CN102292851B - 锂二次电池用正极及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的锂二次电池用正极在正极集电体的表面具备导电层和活性物质层。在该导电层中含有作为粘结材料的相对于有机溶剂为可溶性的至少一种非水溶性聚合物,在该活性物质层中含有作为粘结材料的在水中可溶或分散的至少一种的水溶性聚合物和/或水分散性聚合物,该活性物质层中的每单位面积的粘结材料质量(B)与该导电层中的每单位面积的粘结材料质量(A)的质量比(B/A)满足0.06≤B/A≤0.35。
Description
技术领域
本发明涉及在正极集电体的表面具备导电层和层叠于该导电层上的活性物质层的锂二次电池用的正极及其制造方法。
另外,本申请要求基于在2009年1月26日提出申请的日本国专利申请第2009-14706号的优先权,该申请的全部内容作为参照被纳入本说明书中。
背景技术
近年来,锂二次电池、镍氢电池等的二次电池作为以电为驱动源的车辆搭载用电源、或个人电脑和便携终端等的电气制品等所搭载的电源,其重要性不断提高。特别是重量轻且可得到高能量密度的锂二次电池,被期待着作为优选用作为车辆搭载用高输出功率电源的电池。
在这种锂二次电池的一种典型构成中,在电极集电体的表面具有能够可逆地吸藏和释放锂离子的电极活性物质层(具体而言,是正极活性物质层以及负极活性物质层)。例如,正极的情况下,通过在正极集电体上涂布正极活性物质层形成用的膏状组合物(包括浆状组合物、墨状组合物。以下简称为「电极膏」)来形成正极活性物质层,所述正极活性物质层形成用的膏状组合物,是锂过渡金属复合氧化物等的正极活性物质与高导电性材料的粉末(导电材料)和粘结材料等在适当的溶剂中混合而调制的。
在此,以有机溶剂为溶剂调制电极膏的情况下,作为上述粘结材料,可使用聚偏二氟乙烯(PVDF)等的相对于有机溶剂为可溶性的非水溶性聚合物。另一方面,以水系溶剂为溶剂调制电极膏的情况下,可优选使用聚四氟乙烯(PTFE)、羧甲基纤维素(CMC)等的水溶性聚合物或者水分散性聚合物作为粘结材料。其中,使用后者的水系溶剂的电极膏(以下,称为「水系电极膏」。),有机溶剂等的产业废弃物较少,并且不产生为此的设备和处理成本,所以总体上具有降低环境负荷的优点。
但是,上述水系电极膏根据正极活性物质的内容(例如为锂镍系复合氧化物,为由式LiNiO2表示的组成的氧化物),起因于与水的反应性的高低,有pH变高的倾向。如果将该高pH的水系电极膏涂布到金属制正极集电体(例如铝)上,则在集电体的表面生成显示高电阻性的化合物(例如氧化物、氢氧化物),因此成为正极集电体腐蚀、电池的内阻增大的原因。
作为涉及使用了这种水系电极膏的锂二次电池的正极的现有技术,可举出专利文献1。在专利文献1记载的技术中,通过在正极集电体和由水系电极膏形成的活性物质层之间介有由非水系电极膏形成的含有导电材料的导电层,防止了成为正极集电体的腐蚀的主要原因的高电阻性化合物的生成。
现有技术文献
专利文献1:日本国专利公开第2006-4739号公报
发明内容
然而,在锂二次电池的用途中,有设想以反复进行高速率充放电(急速充放电)的方式长期地使用的情况。作为车辆(典型的是汽车,特别是混合动力汽车、电动汽车)的动力源使用的锂二次电池,是设想该使用方式的代表例。在此,在上述专利文献1中,作为导电层的粘结材料使用水溶性聚合物和/或水分散性聚合物,与此相对,作为活性物质层的粘结材料使用非水溶性聚合物,这样包含不同种类的粘结材料的层彼此被层叠,因此如果作为车辆搭载用高输出功率电源以反复进行高速率充放电的方式长期地被使用,则有可能相互的层间的接合力减弱、发生层间剥离。
因此,本发明是为了解决与锂二次电池用的正极相关的现有问题而创造出的,其目的在于提供一种正极及其制造方法,所述正极是具备包含不同的粘结材料的层相互层叠了的结构的锂二次电池用的正极,对于高速率充放电也难以发生层间剥离(层间的粘结性高),内阻的上升被抑制,且品质优异。另外,本发明的另一目的在于提供一种具备这样的正极的锂二次电池和具备该电池的车辆。
为了实现上述目的,本发明提供一种具备层叠于正极集电体的表面的导电层和层叠于该导电层上的活性物质层的锂二次电池用的正极。本发明涉及的锂二次电池用的正极,在上述导电层中含有作为粘结材料的相对于有机溶剂为可溶性的至少一种非水溶性聚合物、和导电材料,在上述活性物质层中含有作为粘结材料的在水中可溶或分散的至少一种的水溶性聚合物和/或水分散性聚合物(以下,统称它们为「水性聚合物」。)、和正极活性物质。另外,其特征在于,上述活性物质层的每单位面积的粘结材料质量(B)和上述导电层的每单位面积的粘结材料质量(A)的质量比(B/A)满足0.06≤B/A≤0.35。
