JPWO2014073647A1 - リチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物、リチウムイオン二次電池用負極及びその製造方法、並びにリチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は上記の課題に鑑みて創案されたもので、サイクル特性及び低温出力特性に優れるリチウムイオン二次電池が得られるリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物及びリチウムイオン二次電池用負極、サイクル特性及び低温出力特性に優れるリチウムイオン二次電池が得られるリチウムイオン二次電池用負極の製造方法、並びに、サイクル特性及び低温出力特性に優れたリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。
すなわち、本発明は以下の通りである。
前記導電材の量が、前記負極活物質100重量部に対し、0.1重量部〜10重量部であり、
前記水溶性重合体の1%水溶液粘度が、10mPa・s〜3,000mPa・sであり、
前記粒子状バインダーが、表面酸量が0.01meq/g以上0.10meq/g以下の粒子状バインダーAと、表面酸量が0.15meq/g以上0.5meq/g以下の粒子状バインダーBとを含む、リチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物。
〔2〕 前記負極活物質が、黒鉛及びケイ素含有化合物からなる群より選ばれる少なくとも1種類である、〔1〕記載のリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物。
〔3〕 前記導電材の比表面積が、50m2/g〜1500m2/gである、〔1〕又は〔2〕記載のリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物。
〔4〕 前記水溶性重合体が、カルボキシメチルセルロースを含む、〔1〕〜〔3〕のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物。
〔5〕 前記粒子状バインダーAが、エチレン性不飽和モノカルボン酸単量体単位を0.1重量%〜10重量%含む、〔1〕〜〔4〕のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物。
〔6〕 前記粒子状バインダーBが、エチレン性不飽和ジカルボン酸単量体単位を1重量%〜10重量%含む、〔1〕〜〔5〕のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物。
〔7〕 前記粒子バインダーAと前記粒子状バインダーBとの重量比が、粒子状バインダーA/粒子状バインダーB=0.01〜1である、〔1〕〜〔6〕のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物。
〔8〕 〔1〕〜〔7〕のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物を、集電体上に塗布し、乾燥して得られるリチウムイオン二次電池用負極であって、
貫通方式の体積抵抗率が、1×10−5Ω・cm〜1×10+1Ω・cmであり、
前記リチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物を塗布し、乾燥した後の集電体上の固形分の量が、10mg/cm2〜20mg/cm2である、リチウムイオン二次電池用負極。
〔9〕 〔8〕記載のリチウムイオン二次電池用負極、正極及び電解液を備える、リチウムイオン二次電池。
〔10〕 〔1〕〜〔7〕のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物を、集電体上に塗布し、乾燥することを含む、リチウムイオン二次電池用負極の製造方法。
本発明のリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物(以下、リチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物のことを、適宜「負極用スラリー組成物」ということがある。)は、負極活物質、導電材、水溶性重合体及び粒子状バインダーを含む流体状の組成物である。また、本発明の負極用スラリー組成物は、通常、溶媒を含む。
負極活物質は、負極用の電極活物質であり、リチウムイオン二次電池の負極において電子の受け渡しをできる物質である。このような負極活物質としては、通常、リチウムを吸蔵及び放出しうる物質を用いる。
ケイ素を含む負極活物質を導電性カーボンによりコーティングすることにより複合化する方法。
ケイ素を含む負極活物質及び導電性カーボンを含む混合物を造粒することにより複合化する方法。
導電材は、負極活物質同士の電気的接触の程度を向上させうる成分である。本発明の負極用スラリー組成物において導電材は良好に分散しており、その良好な分散性を負極活物質層においても維持することができる。そのため、導電材により、負極活物質層内に多くの導電パスを形成することができるので、負極の抵抗を下げることができる。したがって、リチウムイオン二次電池の低温出力特性等の出力特性を向上させることができる。また、通常は、導電材により、リチウムイオン二次電池の放電レート特性を改善することができる。
