JP2017199510A - リチウムイオン二次電池の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の製造方法により得られるリチウムイオン二次電池に係る負極には、負極活物質やバインダなどを含有する負極合剤層を、集電体の片面または両面に有する構造のものが使用される。
負極活物質としては、例えば、黒鉛〔鱗片状黒鉛などの天然黒鉛;熱分解炭素類、メソフェーズカーボンマイクロビーズ(MCMB)、炭素繊維などの易黒鉛化炭素を2800℃以上で黒鉛化処理した人造黒鉛;など〕、熱分解炭素類、コークス類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物の焼成体、メソカーボンマイクロビーズ、炭素繊維、活性炭、リチウムと合金化可能な金属(Si、Snなど)またはその合金、酸化物などが挙げられ、これらのうちの1種または2種以上を用いることができる。
本発明における負極活物質は、Siを含む負極材料である材料Sを含有していることが望ましい。Siを含む材料Sは、1000mAh/g以上の容量を示し、黒鉛の理論容量と言われる372mAh/gを大幅に上回ることが特徴である。
負極合剤層に係るバインダとしては、例えば、負極の使用電位範囲において、Liに対して電気化学的に不活性であり、他の物質にできるだけ影響を及ぼさない材料が選択される。具体的には、例えば、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ポリビニルアルコール(PVA)、メチルセルロース、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリアクリル酸、およびこれらの誘導体や共重合体などが好適なものとして挙げられる。これらのバインダは1種のみを用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
上記負極合剤層には、更に導電助剤として導電性材料を添加してもよい。このような導電性材料としては、電池内において化学変化を起こさないものであれば特に限定されず、例えば、カーボンブラック(サーマルブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラック等)、炭素繊維、金属粉(銅、ニッケル、アルミニウム、銀等の粉末)、金属繊維、ポリフェニレン誘導体(特開昭59−20971号公報に記載のもの)等の材料を、1種又は2種以上用いることができる。これらの中でも、カーボンブラックを用いることが好ましく、ケッチェンブラックやアセチレンブラックがより好ましい。
負極は、例えば、負極活物質およびバインダ、更には必要に応じて導電助剤を、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)や水などの溶剤に分散させた負極合剤含有組成物を調製し(ただし、バインダは溶剤に溶解していてもよい)、これを集電体の片面または両面に塗布し、乾燥した後に、必要に応じてカレンダ処理を施す工程を経て製造される。ただし、負極の製造方法は、前記の方法に制限される訳ではなく、他の製造方法で製造してもよい。
負極合剤層の厚みは、集電体の片面あたり10〜100μmであることが好ましく、負極合剤層の密度(集電体に積層した単位面積あたりの負極合剤層の質量と、厚みから算出される)は、電池の高容量化を図る意味で1.0g/cm3以上とすることが望ましく、さらに好ましくは1.2g/cm3以上である。また、負極合剤層の密度が高すぎると非水電解液の浸透性が低下するなどの悪影響が生じるので、1.6g/cm3以下とすることが望ましい。また、負極合剤層の組成としては、例えば、負極活物質の量が80〜99質量%であることが好ましく、バインダの量が0.5〜10質量%であることが好ましく、導電助剤を使用する場合には、その量が1〜10質量%であることが好ましい。
負極の集電と負極合剤層を支持するための支持体(負極集電体)としては、例えば銅製やニッケル製の箔などを用い得る。また、負極集電体の一方の面から他方の面へ貫通する貫通孔を有した銅製やニッケル製の箔や、パンチングメタル、網、エキスパンドメタルを用いても良い。負極集電体の厚みの上限は30μmであることが好ましく、機械的強度を確保するために下限は4μmであることが望ましい。
