JP2019087392A - リチウムイオン二次電池の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
ここで、VIは、二次電池200の充電開始時の電池電圧である。
集電体211は、正極活物質層212と接する一方の面から、負極活物質層213と接する他方の面へと電子の移動を媒介する機能を有する。集電体211を構成する材料に特に制限はないが、たとえば、金属や、導電性を有する樹脂が採用され得る。
電極活物質層(正極活物質層212、負極活物質層213)は、電極活物質(正極活物質または負極活物質)を含む。また、電極活物質層(正極活物質層212、負極活物質層213)は、必要に応じて、導電助剤、導電部材、バインダ、および被覆用樹脂等を含んでもよい。
正極活物質としては、たとえば、LiMn2O4、LiCoO2、LiNiO2、Li(Ni−Mn−Co)O2、およびこれらの遷移金属の一部が他の元素により置換されたもの等のリチウム−遷移金属複合酸化物、リチウム−遷移金属リン酸化合物、リチウム−遷移金属硫酸化合物等が挙げられる。場合によっては、2種以上の正極活物質が併用されてもよい。好ましくは、容量、出力特性の観点から、リチウム−遷移金属複合酸化物が、正極活物質として用いられる。より好ましくはリチウムとニッケルとを含有する複合酸化物が用いられる。さらに好ましくはLi(Ni−Mn−Co)O2およびこれらの遷移金属の一部が他の元素により置換されたもの(以下、単に「NMC複合酸化物」とも称する)、またはリチウム−ニッケル−コバルト−アルミニウム複合酸化物(以下単に、「NCA複合酸化物」とも称する)等が用いられる。NMC複合酸化物は、リチウム原子層と遷移金属(Mn、Ni、およびCoが秩序正しく配置)原子層とが酸素原子層を介して交互に積み重なった層状結晶構造を有する。そして、遷移金属1原子あたり1個のLi原子が含まれ、取り出せるLi量が、スピネル系リチウムマンガン酸化物の2倍、つまり供給能力が2倍になり、高い容量を持つことができる。
負極活物質としては、ケイ素系材料を必須に含む。ケイ素系材料としては、Si単体、SiO2、およびSiO等のシリコン酸化物、シリコン合金等が挙げられる。シリコン合金は、Si、Sn、およびM(遷移金属)の少なくとも三元系であることが好ましく、Mは、チタン(Ti)であることが好ましい。また、他の負極活物質としては、たとえば、グラファイト(黒鉛)、ソフトカーボン、ハードカーボン等の炭素材料、リチウム−遷移金属複合酸化物(たとえば、Li4Ti5O12)、金属材料(スズ)、リチウム合金系負極材料(たとえば、リチウム−アルミニウム合金、リチウム−アルミニウム−マンガン合金等)等が挙げられる。場合によっては、2種以上の負極活物質が併用されてもよい。好ましくは、容量、出力特性の観点から、ケイ素系材料に加え、炭素材料、リチウム−遷移金属複合酸化物、リチウム合金系負極材料が、負極活物質として用いられる。なお、上記以外の負極活物質が用いられてもよいことは勿論である。また、被覆用樹脂は特に炭素材料に対して付着しやすいという性質を有している。したがって、構造的に安定した電極材料を提供するという観点からは、他の負極活物質として、炭素材料を用いることが好ましい。
導電助剤は、電極活物質層中で電子伝導パスを形成し、電極活物質層の電子移動抵抗を低減することで、電池の高レートでの出力特性向上に寄与し得る。
導電部材は、電極活物質層中で電子伝導パスを形成する機能を有する。特に、導電部材の少なくとも一部が、電極活物質層の2つの主面同士を電気的に接続する導電通路を形成している(本実施形態では、電極活物質層の電解質層216側に接触する第1主面から集電体211側に接触する第2主面までを電気的に接続する導電通路を形成している)ことが好ましい。このような形態を有することで、電極活物質層中の厚さ方向の電子移動抵抗がさらに低減されるため、電池の高レートでの出力特性をより一層向上し得る。なお、導電部材の少なくとも一部が、電極活物質層の2つの主面同士を電気的に接続する導電通路を形成しているか否かは、SEMや光学顕微鏡を用いて電極活物質層の断面を観察することにより確認できる。
バインダとしては、たとえば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)等の溶剤系バインダや、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)等の水系バインダが挙げられる。なお、負極活物質層213におけるバインダの含有量は、負極活物質層213に含まれる全固形分量100質量%に対して1質量%以下であり、好ましくは0質量%である。
