WO2024070114A1 - 非水電解質二次電池用の正極、それを用いた非水電解質二次電池、および、非水電解質二次電池の正極用の正極スラリー - Google Patents

非水電解質二次電池用の正極、それを用いた非水電解質二次電池、および、非水電解質二次電池の正極用の正極スラリー Download PDF

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fluorine
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electrolyte secondary
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洋一郎 宇賀
倫久 岡崎
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Definitions

  • This disclosure relates to a positive electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery, a non-aqueous electrolyte secondary battery using the same, and a positive electrode slurry for the positive electrode of a non-aqueous electrolyte secondary battery.
  • Non-aqueous electrolyte secondary batteries have high output and high energy density, and are therefore used in a wide range of applications, including consumer and automotive applications. In recent years, there has been a demand for even higher performance non-aqueous electrolyte secondary batteries. Various proposals have been made for non-aqueous electrolyte secondary batteries.
  • Patent Document 1 Japanese Patent No. 70554766 describes a positive electrode comprising: a current collector and a positive electrode active material layer disposed on the current collector, the positive electrode active material layer comprising a positive electrode active material, carbon nanotubes, and a binder, the binder comprising polyvinylidene fluoride having a weight average molecular weight of 720,000 to 980,000, the BET specific surface area of the carbon nanotubes being 140 m 2 /g to 195 m 2 /g, and satisfying the following formula 1: [Formula 1] 1.3 ⁇ B/A ⁇ 3.4 In the formula 1, B is the content (wt%) of the polyvinylidene fluoride in the positive electrode active material layer, and A is the content (wt%) of the carbon nanotubes in the positive electrode active material layer.
  • One object of the present disclosure is to provide a positive electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery that has a high capacity and is easy to manufacture.
  • a positive electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery comprising a positive electrode mixture layer, the positive electrode mixture layer comprising a positive electrode active material, a conductive material, a fluorine-containing polymer, and a dispersant
  • the positive electrode active material comprising a composite oxide represented by a composition formula Li y Ni x M (1-x) O 2- ⁇ (wherein 0.6 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1.2, 0 ⁇ 0.05, M comprising at least one element selected from the group consisting of Co, Mn, Al, Fe, Ti, Sr, Ca, and B)
  • the conductive material comprising a carbon material
  • the dispersant comprising a nitrile group-containing rubber
  • the weight average molecular weight of the fluorine-containing polymer being 1,000,000 or more.
  • the non-aqueous electrolyte secondary battery includes a positive electrode according to the present disclosure.
  • a positive electrode slurry for a positive electrode of a non-aqueous electrolyte secondary battery comprising a positive electrode active material, a conductive material, a fluorine-containing polymer, a dispersant, and a liquid medium
  • the positive electrode active material comprising a composite oxide represented by the composition formula Li y Ni x M (1-x) O 2- ⁇ (wherein 0.6 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1.2, 0 ⁇ 0.05, and M comprising at least one element selected from the group consisting of Co, Mn, Al, Fe, Ti, Sr, Ca, and B)
  • the conductive material comprising a carbon material
  • the dispersant comprising a nitrile group-containing rubber
  • the fluorine-containing polymer having a weight average molecular weight of 1,000,000 or more.
  • a positive electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery that is high capacity and easy to manufacture can be obtained.
  • a high capacity non-aqueous electrolyte secondary battery can be easily manufactured.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a nonaqueous electrolyte secondary battery according to an embodiment of the present disclosure, with a portion cut away.
  • the positive electrode according to the present embodiment is a positive electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery.
  • the positive electrode includes a positive electrode mixture layer.
  • the positive electrode mixture layer includes a positive electrode active material, a conductive material, a fluorine-containing polymer, and a dispersant.
  • the positive electrode active material includes a composite oxide represented by a composition formula Li y Ni x M (1-x) O 2- ⁇ (wherein 0.6 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1.2, 0 ⁇ 0.05, M includes at least one element selected from the group consisting of Co, Mn, Al, Fe, Ti, Sr, Ca, and B).
  • the conductive material includes a carbon material.
  • the dispersant includes a nitrile group-containing rubber. The weight average molecular weight of the fluorine-containing polymer is 1,000,000 or more.
  • the dispersibility of the components of the positive electrode mixture layer decreases. If the dispersibility of the components of the positive electrode mixture layer decreases, the internal resistance increases and the utilization efficiency of the positive electrode active material decreases, resulting in a decrease in the performance of the battery.
  • the inventors of the present application have newly discovered that by combining a high-Ni active material, a carbon material (conductive material), a nitrile group-containing rubber, and a specific fluorine-containing polymer, it is possible to achieve a capacity higher than that achievable by using a high-Ni active material, and it also becomes easier to manufacture the positive electrode.
  • the present disclosure is based on this new finding.
  • the nitrile group-containing rubber has a high affinity with the carbon material and the fluorine-containing polymer, it is possible that they are well dispersed and integrated in the positive electrode slurry. As a result, it is thought that side reactions of the fluorine-containing polymer are suppressed, and gelation is inhibited. Such effects are obtained due to the synergistic effect of the combination of the carbon material, the nitrile group-containing rubber, and the fluorine-containing polymer with a large weight-average molecular weight.
  • the positive electrode active material may be a material capable of absorbing and releasing lithium ions.
  • Examples of the positive electrode active material include lithium transition metal composite oxides containing lithium and transition metals.
  • the composite oxides may have a layered structure (e.g., rock salt crystal structure).
  • the positive electrode active material may be a composite oxide represented by the above-mentioned composition formula.
  • M may be at least one element selected from the group consisting of Co, Mn, Al, Fe, Ti, Sr, Ca, Si, Nb, Zr, Mo, Zn, W, and B.
  • M may be at least one element selected from the group consisting of Co, Mn, Al, Fe, Ti, Sr, Ca, and B. It is preferable that M contains at least one element selected from the group consisting of Co, Mn, Al, and Fe.
  • the value of y indicating the composition ratio of lithium in the above composition formula increases and decreases by charging and discharging.
  • Specific examples of the composite oxide include lithium-nickel-cobalt-manganese composite oxide (LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 , etc.).
  • the battery capacity can be increased.
  • 0.8 ⁇ x ⁇ 1 may be satisfied.
  • the battery capacity can be particularly increased.
  • x is 0.8 or more, gelation of the positive electrode slurry occurs more easily, so it is particularly important to combine a carbon material, a nitrile group-containing rubber, and a specified fluorine-containing polymer.
  • the above-mentioned complex oxides are usually used in the form of particles.
  • the average particle size of the entire complex oxide may be 1 ⁇ m or more, or 5 ⁇ m or more, or may be 20 ⁇ m or less, 15 ⁇ m or less, 10 ⁇ m or less, or 6 ⁇ m or less.
  • the average particle size is the median diameter (D50) at which the cumulative volume is 50% in the volume-based particle size distribution.
  • D50 the median diameter
  • the median diameter is determined using a laser diffraction/scattering particle size distribution measuring device.
  • the particle size of the particles contained in the positive electrode mixture can also be evaluated by observing the cross section of the positive electrode mixture.
  • the positive electrode active material may contain particles of the above-mentioned complex oxide having an average particle size of 1 ⁇ m or more and 6 ⁇ m or less. If the particle size of the complex oxide particles is large, the particles are more likely to crack during charging. If the particles crack, gas generation from the grain boundaries and metal elution from the grain boundaries are more likely to occur, reducing the durability of the battery. Therefore, it is preferable that the positive electrode active material contains particles with a small particle size.
  • the positive electrode active material may include first particles having an average particle size of 1 ⁇ m or more and 6 ⁇ m or less, and second particles of the above complex oxide having an average particle size of 8 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less.
  • the particle size distribution curve (volume basis) of the entire complex oxide particles may show a peak in the range of about 1 to 6 ⁇ m (particle size) and a peak in the range of about 8 to 20 ⁇ m (particle size).
  • the average particle size of the composite oxide particles is small, the particles tend to aggregate, so that it becomes necessary to add a large amount of binder or conductive material, which may result in a decrease in battery capacity. In addition, if a large amount of these is added, the stability of the positive electrode slurry is significantly reduced.
  • the capacity and durability of the battery can be increased.
  • the area in which the positive electrode active material comes into contact with the solvent in the positive electrode slurry increases. Therefore, alkaline impurities derived from the positive electrode active material and the fluorine-containing polymers may come into contact with each other.
  • the proportion R1 of the mass M1 of the first particles in the composite oxide particles may be in the range of 10 to 40 mass% (e.g., in the range of 15 to 30 mass%).
  • the proportion R2 of the mass M2 of the second particles in the composite oxide particles may be in the range of 60 to 90 mass% (e.g., in the range of 70 to 85 mass%).
  • the content of the elements that make up the complex oxide can be measured using an inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy (ICP-AES), an electron probe microanalyzer (EPMA), or an energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX).
  • ICP-AES inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy
  • EPMA electron probe microanalyzer
  • EDX energy dispersive X-ray spectroscopy
  • Examples of the carbon material include conductive carbon particles such as carbon black, carbon nanotubes, and other conductive carbon materials.
  • the carbon material preferably includes carbon nanotubes, and may be carbon nanotubes. By using carbon nanotubes, the resistance of the positive electrode mixture layer can be reduced by adding a small amount of them. Furthermore, it is believed that the effect of the above specific combination is particularly enhanced by using carbon nanotubes.
  • the proportion of carbon nanotubes in all carbon materials (conductive materials) is, for example, 50% by mass or more, and preferably in the range of 80 to 100% by mass (for example, in the range of 90 to 100% by mass).
  • the amount of carbon material (e.g., carbon nanotubes) per 100 parts by mass of the positive electrode active material may be 0.01 parts by mass or more and 1 part by mass or less, or 0.02 parts by mass or more and 0.5 parts by mass or less.
  • the average length of the carbon nanotubes may be 1 ⁇ m or more.
  • the aspect ratio of the carbon nanotubes ratio of length to diameter of the fiber
  • Carbon nanotubes with a large aspect ratio tend to come into linear contact with the positive electrode active material and the current collector.
  • carbon nanotubes have excellent electrical conductivity. Therefore, the use of carbon nanotubes can significantly reduce the direct current resistance (DCR) of the battery.
  • the carbon nanotubes present in the positive electrode may be in the form of a bundle of multiple carbon nanotubes. The length of a single carbon nanotube present in the bundle of carbon nanotubes is used to calculate the above average length.
