JP7194940B2 - リチウム二次電池 - Google Patents
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Description
本開示の実施形態は、リチウム金属を負極活物質として用いるリチウム二次電池に関する。より詳細には、本開示の実施形態は、負極集電体の改良に関する。なお、リチウム二次電池は、リチウム金属二次電池と呼ばれることがある。
図1Aは、本開示の一実施形態にかかる負極集電体を模式的に示す断面図である。図1Bは、第1表面側から見た図1Aで示す凸部を、模式的に示す上面図である。ただし、図1Bにおいて、導電性シート342は省略されている。また、第1凸部領域R1にハッチングを付している。
図2は、本開示の他の実施形態にかかる負極を模式的に示す断面図である。本実施形態では、第1表面S1をその法線方向から見たとき、第1凸部3411と第2凸部3412とは離間しており、第1凸部3411は第2凸部3412に重複していない。このこと以外、実施形態1と同様の構成を有する。
負極は、負極集電体を備える。この負極集電体として、上述した実施形態1または2の負極集電体を用いてもよい。負極集電体は、第1表面と、第1表面から突出する第1凸部と、第1表面とは反対側の第2表面と、第2表面から突出する第2凸部と、を備えている。リチウム二次電池では、第1表面および第2表面に、充電によりリチウム金属が析出する。より具体的には、非水電解質に含まれるリチウムイオンが、充電により、負極集電体上で電子を受け取ってリチウム金属になり、負極集電体の表面に析出する。負極集電体の表面に析出したリチウム金属は、放電により非水電解質中にリチウムイオンとして溶解する。なお、非水電解質に含まれるリチウムイオンは、非水電解質に添加したリチウム塩に由来するものであってもよく、充電により正極活物質から供給されるものであってもよく、これらの双方であってもよい。
正極は、例えば、正極集電体と、正極集電体上に形成された正極合材層とを備える。正極合材層は、例えば、正極活物質と導電材と結着材とを含む。正極合材層は、正極集電体の両面に形成されてもよい。正極は、例えば、正極集電体の両面に、正極活物質と導電材と結着材とを含む正極合材スラリーを塗布し、塗膜を乾燥させた後、圧延することにより得られる。
セパレータには、イオン透過性および絶縁性を有する多孔性シートが用いられる。多孔性シートとしては、例えば、微多孔を有する薄膜、織布、不織布等が挙げられる。セパレータの材質は特に限定されないが、高分子材料であってもよい。高分子材料としては、オレフィン樹脂、ポリアミド樹脂、セルロース等が挙げられる。オレフィン樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレンおよびエチレンとプロピレンとの共重合体等が挙げられる。セパレータは、必要に応じて、添加剤を含んでもよい。添加剤としては、無機フィラー等が挙げられる。
非水電解質としては、リチウムイオン伝導性を有するものが使用される。このような非水電解質は、非水溶媒と、非水溶媒に溶解したリチウムイオンおよびアニオンとを含んでいる。非水電解質は、液状であってもよいし、ゲル状であってもよい。また、非水電解質は、固体電解質であってもよい。
以下、本開示にかかるリチウム二次電池の構成を、巻回型の電極群を備える円筒形電池を例にして、図面を参照しながら説明する。ただし、本開示は以下の構成に限定されるものではない。
図示例では、巻回型の電極群を備える円筒形のリチウム二次電池について説明したが、この場合に限らず、本実施形態は適用できる。リチウム二次電池の形状は、その用途等に応じて、円筒形の他に、コイン型、角型、シート型、扁平型等の各種形状から適宜選択することができる。電極群の形態も特に限定されず、積層型であってもよい。また、リチウム二次電池の電極群および非水電解質以外の構成については、公知のものを特に制限なく利用できる。
以下、本開示に係るリチウム二次電池を実施例および比較例に基づいて具体的に説明する。本開示は以下の実施例に限定されるものではない。
(1)正極の作製
