JP2020198290A - リチウムイオン二次電池、セル及び負極シート - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、リチウムイオン二次電池用の正極シートを提供する。正極シートは、正極集電体と、正極集電体に設けられた正極活物質層とを含む。一例として、正極集電体は、その厚さ方向において、対向する2つの表面を含み、正極集電体の2つの表面に正極活物質層が積層配置されている。無論、正極活物質層は、正極集電体の2つの表面のうちのいずれか1つに積層配置されてもよい。
本発明の実施形態は、リチウムイオン二次電池用の負極シートを提供する。負極シートは、負極集電体と、負極集電体に設けられた負極活物質層とを含む。一例として、負極集電体は、その厚み方向において、対向する2つの表面を含み、負極集電体の2つの表面に負極活物質層が積層配置されている。無論、負極活物質層は、負極集電体の2つの表面のいずれか一方に積層配置されてもよい。
本発明の実施形態は、リチウムイオン二次電池用の電解液を提供する。電解液は、有機溶媒と、有機溶媒に分散された電解質リチウム塩とを含む。
本発明の実施形態では、セパレータの種類は特に限定されず、良好な化学的安定性および機械的安定性を有する任意の公知の多孔質構造セパレータを選択して使用することができ、例えば、ガラス繊維、不織布、ポリエチレン、ポリプロピレン、およびポリフッ化ビニリデンのうちの1種または複数種を選択して使用することができる。セパレータは、単層フィルムであってもよく、多層複合フィルムであってもよい。セパレータが多層複合フィルムである場合、各層の材料は、同じであっても異なっていてもよい。セパレータは、複合セパレータであってもよく、例えば、有機セパレータの表面に無機コーティング層が設けられた複合セパレータである。
正極シートと、セパレータと、負極シートとは、セパレータが正極シートと負極シートとの間に位置して隔離の役割を果たすように、順次に積み重ねられて、セルが得られており、または巻回された後、セルが得られることもできる。セルを外装ハウジングに入れて、電解液を注入し、注入口を封止することで、リチウムイオン二次電池が得られる。
下記の実施形態は、本発明に開示される内容をより具体的に説明するが、これらの実施形態は、例示的な説明のみに用いられ、これは、本発明に開示される内容の範囲内で様々な改修および変化が、当業者にとって明らかなものであるためである。特に明記しない限り、以下の実施形態に記載されるすべての部、パーセント、および比は、重量によるものである。さらに、実施形態に使用されるすべての試薬は、市販されているか、または従来の方法により合成して得られ、さらに処理する必要がなく直接に使用可能である。また、実施形態に使用される機器は、市販されるものである。
通常正極シートの調製
正極活物質(リン酸鉄リチウム、LFPと略称、またはLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、NCM333と略称)、接着剤であるPVDF、導電剤であるアセチレンブラックを質量比98:1:1で混合し、溶媒NMP(N−メチルピロリドン)を加えて、真空ミキサーの作用下で安定かつ均一になるまで撹拌し、正極スラリーを得て、正極集電体アルミニウム箔上に正極スラリーを均一に塗布し、乾燥、コールドプレス、およびスリットを経た後、通常正極シートが得られる。正極シートのプレス密度は、2.4g/cm3である。
通常正極シートの調製と異なることは、次の通りである。即ち、正極集電体が複合集電体であり、複合集電体が真空蒸着法により調製され、所定の厚さを有する有機支持層を選択し、表面洗浄処理を行い、表面洗浄処理された有機支持層を真空チャンバーに入れ、1300℃〜2000℃の高温で金属蒸着チャンバー内の高純度のアルミニウムワイヤを溶かして蒸発させ、蒸発した金属が真空チャンバー内の冷却システムを通過し、最後に有機支持層の2つの表面に堆積され、導電層を形成することを含む。
負極活物質である黒鉛、導電剤であるアセチレンブラック、増粘剤であるCMC、接着剤であるSBRを質量比97:1:1:1で混合し、溶媒である脱イオン水を加え、混合物を真空ミキサーの作用下で安定かつ均一になるまで撹拌し、負極スラリーを得て、負極集電体銅箔上に負極スラリーを均一に塗布し、乾燥およびコールドプレスを経た後、通常負極シートが得られる。負極シートのプレス密度は、1.7g/cm3である。
通常負極シートの調製と異なることは、次の通りである。即ち、負極集電体が複合集電体であり、複合集電体が真空蒸着法により調製され、所定の厚さを有する有機支持層を選択し、表面洗浄処理を行い、表面洗浄処理された有機支持層を真空チャンバーに入れ、1300℃〜2000℃の高温で金属蒸着チャンバー内の高純度の銅ワイヤを溶かして蒸発させ、蒸発した金属が真空チャンバー内の冷却システムを通過し、最後に有機支持層の2つの表面に堆積され、導電層を形成することを含む。
