JP2018147874A - 電極、電極素子、非水電解液蓄電素子 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、第1の実施の形態に係る非水電解液蓄電素子を例示する断面図である。図1を参照すると、非水電解液蓄電素子1は、電極素子40に非水電解液51を注入し、外装52で封止した構造である。非水電解液蓄電素子1は、必要に応じてその他の部材を有してもよい。非水電解液蓄電素子1としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、非水電解液二次電池、非水電解液キャパシタ等が挙げられる。
<負極>
負極10は、負極活物質を含んでいれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、本実施の形態では、負極集電体11上に負極材層12及び13が順次積層された構造である。負極10の形状としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、平板状等が挙げられる。
<<負極集電体>>
負極集電体11の材質、形状、大きさ、構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
<<負極材層>>
負極材層12及び13としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、負極活物質を少なくとも含み、必要に応じてバインダ、導電剤等を含んでもよい。
−負極活物質−
負極材層12及び13に含まれる負極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵、放出できる物質であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、本実施の形態では、負極材層12及び13に含まれる負極活物質は、第1材料と、第1材料よりも負極10の表面にリチウムイオンを析出させ難い第2材料とを含む。例えば、炭素質材料を主材(第1材料)とし、第2材料として他の炭素質材料を添加する。なお、リチウムイオンが析出する負極10の表面とは、具体的には、負極材層13とセパレータ30との界面の部分である。
−バインダ−
負極材層12及び13に含まれるバインダとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、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)等のフッ素系バインダ、エチレン−プロピレン−ブタジエンゴム(EPBR)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、イソプレンゴム、カルボキシメチルセルロース(CMC)等が挙げられる。
<正極>
正極20は、正極活物質を含んでいれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、本実施の形態では、正極集電体21上に正極材層22及び23が順次積層された構造である。正極20の形状としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、平板状等が挙げられる。
<<正極集電体>>
正極集電体21の材質、形状、大きさ、構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
正極集電体21の形状としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することがで きる。正極集電体21の大きさとしては、非水電解液蓄電素子1に使用可能な大きさであれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
<<正極材層>>
正極材層22及び23としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、正極活物質を少なくとも含み、必要に応じてバインダ、増粘剤、導電剤等を含んでもよい。
−正極活物質−
正極材層22及び23に含まれる正極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵、放出できる物質であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、本実施の形態では、正極材層22及び23に含まれる正極活物質は、第3材料と、第3材料よりもリチウムイオンに対する拡散性が高い(リチウムイオンの拡散を促進する)第4材料とを含む。例えば、主材として非水電解液蓄電素子1の容量を大きくできる第3材料を選定し、選定した第3材料にリチウムイオンに対する拡散性が高い第4材料を添加する。なお、リチウムイオンに対する拡散性が高い第4材料の比率を高くすると、非水電解液蓄電素子1の出力を向上することができる。
