JP6728582B2 - リチウムイオン二次電池 - Google Patents

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Description

本発明は、リチウムイオン二次電池に関するものである。
リチウムイオン電池は、高エネルギー密度の二次電池であり、その特性を活かして、ノートパソコンや携帯電話等のポータブル機器の電源に使用されている。リチウムイオン電池の形状には種々のものがあるが、円筒形リチウムイオン電池は、正極、負極及びセパレータの捲回式構造を採用している。例えば、2枚の帯状の金属箔に正極材料及び負極材料をそれぞれ塗着し、その間にセパレータを挟み込み、これらの積層体を渦巻状に捲回することで捲回群を形成する。この捲回群を、電池容器となる円筒形の電池缶内に収納し、電解液を注液後、封口することで、円筒形リチウムイオン電池が形成される。
円筒形リチウムイオン電池としては、18650型リチウムイオン電池が、民生用リチウムイオン電池として広く普及している。18650型リチウムイオン電池の外径寸法は、直径18mmで、高さ65mm程度の小型である。18650型リチウムイオン電池の正極活物質には、高容量、長寿命を特徴とするコバルト酸リチウムが主として用いられており、電池容量は、おおむね1.0Ah〜2.0Ah(3.7Wh〜7.4Wh)程度である。
近年、リチウムイオン電池は、ポータブル機器用等の民生用途にとどまらず、電気自動車、ハイブリッド型電気自動車等に用いられる高入出力用電源としても運用が始まっている。また、太陽光や風力発電といった自然エネルギー向け大規模蓄電システム用途への展開が期待されており、電力の自由化に伴った電圧や周波数変動緩和のため、高入出力が期待でき、変動に対して追従性が良いリチウムイオン二次電池を用いたシステムが注目されている。このような大規模蓄電システムにおいては、システムあたりの電力量が数MWhのオーダーの必要となっている。このような中,リチウムイオン二次電池の生産の増加と伴に使用年数が長くなっており、これまで以上の長寿命化が要求されている。
例えば、下記特許文献1には、円筒形電池容器に正極、負極及びセパレータを捲回した電極捲回群を有する円筒形リチウムイオン電池が開示されている。この電池は、放電容量30Ah以上であり、正極には、リチウムマンガン複合酸化物を含む正極活物質合剤が用いられ、負極には、非晶質炭素を含む負極活物質合剤が用いられている。
国際公開第2013/128677号
リチウムイオン二次電池は、近年、電気自動車、ハイブリッド型電気自動車等に用いられる高入出力用電源としても注目されている。また、電力の自由化に伴った電圧や周波数変動緩和のため、高入出力が期待でき、変動に対して追従性が良いリチウムイオン二次電池を用いたシステムが注目されている。このような中、リチウムイオン二次は電池の生産の増加と伴に使用年数が長くなっており、これまで以上の長寿命化が要求されている。
しかしながら、特許文献1に記載されているリチウムイオン二次電池では、寿命特性が十分でないことが、本発明者らの検討結果から明らかとなった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、寿命特性に優れるリチウムイオン電池を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。
前記課題を解決するための具体的手段は以下の通りである。
<1>正極、負極、セパレータ及び電解液を電池容器内に備えるリチウムイオン二次電池であって、前記負極は、集電体と前記集電体に塗布された負極合材とを有し、前記負極合材は負極活物質及び負極用バインダを含み、前記負極用バインダがアクリル系樹脂及びポリフッ化ビニリデンを含有するリチウム二次電池。
<2>前記アクリル系樹脂が、ニトリル基含有単量体由来の構造単位を含む、上記<1>に記載のリチウム二次電池。
<3>前記アクリル系樹脂が、更にカルボキシル基含有単量体由来の構造単位を含む、上記<2>に記載のリチウム二次電池。
<4>前記アクリル系樹脂と前記ポリフッ化ビニリデンとの質量比が80:20〜10:90である上記<1>〜<3>のいずれかに記載のリチウム二次電池。
<5>前記アクリル系樹脂が、負極合材の全量に対して5質量%以下である上記<1>〜<4>のいずれかに記載のリチウム二次電池。
<6>前記負極活物質が炭素材料であり、X線回折法(XRD)から測定される炭素網面層間(d(002))が0.34〜0.39nmである上記<1>〜<5>のいずれかに記載のリチウム二次電池。
<7>前記負極活物質がリチウム電位に対して0.1Vとなる電位における充電状態(State of charge)が60%以上である上記<1>〜<6>のいずれかに記載のリチウムイオン電池。
本発明によれば、生産性の向上を図ることができるだけでなく、寿命特性に優れるリチウムイオン二次電池を提供することができる。
本発明が適用可能な実施形態の円柱状リチウムイオン二次電池の断面図である。 本発明で使用した負極電極の対Li試験結果の一例を示す図である。
以下の実施の形態においてA〜Bとして範囲を示す場合には、特に明示した場合を除き、A以上B以下を示すものとする。
(実施の形態)
まず、リチウムイオン電池の概要について簡単に説明する。リチウムイオン電池は、電池容器内に、正極、負極、セパレータ及び電解液を有している。正極と負極との間にはセパレータが配置されている。
リチウムイオン電池を充電する際には、正極と負極との間に充電器を接続する。充電時においては、正極活物質内に挿入されているリチウムイオンが脱離し、電解液中に放出される。電解液中に放出されたリチウムイオンは、電解液中を移動し、微多孔質膜からなるセパレータを通過して、負極に到達する。この負極に到達したリチウムイオンは、負極を構成する負極活物質内に挿入される。
放電する際には、正極と負極の間に外部負荷を接続する。放電時においては、負極活物質内に挿入されていたリチウムイオンが脱離して電解液中に放出される。このとき、負極から電子が放出される。そして、電解液中に放出されたリチウムイオンは、電解液中を移動し、微多孔質膜からなるセパレータを通過して、正極に到達する。この正極に到達したリチウムイオンは、正極を構成する正極活物質内に挿入される。このとき、正極活物質にリチウムイオンが挿入することにより、正極に電子が流れ込む。このようにして、負極から正極に電子が移動することにより放電が行われる。
このように、リチウムイオンを正極活物質と負極活物質との間で挿入・脱離することにより、充放電することができる。なお、実際のリチウムイオン電池の構成例については、後述する(例えば、図1参照)。
次いで、本実施の形態のリチウムイオン電池の構成要素である正極、負極、電解液、セパレータ及びその他の構成部材に関し順次説明する。
1.正極
本実施の形態においては、高容量で長寿命のリチウムイオン電池に適用可能な以下に示す正極を有する。本実施の形態の正極(又は正極板)は、集電体及びその上部に形成された正極合材(又は正極合剤)よりなる。正極合材は、集電体の上部に設けられた少なくとも正極活物質を含む層である。前記正極活物質としてはこの分野で常用されるものを使用でき、例えば、リチウム含有複合金属酸化物、オリビン型リチウム塩、カルコゲン化合物、二酸化マンガン等が挙げられる。リチウム含有複合金属酸化物は、リチウムと遷移金属とを含む金属酸化物又は該金属酸化物中の遷移金属の一部が異種元素によって置換された金属酸化物である。ここで、異種元素としては、例えば、Na、Mg、Sc、Y、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Al、Cr、Pb、Sb、Bなどが挙げられ、Mn、Al、Co、Ni、Mgなどが好ましい。異種元素は1種でもよく又は2種以上でもよい。これらの中でも、リチウム含有複合金属酸化物が好ましい。リチウム含有複合金属酸化物としては、例えば、LixCoO2、LixNiO2、LixMnO2、LixCoyNi1-yO2、LixCoyM1-yOz、LixNi1-yMyOz、LixMn24、LixMn2-yMyO4、LiMPO4、Li2MPO4F(前記各式中、MはNa、Mg、Sc、Y、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Al、Cr、Pb、Sb、V及びBよりなる群から選ばれる少なくとも1種の元素を示す。x=0〜1.2、y=0〜0.9、z=2.0〜2.3である。)等が挙げられる。ここで、リチウムのモル比を示すx値は、充放電により増減する。また、オリビン型リチウム塩としては、例えば、LiFePO4等が挙げられる。カルコゲン化合物としては、例えば、二硫化チタン、二硫化モリブデン等が挙げられる。正極活物質は1種を単独で使用でき、又は2種以上を併用できる。