另外,在本说明书中,所谓「锂二次电池」,是指利用锂离子作为电解质离子,通过正负极间的锂离子的移动实现充放电的二次电池。一般被称为锂离子电池的二次电池是本说明书中的锂二次电池所包含的典型例。
另外,在本说明书中,所谓「正极活性物质」,是指在二次电池中能够可逆地吸藏和释放(典型的是插入和脱离)成为电荷载体的化学种(在此是锂离子)的正极侧的活性物质。
本发明所提供的锂二次电池用的正极,具备:在正极集电体和由水系电极膏形成的活性物质层之间介有由非水系电极膏形成的含有导电材料的导电层的叠层结构,活性物质层中含有的粘结材料,使用了与导电层中的不同的种类的材料。即,活性物质层中含有的粘结材料,使用在水中可溶或分散的类型的水溶性聚合物和/或水分散性聚合物,另一方面,在导电层中含有的粘结材料,使用相对于有机溶剂为可溶性的非水溶性聚合物。并且,活性物质层的每单位面积的粘结材料质量(B)和导电层的每单位面积的粘结材料质量(A)的质量比(B/A)满足0.06≤B/A≤0.35。以在相互的层中的每单位面积的粘结材料的质量比满足上述范围的方式层叠的锂二次电池用的正极中,即使各自含有不同种类的粘结材料的两个层被层叠,其层间的粘结性也非常优异,因此对于高速率充放电也难以发生层间剥离。因此,成为正极集电体的腐蚀的主要原因的高电阻性化合物的生成被抑制。由此,可以提供层间牢固地粘结了的品质优异的锂二次电池用的正极。
另外,在本发明所提供的锂二次电池用的正极的优选的另一方式中,将上述导电层中的上述非水溶性聚合物和上述导电材料的合计量设为100质量%时,该导电层中的该导电材料的含有率为20质量%~50质量%。对于上述导电层,要求:在发挥阻挡水(典型的是水系电极膏中所含有的水分)和正极集电体直接接触的作用的同时,保持不使活性物质层和正极集电体之间的电阻过度上升的程度的导电性。在此,增多导电层中的导电材料的含有比例会带来导电性上升,但仅仅增多上述比例的话,粘结材料的含有比例相对地变少,层间的粘结性会降低。但是,相反地,如果增多粘结材料的含有比例,则导电材料的含有比例相对地变少,导电性减低。因此,在将上述导电层中的非水溶性聚合物即粘结材料和上述导电材料的合计量设为100质量%时,通过具备该导电层中的该导电材料的含有率为20质量%~50质量%的正极,换言之,通过使导电层中含有的导电材料的含量为整体的一半以下,可以一边保持导电性一边提高粘结性。其结果,可以提供层间的粘结性高、内阻的上升被抑制的高品质的锂二次电池用的正极。
进一步地,本发明所提供的锂二次电池用的正极的优选的另一方式,其特征在于,在上述导电层中含有聚偏二氟乙烯(PVDF)来作为粘结材料,在上述活性物质层中含有羧甲基纤维素(CMC)来作为粘结材料。通过具备分别含有所述的粘结材料的层,可得到更高的粘结性。其结果,可以提供具备对于高速率充放电也难以发生层间剥离的叠层结构的锂二次电池用的正极。
另外,优选地提供的锂二次电池用的正极的另一方式,其特征在于,在上述活性物质层中含有导电材料。作为在活性物质层中含有的组合物,通过对上述粘结材料和正极活性物质进一步添加导电材料,由所述组合物构成的活性物质层和导电层的导电通路提高。由此,可以提供内阻的上升受到抑制的锂二次电池用的正极。
另外,本发明作为另一方面,提供一种制造锂二次电池用的正极的方法。即,本发明所提供的制造方法,是制造在正极集电体的表面具备导电层和层叠于该导电层上的活性物质层的叠层结构的锂二次电池用的正极的方法,该制造方法包括:使用含有作为粘结材料的相对于有机溶剂为可溶性的至少一种的非水溶性聚合物、和导电材料的组合物,形成上述导电层;以及,使用含有作为粘结材料的在水中可溶或分散的至少一种的水溶性聚合物和/或水分散性聚合物(水性聚合物)、和正极活性物质的组合物,形成上述活性物质层。并且,本发明的制造方法,其特征在于,以上述活性物质层的每单位面积的粘结材料质量(B)和上述导电层的每单位面积的粘结材料质量(A)的质量比(B/A)满足0.06≤B/A≤0.35的方式形成上述叠层结构。
