JP6094840B2 - リチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Description
本発明のリチウムイオン二次電池は、正極と、負極と、非水電解液とを有する。
負極は、集電体と、負極活物質層と、被覆層とを有する。
200nm以上800nm以下であることがより好ましく、300nm以上600nm以下であることが特に好ましい。セラミックス粉末の平均粒径D50が大きすぎると、被覆層の厚みが所望の厚みより大きくなるおそれがある。また被覆層形成時にセラミックス粉末がスラリー中で沈降しやすくなり、分散しにくくなる。セラミックス粉末の平均粒径D50が小さすぎると、被覆層作成時にセラミックス粉末が負極活物質層の中に入り込むおそれがある。
正極は、集電体と、集電体の表面に結着させた正極活物質層を有する。正極活物質層は、正極活物質、結着剤を含み、必要に応じて導電助剤を含む。集電体、導電助剤はリチウムイオン二次電池用負極で説明したものと同様である。結着剤としては上記したリチウムイオン二次電池用負極において有機溶剤系バインダーとして説明したものを好適に用いることができる。
非水電解液は、溶媒とこの溶媒に溶解された電解質とを含んでいる。非水電解液にはさらに添加剤を加えても良い。
(負極活物質層が形成された銅箔の作製)
負極活物質として、平均粒径D50が5.3μmのSiO(アルドリッチ社製)及び天然黒鉛(平均粒径D50が20.1μmのSMG(日立化成工業株式会社製))を準備した。バインダー樹脂としてポリアミドイミド樹脂(略称PAI)(荒川化学工業株式会社製)を準備した。導電助剤としてアセチレンブラック(略称AB)を準備した。
水に水溶性バインダーであるポリアクリル酸(略称PAA)を溶解し、Al2O3粉末(住友化学株式会社製、平均粒径D50が540nm)を混合し、被覆層用混合物No.1を得た。水とPAAとAl2O3との質量比は、百分率で水/PAA/Al2O3=60/1.6/38.4とした。被覆層用混合物No.1の固形分濃度は40質量%であった。
水に水溶性バインダーであるカルボキシメチルセルロース(略称CMC)を溶解し、Al2O3粉末を混合し、被覆層用混合物No.2を得た。水とCMCとAl2O3との質量比は、百分率で水/CMC/Al2O3=60/1.6/38.4とした。被覆層用混合物No.2の固形分濃度は40質量%であった。
水に水溶性バインダーであるポリビニルアルコール(略称PVA)を溶解し、Al2O3粉末を混合し、被覆層用混合物No.3を得た。水とPVAとAl2O3との質量比は、百分率で水/PVA/Al2O3=60/1.6/38.4とした。被覆層用混合物No.3の固形分濃度は40質量%であった。
NMPに有機溶剤系バインダーであるポリフッ化ビニリデン(略称PVDF)を溶解し、Al2O3粉末を混合し、被覆層用混合物No.4を得た。NMPとPVDFとAl2O3との質量比は、百分率でNMP/PVDF/Al2O3=60/1.6/38.4とした。
試験例F1の負極の表面、試験例F2の負極の表面、試験例F4の負極の表面をSEM観察した。試験例F4の負極の表面のSEM観察結果を図2に、試験例F1の負極の表面のSEM観察結果を図3に、試験例F2の負極の表面のSEM観察結果を図4に示す。
(試験例D1のラミネート型リチウムイオン二次電池)
試験例F1の負極を負極として用いた試験例D1のラミネート型リチウムイオン二次電池を次のようにして作製した。
試験例D1のラミネート型リチウムイオン二次電池における試験例F1の負極を試験例F2の負極に変更した以外は試験例D1と同様にして試験例D2のラミネート型リチウムイオン二次電池を作製した。
試験例D1のラミネート型リチウムイオン二次電池における試験例F1の負極を試験例F3の負極に変更した以外は試験例D1と同様にして試験例D3のラミネート型リチウムイオン二次電池を作製した。
試験例D1のラミネート型リチウムイオン二次電池における試験例F1の負極を試験例F4の負極に変更した以外は試験例D1と同様にして試験例D4のラミネート型リチウムイオン二次電池を作製した。
試験例D1のラミネート型リチウムイオン二次電池における試験例F1の負極を試験例F5の負極に変更した以外は試験例D1と同様にして試験例D5のラミネート型リチウムイオン二次電池を作製した。
