JP6056845B2 - リチウム二次電池用負極の製造方法 - Google Patents
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Description
金属を含む集電体と、活物質及び結着剤を含む活物質層と、を含むリチウム二次電池用負極であって、
前記集電体と前記活物質層との間に、前記金属と同じ元素からなる導電性金属粒子とポリイミドもしくはポリアミドイミドとを含む導電性中間層を有し、
前記導電性金属粒子の前記導電性中間層中の含有量が23体積%以上70体積%以下であることを特徴とするリチウム二次電池用負極である。
金属を含む集電体と、活物質及び結着剤を含む活物質層と、前記集電体と前記活物質層との間に、導電性金属粒子を含む導電性中間層と、を含むリチウム二次電池用負極の製造方法であって、
(1)前記集電体の上にポリアミック酸を配置する工程と、
(2)マイグレーションを発生させることにより、前記集電体から前記ポリアミック酸中に前記金属を移行させる工程と、
(3)前記ポリアミック酸を加熱して硬化させる工程と、
をこの順で含み、
前記ポリアミック酸中に移行した前記金属が前記導電性金属粒子を構成することを特徴とするリチウム二次電池用負極の製造方法である。
本発明者らは鋭意検討したところ、マイグレーションを利用して集電体に含まれる金属をポリアミック酸中に移動させることができることを発見し、本発明に至った。
金属を含む集電体と、活物質及び結着剤を含む活物質層と、前記集電体と前記活物質層との間に、導電性金属粒子を含む導電性中間層と、を含むリチウム二次電池用負極の製造方法であって、
(1)前記集電体の上にポリアミック酸を配置する工程と、
(2)マイグレーションを発生させることにより、前記集電体から前記ポリアミック酸中に前記金属を移行させる工程と、
(3)前記ポリアミック酸を加熱して硬化させる工程と、
をこの順で含み、
前記ポリアミック酸中に移行した前記金属が前記導電性金属粒子を構成することを特徴とするリチウム二次電池用負極の製造方法である。
上述のように、本実施形態の製造方法では、導電性中間層中に導電性金属粒子を均一に形成することができる。また、導電性中間層中の導電性金属粒子の含有量を高含量とする場合でも、凝集等の粒子のハンドリング上の問題も生じずに、より均一に微粒子を形成することができる。そこで、本発明者らは、本実施形態の製造方法を用いて、集電体と活物質層との間に導電性中間層を有するリチウム二次電池用負極を製造したところ、導電性金属粒子の導電性中間層中の含有量が23体積%以上70体積%以下の範囲である場合、大電流下での放電特性に優れる負極を得ることができることを発見した。
金属を含む集電体と、活物質及び結着剤を含む活物質層と、を含むリチウム二次電池用負極であって、
前記集電体と前記活物質層との間に、前記金属と同じ元素からなる導電性金属粒子とポリイミドもしくはポリアミドイミドとを含む導電性中間層を有し、
前記導電性金属粒子の前記導電性中間層中の含有量が23体積%以上70体積%以下であることを特徴とするリチウム二次電池用負極である。
本実施形態のリチウム二次電池用負極は、図1に示すように、集電体と活物質層とを有し、集電体と活物質層との間に導電性中間層を有する。また、集電体と導電性中間層及び活物質層と導電性中間層は、それぞれ直接接していることが好ましい。
導電性中間層は、ポリイミドまたはポリアミドイミドに集電体に含まれる金属と同じ元素からなる導電性金属粒子が含まれている構成を有する。
集電体に含まれる金属は、上述のように、Liと合金を形成しない金属であることが好ましい。集電体としては、例えば、銅、ニッケル、金、及び銀、並びにそれらの合金等が挙げられる。集電体は、銅、ニッケル、又は銀からなることが好ましく、銅又はニッケルからなることがより好ましい。集電体の形状としては、箔、平板状、メッシュ状が挙げられる。
