JP6301169B2 - 非水電解質二次電池 - Google Patents
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Description
リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な正極活物質を含む正極合剤層を備えた正極板と、
リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な負極活物質を含む負極合剤層を備えた負極板と、
セパレータと、非水電解液と、
を備え、
前記正極合剤層は、前記正極活物質と、導電助剤と、結着剤としてカルボキシル基ないしカルボキシル基誘導体を末端官能基に有するPVdFとを含み、
前記正極合剤層の表面には無機粒子層が形成されており、
前記無機粒子層中には下記式(1)又は(2)で示される高分子化合物が含有されている、
非水電解質二次電池が提供される。
R1−O−(C2H4−O)n−(C3H6−O)m−R2 (1)
R1−OCO−(C2H4−O)n−(C3H6−O)m−R2 (2)
{ただし、Pn=(C2H4−O)n−(C3H6−O)m(n+m≧1、n,m=0〜100)、R1=CaH2a+1(a=0〜100)、R2=CbH2b+1(b=0〜3)、a及びbの少なくとも一方は0である。}
各実験例で使用する正極板は次のようにして作製した。正極活物質としてのリチウム・ニッケル・コバルト・マンガン複合酸化物(LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2)の合成には、出発原料として、リチウム源には水酸化リチウムを用い、ニッケル、コバルト及びマンガン源としてはニッケル、コバルト及びマンガンを所定量共沈させて得たニッケル・コバルト・マンガン複合水酸化物を用いた。
上述のようにして調製されたリチウム・ニッケル・コバルト・マンガン複合酸化物と、導電剤としてのアセチレンブラックと、結着剤としてのカルボキシル基を導入したPVdF(実験例1〜3、5〜26、平均分子量110万)ないしカルボキシル基を導入しないPVdF(実験例4、平均分子量110万)とを、質量比が97.0:1.5:1.5の割合になるように秤量・混合し、分散媒としてのN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を添加した。次に、これを混合機(プライミクス社製、T.K.ハイビスミックス)を用いて撹拌し、正極合剤スラリーを調製した。
正極合剤層の表面に付与する無機粒子層は以下のようにして形成した。溶剤として水を用い、無機粒子としてチタニア(二酸化チタン:TiO2、平均粒子径:0.25μm、表面処理層なし、石原産業株式会社製「CREL」、実験例1、3〜23、25、26)又はアルミナ(実験例24)を用い、分散安定剤としてカルボキシメチルセルロース(CMC、ダイセル化学工業株式会社製、番号名「1380」)を用い、結着剤としてスチレンブタジエンゴム(SBR)を用い、無機粒子層形成のための水系スラリーを調製した。その際、無機粒子の固形分濃度を30質量部とし、分散安定剤を無機粒子100質量部に対して0.2質量部となるように用い、結着剤を無機粒子100質量部に対して3.8質量部となるようにした。また、添加剤として各実験例に応じた少なくとも一方の末端に水酸基を有する高分子化合物を適宜に添加した。各実験例に応じて添加した高分子化合物の記号及び化学構造式を下記表1に纏めて示した。
各実験例に共通する負極板は次のようにして作製した。負極活物質は、例えば、Si又はSiO x (0.5≦x<1.6)を用いることができる。各実験例では、組成がSiO(SiO x において、x=1に対応)の酸化ケイ素粒子を粉砕・分級して平均一次粒子径が6μmとなるように粒度を調整した後、約1000℃に昇温し、アルゴン雰囲気下でCVD法によりこの粒子の表面を炭素で被覆した。そして、これを解砕・分級して酸化ケイ素負極活物質を調製した。