本発明において、正極合材の密度は、2.3g/cm以上3.0g/cm以下が好ましい。正極合材の密度が2.3g/cm未満では正極の抵抗が高くなり、入出力特性が低下する可能性がある。一方、正極合材の密度が3.0g/cmを超えると安全性の低下が懸念され、他の安全対策の強化が必要となる可能性がある。このような観点で更に特性の向上を図るためには、正極合材の密度は、2.50g/cm以上2.8g/cm以下がより好ましい。
また、本発明では正極合材の塗布量を50g/m以上250g/m以下にすることが好ましい。正極合材の塗布量が50g/m未満では充放電に寄与する活物質の量が低下し、電池のエネルギー密度が低下する可能性がある。一方、正極合材の塗布量が250g/mを超えると正極合材の抵抗が高くなり、入出力特性が低下する可能性がある。上記のような観点で更に特性の向上を図るためには、正極合材の正極集電体への片面塗布量は、60g/m以上200g/m以下であることがより好ましく、80g/m以上150g/m以下であることが更に好ましい。
上記したような正極合材の密度及び正極合材の正極集電体への片面塗布量等を考慮すると、正極合材の正極集電体への片面塗布膜厚み([正極の厚み−正極集電体の厚み]/2)は、20〜100μmであることが好ましく、30〜80μmがより好ましく、40〜60μmが更に好ましい。
前記正極活物質の中では、高容量と寿命の観点から、層状型リチウム・ニッケル・マンガン・コバルト複合酸化物(NMC)を含むことがより好ましい。
更に、層状型リチウム・ニッケル・マンガン・コバルト複合酸化物(NMC)としては、以下の組成式(I)で表されるものを用いることが好ましい。
上記組成式(I)において、(1+δ)はLi(リチウム)の組成比、xはMn(マンガン)の組成比、yはNi(ニッケル)の組成比、(1−x−y−z)はCo(コバルト)の組成比を示す。zは、元素Mの組成比を示す。O(酸素)の組成比は2である。
元素Mは、Ti(チタン)、Zr(ジルコニウム)、Nb(ニオブ)、Mo(モリブデン)、W(タングステン)、Al(アルミニウム)、Si(シリコン)、Ga(ガリウム)、Ge(ゲルマニウム)及びSn(錫)よりなる群から選択される少なくとも1種の元素である。
また、−0.15<δ<0.15、0.1<x≦0.5、0.6<x+y+z≦1.0、0≦z≦0.1である。
以下に、正極合材及び集電体について詳細に説明する。正極合材は、正極活物質や結着材等を含有し、集電体上に形成される。その形成方法に制限はないが例えば次のように形成される。正極活物質、結着材、及び必要に応じて用いられる導電材や増粘材などの他の材料を乾式で混合してシート状にし、これを集電体に圧着する(乾式法)。また、正極活物質、結着材、及び必要に応じて用いられる導電材や増粘材などの他の材料を分散溶媒に溶解又は分散させてスラリーとし、これを集電体に塗布し、乾燥する(湿式法)。
正極活物質としては、前述したように、層状型リチウム・ニッケル・マンガン・コバルト複合酸化物(NMC)が用いることが好ましい。これらは粉状(粒状)で用いることが好ましい。
前記層状型リチウム・ニッケル・マンガン・コバルト複合酸化物(NMC)等の正極活物質の粒子は、形状が、塊状、多面体状、球状、楕円球状、板状、針状、柱状等のものを用いることができる。
中でも、一次粒子が凝集して、二次粒子を形成して成る正極活物質を使用する場合は、その二次粒子の形状が球状ないし楕円球状であるものが好ましい。
電池のような電気化学素子においては、その充放電に伴い、電極中の活物質が膨張収縮をするため、そのストレスによる活物質の破壊や導電パスの切断等の劣化が生じやすい。そのため一次粒子のみの単一粒子を用いるよりも、一次粒子が凝集して、二次粒子を形成したものを用いる方が、膨張収縮のストレスを緩和し、上記劣化を防ぐことができるため好ましい。また、板状等の軸配向性の粒子よりも球状ないし楕円球状の粒子を用いる方が、電極内における配向が少なくなるため、充放電時の電極の膨張収縮が小さくなり好ましい。また、電極の形成時において、導電材等の他の材料とも均一に混合されやすいため好ましい。
層状型リチウム・ニッケル・マンガン・コバルト複合酸化物(NMC)等の正極活物質の粒子のメジアン径d50(一次粒子が凝集して二次粒子を形成している場合には二次粒子のメジアン径d50)は、次の範囲で調整可能である。範囲の下限は、1μm、好ましくは3μm、より好ましくは5μmであり、上限は、30μm、好ましくは25μm、より好ましくは15μmである。
上記下限未満では、タップ密度(充填性)が低下し、所望のタップ密度が得られなくなる可能性があり、上記上限を超えると粒子内のリチウムイオンの拡散に時間がかかるため、電池性能の低下を招く可能性がある。また、上記上限を超えると、電極の形成時において、結着材や導電材等の他の材料との混合性が低下する可能性がある。よって、この混合物をスラリー化し塗布する際に、均一に塗布できず、スジを引く等の問題を生ずる場合がある。なお、メジアン径d50は、レーザー回折・散乱法により求めた粒度分布から求めることができる。
一次粒子が凝集して二次粒子を形成している場合における一次粒子の平均粒径について、その範囲は次のとおりである。範囲の下限は、0.01μm、好ましくは0.05μm更に好ましくは0.08μm、特に好ましくは0.1μmであり、上限は、3μm、好ましくは2μm、更に好ましくは1μm、特に好ましくは0.6μmである。上記上限を超えると球状の二次粒子が形成し難くなり、タップ密度(充填性)の低下や、比表面積の低下により、出力特性等の電池性能が低下する可能性がある。また、上記下限未満では、結晶性の低下により、充放電の可逆性が劣化する等の問題を生ずる可能性がある。
層状型リチウム・ニッケル・マンガン・コバルト複合酸化物(NMC)の正極活物質の粒子のBET比表面積について、その範囲は次のとおりである。範囲の下限は、0.2m/g、好ましくは0.3m/g、更に好ましくは0.4m/gであり、上限は、4.0m/g、好ましくは2.5m/g、更に好ましくは1.5m/gである。上記下限未満では、電池性能が低下する可能性がある。上記上限を超えるとタップ密度が上がりにくくなり、結着材や導電材等の他の材料との混合性が低下する可能性がある。よって、この混合物をスラリー化し塗布する際の塗布性が劣化する可能性がある。BET比表面積は、BET法により求められた比表面積(単位gあたりの面積)である。
正極用の導電材としては、例えば、銅、ニッケル等の金属材料;天然黒鉛、人造黒鉛等の黒鉛(グラファイト);アセチレンブラック等のカーボンブラック;ニードルコークス等の無定形炭素などの炭素質材料が挙げられる。なお、これらのうち、1種を単独で用いてもよく、2種以上のものを組み合わせて用いてもよい。
導電材の含有量(添加量、割合、量)について、正極合材の質量に対する導電材の含有量の範囲は次のとおりである。範囲の下限は、0.01質量%、好ましくは0.1質量%、より好ましくは1質量%であり、上限は、50質量%、好ましくは30質量%、より好ましくは15質量%である。上記下限未満では、導電性が不充分となる可能性がある。また、上記上限を超えると、電池容量が低下する可能性がある。
正極活物質の結着材としては、特に限定されず、塗布法により正極合材を形成する場合には、分散溶媒に対する溶解性や分散性が良好な材料が選択される。具体例としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリメチルメタクリレート、ポリイミド、芳香族ポリアミド、セルロース、ニトロセルロース等の樹脂系高分子;SBR(スチレン−ブタジエンゴム)、NBR(アクリロニトリル−ブタジエンゴム)、フッ素ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、エチレン−プロピレンゴム等のゴム状高分子;スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体又はその水素添加物、EPDM(エチレン・プロピレン・ジエン三元共重合体)、スチレン・エチレン・ブタジエン・エチレン共重合体、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体又はその水素添加物等の熱可塑性エラストマー状高分子;シンジオタクチック−1,2−ポリブタジエン、ポリ酢酸ビニル、エチレン・酢酸ビニル共重合体、プロピレン・α−オレフィン共重合体等の軟質樹脂状高分子;ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素化ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン・エチレン共重合体、ポリテトラフルオロエチレン・フッ化ビニリデン共重合体等のフッ素系高分子;アルカリ金属イオン(特にリチウムイオン)のイオン伝導性を有する高分子組成物などが挙げられる。なお、これらのうち、1種を単独で用いてもよく、2種以上のものを組み合わせて用いてもよい。正極の安定性の観点から、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)やポリテトラフルオロエチレン・フッ化ビニリデン共重合体等のフッ素系高分子を用いることが好ましい。
