JP2016058375A - リチウムイオン二次電池用負極及びリチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明のリチウムイオン二次電池用負極2は、集電体5と、集電体5の表面に形成された活物質層6とを備え、活物質層6は、複数の穴7が表面に形成されており、活物質密度が活物質層6に含まれる活物質の真密度の70〜83%であり、厚さが100〜1000μmであるため、より多くの活物質を有しており、リチウムイオン二次電池に用いると、活物質層6の表面に加え、活物質層6の表面から厚さ方向に深い位置においても、電子の授受や、リチウムイオンの挿入、脱離が生じ、活物質層6の表面から厚さ方向に深い位置の活物質を有効に利用でき、高容量のリチウムイオン二次電池を提供できる。
【選択図】図1
Description
図1に示すように、リチウムイオン二次電池1は、本発明のリチウムイオン二次電池用負極2(以下、負極2という。)と正極3とセパレータ4とを備えている。負極2と正極3とは、セパレータ4を挟んで対向配置されている。負極2、正極3、及びセパレータ4は、例えば、エチレンカーボネート(以下、ECという。)やジエチルカーボネート(以下、DECという。)、ジメチルカーボネート(以下、DMCという。)メチルエチルカーボネート(以下、MECという。)等を含む非水溶媒にLiPF6やLiBF4、LiClO4等のリチウム塩を混合した電解液に浸されている。
図1に示すように、負極2は、集電体5と2つの活物質層6とを備え、集電体5の両面に活物質層6が形成されている。集電体5は、板状の部材であり、好ましくは厚さが5〜20μmの薄膜状の部材である。集電体5の大きさ、形状などは、作製するリチウムイオン二次電池に合わせて適宜変更できる。集電体5は、電池の充放電時に生じる化学反応に対して安定的であり、導電性を有している部材で形成されていれば特に限定されない。例えば、集電体5は、銅、アルミニウム、銀、金、白金、ニッケル、チタン、鉄、ステンレスなどで形成された箔を用いることができる。また、集電体5としては、金属繊維や炭素繊維で形成された不織布等も用いることができる。
リチウムイオン二次電池用負極2の製造方法を説明する。活物質、バインダー、増粘剤、及び導電助剤を所定の質量比となるように量る。計量後、増粘剤を水に溶かした溶液に、活物質を投入して撹拌する。続いて、導電助剤及びバインダーを投入し、撹拌する。その後、多少の水を加えさらに攪拌することにより粘度を調整して負極スラリーを得る。負極スラリーは、集電体5の表面に活物質層6を形成するために用いる液である。ちなみに、負極スラリーは一般には合材スラリーと呼ばれている。
本発明の負極2を用いたリチウムイオン二次電池1の動作を説明する。リチウムイオン二次電池1では、負極2及び正極3が電解液に浸されており、負極2の活物質層6に形成された穴7にも電解液が収容されている。活物質層6には穴7が形成されているため、電解液は、活物質層6の表面から厚さ方向に深い位置にも含浸されている。
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。
(1)電気化学セルの作製
実施例1〜6では、活物質として天然黒鉛を用いたリチウムイオン二次電池用負極を作製し、電気化学セルの負極に適用した。実施例1〜6の電気化学セルは、活物質層に形成した穴の深さが異なるが、他の構成は同じであるので、実施例1を例として電気化学セルの作製方法を説明する。
放電容量を測定して電気化学セルの特性を評価した。放電容量は、充放電試験装置(アスカ電子(株)製、モデル:ACD−R1APS)を用い、温度25±1℃において測定した。全ての実施例及び比較例の電気化学セルでは、5mA/cm2の定電流(CC:コンスタントカーレント)、0.005Vの定電圧(CV:コンスタントボルテージ)で充電電流値が0.1mA/cm2に低下するまで充電した後、カットオフ電圧を1.0Vvs.Li/Li+として10mA/cm2の定電流で放電したときに得られた電気容量を放電容量とした。
(3−1)活物質層の穴の深さと電気化学セルの特性の関係について
表1に示すように、実施例1〜6の電気化学セルは、活物質層の厚さに対する穴の深さの割合が5%以上の穴が負極に形成されており、比較例1の電気化学セルに比較して単位質量当たりの放電容量が高い。
表2に示すように、実施例7〜11の電気化学セルは、穴の中心間隔が500〜6000μmの間隔で穴が負極に形成されており、比較例2の電気化学セルに比較し、質量当たりの放電容量が高い。
表3に示すように、実施例12〜17の電気化学セルは、穴の最大径が5〜1500μmの穴が負極に形成されており、比較例3の電気化学セルと比較して質量当たりの放電容量が高い。
表4に示すように、実施例18〜21の電気化学セルは、比較例4の電気化学セルと比較して、質量当たりの放電容量が高い。以上から、本発明のリチウムイオン二次電池用負極は、活物質層に形成された穴の表面形状によらず、質量当たりの放電容量を向上できることがわかる。
表5に示すように、実施例22の電気化学セルは比較例5と比較して放電容量が高く、実施例23の電気化学セルは比較例6と比較して放電容量が高い。このように、本発明のリチウムイオン二次電池用負極は、活物質として、天然黒鉛とSiOの混合物及び人造黒鉛とSnの混合物を用いても、放電容量を向上できることがわかる。
負極の活物質層の活物質密度と、当該負極を用いた電気化学セルの放電容量の関係を表6に示す。表6に示すように、実施例24〜27の電気化学セルは、実施例の電気化学セルと活物質層に穴が形成されていない点のみ異なる比較例11〜14の電気化学セルと比較して、質量あたりの放電容量及び面積当たりの放電容量がともに高い。このように、活物質密度が真密度の70〜82%の範囲では、穴を形成したことで放電容量が増加していることがわかる。
さらに、負極の活物層の活物質密度と、当該負極を用いた電気化学セルの放電容量の関係を調べるために、実施例28〜38として活物質密度を真密度の70〜83%の範囲で変化させて本発明の負極を作製し、当該負極を用いて上記と同様の電気化学セルを作製した。