Li、Ni、CoおよびAlを含有するリチウム含有遷移金属酸化物(NCA;正極活物質)と、アセチレンブラック(AB;導電材)と、ポリフッ化ビニリデン(PVdF;結着材)とを、NCA:AB:PVdF=95:2.5:2.5の質量比で混合し、さらにN-メチル-2-ピロリドン(NMP)を適量加えて撹拌して、正極合材スラリーを調製した。次に、得られた正極合材スラリーを、正極集電体として機能するAl箔の両面に塗布した後、乾燥して、ローラーを用いて正極合材の塗膜を圧延した。最後に、得られた正極集電体と正極合材との積層体を所定の電極サイズに切断し、正極集電体の両面に正極合材層を備える正極を作製した。
両方の表面に、図4に示すような複数の凸部を備える負極集電体を作製した。より具体的には、矩形の電解銅箔(厚み10μm)の両方の表面の各々に、厚み35μm、幅1mmのポリエチレン製の複数の粘着テープを平行かつ等間隔に貼り付けることにより、第1表面および第2表面の各々に複数の縞状凸部を形成した。すなわち、粘着テープを凸部として用いた。ここで、第1表面の複数の粘着テープは、第2表面の複数の粘着テープと平行になるように形成した。第1表面の法線方向から見たとき、第1表面の粘着テープの長手方向に伸びる中心線に対し、当該粘着テープに最も近い第2表面の粘着テープの長手方向に伸びる中心線が凸部の幅方向に0.5mmずれるようにして、貼り付けた。
ECとDMCとを、EC:DMC=30:70の容積比で混合した。得られた混合溶媒に、LiPF6を1モル/Lと、LiBF2(C2O4)を0.1モル/Lと、なるようにそれぞれ溶解させて、液体の非水電解質を調製した。
上記で得られた正極に、Al製のタブを取り付けた。上記で得られた負極に、Ni製のタブを取り付けた。不活性ガス雰囲気中で、正極と負極とを、セパレータとして機能するポリエチレン薄膜を介して、複数の縞状凸部の長手方向が巻回方向になるようにして渦巻状に巻回し、巻回型の電極体を作製した。このとき、複数の縞状凸部のほぼすべては、セパレータに接触していた。得られた電極体を、Al層を備えるラミネートシートで形成される袋状の外装体に収容し、電極群を収容した外装体に上記非水電解質を注入した後、外装体を封止してリチウム二次電池を作製した。
(2)負極の作製において、第1表面の法線方向から見たとき、第1表面の粘着テープの第2側面と当該粘着テープに対応する第2表面の粘着テープの第3側面との離間距離が1.25mmとなるようにして、貼り付けた。すなわち、第1表面の法線方向から見たとき、第1表面の複数の粘着テープの各々が第2表面の複数の粘着テープの何れとも重複しないように粘着テープを貼り付けた。第1表面の複数の第1凸部および第2表面の複数の第2凸部は、図2に示すような位置関係にある。ズレ量G2は、離間距離P1の1/4であった。負極の粘着テープのズレ量以外は実施例1と同様にして、リチウム二次電池を作製した。
(2)負極の作製において、第1表面の法線方向から見たとき、第1表面の粘着テープの第2側面と当該粘着テープに対応する第2表面の粘着テープの第3側面との離間距離が2.5mmとなるようにして、貼り付けた。すなわち、第1表面の法線方向から見たとき、第1表面の複数の粘着テープの各々が第2表面の複数の粘着テープの何れとも重複しないように粘着テープを貼り付けた。第1表面の複数の第1凸部および第2表面の複数の第2凸部は、図2に示すような位置関係にある。ズレ量G2は、離間距離P1の1/2であった。負極の粘着テープのズレ量以外は実施例1と同様にして、リチウム二次電池を作製した。
(2)負極の作製において、第1表面の法線方向から見たとき、第1表面の複数の粘着テープと第2表面の複数の粘着テープとが完全に重複するように、これらの粘着テープを貼り付けた。これ以外は実施例1と同様にして、負極およびリチウム二次電池を作製した。
(2)負極の作製において、第1表面の法線方向から見たとき、第1表面の粘着テープの長手方向に伸びる中心線に対し、当該粘着テープに最も近い第2表面の粘着テープの長手方向に伸びる中心線が凸部の幅方向に0.25mmずれるようにして貼り付けた。第1表面の第1凸部および第2表面の第2凸部は、図1Aに示すような位置関係にある。ズレ量G1は、第1幅W1の1/4であった。負極の粘着テープのズレ量以外は実施例1と同様にして、リチウム二次電池を作製した。