水溶性重合体としては、その1%水溶液粘度が、好ましくは10mPa・s以上、より好ましくは20mPa・s以上、特に好ましくは50mPa・s以上であり、好ましくは3000mPa・s以下、より好ましくは2500mPa・s以下、特に好ましくは2000mPa・s以下のものを用いる。ここで、水溶性重合体の1%水溶液粘度とは、水溶性重合体を濃度1重量%で含む水溶液の粘度を意味する。
すなわち、一般に、導電材を含む負極用スラリー組成物はチキソ性を有する。これに対し、1%水溶液粘度が前記範囲に収まる水溶性重合体を用いれば、通常、そのチキソ性を抑えることができる。したがって、負極用スラリー組成物の塗布性及びハンドリング性を高めることができる。
また、一般に、導電材を含む負極用スラリー組成物を乾燥させて負極活物質層を形成する時には、乾燥時にスラリー組成物中で生じる対流により導電材がスラリー組成物の表面に移動し易いので、負極活物質層において導電材が表面近傍に偏る傾向がある。これに対し、1%水溶液粘度が前記範囲に収まる水溶性重合体を用いれば、通常、負極用スラリー組成物の乾燥時における導電材の移動が抑えられるので、負極活物質層における導電材の分散性を高めることができる。
粒子状バインダーは、粒子状の重合体であり、負極活物質層において、負極活物質同士を結着させたり、負極活物質と導電材とを結着させたり、導電材同士を結着させたりしうる。また、粒子状バインダーは、負極において集電体と負極活物質層とを結着させうる。本発明の負極用スラリー組成物では、この粒子状バインダーが、表面酸量が相対的に少ない粒子状バインダーAと、表面酸量が相対的に多い粒子状バインダーBとを組み合わせて含む。
粒子状バインダーを含む水分散液(固形分濃度2%)を調製する。蒸留水で洗浄した容量150mlのガラス容器に、前記粒子状バインダーを含む水分散液を、粒子状バインダーの重量で50g入れ、溶液電導率計にセットして攪拌する。以後、攪拌は、塩酸の添加が終了するまで継続する。
粒子状バインダーを含む水分散液の電気伝導度が2.5mS〜3.0mSになるように、0.1規定の水酸化ナトリウムを粒子状バインダーを含む水分散液に添加する。その後、6分経過してから、電気伝導度を測定する。この値を測定開始時の電気伝導度とする。
(a) 粒子状バインダー1g当りの表面酸量=(A2−A1)/(粒子状バインダーの重量)
(b) 粒子状バインダー1g当りの水相中の酸量=(A3−A2)/(粒子状バインダーの重量)
(c) 水中に分散した粒子状バインダー1g当りの総酸基量=(A3−A1)/(粒子状バインダーの重量)
例えば、粒子状バインダーAは、(メタ)アクリル酸エステル単量体単位を含みうる。(メタ)アクリル酸エステル単量体単位は、(メタ)アクリル酸エステル単量体を重合して形成される構造を有する構造単位である。
また、架橋性単量体及び架橋性単量体単位は、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。
任意の単量体としては、例えば、スチレン、クロロスチレン、ビニルトルエン、t−ブチルスチレン、ビニル安息香酸、ビニル安息香酸メチル、ビニルナフタレン、クロロメチルスチレン、ヒドロキシメチルスチレン、α−メチルスチレン、ジビニルベンゼン等のスチレン系単量体;ビニルスルホン酸、スチレンスルホン酸、アリルスルホン酸、スルホエチルメタクリレート、スルホプロピルメタクリレート、スルホブチルメタクリレートなどのスルホン酸基含有単量体及びそのアルカリ金属塩;下記式(I)で表されるフッ素含有(メタ)アクリル酸エステル単量体が挙げられる。
前記の式(I)において、R2は、フッ素原子を含有する炭化水素基を表す。炭化水素基の炭素数は、通常1以上であり、通常18以下である。また、R2が含有するフッ素原子の数は、1個でもよく、2個以上でもよい。
例えば、粒子状バインダーBは、芳香族ビニル単量体単位を含みうる。芳香族ビニル単量体単位とは、芳香族ビニル単量体を重合して形成される構造を有する構造単位である。芳香族ビニル単量体単位は剛性が高い構造単位であるので、芳香族ビニル単量体単位を含むことにより、粒子状バインダーBの剛性を高くすることができる。このため、粒子状バインダーBの破断強度を向上させることができる。また、粒子状バインダーBの剛性が高いことにより、例えばケイ素を含む負極活物質が充放電に伴い膨張及び収縮を繰り返した場合でも、粒子状バインダーBは負極活物質との接触を損なわないように負極活物質に当接しうる。したがって、集電体への負極活物質層の結着性を高めることができる。特に、充放電を繰り返した場合に前記の結着性の向上効果が顕著である。また、芳香族ビニル単量体単位が多いと粒子状バインダーBの剛性が高くなるので、膨張及び収縮で生じた応力によって移動した負極活物質を強い力で元の位置に戻すことができる。したがって、負極活物質が膨張及び収縮を繰り返しても負極活物質層が膨張し難くすることができる。
任意の単量体としては、例えば、スチレン、クロロスチレン、ビニルトルエン、t−ブチルスチレン、ビニル安息香酸、ビニル安息香酸メチル、ビニルナフタレン、クロロメチルスチレン、ヒドロキシメチルスチレン、α−メチルスチレン、ジビニルベンゼン等のスチレン系単量体;ビニルスルホン酸、スチレンスルホン酸、アリルスルホン酸、スルホエチルメタクリレート、スルホプロピルメタクリレート、スルホブチルメタクリレートなどのスルホン酸基含有単量体及びそのアルカリ金属塩;前記式(I)で表されるフッ素含有(メタ)アクリル酸エステル単量体が挙げられる。
ここで、数平均粒子径は、透過型電子顕微鏡写真で無作為に選んだ粒子状バインダー100個の径を測定し、その算術平均値として算出される個数平均粒子径である。粒子の形状は、球形及び異形のどちらでもかまわない。
また、アミン類などの添加剤を重合助剤として用いてもよい。
