JP2013201052A - リチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】リチウムイオン二次電池は、正極と、負極とを備える。正極は、正極活物質としての一部がマグネシウムで置換されたリチウムマンガン複合酸化物を含有する。負極は、負極活物質としての非晶質炭素で被覆された黒鉛と、カーボンブラック系導電助剤と、フッ素樹脂系結着剤とを含有する。カーボンブラック系導電助剤のBET比表面積が10〜102m2/gである。正極が、正極活物質としてのリチウム・ニッケル複合酸化物を更に含有する。
【選択図】図1
Description
そして、本発明のリチウムイオン二次電池における正極は、正極活物質として一部がマグネシウムによって置換されたリチウムマンガン複合酸化物を含有する。また、本発明のリチウムイオン二次電池における負極は、負極活物質としての非晶質炭素で被覆された黒鉛と、カーボンブラック系導電助剤と、フッ素樹脂系結着剤とを含有する。
図2は、本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池の一例の概略を示す斜視図である。図3は、図2に示したリチウムイオン二次電池のIII−III線に沿った模式的な断面図である。なお、このようなリチウムイオン二次電池は、ラミネート型二次電池と呼ばれるものである。
負極端子21及び正極端子22は、例えば、アルミニウムや銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金などの材料により構成されている。しかしながら、これらに限定されるものではなく、リチウムイオン二次電池用の端子として用いられている従来公知の材料を用いることができる。なお、負極端子及び正極端子は、同一材質のものを用いてもよく、異なる材質のものを用いてもよい。また、本実施形態のように、別途準備した端子を後述する負極集電体及び正極集電体に接続してもよいし、後述する各負極集電体及び各正極集電体をそれぞれ延長することによって端子を形成してもよい。
外装体30は、例えば、合成樹脂と金属箔との積層体からなる可撓性フィルムなどよりなるラミネート外装体を適用することが軽量化が可能であり電池エネルギー密度の向上を図るという観点から好ましい。また、ラミネート型二次電池は、放熱性にも優れるため、電気自動車などの車載用電池として好適に用いることができる。
図3に示すように、電池要素10は、負極集電体11Aの主面上にリチウムイオンを吸蔵及び放出し得る負極活物質を含有する負極活物質層11Bが形成された負極11と、非水電解質層13と、正極集電体12Aの主面上にリチウムイオンを吸蔵及び放出し得る正極活物質を含有する正極活物質層12Bが形成された正極12とを複数積層した構成を有している。このようにして、負極、非水電解質層及び正極が、この順に複数積層されている。
負極11は、負極集電体11Aの両方の主面上に負極活物質層11Bが形成された構造を有する。また、負極活物質層は、負極活物質と導電助剤と結着剤とを含有する。更に結着剤は、後述するようにスラリーを作成する際に、活物質、導電助剤及び結着剤を混合・攪拌する工程を経るため、導電助剤は分散された状態で含まれていると考えられる。また、結着剤は負極におけるその含有率を所定の好ましい範囲とすることで、負極活物質の粒子間の少なくとも一部は被覆した状態で負極活物質同士を結着していると考えられる。
負極集電体としては、例えば、銅、ステンレス鋼(SUS)、ニッケル、チタン、これらの合金などを使用することができる。
負極活物質としては、非晶質炭素で被覆された黒鉛を用いる。このような非晶質炭素で被覆された黒鉛の平均粒子径は、例えば、数μm〜数十μmであることが好ましい。また、このような非晶質炭素で被覆された黒鉛のBET比表面積は、例えば、10−1〜10m2/gであることが好ましい。
導電助剤としては、カーボンブラック系導電助剤を用いる。このようなカーボンブラック系導電助剤のBET比表面積は、例えば、10〜102m2/gであることが好ましい。このような範囲とすることにより、十分なマグネシウム捕捉(吸着)能力を発揮すると考えられる。また、導電助剤のBET比表面積は、負極活物質のBET比表面積より大きいことが好ましい。これにより、負極活物質の粒子間の接触点に、より近い位置で存在することができると考えられる。カーボンブラック系導電助剤としては、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、チャンネルブラック、ランプブラック、オイルファーネスブラック若しくはサーマルブラック又はこれらの任意の組み合わせに係る混合物を用いることができる。
結着剤(バインダー)としては、フッ素樹脂系結着剤を用いる。フッ素樹脂としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)や、フッ化ビニリデンと他のフッ素系モノマーを共重合させたフッ化ビニリデン系重合体を挙げることができる。なお、本発明において、「フッ素樹脂系結着剤」とは、例えば、後述する非水電解液が浸透しうるものであれば、フッ素樹脂のみを含むものに、特に限定されるものではない。逆に、フッ素樹脂系接着材より密着性が高いアクリル樹脂系結着剤を用いた場合、非水電解液が浸透不可能な膜が形成されることによって、導電助剤が覆われてしまうため、導電助剤を負極に含有させた場合であっても、本発明に用いたカーボンブラック系導電助剤による所期のマグネシウム捕捉(吸着)作用を発現させることができない。