得られた電池について、充放電試験を行い、充放電特性を評価した。
充放電試験では、25℃の恒温槽内において、以下の条件で電池の充電を行った後、20分間休止して、以下の条件で放電を行った。
電極の単位面積(平方センチメートル)あたり10mAの電流で、電池電圧が4.3Vになるまで定電流充電を行い、その後、4.3Vの電圧で、電極の単位面積あたりの電流値が1mAになるまで定電圧充電を行った。
(放電)
電極の単位面積あたり10mAの電流で、電池電圧が2.5Vになるまで定電流放電を行った。
(2)負極の作製において、離間距離P1およびP2の各々を10mmにしたこと以外は、実施例1と同様にして負極およびリチウム二次電池を作製し、評価した。評価結果を表2に示す。第1表面の第1凸部および第2表面の第2凸部は、図1Aに示すような位置関係にある。ズレ量G1は、第1幅W1の1/2であった。
(2)負極の作製において、離間距離P1およびP2の各々を10mmにした。また、第1表面の法線方向から見たとき、第1表面の粘着テープの第2側面と当該粘着テープに対応する第2表面の粘着テープの第3側面との離間距離が2.5mmとなるようにして、貼り付けた。これ以外は、実施例2と同様にして負極およびリチウム二次電池を作製し、評価した。評価結果を表2に示す。第1表面の複数の第1凸部および第2表面の複数の第2凸部は、図2に示すような位置関係にある。ズレ量G2は、離間距離P1の1/4であった。
(2)負極の作製において、離間距離P1およびP2の各々を10mmにした。また、第1表面の法線方向から見たとき、第1表面の粘着テープの第2側面と当該粘着テープに対応する第2表面の粘着テープの第3側面との離間距離が5mmとなるようにして、貼り付けた。これ以外は、実施例3と同様にして負極およびリチウム二次電池を作製し、評価した。評価結果を表2に示す。第1表面の複数の第1凸部および第2表面の複数の第2凸部は、図2に示すような位置関係にある。ズレ量G2は、離間距離P1の1/2であった。
(2)負極の作製において、離間距離P1およびP2の各々を10mmにしたこと以外は、比較例1と同様にして負極およびリチウム二次電池を作製し、評価した。評価結果を表2に示す。
(2)負極の作製において、離間距離P1およびP2の各々を10mmにしたこと以外は、比較例2と同様にして負極およびリチウム二次電池を作製し、評価した。評価結果を表2に示す。第1表面の第1凸部および第2表面の第2凸部は、図1Aに示すような位置関係にある。ただし、ズレ量G1は、第1幅W1の1/4であった。
(2)負極の作製において、両方の表面に図3に示すような複数の凸部341を備える負極集電体34を作製した。より具体的には、矩形の電解銅箔(厚み10μm)の両方の表面に、厚み35μm、幅1mm、長さ11mmのポリエチレン製の複数の粘着テープを貼り付けた。詳細には、複数の粘着テープのうち、一部の粘着テープの長手方向が他の粘着テープの長手方向と90°に交差するように貼り付けた。これにより、第1表面および第2表面の各々に短冊型の複数の凸部341を配置した。離間距離P1およびP2の各々は、約6.4mmであった。第1表面の法線方向から見たとき、第1表面の粘着テープの長手方向に伸びる中心線に対し、当該粘着テープに最も近い第2表面の粘着テープの長手方向に伸びる中心線が0.5mmずれるようにして、貼り付けた。すなわち、第1表面の法線方向から見たとき、第1表面の各粘着テープの凸部は一部のみが第2表面の複数の凸部の何れかの一部と重複している。第1表面の第1凸部および第2表面の第2凸部は、図1Aに示すような位置関係にある。ズレ量G1は、第1幅W1の1/2であった。
(2)負極の作製において、第1表面の法線方向から見たとき、第1表面の粘着テープの第2側面と、当該粘着テープに平行な対応する第2表面の粘着テープの第3側面との離間距離が約1.6mmとなるようにして貼り付けた。これ以外は、実施例7と同様にして、負極およびリチウム二次電池を作製し、評価した。評価結果を表3に示す。第1表面の複数の第1凸部および第2表面の複数の第2凸部は、図2に示すような位置関係にある。ズレ量G2は、離間距離P1の1/4であった。