結着材の含有量(添加量、割合、量)について、正極合材の質量に対する結着材の含有量の範囲は次のとおりである。範囲の下限は、0.1質量%、好ましくは1質量%、更に好ましくは3質量%であり、上限は、80質量%、好ましくは60質量%、更に好ましくは40質量%、特に好ましくは10質量%である。結着材の含有量が低すぎると、正極活物質を充分に結着できず、正極の機械的強度が不足し、サイクル特性等の電池性能を劣化させてしまう可能性がある。逆に、高すぎると、電池容量や導電性が低下する可能性がある。
上記湿式法や乾式法を用いて集電体上に形成された層は、正極活物質の充填密度を向上させるため、ハンドプレスやローラープレス等により圧密化することが好ましい。
正極用の集電体の材質としては特に制限はなく、具体例としては、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケルメッキ、チタン、タンタル等の金属材料;カーボンクロス、カーボンペーパー等の炭素質材料が挙げられる。中でも金属材料、特にアルミニウムが好ましい。
集電体の形状としては特に制限はなく、種々の形状に加工された材料を用いることができる。具体例としては、金属材料については、金属箔、金属円柱、金属コイル、金属板、金属薄膜、エキスパンドメタル、パンチメタル、発泡メタル等が挙げられ、炭素質材料については、炭素板、炭素薄膜、炭素円柱等が挙げられる。中でも、金属薄膜を用いることが好ましい。なお、薄膜は適宜メッシュ状に形成してもよい。薄膜の厚さは任意であるが、その範囲は次のとおりである。範囲の下限は、1μm、好ましくは3μm、より好ましくは5μmであり、上限は、1mm、好ましくは100μm、より好ましくは50μmである。上記下限未満では、集電体として必要な強度が不足する場合がある。また、上記上限を超えると可撓性が低下し、加工性が劣化する可能性がある。
2.負極
本実施の形態においては、長寿命のリチウムイオン電池に適用可能な以下に示す負極を有する。本実施の形態の負極(又は負極板)は、集電体及びその両面(若しくは片面)に形成された負極合材(又は負極合剤)よりなる。負極合材は、電気化学的にリチウムイオンを吸蔵・放出可能な負極活物質及び負極バインダ(以下、結着材という場合もある)を含有する。
前記負極活物質としては、炭素材料を含むことが好ましい。前記炭素材料は、結晶構造がそろった黒鉛系のものと、結晶構造が乱れた非黒鉛系のものに大別される。黒鉛系には、天然黒鉛、人造黒鉛がある、非黒鉛系では非晶質炭素があり、結晶構造が乱れてはいるものの、2000〜3000℃の加熱によって黒鉛になりやすい易黒鉛化炭素と、黒鉛になりにくい難黒鉛化炭素がある。前記非晶質炭素は、例えば、石油ピッチ、ポリアセン、ポリパラフェニレン、ポリフルフリルアルコール、ポリシロキサンを熱処理することにより製造することが可能であり、焼成温度を変えることによって、難黒鉛化炭素としたり、易黒鉛化炭素としたりすることが可能である。例えば、500〜800℃程度の焼成温度は難黒鉛化炭素の製造に適しており、800〜1000℃程度の焼成温度は易黒鉛化炭素の製造に適している。前記難黒鉛化炭素は、X線広角回折法により得られるC軸方向の面間隔d002値が、0.36nm以上、0.40nm以下であると定義する。
前記易黒鉛化炭素は、X線広角回折法により得られるC軸方向の面間隔d002値が、
0.34nm以上、0.36nm未満であることが好ましく、0.341nm以上、0.
355nm以下であることがより好ましく、0.342nm以上、0.35nm以下であることが更に好ましい。
前記黒鉛は、X線広角回折法により得られるC軸方向の面間隔d002値が、0.33nm以上、0.34nm未満であることが好ましく、0.335nm以上、0.337nm以下であることがより好ましい。
安全性及び充電レート特性の観点からは、非晶質炭素を用いることが好ましい。
前記炭素材料を用いる場合の含有割合は、負極活物質の総量に対して、20質量%以上が好ましく、50質量%以上がより好ましく、70質量%以上が更に好ましい。
また、本実施の形態における負極は、リチウム電位に対して0.1Vとなる電位における充電状態(State of Charge、以下SOCと略す。)が60%以上であることが好ましい。充電負荷特性の観点からは、リチウム電位に対して0.1Vとなる電位におけるSOCが、65%以上であることがより好ましく、68%以上であることが更に好ましい。リチウム電位に対して0.1Vとなる電位におけるSOCが高いほど、正極でのIRドロップの影響を受けにくく、寿命特性が向上するためである。
また、リチウム電位に対して0.1Vとなる電位における負極のSOCの上限に制限はないが、実用的な観点からは90%以下であることが好ましく、80%以下であることがより好ましい。このような機能を発現する負極活物質としては、例えば、非晶質炭素が挙げられる。
また、前記非晶質炭素の平均粒子径(50%D)は、2.0〜50μmであることが好ましい。平均粒子径がこれらの範囲において5μm以上の場合、比表面積を適正な範囲とすることができ、リチウムイオン二次電池の初回充放電効率が優れると共に、粒子同士の接触が良く入出力特性に優れる傾向がある。一方、平均粒子径が30μm以下の場合、電極面に凸凹が発生しにくく電池の短絡を抑制できると共に、粒子表面から内部へのLiの拡散距離が比較的短くなるためリチウムイオン二次電池の入出力特性が向上する傾向がある。この観点から平均粒子径は、5〜30μmであることがより好ましく、10〜20μmであることが更に好ましい。なお、粒度分布は、例えば、界面活性剤を含んだ精製水に試料を分散させ、レーザー回折式粒度分布測定装置(例えば、株式会社島津製作所製SALD−3000J)で測定することができ、平均粒子径は50%Dとして算出される。
また、負極活物質として、酸化錫や酸化ケイ素等の金属酸化物、金属複合酸化物、リチウム単体やリチウムアルミニウム合金等のリチウム合金、SnやSi等のリチウムと合金形成可能な材料などを炭素材料と併用してもよい。これらは、1種を単独で用いてもよく、2種以上のものを組み合わせて用いてもよい。
前記金属複合酸化物としては、リチウムを吸蔵、放出可能なものであれば特に制限はないが、Ti(チタン)、Li(リチウム)又はTi及びLiの双方を含有するものが、高電流密度充放電特性の観点で好ましい。
また、リチウムと化合物を形成することでリチウムを吸蔵放出できるリチウム金属や、リチウムと化合物を形成し、結晶間隙に挿入されることでリチウムを吸蔵放出できる珪素、ゲルマニウム、錫など第四族元素の酸化物若しくは窒化物を上記非晶質炭素(a)と併用してもよい。
負極用の集電体の材質としては特に制限はなく、具体例としては、銅、ニッケル、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼等の金属材料が挙げられる。中でも、加工のし易さとコストの観点から銅が好ましい。
集電体の形状としては特に制限はなく、種々の形状に加工された材料を用いることができる。具体例としては、金属箔、金属円柱、金属コイル、金属板、金属薄膜、エキスパンドメタル、パンチメタル、発泡メタル等が挙げられる。中でも、金属薄膜が好ましく、銅箔がより好ましい。銅箔には、圧延法により形成された圧延銅箔と、電解法により形成された電解銅箔とがあり、どちらも集電体として用いて好適である。
上記集電体の厚さに制限はないが、厚さが25μm未満の場合、純銅よりも強銅合金(リン青銅、チタン銅、コルソン合金、Cu−Cr−Zr合金等)を用いることでその強度を向上させることができる。
負極用バインダ(結着材)としては、アクリル系樹脂及びポリフッ化ビニリデンを含有する。アクリル系樹脂は低膨潤、高密着特性を有するが、高抵抗である。ポリフッ化ビニリデンは高誘電性を有するが、密着特性は低い。これらを混合することで、高密着、低抵抗が実現する。それら以外にも、チクソトロピー性付与によりバインダの塗布速度を向上することができる。
前記アクリル系樹脂と前記ポリフッ化ビニリデンとの質量比は80 :20〜10:90の範囲が好ましく、70:30〜15:85がより好ましく、40:60〜20:80が更に好ましい。アクリル系樹脂が80%を超えると高抵抗になってしまい、10%未満であると高接着の効果が乏しくなってしまう可能性がある。
