JP5050349B2 - 負極およびそれを用いた電池 - Google Patents
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Description
まず、負極活物質として、破壊強度の大きいメソフェーズ黒鉛小球体(以下、黒鉛1という。)と、破壊強度が30MPa以下の範囲の黒鉛材料(以下、黒鉛2という。)を用いた。表1に、黒鉛1および黒鉛2の平均粒径(μm)、比表面積(m2/g)、破壊強度(MPa)、放電容量(mAh/g)を比較した結果を示す。
まず、各黒鉛粉末90質量%と結着剤であるポリフッ化ビニリデン10質量%とを混合して負極合剤を調製した。次いで、この負極合剤を溶剤であるN−メチル−2−ピロリドンに分散させてペースト状の負極合剤スラリーとし、厚み15μmの帯状銅箔よりなる負極集電体に塗布して乾燥させることにより負極を作製した。
図4に示すように、円筒缶電池は、ほぼ中空円柱状の電池缶31の内部に、前記コインセルと同様組成の帯状の正極41と負極42とが、厚み25μmの微多孔性ポリエチレン延伸フィルムよりなるセパレータ43を介して巻回された巻回電極体40を有している。 巻回電極体40は、セパレータ、負極、セパレータ、正極の順に積層してから多数回巻回することにより形成される外径17mmのジェリーロール型の巻回電極体とした。電池缶31は、ニッケル(Ni)のめっきがされた鉄(Fe)により構成されており、一端部が閉鎖され他端部が開放されている。電池缶11の内部には、巻回電極体40を挟むように巻回周面に対して垂直に一対の絶縁板32,33がそれぞれ配置されている。
実施例1−1では、前記黒鉛1と黒鉛2とを重量比95:5となるように混ぜ合わせた。バインダには、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)を全固形分の5wt%で用いた。ここで、全固形分とは、負極において集電体を除いた部分を指す。電極のプレスは、面圧2100kgf/cm2で、プレス温度130℃にてプレスした。その結果、表2に示すように、作製した電極の黒鉛系活物質、バインダ、炭素系導電材量から計算される負極塗膜の体積密度は1.82g/cm3となった。また、コインセルの初回放電容量は10.2mAhとなり、1C/1Cサイクル(1Cの定電流で電池電圧が4.2Vとなるまで充電を行い、さらに4.2Vの定電圧充電を、充電開始からの合計充電時間が3時間となるまで行い、そののち、電池電圧が3.0Vになるまで1Cの定電流放電を行う)での100サイクル後の放電容量維持率は92.5%と高いサイクル特性を示した。また、円筒缶電池の場合は、2240mAhの初回放電容量が得られた。
実施例1−2では、前記黒鉛1と黒鉛2とが、重量比80:20となるように混ぜ合わせ、その他は実施例1−1と同様にして評価を行った。その結果、表2に示すように、プレス後の体積密度は1.86g/cm3となった。初回放電容量は10.3mAhとなり、1C/1Cサイクルでの100サイクル後の放電容量維持率は91.8%と高いサイクル特性を示した。また、円筒缶電池の場合は、2200mAhの初回放電容量が得られた。
実施例1−3では、前記黒鉛1と黒鉛2とが、重量比70:30となるように混ぜ合わせ、その他は実施例1−1と同様の評価を行った。その結果、表2に示すように、プレス後の体積密度は1.88g/cm3となった。初回放電容量は10.1mAhとなり、1C/1Cサイクルでの100サイクル後の放電容量維持率は90.3%と高いサイクル特性を示した。また、円筒缶電池の場合は、2229mAhの初回放電容量が得られた。
実施例1−4では、前記黒鉛1と黒鉛2とを重量比70:30となるように混ぜ合わせ、評価を行った。このときのプレス温度は120℃とし、プレス後の体積密度は1.86g/cm3となった。その結果、表2に示すように、初回放電容量は10.1mAhとなり、1C/1Cサイクルでの100サイクル後の放電容量維持率は94.5%と高いサイクル特性を示した。また、実施例1−1と同様に円筒缶電池を作製し、放電特性を測定すると2220mAhの初回放電容量が得られた。
前記黒鉛1と黒鉛2とを重量比100:0となるように混ぜ合わせ、実施例1−1と同様の評価を行った。その結果、表2に示すように、プレス後の体積密度は1.78g/cm3と低い値を示した。また、円筒缶電池の初回放電容量も2174mAh程度と実施例1−4に比べて低く、従来の電池容量レベルであり、特に新規的な高容量の電池は実現できないことが分かった。
前記黒鉛1と黒鉛2とを重量比98:2となるように混ぜ合わせ、実施例1−1と同様の評価を行った。その結果、プレス後の体積密度は1.78g/cm3と低い値を示した。また、円筒缶電池の初回放電容量も2174mAh程度と実施例1−4に比べて低く、従来の電池容量レベルであり、特に新規的な高容量電池は実現できないことが分かった。
前記黒鉛1と黒鉛2とを重量比60:40となるように混ぜ合わせ、実施例1−1と同様の評価を行った。その結果、表2に示すように、プレス後の体積密度は1.89g/cm3となった。コインセルの初回放電容量は8.9mAhと低く、1C/1Cサイクルでの100サイクル後の放電容量維持率は68.7%と低いサイクル特性を示すことが分かった。