(2)負極の作製において、第1表面の法線方向から見たとき、第1表面の粘着テープの第2側面と、当該粘着テープに対応する第2表面の粘着テープの第3側面との離間距離が約3.2mmずれるようにして貼り付けた。これ以外は、実施例7と同様にして、負極およびリチウム二次電池を作製し、評価した。評価結果を表3に示す。第1表面の複数の凸部および第2表面の複数の凸部は、図2に示すような位置関係にある。ズレ量G2は、離間距離P1の1/2であった。
(2)負極の作製において、第1表面の法線方向から見たとき、第1表面の複数の粘着テープと第2表面の複数の粘着テープとが完全に重複するように、粘着テープを貼り付けた。これ以外は、実施例7と同様にして、負極およびリチウム二次電池を作製し、評価した。評価結果を表3に示す。
(2)負極の作製において、第1表面の法線方向から見たとき、第1表面の粘着テープの長手方向に伸びる中心線に対し、当該粘着テープに最も近い第2表面の粘着テープの長手方向に伸びる中心線が凸部の幅方向に0.25mmずれるようにして貼り付けた。これ以外は、実施例7と同様にして、負極およびリチウム二次電池を作製し、評価した。評価結果を表3に示す。第1表面の第1凸部および第2表面の第2凸部は、図1Aに示すような位置関係にある。ズレ量G1は、第1幅W1の1/4であった。
11 正極
12 負極
13 セパレータ
14 電極群
15 ケース本体
16 封口体
17、18 絶縁板
19 正極リード
20 負極リード
21 段部
22 フィルタ
23 下弁体
24 絶縁部材
25 上弁体
26 キャップ
27 ガスケット
30 正極集電体
31 正極合材層
34 負極集電体
341 凸部
3411、3411A、3411B 第1凸部
3412 第2凸部
342 導電性シート
342a 帯状領域
Claims (17)
- リチウムを含有する正極活物質を含む正極と、
前記正極に対向し、かつ負極集電体を備える負極と、
前記正極と前記負極との間に配置されるセパレータと、
リチウムイオン伝導性を有する非水電解質と、を備え、
前記負極集電体は、
第1表面と、前記第1表面の反対側の第2表面と、を含む層と、
前記第1表面から突出する複数の第1凸部と、
前記第2表面から突出する複数の第2凸部と、を備え、
前記第1表面および前記第2表面には、充電時にリチウム金属が析出し、
前記第1表面の法線方向から見たとき、前記複数の第1凸部と前記複数の第2凸部とが重複する部分の面積の合計は、前記複数の第1凸部の面積の合計の1/2以下であり、
前記複数の第1凸部および前記複数の第2凸部は、絶縁性材料で構成されている、
リチウム二次電池。 - 前記第1表面の前記法線方向から見たとき、
前記複数の第1凸部は、それぞれ、ライン形であり、前記ライン形の長手方向に沿って伸びる第1の辺および前記第1の辺の反対側の第2の辺を有し、
前記複数の第1凸部の少なくとも一つにおいて、前記第1の辺から前記第1の辺と前記第2の辺との間の長さの1/2まで前記第2の辺に向かって広がる領域は、前記複数の第2凸部の何れとも重複しない、請求項1に記載のリチウム二次電池。 - 前記第1表面の前記法線方向から見たとき、
前記複数の第1凸部は、それぞれ、ライン形であり、前記ライン形の長手方向に沿って伸びる第1の辺および前記第1の辺の反対側の第2の辺を有し、
前記複数の第1凸部の各々において、前記第1の辺から前記第1の辺と前記第2の辺との間の長さの1/2まで前記第2の辺に向かって広がる領域は、前記複数の第2凸部の何れにも重複しない、請求項1または2に記載のリチウム二次電池。 - 前記第1表面の前記法線方向から見たとき、前記複数の第2凸部は、それぞれライン形である、請求項1から3のいずれか一項に記載のリチウム二次電池。
- 前記複数の第1凸部の材質は、前記層の材質と異なり、
前記複数の第2凸部の材質は、前記層の前記材質と異なる、請求項1から4のいずれか一項に記載のリチウム二次電池。 - 前記絶縁性材料は樹脂材料を含む、請求項1から5のいずれか一項に記載のリチウム二次電池。
- 前記第1表面の前記法線方向から見たとき、前記複数の第1凸部の少なくとも一つは前記複数の第2凸部の何れにも重複しない、請求項1から6のいずれか一項に記載のリチウム二次電池。
