JP5035650B2 - リチウム二次電池及びその製造方法 - Google Patents
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Description
また、本明細書において「負極活物質」とは、二次電池において電荷担体となる化学種(ここではリチウムイオン)を可逆的に吸蔵および放出(典型的には挿入および脱離)可能な負極側の物質をいう。
このように絶縁層の細孔モード径が負極活物質層の細孔モード径よりも大きく、またそれぞれの細孔モード径が上記範囲内にあることにより、負極層に好適な電荷担体(リチウムイオン)の移動経路が形成される。これにより、負極集電体と負極層(負極活物質層および絶縁層)との間において優れた導電パスが形成され、リチウム金属によるデンドライトの析出が抑制された、優れた導電性を有するリチウム二次電池を提供することができる。
また、他の好ましい一態様では、上記無機酸化物として、アルミナ(例えば、α−アルミナ粒子)、シリカおよびマグネシアからなる群より選択される少なくとも1種が使用される。
このような平均粒径を備える材料を用いて形成された負極層は、好適な細孔が層内に形成される。これにより、電荷担体(リチウムイオン)の移動が阻害されることなく、電極間で行われるリチウムイオンの移動がよりスムーズになり、その結果、内部抵抗の上昇が抑制された、優れた電池特性(ハイレート特性またはサイクル特性)を有するリチウム二次電池を提供することができる。
負極活物質層上に絶縁性フィラーを主成分とする絶縁層を形成することにより、負極集電体からの負極活物質層の剥落によって起こり得る内部短絡等が防止される。さらに、ここに開示される製造方法は、水銀ポロシメーターで測定される上記絶縁層における細孔比表面積(Sb:m2/g)と上記負極活物質層における細孔比表面積(Sa:m2/g)との比率(Sb/Sa)が、1.2≦(Sb/Sa)≦2.5を満たすように負極層を形成する。このように、負極活物質層の細孔比表面積に対する絶縁層の細孔比表面積の比率が上記範囲内にあることにより、電荷担体が移動する経路(導電経路)として好適な大きさの細孔を絶縁層内に形成することができる。そのため、絶縁層と負極活物質層の細孔中に含浸された電解液を介して負極集電体−絶縁層−負極活物質層間の電子移動を効率良く行うことができる。その結果、内部抵抗の上昇が抑制された、優れた電池特性(サイクル特性またはハイレート特性)、特に低温パルス充放電条件下において良好な低温サイクル特性を有するリチウム二次電池を製造する方法を提供することができる。
絶縁層の細孔の大きさが、負極活物質層の細孔の大きさよりも大きく、且つ負極活物質層および絶縁層の細孔モード径がそれぞれ上記範囲内に有するように負極層を形成することにより、負極層に好適な電荷担体(リチウムイオン)の移動経路が形成される。その結果、負極集電体−負極層(負極活物質層−絶縁層)との間において優れた導電パスが形成され、リチウム金属によるデンドライトの析出が抑制された、優れた導電性を有するリチウム二次電池を製造する方法が提供される。
また、好ましい他の一態様では、上記無機酸化物の好適例として、アルミナ(例えば、α−アルミナ粒子)、シリカおよびマグネシアからなる群より選択される少なくとも1種を使用する。
負極活物質層および絶縁層は、上記平均粒径を備える材料を用いることにより形成することができ、こうして形成された負極層は、好適な細孔が層中に形成される。これにより、電荷担体(リチウムイオン)の移動が阻害されることなく、電極間で行われるリチウムイオンがよりスムーズに吸蔵放出される。その結果、内部抵抗の上昇が抑制された、優れた電池特性(ハイレート特性またはサイクル特性)を有するリチウム二次電池を製造する方法を提供することができる。
例えば、水系溶媒を用いる場合においては、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ヒドロキシプロピルメチルセルロース(HPMC)等のセルロース系ポリマー;ポリビニルアルコール(PVA);ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)等のフッ素系樹脂;酢酸ビニル共重合体;スチレンブタジエンゴム(SBR)、アクリル酸変性SBR樹脂(SBR系ラテックス)等のゴム類;等の水溶性または水分散性ポリマーを好ましく採用することができる。
