JP7396271B2 - リチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Description
ドープ率(%)=N/Nt×100
N:満充電時において負極活物質が吸蔵しているリチウムイオンの量(mol)
Nt:プレドープ前の負極活物質が吸蔵可能なリチウムイオンの量(mol)
リチウムイオン二次電池1は、図1に示すように、複数の正極板11と、複数の負極板21と、複数のセパレータ30と、電解液40と、ラミネート部材50とを備えている。ここで、図1に示す様に、正極板11と負極板21とは交互に積層されており、正極板11と負極板21との間それぞれにセパレータ30が挟まれている。電解液40は、この様に積層された、複数の正極板11の一部と、複数の負極板21の一部と、複数のセパレータ30と共に、2つのラミネート部材50に包まれて密封されている。
<2-1.正極板11について(図1、図3~図5)>
正極板11は、薄板状の正極集電体12と、正極集電体12に塗工されている正極活物質層13とを備えている(図3~図5参照)。なお、正極活物質層13が設けられるのは、正極集電体12の両面であるが、正極集電体12のどちらかの片面であってもよい。そして、リチウムイオン二次電池1が過度に水分を含まない様に、製造時には、正極活物質層13を正極集電体12に塗工した後、塗工された正極活物質層13を十分乾燥させる必要がある。
負極板21は、大まかには上述した正極板11と同様の構成を備えており、薄板状の負極集電体22と、負極集電体22に塗工されている負極活物質層23とを備えている。負極活物質層23は、負極集電体22の両面に塗工されているが、塗工されている面はどちらかの片面であってもよい。そして、リチウムイオン二次電池1が過度に水分を含まない様に、製造時には、負極活物質層23を負極集電体22に塗工した後、塗工された負極活物質層23を十分乾燥させる必要がある。また、後述する様に、負極活物質層23は、製造時にリチウムイオンLi+が吸蔵される(いわゆるプレドープされる)ものとすることができる。しかし、負極活物質層23にプレドープしないことも可能である。
セパレータ30は、図1に示す様に、正極板11と負極板21とを隔離し、かつ、電解液40の陽イオンおよび陰イオンが透過できる多孔質の材料からなり、矩形のシート状に形成されている。セパレータ30の縦横の長さ(図1および図3参照)は、正極板11の正極集電体12の集電部12aの長さ(図4参照)、および、負極板21の負極集電体22の集電部22aの長さ(図6参照)よりも長く設定されている。セパレータ30は、従来のリチウムイオン二次電池に使用されているようなセパレータを用いることができ、例えば、ビスコースレイヨンや天然セルロース等の抄紙、ポリエチレンやポリプロピレン等の不織布を用いることができる。
電解液40は、有機溶媒(非水溶媒)、および電解質としてイミド系リチウム塩を含む。電解液40には、適宜添加剤を添加してもよい。添加剤としては、例えば、ビニレンカーボネート[VC]や、フルオロエチレンカーボネート[FEC]や、エチレンサルファイト[ES]等、負極にSEI膜(Solid Electrolyte Interface 膜)の生成を促進させる添加剤を用いることができる。
ラミネート部材50は、図3に示すように、心材シート51、外側シート52、内側シート53を備えている。そして、心材シート51の外側となる面に外側シート52が接着され、心材シート51の内側となる面に内側シート53が接着されている。例えば、心材シート51をアルミニウム箔とし、外側シート52をナイロンペットフィルム等の樹脂シートとし、内側シート53をポリプロピレン等の樹脂シートとすることができる。
リチウムイオン二次電池1の、正極10の正極板11と、負極20の負極板21と、セパレータ30と、電解液40との位置関係(図1参照)を図8に模式的に示した。図8に示す様に、リチウムイオン二次電池1は、正極板11と負極板21とが、セパレータ30を間に挟んで向き合う構成となっている。上述した様に、正極活物質層13および負極活物質層23は、共にリチウムイオンLi+を吸蔵可能および放出可能に構成されている。
負極活物質層23にリチウムイオンLi+がプレドープされる場合、このプレドープするリチウムイオンLi+の量は、以下で説明する様に上限値を設けることもできる。
ドープ率(%)=N/Nt×100
