JP6499427B2 - リチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Description
また、負極活物質として第1の活物質(炭素材料)と、第2の活物質(炭素材料)と、第3の活物質(シリコンと酸素とを構成元素に含む材料)のそれぞれの粒径・含有量等を規定し、負極合剤層の密度を1.4g/cm3以下に設定することで第3の活物質の膨張収縮を緩和させて、電解液の浸透性を改善する負極が提案されている。(特許文献6)
なお、ここで規定した負極合剤層の密度は、集電体の両面に負極合剤層が形成されている部分の密度である。負極合剤層の密度は、任意の大きさ(例えば5×5cm四方)に切り出した負極の質量と厚みを天秤やマイクロメーターなどで測定し、それら数値から集電体の質量と厚みを差し引くことで求められる、負極合材層の単位面積当たりの質量(例えばg/cm2、g/mm2など)を負極合材層の厚み(集電体の両面あたりの厚み)で除して算出される。
NC−(CH2)n−CN (1)
〔前記一般式(1)中、nは2〜4の整数である〕
で表される化合物、1,4−ジシアノヘプタン、1,5−ジシアノペンタン、1,6−ジシアノヘキサン、1,7−ジシアノヘプタン、2,6−ジシアノヘプタン、1,8−ジシアノオクタン、2,7−ジシアノオクタン、1,9−ジシアノノナン、2,8−ジシアノノナン、1,10−ジシアノデカン、1,6−ジシアノデカン、2,4−ジメチルグルタロニトリルなどのジニトリル;ベンゾニトリルなどの環状ニトリル;メトキシアセトニトリルなどのアルコキシ置換ニトリル;などが挙げられ、これらのうちの1種のみを用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
<負極の作製>
平均粒子径D50%が22μm、d002が0.338nm、BET法による比表面積が3.8m2/gで、アルゴンイオンレーザーラマンスペクトルにおけるR値が0.12である黒鉛A1(表面を非晶質炭素で被覆していない人造黒鉛)と、平均粒子径D50%が10μm、d002が0.336nm、BET法による比表面積が3.9m2/gで、アルゴンイオンレーザーラマンスペクトルにおけるR値が0.40である黒鉛B1(黒鉛からなる母粒子の表面を、ピッチを炭素源とした非晶質炭素で被覆した黒鉛)とを、50:50の質量比で混合した混合物:98質量部、CMC:1.0質量部、およびSBR:1.0質量部を、イオン交換水と混合して、水系の負極合剤含有ペーストを調製した。
正極活物質であるLiCo0.98Al0.008Mg0.008Ti0.004O2:97.0質量部、導電助剤であるアセチレンブラック:1.5質量部、並びにバインダであるPVDF:1.5質量部を、NMPを溶剤として均一になるように混合して、正極合剤含有ペーストを調製した。このペーストを、集電体となる厚さ12μmのアルミニウム箔の両面に、間欠塗布し、乾燥した後、カレンダー処理を行って、合剤層の塗膜密度が3.80g/cm3となるように正極合剤層の厚みを調整し、幅52mmになるように切断して、正極を作製した。更にこの正極のアルミニウム箔の露出部にタブを溶接してリード部を形成した。
二次凝集体ベーマイト5kgにイオン交換水5kgと分散剤(水系ポリカルボン酸アンモニウム塩、固形分濃度40%)0.5kgとを加え、内容積20L、転回数40回/分のボールミルで10時間解砕処理をして分散液を調製した。処理後の分散液を120℃で真空乾燥し、SEM観察をしたところ、ベーマイトの形状はほぼ板状であった。また、レーザー散乱粒度分布計(HORIBA社製「LA−920」)を用い、屈折率1.65としてベーマイトの平均粒子径(D50%)を測定したところ、1.0μmであった。
前記のようにして得た正極と負極とセパレータを多孔質層(II)が正極側に向くように介在させつつ重ね、渦巻状に巻回して巻回電極体を作製した。得られた巻回電極体を押しつぶして扁平状にし、厚み4mm、高さ58mm、幅51mmのアルミニウム製外装缶(内容積:10cm3)に入れ、非水電解液E1(電解液組成:エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートとジエチルカーボネートとを体積比=1:1:1で混合した溶媒に、LiPF6を1.1mol/lの濃度になるように溶解させ、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンを1.5質量%、ビニレンカーボネートを2.0質量%、および2−プロピニル2−(ジエトキシホスホリル)アセテートを1.5質量%となる量で添加したもの)を注入した後に封止を行って、