  • the average length of the carbon nanotubes is preferably 1 ⁇ m or more from the viewpoint of increasing the conductivity in the mixture layer.
  • the upper limit of the length of the carbon nanotubes is not particularly limited, but it is preferable that the length of the carbon nanotubes is not significantly greater than the particle size of the positive electrode active material.
  • the average length of the carbon nanotubes may be 1 ⁇ m or more or 5 ⁇ m or more, and may be 20 ⁇ m or less or 10 ⁇ m or less.
  • the average length of carbon nanotubes can be determined by image analysis using a scanning electron microscope (SEM).
  • SEM scanning electron microscope
  • the average length of carbon nanotubes is determined by measuring the lengths of 100 randomly selected carbon nanotubes and taking the arithmetic average.
  • the length refers to the length of the carbon nanotubes when stretched in a straight line.
  • the average diameter of the carbon nanotubes may be 20 nm or less, 15 nm or less, or 1 nm or more. By making the average diameter 20 nm or less, a small amount can provide a high effect.
  • the average diameter of carbon nanotubes can be determined by image analysis using a transmission electron microscope (TEM).
  • the average diameter of carbon nanotubes can be measured by the following method. First, 100 carbon nanotubes are randomly selected, and the diameter (outer diameter) of each is measured at one random location. The average diameter is then determined by taking the arithmetic average of the measured diameters.
  • the carbon nanotubes may be either single-walled carbon nanotubes (SWCNT) or multi-walled (MWCNT). Examples of multi-walled carbon nanotubes include double-walled carbon nanotubes, triple-walled carbon nanotubes, and carbon nanotubes with four or more walls.
  • the positive electrode mixture layer preferably contains single-walled carbon nanotubes and/or multi-walled carbon nanotubes.
  • the multi-walled carbon nanotubes contained in the positive electrode mixture layer may be one type of multi-walled carbon nanotube, or may be multiple types of multi-walled carbon nanotubes with different numbers of walls.
  • the BET specific surface area of the carbon nanotubes may be 200 m 2 /g or more, 250 m 2 /g or more, or 300 m 2 /g or more.
  • the upper limit of the BET specific surface area is not particularly limited, but may be 2000 m 2 /g or less.
  • the BET specific surface area of the carbon nanotubes can be measured by the BET method (nitrogen adsorption method) described in JIS (Japanese Industrial Standard) R1626.
  • the nitrile group-containing rubber contains a nitrile group.
  • the nitrile group-containing rubber functions as a dispersant.
  • the nitrile group-containing rubber can also function as a binder in the positive electrode mixture layer.
  • examples of the nitrile group-containing rubber include copolymers of monomers containing acrylonitrile and diene (e.g., butadiene).
  • examples of the nitrile group-containing rubber include nitrile rubber (NBR), hydrogenated nitrile rubber (H-NBR), and modified products thereof.
  • the weight average molecular weight of the nitrile group-containing rubber may be in the range of 5,000 to 500,000.
  • the weight average molecular weight of the nitrile group-containing rubber may be 40,000 or more.
  • the amount of nitrile group-containing rubber per 100 parts by mass of the positive electrode active material may be 0.01 parts by mass or more, or 0.05 parts by mass or more, and may be 1 part by mass or less, or 0.5 parts by mass or less.
  • the fluorine-containing polymer functions as a binder in the positive electrode mixture layer.
  • the fluorine-containing polymer is a polymer containing fluorine.
  • Examples of the fluorine-containing polymer include vinylidene fluoride polymers.
  • Examples of the vinylidene fluoride polymer include polymers of monomers containing vinylidene fluoride.
  • the fluorine-containing polymer may be a combination of a vinylidene fluoride polymer and another fluorine-containing polymer.
  • the vinylidene fluoride polymer may be a copolymer of vinylidene fluoride and another monomer. Examples of the vinylidene fluoride polymer include polyvinylidene fluoride (PVDF).
  • the fluorine-containing polymer may be a partially modified polyvinylidene fluoride.
  • modified polyvinylidene fluoride include polyvinylidene fluoride to which polar functional groups such as various acidic groups have been added.
  • the amount of fluorine-containing polymer per 100 parts by mass of the positive electrode active material may be 0.1 parts by mass or more, or 0.5 parts by mass or more, and may be 2.0 parts by mass or less, or 1.2 parts by mass or less.
  • the weight-average molecular weight of the fluorine-containing polymer is 1,000,000 or more, and may be 1,200,000 or more, or 1,300,000 or more.
  • the weight-average molecular weight 1,300,000 or more By making the weight-average molecular weight 1,300,000 or more, the binding properties of the positive electrode can be maintained even if the amount of binder added is reduced.
  • By increasing the amount of positive electrode active material instead of reducing the amount of binder added it is possible to increase the battery capacity.
  • the weight-average molecular weight is increased, gelation of the positive electrode slurry is more likely to occur. For this reason, it is particularly important to use the above specific combination.
  • the upper limit of the weight average molecular weight of the fluorine-containing polymer is not particularly limited, and may be 2 million or less, or 1.8 million or less.
  • the sum of the content of the fluorine-containing polymer and the content of the nitrile group-containing rubber may be 1.0 mass% or less.
  • this total 1.0 mass% or less. This total may be 0.5 mass% or more.
  • the positive electrode mixture layer may contain a cellulose derivative.
  • a cellulose derivative By including a cellulose derivative in the positive electrode mixture layer, the dispersibility of carbon is further improved, improving the battery performance.
  • the cellulose derivative also functions as a binder. In the positive electrode slurry, the cellulose derivative also functions as a dispersant.
  • the cellulose derivative include alkyl cellulose, hydroxyalkyl cellulose, carboxyalkyl cellulose, and their salts (alkali metal salts, ammonium salts, etc.).
  • the alkyl cellulose include methyl cellulose, ethyl cellulose, ethyl methyl cellulose, etc.
  • the hydroxyalkyl cellulose include hydroxymethyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, hydroxypropyl methyl cellulose, etc.
  • Examples of the carboxyalkyl cellulose include carboxymethyl cellulose, carboxyethyl cellulose, etc.
  • Examples of the alkali metals that form the alkali metal salts include potassium and sodium. Among these, methyl cellulose, ethyl cellulose, and hydroxypropyl methyl cellulose are preferred.
  • the weight average molecular weight of the cellulose derivative may be in the range of 1,000 to 1,000,000 (for example, in the range of 10,000 to 1,000,000). In terms of enhancing the effect of the configuration of the present disclosure, the weight average molecular weight of the cellulose derivative may be in the range of 10,000 to 500,000.
  • the positive electrode mixture layer may contain components other than those mentioned above (e.g., thickeners) or compounds other than those mentioned above.
  • the positive electrode mixture layer may contain polyvinylpyrrolidone, etc.
  • the proportion of the positive electrode active material in the positive electrode mixture layer is determined using a mixture sample.
  • the mixture sample is obtained by the following procedure. First, the secondary battery in a discharged state is disassembled and the positive electrode is removed. Next, the positive electrode is washed with an organic solvent and then vacuum dried, after which only the positive electrode mixture layer is removed and used as the mixture sample. By performing TG-DTA, NMR, pyrolysis GC-MS, etc. on the mixture sample, the proportion of the binder and conductive material other than the positive electrode active material can be calculated. When the conductive material contains multiple types of carbon materials, the proportion of carbon nanotubes in the conductive material can be calculated by performing microscopic Raman spectroscopy on the cross section of the positive electrode mixture layer.
  • the mass per m2 of the positive electrode mixture layer may be 200 g or more, and is preferably 250 g or more. By making the mass 250 g or more, it is possible to increase the capacity of the lithium ion battery. However, if the mass per m2 of the positive electrode mixture layer increases, it becomes difficult to maintain the adhesion, so it is necessary to use a binder with better adhesion. As described above, according to the positive electrode plate according to the present disclosure, the adverse effects caused by increasing the mass can be suppressed.
  • the mass can be increased by thickening the positive electrode mixture layer or increasing the density of the positive electrode mixture layer.
  • the thickness of the positive electrode mixture layer may be in the range of 50 ⁇ m to 250 ⁇ m. According to this embodiment, even if the positive electrode mixture layer is made thick, an increase in internal resistance can be suppressed.
  • the positive electrode slurry of this embodiment is a slurry for a positive electrode of a non-aqueous electrolyte secondary battery. This slurry is used for manufacturing the above-mentioned positive electrode.
  • the matters described about the positive electrode can be applied to the positive electrode slurry, so that the overlapping description may be omitted.
  • the positive electrode slurry includes the above-mentioned components of the positive electrode mixture layer and a liquid medium (dispersion medium) in which they are dispersed.
  • the positive electrode slurry includes a positive electrode active material, a conductive material, a fluorine-containing polymer, a dispersant, and a liquid medium.
  • the positive electrode active material includes a composite oxide represented by the composition formula Li y Ni x M (1-x) O 2- ⁇ (wherein 0.6 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1.2, 0 ⁇ 0.05, M includes at least one element selected from the group consisting of Co, Mn, Al, Fe, Ti, Sr, Ca, and B).
  • the conductive material includes a carbon material.
  • the dispersant includes a nitrile group-containing rubber.
  • the weight average molecular weight of the fluorine-containing polymer is 1 million or more. Each component has been described above, so duplicated explanations will be omitted.
  • the positive electrode slurry may further include an optional component as necessary.
  • the positive electrode slurry may include a cellulose derivative.
  • the liquid medium is not particularly limited, and water, organic solvents, and mixtures thereof may be used.
  • organic solvents include alcohols (such as ethanol), ethers (such as tetrahydrofuran), amides (such as dimethylformamide), and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP).
  • the ratio of the components contained in the positive electrode slurry is, in principle, reflected in the ratio of the components in the positive electrode mixture layer. Therefore, by changing the ratio of the components contained in the positive electrode slurry, the ratio of the components in the positive electrode mixture layer can be changed.
  • the ratio of the components exemplified for the positive electrode mixture layer can be applied to the ratio of the components in the positive electrode slurry.
  • the sum of the content of the fluorine-containing polymer and the content of the nitrile group-containing rubber may be 1.0 mass% or less.
  • the positive electrode may be formed by the following method. First, a positive electrode slurry is prepared by dispersing the materials for the positive electrode mixture layer (positive electrode active material, conductive material, fluorine-containing polymer, dispersant, and other optional components as necessary) in a liquid medium. Next, the positive electrode slurry is applied to the surface of the positive electrode current collector to form a coating film, and the coating film is then dried to form the positive electrode mixture layer. The dried coating film may be rolled as necessary.
