JP4497904B2 - リチウム二次電池及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明において用いる負極活物質としては、ケイ素及び/またはケイ素合金の粒子が挙げられる。ケイ素合金としては、ケイ素と他の1種以上の元素との固溶体、ケイ素と他の1種以上の元素との金属間化合物、ケイ素と他の1種以上の元素との共晶合金などが挙げられる。合金の作製方法としては、アーク溶解法、液体急冷法、メカニカルアロイング法、スパッタリング法、化学気相成長法、焼成法などが挙げられる。特に、液体急冷法としては、単ロール急冷法、双ロール急冷法、及びガスアトマイズ法、水アトマイズ法、ディスクアトマイズ法などの各種アトマイズ法が挙げられる。
本発明において用いる正極活物質としては、LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiMnO2、LiCo0.5Ni0.5O2、LiNi0.7Co0.2Mn0.1O2などのリチウム含有遷移金属酸化物や、MnO2などのリチウムを含有していない金属酸化物が例示される。また、この他にも、リチウムを電気化学的に挿入、脱離する物質であれば、制限なく用いることができる。
本発明のリチウム二次電池に用いる非水電解質の溶媒は、特に限定されるものではないが、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネートなどの環状カーボネートや、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネートなどの鎖状カーボネートが挙げられる。非水電解質の溶媒中に環状カーボネートが存在する場合、活物質粒子の表面において、リチウムイオン導電性に優れた良質の被膜が特に形成されやすいため、環状カーボネートが好ましく用いられる。特に、エチレンカーボネートが好ましく用いられる。また、環状カーボネートと鎖状カーボネートの混合溶媒を好ましく用いることができる。このような混合溶媒としては、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートを含んでいることが特に好ましい。また、上記環状カーボネートと、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタンなどのエーテル系溶媒や、γ−ブチロラクトン、スルホラン、酢酸メチル等の鎖状エステル等との混合溶媒も例示される。
〔負極の作製〕
活物質材料としての平均粒子径3μmのケイ素粉末(純度99.9%)81.8重量部を、バインダーとしてのガラス転移温度190℃の熱可塑性ポリイミド18.2重量部を含む8.6重量%のN−メチル−2−ピロリドン溶液に混合し、負極合剤スラリーを作製した。
出発原料として、Li2CO3及びCoCO3を用いて、Li:Coの原子比が1:1となるように秤量して乳鉢で混合し、これを直径17mmの金型でプレスし、加圧成形した後、空気中において800℃24時間焼成し、LiCoO2の焼成体を得た。これを乳鉢で粉砕し、平均粒子径20μmに調製した。
電解液として、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートを体積比3:7の割合で混合した溶媒に対し、LiPF6を1モル/リットル溶解し、この溶液に、5重量%となるようにビニレンカーボネートを混合して電解液を作製した。
上記の負極、正極、及び厚さ27μmのポリエチレン多孔質体のセパレータを用いて、リチウム二次電池を作製した。正極と負極とをセパレータを介して対向させて積層体とし、これを負極が内側になるように渦巻き状に巻回して、図3に示す電極体5を作製した。図1に示すように、正極2と負極3とをセパレータ4を介して対向させて積層し、これを負極3が内側になるように巻回して電極体を形成している。正極2は、正極集電体2aの両面上に正極合剤層2b及び2cを配置することにより構成されている。負極3は、負極集電体3aの両面上に負極合剤層3b及び3cを配置することにより構成されている。図3に示すように、正極の端部には正極タブ7が取り付けられており、負極の端部には負極タブ8が取り付けられている。
実験1において、セパレータを介して正極合剤層と対向した最内周の負極合剤層の曲率半径を1.4mmとなるように作製した電極体を用いること以外は、実験1と同様にして電池A2を作製した。
実験1において、正極の大きさを150×30mmの長方形状とし、負極の大きさを182×32mmの長方形状とし、この正極及び負極を用いて、図5及び図6に示すような電極体を作製した。図6は、図5に示すA−A′線に沿う断面図である。図6に示すように、積層体5は、正極2と負極3とをセパレータ4を介して積層し、さらにその外側にセパレータ4を配置し、これを巻き取った後、扁平化にすることにより形成されている。図5に示すように、正極2には正極タブ7が取り付けられ、負極3には負極タブ8が取り付けられている。この電極体5及び上記の電解液を、常温及び常圧のアルゴン雰囲気下でアルミニウムラミネートからなる袋状の外装体内に挿入し、リチウム二次電池B1を作製した。
