JP5887168B2 - リチウムイオン二次電池用負極材、リチウムイオン二次電池用負極、リチウムイオン二次電池、リチウムイオン二次電池モジュール、それらの製造方法 - Google Patents
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Description
負極活物質粒子(A)および負極活物質粒子(B)を有するリチウムイオン二次電池用負極材であって、負極活物質粒子(A)の表面に樹脂(A)が形成され、負極活物質粒子(B)の表面に樹脂(B)が形成され、負極活物質粒子(A)の平均粒径は、負極活物質粒子(B)の平均粒径より大きく、負極活物質粒子(B)に対する樹脂(B)の被覆量は、負極活物質粒子(A)に対する樹脂(A)の被覆量より大きいリチウムイオン二次電池用負極材。
負極活物質粒子(B)の表面に金属粒子が形成されるリチウムイオン二次電池用負極材。
負極活物質粒子(A)の表面に樹脂(A)が形成され、負極活物質粒子(B)の表面に樹脂(B)が形成され、負極活物質粒子(A)の平均粒径は、負極活物質粒子(B)の平均粒径より大きく、負極活物質粒子(B)に対する樹脂(B)の被覆量は、負極活物質粒子(A)に対する樹脂(A)の被覆量より大きく、以下の工程を含むリチウムイオン二次電池用負極材の製造方法。(1)負極活物質粒子(A)に樹脂(A)を添着させる工程、(2)負極活物質粒子(B)に樹脂(B)を添着させる工程、(3)負極活物質粒子(A)および負極活物質粒子(B)を混合させる工程。
本発明のリチウムイオン二次電池は、円筒型、積層型、コイン型、カード型等のいずれでもよく、特に限定されないが、例として、以下に捲回型リチウムイオン二次電池の構造を説明する。
電解質として、固体電解質または電解液が挙げられる。電解液は、溶媒と添加剤と電解質塩とから構成され、一般には、有機溶媒に電解質塩としてリチウム塩を溶解させた有機溶媒系の非水電解液が用いられる。
正極10は、正極活物質とバインダーと導電剤とを含む正極合剤を、アルミニウム箔等の正極集電体上に塗布することで形成する。
負極12は、負極活物質とバインダーと導電剤とを含む負極合剤を、銅箔等の負極集電体上に塗布することで形成する。
図2に、本発明の負極の一実施形態を示す部分断面図を示す。負極12は、負極集電体103と負極集電体103上に形成された負極合剤層104を含む。負極合剤層104中に、本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池用負極材が形成されている。本発明の実施形態に係るリチウムイオン二次電池用負極材は、負極活物質の粒径に応じて表面被覆量を変化させ、小さな粒径の活物質粒子ほど被覆を多くすることを主な特徴とする。具体的には、負極材に負極活物質粒子(A)および負極活物質粒子(B)が含まれ、負極活物質粒子(A)の表面に樹脂(A)が形成され、負極活物質粒子(B)の表面に樹脂(B)が形成される場合、負極活物質粒子(A)の平均粒径を、負極活物質粒子(B)の平均粒径より大きくし、負極活物質粒子(B)に対する樹脂(B)の被覆量(重量%)を、負極活物質粒子(A)に対する樹脂(A)の被覆量(重量%)より大きくする。
表面が樹脂により部分的または全体に被覆された負極活物質の例として、以下に被覆黒鉛の製造方法を説明する。
セパレータ11としては、従来のリチウムイオン二次電池に使用されている公知のセパレータを用いることができる。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン製の微孔性フィルムや不織布等が挙げられる。電池の高容量化の観点からセパレータ11の厚みは薄い方が良く、20μm以下であることが好ましい。一方、セパレータ11を薄くし過ぎると、取り扱い性が難しくなったり、正負極間隔離が不十分で短絡が生じ易くなったりするため、厚みの下限は10μmとすることが好ましい。
例として、以下に捲回型のリチウムイオン二次電池1の製造方法を説明する。
上記リチウムイオン二次電池を使用する形態として、複数のリチウムイオン二次電池を直列又は並列に接続したリチウムイオン二次電池モジュールが挙げられる。
正極活物質としてLiMn1/3Ni1/3Co1/3O2を用い、導電材としてカーボンブラック(CB1)と黒鉛(GF1)を用い、バインダーとしてPVDFを用いて、乾燥時の固形分重量を、LiMn1/3Ni1/3Co1/3O2:CB1:GF1:PVDF=86:2:9:3の比となるように、溶剤としてNMPを用いてペースト状の正極合剤を調製した。この正極合剤を、正極集電体であるアルミ箔上に塗布し、80℃で乾燥させた後、加圧ローラーでプレスして120℃で乾燥することにより正極合剤層を正極集電体上に形成し、正極10を作製した。正極合剤層全体の体積に対する正極合剤層の空孔体積の割合を30vol%とした。
硫酸銅 0.04mol/l
エチレンジアミン四酢酸二ナトリウム 0.1mol/l