  • the positive electrode mixture layer may be formed on one surface or both surfaces of the positive electrode current collector.
  • the present disclosure provides a conductive material dispersion liquid.
  • the conductive material dispersion liquid can be used to prepare a positive electrode slurry.
  • the conductive material dispersion liquid includes a conductive material, a nitrile group-containing rubber, a fluorine-containing polymer, and a liquid medium.
  • the conductive material includes a carbon material.
  • the carbon material (conductive material), the nitrile group-containing rubber, and the fluorine-containing polymer have been described above, and therefore redundant description will be omitted.
  • the conductive material dispersion liquid may include any optional component (e.g., any of the optional components described above) contained in the positive electrode mixture layer.
  • the liquid medium for the conductive material dispersion may be the same as that described for the positive electrode slurry, or a different liquid medium may be used.
  • the conductive material dispersion basically does not contain a positive electrode active material.
  • the positive electrode slurry can be prepared by adding a positive electrode active material to the conductive material dispersion.
  • the conductive material dispersion may contain optional components of the positive electrode mixture layer and a liquid medium in addition to the positive electrode active material.
  • the ratio of components in the positive electrode mixture layer can be changed by changing the ratio of components contained in the conductive material dispersion liquid.
  • the ratio of components exemplified for the positive electrode mixture layer can be applied to the ratio of components in the conductive material dispersion liquid.
  • the ratio of each component to each other can be calculated from the ratio of each component to 100 parts by mass of the positive electrode active material exemplified in the explanation of the positive electrode mixture layer.
  • the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present embodiment includes the positive electrode according to the present embodiment.
  • the secondary battery includes at least a negative electrode and a nonaqueous electrolyte in addition to the positive electrode.
  • the secondary battery may include a positive electrode, a negative electrode, a nonaqueous electrolyte, a separator, and an exterior body. Examples of the secondary battery include a lithium ion secondary battery and a lithium metal secondary battery.
  • the components other than the positive electrode mixture layer are not particularly limited, and known components may be used. Examples of the components of the secondary battery are described below.
  • the positive electrode according to this embodiment is used as the positive electrode.
  • the positive electrode may include a positive electrode current collector.
  • the positive electrode mixture layer may be disposed on the positive electrode current collector.
  • the shape and thickness of the positive electrode current collector may be selected according to the application, and may be selected to correspond to the shape and thickness of the negative electrode current collector. Examples of the material of the positive electrode current collector include stainless steel, aluminum, aluminum alloy, and titanium.
  • the positive electrode mixture layer may be formed on only one side of the positive electrode current collector, or may be formed on both sides of the positive electrode current collector.
  • the negative electrode typically includes a negative electrode mixture layer containing a negative electrode active material.
  • the negative electrode may include a negative electrode current collector and a negative electrode mixture layer disposed on the negative electrode current collector.
  • a negative electrode current collector on which lithium metal or a lithium alloy can be deposited is used for the negative electrode.
  • the negative electrode mixture layer contains a negative electrode active material as an essential component.
  • the negative electrode mixture layer may contain optional components such as a binder, a thickener, and a conductive material.
  • the optional components may include the components exemplified as the components of the positive electrode.
  • the negative electrode mixture layer may be formed by applying a negative electrode slurry, in which the components of the negative electrode mixture layer are dispersed in a liquid medium (dispersion medium), to the surface of the negative electrode current collector and drying it.
  • the coating film after drying may be rolled as necessary.
  • the liquid medium may be any of the liquid media exemplified as the liquid medium for the positive electrode slurry.
  • the negative electrode mixture layer may be formed on only one side of the negative electrode current collector, or on both sides of the negative electrode current collector.
  • the negative electrode active material is selected according to the type of the secondary battery.
  • An example of the negative electrode active material is a material capable of absorbing and releasing lithium ions. Examples of such materials include carbonaceous materials, Si-containing materials, and the like.
  • the negative electrode active material may include a Si-containing material or may be a Si-containing material. Metallic lithium, lithium alloys, and the like may be used as the negative electrode active material.
  • the negative electrode may include one type of negative electrode active material, or may include a combination of two or more types.
  • carbonaceous materials examples include graphite, easily graphitized carbon (soft carbon), and difficult-to-graphitize carbon (hard carbon).
  • the carbonaceous materials may be used alone or in combination of two or more.
  • Graphite is preferred because it has excellent charge/discharge stability and low irreversible capacity.
  • Examples of graphite include natural graphite, artificial graphite, and graphitized mesophase carbon particles.
  • Si-containing material examples include simple Si, silicon alloys, silicon compounds (such as silicon oxides), and composite materials in which a silicon phase is dispersed in a lithium ion conductive phase (matrix).
  • silicon oxides include SiO x particles. x may be, for example, 0.5 ⁇ x ⁇ 2, or 0.8 ⁇ x ⁇ 1.6.
  • the lithium ion conductive phase at least one selected from the group consisting of a SiO 2 phase, a silicate phase, and a carbon phase may be used.
  • the negative electrode current collector may be a metal foil.
  • the negative electrode current collector may be porous. Examples of materials for the negative electrode current collector include stainless steel, nickel, nickel alloys, copper, and copper alloys.
  • the non-aqueous electrolyte includes a solvent (non-aqueous solvent) and a solute dissolved in the solvent.
  • a solvent non-aqueous solvent
  • a solute include a lithium salt.
  • Various additives may be added to the electrolyte solution.
  • cyclic carbonate esters can be used as the solvent.
  • cyclic carbonate esters include propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), fluoroethylene carbonate (FEC), vinylene carbonate (VC), etc.
  • Chain carbonate esters include diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), dimethyl carbonate (DMC), etc.
  • cyclic carboxylate esters include ⁇ -butyrolactone (GBL), ⁇ -valerolactone (GVL), etc.
  • chain carboxylate esters examples include non-aqueous solvents such as methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, methyl propionate (MP), and ethyl propionate (EP).
  • the non-aqueous solvents may be used alone or in combination of two or more.
  • lithium salts include lithium salts of chlorine-containing acids (LiClO 4 , LiAlCl 4 , LiB 10 Cl 10 , etc.), lithium salts of fluorine-containing acids (LiPF 6 , LiPF 2 O 2 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , etc.), lithium salts of fluorine-containing acid imides (LiN (FSO 2 ) 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) (C 4 F 9 SO 2 ), LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , etc.), lithium halides (LiCl, LiBr, LiI, etc.), etc.
  • the lithium salts may be used alone or in combination of two or more.
  • the concentration of the lithium salt in the electrolyte may be 1 mol/L or more and 2 mol/L or less, or 1 mol/L or more and 1.5 mol/L or less.
  • the electrolyte may contain known additives.
  • additives include 1,3-propane sultone, methylbenzenesulfonate, cyclohexylbenzene, biphenyl, diphenyl ether, fluorobenzene, etc.
  • the separator is disposed between the positive electrode and the negative electrode.
  • the separator preferably has high ion permeability and appropriate mechanical strength and insulating properties.
  • a microporous thin film, a woven fabric, a nonwoven fabric, etc. can be used.
  • Examples of the material of the separator include polyolefins (polypropylene, polyethylene, etc.) and other resins.
  • the electrode group and the non-aqueous electrolyte are housed in the exterior body (battery case).
  • the exterior body is not particularly limited, and a known exterior body may be used.
  • the electrode group is composed of a positive electrode, a negative electrode, and a separator.
  • the configuration of the electrode group is not particularly limited, and may be a wound type or a laminated type.
  • the wound type electrode group is formed by winding a positive electrode and a negative electrode with a separator interposed therebetween.
  • the laminated type electrode group is formed by stacking a positive electrode and a negative electrode with a separator interposed therebetween.
  • the shape of the non-aqueous electrolyte secondary battery is not particularly limited, and may be a cylindrical shape, a square shape, a coin shape, a button shape, a laminate shape, or the like.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a secondary battery 10 according to an embodiment of the present disclosure, with a portion cut away.
  • FIG. 1 shows a rectangular non-aqueous electrolyte battery as an example.
  • the secondary battery 10 shown in FIG. 1 includes a battery case 4 in the shape of a rectangular cylinder with a bottom, and an electrode group 1 and a non-aqueous electrolyte (not shown) housed within the battery case 4.
  • the electrode group 1 includes a long strip-shaped negative electrode, a long strip-shaped positive electrode, and a separator disposed between them.
  • the negative electrode current collector of the negative electrode is electrically connected to a negative electrode terminal 6 provided on a sealing plate 5 via a negative electrode lead 3.
  • the negative electrode terminal 6 is insulated from the sealing plate 5 by a resin gasket 7.
  • the positive electrode current collector of the positive electrode is electrically connected to the back surface of the sealing plate 5 via a positive electrode lead 2.
  • the positive electrode is electrically connected to the battery case 4, which also serves as the positive electrode terminal.
  • the periphery of the sealing plate 5 fits into the open end of the battery case 4, and the fitting portion is laser welded.
  • the sealing plate 5 has an injection hole for a non-aqueous electrolyte. The injection hole is closed by a seal plug 8 after the non-aqueous electrolyte is injected.
  • the positive electrode includes a positive electrode current collector and a positive electrode mixture layer disposed on the positive electrode current collector.
  • the positive electrode mixture layer is the positive electrode mixture layer described above.
  • a positive electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery comprising: A positive electrode mixture layer is included, the positive electrode mixture layer includes a positive electrode active material, a conductive material, a fluorine-containing polymer, and a dispersant,
  • the positive electrode active material includes a composite oxide represented by a composition formula Li y Ni x M (1-x) O 2- ⁇ (wherein 0.6 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1.2, 0 ⁇ 0.05, and M includes at least one element selected from the group consisting of Co, Mn, Al, Fe, Ti, Sr, Ca, and B), the conductive material includes a carbon material;
  • the dispersant comprises a nitrile group-containing rubber,
  • the positive electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery wherein the fluorine-containing polymer has a weight average molecular weight of 1,000,000 or more.
  • a positive electrode slurry for a positive electrode of a non-aqueous electrolyte secondary battery comprising:
  • the positive electrode active material includes a conductive material, a fluorine-containing polymer, a dispersant, and a liquid medium
  • the positive electrode active material includes a composite oxide represented by a composition formula Li y Ni x M (1-x) O 2- ⁇ (wherein 0.6 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1.2, 0 ⁇ 0.05, and M includes at least one element selected from the group consisting of Co, Mn, Al, Fe, Ti, Sr, Ca, and B), the conductive material includes a carbon material;
  • the dispersant comprises a nitrile group-containing rubber,
  • a positive electrode slurry for a positive electrode of a non-aqueous electrolyte secondary battery wherein the weight average molecular weight of the fluorine-containing polymer is 1,000,000 or more.
