JP7223544B2 - 非水電解質二次電池用負極およびこれを用いた非水電解質二次電池 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の一実施形態である双極型二次電池を模式的に表した断面図である。図1に示す双極型二次電池10は、実際に充放電反応が進行する略矩形の発電要素21が、電池外装体であるラミネートフィルム29の内部に封止された構造を有する。
集電体は、正極活物質層と接する一方の面から、負極活物質層と接する他方の面へと電子の移動を媒介する機能を有する。集電体を構成する材料に特に制限はないが、例えば、金属や、導電性を有する樹脂が採用されうる。
負極活物質層は、負極活物質を含む。本形態に係る電池において、負極活物質は、ケイ素系負極活物質粒子および炭素系負極活物質粒子を含む負極活物質粒子が結着剤を介して結着されてなる複合二次粒子(以下、単に「複合二次粒子」とも称する)を含む。
上述したように、複合二次粒子は、ケイ素系負極活物質粒子および炭素系負極活物質粒子を含む負極活物質粒子が結着剤を介して結着されてなる構成を有するものである。
ケイ素系負極活物質粒子としては、ケイ素を含有する従来公知の負極活物質が好適に用いられうる。ここで、ケイ素は第14族元素に属し、非水電解質二次電池の容量を大きく向上させうる負極活物質であることが知られている。ケイ素の単体は単位体積(質量)あたり多数の電荷担体(リチウムイオン等)を吸蔵および放出しうることから、高容量の負極活物質となる。しかしその一方で、ケイ素系負極活物質を用いた非水電解質二次電池は比較的レート特性に劣る場合がある。これに対して後述する炭素系負極活物質を用いた非水電解質二次電池はレート特性に優れる。したがって、両者を負極活物質として併用することで、非水電解質二次電池を高容量にでき、かつ非水電解質二次電池に優れたレート特性を付与することができる。
炭素系負極活物質粒子としては、例えば、グラファイト(黒鉛)、ソフトカーボン(易黒鉛化性炭素)、ハードカーボン(難黒鉛化性炭素)等の炭素材料からなる粒子が挙げられる。場合によっては、2種以上の炭素系負極活物質粒子が併用されてもよい。なかでも、炭素系負極活物質粒子はハードカーボンを含むことが好ましい。炭素系負極活物質粒子がハードカーボンを含むことで、低温特性に優れる液体電解質の溶媒であるプロピレンカーボネートを好適に用いることが可能となり、この点は後述する樹脂集電体を用いた電池における樹脂集電体の溶媒遮断性の観点からも重要である。また、ハードカーボンの使用により、充電状態(充電率;SOC)が低い段階においても充電状態の検出が容易になるという利点もある。なお、上記以外の炭素系負極活物質粒子が用いられてもよいことは勿論である。
ケイ素系負極活物質粒子および炭素系負極活物質粒子を含む負極活物質粒子を互いに結着させて複合二次粒子の形態とするのに用いられる結着剤の具体的な構成について特に制限はなく、複合化される負極活物質粒子に対して結合性を示す従来公知の材料が好適に用いられうる。
複合二次粒子の製造方法について特に制限はなく、ケイ素系負極活物質および炭素系負極活物質を含む負極活物質粒子を、結着剤を用いて互いに結着させることができる任意の手法が採用されうる。一例として、所定の配合比で秤量した負極活物質粒子および結着剤を、水などの適当な溶媒中で均一に混合し、溶媒を乾燥させた後に必要に応じて粉砕・分級などの処理を施すことで、複合二次粒子を得ることができる。なお、このようにして得られた複合二次粒子の粒子径について特に制限はないが、粗大粒子の混入に起因して電極反応が不均一に進行することを防ぐという観点から、好ましくは100μm以下であり、より好ましくは75μm以下である。一方、複合二次粒子の粒子径の下限値は、好ましくは0.02μm以上であり、より好ましくは10μm以上であり、さらに好ましくは20μm以上である。
