JP6988584B2 - 正極、非水電解質二次電池、および正極の製造方法 - Google Patents

正極、非水電解質二次電池、および正極の製造方法 Download PDF

Info

Publication number
JP6988584B2
JP6988584B2 JP2018039786A JP2018039786A JP6988584B2 JP 6988584 B2 JP6988584 B2 JP 6988584B2 JP 2018039786 A JP2018039786 A JP 2018039786A JP 2018039786 A JP2018039786 A JP 2018039786A JP 6988584 B2 JP6988584 B2 JP 6988584B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
positive electrode
oxide film
hydrated oxide
active material
electrode active
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2018039786A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2019153542A (ja
Inventor
浩司 部田
章浩 落合
友祐 福本
治成 島村
太久哉 浅利
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2018039786A priority Critical patent/JP6988584B2/ja
Priority to EP19154477.4A priority patent/EP3537512B1/en
Priority to BR102019003745-8A priority patent/BR102019003745A2/pt
Priority to RU2019105564A priority patent/RU2697269C1/ru
Priority to KR1020190025125A priority patent/KR102221028B1/ko
Priority to US16/292,562 priority patent/US11387461B2/en
Priority to CN201910162778.5A priority patent/CN110233233B/zh
Publication of JP2019153542A publication Critical patent/JP2019153542A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6988584B2 publication Critical patent/JP6988584B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04Processes of manufacture in general
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C22/00Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C22/05Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using aqueous solutions
    • C23C22/06Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using aqueous solutions using aqueous acidic solutions with pH less than 6
    • C23C22/48Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using aqueous solutions using aqueous acidic solutions with pH less than 6 not containing phosphates, hexavalent chromium compounds, fluorides or complex fluorides, molybdates, tungstates, vanadates or oxalates
    • C23C22/56Treatment of aluminium or alloys based thereon
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C22/00Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C22/05Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using aqueous solutions
    • C23C22/68Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using aqueous solutions using aqueous solutions with pH between 6 and 8
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/04Construction or manufacture in general
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • H01M10/0525Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/4235Safety or regulating additives or arrangements in electrodes, separators or electrolyte
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04Processes of manufacture in general
    • H01M4/043Processes of manufacture in general involving compressing or compaction
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04Processes of manufacture in general
    • H01M4/043Processes of manufacture in general involving compressing or compaction
    • H01M4/0435Rolling or calendering
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04Processes of manufacture in general
    • H01M4/0471Processes of manufacture in general involving thermal treatment, e.g. firing, sintering, backing particulate active material, thermal decomposition, pyrolysis
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/131Electrodes based on mixed oxides or hydroxides, or on mixtures of oxides or hydroxides, e.g. LiCoOx
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139Processes of manufacture
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/139Processes of manufacture
    • H01M4/1391Processes of manufacture of electrodes based on mixed oxides or hydroxides, or on mixtures of oxides or hydroxides, e.g. LiCoOx
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362Composites
    • H01M4/366Composites as layered products
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/485Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of mixed oxides or hydroxides for inserting or intercalating light metals, e.g. LiTi2O4 or LiTi2OxFy
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/52Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron
    • H01M4/525Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron of mixed oxides or hydroxides containing iron, cobalt or nickel for inserting or intercalating light metals, e.g. LiNiO2, LiCoO2 or LiCoOxFy
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/624Electric conductive fillers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/624Electric conductive fillers
    • H01M4/625Carbon or graphite
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/624Electric conductive fillers
    • H01M4/626Metals
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64Carriers or collectors
    • H01M4/66Selection of materials
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64Carriers or collectors
    • H01M4/66Selection of materials
    • H01M4/661Metal or alloys, e.g. alloy coatings
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64Carriers or collectors
    • H01M4/66Selection of materials
    • H01M4/664Ceramic materials
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64Carriers or collectors
    • H01M4/66Selection of materials
    • H01M4/665Composites
    • H01M4/667Composites in the form of layers, e.g. coatings
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64Carriers or collectors
    • H01M4/70Carriers or collectors characterised by shape or form
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/021Physical characteristics, e.g. porosity, surface area
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/028Positive electrodes
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Cell Electrode Carriers And Collectors (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Description

