JP6875522B2 - 半固体電解質、電極、半固体電解質層付き電極、および二次電池 - Google Patents
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Description
電極導電剤は、電極合剤層の導電性を向上させる。電極導電剤としては、ケッチェンブラック、アセチレンブラックなどが好適に用いられるが、これに限られない。
電極バインダは、電極中の電極活物質や電極導電剤などを結着させる。電極バインダとしては、スチレン−ブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロ−ス、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)およびこれらの混合物などが挙げられるが、これに限られない。
貴な電位を示す正極活物質は、充電過程においてリチウムイオンが脱離し、放電過程において負極合剤層の負極活物質から脱離したリチウムイオンが挿入される。正極活物質の材料として、遷移金属を含むリチウム複合酸化物が望ましく、具体例としては、LiMO2、Li過剰組成のLi[LiM]O2、LiM2O4、LiMPO4、LiMVOx、LiMBO3、Li2MSiO4(ただし、M = Co、Ni、Mn、Fe、Cr、Zn、Ta、Al、Mg、Cu、Cd、Mo、Nb、W、Ruなどを少なくとも1種類以上含む)が挙げられる。また、これら材料における酸素の一部を、フッ素など、他の元素に置換してもよい。さらに、硫黄、TiS2、MoS2、Mo6S8、TiSe2などのカルコゲナイドや、V2O5などのバナジウム系酸化物、FeF3などのハライド、ポリアニオンを構成するFe(MoO4)3、Fe2(SO4)3、Li3Fe2(PO4)3など、キノン系有機結晶などが挙げられるが、これらに限られない。さらに、化学組成におけるリチウムやアニオン量は上記定比組成からずれていてもよい。
正極集電体120として、厚さが10〜100μmのアルミニウム箔、あるいは厚さが10〜100μm、孔径0.1〜10mmの孔を有するアルミニウム製穿孔箔、エキスパンドメタル、発泡金属板などが用いられ、材質もアルミニウムの他に、ステンレス鋼、チタンなども適用できる。材質、形状、製造方法などに制限されることなく、任意の正極集電体120を使用できる。
負極活物質は、放電過程においてリチウムイオンが脱離し、充電過程において正極合剤層110中の正極活物質から脱離したリチウムイオンが挿入される。卑な電位を示す負極活物質の材料として、例えば、炭素系材料(例えば、黒鉛、易黒鉛化炭素材料、非晶質炭素材料、有機結晶、活性炭など)、導電性高分子材料(例えば、ポリアセン、ポリパラフェニレン、ポリアニリン、ポリアセチレン)、リチウム複合酸化物(例えば、チタン酸リチウム:Li4Ti5O12やLi2TiO4など)、金属リチウム、リチウムと合金化する金属(例えば、アルミニウム、シリコン、スズなどを少なくとも1種類以上含む)やこれらの酸化物を用いることができるが、これに限られない。
負極集電体220として、厚さが10〜100μmの銅箔、厚さが10〜100μm、孔径0.1〜10mmの銅製穿孔箔、エキスパンドメタル、発泡金属板などが用いられる。銅の他に、ステンレス鋼、チタン、ニッケルなども適用できる。材質、形状、製造方法などに制限されることなく、任意の負極集電体220を使用できる。
電極活物質、電極導電剤、電極バインダおよび有機溶媒を混合した電極スラリーを、ドクターブレード法、ディッピング法、スプレー法などによって電極集電体へ付着させることで電極合剤層が作製される。その後、有機溶媒を乾燥させ、ロールプレスによって電極合剤層を加圧成形することにより電極が作製される。電極スラリーに半固体電解液または半固体電解質を含めてもよい。塗布から乾燥までを複数回行うことにより、複数の電極合剤層を電極集電体に積層させてもよい。電極合剤層の厚さは、電極活物質の平均粒径以上とすることが望ましい。電極合剤層の厚さが小さいと、隣接する電極活物質間の電子伝導性が悪化する可能性がある。
