JP5843107B2 - 非水電解液二次電池の製造方法 - Google Patents
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Description
また、本明細書において「二次電池」とは、繰り返し充放電可能な電池一般をいい、リチウムイオン二次電池等のいわゆる化学電池ならびに電気二重層キャパシタ等の物理電池を包含する用語である。
また、本明細書において「ナトリウム(Na)成分」とは、ナトリウム単独(典型的にはイオンの状態)で存在する場合と、構成元素としてNaを含む化合物として存在する場合とを包含する用語である。
このように、負極に含まれるナトリウム(Na)成分を調整して上記A/Bが0.8より小さくなる電極体を用いているため、該電極体にリチウムビス(オキサラト)ボレートを含む非水電解液を含浸させた場合、電極体の中央部にNa[B(C2O4)2]が析出することが抑制される。これにより、電極体の中央部において部分的にNa[B(C2O4)2]が多量に存在することはなくなり、[B(C2O4)2]の分解によって負極活物質の表面に生成される被膜は、その被膜量のバラツキが抑制された状態(好ましくは幅方向に被膜が均一な状態)となり得る。これにより、被膜が少量に存在する部分が形成されることが抑制される。被膜が少量に存在する部分が形成されることが抑制された電極体を備える非水電解液二次電池では、充放電を繰り返すことによって被膜が劣化した場合であっても部分的に被膜が劣化することがないため、電流が局所的に集中することが防止され、電荷担体に由来する物質(例えば金属リチウム)の析出が抑制される。
かかる構成によると、非水電解液中でナトリウムイオンと[B(C2O4)2]−とが会合しないか、或いは会合してもNa[B(C2O4)2]として非水電解液中で溶解する。このため、電極体の中央部ではNa[B(C2O4)2]の析出が抑制され、電極体の中央部において部分的にNa[B(C2O4)2]が多量に存在することがなくなる。これにより、[B(C2O4)2]の分解によって生成される被膜は、その被膜量のバラツキが抑制された状態(好ましくは幅方向に被膜が均一な状態)となり得る。これにより、被膜が少量に存在する部分が形成されることが抑制される。
このように、不可避的な不純物としてナトリウム(Na)成分を含む負極を非水電解液で洗浄することによって、該負極に含まれているナトリウム(Na)成分の少なくとも一部を除去することができ、負極に含まれるナトリウム(Na)成分を容易に調整することができる。
かかる構成によると、洗浄後の負極に不純物が含まれることを抑制することができる。
かかる構成によると、負極に含まれるナトリウム(Na)成分を調整することができる。
リチウムビス(オキサラト)ボレートの濃度を上記範囲内とすることによって、電池性能を低下させることなく、負極活物質の表面に好ましい態様の被膜を形成することができる。
かかる構成の捲回電極体では、捲回電極体の幅方向の両端部から中央部に向けて非水電解液が含浸する。このため捲回電極体の中央部ではナトリウム成分の濃度が高くなる傾向にある。従って、捲回電極体を用いた場合、負極に含まれる不可避的な不純物としてナトリウム(Na)成分を調整する(例えば減少させる)という本発明の構成を採用することによる効果が特に発揮され得る。
まず、正負極準備工程(S10)について説明する。本実施形態においては、正負極準備工程として、正極活物質を含む正極及び負極活物質を含む負極を準備する。好適な一実施形態においては、上記正極と上記負極との間に配置されるセパレータをさらに準備することを包含する。
また、一般式がLiMPO4或いはLiMVO4或いはLi2MSiO4(式中のMはCo、Ni、Mn、Feのうちの少なくとも一種以上の元素)等で表記されるようなポリアニオン系化合物(例えばLiFePO4、LiMnPO4、LiFeVO4、LiMnVO4、Li2FeSiO4、Li2MnSiO4、Li2CoSiO4)を上記正極活物質として用いてもよい。
次に、本実施形態において採用されるNa成分除去工程(S20)について説明する。Na成分除去工程を設ける場合、Na成分除去工程として、不純物としてのナトリウム(Na)成分を含む上記負極を非水電解液で洗浄することによって、ナトリウム(Na)成分の少なくとも一部を除去する。好適な一実施においては、不純物としてのナトリウム(Na)成分を含む上記正極及び/又は上記セパレータを洗浄することによって、ナトリウム(Na)成分の少なくとも一部を除去することをさらに包含する。
