JP7247821B2 - A negative electrode for a secondary battery, a secondary battery, and a method for manufacturing a negative electrode for a secondary battery. - Google Patents
A negative electrode for a secondary battery, a secondary battery, and a method for manufacturing a negative electrode for a secondary battery. Download PDFInfo
- Publication number
- JP7247821B2 JP7247821B2 JP2019157168A JP2019157168A JP7247821B2 JP 7247821 B2 JP7247821 B2 JP 7247821B2 JP 2019157168 A JP2019157168 A JP 2019157168A JP 2019157168 A JP2019157168 A JP 2019157168A JP 7247821 B2 JP7247821 B2 JP 7247821B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- negative electrode
- secondary battery
- graphite particles
- carbon fibers
- graphite
- 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
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Landscapes
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
Description
本明細書で開示する発明は、二次電池用負極、二次電池及び二次電池用負極の製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The invention disclosed in this specification relates to a negative electrode for a secondary battery, a secondary battery, and a method for manufacturing a negative electrode for a secondary battery.
従来、エネルギー密度の高い二次電池としては、柱状負極と、柱状負極の周囲を囲うように設けられた分離膜と、分離膜の周囲に設けられた正極と、を備えたものが知られている(例えば特許文献1参照)。この二次電池では、柱状負極は、例えば直径50μmの炭素繊維である。 Conventionally, as a secondary battery with high energy density, there is known a battery that includes a columnar negative electrode, a separation membrane provided so as to surround the columnar negative electrode, and a positive electrode provided around the separation membrane. (See, for example, Patent Document 1). In this secondary battery, the columnar negative electrode is, for example, carbon fiber with a diameter of 50 μm.
しかしながら、特許文献1の二次電池では、エネルギー密度は比較的高いものの、入出力特性があまりよくないことがあった。 However, although the secondary battery of Patent Document 1 has a relatively high energy density, it sometimes has poor input/output characteristics.
本開示は、このような課題に鑑みなされたものであり、二次電池のエネルギー密度と入出力特性を高めることを主目的とする。 The present disclosure has been made in view of such problems, and has a main purpose of improving the energy density and input/output characteristics of secondary batteries.
上述した目的を達成するために鋭意研究したところ、本発明者らは、二次電池用負極に工夫を施すことにより、二次電池のエネルギー密度と入出力特性を高められることを見出し、本明細書で開示する発明を完成するに至った。 As a result of intensive research to achieve the above-described object, the present inventors found that the energy density and input/output characteristics of secondary batteries can be improved by devising negative electrodes for secondary batteries. I have completed the invention disclosed in the book.
すなわち、本明細書で開示する二次電池用負極は、
炭素繊維を束ねた繊維束と、
前記炭素繊維同士の間に設けられた黒鉛粒子と、
を備え、
前記黒鉛粒子は、形状異方性を有し、レーザ回折法で測定した平均粒径D50が1μm以上10μm以下であり、
前記黒鉛粒子の含有率が5重量%以上50重量%以下のものである。
That is, the negative electrode for secondary batteries disclosed in the present specification is
A fiber bundle in which carbon fibers are bundled,
Graphite particles provided between the carbon fibers;
with
The graphite particles have shape anisotropy and have an average particle size D50 of 1 μm or more and 10 μm or less as measured by a laser diffraction method,
The content of the graphite particles is 5% by weight or more and 50% by weight or less.
また、本明細書で開示する二次電池は、
上述した二次電池用負極と、
前記二次電池用負極の周囲を囲うように設けられた分離膜と、
正極活物質を含み、前記分離膜の周囲に設けられた正極と、
を備えたものである。
In addition, the secondary battery disclosed in this specification is
the negative electrode for the secondary battery described above;
a separation membrane provided to surround the negative electrode for a secondary battery;
a positive electrode including a positive electrode active material and provided around the separation membrane;
is provided.
また、本明細書で開示する二次電池用負極の製造方法は、
上述した二次電池用負極の製造方法であって、
(a)前記黒鉛粒子を含むスラリーをノズルに充填する工程と、
(b)前記スラリーが充填された前記ノズルに、前記炭素繊維を含む炭素繊維ヤーンを通過させる工程と、
を含むものである。
Further, the method for producing a negative electrode for a secondary battery disclosed in this specification includes:
A method for manufacturing the negative electrode for a secondary battery described above,
(a) filling a nozzle with a slurry containing the graphite particles;
(b) passing the carbon fiber yarn containing the carbon fiber through the nozzle filled with the slurry;
includes.
