JP6939467B2 - Lithium metal rechargeable battery - Google Patents

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Description

本開示はリチウム金属二次電池に関する。 The present disclosure relates to a lithium metal secondary battery.

特開2016−207637号公報(特許文献1)は、銅シートの表面から突出したカーボンナノチューブ上にリチウム金属を堆積させることを開示している。 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-207637 (Patent Document 1) discloses that lithium metal is deposited on carbon nanotubes protruding from the surface of a copper sheet.

特開2016−207637号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-207637

リチウム金属二次電池が検討されている。「リチウム金属二次電池」とは、リチウム(Li)金属が負極活物質である二次電池を示す。すなわちリチウム金属二次電池の負極では、Li金属の溶解反応および析出反応により、電子の授受が行われる。リチウム金属二次電池は、既存のリチウムイオン二次電池に比して、高いエネルギー密度を有することが期待される。 Lithium metal secondary batteries are being considered. The “lithium metal secondary battery” refers to a secondary battery in which lithium (Li) metal is the negative electrode active material. That is, in the negative electrode of the lithium metal secondary battery, electrons are transferred by the dissolution reaction and the precipitation reaction of the Li metal. The lithium metal secondary battery is expected to have a higher energy density than the existing lithium ion secondary battery.

しかしリチウム金属二次電池は充放電の可逆性に課題を有する。すなわちLi金属は、析出時デンドライト(樹枝)状に成長しやすい。デンドライト状に成長したLi金属は、電解液との副反応により失活しやすい。デンドライト状に成長したLi金属が非常に活性であるためと考えられる。失活したLi金属は、電解液に再溶解し難いと考えられる。 However, the lithium metal secondary battery has a problem in reversibility of charge and discharge. That is, the Li metal tends to grow like a dendrite (tree branch) at the time of precipitation. The dendrite-like Li metal is easily deactivated by a side reaction with the electrolytic solution. It is considered that the Li metal grown in a dendrite shape is very active. It is considered that the deactivated Li metal is difficult to be redissolved in the electrolytic solution.

以下、デンドライト状にLi金属が成長することが「デンドライト成長」とも記される。デンドライト状に成長したLi金属が「デンドライトLi」とも記される。 Hereinafter, the growth of Li metal in the form of dendrites is also referred to as “dendrite growth”. The Li metal grown in the form of dendrite is also referred to as "dendrite Li".

特許文献1は、銅シートの表面から突出したカーボンナノチューブ上にLi金属を堆積させることにより、デンドライト成長が抑制されるとしている。特許文献1は放電レート特性の評価結果を開示している。しかし特許文献1は、充放電サイクル後の容量維持率を開示していない。特許文献1の構成において、デンドライト成長が実際に抑制されるかどうか、すなわち充放電サイクル後の容量維持率が向上するかどうかは明らかではない。 Patent Document 1 states that dendrite growth is suppressed by depositing Li metal on carbon nanotubes protruding from the surface of a copper sheet. Patent Document 1 discloses the evaluation result of the discharge rate characteristic. However, Patent Document 1 does not disclose the capacity retention rate after the charge / discharge cycle. In the configuration of Patent Document 1, it is not clear whether dendrite growth is actually suppressed, that is, whether the capacity retention rate after the charge / discharge cycle is improved.

本開示の目的は、リチウム金属二次電池において、充放電サイクル後の容量維持率を向上させることである。 An object of the present disclosure is to improve the capacity retention rate after a charge / discharge cycle in a lithium metal secondary battery.

以下、本開示の技術的構成および作用効果が説明される。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 action and effect 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.

〔1〕本開示のリチウム金属二次電池は、正極、負極および電解質を少なくとも含む。リチウム金属二次電池の満充電状態において、負極は炭素繊維集合体およびリチウム金属を少なくとも含む。炭素繊維集合体は複数の炭素繊維を含む。複数の炭素繊維はそれぞれ互いに結合されている。複数の炭素繊維はそれぞれリチウム金属を担持している。炭素繊維集合体は70%以上90%以下の空孔率を有する。 [1] The lithium metal secondary battery of the present disclosure includes at least a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte. When the lithium metal secondary battery is fully charged, the negative electrode contains at least carbon fiber aggregates and lithium metal. The carbon fiber aggregate contains a plurality of carbon fibers. Each of the plurality of carbon fibers is bonded to each other. Each of the plurality of carbon fibers carries a lithium metal. The carbon fiber aggregate has a porosity of 70% or more and 90% or less.

本開示のリチウム金属二次電池では、炭素繊維集合体がLi金属(負極活物質)の担体として使用される。すなわち炭素繊維集合体において、複数の炭素繊維はそれぞれLi金属を担持している。炭素繊維の表面においてLi金属の溶解反応および析出反応が起こると考えられる。 In the lithium metal secondary battery of the present disclosure, the carbon fiber aggregate is used as a carrier of Li metal (negative electrode active material). That is, in the carbon fiber aggregate, each of the plurality of carbon fibers carries a Li metal. It is considered that a dissolution reaction and a precipitation reaction of Li metal occur on the surface of the carbon fiber.

炭素繊維集合体では、複数の炭素繊維の表面において、それぞれ核生成が起こると考えられる。すなわち核生成数が増加することが期待される。さらに炭素繊維集合体の内部では、デンドライトLiが発生した場合、デンドライトLiが周囲の炭素繊維と接触しやすいと考えられる。炭素繊維は電子伝導性である。デンドライトLiが周囲の炭素繊維と接触することにより、放電時、デンドライトLiから炭素繊維への電子の流れが促進されることが期待される。その結果、デンドライトLiが再溶解することが期待される。 In the carbon fiber aggregate, nucleation is considered to occur on the surfaces of the plurality of carbon fibers. That is, it is expected that the number of nucleations will increase. Further, when dendrite Li is generated inside the carbon fiber aggregate, it is considered that the dendrite Li is likely to come into contact with the surrounding carbon fibers. Carbon fibers are electron conductive. It is expected that the contact of dendrite Li with the surrounding carbon fibers will promote the flow of electrons from the dendrite Li to the carbon fibers during discharge. As a result, it is expected that dendrite Li will be redissolved.