試験例D1、試験例D4及び試験例D5のラミネート型リチウムイオン二次電池において、各電池に非水電解液を入れずにラミネート封をした。釘径0.8mmの釘を取り付けたオートグラフ(島津製作所製、品番AGS−500D)に各ラミネート型リチウムイオン二次電池をセットし、電池に外部から強制的に電圧を印加しながら、釘刺し速度1mm/秒で刺し込んだ場合の釘にかかる荷重、電流、電圧を測定した。各ラミネート型リチウムイオン二次電池の短絡時の電流値を表1に示す。
試験例D1、試験例D2、試験例D5のラミネート型リチウムイオン二次電池を用いて60℃保存特性を評価した。60℃保存試験は、60℃の温度で4.32Vの電圧をかけた状態で18日間保持した。
試験例D2、試験例D3及び試験例D5のラミネート型リチウムイオン二次電池を用いてサイクル試験を行った。サイクル試験としては、以下の条件で充放電を繰り返したサイクル試験を行い200サイクル後の放電容量を測定した。充電の際は、60℃において1Cレート、電圧4.32VでCC充電(定電流充電)をした。放電の際は3.26V、1CレートでCC放電(定電流放電)を行った。この充放電を1サイクルとし、200サイクルまでサイクル試験を行った。
被覆層用混合物は、水に対して分散性がいいほうが、より均一な被覆層を形成でき、かつ安定的に被覆層が形成できる。そこで、セラミックス粉末の分散性を試験した。
分散剤の種類によるセラミックス粉末の分散性試験を行った。
水に水溶性バインダーを溶解し、Al2O3粉末及び各分散剤を添加し、ミキサー(株式会社シンキー製、品番:AR−100)で2時間、混合して、下記試験例4〜12のスラリーを得た。試験例4〜12において水とバインダーとAl2O3と分散剤の質量比は、百分率で、水/バインダー/Al2O3/分散剤=50/2/46/2とした。試験例4〜12のスラリーの固形分濃度は50質量%であった。
(負極活物質層が形成された銅箔の作製)
負極活物質として、平均粒径D50が5μmのSiO及び天然黒鉛(平均粒径D50が20μmのSMG(日立化成工業株式会社製))を準備した。バインダー樹脂としてポリアミドイミド樹脂(略称PAI)(荒川化学工業株式会社製)を準備した。導電助剤としてアセチレンブラック(略称AB)を準備した。
負極Bに試験例4のスラリーはアプリケーターを用いて塗布した。試験例4のスラリーを塗布した負極Bを200℃で2時間、加熱乾燥して、所定の形状(25mm×30mmの矩形状)に切り取り、試験例F6の負極とした。試験例F6の負極の被覆層の厚みは5.1μmであり、その厚みムラは1μmであった。
試験例4のスラリーを試験例5のスラリーに代えた以外は試験例F6の負極と同様にして、試験例F7の負極を作製した。試験例F7の負極の被覆層の厚みは4.6μmであり、その厚みムラは1μmであった。
試験例4のスラリーを試験例6のスラリーに代えた以外は試験例F6の負極と同様にして、試験例F8の負極を作製した。試験例F8の負極の被覆層の厚みは4.4μmであり、その厚みムラは1μmであった。
試験例4のスラリーを試験例7のスラリーに代えた以外は試験例F6の負極と同様にして、試験例F9の負極を作製した。試験例F9の負極の被覆層の厚みは5.8μmであり、その厚みムラは5μmであった。
試験例4のスラリーを試験例8のスラリーに代えた以外は試験例F6の負極と同様にして、試験例F10の負極を作製した。試験例F10の負極の被覆層の厚みは5.6μmであり、その厚みムラは3μmであった。
試験例4のスラリーを試験例9のスラリーに代えた以外は試験例F6の負極と同様にして、試験例F11の負極を作製した。試験例F11の負極の被覆層の厚みは5.1μmであり、その厚みムラは3μmであった。
試験例4のスラリーを試験例10のスラリーに代えた以外は試験例F6の負極と同様にして、試験例F12の負極を作製した。試験例F12の負極の被覆層の厚みは5.7μmであり、その厚みムラは3μmであった。
試験例4のスラリーを試験例11のスラリーに代えた以外は試験例F6の負極と同様にして、試験例F13の負極を作製した。試験例F13の負極の被覆層の厚みは6.2μmであり、その厚みムラは4μmであった。
