JP2014143064A - Secondary battery and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、二次電池およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a secondary battery and a method for manufacturing the same.
近年、リチウム二次電池やニッケル水素電池等の二次電池は、電気を駆動源とする車両搭載用電源、あるいはパソコン及び携帯端末その他の電気製品等に搭載される電源として重要性が高まっている。特に、軽量で高エネルギー密度が得られるリチウム二次電池は、車両搭載用高出力電源として好ましく用いられている。リチウム二次電池に関する従来技術としては特許文献1が挙げられる。 In recent years, secondary batteries such as lithium secondary batteries and nickel metal hydride batteries have become increasingly important as power sources mounted on vehicles using electricity as a drive source, or power sources mounted on personal computers, portable terminals, and other electrical products. . In particular, a lithium secondary battery that is lightweight and obtains a high energy density is preferably used as a high-output power source for mounting on a vehicle. Patent document 1 is mentioned as a prior art regarding a lithium secondary battery.
リチウム二次電池の一つの典型的な構成では、リチウムイオンを可逆的に吸蔵および放出し得る材料(電極活物質)が導電性部材(電極集電体)に保持された構成の電極を備える。負極に用いられる電極活物質(負極活物質)の代表例としては、黒鉛材料が挙げられる。また、負極に用いられる電極集電体(負極集電体)の代表例としては、銅または銅合金を主体とするシート状または箔状の部材が挙げられる。このような電池用負極は、例えば、負極活物質と増粘剤と溶媒とを含むペースト状若しくはインク状の組成物(以下、このような懸濁液状の組成物を単に「ペースト」という。)、即ち活物質層形成用ペーストを調製し、これを集電体に塗布し乾燥することにより製造されている。 One typical configuration of a lithium secondary battery includes an electrode having a configuration in which a material (electrode active material) capable of reversibly occluding and releasing lithium ions is held by a conductive member (electrode current collector). A typical example of the electrode active material (negative electrode active material) used for the negative electrode is a graphite material. A typical example of the electrode current collector (negative electrode current collector) used for the negative electrode is a sheet-like or foil-like member mainly composed of copper or a copper alloy. Such a negative electrode for a battery is, for example, a paste-like or ink-like composition containing a negative electrode active material, a thickener, and a solvent (hereinafter, such a suspension-like composition is simply referred to as “paste”). That is, it is manufactured by preparing a paste for forming an active material layer, applying it to a current collector and drying it.
ところで、上記ペーストを調製する際、増粘剤の溶解が充分でないために、ペースト中に未溶解物の固まりや凝集塊(ダマ)が含まれる場合がある。かかる凝集塊の発生は電池性能に悪影響を与えるため、従来、このような凝集塊を解して増粘剤を溶媒中に均一に分散することが試みられている。本発明者は、増粘剤の分散を促進するために高剪断力を有する二軸混練機を使用して、高剪断力のもとで、負極活物質と増粘剤とを混練することを検討している。しかし、負極活物質と増粘剤とを高剪断力下で混練すると、負極活物質に割れや亀裂が生じやすい。負極活物質に割れや亀裂が生じると、不可逆容量が増加したり保存容量が低下したりする要因となり得る。 By the way, when the paste is prepared, since the thickener is not sufficiently dissolved, the paste may contain a lump of undissolved material or agglomerates (dama). Since the generation of such agglomerates adversely affects battery performance, it has been attempted to disperse such agglomerates and uniformly disperse the thickener in the solvent. The present inventor uses a biaxial kneader having a high shear force to promote dispersion of the thickener, and kneads the negative electrode active material and the thickener under a high shear force. Are considering. However, when the negative electrode active material and the thickener are kneaded under a high shear force, the negative electrode active material is likely to be cracked or cracked. If the negative electrode active material is cracked or cracked, it may cause an increase in irreversible capacity or a decrease in storage capacity.
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、ペースト混練時の負極活物質の割れを防止して電池の性能劣化が抑制された二次電池ならびに該二次電池の好適な製造方法を提供することである。 The present invention has been made in view of the above points, and its main object is to provide a secondary battery in which degradation of battery performance is suppressed by preventing cracking of the negative electrode active material during paste kneading, and the secondary battery. It is providing the suitable manufacturing method of these.
上記目的を実現するべく、本発明により、正極および負極を備える二次電池の製造方法が提供される。この製造方法は、負極活物質と、導電材としての膨張化黒鉛と、増粘剤と、溶媒とを含むペースト原料を混練機に投入して混練することにより負極活物質層形成用ペーストを得ることを包含する。ここで上記混練機に投入される膨張化黒鉛の平均粒径D1は、上記負極活物質の平均粒径D2よりも小さい(D1<D2)。また、上記負極活物質層形成用ペーストを負極集電体に塗工して該負極集電体上に負極活物質層が形成された負極を得ることを包含する。さらに、上記得られた負極を用いて二次電池を構築することを包含する。 In order to achieve the above object, the present invention provides a method for producing a secondary battery including a positive electrode and a negative electrode. In this manufacturing method, a paste raw material containing a negative electrode active material, expanded graphite as a conductive material, a thickener, and a solvent is put into a kneader and kneaded to obtain a paste for forming a negative electrode active material layer. Including that. Here, the average particle diameter D1 of the expanded graphite charged into the kneader is smaller than the average particle diameter D2 of the negative electrode active material (D1 <D2). In addition, the method includes coating the negative electrode active material layer forming paste on a negative electrode current collector to obtain a negative electrode having a negative electrode active material layer formed on the negative electrode current collector. Furthermore, it includes constructing a secondary battery using the obtained negative electrode.
なお、本明細書において「二次電池」とは、繰り返し充電可能な電池一般をいい、リチウム二次電池(典型的にはリチウムイオン電池)、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池等の化学反応を伴ういわゆる化学電池と、電気二重層キャパシタ等のいわゆる物理電池とを包含する用語である。また「膨張化黒鉛」とは、黒鉛結晶構造の層間を膨張させた黒鉛をいい、典型的には黒鉛結晶構造の層間に濃硫酸等の薬液をインターカレートした後に該薬液をガス化させ、その際の圧力によって黒鉛結晶構造の層間を広げたものを指す。 In the present specification, “secondary battery” generally refers to a battery that can be repeatedly charged, and involves a chemical reaction such as a lithium secondary battery (typically a lithium ion battery), a nickel metal hydride battery, or a nickel cadmium battery. This term includes so-called chemical batteries and so-called physical batteries such as electric double layer capacitors. The term “expanded graphite” refers to graphite in which the interlayer of the graphite crystal structure is expanded. Typically, after intercalating a chemical solution such as concentrated sulfuric acid between the layers of the graphite crystal structure, the chemical solution is gasified, It refers to the one in which the graphite crystal structure is expanded by the pressure at that time.
本発明の製造方法によると、負極活物質よりも粒径の小さい膨張化黒鉛を添加して混練する構成となるため、ペースト混練時に起こり得る負極活物質の割れや亀裂が抑制され、さらに増粘剤の分散(典型的には溶解)が促進される。そのため、増粘剤の未溶解物の固まりや凝集塊が発生することが回避され、これに起因する電池性能の劣化が防止される。かかるペーストを用いて構築された二次電池は、例えばサイクル後容量維持率が高く、高温保存特性に優れたものであり得る。 According to the production method of the present invention, since expanded graphite having a particle size smaller than that of the negative electrode active material is added and kneaded, cracking and cracking of the negative electrode active material that may occur during paste kneading are suppressed, and the viscosity is further increased. Dispersion (typically dissolution) of the agent is facilitated. Therefore, it is avoided that the thickener and the agglomerates of the thickener are generated, and the deterioration of the battery performance due to this is prevented. A secondary battery constructed using such a paste can have, for example, a high post-cycle capacity retention rate and excellent high-temperature storage characteristics.
ここで開示される二次電池製造方法の好ましい一態様では、上記混練機として、二軸混練機を使用する。二軸混練機を用いることにより、増粘剤の分散がさらに促進され、増粘剤の未溶解物の固まりや凝集塊が発生することがより良く抑制され得る。 In a preferred embodiment of the secondary battery manufacturing method disclosed herein, a biaxial kneader is used as the kneader. By using a twin-screw kneader, the dispersion of the thickener can be further promoted, and the generation of an undissolved mass or aggregate of the thickener can be better suppressed.
ここで開示される二次電池製造方法の好ましい一態様では、上記負極活物質層形成用ペーストの固形分濃度が50質量%〜70質量%である。このような固形分濃度の範囲内であれば、増粘剤や負極活物質の粉体に強いせん断力がかかり、各粉体の凝集塊が短時間で分散されて均一な状態の混練物を作製することができる。 In a preferred embodiment of the secondary battery manufacturing method disclosed herein, the solid content concentration of the negative electrode active material layer forming paste is 50% by mass to 70% by mass. Within such a solid content concentration range, a strong shearing force is applied to the powder of the thickener and the negative electrode active material, and the agglomerates of each powder are dispersed in a short time to form a uniform kneaded product. Can be produced.
ここで開示される二次電池製造方法の好ましい一態様では、上記負極活物質層形成用ペーストの固形分の全質量を100質量%としたときに、上記膨張化黒鉛の占める割合が1質量%〜10質量%(好ましくは3質量%〜8質量%)である。膨張化黒鉛の占める割合が1質量%よりも少なすぎる場合は、膨張化黒鉛を用いたことによる性能向上効果が低下する場合がある。一方、膨張化黒鉛の占める割合が10質量%よりも多すぎる場合は、膨張化黒鉛同士の再凝集が生じるため、電極反応が不均一になることがある。 In a preferred embodiment of the secondary battery manufacturing method disclosed herein, the proportion of the expanded graphite is 1% by mass when the total mass of the solid content of the negative electrode active material layer forming paste is 100% by mass. To 10% by mass (preferably 3% to 8% by mass). When the proportion of the expanded graphite is less than 1% by mass, the performance improvement effect by using the expanded graphite may be reduced. On the other hand, when the proportion of the expanded graphite is more than 10% by mass, the expanded graphite may reaggregate and the electrode reaction may become non-uniform.
