JP2018120811A - リチウムイオン二次電池およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 充放電サイクル特性に優れたリチウムイオン二次電池と、その製造方法を提供する。【解決手段】 本発明のリチウムイオン二次電池は、正極、負極およびセパレータを有する巻回電極体と、負極へのLiイオンのドープに利用されるプレドープ用電極とを備え、負極は、Siを含む材料Sを負極活物質として含有し、プレドープ用電極は、少なくとも一部が巻回電極体の端面と対向するように配置され、かつ負極と電気的に導通しており、正極は、LiとLi以外の金属Mで構成される金属酸化物を含む正極活物質として含有し、セパレータは、熱可塑性樹脂を主体とする多孔質膜(I)と、耐熱温度が150℃以上のフィラーを主体として含む多孔質層(II)とを有し、かつ接着層を有しており、0.1Cの放電電流レートで電圧が2.0Vに達するまで放電した時の、正極活物質に含まれるLiとLi以外の金属Mとのモル比率(Li/M)が0.8〜1.05である。【選択図】 図3
Description
本発明は、充放電サイクル特性に優れたリチウムイオン二次電池と、その製造方法に関するものである。
リチウムイオン二次電池は、高電圧・高容量であることから、その発展に対して大きな期待が寄せられている。こうした事情から、電池反応に関与する正極活物質や負極活物質、非水電解液、正極や負極で使用されるバインダなど、電池に使用される種々の材料についての改良が行われている。
特に最近では、小型化および多機能化した携帯機器用のリチウムイオン二次電池について更なる高容量化が望まれており、これを受けて、負極活物質を、従来から汎用されている黒鉛から、低結晶性炭素、Si(シリコン)、Sn(錫)などのように、より多くのLi(リチウム)を収容可能な材料(以下、「高容量負極材料」ともいう)へ変更することも検討されている。
ところが、高容量負極材料を用いて構成した電池では、一般に、充電によって正極から放出されたLiのうち、高容量負極材料に取り込まれて次の放電時に放出されずに残留するものの割合が大きく、電池が本来備えている容量を十分に引き出し得ないといった問題が生じやすい。
このような電池の不可逆容量を小さくするために、負極(負極合剤層)にLiイオンをドープ(プレドープ)して、電池の充放電時に正極と負極との間を行き来できるLiの割合を高める技術も検討されている。
負極へのLiイオンのプレドープ法としては、例えば、Liを、正負極の合剤層面と対面させて配置したり、積層電極体や巻回電極体の端面に配置したりすることで、負極へLiイオンをドープする方法が知られている(特許文献1〜5)。
ところが、負極にLiイオンをドープすると、負極の硬度が増大し、また、負極が膨張してしまうため、これらによって電池の充放電サイクル特性低下が引き起こされる問題もある。
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、充放電サイクル特性にも優れたリチウムイオン二次電池と、その製造方法とを提供することにある。
前記目的を達成し得た本発明のリチウムイオン二次電池は、正極および負極を、セパレータを介して巻回した巻回電極体と、前記負極へのLiイオンのドープに利用されるプレドープ用電極とを有し、前記負極は、負極活物質を含有する負極合剤層を、負極集電体の少なくとも一方の面に有しており、前記負極活物質は、Siを含む材料Sを含有し、前記負極合剤層中に含まれる全負極活物質の合計を100質量%としたとき、前記材料Sの含有率が5質量%以上であり、前記プレドープ用電極は、その少なくとも一部が前記巻回電極体の巻回軸方向に垂直な端面と対向するように配置されており、かつ前記負極と電気的に導通しており、前記正極は、正極活物質としてLiとLi以外の金属Mで構成される金属酸化物を含む正極合剤層を、正極集電体の少なくとも一方の面に有しており、前記セパレータは、熱可塑性樹脂を主体とする多孔質膜(I)と、耐熱温度が150℃以上のフィラーを主体として含む多孔質層(II)とを有し、かつ片面または両面に接着層を有しており、0.1Cの放電電流レートで電圧が2.0Vに達するまで放電した時の、前記正極活物質に含まれるLiとLi以外の金属Mとのモル比率(Li/M)が0.8〜1.05であることを特徴とするものである。
本発明のリチウムイオン二次電池は、Li供給源を有する前プレドープ用電極を使用し、かつ前記プレドープ用電極を、その前記Li供給源が前記巻回電極体の巻回軸方向に垂直な端面と対向するように配置し、前記負極と前記プレドープ用電極とを電気的に導通させることで前記Li供給源から前記負極へLiイオンをドープする工程を有する本発明法によって製造することができる。
本発明によれば、充放電サイクル特性にも優れたリチウムイオン二次電池と、その製造方法とを提供することができる。
本発明のリチウムイオン二次電池に係る負極は、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を有しており、負極合剤層にLiイオンをドープ(プレドープ)したものである。
本発明に係る負極活物質は、Siを含む材料Sを含有している。SiはLiと合金化することでLiイオンが導入されることが知られているが、同時にLiイオン導入時の体積膨張が大きいことでも知られている。
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は90%以上であるが、材料Sでは初回の充放電効率が80%を下回るものが多い。よって、材料Sを負極活物質として用いた電池では、充電によって正極から脱離して負極に取り込まれたLiのうち、放電時に正極に戻ることのできる割合が、黒鉛を負極活物質とする電池に比べて小さく、不可逆容量が増えるため、充放電サイクル特性に問題があった。このようなことから、材料Sを負極活物質として使用する場合、あらかじめLiイオンを負極(負極合剤層)にドープすることが好ましい。
負極にLiイオンをドープする方法としては、負極合剤層に金属リチウム箔を貼り付けたり、負極合剤層にLi蒸着層を形成したりするなどして、負極合剤層を形成した後にこの合剤層と面対向するようにLi源を配置し、電気化学的接触(短絡)させてLiイオンを導入する方法が一般的であった。
ところが、例えば、複数枚の正極と複数枚の負極とを、セパレータを介して積層した積層電極体を使用する電池において、前記の方法でLiイオンをドープするには、積層電極体内の負極合剤層ごとにLi源を配置する必要があることから、生産効率が劣ってしまう。
他方、正極および負極の合剤層の支持体となる集電体に、一方の面から他方の面へ貫通する孔を有するものを使用することも考えられ、その場合、積層電極体の積層方向の最外面にのみLi源を面対向させることで、各電極の集電体の貫通孔を通って積層電極体全体にLiイオンが拡散するため、全ての負極にLiイオンを導入することができる。しかしながら、材料SはLiイオンを多く受け入れることができる分、Liイオン受け入れに伴う膨張が顕著であるため、Li源と最も近い負極の負極合剤層は、最も多くのLiイオンを受け入れて大きく膨張し、負極集電体との接着状態を保てなくなって脱落してしまうことがある。
そこで、本発明では、正極と負極とをセパレータを介して積層してから渦巻状に巻回した巻回電極体を使用し、その巻回軸方向の端面に、負極へのLiイオンをドープするためのLi供給源を配置することとした。この場合、Li供給源から非水電解液中に溶出したLiイオンが、巻回電極体のセパレータの空孔を通じて各負極の負極合剤層へ拡散する。そのため、Li供給源を多数導入する操作が不要となって、その煩雑性を排除でき、また、一部の負極に係る負極合剤層が過度に膨張して集電体との接着状態が損なわれてしまうことを抑制できる。また、本発明では、正極および負極の集電体において、貫通孔の形成が不要となるため、特に負極の集電体を、電池の充放電に伴う負極活物質の膨張収縮、引いては負極合剤層の膨張収縮に十分に耐え得る構成のものを適用できる。
なお、電池内において、負極にLiイオンをドープすると、負極(その負極合剤層)は硬度が増大する。Liイオンのドープを要するような負極活物質は、電池の充放電に伴う膨張・収縮量が大きく、これを含有する負極合剤層も、Liイオンのプレドープや電池の充放電に伴って大きく膨張・収縮するが、例えばこの膨張時に、正極との間に介在するセパレータを、硬度が増大した負極合剤層が傷つけることで、微短絡が生じてしまう。そのため、負極合剤層にLiイオンをドープした負極を有する電池では、充放電の繰り返しによる容量低下が生じやすい。
そこで、本発明のリチウムイオン二次電池では、熱可塑性樹脂を主体とする多孔質膜(I)と、耐熱温度が150℃以上のフィラーを主体として含む多孔質層(II)とを有する積層型のセパレータを使用することとした。このような積層型のセパレータは、通常のリチウムイオン二次電池に汎用されているポリオレフィン製の微多孔膜製のセパレータに比べて強度が大きいため、硬度が増し、かつ膨張した負極合剤層が接触しても傷が付き難い。よって、本発明のリチウムイオン二次電池では、充放電の繰り返しに伴う微短絡の発生を抑制することができる。
また、本発明のリチウムイオン二次電池では、前記積層型のセパレータの片面または両面に接着層を有しており、巻回電極体の形成時に、セパレータの接着層によってセパレータと電極とを一体化させることができる。これにより、電池の充放電を繰り返しても、巻回電極体の形状変化を抑制することができる。
本発明のリチウムイオン二次電池では、負極に係る負極合剤層にLiイオンをドープすることにより、負極の不可逆容量の低減による高容量化を達成しつつ、セパレータによる前記の微短絡発生作用と巻回電極体の形状変化の抑制作用とが相俟って、優れた充放電サイクル特性を確保することができる。また、本発明のリチウムイオン二次電池では、前記のようなセパレータの傷付きを抑制できることから、安全性も向上する。
本発明においては、巻回電極体の形状には特に制限はなく、横断面(巻回軸方向に垂直な横断面)が円形や楕円形のもの、更には横断面が扁平状のものなどが挙げられるが、負極合剤層へのLiイオンのドープによる電池の充放電サイクル特性への影響がより大きい横断面が扁平状の扁平状巻回電極体の場合に、電池の充放電サイクル特性の向上効果が特に顕著となる。
なお、負極にLiイオンをドープ(プレドープ)したことは、電池を0.1Cの放電電流レートで電圧が2.0Vに達するまで放電したときに、正極活物質に含まれるLiとLi以外の金属Mとのモル比(Li/M)によって把握することができる。本発明のリチウムイオン二次電池においては、モル比Li/Mが、0.8以上1.05以下である。前記複合体を負極活物質とし、負極にLiイオンをプレドープしていない電池においては、モル比Li/Mが前記下限値よりも小さくなる。
0.1Cの放電電流レートで電圧が2.0Vに達するまで放電した時の正極活物質の組成分析は、ICP(Inductive Coupled Plasma)法を用いて以下のように行うことができる。まず、測定対象となる正極活物質を0.2g採取して100mL容器に入れる。その後、純水5mL、王水2mL、純水10mLを順に加えて加熱溶解し、冷却後に更に純水で25倍に希釈し、JARRELASH社製のICP分析装置「ICP−757」を用いて、検量線法により組成を分析する。得られた結果から、組成量を導くことができる。後述する実施例に記載のモル比Li/Mは、この方法によって求めた値である。
なお、本明細書でいうモル比Li/Mを求める正極活物質には、後述する正極活物質粒子の表面を特定の材料(Al含有酸化物など)で被覆した正極材料も含まれ、この場合、前記正極材料の表面に存在する前記特定の材料に含まれる金属の量も、モル比Li/Mを求めるための金属Mの量に含める。
ちなみに、モル比Li/Mについて、後述する実施例1を例にとって説明すると、実施例1ではLiCo0.9795Mg0.011Zr0.0005Al0.009O2のコバルト酸リチウム(A1)の表面にAl含有酸化物の被膜を形成した正極材料(a1)と、LiCo0.97Mg0.012Al0.009O2のコバルト酸リチウム(B1)の表面にAl含有酸化物の被膜を形成した正極材料(b1)とを用いているが、その際のLi以外の金属Mとは、Co、Mg、Zr、Alのことを指す。つまり、リチウムイオン二次電池作製後、所定の充放電後の電池を分解し、正極合剤層から正極材料(この実施例1では混合物)を採取・分析し、モル比Li/Mを導き出す。
