JP6613893B2 - 二次電池用電極、二次電池、および二次電池用電極の製造方法 - Google Patents

二次電池用電極、二次電池、および二次電池用電極の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、二次電池用電極、これを用いた二次電池、および二次電池用電極の製造方法に関し、より詳細には、サイクル特性を向上させうる非水電解質二次電池用負極に関する。
本願は、2013年9月30日に日本に出願された特願2013−204568号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
近年、石油使用量や温室効果ガス削減、エネルギー基盤のさらなる多様化や効率化を目指し、繰り返し充放電可能な二次電池として、リチウム(Li)イオン二次電池に注目が集まっている。特に、電気自動車やハイブリッド電気自動車および燃料電池車への用途展開が見込まれている。電気自動車においては、走行距離の向上が要求され、今後、二次電池のエネルギー密度の向上が一層要求されていくことになる。
リチウムイオン二次電池の負極に注目すると、黒鉛電極が一般に用いられている。黒鉛の理論容量は、372mAhg(活物質)−1である。これに対し、黒鉛を上回る容量を示す活物質として、シリコン(Si)や錫(Sn)が近年注目されている。Siの理論容量は、4200mAhg(活物質)−1であり、Snは、990mAhg(活物質)−1である。一方、Siは、黒鉛の約11倍の容量を持っているために、Li吸蔵放出に伴う体積変化も大きくなる。Li吸蔵により体積が約4倍増加する。
黒鉛と比べて、大容量を有する活物質を用いた電極は、充放電に伴う大きな体積変化から、電極の導電パスの切断や微粉化に伴う電極からの脱離、集電体と活物質層との剥離などのおそれがある。このことは、二次電池のサイクル特性を低下させる要因となる可能性がある。
また、サイクル特性を低下させる要因として、SEI(Solid Electrolyte Interface。エチレンカーボネートを用いた場合に生成する、リチウムが挿入できるように活物質の表面を不活性化・安定化させる被膜)の形成に伴うLiの消費も挙げられる。とくに、充放電に伴う大きな体積変化が生じるSi系活物質を電極に用いる場合、SEIの破壊と生成とが繰り返されうることから、SEI形成に伴うLiの消費も無視できない。
例えば、特許文献1には、安定なSEI形成に関する発明が為されている。ここでは、1.0eV以上のLUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital、電子に占有されていない最もエネルギーの低い分子軌道。最低空軌道)を有するように、電極をシランカップリング剤等で処理している。安定なSEIが形成されるが、同時に、電極界面抵抗の増大を生じ、容量低下が生じるおそれがあった。
また、例えば特許文献2では、活物質の電極からの脱離を防ぐ手段として、バインダと活物質とを共有結合させることが記載されている。これにより、サイクル特性の低下を抑制することができる。しかしながら、バインダと活物質との共有結合は、一度結合が切れてしまえば、結合は修復できないことから、特性向上はみられるものの、さらなるサイクル特性の向上が必要であった。
また、例えば特許文献3では、アルギン酸ナトリウムをバインダとして用いることが記載されている。活物質とバインダとは、静電相互作用により結着されており、自己修復的に結合が維持されるので、サイクル特性が向上できると考えられている。
日本国特開平11−354104号公報 日本国特開2011−49046号公報 国際公開第2011/140150号
しかしながら、上述した特許文献1〜3に記載された発明では、いずれも二次電池のサイクル特性の向上効果が低く、更なるサイクル特性の向上が望まれている。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、サイクル特性を向上させることが可能な二次電池用電極、および二次電池の提供を目的とする。
本発明者は、二次電池のサイクル特性の更なる向上を狙い、鋭意検討を行なった結果、活物質表面上の極性を変更することによって、バインダとの静電相互作用による結着性が向上し、サイクル特性が大きく向上することを見出した。
本発明の第一態様に係る二次電池用電極は、集電体と、前記集電体の表面に形成され、活物質およびバインダを含む活物質層と、を有し、前記活物質はSiOxを含み、前記活物質の重量に対して3.0重量%以上7.0重量%以下のシランカップリング剤が添加されることにより該SiOxの表面にアミノ基が修飾されており、前記バインダは、カルボン酸基を含む糖鎖構造を有する水溶性高分子から構成される。