在由含有水溶性聚合物和/或水分散性聚合物作为粘结材料的组合物构成的活性物质层、和由含有非水溶性聚合物作为粘结材料的组合物构成的导电层的双层结构中,通过长期间的电池的使用、特别是在高速率充放电下的使用,层彼此的粘结力降低,容易层间剥离。但是,通过以使相互的层中的每单位面积的粘结材料的质量比满足如上述那样的关系的方式形成叠层结构,由此具备对于高速率充放电也难以发生层间剥离的高粘结性。由此,可以提供制造成为正极集电体的腐蚀的主要原因的高电阻性化合物的生成受到抑制、品质优异的锂二次电池用的正极的方法。
另外,在本发明所提供的优选的一个方式的制造锂二次电池用的正极的方法中,以将上述导电层中的上述非水溶性聚合物和上述导电材料的合计量设为100质量%时的该导电层中的该导电材料的含有率为20质量%~50质量%的方式层叠该导电层。增多上述导电层中的导电材料的含有比例会带来导电性的提高,但粘结材料的含有比例相对地变少,层间的粘结性降低。因此,通过在正极集电体之上层叠导电层并使得该导电层中的导电材料的含有率为20质量%~50质量%,在保持导电性的同时,导电层和活性物质层的粘结性提高。其结果,可以提供制造层间的粘结性高、内阻的上升受到抑制的高品质的锂二次电池用的正极的方法。
进一步地,本发明所提供的制造锂二次电池用的正极的方法的优选的另一方式,其特征在于,作为上述导电层中的粘结材料使用聚偏二氟乙烯(PVDF),作为上述活性物质层中的粘结材料使用羧甲基纤维素(CMC)。如果使用分别含有所述粘结材料的组合物形成包含导电层和活性物质层的叠层结构,则可得到对于高速率充放电也难以发生层间剥离的正极。由此,可以提供内阻的上升受到抑制的锂二次电池用的正极。
另外,根据本发明,提供具备在此所公开的任一种的正极(可为采用在此所公开的任一种方法制造的正极)的锂二次电池。此外,提供具备上述锂二次电池的车辆。本发明所提供的锂二次电池用的正极,是显示适合作为搭载于车辆的锂二次电池的品质(例如抑制内阻的上升)的正极。因此,该锂二次电池可以很好地用作为混合动力汽车、电动汽车、燃料电池汽车之类的具备电动机的汽车等的车辆所搭载的电动机用的电源。
附图说明
图1是模式地表示一实施方式涉及的锂二次电池的外形的立体图。
图2是图1中的II-II线剖面图。
图3是表示构成一实施方式涉及的卷绕电极体的正负极和隔板的剖面图。
图4是表示相对于在实施例中制作的锂二次电池用的正极的活性物质层以及导电层中的每单位面积的粘结材料的质量比的电阻上升率的曲线图。
图5是模式地表示具备本发明的锂二次电池的车辆(汽车)的侧面图。
具体实施方式
以下,说明本发明的优选的实施方式。另外,在本说明书中特别提到的事项以外的、本发明的实施所必需的事项,可以作为基于该领域中的现有技术的技术人员的设计事项来掌握。本发明可以基于本说明书中所公开的内容和该领域中的技术常识实施。
本发明涉及的锂二次电池用的正极,通过在正极集电体的表面具备导电层和层叠于该导电层上的活性物质层而被赋予特征。以下,以使用具备在此被公开的上述叠层结构的正极构建的角型形状的锂二次电池(锂离子电池)为例,详细地进行说明,但并不意图将本发明限定于该实施方式。只要是通过作为电荷载体的锂离子的移动实现充放电的电池即可,即,负极、电池壳体、电解质等的构成没有特别的限定。例如,电池壳体可为长方体状、扁平形状、圆筒形状等的形状,负极或电解质的构成可以根据用途(典型的是车载用)适当地改变。
另外,在以下的附图中,有时对发挥相同作用的构件和部位附带相同标记,重复的说明有时省略或简化。另外,各图中的尺寸关系(长度、宽度、厚度等)并不反映实际的尺寸关系。
图1是模式地表示一实施方式涉及的角型形状的锂二次电池100的立体图。另外,图2是图1中的II-II线剖面图。此外,图3是表示构成一实施方式涉及的卷绕电极体的正负极和隔板的剖面图。
如图1所示,本实施方式涉及的锂二次电池100具备长方体形状的角型的电池壳体10和堵塞该壳体10的开口部12的盖体14。可从该开口部12将扁平形状的电极体(卷绕电极体20)和电解质收容于电池壳体10内部。另外,盖体14上设置有外部连接用的正极端子38和负极端子48,这些端子38、48的一部分在盖体14的表面侧突出。
如图2所示,本实施方式中,卷绕电极体20收纳在该壳体10内。该电极体20包含:在长片状的正极集电体32的表面形成有导电层34和活性物质层36的正极片30;在长片状的负极集电体42的表面形成有负极活性物质层44的负极片40;和长片状的隔板50A、50B。并且,如图3所示,将正极片30和负极片40与2片的隔板50A、50B一起重合卷绕,从侧面方向压扁所得到的卷绕电极体20,由此成形为扁平形状。
