JP2015011959A - リチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)全体構成
図1に示す第1実施形態に係るリチウムイオン二次電池10は、電解質2で満たされたケーシング1の内部が、セパレータ3で2室に分れており、各室内には、それぞれ正電極4および負電極5が設置されている。
正電極4は、集電体としての正極集電体4Aと合材電極40とで構成される。正極集電体4Aは、略板状に形成されており、一表面上に合材電極40を備える。正極集電体4Aは、一般的にアルミニウム箔で形成する。
負電極5は、公知の電極を用いることができる。すなわち負電極5は、集電体としての負極集電体5Aと合材電極50で構成される。負極集電体5Aは、略板状に形成されており、一表面上に合材電極50を備える。負極集電体5Aは、例えば銅箔や、ステンレス箔が一般的に使用されている。
次に、正電極4及び負電極5の製造方法について説明する。合材電極40,50を形成するには、正極スラリー及び負極スラリーをそれぞれ調整する。まず、活物質、導電助剤を含有した分散液、及びバインダーを所定の質量比となるように量る。
次に上記のように構成されたリチウムイオン二次電池10の放電時の作用及び効果について説明する。なお、リチウムイオン二次電池10は、放電に先立ち予め充電器9から電圧が印加されることにより、充電がなされている。これにより、リチウム原子が負電極5の合材電極50に吸蔵されている。
(1)全体構成
次に、本発明の第2実施形態に係るリチウムイオン二次電池20について説明する。なお、この実施形態において、第1実施形態と同様の構成には同様の符号を付し、説明を省略する。
正電極6は公知の電極を用いることができる。すなわち正電極6は、正極集電体6Aと合材電極60で構成される。正極集電体6Aは、一表面上に合材電極60を備える。正極集電体6Aは、一般的にアルミニウム箔が使用されている。
負電極7は、負極集電体7Aと合材電極70とで構成される。負極集電体7Aは、略板状に形成されており、一表面上に合材電極70を備える。負極集電体7Aは、例えば銅箔や、ステンレス箔が一般的に使用されている。
なお、本実施形態の正電極6及び負電極7の製造方法、特に構成要件として特徴的な合材電極60,70の製造方法については、使用する活物質の種類が第1実施形態と異なるだけで、第1実施形態と同様の方法で製造可能である。
次に上記のように構成されたリチウムイオン二次電池20の放電時の動作について説明する。なお、リチウムイオン二次電池20は、放電に先立ち予め充電器9から電圧が印加されることにより、充電がなされている。これにより、リチウムイオンが負電極7の合材電極70の負極活物質で、電子を受け取りリチウム原子として、吸蔵されている。
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。
次に、実施例1〜実施例8について、具体的に説明する。
(1)実施例1
第1実施形態に対応するリチウムイオン二次電池に係る正電極の特性を評価した(但し、第1実施形態とは異なり、中間層を備えていない)。実施例として、正極集電体の一表面に、第1正極層を形成し、第1正極層上に第2正極層を形成した正電極を実施例1とした。正極集電体はアルミニウム箔を用いた。第1正極層は、第1正極活物質としてリン酸鉄リチウム(LiFePO4)を90wt%、バインダーとしてPVDFを5wt%、導電助剤としてアセチレンブラックを5wt%、溶媒としてN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を含む固形比70wt%のスラリーをコンマロールコータにより正極集電体に塗布し、120℃で乾燥して形成した。第2正極層は、第2正極活物質としてコバルト酸鉄リチウム(LiCoO2)を94wt%、バインダーとしてPVDFを3wt%、導電助剤としてアセチレンブラックを3wt%、溶媒としてNMPを含む固形比70wt%のスラリーをコンマロールコータにより正極集電体に塗布し、120℃で乾燥して形成した。
