JP5473476B2 - リチウムイオン二次電池およびリチウムイオン二次電池用の電極 - Google Patents
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Description
近年では、電力貯蔵用や電気自動車といった大型のリチウムイオン二次電池の開発も行われており、単位体積あたりの高容量化が求められている。
セパレーターを挟んで正極および負極を有し、
前記正極および前記負極のどちらか一方または両方の電極合材層中に無機固体電解質粒子を含み、
セパレーター側から集電体側へ厚さtまでの前記無機固体電解質粒子の含有質量パーセントm1(%)よりも集電体側からセパレーター側へ厚さtまでの前記無機固体電解質粒子の含有質量パーセントm2(%)の方が多いことを特徴とするリチウムイオン二次電池。
ただし電極合材層の厚さをTとする時、t=T/2である。
(構成2)
前記m1の前記m2に対する比m1/m2が4/5以下である構成1に記載のリチウムイオン二次電池。
(構成3)
前記電極合材層において、単位体積あたりの前記無機固体電解質粒子の含有質量は集電体側からセパレーター側へ段階的にまたは連続的に減少している構成1または2に記載のリチウムイオン二次電池。
(構成4)
前記電極合材層の厚さが100μm以上であることを特徴とする構成1から3のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池。
(構成5)
前記電極合材層は無機固体電解質粒子を含む層と無機固体電解質層を含まない層が積層されており、前記無機固体電解質を含まない層がセパレーター側に積層されていることを特徴とする構成1から4のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池。
(構成6)
無機固体電解質粒子を含む層の厚さは10〜150μmの範囲である構成5に記載のリチウムイオン二次電池。
(構成7)
無機固体電解質粒子を含まない層の厚さは20〜150μmの範囲である構成5または6に記載のリチウムイオン二次電池。
(構成8)
前記電極合材層は集電体に支持されており、前記集電体は多孔性材料からなる構成1から7のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池。
(構成9)
前記集電体の空隙率が10%〜60%である構成8に記載のリチウムイオン二次電池。
(構成10)
前記無機固体電解質粒子の平均粒子径は0.01〜1μmの範囲である構成1から9のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池。
(構成11)
前記無機固体電解質粒子はLi1+x+y(Al,Ga)x(Ti,Ge)2−xSiyP3−yO12(ただし、0≦x≦1、0≦y≦1)の結晶を含有することを特徴とする構成1から10のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池。
(構成12)
前記無機固体電解質粒子は、ガラスセラミックスであることを特徴とする構成1から11のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池。
(構成13)
電極合材層と集電体が積層されており、前記電極合材層中に無機固体電解質粒子を含み、
反集電体側から集電体側へ厚さtまでの前記無機固体電解質粒子の含有質量m1よりも集電体側から反集電体側へ厚さtまでの前記無機固体電解質粒子の含有質量m2の方が多いことを特徴とするリチウムイオン二次電池用の電極。
(構成14)
前記m1の前記m2に対する比m1/m2が4/5以下である構成13に記載のリチウムイオン二次電池用の電極。
(構成15)
前記電極合材層において、単位体積あたりの前記無機固体電解質粒子の含有質量は集電体側から反集電体側へ段階的にまたは連続的に減少している構成13または14に記載のリチウムイオン二次電池用の電極。
(構成16)
前記電極合材層の厚さが100μm以上であることを特徴とする構成13から15のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池用の電極。
(構成17)
前記電極合材層は無機固体電解質粒子を含む層と無機固体電解質層を含まない層が積層されていることを特徴とする構成13から16のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池用の電極。
(構成18)
無機固体電解質粒子を含む層の厚さは10〜150μmの範囲である構成17に記載のリチウムイオン二次電池用の電極。
(構成19)
無機固体電解質粒子を含まない層の厚さは20〜150μmの範囲である構成17または18に記載のリチウムイオン二次電池用の電極。
(構成20)
前記集電体は多孔性材料からなる構成13から19のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池用の電極。
(構成21)
前記集電体の表面開口率が10%〜60%である構成13から20のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池用の電極。
(構成22)
前記無機固体電解質粒子の平均粒子径は0.01〜1μm以下の範囲である構成13から21のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池用の電極。
(構成23)
前記無機固体電解質粒子はLi1+x+y(Al,Ga)x(Ti,Ge)2−xSiyP3−yO12(ただし、0≦x≦1、0≦y≦1)の結晶を含有することを特徴とする構成13から22のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池用の電極。
(構成24)
前記無機固体電解質粒子は、リチウム複合酸化物ガラスセラミックスであることを特徴とする構成13から23のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池用の電極。