  • CMC-Na sodium carboxymethylcellulose
  • SBR styrene-butadiene rubber
  • a positive electrode active material carbon nanotubes (conductive material), polyvinylidene fluoride (fluorine-containing polymer), hydrogenated nitrile rubber (nitrile group-containing rubber), and N-methyl-2-pyrrolidone (liquid medium) were mixed in a predetermined mass ratio to prepare a positive electrode slurry SA1.
  • composite oxide particles represented by the composition formula LiNi 0.85 Co 0.10 Mn 0.05 O 2 were used.
  • particles A with an average particle size (D50) of 14 ⁇ m and particles B with an average particle size (D50) of 4 ⁇ m were mixed in a mass ratio of 7:3.
  • a modified polyvinylidene fluoride with a weight average molecular weight (Mw) of 1.4 million was used.
  • Mw weight average molecular weight
  • polyvinylidene fluoride to which an acidic group was added was used.
  • the average length and average diameter of the carbon nanotubes were 1 ⁇ m and 10 nm, respectively.
  • the amount of carbon nanotubes added was 0.5 parts by mass per 100 parts by mass of the positive electrode active material.
  • the amount of polyvinylidene fluoride added was 0.8 parts by mass per 100 parts by mass of the positive electrode active material.
  • the amount of hydrogenated nitrile rubber (H-NBR) added was 0.2 parts by mass per 100 parts by mass of the positive electrode active material.
  • the positive electrode slurry was applied to the surface of the aluminum foil (positive electrode current collector) to form a coating film, and a laminate of the aluminum foil and the coating film was obtained.
  • the coating film was dried, and the laminate was rolled. In this way, a positive electrode was produced that included the aluminum foil and the positive electrode mixture layers formed on both sides of the aluminum foil.
  • EC ethylene carbonate
  • EMC ethyl methyl carbonate
  • the presence or absence of particle B refers to the presence or absence of particle B with an average particle size of 4 ⁇ m.
  • the presence of particle B indicates that a mixture of particle A and particle B was used.
  • the absence of particle B indicates that only particle A was used.
  • positive electrode slurry SA6 contains 0.2 parts by mass of hydrogenated nitrile rubber (H-NBR) and 0.1 parts by mass of ethyl cellulose (EC) per 100 parts by mass of the positive electrode active material.
  • H-NBR hydrogenated nitrile rubber
  • EC ethyl cellulose
  • the battery capacity and DC resistance were determined for the prepared battery in the following procedure. First, the prepared battery was charged at a constant current of 0.2 It until the cell voltage reached 4.2 V in a temperature environment of 25 ° C., and the operation A of charging at a constant voltage until the current value reached 1/50 It at 4.2 V and the operation B of discharging at a constant current of 0.2 It until the cell voltage reached 2.5 V were repeated twice to confirm the capacity. Then, the test cell whose capacity was confirmed was charged at a constant current of 0.2 It in a temperature environment of 25 ° C.
  • Batteries A1 to A6, the positive electrode slurry, and the positive electrode used in their manufacture are the batteries, positive electrode slurry, and positive electrodes according to this embodiment. Batteries C1 to C9, the positive electrode slurry, and the positive electrode used in their manufacture are comparative examples.
  • the DC resistance and battery capacity of batteries C3 to C5 could not be measured because the electrode plate peeled off during the battery production process, and the battery production was interrupted.
  • the battery capacity is high, and it is preferable that the viscosity change rate and DC resistance of the slurry are low.
  • the positive electrode slurry according to this embodiment was highly stable and the positive electrode could be easily produced.
  • the battery according to this embodiment had low internal resistance and high battery capacity.
  • the present disclosure can be used for a positive electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery and a non-aqueous electrolyte secondary battery.
  • the secondary battery according to the present disclosure can be used for various applications, and is preferably used as a main power source for, for example, mobile communication devices, portable electronic devices, and the like.
  • Electrode group 1: Electrode group, 2: Positive electrode lead, 3: Negative electrode lead, 4: Battery case, 5: Sealing plate, 6: Negative electrode terminal, 7: Gasket, 8: Seal, 10: Secondary battery (non-aqueous electrolyte secondary battery)

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Abstract

開示される正極は、非水電解質二次電池用の正極である。当該正極は、正極合剤層を含む。正極合剤層は、正極活物質、導電材、フッ素含有重合体、および分散剤を含む。正極活物質は、組成式がLiyNixM(1-x)O2-δ(式中、0.6≦x≦1、0<y≦1.2、0≦δ≦0.05、Mは、Co、Mn、Al、Fe、Ti、Sr、Ca、およびBからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含む。)で表される複合酸化物を含む。導電材は、炭素材料を含む。分散剤は、ニトリル基含有ゴムを含む。フッ素含有重合体の重量平均分子量は、100万以上である。

Description

非水電解質二次電池用の正極、それを用いた非水電解質二次電池、および、非水電解質二次電池の正極用の正極スラリー
 本開示は、非水電解質二次電池用の正極、それを用いた非水電解質二次電池、および、非水電解質二次電池の正極用の正極スラリーに関する。
 非水電解質二次電池は、高出力かつ高エネルギー密度を有するため、民生用途や車載用途など、多岐にわたって用いられている。近年、非水電解質二次電池に対して、更なる高性能化が求められている。非水電解質二次電池については、様々な提案がなされている。
