JP4692693B2 - リチウムイオン二次電池用負極活物質およびリチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Description
本発明に用いるポリマー粒子を構成するポリマーとしては、ジエン系ポリマー、アクリル系ポリマー、フッ素ポリマー、ウレタン系ポリマー、シリコーン系ポリマーなどが挙げられる。これらの中でも、電気化学的に安定であるという観点から、ジエン系ポリマー、アクリル系ポリマーが好ましい。
本発明の金属層を構成する材料は、金属元素あるいは半金属元素の、単体、合金及び化合物の何れでもよく、またこれらの1種または2種以上の相を少なくとも一部に有するようなものでもよい。なお、本発明において、合金には、2種以上の金属元素からなるものに加えて、1種以上の金属元素と1種以上の半金属元素とを含むものも含まれる。また、金属層を構成する材料には、非金属元素が含まれていてもよい。化合物としては、金属元素または半金属元素の酸化物、窒化物、硫化物、ホウ化物などが挙げられる。
無電解めっきとしては、格別制限されないが、公知の自己触媒型の無電解めっきを用いることが好ましい。無電解めっきとしては、例えば、次亜リン酸アンモニウムまたは次亜リン酸、水素化硼素アンモニウムやヒドラジン、ホルマリンなどを還元剤とする無電解銅めっき、次亜リン酸ナトリウムを還元剤とする無電解ニッケル−リンめっき、ジメチルアミンボランを還元剤とする無電解ニッケル−ホウ素めっき、無電解パラジウムめっき、次亜リン酸ナトリウムを還元剤とする無電解パラジウム−リンめっき、無電解金めっき、無電解銀めっき、次亜リン酸ナトリウムを還元剤とする無電解ニッケル−コバルト−リンめっき等の無電解めっきを用いることができる。ポリマー粒子上での形成能、及び次工程での電解めっき層の形成に有利であることから、無電解銅めっき、無電解ニッケル−リンめっきがより好ましい。
電解めっきとは、電解溶液中でめっき対象物を陰極として通電し表面にめっき金属を析出させるものである。本発明の電解めっきの陽極は、通常、リチウムと合金を形成可能な金属元素あるいは半金属元素からなる。めっき可能でリチウムと合金を形成可能な金属元素あるいは半金属元素としては、例えば、スズ、銀、亜鉛、白金、あるいはそれらの合金が挙げられる。中でも、スズおよびスズ合金が好ましい。合金を形成する金属としては、互いに金属間化合物を形成しない2種以上の金属であることが好ましい。スズ合金としては、スズ−鉛合金、スズ−コバルト合金、スズ−インジウム合金、スズ−銅合金が好ましい。これらの金属元素あるいは半金属元素を用いることにより、大きな容量を有するリチウムイオン二次電池を得ることができる。これら金属および合金はさらにめっきを形成しやすくする目的や機械的強度を上げる目的、リチウムの挿入時の体積膨張緩和の目的でさらに第三成分を含んでよく、第三成分としては、亜鉛、すず、鉄、ニッケル、銀、コバルト、ケイ素、などが挙げられる。電解めっきを用いることにより、短時間でのめっきが可能になり、又、低コストでの粒子作製ができるようになる。また、金属めっきにより作製された金属は機械的強度が高く、延性に優れるため、充放電に伴なう膨張収縮で割れにくくすることができ、その結果、充放電特性に優れた複合粒子を得ることができる。
バインダーは、結着性を有するバインダー(重合体)粒子が水または有機溶媒に溶解または分散された溶液または分散液である(以下、これらを総称して「バインダー分散液」と記載することがある)。バインダー分散液が水系の場合は、通常、重合体水分散ポリマーであり、例えば、ジエン系重合体水分散ポリマー、アクリル系重合体水分散ポリマー、フッ素系重合体水分散ポリマー、シリコン系重合体水分散ポリマーなどが挙げられる。電極活物質との結着性および得られる電極の強度や柔軟性に優れるため、ジエン系重合体水分散ポリマー、又はアクリル系重合体水分散ポリマーが好ましい。
本発明のリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物は、一般的なリチウムイオン二次電池用負極活物質が含まれていてもよい。
本発明のリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物は、導電材を含有してもよい。導電材としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンブラック、気相成長カーボン繊維、およびカーボンナノチューブ等の導電性カーボンを使用することができる。導電材を用いることにより、電極活物質同士の電気的接触を向上させることができ、リチウムイオン二次電池に用いる場合に放電レート特性を改善することができる。導電材の使用量は、負極活物質全体100質量部に対して通常0〜20質量部、好ましくは1〜10質量部である。ここで、負極活物質全体とは、本発明の負極活物質と必要に応じて用いられる一般的なリチウムイオン二次電池用負極活物質との合計を意味する。