前記黒鉛1と黒鉛2とを重量比0:100となるように混ぜ合わせ、実施例1−1と同様の評価を行った。その結果、表2に示すように、プレス後の体積密度は1.91g/cm3となった。コインセルの初回放電容量は7.7mAhと低く、1C/1Cサイクルでの100サイクル後の放電容量維持率は26.8%と低いサイクル特性を示した。
前記黒鉛1と黒鉛2とを重量比95:5となるように混ぜ合わせ、バインダとしてゴム系のSBRを用い、プレス温度以外は実施例1−1と同様にして評価を行った。その結果、表2に示すように、プレス後の体積密度は1.60g/cm3と低い値を示した。また、円筒缶電池の初回放電容量も2080mAh程度となり、実施例1−4に比べて低く、従来の電池容量レベルであり、特に新規的な高容量電池は実現できないことが分かった。
まず、破壊強度の大きいメソフェーズ黒鉛小球体(黒鉛1)として、メソフェーズ系A、メソフェーズ系B、メソフェーズ系Cを用い、破壊強度が30MPa以下の範囲の黒鉛材料(黒鉛2)として、人造黒鉛A、人造黒鉛B、天然黒鉛を用いた。表3に、黒鉛1および黒鉛2の平均粒径(μm)、比表面積(m2/g)、破壊強度(MPa)、放電容量(mAh/g)を比較した結果を示す。
まず、各黒鉛粉末90質量%と結着剤であるポリフッ化ビニリデン10質量%とを混合して負極合剤を調製した。次いで、この負極合剤を溶剤であるN−メチル−2−ピロリドンに分散させてペースト状の負極合剤スラリーとし、厚み15μmの帯状銅箔よりなる負極集電体に塗布して乾燥させることにより負極を作製した。
実施例2−1として、メソフェーズ系Aの黒鉛1と人造黒鉛Aの黒鉛2とを重量比80:20となるように混ぜ合わせた。バインダにはPVdF(ポリフッ化ビニリデン)を全固形分の5wt%で用いた。電極のプレスは、面圧2100kgf/cm2でプレス温度130℃にてプレスした。その結果、表4に示すように、作製した電極の黒鉛系活物質、バインダ、炭素系導電材量から計算される負極塗膜の体積密度は1.86g/cm3となった。また、コインセルの初回放電容量は10.1mAhとなり、1C/1Cサイクルでの100サイクル後の放電容量維持率は91.6%と高いサイクル特性を示した。
前記メソフェーズ系Bの黒鉛1と人造黒鉛Aの黒鉛2とを重量比80:20となるように混ぜ合わせ、実施例2−1と同様の評価を行った。その結果、表4に示すように、プレス後の体積密度は1.88g/cm3となった。また、初回放電容量は10.3mAhとなり、1C/1Cサイクルでの100サイクル後の放電容量維持率は92.3%と高いサイクル特性を示した。
前記メソフェーズ系Cの黒鉛1と人造黒鉛Aの黒鉛2とを重量比80:20となるように混ぜ合わせ、実施例2−1と同様の評価を行った。その結果、表4に示すように、プレス後の体積密度は1.88g/cm3となった。また、初回放電容量は10.6mAhとなり、1C/1Cサイクルでの100サイクル後の放電容量維持率は91.8%と高いサイクル特性を示した。
前記メソフェーズ系Aの黒鉛1と人造黒鉛Bの黒鉛2とを重量比80:20となるように混ぜ合わせ、実施例2−1と同様の評価を行った。その結果、表4に示すように、プレス後の体積密度は1.86g/cm3となった。また、初回放電容量は10.4mAhとなり、1C/1Cサイクルでの100サイクル後の放電容量維持率は91.5%と高いサイクル特性を示した。
前記メソフェーズ系Aの黒鉛1と天然黒鉛の黒鉛2とを重量比80:20となるように混ぜ合わせ、実施例2−1と同様の評価を行った。その結果、表4に示すように、プレス後の体積密度は1.87g/cm3となった。また、初回放電容量は10.6mAhとなり、1C/1Cサイクルでの100サイクル後の放電容量維持率は90.1%と高いサイクル特性を示した。
Claims (4)
- 負極集電体と、
この負極集電体に設けられた、体積密度が、1.80g/cm 3 以上の範囲である負極活物質層と、を有し、
前記負極活物質層は、
圧縮破壊強度が80MPa以上の範囲であるメソフェーズ黒鉛小球体と、
圧縮破壊強度が30MPa以下の範囲の球状黒鉛若しくは鱗片状黒鉛である黒鉛材料と、
フッ素系高分子バインダ樹脂を含有する結着剤と、からなり、
前記メソフェーズ黒鉛小球体と前記黒鉛材料との混合比が重量比で70:30〜95:5であること
を特徴とする負極。 - 前記黒鉛材料の圧縮破壊強度が、8MPa以下の範囲であること
を特徴とする請求項1に記載の負極。 - 正極および負極と共に電解質を備えた電池であって、
前記負極は、負極集電体と、この負極集電体に設けられた、体積密度が1.80g/cm 3 以上の範囲である負極活物質層とを有し、
前記負極活物質層は、
圧縮破壊強度が80MPa以上の範囲であるメソフェーズ黒鉛小球体と、
圧縮破壊強度が30MPa以下の範囲の球状黒鉛若しくは鱗片状黒鉛である黒鉛材料と、
フッ素系高分子バインダ樹脂を含有する結着剤と、からなり、
前記メソフェーズ黒鉛小球体と前記黒鉛材料との混合比が重量比で70:30〜95:5であること
を特徴とする電池。 - 前記黒鉛材料の圧縮破壊強度が、8MPa以下の範囲であること
を特徴とする請求項3に記載の電池。
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