JP6798371B2 - Positive electrode for lithium ion secondary battery - Google Patents

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Description

本開示は、リチウムイオン二次電池用正極に関する。 The present disclosure relates to a positive electrode for a lithium ion secondary battery.

特開2010−129430号公報(特許文献1)は、構成元素に金属元素としてFeまたはMnを含むリチウム化合物を正極活物質とする正極において、前記正極活物質中にゼオライトを含有させることを開示している。 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2010-129430 (Patent Document 1) discloses that a positive electrode containing a lithium compound containing Fe or Mn as a metal element as a constituent element as a positive electrode active material contains zeolite in the positive electrode active material. ing.

特開2010−129430号公報JP-A-2010-129430

特許文献1では、リチウムイオン二次電池を高温下で使用したときの容量劣化を抑制するために、正極活物質にゼオライトが含有されている。ゼオライトとは、結晶中に微細孔を持つアルミノケイ酸塩の総称であり、Si−O四面体とAl−O四面体とが頂点のO原子を共有した三次元ネットワーク構造をもつ。代表的なゼオライトとして、ZSM−5型ゼオライト、フォージャサイト型ゼオライト、モルデナイト型ゼオライト、L型ゼオライト、A型ゼオライト、X型ゼオライト、Y型ゼオライト等が挙げられる。 In Patent Document 1, zeolite is contained in the positive electrode active material in order to suppress capacity deterioration when the lithium ion secondary battery is used at a high temperature. Zeolite is a general term for aluminosilicates having fine pores in crystals, and has a three-dimensional network structure in which a Si—O tetrahedron and an Al—O tetrahedron share an O atom at the apex. Typical zeolites include ZSM-5 type zeolite, faujasite type zeolite, mordenite type zeolite, L type zeolite, A type zeolite, X type zeolite, Y type zeolite and the like.

正極活物質に含有される材料としてゼオライトが用いられる理由は、ゼオライトが金属イオンを吸着するため、金属イオンが負極へ到達するのを防止し、その結果、電池の容量劣化が抑制されると考えられているためである。 It is thought that the reason why zeolite is used as the material contained in the positive electrode active material is that zeolite adsorbs metal ions, which prevents metal ions from reaching the negative electrode, and as a result, suppresses deterioration of battery capacity. This is because it has been done.

特許文献1では、正極活物質にゼオライトを含有することにより、正極活物質から高温時に溶出して負極を劣化させるFeイオンを吸着し、高温でリチウムイオン二次電池を使用した際の電池の容量劣化を抑制している。しかしながら、ハイレート放電時において、正極集電体近傍のリチウムイオン濃度が低下し、電池抵抗が増加する可能性がある。すなわち、ハイレート放電時における電池抵抗の低減において、改善の余地がある。なお、本明細書の「ハイレート放電」とは、電池の定格容量に対してある程度大きい電流値での放電を意味し、たとえば、通常放電と比較して1.5倍以上の電流値での放電をいう。 In Patent Document 1, by containing zeolite in the positive electrode active material, Fe ions that elute from the positive electrode active material at high temperature and deteriorate the negative electrode are adsorbed, and the capacity of the battery when a lithium ion secondary battery is used at high temperature. Deterioration is suppressed. However, at the time of high-rate discharge, the lithium ion concentration in the vicinity of the positive electrode current collector may decrease and the battery resistance may increase. That is, there is room for improvement in reducing battery resistance during high-rate discharge. The term "high-rate discharge" as used herein means discharge at a current value that is somewhat larger than the rated capacity of the battery. For example, discharge at a current value that is 1.5 times or more that of normal discharge. To say.

本開示の目的は、ハイレート放電時において、電池抵抗が低減され得るリチウムイオン二次電池用正極を提供することにある。 An object of the present disclosure is to provide a positive electrode for a lithium ion secondary battery whose battery resistance can be reduced at the time of high-rate discharge.

以下、本開示の技術的構成および作用メカニズムが説明される。ただし本開示の作用メカニズムは推定を含んでいる。作用メカニズムの正否により、特許請求の範囲が限定されるべきではない。 Hereinafter, the technical configuration and the mechanism of action of the present disclosure will be described. However, the mechanism of action of the present disclosure includes estimation. The scope of claims should not be limited by the correctness of the mechanism of action.

リチウムイオン二次電池用正極は、集電体、集電体上に配置されるゼオライト層およびゼオライト層上に配置される正極合材層を含む。ゼオライト層は、リチウムイオン含有ゼオライトとCOONa基を含む高分子とを含み、0.5μm以上10μm以下の厚さを有する。 The positive electrode for a lithium ion secondary battery includes a current collector, a zeolite layer arranged on the current collector, and a positive electrode mixture layer arranged on the zeolite layer. The zeolite layer contains a lithium ion-containing zeolite and a polymer containing a COONa group, and has a thickness of 0.5 μm or more and 10 μm or less.

正極合材層の集電体側のリチウムイオン濃度が低下した際には、ゼオライト層に含まれるリチウムイオン含有ゼオライトの細孔からリチウムイオンを放出し、COONa基を含む高分子起因のナトリウムイオンを吸着するイオン交換が生じると考えられる。リチウムイオン含有ゼオライトから脱離したリチウムイオンは正極合材層に供給され、正極合材層中のリチウムイオン濃度の低下が抑制されることが期待される。すなわち、電池抵抗が低減され得るリチウムイオン二次電池用正極が提供されることが期待される。加えて、正極合材層中のリチウムイオン濃度の低下が抑制されるため、集電体と正極合材層との間で電子の授受が行われ電池反応が進行し、電池容量の低下が抑制されることも期待される。 When the lithium ion concentration on the current collector side of the positive electrode mixture layer decreases, lithium ions are released from the pores of the lithium ion-containing zeolite contained in the zeolite layer, and sodium ions derived from the polymer containing the COONa group are adsorbed. It is considered that ion exchange occurs. It is expected that the lithium ions desorbed from the lithium ion-containing zeolite are supplied to the positive electrode mixture layer, and the decrease in the lithium ion concentration in the positive electrode mixture layer is suppressed. That is, it is expected that a positive electrode for a lithium ion secondary battery capable of reducing battery resistance will be provided. In addition, since the decrease in the lithium ion concentration in the positive electrode mixture layer is suppressed, electrons are transferred between the current collector and the positive electrode mixture layer, the battery reaction proceeds, and the decrease in battery capacity is suppressed. It is also expected to be done.

