JPWO2010092976A1 - リチウム二次電池の正極合剤用スラリー、該スラリーを用いた正極およびリチウム二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
正極活物質(A)が、式(A):
LixM1 yM2 1-yO2
(式中、0.4≦x≦1;0.3≦y≦1;M1はNiおよびMnよりなる群から選ばれる少なくとも1種;M2はCo、AlおよびFeよりなる群から選ばれる少なくとも1種)で示されるリチウム含有複合金属酸化物であり、
結着剤(B)が、組成式(B):
(VDF)m(TFE)n(HFP)l
(式中、VDFはフッ化ビニリデン由来の構造単位;TFEはテトラフルオロエチレン由来の構造単位;HFPはヘキサフルオロプロピレン由来の構造単位;0.45≦m≦1;0≦n≦0.5;0≦l≦0.1。ただし、m+n+l=1である)で示される含フッ素重合体
であることを特徴とするリチウム二次電池の正極合剤用スラリーに関する。
本発明で用いる正極活物質は、式(A):
LixM1 yM2 1-yO2
(式中、0.4≦x≦1;0.3≦y≦1;M1はNiおよびMnよりなる群から選ばれる少なくとも1種;M2はCo、AlおよびFeよりなる群から選ばれる少なくとも1種)で示されるリチウム含有複合金属酸化物である。
式(A1):
LiNixCoyAlzO2
(式中、0.7≦x≦1;0≦y≦0.3;0≦z≦0.03;0.9≦x+y+z≦1.1)、
式(A2):
LiNixCoyMnzO2
(式中、0.3≦x≦0.6;0≦y≦0.4;0.3≦z≦0.6;0.9≦x+y+z≦1.1)、
式(A3):
LixMnzO2
(式中、0.4≦x≦0.6;0.9≦z≦1)、または
式(A4):
LiFexCoyMnzO2
(式中、0.3≦x≦0.6;0.1≦y≦0.4;0.3≦z≦0.6;0.9≦x+y+z≦1.1)
で示されるリチウム含有複合金属酸化物が好ましい。
本発明で用いる結着剤(B)は、組成式(B):
(VDF)m(TFE)n(HFP)l
(式中、VDFはフッ化ビニリデン由来の構造単位;TFEはテトラフルオロエチレン由来の構造単位;HFPはヘキサフルオロプロピレン由来の構造単位;0.45≦m≦1;0≦n≦0.5;0≦l≦0.1。m+n+l=1)で示される含フッ素重合体を含む。なお、構造単位VDF、TFEおよびHFPは任意の順序で連結し得るものであり、ランダムに存在してもよい。
本発明の正極合剤用スラリーは、正極活物質(A)と結着剤(B)、さらには後述する導電材などの電極材料を有機溶媒に混合分散させることで得られる。
本発明において、本発明の効果を損なわない範囲で、必要に応じて、他の電極材料を配合することができる。
目的とする各電極材料の割合を正極活物質(A):結着剤(B):導電材(D)が質量比で95:5:5になるように秤量する。結着剤(B)を濃度が10質量%になるようにN−メチルピロリドン(NMP)に溶解させたのち、この結着剤のNMP溶液に所定量の正極活物質(A)と導電材(D)を加え、撹拌機で充分に混合する。撹拌しながら固形分濃度が50質量%になるようにNMPを逐次追加し、正極合剤用スラリーを調製する。
調製した上記正極合剤用スラリーをNiメッシュ(200メッシュ)の篩を通してろ過して固形分の粒径を均一化する。つづいて、ろ過後の正極合剤用スラリーに真空脱泡処理を施す。正極合剤用スラリーの脱泡が完了した後、集電板である厚さ22μmのAl箔上に正極合剤用スラリーをアプリケーターにより塗布(正極塗膜の乾燥質量が18mg/cm2となる量)を行う。塗布後、送風乾燥機またはホットプレートを用いて100〜120℃で乾燥しながらNMPを完全に揮発させ、帯状の正極を作製する。