さらに炭素繊維集合体において各炭素繊維は、Liイオンのホスト材料にもなり得る。すなわち一部のLiイオンは炭素繊維に吸蔵されると考えられる。炭素繊維が一部のLiイオンを吸蔵することにより、Li金属の核生成および核成長が均一になることが期待される。 Furthermore, in the carbon fiber aggregate, each carbon fiber can also be a host material for Li ions. That is, it is considered that some Li ions are occluded in the carbon fiber. It is expected that the carbon fiber occludes a part of Li ions, so that the nucleation and nucleation of the Li metal become uniform.

以上の作用の相乗により、本開示のリチウム金属二次電池では、デンドライト成長が抑制されることが期待される。すなわち充放電サイクル後の容量維持率が向上することが期待される。 Due to the synergistic effect of the above actions, it is expected that the growth of dendrites will be suppressed in the lithium metal secondary battery of the present disclosure. That is, it is expected that the capacity retention rate after the charge / discharge cycle will be improved.

ただし炭素繊維集合体は70%以上90%以下の空孔率を有する。空孔率が70%未満であると、容量維持率が低下する可能性がある。炭素繊維集合体の内側に空間が少ないためと考えられる。炭素繊維集合体の内側に空間が少ない場合、Li金属が炭素繊維集合体の外表面に析出する可能性がある。炭素繊維集合体の外表面から外側に向かってデンドライト成長が起こった場合、デンドライトLiの再溶解が期待できない。デンドライトLiが炭素繊維と接触しないためである。空孔率が90%を超えても、容量維持率が低下する可能性がある。析出担体の表面積が減少することにより、局所的な電流集中が起こりやすくなるためと考えられる。 However, the carbon fiber aggregate has a porosity of 70% or more and 90% or less. If the porosity is less than 70%, the capacity retention rate may decrease. This is probably because there is little space inside the carbon fiber aggregate. If there is little space inside the carbon fiber aggregate, Li metal may precipitate on the outer surface of the carbon fiber aggregate. When dendrite growth occurs from the outer surface of the carbon fiber aggregate to the outside, re-dissolution of dendrite Li cannot be expected. This is because dendrite Li does not come into contact with carbon fibers. Even if the porosity exceeds 90%, the capacity retention rate may decrease. This is thought to be because the surface area of the precipitation carrier is reduced, so that local current concentration is likely to occur.

本開示のリチウム金属二次電池では、炭素繊維集合体自体が負極の集電体として機能する。さらに炭素繊維集合体において、複数の炭素繊維が互いに結合されているため、支持体が無くても、炭素繊維集合体が自立し得ると考えられる。したがって本開示のリチウム金属二次電池では、負極が導電性支持体(銅箔等)を含まなくてもよいと考えられる。 In the lithium metal secondary battery of the present disclosure, the carbon fiber aggregate itself functions as a current collector for the negative electrode. Further, in the carbon fiber aggregate, since a plurality of carbon fibers are bonded to each other, it is considered that the carbon fiber aggregate can stand on its own even without a support. Therefore, in the lithium metal secondary battery of the present disclosure, it is considered that the negative electrode does not have to include a conductive support (copper foil or the like).

〔2〕負極は高分子材料をさらに含んでもよい。高分子材料は炭素繊維の表面を被覆している。高分子材料はイオン伝導性を有する。 [2] The negative electrode may further contain a polymer material. The polymer material covers the surface of the carbon fiber. The polymer material has ionic conductivity.

イオン伝導性の高分子材料が炭素繊維の表面を被覆していることにより、析出したLi金属の表面において、不均一な被膜の形成が抑制され得る。これによりデンドライト成長の抑制が期待される。高分子材料はそれ自体がイオン伝導性を有してもよい。高分子材料は液体電解質(電解液またはイオン液体)を吸収することにより、イオン伝導性を有してもよい。 Since the surface of the carbon fiber is coated with the ionic conductive polymer material, the formation of a non-uniform film can be suppressed on the surface of the precipitated Li metal. This is expected to suppress the growth of dendrites. The polymeric material itself may have ionic conductivity. The polymer material may have ionic conductivity by absorbing a liquid electrolyte (electrolyte or ionic liquid).

〔3〕高分子材料はポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロペン共重合体(PVDF−HFP)であってもよい。 [3] The polymer material may be a polyvinylidene fluoride-hexafluoropropene copolymer (PVDF-HFP).

PVDF−HFPは液体電解質の保持能力が高い傾向がある。PVDF−HFPが液体電解質を吸収することにより、高いイオン伝導性が発現することが期待される。高分子材料が高いイオン伝導性を有することにより、析出したLi金属の先端への電流集中が抑制されることが期待される。 PVDF-HFP tends to have a high retention capacity of liquid electrolyte. It is expected that PVDF-HFP will exhibit high ionic conductivity by absorbing the liquid electrolyte. It is expected that the high ionic conductivity of the polymer material suppresses the current concentration of the precipitated Li metal on the tip.

