JP7070400B2 - リチウム二次電池用負極およびリチウム二次電池 - Google Patents
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Description
またSi合金を含む負極はSiOχを含む負極よりも初回充放電効率が高く、真密度も高いため、電極密度を高めることは可能であるが、サイクル寿命が短いという課題があった。
(1)リチウム二次電池用負極の構成
図1には、本発明の一実施形態例にかかるリチウム二次電池用負極1の模式的断面図を示す。図1に示したリチウム二次電池用負極1は負極活物質層2a、2b、負極集電体3を備える。負極活物質層2a、2bは、少なくとも第1粒子4と第2粒子5と結着剤6を含み、第1粒子4は、SiOχ(0<χ<2.0)からなり、第2粒子5は、Si合金からなる。前記Si合金は、Siと、Li、Mn、Fe、Co、Ni以外の金属元素、半金属元素から選ばれる少なくとも1種類以上の元素を含む。そして、第1粒子4の中心粒径D50が第2粒子5の中心粒径D50よりも大きいことを特徴とする。
本実施形態例の負極活物質としては、第1粒子は、SiOχ(0<χ<2.0)であり、クラスター構造であっても、アモルファス構造であってもよく、さらに粒子表面が導電性材料で被覆されていてもよい。導電性材料としては黒鉛、非晶質炭素、ダイヤモンド状炭素、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等の炭素材料や、金属材料、合金系材料、酸化物系材料であってもよい。
結着剤6としては、ポリイミド、ポリアミド、ポリアクリル酸、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、カルボキシメチルセルロース、変性アクリロニトリルゴム粒子等を用いることができる。使用する負極用結着剤の量は、トレードオフの関係にある「十分な結着力」と「高エネルギー化」の観点から、負極活物質100質量部に対して、7~20質量部が好ましい。
負極活物質層には、負極活物質としての第1粒子4及び第2粒子5、結着剤6に加えて、導電助材を添加しても良い。導電助剤としては、カーボンブラック、炭素繊維または黒鉛等のうちの1種、または2種以上の組み合せを用いることができる。
負極集電体3としては、銅、ステンレス鋼、ニッケル、コバルト、チタン、ガドリニウムまたはこれらの合金を用いることができ、特にステンレス鋼が好ましい。ステンレス鋼としては、マルテンサイト系、フェライト系、オーステナイト・フェライト二相系等を用いることができ、例えばマルテンサイト系では、JIS400番台、クロム含有率13%のSUS420J2、フェライト系では、同じくJIS400番台、クロム含有率17%のSUS430、オーステナイト・フェライト二相系では、JIS300番台、クロム含有率25%、ニッケル含有率6%、モリブデン含有率3%のSUS329J4L、あるいはこれらの複合合金を用いることができる。
本発明の一実施形態例にかかるリチウム二次電池用負極1は、以下のように製造することができる。第1粒子4、第2粒子5、結着剤6を均一に混合して負極合剤を調製し、これをN-メチル-2-ピロリドン(NMP)等の適当な分散媒に分散させて負極合剤スラリーを調製する。得られた負極合剤スラリーを負極集電体の片面あるいは両面に塗布して乾燥することで負極活物質層を形成する。その際、加圧成形してもよい。塗布方法としては特に制限はなく、従来公知の方法が適用できる。例えば、ドクターブレード法、ダイコーター法等が挙げられる。また、予め負極活物質層を形成した後に、蒸着法、スパッタリング法で負極集電体金属の薄膜を形成し、負極集電体としてもよい。
本発明のリチウム二次電池用負極はリチウム二次電池の電極として使用される。一例として、積層型フィルム外装リチウム二次電池7の構成を説明する。本実施形態例の積層型フィルム外装リチウム二次電池7は、図2に示す通り、電極積層体12をフィルム外装体13a、13bで挟んで構成される。電極積層体12は、図3に示す通り、本発明のリチウム二次電池用負極1と、正極活物質層8a、8bが正極集電体9の両面に塗工された正極10とを、セパレーター11を介して積層したものである。電極積層体12は図3の2層に限定されず、負極1と正極10とを交互に任意の積層数で積層することができる。負極集電体3及び正極集電体9は、負極活物質層2a、2b、正極活物質層8a、8bから一部突出して、それぞれの突出部はまとめて負極端子16、正極端子15に融着などにより接続される。電極積層体12は電極積層体止めテープ14で結束している。フィルム外装体13a、13bは樹脂層を有する。
