JP2017022076A - Negative electrode for lithium ion secondary battery - Google Patents
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Abstract
【課題】電池容量の低下を抑制しつつ、ハイレート過充電時の温度上昇を抑制する。【解決手段】リチウムイオン二次電池用負極は、負極集電箔11と、負極集電箔11上に形成された負極合材層12と、を備える。負極合材層12は、負極集電箔11上に形成された第1層1と、第1層1上に形成された第2層2とを含む。第1層の厚さ(T1)と第2層の厚さ(T2)との合計に対する、第2層の厚さ(T2)の比率は、0.01以上0.1以下である。第1層1は、第1バインダ成分を含有する。第2層2は、第1バインダ成分と組成が異なる第2バインダ成分を、0.5質量%以上5.0質量%以下含有する。第1バインダ成分は、ポリアクリル酸ナトリウムから構成される。第2バインダ成分は、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸およびマレイン酸とアクリル酸との共重合体のうち少なくとも1種から構成される。【選択図】図2PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress a temperature rise during high rate overcharge while suppressing a decrease in battery capacity. A negative electrode for a lithium-ion secondary battery includes a negative electrode current collector foil 11 and a negative electrode mixture layer 12 formed on the negative electrode current collector foil 11. The negative electrode mixture layer 12 includes a first layer 1 formed on the negative electrode current collector foil 11 and a second layer 2 formed on the first layer 1. The ratio of the thickness (T2) of the second layer to the total of the thickness (T1) of the first layer and the thickness (T2) of the second layer is 0.01 or more and 0.1 or less. The first layer 1 contains a first binder component. The second layer 2 contains 0.5% by mass or more and 5.0% by mass or less of a second binder component having a composition different from that of the first binder component. The first binder component is composed of sodium polyacrylate. The second binder component is composed of at least one of polyacrylic acid, polymethacrylic acid, and a copolymer of maleic acid and acrylic acid. [Selection diagram] Figure 2
Description
本発明は、リチウムイオン二次電池用負極に関する。 The present invention relates to a negative electrode for a lithium ion secondary battery.
特開2010−182479号公報(特許文献1)には、2層構造を有する負極合材層が開示されている。当該負極合材層において、各層には同一のバインダ成分が使用されている。 JP 2010-182479 A (Patent Document 1) discloses a negative electrode mixture layer having a two-layer structure. In the negative electrode mixture layer, the same binder component is used for each layer.
従来、負極用のバインダ成分として、水酸化ナトリウム(NaOH)等によって、カルボキシ基(−COOH)が中和処理された水溶性高分子が用いられている。たとえばカルボキシメチルセルロースナトリウム(以下「CMC−Na」と略記する場合がある)、ポリアクリル酸ナトリウム(以下「PAA−Na」と略記する場合がある)等である。しかし、これらのバインダ成分の電池内での挙動については、未だ不明な点も多い。 Conventionally, as a binder component for a negative electrode, a water-soluble polymer in which a carboxy group (—COOH) is neutralized with sodium hydroxide (NaOH) or the like has been used. Examples thereof include sodium carboxymethylcellulose (hereinafter sometimes abbreviated as “CMC-Na”), sodium polyacrylate (hereinafter sometimes abbreviated as “PAA-Na”), and the like. However, there are still many unclear points regarding the behavior of these binder components in the battery.
本発明の目的は、電池容量の低下を抑制しつつ、ハイレート過充電時の温度上昇を抑制することである。 The objective of this invention is suppressing the temperature rise at the time of high-rate overcharge, suppressing the fall of battery capacity.
リチウムイオン二次電池は、負極集電箔と、該負極集電箔上に形成された負極合材層とを備える。負極合材層は、負極集電箔上に形成された第1層と、該第1層上に形成された第2層とを含む。第1層の厚さと第2層の厚さとの合計に対する、該第2層の厚さの比率は、0.01以上0.1以下である。第1層は、第1バインダ成分を含有する。第2層は、第1バインダ成分と組成が異なる第2バインダ成分を、0.5質量%以上5.0質量%以下含有する。第1バインダ成分は、ポリアクリル酸ナトリウムから構成される。第2バインダ成分は、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸およびマレイン酸とアクリル酸との共重合体のうち少なくとも1種から構成される。 The lithium ion secondary battery includes a negative electrode current collector foil and a negative electrode mixture layer formed on the negative electrode current collector foil. The negative electrode mixture layer includes a first layer formed on the negative electrode current collector foil and a second layer formed on the first layer. The ratio of the thickness of the second layer to the total thickness of the first layer and the second layer is 0.01 or more and 0.1 or less. The first layer contains a first binder component. The second layer contains 0.5% by mass or more and 5.0% by mass or less of a second binder component having a composition different from that of the first binder component. The first binder component is composed of sodium polyacrylate. The second binder component is composed of at least one of polyacrylic acid, polymethacrylic acid, and a copolymer of maleic acid and acrylic acid.
本発明者がハイレート過充電時の温度上昇を抑制すべく鋭意検討を行ったところ、カルボキシ基が中和処理されていないバインダ成分、たとえばポリアクリル酸(以下「PAA」と略記する場合がある)を用いることにより、ハイレート過充電時の温度上昇を抑制できることが見出された。すなわち、ハイレート過充電時に析出した金属リチウム(Li)と、バインダ成分に含まれるカルボキシ基との間で下記式(I)に示す反応が進行し、金属Liが消費される。 As a result of intensive studies by the inventor to suppress temperature rise during high-rate overcharge, a binder component in which the carboxy group is not neutralized, such as polyacrylic acid (hereinafter sometimes abbreviated as “PAA”). It was found that the temperature rise during high-rate overcharge can be suppressed by using. That is, the reaction shown in the following formula (I) proceeds between the metal lithium (Li) deposited during the high-rate overcharge and the carboxy group contained in the binder component, and the metal Li is consumed.