ガラス。
ここで、tは電極合材層の厚さをTとする時、t=T/2となる厚さである。また、前記無機固体電解質粒子の含有質量パーセントとは厚さtの電極合材層全体の質量に対する無機固体電解質粒子の質量の百分率をいう。
このとき 無機固体電解質粒子を含む層の厚さは10〜150μmの範囲であることが好ましく、15〜130μmの範囲であることがより好ましく、20〜120μmの範囲であることが最も好ましい。
無機固体電解質粒子を含まない層の厚さは20〜150μmの範囲であることが好ましく、25〜110μmの範囲であることがより好ましく、30〜100μmの範囲であることが最も好ましい。
さらに無機固体電解質粒子を含む電極合材層において、この電極合材層中のリチウムイオン伝導性の無機固体電解質粉末の含有量の上限は、無機固体電解質粒子を含む電極合材層全体の質量に対して0.2〜8wt%が好ましく、0.3〜5wt%がより好ましく、0.4〜3wt%が最も好ましい。
リチウムイオン伝導性の無機固体電解質粉末の平均粒子径の下限は、電極内への分散、電極材料同士の結着性を良好とし易くするため0.01μm以上が好ましく、0.03μm以上がより好ましく、0.05μm以上が最も好ましい。
前記平均粒子径はレーザー回折法によって測定した時のD50(累積50%径)の値であり、具体的には日機装株式会社製の粒度分析計マイクロトラックMT3300EXIIまたはベックマン・コールター社製サブミクロン粒子アナライザーN5によって測定した値を用いることができる。なお、前記平均粒子径は体積基準で表わした値である。
空隙率(%)=(真密度−嵩密度)/真密度×100
ここで、真密度とはアルキメデス法等の既知の方法で測定できる物質そのものの密度である。これに対し、嵩密度とは物体の重さを見掛けの体積で割った密度であり、物体の表面の孔や内部の空孔も含まれている密度である。測定方法としては、測定しやすい形状(角型や円柱状)に加工した試料の重さと体積を測定し、重さ/体積で求めることができる。
Li2O 10〜25%、および
Al2O3+Ga2O3 0.5〜15%、および
TiO2+GeO2 25〜50%、および
SiO2 0〜15%、および
P2O5 26〜40%
の各成分を含有するガラスを溶融、急冷することでガラスを得たのち、このガラスを熱処理し、結晶を析出させることによって得ることができる。
前記有機溶媒としては、エステル系、エーテル系、カーボネート系、又はケトン系溶媒等を使用することができる。
前記リチウム塩としてはLiPF6、LiBF4、LiClO4、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2、又はLiC(SO2CF3)3等を使用することができる。
導電助剤としてはアセチレンブラック等の炭素系材料やその他公知の材料を用いることが出来る。
結着剤としては、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)等のフッ素樹脂やその他公知の材料を用いることが出来る。
結着剤としては、PVDF等のフッ素樹脂やその他公知の材料を用いることが出来る。
また、上記のドクターブレード法の他、カレンダ法、スピンコートやディップコーティング等の塗布法、印刷法、ダイコーター法、スプレー法等で薄板状に成形しても良い。
原料としてH3PO4、Al(PO3)3、Li2CO3、SiO2、TiO2を使用し、これらを酸化物換算のmol%でP2O5を35.0%、Al2O3を7.5%、Li2Oを15.0%、TiO2を38.0%、SiO2を4.5%といった組成になるように秤量して均一に混合した後に、白金ポットに入れ、電気炉中1500℃でガラス融液を撹拌しながら4時間加熱熔解した。その後、ガラス融液を流水中に滴下させることにより、フレーク状のガラスを得、このガラスを950℃で12時間の熱処理により結晶化を行うことにより、目的のガラスセラミックスを得た。析出した結晶相は粉末X線回折法により、Li1+x+yAlxTi2−xSiyP3−yO12(0≦x≦0.4、0<y≦0.6)が主結晶相であることが確認された。また、このガラスセラミックスのイオン伝導度は1×10−3S/cm程度であった。
1)正極の作製
正極活物としてLiCoO2を90wt%、導電助材としてアセチレンブラックを5wt%、結着材としてPVDFを5wt%を混合し、NMP(N−メチルピロリドン)を加えてペーストAを調整した。
次に正極活物質LiCoO2を90wt%、導電助材としてアセチレンブラック4wt%、PVDF4wt%、ガラスセラミックスを2wt%混合し、NMP(N−メチルピロリドン)を加えてペーストBを調整した。
ペーストBを厚さ20μmのAl箔集電体に塗布し、100℃で乾燥させ、プレスしてペーストBからなる電極合材層の厚さを50μmとした。
その後、ペーストBからなる電極合材層上にペーストAを塗布し、100℃で乾燥させ、プレスした。ペーストB及びAからなる電極合材層の厚さは、125μmであった。
電極断面のSEM観察を行ったところ、ペーストBから形成した層の厚さは50μm、ペーストAから形成した層の厚さは75μmであった。
この電極を50mm角に裁断して正極を作製した。ここで、LiCoO2の平均粒子径は8μmのものを用いた。
この時、m1は0%であり、m2は1.6%であるので、m1/m2の値は0である。
2)負極の作製
負極集電体として厚さ18μmのCu箔を使用した。活物質としてグラファイト95wt%と結着材としてPVDF5wt%を混合して、NMPを加えてペースト状に調製した。このペーストを負極集電体に均一に塗布し、100℃で乾燥させた。その後、プレスして電極合材層の厚さを90μmとし、52mm角に裁断して負極を作製した。ここでグラファイトの平均粒子径は15μmのものを用いた。
3)電池の作製