上記第一態様において、前記活物質は、xが1.5以下となるSiOxを含んでいてもよい。
上記第一態様において、前記バインダはアルギン酸塩であってもよい。
上記第一態様において、前記SiOxの粒径(メジアン径:D50)が0.5μm以上10μm以下であってもよい。
上記第一態様において、前記活物質層における前記バインダの重量比が、前記活物質の重量に対して、3重量%以上20重量%以下であってもよい。
本発明の第二態様に係る二次電池は、上記第一態様に係る二次電池用電極を備える。
本発明の第三態様は、二次電池用電極の製造方法である。この製造方法では、SiOxを含む活物質と、活物質の重量に対して3.0重量%以上7.0重量%以下のシランカップリング剤とを混合してSiOxの表面にアミノ基を修飾し、アミノ基が修飾された活物質と、カルボン酸基を含む糖鎖構造を有する水溶性高分子から構成されるバインダとを混合してスラリを形成し、スラリを集電体に塗布して乾燥する。
本発明の上記各態様によれば、サイクル特性の高い二次電池用電極、およびこの二次電池用電極を用いたサイクル特性に優れた二次電池を提供することができる。
本発明の一実施形態に係る二次電池を示す断面図である。 本発明の検証結果を示すグラフである。 本発明の検証結果を示すグラフである。
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態に係る二次電池用電極、および二次電池について説明する。
なお、本実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明し、特に指定のない限り、本発明を限定しない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の一実施形態の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
本実施形態では、本発明の二次電池としてリチウムイオン二次電池を示し、二次電池用電極をリチウムイオン二次電池の負極に適用した例を示す。
図1は、本実施形態の二次電池用電極を備えた二次電池を示す断面図である。
リチウムイオン二次電池(二次電池)10は、電解質層11と、この電解質層11の一面(第1の面)と他面(第2の面)とにそれぞれ配された正極12と負極(二次電池用電極)13と、を有している。
これら電解質層11、正極12、および負極13から形成される積層体は、金属などの外装体(図示略)に収容されていればよい。
正極12は、集電体15と、この集電体15の一面(第1の面)に形成された正極活物質層16とを有する。集電体15としては、二次電池用の正極集電体材料として従来用いられている材料を適宜採用すればよい。例えば、アルミニウム、ニッケル、銅、鉄、ステンレス鋼(SUS)、チタン等が挙げられる。電子伝導性、電池作動電位という観点から、アルミニウムが特に好ましい。集電体15の一般的な厚さは、10〜30μm程度である。
正極活物質層16を構成する正極活物質は、特にリチウムの吸蔵放出が可能な材料であれば限定されない。リチウムイオン二次電池に通常用いられる正極活物質を適宜採用することができる。具体的には、リチウム−マンガン複合酸化物(LiMnなど)、リチウム−ニッケル複合酸化物(LiNiOなど)、リチウム−コバルト複合酸化物(LiCoOなど)、リチウム−鉄複合酸化物(LiFeOなど)、リチウム−ニッケル−マンガン複合酸化物(LiNi0.5Mn0.5など)、リチウム−ニッケル−コバルト複合酸化物(LiNi0.8Co0.2など)、リチウム−遷移金属リン酸化合物(LiFePOなど)、およびリチウム−遷移金属硫酸化合物(LixFe(SOなど)が挙げられる。これら正極活物質は、それぞれ単独で構成されても、あるいは2種以上の混合物の形態で構成されてもよい。
負極(二次電池用電極)13は、集電体17と、この集電体17の一面(第1の面)に形成された負極活物質層18とを有する。集電体17としては、二次電池用の負極集電体材料として従来用いられている材料を適宜採用すればよい。例えば、アルミニウム、ニッケル、銅、鉄、ステンレス鋼(SUS)、チタン等が挙げられる。電子伝導性、電池作動電位という観点から、銅が特に好ましい。集電体17の一般的な厚さは、10〜30μm程度である。
負極活物質層18は、負極活物質(活物質)、バインダ、及び導電助剤を含む。本実施形態で用いられる負極活物質は、Liを可逆的に吸蔵および放出できる物質であれば特に制限されず、公知の物質を使用することができる。負極活物質として、Liと合金化する材料を使用することが望ましい。特に、黒鉛よりも容量が大きい材料であれば、本発明の効果が顕著に得られる。