−バインダ−
正極材層22及び23に含まれるバインダとしては、電極製造時に使用する溶媒や電解液に対して安定な材料であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、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)等のフッ素系バインダ、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、イソプレンゴム等が挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
−増粘剤−
正極材層22及び23に含まれる増粘剤としては、例えば、カルボキシメチルセルロース(CMC)、メチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、エチルセルロース、ポリビニルアルコール、酸化スターチ、リン酸スターチ、カゼイン等が挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。なお、増粘剤は使用しなくてもよい。
−導電剤−
正極材層22及び23に含まれる導電剤としては、例えば、銅、アルミニウム等の金属材料、カーボンブラック、アセチレンブラック等の炭素質材料等が挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
<非水電解液>
非水電解液51は、非水溶媒、及び電解質塩を含有する電解液である。
<<非水溶媒>>
非水溶媒としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、非プロトン性有機溶媒が好適である。非プロトン性有機溶媒としては、鎖状カーボネート、環状カーボネート等のカーボ ネート系有機溶媒が用いられる。鎖状カーボネートとしては、例えば、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(EMC)、メチルプロピオネート(MP)などが挙げられる。
<<電解質塩>>
電解質塩としては、リチウム塩を用いることができる。リチウム塩としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)、過塩素酸リチウム(LiClO4 )、塩化リチウム(LiCl)、ホウ弗化リチウム(LiBF4)、六弗化砒素リチウム (LiAsF6)、トリフルオロメタスルホン酸リチウム(LiCF3SO3)、リチムビストリフルオロメチルスルホニルイミド(LiN(C2F5SO2)2)、リチウムビスファーフルオロエチルスルホニルイミド(LiN(CF2F5SO2)2)等が挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、炭素電極中へのアニオンの吸蔵量の大きさの観点から、LiPF6が特に好ましい。
<セパレータ>
セパレータ30は、負極10と正極20との短絡を防ぐために負極10と正極20との間に設けられている。セパレータ30は、リチウムイオン透過性を有し、かつ電子伝導性を持たない絶縁層である。セパレータ30の材質、形状、大きさ、構造としては、特に制限はなく、目的に応じて 適宜選択することができる。
<非水電解液蓄電素子の製造方法>
−負極及びセパレータの作製−
まず、図2(a)に示すように、負極10及びセパレータ30を作製する。具体的には、ステンレススチールや銅等からなる負極集電体11を準備する。そして、負極活物質に、必要に応じてバインダ、導電剤、溶媒等を加えてスラリー状とした負極材層12用の負極材組成物を作製し、負極集電体11上に塗布し、乾燥させて負極材層12を形成する。負極集電体11と負極材層12は結着する。
−正極の作製−
次に、図2(b)に示すように、正極20を作製する。具体的には、ステンレススチールやアルミニウム等からなる正極集電体21を準備する。そして、正極活物質に、必要に応じてバインダ、増粘剤、導電剤 、溶媒等を加えてスラリー状とした正極材層22用の正極材組成物を作製し、正極集電体21上に塗布し、乾燥させて正極材層22を形成する。正極集電体21と正極材層22は結着する。
−電極素子、非水電解液蓄電素子の作製−
