JP2015138644A - Nonaqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は非水電解質二次電池に関する。 The present invention relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery.
非水電解質二次電池において負極のリチウムイオン(Li+)受入性を向上させるため、様々な試みがなされている。たとえば国際公開2011/114433号公報(特許文献1)には、負極集電体上に設けられた負極活物質層が二層構造を有し、表層側活物質層に含まれる負極活物質の平均比表面積が集電体側活物質層に含まれる負極活物質の平均比表面積よりも大きいリチウム二次電池が開示されている。 Various attempts have been made to improve the lithium ion (Li + ) acceptability of the negative electrode in nonaqueous electrolyte secondary batteries. For example, in International Publication 2011/114433 (Patent Document 1), the negative electrode active material layer provided on the negative electrode current collector has a two-layer structure, and the average of the negative electrode active materials contained in the surface layer side active material layer A lithium secondary battery having a specific surface area larger than the average specific surface area of the negative electrode active material included in the current collector-side active material layer is disclosed.
比表面積の大きい負極活物質はLi+受入に有利である。したがって上記のように二層構造を採用し、表層(上層)にLi+受入性が高い負極活物質を配置することにより、負極のLi+受入性を向上させることができる。 A negative electrode active material having a large specific surface area is advantageous for accepting Li + . Therefore adopting a two-layer structure as described above, by Li + acceptance to place a high negative electrode active material on the surface layer (upper layer), thereby improving the Li + acceptance of the negative electrode.
しかしながら比表面積が異なる2種の負極活物質は、Li+の挿入・脱離に伴う膨張収縮量が互いに異なる。そのため上記のような二層構造では上層と下層の膨張収縮量が異なることに起因して、充放電サイクルを繰り返すと上層と下層との界面で層間剥離が発生する場合がある。層間剥離が発生すると上層の一部が電気的に孤立するため、当該部分では負極活物質が充放電に寄与できなくなり大幅な容量損失が引き起こされる。 However, the two types of negative electrode active materials having different specific surface areas are different from each other in the amount of expansion / contraction caused by insertion / extraction of Li + . Therefore, due to the difference in expansion and contraction between the upper layer and the lower layer in the two-layer structure as described above, delamination may occur at the interface between the upper layer and the lower layer when the charge / discharge cycle is repeated. When delamination occurs, a part of the upper layer is electrically isolated, and the negative electrode active material cannot contribute to charging / discharging at that part, resulting in a significant capacity loss.
本発明は上記のような課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは負極合材層の層間剥離を防止してサイクル特性に優れる非水電解質二次電池を提供することにある。 The present invention has been made in view of the problems as described above, and an object of the present invention is to provide a nonaqueous electrolyte secondary battery excellent in cycle characteristics by preventing delamination of the negative electrode composite material layer. is there.
本発明者は上記課題を解決するため鋭意研究を行なったところ、二層構造において上層および下層に含まれる負極活物質の配向性を制御することにより、層間剥離を抑制できるとの知見を得、該知見に基づき更に研究を重ねることにより本発明を完成させるに至った。すなわち本発明の非水電解質二次電池は以下の構成を備える。 The present inventor conducted earnest research to solve the above problems, and obtained knowledge that delamination can be suppressed by controlling the orientation of the negative electrode active material contained in the upper layer and the lower layer in the two-layer structure, The present invention has been completed by further research based on this finding. That is, the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention has the following configuration.
非水電解質二次電池は、正極と負極とを備え、該負極は、負極集電体と、該負極集電体上に設けられ黒鉛系負極活物質を含有する第1の層と、該第1の層上に設けられ黒鉛系負極活物質を含有する第2の層と、を含み、粉末X線回折測定による黒鉛結晶の(110)面に由来するピーク強度I(110)と、(002)面に由来するピーク強度I(002)との比I(110)/I(002)の百分率を配向度とするとき、該第2の層の該配向度は、0.01%以上0.4%以下であり、該第1の層の該配向度は、0.5%以下である。 The nonaqueous electrolyte secondary battery includes a positive electrode and a negative electrode, and the negative electrode includes a negative electrode current collector, a first layer provided on the negative electrode current collector and containing a graphite-based negative electrode active material, A peak intensity I (110) derived from the (110) plane of the graphite crystal by powder X-ray diffraction measurement, and (002 ). ) When the percentage of the ratio I (110) / I (002) to the peak intensity I (002) derived from the plane is the degree of orientation, the degree of orientation of the second layer is 0.01% or more and 0.00. 4% or less, and the degree of orientation of the first layer is 0.5% or less.
上記のように第2の層(上層)と第1の層(下層)の配向度を制御することにより層間剥離を防止してサイクル特性を向上させることができる。その理由は次の通りである。 By controlling the degree of orientation of the second layer (upper layer) and the first layer (lower layer) as described above, delamination can be prevented and cycle characteristics can be improved. The reason is as follows.
