JP6638286B2 - リチウムイオン二次電池用正極及びリチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Description
本発明のリチウムイオン二次電池用正極は、集電体と、集電体の表面に配置された導電性粒子層と、導電性粒子層の表面に配置された正極活物質層とを有する。
集電体は、リチウムイオン二次電池の放電または充電の間、電極に電流を流し続けるための化学的に不活性な電子高伝導体をいう。
導電性粒子層は、導電性粒子と、導電性粒子層用バインダーとを有する。必要に応じて導電性粒子層は、導電性粒子を分散させるための分散剤、塗膜の取り扱いを向上させるための粘度調整剤、塗液に発生する泡を管理するための消泡材などを含んでもよい。分散剤、粘度調整剤、消泡剤等は市販品を適宜使用すればよい。
正極活物質層は導電性粒子層の表面に配置される。
第一正極活物質としては、リチウムイオン二次電池の正極活物質として機能する公知の材料を採用すればよい。第二正極活物質の充放電電位が第一正極活物質の充放電電位よりも低いため、実質的に第一正極活物質が正極の充放電の役割を担う。
(式(1)中、M1は、Mg、Al、B、Ti、V、Cr、Fe、Cu、Zn、Zr、Mo、Sn、Ca、Sr及びWからなる群のうちの少なくとも1種を表し、a、b、c、d及びeは、0.8≦a≦1.2、0<b≦0.5、0<c≦0.5、0≦d≦0.5、b+c+d<1、−0.1≦e≦0.2の範囲内の値である。)
第二正極活物質は、リチウムイオン二次電池の正極活物質として機能できる材料であって、上記第一正極活物質よりも充放電電位が低く抵抗が高い材料である。リチウムイオン二次電池用正極に第二正極活物質が存在すると、リチウムイオン二次電池の正極と負極の短絡時であっても、リチウムイオン二次電池の発熱を抑制することができる。
(式(2)中、M2は、Co、Mn、Ni、Mg、Al、B、Ti、V、Nb、Cu、Zn、Mo、Ca、Sr、W及Zrからなる群のうちの少なくとも1種を表す。pは、0.9≦p≦1.1の範囲内の値である。qは、0<q≦1の範囲内の値である。)
本発明のリチウムイオン二次電池は、本発明のリチウムイオン二次電池用正極を有する。本発明のリチウムイオン二次電池は、電池構成要素として、上記正極、負極、セパレータ、電解液を有する。
負極は、集電体と、集電体の表面に結着させた負極活物質層を有する。負極活物質層は、負極活物質、結着剤を含み、必要に応じて導電助剤を含む。集電体、結着剤、導電助剤は正極で説明したものと同様である。
セパレータは正極と負極とを隔離し、両極の接触による電流の短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させるものである。セパレータは、例えばポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、あるいはポリエチレンなどの合成樹脂製の多孔質膜、又はセラミックス製の多孔質膜が使用できる。
電解液は、溶媒とこの溶媒に溶解された電解質とを含んでいる。
厚み15μmのアルミニウム箔(株式会社UACJ製箔製)を準備した。準備したアルミニウム箔を120℃大気中にて12時間加熱し、アルミニウム箔の表面の油脂類を低減させた。
ATO:PAAの質量比が90:10となるように、ATOとPAAとイオン交換水とを混合して固形分4%の導電性粒子層用スラリーを作成した。
(集電体A)
脱脂処理済みの厚み15μmのアルミニウム箔そのものを集電体Aとした。
脱脂処理済みの厚み15μmのアルミニウム箔に、導電性粒子層用スラリーをマイクログラビアコーターを用いて塗布した。導電性粒子層用スラリーの塗布後のアルミニウム箔を100℃で乾燥した。得られた導電性粒子層の厚みは、ほぼ100nmであった。この導電性粒子層が配置された集電体を集電体Bとした。
第一正極活物質として、平均粒径D50が6μmのLiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(以下、NCMと称す。)を準備した。第二正極活物質として、針形状のLiFePO4と球形状のLiFePO4を準備した。針形状のLiFePO4を針形状LFP、球形状のLiFePO4を球形状LFPと称す。針形状LFP及び球形状LFPは両方とも炭素材料で表面が被覆されていた。針形状LFP及び球形状LFPの平均粒径D50は両方とも1.5μmであった。
実施例1の正極を次のようにして作製した。第一正極活物質としてNCMと、第二正極活物質として針形状LFPと、導電助剤としてアセチレンブラックと、結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)とを、それぞれ69質量部、25質量部、3質量部、3質量部として混合し、この混合物を適量のN−メチル−2−ピロリドン(NMP)に分散させて、正極活物質層用スラリーを作製した。
