JPWO2016199353A1 - 二次電池負極用スラリー組成物、二次電池用負極および二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
具体的には、例えば特許文献1では、X線光電子分光法(XPS)によって求められる表面官能基量が1.0%以下である複合炭素材料からなる負極活物質と、所定の重量平均分子量を有するカルボキシメチルセルロースと、スチレンブタジエンゴムとを分散媒中に含むスラリー組成物を用いて、カルボキシメチルセルロースの含有割合が所定の範囲内である負極合材層を作製することで、ハイレート充放電に適した二次電池を提供することが提案されている。
すなわち、上述した従来の技術には、二次電池負極用スラリー組成物の生産性を確保しつつ、二次電池のセルの膨らみおよび内部抵抗の上昇を抑制するという点において、未だ改善の余地があった。
また、本発明は、二次電池のセルの膨らみおよび内部抵抗の上昇を抑制しうる二次電池用負極を提供することを目的とする。
そして、本発明は、セルの膨らみが抑制され、またレート特性に優れる二次電池を提供することを目的とする。
なお、本発明において、「表面官能基量」とは、X線光電子分光法によって決定した炭素系負極活物質表面における炭素原子(C)濃度と酸素原子(O)濃度の比により表される値であり、O/C値とも呼ばれる。そして「表面官能基量」は、本明細書の実施例に記載の方法を用いて導出することができる。
また、本発明において、「BET比表面積」とは、窒素吸着法によるBET比表面積を指し、ASTM D3037−81に準拠して測定することができる。
そして、本発明において、「表面酸量」とは、粒子状重合体の表面部分に存在する酸の量であって、粒子状重合体の固形分1g当たりの酸量を指す。そして「表面酸量」は、本明細書に記載の方法を用いて導出することができる。
X=(S/T)/U・・・(1)
で算出される官能基量/酸量比Xの値が、1.51以上4.50以下であることが好ましい。上記官能基量/酸量比Xの値が上述の範囲内であれば、スラリー組成物の生産性を更に高めつつ、二次電池のセルの膨らみおよび内部抵抗の上昇を一層抑制することができるからである。
なお、本発明において、「体積平均粒子径D50」とは、レーザー回折法で測定された粒度分布(体積基準)において、小径側から計算した累積体積が50%となる粒子径を指す。
なお、本発明において、「1質量%水溶液粘度」は、B型粘度計を使用し、JIS K7117−1に準拠して、温度25℃、pH8、ローターM4、回転数60rpmの条件下で測定することができる。
本発明によれば、二次電池のセルの膨らみおよび内部抵抗の上昇を抑制しうる二次電池用負極を提供することができる。
本発明によれば、セルの膨らみが抑制され、またレート特性に優れる二次電池を提供することができる。
ここで、本発明の二次電池負極用スラリー組成物は、二次電池の負極の形成に用いられる。そして、本発明の二次電池用負極は、本発明の二次電池負極用スラリー組成物から形成される負極合材層を備えることを特徴とする。更に、本発明の二次電池は、本発明の二次電池用負極を用いたことを特徴とする
本発明の二次電池負極用スラリー組成物は、負極活物質および結着材が、分散媒としての水系媒体に分散した組成物である。そして、本発明の二次電池負極用スラリー組成物は、負極活物質として、表面官能基量が0.9%以上1.5%以下であり且つBET比表面積が2.5m2/g以下である炭素系負極活物質を含み、結着材として、表面酸量が0.2mmol/g以上2.0mmol/g以下である粒子状重合体を含むことを特徴とする。
そして、本発明の二次電池負極用スラリー組成物は、上述した炭素系負極活物質と上述した粒子状重合体を併用しているため、スラリー組成物調製の際の過度な増粘を抑制することができる。そして当該スラリー組成物を用いれば、二次電池のセルの膨らみおよび内部抵抗の上昇を抑制しうる負極を作製することができる。
負極活物質は、二次電池の負極において電子の受け渡しをする物質である。例えばリチウムイオン二次電池の負極活物質としては、通常は、リチウムを吸蔵および放出し得る物質を用いる。リチウムを吸蔵および放出し得る物質としては、例えば、炭素系負極活物質、非炭素系負極活物質、および、これらを組み合わせた活物質などが挙げられる。
そして、本発明の二次電池負極用スラリー組成物では、負極活物質として、少なくとも、表面官能基量が0.9%以上1.5%以下であって且つBET比表面積が2.5m2/g以下である炭素系負極活物質を使用することを必要とする。
ここで、炭素系負極活物質とは、リチウムを挿入(「ドープ」ともいう。)可能な、炭素を主骨格とする活物質をいう。なお、以下に、上述した所定の性状を有する炭素系負極活物質について詳述するが、本発明の二次電池負極用スラリー組成物は、上述した所定の性状を有さない炭素系負極活物質を含んでいてもよい。
炭素系負極活物質は、表面官能基量(O/C値)が0.9%以上1.5%以下であることが必要であり、1.0%以上であることが好ましく、1.0%超であることがより好ましく、1.1%以上であることが更に好ましく、1.4%以下であることが好ましく、1.3%以下であることがより好ましい。炭素系負極活物質の表面官能基量が0.9%未満であると、二次電池の内部抵抗が上昇するためレート特性を確保することができない。一方、炭素系負極活物質の表面官能基量が1.5%超であると、炭素系負極活物質同士の相互作用が過剰に強まることで炭素系負極活物質の良好な分散が阻害され、スラリー組成物の生産性が低下する。
なお、炭素系負極活物質の表面官能基量は、後述するメカノケミカル処理の強度を変更することにより調節することができる。具体的には、メカノケミカル処理に用いる装置の解砕時における回転速度を上昇させることで、表面官能基量を高めることができる。