結着材の含有量(添加量、割合、量)について、負極合材の質量に対する結着材の含有量の範囲は次のとおりである。範囲の下限は、好ましくは0.1質量%、より好ましくは0.5質量%、更に好ましくは0.6質量%である。上限は、20質量%、好ましくは15質量%、より好ましくは10質量%、更に好ましくは8質量%である。
上記上限を超えると、電池容量に寄与しない結着材の割合が増加し、電池容量の低下を招く可能性がある。また、上記下限未満では、負極合材の強度の低下を招く可能性がある。
また、前記アクリル系樹脂が、負極質量に対して5質量%以下であることが好ましく、3%以下であると更に好ましい。5質量%を超えると高抵抗になってしまい、寿命特性が低下してしまう。
前記アクリル系樹脂の中でも特に、ニトリル基含有単量体由来の構造単位を含むアクリル系樹脂を用いることが好ましい。
前記ニトリル基含有単量体由来の構造単位を含むアクリル系樹脂としては、有機溶媒に可溶又は易溶であることが好ましい。
前記ニトリル基含有単量体由来の構造単位を含むアクリル系樹脂としては、例えば、(メタ)アクリロニトリルとその他のエチレン性不飽和結合を有する化合物との共重合体等が挙げられる。可撓性と結着性をより向上できる観点からは、ニトリル基含有単量体由来の構造単位と、下記 式(II)で表される単量体由来の構造単位及び/又は式(III)で表される単量体由来の構造単位を含むことが好ましい。また、結着性を更に向上できる観点から、カルボキシル基含有単量体由来の構造単位を含むことが好ましい。
(式中、R1は水素又はメチル基、Rは水素又は1価の炭化水素基、nは1〜50の整
数である)
(式中、Rは水素又はメチル基、Rは水素又は炭素数4〜100のアルキル基である)
<ニトリル基含有単量体>
前記ニトリル基含有単量体としては、特に制限はないが、例えば、アクリロニトリル、メタクリロニトリル、α−シアノアクリレート、ジシアノビニリデン、フマロニトリル等が挙げられる。これらの中では、電極の柔軟性・可とう性の観点からは、アクリロニトリルが好ましい。これらのニトリル基含有単量体は、単独で又は二種類以上組み合わせて用いることができる。前記ニトリル基含有単量体としてアクリロニトリル又はメタクリロニトリルとを使用する場合の含有量は、アクリル系樹脂の全量に対して、40〜98質量%、が好ましくは、50〜96質量%がより好ましく、60〜95質量%が更に好ましい。
< 式(II)で表される単量体>
前記式(II)で表される単量体としては、以下に示す構造を有するものであれば、特に限定されない。
ここで、Rは水素又はメチル基である。nは1〜50、好ましくは、2〜30、より好ましくは2〜10の整数である。Rは、1価の炭化水素基であり、例えば、炭素数1〜50、好ましくは炭素数1〜25、より好ましくは炭素数1〜12である1価の炭化水素基であることが適当である。Rは炭素数が50以下であれば、電解液に対する十分な耐膨潤性を得ることができる。ここで、炭化水素基としては、例えば、アルキル基、フェニル基が適当である。Rは、特に、炭素数1〜12のアルキル基、フェニル基であることが適当である。このアルキル基は、直鎖あるいは分岐鎖であってもよい。また、前記アルキル基又はフェニル基は、一部フッ素、塩素、臭素、ヨウ素等のハロゲン、窒素、リン、芳香環、炭素数3〜10のシクロアルカン等で置換されていてもよい。
式(II)で表される単量体としては、例えば市販の、エトキシジエチレングリコールアクリレート(共栄社化学株式会社製、商品名:ライトアクリレートEC−A)、メトキシトリエチレングリコールアクリレート(共栄社化学株式会社製、商品名:ライトアクリレートMTG−A;新中村化学工業株式会社製、商品名:NKエステルAM−30G)、メトキシポリ(n=9)エチレングリコールアクリレート(共栄社化学株式会社製、商品名:ライトアクリレート130−A;新中村化学工業株式会社製、商品名:NKエステルAM−90G)、メトキシポリ(n=13)エチレングリコールアクリレート(商品名:NKエステルAM−130G)、メトキシポリ(n=23)エチレングリコールアクリレート(新中村化学工業株式会社製、商品名:NKエステルAM−230G)、オクトキシポリ(n=18)エチレングリコールアクリレート(新中村化学工業株式会社製、商品名:NKエステルA−OC−18E)、フェノキシジエチレングリコールアクリレート(共栄社化学株式会社製、商品名:ライトアクリレートP−200A;新中村化学工業株式会社製、商品名:NKエステルAMP−20GY)、フェノキシポリ(n=6)エチレングリコールアクリレート(新中村化学工業株式会社製、商品名:NKエステルAMP−60G)、ノニルフェノールEO付加物(n=4)アクリレート(共栄社化学株式会社製、商品名:ライトアクリレートNP−4EA)、ノニルフェノールEO付加物(n=8)アクリレート(共栄社化学株式会社製、商品名:ライトアクリレートNP−8EA)、メトキシジエチレングリコールメタクリレート(共栄社化学株式会社製、商品名:ライトエステルMC;新中村化学工業株式会社製、商品名:NKエステルM−20G)、メトキシトリエチレングリコールメタクリレート(共栄社化学株式会社製、商品名:ライトエステルMTG)、メトキシポリ(n=9)エチレングリコールメタクリレート(共栄社化学株式会社製、商品名:ライトエステル130MA;新中村化学工業株式会社製、商品名:NKエステルM−90G)、メトキシポリ(n=23)エチレングリコールメタクリレート(新中村化学工業株式会社製、商品名:NKエステルM−230G)、メトキシポリ(n=30)エチレングリコールメタクリレート(共栄社化学株式会社製、商品名:ライトエステル041MA)などが挙げられる。これらの中では、アクリロニトリルと共重合させる場合の反応性等の点から、メトキシトリエチレングリコールアクリレート(一般式(II)のRがH、RがCH、nが3)がより好ましい。これらの式(II)で表される単量体は、単独で又は二種類以上組み合わせて用いることができる。
<式(III)で表される単量体>
前記式(III)で表される単量体としては、以下に示す構造を有するものであれば、特に限定されない。
ここで、Rは水素又はメチル基である。Rは、水素又は炭素数4〜100のアルキル基である。Rは、好ましくは炭素数4〜20、より好ましくは炭素数6〜18、更に好ましくは炭素数8〜15のアルキル基である。炭素数が4以上であれば、十分な可とう性を得ることができ、炭素数が100以下であれば、電解液に対する十分な耐膨潤性を得ることができる。このRを構成するアルキル基は、直鎖あるいは分岐鎖であってもよい。また、このRを構成するアルキル基は、一部フッ素、塩素、臭素、ヨウ素等のハロゲンや、窒素、リン、芳香環、炭素数3〜10のシクロアルカン等で置換されていてもよい。例えば、Rを構成するアルキル基としては、直鎖又は分岐鎖の飽和アルキル基の他に、フルオロアルキル基、クロロアルキル基、ブロモアルキル基、ヨウ化アルキル基等のハロゲン化アルキル基などが挙げられる。
前記式(III)で表される単量体としては、例えば、n−ブチル(メタ)アクリレート、イソブチル(メタ)アクリレート、t−ブチル(メタ)アクリレート、アミル(メタ)アクリレート、イソアミル(メタ)アクリレート、ヘキシル(メタ)アクリレート、ヘプチル(メタ)アクリレート、オクチル(メタ)アクリレート、2−エチルヘキシル(メタ)アクリレート、ノニル(メタ)アクリレート、デシル(メタ)アクリレート、イソデシル(メタ)アクリレート、ラウリル(メタ)アクリレート、トリデシル(メタ)アクリレート、ヘキサデシル(メタ)アクリレート、ステアリル(メタ)アクリレート、イソステアリル(メタ)アクリレート、シクロヘキシル(メタ)アクリレート、イソボルニル(メタ)アクリレート等の長鎖(メタ)アクリル酸エステル類が挙げられる。また、Rがフルオロアルキル基である場合、例えば、1,1−ビス(トリフルオロメチル)−2,2,2−トリフルオロエチルアクリレート、2,2,3,3,4,4,4−ヘプタフルオロブチルアクリレート、2,2,3,4,4,4−へキサフルオロブチルアクリレート、ノナフルオロイソブチルアクリレート、2,2,3,3,4,4,5,5−オクタフルオロペンチルアクリレート、2,2,3,3,4,4,5,5,5−ノナフルオロペンチルアクリレート、2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,6−ウンデカフルオロヘキシルアクリレート、2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8−ペンタデカフルオロオクチルアクリレート、3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9,10,10,10−ヘプタデカフルオロデシルアクリレート、2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9,10,10,10−ノナデカフルオロデシルアクリレート等のアクリレート化合物、ノナフルオロ−t−ブチルメタクリレート、2,2,3,3,4,4,4−ヘプタフルオロブチルメタクリレート、2,2,3,3,4,4,5,5−オクタフルオロペンチルメタクリレート、2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7−ドデカフルオロヘプチルメタクリレート、ヘプタデカフルオロオクチルメタクリレート、2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8−ペンタデカフルオロオクチルメタクリレート、2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9−ヘキサデカフルオロノニルメタクリレート等のメタクリレート化合物などが挙げられる。これらの一般式(III)で表される単量体は、単独で又は二種類以上組み合わせて用いることができる。
式(II)で表される単量体又は式(III)で表される単量体を使用する場合の含有量は、アクリル系樹脂の全量に対して、1〜50質量%が好ましく、2〜30質量%がより好ましく、3〜20質量%が更に好ましい。
<カルボキシル基含有単量体>
カルボキシル基含有単量体としては、特に制限はないが、例えば、アクリル酸、メタクリル酸、クロトン酸、マレイン酸、マレイン酸無水物、イタコン酸、イタコン酸無水物、シトラコン酸、シトラコン酸無水物等が挙げられる。これらの中では、電極の柔軟性及び接着性の観点から、アクリル酸が好ましい。これらのカルボキシル基含有単量体は、単独で又は二種類以上組み合わせて用いられる。カルボキシル基含有単量体を使用する場合の含有量は、アクリル系樹脂の全量に対して、0.1〜20質量%が好ましく、1〜10質量%がより好ましく、2〜6質量%が更に好ましい。
<その他の単量体>
本発明のニトリル基含有単量体由来の構造単位を含む樹脂は、上記ニトリル基含有単量体由来の構造単位と、カルボキシル基含有単量体由来の構造単位と、式(II)及び/又は式(III)で表される単量体由来の構造単位に加え、これらの単量体とは異なる他の単量体の構造単位を適宜組合せることもできる。他の単量体としては、特に限定されないが、例えば、メチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、プロピル(メタ)アクリレート等の短鎖(メタ)アクリル酸エステル類、塩化ビニル、臭化ビニル、塩化ビニリデン等のハロゲン化ビニル類、マレイン酸イミド、フェニルマレイミド、(メタ)アクリルアミド、スチレン、α−メチルスチレン、酢酸ビニル、(メタ)アリルスルホン酸ナトリウム、(メタ)アリルオキシベンゼンスルホン酸ナトリウム、スチレンスルホン酸ナトリウム、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸及びその塩などが挙げられる。これらの他の単量体は、単独で又は二種類以上組み合わせて用いることができる。
<各単量体由来の構造単位の含有量>
ニトリル基含有単量体由来の構造単位と、カルボキシル基含有単量体由来の構造単位と、式(II)及び/又は前記式(III)で表される単量体由来の構造単位とのモル比は、例えば、ニトリル基含有単量体由来の構造単位1モルに対して、カルボキシル基含有単量体由来の構造単位が0.01〜0.2モル、好ましくは0.02〜0.1、より好ましくは、0.03〜0.06モルであり、式(II)及び/又は式(III)で表される単量体由来の構造単位が0.001〜0.2モル、好ましくは0.003〜0.05モル、より好ましくは0.005〜0.02モルである。カルボキシル基含有単量体由来の構造単位が0.01〜0.2モル、式(II)及び/又は式(III)で表される単量体由来の構造単位が0.001〜0.2モルであれば、集電体、特に銅箔を用いた負極集電体との接着性及び電解液に対する耐膨潤性に優れ、電極の柔軟性・可とう性が良好となる。
また、他の単量体を使用する場合、その使用量は、ニトリル基含有単量体1モルに対して、0.005〜0.1モル、好ましくは、0.01〜0.06モル、より好ましくは、0.03〜0.05モルの割合である。
なお、ニトリル基含有単量体由来の構造単位は、上記アクリル系樹脂の全量を基準に、50モル%以上であることが好ましく、70モル%以上であることがより好ましく、80モル%以上であることが更に好ましい。
また、上記2種のバインダ以外に第3以上の成分が含まれていても良く、非水系電解液や電極の形成時に用いる分散溶媒に対して安定な材料であれば、特に制限はない。具体的には、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリメチルメタクリレート、芳香族ポリアミド、セルロース、ニトロセルロース等の樹脂系高分子;SBR(スチレン−ブタジエンゴム)、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、フッ素ゴム、NBR(アクリロニトリル− ブタジエンゴム)、エチレン−プロピレンゴム等のゴム状高分子;スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体又はその水素添加物;EPDM(エチレン・プロピレン・ジエン三元共重合体)、スチレン・エチレン・ブタジエン・スチレン共重合体、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体又はその水素添加物等の熱可塑性エラストマー状高分子; シンジオタクチック−1,2−ポリブタジエン、ポリ酢酸ビニル、エチレン・酢酸ビニル共重合体、プロピレン・α−オレフィン共重合体等の軟質樹脂状高分子;ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素化ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン・エチレン共重合体等のフッ素系高分子;アルカリ金属イオン(特にリチウムイオン)のイオン伝導性を有する高分子組成物などが挙げられる。これらは、1種を単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
スラリーを形成するための分散溶媒としては、負極活物質、結着材、及び必要に応じて用いられる導電材や増粘材などを溶解又は分散することが可能な溶媒であれば、その種類に制限はなく、水系溶媒と有機系溶媒のどちらを用いてもよい。水系溶媒の例としては、水、アルコールと水との混合溶媒等が挙げられ、有機系溶媒の例としては、N−メチルピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、アクリル酸メチル、ジエチルトリアミン、N,N−ジメチルアミノプロピルアミン、テトラヒドロフラン(THF)、トルエン、アセトン、ジエチルエーテル、ジメチルアセトアミド、ヘキサメチルホスファルアミド、ジメチルスルフォキシド、ベンゼン、キシレン、キノリン、ピリジン、メチルナフタレン、ヘキサン等が挙げられる。特に水系溶媒を用いる場合、増粘材を用いることが好ましい。この増粘材に併せて分散材等を加え、SBR等のラテックスを用いてスラリー化する。なお、上記分散溶媒は、1種を単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
負極活物質及び負極バインダを用いて形成した負極合材の構成に特に制限はないが、負極合材の密度の範囲は次のとおりであることが望ましい。負極合材の密度の下限は、好ましくは0.7g/cm、より好ましくは0.8g/cm、更に好ましくは0.9g/cmであり、上限は、2g/cm、好ましくは1.9g/cm、より好ましくは1.8g/cm、更に好ましくは1.7g/cmである。
上記上限を超えると、負極活物質の粒子が破壊されやすくなり、初期の不可逆容量の増加や、集電体と負極活物質との界面付近への非水系電解液の浸透性の低下による高電流密度充放電特性の劣化を招く可能性がある。また、上記下限未満では、負極活物質間の導電性が低下するため電池抵抗が増大し、単位容積あたりの容量が低下する可能性がある。
3.電解液
本実施の形態の電解液は、リチウム塩(電解質)と、これを溶解する非水系溶媒から構成される。必要に応じて、添加材を加えてもよい。
リチウム塩としては、リチウムイオン電池用の非水系電解液の電解質として使用可能なリチウム塩であれば特に制限はないが、例えば以下に示す無機リチウム塩、含フッ素有機リチウム塩やオキサラトボレート塩等が挙げられる。
無機リチウム塩としては、LiPF、LiBF、LiAsF、LiSbF等の無機フッ化物塩や、LiClO、LiBrO、LiIO等の過ハロゲン酸塩や、LiAlCl等の無機塩化物塩などが挙げられる。
含フッ素有機リチウム塩としては、LiCFSO等のパーフルオロアルカンスルホン酸塩;LiN(CFSO、LiN(CFCFSO、LiN(CFSO)(CSO)等のパーフルオロアルカンスルホニルイミド塩;LiC(CFSO等のパーフルオロアルカンスルホニルメチド塩;Li[PF(CFCFCF)]、Li[PF(CFCFCF]、Li[PF(CFCFCF]、Li[PF(CFCFCFCF)]、Li[PF(CFCFCFCF]、Li[PF(CFCFCFCF]等のフルオロアルキルフッ化リン酸塩などが挙げられる。
オキサラトボレート塩としては、リチウムビス(オキサラト)ボレート、リチウムジフルオロオキサラトボレート等が挙げられる。
これらのリチウム塩は、1種を単独で用いても、2種以上を組み合わせて用いてもよい。中でも、溶媒に対する溶解性、二次電池とした場合の充放電特性、出力特性、サイクル特性等を総合的に判断すると、ヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF)が好ましい。
2種以上のリチウム塩を用いる場合の好ましい一例は、LiPFとLiBFとの併用である。この場合には、両者の合計に占めるLiBFの割合が、0.01質量%以上、20質量%以下であることが好ましく、0.1質量%以上、5質量%以下であることがより好ましい。また、他の好ましい一例は、無機フッ化物塩とパーフルオロアルカンスルホニルイミド塩との併用であり、この場合には、両者の合計に占める無機フッ化物塩の割合は、70質量%以上、99質量%以下であることが好ましく、80質量%以上、98質量%以下であることがより好ましい。上記2つの好ましい例によれば、高温保存による特性劣化を抑制することができる。
非水系電解液中の電解質の濃度に特に制限はないが、電解質の濃度範囲は次のとおりである。濃度の下限は、0.5mol/L、好ましくは0.6mol/L、より好ましくは0.7mol/Lである。また、濃度の上限は、2mol/L、好ましくは1.8mol/L、より好ましくは1.7mol/Lである。濃度が低すぎると、電解液の電気伝導率が不充分となる可能性がある。また、濃度が高すぎると、粘度が上昇するため電気伝導度が低下する可能性がある。このような電気伝導度の低下により、リチウムイオン電池の性能が低下する可能性がある。
非水系溶媒としては、リチウムイオン電池用の電解質の溶媒として使用可能な非水系溶媒であれば特に制限はないが、例えば次の環状カーボネート、鎖状カーボネート、鎖状エステル、環状エーテル及び鎖状エーテル等が挙げられる。
環状カーボネートとしては、環状カーボネートを構成するアルキレン基の炭素数が2〜6のものが好ましく、2〜4のものがより好ましい。具体的には、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等が挙げられる。中でも、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートが好ましい。
鎖状カーボネートとしては、ジアルキルカーボネートが好ましく、2つのアルキル基の炭素数が、それぞれ1〜5のものが好ましく、1〜4のものがより好ましい。具体的には、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジ−n−プロピルカーボネート等の対称鎖状カーボネート類;エチルメチルカーボネート、メチル−n−プロピルカーボネート、エチル−n−プロピルカーボネート等の非対称鎖状カーボネート類などが挙げられる。中でも、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が好ましい。
鎖状エステルとしては、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、プロピオン酸メチル等が挙げられる。中でも、低温特性改善の観点から酢酸メチルを用いることが好ましい。
環状エーテルとしては、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン等が挙げられる。中でも、入出力特性改善の観点からテトラヒドロフランを用いることが好ましい。
鎖状エーテルとしては、ジメトキシエタン、ジメトキシメタン等が挙げられる。
これらは単独で用いても、2種類以上を併用してもよいが、2種以上の化合物を併用した混合溶媒を用いることが好ましい。例えば、環状カーボネート類の高誘電率溶媒と、鎖状カーボネート類や鎖状エステル類等の低粘度溶媒とを併用するのが好ましい。好ましい組み合わせの一つは、環状カーボネート類と鎖状カーボネート類とを主体とする組み合わせである。中でも、非水系溶媒に占める環状カーボネート類と鎖状カーボネート類との合計が、80容量%以上、好ましくは85容量%以上、より好ましくは90容量%以上である。また、環状カーボネート類と鎖状カーボネート類との合計に対する環状カーボネート類の容量が次の範囲であるものが好ましい。環状カーボネート類の容量の下限は、5%、好ましくは10%、より好ましくは15%であり、上限は、50%、好ましくは35%、より好ましくは30%である。このような非水系溶媒の組み合わせを用いることで、電池のサイクル特性や高温保存特性(特に、高温保存後の残存容量及び高負荷放電容量)が向上する。
環状カーボネート類と鎖状カーボネート類の好ましい組み合わせの具体例としては、エチレンカーボネートとジメチルカーボネート、エチレンカーボネートとジエチルカーボネート、エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネート、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとジエチルカーボネート、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとエチルメチルカーボネート、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとエチルメチルカーボネート、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとジエチルカーボネートとエチルメチルカーボネート等が挙げられる。
これらの組み合わせで使用する鎖状カーボネート類は、非対称鎖状カーボネート類を含有するものが更に好ましい。具体例としては、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとエチルメチルカーボネート、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとエチルメチルカーボネート、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとジエチルカーボネートとエチルメチルカーボネートの組み合わせが挙げられる。このような、エチレンカーボネートと対称鎖状カーボネート類と非対称鎖状カーボネート類との組み合わせにより、サイクル特性や大電流放電特性を向上させることができる。中でも、非対称鎖状カーボネート類がエチルメチルカーボネートであるものが好ましく、また、ジアルキルカーボネートを構成するアルキル基の炭素数が1〜2であるものが好ましい。
添加材としては、リチウムイオン電池の非水系電解液用の添加材であれば特に制限はないが、例えば、窒素、硫黄又は窒素及び硫黄を含有する複素環化合物、環状カルボン酸エステル、フッ素含有環状カーボネート、その他の分子内に不飽和結合を有する化合物が挙げられる。
上記添加材以外に、求められる機能に応じて過充電防止材、負極皮膜形成材、正極保護材、高入出力材等の他の添加材を用いてもよい。
4.セパレータ
セパレータは、正極及び負極間を電子的には絶縁しつつもイオン透過性を有し、かつ、正極側における酸化性及び負極側における還元性に対する耐性を備えるものであれば特に制限はない。このような特性を満たすセパレータの材料(材質)としては、樹脂、無機物、ガラス繊維等が用いられる。
上記樹脂としては、オレフィン系ポリマー、フッ素系ポリマー、セルロース系ポリマー、ポリイミド、ナイロン等が用いられる。具体的には、非水系電解液に対して安定で、保液性の優れた材料の中から選ぶのが好ましく、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンを原料とする多孔性シート又は不織布等を用いることが好ましい。
