JPWO2007074654A1 - 非水電解質二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
2 正極
3 非水電解質
3A 電解液
3B セパレータ
4 ガスケット
5 蓋体
6 ケース
7,51 集電体
8 正極合剤層
10 集電体
12,12A,12B,48 負極合剤層
14,14C 合剤層膨張吸収溝
14A 縦溝(合剤層膨張吸収溝)
14B 横溝(合剤層膨張吸収溝)
16,16A ブロック
34 複合負極活物質
35 含ケイ素粒子
36 カーボンナノファイバ
40 製造装置
41 真空容器
42 ガス導入配管
43 固定台
45 ノズル
46 蒸着ユニット
47 真空ポンプ
52 凹部
53 凸部
55 柱状体
56A,56E,56C 柱状体部
57 面
図1は、本発明の実施の形態1による非水電解質二次電池の断面図である。このコイン型の電池は、負極1と、負極1に対向し放電時にリチウムイオンを還元する正極2と、負極1と正極2との間に介在しリチウムイオンを伝導する非水電解質3とを有する。負極1と正極2とは、非水電解質3とともに、ガスケット4と蓋体5とを用いて、ケース6内に収納されている。正極2は集電体7と正極活物質を含む正極合剤層8からなる。負極1は集電体10と、その表面に設けられた負極合剤層(以下、合剤層)12とを有する。
図5Aは、実施の形態2における、正極、負極を捲回して構成した非水電解質二次電池の一部構造を示す断面図である。図5B、図5Cはその一部をさらに拡大して示す模式断面図である。図5Bは放電状態、図5Cは充電状態をそれぞれ示している。本実施の形態による非水電解質二次電池は、負極1と正極2とをセパレータ3Bを介して捲回して構成された電極群を有する。なお正極2の詳細な構造は省略しているが、集電体の両面に合剤層を設けた構造である。
(1)正極の作製
正極活物質としてLiNi0.8Co0.17Al0.03O2の100重量部に対して、導電剤としてアセチレンブラックを3重量部、結着剤としてPVDFを4重量部混合し、N−メチルピロリドン(NMP)を溶媒として均一分散してペーストを調製した。
リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な含ケイ素粒子35として、本実施例では、粒径10μm以下に粉砕したO/Si比がモル比で1.01である酸化ケイ素(SiO1.01)を使用した。
上記のように作製した正極2と負極1を、厚さが20μmのポリプロピレン製のセパレータ3Bを介して、合剤層12Bが内側となるように捲回し、電極群を構成した。負極活物質として用いる複合体34には比較的大きな不可逆容量が存在する。すなわち初充電と初放電の容量の間に約650mAh/gの差が生じる。これを補填する目的で以下のように処理した。
合剤層12Bに設ける溝を図3Aに示したような、格子状とした以外は、実施例1と同様に構成した電池を実施例2とする。
合剤層12Bに設ける溝14Cの幅を、3mmおよび0.2mmとした以外は、実施例1と同様に構成した電池をそれぞれ実施例3、4とする。
負極1の両面とも負極合剤層に溝を設けなかった以外は実施例1と同様に構成した電池を比較例1とし、溝の深さを合剤層(片側)の厚さの半分まで形成し、集電体10を露出させなかった以外は実施例1と同様に構成した電池を比較例2とする。
負極活物質として黒鉛100重量部と、結着剤としてスチレンブタジエンゴムを3重量部、増粘剤としてカルボキシメチルセルロース水溶液を固形分として1重量部となるよう混合し、ペーストを作製した。これをCu箔に塗布し、合剤層12Bの単位体積あたりの活物質(黒鉛)の充填密度が1.7g/cm3、厚さが183μmとなるように圧延したのち、幅59mm、長さ698mmに裁断した以外は実施例1と同様に構成した電池を実施例5とする。
合剤層12Bの単位体積あたりの活物質(黒鉛)の充填密度を1.6g/cm3とした以外は実施例5と同様に構成した電池を実施例6とする。