ここで開示される二次電池製造方法の好ましい一態様では、上記ペースト原料を混練する際に、まず、負極活物質と膨張化黒鉛と増粘剤と溶媒とを混練機に投入して混練を行い、次いで、得られた混練物を溶媒で希釈して該混練物から負極活物質層形成用ペーストを得る。このように少量の溶媒で混練し、次いで、溶媒で希釈するという2段階の混練方法を用いることにより、負極活物質と膨張化黒鉛と増粘剤とが均一分散した負極活物質層形成用ペーストを得ることができる。 In a preferred embodiment of the secondary battery manufacturing method disclosed herein, when the paste raw material is kneaded, first, the negative electrode active material, expanded graphite, thickener, and solvent are put into a kneader and kneaded. Then, the obtained kneaded product is diluted with a solvent to obtain a negative electrode active material layer forming paste from the kneaded product. A negative electrode active material layer forming paste in which a negative electrode active material, expanded graphite, and a thickener are uniformly dispersed by using a two-step kneading method of kneading with a small amount of solvent and then diluting with a solvent. Can be obtained.
ここで開示される二次電池製造方法の好ましい一態様では、上記膨張化黒鉛の平均粒径D1が、上記負極活物質の平均粒径D2に対して、0.01≦(D1/D2)≦0.1であり、好ましくは0.01≦(D1/D2)≦0.05である。負極活物質に対する膨張化黒鉛の粒径比(D1/D2)を上記のように設定することで、混練時に起こり得る負極活物質の割れや亀裂がより良く防止され得る。 In a preferred aspect of the secondary battery manufacturing method disclosed herein, the average particle diameter D1 of the expanded graphite is 0.01 ≦ (D1 / D2) ≦ the average particle diameter D2 of the negative electrode active material. 0.1, preferably 0.01 ≦ (D1 / D2) ≦ 0.05. By setting the particle size ratio (D1 / D2) of the expanded graphite to the negative electrode active material as described above, cracking and cracking of the negative electrode active material that may occur during kneading can be prevented more effectively.
ここで開示される二次電池製造方法の好ましい一態様では、上記膨張化黒鉛の平均粒径D1が、0.5μm以下であり、上記負極活物質の平均粒径D2が、10μm以上である。このような粒径差を設定することで、混練時に起こり得る負極活物質の割れや亀裂がより良く防止され得る。 In a preferred embodiment of the secondary battery manufacturing method disclosed herein, the expanded graphite has an average particle diameter D1 of 0.5 μm or less, and the negative electrode active material has an average particle diameter D2 of 10 μm or more. By setting such a particle size difference, cracking and cracking of the negative electrode active material that may occur during kneading can be prevented better.
また、本発明の他の側面として、正極および負極を備える二次電池が提供される。上記負極は、負極集電体と、上記負極集電体に保持された負極活物質層とを備える。上記負極活物質層は、負極活物質と、導電材としての膨張化黒鉛とを含む。そして、上記膨張化黒鉛の平均粒径D1が、上記負極活物質の平均粒径D2よりも小さい(D1<D2)。かかる二次電池は、例えば耐久後容量維持率が高く、高温保存特性に優れたものであり得る。 In another aspect of the present invention, a secondary battery including a positive electrode and a negative electrode is provided. The negative electrode includes a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer held by the negative electrode current collector. The negative electrode active material layer includes a negative electrode active material and expanded graphite as a conductive material. The average particle diameter D1 of the expanded graphite is smaller than the average particle diameter D2 of the negative electrode active material (D1 <D2). Such a secondary battery can have, for example, a high capacity retention rate after durability and excellent high-temperature storage characteristics.
ここで開示される二次電池製造方法の好ましい一態様では、上記膨張化黒鉛の平均粒径D1が、上記負極活物質の平均粒径D2に対して、0.01≦(D1/D2)≦0.1である。上記膨張化黒鉛の平均粒径D1が、上記負極活物質の平均粒径D2に対して、0.01≦(D1/D2)≦0.05であってもよい。また、上記膨張化黒鉛の平均粒径D1が、0.5μm以下であり、上記負極活物質の平均粒径D2が、10μm以上であってもよい。さらに、上記負極活物質層の全質量を100質量%としたときに、上記膨張化黒鉛の占める割合が1質量%〜10質量%であってもよい。かかる二次電池は、例えば耐久後容量維持率がより高く、高温保存特性により優れたものであり得る。 In a preferred aspect of the secondary battery manufacturing method disclosed herein, the average particle diameter D1 of the expanded graphite is 0.01 ≦ (D1 / D2) ≦ the average particle diameter D2 of the negative electrode active material. 0.1. The average particle diameter D1 of the expanded graphite may be 0.01 ≦ (D1 / D2) ≦ 0.05 with respect to the average particle diameter D2 of the negative electrode active material. The expanded graphite may have an average particle diameter D1 of 0.5 μm or less, and the negative electrode active material may have an average particle diameter D2 of 10 μm or more. Furthermore, when the total mass of the negative electrode active material layer is 100% by mass, the proportion of the expanded graphite may be 1% by mass to 10% by mass. Such a secondary battery may have, for example, a higher capacity retention rate after endurance and better high-temperature storage characteristics.
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. Note that matters other than matters specifically mentioned in the present specification and necessary for the implementation of the present invention can be grasped as design matters of those skilled in the art based on the prior art in this field. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in this specification and common technical knowledge in the field.
ここに開示される二次電池用の電極を製造する方法の好適な実施形態の一つとして、電極集電体の表面に電極活物質層が形成されたリチウム二次電池(典型的にはリチウムイオン電池)用の負極を製造する方法を例にして詳細に説明するが、本発明の適用対象をかかる電極または電池に限定する意図ではない。なお、以下の図面において、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付し、重複する説明は省略又は簡略化することがある。また、各図における寸法関係(長さ、幅、厚さ等)は実際の寸法関係を反映するものではない。 As a preferred embodiment of a method for producing an electrode for a secondary battery disclosed herein, a lithium secondary battery (typically a lithium secondary battery) in which an electrode active material layer is formed on the surface of an electrode current collector. The method for producing a negative electrode for an ion battery will be described in detail by way of example, but it is not intended to limit the application target of the present invention to such an electrode or battery. In addition, in the following drawings, the same code | symbol is attached | subjected to the member and site | part which show | plays the same effect | action, and the overlapping description may be abbreviate | omitted or simplified. In addition, the dimensional relationships (length, width, thickness, etc.) in each drawing do not reflect actual dimensional relationships.
図1は、一実施形態に係る角型形状のリチウム二次電池を模式的に示す図である。図示するように、本実施形態に係るリチウム二次電池100は、金属製(樹脂製又はラミネートフィルム製も好適である。)のケース40を備える。このケース(外容器)40は、上端が開放された扁平な直方体状のケース本体42と、その開口部を塞ぐ蓋体44とを備える。ケース40の上面(すなわち蓋体44)には、捲回電極体80の正極50と電気的に接続する正極端子92および該電極体80の負極60と電気的に接続する負極端子94が設けられている。ケース40の内部には、例えば長尺シート状の正極(正極シート)50および長尺シート状の負極(負極シート)60を計二枚の長尺シート状セパレータ(セパレータシート)70とともに積層して捲回し、次いで得られた捲回体を側面方向から押しつぶして拉げさせることによって作製される扁平形状の捲回電極体80が収容される。
FIG. 1 is a diagram schematically showing a rectangular lithium secondary battery according to an embodiment. As shown in the drawing, the lithium
正極シート50および負極シート60は、図2及び図3に示すように、それぞれ、長尺シート状の電極集電体の両面に電極活物質を主成分とする電極活物質層が設けられた構成を有する。これらの電極シート50、60の幅方向の一端には、いずれの面にも上記電極活物質層が設けられていない電極活物質層非形成部分が形成されている。上記積層の際には、正極シート50の正極活物質層非形成部分と負極シート60の負極活物質層非形成部分とがセパレータシート70の幅方向の両側からそれぞれはみ出すように、正極シート50と負極シート60とを幅方向にややずらして重ね合わせる。その結果、捲回電極体80の捲回方向に対する横方向において、正極シート50および負極シート60の電極活物質層非形成部分がそれぞれ捲回コア部分(すなわち正極シート50の正極活物質層形成部分と負極シート60の負極活物質層形成部分と二枚のセパレータシート70とが密に捲回された部分)から外方にはみ出ている。かかる正極側はみ出し部分(すなわち正極活物質層の非形成部分)82および負極側はみ出し部分(すなわち負極活物質層の非形成部分)84には、正極リード端子96および負極リード端子98がそれぞれ付設されており、上述の正極端子92および負極端子94とそれぞれ電気的に接続される。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
<負極シート>
以下、本実施形態に係るリチウム二次電池100の負極の各構成要素について説明する。ここで開示されるリチウム二次電池用の負極シート60は、負極活物質と導電材と増粘剤とバインダとを含む負極活物質層64が負極集電体62の表面(ここでは両面)に保持された構造を有する。負極を構成する負極集電体62の構成材料としては、導電性の良好な金属からなる導電性部材が好ましく用いられる。例えば、銅または銅を主成分とする合金が挙げられる。また、負極集電体62の形状は、本実施形態に係る捲回型の電極体80を備える電池においては、シート状または箔状の負極集電体62を好ましく適用し得る。
<Negative electrode sheet>
Hereinafter, each component of the negative electrode of the lithium
<負極活物質>
負極活物質層64を構成する負極活物質としては、従来からリチウム二次電池に用いられる物質の一種または二種以上を特に限定なく使用することができる。例えば、好適な負極活物質として、電荷担体(ここではリチウム)を可逆的に吸蔵および放出可能な炭素材料が挙げられる。少なくとも一部にグラファイト構造(層状構造)を含む粒子状の炭素材料(炭素粒子)が好ましく用いられる。いわゆる黒鉛質のもの(グラファイト)、難黒鉛化炭素質のもの(ハードカーボン)、易黒鉛化炭素質のもの(ソフトカーボン)、これらを組み合わせた構造を有するもののいずれの炭素材料も好適に使用され得る。特に黒鉛は、粒径が小さく単位体積当たりの表面積が大きいことからより急速充放電(例えば高出力放電)に適した負極活物質となり得る。
<Negative electrode active material>
As the negative electrode active material constituting the negative electrode
<負極活物質の平均粒径>
ここで開示される負極活物質の平均粒径は、電池構成に応じて適宜粒径を選択することができるが、通常は、平均粒径が凡そ1μm〜50μmの範囲にある粒子によって実質的に構成された負極活物質の使用が適当であり、好ましくは凡そ5μm〜40μmであり、より好ましくは凡そ10μm〜30μmであり、さらに好ましくは凡そ10μm〜20μmであり、凡そ10μm〜15μmであってもよい。負極活物質の粒径が大きすぎると、負極活物質の比表面積が小さくなるので、電池性能が低下傾向になる場合がある。一方、負極活物質の粒径が小さすぎると、かさ高くなり生産性が低下する、あるいは電池内での副反応が増加し寿命が悪化するなどの問題があるため、通常は、平均粒径が凡そ1μm以上(好ましくは10μm以上)の負極活物質を用いることが好ましい。ここで、負極活物質の平均粒径とは、一般的なレーザ回折式粒度分布測定装置を用いて測定される体積基準のD50径をいう。
<Average particle size of negative electrode active material>
The average particle size of the negative electrode active material disclosed herein can be selected as appropriate according to the battery configuration, but is usually substantially equal to particles having an average particle size in the range of about 1 μm to 50 μm. The use of the composed negative electrode active material is appropriate, preferably about 5 μm to 40 μm, more preferably about 10 μm to 30 μm, still more preferably about 10 μm to 20 μm, and even about 10 μm to 15 μm. Good. When the particle size of the negative electrode active material is too large, the specific surface area of the negative electrode active material becomes small, and the battery performance may tend to decrease. On the other hand, if the particle size of the negative electrode active material is too small, there is a problem that the bulkiness is increased and the productivity is lowered, or side reactions in the battery are increased and the life is deteriorated. It is preferable to use a negative electrode active material of about 1 μm or more (preferably 10 μm or more). Here, the average particle diameter of the negative electrode active material refers to a volume-based D50 diameter measured using a general laser diffraction particle size distribution measuring apparatus.