図1は、本開示の実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極の構成を示す概念図である。FIG. 1 is a conceptual diagram showing the configuration of a positive electrode for a lithium ion secondary battery according to the embodiment of the present disclosure.

以下、本開示の実施形態(以下「本実施形態」と記される)が説明される。ただし、以下の説明は、特許請求の範囲を限定するものではない。
<リチウムイオン二次電池用正極>
図1は、本開示の実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極(以下単に「正極」とも記される)の構成を示す概念図である。正極100は、集電体10、ゼオライト層20および正極合材層30を含む。すなわち、正極100は、集電体10、集電体10上に配置されるゼオライト層20およびゼオライト層20上に配置される正極合材層30を含む。集電体10は、たとえば、アルミニウム(Al)箔等であってもよい。Al箔は、純Al箔であってもよいし、Al合金箔であってもよい。集電体10は、たとえば、10〜30μmの厚さを有してもよい。
《ゼオライト層》
ゼオライト層20は、集電体10表面に配置される。ゼオライト層20は、たとえば集電体10表面全体に配置されてもよいし、集電体10表面の一部に配置されてもよい。ゼオライト層20は、集電体10の表裏両面に配置されていてもよい。ゼオライト層20は、リチウムイオン含有ゼオライトおよびCOONa基を含む高分子を含んでいる。ゼオライト層20は、0.5μm以上10μm以下の厚さを有しており、0.5μm以上5μm以下の厚さを有してもよいし、5μm以上10μm以下の厚さを有してもよいが、1μm以上10μm以下の厚さを有することが望ましい。ゼオライト層20の厚みが10μmを超える場合、ゼオライト層20から拡散されるリチウムイオンの拡散抵抗が大きくなり、電池抵抗が増加すると考えられる。ゼオライト層20の厚みが0.5μm未満の場合、ゼオライト層20に含まれるリチウムイオンの量が不足し、電池抵抗の増加を十分に抑制できないものと考えられる。ゼオライト層20は、リチウムイオン含有ゼオライトおよびCOONa基を含む高分子を含む限り、導電材やバインダ等のその他の物質をさらに含んでいてもよい。導電材は、たとえば、アセチレンブラック(AB)、ファーネスブラック、気相成長炭素繊維(VGCF)、黒鉛等であってもよい。バインダは、たとえば、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)等であってもよい。
Hereinafter, embodiments of the present disclosure (hereinafter referred to as “the present embodiment”) will be described. However, the following description does not limit the scope of claims.
<Positive electrode for lithium-ion secondary battery>
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a configuration of a positive electrode for a lithium ion secondary battery (hereinafter, also simply referred to as “positive electrode”) according to the embodiment of the present disclosure. The positive electrode 100 includes a current collector 10, a zeolite layer 20, and a positive electrode mixture layer 30. That is, the positive electrode 100 includes a current collector 10, a zeolite layer 20 arranged on the current collector 10, and a positive electrode mixture layer 30 arranged on the zeolite layer 20. The current collector 10 may be, for example, an aluminum (Al) foil or the like. The Al foil may be a pure Al foil or an Al alloy foil. The current collector 10 may have a thickness of, for example, 10 to 30 μm.
《Zeolite layer》
The zeolite layer 20 is arranged on the surface of the current collector 10. The zeolite layer 20 may be arranged on the entire surface of the current collector 10, for example, or may be arranged on a part of the surface of the current collector 10. The zeolite layer 20 may be arranged on both the front and back surfaces of the current collector 10. The zeolite layer 20 contains a lithium ion-containing zeolite and a polymer containing a COONa group. The zeolite layer 20 has a thickness of 0.5 μm or more and 10 μm or less, may have a thickness of 0.5 μm or more and 5 μm or less, or may have a thickness of 5 μm or more and 10 μm or less. However, it is desirable to have a thickness of 1 μm or more and 10 μm or less. When the thickness of the zeolite layer 20 exceeds 10 μm, it is considered that the diffusion resistance of lithium ions diffused from the zeolite layer 20 increases and the battery resistance increases. When the thickness of the zeolite layer 20 is less than 0.5 μm, it is considered that the amount of lithium ions contained in the zeolite layer 20 is insufficient and the increase in battery resistance cannot be sufficiently suppressed. The zeolite layer 20 may further contain other substances such as a conductive material and a binder as long as it contains a lithium ion-containing zeolite and a polymer containing a COONa group. The conductive material may be, for example, acetylene black (AB), furnace black, vapor-grown carbon fiber (VGCF), graphite or the like. The binder may be, for example, polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), or the like.