 特許文献1(特許第7055476号)の請求項1には、「集電体及び前記集電体上に配置された正極活物質層を含み、前記正極活物質層は、正極活物質、カーボンナノチューブ、及びバインダーを含み、前記バインダーは、重量平均分子量が720,000から980,000であるポリビニリデンフルオリドを含み、前記カーボンナノチューブのBET比表面積は140m/gから195m/gであり、下記式1を満たす正極:
 [式1]1.3≦B/A≦3.4
 前記式1で、Bは、前記正極活物質層内における前記ポリビニリデンフルオリドの含量(重量%)であり、Aは、前記正極活物質層内における前記カーボンナノチューブの含量(重量%)である。」が記載されている。
特許第7055476号
 本開示の目的の1つは、高容量で製造が容易な非水電解質二次電池用の正極を提供することである。
 本発明の新規な特徴を添付の請求の範囲に記述するが、本発明は、構成および内容の両方に関し、本発明の他の目的および特徴と併せ、図面を照合した以下の詳細な説明によりさらによく理解されるであろう。
 本開示の一側面は、非水電解質二次電池用の正極に関する。当該正極は、正極合剤層を含み、前記正極合剤層は、正極活物質、導電材、フッ素含有重合体、および分散剤を含み、前記正極活物質は、組成式がLiNi(1-x)2-δ(式中、0.6≦x≦1、0<y≦1.2、0≦δ≦0.05、Mは、Co、Mn、Al、Fe、Ti、Sr、Ca、およびBからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含む。)で表される複合酸化物を含み、前記導電材は、炭素材料を含み、前記分散剤は、ニトリル基含有ゴムを含み、前記フッ素含有重合体の重量平均分子量は、100万以上である。
 本開示の他の一側面は、非水電解質二次電池に関する。当該非水電解質二次電池は、本開示に係る正極を含む。
 本開示の他の一側面は、非水電解質二次電池の正極用の正極スラリーに関する。当該正極スラリーは、正極活物質、導電材、フッ素含有重合体、分散剤、および液媒体を含み、前記正極活物質は、組成式がLiNi(1-x)2-δ(式中、0.6≦x≦1、0<y≦1.2、0≦δ≦0.05、Mは、Co、Mn、Al、Fe、Ti、Sr、Ca、およびBからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含む。)で表される複合酸化物を含み、前記導電材は、炭素材料を含み、前記分散剤は、ニトリル基含有ゴムを含み、前記フッ素含有重合体の重量平均分子量は100万以上である。
 本開示によれば、高容量で製造が容易な非水電解質二次電池用の正極が得られる。当該正極を用いることによって、高容量の非水電解質二次電池を容易に製造できる。
本開示の一実施形態に係る非水電解質二次電池の一部を切欠いた概略斜視図である。
 以下では、本開示に係る実施形態について例を挙げて説明するが、本開示は以下で説明する例に限定されない。以下の説明では、具体的な数値や材料を例示する場合があるが、本開示の効果が得られる限り、他の数値や材料を適用してもよい。この明細書において、「数値A~数値B」という記載は、数値Aおよび数値Bを含み、「数値A以上で数値B以下」と読み替えることが可能である。以下の説明において、特定の物性や条件などに関する数値の下限と上限とを例示した場合、下限が上限以上とならない限り、例示した下限のいずれかと例示した上限のいずれかとを任意に組み合わせることができる。以下の説明において、構成要素の例や方法の例を列挙する場合、特に記載がない限り、列挙された例のうちの1つのみを用いてもよいし、列挙された例のうちの複数を併用してもよい。
 (非水電解質二次電池用の正極)
 本実施形態に係る正極は、非水電解質二次電池用の正極である。当該正極は、正極合剤層を含む。正極合剤層は、正極活物質、導電材、フッ素含有重合体、および分散剤を含む。正極活物質は、組成式がLiNi(1-x)2-δ(式中、0.6≦x≦1、0<y≦1.2、0≦δ≦0.05、Mは、Co、Mn、Al、Fe、Ti、Sr、Ca、およびBからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含む。)で表される複合酸化物を含む。導電材は、炭素材料を含む。分散剤は、ニトリル基含有ゴムを含む。フッ素含有重合体の重量平均分子量は、100万以上である。
 現在、非水電解質二次電池の高容量化が求められている。正極活物質として高Ni活物質(Niの含有率が高い複合酸化物)を用いることによって、二次電池の容量を高めることが可能である。しかし、高Ni活物質は、製造の過程で、多量のアルカリ性不純物(例えば水酸化リチウム)を含んでしまうという問題がある。その結果、高Ni活物質を用いて正極スラリーを調製すると、それに含まれるアルカリ性不純物がフッ素含有重合体(結着剤)のフッ素と反応し、スラリーがゲル化しやすくなる。その結果、正極合剤層の形成が難しくなったり、正極合剤層の成分の分散性が低下したりする。正極合剤層の成分の分散性が低下すると、内部抵抗が増大したり、正極活物質の利用効率が低下したりして、電池の性能低下をもたらす。
 検討の結果、本願発明者らは、高Ni活物質、炭素材料(導電材)、ニトリル基含有ゴム、および特定のフッ素含有重合体を組み合わせることによって、高Ni活物質を用いることによって達成できる高容量化を超える高容量化が可能になり、且つ、正極の製造も容易になることを新たに見出した。本開示は、この新たな知見に基づく。
 上記の効果が得られる理由は現在のところ明確ではない。しかし、ニトリル基含有ゴムは、炭素材料およびフッ素含有重合体との親和性が高いため、正極スラリー中ではそれらが分散性よく一体となっている可能性がある。その結果、フッ素含有重合体の副反応が抑制され、ゲル化が抑制されていると考えられる。このような効果が得られるのは、炭素材料と、ニトリル基含有ゴムと、重量平均分子量が大きいフッ素含有重合体との組み合わせによる相乗効果のためである。
 さらに、重量平均分子量が大きいフッ素含有重合体を用いることによって、フッ素含有重合体の添加量を減らして正極活物質の含有率を高めることが可能になる。そのため、高Ni活物質を用いることによって達成できる高容量化を超える高容量化が可能である。
 (正極活物質)
 正極活物質には、リチウムイオンを吸蔵および放出可能な物質を用いることができる。正極活物質の例には、リチウムと遷移金属とを含有するリチウム遷移金属複合酸化物が含まれる。当該複合酸化物は、層状構造(例えば、岩塩型結晶構造)を有してもよい。正極活物質には、上述した組成式で表される複合酸化物を用いることができる。
 上記組成式において、Mは、Co、Mn、Al、Fe、Ti、Sr、Ca、Si、Nb、Zr、Mo、Zn、W、およびBからなる群より選択される少なくとも1種の元素であってもよい。あるいは、Mは、Co、Mn、Al、Fe、Ti、Sr、Ca、およびBからなる群より選択される少なくとも1種の元素であってもよい。Mは、Co、Mn、Al、およびFeからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含むことが好ましい。なお、上記の組成式においてリチウムの組成比を示すyの値は、充放電により増減する。複合酸化物の具体例には、リチウム-ニッケル-コバルト-マンガン複合酸化物(LiNi0.8Co0.1Mn0.1など)などが含まれる。
 上記複合酸化物の組成式において、xを0.6以上とすることによって、電池容量を高めることができる。当該組成式において、0.8≦x≦1が満たされてもよい。xを0.8以上(例えば、0.85以上や0.9以上)とすることによって、電池容量を特に高めることができる。一方、xを0.8以上とすると、正極スラリーのゲル化が更に生じやすくなるため、炭素材料とニトリル基含有ゴムと所定のフッ素含有重合体とを組み合わせることが特に重要になる。
 上記複合酸化物は、通常、粒子の状態で用いられる。複合酸化物全体の平均粒径は、1μm以上、または5μm以上であってもよく、20μm以下、15μm以下、10μm以下、または6μm以下であってもよい。
 この明細書において、特に記載がない限り、平均粒径は、体積基準の粒度分布において累積体積が50%になるメジアン径(D50)である。メジアン径は、レーザ回折/散乱式粒度分布測定装置を用いて求められる。また、正極合剤の断面の観察を行うことによって、正極合剤に含まれる粒子の粒子径を評価することもできる。
 正極活物質は、平均粒径が1μm以上で6μm以下である上記複合酸化物の粒子を含んでもよい。複合酸化物の粒子の粒径が大きいと、充電時に粒子が割れやすくなる。粒子が割れると、粒界からのガス発生や粒界からの金属の溶出が起こりやすくなり、電池の耐久性が低下する。そのため、正極活物質は、粒径が小さい粒子を含むことが好ましい。
 正極活物質は、平均粒径が1μm以上で6μm以下である第1の粒子と、平均粒径が8μm以上で20μm以下である上記複合酸化物の第2の粒子とを含んでもよい。この場合、複合酸化物の粒子全体の粒度分布曲線(体積基準)には、約1~6μm(粒径)の範囲にあるピークと、約8~20μm(粒径)の範囲にあるピークとが現れうる。
 複合酸化物粒子の平均粒径が小さいと、粒子が凝集しやすくなるため、結着剤や導電材を多量に添加する必要が生じ、電池容量が低下する場合がある。また、それらを多量に添加する場合、正極スラリーの安定性が著しく低下する。平均粒径が異なる2種の活物質粒子を用いることによって、電池の容量および耐久性を高めることができる。しかし、平均粒径が異なる2種の活物質粒子を用いることによって、正極スラリー中において、正極活物質が溶媒と接触する面積が増大する。そのため、正極活物質由来のアルカリ性不純物、およびフッ素含有重合体同士が接触しやすくなる場合がある。そのため、平均粒径が異なる2種の高Ni活物質粒子を用いて正極スラリーを調製すると、ゲル化が生じやすい。そのため、上記の特定の組み合わせ(フッ素含有重合体、ニトリル基含有ゴム、炭素材料)を用いることが特に重要になる。
 正極活物質が第1の粒子と第2の粒子とを含む場合、上記複合酸化物の粒子における第1の粒子の質量M1の割合R1は、10~40質量%の範囲(例えば15~30質量%の範囲)にあってもよい。上記複合酸化物の粒子における第2の粒子の質量M2の割合R2は、60~90質量%の範囲(例えば70~85質量%の範囲)にあってもよい。
 複合酸化物を構成する元素の含有量は、誘導結合プラズマ発光分光分析装置(Inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy:ICP-AES)、電子線マイクロアナライザー(Electron Probe Micro Analyzer:EPMA)、またはエネルギー分散型X線分析装置(Energy dispersive X-ray spectroscopy:EDX)などによって測定できる。
 (導電材)
 炭素材料(導電材)の例には、カーボンブラックなどの導電性の炭素粒子、カーボンナノチューブ、およびその他の導電性の炭素材料が含まれる。炭素材料は、カーボンナノチューブを含むことが好ましく、カーボンナノチューブであってもよい。カーボンナノチューブを用いることによって、少量の添加で正極合剤層の抵抗を低減できる。さらに、カーボンナノチューブを用いることによって、上記の特定の組み合わせによる効果が特に高くなると考えられる。
 すべての炭素材料(導電材)に占めるカーボンナノチューブの割合は、例えば50質量%以上であり、好ましくは80~100質量%の範囲(例えば90~100質量%の範囲)にある。
 正極合剤層において、正極活物質100質量部に対する炭素材料(例えばカーボンナノチューブ)の量は、0.01質量部以上で1質量部以下であってもよく、0.02質量部以上で0.5質量部以下であってもよい。
 カーボンナノチューブの平均長さは、1μm以上であってもよい。この場合、カーボンナノチューブのアスペクト比(繊維の径に対する長さの比)は、極めて大きくなる。アスペクト比の大きなカーボンナノチューブは、正極活物質および集電体と線状に接触しやすくなる。さらに、カーボンナノチューブは、導電性に優れる。そのため、カーボンナノチューブを用いることによって、電池の直流抵抗(DCR)を大きく低減できる。正極中に存在しているカーボンナノチューブは、複数のカーボンナノチューブが束の状態で存在することもある。上記の平均長さの算出には、束になったカーボンナノチューブのなかに存在する単独のカーボンナノチューブの長さが用いられる。
