WO2021117748A1 - 非水電解質二次電池 - Google Patents

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mixture layer
electrode mixture
graphite particles
secondary battery
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紀子 杉井
泰三 砂野
拓也 四宮
麻衣 横井
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三洋電機株式会社
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Definitions

  • This disclosure relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery.
  • Non-aqueous electrolyte secondary batteries that use graphite particles as the negative electrode active material are widely used as secondary batteries with high energy density.
  • the battery capacity can be increased by increasing the filling density per unit volume of the negative electrode active material in the negative electrode mixture layer, but increasing the filling density of the negative electrode active material reduces the voids between the negative electrode active materials and the electrolytic solution.
  • the packing density of the negative electrode active material in the negative electrode mixture layer is made lower on the outer surface side than on the current collector side, so that the negative electrode active material is located on the outer surface side.
  • the voids are enlarged to improve the circulation of the electrolytic solution.
  • the amount of the negative electrode active material per unit volume in the negative electrode mixture layer is small, there is a problem that the battery capacity is low.
  • the balance between the electrolytic solution on the positive electrode side and the negative electrode side may be lost, and the battery capacity may decrease in a high temperature environment. In these respects, the inventions disclosed in Patent Documents 1 to 3 still have room for improvement.
  • an object of the present disclosure is to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery having improved rapid charge / discharge cycle characteristics and high temperature storage characteristics while suppressing a decrease in battery capacity.
  • the non-aqueous electrolyte secondary battery includes an electrode body in which a positive electrode and a negative electrode face each other via a separator, a non-aqueous electrolyte, and an exterior body accommodating the electrode body and the non-aqueous electrolyte.
  • the negative electrode has a negative electrode current collector, a first negative electrode mixture layer provided on the surface of the negative electrode current collector, and a second negative electrode mixture layer provided on the surface of the first negative electrode mixture layer.
  • the first negative electrode mixture layer and the second negative electrode mixture layer contain graphite particles, and the voids between the graphite particles in the second negative electrode mixture layer with respect to the void ratio (S1) between the graphite particles in the first negative electrode mixture layer.
  • the ratio (S2 / S1) of the ratio (S2) is 1.1 to 2.0, and the ratio of the packing density (D2) of the second negative electrode mixture layer to the packing density (D1) of the first negative electrode mixture layer.
  • (D2 / D1) is 0.9 to 1.1
  • the separator has a first surface in contact with the positive electrode and a second surface in contact with the negative electrode, and the contact angle of the first surface with respect to ethylene carbonate is the second. It is characterized in that it is smaller than the contact angle of the surface with respect to ethylene carbonate.
  • non-aqueous electrolyte secondary battery having improved rapid charge / discharge cycle characteristics and high temperature storage characteristics while suppressing a decrease in battery capacity.
  • FIG. 1 is an axial sectional view of a cylindrical secondary battery which is an example of the embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a negative electrode in an example of the embodiment. It is sectional drawing of the separator in one example of an embodiment.
  • the non-aqueous electrolyte secondary battery includes an electrode body in which a positive electrode and a negative electrode face each other via a separator, a non-aqueous electrolyte, and an exterior body accommodating the electrode body and the non-aqueous electrolyte.
  • the negative electrode has a negative electrode current collector, a first negative electrode mixture layer provided on the surface of the negative electrode current collector, and a second negative electrode mixture layer provided on the surface of the first negative electrode mixture layer.
  • the first negative electrode mixture layer and the second negative electrode mixture layer contain graphite particles, and the voids between the graphite particles in the second negative electrode mixture layer with respect to the void ratio (S1) between the graphite particles in the first negative electrode mixture layer.
  • the ratio (S2 / S1) of the ratio (S2) is 1.1 to 2.0, and the ratio of the packing density (D2) of the second negative electrode mixture layer to the packing density (D1) of the first negative electrode mixture layer.
  • (D2 / D1) is 0.9 to 1.1
  • the separator has a first surface in contact with the positive electrode and a second surface in contact with the negative electrode, and the contact angle of the first surface with respect to ethylene carbonate is the second. It is characterized in that it is smaller than the contact angle of the surface with respect to ethylene carbonate.
  • the exterior body is not limited to the cylindrical type, and may be, for example, a square type. Further, in the following description, when a plurality of embodiments and modifications are included, it is assumed from the beginning that the characteristic portions thereof are appropriately combined and used.
  • FIG. 1 is an axial sectional view of a cylindrical secondary battery 10 which is an example of an embodiment.
  • an electrode body 14 and a non-aqueous electrolyte (not shown) are housed in an exterior body 15.
  • the electrode body 14 has a winding structure in which the positive electrode 11 and the negative electrode 12 are wound via the separator 13.
  • the sealing body 16 side will be referred to as “top” and the bottom side of the exterior body 15 will be referred to as “bottom”.
  • the inside of the secondary battery 10 is sealed by closing the opening end of the exterior body 15 with the sealing body 16.
  • Insulating plates 17 and 18 are provided above and below the electrode body 14, respectively.
  • the positive electrode lead 19 extends upward through the through hole of the insulating plate 17 and is welded to the lower surface of the filter 22 which is the bottom plate of the sealing body 16.
  • the cap 26, which is the top plate of the sealing body 16 electrically connected to the filter 22, serves as the positive electrode terminal.
  • the negative electrode lead 20 extends to the bottom side of the exterior body 15 through the through hole of the insulating plate 18 and is welded to the inner surface of the bottom portion of the exterior body 15.
  • the exterior body 15 serves as a negative electrode terminal.
  • the negative electrode lead 20 passes through the outside of the insulating plate 18 and extends to the bottom side of the exterior body 15 and is welded to the inner surface of the bottom portion of the exterior body 15.
  • the exterior body 15 is, for example, a bottomed cylindrical metal exterior can.
  • a gasket 27 is provided between the exterior body 15 and the sealing body 16 to ensure the internal airtightness of the secondary battery 10.
  • the exterior body 15 has a grooved portion 21 that supports the sealing body 16 and is formed by pressing, for example, a side surface portion from the outside.
  • the grooved portion 21 is preferably formed in an annular shape along the circumferential direction of the exterior body 15, and the sealing body 16 is supported on the upper surface thereof via the gasket 27.
  • the sealing body 16 has a filter 22, a lower valve body 23, an insulating member 24, an upper valve body 25, and a cap 26, which are laminated in order from the electrode body 14 side.
  • Each member constituting the sealing body 16 has, for example, a disk shape or a ring shape, and each member except the insulating member 24 is electrically connected to each other.
  • the lower valve body 23 and the upper valve body 25 are connected to each other at their central portions, and an insulating member 24 is interposed between the peripheral portions thereof.
  • the positive electrode 11, the negative electrode 12, and the separator 13 constituting the electrode body 14, the non-aqueous electrolyte, the negative electrode active material contained in the negative electrode mixture layer constituting the negative electrode 12, and the separator 13 will be described in detail.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the negative electrode 12 in an example of the embodiment.
  • the negative electrode 12 includes a negative electrode current collector 30, a first negative electrode mixture layer 32a provided on the surface of the negative electrode current collector 30, and a second negative electrode mixture layer 32a provided on the surface of the first negative electrode mixture layer 32a. It has 32b and.
  • the thicknesses of the first negative electrode mixture layer 32a and the second negative electrode mixture layer 32b may be the same or different from each other.
  • the thickness ratio of the first negative electrode mixture layer 32a to the second negative electrode mixture layer 32b is, for example, 3: 7 to 7: 3, preferably 4: 6 to 6: 4, and 5: 5 to 6: 4. Is more preferable.
  • the negative electrode current collector 30 for example, a metal foil that is stable in the potential range of the negative electrode such as copper, a film in which the metal is arranged on the surface layer, or the like is used.
  • the thickness of the negative electrode current collector 30 is, for example, 5 ⁇ m to 30 ⁇ m.
  • the first negative electrode mixture layer 32a and the second negative electrode mixture layer 32b are graphite particles. including.
  • the negative electrode mixture layer 32 preferably contains a binder or the like.
  • the binder include fluororesin, polyacrylonitrile (PAN), polyimide resin, acrylic resin, polyolefin resin, styrene-butadiene rubber (SBR), nitrile-butadiene rubber (NBR), and carboxymethyl cellulose (CMC).
  • PAA polyacrylic acid
  • PVA polyvinyl alcohol
  • Examples of graphite particles used in this embodiment include natural graphite and artificial graphite.
  • the surface spacing (d 002 ) of the (002) plane of the graphite particles used in the present embodiment by the X-ray wide-angle diffraction method is preferably, for example, 0.3354 nm or more, and more preferably 0.3357 nm or more. Further, it is preferably less than 0.340 nm, and more preferably 0.338 nm or less.
  • the crystallite size (Lc (002)) of the graphite particles used in the present embodiment determined by the X-ray diffraction method is, for example, preferably 5 nm or more, more preferably 10 nm or more, and more preferably 10 nm or more.