また、非水系溶媒を用いる場合においては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリ塩化ビニリデン(PVDC)等のポリマーを好ましく採用することができる。このような結着材は、一種を単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。なお、上記で例示したポリマー材料は、結着材としての機能の他に、増粘材その他の添加材としての機能を発揮する目的で使用されることもあり得る。
まず、負極活物質層は、負極活物質と上記例示した一種または二種以上の結着材を適当な溶媒に添加し、分散または溶解させて調製したペーストまたはスラリー状の負極活物質層形成用組成物を負極集電体に塗付し、乾燥させた後、圧縮する。これにより負極活物質層を負極集電体上に形成することができる。
なお、絶縁層を形成するために用いられる結着材としては、負極活物質層の形成に用いられる結着材と同一であってもよく異なってもよいが、両層に用いられる結着材が互いに異なる種類の結着材である態様がより好ましい。例えば、好ましい一態様としては、負極活物質層には水溶性(CMC等)の結着材および/または水分散性の結着材(SBR等)を使用し、絶縁層には有機溶媒に溶解可能な結着材(PVDF等)を用いることができる。これにより、電解液(典型的には非水電解液)に直接接触しない負極活物質層の耐水性および結着材の耐膨潤性が向上し、その結果、長期使用を実現し得る品質に優れたリチウム二次電池を提供することができる。
ここで開示される負極の対極となるリチウム二次電池の正極は、正極集電体の表面に形成された正極活物質を含む正極活物質層を有し、従来と同様の法により製造することができる。正極集電体としては、導電性の良好な金属からなる導電性部材が好ましく用いられる。例えば、アルミニウムまたはアルミニウムを主成分とする合金を用いることができる。正極集電体の形状は、リチウム二次電池の形状等に応じて異なり得るため、特に制限はなく、棒状、板状、シート状、箔状、メッシュ状等の種々の形態であり得る。
ここで、リチウムニッケル系複合酸化物とは、リチウム(Li)とニッケル(Ni)とを構成金属元素とする酸化物のほか、リチウムおよびニッケル以外に他の少なくとも一種の金属元素(すなわち、LiとNi以外の遷移金属元素および/または典型金属元素)を典型的にはニッケルよりも少ない割合(原子数換算。LiおよびNi以外の金属元素を二種以上含む場合にはそれらの合計量としてNiよりも少ない割合)で構成金属元素として含む酸化物をも包含する意味である。上記LiおよびNi以外の金属元素は、例えば、コバルト(Co),アルミニウム(Al),マンガン(Mn),クロム(Cr),鉄(Fe),バナジウム(V),マグネシウム(Mg),チタン(Ti),ジルコニウム(Zr),ニオブ(Nb),モリブデン(Mo),タングステン(W),銅(Cu),亜鉛(Zn),ガリウム(Ga),インジウム(In),スズ(Sn),ランタン(La)およびセリウム(Ce)からなる群から選択される一種または二種以上の金属元素であり得る。リチウムコバルト系複合酸化物およびリチウムマンガン系複合酸化物についても同様の意味である。なお、一般式がLiMPO4(MはCo、Ni、MnおよびFeのうちの少なくとも一種以上の元素;例えばLiFePO4、LiMnPO4)で表記されるオリビン型のリチウム含有リン酸化合物を上記正極活物質として用いてもよい。
また、正極及び負極とともに使用するセパレータとしては、従来と同様のセパレータを使用することができる。例えば、合成樹脂製(例えばポリエチレン等のポリオレフィン製)多孔質セパレータシートを好適に使用し得る。なお、電解質として固体電解質若しくはゲル状電解質を使用する場合には、セパレータが不要な場合(即ちこの場合には電解質自体がセパレータとして機能し得る。)があり得る。
また、ここで開示されるリチウム二次電池の負極が採用される限りにおいて、構築されるリチウム二次電池の形状(外形やサイズ)には特に制限はない。外装がラミネートフィルム等で構成される薄型シートタイプであってもよく、電池外装ケースが円筒形状や直方体形状の電池でもよく、或いは小型のボタン形状であってもよい。
図1および図2に示されるように、本実施形態に係るリチウム二次電池100は、直方体形状の角型の電池ケース10と、該ケース10の開口部12を塞ぐ蓋体14とを備える。この開口部12より電池ケース10内部に扁平形状の電極体(捲回電極体20)及び電解質を収容することができる。また、蓋体14には、外部接続用の正極端子38と負極端子48とが設けられており、それら端子38,48の一部は蓋体14の表面側に突出している。また、外部端子38,48の一部はケース内部で内部正極端子37または内部負極端子47にそれぞれ接続されている。