 カーボンナノチューブの平均長さは、合剤層における導電性を高める観点から、1μm以上が好ましい。一方、カーボンナノチューブの長さの上限は特に限定されないが、カーボンナノチューブの長さは、正極活物質の粒径よりも極端に大きくなりすぎないことが好ましい。カーボンナノチューブの平均長さは、1μm以上または5μm以上であってもよく、20μm以下または10μm以下であってもよい。
 カーボンナノチューブの平均長さは、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いた画像解析によって求められる。カーボンナノチューブの平均長さは、100本のカーボンナノチューブを任意に選出して長さを測定し、それらを算術平均して求められる。また、長さは、カーボンナノチューブを直線状に延ばしたときの長さを指す。
 カーボンナノチューブの平均径は、20nm以下または15nm以下であってもよく、1nm以上であってもよい。当該平均径を20nm以下とすることによって、少量で高い効果が得られる。
 カーボンナノチューブの平均径は、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いた画像解析により求められる。カーボンナノチューブの平均径は、以下の方法で測定できる。まず、100本のカーボンナノチューブを任意に選出し、それぞれの任意の1箇所の径(外径)を測定する。そして、測定された径を算術平均することによって平均径が求められる。
 カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ(SWCNT)、および多層(MWCNT)のいずれであってもよい。多層カーボンナノチューブの例には、2層カーボンナノチューブ、3層カーボンナノチューブ、および4層以上のカーボンナノチューブが含まれる。正極合剤層は、単層カーボンナノチューブおよび/または多層カーボンナノチューブを含むことが好ましい。正極合剤層に含まれる多層カーボンナノチューブは、1種の多層カーボンナノチューブであってもよいし、層数が異なる複数種の多層カーボンナノチューブであってもよい。
 カーボンナノチューブのBET比表面積は、200m/g以上、250m/g以上、または300m/g以上であってもよい。当該BET比表面積の上限は特に限定されないが、2000m/g以下であってもよい。当該BET比表面積を200m/g以上とすることによって、より少量でのカーボンナノチューブ添加で電池性能を向上させることができる。カーボンナノチューブのBET比表面積は、JIS(Japanese Industrial Standard) R1626記載のBET法(窒素吸着法)によって測定できる。
 (ニトリル基含有ゴム)
 ニトリル基含有ゴムは、ニトリル基を含有する。ニトリル基含有ゴムは、分散剤として機能する。また、ニトリル基含有ゴムは、正極合剤層中において、結着剤としても機能しうる。ニトリル基含有ゴムの例には、アクリロニトリルとジエン(例えばブタジエン)とを含むモノマーの共重合体が含まれる。具体的には、ニトリル基含有ゴムの例には、ニトリルゴム(NBR)、水素化ニトリルゴム(H-NBR)、およびそれらの変性体が含まれる。
 ニトリル基含有ゴムの重量平均分子量は、5000~500000の範囲にあってもよい。ニトリル基含有ゴムの重量平均分子量は、40000以上であってもよい。ニトリル基含有ゴムの重量平均分子量を40000以上とすることによって、カーボンナノチューブ等の炭素材料の分散性の向上と、正極スラリーの粘度低減の効果とを両立することが容易になる。
 正極合剤層において、正極活物質100質量部に対するニトリル基含有ゴムの量は、0.01質量部以上、または0.05質量部以上であってもよく、1質量部以下、または0.5質量部以下であってもよい。
 (フッ素含有重合体)
 フッ素含有重合体は、正極合剤層中において結着剤として機能する。フッ素含有重合体は、フッ素を含有する重合体である。フッ素含有重合体の例には、フッ化ビニリデン系重合体が含まれる。フッ化ビニリデン系重合体の例には、フッ化ビニリデンを含むモノマーの重合体が含まれる。フッ素含有重合体は、フッ化ビニリデン系重合体と他のフッ素含有重合体との組み合せでもよい。フッ化ビニリデン系重合体は、フッ化ビニリデンと他のモノマーとの共重合体であってもよい。フッ化ビニリデン系重合体の例には、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)が含まれる。
 フッ素含有重合体は、その一部が変性されたポリフッ化ビニリデンであってもよい。変性されたポリフッ化ビニリデンの例には、種々の酸性基など極性官能基が付加されたポリフッ化ビニリデンが含まれる。
 正極合剤層において、正極活物質100質量部に対するフッ素含有重合体の量は、0.1質量部以上、または0.5質量部以上であってもよく、2.0質量部以下、または1.2質量部以下であってもよい。
 フッ素含有重合体の重量平均分子量は、100万以上であり、120万以上、または130万以上であってもよい。当該重量平均分子量を130万以上とすることによって、結着剤の添加量を減らしても正極の結着性を維持することができる。そして結着剤の添加量を減らす代わりに正極活物質の量を増やすことで、結果的に電池容量を高めることが可能である。一方で、当該重量平均分子量を高くすると、正極スラリーのゲル化が生じやすくなる。そのため、上記の特定の組み合わせを用いることが特に重要になる。
 フッ素含有重合体の重量平均分子量の上限は特に限定されず、200万以下、または180万以下であってもよい。
 正極合剤層において、フッ素含有重合体の含有率とニトリル基含有ゴムの含有率との合計が1.0質量%以下であってもよい。当該合計を1.0質量%以下とすることによって、正極活物質の割合を高めることができ、電池の高容量化が可能となる。本実施形態の正極合剤層では、上記の特定の組み合わせを用いているため、当該合計を1.0質量%以下とすることが可能である。当該合計は、0.5質量%以上であってもよい。
 正極合剤層は、セルロース誘導体を含んでもよい。正極合剤層がセルロース誘導体を含むことによって、炭素の分散性が更に向上し、電池性能が改善する。
 正極合剤層中において、セルロース誘導体は、結着剤としても機能する。また、正極スラリー中では、セルロース誘導体は分散剤としても機能する。セルロース誘導体の例には、アルキルセルロース、ヒドロキシアルキルセルロース、カルボキシアルキルセルロースおよびそれらの塩(アルカリ金属塩、アンモニウム塩など)が含まれる。アルキルセルロースの例には、メチルセルロース、エチルセルロース、エチルメチルセルロースなどが含まれる。ヒドロキシアルキルセルロースの例には、ヒドロキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロースなどが含まれる。カルボキシアルキルセルロースの例には、カルボキシメチルセルロース、カルボキシエチルセルロースなどが含まれる。アルカリ金属塩を形成するアルカリ金属の例には、カリウムおよびナトリウムなどが含まれる。これらの中でも、メチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロースが好ましい。セルロース誘導体の重量平均分子量は、1000~1000000の範囲(例えば10000~1000000の範囲)にあってもよい。本開示の構成による効果が高まる点で、セルロース誘導体の重量平均分子量は、10000~500000の範囲にあってもよい。
 正極合剤層は、上記以外の成分(例えば増粘剤)や上記以外の化合物を含んでもよい。例えば、正極合剤層は、ポリビニルピロリドンなどを含んでもよい。
 正極合剤層に占める正極活物質の割合は、合剤サンプルを用いて求められる。合剤サンプルは、以下の手順で得られる。まず、放電状態の二次電池を解体して正極を取り出す。次に、当該正極を有機溶媒を用いて洗浄した後に真空乾燥し、その後、正極合剤層のみを取り出し、取り出した正極合剤層を合剤サンプルとして用いる。合剤サンプルに対して、TG-DTAやNMR、熱分解GC-MSなどの分析を行うことによって、正極活物質以外の結着剤および導電材の比率を算出できる。導電材に複数種の炭素材料が含まれている場合、カーボンナノチューブが導電材に占める割合は、正極合剤層の断面に対して顕微ラマン分光分析を行うことによって算出できる。
 正極合剤層(1層)の1mあたりの質量は200g以上であってもよく、250g以上であることが好ましい。当該質量を250g以上とすることによって、リチウムイオン電池として高容量化が可能である。しかし、正極合剤層の1mあたりの質量が向上するとその密着性を維持することが困難になるため、より密着性に優れた結着剤の活用が必要になる。上述したように、本開示に係る正極板によれば、当該質量を高くすることによる弊害を抑制できる。当該質量は、正極合剤層を厚くしたり、正極合剤層の密度を高めたりすることによって多くすることができる。
 正極合剤層の厚さに特に限定はないが、50μm~250μmの範囲にあってもよい。本実施形態によれば、正極合剤層を厚くしても、内部抵抗の上昇を抑制できる。
 (正極スラリーおよび正極の製造方法)
 本実施形態の正極スラリーは、非水電解質二次電池の正極用のスラリーである。このスラリーは、上述した正極の製造に用いられる。正極について説明した事項は、正極スラリーに適用できるため、重複する説明を省略する場合がある。
 正極スラリーは、上述した正極合剤層の成分と、それらが分散される液媒体(分散媒)とを含む。具体的には、正極スラリーは、正極活物質、導電材、フッ素含有重合体、分散剤、および液媒体を含む。正極活物質は、組成式がLiNi(1-x)2-δ(式中、0.6≦x≦1、0<y≦1.2、0≦δ≦0.05、Mは、Co、Mn、Al、Fe、Ti、Sr、Ca、およびBからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含む。)で表される複合酸化物を含む。導電材は、炭素材料を含む。分散剤は、ニトリル基含有ゴムを含む。フッ素含有重合体の重量平均分子量は100万以上である。各成分については、上述したため、重複する説明を省略する。正極スラリーは、必要に応じて、任意成分をさらに含んでもよい。例えば、正極スラリーは、セルロース誘導体を含んでもよい。
 液媒体(分散媒)は特に限定されず、水、有機溶媒、およびそれらの混合溶媒を用いてもよい。有機溶媒の例には、アルコール(エタノールなど)、エーテル(テトラヒドロフランなど)、アミド(ジメチルホルムアミドなど)、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)などが含まれる。
 正極スラリーに含まれる成分の比率は、原則として、正極合剤層における成分の比率に反映される。そのため、正極スラリーに含まれる成分の比率を変えることによって、正極合剤層における成分の比率を変えることができる。正極合剤層について例示した成分の比率は、正極スラリーにおける成分の比率に適用できる。液媒体を除く成分において、フッ素含有重合体の含有率とニトリル基含有ゴムの含有率との合計が1.0質量%以下であってもよい。
 正極の製造方法に特に限定はなく、公知の方法を適用してもよい。例えば、正極は、以下の方法で形成してもよい。まず、正極合剤層の材料(正極活物質、導電材、フッ素含有重合体、分散剤、および必要に応じて他の任意成分)を液媒体に分散させた正極スラリーを調製する。次に、正極スラリーを正極集電体の表面に塗布して塗膜を形成した後、当該塗膜を乾燥させることによって正極合剤層を形成できる。乾燥後の塗膜を、必要に応じて圧延してもよい。正極合剤層は、正極集電体の一方の表面に形成してもよいし、両方の表面に形成してもよい。
 (導電材分散液)
 本開示は、導電材分散液を提供する。当該導電材分散液は、正極スラリーの調製に用いることができる。導電材分散液は、導電材、ニトリル基含有ゴム、フッ素含有重合体、および液媒体を含む。導電材は炭素材料を含む。炭素材料(導電材)、ニトリル基含有ゴム、およびフッ素含有重合体については、上述したため、重複する説明を省略する。導電材分散液は、正極合剤層に含まれる任意成分(例えば上述した任意成分)を含んでもよい。