本開示は正極、非水電解質二次電池、および正極の製造方法に関する。
特開2016−072221号公報(特許文献1)は、正極集電体と正極活物質との間に、絶縁性粒子を含む中間層を配置することを開示している。
特開2016−072221号公報
正極集電体と正極活物質との間に絶縁性粒子を含む中間層を配置することにより、電池外部からの衝撃等(以下「外部入力」とも記される)により短絡が生じた場合に発熱が小さくなることが期待される。外部入力は例えば釘刺し試験等により模擬される。
中間層は正極集電体の表面に絶縁性粒子を塗布することにより形成されている。中間層は電池容量に寄与しない。そのため中間層は薄いことが望まれる。しかし絶縁性粒子の塗布により、薄い中間層を形成することは困難であると考えられる。例えば中間層の厚さを絶縁性粒子のサイズと同程度まで薄くすると、絶縁性粒子が疎らに存在するようになると考えられる。これにより発熱抑制効果が小さくなると考えられる。絶縁性粒子のサイズを小さくすることも考えられる。しかし絶縁性粒子が小さくなる程、粒子凝集が起こりやすくなる傾向がある。粒子凝集により、絶縁性粒子が疎らになると考えられる。
本開示の目的は、電池外部からの衝撃等により短絡が生じた場合に発熱を抑制することである。
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。
〔1〕本開示の正極は非水電解質二次電池用である。正極は正極集電体、導電材および正極活物質を少なくとも含む。正極活物質は正極集電体の表面に配置されている。正極集電体はアルミニウム箔およびアルミニウム水和酸化物膜を含む。アルミニウム水和酸化物膜はアルミニウム箔の表面を被覆している。アルミニウム水和酸化物膜は10nm以上500nm以下の厚さを有する。アルミニウム水和酸化物膜は10%以上50%以下の空隙率を有する。かつ導電材の少なくとも一部はアルミニウム水和酸化物膜内の空隙に配置されている。
アルミニウム(Al)水和酸化物膜はセラミックス膜である。Al水和酸化物膜は絶縁膜であり得る。Al箔と正極活物質との間にAl水和酸化物膜が配置されていることにより、外部入力による短絡時の発熱が小さくなることが期待される。以下「外部入力による短絡時」が「短絡時」と略記され得る。
Al水和酸化物膜は例えばAl箔が水熱処理されることにより形成され得る。Al水和酸化物膜は緻密であるため、500nm以下の厚さであっても十分な発熱抑制効果が期待される。ただし厚さが10nm未満になると緻密さを維持することが困難であると考えられる。そのため発熱抑制効果が小さくなる可能性がある。なお大気中におけるAl箔の自然酸化によっては10nm以上のAl水和酸化物膜は形成されないと考えられる。
Al水和酸化物膜は多孔質である。Al水和酸化物膜の内部には空隙が形成されている。空隙内には導電材が配置されている。空隙内に配置された導電材により、正極活物質とアルミニウム箔との間で電子伝導が起こり得る。したがって本開示の正極によれば、短絡時の発熱が抑制され、なおかつ所定の出力が得られると考えられる。
ただしAl水和酸化物膜の空隙率は10%以上50%以下である。空隙率が10%未満であると、空隙内に導電材を配置することが困難であると考えられる。そのため出力が低下する可能性がある。空隙率が50%を超えると、緻密さを維持することが困難であると考えられる。そのため発熱抑制効果が小さくなる可能性がある。
〔2〕導電材の少なくとも一部は、アルミニウム水和酸化物膜内の空隙を通って正極活物質からアルミニウム箔まで延びていてもよい。
導電材が正極活物質およびAl箔の両方と接触するように延びていることにより、正極活物質とAl箔との間の電子伝導経路が安定することが期待される。
〔3〕アルミニウム水和酸化物膜の組成は下記式(I):
Al23・nH2O …(I)
〔ただし式(I)中、nは0<n≦1を満たす〕
により表されてもよい。
上記式(I)に示されるように、Al水和酸化物膜は結晶水(H2O)を含む。電池が発熱した際、Al水和酸化物膜から結晶水が放出されることにより、発熱が抑制されることが期待される。なおn=1である化合物は「ベーマイト」と称されている。n=0である化合物は「アルミナ」と称されている。nの大きさによりAl水和酸化物膜の硬さ、空隙率等を調整することも可能であると考えられる。例えばnが大きい程、Al水和酸化物膜が軟らかくなり、圧縮時に大きなクラックが形成され難くなることが期待される。
〔4〕上記式(I)中、nは0.7≦n<1を満たしてもよい。nが0.7以上であることにより、発熱抑制効果が大きくなることが期待される。nが1未満であることにより、Al水和酸化物膜の緻密さが向上することが期待される。
〔5〕アルミニウム水和酸化物膜は50nm以上300nm以下の厚さを有してもよい。
厚さが50nm以上であることにより、発熱抑制効果が大きくなることが期待される。厚さが300nm以下であることにより、出力の向上が期待される。
〔6〕正極活物質はリチウムニッケル複合酸化物を含んでもよい。
リチウムニッケル複合酸化物は高出力が期待される正極活物質である。しかしリチウムニッケル複合酸化物は短絡時の発熱が大きい傾向がある。本開示の正極では、短絡時の発熱が抑制され得る。本開示の正極にリチウムニッケル複合酸化物が適用されることにより、短絡時の発熱抑制と、高出力との両立が期待される。
〔7〕本開示の非水電解質二次電池は上記〔1〕〜〔6〕のいずれか1つに記載の正極を少なくとも含む。本開示の非水電解質二次電池では、短絡時の発熱が小さいことが期待される。
〔8〕本開示の正極の製造方法は非水電解質二次電池用の正極の製造方法である。
本開示の正極の製造方法は以下の(a)〜(d)を少なくとも含む。
(a)アルミニウム箔を準備する。
(b)水熱処理によってアルミニウム箔の表面にアルミニウム水和酸化物膜を形成することにより、正極集電体を形成する。
(c)正極集電体の表面に導電材および正極活物質を配置する。
(d)導電材および正極活物質の配置後、導電材、正極活物質および正極集電体を纏めて圧縮する。
圧縮後のアルミニウム水和酸化物膜は10nm以上500nm以下の厚さを有する。圧縮後のアルミニウム水和酸化物膜は10%以上50%以下の空隙率を有する。圧縮によりアルミニウム水和酸化物膜内の空隙に、導電材の少なくとも一部が配置される。
本開示の正極の製造方法によれば、上記〔1〕〜〔5〕のいずれか1つに記載の正極が製造され得る。水熱処理によりAl水和酸化物膜が形成される。水熱処理で形成されたAl水和酸化物膜は多孔質になると考えられる。Al水和酸化物膜の表面に導電材および正極活物質が配置された後、圧縮が行われる。圧縮によりAl水和酸化物膜の厚さが調整される。さらに導電材の少なくとも一部がAl水和酸化物膜内の空隙に落ち込むと考えられる。すなわちAl水和酸化物膜内の空隙に導電材が配置されると考えられる。Al水和酸化物膜内の空隙に導電材が配置されることにより、正極活物質とAl箔との間に電子伝導経路が形成されると考えられる。
〔9〕導電材の少なくとも一部が圧縮後のアルミニウム水和酸化物膜内の空隙を通って正極活物質からアルミニウム箔まで延びるように、導電材、正極活物質および正極集電体が纏めて圧縮されてもよい。
これにより正極活物質とAl箔との間の電子伝導経路が安定することが期待される。
図1は本実施形態の正極の構成の一例を示す概略図である。 図2は本実施形態の正極の構成の一例を示す断面概念図である。 図3は本実施形態の正極の製造方法の概略を示すフローチャートである。 図4は本実施形態の非水電解質二次電池の構成の一例を示す概略図である。 図5は本実施形態の電極群の構成の一例を示す概略図である。 図6は本実施形態の負極の構成の一例を示す概略図である。 図7は釘刺し試験時の到達温度および電池抵抗と、Al水和酸化物膜の空隙率との関係を示すグラフである。 図8は釘刺し試験時の到達温度および電池抵抗と、Al水和酸化物膜の厚さとの関係を示すグラフである。
以下本開示の実施形態(本明細書では「本実施形態」とも記される)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。例えば以下、主にリチウムイオン二次電池が説明される。ただしリチウムイオン二次電池は本実施形態の非水電解質二次電池の一例に過ぎない。本実施形態の非水電解質二次電池は非水電解質を含む限り、リチウムイオン二次電池に限定されるべきではない。本実施形態の非水電解質二次電池は例えばナトリウムイオン二次電池等であってもよい。
<正極>
図1は本実施形態の正極の構成の一例を示す概略図である。
正極100は非水電解質二次電池用である。非水電解質二次電池の詳細は後述される。正極100はシート状である。正極100は正極集電体110および正極合材層120を含む。正極合材層120は正極集電体110の表面に形成されている。正極合材層120は正極集電体110の表裏両面に形成されていてもよい。図1のx軸方向において、正極集電体110が正極合材層120から突出した部分は、正極端子901(図4)との接続に利用され得る。
図2は本実施形態の正極の構成の一例を示す断面概念図である。
図2には正極集電体110と正極合材層120との界面近傍が概念的に示されている。例えば電子顕微鏡(SEM)によって正極100の断面試料が観察されることにより、図2の如き画像(断面SEM画像)が得られる。正極合材層120は正極活物質10および導電材12を含む。正極活物質10は正極集電体110の表面に配置されている。
《正極集電体》
正極集電体110はAl箔111およびAl水和酸化物膜112を含む。Al水和酸化物膜112はAl箔111の表面を被覆している。Al水和酸化物膜112は実質的にAl箔111の全面を被覆していることが望ましい。ただし短絡時の発熱が抑制され得る限り、Al水和酸化物膜112によって被覆されていない領域がAl箔111の表面に含まれていてもよい。
(アルミニウム箔)
本実施形態のAl箔111は純Al箔およびAl合金箔を含む。すなわちAl箔111は純Al箔であってもよいし、Al合金箔であってもよい。Al箔111は例えば99質量%以上のAlを含む。Al箔111は製造時に不可避的に混入する不純物を微量に含んでいてもよい。Al箔111は添加元素を含んでもよい。添加元素は例えば珪素(Si)、鉄(Fe)、銅(Cu)、マンガン(Mn)、マグネシウム(Mg)、亜鉛(Zn)、チタン(Ti)等であり得る。