另外,在在被卷绕的正极片30中,在沿着其纵向的一个端部不形成导电层34和活性物质层36而正极集电体32露出,另外,在被卷绕的负极片40中,也在沿着其纵向的一个端部不形成负极活性物质44而负极集电体42露出。并且,在正极集电体32的该露出端部接合有正极端子38,并在负极集电体42的该露出端部接合有负极端子48,与形成为上述扁平形状的卷绕电极体20的正极片30或负极片40电连接。正负极端子38、48和正负极集电体32、42可分别通过例如超声波焊接、电阻焊接等来接合。
首先,对于本实施方式涉及的锂二次电池100的正极的各构成要素进行说明。在此被公开的锂二次电池用的正极(典型的是正极片30),具备:在正极集电体32的表面层叠的导电层34;和形成于该导电层34上的活性物质层36,上述导电层34和上述活性物质36分别由不同的组合物构成。并且,在导电层34中含有作为粘结材料的相对于有机溶剂为可溶性的至少一种非水溶性聚合物、和导电材料。另外,另一方面,在活性物质层36中含有作为粘结材料的在水中可溶或分散的至少一种的水溶性聚合物和/或水分散性聚合物、和正极活性物质。
作为上述正极集电体32,可优选使用由导电性良好的金属构成的导电性构件。例如,可以使用铝或以铝为主成分的合金。正极集电体32的形状可以根据锂二次电池的形状等而不同,因此没有特别的限制,可为棒状、板状、片状、箔状、网状等的各种的形态。在本实施方式中,使用片状的铝制的正极集电体32,可优选用于具备卷绕电极体20的锂二次电池100。
在此被公开的锂二次电池100的正极中使用的导电材料,只要是以往在这种二次电池中使用的导电材料即可,并不限定于特定的导电材料。可以使用例如碳粉末、碳纤维等的碳材料。作为碳粉末,可以使用各种的炭黑(例如乙炔黑、炉黑、科琴黑)、石墨粉末等的碳粉末。也可以并用地使用它们之中的一种或两种以上。
另外,作为上述导电材料优选的平均粒径(采用TEM像测定,以下相同。)为1μm以下(例如500nm以下,优选为100nm以下)。在使用具备该平均粒径的导电材料形成的导电层中,导电性被提高,因此该导电层的电阻被抑制在大约20mΩ·cm2以下。特别是在平均粒径为1μm以下的以乙炔黑为主的炭黑中,可显著地得到上述效果。
另外,本实施方式涉及的上述导电层34所含有的粘结材料,是相对于有机溶剂为可溶性,并且相对于水为不溶性的非水溶性聚合物。作为这种聚合物,可举出聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚偏二氯乙烯(PVDC)、聚丙烯腈(PAN)、聚环氧丙烷(PPO)、聚环氧乙烷-环氧丙烷共聚物(PEO-PPO)等。特别优选使用的粘结材料是PVDF。
另外,本实施方式涉及的活性物质层36所含有的粘结材料,是水性聚合物,即相对于有机溶剂为不溶性,并且在水中可溶或者分散的水溶性聚合物和/或水分散性聚合物。例如,作为在水中溶解的聚合物,可举出羧甲基纤维素(CMC)、甲基纤维素(MC)、醋酸邻苯二甲酸纤维素(CAP)、羟丙基甲基纤维素(HPMC)、羟丙基甲基纤维素邻苯二甲酸酯(HPMCP)等各种的纤维素衍生物。另外,作为在水中分散的聚合物,可举出聚环氧乙烷(PEO)、聚四氟乙烯(PTFE)、四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物(PFA)、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP)、乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)等的氟系树脂、醋酸乙烯酯共聚物、苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SBR)、丙烯酸改性SBR树脂(SBR系乳胶)、阿拉伯胶等的橡胶类。特别优选使用的粘结材料是CMC。
此外,作为在此被公开的锂二次电池100的正极中使用的活性物质层36所含有的正极活性物质,可使用能够吸藏和释放锂的粒状的活性物质材料。可以优选使用作为这种锂二次电池的正极活性物质而为人所知的层状结构的氧化物系正极活性物质、尖晶石结构的氧化物系正极活性物质等。例如,可举出锂镍系复合氧化物、锂钴系复合氧化物、锂锰系复合氧化物等的锂过渡金属复合氧化物。
