JP2019102381A - Negative electrode for lithium ion secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本開示はリチウムイオン二次電池用負極に関する。 The present disclosure relates to a negative electrode for a lithium ion secondary battery.
特開2014−199714号公報は、リチウムイオン二次電池用負極において、黒鉛系材料を含む層と集電体との間にチタン酸リチウムを含む層を配置することを開示している。 Unexamined-Japanese-Patent No. 2014-199714 is disclosing arrange | positioning the layer containing a lithium titanate between the layer containing a graphite-type material, and a collector in the negative electrode for lithium ion secondary batteries.
一般にリチウムイオン二次電池用負極(以下「負極」と略記され得る)には、負極活物質として黒鉛系材料が含まれている。黒鉛系材料は電気抵抗が低い傾向がある。そのため内部短絡が発生した際、黒鉛系材料を通じて短絡電流が伝播しやすいと考えられる。短絡電流の伝播により、内部短絡時の発熱量が大きくなると考えられる。 In general, a negative electrode for a lithium ion secondary battery (hereinafter, may be abbreviated as “negative electrode”) contains a graphite-based material as a negative electrode active material. Graphite-based materials tend to have low electrical resistance. Therefore, when an internal short circuit occurs, it is considered that the short circuit current is easily propagated through the graphite-based material. The propagation of the short circuit current is considered to increase the calorific value at the time of the internal short circuit.
チタン酸リチウム(以下「LTO」と略記され得る)も負極活物質として知られている。LTOはその構造からリチウムイオンが脱離した状態において電気抵抗が上昇する性質を有し得る。内部短絡時は、LTOからリチウムイオンが脱離すると考えられる。黒鉛系材料にLTOが混合されることにより、内部短絡時、短絡電流の伝播が抑制されることが期待される。 Lithium titanate (which may be abbreviated as “LTO” below) is also known as a negative electrode active material. LTO can have the property that the electrical resistance increases when lithium ions are desorbed from its structure. At the time of internal short circuit, it is thought that lithium ion is desorbed from LTO. By mixing LTO into the graphitic material, it is expected that the propagation of the short circuit current is suppressed at the time of the internal short circuit.
しかし短絡電流は電気抵抗の低い部分を選択的に流れると考えられる。黒鉛系材料およびLTOが混在していても、黒鉛系材料が連続している部分を通じて短絡電流が伝播すると考えられる。黒鉛系材料およびLTOが単純に混合されることにより、黒鉛系材料が不連続となるためには、相当量のLTOが必要であると考えられる。LTOは比容量(単位質量あたりの容量)が小さい。短絡電流の伝播が抑制できる程度にLTOの混合比が高められた場合、電池容量が大幅に低下する可能性がある。 However, the short circuit current is considered to selectively flow in the low resistance portion. Even if the graphitic material and LTO are mixed, it is considered that the short circuit current propagates through the continuous portion of the graphitic material. It is considered that a considerable amount of LTO is required for the graphitic material to become discontinuous by simply mixing the graphitic material and LTO. LTO has a small specific capacity (capacity per unit mass). If the mixing ratio of LTO is increased to such an extent that propagation of a short circuit current can be suppressed, the battery capacity may be significantly reduced.
特許文献1では黒鉛系材料を含む層とLTOを含む層とが積層されている。該構成によれば、少量のLTOにより、負極の厚さ方向における短絡電流の伝播が抑制されることが期待される。しかし負極の面内方向(厚さ方向と直交する方向)には短絡電流が伝播し得ると考えられる。そのため内部短絡時の発熱抑制が不十分になる可能性がある。 In Patent Document 1, a layer containing a graphitic material and a layer containing LTO are laminated. According to this configuration, it is expected that the propagation of the short circuit current in the thickness direction of the negative electrode is suppressed by a small amount of LTO. However, it is considered that the short circuit current can be propagated in the in-plane direction of the negative electrode (direction orthogonal to the thickness direction). Therefore, there is a possibility that heat generation suppression at the time of internal short circuit may become insufficient.
本開示の目的は、電池容量の低下を抑制しつつ、内部短絡時の発熱を抑制することである。 An object of the present disclosure is to suppress heat generation at the time of an internal short circuit while suppressing a decrease in battery capacity.
以下本開示の技術的構成および作用効果が説明される。ただし本開示の作用メカニズムは推定を含んでいる。作用メカニズムの正否により特許請求の範囲が限定されるべきではない。 The technical configuration and effects of the present disclosure will be described below. However, the mechanism of action of the present disclosure includes presumption. The scope of the claims should not be limited by the correctness of the mechanism of action.