また、炭素系負極活物質は、BET比表面積が2.5m2/g以下であることが必要であり、2.3m2/g以下であることが好ましく、2.2m2/g以下であることがより好ましく、2.0m2/g以下であることが更に好ましく、また1.0m2/g以上であることが好ましく、1.1m2/g以上であることがより好ましく、1.2m2/g以上であることが更に好ましい。炭素系負極活物質のBET比表面積2.5m2/g超であると、負極活物質と電解液の接触界面が増大し、電解液の分解によるセルの膨らみを十分に抑制することができない。一方、炭素系負極活物質のBET比表面積が1.0m2/g以上であれば、二次電池の内部抵抗の上昇を抑制してレート特性を一層高めることができる。
なお、炭素系負極活物質のBET比表面積の調節方法は特に限定されず、公知の方法で調節することができる。また例えば、上述した表面官能基量同様、メカノケミカル処理に用いる装置の解砕時における回転速度を上昇させることで、BET比表面積を高めることもできる。
そして、上述した所定の性状を有する炭素系負極活物質の調製方法は特に限定されないが、例えば、公知の炭素系負極活物質にメカノケミカル処理を施すことで得ることができる。
炭素質材料は、炭素前駆体を2000℃以下で熱処理して炭素化させることによって得られる、黒鉛化度の低い(即ち、結晶性の低い)材料である。なお、炭素化させる際の熱処理温度の下限は特に限定されないが、例えば500℃以上とすることができる。
そして、炭素質材料としては、例えば、熱処理温度によって炭素の構造を容易に変える易黒鉛性炭素や、ガラス状炭素に代表される非晶質構造に近い構造を持つ難黒鉛性炭素などが挙げられる。
ここで、易黒鉛性炭素としては、例えば、石油または石炭から得られるタールピッチを原料とした炭素材料が挙げられる。具体例を挙げると、コークス、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、メソフェーズピッチ系炭素繊維、熱分解気相成長炭素繊維などが挙げられる。
また、難黒鉛性炭素としては、例えば、フェノール樹脂焼成体、ポリアクリロニトリル系炭素繊維、擬等方性炭素、フルフリルアルコール樹脂焼成体(PFA)、ハードカーボンなどが挙げられる。
そして、黒鉛質材料としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛などが挙げられる。
ここで、人造黒鉛としては、例えば、易黒鉛性炭素を含んだ炭素を主に2800℃以上で熱処理した人造黒鉛、MCMBを2000℃以上で熱処理した黒鉛化MCMB、メソフェーズピッチ系炭素繊維を2000℃以上で熱処理した黒鉛化メソフェーズピッチ系炭素繊維などが挙げられる。
上述の公知の炭素系負極活物質をメカノケミカル処理することで、当該炭素系負極活物質の表面に、多くの官能基(典型的には、酸素原子を有する官能基)を生じさせることができる。そして、メカノケミカル処理の条件は、所望の表面官能基量やBET比表面積に応じて適宜設定することができる。
非炭素系負極活物質は、炭素系負極活物質を除く活物質であり、非炭素系負極活物質としては、例えば金属系負極活物質を挙げることができる。
シリコン系負極活物質としては、例えば、ケイ素(Si)、ケイ素を含む合金、SiO、SiOx、Si含有材料を導電性カーボンで被覆または複合化してなるSi含有材料と導電性カーボンとの複合化物などが挙げられる。なお、これらのシリコン系負極活物質は、1種類を単独で用いてもよいし、2種類上を組み合わせて用いてもよい。
また、ケイ素を含む合金としては、例えば、ケイ素と、アルミニウムと、鉄などの遷移金属とを含み、さらにスズおよびイットリウム等の希土類元素を含む合金組成物も挙げられる。
粒子状重合体は、本発明の二次電池負極用スラリー組成物を用いて形成した負極合材層を備える負極において、負極合材層中の各成分同士または各成分と集電体とを結着させる。なお、粒子状重合体としては、水などの水系媒体に分散可能な重合体を用いることができる。
ここで、粒子状重合体は、表面酸量が、0.2mmol/g以上2.0mmol/g以下であることが必要であり、0.22mmol/g以上であることが好ましく、1.5mmol/g以下であることが好ましく、1.3mmol/g以下であることがより好ましく、1.0mmol/g以下であることが更に好ましく、0.8mmol/g以下であることが特に好ましい。粒子状重合体の表面酸量が0.2mmol/g未満であると、上述した所定の性状を有する炭素系負極活物質と粒子状重合体を十分に相互作用させることができない。そのため、当該炭素系負極活物質同士の凝集による増粘が抑制できず、スラリー組成物の生産性を確保することができない。さらには、粒子状重合体の水中での安定性が低下して水中において粒子状重合体が好適な分散性を確保することができないため、スラリー組成物の集電体への塗布密度が低下し、セルの膨れが悪化する。一方、粒子状重合体の表面酸量が2.0mmol/g超であると、負極のピール強度を十分に確保することができず、二次電池の電池特性(レート特性など)が低下する。
まず、粒子状重合体を含む水分散液を調製する。蒸留水で洗浄したガラス容器に、前記粒子状重合体を含む水分散液を入れ、溶液電導率計をセットして攪拌する。なお、攪拌は、後述する塩酸の添加が終了するまで継続する。
粒子状重合体を含む水分散液の電気伝導度が2.5〜3.0mSになるように、0.1規定の水酸化ナトリウム水溶液を、粒子状重合体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。
さらに、この粒子状重合体を含む水分散液に0.1規定の塩酸を0.5mL添加して、30秒後に電気伝導度を測定する。その後、再び0.1規定の塩酸を0.5mL添加して、30秒後に電気伝導度を測定する。この操作を、30秒間隔で、粒子状重合体を含む水分散液の電気伝導度が測定開始時の電気伝導度以上になるまで繰り返し行う。
