JP2023027004A - 非水電解質二次電池用正極、並びにこれを用いた非水電解質二次電池、電池モジュール、及び電池システム - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2021年3月19日に、日本に出願された特願2021-045810号及び特願2021-045971号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
非水電解質二次電池の正極としては、リチウムイオンを含む正極活物質、導電助剤、及び結着材からなる正極製造用組成物を、金属箔(集電体)の表面に塗工し、乾燥して正極活物質層を形成することが知られている。
リチウムイオンを含む正極活物質としては、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)等のリチウム遷移金属複合酸化物や、リン酸鉄リチウム(LiFePO4)等のリチウムリン酸化合物が実用化されている。
例えば特許文献2の段落0095には、正極活物質層の厚みの測定方法として、膜厚計を用いて正極の3点の膜厚を測定した平均値から、金属箔の膜厚を引き算する方法が記載されている。
特許文献1に記載の方法では必ずしも充分ではなく、また、近年、非水電解質二次電池の用途は増々広がり、電池特性のさらなる向上が求められている。
本発明は、非水電解質二次電池の高レートサイクル特性を向上できる非水電解質二次電池用正極を提供する。
[A1] 正極集電体と、前記正極集電体上に存在する正極活物質層とを有し、前記正極活物質層は正極活物質を含み、前記正極活物質層に存在する粒子の、体積基準の粒度分布曲線において、粒子径1μm以下の頻度の積算値aが3~15%であり、4~12%であることが好ましく、5~10%であることがより好ましく、最頻度径における頻度bが8~20%であり、9~18%であることが好ましく、11~15%であることがより好ましい、非水電解質二次電池用正極。
[A2] 縦軸を頻度とする前記粒度分布曲線において、極大点の数が1である、[A1]の非水電解質二次電池用正極。
[A3] 縦軸を頻度とする前記粒度分布曲線を、2つの正規分布に波形分離して得られる、平均径が小さい方の第1の正規分布における90%径から10%径を差し引いた分布幅cが2.0~20.0μmであり、2.0~15.0μmであることが好ましく、2.5~10.0μmであることがより好ましい、[A1]又は[A2]の非水電解質二次電池用正極。
[A4] 縦軸を頻度とする前記粒度分布曲線を、2つの正規分布に波形分離して得られる、平均径が小さい方の第1の正規分布において、粒子径1μm以下の頻度の積算値dが1~30%であり、4~27%であることが好ましく、7~24%であることがより好ましい[A1]~[A3]のいずれかの非水電解質二次電池用正極。
[A5] 前記正極活物質が、一般式LiFexM(1-x)PO4(式中、0≦x≦1、MはCo、Ni、Mn、Al、Ti又はZrである。)で表される化合物を含み、前記化合物はLiFePO4で表されるリン酸鉄リチウムであることが好ましい[A1]~[A4]のいずれかの非水電解質二次電池用正極。
[A6] 前記正極活物質の表面の少なくとも一部に、導電材料を含む活物質被覆部が存在し、前記導電材料は、炭素を含むことが好ましく、活物質被覆部を有する正極活物質の総質量に対して、前記導電材料の含有量は0.1~3.0質量%が好ましく、0.5~1.5質量%がより好ましく、0.7~1.3質量%がさらに好ましい、[A1]~[A5]のいずれかの非水電解質二次電池用正極。
[A7] 前記正極活物質層が、さらに導電助剤を含み、前記導電助剤は、グラファイト、グラフェン、ハードカーボン、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、及びカーボンナノチューブ(CNT)からなる群より選ばれる少なくとも1種の炭素材料であることが好ましく、正極活物質層における導電助剤の含有量は、正極活物質の総質量100質量部に対して、4質量部以下が好ましく、3質量部以下がより好ましく、1質量部以下がさらに好ましい、[A1]~[A6]のいずれかの非水電解質二次電池用正極。
[A8] 前記正極活物質層が導電助剤を含まない、[A1]~[A6]のいずれかの非水電解質二次電池用正極。
[A9] 前記正極集電体の、前記正極活物質層側の表面に集電体被覆層が存在する、[A1]~[A8]のいずれかの非水電解質二次電池用正極。
[A10] 前記[A1]~[A9]のいずれかの非水電解質二次電池用正極、負極、及び前記非水電解質二次電池用正極と負極との間に存在する非水電解質を備える、非水電解質二次電池。
[A11] 前記[A10]の非水電解質二次電池の複数個を備える、電池モジュール又は電池システム。
[B1] 正極集電体と、前記正極集電体上に存在する正極活物質層とを有し、前記正極活物質層は正極活物質を含み、前記正極集電体の厚み方向に垂直であり、かつ互いに直交する2方向を第1の方向及び第2の方向とするとき、前記第1の方向の厚み分布における、平均厚みa1、最大厚みb1、最小厚みc1、及び前記平均厚みa1との差の絶対値が最も大きい厚みd1が、下記式1及び式2を満たし、かつ前記第2の方向の厚み分布における、平均厚みa2、最大厚みb2、最小厚みc2、及び前記平均厚みa2との差の絶対値が最も大きい厚みd2が、下記式3及び式4を満たす、非水電解質二次電池用正極。
0.990≦(d1/a1)≦1.010 …式1
(b1-c1)≦5.0μm …式2
0.990≦(d2/a2)≦1.010 …式3
(b2-c2)≦5.0μm …式4
(式1及び3中、d1/a1及びd2/a2は、0.991以上1.009以下が好ましく、0.992以上1.008以下がより好ましく、
式2及び4中、(b1-c1)及び(b2-c2)は、4.0μm以下が好ましく、3.0μm以下がより好ましい。)
[B2] 前記正極活物質層に存在する粒子の、体積基準の粒度分布におけるメジアン径が5.0μm以下であり、1.0μm~5.0μmが好ましく、1.0μm~4.0μm以下が好ましく、2.0μm~3.0μmがより好ましい、
[B1]の非水電解質二次電池用正極。
[B3] 前記正極活物質が、一般式LiFexM(1-x)PO4(式中、0≦x≦1、MはCo、Ni、Mn、Al、Ti又はZrである。)で表される化合物を含む、[B1]又は[B2]の非水電解質二次電池用正極。
[B4] 前記正極活物質が、LiFePO4で表されるリン酸鉄リチウムである[B3]の非水電解質二次電池用正極。
[B5] 前記正極活物質層が、さらに導電助剤を含む、[B1]~[B4]のいずれかの非水電解質二次電池用正極。
[B6] 前記導電助剤が炭素を含み、グラファイト、グラフェン、ハードカーボン、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、及びカーボンナノチューブ(CNT)からなる群より選ばれる少なくとも1種の炭素材料であることが好ましく、正極活物質層における導電助剤の含有量は、正極活物質の総質量100質量部に対して、4質量部以下が好ましく、3質量部以下がより好ましく、1質量部以下がさらに好ましい、[B5]の非水電解質二次電池用正極。
[B7] 前記正極活物質層が導電助剤を含まない、[B1]~[B4]のいずれかの非水電解質二次電池用正極。
[B8] 前記正極活物質の表面の少なくとも一部に、導電材料を含む活物質被覆部が存在する、[B1]~[B7]のいずれかの非水電解質二次電池用正極。
[B9] 前記導電材料が炭素を含む、[B8]の非水電解質二次電池用正極。
[B10] 前記正極活物質層の総質量に対して、導電性炭素の含有量が0.5~3.5質量%であり、1.0~3.0質量%であることが好ましい、[B6]又は[B9]の非水電解質二次電池用正極。
[B11] 前記正極活物質層が結着材を含み、前記正極活物質層の総質量に対して、前記結着材由来の炭素の含有量が0.1~2.0質量%であり、0.2~1.7質量%であることが好ましく、0.4~1.0質量%であることがより好ましい、[B1]~[B10]のいずれかの非水電解質二次電池用正極。
[B12] 前記正極活物質層の体積密度が2.10~2.50g/cm3であり、2.15~2.45g/cm3であることが好ましく、2.20~2.35g/cm3であることがより好ましい、[B1]~[B11]のいずれかの非水電解質二次電池用正極。
[B13] 前記正極集電体の、前記正極活物質層側の表面に集電体被覆層が存在する、[B1]~[B12]のいずれかの非水電解質二次電池用正極。
[B14] 前記[B1]~[B13]のいずれかの非水電解質二次電池用正極、負極、及び前記非水電解質二次電池用正極と負極との間に存在する非水電解質を備える、非水電解質二次電池。
[B15] 前記[B14]の非水電解質二次電池の複数個を備える、電池モジュール又は電池システム。
図1は、本発明の非水電解質二次電池用正極の一実施形態を示す模式断面図であり、図2は本発明の非水電解質二次電池の一実施形態を示す模式断面図である。
なお、図1、2は、その構成をわかりやすく説明するための模式図であり、各構成要素の寸法比率等は、実際とは異なる場合もある。
本実施形態の非水電解質二次電池用正極(単に「正極」ともいう。)1は、正極集電体11と正極活物質層12を有する。
正極活物質層12は正極集電体11の少なくとも一面上に存在する。正極集電体11の両面上に正極活物質層12が存在してもよい。
図1の例において、正極集電体11は、正極集電体本体14と、正極集電体本体14の正極活物質層12側の表面を被覆する集電体被覆層15とを有する。正極集電体本体14のみを正極集電体11としてもよい。
本発明の第1の実施形態に係る非水電解質二次電池用正極1は、正極集電体11と、前記正極集電体11上に存在する正極活物質層12とを有し、
前記正極活物質層12は正極活物質を含み、
前記正極活物質層12に存在する粒子の、体積基準の粒度分布曲線において、
粒子径1μm以下の頻度の積算値aが3~15%であり、最頻度径における頻度bが8~20%である。
上記構成を有する非水電解質二次電池用正極1は、非水電解質二次電池の高温における高レートサイクル特性を向上させることができる。
以下に具体的に説明する。
正極活物質層12は正極活物質を含む。正極活物質層12は、さらに結着材を含むことが好ましい。正極活物質層12は、さらに導電助剤を含んでもよい。本明細書において、「導電剤」という用語は、正極活物質層を形成するにあたって正極活物質と混合する、粒状、繊維状などの形状を有する導電性材料であって、正極活物質粒子を繋ぐ形で正極活物質層中に存在させる導電性材料を指す。
正極活物質の形状は、粒子状が好ましい。
正極活物質層12の総質量に対して、正極活物質の含有量は80.0~99.9質量%が好ましく、90~99.5質量%がより好ましい。
ここで、「正極活物質の表面の少なくとも一部」とは、活物質被覆部が、正極活物質粒子の外表面全体の面積の50%以上、好ましくは70%以上、より好ましくは90%以上、特に好ましくは100%を覆っていることを意味する。なお、この被覆率(%)(以下、「被覆率」と称することもある。)は、正極活物質層中に存在する正極活物質粒子全体についての平均値であり、この平均値が上記下限値以上となる限り、活物質被覆部を有しない正極活物質粒子が微量に存在することを排除するものではない。活物質被覆部を有しない正極活物質粒子が正極活物質層中に存在する場合、その量は、正極活物質層中に存在する正極活物質粒子全体の量に対して、好ましくは30質量%以下であり、より好ましくは20%以下であり、特に好ましくは10質量%以下である。
前記被覆率は次の様な方法により測定することができる。まず、正極活物質層中の粒子を、透過電子顕微鏡を用いたエネルギー分散型X線分光法(TEM-EDX)により分析する。具体的には、TEM画像における正極活物質粒子の外周部をEDXで元素分析する。元素分析は炭素について行い、正極活物質粒子を被覆している炭素を特定する。炭素による被覆が1nm以上の厚さである箇所を被覆部分とし、観察した正極活物質粒子の全周に対して被覆部分の割合を求め、これを被覆率とすることができる。測定は例えば、10個の正極活物質粒子について行い、これらの平均値とすることができる。
