JP2023092776A - Electrode and secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本技術は、電極および二次電池に関する。 The present technology relates to electrodes and secondary batteries.
携帯電話機などの多様な電子機器が普及しているため、小型かつ軽量であると共に高エネルギー密度を得ることが可能である電源として二次電池の開発が進められている。この二次電池は、電極および電解液を備えており、その電極は、活物質および導電剤を含んでいる。 Due to the widespread use of various electronic devices such as mobile phones, secondary batteries are being developed as power sources that are compact and lightweight and can provide high energy density. This secondary battery has an electrode and an electrolyte, and the electrode contains an active material and a conductive agent.
二次電池の構成に関しては、様々な検討がなされている。具体的には、電極の合剤層が活物質および導電剤を含んでおり、その導電剤がカーボンナノチューブなどを含んでいる場合において、その合剤層中における導電剤の分布(凝集度、分散度合および体積割合など)が規定されている(例えば、特許文献1~4参照。)。 Various studies have been made on the configuration of the secondary battery. Specifically, when the mixture layer of the electrode contains an active material and a conductive agent, and the conductive agent contains carbon nanotubes or the like, the distribution of the conductive agent in the mixture layer (cohesion degree, dispersion degree and volume ratio) are defined (see, for example, Patent Documents 1 to 4).
二次電池の構成に関して様々な検討がなされているが、サイクル特性および負荷特性のそれぞれは未だ十分でないため、改善の余地がある。 Various studies have been made on the configuration of the secondary battery, but the cycle characteristics and load characteristics are still insufficient, and there is room for improvement.
よって、優れたサイクル特性および優れた負荷特性を得ることが可能である電極および二次電池が望まれている。 Therefore, an electrode and a secondary battery capable of obtaining excellent cycle characteristics and excellent load characteristics are desired.
本技術の一実施形態の電極は、集電体と、その集電体により支持された活物質層とを含むものである。活物質層は、活物質および導電剤を含むと共に、集電体から遠い側の第1面および集電体に近い側の第2面を有する。導電剤は、繊維状炭素材料および粒子状炭素材料を含む。第1面および第2面のそれぞれをラマン分光分析することにより、導電剤の存在領域をラマンマッピングすると共に、その導電剤の存在領域を繊維状炭素材料の存在領域と粒子状炭素材料の存在領域とに分離した際、その第1面における繊維状炭素材料の存在量に対する第2面における繊維状炭素材料の存在量の比比は0.81以上0.93以下であり、その第1面における粒子状炭素材料の存在量に対する第2面における粒子状炭素材料の存在量の比は0.54以上0.88以下である。 An electrode of one embodiment of the present technology includes a current collector and an active material layer supported by the current collector. The active material layer contains an active material and a conductive agent, and has a first surface far from the current collector and a second surface close to the current collector. Conductive agents include fibrous carbon materials and particulate carbon materials. By performing Raman spectroscopic analysis on each of the first surface and the second surface, the region where the conductive agent exists is Raman mapped, and the region where the conductive agent exists is divided into an existing region of the fibrous carbon material and an existing region of the particulate carbon material. and the ratio of the abundance of the fibrous carbon material on the second surface to the abundance of the fibrous carbon material on the first surface is 0.81 or more and 0.93 or less, and the particles on the first surface The ratio of the abundance of the particulate carbon material on the second surface to the abundance of the particulate carbon material is 0.54 or more and 0.88 or less.
本技術の一実施形態の二次電池は、電極および電解液を備え、その電極が上記した本技術の一実施形態の電極の構成および物性と同様の構成および物性を有するものである。 A secondary battery of an embodiment of the present technology includes an electrode and an electrolytic solution, and the electrode has the same configuration and physical properties as the electrode of the embodiment of the present technology described above.
ここで、繊維状炭素材料の存在量および粒子状炭素材料の存在量のそれぞれは、上記したように、ラマン分光分析法を用いた第1面および第2面のそれぞれの分析結果(ラマンマッピング)に基づいて算出される。繊維状炭素材料の存在量および粒子状炭素材料の存在量のそれぞれの算出手順の詳細に関しては、後述する。 Here, each of the abundance of the fibrous carbon material and the abundance of the particulate carbon material is the analysis result of each of the first surface and the second surface using Raman spectroscopic analysis (Raman mapping), as described above. calculated based on The details of the procedures for calculating the abundance of the fibrous carbon material and the abundance of the particulate carbon material will be described later.
本技術の一実施形態の電極または二次電池によれば、その電極の活物質層に含まれている導電剤が繊維状炭素材料および粒子状炭素材料を含んでいる。また、活物質層の第1面および第2面のそれぞれをラマン分光分析(ラマンマッピング)した際、繊維状炭素材料の存在量に関する比が上記した範囲内であり、粒子状炭素材料の存在量に関する比が上記した範囲内である。よって、優れたサイクル特性および優れた負荷特性を得ることができる。 According to the electrode or secondary battery of one embodiment of the present technology, the conductive agent contained in the active material layer of the electrode contains the fibrous carbon material and the particulate carbon material. Further, when each of the first surface and the second surface of the active material layer is subjected to Raman spectroscopic analysis (Raman mapping), the ratio of the abundance of the fibrous carbon material is within the above range, and the abundance of the particulate carbon material is is within the range described above. Therefore, excellent cycle characteristics and excellent load characteristics can be obtained.
なお、本技術の効果は、必ずしもここで説明された効果に限定されるわけではなく、後述する本技術に関連する一連の効果のうちのいずれの効果でもよい。 Note that the effects of the present technology are not necessarily limited to the effects described here, and may be any of a series of effects related to the present technology described below.
以下、本技術の一実施形態に関して、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、説明する順序は、下記の通りである。
1.電極
1-1.構成
1-2.物性
1-3.製造方法
1-4.作用および効果
2.二次電池
2-1.構成
2-2.動作
2-3.製造方法
2-4.作用および効果
3.変形例
4.二次電池の用途
Hereinafter, one embodiment of the present technology will be described in detail with reference to the drawings. The order of explanation is as follows.
1. Electrode 1-1. Configuration 1-2. Physical properties 1-3. Manufacturing method 1-4. Action and effect 2 . Secondary Battery 2-1. Configuration 2-2. Operation 2-3. Manufacturing method 2-4. Action and effect 3. Modification 4. Applications of secondary batteries
<1.電極>
まず、本技術の一実施形態の電極に関して説明する。
<1. Electrode>
First, an electrode according to an embodiment of the present technology will be described.
この電極の用途は、特に限定されないため、任意に設定可能である。電極の用途の一例は、電気化学デバイスであり、その電気化学デバイスの具体例は、二次電池およびキャパシタなどである。 Since the use of this electrode is not particularly limited, it can be set arbitrarily. An example of the application of electrodes is an electrochemical device, and specific examples of the electrochemical device are secondary batteries, capacitors, and the like.
電極が電気化学デバイスに用いられる場合において、その電極は、正極として用いられてもよいし、負極として用いられてもよいし、正極および負極の双方として用いられてもよい。 When an electrode is used in an electrochemical device, the electrode may be used as a positive electrode, a negative electrode, or both a positive electrode and a negative electrode.
以下では、電極が二次電池に用いられる場合に関して説明する。ここで説明する二次電池は、電極反応物質の吸蔵放出を利用して電池容量が得られる二次電池であり、電極と共に電解液を備えている。 A case where the electrode is used in a secondary battery will be described below. The secondary battery described here is a secondary battery in which battery capacity is obtained by utilizing the absorption and release of electrode reactants, and includes an electrolyte together with electrodes.
<1-1.構成>
図1は、本技術の一実施形態の電極である電極100の断面構成を表している。この電極100は、図1に示したように、集電体110および活物質層120を含んでいる。
<1-1. Configuration>
FIG. 1 shows a cross-sectional configuration of an
[集電体]
集電体110は、活物質層120が設けられる一対の面を有しており、金属材料などの導電性材料を含んでいる。導電性材料の種類は、電極100の用途(正極または負極)などに応じて任意に選択可能であり、その導電性材料の詳細に関しては、後述する。
[Current collector]
The
[活物質層]
活物質層120は、集電体110の上に設けられているため、その集電体110により支持されている。この活物質層120は、活物質および導電剤を含んでいる。ただし、活物質層120は、さらに、結着剤などの他の材料のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいてもよい。
[Active material layer]
Since the
ここでは、活物質層120は、集電体110の両面に設けられているため、電極100は、2つの活物質層120を含んでいる。ただし、活物質層120は、集電体110の片面だけに設けられているため、電極100は、1つの活物質層120だけを含んでいてもよい。活物質層120の形成方法は、特に限定されないが、具体的には、塗布法、気相法、液相法、溶射法および焼成法(焼結法)などのうちのいずれか1種類または2種類以上である。
Since the
この活物質層120は、図1に示したように、厚さ方向Tにおいて集電体110から遠い側の第1面である表面F1と、その厚さ方向Tにおいて集電体110に近い側の第2面である裏面F2とを有している。
As shown in FIG. 1, the
この「厚さ方向T」とは、活物質層120から集電体110に向かう方向であり、すなわち表面F1から裏面F2に向かう方向である。図1では、2つの活物質層120のうちの一方の活物質層120、より具体的には集電体110の上方に配置されている活物質層120に着目しているため、上方から下方に向かう方向となるように厚さ方向Tが示されている。
The “thickness direction T” is the direction from the
(活物質)
活物質は、電極反応物質を吸蔵放出するために、その電極反応物質を吸蔵放出する電極材料のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。電極材料の種類は、電極100の用途(正極または負極)などに応じて任意に選択可能であり、その電極材料の詳細に関しては、後述する。
(active material)
In order to occlude and desorb the electrode reactant, the active material contains one or more of electrode materials that occlude and desorb the electrode reactant. The type of electrode material can be arbitrarily selected according to the application (positive electrode or negative electrode) of the
(導電剤)
導電剤は、活物質層120の導電性を向上させるために導電性材料を含んでおり、より具体的には、その導電性材料として2種類の炭素材料(繊維状炭素材料および粒子状炭素材料)を含んでいる。
(Conductive agent)
The conductive agent contains a conductive material to improve the conductivity of the
繊維状炭素材料は、細長い繊維状の形状を有する炭素材料である。繊維状炭素材料の種類は、特に限定されないが、具体的には、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーおよびカーボンナノホーンなどのうちのいずれか1種類または2種類以上である。後述する電極100の物性条件が満たされやすくなるからである。
A fibrous carbon material is a carbon material having an elongated fibrous shape. The type of fibrous carbon material is not particularly limited, but specifically, one or more of carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanohorns, and the like. This is because the physical property conditions of the
粒子状炭素材料は、繊維状炭素材料とは異なり、略粒子状の形状を有する炭素材料である。粒子状炭素材料の種類は、特に限定されないが、具体的には、カーボンブラック、アセチレンブラックおよびケッチェンブラックなどのうちのいずれか1種類または2種類以上である。後述する電極100の物性条件が満たされやすくなるからである。
A particulate carbon material is a carbon material having a substantially particulate shape, unlike a fibrous carbon material. The type of particulate carbon material is not particularly limited, but specifically, one or more of carbon black, acetylene black, ketjen black, and the like. This is because the physical property conditions of the
繊維状炭素材料と粒子状炭素材料との混合比(重量比)は、特に限定されないため、電極100の用途(正極または負極)などに応じて任意に設定可能である。 The mixing ratio (weight ratio) of the fibrous carbon material and the particulate carbon material is not particularly limited, and can be arbitrarily set according to the use of the electrode 100 (positive electrode or negative electrode).