本開示のリチウムイオン二次電池用負極は、集電体および負極活物質層を少なくとも含む。負極活物質層は黒鉛系材料およびチタン酸リチウムを負極活物質として含む。負極活物質層は集電体の表面に形成されている。負極活物質層は第1層および第2層を少なくとも含む。第1層は集電体と第2層との間に配置されている。第2層は第1領域および複数の第2領域を含む。第2層の平面視において、複数の第2領域の各々は第1領域内に島状に散在している。チタン酸リチウムは第1層および第1領域に配置されている。黒鉛系材料は複数の第2領域の各々に配置されている。 The negative electrode for a lithium ion secondary battery of the present disclosure at least includes a current collector and a negative electrode active material layer. The negative electrode active material layer contains a graphite-based material and lithium titanate as a negative electrode active material. The negative electrode active material layer is formed on the surface of the current collector. The negative electrode active material layer at least includes a first layer and a second layer. The first layer is disposed between the current collector and the second layer. The second layer includes a first region and a plurality of second regions. In plan view of the second layer, each of the plurality of second regions is scattered in an island shape in the first region. Lithium titanate is disposed in the first layer and the first region. The graphitic material is disposed in each of the plurality of second regions.
本開示の負極では、第2層と集電体との間に第1層が配置されている。第1層にはLTOが配置されている。したがって本開示の負極では、負極の厚さ方向における短絡電流の伝播が抑制されることが期待される。 In the negative electrode of the present disclosure, the first layer is disposed between the second layer and the current collector. The LTO is disposed in the first layer. Therefore, in the negative electrode of the present disclosure, it is expected that the propagation of the short circuit current in the thickness direction of the negative electrode is suppressed.
第2層は第1領域および第2領域を含む。第2層の平面視において、第1領域および第2領域はいわゆる海島構造を形成している。「平面視」は、第2層の主面の法線方向から第2層が観察された視野を示す。LTOを含む第1領域は海に相当する。黒鉛系材料を含む第2領域は島に相当する。平面視において個々の第2領域(黒鉛系材料)は第1領域(LTO)によって隔てられている。即ち面内方向において第2領域(黒鉛系材料)は不連続である。したがって本開示の負極では、負極の面内方向における短絡電流の伝播も抑制されることが期待される。 The second layer includes a first region and a second region. In a plan view of the second layer, the first region and the second region form a so-called sea-island structure. "Plane view" indicates a field of view in which the second layer is observed from the normal direction of the main surface of the second layer. The first region containing LTO corresponds to the sea. The second region containing the graphitic material corresponds to an island. The individual second regions (graphite-based material) are separated by the first region (LTO) in plan view. That is, the second region (graphite material) is discontinuous in the in-plane direction. Therefore, in the negative electrode of the present disclosure, it is expected that the propagation of the short circuit current in the in-plane direction of the negative electrode is also suppressed.
さらに本開示の負極では、上記構造の採用によって短絡電流の伝播が効率的に抑制されるため、少量のLTOによって内部短絡時の発熱が抑制されることが期待される。即ち本開示によれば、電池容量の低下を抑制しつつ、内部短絡時の発熱を抑制することができると考えられる。 Furthermore, in the negative electrode of the present disclosure, the adoption of the above-described structure efficiently suppresses the propagation of the short circuit current, and therefore, it is expected that the heat generation at the internal short circuit is suppressed by a small amount of LTO. That is, according to the present disclosure, it is considered that the heat generation at the time of the internal short circuit can be suppressed while suppressing the decrease of the battery capacity.
以下本開示の実施形態(本明細書では「本実施形態」と記される)が説明される。ただし以下の説明は特許請求の範囲を限定するものではない。 Hereinafter, an embodiment of the present disclosure (referred to as “the embodiment” in the present specification) will be described. However, the following description does not limit the scope of the claims.
<リチウムイオン二次電池用負極>
図1は本実施形態のリチウムイオン二次電池用負極の構成を示す断面概念図である。
負極200はシート状である。負極200は集電体10および負極活物質層20を少なくとも含む。集電体10は例えば5μm以上30μm以下の厚さを有してもよい。集電体10は例えば銅(Cu)箔等であってもよい。負極活物質層20は集電体10の表面に形成されている。負極活物質層20は例えば10μm以上200μm以下の厚さを有してもよい。
<Anode for lithium ion secondary battery>
FIG. 1 is a cross-sectional conceptual view showing the configuration of the negative electrode for a lithium ion secondary battery of the present embodiment.
The
本明細書の各構成の厚さは例えばマイクロメータ等により測定され得る。各構成の厚さは断面顕微鏡画像等において測定されてもよい。厚さは少なくとも3箇所で測定される。少なくとも3箇所の算術平均が採用される。 The thickness of each component in the present specification can be measured, for example, by a micrometer or the like. The thickness of each configuration may be measured in a cross-sectional microscope image or the like. The thickness is measured in at least three places. At least three arithmetic means are employed.