試験例4のスラリーを試験例12のスラリーに代えた以外は試験例F6の負極と同様にして、試験例F14の負極を作製した。試験例F14の負極の被覆層の厚みは5.8μmであり、その厚みムラは4μmであった。
(試験例D6のラミネート型リチウムイオン二次電池)
試験例F6の負極を負極として用いた試験例D6のラミネート型リチウムイオン二次電池を次のようにして作製した。
試験例D6のラミネート型リチウムイオン二次電池における試験例F6の負極を試験例F7の負極に変更した以外は試験例D6と同様にして試験例D7のラミネート型リチウムイオン二次電池を作製した。
試験例D6のラミネート型リチウムイオン二次電池における試験例F6の負極を試験例F8の負極に変更した以外は試験例D6と同様にして試験例D8のラミネート型リチウムイオン二次電池を作製した。
試験例D6のラミネート型リチウムイオン二次電池における試験例F6の負極を試験例F9の負極に変更した以外は試験例D6と同様にして試験例D9のラミネート型リチウムイオン二次電池を作製した。
試験例D6のラミネート型リチウムイオン二次電池における試験例F6の負極を試験例F10の負極に変更した以外は試験例D6と同様にして試験例D10のラミネート型リチウムイオン二次電池を作製した。
試験例D6のラミネート型リチウムイオン二次電池における試験例F6の負極を試験例F11の負極に変更した以外は試験例D6と同様にして試験例D11のラミネート型リチウムイオン二次電池を作製した。
試験例D6のラミネート型リチウムイオン二次電池における試験例F6の負極を試験例F12の負極に変更した以外は試験例D6と同様にして試験例D12のラミネート型リチウムイオン二次電池を作製した。
試験例D6のラミネート型リチウムイオン二次電池における試験例F6の負極を試験例F13の負極に変更した以外は試験例D6と同様にして試験例D13のラミネート型リチウムイオン二次電池を作製した。
試験例D6のラミネート型リチウムイオン二次電池における試験例F6の負極を試験例F14の負極に変更した以外は試験例D6と同様にして試験例D14のラミネート型リチウムイオン二次電池を作製した。
試験例D6のラミネート型リチウムイオン二次電池における試験例F6の負極を試験例F15の負極に変更した以外は試験例D6と同様にして試験例D15のラミネート型リチウムイオン二次電池を作製した。
試験例D6、試験例D7、試験例D9、試験例D10及び試験例D15のラミネート型リチウムイオン二次電池を用いて60℃保存特性を評価した。60℃保存試験は、60℃の温度で4.32Vの電圧をかけた状態で18日間保持した。
Claims (13)
- 正極と、負極と、非水電解液とを有するリチウムイオン二次電池であって、
前記負極は、
集電体と、
該集電体の表面に配置され、負極活物質と有機溶剤系バインダーとを含む負極活物質層と、
該負極活物質層の表面に配置され、セラミックス粉末と水系バインダーとを含み、細孔を有する被覆層と、
を有し、
前記細孔の直径は50nm以上2μm以下であり、
前記被覆層におけるセラミックス粉末と水系バインダーの質量比は、88:12〜99:1であり、
前記水系バインダーは、ポリアクリル酸、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン及びカルボキシメチルセルロースから選ばれる少なくとも1つであり、
前記被覆層の厚みは2μm以上10μm以下であり、
前記セラミックス粉末は、Al 2 O 3 、SiO 2 、TiO 2 、ZrO 2 、MgO、SiC、AlN、BN、タルク、マイカ、カオリナイト、CaO、ZnO及びゼオライトから選択されることを特徴とするリチウムイオン二次電池。 - 前記セラミックス粉末の平均粒径D50は100nm以上1μm以下である請求項1に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記負極活物質はSiまたはSiOx(0.3≦x≦1.6)を含む請求項1又は2に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記有機溶剤系バインダーはポリアミド、ポリアミドイミド及びポリイミドから選ばれる1つである請求項1〜3のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記非