JPWO2019053861A1 - 電極及び非水電解質電池 - Google Patents
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Abstract
Description
第1の実施形態によると、電極が提供される。この電極は、活物質及び導電助剤を含む電極合材層を含む。電極合材層は、水銀圧入法によるlog微分細孔容積分布において、2以上8未満の範囲内にある比P1/P2、及び3以上10未満の範囲内にある比S1/S2を満たす。ここで、P1は、電極合材層のlog微分細孔容積分布での0.1μm以上1μm以下の細孔径範囲における最大のlog微分細孔容積の値[mL/g]であり、P2は、電極合材層のlog微分細孔容積分布での0.03μmの細孔径についてのlog微分細孔容積の値[mL/g]である。S1は、電極合材層のlog微分細孔容積分布における0.1μm以上1μm以下の細孔径範囲内での積分値であり、S2は、電極合材層のlog微分細孔容積分布における0μmより大きく0.1μm未満の細孔径の範囲内での積分値である。
1つの態様では、例えば、第1の実施形態に係る電極は正極であり、電極合材層における活物質、導電助剤及びバインダの割合は、それぞれ、70重量%以上95重量%以下、1重量%以上20重量%以下、及び1重量%以上10重量%以下である。他の1つの態様では、例えば、第1の実施形態に係る電極は負極であり、電極合材層における活物質、導電助剤及びバインダの割合は、それぞれ、70重量%以上96重量%以下、2重量%以上20重量%以下、及び2重量%以上10重量%以下である。
次に、電極についての各種分析方法を説明する。
(A)前処理
非水電解質電池に組み込まれている電極に対しては、以下の手順で前処理を行う。
まず、非水電解質電池をアルゴンで満たしたグローブボックス内で分解し、測定対象たる電極を非水電解質電池から取り出す。次いで、取り出した電極を、メチルエチルカーボネート(MEC)で洗浄する。次いで、洗浄した電極を、100℃及びゲージ圧−75kPaの雰囲気下で乾燥させる。乾燥させた電極を、以下に説明する各分析の対象とする。以下、測定対象の電極を、単に、「電極」と呼ぶ。
導電助剤のアスペクト比の測定は、以下の手順で行なうことができる。まず、電極を、集電体に対して垂直に研磨する。次に、研磨した電極の断面を、透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope:TEM)又は走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:SEM)を用いて撮影する。撮影した写真の画像を解析し、50個の導電助剤の粒子を選定する。選定した50個の導電助剤の粒子の断面の長径をそれぞれ測定する。また、長径を調べる際に測定したときと同じ50個の導電助剤の粒子の断面の短径(粒子の厚み)をそれぞれ測定する。測定された長径及び短径のそれぞれについて平均値を求め、これら平均長径と平均短径との比を、アスペクト比(長径/短径)とする。ここで測定する粒子は、c軸方向に対して垂直なものに限られる。c軸方向に対して垂直に向いているかについては、原子配列を観察すれば確認できる。c軸方向に対して垂直な粒子は、粒子の扁平面の真上から観察できていることになり、正確にアスペクト比を取得することができる。また測定に利用する粒子は、長径が3μm以上のものに限る。長径が3μm未満のものは製造工程において、結晶が崩れている可能性が高いため、アスペクト比の測定のふさわしくない。
電極が具備する電極合材層についての細孔径分布は、以下の手順で測定することができる。
電極合材層に含まれている導電助剤のそれぞれの成分についてのラマンスペクトルは、以下の手順に従って、電極合材層の表面についてのラマン分光法による分析を行うことで得ることができる。
電極合材層に含まれる導電助剤の平均粒子径は、以下の手順で測定することができる。
電極合材層における重量比C1/C2は、示差熱天秤−質量分析法(Thermogravimetry-Differential Thermal Analysis and Mass Spectrometry:TG/DTA−MS)により、以下の手順で測定することができる。