ゼオライト層20は、たとえば、ゼオライト層20形成のためのスラリー(以下、「ゼオライトスラリー」と記載する)を用いて形成される。すなわち、ゼオライトスラリーを集電体10の表面に塗布することにより塗膜を形成し、それを乾燥させることによりゼオライト層20は形成される。ゼオライトスラリーは、たとえば、リチウムイオン含有ゼオライト、COONa基を含む高分子および上記その他の物質を溶媒と共に混合することにより調製することができる。溶媒は、たとえば、水等であってもよい。
(リチウムイオン含有ゼオライト)
リチウムイオン含有ゼオライトは、金属イオン含有ゼオライトに含有された金属イオンの少なくとも一部がリチウムイオンに置換されたゼオライトである。たとえば、Naイオン含有ゼオライトがリチウム塩水溶液に浸漬されることにより、Naイオンがリチウムイオンに交換される。これによりリチウムイオン含有ゼオライトが生成される。Naイオンの少なくとも一部がリチウムイオンに交換されている限り、リチウムイオン含有ゼオライトであるとみなされる。ゼオライト層20において、リチウムイオンの含有量が多いリチウムイオン含有ゼオライトを用いることにより、ゼオライト層20に含まれるリチウムイオン含有ゼオライトの量を削減することが可能となる。これにより、電池抵抗の増加を抑制できると考えられる。ゼオライト中の金属イオンのうち、たとえば、50〜100mоl%がリチウムイオンに交換されていることが望ましい。リチウム塩水溶液は、たとえば、LiCl水溶液等であってもよい。
The zeolite layer 20 is formed by using, for example, a slurry for forming the zeolite layer 20 (hereinafter, referred to as “zeolite slurry”). That is, a coating film is formed by applying the zeolite slurry to the surface of the current collector 10, and the zeolite layer 20 is formed by drying the coating film. Zeolite slurry can be prepared, for example, by mixing a lithium ion-containing zeolite, a polymer containing a COONa group, and the above other substances with a solvent. The solvent may be, for example, water or the like.
(Lithium ion-containing zeolite)
The lithium ion-containing zeolite is a zeolite in which at least a part of the metal ions contained in the metal ion-containing zeolite is replaced with lithium ions. For example, when a Na ion-containing zeolite is immersed in a lithium salt aqueous solution, Na ions are exchanged for lithium ions. As a result, a lithium ion-containing zeolite is produced. As long as at least a portion of the Na ions have been exchanged for lithium ions, it is considered to be a lithium ion containing zeolite. By using the lithium ion-containing zeolite having a high lithium ion content in the zeolite layer 20, the amount of the lithium ion-containing zeolite contained in the zeolite layer 20 can be reduced. It is considered that this can suppress the increase in battery resistance. It is desirable that, for example, 50 to 100 mL of the metal ions in the zeolite are exchanged for lithium ions. The lithium salt aqueous solution may be, for example, a LiCl aqueous solution or the like.

リチウムイオン含有ゼオライトは、集電体10近傍のリチウムイオン濃度が低下した際には、ゼオライト層20に含まれるCOONa基を含む高分子起因のナトリウムイオンを吸着し、代わりにリチウムイオンを放出すると考えられる。リチウムイオン含有ゼオライトから放出されたリチウムイオンは正極合材層30に供給されるため、正極合材層30の集電体10側のリチウムイオン濃度の低下が抑制され、電池抵抗の増加が抑制されることが期待される。加えて、正極合材層30のリチウムイオン濃度の低下が抑制されるため、集電体10と正極合材層30との間で電子の授受が行われ電池反応が進行し、電池容量の低下も抑制されることが期待される。 It is considered that the lithium ion-containing zeolite adsorbs sodium ions caused by a polymer containing a COONa group contained in the zeolite layer 20 and releases lithium ions instead when the lithium ion concentration in the vicinity of the current collector 10 decreases. Be done. Since the lithium ions released from the lithium ion-containing zeolite are supplied to the positive electrode mixture layer 30, the decrease in the lithium ion concentration on the current collector 10 side of the positive electrode mixture layer 30 is suppressed, and the increase in battery resistance is suppressed. It is expected that In addition, since the decrease in the lithium ion concentration of the positive electrode mixture layer 30 is suppressed, electrons are exchanged between the current collector 10 and the positive electrode mixture layer 30, the battery reaction proceeds, and the battery capacity decreases. Is also expected to be suppressed.

リチウムイオン含有ゼオライトの含有量は、ゼオライトスラリーを100重量部としたとき、10重量部以上60重量部以下であることが望ましい。ゼオライトスラリー中のリチウムイオン含有ゼオライトの含有量が10重量部未満である場合、ゼオライト層20に含まれるリチウムイオンの量が不足すると考えられ、ゼオライトスラリー中のリチウムイオン含有ゼオライトの含有量が60重量部を超える場合、塗工性が悪化したり、電池抵抗が増加すると考えられる。ゼオライト層20は、ゼオライトスラリーから溶媒を除去したものと同一の組成を有すると考えられる。 The content of the lithium ion-containing zeolite is preferably 10 parts by weight or more and 60 parts by weight or less when the zeolite slurry is 100 parts by weight. When the content of lithium ion-containing zeolite in the zeolite slurry is less than 10 parts by weight, it is considered that the amount of lithium ion contained in the zeolite layer 20 is insufficient, and the content of lithium ion-containing zeolite in the zeolite slurry is 60 weight by weight. If it exceeds the portion, it is considered that the coatability deteriorates and the battery resistance increases. The zeolite layer 20 is considered to have the same composition as that obtained by removing the solvent from the zeolite slurry.

リチウムイオン含有ゼオライトは、たとえば、0.1〜10μm(典型的には0.5〜2μm)の平均粒径を有してもよい。本明細書の「平均粒径」は、レーザ回折散乱法によって測定される体積基準の粒度分布において微粒側から累積50%の粒径を示す。リチウムイオン含有ゼオライトは、たとえば、0.1〜10nm(典型的には0.1〜1nm)の平均細孔径を有してもよい。平均細孔径は、ガス吸着法により測定され得る。ガス吸着法の媒体には、たとえば窒素ガスが使用される。 The lithium ion-containing zeolite may have, for example, an average particle size of 0.1 to 10 μm (typically 0.5 to 2 μm). The "average particle size" in the present specification indicates a cumulative 50% particle size from the fine particle side in a volume-based particle size distribution measured by a laser diffraction / scattering method. The lithium ion-containing zeolite may have, for example, an average pore diameter of 0.1 to 10 nm (typically 0.1 to 1 nm). The average pore size can be measured by the gas adsorption method. For example, nitrogen gas is used as the medium of the gas adsorption method.