本明細書で開示する二次電池用負極では、繊維束を構成する炭素繊維は、負極活物質であると同時に負極集電体としても機能する。炭素繊維同士の間に設けられた黒鉛粒子は、炭素繊維よりも高容量の負極活物質として機能する。黒鉛粒子は、初回充放電時の負極の不可逆容量を大きくすることがあるが、黒鉛粒子の含有率や平均粒径が所定範囲内であれば、こうした不可逆容量は比較的小さい。このように高容量の負極活物質である黒鉛粒子を用いつつ初回充放電時の負極の不可逆容量を抑えられるため、この二次電池用負極を用いた二次電池はエネルギー密度が高い。また、形状異方性を有する黒鉛粒子は、導電材として機能して電子伝導性を高めるとともに、その含有率や平均粒径が所定範囲内であれば、炭素繊維同士の間にキャリアイオンの通路となる適度な隙間を形成してキャリアイオンの移動を円滑にする。このため、この二次電池用負極を用いた二次電池は、入出力特性が高い。この二次電池用負極は、黒鉛粒子を含むスラリーをノズルに充填し、そのノズルに炭素繊維ヤーンを通過させるという簡便な方法で製造できる。 In the negative electrode for a secondary battery disclosed in this specification, the carbon fibers forming the fiber bundle function as a negative electrode current collector as well as a negative electrode active material. The graphite particles provided between the carbon fibers function as a negative electrode active material with a higher capacity than the carbon fibers. Graphite particles may increase the irreversible capacity of the negative electrode during initial charge/discharge, but if the graphite particle content and average particle size are within a predetermined range, such irreversible capacity is relatively small. Since the irreversible capacity of the negative electrode during the initial charge/discharge can be suppressed while using graphite particles as a high-capacity negative electrode active material, a secondary battery using this negative electrode for a secondary battery has a high energy density. Graphite particles having shape anisotropy function as a conductive material to increase electronic conductivity. A suitable gap is formed to facilitate the movement of carrier ions. Therefore, a secondary battery using this negative electrode for a secondary battery has high input/output characteristics. This negative electrode for a secondary battery can be manufactured by a simple method of filling a nozzle with a slurry containing graphite particles and passing a carbon fiber yarn through the nozzle.
次に、本実施形態で開示する負極10、ピン形二次電池30及び角形二次電池40について図面を用いて説明する。図1は負極10の概略構成を示す斜視図、図2は負極10の製造方法の概略を示す説明図、図3はピン形二次電池30の概略構成を示す斜視図、図4は角形二次電池40の概略構成を示す斜視図である。ここでは、説明の便宜のため、二次電池としてリチウムイオンをキャリアとするリチウムイオン二次電池を例示して説明する。
Next, the
負極10は、図1に示すように、リチウムイオン二次電池用の円柱形状の負極であり、炭素繊維12を束ねた繊維束14と、この繊維束14の炭素繊維12同士の間に設けられた黒鉛粒子16とを備えている。
As shown in FIG. 1, the
繊維束14は、ストレート形状の炭素繊維12を多数本束ねたものである。炭素繊維12の直径Dfは、1μm以上200μm以下であることが好ましい。この直径Dfが1μm以上であれば、繊維束14としての強度を担保することができ安定した充放電ができる。また、この直径Dfが200μm以下であれば、キャリアであるイオンの移動距離が長くなりすぎず、高出力性能が得られる。また、この直径Dfがこの範囲であれば、単位体積あたりのエネルギー密度をより高めることができる。あるいは、この範囲であれば、キャリアであるイオンの移動距離をより短くすることができ、より大きな電流で充放電を行うことができる。炭素繊維12の直径Dfは、5μm以上20μm以下であることがより好ましい。炭素繊維12の長手方向の長さLfは、20mm以上200mm以下であることが好ましい。炭素繊維12の長さLfが20mm以上であれば、電池容量をより高めることができ好ましく、200mm以下(特に150mm以下)であれば、負極10の電気抵抗をより低減することができ好ましい。繊維束14の直径Db、つまり負極10の直径は、50μm以上1000μm以下であることが好ましい。この直径Dbが50μm以上であれば、繊維束14としての強度を担保することができ安定した充放電ができる。また、この直径Dbが1000μm以下であれば、キャリアであるイオンの移動距離が長くなりすぎず、入出力特性を高められる。繊維束14は、50本以上12000本以下の炭素繊維12を束ねたものであることが好ましい。こうした範囲では、繊維束14の直径Dbを例えば上述した範囲としつつ、黒鉛粒子の含有率を5重量%以上50重量%とすることができる。
The
繊維束14は、必要に応じてバインダを含んでいてもよい。バインダは、炭素繊維12や黒鉛粒子16を繋ぎ止めて所定の形状を保つ役割を果たすものであり、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、或いはポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、エチレンプロピレンジエンモノマー(EPDM)ゴム、スルホン化EPDMゴム、天然ブチルゴム(NBR)等を単独で、あるいは2種以上の混合物として用いることができる。また、水系バインダーであるセルロース系やスチレンブタジエンゴム(SBR)の水分散体等を用いることもできる。
The
