JP5510704B2 - 二次電池および該電池の製造方法 - Google Patents
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Description
この種のリチウム二次電池の典型的な構成では、電荷担体となる化学種を可逆的に吸蔵および放出し得る電極活物質を主成分とする電極活物質層(具体的には、正極活物質層および負極活物質層)が対応する電極集電体の上にそれぞれ形成された正極および負極を備える。例えば、リチウム二次電池の正極の場合、リチウム遷移金属複合酸化物等の正極活物質が、高導電性材料の粉末(導電材)および結着材等と適当な溶媒の中で混合されて調製される正極活物質層形成用のペースト状若しくはスラリー状或いはインク状の組成物(以下、この種の組成物を単に「ペースト」と呼称する。)が正極集電体に塗布されることにより正極活物質層が形成される。
特許文献1に記載の技術では、上記水性ペーストの混練工程において、材料の混練を段階的に行うことにより、正極活物質層の正極集電体に対する密着性を向上させている。また、特許文献2および3には、親水性処理あるいは表面改質した導電材を用いて成る正極用の水性ペーストが開示されている。さらに、特許文献4には、結着材として導電性高分子と水溶性高分子とを含む水性ペーストが開示されている。
即ち、上記目的を達成するべく、本発明により、正極活物質を主成分とする正極活物質層が正極集電体の表面に形成された二次電池の正極が提供される。ここで開示される正極は、所定のBET比表面積A(m2/g)を有する導電材と、該導電材の表面に付着して界面活性機能を有する少なくとも一種の結着材と、粉末状の正極活物質とが、水系溶媒に添加され混練されて成る水性ペーストが、正極集電体の表面に塗布されて形成された正極活物質層を備えており、上記正極活物質層に含まれる導電材のBET比表面積B(m2/g)が、上記水性ペースト調製前の導電材のBET比表面積A(m2/g)の40%以上60%以下を満たすことを特徴とする。
また、本明細書において「電極活物質」とは、二次電池において電荷担体となる化学種を可逆的に吸蔵および放出(典型的には挿入および脱離)可能な活物質をいう。
さらに、本明細書において「BET比表面積(m2/g)」とは、JIS K 1477による比表面積測定方法に準拠したBET法により求められる値をいう。
非親水性を示す導電材を含む水性ペーストを用いて正極活物質を高密度に含む電子伝導性に優れた正極活物質層を形成するには、水系溶媒中で凝集し易い導電材の含有率を少なくし(すなわち正極活物質の含有率を高く保持したまま)、且つ、導電材の水系溶媒に対する親和性を向上させる必要がある。そこで、本発明は、界面活性機能を有する結着材が所定の割合で導電材の表面に被覆(付着)すると導電材の水系溶媒に対する親和性が向上され、正極活物質層の導電性が向上することに注目した。すなわち、本発明に係る正極は、正極活物質層に含まれる導電材のBET比表面積B(m2/g)が、水性ペースト調製前の導電材のBET比表面積A(m2/g)の40%以上60%以下を満たしている。換言すると、上記正極活物質層には、結着材が付着してない部分の割合(残存率)が、40%以上60%以下を満たす導電材が含まれていることにより、導電材の水系溶媒に対する親和性が向上され、より少ない導電材と結着材を含む水性ペーストが用いられて形成された、優れた電子伝導性を有する正極活物質層を備える。その結果、良好な電池特性(例えば、サイクル特性またはハイレート特性)を示す二次電池の正極を提供することができる。
正極活物質層に含まれる導電材のBET比表面積B(m2/g)が水性ペースト調整前の導電材のBET比表面積A(m2/g)の45%以上55%以下を満たす(換言すると、正極活物質層に結着材が付着してない部分の割合(残存率)が、45%以上55%以下を満たす導電材が含まれている)ことにより、正極活物質層は高い電子伝導性を有する。これにより、該正極活物質層が形成された正極を備える二次電池は、内部抵抗の上昇が抑制された優れた電池特性(電池容量、サイクル特性またはハイレート特性)を有する電池となり得る。したがって、車載電源用として好適な二次電池の正極を提供することができる。
カーボン粒子等の炭素粉末材料は非親水性のため水系溶媒中で凝集し易いが、上記結着材が表面に被覆されると、水系溶媒に対する親和性が向上し凝集し難くなる。導電材が凝集することなく分散された水性ペーストを用いて形成された正極活物質層は、優れた電子伝導性を有する。その結果、車載電源用として好適な二次電池の正極を提供することができる。
BET比表面積A(m2/g)がかかる範囲を満たす導電材は、結着材によって表面が所定の割合で覆われると水系溶媒に対する親和性が向上し凝集し難くなる。すなわち、導電材が凝集することなく十分に分散された状態(導電材の表面に結着材が被覆した状態)の水性ペーストを調製することができる。調製した水性ペーストが正極集電体に塗布され形成された正極活物質層は、良好な導電性を有する。これにより、該正極活物質層が形成された正極を備える二次電池は、内部抵抗の上昇が抑制された優れた電池特性(電池容量、サイクル特性またはハイレート特性)を有する電池となり得る。