本発明のリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物は、増粘剤を含有してもよい。増粘剤としては、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロースなどのセルロース系ポリマーおよびこれらのアンモニウム塩並びにアルカリ金属塩;(変性)ポリ(メタ)アクリル酸およびこれらのアンモニウム塩並びにアルカリ金属塩;(変性)ポリビニルアルコール、アクリル酸又はアクリル酸塩とビニルアルコールの共重合体、無水マレイン酸又はマレイン酸もしくはフマル酸とビニルアルコールの共重合体などのポリビニルアルコール類;ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキシド、ポリビニルピロリドン、変性ポリアクリル酸、酸化スターチ、リン酸スターチ、カゼイン、各種変性デンプンなどが挙げられる。増粘剤の配合量は、負極活物質全体100質量部に対して、0.5〜1.5質量部が好ましい。増粘剤の配合量がこの範囲であると、塗工性、集電体との密着性が良好である。本発明において、「(変性)ポリ」は「未変性ポリ」又は「変性ポリ」を意味し、「(メタ)アクリル」は、「アクリル」又は「メタアクリル」を意味する。
本発明で用いられるリチウムイオン二次電池用スラリーに用いる分散媒は、水および有機溶媒のいずれも使用できる。
リチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物の混合法は特に限定はされないが、例えば、撹拌式、振とう式、および回転式などの混合装置を使用した方法が挙げられる。また、ホモジナイザー、ボールミル、サンドミル、ロールミル、および遊星式混練機などの分散混練装置を使用した方法が挙げられる。負極用スラリー組成物の固形分濃度は、30質量%以上80質量%以下であり、スラリーの安定性、塗工性の点から40質量%以上60質量%以下であることが好ましい。
本発明のリチウムイオン二次電池用負極は、前記リチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物を集電体に塗布し、乾燥してなるものである。
本発明で用いる集電体は、電気導電性を有しかつ電気化学的に耐久性のある材料であれば特に制限されないが、耐熱性を有するため金属材料が好ましく、例えば、鉄、銅、アルミニウム、ニッケル、ステンレス鋼、チタン、タンタル、金、白金などが挙げられる。リチウムイオン二次電池負極用としては銅が特に好ましい。集電体の形状は特に制限されないが、厚さ0.001〜0.5mm程度のシート状のものが好ましい。集電体は、活物質層との接着強度を高めるため、予め粗面化処理して使用するのが好ましい。粗面化方法としては、機械的研磨法、電解研磨法、化学研磨法などが挙げられる。機械的研磨法においては、研磨剤粒子を固着した研磨布紙、砥石、エメリバフ、鋼線などを備えたワイヤーブラシ等が使用される。また、合剤の接着強度や導電性を高めるために、集電体表面に中間層を形成してもよい。
本発明のリチウムイオン二次電池用負極の製造方法は、特に限定されないが、例えば、前記負極用スラリー組成物を、集電体の少なくとも片面、好ましくは両面に塗布、加熱乾燥して電極活物質層を形成する方法である。電極用スラリー組成物を集電体へ塗布する方法は特に限定されない。例えば、ドクターブレード法、ディップ法、リバースロール法、ダイレクトロール法、グラビア法、エクストルージョン法、およびハケ塗り法などの方法が挙げられる。乾燥方法としては例えば、温風、熱風、低湿風による乾燥、真空乾燥、(遠)赤外線や電子線などの照射による乾燥法が挙げられる。乾燥時間は通常5〜30分であり、乾燥温度は通常40〜180℃である。
本発明の正極は、少なくとも、集電体上に結着された、正極活物質、導電剤、及びバインダーを含む電極活物質層(正極活物質層)を有する。
本発明に用いられる電解液は、特に限定されないが、例えば、非水系の溶媒に支持電解質としてリチウム塩を溶解したものが使用できる。リチウム塩としては、例えば、LiPF6、LiAsF6、LiBF4、LiSbF6、LiAlCl4、LiClO4、CF3SO3Li、C4F9SO3Li、CF3COOLi、(CF3CO)2NLi、(CF3SO2)2NLi、(C2F5SO2)NLiなどのリチウム塩が挙げられる。特に溶媒に溶けやすく高い解離度を示すLiPF6、LiClO4、CF3SO3Liは好適に用いられる。これらは、単独、または2種以上を混合して用いることができる。支持電解質の量は、電解液に対して、通常1質量%以上、好ましくは5質量%以上、また通常は30質量%以下、好ましくは20質量%以下である。支持電解質の量が少なすぎても多すぎてもイオン導電度は低下し電池の充電特性、放電特性が低下する。