図1は本実施形態のリチウム金属二次電池の構成の一例を示す第1概略図である。FIG. 1 is a first schematic view showing an example of the configuration of the lithium metal secondary battery of the present embodiment. 図2は本実施形態のリチウム金属二次電池の構成の一例を示す第2概略図である。FIG. 2 is a second schematic view showing an example of the configuration of the lithium metal secondary battery of the present embodiment. 図3は本実施形態の負極の構成を示す断面概念図である。FIG. 3 is a cross-sectional conceptual diagram showing the configuration of the negative electrode of the present embodiment. 図4は参考形態の負極の構成を示す断面概念図である。FIG. 4 is a cross-sectional conceptual diagram showing the configuration of the negative electrode of the reference form. 図5は炭素繊維集合体を示すSEM像である。FIG. 5 is an SEM image showing carbon fiber aggregates. 図6は充電後の負極を示すSEM像である。FIG. 6 is an SEM image showing the negative electrode after charging.

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。以下、リチウム金属二次電池が「電池」と略記される場合がある。 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. Hereinafter, the lithium metal secondary battery may be abbreviated as "battery".

<リチウム金属二次電池>
図1は本実施形態のリチウム金属二次電池の構成の一例を示す第1概略図である。
電池100は外装材50を含む。外装材50はアルミラミネートフィルム製である。すなわち電池100はラミネート型電池である。ただし本実施形態において、電池100の型式(type)および形式(shape)は特に限定されるべきではない。電池100は、たとえば角形電池であってもよい。電池100は、たとえば円筒形電池であってもよい。正極タブ51および負極タブ52は、それぞれ外装材50の内外を連通している。正極タブ51は、たとえばアルミニウム(Al)薄板である。負極タブ52は、たとえば銅(Cu)薄板である。
<Lithium metal secondary battery>
FIG. 1 is a first schematic view showing an example of the configuration of the lithium metal secondary battery of the present embodiment.
The battery 100 includes an exterior material 50. The exterior material 50 is made of an aluminum laminated film. That is, the battery 100 is a laminated battery. However, in the present embodiment, the type and type of the battery 100 should not be particularly limited. The battery 100 may be, for example, a square battery. The battery 100 may be, for example, a cylindrical battery. The positive electrode tab 51 and the negative electrode tab 52 communicate with each other inside and outside the exterior material 50. The positive electrode tab 51 is, for example, an aluminum (Al) thin plate. The negative electrode tab 52 is, for example, a copper (Cu) thin plate.

図2は本実施形態のリチウム金属二次電池の構成の一例を示す第2概略図である。
外装材50は、電極群40および電解質を収納している。電極群40は積層(スタック)型である。ただし電極群40は巻回型であってもよい。電極群40は、正極10、負極20およびセパレータ30を含む。すなわち電池100は、正極10、負極20および電解質を少なくとも含む。
FIG. 2 is a second schematic view showing an example of the configuration of the lithium metal secondary battery of the present embodiment.
The exterior material 50 houses the electrode group 40 and the electrolyte. The electrode group 40 is a stacked type. However, the electrode group 40 may be of a winding type. The electrode group 40 includes a positive electrode 10, a negative electrode 20, and a separator 30. That is, the battery 100 includes at least a positive electrode 10, a negative electrode 20, and an electrolyte.

電極群40は、正極10および負極20が積層されることにより形成されている。電極群40は、正極10および負極20が交互にそれぞれ1層以上積層されることにより形成されていてもよい。正極10および負極20の各間には、それぞれセパレータ30が配置される。正極タブ51は正極10と接合されている。負極タブ52は負極20と接合されている。 The electrode group 40 is formed by laminating the positive electrode 10 and the negative electrode 20. The electrode group 40 may be formed by alternately stacking one or more layers of the positive electrode 10 and the negative electrode 20. A separator 30 is arranged between each of the positive electrode 10 and the negative electrode 20. The positive electrode tab 51 is joined to the positive electrode 10. The negative electrode tab 52 is joined to the negative electrode 20.

《負極》
図3は本実施形態の負極の構成を示す断面概念図である。
負極20はシート状である。電池100の満充電状態において、負極20は炭素繊維集合体21およびLi金属22を少なくとも含む。炭素繊維集合体21は複数の炭素繊維を含む。複数の炭素繊維はそれぞれ互いに結合されている。複数の炭素繊維はそれぞれLi金属22を担持している。炭素繊維集合体21の内部には複数の空孔23が形成されている。Li金属22は空孔23内にも成長している。
《Negative electrode》
FIG. 3 is a cross-sectional conceptual diagram showing the configuration of the negative electrode of the present embodiment.
The negative electrode 20 is in the form of a sheet. In the fully charged state of the battery 100, the negative electrode 20 contains at least the carbon fiber aggregate 21 and the Li metal 22. The carbon fiber assembly 21 contains a plurality of carbon fibers. Each of the plurality of carbon fibers is bonded to each other. Each of the plurality of carbon fibers carries Li metal 22. A plurality of pores 23 are formed inside the carbon fiber assembly 21. The Li metal 22 also grows in the pores 23.

炭素繊維集合体21において、実質的に全ての炭素繊維がLi金属22を担持していてもよい。炭素繊維集合体21において、複数(2本以上)の炭素繊維がLi金属22を担持している限り、一部の炭素繊維がLi金属22を担持していなくてもよい。 In the carbon fiber assembly 21, substantially all carbon fibers may carry the Li metal 22. In the carbon fiber aggregate 21, as long as a plurality of (two or more) carbon fibers support the Li metal 22, some carbon fibers may not support the Li metal 22.

炭素繊維集合体21が担体として使用されることにより、デンドライト成長の抑制が期待される。すなわち充放電サイクル後の容量維持率の向上が期待される。 The use of the carbon fiber aggregate 21 as a carrier is expected to suppress the growth of dendrites. That is, it is expected that the capacity retention rate after the charge / discharge cycle will be improved.