黒鉛粒子16は、繊維束14の炭素繊維12同士の間に設けられている。黒鉛粒子16は、形状異方性を有する。黒鉛粒子16は、扁平形状を有していてもよい。形状異方性を有する黒鉛粒子16は、例えば、長辺に対する短辺の比が1/10以下としてもよい。形状異方性を有する黒鉛粒子としては、鱗片状黒鉛や鱗状黒鉛、薄片化黒鉛、膨張黒鉛、膨張化黒鉛などが挙げられる。このうち、鱗片状黒鉛が好ましい。鱗片状黒鉛は、炭素繊維12同士の間に配置される際に、炭素繊維12と面接触するような向きで配置されるため、炭素繊維12との接触面積が多く、負極10の電子伝導性を高める効果が高い。黒鉛粒子16は、レーザ回折法で測定した平均粒径D50が1μm以上10μm以下である。平均粒径D50が1μm以上であれば、初回充放電での負極10の不可逆容量が小さいため、二次電池のエネルギー密度を高めることができる。また、平均粒径D50が10μm以下であれば、二次電池の入出力特性を高めることができる。平均粒径D50は、炭素繊維12の直径Df以下としてもよい。平均粒径D50が小さい方が、入出力特性が高い。また、負極10における黒鉛粒子16の含有率Cgは、5重量%以上50重量%以下であり、好ましくは25重量%以上40重量%以下である。この範囲では、負極10の入出力特性が高いため、二次電池の入出力特性を高めることができる。また、この含有率Cgが5重量%以上では負極10の初回充放電での不可逆容量が小さく、この含有率Cgが50重量%以下では負極10の放電容量が大きいため、二次電池のエネルギー密度を高めることができる。
The
次に、この負極10の製造方法について図2を用いて説明する。この製造方法は、(a)黒鉛粒子16を含むスラリー50をノズル52に充填する工程と、(b)スラリー50が充填されたノズル52に、炭素繊維12を含む炭素繊維ヤーン54を通過させる工程と、を含む。
Next, a method for manufacturing this
工程(a)では、スラリー50をノズル52に充填する。スラリー50は、例えば、黒鉛粒子16とバインダーとを混合し、適当な溶剤を加えてスラリー状にしたものとしてもよい。黒鉛粒子16やバインダーとしては、上述したものを用いることができる。溶剤としては、例えばN-メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、アクリル酸メチル、ジエチレントリアミン、N,N-ジメチルアミノプロピルアミン、エチレンオキシド、テトラヒドロフランなどの有機溶剤を用いることができる。また、水や、水に分散剤、増粘剤等を加えたものとしてもよい。増粘剤としては、例えば、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロースなどの多糖類を単独で、あるいは2種以上の混合物として用いることができる。スラリー50を充填するノズル52は、出口52o側が先細りになった筒状体であり、出口は円形である。ノズル52の出口52oの直径は、60μm以上1200μm以下であることが好ましい。こうしたノズル52を用いれば、繊維束14の直径Dbを、50μm以上1000μm以下にできる。
In step (a),
工程(b)では、スラリー50が充填されたノズル52に、炭素繊維ヤーン54を通過させる。炭素繊維ヤーン54は、炭素繊維12である多数本のフィラメントを紡いだものである。スラリー50内に炭素繊維ヤーン54が入ると、炭素繊維12同士がばらけ、黒鉛粒子16を含むスラリー50が炭素繊維12同士の間に入り込んで、炭素繊維12の一本一本に黒鉛粒子16が付着する。その後、先細りになった円形の出口52oを通過すると、炭素繊維12同士の間に黒鉛粒子16が挟まれた状態で円形断面を有する棒状に整えられて、成形体60となる。この成形体60を、必要に応じて適当な長さに切断し、乾燥させると、スラリー50に含まれる溶剤が揮発し、負極10が得られる。
In step (b),
この製造方法では、ノズル52の出口52oの直径や、スラリー50中に含まれる成分の種類や割合を調整することで、負極10に含まれる黒鉛粒子16の量やバインダーの量、負極10の直径等を調整することができる。
In this manufacturing method, by adjusting the diameter of the outlet 52o of the
次に、この負極10を用いたピン形二次電池30について図3に基づいて説明する。
Next, a pin-shaped
ピン形二次電池30は、図3に示すように、負極10と、分離膜(隔壁ともいう)18と、柱状正極20とを備えている。
The pin-shaped
負極10は、既に説明したとおりのものである。
The
分離膜18は、円柱状の負極10の外周面(上部を除く)及び下端面を囲うように設けられている。分離膜18は、負極10の上端面には設けられていない。分離膜18は、キャリアであるイオンの伝導性を有し、負極10と柱状正極20とを絶縁するものである。分離膜18としては、イオン伝導性と絶縁性とを有するポリマーが好適である。この分離膜18は、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)とヘキサフルオロプロピレン(HFP)との共重合体や、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)、及びPMMAとアクリルポリマーとの共重合体などが挙げられる。例えば、PVdFとHFPとの共重合体では、電解液の一部がこの膜を膨潤ゲル化し、イオン伝導膜となる。この分離膜18の厚さは、例えば、絶縁性を確保することを考慮すると、0.5μm以上であることが好ましく、2μm以上であることがより好ましく、5μm以上であるものとしてもよい。また、分離膜18の厚さは、イオン伝導性の低下を抑制することを考慮すると、20μm以下であることが好ましく、10μm以下であることがより好ましい。そのため、分離膜18の厚さは、0.5~20μmの範囲であることが、イオン伝導性と絶縁性とを両立させる上で好適である。この分離膜18は、例えば、原料を含む溶液へ負極10を浸漬させてその表面にコートすることにより形成されるものとしてもよい。
The
電解液は、本実施形態では、非水系溶媒にリチウムイオンを含む支持塩を溶解したもの(非水系電解液)とした。非水系溶媒としては、例えば、カーボネート類、エステル類、エーテル類、ニトリル類、フラン類、スルホラン類及びジオキソラン類などが挙げられ、これらを単独又は混合して用いることができる。具体的には、カーボネート類としてエチレンカーボネート(EC)やプロピレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ブチレンカーボネート、クロロエチレンカーボネートなどの環状カーボネート類や、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、エチル-n-ブチルカーボネート、メチル-t-ブチルカーボネート、ジ-i-プロピルカーボネート、t-ブチル-i-プロピルカーボネートなどの鎖状カーボネート類、γ-ブチルラクトン、γ-バレロラクトンなどの環状エステル類、ギ酸メチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酪酸メチルなどの鎖状エステル類、ジメトキシエタン、エトキシメトキシエタン、ジエトキシエタンなどのエーテル類、アセトニトリル、ベンゾニトリルなどのニトリル類、テトラヒドロフラン、メチルテトラヒドロフラン、などのフラン類、スルホラン、テトラメチルスルホランなどのスルホラン類、1,3-ジオキソラン、メチルジオキソランなどのジオキソラン類などが挙げられる。