正極12は、正極集電体12Aの両方の主面上に正極活物質層12Bが形成された構造を有する。また、正極活物質層は、正極活物質と、必要に応じて添加される導電助剤と結着剤とを含有する。導電助剤や結着剤としては、従来リチウムイオン二次電池に用いることができるものを適宜選択して用いることができる。
正極集電体としては、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼(SUS)、ニッケル、チタン、これらの合金などを使用することができる。
本発明に用いられる正極活物質としてのリチウムマンガン複合酸化物は、一部をマグネシウムで置換したものであり、例えばマンガンサイトの一部がマグネシウムで置換されたもの、あるいはマグネシウム及び更に別の元素で置換されたものである。例としては、LiMn2−x−yMgxMAyO4+z(MAはMn以外の少なくとも1種の遷移金属元素及び/又はLiであり、x、y及びzは0<x<2、0≦y<2、−1<z<1の関係を満たす。)や、LiMn1−x−yMgxMByO2+z(MBはMn以外の少なくとも1種の遷移金属元素及び/又はLiであり、x、y及びzは0<x<1、0≦y<1、−0.5<z<0.5の関係を満たす。)を使用できる。中でも、スピネル構造を持つLiMn2−x−yMgxMAyO4+zを使用するとより効果があるため好ましい。あるいは、一部をマグネシウムで置換したリチウムマンガン複合酸化物粉末と、リチウムニッケル複合酸化物粉末とを、前者を50%以上となるように混合した正極活物質混合物を使用することもできる。
非水電解質層13としては、例えば、後述するセパレータに保持させた非水電解液や高分子ゲル電解質を用いて層構造を形成したものなどを用いることができる。非水電解液としては、具体的には、支持塩(リチウム塩)が溶解された非水溶媒を用いることができる。
リチウム塩としては、例えば、リチウムイミド塩や、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、六フッ化ヒ酸リチウム(LiAsF6)、四塩化アルミニウムリチウム(LiAlCl4)、過塩素酸リチウム(LiClO4)、四フッ化ホウ素酸リチウム(LiBF4)、六フッ化アンチモン酸リチウム(LiSbF6)などを用いることができる。この中でも、特に、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、四フッ化ホウ素酸リチウム(LiBF4)を用いることが好ましい。リチウムイミド塩としては、例えばLiN(CkF2k+1SO2)(CmF2m+1SO2)(k、mはそれぞれ独立して1又は2である。)を挙げることができる。これらのリチウム塩は、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
非水溶媒としては、例えば、環状カーボネート類、鎖状カーボネート類、脂肪族カルボン酸エステル類、γ−ラクトン類、環状エーテル類、鎖状エーテル類及びこれらのフッ化誘導体からなる群より選ばれる少なくとも1種の有機溶媒を用いることができる。環状カーボネート類としては、例えば、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ブチレンカーボネート(BC)、これらのフッ化誘導体等を挙げることができる。また、鎖状カーボネート類としては、例えば、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジプロピルカーボネート(DPC)、これらのフッ化誘導体等を挙げることができる。脂肪族カルボン酸エステルとしては、例えば、ギ酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸エチル、これらのフッ化誘導体を挙げることができる。γ−ラクトン類としては、例えば、γ−ブチロラクトンやこのフッ化誘導体等を挙げることができる。環状エーテル類としては、例えば、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン等を挙げることができる。鎖状エーテル類としては、例えば、1,2−エトキシエタン(DEE)、エトキシメトキシエタン(EME)、ジエチルエーテル、これらのフッ化誘導体等を挙げることができる。その他としては、ジメチルスルホキシド、1,3−ジオキソラン、ホルムアルデヒド、アセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジオキソラン、アセトニトリル、プロピルニトリル、ニトロメタン、エチルモノグライム、リン酸トリエステル、トリメトキシメタン、ジオキソラン誘導体、スルホラン、メチルスルホラン、1,3−ジメチル−2−イルエーテル、1,3−プロパンスルトン、アニソール、N−メチルピロリドン、フッ素化カルボン酸エステル等を挙げることができる。これらは、1種を単独で、2種以上を組み合わせて用いることができる。
