JP2021114361A - 蓄電装置及び蓄電モジュール - Google Patents
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Abstract
Description
(2)走査型電子顕微鏡を用いて、上記露出させた負極活物質層52の第1層52aの断面の反射電子像を撮影する。
(3)上記により得られた断面像をコンピュータに取り込み、画像解析ソフト(例えば、アメリカ国立衛生研究所製、ImageJ)を用いて二値化処理を行い、断面像内の粒子断面を黒色とし、粒子間空隙及び粒子の内部空隙を白色として変換した二値化処理画像を得る。
(4−1)負極活物質粒子P1の粒子内部空隙率を求める場合、二値化処理画像から、粒径5μm〜50μmの粒子を選択し、当該粒子断面の面積、及び当該粒子断面に存在する内部空隙の面積を算出する。ここで、粒子断面の面積とは、粒子の外周で囲まれた領域の面積、すなわち、粒子の断面部分全ての面積を指している。そして、算出した粒子断面の面積及び粒子断面の内部空隙の面積から、粒子内部空隙率(粒子断面の内部空隙の面積×100/粒子断面の面積)を算出する。粒子内部空隙率は、粒子10個の平均値とする。
(4−2)第1層52aの空隙率を求める場合、二値化処理画像から、測定範囲(50μm×50μm)における粒子間空隙の面積を算出する。上記測定範囲を、第1層52aの断面積(2500μm2=50μm×50μm)とし、算出した粒子間空隙の面積から、第1層52aの空隙率(粒子間空隙の面積×100/負極活物質層52の断面積)を算出する。
負極活物質粒子P2の粒子内部空隙率及び第2層52bの空隙率も同様に測定する。
[正極の作製]
正極活物質として、一般式LiNi0.82Co0.15Al0.03O2で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を用いた。正極活物質と、アセチレンブラックと、ポリフッ化ビニリデンとを、97:2:1の固形分質量比で混合し、分散媒としてN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を用いて、正極合材スラリーを調製した。次に、この正極合材スラリーをアルミニウム箔からなる正極集電体の両面に塗布し、塗膜を乾燥、圧延した後、所定の電極サイズに切断し、正極集電体の両面に正極活物質層が形成された正極を得た。
黒鉛粒子の表面に、0.6質量%の非晶質炭素膜で被覆された表面修飾炭素材料Aを負極活物質として用いた。表面修飾炭素材料Aは、3.9m2/gのBET比表面積を有する(その他の物性は、表1を参照)。表面修飾炭素材料Aと、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)のディスパージョンと、カルボキシメチルセルロースナトリウム(CMC−Na)とを、100:1:1の固形分質量比で混合し、分散媒として水を用いて、第1の負極合材スラリーを調製した。
黒鉛粒子の表面に、1.5質量%の非晶質炭素膜で被覆された表面修飾炭素材料Bを負極活物質として用いた。表面修飾炭素材料Bは、2.9m2/gのBET比表面積を有する(その他の物性は、表1を参照)。表面修飾炭素材料Bと、SBRのディスパージョンと、CMC−Naとを、100:1:1の固形分質量比で混合し、分散媒として水を用いて、第2の負極合材スラリーを調製した。
第1の負極合材スラリーを銅箔からなる負極集電体の両面に塗布し、塗膜を乾燥し、圧延した後、当該塗膜の上に第2の負極合材スラリーを塗布して塗膜を乾燥、圧延し、負極集電体上に、第1の負極合材スラリー由来の第1層及び第2の負極合材スラリー由来の第2層有する負極活物質層を形成した。これを所定の電極サイズに切断して負極を得た。第1及び第2の負極合材スラリーの塗布量を同じとし、厚さ160μm(負極集電体を除く)の負極活物質層を形成した。負極作製時に、第1及び第2層の圧縮弾性率を測定したところ、660MPa及び830MPaであった(その他の物性は、表1を参照)。
エチレンカーボネート(EC)と、メチルエチルカーボネート(EMC)と、ジメチルカーボネート(DMC)を、3:3:4の体積比で混合した。当該混合溶媒に、LiPF6を1.4mol/Lの濃度となるように溶解させて電解液を調製した。
負極、圧縮弾性率が230MPaのセパレータ、正極の順で複数積層した電極体を作成した。そして、負極及び正極を、封口板に取り付けた正極端子および負極端子に接続し、これを、電解液と共に角形の外装缶に挿入した。外装缶の開口を封口板で封口することにより、蓄電装置を作製した。