支持塩としては、例えば、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiC(CF3SO2)3、LiSbF6、LiSiF6、LiAlF4、LiSCN、LiClO4、LiCl、LiF、LiBr、LiI、LiAlCl4などが挙げられる。このうち、LiPF6、LiBF4、LiClO4などの無機塩、及びLiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiC(CF3SO2)3などの有機塩からなる群より選ばれる1種又は2種以上の塩を組み合わせて用いることが電気特性の点から見て好ましい。この支持塩は、電解液中の濃度が0.1mol/L以上5mol/L以下であることが好ましく、0.5mol/L以上2mol/L以下であることがより好ましい。 In the present embodiment, the electrolytic solution is a non-aqueous solvent in which a supporting salt containing lithium ions is dissolved (non-aqueous electrolytic solution). Non-aqueous solvents include, for example, carbonates, esters, ethers, nitriles, furans, sulfolanes and dioxolanes, and these can be used alone or in combination. Specifically, the carbonates include cyclic carbonates such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate, vinylene carbonate, butylene carbonate, and chloroethylene carbonate, dimethyl carbonate (DMC), ethylmethyl carbonate (EMC), diethyl carbonate, ethyl - chain carbonates such as n-butyl carbonate, methyl-t-butyl carbonate, di-i-propyl carbonate and t-butyl-i-propyl carbonate; cyclic esters such as γ-butyl lactone and γ-valerolactone; Chain esters such as methyl formate, methyl acetate, ethyl acetate and methyl butyrate; ethers such as dimethoxyethane, ethoxymethoxyethane and diethoxyethane; nitriles such as acetonitrile and benzonitrile; furans such as tetrahydrofuran and methyltetrahydrofuran. sulfolane such as sulfolane and tetramethylsulfolane; and dioxolane such as 1,3-dioxolane and methyldioxolane. Examples of supporting salts include LiPF6 , LiBF4 , LiAsF6, LiCF3SO3 , LiN( CF3SO2 ) 2 , LiC( CF3SO2 ) 3 , LiSbF6, LiSiF6 , LiAlF4 , LiSCN, LiClO 4 , LiCl, LiF, LiBr, LiI, LiAlCl 4 and the like. Among them, 1 selected from the group consisting of inorganic salts such as LiPF 6 , LiBF 4 and LiClO 4 and organic salts such as LiCF 3 SO 3 , LiN(CF 3 SO 2 ) 2 and LiC(CF 3 SO 2 ) 3 From the viewpoint of electrical properties, it is preferable to use a species or a combination of two or more salts. The concentration of the supporting salt in the electrolytic solution is preferably 0.1 mol/L or more and 5 mol/L or less, more preferably 0.5 mol/L or more and 2 mol/L or less.
柱状正極20は、中心孔20aを有する円柱形状に形成されている。柱状正極20の中心孔20aには、外周面及び下端面が分離膜18で囲われた負極10が配置されている。中心孔20aは、柱状正極20の中心軸に沿って柱状正極20の上端面から下端面の手前まで設けられた有底筒状の孔である。そのため、負極10の外周面及び下端面と、柱状正極20の中心孔20aの内壁及び底面とは、分離膜18によって絶縁されている。
The columnar
柱状正極20は、正極活物質を含んでいるが、正極活物質が導電性を有さない場合は、導電性を有する導電材を混合して成形したものとしてもよい。柱状正極20は、例えば、正極活物質と、必要に応じて導電材と、結着材とを混合し成形したものとしてもよい。正極活物質は、例えば、キャリアであるリチウムを吸蔵放出可能な材料が挙げられる。正極活物質としては、リチウムと遷移金属とを有する化合物が挙げられる。こうした化合物としては、例えば、リチウムと遷移金属元素とを含む酸化物やリチウムと遷移金属元素とを含むリン酸化合物などが挙げられる。具体的には、基本組成式をLi(1-x)MnO2(0≦x≦1など、以下同じ)やLi(1-x)Mn2O4などとするリチウムマンガン複合酸化物、基本組成式をLi(1-x)CoO2などとするリチウムコバルト複合酸化物、基本組成式をLi(1-x)NiO2などとするリチウムニッケル複合酸化物、基本組成式をLi(1-x)CoaNibMncO2(a>0、b>0、c>0、a+b+c=1)、Li(1-x)CoaNibMncO4(0<a<1、0<b<1、1≦c<2、a+b+c=2)などとするリチウムコバルトニッケルマンガン複合酸化物、基本組成式をLiV2O3などとするリチウムバナジウム複合酸化物、基本組成式をV2O5などとする遷移金属酸化物などを用いることができる。また、基本組成式をLiFePO4とするリン酸鉄リチウム化合物などを正極活物質として用いることができる。これらのうち、リチウムコバルトニッケルマンガン複合酸化物、例えば、LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2やLiNi0.4Co0.3Mn0.3O2などが好ましい。なお、「基本組成式」とは、他の元素、例えば、AlやMgなどの成分を含んでもよい趣旨である。
The columnar