積層型フィルム外装リチウム二次電池7は、電極積層体12とフィルム外装体13a、13bから、例えば次のように作製する。電極積層体12をフィルム外装体13a、13bで挟み、次いでフィルム外装体13a、13bの、正極端子15と負極端子16のある辺以外の辺に注入口を設け、注入口のある辺以外の3辺を熱溶着する。次に正負の端子側を下側あるいは端子側とは異なる側を上側にして図示しない電解液を注入する。最後に注入口のある辺を熱溶着して完成する。樹脂層を有するフィルム外装体13a、13bには、例えば、耐防食性の高いアルミラミネートフィルムが用いられる。なお注入口にする辺の両端も熱溶着し、注入口を狭くしてもよい。また図2では正極端子15と負極端子16を同じ辺に設けたが、別々の辺に設けても良い。
フィルム外装体13は、基材となる金属層の表裏面に樹脂層が設けられたものを用いることができる。金属層には、電解液の漏出や外部からの水分の侵入を防止する等のバリア性を有するものを選択することができ、アルミニウム、ステンレス鋼などを用いることができる。金属層の少なくとも一方の面には、変性ポリオレフィンなどの熱融着性樹脂層が設けられる。さらに、フィルム外装体13a、13bそれぞれの電極積層体12側に熱融着性樹脂層を設け、熱融着性樹脂層同士を対向させ、電極積層体12を収納する部分の周囲を熱融着することで外装容器が形成される。熱融着性樹脂層が形成された面と反対側の面となる外装体表面にはナイロンフィルム、ポリエステルフィルムなどの樹脂層を設けることができる。
本実施形態例では電解液として非水電解液を用いる。非水電解液は、非水溶媒に電解質塩を溶解させて作製する。非水溶媒としては例えば以下のような有機溶媒を用いることができる。環状カーボネート類や、鎖状カーボネート類や、脂肪族カルボン酸エステル類や、γ-ブチロラクトン等のγ-ラクトン類や、鎖状エーテル類、環状エーテル類、リン酸エステル化合物等の有機溶媒、または、これらの有機溶媒のフッ素化物。これらは1種を単独で、または、2種以上の混合物を使用することができる。これらの有機溶媒に、電解質塩の一種であるリチウム塩や、機能性添加剤等を溶解させることができる。
正極は、例えば、正極活物質が正極用結着剤によって正極集電体に結着されて構成される。正極材料(正極活物質)としては、特に限定はされないが、層状系の材料、スピネル系の材料、オリビン系の材料などが挙げられる。層状系の材料は、一般式LiMO2(Mは金属元素)で表されるが、より具体的には、
LiCo1-xMxO2(0≦x<0.3であり、MはCo以外の金属である);
LiyNi1-xMxO2 (A)
(式(A)中、0≦x<0.8、0<y≦1.0、MはCo、Al、Mn、Fe、Ti及びBからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素である。)、特に、
LiNi1-xMxO2(0.05<x<0.3であり、MはCo、MnおよびAlから選ばれる少なくとも一種を含む金属元素である。);
Li(LixM1-x-zMnz)O2 (B)
(式(B)中、0.1≦x<0.3、0.33≦z≦0.8、MはCo及びNiのうちの少なくとも一種である。);、および
Li(M1-zMnz)O2 (C)
(式(C)中、0.33≦z≦0.7、MはLi、Co及びNiのうちの少なくとも一種である。);
で表される層状構造のリチウム金属複合酸化物が挙げられる。
LiMn2O4;
LiMn2O4のMnの一部を置換して寿命を高めた、リチウムに対して4V付近で動作する材料、例えば、
LiMn2-xMxO4(式中、0<x<0.3であり、Mは、金属元素であり、Li、Al、B、Mg,Si,および遷移金属から選ばれる少なくとも一種を含む。);
LiNi0.5Mn1.5O4などの5V付近の高電圧で動作する材料;および
LiNi0.5Mn1.5O4に類似した組成で、LiMn2O4の材料の一部を遷移金属で置換した高電位で充放電動作する材料と、さらに別の元素を添加した材料、例えば、