例えば「JIS H 4160:アルミニウム及びアルミニウム合金はく」に規定される合金番号「1085」、「1070」、「1050」、「1N30」、「1100」、「3003」、「3004」、「8021」、「8079」等がAl箔111として使用され得る。Al箔111は例えば5μm以上50μm以下の厚さを有してもよい。Al箔111は例えば10μm以上20μm以下の厚さを有してもよい。
(アルミニウム水和酸化物膜)
Al水和酸化物膜112は絶縁膜である。Al水和酸化物膜112は短絡時の発熱を抑制すると考えられる。Al水和酸化物膜112はサブミクロンオーダーからナノオーダーの薄膜である。すなわちAl水和酸化物膜112は10nm以上500nm以下の厚さを有する。Al水和酸化物膜112が薄膜であることにより、電池容量の低下が抑制され得る。
「Al水和酸化物膜112の厚さ」はAl水和酸化物膜112の断面SEM画像において測定される。断面はAl水和酸化物膜112の厚さ方向(図2のy軸方向)と実質的に平行な断面とされる。厚さ方向と実質的に平行とは、厚さ方向とのなす角が0度以上10度以下であることを示す。断面試料の作製には例えばクロスセクションポリッシャ装置(CP)、集束イオンビーム装置(FIB)等が使用され得る。画像の倍率はAl水和酸化物膜112の厚さに応じて適宜変更され得る。画像の倍率は例えば1万倍以上20万倍以下であってもよい。厚さは20点で測定される。20点の算術平均が採用される。測点間隔は例えば100nm以上であることが望ましい。
Al水和酸化物膜112は緻密であるため、500nm以下の厚さであっても十分な発熱抑制効果が期待される。Al水和酸化物膜112の厚さが10nm未満になると緻密さを維持することが困難であると考えられる。そのため発熱抑制効果が小さくなる可能性がある。
Al水和酸化物膜112は50nm以上300nm以下の厚さを有してもよい。厚さが50nm以上であることにより、発熱抑制効果が大きくなることが期待される。厚さが300nm以下であることにより、出力の向上が期待される。Al水和酸化物膜112は例えば100nm以上の厚さを有してもよい。Al水和酸化物膜112は例えば200nm以下の厚さを有してもよい。
Al水和酸化物膜112は多孔質である。Al水和酸化物膜112には空隙が形成されている。空隙はAl水和酸化物膜112の形成時および圧縮時に形成され得る。空隙には導電材12の少なくとも一部が配置されている。そのため正極活物質10とAl箔111との間で電子伝導が起こり得ると考えられる。導電材12の少なくとも一部はAl水和酸化物膜112内の空隙を通って正極活物質10からAl箔111まで延びていてもよい。これにより正極活物質10とAl箔111との間の電子伝導経路が安定することが期待される。
Al水和酸化物膜112は10%以上50%以下の空隙率を有する。「Al水和酸化物膜112の空隙率」はAl水和酸化物膜112の断面SEM画像において測定される。厚さの測定と同様に断面SEM画像が準備される。断面SEM画像において画像処理により、Al水和酸化物膜112全体の面積、およびAl水和酸化物膜112内の空隙の合計面積がそれぞれ測定される。空隙の合計面積がAl水和酸化物膜112全体の面積で除されることにより、空隙率が算出される。空隙率は少なくとも5枚の断面SEM画像において測定される。少なくとも5枚の算術平均が採用される。断面試料の採取間隔は10μm以上であることが望ましい。
空隙率が10%未満であると、空隙内に導電材12を配置することが困難であると考えられる。そのため出力が低下する可能性がある。空隙率が50%を超えると、緻密さを維持することが困難であると考えられる。そのため発熱抑制効果が小さくなる可能性がある。Al水和酸化物膜112は例えば23%以上の空隙率を有してもよい。Al水和酸化物膜112は例えば35%以上の空隙率を有してもよい。Al水和酸化物膜112は例えば45%以下の空隙率を有してもよい。Al水和酸化物膜112は例えば40%以下の空隙率を有してもよい。
断面SEM画像において空隙の幅(図2の「W1」)は、導電材12の幅(図2の「W2」)よりも大きく、かつ正極活物質10の幅(図2の「W3」)よりも小さいことが望ましい。すなわち「W2<W1<W3」の関係が満たされることが望ましい。該構成によれば、実質的に導電材12のみが空隙に入り込むことができ、かつ正極活物質10が空隙に入り込むことができないと考えられる。正極活物質10とAl箔111とが直接接しないことにより、発熱の抑制効果が大きくなることが期待される。
W1、W2およびW3は、Al水和酸化物膜112の厚さ方向と実質的に垂直な方向(図2のx軸方向)の幅として測定される。厚さ方向と実質的に垂直とは、厚さ方向とのなす角が85度以上95度以下であることを示す。導電材12がカーボンブラックである場合、導電材12の幅はドメイン(粒子)の直径を示す。ドメインは例えば1nm以上10nm以下の直径を有し得る。正極活物質10が二次粒子である場合、正極活物質10の幅は一次粒子11の直径を示す。一次粒子11は例えば200nm以上3μm以下の直径を有し得る。
Al水和酸化物膜112はAl箔111に由来の膜であり得る。Al水和酸化物膜112は実質的にAl水和酸化物のみから形成されていてもよい。すなわちAl水和酸化物膜112は実質的にバインダを含まない膜であり得る。通常塗布により形成される中間層(特許文献1を参照のこと)にはバインダが必要である。Al水和酸化物膜112がバインダを含まないことにより、材料効率の向上が期待される。
Al水和酸化物膜112の組成は、例えばX線回折(XRD)および蛍光X線分析(XRF)により特定され得る。Al水和酸化物膜112の組成は例えば下記式(I):
Al23・nH2O …(I)
〔ただし式(I)中、nは0<n≦1を満たす〕
により表されてもよい。
上記式(I)に示されるように、Al水和酸化物膜112は結晶水(H2O)を含む。電池が発熱した際、Al水和酸化物膜112から結晶水が放出されることにより、発熱が抑制されることが期待される。上記式(I)中、nは0.7≦n<1を満たしてもよい。nが0.7以上であることにより、発熱抑制効果が大きくなることが期待される。nが1未満であることにより、Al水和酸化物膜112の緻密さが向上することが期待される。nの大きさによりAl水和酸化物膜112の空隙率を調整することも可能であると考えられる。
《正極合材層》
正極合材層120は例えば10μm以上200μm以下の厚さを有してもよい。正極合材層120は例えば100μm以上200μm以下の厚さを有してもよい。正極合材層120は例えば3.0g/cm3以上4.0g/cm3以下の密度を有してもよい。正極合材層120は例えば3.5g/cm3以上3.9g/cm3以下の密度を有してもよい。正極合材層120は正極活物質10を少なくとも含む。正極合材層120は導電材12およびバインダ(不図示)をさらに含んでもよい。正極合材層120に含まれる導電材12は、導電材12の一部である。前述のように導電材12の少なくとも一部は、Al水和酸化物膜112内の空隙に配置されている。
(正極活物質)
正極活物質10は電荷担体を吸蔵し、放出する。本実施形態の電荷担体はリチウムイオンである。正極活物質10は典型的には二次粒子(一次粒子11の凝集体)である。二次粒子は例えば3μm以上30μm以下のd50を有してもよい。「d50」はレーザ回折散乱法によって測定される粒度分布において微粒側からの積算粒子体積が全粒子体積の50%になる粒径を示す。
正極活物質10は特に限定されるべきではない。正極活物質10は各種の結晶構造を有し得る。正極活物質10の結晶構造は例えばXRDにより特定され得る。正極活物質10は例えば層状岩塩型、スピネル型、オリビン型等の結晶構造を有してもよい。正極活物質10は例えばリチウムコバルト複合酸化物(例えばLiCoO2等)、リチウムマンガン複合酸化物(例えばLiMn24、LiMnO2等)、リチウムリン酸塩(例えばLiFePO4等)等を含んでもよい。正極活物質10は実質的に1種の化合物を含んでもよい。正極活物質10は2種以上の化合物を含んでもよい。
正極活物質10はリチウムニッケル複合酸化物を含んでもよい。リチウムニッケル複合酸化物は例えば層状岩塩型の結晶構造を有し得る。リチウムニッケル複合酸化物は高出力が期待される正極活物質である。しかしリチウムニッケル複合酸化物は短絡時の発熱が大きい傾向がある。前述のように本実施形態の正極100では、短絡時の発熱が抑制され得る。本実施形態の正極100にリチウムニッケル複合酸化物が適用されることにより、短絡時の発熱抑制と、高出力との両立が期待される。
リチウムニッケル複合酸化物の組成は、例えば誘導結合プラズマ発光分光分析法(ICP−AES)により特定され得る。リチウムニッケル複合酸化物の組成は例えば下記式(II):
LiNix1-x2 …(II)
〔ただし式(II)中、xは1/3≦x≦1を満たし、
MはCo、MnおよびAlからなる群より選択される少なくとも1種である。〕
により表されてもよい。
上記式(II)により表されるリチウム複合酸化物としては、例えば、LiNi1/3Co1/3Mn1/32、LiNi0.4Co0.3Mn0.32、LiNi0.5Co0.2Mn0.32、LiNi0.5Co0.3Mn0.22、LiNi0.6Co0.2Mn0.22、LiNi0.6Co0.3Mn0.12、LiNi0.6Co0.1Mn0.32、LiNi0.7Co0.2Mn0.12、LiNi0.8Co0.15Al0.052、LiNi0.8Co0.17Al0.032、LiNiO2等が挙げられる。
(導電材)
導電材12は電子伝導性を有する。導電材12は電子伝導経路を形成する。導電材12は例えばカーボンブラック(例えばアセチレンブラック、ファーネスブラック、サーマルブラック等)、炭素短繊維等であってもよい。導電材12の含量は100質量部の正極活物質に対して、例えば0.1質量部以上10質量部以下であってもよい。
(バインダ)