負極用スラリー組成物は、通常、溶媒を含む。この溶媒としては、通常は水を用いる。溶媒は、負極用スラリー組成物において、負極活物質を分散させたり、粒子状バインダーを分散させたり、水溶性重合体を溶解させたりしうる。
負極用スラリー組成物は、上述した負極活物質、導電材、水溶性重合体、粒子状バインダー及び溶媒以外に任意の成分を含みうる。その例を挙げると、補強材、レベリング剤、ナノ粒子及び電解液添加剤等が挙げられる。また、これらの成分は、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。
補強材の量は、負極活物質の量100重量部に対して、通常0.01重量部以上、好ましくは1重量部以上であり、通常20重量部以下、好ましくは10重量部以下である。補強材の量を上記範囲とすることにより、リチウムイオン二次電池は高い容量と高い負荷特性を示すことができる。
レベリング剤の量は、負極活物質の量100重量部に対して、好ましくは0.01重量部〜10重量部である。レベリング剤が上記範囲であることにより負極作製時の生産性、平滑性及び電池特性に優れる。また、界面活性剤を含有させることにより負極用スラリー組成物において負極活物質等の粒子の分散性を向上することができ、さらにそれにより得られる負極の平滑性を向上させることができる。
ナノ粒子の量は、負極活物質の量100重量部に対して、好ましくは0.01重量部〜10重量部である。ナノ粒子が上記範囲であることにより、負極用スラリー組成物の安定性及び生産性を改善し、高い電池特性を実現できる。
電解液添加剤の量は、負極活物質の量100重量部に対して、好ましくは0.01重量部〜10重量部である。電解液添加剤の量を上記範囲にすることにより、サイクル特性及び高温特性に優れた二次電池を実現できる。
負極用スラリー組成物は、流体状の組成物であり、負極活物質、導電材及び粒子状バインダー等の粒子の分散性が良好である。また、粒子状バインダーBの作用によって負極用スラリー組成物における粒子の分散性は変化し難くなっている。そのため、負極用スラリー組成物は分散安定性が高いので、例えば負極用スラリー組成物を所定期間保存する前後での粘度変化の大きさを小さくできる。
負極用スラリー組成物は、上述した負極活物質、導電材、水溶性重合体及び粒子状バインダー、並びに必要に応じて用いられる溶媒及び任意の成分を混合して製造しうる。この際の具体的な手順は任意である。例えば、以下の方法が挙げられる。
溶媒に負極活物質、導電材、水溶性重合体及び粒子状バインダーを同時に混合する方法。
溶媒に水溶性重合体を溶解した後、溶媒に分散させた粒子状バインダーを混合し、その後で負極活物質及び導電材を混合する方法。
溶媒に分散させた粒子状バインダーに負極活物質及び導電材を混合し、この混合物に溶媒に溶解させた水溶性重合体を混合する方法。
上述した本発明の負極用スラリー組成物を用いることにより、負極を製造できる。この負極は、集電体と、集電体上に形成された負極活物質層とを備える。また、前記の負極活物質層は、負極用スラリー組成物が含んでいた負極活物質、導電材、水溶性重合体及び粒子状バインダーを含む。
負極用スラリー組成物を用いて負極を製造する方法としては、例えば、負極用スラリー組成物を、集電体上に塗布し、乾燥することを含む製造方法が挙げられる。以下、この製造方法について説明する。
また、集電体と負極活物質層との接着強度を高めたり、導電性を高めたりするために、集電体の表面に中間層を形成してもよい。
乾燥方法の例としては、例えば、温風、熱風、低湿風による乾燥;真空乾燥;赤外線、遠赤外線又は電子線などのエネルギー線の照射による乾燥法などが挙げられる。乾燥時間は通常1分〜30分であり、乾燥温度は通常40℃〜180℃である。
負極活物質だけでなく導電材の分散性も良好であるので、凝集による粒子径の増大が生じにくいため、負極活物質層において負極活物質及び導電材等の粒子同士の間の空隙を小さくできる。そのため、それらの粒子が集電体に結着する面積が広くなるので、負極活物質層と集電体との結着性が高くなる。したがって、例えば負極用スラリー組成物を塗布した後のプレス前の負極において集電体から負極活物質層を剥がすのに要する力の大きさ(ピール強度)を大きくできる。
本発明のリチウムイオン二次電池は、上述したリチウムイオン二次電池用負極、正極、及び電解液を備え、更に通常はセパレータを備える。このリチウムイオン二次電池は、サイクル特性に優れるので、長寿命である。このように優れたサイクル特性が得られる理由は必ずしも定かでは無いが、本発明者の検討によれば、以下のように推察される。
本発明の負極では、上述したように導電材の分散性が向上しているため、充放電による負極活物質層の膨らみを抑制することができる。さらに、本発明の負極においては、集電体と負極活物質層との結着性が高い。そのため、負極活物質層の膨らみ及び集電体からの負極活物質層の剥離による導電パスの切断が生じ難い。したがって、充放電に伴う抵抗の上昇を抑制できるので、サイクル特性を改善できると推察される。
負極活物質層においては、各成分が高い分散性で分散している。特に、粒子状バインダーAの作用により、導電材を負極活物質層の全体に分散させて、良好な導電パスを形成させることができるので、負極活物質層における電子の伝導性を向上させることができる。さらに、粒子状バインダーBの作用により、負極活物質層の電解液に対する濡れ性を高くできるので、負極活物質層におけるリチウムイオンの伝導性を向上させることができる。したがって、リチウムイオン及び電子の伝導性の両方を向上させて、これらの伝導性のバランスをとることが可能になるので、低温出力特性を改善できると推察される。