  • the battery capacity of the secondary battery 10 tends to be larger than when the above ranges are not satisfied.
  • the graphite particles contained in the first negative electrode mixture layer 32a can be produced, for example, as follows. Coke (precursor), which is the main raw material, is crushed to a predetermined size, aggregated with a binder, and then fired at a temperature of 2600 ° C. or higher in a block-shaped pressure-molded state to be graphitized. The graphitized block-shaped molded product is pulverized and sieved to obtain graphite particles having a desired size.
  • the internal porosity of the graphite particles can be adjusted by adjusting the particle size of the precursor after pulverization, the particle size of the precursor in an agglomerated state, and the like.
  • the average particle size of the precursor after pulverization is preferably in the range of 12 ⁇ m to 20 ⁇ m.
  • the internal porosity of the graphite particles can be adjusted by the amount of the volatile component added to the block-shaped molded product.
  • the binder can be used as a volatile component. Pitch is exemplified as such a binder.
  • the graphite particles contained in the second negative electrode mixture layer 32b can be produced, for example, as follows. Coke (precursor), which is the main raw material, is crushed to a predetermined size, aggregated with a binder such as pitch, fired at a temperature of 2600 ° C. or higher, graphitized, and then sieved. , Graphite particles of desired size can be obtained.
  • the internal porosity of the graphite particles can be adjusted by adjusting the particle size of the precursor after pulverization, the particle size of the precursor in an agglomerated state, and the like.
  • the average particle size of the precursor after pulverization is preferably in the range of 12 ⁇ m to 20 ⁇ m.
  • the ratio (S2 / S1) of the porosity (S2) between the graphite particles in the second negative electrode mixture layer 32b to the porosity (S1) between the graphite particles in the first negative electrode mixture layer 32a is 1.1 to 2. It is 0, preferably 1.1 to 1.7, and more preferably 1.1 to 1.5. If S2 / S1 is less than 1.1, the circulation of the electrolytic solution becomes poor and the battery capacity decreases due to repeated rapid charging. Further, when S2 / S1 is more than 2.0, the filling density of the second negative electrode mixture layer 32b, which will be described later, cannot be substantially equal to the filling density of the first negative electrode mixture layer 32a, and the battery capacity becomes high. It will be low.
  • the void ratio between the graphite particles is a two-dimensional value obtained from the ratio of the area of the voids between the graphite particles to the cross-sectional area of the negative electrode mixture layer 32.
  • S2 / S1 calculates the porosity (S1) between the graphite particles in the first negative electrode mixture layer 32a and the porosity (S2) between the graphite particles in the second negative electrode mixture layer 32b by the following procedure. It is required by that.
  • ⁇ Measurement method of porosity between graphite particles> The cross section of the negative electrode mixture layer is exposed.
  • the method for exposing the cross section include a method in which a part of the negative electrode is cut out and processed with an ion milling device (for example, IM4000PLUS manufactured by Hitachi High-Tech) to expose the cross section of the negative electrode mixture layer.
  • an ion milling device for example, IM4000PLUS manufactured by Hitachi High-Tech
  • a scanning electron microscope a reflected electron image of a cross section of the exposed negative electrode mixture layer is photographed for each of the first negative electrode mixture layer 32a and the second negative electrode mixture layer 32b.
  • the magnification when photographing the reflected electron image is, for example, 800 times.
  • the area of the voids between the graphite particles is calculated by setting the portion excluding the pores) and the pores having a width of 3 ⁇ m or less connected to the surface of the graphite particles as the voids between the graphite particles.
  • S1 and S2 are each obtained as the average value of the above three measurements, and S1 / S2 can be calculated from these values.
  • the ratio (D2 / D1) of the packing density (D2) of the second negative electrode mixture layer 32b to the packing density (D1) of the first negative electrode mixture layer 32a is 0.9 to 1.1.
  • S2 / S1 satisfies 1.1 to 2.0 and D2 / D1 is in this range, it is possible to suppress a decrease in battery capacity.
  • S2 / S1 and D2 / D1 by making the internal porosity of the graphite particles contained in the first negative electrode mixture layer 32a higher than the internal porosity of the graphite particles contained in the second negative electrode mixture layer 32b. , The above range can be satisfied.
  • the filling density (D1) of the first negative electrode mixture layer 32a and the filling density (D2) of the second negative electrode mixture layer 32b are, for example, 1.3 g / m 3 to 2.0 g / m 3 .
  • the filling density of the negative electrode mixture layer 32 is the mass per unit volume of the negative electrode mixture layer 32.
  • the mass of the mixture per unit area of the first negative electrode mixture layer 32a and the second negative electrode mixture layer 32b is measured. Further, the thickness of each of the first negative electrode mixture layer 32a and the second negative electrode mixture layer 32b is measured from the cross-sectional image obtained when calculating the interparticle porosity. When the thickness of the mixture layer is not stable, 10 points can be measured in the above image and the average value can be used as the thickness of the mixture layer.
  • the filling density (D1) of the first negative electrode mixture layer 32a and the filling density (D2) of the second negative electrode mixture layer 32b can be calculated. From these values, the ratio (D2 / D1) of the packing density (D2) of the second negative electrode mixture layer 32b to the packing density (D1) of the first negative electrode mixture layer 32a can be obtained.
  • first graphite particles a negative electrode active material containing graphite particles
  • binder a binder
  • a solvent such as water
  • second graphite particles a negative electrode active material containing graphite particles different from the first graphite particles
  • the first negative electrode mixture slurry is applied to both sides of the negative electrode current collector and dried, and then the second negative electrode mixture slurry is applied to both sides and dried on the coating film of the first negative electrode mixture slurry.
  • the negative electrode mixture layer 32 can be formed by rolling the first negative electrode mixture layer 32a and the second negative electrode mixture layer 32b with a rolling roller.
  • the packing densities of the first negative electrode mixture layer 32a and the second negative electrode mixture layer 32b can be adjusted by changing the particle size distribution of the first graphite particles and the second graphite particles. Further, by making the internal porosity of the second graphite particles lower than the internal porosity of the first graphite particles, the interparticle porosity can be increased without excessively reducing the filling density of the second negative electrode mixture layer 32b. Can be done.
  • the first negative electrode mixture slurry was applied and dried, and then the second negative electrode mixture slurry was applied.
  • the second negative electrode mixture was applied.
  • the slurry may be applied.
  • the first negative electrode mixture slurry may be applied, dried, rolled, and then the second negative electrode mixture slurry may be applied onto the first negative electrode mixture layer 32a.
  • At least one of the first negative electrode mixture layer 32a and the second negative electrode mixture layer 32b may contain a Si-based material.
  • the Si-based material is a material capable of reversibly occluding and releasing lithium ions, and functions as a negative electrode active material. Examples of the Si-based material include Si, an alloy containing Si, and a silicon oxide represented by SiO x (x is 0.8 to 1.6).
  • the Si-based material is a negative electrode material capable of improving the battery capacity as compared with graphite particles.
  • the content of the Si-based material is preferably 1% by mass to 10% by mass with respect to the mass of the negative electrode active material in terms of improving the battery capacity, suppressing the deterioration of the rapid charge / discharge cycle characteristics, and the like. More preferably, it is by mass% to 7% by mass.
  • the negative electrode active material may contain the above-mentioned other material, and the content of the above-mentioned other material is preferably, for example, 10% by mass or less with respect to the mass of the negative electrode active material.
  • the positive electrode 11 is composed of a positive electrode current collector such as a metal foil and a positive electrode mixture layer formed on the positive electrode current collector.
  • a positive electrode current collector such as a metal foil and a positive electrode mixture layer formed on the positive electrode current collector.
  • a metal foil such as aluminum that is stable in the potential range of the positive electrode, a film in which the metal is arranged on the surface layer, or the like can be used.
  • the positive electrode mixture layer contains, for example, a positive electrode active material, a binder, a conductive agent, and the like.
  • a positive electrode mixture slurry containing a positive electrode active material, a binder, a conductive agent, etc. is applied onto a positive electrode current collector and dried to form a positive electrode mixture layer, and then the positive electrode mixture layer is applied. It can be produced by rolling.
  • the positive electrode active material examples include lithium transition metal oxides containing transition metal elements such as Co, Mn, and Ni.
  • Lithium transition metal oxides for example, Li x CoO 2, Li x NiO 2, Li x MnO 2, Li x Co y Ni 1-y O 2, Li x Co y M 1-y O z, Li x Ni 1- y M y O z, Li x Mn 2 O 4, Li x Mn 2-y M y O 4, LiMPO 4, Li 2 MPO 4 F (M; Na, Mg, Sc, Y, Mn, Fe, Co, Ni , Cu, Zn, Al, Cr, Pb, Sb, B, 0 ⁇ x ⁇ 1.2, 0 ⁇ y ⁇ 0.9, 2.0 ⁇ z ⁇ 2.3).