負極活物質層は、複合二次粒子のみから構成されていてもよいし、複合二次粒子以外の成分をさらに含んでいてもよい。負極活物質層が複合二次粒子以外の成分をさらに含む場合、当該「複合二次粒子以外の成分」としては、例えば、複合二次粒子の形態ではない(複合化されていない)負極活物質が挙げられる。このような複合二次粒子の形態ではない(複合化されていない)負極活物質の構成材料について特に制限はなく、上述した負極活物質の構成材料が同様に採用されうる。この際、前記負極活物質層に含まれる前記複合二次粒子を構成する前記負極活物質の合計質量割合は、前記負極活物質の合計質量に対して、好ましくは10~100質量%である。このように10質量%以上の負極活物質が複合二次粒子の形態で負極活物質に含まれることで、本発明の作用効果を十分に発現させることができる。なお、好ましい実施形態において、負極活物質層は、複合二次粒子を形成していない(ケイ素系負極活物質と結着剤を介して結着されていない)ハードカーボン(難黒鉛化炭素)を含む。このような構成とすることで、サイクル特性の低下を最小限に抑制しつつ、高容量と高いサイクル耐久性とのバランスに優れた電池を提供することが可能である。以上のことから、本形態に係る非水電解質二次電池用負極の好ましい一実施形態では、前記複合二次粒子の粒子径が0.02~100μm以下であり、前記負極活物質層に含まれる前記複合二次粒子の含有量が前記負極活物質の合計質量に対して10~100質量%である。
負極の製造方法は、特に制限されず、上記所定の複合二次粒子のほか、必要に応じて用いられるその他の負極活物質粒子、導電助剤等の添加剤を用いること以外は、適当な溶媒を用いて調製したスラリーを集電体の表面に塗布し、乾燥させるといった手法などの従来公知の手法が適宜参照されうる。この際、得られる電池の内部抵抗を低減させて電池の出力特性を向上させるという観点から、スラリー調製前の各材料に対して減圧乾燥などの処理を施して含有水分を除去することが好ましい。
正極活物質層は、正極活物質を含む。
正極活物質としては、例えば、LiMn2O4、LiCoO2、LiNiO2、Li(Ni-Mn-Co)O2およびこれらの遷移金属の一部が他の元素により置換されたもの等のリチウム-遷移金属複合酸化物、リチウム-遷移金属リン酸化合物、リチウム-遷移金属硫酸化合物などが挙げられる。場合によっては、2種以上の正極活物質が併用されてもよい。好ましくは、容量、出力特性の観点から、リチウム-遷移金属複合酸化物が、正極活物質として用いられる。より好ましくはリチウムとニッケルとを含有する複合酸化物が用いられ、さらに好ましくはLi(Ni-Mn-Co)O2およびこれらの遷移金属の一部が他の元素により置換されたもの(以下、単に「NMC複合酸化物」とも称する)が用いられる。NMC複合酸化物は、リチウム原子層と遷移金属(Mn、NiおよびCoが秩序正しく配置)原子層とが酸素原子層を介して交互に積み重なった層状結晶構造を持ち、遷移金属Mの1原子あたり1個のLi原子が含まれ、取り出せるLi量が、スピネル系リチウムマンガン酸化物の2倍、つまり供給能力が2倍になり、高い容量を持つことができる。
本形態に係る非水電解質二次電池の電解質層は、正極と負極との間に配置され、セパレータに電解質が保持されてなる構成を有する。本形態の電解質層に使用される電解質は、特に制限はなく、液体電解質、ゲルポリマー電解質、またはイオン液体電解質が制限なく用いられる。これらの電解質を用いることで、高いリチウムイオン伝導性が確保されうる。
集電板(25、27)を構成する材料は、特に制限されず、リチウムイオン二次電池用の集電板として従来用いられている公知の高導電性材料が用いられうる。集電板の構成材料としては、例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金等の金属材料が好ましい。軽量、耐食性、高導電性の観点から、より好ましくはアルミニウム、銅であり、特に好ましくはアルミニウムである。なお、正極集電板27と負極集電板25とでは、同一の材料が用いられてもよいし、異なる材料が用いられてもよい。
また、図示は省略するが、集電体11と集電板(25、27)との間を正極リードや負極リードを介して電気的に接続してもよい。正極および負極リードの構成材料としては、公知のリチウムイオン二次電池において用いられる材料が同様に採用されうる。なお、外装から取り出された部分は、周辺機器や配線などに接触して漏電したりして製品(例えば、自動車部品、特に電子機器等)に影響を与えないように、耐熱絶縁性の熱収縮チューブなどにより被覆することが好ましい。