非水電解液としては、エチレンカーボネ一ト(EC)及びメチルエチルカーボネート(MEC)を、1気圧、25℃での体積比で30:70となるよう混合した混合水溶媒に、電解質塩としてのヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)を1mol/Lとなるように溶解させ、さらにこれらの総量に対してビニレンカーボネート(VC)を1質量%、フッ化エチレンカーボネート(FEC)を2.0質量%となるように添加し、各実験例で共通して使用する非水電解液を調製した。
上記のようにして作製された各実験例に係る正極板にはアルミニウム製の正極集電タブを、負極板にはニッケル製の負極集電タブを溶接した後、厚さ12μmのポリエチレン製微多孔膜からなるセパレータを間に挟んで巻き取り機により巻回し、巻回終端部に絶縁性の巻き止めテープを取り付け、プレスすることによって、各実験例に係る偏平状の巻回電極体を作製した。
以上のようにして得られた各実験例に係る非水電解質二次電池について、それぞれ以下の充放電試験により負荷特性を測定した。まず、25℃において、1It(=800mA)の定電流で電池電圧が4.3V(正極電位はリチウム基準で4.4V)となるまで充電し、電池電圧が4.3Vに達した後は4.3Vの定電圧で1/20It(=40mA)となるまで充電を行った。そして、10分間休止した後、0.2It(=160mA)の定電流で電池電圧が2.75Vになるまで放電し、この時に流れた電荷を0.2It放電時の容量として求めた。
負荷特性(%)
=(3.0It放電時の容量/0.2It放電時の容量)×100
各実験例に係る非水電解質二次電池について、25℃において、1Itの定電流で電池電圧が4.3Vとなるまで充電し、電池電圧が4.3Vに達した後は4.3Vの定電圧で1/20Itとなるまで充電を行ない、完全充電状態とした。これらの完全充電状態とした電池に対して、1mm径の釘を0.1mm/sの速度で貫通させた。この時、釘が電池の正負対向部の1層目を短絡させた時点の電圧挙動から、下記式で示す0.5秒間の短絡発熱量を算出した。
実験例1では、無機粒子としてチタニアを用い、無機粒子層中に含有させる添加剤として高分子化合物A−1を無機粒子100質量部対して5質量部となる割合で添加したスラリーを用い、正極合剤層の両面に片側の厚みが3μm、両側の合計で6μmとなるように正極合剤層上に無機粒子層を形成したものを用いて電池を作製した。実験例2では、無機粒子層を形成しないことを除いて、実験例1と同様にして電池を作製した。実験例3では、無機粒子層中に高分子化合物A−1を添加しなかったこと以外は実験例1と同様にして電池を作製した。また、実験例4では、結着剤としてカルボキシル基を有していないPVdFを用いるとともに、正極合剤層無機粒子層中に高分子化合物A−1を添加しなかったこと以外は実験例1と同様にして電池を作製した。上述のようにして作製した実験例1〜4のそれぞれの電池を用いて、負荷特性及び短絡発熱量を測定した結果を表2に纏めて示した。
実験例5〜8では、無機粒子としてチタニアを用い、無機粒子層中に含有させる添加剤として高分子化合物A−1を無機粒子100質量部に対して1質量部(実験例5)、10質量部(実験例6)、20質量部(実験例7)及び30質量部(実験例8)となる割合で添加したスラリーを用い、正極合剤層の両面に片側の厚みが3μm、両側の合計で6μmとなるように正極合剤層上に無機粒子層を形成したものを用いて電池を作製した。上述のようにして作製した実験例5〜8のそれぞれの電池を用いて、負荷特性及び短絡発熱量を測定した結果を表3に纏めて示した。
実験例9〜22では、無機粒子層中に添加する添加剤をA−1に換えて上記表1に示した高分子化合物B−1〜B−3、C−1、D1〜D8、E1〜E2を用いた以外は実験例1の場と同様にして電池を作製した。上述のようにして作製した実験例9〜22のそれぞれの電池を用いて、負荷特性及び短絡発熱量を測定した結果を無機粒子層中に添加された高分子化合物種の記号とともに表4に纏めて示した。
