JP2014127317A - 非水電解質二次電池の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の非水電解質二次電池の製造方法は、正極と、負極集電体の上にリチウムと合金化可能な材料を含む負極合剤層を形成した負極とを、セパレータを介して対向させて外装体の中に挿入する電池組立工程と、前記外装体の中に、ハロゲン置換された環状カーボネートを含む第1の電解液を注入して1回以上9回以下の回数で充放電を行う一次充放電工程と、前記外装体の中に、炭素−炭素不飽和結合を有する環状カーボネートを含む第2の電解液を注入して充放電を行う二次充放電工程とを含むことを特徴とする。
【選択図】図1
Description
先ず、本発明の非水電解質二次電池の製造方法を説明する。
次に、本発明に係る非水電解質二次電池について説明する。本発明に係る非水電解質二次電池は、正極、負極、非水電解質及びセパレータを備えている。
上記負極には、例えば、負極活物質、バインダ及び必要に応じて導電助剤等を含む負極合剤層を、集電体の片面又は両面に塗布して形成したもの、又は、負極活物質を集電体の片面又は両面に直接真空製膜等で形成したものが使用できる。
上記負極活物質には、リチウム(Li)と合金化可能な材料を用いる。上記Liと合金化可能な材料としては、Ag、Au、Zn、Cd、Al、Ga、In、Tl、Ge、Pb、Si、Sn、Sb、Bi等のLiと合金化可能な元素の単体、及びこれらの元素の合金等が使用できる。上記Liと合金化可能な元素の単体としては、特にSiとSnがLiの吸蔵量が大きく好ましい。
上記負極合剤層に用いるバインダとしては、例えば、でんぷん、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ヒドロキシプロピルセルロース、再生セルロース、ジアセチルセルロース等の多糖類やそれらの変成体;ポリビニルクロリド、ポリビニルピロリドン(PVP)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミドイミド、ポリアミド等の熱可塑性樹脂やそれらの変成体;ポリイミド;エチレン−プロピレン−ジエンターポリマー(EPDM)、スルホン化EPDM、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、ブタジエンゴム、ポリブタジエン、フッ素ゴム、ポリエチレンオキシド等のゴム状弾性を有するポリマーやそれらの変成体;などが挙げられ、これらは単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
上記負極に用いる集電体としては、銅製やニッケル製の箔、パンチングメタル、網、エキスパンドメタル等を用い得るが、通常、銅箔が用いられる。この負極集電体は、高エネルギー密度の電池を得るために負極全体の厚みを薄くする場合、厚みの上限は30μmであることが好ましく、機械的強度を確保するために下限は5μmであることが望ましい。
上記負極は、例えば、前述した負極活物質及びバインダ、更には必要に応じて導電助剤を、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)や水等の溶剤に分散させたペースト状やスラリー状の負極合剤含有組成物を調製し、これを集電体の片面又は両面に塗布し、乾燥した後に、必要に応じてカレンダ処理を施す塗布法により製造することができる。また、上記負極は、例えば、負極活物質としてLiと合金化可能な元素の単体を用いる場合、集電体の片面又は両面にこれらの元素をスパッタリング、蒸着等の真空製膜法で被着させて負極活物質層を形成してもよい。負極の製造方法は、上記の製法に制限されるわけではなく、他の製造方法で製造することもできる。
上記塗布法により上記負極合剤層を形成する場合、負極活物質の総量を80〜99質量%とし、バインダの量を1〜20質量%とすることが好ましい。また、別途導電助剤として導電性材料を使用する場合には、負極合剤層におけるこれらの導電性材料は、負極活物質の総量及びバインダ量が、上記の好適値を満足する範囲で使用することが好ましい。上記負極合剤層の厚さは、例えば、50〜400μmであることが好ましい。上記負極合剤層の厚さを上記範囲に設定し、できるだけ厚くすることにより、非水電解質二次電池の高容量化を図ることができる。
また、上記真空製膜法により上記負極活物質層を形成する場合、負極活物質層の厚さは、片面あたり100nm以下とすることが好ましい。
上記正極には、例えば、正極活物質、導電助剤、バインダ等を含有する正極合剤層を、集電体の片面又は両面に有する構造のものが使用できる。
