JP2013065440A - 電池用電極、非水電解質電池、及び電池パック - Google Patents
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Abstract
【課題】 初回放電容量が高く、且つ、放電負荷特性に優れた電池用電極、並びに、該電極を用いた非水電解質電池及び電池パックを提供することを目的とする。
【解決手段】 実施形態によれば、活物質層61を含む電池用電極60が提供される。活物質層61は、一次粒子の短軸の平均長さが0.5μm〜5μmであり、長軸の平均長さが0.5μ〜20μmである、単斜晶系二酸化チタン化合物の第1の粉末63aと、一次粒子の短軸の平均長さが0.01μm〜0.3μmであり、長軸の平均長さが0.5μ〜1μmである、単斜晶系二酸化チタン化合物の第2の粉末63bとを含む。
【選択図】図1
Description
図1に、第1実施形態に係る電池用電極の模式図を示す。図1は、電池用電極の断面図である。
電極60は、活物質層61及び集電体62を含む。活物質層61は集電体62の両面に形成される。活物質層61は、活物質63と、導電剤64及び結着剤(図示せず)を含む。なお、活物質層61は集電体62の片面のみに形成されてもよい。また、活物質層61は導電剤64及び結着剤を含まなくてもよい。
短軸及び長軸が決定されれば、アスペクト比を決定することができる。アスペクト比は次式によって算出される。
図3におけるアスペクト比は、線分L12の長さを線分L4の長さで除すことにより算出できる。
第1の粉末63a及び第2の粉末63bの短軸及び長軸の平均長さとして、粒度分布(質量基準分布)から求めたメディアン径(d50)を用いる。
N-メチル-2-ピロリドン (N-methylpyrrolidone, NMP)などの有機溶媒であることが好ましい。この操作により、活物質層61と集電体62を分離し、さらに、活物質63及び導電剤64などを溶媒に分散することができる。分散溶媒から集電体62を除去し、分散溶媒を遠心分離器にかける。これにより、活物質63を分離することができる。或いは、活物質63以外の電極材料(例えば、導電剤、結着剤)の粒度分布を予め測定し、その結果を、電極の粒度分布の測定結果から除外することにより、活物質63の粒度分布を測定してもよい。
二酸化チタン化合物のBET比表面積は特に限定されないが、5m2/g以上100m2/g以下が好ましい。比表面積を5m2/g以上にすることによって、非水電解質との必要な接触面積を確保することができるため、電池性能を向上することができる。また、比表面積を100m2/g以下にすることによって、電極製造に用いるスラリーの塗布性を良好にすることができる。また、非水電解質と活物質との反応性を抑えられるため、寿命特性を向上することができる。
上述したように、活物質層61は、活物質63と、任意に導電剤64及び結着剤を含む。
活物質63は、上述したように、一次粒子の短軸の平均長さが0.5μm〜5μmであり、長軸の平均長さが0.5μ〜20μmである、単斜晶系二酸化チタン化合物の第1の粉末63aと、一次粒子の短軸の平均長さが0.01μm〜0.3μmであり、長軸の平均長さが0.5μ〜1μmである、単斜晶系二酸化チタン化合物の第2の粉末63bとを含む。
単斜晶系二酸化チタン化合物は、次の方法により合成することができる。まず、チタン酸アルカリ化合物を酸と反応させて、そのアルカリカチオンをプロトンに交換することにより、チタン酸プロトン化合物(即ち、プロトン交換化合物)を得る。次いで、チタン酸プロトン化合物を加熱処理することにより、単斜晶系二酸化チタンの結晶構造を有する二酸化チタン化合物を生成する。
二酸化チタン化合物が単斜晶系の結晶構造を有することは、粉末X線回折(XRD)により確認することができる。
電極は、例えば活物質、結着剤及び導電剤を汎用されている溶媒に懸濁してスラリーを調製し、このスラリーを集電体に塗布し、乾燥し、活物質層を形成した後、プレスを施すことにより作製される。或いは、活物質、結着剤及び導電剤をペレット状に形成して活物質層とし、これを集電体上に配置することにより電極を作製することもできる。
(非水電解質電池)
次に、第2実施形態に係る非水電解質電池を、図面を参照してより具体的に説明する。本実施形態における非水電解質電池は、非水電解質二次電池であることが好ましい。
上記のように、正極は、集電体と、正極活物質層を含む。正極活物質層は、集電体の片面若しくは両面に形成され、正極活物質と、任意に導電剤及び結着剤を含む。