図12は、黒鉛系負極活物質の結晶構造を示す模式図である。図12に示すように黒鉛結晶は、平面方向(ab軸方向)に炭素の六員環が連なった黒鉛層が、垂直方向(c軸方向)に積層された結晶構造を有している。そして黒鉛結晶は黒鉛層間にLi+を貯蔵することができる。このとき黒鉛結晶はLi+の挿入量に応じて(すなわち充電量に応じて)膨張する。図13は充電量(SOC)と黒鉛結晶の膨張量との関係を示すグラフである。図13に示すように黒鉛層間の平均距離は、SOCの増加に伴ってステップ状に増加する。このステップ状の変化は、Liと黒鉛とからなる層間化合物のステージ構造変化に由来するものと考えられる。他方、六員環を構成する炭素−炭素間の平均距離はSOCが増加しても殆ど変化していない。そして図13から分かるように、黒鉛結晶の体積変化は、主に黒鉛層間の平均距離の変化によって引き起こされている。 FIG. 12 is a schematic diagram showing a crystal structure of a graphite-based negative electrode active material. As shown in FIG. 12, the graphite crystal has a crystal structure in which a graphite layer in which six-membered rings of carbon are connected in the plane direction (ab-axis direction) is stacked in the vertical direction (c-axis direction). Graphite crystals can store Li + between graphite layers. At this time, the graphite crystals expand according to the amount of Li + inserted (that is, according to the amount of charge). FIG. 13 is a graph showing the relationship between the amount of charge (SOC) and the amount of expansion of the graphite crystal. As shown in FIG. 13, the average distance between the graphite layers increases stepwise as the SOC increases. This step-like change is considered to originate from the stage structure change of the intercalation compound composed of Li and graphite. On the other hand, the average distance between carbon and carbon constituting the six-membered ring hardly changes even when the SOC increases. As can be seen from FIG. 13, the volume change of the graphite crystal is mainly caused by the change of the average distance between the graphite layers.
ここで二層構造負極における層間剥離の原因は、主に平面方向(負極の表面に対して平行方向)の膨張収縮量が上層と下層とで異なるため、充放電を繰り返す度に上層と下層とがずれることにより歪みを生じるためであると考えられる。そこで本発明では上層と下層に含まれる黒鉛系負極活物質の膨張収縮方向が負極の厚さ方向(負極の表面に対して垂直方向)に揃うように規制する。これにより上層および下層がともに負極の厚さ方向に揃って膨張収縮するため、上層と下層との界面に歪みが生じることを防止することができる。 Here, the cause of delamination in the two-layer structure negative electrode is that the amount of expansion and contraction in the planar direction (parallel to the surface of the negative electrode) is different between the upper layer and the lower layer. It is considered that this is because distortion occurs due to deviation. Thus, in the present invention, the expansion and contraction directions of the graphite-based negative electrode active materials contained in the upper layer and the lower layer are regulated so as to be aligned with the thickness direction of the negative electrode (perpendicular to the negative electrode surface). As a result, the upper layer and the lower layer are both expanded and contracted in the thickness direction of the negative electrode, so that it is possible to prevent distortion at the interface between the upper layer and the lower layer.
膨張収縮方向は、各層に含まれる黒鉛系負極活物質の配向を制御することにより規制できる。すなわち各層において粉末X回折測定による黒鉛結晶の(110)面に由来するピーク強度I(110)と、(002)面に由来するピーク強度I(002)との比I(110)/I(002)を制御する。本明細書では、このピーク強度の比I(110)/I(002)の百分率を「配向度」と称する。 The expansion / contraction direction can be regulated by controlling the orientation of the graphite-based negative electrode active material contained in each layer. That is, in each layer, the ratio I (110) / I (002 ) between the peak intensity I (110) derived from the (110) plane of the graphite crystal and the peak intensity I (002) derived from the (002) plane by powder X-ray diffraction measurement. ) Is controlled. In this specification, the percentage of the peak intensity ratio I (110) / I (002) is referred to as “degree of orientation”.
ここでピーク強度I(110)は黒鉛結晶のab軸方向に由来し、ピーク強度I(002)はc軸方向に由来するものである。そのため負極合材層で測定された配向度が小さいほど、該負極合材層内には、c軸が負極の厚さ方向に配向した黒鉛系負極活物質が多く含まれると考えることができる。 Here, the peak intensity I (110) is derived from the ab axis direction of the graphite crystal, and the peak intensity I (002) is derived from the c axis direction. Therefore, it can be considered that the smaller the degree of orientation measured in the negative electrode mixture layer, the more negative electrode active material in which the c-axis is oriented in the thickness direction of the negative electrode.
そして本発明者の研究によれば、上層(第2の層)の配向度が0.01%以上0.4%以下、かつ下層(第1の層)の配向度が0.5%以下となるように規制することにより、層間剥離が防止され、以ってサイクル特性を向上させることができる。 According to the study of the present inventors, the degree of orientation of the upper layer (second layer) is 0.01% or more and 0.4% or less, and the degree of orientation of the lower layer (first layer) is 0.5% or less. By regulating so as to be, delamination can be prevented, and thus cycle characteristics can be improved.
なお各層の配向度は、たとえば乾燥前の負極合材ペーストに対して磁場を付与することにより所望の範囲に制御することができる。 The degree of orientation of each layer can be controlled in a desired range by applying a magnetic field to the negative electrode mixture paste before drying, for example.
本発明の非水電解質二次電池はサイクル特性に優れる。 The nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention is excellent in cycle characteristics.
以下、本発明の一実施形態(以下「本実施形態」とも記す)について詳細に説明するが、本実施形態はこれらに限定されるものではない。 Hereinafter, an embodiment of the present invention (hereinafter, also referred to as “this embodiment”) will be described in detail, but the present embodiment is not limited thereto.