ただし、導電剤は、さらに、他の導電性材料のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいてもよい。他の導電性材料の種類は、特に限定されないが、具体的には、金属材料および導電性高分子化合物などである。 However, the conductive agent may further contain one or more of other conductive materials. The type of other conductive material is not particularly limited, but specifically includes metal materials, conductive polymer compounds, and the like.
(結着剤)
結着剤は、活物質および導電剤を互いに結着させるために、合成ゴムおよび高分子化合物のうちの一方または双方を含んでいる。合成ゴムおよび高分子化合物のそれぞれの種類は、電極100の用途(正極または負極)などに応じて任意に選択可能であり、その合成ゴムおよび高分子化合物のそれぞれの詳細に関しては、後述する。
(Binder)
The binder contains one or both of synthetic rubber and a polymer compound to bind the active material and the conductive agent together. The types of the synthetic rubber and polymer compound can be arbitrarily selected according to the use of the electrode 100 (positive electrode or negative electrode), etc. Details of the synthetic rubber and polymer compound will be described later.
<1-2.物性>
電極100の物性に関しては、以下で説明する条件が満たされている。
<1-2. physical properties >
Regarding the physical properties of the
図2は、図1に示した活物質層120の表面F1における導電剤122の分布を模式的に表している。
FIG. 2 schematically shows distribution of the
以下では、活物質層120の表面F1における導電剤122の存在領域の特定手順および活物質層120の裏面F2における導電剤122の存在領域の特定手順に関して説明すると共に、繊維状炭素材料の存在量E1(F1),E1(F2)の算出手順および粒子状炭素材料の存在量E2(F1),E2(F2)の算出手順に関して説明したのち、電極100の物性条件に関して説明する。
In the following, the procedure for identifying the region where the
[活物質層の表面における導電剤の存在領域の特定手順]
活物質層120の表面F1における導電剤122の存在領域を特定する場合には、ラマン分光分析法を用いて表面F1をラマン分光分析することにより、分析結果であるラマンスペクトル(図示せず)を取得する。この場合には、分析用の光源としてアルゴンレーザ光(波長=532nm)を用いる。また、表面F1の一部(部分P)にレーザ光を照射することにより、分析範囲=350nm×500nmとする。
[Procedure for specifying region where conductive agent exists on surface of active material layer]
When identifying the region where
このラマンスペクトルでは、波長が2400cm-1~2800cm-1である範囲内にG’バンドのピークが検出される。このピークは、2種類の炭素材料(繊維状炭素材料および粒子状炭素材料)を含んでいる導電剤122の存在に起因して発生するピークである。
In this Raman spectrum, a G' band peak is detected within a wavelength range of 2400 cm -1 to 2800 cm -1 . This peak is generated due to the presence of the
こののち、導電剤122の存在領域をラマンマッピングすることにより、図2に示したように、表面F1における導電剤122の分布が取得されるため、その導電剤122の存在領域が特定される。この分布は、ピークの強度に応じて導電剤122の存在量を色分けしたマップである。ただし、図2では、図示内容を簡略化するために、導電剤122の存在量を色分けしておらずに、その導電剤122の存在領域に網掛けを施している。
After that, by performing Raman mapping on the area where the
電極100は、図2に示したように、表面F1において活物質121および導電剤122(繊維状炭素材料および粒子状炭素材料)を含んでおり、その導電剤122は、活物質121の周辺に存在している。活物質121の周辺には、さらに、結着剤が存在していてもよい。
[活物質層の裏面における導電剤の存在領域の特定手順]
ここでは具体的に図示しないが、活物質層120の裏面F2における導電剤122の存在領域を特定する手順は、表面F1の代わりに裏面F2をラマン分光分析(ラマンマッピング)することを除いて、その表面F1における導電剤122の存在領域を特定する手順と同様である。
[Procedure for specifying region where conductive agent exists on back surface of active material layer]
Although not specifically illustrated here, the procedure for specifying the existing region of the
なお、裏面F2をラマン分光分析する場合の準備手順は、以下で説明する通りである。以下では、図1に示した2つの2つの活物質層120のうち、集電体110の上方に配置されている一方の活物質層120を分析対象とすると共に、その集電体110の下方に配置されている他方の活物質層120を非分析対象とする。
The preparation procedure for Raman spectroscopic analysis of the rear surface F2 is as described below. In the following, one of the two active material layers 120 shown in FIG. The other
具体的には、支持台の表面に両面テープを貼り付けたのち、その両面テープの上に電極100を載置する。この場合には、分析対象である活物質層120が両面テープと対向するように電極100の向きを調整することにより、その両面テープに表面F1を接着させる。これにより、両面テープを介して電極100が支持台に固定される。こののち、非分析対象である活物質層120が設けられている集電体110を分析対象である活物質層120から遠ざかるように引き上げることにより、その分析対象である活物質層120から集電体110を剥離させる。これにより、分析対象である活物質層120の裏面F2が露出するため、その裏面F2を分析可能になる。
Specifically, after a double-sided tape is attached to the surface of the support base, the
[活物質層の表面における繊維状炭素材料の存在量および粒子状炭素材料の存在量のそれぞれの算出手順]
活物質層120の表面F1における繊維状炭素材料の存在量E1(F1)および粒子状炭素材料の存在量E2(F1)のそれぞれを算出する場合には、前準備として、以下で説明する手順により、その表面F1における導電剤122の存在領域を繊維状炭素材料の存在領域と粒子状炭素材料の存在領域とに分離する。
[Procedures for calculating the abundance of the fibrous carbon material and the abundance of the particulate carbon material on the surface of the active material layer]
When calculating each of the abundance E1 (F1) of the fibrous carbon material and the abundance E2 (F1) of the particulate carbon material on the surface F1 of the
図2に示した表面F1における導電剤122の分布では、その導電剤122の存在領域を特定できるが、繊維状炭素材料の存在領域および粒子状炭素材料の存在領域のそれぞれを特定できない。
In the distribution of the
そこで、存在量E1(F1),E2(F1)のそれぞれを算出するために、ピークの強度(後述する相対値である段階値)に基づいて、導電剤122の存在領域を繊維状炭素材料の存在領域と粒子状炭素材料の存在領域とに分離する。
Therefore, in order to calculate each of the abundances E1 (F1) and E2 (F1), the presence region of the
具体的には、ピークの強度を101段階の段階値となるように段階分けする。この場合には、1段階目においてピークの強度が最も小さくなるため、その1段階目の段階値が最小値(=0)となるように設定される。また、101段階目においてピークの強度が最も大きくなるため、その101段階目の段階値が最大値(=100)となるように設定される。 Specifically, the intensity of the peak is graded so as to have 101 graded values. In this case, since the intensity of the peak is the lowest in the first stage, the step value of the first stage is set to the minimum value (=0). Also, since the intensity of the peak is highest at the 101st stage, the step value at the 101st stage is set to the maximum value (=100).
これにより、段階値が0~29である領域を粒子状炭素材料の存在領域とすると共に、段階値が30~100である領域を繊維状炭素材料の存在領域とする。粒子状炭素材料の存在領域では、段階値(=0~29)が大きいほど粒子状炭素材料の存在量が大きいことになると共に、繊維状炭素材料の存在領域では、段階値(=30~100)が大きいほど繊維状炭素材料の存在量が大きいことになる。 As a result, the region in which the step value is 0 to 29 is defined as the presence region of the particulate carbon material, and the region in which the step value is 30 to 100 is defined as the presence region of the fibrous carbon material. In the region where the particulate carbon material exists, the larger the step value (= 0 to 29), the larger the amount of the particulate carbon material, and in the region where the fibrous carbon material exists, the step value (= 30 to 100 ), the greater the abundance of the fibrous carbon material.
よって、ピークの強度に応じて設定される段階値に基づいて、導電剤122の存在領域が繊維状炭素材料の存在領域と粒子状炭素材料の存在領域とに分離される。
Therefore, based on the step value set according to the intensity of the peak, the region where the
表面F1における繊維状炭素材料の存在量E1(F1)を算出する場合には、導電剤122の存在領域から分離された繊維状炭素材料の存在領域において、その繊維状炭素材料の存在領域に含まれているピクセルをカウントすることにより、その存在量E1(F1)を算出する。
When calculating the amount E1 (F1) of the fibrous carbon material existing on the surface F1, in the existing area of the fibrous carbon material separated from the existing area of the
また、表面F1における粒子状炭素材料の存在量E2(F1)を算出する場合には、導電剤122の存在領域から分離された粒子状炭素材料の存在領域において、その粒子状炭素材料の存在領域に含まれているピクセルをカウントすることにより、その存在量E2(F1)を算出する。
Further, when calculating the abundance E2 (F1) of the particulate carbon material on the surface F1, in the presence region of the particulate carbon material separated from the presence region of the
[活物質層の裏面における繊維状炭素材料の存在量および粒子状炭素材料の存在量のそれぞれの算出手順]
活物質層120の裏面F2における繊維状炭素材料の存在量E1(F2)および粒子状炭素材料の存在量E2(F2)のそれぞれを算出する手順は、以下で説明することを除いて、存在量E1(F1),E2(F1)のそれぞれを算出する手順と同様である。存在量E1(F2),E2(F2)のそれぞれを算出するためには、表面F1における導電剤122の存在領域の代わりに、裏面F2における導電剤122の存在領域を特定したのち、その導電剤122の存在領域を繊維状炭素材料の存在領域と粒子状炭素材料の存在領域とに分離する。また、存在量E1(F1),E2(F1)の代わりに、存在量E1(F2),E2(F2))を算出する。
[Procedures for calculating the abundance of the fibrous carbon material and the abundance of the particulate carbon material on the back surface of the active material layer]
The procedure for calculating the abundance E1 (F2) of the fibrous carbon material and the abundance E2 (F2) of the particulate carbon material on the back surface F2 of the
裏面F2における繊維状炭素材料の存在量E1(F2)を算出する場合には、導電剤122の存在領域から分離された繊維状炭素材料の存在領域において、その繊維状炭素材料の存在領域に含まれているピクセルをカウントすることにより、その存在量E1(F2)を算出する。
When calculating the abundance E1 (F2) of the fibrous carbon material on the back surface F2, in the existing region of the fibrous carbon material separated from the existing region of the
また、裏面F2における粒子状炭素材料の存在量E2(F2)を算出する場合には、導電剤122の存在領域から分離された粒子状炭素材料の存在領域において、その粒子状炭素材料の存在領域に含まれているピクセルをカウントすることにより、その存在量E2(F2)を算出する。
Further, when calculating the abundance E2 (F2) of the particulate carbon material on the back surface F2, in the presence region of the particulate carbon material separated from the presence region of the
[電極の物性条件]
繊維状炭素材料の存在量E1(F1),E1(F2)に基づいて、存在比R1を算出する。この存在比R1は、存在量E1(F1)に対する存在量E1(F2)の比であるため、R1=E1(F2)/E1(F1)という計算式に基づいて算出される。
[Physical properties of electrode]
The abundance ratio R1 is calculated based on the abundances E1(F1) and E1(F2) of the fibrous carbon material. Since this abundance ratio R1 is the ratio of abundance E1 (F2) to abundance E1 (F1), it is calculated based on the formula R1=E1 (F2)/E1 (F1).