図3に示す構造で、図1および2に示す外観のリチウムイオン二次電池を作製した。なお、この電池は外装缶の幅広の側面部に内圧が上昇した場合に圧力を下げるための開裂ベントを備えている。
黒鉛B1に代えて、平均粒子径D50%が15μm、d002が0.336nm、BET法による比表面積が3.5m2/gで、アルゴンイオンレーザーラマンスペクトルにおけるR値が0.33である黒鉛B2(黒鉛からなる母粒子の表面を、ピッチを炭素源とした非晶質炭素で被覆した黒鉛)を用いた以外は、実施例1と同様にして負極を作製し、この負極を用いた以外は実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
セパレータの多孔質層(II)が負極側に向くように配置した以外は実施例2と同様にして巻回電極体を作製し、この巻回電極体を用いた以外は実施例2と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
黒鉛A1と黒鉛B1とを33:67の質量比で混合した混合物を用いた以外は、実施例1と同様にして負極を作製し、この負極を用いた以外は実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
黒鉛A1と黒鉛B1とを60:40の質量比で混合した混合物を用いた以外は、実施例1と同様にして負極を作製し、この負極を用いた以外は実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
黒鉛A1に代えて、平均粒子径D50%が18μm、d002が0.338nm、BET法による比表面積が3.9m2/gで、アルゴンイオンレーザーラマンスペクトルにおけるR値が0.14である黒鉛A2(表面を非晶質炭素で被覆していない人造黒鉛)を用いた以外は、実施例1と同様にして負極を作製し、この負極を用いた以外は実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
黒鉛B1に代えて、平均粒子径D50%が20μm、d002が0.336nm、BET法による比表面積が3.7m2/gで、アルゴンイオンレーザーラマンスペクトルにおけるR値が0.33である黒鉛C1(黒鉛からなる母粒子の表面を、ピッチを炭素源とした非晶質炭素で被覆した黒鉛)を用いた以外は、実施例1と同様にして負極を作製し、この負極を用いた以外は実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
各実施例および比較例について、電池の作製途中で、扁平形巻回電極体をアルミニウム製外装缶に入れ、蓋体をかぶせて溶接したのみで、非水電解液の注入および封止を行っていない状態のものを10個ずつ準備し、これらを、各電池の作製に使用したものと同じ組成の非水電解液を満たした浴中に浸漬し、90秒間真空引き(到達真空度は−98kPa)して、それぞれの非水電解液注入口から非水電解液を電池ケース内部に浸入させた。そして、真空解除後、任意の時間毎に各実施例、比較例とも1個ずつを非水電解液の浴から抜き出して、電池ケースの質量の測定から注液量を求め(注液量=抜き出し後の電池ケース質量−非水電解液浸漬前の電池ケース質量)、時間毎の注液量から、所定注液量が電池ケース内に注液される到達時間を求めた。
実施例および比較例のリチウムイオン二次電池を、45℃の恒温槽内に5時間静置し、その後、各電池について、4.35Vまで1.0Cの定電流で充電を行い、4.35Vに達した後は、電流が0.05Cに到達するまで4.35Vで定電圧充電を行った。その後、1.0Cの定電流で、電圧が3.0Vに到達するまで放電を行った。これらの充電および放電の一連の操作を1サイクルとして充放電を繰り返し、放電容量が1サイクル目のときの80%以上を維持し得るサイクル数を調べた。
<負極の作製>
黒鉛A1と、黒鉛B1と、平均粒子径D50%が19μm、d002が0.338nm、BET法による比表面積が3.8m2/gで、アルゴンイオンレーザーラマンスペクトルにおけるR値が0.21である黒鉛D1(表面を非晶質炭素で被覆していない天然黒鉛)とを、30:30:40の質量比で混合した混合物:98質量部、CMC:1.0質量部、およびSBR:1.0質量部を、比伝導度が2.0×105Ω/cm以上のイオン交換水を溶剤として混合して、水系の負極合剤含有ペーストを調製した。
