JP2014035885A - 二次電池用負極板、及び二次電池、並びに電池パック - Google Patents
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Abstract
【解決手段】負極集電体と、負極集電体に設けられた負極活物質積層体と、を含む二次電池用負極板であって、負極活物質積層体は、ケイ素系活物質及び/又はスズ系活物質から構成される特定の負極活物質と、バインダーとを含有する2以上の負極活物質層を含み、負極集電体に最も近い位置に存在する負極活物質層上には、当該負極活物質層中の特定の負極活物質の含有比率よりも小さい比率で特定の負極活物質を含有する別の負極活物質層が設けられている。
【選択図】図1
Description
図1に示すように、本発明の二次電池用負極板10(本発明の負極板10という場合もある。)は、負極集電体1と、負極集電体1上に設けられた負極活物質積層体2とを含んでいる。そして、本発明の負極板10は、負極活物質積層体2が、ケイ素系活物質及び/又はスズ系活物質から構成される特定の負極活物質5と、バインダーとを含有する2以上の負極活物質層2A、2Bを含み、負極集電体1に最も近い位置に存在する負極活物質層2A上には、当該負極活物質層2A中の特定の負極活物質5の含有比率よりも小さい比率で特定の負極活物質5を含有する別の負極活物質層2Bが設けられている。なお、図1では、負極活物質層2A、2Bに含まれる特定の負極活物質5の含有比率の違いを明確に説明するために、特定の負極活物質5を誇張して示している。また、負極活物質層中において、ケイ素系活物質及び/又はスズ系活物質から構成される特定の負極活物質5同士は図示しないバインダーによって固着されている。また、負極集電体1は、図示しないバインダーによって、近接する特定の負極活物質5と固着され、これにより負極集電体1と負極活物質層2Aとが固着されている。以下、負極集電体1に最も近い位置に存在する負極活物質層2Aを、第1の負極活物質層2Aという場合があり、ケイ素系活物質及び/又はスズ系活物質から構成される特定の負極活物質5の含有比率が第1の負極活物質層2Aよりも小さい別の負極活物質層2Bを、第2の負極活物質層2Bという場合がある。以下、ケイ素系活物質及び/又はスズ系活物質から構成される特定の負極活物質5を、単に特定の負極活物質5という場合がある。
負極集電体1について特に限定はなく、二次電池用負極板に用いられる従来公知の負極集電体を適宜選択して用いることができる。例えば、アルミニウム箔、ニッケル箔、銅箔などの単体又は合金から形成された負極集電体を好ましく用いることができる。また、負極集電体には、その表面に導電性を担保するための物質が積層されたものや、何らかの表面処理がなされたものも含まれる。その表面に表面加工処理がなされている負極集電体1としては、導電性物質が集電機能を有する材料の表面に積層された負極集電体、化学研磨処理、コロナ処理、酸素プラズマ処理がなされた負極集電体等が挙げられる。すなわち、負極集電体1には、集電機能を有する材料のみから形成される集電体のみならず、その表面に導電性を担保するための物質が積層されたものや、何らかの表面処理がなされたものも含まれる。
負極集電体上に設けられた負極活物質積層体2は、ケイ素系活物質及び/又はスズ系活物質から構成される特定の負極活物質5と、バインダーとを含有する2以上の負極活物質層を含む。負極活物質積層体2を構成する負極活物質層は、必須の成分として特定の負極活物質5と、バインダーとを含む。つまり、本願明細書において、負極活物質層という場合には、特定の負極活物質5とバインダーとを含む層のことを意味し、特定の負極活物質5を含まない層や、バインダーを含まない層は負極活物質層からは除外される。
負極活物質層に含まれる特定の負極活物質5は、ケイ素系活物質及び/又はスズ系活物質から構成される負極活物質である。なお、本願明細書において、負極活物質層に、ケイ素系活物質及び/又はスズ系活物質から構成される特定の負極活物質が含まれるという場合には、負極活物質層に、ケイ素系活物質、スズ系活物質の何れか一方の活物質が含有されている場合のみならず、ケイ素系活物質、スズ系活物質の双方の活物質が含有されていている場合も含まれる。
負極活物質積層体2に含まれる2以上の負極活物質層には、バインダーが含まれており、負極活物質層中において特定の負極活物質5同士は、このバインダーによって固着されている。