また、粒子状炭素材料の存在量E2(F1),E2(F2)に基づいて、存在比R2を算出する。この存在比R2は、存在量E2(F1)に対する存在量E2(F2)の比であるため、R2=E2(F2)/E2(F1)という計算式に基づいて算出される。 Also, the abundance ratio R2 is calculated based on the abundances E2(F1) and E2(F2) of the particulate carbon material. Since this abundance ratio R2 is the ratio of abundance E2 (F2) to abundance E2 (F1), it is calculated based on the formula R2=E2 (F2)/E2 (F1).
存在比R1は、活物質層120の表面F1および裏面F2における繊維状炭素材料の偏析度合いを表すパラメータであると共に、存在比R2は、活物質層120の表面F1および裏面F2における粒子状炭素材料の偏析度合いを表すパラメータである。ただし、存在比R1,R2のそれぞれの値は、小数点第三位の値が四捨五入された値とする。
The abundance ratio R1 is a parameter representing the degree of segregation of the fibrous carbon material on the front surface F1 and the back surface F2 of the
ここで、存在比R1は、0.81~0.93であると共に、存在比R2は、0.54~0.88である。存在比R1,R2のそれぞれが上記した範囲内であるのは、活物質層120中における導電剤122の存在状態、すなわち繊維状炭素材料の分散状態および粒子状炭素材料の分散状態のそれぞれが適正化されるからである。これにより、活物質層120の電子伝導性が向上するため、その活物質層120の電気抵抗が低下すると共に、その活物質層120における電極反応物質の吸蔵放出性が向上する。ここで説明した理由の詳細に関しては、後述する。
Here, the abundance ratio R1 is 0.81 to 0.93, and the abundance ratio R2 is 0.54 to 0.88. Each of the existence ratios R1 and R2 is within the above-described range because the existence state of the
<1-3.製造方法>
以下では、電極100の製造方法の一例として、塗布法を用いた場合に関して説明する。
<1-3. Manufacturing method>
In the following, as an example of the manufacturing method of the
電極100を製造する場合には、最初に、活物質および導電剤(繊維状炭素材料および粒子状炭素材料)を互いに混合させることにより、合剤とする。この場合には、さらに、結着剤を用いることにより、その結着剤を含む合剤としてもよい。
When manufacturing the
続いて、溶媒に合剤を投入したのち、撹拌装置などを用いて溶媒を混錬することにより、ペースト状の合剤スラリーを調製する。この溶媒は、水性溶媒でもよいし、有機溶剤でもよい。続いて、集電体110の両面に合剤スラリーを塗布したのち、その合剤スラリーを乾燥させることにより、活物質層120を形成する。
Subsequently, after the mixture is added to the solvent, the solvent is kneaded using a stirring device or the like to prepare a paste-like mixture slurry. This solvent may be an aqueous solvent or an organic solvent. Subsequently, the
最後に、ロールプレス機などのプレス機を用いて活物質層120を圧縮成型してもよい。この場合には、活物質層120を加熱してもよいし、圧縮成型を複数回繰り返してもよい。
Finally, the
これにより、図1に示したように、活物質および導電剤(繊維状炭素材料および粒子状炭素材料)を含む活物質層120が集電体110の両面に形成されるため、電極100が完成する。
As a result, as shown in FIG. 1, active material layers 120 containing an active material and a conductive agent (fibrous carbon material and particulate carbon material) are formed on both sides of
この電極100を製造する場合には、合剤が投入された溶媒の混錬条件および合剤スラリーの乾燥条件などを変更することにより、活物質層120中における導電剤122(繊維状炭素材料および粒子状炭素材料)の分布が変化するため、存在比R1,R2のそれぞれを調整可能である。
When manufacturing this
<1-4.作用および効果>
この電極100によれば、その電極100の活物質層120に含まれている導電剤が繊維状炭素材料および粒子状炭素材料を含んでいる。また、活物質層120の表面F1および裏面F2をラマン分光分析(ラマンマッピング)した際、繊維状炭素材料に関する存在比R1が0.81~0.93であり、粒子状炭素材料に関する存在比R2が0.54~0.88である。よって、以下で説明する理由により、電極100を備えた二次電池において、優れたサイクル特性および優れた負荷特性を得ることができる。
<1-4. Action and effect>
According to this
存在比R1,R2のそれぞれが上記した範囲内である場合には、その存在比R1,R2のそれぞれが上記した範囲内でない場合と比較して、活物質層120中において導電剤122が適正に分散される。これにより、活物質層120中における導電剤122の分布、すなわち繊維状炭素材料の分散状態および粒子状炭素材料の分散状態のそれぞれは、その導電剤122の機能との関係において適正化される。
When each of the abundance ratios R1 and R2 is within the above range, the
具体的には、存在比R1は、存在比R2に対して相対的に大きいため、活物質層120中では、厚さ方向Tにおいて存在量がほぼ均一となるように繊維状炭素材料が分散される。
Specifically, since the abundance ratio R1 is relatively larger than the abundance ratio R2, the fibrous carbon material is dispersed in the
この場合には、繊維状炭素材料が複数の粒子状である活物質121のそれぞれの表面にまとわりつきやすくなる。これにより、活物質121同士が繊維状炭素材料を介して互いに電気的に接続されやすくなると共に、その活物質121が繊維状炭素材粒を介して集電体110と電気的に接続されやすくなる。よって、活物質121間の電子伝導性が向上すると共に、その活物質121と集電体110との間の電子伝導性が向上するため、活物質層120の電気抵抗が低下すると共に、その活物質層120における電極反応物質の吸蔵放出性が向上する。
In this case, the fibrous carbon material tends to cling to the surface of each of the plurality of particulate
また、存在比R2は、存在比R1に対して相対的に小さいため、活物質層120中では、厚さ方向Tにおいて存在量が次第に減少するように粒子状炭素材料が分散される。すなわち、活物質層120中において、表面F1に近い領域では粒子状炭素材料の存在量が増加すると共に、裏面F2に近い領域では粒子状炭素材料の存在量が減少する。
Moreover, since the abundance ratio R2 is relatively smaller than the abundance ratio R1, the particulate carbon material is dispersed in the
この場合には、集電体110を利用して集電されにくい活物質層120の表面F1近傍において、活物質121同士が繊維状炭素材料を介して互いに電気的に接続されやすくなるだけでなく、さらに活物質121同士が粒子状炭素材料を介して互いに電気的に接続されやすくなる。よって、活物質121間の電子伝導性がより向上するため、活物質層120の電気抵抗がより低下すると共に、その活物質層120における電極反応物質の吸蔵放出性がより向上する。
In this case, in the vicinity of the surface F1 of the
これらのことから、存在比R1,R2のそれぞれが上記した範囲内であると、活物質層120中における導電剤122の分布(繊維状炭素材料の分散状態および粒子状炭素材料の分散状態)が適正化される。よって、活物質層120において電気抵抗が著しく低下すると共に電極反応物質の吸蔵放出性が著しく向上するため、電極100を備えた二次電池において優れたサイクル特性および優れた負荷特性を得ることができる。
From these facts, when each of the abundance ratios R1 and R2 is within the above range, the distribution of the conductive agent 122 (the dispersed state of the fibrous carbon material and the dispersed state of the particulate carbon material) in the
これにより、電極100を備えた二次電池では、充電電圧の上限値を高くしても、より具体的には、4.45V以上になるまで充電電圧の上限値を高くしても、サイクル特性および負荷特性のそれぞれが担保される。
As a result, in the secondary battery including the
特に、繊維状炭素材料がカーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーおよびカーボンナノホーンのうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいると共に、粒子状炭素材料がカーボンブラック、アセチレンブラックおよびケッチェンブラックのうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいれば、上記した電極100の物性条件が満たされやすくなる。よって、活物質層120において電気抵抗が十分に低下すると共に電極反応物質の吸蔵放出性が十分に向上するため、より高い効果を得ることができる。
In particular, the fibrous carbon material contains one or more of carbon nanotubes, carbon nanofibers and carbon nanohorns, and the particulate carbon material is carbon black, acetylene black and ketjen black. If any one type or two or more types are included, the physical property conditions of the
<2.二次電池>
次に、上記した電極を用いた本技術の一実施形態の二次電池に関して説明する。
<2. Secondary battery>
Next, a secondary battery according to an embodiment of the present technology using the electrodes described above will be described.
ここで説明する二次電池は、上記したように、電極反応物質の吸蔵放出を利用して電池容量が得られる二次電池であり、電極と共に電解液を備えている。 The secondary battery described here is a secondary battery in which the battery capacity is obtained by utilizing the absorption and release of the electrode reactant, as described above, and is provided with the electrolyte solution together with the electrodes.
電極反応物質の種類は、特に限定されないが、具体的には、アルカリ金属およびアルカリ土類金属などの軽金属である。アルカリ金属の具体例は、リチウム、ナトリウムおよびカリウムなどであると共に、アルカリ土類金属の具体例は、ベリリウム、マグネシウムおよびカルシウムなどである。 The type of electrode reactant is not particularly limited, but specifically light metals such as alkali metals and alkaline earth metals. Examples of alkali metals are lithium, sodium and potassium, and examples of alkaline earth metals are beryllium, magnesium and calcium.
以下では、電極反応物質がリチウムであると共に、電極が正極として用いられる場合を例に挙げる。リチウムの吸蔵放出を利用して電池容量が得られる二次電池は、いわゆるリチウムイオン二次電池であり、そのリチウムイオン二次電池では、リチウムがイオン状態で吸蔵放出される。 In the following, the case where the electrode reactant is lithium and the electrode is used as the positive electrode will be taken as an example. A secondary battery in which battery capacity is obtained by utilizing the intercalation and deintercalation of lithium is a so-called lithium ion secondary battery, and in the lithium ion secondary battery, lithium is intercalated and deintercalated in an ionic state.
この二次電池では、負極の充電容量が正極の放電容量よりも大きくなっている。すなわち、負極の単位面積当たりの電気化学容量は、正極の単位面積当たりの電気化学容量よりも大きくなるように設定されている。充電途中において負極の表面に電極反応物質が析出することを防止するためである。 In this secondary battery, the charge capacity of the negative electrode is larger than the discharge capacity of the positive electrode. That is, the electrochemical capacity per unit area of the negative electrode is set to be larger than the electrochemical capacity per unit area of the positive electrode. This is to prevent electrode reactants from depositing on the surface of the negative electrode during charging.
