JP2013045714A - 非水二次電池製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】負極活物質とカルボキシメチルセルロース(CMC)とスチレンブタジエンゴムとを含む負極スラリーを、負極集電体上に付与し、乾燥させて負極活物質層を形成することを包含する二次電池製造方法が提供される。上記CMCは、重量平均分子量が30×104以上、40×104以下である。上記負極活物質層に含まれるCMCの量は0.6〜0.8質量%の範囲にある。上記負極活物質は、その粒子表面についてX線光電子分光法によって求められる酸素元素と炭素元素との比の値O/C値が1.0以下である。
【選択図】図1
Description
負極活物質としては、一般的なリチウムイオン二次電池に用いられる負極活物質を使用することができる。好適な負極活物質として、高結晶性炭素粒子(以下、芯粒子ということもある。)の表面に低結晶性炭素(非晶質炭素であり得る。)を有する複合炭素材料が挙げられる。上記高結晶性炭素粒子としては、グラファイト構造(層状構造)を主体とする粒子状の炭素材料を好ましく用いることができる。かかる負極活物質は、典型的には、芯粒子と非晶質炭素(アモルファスカーボン)膜を形成し得るコート原料とを混合し、該芯粒子表面に付着した該コート原料を炭化させることにより形成することができる。
芯粒子とコート原料との混合割合は、適用するコーティング法に応じて、適当な後処理(不純物や未反応物の除去等)を行った後のコート量が上記範囲となるように適宜選択すればよい。
ここに開示される技術では、Mwが30×104以上40×104以下のCMCを好ましく使用し得る。なお、本明細書におけるCMCのMwは、特記しない限り、GPC(Gel Permiation Chromatography)−LALLS(Low−angle laser light scattering;低角度光散乱高度計)法により測定された値を指すものとする。
ここで、リチウムニッケル系複合酸化物とは、リチウム(Li)とニッケル(Ni)とを構成金属元素とする酸化物のほか、リチウムおよびニッケル以外に他の少なくとも一種の金属元素(すなわち、LiとNi以外の遷移金属元素および/または典型金属元素)を、原子数換算でニッケルと同程度またはニッケルよりも少ない割合(典型的にはニッケルよりも少ない割合)で構成金属元素として含む酸化物をも包含する意味である。上記LiおよびNi以外の金属元素は、例えば、コバルト(Co),アルミニウム(Al),マンガン(Mn),クロム(Cr),鉄(Fe),バナジウム(V),マグネシウム(Mg),チタン(Ti),ジルコニウム(Zr),ニオブ(Nb),モリブデン(Mo),タングステン(W),銅(Cu),亜鉛(Zn),ガリウム(Ga),インジウム(In),スズ(Sn),ランタン(La)およびセリウム(Ce)からなる群から選択される一種または二種以上の金属元素であり得る。なお、リチウムコバルト系複合酸化物およびリチウムマンガン系複合酸化物についても同様の意味である。
また、一般式がLiMPO4(MはCo、Ni、Mn、Feのうちの少なくとも一種以上の元素;例えばLiFePO4、LiMnPO4)で表記されるオリビン型リン酸リチウムを上記正極活物質として用いてもよい。
正極スラリーに含まれる正極活物質の量は、適宜選択することができ、例えば、80〜95質量%程度とすることができる。
水溶性ポリマーとしては、例えば、カルボキシメチルセルロース(CMC)、メチルセルロース(MC)、酢酸フタル酸セルロース(CAP)、ヒドロキシプロピルメチルセルロース(HPMC)、ヒドロキシプロピルメチルセルロースフタレート(HPMCP)、ポリビニルアルコール(PVA)等が挙げられる。
水分散性ポリマーとしては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重含体(PFA)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)等のフッ素系樹脂、酢酸ビニル共重合体、スチレンブタジエンブロック共重合体(SBR)、アクリル酸変性SBR樹脂(SBR系ラテックス)、アラビアゴム等のゴム類等が挙げられる。
