JP6658744B2 - 非水電解質蓄電素子用負極 - Google Patents

Description

本発明は、非水電解質蓄電素子用負極と、それを用いた非水電解質蓄電素子及び蓄電装置に関する。

近年、電気自動車用電源、電子機器用電源、電力貯蔵用電源等の幅広い用途において、リチウムイオン二次電池に代表される非水電解質蓄電素子が活用されるようになっている。

非水電解質蓄電素子が広く普及するに伴い、低コストで高性能な非水電解質蓄電素子の開発が求められている。
この様な、開発の取り組みの一つとして、負極の構成に関する検討が行われている。

特許文献１には、「リチウムイオン二次電池に用いられる負極活物質を含む負極用合剤であって、前記負極用合剤は負極活物質、結着剤、層状化合物、および分散媒を含み、かつ該分散媒が水であることを特徴とする負極用合剤。」（請求項１）とする技術が開示されている。
さらに、「前記負極活物質にハードカーボンを含む請求項１〜１０のいずれかに記載の負極用合剤。」（請求項１１）、「前記負極活物質に黒鉛を含む請求項１〜１１のいずれかに記載の負極用合剤。」（請求項１２）とすることが開示されている。

また、特許文献２には、「正極と、負極と、非水電解液とを備えたリチウム二次電池において、上記の正極に、一般式ＬｉＮｉ_１−ｘＣｏ_ｘＯ_２（但し、０．１≦ｘ≦０．６の条件を満たす。）で表されるリチウム含有ニッケル・コバルト複合酸化物を用いると共に、上記の負極に、天然黒鉛が６０〜９０重量％の範囲で含まれると共に難黒鉛化炭素が４０〜１０重量％の範囲で含まれる炭素材料を用い、さらに上記の非水電解液として、パルス磁場勾配ＮＭＲ法によって算出される^７Ｌｉ核の自己拡散係数が１．５×１０^−６ｃｍ^２／ｓ以上になった非水電解液を用いたことを特徴とするリチウム二次電池。」（請求項１）とする技術が開示されている。

特開２０１３−１３４８９６号公報 特開２００２−２５２０２８号公報

負極に用いる結着剤として負極集電箔上に水系溶媒を用いた負極合剤ペーストを使用することにより、非水溶媒を使用する場合と比較して、溶媒の回収工程の省略が可能、ペーストの取り扱いが容易等の製造工程上のコストメリットが大きい。また、環境負荷も小さくすることができる。しかしながら、この様にして作製した負極合剤層を備えた負極を用いた非水電解質蓄電素子は、低温時の直流抵抗が増大することを本発明者らは見出した。

特許文献１及び２では、負極活物質として黒鉛及び難黒鉛化性炭素（ハードカーボン）を使用することが記載されている。
しかしながら、低温時の直流抵抗の増大を克服する手段については言及されていない。

本発明は、上記の従来技術に鑑みなされたものであり、水系溶媒を用いて作製した負極合剤層を備えた非水電解質蓄電素子用負極の低温時の直流抵抗を低減することを課題とする。

本発明は、黒鉛と難黒鉛化性炭素と結着剤とを含有し、前記難黒鉛化性炭素の平均粒子径が８μｍ以下であり、前記黒鉛と前記難黒鉛化性炭素との合計質量に対する前記難黒鉛化性炭素の比率が１０質量％以上５０質量％以下である非水電解質蓄電素子用負極である。

本発明によれば、非水電解質蓄電素子用負極の低温時の直流抵抗を低減することができる。

本発明に係る非水電解質蓄電素子の一実施形態を示す外観斜視図 本発明に係る非水電解質蓄電素子を複数個集合して構成した蓄電装置を示す概略図

本発明の構成及び効果について、技術思想を交えて説明する。但し、作用機構については推定を含んでおり、その正否は、本発明を制限するものではない。なお、本発明は、その精神又は主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、後述の実施の形態若しくは実験例は、あらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、すべて本発明の範囲内のものである。

本発明の実施形態においては、非水電解質蓄電素子用負極は、黒鉛と、難黒鉛化性炭素と、結着剤を含有し、前記難黒鉛化性炭素の平均粒子径が８μｍ以下であり、前記黒鉛と前記難黒鉛化性炭素との合計質量に対する前記難黒鉛化性炭素の比率が１０質量％以上５０質量％以下である。
この様な構成の非水電解質蓄電素子用負極とすることにより、低温時の直流抵抗を低減することができる。

ここで、黒鉛とは、(002)面の格子面間隔d(002)が０．３４ｎｍ以下の炭素を指す。例えば、天然黒鉛、人造黒鉛等の黒鉛または黒鉛化品等が挙げられる。
また、黒鉛粒子の表面の一部或いは全体に渡り、黒鉛以外の炭素材が被覆されていても良い。なお、炭素材に難黒鉛化性炭素が含まれる場合、黒鉛粒子の表面上に被覆された難黒鉛化性炭素は、黒鉛粒子の一部と判断し、難黒鉛化性炭素の質量には含まない。