人造黒鉛粉末(日立化成(株)製。商品名MAG−D)に、蒸留水で分散させたスチレン−ブタジエンゴムを固形分で6質量%となるように加え、ディスパーザーで混合してスラリー状としたものを負極集電体(厚さ10μmの銅箔)上に均一に塗布し、乾燥し、負極合剤層を形成し、その後、ローラプレス機により圧縮成形し、切断した後、乾燥し、リード体を溶接して、帯状の負極を作製する。
正極活物質(A)として、LiNi0.82Co0.15Al0.03O2(戸田工業(株)製)を用い、結着剤(B)としてPVdF(クレハ(株)製のKF1120)、VdF/TFE2元共重合体(B1)(VdF/TFE=80/20モル%比)、VdF/TFE/HFP3元共重合体(B2)(VdF/TFE/HFP=65/32.5/2.5モル%比)の3種類を用い、有機溶媒(C)として水分含有量を変えた3種類(水分含有量:30ppm、100ppm、300ppm)のNMPを用いて上記の方法に従って、それぞれ3種類の正極合剤用スラリーを調製した。ついで、得られた正極合剤用スラリーの粘度(単位:mPa・s)を測定した。結果を表1に示す。
正極合剤用スラリーをサンプル瓶に入れ、室温(25℃)にてローターで撹拌して、粘度計(Brookfield社製のHB DV−1 Prime)により測定する。
実施例1の正極活物質(A)としてLiCoO2(日本化学工業(株))に変更したほかは同様にして正極合剤用スラリーを調製し、粘度を測定したところ、いずれのスラリーも粘度の変化がなく(ゲル化しない)、スラリーは安定であった。
実施例1の結着剤(B)としてクロロトリフルオロエチレン(CTFE)/VdF共重合体(CTFE/VdF=30/70モル%比)(比較例2)、およびVdF/HFP共重合体(VdF/HFP=88/12モル%比)(比較例3)に変更したほかは同様にして正極合剤用スラリーを調製し、粘度を測定したところ、いずれのスラリーも8時間後にゲル化した。
正極活物質(A)として、LiNi0.82Co0.15Al0.03O2(戸田工業(株)製)、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(日本化学工業(株)製)の2種類を用い、結着剤(B)としてPVdF(クレハ(株)製のKF1120)、VdF/TFE2元共重合体(B1)(VdF/TFE=80/20モル%比)、VdF/TFE/HFP3元共重合体(B2)(VdF/TFE/HFP=65/32.5/2.5モル%比)の3種類を用い、有機溶媒(C)として水分含有量30ppmのNMPを用いて上記の方法に従って、それぞれ3種類の正極合剤用スラリーを調製した。
正極をギャップが75μmのロールプレスに70℃で2回通し、さらにギャップを35μmに変更して2回通した後、正極の面積/膜厚/重量を測定して密度(g/cm3)を算出する。
実施例2で作製した正極を縦3cm、横6cmに切り取った後、180°折り畳んだ後拡げて、正極の割れの有無を目視で確認した。結果を表3に示す。
実施例2で作製した正極を使用して上記の方法でリチウム二次電池(ラミネートセル)を作製した。これらのリチウム二次電池について、レート特性およびサイクル特性をつぎの要領で調べた。結果を表4に示す。
充電については、1.0Cで4.2Vにて充電電流が1/10Cになるまで充電し0.2C相当の電流で3.0Vまで放電し、放電容量を求める。引き続き、1.0Cで4.2Vにて充電電流が1/10Cになるまで充電し、2C相当の電流で3.0Vになるまで放電し、放電容量を求める。この2Cでの放電容量と、0.2Cでの放電容量との比から、つぎの計算式に代入してレート特性を求める。
レート特性(%)=2C放電容量(mAh)/0.2C放電容量(mAh)×100