比較として、負極活物質に天然黒鉛を用いた電池において電極体の構造が充放電サイクル特性に与える影響について検討した。
活物質材料としての平均粒子径18μmの天然黒鉛粉末90重量部を、バインダーとしてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)10重量部を含む6重量%のN−メチル−2−ピロリドン溶液に混合し、負極合剤スラリーを作製した。
実験1の電池A1の作製において、負極として上記天然黒鉛を用いた負極を用いる以外は同様にして、リチウム二次電池C1を作製した。
上記の電池A1〜A3、B1、及びC1〜C4について、充放電サイクル特性を評価した。各電池を、25℃において4.2Vまで充電した後、2.75Vまで放電し、これを1サイクルの充放電とした。1サイクル目の放電容量の80%に達するまでのサイクル数を測定し、サイクル寿命とした。電池A1〜A3及びB1についての測定結果を表1に示す。また、電池C1〜C4についての測定結果を表2に示す。
ここでは、負極の曲率半径が電池の充放電サイクル特性に与える影響について検討した。
実験1での負極の作製において、負極合剤層を集電体の片面のみに配置し、大きさを9×32mmの長方形状としたものを作製した。
実験1での正極の作製において、正極合剤層を集電体の片面のみに配置し、大きさを8×30mmの長方形状としたものを作製した。
上記の負極、正極、及び実験1と同じポリエチレン多孔質体のセパレータを用い、正極合剤層と負極合剤層とをセパレータを介して対向させた積層体を作製し、この積層体を負極集電体が内側になるようにし巻き芯としてSUS製の直径3.0mmのものを用いて巻回し、1周巻回した状態の電極体を作製した。すなわち、図2に示すように、セパレータ4を介して負極合剤層3bと正極合剤層2bが対向しており、負極集電体3aに対して負極合剤層3bが外側に位置するように巻回した。負極合剤層の曲率半径は1.5425mmである。
上記の電池A5〜A10について、充放電サイクル特性を評価した。各電池を、25℃において、4.2Vまで充電した後、2.75Vまで放電し、これを1サイクルの充放電とした。1サイクル目の放電容量の80%に達するまでのサイクル数を測定し、サイクル寿命とした。電池A5〜A10についての測定結果を表3に示す。なお、電池A5〜A10のサイクル寿命は、電池A5のサイクル寿命を100とした指数である。
ここでは、実験5での結果を踏まえ、セパレータを介して正極合剤層と対向している負極合剤層の曲率半径が2.5mm以下の負極部分における電極構造が、電池の充放電サイクル特性に与える影響について検討した。
実験1での負極の作製において、負極集電体の端部から82×32mmの長方形状の領域に負極集電体の片面にのみ負極合剤層を形成する以外は、実験1の負極作製と同様にして負極を作製した。
実験1での正極の作製において、正極集電体の端部から69×30mmの長方形状の領域に正極集電体の片面にのみ正極合剤層を形成する以外は、実験1の正極作製と同様にして正極を作製した。
上記の負極、正極、及び厚さ27μmのポリエチレン多孔質体のセパレータを用い、正極及び負極の片面塗布部分がセパレータを介して対向するように積層体を作製し、この積層体を負極を内側にして巻回して電極体を作製した。セパレータを介して正極合剤層と対向している最内周の負極合剤層の曲率半径は1.5mmであった。また、負極の片面塗布部分において負極合剤層の曲率半径が最も大きい部分の曲率半径は2.5mmであった。
上記の電池A11及びA12について、充放電サイクル特性を評価した。電池A11及びA12を、25℃において、4.2Vまで充電した後、2.75Vまで放電し、これを1サイクルの充放電とした。1サイクル目の放電容量の80%に達するまでのサイクル数を測定し、サイクル寿命とした。電池A11及びA12についての測定結果を表4に示す。なお、電池A11及び電池A12のサイクル寿命は、電池A1のサイクル寿命を100とした指数である。なお、表4には、電池A1のサイクル寿命も併せて示す。
ここでは、負極活物質の平均粒子径が電池の充放電サイクル特性に与える影響について検討した。
ここでは、負極集電体表面の算術平均粗さRaが電池の充放電サイクル特性に与える影響について検討した。
ここでは、負極合剤層に添加した導電性粉末が電池の充放電サイクル特性に与える影響について検討した。
ここでは、負極の作製における焼結条件が電池のサイクル特性に与える影響について検討した。
2…正極
2a…正極集電体
2b,2c…正極合剤層
3…負極
3a…負極集電体
3b,3c…負極合剤層
4…セパレータ
5…電極体
6…封口蓋
7…正極タブ
8…負極タブ
9…上部絶縁板
10…下部絶縁板
11…絶縁パッキング
Claims (13)
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正極活物質と正極バインダーを含む正極合剤層を正極集電体の表面上に配置した正極と、ケイ素及び/またはケイ素合金を含む負極活物質と負極バインダーを含む負極合剤層を負極集電体の表面上で焼結して配置した負極と、前記正極及び前記負極の間に配置されるセパレータと、非水電解質とを備えるリチウム二次電池において、