次に、第1実施形態に対応する別のリチウムイオン二次電池に係る正電極の特性を評価した(中間層は備えていない)。実施例として、正極集電体の一表面に、第1正極層を形成し、第1正極層上に第2正極層を形成した正電極を実施例2とした。正極集電体はアルミニウム箔を用いた。第1正極層は、第1正極活物質としてリン酸鉄リチウム(LiFePO4)を84wt%、バインダーとしてPVDFを8wt%、導電助剤としてケッチェンブラックを8wt%、溶媒としてNMPを含む固形比68wt%のスラリーをスロットダイにより正極集電体に塗布し、130℃で乾燥して形成した。第2正極層は、第2正極活物質としてマンガン酸リチウム(LiMn2O4)を98wt%、バインダーとしてPVDFを1wt%、導電助剤としてケッチェンブラックを1wt%、溶媒としてNMPを含む固形比80wt%のスラリーをスロットダイにより正極集電体に塗布し、130℃で乾燥して形成した。
次に、第1実施形態に対応するさらに別の正電極の特性を評価した(中間層は備えていない)。実施例として、正極集電体の一表面に第1正極層を形成し、第1正極層上に第2正極層を形成した正電極を実施例3とした。正極集電体はアルミニウム箔を用いた。第1正極層は、第1正極活物質としてニッケル酸リチウム(LiNiO2)を90wt%、バインダーとしてPVDFを4wt%、導電助剤としてVGCFを6wt%、溶媒としてNMPを含む固形比76wt%スラリーをコンマロールコータにより正極集電体に塗布し、110℃で乾燥して形成した。第2正極層は、第2正極活物質としてコバルト酸リチウム(LiCoO2)を96wt%、バインダーとしてPVDFを2wt%、導電助剤としてVGCFを2wt%、溶媒としてNMPを含む固形比80wt%スラリーをコンマロールコータにより正極集電体に塗布し、110℃で乾燥して形成した。
次に、第1実施形態に対応するさらに別のリチウムイオン二次電池に係る正電極の特性を評価した。実施例として、正極集電体の一表面に、第2実施例と同一材料で形成した第1正極層及び第2正極層に加え、第1正極層と第2正極層の間にさらに中間層を形成した正電極を実施例4とした。正極集電体はアルミニウム箔を用いた。
第1正極層は、第1正極活物質としてリン酸鉄リチウム(LiFePO4)を84wt%、バインダーとしてPVDFを8wt%、導電助剤としてケッチェンブラックを8wt%、溶媒としてNMPを含む固形比68wt%のスラリーをスロットダイにより正極集電体に塗布し、130℃で乾燥して形成した。中間層は、正極活物質としてコバルト酸リチウム(LiCoO2)を94wt%、バインダーとしてPVDFを3wt%、導電助剤としてアセチレンブラックを3wt%、溶媒としてNMPを含む固形比70wt%のスラリーをスロットダイにより正極集電体に塗布し、120℃で乾燥して形成した。第2正極層は、第2正極活物質としてマンガン酸リチウム(LiMn2O4)を98wt%、バインダーとしてPVDFを1wt%、導電助剤としてケッチェンブラックを1wt%、溶媒としてNMPを含む固形比80wt%のスラリーをスロットダイにより正極集電体に塗布し、130℃で乾燥して形成した。
次に、第2実施形態に対応するリチウムイオン二次電池に係る負電極の特性を評価した(但し、中間層は備えていない)。実施例として、負極集電体の一表面に、第1負極層を形成し、第1負極層上に第2負極層を形成した負電極を実施例5とした。負極集電体は銅箔を用いた。第1負極層は、第1負極活物質として一酸化ケイ素(SiO)を91wt%、バインダーとしてSBRを3wt%、増粘剤として、カルボキシメチルセルロース(CMC)を1wt%、導電助剤としてカーボンナノチューブを5wt%、溶媒として水を用いて固形比60wt%のスラリーをコンマロールコータにより負極集電体に塗布し、120℃で乾燥して形成した。第2負極層は、第2負極活物質として黒鉛を97wt%、バインダーとしてSBRを1wt%、増粘剤として、カルボキシメチルセルロースを1wt%、導電助剤としてカーボンナノチューブを1wt%、溶媒として水を用いて固形比60wt%のスラリーをコンマロールコータにより負極集電体に塗布し、120℃で乾燥して形成した。