上記無機物としては、アルミナや二酸化珪素等の酸化物類、窒化アルミニウムや窒化珪素等の窒化物類、硫酸バリウムや硫酸カルシウム等の硫酸塩類が用いられる。例えば、繊維形状又は粒子形状の上記無機物を、不織布、織布、微多孔性フィルム等の薄膜形状の基材に付着させたものをセパレータとして用いることができる。薄膜形状の基材としては、孔径が0.01〜1μm、厚さが5〜50μmのものが好適に用いられる。また、例えば、繊維形状又は粒子形状の上記無機物を、樹脂等の結着材を用いて複合多孔層としたものをセパレータとして用いることができる。更に、この複合多孔層を、正極又は負極の表面に形成し、セパレータとしてもよい。例えば、90%粒径が1μm未満のアルミナ粒子を、フッ素樹脂を結着材として結着させた複合多孔層を、正極の表面に形成してもよい。
5.その他の構成部材
リチウムイオン電池のその他の構成部材として、開裂弁を設けてもよい。開裂弁が開放することで、電池内部の圧力上昇を抑制でき、安全性を向上させることができる。
また、温度上昇に伴い不活性ガス(例えば、二酸化炭素など)を放出する構成部を設けてもよい。このような構成部を設けることで、電池内部の温度が上昇した場合に、不活性ガスの発生により速やかに開裂弁を開けることができ、安全性を向上させることができる。上記構成部に用いられる材料としては、炭酸リチウムやポリアルキレンカーボネート樹脂等が挙げられる。ポリアルキレンカーボネート樹脂としては、例えば、ポリエチレンカーボネート、ポリプロピレンカーボネート、ポリ(1,2−ジメチルエチレンカーボネート)、ポリブテンカーボネート、ポリイソブテンカーボネート、ポリペンテンカーボネート、ポリヘキセンカーボネート、ポリシクロペンテンカーボネート、ポリシクロヘキセンカーボネート、ポリシクロヘプテンカーボネート、ポリシクロオクテンカーボネート、ポリリモネンカーボネート等が挙げられる。上記構成部に用いられる材料としては、炭酸リチウム、ポリエチレンカーボネート、ポリプロピレンカーボネートが好ましい。
(リチウムイオン二次電池)
まず、本発明をラミネート電池に適用した実施の形態について説明する。
ラミネート型のリチウムイオン二次電池は、例えば、次のようにして作製できる。まず、正極と負極を角形に切断し、それぞれの電極にタブを溶接し正負極端子を作製する。正極、絶縁層、負極をこの順番に積層した積層体を作製し、その状態でアルミニウム製のラミネートパック内に収容し、正負極端子をアルミラミネートパックの外に出し密封する。次いで、非水電解質をアルミラミネートパック内に注液し、アルミラミネートパックの開口部を密封する。これにより、リチウムイオン二次電池が得られる。
次に、図面を参照して、本発明を18650タイプの円柱状リチウムイオン二次電池に適用した実施の形態について説明する。
図1に示すように、本実施形態のリチウムイオン二次電池1は、ニッケルメッキが施されたスチール製で有底円筒状の電池容器6を有している。電池容器6には、帯状の正極板2及び負極板3がセパレータ4を介して断面渦巻状に捲回された電極群5が収容されている。電極群5は、正極板2及び負極板3がポリエチレン製多孔質シートのセパレータ4を介して断面渦巻状に捲回されている。セパレータ4は、例えば、幅が58mm、厚さが30μmに設定される。電極群5の上端面には、一端部を正極板2に固定されたアルミニウム製でリボン状の正極タブ端子が導出されている。正極タブ端子の他端部は、電極群5の上側に配置され正極外部端子となる円盤状の電池蓋の下面に超音波溶接で接合されている。一方、電極群5の下端面には、一端部を負極板3に固定された銅製でリボン状の負極タブ端子が導出されている。負極タブ端子の他端部は、電池容器6の内底部に抵抗溶接で接合されている。従って、正極タブ端子及び負極タブ端子は、それぞれ電極群5の両端面の互いに反対側に導出されている。なお、電極群5の外周面全周には、図示を省略した絶縁被覆が施されている。電池蓋は、絶縁性の樹脂製ガスケットを介して電池容器6の上部にカシメ固定されている。このため、リチウムイオン二次電池1の内部は密封されている。また、電池容器6内には、図示しない非水電解液が注液されている。
以下、実施例に基づき本実施の形態を更に詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例によって限定されるものではない。
[合成例1(アクリル系樹脂の合成)]
拌機、温度計、冷却管及び窒素ガス導入管を装備した3リットルのセパラブルフラスコに、精製水1804gを仕込み、窒素ガス通気量200ml/分の条件下、撹拌しながら、74℃まで昇温した後、窒素ガスの通気を止めた。次いで、重合開始剤の過硫酸アンモニウム0.968gを精製水76gに溶かした水溶液を添加し、直ちに、ニトリル基含有単量体のアクリロニトリル183.8g、カルボキシル基含有単量体のアクリル酸9.7g(アクリロニトリル1モルに対して0.039モルの割合)及び式(II)で表される単量体のメトキシトリエチレングリコールアクリレート(新中村化学工業株式会社製、商品名:NKエステルAM−30G)6.5g(アクリロニトリル1モルに対して0.0085モルの割合)の混合液を、系の温度を74±2℃に保ちながら、2時間かけて滴下した。続いて、懸濁した反応系に、過硫酸アンモニウム0.25gを精製水21.3gに溶かした水溶液を追加添加し、84℃まで昇温した後、系の温度を84±2℃に保ちながら、2.5時間反応を進めた。その後、1時間かけて40℃まで冷却した後、攪拌を止めて一晩室温で放冷し、ニトリル基含有単量体由来の構造単位を含む樹脂組成物が沈殿した反応液を得た。この反応液を吸引ろ過し、回収した湿潤状態の沈殿を精製水1800gで3回洗浄した後、80℃で10時間真空乾燥して、単離・精製し、ニトリル基含有単量体由来の構造単位を含むアクリル系樹脂を得た。
[正極板の作製]
正極板の作製を以下のように行った。正極活物質である層状型リチウム・ニッケル・マンガン・コバルト複合酸化物(NMC)を用いた。この正極活物質の混合物に、導電材としてアセチレンブラックと、結着材としてポリフッ化ビニリデンとを順次添加し、混合することにより正極材料の混合物を得た。質量比は、活物質:導電材:結着材=90:5:5とした。更に上記混合物に対し、分散溶媒であるN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を添加し、混練することによりスラリーを形成した。このスラリーを正極用の集電体である厚さ20μmのアルミニウム箔の両面に実質的に均等且つ均質に塗布した。その後、乾燥処理を施し、所定密度までプレスにより圧密化した。正極合材密度は2.55g/cm とし、正極合材塗布量115g/mとした。
[負極板の作製]
負極板の作製を以下のように行った。負極活物質としてd002が0.346であり、平均粒径D50が20μmであり、リチウム電位に対して0.1Vとなる電位におけるSOCが70%である非晶質炭素を用いた。この負極活物質に結着材としてポリフッ化ビニリデン若しくはアクリル系樹脂バインダ若しくはそれらの混合物を添加した。これらの質量比は、負極活物質:結着材=92:8若しくは94:6とした。これに分散溶媒であるN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を添加し、混練することによりスラリーを形成した。スラリーの粘度はE型粘度計(東機産業株式会社製,TYPE−H)を用いて25℃で測定し、チクソトロピー性の指標であるTI値(0.5rpm/5rpm)を算出した。このスラリーを負極用の集電体である厚さ10μmの圧延銅箔の両面に実質的に均等且つ均質に所定量塗布した。負極合材密度は1.15g/cm とした。
[電池の作製]
電池の作製例として、例えば、ラミネート型電池の例を示す。
13.5cmの角形に切断した正極電極をポリエチレン製多孔質シートのセパレータ(商品名:ハイポア、旭化成株式会社製、厚さが30μm)で挟み、更に14.3cmの角形に切断した負極を重ね合わせて積層体を作製した。この積層体をアルミニウムのラミネート容器(商品名:アルミラミネートフィルム、大日本印刷株式会社製)に入れ、非水電解質(1MのLiPFを含むエチレンカーボネート/メチルエチルカーボネート/ジメチルカーボネート=2/2/3混合溶液(体積比)に、混合溶液全量に対してビニレンカーボネートを0.8質量%添加したもの、商品名:ソルライト、三菱化学株式会社製)を1mL添加し、アルミニウムのラミネート容器を熱溶着させ、電極評価用電池を作製した。
[リチウム電位に対して0.1Vとなる電位におけるSOC]
リチウム電位に対して0.1Vとなる電位におけるSOCの測定は、作製した試料負極電極をφ15mmの大きさに打ち抜き、φ16mmの大きさに打ち抜いた対極(金属リチウム)、φ19mmの大きさに打ち抜いたセパレータ、電解液とともにアルゴン雰囲気下でCR2032型コインセルを組み25℃で行った。対極には表面を研磨して酸化皮膜を除去した金属リチウムを使用した。
