいし、凹部を有していなくてもよい。負極活物質層に正極活物質層14の凹部15と同様の凹部を有することにより、上記と同様の効果が奏される。
【0053】
以下、本発明について、具体的な実施例に基づいて、さらに詳細に説明する。但し、本発明は、以下の実施例に何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能である。
【0054】
(実施例1)
正極活物質としてLi(Ni0.33Co0.33Mn0.33)O粉末と、導電剤としてアセチレンブラックと、結着剤としてポリフッ化ビニリデンとを95:2.5:2.5の質量比で混合し、これに分散媒としてN−メチル−2−ピロリドンを加えて正極合剤スラリーを調製した。
【0055】
次いで、この正極合剤スラリーを厚みが15μmのアルミニウム箔からなる正極集電体の両面に塗布し、これを乾燥させて圧延した後、25mm×57mmに切り出して正極を得た。正極活物質層の片面の面積は、それぞれ25×50mmであった。正極活物質層の質量は450mg/10cmであった。アルミニウム箔の両面に形成された正極活物質層の片面の厚みは、それぞれ約73μmであった。正極の厚みは約160μmであった。
【0056】
この正極の両面にUVパルスレーザー(波長355nm、出力0.6W、パルス周波数30kHz、ビーム径15μm)を照射し、円錐状の凹部を正極活物質層の表面から集電体に向けて形成した。隣接する各凹部の距離は、約70μmであった。
【0057】
UVパルスレーザーの照射には、日立ビアメカニクス製LU−2F21を用いた。また、凹部の形成には、トレパニングモードを使用した。UVパルスレーザーのパルス数(レーザーの照射回数)、凹部の開口部の直径、凹部の深さ、凹部の壁部の空隙率、凹部の壁部における正極活物質の二次粒子の露出の有無を表1に示す。なお、凹部の壁部の空隙率は、凹部を形成する前後における正極の重量の変化から計算した。
【0058】
(実施例2,3、比較例1)
UVパルスレーザーのパルス数、凹部の開口部の直径、凹部の深さが、表1に記載の値になるようにUVパルスレーザーを照射したこと以外は、実施例1と同様にして凹部が形成された正極を作製した。実施例2,3及び比較例1の正極について、UVパルスレーザーのパルス数(レーザーの照射回数)、凹部の開口部の直径、凹部の深さ、正極活物質層の厚みに対する凹部の深さの割合、凹部の壁部の空隙率、凹部の壁部における正極活物質の二次粒子の露出の有無を、それぞれ表1に示す。
【0059】
(比較例2)
実施例1における凹部を形成する前の正極を比較例2の正極とした。
【0060】
【表1】