ゼオライト層20に含まれるリチウムイオン含有ゼオライトの骨格となるゼオライトは、天然ゼオライトでもよいし、合成ゼオライトでもよい。ゼオライトとしては、たとえば、A型ゼオライト、X型ゼオライト、Y型ゼオライト、L型ゼオライト、ZSM−5、モルデナイト等が挙げられるが、A型ゼオライトまたはX型ゼオライトであることが望ましく、A型ゼオライトであることがさらに望ましい。
(COONa基を含む高分子)
ゼオライト層20に含まれるCOONa基を含む高分子としては、カルボキシメチルセルロースナトリウム(CMC−Na)、ポリアクリル酸ナトリウム(PAA−Na)等が挙げられる。これらのCOONa基を含む高分子は、1種単独で使用されてもよいし、2種以上が組み合わされて使用されてもよい。本明細書の「COONa基」は、カルボキシル基(−COOH)に含まれるHが、たとえば、中和処理によってNaに置き換わったものである。
The zeolite serving as the skeleton of the lithium ion-containing zeolite contained in the zeolite layer 20 may be a natural zeolite or a synthetic zeolite. Examples of the zeolite include A-type zeolite, X-type zeolite, Y-type zeolite, L-type zeolite, ZSM-5, and mordenite. However, A-type zeolite or X-type zeolite is preferable, and A-type zeolite is used. It is even more desirable to have.
(Polymer containing COONa group)
Examples of the polymer containing a COONa group contained in the zeolite layer 20 include sodium carboxymethyl cellulose (CMC-Na) and sodium polyacrylate (PAA-Na). The polymers containing these COONa groups may be used alone or in combination of two or more. The "COONa group" in the present specification is one in which H contained in the carboxyl group (-COOH) is replaced with Na by, for example, a neutralization treatment.

COONa基を含む高分子の含有量は、集電体10の表面にゼオライトスラリーの塗膜を形成できるのであれば特に限定はされず、ゼオライトスラリーを100重量部としたとき、たとえば、0.5重量部以上2.0重量部以下であってもよいし、0.5重量部未満であってもよいし、2.0重量部を超えていてもよい。
《正極合材層》
正極合材層30は、正極活物質、導電材およびバインダを含む。正極合材層30は、たとえば、正極合材層30を100重量部としたとき、80重量部以上98重量部以下の正極活物質、1重量部以上15重量部以下の導電材および1重量部以上5重量部以下のバインダを含んでもよい。正極合材層30は、20μm以上100μm以下の厚みを有することが望ましく、60μm以上80μm以下の厚みを有することがより望ましい。
(正極活物質、導電材およびバインダ)
正極活物質、導電材およびバインダは特に限定されるべきではない。正極活物質は、たとえば、LiCoO2、LiNiO2、LiNi1/3Co1/3Mn1/32(NCM)、LiMnO2、LiMn24、LiFePO4等であってもよい。導電材は、たとえば、アセチレンブラック(AB)、ファーネスブラック、気相成長炭素繊維(VGCF)、黒鉛等であってもよい。バインダは、たとえば、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)等であってもよい。
<リチウムイオン二次電池用負極>
リチウムイオン二次電池用負極(以下単に「負極」とも記される)は、負極合材層および負極集電体を含む。負極集電体は、たとえば、銅(Cu)箔等でよい。負極集電体は、たとえば、5〜20μm程度の厚さを有してもよい。負極合材層は、負極集電体の表面に形成されている。負極合材層は、たとえば10〜150μm程度の厚さを有してもよい。負極合材層は、負極活物質およびバインダ材等を含有する。負極合材層は、例えば、95〜99質量%の負極活物質、および1〜5質量%のバインダを含有する。
The content of the polymer containing the COONa group is not particularly limited as long as a coating film of the zeolite slurry can be formed on the surface of the current collector 10, and when the zeolite slurry is 100 parts by weight, for example, 0.5. It may be more than 20 parts by weight and less than 2.0 parts by weight, less than 0.5 parts by weight, and more than 2.0 parts by weight.
<< Positive electrode mixture layer >>
The positive electrode mixture layer 30 contains a positive electrode active material, a conductive material, and a binder. The positive electrode mixture layer 30 is, for example, a positive electrode active material of 80 parts by weight or more and 98 parts by weight or less and a conductive material of 1 part by weight or more and 15 parts by weight or less and 1 part by weight when the positive electrode mixture layer 30 is 100 parts by weight. A binder of 5 parts by weight or less may be included. The positive electrode mixture layer 30 preferably has a thickness of 20 μm or more and 100 μm or less, and more preferably 60 μm or more and 80 μm or less.
(Positive electrode active material, conductive material and binder)
The positive electrode active material, the conductive material and the binder should not be particularly limited. The positive electrode active material may be, for example, LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 (NCM), LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , LiFePO 4, or the like. The conductive material may be, for example, acetylene black (AB), furnace black, vapor-grown carbon fiber (VGCF), graphite or the like. The binder may be, for example, polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), or the like.
<Negative electrode for lithium ion secondary battery>
The negative electrode for a lithium ion secondary battery (hereinafter, also simply referred to as “negative electrode”) includes a negative electrode mixture layer and a negative electrode current collector. The negative electrode current collector may be, for example, copper (Cu) foil or the like. The negative electrode current collector may have a thickness of, for example, about 5 to 20 μm. The negative electrode mixture layer is formed on the surface of the negative electrode current collector. The negative electrode mixture layer may have a thickness of, for example, about 10 to 150 μm. The negative electrode mixture layer contains a negative electrode active material, a binder material, and the like. The negative electrode mixture layer contains, for example, 95 to 99% by mass of the negative electrode active material and 1 to 5% by mass of the binder.

