JP2016091987A - 負電極膜及びその電極膜を応用したリチウムイオン電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】高倍率で高速充電の場合でも、リチウムが負極シートの表面に析出することを回避することができるとともに、良好な安全性及びサイクル性能を備える、負極電極膜の提供。【解決手段】負極活物質、導電剤、接着剤と増粘剤を含み、前記接着剤は電極膜における質量百分率が2%以下であり、前記接着剤は、スチレン系モノマー、アクリル酸エステル系モノマーとアクリル酸系モノマーからなる重合体を含む負極電極膜。【選択図】なし

Description

本発明はリチウムイオン電池の技術分野に関し、特に、高倍率で高速充電可能なリチウムイオン電池及びその負極シートに関するものである。
リチウムイオン電池は高エネルギー密度、高動作電圧、長使用寿命、非メモリ効果及び環境保護などのメリットを有するので、既にモバイルデバイスの理想的な電源となり、しかも従来の電源と置き換えられる。モバイルデバイスのインテリジェント及び多機能化が進むにつれ、パワーディスペーションが劇的に増加されており、リチウムイオン電池のエネルギー密度に対してより高く要求されている。
1991年以来、Sony会社が黒鉛系のリチウムイオン電池を開発してから20数年の発展を経っており、そのエネルギー密度は既に限界に近づいている。しかしながら、新たな化学系における開発では、例えば、シリコン負極活物質をサイクルした後に膨張により自身の粉末化がもたらされ、高電圧において、正極活物質の高温サイクル性能が劣っており、高電圧系において電解液の安定性が低下し、正極活物質が電解液と反応してガスが生成されることなど、いくつかの重要な問題がまだ解決されていない。
エネルギー密度を向上させるのがボトルネックになり、ユーザ体験を向上させるために、高倍率で高速充電のリチウムイオン電池の開発は、エネルギー密度の不足を適切に補うことができる。しかしながら、リチウムイオン電池が高倍率で高速充電する際、リチウムイオン電池の分極が深刻になり、面積当たりの電流が増大し、負極がすぐにリチウム析出電位に達し、正極から負極まで拡散された大量のリチウムイオンが負極によって受け入れされていないため、リチウムデンドライトが負極表面に析出し、リチウムイオン電池の容量が急速に減衰し、且つリチウムデンドライトがセパレーターを容易に貫通させるという安全問題が発生してしまった。
リチウムイオン電池の負極シートは、一般的にスチレン・ブタジエンゴム(SBR)を接着剤として用いる。該接着剤は優れた弾力性及び良好な接着性を備えるが、イオン伝導性が劣っており、高倍率で高速充電というのが実現できない。
本願発明の一つ形態によれば、負電極膜を提供する。該負電極膜中の接着剤の含有量が少なく、イオン伝導性が優れる。該負電極膜をリチウムイオン電池に応用することにより、高倍率で高速充電する場合でも、リチウムが負極シートの表面に析出することを回避するとともに、優れた安全性及び循環性を備えることができる。
上記負電極膜は、負極活物質、導電剤、接着剤及び増粘剤を含み、上記接着剤は、電極膜における質量百分率が2%以下であり、且つスチレンモノマー、アクリル酸エステル系モノマー及びアクリル酸系モノマーからなるポリマーを含むことを特徴とする。
好ましくは、上記アクリル酸エステル系モノマーは式(1)で表される化学構造式を有し、上記アクリル酸系モノマーは式(2)で表される化学構造式を有する。
Figure 2016091987
一般式(1)中、Rは、水素原子又は炭素数1〜20のアルキル基であり、Rは、炭素数1〜20のアルキル基である。
Figure 2016091987
一般式(2)中、Rは、水素原子又は炭素数1〜20のアルキル基である;
好ましくは、式(1)におけるRは、水素原子又は炭素数1〜10のアルキル基である;
好ましくは、式(2)におけるRは、水素原子又は炭素数1〜10のアルキル基である;
