JP6159228B2 - 非水系二次電池用正極の製造方法 - Google Patents
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Description
本項では、本発明の一態様に係る非水系二次電池用正極について、図1及び図2を用いて説明する。図1(A)は正極の斜視図であり、図1(B)は正極活物質層の縦断面図である。
図1(A)においては、集電体101はシート状であるが、形状はこれに限らず、任意の形状を適宜選択することができる。また、活物質層102は集電体101の両面に形成されているが、活物質層102は集電体101の一方の面のみに形成してもよい。また、活物質層102は集電体101の全面に形成する必要はなく、正極タブと接続するための領域等、非塗布領域を適宜設けてもよい。
図1(B)は、活物質層102の縦断面を示した模式図である。活物質層102は、層状岩塩型構造を有する活物質103と、グラフェン104と、結着剤(バインダともいう。図示せず)と、を含む。
非水系二次電池の正極活物質は、リチウムイオン等のキャリアイオンの挿入及び脱離が可能な材料である。このような活物質としては、リチウムイオン二次電池の開発当初から現在に至るまで、コバルト酸リチウム(LiCoO2)が広く用いられている。コバルト酸リチウムは、層状岩塩型構造の結晶構造を有する。
層状岩塩型構造の結晶構造はα−NaFeO2型ともよばれ、酸化物イオンを介して遷移金属イオン層とリチウム単独層とが交互に積層した結晶構造である。リチウムイオンの拡散経路が2次元であるため、拡散経路が1次元であるオリビン型構造に比べ、導電性及びイオン伝導性が高い。このため充放電時にリチウムイオンの挿入・脱離を容易に行うことができ、リチウムイオン二次電池の正極活物質材料として好ましい。
活物質103は、原料を所定の比率で混合し焼成した粒状の焼成物であり、適当な手段により粉砕、造粒及び分級した粒状の二次粒子であってもよい。これらは平均粒径や粒度分布を有する。ここで粒状とは、例えば球状(粉末状)、板状、角状、柱状、針状又は鱗片状等の形状を含む任意の表面積を有する活物質の外観形状を示す語句である。粒状の活物質は、球状である必要はなく、また、それぞれの形状が互いに異なる任意の形状であってもよい。図1(B)においては、活物質103を模式的に示しているが、この形状に限られるものではない。
活物質103の平均粒径は任意であるが、0.1μm以上50μm以下が好ましく、より好ましくは0.2μm以上10μm以下である。層状岩塩型構造の活物質は、オリビン型構造の活物質に比べ、導電性やイオン伝導性が高いため、比較的粒径の大きい活物質を用いることができる。ただし、粒度分布に2以上のピークをもつような複数の平均粒径の活物質を用いる場合には、これらのうち大きい平均粒径を持つ活物質の平均粒径が上記範囲に含まれるとよい。
本発明の一態様に係る非水系二次電池用正極は、活物質層102にグラフェン104を含有する。グラフェン104は、導電助剤として機能することができる。
本発明の一態様に係る非水系二次電池用正極は、グラフェン104を、活物質層102中で重なり合い、複数の活物質103と面接触するように分散させる。別言すると、活物質層102中に、グラフェン104による電子伝導のためのネットワークを形成するともいえる。これにより、複数の活物質103の結合が維持された状態となり、結果として電子伝導性の高い活物質層102を形成することができる。
グラフェン104は、活物質103と十分に面接触をすることができ、さらに他のグラフェン104又は他の活物質103とも面接触をすることができるサイズであるとよい。例えば、グラフェン104の一辺の長さが50nm以上100μm以下、好ましくは500nm以上50μm以下であると好ましい。
活物質層102には、活物質103及びグラフェン104とともに、結着剤(バインダともいう。図示せず)を含有させるとよい。結着剤によって活物質103とグラフェン104、及び集電体101とを接着して電極の強度を向上させることができる。
活物質層102におけるグラフェン104、活物質103、結着剤の配合比は、活物質層の総量に対して、グラフェンを0.05wt%以上5.3wt%以下、活物質を84.2wt%以上98.9wt%以下、結着剤を1wt%以上10.5wt%以下とするとよい。
次に上述した非水系二次電池用正極の作製方法について図3乃至図5を用いて説明する。
まず、層状岩塩型構造を有する活物質の作製方法について説明する。
本発明の一態様における活物質層中に用いるグラフェンは、酸化グラフェンを原料とし、ペーストに添加する段階においては酸化グラフェンである。本項においては、ペーストに直接グラフェンを添加する場合と、ペーストに酸化グラフェンを添加して後にこれを還元してグラフェンとする場合の違いについて説明する。
グラフェンの原料を酸化グラフェンとせず、グラフェンそのものを導電助剤として加えた活物質層は、以下の方法で作製することができる。まず分散媒(溶媒ともいう。)にグラフェンを分散させた後、正極活物質を添加して混練することで混合物を作製する。この混合物に結着剤を添加して混練することでペーストを作製する。最後にペーストを正極集電体に塗布した後分散媒を揮発させ、グラフェンを導電助剤として加えた活物質層が作製される。