《負極活物質層の組成》
負極活物質層20は黒鉛系材料およびLTOを負極活物質として含む。負極活物質層20は例えばバインダおよび導電材等をさらに含んでもよい。
<< Composition of negative electrode active material layer >>
The negative electrode
(黒鉛系材料)
黒鉛系材料は粉末材料である。黒鉛系材料は、黒鉛結晶構造または黒鉛類似の結晶構造を含む炭素材料を示す。黒鉛結晶構造または黒鉛類似の結晶構造は、炭素六角網面が積層された結晶構造を示す。黒鉛系材料は、例えば黒鉛、易黒鉛化性炭素(ソフトカーボン)、難黒鉛化性炭素(ハードカーボン)等であってもよい。黒鉛は天然黒鉛であってもよい。黒鉛は人造黒鉛であってもよい。1種の黒鉛系材料が単独で使用されてもよい。2種以上の黒鉛系材料が組み合わされて使用されてもよい。
(Graphite based material)
Graphite-based materials are powder materials. The graphite-based material indicates a carbon material containing a graphite crystal structure or a graphite-like crystal structure. The graphite crystal structure or a crystal structure similar to graphite shows a crystal structure in which carbon hexagonal network planes are stacked. The graphite-based material may be, for example, graphite, graphitizable carbon (soft carbon), non-graphitizable carbon (hard carbon) or the like. The graphite may be natural graphite. The graphite may be artificial graphite. One type of graphitic material may be used alone. Two or more graphite-based materials may be used in combination.
黒鉛系材料は、黒鉛構造または黒鉛類似の結晶構造を含む限り、非晶質炭素材料(アモルファスカーボン)も含んでもよい。例えば黒鉛の表面が非晶質炭素により被覆されていてもよい。黒鉛系材料において粒子形状は特に限定されるべきではない。粒子形状は例えば球状、鱗片状、塊状等であってもよい。 The graphitic material may also include an amorphous carbon material (amorphous carbon) as long as it includes a graphite structure or a crystal structure similar to a graphite. For example, the surface of graphite may be coated with amorphous carbon. There is no particular limitation on the particle shape in the graphitic material. The particle shape may be, for example, spherical, scaly, massive or the like.
黒鉛系材料は例えば1μm以上30μm以下の平均粒子径を有してもよい。黒鉛系材料の平均粒子径はレーザ回折散乱法によって測定される。黒鉛系材料の平均粒子径は、体積基準の粒度分布において微粒側からの累積粒子体積が全粒子体積の50%になる粒径を示す。 The graphite-based material may have an average particle size of, for example, 1 μm to 30 μm. The average particle size of the graphitic material is measured by a laser diffraction scattering method. The average particle size of the graphitic material indicates the particle size at which the volume of accumulated particles from the fine particle side becomes 50% of the total particle volume in the volume-based particle size distribution.
(チタン酸リチウム)
LTOは粉末材料である。LTOはチタン(Ti)、リチウム(Li)および酸素(O)を含む限り、従来公知のあらゆる組成および結晶構造を有し得る。LTOは例えばLi4Ti5O12等であってもよい。LTOは例えば0.01μm以上1μm以下の平均粒子径を有してもよい。LTOの平均粒子径は一次粒子での測定値を示す。LTOの平均粒子径は動的光散乱法によって測定される。LTOの平均粒子径は、散乱強度基準による調和平均粒子径(直径)を示す。LTOにおいて一次粒子の形状は特に限定されるべきではない。一次粒子の形状は、例えば球状、板状、棒状、針状等であってもよい。
(Lithium titanate)
LTO is a powder material. LTO can have any composition and crystal structure known in the art as long as it contains titanium (Ti), lithium (Li) and oxygen (O). LTO may be, for example, Li 4 Ti 5 O 12 or the like. The LTO may have an average particle size of, for example, 0.01 μm or more and 1 μm or less. The average particle size of LTO indicates the measured value of primary particles. The average particle size of LTO is measured by dynamic light scattering. The mean particle size of LTO indicates the harmonic mean particle size (diameter) according to the scattering intensity standard. The shape of primary particles in LTO should not be particularly limited. The shape of the primary particles may be, for example, spherical, plate-like, rod-like, needle-like or the like.
本実施形態では少量のLTOにより内部短絡時の発熱が抑制され得る。LTOの含量は、黒鉛系材料およびLTOの合計に対して、例えば20質量%未満であってもよい。LTOの含量は、黒鉛系材料およびLTOの合計に対して、例えば10質量%未満であってもよい。LTOの含量は、黒鉛系材料およびLTOの合計に対して、例えば2.7質量%以上6質量%以下であってもよい。 In the present embodiment, a small amount of LTO can suppress the heat generation at the time of the internal short circuit. The content of LTO may be, for example, less than 20% by mass with respect to the total of the graphitic material and LTO. The content of LTO may be, for example, less than 10% by mass with respect to the total of the graphitic material and LTO. The content of LTO may be, for example, 2.7% by mass or more and 6% by mass or less with respect to the total of the graphitic material and LTO.