また、前記活物質被覆部は、正極活物質のみから構成される粒子(以下、「芯部」と称することもある。)の表面上に直接形成された厚み1nm~100nm、好ましくは5nm~50nmの層であり、この厚みは上述した被覆率の測定に用いるTEM-EDXによって確認することができる。
活物質被覆部の導電材料は、炭素を含むことが好ましい。炭素のみからなる導電材料でもよく、炭素と炭素以外の他の元素とを含む導電性有機化合物でもよい。他の元素としては、窒素、水素、酸素等が例示できる。前記導電性有機化合物において、他の元素は10原子%以下が好ましく、5原子%以下がより好ましい。
活物質被覆部を構成する導電材料は、炭素のみからなることがさらに好ましい。
活物質被覆部を有する正極活物質の総質量に対して、導電材料の含有量は0.1~3.0質量%が好ましく、0.5~1.5質量%がより好ましく、0.7~1.3質量%がさらに好ましい。多すぎる場合は正極活物質粒子の表面から導電材料が剥がれ、独立した導電助剤粒子として残留する可能性があるため、好ましくない。
例えば、正極製造用組成物を調製する際に、被覆粒子を溶媒と共にミキサー等で混合しても、活物質被覆部は正極活物質の表面を被覆している。また、仮に、正極から正極活物質層を剥がし、これを溶媒に投入して正極活物質層中の結着材を溶媒に溶解させた場合にも、活物質被覆部は正極活物質の表面を被覆している。また、仮に、正極活物質層中の粒子の粒度分布をレーザー回折・散乱法により測定する際に、凝集した粒子をほぐす操作を行った場合にも活物質被覆部は正極活物質の表面を被覆している。
焼結法としては、正極活物質の粒子と有機物とを含む活物質製造用組成物(例えば、スラリー)を、大気圧下、500~1000℃、1~100時間で焼成する方法が挙げられる。活物質製造用組成物に添加する有機物としては、サリチル酸、カテコール、ヒドロキノン、レゾルシノール、ピロガロール、フロログルシノール、ヘキサヒドロキシベンゼン、安息香酸、フタル酸、テレフタル酸、フェニルアラニン、水分散型フェノール樹脂等、スクロース、グルコース、ラクトース等の糖類、リンゴ酸、クエン酸などのカルボン酸、アリルアルコール、プロパルギルアルコール等の不飽和一価アルコール、アスコルビン酸、ポリビニルアルコール等が挙げられる。この焼結法によれば、活物質製造用組成物を焼成することで、有機物中の炭素を正極活物質の表面に焼結して、活物質被覆部を形成する。
また、他の焼結法としては、いわゆる衝撃焼結被覆法が挙げられる。
蒸着法としては、物理気相成長法(PVD)、化学気相成長法(CVD)等の気相堆積法、メッキ等の液相堆積法等が挙げられる。
また、正極活物質層の厚み(正極集電体の両面上に正極活物質層が存在する場合、両面の合計)は30~500μmであることが好ましく、40~400μmであることがより好ましく、50~300μmであることが特に好ましい。正極活物質層の厚みが上記範囲の下限値以上であると、体積当たりのエネルギー密度に優れた電池を製造するための正極を提供でき、上記範囲の上限値以下であると、正極の剥離強度が高く、充放電時に剥がれを抑制できる。
オリビン型結晶構造を有する化合物は、一般式LiFexM(1-x)PO4で(以下「一般式(I)」ともいう。)表される化合物が好ましい。一般式(I)において0≦x≦1である。MはCo、Ni、Mn、Al、Ti又はZrである。物性値に変化がない程度に微小量の、FeおよびM(Co、Ni、Mn、Al、Ti又はZr)の一部を他の元素に置換することもできる。一般式(I)で表される化合物は、微量の金属不純物が含まれていても本発明の効果が損なわれるものではない。
被覆リン酸鉄リチウムは公知の方法で製造できる。
例えば、特許第5098146号公報に記載の方法を用いてリン酸鉄リチウム粉末を作製し、GS Yuasa Technical Report、2008年6月、第5巻、第1号、第27~31頁等に記載の方法を用いて、リン酸鉄リチウム粉末の表面の少なくとも一部を炭素で被覆できる。
具体的には、まず、シュウ酸鉄二水和物、リン酸二水素アンモニウム、及び炭酸リチウムを、特定のモル比で計り、これらを不活性雰囲気下で粉砕及び混合する。次に、得られた混合物を窒素雰囲気下で加熱処理することによってリン酸鉄リチウム粉末を作製する。次いで、リン酸鉄リチウム粉末をロータリーキルンに入れ、窒素をキャリアガスとしたメタノール蒸気を供給しながら加熱処理することによって、表面の少なくとも一部を炭素で被覆したリン酸鉄リチウム粉末を得る。
例えば、粉砕工程における粉砕時間によってリン酸鉄リチウム粉末の粒子径を調整できる。メタノール蒸気を供給しながら加熱処理する工程における加熱時間及び温度等によって、リン酸鉄リチウム粉末を被覆する炭素の量を調整できる。被覆されなかった炭素粒子はその後の分級や洗浄などの工程などにより取り除くことが望ましい。
他の正極活物質は、リチウム遷移金属複合酸化物が好ましい。例えば、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、ニッケルコバルトアルミン酸リチウム(LiNixCoyAlzO2、ただしx+y+z=1)、ニッケルコバルトマンガン酸リチウム(LiNixCoyMnzO2、ただしx+y+z=1)、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)、コバルトマンガン酸リチウム(LiMnCoO4)、クロム酸マンガンリチウム(LiMnCrO4)、バナジウムニッケル酸リチウム(LiNiVO4)、ニッケル置換マンガン酸リチウム(例えば、LiMn1.5Ni0.5O4)、及びバナジウムコバルト酸リチウム(LiCoVO4)、これらの化合物の一部を金属元素で置換した非化学量論的化合物等が挙げられる。前記金属元素としては、Mn、Mg、Ni、Co、Cu、Zn及びGeからなる群から選択される1種以上が挙げられる。
他の正極活物質は1種でもよく、2種以上でもよい。
他の正極活物質は、表面の少なくとも一部に前記活物質被覆部が存在してもよい。
被覆リン酸鉄リチウム粒子を用いる場合、正極活物質の総質量に対して、被覆リン酸鉄リチウム粒子の含有量は50質量%以上が好ましく、80質量%以上がより好ましく、90質量%以上がさらに好ましい。100質量%でもよい。
正極活物質として用いる粒子(即ち、正極活物質として用いる粉体)の平均粒子径(活物質被覆部を有する場合は活物質被覆部の厚さも含む)は、例えば0.1~20.0μmが好ましく、0.2~10.0μmがより好ましい。正極活物質を2種以上用いる場合、それぞれの平均粒子径が上記の範囲内であればよい。
本明細書における正極活物質の平均粒子径は、レーザー回折・散乱法による粒度分布測定器を用いて測定した体積基準のメジアン径である。
正極活物質層12における結着材の含有量は、例えば、正極活物質層12の総質量に対して、4.0質量%以下が好ましく、2.0質量%以下がより好ましい。結着材の含有量が上記上限値以下であれば、正極活物質層12において、リチウムイオンの伝導に寄与しない物質の割合が少なくなり、電池特性のさらなる向上を図れる。
正極活物質層12が結着材を含有する場合、結着材の含有量の下限値は、正極活物質層12の総質量に対して0.1質量%以上が好ましく、0.5質量%以上がより好ましい。
即ち、正極活物質層12が結着材を含有する場合、結着材の含有量は、正極活物質層12の総質量に対して0.1質量%~4.0質量%が好ましく、0.5質量%~2.0質量%がより好ましい。
正極活物質層12における導電助剤の含有量は、例えば、正極活物質の総質量100質量部に対して、4質量部以下が好ましく、3質量部以下がより好ましく、1質量部以下がさらに好ましく、導電助剤を含まないことが特に好ましい。
正極活物質層12に導電助剤を配合する場合、導電助剤の下限値は、導電助剤の種類に応じて適宜決定され、例えば、正極活物質層12の総質量に対して0.1質量%超とされる。
なお、正極活物質層12が「導電助剤を含まない」とは、実質的に含まないことを意味し、本発明の効果に影響を及ぼさない程度に含むものを排除するものではない。例えば、導電助剤の含有量が正極活物質層12の総質量に対して0.1質量%以下であれば、実質的に含まれないと判断できる。
正極集電体本体14を構成する材料としては、銅、アルミニウム、チタン、ニッケル、ステンレス鋼等の導電性を有する金属が例示できる。
正極集電体本体14の厚みは、例えば8~40μmが好ましく、10~25μmがより好ましい。
正極集電体本体14の厚み及び正極集電体11の厚みは、マイクロメータを用いて測定できる。測定器の一例としてはミツトヨ社製品名「MDH-25M」が挙げられる。
集電体被覆層15は導電材料を含む。
集電体被覆層15中の導電材料は、炭素を含むことが好ましく、炭素のみからなる導電材料がより好ましい。
集電体被覆層15は、例えばカーボンブラック等の炭素粒子と結着材を含むコーティング層が好ましい。集電体被覆層15の結着材は、正極活物質層12の結着材と同様のものを例示できる。
正極集電体本体14の表面を集電体被覆層15で被覆した正極集電体11は、例えば、導電材料、結着材、及び溶媒を含むスラリーを、グラビア法等の公知の塗工方法を用いて正極集電体本体14の表面に塗工し、乾燥して溶媒を除去する方法で製造できる。
集電体被覆層の厚さは、集電体被覆層の断面の透過電子顕微鏡(TEM)像又は走査型電子顕微鏡(SEM)像における被覆層の厚さを計測する方法で測定できる。集電体被覆層の厚さは均一でなくてもよい。正極集電体本体14の表面の少なくとも一部に厚さ0.1μm以上の集電体被覆層が存在し、集電体被覆層の厚さの最大値が4.0μm以下であることが好ましい。
本実施形態の正極1は、例えば、正極活物質、結着材、及び溶媒を含む正極製造用組成物を、正極集電体11上に塗工し、乾燥し溶媒を除去して正極活物質層12を形成する方法で製造できる。正極製造用組成物は導電助剤を含んでもよい。
正極集電体11上に正極活物質層12を形成した積層物を、2枚の平板状冶具の間に挟み、厚み方向に均一に加圧する方法で、正極活物質層12の厚みを調整できる。例えば、ロールプレス機を用いて加圧(圧延)する方法を使用できる。
本明細書において、正極活物質層12に存在する粒子の粒度分布曲線(以下「粒度分布曲線P」ともいう。)は、レーザー回折・散乱法による粒度分布測定器で測定した体積基準の粒度分布曲線である。
粒度分布曲線Pは、横軸が粒子径、縦軸が頻度(単位:%)である頻度分布曲線、又は横軸が粒子径、縦軸が頻度の積算値(単位:%)である積算分布曲線として表示できる。
積算値aは4~12%が好ましく、5~10%がより好ましい。
頻度bは9~18%が好ましく、11~15%がより好ましい。
積算値aが上記範囲の下限値以上であると、圧延時に粒子径1μm以下の粒子が粒子間の空隙を埋めて正極の体積密度が向上しやすく、電池の体積エネルギー密度改善の点で好ましい。
正極活物質層12中の正極活物質の割合が大きく、微粉が少ない場合、又は、正極活物質と導電助剤の粒子径の分布が類似しており、両者のピークの重なりが大きい場合に、頻度bが大きくなりやすい。頻度bが大きいほど、粒子径がモード径付近の粒子が多くなるため、相対的に微粉は少なくなり、劣化が抑制されやすい。
頻度bが上記範囲の下限値以上であると、微粉や粗大粒子の存在割合が相対的に小さくなり、高レート充放電サイクル時に局所的な電流集中を避ける効果が得られる、上限値以下であると適度に小粒子と大粒子の分布が得られ、圧延時に大粒子の隙間を小粒子が埋めることで、正極の体積密度が向上しやすく、電池の体積エネルギー密度改善の点で望ましい。