次に、第1実施形態に対応するさらに別のリチウムイオン二次電池に係る正電極の特性を評価した(中間層は備えていない)。この実施例として、正極集電体の一表面に、第1正極層を形成し、第1正極層上に第2正極層を形成した正電極を実施例6とした。正極集電体はアルミニウム箔を用いた。第1正極層は、第1正極活物質として低電位(3.4V/Li)の第1正極活物質LiFePO4と高電位(3.7V/Li)の第2正極活物質LiCoO2との混合物(質量比で70:30)を90wt%、バインダーとしてPVDFを5wt%、導電助剤としてアセチレンブラックを5wt%、溶媒としてNMPを含む固形比75wt%のスラリーをコンマロールコータにより正極集電体に塗布し、120℃で乾燥して形成した。第2正極層は、第2正極活物質として低電位(3.4V/Li)の第1正極活物質LiFePO4と高電位(3.7V/Li)の第2正極活物質LiCoO2との混合物(質量比で30:70)を90wt%、バインダーとしてPVDFを5wt%、導電助剤としてアセチレンブラックを5wt%、溶媒としてNMPを含む固形比70wt%のスラリーをコンマロールコータにより正極集電体に塗布し、120℃で乾燥して形成した。
次に、第2実施形態に対応する別のリチウムイオン二次電池に係る負電極の特性を評価した(中間層は備えていない)。実施例として、負極集電体の一表面に、第1負極層を形成し、第1負極層上に第2負極層を形成した負電極を実施例7とした。負極集電体は銅箔を用いた。第1負極層は、第1負極活物質として一酸化ケイ素(SiO)と黒鉛との混合物(質量比で5:95)を95wt%、バインダーとしてSBRを1wt%、導電助剤としてカーボンナノチューブを3wt%、溶媒として水を含む固形比60wt%のスラリーをコンマロールコータにより負極集電体に塗布し、120℃で乾燥して形成した。第2負極層は、第2負極活物質として一酸化ケイ素(SiO)と黒鉛との混合物(質量比で15:85)を95wt%、バインダーとしてSBRを1wt%、増粘剤として、カルボキシメチルセルロースを1wt%、導電助剤としてカーボンナノチューブを3wt%、溶媒として水を含む固形比60wt%のスラリーをコンマロールコータにより負極集電体に塗布し、120℃で乾燥して形成した。
次に、第2実施形態に対応するリチウムイオン二次電池に係る負電極の特性を評価した。実施例として、負極集電体の一表面に、第1負極層、中間層、第2負極層をこの順で形成した負電極を実施例8とした。負極集電体は銅箔を用いた。第1負極層は、第1負極活物質としてLi4Ti5O12を97wt%、バインダーとしてSBRを1wt%、増粘剤として、カルボキシメチルセルロースを1wt%、導電助剤としてアセチレンブラックを1wt%、溶媒として水を用いて固形比60wt%のスラリーをコンマロールコータにより負極集電体に塗布し、120℃で乾燥して形成した。中間層は一酸化ケイ素(SiO)を90wt%、バインダーとしてSBRを3wt%、増粘剤として、カルボキシメチルセルロースを1%、導電助剤としてカーボンナノチューブを6wt%、溶媒として水を用いて固形比55wt%のスラリーをコンマロールコータにより負極集電体に塗布し、120℃で乾燥して形成した。第2負極層は、第2負極活物質として黒鉛を95wt%、バインダーとしてSBRを1wt%、増粘剤として、カルボキシメチルセルロースを2wt%、導電助剤としてアセチレンブラックを2wt%、溶媒として水を用いて固形比60wt%のスラリーをコンマロールコータにより負極集電体に塗布し、120℃で乾燥して形成した。
10:リチウムイオン二次電池
2:電解質
20:リチウムイオン二次電池
3:セパレータ