負極活物質として使用する材料Sは、Siを含む負極材料である。材料Sの具体例としては、Si粉末と炭素とを複合化した材料やこれに更に炭素材料を被覆した材料、Si粉末をグラフェンまたは鱗片状黒鉛で挟み込んだ材料、SiとOを構成元素に含む、組成式SiOx(ただし、Siに対するOの原子比xは、0.5≦x≦1.5である)で表される材料などが挙げられる。これらの中でもSiOxを用いることが好ましい。
SiOxは、Siの微結晶または非晶質相を含んでいてもよく、この場合、SiとOの原子比は、Siの微結晶または非晶質相のSiを含めた比率となる。すなわち、SiOxには、非晶質のSiO2マトリックス中にSi(例えば、微結晶Si)が分散した構造のものが含まれ、この非晶質のSiO2と、その中に分散しているSiを合わせて、前記の原子比xが0.5≦x≦1.5を満足していればよい。例えば、非晶質のSiO2マトリックス中にSiが分散した構造で、SiO2とSiのモル比が1:1の材料の場合、x=1であるので、構造式としてはSiOで表記される。このような構造の材料の場合、例えば、X線回折分析では、Si(微結晶Si)の存在に起因するピークが観察されない場合もあるが、透過型電子顕微鏡で観察すると、微細なSiの存在が確認できる。
そして、前記複合体は、SiOxなどの材料Sと炭素材料とが複合化した複合体であり、例えば、材料Sの表面が炭素材料で被覆されていることが望ましい。通常、材料Sは導電性が乏しいため、これを負極活物質として用いる際には、良好な電池特性確保の観点から、導電性材料(導電助剤)を使用し、負極内における材料Sと導電性材料との混合・分散を良好にして、優れた導電ネットワークを形成する必要がある。材料Sを炭素材料と複合化した複合体であれば、例えば、単に材料Sと炭素材料などの導電性材料とを混合して得られた材料を用いた場合よりも、負極における導電ネットワークが良好に形成される。
材料Sと炭素材料との複合体としては、前記のように、材料Sの表面を炭素材料で被覆したものの他、材料Sと炭素材料との造粒体などが挙げられる。
材料Sとの複合体の形成に用い得る炭素材料としては、例えば、低結晶性炭素、カーボンナノチューブ、気相成長炭素繊維などが好ましいものとして挙げられる。
炭素材料の詳細としては、繊維状またはコイル状の炭素材料、カーボンブラック(アセチレンブラック、ケッチェンブラックを含む。)、人造黒鉛、易黒鉛化炭素および難黒鉛化炭素よりなる群から選ばれる少なくとも1種の材料が好ましい。繊維状またはコイル状の炭素材料は、導電ネットワークを形成しやすく、かつ表面積の大きい点において好ましい。カーボンブラック(アセチレンブラック、ケッチェンブラックを含む。)、易黒鉛化炭素および難黒鉛化炭素は、高い電気伝導性、高い保液性を有しており、更に、電池の充放電によって材料Sの粒子が膨張・収縮しても、その粒子との接触を保持しやすい性質を有している点において好ましい。
前記例示の炭素材料の中でも、材料Sとの複合体が造粒体である場合に用いるものとしては、繊維状の炭素材料が特に好ましい。繊維状の炭素材料は、その形状が細い糸状であり柔軟性が高いために電池の充放電に伴う材料Sの膨張・収縮に追従でき、また、嵩密度が大きいために、材料Sの粒子と多くの接合点を持つことができるからである。繊維状の炭素としては、例えば、ポリアクリロニトリル(PAN)系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維、カーボンナノチューブなどが挙げられ、これらの何れを用いてもよい。
材料Sと炭素材料との複合体において、材料Sと炭素材料との比率は、材料S:100質量部に対して、炭素材料が、5質量部以上であり、7質量部以上であることがより好ましく、また、20質量部以下であり、17質量部以下であることが好ましい。理由は定かではないが、負極にLiイオンをプレドープした場合には、前記複合体における材料Sと炭素材料との比率を前記のように調整することで、電池の充放電サイクル特性を高めることが可能となる。
材料Sと炭素材料との複合体は、例えば下記の方法によって得ることができる。
材料Sの表面を炭素材料で被覆して複合体とする場合には、例えば、材料Sの粒子と炭化水素系ガスとを気相中にて加熱して、炭化水素系ガスの熱分解により生じた炭素を、粒子の表面上に堆積させる。このように、気相成長(CVD)法によれば、炭化水素系ガスが材料Sの粒子の隅々にまで行き渡り、粒子の表面に導電性を有する炭素材料を含む薄くて均一な皮膜(炭素材料被覆層)を形成できることから、少量の炭素材料によって材料Sの粒子に均一性よく導電性を付与できる。
炭素材料で被覆された材料Sの製造において、CVD法の処理温度(雰囲気温度)については、炭化水素系ガスの種類によっても異なるが、通常、600〜1200℃が適当であり、中でも、700℃以上であることが好ましく、800℃以上であることが更に好ましい。処理温度が高い方が不純物の残存が少なく、かつ導電性の高い炭素を含む被覆層を形成できるからである。
炭化水素系ガスの液体ソースとしては、トルエン、ベンゼン、キシレン、メシチレンなどを用いることができるが、取り扱いやすいトルエンが特に好ましい。これらを気化させる(例えば、窒素ガスでバブリングする)ことにより炭化水素系ガスを得ることができる。また、メタンガスやアセチレンガスなどを用いることもできる。
また、材料Sと炭素材料との造粒体を作製する場合には、材料Sが分散媒に分散した分散液を用意し、それを噴霧し乾燥して、複数の粒子を含む造粒体を作製する。分散媒としては、例えば、エタノールなどを用いることができる。分散液の噴霧は、通常、50〜300℃の雰囲気内で行うことが適当である。前記の方法以外にも、振動型や遊星型のボールミルやロッドミルなどを用いた機械的な方法による造粒方法においても、材料Sと炭素材料との造粒体を作製することができる。
材料Sの平均粒子径は、小さすぎると材料Sの分散性が低下して本発明の効果が十分に得られなくなる虞があることや、材料Sは電池の充放電に伴う体積変化が大きいため、平均粒子径が大きすぎると膨張・収縮による材料Sの崩壊が生じやすくなる(この現象は材料Sの容量劣化につながる)ことから、0.1μm以上10μm以下であることが好ましい。
負極合剤層は、負極活物質として前記複合体のみを含有していてもよく、前記複合体と共に他の負極活物質を含有していてもよい。前記複合体と共に使用し得る他の負極活物質としては、例えば、黒鉛、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、活性炭などの炭素材料;リチウムまたはリチウム合金;SiまたはSnの単体;SiまたはSnを含む合金;Snを含む酸化物;などが挙げられる。
負極合剤層中に含まれる全負極活物質の合計を100質量%とした場合、材料S(例えば、SiOxと炭素材料との複合体)の含有率は、5質量%以上であり、10質量%以上であることが好ましく、50質量%以上であることがより好ましい。材料Sは上述した通り、黒鉛と比べて飛躍的に高容量化を実現できる材料であるため、負極活物質中に少量でも含まれることで、電池の容量向上効果を確保することができる。一方で更に飛躍的に電池の高容量化を実現するには、負極活物質全量中に、材料Sは10質量%以上含まれていることが好ましい。なお、前記の通り、負極活物質には前記複合体のみを用いてもよいため、負極合剤層が含有する負極活物質全量中の材料Sの含有率の好適上限値は100質量%である。
負極合剤層における負極活物質の含有量(全負極活物質の合計含有量)は、80〜99.5質量%であることが好ましい。
負極合剤層に係るバインダには、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)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミドなどを用いることができるが、下記式(1)で表わされるユニットと下記式(2)で表わされるユニットとを有する共重合体〔以下、「共重合体(A)」という〕を使用することが好ましい。
前記式(2)中、Rは水素またはメチル基であり、M’はアルカリ金属元素である。
前記共重合体(A)は、例えばリチウムイオン二次電池の負極合剤層のバインダとして汎用されているSBRなどに比べて結着力が強く、また、柔軟性にも優れている。よって、 材料Sのような高容量負極材料を負極活物質に用いた場合であっても、負極活物質の負極合剤層からの脱落や、負極合剤層と集電体との剥離を良好に抑制することができる。
また、負極へのプレドープに使用されるLiが水分と反応して水酸化リチウムが形成されたり、リチウムイオン二次電池の非水電解液に汎用されている電解質塩に含まれるFと水分とからフッ化水素が形成されたりし、これらが負極合剤層のバインダの劣化を引き起こすこともあるが、共重合体(A)は、これらに対する耐性が高く劣化が生じ難い。
よって、負極合剤層のバインダに共重合体(A)を使用した場合には、負極の劣化が生じ難いため、リチウムイオン二次電池の充放電サイクル特性がより向上する。
更に、共重合体(A)を負極合剤層のバインダに使用することで、電池の負荷特性も向上する。これは、共重合体(A)をバインダに使用した負極合剤層では、内部に非水電解液が良好に浸透するような構造が形成されているためではないかと考えている。また、共重合体(A)をバインダに使用することで、電池の使用に伴って生じる虞がある負極表面でのLiの析出も、高度に抑制できる。
前記式(1)で表わされるユニットと前記式(2)で表わされるユニットとを有する共重合体(A)は、ビニルエステルと、アクリル酸エステルおよびメタクリル酸エステルのうちの少なくとも一方とをモノマーとして重合して得られる共重合体を、ケン化することにより得ることができる。
共重合体(A)を得るための前記ビニルエステルとしては、酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、ピバリン酸ビニルなどが挙げられ、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。これらのビニルエステルの中でも酢酸ビニルがより好ましい。
また、共重合体(A)を得るためのビニルエステルとアクリル酸エステルおよびメタクリル酸エステルのうちの少なくとも一方との共重合体は、ビニルエステル、アクリル酸エステルおよびメタクリル酸エステル以外のモノマー由来のユニットを有していてもよい。
ビニルエステルとアクリル酸エステルおよびメタクリル酸エステルのうちの少なくとも一方との共重合体は、例えば、重合触媒と分散剤とを含む水溶液中に、これらのモノマーを懸濁させた状態で重合を行う懸濁重合法によって重合することができる。この際の重合触媒には、ベンゾイルパーオキサイド、ラウリルパーオキサイドなどの有機過酸化物;アゾビスイソブチロニトリル、アゾビスジメチルバレロニトリルなどのアゾ化合物;などを使用することができる。また、懸濁重合の際の分散剤には、水溶性高分子〔ポリビニルアルコール、ポリ(メタ)アクリル酸またはその塩、ポリビニルピロリドン、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロースなど〕、無機化合物(リン酸カルシウム、ケイ酸マグネシウムなど)などを用いることができる。
懸濁重合を行う際の温度は、重合触媒の10時間半減期温度に対して−20〜+20℃程度とすればよく、重合時間は数時間〜数十時間とすればよい。
ビニルエステルとアクリル酸エステルおよびメタクリル酸エステルのうちの少なくとも一方との共重合体のケン化は、アルカリ金属を含有するアルカリ(水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウムなど)を使用し、水性有機溶媒と水との混合溶媒中で行うことができる。このケン化によって、ビニルエステル由来のユニットが、共重合体の主鎖に水酸基が直接結合したユニット〔すなわち、前記式(1)で表わされるユニット〕となり、アクリル酸エステルおよびメタクリル酸エステルのうちの少なくとも一方のモノマー由来のユニットが、共重合体の主鎖にカルボキシル基のアルカリ金属塩(基)が直接結合したユニット〔すなわち、前記式(2)で表わされるユニット〕となる。よって、前記式(2)におけるM’は、ナトリウム、カリウム、リチウムなどが挙げられる。
ケン化に使用する水性有機溶媒としては、低級アルコール(メタノール、エタノールなど)、ケトン類(アセトン、メチルエチルケトンなど)などが挙げられる。水性有機溶媒と水との使用比率は、質量比で、3/7〜8/2であることが好ましい。
