JP6880996B2 - リチウムイオン二次電池用負極及びそれを用いたリチウムイオン二次電池、並びに、リチウムイオン二次電池用負極の製造方法 - Google Patents
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Description
上述したように、従来のリチウムイオン二次電池用負極は、負極活物質を含む負極スラリーを負極集電体の表面に塗布及び熱処理することにより形成されるが、単に乾燥及び焼結させて熱処理しただけでは、得られないことが分かった。そのため、本実施形態では、負極活物質層の重量減少率及び剥離強度を所定の範囲とすることにより、リチウムイオン二次電池のサイクル特性を向上させている。
本実施形態のリチウムイオン二次電池用負極では、300mL/分で窒素ガスを流通させ、25℃から500℃まで10℃/分の加熱速度で加熱した場合における負極活物質層の重量減少率が0.18%〜1.2%である。
負極活物質層の表面から13μmの深さにおいて、幅1mmですくい角20°及び逃げ角10°のダイヤモンド刃で2μm/秒の速度で水平方向に切削した場合の負極活物質層の剥離強度が0.3kN/m〜1.85kN/mである。なお、すくい角とは、切削を営む主体となる刃のすくい面と、切削方向に対して垂直方向の面とにより形成される角度である。また、逃げ角とは、切削によって生じた面(切削仕上げ面)と、逃げ面とにより形成される角度である。なお、逃げ面は、切削仕上げ面との不必要な接触を避けるために逃がした面である。
負極集電体11は、後述する負極タブ65などと接続され、リチウムイオン二次電池100の外部と電子の受け渡しをする。負極集電体11を形成する材料は特に限定されないが、例えば、銅(Cu)、チタン(Ti)、ニッケル(Ni)、ステンレス鋼(SUS)などの金属が好ましい。これらの中でも、電気伝導性などの観点より、負極集電体11を形成する材料として、銅(Cu)を用いることが好ましい。負極集電体11の厚さは特に限定されないが、通常は1μm〜100μm程度である。
負極活物質層12は、負極集電体11の少なくとも一方の面に配置される。負極活物質層12の膜厚は特に限定されないが、20μm〜80μmであることが好ましく、20μm〜50μmであることがより好ましい。負極活物質層12の膜厚をこのような範囲とすることにより、リチウムイオン二次電池100のエネルギー密度及びサイクル特性を向上させることができる。
負極活物質は、電流を生じさせる反応に関与することができる。負極活物質の平均粒子径は特に制限されないが、0.1μm〜20μmであることが好ましく0.2μm〜10μmであることがより好ましい。なお、負極活物質の平均粒子径は、体積基準における粒度分布の累積値が50%の時の粒子径を表し、例えば、レーザー回折・散乱法により測定することができる。
負極用バインダは、負極活物質同士又は負極活物質と負極用導電助剤を結合させることができる。負極用バインダを形成する材料としては、例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリメチルアクリレート(PMA)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリイミド(PI)、ポリアミド(PA)、ポリアミドイミド(PAI)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、エチレン−酢酸ビニル共重合体(EVA)、ポリ塩化ビニル(PVC)、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)、ポリフッ化ビニル(PVF)などの熱可塑性樹脂、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、イソプレンゴム(IR)、ブタジエンゴム(BR)などのエラストマーが挙げられる。これらの負極用バインダは、単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、負極用バインダとしての接着性や耐熱性が優れていることから、ポリイミド(PI)、ポリアミド(PA)、ポリアミドイミド(PAI)からなる群より選択される少なくとも1つが好ましい。負極活物質層12における負極用バインダの含有量は7.5質量%〜25質量%であることが好ましい。負極用バインダの含有量をこのような範囲とすることにより、負極活物質層12の物理的強度と溶媒残渣の均衡をより好ましい範囲で維持することができる。
負極用導電助剤は、負極活物質層12の内部における電子ネットワークを効果的に形成することができる。負極用導電助剤を形成する材料としては、アセチレンブラック等のカーボンブラック、グラファイト、炭素繊維などの炭素材料が挙げられる。これらの負極用導電助剤は、単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。負極活物質層12における負極用導電助剤の含有量は特に限定されないが、1質量%〜10質量%が好ましく、2質量%〜8質量%がより好ましい。負極用導電助剤の含有量をこのような範囲とすることにより、負極活物質層12の導電性を向上させることができる。
本実施形態のリチウムイオン二次電池100は、上記リチウムイオン二次電池用負極10を備える。上述したように、リチウムイオン二次電池用負極10は、負極活物質層12の重量減少率及び剥離強度が所定の範囲内であるため、このような負極10を用いたリチウムイオン二次電池100はサイクル特性に優れている。
本実施形態のリチウムイオン二次電池100は、定格容量が3Ah以上である。定格容量が3Ah未満の場合は電気容量が小さく、本実施形態のような大型のリチウムイオン二次電池100に該当しない。定格容量は、5Ah以上が好ましく、10Ah以上がより好ましい。また、定格容量は、15Ah以上がさらに好ましく、20Ah以上が特に好ましい。なお、定格容量は、25Ah以上が最も好ましい。
本実施形態のリチウムイオン二次電池100は、定格容量当たりの体積が2cm3/Ah以上10cm3/Ah以下である。リチウムイオン二次電池100の定格容量当たりの体積をこのような範囲とすることにより、リチウムイオン二次電池100の体積及び電気的な容量密度が十分大きい。なお、リチウムイオン二次電池100の定格容量当たりの体積は、3cm3/Ah以上8cm3/Ah以下が好ましい。なお、定格容量当たりの体積は、リチウムイオン二次電池100の定格容量の値をリチウムイオン二次電池100の体積の値で除することにより求めることができる。
正極20は、例えば、正極集電体21と、正極活物質層22と、を含む。正極活物質層22は、正極集電体21の少なくとも一方の面に配置することができる。
正極集電体21は、後述する正極タブ60などと接続され、リチウムイオン二次電池100の外部と電子の受け渡しをする。正極集電体21を形成する材料は特に限定されないが、アルミニウム、ニッケル、鉄、チタン、及びこれらの合金などの金属が挙げられる。正極集電体21を形成する材料は、上述した金属単体、上述した金属を組み合わせた合金、上述した金属の組み合わせのめっき材などを用いることができる。なかでも、正極集電体21を形成する材料は、電気伝導性や電池作動電位の観点から、アルミニウムを含むことが好ましい。正極集電体21の厚さは特に限定されないが、通常は1〜100μm程度である。
正極活物質層22は、例えば、正極活物質、正極用バインダ、正極用導電助剤などを含有する。正極活物質層22の膜厚は特に限定されないが、20μm〜80μmであることが好ましく、20μm〜50μmであることがより好ましい。
正極活物質は、電流を生じさせる反応に関与することができる。正極活物質層22における正極活物質の含有量は特に限定されないが、80質量%〜98質量%であることが好ましい。
正極用バインダは、正極活物質同士又は正極活物質と正極用導電助剤を結合させることができる。正極用バインダを形成する材料としては、例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリメチルアクリレート(PMA)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリイミド(PI)、ポリアミド(PA)、ポリアミドイミド(PAI)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、エチレン−酢酸ビニル共重合体(EVA)、ポリ塩化ビニル(PVC)、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)、ポリフッ化ビニル(PVF)などの熱可塑性樹脂、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、イソプレンゴム(IR)、ブタジエンゴム(BR)などのエラストマーが挙げられる。これらの正極用バインダは、単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、バインダとしての接着性や耐熱性が優れていることから、ポリイミド(PI)、ポリアミド(PA)、ポリアミドイミド(PAI)からなる群より選択される少なくとも1つが好ましい。正極活物質層22中に含まれる正極用バインダの含有量は特に限定されないが、0.5質量%〜15質量%が好ましく、1質量%〜10質量%がより好ましい。
正極用導電助剤は、正極活物質層22の内部における電子ネットワークを効果的に形成し、リチウムイオン二次電池100の放電容量を大きくすることができる。正極活物質層22中に含まれる正極用導電助剤の含有量は特に限定されないが、1質量%〜10質量%が好ましく、2質量%〜6質量%がより好ましい。正極用導電助剤の含有量をこのような範囲とすることにより、正極活物質層22の導電性を向上させることができる。
セパレータ30は、正極20と負極10との間に配置することができる。セパレータ30は、正極20と負極10とを隔離し、リチウムイオンの移動を仲介する。セパレータ30の膜厚は、内部抵抗を低減させる観点から、1μm〜100μmが好ましく、5μm〜50μmであることがより好ましい。セパレータ30には、非水電解質を含めることができる。非水電解質としては、イオン伝導性ポリマーにリチウム塩が溶解したゲル状又は固体状のポリマー電解質、並びに有機溶媒にリチウム塩が溶解した液体電解質を多孔質基体層に保持させて用いることができる。
正極タブ60は、正極集電体21と、リチウムイオン二次電池100の外部の機器とを電気的に接続することができる。また、負極タブ65は、負極集電体11と、リチウムイオン二次電池100の外部の機器とを電気的に接続することができる。正極タブ60及び負極タブ65を形成する材料は特に限定されず、例えばアルミニウム、銅、チタン、ニッケルからなる群より選択される少なくとも1つの金属を用いることができる。なお、正極タブ60及び負極タブ65を形成する材料は、同一であっても異なっていてもよい。
外装体70は、単電池層40又は発電要素50を収容することができる。外装体70は、例えば、缶や、フィルムにより形成されたものが挙げられる。また、外装体70の形状は、特に限定されず、円筒型、角型、シート型とすることができる。特に限定されないが、小型化及び軽量化などの観点より、外装体70はフィルムにより形成されていることが好ましい。なかでも、高出力化や冷却性能の観点からは、フィルムはラミネートフィルムであることが好ましく、ラミネートフィルムはアルミニウムを含むことが好ましい。また、リチウムイオン二次電池100は扁平積層型リチウムイオン二次電池であることが好ましい。このようなリチウムイオン二次電池は、放電容量及び放熱性能を高くすることができるため、車両に搭載する場合に最適である。アルミニウムを含むラミネートフィルムの一例としては、PP/アルミニウム/ナイロンの3層ラミネートフィルムが挙げられる。
本実施形態は、上述したリチウムイオン二次電池用負極の製造方法に関する。本実施形態のリチウムイオン二次電池用負極の製造方法は、塗布工程と、加熱工程と、を備える。このような工程により、負極集電体11と、負極集電体11の少なくとも一方の面に形成された負極活物質層12と、を備える負極10を製造することができる。
塗布工程は、負極集電体11の少なくとも一方の面に、負極活物質と負極用バインダの前駆体と溶媒とを含有する負極スラリーを塗布する。負極集電体11、負極活物質は、上述したものを用いることができる。
加熱工程は、塗布工程で塗布した負極スラリーを加熱し、負極活物質層12を形成する。負極スラリーを加熱することによって、溶媒が揮発して乾燥する。また、負極スラリーに含まれる負極用バインダ前駆体は、加熱により反応してバインダが形成される。例えば、負極用バインダ前駆体としてポリアミック酸が用いられた場合、加熱によりイミド化が進み、ポリイミドのバインダが形成される。
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の製造方法は、上述したリチウムイオン二次電池用負極の製造方法を備えていればよい。本実施形態のリチウムイオン二次電池の製造方法は、例えば正極の作製工程と、組立工程と、をさらに備えていてもよい。
正極の作製工程は、例えば、正極活物質を含む正極スラリーを調整し、正極スラリーを正極集電体21上に塗布、乾燥、プレスして正極活物質層22を形成することにより作製することができる。正極スラリーは、上述した正極活物質の他、正極用バインダ、正極用導電助剤及び溶媒を含めることができる。
上述のようにして作製された正極20及び負極10との間に、セパレータ30を介して積層することにより、単電池層40を製造することができる。また、必要に応じ、単電池層40を複数積層させることにより、発電要素50を製造してもよい。このようにして得られた単電池層40又は発電要素50を、外装体70内に封止することにより、リチウムイオン二次電池を製造することができる。
(正極の作製)
酢酸ニッケル、酢酸コバルト及び酢酸マンガンの2mol/Lの水溶液を調整した。次いで、正極活物質がLi1.5[Ni0.20Co0.20Mn0.80[Li0.30]]O3となるように、これらを所定量秤量して、混合溶液を調整した。そして、マグネティックスターラーで混合溶液を攪拌しながら、混合溶液にアンモニア水をpH7になるまで滴下した。さらに、この混合溶液に、2mol/Lの炭酸ナトリウム水溶液を滴下し、ニッケル−コバルト−マンガンの複合炭酸塩を沈殿させた。得られた沈殿物を吸引ろ過した後、水洗して、120℃程度、5時間ほどの条件で乾燥を行った。そして、得られた乾燥物を500℃程度、5時間ほどの条件で仮焼成を行った。これに所定のモル比で水酸化リチウムを加え、自動乳鉢で30分間程度混練した。さらに、大気中、昇温速度50℃/時間で加熱し、その後750℃で12時間ほど本焼成を行った。その後、窒素雰囲気下、600℃程度、12時間ほど熱処理し、固溶体リチウム含有遷移金属酸化物前駆体を得た。
まず、遊星型ボールミル(ドイツ フリッチュ社製P−6)を用いて、メカニカルアロイ法により金属粉末を合金化処理及び粉砕処理した。具体的には、質量比で、Si:Sn:Ti=60:10:30となるように調整した金属粉末と、ジルコニア製粉砕ボールとを、ジルコニア製容器に投入した。その後、ジルコニア製容器を固定する台座を、600rpmで12.5時間回転させて、金属粉末を合金化した。その後、台座を200rpmで2時間回転させ、合金を粉砕処理した。
上述のようにして得られた正極と負極を用いて、図1に示すような積層型リチウムイオン二次電池を作製した。具体的には、正極と負極との間にセパレータを配置し、正極と負極とを交互に積層させ、発電要素を作製した。セパレータは、40μm厚のポリオレフィンを用いた。なお、この積層体には、正極を2枚、負極を3枚及びセパレータを4枚積層させている。
加熱温度を340℃、加熱時間を15時間とした以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
負極用バインダ前駆体を10質量%(固形分)とし、加熱時間を1時間とした以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
加熱時間を1時間とした以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
負極用バインダ前駆体としてNMPを溶媒とした固形分20質量%のポリイミド前駆体溶液2を用い、ポリイミド前駆体溶液2を固形分換算で負極活物質層に10質量%含有させ、加熱時間を1時間とした。それ以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。上記ポリイミド前駆体溶液2を熱硬化して形成したポリイミド(表中のポリイミド2)では、ASTM D882に準じて測定した引張破壊応力は260MPaであり、引張破壊ひずみは100%であった。
負極用バインダ前駆体としてNMPを溶媒とした固形分20質量%のポリイミド前駆体溶液2を用い、加熱時間を1時間とした以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。上記ポリイミド前駆体溶液2を熱硬化して形成したポリイミド(表中のポリイミド2)では、ASTM D882に準じて測定した引張破壊応力は260MPaであり、引張破壊ひずみは100%であった。
負極用バインダ前駆体を15質量%(固形分)とし、加熱時間を15時間とした以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
負極用バインダ前駆体を15質量%(固形分)とし、加熱時間を15時間とした以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
負極用バインダ前駆体を15質量%(固形分)とし、加熱温度を340℃とし、加熱時間を1時間とした以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
負極用バインダ前駆体を25質量%(固形分)とし、加熱温度を340℃とし、加熱時間を15時間とした以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
加熱温度を130℃とした以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
加熱温度を260℃とし、加熱時間を1時間とした以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
加熱温度を260℃とし、加熱時間を15時間とした以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
加熱時間を15時間とした以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
加熱温度を340℃とし、加熱時間を1時間とした以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
負極用バインダ前駆体を5質量%(固形分)とし、加熱時間を1時間とした以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
負極用バインダ前駆体を15質量%(固形分)とし、加熱時間を1時間とした以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
負極用バインダ前駆体としてNMPを溶媒とした固形分20質量%のポリイミド前駆体溶液2を用い、負極用バインダ前駆体を5質量%(固形分)とし、加熱時間を1時間とした以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。上記ポリイミド前駆体溶液2を熱硬化して形成したポリイミド(表中のポリイミド2)では、ASTM D882に準じて測定した引張破壊応力は260MPaであり、引張破壊ひずみは100%であった。
負極用バインダ前駆体を5質量%(固形分)とし、加熱時間を1時間とした以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
負極用バインダ前駆体を15質量%(固形分)とし、加熱時間を1時間とした以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
負極用バインダ前駆体を15質量%(固形分)とし、加熱時間を1時間とした以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
(定格容量)
定格容量は、各例のリチウムイオン二次電池に対して、充放電試験機(東洋システム株式会社TOSCAT)を使用し、25℃に設定された恒温槽中にて、次のように測定した。まず、4.15Vまで0.1Cでリチウムイオン二次電池を定電流充電した後、充電を止めて5分間放置した。次に、4.15Vで1.5時間定電圧充電した後、充電を止めて5分間放置した。次に、2.5Vまで0.1Cで定電流放電した後、2.5Vで2時間定電圧放電し、その後、放電を止めて10秒間放置した。次に、4.1Vまで0.1Cで定電流充電した後、4.1Vで2.5時間定電圧充電し、その後、充電を止めて10秒間放置した。次に、2.5Vまで0.1Cで定電流放電した後、2.5Vで2時間定電圧放電した。そして、この最後の工程における4.1Vから2.5Vまでの放電容量と、2.5Vでの2時間の放電容量との合計を、定格容量とした。
負極活物質層の重量減少率は、熱重量測定(TG)・示差熱分析(DTA)同時測定装置を用いて、JIS K7120−1987に準じ、下記の条件で測定することにより求めた。
サンプル:上述のようにして作製した負極から負極活物質層を削ぎ取ったもの
サンプル重量:2mg
流入ガス:窒素(N2) 300mL/分
容器:白金パン
測定温度:25℃〜500℃
加熱速度:10℃/分
剥離強度は、Surface and Interfacial Cutting Analysis System法(SAICAS法)によって、以下の条件で測定した。なお、測定装置は、ダイプラ・ウィンテス株式会社製のSAICAS(登録商標)DN−GS型を用いた。サンプルは上述のようにして作製した負極を用いた。まず、ダイヤモンド刃を垂直方向と水平方向を同時に移動させて、ダイヤモンド刃の先端が負極活物質層の表面から13μmの深さになるまで切込んだ。次に、ダイヤモンド刃を水平方向にのみ移動させて、負極活物質層の表面から13μmの深さにおいて、幅1mmダイヤモンド刃で2μm/秒の速度で水平方向に切削した場合の剥離強度(kN/m)を測定した。
放電容量維持率は、以下のようにして測定した。まず、室温下(25℃)で、最高電圧が4.6Vとなるまで0.1Cで定電流充電した後、最低電圧が2.0Vとなるまで1.0Cで定電流放電する充放電サイクルを、50サイクル行った。そして、1サイクル目と50サイクル目において、4.6Vから2.0Vまで放電した時の放電容量を測定し、50サイクル目の放電容量に対する1サイクル目の放電容量の百分率を放電容量維持率(%)とした。
11 負極集電体
12 負極活物質層
100 リチウムイオン二次電池
Claims (6)
- リチウムイオン二次電池用負極を備え、定格容量が3Ah以上であり、定格容量当たりの体積が10cm 3 /Ah以下であるリチウムイオン二次電池であって、
前記リチウムイオン二次電池用負極は、
負極集電体と、
前記負極集電体の少なくとも一方の面に配置され、負極活物質と負極用バインダとを含有する負極活物質層と、
を備え、
300mL/分で窒素ガスを流通させ、25℃から500℃まで10℃/分の加熱速度で加熱した場合における前記負極活物質層の重量減少率が0.18%〜1.2%であり、
前記負極活物質層の表面から13μmの深さにおいて、幅1mmですくい角20°及び逃げ角10°のダイヤモンド刃で2μm/秒の速度で水平方向に切削した場合の前記負極活物質層の剥離強度が0.3kN/m〜1.85kN/mであるリチウムイオン二次電池。 - 前記負極活物質層における負極用バインダの含有量は7.5質量%〜25質量%である請求項1に記載のリチウムイオン二次電池。
- リチウムイオン二次電池用負極の製造方法であって、
前記リチウムイオン二次電池用負極は、
負極集電体と、
前記負極集電体の少なくとも一方の面に配置され、負極活物質と負極用バインダとを含有する負極活物質層と、
を備え、
300mL/分で窒素ガスを流通させ、25℃から500℃まで10℃/分の加熱速度で加熱した場合における前記負極活物質層の重量減少率が0.18%〜1.2%であり、
前記負極活物質層の表面から13μmの深さにおいて、幅1mmですくい角20°及び逃げ角10°のダイヤモンド刃で2μm/秒の速度で水平方向に切削した場合の前記負極活物質層の剥離強度が0.3kN/m〜1.85kN/mであり、
前記リチウムイオン二次電池用負極の製造方法は、
前記負極集電体の少なくとも一方の面に、前記負極活物質と前記負極用バインダの前駆体と溶媒とを含有する負極スラリーを塗布する塗布工程と、
前記塗布工程で塗布した前記負極スラリーを表面の放射率が0.4〜1である熱源によって真空中で加熱し、前記負極活物質層を形成する加熱工程と、
前記加熱工程の前に、200℃以下で予備加熱する予備加熱工程と、
を備えるリチウムイオン二次電池用負極の製造方法。 - 前記加熱工程は、不活性ガス雰囲気中で加熱する請求項3に記載のリチウムイオン二次電池用負極の製造方法。
- 前記負極集電体が銅箔であり、前記加熱工程における前記リチウムイオン二次電池用負極の温度が280℃以上400℃以下である請求項3又は4に記載のリチウムイオン二次電池用負極の製造方法。
- 前記加熱工程は、前記溶媒の揮発により発生したガスの量を測定するガス測定工程を含む請求項3〜5のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用負極の製造方法。
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