また、黒鉛の平均粒子径としては、５μｍ以上５０μｍ以下のものを使用することができる。好ましくは、８μｍ以上４０μｍ以下である。

また、難黒鉛化性炭素とは、 (002)面の格子面間隔d(002)が０．３６ｎｍより大きい炭素物質である。

ここで、黒鉛及び難黒鉛化性炭素の平均粒子径とは、体積標準の粒度分布における累積度５０％（Ｄ５０）の粒径を示す。
具体的には、測定装置としてレーザー回折式粒度分布測定装置（ＳＡＬＤ−２２００、株式会社島津製作所製）、測定制御ソフトとしてＷｉｎｇ ＳＡＬＤ−２２００を用いる。
測定手法としては、散乱式の測定モードを採用し、難黒鉛化性炭素を分散溶媒中に分散させた分散液を入れた測定用湿式セルを５分間超音波環境下に置いた後、装置にセットし、レーザー光を照射して測定を行い散乱光分布を得る。得られた散乱光分布を対数正規分布により近似し、その粒度分布（横軸、σ）において最小を０．１μｍ、最大を１００μｍに設定した範囲の中で累積度５０％（Ｄ５０）にあたる粒径を平均粒径とする。

なお、黒鉛や難黒鉛化性炭素には、本発明の効果を損なわない範囲で、少量のＢ、Ｎ、Ｐ、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ等の典型非金属元素、Ｌｉ、Ｎａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｋ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ等の典型金属元素、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｗ等の遷移金属元素を含有することを排除するものではない。
さらに、非水電解質蓄電素子用負極には、黒鉛及び難黒鉛化性炭素以外の活物質が含まれていても良い。

非水電解質蓄電素子用負極に用いる結着剤としては、水性結着剤を使用する。
水性結着剤は、合剤（電極ペースト）を調整する際に水系溶媒を用いることが可能な結着剤、と定義することができる。より具体的には、水性結着剤は、活物質と混合してペースト化する際の溶媒として水または水を主体とする混合溶媒を用いることが可能な結着剤、と定義することができる。このような結着剤としては、非溶剤系の各種の高分子を用いることができる。
水性結着剤としては、水系溶媒に溶解又は分散可能な、ゴム系高分子及び樹脂系高分子から選択される少なくとも１つを用いることが好ましい。ここで、水系溶媒とは、水又は水を主体とする混合溶媒を表す。混合溶媒を構成する水以外の溶媒としては、水と均一に混合し得る有機溶媒（低級アルコールや低級ケトン等）を例示することができる。

水系溶媒に溶解又は分散可能なゴム系高分子としては、スチレン‐ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、アクリロニトリル‐ブタジエンゴム（ＮＢＲ）、メチルメタクリレート‐ブタジエンゴム（ＭＢＲ）等を例示することができる。これらは、好ましくは水に分散させた状態で結着剤として用いることができる。すなわち、使用可能な水性結着剤の一例として、スチレン‐ブタジエンゴム（ＳＢＲ）の水分散体、アクリロニトリル‐ブタジエンゴム（ＮＢＲ）の水分散体、メチルメタクリレート‐ブタジエンゴム（ＭＢＲ）の水分散体等が挙げられる。また、これら水系溶媒に溶解又は分散可能なゴム状高分子の中でも、スチレン‐ブタジエンゴム（ＳＢＲ）を用いることが好ましい。

水系溶媒に溶解又は分散可能な樹脂系高分子としては、アクリル樹脂、オレフィン系樹脂、フッ素系樹脂及びニトリル系樹脂等を例示することができる。アクリル樹脂としては、アクリル酸エステルやメタクリル酸エステル等を例示することができる。オレフィン系樹脂としては、ポリプロピレン（ＰＰ）やポリエチレン（ＰＥ）等を例示することができる。フッ素系樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）や親水性ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等を例示することができる。ニトリル系樹脂としてはポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）等を例示することができる。

また、水性結着剤としては、モノマーを２つ以上含む共重合体を用いることもできる。このような共重合体としては、エチレン‐プロピレン共重合体、エチレン‐メタクリル酸共重合体、エチレン‐アクリル酸共重合体、プロピレン‐ブテン共重合体、アクリロニトリル‐スチレン共重合体、メチルメタクリレート‐ブタジエン‐スチレン共重合体等を例示することができる。

水性結着剤としては、変性により官能基を導入した高分子や架橋構造を有している高分子を用いることもできる。

また、水性結着剤は、ガラス転移温度（Ｔｇ）が−３０℃以上５０℃以下であれば、極板の製造時及び加工時に問題のない密着性を維持しつつ、 非水電解質蓄電素子用負極の柔軟性が向上するため好ましい。

水性結着剤の添加量は、非水電解質蓄電素子用負極の負極合剤層の総質量に対して０．５〜５０質量％が好ましく、１〜３０質量％がより好ましく、１〜１０質量％が特に好ましい。また、水性結着剤は、上記の高分子を単独で、又は、複数の高分子を組み合わせて用いることができる。

また、非水電解質蓄電素子用負極には、増粘剤を含ませることができる。増粘剤としては、澱粉系高分子、アルギン酸系高分子、微生物系高分子及びセルロース系高分子等を例示することができる。

ここで、セルロース系高分子は、ノニオン性、カチオン性及びアニオン性に分類することができる。ノニオン性セルロース系高分子としては、アルキルセルロース、ヒドロキシアルキルセルロース等を例示することができる。カチオン性セルロース系高分子としては、塩化−［２−ヒドロキシ−３−（トリメチルアンモニオ）プロピル］ヒドロキシエチルセルロース（ポリクオタニウム−１０）等を例示することができる。アニオン性セルロース系高分子としては、ノニオン性セルロース系高分子を各種誘導基により置換した下記一般式（１）又は（２）の構造を有するアルキルセルロース及びそれらの金属塩やアンモニウム塩等を例示することができる。