バインダは正極集電体110と正極合材層120とを結着する。バインダは正極合材層120内の構成要素同士を結着する。バインダは特に限定されるべきではない。バインダは例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)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ポリアクリル酸(PAA)等であってもよい。1種のバインダが単独で使用されてもよい。2種以上のバインダが組み合わされて使用されてもよい。バインダの含量は100質量部の正極活物質に対して、例えば0.1質量部以上10質量部以下であってもよい。
<正極の製造方法>
以下本実施形態の正極の製造方法が説明される。図3は本実施形態の正極の製造方法の概略を示すフローチャートである。本実施形態の正極の製造方法は、「(a)Al箔の準備」、「(b)水熱処理」、「(c)導電材および正極活物質の配置」および「(d)圧縮」を少なくとも含む。
《(a)Al箔の準備》
本実施形態の正極の製造方法は、Al箔111を準備することを含む。Al箔111の詳細は前述のとおりである。市販のAl箔111が購入されることにより、Al箔111が準備されてもよい。Al箔111が製造されてもよい。
《(b)水熱処理》
本実施形態の正極の製造方法は、水熱処理によってAl箔111の表面にAl水和酸化物膜112を形成することにより、正極集電体110を形成することを含む。
水熱処理を行うための処理浴が準備される。処理浴に処理液が投入される。処理液は例えば水(例えばイオン交換水等)であってもよい。処理液が水のみであると、上記式(I)においてn=1であるAl水和酸化物膜112が形成されると考えられる。
水に酸およびアルカリの少なくとも一方が添加されてもよい。酸およびアルカリにより、Al水和酸化物膜112の結晶水量〔すなわち上記式(I)のn〕が調整され得る。例えば硫酸の添加により、Al水和酸化物が脱水され、上記式(I)においてnが1未満であるAl水和酸化物膜112が形成され得る。またこれによりAl水和酸化物膜112の空隙率も調整され得る。酸は例えば硫酸、シュウ酸、ホウ酸等であってもよい。アルカリは例えば水酸化アンモニウム、フッ化アンモニウム、水酸化ナトリウム等であってもよい。1種の酸およびアルカリが単独で使用されてもよい。2種以上の酸およびアルカリが組み合わされて使用されてもよい。すなわち、硫酸、シュウ酸、ホウ酸、水酸化アンモニウム、フッ化アンモニウムおよび水酸化ナトリウムからなる群より選択される少なくとも1種が処理液に添加されてもよい。添加量は例えば1質量%以上5質量%以下であってもよい。
処理液にAl箔111が浸漬される。処理液の温度によりAl水和酸化物膜112の空隙率が調整され得る。温度が高い程、空隙率が高くなる傾向がある。処理液の温度は例えば70℃以上100℃以下であってもよい。浸漬時間によりAl水和酸化物膜112の厚さが調整され得る。浸漬時間が長い程、Al水和酸化物膜112が厚くなる傾向がある。浸漬時間は例えば0.1分以上10分以下であってもよい。圧縮前のAl水和酸化物膜112は例えば18nm以上900nm以下の厚さを有するように形成されてもよい。
《(c)導電材および正極活物質の配置》
本実施形態の正極の製造方法は、正極集電体110の表面に導電材12および正極活物質10を配置することを含む。導電材12および正極活物質10の詳細は前述のとおりである。導電材12および正極活物質10の配置方法は特に限定されるべきではない。例えば導電材12および正極活物質10を含むペーストが正極集電体110の表面に塗布され、乾燥されてもよい。ペーストの塗布および乾燥により正極合材層120が形成され得る。正極合材層120は電池1000(図4)の仕様に合わせて、正極集電体110の表面の所定領域に形成され得る。
《(d)圧縮》
本実施形態の正極の製造方法は、導電材12および正極活物質10の配置後、導電材12、正極活物質10および正極集電体110を纏めて圧縮することを含む。圧縮は例えば圧延ローラにより実施され得る。
圧縮は以下の条件(i)〜(iii)が満たされるように実施される。
(i)圧縮後のAl水和酸化物膜112が10nm以上500nm以下の厚さを有する。
(ii)圧縮後のAl水和酸化物膜112が10%以上50%以下の空隙率を有する。
(iii)圧縮によりAl水和酸化物膜112内の空隙に、導電材12の少なくとも一部が配置される。
例えば圧縮前のAl水和酸化物膜112の厚さ、空隙率に合わせて、圧延ローラの線圧およびロールギャップ等が調整される。線圧は例えば10t/cm以上11t/cm以下の範囲内で調整され得る。Al水和酸化物膜112の圧縮比は例えば0.5以上0.91以下であってもよい。「圧縮比」は圧縮後の厚さが圧縮前の厚さで除された値を示す。導電材12の少なくとも一部が圧縮後のAl水和酸化物膜112内の空隙を通って正極活物質10からAl箔111まで延びるように圧縮が行われてもよい。導電材12の配置状態は、圧縮前の厚さ、圧縮前の空隙率および圧縮比等の組み合わせにより調整され得る。
以上より本実施形態の正極100が製造され得る。正極100は電池1000の仕様に合わせて、所定の外形寸法を有するように切断されてもよい。
<非水電解質二次電池>
図4は本実施形態の非水電解質二次電池の構成の一例を示す概略図である。
電池1000は非水電解質二次電池である。電池1000はケース1001を含む。ケース1001は密閉されている。ケース1001は角形(扁平直方体)である。ただしケース1001は例えば円筒形であってもよい。ケース1001は例えばアルミラミネートフィルム製のパウチ等であってもよい。
ケース1001は容器1002および蓋1003を含む。蓋1003は例えばレーザ溶接により容器1002と接合されている。蓋1003には正極端子901および負極端子902が設けられている。蓋1003には、注液口、ガス排出弁、電流遮断機構(current interrupt device,CID)等がさらに設けられていてもよい。ケース1001は電極群500および非水電解質(不図示)を収納している。
《電極群》
図5は本実施形態の電極群の構成の一例を示す概略図である。
電極群500は巻回型である。電極群500は、正極100、セパレータ300、負極200およびセパレータ300がこの順序で積層され、さらにこれらが渦巻状に巻回されることにより形成されている。すなわち電池1000は正極100を少なくとも含む。正極100の詳細は前述のとおりである。電池1000が本実施形態の正極100を含むことにより、短絡時の発熱が小さくなることが期待される。
電極群500は積層(スタック)型であってもよい。すなわち電極群500は、正極100および負極200が交互にそれぞれ1枚以上積層されることにより形成されていてもよい。正極100および負極200の各間にはセパレータ300がそれぞれ配置される。
《負極》
図6は本実施形態の負極の構成の一例を示す概略図である。
電池1000は負極200を少なくとも含む。負極200はシート状である。負極200は負極集電体210および負極合材層220を含む。負極合材層220は負極集電体210の表面に形成されている。負極合材層220は負極集電体210の表裏両面に形成されていてもよい。
負極集電体210は例えば銅(Cu)箔等であってもよい。負極集電体210は例えば5μm以上50μm以下の厚さを有してもよい。図6のx軸方向において、負極集電体210が負極合材層220から突出した部分は、負極端子902(図4)との接続に利用され得る。
負極合材層220は例えば10μm以上200μm以下の厚さを有してもよい。負極合材層220は負極活物質を少なくとも含む。負極合材層220はバインダをさらに含んでもよい。
負極活物質は電荷担体を吸蔵し、放出する。負極活物質は例えば3μm以上30μm以下のd50を有してもよい。負極活物質は特に限定されるべきではない。負極活物質は例えば黒鉛、易黒鉛化性炭素、難黒鉛化性炭素、珪素、酸化珪素、珪素基合金、錫、酸化錫、錫基合金等であってもよい。1種の負極活物質が単独で使用されてもよい。2種以上の負極活物質が組み合わされて使用されてもよい。バインダも特に限定されるべきではない。バインダは例えばCMCおよびスチレンブタジエンゴム(SBR)等であってもよい。バインダの含量は100質量部の負極活物質に対して、例えば0.1質量部以上10質量部以下であってもよい。
《セパレータ》
電池1000はセパレータ300を含んでもよい。セパレータ300は正極100および負極200の間に配置される。セパレータ300は多孔質膜である。セパレータ300は電気絶縁性である。セパレータ300は例えば5μm以上50μm以下の厚さを有してもよい。
セパレータ300は例えばポリオレフィン製であってもよい。セパレータ300は例えばポリエチレン(PE)製であってもよい。セパレータ300はポリプロピレン(PP)製であってもよい。セパレータ300は例えば単層構造を有してもよい。セパレータ300は例えばPE製の多孔質膜のみから形成されていてもよい。セパレータ300は例えば多層構造を有してもよい。セパレータ300は例えばPP製の多孔質膜、PE製の多孔質膜およびPP製の多孔質膜がこの順序で積層されることにより形成されていてもよい。セパレータ300はその表面に耐熱膜を含んでもよい。耐熱膜は耐熱材料を含む膜である。耐熱材料は例えばアルミナ、ベーマイト、チタニア、シリカ、ポリイミド等であってもよい。
《非水電解質》
電池1000は非水電解質を少なくとも含む。非水電解質は電解液であってもよい。非水電解質はゲル電解質であってもよい。非水電解質は固体電解質であってもよい。本明細書では一例として電解液が説明される。
電解液はリチウム塩および溶媒を少なくとも含む。電解液は例えば0.5mоl/L以上2mоl/L以下(0.5M以上2M以下)のリチウム塩を含んでもよい。リチウム塩は支持電解質である。リチウム塩は溶媒に溶解している。リチウム塩は、例えばLiPF6、LiBF4、Li[N(FSO22]、Li[N(CF3SO22]等であってもよい。1種のリチウム塩が単独で使用されてもよい。2種以上のリチウム塩が組み合わされて使用されてもよい。