<2-1.構成>
図3は、二次電池の斜視構成を表している。図4は、図3に示した電池素子20の断面構成を表している。ただし、図3では、外装フィルム10と電池素子20とが互いに分離された状態を示していると共に、XZ面に沿った電池素子20の断面を破線で示している。図4では、電池素子20の一部だけを示している。
<2-1. Configuration>
FIG. 3 shows a perspective configuration of a secondary battery. FIG. 4 shows a cross-sectional configuration of the
この二次電池は、図3および図4に示したように、外装フィルム10と、電池素子20と、正極リード31と、負極リード32と、封止フィルム41,42とを備えている。ここで説明する二次電池は、可撓性または柔軟性を有する外装部材(外装フィルム10)を用いたラミネートフィルム型の二次電池である。
This secondary battery includes an
[外装フィルムおよび封止フィルム]
外装フィルム10は、図3に示したように、電池素子20を収納する外装部材であり、その電池素子20が内部に収納された状態において封止された袋状の構造を有している。すなわち、外装フィルム10は、後述する正極21および負極22と共に電解液を内部に収納している。
[Exterior film and sealing film]
As shown in FIG. 3, the
ここでは、外装フィルム10は、1枚のフィルム状の部材であり、折り畳み方向FDに折り畳まれている。この外装フィルム10には、電池素子20を収容するための窪み部10U(いわゆる深絞り部)が設けられている。
Here, the
具体的には、外装フィルム10は、融着層、金属層および表面保護層が内側からこの順に積層された3層のラミネートフィルムであり、その外装フィルム10が折り畳まれた状態において互いに対向する融着層の外周縁部同士が互いに融着されている。融着層は、ポリプロピレンなどの高分子化合物を含んでいる。金属層は、アルミニウムなどの金属材料を含んでいる。表面保護層は、ナイロンなどの高分子化合物を含んでいる。
Specifically, the
ただし、外装フィルム10の構成(層数)は、特に、限定されないため、1層または2層でもよいし、4層以上でもよい。
However, the configuration (number of layers) of the
封止フィルム41は、外装フィルム10と正極リード31との間に挿入されていると共に、封止フィルム42は、外装フィルム10と負極リード32との間に挿入されている。ただし、封止フィルム41,42のうちの一方または双方は、省略されてもよい。
The sealing
この封止フィルム41は、外装フィルム10の内部に外気などが侵入することを防止する封止部材である。また、封止フィルム41は、正極リード31に対して密着性を有するポリオレフィンなどの高分子化合物を含んでおり、そのポリオレフィンの具体例は、ポリプロピレンなどである。
The sealing
封止フィルム42の構成は、負極リード32に対して密着性を有する封止部材であることを除いて、封止フィルム41の構成と同様である。すなわち、封止フィルム42は、負極リード32に対して密着性を有するポリオレフィンなどの高分子化合物を含んでいる。
The configuration of the sealing
[電池素子]
電池素子20は、図3および図4に示したように、正極21と、負極22と、セパレータ23と、電解液(図示せず)とを含む発電素子であり、外装フィルム10の内部に収納されている。
[Battery element]
The
この電池素子20は、いわゆる巻回電極体である。すなわち、正極21および負極22は、セパレータ23を介して互いに積層されていると共に、Y軸方向に延在する仮想軸である巻回軸Pを中心としてセパレータ23を介して互いに対向しながら巻回されている。
This
電池素子20の立体的形状は、特に限定されない。ここでは、電池素子20は、扁平状であるため、巻回軸Pと交差する電池素子20の断面(XZ面に沿った断面)は、長軸J1および短軸J2により規定される扁平形状を有している。この長軸J1は、X軸方向に延在すると共に短軸J2よりも大きい長さを有する仮想軸であると共に、短軸J2は、X軸方向と交差するZ軸方向に延在すると共に長軸J1よりも小さい長さを有する仮想軸である。ここでは、電池素子20の立体的形状は、扁平な円筒状であるため、その電池素子20の断面の形状は、扁平な略楕円形状である。
The three-dimensional shape of the
(正極)
正極21は、電極100の構成および物性と同様の構成および物性を有している。具体的には、正極21は、図4に示したように、集電体110に対応する正極集電体21Aと、活物質層120に対応する正極活物質層21Bとを含んでいる。
(positive electrode)
The
正極集電体21Aは、正極活物質層21Bが設けられる一対の面を有している。この正極集電体21Aは、金属材料などの導電性材料を含んでおり、その導電性材料の具体例は、アルミニウムなどである。
The positive electrode
正極活物質層21Bは、正極21の活物質である正極活物質と、その正極21の導電剤である正極導電剤(繊維状炭素材料および粒子状炭素材料)とを含んでいる。ただし、正極活物質層21Bは、さらに、正極21の結着剤である正極結着剤などの他の材料のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいてもよい。正極活物質層21Bの製造方法に関する詳細は、電極100の製造方法と同様である。
The positive electrode
ここでは、正極活物質層21Bは、正極集電体21Aの両面に設けられている。ただし、正極活物質層21Bは、正極21が負極22に対向する側において正極集電体21Aの片面だけに設けられていてもよい。正極活物質層21Bの形成方法は、特に限定されないが、具体的には、塗布法などのうちのいずれか1種類または2種類以上である。
Here, the cathode
正極活物質の種類は、特に限定されないが、具体的には、リチウムを吸蔵放出するリチウム含有化合物などである。このリチウム含有化合物は、リチウムと共に1種類または2種類以上の遷移金属元素を構成元素として含む化合物であり、さらに、1種類または2種類以上の他元素を構成元素として含んでいてもよい。他元素の種類は、リチウムおよび遷移金属元素のそれぞれ以外の元素であれば、特に限定されないが、具体的には、長周期型周期表中の2族~15族に属する元素である。リチウム含有化合物の種類は、特に限定されないが、具体的には、酸化物、リン酸化合物、ケイ酸化合物およびホウ酸化合物などである。 The kind of the positive electrode active material is not particularly limited, but specifically, it is a lithium-containing compound that intercalates and deintercalates lithium. This lithium-containing compound is a compound containing lithium and one or more transition metal elements as constituent elements, and may further contain one or more other elements as constituent elements. The type of the other element is not particularly limited as long as it is an element other than lithium and transition metal elements, but specifically, it is an element belonging to Groups 2 to 15 in the long period periodic table. The type of lithium-containing compound is not particularly limited, but specific examples include oxides, phosphoric acid compounds, silicic acid compounds and boric acid compounds.
酸化物の具体例は、LiNiO2 、LiCoO2 、LiCo0.98Al0.01Mg0.01O2 、LiNi0.5 Co0.2 Mn0.3 O2 およびLiMn2 O4 などである。リン酸化合物の具体例は、LiFePO4 、LiMnPO4 およびLiFe0.5 Mn0.5 PO4 などである。 Specific examples of oxides include LiNiO2 , LiCoO2 , LiCo0.98Al0.01Mg0.01O2 , LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 and LiMn2O4 . Specific examples of phosphoric acid compounds include LiFePO4 , LiMnPO4 and LiFe0.5Mn0.5PO4 .
正極結着剤は、合成ゴムおよび高分子化合物などのうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。合成ゴムの具体例は、スチレンブタジエン系ゴム、フッ素系ゴムおよびエチレンプロピレンジエンなどである。高分子化合物の具体例は、ポリフッ化ビニリデン、ポリイミドおよびカルボキシメチルセルロースなどである。 The positive electrode binder contains one or more of synthetic rubbers and polymer compounds. Specific examples of synthetic rubbers include styrene-butadiene rubber, fluororubber, and ethylene propylene diene. Specific examples of polymer compounds include polyvinylidene fluoride, polyimide and carboxymethylcellulose.
(負極)
負極22は、図4に示したように、負極集電体22Aおよび負極活物質層22Bを含んでいる。
(negative electrode)
The
負極集電体22Aは、負極活物質層22Bが設けられる一対の面を有している。この負極集電体22Aは、金属材料などの導電性材料を含んでおり、その導電性材料の具体例は、銅などである。
The negative electrode
負極活物質層22Bは、リチウムを吸蔵放出する負極活物質のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。ただし、負極活物質層22Bは、さらに、負極結着剤および負極導電剤などの他の材料のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいてもよい。
The negative electrode
ここでは、負極活物質層22Bは、負極集電体22Aの両面に設けられている。ただし、負極活物質層22Bは、負極22が正極21に対向する側において負極集電体22Aの片面だけに設けられていてもよい。負極活物質層22Bの形成方法は、特に限定されないが、具体的には、塗布法、気相法、液相法、溶射法および焼成法(焼結法)などのうちのいずれか1種類または2種類以上である。
Here, the negative electrode
負極活物質の種類は、特に限定されないが、具体的には、炭素材料および金属系材料のうちの一方または双方などである。高いエネルギー密度が得られるからである。炭素材料の具体例は、易黒鉛化性炭素、難黒鉛化性炭素および黒鉛(天然黒鉛および人造黒鉛)などである。金属系材料は、リチウムと合金を形成可能である金属元素および半金属元素のうちのいずれか1種類または2種類以上を構成元素として含む材料であり、その金属元素および半金属元素の具体例は、ケイ素およびスズなどである。この金属系材料は、単体でもよいし、合金でもよいし、化合物でもよいし、それらの2種類以上の混合物でもよいし、それらの2種類以上の相を含む材料でもよい。金属系材料の具体例は、TiSi2 およびSiOx (0<x≦2、または0.2<x<1.4)などである。 The type of negative electrode active material is not particularly limited, but specifically, one or both of a carbon material and a metal-based material. This is because a high energy density can be obtained. Specific examples of carbon materials include graphitizable carbon, non-graphitizable carbon and graphite (natural graphite and artificial graphite). A metallic material is a material containing as constituent elements one or more of metallic elements and semi-metallic elements capable of forming an alloy with lithium. , silicon and tin. This metallic material may be a single substance, an alloy, a compound, a mixture of two or more of them, or a material containing two or more of these phases. Specific examples of metallic materials include TiSi 2 and SiO x (0<x≦2, or 0.2<x<1.4).
負極結着剤および負極導電剤のそれぞれに関する詳細は、正極結着剤および正極導電剤のそれぞれに関する詳細と同様である。 The details of the negative electrode binder and the negative electrode electrical conductor are the same as the details of the positive electrode binder and the positive electrode electrical conductor.
(セパレータ)
セパレータ23は、図4に示したように、正極21と負極22との間に介在している絶縁性の多孔質膜であり、その正極21と負極22との接触(短絡)を防止しながらリチウムイオンを通過させる。このセパレータ23は、ポリエチレンなどの高分子化合物を含んでいる。
(separator)
The
(電解液)
電解液は、液状の電解質である。この電解液は、正極21、負極22およびセパレータ23のそれぞれに含浸されており、溶媒および電解質塩を含んでいる。
(Electrolyte)
The electrolytic solution is a liquid electrolyte. The electrolyte is impregnated into each of the
ここでは、溶媒は、非水溶媒(有機溶剤)のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでおり、その非水溶媒を含んでいる電解液は、いわゆる非水電解液である。この非水溶媒は、エステル類およびエーテル類などであり、より具体的には、炭酸エステル系化合物、カルボン酸エステル系化合物およびラクトン系化合物などである。 Here, the solvent contains one or more of non-aqueous solvents (organic solvents), and the electrolytic solution containing the non-aqueous solvent is a so-called non-aqueous electrolytic solution. The non-aqueous solvents are esters, ethers, and the like, and more specifically, carbonate compounds, carboxylic acid ester compounds, lactone compounds, and the like.