Liと合金化する材料としては、Si、Ge、Sn、Pb、Al、Ag、Zn、Hg、およびAuからなる群から選択された1つ以上の合金を使用できる。好ましくはSiOxであり、より好ましくは、xは1.5以下であることが好ましい。xが1.5より多いと、十分なLiの吸蔵および放出量を確保することができない。また、該活物質のみならず、黒鉛も活物質として加えても良い。
該活物質の表面は、シランカップリング剤により表面極性を変更することができる。シランカップリング剤は、下記の式(1)で表され、アルコキシ基(X)と有機官能基(Y)とから構成される。該活物質の表面極性を変更する物質は、式(1)で表されるシランカップリング剤の他に、シランカップリング剤同士で脱水縮合されるシロキサンでもよい。好ましくは、3−aminopropyl trimethoxy silaneを用いることができる。
−Si−Y ・・・(1)
ここで、Xは、メトキシ基、エトキシ基、またはプロピルオキシ基である。
Yは、−(CH)n−Y’で表され、nは、0以上10以下であり、Y’は、−NH(C)、−2−imidazolin−1−yl、−NH、−NH(CH)2NH、−CH、または−Cである。
該活物質重量に対するシランカップリング剤の添加量は、0.1重量%以上20重量%以下である。好ましくは、0.9重量%以上8重量%以下である。0.1重量%より少ないと、表面極性を変更した効果が得られない。20重量%より多いと、該活物質の界面抵抗が高くなり、得られる容量が小さくなる。
該活物質の粒径は、D50(メジアン径:積算値が50%である粒度の直径であり、平均粒径を示す)が0.5μm以上10μm以下であることが望ましい。該活物質のD50が10μmより大きい場合、総活物質表面積あたりの電流が大きくなり、電極抵抗が増し、容量が低下する。一方、D50が0.5μmより小さい場合、電極スラリを調液する工程で、該活物質が凝集しやすくなり、該活物質が均一に分散したスラリを得ることが困難になるため、電極抵抗が高くなり、容量が低下する。
バインダは、カルボン酸基を含む糖鎖構造から形成される高分子である。さらに、糖鎖構造に含まれるヒドロキシル基が、水溶となるように、カルボキシル基で部分的に置換されていることが望ましい。より望ましくは、アルギン酸ナトリウムが望ましい。アルギン酸ナトリウムは、水素結合により活物質表面官能基と結着される。従って、活物質の表面極性により、サイクル特性が変化する。また、バインダは、活物質の重量に対し、3重量%以上20重量%以下であることが望ましい。3重量%より少ない場合、十分な結着をすることできない。20重量%より大きい場合には、電極体積あたりの容量が大きく低下する。
導電助剤には、カーボンブラックや天然黒鉛、人造黒鉛、酸化チタンや酸化ルテニウムなどの金属酸化物、及び金属ファイバなどが使用できる。なかでもストラクチャー構造を呈するカーボンブラックが好ましく、特にその一種であるファーネスブラックやケッチェンブラック、アセチレンブラック(AB)が好ましく用いられる。カーボンブラックとその他の導電剤、例えば、気相成長炭素繊維との混合系も好ましく用いられる。
電解質層11を構成する電解液の溶媒には、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネートなどの低粘度の鎖状炭酸エステルと、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネートなどの高誘電率の環状炭酸エステル、γ‐ブチロラクトン、1,2−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、メチルアセテート、メチルプロピオネート、ビニレンカーボネート、ジメチルホルムアミド、スルホランおよびこれらの混合溶媒等を挙げることができる。
電解液に含まれる電解質は、特に制限がなく、LiClO、LiBF、LiAsF、LiPF、LiCFSO、LiN(CFSO、LiI、LiAlCl等およびそれらの混合物等が挙げられる。好ましくは、LiBF、LiPFのうちの1種または2種以上を混合したリチウム塩がよい。
以下、本発明を実施例によりさらに詳しく説明するが、本発明は、実施例により何ら限定されない。
(実施例1)
活物質表面の極性は次の手順により変更した。D50が6.6μmのSiO(大阪チタニウム社製)6.00gを2−イソプロピルアルコール30.00gに加えた。次に、N−[3−(trimethoxysilyl)propyl]anilineを0.09g加えて攪拌した。続いて、水を0.60g滴下し、一晩攪拌した。その後、2−イソプロピルアルコールで洗浄しながら、ろ過を行なった。得られた粉体は、80℃で3時間、減圧乾燥を行なった。