サイクル特性については、上記の充放電条件(1.0Cで4.2Vにて充電電流が1/10Cになるまで充電し1C相当の電流で3.0Vまで放電する)で行う充放電サイクルを1サイクルとし、最初のサイクル後の放電容量と100サイクル後の放電容量を測定する。サイクル特性は、つぎの計算式で求められた値を容量維持率の値とする。
容量維持率(%)=100サイクル放電容量(mAh)/1サイクル放電容量(mAh)×100
有機溶媒を水分含有量約50ppmの酢酸ブチルに変更したほかは実施例1と同様にして、PVdFとVdF/TFE2元共重合体(B1)(VdF/TFE=80/20モル%比)とVdF/TFE/HFP3元共重合体(B2)(VdF/TFE/HFP=65/32.5/2.5モル%比)の3種類の結着剤を用いた正極合剤用スラリーを調製した。
有機溶媒を水分含有量約50ppmのシクロヘキサノンに変更したほかは実施例1と同様にして、PVdFとVdF/TFE2元共重合体(B1)(VdF/TFE=80/20モル%比)とVdF/TFE/HFP3元共重合体(B2)(VdF/TFE/HFP=65/32.5/2.5モル%比)の3種類の結着剤を用いた正極合剤用スラリーを調製した。
正極活物質(A)として、Li2Mn2O4とLi2Ni1.5Mn0.5O4の2種類を用い、結着剤(B)としてPVdF(クレハ(株)製のKF1120)およびVdF/TFE/HFP3元共重合体(B2)(VdF/TFE/HFP=65/32.5/2.5モル%比)の2種類を用い、有機溶媒(C)として水分含有量30ppmのNMPを用いたほかは実施例1に記載の方法に従って、正極活物質のそれぞれについて2種類の正極合剤用スラリーを調製した。
正極活物質(A)として、LiNi0.82Co0.15Al0.03O2(戸田工業(株)製)、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(日本化学工業(株)製)、Li2Mn2O4、およびLi2Ni1.5Mn0.5O4の4種類を用い、結着剤(B)としてPVdF(クレハ(株)製のKF1120)、VdF/TFE2元共重合体(B1)(VdF/TFE=80/20モル%比)、VdF/TFE/HFP3元共重合体(B2)(VdF/TFE/HFP=65/32.5/2.5モル%比)の3種類を用い、有機溶媒(C)として水分含有量30ppmのNMPを用いたほかは、実施例1に記載の方法に従って、正極活物質のそれぞれについて3種類の正極合剤用スラリーを調製した。この際のA/Bの質量比は8/2にした。
実施例8で製造した正極合剤用スラリーを用い、実施例4と同様の手法で作製したラミネートセルを用い、充電電流と放電電流を0.2Cとしたほかは同様にして、3サイクル後の放電容量を比較した。結果を表9に示す。評価は、PVdFの放電容量を100とした場合の指数としている。
バインダーポリマーとして、(B3)VdF/TFE2元共重合体(VdF/TFE=90/10モル%比)、(B4) VdF/TFE2元共重合体(VdF/TFE=45/55モル%比)(比較)、(B5)VdF/TFE/HFP3元共重合体(VdF/TFE/HFP=53/43.5/3.5モル%比)、(B6)VdF/TFE/HFP3元共重合体(VdF/TFE/HFP=50/42/8モル%比)、または(B7)VdF/TFE/HFP3元共重合体(VdF/TFE/HFP=77/6/17モル%比)(比較)を用い、正極活物質としてLiNi0.82Co0.15Al0.03O2(戸田工業(株)製)を用い、有機溶媒(C)として水分含有量30ppmのNMPを用いたほかは、実施例1に記載の方法に従って、スラリー化処理(ローターで12時間撹拌(60rpm))し、ゲル化の有無を目視で観察した。
Claims (12)