図4は参考形態の負極の構成を示す断面概念図である。
負極200では銅箔201が基材である。銅箔201の表面にLi金属202が析出している。該構成では、Li金属202がデンドライト状に成長すると考えられる。
FIG. 4 is a cross-sectional conceptual diagram showing the configuration of the negative electrode of the reference form.
In the negative electrode 200, the copper foil 201 is the base material. Li metal 202 is deposited on the surface of the copper foil 201. In this configuration, it is considered that the Li metal 202 grows like a dendrite.

(炭素繊維集合体)
炭素繊維集合体21は負極20の基材である。炭素繊維集合体21は、たとえばシート状であってもよい。炭素繊維集合体21は、たとえば50μm以上500μm以下の厚さを有してもよい。炭素繊維集合体21の厚さは、たとえばマイクロメータ等により測定される。厚さは少なくとも3箇所で測定される。少なくとも3箇所の算術平均が炭素繊維集合体21の厚さとされる。
(Carbon fiber aggregate)
The carbon fiber assembly 21 is the base material of the negative electrode 20. The carbon fiber assembly 21 may be in the form of a sheet, for example. The carbon fiber assembly 21 may have a thickness of, for example, 50 μm or more and 500 μm or less. The thickness of the carbon fiber assembly 21 is measured by, for example, a micrometer or the like. The thickness is measured at at least 3 points. The arithmetic mean of at least three locations is the thickness of the carbon fiber assembly 21.

炭素繊維は炭素繊維集合体21を構成している。炭素繊維は、たとえばPAN系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、セルロース系炭素繊維、気相成長炭素繊維等であってもよい。PAN系炭素繊維はポリアクリロニトリル(PAN)を原料とする炭素繊維を示す。ピッチ系炭素繊維は、たとえば石油ピッチ等を原料とする炭素繊維を示す。セルロース系炭素繊維は、たとえばビスコースレーヨン等を原料とする炭素繊維を示す。 The carbon fibers constitute the carbon fiber aggregate 21. The carbon fibers may be, for example, PAN-based carbon fibers, pitch-based carbon fibers, cellulose-based carbon fibers, vapor-grown carbon fibers, or the like. The PAN-based carbon fiber represents a carbon fiber made from polyacrylonitrile (PAN) as a raw material. The pitch-based carbon fiber refers to carbon fiber made from, for example, petroleum pitch. The cellulosic carbon fiber refers to a carbon fiber made from, for example, viscose rayon or the like.

炭素繊維は黒鉛化されていることが望ましい。炭素繊維が黒鉛化されていることにより、Liイオンが炭素繊維に吸蔵されやすくなることが期待される。Liイオンが炭素繊維に吸蔵されることにより、Li金属22の核生成が均一になることが期待される。 It is desirable that the carbon fibers are graphitized. Since the carbon fibers are graphitized, it is expected that Li ions are easily occluded in the carbon fibers. It is expected that the nucleation of Li metal 22 becomes uniform due to the occlusion of Li ions in the carbon fibers.

炭素繊維集合体21において、複数の炭素繊維はそれぞれ互いに結合されている。炭素繊維は、たとえば次の方法により結合され得る。複数の炭素繊維およびバインダが混合されることにより、混合物が調製される。不活性雰囲気下で混合物が加熱されることにより、炭素繊維およびバインダが黒鉛化される。これにより複数の炭素繊維がそれぞれ互いに結合され得る。バインダは、たとえばコールタール、石油ピッチ、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等であってもよい。 In the carbon fiber assembly 21, the plurality of carbon fibers are bonded to each other. The carbon fibers can be bonded, for example, by the following methods. A mixture is prepared by mixing a plurality of carbon fibers and binders. The carbon fibers and binders are graphitized by heating the mixture in an inert atmosphere. This allows the plurality of carbon fibers to be bonded to each other. The binder may be, for example, coal tar, petroleum pitch, phenol resin, epoxy resin or the like.

複数の炭素繊維がそれぞれ互いに結合されていることにより、炭素繊維集合体21が自立可能な強度を有することが期待される。さらに炭素繊維集合体21の面内方向で電子伝導が活発になることが期待される。面内方向は炭素繊維集合体21の厚さ方向と直交する方向を示す。炭素繊維集合体21は、面内方向において、たとえば1mΩ・cm以上10mΩ・cm以下の抵抗率を有し得る。 Since the plurality of carbon fibers are bonded to each other, it is expected that the carbon fiber aggregate 21 has a self-sustaining strength. Further, it is expected that electron conduction becomes active in the in-plane direction of the carbon fiber assembly 21. The in-plane direction indicates a direction orthogonal to the thickness direction of the carbon fiber aggregate 21. The carbon fiber assembly 21 may have a resistivity of, for example, 1 mΩ · cm or more and 10 mΩ · cm or less in the in-plane direction.

炭素繊維は、たとえば1μm以上50μm以下の平均直径を有してもよい。平均直径は、たとえば100本以上の炭素繊維の平均値であってもよい。炭素繊維は、たとえば1mm以上50mm以下の数平均繊維長を有してもよい。数平均繊維長は、たとえば100本以上の炭素繊維の平均値であってもよい。 The carbon fibers may have, for example, an average diameter of 1 μm or more and 50 μm or less. The average diameter may be, for example, the average value of 100 or more carbon fibers. The carbon fibers may have, for example, a number average fiber length of 1 mm or more and 50 mm or less. The number average fiber length may be, for example, an average value of 100 or more carbon fibers.