粒子としては、電気化学的安定性の観点から、絶縁性粒子であり有機溶媒またはイオン液体を含む半固体電解液に不溶であることが好ましい。粒子として、例えば、シリカ(SiO2)粒子、γ−アルミナ(Al2O3)粒子、セリア(CeO2)粒子、ジルコニア(ZrO2)粒子などの酸化物無機粒子を好ましく用いることができる。粒子として固体電解質を用いてもよい。固体電解質としては、例えば、酸化物系固体電解質や硫化物系固体電解質などの無機系固体電解質の粒子が挙げられる。
半固体電解液は、半固体電解質溶媒、任意の低粘度有機溶媒、および負極界面添加材を含む。半固体電解質溶媒は、イオン液体またはイオン液体に類似の性質を示すエーテル系溶媒と、電解質塩との混合物を含む。半固体電解液が低粘度有機溶媒を含む場合、電解質塩は、半固体電解質溶媒ではなく低粘度有機溶媒が含んでいてもよい。また、半固体電解質溶媒と低粘度有機溶媒の両方に含んでいてもよい。イオン液体またはエーテル系溶媒を主溶媒と称する場合がある。イオン液体とは、常温でカチオンとアニオンに解離する化合物であって、液体の状態を保持するものである。イオン液体は、イオン性液体、低融点溶融塩あるいは常温溶融塩と称されることがある。半固体電解質溶媒は、大気中での安定性や二次電池内での耐熱性の観点から、低揮発性、具体的には室温における蒸気圧が150Pa以下であるものが望ましい。
低粘度有機溶媒は、半固体電解質溶媒の粘度を下げ、イオン伝導率を向上させる。半固体電解質溶媒を含む半固体電解液の内部抵抗は大きいため、低粘度有機溶媒を添加して半固体電解質溶媒のイオン伝導率を上げることにより、半固体電解液の内部抵抗を下げることができる。ただ、半固体電解質溶媒が電気化学的に不安定であるため、電池動作に対して分解反応が促進され、二次電池1000の繰返し動作に伴って二次電池1000の抵抗増加や容量低下を引き起こす可能性がある。さらに、負極活物質として黒鉛を利用した二次電池1000では、充電反応中、半固体電解質溶媒のカチオンが黒鉛に挿入されて黒鉛構造を破壊し、二次電池1000の繰返し動作ができなくなる可能性がある。
半固体電解質バインダは、フッ素系の樹脂が好適に用いられる。フッ素系の樹脂としては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンの共重合体(P(VDF-HFP))、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などが好適に用いられる。これらの半固体電解質バインダを単独または複数組み合わせて使用してもよい。PVDF、P(VDF-HFP)、PTFEを用いることで、半固体電解質層300と電極集電体の密着性が向上するため、電池性能が向上する。
半固体電解液が粒子に担持または保持されることにより半固体電解質が構成される。半固体電解質の作製方法として、半固体電解液と粒子とを特定の体積比率で混合し、メタノールなどの有機溶媒を添加し・混合して、半固体電解質のスラリーを調合した後、スラリーをシャーレに広げ、有機溶媒を留去して半固体電解質の粉末を得る方法などが挙げられる。半固体電解液が低粘度有機溶媒を含む場合、低粘度有機溶媒が揮発しやすいことを考慮して、半固体電解液が最終的に目標とする量で半固体電解質中に含まれるように制御するものとする。
半固体電解質層300の作製方法として、半固体電解質の粉末を成型ダイスなどでペレット状に圧縮成型する方法や、半固体電解質バインダを半固体電解質の粉末に添加・混合し、シート化する方法などがある。半固体電解質に半固体電解質バインダの粉末を添加・混合することにより、柔軟性の高いシート状の半固体電解質層300を作製できる。また、半固体電解質に、分散溶媒に半固体電解質バインダを溶解させた結着剤の溶液を添加・混合し、分散溶媒を留去することで、半固体電解質層300を作製できる。半固体電解質層300は、前記の、半固体電解質に結着剤の溶液を添加・混合したものを電極上に塗布および乾燥することにより作製してもよい。