頻度bは、例えば正極活物質の粒度分布によって調整できる。正極活物質の頻度分布曲線におけるピークの半値幅が小さいほど頻度bが増大しやすい。導電助剤を用いる場合は、導電助剤の粒度分布、および添加量によって調整できる。導電助剤の粒度分布が正極活物質の粒度分布に近いほど頻度bが増大しやすい。導電助剤の粒度分布が正極活物質よりも小粒子側、あるいは大粒子側になる場合は、添加量を可能な限り少なくする事で頻度bを増大させることができる。
本実施形態の正極1は、90%径から10%径を差し引いた分布幅c(c=D90-D10)が2.0~20.0μmであることが好ましい。
分布幅cは、正極活物質層12に存在する、正極活物質の微粉z1、粒度分布曲線Pの最頻度径(モード径)よりも粒子径が小さい正極活物質z2、及び粒度分布曲線Pの最頻度径よりも粒子径が小さい導電助剤z3の頻度分布が合わさった状態で反映されている。分布幅cが上記範囲の下限値以上であり、かつ後述の積算値dが30%以下であると、粒子径が1μm付近である前記z1、z2、z3の存在が少ない。
分布幅cが上限値以下であることは、正極活物質層に存在する正極活物質および導電助剤の粒子が大きすぎないことを示す。これらの粒子が大きすぎると、正極活物質層の充放電時に反応できる表面積が小さくなる。分布幅cが20.0μmを超過すると、本発明の効果が得られない。ここで、粒子が大きいとは、粗大粒子の割合が多いこと、及び最頻度径が大きいことの一方又は両方を意味する。
分布幅cは2.0~15.0μmが好ましく、2.5~10.0μmがより好ましい。分布幅cは、例えば正極活物質の粒度分布によって調整できる。前記z1及びz2の含有割合が少ないほど分布幅cが増大しやすい。導電助剤を用いる場合は、前記z3の添加量、粒子径によって分布幅cを調整できる。前記z3の量が少ないほど、また前記z3の粒子径が粒度分布曲線Pの最頻度径に近いほど、分布幅cが減少しやすい。正極活物質および導電助剤の粒子が大きすぎると、分布幅cが大きくなる。
積算値dは、正極活物質の微粉z1、及び粒子径1μm以下の導電助剤z4の分布を反映している。積算値dが上記範囲の下限値以上であると、圧延時に粒子径1μm以下の粒子が粒子間の空隙を埋めて正極の体積密度が向上しやすく、電池の体積エネルギー密度改善の点で好ましい。
積算値dが上記範囲の上限値以下であると、充放電時に電流が局所的に集中する微粉が少なくなるため、劣化が抑えられやすい。
積算値dは4~27%が好ましく、7~24%がより好ましい。
積算値dは、例えば正極活物質における粒子径1μm以下の微粉の含有量によって調整できる。前記1μm以下の微粉が少ないほど積算値dが低減しやすい。微粉を少なくするために、正極活物質の製造時に分級する等の公知の処理方法により対応できる。
導電助剤を用いる場合は、導電助剤の粒子径と添加量によって積算値dを調整できる。導電助剤における粒子径1μm以下の粒子の割合が少ないほど積算値dが低減しやすい。正極活物質層12における、粒子径1μm以下の導電助剤の含有量が少ないほど、積算値dが低減しやすい。
本実施形態において、正極活物質層12の体積密度は2.05~2.80g/cm3が好ましく、2.15~2.50g/cm3がより好ましい。
正極活物質層12の体積密度は、例えば以下の測定方法により測定できる。
正極1及び正極集電体11の厚みをそれぞれマイクロゲージで測定し、これらの差から正極活物質層12の厚みを算出する。正極1及び正極集電体11の厚みは、それぞれ任意の5点以上で測定した値の平均値とする。正極集電体11の厚みとして、後述の正極集電体露出部13の厚みを用いてよい。
正極を所定の面積となるように打ち抜いた測定試料の質量を測定し、予め測定した正極集電体11の質量を差し引いて、正極活物質層12の質量を算出する。
下記式(1)に基づいて、正極活物質層12の体積密度を算出する。
体積密度(単位:g/cm3)=正極活物質層の質量(単位:g)/[(正極活物質層の厚み(単位:cm)×測定試料の面積(単位:cm2)]・・・(1)
正極活物質層12の体積密度は、例えば、正極活物質の含有量、正極活物質の粒子径、正極活物質層12の厚み等によって調整できる。正極活物質層12が導電助剤を有する場合は、導電助剤の種類(比表面積、比重)、導電助剤の含有量、導電助剤の粒子径によっても調整できる。
正極1が正極集電体本体14と正極活物質層12とからなる場合、正極1から正極集電体本体14を除いた残部の質量は、正極活物質層12の質量である。
正極1が正極集電体本体14と集電体被覆層15と正極活物質層12とからなる場合、正極1から正極集電体本体14を除いた残部の質量は、集電体被覆層15と正極活物質層12の合計質量である。
正極活物質層の総質量に対して、導電性炭素の含有量は0.5質量%以上3.0質量%未満が好ましく、1.0~2.8質量%がより好ましく、1.2~2.6質量%がさらに好ましい。
正極活物質層の総質量に対する導電性炭素の含有量は、正極から正極活物質層を剥がして120℃環境で真空乾燥した乾燥物(粉体)を測定対象物として、下記≪導電性炭素含有量の測定方法≫で測定できる。
下記≪導電性炭素含有量の測定方法≫で測定した導電性炭素の含有量は、活物質被覆部中の炭素と、導電助剤中の炭素と、集電体被覆層15中の炭素を含む。結着材中の炭素は含まれない。
まず、正極1を任意の大きさに打ち抜き、溶剤(例えば、N-メチルピロリドン)に浸漬して攪拌する方法で、正極集電体本体14上に存在する層(粉体)を完全に剥がす。次いで、正極集電体本体14に粉体が付着していないことを確認し、正極集電体本体14を溶剤から取り出し、剥がした粉体と溶剤を含む懸濁液(スラリー)を得る。得られた懸濁液を120℃で乾燥して溶剤を完全に揮発させ、目的の測定対象物(粉体)を得る。
[測定方法A]
測定対象物を均一に混合して試料(質量w1)を量りとり、下記の工程A1、工程A2の手順で熱重量示差熱(TG-DTA)測定を行い、TG曲線を得る。得られたTG曲線から下記第1の重量減少量M1(単位:質量%)及び第2の重量減少量M2(単位:質量%)を求める。M2からM1を減算して導電性炭素の含有量(単位:質量%)を得る。 工程A1:300mL/分のアルゴン気流中において、10℃/分の昇温速度で30℃から600℃まで昇温し、600℃で10分間保持したときの質量w2から、下記式(a1)により第1の重量減少量M1を求める。
M1=(w1-w2)/w1×100 …(a1)
工程A2:前記工程A1の直後に600℃から10℃/分の降温速度で降温し、200℃で10分間保持した後に、測定ガスをアルゴンから酸素へ完全に置換し、100mL/分の酸素気流中において、10℃/分の昇温速度で200℃から1000℃まで昇温し、1000℃にて10分間保持したときの質量w3から、下記式(a2)により第2の重量減少量M2(単位:質量%)を求める。
M2=(w1-w3)/w1×100 …(a2)
測定対象物を均一に混合して試料を0.0001mg精秤し、下記の燃焼条件で試料を燃焼し、発生した二酸化炭素をCHN元素分析装置により定量し、試料に含まれる全炭素量M3(単位:質量%)を測定する。また、前記測定方法Aの工程A1の手順で第1の重量減少量M1を求める。M3からM1を減算して導電性炭素の含有量(単位:質量%)を得る。
[燃焼条件]
燃焼炉:1150℃
還元炉:850℃
ヘリウム流量:200mL/分
酸素流量:25~30mL/分
上記測定方法Bと同様にして、試料に含まれる全炭素量M3(単位:質量%)を測定する。また、下記の方法で結着材由来の炭素の含有量M4(単位:質量%)を求める。M3からM4を減算して導電性炭素の含有量(単位:質量%)を得る。
結着材がポリフッ化ビニリデン(PVDF:モノマー(CH2CF2)の分子量64)である場合は、管状式燃焼法による燃焼イオンクロマトグラフィーにより測定されたフッ化物イオン(F-)の含有量(単位:質量%)、PVDFを構成するモノマーのフッ素の原子量(19)、及びPVDFを構成する炭素の原子量(12)から以下の式で計算することができる。
PVDFの含有量(単位:質量%)=フッ化物イオンの含有量(単位:質量%)×64/38
PVDF由来の炭素の含有量M4(単位:質量%)=フッ化物イオンの含有量(単位:質量%)×12/19
結着材がポリフッ化ビニリデンであることは、試料、又は試料をN-Nジメチルホルムアミド(DMF)溶媒により抽出した液体をフーリエ変換赤外スペクトル(FT-IR)測定し、C-F結合由来の吸収を確認する方法で確かめることができる。同様に19F-NMR測定でも確かめることができる。
結着材がPVDF以外と同定された場合は、その分子量に相当する結着材の含有量(単位:質量%)および炭素の含有量(単位:質量%)を求めることで、結着材由来の炭素量M4を算出できる。
これらの手法は下記複数の公知文献に記載されている。
東レリサーチセンター The TRC News No.117 (Sep.2013)第34~37頁、[2021年2月10日検索]、インターネット<https://www.toray-research.co.jp/technical-info/trcnews/pdf/TRC117(34-37).pdf>
東ソー分析センター 技術レポート No.T1019 2017.09.20、[2021年2月10日検索]、インターネット<http://www.tosoh-arc.co.jp/techrepo/files/tarc00522/T1719N.pdf>
正極活物質の活物質被覆部を構成する導電性炭素と、導電助剤である導電性炭素は、以下の分析方法で区別できる。
例えば、正極活物質層中の粒子を透過電子顕微鏡電子エネルギー損失分光法(TEM-EELS)により分析し、粒子表面近傍にのみ290eV付近の炭素由来のピークが存在する粒子は正極活物質であり、粒子内部にまで炭素由来のピークが存在する粒子は導電助剤と判定することができる。ここで「粒子表面近傍」とは、粒子表面からの深さが、約100nmまでの領域を意味し、「粒子内部」とは前記粒子表面近傍よりも内側の領域を意味する。
他の方法としては、正極活物質層中の粒子をラマン分光によりマッピング解析し、炭素由来のG-bandとD-band、及び正極活物質由来の酸化物結晶のピークが同時に観測された粒子は正極活物質であり、G-bandとD-bandのみが観測された粒子は導電助剤と判定することができる。
さらに他の方法としては、広がり抵抗顕微鏡(SSRM:Scanning Spread Resistance Microscope)により、正極活物質層の断面を観察し、粒子表面に粒子内部より抵抗が低い部分が存在する場合、抵抗が低い部分は活物質被覆部に存在する導電性炭素であると判定できる。そのような粒子以外に独立して存在し、かつ抵抗が低い部分は導電助剤であると判定することができる。
なお、不純物として考えられる微量な炭素や、製造時に正極活物質の表面から意図せず剥がれた微量な炭素などは、導電助剤と判定しない。
これらの方法を用いて、炭素材料からなる導電助剤が正極活物質層に含まれるか否かを確認することができる。
図2に示す本実施形態の非水電解質二次電池10は、本実施形態の非水電解質二次電池用正極1と、負極3と、非水電解質とを備える。さらにセパレータ2を備えてもよい。図中符号5は外装体である。
本実施形態において、正極1は、板状の正極集電体11と、その両面上に設けられた正極活物質層12と有する。正極活物質層12は正極集電体11の表面の一部に存在する。正極集電体11の表面の縁部は、正極活物質層12が存在しない正極集電体露出部13である。正極集電体露出部13の任意の箇所に、図示しない端子用タブが電気的に接続する。
負極3は、板状の負極集電体31と、その両面上に設けられた負極活物質層32とを有する。負極活物質層32は負極集電体31の表面の一部に存在する。負極集電体31の表面の縁部は、負極活物質層32が存在しない負極集電体露出部33である。負極集電体露出部33の任意の箇所に、図示しない端子用タブが電気的に接続する。
正極1、負極3およびセパレータ2の形状は特に限定されない。例えば平面視矩形状でもよい。