(その他の成分)
負極活物質層20はバインダをさらに含んでもよい。負極活物質層20においてバインダの含量は、100質量部の負極活物質に対して、例えば0.1質量部以上10質量部以下であってもよい。バインダは特に限定されるべきではない。バインダは、例えばカルボキシメチルセルロース(CMC)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリアクリル酸(PAA)等であってもよい。1種のバインダが単独で使用されてもよい。2種以上のバインダが組み合わされて使用されてもよい。
(Other ingredients)
The negative electrode
負極活物質層20は導電材をさらに含んでもよい。負極活物質層20において導電材の含量は、100質量部の負極活物質に対して、例えば0.1質量部以上10質量部以下であってもよい。導電材は例えば非晶質炭素材料であってもよい。導電材は例えばカーボンブラック(例えばアセチレンブラック等)、炭素繊維等であってもよい。1種の導電材が単独で使用されてもよい。2種以上の導電材が組み合わされて使用されてもよい。
The negative electrode
《負極活物質層の構造》
本実施形態の負極活物質層20は特定の構造を含む。即ち負極活物質層20は第1層21および第2層22を少なくとも含む。第1層21は集電体10と第2層22との間に配置されている。第1層21は例えば集電体10の表面に直接形成されていてもよい。
<< Structure of Negative Electrode Active Material Layer >>
The negative electrode
第1層21はLTOを含み、黒鉛系材料を含まない。即ちLTOは第1層21に配置されている。第1層21は導電材およびバインダをさらに含んでもよい。第1層21により、内部短絡時、厚さ方向における短絡電流の伝播が抑制されることが期待される。第1層21は例えば1μm以上の厚さを有してもよい。第1層21は例えば2μm以上の厚さを有してもよい。該範囲において発熱の抑制効果が大きくなることが期待される。第1層21は例えば10μm以下の厚さを有してもよい。第1層21は例えば5μm以下の厚さを有してもよい。
The
第2層22は第1層21の表面に直接形成されていてもよい。第2層22と第1層21との間に第3層(図示されず)が形成されていてもよい。第3層は黒鉛系材料を含んでもよい。第3層はLTOを含んでもよい。第3層は黒鉛系材料およびLTOの両方を含んでもよい。第2層22は例えば5μm以上199μm以下の厚さを有してもよい。第2層22は例えば7μm以上198μm以下の厚さを有してもよい。
The
図2は本実施形態の第2層の構成の第1例を示す平面概念図である。
図2には第2層22の平面視が示されている。第2層22は第1領域1および複数の第2領域2を含む。平面視において、複数の第2領域2の各々は第1領域1内に島状に散在している。第1領域1はLTOを含み、黒鉛系材料を含まない。即ちLTOは第1領域1に配置されている。複数の第2領域2の各々は黒鉛系材料を含み、LTOを含まない。即ち黒鉛系材料は複数の第2領域2の各々に配置されている。第1領域1および第2領域2はそれぞれ導電材およびバインダをさらに含んでもよい。
FIG. 2 is a schematic plan view showing a first example of the configuration of the second layer of the present embodiment.
A plan view of the
本実施形態では、平面視において個々の第2領域2(黒鉛系材料)が第1領域1(LTO)によって隔てられている。そのため面内方向における短絡電流の伝播も抑制されることが期待される。 In the present embodiment, the individual second regions 2 (graphite material) are separated by the first region 1 (LTO) in plan view. Therefore, it is expected that the propagation of the short circuit current in the in-plane direction is also suppressed.
平面視において第1領域1の最小幅(W1)は、例えば3μm以上であってもよい。第1領域1の最小幅(W1)は、隣接する第2領域2が最も接近する位置での第1領域1の幅を示す。第1領域1の最小幅(W1)は例えば5μm以上であってもよい。該範囲において発熱の抑制効果が大きくなることが期待される。第1領域1の最小幅(W1)は例えば20μm以下であってもよい。第1領域1の最小幅(W1)は例えば10μm以下であってもよい。第1領域1の最小幅(W1)は、第2層22の顕微鏡画像において測定される。最小幅(W1)は少なくとも3箇所で測定される。少なくとも3箇所の算術平均が採用される。
The minimum width (W1) of the first region 1 in a plan view may be, for example, 3 μm or more. The minimum width (W1) of the first area 1 indicates the width of the first area 1 at a position where the adjacent
平面視において、個々の第2領域2の最大幅(W2)は例えば1.4mm以上5.6mm以下であってもよい。個々の第2領域2の最大幅(W2)は例えば1.4mm以上2.8mm以下であってもよい。個々の第2領域2の最大幅(W2)は例えば2.8mm以上5.6mm以下であってもよい。平面視において個々の第2領域2のアスペクト比は例えば1以上2以下であってもよい。アスペクト比は、個々の第2領域2における最小幅に対する最大幅(W2)の比を示す。アスペクト比の算出に使用される最小幅は、第2領域2が最大幅(W2)を示す方向と直交する方向の最小幅を示す。最大幅(W2)およびアスペクト比は、第2層22の顕微鏡画像において測定される。最大幅(W2)およびアスペクト比は、少なくとも3個の第2領域2において測定される。少なくとも3個の算術平均が採用される。
In a plan view, the maximum width (W2) of each
(平面パターン)
平面視において第1領域1は網目状に延びている。図2において第1領域1の平面パターンは格子状である。ただし個々の第2領域2を隔てることができる限り、第1領域1の平面パターンは特に限定されるべきではない。第1領域1の平面パターンは規則的であってもよい。第1領域1の平面パターンは不規則であってもよい。
(Plane pattern)
The first region 1 extends in a mesh shape in plan view. The plane pattern of the first region 1 in FIG. 2 is lattice-like. However, the planar pattern of the first region 1 should not be particularly limited as long as the individual
図3は本実施形態の第2層の構成の第2例を示す平面概念図である。
図3の実線は第1領域1の平面パターンを示している。第1領域1の平面パターンは、例えば同心円群と、該同心円群の中心から放射状に延びる直線群とから構成されていてもよい。同心円群は真円により構成されていてもよい。同心円群は楕円により構成されていてもよい。直線群が曲線群に変更されてもよい。
FIG. 3 is a schematic plan view showing a second example of the configuration of the second layer of the present embodiment.