炭酸エステル系化合物は、環状炭酸エステルおよび鎖状炭酸エステルなどである。環状炭酸エステルの具体例は、炭酸エチレンおよび炭酸プロピレンなどであると共に、鎖状炭酸エステルの具体例は、炭酸ジメチル、炭酸ジエチルおよび炭酸エチルメチルなどである。カルボン酸エステル系化合物は、鎖状カルボン酸エステルなどである。鎖状カルボン酸エステルの具体例は、酢酸メチル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸プロピル、トリメチル酢酸エチル、酪酸メチルおよび酪酸エチルなどである。ラクトン系化合物は、ラクトンなどである。ラクトンの具体例は、γ-ブチロラクトンおよびγ-バレロラクトンなどである。なお、エーテル類は、1,2-ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、1,3-ジオキソランおよび1,4-ジオキサンなどでもよい。 The carbonate compounds include cyclic carbonates and chain carbonates. Specific examples of the cyclic carbonate include ethylene carbonate and propylene carbonate, and specific examples of the chain carbonate include dimethyl carbonate, diethyl carbonate and ethylmethyl carbonate. The carboxylic acid ester compound is a chain carboxylic acid ester or the like. Specific examples of chain carboxylic acid esters include methyl acetate, ethyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, propyl propionate, ethyl trimethylacetate, methyl butyrate and ethyl butyrate. Lactone-based compounds include lactones. Specific examples of lactones include γ-butyrolactone and γ-valerolactone. Ethers may be 1,2-dimethoxyethane, tetrahydrofuran, 1,3-dioxolane, 1,4-dioxane, and the like.
電解質塩は、リチウム塩などの軽金属塩のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいる。リチウム塩の具体例は、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6 )、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4 )、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(LiCF3 SO3 )、ビス(フルオロスルホニル)イミドリチウム(LiN(FSO2 )2 )、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドリチウム(LiN(CF3 SO2 )2 )、リチウムトリス(トリフルオロメタンスルホニル)メチド(LiC(CF3 SO2 )3 )、ビス(オキサラト)ホウ酸リチウム(LiB(C2 O4 )2 )およびジフルオロ(オキサラト)ホウ酸リチウム(LiB(C2 O4 )F2 )などである。 The electrolyte salt contains one or more of light metal salts such as lithium salts. Specific examples of lithium salts include lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium trifluoromethanesulfonate (LiCF 3 SO 3 ), lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiN ( FSO2 ) 2 ), bis(trifluoromethanesulfonyl )imidolithium (LiN(CF3SO2)2), lithium tris(trifluoromethanesulfonyl)methide (LiC(CF3SO2)3 ) , bis ( oxalato )boron lithium oxide (LiB( C2O4 ) 2 ) and lithium difluoro( oxalato )borate (LiB( C2O4 ) F2 ).
電解質塩の含有量は、特に限定されないが、具体的には、溶媒に対して0.3mol/kg~3.0mol/kgである。高いイオン伝導性が得られるからである。 The content of the electrolyte salt is not particularly limited, but is specifically 0.3 mol/kg to 3.0 mol/kg with respect to the solvent. This is because high ionic conductivity can be obtained.
[正極リードおよび負極リード]
正極リード31は、図3および図4に示したように、正極21の正極集電体21Aに接続されている正極端子であり、外装フィルム10の内部から外部に導出されている。この正極リード31は、金属材料などの導電性材料を含んでおり、その導電性材料の具体例は、アルミニウムなどである。正極リード31の形状は、特に限定されないが、具体的には、薄板状および網目状などのうちのいずれかである。
[Positive lead and negative lead]
The
負極リード32は、図3および図4に示したように、負極22の負極集電体22Aに接続されている負極端子であり、外装フィルム10の内部から外部に導出されている。この負極リード32は、金属材料などの導電性材料を含んでおり、その導電性材料の具体例は、銅などである。ここでは、負極リード32の導出方向および形状に関する詳細は、正極リード31の導出方向および形状と同様である。
The
<2-2.動作>
二次電池の充電時には、電池素子20において、正極21からリチウムが放出されると共に、そのリチウムが電解液を介して負極22に吸蔵される。一方、二次電池の放電時には、電池素子20において、負極22からリチウムが放出されると共に、そのリチウムが電解液を介して正極21に吸蔵される。充電時および放電時のそれぞれにおいては、リチウムがイオン状態で吸蔵および放出される。
<2-2. Operation>
During charging of the secondary battery, in the
<2-3.製造方法>
二次電池を製造する場合には、以下で説明する一例の手順により、正極21および負極22のそれぞれを作製すると共に、電解液を調製したのち、その正極21、負極22および電解液を用いて二次電池を組み立てると共に、その組み立て後の二次電池に安定化処理を施す。
<2-3. Manufacturing method>
In the case of manufacturing a secondary battery, the
[正極の作製]
上記した電極100の製造手順と同様の手順により、正極21を作製する。具体的には、最初に、正極活物質、正極導電剤および正極結着剤が互いに混合された混合物(正極合剤)を溶媒に投入することにより、ペースト状の正極合剤スラリーを調製する。この溶媒は、水性溶媒でもよいし、有機溶剤でもよい。続いて、正極集電体21Aの両面に正極合剤スラリーを塗布することにより、正極活物質層21Bを形成する。最後に、ロールプレス機などを用いて正極活物質層21Bを圧縮成型する。この場合には、正極活物質層21Bを加熱してもよいし、圧縮成型を複数回繰り返してもよい。これにより、正極集電体21Aの両面に正極活物質層21Bが形成されるため、正極21が作製される。
[Preparation of positive electrode]
The
[負極の作製]
上記した正極21の作製手順とほぼ同様の手順により、負極22を形成する。具体的には、最初に、負極活物質、負極導電剤および負極結着剤が互いに混合された混合物(負極合剤)を溶媒に投入することにより、ペースト状の負極合剤スラリーを調製する。溶媒に関する詳細は、上記した通りである。続いて、負極集電体22Aの両面に負極合剤スラリーを塗布することにより、負極活物質層22Bを形成する。最後に、負極活物質層22Bを圧縮成型する。これにより、負極集電体22Aの両面に負極活物質層22Bが形成されるため、負極22が作製される。
[Preparation of negative electrode]
A
[電解液の調製]
溶媒に電解質塩を投入する。これにより、溶媒中において電解質塩が分散または溶解されるため、電解液が調製される。
[Preparation of electrolytic solution]
Add the electrolyte salt to the solvent. This disperses or dissolves the electrolyte salt in the solvent, thus preparing an electrolytic solution.
[二次電池の組み立て]
最初に、溶接法などの接合法を用いて、正極21の正極集電体21Aに正極リード31を接続させると共に、溶接法などの接合法を用いて、負極22の負極集電体22Aに負極リード32を接続させる。
[Assembly of secondary battery]
First, a joining method such as welding is used to connect the
続いて、セパレータ23を介して正極21および負極22を互いに積層させたのち、その正極21、負極22およびセパレータ23を巻回させることにより、巻回体(図示せず)を作製する。この巻回体は、正極21、負極22およびセパレータ23のそれぞれに電解液が含浸されていないことを除いて、電池素子20の構成と同様の構成を有している。続いて、プレス機などを用いて巻回体を押圧することにより、扁平形状となるように巻回体を成型する。
Subsequently, after the
続いて、窪み部10Uの内部に巻回体を収容したのち、外装フィルム10(融着層/金属層/表面保護層)を折り畳むことにより、その外装フィルム10同士を互いに対向させる。続いて、熱融着法などの接着法を用いて、互いに対向する融着層のうちの2辺の外周縁部同士を互いに接着させることにより、袋状の外装フィルム10の内部に巻回体を収納する。
Subsequently, after the wound body is housed inside the
最後に、袋状の外装フィルム10の内部に電解液を注入したのち、熱融着法などの接着法を用いて融着層のうちの残りの1辺の外周縁部同士を互いに接着させる。この場合には、外装フィルム10と正極リード31との間に封止フィルム41を挿入すると共に、外装フィルム10と負極リード32との間に封止フィルム42を挿入する。
Finally, after injecting the electrolytic solution into the inside of the bag-
これにより、巻回体に電解液が含浸されるため、巻回電極体である電池素子20が作製される。よって、袋状の外装フィルム10の内部に電池素子20が封入されるため、二次電池が組み立てられる。
As a result, the wound body is impregnated with the electrolytic solution, so that the
[二次電池の安定化]
組み立て後の二次電池を充放電させる。環境温度、充放電回数(サイクル数)および充放電条件などの各種条件は、任意に設定可能である。これにより、正極21および負極22のそれぞれの表面に被膜が形成されるため、二次電池の状態が電気化学的に安定化する。よって、二次電池が完成する。
[Stabilization of secondary battery]
The secondary battery after assembly is charged and discharged. Various conditions such as environmental temperature, number of charge/discharge times (number of cycles), and charge/discharge conditions can be arbitrarily set. As a result, films are formed on the respective surfaces of the
<2-4.作用および効果>
この二次電池によれば、正極21が上記した電極100の構成および物性と同様の構成および物性を有している。この場合には、電極100に関して説明した場合と同様の理由により、正極活物質層21Bにおいて電気抵抗が著しく低下すると共にリチウムの吸蔵放出性が著しく向上するため、優れたサイクル特性および優れた負荷特性を得ることができる。これにより、特に、充放電を繰り返しても十分に高い放電容量が得られると共に、急速充電が実現される。
<2-4. Action and effect>
According to this secondary battery, the
特に、二次電池がリチウムイオン二次電池であれば、リチウムの吸蔵放出を利用して十分な電池容量が安定に得られるため、より高い効果を得ることができる。 In particular, if the secondary battery is a lithium-ion secondary battery, a sufficient battery capacity can be stably obtained by utilizing the intercalation and deintercalation of lithium, so that a higher effect can be obtained.
また、正極21によれば、上記した電極100の構成および物性と同様の構成および物性を有している。よって、電極100に関して説明した場合と同様の理由により、正極21を用いた二次電池において優れたサイクル特性および優れた負荷特性を得ることができる。
Further, the
<3.変形例>
次に、上記した電極および二次電池のそれぞれの変形例に関して説明する。
<3. Variation>
Next, modifications of the electrodes and secondary batteries described above will be described.
電極および二次電池のそれぞれ構成は、以下で説明するように、適宜、変更可能である。ただし、以下で説明する一連の変形例のうちの任意の2種類以上は、互いに組み合わされてもよい。 The configurations of the electrodes and the secondary battery can be changed as appropriate, as described below. However, any two or more of the series of modifications described below may be combined with each other.