本実施形態の非水電解質二次電池10は、例えば、正極1と負極3を、セパレータ2を介して交互に積層した電極積層体を作製し、電極積層体をアルミラミネート袋等の外装体(筐体)5に封入し、非水電解質(図示せず)を注入して密閉する方法で製造できる。 図2では、代表的に、負極/セパレータ/正極/セパレータ/負極の順に積層した構造を示しているが、電極の数は適宜変更できる。正極1は1枚以上あればよく、得ようとする電池容量に応じて任意の数の正極1を用いることができる。負極3及びセパレータ2は、正極1の数より1枚多く用い、最外層が負極3となるように積層する。
負極活物質層32は負極活物質を含む。さらに結着材を含んでもよい。さらに導電助剤を含んでもよい。負極活物質の形状は、粒子状が好ましい。
負極3は、例えば、負極活物質、結着材、及び溶媒を含む負極製造用組成物を調製し、これを負極集電体31上に塗工し、乾燥し溶媒を除去して負極活物質層32を形成する方法で製造できる。負極製造用組成物は導電助剤を含んでもよい。
セパレータ2を負極3と正極1との間に配置して短絡等を防止する。セパレータ2は、後述する非水電解質を保持してもよい。
セパレータ2としては、特に限定されず、多孔性の高分子膜、不織布、ガラスファイバー等が例示できる。
セパレータ2の一方又は両方の表面上に絶縁層を設けてもよい。絶縁層は、絶縁性微粒子を絶縁層用結着材で結着した多孔質構造を有する層が好ましい。
酸化防止剤としては、ヒンダードフェノール系酸化防止剤、モノフェノール系酸化防止剤、ビスフェノール系酸化防止剤、ポリフェノール系酸化防止剤等のフェノール系酸化防止剤;ヒンダードアミン系酸化防止剤;リン系酸化防止剤;イオウ系酸化防止剤;ベンゾトリアゾール系酸化防止剤;ベンゾフェノン系酸化防止剤;トリアジン系酸化防止剤;サルチル酸エステル系酸化防止剤等が例示できる。フェノール系酸化防止剤、リン系酸化防止剤が好ましい。
非水電解質は正極1と負極3との間を満たす。例えば、リチウムイオン二次電池、電気二重層キャパシタ等において公知の非水電解質を使用できる。
非水電解質として、有機溶媒に電解質塩を溶解した非水電解液が好ましい。
本実施形態の非水電解質二次電池の使用形態は特に限定されない。例えば、複数個の非水電解質二次電池を直列又は並列に接続して構成した電池モジュール、電気的に接続した複数個の電池モジュールと電池制御システムとを備える電池システム等に用いることができる。
電池システムの例としては、電池パック、定置用蓄電池システム、自動車の動力用蓄電池システム、自動車の補機用蓄電池システム、非常電源用蓄電池システム等が挙げられる。
本発明の第2の実施形態に係る非水電解質二次電池用正極1は、正極集電体11と、前記正極集電体11上に存在する正極活物質層12とを有し、
前記正極活物質層12は正極活物質を含み、
前記正極集電体11の厚み方向に垂直であり、かつ互いに直交する2方向を第1の方向及び第2の方向とするとき、
前記第1の方向の厚み分布における、平均厚みa1、最大厚みb1、最小厚みc1、及び前記平均厚みa1との差の絶対値が最も大きい厚みd1が、下記式1及び式2を満たし、かつ
前記第2の方向の厚み分布における、平均厚みa2、最大厚みb2、最小厚みc2、及び前記平均厚みa2との差の絶対値が最も大きい厚みd2が、下記式3及び式4を満たす。
0.990≦(d1/a1)≦1.010 …式1
(b1-c1)≦5.0μm …式2
0.990≦(d2/a2)≦1.010 …式3
(b2-c2)≦5.0μm …式4
上記構成を有する非水電解質二次電池用正極1は、非水電解質二次電池の高レートサイクル特性を向上させることができる。
以下に具体的に説明する。
正極活物質層12は正極活物質を含む。正極活物質層12は、さらに結着材を含むことが好ましい。正極活物質層12は、さらに導電助剤を含んでもよい。
正極活物質の形状は、粒子状が好ましい。
正極活物質層12の総質量に対して、正極活物質の含有量は80.0~99.9質量%が好ましく、90~99.5質量%がより好ましい。
ここで、「正極活物質の表面の少なくとも一部」とは、活物質被覆部が、正極活物質粒子の外表面全体の面積の50%以上、好ましくは70%以上、より好ましくは90%以上、特に好ましくは100%を覆っていることを意味する。なお、この被覆率(%)は、正極活物質層中に存在する正極活物質粒子全体についての平均値であり、この平均値が上記下限値以上となる限り、活物質被覆部を有しない正極活物質粒子が微量に存在することを排除するものではない。活物質被覆部を有しない正極活物質粒子が正極活物質層中に存在する場合、その量は、正極活物質層中に存在する正極活物質粒子全体の量に対して、好ましくは30質量%以下であり、より好ましくは20%以下であり、特に好ましくは10質量%以下である。
前記被覆率は次の様な方法により測定することができる。まず、正極活物質層中の粒子を、透過電子顕微鏡を用いたエネルギー分散型X線分光法(TEM-EDX)により分析する。具体的には、TEM画像における正極活物質粒子の外周部をEDXで元素分析する。元素分析は炭素について行い、正極活物質粒子を被覆している炭素を特定する。炭素の被覆部が1nm以上の厚さである箇所を被覆部分とし、観察した正極活物質粒子の全周に対して被覆部分の割合を求め、これを被覆率とすることができる。測定は例えば、10個の正極活物質粒子について行い、これらの平均値とすることができる。
また、前記活物質被覆部は、正極活物質のみから構成される粒子(以下、「芯部」と称することもある。)の表面上に直接形成された厚み1nm~100nm、好ましくは5nm~50nmの層であり、この厚みは上述した被覆率の測定に用いるTEM-EDXによって確認することができる。
活物質被覆部の導電材料は、炭素を含むことが好ましい。炭素のみからなる導電材料でもよく、炭素と炭素以外の他の元素とを含む導電性有機化合物でもよい。他の元素としては、窒素、水素、酸素等が例示できる。前記導電性有機化合物において、他の元素は10原子%以下が好ましく、5原子%以下がより好ましい。
活物質被覆部を構成する導電材料は、炭素のみからなることがさらに好ましい。
活物質被覆部を有する正極活物質の総質量に対して、導電材料の含有量は0.1~3.0質量%が好ましく、0.5~1.5質量%がより好ましく、0.7~1.3質量%がさらに好ましい。多すぎる場合は正極活物質粒子の表面から導電材料が剥がれ、独立した導電助剤粒子として残留する可能性があるため、好ましくない。
例えば、正極製造用組成物を調製する際に、被覆粒子を溶媒と共にミキサー等で混合しても、活物質被覆部は正極活物質の表面を被覆している。また、仮に、正極から正極活物質層を剥がし、これを溶媒に投入して正極活物質層中の結着材を溶媒に溶解させた場合にも、活物質被覆部は正極活物質の表面を被覆している。また、仮に、正極活物質層中の粒子の粒度分布をレーザー回折・散乱法により測定する際に、凝集した粒子をほぐす操作を行った場合にも活物質被覆部は正極活物質の表面を被覆している。
焼結法としては、正極活物質の粒子と有機物とを含む活物質製造用組成物(例えば、スラリー)を、大気圧下、500~1000℃、1~100時間で焼成する方法が挙げられる。活物質製造用組成物に添加する有機物としては、サリチル酸、カテコール、ヒドロキノン、レゾルシノール、ピロガロール、フロログルシノール、ヘキサヒドロキシベンゼン、安息香酸、フタル酸、テレフタル酸、フェニルアラニン、水分散型フェノール樹脂等、スクロース、グルコース、ラクトース等の糖類、リンゴ酸、クエン酸などのカルボン酸、アリルアルコール、プロパルギルアルコール等の不飽和一価アルコール、アスコルビン酸、ポリビニルアルコール等が挙げられる。この焼結法によれば、活物質製造用組成物を焼成することで、有機物中の炭素を正極活物質の表面に焼結して、活物質被覆部を形成する。
また、他の焼結法としては、いわゆる衝撃焼結被覆法が挙げられる。
蒸着法としては、物理気相成長法(PVD)、化学気相成長法(CVD)等の気相堆積法、メッキ等の液相堆積法等が挙げられる。
オリビン型結晶構造を有する化合物は、一般式LiFexM(1-x)PO4で(以下「一般式(I)」ともいう。)表される化合物が好ましい。一般式(I)において0≦x≦1である。MはCo、Ni、Mn、Al、Ti又はZrである。物性値に変化がない程度に微小量の、FeおよびM(Co、Ni、Mn、Al、Ti又はZr)の一部を他の元素に置換することもできる。一般式(I)で表される化合物は、微量の金属不純物が含まれていても本発明の効果が損なわれるものではない。
被覆リン酸鉄リチウムは公知の方法で製造できる。
例えば、特許第5098146号公報に記載の方法を用いてリン酸鉄リチウム粉末を作製し、GS Yuasa Technical Report、2008年6月、第5巻、第1号、第27~31頁等に記載の方法を用いて、リン酸鉄リチウム粉末の表面の少なくとも一部を炭素で被覆できる。
具体的には、まず、シュウ酸鉄二水和物、リン酸二水素アンモニウム、及び炭酸リチウムを、特定のモル比で計り、これらを不活性雰囲気下で粉砕及び混合する。次に、得られた混合物を窒素雰囲気下で加熱処理することによってリン酸鉄リチウム粉末を作製する。次いで、リン酸鉄リチウム粉末をロータリーキルンに入れ、窒素をキャリアガスとしたメタノール蒸気を供給しながら加熱処理することによって、表面の少なくとも一部を炭素で被覆したリン酸鉄リチウム粉末を得る。
例えば、粉砕工程における粉砕時間によってリン酸鉄リチウム粉末の粒子径を調整できる。メタノール蒸気を供給しながら加熱処理する工程における加熱時間及び温度等によって、リン酸鉄リチウム粉末を被覆する炭素の量を調整できる。被覆されなかった炭素粒子はその後の分級や洗浄などの工程などにより取り除くことが望ましい。
他の正極活物質は、リチウム遷移金属複合酸化物が好ましい。例えば、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、ニッケルコバルトアルミン酸リチウム(LiNixCoyAlzO2、ただしx+y+z=1)、ニッケルコバルトマンガン酸リチウム(LiNixCoyMnzO2、ただしx+y+z=1)、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)、コバルトマンガン酸リチウム(LiMnCoO4)、クロム酸マンガンリチウム(LiMnCrO4)、バナジウムニッケル酸リチウム(LiNiVO4)、ニッケル置換マンガン酸リチウム(例えば、LiMn1.5Ni0.5O4)、及びバナジウムコバルト酸リチウム(LiCoVO4)、これらの化合物の一部を金属元素で置換した非化学量論的化合物等が挙げられる。前記金属元素としては、Mn、Mg、Ni、Co、Cu、Zn及びGeからなる群から選択される1種以上が挙げられる。
他の正極活物質は1種でもよく、2種以上でもよい。
他の正極活物質は、表面の少なくとも一部に前記活物質被覆部が存在してもよい。
被覆リン酸鉄リチウム粒子を用いる場合、正極活物質の総質量に対して、被覆リン酸鉄リチウム粒子の含有量は50質量%以上が好ましく、80質量%以上がより好ましく、90質量%以上がさらに好ましい。100質量%でもよい。
正極活物質として用いる粒子(即ち、正極活物質として用いる粉体)の平均粒子径(活物質被覆部を有する場合は活物質被覆部の厚さも含む)は、例えば0.1~5.0μmが好ましく、0.2~3.0μmがより好ましい。正極活物質を2種以上用いる場合、それぞれの平均粒子径が上記の範囲内であればよい。
本明細書における正極活物質の平均粒子径は、レーザー回折・散乱法による粒度分布測定器を用いて測定した体積基準のメジアン径である。
正極活物質層12における結着材の含有量は、例えば、正極活物質層12の総質量に対して、4.0質量%以下が好ましく、2.0質量%以下がより好ましい。結着材の含有量が上記上限値以下であれば、正極活物質層12において、リチウムイオンの伝導に寄与しない物質の割合が少なくなり、電池特性のさらなる向上を図れる。
正極活物質層12が結着材を含有する場合、結着材の含有量の下限値は、正極活物質層12の総質量に対して0.1質量%以上が好ましく、0.5質量%以上がより好ましい。