活物質層(負極活物質層)は、活物質(負極活物質)及び結着剤(負極結着剤)を含む。
以下、電池の構成について説明する。
本実施形態において、正極活物質は、リチウムイオンを充電時に挿入、放電時に脱離することができれば、特に限定されるものでなく、例えば公知のものを用いることができる。また、正極活物質としては、リチウム遷移金属酸化物であることが好ましい。リチウム遷移金属酸化物としては、特に制限されるものではないが、例えば、LiMnO2、LixMn2O4(0<x<2)等の層状構造を持つマンガン酸リチウムまたはスピネル構造を有するマンガン酸リチウム;LiCoO2、LiNiO2またはこれらの遷移金属の一部を他の金属で置き換えたもの;LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2などの特定の遷移金属が半数を超えないリチウム遷移金属酸化物;LiFePO4などのオリビン構造を有するもの;これらのリチウム遷移金属酸化物において化学量論組成よりもLiを過剰にしたもの等が挙げられる。特に、LiαNiβCoγAlδO2(1≦α≦1.2、β+γ+δ=1、β≧0.7、γ≦0.2)またはLiαNiβCoγMnδO2(1≦α≦1.2、β+γ+δ=1、β≧0.6、γ≦0.2)が好ましい。これらの材料は、一種を単独で、または二種以上を組み合わせて使用することができる。
電解質としては、例えば、液状の電解質(電解液)を用いることができる。
セパレータは、特に制限されるものではなく、例えば、公知のセパレータを採用することができる。セパレータとしては、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン等の多孔質フィルムや不織布を用いることができる。また、ポリイミドやアラミドのフィルム、セルロースのフィルム等を用いることもできる。
外装体としては、電解液に安定で、かつ十分な水蒸気バリア性を有するものであれば特に制限されずに用いることができる。外装体としては、例えば鉄やアルミ合金等の金属缶、ラミネートフィルム等を用いることができる。ラミネートフィルムとしては、水蒸気バリア性の観点からアルミニウムやシリカを蒸着したラミネートフィルムであることが好ましい。
本実施形態に係る二次電池の構成は、特に制限されるものではなく、例えば、正極および負極が対向配置された電極素子と、電解液とが外装体に内包されている構成とすることができる。二次電池の形状は、特に制限されるものではないが、例えば、円筒型、扁平捲回角型、積層角型、コイン型、扁平捲回ラミネート型、又は積層ラミネート型が挙げられる。
以下、本実施形態に係る具体的な実施例を説明するが、本実施形態はこれらの実施例に限定されない。
(負極の作製)
n−メチルピロリドン(NMP)とポリアミック酸(商品名:「U−ワニスA」、宇部興産(株))を混合し、厚さ10μmの銅箔上にドクターブレードで塗布した後、110℃で7分間加熱し、NMPを乾燥した。その後、窒素雰囲気下にて、電気炉を用いて、120℃で8時間加熱し、ポリアミック酸に銅を移行させた。その後、窒素雰囲気下にて電気炉を350℃で30分間加熱し、ポリアミック酸を硬化させ、導電性中間層を形成した。
コバルト酸リチウム(日亜化学工業(株)製)と、カーボンブラック(商品名:「#3030B」、三菱化学(株)製)と、ポリフッ化ビニリデン(商品名:「#2400」、(株)クレハ製)とを、それぞれ95:2:3の質量比で計量した。これらと、NMPとを混合し、スラリーとした。NMPと固形分との質量比は52:48とした。該スラリーを厚さ15μmのアルミニウム箔にドクターブレードを用いて塗布した。該スラリーの塗布されたアルミニウム箔を120℃で5分間加熱してNMPを乾燥させ、正極を作製した。