前記正極と前記負極を前記セパレータを介して対向させ、渦巻き状に巻回させてなる電極体が、円筒型の電池容器内に収納されており、前記渦巻き状に巻回された状態での前記セパレータを介して前記正極合剤層と対向している前記負極合剤層の最小の曲率半径は1.5mm以上であり、
前記負極合剤層の曲率半径が2.5mm以下の部分において、前記負極集電体の片面上にのみ前記負極合剤層が配置されており、かつ前記負極集電体が内側に前記負極合剤層が外側に位置するように渦巻き状に巻回されていることを特徴とするリチウム二次電池。
-
前記負極集電体表面の算術平均粗さRaが、0.2μm以上であることを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池。
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前記負極集電体が、銅箔もしくは銅合金箔、または表面に銅層もしくは銅合金層を設けた金属箔であることを特徴とする請求項1または2に記載のリチウム二次電池。
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前記負極集電体が、電解銅箔もしくは電解銅合金箔、または表面に電解銅層もしくは電解銅合金層を設けた金属箔であることを特徴とする請求項1または2に記載のリチウム二次電池。
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前記負極バインダーが、焼結のための熱処理後にも残存していることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のリチウム二次電池。
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前記負極バインダーが、ポリイミドであることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のリチウム二次電池。
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前記負極活物質の平均粒子径が、10μm以下であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のリチウム二次電池。
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前記負極活物質が、ケイ素粒子であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載のリチウム二次電池。
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前記負極合剤層に導電性粉末が混合されていることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載のリチウム二次電池。
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前記負極の焼結が、非酸化性雰囲気下で行われることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載のリチウム二次電池。
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正極活物質と正極バインダーを含む正極合剤層を正極集電体の表面上に配置した正極と、ケイ素及び/またはケイ素合金を含む負極活物質と負極バインダーを含む負極合剤層を負極集電体の表面上で焼結して配置した負極と、前記正極及び前記負極の間に配置されるセパレータと、非水電解質とを備えるリチウム二次電池を製造方法する方法であって、
前記正極と負極を前記セパレータを介して対向させ、前記負極合剤層の曲率半径が2.5mm以下の部分において、前記負極集電体の片面上にのみ前記負極合剤層を配置する工程と、
前記負極合剤層の最小の曲率半径を1.5mm以上となるようにし、前記負極合剤層の曲率半径が2.5mm以下の部分において、前記負極集電体が内側に前記負極合剤層が外側に位置するように渦巻き状に巻回させて電極体を作製する工程と、
前記電極体を円筒型の電池容器内に収納する工程とを備えることを特徴とするリチウム二次電池の製造方法。 -
前記負極バインダーの溶液中に前記ケイ素及び/またはケイ素合金を含む負極活物質粒子を均一に混合・分散させたスラリーを前記負極集電体の表面上に塗布することにより、前記負極合剤層を配置し、該負極合剤層を該負極集電体の表面上に配置した状態で焼結して負極を製造する工程をさらに備えることを特徴とする請求項11に記載のリチウム二次電池の製造方法。
-
前記負極の焼結が、非酸化性雰囲気下で行われることを特徴とする請求項11または12に記載のリチウム二次電池の製造方法。
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