上記一般式中、Ｘはアルカリ金属、ＮＨ４又はＨであることが好ましい。また、Ｒは２価の炭化水素基であることが好ましい。炭化水素基の炭素数は特に限定されないが、通常は１〜５程度である。また、さらにＲは、カルボキシ基などを含む炭化水素基もしくはアルキレン基であってもよい。

アニオン性セルロース系高分子の具体例としては、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、メチルセルロース（ＭＣ）、ヒドロキシプロピルメチルセルロース（ＨＰＭＣ）、セルロース硫酸ナトリウム、メチルセルロース、メチルエチルセルロース、エチルセルロース及びそれらの塩等を例示することができる。これらの中でも、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、メチルセルロース（ＭＣ）、ヒドロキシプロピルメチルセルロース（ＨＰＭＣ）であることが好ましく、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）であることがより好ましい。

セルロース中の無水グルコース単位１個当たりのヒドロキシ基（３個）のカルボキシメチル基等の置換体への置換度をエーテル化度といい、理論的に０〜３までの値をとり得る。エーテル化度が小さいほどセルロース中のヒドロキシ基が増加し、置換体が減少することを示す。本発明では、負極合剤層に含まれる増粘剤としてのセルロースは、エーテル化度が１．５以下であることが好ましく、１．０以下であることがより好ましく、０．８以下であることがさらにより好ましい。

また、本発明の実施形態においては、黒鉛と難黒鉛化性炭素との合計質量に対する難黒鉛化性炭素の比率を１０質量％以上３０質量％以下とすることが好ましい。
これにより、非水電解質蓄電素子用負極の低温時の直流抵抗を低く保ちつつ、エネルギー密度を高めることができるため好ましい。

さらに、黒鉛と難黒鉛化性炭素との合計質量に対する難黒鉛化性炭素の比率を１０質量％以上２０質量％以下とすることがより好ましい。
これにより、後述する実施例に示す様に、非水電解質蓄電素子用負極の高温保管耐性を高めることができる。

また、本発明の実施形態においては、難黒鉛化性炭素の平均粒子径は黒鉛の平均粒子径よりも小さいことが好ましい。これにより、非水電解質蓄電素子用負極の低温時の直流抵抗をより低減させることができるため好ましい。

また、本発明の実施形態においては、難黒鉛化性炭素の平均粒子径を２μｍ以上４μｍ以下とすることが好ましく、平均粒子径を２．５μｍ以上４μｍ以下とすることがより好ましく、平均粒子径を３μｍ以上４μｍ以下とすることが特に好ましい
この構成により、黒鉛と難黒鉛化性炭素とを混合した際に、黒鉛粒子の隙間に難黒鉛化性炭素が効率よく入り込むようになるので、非水電解質蓄電素子用負極の低温時の直流抵抗をより低減させることができるため好ましい。

本発明の実施形態においては、難黒鉛化性炭素が、特定の１軸方向に対しての配向を示さない結晶構造を有していることが好ましい。特定の１軸方向に対しての配向を示さない結晶構造とすることで、リチウムイオンの吸蔵放出を行うサイトが増加するために、非水電解質蓄電素子用負極の入出力特性が向上するため好ましい。また、負極合剤層内において、負極合剤層の厚み方向に結晶が配向しにくくなることから、充放電時の負極合剤層の膨張収縮が抑制され、非水電解質蓄電素子のサイクル性能が向上するため好ましい。

さらに、本発明の実施形態においては、難黒鉛化性炭素の粒子形状を非球状とすることが好ましい。これにより、負極合剤層中の黒鉛と難黒鉛化性炭素との分散性が高まり、黒鉛と難黒鉛化性炭素との接触割合をより高くすることができるため、非水電解質蓄電素子用負極の低温時の直流抵抗を一層低減させることができるため好ましい。

ここで、難黒鉛化性炭素の粒子形状が非球状であることは、難黒鉛化性炭素粒子の最も長い径（長径）と最も短い径（短径）の比によって判別する。具体的には、難黒鉛化性炭素粒子の長径をａ、短径をｂとした場合に、ｂ/ａ≦０．８５の関係を満たすものを非球状とする。

非水電解質蓄電素子用負極は、黒鉛と難黒鉛化性炭素を含む負極活物質、水性結着剤、増粘剤及び水等の水系溶媒を加え、混練して負極用ペーストとした後、この負極用ペーストを銅箔等の集電体の上に塗布して、５０〜２５０℃程度の温度で加熱処理することにより好適に作製される。前記塗布方法については、例えば、アプリケーターロールなどのローラーコーティング、スクリーンコーティング、ドクターブレード方式、スピンコーティング、バーコータ、ダイコーター等の手段を用いて任意の厚さ及び任意の形状に塗布することが望ましいが、これらに限定されるものではない。
負極用ペーストは導電剤を含んでいても良い。また、負極用ペーストは増粘剤を含んでいなくても良い。

非水電解質蓄電素子用負極は充放電特性の観点から、負極合剤層の厚みは３０μｍ以上１２０μｍ以下が好ましく、負極合剤層の多孔度は１５％以上４０％以下が好ましい。

また、非水電解質蓄電素子の安全性を高める観点から、非水電解質蓄電素子用負極の負極合剤層上にフィラーを含有する被覆層を備えていても良い。
フィラーとしては、満充電状態の非水電解質蓄電素子の負極電位においても電気化学的に安定な無機酸化物が好ましい。さらに、被覆層の耐熱性を高める観点から、２５０℃以上の耐熱性を有する無機酸化物がより好ましい。例えば、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニアなどを挙げることができる。中でも、アルミナやチタニアが特に好ましい。また、フィラーの粒径（モード径）は０．１μｍ以上が好ましい。
フィラーは上記の一種を単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いても良い。