在此,所谓锂镍系复合氧化物为下述意思:除了包含以锂(Li)和镍(Ni)为构成金属元素的氧化物以外,也包含:除了锂和镍以外,还含有以典型的是比镍少的比例(原子数换算。在含有两种以上的、Li和Ni以外的金属元素的情况下,作为它们的合计量是比Ni少的比例)含有其他的至少一种金属元素(即,Li和Ni以外的过渡金属元素和/或典型金属元素)作为构成金属元素的氧化物。上述Li和Ni以外的金属元素,可为选自例如钴(Co)、铝(Al)、锰(Mn)、铬(Cr)、铁(Fe)、钒(V)、镁(Mg)、钛(Ti)、锆(Zr)、铌(Nb)、钼(Mo)、钨(W)、铜(Cu)、锌(Zn)、镓(Ga)、铟(In)、锡(Sn)、镧(La)和铈(Ce)中的一种或两种以上的金属元素。另外,对于锂钴系复合氧化物和锂锰系复合氧化物也是同样的意义。
另外,也可以使用通式由LiMPO4(M是Co、Ni、Mn、Fe之中的至少一种以上的元素;例如LiFePO4、LiMnPO4)表示的橄榄石型磷酸锂作为上述正极活性物质。
作为上述锂过渡金属氧化物,可以原样地使用例如用现有公知的方法制备并提供的锂过渡金属氧化物粉末(以下,也有时称为粒状活性物质)。例如,可以用规定的摩尔比混合根据原子组成适当选择的几种原料化合物,并用适当的方法煅烧,由此制备该氧化物。另外,通过用适当的方法将煅烧物粉碎、造粒和分级,可以得到由具有所希望的平均粒径和/或粒径分布的二次粒子实质性地构成的粒状的锂过渡金属氧化物粉末。另外,锂过渡金属氧化物粉末的制备方法本身并不对本发明赋予任何特征。
以下,对于本实施方式涉及的正极的制造方法进行说明。在此被公开的方法,是对正极集电体32的表面(根据形状和用途可为集电体的两面或者一面)赋予导电层形成用组合物,接着,在所形成了的导电层34上赋予活性物质层形成用组合物,从而层叠活性物质层36。
首先,导电层形成用组合物,是通过混合作为粘结材料的相对于有机溶剂为可溶性并且相对于水为不溶性的至少一种的非水溶性聚合物、导电材料和有机溶剂而制备的膏状组合物(包含浆状组合物、墨状组合物。以下简称为「非水系电极膏」)。例如,通过以适当的质量比例将适当的导电材料(例如碳粉末)和粘结材料(例如PVDF)添加到适当的非水系溶剂中并混合,可以制备导电层形成用的非水系电极膏。作为制备该非水系电极膏时添加的优选的非水系溶剂(有机溶剂),可例示N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、甲乙酮、甲苯等。
为了使用上述导电层形成用的非水系电极膏形成粘结性能优异的导电层34,优选配合导电材料和非水溶性聚合物使得将导电材料和非水溶性聚合物(粘结材料)的合计量设为100质量%时的该导电材料的含有率为20质量%~50质量%(更优选为20质量%~40质量%,特别优选为20质量%~35质量%)。导电材料的含有率比50质量%多时,导电性变好,但产生因粘结性降低引起的剥离,电池的内阻增大,因此不优选。另一方面,导电材料的含有率比20质量%小时,招致导电性降低(即导电通路的减少),因此不优选。但是,通过使导电层34中含有的导电材料的含量在上述范围、即整体的一半以下,可以保持导电性并且提高粘结性。
然后,通过对正极集电体32的表面赋予制备的导电层形成用的非水系电极膏,并使该膏中所含有的溶剂干燥,可以形成导电层34。对正极集电体32赋予该导电层形成用的非水系电极膏时,可以适当采用与以往公知的方法同样的技术。例如,可举出狭缝涂布机、凹版辊涂布机、模涂机、逗点涂布机等的涂布装置。另外,根据需要,通过在干燥后进行压缩,可以将导电层34调整为所希望的厚度。作为该压缩方法,可以采用以往公知的辊压法、平板压制法等的压缩方法。另外,也可以用膜厚测定器测定该厚度,调整压制压力,进行多次压缩直到变为所希望的厚度。
另外,涂布的厚度只要能够确保导电层34中的充分的导电路径(导电通路)就没有特别的限定,但优选进行涂布使得例如正极集电体32的每一面为0.1μm以上5.0μm以下(优选为1.0μm以上4.0μm以下)的厚度。上述涂布厚度为5.0μm以上的情况下,导电性降低,电池容量维持率变小。另一方面,在为0.1μm以下的厚度时,作为介于正极集电体32和活性物质层36之间的导电层34过薄,因此集电体32有可能腐蚀,因而不优选。
此外,优选的正极集电体32的每单位面积的被覆量、即导电材料和非水溶性聚合物的总量[g/m2]为集电体的每一面为0.25g/m2以上5.0g/m2以下(优选集电体的每一面为1.7g/m2以上3.2g/m2以下)。