正極は、通常、集電体と、集電体の表面に形成された正極活物質層とを備える。正極活物質層は、正極活物質及び正極用のバインダーを含む。
上記の遷移金属としては、例えばTi、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Mo等が挙げられる。
遷移金属硫化物としては、例えば、TiS2、TiS3、非晶質MoS2、FeS等が挙げられる。
層状構造を有するリチウム含有複合金属酸化物としては、例えば、リチウム含有コバルト酸化物(LiCoO2)、リチウム含有ニッケル酸化物(LiNiO2)、Co−Ni−Mnのリチウム複合酸化物、Ni−Mn−Alのリチウム複合酸化物、Ni−Co−Alのリチウム複合酸化物等が挙げられる。
スピネル構造を有するリチウム含有複合金属酸化物としては、例えば、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)又はMnの一部を他の遷移金属で置換したLi[Mn3/2M1/2]O4(ここでMは、Cr、Fe、Co、Ni、Cu等)等が挙げられる。
オリビン型構造を有するリチウム含有複合金属酸化物としては、例えば、LiXMPO4(式中、Mは、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Mg、Zn、V、Ca、Sr、Ba、Ti、Al、Si、B及びMoからなる群より選ばれる少なくとも1種を表し、Xは0≦X≦2を満たす数を表す。)で表されるオリビン型燐酸リチウム化合物が挙げられる。
また、例えば、鉄系酸化物を炭素源物質の存在下において還元焼成することで、炭素材料で覆われた複合材料を作製し、この複合材料を正極活物質として用いてもよい。鉄系酸化物は電気伝導性に乏しい傾向があるが、前記のような複合材料にすることにより、高性能な正極活物質として使用できる。
さらに、前記の化合物を部分的に元素置換したものを正極活物質として用いてもよい。
また、上記の無機化合物と有機化合物の混合物を正極活物質として用いてもよい。
正極活物質は、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。
電解液としては、例えば、溶媒と、その溶媒に溶解した支持電解質とを含むものを使用しうる。
電解質としては、通常、リチウム塩を用いる。リチウム塩としては、例えば、LiPF6、LiAsF6、LiBF4、LiSbF6、LiAlCl4、LiClO4、CF3SO3Li、C4F9SO3Li、CF3COOLi、(CF3CO)2NLi、(CF3SO2)2NLi、(C2F5SO2)NLiなどが挙げられる。中でも、特に溶媒に溶けやすく高い解離度を示すことから、LiPF6、LiClO4、CF3SO3Liは好適に用いられる。これらは、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。一般に、解離度の高い支持電解質を用いるほどリチウムイオン伝導度が高くなるので、支持電解質の種類によりリチウムイオン伝導度を調節することができる。
セパレーターとしては、通常、気孔部を有する多孔性基材を用いる。セパレーターの例を挙げると、(a)気孔部を有する多孔性セパレーター、(b)片面または両面に高分子コート層が形成された多孔性セパレーター、(c)無機セラミック粉末を含む多孔質の樹脂コート層が形成された多孔性セパレーター、などが挙げられる。これらの例としては、ポリプロピレン系、ポリエチレン系、ポリオレフィン系、またはアラミド系多孔性セパレーター、ポリビニリデンフルオリド、ポリエチレンオキシド、ポリアクリロニトリルまたはポリビニリデンフルオリドヘキサフルオロプロピレン共重合体などの固体高分子電解質用またはゲル状高分子電解質用の高分子フィルム;ゲル化高分子コート層がコートされたセパレーター;無機フィラーと無機フィラー用分散剤とからなる多孔膜層がコートされたセパレーター;などが挙げられる。
リチウムイオン二次電池の製造方法は、特に限定されない。例えば、上述した負極と正極とをセパレーターを介して重ね合わせ、これを電池形状に応じて巻く、折るなどして電池容器に入れ、電池容器に電解液を注入して封口してもよい。さらに、必要に応じて、例えばエキスパンドメタル;ヒューズ、PTC素子などの過電流防止素子;リード板などを入れ、電池内部の圧力上昇、過充放電の防止をしてもよい。電池の形状は、例えば、ラミネートセル型、コイン型、ボタン型、シート型、円筒型、角形、扁平型など、いずれであってもよい。
以下の説明において、量を表す「%」及び「部」は、別に断らない限り重量基準である。また、以下に説明する操作は、別に断らない限り、常温及び常圧の条件において行った。
(1)スラリー粘度の経時変化率の測定方法
実施例及び比較例で製造した負極用スラリー組成物について、B型粘度計により60rpmでの粘度η0を測定した。その後、その負極用スラリー組成物を室温で3日間保管し、保管後の60rpmでの粘度η1を測定した。スラリー粘度の経時変化率Δη(%)をΔη=η1/η0×100により算出した。ここで、負極用スラリー組成物の粘度測定温度は25℃とした。このΔηの値が小さいほど、負極用スラリー組成物が分散安定性に優れることを示す。
実施例及び比較例で製造したプレス前の負極及びプレス後の電極を、長さ100mm、幅10mmの長方形に切り出して試験片とした。この試験片を、負極活物質層の表面を下にして、電極活物質層の表面にセロハンテープを貼り付けた。この際、セロハンテープとしてはJIS Z1522に規定されるものを用いた。また、セロハンテープは水平な試験台に粘着面を上にして固定しておいた。その後、集電体の一端を鉛直上方に引張り速度50mm/分で引っ張って剥がしたときの応力を測定した。この測定を3回行い、測定された応力の平均値を求めて、当該平均値をピール強度とした。プレス前の負極のピール強度PBが大きいほど、負極活物質層における各成分の分散性が優れることを示す。また、プレス後の負極のピール強度PAが大きいほど、負極活物質層の集電体への結着力が大きいこと、即ち、密着強度が大きいことを示す。