(空孔率)
炭素繊維集合体21は70%以上90%以下の空孔率を有する。空孔率が70%未満であると、容量維持率が低下する可能性がある。炭素繊維集合体21の内側に空間が少ないためと考えられる。空孔率が90%を超えても、容量維持率が低下する可能性がある。析出担体の表面積が減少することにより、局所的な電流集中が起こりやすくなるためと考えられる。
(Porosity)
The carbon fiber aggregate 21 has a porosity of 70% or more and 90% or less. If the porosity is less than 70%, the capacity retention rate may decrease. This is probably because there is little space inside the carbon fiber assembly 21. Even if the porosity exceeds 90%, the capacity retention rate may decrease. This is thought to be because the surface area of the precipitation carrier is reduced, so that local current concentration is likely to occur.

「空孔率」は炭素繊維集合体21における空孔体積の比率を示す。空孔率は一般的な水銀ポロシメータにより測定される。空孔率は少なくとも3回測定される。少なくとも3回の算術平均が炭素繊維集合体21の空孔率とされる。炭素繊維集合体21は、たとえば80%以上90%の空孔率を有してもよい。該範囲において、容量維持率の向上が期待される。 "Porosity" indicates the ratio of the pore volume in the carbon fiber aggregate 21. Porosity is measured by a common mercury porosity meter. Porosity is measured at least 3 times. The arithmetic mean of at least three times is the porosity of the carbon fiber assembly 21. The carbon fiber assembly 21 may have a porosity of, for example, 80% or more and 90%. In this range, improvement of capacity retention rate is expected.

(高分子材料)
負極20は高分子材料をさらに含んでもよい。高分子材料は炭素繊維の表面を被覆している。高分子材料はイオン伝導性を有する。イオン伝導性の高分子材料が炭素繊維の表面を被覆していることにより、デンドライト成長の抑制が期待される。高分子材料による被覆厚さは、たとえば1μm以上20μm以下であってもよい。
(Polymer material)
The negative electrode 20 may further contain a polymer material. The polymer material covers the surface of the carbon fiber. The polymer material has ionic conductivity. Since the surface of the carbon fiber is covered with an ionic conductive polymer material, it is expected that dendrite growth will be suppressed. The coating thickness of the polymer material may be, for example, 1 μm or more and 20 μm or less.

高分子材料は、たとえば、PVDF−HFP、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリアクリル酸(PAA)、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)等であってもよい。1種の高分子材料が単独で使用されてもよい。2種以上の高分子材料が組み合わされて使用されてもよい。高分子材料は架橋されていてもよい。 The polymer material may be, for example, PVDF-HFP, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyethylene oxide (PEO), polyvinyl alcohol (PVA), polyacrylic acid (PAA), polymethyl methacrylate (PMMA), or the like. .. One type of polymeric material may be used alone. Two or more kinds of polymer materials may be used in combination. The polymeric material may be crosslinked.

高分子材料はそれ自体がイオン伝導性を有してもよい。高分子材料は液体電解質を吸収することにより、イオン伝導性を有してもよい。たとえば高分子材料はPVDF−HFPであってもよい。PVDF−HFPは液体電解質を吸収することにより、高いイオン伝導性を発現することが期待される。高分子材料が高いイオン伝導性を有することにより、析出したLi金属22の先端への電流集中が抑制されることが期待される。 The polymeric material itself may have ionic conductivity. The polymer material may have ionic conductivity by absorbing the liquid electrolyte. For example, the polymer material may be PVDF-HFP. PVDF-HFP is expected to exhibit high ionic conductivity by absorbing the liquid electrolyte. Since the polymer material has high ionic conductivity, it is expected that the current concentration on the tip of the precipitated Li metal 22 is suppressed.

《正極》
正極10はシート状である。正極10は、たとえば正極集電体11および正極合材層12を含む。正極集電体11は、たとえばAl箔等であってもよい。正極集電体11は、たとえば10μm以上50μm以下の厚さを有してもよい。
《Positive electrode》
The positive electrode 10 has a sheet shape. The positive electrode 10 includes, for example, a positive electrode current collector 11 and a positive electrode mixture layer 12. The positive electrode current collector 11 may be, for example, an Al foil or the like. The positive electrode current collector 11 may have a thickness of, for example, 10 μm or more and 50 μm or less.

正極合材層12は正極集電体11の表面に形成されている。正極合材層12は正極集電体11の表裏両面に形成されていてもよい。正極合材層12は、たとえば10μm以上200μm以下の厚さを有してもよい。正極合材層12は正極活物質を少なくとも含む。 The positive electrode mixture layer 12 is formed on the surface of the positive electrode current collector 11. The positive electrode mixture layer 12 may be formed on both the front and back surfaces of the positive electrode current collector 11. The positive electrode mixture layer 12 may have a thickness of, for example, 10 μm or more and 200 μm or less. The positive electrode mixture layer 12 contains at least the positive electrode active material.

正極活物質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、LiMnO2、LiMn24、Li(Ni,Co,Mn)O2(たとえばLiNi1/3Co1/3Mn1/32等)、LiFePO4等であってもよい。1種の正極活物質が単独で使用されてもよい。2種以上の正極活物質が組み合わされて使用されてもよい。 The positive electrode active material should not be particularly limited. The positive electrode active material is, for example, LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , Li (Ni, Co, Mn) O 2 (for example, LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 ), It may be LiFePO 4 or the like. One kind of positive electrode active material may be used alone. Two or more kinds of positive electrode active materials may be used in combination.

正極合材層12は、導電材およびバインダをさらに含んでもよい。導電材は、たとえばカーボンブラック等であってもよい。導電材の含量は、100質量部の正極活物質に対して、たとえば1質量部以上10質量部以下であってもよい。バインダも特に限定されるべきではない。バインダは、たとえばPVDF等であってもよい。バインダの含量は、100質量部の正極活物質に対して、たとえば1質量部以上10質量部以下であってもよい。 The positive electrode mixture layer 12 may further contain a conductive material and a binder. The conductive material may be, for example, carbon black or the like. The content of the conductive material may be, for example, 1 part by mass or more and 10 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the positive electrode active material. Binders should not be particularly limited either. The binder may be, for example, PVDF or the like. The content of the binder may be, for example, 1 part by mass or more and 10 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the positive electrode active material.