得られた活物質4.46g、アセチレンブラック0.89g、気相成長炭素繊維0.89g、及びアルギン酸ナトリウム0.89gを水52.86gに加え、ディスパーでプレ分散し、該混合液をフィルミックスで本分散し、負極スラリを得た。
得られた負極スラリを集電体に塗布した。集電体として、厚さ12μmの銅箔を使用した。
負極スラリは、2.8mg/cmの目付量になるように、ドクターブレードにて集電体に塗布した。続いて、80℃で30分予備乾燥した。密度が、1.0g/cmになるようプレスを行ない105℃で5時間、減圧乾燥して負極を得た。
(実施例2)
活物質表面の極性は次の手順により変更した。D50が6.6μmのSiO(大阪チタニウム社製)6.06gを2−イソプロピルアルコール30.04gに加えた。次に、triethoxy−3−(2−imidazolin−1−yl)propylsilaneを0.09g加えて攪拌した。続いて、水を0.61g滴下し、一晩攪拌した。その後、2−イソプロピルアルコールで洗浄しながら、ろ過を行なった。得られた粉体について、80℃で3時間、減圧乾燥を行なった。これ以降、実施例1と同様に混合液をフィルミックスで本分散して、負極スラリを得た。負極スラリを集電体に塗布し、乾燥後、プレスして負極を得た。
(実施例3)
活物質表面の極性は次の手順により変更した。D50が6.6μmのSiO(大阪チタニウム社製)6.03gを2−イソプロピルアルコール30.03gに加えた。次に、3−aminopropyl trimethoxy silaneを0.06g加えて、攪拌した。続いて、水を0.62g滴下し、一晩攪拌した。その後、2−イソプロピルアルコールで洗浄しながら、ろ過を行なった。得られた粉体について、80℃で3時間、減圧乾燥を行なった。これ以降、実施例1と同様に混合液をフィルミックスで本分散して、負極スラリを得た。負極スラリを集電体に塗布し、乾燥後、プレスして負極を得た。
(実施例4)
活物質表面の極性は次の手順により変更した。D50が6.6μmのSiO(大阪チタニウム社製)6.02gを2−イソプロピルアルコール30.45gに加えた。次に、3−aminopropyl trimethoxy silaneを0.21g加えて攪拌した。続いて、水を0.64g滴下し、一晩攪拌した。その後、2−イソプロピルアルコールで洗浄しながら、ろ過を行なった。得られた粉体は、80℃で3時間、減圧乾燥を行なった。これ以降、実施例1と同様に混合液をフィルミックスで本分散して、負極スラリを得た。負極スラリを集電体に塗布し、乾燥後、プレスして負極を得た。
(実施例5)
活物質表面の極性は次の手順により変更した。D50 6.6μmのSiO(大阪チタニウム社製)6.05gを2−イソプロピルアルコール30.14gに加えた。次に、3−aminopropyl trimethoxy silaneを0.40g加えて攪拌した。続いて、水を0.61g滴下し、一晩攪拌した。その後、2−イソプロピルアルコールで洗浄しながら、ろ過を行なった。得られた粉体は、80℃で3時間、減圧乾燥を行なった。これ以降、実施例1と同様に混合液をフィルミックスで本分散して、負極スラリを得た。負極スラリを集電体に塗布し、乾燥後、プレスして負極を得た。
(実施例6)
活物質表面の極性は次の手順により変更した。D50 6.6μmのSiO(大阪チタニウム社製)6.00gを2−イソプロピルアルコール30.04gに加えた。次に、3−aminopropyl trimethoxy silaneを0.99g加えて攪拌した。続いて、水を0.62g滴下し、一晩攪拌した。その後、2−イソプロピルアルコールで洗浄しながら、ろ過を行なった。得られた粉体は、80℃で3時間、減圧乾燥を行なった。これ以降、実施例1と同様に混合液をフィルミックスで本分散して、負極スラリを得た。負極スラリを集電体に塗布し、乾燥後、プレスして負極を得た。
(実施例7)
活物質表面の極性は次の手順により変更した。D50 6.6μmのSiO(大阪チタニウム社製)6.01gを2−イソプロピルアルコール31.27gに加えた。次に、3−aminopropyl trimethoxy silaneを2.02g加えて攪拌した。続いて、水を0.64g滴下し、一晩攪拌した。その後、2−イソプロピルアルコールで洗浄しながら、ろ過を行なった。得られた粉体は、80℃で3時間、減圧乾燥を行なった。これ以降、実施例1と同様に混合液をフィルミックスで本分散して、負極スラリを得た。負極スラリを集電体に塗布し、乾燥後、プレスして負極を得た。
(比較例1)