実施例及び比較例で製造したラミネート型セルのリチウムイオン二次電池を、25℃の環境下で24時間静置させた後に、25℃の環境下で、1Cの定電流で4.2Vまで充電し3.0Vまで放電する充放電の操作を行い、初期容量C0を測定した。さらに、60℃環境下で、前記の充放電と同様の条件で充放電を繰り返し、1000サイクル後の容量C2を測定した。高温サイクル特性は、ΔC=C2/C0×100(%)で示す容量維持率ΔCにて評価する。この容量維持率ΔCの値が大きいほど、サイクル特性に優れ、ひいては寿命特性に優れることを示す。
実施例及び比較例で製造したラミネート型セルのリチウムイオン二次電池を、25℃の環境下で24時間静置させた後に、25℃の環境下で、0.1Cの定電流で5時間の充電の操作を行い、充電後の電圧V0を測定した。その後、−10℃環境下で、1Cの放電レートにて放電の操作を行い、放電開始15秒後の電圧V1を測定した。低温出力特性は、ΔV=V0−V1で示す電圧変化ΔVにて評価する。この電圧変化ΔVの値が小さいほど、低温特性に優れることを示す。
実施例及び比較例で製造したラミネート型セルのリチウムイオン二次電池について、電池の組み立て前に、厚み計により、10点で負極の厚みを計測し、その平均値d0(μm)を算出した。また、組み立てられたリチウムイオン二次電池を、25℃の環境下で24時間静置させた後に、25℃の環境下で、1Cの定電流で4.2Vまで充電し3.0Vまで放電する充放電の操作を行った。その後、そのリチウムイオン二次電池を、60℃環境下で、前記の充放電と同様の条件で充放電を1000サイクル繰り返した。その後、そのリチウムイオン二次電池のセルを解体し、厚み計により、10点で負極の厚みを計測し、その平均値d1(μm)を算出した。負極の膨らみ率Δd(%)=(d1−d0)/d0×100(%)を算出した。ここで、膨らみ率Δdが小さいほど、負極活物質層での導電材の分散性が優れ、そのリチウムイオン二次電池の寿命特性に優れることを示す。
試料である粒子状バインダー(即ち、粒子状バインダーA又は粒子状バインダーB)を含む水分散液の固形分濃度を2%に調整した。蒸留水で洗浄した容量150mlのガラス容器に、前記のように固形分濃度を調整した粒子状バインダーを含む水分散液を、粒子状バインダーの量で50g入れ、溶液電導率計(京都電子工業社製「CM−117」、使用セルタイプ:K−121)にセットして攪拌した。以後、攪拌は塩酸の添加が終了するまで継続した。
(a)粒子状バインダー1g当りの表面酸量=(A2−A1)/(粒子状バインダーの重量)
(b)粒子状バインダー1g当りの水相中の酸量=(A3−A2)/(粒子状バインダーの重量)
(c)水中に分散した粒子状バインダー1g当りの総酸基量=(A3−A1)/(粒子状バインダーの重量)
実施例及び比較例で製造したリチウムイオン二次電池用負極を直径12mmに打ち抜き、打ち抜かれた試験片の厚みd(μm)及び負極活物質層の面積Sを測定した。試験片を引張圧縮試験機(今田製作所社製「SV−301NA」)のロードセルに挟み込み、圧力20MPaに加圧した。ロードセルに二端子型クリップを接続し、測定ケーブルをサイクリックボルタンメトリー測定装置(北斗電工社製「HSV−110」)に接続した。クロノポテンショメトリーモードを使用して、ロードセルに一定電流I=10mAを10分間流し、そのときの電圧V(V)を計測した。オームの法則より、抵抗R(Ω)=V/Iを算出し、さらに体積抵抗率ρ(Ω・cm)=R×S/dを算出し、貫通方式の体積抵抗率ρを求めた。体積抵抗率ρが小さいほど、導電材の分散性に優れていることを示す。
(1−1.粒子状バインダーAの製造方法)
攪拌機付き5MPa耐圧容器に、(メタ)アクリル酸エステル単量体としてブチルアクリレート95部、ニトリル基含有単量体としてアクリロニトリル2部、架橋性単量体としてアリルメタクリレート1部、エチレン性不飽和モノカルボン酸単量体としてメタクリル酸2部、乳化剤としてドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム0.4部、イオン交換水150部、及び重合開始剤として過硫酸カリウム0.5部を入れ、十分に攪拌した後、50℃に加温して重合を開始した。重合転化率が96%になった時点で冷却し反応を停止して、粒子状バインダーAを含む混合物を得た。この粒子状バインダーAを含む混合物に、5%水酸化ナトリウム水溶液を添加してpH8に調整した。その後、加熱減圧蒸留によって未反応単量体の除去を行った。その後、30℃以下まで冷却し、所望の粒子状バインダーAを含む水分散液を得た。この水分散液を用いて、上述した方法によって粒子状バインダーAの表面酸量を測定した。粒子状バインダーAの数平均粒子径は250nm、ガラス転移温度は−30℃であった。
攪拌機付き5MPa耐圧容器に、脂肪族ジエン単量体として1,3−ブタジエン33部、エチレン性不飽和ジカルボン酸単量体としてイタコン酸3.5部、芳香族ビニル単量体としてスチレン62.5部、水酸基含有単量体として2−ヒドロキシエチルアクリレート1部、乳化剤としてドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム0.4部、イオン交換水150部、及び、重合開始剤として過硫酸カリウム0.5部を入れ、十分に攪拌した後、50℃に加温して重合を開始した。重合転化率が96%になった時点で冷却し反応を停止して、粒子状バインダーBを含む混合物を得た。この粒子状バインダーBを含む混合物に、5%水酸化ナトリウム水溶液を添加してpH8に調整した。その後、加熱減圧蒸留によって未反応単量体の除去を行った。その後、30℃以下まで冷却し、所望の粒子状バインダーBを含む水分散液を得た。この水分散液を用いて、上述した方法によって粒子状バインダーBの表面酸量を測定した。粒子状バインダーBの数平均粒子径は150nm、ガラス転移温度は10℃であった。