溶媒は非プロトン性である。溶媒は例えば環状カーボネートおよび鎖状カーボネートの混合物であってもよい。混合比は例えば「環状カーボネート:鎖状カーボネート=1:9〜5:5(体積比)」であってもよい。
環状カーボネートは、例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)、フルオロエチレンカーボネート(FEC)等であってもよい。1種の環状カーボネートが単独で使用されてもよい。2種以上の環状カーボネートが組み合わされて使用されてもよい。
鎖状カーボネートは、例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。1種の鎖状カーボネートが単独で使用されてもよい。2種以上の鎖状カーボネートが組み合わされて使用されてもよい。
溶媒は、例えばラクトン、環状エーテル、鎖状エーテル、カルボン酸エステル等を含んでもよい。ラクトンは、例えばγ−ブチロラクトン(GBL)、δ−バレロラクトン等であってもよい。環状エーテルは、例えばテトラヒドロフラン(THF)、1,3−ジオキソラン、1,4−ジオキサン等であってもよい。鎖状エーテルは、1,2−ジメトキシエタン(DME)等であってもよい。カルボン酸エステルは、例えばメチルホルメート(MF)、メチルアセテート(MA)、メチルプロピオネート(MP)等であってもよい。
電解液はリチウム塩および溶媒に加えて、各種の機能性添加剤をさらに含んでもよい。電解液は例えば1質量%以上5質量%以下の機能性添加剤を含んでもよい。機能性添加剤としては、例えばガス発生剤(過充電添加剤)、SEI(solid electrolyte interface)膜形成剤等が挙げられる。ガス発生剤は、例えばシクロヘキシルベンゼン(CHB)、ビフェニル(BP)等であってもよい。SEI膜形成剤は、例えばビニレンカーボネート(VC)、ビニルエチレンカーボネート(VEC)、Li[B(C242]、LiPO22、プロパンサルトン(PS)、エチレンサルファイト(ES)等であってもよい。
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。
<正極の製造>
《実施例1》
1−1.(a)Al箔の準備
Al箔111(合金番号 1085、厚さ 15μm)が準備された。Al箔111の幅寸法(図1のx軸方向の寸法)は130mmである。
1−2.(b)水熱処理
処理浴が準備された。処理液はイオン交換水である。処理液の温度は90℃である。処理液にAl箔111が2分間浸漬された。これによりAl箔111の表面にAl水和酸化物膜112が形成された。すなわち正極集電体110が形成された。Al水和酸化物膜112は180nmの厚さを有する。
1−3.(c)導電材および正極活物質の配置
以下の材料が準備された。
正極活物質10:リチウムニッケル複合酸化物
導電材12:アセチレンブラック(粉状品)
バインダ:PVdF
溶媒:NMP
正極活物質10、導電材12、バインダおよび溶媒が混合されることにより、ペーストが調製された。ペーストが正極集電体110の表面(表裏両面)に塗布され、乾燥されることにより正極合材層120が形成された。すなわち正極集電体110の表面に導電材12および正極活物質10が配置された。正極合材層120は「正極活物質:導電材:バインダ=98:1:1(質量比)」の組成を有する。正極合材層120の目付(単位面積あたりの質量)は25mg/cm2である。正極合材層120の幅寸法(図1のx軸方向の寸法)は110mmである。
1−4.(d)圧縮
圧延ローラが準備された。圧延ローラにより正極集電体110および正極合材層120が纏めて圧縮された。すなわち導電材12、正極活物質10および正極集電体110が纏めて圧縮された。圧延ローラの線圧は11t/cmである。圧縮後の正極合材層120の密度は3.7g/cm3である。以上より正極100が製造された。
前述の方法によりAl水和酸化物膜112の厚さ、空隙率および組成が測定された。結果は下記表1に示される。断面SEM画像において、導電材12の一部がAl水和酸化物膜112内の空隙に配置されていることが確認された。
《実施例2〜14》
下記表1に示されるように、水熱処理条件が変更されることを除いては、実施例1と同様に正極100が製造された。実施例12〜14では希硫酸が処理液として使用されている。希硫酸はイオン交換水に硫酸が添加されることにより調製されている。
《比較例1》
下記表1に示される水熱処理条件により、Al箔111に水熱処理が施された。しかし該条件によってはAl水和酸化物膜112が実質的に形成されていなかった。その後、実施例1と同様に正極100が製造された。
《比較例2》
Al箔111に水熱処理が施されないことを除いては、実施例1と同様に正極100が製造された。
《比較例3〜5》
下記表1に示されるように、水熱処理条件および圧縮条件が変更されることを除いては、実施例1と同様に正極100が製造された。
<非水電解質二次電池の製造>
2.負極の製造
以下の材料が準備された。
負極活物質:天然黒鉛
バインダ:CMCおよびSBR
溶媒:イオン交換水
負極集電体210:Cu箔(厚さ 10μm、幅寸法 132mm)
ここでの幅寸法は図6のx軸方向の寸法を示す。
負極活物質、バインダおよび溶媒が混合されることにより、ペーストが調製された。ペーストが負極集電体210の表面(表裏両面)に塗布され、乾燥されることにより負極合材層220が形成された。負極合材層220の目付は20mg/cm2である。負極合材層220の幅寸法(図6のx軸方向の寸法)は112mmである。以上より負極200が製造された。
3.セパレータの準備
PE製の多孔質膜(幅寸法 120mm、厚さ 20μm)が準備された。耐熱材料としてアルミナが準備された。耐熱材料、バインダおよび溶媒が混合されることにより、ペーストが調製された。ペーストがセパレータ300の表面に塗布され、乾燥されることにより、耐熱膜が形成された。耐熱膜は4μmの厚さを有する。以上よりセパレータ300が準備された。
4.電解液の準備
電解液が準備された。電解液は以下の組成を有する。
リチウム塩:LiPF6(1mоl/l)
溶媒:[EC:EMC:DEC=3:4:3(体積比)]
5.組み立て
正極100、セパレータ300、負極200およびセパレータ300がこの順序で積層され、さらにこれらが渦巻状に巻回された。これにより電極群500が形成された。
ケース1001が準備された。ケース1001は角形である。ケース1001は、高さ寸法(75mm)×幅寸法(120mm)×奥行寸法(15mm)の外形寸法を有する。高さ寸法は図4のz軸方向の寸法である。幅寸法は図4のx軸方向の寸法である。奥行寸法は図4のy軸方向の寸法である。ケース1001は1mmの肉厚を有する。
ケース1001に電極群500が収納された。ケース1001に電解液が注入された。ケース1001が密閉された。以上より電池1000(非水電解質二次電池)が製造された。電池1000は、3.0〜4.1Vの範囲で5Ahの定格容量を有するように設計されている。
6.仕上げ充放電
25℃環境において、1Cの電流レートにより電池1000が4.2Vまで充電された。「1C」の電流レートでは定格容量が1時間で充電される。5分間の休止を挟んで、1Cの電流レートにより電池1000が3.0Vまで放電された。
さらに以下の定電流−定電圧(CC−CV)方式充電およびCC−CV方式放電により、電池1000の初期容量が確認された。
CC−CV方式充電:CC=1C、CV=4.1V、0.01Cカット
CC−CV方式放電:CC=1C、CV=3.0V、0.01Cカット
<評価>
《釘刺し試験》
電池1000のSOC(state of charge)が100%に調整された。釘が準備された。釘は3mmの胴部径および1mmの先端部Rを有する。釘が1mm/sの速度で電池1000に刺し込まれた。電池1000の到達温度が測定された。到達温度は釘が刺し込まれてから、1秒後の電池1000の表面温度を示す。到達温度は下記表1に示される。到達温度が低い程、電池外部からの衝撃により短絡が生じた場合に発熱が抑制されていると考えられる。
《電池抵抗》
電池1000のSOCが50%に調整された。10Cの電流レートにより電池1000が10秒間放電された。放電開始から10秒後の電圧降下量が測定された。電圧降下量と電流レートとの関係から電池抵抗が算出された。電池抵抗は下記表1に示される。電池抵抗が低い程、Al箔111と正極活物質10との間の電子伝導が良好であると考えられる。
Figure 0006988584
<結果>
図7は釘刺し試験時の到達温度および電池抵抗と、Al水和酸化物膜の空隙率との関係を示すグラフである。空隙率が10%以上50%以下の範囲において、発熱が小さい傾向が認められる。60%の空隙率では発熱が大きい。Al水和酸化物膜112が緻密でないためと考えられる。5%の空隙率では電池抵抗が高い。導電材12が空隙に配置され難いためと考えられる。また5%の空隙率では発熱も大きい。Al水和酸化物膜112が過度に緻密であるために、圧縮時に、一次粒子11(正極活物質10)の幅よりも大きなクラックが形成されていると考えられる。
図8は釘刺し試験時の到達温度および電池抵抗と、Al水和酸化物膜の厚さとの関係を示すグラフである。厚さが10nm以上500nm以下の範囲において、発熱が小さい傾向が認められる。厚さが50nm以上の範囲において、発熱がいっそう小さくなる傾向が認められる。5nmの厚さでは発熱が大きい。Al水和酸化物膜112が緻密でないためと考えられる。厚さが300nm以下の範囲において、電池抵抗が低い傾向が認められる。
今回開示された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。
10 正極活物質、11 一次粒子、12 導電材、100 正極、110 正極集電体、111 Al箔(アルミニウム箔)、112 Al水和酸化物膜(アルミニウム水和酸化物膜)、120 正極合材層、200 負極、210 負極集電体、220 負極合材層、300 セパレータ、500 電極群、901 正極端子、902 負極端子、1000 電池(非水電解質二次電池)、1001 ケース、1002 容器、1003 蓋。