有機溶媒は、エチレンカーボネート(EC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、およびメチルプロピオネート(MP)の混合溶媒である。電解質リチウム塩は、LiPF6である。電解液におけるLiPF6の質量パーセント含有量は、12.5wt%である。
正極シート、負極シート、およびセパレータを巻回してセルが得られて、セルを外装ハウジングに入れた後、電解液を注入して封止し、静置、プレス、化成、および排気などのプロセスを経て、リチウムイオン二次電池が得られる。
(1)リチウムイオン二次電池の低温性能試験
25℃で、リチウムイオン二次電池が、先に1Cで充放電のカットオフ電圧の下限まで放電されてから、充放電のカットオフ電圧の上限まで1Cの定電流で充電され、その後、電流が0.05Cになるまでに定電圧で充電され、充電容量がCCとして記録され、その後、電池の周囲温度を−10℃に調整し、1Cの定電流で充放電のカットオフ電圧の下限まで放電され、放電容量がCDとして記録される。放電容量CDと充電容量CCの比は、−10℃でのリチウムイオン二次電池の放電容量維持率とする。
25℃で、リチウムイオン二次電池が、先に1Cで充放電のカットオフ電圧の下限まで放電されてから、リチウムイオン二次電池の周囲温度を60℃まで上昇させ、1Cの定電流で充放電のカットオフ電圧の上限まで充電され、その後、電流が0.05Cになるまでに定電圧で充電され、その後、1Cの定電流で充放電のカットオフ電圧の下限まで放電され、これが1つの充放電サイクルとし、この度の放電容量が60℃でのリチウムイオン二次電池の1サイクル目の放電容量とする。上記の方法に従ってサイクル試験を500回実施し、60℃でのリチウムイオン二次電池の500サイクル目の放電容量を記録する。
1、電気化学デバイスの重量エネルギー密度の改善における複合集電体の役割
1)正極集電体が複合集電体である場合の、電気化学デバイスの重量エネルギー密度の改善における役割
表4−3では、ニッケル基合金には、ニッケルが90wt%含まれ、クロムが10wt%含まれている。
表4−3では、二層保護層には、導電層における有機支持層とは反対側の表面に設けられた厚さ30nmのニッケル保護層と、ニッケル保護層における有機支持層とは反対側の表面に設けられた厚さ30nmの酸化ニッケル保護層とが含まれている。
101 有機支持層
101a 第1表面
101b 第2表面
1011 第1サブ層
1012 第2サブ層
1013 第3サブ層
102 導電層
103 保護層
Claims (10)
- リチウムイオン二次電池であって、セルと電解液とを含み、
前記セルは、正極シートとセパレータと負極シートとを含み、前記正極シートは、正極集電体と、前記正極集電体の表面に設けられた正極活物質層とを含み、前記負極シートは、負極集電体と、前記負極集電体の表面に設けられた負極活物質層とを含み、
前記正極集電体および/または前記負極集電体は、複合集電体であり、前記複合集電体は、有機支持層と、前記有機支持層の少なくとも1つの表面に設けられた導電層とを含み、
前記複合集電体の熱伝導率は、0.01W/(m・K)〜10W/(m・K)であり、好ましくは、0.1W/(m・K)〜2W/(m・K)であることを特徴とするリチウムイオン二次電池。 - 前記導電層の厚さD1は、30nm≦D1≦3μmであり、好ましくは、300nm≦D1≦2μm、より好ましくは、500nm≦D1≦1.5μm、さらに好ましくは、800nm≦D1≦1.2μmであり、および/または、
前記有機支持層の厚さD2は、1μm≦D2≦30μmであり、好ましくは、1μm≦D2≦15μmであり、より好ましくは、1μm≦D2≦10μmであり、さらに好ましくは、2μm≦D2≦8μmであることを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオン二次電池。 - 前記正極活物質層の厚さT1は、50μm≦T1≦100μmを満たし、好ましくは、60μm≦T1≦90μmを満たし、前記負極活物質層の厚さT2は、30μm≦T2≦70μmを満たし、好ましくは、40μm≦T2≦60μmを満たし、および/または、
前記電解液の25℃での電気伝導率は、8mS/cm〜11mS/cmであり、および/または、
前記セパレータの空孔率は、30%〜50%であることを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオン二次電池。 - 前記有機支持層のヤング率Eは、E≧2GPaであり、好ましくは、2GPa≦E≦20GPaであり、および/または
前記有機支持層と前記導電層との間の結合力Fは、F≧100N/mであり、好ましくは、F≧400N/mであり、および/または、
