JP6495009B2 - 二次電池用正極、二次電池および二次電池用正極の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明の一つの実施形態として、二次電池用正極の断面構造では、アルミニウム材の表面上に、正極活物質としてリチウム含有金属酸化物を含む正極活物質層が形成されている。アルミニウム材と正極活物質層との間には、アルミニウムと炭素を含む介在層が形成されている。
本発明の一つの実施の形態として、二次電池用正極の基材として用いられるアルミニウム材は特に限定されない。アルミニウム材としては、純アルミニウムまたはアルミニウム合金を用いることができる。このようなアルミニウム材は、アルミニウム純度が「JIS H2111」に記載された方法に準じて測定された値で98質量%以上のものが好ましい。本発明で用いられるアルミニウム材は、その組成として、鉛(Pb)、珪素(Si)、鉄(Fe)、銅(Cu)、マンガン(Mn)、マグネシウム(Mg)、クロム(Cr)、亜鉛(Zn)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、ガリウム(Ga)、ニッケル(Ni)およびホウ素(B)の少なくとも1種の合金元素を必要範囲内において添加したアルミニウム合金、または、上記の不可避的不純物元素の含有量を限定したアルミニウムも含む。アルミニウム材の厚みは、特に限定されないが、箔であれば5μm以上200μm以下、板であれば200μmを越え3mm以下が好ましい。
本発明の二次電池用正極においては、アルミニウム材の表面上に、正極活物質としてリチウム含有金属酸化物を含む正極活物質層が形成されている。
本発明の二次電池用正極においては、アルミニウム材と正極活物質層との間に、アルミニウムと炭素を含む介在層が形成されている。
上述の特徴を有する本発明の二次電池用正極は、二次電池を構成するために用いられる。本発明の二次電池用正極が用いられる二次電池としては、リチウムイオン電池またはリチウムイオンポリマー電池等を挙げることができる。本発明の二次電池用正極を備えた二次電池は、安定した急速充放電特性を維持し、二次電池の寿命を高めることができる。
本発明の二次電池用正極の製造方法において、正極活物質層形成工程では、アルミニウム材の表面上に、正極活物質としてリチウム含有金属酸化物を含む正極活物質層を形成する。正極活物質層形成工程の後に、正極活物質層が形成されたアルミニウム材を、炭化水素含有物質を含む空間に配置した状態で、加熱する加熱工程を行なうことにより、アルミニウム材の表面上にアルミニウムと炭素を含む介在層を介して正極活物質層が形成された二次電池用正極を得ることができる。
本発明に従った二次電池用正極の製造方法の一つの実施の形態においては、まず、アルミニウム材の表面上に正極活物質としてリチウム含有金属酸化物を含む正極活物質層を形成するために、リチウム含有金属酸化物をアルミニウム材の表面上に付着させる。
正極活物質層形成工程の後で、正極活物質層が形成されたアルミニウム材を、炭化水素含有物質を含む空間に配置した状態で、加熱することにより、アルミニウムと炭素を含む介在層がアルミニウム材と正極活物質層との間に形成される。
<正極活物質層形成工程>
正極活物質であるリチウム含有金属酸化物としてリン酸鉄リチウム(LiFePO4)粒子(空気中における熱分解温度:400℃以上)、バインダーとしてポリビニルブチラール系樹脂、および、溶媒としてトルエンとメチルエチルケトンとイソプロピルアルコールを6:3:1の体積比率で混合した混合溶媒を、リン酸鉄リチウム粒子とバインダーの質量比率が80:20になるように配合し、上記の混合溶媒を適宜加え、スラリーを調製した。
正極活物質層が表面に形成されたアルミニウム箔をメタンガス雰囲気中にて630℃の温度で20時間保持することにより、アルミニウム箔と正極活物質層との間に介在層を形成した。その後、正極活物質層が表面に形成されたアルミニウム箔を、直径が15.5mmの円板状に打ち抜き、正極活物質層の密度(塗布量と厚みからの算出値)が1.7g/cm3になるようにプレス加工した。
正極活物質であるリチウム含有金属酸化物としてリン酸鉄リチウム(LiFePO4)粒子(空気中における熱分解温度:400℃以上)、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(PVDF)、アセチレンブラック粒子、および、溶媒としてN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を、リン酸鉄リチウム粒子とバインダーとアセチレンブラック粒子の質量比率が86:7:7になるように配合し、上記の溶媒を適宜加え、スラリーを調製した。
実施例1と比較例1の二次電池用正極を用いて次のようにして二次電池を作製した。
<充放電試験>
実施例1と比較例1のそれぞれの二次電池を用いて0.1C(低速:低レート)と2C(急速:高レート)の条件で充放電試験を行った。充放電時の上限電圧を4.2V、下限電圧を2.0Vとした。実施例で得られた二次電池の充放電特性の結果を図2、比較例1で得られた二次電池の充放電特性の結果を図3に示す。