- 正極活物質(A)と結着剤(B)および有機溶媒(C)を含む正極合剤用スラリーであって、
正極活物質(A)が、式(A):
LixM1 yM2 1-yO2
(式中、0.4≦x≦1;0.3≦y≦1;M1はNiおよびMnよりなる群から選ばれる少なくとも1種;M2はCo、AlおよびFeよりなる群から選ばれる少なくとも1種)で示されるリチウム含有複合金属酸化物であり、
結着剤(B)が、組成式(B):
(VDF)m(TFE)n(HFP)l
(式中、VDFはフッ化ビニリデン由来の構造単位;TFEはテトラフルオロエチレン由来の構造単位;HFPはヘキサフルオロプロピレン由来の構造単位;0.45≦m≦1;0≦n≦0.5;0≦l≦0.1。ただし、m+n+l=1である)で示される含フッ素重合体
であることを特徴とするリチウム二次電池の正極合剤用スラリー。 - 正極活物質(A)が、
式(A1):
LiNixCoyAlzO2
(式中、0.7≦x≦1;0≦y≦0.3;0≦z≦0.03;0.9≦x+y+z≦1.1)、
式(A2):
LiNixCoyMnzO2
(式中、0.3≦x≦0.6;0≦y≦0.4;0.3≦z≦0.6;0.9≦x+y+z≦1.1)、
式(A3):
LixMnzO2
(式中、0.4≦x≦0.6;0.9≦z≦1)、または
式(A4):
LiFexCoyMnzO2
(式中、0.3≦x≦0.6;0.1≦y≦0.4;0.3≦z≦0.6;0.9≦x+y+z≦1.1)
である請求項1記載の正極合剤用スラリー。 - 結着剤(B)が、式(B)において、0.50≦m≦0.90、0.10≦n≦0.50および0≦l≦0.08(ただし、m+n+l=1)である含フッ素共重合体を含む請求項1または2記載の正極合剤用スラリー。
- 結着剤(B)が、式(B)において、0.50≦m≦0.90および0.10≦n≦0.50(ただし、m+n=1)である二元含フッ素共重合体を含む請求項1または2記載の正極合剤用スラリー。
- 結着剤(B)が、式(B)において、0.50≦m≦0.90、0.10≦n≦0.45および0.01≦l≦0.05(ただし、m+n+l=1)である含フッ素共重合体を含む請求項1または2記載の正極合剤用スラリー。
- 有機溶媒(C)の水分含有量が100ppm以下である請求項1〜5のいずれかに記載の正極合剤用スラリー。
- 請求項1〜6のいずれかに記載の正極合剤用スラリーを正極集電体に塗工し乾燥して得られるリチウム二次電池の正極。
- 請求項7記載の正極と負極と非水電解液を備えるリチウム二次電池。
- 式(A):
LixM1 yM2 1-yO2
(式中、0.4≦x≦1;0.3≦y≦1;M1はNiおよびMnよりなる群から選ばれる少なくとも1種;M2はCo、AlおよびFeよりなる群から選ばれる少なくとも1種)で示されるリチウム含有複合金属酸化物である正極活物質(A)と、
組成式(B):
(VDF)m(TFE)n(HFP)l
(式中、VDFはフッ化ビニリデン由来の構造単位;TFEはテトラフルオロエチレン由来の構造単位;HFPはヘキサフルオロプロピレン由来の構造単位;0.45≦m≦1;0≦n≦0.5;0≦l≦0.1。ただし、m+n+l=1)で示される含フッ素重合体を含む結着剤(B)
とを水分含有量が100ppm以下の有機溶媒(C)に分散させる
ことを特徴とするリチウム二次電池の正極合剤用スラリーの製造方法。 - 有機溶媒(C)の水分含有量が30ppm以下である請求項9記載の製造方法。
- 有機溶媒(C)がN−メチルピロリドンである請求項9または10記載の製造方法。
- 請求項9〜11のいずれかに記載の製造方法で得られるリチウム二次電池の正極合剤用スラリー。
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