なお、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池(非水電解液二次電池)の製造方法では、Na成分除去工程を設けているがかかる形態に限定されない。即ち、正負極準備工程において負極に含まれるナトリウム(Na)成分が調整されている場合には、正負極準備工程の後にNa成分除去工程を設けることなく電極体作成工程を実行してもよい。好ましくは、正負極準備工程において負極に含まれるナトリウム(Na)成分が調整されている場合であっても、正負極準備工程の後にNa成分除去工程を設けることである。これにより、負極に含まれる不純物としてのナトリウム(Na)成分をより少なくすることができる。
また、上記支持塩としては、例えば、LiPF6、LiClO4、LiAsF6、Li(CF3SO2)2N、LiBF4、LiCF3SO3等のリチウム塩が例示される。かかる支持塩は、一種のみを単独で、または二種以上を組み合わせて用いることができる。特にLiPF6が好ましい。
次に、電極体作製工程(S30)について説明する。電極体作製工程では、負極に含まれるナトリウム(Na)成分が調整された負極(負極作製時にNa成分が調整されたもの、負極作製後にNa成分除去工程を経たもの、負極作製時にNa成分が調整されたものであってさらにNa成分除去工程を経たもの)を用いて電極体を作製する。好適な一実施形態においては、Na成分除去工程を経た正極、負極及びセパレータを用いて電極体を作製する。
ここで開示されるリチウムイオン二次電池の電極体(例えば積層型の電極体或いは捲回型の電極体)は、正極と、負極と、正極及び負極の間に介在されたセパレータとを備えている。ここでは、シート状に形成された上記正極と、シート状に形成された上記負極と、上記セパレータシートを備える捲回型の電極体(捲回電極体)を例にして説明するが、かかる形態に限定することを意図したものではない。
上記積層の際には、図3に示すように、正極64の正極合材層非形成部分(即ち正極合材層66が形成されずに正極集電体62が露出した部分)63と、負極84の負極合材層非形成部分(即ち負極合材層86が形成されずに負極集電体82が露出した部分)83と、がセパレータシート90の幅方向の両側からそれぞれはみ出すように、正極64と負極84とを幅方向にややずらして重ね合わせる。その結果、図2に示すように、捲回電極体50の捲回方向に対する横方向において、正極64および負極84の電極合材層非形成部分63,83がそれぞれ捲回コア部分(すなわち正極64の正極合材層66と負極84の負極合材層86と二枚のセパレータシート90とが密に捲回された部分)から外方にはみ出ている。かかる正極合材層非形成部分63に正極端子60(例えばアルミニウム製)を接合して、上記扁平形状に形成された捲回電極体50の正極64と正極端子60とを電気的に接続する。同様に負極合材層非形成部分83に負極端子80(例えばニッケル製)を接合して、負極84と負極端子80とを電気的に接続する。なお、正負極端子60,80と正負極集電体62,82とは、例えば、超音波溶接、抵抗溶接等によりそれぞれ接合することができる。
次に、組立体作製工程(S40)について説明する。本実施形態においては、上記作製された電極体50を電池ケース15内に収容して組立体70を作製する。
次に、注入工程(S50)について説明する。本実施形態においては、注入工程として、リチウムビス(オキサラト)ボレート(Li[B(C2O4)2])(以下、「LiBOB」と略称することがある。)が添加された非水電解液を電池ケース内に注入する。
次に、充放電工程(S60)について説明する。本実施形態においては、組立体70に対して所定の充電電圧まで充電を行うことによって、リチウムビス(オキサラト)ボレート由来の被膜を負極合材層86中の負極活物質の表面に形成する。
<負極シートA>
負極活物質としての球状黒鉛粒子(日立化成工業株式会社製)と、結着剤としてのSBR(JSR株式会社製)と、増粘剤としてのCMCとの質量比が98:1:1となるように秤量し、これら材料を水に分散させてペースト状の負極合材層形成用組成物を調製した。かかる組成物を厚さ10μmの負極集電体(銅箔)に塗布した。その後、該組成物を120℃の真空中で6時間乾燥させて、ロールプレス機を用いて圧延処理を施すことによって、負極集電体上に合材密度1.2g/cm3の負極合材層が形成された負極シートAを作製した(負極準備工程)。正極の理論容量と負極の理論容量との比率が1(正極):1.8(負極)となるように上記組成物の塗布量を調整した。負極シートAの長手方向の長さを310cm、幅方向の長さを10.3cmとした。なお、上記SBRとして水酸化ナトリウムのみを含む水溶液で中和されたSBRを用いた。