《セパレータ》
セパレータ30は多孔質フィルムである。セパレータ30は、たとえば10μm以上50μm以下の厚さを有してもよい。セパレータ30は、たとえばポリオレフィン製であってもよい。セパレータ30は単層構造を有してもよい。セパレータ30は多層構造を有してもよい。
《Separator》
The separator 30 is a porous film. The separator 30 may have a thickness of, for example, 10 μm or more and 50 μm or less. The separator 30 may be made of, for example, polyolefin. The separator 30 may have a single layer structure. The separator 30 may have a multi-layer structure.

《電解質》
電解質は典型的には液体電解質である。液体電解質は、電解液、イオン液体等であってもよい。電解液はLi塩および溶媒を含む。Li塩は、たとえばLiPF6、LiBF4、LiN(SO2F)2等であってもよい。電解液は、たとえば0.5mоl/l以上2mоl/l以下のLi塩を含んでもよい。電解液は、たとえば3mоl/l以上5mоl/l以下のLi塩を含んでもよい。
"Electrolytes"
The electrolyte is typically a liquid electrolyte. The liquid electrolyte may be an electrolytic solution, an ionic liquid, or the like. The electrolyte contains a Li salt and a solvent. The Li salt may be, for example, LiPF 6 , LiBF 4, LiN (SO 2 F) 2, or the like. The electrolytic solution may contain, for example, a Li salt of 0.5 mL / l or more and 2 mL / l or less. The electrolytic solution may contain, for example, a Li salt of 3 mL / l or more and 5 mL / l or less.

溶媒は、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)、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)、アセトニトリル(AN)、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、1,2−ジメトキシエタン(DME)、ジメチルスルホキシド(DMSO)等であってもよい。1種の溶媒が単独で使用されてもよい。2種以上の溶媒が組み合わされて使用されてもよい。 The solvent is, for example, ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), diethyl carbonate (DEC), acetonitrile (AN), N, N-dimethylformamide (DMF). , 1,2-Dimethoxyethane (DME), dimethyl sulfoxide (DMSO) and the like. One solvent may be used alone. Two or more kinds of solvents may be used in combination.

以下、本開示の実施例が説明される。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。 Hereinafter, examples of the present disclosure will be described. However, the following description does not limit the scope of claims.

<電池の製造>
《実施例1》
1.炭素繊維集合体の準備
負極20の基材として、炭素繊維集合体(シート状、厚さ 110μm、空孔率 80%)が準備された。炭素繊維集合体21が所定の大きさに裁断された。
<Battery manufacturing>
<< Example 1 >>
1. 1. Preparation of carbon fiber aggregate A carbon fiber aggregate (sheet-like, thickness 110 μm, porosity 80%) was prepared as a base material for the negative electrode 20. The carbon fiber assembly 21 was cut to a predetermined size.

2.正極の製造
正極集電体11(Al箔)の表面にペーストが塗布されることにより、正極合材層12が形成された。これにより正極10が製造された。正極10が所定の大きさに裁断された。正極合材層12は、片面で16mg/cm2の目付を有する。正極合材層12は、正極活物質〔Li(Ni,Co,Mn)O2〕、導電材(カーボンブラック)およびバインダ(PVDF)を含む。
2. Production of Positive Electrode A positive electrode mixture layer 12 was formed by applying a paste to the surface of the positive electrode current collector 11 (Al foil). As a result, the positive electrode 10 was manufactured. The positive electrode 10 was cut to a predetermined size. The positive electrode mixture layer 12 has a basis weight of 16 mg / cm 2 on one side. The positive electrode mixture layer 12 contains a positive electrode active material [Li (Ni, Co, Mn) O 2 ], a conductive material (carbon black), and a binder (PVDF).

3.組み立て
炭素繊維集合体21、セパレータ30および正極10がこの順序で積層された。これにより電極群40が形成された。セパレータ30はポリエチレン製の多孔質フィルム(厚さ 20μm)である。
3. 3. Assembly The carbon fiber assembly 21, the separator 30 and the positive electrode 10 were laminated in this order. As a result, the electrode group 40 was formed. The separator 30 is a polyethylene porous film (thickness 20 μm).

電極群40が外装材50に収納された。外装材50に電解液が注入された。電解液は以下の成分を含む。外装材50が密封された。以上より電池100が組み立てられた。 The electrode group 40 was housed in the exterior material 50. The electrolytic solution was injected into the exterior material 50. The electrolytic solution contains the following components. The exterior material 50 was sealed. From the above, the battery 100 was assembled.

Li塩:LiPF6(1mоl/l)
溶媒:[EC:DMC:EMC=3:4:3(体積比)]
Li salt: LiPF 6 (1 mol / l)
Solvent: [EC: DMC: EMC = 3: 4: 3 (volume ratio)]

4.初回充放電
電池100が4.2Vまで充電された。すなわち電池100が満充電状態にされた。充電により、炭素繊維集合体21において、炭素繊維の表面にLi金属22が析出した。すなわち炭素繊維集合体21およびLi金属22を含む負極20が形成された。負極20において、複数の炭素繊維がそれぞれLi金属22を担持していると考えられる。
4. Initial charge / discharge Battery 100 was charged to 4.2 V. That is, the battery 100 is fully charged. By charging, Li metal 22 was deposited on the surface of the carbon fibers in the carbon fiber aggregate 21. That is, the negative electrode 20 containing the carbon fiber aggregate 21 and the Li metal 22 was formed. It is considered that a plurality of carbon fibers each support the Li metal 22 in the negative electrode 20.