結着材として好ましい水溶性セルロース系結着材およびエーテル系結着材は、水系溶媒に溶解するポリマーであって、溶解して混練することによって粘性を有する。そのため、凝集しがちである導電材の分散性を高め、該導電材の表面にコーティングするように被覆して界面活性機能を発揮する。これにより、導電材の水系溶媒に対する親和性が向上し、導電材と結着材の含有量がより少なく(即ち、正極活物質の含有率が高く)調製された水性ペーストで正極活物質層を形成することができる。その結果、高い電子伝導性を有する正極活物質層を備える二次電池の正極を提供することができる。
正極活物質の含有率が高く、電子伝導性に優れた正極活物質層を形成することにより、二次電池の高出力化、長寿命化が実現される。しかしながら、非親水性である導電材を含む水性ペーストを調製する際、導電材同士が凝集すると高い電子伝導性を有する正極活物質層を形成することができないため、導電材の水系溶媒に対する親和性を向上させる必要がある。そこで、本発明者は、界面活性機能を有する結着材が所定の割合で導電材の表面に被覆(付着)すると導電材の水系溶媒に対する親和性が向上し、該ペーストを用いて形成した正極活物質層の電子伝導性が向上することに注目した。
すなわち、ここに開示される方法は、正極活物質層に含まれる導電材のBET比表面積B(m2/g)が水性ペースト調製前の当該導電材のBET比表面積A(m2/g)の40%以上60%以下となるように水性ペーストを調製し、該ペーストを正極集電体の表面に塗布し形成した正極活物質層を備える正極を用いて二次電池を構築する。これにより、正極活物質層の電子伝導性が高められた良好な電池特性(例えば、サイクル特性またはハイレート特性)を有する二次電池を製造することができる。
正極活物質層に含まれる導電材のBET比表面積B(m2/g)が、ペースト調製前の導電材のBET比表面積A(m2/g)の45%以上55%以下となるように(換言すると、導電材の表面において上記結着材が付着してない部分の割合(残存率)が、45%以上55%以下になるように)水性ペーストを調製することにより、導電材の水系溶媒に対する親和性がより一層向上された状態が構成される。その結果、該ペーストを用いて形成した正極活物質層は高い導電性を有し、内部抵抗の上昇が抑制された二次電池を製造することができる。
ここに開示される製造方法は、正極活物質層に含まれる導電材のBET比表面積B(m2/g)が上記範囲を備える正極を用いて二次電池を構築することにより特徴付けられる。したがって、水性ペーストの調製において、まず、導電材を、界面活性機能を有する少なくとも一種の結着材と水系溶媒とで混練して一次混練物を調製することにより、確実に導電材の表面に対して結着材を被覆させ、次いで、調製した一次混練物に正極活物質を添加して、さらに混練する。これにより、該結着材で被覆された導電材と正極活物質とが接着(付着)するため、良好な電子導電性を有する正極活物質層を形成し得る水性ペーストを調製することができる。
以下、ここに開示される二次電池の好適な実施形態の一つとして、捲回電極体を備えるリチウム二次電池(リチウムイオン電池)を例にして正極および該正極の製造方法を詳細に説明するが、本発明をかかる実施形態に限定することを意図したものではない。また、負極の構成、電解質、電池ケース等は公知のものを特に限定することなく用いることができる。例えば、電池ケースは直方体状、扁平形状等の形状であり得、電解質の構成材料は、用途(典型的には車載用)によって適切に変更することができる。
なお、以下の図面において、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付し、重複する説明は省略又は簡略化することがある。また、各図における寸法関係(長さ、幅、厚さ等)は実際の寸法関係を反映するものではない。
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。また、電池ケース10内部には、上記開口部12より収容された扁平形状の捲回電極体20および電解質が配置されている。そして、上記蓋体14には、外部接続用の外部正極端子38と外部負極端子48とが設けられており、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。
なお、セパレータ50は、ここでは正極活物質層34および負極活物質層44の積層部分の幅より大きく、該電極体20の幅より小さい幅を備えるセパレータが用いられ、正極集電体32と負極集電体42が互いに接触して内部短絡を生じさせないように正極活物質層34および負極活物質層44の積層部分に挟まれるように配されている。
上記正極の基材となる正極集電体32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32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。本実施形態では、捲回電極体20を備えるリチウム二次電池100に好ましく使用され得る形状である、シート状の正極集電体32が用いられている。
