JP2015015101A - リチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明によれば、多孔質耐熱層が薄い場合に比べてサイクル特性が向上する
本発明の実施形態にかかるリチウムイオン二次電池100の1例を、図1を参照して説明する。リチウムイオン二次電池100は、負極10、セパレータ20、正極30、及び、ケース70、及び、電解液を主として備える。
負極10は、負極集電体12、及び、負極集電体12上に設けられた負極活物質層14を有する。
負極活物質は、さらに、黒鉛粉を含むことが好ましい。黒鉛粉の例は、天然黒鉛粉末、人造黒鉛粉末、球晶黒鉛粉末(黒鉛化メソフェーズカーボン小球体)、グラファイト系炭素材料粉末などである。グラファイト系炭素材料の例は、ピッチ、コークスなどの縮合多環炭化水素化合物の熱分解物の粉である。
バインダは、活物質を集電体に固定する。バインダの例は、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミド等のイミド系樹脂、アルコキシシリノレ基含有樹脂である。バインダの量は、活物質100質量部に対して、1〜30質量部とすることができる。
正極30は、正極集電体32、及び、正極集電体32上に設けられた正極活物質層34を備える。正極集電体32は導電材料からなる。正極集電体の材料の例は、アルミニウムなどの金属である。
LiNibCocMndDeO2(b+c+d+e=1、0<b<1、0<c<1、0<d<1、0≦e≦0.1、DはAl,Mg,Ti,Sn,Zn,W,Zr,Mo,Fe,Na、Zrから成る群から選択される少なくとも1つの元素である)
このような酸化物の例は、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2である。特に、1/3<b≦0.6、0.1≦c<1/3、及び0.2≦d<1/3を満たすことが好ましい。このような酸化物は、各金属元素源(酸化物、塩等)を所望の比率で混合し、焼成することにより得ることができる。
セパレータ20は、負極10と正極30とを隔離し、両極の接触による電流の短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させるものである。セパレータ20は、多孔質基材層22、及び、多孔質基材層22の両主面に設けられた多孔質耐熱層24、24を有する。
パラアラミドとは、パラ配向芳香族ジアミンとパラ配向芳香族ジカルボン酸ハライドの縮合重合により得られるものであり、アミド結合が芳香族環のパラ位又はそれに準じた配向位(例えば、4,4’−ビフェニレン、1,5−ナフタレン、2,6−ナフタレン等のような反対方向に同軸又は平行に延びる配向位)で結合される繰り返し単位から実質的に成るものである。具体的には、ポリ(パラフェニレンテレフタルアミド)、ポリ(パラベンズアミド)、ポリ(4,4’−ベンズアニリドテレフタルアミド)、ポリ(パラフェニレン−4,4’−ビフェニレンジカルボン酸アミド)、ポリ(パラフェニレン−2,6−ナフタレンジカルボン酸アミド)、ポリ(2−クロロ−パラフェニレンテレフタルアミド)、パラフェニレンテレフタルアミド/2,6−ジクロロパラフェニレンテレフタルアミド共重合体等のパラ配向型又はパラ配向型に準じた構造を有するパラアラミドを例示することができる。
アラミドの溶媒としては、例えば極性アミド系溶媒又は極性尿素系溶媒を挙げることができ、具体的には、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン、テトラメチルウレア等を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
電解液は、電解質と、この電解質を溶解する溶媒とを含む。電解質は、負極活物質層14、セパレータ20、正極活物質層34内に含浸されている。
また、電解質は、さらに、LiBF4、LiPF6等のフッ素塩に含まれる一対のFをC2O4で置換したリチウム塩(例えば、LiPF2(C2O4)2)を含むこともできる。この塩の添加量は、0.01〜0.06mol/Lとすることができる。
溶媒は、環状カーボネートと鎖状カーボネートとの混合物であることができる。
ケース70は、負極10、セパレータ20、正極30、及び、電解液を収容する。ケース70の材料や形態は特に限定されず、樹脂、金属などを公知の種々の物を使用できる。
