JP2016191102A - 安定化リチウム粉、及びそれを用いたリチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、ドープ工程においてリチウムの不均一なドープが進行していることが原因だということを見出した。
本実施形態の安定化リチウム粉は、リチウム粒子の表面に被膜を有する安定化リチウム粉であって、安息角が35度以下であることを特徴とする。
本実施形態の安定化リチウム粉は、炭化水素オイルにリチウムインゴットを投入し、これをリチウムの融点以上に加熱し、この溶融リチウム−炭化水素オイル混合物を十分な時間撹拌して分散液を作ったのち、撹拌を続けた状態で徐々に冷却し、この分散液が十分に冷却された状態で二酸化炭素(CO2)を接触させて表面に安定被膜を形成し、これを乾燥することによって製造される。撹拌には2台の攪拌機を用いており、互いの攪拌方向を逆向きになるように撹拌が行われる。なお、前記安定化被膜中にパーフルオロ基を有する界面活性剤がリチウム塩化した化合物を導入する場合にはパーフルオロ基を有する界面活性剤を添加した炭化水素オイルを用いて製造される。
負極20は後述するように負極用集電体22上に負極活物質層24を形成することで作製することができる。
負極用集電体22は、導電性の板材であればよく、例えば、銅、ニッケル又はそれらの合金、ステンレス等の金属薄板(金属箔)を用いることができる。
負極活物質層24は、負極活物質、負極用バインダ、及び、必要に応じた量の負極用導電助剤から主に構成されるものである。
負極活物質としては酸化シリコン(SiOx)、金属シリコン(Si)等が挙げられる。
負極用バインダは、負極活物質同士を結合すると共に、負極活物質と集電体22とを結合している。バインダは、上述の結合が可能なものであればよく、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素樹脂が挙げられる。更に、上記の他に、バインダとして、例えば、セルロース、スチレン・ブタジエンゴム、エチレン・プロピレンゴム、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂等を用いてもよい。また、バインダとして電子伝導性の導電性高分子やイオン伝導性の導電性高分子を用いてもよい。電子伝導性の導電性高分子としては、例えば、ポリアセチレン等が挙げられる。この場合は、バインダが導電助剤粒子の機能も発揮するので導電助剤を添加しなくてもよい。イオン伝導性の導電性高分子としては、例えば、リチウムイオン等のイオンの伝導性を有するものを使用することができ、例えば、高分子化合物(ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド等のポリエーテル系高分子化合物、ポリフォスファゼン等)のモノマーと、LiClO4、LiBF4、LiPF6等のリチウム塩又はリチウムを主体とするアルカリ金属塩と、を複合化させたもの等が挙げられる。複合化に使用する重合開始剤としては、例えば、上記のモノマーに適合する光重合開始剤または熱重合開始剤が挙げられる。
負極用導電助剤も、負極活物質層24の導電性を良好にするものであれば特に限定されず、公知の導電助剤を使用できる。例えば、黒鉛、カーボンブラック等の炭素系材料や、銅、ニッケル、ステンレス、鉄等の金属微粉、炭素材料及び金属微粉の混合物、ITO等の導電性酸化物が挙げられる。
(負極の製造方法)
負極活物質と、導電助剤と、バインダとを水またはN−メチル−2−ピロリドンなどの溶媒に混合分散させてペースト状の負極スラリーを作製する。次いで、この負極スラリーを例えばコンマロールコーターを用いて、所定の厚みを有する負極スラリーを銅箔などの負極集電体の片面または両面に塗布し、乾燥炉内にて溶媒を蒸発させる。なお、負極集電体の両面に塗布された場合、負極活物質層となる塗膜の厚みは、両面とも同じ膜厚であることが望ましい。上記負極活物質が形成されたシートをローラープレスによって加圧成形し、真空中で熱処理することで負極となる。
(負極へのリチウムのドープ方法)
リチウムをドープした負極は、上記安定化リチウム粉が分散した分散液を、負極集電体上に形成した負極活物質層の上に塗布し、乾燥後にこれをプレスすることで負極活物質へのリチウムのドープが進行し、作製される。安定化リチウム粉の分散には脱水した溶媒、例えばN−メチルピロリドン、トルエン、キシレン、メチルエチルケトンなどを用いることができる。