次に、図2(c)に示すように、電極素子40を作製する。具体的には、まず、負極集電体11に負極引き出し線41を溶接等により接合する。又、正極集電体21に正極引き出し線42を溶接等により接合する。そして、負極10の負極材層13と正極20の正極材層23とがセパレータ30を介して対向するように負極10上に正極20を配置して電極素子40を作製する。
図3は、第2の実施の形態に係る非水電解液蓄電素子を例示する断面図である。図3を参照すると、非水電解液蓄電素子2は、電極素子60に非水電解液51を注入し、外装52で封止した構造である。非水電解液蓄電素子2は、必要に応じてその他の部材を有してもよい。非水電解液蓄電素子2としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、非水電解液二次電池、非水電解液キャパシタ等が挙げられる。
図8は、第3の実施の形態に係る非水電解液蓄電素子を例示する断面図である。図8を参照すると、非水電解液蓄電素子5は、電極素子70に非水電解液51を注入し、外装52で封止した構造である。非水電解液蓄電素子5は、必要に応じてその他の部材を有してもよい。非水電解液蓄電素子5としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、非水電解液二次電池、非水電解液キャパシタ等が挙げられる。
実施例1では、図1に示す非水電解液蓄電素子1を作製した。但し、正極材層は1層とした。すなわち、正極20側では添加物の添加濃度を各層において段階的に変化させていない。
まず、重量比がグラファイト:非晶質カーボン=7:3となるように主材であるグラファイトに非晶質カーボンを添加した負極活物質を作製し、実施例1と同様のバインダ、導電剤、溶媒を加えてスラリー状とした負極材組成物を作製した。
非水電解液蓄電素子1及び1Xについて、1C(1時間で放電しきれる電流値)で充放電サイクルを実施し、500サイクル後の放電容量維持率を比較した。その結果、非水電解液蓄電素子1(実施例1)は87%、非水電解液蓄電素子1X(比較例1)は82%であった。
実施例2では、図1に示す非水電解液蓄電素子1を作製した。但し、負極材層は1層とした。すなわち、負極10側では添加物の添加濃度を各層において段階的に変化させていない。
まず、重量比がリチウムニッケル複合酸化物:スピネルマンガン=7:3となるように主材であるリチウムニッケル複合酸化物にスピネルマンガンを添加した正極活物質を作製し、実施例2と同様のバインダ、導電剤、増粘剤、溶媒を加えてスラリー状とした正極材組成物を作製した。
非水電解液蓄電素子1及び1Xについて、5Cで連続負荷放電を実施した際の放電容量維持率を測定して比較した。放電容量維持率は0.2Cで評価した際の放電容量を100%とし、比率を計算した。その結果、非水電解液蓄電素子1(実施例2)は81%、非水電解液蓄電素子1X(比較例2)は75%であった。
実施例3では、図1に示す非水電解液蓄電素子1を作製した。但し、負極材層は1層とした。すなわち、負極10側では添加物の添加濃度を各層において段階的に変化させていない。
添加物をスピネルマンガンから、主材よりも小粒子径のリチウムニッケル複合酸化物に代えた以外は比較例2と同様にして、非水電解液蓄電素子1Xを作製した。
非水電解液蓄電素子1及び1Xについて、5Cで連続負荷放電を実施した際の放電容量維持率を測定して比較した。放電容量維持率は0.2Cで評価した際の放電容量を100%とし、比率を計算した。その結果、非水電解液蓄電素子1(実施例3)は76%、非水電解液蓄電素子1X(比較例3)は70%であった。
実施例4では、図1に示す非水電解液蓄電素子1を作製した。但し、負極材層は1層とした。すなわち、負極10側では添加物の添加濃度を各層において段階的に変化させていない。
添加物をスピネルマンガンから、リン酸バナジウムリチウムに代えた以外は比較例2と同様にして、非水電解液蓄電素子1Xを作製した。
非水電解液蓄電素子1及び1Xについて、5Cで連続負荷放電を実施した際の放電容量維持率を測定して比較した。放電容量維持率は0.2Cで評価した際の放電容量を100%とし、比率を計算した。その結果、非水電解液蓄電素子1(実施例4)は86%、非水電解液蓄電素子1X(比較例4)は79%であった。
10 負極
11、61、69、71、79A 負極集電体
12、13、62、68、72、76 負極材層
20 正極
21、65、69A、75、79 正極集電体
22、23、64、66、74、78 正極材層
30、63、67、73、77、163、167 セパレータ
40、60、60A、70、70A 電極素子
41 負極引き出し線
42 正極引き出し線
51 非水電解液
52 外装
Claims (15)
- 電極集電体と、前記電極集電体の一方の側に積層された、リチウムイオンを吸蔵及び放出できる複数の電極材層と、を備えた、蓄電素子の負極用又は正極用の電極であって、