集電体Bに換えて集電体Aを用いた以外は実施例1の正極と同様にして比較例1の正極を得た。
第二正極活物質として針形状LFPの代わりに球形状LFPを用いた以外は実施例1の正極と同様にして比較例2の正極を得た。
集電体Bに換えて集電体Aを用いた以外は比較例2の正極と同様にして比較例3の正極を得た。
実施例1及び比較例1〜3の正極の電極抵抗を測定した。
実施例1及び比較例1〜3の正極の剥離強度を測定した。試験方法はJIS Z 0237に準拠した。試験方法について詳細に述べると、活物質層側を下向きにして台座に粘着テープで接着し、正極を上向きに90度の方向に引張試験機で引っ張ることにより剥離強度を測定した。剥離強度の測定はn=1で行った。結果を表1に示す。実施例1及び比較例2の正極の剥離面はどちらも正極活物質層と導電性粒子層の界面であった。比較例1及び比較例3の正極の剥離面はどちらも正極活物質層と集電体Aとの界面であった。
実施例1及び比較例2の正極の断面観察を走査型電子顕微鏡(以下、SEMと称す。)で行い、そのSEM断面写真から針形状LFPと球形状LFPのアスペクト比を測定した。針形状LFPのアスペクト比は1.5〜10であり、アスペクト比の平均値は5であった。球形状LFPのアスペクト比は1〜3であり、アスペクト比の平均値は2であった。
実施例1の正極のSEM断面写真から、実施例1の正極の断面では、導電性粒子層の導電性粒子間にできた空隙や凹凸に第二正極活物質の先端部分が入り込んで、導電性粒子層に第二正極活物質が食い込んでいる様子が観察された。比較例2の正極の断面観察では、導電性粒子層に第二正極活物質が食い込む様子は観察されなかった。導電性粒子層の表面の凹凸の大きさよりも第二正極活物質の粒径が大きかったため導電性粒子層に第二正極活物質は食い込めなかったと考えられる。
(正極)
(実施例1Aの正極)
集電体の両面にコンマコーターで塗膜を形成し、所定の形状(正極活物質層面積40mm×80mmの矩形状)に切り取り、正極活物質層の厚さが片面90μm程度の正極とした以外は実施例1の正極と同様の条件で実施例1Aの正極を得た。
集電体Bに換えて集電体Aを用いた以外は実施例1Aの正極と同様にして比較例1Aの正極を得た。
第二正極活物質として針形状LFPの代わりに球形状LFPを用いた以外は実施例1Aの正極と同様にして比較例2Aの正極を得た。
集電体Bに換えて集電体Aを用いた以外は比較例2Aの正極と同様にして比較例3Aの正極を得た。
負極活物質として、平均粒子径D50が4μmのSiO及び平均粒子径D50が20μmの天然黒鉛を準備した。バインダー樹脂としてポリアミドイミドを準備した。導電助剤としてアセチレンブラックを準備した。
上記の正極1A30枚および負極31枚を用いて、ラミネート型リチウムイオン二次電池を製作した。詳しくは、各正極および各負極の間に、セパレータとしてポリエチレンからなる矩形状シート(48mm×88mm、厚さ25μm)を挟装して30組積層して極板群とした。この極板群を二枚一組のラミネートフィルムで覆い、三辺をシールした後、袋状となったラミネートフィルムに電解液を注入した。電解液としてエチレンカーボネート(EC)と、エチルメチルカーボネート(EMC)と、ジメチルカーボネート(DMC)をEC:EMC:DMC=3:3:4(体積比)で混合した溶媒にLiPF6を1モル/lとなるように溶解した溶液を用いた。その後、残りの一辺をシールすることで、四辺が気密にシールされ、極板群および電解液が密閉されたラミネート型リチウムイオン二次電池を得た。なお、正極および負極は外部と電気的に接続可能なタブ部を備え、このタブ部の一部はラミネート型リチウムイオン二次電池の外側に延出している。以上の工程で、実施例1のリチウムイオン二次電池を作製した。
実施例1Aの正極の代わりに比較例1Aの正極を用いた以外は実施例1のリチウムイオン二次電池と同様にして比較例1のリチウムイオン二次電池を作製した。
実施例1Aの正極の代わりに比較例2Aの正極を用いた以外は実施例1のリチウムイオン二次電池と同様にして比較例2のリチウムイオン二次電池を作製した。
実施例1Aの正極の代わりに比較例3Aの正極を用いた以外は実施例1のリチウムイオン二次電池と同様にして比較例3のリチウムイオン二次電池を作製した。
実施例1及び比較例1〜3のリチウムイオン二次電池の電池容量を測定した。充電は、25℃において0.33Cレート、電圧4.5VでCCCV充電、CV時間3時間(定電流定電圧充電)をした。放電の際は2.5Vまで、0.33CレートでCC放電を行った。この時の放電容量を測定し、電池容量とした。結果を表2に示す。