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、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リン酸リチウムを上記正極活物質として用いてもよい。
ポリエーテル系結着材としては、ポリエチレンオキサイド(PEO)、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−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重含体(PFA)、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)、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)等のフッ素系樹脂等が挙げられる。これらのうち、セルロース系結着材では例えばCMCを、エーテル結着材では例えばPEOを特に好ましく使用し得る。なお、このようなポリマー材料は、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。
当該正極は、図3に示されるように、正極集電体32の表面に正極活物質層34を形成することより作製し得る。正極活物質層34の形成にあっては、まず、正極活物質層形成用の水性ペーストを調製する。そして、調製した水性ペーストを正極集電体32の表面に塗布することにより正極活物質層34を形成することができる。
ここで、上記の材料を含む水性ペーストを用いて高い電子伝導性を有する正極活物質層34を形成するには、非親水性の導電材の水系溶媒に対する親和性を向上されなければ、導電材が凝集してしまい、正極活物質層34の電子伝導性を高めることが困難となる。そこで、本実施形態では、導電性に優れた正極活物質層34を形成するため、界面活性機能を有する結着材を所定の割合で導電材の表面に被覆(付着)することにより、導電材の水系溶媒に対する親和性が向上させた水性ペーストを調製する。
かかる負極活物質層44は、負極活物質と結着材等とを適当な溶媒(水、有機溶媒およびこれらの混合溶媒)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組成物を負極集電体42に塗付し、溶媒を乾燥させて圧縮することにより好ましく作製され得る。
かかるセパレータ50の構成材料としては、樹脂からなる多孔性シート(微多孔質樹脂シート)を好ましく用いることができる。ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン等の多孔質ポリオレフィン系樹脂が特に好ましい。
以下のようにしてサンプルAに係るリチウム二次電池を構築した。
まず、サンプルAに係るリチウム二次電池の正極を作製した。すなわち、正極における正極活物質層を形成するにあたり正極活物質層形成用の水性ペーストを調製した。該ペーストは、正極活物質(ここではニッケル酸リチウム)88質量部に対して、導電材としてのBET比表面積A(m2/g)が40m2/gを有するアセチレンブラック(AB)10質量部と、カルボキシメチルセルロース(CMC)1質量部とを、イオン交換水85質量部を加えて均一に混合した。そして、さらに固形分率が80%のポリテトラフルオロエチレン(PTFE)/水懸濁液1.3質量部を加えて調製した。
次いで、正極集電体としてのアルミニウム箔(厚さ15μm)に単位面積あたりの正極活物質の被覆量が86mg/cm2になるように該正極活物質層形成用ペーストを正極集電体の両面に塗布し乾燥させた。乾燥後、ローラプレス機にてシート状に引き伸ばすことにより厚さ58μmに成形し、正極活物質層が所定の幅を有するようにスリットして正極シートを作成した。
そして、負極集電体としての銅箔(厚さ10μm)に単位面積あたりの負極活物質の被覆量が6.4mg/cm2になるように該負極ペーストを負極集電体の両面に塗布し乾燥させた。乾燥後、ローラプレス機にてシート状に引き伸ばすことにより厚さ57μmに成形し、負極活物質層が所定の幅を有するようにスリットして負極シートを作成した。
サンプルB〜Jに係るリチウム二次電池を以下のとおり構築した。
サンプルB〜Hに係るリチウム二次電池は、正極活物質層形成用の水性ペーストの調製に用いた材料(導電材および結着材の質量部、および該導電材のBET比表面積)を表1のように変更した以外は、上記サンプルAに係るリチウム二次電池と同様にサンプルB〜Hに係るリチウム二次電池を構築した。
また、サンプルIおよびJに係るリチウム二次電池は、正極活物質層形成用の水性ペーストの調製に用いた材料(導電材のBET比表面積と質量部、および結着材の質量部)を表1のように変更した。さらに、サンプルIおよびJに係るリチウム二次電池の上記水性ペーストを調製する際、まず、導電材と結着材とをイオン交換するに加えて均一に混練し、一次混練物を調製した。そして、該一次混練物に正極活物質を加え混練し、さらに固形分率が80%のポリテトラフルオロエチレン(PTFE)/水懸濁液1.3質量部を加えることにより、水性ペーストを調製した。それ以外の手順は、サンプルAに係るリチウム二次電池と同様にサンプルIおよびJに係るリチウム二次電池を構築した。