正極活物質であるLiCo0.98Al0.008Mg0.008Ti0.004O2:97.0質量部、導電助剤であるアセチレンブラック:1.5質量部、並びにバインダであるPVDF:1.5質量部を、NMPを溶剤として均一になるように混合して、正極合剤含有ペーストを調製した。このペーストを、集電体となる厚さ12μmのアルミニウム箔の両面に、間欠塗布し、乾燥した後、カレンダー処理を行って、合剤層の塗膜密度が3.80g/cm3となるように正極合剤層の厚みを調整し、幅54.5mmになるように切断して、正極を作製した。更にこの正極のアルミニウム箔の露出部にタブを溶接してリード部を形成した。
前記の負極および前記正極を用いた以外は、実施例1と同様にして扁平形巻回電極体を作製し、この扁平形巻回電極体と、厚み5mm、高さ61mm、幅57mmのアルミニウム製外装缶(内容積:15cm3)とを用いた以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
黒鉛B1に代えて黒鉛B2を用いた以外は、実施例7と同様にして負極を作製し、この負極を用いた以外は実施例7と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
負極活物質として、黒鉛A1、黒鉛B1および黒鉛D1を、40:20:40の質量比で混合した混合物を用いた以外は、実施例7と同様にして負極を作製し、この負極を用いた以外は実施例7と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
負極活物質として、黒鉛A1、黒鉛B2および黒鉛D1を、10:40:50の質量比で混合した混合物を用いた以外は、実施例7と同様にして負極を作製し、この負極を用いた以外は実施例7と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
負極活物質として、黒鉛A1、黒鉛B1および黒鉛D1を、20:40:40の質量比で混合した混合物を用いた以外は、実施例7と同様にして負極を作製し、この負極を用いた以外は実施例7と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
負極活物質として、黒鉛A1、黒鉛B1および黒鉛D1を、30:20:50の質量比で混合した混合物を用いた以外は、実施例7と同様にして負極を作製し、この負極を用いた以外は実施例7と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
負極活物質として、黒鉛A2、黒鉛B1および黒鉛D1を、30:30:40の質量比で混合した混合物を用いた以外は、実施例7と同様にして負極を作製し、この負極を用いた以外は実施例7と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
負極活物質として、黒鉛A1、黒鉛B1および黒鉛D1を、40:10:50の質量比で混合した混合物を用いた以外は、実施例7と同様にして負極を作製し、この負極を用いた以外は実施例7と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
負極活物質として、黒鉛A1、黒鉛C1および黒鉛D1を、10:40:50の質量比で混合した混合物を用いた以外は、実施例7と同様にして負極を作製し、この負極を用いた以外は実施例7と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
負極活物質として、黒鉛A1、黒鉛C1および黒鉛D1を、30:30:40の質量比で混合した混合物を用いた以外は、実施例7と同様にして負極を作製し、この負極を用いた以外は実施例7と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
黒鉛B1と、平均粒子径D50%が35μm、d002が0.338nm、BET法による比表面積が3.6m2/gで、アルゴンイオンレーザーラマンスペクトルにおけるR値が0.11である黒鉛C2(表面を非晶質炭素で被覆していない人造黒鉛)と、D1とを、30:30:40の質量比で混合した混合物を用いた以外は、実施例7と同様にして負極を作製し、この負極を用いた以外は実施例7と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
黒鉛B1と、平均粒子径D50%が10μm、d002が0.338nm、BET法による比表面積が4.5m2/gで、アルゴンイオンレーザーラマンスペクトルにおけるR値が0.15である黒鉛C3(表面を非晶質炭素で被覆していない人造黒鉛)と、黒鉛D1とを、30:30:40の質量比で混合した混合物を用いた以外は、実施例7と同様にして負極を作製し、この負極を用いた以外は実施例7と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