柱状正極20に導電材を含ませる場合、その導電材は、電池性能に悪影響を及ぼさない電子伝導性材料であれば特に限定されず、例えば、天然黒鉛(鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛)や人造黒鉛などの黒鉛、アセチレンブラック、カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンウィスカ、ニードルコークス、炭素繊維、金属(銅、ニッケル、アルミニウム、銀、金など)などの1種又は2種以上を混合したものを用いることができる。柱状正極20に結着材を含ませる場合、その結着材は、活物質粒子や導電材粒子を繋ぎ止めて所定の形状を保つ役割を果たすものであれば特に限定されず、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、或いはポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、エチレンプロピレンジエンモノマー(EPDM)ゴム、スルホン化EPDMゴム、天然ブチルゴム(NBR)等を単独で、あるいは2種以上の混合物として用いることができる。また、水系バインダーであるセルロース系やスチレンブタジエンゴム(SBR)の水分散体等を用いることもできる。
When the columnar
以上詳述したピン形二次電池30は、エネルギー密度が高く、入出力特性も高い。こうした効果が得られる理由は、以下のように考えられる。すなわち、ピン形二次電池30の負極10では、繊維束14を構成する炭素繊維12は、負極活物質であると同時に負極集電体としても機能する。炭素繊維12同士の間に設けられた黒鉛粒子16は、炭素繊維12よりも高容量の負極活物質として機能する。黒鉛粒子16は、初回充放電時の負極の不可逆容量を大きくすることがあるが、黒鉛粒子16の含有率Cgや平均粒径D50が所定範囲内であれば、こうした不可逆容量は比較的小さい。このように高容量の負極活物質である黒鉛粒子16を用いつつ初回充放電時の負極10の不可逆容量を抑えられるため、この負極10を用いたピン形二次電池30はエネルギー密度が高い。また、形状異方性を有する黒鉛粒子16は、導電材として機能して電子伝導性を高めるとともに、その含有率Cgや平均粒径D50が所定範囲内であれば、炭素繊維12同士の間にキャリアイオンの通路となる適度な隙間を形成してキャリアイオンの移動を円滑にする。このため、この負極10を用いたピン形二次電池30は、入出力特性が高い。この負極10は、黒鉛粒子16を含むスラリー50をノズル52に充填し、そのノズル52に炭素繊維ヤーン54を通過させるという簡便な方法で製造できる。
The pin-shaped
次に、負極10を用いた角形二次電池40について図3に基づいて説明する。
Next, a prismatic
角形二次電池40は、図3に示すように、電池本体42と、負極集電体44と、正極集電体46とを備えている。
The prismatic
電池本体42は、ピン形二次電池30を負極10の上端面が上向きになるように、左右方向にm個(mは2以上の整数)、前後方向にn個(nは2以上の整数)並べて、全体形状が直方体になるように左右及び前後に圧縮したものである。そのため、電池本体42を構成するピン形二次電池30の柱状正極20は、中心孔20aを有する直方体になっている。電池本体42の各辺の長さは、短いものから順に並べると、左右方向の長さX、上下方向の長さY、前後方向の長さZとなる(X<Y<Z)。
The battery
負極集電体44は、導電性材料で形成された板状部材であり、電池本体42の上面に配置されている。負極集電体44には、すべての負極10の上端面が並列接続されている。負極集電体44を形成する導電性材料としては、例えば、カーボンペーパー、アルミニウム、銅、チタン、ステンレス鋼、ニッケル、鉄、白金、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラスなどのほか、接着性、導電性及び耐酸化性(還元性)を向上させる目的で、アルミニウムや銅などの表面をカーボン、ニッケル、チタン、銀、白金、金などで処理したものも用いることができる。
The negative electrode
正極集電体46は、導電性材料で形成された板状部材であり、電池本体42の左側面に配置されている。正極集電体46は、負極10や負極集電体44と電気的に絶縁されている。正極集電体46を形成する導電性材料としては、負極集電体44を形成する導電性材料として例示したものが挙げられる。
The positive electrode
以上詳述した角形二次電池40も、負極10を用いているため、エネルギー密度が高く、入出力特性も高い。
Since the prismatic
なお、本開示は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。 It goes without saying that the present disclosure is not limited to the above-described embodiments, and can be implemented in various forms as long as they fall within the technical scope of the present disclosure.
例えば、上述した実施形態では、二次電池のキャリアをリチウムイオンとしたが、特にこれに限定されず、ナトリウムイオンやカリウムイオンなどのアルカリ金属イオン、カルシウムイオンやマグネシウムイオンなどの2族元素イオンとしてもよい。また、正極活物質は、キャリアのイオンを吸蔵放出可能なものとすればよい。また、電解液を非水系電解液としたが、水系電解液としてもよい。 For example, in the above-described embodiment, the carrier of the secondary battery is lithium ions, but it is not particularly limited to this, and alkali metal ions such as sodium ions and potassium ions, Group 2 element ions such as calcium ions and magnesium ions good too. Moreover, the positive electrode active material may be a material capable of intercalating and deintercalating carrier ions. Moreover, although the electrolytic solution is a non-aqueous electrolytic solution, it may be an aqueous electrolytic solution.
上述した実施形態では、二次電池として電解液を用いるものを例示したが、電解液を用いない全固体電池としてもよい。 In the above-described embodiments, the secondary battery using an electrolyte was exemplified, but an all-solid battery that does not use an electrolyte may be used.