負極の両面とも負極合剤層に溝を設けなかった以外は実施例5と同様に構成した電池を比較例3とする。
負極の両面とも負極合剤層に溝を設けなかった以外は実施例6と同様に構成した電池を比較例4とする。
実施例1〜4、比較例1、2については最大電流2Aで4.2Vまで充電し、4.2Vの電圧を保ったまま電流値を減衰させる定電圧充電を行った。また実施例5、6と比較例3、4については、最大電流1Aで4.2Vまで充電し、4.2Vの電圧を保ったまま電流値を減衰させる定電圧充電を行った。いずれの場合も充電は減衰電流が0.3Aになるまで行った。その後、3Aの定電流で、電圧が2Vになるまで放電を行った。これらの条件で充放電を繰り返し、1サイクル目の容量に対して放電容量が70%を下回った時点のサイクル数を、サイクル特性の指標とした。
上記サイクル特性評価と同じ条件で充放電を繰り返し、150サイクル時点で電池を分解し、電極群の変形の有無を確認した。目視上で確認可能な変形が見られたものを「電極群変形あり」、そうでないものを「なし」とした。また電極群を上部から観察した。溝14Cを設けた側(内側)の合剤層12Bの隣り合うブロックの内周端面同士が互いに当接していたものを「ブロック当接あり」、そうでないものを「なし」とした。
実施の形態1,2ではリチウムイオンの吸蔵・放出が可能な活物質と結着剤とを含む負極合剤層が集電体上に形成された負極を用いた場合について説明した。これに対し本実施の形態では集電体に直接活物質を堆積させて負極合剤層を形成した場合について説明する。以下、SiOx(0.05<x<1.95)で表される組成範囲の酸化ケイ素の柱状体を負極活物質として用いた負極を例に説明する。
厚さ30μmの帯状電解銅箔を基材として用い、その表面にメッキ法で凸部53が、20μm間隔で形成された集電体51を準備した。以下、上述の手順に沿って角度ω°が60°なるように固定台43の角度を調整し約8nm/sの成膜速度で、高さ10μm、断面積300μm2の柱状体部56Aを形成した。以下、固定台43の角度を調整して柱状体部56B、56Cを形成した。このようにして3段で高さ30μm、断面積300μm2の柱状体55を集電体51上に形成した。集電体51を直径12.5mmの円形に打ち抜いて負極58を作製した。この後、真空蒸着法によって負極58の表面に厚さ15μmの金属リチウムを蒸着した。
比較例5として、凸部53のない集電体上に平板状にSiOxを堆積させて作製した負極を用いた以外は実施例7と同様にしてモデルセルを作製した。すなわち、厚さ30μmの帯状電解銅箔を集電体とし、図6において蒸着ユニット46からの入射方向に対し集電体51の法線方向が180°になるように固定台43を設定した以外は実施例7と同様にしてSiOxを堆積させた。
このようにして作製した各モデルセルを0.44mAの定電流で0Vまで放電し、続いて0.44mAの定電流で1Vまで充電した。この操作を充電容量が初回の充電容量の70%に低下するまで繰り返す充放電サイクル試験を行った。また充放電サイクル試験後のモデルセルを分解して負極の状態を観察した。評価結果を(表3)に示す。
図1は、本発明の実施の形態1による非水電解質二次電池の断面図である。このコイン型の電池は、負極1と、負極1に対向し放電時にリチウムイオンを還元する正極2と、負極1と正極2との間に介在しリチウムイオンを伝導する非水電解質3とを有する。負極1と正極2とは、非水電解質3とともに、ガスケット4と蓋体5とを用いて、ケース6内に収納されている。正極2は集電体7と正極活物質を含む正極合剤層8からなる。負極1は集電体10と、その表面に設けられた負極合剤層(以下、合剤層)12とを有する。
図5Aは、実施の形態2における、正極、負極を捲回して構成した非水電解質二次電池の一部構造を示す断面図である。図5B、図5Cはその一部をさらに拡大して示す模式断面図である。図5Bは放電状態、図5Cは充電状態をそれぞれ示している。本実施の形態による非水電解質二次電池は、負極1と正極2とをセパレータ3Bを介して捲回して構成された電極群を有する。なお正極2の詳細な構造は省略しているが、集電体の両面に合剤層を設けた構造である。