  • the positive electrode active material Li x NiO 2, Li x Co y Ni 1-y O 2, Li x Ni 1-y M y O z ( M; At least one of Na, Mg, Sc, Y, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Al, Cr, Pb, Sb, and B, 0 ⁇ x ⁇ 1.2, 0 ⁇ y ⁇ 0. It is preferable to contain a lithium nickel composite oxide such as 9.9, 2.0 ⁇ z ⁇ 2.3).
  • Examples of the conductive agent include carbon-based particles such as carbon black (CB), acetylene black (AB), Ketjen black, and graphite. These may be used alone or in combination of two or more.
  • CB carbon black
  • AB acetylene black
  • Ketjen black Ketjen black
  • graphite graphite
  • binder examples include fluororesins such as polytetrafluoroethylene (PTFE) and polyvinylidene fluoride (PVdF), polyacrylonitrile (PAN), polyimide resins, acrylic resins, and polyolefin resins. These may be used alone or in combination of two or more.
  • fluororesins such as polytetrafluoroethylene (PTFE) and polyvinylidene fluoride (PVdF), polyacrylonitrile (PAN), polyimide resins, acrylic resins, and polyolefin resins. These may be used alone or in combination of two or more.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the separator 13 in an example of the embodiment.
  • the separator 13 has a first surface 13a in contact with the positive electrode 11 and a second surface 13b in contact with the negative electrode 12.
  • the contact angle of the first surface 13a with respect to ethylene carbonate is smaller than the contact angle of the second surface 13b with respect to ethylene carbonate.
  • the wettability of the first surface 13a with respect to the non-aqueous electrolyte is improved as compared with the second surface 13b, and the balance between the non-aqueous electrolytes on the positive electrode 11 side and the negative electrode 12 side is maintained.
  • the coating layer 40 is arranged on the first surface 13a, and the base material layer 42 is arranged on the second surface 13b.
  • the coating layer may be arranged on the second surface 13b.
  • the contact angle is an angle measured by the static sessile drop method, and can be measured using, for example, a fully automatic contact angle meter (manufactured by Kyowa Interface Science Co., Ltd., DM-901 type) or the like. ..
  • the base material layer 42 for example, a porous sheet having ion permeability and insulating property is used.
  • the porous sheet include a microporous membrane, a woven fabric, a non-woven fabric and the like.
  • the material of the separator include olefin resins such as polyethylene and polypropylene, cellulose and the like, and polyolefin resins are preferable.
  • the separator 13 may be a multilayer separator having a plurality of base material layers. When the contact angle of the first surface 13a with respect to ethylene carbonate is made smaller than the contact angle of the second surface 13b with respect to ethylene carbonate by using the multilayer separator, the coating layer 40 is not always necessary.
  • the thickness of the base material layer 42 is, for example, 5 ⁇ m to 30 ⁇ m, preferably 8 ⁇ m to 20 ⁇ m.
  • the coating layer 40 may contain, for example, a polymer.
  • the polymer contained in the coating layer 40 is not particularly limited, but for example, polyamide, polyamideimide, polyimide and the like can be exemplified, and it is preferable that the polymer contains at least one of polyamide and polyamideimide.
  • the coating layer 40 may contain inorganic particles. Thereby, the contact angle on the surface of the coating layer 40 can be reduced.
  • the content of the inorganic particles in the coating layer 40 is, for example, 30% by mass to 70% by mass.
  • the inorganic particles contained in the coating layer 40 are not particularly limited, but may be, for example, an inorganic oxide. Examples of the inorganic oxide include alumina, titania, and zirconia, and it is preferable that the inorganic oxide contains at least one of alumina and titania.
  • the thickness of the coating layer 40 is, for example, 1 ⁇ m to 5 ⁇ m.
  • the coating layer 40 can be produced on one surface of the base material layer 42 by using a doctor blade method, a gravure coating method, a transfer method, or a die coating method.
  • the non-aqueous electrolyte contains a non-aqueous solvent and an electrolyte salt dissolved in the non-aqueous solvent.
  • the non-aqueous electrolyte is not limited to the liquid electrolyte (electrolyte solution), and may be a solid electrolyte using a gel polymer or the like.
  • the non-aqueous solvent for example, esters, ethers, nitriles such as acetonitrile, amides such as dimethylformamide, and a mixed solvent of two or more of these can be used.
  • the non-aqueous solvent may contain a halogen substituent in which at least a part of hydrogen in these solvents is substituted with a halogen atom such as fluorine.
  • esters examples include cyclic carbonates such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC) and butylene carbonate, dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), diethyl carbonate (DEC) and methylpropyl carbonate.
  • Ethylpropyl carbonate chain carbonate such as methyl isopropyl carbonate
  • cyclic carboxylic acid ester such as ⁇ -butyrolactone, ⁇ -valerolactone, methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, methyl propionate (MP), ethyl propionate, etc.
  • Chain carboxylic acid ester and the like can be mentioned.
  • ethers examples include 1,3-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahexyl, propylene oxide, 1,2-butylene oxide, 1,3-dioxane, 1,4.
  • -Cyclic ethers such as dioxane, 1,3,5-trioxane, furan, 2-methylfuran, 1,8-cineole, crown ether, 1,2-dimethoxyethane, diethyl ether, dipropyl ether, diisopropyl ether, dibutyl ether , Dihexyl ether, ethyl vinyl ether, butyl vinyl ether, methyl phenyl ether, ethyl phenyl ether, butyl phenyl ether, pentyl phenyl ether, methoxy toluene, benzyl ethyl ether, diphenyl ether, dibenzyl ether, o-dimethoxybenzene, 1,2-diethoxy Chain ethers such as ethane, 1,2-dibutoxyethane, diethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol diethyl ether, diethylene glycol dibutyl
  • a fluorinated cyclic carbonate such as fluoroethylene carbonate (FEC), a fluorinated chain carbonate, a fluorinated chain carboxylic acid ester such as methyl fluoropropionate (FMP), or the like. ..
  • the electrolyte salt is preferably a lithium salt.
  • the lithium salt LiBF 4, LiClO 4, LiPF 6, LiAsF 6, LiSbF 6, LiAlCl 4, LiSCN, LiCF 3 SO 3, LiCF 3 CO 2, Li (P (C 2 O 4) F 4), LiPF 6-x (C n F 2n + 1 ) x (1 ⁇ x ⁇ 6, n is 1 or 2), LiB 10 Cl 10 , LiCl, LiBr, LiI, lithium chloroborane, lithium lower aliphatic carboxylate, Li 2 B 4 O 7 , borates such as Li (B (C 2 O 4 ) F 2 ), LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiN (C 1 F 2l + 1 SO 2 ) (C m F 2m + 1 SO 2 ) ⁇ l , M is an integer of 1 or more ⁇ and other imide salts.
  • lithium salt these may be used individually by 1 type, or a plurality of types may be mixed and used. Of these, LiPF 6 is preferably used from the viewpoint of ionic conductivity, electrochemical stability, and the like.
  • concentration of the lithium salt is preferably 0.8 to 1.8 mol per 1 L of the solvent.
  • Example> Aluminum-containing lithium nickel cobalt oxide (LiNi 0.88 Co 0.09 Al 0.03 O 2 ) was used as the positive electrode active material.
  • the positive electrode active material is mixed so as to be 100 parts by mass, graphite as a conductive agent is 1 part by mass, and polyvinylidene fluoride powder as a binder is 0.9 parts by mass, and further, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) is mixed. ) was added in an appropriate amount to prepare a positive electrode mixture slurry.
  • NMP N-methyl-2-pyrrolidone
  • This slurry is applied to both sides of a positive electrode current collector made of aluminum foil (thickness 15 ⁇ m) by the doctor blade method, the coating film is dried, and then the coating film is rolled by a rolling roller to cover both sides of the positive electrode current collector.
  • a positive electrode having a positive electrode mixture layer formed therein was produced.
  • the graphite particles A were mixed so as to be 95 parts by mass and SiO was 5 parts by mass, and this was used as the negative electrode active material A.
  • Negative electrode active material A Carboxymethyl cellulose (CMC): Styrene-butadiene copolymer rubber (SBR) are mixed so that the mass ratio is 100: 1: 1, and the mixture is kneaded in water to obtain the first mixture. 1 Negative electrode mixture slurry was prepared. Further, the graphite particles B were mixed so as to be 95 parts by mass and SiO was 5 parts by mass, and this was used as the negative electrode active material B.
  • CMC Carboxymethyl cellulose
  • SBR Styrene-butadiene copolymer rubber
  • Negative electrode active material B Carboxymethyl cellulose (CMC): Styrene-butadiene copolymer rubber (SBR) are mixed so that the mass ratio is 100: 1: 1, and the mixture is kneaded in water to obtain the first mixture. 2 Negative electrode mixture slurry was prepared.