活物質表面の極性変更は行なわず、次の手順で負極を作製した。D50 6.6μmのSiO(大阪チタニウム社製)4.50gとアセチレンブラック0.89gおよび気相成長炭素繊維0.87g、アルギン酸ナトリウム0.89gを水52.94gに加え、ディスパーでプレ分散し、該混合液をフィルミックスで本分散し、負極スラリを得た。
得られた負極スラリを集電体に塗布した。集電体は、厚さ12μmの銅箔を使用した。
負極スラリは、2.8mg/cmの目付量になるように、ドクターブレードにて塗布した。続いて、80℃で30分予備乾燥した。これを密度が1.0g/cmになるようプレスを行ない、105℃で5時間、減圧乾燥して負極を得た。
(セル作製と評価)
得られた負極と、Li箔とを対極として有するコインセルを作製し、充放電評価を行なった。コインセルは、次のような構成を有した。負極は、直径15mmの円板に打ち抜き、Li箔は、直径16mmの円板に打ち抜いて、評価を行なった。Li箔は、300μmの厚さとした。コインセルは、Li箔および負極、セパレータ(型番2200、セルガード社製)を基本構成として有した。エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DMC)との3:7(v/v)の混合溶液に、LiPFを1Mとなるように加えた電解液を使用した。充放電は、0.01V〜1.5Vで113サイクル行なった。1サイクル目は、0.05C CC充電および0.05C CC放電、2サイクル目は、0.1C CC充電および0.1C CC放電、3サイクル目は、0.2C CC充電および0.2C CC放電、4サイクル目以降は、0.2C CC充電および1.0C CC放電で行なった。
上述した実施例1〜3と比較例1とにおける、放電容量とサイクルとの関係のグラフを、検証例1として図2に示す。
図2に示す検証結果より、実施例1〜3のサイクル特性は、比較例1に比べ、良好であることがわかった。特に、サイクル初期での容量の低下を抑制できたことにより、本発明による活物質表面の極性変更が、アルギン酸ナトリウムバインダに対し、効果があることが確認された。
次に、上述した実施例3〜7と比較例1における、放電容量とサイクルとの関係のグラフを、検証例2として図3に示す。
図3に示す検証結果より、シランカップリング剤の仕込み量を検討したところ、20サイクルから100サイクルにわたって、実施例4および5が比較例1に対して、容量の増加を確認できた。さらに、実施例5では、30サイクル以降の容量が安定的に推移していた。こうした結果から、本発明が、サイクル特性の安定化に寄与することが確認された。
本発明によって得られる二次電池用電極は、各種携帯用電子機器の電源や、高エネルギー密度が求められる電気自動車などの駆動用蓄電池、さらに、ソーラーエネルギーや風力発電などの各種エネルギーの蓄電装置、あるいは家庭用電気器具の蓄電源などの電極に用いることができる。
10…リチウムイオン二次電池(二次電池)、11…電解質層、12…正極、13…負極、18…負極活物質層(活物質層)。

Claims (7)

  1. 集電体と、前記集電体の表面に形成され、活物質およびバインダを含む活物質層と、を有し、
    前記活物質はSiOxを含み、前記活物質の重量に対して3.0重量%以上7.0重量%以下のシランカップリング剤が添加されることにより該SiOxの表面にアミノ基が修飾されており、
    前記バインダは、カルボン酸基を含む糖鎖構造を有する水溶性高分子から構成される二次電池用電極。
  2. 前記活物質は、xが1.5以下となるSiOxを含む請求項1記載の二次電池用電極。
  3. 前記バインダはアルギン酸塩である請求項1または2記載の二次電池用電極。
  4. 前記SiOxの粒径(メジアン径:D50)が0.5μm以上10μm以下である請求項1から3のいずれか一項に記載の二次電池用電極。
  5. 前記活物質層における前記バインダの重量比が、前記活物質の重量に対して、3重量%以上20重量%以下である請求項1から4のいずれか一項に記載の二次電池用電極。
  6. 請求項1から5のいずれか一項に記載の二次電池用電極を備える二次電池。
  7. SiOxを含む活物質と、前記活物質の重量に対して3.0重量%以上7.0重量%以下のシランカップリング剤とを混合して前記SiOxの表面にアミノ基を修飾し、
    アミノ基が修飾された前記活物質と、カルボン酸基を含む糖鎖構造を有する水溶性高分子から構成されるバインダとを混合してスラリを形成し、
    前記スラリを集電体に塗布して乾燥する、
    二次電池用電極の製造方法。
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