前記有機支持層は、高分子材料および高分子基複合材料のうちの1種または複数種を含み、前記高分子材料は、ポリアミド、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン-プロピレン共重合体、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体、ポリビニルアルコール、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリスチレンスルホン酸ナトリウム、ポリアセチレン、シリコーンゴム、ポリオキシメチレン、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンスルフィド、ポリエチレングリコール、ポリ窒化硫黄系、ポリフェニル、ポリピロール、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピリジン、セルロース、デンプン、タンパク質、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、それらの誘導体、それらの架橋物、およびそれらの共重合体のうちの1種または複数種を含み、前記高分子基複合材料は、前記高分子材料と添加剤とを含み、前記添加剤は、金属材料および無機非金属材料のうちの1種または複数種を含むことを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオン二次電池。 - 前記導電層は、金属材料と、炭素系導電材料と、導電性高分子材料とのうちの1種または複数種を含み、および/または、
前記導電層の体積抵抗率は、8.0×10−8Ω・m以下であることを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオン二次電池。 - 前記複合集電体は、保護層をさらに含み、前記保護層は、前記導電層のその自体の厚さ方向における対向する2つの表面のうちの少なくとも一方に設けられ、
前記保護層は、金属、金属酸化物、および導電性カーボンのうちの1種または複数種を含み、好ましくは、ニッケル、クロム、ニッケル基合金、銅基合金、アルミナ、酸化コバルト、酸化クロム、酸化ニッケル、グラファイト、超伝導カーボン、アセチレンブラック、カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンドット、カーボンナノチューブ、グラフェン、およびカーボンナノファイバーのうちの1種または複数種を含み、
好ましくは、保護層の厚さD3は、1nm≦D3≦200nmであり、且つ、前記保護層の厚さD3と前記導電層の厚さD1とは、D3≦0.1D1を満たすことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池。 - 前記複合集電体が負極集電体である場合、前記複合集電体は、前記導電層における前記有機支持層とは反対側の表面に設けられた上保護層を含み、
前記上保護層は、前記導電層における前記有機支持層とは反対側の表面に設けられた金属保護層と、前記金属保護層における前記有機支持層とは反対側の表面に設けられた金属酸化物保護層とを含むことを特徴とする請求項6に記載のリチウムイオン二次電池。 - 前記正極集電体は、金属集電体または前記複合集電体であり、
前記負極集電体は、前記複合集電体であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池。 - リチウムイオン二次電池用のセルであって、
前記セルは、正極シートと、セパレータと、負極シートとを含み、
前記正極シートは、正極集電体と、前記正極集電体の表面に設けられた正極活物質層とを含み、
前記負極シートは、負極集電体と、前記負極集電体の表面に設けられた負極活物質層とを含み、
前記正極集電体および/または前記負極集電体は、複合集電体であり、前記複合集電体は、有機支持層と、前記有機支持層の少なくとも1つの表面に設けられた導電層とを含み、前記複合集電体の熱伝導率は、0.01W/(m・K)〜10W/(m・K)であり、好ましくは、0.1W/(m・K)〜2W/(m・K)であることを特徴とするセル。 - リチウムイオン二次電池に用いられ、負極集電体と、前記負極集電体の表面に設けられた負極活物質層とを含む負極シートであって、
前記負極集電体は、複合集電体であり、
前記複合集電体は、有機支持層と、前記有機支持層の少なくとも1つの表面に設けられた導電層とを含み、
前記複合集電体の熱伝導率は、0.01W/(m・K)〜10W/(m・K)であり、好ましくは、0.1W/(m・K)〜2W/(m・K)であることを特徴とする負極シート。
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