シール部(絶縁層)は、集電体同士の接触や単電池層の端部における短絡を防止する機能を有する。シール部を構成する材料としては、絶縁性、固体電解質の脱落に対するシール性や外部からの水分の透湿に対するシール性(密封性)、電池動作温度下での耐熱性等を有するものであればよい。例えば、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリイミド樹脂、ゴム(エチレン-プロピレン-ジエンゴム:EPDM)、等が用いられうる。また、イソシアネート系接着剤や、アクリル樹脂系接着剤、シアノアクリレート系接着剤などを用いても良く、ホットメルト接着剤(ウレタン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリオレフィン樹脂)などを用いても良い。なかでも、耐蝕性、耐薬品性、作り易さ(製膜性)、経済性等の観点から、ポリエチレン樹脂やポリプロピレン樹脂が、絶縁層の構成材料として好ましく用いられ、非結晶性ポリプロピレン樹脂を主成分とするエチレン、プロピレン、ブテンを共重合した樹脂を用いることが、好ましい。
電池外装体としては、公知の金属缶ケースを用いることができるほか、図1に示すように発電要素を覆うことができる、アルミニウムを含むラミネートフィルム29を用いた袋状のケースが用いられうる。該ラミネートフィルムには、例えば、PP、アルミニウム、ナイロンをこの順に積層してなる3層構造のラミネートフィルム等を用いることができるが、これらに何ら制限されるものではない。高出力化や冷却性能に優れ、EV、HEV用の大型機器用電池に好適に利用することができるという観点から、ラミネートフィルムが望ましい。また、外部から掛かる発電要素への群圧を容易に調整することができることから、外装体はアルミニウムを含むラミネートフィルムがより好ましい。
図2は、二次電池の代表的な実施形態である扁平なリチウムイオン二次電池の外観を表した斜視図である。
一般的な電気自動車では、一回の充電による走行距離(航続距離)をいかに長くするかが重要な開発目標である。かような点を考慮すると、電池の体積エネルギー密度は157Wh/L以上であることが好ましく、かつ定格容量は20Wh以上であることが好ましい。
組電池は、電池を複数個接続して構成した物である。詳しくは少なくとも2つ以上用いて、直列化あるいは並列化あるいはその両方で構成されるものである。直列、並列化することで容量および電圧を自由に調節することが可能になる。
本形態の非水電解質二次電池は、長期使用しても放電容量が維持され、サイクル特性が良好である。さらに、体積エネルギー密度が高い。電気自動車やハイブリッド電気自動車や燃料電池車やハイブリッド燃料電池自動車などの車両用途においては、電気・携帯電子機器用途と比較して、高容量、大型化が求められるとともに、長寿命化が必要となる。したがって、上記非水電解質二次電池は、車両用の電源として、例えば、車両駆動用電源や補助電源に好適に利用することができる。
<複合二次粒子の製造例1>
図3に示すようなフローに従って、複合二次粒子を作製した。
結着剤であるポリアクリル酸の添加量を、活物質混合物の質量(100質量%)に対して8質量%となるようにポリアクリル酸水溶液の添加量を調整したこと以外は、上述した「複合二次粒子の製造例1」と同様の手法により、複合二次粒子2を得た。
結着剤であるポリアクリル酸の添加量を、活物質混合物の質量(100質量%)に対して0.5質量%となるようにポリアクリル酸水溶液の添加量を調整したこと以外は、上述した「複合二次粒子の製造例1」と同様の手法により、複合二次粒子3を得た。
結着剤であるポリアクリル酸の添加量を、活物質混合物の質量(100質量%)に対して0.2質量%となるようにポリアクリル酸水溶液の添加量を調整したこと以外は、上述した「複合二次粒子の製造例1」と同様の手法により、複合二次粒子4を得た。
SiO粉末(株式会社大阪チタニウムテクノロジーズ製、平均粒子径(D50)=1μm)に、結着剤としてのポリアクリル酸を含むポリアクリル酸水溶液(PAAH;濃度35質量%)を、ポリアクリル酸(固形分)の添加量が上記SiO粉末の質量(100質量%)に対して10質量%となるように添加した。