<導電材>
導電材としては、膨張化黒鉛が用いられている。ここで膨張化黒鉛とは、黒鉛層間化合物を急激に加熱して黒鉛層間を膨張させた黒鉛であり、本実施形態ではその粉末を使用する。ここで膨張化黒鉛は、典型的には負極活物質よりも粒径が小さい。例えば、膨張化黒鉛の平均粒径D1が、負極活物質の平均粒径D2に対して、0.01≦(D1/D2)≦0.1であることが好ましく、より好ましくは0.01≦(D1/D2)≦0.05である。負極活物質に対する膨張化黒鉛の粒径比を上記のように設定することで、後述する負極活物質層形成用ペーストの調製時に起こり得る負極活物質の割れや亀裂がより良く抑制され得る。例えば膨張化黒鉛としては、平均粒径D1が負極活物質の平均粒径D2よりも小さく、かつ凡そ0.01μm〜15μmの範囲のものが適当であり、好ましくは凡そ0.05μm〜1μmのものであり、より好ましくは凡そ0.08μm〜0.9μmのものであり、さらに好ましくは凡そ0.1μm〜0.9μmのものであり、凡そ0.1μm〜0.5μmのものであってもよい。
<Conductive material>
As the conductive material, expanded graphite is used. Here, expanded graphite is graphite obtained by rapidly heating a graphite intercalation compound to expand the graphite interlayer, and in the present embodiment, the powder is used. Here, the expanded graphite typically has a particle size smaller than that of the negative electrode active material. For example, the average particle diameter D1 of the expanded graphite is preferably 0.01 ≦ (D1 / D2) ≦ 0.1, more preferably 0.01 ≦ with respect to the average particle diameter D2 of the negative electrode active material. (D1 / D2) ≦ 0.05. By setting the particle size ratio of the expanded graphite to the negative electrode active material as described above, cracks and cracks in the negative electrode active material that can occur during the preparation of the negative electrode active material layer forming paste described later can be more effectively suppressed. For example, expanded graphite having an average particle diameter D1 smaller than the average particle diameter D2 of the negative electrode active material and in the range of about 0.01 μm to 15 μm is suitable, preferably about 0.05 μm to 1 μm. More preferably, it is about 0.08 μm to 0.9 μm, more preferably about 0.1 μm to 0.9 μm, and may be about 0.1 μm to 0.5 μm. .
<増粘剤>
負極活物質層64に用いられる増粘剤は、後述する負極活物質層形成用ペーストの増粘剤として機能し得るポリマー材料であり得る。例えば、負極活物質層形成用ペーストが水系の溶媒(分散媒が主として水系溶媒である溶液)組成物である場合には、水系溶媒に分散または溶解するポリマーを用いることができる。水系溶媒に溶解して増粘剤として機能し得るポリマー材料としては、例えば、カルボキシメチルセルロース(CMC;典型的にはナトリウム塩)、ヒドロキシエチルセルロース(HEC)、ヒドロキシプロピルセルロース(HPC)、メチルセルロース(MC)、酢酸フタル酸セルロース(CAP)、ヒドロキシプロピルメチルセルロース(HPMC)、ヒドロキシプロピルメチルセルロースフタレート(HPMCP)等のセルロース誘導体、または、ポリビニルアルコール(PVA)等が挙げられる。これらのうち、セルロース誘導体(例えばCMC)を特に好ましく使用し得る。なお、このようなポリマー材料は、一種を単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。
<Thickener>
The thickener used for the negative electrode
<バインダ>
負極活物質層64に用いられるバインダは、上記負極活物質や導電材を結合するためのものであり、該バインダを構成する材料自体は、従来公知のリチウム二次電池用負極に用いられるものと同様の材料であり得る。例えば、酢酸ビニル共重合体、スチレンブタジエンブロック共重合体(SBR)、アクリル酸変性SBR樹脂(SBR系ラテックス)、アラビアゴム等のゴム類、または、ポリエチレンオキサイド(PEO)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、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含体(PFA)、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)、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)等のフッ素系樹脂が例示される。なかでもスチレンブタジエンブロック共重合体(SBR)を好ましく使用し得る。なお、このようなポリマー材料は、一種を単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。
<Binder>
The binder used for the negative electrode
特に限定するものではないが、負極活物質層全体に占める負極活物質の割合は凡そ80質量%以上(例えば80質量%〜99質量%)とすることができ、凡そ90質量%以上(例えば90質量%〜99質量%、より好ましくは95質量%〜99質量%)であることが好ましい。また、負極活物質層の全質量を100質量%としたときに、膨張化黒鉛の占める割合を0.5質量%以上(例えば0.5質量%〜15質量%)とすることができ、凡そ1質量%以上(例えば1質量%〜15質量%、より好ましくは1質量%〜10質量%、特に好ましくは1質量%〜5質量%)であることが好ましい。増粘剤を含む組成の負極活物質層は、該負極活物質層に占める増粘剤の割合を例えば0.3質量%〜10質量%とすることができ、通常は凡そ1質量%〜5質量%とすることが好ましい。また、バインダを含む組成の負極活物質層は、該負極活物質層に占めるバインダの割合を例えば0.3質量%〜15質量%とすることができ、凡そ1質量%〜10質量%であることが好ましい。 Although not particularly limited, the ratio of the negative electrode active material to the entire negative electrode active material layer can be about 80% by mass or more (for example, 80% by mass to 99% by mass), and about 90% by mass or more (for example, 90% by mass). Mass% to 99 mass%, more preferably 95 mass% to 99 mass%). Further, when the total mass of the negative electrode active material layer is 100% by mass, the proportion of the expanded graphite can be 0.5% by mass or more (for example, 0.5% by mass to 15% by mass). It is preferable that it is 1 mass% or more (for example, 1 mass%-15 mass%, More preferably, it is 1 mass%-10 mass%, Most preferably, it is 1 mass%-5 mass%). In the negative electrode active material layer having a composition containing a thickener, the proportion of the thickener in the negative electrode active material layer can be, for example, 0.3% by mass to 10% by mass, and usually about 1% by mass to 5%. It is preferable to set it as the mass%. Moreover, the negative electrode active material layer of the composition containing a binder can make the ratio of the binder to this negative electrode active material layer into 0.3 mass%-15 mass%, for example, is about 1 mass%-10 mass%. It is preferable.
ここに開示される電池製造方法で使用される負極活物質層形成用ペーストは、上述した負極活物質、膨張化黒鉛、増粘剤、及び、必要に応じてバインダが水に分散された形態の水系組成物であり得る。また、ここに開示される負極活物質層64は、かかる負極活物質層形成用ペーストを負極集電体62上に付与(塗工乾燥)して形成されたものであり得る。
The negative electrode active material layer forming paste used in the battery manufacturing method disclosed herein has the above-described negative electrode active material, expanded graphite, thickener, and, if necessary, a binder dispersed in water. It can be an aqueous composition. Also, the negative electrode
次に、本発明に係る二次電池用の負極の製造方法の好ましい態様の一例につき、リチウム二次電池(リチウムイオン二次電池)用の負極の製造方法を例にして、図4に示すフローチャートを参照しつつ説明する。 Next, as an example of a preferred embodiment of a method for producing a negative electrode for a secondary battery according to the present invention, a method for producing a negative electrode for a lithium secondary battery (lithium ion secondary battery) is taken as an example, and the flowchart shown in FIG. Will be described with reference to FIG.
図4に示すように、ここに開示される負極製造方法では、負極活物質と、導電材としての膨張化黒鉛と、増粘剤と、溶媒とを含むペースト原料を混練機に投入して混練を行う混練工程(ステップS10)と、この混練工程で得られた混練物をさらに溶媒で希釈して負極活物質層形成用ペーストを得る希釈工程(ステップS20)と、こうして得られた負極活物質層形成用ペーストを負極集電体に付与して該集電体上に負極活物質層を形成する工程(ステップS40)と、を包含する。この実施形態では、希釈工程の後、さらにバインダを混合して粘度を調整し、最終的に負極活物質層形成用ペーストを得る(ステップS30)。 As shown in FIG. 4, in the negative electrode manufacturing method disclosed herein, a paste raw material containing a negative electrode active material, expanded graphite as a conductive material, a thickener, and a solvent is put into a kneader and kneaded. A kneading step (step S10), a dilution step (step S20) in which the kneaded product obtained in this kneading step is further diluted with a solvent to obtain a negative electrode active material layer forming paste, and the negative electrode active material thus obtained Applying a layer forming paste to the negative electrode current collector to form a negative electrode active material layer on the current collector (step S40). In this embodiment, after the dilution step, a binder is further mixed to adjust the viscosity, and finally a negative electrode active material layer forming paste is obtained (step S30).