好ましくは、上記負電極膜は、負極活物質、導電剤、接着剤と増粘剤からなる。
上記アルキル基は、任意の直鎖状アルカン分子、又は任意の分岐鎖を含んでいるアルカン分子、或いは任意のシクロアルカン分子からいずれかの水素原子を除去して得られた基である。
好ましくは、上記アクリル酸エステル系モノマーはアクリル酸メチル、アクリル酸エチル、メタアクリル酸ブチル、アクリル酸ブチルから選ばれる少なくとも一種のものであり、前記アクリル酸系モノマーはアクリル酸、メタアクリル酸、エチルアクリル酸から選ばれる少なくとも一種のものである。
好ましくは、上記増粘剤は電極膜中の質量百分率が0.5〜2%であり、さらに好ましくは1〜2%である。上記増粘剤の接着力が強く、イオン伝導性が優れ、陽極表面における分極を大幅に低減させることができる。
好ましくは、上記スチレンモノマーは総モノマーにおける質量百分率が10〜40%である。さらに好ましくは、上記スチレンモノマーは総モノマーにおける質量百分率の上限値が35%、30%又は25%の範囲から選択され、下限値が12%、15%の範囲から選ばれるものである。スチレンモノマーを使用することにより、増粘剤におけるポリマーの凝集力を高め、増粘剤の接着力を向上することができる。
好ましくは、上記アクリル酸エステル系モノマーは総モノマーにおける質量百分率が50〜85%である。さらに好ましくは、上記アクリル酸エステル系モノマーは総モノマーにおける質量百分率の上限値が85%、82%、80%又は78%の範囲から選ばれ、下限値が60%、65%、70%、72%の範囲から選ばれるものである。アクリル酸エステル系モノマーを使用することにより、電極膜における活性物質顆粒の間及び電極シート集電箔の間の接着を確保できると同時に、アクリル酸エステル系におけるカルボニル孤立電子対が電場作用下でリチウムイオンとのコンプレックス-脱コンプレックスプロセスにより、リチウムイオンをポリマーの鎖セグメントに沿って快速に遷移させ、イオン導電性が優れる。
好ましくは、上記アクリル酸系モノマーは総モノマーにおける質量百分率が1〜10%である。さらに好ましくは、上記アクリル酸系モノマーは総モノマーにおける質量百分率の上限値が8%、7%又は6%の範囲から選択され、下限値が2%、3%又は4%の範囲から選ばれるものである。接着剤ポリマーの側鎖に対して親水性極性基(カルボキシル基)を導入することにより、表面エネルギーを減らすことができ、乳液を容易に成膜させ、且つ成膜された後の強度が高くなり、粘着力が強くなり、さらに接着力を増加させることができる。
各モノマーの全モノマーにおける質量百分率=各モノマー質量÷(スチレンモノマー質量+アクリル酸エステル系モノマー質量+アクリル酸系モノマー質量)×100%。例えば、スチレンモノマーが総モノマーにおける質量百分率=スチレンモノマー質量÷(スチレンモノマー質量+アクリル酸エステル系モノマー質量+アクリル酸系モノマー質量)×100%となる。
好ましくは、前記負極活物質は、黒鉛、メソカーボンミクロスフェア、ハードカーボン、ソフトカーボン、LiTi12、スズ、ケイ素からなる群より選ばれる少なくとも一種のものである。さらに好ましくは、前記負極活物質は黒鉛である。好ましくは、負極活物質の電極膜中の質量百分率が90%以上である。さらに好ましくは、95%以上である。
当分野における当業者は実際のニーズに応じ、適切な導電剤の種類及び導電剤の含量を選択できる。好ましくは、上記導電剤は、導電性カーボンブラック、グラフェン、カーボンナノチューブからなる群より選ばれる少なくとも一種のものである。好ましくは、前記電極膜における導電剤の電極膜中の質量百分率が0〜3%である。さらに好ましくは、0〜1.5%である。
当分野における当業者の実際のニーズに応じ、適切な増粘剤の種類及び増粘剤の含量を選択できる。好ましくは、前記増粘剤はナトリウムカルボキシメチルセルロース及び/又はポリアクリルアミドから選ばれるものである。好ましくは、上記増粘剤は電極膜における質量百分率が0.8〜3%である。さらに好ましくは、0.8〜1.5%である。