一方で、導電助剤として酸化グラフェン(Graphene Oxideともいう。)を活物質及び結着剤とともに分散媒に入れてペーストを作製した後、分散された酸化グラフェンを加熱処理により還元してグラフェンとした活物質層においては、活物質層内に電子伝導のネットワークが形成され、優れた電子伝導性を示すことを見いだした。
図4(A)に、分散媒として代表的なNMP(1−メチル−2−ピロリドン)の構造式を示す。NMP200は5員環の構造を有する化合物であり、極性溶媒の一つである。図4(A)に示すように、NMP中の酸素がマイナス(−)側に、酸素と二重結合する炭素がプラス(+)側に電気的に偏っている。このような極性を有する希釈溶媒の中にグラフェン、RGO又は酸化グラフェンを添加する。
次に、上述した酸化グラフェンの作製方法について説明する。
次に、上述した層状岩塩型構造を有する活物質、酸化グラフェン、結着剤、分散媒を用いて、ペーストを作製し、該ペーストを集電体101上に塗布して、還元雰囲気又は減圧下で乾燥させることで、活物質層102を含む正極100を製造する方法について、図6を参照して説明する。
次に、非水系二次電池の構造について、図7及び図8を用いて説明する。
図7(A)は、コイン型(単層偏平型)のリチウムイオン二次電池の外観図であり、部分的にその断面構造を併せて示した図である。
次に、ラミネート型の二次電池の一例について、図7(B)を参照して説明する。図7(B)では、説明の便宜上、部分的にその内部構造を露出して記載している。
次に、円筒型の二次電池の一例について、図8を参照して説明する。円筒型の二次電池480は図8(A)に示すように、上面に正極キャップ(電池蓋)481を有し、側面及び底面に電池缶(外装缶)482を有している。これら正極キャップと電池缶(外装缶)482とは、ガスケット(絶縁パッキン)490によって絶縁されている。
本発明の一態様に係る非水系二次電池用正極を用いた非水系二次電池は、様々な電気機器の電源として用いることができる。
ここで電気機器とは、電気の力によって作用する部分を含む工業製品をいう。電気機器は、家電等の民生用に限られず、業務用、産業用、軍事用等、種々の用途のものを広くこの範疇とする。
本発明の一態様に係る非水系二次電池を用いた電気機器としては、例えば、テレビやモニタ等の表示装置、照明装置、デスクトップ型やノート型等のパーソナルコンピュータ、ワードプロセッサ、DVD(Digital Versatile Disc)などの記録媒体に記憶された静止画又は動画を再生する画像再生装置、CD(Compact Disc)プレーヤやデジタルオーディオプレーヤ等の携帯型又は据置型の音響再生機器、携帯型又は据置型のラジオ受信機、テープレコーダやICレコーダ(ボイスレコーダ)等の録音再生機器、ヘッドホンステレオ、ステレオ、リモートコントローラ、置き時計や壁掛け時計等の時計、コードレス電話子機、トランシーバ、携帯電話機、自動車電話、携帯型又は据置型のゲーム機、歩数計、電卓、携帯情報端末、電子手帳、電子書籍、電子翻訳機、マイクロフォン等の音声入力機器、スチルカメラやビデオカメラ等の写真機、玩具、電気シェーバ、電動歯ブラシ、電子レンジ等の高周波加熱装置、電気炊飯器、電気洗濯機、電気掃除機、温水器、扇風機、毛髪乾燥機、加湿器や除湿器やエアコンディショナ等の空気調和設備、食器洗い器、食器乾燥器、衣類乾燥器、布団乾燥器、電気冷蔵庫、電気冷凍庫、電気冷凍冷蔵庫、DNA保存用冷凍庫、懐中電灯、電動工具、煙感知器、補聴器、心臓ペースメーカ、携帯型X線撮影装置、放射線測定器、電気マッサージ器や透析装置等の健康機器や医療機器などが挙げられる。さらに、誘導灯、信号機、ガスメータや水道メータ等の計量器、ベルトコンベア、エレベータ、エスカレータ、自動販売機、自動券売機、現金自動支払機(CD。Cash Dispenserの略)や現金自動預金支払機(ATM。AutoMated Teller Machineの略)、デジタルサイネージ(電子看板)、産業用ロボット、無線用中継局、携帯電話の基地局、電力貯蔵システム、電力の平準化やスマートグリッドのための二次電池等の産業機器が挙げられる。また、二次電池からの電力を用いて電動機により推進する移動体(輸送体)なども、電気機器の範疇に含まれるものとする。上記移動体として、例えば、電気自動車(EV)、内燃機関と電動機を併せ持ったハイブリッド車(HEV)、プラグインハイブリッド車(PHEV)、これらのタイヤ車輪を無限軌道に変えた装軌車両、農業機械、電動アシスト自転車を含む原動機付自転車、自動二輪車、電動車椅子、電動カート、小型又は大型船舶、潜水艦、固定翼機や回転翼機等の航空機、ロケット、人工衛星、宇宙探査機や惑星探査機、宇宙船などが挙げられる。
上述した電気機器は、個々に二次電池を搭載する場合に限らず、複数の電気機器と二次電池とこれらを制御する制御装置とを有線又は無線で接続したネットワーク(電力網)を形成してもよい。ネットワークを制御装置により制御することによって、ネットワーク全体における電力の使用効率を向上させることができる。
次に、電気機器の一例として移動体の例について、図9(B)及び(C)を用いて説明する。本発明の一態様に係る二次電池を、移動体の制御用の二次電池に用いることができる。
さらに、電気機器の一例として携帯情報端末の例について、図10を用いて説明する。