上記作製した負極シートAを洗浄することによって不純物としてのナトリウム成分を除去し、負極に含まれるナトリウム成分を調整した(Na成分除去工程)。即ち、負極シートAを非水電解液Aに24時間浸漬した。非水電解液Aとしては、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)とエチルメチルカーボネート(EMC)との体積比が3:4:3の混合溶媒に1mol/LのLiPF6を溶解させたものを使用した。その後、負極シートAを非水電解液Aから取り出して、EMCで3回洗浄して乾燥させた。洗浄後の負極シートAを負極シートBとした。
負極活物質としての球状黒鉛粒子(日立化成工業株式会社製)と、結着剤としてのSBR(JSR株式会社製)と、増粘剤としてのCMCとの質量比が98.6:0.7:0.7となるように秤量し、これら材料を水に分散させてペースト状の負極合材層形成用組成物Bを調製した。組成物Bを用いた他は負極シートAと同様にして、負極シートCを作製した。
負極活物質としての球状黒鉛粒子(日立化成工業株式会社製)と、結着剤としてのSBR(JSR株式会社製)と、増粘剤としてのCMCとの質量比が99:0.5:0.5となるように秤量し、これら材料を水に分散させてペースト状の負極合材層形成用組成物Cを調製した。組成物Cを用いた他は負極シートAと同様にして、負極シートDを作製した。
水酸化ナトリウムと水酸化リチウムとのモル比が50:50で混合された水溶液によって中和されたSBRを用いた他は負極シートAと同様にして、負極シートEを作製した。
水酸化ナトリウムと水酸化リチウムとのモル比が50:50で混合された水溶液によって中和されたSBRを用いた他は負極シートCと同様にして、負極シートFを作製した。
水酸化リチウムのみを含む水溶液によって中和されたSBRを用いた他は負極シートAと同様にして、負極シートGを作製した。
SBRとして水酸化リチウムのみを含む水溶液によって中和されたSBRを用いた他は負極シートCと同様にして、負極シートHを作製した。
<正極シートA>
正極活物質としてのLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(戸田工業株式会社製)と、導電材としてのCB(電気化学工業株式会社製)と、結着剤としてのPVDF(株式会社クレハ製)との質量比が90:8:2となるように秤量し、これら材料をNMPに分散させてペースト状の正極合材層形成用組成物を調製した。かかる組成物を厚さ15μmの正極集電体(アルミニウム箔)に塗布した。その後、該組成物を120℃の真空中で6時間乾燥させて、ロールプレス機を用いて圧延処理を施すことによって、正極集電体上に合材密度2.3g/cm3の正極合材層が形成された正極シートAを作製した(正極準備工程)。正極の理論容量が4Ahとなるように上記組成物の塗布量を調整した。正極シートAの長手方向の長さを300cm、幅方向の長さを9.8cmとした。
負極シートBと同様にして、上記作製した正極シートAを洗浄することによって不純物としてのナトリウム成分を除去した。洗浄後の正極シートAを正極シートBとした。
<セパレータシートA>
厚み20μmのポリエチレン製の微多孔質樹脂シートをセパレータシートAとして準備した。
負極シートBと同様にして、上記準備したセパレータシートAを洗浄することによって不純物としてのナトリウム成分を除去した。洗浄後のセパレータシートAをセパレータシートBとした。
<例1>
正極シートBの長手方向の一端から正極合材層を長手方向に5cm剥離して正極集電体を露出させ、該露出した正極集電体にアルミニウム製の正極端子を超音波溶接して取り付けた。負極シートBの長手方向の一端から負極合材層を長手方向に2cm剥離して負極集電体を露出させ、該露出した負極集電体にニッケル製の負極端子を超音波溶接して取り付けた。各端子を取り付けた正極シートB及び負極シートBを、準備した2枚のセパレータシートBを介して捲回し捲回電極体を作製した(電極体作製工程)。該電極体を角型のケースに内に収容して例1に係る組立体を作製した(組立体準備工程)。