上記正極に用いる正極活物質は、特に限定されず、リチウム含有遷移金属酸化物等の一般に用いることのできる活物質を使用すればよい。リチウム含有遷移金属酸化物の具体例としては、例えば、LixCoO2、LixNiO2、LixMnO2、LixCoyNi1-yO2、LixCoyM1-yO2、LixNi1-yMyO2、LixMnyNizCo1-y-zO2、LixMn2O4、LixMn2-yMyO4等が例示される。但し、上記の各構造式中において、Mは、Mg、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Al、Ti、Ge及びCrよりなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素であり、0≦x≦1.1、0<y<1.0、2.0<z<1.0である。
上記正極に用いるバインダとしては、電池内で化学的に安定なものであれば、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂のいずれも使用できる。例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリヘキサフルオロプロピレン(PHFP)、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロエチレン共重合体、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)、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合体(PFA)、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、プロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、又は、エチレン−アクリル酸共重合体、エチレン−メタクリル酸共重合体、エチレン−アクリル酸メチル共重合体、エチレン−メタクリル酸メチル共重合体及びそれら共重合体のNaイオン架橋体等の1種又は2種以上を使用できる。
上記正極に用いる導電助剤としては、電池内で化学的に安定なものであればよい。例えば、天然黒鉛、人造黒鉛等の黒鉛;アセチレンブラック、ケッチェンブラック(商品名)、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック;炭素繊維、金属繊維等の導電性繊維;アルミニウム粉等の金属粉末;フッ化炭素;酸化亜鉛;チタン酸カリウム等からなる導電性ウィスカー;酸化チタン等の導電性金属酸化物;ポリフェニレン誘導体等の有機導電性材料等が挙げられ、これらを1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、導電性の高い黒鉛と、吸液性に優れたカーボンブラックが好ましい。また、導電助剤の形態としては、一次粒子に限定されず、二次凝集体や、チェーンストラクチャー等の集合体の形態のものも用いることができる。このような集合体の方が、取り扱いが容易であり、生産性が良好となる。
上記正極に用いる集電体としては、従来から知られているリチウムイオン二次電池の正極に使用されているものと同様のものが使用でき、例えば、厚さが10〜30μmのアルミニウム箔が好ましい。
上記正極は、例えば、前述した正極活物質、導電助剤及びバインダを、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)等の溶剤に分散させたペースト状やスラリー状の正極合剤含有組成物を調製し、これを集電体の片面又は両面に塗布し、乾燥した後に、必要に応じてカレンダ処理を施す工程を経て製造することができる。正極の製造方法は、上記の方法に制限されるわけではなく、他の製造方法で製造することもできる。
上記正極合剤層においては、正極活物質の総量を92〜95質量%とし、導電助剤の量を3〜6質量%とし、バインダの量を3〜6質量%とすることが好ましい。上記正極合剤層の厚さは、カレンダ処理後において、集電体の片面あたり、70〜300μmであることが好ましい。上記正極合剤層の厚さを上記範囲に設定し、できるだけ厚くすることにより、非水電解質二次電池の高容量化を図ることができる。
上記非水電解質としては、前述のとおり、本発明の二次充放電工程後の非水電解液をそのまま使用できる。
上記セパレータには、80℃以上(より好ましくは100℃以上)170℃以下(より好ましくは150℃以下)において、その孔が閉塞する性質(即ち、シャットダウン機能)を有していることが好ましく、通常のリチウムイオン二次電池等で使用されているセパレータ、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製の微多孔膜を用いることができる。セパレータを構成する微多孔膜は、例えば、PEのみを使用したものやPPのみを使用したものであってもよく、また、PE製の微多孔膜とPP製の微多孔膜との積層体であってもよい。
本発明に係る非水電解質二次電池の形態としては、スチール缶やアルミニウム缶等を外装体として使用した筒形(角筒形や円筒形等)等が挙げられる。また、金属を蒸着したラミネートフィルムを外装体としたソフトパッケージ電池とすることもできる。