負極合剤層の塗膜密度を1.45g/cm3となるように負極合剤層の厚みを調整した以外は、実施例7と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
実施例7および比較例2、3のリチウムイオン二次電池を、25℃の恒温槽内に5時間静置し、その後、各電池について、4.35Vまで0.5Cの定電流で充電を行い、4.35Vに達した後は、電流が0.05Cに到達するまで4.35Vで定電圧充電を行った。この時の充電容量を25℃における充電容量とした。その後、0.2Cの定電流で、電圧が2.75Vに到達するまで放電を行った。
黒鉛A1と黒鉛B1と黒鉛D1とを、30:30:40の質量比で混合した混合物:98質量部、CMC:1.0質量部、およびSBR:1.0質量部を、比伝導度が2.0×105Ω/cm以上のイオン交換水を溶剤として混合して、水系の負極合剤含有ペーストを調製した。
正極活物質であるLiCo0.98Al0.008Mg0.008Ti0.004O2:97.0質量部、導電助剤であるアセチレンブラック:1.5質量部、並びにバインダであるPVDF:1.5質量部を、NMPを溶剤として均一になるように混合して、正極合剤含有ペーストを調製した。このペーストを、集電体となる厚さ12μmのアルミニウム箔の両面に、間欠塗布し、乾燥した後、カレンダー処理を行って、合剤層の塗膜密度が3.80g/cm3となるように正極合剤層の厚みを調整し、幅70.2mmになるように切断して、正極を作製した。更にこの正極のアルミニウム箔の露出部にタブを溶接してリード部を形成した。
前記の負極および前記正極を用いた以外は、実施例1と同様にして扁平形巻回電極体を作製し、この扁平形巻回電極体と、厚み5.5mm、高さ78mm、幅54mmのアルミニウム製外装缶(内容積:20cm3)とを用いた以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
負極活物質として、黒鉛A1、黒鉛C1および黒鉛D1を、10:40:50の質量比で混合した混合物を用いた以外は、実施例15と同様にして負極を作製し、この負極を用いた以外は実施例7と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
実施例7と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。(ただし、後述する通り実施例7とは充放電条件が異なる。)
非水電解液として、非水電解液E2(エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとを体積比=3:7で混合した溶媒に、LiPF6を1.1mol/lの濃度になるように溶解させ、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンを1.7質量%、ビニレンカーボネートを2.7質量%、2−プロピニル2−(ジエトキシホスホリル)アセテートを1.2質量%、LiBF4を0.15質量%、およびアジポニトリルを0.5質量%となる量で添加したもの)を用いた以外はすべて実施例16と同様にして作製したリチウムイオン二次電池を作製した。
負極活物質として、黒鉛A1および黒鉛B1を、50:50の質量比で混合した混合物を用いた以外は、実施例16と同様にして負極を作製し、この負極を用いた以外は実施例16と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
負極活物質として、黒鉛A1および黒鉛B1を、50:50の質量比で混合した混合物を用いた以外は、実施例16と同様にして負極を作製し、この負極を用いた以外は実施例17と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
負極活物質として、黒鉛A2、黒鉛B2および黒鉛D1を、30:30:40の質量比で混合した混合物を用いた以外は、実施例7と同様にして負極を作製し、この負極を用いた以外は実施例16と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
負極活物質として、黒鉛A2、黒鉛B2および黒鉛D1を、30:30:40の質量比で混合した混合物を用いた以外は、実施例16と同様にして負極を作製し、この負極を用いた以外は実施例17と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