上述したように、負極活物質層は、特定の負極活物質5と、バインダーを含むとの条件を満たせばよく、必要に応じてこれら以外の成分が含まれていてもよい。例えば、より優れた導電性が望まれる場合などには、導電材を使用することとしてもよい。また、特定の負極活物質5とともに、必要に応じて他の負極活物質が含まれていてもよい。他の負極活物質としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、アモルファス炭素、カーボンブラック、またはこれらの成分に異種元素を添加した炭素材料や、金属リチウム及びその合金、チタンコバルトの酸化物、マンガン、鉄、コバルトの窒化物など、アルカリ金属イオンを吸蔵放出可能な材料を挙げることができる。
図1に示すように、第1の負極活物質層2Aは、負極集電体1に最も近い位置に存在する層であり、上記で説明した特定の負極活物質5と、バインダーとを含む。
図1に示すように、第1の負極活物質層2A上には、上記で説明した特定の負極活物質5と、バインダーを含む第2の負極活物質層2Bが設けられている。第2の負極活物質層2Bは、第1の負極活物質層2A中の特定の負極活物質5の含有比率よりも小さい比率で特定の負極活物質5を含有している。この構成により、当該第2の負極活物質層2Bによって、アルカリ金属イオン挿入時における第1の負極活物質層2Aの膨張が抑制される。
次に、上記で説明した本発明の負極板を用いた、本発明の二次電池について図4を用いて説明する。なお、図4は、本発明の二次電池の一例を示す概略図である。
本発明の二次電池100を構成する正極板50について特に限定はなく、二次電池の種別に応じ従来公知の正極板を適宜選択して用いることができる。例えば、リチウムイオン二次電池の正極板としては、本発明の負極板10において用いられる負極集電体と同様の正極集電体55の表面の一部に、リチウム遷移金属複合酸化物などの正極活物質粒子、導電材、樹脂製の結着物質などが分散された溶液を塗布・乾燥し、必要に応じてプレスすることで正極活物質層54が形成されてなる正極板等を挙げることができる。
セパレータ70について特に限定はなく、二次電池の分野で従来公知のセパレータを適宜選択して使用することができる。例えば、マイクロポアを有するリチウムイオン透過性のポリエチレンフィルムを、多孔性のリチウムイオン透過性のポリプロピレンフィルムで挟んだ三層構造としたものなどを好適に使用可能である。なお、電解質として、固体電解質や、半固体電解質を用いる場合には、セパレータを設けない二次電池の構成とすることができる。
本発明に用いられる電解質90は、一般的に、本発明の二次電池100がリチウムイオン二次電池である場合には、リチウム塩を有機溶媒に溶解させた非水電解液等を用いることができる。
次に、図5を用いて本発明の二次電池100を用いて構成される電池パック200について説明する。図5は、本発明の電池パック200の一例を示す概略分解図である。
平均粒径2.7μmのSi金属20.0g(関東金属工業(株)製)に、ポリイミド樹脂(PIX‐L110 日立化成工業株式会社)4.0gとNMP(N−メチル−2−ピロリドン)(三菱化学(株)製)15.0gを分散させ、エクセルオートホモジナイザー((株)日本精機製作所製)で4000rpmの回転数で10分間攪拌した。次いで、前記分散液に、アセチレンブラック粉状(電気化学工業株式会社製、デンカブラック)1.0gとNMP(N−メチル−2−ピロリドン)(三菱化学(株)製)7.0gを分散させ、エクセルオートホモジナイザー((株)日本精機製作所製)で4000rpmの回転数で15分間混練することによって第1の負極活物質層用塗工液Aを調製した。
第1の負極活物質層用塗工液Aにおける、Si金属(関東金属工業(株)製)の添加量を22.5gに変更し、ポリイミド樹脂(PIX‐L110 日立化成工業株式会社)の添加量を1.5gに変更し、NMP(N−メチル−2−ピロリドン)(三菱化学(株)製)22.0gを、15.0gに変更した以外は、全て第1の負極活物質層用塗工液Aと同様の調製方法で第1の負極活物質層用塗工液Bを調製した。第1の負極活物質層用塗工液Aを上記で調製した第1の負極活物質層用塗工液Bに変更し、最終的に得られる第1の負極活物質層の厚さが9μmとなる量で塗工した以外は、全て実施例1と同様の方法で実施例2の負極板を得た。なお、実施例2において、第1の負極活物質層中のケイ素系活物質の含有比率は90%であり、第2の負極活物質層中のケイ素系活物質の含有比率は20%である。