作製した正極および負極のそれぞれに、アルミニウム端子、ニッケル端子を溶接した。これらを、セパレータを介して重ね合わせて電極素子を作製した。なお、正極と負極の質量は、満充電状態時に負極活物質であるSiOに対するリチウムのドープ量が任意の値になるように調整した。また、銅箔とリチウム金属とを貼り合わせた参照極にニッケル端子を溶接し、セパレータを介して負極と重ね合わせた。電極素子と参照極とをラミネートフィルムで外装し、ラミネートフィルム内部に電解液を注入した。その後、ラミネートフィルム内部を減圧しながらラミネートフィルムを熱融着して封止した。これにより平板型の初回充電前の二次電池を作製した。なお、セパレータにはポリプロピレンフィルムを用いた。ラミネートフィルムにはアルミニウムを蒸着したポリプロピレンフィルムを用いた。電解液には、電解質として1.0mol/lのLiPF6と、非水電解溶媒としてエチレンカーボネート及びジエチルカーボネートの混合溶媒(7:3(体積比))を含む溶液を用いた。
作製した二次電池に対し、電池電圧が2.5〜4.2Vの範囲で充放電サイクル試験を行った。充電は、CCCV方式で行い、4.2Vに達した後は電圧を一定に一時間保った。放電は、CC方式(一定電流0.2C)で行った。ここで、0.2C電流とは、任意の満充電状態の電池を定電流放電させた場合、完全に放電させるまで5時間かかる電流のことを意味する。
前述の充放電サイクル試験を100サイクル行った後、放電レート試験を行った。放電レート試験では、満充電状態の電池を一定電流0.2C又は3Cで放電させて放電容量を測定し、これらの放電容量の比(3C/0.2C)を算出した。ここで、3C電流とは、任意の満充電状態の電池を定電流放電させた場合、完全に放電させるまで20分間かかる電流のことを意味する。
導電性中間層の作製時における120℃での加熱時間を12時間に変更した以外は、実施例1と同様に電池を作製し評価を行った。
導電性中間層の作製時における120℃での加熱時間を16時間に変更した以外は、実施例1と同様に電池を作製し評価を行った。
[実施例4]
導電性中間層の作製時における120℃での加熱時間を24時間に変更した以外は、実施例1と同様に電池を作製し評価を行った。
導電性中間層の作製時における120℃での加熱時間を1時間に変更した以外は、実施例1と同様に電池を作製し評価を行った。
導電性中間層の作製時における120℃での加熱時間を3時間に変更した以外は、実施例1と同様に電池を作製し評価を行った。
導電性中間層の作製時における120℃での加熱時間を5時間に変更した以外は、実施例1と同様に電池を作製し評価を行った。
導電性中間層を作製せずに、銅箔に直接、活物質層を形成した以外は、実施例1と同様に電池を作製し評価を行った。
以下の通りに作製した負極を用いた以外は、実施例1と同様に電池を作製し評価を行った。
金属を含む集電体と、活物質及び結着剤を含む活物質層と、を含むリチウム二次電池用負極であって、
前記集電体と前記活物質層との間に、前記金属と同じ元素からなる導電性金属粒子とポリイミドもしくはポリアミドイミドとを含む導電性中間層を有し、
前記導電性金属粒子の平均粒径が50nm以下であるリチウム二次電池用負極。
前記導電性金属粒子の前記導電性中間層中の含有量が23体積%以上70体積%以下である付記1に記載のリチウム二次電池用負極。
前記導電性金属粒子の前記導電性中間層中の含有量が26体積%以上50体積%以下である付記1又は2に記載のリチウム二次電池用負極。
前記金属は、前記ポリイミド又はポリアミドイミドの前駆体であるポリアミック酸に溶解する金属である付記1乃至3のいずれかに記載のリチウム二次電池用負極。
前記金属は、電位が0〜4.5V(Li/Li+)の範囲でLiと合金を形成しない金属である付記1乃至4のいずれかに記載のリチウム二次電池用負極。
前記導電性金属粒子は、マイグレーションによって前記集電体に含まれる前記金属が前記ポリイミド又はポリイミドアミドの前駆体であるポリアミック酸に移行して形成されたものである付記1乃至5のいずれかに記載のリチウム二次電池用負極。
前記マイグレーションは、前記ポリアミック酸を前記集電体の上に配置した後、該ポリアミック酸のイミド化温度よりも低い条件で加熱処理することにより発生させる付記6に記載のリチウム二次電池用負極。