Lia(MxMn2-x-yYy)(O4-wZw) (D)
(式(D)中、0.4≦x≦1.2、0≦y、x+y<2、0≦a≦1.2、0≦w≦1である。Mは遷移金属元素であり、Co、Ni、Fe、Cr及びCuからなる群より選ばれる少なくとも一種を含み、Yは、金属元素であり、Li、B、Na、Al、Mg、Ti、Si、K及びCaからなる群より選ばれる少なくとも一種を含み、Zは、FおよびClからなる群より選ばれる少なくとも一種である。);
等が使用可能である。
LiMPO4 (E)
(式(E)中、Mは、Co、Fe、Mn、及びNiのうちの少なくとも一種である。)
で表される。具体的には、LiFePO4、LiMnPO4、LiCoPO4、LiNiPO4などが挙げられ、これらの構成元素の一部を別の元素で置換したもの、例えば、酸素部分をフッ素で置換したものを使用することもできる。
正極集電体9としては、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケル、コバルト、チタン、ガドリニウムまたはこれらの合金等を用いることができる。
セパレーター11は、不織布、微多孔膜等、一般的に非水電解液二次電池で使用されるものであれば特に限定されるものではない。材料は、例えばポリプロピレンやポリエチレン等のポリオレフィン樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、スチレン樹脂、またはナイロン樹脂等を用いることができる。特にポリオレフィン系の微多孔膜は、イオン透過性と、正極と負極とを物理的に隔離する性能に優れているため好ましい。また、必要に応じて、セパレーター11には無機物粒子を含む層を形成してもよく、無機物粒子としては、絶縁性の酸化物、窒化物、硫化物、炭化物等を挙げることができ、なかでもSiO2、TiO2やAl2O3を含むことが好ましい。さらに、アラミド、ポリイミドといった高融点難燃樹脂を用いることもできる。電解液の含浸性を高めるという点では、電解液とセパレーター11の接触角が小さくなるような材料を選択することが好ましく、イオン透過性がよく、適正な突き刺し強度を保つため、膜厚が5~25μm、さらに好ましくは7~16μmがよい。
次に、この発明の一実施形態による積層型フィルム外装リチウム二次電池7の製造方法について説明する。
また上述の実施形態では電解液を用いたが、電解質塩を含有させた固体電解質、高分子電解質、高分子化合物等に電解質塩を混合または溶解させた固体状もしくはゲル状電解質等も用いることができる。これらはセパレーターを兼ねることもできる。
[正極の作製]
過リチウム化マンガン酸リチウム(Li1.2Ni0.2Mn0.6O2)93質量%と、粉状ポリフッ化ビニリデン3質量%と、粉状黒鉛4質量%とを均一に混合して正極合剤を調製した。調製した正極合剤をN-メチル-2-ピロリドン(NMP)に分散させて正極合剤スラリーとした。この正極合剤スラリーを、正極集電体となるアルミニウム(Al)箔の片面に均一に塗布し、約120℃で乾燥した後、打ち抜き金型、プレス機で形成、加圧することにより矩形の正極を形成した。なお、正極目付量は20g/cm2、正極密度は2.9g/cm3とした。
D50が5μmの炭素被覆酸化ケイ素(SiOCと略す)とD50が0.4μmのホウ素添加Si合金(Si0.98B0.02)を95質量%:5質量%となるように混合した負極活物質を85質量%と、ポリイミドバインダー13質量%と、繊維状黒鉛2質量%を均一に混合して負極合剤を調製し、NMPに分散させて負極合剤スラリーとした。次に、この負極合剤スラリーをステンレス(SUS)箔の片面に均一に塗布し、約90℃で乾燥し、さらに350℃の窒素雰囲気下で乾燥した後、打ち抜き金型で矩形の負極を形成した。なお、負極の外寸は正極の外寸より各辺において1mm大きくなるようにした。負極目付量は2.6g/cm2、負極密度は1.31g/cm3とした。なお、ここでは非水系のポリイミドバインダーを用いたが、水系バインダ例えばSBR(スチレンブタジエンコポリマー)、CMC(カルボキシメチルセルロースナトリウム)、SBRとCMCの混合、PAA(ポリアクリル酸)、水系ポリイミドバインダー等でもよく、スラリー調製時に分散媒として水を用いてもよい。