以下、実施例に係るリチウム二次電池の負極(負極シート)を作製した。すなわち、負極集電体の表面に負極層(負極活物質層および絶縁層)を形成するため、まず負極活物質層を形成した。負極活物質としての平均粒径(メジアン径)が10μmの天然黒鉛と、スチレンブタジエンゴム(SBR)と、カルボキシメチルセルロース(CMC)とを、これら材料の質量%比が98:1:1となるようにイオン交換水と混合して、負極活物質層形成用組成物を調製した。そして、負極集電体としての厚み約10μmの銅箔の両面に、かかる組成物の合計塗付量(固形分換算)が凡そ10mg/cm2となるように塗付した。そして、乾燥させた後、ローラプレス機にてシート状に引き伸ばして負極活物質層の厚さが約50μm(両面)になるように成形した。
次いで、負極活物質層上に絶縁層を形成した。すなわち、絶縁性フィラーとしての平均粒径(メジアン径)が1μmのアルミナ粒子と、結着材としてのポリフッ化ビニリデン(PVDF)とを、これら材料の質量比が96:4となるようにN−メチルピロリドン(NMP)と混合して、絶縁層形成用組成物を調製した。上記負極活物質層の表面全体を該組成物の合計塗付量(固形分換算)が凡そ0.5mg/cm2となるように塗布した。そして、乾燥させた後、ローラプレス機にてシート状に引き伸ばして絶縁層の厚さが約8μm(両面)になるように成形することにより、実施例に係る負極を作製した。
比較例に係るリチウム二次電池の負極(負極シート)を作製した。まず、上記実施例と同様の手順で負極集電体表面に負極活物質層を形成した。次いで、実施例と絶縁層形成用組成物の塗布量および絶縁層の厚さを変更し、以下の手順で負極活物質層上に絶縁層を形成した。すなわち、絶縁性フィラーとしての平均粒径(メジアン径)が1μmのアルミナ粒子と、結着材としてのポリフッ化ビニリデン(PVDF)とを、これら材料の質量比が96:4となるようにN−メチルピロリドン(NMP)と混合して、絶縁層形成用組成物を調製した。上記負極活物質層の表面全体を該組成物の合計塗付量(固形分換算)が凡そ0.75mg/cm2となるように塗布した。そして、乾燥させた後、ローラプレス機にてシート状に引き伸ばして絶縁層の厚さが約5μm(両面)になるように成形することにより、比較例に係る負極を作製した。
上記作製した負極について、水銀ポロシメーターで負極層(絶縁層および負極活物質層)の細孔分布をそれぞれ測定した。測定結果を図5に示す。また、図5の細孔分布から求めたモード径、メジアン径、細孔径および細孔比表面積の測定値を表1に示す。
他方、水銀ポロシメーターで測定した比較例の負極層の細孔分布は、負極活物質層の細孔径が凡そ0.13μm〜0.37μmの範囲内(メジアン径d10、d50、d90は、それぞれ0.33μm、0.23μm、0.16μm)にあることが推定され、絶縁層の細孔径が凡そ0.37μm〜2.2μmの範囲内(メジアン径d10、d50、d90は、それぞれ1.0μm、0.75μm、0.52μm)にあることが推定された。また、負極活物質層の細孔モード径は凡そ0.23μm、絶縁層の細孔モード径は凡そ0.70μmであった。
また、それぞれの細孔比表面積について注視すると、水銀ポロシメーターで測定される絶縁層における細孔比表面積(Sb:m2/g)と負極活物質層における細孔比表面積(Sa:m2/g)との比率(Sb/Sa)が、実施例の負極層は1.5488(絶縁層:負極活物質層が凡そ3:2)であり、他方比較例の負極層は0.9714(絶縁層:負極活物質層が凡そ1:1)であった。このことから、実施例の負極層は、絶縁層内の細孔比表面積が負極活物質層の細孔比表面積よりも大きい細孔比表面積を有する細孔が形成されていることが確認された。
次に、リチウム二次電池用の正極(正極シート)を作製した。すなわち、正極活物質としてのリチウム複合酸化物(LiNiO2)と、導電材としてのアセチレンブラックと、結着材としてのポリビニリデンフロライド(PVDF)とを、これら材料の質量%比が87:10:3となるようにイオン交換水と混合して、正極活物質層形成用ペーストを調製した。かかるペーストを、正極集電体としての厚み約10μmのシート状のアルミニウム箔の両面に、かかる組成物の合計塗付量(固形分換算)が凡そ6.5mg/cm2となるように塗付した。そして、乾燥させた後、ローラプレス機にてシート状に引き伸ばして正極活物質層の厚さが約60μm(両面)になるように成形し、乾燥させることにより正極を作製した。
