JP2020102312A - 非水系リチウム二次電池の負極材料 - Google Patents
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Abstract
Description
このような構成によれば、非水系リチウム二次電池を低抵抗化し、かつ高温下での非水系リチウム二次電池の特性劣化を抑制することが可能な負極材料が提供される。
黒鉛の平均粒子径は、特に制限はないが、通常50μm以下であり、好ましくは1μm以上20μm以下であり、より好ましくは5μm以上15μm以下である。なお、本明細書において「平均粒子径」とは一般的なレーザー回折・光散乱法に基づく粒度分布測定により測定した体積基準の粒度分布おいて、微粒子側からの累積50%に相当する粒径(D50粒径、メジアン径ともいう)のことをいう。
黒鉛のBET比表面積は、特に制限はないが、通常0.1m2/g以上10m2/g以下であり、好ましくは1.0m2/g以上5.0m2/g以下である。なお、BET比表面積は、窒素ガス吸着法により測定することができる。
本実施形態においては、オキソカーボン酸塩は、好ましくはアルカリ金属塩であり、より好ましくはリチウム塩、ナトリウム塩、およびカリウム塩である。(すなわち、より好ましくは、上記式(I)、(II)および(III)において、M+が、リチウムイオン、ナトリウムイオン、およびカリウムイオンである。)
本実施形態に係る負極材料は、本発明の効果を著しく損なわない範囲内で、オキソカーボン酸塩の被覆以外の被覆を有していてもよい。
容器に、クロコン酸塩、ロジゾン酸塩、およびヘプタゴン酸塩からなる群より選ばれる少なくとも1種のオキソカーボン酸塩と、水等の溶媒を添加して混合し、オキソカーボン酸塩溶液を調製する。
黒鉛を、当該溶液中に添加し、撹拌して分散させる。その後、容器を加温して、溶媒を揮発させて除去する。
以上のようにして、本実施形態に係る負極材料を得ることができる。なお、黒鉛に対するオキソカーボン酸塩の被覆量は、黒鉛に対するオキソカーボン酸塩の添加量を調整することにより、制御することができる。
本明細書において「二次電池」とは、繰り返し充放電可能な蓄電デバイス一般をいい、いわゆる蓄電池ならびに電気二重層キャパシタ等の蓄電素子を包含する用語である。
また、本明細書において「リチウム二次電池」とは、電荷担体としてリチウムイオンを利用し、正負極間におけるリチウムイオンに伴う電荷の移動により充放電が実現される二次電池をいう。
また、本明細書において「非水系リチウム二次電池」とは、非水電解質を備えるリチウム二次電池のことをいう。
本実施形態に係る負極材料を非水系リチウム二次電池に用いることにより、非水系リチウム二次電池を低抵抗化し、かつ高温下での非水系リチウム二次電池の特性劣化を抑制することができる。
図1に示す非水系リチウム二次電池100(以下、単に「リチウム二次電池100」と記す)は、扁平形状の捲回電極体20と非水電解質(図示せず)とが扁平な角形の電池ケース(即ち外装容器)30に収容されることにより構築される密閉型電池である。電池ケース30には、外部接続用の正極端子42および負極端子44と、電池ケース30の内圧が所定レベル以上に上昇した場合に該内圧を開放するように設定された薄肉の安全弁36とが設けられている。正負極端子42,44はそれぞれ正負極集電板42a,44aと電気的に接続されている。電池ケース30の材質には、例えば、アルミニウム等の軽量で熱伝導性の良い金属材料が用いられる。
なお、上記非水電解質は、本発明の効果を著しく損なわない限りにおいて、上述した非水溶媒および支持塩以外の成分、例えば、ガス発生剤、被膜形成剤、分散剤、増粘剤等の各種添加剤を含み得る。
(実施例1)
負極活物質(A)としての天然黒鉛(平均粒子径D50=10μm)を準備し、50g計り取った。有機酸(B)としてクロコン酸リチウム(クロコン酸二リチウム)を、負極活物質(A)に対して2.0質量%となるように容器に計り取った。これに超純水を加え、十分に撹拌して有機酸(B)を溶解し、50gの有機酸(B)の水溶液を調整した。
この有機酸(B)の水溶液50gに、負極活物質(A)50gを添加し、撹拌して負極活物質(A)を分散させた。
撹拌しながら容器を95℃に加温して水を除去し、実施例1の負極材料を得た。得られた実施例の負極材料において、負極活物質(A)に対する有機酸(B)の被覆量は、2.0質量%であった。
(実施例2〜9)
有機酸(B)として表1に示すものを用い、負極活物質(A)に対する有機酸(B)の使用量(質量%)を表1に示す被覆量(質量%)と同じ値にして、実施例1と同様の方法により、実施例2〜9の負極材料を得た。
(実施例10)
負極活物質として天然黒鉛に代えて人造黒鉛を用い、負極活物質(A)に対する有機酸(B)の使用量(被覆量)を1.0質量%とした以外は、実施例1と同様の方法により、実施例10の負極材料を得た。
実施例1に用いた負極活物質(A)としての天然黒鉛を、そのまま比較例1の負極材料とした。
(比較例2)
実施例10に用いた負極活物質(A)としての人造黒鉛を、そのまま比較例2の負極材料とした。
(比較例3および4)
