JP3512534B2 - 二次電池 - Google Patents

二次電池

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JP3512534B2
JP3512534B2 JP23474295A JP23474295A JP3512534B2 JP 3512534 B2 JP3512534 B2 JP 3512534B2 JP 23474295 A JP23474295 A JP 23474295A JP 23474295 A JP23474295 A JP 23474295A JP 3512534 B2 JP3512534 B2 JP 3512534B2
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利幸 大澤
伸夫 片桐
興利 木村
俊茂 藤井
嘉隆 林
洋之 家地
由美子 鈴木
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    • Y02E60/10Energy storage using batteries

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  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【技術分野】本発明は、高エネルギー密度の二次電池に
関する。
【0002】
【従来技術】近年の電子機器の小型、軽量化、薄型化の
進歩は目覚ましいものがあり、とりわけOA分野におい
ては、デスクトップ型からラップトップ型、ノートブッ
ク型へと小型軽量化している。加えて、電子手帳、電子
スチールカメラなどの新しい小型電子機器の分野も出現
し、さらには従来のハードディスク、フロッピィーディ
スクの小型化に加えて新しい小型のメモリーメディアで
あるメモリーカードの開発も進められている。このよう
な電子機器の小型化、軽量化、薄型化の波の中で、これ
らの電力を支える二次電池にも高エネルギー密度、高電
圧、高出力等の高性能化が要求されている。このような
要望のもとに、高エネルギー密度電池としてリチウム二
次電池、リチウムイオン電池のような非水二次電池の開
発が急速に進められている。しかし、現在発表されてい
る試作電池は非水二次電池本来の能力を充分に活かして
いるとはいえない。この主因の一つとして、電極のエネ
ルギー密度があまり高くないことが考えられる。即ち、
電極活物質が本来有しているエネルギー密度に比べ、加
工された電極のエネルギー密度、特に体積エネルギー密
度がかなり低いためである。非水二次電池の電極に用い
る電極活物質はほとんどのものが粒状であり、自己結着
性がない。そのため、電極の加工はポリテトラフルオロ
エチレン等のバインダーを用いて電極活物質を集電体に
担持させて行っている。電極のエネルギー密度は、電極
を構成する電極活物質の粒径に大きく左右される。すな
わち、粒径の大きな電極活物質で電極を作成すると、電
極活物質粒子間の隙間が多くなり、電極の密度は低下す
るため、一般には粒径の小さい電極活物質を用いた電極
作成が行われている。しかしながら、粒径の小さい電極
活物質を用いる場合、単位重量当りの粒子数が粒径の大
きな電極活物質に比べ飛躍的に多くなるため電極作製に
は大量のバインダーが必要となる。そのため、活物質の
充填量は低下し、電極のエネルギー密度は低下する。一
方、特開平4−82172には、平均粒径0.8μmの
炭素材料と平均粒径3μmの炭素材料を混合して電極を
作成する方法が提案されている。しかしながら、平均粒
径3μmの電極活物質の粒径はそれ自身大変小さく、さ
らに平均粒径0.8μmの電極活物質を混合すること
は、バインダーの使用量を増やすことになるため、電極
のエネルギー密度は低下する。
【0003】
【目的】本発明は、エネルギー密度が高く、かつ粒状電
極活物質の粒子数が少ない電極を用いた高エネルギー密
度二次電池を提供することにある。
【0004】