上述した実施形態では、負極10を構成する繊維束14をストレート形状の炭素繊維12を多数本束ねたものとしたが、特にこれに限定されるものではなく、例えば多数本の炭素繊維12を撚ったものとしてもよい。
In the above-described embodiment, the
上述した実施形態では、負極10を円柱形状としたが、特にこれに限定されるものではなく、例えば楕円柱や、多角柱(例えば三角柱や四角柱、六角柱など)であってもよい。
Although the
上述した実施形態では、ピン形二次電池30の柱状正極20を円柱形状としたが、特にこれに限定されるものではなく、例えば空間充填可能な正多角柱(例えば正六角柱、正三角柱、正四角柱など)であってもよい。なお、「空間充填」とは、空間内を3次元形状の物体で隙間なく埋め尽くすことをいう。
In the above-described embodiment, the columnar
上述した実施形態では、角形二次電池40の負極集電体44や正極集電体46を板状としたが、特に板状に限定されるものではなく、例えば、箔状、フィルム状、シート状、ネット状、パンチングシート、ガラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の形成体などでもよい。また、負極及び正極集電体44,46は、同じ形状であってもよいし、異なる形状であってもよい。
In the above-described embodiment, the negative electrode
上述した実施形態では、角形二次電池40の電池本体42は、柱状正極20を備えたピン形二次電池30を集合させたものとして説明したが、特にこれに限定されるものではなく、例えば、分離膜18の付いた負極10が電池本体42とほぼ同じ大きさの直方体形状の正極内に互いに接することなく独立して立設されたものとしてもよい。
In the above-described embodiment, the
上述した実施形態では、角形二次電池40の左側面に正極集電体46を設けたが、特にこれに限定されるものではなく、右側面に設けてもよいし、前面あるいは後面に設けてもよいし、下面に設けてもよい。但し、角形二次電池40の左右方向の長さXが上下方向の長さYや前後方向の長さZよりも短いため、角形二次電池40の左側面又は右側面に正極集電体46を設けることが好ましい。こうすることにより、正極の電気抵抗が小さくなるからである。
In the above-described embodiment, the positive electrode
以下では、負極10を作製した例について実施例として説明する。なお、本開示は以下の実施例に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
An example in which the
[実施例1]
1.負極10の作製
黒鉛粒子16としての鱗片状天然黒鉛(富士黒鉛工業製、RCG-2Q、平均粒径D50=2.2μm)と、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)とをN-メチルピロリドン(NMP)に分散させてスラリー50を調製した。スラリー50を出口52oがφ300μmに絞られたノズル52に充填した(工程(a))。続いて、炭素繊維ヤーン54(日本グラファイトファイバー製、YS-90A-10S(7μm径の単糸1000本を紡いだもの))を適当な長さに切断した後、ノズル52を通過させて、成形体60を得た(工程(b))。最後に、成形体60を乾燥してNMP溶媒を除去した。こうして、炭素繊維12同士の間に黒鉛粒子16が配置された負極10を得た。
[Example 1]
1. Preparation of
2.負極10中の黒鉛粒子16の含有率計算
炭素繊維ヤーン54の重量x[g]、負極10の重量y[g]、スラリー50における固形分(PVdF及び黒鉛粒子16)中の黒鉛粒子16の重量比率をz[%]として、下記式(1)で負極10中の黒鉛粒子16の含有率Cg[%]を計算した。
黒鉛の含有率Cg[%]=(y-x)×z/y ・・・ (1)
例えば実施例1では、x=5、y=7、z=90であり、Cg=25.7であった。
2. Calculation of content of
Graphite content Cg [%]=(y−x)×z/y (1)
For example, in Example 1, x=5, y=7, z=90 and Cg=25.7.
3.負極10の断面観察
負極10の側面及び断面について、二次電子顕微鏡で観察した。図5に実施例1の負極10の側面SEM写真を示し、図6に実施例1の負極10の断面SEM写真を示す。図7,6には、比較のため、比較例1の負極のSEM写真も示す。図5,6より、黒鉛粒子16は、炭素繊維12同士の間に存在し、炭素繊維12同士の間に黒鉛粒子16が存在する部分では、炭素繊維12同士が黒鉛粒子16を介して面接触していることがわかった。
3. Observation of Cross Section of
4.負極10の電子抵抗評価
60mmの長さにカットした負極10の両端5mmずつを導電ペーストを介してNiタブに接続し、接続部をCu箔で被覆して、抵抗評価用試料を作製した。この試料をポリプロピレン製の保護プレート上に載置し(図7参照)、抵抗測定器をNiタブに接続し、2端子法で直流抵抗を測定した。結果を表1に示す。
4. Evaluation of Electronic Resistance of
5.負極10のハーフセル充放電評価
上述した抵抗評価用試料と同様の試料を、ポリエチレン単層の低抵抗セパレータで挟み、さらに対極となる長さ40mmのLi箔で挟み、Li箔にNiタブを接続し、ポリプロピレン製の保護プレート上に載置して、充放電評価用試料を作製した(図8参照)。これをAlラミネート袋に入れて、電解液を注入して封止し、ハーフセルを作製した。電解液としては、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)とエチルメチルカーボネート(EMC)とを3:4:3の体積比で混合した溶媒に、1MのLiPF6を加えたものを用いた。このハーフセルを用い、0.005~1.5V(vs.Li+/Li)の電位範囲でコンディショニング充放電を行った後、定電流定電圧充放電試験を行い、初回充放電効率及び負極活物質(炭素繊維12及び黒鉛粒子16)重量当たりの放電容量を求めた。定電流定電圧充放電では、電位範囲は0.005~1.5V(vs.Li+/Li)とし、定電流時の電流値は0.1Cの電流値とした。その後、0.005~1.5V(vs.Li+/Li)の電位範囲において0.2Cでの定電流放電及び5Cでの定電流放電を行い、0.2Cでの放電容量に対する5Cでの放電容量の比率を求めた。なお、ハーフセルを用いた充放電評価では、負極10にリチウムが吸蔵される場合を充電、負極からリチウムが放出される場合を放電と称する。結果を表1に示す。
5. Half-cell charge-discharge evaluation of negative electrode 10 A sample similar to the resistance evaluation sample described above is sandwiched between polyethylene single-layer low-resistance separators, and further sandwiched between Li foils with a length of 40 mm that serve as counter electrodes, and a Ni tab is connected to the Li foil. , to prepare a charge-discharge evaluation sample (see FIG. 8). This was placed in an Al-laminated bag, filled with an electrolytic solution, and sealed to produce a half cell. The electrolyte used was a solvent obtained by mixing ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), and ethyl methyl carbonate (EMC) in a volume ratio of 3:4:3, to which 1M LiPF6 was added. . Using this half cell, after performing conditioning charge and discharge in the potential range of 0.005 to 1.5 V (vs. Li + /Li), a constant current and constant voltage charge and discharge test was performed to determine the initial charge and discharge efficiency and the negative electrode active material. (