前述の非水電解液E2に含まれるアジポニトリルの代わりにスクシノニトリルを用いた以外はすべて非水電解液E2と同様の組成で非水電解液E3を調整した。非水電解液として、この非水電解液E3を用いた以外はすべて実施例16と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
前述の非水電解液E2に含まれるアジポニトリルの代わりにグルタロニトリルを用いた以外はすべて非水電解液E2と同様の組成で非水電解液E4を調整した。非水電解液として、この非水電解液E4を用いた以外はすべて実施例16と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
前述の非水電解液E2に含まれるアジポニトリルの代わりにラウリロニトリルを用いた以外はすべて非水電解液E2と同様の組成で非水電解液E5を調整した。非水電解液として、この非水電解液E5を用いた以外はすべて実施例16と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
比較例3と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。(ただし、後述する通り比較例3とは充放電条件が異なる。)
負極活物質として、黒鉛A1、黒鉛C1および黒鉛D1を、30:30:40の質量比で混合した混合物を用いた以外は、実施例16と同様にして負極を作製し、この負極を用いた以外は比較例7と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
実施例16〜23、および比較例8、9のリチウムイオン二次電池を、45℃の恒温槽内に5時間静置し、その後、各電池について、4.4Vまで1.0Cの定電流で充電を行い、4.4Vに達した後は、電流が0.05Cに到達するまで4.4Vで定電圧充電を行った。その後、1.0Cの定電流で、電圧が3.0Vに到達するまで放電を行った。これらの充電および放電の一連の操作を1サイクルとして充放電を繰り返し、放電容量が1サイクル目のときの80%以上を維持し得るサイクル数を調べた。
10 電池ケース
11 外装缶
111 電池ケース(外装缶)側面部の幅広面
12 開裂溝
121 内方湾曲部
122 外方湾曲部
20 蓋体
30 扁平形巻回電極体
Claims (7)
- 正極、負極およびセパレータより構成される扁平形巻回電極体と、非水電解液とが、外装体内に収容されてなるリチウムイオン二次電池であって、
前記負極は少なくとも負極活物質を含む合剤層を有し、合剤層の密度が1.55g/cm3以上であり、
負極活物質として、平均粒子径が15μmを超え25μm以下の人造黒鉛Aと、
平均粒子径が8μm以上15μm以下であり、かつ黒鉛粒子の表面が非晶質炭素で被覆されている黒鉛Bとを、少なくとも含有しており、
前記黒鉛BのR値は、0.3以上0.7以下であり、
前記負極が含有する全負極活物質中における前記人造黒鉛Aと、前記黒鉛Bとの含有質量比率(A/B)が、0.5〜1.5であることを特徴とするリチウムイオン二次電池。 - 前記負極が含有する全負極活物質中における前記黒鉛Bの含有量が、20〜60質量%である請求項1に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記負極活物質を含む合剤層の密度が1.55g/cm 3 以上1.7g/cm 3 未満である請求項1または2に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記非水電解液が、ホウフッ化リチウム(LiBF4)およびシアノ基を一つ以上含むニトリル化合物を含有する請求項1〜3のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記ニトリル化合物は、下記一般式(1)で表わされるものである請求項4に記載のリチウムイオン二次電池。
NC−(CH2)n−CN (1)
〔前記一般式(1)中、nは2〜4の整数である。〕 - 前記外装体の容積が10cm3以上である請求項1〜5のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記セパレータは、熱可塑性樹脂を主体とする微多孔膜からなる多孔質層(I)と、耐熱温度が150℃以上のフィラーを主体として含む多孔質層(II)とを有しており、
前記扁平形巻回電極体では、少なくとも前記多孔質層(II)が前記正極と対向するように、前記正極および前記セパレータが配置されている請求項1〜6のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池。
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