【構成】本発明の電極の特徴は、平均粒径の異なる二種
類以上の粒状電極活物質を含有して構成されることにあ
る。すなわち、本発明は平均粒径の異なる二種類以上の
粒状電極活物質の群の混合物を含有して構成され、かつ
最大の平均粒径を有する粒状電極活物質群(以下、A活
物質群という)の粒子の粒径が4μm〜50μmであ
り、最小の平均粒径を有する粒状電極活物質群(以下、
B活物質群という)の粒子の平均粒径がA活物質群の平
均粒径の20%より大きく、50%未満である電極を正
極および/または負極として用いたことを特徴とする二
次電池に関する。本発明においては、平均粒径が異なる
二種類以上の粒状電極活物質の群を用いて電極作製を行
うと粒子径の大きな電極活物質粒子間の隙間に小さな電
極活物質粒子が入り込むため、電極の密度を高くするこ
とができる。従って作製された電極のエネルギー密度は
高くなる。また、小さな粒子径の電極活物質粒子のみで
の電極作製に比べ、電極活物質の粒子数が少なくなるた
め、バインダーの必要量を少なくすることができる。従
って、電極活物質の充填量が上がり、電極のエネルギー
密度を高くすることができる。ただし、A活物質群の粒
子径が、50μm以上では、均一な膜厚の電極作製が難
しくなり、4μm以下では、バインダー量が多くなるた
め、電極活物質の充填量が減少し、電極のエネルギー密
度が減少する。前記A活物質群の粒子径は、好ましくは
5μm〜40μm、さらに好ましくは5μm〜30μm
である。
【0005】また、前記本発明の平均粒子径が異なる二
種類以上の粒状電極活物質群のうち、最小の平均粒径を
有する粒状活物質群(以下、B活物質群という)の粒子
の粒径が、A活物質群の粒子の粒径の70%以下、好ま
しくは70%〜10%、さらに好ましくは50%〜20
%である。70%を越えると、A活物質群の粒子の間隔
にB活物質群の粒子が入りにくくなるため、電極のエネ
ルギー密度は高くならない。A活物質群が電極活物質全
体に占める割合は、3重量%〜70重量%、好ましくは
5重量%〜40重量%である。平均粒径が最大の粒状電
極活物質が電極活物質全体に占める割合が3重量%以下
では、バインダーの使用量が多くなるため電極のエネル
ギー密度は低下し、70重量%以上では、電極の密度が
低下するため、電極のエネルギー密度は低くなる。前記
本発明の電極は、正極および/または負極に用いること
ができるが、特に負極に用いると本発明の効果が大き
い。前記本発明の平均粒径の異なる二種類以上の粒状電
極活物質の各群を構成する材料は同一の組成のものであ
っても良いし、異なったものであっても良い。
【0006】本発明の電極を正極に用いる場合の電極活
物質としては、無機系活物質、有機系活物質、これらの
複合体が例示できるが、無機系活物質あるいは無機系活
物質と有機系活物質の複合体が、特にエネルギー密度が
大きく好ましい。無機系活物質としては、MnO2,M
23,CoO2,NiO2,TiO2,V25,V
38,Cr23,Fe2(SO43,Fe2(Mo
23,Fe2(WO23などの金属酸化物、TiS2
MoS2,FeS等の金属硫化物、これらの化合物とリ
チウムの複合酸化物が挙げられる。有機系活物質として
はポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリ
チオフェン、ポリアルキルチオフェン、ポリカルバゾー
ル、ポリアズレン、ポリジフェニルベンジジン等の導電
性高分子、炭素体から選ばれる1種またはそれ以上の複
合体などを例示することができる。本発明の電極を負極
として用いる場合の電極活物質としては、リチウムとア
ルミニウム、鉛、亜鉛、ケイ素等との合金粉末、天然黒
鉛、石炭、石油、コークスのほか、有機化合物を原料と
して熱分解炭素、天然高分子、合成高分子を焼成するこ
とにより得られる炭素体が挙げられる。本発明の電極に
用いる活物質として炭素材料を用いた場合、本発明の効
果が高く、特に負極の活物質として炭素材料を用いると
本発明の効果は特に高くなる。本発明に用いるバインダ
ーとしてはポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビ
ニリデン等の有機フッ素高分子、ポリエチレン、ポリプ
ロピレンなどのポリオレフィン、ポリアニリン、ポリア
ルキルチオフェン等の可溶性導電性高分子等を例示でき
るが、これらに限定されるものではない。本発明の電極
は、電極活物質を主要構成材料とし、必要によりバイン
ダー、導電剤、その他添加剤を混合したものである。
又、該電極は、前記の電極形成材料をあらかじめ層状あ
るいはフィルム状に成形したものを、集電体上に積層す
るか、あるいは前記の電極形成材料を溶媒に均一に分散
あるいは、溶解させた塗料液を集電体上に塗布、乾燥し
て作製することができる。塗布溶液は、少なくとも1種
類以上の溶媒に均質に分散させて作製することができ
る。前記塗料液の作製に際して、固形分の溶媒に対する
分散方法としては、ボールミル、バレンミル、ロールミ
ルなどを用いる方法があげられる。前記塗料液の塗布方
法としてはワイヤーバー、ブレード、ダイコート、スプ
レー方式などのコーティング法が挙げられるが、これら
には限定されない。電極の厚みとしては、5〜1000
μm、好ましくは10〜500μmである。5μm以下
では、活物質に対して集電体の占める割合が多くなるた
め電池のエネルギー密度が低下する。1000μm以上
では、電極の内部抵抗が高くなるため電極活物質の利用
率が低下する。本発明に用いる集電体としてはニッケ
ル、アルミニウム、チタン、銅、ステンレス鋼等の金
網、パンチングメタル、エキスパンドメタル、ホイル、
発泡金属が挙げられるが、軽量性、加工性、薄さを考慮
するとホイル、パンチングメタル、エキスパンドメタル
が好ましい。本発明に用いる集電体の厚さとしては、5
〜100μm、好ましくは10〜70μmである。5μ
m以下では集電体の機械的強度が低く、集電特性も劣
る。100μm以上では集電体の重量が重く、エネルギ
ー密度が低くなる。前記電極中に含有される導電剤とし
ては、アセチレンブラック、ケッチェンブラッック、グ
ラファイト等の導電性炭素材料、ニッケル、ステンレス
等の金属材料、ポリピロール等の導電性高分子材料が挙
げられるが、導電性炭素材料が少量の添加量で導電性が
改善でき好ましい。前記電極は、二次電池用電極として
用いられ、特に負極として好ましく、高エネルギー密度
電極として用いられる。本発明の二次電池は基本的に
は、正極、負極、電解質から構成される。
【0007】本発明の二次電池の電解液としては非水溶
媒に電解質塩を溶解したものが挙げられる。非水溶媒と
しては、カーボネート溶媒(プロピレンカーボネート、
エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチ
ルカーボネート、ジエチルカーボネート)、アミド溶媒
(N−メチルホルムアミド、N−エチルホルムアミド、
N,N−ジメチルホルムアミド、N−メチルアセトアミ
ド、N−エチルアセトアミド、N−メチルピロジリノ
ン)、ラクトン溶媒(γ−ブチルラクトン、γ−バレロ
ラクトン、δ−バレロラクトン、3−メチル−1,3−
オキサゾリジン−2−オンなど)、アルコール溶媒(エ
チレングリコール、プロピレングリコール、グリセリ
ン、メチルセロソルブ、1,2−ブタンジオール、1,
3−ブタンジオール、1,4−ブタンジオール、ジグリ
セリン、ポリオキシアルキレングリコール、シクロヘキ
サンジオール、キシレングリコール等)、エーテル溶媒
(メチラール、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジ
エトキシエタン、1−エトキシ−2−メトキシエタン、
アルコキシポリアルキレンエーテル等)、ニトリル溶媒
(ベンゾニトリル、アセトニトリル、3−メトキシプロ
ピオニトリル等)、燐酸類及び燐酸エステル溶媒(正燐
酸、メタ燐酸、ピロ燐酸、ポリ燐酸、亜燐酸、トリメチ
ルホスフェートなど)、2−イミダゾリジノン類(1,