优选:在正极集电体32上涂布上述导电层形成用的非水系电极膏后,使用适当的干燥机,加热该集电体直到最高温度为140~150℃的范围内。通过该加热处理,能够快速地除去导电层形成用组合物的有机溶剂,并且导电层形成用组合物中所含有的非水溶性聚合物的结晶度被提高到合适的程度。这样可以在集电体表面形成规定的厚度的导电层34。
如上述那样,在正极集电体32的表面层叠导电层34后,在该导电层34上赋予活性物质层形成用组合物,形成活性物质层36。上述活性物质层形成用组合物是通过混合正极活性物质、作为粘结材料的相对于有机溶剂为不溶性并且在水中可溶或分散的至少一种的水溶性聚合物和/或水分散性聚合物、和水系溶剂(典型的是水)而制备的膏状组合物(水系电极膏)。该活性物质层形成用的水系电极膏,例如可以通过将至少一种的适当的正极活性物质(例如LiNiO2、LiCoO2、LiMn2O4等的锂过渡金属复合氧化物)、和粘结材料(例如CMC)以适当的质量比例添加到水(例如离子交换水)中,并进行混合来制备。另外,也可以在构成活性物质层36的优选的组合物中添加导电材料。可以提高上述活性物质层36和上述导电层34的导电通路。
作为用于制备该水系电极膏的水系溶剂,优选为水或以水为主体的混合溶剂。作为构成该混合溶剂的水以外的溶剂,可以适当选择使用可与水均匀混合的有机溶剂(低级醇、低级酮等)的一种或两种以上。例如,优选使用该水系溶剂的大致80质量%以上(更优选大致90质量%以上、进一步优选大致95质量%以上)为水的水系溶剂。作为特别优选的例子,可举出实质上由水构成的水系溶剂(例如水)。
此外,在此被公开的锂二次电池100的正极,其活性物质层36中的每单位面积的粘结材料质量(B)和导电层34中的每单位面积的粘结材料质量(A)的质量比(B/A)满足0.06≤B/A≤0.35(优选0.08≤B/A≤0.33、特别优选0.13≤B/A≤0.30)的关系。形成上述导电层34的非水系电极膏和形成上述活性物质层36的水系电极膏,由于包含相对的性状的粘结材料的层彼此层叠,因此在长期间的使用和/或高速率充放电的使用下,层彼此的粘结性降低,有可能发生层间剥离。但是,在具备采用活性物质层36中的每单位面积的粘结材料质量(B)和导电层34中的每单位面积的粘结材料质量(A)的质量比(B/A)满足上述关系的组合物层叠的正极的电池中,活性物质层36和导电层34的相互的粘结性非常优异,因此对于高速率充放电也难以发生层间剥离。因此,可以防止成为正极集电体32的腐蚀的主要原因的高电阻性化合物的生成,可抑制内阻的上升。
并且,通过在上述导电层34上赋予制备的活性物质层形成用的水系电极膏,并使该膏中所含有的溶剂干燥,可以形成活性物质层36。在导电层32上赋予该活性物质层形成用的水系电极膏时,可以适当采用与上述列举的方法同样的技法。另外,活性物质层36可以形成于导电层34表面的大致整个范围,也可以仅形成于导电层34表面之中的一部分范围。通常,从形成活性物质层36所产生的效果和该活性物质层36的耐久性等的观点来看,优选为下述构成:以至少覆盖导电层34表面的大致整个范围的方式形成活性物质层36。另外,在正极集电体32上形成有导电层34的形态的正极中,残留在正极集电体32的一部分上未形成导电层34的部分的情况下,也可以设为下述构成:在不显著损害本发明的效果的范围,上述活性物质层36的一部分延长至未形成导电层34的部分而设置的构成。
具备由本发明提供的正极的锂二次电池100,除了具备包含上述的导电层34和活性物质层36的正极以外,可以与以往的这种锂二次电池中所具有的构成同样,没有特别的限制。以下,对于其他的构成要素进行说明,但并不意图将本发明限定于该实施方式。
例如,负极片40可为在长的形状的负极集电体42(例如铜箔)之上形成有负极活性物质层44的构成。作为构成负极活性物质层44的能够吸藏和释放锂的负极活性物质,可以没有特别限定地使用以往就在锂二次电池中使用的物质的一种或两种以上。例如,作为优选的负极活性物质,可举出碳粒子。可优选使用在至少一部分中含有石墨结构(层状结构)的粒子状的碳材料(碳粒子)。所谓的石墨质的碳材料(石墨)、难石墨化碳质的碳材料(硬碳)、易石墨化碳质的碳材料(软碳)、具有将它们组合了的结构的碳材料的任一种碳材料都可以很好地使用。特别是石墨粒子,由于粒径小且每单位体积的表面积大,因此可成为适合于高速率充放电的负极活性物质。