前記電極が負極用である場合には、
各々の前記電極材層は、第1材料と、前記第1材料よりも前記負極の表面に前記リチウムイオンを析出させ難い第2材料と、を含み、
前記電極集電体の遠くに配置される前記電極材層ほど、前記第1材料と前記第2材料の合計重量に対する前記第2材料の重量の比率が大きくなり、
前記電極が正極用である場合には、
各々の前記電極材層は、第3材料と、前記第3材料よりもリチウムイオンに対する拡散性が高い第4材料と、を含み、
前記電極集電体の遠くに配置される前記電極材層ほど、前記第3材料と前記第4材料の合計重量に対する前記第4材料の重量の比率が小さくなる電極。 - 前記電極が正極用である場合には、
各々の前記電極材層は、LiNiXCoyMnzO2(x+y+z=1)であるリチウムニッケル複合酸化物、スピネルマンガン、又はLiXMeY(PO4)Z(0.5≦x≦4、Me=遷移金属、0.5≦y≦2.5、0.5≦z≦3.5)を基本骨格とするリチウムリン酸系材料を含む請求項1に記載の電極。 - 前記電極が正極用である場合には、
前記第3材料がLiNiXCoyMnzO2(x+y+z=1)であるリチウムニッケル複合酸化物であり、
前記第4材料がスピネルマンガン、又はLiXMeY(PO4)Z(0.5≦x≦4、Me=遷移金属、0.5≦y≦2.5、0.5≦z≦3.5)を基本骨格とするリチウムリン酸系材料である請求項2に記載の電極。 - 前記電極が正極用である場合には、
前記第3材料がLiNiXCoyMnzO2(x+y+z=1)であるリチウムニッケル複合酸化物であり、
前記第4材料が前記第3材料よりも小粒子径のLiNiXCoyMnzO2(x+y+z=1)であるリチウムニッケル複合酸化物である請求項2に記載の電極。 - 前記電極が負極用である場合には、
前記第2材料は、非晶質カーボンである請求項1に記載の電極。 - リチウムイオンを吸蔵及び放出できる負極と、
前記リチウムイオンを吸蔵及び放出できる正極と、
前記負極と前記正極との間に配置された、前記リチウムイオンに対する透過性を有する絶縁層と、を有し、
前記負極が請求項1又は5に記載の負極用の電極、及び/又は、前記正極が請求項1乃至4の何れか一項に記載の正極用の電極である電極素子。 - 第1負極集電体の一方の側に、リチウムイオンを吸蔵及び放出できる第1負極材層、リチウムイオンに対する透過性を有する第1絶縁層、リチウムイオンを吸蔵及び放出できる第1正極材層、正極集電体、リチウムイオンを吸蔵及び放出できる第2正極材層、リチウムイオンに対する透過性を有する第2絶縁層、リチウムイオンを吸蔵及び放出できる第2負極材層、及び第2負極集電体が順次積層され、
前記第1負極材層、前記第1絶縁層、及び前記第1正極材層が結着され、
前記第2正極材層、前記第2絶縁層、及び前記第2負極材層が結着され、
前記第1負極集電体と前記第2負極集電体とが接続された電極素子。 - 第1正極集電体の一方の側に、リチウムイオンを吸蔵及び放出できる第1正極材層、リチウムイオンに対する透過性を有する第1絶縁層、リチウムイオンを吸蔵及び放出できる第1負極材層、負極集電体、リチウムイオンを吸蔵及び放出できる第2負極材層、リチウムイオンに対する透過性を有する第2絶縁層、リチウムイオンを吸蔵及び放出できる第2正極材層、及び第2正極集電体が順次積層され、
前記第1正極材層、前記第1絶縁層、及び前記第1負極材層が結着され、
前記第2負極材層、前記第2絶縁層、及び前記第2正極材層が結着され、
前記第1正極集電体と前記第2正極集電体とが接続された電極素子。 - 前記第1負極集電体と前記第1負極材層とが結着され、前記正極集電体と前記第2正極材層とが結着された請求項7に記載の電極素子。
- 前記正極集電体の一方の側と前記第2正極材層とが結着され、前記正極集電体の他方の側と前記第1正極材層とが結着された請求項7に記載の電極素子。
- 前記第1正極集電体と前記第1正極材層とが結着され、前記負極集電体と前記第2負極材層とが結着された請求項8に記載の電極素子。
- 前記負極集電体の一方の側と前記第2負極材層とが結着され、前記負極集電体の他方の側と前記第1負極材層とが結着された請求項8に記載の電極素子。
- 前記絶縁層の材料が粒子状のセラミックである請求項6に記載の電極素子。
- 前記第1絶縁層及び前記第2絶縁層の材料が粒子状のセラミックである請求項7乃至12の何れか一項に記載の電極素子。
- 請求項6乃至14の何れか一項に記載の電極素子と、
前記電極素子に注入された非水電解液と、
前記電極素子及び前記非水電解液を封止する外装と、を有する非水電解液蓄電素子。
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