負極活物質層形成用ペーストに用いられる溶媒としては、環境負荷の軽減、材料費の低減、設備の簡略化、廃棄物の減量、取扱性の向上等の種々の観点から、水系溶媒の使用が好ましい。水系溶媒としては、水または水を主体とする混合溶媒が好ましく用いられる。かかる混合溶媒を構成する水以外の溶媒成分としては、水と均一に混合し得る有機溶媒(低級アルコール、低級ケトン等)の一種または二種以上を適宜選択して用いることができる。例えば、該水系溶媒の80質量%以上(より好ましくは90質量%以上、さらに好ましくは95質量%以上)が水である水系溶媒の使用が好ましい。特に好ましい例として、実質的に水からなる水系溶媒が挙げられる。 As the solvent used in the negative electrode active material layer forming paste, use of an aqueous solvent is possible from various viewpoints such as reduction of environmental load, reduction of material cost, simplification of equipment, reduction of waste, and improvement of handling property. preferable. As the aqueous solvent, water or a mixed solvent mainly composed of water is preferably used. As a solvent component other than water constituting such a mixed solvent, one or more organic solvents (lower alcohol, lower ketone, etc.) that can be uniformly mixed with water can be appropriately selected and used. For example, it is preferable to use an aqueous solvent in which 80% by mass or more (more preferably 90% by mass or more, more preferably 95% by mass or more) of the aqueous solvent is water. A particularly preferred example is an aqueous solvent substantially consisting of water.
上記混練工程および希釈工程に用いられる装置としては特に限定されるものではないが、例えば、二軸混練機が好適に用いられる。図5および図6は、一般的な二軸混練機10の構造を示す図である。図5に示すように、二軸混練機10は、その混練部12において混練を行い、その希釈混練部14において希釈を行うようになっている。すなわち、投入口11からペースト原料となる負極活物質と膨張化黒鉛と増粘剤とがチャンバ13内に投入され、また、図示しない添加口から溶媒(ここでは水)がチャンバ13内に添加され、チャンバ13内の混練部12においてパドル15(図6参照)を回転させてペースト原料が混練される。さらに、投入口11から所定距離をあけた位置に図示しない添加口が設けられ、該添加口から溶媒(ここでは水)が希釈用として添加され、これにより、上記混練により得られた混練物は、チャンバ13内の希釈混練部14において希釈混練された後、排出口19より排出されるようになっている。
Although it does not specifically limit as an apparatus used for the said kneading | mixing process and a dilution process, For example, a biaxial kneader is used suitably. 5 and 6 are diagrams showing the structure of a general twin-
混練部12は、図6に示すように、互いに平行に延びる一対のシャフト16と、各シャフト16のそれぞれに組み合わされた一対のパドル15と、該パドル15を内包するバレル18とから構成されている。一対のパドル15は、互いに平行に延びる一対のシャフト16に組み込まれ、同一速度および同一方向に回転するようになっている。また、一対のパドル15は、一方の先端が他方をこするように回転し、これにより、いずれのパドル15においてもペースト原料が付着することなく前方に搬送されるようになっている。さらに、各パドル15の先端とバレル18との間には、所定の微小間隙が形成されている。そして、各パドル15を同一方向に回転させることにより、パドル15とバレル18間、およびパドル15とパドル15間でペースト原料を搬送しながらかつ混練する工程を連続的に行えるようになっている。
As shown in FIG. 6, the kneading
かかる混練部12(混練工程)におけるパドル15の回転数としては、50rpm〜400rpmの範囲内にすることが好適であり、好ましくは100rpm〜300rpmであり、さらに好ましくは200rpm〜300rpmである。また、上記混練処理における好ましい混練時間は、活物質と増粘剤と膨張化黒鉛とが均一に分散するまでの時間とすればよく、装置構成や混練条件によっても異なり得るが、例えば5分〜80分の範囲内にすることが好適であり、好ましくは6分〜60分であり、さらに好ましくは5分〜20分である。このような回転数および混練時間の範囲内であると、負極活物質と増粘剤とが強い力(例えば剪断力)で練られるため、増粘剤の分散が進み、活物質と増粘剤とが分散されて均一な状態となり得る。また、混練時の溶媒の含有量としては特に限定されるものでないが、混練物全体の概ね20質量%〜50質量%が適当であり、好ましくは30質量%〜40質量%である。このような溶媒の含有量の範囲内であれば、各粉体に強いせん断力がかかり、各粉体の凝集塊が短時間で分散されて均一な状態の混練物を作製することができる。
The rotation speed of the
上記混練部12(混練工程)においては、パドル15とバレル18間でペースト原料が隙間なく滞留し、かつ混練物の粘度が比較的高い状態にあるので、各材料の粉体同士が強いせん断力で擦り合わされる。そのため、各粉体の凝集塊(ダマ)を解いて均一に分散させることができる。また、本実施形態では、負極活物質よりも粒径の小さい膨張化黒鉛を添加して混練する構成となるため、膨張化黒鉛が潤滑剤としての作用を発揮することで、負極活物質に加わる応力が緩和され、強いせん断力で擦り合わせているにもかかわらず、負極活物質の割れや亀裂が抑制される。負極活物質に割れや亀裂が生じると、電池内での副反応が増加して、不可逆容量が増加したり保存容量が低下したりする要因となり得る。
In the kneading part 12 (kneading step), since the paste raw material stays between the
他方、上記の通り、本実施形態に係る製造方法では、負極活物質よりも粒径の小さい膨張化黒鉛が潤滑剤としての作用を発揮することで、負極活物質の割れや亀裂を好適に抑制することができるため、負極活物質の割れや亀裂による不具合が生じない。さらに、膨張化黒鉛の表面には酸素含有官能基を有するエッジ面が多く存在するため、膨張化黒鉛が増粘剤に対して分散を促す媒体の役割を示すようになる。これにより、増粘剤の分散がさらに促進され、増粘剤の未溶解物の固まりや凝集塊が発生することが回避され、これに起因する電池性能の劣化が好適に防止され得る。 On the other hand, as described above, in the manufacturing method according to this embodiment, the expanded graphite having a particle size smaller than that of the negative electrode active material exerts an action as a lubricant, thereby suitably suppressing cracking and cracking of the negative electrode active material. Therefore, there is no problem due to cracking or cracking of the negative electrode active material. Furthermore, since there are many edge surfaces having oxygen-containing functional groups on the surface of the expanded graphite, the expanded graphite shows a role of a medium that promotes dispersion with respect to the thickener. As a result, the dispersion of the thickener is further promoted, the generation of the undissolved mass of the thickener and the generation of agglomerates can be avoided, and the deterioration of the battery performance due to this can be suitably prevented.
上記希釈混練部14(希釈工程)におけるチャンバ13の断面形状は、上記混練部12と同じであってもよく異なっていてもよい。また、希釈混練部14(希釈工程)におけるパドル15の回転数は、上記混練部12と同じであってもよく異なっていてもよい。希釈混練部14(希釈工程)における好ましい混練時間は、混練物と溶媒とが均一に混合するまでの時間とすればよい。
The cross-sectional shape of the
ここで開示される負極製造方法の好ましい技術では、負極活物質100質量部に対して混練工程で添加される溶媒(ここでは水)の量Aが、負極活物質100質量部に対して希釈工程で添加される溶媒(ここでは水)の量Bよりも多い。例えば、混練工程で添加される溶媒の量Aと、希釈工程で添加される溶媒の量Bとの比率(A/B)としては、概ね1≦A/B≦15(例えば1.23≦A/B≦10.8)の範囲内が適当であり、好ましくは1.4≦A/B≦5(例えば1.42≦A/B≦4.6)である。かかる構成によると、混練工程で添加される水の量と、希釈工程で添加される溶媒の量との比率が適切なバランスにあるので、上述した効果をより良く発揮することができる。 In the preferable technique of the negative electrode manufacturing method disclosed herein, the amount A of the solvent (here, water) added in the kneading step with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material is the dilution step with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material. The amount of the solvent (in this case, water) added in step B is greater than B. For example, the ratio (A / B) between the amount A of the solvent added in the kneading step and the amount B of the solvent added in the dilution step is approximately 1 ≦ A / B ≦ 15 (for example, 1.23 ≦ A). /B≦10.8) is appropriate, and preferably 1.4 ≦ A / B ≦ 5 (for example, 1.42 ≦ A / B ≦ 4.6). According to such a configuration, since the ratio of the amount of water added in the kneading step and the amount of the solvent added in the dilution step is in an appropriate balance, the above-described effects can be exhibited better.
上記混練物の希釈が行われた後、図4のステップS30で、バインダを混合することにより、最終的な負極活物質層形成用ペーストが完成する。これにより、最終的なペーストの粘度や固形分率の調整が行われる。 After the kneaded material is diluted, the final negative electrode active material layer forming paste is completed by mixing the binder in step S30 of FIG. Thereby, the viscosity and solid content rate of the final paste are adjusted.
その後、上記ステップS40で、負極活物質層形成用ペーストを負極集電体に塗布して該集電体上に負極活物質層を形成する工程を行う。負極集電体の表面に上記調製した負極活物質層形成用ペーストを塗布し、該ペーストに含まれる溶媒である水を揮発させて乾燥させることにより負極活物質層を形成することができる。 Thereafter, in step S40, a process for forming a negative electrode active material layer on the current collector by applying a negative electrode active material layer forming paste to the negative electrode current collector is performed. The negative electrode active material layer can be formed by applying the prepared paste for forming a negative electrode active material layer on the surface of the negative electrode current collector, volatilizing water, which is a solvent contained in the paste, and drying it.
このような活物質層形成用ペーストを負極集電体に塗工する操作は、従来の一般的なリチウム二次電池用負極を作製する場合と同様にして行うことができる。例えば、適当な塗工装置(ダイコーター、スリットコーター、コンマコーター等)を使用して、上記負極集電体に所定量の上記活物質層形成用ペーストを均一な厚さに塗工することにより製造され得る。その後、乾燥炉で負極活物質層形成用ペースト中の溶媒(水)を揮発させることによって、負極活物質層形成用ペースト中の溶媒(水)を除去する。負極活物質層形成用ペーストから溶媒(水)を除去することによって負極活物質層が形成される。このようにして、負極集電体上に負極活物質層が形成された負極(負極シート)を得ることができる。なお、乾燥後、必要に応じて適当なプレス処理(例えばロールプレス処理)を施すことによって、負極活物質層の厚みや密度を適宜調整することができる。 The operation of applying such an active material layer forming paste to the negative electrode current collector can be performed in the same manner as in the case of producing a conventional negative electrode for a lithium secondary battery. For example, by applying a predetermined amount of the active material layer forming paste to the negative electrode current collector to a uniform thickness using a suitable coating device (die coater, slit coater, comma coater, etc.) Can be manufactured. Then, the solvent (water) in the negative electrode active material layer forming paste is removed by volatilizing the solvent (water) in the negative electrode active material layer forming paste in a drying furnace. The negative electrode active material layer is formed by removing the solvent (water) from the negative electrode active material layer forming paste. Thus, a negative electrode (negative electrode sheet) in which a negative electrode active material layer is formed on a negative electrode current collector can be obtained. In addition, after drying, the thickness and density of a negative electrode active material layer can be suitably adjusted by performing an appropriate press process (for example, roll press process) as needed.
