JP2017033871A - 負極及びリチウムイオン二次電池並びにその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明の負極の製造方法は、集電体に負極活物質を有する負極活物質層を形成する負極活物質層形成工程と、負極活物質層の表面にセラミックス粉末とポリビニルアルコールと(メタ)アクリル系エマルションと水とを含むスラリーを加熱乾燥して保護層を形成する保護層形成工程とを有する。
(集電体)
集電体は、リチウムイオン二次電池の放電又は充電の間、電極に電流を流し続けるための化学的に不活性な電子高伝導体をいう。集電体の材料として、銀、銅、金、アルミニウム、タングステン、コバルト、亜鉛、ニッケル、鉄、白金、錫、インジウム、チタン、ルテニウム、タンタル、クロム、モリブデンから選ばれる少なくとも一種、又はステンレス鋼などの金属材料を例示することができる。集電体は公知の保護層で被覆されていても良い。また集電体の表面を公知の方法で処理したものを集電体として用いてもよい。
負極活物質層は、負極活物質を含み、必要に応じて結着剤及び/又は導電助剤を含む。
保護層形成工程は、負極活物質層の表面にセラミックス粉末とポリビニルアルコールと(メタ)アクリル系エマルションと水とを含むスラリーを加熱乾燥して保護層を形成する。
保護層は、負極活物質層の表面に配置され、セラミックス粉末とポリビニルアルコールと(メタ)アクリル系エマルションと水とを含むスラリーを加熱乾燥して形成されたものである。また必要に応じて上記スラリー中に水溶性(メタ)アクリル系樹脂を含ませてもよい。
本発明の負極は、集電体と、集電体の表面に配置され、負極活物質を有する負極活物質層と、負極活物質層の表面に配置された保護層とからなり、保護層は、セラミックス粉末とポリビニルアルコールと(メタ)アクリル系樹脂硬化物とを含み、保護層において保護層を100質量%としたときのセラミックス粉末の含有量は70質量%以上99質量%以下であり、セラミックス粉末の平均粒径D50は100nm以上1μm以下であることを特徴とする。
本発明のリチウムイオン二次電池は、上記負極を有する。本発明のリチウムイオン二次電池は、電池構成要素として、正極、負極、セパレータ、電解液を有する。
正極は、集電体と、集電体に配置された正極活物質層とを有する。集電体は上記で説明したものと同様のものが使用できる。
セパレータは正極と負極とを隔離し、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。セパレータは、例えばポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、あるいはポリエチレンなどの合成樹脂製の多孔質膜、又はセラミックス製の多孔質膜が使用できる。
電解液は、溶媒とこの溶媒に溶解された電解質とを含んでいる。
セラミックス粉末として、Al2O3粉末(住友大阪セメント株式会社製、平均粒径D50:650nm)を準備した。
Joncryl−PDX−7430:常温自己架橋タイプ,不揮発分:38.0%、粘度:50(mPa・s)、pH:8.0、固形分酸価:21(mgKOH/g)、Tg:34℃、最低造膜温度:44℃、平均粒径:0.12μm、分子量(MW):>2×106、比重:1.04(g/cc)
(保護層形成用スラリーA)
蒸留水1079質量部をステンレス容器に秤量し、水溶性(メタ)アクリル系樹脂であるスチレンーアクリル共重合体(BASFジャパン株式会社製、品番:Joncryl−63J)を20.2質量部入れて、スチレンーアクリル共重合体を蒸留水に溶解した。この水溶液にAl2O3粉末540質量部を添加し、ホモディスパー(プライミクス株式会社製)で回転数1500rpmで60分攪拌して、Al2O3粉末を分散させた分散液を得た。この分散液に、自己架橋性基を有する(メタ)アクリル系エマルション(BASFジャパン株式会社製Joncryl−PDX−7430)79.8質量部と、ポリビニルアルコール水溶液(不揮発分:10.0%)303.4質量部を添加し、ホモディスパーで回転数1500rpmで更にそのまま60分間攪拌して、保護層形成用スラリーAを得た。保護層形成用スラリーAの固形分濃度は30質量%であった。
蒸留水1064質量部、スチレンーアクリル共重合体(BASFジャパン株式会社製、品番:Joncryl−63J)の添加量を4.0質量部、自己架橋性基を有する(メタ)アクリル系エマルション(BASFジャパン株式会社製Joncryl−PDX−7430)86.2質量部と、ポリビニルアルコール水溶液(不揮発分:10.0%)327.6質量部とした以外は保護層形成用スラリーAと同様にして保護層形成用スラリーBを得た。保護層形成用スラリーBの固形分濃度は30質量%であった。
