JP2013152926A - 二次電池用正極および二次電池用正極の作製方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】複数の粒子状の正極活物質と、還元された酸化グラフェンと側鎖に官能基を有するポリマーとが結合した反応物と、を有する正極活物質層とする。還元された酸化グラフェンは薄片状で導電性が高いため、複数の粒子状の正極活物質と接触して導電助材として機能する。さらに還元された酸化グラフェンがポリマーに結合しているため、反応物は優れたバインダとしても機能する。そのため、還元された酸化グラフェンとポリマーが共有結合した反応物は、少量で優れた導電助剤兼バインダとなる。
【選択図】図1
Description
本実施の形態では、本発明の一態様に係るリチウム二次電池用正極の一例について、図1および図2を用いて説明する。
図1(A)は正極301の一例の断面図、図1(B)は上面図である。正極301は、集電体101上に正極活物質層201を有する。正極活物質層201は、正極活物質102、および還元された酸化グラフェンと側鎖に官能基を有するポリマーとが結合した反応物103を有する。
正極301において、反応物103はバインダとして機能する。反応物103における、還元された酸化グラフェンと側鎖に官能基を有するポリマーとの結合は、共有結合が結合力が強いため好ましい。なお本明細書等において、ポリマーとは複数のモノマーが重合してできた化合物をいい、分子量および重合度は限定されない。ポリマーとして、オリゴマーと呼ばれる範囲の重合度(2〜100程度)のものを用いてもよい。
正極活物質としては、LiFeO2、LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、V2O5、Cr2O5、MnO2等の化合物を材料として用いることができる。
集電体としては、アルミニウム、ステンレス等の導電性の高い材料を用いることができる。特にアルミは不動態を形成し化学的に安定な電極となるため好ましい。また箔状、板状、網状等の形状を適宜選択することができる。
本実施の形態では、本発明の一態様に係るリチウム二次電池用正極の作製方法の一例について説明する。
まず、酸化グラフェンの作製方法について説明する。酸化グラフェンは、Modified Hummers法と呼ばれる酸化法を用いて作製することができる。Modified Hummers法は、単結晶グラファイト粉末に、過マンガン酸カリウムの硫酸溶液、過酸化水素水等を加えて酸化反応させて酸化グラファイトを含む懸濁液を作製し、該酸化グラファイトを劈開して酸化グラフェンを含む分散液を作製する方法である。グラファイトの炭素の酸化により、酸化グラファイトは、エポキシ基、カルボニル基、カルボキシル基、ヒドロキシ基等の官能基を有する。該酸化グラファイトを含む懸濁液に、超音波振動を加えることで、層間距離が長い酸化グラファイトを劈開し、酸化グラフェンを分離すると共に、酸化グラフェンを含む分散液を作製することができる。
次に、正極活物質の作製方法について説明する。まず、一般式LiMePO4(ただし、Meはマンガン(Mn)または鉄(Fe)を示す)中の、Liの供給源となるリチウムを含む化合物と、Pの供給源となるリンを含む化合物と、Meの供給源となる鉄を含む化合物またはマンガンを含む化合物と、を所定の組成となるように混合し、混合材料を形成する。
次に、上記のように作製した正極活物質と、酸化グラフェンと、側鎖に官能基を有するポリマーと、を秤量する。
本実施の形態では、本発明の一態様に係るリチウム二次電池とその作製方法の一例について、図3を用いて説明する。
本発明の一態様に係るリチウム二次電池は、電力により駆動する様々な電気機器および電子機器の電源として用いることができる。
次に、電子機器の一例である携帯情報端末について、図6を用いて説明する。
さらに、電気機器および電子機器の一例である移動体の例について、図7を用いて説明する。
<側鎖に官能基を有するポリマー>
ポリアリルアミンとしては、重量平均分子量約15000(PAA−15C、ニットーボーメディカル製)のものを用いた。
酸化グラフェンをModified Hummers法により作製した。具体的には、単結晶グラファイト粉末に、過マンガン酸カリウムの硫酸溶液、過酸化水素水等を加えて酸化反応させて酸化グラフェンを含む分散液を作製した。