このようにして得られたリチウム二次電池用の負極60は、図2および図3に示すように、負極活物質、膨張化黒鉛および増粘剤を含む負極活物質層64が負極集電体62に保持された構成を有する。この負極活物質層64は、ペースト混練時に二軸混練機を用い、かつ、負極活物質よりも粒径の小さい膨張化黒鉛を導電材兼潤滑剤としてペーストに添加することによって形成されたものである。そのため、得られた負極活物質層64は、負極活物質の割れが抑制されるとともに、増粘剤の未溶解物の固まりや凝集塊の発生がより良く抑えられ、負極活物質、増粘剤および膨張化黒鉛が均一に分散したものとなり得る。かかる負極活物質層64を備えたリチウム二次電池100は、例えばサイクル後容量維持率が高く、かつ高温保存特性に優れたものであり得る。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
ここに開示される方法により製造された負極60を備えるリチウム二次電池100を構成するその他の材料および部材自体は、従来同種の電池に備えられるものと同様でよく、特に制限はない。以下、その他の構成要素について説明するが、本発明を係る実施形態に限定することを意図したものではない。
Other materials and members themselves constituting the lithium
<正極シート>
例えば、正極(正極シート)50は、図2及び図3に示すように、シート状の正極集電体52(例えばアルミニウム箔)の上に正極活物質層54が形成された構成であり得る。上記正極活物質層54は、正極活物質、および必要に応じて添加される導電材、バインダ、増粘剤等の各種添加材を適当な溶媒に混合されてなる組成物(正極活物質層形成用ペースト)を正極集電体52に塗布し、該溶媒を乾燥させて圧縮成型することにより形成される。
<Positive electrode sheet>
For example, the positive electrode (positive electrode sheet) 50 may have a configuration in which a positive electrode
上記正極活物質としては、リチウムを吸蔵および放出可能な材料が用いられ、従来からリチウム二次電池に用いられる物質(例えば層状構造の酸化物やスピネル構造の酸化物)の一種または二種以上を特に限定することなく使用される。例えば、リチウムニッケル系複合酸化物、リチウムコバルト系複合酸化物、リチウムマンガン系複合酸化物等のリチウム含有遷移金属酸化物が挙げられる。一般式がLiMPO4(MはCo、Ni、Mn、Feのうちの少なくとも一種以上の元素;例えばLiFePO4、LiMnPO4)で表記されるオリビン型リン酸リチウムを上記正極活物質として用いてもよい。 As the positive electrode active material, a material capable of occluding and releasing lithium is used, and one or more of materials conventionally used in lithium secondary batteries (for example, an oxide having a layered structure or an oxide having a spinel structure) are used. It is used without particular limitation. Examples thereof include lithium-containing transition metal oxides such as lithium nickel composite oxide, lithium cobalt composite oxide, and lithium manganese composite oxide. An olivine-type lithium phosphate represented by the general formula LiMPO 4 (M is at least one element of Co, Ni, Mn, and Fe; for example, LiFePO 4 and LiMnPO 4 ) may be used as the positive electrode active material. .
上記導電材としては、カーボン粉末やカーボンファイバー等の導電性粉末材料が好ましく用いられる。カーボン粉末としては、種々のカーボンブラック(例えば、アセチレンブラック、ファーネスブラック、ケッチェンブラック)、グラファイト粉末等を用いることができる。また、炭素繊維、金属繊維などの導電性繊維類、銅、ニッケル等の金属粉末類およびポリフェニレン誘導体などの有機導電性材料などを単独又はこれらの混合物として含ませることができる。なお、これらのうち一種のみを用いられていても二種以上が併用されていてもよい。 As the conductive material, a conductive powder material such as carbon powder or carbon fiber is preferably used. As the carbon powder, various carbon blacks (for example, acetylene black, furnace black, ketjen black), graphite powder, and the like can be used. In addition, conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers, metal powders such as copper and nickel, and organic conductive materials such as polyphenylene derivatives can be contained alone or as a mixture thereof. In addition, even if only 1 type is used among these, 2 or more types may be used together.
<セパレータ>
セパレータ70は、図2に示すように、正極シート50と負極シート60とを隔てる部材である。この例では、セパレータ70は、微小な孔を複数有する所定幅の帯状のシート材で構成されている。セパレータ70には、例えば、多孔質ポリオレフィン系樹脂で構成された単層構造のセパレータ或いは積層構造のセパレータを用いることができる。この例では、図2に示すように、負極活物質層64の幅は、正極活物質層54の幅よりも少し広い。さらにセパレータ70の幅は、負極活物質層64の幅よりも少し広い。
<Separator>
As illustrated in FIG. 2, the
なお、図2に示す例では、セパレータ70は、シート状の部材で構成されている。セパレータ70は、正極活物質層54と負極活物質層64とを絶縁するとともに、電解質の移動を許容する部材であればよい。従って、シート状の部材に限定されない。セパレータ70は、シート状の部材に代えて、例えば、正極活物質層54または負極活物質層64の表面に形成された絶縁性を有する粒子の多孔質層で構成してもよい。ここで、絶縁性を有する粒子としては、絶縁性を有する無機フィラー(例えば、金属酸化物(例えばアルミナ)、金属水酸化物などのフィラー)、或いは、絶縁性を有する樹脂粒子(例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの粒子)で構成してもよい。かかる絶縁性を有する粒子の多孔質層をセパレータ70(シート状部材)の表面に形成してもよい。なお、電解質として固体電解質もしくはゲル状電解質を使用する場合には、セパレータが不要な場合(すなわちこの場合には電解質自体がセパレータとして機能し得る。)があり得る。
In the example illustrated in FIG. 2, the
かかる構成の捲回電極体80をケース本体42(図1)に収容し、そのケース本体42内に適当な非水電解液を配置(注液)する。
The
<電解液>
電解液(非水電解液)としては、従来からリチウム二次電池に用いられる非水電解液と同様のものを特に限定なく使用することができる。かかる非水電解液は、典型的には、適当な非水溶媒に支持塩を含有させた組成を有する。上記非水溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン等からなる群から選択された一種または二種以上を用いることができる。また、上記支持塩としては、例えば、LiPF6,LiBF4,LiAsF6,LiCF3SO3,LiC4F9SO3,LiN(CF3SO2)2,LiC(CF3SO2)3等のリチウム塩を用いることができる。一例として、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合溶媒(例えば質量比1:1)にLiPF6を約1mol/Lの濃度で含有させた非水電解液が挙げられる。
<Electrolyte>
As the electrolytic solution (non-aqueous electrolytic solution), the same non-aqueous electrolytic solution that has been conventionally used in lithium secondary batteries can be used without any particular limitation. Such a nonaqueous electrolytic solution typically has a composition in which a supporting salt is contained in a suitable nonaqueous solvent. Examples of the non-aqueous solvent include ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, tetrahydrofuran, 1,3-dioxolane, and the like. One kind or two or more kinds selected from the group can be used. Examples of the supporting salt include LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3 and the like. Lithium salts can be used. As an example, a nonaqueous electrolytic solution in which LiPF 6 is contained in a mixed solvent of ethylene carbonate and diethyl carbonate (for example, a mass ratio of 1: 1) at a concentration of about 1 mol / L can be given.
上記非水電解液を捲回電極体80とともにケース本体42(図1)に収容し、ケース本体42の開口部を蓋体44(図1)で封止することにより、本実施形態に係るリチウム二次電池100の構築(組み立て)が完成する。なお、ケース本体42の封止プロセスや電解液の配置(注液)プロセスは、従来のリチウム二次電池の製造で行われている手法と同様にして行うことができる。また、上記電池ケース40の構造、大きさ、材料(例えば金属製またはラミネートフィルム製であり得る)等について特に制限はない。
The non-aqueous electrolyte is accommodated in the case main body 42 (FIG. 1) together with the
このようにして構築された二次電池は、上記のようにペースト混練時における負極活物質の割れが防止され、かつ負極活物質、増粘剤および膨張化黒鉛が均一に分散している負極活物質層を備えた負極を用いて構築されていることから、優れた電池性能を示すものである。例えば、上記負極を用いて電池を構築することにより、サイクル特性がよい、高温保存特性に優れる、耐久性が高い、生産安定性がよい、のうちの少なくとも一つ(好ましくは全部)を満たす二次電池を提供することができる。 The secondary battery constructed in this way has a negative electrode active material in which cracking of the negative electrode active material during kneading of the paste is prevented as described above, and the negative electrode active material, thickener and expanded graphite are uniformly dispersed. Since it is constructed using a negative electrode provided with a material layer, it exhibits excellent battery performance. For example, by constructing a battery using the negative electrode, the battery satisfies at least one (preferably all) of good cycle characteristics, excellent high-temperature storage characteristics, high durability, and good production stability. A secondary battery can be provided.
以下、本発明に関する試験例につき説明するが、本発明をかかる具体例に示すものに限定することを意図したものではない。 Hereinafter, although the test example regarding this invention is demonstrated, it is not intending to limit this invention to what is shown to this specific example.
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明をかかる実施例に示すものに限定することを意図したものではない。 EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples. However, the present invention is not intended to be limited to those shown in the examples.