在负极活性物质层44中,除了上述负极活性物质以外,还可以根据需要含有可在一般的锂二次电池中配合的一种或两种以上的材料。作为这样的材料,可以同样地使用作为上述的导电层34和活性物质层36的构成材料而列举的可作为粘结材料发挥功能的各种的聚合物材料。
该负极活性物质层44可以通过以下的操作优选地制作:将负极活性物质和粘结材料等添加到适当的溶剂(水、有机溶剂以及它们的混合溶剂)中,使其分散或溶解,将这样制备的膏或浆状的组合物涂布于负极集电体42上,使溶剂干燥并进行压缩。
另外,隔板50A、50B是介于正极片30和负极片40之间的片,被配置成与正极片30的导电层34和活性物质层36、和负极片40的负极活性物质层44分别接触。并且,承担着防止伴随着正极片30和负极片40中的活性物质层36、46的接触的短路、通过向该隔板50A、50B的孔隙内浸渗上述电解质来形成电极间的传导通路(导电路径)的作用。作为该隔板50A、50B的构成材料,可以优选使用由树脂构成的多孔性片(微多孔质树脂片)。特别优选聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯等的多孔质聚烯烃系树脂。
本实施方式涉及的电解质,是含有锂离子的非水电解质(典型的是非水系液体电解质),是在非水溶剂(有机溶剂)中溶解了锂盐作为支持电解质的非水溶剂系电解液,例如可以使用在一般的锂二次电池中使用的电解质。作为构成上述电解质的非水溶剂,可以优选使用例如碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸亚丙酯等的一种或两种以上。另外,作为支持电解质的锂盐,可以使用例如LiPF6、LiClO4、LiAsF6、Li(CF3SO2)2N、LiBF3、LiCF3SO3等的一种或两种以上。
通过将上述制作的正极片30和负极片40与2片的隔板50A、50B一起层叠、卷绕,并将得到的卷绕电极体20收纳到电池壳体10中,并且注入上述电解质并进行密封,可以构建本实施方式的锂二次电池100。
另外,对于电池壳体10的结构、大小、材料(可为例如金属制或层压膜制)、和以正负极为主要构成要素的电极体的结构(例如卷绕结构、叠层结构)等没有特别的限制。
以下,对本发明涉及的试验例进行说明,但并不意图将本发明限定于该具体例所示的范围。
通过对活性物质层中的每单位面积的粘结材料质量(B)和导电层中的每单位面积的粘结材料质量(A)的质量比(B/A)不同的锂二次电池用的正极测定阻抗,来评价其电阻是否有不同。将其具体方法示于以下。
[锂二次电池用的电极的制作]
制作了锂二次电池用的正极。即,在形成正极中的导电层时,将作为粘结材料的聚偏二氟乙烯(PVDF)和作为导电材料的乙炔黑加入N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)来混合使得这些材料的质量%比为72∶28,制备了膏状的导电层形成用组合物。
然后,使用涂布装置在作为正极集电体的厚度约为10μm的铝箔的两面涂布该组合物。涂布后,使其干燥,利用辊压机延展为片状,在正极集电体的表面形成了导电层。
接着,在该导电层之上层叠活性物质层。在此,制备了活性物质层中含有的正极活性物质。即,使用反应晶析法在预先使金属钴和铝悬浮了的水溶液中添加镍盐水溶液和碱金属氢氧化物水溶液,使氢氧化镍晶析。然后,煅烧该氢氧化镍和氢氧化锂,得到了锂镍复合氧化物LiNiO2。
将上述制备的作为正极活性物质的LiNiO2、作为导电材料的乙炔黑、和作为粘结材料的羧甲基纤维素(CMC)以这些材料的质量%比为100∶10∶1的方式与离子交换水混合,制备了膏状的活性物质层形成用组合物。使用涂布装置在导电层上涂布制备的该组合物,除去上述水分后,利用辊压机延展成片状,形成了活性物质层。
此时,准备了活性物质层中的每单位面积的粘结材料CMC的质量(B)和导电层中的每单位面积的粘结材料PVDF的质量(A)的质量比(B/A)分别不同的11种样品。将样品1~11的质量比示于表1。
表1
在上述导电层上层叠活性物质层制作的2片的正极片之间夹入厚度约30μm的多孔性的聚丙烯制的隔板,在正极片端部接合外部端子。将接合了的正极片和隔板的层叠体收纳到层压制的壳体中,将电解质注入到该壳体内。作为电解质,使用了在体积比为1∶1∶1的碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)以及碳酸乙基甲基酯(EMC)的混合溶剂中以1mol/L的浓度溶解了支持电解质LiPF6而成的电解质。然后,注入上述电解质后,将壳体的开口部分封口。