実験例23〜26では、無機粒子としてチタニア(実験例23、25及び26)ないしアルミナ(実験例24)を用い、無機粒子層中に含有させる添加剤として高分子化合物A−1を無機粒子100質量部に対して5質量部となる割合で添加したスラリーを用い、正極合剤層の両面に、片側の厚みが1μm(実験例23)、3μm(実験例24)、5μm(実験例25)及び10μm(実験例26)となるようにして電池を作製した。上述のようにして作製した実験例23〜26のそれぞれの電池を用いて、負荷特性及び短絡発熱量を測定した結果を実験例1の結果とともに表5に纏めて示した。
実験例27では、高分子化合物A−1が無機粒子表面の酸素原子をトラップする効果を確認するため、無機粒子としてのチタニア100質量部に対して高分子化合物A−1を0〜20質量%まで5質量%単位で変化させた以外は上記の[正極合剤層上への無機粒子層の形成]に示したのと同様にしてスラリーを調製した。得られたスラリーのpHを測定した結果を表6に纏めて示した。
し、MはCo、Ni、Mnの少なくとも1種である)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物(すなわち、LiCoO2、LiNiO2、LiNiyCo1−yO2(y=0.01〜0.99)、LiMnO2、等)や、LiMn2O4、LiFePO4等を一種単独又はこれらから複数種を混合したものを用いることができる。さらには、LiCoO2にジルコニウムやマグネシウム、アルミニウム等の異種金属元素を添加したものを用いることができる。
11…ラミネート外装体
12…溶着封止部
13…正極集電タブ
14…負極集電タブ
15…正極集電タブ樹脂
16…負極集電タブ樹脂
Claims (8)
- リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な正極活物質を含む正極合剤層を備えた正極板と、
リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な負極活物質を含む負極合剤層を備えた負極板と、
セパレータと、非水電解液と、
を備え、
前記正極合剤層は、前記正極活物質と、導電助剤と、結着剤としてカルボキシル基ないしカルボキシル基誘導体を末端官能基に有するポリフッ化ビニリデンとを含み、
前記正極合剤層の表面には無機粒子層が形成されており、
前記無機粒子層中には下記式(1)又は(2)で示される高分子化合物が含有されている、
非水電解質二次電池。
R1−O−Pn−R2 (1)
R1−OCO−Pn−R2 (2)
{ただし、Pn=(C2H4−O)n−(C3H6−O)m(n+m≧1、n,m=0〜100)、R1=CaH2a+1(a=0〜100)、R2=CbH2b+1(b=0〜3)、a及びbの少なくとも一方は0である。} - 前記式(1)又は(2)で示される高分子化合物の含有量は前記無機粒子層中の無機粒子100質量部に対して1〜20質量部である、請求項1に記載の非水電解質二次電池。
- 前記式(1)又は(2)で示される高分子化合物の分子量は、100〜10000である、請求項1又は2に記載の非水電解質二次電池。
- 前記無機粒子層中の無機粒子はチタニア又はアルミナである、請求項1〜3のいずれかに記載の非水電解質二次電池。
- 前記無機粒子層の厚みは1〜5μmである、請求項1〜4のいずれかに記載の非水電解質二次電池。
- 前記カルボキシル基ないしカルボキシル基誘導体を末端官能基に有するポリフッ化ビニ
リデンの平均分子量は100万〜120万である、請求項1〜5のいずれかに記載の非水電解質二次電池。 - 前記負極活物質はSi又はSiOx(0.5≦x<1.6)を含んでいる、請求項1〜6のいずれかに記載の非水電解質二次電池。
- 前記正極活物質は、LiaCoxMnyNizMbO2(a=0.9〜1.25、b≧0、x+y+z+b=1、MはB,Al,Mg,Ti,Zr,Fe,Mn,Cr,Znから選択される少なくとも1種)を含む、請求項1〜7のいずれかに記載の非水電解質二次電池。
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