(G−1)前処理
非水電解質電池に組み込まれている電極に対しては、以下の手順で前処理を行う。
まず、非水電解質電池をアルゴンで満たしたグローブボックス内で分解し、測定対象たる電極を非水電解質電池から取り出す。次いで、取り出した電極を、メチルエチルカーボネート(MEC)で洗浄する。次いで、洗浄した電極を、100℃及びゲージ圧−75kPaの雰囲気下で乾燥させる。乾燥させた電極を、以下に説明する各分析の対象とする。以下、測定対象の電極を、単に、「電極」と呼ぶ。
面積比A2/A1の測定は、以下の手順で行なうことができる。まず、電極を、集電体に対して垂直に研磨する。次に、研磨した電極の断面を、走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:SEM)を用いて撮影する。このとき視野が30μm四方になるように調整する。次いで、得られた視野に対して、EDX分析を行う。このとき元素Ni、Co、Mn、Fe及びTiでマッピングを行い、得られた領域の面積の合計をA1とする。但し2種以上の複数の元素が重なっている領域については、1種の領域分のみを計上する。例えばLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2は、同じ領域にNi、Co、Mnの3種の元素でマッピングされるが、その場合はNiもしくはCoもしくはMnのうち1種の領域分のみを計上する。同様に元素Cでマッピングを行い、得られた領域の面積をA2とする。これによって、電極合材層の断面における導電助剤と活物質の面積比A2/A1を算出することができる。
図1は、第1の実施形態に係る一例の電極の概略断面図である。
図1に示す電極10は、帯状の集電体11と、集電体の両方の表面上に形成された電極合材層12とを具備している。電極合材層12の表面12aが、電極10の表面である。電極合材層12は、活物質及び導電助剤を含んでいる。導電助剤は、第1の炭素材料の粒子としてのグラファイトの粒子と、第2の炭素材料の粒子としてのカーボンブラックの粒子とを含んでいる。平均粒子径の比d1/d2は8であり、重量比C1/C2は0.6である。
第1の実施形態に係る電極は、例えば、先に説明した好ましい態様の導電助剤を用いること、及び、例えば以下に説明する製造方法の例で説明するように、電極作製用の塗料の調製の際に強いせん断力を加えて分散を行うことを含んだ方法によって製造することができる。しかしながら、それぞれ先に説明した第1の炭素材料の粒子及び第2の炭素材料の粒子の混合物を単に用いただけでは、第1の実施形態に係る電極を実現することはできない。また、第1の実施形態に係る電極の製造方法は、以下に示す例に限定されないことに留意されたい。
以上に説明したメディアを利用する分散装置により、電極合材層作製用の塗料が得られる。
第2の実施形態によると、非水電解質電池が提供される。この非水電解質電池は、正極としての第1の実施形態に係る電極と、負極と、非水電解質とを具備する。
この負極は、負極集電体と、負極集電体上に設けられた負極合材層とを具備することができる。
正極の材料としては、例えば、第1の実施形態において説明したものを用いることができる。
負極集電体としては、例えば、第1の実施形態で挙げたものを用いることができる。
セパレータは、絶縁性材料からなり、正極と負極との電気的な接触を防止することができる。好ましくは、セパレータは、非水電解質が通過できる材料からなるか、又は非水電解質が通過できる形状を有する。セパレータの例としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、セルロース及びビニロンからなる群より選択される1種類又は2種類から成る多孔質フィルム及び不織布のセパレータを挙げることができる。
非水電解質は、例えば、非水溶媒と、この非水溶媒に溶解された電解質及び添加剤とを含むことができる。