負極かさ密度(以下、単に負極密度または密度ともいう)を所定の値にすることにより、二次電池1000の電池容量を向上できる。具体的には、(負極かさ密度(g/cm3))≦−0.05042(負極界面添加材重量比(%))2+0.4317(負極界面添加材重量比(%))+0.9032、特に(負極かさ密度(g/cm3))≦−0.076(負極界面添加材重量比(%))2+0.571(負極界面添加材重量比(%))+0.6251、とすることが望ましい。ここで、上記負極界面添加材重量比は、半固体電解質の重量と適用する負極の重量の和に対する負極界面添加材の重量比を意味する(以下、同様)。負極かさ密度の計測方法は、集電箔上に塗布した負極合剤層210の重量と厚みを計測することで求めることができる。具体的には、計測した負極合剤層210の重量を、負極合剤層210の厚みと面積の積で割ることによって求めることができる。
負極界面添加材は、負極表面に不動態被膜を形成して半固体電解液の還元分解を抑制する。負極界面添加材として、炭酸ビニレン(VC)、リチウムビス(オキサレート)ボラート(LiBOB)、炭酸フルオロエチレン(FEC)、およびエチレンサルファイトなどが挙げられる。これらの負極界面添加材を単独または複数組み合わせて使用してもよい。
<半固体電解質の作製>
テトラグライム(G4)とリチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiTFSI)がモル比で1:1となるよう、秤量してビーカーに投入し、均一溶媒になるまで混合してリチウムグライム錯体を作製した。リチウムグライム錯体と、粒子径7nmのヒュームドシリカナノ粒子が体積比80:20となるよう秤量し、さらに、低粘度有機溶媒である炭酸プロピレン(PC)、負極界面添加材として炭酸ビニレン(VC)、メタノールを攪拌子とともにビーカーに投入し、スターラーを用いて600rpmで攪拌して均一な混合物を得た。この混合物を、ナスフラスコに投入し、エバポレータを用い、100mbar、60℃で3時間かけて乾燥した。乾燥後粉末を、100μmメッシュのふるいにかけて粉末状の半固体電解質を得た。
正極活物質してLiNi0.33Mn0.33Co0.33O2を、正極導電剤としてアセチレンブラックを、正極バインダとしてN-メチルピロリドンへ溶解させたポリフッ化ビニリデン(PVDF)を重量比が84:7:9となるよう秤量して混合し、正極スラリーとした。これを正極集電体120であるステンレス箔上へ塗布し、80℃で2時間乾燥してN-メチルピロリドンを除去し、正極シートを得た。正極シートを、直径13mmで打ち抜き、一軸プレスすることにより、両面塗工量37.5g/cm2、密度2.5g/cm3とする正極100を得た。
負極活物質として黒鉛を使用した。負極導電剤と負極バインダは正極100と同様である。これらを重量比が88:2:10となるよう秤量して混合し、負極スラリーとした。これを負極集電体220であるステンレス箔上へ塗布し、80℃で2時間乾燥してN-メチルピロリドンを除去し、負極シートを得た。負極シートを、直径13mmで打ち抜き、一軸プレスすることにより、両面塗工量17mg/cm2、密度1.6g/cm3とする負極200を得た。得られた負極の重量を測定した。
半固体電解質とバインダとしてのポリテトラフルオロエチレン(PTFE)が、重量比95:5となるよう、それぞれ秤量して乳鉢に投入し、均一混合した。この混合物を、ポリテトラフルオロエチレンのシートを介して油圧プレス機にセットし、400kgf/cm2でプレスした。さらに、ギャップを500に設定したロールプレス機で圧延し、厚み200μmのシート状の半固体電解質層300を作製した。これを直径16mmで打ち抜き、以下のリチウムイオン二次電池の作製に用いた。得られた半固体電解質層300中のリチウムグライム錯体とPCとの重量比は55.5:44.5であった。VCの重量は半固体電解質の重量と負極200の重量の和に対して0.6%(負極界面添加材重量比)であった。