  • CMC Carboxymethyl cellulose
  • SBR Styrene-butadiene copolymer rubber
  • the first negative electrode mixture slurry was applied to both sides of the negative electrode current collector made of copper foil by the doctor blade method and dried to form the first negative electrode mixture layer. Further, the above-mentioned second negative electrode mixture slurry was applied onto the first negative electrode mixture layer and dried to form a second negative electrode mixture layer. At this time, the coating mass ratio of the first negative electrode mixture slurry and the second negative electrode mixture slurry per unit area was set to 5: 5. The first negative electrode mixture layer and the second negative electrode mixture layer were rolled by a rolling roller to prepare a negative electrode.
  • a positive electrode lead is attached to the positive electrode current collector, a negative electrode lead is attached to the negative electrode current collector, and then the positive electrode and the negative electrode are wound through a separator so that the coating layer is in contact with the positive electrode.
  • Insulating plates were arranged above and below the electrode body, the negative electrode lead was welded to the exterior body, the positive electrode lead was welded to the sealing body, and the electrode body was housed in the exterior body.
  • the non-aqueous electrolyte secondary battery Under an environmental temperature of 25 ° C., the non-aqueous electrolyte secondary battery was charged with a constant current of 4.2 V at 1 C (4600 mA) and then charged at a constant voltage of 4.2 V to 1/50 C. Further, a constant current was discharged to 2.5 V at 0.5 C, and the discharge capacity at this time was measured and used as the initial capacity. Then, under an environmental temperature of 25 ° C., the non-aqueous electrolyte secondary battery was charged with a constant current of 4.2 V at 1 C and then charged with a constant voltage of 4.2 V to 1/50 C to bring it into a fully charged state.
  • Capacity recovery rate (capacity after storage / initial capacity) x 100
  • the negative electrode active material A contained in the first negative electrode mixture slurry and the negative electrode active material B contained in the second negative electrode mixture slurry are both 47.5 parts by mass of graphite particles A and 47.5 parts by mass of graphite particles B.
  • a non-aqueous electrolyte secondary battery was produced and evaluated in the same manner as in the examples except that the parts and the SiO were mixed so as to be 5 parts by mass.
  • the negative electrode active material A contained in the first negative electrode mixture slurry and the negative electrode active material B contained in the second negative electrode mixture slurry are both 47.5 parts by mass of graphite particles A and 47.5 parts by mass of graphite particles B.
  • a non-aqueous electrolyte secondary battery was produced and evaluated in the same manner as in Comparative Example 1 except that the parts and the SiO were mixed so as to be 5 parts by mass.
  • the negative electrode active material A contained in the first negative electrode mixture slurry and the negative electrode active material B contained in the second negative electrode mixture slurry are both 47.5 parts by mass of graphite particles A and 47.5 parts by mass of graphite particles B.
  • a non-aqueous electrolyte secondary battery was produced and evaluated in the same manner as in Comparative Example 2 except that the parts and the SiO were mixed so as to be 5 parts by mass.
  • Table 1 summarizes the results of the capacity retention rate in the rapid charge / discharge cycle of the non-aqueous electrolyte secondary batteries of Examples and Comparative Examples, and the capacity recovery rate after high-temperature storage. Table 1 also shows D1, D2, D2 / D1, and S2 / S1. It should be noted that the higher the value of the capacity retention rate in the rapid charge / discharge cycle, the more the deterioration of the rapid charge / discharge cycle characteristics was suppressed.