活物質層の厚さと電気化学セルの放電容量の関係を調べるために、実施例39〜42として活物質層の厚さを100〜1000μmの範囲で変化させて本発明の負極を作製し、当該負極を用いて電気化学セルを作製した。実施例39〜42は、穴の開口の形状が丸形で、表9に示すパラメータの穴を有する。また、比較のために、比較例38、40として活物質層の厚さがそれぞれ50、85μmである点以外、実施例と同じ負極を作成し、比較例39、41〜45として穴が形成されていない点以外実施例39〜42、比較例38、40と同様の負極を作製し、それぞれ電気化学セルを作製した。電気化学セルは、実施例1と同様の方法で作製した。これらの電気化学セルの放電容量は、2mA/cm2の充電電流、0.005Vvs.Li/Li+の定電圧で充電電流値が0.1mA/cm2に低下するまで充電した後、カットオフ電圧を1.0Vvs.Li/Li+として、10mA/cm2の放電電流で放電して測定した。作製した実施例及び比較例の負極のパラメータと測定した放電容量の値とを表9に示す。
2 リチウムイオン二次電池用負極
3 正極
4 セパレータ
5、10 集電体
6、11 活物質層
7、12 穴
8 底部
9、13 開口
Claims (18)
- 集電体と、前記集電体の表面に形成された活物質層とを備え、
前記活物質層は、
複数の穴が表面に形成されており、
活物質密度が前記活物質層に含まれる活物質の真密度の70〜83%であり、
厚さが100〜1000μmである
ことを特徴とするリチウムイオン二次電池用負極。 - 前記活物質層は、前記活物質として黒鉛を含み、前記活物質密度が1.54〜1.82g/cm3であることを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用負極。
- 前記活物質層は、前記活物質として難黒鉛化炭素を含み、前記活物質密度が1.26〜1.49g/cm3であることを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用負極。
- 前記活物質層は、前記活物質として易黒鉛化炭素を含み、前記活物質密度が1.26〜1.49g/cm3であることを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用負極。
- 前記活物質層は、前記活物質としてLi4Ti5O12を含み、前記活物質密度が2.30〜2.73g/cm3であることを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用負極。
- 前記活物質層は、前記活物質としてSiOを含み、前記活物質密度が1.47〜1.74g/cm3であることを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用負極。
- 前記活物質層は、前記活物質としてSnを含み、前記活物質密度が5.04〜6.10g/cm3であることを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用負極。
- 前記活物質層は、前記活物質としてSiを含み、前記活物質密度が1.61〜1.90g/cm3であることを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用負極。
- 前記活物質層は、前記活物質として黒鉛、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、Li4Ti5O12、SiO、Sn、Siから選択される2種以上を含み、前記活物質密度が1.26g/cm3超6.10g/cm3未満であることを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用負極。
- 前記活物質層は、導電助剤を0.0〜10wt%、バインダー及び増粘剤を1.0〜10wt%含むことを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用負極。
- 前記複数の穴の最大径が5〜1500μmであることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用負極。
- 前記複数の穴の中心間隔が500〜6000μmであることを特徴とする請求項1〜11のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用負極。
- 前記複数の穴の開口の形状が、丸形、三角形、四角形又は五角形以上の多角形から選ばれる1つ以上であることを特徴とする請求項1〜12のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用負極。
- 前記複数の穴の深さが前記活物質層の厚さの5%以上であることを特徴とする請求項1〜13のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用負極。
- 前記複数の穴は、底部を有していることを特徴とする請求項1〜14のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用負極。
- 前記集電体の両面に前記活物質層が形成されており、前記複数の穴が、一の前記活物質層の表面に開口が形成され、該活物質層と前記集電体とを貫通し、他の前記活物質層によって底部が形成されていることを特徴とする請求項1〜14のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用負極。
- 前記複数の穴は、前記他の活物質層の表面に開口が形成され、該活物質層と前記集電体とを貫通し、前記一の活物質層によって底部が形成されている穴を含み、前記一の活物質層の表面に開口が形成された穴と前記他の活物質層の表面に開口が形成された穴とが交互に形成されていることを特徴とする請求項16に記載のリチウムイオン二次電池用負極。
- 請求項1〜17のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用負極を備えることを特徴とするリチウムイオン二次電池。
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