 導電材分散液の液媒体には、正極スラリーの液媒体として説明した液媒体を用いてもよいし、それらとは異なる液媒体を用いてもよい。導電材分散液は、基本的に正極活物質を含まない。導電材分散液に正極活物質を添加することによって、正極スラリーを調製できる。導電材分散液には、正極活物質とともに、正極合剤層の任意成分および液媒体を添加してもよい。
 導電材分散液に含まれる成分の比率を変えることによって、正極合剤層における成分の比率を変えることができる。正極合剤層について例示した成分の比率は、導電材分散液における成分の比率に適用できる。具体的には、正極合剤層の説明において例示した正極活物質100質量部に対するそれぞれの成分の比率から、各成分同士の比率を求めることができる。
 (非水電解質二次電池)
 本実施形態に係る非水電解質二次電池は、本実施形態に係る正極を含む。当該二次電池は、正極に加えて、負極と、非水電解質とを少なくとも含む。当該二次電池は、正極、負極、非水電解質、セパレータ、および外装体を含んでもよい。当該二次電池の例には、リチウムイオン二次電池、リチウム金属二次電池などが含まれる。正極合剤層以外の構成要素については特に限定されず、公知の構成要素を用いてもよい。当該二次電池の構成要素の例について、以下に説明する。
 (正極)
 正極には、本実施形態に係る正極が用いられる。
 (正極集電体)
 正極は、正極集電体を含んでもよい。正極合剤層は、正極集電体上に配置されうる。正極集電体の形状および厚さは、用途に応じて選択でき、負極集電体の形状および厚さに対応するように選択できる。正極集電体の材質としては、例えば、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、チタンなどが例示できる。正極合剤層は、正極集電体の片面のみに形成されてもよいし、正極集電体の両面に形成されてもよい。
 (負極)
 負極は、典型的には、負極活物質を含有する負極合剤層を含む。負極は、負極集電体と負極集電体上に配置された負極合剤層とを含んでもよい。ただし、リチウム金属二次電池の場合、負極には、リチウム金属またはリチウム合金が析出可能な負極集電体が用いられる。
 負極合剤層は、負極活物質を必須成分として含む。負極合剤層は、任意成分として、結着剤、増粘剤、導電材などを含んでもよい。それらの任意成分には、正極の成分として例示した成分を用いてもよい。
 負極合剤層は、負極合剤層の構成成分を液媒体(分散媒)に分散させた負極スラリーを、負極集電体の表面に塗布して、乾燥させることによって形成してもよい。乾燥後の塗膜を、必要により圧延してもよい。液媒体には、正極スラリーの液媒体として例示した液媒体を用いてもよい。負極合剤層は、負極集電体の片面のみに形成されてもよいし、負極集電体の両面に形成されてもよい。
 (負極活物質)
 負極活物質は、二次電池の種類に応じて選択される。負極活物質の一例は、リチウムイオンを吸蔵および放出可能な物質である。そのような物質の例には、炭素質材料、Si含有材料などが含まれる。負極活物質は、Si含有材料を含んでもよいし、Si含有材料であってもよい。負極活物質として、金属リチウム、リチウム合金などを用いてもよい。負極は、負極活物質を1種含んでいてもよく、2種以上組み合わせて含んでもよい。
 炭素質材料の例には、黒鉛、易黒鉛化炭素(ソフトカーボン)、難黒鉛化炭素(ハードカーボン)などが含まれる。炭素質材料は、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。黒鉛は、充放電の安定性に優れ、且つ、不可逆容量が少ない点で好ましい。黒鉛の例には、天然黒鉛、人造黒鉛、黒鉛化メソフェーズカーボン粒子などが含まれる。
 Si含有材料の例には、Si単体、ケイ素合金、ケイ素化合物(ケイ素酸化物など)、リチウムイオン伝導相(マトリックス)内にシリコン相が分散している複合材料などが含まれる。ケイ素酸化物の例には、SiO粒子が含まれる。xは、例えば0.5≦x<2であり、0.8≦x≦1.6であってもよい。リチウムイオン伝導相としては、SiO相、シリケート相、および炭素相からなる群より選択される少なくとも1種を用いてもよい。
 負極集電体には、金属箔を用いてもよい。負極集電体は、多孔質であってもよい。負極集電体の材質の例には、ステンレス鋼、ニッケル、ニッケル合金、銅、および銅合金などが含まれる。
 (非水電解質)
 非水電解質(非水電解液)は、溶媒(非水溶媒)と、溶媒に溶解した溶質とを含む。溶質の例には、リチウム塩が含まれる。電解液には、様々な添加剤が添加されてもよい。
 溶媒としては、公知の材料を利用できる。溶媒として、例えば、環状炭酸エステル、鎖状炭酸エステル、環状カルボン酸エステル、鎖状カルボン酸エステルなどが用いられる。環状炭酸エステルの例には、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、ビニレンカーボネート(VC)などが挙げられる。鎖状炭酸エステルとしては、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジメチルカーボネート(DMC)などが含まれる。環状カルボン酸エステルの例には、γ-ブチロラクトン(GBL)、γ-バレロラクトン(GVL)などが含まれる。鎖状カルボン酸エステルの例には、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(EP)などの非水溶媒が含まれる。非水溶媒は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
 リチウム塩の例には、塩素含有酸のリチウム塩(LiClO、LiAlCl、LiB10Cl10など)、フッ素含有酸のリチウム塩(LiPF、LiPF、LiBF、LiSbF、LiAsF、LiCFSO、LiCFCOなど)、フッ素含有酸イミドのリチウム塩(LiN(FSO、LiN(CFSO、LiN(CFSO)(CSO)、LiN(CSOなど)、リチウムハライド(LiCl、LiBr、LiIなど)などが含まれる。リチウム塩は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
 電解液におけるリチウム塩の濃度は、1mol/L以上で2mol/L以下であってもよく、1mol/L以上で1.5mol/L以下であってもよい。リチウム塩の濃度を上記範囲とすることによって、イオン伝導性に優れ、適度の粘性を有する電解液を得ることができる。
 電解液は、公知の添加剤を含有していてもよい。添加剤の例には、1,3-プロパンサルトン、メチルベンゼンスルホネート、シクロヘキシルベンゼン、ビフェニル、ジフェニルエーテル、フルオロベンゼンなどが含まれる。
 (セパレータ)
 セパレータは、正極と負極との間に配置される。セパレータは、イオン透過度が高く、且つ、適度な機械的強度および絶縁性を有することが好ましい。セパレータとしては、微多孔薄膜、織布、不織布などを用いることができる。セパレータの材質の例には、ポリオレフィン(ポリプロピレン、ポリエチレンなど)およびその他の樹脂が含まれる。
 (外装体)
 外装体(電池ケース)には、電極群および非水電解質が収容される。外装体は特に限定されず、公知の外装体を用いてもよい。電極群は、正極と負極とセパレータとによって構成される。電極群の構成は特に限定されず、巻回型であってもよいし、積層型であってもよい。巻回型の電極群は、正極および負極がセパレータを介して巻回されることによって形成される。積層型の電極群は、正極と負極とがセパレータを介して積層されることによって形成される。非水電解質二次電池の形態は特に限定されず、円筒形、角形、コイン形、ボタン形、ラミネート形などであってもよい。
 図1は、本開示の一実施形態に係る二次電池10の一部を切り欠いた概略斜視図である。図1には、一例として角形の非水電解質電池を示す。図1に示す二次電池10は、有底角筒状の電池ケース4と、電池ケース4内に収容された電極群1および非水電解質(図示せず)とを含む。
 電極群1は、長尺帯状の負極と、長尺帯状の正極と、これらの間に配置されたセパレータとを含む。負極の負極集電体は、負極リード3を介して、封口板5に設けられた負極端子6に電気的に接続されている。負極端子6は、樹脂製ガスケット7によって、封口板5から絶縁されている。正極の正極集電体は、正極リード2を介して、封口板5の裏面に電気的に接続されている。すなわち、正極は、正極端子を兼ねる電池ケース4に電気的に接続されている。封口板5の周縁は、電池ケース4の開口端部に嵌合しており、その嵌合部はレーザ溶接されている。封口板5には非水電解質の注入孔がある。注入孔は、非水電解質を注入した後に封栓8によって塞がれる。
 正極は、正極集電体と正極集電体上に配置された正極合剤層とを含む。正極合剤層には、上述した正極合剤層が用いられる。
(付記)
 上記の記載によって以下の技術が開示される。
(技術1)
 非水電解質二次電池用の正極であって、
 正極合剤層を含み、
 前記正極合剤層は、正極活物質、導電材、フッ素含有重合体、および分散剤を含み、
 前記正極活物質は、組成式がLiNi(1-x)2-δ(式中、0.6≦x≦1、0<y≦1.2、0≦δ≦0.05、Mは、Co、Mn、Al、Fe、Ti、Sr、Ca、およびBからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含む。)で表される複合酸化物を含み、
 前記導電材は、炭素材料を含み、
 前記分散剤は、ニトリル基含有ゴムを含み、
 前記フッ素含有重合体の重量平均分子量は、100万以上である、非水電解質二次電池用の正極。
(技術2)
 前記複合酸化物の前記組成式において0.8≦x≦1が満たされる、技術1に記載の正極。
(技術3)
 前記正極合剤層において、前記フッ素含有重合体の含有率と前記ニトリル基含有ゴムの含有率との合計が1.0質量%以下である、技術1または2に記載の正極。
(技術4)
 前記正極活物質は、平均粒径が1μm以上で6μm以下である前記複合酸化物を含む、技術1~3のいずれか1つに記載の正極。
(技術5)
 前記正極合剤層は、セルロース誘導体を含む、技術1~4のいずれか1つに記載の正極。
(技術6)
 前記フッ素含有重合体の重量平均分子量は、130万以上である、技術1~5のいずれか1つに記載の正極。
(技術7)
 前記フッ素含有重合体は、一部が変性されたポリフッ化ビニリデンである技術1~6のいずれか1つに記載の正極。
(技術8)
 前記炭素材料は、カーボンナノチューブを含む、技術1~7のいずれか1つに記載の正極。
(技術9)
 前記ニトリル基含有ゴムの重量平均分子量は40000以上である、技術1~8のいずれか1つに記載の正極。
(技術10)
 技術1~9のいずれか1つに記載の正極を含む、非水電解質二次電池。
(技術11)
 非水電解質二次電池の正極用の正極スラリーであって、
 正極活物質、導電材、フッ素含有重合体、分散剤、および液媒体を含み、
 前記正極活物質は、組成式がLiNi(1-x)2-δ(式中、0.6≦x≦1、0<y≦1.2、0≦δ≦0.05、Mは、Co、Mn、Al、Fe、Ti、Sr、Ca、およびBからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含む。)で表される複合酸化物を含み、
 前記導電材は、炭素材料を含み、
 前記分散剤は、ニトリル基含有ゴムを含み、
 前記フッ素含有重合体の重量平均分子量は100万以上である、非水電解質二次電池の正極用の正極スラリー。
(技術12)
 前記複合酸化物の前記組成式において0.8≦x≦1が満たされる、技術11に記載の正極スラリー。
(技術13)
 前記液媒体を除く成分において、前記フッ素含有重合体の含有率と前記ニトリル基含有ゴムの含有率との合計が1.0質量%以下である、技術11または12に記載の正極スラリー。
(技術14)
 前記正極活物質は、平均粒径が1μm以上で6μm以下である前記複合酸化物を含む、技術11~13のいずれか1つに記載の正極スラリー。
(技術15)
 セルロース誘導体をさらに含む、技術11~14のいずれか1つに記載の正極スラリー。
(技術16)
 前記フッ素含有重合体の重量平均分子量は、130万以上である、技術11~15のいずれか1つに記載の正極スラリー。
(技術17)
 前記フッ素含有重合体は、一部が変性されたポリフッ化ビニリデンである技術11~16のいずれか1つに記載の正極スラリー。