正極100、負極200、半固体電解質層300を積層し、2032型コインセルに封入してリチウムイオン二次電池とした。
半固体電解質の重量と負極200の重量の和に対するVCの重量(負極界面添加材重量比)を図3のようにした以外は、実施例1と同様にした。
負極界面添加材としてリチウムビス(オキサレート)ボラート(LiBOB)を用い、半固体電解質の重量と負極200の重量の和に対するLiBOBの重量(負極界面添加材重量比)を図3のようにした以外は、実施例1と同様にした。
負極界面添加材として炭酸フルオロエチレン(FEC)を用い、半固体電解質の重量と負極200の重量の和に対するFECの重量(負極界面添加材重量比)を図3のようにした以外は、実施例1と同様にした。
低粘度有機溶媒として炭酸エチレン(EC)を用い、負極界面添加材として炭酸ビニレン(VC)を用い、半固体電解質層300中のリチウムグライム錯体とECとの重量比を図3のようにし、半固体電解質の重量と負極200の重量の和に対するVCの重量を1.7%とした以外は、実施例1と同様にした。
負極200の密度、半固体電解質の重量と負極200の和に対するVCの重量(負極界面添加材重量比)を図3のようにした以外は、実施例1と同様にした。
負極界面添加材を使用しなかった以外は、実施例1と同様にした。
半固体電解質の重量と負極200の重量の和に対するVCの重量(負極界面添加材重量比)を図3のようにした以外は、実施例1と同様にした。
負極界面添加材を使用しなかった以外は、実施例16〜21と同様にした。
実施例および比較例のリチウムイオン二次電池について、測定電圧範囲を2.7V〜4.2Vとし、充電は定電流−定電圧モードで、放電は定電流モードで電池動作させ、初回サイクル放電後の放電容量(初回放電容量)、30サイクル放電後の放電容量(30サイクル放電容量)を測定した。
図3に、実施例および比較例の測定結果を示す。初回放電容量を30サイクル放電容量で割った値(放電容量維持率)を図3に示す。二次電池1000の電池容量には初回放電容量が、二次電池1000の寿命には放電容量維持率が強く影響すると考えられている。そこで、電池容量の評価基準としては、初回放電容量が105(mAh/g)以上あることを条件とし、寿命の評価基準としては、放電容量維持率が65%以上であることを条件とした。
主溶媒がG4、低粘度有機溶媒がPC、負極界面添加材がVCである二次電池では、半固体電解質の重量と負極200の重量の和に対する負極界面添加材重量比が0.6%〜11.7%(実施例1〜9)で、負極界面添加材を含まない比較例1、負極界面添加材重量比が14.6%以上の比較例2および3と比較して、30サイクル放電容量が大きかった。負極界面添加材重量比が0.6%〜5.8%(実施例1〜7)では、比較例1、2および3よりも30サイクル放電容量が大きかった。さらに、負極界面添加材重量比が1.7%〜5.8%(実施例3〜7)では、少なくとも30回の繰り返し電池動作中、放電容量が130mAh/g以上と高かった。
負極界面添加材をLiBOBとした実施例10および11では、負極界面添加材重量比の最大値を1.7%としている。これよりも重量比が大きい場合には、導入したLiBOBが混合溶媒に溶解しきらない可能性があるためである。負極界面添加材重量比を0.6%〜1.7%とすることで、LiBOBを含まない比較例1よりも初回放電容量および30サイクル放電容量は大きかった。
負極界面添加材をFECとした実施例12〜14は、FECを含まない比較例1よりも初回放電容量は大きく、30サイクル放電容量も100mAh/g以上を示した。