作製した蓄電装置の長側面に対向するよう、一対の弾性体(120MPaの圧縮弾性率を有する発泡ウレタンシート)で挟み、さらに、これらを一対のエンドプレートで挟んで固定することにより、蓄電モジュールを作製した。弾性体は、電極体が膨張した際、電極体から電極体の積層方向に荷重を受けるように配置されている。
圧縮弾性率が120MPaのセパレータを用い、圧縮弾性率が60MPaの発泡ウレタンシートを弾性体として用いたこと以外は、実施例1と同様に蓄電モジュールを作製した。
圧縮弾性率が120MPaのセパレータを用い、圧縮弾性率が5MPaの一対のニトリルゴムシートを弾性体として用いたこと以外は、実施例1と同様に蓄電モジュールを作製した。
圧縮弾性率が80MPaのセパレータを用い、圧縮弾性率が40MPaの一対の発泡ウレタンシートを弾性体として用いたこと以外は、実施例1と同様に蓄電モジュールを作製した。
第2の負極合材スラリーの調製において、1m2/gのBET比表面積を有し、黒鉛粒子の表面に、1.5質量%の非晶質炭素膜で被覆された表面修飾炭素材料Cを負極活物質として用いたこと以外は、実施例2と同様に蓄電モジュールを作製した。負極作製時に、第1及び第2層の圧縮弾性率を測定したところ、660MPa及び1200MPaであった。
第2の負極合材スラリーの調製において、0.9m2/gのBET比表面積を有し、黒鉛粒子の表面に、3.0質量%の非晶質炭素膜で被覆された表面修飾炭素材料Dを負極活物質として用いたこと以外は、実施例2と同様に蓄電モジュールを作製した。負極作製時に、第1及び第2層の圧縮弾性率を測定したところ、660MPa及び1250MPaであった。
第1の負極合材スラリーの調製において、4.4m2/gのBET比表面積を有し、黒鉛粒子の表面に、0.6質量%の非晶質炭素膜で被覆された表面修飾炭素材料Eを負極活物質として用いたこと以外は、実施例2と同様に蓄電モジュールを作製した。負極作製時に、第1及び第2層の圧縮弾性率を測定したところ、420MPa及び830MPaであった。
第1の負極合材スラリーの調製において、表面修飾炭素材料Eを負極活物質として用いたこと、負極の作製において、第1の負極合材スラリー由来の塗膜に掛ける圧延力を0.75倍としたこと、及び第2の負極合材スラリー由来の塗膜に掛ける圧延力を0.7倍としたこと以外は、実施例2と同様に蓄電モジュールを作製した。負極作製時に、第1及び第2層の圧縮弾性率を測定したところ、250MPa及び620MPaであった。
第1の負極合材スラリーの調製において、表面修飾炭素材料Aを負極活物質として用いたこと、負極の作製において、第1の負極合材スラリー由来の塗膜に掛ける圧延力を0.8倍としたこと、及び第2の負極合材スラリーの調製において、3.5m2/gのBET比表面積を有し、黒鉛粒子の表面に、2.0質量%の非晶質炭素膜で被覆された表面修飾炭素材料Fを負極活物質として用いたこと以外は、実施例2と同様に蓄電モジュールを作製した。負極作製時に、第1及び第2層の圧縮弾性率を測定したところ、900MPa及び320MPaであった。
実施例1の第2の負極合材スラリーを銅箔からなる負極集電体の両面に塗布し、塗膜を乾燥し、その後、圧延して、負極集電体上に、第2の負極合材スラリー由来の負極活物質層を形成した。これを所定の電極サイズに切断して負極を得た。この負極を用いたこと、圧縮弾性率が2800MPaの一対のポリエチレンテレフタレートシートを弾性体として用いたこと以外は、実施例1と同様に蓄電モジュールを作製した。負極作製時に、負極活物質層の圧縮弾性率を測定したところ、830MPaであった。
負極合材スラリーの調製において、表面修飾炭素材料Aを負極活物質として用いたこと、負極の作製において、負極合材スラリー由来の塗膜に掛ける圧延力を0.6倍としたこと、以外は、比較例1と同様に蓄電モジュールを作製した。負極作製時に、負極活物質層の圧縮弾性率を測定したところ、200MPaであった。
圧縮弾性率が120MPaの発泡ウレタンシートを弾性体として用いたこと以外は、比較例1と同様に蓄電モジュールを作製した。
各実施例及び各比較例の蓄電装置について、初期抵抗を以下の条件で測定した。SOC60%の充電状態に調整した蓄電装置を、25℃の温度条件下において、5Cのレートで10秒間の定電流放電を行って、電圧降下量(V)を算出した。そして、電圧降下量の値(V)を、対応する電流値(I)で除してIV抵抗(mΩ)を算出し、その平均値を初期抵抗とした。