非水溶媒(有機溶媒)に溶解するポリマーとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリ塩化ビニリデン(PVDC)、ポリエチレンオキサイド(PEO)、ポリプロピレンオキサイド(PPO)、ポリエチレンオキサイド−プロピレンオキサイド共重合体(PEO−PPO)等が挙げられる。
天然黒鉛を解砕し、球形化および篩分けを行って、球状天然黒鉛を調製した。この球状天然黒鉛と石炭ピッチとを含む混合物を、温度860℃に8時間保持して、アモルファスカーボンからなる層によって被覆された天然黒鉛(5質量%のアモルファスカーボンを含む複合炭素材料)を得た。これをピンミル式の解砕装置を用い、所定の解砕回転数にて解砕した後、篩分して、表1に示す平均粒径を有する負極活物質(複合炭素粒子)A1を得た。該負極活物質A1につき、JIS K 5101−13−2に準じて煮あまに油法により測定された吸油量(以下、単に吸油量と称する場合もある。)を表1に示す。また、比表面積測定装置(Mountech社製、型式「Macsorb HM model−1208」)を用いて窒素吸着法により測定された比表面積を表1に示す。XPSスペクトル(アルバック・ファイ社製、型式「PHI−5700」を用いて測定した。)から算出されたO/C値を表1に示す。
Mwが25×104のCMC(ナトリウム塩)を用いた他は例1と同様にして、混練完了直後の粘度(初期粘度)が2070mPa・sのスラリーを得た。この負極スラリーを用いた他は例1と同様にして負極シートを得た。
アモルファスカーボン層を形成した後の解砕工程における解砕回転数を、負極活物質A1の製造時の4/5(すなわち80%)の回転数とした。その他の点については例1と同様にして、表1に示す平均粒径、吸油量、比表面積およびO/C値を有する負極活物質A3を得た。負極活物質A3およびMwが42×104のCMC(ナトリウム塩)を用いた他は例1と同様にして、初期粘度1600mPa・sのスラリーを得た。この負極スラリーを用いた他は例1と同様にして負極シートを得た。
Mwが40×104のCMC(ナトリウム塩)を用いた他は例3と同様にして、初期粘度950mPa・sのスラリーを得た。この負極スラリーを用いた他は例1と同様にして負極シートを得た。
Mwが30×104のCMC(ナトリウム塩)を用いた他は例3と同様にして、初期粘度760mPa・sのスラリーを得た。この負極スラリーを用いた他は例1と同様にして負極シートを得た。
Mwが25×104のCMC(ナトリウム塩)を用いた他は例3と同様にして、初期粘度620mPa・sのスラリーを得た。この負極スラリーを用いた他は例1と同様にして負極シートを得た。
アモルファスカーボン層を形成した後の解砕工程における解砕回転数を、負極活物質A1の製造時の3/5の回転数とした。その他の点については例1と同様にして、表1に示す平均粒径、吸油量、比表面積およびO/C値を有する負極活物質A7を得た。負極活物質A7およびMwが40×104のCMC(ナトリウム塩)を用いた他は例1と同様にして、初期粘度830mPa・sのスラリーを得た。この負極スラリーを用いた他は例1と同様にして負極シートを得た。
Mwが30×104のCMC(ナトリウム塩)を用いた他は例7と同様にして、初期粘度640mPa・sのスラリーを得た。この負極スラリーを用いた他は例1と同様にして負極シートを得た。
Mwが25×104のCMC(ナトリウム塩)を用いた他は例7と同様にして、初期粘度410mPa・sのスラリーを得た。この負極スラリーを用いた他は例1と同様にして負極シートを得た。
アモルファスカーボン層を形成した後の解砕工程における解砕回転数を、負極活物質A1の製造時の1/2の回転数とした。その他の点については例1と同様にして、表1に示す平均粒径、吸油量、比表面積およびO/C値を有する負極活物質A10を得た。負極活物質A10およびMwが40×104のCMC(ナトリウム塩)を用いた他は例1と同様にして、初期粘度750mPa・sのスラリーを得た。この負極スラリーを用いた他は例1と同様にして負極シートを得た。