ディスパー付きのプラネタリーミキサーに、負極活物質として比表面積5.5m2/gの人造黒鉛(体積平均粒子径:24.5μm)100部、導電材として比表面積75m2/gのアセチレンブラック(電気化学工業社製「HS−100」)2部、水溶性重合体としてカルボキシメチルセルロース(日本製紙ケミカル社製「MAC−200HC」;1重量%水溶液の粘度1880mPa・s)の2%水溶液を固形分相当で1部を加え、イオン交換水で固形分濃度60%に調整した。その後、25℃で60分間混合した。次に、イオン交換水で固形分濃度55%に調整した。その後、さらに25℃で15分間混合し、混合液を得た。
上記工程(1−3)で得た負極用スラリー組成物を、コンマコーターで、集電体である厚さ20μmの銅箔の上に塗布し、乾燥させた。この際、負極用スラリー組成物の塗布量は、その負極用スラリー組成物を塗布し乾燥した後の集電体上の固形分の量が16mg/cm2となるように設定した。また、乾燥は、銅箔を0.5m/分の速度で60℃のオーブン内を2分間かけて搬送することにより行った。その後、120℃にて2分間加熱処理してプレス前の負極を得た。このプレス前の負極から試験片を切り出し、プレス前の負極のピール強度を測定した。
また、このプレス前の負極をロールプレスで圧延して、負極活物質層の厚みが80μmのプレス後の負極を得た。このプレス後の負極から試験片を切り出し、プレス後の負極のピール強度及び貫通方式の体積低効率を測定した。
正極活物質として体積平均粒子径12μmのLiCoO2を100部、導電材としてアセチレンブラック(電気化学工業社製「HS−100」)を2部、及び、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(クレハ社製「#7208」)を固形分相当で2部混合し、さらにN−メチルピロリドンを加えて全固形分濃度を70%に調製した。これをプラネタリーミキサーにより更に混合して、正極用スラリー組成物を調製した。
上記工程(1−5)で得た正極用スラリー組成物を、コンマコーターで、集電体である厚さ20μmのアルミニウム箔の上に、乾燥後の膜厚が150μm程度になるように塗布し、乾燥させた。この乾燥は、アルミニウム箔を0.5m/分の速度で60℃のオーブン内を2分間かけて搬送することにより行った。その後、120℃にて2分間加熱処理して、プレス前の正極を得た。また、このプレス前の正極をロールプレスで圧延して、正極活物質層の厚みが70μmのプレス後の正極を得た。
単層のポリプロピレン製セパレーター(セルガード社製「セルガード2500」)を、5×5cm2の正方形に切り抜いて、セパレーターを用意した。
電池の外装として、アルミニウム包材外装を用意した。上記工程(1−6)で得た正極を、4×4cm2の正方形に切り出し、集電体側の表面がアルミニウム包材外装に接するように配置した。正極の正極活物質層の面上に、上記工程(1−7)で得た正方形のセパレーターを配置した。さらに、上記工程(1−4)で得たプレス後の負極を、4.2×4.2cm2の正方形に切り出し、これをセパレーター上に、負極活物質層側の表面がセパレーターに向かい合うよう配置した。アルミニウム包材内に電解液(溶媒:エチレンカーボネート/ジエチルカーボネート/ビニレンカーボネート=68.5/30/1.5体積比、電解質:濃度1MのLiPF6)を空気が残らないように注入した。さらに、アルミニウム包材の開口を密封するために、150℃のヒートシールをして、アルミニウム包材外装を閉口し、リチウムイオン二次電池を製造した。得られたリチウムイオン二次電池について、上述した方法で、サイクル特性、低温出力特性、および負極の膨らみ率を測定した。
上記の工程(1−3)において、負極活物質100部に対するアセチレンブラックの量を0.15部に変更し、また、負極用スラリー組成物の最終固形分濃度が54%になるようにイオン交換水の量を調整した。以上の事項以外は実施例1と同様にして、リチウムイオン二次電池を製造し、評価した。
上記の工程(1−3)において、負極活物質100部に対するアセチレンブラックの量を9部に変更し、また、負極用スラリー組成物の最終固形分濃度が46%になるようにイオン交換水の量を調整した。以上の事項以外は実施例1と同様にして、リチウムイオン二次電池を製造し、評価した。
上記の工程(1−3)において、導電材としてアセチレンブラックの代わりに比表面積880m2/gのケッチェンブラック(ライオン社製「EC300J」)を用い、また、負極用スラリー組成物の最終固形分濃度が51%になるようにイオン交換水の量を調整した。以上の事項以外は実施例1と同様にして、リチウムイオン二次電池を製造し、評価した。
上記の工程(1−3)において、カルボキシメチルセルロースとして日本製紙ケミカル社製「MAC−200HC」の代わりに第一工業製薬社製「BS−H」(1重量%水溶液の粘度800mPa・s)を用い、また、負極用スラリー組成物の最終固形分濃度が58%になるようにイオン交換水の量を調整した。以上の事項以外は実施例1と同様にして、リチウムイオン二次電池を製造し、評価した。