次に、リン酸鉄リチウムを作製した。リン酸鉄リチウムの作製としては、まずリン酸鉄リチウムの原料として、炭酸リチウム(Li2CO3)、シュウ酸鉄(II)二水和物(FeC2O4・2H2O)、及びリン酸二水素アンモニウム(NH4H2PO4)を用い、Li:Fe:P=1:1:1(モル比)となるように秤量し、第1のボールミル処理により混合した。なお、炭酸リチウムはリチウム導入用の原料であり、シュウ酸鉄(II)二水和物は鉄導入用の原料であり、リン酸二水素アンモニウムはリン酸導入用の原料である。本実施例においては、リン酸鉄リチウムの原料として、それぞれ不純物元素濃度が低減された炭酸リチウム、シュウ酸鉄(II)二水和物及びリン酸二水素アンモニウムを用いた。
上記のように作製したリン酸鉄リチウムの粉末と、酸化グラフェンの粉末と、ポリアリルアミンを、リン酸鉄リチウム:酸化グラフェン:ポリアリルアミン=97.822:2.104:0.074(重量比)となるよう秤量した。
上記の工程で作製した正極を用いて二次電池を作製した。セルには日本トムセル社製の基礎セルを用いた。負極には金属リチウムを用いた。電解液には六フッ化リン酸リチウムを1.0mol/Lとなるようエチレンカーボネートに溶解させたもの(LiPF6 EC)と、ジエチルカーボネート(DEC)を、LiPF6 EC:DEC=1:1(体積比)で混合したものを用いた。セパレータにはポリプロピレンを用いた。
充電:0.2C(CCCV)、上限電圧4.3[V]、CV時下限電流値0.01C
放電:0.2C(CC)
[比較例1]
<正極活物質層の作製>
実施例1と同様に酸化グラフェンおよびリン酸鉄リチウムを用意し、リン酸鉄リチウムの粉末と、酸化グラフェンの粉末を、リン酸鉄リチウム:酸化グラフェン=95:5(重量比)となるよう秤量した。
実施例1と同様に充放電特性を測定した。充放電曲線を図9に示す。図9(A)および(B)は、同一条件で作製し測定した2つの二次電池の充放電曲線である。図中の実線は充電、点線は放電を示す。
実施例1と同様に正極を作製した。正極活物質層の厚さは25μm、正極活物質重量は5.69mg、電極密度は2.06g/cm3となった。
上記の工程で作製した正極を用いて二次電池を作製した。セルには日本トムセル社製の基礎セルを用いた。
充電:0.2C(CCCV)、上限電圧4.3[V]、CV時下限電流値0.01C
放電:0.2C(CC)
実施例1と同様に作製した酸化グラフェン200mgに水を加え、酸化グラフェン水分散液とした。これに1.5%ポリアリルアミン水溶液を1g添加すると、褐色の沈殿が得られた。この沈殿を濾過により回収して水で洗浄し、減圧乾燥を行ったものを反応物とした。
作製した酸化グラフェンとポリアリルアミンの反応物と、その原料である酸化グラフェンについて、FT−IRスペクトルを測定した結果を図12および図13に示す。IRは臭化カリウム(KBr)錠剤法により行った。横軸に波数、縦軸に透過率を示す。図12は400cm−1から4000cm−1までのスペクトルであり、図13は、反応物と酸化グラフェンのスペクトルの違いが大きかった図12の900cm−1から1900cm−1までを拡大したスペクトルである。図13に、スペクトルの各ピークの帰属を示す。
実施例1と同様に単結晶グラファイトから酸化グラフェンを作製し、該酸化グラフェンをアルミ集電体上に塗り、乾燥して、酸化グラフェンを有するサンプル1Aおよびサンプル1Bを作製した。
次に酸化グラフェンを有するサンプル1Aおよびサンプル1Bを、電気化学還元または加熱還元して、還元された酸化グラフェンを有するサンプル2Aおよびサンプル2Bを作製した。
サンプル1Aを、電気化学還元してサンプル2Aを作製した。具体的には、サイクリックボルタンメトリーを使用して、電位範囲OCV(2サイクル目以降3.0V)〜1.5V、掃引速度0.1mV/secとして3サイクル行った。
サンプル1Bを、加熱還元をしてサンプル2Bを作製した。具体的には300℃、減圧雰囲気下で10時間加熱を行った。
サンプル1A、1B、2Aおよび2Bについて、XPSを用いて結合状態および元素組成について評価した。
