JP6459795B2 - ナトリウムイオン二次電池 - Google Patents
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Description
本発明の目的は、スズを含む負極活物質を用いたナトリウムイオン二次電池において、負極の膨張を抑制して、高いサイクル特性を確保することである。
前記負極は、負極集電体と、前記負極集電体に担持された負極合剤層とを含み、
前記負極合剤層は、負極活物質と、導電助剤と、バインダとを含み、
前記負極活物質は、スズを含む金属粒子と、ハードカーボンとを含み、
前記負極合剤層は、空隙を有しており、
放電状態において、前記金属粒子の体積の前記空隙の体積に対する比Rp/vは、0.05≦Rp/v<0.24であり、前記金属粒子と前記ハードカーボンとの総量に占める前記金属粒子の割合は、15質量%〜60質量%である、ナトリウムイオン二次電池に関する。
最初に、本発明の実施形態の内容を列記して説明する。
本発明の一実施形態は、正極と、負極と、正極および負極の間に介在するセパレータと、ナトリウムイオン伝導性を有する非水電解質とを含むナトリウムイオン二次電池に関する。負極は、負極集電体と、負極集電体に担持された負極合剤層とを含み、負極合剤層は、負極活物質と、導電助剤と、バインダとを含む。負極活物質は、スズを含む金属粒子と、ハードカーボンとを含み、負極合剤層は、空隙を有している。放電状態において、金属粒子の体積の空隙の体積に対する比Rp/vは、0.05≦Rp/v<0.24であり、金属粒子とハードカーボンとの総量に占める金属粒子の割合は、15質量%〜60質量%である。
空隙率(%)=(1−d/d0)×100
(式中、dは負極合剤層の見かけ密度であり、d0は負極合剤層の真密度である。)
見かけ密度dは、負極における負極合剤層の体積および質量から算出できる。真密度d0は、負極合剤層の構成成分の比重や密度、および質量比から算出することができる。
負極の厚みは、負極の厚み方向の断面におけるSEM画像から求めることができる。また、負極の厚みは、SEM画像において、任意の複数の箇所について負極の厚みを計測し、平均化した平均値であってもよい。
本発明の実施形態に係るナトリウムイオン二次電池の具体例を、適宜図面を参照しつつ以下に説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
負極は、負極集電体と、負極集電体に担持された負極合剤層とを含む。
負極集電体は、例えば、金属箔を用いることができる。金属箔の厚みは、例えば10μm〜50μmである。
(金属粒子)
金属粒子を構成する金属としては、例えば、スズ単体またはスズ合金が挙げられる。スズ合金としては、スズとスズ以外の元素(第2元素)との合金が挙げられる。第2元素としては、チタン、亜鉛、インジウム、鉛、ビスマスなどの金属元素の他、ケイ素、リンなどの非金属元素も例示できる。スズ合金は、第2元素を一種含んでいてもよく、二種以上含んでいてもよい。金属粒子は一種を用いてもよく、種類が異なる二種以上の金属粒子を用いてもよい。
比Rp/vは、負極を形成する際の圧縮の程度、負極合剤層の密度、構成成分の割合などを変更することにより調節することができる。
ハードカーボンは、炭素網面が三次元的にずれた状態で重なりあった乱層構造を有する炭素質材料である。ハードカーボンは、高温(例えば、3000℃)での加熱処理によっても、乱層構造から黒鉛構造への転換が起こらず、黒鉛結晶子の発達が見られない。そのため、ハードカーボンは、難黒鉛化性炭素(non−graphitizable carbon)とも称される。
平均粒子径D50とは、体積基準の粒度分布における累積が50%となる粒子径(つまり、メジアン径)を意味する。
導電助剤としては、特に制限されないが、例えば、カーボンブラック(アセチレンブラック、ケッチェンブラックなど)、黒鉛、炭素繊維(気相法炭素繊維などのカーボンナノファイバなど)、および/またはカーボンナノチューブなどが挙げられる。導電性を高める観点から、導電助剤は、負極活物質粒子の表面に被覆されていてもよい。導電助剤は、一種を単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。負極の抵抗の増加を抑制し易い観点からは、導電助剤としては、カーボンブラック、および/またはカーボンナノファイバが好ましい。サイクル特性をさらに高める観点からは、気相法炭素繊維などのカーボンナノファイバを用いることが有利である。