上記1)、2)で得られた正極と負極を、54mm角に裁断した厚さ25μmのポリプロピレン製微細多孔膜を介して積層、捲回し、電極体を作製した。金属ラミネート樹脂フィルムケースに収納した。その後、非水電解質(EC(エチレンカーボネート):DEC(ジエチルカーボネート)=1:1体積比、LiPF6(6フッ化リン酸リチウム):前記非水電解質濃度として1mol/L)をケースに0.6cc注液し、密封溶着して電池を作製した。
正極活物としてLiCoO2を90wt%、導電助材としてアセチレンブラックを4.8wt%、結着材としてPVDFを5wt%、ガラスセラミックス0.2wt%を混合し、NMPを加えてペーストCを調整した。
実施例1で作製したペーストBを厚さ20μmのAl箔集電体に塗布し、100℃で乾燥させ、プレスしてペーストBからなる電極合材層厚さを50μmとした。
その後、ペーストBからなる電極合材層上にペーストCを塗布し、100℃で乾燥させプレスしてペーストBおよびCからなる電極合材層の厚さを70μmとした。
その後さらにペーストCからなる電極合材層上にペーストAを塗布し、100℃で乾燥させてプレスした。ペーストB、C、及びAからなる電極合材層の厚さは145μmであった。電極断面のSEM観察を行ったところ、ペーストBから形成した層の厚さは50μm、ペーストCから形成した層の厚さは20μm、ペーストAから形成した層の厚さは75μmであった。
この電極を50mm角に裁断して正極を作製した。
この時、m1は0%であり、m2は1.4%であるので、m1/m2の値は0である。
負極は実施例1と同様に作製したものを用いて、実施例1と同様に電池を作製した。
実施例1で作製したペーストBを厚さ20μmのAl箔集電体に塗布し、100℃で乾燥させ、プレスしてペーストBからなる電極合材層厚さを80μmとした。
その後、ペーストBからなる電極合材層上にペーストCを塗布し、100℃で乾燥させプレスしてペーストBおよびCからなる電極合材層の厚さを135μmとした。
この電極を50mm角に裁断して正極を作製した。
電極断面のSEM観察を行ったところ、ペーストBから形成した層の厚さは80μm、ペーストCから形成した層の厚さは55μmであった。
この時、m1は0.5%であり、m2は2.0%であるので、m1/m2の値は0.25である。
負極は実施例1と同様に作製したものを用いて、実施例1と同様に電池を作製した。
集電体として厚さ34μmのパンチングメタルAl箔(開口率40%)を用いること以外は、実施例2と同様に正極を作製した。
負極は実施例1と同様に作製したものを用いて、実施例1と同様に電池を作製した。
1)正極の作製
実施例1で作製したペーストAをAl箔に塗布し、乾燥した。この電極合材層の厚さは135μmであった。
負極は実施例1と同様に作製したものを用いて、実施例1と同様に電池を作製した。
2サイクル目の放電容量/正極の理論容量から設計した容量=容量発揮率と2サイクル目に対する50サイクル目の容量維持率は下記の様になった。
Claims (12)
- セパレーターを挟んで正極および負極を有し、
前記正極および前記負極のどちらか一方または両方の電極合材層中に無機固体電解質粒子を含み、
セパレーター側から集電体側へ厚さtまでの前記無機固体電解質粒子の含有質量パーセントm1(%)よりも集電体側からセパレーター側へ厚さtまでの前記無機固体電解質粒子の含有質量パーセントm2(%)の方が多く、電池パッケージ内部にはリチウムイオン伝導性の非水系電解液、イオン性液体、またはこれらの混合液体が保持されていることを特徴とするリチウムイオン二次電池。
ただし電極合材層の厚さをTとする時、t=T/2である。 - 前記m1の前記m2に対する比m1/m2が4/5以下である請求項1に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記電極合材層において、単位体積あたりの前記無機固体電解質粒子の含有質量は集電体側からセパレーター側へ段階的にまたは連続的に減少している請求項1または2に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記電極合材層の厚さが100μm以上であることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記電極合材層は無機固体電解質粒子を含む層と無機固体電解質層を含まない層が積層されており、前記無機固体電解質を含まない層がセパレーター側に積層されていることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池。
- 無機固体電解質粒子を含む層の厚さは10〜150μmの範囲である請求項5に記載のリチウムイオン二次電池。
- 無機固体電解質粒子を含まない層の厚さは20〜150μmの範囲である請求項5または6に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記電極合材層は集電体に支持されており、前記集電体は多孔性材料からなる請求項1から7のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記集電体の空隙率が10%〜60%である請求項8に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記無機固体電解質粒子の平均粒子径は0.01〜1μmの範囲である請求項1から9のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記無機固体電解質粒子はLi1+x+y(Al,Ga)x(Ti,Ge)2−xSiyP3−yO12(ただし、0≦x≦1、0≦y≦1)の結晶を含有することを特徴とする請求項1から10のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記無機固体電解質粒子は、ガラスセラミックスであることを特徴とする請求項1から11のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池。
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