第2の負極活物質層用塗工液Aにおける、Si金属(関東金属工業(株)製)の添加量を5.0gに変更し、ポリイミド樹脂(PIX‐L110 日立化成工業株式会社)の添加量を4.0gに変更した以外は、全て第2の負極活物質層用塗工液Aと同様の調製方法で第2の負極活物質層用塗工液Bを調製した。第2の負極活物質層用塗工液Aを第2の負極活物質層用塗工液Bに変更した以外は全て実施例1と同様の方法で、実施例3の負極板を得た。なお、実施例3において、第1の負極活物質層中のケイ素系活物質の含有比率は80%であり、第2の負極活物質層中のケイ素系活物質の含有比率は50%である。
第1の負極活物質層用塗工液Aにおけるポリイミド樹脂(PIX‐L110 日立化成工業株式会社)4.0gを、ポリアミドイミド(Torlon ソルベイスペシャルティポリマーズジャパン)4.0gに変更した以外は、全て第1の負極活物質層用塗工液Aと同様の調整方法で第1の負極活物質層用塗工液Cを調製した。同様に、第2の負極活物質層用塗工液Aにおけるポリイミド樹脂(PIX‐L110 日立化成工業株式会社)7.0gを、ポリアミドイミド(Torlon ソルベイスペシャルティポリマーズジャパン)7.0gに変更した以外は、全て第2の負極活物質層用塗工液Aと同様の調製方法で第2の負極活物質層用塗工液Cを調製した。次いで、第1の負極活物質層用塗工液Aを第1の負極活物質層用塗工液Cに変更し、第2の負極活物質層用塗工液Aを第2の負極活物質層用塗工液Cに変更した以外は全て実施例1と同様の方法により、実施例4の負極板を得た。なお、実施例4において、第1の負極活物質層中のケイ素系活物質の含有比率は80%であり、第2の負極活物質層中のケイ素系活物質の含有比率は20%である。
第2の負極活物質層用塗工液Aをそのまま第3の負極活物質層用塗工液Aとした。最終的に得られる第1の負極活物質層の厚さが9μmとなる量で上記実施例1で用いた第1の負極活物質層用塗工液Aを塗工し、最終的に得られる第2の負極活物質層の厚さが2μmとなる量で上記実施例3で用いた第2の負極活物質層用塗工液Bを塗工して第1の負極活物質層、及び第2の負極活物質層を形成した。次いで、上記で調製した第3の負極活物質層用塗工液Aを最終的に得られる第3の負極活物質層の厚さが5μmとなる量で、第2の負極活物質層上にアプリケーターで塗布し、120℃の乾燥炉内に設置し、10分乾燥することで第3の負極活物質層を形成した。この点以外は全て実施例1と同様の方法にして実施例5の負極板を得た。なお、実施例5において、第1の負極活物質層中のケイ素系活物質の含有比率は80%であり、第2の負極活物質層中のケイ素系活物質の含有比率は50%であり、第3の負極活物質層中のケイ素系活物質の含有比率は20%である。
第1の負極活物質層の厚さを20μm、第2の負極活物質層の厚さを10μmに変更した以外は全て実施例1と同様にして実施例6の負極板を得た。なお、実施例6において、第1の負極活物質層中のケイ素系活物質の含有比率は80%であり、第2の負極活物質層中のケイ素系活物質の含有比率は20%である。
第1の負極活物質層の厚さを11μmとし、第2の負極活物質層を形成しなかった以外は全て実施例1と同様にして、比較例1の負極板を得た。なお、比較例1において、第1の負極活物質層中のケイ素系活物質の含有比率は80%である。
第1の負極活物質層用塗工液Aをそのまま第2の負極活物質層用塗工液Dとした。最終的に得られる第1の負極活物質層の厚さが8μmとなる量で上記実施例1で用いた第1の負極活物質層用塗工液Aを塗工し、最終的に得られる第2の負極活物質層の厚さが2μmとなる量で上記で調製した第2の負極活物質層用塗工液Dを塗工した以外は、全て実施例1と同様にして、比較例2の負極板を得た。なお、比較例2において、第1の負極活物質層中のケイ素系活物質の含有比率は80%であり、第2の負極活物質層中のケイ素系活物質の含有比率は80%である。
第2の負極活物質層用塗工液Aをそのまま第1の負極活物質層用塗工液Dとした。最終的に得られる第1の負極活物質層の厚さが10μmとなる量で上記で調製した第1の負極活物質層用塗工液Dを塗工し、最終的に得られる第2の負極活物質層の厚さが2μmとなる量で上記比較例2で調製した第2の負極活物質層用塗工液Dを塗工した以外は、全て実施例1と同様にして、比較例3の負極板を得た。なお、比較例3において、第1の負極活物質層中のケイ素系活物質の含有比率は20%であり、第2の負極活物質層中のケイ素系活物質の含有比率は80%である。
エチレンカーボネート(EC)/ジエチルカーボネート(DEC)/エチルメチルカーボネート(EMC)混合溶媒(重量比=30wt%:30wt%:30wt%)に、溶質として六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を加えて、当該溶質であるLiPF6の濃度が、1mol/Lとなるように濃度調整した後、電解液に対して10wt%のFECを添加し、非水電解液を調製した。各実施例および比較例の負極板を作用極として用い、対極板及び参照極板として金属リチウム板、電解液として上記にて作製した非水電解液を用い、三極式コインセルを組み立て、下記充放電試験およびサイクル試験に供した。