次いで、各実施例及び各比較例の蓄電モジュールについて、25℃の温度条件下において充放電を10サイクル繰り返す充放電サイクル試験を行い、該サイクル試験後の電池抵抗増加率を測定した。上記充放電サイクル試験は、1.5Cの充電レートで4300秒定電流充電を行い、その後10秒間休止し、次いで1.5Cの放電レートで4300秒の定電流放電を行い、その後10秒間休止する充放電を1サイクルとした。そして、上記充放電サイクル試験後の各蓄電モジュールの抵抗(IV抵抗)を上記初期抵抗の測定と同様の方法で測定し、抵抗増加率を算出し、その増加率が200%となるまで、上記の試験を繰り返した。なお、200%となるまでのサイクル回数が多いほどほど、ハイレート充放電における抵抗増加が抑制されていることを示している。
各実施例及び各比較例の蓄電モジュールについて、25℃の温度条件下で、0.33Cの定電流で電池電圧が4.2Vになるまで定電流充電した後、0.33Cの定電流で電池電圧が3.0Vになるまで定電流放電した。この充放電サイクルを500サイクル行い、以下の式により、各蓄電モジュールの充放電サイクルにおける容量維持率を求めた。なお、容量維持率が高いほど、充放電サイクルにおける容量低下が抑制されていることを示している。
容量維持率=(500サイクル目の放電容量/1サイクル目の放電容量)×100
Claims (10)
- 少なくとも1つの蓄電装置と、前記蓄電装置と共に配列され、前記蓄電装置から前記配列方向に荷重を受ける弾性体と、を有する蓄電モジュールであって、
前記蓄電装置は、正極、負極、及び前記正極及び前記負極との間に配置されるセパレータとを積層した電極体と、前記電極体を収容する筐体と、を備え、
前記負極は、負極集電体と、前記負極集電体上に形成され、負極活物質粒子を含んでなる負極活物質層と、を備え、前記負極活物質層は、前記負極集電体上に形成された第1層と、前記第1層上に形成され、前記第1層より圧縮弾性率の大きい第2層と、を有し、
前記セパレータは、前記第1層より圧縮弾性率が小さく、
前記弾性体は、前記セパレータより圧縮弾性率が小さい、蓄電モジュール。 - 前記第2層に含まれる前記負極活物質粒子のBET比表面積が、前記第1層に含まれる前記負極活物質粒子のBET比表面積より小さい、請求項1に記載の蓄電モジュール。
- 前記第2層に含まれる前記負極活物質粒子は、炭素材料の表面が非晶質炭素膜で被覆された表面修飾炭素材料を含み、前記非晶質炭素膜は、前記表面修飾炭素材料に対して1.5質量%以上含まれる、請求項1又は2に記載の蓄電モジュール。
- 前記第1層に含まれる前記負極活物質粒子は、炭素材料を含み、前記炭素材料の粒子内部空隙率は10%以上である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の蓄電モジュール。
- 前記第2層の空隙率は前記第1層の空隙率より大きい、請求項1〜4のいずれか1項に記載の蓄電モジュール。
- 前記弾性体の圧縮弾性率が、120MPa以下である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の蓄電モジュール。
- 前記弾性体は、複数の弾性シートが積層した積層体である、請求項1〜6のいずれか1項に記載の蓄電モジュール。
- 前記弾性体は、軟質部と、前記軟質部より前記弾性体の外縁部側に位置する硬質部と、を有し、前記軟質部は、前記硬質部より変形しやすい、請求項1〜7のいずれか1項に記載の蓄電モジュール。
- 前記弾性体は、硬質部と、前記硬質部より変形しやすい軟質部と、を有し、
前記硬質部は、所定以上の前記荷重を受けて変形し、
前記弾性体は、前記荷重を前記硬質部により受ける第1状態から、前記硬質部の変形により、前記荷重を軟質部により受ける第2状態に移行する、請求項1〜7のいずれか1項に記載の蓄電モジュール。 - 正極、負極、及び前記正極及び前記負極との間に配置されるセパレータとを積層した電極体と、前記電極体から前記電極体の積層方向に荷重を受ける弾性体と、前記電極体及び前記弾性体を収容する筐体と、を有する蓄電装置であって、
前記負極は、負極集電体と、前記負極集電体上に形成され、負極活物質粒子を含んでなる負極活物質層と、を備え、前記負極活物質層は、前記負極集電体上に形成された第1層と、前記第1層上に形成され、前記第1層より圧縮弾性率の大きい第2層と、を有し、
前記セパレータは、前記第1層より圧縮弾性率が小さく、
前記弾性体は、前記セパレータより圧縮弾性率が小さい、蓄電装置。
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