Mwが30×104のCMC(ナトリウム塩)を用いた他は例10と同様にして、初期粘度570mPa・sのスラリーを得た。この負極スラリーを用いた他は例1と同様にして負極シートを得た。
Mwが25×104のCMC(ナトリウム塩)を用いた他は例10と同様にして、初期粘度360mPa・sのスラリーを得た。この負極スラリーを用いた他は例1と同様にして負極シートを得た。
CMC量を0.6%とした他は例10と同様にして、初期粘度620mPa・sのスラリーを得た。この負極スラリーを用いた他は例1と同様にして負極シートを得た。
CMC量を0.5%とした他は例10と同様にして、初期粘度510mPa・sのスラリーを得た。この負極スラリーを用いた他は例1と同様にして負極シートを得た。
CMC量を0.6%とした他は例11と同様にして、初期粘度520mPa・sのスラリーを得た。この負極スラリーを用いた他は例1と同様にして負極シートを得た。
CMC量を0.5%とした他は例11と同様にして、初期粘度440mPa・sのスラリーを得た。この負極スラリーを用いた他は例1と同様にして負極シートを得た。
(沈降性)
温度25℃、相対湿度50%にて、各例に係る負極スラリー500mLを密閉容器中に3日間(72時間)保存した。その後、各負極スラリーの上部から採取したサンプル(空気を吸い込まないように注意しながら容器最上部のスラリーを数mL採取した。)および下部から採取したサンプル(容器下部に設けられたスラリー排出口から数十mLのスラリーを排出し、そのなかから数mLを採取した。)のNVを測定し、NVの変化率を算出した。
(増粘性)
3日間保存後のスラリーを軽く撹拌した後にサンプルを採取し、初期粘度の測定と同様の条件で保存後粘度を測定した。
これらの結果から、各負極スラリーの保存性を以下のとおり評価した。
良:保存後粘度が500〜1000mPa・sの範囲にあった。
増粘:保存後粘度が1500mP・sよりも高かった(保存性不良)。
沈降:保存後における上部と下部とのサンプルのNV変化率が1.5%以上であった(保存性不良)。
負極スラリーを銅箔に塗付した際、目付量にバラツキが認められなかった場合(得られた負極シートの目付量を、該負極シートの長手方向の2点(塗工始めと塗工終わり)について、それぞれ幅方向の3点で実測した。それら6点の実測値のうちの最大値と最小値との差が±0.1mg/cm2の範囲内にあった場合)には塗工性を良とし、バラツキが認められた場合(最大値と最小値との差が上記範囲外であった場合)には塗工性を不良として評価した。
得られた負極シートを、市販のスリッターを用い、負極シートの長手方向に沿って、負極活物質層のほぼ幅中央で二本に切断した。その切断部を目視で観察し、負極活物質層が集電体(銅箔)から剥離(脱落)した部分が認められなかった場合は結着性良、かかる剥離部分が認められた場合は結着性不良と評価した。
O/C値が1.0以下の負極活物質A3,A7またはA10を用い、且つMwが30×104〜40×104の範囲にあるCMCを少なくとも0.6〜0.7%程度の割合で含む例4,5,7,8,10,11,13,15の各負極スラリーは、保存性、塗工性、結着性ともに良好であった。
負極活物質のO/C値が1.0以下であっても、Mwが30×104未満のCMCを用いた例6,9,12の各負極スラリー、Mwが40×104超のCMCを用いた例3の負極スラリー、および、CMC(Mw=30×104〜40×104)の割合(固形分基準)が0.6%未満の例14,16の負極スラリーは、いずれも保存性、塗工性、および結着性のうち少なくとも一つの特性が不十分であった。
これらの結果から、O/C値が1.0以下の負極活物質を用い、且つMwが30×104〜40×104の範囲にあるCMCを少なくとも0.6〜0.7%程度の割合で含む負極スラリーは、NVが比較的高くても(ここでは54%)、保存性(保存時の粘度安定性)に優れ、また銅箔に薄く塗付する場合にも目付量が一定の(場所によるバラツキの少ない)優れた塗工性を示し、且つ銅箔に対する十分な結着性が実現されることが確認された。