セパレータとしては、例えば、ポリエチレン(PE)やポリプロピレン(PP)等のポリオレフィン、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)やポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素樹脂からなる微多孔膜を用いることができる。ポリフッ化ビニリデンは、非水電解質を保持した場合、高分子ゲル電解質を形成することもある。
次に、上述した本実施形態のリチウムイオン二次電池の製造方法の一例について説明する。
<負極の作製>
負極活物質としての非晶質性炭素で被覆された球状天然黒鉛粉末(平均粒子径:20μm、平均アスペクト比:1.2、BET比表面積:1.2m2/g)と、フッ素樹脂系結着剤としてのポリフッ化ビニリデンと、カーボンブラック系導電助剤としての第1カーボンブラック(平均粒子径:1μm、BET比表面積:64m2/g)とを、固形分質量比で96.5:3:0.5の割合でN−メチル−2−ピロリドン(NMP)中に入れ、攪拌させることで均一に分散させてスラリーを作製した。得られたスラリーを負極集電体となる厚み15μmの銅箔上に塗布し、次いで、125℃にて10分間NMPを蒸発させることにより負極活物質層を形成し、更にプレスすることによって片面塗布した負極を作製した。乾燥後の単位面積当たりの負極活物質層の密度は0.008g/cm2とした。
正極活物質としてのスピネル構造を有するLi1.1Mn1.8Mg0.1O4粉末(平均粒子径:10μm)と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンと、導電助剤としてのカーボンブラック粉末とを、固形分質量比で92:4:4の割合でN−メチル−2−ピロリドン(NMP)中に入れ攪拌させることで均一に分散させてスラリーを作製した。得られたスラリーを正極集電体となる厚み20μmのアルミニウム箔上に塗布し、次いで、125℃にて10分間NMPを蒸発させることにより正極活物質層を形成することによって片面塗布した正極を作製した。乾燥後の単位面積当たりの正極活物質層の密度は0.025g/cm2とした。
上記のように作製した負極と正極とを各々5cm(幅)×6.0cm(長さ)に切り出した。このうち、一辺5cm×1cmは端子を接続するための未塗布部であって、活物質層は5cm×5cmである。幅5cm、長さ3cm、厚み0.1mmのアルミニウム製の正極端子を正極における未塗布部に長さ1cmで超音波溶接した。同様に、正極端子と同サイズのニッケル製の負極端子を負極における未塗布部に長さ1cmで超音波溶接した。6cm×6cmのポリエチレン及びポリプロピレンからなるセパレータの両面に上記負極と正極とを活物質層がセパレータを隔てて重なるように配置して電極積層体を得た。2枚の7cm×10cmのアルミニウムラミネートフィルムの長辺の一方を除いて三辺を熱融着により幅5mmにて接着して袋状のラミネート外装体を作製した。ラミネート外装体の一方の短辺より1cmの距離となるように上記電極積層体を挿入した。下記非水電解液を0.203g注液して真空含浸させた後、減圧下にて開口部を熱融着により幅5mmで封止することによって、本例のラミネート型二次電池を得た。
非水電解液としては、エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)とをEC:DEC=30:70(体積比)の割合で混合した非水溶媒に、電解質塩としての六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を濃度が1.0mol/Lとなるように溶解させたものに対して、添加剤として環状ジスルホン酸エステルを濃度が1.5質量%となるように溶解させたものを用いた。
負極の作製に際して、第1カーボンブラックの添加量を0.5質量%から1.0質量%に変更し、負極活物質とフッ素樹脂系結着剤とカーボンブラック系導電助剤とを、固形分質量比で96:3:1の割合で割合でNMP中に入れ攪拌させることで均一に分散させてスラリーを作製したこと以外は、実施例1と同様の操作を繰り返して、本例のラミネート型二次電池を得た。
負極の作製に際して、第1カーボンブラックに第2カーボンブラック(平均粒子径:3μm、BET比表面積:20m2/g)を添加し、第2カーボンブラックの添加量を2質量%とし、負極活物質とフッ素樹脂系結着剤とカーボンブラック系導電助剤とを、固形分質量比で94.5:3:2.5の割合で割合でNMP中に入れ攪拌させることで、均一に分散させてスラリーを作製したこと以外は、実施例1と同様の操作を繰り返して、本例のラミネート型二次電池を得た。
負極の作製に際して、第1カーボンブラックに第2カーボンブラック(平均粒子径:3μm、BET比表面積:20m2/g)を添加し、第2カーボンブラックの添加量を4質量%とし、負極活物質とフッ素樹脂系結着剤とカーボンブラック系導電助剤とを、固形分質量比で92.5:3:4.5の割合で割合でNMP中に入れ攪拌させることで、均一に分散させてスラリーを作製したこと以外は、実施例1と同様の操作を繰り返して、本例のラミネート型二次電池を得た。