上記の実施例1と比較例1で作製された二次電池用正極(加熱前)のそれぞれを200℃の温度で12時間保持することにより、二次電池用正極(加熱後)を作製した。得られた実施例1と比較例1の二次電池用正極(加熱後)を用いて、上記と同様にして二次電池を作製した。実施例1と比較例1のそれぞれの二次電池を用いて2C(急速:高レート)の条件で充放電試験を行った。
<正極活物質層形成工程>
正極活物質であるリチウム含有金属酸化物としてリン酸鉄リチウム(LiFePO4)粒子(空気中における熱分解温度400℃以上)、バインダーとしてポリビニルブチラール系樹脂、アルミニウム粉末、および、溶媒としてトルエンとメチルエチルケトンとメチルイソブチルケトンとイソプロピルアルコールを7:1:1:1の体積比率で混合した混合溶媒を、リン酸鉄リチウム粒子とバインダーとアルミニウム粉末の質量比率が88:5:7になるように配合し、上記の混合溶媒を適宜加え、スラリーを調製した。
正極活物質層が表面に形成されたアルミニウム箔をメタンガス雰囲気中にて630℃の温度で20時間保持することにより、アルミニウム箔と正極活物質層との間に介在層を形成した。その後、正極活物質層が表面に形成されたアルミニウム箔を、直径が15.5mmの円板状に打ち抜いた。
<正極活物質層形成工程>
正極活物質であるリチウム含有金属酸化物としてリン酸鉄リチウム(LiFePO4)粒子(空気中における熱分解温度400℃以上)、バインダーとしてエチルセルロース系樹脂およびフェノール系樹脂の1:2の重量比で混合した混合バインダー、および、溶媒としてトルエンとメチルエチルケトンを1:1の体積比率で混合した混合溶媒を、リン酸鉄リチウム粒子とバインダーの質量比率が85:15になるように配合し、上記の混合溶媒を適宜加え、スラリーを調製した。
正極活物質層が表面に形成されたアルミニウム箔をメタンガス雰囲気中にて615℃の温度で12時間保持することにより、アルミニウム箔と正極活物質層との間に介在層を形成した。その後、正極活物質層が表面に形成されたアルミニウム箔を、直径が15.5mmの円板状に打ち抜いた。
<正極活物質層形成工程>
正極活物質であるリチウム含有金属酸化物としてリン酸鉄リチウム(LiFePO4)粒子(空気中における熱分解温度400℃以上)、バインダーとしてポリビニルアルコール系樹脂、および、溶媒として水とイソプロピルアルコールを1:1の体積比率で混合した混合溶媒を、リン酸鉄リチウム粒子とバインダーの質量比率が80:20になるように配合し、上記の混合溶媒を適宜加え、スラリーを調製した。
正極活物質層が表面に形成されたアルミニウム箔をメタンガス雰囲気中にて630℃の温度で20時間保持することにより、アルミニウム箔と正極活物質層との間に介在層を形成した。その後、正極活物質層が表面に形成されたアルミニウム箔を、直径が15.5mmの円板状に打ち抜いた。
<正極活物質層形成工程>
正極活物質であるリチウム含有金属酸化物としてリン酸鉄リチウム(LiFePO4)粒子(空気中における熱分解温度400℃以上)、バインダーとしてポリビニルブチラール系樹脂、アルミニウム粉末、および、溶媒としてトルエンとメチルエチルケトンとメチルイソブチルケトンとイソプロピルアルコールを7:1:1:1の体積比率で混合した混合溶媒を、リン酸鉄リチウム粒子とバインダーとアルミニウム粉末の質量比率が88:5:7になるように配合し、上記の混合溶媒を適宜加え、スラリーを調製した。
正極活物質層が表面に形成されたアルミニウム箔をメタンガス雰囲気中にて630℃の温度で20時間保持することにより、アルミニウム箔と正極活物質層との間に介在層を形成した。その後、正極活物質層が表面に形成されたアルミニウム箔を、直径が15.5mmの円板状に打ち抜いた。
<正極活物質層形成工程>
正極活物質であるリチウム含有金属酸化物としてスピネル型マンガン酸リチウム(LiMn2O4)粒子(空気中における熱分解温度350℃以上)、バインダーとしてポリビニルブチラール系樹脂、および、溶媒としてトルエンとメチルエチルケトンとメチルイソブチルケトンとイソプロピルアルコールを7:1:1:1の体積比率で混合した混合溶媒を、マンガン酸リチウム粒子とバインダーの質量比率が80:20になるように配合し、上記の混合溶媒を適宜加え、スラリーを調製した。
正極活物質層が表面に形成されたアルミニウム箔をメタンガス雰囲気中にて615℃の温度で15時間保持することにより、アルミニウム箔と正極活物質層との間に介在層を形成した。その後、正極活物質層が表面に形成されたアルミニウム箔を、直径が15.5mmの円板状に打ち抜いた。
<正極活物質層形成工程>
正極活物質であるリチウム含有金属酸化物としてニッケルマンガンコバルト酸リチウム(LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2)粒子(空気中における熱分解温度300℃以上)、バインダーとしてポリビニルブチラール系樹脂、および、溶媒としてトルエンとメチルエチルケトンとメチルイソブチルケトンとイソプロピルアルコールを7:1:1:1の体積比率で混合した混合溶媒を、ニッケルマンガンコバルト酸リチウム粒子とバインダーの質量比率が80:20になるように配合し、上記の混合溶媒を適宜加え、スラリーを調製した。