ケン化の際の温度は20〜60℃とすればよく、その際の時間は数時間程度とすればよい。
ケン化後の共重合体は、反応液から取り出し、洗浄した後に乾燥すればよい。
前記のケン化を経て得られる共重合体(A)の有する前記式(1)で表されるユニットは、ビニルアルコールの不飽和結合が開いて重合したような構造を有しており、また、前記(2)で表されるユニットは、アクリル酸塩やメタクリル酸塩〔以下、両者を纏めて「(メタ)アクリル酸塩」といい、アクリル酸とメタアクリル酸とを纏めて「(メタ)アクリル酸」という〕の不飽和結合が開いて重合したような構造を有している。よって、共重合体(A)は、ビニルアルコールや(メタ)アクリル酸塩をモノマーに使用し、これらを共重合することで得られたものではなくても、便宜上、「ビニルアルコールと(メタ)アクリル酸塩〔(メタ)アクリル酸のアルカリ金属中和物〕との共重合体」と称される場合もある。
共重合体(A)において、前記式(1)で表わされるユニットと前記式(2)で表わされるユニットとの組成比は、これらのユニットの合計を100mol%としたとき、前記式(1)で表わされるユニットの割合が、5mol%以上であることが好ましく、50mol%以上であることがより好ましく、60mol%以上であることが更に好ましく、また、95mol%以下であることが好ましく、90mol%以下であることがより好ましい。すなわち、前記式(1)で表わされるユニットと前記式(2)で表わされるユニットとの合計を100mol%としたとき、前記式(2)で表わされるユニットの割合が、5mol%以上であることが好ましく、10mol%以上であることがより好ましく、また、95mol%以下であることが好ましく、50mol%以下であることがより好ましく、40mol%以下であることが更に好ましい。
負極合剤層における共重合体(A)の含有量は、その使用による効果(電池の負荷特性を高める効果、および負極活物質の脱落や負極合剤層と集電体との剥離を抑制する効果)を良好に確保する観点から、2質量%以上であり、5質量%以上であることが好ましい。ただし、負極合剤層中の共重合体(A)の量が多すぎると、負極合剤層の密度を後述する値に調整することが困難となり、また、電池の容量や負荷特性が低下する虞がある。よって、負極合剤層における共重合体(A)の含有量は、15質量%以下であり、10質量%以下であることが好ましい。
負極合剤層には、共重合体(A)と共に、通常のリチウムイオン二次電池の負極に係る負極合剤層で使用されているバインダ、例えば、SBR、CMC、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)なども使用することができる。ただし、負極合剤層が含有するバインダ全量中の、共重合体(A)以外のバインダの含有量は、50質量%以下とすることが好ましい。
負極合剤層には、必要に応じて導電助剤を含有させることもできる。負極合剤層に含有させる導電助剤としては、天然黒鉛(鱗片状黒鉛など)、人造黒鉛などのグラファイト類;アセチレンブラック、ケッチェンブラック、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、サーマルブラックなどのカ−ボンブラック類;炭素繊維;などの炭素材料を用いることが好ましく、また、金属繊維などの導電性繊維類;フッ化カーボン;アルミニウムなどの金属粉末類;酸化亜鉛;チタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー類;酸化チタンなどの導電性金属酸化物;ポリフェニレン誘導体などの有機導電性材料;などを用いることもできる。導電助剤には、前記例示のものを1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
負極合剤層に導電助剤を含有させる場合には、負極合剤層における導電助剤の含有量を10質量%以下とすることが好ましい。
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などを含有する負極合剤を、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)や水などの溶剤に分散させてペースト状やスラリー状の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ー処理などのプレス処理を施す工程を経て製造することができる。ただし、負極は、前記の方法で製造されたものに限定される訳ではなく、他の方法で製造したものであってもよい。
負極の集電体としては、銅製やニッケル製の箔、パンチングメタル、網、エキスパンドメタルなどを用い得るが、通常、銅箔が用いられる。この負極集電体は、高エネルギー密度の電池を得るために負極全体の厚みを薄くする場合、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5μmであることが望ましい。
また、負極には、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。
負極合剤層の厚み(集電体の両面に負極合剤層を有する場合には、片面あたりの厚み。以下、同じ。)は、10〜100μmであることが好ましい。
リチウムイオン二次電池に係る正極は、正極活物質およびバインダを含有する正極合剤層を有するものであり、例えば、この正極合剤層が集電体の片面または両面に形成された構造を有するものが挙げられる。
正極活物質には、LiとLi以外の金属M(Co、Ni、Mn、Fe、Mg、Alなど)とで構成される金属酸化物(リチウム含有複合酸化物)が使用される。このようなリチウム含有複合酸化物としては、例えば、LiCoO2などのリチウムコバルト酸化物;LiMnO2、Li2MnO3などのリチウムマンガン酸化物;LiNiO2などのリチウムニッケル酸化物;LiCo1−xNiO2などの層状構造のリチウム含有複合酸化物;LiMn2O4、Li4/3Ti5/3O4などのスピネル構造のリチウム含有複合酸化物;LiFePO4などのオリビン構造のリチウム含有複合酸化物;前記の酸化物を基本組成とし各種元素で置換した酸化物;などが挙げられる。
このような正極活物質の中でも、Coと、Mg、Zr、Ni、Mn、TiおよびAlよりなる群から選択される少なくとも1種の元素M1とを少なくとも含有するリチウムコバルト酸化物(コバルト酸リチウム)が好ましい。そして、正極合剤層は、このようなコバルト酸リチウムの粒子の表面がAl含有酸化物で被覆されてなる正極材料を含有していることがより好ましい。前記の正極材料を使用した場合には、電池の充電時の正極での抵抗を大きくすることができるため、負極でのLiの析出が起こり難くなることから、負極合剤層中での前記複合体の割合を大きくしても、リチウムイオン二次電池の充放電サイクル特性をより高めることができる。
前記コバルト酸リチウムは、Coと、Mg、Zr、Ni、Mn、TiおよびAlよりなる群から選択される少なくとも1種の元素M1と、更に含有してもよい他の元素とを纏めて元素群Maとしたときに、組成式LiMaO2で表されるものである。
前記コバルト酸リチウムにおいて、元素M1は、前記コバルト酸リチウムの高電圧領域での安定性を高め、Coイオンの溶出を抑制する作用を有しており、また、前記コバルト酸リチウムの熱安定性を高める作用も有している。
前記コバルト酸リチウムにおいて、元素M1の量は、前記の作用をより有効に発揮させる観点から、Coとの原子比M1/Coが、0.003以上であることが好ましく、0.008以上であることがより好ましい。
ただし、前記コバルト酸リチウム中の元素M1の量が多すぎると、Coの量が少なくなりすぎて、これらによる作用を十分に確保できない虞がある。よって、前記コバルト酸リチウムにおいて、元素M1の量は、Coとの原子比M1/Coが、0.06以下であることが好ましく、0.03以下であることがより好ましい。
前記コバルト酸リチウムにおいて、Zrは、非水電解液中に含まれるフッ素含有リチウム塩(LiPF6など)が原因となって発生し得るフッ化水素を吸着し、コバルト酸リチウムの劣化を抑制する作用を有している。
リチウムイオン二次電池に使用される非水電解液中に若干の水分が不可避的に混入していたり、他の電池材料に水分が吸着していたりすると、非水電解液が含有するフッ素含有リチウム塩と反応してフッ化水素が生成する。電池内でフッ化水素が生成すると、その作用で正極活物質の劣化を引き起こしてしまう。
ところが、Zrも含有するように前記コバルト酸リチウムを合成すると、その粒子の表面にZr酸化物が析出し、このZr酸化物がフッ化水素を吸着する。そのため、フッ化水素による前記コバルト酸リチウムの劣化を抑制することができる。
なお、正極活物質にZrを含有させると、電池の負荷特性が向上する。正極材料が含有する前記コバルト酸リチウムが、平均粒子径の異なる2つの材料である場合、平均粒子径が大きい方をコバルト酸リチウム(A)、平均粒子径が小さい方をコバルト酸リチウム(B)とする。一般に、粒子径が大きい正極活物質を使用すると電池の負荷特性が低下する傾向にある。よって、前記正極材料を構成する正極活物質のうち、より平均粒子径が大きいコバルト酸リチウム(A)にはZrを含有させることが好ましい。他方、コバルト酸リチウム(B)は、Zrを含有していてもよく、含有していなくてもよい。
前記コバルト酸リチウムにおいて、Zrの量は、前記の作用をより良好に発揮させる観点から、Coとの原子比Zr/Coが、0.0002以上であることが好ましく、0.0003以上であることがより好ましい。ただし、前記コバルト酸リチウム中のZrの量が多すぎると、他の元素の量が少なくなって、これらによる作用を十分に確保できない虞がある。よって、前記コバルト酸リチウムにおけるZrの量は、Coとの原子比Zr/Coが、0.005以下であることが好ましく、0.001以下であることがより好ましい。
前記コバルト酸リチウムは、Li含有化合物(水酸化リチウム、炭酸リチウムなど)、Co含有化合物(酸化コバルト、硫酸コバルトなど)、Mg含有化合物(硫酸マグネシウムなど)、Zr含有化合物(酸化ジルコニウムなど)および元素M1を含有する化合物(酸化物、水酸化物、硫酸塩など)を混合し、この原料混合物を焼成するなどして合成することができる。なお、より高い純度で前記コバルト酸リチウムを合成するには、Coおよび元素M1を含む複合化合物(水酸化物、酸化物など)とLi含有化合物などとを混合し、この原料混合物を焼成することが好ましい。
前記コバルト酸リチウムを合成するための原料混合物の焼成条件は、例えば、800〜1050℃で1〜24時間とすることができるが、一旦焼成温度よりも低い温度(例えば、250〜850℃)まで加熱し、その温度で保持することにより予備加熱を行い、その後に焼成温度まで昇温して反応を進行させることが好ましい。予備加熱の時間については特に制限はないが、通常、0.5〜30時間程度とすればよい。また、焼成時の雰囲気は、酸素を含む雰囲気(すなわち、大気中)、不活性ガス(アルゴン、ヘリウム、窒素など)と酸素ガスとの混合雰囲気、酸素ガス雰囲気などとすることができるが、その際の酸素濃度(体積基準)は、15%以上であることが好ましく、18%以上であることが好ましい。
前記正極材料においては、前記コバルト酸リチウムの粒子の表面がAl含有酸化物で被覆されている(例えば、前記コバルト酸リチウムの粒子の表面の全面積中の90〜100%以上に、Al含有酸化物が存在している)。前記コバルト酸リチウムの粒子の表面を被覆するAl含有酸化物としては、Al2O3、AlOOH、LiAlO2、LiCo1−wAlwO2(ただし、0.5<w<1)などが挙げられ、これらのうちの1種のみを用いてもよく、2種以上を併用してもよい。なお、例えば後述する方法で前記コバルト酸リチウムの表面をAl2O3で被覆した場合、Al2O3中に、前記コバルト酸リチウムから移行するCoやLi、Alなどの元素を含むAl含有酸化物が一部混在する被膜が形成されるが、前記正極材料を構成する前記コバルト酸リチウムの表面を覆うAl含有酸化物で形成された被膜は、このような成分を含む被膜であってもよい。