好ましくは、前記接着剤には乳化剤が含まれてもよい。前記当分野における当業者は実際的な需要に応じて、適切な乳化剤の種類及び乳化剤の含量を選択できる。好ましくは、上記乳化剤は電極膜における質量百分率が2〜5%である。好ましくは、上記乳化剤は不均化ロジン酸石鹸及び/又はオレイン酸カリウムである。
また、上記接着剤には回避できない重合反応鎖開始剤がさらに含まれてもよい。当分野における当業者の実際のニーズに応じ、適切な鎖開始剤、鎖停止剤の種類及び鎖停止剤の含有量を選択できる。
本発明の好ましい一つの実施形態では、上記接着剤が硬化する前の接着剤乳液の製造方法は、スチレン、アクリル酸エステル系化合物、アクリル酸化合物を乳化剤を含有している水溶液に添加し、30℃以下の温度で重合開始剤を加えて重合反応を開始させ、固形分の含有量が35wt%〜55wt%である接着剤乳液が得られる、という工程が少なくとも含まれている。
本発明のもう一つの形態では、上記負電極膜から選ばれる少なくとも一種の電極膜を含むことを特徴とするリチウムイオン電池を提供する。上記リチウムイオン電池は高倍率で快速充電される場合でも、良好な安全性及びサイクル性能を備える。
好ましくは、上記リチウムイオン電池は巻回型リチウムイオン電池、ラミネート型リチウムイオン電池である。
上記リチウムイオン電池は、正極シート、負極シート、セパレーター、電解質又は電解液を含んでいる。上記負極シートは上記任意の負電極膜及び電流コレクターを含んでいる。
本発明より得られた有益な効果としては次のとおりである。
(1)本願発明における負電極膜は、使用されている接着剤の接着力が優れ、イオン伝導性が高いため、リチウムイオン電池の高倍率で高速充電を実現することができる。
(2)本発明における負電極膜をリチウムイオン電池に応用することにより、高倍率で高速充電の場合でも、リチウムを負極シートの表面に析出することを回避することができる。
(3)本発明における負電極膜が使用されたリチウムイオン電池は、良好な安全性とサイクル特性を備えている。
図1はリチウムイオン電池C1とC9の電気化学インピーダンススペクトルを示す図である。 図2はリチウムイオン電池C1とC9の2C充電サイクル寿命図である。
以下、図面及び実施例に基づいて本発明についてより詳しく説明するが、本発明はこれによって限定されるものではない。
実施例における比率はすべて重量部で表される。
実施例1
接着剤が硬化する前の接着剤乳液の調製:
蒸留水195重量部、乳化剤である不均化ロジン酸石鹸2.25重量部及び乳化剤であるオイル酸カリウム2.25重量部を窒素より置換された重合釜に仕込んだ。次に、スチレン15重量部、メタアクリル酸ブチル41重量部、アクリル酸エチル41重量部及びメタアクリル酸3重量部を重合釜に仕込み、再び窒素ガスより15分間をかけて反応装置内の空気を置換した。反応釜の温度を5〜10℃に安定させていながら、開始剤である過硫酸アンモニウム0.9重量部を加え、撹拌機で100r/minで攪拌し、8時間重合させ、接着剤乳液を得た。
負極シートN1の調製:
活性材料である人工グラファイト、接着剤乳液、増粘剤であるカルボキシメチルセルロースナトリウム及び導電剤である導電性カーボンブラックを混合し、高速攪拌により負極活物質を含み均一に分散された混合物を調製した。混合物において、固形分には95wt%の人工グラファイト、1.5wt%のカルボキシメチルセルロースナトリウム、1.5wt%の導電性カーボンブラック及び2wt%の接着剤が含まれている。溶媒として水を用い、負極活物質のスラリーを調製し、スラリーにおける固形分含有量が50wt%であった。スラリーを銅箔の両面に均一に塗布し、乾燥し、ローラープレス機で圧密して、負極シートN1を得た。
正極シートP1の調製:
正極活性物質であるコバルト酸リチウム(LiCoO)、接着剤PVDF(ポリフッ化ビニリデン)及び導電性カーボンブラックを混合し、高速攪拌により正極活物質を含み均一に分散させた混合物を調製した。混合物において、固形分には90wt%のコバルト酸リチウム、5wt%のPVDF及び5wt%の導電性カーボンブラックが含まれている。前記混合物では、溶媒としてNMP(N−メチルピロリドン)を用いて、正極活物質のスラリーを調製し、スラリーにおける固形分含有量が75wt%であった。当該スラリーを銅箔の両面に均一に塗布し、乾燥し、ローラープレス機で圧密して、正極シートP1を得た。
リチウムイオン電池C1の調製:
正極シートP1及び負極シートN1に導電性タブ(tab)を熔接し、14μmのポリプロピレン/ポリエチレン複合セパレーター膜(PP/PE複合セパレーターフィルムと略す)を用い、正極及び負極の間に挟んで重ね、それを巻いて裸電池を調製し、さらにプラスチックフィルムで封入した。電解質として1Mの六フッ化リン酸リチウム電解液を用い、溶媒としてエチレンカーボネート/ジメチルカーボネート/1,2−プロピレングリコールカーボネートを1:1:1(体積比)となるように混合した混合溶液を用いた。封入後、電池に対し化成処理及び老化処理を行い、32mm×82mm×42mmの正方形の軟包装電池(soft-packing battery)C1を得た。
実施例2
接着剤が硬化する前における接着剤乳液の調製手順は実施例1と同様であったが、異なる点については、モノマーとしてスチレン12重量部、メタアクリル酸ブチル42重量部、アクリル酸エチル43重量部及びメタアクリル酸3重量部を用いた。
負極シートの調製手順は実施例1と同様であったが、異なる点については、混合物スラリーにおいては、固形分には96wt%の人工グラファイト、1.5wt%のカルボキシメチルセルロースナトリウム、1.5wt%導電性カーボンブラック及び1wt%の接着剤が含まれている。得られた負極シートをN2と表記した。
P1を正極とし、N2を負極とする以外、実施例1と同じにしてリチウムイオン電池C2を得た。
実施例3
接着剤が硬化する前における接着剤乳液の調製手順は実施例1と同様であったが、異なる点については、接着剤を硬化する前における接着剤乳液の調製過程において、モノマーとしてスチレン25重量部、メチルメタアクリル酸36重量部、ブチルアクリレート36重量部及びメタアクリル酸3重量部を用いた。
負極シートの調製手順は実施例1と同様であり、得られた負極シートをN3と表記した。
P1を正極とし、N3を負極とする以外、実施例1と同じにして、リチウムイオン電池C3を得た。
実施例4
他の条件は実施例1と同様であったが、異なる点については、接着剤が硬化する前における接着剤乳液の調製過程において、モノマーがスチレン15重量部、アクリル酸メチル39重量部、アクリル酸ブチル39重量部、アクリル酸3重量部及びエチルアクリル酸4重量部を用いた。
負極シートの調製手順は実施例1と同様であり、得られた負極シートをN4と表記した。
P1を正極とし、N4を負極とする以外、実施例1と同じにしてリチウムイオン電池C4を得た。
実施例5
他の条件は実施例1と同様であったが、異なる点については、接着剤が硬化する前における接着剤乳液の調製過程において、モノマーがスチレン10重量部、メタアクリル酸ブチル50重量部、アクリル酸エチル34重量部及びアクリル酸5重量部を用いた。
負極シートの調製手順は実施例1と同様であり、得られた負極シートをN5と表記した。
P1を正極とし、N5を負極とする以外、実施例1と同じにしてリチウムイオン電池C5を得た。
実施例6
他の条件は実施例1と同様であったが、異なる点については、接着剤が硬化する前における接着剤乳液の調製過程において、モノマーがスチレン35重量部、アクリル酸エチル60重量部及びエチルアクリル酸5重量部を用いた。
負極シートの調製手順は実施例1と同様であり、得られた負極シートをN6と表記した。
P1を正極とし、N6を負極とする以外、実施例1と同じにしてリチウムイオン電池C6を得た。
実施例7