図5は炭素繊維集合体を示すSEM像である。図6は充電後の負極を示すSEM像である。Li金属22は、炭素繊維集合体21において略均一に析出していると考えられる。Li金属22の周囲には炭素繊維が万遍なく存在していると考えられる。その後、電池100が3Vまで放電された。以上より電池100が製造された。 FIG. 5 is an SEM image showing carbon fiber aggregates. FIG. 6 is an SEM image showing the negative electrode after charging. It is considered that the Li metal 22 is deposited substantially uniformly in the carbon fiber aggregate 21. It is considered that carbon fibers are evenly present around the Li metal 22. After that, the battery 100 was discharged to 3V. From the above, the battery 100 was manufactured.

《実施例2》
N−メチル−2−ピロリドン(NMP)にPVDF−HFPが溶解された。これにより高分子溶液が調製された。高分子溶液において、PVDF−HFPの含量は5質量%である。高分子溶液に炭素繊維集合体21が浸漬された。浸漬後、炭素繊維集合体21が高分子溶液から引き上げられた。炭素繊維集合体21が乾燥された。走査型電子顕微鏡(SEM)およびエネルギー分散型X線分析装置(EDX)により、炭素繊維集合体21が分析された。これによりPVDF−HFPが炭素繊維の表面を被覆していることが確認された。被覆厚さは数μm程度であった。被覆後の炭素繊維集合体21が使用されることを除いては、実施例1と同様に電池100が製造された。
<< Example 2 >>
PVDF-HFP was dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP). As a result, a polymer solution was prepared. In the polymer solution, the content of PVDF-HFP is 5% by mass. The carbon fiber aggregate 21 was immersed in the polymer solution. After immersion, the carbon fiber aggregate 21 was pulled out of the polymer solution. The carbon fiber assembly 21 was dried. The carbon fiber assembly 21 was analyzed by a scanning electron microscope (SEM) and an energy dispersive X-ray analyzer (EDX). This confirmed that PVDF-HFP covered the surface of the carbon fiber. The coating thickness was about several μm. The battery 100 was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the coated carbon fiber assembly 21 was used.

《実施例3および4》
下記表1の空孔率を有する炭素繊維集合体21が使用されることを除いては、実施例1と同様に電池100が製造された。
<< Examples 3 and 4 >>
The battery 100 was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the carbon fiber aggregate 21 having the porosity shown in Table 1 below was used.

《比較例1》
炭素繊維集合体21に代えて銅箔が負極20の基材として使用されることを除いては、実施例1と同様に電池100が製造された。
<< Comparative Example 1 >>
The battery 100 was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the copper foil was used as the base material of the negative electrode 20 instead of the carbon fiber assembly 21.

《比較例2》
実施例2と同様の手法により、銅箔の表面がPVDF−HFPによって被覆された。被覆後の銅箔が負極20の基材として使用されることを除いては、比較例1と同様に電池100が製造された。
<< Comparative Example 2 >>
The surface of the copper foil was coated with PVDF-HFP by the same method as in Example 2. The battery 100 was manufactured in the same manner as in Comparative Example 1 except that the coated copper foil was used as the base material of the negative electrode 20.

《比較例3》
住友電工社製の銅多孔体(製品名「セルメット」)が準備された。銅多孔体は96%の空孔率を有する。平板プレスにより、銅多孔体が圧縮された。圧縮後の銅多孔体は80%の空孔率を有する。圧縮後の銅多孔体が負極20の基材として使用されることを除いては、実施例1と同様に電池100が製造された。
<< Comparative Example 3 >>
A copper porous body (product name "Celmet") manufactured by Sumitomo Electric Industries, Ltd. was prepared. The copper porous body has a porosity of 96%. The copper porous body was compressed by a flat plate press. The compressed copper porous material has a porosity of 80%. The battery 100 was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the compressed copper porous body was used as the base material of the negative electrode 20.

《比較例4および5》
下記表1の空孔率を有する炭素繊維集合体21が使用されることを除いては、実施例1と同様に電池100が製造された。
<< Comparative Examples 4 and 5 >>
The battery 100 was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the carbon fiber aggregate 21 having the porosity shown in Table 1 below was used.

<評価>
《初回充放電効率》
初回放電容量が初回充電容量で除されることにより、初回充放電効率が算出された。結果は下記表1に示される。
<Evaluation>
<< Initial charge / discharge efficiency >>
The initial charge / discharge efficiency was calculated by dividing the initial discharge capacity by the initial charge capacity. The results are shown in Table 1 below.

《10サイクル後容量維持率》
25℃環境において、以下の条件により充放電が10サイクル実施された。10サイクル目の放電容量が1サイクル目の放電容量で除されることにより、10サイクル後の容量維持率が算出された。結果は下記表1に示される。
<< Capacity maintenance rate after 10 cycles >>
In a 25 ° C. environment, charging and discharging were carried out for 10 cycles under the following conditions. The capacity retention rate after 10 cycles was calculated by dividing the discharge capacity at the 10th cycle by the discharge capacity at the 1st cycle. The results are shown in Table 1 below.

充電:定電流方式、充電電圧 4.2V、電流密度 1mA/cm2
放電:定電流方式、放電電圧 3.0V、電流密度 1mA/cm2
Charging: Constant current method, charging voltage 4.2V, current density 1mA / cm 2
Discharge: Constant current method, discharge voltage 3.0V, current density 1mA / cm 2

Figure 0006939467
Figure 0006939467

<結果>
上記表1に示されるように、炭素繊維集合体21が負極20の基材である実施例1〜4は、その他の材料が基材である比較例1〜3に比し、10サイクル後容量維持率が向上している。実施例1では、充電時にLi金属22の核生成が均一に起こりやすく、かつ放電時にデンドライトLiが溶解しやすいためと考えられる。
<Result>
As shown in Table 1 above, Examples 1 to 4 in which the carbon fiber aggregate 21 is the base material of the negative electrode 20 have a capacity after 10 cycles as compared with Comparative Examples 1 to 3 in which the other materials are the base material. The maintenance rate is improving. It is considered that in Example 1, nucleation of Li metal 22 is likely to occur uniformly during charging, and dendrite Li is likely to be dissolved during discharging.