前記正極材料に係るAl含有酸化物の平均被覆厚みは、前記正極材料に係る電池の充放電時における正極活物質でのリチウムイオンの出入りをAl含有酸化物が阻害することによる抵抗を増加させ、負極でのLi析出を抑制することによる電池の充放電サイクル特性をより向上させる観点と、前記正極材料に係る正極活物質と非水電解液との反応を良好に抑制する観点から、5nm以上であることが好ましく、15nm以上であることがより好ましい。また、電池の充放電時における正極活物質でのリチウムイオンの出入りをAl含有酸化物が阻害することによる電池の負荷特性低下を抑制する観点から、前記正極材料に係るAl含有酸化物の平均被覆厚みは、50nm以下であることが好ましく、35nm以下であることがより好ましい。
本明細書でいう「Al含有酸化物の平均被覆厚み」は、集束イオンビーム法により加工して得られた正極材料の断面を、透過型電子顕微鏡を用いて40万倍の倍率で観察し、500×500nmの視野に存在する正極材料粒子のうち、断面の大きさが正極材料の平均粒子径(d50)±5μm以内の粒子を10視野分だけ任意に選択し、各視野ごとに、Al含有酸化物の被膜の厚みを任意の10か所で測定し、全視野で得られた全ての厚み(100箇所の厚み)について算出した平均値(数平均値)を意味している。
前記正極材料の比表面積は、0.1m2/g以上であることが好ましく、0.2m2/g以上であることがより好ましく、また、0.4m2/g以下であることが好ましく、0.3m2/g以下であることがより好ましい。正極材料の比表面積が前記の値にある場合には、電池の充放電時における抵抗をより増加させるため、電池の充放電サイクル特性が更に良好となる。
なお、前記正極材料を構成する前記コバルト酸リチウムの表面をAl含有酸化物で被覆したり、前記コバルト酸リチウム粒子の表面にZr酸化物が析出するようにしたりした場合には、通常、正極材料の表面が粗くなって比表面積が増大する。そのため前記正極材料は、比較的大きな粒径とすることに加えて、前記コバルト酸リチウム粒子の表面を被覆するAl含有酸化物の被膜の性状が良好であると、前記のような小さな比表面積となりやすいことから、好ましい。
前記正極材料が含有する前記コバルト酸リチウムについては、1種類であってもよいし、上述したように平均粒子径が異なる2つの材料であってもよいし、平均粒子径が異なる3つ以上の材料であってもよい。
前記正極材料の比表面積を前記の値に調整するには、1種類の前記コバルト酸リチウムを使用する場合、前記正極材料の平均粒子径を10〜35μmとすることが好ましい。
前記正極材料が含有する前記コバルト酸リチウムに平均粒子径が異なる2つの材料を使用する場合、コバルト酸リチウム(A)の粒子の表面がAl含有酸化物で被覆されてなり、平均粒子径が1〜40μmである正極材料(a)と、コバルト酸リチウム(B)の粒子の表面がAl含有酸化物で被覆されてなり、平均粒子径が1〜40μmであり、かつ正極材料(a)よりも平均粒子径が小さい正極材料(b)とを少なくとも含んでいると好ましい。更に好ましくは、平均粒子径が24〜30μmの大粒子〔正極材料(a)〕と、平均粒子径が4〜8μmの小粒子〔正極材料(b)〕とで構成されている態様である。そして、正極材料が、正極材料(a)と正極材料(b)とを含んでいる場合、正極材料全量中での正極材料(a)の割合は、75〜90質量%であることが好ましい。これによって比表面積の調整ができるだけではなく、正極合剤層のプレス処理において、大粒径の正極材料の隙間に小粒径の正極材料が入り込むことで、正極合剤層にかかる応力が全体に分散し、正極材料粒子の割れが良好に抑制されてAl含有酸化物での被覆による作用をより良好に発揮することができる。
本明細書でいう正極材料の粒度分布は、日機装株式会社製マイクロトラック粒度分布測定装置「HRA9320」を用いて、粒度分布の小さい粒子から積分体積を求める方法により得られる粒度分布を意味している。また、本明細書における正極材料や、その他の粒子(前記材料Sなど)の平均粒子径は、前記の装置を用いて、粒度分布の小さい粒子から積分体積を求める場合の体積基準の積算分率における50%径の値(d50)を意味している。
前記コバルト酸リチウム粒子の表面をAl含有酸化物で被覆して前記正極材料とするには、例えば下記の方法が採用できる。pHを9〜11とし、温度を60〜80℃とした水酸化リチウム水溶液中に、前記コバルト酸リチウム粒子を投入し攪拌して分散させ、ここにAl(NO3)3・9H2Oと、pHの変動を抑えるためのアンモニア水とを滴下して、Al(OH)3共沈物を生成させ、前記コバルト酸リチウム粒子の表面に付着させる。その後、この反応液からAl(OH)3共沈物が付着した前記コバルト酸リチウム粒子を取り出し、洗浄後、乾燥させた後に、熱処理して、前記コバルト酸リチウム粒子の表面にAl含有酸化物の被膜を形成して、前記正極材料とする。Al(OH)3共沈物が付着した前記コバルト酸リチウム粒子の熱処理は大気雰囲気中で行うことが好ましく、また、熱処理温度を200〜800℃とし、熱処理時間を5〜15時間とすることが好ましい。この方法で前記コバルト酸リチウム粒子の表面をAl含有酸化物で被覆する場合、前記の熱処理温度の調整によって、被膜を構成する主成分となるAl含有酸化物を、Al2O3としたり、AlOOHとしたり、LiAlO2としたり、LiCo1−wAlwO2(ただし、0.5<w<1)としたりすることができる。
前記正極材料と、他の正極活物質とを使用する場合には、電池の連続充電特性がより向上すると共に、前記正極材料によるリチウムイオン二次電池の高温下での充放電サイクル特性や貯蔵特性を損なわないことから、前記他の正極活物質として、NiおよびCoと、Mg、Mn、Ba、W、Ti、Zr、MoおよびAlよりなる群から選択される元素M2とを含有するニッケル酸リチウムを用いることが好ましい。
前記ニッケル酸リチウムは、Ni、Coおよび元素M2、並びに、更に含有してもよい他の元素を纏めて元素群Mbとしたときに、化学式LiMbO2で表されるものであり、元素群M2の全原子数100mol%中のNi、Coおよび元素M2の量を、それぞれ、s(mol%)、t(mol%)およびu(mol%)で表したとき、30≦s≦97、0.5≦t≦40、0.5≦u≦40であることが好ましく、70≦s≦97、0.5≦t≦30、0.5≦u≦5であることがより好ましい。
前記ニッケル酸リチウムは、Li含有化合物(水酸化リチウム、炭酸リチウムなど)、Ni含有化合物(硫酸ニッケルなど)、Co含有化合物(硫酸コバルト、酸化コバルトなど)、および必要に応じて元素Mbを含有する化合物(酸化物、水酸化物、硫酸塩など)を混合し、この原料混合物を焼成するなどして製造することができる。なお、より高い純度で前記ニッケル酸リチウムを合成するには、Ni、Coおよび必要に応じて含有させる元素Mbのうちの複数の元素を含む複合化合物(水酸化物、酸化物など)と、他の原料化合物(Li含有化合物など)とを混合し、この原料混合物を焼成することが好ましい。
前記ニッケル酸リチウムを合成するための原料混合物の焼成条件も、前記コバルト酸リチウムの場合と同様に、例えば、800〜1050℃で1〜24時間とすることができるが、一旦焼成温度よりも低い温度(例えば、250〜850℃)まで加熱し、その温度で保持することにより予備加熱を行い、その後に焼成温度まで昇温して反応を進行させることが好ましい。予備加熱の時間については特に制限はないが、通常、0.5〜30時間程度とすればよい。また、焼成時の雰囲気は、酸素を含む雰囲気(すなわち、大気中)、不活性ガス(アルゴン、ヘリウム、窒素など)と酸素ガスとの混合雰囲気、酸素ガス雰囲気などとすることができるが、その際の酸素濃度(体積基準)は、15%以上であることが好ましく、18%以上であることが好ましい。
正極活物質に前記正極材料と他の正極活物質(例えば前記ニッケル酸リチウム)とを使用する場合には、前記正極材料と他の正極活物質との合計100質量%中の前記正極材料の量が、50質量%以上であることが好ましく、80質量%以上であることがより好ましい(すなわち、前記正極材料と共に使用される他の正極活物質の量が、前記正極材料と他の正極活物質との合計100質量%中、50質量%以下であることが好ましく、20質量%以下であることがより好ましい)。なお、正極活物質には前記正極材料のみを用いてもよいため、前記正極材料と他の正極活物質との合計100質量%中の前記正極材料の量の好適上限値は、100質量%である。ただし、前記ニッケル酸リチウムの使用による電池の連続充電特性向上効果をより良好に確保するためには、前記正極材料と前記ニッケル酸リチウムとの合計100質量%中の前記ニッケル酸リチウムの量が、5質量%以上であることが好ましく、10質量%以上であることがより好ましい。
正極合剤層に係る導電助剤としては、天然黒鉛(鱗片状黒鉛など)、人造黒鉛などの黒鉛(黒鉛質炭素材料);アセチレンブラック、ケッチェンブラック、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、サーマルブラックなどのカ−ボンブラック;炭素繊維;などの炭素材料などが挙げられる。また、正極合剤層に係るバインダには、PVDF、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、フッ化ビニリデン−クロロトリフルオロエチレン共重合体〔P(VDF−CTFE)〕、SBR、CMCなどが好適に用いられる。
正極は、例えば、正極活物質(前記正極材料など)、導電助剤およびバインダなどを、NMPなど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(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ー処理などのプレス処理を施す工程を経て製造される。
ただし、正極は、前記の製造方法で製造されたものに限定される訳ではなく、他の方法で製造したものであってもよい。
集電体は、従来から知られているリチウムイオン二次電池の正極に使用されているものと同様のものが使用でき、例えば、アルミニウム製の箔、パンチングメタル、網、エキスパンドメタルなどが挙げられ、厚みは5〜30μmが好ましい。
正極合剤層の組成としては、正極活物質(前記正極材料を含む)の量が60〜95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。また、正極合剤層と集電体とを有する形態の正極の場合、正極合剤層の厚み(集電体の片面あたりの厚み)は、30〜150μmであることが好ましい。
本発明のリチウムイオン二次電池において、負極と正極との間に介在させるセパレータには、熱可塑性樹脂を主体とする多孔質膜(I)と、耐熱温度が150℃以上のフィラーを主体として含む多孔質層(II)とを有する積層型セパレータを使用する。このようなセパレータは、多孔質層(II)の作用によって機械的強度が大きいことから、負極合剤層へのLiイオンのドープによって硬度が増大した負極と電池内で対向させた状態で、電池を充放電させて負極合剤層の膨張・収縮が生じても、傷が付き難いため、充放電に伴う電池特性の劣化を抑制することができる。更に、大きな機械的強度のために、電池の充放電を行っても積層型セパレータにはよれが生じ難く、負極−セパレータ−正極間の密着性を保つことができると考えられる。これらの作用によって、本発明のリチウムイオン二次電池では、優れた充放電サイクル特性を確保できる。
また、前記積層型セパレータは、シャットダウン特性および耐熱性(耐熱収縮性)を兼ね備えている。
本明細書において、「耐熱温度が150℃以上」とは、少なくとも150℃において軟化などの変形が見られないことを意味している。
セパレータに係る多孔質膜(I)は、主にシャットダウン機能を確保するためのものであり、電池が多孔質膜(I)の主体となる成分である熱可塑性樹脂の融点以上に達したときには、多孔質膜(I)に係る熱可塑性樹脂が溶融してセパレータの空孔を塞ぎ、電気化学反応の進行を抑制するシャットダウンを生じる。
多孔質膜(I)の主体となる熱可塑性樹脂としては、融点が140℃以下の樹脂が好ましく、具体的には、例えばポリエチレン(PE)が挙げられる。また、多孔質膜(I)の形態としては、電池用のセパレータとして通常用いられている微多孔膜や、不織布などの基材にポリエチレンの粒子を含む分散液を塗布し、乾燥するなどして得られるものなどのシート状物が挙げられる。ここで、多孔質膜(I)の構成成分の全体積中〔空孔部分を除く全体積。セパレータに係る多孔質膜(I)および多孔質層(II)の構成成分の体積含有率に関して、以下同じ。〕において、主体となる融点が140℃以下の樹脂の体積含有率は、50体積%以上であり、70体積%以上であることがより好ましい。なお、例えば多孔質膜(I)を前記ポリエチレンの微多孔膜で形成する場合は、融点が140℃以下の樹脂の体積含有率が100体積%となる。