負極活物質およびバインダは特に限定されるべきではない。負極活物質は、たとえば、黒鉛、易黒鉛化性炭素、難黒鉛化性炭素、珪素、酸化珪素、錫、酸化錫等であってもよい。バインダは、たとえば、カルボキシメチルセルロース(CMC)、スチレンブタジエンゴム(SBR)等であってもよい。
<セパレータ>
セパレータは、電気絶縁性の多孔質膜である。セパレータは、正極と負極とを電気的に隔離する。セパレータは、たとえば、5〜30μmの厚さを有してもよい。セパレータ30は、たとえば、多孔質ポリエチレン(PE)膜、多孔質ポリプロピレン(PP)膜等により構成され得る。セパレータは、多層構造を含んでもよい。たとえば、セパレータは、多孔質PP膜、多孔質PE膜、および多孔質PP膜がこの順序で積層されることにより構成されていてもよい。セパレータは、その表面に耐熱層を含んでいてもよい。耐熱層は、耐熱材料を含む。耐熱材料としては、たとえば、アルミナ等の金属酸化物粒子、ポリイミド等の高融点樹脂等が挙げられる。
<電解液>
電解液は、リチウム塩および溶媒を含む。溶媒は非プロトン性である。溶媒は、たとえば、環状カーボネートと鎖状カーボネートとの混合物でよい。環状カーボネートと鎖状カーボネートとの混合比は、体積比で、たとえば、環状カーボネート:鎖状カーボネート=1:9〜5:5でよい。環状カーボネートとしては、たとえば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)等であってもよい。鎖状カーボネートは、たとえば、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジエチルカーボネート(DEC)等であってもよい。電解液は、たとえば、0.5〜2.0mоl/Lのリチウム塩を含む。リチウム塩は、たとえば、LiPF、LiBF、Li[N(FSO]、Li[N(CFSO]等であってもよい。
<電池ケース>
電池ケースは、たとえば、角形(扁平直方体)であってもよいし、円筒形であってもよい。たとえば、アルミニウム(Al)、Al合金等の金属が電池ケースを構成する。ただし、電池ケースが所定の密閉性を有する限り、たとえば金属および樹脂の複合材が電池ケースを構成してもよい。金属および樹脂の複合材としては、たとえば、アルミラミネートフィルム等が挙げられる。電池ケースは、外部端子、注液孔、ガス排出弁、電流遮断機構(CID)等を備えていてもよい。
<リチウムイオン二次電池>
リチウムイオン二次電池は、正極と、負極と、正極と負極との間に配置されたセパレータとを有する電極体を備え、この電極体が電解液とともに電池ケースに配置されて構成されている。電極体は、セパレータを挟んで正極と負極とが巻回または積層されて構成されている。
<用途>
正極100を備えるリチウムイオン二次電池は、ハイレート放電時において、電池抵抗が低減されることが期待される。正極100を備えるリチウムイオン二次電池の用途としては、たとえば、ハイブリッド自動車(HV)、プラグインハイブリッド自動車(PHV)、電気自動車(EV)等の動力電源が挙げられる。
Negative electrode active materials and binders should not be particularly limited. The negative electrode active material may be, for example, graphite, graphitizable carbon, non-graphitizable carbon, silicon, silicon oxide, tin, tin oxide or the like. The binder may be, for example, carboxymethyl cellulose (CMC), styrene butadiene rubber (SBR), or the like.
<Separator>
The separator is an electrically insulating porous membrane. The separator electrically separates the positive electrode and the negative electrode. The separator may have a thickness of, for example, 5 to 30 μm. The separator 30 may be made of, for example, a porous polyethylene (PE) film, a porous polypropylene (PP) film, or the like. The separator may include a multi-layer structure. For example, the separator may be composed of a porous PP film, a porous PE film, and a porous PP film laminated in this order. The separator may include a heat-resistant layer on its surface. The heat-resistant layer contains a heat-resistant material. Examples of the heat-resistant material include metal oxide particles such as alumina and a refractory resin such as polyimide.
<Electrolytic solution>
The electrolyte contains a lithium salt and a solvent. The solvent is aprotic. The solvent may be, for example, a mixture of cyclic carbonate and chain carbonate. The mixing ratio of the cyclic carbonate and the chain carbonate may be a volume ratio, for example, cyclic carbonate: chain carbonate = 1: 9 to 5: 5. The cyclic carbonate may be, for example, ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC) or the like. The chain carbonate may be, for example, dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), diethyl carbonate (DEC) or the like. The electrolytic solution contains, for example, 0.5 to 2.0 mol / L lithium salt. The lithium salt may be, for example, LiPF 6 , LiBF 4 , Li [N (FSO 2 ) 2 ], Li [N (CF 3 SO 2 ) 2 ], or the like.
<Battery case>
The battery case may be, for example, square (flat rectangular parallelepiped) or cylindrical. For example, a metal such as aluminum (Al) or Al alloy constitutes a battery case. However, as long as the battery case has a predetermined airtightness, for example, a composite material of metal and resin may form the battery case. Examples of the metal and resin composite material include an aluminum laminated film and the like. The battery case may include an external terminal, a liquid injection hole, a gas discharge valve, a current cutoff mechanism (CID), and the like.
<Lithium-ion secondary battery>
The lithium ion secondary battery includes an electrode body having a positive electrode, a negative electrode, and a separator arranged between the positive electrode and the negative electrode, and the electrode body is arranged in a battery case together with an electrolytic solution. The electrode body is configured by winding or laminating a positive electrode and a negative electrode with a separator interposed therebetween.
<Use>
The lithium ion secondary battery including the positive electrode 100 is expected to reduce the battery resistance at the time of high-rate discharge. Examples of applications of the lithium ion secondary battery provided with the positive electrode 100 include a power source for a hybrid vehicle (HV), a plug-in hybrid vehicle (PHV), an electric vehicle (EV), and the like.

ただし、正極100を備えるリチウムイオン二次電池の用途は、こうした車載用途に限定されるべきではない。正極100を備えるリチウムイオン二次電池はあらゆる用途に適用可能である。 However, the use of the lithium ion secondary battery provided with the positive electrode 100 should not be limited to such in-vehicle use. The lithium ion secondary battery provided with the positive electrode 100 can be applied to all applications.

以下、本開示の実施例が説明される。ただし以下の例は、特許請求の範囲を限定するものではない。
<実施例1>
1.リチウムイオン含有ゼオライトの調製
以下の材料が準備された。
Hereinafter, examples of the present disclosure will be described. However, the following examples do not limit the scope of claims.
<Example 1>
1. 1. Preparation of Lithium Ion-Containing Zeolite The following materials were prepared.