被覆用樹脂は、電極活物質の表面に存在し、電解液を吸液して保持する機能を有する。これにより、電極活物質層において、電極活物質表面から電解質層へのイオン伝導パスを形成することができる。被覆用樹脂の材料は特に制限されないが、柔軟性や吸液性の観点から、(A)ポリウレタン樹脂、(B)ポリビニル系樹脂(たとえば、(メタ)アクリレート系共重合体等)からなる群から選択される少なくとも1種を含むことが好ましい。
電解質層216に使用される電解質には、非水溶媒を含む液体電解質(電解液)や、電解液を保持するホストポリマーを有するゲルポリマー電解質が用いられる。
集電板221,222を構成する材料は、特に制限されず、リチウムイオン二次電池用の集電板として従来用いられている公知の高導電性材料が用いられ得る。集電板221,222の構成材料としては、たとえば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス(SUS)、これらの合金等の金属材料が好ましい。軽量、耐食性、高導電性の観点から、より好ましくはアルミニウム、銅であり、特に好ましくはアルミニウムである。なお、正極集電板221と負極集電板222とでは、同一の材料が用いられてもよいし、異なる材料が用いられてもよい。
シール部218は、集電体211同士の接触や単電池層217の端部における短絡を防止する機能を有する。シール部218を構成する材料としては、絶縁性、固体電解質の脱落に対するシール性や外部からの水分の透湿に対するシール性(密封性)、電池動作温度下での耐熱性等を有するものであればよい。たとえば、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリイミド樹脂、ゴム(エチレン−プロピレン−ジエンゴム:EPDM)等が用いられ得る。また、イソシアネート系接着剤や、アクリル樹脂系接着剤、シアノアクリレート系接着剤等を用いてもよく、ホットメルト接着剤(ウレタン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリオレフィン樹脂)等を用いてもよい。なかでも、耐食性、耐薬品性、作り易さ(製膜性)、経済性等の観点から、ポリエチレン樹脂やポリプロピレン樹脂が、絶縁層の構成材料として好ましく用いられ、非結晶性ポリプロピレン樹脂を主成分とするエチレン、プロピレン、ブテンを共重合した樹脂を用いることが好ましい。
外装体220としては、アルミニウムを含むラミネートフィルムを用いた袋状のケースを用いることができるほか、公知の金属缶ケースを用いることができる。ラミネートフィルムには、たとえば、ポリプロピレン(PP)、アルミニウム、ナイロンをこの順に積層してなる3層構造のラミネートフィルム等を用いることができるが、これらに何ら制限されるものではない。高出力化や冷却性能に優れ、EV、HEV用の大型機器用電池に好適に利用することができるという観点から、ラミネートフィルムが望ましい。また、外部から掛かる発電要素210への群圧を容易に調整することができ、所望の電解質層216の厚みへと調整容易であることから、外装体220はアルミネートラミネートがより好ましい。
(1)リチウムイオン二次電池の組み立て
エチレンカーボネートとプロピレンカーボネートとの等体積混合溶媒に、支持塩濃度が2mol/LとなるようにLiFSIを溶解して電解液を作製した。また、NCA複合酸化物(LiNi0.8Co0.15Al0.05O2)(94質量%)、アセチレンブラック(5.8質量%)、およびカーボンナノファイバー(0.2質量%)の混合物に電解液を添加して正極用スラリーを調製した。同様に、ハードカーボン(70.4質量%)、Si合金(Si55Sn15Ti30(原子比は質量比))(17.6質量%)、アセチレンブラック(10質量%)、およびカーボンナノファイバー(2.0質量%)の混合物に電解液を添加して負極用スラリーを調製した。そして、アルミニウム集電箔上に正極用スラリーを塗布して正極活物質層(厚さ354μm)を形成することにより、正極を製作した。同様に、銅集電箔上に負極用スラリーを塗布して負極活物質層(厚さ256μm)を形成することにより、負極を製作した。それから、正極と負極とを各活物質層が向き合うようにセパレータ(セルガード社製、セルガード3501)を介して積層し、電解液を添加してアルミネートラミネート製外装体の内部に真空封止することによって、1つの単電池層から構成されるリチウムイオン二次電池を組み立てた。また、リニアスイープボルタンメトリー測定により、電解液の還元分解反応が起こるリチウムイオン二次電池の電池電圧が約3.5Vであることを確認した。