ホルムアルデヒド 0.03mol/l
2,2′−ビピリジル 0.0002mol/l
ポリエチレングリコール(平均分子量600) 0.03mol/l
水酸化ナトリウム PH=12.8に調整
液温 70℃
硫酸ニッケル 0.15mol/l
クエン酸ナトリウム 0.3mol/l
ジメチルアミンボラン 0.03mol/l
乳酸 0.1mol/l
アンモニア水 pH=5.0に調整
液温 50℃
硫酸銅 0.04mol/l
エチレンジアミン四酢酸二ナトリウム 0.1mol/l
ホルムアルデヒド 0.03mol/l
2,2′−ビピリジル 0.0002mol/l
ポリエチレングリコール(平均分子量600) 0.03mol/l
水酸化ナトリウム PH=12.8に調整
液温 70℃
硫酸銅 0.04mol/l
エチレンジアミン四酢酸二ナトリウム 0.1mol/l
ホルムアルデヒド 0.03mol/l
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ポリエチレングリコール(平均分子量600) 0.03mol/l
水酸化ナトリウム PH=12.8に調整
液温 70℃
負極活物質粒子(A)として平均粒径20μmの黒鉛粒子表面にポリアクリル酸ナトリウムを黒鉛粒子に対して1.0重量%吸着させたものを用い、負極活物質粒子(B)として平均粒径10μmの黒鉛粒子表面にポリアクリル酸ナトリウムを黒鉛粒子に対して1.0重量%吸着させたものを用いたこと以外は、上記実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池1を作製した。
負極活物質粒子(A)として平均粒径20μmの黒鉛粒子表面にポリアクリル酸ナトリウムを黒鉛粒子に対して1.0重量%吸着させたものを用い、第二の活物質粒子(B)として平均粒径10μmの黒鉛粒子表面にポリアクリル酸ナトリウムを黒鉛粒子に対して0.1重量%吸着させたものを用いたこと以外は、上記実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池1を作製した。
負極活物質粒子(A)として平均粒径20μmの黒鉛粒子表面にポリアクリル酸ナトリウムを黒鉛粒子に対して0.1重量%吸着させたものを用い、負極活物質粒子(B)として平均粒径10μmの黒鉛粒子表面にポリアクリル酸ナトリウムを黒鉛粒子に対して0.1重量%吸着させたものを用いたこと以外は、上記実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池1を作製した。
<容量維持率>
各実施例及び比較例で作製した捲回型リチウムイオン二次電池1の25℃における放電容量の変化を評価した。容量維持率は、初期化後の放電容量を100%として、60℃、30日保存後の容量の変化率を評価した。電池の放電容量は、0.3Cで上限電圧4.2Vまで充電後、下限電圧2.7Vまで放電を行って測定した。
各実施例及び比較例で作製した捲回型のリチウムイオン二次電池1の25℃における直流抵抗(DCR:Direct Current Resistance)の変化を評価した。各電池は0.3Cで上限電圧4.2V、5時間の定電流定電圧充電を行った後、下限電圧2.7Vまでの充放電を3回繰り返して初期化した。電池の直流抵抗は、電池の放電電流(I)と電圧降下(ΔV)をプロットして、その傾きから算出した。放電電流を1C、3C、6C相当と変え、放電を行い各放電電流(I)の10秒後の電圧降下を測定した。充放電は0.3Cで上限電圧4.2V、5時間の定電流定電圧充電を行った後、各放電電流で下限電圧2.7Vまでの定電流放電を実施し、放電前の開回路電圧と放電10秒後の電圧とを測定し、両者の差である電圧降下(ΔV)を求めた。抵抗値は、実施例1で作成した電池の抵抗値を100とした場合の割合として示した。
10 正極
11 セパレータ
12 負極
13 電池缶
14 正極集電タブ
15 負極集電タブ
16 内蓋
17 内圧開放弁
18 ガスケット
19 PTC抵抗素子
20 電池蓋
Claims (11)
- 負極活物質粒子(A)および負極活物質粒子(B)を有するリチウムイオン二次電池用負極材であって、
前記負極活物質粒子(A)の表面に樹脂(A)が形成され、
前記負極活物質粒子(B)の表面に樹脂(B)が形成され、
前記負極活物質粒子(A)の平均粒径は、前記負極活物質粒子(B)の平均粒径より大きく、
前記負極活物質粒子(B)に対する前記樹脂(B)の被覆量は、前記負極活物質粒子(A)に対する前記樹脂(A)の被覆量より大きく、
前記樹脂(A)の被覆量は前記負極活物質粒子(A)に対して0.01〜10重量%であり、
前記樹脂(B)の被覆量は前記負極活物質粒子(B)に対して0.01〜10重量%であり、
前記負極活物質粒子(A)および負極活物質粒子(B)は、天然黒鉛、人造黒鉛、非晶質炭素、または、ケイ素、ゲルマニウム、スズの酸化物もしくは窒化物のいずれかを含み、