<負極シート>
<サンプル1>
負極活物質層形成用ペーストの作製を目的として、負極活物質としての黒鉛粉末100質量部と、導電材としての膨張化黒鉛粉末5質量部と、増粘剤としてのCMC粉末1質量部とを二軸混練機(商品名KRCニーダT2(商標)、株式会社栗本鐵工所製)に投入し、固形分率が約65.2質量%となるように純水を添加したのち、回転数250rpmで10分間、混練した(混練工程)。次いで、固形分率が約55.4質量%となるように純水をさらに添加し、回転数250rpmで10分間希釈混練した(希釈工程)。その後、バインダとしてのSBR1質量部を混合して目的の負極活物質層形成用ペーストを得た。膨張化黒鉛粉末は、市販の膨張化黒鉛(商品名BSP−3000、株式会社中越黒鉛製造所製)を粉砕したものを用いた。本例では、膨張化黒鉛粉末の平均粒径は5μmとし、負極活物質粉末の平均粒径は10μmとした。
<Negative electrode sheet>
<Sample 1>
For the purpose of preparing a negative electrode active material layer forming paste, 100 parts by mass of graphite powder as a negative electrode active material, 5 parts by mass of expanded graphite powder as a conductive material, and 1 part by mass of CMC powder as a thickener Put into a twin-screw kneader (trade name: KRC Kneader T2 (trademark), manufactured by Kurimoto Seiko Co., Ltd.), add pure water so that the solid content is about 65.2% by mass, and then rotate at 250 rpm And kneading for 10 minutes (kneading step). Subsequently, pure water was further added so that the solid content rate was about 55.4% by mass, and the mixture was diluted and kneaded at a rotation speed of 250 rpm for 10 minutes (dilution step). Thereafter, 1 part by mass of SBR as a binder was mixed to obtain a target negative electrode active material layer forming paste. As the expanded graphite powder, commercially available expanded graphite (trade name BSP-3000, manufactured by Chuetsu Graphite Manufacturing Co., Ltd.) was used. In this example, the average particle size of the expanded graphite powder was 5 μm, and the average particle size of the negative electrode active material powder was 10 μm.
上記得られた負極活物質層形成用ペーストを長尺シート状の銅箔(負極集電体:厚み14μm)の両面に帯状に塗布して乾燥することにより、負極集電体の両面に負極活物質層が設けられた負極シートを作製した。負極活物質層形成用ペーストの塗布量は、両面合わせて約140mg/cm2(固形分基準)となるように調節した。負極シート全体の厚みは154μm、長さは4700mm、負極活物質層の塗工幅は100mmとした。
The obtained paste for forming a negative electrode active material layer is applied to both sides of a long sheet-like copper foil (negative electrode current collector:
<サンプル2>
膨張化黒鉛粉末の平均粒径を0.1μmに変更したこと以外はサンプル1と同様にして負極シートを作製した。
<Sample 2>
A negative electrode sheet was produced in the same manner as in Sample 1 except that the average particle size of the expanded graphite powder was changed to 0.1 μm.
<サンプル3>
膨張化黒鉛粉末の平均粒径を0.9μmに変更したこと以外はサンプル1と同様にして負極シートを作製した。
<Sample 3>
A negative electrode sheet was produced in the same manner as in Sample 1 except that the average particle size of the expanded graphite powder was changed to 0.9 μm.
<サンプル4>
膨張化黒鉛粉末の平均粒径を0.08μmに変更したこと以外はサンプル1と同様にして負極シートを作製した。
<Sample 4>
A negative electrode sheet was produced in the same manner as Sample 1 except that the average particle size of the expanded graphite powder was changed to 0.08 μm.
<サンプル5>
膨張化黒鉛粉末の平均粒径を1μmに変更したこと以外はサンプル1と同様にして負極シートを作製した。
<
A negative electrode sheet was produced in the same manner as in Sample 1 except that the average particle size of the expanded graphite powder was changed to 1 μm.
<サンプル6>
膨張化黒鉛粉末の平均粒径を12μmに変更したこと以外はサンプル1と同様にして負極シートを作製した。
<Sample 6>
A negative electrode sheet was produced in the same manner as in Sample 1 except that the average particle size of the expanded graphite powder was changed to 12 μm.
<サンプル7>
膨張化黒鉛粉末の平均粒径を12μmに変更したこと以外はサンプル1と同様にして負極シートを作製した。
<Sample 7>
A negative electrode sheet was produced in the same manner as in Sample 1 except that the average particle size of the expanded graphite powder was changed to 12 μm.
<サンプル8>
膨張化黒鉛粉末を添加しなかったこと以外はサンプル1と同様にして負極シートを作製した。
<Sample 8>
A negative electrode sheet was prepared in the same manner as Sample 1 except that the expanded graphite powder was not added.
<サンプル9>
膨張化黒鉛粉末を添加しなかったこと、および、ペーストの混練をプラネタリミキサ(回転数25rpm、混練時間240分)で行ったこと以外はサンプル1と同様にして負極シートを作製した。
<Sample 9>
A negative electrode sheet was produced in the same manner as in Sample 1, except that the expanded graphite powder was not added and that the paste was kneaded with a planetary mixer (rotation speed: 25 rpm, kneading time: 240 minutes).
<サンプル10>
膨張化黒鉛粉末に代えて、通常の黒鉛粉末(平均粒径:0.5μm)を添加したこと以外はサンプル1と同様にして負極シートを作製した。
<
A negative electrode sheet was produced in the same manner as Sample 1 except that ordinary graphite powder (average particle size: 0.5 μm) was added instead of the expanded graphite powder.
<サンプル11>
膨張化黒鉛粉末に代えて、ステンレス(SUS)粉末(平均粒径:0.5μm)を添加したこと以外はサンプル1と同様にして負極シートを作製した。
<
A negative electrode sheet was produced in the same manner as Sample 1 except that stainless steel (SUS) powder (average particle size: 0.5 μm) was added instead of the expanded graphite powder.
<サンプル12>
膨張化黒鉛粉末に代えて、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)粉末(平均粒径:0.5μm)を添加したこと以外はサンプル1と同様にして負極シートを作製した。
<
A negative electrode sheet was produced in the same manner as in Sample 1 except that polytetrafluoroethylene (PTFE) powder (average particle size: 0.5 μm) was added instead of the expanded graphite powder.
<サンプル13>
膨張化黒鉛粉末の添加量を1質量部に変更したこと以外はサンプル1と同様にして負極シートを作製した。
<
A negative electrode sheet was produced in the same manner as Sample 1, except that the amount of expanded graphite powder added was changed to 1 part by mass.
<サンプル14>
膨張化黒鉛粉末の添加量を10質量部に変更したこと以外はサンプル1と同様にして負極シートを作製した。
<
A negative electrode sheet was produced in the same manner as Sample 1, except that the amount of expanded graphite powder added was changed to 10 parts by mass.
<サンプル15>
膨張化黒鉛粉末の添加量を0.6質量部に変更したこと以外はサンプル1と同様にして負極シートを作製した。
<
A negative electrode sheet was produced in the same manner as Sample 1, except that the amount of expanded graphite powder added was changed to 0.6 parts by mass.
<サンプル16>
膨張化黒鉛粉末の添加量を12質量部に変更したこと以外はサンプル1と同様にして負極シートを作製した。
<
A negative electrode sheet was produced in the same manner as in Sample 1 except that the amount of expanded graphite powder added was changed to 12 parts by mass.
<サンプル17>
混練工程における二軸混練機の回転数を100rpmに変更したこと以外はサンプル1と同様にして負極シートを作製した。
<Sample 17>
A negative electrode sheet was produced in the same manner as Sample 1 except that the number of rotations of the biaxial kneader in the kneading step was changed to 100 rpm.
<サンプル18>
混練工程における二軸混練機の回転数を300rpmに変更したこと以外はサンプル1と同様にして負極シートを作製した。
<
A negative electrode sheet was produced in the same manner as Sample 1 except that the number of rotations of the biaxial kneader in the kneading step was changed to 300 rpm.
<サンプル19>
混練工程における二軸混練機の回転数を50rpmに変更したこと以外はサンプル1と同様にして負極シートを作製した。
<
A negative electrode sheet was produced in the same manner as Sample 1 except that the number of rotations of the biaxial kneader in the kneading step was changed to 50 rpm.
<サンプル20>
混練工程における二軸混練機の回転数を400rpmに変更したこと以外はサンプル1と同様にして負極シートを作製した。
<
A negative electrode sheet was produced in the same manner as Sample 1 except that the number of rotations of the biaxial kneader in the kneading step was changed to 400 rpm.
<サンプル21>
混練工程における二軸混練機の混練時間を6分に変更したこと以外はサンプル1と同様にして負極シートを作製した。
<Sample 21>
A negative electrode sheet was produced in the same manner as Sample 1 except that the kneading time of the biaxial kneader in the kneading step was changed to 6 minutes.
<サンプル22>
混練工程における二軸混練機の混練時間を60分に変更したこと以外はサンプル1と同様にして負極シートを作製した。
<
A negative electrode sheet was produced in the same manner as Sample 1 except that the kneading time of the biaxial kneader in the kneading step was changed to 60 minutes.
<サンプル23>
混練工程における二軸混練機の混練時間を5分に変更したこと以外はサンプル1と同様にして負極シートを作製した。
<Sample 23>
A negative electrode sheet was produced in the same manner as in Sample 1, except that the kneading time of the biaxial kneader in the kneading step was changed to 5 minutes.
<サンプル24>
混練工程における二軸混練機の混練時間を70分に変更したこと以外はサンプル1と同様にして負極シートを作製した。
<Sample 24>
A negative electrode sheet was produced in the same manner as Sample 1 except that the kneading time of the biaxial kneader in the kneading step was changed to 70 minutes.
<ピンホールの測定>
上記サンプル1〜22で得られた各負極シートの負極活物質層の表面をSEM(Scanning Electron Microscope:走査型電子顕微鏡)で観察し、負極シート1000cm2あたりに生じた凝集塊と、直径0.5mm以上のピンホールの個数を測定した。
<Measurement of pinhole>
The surface of the negative electrode active material layer of each of the negative electrode sheets obtained in Samples 1 to 22 was observed with an SEM (Scanning Electron Microscope), and an aggregate formed per 1000 cm 2 of the negative electrode sheet and a diameter of 0. The number of pinholes of 5 mm or more was measured.
また、上記サンプル1〜11で得られた負極シートを用いて試験用リチウムイオン二次電池を構築し、その性能を評価した。試験用リチウムイオン二次電池の構築は、以下のようにして行った。 Moreover, the lithium ion secondary battery for a test was constructed | assembled using the negative electrode sheet obtained by the said samples 1-11, and the performance was evaluated. The test lithium ion secondary battery was constructed as follows.