負極集電タブ、正極集電タブ、負極端子及び正極端子は、電気伝導性の高い材料から形成されていることが好ましい。集電体に接続する場合、接触抵抗を低減させるために、これらの部材は、集電体と同様の材料からなるものであることが好ましい。
外装材としては、例えば金属製容器又はラミネートフィルム製容器を用いることができるが、特に限定されない。
ラミネートフィルムは、金属層と、この金属層を挟み込んだ樹脂層を含む多層フィルムが用いられる。金属層は、Fe、Ni、Cu、Sn及びAlからなる群より選択される少なくとも1種を含む金属を含むことが好ましい。金属層は、軽量化のためにアルミニウム箔若しくはアルミニウム合金箔が好ましい。樹脂層は、例えばポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、ナイロン、ポリエチレンテレフタレート(PET)等の高分子材料を用いることができる。ラミネートフィルムは、熱融着によりシールを行って外装材の形状に成形することができる。
以下、実施例に基づいて上記実施形態をさらに詳細に説明する。
実施例1−1では、以下の手順により、実施例1−1の非水電解質電池を作製した。
まず、第1の炭素材料の粒子としてのグラファイトAの粒子と、第2の炭素材料の粒子としてのアセチレンブラックAの粒子とを準備した。グラファイトAの粒子について、アスペクト比は1.9であり、強度比G1/D1は5であり、平均粒子径は4.2であった。アセチレンブラックAの粒子について、アスペクト比は1.1であり、強度比G2/D2は1.38であり、平均粒子径は0.52であった。
まず、負極活物質としてのLi4Ti5O12で表される組成を有するチタン酸リチウム(LTO)を用意した。また、グラファイト及びアセチレンブラックを用意した。これらを1:4の重量比で混合し、導電助剤とした。バインダとしてのポリフッ化ビニリデンを用意した。これらの材料を、活物質:導電助剤:バインダの重量比が90:5:5になるように混合した。かくして得られた混合物を、溶媒としてのN−メチルピロリドン中に溶解させ、混合させた。かくして、ペースト状の負極塗料を調製した。
上記のようにして得られた正極及び負極を、間にセパレータを介して捲回した。セパレータとしては、厚さが20μmのポリエチレンフィルムを2枚用いた。かくして、捲回型構造を有する電極群を作製した。
非水溶媒として、エチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)との混合溶媒を用意した。この混合溶媒において、EC:EMCの重量比は1:2であった。この混合溶媒に、電解質として六フッ化リン酸リチウムLiPF6を1.0Mの濃度で溶解させた。かくして、非水電解質を調製した。
次に、幅が80mmであり、高さが110mmであり、厚さが3mmであり、開口部を有するラミネートフィルム製の容器と、正極端子及び負極端子を備えた封口板とを用意した。封口板は、注液口及び安全弁を更に具備していた。
かくして、実施例1−1の角型非水電解質電池を作製した。
実施例1−2では、正極塗料の調製の際、第1の炭素材料としてグラファイトBの粒子を用いたこと以外は実施例1−1と同様の手順により、実施例1−2の非水電解質電池を作製した。グラファイトBの粒子について、アスペクト比は1.78であり、強度比G1/D1は5.8であり、平均粒子径は7.0であった。
実施例1−3〜1−7では、正極塗料の調製の際、第2の炭素材料として、以下の表1に示す炭素材料の粒子を用いたこと以外は実施例1−1と同様の手順により、実施例1−3〜1−7のそれぞれの非水電解質電池を作製した。アセチレンブラックBの粒子について、アスペクト比は1.12であり、強度比G2/D2は1.45であり、平均粒子径は2.1であった。ケッチェンブラックの粒子について、アスペクト比は1.05であり、強度比G2/D2は1.59であり、平均粒子径は0.53であった。ファーネスブラックの粒子について、アスペクト比は1.08であり、強度比G2/D2は1.24であり、平均粒子径は0.53であった。チャンネルブラックの粒子について、アスペクト比は1.07であり、強度比G2/D2は1.19であり、平均粒子径は0.51であった。ランプブラックの粒子について、アスペクト比は1.12であり、強度比G2/D2は1.23であり、平均粒子径は0.52であった。