CMC量を1.0%とした他は例4と同様にして、初期粘度1820mPa・sのスラリーを得た。この負極スラリーを用いた他は例1と同様にして負極シートを得た。
LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(正極活物質)とアセチレンブラック(導電材)とPVDF(結着剤)とを、これらの質量比が87:10:3となるように混合し、NVが50%となるようにNMPに分散させて、正極スラリーを得た。この正極スラリーを、厚さ15μmのアルミニウム箔(正極集電体)の両面に塗布して乾燥させた後、プレスして正極シートを得た。
ECとEMC(MEC(メチルエチルカーボネート)と称されることもある。)とDMCとを体積比3:3:4の割合で含む混合溶媒中に、LiPF6を1mol/Lの濃度となるように溶解して非水電解液を調製した。
適当な大きさに切り出した上記正極シートおよび負極シートを、上記電解液を含浸させたセパレータ(ポリプロピレン/ポリエチレン/ポリプロピレン三層シート)とともに重ね合わせて捲回し、得られた捲回電極体を扁平形状に押しつぶして角型容器に収容した。この容器に上記電解液を注入し、該容器を封止して容量が4Ahの角型電池を構築した。
CMC量を0.9%とした他は例4と同様にして、初期粘度1400mPa・sのスラリーを得た。この負極スラリーを用いた他は例1と同様にして負極シートを得た。この負極シートを用い、例17と同様にして角型電池を構築した。
CMC量を0.8%とした他は例4と同様にして、初期粘度1130mPa・sのスラリーを得た。この負極スラリーを用いた他は例1と同様にして負極シートを得た。この負極シートを用い、例17と同様にして角型電池を構築した。
例4の負極シートを用い、例17と同様にして角型電池を構築した。
CMC量を1.0%とした他は例5と同様にして、初期粘度1290mPa・sのスラリーを得た。この負極スラリーを用いた他は例1と同様にして負極シートを得た。この負極シートを用い、例17と同様にして角型電池を構築した。
CMC量を0.9%とした他は例5と同様にして、初期粘度1140mPa・sのスラリーを得た。この負極スラリーを用いた他は例1と同様にして負極シートを得た。この負極シートを用い、例17と同様にして角型電池を構築した。
CMC量を0.8%とした他は例5と同様にして、初期粘度920mPa・sのスラリーを得た。この負極スラリーを用いた他は例1と同様にして負極シートを得た。この負極シートを用い、例17と同様にして角型電池を構築した。
例5の負極シートを用い、例17と同様にして角型電池を構築した。
例17〜24の各電池に対して、1/10Cのレートで3時間の定電流(CC)充電を行い、次いで、1/3Cのレートで4.1Vまで充電する操作と、1/3Cのレートで3.0Vまで放電させる操作とを3回繰り返した。なお、1Cは、当該電池を1時間で満充放電できる電流値を指す。
コンディショニングした後にSOC(State of Charge;充電状態)を30%に調整した例17〜24の各電池を、温度−25℃において7.5C(ここでは30A)のレートで10秒間放電させ、10秒経過時点での電圧降下から電池抵抗(低温IV抵抗)を算出した。その結果を表3に示す。
SBR量を0.4%とした他は例15と同様にしてスラリーを調製した。この負極スラリーを用いた他は例1と同様にして負極シートを得た。この負極シートを用い、例17と同様にして角型電池を構築した。
SBR量を0.5%とした他は例15と同様にしてスラリーを調製した。この負極スラリーを用いた他は例1と同様にして負極シートを得た。この負極シートを用い、例17と同様にして角型電池を構築した。
SBR量を0.75%とした他は例15と同様にしてスラリーを調製した。この負極スラリーを用いた他は例1と同様にして負極シートを得た。この負極シートを用い、例17と同様にして角型電池を構築した。