4:正電極
4A:正極集電体
4B:正極端子
40:合材電極
41:第1正極層
42:中間正極層
43:第2正極層
5:負電極
5A:負極集電体
5B:負極端子
50:合材電極
6:正電極
6A:正極集電体
6B:正極端子
60:合材電極
7:負電極
7A:負極集電体
7B:負極端子
70:合材電極
71:第1負極層
72:中間負極層
73:第2負極層
8:負荷
9:充電器
L:リード線
SW:切り替えスイッチ
Claims (11)
- 集電体上に設けられる合材電極を一対備えたリチウムイオン二次電池において、
少なくともいずれか一方の前記合材電極に含まれる活物質の酸化還元電位が、前記合材電極の厚さ方向において異なることを特徴とするリチウムイオン二次電池。 - 正極側の前記合材電極は、前記集電体との境界から表面へいくにしたがって、前記活物質の酸化還元電位が高くなるように形成されていることを特徴とする請求項1記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記合材電極は、
第1正極活物質と、前記第1正極活物質よりも高い酸化還元電位の第2正極活物質とを含み、
前記集電体との境界において前記第1正極活物質の方が前記第2正極活物質よりも濃度が高く、前記合材電極の表面において前記第2正極活物質の方が前記第1正極活物質よりも濃度が高い
ことを特徴とする請求項2記載のリチウムイオン二次電池。 - 前記合材電極は、
第1正極活物質と、前記第1正極活物質よりも高い酸化還元電位の第2正極活物質とを含み、
前記集電体側に設けられ、前記第1正極活物質で形成された第1正極層と、
前記合材電極の表面側に設けられ、前記第2正極活物質で形成された第2正極層と
を有することを特徴とする請求項2記載のリチウムイオン二次電池。 - 前記合材電極は、前記第1正極層と前記第2正極層の間に、前記第1正極層の酸化還元電位より高く前記第2正極層の酸化還元電位より低い酸化還元電位を有する中間正極層を1又は2以上有する
ことを特徴とする請求項4記載のリチウムイオン二次電池。 - 前記第1正極活物質は、LiFePO4又はLiNiO2であり、
前記第2正極活物質は、LiCoO2又はLiMn2O4である
ことを特徴とする請求項3〜5のいずれか1項記載のリチウムイオン二次電池。 - 負極側の前記合材電極は、前記集電体の境界から表面へいくにしたがって、前記活物質の酸化還元電位が低くなるように形成されていることを特徴とする請求項1記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記合材電極は、
第1負極活物質と、前記第1負極活物質よりも低い酸化還元電位の第2負極活物質とを含み、
前記集電体との境界において前記第1負極活物質の方が前記第2負極活物質よりも濃度が高く、前記合材電極の表面において前記第2負極活物質の方が前記第1負極活物質よりも濃度が高い
ことを特徴とする請求項7記載のリチウムイオン二次電池。 - 前記合材電極は、
第1負極活物質と、前記第1負極活物質よりも低い酸化還元電位の第2負極活物質とを含み、
前記集電体側に設けられ、前記第1負極活物質で形成された第1負極層と、
前記合材電極の表面側に設けられ、前記第2負極活物質で形成された第2負極層と
を有する
ことを特徴とする請求項7記載のリチウムイオン二次電池。 - 前記合材電極は、前記第1負極層と前記第2負極層の間に、前記第2負極層の酸化還元電位より高く前記第1負極層の酸化還元電位より低い酸化還元電位を有する中間負極層を1又は2以上有する
ことを特徴とする請求項9記載のリチウムイオン二次電池。 - 前記第1負極活物質はSiO、Li4Ti5O12のうちいずれか1種であり、
前記第2負極活物質は黒鉛である
ことを特徴とする請求項8〜10のいずれか1項記載のリチウムイオン二次電池。
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