得られた電気伝導度のデータを、電気伝導度(単位「mS」)を縦軸(Y座標軸)、添加した塩酸の累計量(単位「mmol」)を横軸(X座標軸)としたグラフ上にプロットする。これにより、図1のように3つの変曲点を有する塩酸添加量−電気伝導度曲線が得られる。3つの変曲点のX座標および塩酸添加終了時のX座標を、値が小さい方から順にそれぞれP1、P2、P3およびP4とする。X座標が零から座標P1まで、座標P1から座標P2まで、座標P2から座標P3まで、および、座標P3から座標P4まで、の4つの区分内のデータについて、それぞれ、最小二乗法により近似直線L1、L2、L3およびL4を求める。近似直線L1と近似直線L2との交点のX座標をA1(mmol)、近似直線L2と近似直線L3との交点のX座標をA2(mmol)、近似直線L3と近似直線L4との交点のX座標をA3(mmol)とする。
粒子状重合体1g当たりの表面酸量は、下記の式(a)から、塩酸換算した値(mmol/g)として与えられる。なお、粒子状重合体1g当たりの水相中の酸量(粒子状重合体を含む水分散液における水相中に存在する酸の量であって粒子状重合体の固形分1g当たりの酸量、「粒子状重合体の水相中の酸量」ともいう)は、下記の式(b)から、塩酸換算した値(mmol/g)として与えられる。また、水中に分散した粒子状重合体1g当たりの総酸量は、下記式(c)に表すように、式(a)及び式(b)の合計となる。
(a) 粒子状重合体1g当たりの表面酸量=(A2−A1)/水分散液中の粒子状重合体の固形分量
(b) 粒子状重合体1g当たりの水相中の酸量=(A3−A2)/水分散液中の粒子状重合体の固形分量
(c) 水中に分散した粒子状重合体1g当たりの総酸基量=(A3−A1)/水分散液中の粒子状重合体の固形分量
そして、本発明の二次電池負極用スラリー組成物に用いる粒子状重合体は、体積平均粒子径D50が、120nm以上であることが好ましく、130nm以上であることがより好ましく、500nm以下であることが好ましく、250nm以下であることがより好ましい。粒子状重合体の体積平均粒子径D50が120nm以上であれば、上述した所定の性状を有する炭素系負極活物質と粒子状重合体の好適に相互作用させることができる。そのため、炭素系負極活物質同士の凝集による増粘を抑制することでスラリー組成物の生産性を更に高めることができる。また、スラリー組成物中において粒子状重合体が好適な分散性を確保することができ、スラリー組成物の集電体への塗布密度を高めてセルの膨れを一層抑制すると共に負極のピール強度を高めることができる。一方、粒子状重合体の体積平均粒子径D50が500nm以下であれば、粒子状重合体と、当該粒子状重合体を介して結着される成分や集電体との接触面積が低下するのを抑制して、負極のピール強度を高めることができる。
ここで、粒子状重合体としては、既知の重合体、例えば、ジエン重合体、アクリル重合体、フッ素重合体、シリコン重合体などが挙げられる。これらの重合体は、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。
ここで、脂肪族共役ジエン単量体単位および芳香族ビニル単量体単位を有する共重合体を粒子状重合体として用いる場合、脂肪族共役ジエン単量体単位を形成し得る脂肪族共役ジエン単量体としては、特に限定されることなく、1,3−ブタジエン、2−メチル−1,3−ブタジエン、2,3−ジメチル−1,3−ブタジエン、2−クロロ−1,3−ブタジエン、置換直鎖共役ペンタジエン類、置換および側鎖共役ヘキサジエン類などを用いることができる。なお、脂肪族共役ジエン単量体は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。
エチレン性不飽和モノカルボン酸の例としては、アクリル酸、メタクリル酸、クロトン酸などが挙げられる。そして、エチレン性不飽和モノカルボン酸の誘導体の例としては、2−エチルアクリル酸、イソクロトン酸、α−アセトキシアクリル酸、β−trans−アリールオキシアクリル酸、α−クロロ−β−E−メトキシアクリル酸、β−ジアミノアクリル酸などが挙げられる。
エチレン性不飽和ジカルボン酸の例としては、マレイン酸、フマル酸、イタコン酸などが挙げられる。そして、エチレン性不飽和ジカルボン酸の酸無水物の例としては、無水マレイン酸、ジアクリル酸無水物、メチル無水マレイン酸、ジメチル無水マレイン酸などが挙げられる。さらに、エチレン性不飽和ジカルボン酸の誘導体の例としては、メチルマレイン酸、ジメチルマレイン酸、フェニルマレイン酸、クロロマレイン酸、ジクロロマレイン酸、フルオロマレイン酸、マレイン酸ジフェニル、マレイン酸ノニル、マレイン酸デシル、マレイン酸ドデシル、マレイン酸オクタデシル、マレイン酸フルオロアルキルなどが挙げられる。中でも、エチレン性不飽和モノカルボン酸が好ましく、アクリル酸が特に好ましい。
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。
ここで、水酸基含有(メタ)アクリル酸エステル単量体単位を形成し得る水酸基含有(メタ)アクリル酸エステル単量体としては、例えば、2−ヒドロキシエチルアクリレート、2−ヒドロキシエチルメタクリレート、ヒドロキシプロピルアクリレート、ヒドロキシプロピルメタクリレート、ヒドロキシブチルアクリレート、ヒドロキシブチルメタクリレート、3−クロロ−2−ヒドロキシプロピルメタクリレートなどが挙げられる。中でも、2−ヒドロキシエチルアクリレートが好ましい。
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。
その他の繰り返し単位の含有割合は、特に限定されないが、上限は合計量で6質量%以下が好ましく、4質量%以下がより好ましく、2質量%以下が特に好ましい。
粒子状重合体は、上述した単量体を含む単量体組成物を水系溶媒中で重合することにより調製することができる。
ここで、本発明において単量体組成物中の各単量体の含有割合は、粒子状重合体における単量体単位(繰り返し単位)の含有割合に準じて定めることができる。
なお、「連続的又は断続的に添加」とは、単量体組成物を反応系に一度に添加するのではなく、ある程度の時間(例えば30分以上)をかけて添加することをいう。
また、「単量体組成物の添加率」とは、重合に用いる全単量体組成物に占める、反応系内に添加済みの単量体の割合(質量%)をいう。