<非水電解質二次電池>
図11は本実施形態の非水電解質二次電池の構成の一例を示す模式的な斜視図である。図11に示す電池1000は角形リチウムイオン二次電池であり、いずれも長尺帯状である正極100と負極200とをセパレータ300を介して巻回してなる電極群400が、非水電解質とともに、電池外装体500に封入されて構成されている。なお図9および図10に示すように正極100と負極200は、幅方向の片側に集電体が露出した非塗工部を有しており、該非塗工部は電極群400において集電部を構成し、該集電部は電池外装体500と集電部材を介して接続される。以下、電池1000を構成する各部について説明する。
<Nonaqueous electrolyte secondary battery>
FIG. 11 is a schematic perspective view showing an example of the configuration of the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present embodiment. A
(負極)
図1は負極200の構成の一例を示す模式的な断面図である。図1を参照して負極200は、負極集電体201と、負極集電体201上に設けられた負極合材層202とを備える。そして負極合材層202は、負極集電体201上に設けられ第1の黒鉛系負極活物質2aを含有する第1の層202aと、第1の層202a上に設けられ第2の黒鉛系負極活物質2bを含有する第2の層202bとを含む。
(Negative electrode)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the configuration of the
ここで本実施形態の負極200は、少なくとも第1の層202aと第2の層202bとを含んでいればよく、必ずしも二層構造に限定されるものではない。すなわち本実施形態の負極は三層以上の多層構造であってもよい。ただし三層以上の多層構造の場合も、第1の層202aおよび第2の層202bは、負極の厚さ方向において負極集電体201側からこの順に配置されるものとする。
Here, the
第2の層202bに含まれる第2の黒鉛系負極活物質2bは、第1の層202aに含まれる第1の黒鉛系負極活物質2aよりも比表面積が大きいことが好ましい。上層(第2の層202b)に比表面積が大きい活物質を配置することにより、負極200のLi+受入性が向上するからである。なお本明細書において「比表面積」とは、BET(Brunauer, Emmett, Teller)の吸着等温式に基づき求められた平均比表面積を示すものとする。
The second graphite-based negative electrode
さらに本実施形態では、第1の層202aおよび第2の層202bの配向度を制御する。これにより黒鉛系負極活物質の膨張収縮に伴って第1の層202aと第2の層202bとの界面に生じる歪みを抑制することができ、以って優れたサイクル特性を有することができる。
Furthermore, in this embodiment, the degree of orientation of the
(配向度)
ここで「配向度」とは、粉末X線回折(XRD)測定による黒鉛結晶の(110)面に由来するピーク強度I(110)と、(002)面に由来するピーク強度I(002)との比I(110)/I(002)の百分率を示すものとする。かかる配向度は次のようにして測定することができる。
(Degree of orientation)
Here, the “degree of orientation” means the peak intensity I (110) derived from the (110) plane of the graphite crystal and the peak intensity I (002) derived from the (002) plane by powder X-ray diffraction (XRD) measurement. The ratio of the ratio I (110) / I (002) shall be indicated. Such degree of orientation can be measured as follows.
まず図4を参照して粘着テープ20によって第2の層202b(上層)を、第2の層202b(上層)と第1の層202a(下層)との界面で剥離する。次に図5および図6を参照して第2の層202bおよび第1の層202aをそれぞれ別々にXRD分析する。すなわち第2の層202bは粘着テープとともに層としての形状を保ったままXRD測定を行ない(図6)、第1の層202aは負極集電体201とともに層としての形状を保ったままXRD測定を行なう(図5)。なお測定には従来公知のXRD装置を用いることができる。
First, referring to FIG. 4, the
このようにして測定される各層のXRDプロファイルにおいて、黒鉛結晶の(110)面に由来するピークは2θ=78°近傍に現れ、(002)面に由来するピークは2θ=26°近傍に現れる。そして2θ=78°近傍のピークの強度I(110)を、2θ=26°近傍のピークの強度I(002)で除した値の百分率を配向度とすることができる。 In the XRD profile of each layer thus measured, the peak derived from the (110) plane of the graphite crystal appears in the vicinity of 2θ = 78 °, and the peak derived from the (002) plane appears in the vicinity of 2θ = 26 °. The percentage of the value obtained by dividing the peak intensity I (110) near 2θ = 78 ° by the peak intensity I (002) near 2θ = 26 ° can be used as the degree of orientation.