上記の工程(1−3)において、カルボキシメチルセルロースとして日本製紙ケミカル社製「MAC−200HC」の代わりにダイセルファインケム社製「ダイセル2200」(1重量%水溶液の粘度2300mPa・s)を用い、また、負極用スラリー組成物の最終固形分濃度が50%になるようにイオン交換水の量を調整した。以上の事項以外は実施例1と同様にして、リチウムイオン二次電池を製造し、評価した。
上記の工程(1−1)において、ブチルアクリレートの量を96.7部に変更し、メタクリル酸の量を0.3部に変更した。また、上記の工程(1−3)において、負極用スラリー組成物の最終固形分濃度が52%になるようにイオン交換水の量を調整した。以上の事項以外は実施例1と同様にして、リチウムイオン二次電池を製造し、評価した。粒子状バインダーAの数平均粒子径は250nm、ガラス転移温度は−37℃であった。
上記の工程(1−1)において、ブチルアクリレートの量を93.5部に変更し、メタクリル酸の量を3.5部に変更した。また、上記の工程(1−3)において、負極用スラリー組成物の最終固形分濃度が54%になるようにイオン交換水の量を調整した。以上の事項以外は実施例1と同様にして、リチウムイオン二次電池を製造し、評価した。粒子状バインダーAの数平均粒子径は250nm、ガラス転移温度は−26℃であった。
上記の工程(1−3)において、負極活物質100部に対する粒子状バインダーAの量を0.2部に変更し、負極活物質100部に対する粒子状バインダーBの量を1.8部に変更し、さらに、負極用スラリー組成物の最終固形分濃度が54%になるようにイオン交換水の量を調整した。以上の事項以外は実施例1と同様にして、リチウムイオン二次電池を製造し、評価した。
上記の工程(1−3)において、負極活物質100部に対する粒子状バインダーAの量を0.6部に変更し、負極活物質100部に対する粒子状バインダーBの量を1.4部に変更し、さらに、負極用スラリー組成物の最終固形分濃度が51%になるようにイオン交換水の量を調整した。以上の事項以外は実施例1と同様にして、リチウムイオン二次電池を製造し、評価した。
上記の工程(1−2)において、1,3−ブタジエンの量を34部に変更し、イタコン酸の量を1.5部に変更し、スチレンの量を63.5部に変更した。また、上記の工程(1−3)において、負極用スラリー組成物の最終固形分濃度が52%になるようにイオン交換水の量を調整した。以上の事項以外は実施例1と同様にして、リチウムイオン二次電池を製造し、評価した。粒子状バインダーBの数平均粒子径は150nm、ガラス転移温度は7℃であった。
上記の工程(1−2)において、1,3−ブタジエンの量を32部に変更し、イタコン酸の量を5部に変更し、スチレンの量を62部に変更した。また、上記の工程(1−3)において、負極用スラリー組成物の最終固形分濃度が55%になるようにイオン交換水の量を調整した。以上の事項以外は実施例1と同様にして、リチウムイオン二次電池を製造し、評価した。粒子状バインダーBの数平均粒子径は150nm、ガラス転移温度は14℃であった。
上記の工程(1−3)において、負極活物質として人造黒鉛90部と比表面積6.1m2/gのSiOx(信越化学工業社製;体積平均粒子径4.2μm)10部とを組み合わせて用い、また、負極用スラリー組成物の最終固形分濃度が51%になるようにイオン交換水の量を調整した。以上の事項以外は実施例1と同様にして、リチウムイオン二次電池を製造し、評価した。
上記の工程(1−3)において、負極活物質として人造黒鉛70部と比表面積6.1m2/gのSiOx(信越化学工業社製;体積平均粒子径4.2μm)30部とを組み合わせて用い、また、負極用スラリー組成物の最終固形分濃度が49%になるようにイオン交換水の量を調整した。以上の事項以外は実施例1と同様にして、リチウムイオン二次電池を製造し、評価した。
上記の工程(1−4)において、負極用スラリー組成物の塗布量を、その負極用スラリー組成物を塗布し乾燥した後の集電体上の固形分の量が12mg/cm2になるように変更した。以上の事項以外は実施例1と同様にして、リチウムイオン二次電池を製造し、評価した。
上記の工程(1−4)において、負極用スラリー組成物の塗布量を、その負極用スラリー組成物を塗布し乾燥した後の集電体上の固形分の量が18mg/cm2になるように変更した。以上の事項以外は実施例1と同様にして、リチウムイオン二次電池を製造し、評価した。
上記の工程(1−3)において、粒子状バインダーAを含む水分散液を用いないで、負極活物質100部に対する粒子状バインダーBの量を2部に変更し、さらに、負極用スラリー組成物の最終固形分濃度が54%になるようにイオン交換水の量を調整した。以上の事項以外は実施例1と同様にして、リチウムイオン二次電池を製造し、評価した。
上記の工程(1−3)において、粒子状バインダーBを含む水分散液を用いないで、負極活物質100部に対する粒子状バインダーAの量を2部に変更し、さらに、負極用スラリー組成物の最終固形分濃度が48%になるようにイオン交換水の量を調整した。以上の事項以外は実施例1と同様にして、リチウムイオン二次電池を製造し、評価した。
上記の工程(1−2)において、1,3−ブタジエンの量を31部に変更し、イタコン酸の量を6.5部に変更し、2−ヒドロキシエチルアクリレートを用いなかった。また、上記の工程(1−3)において、負極用スラリー組成物の最終固形分濃度が56%になるようにイオン交換水の量を調整した。以上の事項以外は実施例1と同様にして、リチウムイオン二次電池を製造し、評価した。粒子状バインダーBの数平均粒子径は150nm、ガラス転移温度は19℃であった。