エチレンカーボネート(EC)と、リン酸トリス(2,2,2-トリフルオロエチル)(TTFEP)と、1,1,2,2-テトラフルオロエチル-2,2,3,3-テトラフルオロプロピルエーテル(FE1)とをEC/TTFEP/FE1=2/3/5(体積比)で混合し、0.8mol/LのLiPF6を溶解して電解液を作製した。
正極端子を接続した正極と、負極端子を接続した負極との活物質層面同士が、多孔質アラミドセパレーター(15μm)を挟んで対向するように積層し、電極積層体を作製した。積層時には正極端と負極端とのクリアランスが各辺において1mmとなるように積層した。積層した電極積層体をアルミラミネートのフィルム外装体で挟み込み、注液口を除いた外周を熱溶着し、作製した電解液を注液口から注入し、その後注液口を熱溶着によって封口し、積層型リチウムイオン二次電池を作製した。なお、当該電極面積において、負極単位面積当り初回充電容量と正極単位面積当りの初回充電容量の比をA(負極)/C(正極)としたとき、A/C=1.1となるようにした。
SiOCとD50が0.4μmのSi0.98B0.02を85質量%:15質量%となるように混合した負極活物質を用いて実施例1と同様にして矩形の負極を形成した。なお、負極目付量は2.4g/cm2、負極密度は1.36g/cm3とし、実施例1における正極と、セパレーター、電解液を用いて、A/C=1.1となるように積層型リチウムイオン二次電池を作製した。
SiOCとD50が0.4μmの錫添加Si合金(Si0.93Sn0.07)を95質量%:5質量%となるように混合した負極活物質を用いて実施例と同様にして矩形の負極を形成した。なお、負極目付量は2.7g/cm2、負極密度は1.32g/cm3とし、実施例1における正極と、セパレーター、電解液を用いて、A/C=1.1となるように積層型リチウムイオン二次電池を作製した。
SiOCとD50が0.4μmのSi0.93Sn0.07を85質量%:15質量%となるように混合した負極活物質を用いて実施例1と同様にして矩形の負極を形成した。なお、負極目付量は2.6g/cm2、負極密度は1.36g/cm3とし、実施例1における正極と、セパレーター、電解液を用いて、A/C=1.1となるように積層型リチウムイオン二次電池を作製した。
SiOCとD50が0.5μmのチタン添加Si合金(Si0.95Ti0.05)を95質量%:5質量%となるように混合した負極活物質を用いて実施例1と同様にして矩形の負極を形成した。なお、負極目付量は2.7g/cm2、負極密度は1.32g/cm3とし、実施例1における正極と、セパレーター、電解液を用いて、A/C=1.1となるように積層型リチウムイオン二次電池を作製した。
SiOCとD50が0.6μmのアルミニウム添加Si合金(Si0.95Al0.05)を95質量%:5質量%となるように混合した負極活物質を用いて実施例1と同様にして負極を形成した。なお、負極目付量は2.7g/cm2、負極密度は1.32g/cm3とし、実施例1における正極と、セパレーター、電解液を用いて、A/C=1.1となるように積層型リチウムイオン二次電池を作製した。
SiOCとD50が0.6μmのクロム添加Si合金(Si0.95Cr0.05)を95質量%:5質量%となるように混合した負極活物質を用いて実施例1と同様にして矩形の負極を形成した。なお、負極目付量は2.7g/cm2、負極密度は1.31g/cm3とし、実施例1における正極と、セパレーター、電解液を用いて、A/C=1.1となるように積層型リチウムイオン二次電池を作製した。
SiOCとD50が0.5μmの銅添加Si合金(Si0.95Cu0.05)を95質量%:5質量%となるように混合した負極活物質を用いて実施例1と同様にして矩形の負極を形成した。なお、負極目付量は2.7g/cm2、負極密度は1.31g/cm3とし、実施例1における正極と、セパレーター、電解液を用いて、A/C=1.1となるように積層型リチウムイオン二次電池を作製した。
SiOC85質量%と、ポリイミドバインダー13質量%と、繊維状黒鉛2質量%を均一に混合して負極合剤を調製し、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)に分散させて負極合剤スラリーとした。次に、この負極合剤スラリーを用いて実施例1と同様にして矩形の負極を形成した。なお、負極目付量は2.6g/cm2、負極密度は1.23g/cm3とし、実施例1における正極と、セパレーター、電解液を用いて、A/C=1.1となるように積層型リチウムイオン二次電池を作製した。