The solid line in FIG. 3 indicates the plane pattern of the first region 1. The plane pattern of the first region 1 may be composed of, for example, concentric circles and straight lines extending radially from the center of the concentric circles. The concentric circle group may be configured by a perfect circle. The concentric circle group may be configured by an ellipse. The line group may be changed to a curve group.
図4は本実施形態の第2層の構成の第3例を示す平面概念図である。
図4の実線は第1領域1の平面パターンを示している。第1領域1の平面パターンは、例えば同心円弧群と、該同心円弧群の中心から放射状に延びる直線群とから構成されていてもよい。円弧は真円の円弧であってもよい。円弧は楕円の円弧であってもよい。直線群が曲線群に変更されてもよい。
FIG. 4 is a schematic plan view showing a third example of the configuration of the second layer in the present embodiment.
The solid line in FIG. 4 indicates the plane pattern of the first region 1. The plane pattern of the first region 1 may be composed of, for example, concentric arcs and straight lines extending radially from the center of the concentric arcs. The arc may be a perfect circular arc. The arc may be an oval arc. The line group may be changed to a curve group.
図5は本実施形態の第2層の構成の第4例を示す平面概念図である。
図5の実線は第1領域1の平面パターンを示している。第1領域1の平面パターンは、例えば複数の曲線群が交差することにより構成されていてもよい。曲線は例えば波線等であってもよい。
FIG. 5 is a schematic plan view showing a fourth example of the configuration of the second layer in the present embodiment.
The solid line in FIG. 5 indicates the plane pattern of the first region 1. The plane pattern of the first region 1 may be configured, for example, by crossing a plurality of curve groups. The curve may be, for example, a wavy line or the like.
個々の第2領域2の平面パターンは、第1領域1の平面パターンにより決定される。したがって個々の第2領域2の平面パターンも特に限定されるべきではない。すべての第2領域2の平面パターンが実質的に同一であってもよい(例えば図2を参照のこと)。個々の第2領域2の平面パターンがそれぞれ異なっていてもよい(例えば図3〜5を参照のこと)。個々の第2領域2の平面パターンは、例えば円形、正方形、長方形、六角形等であってもよい。
The planar pattern of each
<リチウムイオン二次電池用負極の製造方法>
図6は本実施形態のリチウムイオン二次電池用負極の製造方法の概略を示すフローチャートである。本実施形態の負極200は、例えば以下の(A)〜(F)を少なくとも含む製造方法により製造され得る。
(A)LTOを含む第1層21を集電体10上に形成する。
(B)黒鉛系材料を含む湿潤顆粒3を調製する。
(C)湿潤顆粒3を島状に成形することにより、複数の第2領域2を形成する。
(D)複数の第2領域2の各々を第1層21上に配置する。
(E)LTOを含む粒子分散液を調製する。
(F)複数の第2領域2の各々の間の隙間を埋めるように、粒子分散液を塗布することにより、第1領域1を形成する。
第1領域1および複数の第2領域2は第2層22を形成する。第1層21および第2層22は負極活物質層20を形成する。
<Method of Manufacturing Negative Electrode for Lithium Ion Secondary Battery>
FIG. 6 is a flowchart showing an outline of a method of manufacturing the negative electrode for a lithium ion secondary battery of the present embodiment. The
(A) A
(B) Preparing wet granules 3 containing a graphitic material.
(C) A plurality of
(D) Each of the plurality of
(E) Prepare a particle dispersion containing LTO.
(F) The first region 1 is formed by applying the particle dispersion liquid so as to fill the gaps between the plurality of
The first region 1 and the plurality of
湿潤顆粒は、黒鉛系材料(粉末材料)の造粒により形成される凝集粒の集合体である。湿潤顆粒は、凝集粒(固体)中に溶媒(液体)が分散した状態を示す。湿潤顆粒は従来公知の方法により調製され得る。湿潤顆粒は例えば攪拌造粒法により調製され得る。湿潤顆粒の固形分比率は例えば60質量%以上90質量%以下であってもよい。固形分比率は、溶媒以外の成分(固形分)の質量比率を示す。 Wet granules are aggregates of aggregate particles formed by granulation of a graphitic material (powder material). The wet granules show a state in which the solvent (liquid) is dispersed in aggregated particles (solid). Wet granules can be prepared by methods known in the art. Wet granules can be prepared, for example, by a stirring granulation method. The solid content ratio of the wet granules may be, for example, 60% by mass or more and 90% by mass or less. Solid content ratio shows the mass ratio of components (solid content) other than a solvent.
粒子分散液はLTO(粉末材料)が溶媒中に分散されることにより調製され得る。粒子分散液の固形分比率は例えば3質量%以上30質量%以下であってもよい。 Particle dispersions can be prepared by dispersing LTO (powder material) in a solvent. The solid content ratio of the particle dispersion may be, for example, 3% by mass or more and 30% by mass or less.
図7は本実施形態のリチウムイオン二次電池用負極の製造方法を説明するための概念図である。
湿潤顆粒3は例えばロール成形により島状に成形され得る。第1回転ロール2001、第2回転ロール2002および第3回転ロール2003は、回転軸が互いに平行になるように配置されている。各回転ロールは、各回転ロールに描かれた矢印の方向に回転する。
FIG. 7 is a conceptual diagram for explaining the method of manufacturing the negative electrode for a lithium ion secondary battery of the present embodiment.
The wet granules 3 can be formed into an island shape by roll forming, for example. The
湿潤顆粒3は第1回転ロール2001と第2回転ロール2002との隙間に供給される。第1回転ロール2001の表面には第1領域1の平面パターンに対応する凸部が形成されている。湿潤顆粒3が第1回転ロール2001と第2回転ロール2002との隙間を通過することにより、複数の第2領域2が形成される。
The wet granules 3 are supplied to the gap between the first
第3回転ロール2003は集電体10を搬送する。集電体10の表面には第1層21が形成されている。第1層21は、例えばLTOを含む粒子分散液が集電体10の表面に塗布され、乾燥されることにより形成され得る。
The third
第2回転ロール2002は複数の第2領域2を搬送する。集電体10および複数の第2領域2は、第2回転ロール2002および第3回転ロール2003の隙間に供給される。第2回転ロール2002および第3回転ロール2003の隙間では、複数の第2領域2が第1層21の表面に擦り付けられる。これにより複数の第2領域2の各々が第2回転ロール2002の表面から離れ、複数の第2領域2の各々が第1層21の表面に移動する。即ち第2領域2が第1層21上に配置される。
The second
さらに複数の第2領域2の各々の間を埋めるように、LTOを含む粒子分散液が塗布されることにより、第1領域1が形成され得る。第1領域1および複数の第2領域2は第2層22を形成する。第1層21および第2層22は負極活物質層20を形成する。その後、負極活物質層20が乾燥されてもよい。以上より負極200が製造される。
Furthermore, the first region 1 can be formed by applying the particle dispersion containing LTO so as to fill the spaces between the plurality of
負極200はリチウムイオン二次電池の仕様に合わせて所定の外形寸法を有するように加工され得る。負極200は圧縮されてもよい。負極200は切断されてもよい。
The
以下本開示の実施例が説明される。ただし以下の説明は特許請求の範囲を限定するものではない。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described. However, the following description does not limit the scope of the claims.
<負極の製造>
《実施例1》
A.第1層の形成
以下の材料が準備された。
LTO(粉末材料)
導電材:アセチレンブラック(AB)
バインダ:CMC
溶媒:水
集電体10:Cu箔
<Manufacture of negative electrode>
Example 1
A. Formation of First Layer The following materials were prepared.
LTO (powder material)
Conductive material: Acetylene black (AB)
Binder: CMC
Solvent: Water Current collector 10: Cu foil
LTO、導電材およびバインダが混合されることにより、粒子分散液が調製された。固形分の混合比は「LTO:導電材:バインダ=93:5:2(質量比)」である。該粒子分散液が集電体10の表面に塗布され、乾燥されることにより第1層21が形成された。第1層21は2μmの厚さを有する。
A particle dispersion was prepared by mixing the LTO, the conductive material and the binder. The mixing ratio of the solid content is “LTO: conductive material: binder = 93: 5: 2 (mass ratio)”. The particle dispersion was applied to the surface of the
B.湿潤顆粒の調製
以下の材料が準備された。
黒鉛系材料:天然黒鉛(粉末材料)
バインダ:CMC
溶媒:水
B. Preparation of Wet Granules The following materials were prepared.
Graphite-based material: Natural graphite (powder material)
Binder: CMC
Solvent: water
黒鉛系材料、バインダおよび溶媒が混合されることにより湿潤顆粒3が調製された。固形分の混合比は「黒鉛系材料:バインダ=99:1(質量比)」である。 Wet granules 3 were prepared by mixing the graphitic material, the binder and the solvent. The mixing ratio of the solid content is “graphite-based material: binder = 99: 1 (mass ratio)”.
C.第2領域の形成
図7に示されるように、ロール成形により湿潤顆粒3が島状に成形された。これにより複数の第2領域2が形成された。図2に示されるように、平面視において個々の第2領域2は、正方形の平面パターンを有する。即ちアスペクト比は1である。個々の第2領域2の最大幅(W2)は1.4mmである。個々の第2領域2(正方形)の一辺の長さは1mmである。個々の第2領域2は溝によって隔てられている。平面視において該溝は格子状に延びている。
C. Formation of Second Region As shown in FIG. 7, the wet granules 3 were formed into an island shape by roll forming. Thereby, a plurality of
D.第2領域の配置
図7に示されるように、複数の第2領域2の各々が第1層21上に配置された。
D. Arrangement of Second Region As shown in FIG. 7, each of the plurality of
E.粒子分散液の調製
上記「A.第1層の形成」と同様に粒子分散液が調製された。
E. Preparation of Particle Dispersion Liquid A particle dispersion liquid was prepared in the same manner as the above-mentioned "A. Formation of first layer".
F.第1領域の形成
複数の第2領域2の各々の間の隙間を埋めるように、粒子分散液が塗布されることにより、第1領域1が形成された。図2に示されるように、平面視において第1領域1は格子状に延びる。第1領域1の最小幅(W1)は10μmである。第1領域1および複数の第2領域2により負極活物質層20が形成された。負極活物質層20において、LTOの含量は黒鉛系材料およびLTOの合計に対して4.1質量%である。負極活物質層20が乾燥された。負極活物質層20が圧縮された。以上より負極200が製造された。
F. Formation of First Region The first region 1 was formed by applying the particle dispersion liquid so as to fill the gaps between each of the plurality of
《実施例2〜3》
下記表1に示されるように、第2領域2の最大幅(W2)が変更されることを除いては実施例1と同様に負極200が製造された。最大幅(W2)の変更により、LTOの含量も変更されている。
Examples 2-3
As shown in Table 1 below, a
《実施例4〜6》
下記表1に示されるように、第1領域1の最小幅(W1)が変更されることを除いては実施例1と同様に負極200が製造された。最小幅(W1)の変更により、LTOの含量も変更されている。
Examples 4 to 6
As shown in Table 1 below, a
《実施例7》
下記表1に示されるように、第1層21の厚さが変更されることを除いては実施例5と同様に負極200が製造された。第1層21の厚さの変更により、LTOの含量も変更されている。
Example 7
As shown in Table 1 below, a
《比較例1》
黒鉛系材料、バインダおよび溶媒が混合されることにより、粒子分散液が調製された。固形分の混合比は「黒鉛系材料:バインダ=99:1(質量比)」である。該粒子分散液が集電体10の表面に塗布され、乾燥されることにより、負極活物質層20が形成された。負極活物質層20が圧縮された。以上より負極200が製造された。比較例1の負極活物質層20は単層構造を有する。比較例1の負極活物質層20はLTOを含まない。
Comparative Example 1
A particle dispersion was prepared by mixing the graphitic material, the binder and the solvent. The mixing ratio of the solid content is “graphite-based material: binder = 99: 1 (mass ratio)”. The particle dispersion was applied to the surface of the
《比較例2》
黒鉛系材料、LTO、バインダおよび溶媒が混合されることにより、粒子分散液が調製された。該粒子分散液が集電体10の表面に塗布され、乾燥されることにより、負極活物質層20が形成された。負極活物質層20が圧縮された。以上より負極200が製造された。比較例2においてLTOの含量は黒鉛系材料およびLTOの合計に対して20質量%である。比較例2の負極活物質層20は単層構造を有する。比較例2は黒鉛系材料およびLTOが単純に混合された例である。
Comparative Example 2
A particle dispersion was prepared by mixing the graphitic material, LTO, binder and solvent. The particle dispersion was applied to the surface of the
《比較例3》
下記表1に示されるようにLTOの含量が変更されることを除いては、比較例2と同様に負極200が製造された。
Comparative Example 3
A
《比較例4》
上記「A.第1層の形成」と同様に集電体10上に第1層21が形成された。第1層21の表面に、比較例1の粒子分散液(黒鉛系材料を含む粒子分散液)が塗布され乾燥されることにより第2層22が形成された。これらを除いては比較例1と同様に負極200が製造された。比較例4の負極活物質層20は二層構造を有する。比較例4の負極活物質層20は、黒鉛系材料を含む層と、LTOを含む層とが積層されることにより形成されている。
Comparative Example 4
The
<評価>
《電池容量》
図8はリチウムイオン二次電池の構成の一例を示す概略図である。
正極100が準備された。正極100はシート状である。正極100は正極活物質層を含む。正極活物質層の組成は「正極活物質:導電材:バインダ=94.4:4.1:1.5(質量比)」である。正極活物質はニッケルコバルトアルミン酸リチウムである。導電材はABである。バインダはポリフッ化ビニリデン(PVdF)である。
<Evaluation>
<< Battery capacity >>
FIG. 8 is a schematic view showing an example of the configuration of a lithium ion secondary battery.