[変形例1]
正極21が電極100の構成および物性と同様の構成および物性を有していた。しかしながら、正極21の代わりに負極22が電極100の構成および物性と同様の構成および物性を有していてもよい。また、正極21および負極22の双方が電極100の構成および物性と同様の構成および物性を有していてもよい。
[Modification 1]
The
前者の場合には、負極活物質層22Bにおいて電気抵抗が著しく低下すると共にリチウムの吸蔵放出性が著しく向上するため、同様の効果を得ることができる。後者の場合には、正極活物質層21Bおよび負極活物質層22Bのそれぞれにおいて電気抵抗が著しく低下すると共にリチウムの吸蔵放出性が著しく向上するため、より高い効果を得ることができる。
In the former case, the electrical resistance of the negative electrode
[変形例2]
多孔質膜であるセパレータ23を用いた。しかしながら、ここでは具体的に図示しないが、セパレータ23の代わりに、高分子化合物層を含む積層型のセパレータを用いてもよい。
[Modification 2]
A
具体的には、積層型のセパレータは、一対の面を有する多孔質膜と、その多孔質膜の片面または両面に設けられた高分子化合物層とを含んでいる。正極21および負極22のそれぞれに対するセパレータの密着性が向上するため、電池素子20の巻きずれが抑制されるからである。これにより、電解液の分解反応が発生しても、二次電池が膨れにくくなる。高分子化合物層は、ポリフッ化ビニリデンなどの高分子化合物を含んでいる。ポリフッ化ビニリデンなどは、物理的強度に優れていると共に、電気化学的に安定だからである。
Specifically, a laminated separator includes a porous membrane having a pair of surfaces and a polymer compound layer provided on one or both sides of the porous membrane. This is because the adhesiveness of the separator to each of the
なお、多孔質膜および高分子化合物層のうちの一方または双方は、複数の絶縁性粒子のうちのいずれか1種類または2種類以上を含んでいてもよい。二次電池の発熱時において複数の絶縁性粒子が放熱を促進させるため、その二次電池の安全性(耐熱性)が向上するからである。絶縁性粒子は、無機粒子および樹脂粒子のうちの一方または双方などである。無機粒子の具体例は、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、ベーマイト、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化マグネシウムおよび酸化ジルコニウムなどの粒子である。樹脂粒子の具体例は、アクリル樹脂およびスチレン樹脂などの粒子である。 One or both of the porous film and the polymer compound layer may contain one or more of a plurality of insulating particles. This is because the safety (heat resistance) of the secondary battery is improved because the plurality of insulating particles promote heat dissipation when the secondary battery generates heat. The insulating particles include one or both of inorganic particles and resin particles. Specific examples of inorganic particles are particles such as aluminum oxide, aluminum nitride, boehmite, silicon oxide, titanium oxide, magnesium oxide and zirconium oxide. Specific examples of resin particles are particles of acrylic resins, styrene resins, and the like.
積層型のセパレータを作製する場合には、高分子化合物および溶媒などを含む前駆溶液を調製したのち、多孔質膜の片面または両面に前駆溶液を塗布する。この場合には、多孔質膜に前駆溶液を塗布する代わりに、その前駆溶液中に多孔質膜を浸漬させてもよい。また、前駆溶液中に複数の絶縁性粒子を添加してもよい。 When producing a laminated separator, a precursor solution containing a polymer compound, a solvent, and the like is prepared, and then the precursor solution is applied to one or both surfaces of the porous membrane. In this case, instead of applying the precursor solution to the porous membrane, the porous membrane may be immersed in the precursor solution. Also, a plurality of insulating particles may be added to the precursor solution.
この積層型のセパレータを用いた場合においても、正極21と負極22との間においてリチウムイオンが移動可能になるため、同様の効果を得ることができる。この場合には、特に、上記したように、二次電池の安全性が向上するため、より高い効果を得ることができる。
Even when this laminated separator is used, since lithium ions can move between the
[変形例3]
液状の電解質である電解液を用いた。しかしながら、ここでは具体的に図示しないが、電解液の代わりに、ゲル状の電解質である電解質層を用いてもよい。
[Modification 3]
An electrolytic solution, which is a liquid electrolyte, was used. However, although not specifically illustrated here, an electrolyte layer that is a gel electrolyte may be used instead of the electrolyte solution.
電解質層を用いた電池素子20では、セパレータ23および電解質層を介して正極21および負極22が互いに積層されていると共に、その正極21、負極22、セパレータ23および電解質層が巻回されている。この電解質層は、正極21とセパレータ23との間に介在していると共に、負極22とセパレータ23との間に介在している。ただし、電解質層は、正極21とセパレータ23との間だけに介在していてもよいし、負極22とセパレータ23との間だけに介在していてもよい。
In the
具体的には、電解質層は、電解液と共に高分子化合物を含んでおり、その電解液は、高分子化合物により保持されている。電解液の漏液が防止されるからである。電解液の構成は、上記した通りである。高分子化合物は、ポリフッ化ビニリデンなどを含んでいる。電解質層を形成する場合には、電解液、高分子化合物および溶媒などを含む前駆溶液を調製したのち、正極21および負極22のそれぞれの片面または両面に前駆溶液を塗布する。
Specifically, the electrolyte layer contains a polymer compound together with an electrolytic solution, and the electrolytic solution is held by the polymer compound. This is because leakage of the electrolytic solution is prevented. The composition of the electrolytic solution is as described above. Polymer compounds include polyvinylidene fluoride and the like. When forming the electrolyte layer, after preparing a precursor solution containing an electrolytic solution, a polymer compound, a solvent, and the like, the precursor solution is applied to one side or both sides of each of the
この電解質層を用いた場合においても、正極21と負極22との間において電解質層を介してリチウムイオンが移動可能になるため、同様の効果を得ることができる。この場合には、特に、上記したように、電解液の漏液が防止されるため、より高い効果を得ることができる。
Even when this electrolyte layer is used, lithium ions can move between the
<4.二次電池の用途>
最後に、二次電池の用途(適用例)に関して説明する。
<4. Use of secondary battery>
Finally, the use (application example) of the secondary battery will be described.
二次電池の用途は、特に限定されない。電源として用いられる二次電池は、電子機器および電動車両などの主電源でもよいし、補助電源でもよい。主電源とは、他の電源の有無に関係なく、優先的に用いられる電源である。補助電源は、主電源の代わりに用いられる電源でもよいし、主電源から切り替えられる電源でもよい。 Applications of the secondary battery are not particularly limited. A secondary battery used as a power source may be a main power source for electronic devices and electric vehicles, or may be an auxiliary power source. A main power source is a power source that is preferentially used regardless of the presence or absence of other power sources. The auxiliary power supply may be a power supply used in place of the main power supply, or may be a power supply switched from the main power supply.
二次電池の用途の具体例は、以下の通りである。ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、携帯電話機、ノート型パソコン、ヘッドホンステレオ、携帯用ラジオおよび携帯用情報端末などの電子機器である。バックアップ電源およびメモリーカードなどの記憶用装置である。電動ドリルおよび電動鋸などの電動工具である。電子機器などに搭載される電池パックである。ペースメーカおよび補聴器などの医療用電子機器である。電気自動車(ハイブリッド自動車を含む。)などの電動車両である。非常時などに備えて電力を蓄積しておく家庭用または産業用のバッテリシステムなどの電力貯蔵システムである。これらの用途では、1個の二次電池が用いられてもよいし、複数個の二次電池が用いられてもよい。 Specific examples of uses of the secondary battery are as follows. Electronic devices such as video cameras, digital still cameras, mobile phones, laptop computers, headphone stereos, portable radios and portable information terminals. Backup power and storage devices such as memory cards. Power tools such as power drills and power saws. It is a battery pack mounted on an electronic device. Medical electronic devices such as pacemakers and hearing aids. It is an electric vehicle such as an electric vehicle (including a hybrid vehicle). It is a power storage system such as a home or industrial battery system that stores power in preparation for emergencies. In these uses, one secondary battery may be used, or a plurality of secondary batteries may be used.
電池パックは、単電池を用いてもよいし、組電池を用いてもよい。電動車両は、二次電池を駆動用電源として作動(走行)する車両であり、その二次電池以外の駆動源を併せて備えたハイブリッド自動車でもよい。家庭用の電力貯蔵システムでは、電力貯蔵源である二次電池に蓄積された電力を利用して家庭用の電気製品などを使用可能である。 The battery pack may be a single cell or an assembled battery. An electric vehicle is a vehicle that operates (runs) using a secondary battery as a drive power source, and may be a hybrid vehicle that also includes a drive source other than the secondary battery. In a home electric power storage system, electric power stored in a secondary battery, which is an electric power storage source, can be used to use electric appliances for home use.
ここで、二次電池の用途の一例に関して具体的に説明する。以下で説明する構成は、あくまで一例であるため、適宜、変更可能である。 Here, an example of the application of the secondary battery will be specifically described. The configuration described below is merely an example, and can be changed as appropriate.
図5は、二次電池の適用例である電池パックのブロック構成を表している。ここで説明する電池パックは、1個の二次電池を用いた電池パック(いわゆるソフトパック)であり、スマートフォンに代表される電子機器などに搭載される。 FIG. 5 shows a block configuration of a battery pack, which is an application example of a secondary battery. The battery pack described here is a battery pack (a so-called soft pack) using one secondary battery, and is mounted in an electronic device such as a smart phone.
この電池パックは、図5に示したように、電源51と、回路基板52とを備えている。この回路基板52は、電源51に接続されていると共に、正極端子53、負極端子54および温度検出端子55を含んでいる。
This battery pack includes a
電源51は、1個の二次電池を含んでいる。この二次電池では、正極リードが正極端子53に接続されていると共に、負極リードが負極端子54に接続されている。この電源51は、正極端子53および負極端子54を介して外部と接続されるため、充放電可能である。回路基板52は、制御部56と、スイッチ57と、熱感抵抗素子(いわゆるPTC素子)58と、温度検出部59とを含んでいる。ただし、PTC素子58は省略されてもよい。
制御部56は、中央演算処理装置(CPU)およびメモリなどを含んでおり、電池パック全体の動作を制御する。この制御部56は、必要に応じて電源51の使用状態に関する検出および制御を行う。
なお、制御部56は、電源51(二次電池)の電圧が過充電検出電圧または過放電検出電圧に到達すると、スイッチ57を切断することにより、電源51の電流経路に充電電流が流れないようにする。過充電検出電圧は、特に限定されないが、具体的には、4.20V±0.05Vであると共に、過放電検出電圧は、特に限定されないが、具体的には、2.40V±0.10Vである。
When the voltage of the power supply 51 (secondary battery) reaches the overcharge detection voltage or the overdischarge detection voltage, the
スイッチ57は、充電制御スイッチ、放電制御スイッチ、充電用ダイオードおよび放電用ダイオードなどを含んでおり、制御部56の指示に応じて電源51と外部機器との接続の有無を切り換える。このスイッチ57は、金属酸化物半導体を用いた電界効果トランジスタ(MOSFET)などを含んでおり、充放電電流は、スイッチ57のON抵抗に基づいて検出される。
The
温度検出部59は、サーミスタなどの温度検出素子を含んでおり、温度検出端子55を用いて電源51の温度を測定すると共に、その温度の測定結果を制御部56に出力する。温度検出部59により測定される温度の測定結果は、異常発熱時において制御部56が充放電制御を行う場合および残容量の算出時において制御部56が補正処理を行う場合などに用いられる。
The
本技術の実施例に関して説明する。 An embodiment of the present technology will be described.
<実験例1~5および比較例1~3>
以下で説明するように、二次電池を作製したのち、その二次電池の特性を評価した。
<Experimental Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 3>
As described below, after the secondary battery was produced, the characteristics of the secondary battery were evaluated.
[二次電池の作製]
以下で説明する手順により、図3および図4に示した二次電池(ラミネートフィルム型のリチウムイオン二次電池)を作製した。この場合には、正極21が電極100の構成と同様の構成を有するようにした。
[Production of secondary battery]
The secondary battery (laminate film type lithium ion secondary battery) shown in FIGS. 3 and 4 was produced by the procedure described below. In this case, the
(正極の作製)
最初に、正極活物質(コバルト酸リチウム(LiCoO2 )95質量部と、正極導電剤2質量部と、正極結着剤(ポリフッ化ビニリデン)3質量部とを互いに混合させることにより、正極合剤とした。正極導電剤としては、繊維状炭素材料であるカーボンナノチューブ1質量部と、粒子状炭素材料であるアセチレンブラック(デンカ株式会社製のデンカブラック)1質量部とを用いた。
(Preparation of positive electrode)
First, a positive electrode active material (lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) of 95 parts by mass, a positive electrode conductive agent of 2 parts by mass, and a positive electrode binder (polyvinylidene fluoride) of 3 parts by mass are mixed with each other to form a positive electrode mixture. As the positive electrode conductive agent, 1 part by mass of carbon nanotubes, which is a fibrous carbon material, and 1 part by mass of acetylene black (Denka Black, manufactured by Denka Co., Ltd.), which is a particulate carbon material, were used.
続いて、溶媒(有機溶剤であるN-メチル-2-ピロリドン)に正極合剤を投入したのち、その正極合剤が投入された溶媒を混錬することにより、ペースト状の正極合剤スラリーを調製した。続いて、コーティング装置を用いて正極集電体21A(厚さ=12μmであるアルミニウム箔)の両面に正極合剤スラリーを塗布したのち、その正極合剤スラリーを乾燥させることにより、正極活物質層21Bを形成した。続いて、ロールプレス機を用いて正極活物質層21Bを圧縮成型(ロール温度=130℃,線圧=0.7t/cm,プレス速度=10m/分)した。最後に、正極活物質層21Bが形成された正極集電体21Aを帯状(幅=48mm,長さ=300mm)となるように切断した。これにより、正極21が作製された。
Subsequently, the positive electrode mixture is added to a solvent (N-methyl-2-pyrrolidone, which is an organic solvent), and the solvent containing the positive electrode mixture is kneaded to obtain a pasty positive electrode mixture slurry. prepared. Subsequently, the positive electrode mixture slurry is applied to both surfaces of the positive electrode
この正極21を作製する場合には、上記したように、正極合剤が投入された溶媒の混錬条件および正極スラリーの乾燥条件のそれぞれを変更することにより、後述する存在比R1,R2のそれぞれを変化させた。
When producing this
(負極の作製)
最初に、負極活物質(炭素材料である人造黒鉛)90質量部と、負極結着剤(ポリイミドを含むN-メチル-2-ピロリドン溶液(濃度=20重量%))10質量部とを互いに混合させることにより、負極合剤としたのち、その負極合剤を混錬することにより、ペースト状の負極合剤スラリーを調製した。続いて、バーコータ(ギャップ=35μm)を用いて負極集電体22A(厚さ=15μmである銅箔)の両面に負極合剤スラリーを塗布したのち、その負極合剤スラリーを乾燥(乾燥温度=80℃)させた。続いて、ロールプレス機を用いて負極合剤スラリーの塗膜を圧縮成型したのち、その塗膜を加熱(加熱温度=70℃,加熱時間=3時間)することにより、負極活物質層22Bを形成した。最後に、負極活物質層22Bが形成された負極集電体22Aを帯状(幅=50mm,長さ=310mm)となるように切断した。これにより、負極22が作製された。
(Preparation of negative electrode)
First, 90 parts by mass of a negative electrode active material (artificial graphite that is a carbon material) and 10 parts by mass of a negative electrode binder (N-methyl-2-pyrrolidone solution containing polyimide (concentration = 20% by weight)) are mixed together. A negative electrode mixture slurry was prepared by kneading the negative electrode mixture. Subsequently, the negative electrode mixture slurry is applied to both surfaces of the negative electrode
(電解液の調製)
溶媒(環状炭酸エステルである炭酸エチレンおよび鎖状炭酸エステルである炭酸エチルメチル)に電解質塩(六フッ化リン酸リチウム)を添加したのち、その電解質塩が添加された溶媒を撹拌した。この場合には、溶媒の混合比(重量比)を炭酸エチレン:炭酸エチルメチル=50:50とすると共に、電解質塩の含有量を溶媒に対して1mol/l(=1mol/dm3 )とした。これにより、電解液が調製された。
(Preparation of electrolytic solution)
After adding an electrolyte salt (lithium hexafluorophosphate) to a solvent (cyclic carbonate ethylene carbonate and chain carbonate ethylmethyl carbonate), the electrolyte salt-added solvent was stirred. In this case, the mixing ratio (weight ratio) of the solvent was set to ethylene carbonate:ethyl methyl carbonate=50:50, and the content of the electrolyte salt was set to 1 mol/l (=1 mol/dm 3 ) with respect to the solvent. . An electrolytic solution was thus prepared.
(二次電池の組み立て)
最初に、正極21の正極集電体21Aに正極リード31(アルミニウム箔)を溶接したと共に、負極22の負極集電体22Aに負極リード32(銅箔)を溶接した。
(Assembly of secondary battery)
First, the positive electrode lead 31 (aluminum foil) was welded to the
続いて、セパレータ23(厚さ=15μmである微多孔性ポリエチレンフィルム)を介して正極21および負極22を互いに積層させたのち、その正極21、負極22およびセパレータ23を巻回させることにより、巻回体を作製した。続いて、プレス機を用いて巻回体をプレスすることにより、扁平形状となるように巻回体を成型した。
Subsequently, the
続いて、窪み部10Uの内部に収容された巻回体を挟むように外装フィルム10(融着層/金属層/表面保護層)を折り畳んだのち、その融着層のうちの2辺の外周縁部同士を互いに熱融着させることにより、袋状の外装フィルム10の内部に巻回体を収納した。外装フィルム10としては、融着層(厚さ=30μmであるポリプロピレンフィルム)と、金属層(厚さ=40μmであるアルミニウム箔)と、表面保護層(厚さ=25μmであるナイロンフィルム)とが内側からこの順に積層されたアルミラミネートフィルムを用いた。
Subsequently, after folding the exterior film 10 (bonding layer/metal layer/surface protective layer) so as to sandwich the wound body housed inside the
最後に、袋状の外装フィルム10の内部に電解液を注入したのち、減圧環境中において融着層のうちの残りの1辺の外周縁部同士を互いに熱融着させた。この場合には、外装フィルム10と正極リード31との間に封止フィルム41(厚さ=5μmであるポリプロピレンフィルム)を挿入したと共に、外装フィルム10と負極リード32との間に封止フィルム42(厚さ=5μmであるポリプロピレンフィルム)を挿入した。
Finally, after the electrolytic solution was injected into the inside of the bag-shaped
これにより、巻回体に電解液が含浸されたため、電池素子20が作製された。よって、外装フィルム10の内部に電池素子が封入されたため、二次電池が組み立てられた。
As a result, the wound body was impregnated with the electrolytic solution, and the
(二次電池の安定化)
常温環境中(温度=25℃)において二次電池を1サイクル充放電させた。充電時には、0.1Cの電流で電圧が4.2Vに到達するまで定電流充電したのち、その4.2Vの電圧で電流が0.05Cに到達するまで定電圧充電した。放電時には、0.1Cの電流で電圧が3.0Vに到達するまで定電流放電した。0.1Cとは、電池容量(後述する基準の放電容量)を10時間で放電しきる電流値であると共に、0.05Cとは、電池容量を20時間で放電しきる電流値である。
(Stabilization of secondary battery)
The secondary battery was charged and discharged for one cycle in a normal temperature environment (temperature = 25°C). During charging, constant-current charging was performed at a current of 0.1C until the voltage reached 4.2V, and then constant-voltage charging was performed at the voltage of 4.2V until the current reached 0.05C. During discharge, constant current discharge was performed at a current of 0.1C until the voltage reached 3.0V. 0.1C is a current value that can fully discharge the battery capacity (a reference discharge capacity described later) in 10 hours, and 0.05C is a current value that fully discharges the battery capacity in 20 hours.
これにより、正極21および負極22のそれぞれの表面に被膜が形成されたため、二次電池の状態が電気化学的に安定化した。よって、二次電池が完成した。
As a result, films were formed on the respective surfaces of the
[存在比の算出]
上記した手順により、正極活物質層21Bの表面F1および裏面F2のそれぞれをラマン分光分析(ラマンマッピング)した。これにより、繊維状炭素材料の存在領域に基づいて存在比R1を算出したと共に、粒子状炭素材料の存在領域に基づいて存在比R2を算出した。存在比R1,R2のそれぞれの算出結果は、表1に示した通りである。
[Calculation of abundance ratio]
Raman spectroscopic analysis (Raman mapping) was performed on each of the front surface F1 and the rear surface F2 of the positive electrode
[電池特性の評価]
以下で説明する手順により、サイクル特性および負荷特性のそれぞれを評価したところ、表1に示した結果が得られた。
[Evaluation of battery characteristics]
When the cycle characteristics and load characteristics were evaluated according to the procedures described below, the results shown in Table 1 were obtained.
(サイクル特性)
最初に、常温環境中(温度=25℃)において二次電池を充放電させることにより、放電容量を測定した。充電時には、0.5Aの電流で電圧が4.50Vに到達するまで定電流充電したのち、その4.50Vの電圧で電流が1/10に絞られるまで定電圧充電した。放電時には、0.2Aの電流で電圧が3.00Vに到達するまで定電流放電した。
(Cycle characteristics)
First, the discharge capacity was measured by charging and discharging the secondary battery in a normal temperature environment (temperature = 25°C). During charging, constant current charging was performed at a current of 0.5 A until the voltage reached 4.50 V, and then constant voltage charging was performed at the voltage of 4.50 V until the current was reduced to 1/10. During discharge, constant current discharge was performed at a current of 0.2 A until the voltage reached 3.00V.
続いて、高温環境中(温度=45℃)において二次電池を充放電させることにより、2サイクル目の放電容量を測定した。2サイクル目の充放電条件は、放電時の電流を0.5Cに変更したことを除いて、1サイクル目の充放電条件と同様にした。0.5Cとは、電池容量(1サイクル目に得られた基準の放電容量)を2時間で放電しきる電流値である。 Subsequently, the secondary battery was charged and discharged in a high temperature environment (temperature = 45°C) to measure the discharge capacity at the second cycle. The charging/discharging conditions for the second cycle were the same as the charging/discharging conditions for the first cycle, except that the current during discharge was changed to 0.5C. 0.5C is a current value at which the battery capacity (reference discharge capacity obtained in the first cycle) can be discharged in 2 hours.
続いて、同環境中においてサイクル数が300サイクルに到達するまで二次電池を繰り返して充放電させることにより、300サイクル目の放電容量を測定した。充放電条件は、2サイクル目の充放電条件と同様にした。 Subsequently, the secondary battery was repeatedly charged and discharged in the same environment until the number of cycles reached 300 cycles, thereby measuring the discharge capacity at the 300th cycle. The charging/discharging conditions were the same as the charging/discharging conditions for the second cycle.
最後に、サイクル維持率(%)=(300サイクル目の放電容量/2サイクル目の放電容量)×100という計算式に基づいて、サイクル特性を評価するための指標である容量維持率を算出した。 Finally, the capacity retention rate, which is an index for evaluating cycle characteristics, was calculated based on the formula: cycle retention rate (%)=(discharge capacity at 300th cycle/discharge capacity at 2nd cycle)×100. .
(負荷特性)
最初に、常温環境中(温度=25℃)において二次電池を充放電させることにより、1サイクル目の放電容量を測定した。充電時には、0.5Cの電流で電圧が4.50Vに到達するまで定電流充電したのち、その4.50Vの電圧で電流が1/10に絞られるまで定電圧充電した。放電時には、0.2Cの電流で電圧が3.00Vに到達するまで定電流放電した。0.2Cとは、電池容量を5時間で放電しきる電流値である。
(Load characteristics)
First, the discharge capacity in the first cycle was measured by charging and discharging the secondary battery in a room temperature environment (temperature = 25°C). During charging, constant current charging was performed at a current of 0.5 C until the voltage reached 4.50 V, and then constant voltage charging was performed at the voltage of 4.50 V until the current was reduced to 1/10. During discharge, constant current discharge was performed at a current of 0.2C until the voltage reached 3.00V. 0.2C is a current value that can discharge the battery capacity in 5 hours.
続いて、同環境中において二次電池を充放電させることにより、2サイクル目の放電容量を測定した。2サイクル目の充放電条件は、放電時の電流を1.0Cに変更したことを除いて、1サイクル目の充放電条件と同様にした。1.0Cとは、電池容量を1時間で放電しきる電流値である。 Subsequently, the secondary battery was charged and discharged in the same environment to measure the discharge capacity at the second cycle. The charge/discharge conditions for the second cycle were the same as the charge/discharge conditions for the first cycle, except that the current during discharge was changed to 1.0C. 1.0C is a current value that can discharge the battery capacity in 1 hour.
最後に、負荷維持率(%)=(2サイクル目の放電容量/1サイクル目の放電容量)×100という計算式に基づいて、負荷特性を評価するための指標である負荷維持率を算出した。 Finally, the load retention rate, which is an index for evaluating load characteristics, was calculated based on the formula: load retention rate (%) = (second cycle discharge capacity/first cycle discharge capacity) x 100. .
[考察]
表1に示したように、サイクル維持率および負荷維持率のそれぞれは、存在比R1,R2のそれぞれに応じて変動した。
[Discussion]
As shown in Table 1, each of the cycle retention rate and the load retention rate fluctuated according to each of abundance ratios R1 and R2.
具体的には、存在比R1,R2の双方に関して適正条件(R1=0.81~0.93,R2=0.54~0.88)が満たされていない場合(比較例1~3)には、サイクル維持率および負荷維持率のうちの一方または双方が減少した。 Specifically, when the appropriate conditions (R1 = 0.81 to 0.93, R2 = 0.54 to 0.88) are not satisfied for both abundance ratios R1 and R2 (Comparative Examples 1 to 3) decreased one or both of cycle retention rate and load retention rate.
これに対して、存在比R1,R2の双方に関して適正条件が満たされている場合(実施例1~5)には、サイクル維持率および負荷維持率の双方が増加した。 On the other hand, when the appropriate conditions were met for both abundance ratios R1 and R2 (Examples 1 to 5), both the cycle retention rate and the load retention rate increased.
[まとめ]
表1に示した結果から、電極100の活物質層120に含まれている導電剤が繊維状炭素材料および粒子状炭素材料を含んでおり、その繊維状炭素材料に関する存在比R1が0.81~0.93であり、その粒子状炭素材料に関する存在比R2が0.54~0.88であると、高いサイクル維持率が得られたと共に高い負荷維持率も得られた。よって、電極100を備えた二次電池において、優れたサイクル特性および優れた負荷特性を得ることができた。
[summary]
From the results shown in Table 1, the conductive agent contained in the
以上、一実施形態および実施例を挙げながら本技術に関して説明したが、その本技術の構成は、一実施形態および実施例において説明された構成に限定されないため、種々に変形可能である。 Although the present technology has been described above with reference to one embodiment and example, the configuration of the present technology is not limited to the configuration described in the one embodiment and example, and can be variously modified.
具体的には、二次電池の電池構造がラミネートフィルム型である場合に関して説明した。しかしながら、二次電池の電池構造は、特に限定されないため、円筒型、角型、コイン型およびボタン型などでもよい。 Specifically, the case where the battery structure of the secondary battery is a laminated film type has been described. However, the battery structure of the secondary battery is not particularly limited, and may be cylindrical, rectangular, coin-shaped, button-shaped, or the like.
また、電池素子の素子構造が巻回型である場合に関して説明した。しかしながら、電池素子の素子構造は、特に限定されないため、積層型および九十九折り型などでもよい。この積層型では、正極および負極が互いに積層されていると共に、九十九折り型では、正極および負極がジグザグに折り畳まれている。 Also, the case where the element structure of the battery element is the wound type has been described. However, since the element structure of the battery element is not particularly limited, it may be a laminated type or a folded type. In this laminated type, the positive electrode and the negative electrode are stacked on each other, and in the ninety-nine fold type, the positive electrode and the negative electrode are folded in a zigzag pattern.
さらに、電極反応物質がリチウムである場合に関して説明したが、その電極反応物質は、特に限定されない。具体的には、電極反応物質は、上記したように、ナトリウムおよびカリウムなどの他のアルカリ金属でもよいし、ベリリウム、マグネシウムおよびカルシウムなどのアルカリ土類金属でもよい。この他、電極反応物質は、アルミニウムなどの他の軽金属でもよい。 Furthermore, although the case where the electrode reactant is lithium has been described, the electrode reactant is not particularly limited. Specifically, the electrode reactants may be other alkali metals such as sodium and potassium, or alkaline earth metals such as beryllium, magnesium and calcium, as described above. Alternatively, the electrode reactant may be other light metals such as aluminum.
本明細書中に記載された効果は、あくまで例示であるため、本技術の効果は、本明細書中に記載された効果に限定されない。よって、本技術に関して、他の効果が得られてもよい。 Since the effects described in this specification are merely examples, the effects of the present technology are not limited to the effects described in this specification. Accordingly, other advantages may be obtained with respect to the present technology.
21…正極、21A…正極集電体、21B…正極活物質層、22…負極、22A…負極集電体、22B…負極活物質層、100…電極、110…集電体、120…活物質層、121…活物質、122…導電剤、T…厚さ方向。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記電極は、集電体と、前記集電体により支持された活物質層とを含み、
前記活物質層は、活物質および導電剤を含むと共に、前記集電体から遠い側の第1面および前記集電体に近い側の第2面を有し、
前記導電剤は、繊維状炭素材料および粒子状炭素材料を含み、
前記第1面および前記第2面のそれぞれをラマン分光分析することにより、前記導電剤の存在領域をラマンマッピングすると共に、前記導電剤の存在領域を前記繊維状炭素材料の存在領域と前記粒子状炭素材料の存在領域とに分離した際、
前記第1面における前記繊維状炭素材料の存在量に対する、前記第2面における前記繊維状炭素材料の存在量の比比は、0.81以上0.93以下であり、
前記第1面における前記粒子状炭素材料の存在量に対する、前記第2面における前記粒子状炭素材料の存在量の比は、0.54以上0.88以下である、
二次電池。 Equipped with electrodes and electrolyte,
the electrode includes a current collector and an active material layer supported by the current collector;
The active material layer contains an active material and a conductive agent, and has a first surface far from the current collector and a second surface close to the current collector,
The conductive agent includes a fibrous carbon material and a particulate carbon material,
By performing Raman spectroscopic analysis on each of the first surface and the second surface, the existing region of the conductive agent is Raman mapped, and the existing region of the conductive agent is divided into the existing region of the fibrous carbon material and the particulate matter. When separated into the existing region of the carbon material,
A ratio of the abundance of the fibrous carbon material on the second surface to the abundance of the fibrous carbon material on the first surface is 0.81 or more and 0.93 or less,
The ratio of the abundance of the particulate carbon material on the second surface to the abundance of the particulate carbon material on the first surface is 0.54 or more and 0.88 or less.
secondary battery.
前記粒子状炭素材料は、カーボンブラック、アセチレンブラックおよびケッチェンブラックのうちの少なくとも1種を含む、
請求項1記載の二次電池。 The fibrous carbon material includes at least one of carbon nanotubes, carbon nanofibers and carbon nanohorns,
The particulate carbon material contains at least one of carbon black, acetylene black and ketjen black,
The secondary battery according to claim 1.
請求項1または請求項2に記載の二次電池。 the electrode is at least one of a positive electrode and a negative electrode;
The secondary battery according to claim 1 or 2.
請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の二次電池。 A lithium ion secondary battery,
The secondary battery according to any one of claims 1 to 3.
前記活物質層は、活物質および導電剤を含むと共に、前記集電体から遠い側の第1面および前記集電体に近い側の第2面を有し、
前記導電剤は、繊維状炭素材料および粒子状炭素材料を含み、
前記第1面および前記第2面のそれぞれをラマン分光分析することにより、前記導電剤の存在領域をラマンマッピングすると共に、前記導電剤の存在領域を前記繊維状炭素材料の存在領域と前記粒子状炭素材料の存在領域とに分離した際、
前記第1面における前記繊維状炭素材料の存在量に対する、前記第2面における前記繊維状炭素材料の存在量の比比は、0.81以上0.93以下であり、
前記第1面における前記粒子状炭素材料の存在量に対する、前記第2面における前記粒子状炭素材料の存在量の比は、0.54以上0.88以下である、
電極。 comprising a current collector and an active material layer supported by the current collector;
The active material layer contains an active material and a conductive agent, and has a first surface far from the current collector and a second surface close to the current collector,
The conductive agent includes a fibrous carbon material and a particulate carbon material,
By performing Raman spectroscopic analysis on each of the first surface and the second surface, the existing region of the conductive agent is Raman mapped, and the existing region of the conductive agent is divided into the existing region of the fibrous carbon material and the particulate matter. When separated into the existing region of the carbon material,
A ratio of the abundance of the fibrous carbon material on the second surface to the abundance of the fibrous carbon material on the first surface is 0.81 or more and 0.93 or less,
The ratio of the abundance of the particulate carbon material on the second surface to the abundance of the particulate carbon material on the first surface is 0.54 or more and 0.88 or less.
electrode.
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