<正極の作製>
正極活物質としてのニッケルコバルトマンガン酸リチウム(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)粉末(平均粒径(D50径):5.7μm)100質量部と、導電材としてのアセチレンブラック(AB)5質量部と、バインダとしてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)2質量部とをN−メチルピロリドン(NMP)に加えて正極活物質層形成用ペーストを調製し、これを長尺シート状のアルミニウム箔(正極集電体、厚み15μm)の両面に帯状に塗布して乾燥することにより、正極集電体の両面に正極活物質層が設けられた正極シートを作製した。正極活物質層形成用ペーストの塗布量は、両面合わせて約30mg/cm2(固形分基準)となるように調節した。正極シート全体の厚みは170μm、長さは4500mm、正極活物質層の塗工幅は94mmとした。
<Preparation of positive electrode>
100 parts by mass of nickel cobalt lithium manganate (LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 ) powder (average particle diameter (D50 diameter): 5.7 μm) as a positive electrode active material, and acetylene as a conductive material A paste for forming a positive electrode active material layer is prepared by adding 5 parts by mass of black (AB) and 2 parts by mass of polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder to N-methylpyrrolidone (NMP). A positive electrode sheet having a positive electrode active material layer provided on both sides of a positive electrode current collector was prepared by applying a belt-like shape on both sides of the aluminum foil (positive electrode current collector,
<リチウムイオン二次電池>
正極シート及び負極シートを2枚のセパレータ(ポリプロピレン(PP)/ポリエチレン(PE)/ポリプロピレン(PP)からなる三層構造のシート状部材(厚み20μm)の表面にアルミナ粒子からなる多孔質層を形成したものを使用した。)を介して捲回することによって捲回電極体を作製した。このようにして得られた捲回電極体を非水電解質(非水電解液)とともに電池容器(ここでは角型を使用した。)に収容し、電池容器の開口部を気密に封口した。非水電解液としてはエチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)とエチルメチルカーボネート(EMC)とを3:4:3の体積比で含む混合溶媒に支持塩としてのLiPF6を約1mol/リットルの濃度で含有させた非水電解液を使用した。このようにして試験用リチウム二次電池を組み立てた。このようにして、サンプル1に係るリチウム二次電池を構築した。
<Lithium ion secondary battery>
A porous layer made of alumina particles is formed on the surface of a sheet-like member (
<電池容量の測定>
以上のように得られた各サンプルに係る試験用リチウムイオン二次電池のそれぞれを、25℃の温度条件にて、電流値1Cで電圧4.1Vまで充電した。5分間の休止後、かかる充電後の電池を、25℃において、電流値1Cで電圧3.0Vまで放電した。そして、5分間の休止後、電流値1Cで電圧4.1Vまで充電し、その後、定電圧方式で電流値が0.1Cに減少するまで充電した。かかる充電後の電池を、25℃において、電流値1Cで電圧3.0Vまで放電し、その後、定電圧方式で電流値が0.1Cに減少するまで放電した。このときの放電容量を電池容量(電池定格容量)とした。ここで、試験用リチウムイオン二次電池の電池容量(電池定格容量)は24Ahにした。
<Measurement of battery capacity>
Each of the test lithium ion secondary batteries according to each sample obtained as described above was charged to a voltage of 4.1 V at a current value of 1 C under a temperature condition of 25 ° C. After 5 minutes of rest, the charged battery was discharged to a voltage of 3.0 V at a current value of 1 C at 25 ° C. Then, after a pause of 5 minutes, the battery was charged at a current value of 1 C to a voltage of 4.1 V, and then charged by a constant voltage method until the current value was reduced to 0.1 C. The charged battery was discharged at 25 ° C. at a current value of 1 C to a voltage of 3.0 V, and then discharged by a constant voltage method until the current value was reduced to 0.1 C. The discharge capacity at this time was defined as battery capacity (battery rated capacity). Here, the battery capacity (battery rated capacity) of the test lithium ion secondary battery was 24 Ah.
<サイクル後容量維持率>
試験用リチウムイオン二次電池のそれぞれに対し、2CでCC充放電を繰り返す充放電パターンを付与し、サイクル試験を行った。具体的には、約50℃の環境下において、2Cの定電流充電によって4.1Vまで充電を行い、2Cの定電流放電によって3.0Vまで放電を行う充放電サイクルを1000回連続して繰り返した。そして、充放電サイクル試験後における容量と、定格容量とから容量維持率を算出した。ここで、充放電サイクル試験後における容量は、「定格容量の測定」と同様にして行った。容量維持率は、「充放電サイクル試験後の電池容量/定格容量」×100により求めた。ここでは各サンプルの電池5個に対して上記試験を実施し、その平均値を算出した。
<Capacity retention after cycle>
A charge / discharge pattern that repeats CC charge / discharge at 2C was applied to each of the test lithium ion secondary batteries, and a cycle test was performed. Specifically, in an environment of about 50 ° C., a charging / discharging cycle in which charging is performed up to 4.1 V by constant current charging at 2 C and discharging is performed up to 3.0 V by constant current discharging at 2 C is repeated 1000 times continuously. It was. And the capacity | capacitance maintenance factor was computed from the capacity | capacitance after a charging / discharging cycle test, and a rated capacity. Here, the capacity after the charge / discharge cycle test was performed in the same manner as in “Measurement of Rated Capacity”. The capacity retention rate was determined by “battery capacity after charge / discharge cycle test / rated capacity” × 100. Here, the above test was performed on five batteries of each sample, and the average value was calculated.
<0℃パルスサイクル後容量維持率>
試験用リチウムイオン二次電池のそれぞれに対し、定格容量の凡そ50%の充電状態(SOC50%)に調整した後、0℃の温度条件下において、20Cで10秒間のCC放電と20Cで10秒間のCC充電とを行う充放電サイクルを50000回連続して繰り返した。そして、0℃パルスサイクル後の電池容量を、定格容量と同じ条件で測定し、[(0℃パルスサイクル後の電池容量)/(定格容量)]×100(%)から、0℃パルスサイクル後容量維持率を求めた。
<Capacity maintenance ratio after 0 ° C pulse cycle>
For each of the test lithium ion secondary batteries, after adjusting to a charged state (
<高温保存試験>
試験用リチウムイオン二次電池のそれぞれに対し、定格容量の凡そ100%の充電状態(SOC100%)に調整した後、60℃の恒温槽に収容し、100日間の高温エージングを行った。そして、高温保存後の電池容量を、定格容量と同じ条件で測定し、[(高温保存後の電池容量)/(定格容量)]×100(%)から、高温保存後容量維持率を求めた。ここでは各サンプルの電池50個に対して上記試験を実施し、その平均値を算出した。
<High temperature storage test>
Each of the test lithium ion secondary batteries was adjusted to a charged state (
<各サンプルの評価>
各サンプルについて、上記試験の結果を表1および表2に示す。表1は、各サンプルについて、構成を纏めた表である。表2は、各サンプルについて、評価を纏めた表である。
<Evaluation of each sample>
The results of the above test are shown in Table 1 and Table 2 for each sample. Table 1 summarizes the configuration of each sample. Table 2 is a table summarizing the evaluation for each sample.
表1および表2に示すように、サンプル1〜7では、負極活物質層に導電材として膨張化黒鉛が添加されている。これらのサンプル1〜7については、60℃で100日間保存した高温保存試験後における容量維持率はいずれも80%以上と良好であり、膨張化黒鉛を添加していないサンプル8に比べて、極めて高い耐久性性能を示した。また、サンプル1〜6では、負極活物質(平均粒径D2:10μm)よりも平均粒径D1が小さい膨張化黒鉛が添加されている(D1<D2)。これらのサンプル1〜6では、0℃パルスサイクル後の容量維持率が79%以上と格段に良好な結果が得られ、サンプル7(D1>D2)よりも低温サイクル耐久性に優れるものであった。このように導電材として膨張化黒鉛を添加し、かつ膨張化黒鉛の平均粒径D1を負極活物質の平均粒径D2よりも小さくすることによって、リチウムイオン二次電池は、容量維持率が格段に向上する。 As shown in Table 1 and Table 2, in Samples 1 to 7, expanded graphite is added as a conductive material to the negative electrode active material layer. About these samples 1-7, the capacity | capacitance maintenance factor after the high-temperature storage test preserve | saved at 60 degreeC for 100 days is all favorable as 80% or more, Compared with the sample 8 which does not add the expanded graphite, High durability performance was shown. In Samples 1 to 6, expanded graphite having an average particle diameter D1 smaller than the negative electrode active material (average particle diameter D2: 10 μm) is added (D1 <D2). In these samples 1 to 6, the capacity maintenance ratio after the 0 ° C. pulse cycle was 79% or more, and a much better result was obtained, and the low temperature cycle durability was superior to that of sample 7 (D1> D2). . Thus, by adding expanded graphite as a conductive material and making the average particle diameter D1 of the expanded graphite smaller than the average particle diameter D2 of the negative electrode active material, the lithium ion secondary battery has a remarkable capacity maintenance rate. To improve.
本発明者は、導電材として膨張化黒鉛を添加し、かつ膨張化黒鉛の平均粒径D1を負極活物質の平均粒径D2よりも小さくすることによって、耐久後容量維持率を高くできることを見出した。かかる事象について、本発明者は、以下のように推察している。すなわち、導電材として膨張化黒鉛を添加し、かつ膨張化黒鉛の平均粒径D1を負極活物質の平均粒径D2よりも小さくすることによって、膨張化黒鉛が潤滑剤としての作用を発揮するため、ペースト混練時に生じ得る負極活物質の割れや亀裂が抑制される。そのため、負極活物質の割れによる不具合(電池内での副反応の増加)が生じにくいので、電池容量の低下が抑えられ、耐久後容量維持率が向上する。 The inventor has found that the capacity retention ratio after durability can be increased by adding expanded graphite as a conductive material and making the average particle diameter D1 of the expanded graphite smaller than the average particle diameter D2 of the negative electrode active material. It was. About this phenomenon, this inventor guesses as follows. That is, by adding expanded graphite as a conductive material and making the average particle diameter D1 of the expanded graphite smaller than the average particle diameter D2 of the negative electrode active material, the expanded graphite exhibits an effect as a lubricant. Further, cracking and cracking of the negative electrode active material that can occur during paste kneading are suppressed. For this reason, problems due to cracking of the negative electrode active material (increase in side reactions in the battery) are unlikely to occur, so that a decrease in battery capacity is suppressed and the post-endurance capacity retention rate is improved.