本実施形態では、第2の層202bの配向度は0.01%以上0.4%以下であることを要し、第1の層202aの配向度は0.5%以下であることを要する。これにより第2の層202bおよび第1の層202aに含まれる負極活物質の大部分を、膨張収縮方向が負極200の厚さ方向となるように配向させることができる。
In this embodiment, the degree of orientation of the
各層の配向度は小さい程、層間剥離がより確実に防止され、サイクル特性が向上する。したがって第1の層202aの配向度は、好ましくは第2の層202bと同様に、0.01%以上0.4%以下である。そして、さらに好ましくは第1の層202aおよび第2の層202bの配向度は0.01%以上0.2%以下であり、特に好ましくは0.01%以上0.1%以下である。
The smaller the degree of orientation of each layer, the more reliably the delamination is prevented and the cycle characteristics are improved. Therefore, the degree of orientation of the
(第1の層および第2の層)
第1の層202aおよび第2の層202bは、それぞれ黒鉛系負極活物質が結着材によって固着されてなる。ここで結着材としては、たとえばスチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリエチレンオキサイド(PEO)、アクリルゴム(ACR)あるいはカルボキシメチルセルロース(CMC)等を用いることができる。なおCMCは負極合材ペースト中において増粘材としての機能を兼ねることもできる。各層における黒鉛系負極活物質と結着材との質量比率は、たとえば黒鉛系負極活物質:結着材=95:5〜99:1程度である。
(First layer and second layer)
Each of the
第1の層202aと第2の層202bの質量比率は特に限定されないが、好ましくは第1の層:第2の層=1:9〜9:1であり、より好ましくは第1の層:第2の層=2:8〜8:2であり、さらに好ましくは第1の層:第2の層=3:7〜7:3である。また負極合材層の密度(負極合材層の質量÷負極合材層の体積)は、Li+受入性およびサイクル特性の観点から、好ましくは0.5〜2.5g/cm3程度であり、より好ましくは0.8〜2.0g/cm3程度であり、さらに好ましくは1.0〜1.5g/cm3程度である。
The mass ratio of the
(黒鉛系負極活物質)
本実施形態の黒鉛系負極活物質には、天然黒鉛、人造黒鉛のいずれを用いてもよいが、理論容量および原料コストの観点から天然黒鉛を用いることが好ましい。また粒子形状は特に限定されないが、配向しやすく膨張収縮方向を揃えやすいとの観点から鱗片状黒鉛が好ましい。
(Graphite negative electrode active material)
As the graphite-based negative electrode active material of the present embodiment, either natural graphite or artificial graphite may be used, but natural graphite is preferably used from the viewpoint of theoretical capacity and raw material cost. The particle shape is not particularly limited, but scaly graphite is preferable from the viewpoint of easy orientation and uniform expansion and contraction.
またLi+受入性の観点から第2の黒鉛系負極活物質2bの平均粒子径は、5〜15μm程度が好ましく、たとえば10μm程度である。また高温保存特性等の観点から第1の黒鉛系負極活物質2aの平均粒子径は、15〜30μm程度が好ましく、たとえば20μm程度である。なお本明細書において「平均粒子径」は、レーザ回折・散乱法によるメジアン径(d50)を示すものとする。
Further, from the viewpoint of Li + acceptability, the average particle diameter of the second graphite-based negative electrode
前述のように本実施形態では、第2の黒鉛系負極活物質2bの比表面積は、第1の黒鉛系負極活物質2aの比表面積よりも大きい。ここでよりLi+受入性を高めるとの観点から、第2の黒鉛系負極活物質2bの比表面積は、好ましくは3.50m2/g以上であり、より好ましくは4.00m2/g以上である。また高温保存時のガス発生量を抑制する等の観点から第1の黒鉛系負極活物質2aの比表面積は、好ましくは3.50m2/g未満であり、より好ましくは3.00m2/g以下である。
As described above, in the present embodiment, the specific surface area of the second graphite-based negative electrode
(負極の作製方法)
上記のように特定の配向度を有する第1の層202aおよび第2の層202bは、次のような方法によって作製することができる。
(Production method of negative electrode)
As described above, the
まず従来公知の方法によって負極合材ペーストを作製する。負極合材ペーストは、たとえば黒鉛系負極活物質と増粘材と結着材とを水中で混練することにより作製することができる。 First, a negative electrode mixture paste is prepared by a conventionally known method. The negative electrode mixture paste can be produced, for example, by kneading a graphite-based negative electrode active material, a thickener, and a binder in water.
そして負極合材ペーストを従来公知の方法(たとえばダイコート法)によって塗工する。そして負極合材ペーストが乾燥(固化)する前に磁場を付与することにより、負極合材ペーストに含まれる黒鉛系負極活物質を配向させることができる。 Then, the negative electrode mixture paste is applied by a conventionally known method (for example, a die coating method). By applying a magnetic field before the negative electrode mixture paste is dried (solidified), the graphite-based negative electrode active material contained in the negative electrode mixture paste can be oriented.