<実施例1>
(電解液の調製)
電解液として、溶媒(エチレンカーボネート(EC)とプロピレンカーボネート(PC)との等体積混合物)にリチウム塩(LiFSI(LiN(FSO2)2))を2mol/Lの濃度で溶解させた溶液を準備した。
一方、上記で作製した複合二次粒子1 9.4質量部、複合化されていないハードカーボン粒子84.6質量部、導電助剤であるアセチレンブラック[デンカ(株)製 デンカブラック(登録商標)](平均粒子径(一次粒子径):0.036μm)4質量部、導電助剤であるカーボンナノファイバー[昭和電工株式会社製、VGCF(登録商標)、アスペクト比60(平均繊維径:約150nm、平均繊維長:約9μm)、電気抵抗率40μΩm、嵩密度0.04g/cm3]2質量部をそれぞれ秤量して混合して、負極活物質混合物を得た。次いで、得られた負極活物質混合物を、180℃、100mmHgの減圧下で8時間乾燥させて、含有水分の除去を行った。
正極活物質であるLiNi0.8Co0.15Al0.05O2粉末92質量部、導電助剤であるアセチレンブラック[デンカ(株)製 デンカブラック(登録商標)](平均粒子径(一次粒子径):0.036μm)6質量部、および導電助剤であるカーボンナノファイバー[昭和電工株式会社製、VGCF(登録商標)、アスペクト比60(平均繊維径:約150nm、平均繊維長:約9μm)、電気抵抗率40μΩm、嵩密度0.04g/cm3]2質量部をそれぞれ秤量して混合して、正極活物質混合物を得た。次いで、得られた正極活物質混合物を、180℃、100mmHgの減圧下で8時間乾燥させて、含有水分の除去を行った。
正極および負極でセパレータ(5cm×5cm、厚さ23μm、セルガード2500 ポリプロピレン製)を挟持して電池を形成し、端子(Ni,5mm×3cm)付き銅箔(3cm×3cm、厚さ17μm)と端子(Al,5mm×3cm)付きカーボンコートアルミニウム箔(3cm×3cm、厚さ21μm)でこの電池を挟持し、それを2枚の市販の熱融着型アルミラミネートフィルム(10cm×8cm)を用いて封入した。そして、上記で調製した電解液を60μL注液した後に、当該外装体を真空封止して、リチウムイオン二次電池を作製した。
負極の作製において、負極活物質スラリーを負極集電体の表面に塗布する際のアプリケーターのギャップを調整して、プレス処理後に得られる負極活物質層の厚さを210μmに変更した。それ以外は上述した実施例1と同様の手法により、リチウムイオン二次電池を作製した。
負極活物質スラリーの調製において、複合二次粒子1に代えて複合二次粒子2を用いた。それ以外は上述した実施例1と同様の手法により、リチウムイオン二次電池を作製した。
負極活物質スラリーの調製において、複合二次粒子1の配合量を94質量部とし、複合化されていないハードカーボン粒子の配合量をゼロとした(すなわち、負極活物質の全量を複合二次粒子1とした)。また、負極の作製において、負極活物質スラリーを負極集電体の表面に塗布する際のアプリケーターのギャップを調整して、プレス処理後に得られる負極活物質層の厚さを279μmに変更した。それ以外は上述した実施例1と同様の手法により、リチウムイオン二次電池を作製した。
負極活物質スラリーの調製において、複合二次粒子1に代えて複合二次粒子3を用いた。それ以外は上述した実施例1と同様の手法により、リチウムイオン二次電池を作製した。
負極活物質スラリーの調製において、複合二次粒子1に代えて複合二次粒子4を用いた。それ以外は上述した実施例1と同様の手法により、リチウムイオン二次電池を作製した。
負極活物質スラリーの調製において、複合二次粒子1の配合量をゼロとし、複合化されていないハードカーボン粒子の配合量を94質量部とした(すなわち、負極活物質の全量を複合化されていないハードカーボン粒子とした)。それ以外は上述した実施例1と同様の手法により、リチウムイオン二次電池を作製した。
負極活物質スラリーの調製において、複合二次粒子1の配合量をゼロとし、上記で調製した結着剤被覆SiO粉末の配合量を4.7質量部とし、複合化されていないハードカーボン粒子の配合量を89.3質量部とした。それ以外は上述した実施例1と同様の手法により、リチウムイオン二次電池を作製した。