このようなリチウムイオン二次電池は、サイクル容量維持率に優れる。この理由は明らかではないが、以下の事情が考えられる。負極の珪素酸化物はサイクル毎に大きく膨張収縮を繰り返し、負極の新生表面がサイクル毎に発生する。したがって、サイクル毎に負極の新生表面と電解液とが反応していわゆるSEIと言われる膜が生成する。このため、特に、負極近傍で電解液の状態が劣化しやすい。本実施形態では、多孔質耐熱層の厚みを大きくしているので、負極近傍での電解液の保持量が増え、負極側での電解液の状態が劣化しにくくなることが一因と考えられる。また、多孔質基材層を厚くするよりも、多孔質耐熱層を厚くした方が、セパレータ全体の空隙率を小さくすることなく電解液を保持しやすくできる。
(負極の製造)
市販のSiO粉を不活性ガス雰囲気中で900℃の温度下で、2時間加熱処理し、SiOを不均化した。得られた珪素酸化物粉を、CuKαを使用したX線回折(XRD)測定を行ったところ、単体珪素と二酸化珪素とに由来するピークが得られ、珪素酸化物は、Si相と、SiO2相とを含むことが確認された。得られた珪素酸化物粉の粒度分布を調べたところ、粒径D50は4.4μmであった。
LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2、アセチレンブラック、及び、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)を、88:6:6の質量比で混合し、さらに、溶媒(N−メチル−2−ピロリドン(NMP))を加えてスラリーを得た。このスラリーを、アルミニウム箔の片面に塗布し、溶媒をホットプレートにより80℃で30分乾燥させ、プレスし、さらに、120℃で6時間加熱した。このようにして、25mm×30mmの正極活物質層を有する正極を得た。
27mm×32mmの大きさ及び25μmの厚みを有するポリエチレン多孔質基材の両面に、PVdFをバインダとする6.0μmの厚みを有する多孔質アルミナ層(使用したアルミナ粒子の粒径0.5μm、層の空隙率50%)をそれぞれ設けたセパレータを作製した。このセパレータを、正極及び負極の間に挟んで、積層体を得た。この積層体を、アルミニウム箔の両面を樹脂でラミネートしたケース内に収容し、さらに、ケース内に電解液を供給し、その後、ケースをシールし、リチウムイオン二次電池を得た。電解液は、溶媒と電解質(1mol/dm3のLiPF6及び0.01mol/dm3のLiPF2(C2O4)2)とを含み、溶媒は、エチレンカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネート、フルオロエチレンカーボネートを、質量比で2.6:3:4:0.4含んでいた。
多孔質アルミナ層の厚みを4.2μmとする以外は実施例1と同様にした。
サイクル試験は25℃で行った。充放電サイクル条件は、1/2C、4.08VのCC充電、及び、1/2C、3.12VのCC放電とした。1サイクル目の放電容量を初回放電容量とした。また、100サイクル目の放電容量を、1サイクル目の放電容量で除した値を、100サイクル容量維持率とした。結果を表1に示す。
Claims (6)
- 負極、正極、及び、前記正極及び前記負極の間に配置されたセパレータを備え、
前記負極は、Si相及びSiO2相を含有する珪素酸化物粉を含有し、
前記セパレータは、樹脂を主成分とする多孔質基材層と、前記多孔質基材層の少なくとも一方の面に設けられた、セラミクス粒子を主成分とする多孔質耐熱層と、を有し、
前記多孔質耐熱層の厚みは5〜7μmである、リチウムイオン二次電池。 - 前記セパレータは、前記多孔質基材層の内の前記負極と対向する面に設けられた請求項1記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記多孔質耐熱層は、前記多孔質基材層の両面にそれぞれ設けられた、請求項1に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記負極は、さらに黒鉛粉を含有する、請求項1〜3のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記正極は、Ni、Co、及びMnを含むリチウム酸化物を含む、請求項1〜4のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記セラミクス粒子は、アルミナ粒子、シリカ粒子、チタニア粒子、及び、ジルコニア粒子からなる群から選択される少なくとも1つである、請求項1〜5のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池。
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