即ち、正極活物質層12が結着材を含有する場合、結着材の含有量は、正極活物質層12の総質量に対して0.1質量%~4.0質量%が好ましく、0.5質量%~2.0質量%がより好ましい。
正極活物質層12における導電助剤の含有量は、例えば、正極活物質の総質量100質量部に対して、4質量部以下が好ましく、3質量部以下がより好ましく、1質量部以下がさらに好ましく、導電助剤を含まないことが特に好ましい。
正極活物質層12に導電助剤を配合する場合、導電助剤の下限値は、導電助剤の種類に応じて適宜決定され、例えば、正極活物質層12の総質量に対して0.1質量%超とされる。
なお、正極活物質層12が「導電助剤を含まない」とは、実質的に含まないことを意味し、本発明の効果に影響を及ぼさない程度に含むものを排除するものではない。例えば、導電助剤の含有量が正極活物質層12の総質量に対して0.1質量%以下であれば、実質的に含まれないと判断できる。
正極集電体本体14は金属材料からなる。金属材料としては、銅、アルミニウム、チタン、ニッケル、ステンレス鋼等の導電性を有する金属が例示できる。
正極集電体本体14の厚みは、例えば8~40μmが好ましく、10~25μmがより好ましい。
正極集電体本体14の厚み及び正極集電体11の厚みは、マイクロメータを用いて測定できる。測定器の一例としてはミツトヨ社製品名「MDH-25M」が挙げられる。
集電体被覆層15は導電材料を含む。
集電体被覆層15中の導電材料は、炭素を含むことが好ましく、炭素のみからなる導電材料がより好ましい。
集電体被覆層15は、例えばカーボンブラック等の炭素粒子と結着材を含むコーティング層が好ましい。集電体被覆層15の結着材は、正極活物質層12の結着材と同様のものを例示できる。
正極集電体本体14の表面を集電体被覆層15で被覆した正極集電体11は、例えば、導電材料、結着材、及び溶媒を含むスラリーを、グラビア法等の公知の塗工方法を用いて正極集電体本体14の表面に塗工し、乾燥して溶媒を除去する方法で製造できる。
集電体被覆層の厚さは、集電体被覆層の断面の透過電子顕微鏡(TEM)像又は走査型電子顕微鏡(SEM)像における被覆層の厚さを計測する方法で測定できる。集電体被覆層の厚さは均一でなくてもよい。正極集電体本体14の表面の少なくとも一部に厚さ0.1μm以上の集電体被覆層が存在し、集電体被覆層の厚さの最大値が4.0μm以下であることが好ましい。
本実施形態の正極1は、例えば、正極活物質、結着材、及び溶媒を含む正極製造用組成物を、正極集電体11上に塗工し、乾燥し溶媒を除去して正極活物質層12を形成する方法で製造できる。正極製造用組成物は導電助剤を含んでもよい。
正極集電体11上に正極活物質層12を形成した積層物を、2枚の平板状冶具の間に挟み、厚み方向に均一に加圧する方法で、正極活物質層12の厚みを調整できる。例えば、ロールプレス機を用いて加圧する方法を使用できる。
正極活物質層12の総質量に対する導電性炭素の含有量は、正極活物質層12を剥がして120℃環境で真空乾燥した乾燥物(粉体)を測定対象物として、下記≪導電性炭素含有量の測定方法≫で測定できる。
下記≪導電性炭素含有量の測定方法≫で測定した導電性炭素の含有量は、正極活物質を被覆する導電材料中の炭素と、導電助剤中の炭素を含む。結着材中の炭素は含まれない。正極活物質層12の総質量に対して、導電性炭素の含有量が上記の範囲内であると、電池容量をより改善し、より優れたサイクル特性を有する非水電解質二次電池を実現できる。
正極活物質層12の総質量に対する結着材由来の炭素の含有量は、正極活物質層12を剥がして120℃環境で真空乾燥した乾燥物(粉体)を測定対象物として、下記≪導電性炭素含有量の測定方法≫で測定できる。例えば、後述の測定方法A及び測定方法Bにおける第1の重量減少量M1を結着材由来の炭素によるものとして測定できる。又は後述の測定方法Cを用いて結着材由来の炭素の含有量M4を求めることもできる。
正極集電体本体14上に集電体被覆層15が存在せず、正極集電体本体14上に正極活物質層12のみが存在する場合、まず、正極1を任意の大きさに打ち抜き、溶剤(例えば、N-メチルピロリドン)に浸漬して攪拌する方法で、正極集電体本体14上に存在する層(粉体)を完全に剥がす。次いで、正極集電体本体14に粉体が付着していないことを確認し、正極集電体本体14を溶剤から取り出し、剥がした粉体と溶剤を含む懸濁液(スラリー)を得る。得られた懸濁液を120℃で乾燥して溶剤を完全に揮発させ、目的の測定対象物(粉体)を得る。
また、正極集電体本体14上に集電体被覆層15及び正極活物質層12が存在する場合は、正極活物質層12を構成する粉体のみを剥がし、120℃環境で真空乾燥させた乾燥物(粉体)を用いる。例えば、正極活物質層12の最表面の、深さ数μmの部分をスパチュラ等で剥がした粉体を120℃環境で真空乾燥して測定対象物とすることができる。
正極1が正極集電体本体14と正極活物質層12とからなる場合、正極1から正極集電体本体14を除いた残部の質量は、正極活物質層12の質量である。
正極1が正極集電体本体14と集電体被覆層15と正極活物質層12とからなる場合、正極1から正極集電体本体14を除いた残部の質量は、集電体被覆層15と正極活物質層12の合計質量である。
正極1から正極集電体本体14を除いた残部の質量に対する導電性炭素の含有量は、正極集電体本体14上に存在する層の全量を剥がして120℃環境で真空乾燥した乾燥物(粉体)を測定対象物として、下記≪導電性炭素含有量の測定方法≫で測定できる。
[測定方法A]
測定対象物を均一に混合して試料(質量w1)を量りとり、下記の工程A1、工程A2の手順で熱重量示差熱(TG-DTA)測定を行い、TG曲線を得る。得られたTG曲線から下記第1の重量減少量M1(単位:質量%)及び第2の重量減少量M2(単位:質量%)を求める。M2からM1を減算して導電性炭素の含有量(単位:質量%)を得る。 工程A1:300mL/分のアルゴン気流中において、10℃/分の昇温速度で30℃から600℃まで昇温し、600℃で10分間保持したときの質量w2から、下記式(a1)により第1の重量減少量M1を求める。
M1=(w1-w2)/w1×100 …(a1)
工程A2:前記工程A1の直後に600℃から10℃/分の降温速度で降温し、200℃で10分間保持した後に、測定ガスをアルゴンから酸素へ完全に置換し、100mL/分の酸素気流中において、10℃/分の昇温速度で200℃から1000℃まで昇温し、1000℃にて10分間保持したときの質量w3から、下記式(a2)により第2の重量減少量M2(単位:質量%)を求める。
M2=(w1-w3)/w1×100 …(a2)
測定対象物を均一に混合して試料を0.0001mg精秤し、下記の燃焼条件で試料を燃焼し、発生した二酸化炭素をCHN元素分析装置により定量し、試料に含まれる全炭素量M3(単位:質量%)を測定する。また、前記測定方法Aの工程A1の手順で第1の重量減少量M1を求める。M3からM1を減算して導電性炭素の含有量(単位:質量%)を得る。
[燃焼条件]
燃焼炉:1150℃
還元炉:850℃
ヘリウム流量:200mL/分
酸素流量:25~30mL/分
上記測定方法Bと同様にして、試料に含まれる全炭素量M3(単位:質量%)を測定する。また、下記の方法で結着材由来の炭素の含有量M4(単位:質量%)を求める。M3からM4を減算して導電性炭素の含有量(単位:質量%)を得る。
結着材がポリフッ化ビニリデン(PVDF:モノマー(CH2CF2)の分子量64)である場合は、管状式燃焼法による燃焼イオンクロマトグラフィーにより測定されたフッ化物イオン(F-)の含有量(単位:質量%)、PVDFを構成するモノマーのフッ素の原子量(19)、及びPVDFを構成する炭素の原子量(12)から以下の式で計算することができる。
PVDFの含有量(単位:質量%)=フッ化物イオンの含有量(単位:質量%)×64/38
PVDF由来の炭素の含有量M4(単位:質量%)=フッ化物イオンの含有量(単位:質量%)×12/19
結着材がポリフッ化ビニリデンであることは、試料、又は試料をN-Nジメチルホルムアミド(DMF)溶媒により抽出した液体をフーリエ変換赤外スペクトル(FT-IR)測定し、C-F結合由来の吸収を確認する方法で確かめることができる。同様に19F-NMR測定でも確かめることができる。
結着材がPVDF以外と同定された場合は、その分子量に相当する結着材の含有量(単位:質量%)および炭素の含有量(単位:質量%)を求めることで、結着材由来の炭素量M4を算出できる。
これらの手法は下記複数の公知文献に記載されている。
東レリサーチセンター The TRC News No.117 (Sep.2013)第34~37頁、[2021年2月10日検索]、インターネット<https://www.toray-research.co.jp/technical-info/trcnews/pdf/TRC117(34-37).pdf>
東ソー分析センター 技術レポート No.T1019 2017.09.20、[2021年2月10日検索]、インターネット<http://www.tosoh-arc.co.jp/techrepo/files/tarc00522/T1719N.pdf>
正極活物質の活物質被覆部を構成する導電性炭素と、導電助剤である導電性炭素は、以下の分析方法で区別できる。
例えば、正極活物質層中の粒子を透過電子顕微鏡電子エネルギー損失分光法(TEM-EELS)により分析し、粒子表面近傍にのみ290eV付近の炭素由来のピークが存在する粒子は正極活物質であり、粒子内部にまで炭素由来のピークが存在する粒子は導電助剤と判定することができる。ここで「粒子表面近傍」とは、粒子表面からの深さが、約100nmまでの領域を意味し、「粒子内部」とは前記粒子表面近傍よりも内側の領域を意味する。
他の方法としては、正極活物質層中の粒子をラマン分光によりマッピング解析し、炭素由来のG-bandとD-band、及び正極活物質由来の酸化物結晶のピークが同時に観測された粒子は正極活物質であり、G-bandとD-bandのみが観測された粒子は導電助剤と判定することができる。
さらに他の方法としては、広がり抵抗顕微鏡(SSRM:Scanning Spread Resistance Microscope)により、正極活物質層の断面を観察し、粒子表面に粒子内部より抵抗が低い部分が存在する場合、抵抗が低い部分は活物質被覆部に存在する導電性炭素であると判定できる。そのような粒子以外に独立して存在し、かつ抵抗が低い部分は導電助剤であると判定することができる。
なお、不純物として考えられる微量な炭素や、製造時に正極活物質の表面から意図せず剥がれた微量な炭素などは、導電助剤と判定しない。
これらの方法を用いて、炭素材料からなる導電助剤が正極活物質層に含まれるか否かを確認することができる。
本明細書における正極の厚み分布は、正極集電体11の厚み方向に垂直な方向に沿ってスキャンしながら、最表面の凹凸を検知する方法で測定したものである。
例えば、回転している2つのロール(測定ロールとバックアップ・フィールドロール)の間に、正極から切り出した被測定シートを差し込み、測定ロールの上下変動をセンサーが感知して厚さの変化(厚み分布)を計測する。測定装置の例としては、卓上厚さ計(明産社製品名「ロータリーキャリバー計 RC-19」)が例示できる。
この測定方法では、測定ロール側の最表面の凹凸が厚み変化として検知される。バックアップ・フィールドロール側の最表面の凹凸は厚み分布に反映されない。
被測定シートの大きさは、スキャン方向(ロールの回転方向)の寸法が50mm以上、スキャン方向に垂直な方向の寸法が20mm以上とする。切断による誤差を除くために、スキャンされる全長(被測定シートの一端から他端まで)を100%とすると、一端部(スキャン始め)の20%と他端部(スキャン終わり)の20%を除いた中央部の測定結果を、厚み分布として採用する。
被測定シートは、正極活物質層12の表面が測定ロール側の最表面となるように測定装置に差し込む。