正極10は後述するように正極用集電体12上に正極活物質層14を形成することで作製することができる。
正極用集電体12は、導電性の板材であればよく、例えば、アルミニウム又はそれらの合金、ステンレス等の金属薄板(金属箔)を用いることができる。
正極活物質層14は、正極活物質、正極用バインダー、及び、必要に応じた量の正極用導電助剤から主に構成されるものである。
正極活物質としては、リチウムイオンの吸蔵及び放出、リチウムイオンの脱離及び挿入(インターカレーション)、又は、リチウムイオンと該リチウムイオンのカウンターアニオン(例えば、PF6 −)とのドープ及び脱ドープを可逆的に進行させることが可能であれば特に限定されず、公知の電極活物質を使用できる。例えば、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、リチウムマンガンスピネル(LiMn2O4)、及び、一般式:LiNixCoyMnzMaO2(x+y+z+a=1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、0≦a≦1、MはAl、Mg、Nb、Ti、Cu、Zn、Crより選ばれる1種類以上の元素)で表される複合金属酸化物、リチウムバナジウム化合物(LiV2O5)、オリビン型LiMPO4(ただし、Mは、Co、Ni、Mn、Fe、Mg、Nb、Ti、Al、Zrより選ばれる1種類以上の元素又はVOを示す)、チタン酸リチウム(Li4Ti5O12)、LiNixCoyAlzO2(0.9<x+y+z<1.1)等の複合金属酸化物が挙げられる。
正極用バインダーとしては特に限定は無く、上記で記載した負極用バインダーと同様のものを用いることが出来る。
正極用導電助剤としては特に限定は無く、上記で記載した負極用導電助剤と同様のものを用いることが出来る。
<電解質>
電解質としては、LiPF6、LiClO4、LiBF4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiCF3、CF2SO3、LiC(CF3SO2)3、LiN(CF3SO2)2、LiN(CF3CF2SO2)2、LiN(CF3SO2)(C4F9SO2)、LiN(CF3CF2CO)2、LiBOB等の塩が使用できる。なお、これらの塩は1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
図1に本実施形態のリチウムイオン二次電池の模式断面図を示す。
(安定化リチウム粉の作製)
ステンレススチール樹脂フラスコ反応器に関東化学社のリチウムインゴット100gおよびWitco社のCarnation炭化水素オイルと炭化水素オイルに対して3M社のパーフルオロ基を有する界面活性剤を加え、容器内を乾燥アルゴンで置換した。次いでこの反応器を195℃まで加熱し、リチウムを溶融させた後、この混合物を撹拌した。撹拌には2台の攪拌機を用いており、互いの攪拌方向を逆向きとし10分間、2000rpmで撹拌した後、撹拌を維持したまま1時間かけて室温まで冷却した。冷却後、二酸化炭素100gを攪拌を続けたまま5分を掛けて表面に供給して充填した。二酸化炭素が全て添加された時にこの攪拌を中止し、得られた粉末をヘキサンで洗浄することで安定化リチウム粉を得た。
負極活物質としてSiOx83質量部、導電助剤としてアセチレンブラック2質量部、バインダとしてポリアミドイミド15質量部、及び溶剤としてN−メチルピロリドン82質量部を混合し、活物質層形成用のスラリーを調製した。このスラリーを、集電体として厚さ14μmの銅箔の一面に塗布し、100℃で乾燥後、ローラープレスによって加圧成形し、真空中、350℃で3時間熱処理することで負極活物質層が22μmである負極を得た。
上記の方法で作製した安定化リチウム粉を脱水したN−メチルピロリドンに分散させ分散液とし、これを露点マイナス50℃〜マイナス40℃のドライルーム中において負極活物質層上に塗布し、乾燥させた後、ハンドプレスによって負極へリチウムをドープさせ、リチウムがドープされた負極を得た。
上記で作製した負極と、正極として銅箔にリチウム金属箔を貼り付けた対極とを、それらの間にポリエチレン微多孔膜からなるセパレータを挟んでアルミラミネートパックに入れ、このアルミラミネートパックに、電解液として1MのLiPF6溶液(溶媒:エチレンカーボネート/ジエチルカーボネート=3/7(体積比))を注入した後、真空シールし、評価用のリチウムイオン二次電池を作製した。