The
セパレータ300が準備された。セパレータ300はポリエチレン(PE)製の多孔質フィルムである。セパレータ300は15μmの厚さを有する。正極100、セパレータ300および負極200がこの順序で積層されることにより、電極群400が形成された。電極群400および電解液がケース500に収納された。ケース500が密閉された。以上より電池1000(リチウムイオン二次電池)が製造された。
The
電池1000の電池容量が測定された。結果は下記表1に示される。下記表1の「電池容量」の欄に示される値は、比較例1の電池容量が「100」とされた場合の相対値である。電池容量が90以上であれば、許容水準の電池容量であると考えられる。
The battery capacity of the
《釘刺し試験》
電池1000の釘刺し試験が実施された。釘刺し試験中、ケース500の表面温度が測定された。下記表1の「到達温度」は、釘刺し試験中の表面温度の最高値を示す。到達温度が低い程、内部短絡時の発熱が抑制されていると考えられる。
"Peeling test"
A nail sticking test of the
<結果>
比較例1は内部短絡時の発熱が最も大きい。負極活物質層20がLTOを含まないためと考えられる。
<Result>
The comparative example 1 has the largest heat generation at the time of the internal short circuit. It is considered that the negative electrode
比較例2および3では、黒鉛系材料およびLTOが単純に混合されることにより、負極活物質層20が形成されている。比較例2ではLTOの含量が20質量%である。しかし発熱の抑制効果は僅かなものである。比較例3ではLTOの含量が30質量%である。比較例3では発熱の抑制効果が認められる。しかし比較例3では電池容量が大幅に低下している。比較例3では電池容量が許容水準である「90」を下回っている。
In Comparative Examples 2 and 3, the negative electrode
比較例4では、黒鉛系材料を含む層と、LTOを含む層とが積層されることにより、負極活物質層20が形成されている。比較例4では少量のLTOにより、比較例2よりも発熱が抑制されている。しかし比較例4は発熱の抑制効果が小さい。面内方向に短絡電流が伝播し得るためと考えられる。
In Comparative Example 4, the negative electrode
実施例1〜7は発熱の抑制効果が大きい。厚さ方向に加えて、面内方向でも短絡電流の伝播が抑制されるためと考えられる。実施例1〜7では90以上の電池容量が確保されている。即ち実施例1〜7では、電池容量の低下を抑制しつつ、内部短絡時の発熱を抑制することができていると考えられる。実施例1〜7の構造では、短絡電流の伝播が効率的に抑制されるため、少量のLTOにより発熱が抑制されると考えられる。 Examples 1 to 7 have a large effect of suppressing heat generation. In addition to the thickness direction, it is considered that the propagation of the short circuit current is suppressed also in the in-plane direction. In Examples 1 to 7, a battery capacity of 90 or more is secured. That is, in Examples 1 to 7, it is considered that the heat generation at the time of the internal short circuit can be suppressed while suppressing the decrease of the battery capacity. In the structures of the first to seventh embodiments, since the propagation of the short circuit current is efficiently suppressed, it is considered that the heat generation is suppressed by a small amount of LTO.
実施例5および7の結果において、第1層21が2μm以上の厚さを有することにより、発熱が抑制される傾向が認められる。
In the results of Examples 5 and 7, when the
実施例4および6の結果において、第1領域1の最小幅(W1)が5μm以上であることにより、発熱が抑制される傾向が認められる。 In the results of Examples 4 and 6, when the minimum width (W1) of the first region 1 is 5 μm or more, a tendency is observed that heat generation is suppressed.
今回開示された実施形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではない。特許請求の範囲の記載によって確定される技術的範囲は、特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含む。 The embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The technical scope defined by the description of the claims includes all the modifications within the meaning and scope equivalent to the descriptions of the claims.
1 第1領域、2 第2領域、3 湿潤顆粒、10 集電体、20 負極活物質層、21 第1層、22 第2層、100 正極、200 負極(リチウムイオン二次電池用負極)、300 セパレータ、400 電極群、500 ケース、1000 電池(リチウムイオン二次電池)、2001 第1回転ロール、2002 第2回転ロール、2003 第3回転ロール。 1 first region, 2 second region, 3 wet granules, 10 current collector, 20 negative electrode active material layer, 21 first layer, 22 second layer, 100 positive electrode, 200 negative electrode (negative electrode for lithium ion secondary battery), 300 separator, 400 electrode group, 500 case, 1000 battery (lithium ion secondary battery), 2001 1st rotating roll, 2002 2nd rotating roll, 2003 3rd rotating roll.
Claims (1)
前記負極活物質層は黒鉛系材料およびチタン酸リチウムを負極活物質として含み、
前記負極活物質層は前記集電体の表面に形成されており、
前記負極活物質層は第1層および第2層を少なくとも含み、
前記第1層は前記集電体と前記第2層との間に配置されており、
前記第2層は第1領域および複数の第2領域を含み、
前記第2層の平面視において、前記複数の第2領域の各々は前記第1領域内に島状に散在しており、
前記チタン酸リチウムは前記第1層および前記第1領域に配置されており、
前記黒鉛系材料は前記複数の第2領域の各々に配置されている、
リチウムイオン二次電池用負極。 At least a current collector and a negative electrode active material layer,
The negative electrode active material layer contains a graphite material and lithium titanate as a negative electrode active material,
The negative electrode active material layer is formed on the surface of the current collector,
The negative electrode active material layer includes at least a first layer and a second layer,
The first layer is disposed between the current collector and the second layer,
The second layer includes a first region and a plurality of second regions,
In plan view of the second layer, each of the plurality of second regions is scattered in an island shape in the first region,
The lithium titanate is disposed in the first layer and the first region,
The graphitic material is disposed in each of the plurality of second regions,
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