上述した実施例および比較例において作製したリチウムイオン二次電池について、以下の条件により充放電を行って、放電容量および容量維持率を測定した。これらの測定結果を下記の表1に示す。
25℃の条件下において、各実施例および比較例で作製したリチウムイオン電池を、0.1Cの電流で4.2Vまで定電流定電圧(CC-CV)充電した(停止条件:定電圧(CV)モードで電流値が0.01C未満)。
45℃の条件下において、各実施例および比較例で作製したリチウムイオン電池を、0.33Cの電流で4.2Vまで定電流定電圧(CC-CV)充電した(停止条件:CVモードで電流値が0.025C未満)。
11 集電体、
11a 正極側の最外層集電体、
11b 負極側の最外層集電体、
13 正極活物質層、
15 負極活物質層、
17 電解質層、
19 単電池層、
21、57 発電要素、
23 双極型電極、
25 正極集電板(正極タブ)、
27 負極集電板(負極タブ)、
29、52 電池外装体、
31 シール部
58 正極タブ、
59 負極タブ。
Claims (10)
- 集電体の表面に、負極活物質を含む負極活物質層が形成されてなる、非水電解質二次電池用負極であって、
前記負極活物質が、ケイ素系負極活物質粒子および炭素系負極活物質粒子を含む負極活物質粒子が結着剤を介して結着されてなる複合二次粒子を含み、この際、前記複合二次粒子における前記結着剤の含有量が、前記負極活物質粒子の合計質量に対して1質量%以上であり、前記複合二次粒子に含まれる前記ケイ素系負極活物質粒子と前記炭素系負極活物質粒子との含有比率が、質量比で10:1~1:3であり、前記負極活物質層において前記複合二次粒子は結着剤を介して互いに結着されていない状態で存在している、非水電解質二次電池用負極。 - 前記負極活物質層の厚さが200μm以上である、請求項1に記載の非水電解質二次電池用負極。
- 前記負極活物質層に含まれる前記複合二次粒子を構成する前記負極活物質の合計質量割合が、前記負極活物質の合計質量に対して10~100質量%である、請求項1または2に記載の非水電解質二次電池用負極。
- 前記複合二次粒子における前記結着剤の含有量が、前記ケイ素系負極活物質粒子と炭素系負極活物質粒子との合計質量に対して5質量%以上である、請求項1~3のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用負極。
- 前記ケイ素系負極活物質粒子の体積平均粒子径(D50)が、前記炭素系負極活物質粒子の体積平均粒子径(D50)よりも小さい、請求項1~4のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用負極。
- 前記結着剤が、ポリ(メタ)アクリル酸を含む、請求項1~5のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用負極。
- 前記ケイ素系負極活物質がケイ素酸化物(SiOx;ただし、0<x≦2である)を含む、請求項1~6のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用負極。
- 前記炭素系負極活物質がハードカーボンを含む、請求項1~7のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用負極。
- 前記負極活物質層が、前記複合二次粒子を形成していないハードカーボンをさらに含む、請求項1~8のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用負極。
- 請求項1~9のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用負極と、
集電体の表面に正極活物質を含む正極活物質層が形成されてなる正極と、
前記負極と前記正極との間に配置され、セパレータに電解質が保持されてなる電解質層と、
を含む発電要素を有する、非水電解質二次電池。
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