第1の方向の厚み分布を得て、平均厚みa1、最大厚みb1、最小厚みc1を求める。また、平均厚みa1との差の絶対値が最も大きい厚みd1を求める。d1はb1又はc1である。d1=b1=c1でもよい。即ち、(b1-a1)>(a1-c1)であればd1=b1であり、(b1-a1)<(a1-c1)であればd1=c1であり、(b1-a1)=(a1-c1)であれば、d1=b1=c1である。
同様に第2の方向の厚み分布を得て、平均厚みa2、最大厚みb2、最小厚みc2を求める。また、平均厚みa2との差の絶対値が最も大きい厚みd2を求める。d2はb2又はc2である。d2=b2=c2でもよい。即ち、(b2-a2)>(a2-c2)であればd2=b2であり、(b2-a2)<(a2-c2)であればd2=c2であり、(b2-a2)=(a2-c2)であれば、d2=b2=c2である。
0.990≦(d1/a1)≦1.010 …式1
(b1-c1)≦5.0μm …式2
0.990≦(d2/a2)≦1.010 …式3
(b2-c2)≦5.0μm …式4
また(b1-c1)及び(b2-c2)は正極活物質層12の表面に存在する凹凸の振れ幅を意味する。
前記式1~式4を満たす正極1は、正極活物質層12の表面の平坦性に優れ、非水電解質二次電池の高レートサイクル特性の向上効果に優れる。正極の最表面における正極と電解液との副反応が抑えられ、高レート充放電サイクルにおける劣化が抑えられるためと考えられる。
d1/a1及びd2/a2は、0.990以上1.010以下であり、0.991以上1.009以下が好ましく、0.992以上1.008以下がより好ましい。
(b1-c1)及び(b2-c2)は5.0μm以下であり、4.0μm以下が好ましく、3.0μm以下がより好ましい。(b1-c1)及び(b2-c2)の下限値は特に限定されず、ゼロでもよい。
正極活物質層12に存在する粒子の粒度分布におけるメジアン径(以下「D50」ともいう。)は、5.0μm以下が好ましく、4.0μm以下が好ましく、3.0μm以下がより好ましい。
D50が上記上限値以下であると、平坦性の向上効果に優れる。D50の下限値は特に限定されないが、微粉の凝集による粗大粒子が発生しやすく、粗大粒子の存在により平坦性が薄れる観点では1.0μm以上が好ましく、2.0μm以上がより好ましい。
D50は、例えば正極活物質に含まれる微粉の量で調整できる。微粉の含有量が少ない正極活物質を用いることによりD50を低減できる。導電助剤を用いる場合は、導電助剤の配合量によっても調整できる。導電助剤の配合量を少なくすることによりD50を低減できる。
測定する試料としては、正極1から正極活物質層12を剥がし、正極活物質層12中に存在する粒子を水に分散させた水分散液を用いる。水分散液を超音波処理し、粒子を充分に分散させることが好ましい。
導電助剤が炭素を含有する場合、導電助剤の配合量が少ないほど、導電性炭素の含有量が低下する。
正極1及び正極集電体11の厚みをそれぞれマイクロゲージで測定し、これらの差から正極活物質層12の厚みを算出する。正極1及び正極集電体11の厚みは、それぞれ任意の5点以上で測定した値の平均値とする。正極集電体11の厚みとして、後述の正極集電体露出部13の厚みを用いてよい。
正極を所定の面積となるように打ち抜いた測定試料の質量を測定し、予め測定した正極集電体11の質量を差し引いて、正極活物質層12の質量を算出する。
下記式(1)に基づいて、正極活物質層12の体積密度を算出する。
体積密度(単位:g/cm3)=正極活物質層の質量(単位:g)/[(正極活物質層の厚み(単位:cm)×測定試料の面積(単位:cm2)]・・・(1)
図2に示す本実施形態の非水電解質二次電池10は、本実施形態の非水電解質二次電池用正極1と、負極3と、非水電解質とを備える。さらにセパレータ2を備えてもよい。図中符号5は外装体である。
本実施形態において、正極1は、板状の正極集電体11と、その両面上に設けられた正極活物質層12と有する。正極活物質層12は正極集電体11の表面の一部に存在する。正極集電体11の表面の縁部は、正極活物質層12が存在しない正極集電体露出部13である。正極集電体露出部13の任意の箇所に、図示しない端子用タブが電気的に接続する。
負極3は、板状の負極集電体31と、その両面上に設けられた負極活物質層32とを有する。負極活物質層32は負極集電体31の表面の一部に存在する。負極集電体31の表面の縁部は、負極活物質層32が存在しない負極集電体露出部33である。負極集電体露出部33の任意の箇所に、図示しない端子用タブが電気的に接続する。
正極1、負極3およびセパレータ2の形状は特に限定されない。例えば平面視矩形状でもよい。
本実施形態の非水電解質二次電池10は、例えば、正極1と負極3を、セパレータ2を介して交互に積層した電極積層体を作製し、電極積層体をアルミラミネート袋等の外装体(筐体)5に封入し、非水電解質(図示せず)を注入して密閉する方法で製造できる。図2では、代表的に、負極/セパレータ/正極/セパレータ/負極の順に積層した構造を示しているが、電極の数は適宜変更できる。正極1は1枚以上あればよく、得ようとする電池容量に応じて任意の数の正極1を用いることができる。負極3及びセパレータ2は、正極1の数より1枚多く用い、最外層が負極3となるように積層する。
負極活物質層32は負極活物質を含む。さらに結着材を含んでもよい。さらに導電助剤を含んでもよい。負極活物質の形状は、粒子状が好ましい。
負極3は、例えば、負極活物質、結着材、及び溶媒を含む負極製造用組成物を調製し、これを負極集電体31上に塗工し、乾燥し溶媒を除去して負極活物質層32を形成する方法で製造できる。負極製造用組成物は導電助剤を含んでもよい。
セパレータ2を負極3と正極1との間に配置して短絡等を防止する。セパレータ2は、後述する非水電解質を保持してもよい。
セパレータ2としては、特に限定されず、多孔性の高分子膜、不織布、ガラスファイバー等が例示できる。
セパレータ2の一方又は両方の表面上に絶縁層を設けてもよい。絶縁層は、絶縁性微粒子を絶縁層用結着材で結着した多孔質構造を有する層が好ましい。
酸化防止剤としては、ヒンダードフェノール系酸化防止剤、モノフェノール系酸化防止剤、ビスフェノール系酸化防止剤、ポリフェノール系酸化防止剤等のフェノール系酸化防止剤;ヒンダードアミン系酸化防止剤;リン系酸化防止剤;イオウ系酸化防止剤;ベンゾトリアゾール系酸化防止剤;ベンゾフェノン系酸化防止剤;トリアジン系酸化防止剤;サルチル酸エステル系酸化防止剤等が例示できる。フェノール系酸化防止剤、リン系酸化防止剤が好ましい。
非水電解質は正極1と負極3との間を満たす。例えば、リチウムイオン二次電池、電気二重層キャパシタ等において公知の非水電解質を使用できる。
非水電解質として、有機溶媒に電解質塩を溶解した非水電解液が好ましい。
本実施形態の非水電解質二次電池の使用形態は特に限定されない。例えば、複数個の非水電解質二次電池を直列又は並列に接続して構成した電池モジュール、電気的に接続した複数個の電池モジュールと電池制御システムとを備える電池システム等に用いることができる。
電池システムの例としては、電池パック、定置用蓄電池システム、自動車の動力用蓄電池システム、自動車の補機用蓄電池システム、非常電源用蓄電池システム等が挙げられる。
[C1] 正極集電体と、前記正極集電体上に存在する正極活物質層とを有し、前記正極活物質層は正極活物質を含み、下記(C1-1)及び(C1-2)のいずれか一方または両方を満たす、非水電解質二次電池用正極:
(C1-1)前記正極活物質層に存在する粒子の、体積基準の粒度分布曲線において、粒子径1μm以下の頻度の積算値aが3~15%であり、4~12%であることが好ましく、5~10%であることがより好ましく、最頻度径における頻度bが8~20%であり、9~18%であることが好ましく、11~15%であることがより好ましい;及び
(C1-2)前記正極集電体の厚み方向に垂直であり、かつ互いに直交する2方向を第1の方向及び第2の方向とするとき、前記第1の方向の厚み分布における、平均厚みa1、最大厚みb1、最小厚みc1、及び前記平均厚みa1との差の絶対値が最も大きい厚みd1が、下記式1及び式2を満たし、かつ前記第2の方向の厚み分布における、平均厚みa2、最大厚みb2、最小厚みc2、及び前記平均厚みa2との差の絶対値が最も大きい厚みd2が、下記式3及び式4を満たす。
0.990≦(d1/a1)≦1.010 …式1
(b1-c1)≦5.0μm …式2
0.990≦(d2/a2)≦1.010 …式3
(b2-c2)≦5.0μm …式4
(式1及び3中、d1/a1及びd2/a2は、0.991以上1.009以下が好ましく、0.992以上1.008以下がより好ましく、
式2及び4中、(b1-c1)及び(b2-c2)は、4.0μm以下が好ましく、3.0μm以下がより好ましい。)
[C2] 縦軸を頻度とする前記粒度分布曲線において、極大点の数が1である、[C1]の非水電解質二次電池用正極。
[C3] 縦軸を頻度とする前記粒度分布曲線を、2つの正規分布に波形分離して得られる、平均径が小さい方の第1の正規分布における90%径から10%径を差し引いた分布幅cが2.0~20.0μmであり、2.0~15.0μmであることが好ましく、2.5~10.0μmであることがより好ましい、[C1]又は[C2]の非水電解質二次電池用正極。
[C4] 縦軸を頻度とする前記粒度分布曲線を、2つの正規分布に波形分離して得られる、平均径が小さい方の第1の正規分布において、粒子径1μm以下の頻度の積算値dが1~30%であり、4~27%であることが好ましく、7~24%であることがより好ましい[C1]~[C3]のいずれかの非水電解質二次電池用正極。
[C5] 前記正極活物質が、一般式LiFexM(1-x)PO4(式中、0≦x≦1、MはCo、Ni、Mn、Al、Ti又はZrである。)で表される化合物を含み、前記化合物はLiFePO4で表されるリン酸鉄リチウムであることが好ましい[C1]~[C4]のいずれかの非水電解質二次電池用正極。
[C6] 前記正極活物質の表面の少なくとも一部に、導電材料を含む活物質被覆部が存在し、前記導電材料は、炭素を含むことが好ましく、活物質被覆部を有する正極活物質の総質量に対して、前記導電材料の含有量は0.1~3.0質量%が好ましく、0.5~1.5質量%がより好ましく、0.7~1.3質量%がさらに好ましい、[C1]~[C5]のいずれかの非水電解質二次電池用正極。
[C7] 前記正極活物質層が、さらに導電助剤を含み、前記導電助剤は、グラファイト、グラフェン、ハードカーボン、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、及びカーボンナノチューブ(CNT)からなる群より選ばれる少なくとも1種の炭素材料であることが好ましい、[C1]~[C6]のいずれかの非水電解質二次電池用正極。
[C8] 前記正極活物質層が導電助剤を含まない、[C1]~[C6]のいずれかの非水電解質二次電池用正極。
[C9] 前記正極集電体の、前記正極活物質層側の表面に集電体被覆層が存在する、[C1]~[C8]のいずれかの非水電解質二次電池用正極。
[C10] 前記正極活物質層に存在する粒子の、体積基準の粒度分布におけるメジアン径が5.0μm以下であり、1.0μm~5.0μmが好ましく、1.0μm~4.0μm以下が好ましく、2.0μm~3.0μmがより好ましい、[C1]~[C10]のいずれかの非水電解質二次電池用正極。
[C11] 前記正極活物質層の総質量に対して、導電性炭素の含有量が0.5~3.5質量%であり、1.0~3.0質量%であることが好ましい、[C6]又は[C7]の非水電解質二次電池用正極。
[C12] 前記正極活物質層が結着材を含み、前記正極活物質層の総質量に対して、前記結着材由来の炭素の含有量が0.1~2.0質量%であり、0.2~1.7質量%であることが好ましく、0.4~1.0質量%であることがより好ましい、[C1]~[C11]のいずれかの非水電解質二次電池用正極。
[C13] 前記正極活物質層の体積密度が2.10~2.50g/cm3であり、2.15~2.45g/cm3であることが好ましく、2.20~2.35g/cm3であることがより好ましい、[C1]~[C12]のいずれかの非水電解質二次電池用正極。