本発明のリチウムイオン二次電池の製造方法は、特に限定されない。例えば、負極と正極とをセパレーターを介して重ね合わせ、これを電池形状に応じて巻く、折るなどして電池容器に入れ、電池容器に電解液を注入して封口する。さらに必要に応じてエキスパンドメタルや、ヒューズ、PTC素子などの過電流防止素子、リード板などを入れ、電池内部の圧力上昇、過充放電の防止をすることもできる。電池の形状は、コイン型、ボタン型、シート型、円筒型、角形、扁平型などいずれであってもよい。
セパレーターとしては、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン製や芳香族ポリアミド樹脂製の微孔膜または不織布;無機セラミック粉末を含む多孔質の樹脂コート;など公知のものを用いることができる。
ポリマー粒子の分散液をテトラフルオロエチレン基板上にキャストして、室温25℃で48時間乾燥させて厚み1mmのシート状に成形する。成形したポリマーフィルムを示差走査型熱量測定(DSC測定)により5℃/分の昇温速度で測定し、求めたガラス移転温度をガラス転移温度とする。
ポリマー粒子の水分散液をテトラフルオロエチレン基板上にキャストして、室温25℃で48時間乾燥させて厚み1mmのシート状に成形する。成形したポリマーフィルムをJIS K6301の3号ダンベルで打ち抜き、これを試験片とする。そして、室温25℃で試験片の長尺方向に10mm/分の速度で引っ張り、その時の初期応力と歪みの比率から引張り弾性率を求め、弾性率とする。
リチウムイオン二次電池用負極活物質を1kg作製するときの全時間を評価する。この値が小さいほど短時間での製造が可能となる。
A:24時間未満
B:24時間以上36時間未満
C:36時間以上
負極用スラリー組成物を、JIS K5600−2−5:1999に準拠したゲージ(粒ゲージ)により次のように求める。ゲージ上に観察される筋の発生点のうち3番目に大きい粒度を測定する。これらの測定を6回行い、測定された最大値を粒度とする。粒度が小さいほど分散性が良好であることを示す。
A:40μm未満
B:40μm以上60μm未満
C:60μm以上
作製したコイン型電池を用いて、それぞれ20℃で0.1Cの定電流で1.5Vまで充電し、0.1Cの定電流で0.2Vまで放電する充放電サイクルを行う。充放電サイクルは50サイクルまで行い、初期放電容量に対する50サイクル目の放電容量の比を容量維持率とし、下記の基準で判定する。この値が大きいほど繰り返し充放電による容量減が少ないことを示す。
A:75%以上
B:60%以上75%未満
C:50%以上60%未満
D:40%以上50%未満
C:40%未満
<ポリマー粒子の作製>
撹拌機付きのオートクレーブに、イオン交換水300部、スチレン33部、2−エチルヘキシルアクリレート65部、ジメチルアミノエチルメタクリレート2.0部、および分子量調整剤としてt−ドデシルメルカプタン0.05部、重合開始剤として過硫酸カリウム0.3部を入れ、十分に撹拌した後、70℃に加温して重合した。重合後、40℃にて酢酸を用いて中和処理を行い、ポリマー粒子(以下、「ポリマー粒子1」と記載することがある。)を含む分散液を得た。固形分濃度から求めた重合転化率はほぼ99%であった。得られたポリマー粒子1の体積平均粒径は0.1μm、カチオン性基は窒素カチオン、ポリマー粒子1中のカチオン性基の含有割合はカチオン性基を有する単量体の含有割合で2%、ガラス転移温度は−20℃、25℃での弾性率は20MPaであった。
得られたポリマー粒子1が1部、塩化パラジウム0.01部、王水5部、超純水10部により構成される触媒液中に5℃で24時間浸漬させ、触媒としてパラジウムを吸着させた。その後、Ni(PH2O2)2・6H2O 15部、H3BO3 12部、CH3COONa 2.5部、(NH3)2SO4 1.3部により構成される無電解めっき浴中に30℃で5分浸漬させることにより、無電解めっき粒子を得た。続いて、この無電解めっき粒子を、K2SnO3・3H2O 105部、Na2Sn(OH)6 200部、KOH 15部、CH3COOK 7部により構成される電解めっき浴中で電解めっきを行って複合粒子1を得た。電解めっきの電極には、Niメッシュ及びSn板を用いた。電解めっきは1時間行い、金属層の厚さは無電解めっき層a1が約2nm、電解めっき層a2が約10nmであった。複合粒子作製にかかる時間を表1に示す。
カルボキシメチルセルロースとして、溶液粘度が8000mPa・sであるカルボキシメチルセルロース(第一工業製薬株式会社製「セロゲンBSH−12」)を用い、1.5%水溶液を調整した。
上記負極用スラリー組成物をコンマコーターを用いて、厚さ18μmの銅箔の片面に乾燥後の膜厚が100μm程度になるように塗布し、60℃で20分乾燥後、150℃で2時間加熱処理して負極活物質層を形成した。次いで、ロールプレスで圧延して厚さ50μmの負極用極板を得た。得られた負極活物質層の塗布厚を測定したところ、膜厚はほぼ均一であった。