  • Such a balance of the non-aqueous electrolyte is due to the difference in wettability of the surface of the separator in contact with the positive electrode and the surface in contact with the negative electrode with respect to the non-aqueous electrolyte. Therefore, the above effect is exhibited by making the contact angle of the first surface with respect to ethylene carbonate smaller than the contact angle of the second surface with respect to ethylene carbonate.

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Abstract

本開示は、電池容量の低下を抑制しつつ、急速充放電サイクル特性及び高温保存特性を改善した非水電解質二次電池を提供することを目的とする。本開示の一態様である非水電解質二次電池において、負極は、負極集電体と、負極集電体の表面に設けられた第１負極合剤層と、第１負極合剤層の表面に設けられた第２負極合剤層と、を有し、第１負極合剤層及び第２負極合剤層は、黒鉛粒子を含み、第１負極合剤層における黒鉛粒子間の空隙率（Ｓ１）に対する第２負極合剤層における黒鉛粒子間の空隙率（Ｓ２）の比率（Ｓ２／Ｓ１）は、１．１～２．０であり、第１負極合剤層の充填密度（Ｄ１）に対する第２負極合剤層の充填密度（Ｄ２）の比率（Ｄ２／Ｄ１）は、０．９～１．１であり、セパレータは、正極に接する第１表面と負極に接する第２表面を有し、第１表面のエチレンカーボネートに対する接触角は、第２表面のエチレンカーボネートに対する接触角よりも小さい。

Description

非水電解質二次電池
　本開示は、非水電解質二次電池に関する。
　黒鉛粒子を負極活物質として用いる非水電解質二次電池は、高エネルギー密度の二次電池として広く利用されている。負極合剤層における負極活物質の単位体積当たりの充填密度を上げることで電池容量を大きくすることができるが、負極活物質の充填密度を上げると、負極活物質間の空隙が小さくなり電解液の液回りが悪くなって、急速充電を繰り返す充放電サイクル（急速充放電サイクル）に伴い電池容量が低下するという問題がある。
　例えば、特許文献１～３に開示された発明では、負極合剤層において負極活物質の充填密度を集電体側よりも外表面側で低くすることで、外表面側での負極活物質間の空隙を大きくして、電解液の液回りを向上させている。しかし、負極合剤層における単位体積当たりの負極活物質の量が少なくなるので、電池容量が低くなるという課題がある。さらに、負極合剤層の液回りを改善することで、正極側と負極側の電解液のバランスが失われて、高温環境下で電池容量が低下することがある。これらの面で、特許文献１～３に開示された発明には、未だ改良の余地がある。
特開２００３－７７４６３号公報 特開２００６－１９６４５７号公報 特表２０１５－５１１３８９号公報
　そこで、本開示の目的は、電池容量低下を抑制しつつ、急速充放電サイクル特性及び高温保存特性を改善した非水電解質二次電池を提供することにある。
　本開示の一態様である非水電解質二次電池は、正極と負極がセパレータを介して対向してなる電極体と、非水電解質と、電極体及び非水電解質を収容する外装体と、を備える。負極は、負極集電体と、負極集電体の表面に設けられた第１負極合剤層と、第１負極合剤層の表面に設けられた第２負極合剤層と、を有し、第１負極合剤層及び第２負極合剤層は、黒鉛粒子を含み、第１負極合剤層における黒鉛粒子間の空隙率（Ｓ１）に対する第２負極合剤層における黒鉛粒子間の空隙率（Ｓ２）の比率（Ｓ２／Ｓ１）は、１．１～２．０であり、第１負極合剤層の充填密度（Ｄ１）に対する第２負極合剤層の充填密度（Ｄ２）の比率（Ｄ２／Ｄ１）は、０．９～１．１であり、セパレータは、正極に接する第１表面と負極に接する第２表面を有し、第１表面のエチレンカーボネートに対する接触角は、第２表面のエチレンカーボネートに対する接触角よりも小さいことを特徴とする。
　本開示の一態様によれば、電池容量の低下を抑制しつつ、急速充放電サイクル特性及び高温保存特性を改善した非水電解質二次電池を提供することが可能となる。
図１は、実施形態の一例である円筒型の二次電池の軸方向断面図である。 図２は、実施形態の一例における負極の断面図である。 実施形態の一例におけるセパレータの断面図である。
　本開示の一態様である非水電解質二次電池は、正極と負極がセパレータを介して対向してなる電極体と、非水電解質と、電極体及び非水電解質を収容する外装体と、を備える。負極は、負極集電体と、負極集電体の表面に設けられた第１負極合剤層と、第１負極合剤層の表面に設けられた第２負極合剤層と、を有し、第１負極合剤層及び第２負極合剤層は、黒鉛粒子を含み、第１負極合剤層における黒鉛粒子間の空隙率（Ｓ１）に対する第２負極合剤層における黒鉛粒子間の空隙率（Ｓ２）の比率（Ｓ２／Ｓ１）は、１．１～２．０であり、第１負極合剤層の充填密度（Ｄ１）に対する第２負極合剤層の充填密度（Ｄ２）の比率（Ｄ２／Ｄ１）は、０．９～１．１であり、セパレータは、正極に接する第１表面と負極に接する第２表面を有し、第１表面のエチレンカーボネートに対する接触角は、第２表面のエチレンカーボネートに対する接触角よりも小さいことを特徴とする。
　以下では、図面を参照しながら、本開示に係る円筒型の二次電池の実施形態の一例について詳細に説明する。以下の説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、円筒型の二次電池の仕様に合わせて適宜変更することができる。また、外装体は円筒型に限定されず、例えば角型等であってもよい。また、以下の説明において、複数の実施形態、変形例が含まれる場合、それらの特徴部分を適宜に組み合わせて用いることは当初から想定されている。
　図１は、実施形態の一例である円筒型の二次電池１０の軸方向断面図である。図１に示す二次電池１０は、電極体１４及び非水電解質（図示せず）が外装体１５に収容されている。電極体１４は、正極１１及び負極１２がセパレータ１３を介して巻回されてなる巻回型の構造を有する。なお、以下では、説明の便宜上、封口体１６側を「上」、外装体１５の底部側を「下」として説明する。
　外装体１５の開口端部が封口体１６で塞がれることで、二次電池１０の内部は、密閉される。電極体１４の上下には、絶縁板１７，１８がそれぞれ設けられる。正極リード１９は絶縁板１７の貫通孔を通って上方に延び、封口体１６の底板であるフィルタ２２の下面に溶接される。二次電池１０では、フィルタ２２と電気的に接続された封口体１６の天板であるキャップ２６が正極端子となる。他方、負極リード２０は絶縁板１８の貫通孔を通って、外装体１５の底部側に延び、外装体１５の底部内面に溶接される。二次電池１０では、外装体１５が負極端子となる。なお、負極リード２０が終端部に設置されている場合は、負極リード２０は絶縁板１８の外側を通って、外装体１５の底部側に延び、外装体１５の底部内面に溶接される。
　外装体１５は、例えば有底の円筒形状の金属製外装缶である。外装体１５と封口体１６の間にはガスケット２７が設けられ、二次電池１０の内部の密閉性が確保されている。外装体１５は、例えば側面部を外側からプレスして形成された、封口体１６を支持する溝入部２１を有する。溝入部２１は、外装体１５の周方向に沿って環状に形成されることが好ましく、その上面でガスケット２７を介して封口体１６を支持する。
　封口体１６は、電極体１４側から順に積層された、フィルタ２２、下弁体２３、絶縁部材２４、上弁体２５、及びキャップ２６を有する。封口体１６を構成する各部材は、例えば円板形状又はリング形状を有し、絶縁部材２４を除く各部材は互いに電気的に接続されている。下弁体２３と上弁体２５とは各々の中央部で互いに接続され、各々の周縁部の間には絶縁部材２４が介在している。異常発熱で電池の内圧が上昇すると、例えば、下弁体２３が破断し、これにより上弁体２５がキャップ２６側に膨れて下弁体２３から離れることにより両者の電気的接続が遮断される。さらに内圧が上昇すると、上弁体２５が破断し、キャップ２６の開口部２６ａからガスが排出される。
　以下、電極体１４を構成する正極１１、負極１２、及びセパレータ１３と、非水電解質について、特に負極１２を構成する負極合剤層に含まれる負極活物質と、セパレータ１３について詳説する。
　［負極］
　図２は、実施形態の一例における負極１２の断面図である。負極１２は、負極集電体３０と、負極集電体３０の表面に設けられた第１負極合剤層３２ａと、第１負極合剤層３２ａの表面に設けられた第２負極合剤層３２ｂと、を有する。第１負極合剤層３２ａと第２負極合剤層３２ｂの厚みは、同じであっても相互に異なっていてもよい。第１負極合剤層３２ａと第２負極合剤層３２ｂとの厚みの比率は、例えば３：７～７：３であり、４：６～６：４が好ましく、５：５～６：４がより好ましい。
　負極集電体３０は、例えば、銅などの負極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が用いられる。負極集電体３０の厚みは、例えば５μｍ～３０μｍである。
　第１負極合剤層３２ａ及び第２負極合剤層３２ｂ（以下、第１負極合剤層３２ａ及び第２負極合剤層３２ｂを合わせて負極合剤層３２という場合がある）は、黒鉛粒子を含む。また、負極合剤層３２は、結着剤等を含むことが好ましい。結着剤としては、例えば、フッ素系樹脂、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリイミド系樹脂、アクリル系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、スチレン－ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ニトリル－ブタジエンゴム（ＮＢＲ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）又はその塩、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）又はその塩（ＰＡＡ－Ｎａ、ＰＡＡ－Ｋ等、また部分中和型の塩であってもよい）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）等が挙げられる。これらは、単独で用いてもよく、２種類以上を組み合わせて用いてもよい。