試験セルを、25℃の環境下で、電圧が0.001Vに達するまで定電流(0.85mA)で定電流充電し、当該電圧が0.001Vに達した後は、電圧が0.001Vを下回らないように、当該電流(充電レート:0.1C)が5%以下となるまで減らしていき、定電圧で充電を行ない、満充電させた後、10分間休止させた。尚、ここで、上記「0.1C」とは、上記三極式コインセルを用いて定電流充電して、10時間で充電終了となる電流値(充電終止電圧に達する電流値)のことを意味する。また上記定電流は、試験セルにおける作用極において、活物質であるSi金属の理論放電量4200mAh/gが10時間で充電されるよう設定した。縦軸にセル電圧(V)、横軸に充電時間(h)をとり、充電曲線を作成し、負極板の初期充電容量(mAh)を求めた。初期充電容量を表1に示す。
その後、満充電された試験セルを、25℃の環境下で、電圧が0.001V(満充電電圧)から1.5V(放電終止電圧)になるまで、定電流(0.85mA)(放電レート:0.1C)で定電流放電し、縦軸にセル電圧(V)、横軸に放電時間(h)をとり、放電曲線を作成し、負極板の初期放電容量(mAh)を求めた。初期放電容量を表1に併せて示す。
初期充放電効率%={(初期放電容量)÷(初期充電容量)]×100より算出した上記実施例および比較例の結果を表1に併せて示す。
上記初期充放電試験後の試験セルを上記初期充放電試験と同様に、さらに2回行い、この時の放電容量の平均値をサイクル試験時の初期値とし、上記初期充放電試験と同様の充放電試験を繰り返し、放電容量が初期値に対して90%以下になったときのサイクル数を求めた。サイクル数を表1に併せて示す。
2・・・負極活物質積層体
2A・・・第1の負極活物質層
2B・・・第2の負極活物質層
2C・・・他の負極活物質層
5・・・特定の負極活物質
10・・・負極板
50・・・正極板
54・・・正極活物質層
55・・・正極集電体
32・・・正極端子
33・・・負極端子
34・・・保護回路基板
35・・・外部接続コネクタ
36a、36b・・・樹脂容器
37・・・端部ケース
38a、38b・・・外部接続窓
70・・・セパレータ
81、82・・・外装
90・・・電解質
100・・・二次電池
200・・・電池パック
Claims (3)
- 負極集電体と、前記負極集電体に設けられた負極活物質積層体と、を含む二次電池用負極板であって、
前記負極活物質積層体は、ケイ素系活物質及び/又はスズ系活物質から構成される特定の負極活物質と、バインダーとを含有する2以上の負極活物質層を含み、
前記負極集電体に最も近い位置に存在する負極活物質層上には、当該負極活物質層中の前記特定の負極活物質の含有比率よりも小さい比率で前記特定の負極活物質を含有する別の負極活物質層が設けられていることを特徴とする二次電池用負極板。 - 正極板と、負極板と、電解質とを含む二次電池であって、
前記負極板は、負極集電体と、前記負極集電体に設けられた負極活物質積層体とを含み、
前記負極活物質積層体は、ケイ素系活物質及び/又はスズ系活物質から構成される特定の負極活物質と、バインダーとを含有する2以上の負極活物質層を含み、
前記負極集電体に最も近い位置に存在する負極活物質層上には、当該負極活物質層中の前記特定の負極活物質の含有比率よりも小さい比率で前記特定の負極活物質を含有する別の負極活物質層が設けられていることを特徴とする二次電池。 - 収納ケースと、正極端子および負極端子を備える二次電池と、過充電および過放電保護機能を有する保護回路とを少なくとも備え、前記収納ケースに二次電池および前記保護回路が収納されて構成される電池パックであって、
前記二次電池は、正極板と、負極板と、電解質とを含み、
前記負極板は、負極集電体と、前記負極集電体に設けられた負極活物質積層体とを含み、
前記負極活物質積層体は、ケイ素系活物質及び/又はスズ系活物質から構成される特定の負極活物質と、バインダーとを含有する2以上の負極活物質層を含み、
前記負極集電体に最も近い位置に存在する負極活物質層上には、当該負極活物質層中の前記特定の負極活物質の含有比率よりも小さい比率で前記特定の負極活物質を含有する別の負極活物質層が設けられていることを特徴とする電池パック。
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