Claims (9)

  1. 非水電解質二次電池用の正極であって、
    正極集電体、導電材および正極活物質を少なくとも含み、
    前記正極活物質は前記正極集電体の表面に配置されており、
    前記正極集電体はアルミニウム箔およびアルミニウム水和酸化物膜を含み、
    前記アルミニウム水和酸化物膜は前記アルミニウム箔の表面を被覆しており、
    前記アルミニウム水和酸化物膜は10nm以上500nm以下の厚さを有し、
    前記アルミニウム水和酸化物膜は10%以上50%以下の空隙率を有し、かつ
    前記導電材の少なくとも一部は前記アルミニウム水和酸化物膜内の空隙に配置されている、
    正極。
  2. 前記導電材の少なくとも一部は、前記アルミニウム水和酸化物膜内の前記空隙を通って前記正極活物質から前記アルミニウム箔まで延びている、
    請求項1に記載の正極。
  3. 前記アルミニウム水和酸化物膜の組成は下記式(I):
    Al23・nH2O …(I)
    〔ただし式(I)中、nは0<n≦1を満たす〕
    により表される、
    請求項1または請求項2に記載の正極。
  4. 上記式(I)中、nは0.7≦n<1を満たす、
    請求項3に記載の正極。
  5. 前記アルミニウム水和酸化物膜は50nm以上300nm以下の厚さを有する、
    請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の正極。
  6. 前記正極活物質はリチウムニッケル複合酸化物を含む、
    請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の正極。
  7. 請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の前記正極を少なくとも含む、
    非水電解質二次電池。
  8. 非水電解質二次電池用の正極の製造方法であって、
    アルミニウム箔を準備すること、
    水熱処理によって前記アルミニウム箔の表面にアルミニウム水和酸化物膜を形成することにより、正極集電体を形成すること、
    前記正極集電体の表面に導電材および正極活物質を配置すること、
    および
    前記導電材および前記正極活物質の配置後、前記導電材、前記正極活物質および前記正極集電体を纏めて圧縮すること、
    を少なくとも含み、
    圧縮後の前記アルミニウム水和酸化物膜は10nm以上500nm以下の厚さを有し、
    圧縮後の前記アルミニウム水和酸化物膜は10%以上50%以下の空隙率を有し、
    圧縮により前記アルミニウム水和酸化物膜内の空隙に、前記導電材の少なくとも一部が配置される、
    正極の製造方法。
  9. 前記導電材の少なくとも一部が圧縮後の前記アルミニウム水和酸化物膜内の前記空隙を通って前記正極活物質から前記アルミニウム箔まで延びるように、前記導電材、前記正極活物質および前記正極集電体が纏めて圧縮される、
    請求項8に記載の正極の製造方法。
JP2018039786A 2018-03-06 2018-03-06 正極、非水電解質二次電池、および正極の製造方法 Active JP6988584B2 (ja)