バインダとしては、特に制限されないが、例えば、ポリフッ化ビニリデンなどのフッ素樹脂、ポリオレフィン樹脂、スチレンブタジエンゴムなどのゴム状重合体、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミドなどのポリイミド樹脂、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール、およびセルロースエーテル(カルボキシメチルセルロースおよびその塩など)などが挙げられる。バインダは一種を単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。
負極合剤は、通常、分散媒を含むスラリー(またはペースト)の形態で使用される。分散媒としては、例えば、N−メチル−2−ピロリドン(NMP:N−methyl−2−pyrrolidone)などの有機溶媒、および/または水などが用いられる。
正極は、正極活物質を含んでおり、正極集電体と、正極集電体に担持された正極活物質(または正極合剤)とを含んでもよい。
正極集電体は、例えば、負極集電体について記載したような金属箔、金属多孔体などが使用できる。正極集電体の材質としては、特に制限されないが、正極電位での安定性の観点から、アルミニウム、および/またはアルミニウム合金などが好ましい。正極集電体の厚みは、負極集電体の場合について記載した範囲から適宜選択できる。
正極活物質は、一種を単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて使用してもよい。
バインダの量は、特に制限されないが、高い結着性および容量を確保し易い観点から、正極活物質100質量部に対して、例えば、0.5質量部〜15質量部程度の範囲から選択でき、好ましくは1質量部〜12質量部であってもよい。
セパレータは、正極と負極との間に介在させる。セパレータとしては、例えば、樹脂製の微多孔膜、および/または不織布などが使用できる。セパレータの材質は、電池の使用温度を考慮して選択できる。微多孔膜または不織布を形成する繊維に含まれる樹脂としては、例えば、ポリオレフィン樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリアミド樹脂、および/またはポリイミド樹脂などが例示できる。不織布を形成する繊維は、ガラス繊維などの無機繊維であってもよい。セパレータは、セラミックス粒子などの無機フィラーを含んでもよい。無機フィラーは、セパレータにコーティングされた状態であってもよい。
セパレータの厚みは、特に限定されないが、例えば、10μm〜300μm程度の範囲から選択できる。
電解質としては、ナトリウムイオンを含む非水電解質が使用される。非水電解質としては、例えば、非水溶媒(または有機溶媒)にナトリウムイオンとアニオンとの塩(ナトリウム塩)を溶解させた電解質(有機電解質)、およびナトリウムイオンとアニオンとを含むイオン液体(溶融塩電解質)などが用いられる。
電解質におけるナトリウム塩またはナトリウムイオンの濃度は、例えば、0.3〜10mol/Lの範囲から適宜選択できる。
有機電解質は、非水溶媒(有機溶媒)およびナトリウム塩に加え、イオン液体および/または添加剤などを含むことができるが、高い低温特性を確保し易い観点からは、電解質中の非水溶媒およびナトリウム塩の含有量の合計は、例えば、60質量%〜100質量%であってもよい。
電解質としてイオン液体を用いる場合、電解質は、カチオンとアニオンとを含むイオン液体に加え、非水溶媒および/または添加剤などを含むことができる。ただし、電解質の分解を抑制し易い観点からは、電解質中のイオン液体の含有量は、80質量%以上(例えば、80質量%〜100質量%)であることが好ましく、90質量%〜100質量%であってもよい。
有機カチオンのうち、特に、第4級アンモニウムカチオンの他、窒素含有ヘテロ環骨格として、ピロリジン、ピリジン、またはイミダゾール骨格を有するカチオンが好ましい。
(1)負極の作製
薄膜旋回型ミキサーを用いて、負極活物質としてのスズ粉末(平均粒子径D50:120nm)およびハードカーボン(平均粒子径D50:9μm)と、導電助剤としてのアセチレンブラック(平均粒子径D50:48nm)と、バインダとしてのポリアミドイミドと、NMPとを、回転速度30m/sにて、30秒間高速旋回することにより、負極合剤ペーストを調製した。このとき、スズ粉末とハードカーボンとアセチレンブラックとポリアミドイミドとの質量比は、35:47:10:8とした。負極合剤ペーストの固形分濃度は45質量%であった。スズ粉末およびハードカーボンの総量に占めるスズ粉末の割合は、42.7質量%であり、負極活物質100質量部に対するアセチレンブラックの量は、12.2質量部であった。