3−ジメチル−2−イミダゾリジノン等)、ピロリドン
類、スルホラン溶媒(スルホラン、テトラメチレンスル
ホラン)、フラン溶媒(テトラヒドロフラン、2−メチ
ルテトラヒドロフラン、2,5−ジメトキシテトラヒド
ロフラン)、ジオキソラン、ジオキサン、ジクロロエタ
ンの単独あるいは2種以上の混合溶媒が使用できる。こ
れらのうち好ましくはカーボネート類、エーテル類、フ
ラン溶媒である。本発明における電解質塩としては、通
常の電解質として用いられるものであれば特に制限はな
いが、例えば、LiBR4(Rはフェニル基、アルキル
基)、LiPF6,LiSbF6,LiAsF6,LiB
4,LiClO4,CF3SO3Li,(CF3SO22
NLi,(CF3SO23CLi,C69SO3Li,C
817SO3Li,LiTFPB,LiAlCl4等を例
示することができる。好ましくはCF3SO3Li,(C
3SO23NLi,(CF3SO23CLi,C69
3Li,C817SO3Li等のスルホン酸系アニオン
電解質である。セパレータとしては、電解質溶液のイオ
ン移動に対して低抵抗であり、かつ、溶液保持性に優れ
たものが用いられ、例えば、ガラス、ポリエステル、ポ
リテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、ポリエチ
レンなどの1種以上の材質から選ばれる不織布又は織布
が挙げられる。また、これら電解質、セパレータの代わ
りあるいは併用して固体電解質を使用することができ
る。例えば、無機系では、AgCl,AgBr,Ag
I,LiI等の金属ハロゲン化物、RbAg45,Rb
Ag44CN等が挙げられる。また、有機系ではポリエ
チレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリフ
ッ化ビニリデン、ポリアクリルアミド等をポリマーマト
リクスとし、前記の電解質塩をポリマーマトリクス中に
溶解した複合体、あるいはこれらのゲル架橋体、低分子
量ポリエチレンオキサイド、クラウンエーテル等のイオ
ン解離基をポリマー主鎖にグラフト化した高分子固体電
解質、あるいは高分子量重合体に前記電解液を含有させ
たゲル状高分子固体電解質が挙げられる。本発明の電池
の形態は特に限定するものではないが、コイン、シー
ト、円筒、ガム等種々の形態の電池に実装することがで
きる。
【0008】
【実施例】
実施例1 40重量部の平均粒径10μmの結晶V25、40重量
部の平均粒径3μmの結晶V25を、10重量部のグラ
ファイト、10重量部のポリフッ化ビニリデンを秤量
し、N−メチルピロリドンを加えて混合してペースト状
にした。これを20μmのアルミホイルに塗布し、乾燥
して電極活物質層の厚さが40μmの電極を作成した。
【0009】比較例1 80重量部の平均粒径10μmの結晶V25、10重量
部のグラファイト、10重量部のポリフッ化ビニリデン
を秤量し、N−メチルピロリドンを加えて混合してペー
スト状にした。これを20μmのアルミホイルに塗布
し、乾燥して電極活物質層の厚さが40μmの電極を作
成した。
【0010】比較例2 80重量部の平均粒径3μmの結晶V25、10重量部
のグラファイト、10重量部のポリフッ化ビニデンを秤
量し、N−メチルピロリドンを加えて混合してペースト
状にした。これを20μmのアルミホイルに塗布し、乾
燥して電極活物質層の厚さが40μmの電極を作成し
た。
【0011】参考例1 35重量部の平均粒径5μmの結晶V、35重量
部の平均粒径1μmの結晶Vに10%ポリアニリ
ン/N−メチルピロリドン溶液を300重量部加えて混
合したものを20μmのアルミホイルに塗布し、乾燥し
て電極活物質層の厚さが40μmの電極を作成した。実
施例1、参考例1、比較例1、2の電極を正極、リチウ
ムを負極、電解液に2MのLiBFをプロピレンカー
ボネート/ジメトキシエタン(体積比1/1)混合液に
溶解した溶液を用いて二次電池を作成した。2.5V〜
3.8Vの電圧範囲で充放電を行った結果を表1に示
す。
【0012】
【表1】