負極の作製に際して、第1カーボンブラックに第2カーボンブラック(平均粒子径:3μm、BET比表面積:20m2/g)を添加し、第2カーボンブラックの添加量を8質量%とし、負極活物質とフッ素樹脂系結着剤とカーボンブラック系導電助剤とを、固形分質量比で88.5:3:8.5の割合で割合でNMP中に入れ攪拌させることで、均一に分散させてスラリーを作製したこと以外は、実施例1と同様の操作を繰り返して、本例のラミネート型二次電池を得た。
負極の作製に際して、第1カーボンブラックに第2カーボンブラック(平均粒子径:3μm、BET比表面積:20m2/g)を添加し、第2カーボンブラックの添加量を2質量%とし、負極活物質とフッ素樹脂系結着剤とカーボンブラック系導電助剤とを、固形分質量比で94:3:3の割合で割合でNMP中に入れ、攪拌させることで、均一に分散させてスラリーを作製したこと以外は、実施例2と同様の操作を繰り返して、本例のラミネート型二次電池を得た。
負極の作製に際して、第1カーボンブラックに第2カーボンブラック(平均粒子径:3μm、BET比表面積:20m2/g)を添加し、第2カーボンブラックの添加量を4質量%とし、負極活物質とフッ素樹脂系結着剤とカーボンブラック系導電助剤とを、固形分質量比で92:3:5の割合で割合でNMP中に入れ、攪拌させることで、均一に分散させてスラリーを作製したこと以外は、実施例2と同様の操作を繰り返して、本例のラミネート型二次電池を得た。
負極の作製に際して、第1カーボンブラックに第2カーボンブラック(平均粒子径:3μm、BET比表面積:20m2/g)を添加し、第2カーボンブラックの添加量を8質量%とし、負極活物質とフッ素樹脂系結着剤とカーボンブラック系導電助剤とを、固形分質量比で88:3:9の割合で割合でNMP中に入れ、攪拌させることで、均一に分散させてスラリーを作製したこと以外は、実施例2と同様の操作を繰り返して、本例のラミネート型二次電池を得た。
正極の作製に際して、正極活物質としてのスピネル構造を有するLi1.1Mn1.8Mg0.1O4粉末(平均粒子径:10μm)に正極活物質としてのニッケル酸リチウム(LiNi0.8Co0.15Al0.05O2)粉末を添加し、ニッケル酸リチウムの添加量を20質量%とし、正極活物質と結着剤と導電助剤とを、固形分質量比で92:4:4の割合でNMP中に入れ、攪拌させることで、均一に分散させてスラリーを作製したこと以外は、実施例1と同様の操作を繰り返して、本例のラミネート型二次電池を得た。
負極活物質としての非晶質性炭素で被覆された球状天然黒鉛粉末(平均粒子径:20μm、平均アスペクト比:1.2、BET比表面積:1.2m2/g)と、フッ素樹脂系結着剤としてのポリフッ化ビニリデンとを、固形分質量比で97:3の割合でNMP中に入れ攪拌させることで、均一に分散させてスラリーを作製したこと以外は、実施例1と同様の操作を繰り返して、本例のラミネート型二次電池を得た。
負極活物質としての非晶質性炭素で被覆された球状天然黒鉛粉末(平均粒子径:20μm、平均アスペクト比:1.2、BET比表面積:1.2m2/g)と、フッ素樹脂系結着剤としてのポリフッ化ビニリデンとを、固形分質量比で97:3の割合でNMP中に入れ攪拌させることで、均一に分散させてスラリーを作製したこと以外は、実施例9と同様の操作を繰り返して、本例のラミネート型二次電池を得た。
上記各例のラミネート型二次電池について、出荷直後(初期)及び1000サイクル後において所定の電流値で放電させたときの電圧降下を測定することで直流抵抗値を測定し、内部抵抗上昇率を算出した。得られた結果をラミネート型二次電池の仕様の一部と共に表1及び表2に示す。ここで、「内部抵抗上昇率」とは、出荷直後(初期)の電池の直流抵抗値に対する1000サイクル後の電池の直流抵抗値の比のことである。
Claims (5)
- 正極活物質として一部をマグネシウムで置換したリチウムマンガン複合酸化物を含有する正極と、
負極活物質としての非晶質炭素で被覆された黒鉛と、カーボンブラック系導電助剤と、
フッ素樹脂系結着剤とを含有する負極と、
を備えた
ことを特徴とするリチウムイオン二次電池。 - 上記カーボンブラック系導電助剤のBET比表面積が10〜102m2/gであることを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオン二次電池。
- 上記正極が、正極活物質としてのリチウム・ニッケル複合酸化物を更に含有することを特徴とする請求項1又は2に記載のリチウムイオン二次電池。
- 上記カーボンブラック系導電助剤は、比表面積が異なる2種類のカーボンブラックとすることを特徴とする請求項3に記載のリチウムイオン二次電池。
- 上記カーボンブラック系導電助剤は、上記負極活物質の比表面積より大きいことを特徴とする請求項2に記載のリチウムイオン二次電池。
Priority Applications (6)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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