図2および図3は、乾燥前の第2の層202bに対して磁場を付与した場合の黒鉛系負極活物質2bの配向性を模式的に示している。図2および図3に示すように乾燥前の負極合材ペーストに磁場を付与すると、負極合材ペーストに含まれる黒鉛系負極活物質2bは黒鉛層が磁力線51,61と平行となるように配向する。このとき図2のように負極200の表面に対して平行に磁場を付与した場合は、第2の層202bの配向度は減少し、図3に示すように負極200の表面に対して垂直に磁場を付与した場合は、第2の層202bの配向度は増加する。そして、このように黒鉛系負極活物質2bを配向させた後、第2の層202bを乾燥することにより、配向度が制御された第2の層202bを形成することができる。なお第1の層202aについても同様の方法によって、黒鉛系負極活物質2aを配向させ、配向度を制御することができる。
2 and 3 schematically show the orientation of the graphite-based negative electrode
ここで磁場の強さおよび磁場を付与する時間は特に限定されず、所望の配向度が得られるように適宜設定すればよい。たとえば磁場の強さは、負極200の全体に対して、磁束密度が500〜1000mT程度となるように設定することができ、磁場を付与する時間は、負極200の全体に対して、1〜20秒程度とすることができる。
Here, the strength of the magnetic field and the time for applying the magnetic field are not particularly limited, and may be set as appropriate so as to obtain a desired degree of orientation. For example, the strength of the magnetic field can be set so that the magnetic flux density is about 500 to 1000 mT with respect to the entire
(正極)
正極100は、正極集電体101上に正極活物質と導電助材と結着材とを含む正極合材層102が固着されてなる。正極活物質には、たとえばLiCoO2、LiNiO2、LiNiaCobO2(a+b=1、0<a<1、0<b<1)、LiMnO2、LiMn2O4、LiNiaCobMncO2(a+b+c=1、0<a<1、0<b<1、0<c<1)、LiFePO4等を用いることができる。また導電助材には、たとえばアセチレンブラック(AB)等を用いることができ、結着材には、たとえばポリフッ化ビニリデン(PVdF)等を用いることができる。
(Positive electrode)
The
(セパレータ)
セパレータ300は、Li+を透過させるとともに、正極100と負極200との電気的な接触を防止するためものである。セパレータ300としては、機械的な強度と化学的な安定性の観点から、ポリオレフィン系材料からなる微多孔膜が好ましい。ここでポリオレフィン系材料としては、たとえばポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)等を用いることができ、これらを組み合わせて用いることもできる。
(Separator)
The
(非水電解質)
非水電解質には、リチウム塩を非プロトン性溶媒に溶解させたものを用いることができる。非プロトン性溶媒としては、たとえばエチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、γ−ブチロラクトン(γBL)およびビニレンカーボネート(VC)等の環状カーボネート類や、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)およびジエチルカーボネート(DEC)等の鎖状カーボネート類等を用いることができる。溶媒組成は、たとえばEC:EMC:DEC=3:5:2(体積比)である。またリチウム塩には、たとえば、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、Li(CF3SO2)2N、Li(CF3SO3)等を用いることができる。塩濃度は、たとえば0.5〜2.0mol/L程度である。なお非水電解質はゲル状あるいは固体状であってもよい。
(Nonaqueous electrolyte)
As the non-aqueous electrolyte, a lithium salt dissolved in an aprotic solvent can be used. Examples of the aprotic solvent include cyclic carbonates such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), γ-butyrolactone (γBL) and vinylene carbonate (VC), and dimethyl carbonate (DMC). , Chain carbonates such as ethyl methyl carbonate (EMC) and diethyl carbonate (DEC) can be used. The solvent composition is, for example, EC: EMC: DEC = 3: 5: 2 (volume ratio). As the lithium salt, for example, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, Li (CF 3 SO 3 ) or the like can be used. The salt concentration is, for example, about 0.5 to 2.0 mol / L. The nonaqueous electrolyte may be in the form of a gel or a solid.
以上のように角形電池を挙げて本実施形態の説明を行なったが、本実施形態はこれに限定されず、たとえば円筒形電池、パウチ形電池とすることもできる。 Although the present embodiment has been described with reference to a square battery as described above, the present embodiment is not limited to this, and for example, a cylindrical battery or a pouch-shaped battery may be used.
以下、実施例を用いて本実施形態をより詳細に説明するが、本実施形態はこれらに限定されるものではない。 Hereinafter, although this embodiment is described in detail using an example, this embodiment is not limited to these.
<実施例1>
以下のようにして角形リチウムイオン二次電池を作製し、充放電サイクル試験を行なってサイクル特性を評価した。
<Example 1>
A square lithium ion secondary battery was produced as follows, and a charge / discharge cycle test was performed to evaluate the cycle characteristics.
(正極の作製)
正極活物質(LiCoO2)と、導電助材(AB)と、結着材(PVdF)とを、溶媒(NMP)中で混練することにより正極合材ペーストを得た。
(Preparation of positive electrode)
A positive electrode mixture paste was obtained by kneading a positive electrode active material (LiCoO 2 ), a conductive additive (AB), and a binder (PVdF) in a solvent (NMP).
図10を参照して、正極集電体101であるAl箔(幅77.0mm、厚さ20μm)の幅方向の片側に塗工質量が30mg/cm2(乾燥後)となるように正極合材ペーストを塗工、乾燥して正極合材層102(幅57.0mm)を形成し、正極100のフープを得た。図10に示すように正極100は幅方向の片側に正極集電体101が露出した非塗工部(幅20.0mm)を有するものとした。
Referring to FIG. 10, the positive electrode assembly was made so that the coating mass was 30 mg / cm 2 (after drying) on one side in the width direction of the Al foil (width 77.0 mm,