Priority Applications (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018039786A JP6988584B2 (ja) 2018-03-06 2018-03-06 正極、非水電解質二次電池、および正極の製造方法
EP19154477.4A EP3537512B1 (en) 2018-03-06 2019-01-30 Positive electrode, non-aqueous electrolyte secondary battery, and method of producing positive electrode
BR102019003745-8A BR102019003745A2 (pt) 2018-03-06 2019-02-25 Eletrodo positivo, bateria secundária de eletrólito não aquoso e método de produção de eletrodo positivo
RU2019105564A RU2697269C1 (ru) 2018-03-06 2019-02-27 Положительный электрод, аккумуляторная батарея с неводным электролитом и способ изготовления положительного электрода
KR1020190025125A KR102221028B1 (ko) 2018-03-06 2019-03-05 정극, 비수 전해질 이차전지, 및 정극의 제조 방법
US16/292,562 US11387461B2 (en) 2018-03-06 2019-03-05 Positive electrode, non-aqueous electrolyte secondary battery, and method of producing positive electrode
CN201910162778.5A CN110233233B (zh) 2018-03-06 2019-03-05 正极、非水电解质二次电池、以及正极的制造方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018039786A JP6988584B2 (ja) 2018-03-06 2018-03-06 正極、非水電解質二次電池、および正極の製造方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2019153542A JP2019153542A (ja) 2019-09-12
JP6988584B2 true JP6988584B2 (ja) 2022-01-05