被覆層の厚みは、非水電解質蓄電素子のエネルギー密度の観点から０．１μｍ以上３０μｍ以下が好ましい。さらに、非水電解質蓄電素子の信頼性向上の観点から、１μｍ以上３０μｍ以下がより好ましく、非水電解質蓄電素子の充放電特性の観点から、１μｍ以上１０μm以下が特に好ましい。

被覆層用のバインダーとしては、以下に示すものが挙げられるが、これらに限定されることは無い。
例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）等のフッ素樹脂や、ポリアクリル酸誘導体、ポリアクリロニトリル誘導体、ポリエチレン、スチレン−ブタジエンゴム等のゴム系結着剤、さらには、ポリアクリロニトリル誘導体等がある。

非水電解質蓄電素子用負極に使用する集電箔等の集電体の材質としては、銅、ニッケル、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼、クロムメッキ鋼等の金属材料が挙げられる。これらの中でも、加工し易さとコスト及び電気伝導性の観点から、銅が好ましい。

正極活物質としては、負極活物質よりも充放電による伴う可逆電位が貴であるものであれば特に限定されるものではない。一例としては、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４、ＬｉＮｉ_ｘＣｏ_１-ｘＯ_２、Ｌｉ_ｗＮｉ_ｘＭｎ_ｙＣｏ_{１−ｘ−ｙ}Ｏ_２、Ｌｉ（Ｎｉ_０．５Ｍｎ_１．５）Ｏ_４、Ｌｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２、ＬｉＶ_３Ｏ_８等のリチウム遷移金属複合酸化物、Ｌｉ［Ｌｉ_aＮｉ_ｘＭｎ_ｙＣｏ_{１−ａ−ｘ−ｙ}］Ｏ_２等のリチウム過剰型遷移金属複合酸化物、ＬｉＦｅＰＯ_４、ＬｉＭｎＰＯ_４、Ｌｉ_３Ｖ_２（ＰＯ_４）_３、Ｌｉ_２ＭｎＳｉＯ_４等のポリアニオン化合物、硫化鉄、フッ化鉄、硫黄等を挙げることができる。
中でも、式Ｌｉ_ｗＮｉ_ｘＭｎ_ｙＣｏ_{１−ｘ−ｙ}Ｏ_２（０＜ｗ≦１．２、０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１）で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を正極活物質の主成分として使用した非水電解質蓄電素子用正極と、本発明の実施形態の非水電解質蓄電素子用負極と組み合わせた非水電解質蓄電素子は、エネルギー密度、充放電特性、高温放置等の寿命特性のバランスに優れ、本発明の効果も高いことから好ましい。なお、正極活物質の主成分として使用するとは、正極活物質の全質量の中で、式Ｌｉ_ｗＮｉ_ｘＭｎ_ｙＣｏ_{１−ｘ−ｙ}Ｏ_２で表されるリチウム遷移金属複合酸化物の質量が最も多いことを意味する。
また、Ｌｉ_ｗＮｉ_ｘＭｎ_ｙＣｏ_{１−ｘ−ｙ}Ｏ_２のニッケルのモル数ｘの割合が多い程、非水電解質蓄電素子の高温保存前後の直流抵抗の増加をより抑制することができるため好ましい。このため、ｘ＞０．３が好ましく、ｘ≧０．３３であることがより好ましい。
一方、ｘ＞０．８では、Ｌｉ_ｗＮｉ_ｘＭｎ_ｙＣｏ_{１−ｘ−ｙ}Ｏ_２の初期クーロン効率が低下する傾向がある。
これらの観点から、Ｌｉ_ｗＮｉ_ｘＭｎ_ｙＣｏ_{１−ｘ−ｙ}Ｏ_２のｘは、ｘ＞０．３が好ましく、ｘ≧０．３３がより好ましく、０．３３≦ｘ≦０．８とすることが特に好ましい。

非水電解質蓄電素子用正極は、正極活物質、導電剤、結着剤及びＮ−メチルピロリドン、トルエン等の有機溶媒又は水を加えて混練してペーストとした後、このペーストをアルミ箔等の集電体の上に塗布して、５０〜２５０℃程度の温度で加熱処理することにより好適に作製される。前記塗布方法については、例えば、アプリケーターロールなどのローラーコーティング、スクリーンコーティング、ドクターブレード方式、スピンコーティング、バーコータ等の手段を用いて任意の厚さ及び任意の形状に塗布することが望ましいが、これらに限定されるものではない。

本発明の実施形態において、非水電解質は特に限定されるものではなく、一般にリチウム電池やリチウムイオンキャパシター等への使用が提案されているものが使用可能である。

非水電解質に用いる非水溶媒としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ビニレンカーボネート等の環状炭酸エステル類；γ−ブチロラクトン等の環状エステル類；ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート等の鎖状カーボネート類；酢酸メチル等の鎖状エステル類；テトラヒドロフランまたはその誘導体；１，３−ジオキサン、１，４−ジオキサン、メチルジグライム等のエーテル類；アセトニトリル等のニトリル類；ジオキソランまたはその誘導体；エチレンスルフィド、スルホラン、スルトンまたはその誘導体等の単独またはそれら２種以上の混合物等を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。