(技術18)
 前記炭素材料は、カーボンナノチューブを含む、技術11~17のいずれか1つに記載の正極スラリー。
(技術19)
 前記ニトリル基含有ゴムの重量平均分子量は40000以上である、技術11~18のいずれか1つに記載の正極スラリー。
 以下、本開示を実施例に基づいて具体的に説明するが、本開示は以下の実施例によって限定されない。本実施例では、正極が異なる複数の非水電解質二次電池を作製して評価した。
 (電池A1の作製)
 以下の方法で、電池A1を作製した。
 (1)負極の作製
 ケイ素複合材料と黒鉛とをケイ素複合材料:黒鉛=5:95の質量比で混合し、負極活物質として用いた。負極活物質と、カルボキシメチルセルロースナトリウム(CMC-Na)と、スチレン-ブタジエンゴム(SBR)と、水とを所定の質量比で混合し、負極スラリーを調製した。次に、銅箔(負極集電体)の表面に負極スラリーを塗布し、銅箔と銅箔上に形成された塗膜とを含む積層体を形成した。次に、塗膜を乾燥させた後、積層体を圧延した。このようにして、銅箔と銅箔の両面に形成された負極合剤層とを含む負極を形成した。
(2)正極の作製
 まず、正極活物質、カーボンナノチューブ(導電材)、ポリフッ化ビニリデン(フッ素含有重合体)、水素化ニトリルゴム(ニトリル基含有ゴム)、およびN-メチル-2-ピロリドン(液媒体)を、所定の質量比で混合して、正極スラリーSA1を調製した。正極活物質には、組成式LiNi0.85Co0.10Mn0.05で表される複合酸化物粒子を用いた。複合酸化物粒子は、平均粒径(D50)が14μmの粒子Aと、平均粒径(D50)が4μmの粒子Bとを、7:3の質量比で混合して用いた。フッ素含有重合体には、重量平均分子量(Mw)が140万である、ポリフッ化ビニリデンの変性体を用いた。ポリフッ化ビニリデンの変性体には、酸性基が付加されたポリフッ化ビニリデンを用いた。カーボンナノチューブの平均長さおよび平均径はそれぞれ、1μmおよび10nmとした。
 カーボンナノチューブの添加量は、正極活物質100質量部に対して0.5質量部とした。ポリフッ化ビニリデンの添加量は、正極活物質100質量部に対して0.8質量部とした。水素化ニトリルゴム(H-NBR)の添加量は、正極活物質100質量部に対して0.2質量部とした。
 次に、アルミニウム箔(正極集電体)の表面に正極スラリーを塗布することによって塗膜を形成し、アルミニウム箔と塗膜との積層体を得た。次に、塗膜を乾燥させた後、積層体を圧延した。このようにして、アルミニウム箔とアルミニウム箔の両面に形成された正極合剤層とを含む正極を作製した。
(3)電解液(非水電解質)の調製
 非水溶媒にLiPF(リチウム塩)を加えることによって電解液を調製した。電解液におけるLiPFの濃度は1.0mol/Lとした。非水溶媒には、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、EC:EMC=3:7の体積比で含む混合溶媒を用いた。
(4)二次電池の作製
 上記の正極および負極のそれぞれにリードを取り付けた。次に、正極と負極との間にセパレータが配置されるように、正極と負極とセパレータとを渦巻き状に巻回することによって、電極群を作製した。次に、外装体内に電極群を挿入した。外装体には、アルミニウム箔(バリア層)を含むラミネートフィルム製の外装体を用いた。次に、電極群が挿入された外装体を105℃で2時間真空乾燥した後、外装体内に非水電解液を注入し、外装体の開口部を封止した。このようにして、二次電池A1を作製した。
 (電池A2~A6、電池C1~C9の作製)
 正極スラリーに含まれる成分を表1に示すように変化させたことを除いて、電池A1の正極スラリーSA1の調製の方法および条件と同様の方法および条件で、正極スラリーSA1~SA6および正極スラリーSC1~SC9を調製した。正極活物質を構成する複合酸化物には、正極スラリーSA1に用いた正極活物質を構成する複合酸化物を用いた。なそれらの正極スラリーを用いることを除いて、電池A1の正極PA1の作製の方法および条件と同様の方法および条件で、正極PA1~PA6および正極PC1~PC9を作製した。それらの正極を用いることを除いて電池A1の作製の方法および条件と同様の方法および条件で、電池A2~A6および電池C1~C9を作製した。
 表1において、「活物質 Ni/Co/Mn(組成比)」は、電池A1の作製で用いた組成式LiNi0.85Co0.10Mn0.05の活物質において、Ni/Co/Mnの比率を表に示すように変化させた活物質を用いたことを示す。なお、Ni/Co/Mn=85/10/5の場合、組成式LiNi(1-x)2-δにおけるx=0.85となる。
 表1において、粒子Bの有無とは、平均粒径が4μmの粒子Bの有無を意味する。粒子Bが「有」とは、粒子Aと粒子Bとを混合して用いたことを示す。粒子Bが「無」とは、粒子Aのみを用いたことを示す。
 表1において、「保護材等」の欄の数値は、正極活物質100質量部に対する量を示す。例えば、正極スラリーSA6は、正極活物質100質量部に対して、水素化ニトリルゴム(H-NBR)0.2質量部と、エチルセルロース(EC)0.1質量部とを含む。
 (正極スラリーの安定性の評価)
 作製された上記正極スラリーについて、安定性を以下の方法で評価した。スラリー作製当日の粘度V0、および、作製したスラリーを5日間静置した後の粘度V1をそれぞれ測定した。スラリーの粘度は、B型粘度計を用いて測定した。そして、以下の式から粘度の変化率を求めた。
粘度の変化率(%)=(V1/V0)×100
 (電池の評価)
 作製された電池について、以下の手順で電池容量および直流抵抗を求めた。まず、作製された電池について、25℃の温度環境下において、0.2Itの定電流でセル電圧が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させる操作Aと、0.2Itの定電流でセル電圧が2.5Vになるまで定電流放電させる操作Bとを2回繰り返し、容量を確認した。そして容量を確認した試験セルを、25℃の温度環境下において、0.2Itの定電流でセル電圧が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したのち、0.2Itの定電流で容量の50%に相当する容量(SOC50%)になるまで放電させた。得られた電池に対し、10秒間0.5Itの定電流を流した。その際に生じた電位差を電流値で除することで直流抵抗(DCR)を求めた。なお、It(A)=定格容量(Ah)/1(h)である。
 製造条件の一部および評価結果を表1に示す。なお、スラリーの粘度変化率、電池容量、電池の直流抵抗は、全て電池A1の結果を100とした相対値である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 電池A1~A6、それらの製造に用いられた正極スラリーおよび正極は、本実施形態に係る、電池、正極スラリー、および正極である。電池C1~C9、それらの製造に用いられた正極スラリーおよび正極は、比較例である。電池C3~C5の直流抵抗および電池容量は、電池作製途中で極板が剥がれてしまい、電池作製を中断したため測定できなかった。
 表1において、電池容量は高いことが好ましく、スラリーの粘度変化率および直流抵抗は低いことが好ましい。本実施形態に係る正極スラリーは、安定性が高く正極を容易に作製できた。本実施形態に係る電池は、内部抵抗が低く、電池容量が高かった。
 本開示は、非水電解質二次電池用の正極および非水電解質二次電池に利用できる。本開示に係る二次電池は、様々な用途に用いることができ、例えば、移動体通信機器、携帯電子機器などの主電源に好ましく用いられる。
 本発明を現時点での好ましい実施態様に関して説明したが、そのような開示を限定的に解釈してはならない。種々の変形および改変は、上記開示を読むことによって本発明に属する技術分野における当業者には間違いなく明らかになるであろう。したがって、添付の請求の範囲は、本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、すべての変形および改変を包含する、と解釈されるべきものである。
 1:電極群、2:正極リード、3:負極リード、4:電池ケース、5:封口板、6:負極端子、7:ガスケット、8:封栓、10:二次電池(非水電解質二次電池)

Claims (19)

  1.  非水電解質二次電池用の正極であって、
     正極合剤層を含み、
     前記正極合剤層は、正極活物質、導電材、フッ素含有重合体、および分散剤を含み、
     前記正極活物質は、組成式がLiNi(1-x)2-δ(式中、0.6≦x≦1、0<y≦1.2、0≦δ≦0.05、Mは、Co、Mn、Al、Fe、Ti、Sr、Ca、およびBからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含む。)で表される複合酸化物を含み、
     前記導電材は、炭素材料を含み、
     前記分散剤は、ニトリル基含有ゴムを含み、
     前記フッ素含有重合体の重量平均分子量は、100万以上である、非水電解質二次電池用の正極。
  2.  前記複合酸化物の前記組成式において0.8≦x≦1が満たされる、請求項1に記載の正極。
  3.  前記正極合剤層において、前記フッ素含有重合体の含有率と前記ニトリル基含有ゴムの含有率との合計が1.0質量%以下である、請求項1または2に記載の正極。
  4.  前記正極活物質は、平均粒径が1μm以上で6μm以下である前記複合酸化物を含む、請求項1または2に記載の正極。
  5.  前記正極合剤層は、セルロース誘導体を含む、請求項1または2に記載の正極。
  6.  前記フッ素含有重合体の重量平均分子量は、130万以上である、請求項1または2に記載の正極。
  7.  前記フッ素含有重合体は、一部が変性されたポリフッ化ビニリデンである請求項1または2に記載の正極。
  8.  前記炭素材料は、カーボンナノチューブを含む、請求項1または2に記載の正極。
  9.  前記ニトリル基含有ゴムの重量平均分子量は40000以上である、請求項1または2に記載の正極。
  10.  請求項1または2に記載の正極を含む、非水電解質二次電池。
  11.  非水電解質二次電池の正極用の正極スラリーであって、
     正極活物質、導電材、フッ素含有重合体、分散剤、および液媒体を含み、
     前記正極活物質は、組成式がLiNi(1-x)2-δ(式中、0.6≦x≦1、0<y≦1.2、0≦δ≦0.05、Mは、Co、Mn、Al、Fe、Ti、Sr、Ca、およびBからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含む。)で表される複合酸化物を含み、
     前記導電材は、炭素材料を含み、
     前記分散剤は、ニトリル基含有ゴムを含み、
     前記フッ素含有重合体の重量平均分子量は100万以上である、非水電解質二次電池の正極用の正極スラリー。
  12.  前記複合酸化物の前記組成式において0.8≦x≦1が満たされる、請求項11に記載の正極スラリー。
  13.  前記液媒体を除く成分において、前記フッ素含有重合体の含有率と前記ニトリル基含有ゴムの含有率との合計が1.0質量%以下である、請求項11または12に記載の正極スラリー。
  14.  前記正極活物質は、平均粒径が1μm以上で6μm以下である前記複合酸化物を含む、請求項11または12に記載の正極スラリー。
  15.  セルロース誘導体をさらに含む、請求項11または12に記載の正極スラリー。
  16.  前記フッ素含有重合体の重量平均分子量は、130万以上である、請求項11または12に記載の正極スラリー。
  17.  前記フッ素含有重合体は、一部が変性されたポリフッ化ビニリデンである請求項11または12に記載の正極スラリー。
  18.  前記炭素材料は、カーボンナノチューブを含む、請求項11または12に記載の正極スラリー。
  19.  前記ニトリル基含有ゴムの重量平均分子量は40000以上である、請求項11または12に記載の正極スラリー。
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