他の条件は実施例1と同様であったが、異なる点については、接着剤が硬化する前における接着剤乳液の調製過程において、モノマーがスチレン40重量部、メタアクリル酸ブチル25重量部、アクリル酸エチル8重量部、アクリル酸メチル7重量部、アクリル酸ブチル10重量部、アクリル酸3重量部、メタアクリル酸3重量部及びエチルアクリル酸4重量部を用いた。
負極シートの調製手順は実施例1と同様であり、得られた負極シートをN7と表記した。
P1を正極とし、N7を負極とする以外、実施例1と同じにしてリチウムイオン電池C7を得た。
実施例8
他の条件は実施例1と同様であったが、異なる点については、接着剤が硬化する前における接着剤乳液の調製過程において、モノマーがスチレン18重量部、メタアクリル酸エチル51重量部、アクリル酸ブチル30重量部、アクリル酸0.5重量部及びエチルアクリル酸0.5重量部を用いた。
負極シートの調製手順は実施例1と同様であり、得られた負極シートをN8と表記した。
P1を正極とし、N8を負極とする以外、実施例1と同じにしてリチウムイオン電池C8を得た。
比較例1
他の条件は実施例1と同様であったが、異なる点については、接着剤乳液の調製工程が含まれていない;負極シートの調製では通常のスチレン・ブタジエンゴム(SBRと略する)接着剤を用い、他の条件が実施例1と同様であり、得られた負極シートをN9と表記するとした。
P1を正極とし、N9を負極とし、他の条件が実施例1と同じにして、リチウムイオン電池C9を得た。
試験例1 負電極シートの接着力の試験
負極シートN1〜N9を冷間圧延した後、AI−3000高鉄引張試験機において、それぞれ負極シートN1〜N9の接着力について試験を行った。次に、負極シートN1〜N9を60℃の電解液に96時間浸漬した後、再び接着力に対し試験を行った。電解液は1Mの六フッ化リン酸リチウム電解液を用い、溶媒はジルコニウムエチレンカーボネート/ジルコニウムジメチルカーボネート/1,2−プロピレングリコールカーボネートを1:1:1(体積比)となるように混合した混合溶液を用いた。
負極シートN1〜N9における接着剤中のモノマーの種類、各モノマーの総モノマーにおける質量百分率及び接着力の試験結果を表1に示す。表中のデータから、本願発明における電極膜の負極シートN1〜N8の接着力を比較例1の負極シートN9と比べ、電極シートの接着力が大幅に向上されることが分かった。
Figure 2016091987
試験例2 リチウムが負極に析出する試験
実施例1〜8により得られたリチウムイオン電池C1〜C8及び比較例1により得られたリチウムイオン電池C9をそれぞれ25℃下、2Cの倍率で4.35Vになるように定電流充電し、その後4.35Vで定電圧充電し、カットオフ電流が0.05Cであり、その後、1Cの倍率で定電流放電し、カットオフ電圧が3Vであることを一回の充放電サイクルとし、上記充放電サイクルを10回繰り返した。終了後、電池を満タンまで充電させ、電池セルを外し、IRIS Advangtageフルスペクトルプラズマ直読式スペクトロメーター(ICPと略す)により負極シート表面に対してリチウムが析出するかないかを測定し、その結果を表2に示す。
Figure 2016091987
試験例3 電気化学インピーダンスのスキャン
IM6ex電気化学総合分析装置を用いて実施例1〜8により得られたリチウムイオン電池C1〜C8及び比較例1により得られたリチウムイオン電池C9に対し、室温で半充電状態で電気化学インピーダンススキャンを行った。本願発明の技術方案のC1〜C8におけるC1を典型的な代表とし、C1の電気化学インピーダンススペクトル及び比較例1により得られたC9の電気化学インピーダンススペクトルを図1に示す。図から分かるように、C9と比較してC1におけるリチウムイオンは負極における導電率が大幅に増加した。
試験例4 電池サイクル性能試験