[C14] 前記[C1]~[C13]のいずれかの非水電解質二次電池用正極、負極、及び前記非水電解質二次電池用正極と負極との間に存在する非水電解質を備える、非水電解質二次電池。
[C15] 前記[C14]の非水電解質二次電池の複数個を備える、電池モジュール又は電池システム。
上記の態様において、(C1-1)及び(C1-2)の両方を満たすことが、本発明の効果をより確実に得るために好ましい。
[粒度分布の測定方法]
正極活物質層12の最表面の、深さ数μmの部分をスパチュラ等で剥がし、得られた粉体を水に分散させた分散液を試料とした。
測定には、レーザー回折式粒度分布測定装置(堀場製作所社製品名LA-960V2)を用い、フローセルを使用した。試料は、循環、撹拌及び超音波照射(5分間)を行い、分散状態が充分に安定した状態で粒度分布を測定した。
また、レーザー回折式粒度分布測定装置に付属のピーク分離解析プログラムを用いて、上記粒度分布曲線Pを2つの正規分布に波形分離して第1の正規分布及び第2の正規分布を得た。波形分離の解析条件は、構成分布数を2とし、初期値として、第1の正規分布の平均径1μm、分散を0.5、第2の正規分布の平均径8μm、分散を3に指定した。 得られた2つの正規分布のうち、平均が小さい方の第1の正規分布におけるD90、D10を求め、分布幅c(D90-D10)の値を算出した。また、第1の正規分布における、粒子径1μm以下の頻度の積算値dを求めた。
マイクロゲージを用いて正極シートの厚み及び正極集電体露出部13の厚みを測定した。それぞれ任意の5点で測定して平均値を求めた。
正極シートを、直径16mmの円形に打ち抜いた測定試料を5枚準備した。
各測定試料の質量を精密天秤にて秤量し、測定結果から、予め測定した正極集電体11の質量を差し引くことにより、測定試料中の正極活物質層12の質量を算出した。各測定値の平均値から前記式(1)に基づいて、正極活物質層の体積密度を算出した。
[高温高レートサイクル試験]
容量維持率の評価は、下記(1)~(7)の手順に沿って行った。
(1)定格容量が1Ahとなるように非水電解質二次電池(セル)を作製し、50℃の雰囲気中で、サイクル評価を実施した。
(2)得られたセルに対して、0.2Cレート(すなわち、200mA)で一定電流にて終止電圧3.6Vで充電を行った後、一定電圧にて前記充電電流の1/10を終止電流(すなわち、20mA)として充電を行った。
(3)容量確認のための放電を0.2Cレートで一定電流にて終止電圧2.5Vで行った。このときの放電容量を基準容量とし、基準容量を1Cレートの電流値とした(すなわち、1,000mAとした)。
(4)セルの5Cレート(すなわち、5000mA)で一定電流にて終止電圧3.7Vで充電を行った後、10秒間休止し、この状態から5Cレートにて終止電圧2.0Vで放電を行い、10秒間休止した。
(5)(4)のサイクル試験を1,000回繰り返した。
(6)(2)と同様の充電を実施した後に、(3)と同じ容量確認を実施した。
(7)(6)で測定された容量確認での放電容量をサイクル試験前の基準容量で除して百分率とする事で、1,000サイクル後の容量維持率(1,000サイクル容量維持率、単位:%)とした。
負極活物質である人造黒鉛100質量部と、結着材であるスチレンブタジエンゴム1.5質量部と、増粘材であるカルボキシメチルセルロースNa1.5質量部と、溶媒である水とを混合し、固形分50質量%の負極製造用組成物を得た。
得られた負極製造用組成物を、銅箔(厚さ8μm)の両面上にそれぞれ塗工し、100℃で真空乾燥した後、2kNの荷重で加圧プレスして負極シートを得た。得られた負極シートを打ち抜き、負極とした。
例A1~A4は実施例、例A5、A6は比較例である。
正極活物質層に用いた粉体材料は以下の通りである。
正極活物質(1):炭素で被覆されたリン酸鉄リチウム、平均粒子径1.5μm、炭素含有量1.0質量%。
正極活物質(2):炭素で被覆されたリン酸鉄リチウム、平均粒子径1.0μm、炭素含有量1.0質量%。
正極活物質(3):炭素で被覆されたリン酸鉄リチウム、平均粒子径10.0μm、炭素含有量1.0質量%。
導電助剤(1):カーボンブラック。
結着材としては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)を用いた。
まず、以下の方法で正極集電体本体14の表裏両面を集電体被覆層15で被覆して正極集電体11を作製した。正極集電体本体14としてはアルミニウム箔(厚さ15μm)を用いた。
カーボンブラック100質量部と、結着材であるポリフッ化ビニリデン40質量部と、溶媒であるN-メチルピロリドン(NMP)とを混合してスラリーを得た。NMPの使用量はスラリーを塗工するのに必要な量とした。
得られたスラリーを正極集電体本体14の両面に、乾燥後の集電体被覆層15の厚さ(両面合計)が2μmとなるように、グラビア法で塗工し、乾燥し溶媒を除去して正極集電体11とした。両面それぞれの集電体被覆層15は、塗工量及び厚みが互いに均等になるように形成した。
表1に示すように、正極活物質(1)100質量部と、導電助剤(1)0.5質量部と、結着材であるPVDF1.0質量部と、溶媒であるNMPとを、ミキサーにて混合して正極製造用組成物を得た。溶媒の使用量は、正極製造用組成物を塗工するのに必要な量とした。(表1において、例A1~A6という実施例番号の表記中の数字の前のアルファベット(A)は省略する。表2以降においても同様に数字の前のアルファベット(A又はB)は省略する。)
正極集電体11の両面上に、それぞれ正極製造用組成物を塗工し、予備乾燥後、120℃環境で真空乾燥して正極活物質層12を形成した。正極製造用組成物の塗工量(両面合計)は30mg/cm2とした。両面それぞれの正極活物質層12は、塗工量及び厚みが互いに均等になるように形成した。得られた積層物を10kNの荷重で加圧プレス(圧延)して正極シートを得た。
得られた正極シートについて、上記の方法で正極活物質層の体積密度及び正極活物質層に存在する粒子の粒度分布を測定し、表2に示す各項目の値を求めた(以下、同様)。得られた粒度分布曲線を図3に示す。
得られた正極シートを打ち抜き、正極とした。
エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)を、EC:DECの体積比が3:7となるように混合した溶媒に、電解質としてLiPF6を1モル/リットルとなるように溶解して、非水電解液を調製した。
本例で得た正極と、製造例1で得た負極とを、セパレータを介して交互に積層し、最外層が負極である電極積層体を作製した。セパレータとしては、ポリオレフィンフィルム(厚さ15μm)を用いた。
電極積層体を作製する工程では、まず、セパレータ2と正極1とを積層し、その後、セパレータ2上に負極3を積層した。
電極積層体の正極集電体露出部13及び負極集電体露出部33のそれぞれに、端子用タブを電気的に接続し、端子用タブが外部に突出するように、アルミラミネートフィルムで電極積層体を挟み、三辺をラミネート加工して封止した。
続いて、封止せずに残した一辺から非水電解液を注入し、真空封止して非水電解質二次電池(ラミネートセル)を製造した。
上記の方法で高温高レートサイクル試験を行い、1,000サイクル容量維持率を測定した。結果を表2に示す(以下、同様)。
例A1において、正極活物質(1)に代えて正極活物質(2)100質量部を用いた。 それ以外は例A1と同様にして正極シートを作製し、粒度分布を測定した。得られた粒度分布曲線を図4に示す。
また、例A1と同様にして非水電解質二次電池を製造して評価した。
例A1において、正極活物質(1)に代えて正極活物質(3)100質量部を用いた。それ以外は例A1と同様にして正極シートを作製し、粒度分布を測定した。
また、例A1と同様にして非水電解質二次電池を製造して評価した。
例A2において、導電助剤(1)を配合せず、それ以外は例A1と同様にして正極シートを作製し、粒度分布を測定して表2に示す各項目の値を求めた。
また、例A1と同様にして非水電解質二次電池を製造して評価した。
例A1において、導電助剤の配合量を5.0質量部に変更した。それ以外は例A1と同様にして正極シートを作製し、粒度分布を測定した。得られた粒度分布曲線を図5に示す。
また、例A1と同様にして非水電解質二次電池を製造して評価した。
[例A6]
例A2において、導電助剤の配合量を6.0質量部に変更し、結着材の配合量を2.0質量部に変更した。それ以外は例A1と同様にして正極シートを作製し、粒度分布を測定した。
また、例A1と同様にして非水電解質二次電池を製造して評価した。
一方、例A5、A6は、正極活物質層に存在する微粉が多く、高温高レート充放電サイクルが劣っていた。正極活物質層中の微粉は、正極活物質を製造する際の加熱処理工程で結晶成長が不十分であった粒子径の小さい活物質、炭素微粒子、もしくは単一の粒子で存在する導電助剤と考えられる。高レート充放電サイクル時に、これらの微粉は表面積が大きく、局所的に電流集中する副反応箇所となり、高温で使用したときの劣化が生じやすいと考えられる。
[厚み分布の測定方法]
正極シートから、長さ方向(塗工時の搬送方向)の寸法が300mm、長さ方向に直交する幅方向の寸法が180mmである長方形のサンプルを切り出した。
卓上厚さ計(明産社製品名「ロータリーキャリバー計 RC-19」を用い、厚み上限200μmのセンサーを使用して、サンプルの幅方向に沿って厚み分布を測定した。サンプルの一端から他端までスキャンし、両端からそれぞれ36mmの部分除いた測定結果を幅方向の厚み分布とした。
得られた厚み分布における平均厚みa1、最大厚みb1、最小厚みc1、及び前記平均厚みa1との差の絶対値が最も大きい厚みd1を求め、d1/a1の値及びb1-c1の値を算出した。
サンプルの長さ方向(塗工時の搬送方向)の厚み分布は、サンプルの幅方向の厚み分布に比べて平坦性が高い。すなわち、d2/a2はd1/a1より1に近く、b2-c2はb1-c1より小さい。したがって、幅方向の厚み分布を評価対象とした。
正極活物質層12の最表面の、深さ数μmの部分をスパチュラ等で剥がし、得らえた粉体を水に分散させた分散液を試料とした。
測定には、レーザー回折式粒度分布測定装置(堀場製作所社製品名LA-960V2)を用い、フローセルを使用した。試料は、循環、撹拌及び超音波照射(5分間)を行い、分散状態が充分に安定した状態で粒度分布を測定し、体積基準のメジアン径D50を求めた。
マイクロゲージを用いて正極シートの厚み及び正極集電体露出部13の厚みを測定した。それぞれ任意の5点で測定して平均値を求めた。
正極シートを、直径16mmの円形に打ち抜いた測定試料を5枚準備した。
各測定試料の質量を精密天秤にて秤量し、測定結果から、予め測定した正極集電体11の質量を差し引くことにより、測定試料中の正極活物質層12の質量を算出した。各測定値の平均値から前記式(1)に基づいて、正極活物質層の体積密度を算出した。
[高レートサイクル試験、DC抵抗上昇率測定]
抵抗上昇率の評価は、下記(1)~(7)の手順に沿って行った。
(1)定格容量が1Ahとなるように非水電解質二次電池(セル)を作製し、常温(25℃)下で、抵抗測定、サイクル評価を実施した。
(2)得られたセルに対して、0.2Cレート(すなわち、200mA)で一定電流にて終止電圧3.6Vで充電を行った後、一定電圧にて前記充電電流の1/10を終止電流(すなわち、20mA)として充電を行った。
(3)容量確認のための放電を0.2Cレートで一定電流にて終止電圧2.5Vで行った。このときの放電容量を基準容量とし、基準容量を1Cレートの電流値とした(すなわち、1,000mAとした)。
(4)セルの3Cレート(すなわち、3000mA)で一定電流にて終止電圧3.8Vで充電を行った後、10分間休止し、この状態から3Cレートにて終止電圧2.0Vで放電を行い、10分間休止した。この3Cレート放電を開始した開回路電圧をVa1とし、放電開始10秒後のVa2とし、放電電流I(すなわち3000mA)とした際に、オームの法則からDC抵抗は次式R=(Va1-Va2)/Iで表されることから、10秒放電時のDC抵抗を算出した。