(1)正極の作製
正極活物質としてLiNi0.8Co0.17Al0.03O2の100重量部に対して、導電剤としてアセチレンブラックを3重量部、結着剤としてPVDFを4重量部混合し、N−メチルピロリドン(NMP)を溶媒として均一分散してペーストを調製した。
リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な含ケイ素粒子35として、本実施例では、粒径10μm以下に粉砕したO/Si比がモル比で1.01である酸化ケイ素(SiO1.01)を使用した。
上記のように作製した正極2と負極1を、厚さが20μmのポリプロピレン製のセパレータ3Bを介して、合剤層12Bが内側となるように捲回し、電極群を構成した。負極活物質として用いる複合体34には比較的大きな不可逆容量が存在する。すなわち初充電と初放電の容量の間に約650mAh/gの差が生じる。これを補填する目的で以下のように処理した。
合剤層12Bに設ける溝を図3Aに示したような、格子状とした以外は、実施例1と同様に構成した電池を実施例2とする。
合剤層12Bに設ける溝14Cの幅を、3mmおよび0.2mmとした以外は、実施例1と同様に構成した電池をそれぞれ実施例3、4とする。
負極1の両面とも負極合剤層に溝を設けなかった以外は実施例1と同様に構成した電池を比較例1とし、溝の深さを合剤層(片側)の厚さの半分まで形成し、集電体10を露出させなかった以外は実施例1と同様に構成した電池を比較例2とする。
負極活物質として黒鉛100重量部と、結着剤としてスチレンブタジエンゴムを3重量部、増粘剤としてカルボキシメチルセルロース水溶液を固形分として1重量部となるよう混合し、ペーストを作製した。これをCu箔に塗布し、合剤層12Bの単位体積あたりの活物質(黒鉛)の充填密度が1.7g/cm3、厚さが183μmとなるように圧延したのち、幅59mm、長さ698mmに裁断した以外は実施例1と同様に構成した電池を実施例5とする。
合剤層12Bの単位体積あたりの活物質(黒鉛)の充填密度を1.6g/cm3とした以外は実施例5と同様に構成した電池を実施例6とする。
負極の両面とも負極合剤層に溝を設けなかった以外は実施例5と同様に構成した電池を比較例3とする。
負極の両面とも負極合剤層に溝を設けなかった以外は実施例6と同様に構成した電池を比較例4とする。
実施例1〜4、比較例1、2については最大電流2Aで4.2Vまで充電し、4.2Vの電圧を保ったまま電流値を減衰させる定電圧充電を行った。また実施例5、6と比較例3、4については、最大電流1Aで4.2Vまで充電し、4.2Vの電圧を保ったまま電流値を減衰させる定電圧充電を行った。いずれの場合も充電は減衰電流が0.3Aになるまで行った。その後、3Aの定電流で、電圧が2Vになるまで放電を行った。これらの条件で充放電を繰り返し、1サイクル目の容量に対して放電容量が70%を下回った時点のサイクル数を、サイクル特性の指標とした。
上記サイクル特性評価と同じ条件で充放電を繰り返し、150サイクル時点で電池を分解し、電極群の変形の有無を確認した。目視上で確認可能な変形が見られたものを「電極群変形あり」、そうでないものを「なし」とした。また電極群を上部から観察した。溝14Cを設けた側(内側)の合剤層12Bの隣り合うブロックの内周端面同士が互いに当接していたものを「ブロック当接あり」、そうでないものを「なし」とした。
実施の形態1,2ではリチウムイオンの吸蔵・放出が可能な活物質と結着剤とを含む負極合剤層が集電体上に形成された負極を用いた場合について説明した。これに対し本実施の形態では集電体に直接活物質を堆積させて負極合剤層を形成した場合について説明する。以下、SiOx(0.05<x<1.95)で表される組成範囲の酸化ケイ素の柱状体を負極活物質として用いた負極を例に説明する。