SBR量を0.9%とした他は例15と同様にしてスラリーを調製した。この負極スラリーを用いた他は例1と同様にして負極シートを得た。この負極シートを用い、例17と同様にして角型電池を構築した。
SBR量を1%とした他は例15と同様にしてスラリーを調製した。この負極スラリーを用いた他は例1と同様にして負極シートを得た。この負極シートを用い、例17と同様にして角型電池を構築した。
なお、これら例25〜29に係る負極スラリーの初期粘度は、いずれも、例15の負極スラリーの初期粘度とほぼ同程度であった。
CMC量を0.8%、SBR量を0.9%とした他は例15と同様にして、初期粘度920mPa・sのスラリーを得た。この負極スラリーを用いて、活物質層密度を1.1g/cm3に調整した他は例1と同様にして負極シートを得た。この負極シートを用い、例17と同様にして角型電池を構築した。
例30の負極スラリーを用いて、活物質層密度を1.2g/cm3に調整した他は例1と同様にして負極シートを得た。この負極シートを用い、例17と同様にして角型電池を構築した。
例30の負極スラリーを用いて、活物質層密度を1.3g/cm3に調整した他は例1と同様にして負極シートを得た。この負極シートを用い、例17と同様にして角型電池を構築した。
例30の負極スラリーを用いて、活物質層密度を1.4g/cm3に調整した他は例1と同様にして負極シートを得た。この負極シートを用い、例17と同様にして角型電池を構築した。
コンディショニングの後にSOCを60%に調整した例30〜33の各電池を、温度25℃において25C(100A)のレートで10秒間放電させ、10秒経過時点で測定された電圧降下から電池抵抗(常温IV抵抗)を算出した。次いで、SOCを再び60%に調整して、下記条件の充放電サイクルを1000サイクル繰り返し、1000サイクル終了時点で同様に常温IV抵抗を測定した。1000サイクル終了後の常温IV抵抗(R1000)とサイクル試験開始前の常温IV抵抗(R0)との差の開始前の常温IV抵抗に対する百分率((R1000−R0)/R0×100(%))を、サイクル試験後の常温IV抵抗増加率(%)として算出した。
充放電サイクル条件:
温度 : 0℃
充電レート : 2.5C(10A)
充電後休止時間: 600秒
放電レート : 25C(100A)
放電後休止時間: 600秒
20 捲回電極体
30 正極シート
32 正極集電体
34 正極活物質層
38 正極端子
40 負極シート
42 負極集電体
44 負極活物質層
48 負極端子
50 セパレータ
90 非水電解液
100 リチウムイオン二次電池
Claims (6)
- 負極集電体上に負極活物質層を有する負極を備えた非水二次電池を製造する方法であって、
負極活物質とカルボキシメチルセルロースとスチレンブタジエンゴムとを溶媒中に含む負極スラリーを負極集電体上に付与し、乾燥させて負極活物質層を形成することを包含し、
ここで、前記カルボキシメチルセルロースは、重量平均分子量が30×104以上、40×104以下であり、
前記負極活物質層に含まれるカルボキシメチルセルロースの量が0.6〜0.8質量%の範囲にあり、かつ、
前記負極活物質は、その表面についてX線光電子分光法によって求められる酸素(O)の量と炭素(C)の量との原子数比の値(O/C値)が1.0以下である、非水二次電池製造方法。 - 前記負極活物質層に含まれるスチレンブタジエンゴムの量が0.5〜0.9質量%の範囲にある、請求項1に記載の非水二次電池製造方法。
- 前記負極活物質が、高結晶性炭素粒子の表面に低結晶性炭素を有する複合炭素材料である、請求項1または2に記載の非水二次電池製造方法。
- 前記負極スラリーを、4.0mg/cm2以下の目付量で前記負極集電体上に付与する、請求項1から3のいずれか一項に記載の非水二次電池製造方法。
- 前記負極スラリーの固形分率が50質量%以上である、請求項1から4のいずれか一項に記載の非水二次電池製造方法。
- 請求項1から5のいずれか一項に記載の方法により製造された、非水二次電池。
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