<正極の作製>
先ず、正極活物質であるLiNi0.6Co0.2Mn0.2O2:88質量部と、導電助剤である人造黒鉛:1質量部及びケッチェンブラック:1質量部と、バインダであるPVDF:10質量部とを、NMPを溶剤として均一になるように混合して、正極合剤含有ペーストを調製した。次に、上記正極合剤含有ペーストを、厚さ15μmのアルミニウム箔の片面に厚さを調節して塗布し、乾燥した後、カレンダ処理を行って、正極全体の厚さが17μmになるように正極合剤層の厚さを調整し、直径13mmに打ち抜いて正極を作製した。
厚さ8μmの銅箔上に高周波マグネトロンスパッタリング法でSi薄膜を形成した。Si薄膜の厚さは100nmとした。このSi薄膜を形成した銅箔を直径14mmに打ち抜いて負極を作製した。
エチレンカーボネート、エチルメチルカーボネート及びジエチルカーボネートを体積比で1:1:1に混合したものに、リチウム塩としてLiPF6を濃度1mol/Lで溶解させて非水電解液を調製した。この非水電解液に4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン(FEC)を体積比で非水電解液:FEC=9:1になるように混合して、第1の電解液を調製した。
上記正極と上記負極とを、厚さ16μm、開孔率50%の微多孔性ポリエチレンフィルム製のセパレータを介して積層して積層電極体を作製し、この積層電極体を外装体に収納した。その後、上記外装体に上記第1の電解液を一次注液してモデルセルを作製した。上記外装体には宝泉株式会社製の「HSフラットセル」を用いた。
上記モデルセルについて、0.25mA/cm2の定電流で電池電圧が4.2Vになるまで充電し、その後、4.2Vの定電圧で電流値が0.025mA/cm2になるまで充電を行った後、0.25mA/cm2で定電流放電(放電終止電圧:2.7V)を行った。これを1サイクルとして、1サイクルのみ充放電を行った。
エチレンカーボネート、エチルメチルカーボネート及びジエチルカーボネートを体積比で1:1:1に混合したものに、リチウム塩としてLiPF6を濃度1mol/Lで溶解させて非水電解液を調製した。この非水電解液に更にビニレンカーボネート(VC)を体積比で非水電解液:VC=1:1となるように混合して、第2の電解液を調製した。
上記一次充放電工程が終了したモデルセルを開封し、上記外装体に更に上記第2の電解液を二次注液して、モデルセル内の非水電解液とVCとの体積比が、非水電解液:VC=9:1になるように調整して試験用モデルセルを作製した。
一次充放電工程の充放電回数を5サイクルとした以外は、実施例1と同様にして試験用モデルセルを作製した。
一次充放電工程の充放電回数を7サイクルとした以外は、実施例1と同様にして試験用モデルセルを作製した。
一次充放電工程の充放電回数を9サイクルとした以外は、実施例1と同様にして試験用モデルセルを作製した。
<正極の作製>
先ず、正極活物質であるLiNi0.6Co0.2Mn0.2O2:88質量部と、導電助剤である人造黒鉛:1質量部及びケッチェンブラック:1質量部と、バインダであるPVDF:10質量部とを、NMPを溶剤として均一になるように混合して、正極合剤含有ペーストを調製した。次に、上記正極合剤含有ペーストを、厚さ15μmのアルミニウム箔からなる集電体の両面に厚さを調節して塗布し、乾燥した後、カレンダ処理を行って、正極全体の厚さが197μmになるように正極合剤層の厚みを調整し、アルミニウム箔の露出部にアルミニウム製のリード体を溶接して、長さ375mm、幅43mmの帯状の正極を作製した。
先ず、沸騰床反応器中で約1000℃に加熱されたSiO粒子にメタンと窒素ガスからなる25℃の混合ガスを接触させ、気相成長法により、SiO粒子の表面に炭素材料の被覆層が形成された、SiOと炭素材料との複合体(SiOのD50:1μm、SiOの割合:70質量%、SiOにおけるSiの結晶子径:40nm)を得た。こうして得られたSiOと炭素材料との複合体と、D50が20μmである黒鉛とを、30:70の質量比で混合した混合物:98質量部、粘度が1500〜5000mPa・sの範囲に調整されたCMC水溶液(濃度:1質量%):1質量部、及びSBR:1質量部を混合して、水系の負極合剤含有ペーストを調製した。
実施例1と同様にして、第1の電解液を調製した。
上記正極と上記負極とを、厚さ16μm、開孔率50%の微多孔性ポリエチレンフィルム製のセパレータを介して巻回して巻回電極体を作製し、この巻回電極体を外装体に収納した。その後、上記外装体に上記第1の電解液を一次注液して封口して非水電解質二次電池を作製した。上記外装体には463450角形電池缶を用いた。
上記非水電解質二次電池について、1Cの定電流で電池電圧が4.2Vになるまで充電し、その後、4.2Vの定電圧で最初の充電開始からの総充電時間が3時間になるまで充電を行った後、1Cで定電流放電(放電終止電圧:2.7V)を行った。これを1サイクルとして、1サイクルのみ充放電を行った。