安定化リチウム粉の製造条件を下記表1に示すものに変更した以外は実施例1と同様として、実施例2〜15の安定化リチウム粉を得た。なお、実施例8、9に関してはパーフルオロ基を有する界面活性剤を加えずに製造を行った。また、得られた安定化リチウム粉を用いて、実施例1と同様にして実施例2〜15の評価用リチウムイオン二次電池を作製した。なお安定化リチウム粉のD10/D50およびD50の制御は撹拌速度および撹拌時間を調節することにより行った。
安定化リチウム粉の製造条件を下記表1に示すものに変更し、パーフルオロ基を有する界面活性剤を加えずに製造を行っており、撹拌に関しては1台の攪拌機を用いて通常の撹拌を行った以外は実施例1と同様として、比較例1の安定化リチウム粉を得た。また、得られた安定化リチウム粉を用いて、実施例1と同様にして比較例1の評価用リチウムイオン二次電池を作製した。
ステンレススチール樹脂フラスコ反応器に比較例1で作製した安定化リチウム粉100gおよびPeneteck(商標)油(Penreco,Division of the Penzoil Products Company)を加え、容器内を乾燥アルゴンで置換した。次いでこの反応器を100℃まで加熱し、100℃に達した時点で加熱を終了した。800rpmで撹拌しながらフッ素化剤FC70(ペルフルオロペンチルアミン)を反応器に装入し、分散液が45℃に冷却するまで撹拌を続けた。撹拌終了後に、得られた粉末をヘキサンで洗浄することで安定化被膜中にフッ化リチウムを含む安定化リチウム粉を得た。得られた安定化リチウム粉を用いて、実施例1と同様にして比較例2の評価用リチウムイオン二次電池を作製した。
実施例1〜15および比較例1、2で作製した安定化リチウム粉について、安息角の測定を行った。ここで安息角とは一定の高さから粉体を落下させて、自発的に崩れることなく安定を保つ時に形成する粉体の山の斜面と水平面とのなす角度のことを示す。安息角の測定は露点マイナス50℃〜マイナス40℃のドライルーム中において次のように行った。安定化リチウム粉1gを出口径4mmのロートを通過させ、ロート出口より2cm下方にある平板上に落下し、堆積させ、この堆積物を写真撮影して写真上で安定化リチウム粉の山の斜面と水平面のなす角度を測定した。
実施例1〜15および比較例1、2で作製した安定化リチウム粉について、光学顕微鏡を用いて安定化リチウム粉を観察した。得られた観察像を二値化し、画像解析によって安定化リチウム粉のD50、平均円形度およびD10/D50を求めた。最低500個以上の安定化リチウム粉に対して上記画像解析を行った。また円形度Cは、安定化リチウム粉の面積をS、周囲長をLとしたとき、C=4πS/L2で定義する。実施例1〜15で作製した安定化リチウム粉の平均円形度はすべてC≧0.70であった。
実施例1〜15および比較例1、2で作製した安定化リチウム粉について、X線光電子分光分析および19FNMRを用いて前記安定化リチウム粉の被膜の定性分析を行った。結果を表1に示す。
0.5Cの電流値での充放電を1サイクルとし、300サイクルの充放電を行い、サイクル特性として、300サイクル後の容量維持率を300サイクル時放電容量/初期放電容量より求めた。結果を表1に示す。
Claims (5)
- リチウム粒子の表面に被膜を有する安定化リチウム粉であって、安息角が35度以下であることを特徴とする安定化リチウム粉。
- 前記安定化リチウム粉は、個数基準累積粒度分布の微粒側から累積10%、累積50%の粒径をD10、D50としたとき、D10/D50≧0.64であることを特徴とする請求項1に記載の安定化リチウム粉。
- 前記被膜は、パーフルオロ基を有する界面活性剤がリチウム塩化した化合物を含むことを特徴とする請求項1または2に記載の安定化リチウム粉。
- 前記安定化リチウム粉は、D50≧38umであることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の安定化リチウム粉。
- 請求項1ないし4のいずれか1項に記載の安定化リチウム粉を用いてリチウムをドープした負極と、正極と、電解質と、を有するリチウムイオン二次電池。
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