JP2018185906A - 二次電池の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
一例として、リチウムマンガン含有複合酸化物を正極活物質として使用する場合、当該正極活物質と水系溶媒の水分とが接触すると、正極活物質中のLi+と水分中のH+との交換反応が生じる。このことにより、正極活物質の表面にH+が吸着される。かかる状態で、例えば加熱乾燥等によって正極ペーストが高温に曝されると、正極活物質の表面のH+と共に正極活物質中の酸素が脱離する。その結果、正極活物質が酸素欠損の状態となり、正極活物質中のMnの価数が電荷補償によって4+から3+に低下する。このため、水系溶媒を用いて作製された正極では高抵抗なMn3+の割合が増大して、反応抵抗が上昇してしまう。
また、導電助剤とLi5FeO4とを正極ペーストの調製よりも前に複合化することで、導電助剤の表面に予め親水性基が付与される。このことにより、正極ペースト中で導電助剤の分散性が向上して、導電助剤の凝集体(ダマ)が生じ難くなる。その結果、正極活物質の周囲に導電助剤をムラなく配置して、正極活物質の導電性を効果的に高めることができる。
これらの効果が相俟って、上記製造方法によれば、水系溶媒を用いて正極を作製する場合においても低抵抗な二次電池を実現することができる。
なお、本明細書において数値範囲をA〜B(ここでA,Bは任意の数値)と記載している場合は、A以上B以下を意味するものである。
本工程では、まず、導電助剤と、添加剤としてのLi5FeO4とを用意する。
導電助剤としては、例えば、カーボンブラック(典型的にはアセチレンブラック)、活性炭、黒鉛、炭素繊維等の炭素材料を好適に用いることができる。
Li5FeO4は、市販品を購入してもよく、従来公知の方法で合成することもできる。Li5FeO4は、酸化還元電位が4.0V(vs. Li/Li+)付近にあり、充電によって正極の電位が4.0V(vs. Li/Li+)となると、次の反応:2Li5FeO4=5Li2O+Fe2O3;を生じて、Li2Oを生成する。
以上のように、複合粒子を造粒することができる。
本工程では、まず、正極活物質と、上記ステップS1で造粒した複合粒子と、水系溶媒とを用意する。水系溶媒としては、水または水を主体とする混合溶媒が挙げられる。なかでも、イオン交換水や蒸留水の使用が好ましい。
正極活物質は、リチウムマンガン含有複合酸化物のみで構成されていてもよいし、リチウムマンガン含有複合酸化物に加えて、従来知られている種類の正極活物質を、例えばリチウムマンガン含有複合酸化物よりも少ない質量で、好ましくは正極活物質全体の10質量%以下の割合で、さらに含んでいてもよい。
正極活物質は、粒子状である。正極活物質の平均粒径(レーザー回折・光散乱法に基づく50体積%粒径(D50粒径))は、典型的には1〜20μm、例えば3〜10μm程度であるとよい。
以上のように、正極ペーストを調製することができる。
本工程では、まず、正極集電体を用意する。正極集電体としては、導電性の良好な金属(例えばアルミニウム)からなる導電性部材を好適に用いることができる。
次に、上記ステップS2で調製した正極ペーストを正極集電体上に付与する。なお、正極の作製方法については、従来と同様でよく特に限定されない。例えば、まず、適当な塗布装置を使用して、正極集電体の表面に正極ペーストを付与する。次に、正極ペーストの付着した正極集電体を乾燥処理して、正極ペースト中から水系溶媒を除去する。乾燥処理は、例えば、100℃以上での加熱乾燥や真空乾燥によって行うことができる。
以上のように、正極集電体上に正極活物質層を備えた正極を作製することができる。
本工程では、正極と、負極と、電解液とを電池ケースに収容して、電池組立体を構築する。例えば、まず、負極を用意する。負極は、従来と同様でよく特に限定されない。負極は、典型的には、負極集電体と、負極集電体上に固着された負極活物質層とを備えている。負極集電体としては、導電性の良好な金属(例えば銅)からなる導電性材料が好適である。負極活物質層は、負極活物質を含んでいる。負極活物質としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、非晶質コート黒鉛等の炭素材料が好適である。
これにより、電池組立体を構築することができる。
本工程では、上記ステップS4で構築した電池組立体を初期充電処理する。例えば、所定の充電レート(例えば0.1〜1C)で、電池組立体を充電する。本工程は、正極の電位(vs. Li/Li+)が、Li5FeO4の酸化還元電位以上となるまで行うことが好ましい。一好適例では、正極の電位が4.0V(vs. Li/Li+)以上となるまで電池組立体を充電する。他の一好適例では、正負極間の電圧が、概ね4.1V以上、例えば4.3〜5.0Vとなるまで電池組立体を充電する。