上記作製したサンプルA〜Jに係るリチウム二次電池の正極シートの正極活物質層から導電材を回収し、導電材のBET比表面積B(m2/g)を測定した。即ち、正極集電体から正極活物質層を剥離し、剥離した正極活物質層を水系溶媒に投入して正極活物質層から正極活物質と導電材とを分離し、遠心分離して上澄み部分から導電材を回収した。そして、回収した導電材のBET比表面積B(m2/g)をJIS K 1477による比表面積測定方法に準拠したBET法によりそれぞれ測定した。表2に正極活物質層から回収した導電材のBET比表面積B(m2/g)を示す。
また、調製前の導電材のBET比表面積A(m2/g)に対する回収した導電材のBET比表面積B(m2/g)の割合(B/A×100)を残存率(%)としてそれぞれ求めた。算出した残存率を表2に示す。
上記構築したサンプルA〜Jに係るリチウム二次電池の25℃における内部抵抗値を測定した。すなわち、25℃の温度条件下にて、5Aで4.1Vまで定電流充電した後、5Aで2.5Vまで定電流放電して電池容量を測定した。さらに、5Aで3.537Vまで充電し、電圧を一定としたまま電流を減衰させ100mAになるまで定電圧充電を行った。30分の休止後、20Aで定電流放電して4秒後の電圧を測定し、電池の内部抵抗を算出した。表2に電池抵抗の測定値を示す。また、上記算出した残存率と電池抵抗との関係を示すグラフを図4に示す。
これらの結果から明らかなように、正極活物質層に含まれる導電材のBET比表面積(残存率)が40%〜60%を示す正極(換言すると、該範囲を備える水性ペーストを用いて形成した正極活物質層を備える正極)を用いて構築した二次電池は、内部抵抗の上昇が抑制された電池となり得ることが示された。
10 電池ケース
12 開口部
14 蓋体
20 捲回電極体
30 正極シート
32 正極集電体
34 正極活物質層
35 正極集電体積層部
36 正極活物質層非形成部
37 正極集電端子
38 外部正極集電端子
40 負極シート
42 負極集電体
44 負極活物質層
45 負極集電体積層部
46 負極活物質層非形成部
47 負極集電端子
48 外部負極集電端子
50 セパレータ
100 リチウム二次電池
R 捲回軸方向
Claims (9)
- 正極活物質を主成分とする正極活物質層が正極集電体の表面に形成された二次電池の正極であって、
BET比表面積A(m 2 /g)が30≦A≦100である導電材と、該導電材の表面に付着して界面活性機能を有する少なくとも一種の結着材と、粉末状の正極活物質とが、水系溶媒に添加され混練されて成る水性ペーストが、正極集電体の表面に塗布されて形成された正極活物質層を備えており、
前記正極活物質層に含まれる導電材のBET比表面積B(m2/g)が、前記水性ペースト調製前の導電材のBET比表面積A(m2/g)の40%以上60%以下を満たしていることを特徴とする、正極。 - 前記正極活物質層に含まれる導電材のBET比表面積B(m2/g)が、前記水性ペースト調製前の導電材のBET比表面積A(m2/g)の45%以上55%以下を満たしている、請求項1に記載の正極。
- 前記導電材として、炭素粉末材料が使用される、請求項1または2に記載の正極。
- 前記結着材として、少なくとも一種の水溶性セルロース誘導体から成るセルロース系結着材及び/又は少なくとも一種のポリエーテルから成るポリエーテル系結着材が使用される、請求項1〜3のいずれかに記載の正極。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の正極を備える二次電池。
- 正極活物質を主成分とする正極活物質層が正極集電体の表面に形成された正極を備える二次電池を製造する方法であって、
BET比表面積A(m 2 /g)が30≦A≦100である導電材と、該導電材の表面に付着して界面活性機能を有する少なくとも一種の結着材と、粉末状の正極活物質とを、水系溶媒に添加して混練することにより水性ペーストを調製すること、
前記調製した水性ペーストを正極集電体の表面に塗布し、正極活物質層を形成すること、および
前記正極活物質層が表面に形成された正極集電体を備える正極を用いて二次電池を構築すること、
を包含し、
ここで、前記形成した正極活物質層に含まれる導電材のBET比表面積B(m2/g)が、前記水性ペースト調製前の導電材のBET比表面積A(m2/g)の40%以上60%以下となるように前記水性ペーストを調製することを特徴とする、製造方法。 - 前記形成した正極活物質層に含まれる導電材のBET比表面積B(m2/g)が、前記水性ペースト調製前の導電材のBET比表面積A(m2/g)の45%以上55%以下となるように前記水性ペーストを調製する、請求項6に記載の製造方法。
- 前記水性ペーストとして、前記導電材と、前記導電材の表面に付着して界面活性機能を有する少なくとも一種の結着材と、前記水系溶媒とで混練することにより一次混練物を調製し、該一次混練物に前記正極活物質を添加して混練することにより調製したものを使用する、請求項6または7に記載の製造方法。
- 請求項5に記載の二次電池、または請求項6〜8のいずれかに記載の製造方法により製造された二次電池を備える車両。
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