電極塗工量が一定である場合、電池容量は、負極界面添加材重量比だけでなく、負極かさ密度にも依存する。これは、負極かさ密度が小さい場合には、負極200が厚くなるために二次電池の抵抗が上昇する可能性があるからである。また、負極かさ密度が大きい場合には、電極内部の空隙が小さくなり、初回充電中に負極界面添加材が電極集電体近くまで到達しないために半固体電解質の分解反応が誘発されて、二次電池の抵抗が上昇する可能性があるからである。
110 正極合剤層
120 正極集電体
130 正極タブ部
200 負極
210 負極合剤層
220 負極集電体
230 負極タブ部
300 半固体電解質層
400 電極体
500 外装体
1000 二次電池
本発明の実施形態として例えば以下を挙げることができる。
[実施形態1]
半固体電解質溶媒および負極界面添加材を含む半固体電解液、ならびに粒子を含む半固体電解質であって、
前記半固体電解質の重量と適用する負極の重量の和に対する前記負極界面添加材の重量比が0.6%〜11.7%である半固体電解質。
[実施形態2]
実施形態1の半固体電解質において、
前記半固体電解質の重量と適用する負極の重量の和に対する前記負極界面添加材の重量比が1.7%〜5.8%である半固体電解質。
[実施形態3]
実施形態1の半固体電解質において、
前記負極界面添加材は炭酸ビニレン(VC)である半固体電解質。
[実施形態4]
実施形態1の半固体電解質において、
前記半固体電解液は低粘度有機溶媒をさらに含む半固体電解質。
[実施形態5]
実施形態1の半固体電解質を含む半固体電解質層を有する電極。
[実施形態6]
実施形態1の半固体電解質を含む半固体電解質層および電極を有する半固体電解質層付き電極。
[実施形態7]
実施形態6の半固体電解質層付き電極であって、
前記電極は負極であり、
以下を満たす半固体電解質層付き電極。
(負極かさ密度(g/cm 3 ))≦−0.05042(前記半固体電解質の重量と負極の重量の和に対する前記負極界面添加材の重量比(%)) 2 +0.4317(前記半固体電解質の重量と負極の重量の和に対する前記負極界面添加材の重量比(%))+0.9032
[実施形態8]
実施形態1の半固体電解質を含む半固体電解質層を有する二次電池であって、
所定サイクル後の前記二次電池の容量維持率が、前記負極界面添加材を含まない場合の前記二次電池の容量維持率よりも大きい二次電池。
Claims (5)
- 半固体電解質を含む半固体電解質層および電極を有する半固体電解質層付き電極であって、
前記電極が負極であり、
前記半固体電解質が、半固体電解質溶媒および負極界面添加材を含む半固体電解液、ならびに粒子を含み、
前記半固体電解質の重量と前記負極の重量の和に対する前記負極界面添加材の重量比が0.6%〜11.7%であり、
以下を満たす半固体電解質層付き電極。
(負極かさ密度(g/cm 3 ))≦−0.05042(前記半固体電解質の重量と前記負極の重量の和に対する前記負極界面添加材の重量比(%)) 2 +0.4317(前記半固体電解質の重量と前記負極の重量の和に対する前記負極界面添加材の重量比(%))+0.9032 - 請求項1に記載の半固体電解質層付き電極において、
前記半固体電解質の重量と前記負極の重量の和に対する前記負極界面添加材の重量比が1.7%〜5.8%である半固体電解質層付き電極。 - 請求項1または2に記載の半固体電解質層付き電極において、
前記負極界面添加材が炭酸ビニレン(VC)である半固体電解質層付き電極。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載の半固体電解質層付き電極において、
前記半固体電解液が低粘度有機溶媒をさらに含む半固体電解質層付き電極。 - 請求項1〜4のいずれか1項に記載の半固体電解質層付き電極を有する二次電池。
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