炭素繊維集合体21の空孔率が90%を超えると、容量維持率が低下している(比較例4)。析出担体の表面積が減少することにより、局所的な電流集中が起こりやすくなるためと考えられる。 When the porosity of the carbon fiber aggregate 21 exceeds 90%, the capacity retention rate decreases (Comparative Example 4). This is thought to be because the surface area of the precipitation carrier is reduced, so that local current concentration is likely to occur.

炭素繊維集合体21の空孔率が70%未満であると、容量維持率が低下している(比較例5)。炭素繊維集合体21の内側に空間が少ないため、Li金属22が炭素繊維集合体21の外側に析出するためと考えられる。 When the porosity of the carbon fiber aggregate 21 is less than 70%, the capacity retention rate is lowered (Comparative Example 5). It is considered that the Li metal 22 is deposited on the outside of the carbon fiber assembly 21 because there is little space inside the carbon fiber assembly 21.

比較例3の銅多孔体は、炭素繊維集合体21と類似の内部構造を有すると考えられる。比較例3は実施例1と同等の空孔率を有する。それにもかかわらず、比較例3は容量維持率が低い。この結果から、炭素繊維集合体21がLi金属22を析出させる担体として特別な作用を有するものと考えられる。 It is considered that the copper porous body of Comparative Example 3 has an internal structure similar to that of the carbon fiber assembly 21. Comparative Example 3 has a porosity equivalent to that of Example 1. Nevertheless, Comparative Example 3 has a low capacity retention rate. From this result, it is considered that the carbon fiber aggregate 21 has a special action as a carrier for precipitating the Li metal 22.

PVDF−HFPが炭素繊維の表面を被覆していることにより、容量維持率が向上している(実施例2)。PVDF−HFP(イオン導電性の高分子材料)により、デンドライト成長が抑制されるためと考えられる。 By coating the surface of the carbon fiber with PVDF-HFP, the capacity retention rate is improved (Example 2). It is considered that PVDF-HFP (ionic conductive polymer material) suppresses dendrite growth.

今回開示された実施例および実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。特許請求の範囲の記載によって確定される技術的範囲は、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 examples and embodiments disclosed this time are exemplary in all respects and are not restrictive. The technical scope defined by the description of the claims includes all changes within the meaning and scope equivalent to the claims.

10 正極、11 正極集電体、12 正極合材層、20,200 負極、21 炭素繊維集合体、22,202 リチウム金属、23 空孔、30 セパレータ、40 電極群、50 外装材、51 正極タブ、52 負極タブ、100 電池(リチウム金属二次電池)、201 銅箔。 10 Positive electrode, 11 Positive electrode current collector, 12 Positive electrode mixture layer, 20,200 Negative electrode, 21 Carbon fiber aggregate, 22,202 Lithium metal, 23 Pore, 30 Separator, 40 Electrode group, 50 Exterior material, 51 Positive electrode tab , 52 Negative electrode tab, 100 battery (lithium metal secondary battery), 201 copper foil.

Claims (4)

リチウム金属二次電池であって、
正極、負極および電解質を少なくとも含み、
前記リチウム金属二次電池の満充電状態において、前記負極は炭素繊維集合体およびリチウム金属を少なくとも含み、
前記炭素繊維集合体は複数の炭素繊維を含み、
前記複数の炭素繊維はそれぞれ互いに結合されており、
前記複数の炭素繊維はそれぞれ前記リチウム金属を担持しており、
前記炭素繊維集合体は70%以上90%以下の空孔率を有する、
リチウム金属二次電池。
Lithium metal rechargeable battery
Contains at least positive, negative and electrolyte
In the fully charged state of the lithium metal secondary battery, the negative electrode contains at least a carbon fiber aggregate and a lithium metal.
The carbon fiber aggregate contains a plurality of carbon fibers and contains a plurality of carbon fibers.
The plurality of carbon fibers are each bonded to each other, and the plurality of carbon fibers are bonded to each other.
The plurality of carbon fibers each support the lithium metal, and the plurality of carbon fibers each support the lithium metal.
The carbon fiber aggregate has a porosity of 70% or more and 90% or less.
Lithium metal secondary battery.
前記複数の炭素繊維の表面における前記リチウム金属の溶解反応および析出反応により、電子の授受が行われるように構成されている、Electrons are transferred by the dissolution reaction and precipitation reaction of the lithium metal on the surfaces of the plurality of carbon fibers.
請求項1に記載のリチウム金属二次電池。The lithium metal secondary battery according to claim 1.
前記負極は高分子材料をさらに含み、The negative electrode further contains a polymer material and contains
前記高分子材料は、前記複数の炭素繊維の表面を被覆しており、The polymer material covers the surfaces of the plurality of carbon fibers.
前記高分子材料はイオン伝導性を有する、The polymer material has ionic conductivity.
請求項1または請求項2に記載のリチウム金属二次電池。The lithium metal secondary battery according to claim 1 or 2.
前記高分子材料はポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロペン共重合体である、The polymer material is a polyvinylidene fluoride-hexafluoropropene copolymer.
請求項3に記載のリチウム金属二次電池。The lithium metal secondary battery according to claim 3.
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