(負極の作製)
(i)第1の負極合材ペーストの作製
第1の黒鉛系負極活物質2aとして天然黒鉛粉末(平均粒子径20μm、比表面積2.8m2/g)を準備した。そして第1の黒鉛系負極活物質2aと、結着材(SBR)と、増粘材(CMC)とを水中で混練することにより、第1の負極合材ペーストを得た。
(Preparation of negative electrode)
(I) Production of First Negative Electrode Mixture Paste Natural graphite powder (
(ii)第2の負極合材ペーストの作製
第2の黒鉛系負極活物質2bとして天然黒鉛粉末(平均粒子径10μm、比表面積3.6m2/g)を準備した。そして第2の黒鉛系負極活物質2bと、結着材(SBR)と、増粘材(CMC)とを水中で混練することにより、第2の負極合材ペーストを得た。
(Ii) Production of Second Negative Electrode Mixture Paste Natural graphite powder (average particle diameter 10 μm, specific surface area 3.6 m 2 / g) was prepared as the second graphite-based negative electrode
(iii)第1の層の形成
まず第1の負極合材ペーストを、負極集電体201であるCu箔(厚さ10μm)の一方の表面上に片面塗工質量が5mg/cm2(乾燥後)となるように塗工し、熱風乾燥を実施してペーストを固化することにより、第1の層202aを形成した。
(Iii) Formation of first layer First, the first negative electrode mixture paste is coated on one surface of a Cu foil (thickness 10 μm) as the negative electrode
(iv)第2の層の形成
次いで図7を参照して第2の負極合材ペーストを、第1の層202a上に片面塗工質量が5mg/cm2となるように塗工した。そして第2の負極合材ペーストが固化する前に、図2および図8を参照してCu箔の幅方向に磁場を付与して第2の黒鉛系負極活物質2bを配向させた。その後、第2の負極合材ペーストを熱風乾燥によって固化することにより、第2の層202bを形成した。さらに同様の手順に従ってCu箔の他方の表面(裏面)上にも第1の層202aと第2の層202bとを形成した。なおこのとき磁場の強さは、負極全体に対して磁束密度750mTの磁場が5秒間付与されるように設定した。
(Iv) Formation of Second Layer Next, with reference to FIG. 7, the second negative electrode mixture paste was applied onto the
(v)スリットおよび圧延
その後、図9を参照して負極をスリッターによって幅80.9mmに切断し、さらにロール圧延機によって圧延して、負極200のフープを得た。図9に示すように負極200は幅方向の片側に負極集電体201が露出した非塗工部を有するものであり、該非塗工部の幅は20.0mmとし、負極合材層202の幅は60.9mmとした。
(V) Slit and Rolling Thereafter, the negative electrode was cut into a width of 80.9 mm with a slitter with reference to FIG. 9, and further rolled with a roll mill to obtain a hoop of
(非水電解質の調整)
ECとEMCとDECとを、EC:EMC:DEC=3:5:2(体積比)となるように混合して非プロトン性溶媒を得た。次いで該非プロトン性溶媒に溶質としてLiPF6(1.0mol/L)を溶解させることにより、非水電解質を得た。
(Nonaqueous electrolyte adjustment)
EC, EMC, and DEC were mixed so that EC: EMC: DEC = 3: 5: 2 (volume ratio) to obtain an aprotic solvent. By then dissolving the LiPF 6 (1.0mol / L) as a solute in the aprotic solvent, to obtain a non-aqueous electrolyte.
(組み立て)
セパレータ300として、PE製の微多孔膜セパレータ(幅63.0mm)を準備した。図11を参照して、正極100と負極200とがセパレータ300を介して対向するように巻回して電極群400を得た。このとき正極100と負極200の非塗工部が巻回軸において互いに異なる方向から取り出せるように巻回した。そして非塗工部と電極端子とを接続し、電極群400を電池外装体500(高さ75mm、幅120mm、厚さ15mm、ケース肉厚1mm)に挿入した。さらに非水電解質を注液し、電池外装体500を封止することにより実施例1に係る角形リチウムイオン二次電池(定格容量4.5Ah)を得た。
(assembly)
A PE microporous membrane separator (width 63.0 mm) was prepared as the
<実施例2〜4>
上記「第2の層の形成」において、磁場を付与する時間を3秒間(実施例2)、2秒間(実施例3)、1秒間(実施例4)とすることを除いては、実施例1と同様にして実施例2〜4に係る角形リチウムイオン二次電池を得た。
<Examples 2 to 4>
In the above “formation of the second layer”, the example in which the magnetic field is applied is 3 seconds (Example 2), 2 seconds (Example 3), and 1 second (Example 4). In the same manner as in Example 1, the prismatic lithium ion secondary batteries according to Examples 2 to 4 were obtained.
<実施例5>
実施例5では、第1の層202aに磁場を付与して黒鉛系負極活物質2bを配向させることを除いては、実施例1と同様にして角形リチウムイオン二次電池を得た。
<Example 5>
In Example 5, a prismatic lithium ion secondary battery was obtained in the same manner as in Example 1 except that a magnetic field was applied to the
実施例5において第1の層202aは次のようにして形成した。すなわち第1の負極合材ペーストを、負極集電体201であるCu箔の一方の表面上に片面塗工質量が5mg/cm2(乾燥後)となるように塗工した後、第1の負極合材ペーストが固化する前に、Cu箔の幅方向に磁束密度750mTの磁場を5秒間付与した。その後第1の層202aを熱風乾燥によって固化させた。そして実施例1と同様にして第1の層202a上に第2の層202bを形成した。
In Example 5, the
<比較例1>
上記「第2の層の形成」において、磁場を付与する時間を0.5秒間とすることを除いては、実施例1と同様にして比較例1に係る角形リチウムイオン二次電池を得た。
<Comparative Example 1>
A prismatic lithium ion secondary battery according to Comparative Example 1 was obtained in the same manner as in Example 1 except that in the “formation of the second layer”, the time for applying the magnetic field was 0.5 seconds. .
<比較例2>
上記「第2の層の形成」において、磁場を付与しないことを除いては、実施例1と同様にして比較例2に係る角形リチウムイオン二次電池を得た。
<Comparative Example 2>
A prismatic lithium ion secondary battery according to Comparative Example 2 was obtained in the same manner as in Example 1 except that in the “formation of the second layer”, a magnetic field was not applied.