Family

ID=65268799

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018039786A Active JP6988584B2 (ja) 2018-03-06 2018-03-06 正極、非水電解質二次電池、および正極の製造方法

Country Status (7)

Country Link
US (1) US11387461B2 (ja)
EP (1) EP3537512B1 (ja)
JP (1) JP6988584B2 (ja)
KR (1) KR102221028B1 (ja)
CN (1) CN110233233B (ja)
BR (1) BR102019003745A2 (ja)
RU (1) RU2697269C1 (ja)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6766854B2 (ja) * 2018-10-10 2020-10-14 トヨタ自動車株式会社 正極、非水電解質二次電池、および正極の製造方法
WO2021225998A1 (en) * 2020-05-03 2021-11-11 Venkatraman Prabhakar Systems and methods of fabricating a lithium ion cell
US12015142B2 (en) 2020-05-03 2024-06-18 Venkatraman Prabhakar Methods involving use of nitrogen-containing plasma to treat liquid electrolyte lithium-ion cathode materials
CN116454285A (zh) * 2023-06-16 2023-07-18 中节能万润股份有限公司 一种降低钠离子电池层状正极材料表面残碱的方法及应用

Family Cites Families (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5162175A (en) * 1989-10-13 1992-11-10 Visco Steven J Cell for making secondary batteries
JP4250809B2 (ja) 1998-05-28 2009-04-08 パナソニック株式会社 リチウム二次電池とその正極板の製造法
DE60114524T2 (de) * 2000-08-08 2006-07-27 Canon K.K. Elektrophotographisches, lichtempfindliches Element, Verfahren zu seiner Herstellung, Prozesskartusche, und elektrophotgraphischer Apparat
JP2002322570A (ja) * 2001-04-25 2002-11-08 Hitachi Ltd 高耐食性アルミニウム材及びその表面処理方法
JP3959708B2 (ja) * 2001-11-19 2007-08-15 株式会社デンソー リチウム電池用正極の製造方法およびリチウム電池用正極
WO2005035829A1 (ja) * 2003-10-14 2005-04-21 Nippon Light Metal Company, Ltd., 耐食アルミ導電性材料及びその製造方法
JP2005197149A (ja) * 2004-01-09 2005-07-21 Toyota Motor Corp リチウム電池処理方法
JP2008103132A (ja) * 2006-10-18 2008-05-01 Furukawa Sky Kk リチウムイオン電池の集電体用アルミニウム箔及びそれを用いたリチウムイオン電池
JP4466673B2 (ja) * 2007-03-29 2010-05-26 Tdk株式会社 リチウムイオン2次電池用正極の製造方法
JP2010043333A (ja) * 2008-08-14 2010-02-25 Furukawa-Sky Aluminum Corp 正極集電体用アルミニウム箔
US9514887B2 (en) * 2009-11-11 2016-12-06 Hitachi Metals, Ltd. Aluminum foil with carbonaceous particles dispersed and supported therein
WO2011121967A1 (ja) 2010-03-30 2011-10-06 パナソニック株式会社 キャパシタ用電極体およびその製造方法とこの電極体を用いたキャパシタ
US20120082904A1 (en) * 2010-09-30 2012-04-05 Brown Gilbert M High energy density aluminum battery
KR101472873B1 (ko) * 2011-02-10 2014-12-15 쇼와 덴코 가부시키가이샤 집전체
JP5883288B2 (ja) * 2011-02-18 2016-03-09 住友電気工業株式会社 集電体用三次元網状アルミニウム多孔体、該アルミニウム多孔体を用いた集電体、電極、非水電解質電池、キャパシタ及びリチウムイオンキャパシタ
WO2013031331A1 (ja) * 2011-08-29 2013-03-07 トヨタ自動車株式会社 ナトリウム電池用正極活物質及びその製造方法
JP5893410B2 (ja) * 2012-01-06 2016-03-23 株式会社Uacj 非水電解質二次電池用多孔質アルミニウム集電体の製造方法、ならびに、非水電解質二次電池用正極の製造方法
JP5834940B2 (ja) * 2012-01-18 2015-12-24 トヨタ自動車株式会社 非水電解質二次電池用のセパレータ、及び非水電解質二次電池
JP2015109214A (ja) * 2013-12-05 2015-06-11 株式会社豊田自動織機 集電体およびリチウムイオン二次電池
WO2015094847A1 (en) * 2013-12-17 2015-06-25 Dow Global Technologies Llc Improved lithium metal oxide cathode materials and method to make them
JP6542031B2 (ja) 2014-09-29 2019-07-10 パナソニック株式会社 非水電解質二次電池用正極及び非水電解質二次電池
JP6486867B2 (ja) * 2016-06-02 2019-03-20 太陽誘電株式会社 電気化学デバイス用電極及び電気化学デバイス用電極の製造方法
JP6493313B2 (ja) * 2016-06-13 2019-04-03 トヨタ自動車株式会社 全固体電池の製造方法
WO2018043086A1 (ja) 2016-08-31 2018-03-08 花王株式会社 口腔用組成物及び口腔内歯垢分散剤
WO2018179899A1 (ja) * 2017-03-31 2018-10-04 パナソニックIpマネジメント株式会社 二次電池
CN107394113A (zh) * 2017-06-07 2017-11-24 天津中科先进技术研究院有限公司 一种改善动力锂离子电池安全性能的表涂、表涂应用以及动力锂离子电池

Also Published As

Publication number Publication date
KR20190106736A (ko) 2019-09-18
BR102019003745A2 (pt) 2019-09-17
US11387461B2 (en) 2022-07-12
US20190280305A1 (en) 2019-09-12
RU2697269C1 (ru) 2019-08-13
JP2019153542A (ja) 2019-09-12
CN110233233B (zh) 2022-07-26
EP3537512B1 (en) 2023-02-22
EP3537512A1 (en) 2019-09-11
KR102221028B1 (ko) 2021-03-02
CN110233233A (zh) 2019-09-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10727528B2 (en) Method of producing lithium ion secondary battery
KR102221028B1 (ko) 정극, 비수 전해질 이차전지, 및 정극의 제조 방법
JP5692174B2 (ja) 非水電解質二次電池及び非水電解質二次電池の製造方法
JP2007335143A (ja) リチウムイオン二次電池
JP2019179724A (ja) 二次電池
CN110323419B (zh) 负极材料、非水性电解质二次电池及其制造方法
KR102243458B1 (ko) 비수 전해질 이차전지, 및, 비수 전해질 이차전지의 제조 방법
JP5741936B2 (ja) リチウムイオン二次電池
KR102133768B1 (ko) 비수전해질 이차 전지 및 그 제조 방법
JP5843107B2 (ja) 非水電解液二次電池の製造方法
JP6889409B2 (ja) 非水電解質二次電池
US11909049B2 (en) Positive electrode, non-aqueous electrolyte secondary battery, and method of producing positive electrode
US9960459B2 (en) Method of manufacturing nonaqueous electrolyte secondary battery
CN110380055B (zh) 正极、非水电解质二次电池以及正极的制造方法
JP7000239B2 (ja) 正極活物質粒子、正極、リチウムイオン二次電池、および正極活物質粒子の製造方法
JP6683221B2 (ja) 負極、非水電解液二次電池、および負極の製造方法
JP2017216128A (ja) 極板、及び蓄電素子、並びに極板の製造方法
JPWO2015045400A1 (ja) 偏平形非水電解質二次電池及びそれを用いた組電池
JP6992614B2 (ja) 正極、リチウムイオン二次電池、および正極の製造方法
JP6702345B2 (ja) リチウムイオン二次電池
JP6822159B2 (ja) 非水電解質、非水電解質蓄電素子

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20201125

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20211020

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20211102

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20211115

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 6988584

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151