水電解液はLiPF2(C2O4)2からなる添加剤を含む請求項1〜4のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記被覆層はさらに疎水部を有するポリカルボン酸からなる分散剤を含む請求項1に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記ポリカルボン酸は、スチレンとアクリル酸の共重合物からなり、前記ポリカルボン酸の分子量は5000以上50万以下である請求項6に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記被覆層の厚みムラは2μm以下である請求項6又は7に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記被覆層内の前記分散剤の含有量が、前記セラミックス粉末を100質量部としたときに1質量部以上10質量部以下である請求項6〜8のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池。
- 前記セラミックス粉末の平均粒径D50は100nm以上1μm以下である請求項6〜9のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池。
- 正極と、負極と、非水電解液とを有するリチウムイオン二次電池であって、
前記負極は、
集電体と、
該集電体の表面に配置され、負極活物質と有機溶剤系バインダーとを含む負極活物質層と、
該負極活物質層の表面に配置され、セラミックス粉末と水系バインダーとを含み、細孔を有する被覆層と、
を有し、
前記水系バインダーはポリビニルアルコールを含み、
前記被覆層はさらにスチレンとアクリル酸の共重合物を含み、
前記セラミックス粉末はAl 2 O 3 、SiO 2 、TiO 2 、ZrO 2 、MgO、SiC、AlN、BN、タルク、マイカ、カオリナイト、CaO、ZnO及びゼオライトから選択され、
前記細孔の直径は50nm以上2μm以下であり、
前記被覆層におけるセラミックス粉末と水系バインダーの質量比は、88:12〜99:1であり、
前記被覆層の厚みは2μm以上10μm以下であることを特徴とするリチウムイオン二次電池。 - 正極と、負極と、非水電解液とを有するリチウムイオン二次電池であって、
前記負極は、
集電体と、
該集電体の表面に配置され、負極活物質と有機溶剤系バインダーとを含む負極活物質層と、
該負極活物質層の表面に配置され、水にポリアクリル酸、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン及びカルボキシメチルセルロースから選ばれる少なくとも1つである水溶性バインダーを溶解しさらにAl 2 O 3 、SiO 2 、TiO 2 、ZrO 2 、MgO、SiC、AlN、BN、タルク、マイカ、カオリナイト、CaO、ZnO及びゼオライトから選択されるセラミックス粉末を混合した混合物を前記負極活物質層に塗布し、加熱乾燥して得られ、直径が50nm以上2μm以下である細孔を有し厚みが2μm以上10μm以下である被覆層と、
を有することを特徴とするリチウムイオン二次電池。 - 正極と、負極と、非水電解液とを有するリチウムイオン二次電池の製造方法であって、
集電体の表面に負極活物質と有機溶剤系バインダーとを含む負極活物質層を形成し、
前記負極活物質層の表面に、水にポリアクリル酸、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン及びカルボキシメチルセルロースから選ばれる少なくとも1つである水溶性バインダーを溶解しさらにAl 2 O 3 、SiO 2 、TiO 2 、ZrO 2 、MgO、SiC、AlN、BN、タルク、マイカ、カオリナイト、CaO、ZnO及びゼオライトから選択されるセラミックス粉末を混合した混合物を前記負極活物質層に塗布して、加熱乾燥し、直径が50nm以上2μm以下である細孔を有し厚みが2μm以上10μm以下となる被覆層を形成して前記負極を形成することを特徴とするリチウムイオン二次電池の製造方法。
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