　本実施形態に用いられる黒鉛粒子は、天然黒鉛、人造黒鉛等が挙げられる。本実施形態に用いられる黒鉛粒子のＸ線広角回折法による（００２）面の面間隔（ｄ００２）は、例えば、０．３３５４ｎｍ以上であることが好ましく、０．３３５７ｎｍ以上であることがより好ましく、また、０．３４０ｎｍ未満であることが好ましく、０．３３８ｎｍ以下であることがより好ましい。また、本実施形態に用いられる黒鉛粒子のＸ線回折法で求めた結晶子サイズ（Ｌｃ（００２））は、例えば、５ｎｍ以上であることが好ましく、１０ｎｍ以上であることがより好ましく、また、３００ｎｍ以下であることが好ましく、２００ｎｍ以下であることがより好ましい。面間隔（ｄ００２）及び結晶子サイズ（Ｌｃ（００２））が上記範囲を満たす場合、上記範囲を満たさない場合と比べて、二次電池１０の電池容量が大きくなる傾向がある。
　第１負極合剤層３２ａに含まれる黒鉛粒子は、例えば、以下のようにして作製することができる。主原料となるコークス（前駆体）を所定サイズに粉砕し、それらを結着剤で凝集した後、さらにブロック状に加圧成形した状態で、２６００℃以上の温度で焼成し、黒鉛化させる。黒鉛化後のブロック状の成形体を粉砕し、篩い分けることで、所望のサイズの黒鉛粒子を得る。ここで、粉砕後の前駆体の粒径や凝集させた状態の前駆体の粒径等によって、黒鉛粒子の内部空隙率を調整することができる。例えば、粉砕後の前駆体の平均粒径（体積基準のメジアン径Ｄ５０、以下同じ）は、１２μｍ～２０μｍの範囲であることが好ましい。また、ブロック状の成形体に添加される揮発成分の量によって、黒鉛粒子の内部空隙率を調整することもできる。コークス（前駆体）に添加される結着剤の一部が焼成時に揮発する場合、結着剤を揮発成分として用いることができる。そのような結着剤としてピッチが例示される。
　第２負極合剤層３２ｂに含まれる黒鉛粒子は、例えば、以下のようにして作製することができる。主原料となるコークス（前駆体）を所定サイズに粉砕し、それらをピッチ等の結着剤で凝集させた状態で、２６００℃以上の温度で焼成し、黒鉛化させた後、篩い分けることで、所望のサイズの黒鉛粒子を得ることができる。ここで、粉砕後の前駆体の粒径や凝集させた状態の前駆体の粒径等によって、黒鉛粒子の内部空隙率を調整することができる。例えば、粉砕後の前駆体の平均粒径は、１２μｍ～２０μｍの範囲であることが好ましい。
　第１負極合剤層３２ａにおける黒鉛粒子間の空隙率（Ｓ１）に対する第２負極合剤層３２ｂにおける黒鉛粒子間の空隙率（Ｓ２）の比率（Ｓ２／Ｓ１）は、１．１～２．０であり、好ましくは１．１～１．７であり、より好ましくは１．１～１．５である。Ｓ２／Ｓ１が１．１未満では、電解液の液回りが悪くなって急速充電の繰り返しにより電池容量が低下してしまう。また、Ｓ２／Ｓ１が２．０超であると、後述する第２負極合剤層３２ｂの充填密度を第１負極合剤層３２ａの充填密度と略同等にすることができず、電池容量が低くなってしまう。ここで、黒鉛粒子間の空隙率とは、負極合剤層３２の断面積に対する黒鉛粒子間の空隙の面積の割合から求めた２次元値である。Ｓ２／Ｓ１は、以下の手順で、第１負極合剤層３２ａにおける黒鉛粒子間の空隙率（Ｓ１）、及び、第２負極合剤層３２ｂにおける黒鉛粒子間の空隙率（Ｓ２）を算出することで求められる。
　＜黒鉛粒子間の空隙率の測定方法＞
　（１）負極合剤層の断面を露出させる。断面を露出させる方法としては、例えば、負極の一部を切り取り、イオンミリング装置（例えば、日立ハイテク社製、ＩＭ４０００ＰＬＵＳ）で加工し、負極合剤層の断面を露出させる方法が挙げられる。
　（２）走査型電子顕微鏡を用いて、上記露出させた負極合剤層の断面の反射電子像を、第１負極合剤層３２ａ及び第２負極合剤層３２ｂのそれぞれについて撮影する。反射電子像を撮影する際の倍率は、例えば、８００倍である。
　（３）上記により得られた断面像をコンピュータに取り込み、画像解析ソフト（例えば、アメリカ国立衛生研究所製、ＩｍａｇｅＪ）を用いて二値化処理を行い、断面像内の粒子断面を黒色とし、粒子断面に存在する空隙を白色として変換した二値化処理画像を得る。
　（４）第１負極合剤層３２ａ及び第２負極合剤層３２ｂの二値化処理画像において、各々、白色として変換された空隙のうち、黒鉛粒子内部の空隙（粒子表面につながっていない細孔）及び黒鉛粒子表面につながる幅が３μｍ以下の細孔を除く部分を黒鉛粒子間の空隙として、黒鉛粒子間の空隙の面積を算出する。黒鉛粒子間の空隙率は、以下の式に基づいて算出できる。
　黒鉛粒子間の空隙率＝黒鉛粒子間の空隙の面積／負極合剤層断面の面積×１００
　Ｓ１及びＳ２は、各々、上記測定３回の平均値として求められ、これらの値から、Ｓ１／Ｓ２が算出できる。
　第１負極合剤層３２ａの充填密度（Ｄ１）に対する第２負極合剤層３２ｂの充填密度（Ｄ２）の比率（Ｄ２／Ｄ１）は、０．９～１．１である。Ｓ２／Ｓ１が１．１～２．０を満たしつつ、Ｄ２／Ｄ１がこの範囲にあることで、電池容量の低下を抑制することができる。例えば、第１負極合剤層３２ａに含まれる黒鉛粒子の内部空隙率を第２負極合剤層３２ｂに含まれる黒鉛粒子の内部空隙率よりも高くすることで、Ｓ２／Ｓ１及びＤ２／Ｄ１について、上記の範囲を満たすことができる。
　第１負極合剤層３２ａの充填密度（Ｄ１）及び第２負極合剤層３２ｂの充填密度（Ｄ２）は、例えば１．３ｇ／ｍ３～２．０ｇ／ｍ３である。
　負極合剤層３２の充填密度とは、負極合剤層３２の単位体積当たりの質量である。まず、負極１２を用いて、第１負極合剤層３２ａと第２負極合剤層３２ｂのそれぞれの単位面積あたりの合剤質量を測定する。また、第１負極合剤層３２ａと第２負極合剤層３２ｂのそれぞれの合剤層厚みを、粒子間空隙率を算出する際に得られた断面像から測定する。合剤層厚みが安定していないときには、上記画像において１０点測定し、平均値を合剤層厚みとすることができる。単位面積あたりの合剤質量を合剤層厚みで除すことで、第１負極合剤層３２ａの充填密度（Ｄ１）及び第２負極合剤層３２ｂの充填密度（Ｄ２）を算出できる。これらの値から、第１負極合剤層３２ａの充填密度（Ｄ１）に対する第２負極合剤層３２ｂの充填密度（Ｄ２）の比率（Ｄ２／Ｄ１）が得られる。
　次に、第１負極合剤層３２ａ及び第２負極合剤層３２ｂを形成する具体的方法について説明する。例えば、まず、黒鉛粒子（以下、第１黒鉛粒子という場合がある）を含む負極活物質と、結着剤と、水等の溶媒とを混合して、第１負極合剤スラリーを調製する。これとは別に、第１黒鉛粒子とは異なる黒鉛粒子（以下、第２黒鉛粒子という場合がある）を含む負極活物質と、結着剤と、水等の溶媒とを混合して、第２負極合剤スラリーを調製する。そして、負極集電体の両面に、第１負極合剤スラリーを塗布、乾燥した後、第１負極合剤スラリーによる塗膜の上に、第２負極合剤スラリーを両面に塗布、乾燥する。さらに、圧延ローラにより第１負極合剤層３２ａ及び第２負極合剤層３２ｂを圧延することで負極合剤層３２を形成することができる。
　第１負極合剤層３２ａ及び第２負極合剤層３２ｂについて、上記の通り同時に圧延したとしても、第１黒鉛粒子及び第２黒鉛粒子の圧延時の充填性は必ずしも同じではない。例えば、第１黒鉛粒子及び第２黒鉛粒子の粒度分布を変化させることで、第１負極合剤層３２ａと第２負極合剤層３２ｂの充填密度を調整することができる。また、第２黒鉛粒子の内部空隙率を第１黒鉛粒子の内部空隙率よりも低くすることで、第２負極合剤層３２ｂの充填密度を過度に低減することなく粒子間空隙率を高めることができる。なお、上記方法では、第１負極合剤スラリーを塗布、乾燥させてから、第２負極合剤スラリーを塗布したが、第１負極合剤スラリーを塗布後、乾燥前に、第２負極合剤スラリーを塗布してもよい。また、第１負極合剤スラリーを塗布、乾燥させて圧延した後に、第１負極合剤層３２ａ上に第２負極合剤スラリーを塗布してもよい。第１負極合剤層３２ａと第２負極合剤層３２ｂの圧延の条件を変えることで、それぞれの充填密度の調整をより自由にすることができる。
　第１負極合剤層３２ａ及び第２負極合剤層３２ｂの少なくともいずれか一方は、Ｓｉ系材料を含んでもよい。Ｓｉ系材料は、リチウムイオンを可逆的に吸蔵、放出できる材料であり、負極活物質として機能する。Ｓｉ系材料としては、例えば、Ｓｉ、Ｓｉを含む合金、ＳｉＯｘ（ｘは０．８～１．６）で表されるケイ素酸化物等が挙げられる。Ｓｉ系材料は、黒鉛粒子より電池容量を向上させることが可能な負極材料である。Ｓｉ系材料の含有量は、電池容量の向上、急速充放電サイクル特性の低下抑制等の点で、例えば、負極活物質の質量に対して１質量％～１０質量％であることが好ましく、３質量％～７質量％であることがより好ましい。
　リチウムイオンを可逆的に吸蔵、放出できる他の材料としては、その他に、錫（Ｓｎ）等のリチウムと合金化する金属、又はＳｎ等の金属元素を含む合金や酸化物等が挙げられる。負極活物質は、上記他の材料を含んでいてもよく、上記他の材料の含有量は、例えば、負極活物質の質量に対して１０質量％以下であることが望ましい。
　［正極］
　正極１１は、例えば金属箔等の正極集電体と、正極集電体上に形成された正極合剤層とで構成される。正極集電体には、アルミニウムなどの正極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。正極合剤層は、例えば、正極活物質、結着剤、導電剤等を含む。
　正極１１は、例えば、正極活物質、結着剤、導電剤等を含む正極合剤スラリーを正極集電体上に塗布、乾燥して正極合剤層を形成した後、この正極合剤層を圧延することにより作製できる。