組み立てた二次電池に対して、初回充電工程を行い、リチウムイオン二次電池を完成させた。具体的には、まず、0.1Cの電流でリチウムイオン二次電池の定電流充電を行い、充電量10%(電池電圧:約3.0V)に達した時点で24時間充電を休止した。24時間経過後、0.1Cの電流で定電流充電を再開し、その後、電池電圧が4.2Vに達した時点で充電方式を定電圧充電に切り替えた。そして、リチウムイオン二次電池に流れる電流が0.001Cになった時点で充電を終了した。
実施例に係るリチウムイオン二次電池と同様に組み立てたリチウムイオン二次電池に対して、一般的な初回充電工程を行い、二次電池を完成させた。具体的には、充電を休止することなく、リチウムイオン二次電を0.1Cの電流で定電流充電し、電池電圧が4.2Vに達した時点で充電方式を定電圧充電に切り替えた。そして、リチウムイオン二次電池に流れる電流が0.001Cになった時点で充電を終了した。
(初期容量の評価)
実施例および比較例に係るリチウムイオン二次電池の電池電圧の変化を図6に示す。図6の縦軸は、二次電池の電池電圧を示し、横軸は、二次電池の充電容量を示す。図6中の実線は、実施例に係る二次電池の電池電圧の変化を示し、破線は、比較例に係る二次電池の電池電圧の変化を示す。
実施例および比較例に係るリチウムイオン二次電池を、放電レートを変更して放電させ、放電レート特性を評価した。評価結果を図7に示す。図7の縦軸は、二次電池の放電容量を示し、横軸は、放電時のCレートを示す。図7中の白い丸印は、実施例に係る二次電池の特性を示し、黒い丸印は、比較例に係る二次電池の特性を示す。
110 電圧センサ、
120 電流センサ、
130 電源、
140 制御部、
200 リチウムイオン二次電池、
210 発電要素、
211 集電体、
212 正極活物質層、
213 負極活物質層、
215 双極型電極、
216 電解質層、
217 単電池層、
218 シール部、
220 外装体、
250 炭素系活物質粒子、
260 ケイ素系活物質粒子、
270 導電性炭素粒子。
Claims (4)
- リチウムイオンを吸蔵放出可能な正極活物質を含む正極活物質層を備えた正極と、ケイ素を含有する負極活物質の非結着体である負極活物質層を備えた負極と、非水溶媒を含む電解液を有する電解質層とを有するリチウムイオン二次電池の製造方法であって、
前記リチウムイオン二次電池の負極電位が前記電解液の還元分解電位よりも貴な電位に保たれる範囲に設定された所定の電池電圧まで、前記リチウムイオン二次電池を充電する第1充電工程と、
前記所定の電池電圧まで前記リチウムイオン二次電池が充電された場合、前記リチウムイオン二次電池の充電を所定時間休止する休止工程と、
前記所定時間が経過した場合、前記リチウムイオン二次電池の充電を再開して、前記リチウムイオン二次電池の充電を継続する第2充電工程と、
を含む初回充電工程を有する、リチウムイオン二次電池の製造方法。 - 前記休止工程において、前記リチウムイオン二次電池の充電が1時間以上休止される、請求項1に記載のリチウムイオン二次電池の製造方法。
- 前記所定の電池電圧は、前記リチウムイオン二次電池の負極電位が前記電解液の還元分解電位に等しいときの電池電圧(VH)より小さく、電池電圧(VL)より大きい範囲に設定され、
前記電池電圧(VL)は、下記数式(1):
VL=VI+0.3×(VH−VI) …(1)
(上記数式(1)において、VIは、充電開始時の前記リチウムイオン二次電池の電池電圧である)
で表される、請求項1または2に記載のリチウムイオン二次電池の製造方法。 - 前記電解液は、プロピレンカーボネートとエチレンカーボネートの混合溶媒にリチウムビス(フルオロスルホニル)イミドを溶解した溶液であり、
前記電解液の還元分解電位は、プロピレンカーボネートの還元分解電位である、請求項1〜3のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池の製造方法。
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