実施例1〜8により得られたリチウムイオン電池C1〜C8及び比較例1により得られたリチウムイオン電池C9をそれぞれ25℃下、2Cの倍率で4.35Vになるように定電流充電し、その後4.35Vにおいて定電圧充電し、カットオフ電流が0.05Cであり、その後、1Cの倍率で定電流放電し、カットオフ電圧が3Vであることを一回の充放電サイクルとし、上記充放電サイクルを500回繰り返した。
n回目の容量維持率(%)=(n回目のサイクル後の放電容量/一回目のサイクル後の放電容量)×100%
本願発明の技術方案のC1〜C8におけるC1を典型的な代表とし、C1のサイクル過程における容量維持率及び比較例1により得られたC9の容量維持率を図2に示す。同じサイクル回数の状況下、C2〜C8のサイクル容量維持率=C1の容量維持率×(1±10%)。
図2から分かるように、比較例1により得られたC9と比較し、本願発明の技術方案により得られたC1電池は寿命が大幅に向上された。
上記については本発明に関する好ましい実施形態にすぎない。本発明を限定するものではなく、当分野における当業者にとって、本願発明は様々な変更及び変化することができる。本願発明の趣旨と原則に基づいて作られた任意の補正、等同取り替え、改良などのすべてについては本願発明の保護範囲にあることである。

Claims (10)

  1. 負極活物質、導電剤、接着剤と増粘剤を含み、
    前記接着剤は負電極膜中の質量百分率が2%以下であり、且つスチレンモノマー、アクリル酸エステル系モノマー及びアクリル酸系モノマーからなるポリマーを含むことを特徴とする、負電極膜。
  2. 前記アクリル酸エステル系モノマーが式(1)で表される化学構造式を有し、前記アクリル酸系モノマーが式(2)で表される化学構造式を有することを特徴とする、請求項1に記載の負電極膜。
    Figure 2016091987
    [一般式(1)中、Rは、水素原子又は炭素数1〜20のアルキル基であり、Rは、炭素数1〜20のアルキル基である。]
    Figure 2016091987
    [一般式(2)中、Rは、水素原子又は炭素数1〜20のアルキル基である。]
  3. 前記アクリル酸エステル系モノマーがアクリル酸メチル、アクリル酸エチル、メタアクリル酸ブチル、アクリル酸ブチルからなる群より選ばれる少なくとも一種のものであり、前記アクリル酸系モノマーがアクリル酸、メタアクリル酸、エチルアクリル酸からなる群より選ばれる少なくとも一種のものであることを特徴とする、請求項1に記載の負電極膜。
  4. 前記スチレンモノマーは総モノマー中の質量百分率が10〜40%であり、前記アクリル酸エステル系モノマーは総モノマー中の質量百分率が50〜85%であり、前記アクリル酸系モノマーは総モノマー中の質量百分率が1〜10%であることを特徴とする、請求項1に記載の負電極膜。
  5. 前記負極活物質が黒鉛、メソカーボンミクロスフェア、ハードカーボン、ソフトカーボン、LiTi12、スズ、ケイ素からなる群より選ばれる少なくとも一種のものであることを特徴とする、請求項1に記載の負電極膜。
  6. 前記負極活物質が天然黒鉛、人工黒鉛、メソカーボンミクロスフェア、ハードカーボン、ソフトカーボン、LiTi12、スズ、ケイ素からなる群より選ばれる少なくとも一種のものであることを特徴とする、請求項1に記載の負電極膜。
  7. 前記導電剤が導電性カーボンブラック、グラフェン、カーボンナノチューブからなる群より選ばれる少なくとも一種のものであることを特徴とする、請求項1に記載の負電極膜。
  8. 前記増粘剤がカルボキシメチルセルロースナトリウム及び/又はポリアクリルアミドから選ばれるものであることを特徴とする、請求項1に記載の負電極膜。
  9. 前記増粘剤の電極膜における質量百分率が0.5〜2%であることを特徴とする、請求項1に記載の負電極膜。
  10. 請求項1〜9のいずれかに記載の負電極膜の少なくとも一種のものを含むことを特徴とするリチウムイオン電池。
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