蒸留水1152質量部、スチレンーアクリル共重合体(BASFジャパン株式会社製、品番:Joncryl−63J)の添加量を101.1質量部、自己架橋性基を有する(メタ)アクリル系エマルション(BASFジャパン株式会社製Joncryl−PDX−7430)47.9質量部と、ポリビニルアルコール水溶液(不揮発分:10.0%)182質量部とした以外は保護層形成用スラリーAと同様にして保護層形成用スラリーCを得た。保護層形成用スラリーCの固形分濃度は30質量%であった。
蒸留水1076質量部をステンレス容器に秤量し、ポリビニルアルコール水溶液(不揮発分:10.0%)333.7質量部入れて、ポリビニルアルコールを蒸留水に溶解した。この水溶液にAl2O3粉末540質量部を添加し、ホモディスパー(プライミクス株式会社製)で回転数1500rpmで60分攪拌して、Al2O3粉末を分散させた分散液を得た。この分散液に自己架橋性基を有さない(メタ)アクリル系エマルション(BASFジャパン株式会社製Joncryl−537J)72.5質量部を添加し、ホモディスパーで回転数1500rpmで更にそのまま60分間攪拌して、保護層形成用スラリーDを得た。保護層形成用スラリーDの固形分濃度は30質量%であった。
蒸留水815質量部、(メタ)アクリル系エマルションを添加しないこと、及びポリビニルアルコール水溶液(不揮発分:10.0%)の添加量を667.4質量部としたこと以外は保護層形成用スラリーDと同様にして保護層形成用スラリーEを得た。保護層形成用スラリーEの固形分濃度は30質量%であった。
蒸留水1260質量部、PVAと(メタ)アクリル系エマルションとを添加しないこと、及びスチレンーアクリル共重合体(BASFジャパン株式会社製、品番:Joncryl−63J)の添加量を222.5質量部としたこと以外は保護層形成用スラリーAと同様にして保護層形成用スラリーFを得た。保護層形成用スラリーFの固形分濃度は30質量%であった。
蒸留水1061質量部、スチレンーアクリル酸共重合体を添加しないこと、自己架橋性基を有する(メタ)アクリル系エマルション(BASFジャパン株式会社製Joncryl−PDX−7430)87.8質量部、及びポリビニルアルコール水溶液(不揮発分:10.0%)333.7質量部としたこと以外は保護層形成用スラリーAと同様にして保護層形成用スラリーGを作製しようとしたが、ゲル化してスラリーが得られなかった。
蒸留水1307質量部をステンレス容器に秤量し、自己架橋性基を有する(メタ)アクリル系エマルション(BASFジャパン株式会社製Joncryl−PDX−7430)175.6質量部を入れて(メタ)アクリル系エマルションを蒸留水で希釈した。この(メタ)アクリル系エマルションにAl2O3粉末540質量部を添加し、ホモディスパー(プライミクス株式会社製)で回転数1500rpmで60分攪拌して、保護層形成用スラリーHを作製しようとしたが、ゲル化してスラリーが得られなかった。
蒸留水1338質量部をステンレス容器に秤量し、自己架橋性基を有さない(メタ)アクリル系エマルション(BASFジャパン株式会社製Joncryl−537J)145.1質量部を入れて(メタ)アクリル系エマルションを蒸留水で希釈した。この(メタ)アクリル系エマルションにAl2O3粉末540質量部を添加し、ホモディスパー(プライミクス株式会社製)で回転数1500rpmで60分攪拌して、保護層形成用スラリーIを作製しようとしたが、ゲル化してスラリーが得られなかった。
保護層形成用スラリーA〜Iを作製したあと、蒸留水で測定可能濃度まで希釈し、スラリー中の各Al2O3粉末の粒子径をレーザー回析法による粒度分布測定を行って求めた。粒子径がD90において5μm以下であれば、分散性が○と判定した。また5μmより大きな粒子が見られた場合は△と判定した。また分散していないまたはゲル化した場合は×と判定した。結果を表2に示す。
保護層形成用スラリーA〜Iを各サンプル瓶に入れて常温で3日間静置した。その後目視で沈殿があるかどうかを確認した。沈殿がなかったものを○、一部沈殿が観察されたものを△、水相と固相に分離してしまったものを×と判定した。また保存安定性が△と判定されたものであっても実用的には全く問題ないことを確認した。結果を表2に示す。
各スラリーを、下記の方法で作製した負極活物質層が形成された銅箔にドクターブレードを用いて一定量塗布し、その塗工ムラを目視で観察した。塗工ムラがみられなかったものを○、塗工ムラが観察されたものを△と判定した。結果を表2に示す。
保護層形成用スラリーA〜Fを用いてリチウムイオン二次電池を作製した。