実施例1と同様にして、第2の電解液を調製した。
上記一次充放電工程が終了した非水電解質二次電池を開封し、上記外装体に更に上記第2の電解液を二次注液して、非水電解質二次電池内の非水電解液とVCとの体積比が、非水電解液:VC=9:1になるように調整して試験用非水電解質二次電池を作製した。
<正極及び負極の作製>
実施例1と同様にして、正極及び負極を作製した。
エチレンカーボネート、エチルメチルカーボネート及びジエチルカーボネートを体積比で1:1:1に混合したものに、リチウム塩としてLiPF6を濃度1mol/Lで溶解させて混合液を調製した。この混合液に更にビニレンカーボネート(VC)を体積比で混合液:VC=9:1になるように混合して、非水電解液を調製した。
上記正極と上記負極とを、厚さ16μm、開孔率50%の微多孔性ポリエチレンフィルム製のセパレータを介して積層して積層電極体を作製し、この積層電極体を外装体に収納した。その後、上記外装体に上記非水電解液を注液して試験用モデルセルを作製した。上記外装体には宝泉株式会社製の「HSフラットセル」を用いた。
<正極及び負極の作製>
実施例1と同様にして、正極及び負極を作製した。
エチレンカーボネート、エチルメチルカーボネート及びジエチルカーボネートを体積比で1:1:1に混合したものに、リチウム塩としてLiPF6を濃度1mol/Lで溶解させて混合液を調製した。この混合液に更にビニレンカーボネート(VC)及び4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン(FEC)を体積比で混合液:VC:FEC=8:1:1となるように混合して、非水電解液を調製した。
一次充放電工程の充放電回数を10サイクルとした以外は、実施例1と同様にして試験用モデルセルを作製した。
実施例5と同様にして、正極及び負極を作製した。また、比較例1と同様にして非水電解液を調製した。
上記正極と上記負極とを、厚さ16μm、開孔率50%の微多孔性ポリエチレンフィルム製のセパレータを介して巻回して巻回電極体を作製し、この巻回電極体を外装体に収納した。その後、上記外装体に上記非水電解液を注液して封口して試験用非水電解質二次電池を作製した。上記外装体には463450角形電池缶を用いた。
実施例1及び比較例3において一次充放電工程を行ったモデルセルをそれぞれ分解して、負極を取り出した。また、比較例1及び比較例2の試験用モデルセルを前述と同様の充放電条件で1サイクル充放電した後、試験用モデルセルをそれぞれ分解して、負極を取り出した。
実施例1及び比較例1〜3の試験用モデルセルを前述の条件で1サイクル充放電した後、上記と同様にして、試験用モデルセルをそれぞれ分解して、負極を取り出し、XPS分析を行った。
2 負極
3 セパレータ
4 外装缶
5 絶縁体
6 巻回電極体
7 正極リード体
8 負極リード体
9 蓋板
10 絶縁パッキング
11 端子
12 絶縁体
13 リード板
14 非水電解液注入口
15 開裂ベント
20 非水電解質二次電池
21 外装体
22 正極外部端子
23 負極外部端子
Claims (7)
- 正極、負極、非水電解質及びセパレータを含む非水電解質二次電池の製造方法であって、
正極と、負極集電体の上にリチウムと合金化可能な材料を含む負極合剤層を形成した負極とを、セパレータを介して対向させて外装体の中に挿入する電池組立工程と、
前記外装体の中に、ハロゲン置換された環状カーボネートを含む第1の電解液を注入して1回以上9回以下の回数で充放電を行う一次充放電工程と、
前記外装体の中に、炭素−炭素不飽和結合を有する環状カーボネートを含む第2の電解液を注入して充放電を行う二次充放電工程とを含むことを特徴とする非水電解質二次電池の製造方法。 - 前記ハロゲン置換された環状カーボネートが、ハロゲン元素としてフッ素を含む請求項1に記載の非水電解質二次電池の製造方法。
- 前記ハロゲン置換された環状カーボネートが、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンである請求項2に記載の非水電解質二次電池の製造方法。
- 前記炭素−炭素不飽和結合を有する環状カーボネートが、ビニレンカーボネートである請求項1〜3のいずれかに記載の非水電解質二次電池の製造方法。
- 前記リチウムと合金化可能な材料が、シリコンを構成元素に含む材料である請求項1〜4のいずれかに記載の非水電解質二次電池の製造方法。
- 前記シリコンを構成元素に含む材料が、一般組成式SiOxで表される材料であり、
前記一般組成式において、xは、0.5≦x≦1.5である請求項5に記載の非水電解質二次電の製造方法。 - 前記負極合剤層が、炭素材料を更に含む請求項1〜6のいずれかに記載の非水電解質二次電池の製造方法。
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