図14に、原料である単結晶グラファイト、酸化グラフェンを有するサンプル1Aおよびサンプル1B、並びに還元された酸化グラフェンを有するサンプル2Aおよびサンプル2Bの、XPSによる結合状態の比較を示す。縦軸に各結合の割合を%で示す。各結合の割合は、XPSによる炭素のピークのシフトを波形解析することで算出した。
図15に、図14と同じサンプルのXPSによる表面元素組成の比較を示す。縦軸に原子%を示す。
102 正極活物質
103 反応物
201 正極活物質層
301 正極
6000 リチウム二次電池
6001 負極缶
6002 ガスケット
6003 正極缶
6004 負極集電体
6005 負極活物質層
6006 セパレータ
6007 正極活物質層
6008 正極集電体
6009 負極
6010 正極
7000 リチウム二次電池
7001 正極キャップ
7002 電池缶
7003 正極端子
7004 正極
7005 セパレータ
7006 負極
7007 負極端子
7008 絶縁板
7009 絶縁板
7011 PTC素子
7012 安全弁機構
8000 表示装置
8001 筐体
8002 表示部
8003 スピーカー部
8004 リチウム二次電池
8100 照明装置
8101 筐体
8102 光源
8103 リチウム二次電池
8104 天井
8105 側壁
8106 床
8107 窓
8200 室内機
8201 筐体
8202 送風口
8203 リチウム二次電池
8204 室外機
8300 電気冷凍冷蔵庫
8301 筐体
8302 冷蔵室用扉
8303 冷凍室用扉
8304 リチウム二次電池
9033 具
9034 スイッチ
9035 電源スイッチ
9036 スイッチ
9038 操作スイッチ
9630 筐体
9631 表示部
9631a 表示部
9631b 表示部
9632a 領域
9632b 領域
9633 太陽電池
9634 充放電制御回路
9635 バッテリー
9636 DCDCコンバータ
9637 コンバータ
9638 操作キー
9639 ボタン
9700 電気自動車
9701 リチウム二次電池
9702 制御回路
9703 駆動装置
9704 処理装置
Claims (8)
- 集電体上に正極活物質層を有し、
前記正極活物質層は、
複数の粒子状の正極活物質と、
還元された酸化グラフェンおよび還元された多層酸化グラフェンの少なくとも一と、側鎖に官能基を有するポリマーと、が結合した反応物と、を有し、
前記複数の粒子状の正極活物質の少なくとも一部と、前記還元された酸化グラフェンの少なくとも一部が接する、
二次電池用正極。 - 請求項1に記載の二次電池用正極において、
前記官能基は、アミノ基を含む、
二次電池用正極。 - 請求項1または請求項2に記載の二次電池用正極において、
前記結合は、炭素原子と窒素原子との共有結合を含む、
二次電池用正極。 - 請求項1乃至請求項3のいずれか一に記載の二次電池用正極において、
前記集電体と、前記正極活物質層と、の間にアンカーコート層を有する
二次電池用正極。 - 請求項4に記載の二次電池用正極において、
前記アンカーコート層は、
ポリフッ化ビニリデン、ポリイミド、カルボキシメチルセルロース、ポリアクリル酸ナトリウムのいずれか一以上と、
アセチレンブラック、カーボンブラック、グラフェン、還元された酸化グラフェンおよびカーボンナノチューブのいずれか一以上と、の混合物を含む、
二次電池用正極。 - 複数の粒子状の正極活物質と、酸化グラフェンと、水と、を混合し、
前記複数の粒子状の正極活物質と、前記酸化グラフェンと、前記水と、の混合物に、ポリマー水溶液を添加してスラリーを作製し、
前記スラリーを集電体上に塗り、
前記スラリーを乾燥することで正極活物質層とし、
前記正極活物質層が有する酸化グラフェンを還元する、
二次電池用正極の作製方法。 - 請求項6に記載の二次電池用正極の作製方法において、
前記正極活物質層が有する前記酸化グラフェンの還元は、
前記集電体および対極を浸漬した電解液中で、
前記酸化グラフェンの還元反応が生じる電位を前記集電体に供給することにより行う、
二次電池用正極の作製方法。 - 請求項6または請求項7に記載の二次電池用正極の作製方法において、
前記スラリーを前記集電体上に塗る前に、
前記集電体に表面処理を行う、
二次電池用正極の作製方法。
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