サンプル1〜3では、膨張化黒鉛の平均粒径D1が負極活物質の平均粒径D2に対して、0.01≦D1/D2<0.1である。かかるサンプル1〜3では、サンプル4(D1/D2≦0.08)よりも、凝集塊およびピンホールの数をさらに減らすことができた。サンプル4では、膨張化黒鉛の平均粒径D1が小さすぎるため、膨張化黒鉛の凝集性が高くなり、面質の低下を招いたと考えられる。この結果から、膨張化黒鉛の平均粒径D1は、負極活物質の平均粒径D2に対して、0.08<D1/D2であることが好ましく、0.01≦D1/D2であることが特に好ましい。また、サンプル1〜3では、サンプル5および6(0.1≦D1/D2)よりも、サイクル後容量維持率および高温保存後容量維持率をさらに高くすることができた。この結果から、膨張化黒鉛の平均粒径D1は、負極活物質の平均粒径D2に対して、D1/D2<0.1であることが好ましく、D1/D2≦0.05であることが特に好ましい。
In Samples 1 to 3, the average particle diameter D1 of the expanded graphite is 0.01 ≦ D1 / D2 <0.1 with respect to the average particle diameter D2 of the negative electrode active material. In Samples 1 to 3, the number of aggregates and pinholes could be further reduced as compared with Sample 4 (D1 / D2 ≦ 0.08). In sample 4, since the average particle diameter D1 of the expanded graphite is too small, the cohesiveness of the expanded graphite is increased, and it is considered that the surface quality is deteriorated. From this result, it is preferable that the average particle diameter D1 of the expanded graphite is 0.08 <D1 / D2 and 0.01 ≦ D1 / D2 with respect to the average particle diameter D2 of the negative electrode active material. Particularly preferred. In Samples 1 to 3, the post-cycle capacity retention rate and the high temperature storage capacity retention rate could be further increased than those of
なお、サンプル10では、平均粒径0.5μmの黒鉛粉末を添加している。かかるサンプル10では、膨張化黒鉛を添加したサンプル1よりも、サイクル後容量維持率および高保存後容量維持率がいずれも低下した。サンプル10のように黒鉛粉末を添加した場合、黒鉛粉末は膨張化黒鉛に比べて潤滑性が乏しいため、ペースト混練時に負極活物質に割れが生じ、電池容量の低下を招いたものと解される。またサンプル11では、平均粒径0.5μmのSUS粉末を添加している。かかるサンプル11では、膨張化黒鉛を添加したサンプル1よりも、0℃パルス容量維持率が低下した。サンプル11のように金属粉末を添加した場合、充放電により金属の溶解および析出が発生し、かえって電池特性が悪化したものと解される。さらにサンプル12では、平均粒径0.5μmのPTFE粉末を添加している。かかるサンプル12では、膨張化黒鉛を添加したサンプル1よりも、サイクル後容量維持率および高保存後容量維持率がいずれも低下した。サンプル12のようにフッ素系樹脂を添加した場合、フッ素系樹脂は導電性を有しないため、電池抵抗が上昇し、かえって電池特性が悪化したものと解される。
In
サンプル1、13および14では、負極活物質100質量部に対して、膨張化黒鉛の添加量を1質量部〜10質量部としている。かかるサンプル1、13および14では、サンプル15(添加量0.6質量部)およびサンプル16(添加量12質量部)よりも、サイクル後容量維持率および高保存後容量維持率をさらに高くすることができた。サンプル15では、膨張化黒鉛の添加量が過小すぎたため、負極活物質の割れを抑制する効果が低下傾向となり、サンプル1、13および14に比べて電池特性が悪化したものと解される。またサンプル16では、膨張化黒鉛の添加量が過剰すぎたため、膨張化黒鉛の再凝集が生じ、負極活物質層内の均一分散性が低下傾向となり、サンプル1、13および14に比べて電池特性が悪化したものと解される。この結果から、負極活物質100質量部に対して、膨張化黒鉛の添加量は1質量部〜10質量部の範囲内とすることが好ましく、3質量部〜8質量部とすることが特に好ましい。
In
サンプル1、17および18では、混練工程における二軸混練機の回転数を100rpm〜300rpmに設定している。かかるサンプル1、17および18では、サンプル19(回転数50rpm)およびサンプル20(回転数400rpm)よりも、サイクル後容量維持率および高保存後容量維持率をさらに高くすることができた。サンプル19では、二軸混練機の回転数が小さすぎたため、増粘剤の分散が不十分となり、負極活物質層内の均一分散性が低下傾向となり、サンプル1、17および18に比べて電池特性が悪化したものと解される。またサンプル20では、二軸混練機の回転数が大きすぎたため、負極活物質に割れが生じ、サンプル1、17および18に比べて電池特性が悪化したものと解される。この結果から、二軸混練機の回転数は100rpm〜300rpmの範囲内に設定することが好ましく、200rpm〜300rpmとすることが特に好ましい。
In
サンプル1、21および22では、混練工程における二軸混練機の混練時間を6分〜60分に設定している。かかるサンプル1、21および22では、サンプル23(混練時間5分)およびサンプル24(混練時間70分)よりも、サイクル後容量維持率および高保存後容量維持率をさらに高くすることができた。サンプル21では、二軸混練機の混練時間が短すぎたため、増粘剤の分散が不十分となり、負極活物質層内の均一分散性が低下傾向となり、サンプル1、21および22に比べて電池特性が悪化したものと解される。またサンプル24では、二軸混練機の混練時間が長すぎたため、負極活物質に割れが生じ、サンプル1、21および22に比べて電池特性が悪化したものと解される。この結果から、二軸混練機の混練時間は6分〜60分の範囲内に設定することが好ましく、6分〜15分とすることが特に好ましい。
In
以上、本発明を詳細に説明したが、上記実施形態および実施例は例示にすぎず、ここで開示される発明には上述の具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。例えば、電池の種類は上述したリチウム二次電池に限られず、電極体構成材料や電解質が異なる種々の内容の電池であってもよい。また、該電池の大きさおよびその他の構成についても、用途(典型的には車載用)によって適切に変更することができる。 As mentioned above, although this invention was demonstrated in detail, the said embodiment and Example are only illustrations and what changed and changed the above-mentioned specific example is contained in the invention disclosed here. For example, the type of battery is not limited to the above-described lithium secondary battery, and may be batteries having various contents with different electrode body constituent materials and electrolytes. Further, the size and other configurations of the battery can be appropriately changed depending on the application (typically for in-vehicle use).
本発明に係る二次電池は、ペースト混練時の負極活物質の割れを防止して電池の性能劣化が抑制され得る。かかる特性により、本発明に係る二次電池は、特に自動車等の車両に搭載されるモーター(電動機)用電源として好適に使用し得る。従って、図7に示されるように、かかる二次電池100(当該電池100を複数個直列に接続して形成される組電池の形態であり得る。)を電源として備える車両1(典型的には自動車、特にハイブリッド自動車、電気自動車のような電動機を備える自動車)を提供する。
The secondary battery according to the present invention can prevent the negative electrode active material from cracking when the paste is kneaded, thereby suppressing battery performance deterioration. Due to such characteristics, the secondary battery according to the present invention can be suitably used as a power source for a motor (electric motor) mounted on a vehicle such as an automobile. Accordingly, as shown in FIG. 7, a vehicle 1 (typically including a secondary battery 100 (which may be in the form of an assembled battery formed by connecting a plurality of the
1 車両
10 二軸混練機
12 混練部
14 希釈混練部
15 パドル
16 シャフト
18 バレル
19 排出口
40 電池ケース
42 ケース本体
44 蓋体
50 正極シート
52 正極集電体
54 正極活物質層
60 負極シート
62 負極集電体
64 負極活物質層
70 セパレータシート
80 捲回電極体
100 二次電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (13)
前記負極は、
負極集電体と、
前記負極集電体に保持された負極活物質層と
を備え、
前記負極活物質層は、
負極活物質と、導電材としての膨張化黒鉛とを含み、
前記膨張化黒鉛の平均粒径D1が、前記負極活物質の平均粒径D2よりも小さい(D1<D2)、二次電池。 A secondary battery comprising a positive electrode and a negative electrode,
The negative electrode is
A negative electrode current collector;
A negative electrode active material layer held by the negative electrode current collector,
The negative electrode active material layer is
Including a negative electrode active material and expanded graphite as a conductive material,
A secondary battery in which an average particle diameter D1 of the expanded graphite is smaller than an average particle diameter D2 of the negative electrode active material (D1 <D2).
前記負極活物質の平均粒径D2が、10μm以上である、請求項1〜3の何れか一つに記載の二次電池。 The expanded graphite has an average particle diameter D1 of 0.5 μm or less,
The secondary battery as described in any one of Claims 1-3 whose average particle diameter D2 of the said negative electrode active material is 10 micrometers or more.
負極活物質と、導電材としての膨張化黒鉛と、増粘剤と、溶媒とを含むペースト原料を混練機に投入して混練することにより負極活物質層形成用ペーストを得ること、
ここで前記混練機に投入される膨張化黒鉛の平均粒径D1は、前記負極活物質の平均粒径D2よりも小さい(D1<D2);
前記負極活物質層形成用ペーストを負極集電体に塗工して該負極集電体上に負極活物質層が形成された負極を得ること;および
前記得られた負極を用いて二次電池を構築すること;
を包含する、二次電池の製造方法。 A method for producing a secondary battery comprising a positive electrode and a negative electrode,
Obtaining a paste for forming a negative electrode active material layer by putting a paste raw material containing a negative electrode active material, expanded graphite as a conductive material, a thickener, and a solvent into a kneader and kneading;
Here, the average particle diameter D1 of the expanded graphite charged into the kneader is smaller than the average particle diameter D2 of the negative electrode active material (D1 <D2);
Coating the negative electrode active material layer forming paste on a negative electrode current collector to obtain a negative electrode having a negative electrode active material layer formed on the negative electrode current collector; and a secondary battery using the obtained negative electrode Constructing;
A method for manufacturing a secondary battery.
まず、負極活物質と膨張化黒鉛と増粘剤と溶媒とを混練機に投入して混練を行い、次いで、得られた混練物を溶媒で希釈して該混練物から負極活物質層形成用ペーストを得る、請求項6〜9の何れか一つに記載の電池製造方法。 When kneading the paste raw material,
First, a negative electrode active material, expanded graphite, a thickener, and a solvent are put into a kneader and kneaded. Then, the obtained kneaded material is diluted with a solvent to form a negative electrode active material layer from the kneaded material. The battery manufacturing method according to any one of claims 6 to 9, wherein a paste is obtained.
前記負極活物質の平均粒径D2が、10μm以上である、請求項6〜12の何れか一つに記載の電池製造方法。
The expanded graphite has an average particle diameter D1 of 0.5 μm or less,
The battery manufacturing method as described in any one of Claims 6-12 whose average particle diameter D2 of the said negative electrode active material is 10 micrometers or more.
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