(5)(4)の3Cレート充放電試験を充電後、および放電後の休止時間を10秒に変更し、1,000回繰り返した。
(6)(4)と同様のDC抵抗測定を実施した。
(7)(6)で測定されたDC抵抗を(4)で測定された値で除して百分率とすることで、1,000サイクル後のDC抵抗上昇率(単位:%)とした。
例B1~B3は実施例、例B4、B5は比較例である。
正極活物質層に用いた粉体材料は以下の正極活物質と導電助剤である。
正極活物質:炭素で被覆されたリン酸鉄リチウム、平均粒子径1.5μm、炭素含有量1質量%。
導電助剤:カーボンブラック。
結着材としては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)を用いた。
まず、以下の方法で正極集電体本体14の表裏両面を集電体被覆層15で被覆して正極集電体11を作製した。正極集電体本体14としてはアルミニウム箔(厚さ15μm)を用いた。
カーボンブラック100質量部と、結着材であるポリフッ化ビニリデン40質量部と、溶媒であるN-メチルピロリドン(NMP)とを混合してスラリーを得た。NMPの使用量はスラリーを塗工するのに必要な量とした。
得られたスラリーを正極集電体本体14の両面に、乾燥後の集電体被覆層15の厚さ(両面合計)が2μmとなるように、グラビア法で塗工し、乾燥し溶媒を除去して正極集電体11とした。両面それぞれの集電体被覆層15は、塗工量及び厚みが互いに均等になるように形成した。
表3に示すように、正極活物質100質量部と、導電助剤2.0質量部と、結着材1.5質量部と、溶媒であるNMPとを、ミキサーにて混合して正極製造用組成物を得た。溶媒の使用量は、正極製造用組成物を塗工するのに必要な量とした。
正極集電体11の両面上に、それぞれ正極製造用組成物を塗工し、予備乾燥後、120℃環境で真空乾燥して正極活物質層12を形成した。正極製造用組成物の塗工量(両面合計)は30mg/cm2とした。両面それぞれの正極活物質層12は、塗工量及び厚みが互いに均等になるように形成した。得られた積層物を10kNの荷重で加圧プレスし、正極シートを得た。
具体的には、長尺の正極集電体11を長さ方向に搬送しながら、バーコーターを用いて正極製造用組成物を塗工し、ロールプレス機を用いて加圧プレスする方法で連続的に正極シートを製造した。
得られた正極シートについて、上記の方法で正極の厚み分布、正極活物質層の粒度分布、体積密度を測定し、表4に示す各項目の値を求めた。厚み分布の測定結果を図6に示す。
カーボンコート活物質の炭素含有量と配合量、導電助剤の炭素含有量と配合量、及び結着材の炭素含有量と配合量に基づいて、正極活物質層の総質量に対する導電性炭素の含有量及び結着材由来の炭素の含有量を算出した。導電助剤は、不純物が定量限界以下であり、炭素含有量100質量%とみなした。導電性炭素含有量及び結着材由来の炭素含有量は上記≪導電性炭素含有量の測定方法≫に記載の方法で確認することも可能である。これらの結果を表4に示す(以下、同様)。
得られた正極シートを打ち抜き、正極とした。
エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)を、EC:DECの体積比が3:7となるように混合した溶媒に、電解質としてLiPF6を1モル/リットルとなるように溶解して、非水電解液を調製した。
本例で得た正極と、製造例1で得た負極とを、セパレータを介して交互に積層し、最外層が負極である電極積層体を作製した。セパレータとしては、ポリオレフィンフィルム(厚さ15μm)を用いた。
電極積層体を作製する工程では、まず、セパレータ2と正極1とを積層し、その後、セパレータ2上に負極3を積層した。
電極積層体の正極集電体露出部13及び負極集電体露出部33のそれぞれに、端子用タブを電気的に接続し、端子用タブが外部に突出するように、アルミラミネートフィルムで電極積層体を挟み、三辺をラミネート加工して封止した。
続いて、封止せずに残した一辺から非水電解液を注入し、真空封止して非水電解質二次電池(ラミネートセル)を製造した。
上記の方法で高レートサイクル試験を行い、1,000サイクル抵抗上昇率を測定した。結果を表4に示す(以下、同様)。
例B1において、正極製造用組成物の配合を表3示す通りに変更した。例B1よりも体積密度が高くなるようにプレス荷重を調整した。
それ以外は例B1と同様にして正極シートを作製し、測定し、評価した。
例B1において、導電助剤を配合せず、正極製造用組成物の配合を表3示す通りに変更した。また例B1,B2よりも体積密度が高くなるようにプレス荷重を調整した。
それ以外は例B1と同様にして正極シートを作製し、測定し、評価した。
例B1において、正極製造用組成物の配合を表3示す通りに変更した。プレス荷重は例B2と同様としたが、導電助剤、バインダーの含有量が増えたことにより、体積密度は同様の値とはならず、2.10g/cm3となった。
それ以外は例B1と同様にして正極シートを作製し、測定し、評価した。厚み分布の測定結果を図7に示す。
例B1において、正極製造用組成物の配合を表3示す通りに変更した。プレス荷重は例B1と同様としたが、導電助剤、バインダーの含有量が増えたことにより、体積密度は同様の値とはならず、2.00g/cm3となった。それ以外は例B1と同様にして正極シートを作製し、測定し、評価した。
例B1~B3は、正極の面方向における厚みの均一性に優れ、正極活物質層の最表面の平坦性に優れる。その結果、最表面における正極と電解液との副反応が抑えられ、高レート充放電サイクルにおける抵抗上昇率が抑制されたと考えられる。
例B2は、例B1よりも導電助剤及び結着材の配合量を低減した結果、b1-c1が小さくなり、高レート充放電サイクル特性がより向上した。
例B5は、正極活物質層に存在する粒子のD50が小さく、体積密度が低いため、正極活物質層の最表面の凹凸がより大きくなった。またD50が小さいため粒子の凝集も生じやすい。その結果、最表面における正極と電解液との副反応がより生じやすくなり、高レート充放電サイクルにおける抵抗上昇率がさらに高くなったと考えられる。
2 セパレータ
3 負極
5 外装体
10 非水電解質二次電池
11 正極集電体
12 正極活物質層
13 正極集電体露出部
14 正極集電体本体
15 集電体被覆層
31 負極集電体
32 負極活物質層
33 負極集電体露出部
Claims (13)
- 正極集電体と、前記正極集電体上に存在する正極活物質層とを有し、
前記正極活物質層は正極活物質粒子を含み、
前記正極活物質粒子が、一般式LiFexM(1-x)PO4(式中、0≦x≦1、MはCo、Ni、Mn、Al、Ti又はZrである。)で表される正極活物質を含み、
前記正極活物質層に存在する粒子の、体積基準の粒度分布におけるメジアン径が1.0μm以上、5.0μm以下であり、
前記正極集電体の厚み方向に垂直であり、かつ互いに直交する2方向を第1の方向及び第2の方向とするとき、
前記第1の方向の厚み分布における、平均厚みa1、最大厚みb1、最小厚みc1、及び前記平均厚みa1との差の絶対値が最も大きい厚みd1が、下記式1及び式2を満たし、かつ
前記第2の方向の厚み分布における、平均厚みa2、最大厚みb2、最小厚みc2、及び前記平均厚みa2との差の絶対値が最も大きい厚みd2が、下記式3及び式4を満たす、非水電解質二次電池用正極。
0.990≦(d1/a1)≦1.010 …式1
(b1-c1)≦5.0μm …式2
0.990≦(d2/a2)≦1.010 …式3
(b2-c2)≦5.0μm …式4 - 正極集電体と、前記正極集電体上に存在する正極活物質層とを有し、
前記正極活物質層は正極活物質粒子を含み、
前記正極活物質粒子が、一般式LiFexM(1-x)PO4(式中、0≦x≦1、MはCo、Ni、Mn、Al、Ti又はZrである。)で表される正極活物質を含み、
前記正極活物質粒子は表面の少なくとも一部に存在する活物質被覆部を含み、前記活物質被覆部は炭素を含有する導電材料を含み、
前記正極集電体の厚み方向に垂直であり、かつ互いに直交する2方向を第1の方向及び第2の方向とするとき、
前記第1の方向の厚み分布における、平均厚みa1、最大厚みb1、最小厚みc1、及び前記平均厚みa1との差の絶対値が最も大きい厚みd1が、下記式1及び式2を満たし、かつ
前記第2の方向の厚み分布における、平均厚みa2、最大厚みb2、最小厚みc2、及び前記平均厚みa2との差の絶対値が最も大きい厚みd2が、下記式3及び式4を満たす、非水電解質二次電池用正極。
0.990≦(d1/a1)≦1.010 …式1
(b1-c1)≦5.0μm …式2
0.990≦(d2/a2)≦1.010 …式3
(b2-c2)≦5.0μm …式4 - 前記正極活物質層の総質量に対して、導電性炭素の含有量が0.5~3.5質量%である、請求項2に記載の非水電解質二次電池用正極。
- 前記正極活物質層が導電助剤を含まない、請求項1~3のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池用正極。
- 正極集電体と、前記正極集電体上に存在する正極活物質層とを有し、
前記正極活物質層は正極活物質粒子を含み、
前記正極活物質粒子が、一般式LiFexM(1-x)PO4(式中、0≦x≦1、MはCo、Ni、Mn、Al、Ti又はZrである。)で表される正極活物質を含み、
前記正極活物質層が、さらに導電助剤を含み、前記正極活物質層の総質量100質量部に対して、前記導電助剤の含有量が4質量部以下であり、
前記正極集電体の厚み方向に垂直であり、かつ互いに直交する2方向を第1の方向及び第2の方向とするとき、
前記第1の方向の厚み分布における、平均厚みa1、最大厚みb1、最小厚みc1、及び前記平均厚みa1との差の絶対値が最も大きい厚みd1が、下記式1及び式2を満たし、かつ
前記第2の方向の厚み分布における、平均厚みa2、最大厚みb2、最小厚みc2、及び前記平均厚みa2との差の絶対値が最も大きい厚みd2が、下記式3及び式4を満たす、非水電解質二次電池用正極。
0.990≦(d1/a1)≦1.010 …式1
(b1-c1)≦5.0μm …式2
0.990≦(d2/a2)≦1.010 …式3
(b2-c2)≦5.0μm …式4 - 前記導電助剤が炭素を含む、請求項5に記載の非水電解質二次電池用正極。
- 前記正極活物質層の総質量に対して、導電性炭素の含有量が0.5~3.5質量%である、請求項6に記載の非水電解質二次電池用正極。
- 前記正極活物質層が結着材を含み、前記正極活物質層の総質量に対して、前記結着材由来の炭素の含有量が0.1~2.0質量%である、請求項1~7のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池用正極。
- 前記正極活物質が、LiFePO4で表されるリン酸鉄リチウムである、請求項1~8のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池用正極。
- 前記正極活物質層の体積密度が2.10~2.50g/cm3である、請求項1~9のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池用正極。
- 前記正極集電体の、前記正極活物質層側の表面に集電体被覆層が存在する、請求項1~10のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池用正極。
- 請求項1~11のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池用正極、負極、及び前記非水電解質二次電池用正極と負極との間に存在する非水電解質を備える、非水電解質二次電池。
- 請求項12に記載の非水電解質二次電池の複数個を備える、電池モジュール又は電池システム。
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