<比較例3>
上記「第2の層の形成」において、磁場を付与する方向を、図3を参照して負極200の厚さ方向とし、磁束密度750mTの磁場を1秒間付与することを除いては、実施例1と同様にして比較例3に係る角形リチウムイオン二次電池を得た。
<Comparative Example 3>
In the “formation of the second layer”, the direction in which the magnetic field is applied is the thickness direction of the
<比較例4>
上記「第1の層の形成」において第1の負極合材ペーストが固化する前に、第1の負極合材ペーストに対して、負極200の厚さ方向に、磁束密度750mTの磁場を1秒間付与することを除いては、比較例2と同様にして比較例4に係る角形リチウムイオン二次電池を得た。
<Comparative Example 4>
Before the first negative electrode mixture paste is solidified in the “formation of the first layer”, a magnetic field having a magnetic flux density of 750 mT is applied to the first negative electrode mixture paste in the thickness direction of the
<比較例5>
上記「負極の作製」において、比較例4と同様にして第1の負極合材ペーストが固化する前に第1の負極合材ペーストに対して負極200の厚さ方向に磁場を付与し、さらに比較例3と同様にして第2の負極合材ペーストが固化する前に第2の負極合材ペーストに対して負極200の厚さ方向に磁場を付与することを除いては、実施例1と同様にして角形リチウムイオン二次電池を得た。
<Comparative Example 5>
In the above “preparation of negative electrode”, a magnetic field is applied to the first negative electrode mixture paste in the thickness direction of the
<評価>
以上のようにして得た各負極および各電池の評価を以下のようにして行なった。
<Evaluation>
Each negative electrode and each battery obtained as described above were evaluated as follows.
(配向度の測定)
図4〜図6を参照して、粘着テープを用いて第2の層202bを、第1の層202aと第2の層202bとの界面において剥離し、さらに第2の層202bの配向度および第1の層202aの配向度をそれぞれ別々に測定した。結果を表1に示す。なおXRD装置には、株式会社リガク製のロータフレックスRU−200Bを用いた。
(Measurement of orientation)
4 to 6, the
(初期容量の測定)
25℃環境下で、各電池を1It(4.5A)の電流値で4.2Vまで充電した後、5分間休止し、続いて1Itの電流値で2.5Vまで放電した後、5分間休止した。
(Measurement of initial capacity)
Under an environment of 25 ° C., each battery was charged to 4.2 V at a current value of 1 It (4.5 A), then rested for 5 minutes, then discharged to 2.5 V at a current value of 1 It, and then rested for 5 minutes. did.
次いでCC−CV充電(CC電流値1It、CV電圧4.2V、終止電流0.01It)によって各電池を充電し、その後CC−CV放電(CC電流値1It、CV電圧3.0V、終止電流0.01It)を行なって、各電池の初期容量を測定した。
Next, each battery is charged by CC-CV charging (CC
(充放電サイクル試験)
25℃環境下で、各電池の初期容量を測定した後、放電状態(SOC=0%)に調整した。次いで以下の[1]〜[4]を順次実行することを1サイクルとして、同サイクルを1000サイクル実行した。
[1]CC−CV充電(CC電流値1It、CV電圧4.2V、終止電流0.01It)
[2]休止(10分間)
[3]CC−CV放電(CC電流値1It、CV電圧3.0V、終止電流0.01It)
[4]休止(10分間)。
(Charge / discharge cycle test)
After measuring the initial capacity of each battery in a 25 ° C. environment, it was adjusted to a discharged state (SOC = 0%). Next, the following [1] to [4] were sequentially executed as one cycle, and the cycle was executed 1000 times.
[1] CC-CV charge (CC
[2] Pause (10 minutes)
[3] CC-CV discharge (CC
[4] Pause (10 minutes).
1000サイクル終了後、上記「初期容量の測定」と同様にしてサイクル後容量を測定した。そして次式により容量維持率を算出した。結果を表1に示す。
式:(容量維持率[単位%])=(サイクル後容量)÷(初期容量)×100。
After the end of 1000 cycles, the post-cycle capacity was measured in the same manner as in the above “Measurement of initial capacity”. The capacity retention rate was calculated according to the following formula. The results are shown in Table 1.
Formula: (capacity maintenance rate [unit%]) = (capacity after cycle) / (initial capacity) × 100.
さらに1000サイクル後の電池を解体して、負極を回収し、上層(第2の層)と下層(第1の層)との界面で層間剥離が発生しているか否かを確認した。結果を表1に示す。 Further, the battery after 1000 cycles was disassembled, the negative electrode was collected, and it was confirmed whether or not delamination occurred at the interface between the upper layer (second layer) and the lower layer (first layer). The results are shown in Table 1.
<結果と考察>
表1に示すように、実施例1〜5ではいずれも層間剥離が発生しておらず、かつ容量維持率が高い結果となった。これに対して比較例1〜5では、いずれも層間剥離が発生し、かつ容量維持率の低い結果となった。これらの結果から層間剥離によって容量低下が引き起こされていることが明らかである。
<Results and discussion>
As shown in Table 1, in Examples 1 to 5, no delamination occurred, and the capacity retention rate was high. On the other hand, in Comparative Examples 1 to 5, delamination occurred and the capacity retention rate was low. From these results, it is clear that capacity reduction is caused by delamination.
すなわち比較例1〜5では、充放電サイクルに伴う黒鉛系負極活物質の膨張収縮によって上層と下層との間に歪みを生じる為、これにより層間剥離が発生して上層の一部が電気的に孤立しているものと考えられる。 That is, in Comparative Examples 1 to 5, since the distortion occurs between the upper layer and the lower layer due to the expansion and contraction of the graphite-based negative electrode active material accompanying the charge / discharge cycle, this causes delamination and a part of the upper layer is electrically It is considered isolated.