- 前記第1表面の前記法線方向から見たとき、前記複数の第1凸部の各々は前記複数の第2凸部の何れにも重複しない、請求項1から7のいずれか一項に記載のリチウム二次電池。
- 前記第1表面の前記法線方向から見たとき、
前記負極集電体は第1端部を含み、
前記複数の第1凸部の各々において、前記第1の辺は、前記第2の辺よりも前記第1端部に近く、
前記複数の第2凸部の各々は、ライン形であり、前記ライン形の長手方向に沿って伸びる第3の辺および前記第3の辺の反対側の第4の辺を有し、
前記複数の第2凸部の各々において、前記第3の辺は、前記第4の辺よりも前記第1端部に近く、
前記複数の第1凸部は、互いに隣接する第3凸部および第4凸部を含み、
前記複数の第2凸部は、前記第3凸部の前記第2の辺に最も近い前記第3の辺を有する第5凸部を含み、
前記第3凸部の前記第2の辺と前記第5凸部の前記第3の辺との間の離間距離である第1の距離は、前記第3凸部と前記第4凸部との間の離間距離である第2の距離の1/4以上である、請求項2または3に記載のリチウム二次電池。 - 前記第1の距離は、前記第2の距離の1/2以上である、請求項9に記載のリチウム二次電池。
- 前記第1表面の前記法線方向から見たとき、
前記第3および第4凸部は、第1の方向に並び、
前記第2の距離は、前記第5凸部の前記第1の方向の幅と前記第1の距離との和よりも大きい、請求項9または10に記載のリチウム二次電池。 - 前記負極集電体は、第2端部と前記第2端部の反対側の第3端部とを有し、
前記第1表面において、前記第2端部と前記第3端部とを結ぶ少なくとも1つの第1帯状領域が設けられており、
前記第1帯状領域には前記複数の第1凸部の何れもが存在せず、
前記第2表面において、前記第2端部と前記第3端部とを結ぶ少なくとも1つの第2帯状領域が設けられており、
前記第2帯状領域には前記複数の第2凸部が何れも存在しない、請求項1から11のいずれか一項に記載のリチウム二次電池。 - 前記複数の第1凸部の少なくとも1つおよび前記複数の第2凸部の少なくとも1つは、前記セパレータと接触する、請求項1から12のいずれか一項に記載のリチウム二次電池。
- 前記第1表面の前記法線方向から見たとき、前記第1表面の面積に占める前記複数の第1凸部の面積の合計の割合は0.2%以上、70%以下であり、
前記第2表面の法線方向から見たとき、前記第2表面の面積に占める複数の第2凸部の面積の合計の割合は0.2%以上、70%以下である、請求項1から13のいずれか一項に記載のリチウム二次電池。 - 前記複数の第1凸部の前記第1表面からの平均高さは、15μm以上、120μm以下であり、
前記複数の第2凸部の前記第2表面からの平均高さは、15μm以上、120μm以下である、請求項1から14のいずれか一項に記載のリチウム二次電池。 - 前記非水電解質は、リチウムイオンとアニオンとを含み、
前記アニオンは、PF6 -、イミド類のアニオン、およびオキサレート錯体のアニオンよりなる群から選択される少なくとも一種を含む、請求項1から15のいずれか一項に記
載のリチウム二次電池。 - リチウムを含有する正極活物質を含む正極と、
前記正極に対向し、かつ負極集電体を備える負極と、
前記正極と前記負極との間に配置されるセパレータと、
リチウムイオン伝導性を有する非水電解質と、を備え、
前記負極集電体は、第1表面と前記第1表面の反対側の第2表面とを含む層と、前記第1表面から突出する複数の第1凸部と、前記第2表面から突出する複数の第2凸部と、を備え、
前記第1表面および前記第2表面には、充電時にリチウム金属が析出し、
前記第1表面の法線方向から見たとき、前記複数の第1凸部は、それぞれ、ライン形であり、前記ライン形の長手方向に沿って伸びる第1の辺および前記第1の辺の反対側の第2の辺を有し、
前記第1表面の法線方向から見たとき、前記複数の第1凸部の少なくとも一つにおいて、前記第1の辺から前記第1の辺と前記第2の辺との間の長さの1/2まで前記第2の辺に向かって広がる領域は、前記複数の第2凸部の何れとも重複せず、
前記複数の第1凸部および前記複数の第2凸部は、絶縁性材料で構成されている、
リチウム二次電池。
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