ゼオライト:Naイオン含有A型ゼオライト(粒子径:約1μm、イオン交換用の陽イオンとしてNaイオンを含有、イオン交換容量:約5.5meq/g)
リチウム塩水溶液:LiCl水溶液(リチウム塩濃度:5.0mol/l)
Naイオン含有A型ゼオライトを、Naイオン含有A型ゼオライト中のNaイオンのうち、90mоl%がリチウムイオンに交換されるようにNaイオン含有A型ゼオライトとLiCl水溶液との比を調整し、Naイオン含有A型ゼオライトをリチウム塩水溶液に浸漬することにより、リチウムイオン含有ゼオライトが調製された。
2.ゼオライト層の形成
以下の材料が準備された。
Zeolite: A-type zeolite containing Na ions (particle size: about 1 μm, containing Na + ions as cations for ion exchange, ion exchange capacity: about 5.5 meq / g)
Lithium salt aqueous solution: LiCl aqueous solution (lithium salt concentration: 5.0 mol / l)
The Na ion-containing A-type zeolite is adjusted by adjusting the ratio of the Na ion-containing A-type zeolite to the LiCl aqueous solution so that 90 mol% of the Na ions in the Na ion-containing A-type zeolite is exchanged with lithium ions. A lithium ion-containing zeolite was prepared by immersing the contained A-type zeolite in an aqueous lithium salt solution.
2. 2. Formation of zeolite layer The following materials were prepared.

ゼオライト:上記で得られたリチウムイオン含有ゼオライト
導電材:AB
COONa基を含む高分子:CMC−Na
バインダ:PTFE
溶媒:水
プラネタリミキサにより、リチウムイオン含有ゼオライト、AB、CMC−Na、PTFEおよび水が混合された。これにより、ゼオライトスラリーが調製された。ゼオライトスラリーの組成は、ゼオライトスラリーを100重量部としたとき、リチウムイオン含有ゼオライト80重量部、AB10重量部、CMC−Na1重量部、PTFE1重量部、水8重量部であった。調製されたゼオライトスラリーを集電体であるAl箔の両面に塗布し、その後塗布されたゼオライトスラリーを乾燥させることにより、Al箔上に5μmの厚さを有するゼオライト層が形成された。ゼオライト層は、ゼオライトスラリーから水を除去したものと同一の組成を有すると考えられる。
3.正極合材の調製
以下の材料が準備された。
Zeolite: Lithium ion-containing zeolite obtained above Conductive material: AB
Polymer containing COONa group: CMC-Na
Binder: PTFE
Solvent: Water A planetary mixer mixed lithium ion-containing zeolite, AB, CMC-Na, PTFE and water. As a result, a zeolite slurry was prepared. The composition of the zeolite slurry was 80 parts by weight of lithium ion-containing zeolite, 10 parts by weight of AB, 1 part by weight of CMC-Na, 1 part by weight of PTFE, and 8 parts by weight of water when the zeolite slurry was 100 parts by weight. The prepared zeolite slurry was applied to both sides of the Al foil as a current collector, and then the applied zeolite slurry was dried to form a zeolite layer having a thickness of 5 μm on the Al foil. The zeolite layer is considered to have the same composition as that obtained by removing water from the zeolite slurry.
3. 3. Preparation of positive electrode mixture The following materials were prepared.