厚さ30μmの帯状電解銅箔を基材として用い、その表面にメッキ法で凸部53が、20μm間隔で形成された集電体51を準備した。以下、上述の手順に沿って角度ω°が60°なるように固定台43の角度を調整し約8nm/sの成膜速度で、高さ10μm、断面積300μm2の柱状体部56Aを形成した。以下、固定台43の角度を調整して柱状体部56B、56Cを形成した。このようにして3段で高さ30μm、断面積300μm2の柱状体55を集電体51上に形成した。集電体51を直径12.5mmの円形に打ち抜いて負極58を作製した。この後、真空蒸着法によって負極58の表面に厚さ15μmの金属リチウムを蒸着した。
比較例5として、凸部53のない集電体上に平板状にSiOxを堆積させて作製した負極を用いた以外は実施例7と同様にしてモデルセルを作製した。すなわち、厚さ30μmの帯状電解銅箔を集電体とし、図6において蒸着ユニット46からの入射方向に対し集電体51の法線方向が180°になるように固定台43を設定した以外は実施例7と同様にしてSiOxを堆積させた。
このようにして作製した各モデルセルを0.44mAの定電流で0Vまで放電し、続いて0.44mAの定電流で1Vまで充電した。この操作を充電容量が初回の充電容量の70%に低下するまで繰り返す充放電サイクル試験を行った。また充放電サイクル試験後のモデルセルを分解して負極の状態を観察した。評価結果を(表3)に示す。
2 正極
3 非水電解質
3A 電解液
3B セパレータ
4 ガスケット
5 蓋体
6 ケース
7,51 集電体
8 正極合剤層
10 集電体
12,12A,12B,48 負極合剤層
14,14C 合剤層膨張吸収溝
14A 縦溝(合剤層膨張吸収溝)
14B 横溝(合剤層膨張吸収溝)
16,16A ブロック
34 複合負極活物質
35 含ケイ素粒子
36 カーボンナノファイバ
40 製造装置
41 真空容器
42 ガス導入配管
43 固定台
45 ノズル
46 蒸着ユニット
47 真空ポンプ
52 凹部
53 凸部
55 柱状体
56A,56B,56C 柱状体部
57 面
Claims (9)
- 正極合剤層を含む正極と、
リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な活物質を含む負極合剤層と、前記負極合剤層を支持する集電体と、を含み、
前記負極合剤層の面の前記正極合剤層と対峙する箇所に前記集電体が露出するように複数の合剤層膨張吸収溝が設けられた負極と、
前記正極と前記負極とに介在する非水電解質と、を備えた、
非水電解質二次電池。 - 前記負極合剤層が前記合剤層膨張吸収溝により独立する複数のブロックに分割されている、
請求項1記載の非水電解質二次電池。 - 前記正極と前記負極とが捲回されており、
前記合剤層膨張吸収溝が、前記負極合剤層のうち少なくとも前記集電体の捲回するときの内周側に設けられた、
請求項1記載の非水電解質二次電池。 - 前記合剤層膨張吸収溝が前記負極の捲回方向と実質的に垂直に設けられた、
請求項3記載の非水電解質二次電池。 - 前記合剤層膨張吸収溝を介して隣り合う前記負極合剤層の外表面の端部が互いに当接している、
請求項3記載の非水電解質二次電池。 - 前記活物質の、放電状態における体積に対する充電状態における体積の比が、1.2以上である、
請求項1記載の非水電解質二次電池。 - 前記負極合剤層が、
前記活物質の表面に付着させたカーボンナノファイバと、
前記カーボンナノファイバの成長を促進させるためのCu、Fe、Co、Ni、MoおよびMnよりなる群から選択される少なくとも1種の触媒元素と、をさらに含み、
前記活物質と前記カーボンナノファイバと前記触媒元素とが複合負極活物質を形成している、
請求項6記載の非水電解質二次電池。 - 前記活物質は、含ケイ素材料である、
請求項1記載の非水電解質二次電池。 - 前記含ケイ素材料がSiOx(0.05<x<1.95)で表される酸化ケイ素である、
請求項8記載の非水電解質二次電池。
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