N:満充電時において負極活物質(負極活物質層)が吸蔵しているリチウムイオンの量(mol)
Nt:プレドープ前の負極活物質(負極活物質層)が吸蔵可能なリチウムイオンの量(mol)
その他の実施の形態として、例えば、上記のリチウムイオン二次電池は、正極板11と負極板21とセパレータ30とを積層した積層型のリチウムイオン二次電池であるが、長尺の正極と、長尺の負極と、長尺のセパレータとを捲回した捲回型のリチウムイオン二次電池とすることができる。
以上に説明した構成により、リチウムイオン二次電池1は、85℃の耐熱性をもつ。
[正極の作成]
まず、正極活物質としてLiFePO4を88質量部、バインダとしてポリアクリル酸(ポリアクリル酸のナトリウム中和塩)を6質量部、導電助剤としてカーボンブラックを15質量部、増粘剤としてカルボキシメチルセルロースを0.3質量部、溶媒として水を217質量部用いて正極活物質を含む正極用スラリーを調製した。
(1)全ての材料と水とを、ミキサーa(株式会社シンキー製あわとり練太郎ARE-310)にて混合してプレスラリーを調製した。
(2)(1)で得たプレスラリーを、ミキサーb(プライミクス株式会社製フィルミックス40-L)にて更に混合して中間スラリーを調製した。
(3)(2)で得た中間スラリーを再度ミキサーaで混合して正極用スラリーを調製した。
負極活物質としてのグラファイトを98質量部、バインダとしてのスチレンブタジエンゴム(SBR)を1.4質量部、増粘剤としてカルボキシメチルセルロースを0.7質量部、溶媒としての水を96質量部混合し、以下の手順にて負極用スラリーを調製した。
(1)バインダを除く材料と水とを、ミキサーaにて混合してプレスラリーを調製した。
(2)(1)で得たプレスラリーを、ミキサーbにて更に混合して中間スラリーを調製した。
(3)(2)で得た中間スラリーにバインダを添加し、ミキサーaにて混合して負極用スラリーを調製した。
エチレンカーボネート[EC]を20.0vol%、プロピレンカーボネート[PC]を10.0vol%、エチルメチルカーボネート[EMC]を46.7vol%、ジエチルカーボネート[DEC]を23.3vol%を含む混合溶媒に、電解質としてイミド系リチウム塩であるリチウムビス(フルオロスルホニル)イミド[LiN(FSO2)2、LiFSI]を加えた。電解液は、LiFSIを1.0mol/L含む。
リチウムイオン二次電池を、次の手順にて作製した。
(1)正極、負極をそれぞれ打ち抜き、60mm×40mmのサイズの長方形とし、40mm×40mmの塗膜を残して長辺の一端側の20mm×40mmの領域の塗膜を剥ぎ落として集電用タブを取り付けた。
(2)厚さ20μmのセルロース製セパレータを間に介した状態で正極と負極の塗膜部分を対向させて積層体を作製した。
(3)(2)で作製した積層体と、リチウムプレドープ用の金属リチウム箔をアルミラミネート箔に内包し、電解液を注入し、封止してリチウムイオン二次電池を作製した。
正極バインダの電解液に対するRED値を算出したところ、1より大きいことが確認された。
リチウムイオン二次電池を常温(25℃)にて、カットオフ電圧:3.0~3.5V、測定電流5mA、0.2Cで内部抵抗及び放電容量を測定した。ここで、内部抵抗の測定は、DC-IR法にて0~0.1secにおける内部抵抗(mΩ)を測定した。
外部電源を繋いで電圧を3.5に保持した状態のリチウムイオン二次電池を85℃の恒温槽内に放置した。その放置時間が、85℃,3.5Vフロート時間に相当する。所定時間経過後、リチウムイオン二次電池を恒温槽から取り出し、常温に戻した後上記の電池性能の測定を行った。
試験例1のリチウムイオン二次電池の内部抵抗(mΩ)の経時変化を図10に示し、放電容量(mAh)の経時変化を図11に示した。また、試験例2のリチウムイオン二次電池の内部抵抗(mΩ)の経時変化を図12に示し、放電容量(mAh)の経時変化を図13に示した。
次に、リチウムイオンのドープ率の影響を検討した。上述した作成方法で、試験例3~5のリチウムイオン二次電池を作成し、以下の試験を行った。但し、試験例3のドープ率は80%、試験例4のドープ率は90%、試験例5のドープ率は100%になるよう調整した。