有機酸(B)として表1に示すものを用い、負極活物質(A)に対する有機酸(B)の使用量(質量%)を表1に示す被覆量(質量%)と同じ値にして、実施例1と同様の方法により、比較例3および4の負極材料を得た。
正極活物質粉末としてのLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(LNCM)と、リン酸リチウム(LPO)と、導電材としてのアセチレンブラック(AB)と、バインダとしてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)とを、LNCM:LPO:AB:PVdF=88:2:8:2の質量比でN−メチルピロリドン(NMP)と混合し、正極活物質層形成用スラリーを調製した。このスラリーを、厚さ5μmのアルミニウム箔の表面に塗布して乾燥した後、ロールプレスすることにより、正極シートを作製した。この正極シートにおいて、正極活物質層の主面の寸法は一辺が106mmとした。
上記の各実施例および各比較例の負極材料10gと、濃度1質量%のカルボキシメチルセルロース(CMC)水溶液10gとを混合し、さらに40質量%のスチレンブタジエンラバー(SBR)水分散液0.25gを加えて、混練機「あわとり練太郎」(株式会社シンキー製)を用いて2000rpmで5分間混練後、10分間脱泡することで、負極スラリーを調整した。このスラリーを、厚さ10μmの銅箔の表面に塗布し、乾燥した後、プレスすることにより負極シートを作製した。この負極シートの負極活物質層の主面の寸法は、正極活物質層の主面の寸法よりもわずかに大きくした。
セパレータとして、PP/PE/PPの三層構造の厚さ24μmの多孔質ポリオレフィンシートを用意した。
上記作製した正極シート、上記作製した負極シート、およびセパレータを重ね合わせて、電極体を作製した。このとき、正極シートの正極活物質層側の面と、負極活物質層の負極活物質層側の面とを対向させ、正極活物質層の主面が、負極活物質層の主面内から外れないように配置した。また、セパレータを正極シートと負極シートとの間に介在するようにした。
作製した電極体に集電タブを溶接して取り付けた。これをラミネートシートで挟み込み、集電タブのある一辺を除く三辺をヒートシールして、ラミネートシートを袋状にした。
ヒートシールされていない一辺から電解液を注入し、所定時間放置して電極体に電解液を十分に浸透させた。なお、電解液には、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)とエチルメチルカーボネート(EMC)とをEC:DMC:EMC=3:4:3の体積比で含む混合溶媒に、LiPF6を1.1mol/Lの濃度で溶解させたものを用いた。
その後、密閉して、ラミネートセルを作製した。これを充電した後60℃でエージング処理して、評価用リチウム二次電池とした。
各評価用リチウム二次電池の電圧(開放電圧)を3.70V(SOC56%に相当)に調整した後、25℃の環境下に置いた。所定の電流値で10秒間充電し、その際の通電前後の電圧差を通電電流で除することにより、抵抗値を算出し、これを初期抵抗とした。
比較例1の負極材料を用いた評価用リチウム二次電池の初期抵抗を100とした場合の、各実施例およびその他の比較例の負極材料を用いた評価用リチウム二次電池の初期抵抗の比を求めた。結果を表1に示す。
各評価用リチウム二次電池を、25℃の環境下に置いた。これを1/5Cの電流値で4.1Vまで定電流−定電圧充電(カット電流:1/50C)し、10分間休止した後、1/5Cの電流値で3.0Vまで定電流放電した。このときの放電容量を測定し、これを初期容量とした。
各評価用リチウム二次電池を、4.1V(SOC100%に相当)まで充電した後、60℃の恒温槽内で20日間保存した。その後、上記と同じ方法で各評価用リチウム二次電池の放電容量を測定し、このときの放電容量を、高温保存後の電池容量として求めた。(高温保存後の電池容量/初期容量)×100より、容量維持率(%)を求めた。
また、上記と同じ方法で各評価用リチウム二次電池の抵抗(高温保存後の電池抵抗)を測定した。{1−(高温保存後の抵抗/初期抵抗)}×100より、抵抗増加率(%)を求めた。
これらの結果を表1に示す。
30 電池ケース
36 安全弁
42 正極端子
42a 正極集電板
44 負極端子
44a 負極集電板
50 正極シート(正極)
52 正極集電体
52a 正極活物質層非形成部分
54 正極活物質層
60 負極シート(負極)
62 負極集電体
62a 負極活物質層非形成部分
64 負極活物質層
70 セパレータシート(セパレータ)
100 リチウム二次電池
Claims (1)
- 黒鉛と、
前記黒鉛の表面の少なくとも一部に形成されたオキソカーボン酸塩の被覆と、
を備える非水系リチウム二次電池の負極材料であって、
前記オキソカーボン酸塩が、クロコン酸塩、ロジゾン酸塩、およびヘプタゴン酸塩からなる群より選ばれる少なくとも1種であり、
前記黒鉛に対する前記オキソカーボン酸塩の被覆量が、0.1質量%以上である、
非水系リチウム二次電池の負極材料。
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