前記金属が、銅、ニッケル、及び銀から選択される少なくとも1種である付記1乃至7のいずれかに記載のリチウム二次電池用負極。
前記活物質がSi及びSnから選ばれる少なくとも1種を含む付記1乃至8のいずれかに記載のリチウム二次電池用負極。
前記結着剤がポリイミド又はポリアミドイミドである付記1乃至9のいずれかに記載のリチウム二次電池用負極。
付記1乃至10のいずれかに記載のリチウム二次電池用負極を備えるリチウム二次電池。
2 導電性中間層
3 導電性金属粒子
4 活物質層
Claims (14)
- 金属を含む集電体と、活物質及び結着剤を含む活物質層と、前記集電体と前記活物質層との間に、導電性金属粒子を含む導電性中間層と、を含むリチウム二次電池用負極の製造方法であって、
(1)前記集電体の上にポリアミック酸を配置する工程と、
(2)マイグレーションを発生させることにより、前記集電体から前記ポリアミック酸中に前記金属を移行させる工程と、
(3)前記ポリアミック酸を加熱して硬化させる工程と、
をこの順で含み、
前記ポリアミック酸中に移行した前記金属が前記導電性金属粒子を構成し、
前記ポリアミック酸は、有機酸を含む、リチウム二次電池用負極の製造方法。 - 前記有機酸がフタル酸、シュウ酸、又はマレイン酸である請求項1に記載のリチウム二次電池用負極の製造方法。
- 前記導電性金属粒子の含有量は前記導電性中間層中23体積%以上70体積%以下である請求項1又は2に記載のリチウム二次電池用負極の製造方法。
- 前記導電性金属粒子の含有量は前記導電性中間層中26体積%以上50体積%以下である請求項1から3のいずれかに記載のリチウム二次電池用負極の製造方法。
- 金属を含む集電体と、活物質及び結着剤を含む活物質層と、前記集電体と前記活物質層との間に、導電性金属粒子を含む導電性中間層と、を含むリチウム二次電池用負極の製造方法であって、
(1)前記集電体の上にポリアミック酸を配置する工程と、
(2)マイグレーションを発生させることにより、前記集電体から前記ポリアミック酸中に前記金属を移行させる工程と、
(3)前記ポリアミック酸を加熱して硬化させる工程と、
をこの順で含み、
前記ポリアミック酸中に移行した前記金属が前記導電性金属粒子を構成し、
前記導電性金属粒子の含有量は前記導電性中間層中23体積%以上70体積%以下である、リチウム二次電池用負極の製造方法。 - 前記導電性金属粒子の含有量は前記導電性中間層中26体積%以上50体積%以下である請求項5に記載のリチウム二次電池用負極の製造方法。
- 前記マイグレーションは前記ポリアミック酸のイミド化温度よりも低い条件で加熱処理することにより発生させる請求項1から6のいずれかに記載のリチウム二次電池用負極の製造方法。
- 前記加熱処理の温度は、80〜150℃の範囲である請求項7に記載のリチウム二次電池用負極の製造方法。
- 前記導電性金属粒子の平均粒径は、50nm以下である請求項1から8のいずれかに記載のリチウム二次電池用負極の製造方法。
- 前記金属は、前記ポリアミック酸に溶解する請求項1から9のいずれかに記載のリチウム二次電池用負極の製造方法。
- 前記金属は、電位が0〜4.5V(Li/Li+)の範囲でLiと合金を形成しない請求項1から10のいずれかに記載のリチウム二次電池用負極の製造方法。
- 前記金属は、銅、ニッケル、及び銀から選択される少なくとも1種である請求項1から11のいずれかに記載のリチウム二次電池用負極の製造方法。
- 前記活物質がSi及びSnから選ばれる少なくとも1種を含む請求項1から12のいずれかに記載のリチウム二次電池用負極の製造方法。
- 前記結着剤がポリイミド又はポリアミドイミドである請求項1から13のいずれかに記載のリチウム二次電池用負極の製造方法。
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