　正極活物質としては、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｎｉ等の遷移金属元素を含有するリチウム遷移金属酸化物が例示できる。リチウム遷移金属酸化物は、例えばＬｉｘＣｏＯ２、ＬｉｘＮｉＯ２、ＬｉｘＭｎＯ２、ＬｉｘＣｏｙＮｉ１－ｙＯ２、ＬｉｘＣｏｙＭ１－ｙＯｚ、ＬｉｘＮｉ１－ｙＭｙＯｚ、ＬｉｘＭｎ２Ｏ４、ＬｉｘＭｎ２－ｙＭｙＯ４、ＬｉＭＰＯ４、Ｌｉ２ＭＰＯ４Ｆ（Ｍ；Ｎａ、Ｍｇ、Ｓｃ、Ｙ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂのうち少なくとも１種、０＜ｘ≦１．２、０＜ｙ≦０．９、２．０≦ｚ≦２．３）である。これらは、１種単独で用いてもよいし、複数種を混合して用いてもよい。非水電解質二次電池の高容量化を図ることができる点で、正極活物質は、ＬｉｘＮｉＯ２、ＬｉｘＣｏｙＮｉ１－ｙＯ２、ＬｉｘＮｉ１－ｙＭｙＯｚ（Ｍ；Ｎａ、Ｍｇ、Ｓｃ、Ｙ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｂのうち少なくとも１種、０＜ｘ≦１．２、０＜ｙ≦０．９、２．０≦ｚ≦２．３）等のリチウムニッケル複合酸化物を含むことが好ましい。
　導電剤は、例えば、カーボンブラック（ＣＢ）、アセチレンブラック（ＡＢ）、ケッチェンブラック、黒鉛等のカーボン系粒子などが挙げられる。これらは、単独で用いてもよく、２種類以上を組み合わせて用いてもよい。
　結着剤は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）等のフッ素系樹脂、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリイミド系樹脂、アクリル系樹脂、ポリオレフィン系樹脂などが挙げられる。これらは、単独で用いてもよく、２種類以上を組み合わせて用いてもよい。
　［セパレータ］
　図３は、実施形態の一例におけるセパレータ１３の断面図である。セパレータ１３は、正極１１に接する第１表面１３ａと負極１２に接する第２表面１３ｂを有する。第１表面１３ａのエチレンカーボネートに対する接触角は、第２表面１３ｂのエチレンカーボネートに対する接触角より小さい。これにより、第２表面１３ｂに比べて第１表面１３ａの非水電解質に対する濡れ性が向上し、正極１１側と負極１２側の非水電解質のバランスが保たれる。本実施形態では、第１表面１３ａに被覆層４０が配置され、第２表面１３ｂに基材層４２が配置されている。基材層４２に比べてエチレンカーボネートに対する接触角が大きい被覆層を用いる場合、その被覆層は第２表面１３ｂに配置してもよい。ここで、接触角は、静的な液滴法で測定された角度であり、例えば、全自動接触角計（協和界面科学株式会社製、ＤＭ－９０１型）等を用いて測定することができる。
　基材層４２には、例えば、イオン透過性及び絶縁性を有する多孔性シート等が用いられる。多孔性シートの具体例としては、微多孔膜、織布、不織布等が挙げられる。セパレータの材質としては、ポリエチレン、ポリプロピレン等のオレフィン系樹脂、セルロースなどが挙げられ、ポリオレフィン系樹脂が好適である。セパレータ１３は、複数の基材層を有する多層セパレータであってもよい。多層セパレータを用いて第１表面１３ａのエチレンカーボネートに対する接触角を第２表面１３ｂのエチレンカーボネートに対する接触角より小さくする場合、被覆層４０は必ずしも必要ではない。基材層４２の厚みは、例えば、５μｍ～３０μｍであり、好ましくは８μｍ～２０μｍである。
　被覆層４０は、例えば、ポリマーを含んでもよい。被覆層４０に含まれるポリマーは、特に限定されないが、例えば、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリイミド等が例示できて、ポリアミド及びポリアミドイミドの少なくとも１種以上を含有することが好ましい。
　被覆層４０は、無機粒子を含んでもよい。これにより、被覆層４０表面の接触角を小さくすることができる。被覆層４０における無機粒子の含有量は、例えば、３０質量％～７０質量％である。被覆層４０に含まれる無機粒子は、特に限定されないが、例えば、無機酸化物とすることができる。無機酸化物は、例えば、アルミナ、チタニア、ジルコニア等が例示できて、アルミナ及びチタニアの少なくとも１種以上を含有することが好ましい。被覆層４０の厚みは、例えば、１μｍ～５μｍである。
　被覆層４０は、基材層４２の一方の表面にドクターブレード法、グラビアコート法、転写法、又はダイコート法を用いて作製できる。
［非水電解質］
　非水電解質は、非水溶媒と、非水溶媒に溶解した電解質塩とを含む。非水電解質は、液体電解質（電解液）に限定されず、ゲル状ポリマー等を用いた固体電解質であってもよい。非水溶媒には、例えばエステル類、エーテル類、アセトニトリル等のニトリル類、ジメチルホルムアミド等のアミド類、及びこれらの２種以上の混合溶媒等を用いることができる。非水溶媒は、これら溶媒の水素の少なくとも一部をフッ素等のハロゲン原子で置換したハロゲン置換体を含有していてもよい。
　上記エステル類の例としては、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、ブチレンカーボネート等の環状炭酸エステル、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、メチルプロピルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、メチルイソプロピルカーボネート等の鎖状炭酸エステル、γ－ブチロラクトン、γ－バレロラクトン等の環状カルボン酸エステル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、プロピオン酸メチル（ＭＰ）、プロピオン酸エチル等の鎖状カルボン酸エステルなどが挙げられる。
　上記エーテル類の例としては、１，３－ジオキソラン、４－メチル－１，３－ジオキソラン、テトラヒドロフラン、２－メチルテトラヒドロフラン、プロピレンオキシド、１，２－ブチレンオキシド、１，３－ジオキサン、１，４－ジオキサン、１，３，５－トリオキサン、フラン、２－メチルフラン、１，８－シネオール、クラウンエーテル等の環状エーテル、１，２－ジメトキシエタン、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ジブチルエーテル、ジヘキシルエーテル、エチルビニルエーテル、ブチルビニルエーテル、メチルフェニルエーテル、エチルフェニルエーテル、ブチルフェニルエーテル、ペンチルフェニルエーテル、メトキシトルエン、ベンジルエチルエーテル、ジフェニルエーテル、ジベンジルエーテル、ｏ－ジメトキシベンゼン、１，２－ジエトキシエタン、１，２－ジブトキシエタン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル、１，１－ジメトキシメタン、１，１－ジエトキシエタン、トリエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル等の鎖状エーテル類などが挙げられる。
　上記ハロゲン置換体としては、フルオロエチレンカーボネート（ＦＥＣ）等のフッ素化環状炭酸エステル、フッ素化鎖状炭酸エステル、フルオロプロピオン酸メチル（ＦＭＰ）等のフッ素化鎖状カルボン酸エステル等を用いることが好ましい。
　電解質塩は、リチウム塩であることが好ましい。リチウム塩の例としては、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＰＦ６、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＳｂＦ６、ＬｉＡｌＣｌ４、ＬｉＳＣＮ、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＣＦ３ＣＯ２、Ｌｉ（Ｐ（Ｃ２Ｏ４）Ｆ４）、ＬｉＰＦ６－ｘ（ＣｎＦ２ｎ＋１）ｘ（１＜ｘ＜６，ｎは１又は２）、ＬｉＢ１０Ｃｌ１０、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＩ、クロロボランリチウム、低級脂肪族カルボン酸リチウム、Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７、Ｌｉ（Ｂ（Ｃ２Ｏ４）Ｆ２）等のホウ酸塩類、ＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ３）２、ＬｉＮ（Ｃ１Ｆ２ｌ＋１ＳＯ２）（ＣｍＦ２ｍ＋１ＳＯ２）｛ｌ，ｍは１以上の整数｝等のイミド塩類などが挙げられる。リチウム塩は、これらを１種単独で用いてもよいし、複数種を混合して用いてもよい。これらのうち、イオン伝導性、電気化学的安定性等の観点から、ＬｉＰＦ６を用いることが好ましい。リチウム塩の濃度は、溶媒１Ｌ当り０．８～１．８ｍｏｌとすることが好ましい。
　以下、実施例により本開示をさらに説明するが、本開示はこれらの実施例に限定されるものではない。
　＜実施例＞
　［正極の作製］
　正極活物質として、アルミニウム含有ニッケルコバルト酸リチウム（ＬｉＮｉ０．８８Ｃｏ０．０９Ａｌ０．０３Ｏ２）を用いた。上記正極活物質が１００質量部、導電剤としての黒鉛が１質量部、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン粉末が０．９質量部となるよう混合し、さらにＮ－メチル－２－ピロリドン（ＮＭＰ）を適量加えて、正極合剤スラリーを調製した。このスラリーをアルミニウム箔（厚さ１５μｍ）からなる正極集電体の両面にドクターブレード法により塗布し、塗膜を乾燥した後、圧延ローラにより塗膜を圧延して、正極集電体の両面に正極合剤層が形成された正極を作製した。
　［黒鉛粒子Ａの作製］
　平均粒径が１７μｍのコークスに結着剤としてのピッチを添加して凝集させた。この凝集物に等方的な圧力を加えて１．６ｇ／ｃｍ３～１．９ｇ／ｃｍ３の密度を有するブロック状の成型体を作製した。このブロック状の成形体を２８００℃の温度で焼成して黒鉛化した後、成型体を粉砕し、篩い分けることで、平均粒径が２３μｍの黒鉛粒子Ａを作製した。