其后,进行适当的电解质的浸渗处理(例如,直到200Torr的真空浸渗处理),在正极细孔中充分浸渗了电解质以后,测定样品1~11的阻抗。测定频率为拱形,进行阻抗测定,从科尔-科尔图(Cole-Cole plot)读取直流电阻。
另外,上述阻抗测定是将样品1~11在60℃保存3天后同样地实施。将其结果示于图4。另外,图4中的横轴表示活性物质层中的每单位面积的粘结材料CMC的质量(B)和导电层中的每单位面积的粘结材料PVDF的质量(A)的质量比(B/A),纵轴表示从阻抗测定结果得到的在60℃保存3天后的直流电阻值的上升率。
如图4所示,活性物质层中的每单位面积的粘结材料CMC的质量(B)和导电层中的每单位面积的粘结材料PVDF的质量(A)的质量比(B/A)为0.06以上0.35以下的样品,上升率显示1.2以下。特别是质量比(B/A)为0.0800(样品4)、0.1333(样品3)、0.2667(样品1和样品2)、0.3333(样品8)和0.3509(样品11)时,上升率都小于1.2,显示出由剥离引起的电阻增加较小。
以上详细地说明了本发明,但上述实施方式和实施例不过是例示,在此被公开的发明中包含将上述的具体例进行了各种变形、变更的情况。例如,不限于上述的卷绕型的电池,可以适用于各种的形状的锂二次电池。另外,对于该电池的大小和其他的构成,也可以根据用途(典型的是车载用)进行适当变更。
产业上的利用可能性
本发明涉及的锂二次电池100的正极,通过在如上述那样的正极集电体32的表面具备导电层34和层叠于该导电层上的活性物质层36,可以对于高速率充放电难以发生层间剥离,并难以生成成为正极集电体32的腐蚀的主要原因的高电阻性化合物。根据该特性,具备本发明涉及的正极的锂二次电池100可以优选用作为特别是汽车等的车辆上所搭载的电动机用电源。因此,如图5所示,提供具备该锂二次电池100(可为将多个该锂二次电池100串联连接而形成的电池组的形态)作为电源的车辆1(典型的是汽车,特别是混合动力汽车、电动汽车、燃料电池汽车之类的具备电动机的汽车)。
Claims (9)
1.一种正极,是具备层叠于正极集电体的表面的导电层和层叠于该导电层上的活性物质层的锂二次电池用的正极,
在所述导电层中含有作为粘结材料的相对于有机溶剂为可溶性的至少一种非水溶性聚合物、和导电材料,
在所述活性物质层中含有作为粘结材料的在水中可溶或分散的至少一种的水溶性聚合物和/或水分散性聚合物、和正极活性物质,
其中,所述活性物质层中的每单位面积的粘结材料的质量B与所述导电层中的每单位面积的粘结材料的质量A的质量比B/A满足0.06≤B/A≤0.35。
2.根据权利要求1所述的正极,其中,将所述导电层中的所述非水溶性聚合物和所述导电材料的合计量设为100质量%时,该导电层中的该导电材料的含有率为20质量%~50质量%。
3.根据权利要求1所述的正极,其中,在所述导电层中含有聚偏二氟乙烯来作为粘结材料,在所述活性物质层中含有羧甲基纤维素来作为粘结材料。
4.根据权利要求1所述的正极,其中,在所述活性物质层中含有导电材料。
5.一种制造方法,是制造在正极集电体的表面具备导电层与层叠于该导电层上的活性物质层的叠层结构的锂二次电池用的正极的方法,包括:
使用含有作为粘结材料的相对于有机溶剂为可溶性的至少一种非水溶性聚合物、和导电材料的组合物,形成所述导电层;以及
使用含有作为粘结材料的在水中可溶或分散的至少一种的水溶性聚合物和/或水分散性聚合物、和正极活性物质的组合物,形成所述活性物质层,
其中,以所述活性物质层中的每单位面积的粘结材料的质量B与所述导电层中的每单位面积的粘结材料的质量A的质量比B/A满足0.06≤B/A≤0.35的方式形成所述叠层结构。
6.根据权利要求5所述的制造方法,其中,以将所述导电层中的所述非水溶性聚合物和所述导电材料的合计量设为100质量%时的该导电层中的该导电材料的含有率为20质量%~50质量%的方式层叠该导电层。
7.根据权利要求5所述的制造方法,其中,使用聚偏二氟乙烯作为所述导电层中的粘结材料;使用羧甲基纤维素作为所述活性物质层中的粘结材料。
8.一种锂二次电池,具备权利要求1~4的任一项所述的正极。
9.一种车辆,具备权利要求8所述的锂二次电池。
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