これにより、電池組立体を初期充電処理することができる。
また、本実施形態の製造方法では、ステップS5において、Li5FeO4からLi2Oが生成される。このことにより、Li5FeO4由来の酸素(典型的には酸化物イオンや過酸化物イオン等のイオン形態)が正極活物質に供給され、Mn4+の再生が助長される。その結果、正極活物質中のMn3+の存在量が低減される。
これらの効果が相俟って、ここに開示される製造方法によれば、水系溶媒を用いて正極を作製する場合においても低抵抗な二次電池を実現することができる。
実施例では、Li5FeO4の添加量が異なる計7種類の正極ペーストを、図2のフローチャートにしたがって調製した。
すなわち、まず、遊星ボールミルに、導電助剤としてのアセチレンブラック(AB)と、Li5FeO4とを添加し、直径5mmのジルコニア製のボールを粉砕媒体として、回転速度300rpmで1時間メカノケミカル処理を行った。これにより、複合粒子を得た。
次に、正極活物質としての粉末状のLiNi0.5Mn1.5O4(スピネル構造のリチウムニッケルマンガン複合酸化物、平均粒径5μm)と、上記複合粒子と、酸消費剤としてのリン酸リチウム(LPO)とを、乳鉢で5分間乾式混合して、混合粉末を調製した。
また別途、イオン交換水に増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース(CMC)を添加し、ディスパを使用して、回転速度4000rpmで30分間混合することにより、液状に調製した。
次に、上記混合粉末に、最終的な固形分率(NV)が70%以上となるよう上記液状の増粘剤を添加し、ディスパを使用して、回転速度4000rpmで30分間混合した。
そこへ、結着剤としてのポリアクリル酸(PAA:高架橋吸水性樹脂粒子、pH=10.5)を添加し、攪拌棒を用いて5分間さらに混合した。
最後に、リン酸を添加して、ペーストのpHを中性域(7〜11)に調整した。
また、負極活物質としての天然黒鉛を含む負極(市販品)と、上記作製した正極とを、樹脂製のセパレータを介して積層し、電極体を作製した。また、非水電解液として、環状カーボネートと鎖状カーボネートとを含む混合溶媒中に、リチウム塩としてのLiPF6を1mol/Lの濃度となるように溶解させたものを用意した。
そして、上記電極体と上記非水電解液とをラミネート製の電池ケースに収容し、計7種類のリチウムイオン二次電池組立体を構築した。
参考例では、Li5FeO4の添加量が異なる計7種類の正極ペーストを、図3のフローチャートにしたがって調製した。すなわち、導電助剤とLi5FeO4とを複合化することなく、正極活物質と導電助剤とLi5FeO4とを一気に乾式混合して、混合粉末を調製したこと以外は上記実施例1〜7と同様に、参考例1〜7の正極ペーストを調製した。そして、上記実施例1〜7と同様に、リチウムイオン二次電池(参考例1〜7)を作製した。
また、あわせて、比較用として、Li5FeO4を含まないリチウムイオン二次電池(比較例)を作製した。
上記調製した正極ペーストのレーザー回折・光散乱法に基づく50体積%粒径(D50粒径)を測定した。結果を表1に示す。
上記作製したリチウムイオン二次電池について、25℃で、交流インピーダンス測定を行った。得られたインピーダンスのナイキストプロットから半円の直径を読み取り、反応抵抗(Ω)とした。
そして、Li5FeO4を含まない比較例の反応抵抗を基準(1)とし、各例につき、基準に対する相対比(反応抵抗比)を算出した。結果を表1および図4に示す。
また、導電助剤とLi5FeO4とを複合化した実施例1〜7では、導電助剤とLi5FeO4とを複合化しなかった参考例1〜7に比べて、相対的に反応抵抗が低減されていた。これは、上記導電助剤の凝集が減少した効果と考えられる。
さらに、本試験例では、正極ペースト中の固形分全体に占めるLi5FeO4の添加量を0.2〜2.0質量%とすることが好ましく、0.6±1質量%とすることが特に好ましいことが示唆された。
S2 正極ペーストの調製工程
S3 正極の作製工程
S4 電池組立体の構築工程
S5 初期充電工程
Claims (1)
- 導電助剤とLi5FeO4とをメカノケミカル処理で複合化して、複合粒子を造粒する工程、
正極活物質としてのリチウムマンガン含有複合酸化物と、前記複合粒子と、水系溶媒とを混合して、正極ペーストを調製する工程、
前記正極ペーストを正極集電体上に付与して、正極を作製する工程、
前記正極と、負極と、電解液とを電池ケースに収容して、電池組立体を構築する工程、
前記電池組立体を初期充電処理する工程、
を包含する、二次電池の製造方法。
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