非水電解質に用いる電解質塩としては、例えば、ＬｉＣｌＯ_４，ＬｉＢＦ_４，ＬｉＰＦ_６，Ｌｉ_２ＳＯ_４，ＮａＣｌＯ_４，ＮａＳＣＮ，ＫＣｌＯ_４，ＫＳＣＮ等のリチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）またはカリウム（Ｋ）の１種を含む無機イオン塩、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３，ＬｉＮ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２，ＬｉＮ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２，ＬｉＮ（ＣＦ_３ＳＯ_２）（Ｃ_４Ｆ_９ＳＯ_２），ＬｉＣ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_３，ＬｉＣ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_３，（ＣＨ_３）_４ＮＢＦ_４，（Ｃ_２Ｈ_５）_４Ｎ−ｂｅｎｚｏａｔｅ、ステアリルスルホン酸リチウム、ドデシルベンゼンスルホン酸リチウム等の有機イオン塩等が挙げられ、これらのイオン性化合物を単独、あるいは２種類以上混合して用いることが可能である。

さらに、ＬｉＰＦ_６又はＬｉＢＦ_４と、ＬｉＮ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２のようなパーフルオロアルキル基を有するリチウム塩とを混合して用いることにより、さらに電解質の粘度を下げることができるので、低温特性をさらに高めることができ、また、自己放電を抑制することができ、より望ましい。

また、非水電解質として常温溶融塩やイオン液体を用いてもよい。

非水電解液におけるリチウムイオン（Ｌｉ^＋）の濃度としては、高い充放電特性を有する非水電解質蓄電素子を得るために、０．１ｍｏｌ／ｌ〜５ｍｏｌ／ｌが好ましく、さらに好ましくは、０．５ｍｏｌ／ｌ〜２．５ｍｏｌ／ｌであり、特に好ましくは、０．８ｍｏｌ／ｌ〜１．０ｍｏｌ／ｌである。

本発明の実施形態において、セパレータは、優れた高率放電性能を示す多孔膜や不織布等を、単独あるいは併用することが好ましい。セパレータを構成する材料としては、例えばポリエチレン，ポリプロピレン等に代表されるポリオレフィン系樹脂、ポリエチレンテレフタレート等に代表されるポリエステル系樹脂、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン共重合体、各種アミド系樹脂，各種セルロース類，ポリエチレンオキサイド系樹脂等を挙げることができる。
また、アクリロニトリル、エチレンオキシド、プロピレンオキシド、メチルメタアクリレート、ビニルアセテート、ビニルピロリドン、ポリフッ化ビニリデン等のポリマーと非水電解質とで構成されるポリマーゲルを挙げることができる。

さらに、上述したような多孔膜や不織布等とポリマーゲルを併用して用いると、非水電解質の保液性が向上するため望ましい。即ち、ポリエチレン微孔膜の表面及び微孔壁面に厚さ数μｍ以下の親溶媒性ポリマーを被覆したフィルムを形成し、前記フィルムの微孔内に非水電解質を保持させることで、前記親溶媒性ポリマーがゲル化する。
前記親溶媒性ポリマーとしては、ポリフッ化ビニリデンの他、エチレンオキシド基やエステル基等を有するアクリレートモノマー、エポキシモノマー、イソシアナート基を有するモノマー等が架橋したポリマー等が挙げられる。該モノマーは、ラジカル開始剤を併用して加熱や紫外線（ＵＶ）を用いたり、電子線（ＥＢ）等の活性光線等を用いて架橋反応を行わせることが可能である。

また、セパレータの表面に無機フィラーを含有する表面層を備えていても良い。無機フィラーを含有する表面層を備えたセパレータを使用することにより、セパレータの熱収縮が抑制されることで、非水電解質蓄電素子が通常使用温度域を超えるような状態になったとしても、内部短絡を軽減または防止できるようになる。よって、本発明の非水電解質蓄電素子の安全性をより向上させることができるので好ましい。

上記無機フィラーとしては、無機酸化物、無機窒化物、難溶性のイオン結合性化合物、共有結合性化合物、モンモリロナイトの粘土、等が挙げられる。
無機酸化物の例としては、酸化鉄、シリカ（ＳｉＯ_２）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）等がある。
無機窒化物の例としては、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等がある。
難溶性のイオン結合性化合物の例としては、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、硫酸バリウム等がある。

さらに、非水電解質蓄電素子を構成するに当たり、無機フィラーを含有する表面層が正極と対向するように配置すると、本発明の実施形態の非水電解質蓄電素子の安全性をさらに向上させることができることから、より好ましい。

セパレータの空孔率は強度の観点から９８体積％以下が好ましい。また、充放電特性の観点から空孔率は２０体積％以上が好ましい。

図１に、本発明に係る非水電解質蓄電素子の一実施形態である矩形状の非水電解質蓄電素子１の概略図を示す。なお、同図は、容器内部を透視した図としている。図２に示す非水電解質蓄電素子１は、電極群２が外装体３に収納されている。電極群２は、正極活物質を備える正極と、負極活物質を備える負極とが、セパレータを介して捲回されることにより形成されている。正極は、正極リード４’を介して正極端子４と電気的に接続され、負極は、負極リード５’を介して負極端子５と電気的に接続されている。そして、外装体内部やセパレータに、非水電解質が保持されている。

本発明に係る非水電解質蓄電素子の構成については特に限定されるものではなく、円筒型、角型（矩形状）、扁平型等の非水電解質蓄電素子が一例として挙げられる。

本発明は、上記の非水電解質蓄電素子を複数備える蓄電装置としても実現することができる。蓄電装置の一実施形態を図２に示す。図２において、蓄電装置３０は、複数の蓄電ユニット２０を備えている。それぞれの蓄電ユニット２０は、複数の非水電解質蓄電素子１を備えている。前記蓄電装置３０は、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＥＶ）等の自動車用電源として搭載することができる。

以後に記載する実施例においては、非水電解質蓄電素子としてリチウムイオン二次電池を例示するが、本発明はリチウムイオン二次電池に限らず、他の非水電解質蓄電素子にも適用可能である。

（実施例１）
（負極の作製）
黒鉛と難黒鉛化性炭素（平均粒子径３．５μｍ、ｂ／ａ＝０．８、d(002)＝０．３７ｎｍ）、結着剤であるスチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、及び溶媒である水を用いて負極ペーストを作製した。黒鉛と難黒鉛化性炭素の質量比率は９０：１０、黒鉛及び難黒鉛化性炭素の合計質量とＳＢＲとＣＭＣの質量比率は９６：２：２とした。
負極合剤ペーストは、水の量を調整することにより、固形分（質量％）を調整し、マルチブレンダーミルを用いた混練工程を経て作製した。この負極ペーストを銅箔の両面に、未塗布部（負極合剤層非形成領域）を残して間欠塗布し、乾燥することにより負極合剤層を作製した。
上記の様に負極合剤層を作製した後、負極合剤層の厚みが７０μｍとなるようにロールプレスを行った。

（正極の作製）
正極活物質であるリチウムコバルトニッケルマンガン複合酸化物（ＬｉＣｏ_１／３Ｎｉ_１／３Ｍｎ_１／３Ｏ_２）、導電剤であるアセチレンブラック（ＡＢ）、結着剤であるポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）及び非水系溶媒であるＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）を用いて正極ペーストを作製した。ここで、前記ＰＶＤＦは１２％ＮＭＰ溶液（株式会社クレハ製＃１１００）を用いた。なお、正極活物質、結着剤及び導電剤の質量比率は９０：５：５（固形分換算）とした。この正極ペーストをアルミ箔の両面に、未塗布部（正極合剤層非形成領域）を残して間欠塗布し、乾燥した。その後、ロールプレスを行い、正極を作製した。

（非水電解液）
非水電解質は、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネートを、それぞれ３０体積％、４０体積％、３０体積％となるように混合した溶媒に、塩濃度が１．２ｍｏｌ／ｌとなるようにＬｉＰＦ_６を溶解させて作製した。非水電解質中の水分量は５０ｐｐｍ未満とした。

（セパレータ）
セパレータには、厚み２１μｍのポリエチレン微多孔膜を用いた。

（電池の組み立て）
正極と、負極と、セパレータとを積層して巻回した。その後、正極の正極合剤層非形成領域及び負極の負極合剤層非形成領域を正極リード及び負極リードにそれぞれ溶接して容器に封入し、容器と蓋板とを溶接後、非水電解質を注入して封口した。この様にして、実施例１の電池を作製した。

（実施例２）
黒鉛と難黒鉛化性炭素の質量比率を８０：２０としたことを除いては、実施例１と同様にして実施例２の電池を作製した。

（実施例３）
黒鉛と難黒鉛化性炭素の質量比率を７０：３０としたことを除いては、実施例１と同様にして実施例３の電池を作製した。

（実施例４）
黒鉛と難黒鉛化性炭素の質量比率を５０：５０としたことを除いては、実施例１と同様にして実施例４の電池を作製した。

（比較例１）
黒鉛と難黒鉛化性炭素の質量比率を１００：０としたことを除いては、実施例１と同様にして比較例１の電池を作製した。

（比較例２）
難黒鉛化性炭素（d(002)＝０．３７ｎｍ）の平均粒子径を９μｍとしたことを除いては、実施例１と同様にして比較例２の電池を作製した。

（比較例３）
難黒鉛化性炭素の代わりに易黒鉛化性炭素（平均粒子径１５μｍ、d(002)＝０．３４５ｎｍ）を用いたことを除いては、実施例１と同様にして比較例３の電池を作製した。

（容量測定）
上記のようにして作製された実施例１〜４及び比較例１〜３の各電池について、２５℃に設定した恒温槽中で、以下の容量測定を実施し、電池の公称容量と同等の電気量の充放電が可能であることを確認した。
容量測定の充電条件は、電流値１ＣＡ、電圧４．２Ｖの定電流定電圧充電とした。充電時間は通電開始から３時間とした。放電条件は、電流１ＣＡ、終止電圧２．７５Ｖの定電流放電とした。充電と放電の間には、１０分間の休止時間を設けた。
なお、上記電流値である１ＣＡとは、電池に１時間の定電流通電を行った時に、電池の公称容量と同じ電気量となる電流値である。

（低温直流抵抗測定）
容量測定の後、電流値０．１ＣＡ、電圧４．２Ｖの定電流定電圧充電を行った。充電時間は通電開始から１５時間とした。１０分の休止後、電流値０．１ＣＡにて定電流放電を行った。放電は、電池の公称容量の５０％の電気量を通電した時点で停止した。
各電池を−１０℃に設定した恒温槽中に移して５時間静置した。
その後、各率放電電流でそれぞれ１０秒放電する試験を行った。具体的には、まず、電流０．２ＣＡにて１０秒放電し、２分の休止後、電流０．２ＣＡにて１０秒の補充電を行った。さらに２分の休止後、電流０．５ＣＡにて１０秒放電し、２分の休止後、電流０．２ＣＡにて２５秒の補充電を行った。さらに２分の休止後、電流１ＣＡにて１０秒放電した。以上の結果を各率放電の１０秒後の電圧をその電流値に対してプロットし、最小二乗法によるフィッティングを行ったグラフの傾きから、直流抵抗値を算出した。
比較例１の電池の直流抵抗値を１００％とした場合の、各電池の直流抵抗値を比較例１の電池の直流抵抗値に対する相対値として算出した値を「直流抵抗相対値」として表１に記録した。

（実施例５）
黒鉛と難黒鉛化性炭素の質量比率を８５：１５としたことを除いては、実施例１と同様にして実施例５の電池を作製した。

（比較例４）
（負極の作製）
黒鉛と難黒鉛化性炭素（平均粒子径３．５μｍ、ｂ／ａ＝０．８、d(002)＝０．３７ｎｍ）、結着剤であるポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）及び溶媒であるＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）を用いて負極ペーストを作製した。黒鉛と難黒鉛化性炭素の質量比率は９０：１０、黒鉛及び難黒鉛化性炭素の合計質量と結着剤の質量比率は９２：８とした。
負極合剤ペーストは、ＮＭＰの量を調整することにより、固形分（質量％）を調整し、マルチブレンダーミルを用いた混練工程を経て作製した。この負極ペーストを銅箔の両面に、未塗布部（負極合剤層非形成領域）を残して塗布し、乾燥することにより負極合剤層を作製した。
上記の様に負極合剤層を作製した後、負極合剤層の厚みが７０μｍとなるようにロールプレス行った。

この様にして作製した負極を用いたことを除いては、実施例１と同様にして比較例４の電池を作製した。

（比較例５）
黒鉛と難黒鉛化性炭素の質量比率を８５：１５としたことを除いては、比較例４と同様にして比較例５の電池を作製した。

（比較例６）
黒鉛と難黒鉛化性炭素の質量比率を８０：２０としたことを除いては、比較例４と同様にして比較例６の電池を作製した。

（容量測定）
上記のようにして作製された実施例１、実施例２、実施例５及び比較例４〜６の各電池について、２５℃に設定した恒温槽中で、以下の容量測定を実施し、電池の公称容量と同等の電気量の充放電が可能であることを確認した。
容量測定の充電条件は、電流値１ＣＡ、電圧４．２Ｖの定電流定電圧充電とした。充電時間は通電開始から３時間とした。放電条件は、電流１ＣＡ、終止電圧２．７５Ｖの定電流放電とした。充電と放電の間には、１０分間の休止時間を設けた。
なお、上記電流値である１ＣＡとは、電池に１時間の定電流通電を行った時に、電池の公称容量と同じ電気量となる電流値である。

（保管前直流抵抗測定）
容量測定の後、電流値０．１ＣＡ、電圧４．２Ｖの定電流定電圧充電を行った。充電時間は通電開始から１５時間とした。１０分の休止後、電流値０．１ＣＡにて定電流放電を行った。放電は、電池の公称容量の５０％の電気量を通電した時点で停止した。
各電池を−１０℃に設定した恒温槽中に移して５時間静置した。
その後、各率放電電流でそれぞれ１０秒間放電する試験を行った。具体的には、まず、電流０．２ＣＡにて１０秒放電し、２分の休止後、電流０．２ＣＡにて１０秒の補充電を行った。さらに２分の休止後、電流０．５ＣＡにて１０秒放電し、２分の休止後、電流０．２ＣＡにて２５秒の補充電を行った。さらに２分の休止後、電流１ＣＡにて１０秒放電した。以上の結果を各率放電の１０秒後の電圧をその電流値に対してプロットし、最小二乗法によるフィッティングを行ったグラフの傾きから、直流抵抗値を算出した。この直流抵抗値を「保管前直流抵抗値」とする。

（高温保管工程）
低温直流抵抗測定の後、電流値１ＣＡ、終止電圧２．７５Ｖの定電流放電を行った。１０分の休止を挟んだ後、充電電流値１ＣＡ、電圧４．２Ｖの定電流定電圧充電を行った。充電時間は通電開始から３時間とした。充電後の電池を６０℃に設定した恒温槽に移し、２５日間保管した。

（保管後直流抵抗測定）
高温保管工程後の電池を２５℃に設定した恒温槽に移して１日静置した。その後、電流値１ＣＡ、終止電圧２．７５Ｖの定電流放電を行った。
この後、保管前直流抵抗測定と同じ工程により、高温保管後の直流抵抗値を測定した。この時の直流抵抗値を「保管後直流抵抗値」とする。
実施例１、実施例２、実施例５及び比較例４〜６の各電池において測定した「保管前直流抵抗値」と「保管後直流抵抗値」について、以下の式に基づいて算出した値を「直流抵抗減少率」として表２に記録した。
「直流抵抗減少率」＝（「保管前直流抵抗値」−「保管後直流抵抗値」）／「保管前直流抵抗値」

表１からわかるように、黒鉛と平均粒子径８μｍ以下の難黒鉛化性炭素を用いた実施例１〜４の電池の直流抵抗相対値は、難黒鉛化性炭素を用いていない比較例１の電池よりも小さくなっている。つまり、実施例１〜４の電池の直流抵抗値は比較例１の電池よりも小さく、直流抵抗が低減されている。このことから、黒鉛と平均粒子径８μｍ以下の難黒鉛化性炭素を共存させることにより、電池及び負極の低温時の直流抵抗値を低減することが可能である。