前記樹脂(A)および前記樹脂(B)は、C6H10O5を基本構造とする澱粉の誘導体、C6H10O5を基本構造とした粘性多糖類、C6H10O5を基本構造とした水溶性セルロース誘導体、ポリウロニド、水溶性の合成樹脂、のいずれかを含むリチウムイオン二次電池用負極材。 - 請求項1において、
前記負極活物質粒子(A)の表面または前記負極活物質粒子(B)の表面にリチウムと合金を形成しない金属粒子が形成されるリチウムイオン二次電池用負極材。 - 請求項2において、
前記負極活物質粒子(A)の表面に前記金属粒子は形成されず、
前記負極活物質粒子(B)の表面に前記金属粒子が形成されるリチウムイオン二次電池用負極材。 - 負極活物質粒子(A)および負極活物質粒子(B)を有するリチウムイオン二次電池用負極材であって、
前記負極活物質粒子(A)の表面に樹脂(A)が形成され、
前記負極活物質粒子(A)の表面にリチウムと合金を形成しない金属粒子が形成されず、
前記負極活物質粒子(B)の表面に樹脂(B)およびリチウムと合金を形成しない金属粒子が形成され、
前記負極活物質粒子(A)の平均粒径は、前記負極活物質粒子(B)の平均粒径より大きく、
前記樹脂(A)の被覆量は前記負極活物質粒子(A)に対して0.01〜10重量%であり、
前記樹脂(B)の被覆量は前記負極活物質粒子(B)に対して0.01〜10重量%であり、
前記負極活物質粒子(A)および負極活物質粒子(B)は、天然黒鉛、人造黒鉛、非晶質炭素、または、ケイ素、ゲルマニウム、スズの酸化物もしくは窒化物のいずれかを含み、
前記樹脂(A)および前記樹脂(B)は、C6H10O5を基本構造とする澱粉の誘導体、C6H10O5を基本構造とした粘性多糖類、C6H10O5を基本構造とした水溶性セルロース誘導体、ポリウロニド、水溶性の合成樹脂、のいずれかを含むリチウムイオン二次電池用負極材。 - 請求項1乃至4のいずれかにおいて、
前記負極活物質粒子(B)は、シリコン、シリコンの酸化物、スズ、スズの酸化物の一種以上から選ばれるリチウムイオン二次電池用負極材。 - 請求項2乃至4のいずれかにおいて、
前記金属粒子の被覆量は前記負極活物質粒子(A)または前記負極活物質粒子(B)に対して0.01〜1.0重量%であるリチウムイオン二次電池用負極材。 - 請求項1乃至6のいずれかのリチウムイオン二次電池用負極材を含むリチウムイオン二次電池用負極。
- 請求項7のリチウムイオン二次電池用負極、リチウムイオン二次電池用正極、電解質を含むリチウムイオン二次電池。
- 請求項8のリチウムイオン二次電池を複数個、直列又は並列に接続したリチウムイオン二次電池モジュール。
- 負極活物質粒子(A)および負極活物質粒子(B)を有するリチウムイオン二次電池用負極材の製造方法であって、
前記負極活物質粒子(A)の表面に樹脂(A)が形成され、
前記負極活物質粒子(B)の表面に樹脂(B)が形成され、
前記負極活物質粒子(A)の平均粒径は、前記負極活物質粒子(B)の平均粒径より大きく、
前記負極活物質粒子(B)に対する前記樹脂(B)の被覆量は、前記負極活物質粒子(A)に対する前記樹脂(A)の被覆量より大きく、
以下の工程を含むリチウムイオン二次電池用負極材の製造方法。
(1)前記負極活物質粒子(A)に前記樹脂(A)を添着させる工程
(2)前記負極活物質粒子(B)に前記樹脂(B)を添着させる工程
(3)前記負極活物質粒子(A)および前記負極活物質粒子(B)を混合させる工程を有し、
前記樹脂(A)の被覆量は前記負極活物質粒子(A)に対して0.01〜10重量%であり、
前記樹脂(B)の被覆量は前記負極活物質粒子(B)に対して0.01〜10重量%であり、
前記負極活物質粒子(A)および負極活物質粒子(B)は、天然黒鉛、人造黒鉛、非晶質炭素、または、ケイ素、ゲルマニウム、スズの酸化物もしくは窒化物のいずれかを含み、
前記樹脂(A)および前記樹脂(B)は、C6H10O5を基本構造とする澱粉の誘導体、C6H10O5を基本構造とした粘性多糖類、C6H10O5を基本構造とした水溶性セルロース誘導体、ポリウロニド、水溶性の合成樹脂、のいずれかを含むリチウムイオン二次電池用負極材の製造方法。 - 請求項1において、
前記C6H10O5を基本構造とする澱粉の誘導体は、酢酸澱粉、リン酸澱粉、カルボキシメチル澱粉、ヒドロキシエチル澱粉のいずれかであり、
前記C6H10O5を基本構造とした粘性多糖類は、プルラン、デキストリンのいずれかであり、
前記C6H10O5を基本構造とした水溶性セルロース誘導体は、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロースのいずれかであり、
前記ポリウロニドは、ペクチン酸、アルギン酸のいずれかであり、前記水溶性の合成樹脂は、水溶性アクリル樹脂、水溶性エポキシ樹脂、水溶性ポリエステル樹脂、水溶性ポリアミド樹脂のいずれかであるリチウムイオン二次電池用負極材。
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