非水電解質として、液状非水電解質又はゲル状非水電解質を用いることができる。液状非水電解質は、電解質を有機溶媒に溶解することにより調製される。ゲル状非水電解質は、液状電解質と高分子材料を複合化することにより調製される。
無機固体電解質は、リチウムイオン伝導性を有する固体物質である。
セパレータは、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、セルロース、またはポリフッ化ビニリデン(PVdF)を含む多孔質フィルム、または、合成樹脂製不織布から形成されてよい。中でも、ポリエチレン又はポリプロピレンから形成された多孔質フィルムは、一定温度において溶融し、電流を遮断することが可能であるため、安全性を向上できる。
外装部材は、厚さ0.5mm以下のラミネートフィルムまたは厚さ1mm以下の金属製容器を用いることができる。ラミネートフィルムの厚さは0.2mm以下であることがより好ましい。金属製容器は、厚さ0.5mm以下であることがより好ましく、厚さ0.2mm以下であることがさらに好ましい。
次に、第3実施形態に係る電池パックについて、図面を参照して説明する。電池パックは、上記第2実施形態に係る非水電解質電池(単電池)を1個又は複数個有する。複数の単電池を含む場合、各単電池は、電気的に直列もしくは並列に接続して配置される。
一次粒子の短軸の平均長さが0.5μm〜5μm、長軸の平均長さが0.5μ〜20μmである単斜晶系二酸化チタン化合物の第1の粉末を製造した。まず、K2Ti4O9で表されるチタン酸カリウムを合成した。
一次粒子の短軸の平均長さが0.01μm〜0.3μm、長軸の平均長さが0.5μ〜1μmである単斜晶系二酸化チタン化合物の第2の粉末を製造した。
上記で合成した第1の粉末と第2の粉末を、第1の粉末と第2の粉末の合計質量に対する第2の粉末の含有割合が、0質量%、25質量%、50質量%、75質量%、100質量%となるように混合し、試料を調製した。
上記で調製した試料のうち、第2の粉末の含有割合が、25質量%、50質量%、75質量%である試料の粒度分布を、(株)島津製作所製 レーザー回析式粒度分布測定装置 SALD-200Vを用いて測定した。質量基準分布の測定結果から質量%を算出したところ、仕込み混合比と同等の結果が得られることが確認された。また、得られた混合体のメディアン径(d50)を、島津製作所のソフトウェアであるWingSALDシリーズを用いて算出したところ、第1の粉末は13.5μmであり、第2の粉末は0.5μmであることが分かった。今回合成した第1および第2の粉末のアスペクト比はおよそ1であった。
上記で調製した各試料と、結着剤としてポリテトラフルオロエチレンと、導電剤としてアセチレンブラックを、80wt%、10wt%、10wt%の質量比で混合し、成形し、試験電極を製造した。
測定セルを用いて充放電試験を行った。充放電試験は、金属リチウム電極基準で1.0V〜3.0Vの電位範囲で、充放電電流が0.2Cで、室温において行った。その結果から、試料(活物質)質量あたりの充放電容量(mAh/g)を算出した。
図10に、試料中の第2の粉末の含有割合と、試料質量あたりの放電容量(mAh/g)と、5.0C放電容量維持率の関係を示した。この結果から、第2の粉末の含有割合が25質量%から75質量%の範囲内では、0.2C放電容量及び5.0C放電容量維持率が高く維持されることが示された。
Claims (5)
- 活物質層を含む電池用電極であって、
前記活物質層は、
一次粒子の短軸の平均長さが0.5μm〜5μmであり、長軸の平均長さが0.5μ〜20μmである、単斜晶系二酸化チタン化合物の第1の粉末と、
一次粒子の短軸の平均長さが0.01μm〜0.3μmであり、長軸の平均長さが0.5μ〜1μmである、単斜晶系二酸化チタン化合物の第2の粉末と、
を含む、電池用電極。 - 前記活物質層は、前記第2の粉末を、前記第1の粉末と前記第2の粉末の合計質量に対して25質量%以上75質量%以下の割合で含む、請求項1に記載の電池用電極。
- 前記活物質層の密度が1.8g/cm3以上3.0g/cm3以下の範囲である、請求項1又は2に記載の電池用電極。
- 請求項1〜3の何れか一項に記載の電池用電極からなる負極と、
正極と、
非水電解質と、
を含む非水電解質電池。 - 請求項4に記載の非水電解質電池を含む電池パック。
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