本発明のリチウムイオン二次電池の製造方法に係る正極には、例えば、正極活物質、導電助剤およびバインダを含有する正極合剤層を、正極集電体の片面または両面に有する構造のものを使用することができる。
上記正極に用いる正極活物質は、特に限定されず、リチウム含有遷移金属酸化物等の一般に用いることのできる活物質を使用すればよい。リチウム含有遷移金属酸化物の具体例としては、例えば、LixCoO2、LixNiO2、LixMnO2、LixCoyNi1−yO2、LixCoyM1−yO2、LixNi1−yMyO2、LixMnyNizCo1−y−zO2、LixMn2O4、LixMn2−yMyO4等が例示される。但し、上記の各構造式中において、Mは、Mg、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Al、Ti、Ge及びCrよりなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素であり、0≦x≦1.1、0<y<1.0、2.0<z<1.0である。
上記正極に用いる導電助剤としては、電池内で化学的に安定なものであればよい。例えば、天然黒鉛、人造黒鉛等のグラファイト;アセチレンブラック、ケッチェンブラック(商品名)、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック;炭素繊維、金属繊維等の導電性繊維;アルミニウム粉等の金属粉末;フッ化炭素;酸化亜鉛;チタン酸カリウム等からなる導電性ウィスカー;酸化チタン等の導電性金属酸化物;ポリフェニレン誘導体等の有機導電性材料等が挙げられ、これらを1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、導電性の高いグラファイトと、吸液性に優れたカーボンブラックが好ましい。また、導電助剤の形態としては、一次粒子に限定されず、二次凝集体や、チェーンストラクチャー等の集合体の形態のものも用いることができる。このような集合体の方が、取り扱いが容易であり、生産性が良好となる。
また、正極合剤層に係るバインダには、PVDF、P(VDF−CTFE)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、SBRなどを用いることができる。
上記正極は、例えば、前述した正極活物質、導電助剤及びバインダを、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)等の溶剤に分散させたペースト状やスラリー状の正極合剤含有組成物を調製し(但し、バインダは溶剤に溶解していてもよい。)、これを集電体の片面又は両面に塗布し、乾燥した後に、必要に応じてカレンダ処理を施す工程を経て製造することができる。正極の製造方法は、上記の方法に制限されるわけではなく、他の製造方法で製造することもできる。
正極合剤層の厚みは、例えば、集電体の片面あたり10〜100μmであることが好ましい。また、正極合剤層の組成としては、例えば、正極活物質の量が65〜95質量%であることが好ましく、バインダの量が1〜15質量%であることが好ましく、導電助剤の量が3〜20質量%であることが好ましい。
正極集電体は、例えばアルミニウム製などがあげられる。また、正極集電体の一方の面から他方の面へ貫通する貫通孔を有したアルミニウム製の箔や、パンチングメタル、網、エキスパンドメタルを用いても良い。正極集電体の厚みの上限は30μmであることが好ましく、機械的強度を確保するために下限は4μmであることが望ましい。
また、正極には、必要に応じて、リチウムイオン二次電池内の他の部材と電気的に接続するためのリード体を、常法に従って形成してもよい。
セパレータは、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体などのポリオレフィン;ポリエチレンテレフタレートや共重合ポリエステルなどのポリエステル;などで構成された多孔質膜であることが好ましい。なお、セパレータは、100〜140℃において、その孔が閉塞する性質(すなわちシャットダウン機能)を有していることが好ましい。そのため、セパレータは、融点、すなわち、JIS K 7121の規定に準じて、示差走査熱量計(DSC)を用いて測定される融解温度が、100〜140℃の熱可塑性樹脂を成分とするものがより好ましく、ポリエチレンを主成分とする単層の多孔質膜であるか、ポリエチレンとポリプロピレンとを2〜5層積層した積層多孔質膜などの多孔質膜を構成要素とする積層多孔質膜であることが好ましい。ポリエチレンとポリプロピレンなどのポリエチレンより融点の高い樹脂を混合または積層して用いる場合には、多孔質膜を構成する樹脂としてポリエチレンが30質量%以上であることが望ましく、50質量%以上であることがより望ましい。