次に、上記構築したリチウム二次電池の電池特性を評価する指標として、温度条件0℃でハイレートのパルス充放電によるサイクル試験をし、サイクル後の容量維持率を調べた。
まず、定電流定電圧(CC−CV)充電によって各電池をSOC60%の充電状態に調整した。その後、0℃の温度条件下にて、16〜25Cで10秒間の充放電サイクルを250サイクル繰り返した。なお、50サイクル毎に各電池をSOC60%の充電状態に調整した。そして、1サイクル目における電池容量に対する、250サイクル目における電池容量の割合を電池容量維持率として算出した。
従って、水銀ポロシメーターで測定される絶縁層における細孔比表面積(Sb:m2/g)と負極活物質層における細孔比表面積(Sa:m2/g)との比率(Sb/Sa)が1.5488の実施例の負極を用いた方が、上記比率(Sb/Sa)が0.9714の比較例の負極を用いたよりも、低温条件下のハイレートのパルス充放電によるサイクル後、高い容量維持率を保持することが示された。このことから、絶縁層と負極活物質層の細孔比表面積の比率は、容量維持率の向上に寄与し得ることが確認された。
図7に示されるように、容量維持率が96%を下回るところを限界電流密度とすると、上記比率が1.2以上を示す負極シートを用いたリチウム二次電池は、低温条件下のハイレートのパルス充放電によるサイクルでも容量維持率96%以上を保持することが確認された。
Claims (7)
- 負極集電体および該集電体の表面に形成された負極活物質を含む負極層を有する負極を備えるリチウム二次電池であって、
前記負極層は、負極活物質を主成分とする負極活物質層と、該負極活物質層上に形成された絶縁性フィラーを主成分とする絶縁層とにより構成されており、
水銀ポロシメーターで測定される前記絶縁層における細孔比表面積(Sb:m2/g)と前記負極活物質層における細孔比表面積(Sa:m2/g)との比率(Sb/Sa)が、1.2≦(Sb/Sa)≦2.5を満たし、且つ、
水銀ポロシメーターの測定に基づく前記負極層の細孔分布において、前記負極活物質層の細孔モード径が0.19μm〜0.21μmであり、前記絶縁層の細孔モード径が0.72μm〜0.75μmであることを特徴とする、リチウム二次電池。 - 前記負極活物質として、レーザ回折式粒度分布測定に基づく平均粒径(メジアン径)が1μm〜50μmの炭素材料が使用され、
前記絶縁性フィラーとして、レーザ回折式粒度分布測定に基づく平均粒径(メジアン径)が0.1μm〜15μmの無機酸化物が使用される、請求項1に記載のリチウム二次電池。 - 前記無機酸化物として、アルミナ、シリカおよびマグネシアからなる群より選択される少なくとも1種が使用される、請求項1または2に記載のリチウム二次電池。
- 負極集電体および該集電体の表面に負極活物質を含む負極層が形成された負極を備えるリチウム二次電池を製造する方法であって、
前記負極集電体の表面に負極活物質を主成分とする負極活物質層を付与し、該負極活物質層上に絶縁性フィラーを主成分とする絶縁層を付与することにより、該集電体上に該負極活物質層と該絶縁層とから成る負極層が形成された負極を調製することを包含し、
ここで、水銀ポロシメーターで測定される前記絶縁層における細孔比表面積(Sb:m2/g)と前記負極活物質層における細孔比表面積(Sa:m2/g)との比率(Sb/Sa)が、1.2≦(Sb/Sa)≦2.5を満たされるようにするとともに、
水銀ポロシメーターの測定に基づく前記負極層の細孔分布において、前記負極活物質層の細孔モード径が0.19μm〜0.21μmになるよう該負極活物質層を付与し、前記絶縁層の細孔モード径が0.72μm〜0.75μmになるように該絶縁層を付与することにより、前記負極層を形成することを特徴とする、製造方法。 - 前記負極活物質として、レーザ回折式粒度分布測定に基づく平均粒径(メジアン径)が0.5μm〜20μmの炭素材料を使用し、
前記絶縁性フィラーとして、レーザ回折式粒度分布測定に基づく平均粒径(メジアン径)が0.1μm〜5μmの無機酸化物を使用する、請求項4に記載の製造方法。 - 前記無機酸化物として、アルミナ、シリカおよびマグネシアからなる群より選択される少なくとも1種を使用する、請求項4または5に記載の製造方法。
- 請求項1〜3のいずれかに記載のリチウム二次電池を備える車両。
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