正極活物質:NCM
導電材:AB
バインダ:PVdF
溶媒:N−メチル−2ピロリドン(NMP)
プラネタリミキサにより、NCM、AB、PVdFおよびNMPが混合された。これにより、ペースト状の正極合材(以下、「正極合材ペースト」と記載する)が調製された。正極合材ペーストの固形分組成は、正極合材ペーストの固形分を100重量部としたとき、NCM93重量部、AB4重量部、PVdF3重量部であった。
4.リチウムイオン二次電池用正極の形成
上記で得られたAl箔上に形成されたゼオライト層上に、正極合材ペーストが塗布され、乾燥された。これにより、ゼオライト層上に60μmの厚さを有する正極合材層が形成された。以上より、リチウムイオン二次電池用正極が形成された。正極合材層は、正極合材ペーストの固形分組成と同一の組成を有すると考えられる。
5.リチウムイオン二次電池の製造
帯状の正極、帯状の負極および帯状のセパレータがそれぞれ準備された。セパレータを挟んで、正極と負極とが対向するように、正極、セパレータ、負極、セパレータの順で積層され、さらに渦巻状に巻回された。これにより電極群が構成された。正極および負極に端子がそれぞれ接続された。電極群が電池ケースに収納された。電池ケースに電解液が注入された。電池ケースが密閉された。以上より、正極を備えるリチウムイオン二次電池が製造された。以下、リチウムイオン二次電池は「電池」と略記される場合がある。
<実施例2、3および8>
下記表1に示されるように、ゼオライト層の厚みが異なることを除いては、実施例1と同様に正極が製造され、該正極を備える電池が製造された。
<実施例4>
下記表1に示されるように、ゼオライトとしてNaイオン含有X型ゼオライトが用いられたことを除いては、実施例1と同様に正極が製造され、該正極を備える電池が製造された。
<実施例5および6>
下記表1に示されるように、COONa基を含む高分子の含有量が異なることを除いては、実施例1と同様に正極が製造され、該正極を備える電池が製造された。
<実施例7>
下記表1に示されるように、COONa基を含む高分子としてCMC−Naに代えてPAA−Naを用いたことを除いては、実施例1と同様に正極が製造され、該正極を備える電池が製造された。
<比較例1>
下記表1に示されるように、ゼオライト層の厚みが異なることを除いては、実施例1と同様に正極が製造され、該正極を備える電池が製造された。
<比較例2>
下記表1に示されるように、ゼオライト層を集電体と正極合材層との間には形成せず、正極合材ペーストの固形分100重量部に対して、リチウムイオン含有ゼオライト7重量部およびCMC−Na0.1重量部を加え、混合することによりスラリーを調整した。該スラリーをAl箔の両面に塗布し、その後塗布された該スラリーを乾燥させることにより、Al箔上にリチウムイオン含有ゼオライトとCMC−Naとが混合された正極合材層を形成し、正極を製造したことを除いては、実施例1と同様に正極が製造され、該正極を備える電池が製造された。
<比較例3>
下記表1に示されるように、ゼオライト層が正極合材層上に配置されたことを除いては、実施例1と同様に正極が製造され、該正極を備える電池が製造された。
<比較例4>
下記表1に示されるように、COONa基を含む高分子に代えてCOONH基を含む高分子であるCMC−NHを用いことを除いては、実施例1と同様に正極が製造され、該正極を備える電池が製造された。
<比較例5>
下記表1に示されるように、ゼオライト層を形成せず、正極合材層が集電体上に配置されたことを除いては、実施例1と同様に正極が製造され、該正極を備える電池が製造された。
<評価>
1.電池の電池抵抗の測定
25℃において、電池が3.7Vまで充電された。次いで電池が10秒間、電流値I=350Aにおいて放電され、電圧降下ΔVが測定された。電気抵抗Rは、R=ΔV/Iを計算することによって算出された。結果は下記表1の「電気抵抗」の欄に示されている。値が小さいほど、電気抵抗が低減されていることを示している。
Positive electrode active material: NCM
Conductive material: AB
Binder: PVdF
Solvent: N-methyl-2pyrrolidone (NMP)
NCM, AB, PVdF and NMP were mixed by a planetary mixer. As a result, a paste-like positive electrode mixture (hereinafter, referred to as “positive electrode mixture paste”) was prepared. The solid content composition of the positive electrode mixture paste was 93 parts by weight of NCM, 4 parts by weight of AB, and 3 parts by weight of PVdF when the solid content of the positive electrode mixture paste was 100 parts by weight.
4. Formation of Positive Electrode for Lithium Ion Secondary Battery A positive electrode mixture paste was applied onto the zeolite layer formed on the Al foil obtained above and dried. As a result, a positive electrode mixture layer having a thickness of 60 μm was formed on the zeolite layer. From the above, a positive electrode for a lithium ion secondary battery was formed. The positive electrode mixture layer is considered to have the same composition as the solid content composition of the positive electrode mixture paste.
5. Manufacture of Lithium Ion Secondary Battery A band-shaped positive electrode, a band-shaped negative electrode, and a band-shaped separator were prepared, respectively. The positive electrode, the separator, the negative electrode, and the separator were laminated in this order so that the positive electrode and the negative electrode faced each other with the separator interposed therebetween, and further wound in a spiral shape. This formed a group of electrodes. The terminals were connected to the positive electrode and the negative electrode, respectively. The electrode group was housed in the battery case. The electrolyte was injected into the battery case. The battery case was sealed. From the above, a lithium ion secondary battery provided with a positive electrode was manufactured. Hereinafter, the lithium ion secondary battery may be abbreviated as "battery".
<Examples 2, 3 and 8>
As shown in Table 1 below, a positive electrode was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the zeolite layer was different, and a battery having the positive electrode was manufactured.
<Example 4>
As shown in Table 1 below, a positive electrode was manufactured in the same manner as in Example 1 except that a Na ion-containing X-type zeolite was used as the zeolite, and a battery having the positive electrode was manufactured.
<Examples 5 and 6>
As shown in Table 1 below, a positive electrode was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the content of the polymer containing a COONa group was different, and a battery having the positive electrode was manufactured.
<Example 7>
As shown in Table 1 below, a battery in which a positive electrode is manufactured as in Example 1 and the positive electrode is provided, except that PAA-Na is used instead of CMC-Na as the polymer containing a COONa group. Was manufactured.
<Comparative example 1>
As shown in Table 1 below, a positive electrode was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the zeolite layer was different, and a battery having the positive electrode was manufactured.
<Comparative example 2>
As shown in Table 1 below, the zeolite layer was not formed between the current collector and the positive electrode mixture layer, and 7 parts by weight of lithium ion-containing zeolite was formed with respect to 100 parts by weight of the solid content of the positive electrode mixture paste. And 0.1 part by weight of CMC-Na were added and mixed to prepare a slurry. The slurry is applied to both sides of the Al foil, and then the applied slurry is dried to form a positive electrode mixture layer in which lithium ion-containing zeolite and CMC-Na are mixed on the Al foil to form a positive electrode. A positive electrode was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the positive electrode was manufactured, and a battery having the positive electrode was manufactured.
<Comparative example 3>
As shown in Table 1 below, a positive electrode was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the zeolite layer was arranged on the positive electrode mixture layer, and a battery having the positive electrode was manufactured.
<Comparative example 4>
As shown in Table 1 below, a positive electrode was manufactured in the same manner as in Example 1 except that CMC-NH 4 , which is a polymer containing 4 COONH groups, was used instead of the polymer containing COONa groups. A battery including the positive electrode was manufactured.
<Comparative example 5>
As shown in Table 1 below, a positive electrode is manufactured and provided with the positive electrode in the same manner as in Example 1 except that the zeolite layer is not formed and the positive electrode mixture layer is arranged on the current collector. The battery was manufactured.
<Evaluation>
1. 1. Measurement of Battery Resistance of Battery At 25 ° C, the battery was charged to 3.7V. The battery was then discharged for 10 seconds at a current value of I = 350A and a voltage drop ΔV was measured. The electrical resistance R was calculated by calculating R = ΔV / I. The results are shown in the "Electrical resistance" column of Table 1 below. The smaller the value, the lower the electrical resistance.