【0061】
次に、凹部の形成に要した時間について、比較例1で要した時間を1としたときの実施例1〜3の時間をそれぞれ表2に示す。
【0062】
【表2】

【0063】
表2に示される結果より、実施例1〜3の電極では、凹部の形成に要した時間が、比較例1の電極よりも大幅に短いことがわかる。比較例1のように、パルス数が大きくなると、正極活物質層の凹部に熱が加えられる時間が長くなり、凹部がこの熱り歴の影響で二次粒子が溶融、変性しやすくなる。これに対し、実施例1〜3では、パルス数が比較例1と比較して小さいため、凹部が熱り歴の影響を受けにくいと考えられる。
【0064】
次に、実施例1と比較例1で形成された凹部の開口部のSEM像をそれぞれ図4、図5に示す。図4のSEM像から明らかなように、実施例1で形成された凹部では、正極活物質の二次粒子が凹部に露出している。一方、図5のSEM像から明らかなように、比較例1で形成された凹部では、正極活物質が変成し、凹部の壁部が一体化されており、正極活物質の二次粒子が凹部に露出していないことが分かる。実施例2及び実施例3で形成された凹部も、実施例1で形成された凹部と同様であった。
【0065】
(単極セルの作製と充放電試験)
実施例1〜3及び比較例1〜2で作製した電極をそれぞれ作用極21とし、対極22及び参照極23にそれぞれ金属リチウムを用いて、図6に示されるような三電極式試験用セル20を作製した。非水電解質24にはエチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートとの体積比3:7の混合溶媒に、LiPF6 を1モル/リットル溶解させたものを使用した。
【0066】
実施例1〜3及び比較例1〜2で作製した電極を用いた三電極式試験用セル20を、それぞれ25℃にて、4.3V(vs.Li/Li)まで11mAで定電流充電した。次に、三電極式試験用セル20を、2.75V(vs.Li/Li)まで、それぞれ11mA及び267mAで定電流放電した。三電極式試験用セル20を11mAで定電流充電したときの容量、三電極式試験用セル20を267mAで定電流充電したときの容量、三電極式試験用セル20の充放電特性(負荷特性)の結果を表3に示す。なお、充放電特性(負荷特性)(%)は、(267mAで定電流充電したときの容量)/(11mAで定電流充電したときの容量)×100で求めた。なお、作用極21の酸化を充電とし、作用極21の還元を放電とした。
【0067】
【表3】

【0068】
表3から明らかな通り、実施例1〜3の電極の充放電特性は、いずれも比較例1及び2よりも優れていた。特に、凹部の深さが正極活物質層の厚みの60%以上である実施例1及び2では、リチウム二次電池の充放電特性が特に優れることが分かる。
【符号の説明】
【0069】
1…リチウム二次電池
10…電極体
11…正極
12…負極
13…正極集電体
14…正極活物質層
15…凹部
16…セパレーター
17…電池容器
20…三電極式試験用セル
21…作用極
22…対極
23…参照極
24…非水電解質


【特許請求の範囲】
【請求項1】
集電体の上に、活物質の二次粒子を含む活物質層を形成する工程と、
前記活物質層の表面にレーザーを照射することによって、前記集電体に至らない複数の凹部を前記活物質層に形成する凹部形成工程と、
を備え、
前記凹部形成工程において、前記活物質の二次粒子が前記凹部に露出するようにレーザーを照射する、リチウム二次電池の電極の製造方法。
【請求項2】
前記凹部形成工程において、前記活物質の二次粒子間の隙間が前記凹部に連通するようにレーザーを照射する、請求項1に記載のリチウム二次電池の電極の製造方法。
【請求項3】
前記凹部形成工程において、前記凹部の深さが前記活物質層の厚みの60%〜99%となるように前記凹部を形成する、請求項1または2に記載のリチウム二次電池の電極の製造方法。
【請求項4】
前記凹部形成工程において、レーザーを複数回照射することにより前記各凹部を形成する、請求項1〜3のいずれか一項に記載のリチウム二次電池の電極の製造方法。
【請求項5】
前記凹部形成工程において、前記各凹部を形成する工程は、第1の位置にレーザーを照射する工程と、第2の位置にレーザーを照射する工程とを含む、請求項4に記載のリチウム二次電池の電極の製造方法。
【請求項6】
集電体と、前記集電体の上に設けられ、活物質の二次粒子を含む活物質層とを備え、
前記活物質層は、レーザーが照射されることで形成された、前記集電体に至らない複数の凹部を有し、
前記活物質の二次粒子が前記凹部に露出している、リチウム二次電池の電極。
【請求項7】
前記活物質の二次粒子間の隙間が、前記凹部に連通している、請求項6に記載のリチウム二次電池の電極。
【請求項8】
請求項6または7に記載のリチウム二次電池の電極を備える、リチウム二次電池。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【公開番号】特開2013−97925(P2013−97925A)
【公開日】平成25年5月20日(2013.5.20)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−237694(P2011−237694)
【出願日】平成23年10月28日(2011.10.28)
【出願人】(000001889)三洋電機株式会社 (18,308)
【Fターム(参考)】