実施例1及び比較例1〜3のリチウムイオン二次電池のセル抵抗を測定した。セル抵抗(mΩ)は、電圧3.6Vにおいて、1Cレートである6.5A、10秒放電にて測定した。実施例及び各比較例は同じ構成の電池を各2個ずつ作成し、各電池の抵抗を測定し、その平均値を計算した。
実施例1および比較例1〜3のリチウムイオン二次電池について、釘刺し試験による安全性の評価をおこなった。詳しくは、各電池を電流値3.0Aで4.5Vに達するまで定電流(CC)充電した。その後、4.5V±0.02V以内に電圧を維持するようにひきつづき充電を続け、全充電時間が5時間になったら充電を停止した。
Claims (8)
- 集電体と、
前記集電体の表面に配置された導電性粒子層と、
前記導電性粒子層の表面に配置された正極活物質層と、
を有し、
前記導電性粒子層は、導電性粒子と、導電性粒子層用バインダーとを有し、
前記導電性粒子は、酸化インジウム、酸化亜鉛、過酸化亜鉛、酸化錫(II)、酸化錫(IV)、酸化錫(VI)、窒化ゲルマニウム、窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化ハフニウム、窒化タンタル、窒化ニオブ、窒化バナジウム、窒化タングステン、元素Xドープ酸化インジウム(元素XはZn、Mo、W、Ti、Zr、Sn及びHから選ばれる少なくとも一種である)、元素Yドープ酸化錫(IV)(元素YはF、W、Ta、Sb、P及びBから選ばれる少なくとも一種である)並びに元素Zドープ酸化亜鉛(元素ZはGa、Al及びBから選ばれる少なくとも一種である)から選ばれる少なくとも1つであり、
前記正極活物質層は、第一正極活物質と前記第一正極活物質よりも充放電電位が低く抵抗が高い第二正極活物質とを含み、
前記第二正極活物質の最長部分の長さをL1とし、該最長部分の長さの長さ方向に対して直交する方向の最長の長さをL2としたときのL1/L2の比率をアスペクト比とした場合、前記アスペクト比の平均値が3以上10以下であり、
前記導電性粒子層の表面は、前記導電性粒子の配置による凹凸を有し、
かつ、前記導電性粒子層は、空隙を有し、
少なくとも一部の前記凹凸及び/又は前記空隙には、前記第二正極活物質の一部が入り込んでいることを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極。 - 前記導電性粒子の平均粒径D50は10nm以上1000nm以下である請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用正極。
- 前記導電性粒子層の厚みは10nm以上1000nm以下である請求項1又は2に記載のリチウムイオン二次電池用正極。
- 前記第二正極活物質の平均粒径D50は、0.5μm以上5μm以下である請求項1〜3のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池用正極。
- 前記導電性粒子層の空隙率は5%以上50%以下である請求項1〜4のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池用正極。
- 前記第二正極活物質は表面の少なくとも一部が導電性物質で被覆されている請求項1〜5のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池用正極。
- 前記第一正極活物質は、下記式(1)で表されるリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物であり、
LiaNibCocMn(1−b−c−d)M1 dO(2−e)・・・・・(1)
(式(1)中、M1は、Mg、Al、B、Ti、V、Cr、Fe、Cu、Zn、Zr、Mo、Sn、Ca、Sr及びWからなる群のうちの少なくとも1種を表し、a、b、c、d及びeは、0.8≦a≦1.2、0<b≦0.5、0<c≦0.5、0≦d≦0.5、b+c+d<1、−0.1≦e≦0.2の範囲内の値である。)
前記第二正極活物質は、下記式(2)で表されるリン酸鉄リチウム化合物である請求項1〜6のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池用正極。
LipFeqM2 (1−q)PO4・・・・・(2)
(式(2)中、M2は、Co、Mn、Ni、Mg、Al、B、Ti、V、Nb、Cu、Zn、Mo、Ca、Sr、W及Zrからなる群のうちの少なくとも1種を表す。pは、0.9≦p≦1.1の範囲内の値である。qは、0<q≦1の範囲内の値である。) - 請求項1〜7のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池用正極を備えたリチウムイオン二次電池。
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