Figure 0006798371
Figure 0006798371

<結果>
上記表1に示されるように、実施例では、比較例1〜5に比して、電池抵抗が低減されている。実施例では、ハイレート放電時において、リチウムイオン含有ゼオライトの細孔から、リチウムイオンがゼオライトの骨格から脱離し、該リチウムイオンが正極合材層に供給され、集電体側の正極合材層中のリチウムイオン濃度低下が抑制されたと考えられる。加えて、正極合材層中のリチウムイオン濃度の低下が抑制されるため、集電体と正極合材層との間で電子の授受が行われ電池反応が進行し、電池容量の低下が抑制されることも期待される。また、リチウムイオン脱離後、より吸着されやすいナトリウムイオンがゼオライト吸着され、電気的に安定になっていると考えられる。
<Result>
As shown in Table 1 above, in the examples, the battery resistance is reduced as compared with Comparative Examples 1 to 5. In the embodiment, during high-rate discharge, lithium ions are desorbed from the skeleton of the zeolite from the pores of the lithium ion-containing zeolite, and the lithium ions are supplied to the positive electrode mixture layer in the positive electrode mixture layer on the current collector side. It is considered that the decrease in lithium ion concentration was suppressed. In addition, since the decrease in the lithium ion concentration in the positive electrode mixture layer is suppressed, electrons are transferred between the current collector and the positive electrode mixture layer, the battery reaction proceeds, and the decrease in battery capacity is suppressed. It is also expected to be done. Further, it is considered that after the desorption of lithium ions, sodium ions, which are more easily adsorbed, are adsorbed by zeolite and become electrically stable.

実施例1〜3、実施例8と比較例1の結果より、ゼオライト層の厚さを0.5μm以上10μm以下とすることにより、電池抵抗が低減される傾向が認められる。ゼオライト層の厚さを上記範囲とすることにより、集電体側の正極合材層中のリチウムイオン濃度低下を抑制するために十分な量のリチウムイオンをゼオライト層に含みつつ、ゼオライト層20から拡散されるリチウムイオンの拡散抵抗が増加することを抑制することができたと考えられる。 From the results of Examples 1 to 3, 8 and Comparative Example 1, it can be seen that the battery resistance tends to be reduced by setting the thickness of the zeolite layer to 0.5 μm or more and 10 μm or less. By setting the thickness of the zeolite layer within the above range, the zeolite layer contains a sufficient amount of lithium ions to suppress a decrease in the concentration of lithium ions in the positive electrode mixture layer on the current collector side, and diffuses from the zeolite layer 20. It is considered that the increase in the diffusion resistance of the lithium ion produced could be suppressed.

実施例1および実施例4の結果より、ゼオライト種としてA型ゼオライトを用いることにより、電池抵抗がより低減されることが分かる。 From the results of Examples 1 and 4, it can be seen that the battery resistance is further reduced by using the A-type zeolite as the zeolite species.

実施例1と比較例2および3の結果より、ゼオライト層が集電体と正極合材層との間に配置されることにより、電池抵抗が低減されることが分かる。リチウムイオン含有ゼオライト等が比較例2のように正極合材層に混合された場合には、正極合材層に満遍なくリチウムイオン含有ゼオライトが分布していると考えられる。したがって、リチウムイオン含有ゼオライトと集電体との距離が離れている場合が存在するため、リチウムイオンの拡散抵抗が大きくなり、集電体近傍のリチウムイオン濃度の低下を十分に緩和することができなかったと考えられる。また、比較例3のようにゼオライト層が正極合材層上に配置された場合には、リチウムイオン含有ゼオライトと集電体との距離が離れているため、リチウムイオンの拡散抵抗が大きくなり、集電体近傍のリチウムイオン濃度の低下を緩和することができなかったと考えられる。 From the results of Example 1 and Comparative Examples 2 and 3, it can be seen that the battery resistance is reduced by arranging the zeolite layer between the current collector and the positive electrode mixture layer. When lithium ion-containing zeolite or the like is mixed in the positive electrode mixture layer as in Comparative Example 2, it is considered that the lithium ion-containing zeolite is evenly distributed in the positive electrode mixture layer. Therefore, since there are cases where the lithium ion-containing zeolite and the current collector are separated from each other, the diffusion resistance of lithium ions increases, and the decrease in the lithium ion concentration in the vicinity of the current collector can be sufficiently alleviated. It is probable that it was not. Further, when the zeolite layer is arranged on the positive electrode mixture layer as in Comparative Example 3, since the distance between the lithium ion-containing zeolite and the current collector is large, the diffusion resistance of lithium ions becomes large. It is probable that the decrease in lithium ion concentration near the current collector could not be alleviated.

実施例1および比較例4の結果より、COONa基を含む高分子に代えてCOONH基を含む高分子を用いた場合、電池抵抗が十分には低減されなかった。これは、アンモニウムイオンとリチウムインとのイオン交換が十分に行われず、ゼオライト層に含まれるリチウムイオンの量が不十分であったためと考えられる。 From the results of Example 1 and Comparative Example 4, when a polymer containing 4 COONH groups was used instead of the polymer containing COONa groups, the battery resistance was not sufficiently reduced. It is considered that this is because the ion exchange between ammonium ion and lithium ion was not sufficiently performed and the amount of lithium ion contained in the zeolite layer was insufficient.

実施例1および比較例5との結果より、集電体と正極合材層との間にゼオライト層が配置されることにより、電池抵抗が低減されることが分かる。 From the results of Example 1 and Comparative Example 5, it can be seen that the battery resistance is reduced by arranging the zeolite layer between the current collector and the positive electrode mixture layer.

上記の実施形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではない。特許請求の範囲によって定められる技術的範囲は、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含む。 The above embodiments and examples are exemplary in all respects and are not restrictive. The technical scope defined by the scope of claims includes all changes within the meaning and scope equivalent to the scope of claims.

100 正極、10 集電体、20 ゼオライト層、30 正極合材層。 100 positive electrode, 10 current collector, 20 zeolite layer, 30 positive electrode mixture layer.

Claims (1)

集電体、
前記集電体上に配置されるゼオライト層、および
前記ゼオライト層上に配置される正極合材層
を含み、
前記ゼオライト層は、リチウムイオン含有ゼオライトとCOONa基を含む高分子とを含み、
前記ゼオライト層は、0.5μm以上10μm以下の厚さを有する、
リチウムイオン二次電池用正極。
Current collector,
A zeolite layer arranged on the current collector and a positive electrode mixture layer arranged on the zeolite layer are included.
The zeolite layer contains a lithium ion-containing zeolite and a polymer containing a COONa group.
The zeolite layer has a thickness of 0.5 μm or more and 10 μm or less.
Positive electrode for lithium-ion secondary batteries.
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