上記非水電解液に用いる有機溶媒としては、上記のリチウム塩を溶解し、電池として使用される電圧範囲で分解等の副反応を起こさないものであれば特に限定されない。例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート等の環状カーボネート;ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート等の鎖状カーボネート;プロピオン酸メチル等の鎖状エステル;γ−ブチロラクトン等の環状エステル;ジメトキシエタン、ジエチルエーテル、1,3−ジオキソラン、ジグライム、トリグライム、テトラグライム等の鎖状エーテル;ジオキサン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン等の環状エーテル;アセトニトリル、プロピオニトリル、メトキシプロピオニトリル等のニトリル類;エチレングリコールサルファイト等の亜硫酸エステル類等が挙げられ、これらは2種以上混合して用いることもできる。より良好な特性の電池とするためには、エチレンカーボネートと鎖状カーボネートの混合溶媒等、高い導電率を得ることができる組み合わせで用いることが望ましい。
上記非水電解液に用いるリチウム塩としては、溶媒中で解離してリチウムイオンを形成し、電池として使用される電圧範囲で分解等の副反応を起こしにくいものであれば特に制限はない。例えば、LiClO4、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiSbF6等の無機リチウム塩、LiCF3SO3、LiCF3CO2、Li2C2F4(SO3)2、LiN(CF3SO2)2、LiC(CF3SO2)3、LiCnF2n+1SO3(2≦n≦7)、LiN(RfOSO2)2〔ここで、Rfはフルオロアルキル基〕等の有機リチウム塩等を用いることができる。
また、非水電解液には、充放電サイクル特性の更なる改善や、高温貯蔵性や過充電防止などの安全性を向上させる目的で、ビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、無水酸、スルホン酸エステル、ジニトリル、1,3−プロパンサルトン、ジフェニルジスルフィド、シクロヘキシルベンゼン、ビフェニル、フルオロベンゼン、t−ブチルベンゼン、ホスホノアセテート類化合物、1,3−ジオキサンなどの添加剤(これらの誘導体も含む)を適宜加えることもできる。
本発明における負極活物質は、Siを含む負極材料である材料Sを含有していることが望ましい。Siを含む材料Sは、1000mAh/g以上の容量を示し、黒鉛の理論容量と言われる372mAh/gを大幅に上回ることが特徴である。一方、一般的な黒鉛の充放電効率(90%以上)と比較し、Siを含む材料Sでは初回の充放電効率が80%を下回るものが多く、不可逆容量が増えるためサイクル特性に問題があった。そこであらかじめLi源を負極に導入することが望まれる。
正極充電容量(Cc)は、前記正極活物質の充電容量重量密度(mAh/g)に、リチウムイオン二次電池中に含む正極合剤層中含まれる正極活物質の総質量数グラムを乗算することで求められる。
図5には、積層電極体50に第3電極30を合わせた状態を示す。第3電極集電体32を、積層電極体50の対向する2つの端面を覆う様に、アルファベットC字状に折り曲げている。この時、Li源33は、積層電極体50の端面に配置されるよう第3電極集電体32に張り付けられている。図4、5においては、Li源33を第3電極集電体32の両端面、にそれぞれ配置しているが、片方の面のみであってもよく、積層電極体50の上側(紙面上側)あるいは下側(紙面下側)の端面に配置してもよい。
<電気化学セルの作製>
正極活物質であるLiCoO2:96.5質量部と、バインダであるP(VDF−CTFE)を10質量%の濃度で含むNMP溶液:20質量部と、導電助剤であるアセチレンブラック:1.5質量部とを、二軸混練機を用いて混練し、更にNMPを加えて粘度を調節して、正極合剤含有ペーストを調製した。
