JPWO2019187537A1 - 非水電解質二次電池用負極及び非水電解質二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
正極11は、正極集電体30と、正極集電体30上に設けられた正極合材層31とを有する。正極集電体30には、アルミニウム、アルミニウム合金など正極11の電位範囲で安定な金属の箔、当該金属を表層に配置したフィルム等を用いることができる。正極合材層31は、正極活物質、アセチレンブラック等の導電材、及びポリフッ化ビニリデン(PVdF)等の結着材を含み、正極集電体30の両面に設けられることが好ましい。正極11は、正極集電体30上に正極活物質、導電材、及び結着材等を含む正極合材スラリーを塗布し、塗膜を乾燥させた後、圧縮して正極合材層31を正極集電体30の両面に形成することにより作製できる。
負極12は、負極集電体40と、負極集電体40上に設けられた負極合材層41とを有する。負極集電体40には、銅など負極12の電位範囲で安定な金属の箔、当該金属を表層に配置したフィルム等を用いることができる。負極合材層41は、負極活物質、及び結着材を含み、負極集電体40の両面に設けられることが好ましい。負極12は、例えば負極集電体40上に負極活物質、及び結着材等を含む負極合材スラリーを塗布し、塗膜を乾燥させた後、圧縮して負極合材層41を負極集電体40の両面に形成することにより作製できる。
セパレータ13には、イオン透過性及び絶縁性を有する多孔性シートが用いられる。多孔性シートの具体例としては、微多孔薄膜、織布、不織布等が挙げられる。セパレータ13の材質としては、ポリエチレン、ポリプロピレン等のオレフィン樹脂、セルロースなどが好適である。セパレータ13は、単層構造、積層構造のいずれであってもよい。セパレータ13の表面には、耐熱層などが形成されていてもよい。
[正極の作製]
正極活物質として、Li1.0Ni0.5Co0.2Mn0.3O2で表されるリチウム含有遷移金属酸化物を用いた。当該正極活物質と、アセチレンブラックと、PVdFとを、94.8:4:1.2の質量比で混合し、N−メチル−2−ピロリドンを適量加えて、正極合材スラリーを調製した。当該正極合材スラリーをアルミニウム箔からなる正極集電体の両面に、リードが接続される部分を残して塗布し、塗膜を乾燥させた後、ローラーを用いて塗膜を圧延し、所定の電極サイズに切断して、正極集電体の両面に正極合材層が形成された正極を作製した。
10%耐力が2.1MPaである黒鉛(炭素系活物質A)と、炭素被膜を有するSiOx(x=0.94)と、CMCのナトリウム塩と、SBRとを、88:9:1:1の質量比で混合し、水を適量加えて、第1層用の第1負極合材スラリーを調製した。
10%耐力が5.7MPaである黒鉛(炭素系活物質B)と、PAAのリチウム塩と、CMCのナトリウム塩と、SBRとを、97:1:1:1の質量比で混合し、水を適量加えて、第2層用の第2負極合材スラリーを調製した。
第1負極合材スラリーを銅箔からなる負極集電体の両面に、リードが接続される部分を残して塗布し、塗膜を乾燥させて第1層を形成した。次に、第2負極合材スラリーを第1層上に塗布し、塗膜を乾燥させて第2層を形成した。そして、ローラーを用いて塗膜(第1層及び第2層)を圧延し、所定の電極サイズに切断して、負極集電体の両面に第1層及び第2層を含む負極合材層が形成された負極を作製した。負極合材層の第1層及び第2層の厚みを測定した結果、第2層/第1層の厚み比は2.0であった。
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)とを、3:7の体積比で混合した混合溶媒に、LiPF6を1.0モル/リットルの濃度になるように溶解した。さらに、ビニレンカーボネート(VC)を上記混合溶媒に対して2体積%の濃度で溶解させて、非水電解質を調製した。
上記正極及び上記負極にリードをそれぞれ取り付け、ポリプロピレン製のセパレータを介して各電極を渦巻き状に巻回して巻回構造の電極体を作製した。当該電極体をアルミラミネートシートで構成される電池外装体内に収容し、上記非水電解質を注入した後、外装体を封止して、設計容量640mAhの試験セル(ラミネートセル)を作製した。
島津製作所製、微小圧縮試験機(MCT−211)を用いて、各炭素系活物質のD50と同等の粒子径である粒子1個の体積が10%圧縮されたときの圧力を、10%耐力として測定した。
試料電極又は観察対象の電極をエポキシ樹脂に埋め込んだ後、日本電子製、イオンミリング装置(クロスセクションポリッシャ)を用いて、断面作成を行った。その後、走査電子顕微鏡(SEM)にて断面を観察し、活物質の断面の面積とその中に含まれる空隙との面積を算出し、それらの比を空隙率とした。