他方、実施例1〜5では、上層(第2の層)の配向度を0.01%以上0.4%以下、下層(第1の層)の配向度を0.5%以下に制御したことにより、上層および下層に含まれる負極活物質が共に負極の厚さ方向に膨張収縮するように規制されるため、層間に歪みを生じず、層間剥離が発生しないため高い容量を維持できるものと考えられる。 On the other hand, in Examples 1-5, the orientation degree of the upper layer (second layer) was controlled to 0.01% or more and 0.4% or less, and the orientation degree of the lower layer (first layer) was controlled to 0.5% or less. Therefore, the negative electrode active materials contained in the upper layer and the lower layer are both regulated to expand and contract in the thickness direction of the negative electrode, so that no distortion occurs between the layers and no delamination occurs, so that a high capacity can be maintained. Conceivable.
ここで図14は、第1の層202aに磁場を付与しなかった場合(実施例1〜4および比較例1〜3)において、第2の層202bの配向度とサイクル後の容量維持率との関係を示すグラフである。図14から、容量維持率は第2の層202bの配向度が0.4%である点を境界として、その前後で大幅に変化しており、配向度が0.01%以上0.4%以下の範囲に含まれるとき容量維持率はいずれも高いことが分かる。したがって第2の層202bの配向度が0.01%以上0.4%以下であれば、サイクル特性に優れるといえる。
Here, FIG. 14 shows the degree of orientation of the
以上より、正極と負極とを備え、該負極は、負極集電体と、該負極集電体上に設けられ黒鉛系負極活物質を含有する第1の層と、該第1の層上に設けられ黒鉛系負極活物質を含有する第2の層と、を含み、粉末X線回折測定による黒鉛結晶の(110)面に由来するピーク強度I(110)と、(002)面に由来するピーク強度I(002)との比I(110)/I(002)の百分率を配向度とするとき、該第2の層の該配向度は、0.01%以上0.4%以下であり、該第1の層の該配向度は、0.5%以下である実施例に係る非水電解質二次電池は、同条件を満たさない比較例の非水電解質二次電池に比し、サイクル特性に優れるものであることが確認できた。 As described above, a positive electrode and a negative electrode are provided. The negative electrode includes a negative electrode current collector, a first layer provided on the negative electrode current collector and containing a graphite-based negative electrode active material, and the first layer. A peak intensity I (110) derived from the (110) plane of the graphite crystal by powder X-ray diffraction measurement, and derived from the (002) plane. When the percentage of the ratio I (110) / I (002) to the peak intensity I (002) is taken as the degree of orientation, the degree of orientation of the second layer is 0.01% or more and 0.4% or less. The non-aqueous electrolyte secondary battery according to the example in which the degree of orientation of the first layer is 0.5% or less is compared with the non-aqueous electrolyte secondary battery of the comparative example that does not satisfy the same condition. It was confirmed that it was excellent in characteristics.
以上のように本実施形態および実施例について説明を行なったが、今回開示された実施形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 Although the present embodiment and examples have been described as described above, it should be considered that the embodiments and examples disclosed this time are illustrative and not restrictive in all respects. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
2a 第1の黒鉛系負極活物質、2b 第2の黒鉛系負極活物質、100 正極、101 正極集電体、102 正極合材層、200 負極、201 負極集電体、202 負極合材層、202a 第1の層、202b 第2の層、300 セパレータ、400 電極群、500 電池外装体、1000 電池、20 粘着テープ、50a,50b,60a,60b 磁石、51,61 磁力線、70 ダイヘッド。 2a 1st graphite negative electrode active material, 2b 2nd graphite negative electrode active material, 100 positive electrode, 101 positive electrode current collector, 102 positive electrode composite material layer, 200 negative electrode, 201 negative electrode current collector, 202 negative electrode composite material layer, 202a 1st layer, 202b 2nd layer, 300 separator, 400 electrode group, 500 battery outer package, 1000 battery, 20 adhesive tape, 50a, 50b, 60a, 60b magnet, 51, 61 magnetic field line, 70 die head.
Claims (1)
前記負極は、
負極集電体と、
前記負極集電体上に設けられ黒鉛系負極活物質を含有する第1の層と、
前記第1の層上に設けられ黒鉛系負極活物質を含有する第2の層と、を含み、
粉末X線回折測定による黒鉛結晶の(110)面に由来するピーク強度I(110)と、(002)面に由来するピーク強度I(002)との比I(110)/I(002)の百分率を配向度とするとき、
前記第2の層の前記配向度は、0.01%以上0.4%以下であり、
前記第1の層の前記配向度は、0.5%以下である、非水電解質二次電池。 A positive electrode and a negative electrode,
The negative electrode is
A negative electrode current collector;
A first layer provided on the negative electrode current collector and containing a graphite-based negative electrode active material;
A second layer containing a graphite-based negative electrode active material provided on the first layer,
The ratio I (110) / I (002) of the peak intensity I (110) derived from the (110) plane of the graphite crystal and the peak intensity I (002) derived from the (002) plane by powder X-ray diffraction measurement When the percentage is the orientation degree,
The degree of orientation of the second layer is 0.01% or more and 0.4% or less,
The non-aqueous electrolyte secondary battery, wherein the degree of orientation of the first layer is 0.5% or less.
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