撹拌機付きのオートクレーブに、イオン交換水300部、2−エチルヘキシルアクリレート76部、アクリロニトリル20部、イタコン酸2.0部、および分子量調整剤としてt−ドデシルメルカプタン0.05部、重合開始剤として過硫酸カリウム0.3部を入れ、十分に撹拌した後、70℃に加温して重合し、ポリマー粒子(以下、「ポリマー粒子2」と記載することがある。)を含む分散液を得た。固形分濃度から求めた重合転化率はほぼ99%であった。得られたポリマー粒子2の体積平均粒径は0.1μm、アニオン性基はカルボキシル基、ポリマー粒子2中のアニオン性基の含有割合はアニオン性基を有する単量体(イタコン酸)の含有割合で2%、ガラス転移温度は−15℃、25℃での弾性率は400MPaであった。
撹拌機付きのオートクレーブに、イオン交換水300部、2−エチルヘキシルアクリレート55部、アクリロニトリル45部、および分子量調整剤としてt−ドデシルメルカプタン0.05部、重合開始剤として過硫酸カリウム0.3部を入れ、十分に撹拌した後、70℃に加温して重合し、ポリマー粒子(以下、「ポリマー粒子3」と記載することがある。)を含む分散液を得た。固形分濃度から求めた重合転化率はほぼ99%であった。得られたポリマー粒子3の体積平均粒径は0.1μm、ガラス転移温度は0℃、25℃での弾性率は1000MPaであった。
市販のポリスチレンビーズ(体積平均粒径0.1μm、以下「ポリマー粒子4」と記載することがある。)1部を、塩化パラジウム0.01部、王水5部、超純水10部により構成される触媒液中に5℃で24時間浸漬させ、触媒としてパラジウムを吸着させた。その後、Sn(PH2O2)2・6H2O 15部、H3BO3 12部、CH3COONa 2.5部、(NH3)2SO4 1.3部により構成される無電解めっき浴中に30℃で5分浸漬させることにより、複合粒子4を得た。得られた複合粒子4の金属層の厚さは無電解めっき層a1が約1nmであった。結果を表1に示す。ポリマー粒子4のガラス転移温度は75℃、25℃での弾性率は2700MPaであった。
撹拌機付きのオートクレーブに、イオン交換水300部、ブタジエン50部、スチレン47部、メタクリル酸3部、および分子量調整剤としてt−ドデシルメルカプタン0.05部、重合開始剤として過硫酸カリウム0.3部を入れ、十分に撹拌した後、70℃に加温して重合し、ポリマー粒子(以下、「ポリマー粒子5」と記載することがある。)を含む分散液を得た。固形分濃度から求めた重合転化率はほぼ99%であった。得られたポリマー粒子5の体積平均粒径は0.1μm、アニオン性基はカルボキシル基、ポリマー粒子5中のアニオン性基の含有割合はアニオン性基を有する単量体(メタクリル酸)の含有割合で3%、ガラス転移温度は−10℃、室温25℃での弾性率は5MPaであった。
スズ粉末50部と実施例1で得られたポリマー粒子1を50部とをN−メチルピロリドン200部を用いてスラリーを得た。前記スラリーを流動型造粒装置を用いてスプレーコーティングすることにより複合粒子を作製した。その後、複合粒子を500℃で24時間熱処理することにより核部を取り除き中空粒子を得た。
Claims (9)
- ポリマーからなるコア部と、活物質としての金属層のシェル部とからなるコア・シェル構造を有する複合粒子からなり、前記金属層が少なくともリチウムと合金を形成可能な金属元素あるいは半金属元素を含む金属めっきにより形成されてなるリチウムイオン二次電池用負極活物質。
- 前記金属層が、少なくとも、無電解めっきにより形成された金属層a1及び、電解めっきにより形成された金属層a2を、コア部側からこの順に有する請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用負極活物質。
- 前記ポリマーのガラス転移温度が、−70℃以上80℃以下である請求項1又は2に記載のリチウムイオン二次電池用負極活物質。
- 前記ポリマーの25℃での弾性率が、10MPa以上1000MPa以下である請求項1〜3のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池用負極活物質。
- 前記ポリマーが、カチオン性基又はアニオン性基を有するものである請求項1〜4のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池用負極活物質。
- 請求項1〜5のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池用負極活物質、バインダー及び分散媒を含んでなるリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物。
- さらに、グラファイトを含んでなる請求項6に記載のリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物。
- 請求項6又は7に記載のリチウムイオン二次電池用負極用スラリー組成物を集電体に塗布し、乾燥してなるリチウムイオン二次電池用負極。
- 正極、負極、および電解液を備え、前記負極が請求項8に記載のリチウムイオン二次電池用負極であるリチウムイオン二次電池。
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