まず活物質として、層状岩塩型構造の結晶性を有するNMCの一種であるLiNi1/3Mn1/3Co1/3O2を作製した。以下、便宜上LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2をNMCとよぶ。NMCを作製するために、原料としてLi2CO3、NiO、MnO2、Co3O4を用意し、これを上記組成となるように秤量した。
酸化グラフェンの作製は以下のような手順に従った。
上記のようにして作製した活物質を用いて、正極を作製した。
以上のようにして作製した酸化グラフェンを原料としたグラフェンを用いた正極Aの活物質層の断面について、SEM(Scanning Electron Microscope)による観察を行った。観察の結果を、図11及び図12に示す。
上記のように作製した酸化グラフェンを原料としたグラフェンを用いた正極Aをハーフセルに組み込み、充放電特性を測定した。特性の評価は、CR2032タイプ(直径20mm、高さ3.2mm)のコイン型セルの形態で行った。また、負極にはリチウム箔、セパレータには25μm厚のポリプロピレン(PP)、電解液には、エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)とを体積比で1:1の割合で混合した混合溶液中へ六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を1モル/リットルの濃度で溶解したものを用いた。充電は、0.2C、上限電圧4.5V、CV時の下限電流値を0.01CとしたCCCVにより行った。放電は、0.2CのレートでCCにより行った。また、測定は、室温(25℃)で行った。
本実施例では、活物質として、層状岩塩型構造の結晶性を有するコバルト酸リチウム(LiCoO2)を作製した。コバルト酸リチウムを作製するために、原料としてLi2CO3、Co3O4を用意し、これをLi:Co=1:1となるように秤量した。
上記のようにして作製した活物質を用いて、正極を作製した。
以上のようにして作製した酸化グラフェンを原料としたグラフェンを用いた正極Bの活物質層の断面について、SEMによる観察を行った。観察の結果を、図15及び図16に示す。
上記のように作製した酸化グラフェンを原料としたグラフェンを用いた正極Bを、上述した正極Aと同様に、ハーフセルに組み込み、充放電特性を測定した。
101 集電体
102 活物質層
103 活物質
103a 活物質
103b 活物質
104 グラフェン
105 炭素層
200 NMP
201 グラフェン又はRGO
202 酸化グラフェン
450 二次電池
451 正極缶
452 負極缶
453 ガスケット
454 正極
455 正極集電体
456 正極活物質層
457 負極
458 負極集電体
459 負極活物質層
460 セパレータ
470 二次電池
471 正極集電体
472 正極活物質層
473 正極
474 負極集電体
475 負極活物質層
476 負極
477 セパレータ
478 外装体
480 二次電池
481 正極キャップ
482 電池缶
483 正極端子
484 正極
485 セパレータ
486 負極
487 負極端子
488 絶縁板
489 絶縁板
490 ガスケット(絶縁パッキン)
491 PTC素子
492 安全弁機構
500 住宅
501 電力系統
502 引込み線
503 分電盤
504 制御装置
505 蓄電システム
506 太陽光発電システム
507 表示装置
508 照明装置
509 空気調和設備
510 電気冷蔵庫
511 インターネット
512 電気自動車
513 管理サーバ
560 電気自動車
561 充電装置
562 ケーブル
563 前輪
564 二次電池
565 電子制御ユニット
566 インバータユニット
567 走行モータユニット
568 出力軸
569 駆動軸
570 後輪(駆動輪)
571 接続プラグ
600 携帯情報端末
601 筐体
602 表示部
603 ボタン
604 アイコン
605 カメラ
606 マイクロフォン
607 スピーカ
608 接続端子
609 太陽電池
610 カメラ
611 充放電制御回路
612 二次電池
613 DCDCコンバータ
614 スイッチ
615 スイッチ
616 スイッチ
617 コンバータ
701 NMC
702 グラフェン
705 NMC
706 AB
711 コバルト酸リチウム
712 グラフェン
Claims (2)
- 酸化グラフェンを、極性溶媒を有する分散媒に分散させ、
前記酸化グラフェンを分散させた前記分散媒に、層状岩塩型構造を有する活物質を添加して混練することで混合物を作製し、
前記混合物に結着剤を添加して混練することでペーストを作製し、前記ペーストを集電体に塗布し、
前記塗布した前記ペーストに含まれる前記分散媒を揮発させた後又は揮発させると同時に、前記酸化グラフェンを還元して、グラフェンを含む活物質を前記集電体上に形成することを特徴とする非水系二次電池用正極の製造方法。 - 請求項1において、
前記酸化グラフェンは、単層又は2層以上100層以下の多層であることを特徴とする非水系二次電池用正極の製造方法。
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