正極合剤ペーストをアルミニウム箔(厚み12μm)の片面に塗布、乾燥、プレスし、2×2cmに切り出したものを作用極、3×3cmに切り出したLiを対極とし、さらに非水電解液(エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの体積比3:7の混合溶媒に、LiPF6を1mol/lの濃度で溶解させ、更にビニレンカーボネートを3質量%となる量で添加した溶液)を加え、電気化学セルを作製した。
正極面積当たりの電流密度を0.3mA/cm2とした定電流充電を4.5Vの電位となるまで行い、さらに電流密度が0.03mA/cm2に減衰するまで4.5Vの定電圧充電を行うことで、正極活物質の充電容量重量密度mAh/g(正極活物質1グラム当たりの電気量)を求めた。
電気化学セルの作製で用いたものと同様の正極合剤ペーストをアルミニウム箔(厚み12μm)の両面に塗布し、乾燥を行って、アルミニウム箔の両面に正極合剤層を形成し、プレス処理を行い、所定の大きさで切断して、帯状の正極を得た。なお、アルミニウム箔への正極合剤含有ペーストの塗布の際には、アルミニウム箔の一部が露出するようにし、アルミニウム箔の両面に正極合剤含有ペーストを塗布したものでは、表面で塗布部とした箇所は裏面も塗布部とした。得られた正極の正極合剤層の厚み(アルミニウム箔の両面に正極合剤層を形成したものでは、片面あたりの厚み)は、55μmであった。
図1に示す正極における正極活物質の量は0.136gであった(0.136g×17枚=2.3106g)。
黒鉛A−1(表面を非晶質炭素で被覆していない黒鉛):10質量%と、黒鉛B−1(黒鉛からなる母粒子の表面を、ピッチを炭素源とした非晶質炭素で被覆した黒鉛):10質量%と、SiO表面を炭素材料で被覆した複合体Si−1(平均粒径が8μm、比表面積が7.9m2/gで、複合体における炭素材料の量が20質量%):80質量%を、V型ブレンダーで12時間混合し、負極活物質を得た。
負極面積当たりの電流密度を0.3mA/cm2とした定電流放電を0.01Vの電位となるまで行い、さらに電流密度が0.03mA/cm2に減衰するまで0.01Vの定電圧放電を行うことで、負極の比放電容量mAh/g(負極活物質1グラム当たりの電気量)を求めた。
図4に示すように、第3電極30を以下の通り作製した。一方の面から他方の面へ貫通する貫通孔を有した銅箔(厚みが10μm、貫通孔の直径が0.1mm、気孔率が47%)を38×18mmの大きさに裁断し、2×13mm角の第3電極タブ部31を有する第3電極集電体32を作製した。さらに、厚さが200μmであり、質量が29.94mg(LiP=容量115.60mAh相当)であるLi箔33を、第3電極集電体32の両端面にそれぞれ圧着し、アルファベットのC字状に折りたたんで第3電極30を得た。
負極集電体の片面に負極合剤層を形成した電池用負極2枚、負極集電体の両面に負極合剤層を形成した電池用負極16枚、および正極集電体の両面に正極合剤層を形成した電池用正極17枚を用意した。
正極中の正極活物質の質量を合計で2.0138gに変更した以外は実施例1と同様にして正極を作製した。また、LiP=173.40mAhとなるようにした以外は実施例1と同様にして、第3電極を作製した。
この正極と第3電極を用いた以外は実施例1と同様にして、リチウムイオン二次電池を作製した。この時のCcは372.6mAhであった。
正極中の正極活物質の質量を合計で2.3848gに変更した以外は実施例1と同様にして正極を作製した。また、LiP=101.1mAhとなるようにした以外は実施例1と同様にして、第3電極を作製した。
この正極と第3電極を用いた以外は実施例1と同様にして、リチウムイオン二次電池を作製した。この時のCcは441.2mAhであった。
正極中の正極活物質の質量を合計で1.9396gに変更した以外は実施例1と同様にして正極を作製した。また、LiP=187.8mAhとなるようにした以外は実施例1と同様にして、第3電極を作製した。
この正極と第3電極を用いた以外は実施例1と同様にして、リチウムイオン二次電池を作製した。この時のCcは358.8mAhであった。
正極中の正極活物質の質量を合計で1.8663gに変更した以外は実施例1と同様にして正極を作製した。また、LiP=144.5mAhとなるようにした以外は実施例1と同様にして、第3電極を作製した。
この正極と第3電極を用いた以外は実施例1と同様にして、リチウムイオン二次電池を作製した。この時のCcは345.3mAhであった。