　［黒鉛粒子Ｂの作製］
　平均粒径が１３μｍのコークスに結着剤としてのピッチを添加し、平均粒径が１８μｍとなるまで凝集させた。この凝集物を２８００℃の温度で焼成して黒鉛化した後、篩い分けることで、平均粒径が２３μｍの黒鉛粒子Ｂを作製した。黒鉛粒子Ｂを作製する際、コークスに添加するピッチの量を黒鉛粒子Ａの作製の際に用いたピッチの量を小さくするとともに上記の凝集物の平均粒径を調整することで、黒鉛粒子Ａに比べて小さな内部空隙率を有する黒鉛粒子Ｂを作製した。
　［負極の作製］
　黒鉛粒子Ａが９５質量部、ＳｉＯが５質量部となるように混合し、これを負極活物質Ａとした。負極活物質Ａ：カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）：スチレン－ブタジエン共重合体ゴム（ＳＢＲ）の質量比が、１００：１：１となるようにこれらを混合し、その混合物を水中で混練して、第１負極合剤スラリーを調製した。また、黒鉛粒子Ｂが９５質量部、ＳｉＯが５質量部となるように混合し、これを負極活物質Ｂとした。負極活物質Ｂ：カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）：スチレン－ブタジエン共重合体ゴム（ＳＢＲ）の質量比が、１００：１：１となるようにこれらを混合し、その混合物を水中で混練して、第２負極合剤スラリーを調製した。
　第１負極合剤スラリーを銅箔からなる負極集電体の両面にドクターブレード法により塗布し、乾燥させて第１負極合剤層を形成した。さらに、第１負極合剤層上に、上記の第２負極合剤スラリーを塗布し、乾燥して第２負極合剤層を形成した。このとき、第１負極合剤スラリーと第２負極合剤スラリーの単位面積あたりの塗布質量比は５：５とした。圧延ローラにより第１負極合剤層及び第２負極合剤層を圧延して、負極を作製した。
　［非水電解質の作製］
　エチレンカーボネート（ＥＣ）と、ジメチルカーボネートとを体積比で１：３となるように混合した１００質量部の非水溶媒に、５質量部のビニレンカーボネート（ＶＣ）を添加し、ＬｉＰＦ６を１．５ｍｏｌ／Ｌの濃度で溶解し、これを非水電解質とした。
　［セパレータの作製］
　基材層としてのポリプロピレン製の微多孔膜の一方の表面に、アルミナを含むアラミド樹脂をドクターブレード法で塗布し、乾燥させてから圧縮することで被覆層を有するセパレータを作製した。
　［非水電解質二次電池の作製］
（１）正極集電体に正極リードを取り付け、負極集電体に負極リードを取り付けた後、被覆層が正極に接するようにセパレータを介して正極と負極を巻回し、巻回型の電極体を作製した。
（２）電極体の上下に絶縁板をそれぞれ配置し、負極リードを外装体に溶接し、正極リードを封口体に溶接して、電極体を外装体内に収容した。
（３）外装体内に非水電解質を減圧方式により注入した後、外装体の開口部をガスケットを介して封口体で封止し、これを非水電解質二次電池とした。
　[黒鉛粒子間の空隙率の算出]
　環境温度２５℃の下、非水電解質二次電池を、０．２Ｃ（９２０ｍＡ）で、４．２Ｖまで定電流充電した後、４．２Ｖで、Ｃ／５０まで定電圧充電した。その後、０．２Ｃで、２．５Ｖまで定電流放電した。この充放電を１サイクルとして、５サイクル行った。５サイクル後の非水電解質二次電池から負極を取り出し、黒鉛粒子間の空隙率を算出した。
　［急速充放電サイクル特性の評価］
　環境温度２５℃の下、非水電解質二次電池を、１Ｃ（４６００ｍＡ）で、４．２Ｖまで定電流充電した後、４．２Ｖで、１／５０Ｃまで定電圧充電した。その後、０．５Ｃで、２．５Ｖまで定電流放電した。この充放電を１サイクルとして、１００サイクル行った。以下の式により、非水電解質二次電池の急速充放電サイクルにおける容量維持率を求めた。また、１サイクル目の放電容量を電池容量とした。
　容量維持率＝（１００サイクル目の放電容量／１サイクル目の放電容量）×１００
　［高温保存特性の評価］
　環境温度２５℃の下、非水電解質二次電池を、１Ｃ（４６００ｍＡ）で４．２Ｖまで定電流充電した後、４．２Ｖで１／５０Ｃまで定電圧充電した。さらに、０．５Ｃで２．５Ｖまで定電流放電し、この時の放電容量を測定して初期容量とした。その後、環境温度２５℃の下、非水電解質二次電池を、１Ｃで４．２Ｖまで定電流充電した後、４．２Ｖで１／５０Ｃまで定電圧充電し、これを満充電状態とした。さらに、この満充電状態の非水電解質二次電池を６０℃に維持された恒温槽中で２０日間保存した。２０日間保存後の電池について、環境温度２５℃の下、０．５Ｃで２．５Ｖまで定電流放電した後、初期容量測定と同じ条件で測定した放電容量を保存後の容量として、以下の式により、容量復帰率を求めた。
　容量復帰率＝（保存後の容量／初期容量）×１００
　＜比較例１＞
　セパレータの被覆層が負極に接するようにしたこと以外は実施例と同様にして非水電解質二次電池を作製し、評価を行った。
　＜比較例２＞
　セパレータとして被覆層を形成しなかったこと以外は実施例と同様にして非水電解質二次電池を作製し、評価を行った。
　＜比較例３＞
　第１負極合剤スラリーに含まれる負極活物質Ａ及び第２負極合剤スラリーに含まれる負極活物質Ｂが、いずれも、黒鉛粒子Ａが４７．５質量部、黒鉛粒子Ｂが４７．５質量部、ＳｉＯが５質量部となるように混合したものであること以外は実施例と同様にして非水電解質二次電池を作製し、評価を行った。
　＜比較例４＞
　第１負極合剤スラリーに含まれる負極活物質Ａ及び第２負極合剤スラリーに含まれる負極活物質Ｂが、いずれも、黒鉛粒子Ａが４７．５質量部、黒鉛粒子Ｂが４７．５質量部、ＳｉＯが５質量部となるように混合したものであること以外は比較例１と同様にして非水電解質二次電池を作製し、評価を行った。
　＜比較例５＞
　第１負極合剤スラリーに含まれる負極活物質Ａ及び第２負極合剤スラリーに含まれる負極活物質Ｂが、いずれも、黒鉛粒子Ａが４７．５質量部、黒鉛粒子Ｂが４７．５質量部、ＳｉＯが５質量部となるように混合したものであること以外は比較例２と同様にして非水電解質二次電池を作製し、評価を行った。
　表１に、実施例及び比較例の非水電解質二次電池の急速充放電サイクルにおける容量維持率、及び高温保存後の容量復帰率の結果をまとめた。また、表１には、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ２／Ｄ１、及びＳ２／Ｓ１も併せて示す。なお、急速充放電サイクルにおける容量維持率の値が高いほど、急速充放電サイクル特性の低下が抑制されたことを示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　実施例においては、容量維持率及び容量復帰率が比較例１～５よりも高く、急速充放電サイクル特性及び高温保存特性が改善されていることが確認できた。急速充放電サイクル特性については、第２負極合剤層の粒子間空隙を高くすることで、負極の電解質の液回りが向上したためと考えられる。高温保存特性については、セパレータの正極に接する表面に被覆層を配置することで正極側と負極側で非水電解質のバランスが取れたためと考えられる。このような非水電解質のバランスは、セパレータの正極に接する表面と負極に接する表面の非水電解質に対する濡れ性の相違に起因している。したがって、第１表面のエチレンカーボネートに対する接触角を、第２表面のエチレンカーボネートに対する接触角より小さくすることで、上記の効果が発揮される。
　１０　二次電池、１１　正極、１２　負極、１３　セパレータ、１３ａ　第１表面、１３ｂ　第２表面、１４　電極体、１５　外装体、１６　封口体、１７，１８　絶縁板、１９　正極リード、２０　負極リード、２１　溝入部、２２　フィルタ、２３　下弁体、２４　絶縁部材、２５　上弁体、２６　キャップ、２６ａ　開口部、２７　ガスケット、３０　負極集電体、３２　負極合剤層、３２ａ　第１負極合剤層、３２ｂ　第２負極合剤層、４０　被覆層、４２　基材層

Claims (6)

  1. 　正極と負極がセパレータを介して対向してなる電極体と、非水電解質と、前記電極体及び前記非水電解質を収容する外装体と、を備える非水電解質二次電池であって、
    　前記負極は、負極集電体と、前記負極集電体の表面に設けられた第１負極合剤層と、前記第１負極合剤層の表面に設けられた第２負極合剤層と、を有し、
    　前記第１負極合剤層及び前記第２負極合剤層は、黒鉛粒子を含み、
    　前記第１負極合剤層における前記黒鉛粒子間の空隙率（Ｓ１）に対する前記第２負極合剤層における前記黒鉛粒子間の空隙率（Ｓ２）の比率（Ｓ２／Ｓ１）は、１．１～２．０であり、
    　前記第１負極合剤層の充填密度（Ｄ１）に対する前記第２負極合剤層の充填密度（Ｄ２）の比率（Ｄ２／Ｄ１）は、０．９～１．１であり、
    　前記セパレータは、前記正極に接する第１表面と前記負極に接する第２表面を有し、
    　前記第１表面のエチレンカーボネートに対する接触角は、前記第２表面のエチレンカーボネートに対する接触角よりも小さい、非水電解質二次電池。
  2. 　前記セパレータは基材層と被覆層を含み、前記被覆層は前記第１表面に配置されている、請求項２に記載の非水電解質二次電池。
  3. 　前記基材層はポリオレフィン系樹脂を含む、請求項２に記載の非水電解質二次電池。
  4. 　前記被覆層はアラミド樹脂及び無機粒子を含む、請求項２又は３に記載の非水電解質二次電池。
  5. 　前記第１負極合剤層の充填密度（Ｄ１）及び前記第２負極合剤層の充填密度（Ｄ２）は、１．３ｇ／ｍ３～２．０ｇ／ｍ３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。
  6. 　前記第１負極合剤層及び前記第２負極合剤層の少なくともいずれか一方は、Ｓｉ系材料を含む、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。
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