電解液は,非水電解質(1MのLiPFを含むエチレンカーボネート/メチルエチルカーボネート/ジメチルカーボネート=2/2/3混合溶液(体積比)に、混合溶液全量に対してビニレンカーボネートを0.8質量%添加したもの、商品名:ソルライト、三菱化学株式会社製)を0.2mL使用した。セパレータにはポリエチレン製多孔質シートのセパレータ(商品名:ハイポア、旭化成株式会社製、厚さが30μm)を使用した。
以上のようにして得られたコインセルを用いて試料電極と対極の間に、電流密度0.1C(リチウム二次電池用負極材料1g当り36mA)の定電流で0V(V vs Li/Li+)まで充電し、0Vの定電圧で電流密度が0.01Cになるまで充電した。放電は,電流密度0.1Cの定電流で1.5V(V vs Li/Li+)までおこなった。この充電,放電する試験を3サイクル行った。
図2に、本発明で使用した負極電極の対Li試験結果の一例として、3サイクル目で測定した電圧(V vs Li/Li+)と放電容量との関係を示す。図2に示すように、0.1Vの時のSOCは、第3サイクル目の充電容量をSOC100%としたときに、同じ3サイクル目の0.1Vまでの充電容量から、下記の(1)式に従って算出した。
SOC=(第3サイクル目の0.1VまでのCC充電容量/第3サイクル目の0VまでのCCCV充電容量)×100 (1)
〈実施例1〜4〉
バインダとして、PVDF(ダイキン工業株式会社製)と合成例1で調整したアクリル系樹脂の混合比を88/12(実施例1)、75/25(実施例2)、63/37(実施例3)、37/63(実施例5)とし,負極活物質:結着材=92:8とした負極電極を作製した。その後、上記作製方法に従ってラミネートセルを作製した。充電レート特性は、25℃での電流値3Cにおける定電流充電(終止電圧4.2V)での充電容量と25℃での電流値0.5Cにおける定電流充電(終止電圧4.2V)での充電容量の割合とした。このときの放電は0.5CAの2.7VCC放電とした。サイクル特性は25℃で1CA、4.2Vの定電流定電圧充電(終止電流値:0.01C)、1CAの定電流放電(終止電圧2.7V)で測定した。充電負荷特性及びサイクル特性の評価は、充放電装置(東洋システム株式会社製 TOSCAT−3200)を用いた。
〈比較例1〉
バインダとして、PVDF(ダイキン工業株式会社製)のみを用いて、負極活物質:結着材=92:8とし、負極電極を作製した。その後、上記作製方法に従ってラミネートセルを作製した。充電負荷特性は、25℃で電流値3Cにおける4.2VCC充電容量/電流値0.5Cにおける4.2VCC充電容量の割合とした。このときの放電は0.5CAの2.7VCC放電とした。サイクル特性は25℃で1CA、4.2VCCCV充電(0.01Ccut)、2.7VCC放電で測定した。充電負荷特性及びサイクル特性の評価は、充放電装置(東洋システム株式会社製 TOSCAT−3200)を用いた。
〈比較例2〉
バインダとして、合成例1で調整したアクリル系樹脂のみを用いて、負極活物質:結着材=92:8とし、負極電極を作製した。その後、上記作製方法に従ってラミネートセルを作製した。充電負荷特性は、25℃で電流値3Cにおける4.2VCC充電容量/電流値0.5Cにおける4.2VCC充電容量の割合とした。このときの放電は0.5CAの2.7VCC放電とした。サイクル特性は25℃で1CA、4.2VCCCV充電(0.01Ccut)、2.7VCC放電で測定した。充電負荷特性及びサイクル特性の評価は、充放電装置(東洋システム株式会社製 TOSCAT−3200)を用いた。
〈比較例3〉
バインダとして、合成例1で調整したアクリル系樹脂のみを用いて,負極活物質:結着材=94:6とし、負極電極を作製した。その後、上記作製方法に従ってラミネートセルを作製した。充電負荷特性は、25℃で電流値3Cにおける4.2VCC充電容量/電流値0.5Cにおける4.2VCC充電容量の割合とした。このときの放電は0.5CAの2.7VCC放電とした。サイクル特性は25℃で1CA、4.2VCCCV充電(0.01Ccut)、2.7VCC放電で測定した。充電負荷特性及びサイクル特性の評価は、充放電装置(東洋システム株式会社製 TOSCAT−3200)を用いた。
上記の実施例及び比較例の結果を以下の表1に示す。
表1から、PVDFにアクリル系樹脂バインダを混合するとTI値及びサイクル容量維持率が向上することが分かった。TI値はPVDFにアクリル系樹脂バインダを僅かに混合するだけで特異的に向上する一方で、アクリル系樹脂の含有割合が3〜4割あたりにピークがあり、それ以上増やすとやや低下することが分かった。この向上の原因について詳細は不明だが、PVDFとアクリル系樹脂の間の相互作用が影響していると考えられる。このように、負極用バインダとしてPVDF及びアクリル系樹脂の両者を含有することによってTI値が向上し、スラリーの塗布速度を向上させることが可能となるため、電池の生産性の向上が期待できる。
また、充電レート特性はアクリルバインダのみ使用の場合、PVDFと比較して特性が低下する傾向にあるが、PVDFと混合することで改善されることが分かった。
更に、サイクル特性もPVDFにアクリルバインダを混合することで向上するが、アクリル樹脂の含有割合が2〜3割あたりにピークがあり、それ以上増やすと低下することが分かった。サイクル特性が向上した要因はアクリルバインダの結着性がPVDFよりも高く、サイクル時の負極活物質の膨張収縮による電極内部の導電構造の破壊を抑制できていることが挙げられる。しかし、アクリル系樹脂バインダの単独使用やその使用量が多い場合には抵抗が上がるため、サイクル特性が低下するようになる。アクリル系樹脂バインダの抵抗上昇は、誘電率が相対的に高いPVDFと混合することで抑えることが可能となる。以上の理由から、アクリル系樹脂バインダとPDVFとを併用し、両者の質量比を最適化することでサイクル特性を向上させることができる。
したがって、アクリル系樹脂とPVDFの混合バインダを使用した負極を備える本発明のリチウムイオン電池は、生産性に優れ、且つ長寿命化が可能である。更に、上記表1に示すように、アクリル系樹脂とPVDFとの質量比を80:20〜10:90の範囲で規定し、また、アクリル系樹脂を負極合材の全量に対して5質量%以下にすることによって、電池の一層の長寿命化を図ることができる。そのため、本発明のリチウム二次電池は、汎用性及びその有用性が極めて高い。
1…リチウムイオン二次電池 2…正極板 3…負極板 4…セパレータ 5…電極群、6…電池容器

Claims (6)

  1. 正極、負極、セパレータ及び電解液を電池容器内に備えるリチウムイオン二次電池であって、前記負極は、集電体と前記集電体に塗布された負極合材とを有し、前記負極合材は負極活物質及び負極用バインダを含み、前記負極用バインダがアクリル系樹脂及びポリフッ化ビニリデンを含有し、前記負極活物質が非晶質炭素粒子を含有し、
    前記アクリル系樹脂が、ニトリル基含有単量体由来の構造単位とカルボキシル基含有単量体由来の構造単位と下記式(II)で表される単量体由来の構造単位とを含み、
    前記アクリル系樹脂と前記ポリフッ化ビニリデンとの質量比が70:30〜20:80であり、
    前記アクリル系樹脂が、前記負極合材の全量に対して2質量%〜5質量%であるリチウムイオン二次電池。

    (式中、R は水素又はメチル基、R は水素又は1価の炭化水素基、nは2〜10の整
    数である)
  2. 前記ニトリル基含有単量体由来の構造単位1モルに対する前記カルボキシル基含有単量体由来の構造単位の比率が、0.01モル〜0.2モルである請求項に記載のリチウムイオン二次電池。
  3. 前記アクリル系樹脂が、更に下記式(III)で表される単量体由来の構造単位を含む請求項1又は請求項2に記載のリチウムイオン二次電池。

    (式中、Rは水素又はメチル基、Rは炭素数4〜100のアルキル基である)
  4. 前記非晶質炭素粒子の、X線回折法(XRD)から測定される炭素網面層間(d(002))が0.34nm〜0.40nmである請求項1〜請求項のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池。
  5. 前記負極が、リチウム電位に対して0.1Vとなる電位における充電状態(State of charge)が60%以上である請求項1〜請求項のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池。
  6. 前記負極合材の密度が、0.7g/cm〜2g/cmである請求項1〜請求項のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池。
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