正極活物質層が表面に形成されたアルミニウム箔をメタンガス雰囲気中にて615℃の温度で15時間保持することにより、アルミニウム箔と正極活物質層との間に介在層を形成した。その後、正極活物質層が表面に形成されたアルミニウム箔を、直径が15.5mmの円板状に打ち抜いた。
正極活物質であるリチウム含有金属酸化物としてリン酸鉄リチウム(LiFePO4)粒子(空気中における熱分解温度400℃以上)、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(PVDF)、アセチレンブラック(AB)粒子、および、溶媒としてN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を混合し、上記の溶媒を適宜加え、スラリーを調整した。リン酸鉄リチウム(LiFePO4)粒子とポリフッ化ビニリデン(PVDF)とアセチレンブラック(AB)粒子との配合比率を以下の表5に示すスラリー配合比とした。
正極活物質であるリチウム含有金属酸化物としてスピネル型マンガン酸リチウム(LiMn2O4)粒子(空気中における熱分解温度350℃以上)、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(PVDF)、アセチレンブラック粒子、および、溶媒としてN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を、マンガン酸リチウム粒子とバインダーとアセチレンブラック粒子の質量比率が90:5:5になるように配合し、上記の溶媒を適宜加え、スラリーを調製した。
正極活物質であるリチウム含有金属酸化物としてニッケルマンガンコバルト酸リチウム(LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2)粒子(空気中における熱分解温度300℃以上)、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(PVDF)、アセチレンブラック粒子、および、溶媒としてN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を、ニッケルマンガンコバルト酸リチウム粒子とバインダーとアセチレンブラック粒子の質量比率が90:5:5になるように配合し、上記の溶媒を適宜加え、スラリーを調製した。
実施例2〜5と比較例2〜5の二次電池用正極を用いて次のようにして二次電池を作製した。
<充放電試験>
実施例2と比較例2、実施例3と比較例3、実施例4と比較例4のそれぞれの二次電池を用いて、低速(低レート)から急速(高レート)の条件で、具体的には、実施例2と比較例2では0.5Cから20C、実施例3と比較例3では0.5Cから2C、実施例4と比較例4では0.5Cから5Cの放電レート条件で充放電試験を行った。充放電時の上限電圧を4.2V、下限電圧を2.0Vとした。
放電モードの各測定データ1、2、・・・nにおける放電開始からの経過時間:T(1,2・・・n)、各経過時間Tに対する放電電圧:V(1,2、・・・n)に対し、電圧変化幅の中間点をv(n)={V(n−1)+V(n)}/2、時間変化幅をt(n)=T(n)―T(n−1)とすると、平均放電電圧は以下の式で表される。
実施例5と比較例5のそれぞれの二次電池を60℃の恒温槽に入れ、レート条件3Cで充放電試験を行った。初回の放電容量を100%としたときの実施例5と比較例5のサイクル回数に対する放電容量の変化(容量維持率)を図11に示す。
Claims (6)
- アルミニウム箔と、
前記アルミニウム箔の表面上に形成された、正極活物質としてリチウム含有金属酸化物を含む正極活物質層と、
前記アルミニウム箔と前記正極活物質層との間に島状に分散して形成された、アルミニウムの炭化物を含む介在層とを備え、
前記介在層は、前記アルミニウム箔と前記正極活物質層とを強固に密着させるものであり、
前記リチウム含有金属酸化物は、LiFePO4であり、
前記リチウム含有金属酸化物は、炭化したバインダーにより表面が被覆されており、
前記正極活物質層は、ポリフッ化ビニリデンを含まない、二次電池用正極。 - 前記介在層は、前記アルミニウム箔の表面の少なくとも一部の領域に形成された、アルミニウムの炭化物を含む表面部分を含む、請求項1に記載の二次電池用正極。
- 請求項1に記載の二次電池用正極を備えた、二次電池。
- 当該二次電池が、リチウムイオン電池およびリチウムイオンポリマー電池のいずれかである、請求項3に記載の二次電池。
- 正極活物質としてLiFePO4を含み、且つ、ポリビニルブチラール系樹脂を含む正極活物質層をアルミニウム箔の表面上に形成する正極活物質層形成工程と、
炭化水素含有物質を含む空間に前記正極活物質層が形成された前記アルミニウム箔を配置した状態で加熱する加熱工程と、
を備え、
前記加熱工程は、615℃以上660℃未満の温度で行われ、アルミニウムの炭化物を含む介在層を、前記アルミニウム箔と前記正極活物質層との間に島状に分散するように形成するものであり、
前記正極活物質層は、ポリフッ化ビニリデンを含まない、二次電池用正極の製造方法。 - 前記加熱工程は、630℃以上660℃未満の温度で行われる、請求項5に記載の二次電池用正極の製造方法。
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