セミバッチ重合を用いた粒子状重合体の調製においては、例えば、この一次単量体組成物に、適宜、乳化剤、連鎖移動剤、水を加えてなる混合物と、別途用意した重合開始剤とを一つの反応容器に添加することで重合反応を開始する。この際の反応条件は特に限定されないが、反応温度は、好ましくは60〜90℃である。また、重合開始から、単量体組成物の添加率が70%に達するまでの時間は、特に限定されないが好ましくは2〜6時間、より好ましくは3〜5時間である。
ここで、上述した重合の後、得られた水分散液は、例えばアルカリ金属(例えば、Li、Na、K、Rb、Cs)の水酸化物、アンモニア、無機アンモニウム化合物(例えばNH4Clなど)、有機アミン化合物(例えばエタノールアミン、ジエチルアミンなど)などを含む塩基性水溶液を用いて、pHが通常5以上であり、通常10以下、好ましくは9以下の範囲になるように調整して、粒子状重合体の水分散液としてもよい。なかでも、アルカリ金属水酸化物によるpH調整は、負極のピール強度を向上させるので、好ましい。
また、pH調整後に、加熱減圧蒸留によって、未反応の単量体を除去することが好ましい。
そして、本発明の二次電池負極用スラリー組成物中の粒子状重合体の量は、上述した負極活物質100質量部当たり、0.5質量部以上であることが好ましく、また、5.0質量部以下であることが好ましい。粒子状重合体の配合量を負極活物質100質量部当たり0.5質量部以上とすれば、負極合材層を構成する成分同士および負極合材層と集電体とを良好に結着させることができ、負極のピール強度を高めることができる。また、粒子状重合体の配合量を負極活物質100質量部当たり5.0質量部以下とすれば、スラリー組成物の生産性および二次電池のレート特性を確保することができる。
ここで、本発明の二次電池負極用スラリー組成物において、炭素系負極活物質の表面官能基量(%)をS、前記炭素系負極活物質のBET比表面積(m2/g)をT、および粒子状重合体の表面酸量(mmol/g)をUとして下記式(1):
X=(S/T)/U・・・(1)
で算出される官能基量/酸量比Xの値が、1.51以上であることが好ましく、1.80以上であることがより好ましく、2.00以上であることが更に好ましく、4.50以下であることが好ましく、4.30以下であることがより好ましい。Xの値が上述の範囲内であれば、炭素系負極活物質と粒子状重合体が良好に相互作用することで、スラリー組成物の生産性向上、並びに二次電池のセルの膨らみ抑制および内部抵抗の上昇抑制を、バランス良く達成することが可能となる。
本発明の二次電池負極用スラリー組成物は、上記成分の他に、導電材、水溶性重合体、補強材、レベリング剤、電解液添加剤などの成分を含有していてもよい。これらその他の成分は、電池反応に影響を及ぼさないものであれば特に限られず、公知のもの、例えば国際公開第2012/115096号、特開2012−204303号公報に記載のものを使用することができる。
本発明の二次電池負極用スラリー組成物の調製は、上記各成分を分散媒としての水系媒体中に分散させることにより調製することができる。具体的には、ボールミル、サンドミル、ビーズミル、顔料分散機、らい潰機、超音波分散機、ホモジナイザー、プラネタリーミキサー、フィルミックスなどの混合機を用いて上記各成分と水系媒体とを混合することにより、スラリー組成物を調製することができる。
ここで、水系媒体としては、通常は水を用いるが、任意の化合物の水溶液や、少量の有機媒体と水との混合溶液などを用いてもよい。また、スラリー組成物の固形分濃度は、各成分を均一に分散させることができる濃度、例えば、30質量%以上90質量%以下とすることができる。更に、上記各成分と水系媒体との混合は、通常、室温以上80℃以下の温度範囲で、10分以上数時間以下行うことができる。
本発明の二次電池用負極は、本発明の二次電池負極用スラリー組成物を使用して製造することができる。
ここで、本発明の二次電池用負極は、集電体と、集電体上に形成された負極合材層とを備え、負極合材層は、本発明の二次電池負極用スラリー組成物から得られる。なお、負極合材層中に含まれている各成分は、本発明の二次電池負極用スラリー組成物中に含まれていたものであり、それら各成分の好適な存在比は、二次電池負極用スラリー組成物中の各成分の好適な存在比と同じである。
そして、本発明の二次電池用負極は、二次電池のセルの膨らみを抑制しつつ、二次電池に優れたレート特性を発揮させることができる。
本発明の二次電池用負極は、例えば、集電体上に、上述した二次電池負極用スラリー組成物を塗布する工程(塗布工程)と、集電体上に塗布された二次電池負極用スラリー組成物を乾燥し、集電体上に負極合材層を形成する工程(乾燥工程)とを経て製造される。
上記二次電池負極用スラリー組成物を集電体上に塗布する方法としては、特に限定されず公知の方法を用いることができる。具体的には、塗布方法としては、ドクターブレード法、ディップ法、リバースロール法、ダイレクトロール法、グラビア法、エクストルージョン法、ハケ塗り法などを用いることができる。この際、スラリー組成物を集電体の片面だけに塗布してもよいし、両面に塗布してもよい。塗布後乾燥前の集電体上のスラリー膜の厚みは、乾燥して得られる負極合材層の厚みに応じて適宜に設定しうる。
集電体上のスラリー組成物を乾燥する方法としては、特に限定されず公知の方法を用いることができ、例えば温風、熱風、低湿風による乾燥、真空乾燥、赤外線や電子線などの照射による乾燥法が挙げられる。このように集電体上のスラリー組成物を乾燥することで、集電体上に負極合材層を形成し、集電体と負極合材層とを備える二次電池用負極を得ることができる。
本発明の二次電池は、正極と、負極と、電解液と、セパレータとを備え、負極として、本発明の二次電池用負極を用いたものである。そして、本発明の二次電池は、本発明の二次電池用負極を用いているので、セルの膨らみが抑制されており、またレート特性などの電池特性に優れている。以下、二次電池がリチウムイオン二次電池である場合を例に挙げ、正極、電解液、およびセパレータについて記載するが、本発明はこれらの例示に限定されるものではない。
正極としては、リチウムイオン二次電池用正極として用いられる既知の正極を用いることができる。具体的には、正極としては、例えば、正極合材層を集電体上に形成してなる正極を用いることができる。
なお、集電体としては、アルミニウム等の金属材料からなるものを用いることができる。また、正極合材層としては、既知の正極活物質と、導電材と、結着材とを含む層を用いることができる。
電解液としては、溶媒に電解質を溶解した電解液を用いることができる。
ここで、溶媒としては、電解質を溶解可能な有機溶媒を用いることができる。具体的には、溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、γ−ブチロラクトン等のアルキルカーボネート系溶媒に、2,5−ジメチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロフラン、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネート、酢酸メチル、ジメトキシエタン、ジオキソラン、プロピオン酸メチル、ギ酸メチル等の粘度調整溶媒を添加したものを用いることができる。
電解質としては、リチウム塩を用いることができる。リチウム塩としては、例えば、特開2012−204303号公報に記載のものを用いることができる。これらのリチウム塩の中でも、有機溶媒に溶解しやすく、高い解離度を示すという点より、電解質としてはLiPF6、LiClO4、CF3SO3Liが好ましい。
セパレータとしては、例えば、特開2012−204303号公報に記載のものを用いることができる。これらの中でも、セパレータ全体の膜厚を薄くすることができ、これにより、リチウムイオン二次電池内の電極活物質の比率を高くして体積あたりの容量を高くすることができるという点より、ポリオレフィン系の樹脂(ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン、ポリ塩化ビニル)からなる微多孔膜が好ましい。
本発明の二次電池は、例えば、正極と、負極とを、セパレータを介して重ね合わせ、これを必要に応じて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することにより製造することができる。二次電池の内部の圧力上昇、過充放電などの発生を防止するために、必要に応じて、ヒューズ、PTC素子などの過電流防止素子、エキスパンドメタル、リード板などを設けてもよい。二次電池の形状は、例えば、コイン型、ボタン型、シート型、円筒型、角形、扁平型など、何れであってもよい。
実施例および比較例において、炭素系負極活物質の表面官能基量、粒子状重合体の表面酸量および体積平均粒子径D50、二次電池負極用スラリー組成物の生産性、二次電池用負極のピール強度、並びに二次電池のセル膨らみ(初期)、セル膨らみ(100サイクル後)およびレート特性は、それぞれ以下の方法を使用して評価した。
X線光電子分光法分析を行い、C1sとO1sのそれぞれスペクトルのピーク面積を求めた。このピーク面積に基づいて炭素系負極活物質表面における炭素原子(C)濃度に対する酸素原子(O)濃度の比(%)(=O原子濃度/C原子濃度×100)を算出し、この値を表面官能基量(%)とした。なお、X線光電子分光法分析には、Thermo Fisher Scientific社製のVG Theta Probeを用いた。
<表面酸量>
蒸留水で洗浄した容量150mLのガラス容器に、調製した粒子状重合体を含む水分散液(固形分濃度2%に調整)を50g入れ、溶液電導率計をセットして攪拌した。なお、攪拌は、後述する塩酸の添加が終了するまで継続した。
粒子状重合体を含む水分散液の電気伝導度が2.5〜3.0mSになるように、0.1規定の水酸化ナトリウム水溶液を、粒子状重合体を含む水分散液に添加した。その後、6分経過してから、電気伝導度を測定した。この値を測定開始時の電気伝導度とした。
さらに、この粒子状重合体を含む水分散液に0.1規定の塩酸を0.5mL添加して、30秒後に電気伝導度を測定した。その後、再び0.1規定の塩酸を0.5mL添加して、30秒後に電気伝導度を測定した。この操作を、30秒間隔で、粒子状重合体を含む水分散液の電気伝導度が測定開始時の電気伝導度以上になるまで繰り返し行った。
得られた電気伝導度データを、電気伝導度(単位「mS」)を縦軸(Y座標軸)、添加した塩酸の累計量(単位「mmol」)を横軸(X座標軸)としたグラフ上にプロットした。これにより、図1のように3つの変曲点を有する塩酸添加量−電気伝導度曲線が得られた。3つの変曲点のX座標を、値が小さい方から順にそれぞれP1、P2およびP3とした。X座標が零から座標P1まで、座標P1から座標P2まで、および、座標P2から座標P3まで、の3つの区分内のデータについて、それぞれ、最小二乗法により近似直線L1、L2およびL3を求めた。近似直線L1と近似直線L2との交点のX座標をA1(mmol)、近似直線L2と近似直線L3との交点のX座標をA2(mmol)とした。
粒子状重合体1g当たりの表面酸量は、下記の式から、塩酸換算した値(mmol/g)として求めた。
粒子状重合体1g当たりの表面酸量=A2−A1
<体積平均粒子径D50>
粒子状重合体の体積平均粒子径D50は、レーザー回折・散乱式粒度分布測定装置(ベックマン・コールター社製、LS230)を用いて測定した。
<スラリー組成物の生産性>
リチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物の調製に際し、粒子状重合体を含む水分散液の投入前の混合液の粘度η0を、B型粘度計(25℃、回転数60rpm)を用いて測定した。そして、粒子状重合体を含む水分散液を投入して得られるスラリー組成物の粘度η1を上述と同様の条件で測定し、粘度変化率(%)(=η1/η0×100)を算出した。粘度変化率は、粒子状重合体の添加によるスラリー組成物の増粘のし易さを表す指標であり、例えばこの値が110%超であるとスラリー組成物の生産性が悪く、110%以下であるとスラリー組成物の生産性が良好であると言える。
<ピール強度>
作製した負極を、幅1.0cm×長さ10cmの矩形に切って試験片とした。そして、試験片の負極合材層側の表面を上にして固定し、試験片の負極合材層側の表面にセロハンテープを貼り付けた。この際、セロハンテープはJIS Z1522に規定されるものを用いた。その後、試験片の一端からセロハンテープを50mm/分の速度で180°方向(試験片の他端側)に引き剥がしたときの応力を測定した。測定を10回行い、応力の平均値を求めて、これをピール強度(N/m)とした。ピール強度が大きいほど、集電体に対する負極合材層の結着強度が優れていることを示す。
<セル膨らみ(初期)>
作成したリチウムイオン二次電池の初期容量を確認後、当該リチウムイオン二次電池を25℃で4.2V CC−CV充電(Cut-off条件0.02C)にて満充電にした。この際のセルの厚みを、厚み測定機を用いて10点で測定し、それらを平均して平均厚みT0を算出した。そして、25℃にて1Cでの充放電を10サイクル(4.2V−3.0V)行った後、満充電の際のセルの平均厚みT1を上述のT0と同様にして測定し、厚み変化率(%)(=(T1−T0)/T0×100)を算出した。厚み変化率が小さいほどセル膨らみ(初期)が抑制されていることを示す。
<セル膨らみ(100サイクル後)>
作成したリチウムイオン二次電池の初期容量を確認後、当該リチウムイオン二次電池を25℃で4.2V CC−CV充電(Cut-off条件0.02C)にて満充電にした。この際のセルの厚みを、厚み測定機を用いて10点で測定し、それらを平均して平均厚みT0を算出した。そして、25℃にて1Cでの充放電を100サイクル(4.2V−3.0V)行った後、満充電の際のセルの平均厚みT2を上述のT0と同様にして測定し、厚み変化率(%)(=(T2−T0)/T0×100)を算出した。厚み変化率が小さいほどセル膨らみ(100サイクル後)が抑制されていることを示す。
<レート特性>
作成したリチウムイオン二次電池の初期容量を確認後、当該リチウムイオン二次電池を25℃で4.2V CC−CV充電(Cut-off条件0.02C)にて満充電にし、その後−10℃の環境下において0.2Cで3.0VまでCC放電し、その際の放電容量C1を得た。そして、リチウムイオン二次電池を25℃で4.2V CC−CV充電(Cut-off条件0.02C)にて再び満充電にし、その後−10℃の環境下において1Cにて3.0VまでCC放電し、その際の放電容量C2を得た。C1に対するC2の比(C2/C1)を算出した。この値が大きい程、リチウムイオン二次電池がレート特性に優れていることを示す。
<炭素系負極活物質の調製>
芯粒子としての球形化黒鉛(体積平均粒子径D50:15μm、タップ密度:0.85g/cm3、BET比表面積:6.0m2/g)100部に対し、低結晶性炭素の被膜形成材料としてのタールピッチを30部添加し、ヘンシェルミキサーを用いて200℃で30分混合した。得られた混合物を、窒素雰囲気下1000℃でプレ焼成後、粉砕し、更に窒素雰囲気下2600℃で焼成し、複合炭素材料を得た。この複合炭素材料を、ホソカワミクロン社製のメカノフュージョンシステムを用いて解砕し(メカノケミカル処理)、炭素系負極活物質Aを得た。そして、炭素系負極活物質Aの表面官能基量およびBET比表面積を測定した。結果を表1に示す。
<粒子状重合体の調製>
芳香族ビニル単量体としてスチレン60.5部、脂肪族共役ジエン単量体として1,3−ブタジエン35部、酸性基含有単量体としてイタコン酸3.5部、連鎖移動剤としてtert-ドデシルメルカプタン0.25部、乳化剤としてラウリル硫酸ナトリウム0.35部の混合物を入れた容器Aから、これらの混合物の耐圧容器Bへの添加を開始し、これと同時に、重合開始剤として過硫酸カリウム1部の耐圧容器Bへの添加を開始することで重合を開始した。反応温度は75℃を維持した。
また、重合開始から4時間後(単量体組成物全体のうち70%添加後)、耐圧容器Bに水酸基含有(メタ)アクリル酸エステル単量体として2−ヒドロキシエチルアクリレートを1部、1時間半に亘って加えた。
重合開始から5時間半後、これら単量体組成物の全量添加が完了し、その後、さらに85℃に加温して6時間反応させた。
重合転化率が97%になった時点で冷却し反応を停止して、粒子状重合体を含む混合物を得た。この粒子状重合体を含む混合物に、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。さらにその後冷却し、所望の粒子状重合体を含む水分散液(固形分濃度:40%)を得た。この粒子状重合体を含む水分散液を用いて、表面酸量および体積平均粒子径D50を測定した。結果を表1に示す。
ディスパー付きのプラネタリーミキサーに、負極活物質として上述した炭素系負極活物質を100部、水溶性高分子としてカルボキシメチルセルロース(CMC、1質量%水溶液粘度:250mPa・s)を固形分換算で1.5部、導電材としてのアセチレンブラック(BET比表面積:68m2/g)を1部加えた。これらの混合物をイオン交換水で固形分濃度56%に調整した後、25℃で60分間混合した。次に、イオン交換水で固形分濃度52%に調整した後、さらに25℃で15分間混合し混合液を得た。
上記の混合液に、粒子状重合体を含む水分散液を、粒子状重合体の固形分換算で1.6部、及びイオン交換水を入れ、最終固形分濃度50%となるように調整し、さらに10分間混合した。これを減圧下で脱泡処理して、リチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物を得た。なおこのリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物の調製に、上述のようにしてスラリー組成物の生産性を評価した。結果を表1に示す。
上記リチウムイオン二次電池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15μmの銅箔の上に塗付量が9〜10mg/cm2となるように塗布した。このリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物が塗布された銅箔を、0.5m/分の速度で、温度60℃のオーブン内を2分間かけて搬送することにより、乾燥させた。その後、温度120℃のオーブン内で2分間加熱処理して負極原反を得た。
得られた負極原反をロールプレス機にて負極合材層の密度が1.6〜1.7g/cm3となるようプレスを行い、リチウムイオン二次電池用負極を得た。このリチウムイオン二次電池用負極を用いて、ピール強度を評価した。結果を表1に示す。
プラネタリーミキサーに、正極活物質としてのLiCoO2100部、導電材としてのアセチレンブラック2部(電気化学工業(株)製、HS−100)、結着材としてのPVDF(ポリフッ化ビニリデン、(株)クレハ化学製、KF−1100)2部、さらに全固形分濃度が67%となるように2−メチルピリロドンを加えて混合し、リチウムイオン二次電池正極用スラリー組成物を調製した。
得られたリチウムイオン二次電池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のアルミ箔の上に塗布した。このリチウムイオン二次電池正極用スラリー組成物が塗布されたアルミ箔を、0.5m/分の速度で温度60℃のオーブン内を2分間かけて搬送することにより、乾燥させた。その後、温度120℃のオーブン内で2分間加熱処理して、正極原反を得た。
得られた正極原反をロールプレス機にて正極合材層の密度が3.40〜3.50g/cm3になるようにプレスを行い、リチウムイオン二次電池用正極を得た。
単層のポリプロピレン製セパレータ(幅65mm、長さ500mm、厚さ25μm;乾式法により製造;気孔率55%)を用意し、50mm×200mmに切り出した。
そして、作製した正極を、45mm×150mmに切り出した。さらに、作製した負極を、47mm×155mmに切り出した。これら切り出した正極、セパレータ、および負極をこの順に積層した後、捲き回して捲回体を作製し、アルミ包材外装に入れた。その後、電解液として濃度1.0MのLiPF6溶液(溶媒はエチレンカーボネート(EC)/エチルメチルカーボネート(EMC)=3/7(体積比)の混合溶媒、添加剤としてビニレンカーボネート2質量%含有)を充填した。さらに、150℃のヒートシールをしてアルミ包材外装の開口を密封閉口し、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を用いて、セル膨らみ(初期)、セル膨らみ(100サイクル後)、およびレート特性を評価した。結果を表1に示す。
タールピッチの添加量を、球形化黒鉛100部当たり25部とした以外は、実施例1と同様にして炭素系負極活物質Bを得た。
そして、上記得られた炭素系負極物質Bを炭素系負極活物質Aに替えて使用した以外は、実施例1と同様にして、粒子状重合体、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、リチウムイオン二次電池用正極およびリチウムイオン二次電池を製造し、各種評価を行なった。結果を表1に示す。
メカノケミカル処理の際に、用いる上述の装置の回転速度を上昇させた以外は、実施例1と同様にして炭素系負極活物質Cを得た。
そして、上記得られた炭素系負極物質Cを炭素系負極活物質Aに替えて使用した以外は、実施例1と同様にして、粒子状重合体、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、リチウムイオン二次電池用正極およびリチウムイオン二次電池を製造し、各種評価を行なった。結果を表1に示す。
粒子状重合体の調製の際に、用いる単量体をそれぞれ表1のように変更した以外は実施例1と同様にして、炭素系負極活物質、粒子状重合体、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、リチウムイオン二次電池用正極およびリチウムイオン二次電池を製造し、各種評価を行なった。結果を表1に示す。
粒子状重合体の調製の際に、ラウリル硫酸ナトリウムの量をそれぞれ0.15部、0.40部とした以外は、実施例1と同様にして、炭素系負極活物質、粒子状重合体、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、リチウムイオン二次電池用正極およびリチウムイオン二次電池を製造し、各種評価を行なった。結果を表1に示す。
メカノケミカル処理の際に、用いる上述の装置の回転速度を低下させた以外は、実施例1と同様にして炭素系負極活物質Dを得た。
そして、上記得られた炭素系負極物質Dを炭素系負極活物質Aに替えて使用した以外は、実施例1と同様にして、粒子状重合体、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、リチウムイオン二次電池用正極およびリチウムイオン二次電池を製造し、各種評価を行なった。結果を表1に示す。
リチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物の調製の際に、1質量%水溶液粘度が250mPa・sのCMCに替えて、1質量%水溶液粘度がそれぞれ1000mPa・s、1900mPa・sのCMCを使用した以外は、実施例1と同様にして、炭素系負極活物質、粒子状重合体、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、リチウムイオン二次電池用正極およびリチウムイオン二次電池を製造し、各種評価を行なった。結果を表1に示す。
リチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物の調製の際に、導電材の添加量を負極活物質100部当たりそれぞれ1.8部、0.3部とした以外は実施例1と同様にして、炭素系負極活物質、粒子状重合体、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、リチウムイオン二次電池用正極およびリチウムイオン二次電池を製造し、各種評価を行なった。結果を表1に示す。
芯粒子としての球形化黒鉛(体積平均粒子径D50:15μm、タップ密度:0.85g/cm3、BET比表面積:6.0m2/g)100部に対し、低結晶性炭素の被膜形成材料としてのタールピッチを15部添加し、ヘンシェルミキサーを用いて200℃で30分混合した。得られた混合物を、窒素雰囲気下1000℃でプレ焼成後、更に窒素雰囲気下2600℃で焼成した後、アーステクニカ社製のクリプトロンを用いて粉砕し、炭素系負極活物質Eを得た。
そして、上記得られた炭素系負極物質Eを炭素系負極活物質Aに替えて使用した以外は、実施例1と同様にして、粒子状重合体、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、リチウムイオン二次電池用正極およびリチウムイオン二次電池を製造し、各種評価を行なった。結果を表1に示す。
芯粒子としての球形化黒鉛(体積平均粒子径D50:15μm、タップ密度:0.85g/cm3、BET比表面積:6.0m2/g)100部に対し、低結晶性炭素の被膜形成材料としてのタールピッチを30部添加し、ヘンシェルミキサーを用いて200℃で30分混合した。得られた混合物を、窒素雰囲気下1000℃でプレ焼成後、アーステクニカ社製のクリプトロンを用いて粉砕し、更に窒素雰囲気下2600℃で焼成して、炭素系負極活物質Fを得た。
そして、上記得られた炭素系負極物質Fを炭素系負極活物質Aに替えて使用した以外は、実施例1と同様にして、粒子状重合体、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、リチウムイオン二次電池用正極およびリチウムイオン二次電池を製造し、各種評価を行なった。結果を表1に示す。
粒子状重合体の調製の際に、用いる単量体を表1のように変更した以外は、実施例1と同様にして、炭素系負極活物質、粒子状重合体、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、リチウムイオン二次電池用正極およびリチウムイオン二次電池を製造し、各種評価を行なった。結果を表1に示す。
メカノケミカル処理の際に、用いる上述の装置の回転速度を更に上昇させた以外は、実施例3と同様にして炭素系負極活物質Gを得た。
そして、上記得られた炭素系負極物質Gを炭素系負極活物質Aに替えて使用した以外は、実施例1と同様にして、リチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物の調製を試みたが、過度な増粘によりスラリー組成物を調製することができなかった。
「ST」はスチレンを示し、
「BD」は1,3−ブタジエンを示し、
「IA」はイタコン酸を示し、
「AA」はアクリル酸を示し、
「2−HEA」は、2−ヒドロキシエチルアクリレートを示す。
ここで、表1の実施例1、2および6より、炭素系負極活物質の比表面積を調節することで、二次電池のレート特性を更に向上させつつ、セルの膨らみを一層抑制しうることがわかる。
また、表1の実施例1、3より、炭素系負極活物質の表面官能基量を調節することで、スラリー組成物の生産性を更に向上させうることがわかる。
そして、表1の実施例1、4、7、13より、粒子状重合体の表面酸量を調節することで、スラリー組成物の生産性を更に向上させつつ二次電池のセルの膨らみを一層抑制しうり、また負極のピール強度を向上させうることがわかる。
加えて、表1の実施例1、5、12より、粒子状重合体の体積平均粒子径D50を調節することで、スラリー組成物の生産性を更に向上させつつ二次電池のセルの膨らみを一層抑制しうり、また負極のピール強度を向上させうることがわかる。
また、表1の実施例1、8、9より、水溶性重合体であるCMCの1質量%水溶液粘度を調節することで、二次電池のレート特性を更に向上させうることがわかる。
そして、表1の実施例1、10、11より、導電材であるアセチレンブラックの量を調節することで、二次電池のレート特性を更に向上させつつセルの膨らみを一層抑制しうり、また負極のピール強度を向上させうることがわかる。
また、本発明によれば、二次電池のセルの膨らみおよび内部抵抗の上昇を抑制しうる二次電池用負極を提供することができる。
そして、本発明によれば、セルの膨らみが抑制され、またレート特性に優れる二次電池を提供することができる。
Claims (8)
- 負極活物質、粒子状重合体および水を含む二次電池負極用スラリー組成物であって、
前記負極活物質は、表面官能基量が0.9%以上1.5%以下であって且つBET比表面積が2.5m2/g以下である炭素系負極活物質を含み、
前記粒子状重合体は、表面酸量が0.2mmol/g以上2.0mmol/g以下であることを特徴とする、二次電池負極用スラリー組成物。 - 前記炭素系負極活物質の表面官能基量(%)をS、前記炭素系負極活物質のBET比表面積(m2/g)をT、および前記粒子状重合体の表面酸量(mmol/g)をUとして下記式(1):
X=(S/T)/U・・・(1)
で算出される官能基量/酸量比Xの値が、1.51以上4.50以下である、請求項1に記載の二次電池負極用スラリー組成物。 - 前記炭素系負極活物質のBET比表面積が、1.0m2/g以上である、請求項1または2に記載の二次電池負極用スラリー組成物。
- 前記粒子状重合体の体積平均粒子径D50が、120nm以上500nm以下である、請求項1〜3の何れかに記載の二次電池負極用スラリー組成物。
- 更に、BET比表面積が30m2/g以上である導電材を前記負極活物質100質量部当たり0.2質量部以上2質量部以下含む、請求項1〜4の何れかに記載の二次電池負極用スラリー組成物。
- 更に、1質量%水溶液粘度が150mPa・s以上2000mPa・s以下である水溶性重合体を含む、請求項1〜5の何れかに記載の二次電池負極用スラリー組成物。
- 請求項1〜6の何れかに記載の二次電池負極用スラリー組成物を用いて得られる負極合材層を有する、二次電池用負極。
- 正極、負極、セパレータおよび電解液を備え、
前記負極が請求項7に記載の二次電池用負極である、二次電池。
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