負極活物質として、平均粒径D50が5μmのSiO及び天然黒鉛(平均粒径D50が20μmのSMG(日立化成工業株式会社製)以下、SMGと称す。)を準備した。結着剤としてポリアミドイミド樹脂(以下、PAIと称す。)(荒川化学工業株式会社製)を準備した。導電助剤としてアセチレンブラック(以下、ABと称す。)を準備した。
保護層形成用スラリーAの代わりに保護層形成用スラリーBを用いて実施例2の負極を作製し、実施例2の負極を用いた以外は実施例1のラミネート型リチウムイオン二次電池と同様にして実施例2のラミネート型リチウムイオン二次電池を作製した。
保護層形成用スラリーAの代わりに保護層形成用スラリーCを用いて実施例3の負極を作製し、実施例3の負極を用いた以外は実施例1のラミネート型リチウムイオン二次電池と同様にして実施例3のラミネート型リチウムイオン二次電池を作製した。
保護層形成用スラリーAの代わりに保護層形成用スラリーDを用いて実施例4の負極を作製し、実施例4の負極を用いたた以外は実施例1のラミネート型リチウムイオン二次電池と同様にして実施例4のラミネート型リチウムイオン二次電池を作製した。
保護層形成用スラリーAの代わりに保護層形成用スラリーEを用いて比較例1の負極を作製し、比較例1の負極を用いた以外は実施例1のラミネート型リチウムイオン二次電池と同様にして比較例1のラミネート型リチウムイオン二次電池を作製した。
保護層形成用スラリーAの代わりに保護層形成用スラリーFを用いて比較例2の負極を作製し、比較例2の負極を用いた以外は実施例1のラミネート型リチウムイオン二次電池と同様にして比較例2のラミネート型リチウムイオン二次電池を作製した。
負極として負極Aを用いた以外は実施例1のラミネート型リチウムイオン二次電池と同様にして比較例3のラミネート型リチウムイオン二次電池を作製した。
実施例1〜4及び比較例1〜3のラミネート型リチウムイオン二次電池の初期容量を測定した。充電は、25℃において0.33Cレート、電圧4.5VでCCCV充電(定電流定電圧充電)、CV時間2.5時間をした。放電の際は2.5Vまで、0.33CレートでCCCV放電(定電流定電圧放電)、CV時間2.5時間を行った。この時の放電容量を測定し、初期容量とした。比較例3のラミネート型リチウムイオン二次電池の初期容量と実施例1〜4及び比較例1〜2のラミネート型リチウムイオン二次電池の初期容量とを比較し、実施例1〜4及び比較例1〜2のラミネート型リチウムイオン二次電池の初期容量が比較例3のラミネート型リチウムイオン二次電池の初期容量の95%以上であれば初期容量が低下しなかったと判断し、○とした。結果を表3に示す。
充放電容量を測定後の実施例1〜4及び比較例1〜2のラミネート型リチウムイオン二次電池を解体して負極の保護層が剥離しているかどうかを目視で確認した。保護層が剥離していなかったものを○とし、保護層が一部剥離したものを△とした。結果を表3に示す。
Claims (9)
- 集電体に負極活物質を有する負極活物質層を形成する負極活物質層形成工程と、
前記負極活物質層の表面にセラミックス粉末とポリビニルアルコールと(メタ)アクリル系エマルションと水とを含むスラリーを加熱乾燥して保護層を形成する保護層形成工程とを有することを特徴とする負極の製造方法。 - 前記(メタ)アクリル系エマルションは自己架橋性基を有し、かつ前記スラリーはさらに水溶性(メタ)アクリル系樹脂を含む請求項1に記載の負極の製造方法。
- 前記(メタ)アクリル系エマルションは自己架橋性基を有さず、かつ前記スラリーは水溶性(メタ)アクリル樹脂を有さない請求項1に記載の負極の製造方法。
- 前記保護層において前記保護層を100質量%としたときの前記セラミックス粉末の含有量は70質量%以上99質量%以下である請求項1〜3のいずれか一項に記載の負極の製造方法。
- 前記セラミックス粉末の平均粒径D50は100nm以上1μm以下である請求項1〜4のいずれか一項に記載の負極の製造方法。
- 前記負極活物質は珪素系材料を含む請求項1〜5のいずれか一項に記載の負極の製造方法。
- 請求項1〜6のいずれか一項に記載の製造方法で製造された負極を用いるリチウムイオン二次電池の製造方法。
- 集電体と、
該集電体の表面に配置され、負極活物質を有する負極活物質層と、
該負極活物質層の表面に配置された保護層とからなり、
該保護層は、セラミックス粉末とポリビニルアルコールと(メタ)アクリル系樹脂硬化物とを含み、
前記保護層において前記保護層を100質量%としたときの前記セラミックス粉末の含有量は70質量%以上99質量%以下であり、
前記セラミックス粉末の平均粒径D50は100nm以上1μm以下であることを特徴とする負極。 - 請求項8に記載の負極を有するリチウムイオン二次電池。
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