得られた負極合剤ペーストを、負極集電体としてのアルミニウム箔に塗布し、乾燥し、圧縮して、さらに真空乾燥後、打ち抜くことで、円盤状の負極(直径12mm、厚み65μm)を作製した。
コイン型電池の容器の内底部に(1)で得られた負極を配置し、負極上にセパレータを配置した。次いで、金属ナトリウム電極(対極)を、負極と対向するように、セパレータを介在させた状態で配置した。電池容器内に非水電解質を注液し、周縁に絶縁性ガスケットを備えた蓋体を、電池容器の開口部に嵌め込むことで、コイン型のハーフセル(電池a1)を作製した。ハーフセルを、40℃の温度で、時間率0.1Cレートの電流値で、0.005Vになるまで充電し、0.05Cレートの電流値で0.7Vまで放電した。この充電と放電のサイクルを5回繰り返すことにより予備充放電を完了させた。
なお、セパレータとしては、ポリオレフィン製の微多孔膜(厚さ50μm)を用いた。非水電解質としては、NaFSAと、MPPYFSAとを、4:6のモル比で混合したものを用いた。
上記(2)で得られた予備充放電後のコイン型のハーフセルまたはこのハーフセルから取り出した負極(つまり放電状態の負極)を用いて、下記の評価を行った。
(a)負極合剤層の密度、空隙率、および比Rp/v、ならびに負極の理論容量
放電状態の負極の直径と負極合剤層の厚みを測定し、これらを用いて負極合剤層の見かけの体積(cm3)を求めた。そして、負極合剤層の質量(g)を見かけの体積で除することにより、放電状態における負極合剤層の密度(見かけ密度)を求めたところ、1.50g/cm3であった。
満充電状態における負極合剤層の空隙率は、放電状態における空隙率の場合に準じて既述のようにして求めた。ただし、見かけ密度は放電状態と同じであるものとし、真密度は負極におけるSnの全てがNa15Sn4合金に変換されているものとして、Na15Sn4合金の密度2.4g/cm3を用いて計算した。
スズの理論容量を500mAh/g、ハードカーボンの理論容量を250mAh/gとして、負極中のスズ粉末およびハードカーボンの質量比から、負極の理論容量を求めた。その結果、負極の理論容量は、357mAh/gであった。
放電状態の負極の負極合剤層部分の厚み方向の断面のSEM画像において、面積が2500μm2の領域を任意に選択し、この領域における粒子径が10μm以上の凝集粒子の個数を数えた。合計10箇所の領域について同様の作業を行い、平均値を算出した。
上記の断面のSEM画像において、任意に選択した50個の金属粒子の粒子径を計測し、平均化することにより平均粒子径を求めた。
予備充放電後のハーフセルを、40℃の温度で、時間率0.05Cレートの電流値で0.005Vになるまで充電することにより、ナトリウムイオンを負極活物質中に吸蔵させた。この状態(初回充電時)のハーフセルの厚み方向の断面のSEM写真を撮影し、負極(つまり、満充電状態の負極)の厚みを計測した。この厚みを、予備充放電後(つまり放電状態)の負極の厚みで除することにより、負極の厚み比(つまり、放電状態の負極の厚みに対する満充電状態の負極の厚みの比)を求めた。
予備充放電後のハーフセルを、40℃の温度で、時間率0.1Cレートの電流値で、0.005Vになるまで充電を行い、0.05Cレートの電流値で0.7Vまでの放電を行い、このとき(初回放電時)の放電容量を測定した。放電容量は、負極活物質の単位質量当たりのハーフセルの容量(mAh/g)および負極の見かけ体積当たりのハーフセルの容量(Ah/L)で求めた。
上記(d)の充放電を50回繰り返した際の放電容量を、初回放電時の放電容量の場合と同様にして求めた。そして、初回充電時の充電容量を100%としたときの比率(容量維持率)(%)を算出し、サイクル特性の指標とした。
NaCrO2(正極活物質)100質量部、アセチレンブラック(導電助剤)11.8質量部およびポリフッ化ビニリデン(バインダ)5.9質量部を、NMPとともに混合して、正極合剤ペーストを調製した。得られた正極合剤ペーストを、正極集電体としてのアルミニウム箔の片面に塗布し、乾燥後に圧縮し、150℃で真空乾燥後に打ち抜くことで、円盤状の正極(直径12mm、厚み85μm)を作製した。
負極合剤層の密度が1.20g/cm3となるように、圧縮の程度を調整した以外は、実施例1と同様にして、負極およびハーフセルを作製し、評価を行った。