SiOCとD50が10μmのホウ素添加Si合金(Si0.9B0.1)を95質量%:5質量%となるように混合した負極活物質を用いて実施例1と同様にして矩形の負極を形成した。なお、負極目付量は2.7g/cm2、負極密度は1.36g/cm3とし、実施例1における正極と、セパレーター、電解液を用いて、A/C=1.1となるように積層型リチウムイオン二次電池を作製した。
SiOCとD50が0.5μmのマンガン添加Si合金(Si0.95Cu0.05)を85質量%:15質量%となるように混合した負極活物質を用いて実施例1と同様にして矩形の負極を形成した。なお、負極目付量は2.6g/cm2、負極密度は1.35g/cm3とし、実施例1における正極と、セパレーター、電解液を用いて、A/C=1.1となるように積層型リチウムイオン二次電池を作製した。
次に、0.3C電流値にて4.5Vまで定電流充電、0.3Cの電流値にて1.5Vまで定電流放電を35回繰り返すサイクル特性評価を行った。このときの1サイクル時の放電容量を100%とした時放電容量維持率推移を実施例1~4、比較例1、2を抜粋して図4に、各サイクルで得られた正極活物質当りの放電容量から求めた体積エネルギー密度の推移を図5に示す。また、実施例1~8、比較例1~3における35サイクル後の放電容量維持率と、1サイクル時の体積エネルギー密度、35サイクル時の体積エネルギー密度を表3に示す。
この出願は、2016年4月15日に出願された日本出願特願2016-082179を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
2a、2b 負極活物質層
3 負極集電体
4 第1粒子
5 第2粒子
6 結着剤
7 積層型フィルム外装リチウム二次電池
8a、8b 正極活物質層
9 正極集電体
10 正極
11 セパレーター
12 電極積層体
13a、13b フィルム外装体
14 積層体止めテープ
15 正極端子
16 負極端子
Claims (8)
- 集電体上に負極活物質層の形成されたリチウム二次電池用負極であって、
前記負極活物質層が、少なくとも、第1粒子と、第2粒子と、結着剤、を含み、
前記第1粒子は、SiOχ(0<χ<2.0)からなり、
前記第2粒子は、Si合金からなり、前記Si合金は、Siと、B、Ti、Al、Cr、Cuから選ばれる少なくとも1種類以上の元素を含み、
前記第2粒子の中心粒径D50が0.1μm以上、2.0μm未満であり、
前記第1粒子の中心粒径D50が前記第2粒子の中心粒径D50よりも大きいことを特徴とするリチウム二次電池用負極。 - 前記第1粒子の中心粒径D50が1μm以上、35μm以下であることを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池用負極。
- 前記結着剤が、ポリイミド、ポリアミド、ポリアクリル酸、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、カルボキシメチルセルロース、及び変性アクリロニトリルゴム粒子から選択される請求項1又は2に記載のリチウム二次電池用負極。
- 前記第1粒子の表面が炭素により被覆されており、SiOχと表面被覆された炭素の質量比は99.9/0.1から80/20の範囲であることを特徴とする請求項1~3のいずれか1項記載のリチウム二次電池用負極。
- 前記第2粒子のLi対極における初回充電容量は1000mAh/g以上、4000mAh/g以下であることを特徴とする請求項1~4のいずれか1項に記載のリチウム二次電池用負極。
- 前記第2粒子であるSi合金は、Siとともに前記Si合金を構成する元素をMとして、Si1-ψMψとしたとき、0.01≦ψ≦0.5であることを特徴とする請求項1~5のいずれか1項に記載のリチウム二次電池用負極。
- 前記第1粒子と前記第2粒子の質量合計に対する前記第2粒子の質量比率をωで表したとき、0%<ω≦50%であることを特徴とする請求項1~6のいずれか1項に記載のリチウム二次電池用負極。
- 請求項1~7のいずれか1項に記載のリチウム二次電池用負極を使用したリチウム二次電池。
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