リチウムイオン二次電池を常温(25℃)にて、カットオフ電圧:3.0~3.5V、測定電流5mA、0.2Cで内部抵抗及び放電容量を測定した。内部抵抗の測定は、DC-IR法にて0~0.1secにおける内部抵抗(mΩ)を測定した。続いて、外部電源を繋いで電圧を3.8Vに保持した状態のリチウムイオン二次電池を85℃の恒温槽内に放置した。所定時間経過後、リチウムイオン二次電池を恒温槽から取り出し、常温に戻した後上記の電池性能の測定を行った。図14には、試験例3~5の内部抵抗の増加率を示す。図15には、試験例3~5の放電容量の変化を示す。
次に、RED値の影響を検討した。なお、リチウムイオン二次電池の作成において、正極及び電解液のみを上述の方法から変更したため、これらの変更点についてのみ以下に説明し、重複する説明は省略する。
正極活物質としてLiFePO4、バインダとしてポリアクリル酸(ポリアクリル酸のナトリウム中和塩)、アクリル酸エステル又はスチレン-ブタジエンゴム〔SBR〕、導電助剤としてアセチレンブラック、増粘材としてカルボキシメチルセルロース〔CMC〕、溶媒として水を用いて、表1に示される組成にて正極活物質を含む正極用スラリーA~Cを上述の方法で調整した。なお、表1における「部」は質量部を示し、「%」は質量%を示す。
溶媒として、エチレンカーボネート(EC)30vol%、ジメチルカーボネート(DMC)30vol%及びエチルメチルカーボネート(EMC)40vol%の混合溶媒を用い、混合溶媒にリチウムビス(フルオロスルホニルイミド)(LiFSI)を1mol/L添加して電解液Iを調整した。また、混合溶媒にヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)を添加して電解液Pを調整した。また溶媒として、エチレンカーボネート(EC)30vol%、エチルメチルカーボネート(EMC)46.7vol%、ジエチルカーボネート(DEC)23.3vol%、プロピレンカーボネート(PC)10vol%の混合溶媒を用い、混合溶媒にリチウムビス(フルオロスルホニルイミド)(LiFSI)を1mol/L添加して電解液I2を調整した。
試験例6~10のリチウムイオン二次電池を、表2に示す正極及び電解液の組み合わせで作成した。また、それぞれの組み合わせにおけるRED値も表2に示す。
試験例6~10のリチウムイオン二次電池の充放電、エージングを行った。その後、常温(25℃)にて、カットオフ電圧:2.2~3.8V、測定電流10Cで各リチウムイオン二次電池の内部抵抗及び放電容量を測定し、その結果を初期性能とした。
試験例6~10のリチウムイオン二次電池を、外部電源を繋いで電圧を3.8Vに保持した状態で85℃の恒温槽内に放置した。その放置時間が、85℃,3.8Vフロート時間に相当する。所定時間経過後、リチウムイオン二次電池を恒温槽から取り出し、常温に戻した後上記初期性能の測定と同一条件で内部抵抗及び放電容量を測定し、容量維持率(初期の放電容量を100%としたときの放電容量の百分比)と、内部抵抗増加率(初期性能からの内部抵抗の増加率)を算出した。その結果を表3に示す。
Claims (3)
- リチウムイオン二次電池であって、
リチウムイオンを吸蔵可能および放出可能な正極活物質、前記正極活物質を結着させる正極バインダ、導電助剤および増粘剤のみからなる正極活物質層と、
リチウムイオンを吸蔵可能および放出可能な負極活物質と、
前記負極活物質を結着させる負極バインダと、
有機溶媒およびイミド系リチウム塩を含む電解液と、を備え、
前記有機溶媒は、ジメチルカーボネートを含まず且つエチルメチルカーボネートとジエチルカーボネートを含み、
前記負極活物質は前記リチウムイオンがプレドープされ、
前記正極バインダが、前記電解液に対するハンセン溶解度パラメータに基づくRED値が1より大きく、
前記負極活物質のドープ率が90%から100%であり、
前記ドープ率は下記の式で表される、
リチウムイオン二次電池。
ドープ率(%)=N/Nt×100
N:満充電時において負極活物質が吸蔵しているリチウムイオンの量(mol)
Nt:プレドープ前の負極活物質が吸蔵可能なリチウムイオンの量(mol) - 請求項1に記載のリチウムイオン二次電池であって、
前記正極活物質は、Li基準における動作電位の上限が5.0V未満である、
リチウムイオン二次電池。 - 請求項1又は請求項2に記載のリチウムイオン二次電池であって、
前記正極バインダおよび前記負極バインダの少なくとも一方はポリアクリル酸である、
リチウムイオン二次電池。
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