【0013】実施例2 45重量部の平均粒径5μmの天然黒鉛、45重量部の
平均粒径2μmのピッチコークス、15重量部のポリフ
ッ化ビニリデンを秤量し、N−メチルピロリドンを加え
て混合してペースト状にした。これを20μmの銅ホイ
ルに塗布し、乾燥して電極活物質層の厚さが60μmの
電極を作成した。
【0014】実施例3 45重量部の平均粒径20μmの天然黒鉛、45重量部
の平均粒径5μmのピッチコークス、15重量部のポリ
フッ化ビニリデンを秤量し、N−メチルピロリドンを加
えて混合してペースト状にした。これを20μmの銅ホ
イルに塗布し、乾燥して電極活物質層の厚さが60μm
の電極を作成した。
【0015】実施例4 45重量部の平均粒径40μmの天然黒鉛、45重量部
の平均粒径15μmのピッチコークス、15重量部のポ
リフッ化ビニリデンを秤量し、N−メチルピロリドンを
加えて混合してペースト状にした。これを20μmの銅
ホイルに塗布し、乾燥して電極活物質層の厚さが60μ
mの電極を作成した。
【0016】参考例2 45重量部の平均粒径20μmの天然黒鉛、45重量部
の平均粒径15μmの天然黒鉛、15重量部のポリフッ
化ビニリデンを秤量し、N−メチルピロリドンを加えて
混合してペースト状にした。これを20μmの銅ホイル
に塗布し、乾燥して電極活物質層の厚さが60μmの電
極を作成した。
【0017】比較例3 45重量部の平均粒径2μmの天然黒鉛、45重量部の
平均粒径1μmのピッチコークス、15重量部のポリフ
ッ化ビニリデンを秤量し、N−メチルピロリドンを加え
て混合してペースト状にした。これを20μmの銅ホイ
ルに塗布し、乾燥して電極活物質層の厚さが60μmの
電極を作成した。
【0018】比較例4 45重量部の平均粒径60μmの天然黒鉛、45重量部
の平均粒径20μmのピッチコークス、15重量部のポ
リフッ化ビニリデンを秤量し、N−メチルピロリドンを
加えて混合してペースト状にした。これを20μmの銅
ホイルに塗布し、乾燥して電極活物質層の厚さが60μ
mの電極を作成したが、電極表面は大きな凹凸が生じて
いた。
【0019】実施例5 45重量部の平均粒径20μmの天然黒鉛、45重量部
の平均粒径8μmの天然黒鉛、15重量部のポリフッ化
ビニリデンを秤量し、N−メチルピロリドンを加えて混
合してペースト状にした。これを20μmの銅ホイルに
塗布し、乾燥して電極活物質層の厚さが60μmの電極
を作成した。
【0020】比較例5 90重量部の平均粒径20μmの天然黒鉛、15重量部
のポリフッ化ビニリデンを秤量し、N−メチルピロリド
ンを加えて混合してペースト状にした。これを20μm
の銅ホイルに塗布し、乾燥して電極活物質層の厚さが6
0μmの電極を作成した。実施例3〜5、参考例1〜
2、比較例3、4、5で作成した電極を作用極、リチウ
ムを負極、電解液として2MのLiClOをエチレン
カーボネート/ジメトキシエタン(体積比1/1)混合
液に溶解した溶液を用いて疑似二極のビーカーセルを作
成した。−0.05V vs Li/Liまで定電流で
充電し、1時間放置後0.8V vs Li/Liまで
定電流で放電した。充放電を繰り返し、10サイクル後
の電極のエネルギー密度を表2,3に示す。
【0021】
【表2】
【0022】
【表3】
【0023】実施例6〜9、比較例6、7 平均粒径25μmの天然黒鉛と平均粒径12μmの人造
黒鉛を0:100,7:93,50:50,65:3
5,80:20,100:0の割合で混合したもの90
重量部に15重量部のポリフッ化ビニリデンを秤量し、
N−メチルピロリドンを加えて混合してペースト状にし
た。これを20μmの銅ホイルに塗布し、乾燥して電極
活物質層の厚さが60μmの電極を作成した。作成した
電極を作用極、リチウムを負極、電解液として1.5M
のLiPFをエチレンカーボネート/ジメチルカーボ
ネート(体積比1/1)混合液に溶解した溶液を用いて
疑似二極のビーカーセルを作成した。−0.05V v
s Li/Liまで定電流で充電し、1時間放置後0.
8V vs Li/Liまで1.5mA/cmの定電
流で放電した。充放電を繰り返し、10サイクル後の電
極のエネルギー密度を表4に示す。
【0024】
【表4】
【0025】実施例10 実施例3の電極を正極、参考例2の電極を負極に用いて
ペーパー二次電池を作成した。電解質にはつぎの組成の
高分子固体電解質を用いた。1.5MのLiPFをエ
チレンカーボネート/ジメチルカーボネート(体積比1
/1)混合液に溶解した溶液を80重量部にエトキシジ
エチレングリコールを19重量部、トリメチロールプロ
パントリアクリレートを1重量部、ベンゾインイソプロ
ピルエーテルを0.8重量部混合した高分子固体電解質
溶液をUV光で固体化し固体電解質を作成した。セパレ
ータには微多孔性ポリプロピレン不織布を用いた。外装
材にはポリエステル/Al/ポリエチレン積層フィルム
を用いた。作成した二次電池を2.5V〜3.8Vの電
圧範囲で充放電を行い、電極単位面積当りの放電容量を
測定した。測定結果を表5に示す。
【0026】実施例11 実施例10の負極にリチウムを用いる以外は同様にして
ペーパー二次電池を作成し、放電容量を測定した。測定
結果を表5に示す。
【0027】
【表5】
【0028】本発明の具体的実施態様を示す。 1. 平均粒径の異なる二種類以上の粒状電極活物質の
群の混合物を含有して構成され、かつ最大の平均粒径を
有する粒状電極活物質群(A活物質群)の粒子の粒径が
4μm〜50μmであることを特徴とする電極。 2. 前記第1記載の電極において,A活物質群の粒径
が5μm〜30μmである電極。 3. 前記第1または2記載の電極において、最小の平
均粒径を有する粒状電極活物質群(B活物質群)の粒子
の平均粒径がA活物質群の平均粒径が70%以下、好ま
しくは70〜10%、さらに好ましくは50%〜20%
以下である電極。 4. 前記第1,2,または3記載の電極において、A
活物質群の粒子の重量が、3重量%〜70重量%、好ま
しくは5重量%〜60重量%、さらに好ましくは、5重
量%〜40重量%である電極。 5. 前記第1,2,3または4記載の粒状電極活物質
が、同一の材料あるいは異なる材料のものである電極。 6.前記第1,2,3,4または5記載の粒状電極活物
質を溶媒に均一に分散させた塗料液を集電体上に塗布、
乾燥して作製した電極。 7. 前記第1,2,3,4,5または6記載の電極を
正極および/または負極として用いたことを特徴とする
非水二次電池。
【0029】
【本発明の作用効果】高エネルギー密度の二次電池を提
供することができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 片桐 伸夫 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株 式会社リコー内 (72)発明者 木村 興利 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株 式会社リコー内 (72)発明者 藤井 俊茂 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株 式会社リコー内 (72)発明者 林 嘉隆 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株 式会社リコー内 (72)発明者 家地 洋之 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株 式会社リコー内 (72)発明者 鈴木 由美子 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株 式会社リコー内 (56)参考文献 特開 平6−290780(JP,A) 特開 平6−295744(JP,A) 特開 平7−37618(JP,A) 特開 昭59−12566(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 4/00 - 4/62

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 平均粒径の異なる二種類以上の粒状電極
    活物質の群の混合物を含有して構成され、かつ最大の平
    均粒径を有する粒状電極活物質群(以下、A活物質群と
    いう)の粒子の粒径が4μm〜50μmであり、最小の
    平均粒径を有する粒状電極活物質群(以下、B活物質群
    という)の粒子の平均粒径がA活物質群の平均粒径の2
    0%より大きく、50%未満である電極を正極および/
    または負極として用いたことを特徴とする二次電池。
  2. 【請求項2】 前記電極において、A活物質群の粒子の
    重量が、電極活物質全体重量の3重量%〜70重量%で
    ある請求項1記載の二次電池。
  3. 【請求項3】 前記電極において、粒状電極活物質が炭
    素材料である請求項1または2記載の二次電池。
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