[実施例2~4]
実施例2では、黒鉛粒子の含有率を38.3%とし、出口52oがφ350μmに絞られたノズル52を用いた以外は、実施例1と同様とした。実施例3では、黒鉛粒子の含有率を50.9%とし、出口52oがφ400μmに絞られたノズル52を用いた以外は、実施例1と同様とした。実施例4では、黒鉛粒子の含有率を5.1%とし、出口52oがφ270μmに絞られたノズル52を用いた以外は、実施例1と同様とした。結果を表1に示す。
[Examples 2 to 4]
Example 2 was the same as Example 1, except that the content of graphite particles was 38.3% and the
[実施例5]
実施例5では、黒鉛粒子として鱗片状天然黒鉛(富士黒鉛工業製、BF-10A、平均粒径D50=10μm)を用い、黒鉛粒子の含有率を26.6%とし、出口52oがφ320μmに絞られたノズル52を用いた以外は、実施例1と同様とした。結果を表1に示す。
[Example 5]
In Example 5, scale-like natural graphite (Fuji Graphite Industry Co., Ltd., BF-10A, average particle size D50 = 10 µm) was used as graphite particles, the content of graphite particles was 26.6%, and the outlet 52o was narrowed to φ320 µm. Example 1 was the same as Example 1, except that the
[比較例1]
比較例1では、黒鉛粒子を用いず、出口52oがφ250μmに絞られたノズル52を用いた以外は、実施例1と同様とした。結果を表1に示す。
[Comparative Example 1]
Comparative Example 1 was the same as Example 1, except that no graphite particles were used and a
[比較例2,3]
比較例2では、黒鉛粒子の含有率を1.7%とし、出口52oがφ250μmに絞られたノズル52を用いた以外は、実施例1と同様とした。比較例3では、黒鉛粒子の含有率を60.4%とし、出口52oがφ500μmに絞られたノズル52を用いた以外は、実施例1と同様とした。結果を表1に示す。
[Comparative Examples 2 and 3]
Comparative Example 2 was the same as Example 1, except that the content of graphite particles was 1.7% and the
[比較例4]
比較例4では、黒鉛粒子として鱗片状天然黒鉛(富士黒鉛工業製、BF-20A、平均粒径D50=22μm)を用い、黒鉛粒子の含有量を26.6%とし、出口52oがφ400μmに絞られたノズル52を用いた以外は、実施例1と同様とした。結果を表1に示す。
[Comparative Example 4]
In Comparative Example 4, flake natural graphite (Fuji Graphite Industries, BF-20A, average particle size D50 = 22 µm) was used as the graphite particles, the content of the graphite particles was 26.6%, and the outlet 52o was narrowed to φ400 µm. Example 1 was the same as Example 1, except that the
[比較例5]
比較例5では、黒鉛粒子として球形化黒鉛(日本黒鉛製、CGB-10、平均粒径D50=9.8μm)を用い、黒鉛粒子の含有量を24.8%とし、出口52oがφ320μmに絞られたノズル52を用いた以外は、実施例1と同様とした。結果を表1に示す。
[Comparative Example 5]
In Comparative Example 5, spherical graphite (manufactured by Nippon Graphite Co., Ltd., CGB-10, average particle diameter D50 = 9.8 μm) was used as graphite particles, the content of graphite particles was 24.8%, and the outlet 52o was narrowed to φ320 μm. Example 1 was the same as Example 1, except that the
表1に示すように、炭素繊維12の間に平均粒径D50が1~10μmの鱗片状の黒鉛粒子16が5~50重量%含まれた負極10では、初回充放電効率が高い(つまり初回充放電時の不可逆容量が小さい)とともに、放電容量が大きかった。このため、この負極10を用いた二次電池では、エネルギー密度が高くなることがわかった。また、この負極10では、0.2Cでの放電容量に対する5Cでの放電容量の比率で表されるレート特性が高かった。このため、この負極10を用いた二次電池では、入出力特性が高くなることがわかった。このうち、黒鉛粒子16の含有量が25重量%~40重量%の負極10では、二次電池のエネルギー密度及び入出力特性が特に高くなることがわかった。また、この負極10では、電子伝導性が高く、負極10の長さを比較的長くできるため、二次電池の形状自由度も向上することがわかった。
As shown in Table 1, the
10 負極、12 炭素繊維、14 繊維束、16 黒鉛粒子、18 分離膜、20 柱状正極、20a 中心孔、30 ピン形二次電池、40 角形二次電池、42 電池本体、44 負極集電体、46 正極集電体、50 スラリー、52 ノズル、52o 出口、54 炭素繊維ヤーン、60 成形体。 10 negative electrode, 12 carbon fiber, 14 fiber bundle, 16 graphite particles, 18 separation membrane, 20 columnar positive electrode, 20a center hole, 30 pin secondary battery, 40 prismatic secondary battery, 42 battery body, 44 negative electrode current collector, 46 positive current collector, 50 slurry, 52 nozzle, 52o outlet, 54 carbon fiber yarn, 60 compact.