正極中の正極活物質の質量を合計で2.2532gに変更した以外は実施例3と同様にして正極を作製した。また、実施例3と同様にして、第3電極を作製した。
この正極と第3電極を用いた以外は実施例3と同様にして、リチウムイオン二次電池を作製した。この時のCcは416.8mAhであった。
正極中の正極活物質の質量を合計で1.8436gに変更した以外は実施例3と同様にして正極を作製した。また、実施例3と同様にして、第3電極を作製した。
この正極と第3電極を用いた以外は実施例3と同様にして、リチウムイオン二次電池を作製した。この時のCcは341.1mAhであった。
正極中の正極活物質の質量を合計で2.276gに変更した以外は実施例3と同様にして正極を作製した。また、実施例3と同様にして、第3電極を作製した。
この正極と第3電極を用いた以外は実施例3と同様にして、リチウムイオン二次電池を作製した。この時のCcは421.1mAhであった。
(比較例5)
黒鉛A−1と黒鉛B−1を1:1で混合した混合黒鉛:97.3質量%と、SiO表面を炭素材料で被覆した複合体Si−1:2.7質量%を、V型ブレンダーで12時間混合し、負極活物質を得た。この負極活物質を用いたい以外は実施例1と同様にして負極を作製した。材料S(複合体Si−1)の負極活物質中の含有率が少ないため、リチウムのいわゆるプリドープの必要性がなかった。
この負極を用い、第3電極を用いなかった以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
45℃の恒温槽内で1週間保管した後の、実施例および比較例のリチウムイオン二次電池を、25℃の恒温槽内に5時間静置し、その後、各電池について、0.5Cの電流値で4.4Vまで定電流充電し、引き続いて4.4Vで定電圧充電し(定電流充電と定電圧充電との総充電時間が2.5時間)、この時の初回充電容量を求めた。その後に0.2Cの定電流で2.0Vまで放電を行って、初回放電容量を求めた。実施例および比較例のリチウムイオン二次電池の初回充放電効率を、初回放電容量を初回充電容量で除して百分率で表した。
各評価結果を表2に示す。
11 正極合剤層
12 正極集電体
13 タブ部
20 負極
21 負極合剤層
22 負極集電体
23 タブ部
30 第3電極
31 第3電極タブ部
32 第3電極集電体
33 Li箔
40 セパレータ
50 積層電極体
100 リチウムイオン二次電池
101 金属ラミネートフィルム外装体
102 電極体
103 正極外部端子
104 負極外部端子
Claims (4)
- 外装体内に電極体、および非水電解液を有するリチウムイオン二次電池の製造方法であって、
前記電極体は、正極と負極とをセパレータを介して積層又は巻回されており、
前記正極は、正極集電体の片面または両面に正極活物質を含む正極合剤層を有しており、
前記負極は、負極集電体の片面または両面に負極活物質を含む負極合剤層を有しており、
リチウム源を有する第3電極を準備する工程と、
前記第3電極と前記負極とを電気的に短絡させて、前記負極にあらかじめリチウムを導入する工程とを含み、
前記第3電極のリチウム質量を電気量に換算した値(LiP)と、前記負極の負極不可逆容量(Ir)との比(LiP/Ir)が0.8〜1.2であり、
前記正極の正極充電容量(Cc)、前記負極の負極充電容量(Ca)および前記(LiP)から算出されるCc/(Ca−LiP)が、0.82〜0.995であることを特徴とするリチウムイオン二次電池の製造方法。 - 前記正極充電容量(Cc)、負極充電容量(Ca)および負極不可逆容量(Ir)、第3電極のリチウム質量を電気量に換算した値(LiP)から算出される(LiP/Ir)が、0.9〜1.05であり、Cc/(Ca−LiP)が、0.9〜0.99である請求項1に記載のリチウムイオン二次電池の製造方法。
- 前記負極活物質は、Siを含む負極材料である材料Sを少なくとも含有している請求項1〜2に記載のリチウムイオン二次電池の製造方法。
- 前記負極材料である材料Sは、SiとOとを構成元素に含む材料(ただし、Siに対するOの原子比xは、0.5≦x≦1.5である)であり、前記負極は、SiとOとを構成元素に含む材料を負極活物質とし、前記負極が含有する全負極活物質の合計を100質量%としたとき、SiとOとを構成元素に含む前記材料の割合が、10質量%以上である請求項1〜3に記載のリチウムイオン二次電池の製造方法。
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