上記の工程(1−1)において、メタクリル酸の代わりにイタコン酸を用いた。また、上記の工程(1−3)において、負極用スラリー組成物の最終固形分濃度が55%になるようにイオン交換水の量を調整した。以上の事項以外は実施例1と同様にして、リチウムイオン二次電池を製造し、評価した。粒子状バインダーAの数平均粒子径は350nm、ガラス転移温度は−27℃であった。
上記の工程(1−1)において、ブチルアクリレートの量を92.5部に変更し、メタクリル酸2部の代わりにイタコン酸を4.5部用いた。また、上記の工程(1−2)において、1,3−ブタジエンの量を35.5部に変更し、イタコン酸の量を1部に変更した。さらに、上記の工程(1−3)において、負極用スラリー組成物の最終固形分濃度が54%になるようにイオン交換水の量を調整した。以上の事項以外は実施例1と同様にして、リチウムイオン二次電池を製造し、評価した。粒子状バインダーAの数平均粒子径は280nm、ガラス転移温度は−25℃、粒子状バインダーBの数平均粒子径は150nm、ガラス転移温度は5℃であった。
上述した実施例及び比較例の構成を下記の表1〜表6に示し、結果を表7〜8に示す。また、下記の表において略称の意味は以下の通りである。さらに、下記の表において、単量体の略称の隣の数値は、その単量体の量を表す。
AB:アセチレンブラック
KB:ケッチェンブラック
単量体I:エチレン性不飽和モノカルボン酸単量体
MAA:メタクリル酸
BA:ブチルアクリレート
AN:アクリロニトリル
AMA:アリルメタクリレート
単量体II:エチレン性不飽和ジカルボン酸単量体
IA:イタコン酸
ST:スチレン
BD:1,3−ブタジエン
β−HEA:2−ヒドロキシエチルアクリレート
スラリー濃度:負極用スラリー組成物の最終固形分濃度
スラリー粘度:製造直後の負極用スラリー組成物の粘度
バインダーの重量比A/B:粒子状バインダーA/粒子状バインダーBの重量比
バインダーの量:粒子状バインダーA及び粒子状バインダーBの合計量
体積低効率:負極の貫通方式の体積低効率
塗布量:負極用スラリー組成物を塗布し、乾燥した後の集電体上の固形分の、集電体の表面の単位面積当たりの量
Δη:スラリー粘度の経時変化率
PB:プレス前の負極のピール強度
PA:プレス後の負極のピール強度
Δd:負極の膨らみ率
ΔC:電池の容量維持率
ΔV:電池の電圧変化
前記の表から分かるように、いずれの実施例においても、比較例に比べて高い容量維持率及び低い電圧変化が得られている。したがって、上記の実施例及び比較例からは、本発明によりサイクル特性及び低温出力特性に優れるリチウムイオン二次電池を実現できることが確認された。
Claims (10)
- 負極活物質、導電材、水溶性重合体及び粒子状バインダーを含み、
前記導電材の量が、前記負極活物質100重量部に対し、0.1重量部〜10重量部であり、
前記水溶性重合体の1%水溶液粘度が、10mPa・s〜3,000mPa・sであり、
前記粒子状バインダーが、表面酸量が0.01meq/g以上0.10meq/g以下の粒子状バインダーAと、表面酸量が0.15meq/g以上0.5meq/g以下の粒子状バインダーBとを含む、リチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物。 - 前記負極活物質が、黒鉛及びケイ素含有化合物からなる群より選ばれる少なくとも1種類である、請求項1記載のリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物。
- 前記導電材の比表面積が、50m2/g〜1500m2/gである、請求項1又は2記載のリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物。
- 前記水溶性重合体が、カルボキシメチルセルロースを含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物。
- 前記粒子状バインダーAが、エチレン性不飽和モノカルボン酸単量体単位を0.1重量%〜10重量%含む、請求項1〜4のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物。
- 前記粒子状バインダーBが、エチレン性不飽和ジカルボン酸単量体単位を1重量%〜10重量%含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物。
- 前記粒子バインダーAと前記粒子状バインダーBとの重量比が、粒子状バインダーA/粒子状バインダーB=0.01〜1である、請求項1〜6のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物。
- 請求項1〜7のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物を、集電体上に塗布し、乾燥して得られるリチウムイオン二次電池用負極であって、
貫通方式の体積抵抗率が、1×10−5Ω・cm〜1×10+1Ω・cmであり、
前記リチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物を塗布し、乾燥した後の集電体上の固形分の量が、10mg/cm2〜20mg/cm2である、リチウムイオン二次電池用負極。 - 請求項8記載のリチウムイオン二次電池用負極、正極及び電解液を備える、リチウムイオン二次電池。
- 請求項1〜7のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物を、集電体上に塗布し、乾燥することを含む、リチウムイオン二次電池用負極の製造方法。
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