セパレータに係る多孔質層(II)は、電池の内部温度が上昇した際にも正極と負極との直接の接触による短絡を防止する機能を備えたものであり、耐熱温度が150℃以上のフィラーによって、その機能を確保している。すなわち、電池が高温となった場合には、たとえ多孔質膜(I)が収縮しても、収縮し難い多孔質層(II)によって、セパレータが熱収縮した場合に発生し得る正負極の直接の接触による短絡を防止することができる。また、この耐熱性の多孔質層(II)がセパレータの骨格として作用するため、多孔質膜(I)の熱収縮、すなわちセパレータ全体の熱収縮自体も抑制できる。
多孔質層(II)に係るフィラーは、耐熱温度が150℃以上で、電池の有する非水電解液に対して安定であり、更に電池の作動電圧範囲において酸化還元され難い電気化学的に安定なものであれば無機粒子でも有機粒子でもよいが、分散などの点から微粒子であることが好ましく、また、無機酸化物粒子、より具体的には、アルミナ、シリカ、ベーマイトが好ましい。アルミナ、シリカ、ベーマイトは、耐酸化性が高く、粒径や形状を所望の数値などに調整することが可能であるため、多孔質層(II)の空孔率を精度よく制御することが容易となる。なお、耐熱温度が150℃以上のフィラーは、例えば前記例示のものを1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
多孔質層(II)の「耐熱温度が150℃以上のフィラーを主成分として含む」とは、多孔質層(II)の構成成分の全体積中、前記フィラーを70体積%以上含むことを意味している。多孔質層(II)における前記フィラーの量は、多孔質層(II)の構成成分の全体積中、80体積%以上であることが好ましく、90体積%以上であることがより好ましい。多孔質層(II)中の前記フィラーを前記のように高含有量とすることで、セパレータ全体の熱収縮を良好に抑制して、高い耐熱性を付与することができる。
また、多孔質層(II)には、前記フィラー同士を結着したり多孔質層(II)と多孔質膜(I)とを結着したりするために有機バインダを含有させることが好ましく、このような観点から、多孔質層(II)におけるフィラー(B)量の好適上限値は、例えば、多孔質層(II)の構成成分の全体積中、99体積%である。なお、多孔質層(II)におけるフィラー(B)の量を70体積%未満とすると、例えば、多孔質層(II)中の有機バインダ量を多くする必要が生じるが、その場合には多孔質層(II)の空孔が有機バインダによって埋められてしまい、例えばセパレータとしての機能を喪失する虞がある。
多孔質層(II)に用いる有機バインダとしては、前記フィラー同士や多孔質層(II)と多孔質膜(I)とを良好に接着でき、電気化学的に安定で、かつ電気化学素子用の非水電解液に対して安定であれば特に制限はない。具体的には、フッ素樹脂(PVDFなど)、フッ素系ゴム、SBR、CMC、ヒドロキシエチルセルロース(HEC)、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリビニルブチラール(PVB)、ポリビニルピロリドン(PVP)、ポリN−ビニルアセトアミド、架橋アクリル樹脂、ポリウレタン、エポキシ樹脂などが挙げられる。これらの有機バインダは1種単独で使用してもよく、2種以上を併用しても構わない。
前記積層型セパレータは、例えば、多孔質膜(I)に、前記フィラーや有機バインダなどと溶剤(水やケトン類などの有機溶剤など)とを含有する多孔質層(II)形成用組成物(スラリー、ペーストなど)を塗布した後、所定の温度で乾燥して多孔質層(II)を形成することによって製造することができる。
前記積層型セパレータは、多孔質膜(I)と多孔質層(II)とを、それぞれ1層ずつ有していてもよく、複数有していてもよい。具体的には、多孔質膜(I)の片面にのみ多孔質層(II)を配置して前記積層型セパレータとする他、例えば、多孔質膜(I)の両面に多孔質層(II)を配置して前記積層型セパレータとしてもよい。ただし、前記積層型セパレータの有する層数が多くなりすぎると、セパレータの厚みを増やして電池の内部抵抗の増加やエネルギー密度の低下を招く虞があるので好ましくなく、前記積層型セパレータ中の層数は5層以下であることが好ましい。
セパレータの厚みは、正極と負極とをより確実に隔離する観点から、6μm以上であることが好ましく、10μm以上であることがより好ましい。他方、セパレータが厚すぎると、電池のエネルギー密度が低下してしまうことがあるため、その厚みは、50μm以下であることが好ましく、30μm以下であることがより好ましい。
また、多孔質膜(I)の厚み〔多孔質膜(I)が複数存在する場合には、その総厚み〕は、5〜30μmであることが好ましい。更に、多孔質層(II)の厚み〔多孔質層(II)が複数存在する場合には、その総厚み〕は、1μm以上であることが好ましく、2μm以上であることがより好ましく、4μm以上であることが更に好ましく、また、20μm以下であることが好ましく、10μm以下であることがより好ましく、6μm以下であることが更に好ましい。
セパレータの空孔率は、30〜70%であることが好ましい。更に、セパレータの平均孔径は、0.01μm以上であることが好ましく、0.05μm以上であることがより好ましく、また、1μm以下であることが好ましく、0.5μm以下であることがより好ましい。
また、セパレータは、その片面または両面に接着層を有している。巻回電極体の形成時に、セパレータの接着層によってセパレータと電極とを一体化させることで、電池の充放電を繰り返しても、巻回電極体の形状変化を抑制できるため、電池の充放電サイクル特性が更に向上する。横断面を扁平状に成形した扁平状巻回電極体を用いた電池の場合には、前記接着層による充放電サイクル特性の向上効果が特に顕著となる。
セパレータの接着層は、加熱することで接着性が発現する接着性樹脂を含有していることが好ましい。接着性樹脂を含有する接着層の場合は、電極体を加熱しながら押圧する工程(加熱プレス)を経ることでセパレータと電極とを一体化させることができる。接着性樹脂の接着性が発現する最低温度は、セパレータにおける接着層以外の層で、シャットダウンが発現する温度よりも低い温度〔多孔質膜(I)の主成分である熱可塑性樹脂の融点よりも低い温度〕である必要があるが、具体的には、60℃以上120℃以下であることが好ましい。
このような接着性樹脂を使用することで、セパレータと正極および/または負極とを加熱プレスして一体化する際に、セパレータの劣化を良好に抑制することができる。
接着性樹脂は、その存在によって、電極体を構成する電極(例えば負極)とセパレータとの間の180°での剥離試験を実施した際に得られる剥離強度が、加熱プレス前の状態では、好ましくは0.05N/20mm以下、特に好ましくは0N/20mm(全く接着力のない状態)であり、60〜120℃の温度で加熱プレスした後の状態では0.2N/20mm以上となるディレードタック性を有していることが好ましい。
ただし、前記剥離強度が強すぎると、電極の合剤層(正極合剤層および負極合剤層)が電極の集電体から剥離して、導電性が低下する虞があることから、前記180°での剥離試験による剥離強度は、60〜120℃の温度で加熱プレスした後の状態で10N/20mm以下であることが好ましい。
なお、本明細書でいう電極とセパレータとの間の180°での剥離強度は、以下の方法により測定される値である。セパレータおよび電極を、それぞれ長さ5cm×幅2cmのサイズに切り出し、切り出したセパレータと電極と重ねる。加熱プレスした後の状態の剥離強度を求める場合には、片端から2cm×2cmの領域を加熱プレスして試験片を作製する。この試験片のセパレータと電極とを加熱プレスしていない側の端部を開き、セパレータと負極とを、これらの角度が180°になるように折り曲げる。その後、引張試験機を用い、試験片の180°に開いたセパレータの片端側と電極の片端側とを把持して、引張速度10mm/minで引っ張り、セパレータと電極とを加熱プレスした領域で両者が剥離したときの強度を測定する。また、セパレータと電極との加熱プレス前の状態での剥離強度は、前記のように切り出した各セパレータと電極とを重ね、加熱をせずにプレスする以外は前記と同様に試験片を作製し、前記と同じ方法で剥離試験を行う。
よって、接着性樹脂は、室温(例えば25℃)では接着性(粘着性)が殆どなく、かつ接着性の発現する最低温度がセパレータのシャットダウンする温度未満、好ましくは60℃以上120℃以下といったディレードタック性を有するものが望ましい。なお、セパレータと電極とを一体化する際の加熱プレスの温度は、セパレータの熱収縮があまり顕著に生じない80℃以上100℃以下であることがより好ましく、接着性樹脂の接着性が発現する最低温度も、80℃以上100℃以下であることがより好ましい。
ディレードタック性を有する接着性樹脂としては、室温では流動性が殆どなく、加熱時に流動性を発揮し、プレスによって密着する特性を有する樹脂が好ましい。また、室温で固体であり、加熱することによって溶融し、化学反応によって接着性が発揮されるタイプの樹脂を接着性樹脂として用いることもできる。
接着性樹脂は、融点、ガラス転移点などを指標とする軟化点が60℃以上120℃以下の範囲内にあるものが好ましい。接着性樹脂の融点およびガラス転移点は、例えば、JIS K 7121に規定の方法によって、また、接着性樹脂の軟化点は、例えば、JIS K 7206に規定の方法によって、それぞれ測定することができる。
このような接着性樹脂の具体例としては、例えば、低密度ポリエチレン(LDPE)、ポリ−α−オレフィン〔ポリプロピレン(PP)、ポリブテン−1など〕、ポリアクリル酸エステル、エチレン−酢酸ビニル共重合体(EVA)、エチレン−メチルアクリレート共重合体(EMA)、エチレン−エチルアクリレート共重合体(EEA)、エチレン−ブチルアクリレート共重合体(EBA)、エチレン−メチルメタクリレート共重合体(EMMA)、アイオノマー樹脂などが挙げられる。
また、前記の各樹脂や、SBR、ニトリルゴム(NBR)、フッ素ゴム、エチレン−プロピレンゴムなどの室温で粘着性を示す樹脂をコアとし、融点や軟化点が60℃以上120℃以下の範囲内にある樹脂をシェルとしたコアシェル構造の樹脂を接着性樹脂として用いることもできる。この場合、シェルには、各種アクリル樹脂やポリウレタンなどを用いることができる。更に、接着性樹脂には、一液型のポリウレタンやエポキシ樹脂などで、60℃以上120℃以下の範囲内に接着性を示すものも用いることができる。
接着性樹脂には、前記例示の樹脂を1種単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
なお、接着性樹脂で構成される実質的に空孔を含有しない接着層を形成した場合には、セパレータと一体化した電極の表面に、電池の有する非水電解液が接触し難くなる虞があることから、正極、負極およびセパレータにおける接着性樹脂の存在面においては、接着性樹脂の存在する箇所と、存在しない箇所とが形成されていることが好ましい。具体的には、例えば、接着性樹脂の存在箇所と、存在しない箇所とが、溝状に交互に形成されていてもよく、また、平面視で円形などの接着性樹脂の存在箇所が、不連続に複数形成されていてもよい。これらの場合、接着性樹脂の存在箇所は、規則的に配置されていてもランダムに配置されていてもよい。
なお、正極、負極およびセパレータにおける接着性樹脂の存在面においては、接着性樹脂の存在する箇所と、存在しない箇所とを形成する場合、接着性樹脂の存在面における接着性樹脂の存在する箇所の面積(総面積)は、例えば、セパレータと電極とを加熱圧着した後のこれらの180°での剥離強度が、前記の値となるようにすればよく、使用する接着性樹脂の種類に応じて変動し得るが、具体的には、平面視で、接着性樹脂の存在面の面積のうち、10〜60%に、接着性樹脂が存在していることが好ましい。
また、接着性樹脂の存在面において、接着性樹脂の目付けは、電極との接着を良好にして、例えば、セパレータと電極とを加圧接着した後のこれらの180°での剥離強度を前記の値に調整するには、0.05g/m2以上とすることが好ましく、0.1g/m2以上とすることがより好ましい。ただし、接着性樹脂の存在面において、接着性樹脂の目付けが大きすぎると、電極体が厚くなりすぎたり、接着性樹脂がセパレータの空孔を塞ぎ、電池内部でのイオンの移動が阻害されたりする虞がある。よって、接着性樹脂の存在面において、接着性樹脂の目付けは、1g/m2以下であることが好ましく、0.5g/m2以下であることがより好ましい。
接着層は、接着性樹脂および溶剤などを含む接着層形成用組成物(接着性樹脂の溶液またはエマルション)を、多孔質膜(I)と多孔質層(II)との積層体の片面または両面に塗布する工程を経て形成することができる。
リチウムイオン二次電池に係る非水電解液には、例えば、下記の非水系溶媒中に、リチウム塩を溶解させることで調製した溶液を用いることできる。
非水系溶媒には、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、メチルエチルカーボネート(MEC)、γ−ブチロラクトン(γ−BL)、1,2−ジメトキシエタン(DME)、テトラヒドロフラン(THF)、2−メチルテトラヒドロフラン、ジメチルスルフォキシド(DMSO)、1,3−ジオキソラン、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド(DMF)、ジオキソラン、アセトニトリル、ニトロメタン、蟻酸メチル、酢酸メチル、燐酸トリエステル、トリメトキシメタン、ジオキソラン誘導体、スルホラン、3−メチル−2−オキサゾリジノン、プロピレンカーボネート誘導体、テトラヒドロフラン誘導体、ジエチルエーテル、1,3−プロパンサルトンなどの非プロトン性有機溶媒を1種単独で、または2種以上を混合した混合溶媒として用いることができる。
非水電解液に係るリチウム塩としては、例えば、LiClO4、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiSbF6、LiCF3SO3、LiCF3CO2、Li2C2F4(SO3)2、LiN(CF3SO2)2、LiC(CF3SO2)3、LiCnF2n+1SO3(n≧2)、LiN(RfOSO2)2〔ここでRfはフルオロアルキル基〕などのリチウム塩から選ばれる少なくとも1種が挙げられる。これらのリチウム塩の非水電解液中の濃度としては、0.6〜1.8mol/lとすることが好ましく、0.9〜1.6mol/lとすることがより好ましい。
また、非水電解液には、電池の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。
更に、非水電解液には、ポリマーなどの公知のゲル化剤を添加してゲル化したもの(ゲル状電解質)を用いることもできる。
本発明のリチウムイオン二次電池では、負極と正極とは、セパレータを介して重ね合わせた積層体を渦巻状に巻回した巻回体(巻回電極体)として使用する。
また、本発明のリチウムイオン二次電池は、負極(負極合剤層)へLiイオンをドープするためのプレドープ用電極を有している。プレドープ用電極は、少なくとも一部が巻回電極体の端面(巻回軸方向に垂直な端面)と対向するように配置され、負極と電気的に導通している。そして、電池の組み立てに使用される段階のプレドープ用電極は、巻回電極体の端面と対向することが予定される箇所に、Liイオンドープ用のLi供給源を有している。
ここで、巻回電極体とプレドープ用電極との配置について、図面を用いて説明する。図1は、本発明のリチウムイオン二次電池に係る巻回電極体の一例を模式的に表す斜視図である。図1に示す巻回電極体1は、正極と負極とをセパレータを介して積層して渦巻状に巻回してなるもので、横断面〔巻回軸方向(図中上下方向)に垂直な横断面〕が扁平状であり、図中上側の端面から、正極リード体2と負極リード体3とが上部に引き出されている。なお、本発明のリチウムイオン二次電池に係る巻回電極体は、前記の通り、図1に示すような扁平状巻回電極体に限定される訳ではなく、横断面が円形や楕円形のものであってもよい。
また、図1では詳細を示していないが、正極は、正極集電体上に正極合剤層を有しており、負極は、負極集電体上に負極合剤層を有している。そして、セパレータは多孔質膜(I)と多孔質層(II)とを有し、更にその片面または両面に接着層を有しており、この接着層によって、正極および/または負極と一体化している。
図2に、本発明のリチウムイオン二次電池に係るプレドープ用電極の一例を模式的に表す斜視図を示す。プレドープ用電極4は、プレドープ用電極集電体41とLi供給源43とを有している。プレドープ用電極集電体41は、一部が巻回電極体の端面と対向できるように図中下部で折り曲げられて断面がL字状となっており、この巻回電極体の端面と対向できる箇所にLi供給源43を有している。また、プレドープ用電極集電体41には、タブ部42が形成されている。
図3には、図1に示す巻回電極体1に、図2に示すプレドープ用電極4を合わせて形成した電極体を表す斜視図を示している。プレドープ用電極4は、Li供給源43が、巻回電極体1の端面と対向するように、巻回電極体1の外側に配置され、巻回電極体1の負極リード体3とプレドープ用電極4のタブ部42とが溶接されて一体化している。
このように、本発明の電池では、プレドープ用電極の少なくとも一部にLi供給源を持たせて巻回電極体の端面と対向させることで、正極や負極の集電体において、負極合剤層へLiイオンをドープするための貫通孔が不要となる。よって、本発明の電池では、貫通孔を設ける場合よりもより大きな強度の集電体を使用することができ、また、正負極の合剤層と集電体との接着面積をより大きくすることが可能であるため、合剤層の脱落も抑制できる。
プレドープ用電極は、例えば銅やニッケルなどの金属箔(一方の面から他方の面へ貫通する貫通孔を有したものも含む)、パンチングメタル、網、エキスパンドメタルなどを集電体とし、プレドープ用電極集電体に所定量のLi箔(Li供給源となるLi箔。金属Li箔とLi合金箔とを含む。以下、同じ。)を圧着することで作製することができる。もちろん、プレドープ用電極集電体にLi箔を圧着した後、Liが所定量となるようにプレドープ用電極集電体を切り出すことで、プレドープ用電極を作製してもよい。
プレドープ用電極集電体にLi箔を圧着して形成したプレドープ用電極は、例えば図3に示すように、プレドープ用電極集電体が有するタブ部と、巻回電極体の負極の有するタブ部やリード体(図1および図3に示す巻回電極体1においては、負極リード体3)とを溶接することで、巻回電極体の負極と電気的に導通することができる。プレドープ用電極は、巻回電極体の負極と電気的に導通されていれば、その手法や形態に制限はなく、溶接以外の方法で電気的導通が確保されていてもよい。
負極合剤層へのLiイオンのドープが完了したリチウムイオン二次電池内においては、プレドープ用電極は残存しているが、プレドープ用電極に設けたLi供給源は、一部が残存するかまたは全部が消失している。
リチウムイオン二次電池の外装体には、スチール製やアルミニウム製、アルミニウム合金製の外装缶や、金属を蒸着したラミネートフィルムで構成される外装体などを用いることができる。
本発明のリチウムイオン二次電池は、従来から知られているリチウムイオン二次電池の用途と同じ用途に適用することができる。
以下、実施例に基づいて本発明を詳細に述べる。ただし、下記実施例は、本発明を制限するものではない。
(実施例1)
<正極の作製>
Li含有化合物であるLi2CO3と、Co含有化合物であるCo3O4と、Mg含有化合物であるMg(OH)2と、Zr化合物であるZrO2と、Al含有化合物であるAl(OH)3とを適正な混合割合で乳鉢に入れて混合した後、ペレット状に固め、マッフル炉を用いて、大気雰囲気中(大気圧下)で、950℃で24時間焼成し、ICP法で求めた組成式がLiCo0.9795Mg0.011Zr0.0005Al0.009O2のコバルト酸リチウム(A1)を合成した。
<正極の作製>
Li含有化合物であるLi2CO3と、Co含有化合物であるCo3O4と、Mg含有化合物であるMg(OH)2と、Zr化合物であるZrO2と、Al含有化合物であるAl(OH)3とを適正な混合割合で乳鉢に入れて混合した後、ペレット状に固め、マッフル炉を用いて、大気雰囲気中(大気圧下)で、950℃で24時間焼成し、ICP法で求めた組成式がLiCo0.9795Mg0.011Zr0.0005Al0.009O2のコバルト酸リチウム(A1)を合成した。
次に、pHを10とし、温度を70℃とした水酸化リチウム水溶液:200g中に、前記コバルト酸リチウム(A1):10gを投入し、攪拌して分散させた後、ここにAl(NO3)3・9H2O:0.0154gと、pHの変動を抑えるためのアンモニア水とを、5時間かけて滴下して、Al(OH)3共沈物を生成させ、前記コバルト酸リチウム(A1)の表面に付着させた。その後、この反応液からAl(OH)3共沈物が付着した前記コバルト酸リチウム(A1)を取り出し、洗浄後、乾燥させた後に、大気雰囲気中で、400℃の温度で10時間熱処理することで、前記コバルト酸リチウム(A1)の表面にAl含有酸化物の被膜を形成して、正極材料(a1)を得た。
得られた正極材料(a1)について、前記の方法で平均粒子径を測定したところ、27μmであった。
Li含有化合物であるLi2CO3と、Co含有化合物であるCo3O4と、Mg含有化合物であるMg(OH)2と、Al含有化合物であるAl(OH)3とを適正な混合割合で乳鉢に入れて混合した後、ペレット状に固め、マッフル炉を用いて、大気雰囲気中(大気圧下)で、950℃で4時間焼成し、ICP法で求めた組成式がLiCo0.97Mg0.012Al0.009O2のコバルト酸リチウム(B1)を合成した。
次に、pHを10とし、温度を70℃とした水酸化リチウム水溶液:200中gに、前記コバルト酸リチウム(B1):10gを投入し、攪拌して分散させた後、ここにAl(NO3)3・9H2O:0.077gと、pHの変動を抑えるためのアンモニア水とを、5時間かけて滴下して、Al(OH)3共沈物を生成させ、前記コバルト酸リチウム(B1)の表面に付着させた。その後、この反応液からAl(OH)3共沈物が付着した前記コバルト酸リチウム(B1)を取り出し、洗浄後、乾燥させた後に、大気雰囲気中で、400℃の温度で10時間熱処理することで、前記コバルト酸リチウム(B1)の表面にAl含有酸化物の被膜を形成して、正極材料(b1)を得た。
得られた正極材料(b1)について、前記の方法で平均粒子径を測定したところ、7μmであった。
そして、正極材料(a1)と正極材料(b1)とを、質量比で85:15の割合で混合して、電池作製用の正極材料(1)を得た。得られた正極材料(1)の表面のAl含有酸化物の平均被覆厚みを前記の方法で測定したところ、30nmであった。また、平均被覆厚みの測定の際に元素マッピングによって被膜の組成を確認したところ、主成分がAl2O3であった。更に、正極材料(1)の体積基準の粒度分布を前記の方法で確認したところ、平均粒子径は25μmで、正極材料(a1)および正極材料(b1)の各平均粒子径の箇所にピークトップを有する2つのピークが認められた。また、正極材料(1)のBET比表面積を、窒素吸着法による比表面積測定装置を用いて測定したところ、0.25m2/gであった。
正極材料(1):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。このペーストを、厚みが15μmであるアルミニウム箔の両面に、塗布し、120℃で12時間の真空乾燥を行って、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、長さ600mm、幅39mmの帯状の正極を得た。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、その露出部にアルミニウム製のリード体を溶接した。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。
<負極の作製>
SiOの表面を炭素材料で被覆した複合体Si−1(平均粒子径が5μm、比表面積が8.8m2/gで、複合体における炭素材料の量が、SiO:100質量部に対して10質量部)を負極活物質とした。前記式(1)で表わされるユニットおよび前記(2)式で表わされるユニットのみを有し、前記式(2)におけるRが水素でM’がカリウムであり、前記式(1)で表わされるユニットと前記式(2)で表わされるユニットとのモル比が6/4である共重合体(A)をイオン交換水に溶解し、共重合体(A)の濃度が8質量%である水溶液を調製した。この水溶液に、前記負極活物質とカーボンブラックとを加え、撹拌混合することで負極合剤含有ペーストを得た。なお、このペーストにおける負極活物質:カーボンブラック:共重合体(A)の組成比(質量比)は、90:2:8とした。
SiOの表面を炭素材料で被覆した複合体Si−1(平均粒子径が5μm、比表面積が8.8m2/gで、複合体における炭素材料の量が、SiO:100質量部に対して10質量部)を負極活物質とした。前記式(1)で表わされるユニットおよび前記(2)式で表わされるユニットのみを有し、前記式(2)におけるRが水素でM’がカリウムであり、前記式(1)で表わされるユニットと前記式(2)で表わされるユニットとのモル比が6/4である共重合体(A)をイオン交換水に溶解し、共重合体(A)の濃度が8質量%である水溶液を調製した。この水溶液に、前記負極活物質とカーボンブラックとを加え、撹拌混合することで負極合剤含有ペーストを得た。なお、このペーストにおける負極活物質:カーボンブラック:共重合体(A)の組成比(質量比)は、90:2:8とした。
前記負極合剤含有ペーストを、厚みが10μmである銅箔の両面に塗布し乾燥を行って、銅箔の片面および両面に負極合剤層を形成し、プレス処理を行って負極合剤層の密度を1.2g/cm3に調整した後に所定の大きさで切断して、長さ620mm、幅40mmの帯状の負極を得た。なお、銅箔への負極合剤含有ペーストの塗布の際には、銅箔の一部が露出するようにし、その露出部にニッケル製のリード体を溶接した。
<セパレータの作製>
板状ベーマイト(平均粒径1μm、アスペクト比10)5kgに、イオン交換水5kgと、分散剤(水系ポリカルボン酸アンモニウム塩、固形分濃度40質量%)0.5kgとを加え、内容積20L、転回数40回/分のボールミルで10時間解砕処理をして分散液を調製した。処理後の分散液の一部を120℃で真空乾燥し、走査型電子顕微鏡(SEM)で観察したところ、ベーマイトの形状はほぼ板状であった。また、処理後のベーマイトの平均粒子径は1μmであった。
板状ベーマイト(平均粒径1μm、アスペクト比10)5kgに、イオン交換水5kgと、分散剤(水系ポリカルボン酸アンモニウム塩、固形分濃度40質量%)0.5kgとを加え、内容積20L、転回数40回/分のボールミルで10時間解砕処理をして分散液を調製した。処理後の分散液の一部を120℃で真空乾燥し、走査型電子顕微鏡(SEM)で観察したところ、ベーマイトの形状はほぼ板状であった。また、処理後のベーマイトの平均粒子径は1μmであった。
前記分散液500gに、増粘剤としてキサンタンガムを0.5g、バインダとして樹脂バインダーディスパージョン(変性ポリブチルアクリレート、固形分含量45質量%)を17g加え、スリーワンモーターで3時間攪拌して均一な多孔質層(II)形成用スラリー(固形分比率50質量%)を調製した。
多孔質膜(I)であるPE製の微多孔膜(厚み10μm、空孔率40%、平均孔径0.08μm、PEの融点135℃)の片面にコロナ放電処理(放電量40W・分/m2)を施し、この処理面に上記多孔質層(II)形成用スラリーをマイクログラビアコーターによって塗布し、乾燥して厚みが2μmの多孔質層(II)を多孔質膜(I)の片面に形成した。
次に、接着性樹脂としてディレードタック型の接着性樹脂の水溶液(ポリアクリル酸を20質量%含有)を、前記積層物における多孔質膜(I)側および多孔質層(II)側に、マイクログラビアコーターを用いて塗布し、乾燥して、接着性樹脂が両面に存在するセパレータ(厚み22μm)を得た。なお、このセパレータの、接着性樹脂の存在面における接着性樹脂の存在箇所の総面積は、セパレータにおける接着性樹脂の存在面の面積の30%であり、接着性樹脂の目付けは、0.5g/m2であった。
<プレドープ用電極の作製>
図2に示す形状のプレドープ用電極(負極へLiイオンをプレドープするための電極)を作製した。一方の面から他方の面へ貫通する貫通孔を有する銅箔(厚みが10μm、貫通孔の直径が0.1mm、空孔率が47%)を54×45mmの大きさに切断し、3×6mm角のタブ部42を有する集電体41を作製した。更に、厚さが200μmで、質量が60mgであるLi箔43を、集電体41のタブ部42を形成した側と対向する端部の近傍に圧着した後に、Li箔43が内側となるようにL字状に折り曲げて、プレドープ用電極4を得た。なお、図2では、集電体41の貫通孔を示していない。
図2に示す形状のプレドープ用電極(負極へLiイオンをプレドープするための電極)を作製した。一方の面から他方の面へ貫通する貫通孔を有する銅箔(厚みが10μm、貫通孔の直径が0.1mm、空孔率が47%)を54×45mmの大きさに切断し、3×6mm角のタブ部42を有する集電体41を作製した。更に、厚さが200μmで、質量が60mgであるLi箔43を、集電体41のタブ部42を形成した側と対向する端部の近傍に圧着した後に、Li箔43が内側となるようにL字状に折り曲げて、プレドープ用電極4を得た。なお、図2では、集電体41の貫通孔を示していない。
<電極体の作製>
前記帯状の正極と前記帯状の負極とを、前記セパレータを介して重ね合わせて渦巻状に巻回し、横断面が扁平状となるように押し潰して、扁平状巻回電極体1を作製した。なお、正極および負極とセパレータを重ね合わせる際には、セパレータの多孔質層(II)が正極側となるようにした。そして、この扁平状巻回電極体1と前記プレドープ用電極4とを、図3に示すように配置し、扁平状巻回電極体の負極リード体3とプレドープ用電極のタブ部42とを溶接して電極体101とした。
前記帯状の正極と前記帯状の負極とを、前記セパレータを介して重ね合わせて渦巻状に巻回し、横断面が扁平状となるように押し潰して、扁平状巻回電極体1を作製した。なお、正極および負極とセパレータを重ね合わせる際には、セパレータの多孔質層(II)が正極側となるようにした。そして、この扁平状巻回電極体1と前記プレドープ用電極4とを、図3に示すように配置し、扁平状巻回電極体の負極リード体3とプレドープ用電極のタブ部42とを溶接して電極体101とした。
前記電極体が収まるように窪みを形成した厚み:0.15mm、幅:65mm、高さ:50mmの金属(アルミニウム)ラミネートフィルムの、前記窪みに前記積層電極体を挿入し、その上に前記と同じサイズの金属(アルミニウム)ラミネートフィルムを置いて、両金属ラミネートフィルムの3辺を熱溶着した。そして、両金属ラミネートフィルムの残りの1辺から非水電解液(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30:70の混合溶媒に、LiPF6を1mol/lの濃度で溶解させ、ビニレンカーボネート:4質量%、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン:5質量%、アジポニトリル:0.5質量%、および1,3−ジオキサン:0.5質量%となる量で添加した溶液)を注入した後、両金属ラミネートフィルムの前記残りの1辺を真空熱封止して、図4に示す外観で、図5に示す断面構造のリチウムイオン二次電池を作製した。
ここで、図4および図5について説明すると、図4はリチウムイオン二次電池を模式的に表す平面図であり、図5は、図4のI−I線断面図である。リチウムイオン二次電池100は、2枚のアルミニウムラミネートフィルムで構成した金属ラミネートフィルム外装体105内に、正極と負極とをセパレータを介して巻回して形成した扁平状巻回電極体とプレドープ用電極とから構成した電極体101と、非水電解液(図示しない)とを収容しており、金属ラミネートフィルム外装体105は、その外周部において、上下の金属ラミネートフィルムを熱融着することにより封止されている。なお、図5では、図面が煩雑になることを避けるために、金属ラミネートフィルム外装体105を構成している各層や、電極体を構成している各電極およびセパレータを区別して示していない。
電極体101の有する正極のリード体2は、電池100内で正極外部端子102と接続しており、また、図示していないが、電極体101の有する負極のリード体3は、プレドープ用電極のタブ部42と溶接して一体化し、この溶接したリード体とタブ部との一体化物を電池100内で負極外部端子103と接続している。そして、正極外部端子102および負極外部端子103は、外部の機器などと接続可能なように、片端側を金属ラミネートフィルム外装体105の外側に引き出している。
このようにして作製したリチウムイオン二次電池を、45℃の恒温槽内で1週間保管した。
(実施例2)
黒鉛A(表面を非晶質炭素で被覆していない黒鉛):25質量%と、黒鉛B(天然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であり、平均粒子径が10μmである):25質量%と、複合体Si−1:50質量%とを、V型ブレンダーで12時間混合して負極活物質を得た。この負極活物質を使用し、また、プレドープ用電極に係るLi箔を質量が30mgのものに変更した以外は、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。
黒鉛A(表面を非晶質炭素で被覆していない黒鉛):25質量%と、黒鉛B(天然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であり、平均粒子径が10μmである):25質量%と、複合体Si−1:50質量%とを、V型ブレンダーで12時間混合して負極活物質を得た。この負極活物質を使用し、また、プレドープ用電極に係るLi箔を質量が30mgのものに変更した以外は、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。
(実施例3)
黒鉛A:47.5質量%と、黒鉛B:47.5質量%と、複合体Si−1:5質量%とを、V型ブレンダーで12時間混合して負極活物質を得た。この負極活物質を使用し、また、プレドープ用電極に係るLi箔を質量が8mgのものに変更した以外は、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。
黒鉛A:47.5質量%と、黒鉛B:47.5質量%と、複合体Si−1:5質量%とを、V型ブレンダーで12時間混合して負極活物質を得た。この負極活物質を使用し、また、プレドープ用電極に係るLi箔を質量が8mgのものに変更した以外は、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。
(実施例4)
プレドープ用電極に係るLi箔を質量が50mgのものに変更した以外は、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。
プレドープ用電極に係るLi箔を質量が50mgのものに変更した以外は、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。
(実施例5)
プレドープ用電極に係るLi箔を質量が65mgのものに変更した以外は、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。
プレドープ用電極に係るLi箔を質量が65mgのものに変更した以外は、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。
(実施例6)
鱗片状黒鉛粉末:97質量部とケイ素粉末:3質量部とを圧縮力とせん断力を伴う混合方法によって混合して得られた混合物A:100質量部に、非黒鉛質炭素材料:3質量部を加え、圧縮力とせん断力を伴う混合方法によって混合して混合物Bを調製した。前記の混合物Bを非活性雰囲気下、1000℃で1時間加熱した後、解砕処理を施し、鱗片状黒鉛粒子間に挟み込まれたケイ素が非晶質炭素によって固定化された複合化粒子を得た。そして、CMCを溶解した水溶液に、前記負極活物質とSBRとを加え、撹拌混合することで負極合剤含有ペーストを得た。なお、このペーストにおける負極活物質:CMC:SBR:の組成比(質量比)は、94:2:6とした。
鱗片状黒鉛粉末:97質量部とケイ素粉末:3質量部とを圧縮力とせん断力を伴う混合方法によって混合して得られた混合物A:100質量部に、非黒鉛質炭素材料:3質量部を加え、圧縮力とせん断力を伴う混合方法によって混合して混合物Bを調製した。前記の混合物Bを非活性雰囲気下、1000℃で1時間加熱した後、解砕処理を施し、鱗片状黒鉛粒子間に挟み込まれたケイ素が非晶質炭素によって固定化された複合化粒子を得た。そして、CMCを溶解した水溶液に、前記負極活物質とSBRとを加え、撹拌混合することで負極合剤含有ペーストを得た。なお、このペーストにおける負極活物質:CMC:SBR:の組成比(質量比)は、94:2:6とした。
この負極合剤層ペーストを用い、プレドープ用電極に係るLi箔を質量が8mgのものに変更した以外は、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。
(実施例7)
Al(NO3)3・9H2Oの使用量を0.0026gに変更した以外は、正極材料(a1)と同じ方法で正極材料(a2)を作製した。得られた正極材料(a2)について、前記の方法で平均粒子径を測定したところ、27μmであった。
Al(NO3)3・9H2Oの使用量を0.0026gに変更した以外は、正極材料(a1)と同じ方法で正極材料(a2)を作製した。得られた正極材料(a2)について、前記の方法で平均粒子径を測定したところ、27μmであった。
また、Al(NO3)3・9H2Oの使用量を0.013gに変更した以外は、正極材料(b1)と同じ方法で正極材料(b2)を作製した。得られた正極材料(b2)について、前記の方法で平均粒子径を測定したところ、7μmであった。
次に、正極材料(a2)と正極材料(b2)とを、質量比で85:15の割合で混合して、電池作製用の正極材料(2)を得た。得られた正極材料(2)の表面のAl含有酸化物の平均被覆厚みを前記の方法で測定したところ、5nmであった。また、平均被覆厚みの測定の際に元素マッピングによって被膜の組成を確認したところ、主成分がAl2O3であった。更に、正極材料(2)の体積基準の粒度分布を前記の方法で確認したところ、平均粒子径は25μmで、正極材料(a2)および正極材料(b2)の各平均粒子径の箇所にピークトップを有する2つのピークが認められた。また、正極材料(2)のBET比表面積を、窒素吸着法による比表面積測定装置を用いて測定したところ、0.25m2/gであった。
そして、正極材料(1)に代えて正極材料(2)を用いた以外は実施例1と同様にして正極を作製し、この正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。
(実施例8)
Al(NO3)3・9H2Oの使用量を0.0256gに変更した以外は、正極材料(a1)と同じ方法で正極材料(a3)を作製した。得られた正極材料(a3)について、前記の方法で平均粒子径を測定したところ、27μmであった。
Al(NO3)3・9H2Oの使用量を0.0256gに変更した以外は、正極材料(a1)と同じ方法で正極材料(a3)を作製した。得られた正極材料(a3)について、前記の方法で平均粒子径を測定したところ、27μmであった。
また、Al(NO3)3・9H2Oの使用量を0.128gに変更した以外は、正極材料(b1)と同じ方法で正極材料(b3)を作製した。得られた正極材料(b3)について、前記の方法で平均粒子径を測定したところ、7μmであった。
次に、正極材料(a3)と正極材料(b3)とを、質量比で85:15の割合で混合して、電池作製用の正極材料(3)を得た。得られた正極材料(3)の表面のAl含有酸化物の平均被覆厚みを前記の方法で測定したところ、50nmであった。また、平均被覆厚みの測定の際に元素マッピングによって被膜の組成を確認したところ、主成分がAl2O3であった。更に、正極材料(3)の体積基準の粒度分布を前記の方法で確認したところ、平均粒子径は25μmで、正極材料(a3)および正極材料(b3)の各平均粒子径の箇所にピークトップを有する2つのピークが認められた。また、正極材料(3)のBET比表面積を、窒素吸着法による比表面積測定装置を用いて測定したところ、0.25m2/gであった。
そして、正極材料(1)に代えて正極材料(3)を用いた以外は実施例1と同様にして正極を作製し、この正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。
(実施例9)
実施例1と同様の方法で合成したコバルト酸リチウム(A1)およびコバルト酸リチウム(B1)とを、質量比で85:15の割合で混合して、電池作製用の正極材料(4)を得た。
実施例1と同様の方法で合成したコバルト酸リチウム(A1)およびコバルト酸リチウム(B1)とを、質量比で85:15の割合で混合して、電池作製用の正極材料(4)を得た。
正極材料(4):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:17質量部と、導電助剤であるアセチレンブラック:1.3質量部と、平均粒子径が0.7μmであるアルミナフィラー:0.5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、この正極合剤含有ペーストを用いた以外は実施例1と同様にして正極を作製し、この正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。
(比較例1)
セパレータとして、実施例1で多孔質膜(I)として用いたものと同じPE製の微多孔膜を用いた以外は、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。
セパレータとして、実施例1で多孔質膜(I)として用いたものと同じPE製の微多孔膜を用いた以外は、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。
(比較例2)
プレドープ用電極に係るLi箔を質量が70mgのものに変更した以外は、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。
プレドープ用電極に係るLi箔を質量が70mgのものに変更した以外は、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。
(比較例3)
プレドープ用電極を、Li箔を貼り付けずに使用した以外は、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。
プレドープ用電極を、Li箔を貼り付けずに使用した以外は、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。
実施例および比較例の各リチウムイオン二次電池について、以下の各評価を行った。
<正極活物質中のLi量測定>
実施例および比較例のリチウムイオン二次電池の各5個を、0.5Cの電流値で4.4Vまで定電流充電し、引き続いて4.4Vの一定電圧で電流値が0.02Cに到達するまで充電した。その後、0.1Cの放電電流レートで電圧が2.0Vに達するまで放電した。そして、グローブボックス内で金属ラミネートフィルム外装体を解体し、正極のみを取り出した。取り出した正極をジエチルカーボネートで洗浄した後、正極合剤層を掻き出し、前述したICP法により、LiとLi以外の金属の組成比率「Li/M」(Li:Li量、M:Li以外の金属量)を算出し、5個の正極の平均値を求めた。
実施例および比較例のリチウムイオン二次電池の各5個を、0.5Cの電流値で4.4Vまで定電流充電し、引き続いて4.4Vの一定電圧で電流値が0.02Cに到達するまで充電した。その後、0.1Cの放電電流レートで電圧が2.0Vに達するまで放電した。そして、グローブボックス内で金属ラミネートフィルム外装体を解体し、正極のみを取り出した。取り出した正極をジエチルカーボネートで洗浄した後、正極合剤層を掻き出し、前述したICP法により、LiとLi以外の金属の組成比率「Li/M」(Li:Li量、M:Li以外の金属量)を算出し、5個の正極の平均値を求めた。
<充放電サイクル特性評価>
実施例および比較例のリチウムイオン二次電池(前述したLi/M算出用とは別の電池)の各5個を、0.5Cの電流値で4.4Vまで定電流充電し、引き続いて4.4Vの一定電圧で電流値が0.02Cに到達するまで充電した。その後、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(前述したLi/M算出用とは別の電池)の各5個を、0.5Cの電流値で4.4Vまで定電流充電し、引き続いて4.4Vの一定電圧で電流値が0.02Cに到達するまで充電した。その後、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。
初回放電容量測定後のリチウムイオン二次電池(各5個)を、1Cの電流値で4.4Vまで定電流充電し、引き続いて4.4Vの定電圧で電流値が0.05Cになるまで充電した後に、1Cの電流値で2.0Vまで放電する一連の操作を1サイクルとして、これを500回サイクル実施した。そして、各電池について、初回放電容量測定時と同じ条件で定電流−定電圧充電および定電流放電を行って、放電容量を求めた。そして、これらの放電容量を初回放電容量で除した値を百分率で表して容量維持率を求め、それぞれ5個の平均値を算出した。
前記の各評価結果を、各電池に係る負極の構成と共に表1に示す。なお、表1では、充放電サイクル特性評価時の容量維持率は、比較例1の電池の値を100としたときの相対値で示す。
表1に示す通り、Li供給源を有するプレドープ用電極を使用することで負極へのLiのプレドープを行ってモル比Li/Mを適正な値とし、多孔質膜(I)と多孔質層(II)とを有するセパレータを用いた実施例1〜9のリチウムイオン二次電池は、充放電サイクル特性評価時の容量維持率が高く、優れた充放電サイクル特性を有していた。
これに対し、多孔質層(II)を持たない通常のPE製セパレータを使用した比較例1の電池、モル比Li/Mの値が大きすぎる比較例2の電池、および負極へのLiのプレドープを行わなかった比較例3の電池は、充放電サイクル特性評価時の容量維持率が実施例の電池よりも低く、充放電サイクル特性が劣っていた。
1 巻回電極体
2 正極リード体
3 負極リード体
4 プレドープ用電極
41 プレドープ用電極集電体
43 Li供給源
100 リチウムイオン二次電池
2 正極リード体
3 負極リード体
4 プレドープ用電極
41 プレドープ用電極集電体
43 Li供給源
100 リチウムイオン二次電池
Claims (5)
- 正極および負極を、セパレータを介して巻回した巻回電極体と、前記負極へのLiイオンのドープに利用されるプレドープ用電極とを有するリチウムイオン二次電池であって、
前記負極は、負極活物質を含有する負極合剤層を、負極集電体の少なくとも一方の面に有しており、
前記負極活物質は、Siを含む材料Sを含有し、
前記負極合剤層中に含まれる全負極活物質の合計を100質量%としたとき、前記材料Sの含有率が5質量%以上であり、
前記プレドープ用電極は、その少なくとも一部が前記巻回電極体の巻回軸方向に垂直な端面と対向するように配置されており、かつ前記負極と電気的に導通しており、
前記正極は、正極活物質としてLiとLi以外の金属Mで構成される金属酸化物を含む正極合剤層を、正極集電体の少なくとも一方の面に有しており、
前記セパレータは、熱可塑性樹脂を主体とする多孔質膜(I)と、耐熱温度が150℃以上のフィラーを主体として含む多孔質層(II)とを有し、かつ片面または両面に接着層を有しており、
0.1Cの放電電流レートで電圧が2.0Vに達するまで放電した時の、前記正極活物質に含まれるLiとLi以外の金属Mとのモル比率(Li/M)が0.8〜1.05であることを特徴とするリチウムイオン二次電池。 - 前記巻回電極体は、巻回軸方向に垂直な横断面が扁平状である請求項1に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記正極は、正極活物質の粒子の表面がAl含有酸化物で被覆されてなる正極材料を含み、前記Al含有酸化物の平均被覆厚みが5〜50nmであり、前記正極材料が含有する正極活物質は、Coと、Mg、Zr、Ni、Mn、TiおよびAlよりなる群から選択される少なくとも1種の元素M1とを少なくとも含有するコバルト酸リチウムである請求項1〜3のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池。
- 請求項1〜4のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池を製造する方法であって、
前記プレドープ用電極にLi供給源を有するものを使用し、かつ前記プレドープ用電極を、その前記Li供給源が前記巻回電極体の巻回軸方向に垂直な端面と対向するように配置し、
前記負極と前記プレドープ用電極とを電気的に導通させることで前記Li供給源から前記負極へLiイオンをドープする工程を有す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。
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