スズ粉末とハードカーボンとアセチレンブラックとポリアミドイミドとの質量比を、15:67:10:8に変更するとともに、負極合剤層の密度が1.25g/cm3となるように、圧縮の程度を調整した以外は、実施例1と同様にして、負極およびハーフセルを作製し、評価を行った。
スズ粉末とハードカーボンとアセチレンブラックとポリアミドイミドとの質量比を、35:32:25:8に変更するとともに、負極合剤層の密度が1.30g/cm3となるように、圧縮の程度を調整した以外は、実施例1と同様にして、負極およびハーフセルを作製し、評価を行った。
負極合剤ペーストの固形分濃度を70質量%に変更した以外は、実施例1と同様にして、負極およびハーフセルを作製し、評価を行った。
スズ粉末とハードカーボンとアセチレンブラックとポリアミドイミドとの質量比を、55:27:10:8に変更した以外は、実施例1と同様にして、負極およびハーフセルを作製し、評価を行った。
負極合剤層の密度が1.65g/cm3となるように、圧縮の程度を調整した以外は、比較例1と同様にして、負極およびハーフセルを作製し、評価を行った。
スズ粉末とハードカーボンとアセチレンブラックとポリアミドイミドとの質量比を、35:54:3:8に変更した以外は、実施例1と同様にして、負極およびハーフセルを作製し、評価を行った。
負極合剤ペーストの固形分濃度を70質量%に変更した以外は、比較例3と同様にして、負極およびハーフセルを作製し、評価を行った。
2:正極
2a:正極リード片
3:負極
3a:負極リード片
7:ナット
8:鍔部
9:ガスケット
10:電池ケース
12:容器本体
13:蓋体
14:外部負極端子
16:安全弁
Claims (9)
- 正極と、負極と、前記正極および前記負極の間に介在するセパレータと、ナトリウムイオン伝導性を有する非水電解質とを含み、
前記負極は、負極集電体と、前記負極集電体に担持された負極合剤層とを含み、
前記負極合剤層は、負極活物質と、導電助剤と、バインダとを含み、
前記負極活物質は、スズを含む金属粒子と、ハードカーボンとを含み、
前記負極合剤層は、空隙を有しており、
放電状態において、前記金属粒子の体積の前記空隙の体積に対する比Rp/vは、0.05≦Rp/v<0.24であり、前記金属粒子と前記ハードカーボンとの総量に占める前記金属粒子の割合は、15質量%〜60質量%である、ナトリウムイオン二次電池。 - 前記負極合剤層の空隙率は、放電状態において、25体積%〜55体積%である、請求項1に記載のナトリウムイオン二次電池。
- 前記負極合剤層の空隙率は、満充電状態において、0体積%〜25体積%である、請求項1または請求項2に記載のナトリウムイオン二次電池。
- 前記比Rp/vは、0.10≦Rp/v<0.24である、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載のナトリウムイオン二次電池。
- 前記金属粒子は、スズを含む金属の一次粒子が凝集した凝集粒子を含み、
前記負極合剤層は、放電状態で、厚み方向の断面の任意に選択された面積が2500μm2の領域において、前記凝集粒子のうち粒子径が10μm以上の凝集粒子の個数が2個以下である、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載のナトリウムイオン二次電池。 - 前記導電助剤の量は、前記負極活物質100質量部に対して5質量部〜45質量部である、請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載のナトリウムイオン二次電池。
- 前記金属粒子の平均粒子径は、放電状態において、100nm〜500nmである、請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載のナトリウムイオン二次電池。
- 放電状態における前記負極の厚みがTのとき、満充電状態の前記負極の厚みは1.25T以下である、請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載のナトリウムイオン二次電池。
- 前記導電助剤は、カーボンブラックおよびカーボンナノファイバからなる群より選択される少なくとも一種である、請求項1〜請求項8のいずれか1項に記載のナトリウムイオン二次電池。
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