実施例1−8では、正極塗料の調製の際、グラファイトAの粒子とアセチレンブラックAの粒子とを2:2.1の重量比で用いて先分散を行ったこと以外は、実施例1−1と同様の手順により、実施例1−8の非水電解質電池を作製した。
実施例1−9では、正極塗料の調製の際、グラファイトAの粒子とアセチレンブラックAの粒子とを2:5の重量比で用いて先分散を行ったこと以外は、実施例1−1と同様の手順により、実施例1−9の非水電解質電池を作製した。
実施例1−10〜1−13では、正極活物質を以下の表3に記載した組成を有するものに変更したこと及び正極の塗工量を変更したこと以外は実施例1−1と同様の手順により、実施例1−10〜1−13の非水電解質電池を作製した。
実施例2−1では、正極活物質としてスピネル型マンガン酸リチウムLiMn2O4の粒子を用いたこと、及び正極塗料の塗工量を255g/m2としたこと以外は実施例1−1と同様の手順により、実施例2−1の非水電解質電池を作製した。用いた正極活物質粒子は、平均一次粒子径が1μmであり、平均二次粒子径が9μmであった。
実施例3−1では、正極活物質としてオリビン型リン酸鉄リチウムLiFePO4の粒子を用いたこと、及び正極塗料の塗工量を165g/m2としたこと以外は実施例1−1と同様の手順により、実施例3−1の非水電解質電池を作製した。用いた正極活物質粒子は、平均一次粒子径が0.05μmであり、平均二次粒子径が1μmであった。
実施例4−1では、正極活物質としてコバルト酸リチウムLiCoO2の粒子を用いたこと、及び正極塗料の塗工量を165g/m2としたこと以外は実施例1−1と同様の手順により、実施例4−1の非水電解質電池を作製した。用いた正極活物質粒子は、二次粒子を形成しておらず、平均一次粒子径が8μmであった。
実施例5−1、6−1、7−1及び8−1では、負極活物質を変更したこと、及び負極塗料の塗工量を変更したこと以外は実施例1−1と同様の手順により、各非水電解質電池を作製した。すなわち、これらの実施例では、実施例1−1と同様の正極を用いて非水電解質電池を作製した。
実施例9−1では、正極塗料の調製の際、第1の炭素材料としてグラフェンの粒子を用いたこと以外は実施例1−1と同様の手順により、実施例9−1の非水電解質電池を作製した。グラフェンの粒子について、アスペクト比は1.95であり、強度比G1/D1は6.2であり、平均粒子径は5.3μmであった。
比較例1−1では、以下の手順で正極を作製したこと以外は実施例1−1と同様の手順で、比較例1−1の非水電解質電池を作製した。
比較例1−2では、以下の手順で正極を作製したこと以外は実施例1−1と同様の手順で、比較例1−2の非水電解質電池を作製した。
次いで、かくして得られた分散液を4回の更なる攪拌に供した。各回の攪拌では、分散液を、練太郎において、2000rpmで10分間攪拌した。各回の攪拌後、分散液を10分間室温で冷却した。すなわち、比較例1−2では、正極用の塗料を調製する際に固練りを行った。
比較例1−3では、以下の手順で正極を作製したこと以外は実施例1−1と同様の手順で、比較例1−3の非水電解質電池を作製した。
比較例1−4では、正極塗料の調製の際、第1の炭素材料としてグラファイトCの粒子を用いたこと以外は実施例1−1と同様の手順により、比較例1−4の非水電解質電池を作製した。グラファイトCの粒子について、アスペクト比は2.71であり、強度比G1/D1は5.4であり、平均粒子径は5.5μmであった。
比較例1−5では、正極塗料の調製の際、第1の炭素材料としてグラファイトDの粒子を用いたこと以外は実施例1−1と同様の手順により、比較例1−5の非水電解質電池を作製した。グラファイトDの粒子について、アスペクト比は1.34であり、強度比G1/D1は5.2であり、平均粒子径は4.9μmであった。
比較例1−6〜1−9では、先分散において、グラファイトAの粒子とアセチレンブラックAとの重量比を以下の表2に示したように変更したこと以外は実施例1−1と同様の手順で、比較例1−6〜1−9のそれぞれの非水電解質電池を作製した。
比較例1−10〜1−13では、第1の炭素材料として比較例1−4で用いたものと同様のグラファイトCの粒子を用いたこと以外はそれぞれ実施例1−10〜1−13と同様の手順で、比較例1−10〜1−13のそれぞれの非水電解質電池を作製した。
比較例1−14では、以下の手順で正極を作製したこと以外は実施例1−1と同様の手順で、比較例1−14の非水電解質電池を作製した。
比較例1−15では、以下の手順で正極を作製したこと以外は実施例1−1と同様の手順で、比較例1−15の非水電解質電池を作製した。
比較例2−1〜4−1では、第1の炭素材料として比較例1−4で用いたものと同様のグラファイトCの粒子を用いたこと以外はそれぞれ実施例2−1〜4−1と同様の手順で、比較例2−1〜4−1のそれぞれの非水電解質電池を作製した。
比較例5−1〜8−1では、比較例1−4と同様の手順で作製した正極を用いたこと以外はそれぞれ実施例5−1〜8−1と同様の手順で、比較例5−1〜8−1のそれぞれの非水電解質電池を作製した。
各実施例及び各比較例の非水電解質電池を、以下の評価に供した。
<出荷状態への調整>
各実施例及び各比較例の非水電解質電池を、以下の手順で出荷前状態にした。
まず、各非水電解質電池を、25℃の環境下及び0.1Cのレートで、電池電圧が2.7Vに達するまで初充電を行った。次いで、各非水電解質電池を、1Cのレートで、電池電圧が1.5Vに達するまで放電した。この際に放電された容量を、検査容量とした。
まず、各非水電解質電池を、25℃の環境下及び0.1Cのレートで、電池電圧が2.8Vに達するまで初充電を行った。次いで、各非水電解質電池を、1Cのレートで、電池電圧が1.5Vに達するまで放電した。この際に放電された容量を、検査容量とした。
まず、各非水電解質電池を、25℃の環境下及び0.1Cのレートで、電池電圧が4.2Vに達するまで初充電を行った。次いで、各非水電解質電池を、1Cのレートで、電池電圧が3.0Vに達するまで放電した。この際に放電された容量を、検査容量とした。
まず、各非水電解質電池を、25℃の環境下及び0.1Cのレートで、電池電圧が2.9Vに達するまで初充電を行った。次いで、各非水電解質電池を、1Cのレートで、電池電圧が1.5Vに達するまで放電した。この際に放電された容量を、検査容量とした。
[実施例1−1〜1−13、4−1及び9−1並びに比較例1−1〜1−15及び4−1]
出荷状態の各非水電解質電池を、25℃の環境下及び1Cのレートで、電池電圧が2.7Vに達するまで定電流充電した。次いで、各非水電解質電池を、0.05Cの電流値になるまで定電圧充電した。次いで、各非水電解質電池を、25℃の環境下及び10Cのレートで、電池電圧が1.5Vに達するまで放電した。このとき得られた容量を検査容量で割った値を放電容量維持率とした。
出荷状態の各非水電解質電池を、25℃の環境下及び1Cのレートで、電池電圧が2.8Vに達するまで定電流充電した。次いで、各非水電解質電池を、0.05Cの電流値になるまで定電圧充電した。次いで、各非水電解質電池を、25℃の環境下及び10Cのレートで、電池電圧が1.5Vに達するまで放電した。このとき得られた容量を検査容量で割った値を放電容量維持率とした。
出荷状態の各非水電解質電池を、25℃の環境下及び1Cのレートで、電池電圧が4.2Vに達するまで定電流充電した。次いで、各非水電解質電池を、0.05Cの電流値になるまで定電圧充電した。次いで、各非水電解質電池を、25℃の環境下及び10Cのレートで、電池電圧が3.0Vに達するまで放電した。このとき得られた容量を検査容量で割った値を放電容量維持率とした。
出荷状態の各非水電解質電池を、25℃の環境下及び1Cのレートで、電池電圧が2.9Vに達するまで定電流充電した。次いで、各非水電解質電池を、0.05Cの電流値になるまで定電圧充電した。次いで、各非水電解質電池を、25℃の環境下及び10Cのレートで、電池電圧が1.5Vに達するまで放電した。このとき得られた容量を検査容量で割った値を放電容量維持率とした。
各非水電解質電池の正極の正極合材層に含まれている導電助剤を、先に説明した手順で、アスペクト比及び平均粒子径の測定にそれぞれ供した。また、各非水電解質電池の正極の正極合材層を、先に説明した手順で、水銀圧入法による細孔径分布の測定及びラマン分光法による分析に供した。
表4に示した結果から、実施例1−1〜1−13及び9−1の各非水電解質電池は、比較例1−1〜1−15の各非水電解質電池よりも優れたレート特性を示すことができたことが分かる。
Claims (8)
- 活物質及び導電助剤を含む電極合材層を含み、
前記電極合材層は、水銀圧入法によるlog微分細孔容積分布において、
2以上8未満の範囲内にある比P1/P2、及び
3以上10未満の範囲内にある比S1/S2
を満たし、
ここで、
P1は、前記log微分細孔容積分布での0.1μm以上1μm以下の細孔径範囲における最大のlog微分細孔容積の値[mL/g]であり、P2は、前記log微分細孔容積分布での0.03μmの細孔径についてのlog微分細孔容積の値[mL/g]であり、
S1は、前記log微分細孔容積分布における0.1μm以上1μm以下の細孔径範囲での積分値であり、S2は、前記log微分細孔容積分布における0μmより大きく0.1μm未満の細孔径範囲内での積分値である電極。 - 前記導電助剤は、第1の炭素材料の粒子と、第2の炭素材料の粒子とを含み、
前記第1の炭素材料の粒子は、前記電極合材層のラマンスペクトルにおいて、2以上4未満の範囲内にある強度比G1/D1を満たし、G1は、1550cm-1〜1650cm-1の領域にピークトップが現れるG1バンドの強度であり、D1は、前記ラマンスペクトルにおいて、1300cm-1〜1400cm-1の領域にピークトップが現れるD1バンドの強度であり、
前記第1の炭素材料の粒子は、アスペクト比が1.5以上2以下の範囲内にある扁平粒子であり、
平均粒子径の比d1/d2が2以上14以下の範囲内にあり、d1は前記第1の炭素材料の粒子の平均粒子径であり、d2は前記第2の炭素材料の粒子の平均粒子径である請求項1に記載の電極。 - 前記第2の炭素材料の粒子は、前記ラマンスペクトルにおいて、1以上1.5未満の範囲内にある強度比G2/D2を満たし、G2は、前記ラマンスペクトルにおいて、1550cm-1〜1650cm-1の領域にピークトップが現れるG2バンドの強度であり、D2は、1300cm-1〜1400cm-1の領域にピークトップが現れるD2バンドの強度であり、
重量比C1/C2が0.2以上1未満の範囲内にあり、C1は、前記電極合材層に含まれる前記第1の炭素材料の粒子の重量であり、C2は、前記電極合材層に含まれる前記第2の炭素材料の粒子の重量である請求項2に記載の電極。 - 前記第1の炭素材料の粒子が、グラファイトの粒子、グラフェンの粒子及びカーボンファイバーの粒子からなる群より選択される少なくとも1種の粒子であり、
前記第1の炭素材料の粒子の前記平均粒子径d1は、4μm以上7μm未満の範囲内にあり、
前記第2の炭素材料の粒子の前記平均粒子径d2は、0.5μm以上2μm未満の範囲内にある請求項2に記載の電極。 - 前記重量比C1/C2が0.3以上1未満である請求項3に記載の電極。
- 前記活物質は粒子の形状を有し、前記活物質の粒子は、一次粒子が凝集してなる二次粒子を含み、
前記活物質の粒子の前記二次粒子は、3μm以上10μm未満の範囲内にある平均二次粒子径を有し、
前記活物質が、一般式LiaNi(1-x-y)CoxMnyO2で表される複合酸化物を含み、前記一般式中、0.9≦a≦1.2、0<x≦0.4、0<y≦0.35である請求項1〜5の何れか1項に記載の電極。 - 面積比A2/A1は0.1以上0.4以下であり、A1は、前記電極合材層の断面の1μm2当りに含まれる前記活物質の面積[μm]であり、A2は、前記断面の1μm2当りに含まれる前記導電助剤の面積[μm]である請求項1〜6の何れか1項に記載の電極。
- 正極としての請求項1〜6の何れか1項に記載の電極と、
負極と、
非水電解質と
を具備する非水電解質電池。
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