負極合材層(第1層及び第2層)に含まれる炭素系活物質の非晶質成分量はラマン分光測定により評価した。炭素系活物質のラマンスペクトルにおけるD−band/G−bandのピーク強度比(R値)は、上述のように、非晶質炭素量の指標として使用でき、当該比率が高いほど非晶質炭素量が多いことを意味する。第1層及び第2層のラマン分光測定を行って各層のD−band/G−band比を求め、当該比率から非晶質成分量を算出した。
micromeritics製、TriStarを用いて、炭素系活物質のBET比表面積を測定した。
試験セルを、25℃の温度環境下、0.5Itの定電流で初期容量の半分まで充電した後、充電を止めて15分間放置した。その後、0.1Itの定電流で10秒間充電をした時の電圧を測定した。10秒間の充電容量分を放電した後、電流値を変更して10秒間充電し、そのときの電圧を測定した後、10秒間の充電容量分を放電した。当該充放電及び電圧測定を、0.1Itから2Itまでの電流値で繰り返した。測定した電圧値と電流値の関係性から抵抗値を求め、サイクル試験前の抵抗値とした。
試験セルを、25℃の温度環境下、0.5Itの定電流で電池電圧が4.2Vになるまで定電流充電を行い、4.2Vで電流値が1/50Itになるまで定電圧充電を行った。その後、0.5Itの定電流で電池電圧が2.5Vになるまで定電流放電を行った。この充放電サイクルを200サイクル繰り返した。
炭素系活物質Bとして、10%耐力が6.6MPa、空隙率が2%、非晶質成分量が1.5質量%、BET比表面積が4.4m2/gの黒鉛を用いたこと以外は、実施例1と同様にして負極及び試験セルを作製した。
炭素系活物質Bとして、10%耐力が27MPa、空隙率が3.1%、非晶質成分量が4.0質量%、BET比表面積が3.0m2/gの黒鉛を用いたこと以外は、実施例1と同様にして負極及び試験セルを作製した。
炭素系活物質Bとして、10%耐力が2.1MPa、空隙率が4.2%、非晶質成分量が0.6質量%、BET比表面積が4.0m2/gの黒鉛を用い、第2層にSiOx(x=0.94)を第1層と同じ含有率で添加したこと以外は、実施例1と同様にして負極及び試験セルを作製した。
第2層にSiOx(x=0.94)を添加しなかったこと以外は、比較例1と同様にして負極及び試験セルを作製した。
炭素系活物質Bとして、10%耐力が5.7MPa、空隙率が2.5%、非晶質成分量が1.5質量%、BET比表面積が4.4m2/gの黒鉛を用いたこと以外は、比較例1と同様にして負極及び試験セルを作製した。
炭素系活物質Bとして、10%耐力が44MPa、空隙率が0%、非晶質成分量が0.5質量%、BET比表面積が0.9m2/gの黒鉛を用いたこと以外は、比較例1と同様にして負極及び試験セルを作製した。
11 正極
12 負極
13 セパレータ
14 電極体
15 電池ケース
16 外装缶
17 封口体
18,19 絶縁板
20 正極リード
21 負極リード
22 張出部
23 フィルタ
24 下弁体
25 絶縁部材
26 上弁体
27 キャップ
28 ガスケット
30 正極集電体
31 正極合材層
40 負極集電体
41 負極合材層
42 第1層
43 第2層
Claims (7)
- 負極集電体と、前記負極集電体上に設けられた負極合材層とを備える非水電解質二次電池用負極であって、
前記負極合材層は、前記負極集電体側から順に形成された第1層及び第2層を有し、
前記第1層は、10%耐力が3MPa以下の第1の炭素系活物質と、Siを含有するシリコン系活物質とを含み、
前記第2層は、10%耐力が5MPa以上の第2の炭素系活物質を含み、前記第1層よりも前記シリコン系活物質の含有率が低い、非水電解質二次電池用負極。 - 前記第2層は、実質的に前記シリコン系活物質を含まない、請求項1に記載の非水電解質二次電池用負極。
- 前記第2の炭素系活物質は、1〜5%の空隙率を有する、請求項1又は2に記載の非水電解質二次電池用負極。
- 前記第2の炭素系活物質は、1〜5質量%の非晶質成分を含有する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用負極。
- 前記第2層の厚みは、前記負極合材層の厚みの20〜70%である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用負極。
- 前記シリコン系活物質の体積基準のメジアン径は、前記第1の炭素系活物質の体積基準のメジアン径の0.5倍以下である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用負極。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用負極と、
正極と、
セパレータと、
非水電解質と、
を備えた、非水電解質二次電池。
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