表1に示すように、負極シートB〜Hと、正極シートBと、セパレータシートBとを用いて、例2〜例21に係るリチウムイオン二次電池を例1に係るリチウムイオン二次電池と同様にして作製した。なお、例2〜例7に係るリチウムイオン二次電池では、LiBOB添加量Bは0.325mmolであり、LiBOBの濃度は0.01mol/Lであった。例8〜例14に係るリチウムイオン二次電池では、LiBOB添加量Bは0.813mmolであり、LiBOBの濃度は0.025mol/Lであった。例15〜例21に係るリチウムイオン二次電池では、LiBOB添加量Bは1.63mmolであり、LiBOBの濃度は0.05mol/Lであった。また、負極シートAと、正極シートAと、セパレータシートAとを用いて、例22に係るリチウムイオン二次電池を例8に係るリチウムイオン二次電池と同様にして作製した。なお、表1中、LiOH中和の欄の「無」は水酸化ナトリウムのみを含む水溶液で中和されたSBRを用いたことを示し、「50%」は、水酸化ナトリウムと水酸化リチウムとをモル比で50:50で含む水溶液で中和されたSBRを用いたことを示し、「100%」は、水酸化リチウムのみを含む水溶液で中和されたSBRを用いたことを示す。
また、水酸化リチウムと水酸化ナトリウムとの混合水溶液によって中和されたSBRを用いた場合は、負極のNa+溶解量をある程度低減することができるので、LiBOBの添加量を大きくすればするほど(Bが0.813mmol以上、LiBOB濃度が0.025mol/L以上の場合)Liの析出が抑制されていることが確認された。
また、水酸化リチウムのみを含む水溶液によって中和されたSBRを用いた場合は、負極のNa+溶解量を大きく低減することができるので、Liの析出が初めて確認されたサイクル数は800以上であり、Li析出が抑制されていることが確認された。特に、LiBOBの添加量が多くなるほどそのLi析出の抑制に優れていることが確認された。
また、例1、例8および例15に示すように、Na成分除去工程を経た負極シートを用いた場合には、負極のNa+溶解量Aの値が極めて小さいため、LiBOBの添加量B[μmol]にかかわらず、Li析出は無かったことが確認された。
15 電池ケース
20 開口部
25 蓋体
30 ケース本体
40 安全弁
45 注入口
48 封止栓
50 捲回電極体
60 正極端子
62 正極集電体
63 正極合材層非形成部分
64 正極
66 正極合材層
70 組立体
80 負極端子
82 負極集電体
83 負極合材層非形成部分
84 負極
86 負極合材層
90 セパレータシート
100 車両(自動車)
200 組電池
Claims (6)
- 非水電解液二次電池を製造する方法であって、
正極活物質を含む正極及び負極活物質を含む負極を準備する工程、ここで、準備した少なくとも前記負極には不可避的な不純物としてナトリウム(Na)成分が含まれている;
前記準備した正極及び負極を用いて電極体を作製する工程;
前記電極体が電池ケース内に収容された組立体を作製する工程;
リチウムビス(オキサラト)ボレートが添加された非水電解液を前記電池ケース内に注入する工程;
前記組立体に対して所定の充電電圧まで充電を行った後、所定の放電電圧まで放電を行う工程;
を包含し、
前記リチウムビス(オキサラト)ボレートが添加された非水電解液中に前記負極から溶解するナトリウムイオンの溶解量[mol]をAとし、前記リチウムビス(オキサラト)ボレートの添加量[mol]をBとしたときの比であるA/Bが0.8よりも小さくなるように、前記準備した負極を非水電解液で洗浄することによって、前記負極から前記ナトリウム(Na)成分の少なくとも一部を除去する、非水電解液二次電池の製造方法。 - 前記A/Bが0.1よりも小さくなるように、前記準備した負極を非水電解液で洗浄することによって、前記負極から前記ナトリウム(Na)成分の少なくとも一部を除去する、請求項1に記載の製造方法。
- 前記準備した負極を前記非水電解液で洗浄するときには、リチウム塩を少なくとも含む非水電解液中に前記負極を浸漬させた後、リチウム塩を含まない非水電解液を用いて該負極を洗浄する、請求項1または2に記載の製造方法。
- 前記負極に含まれる結着剤としてナトリウムを除くアルカリ金属の水酸化物を少なくとも含む水溶液で中和されたスチレンブタジエンゴムを用いる、請求項1から3のいずれか一項に記載の製造方法。
- 前記リチウムビス(オキサラト)ボレートの濃度は、0.01mol/Lから0.05mol/Lである、請求項1から4のいずれか一項に記載の製造方法。
- 前記電極体として、シート状に形成された正極とシート状に形成された負極とが重ね合わされた電極体であって該電極体の長手方向に捲回された捲回電極体を用いる、請求項1から5のいずれか一項に記載の製造方法。
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