Claims (5)
前記炭素繊維同士の間に設けられた黒鉛粒子と、
を備え、
前記黒鉛粒子は、形状異方性を有し、レーザ回折法で測定した平均粒径D50が1μm以上10μm以下であり、
前記黒鉛粒子の含有率が5重量%以上50重量%以下である、
二次電池用負極。 A fiber bundle in which carbon fibers are bundled,
Graphite particles provided between the carbon fibers;
with
The graphite particles have shape anisotropy and have an average particle size D50 of 1 μm or more and 10 μm or less as measured by a laser diffraction method,
The content of the graphite particles is 5% by weight or more and 50% by weight or less,
Negative electrode for secondary batteries.
請求項1又は2に記載の二次電池用負極。 The content of the graphite particles is 25% by weight or more and 40% by weight or less,
The negative electrode for a secondary battery according to claim 1 or 2.
前記二次電池用負極の周囲を囲うように設けられた分離膜と、
正極活物質を含み、前記分離膜の周囲に設けられた正極と、
を備えた二次電池。 The negative electrode for a secondary battery according to any one of claims 1 to 3;
a separation membrane provided to surround the negative electrode for a secondary battery;
a positive electrode including a positive electrode active material and provided around the separation membrane;
A secondary battery with
(a)前記黒鉛粒子を含むスラリーをノズルに充填する工程と、
(b)前記スラリーが充填された前記ノズルに、前記炭素繊維を含む炭素繊維ヤーンを通過させる工程と、
を含む二次電池用負極の製造方法。 A method for producing a negative electrode for a secondary battery according to any one of claims 1 to 3,
(a) filling a nozzle with a slurry containing the graphite particles;
(b) passing the carbon fiber yarn containing the carbon fiber through the nozzle filled with the slurry;
A method for producing a negative electrode for a secondary battery, comprising:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2019157168A JP7247821B2 (en) | 2019-08-29 | 2019-08-29 | A negative electrode for a secondary battery, a secondary battery, and a method for manufacturing a negative electrode for a secondary battery. |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2019157168A JP7247821B2 (en) | 2019-08-29 | 2019-08-29 | A negative electrode for a secondary battery, a secondary battery, and a method for manufacturing a negative electrode for a secondary battery. |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2021034353A JP2021034353A (en) | 2021-03-01 |
JP7247821B2 true JP7247821B2 (en) | 2023-03-29 |
Family
ID=74678378
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2019157168A Active JP7247821B2 (en) | 2019-08-29 | 2019-08-29 | A negative electrode for a secondary battery, a secondary battery, and a method for manufacturing a negative electrode for a secondary battery. |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP7247821B2 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2020080208A (en) | 2018-11-12 | 2020-05-28 | 株式会社豊田中央研究所 | Secondary battery and columnar electrode |
JP2020119839A (en) | 2019-01-25 | 2020-08-06 | 株式会社クレハ | Carbonaceous mold for battery electrode, method for manufacturing the same, and battery electrode |
JP2020155335A (en) | 2019-03-20 | 2020-09-24 | トヨタ自動車株式会社 | Secondary cell |
-
2019
- 2019-08-29 JP JP2019157168A patent/JP7247821B2/en active Active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2020080208A (en) | 2018-11-12 | 2020-05-28 | 株式会社豊田中央研究所 | Secondary battery and columnar electrode |
JP2020119839A (en) | 2019-01-25 | 2020-08-06 | 株式会社クレハ | Carbonaceous mold for battery electrode, method for manufacturing the same, and battery electrode |
JP2020155335A (en) | 2019-03-20 | 2020-09-24 | トヨタ自動車株式会社 | Secondary cell |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2021034353A (en) | 2021-03-01 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6631568B2 (en) | Secondary battery and method of manufacturing the same | |
JP2007123251A (en) | Nonaqueous electrolyte secondary battery | |
JP6930147B2 (en) | Rechargeable battery | |
US20150147627A1 (en) | Rechargeable lithium battery | |
JP7177277B2 (en) | Electrodes for lithium secondary batteries | |
US9312568B2 (en) | Lithium secondary battery | |
JP3580209B2 (en) | Lithium ion secondary battery | |
US20140045018A1 (en) | Nonaqueous electrolyte secondary battery | |
CN111697227B (en) | Lithium ion secondary battery and method for manufacturing same | |
JP7234853B2 (en) | Electrode structure, secondary battery, and method for manufacturing electrode structure | |
JP7169217B2 (en) | Electrode for non-aqueous electrolyte secondary battery, non-aqueous electrolyte secondary battery, and manufacturing method thereof | |
US10897043B2 (en) | Secondary battery | |
JP7247821B2 (en) | A negative electrode for a secondary battery, a secondary battery, and a method for manufacturing a negative electrode for a secondary battery. | |
KR102273781B1 (en) | Negative active material and preparation method thereof | |
JP7111119B2 (en) | storage device | |
US20220393177A1 (en) | Positive electrode for nonaqueous electrolyte secondary batteries and nonaqueous electrolyte secondary battery | |
JP2019160733A (en) | Secondary battery | |
JP7215439B2 (en) | Electricity storage device and electricity storage device module | |
JP7298380B2 (en) | Negative electrode for secondary battery and secondary battery using the same | |
JP6991876B2 (en) | Secondary battery | |
JP7200971B2 (en) | Power storage device and method for manufacturing power storage device | |
JP7322903B2 (en) | Electric storage device electrode, electric storage device, and method for manufacturing electric storage device electrode | |
JP2007087841A (en) | Non-aqueous electrolyte secondary battery | |
JP7424120B2 (en) | Energy storage device | |
JP2015133296A (en) | Nonaqueous electrolyte secondary battery |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20220323 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20230119 |
|
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: 20230214 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20230227 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7247821 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |