JP6917125B2 - 非水電解質二次電池用電極活物質層、非水電解質二次電池用電極及び非水電解質二次電池 - Google Patents
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Description
R1、R2、R3は水素又はメチル基であり、R4は、置換又は無置換の炭化水素基である。
まず、図1を参照して、本発明の実施形態に係る二次電池1(以下、単に「二次電池1」とも称する)の構成について説明する。図1は、巻回素子1aの平断面図と、巻回素子1aの領域Aを拡大した拡大図とを示す。非水電解質二次電池は、巻回素子1aと、非水電解質溶液と、外装材40とを備える。巻回素子1aは、帯状正極10、セパレータ(separator)20、帯状負極30、及びセパレータ20がこの順で積層された電極積層体を長手方向に巻回し、矢印B方向に圧縮したものである。もちろん、各構成要素の積層順序はこの限りではない。本実施形態では、電極、特に正極10の柔軟性が向上しているので、巻回時、圧縮時における正極10の破損、集電体の破断が抑制される。
帯状正極10(以下、「正極10」とも称する)は、正極集電体11と、正極活物質層12とを備える。正極集電体11は、特に限定されないが、例えばアルミニウム(Al)、ステンレス(stainless)鋼、及びニッケルメッキ(nickel plated)鋼等で構成される。正極集電体11には、正極端子が接続される。
次に、非水電解質非水電解質二次電池の製造方法について説明する。
(帯状正極の製造方法)
正極10は、例えば、以下の方法により作製される。まず、正極集電体11上に正極活物質層12を形成する。すなわち、正極活物質層12の材料を有機溶媒(例えば、N−メチルピロリドン)や水に分散させることで正極合剤スラリーを形成し、この正極合剤スラリーを正極集電体11上に塗工する。これにより、塗工層が形成される。ついで、塗工層を乾燥する。これにより、正極活物質層12が正極集電体11上に形成される。
負極30は、例えば、以下の方法により作製される。すなわち、負極活物質層の材料を溶剤(例えば水)に分散させることで負極合剤スラリーを形成し、この負極合剤スラリーを集電体上に塗工する。これにより、塗工層を形成する。ついで、塗工層を乾燥する。ついで、乾燥した塗工層を負極集電体31とともに圧延する。これにより、負極30が作製される。
ついで、正極10、セパレータ20、負極30、及びセパレータ20をこの順で積層することで電極積層体を作製する。ついで、電極積層体を巻回する。これにより、巻回素子1aを作製する。ついで、巻回素子1aを例えば矢印B方向に押しつぶすことで扁平状の巻回素子1aを作製する。ついで、扁平状の巻回素子1aを非水電解液とともに外装体(例えばラミネートフィルム)40に挿入し、外装体を封止することで、二次電池1を作製する。なお、外装体を封止する際には、各集電体に導通する端子を外装体の外部に突出させる。
<1.実施例1>
(1−1.高分子材料の合成)
アクリロニトリル28g、及びアクリル酸2g、(アクリロニトリル:アクリル酸のモル比=95:5)をイオン交換水270gへ投入し、窒素雰囲気下で60℃に昇温後、過硫酸アンモニウム3.17gを加えて沈殿重合させることで、化学式(1)で示されるランダム共重合体(A)を合成した。GPCによる質量平均分子量は45万(ポリエチレンオキシド換算)であった。
コバルト酸リチウム、カーボンブラック、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、上述の高分子材料を固形分の質量比97.6:1.2:0.9:0.3でN−メチルピロリドン中に溶解分散させることで正極合剤スラリーを作製した。ついで、正極合剤スラリーを厚さ12μmのアルミ箔集電体の両面、および片面に塗布後、乾燥した。乾燥後の塗工層を圧延することで両面正極電極(電極層密度4.1g/cm3、厚み107μm)および片面正極電極(厚み47μm)を作製した。この電極の表面をFE−SEMを用いて0.3kVの低加速電圧条件で観察すると、活物質粒子表面に高分子材料が皮膜状に存在することが暗いコントラストとして確認された(図3参照)。
黒鉛、変性SBR微粒子の水分散体、カルボキシメチルセルロースのナトリウム塩を固形分の質量比97.5:1.5:1で水溶媒中に溶解分散させることで、負極合剤スラリーを作製した。ついで、この負極合剤スラリーを厚さ10μmの銅箔集電体の片面に塗布後、乾燥した。乾燥後の塗工層を圧延することで片面負極電極を作製した。
上述の片面正極電極、片面負極電極にそれぞれアルミおよびニッケルリード線を溶接した後、ポリエチレン製多孔質セパレータを介して対向させ、アルミラミネートフィルム内にリード線を外部に引き出した状態で収納し、電解液を注液して減圧封止することで初期充電前二次電池を作製した。電解液には、エチレンカーボネート/プロピオン酸エチルを3対7(体積比)で混合した溶媒に1MのLiPF6を溶解させたものを使用した。
初期充電前二次電池を45℃の恒温槽内で設計容量の1/5CA(1CAは1時間放電率)で4.5Vまで定電流充電を行い、引き続き4.5Vで1/20CAになるまで定電圧充電を行った。その後1/5CAで3.0Vまで定電流放電を行った。この工程により、二次電池を作製した。また、このときの放電容量を初期放電容量とした。この二次電池を45℃の温度下で1CAで定電流充電、1/20CAで定電圧充電、1CAで定電流放電する寿命試験を50サイクル実施した。そして、50サイクル後、定電流充電1/5CA、定電圧充電1/20CA、放電1/5CAでの放電容量を計測し、初期放電容量で除算することで、容量維持率を測定した。容量維持率は79%であった。
上述の両面正極電極について3点折り曲げ試験(試験片幅15mm、長さ20mm、支点間距離10mm、折り曲げ速度5mm/min)を行い、最大応力(すなわち、最大抗張力)を計測後(図2参照)、試験片の最大抗張力を試験片断面積(107μm×15mm)で規格化して最大抗張力(mN/mm2)とした。なお、図2の横軸は圧子の変位量(mm)、縦軸は応力(mN)である。この数値が小さいほど電極が柔軟であることを示す。このような電極は折り曲がるような力がかかったときに集電体へのストレスが小さくなり、集電体が破断する不具合が発生しないため好ましい。
実施例1と同様の合成方法により、アクリロニトリルモノマー単位とアクリル酸n−ブチルモノマー単位との質量比が49:51の高分子材料を得た。この高分子材料を実施例1の高分子材料に代えて使用したほかは実施例1と同様の処理を行った。
実施例1と同様の合成方法により、アクリロニトリルモノマー単位とアクリル酸n−ブチルモノマー単位との質量比が34:66の高分子材料を得た。この高分子材料を実施例1の高分子材料に代えて使用したほかは実施例1と同様の処理を行った。
(4−1.高分子材料の合成)
2Lの反応容器に純水1kgおよびカルボキシメチルセルロース(carboxymethylcellulose)0.35gを入れ、窒素置換を行った。次に、0.5gのアクリル酸と500gのフッ化ビニリデン(VDF)単量体を当該反応容器に加えた後、過ピバリン酸t−アミルの75質量%イソドデカン溶液1.7gを当該反応容器に導入して、系内を50℃に昇温した。ついで、アクリル酸の2質量%水溶液を連続して反応容器内に供給しながら、系内圧力を一定に保った状態で、12時間撹拌を継続した。加熱を止めて、反応容器内の圧力が大気圧に達するまで放圧した後、反応生成物を水洗、乾燥した。以上の工程により、アクリル酸変性PVDF重合体(C)を得た。このアクリル酸変性PVDF重合体(C)は、以下の組成、質量平均分子量ならびに融点を有していた。したがって、重合体(C)は、化学式(2)の構造を有する。
組成:VDF:アクリル酸=98.8:1.2(モル比)
質量平均分子量:1000,000
融点:165℃
コバルト酸リチウム、カーボンブラック、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)を固形分の質量比97.2:1.2:1.6でN−メチルピロリドン中に溶解分散させることで正極合剤スラリーを作製したほかは実施例1と同様の処理を行った。比較例1で作製した正極を実施例1と同条件でSEM観察すると、実施例1とは異なり、コバルト酸リチウムのような無機化合物を示す明るいコントラストとして観察された(図4参照)。この結果、比較例1では、高分子材料(ここではPVDF)による表面被覆が十分になされていないことが確認された。
実施例1で作製した共重合体(A)を実施例1の高分子材料に代えて使用した他は実施例1と同様の処理を行った。実施例1〜4、比較例1、2の結果を表1にまとめて示す。
1a 巻回素子
10 正極
11 正極集電体
12 正極活物質層
20 セパレータ
30 負極
31 負極集電体
32 負極活物質層
Claims (6)
- 活物質粒子と、
(メタ)アクリロニトリル及びフッ化ビニリデンのうち少なくとも1種をモノマー単位として有する第1の骨格と、(メタ)アクリレートをモノマー単位として有する第2の骨格とが、グラフト共重合した構造を有する高分子材料と、を含み、
前記第1の骨格は、下記の化学式(1)で示される構造、及び下記の化学式(2)で示される構造のうち、少なくとも1種以上の構造のみからなり、
前記第2の骨格は、下記の化学式(3)で示される構造のみからなり、
前記高分子材料は、前記第1の骨格が主鎖となり、前記第2の骨格が側鎖となるグラフト共重合体であり、
R1、R2、R3は水素又はメチル基であり、R4は、置換又は無置換の炭素数が2以上18以下である炭化水素基であり、
前記第2の骨格を構成する(メタ)アクリレートモノマー単位は、前記第1の骨格を構成する(メタ)アクリロニトリルモノマー単位及びフッ化ビニリデンモノマー単位と、前記第2の骨格を構成するアクリレートモノマー単位との総質量に対して70質量%未満で前記高分子材料に含まれることを特徴とする、
非水電解質二次電池用電極活物質層。 - 前記第1の骨格は、前記化学式(1)で示される構造を有することを特徴とする、請求項1に記載の非水電解質二次電池用電極活物質層。
- 前記高分子材料は、前記活物質粒子の表面の少なくとも一部を覆っていることを特徴とする、請求項1又は2に記載の非水電解質二次電池用電極活物質層。
- 前記活物質粒子が正極活物質粒子であることを特徴とする、請求項1〜3の何れか1項に記載の非水電解質二次電池用電極活物質層。
- 請求項1〜4の何れか1項に記載の非水電解質二次電池用電極活物質層を含むことを特徴とする、非水電解質二次電池用電極。
- 請求項5に記載の非水電解質二次電池用電極を含むことを特徴とする、非水電解質二次電池。
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