一方、黒鉛と平均粒子径９μｍの難黒鉛化性炭素を用いた比較例２の電池では、比較例１の電池よりも直流抵抗相対値が大きくなっている。つまり、比較例２の電池の直流抵抗値は比較例１の電池よりも大きく、直流抵抗が増大している。このことから、平均粒子径が８μｍより大きい難黒鉛化性炭素を用いても、電池及び負極の低温時の直流抵抗値を低減する効果は得られないことが判る。

また、黒鉛と易黒鉛化性炭素を用いた比較例３の電池も、比較例１の電池よりも直流抵抗相対値が大きくなっている。つまり、比較例３の電池の直流抵抗値は比較例１の電池よりも大きく、直流抵抗が増大している。このことから、易黒鉛化性炭素を用いた場合も、電池及び負極の低温時の直流抵抗値を低減する効果は得られないことが判る。

実施例１〜４の様に、黒鉛と平均粒子径８μｍ以下の難黒鉛化性炭素を用いることによって、黒鉛と難黒鉛化性炭素とを混合した際に、黒鉛粒子の隙間に難黒鉛化性炭素が入り込むことで、非水電解質蓄電素子用負極合剤層の充填性が向上し、負極合剤層の集電性が改善されるために、電池及び負極の低温時の直流抵抗を低減することができると考えられる。
一方、難黒鉛化性炭素の平均粒子径が８μｍを超えると、黒鉛粒子の隙間に難黒鉛化性炭素が入り込む量が少なすぎるため、非水電解質蓄電素子用負極合剤層の充填性が向上せず、負極合剤層の集電性が改善されにくいため、電池及び負極の低温時の直流抵抗値を低減する効果は得られないと考えられる。

表２からわかるように、黒鉛と平均粒子径８μｍ以下の難黒鉛化性炭素を用いた負極において、水性結着剤を採用した実施例１の電池の直流抵抗減少率は、非水溶媒系の結着剤を使用した比較例４の電池よりも大きくなっている。つまり、負極に水性結着剤を採用することで、電池及び負極の低温時の直流抵抗減少率をより高めることが可能である。
なお、「直流抵抗減少率」が高いことは、高温保管した際に、電池の直流抵抗を減少させる方向に作用する効果が高いことを示すものである。よって、高温保管により直流抵抗が増大するような電池であっても、直流抵抗の増大量を抑制することが可能と考えられる。

また、実施例５と比較例５、実施例２と比較例６との比較においても、実施例の電池の方が比較例の電池よりも直流抵抗減少率は高い。このことから、難黒鉛化性炭素の比率が変化しても、負極に水性結着剤を採用することで、電池及び負極の低温時の直流抵抗減少率は高くなることがわかる。

本実施例では、各率放電の開始後１０秒目の電圧を基に直流抵抗値を算出している。本発明者らは、各率放電の放電開始後３０秒目の電圧を基に算出した直流抵抗値においても、上記実施例と同じ傾向になることを、実験により確認している。

本発明は、非水電解質蓄電素子用負極及びそれを備えた非水電解質蓄電素子の低温時の直流抵抗を低減することができるので、電気自動車用電源、電子機器用電源、電力貯蔵用電源等の幅広い用途の非水電解質蓄電素子に有用である。

１ 非水電解質蓄電素子
２ 電極群
３ 外装体
４ 正極端子
４’ 正極リード
５ 負極端子
５’ 負極リード
２０ 蓄電ユニット
３０ 蓄電装置

Claims (9)

1. 黒鉛と難黒鉛化性炭素と結着剤とを含有し、前記難黒鉛化性炭素の平均粒子径が８μｍ以下であり、前記黒鉛と前記難黒鉛化性炭素との合計質量に対する前記難黒鉛化性炭素（ただし、黒鉛粒子の表面上に被覆された難黒鉛化性炭素は含まない）の比率が１０質量％以上５０質量％以下であり、前記結着剤が水性結着剤である非水電解質蓄電素子用負極。
2. 前記黒鉛と前記難黒鉛化性炭素との合計質量に対する前記難黒鉛化性炭素（ただし、黒鉛粒子の表面上に被覆された難黒鉛化性炭素は含まない）の比率が１０質量％以上３０質量％以下である請求項１に記載の非水電解質蓄電素子用負極。
3. 前記黒鉛と前記難黒鉛化性炭素との合計質量に対する前記難黒鉛化性炭素（ただし、黒鉛粒子の表面上に被覆された難黒鉛化性炭素は含まない）の比率が１０質量％以上２０質量％以下である請求項１に記載の非水電解質蓄電素子用負極。
4. 前記難黒鉛化性炭素の平均粒子径が２μｍ以上４μｍ以下である請求項１に記載の非水電解質蓄電素子用負極。
5. 前記難黒鉛化性炭素の平均粒子径が３μｍ以上４μｍ以下である請求項１に記載の非水電解質蓄電素子用負極。
6. 前記難黒鉛化性炭素の形状が非球状である請求項１〜５のいずれかに記載の非水電解質蓄電素子用負極。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の非水電解質蓄電素子用負極を備えた非水電解質蓄電素子。
8. 請求項１〜６のいずれかに記載の非水電解質蓄電素子用負極と、式Ｌｉ_ｗＮｉ_ｘＭｎ_ｙＣｏ_{１−ｘ−ｙ}Ｏ_２（０＜ｗ≦１．２、０．３＜ｘ≦０．８、０≦ｙ＜１）で表される正極活物質を用いた非水電解質蓄電素子用正極、を備えた非水電解質蓄電素子。
9. 請求項７又は８に記載の非水電解質蓄電素子を備えた蓄電装置。
   

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