(−COOH)n+nLi→(−COOLi)n+nH (I)
これにより金属Liの蓄積に伴う発熱が抑制される。ここで、たとえばPAA−Na等のように、カルボキシ基が中和処理されていると、上記式(I)の反応が生起せず、金属Liが蓄積し、発熱量は大きくなる。
(—COOH) n + nLi → (—COOLi) n + nH (I)
Thereby, the heat generation accompanying accumulation of metal Li is suppressed. Here, when the carboxy group is neutralized, such as PAA-Na, the reaction of the above formula (I) does not occur, the metal Li accumulates, and the calorific value increases.
しかし同時に、PAAのようにカルボキシ基が中和処理されていないバインダ成分を使用すると、電池容量が低下するという課題も見出された。すなわちカルボキシ基と、電解液中のリチウムイオン(Li+)との間でも、上記式(I)に類似した反応が生起し、電池容量に寄与すべきLi+も消費されてしまう。 However, at the same time, a problem has been found that the battery capacity decreases when a binder component whose carboxy group is not neutralized, such as PAA, is used. That is, a reaction similar to the above formula (I) occurs between the carboxy group and the lithium ion (Li + ) in the electrolytic solution, and Li + that should contribute to the battery capacity is consumed.
そこで本発明のリチウムイオン二次電池用負極(以下「負極」と略記する場合がある)では、特定の2層構造を採用することにより、電池容量の低下を抑制しつつ、ハイレート過充電時の温度上昇を抑制する。 Therefore, the negative electrode for a lithium ion secondary battery of the present invention (hereinafter sometimes abbreviated as “negative electrode”) adopts a specific two-layer structure to suppress a decrease in battery capacity and at the time of high-rate overcharge. Reduces temperature rise.
本発明の負極における負極合材層は、第1層と第2層と含む2層構造を有する。ここで第1層の厚さと第2層の厚さとの合計に対する、該第2層の厚さの比率(以下「第2層比率」とも記す)は、0.01以上0.1以下である。すなわち負極合材層は、負極合材層の大部分を占める第1層(基層部)と、第1層上に配置され、第1層より厚さの薄い第2層(最表部)とから構成される。 The negative electrode mixture layer in the negative electrode of the present invention has a two-layer structure including a first layer and a second layer. Here, the ratio of the thickness of the second layer to the total thickness of the first layer and the second layer (hereinafter also referred to as “second layer ratio”) is 0.01 or more and 0.1 or less. . That is, the negative electrode mixture layer includes a first layer (base layer portion) that occupies most of the negative electrode mixture layer, and a second layer (outermost portion) that is disposed on the first layer and is thinner than the first layer. Consists of
第1層は、第1バインダ成分を含有し、第2層は第2バインダ成分を含有する。第1バインダ成分と第2バインダ成分とは組成が異なる。 The first layer contains a first binder component, and the second layer contains a second binder component. The first binder component and the second binder component have different compositions.
第1バインダ成分は、PAA−Naから構成される。PAA−Naに含まれる中和処理されたカルボキシ基(−COONa)は、非常に安定であり、電解液中のLi+との反応性が低い。そのため第1バインダ成分を含有する第1層では、バインダ成分に由来する容量低下が抑制される。前述のように、基層部である第1層は、負極合材層の大部分を占める。したがって負極合材層全体としても、バインダ成分に由来する容量低下が抑制されることになる。 The first binder component is composed of PAA-Na. The neutralized carboxy group (—COONa) contained in PAA-Na is very stable and has low reactivity with Li + in the electrolyte. For this reason, in the first layer containing the first binder component, the capacity reduction derived from the binder component is suppressed. As described above, the first layer that is the base layer occupies most of the negative electrode mixture layer. Therefore, the capacity | capacitance fall resulting from a binder component is suppressed also as the whole negative electrode compound-material layer.
第2バインダ成分は、PAA、ポリメタクリル酸(以下「PMA」と略記する場合がある)およびマレイン酸とアクリル酸との共重合体(以下「P(MA/AA)」と略記する場合がある)のうち少なくとも1種から構成される。PAA、PMAおよびP(MA/AA)は、分子鎖内にカルボキシ基を豊富に含み、金属Liの消費能力が高い。 The second binder component may be abbreviated as PAA, polymethacrylic acid (hereinafter sometimes abbreviated as “PMA”), and a copolymer of maleic acid and acrylic acid (hereinafter referred to as “P (MA / AA)”). ). PAA, PMA and P (MA / AA) contain abundant carboxy groups in the molecular chain and have a high consumption capacity of metallic Li.
負極合材層の最表部は、ハイレート過充電時に最もLi析出が起こり易い部位である。本発明の負極では、当該最表部に、第2バインダ成分を含有する第2層が配置されている。これにより、ハイレート過充電時に生成される金属Liを効率的に消費することができる。ただし前述のように、負極合材層におけるカルボキシ基の存在量が過度に多くなると、電解液中のLi+とカルボキシ基との反応により、電池容量が低下する。ゆえに本発明の負極では、第2バインダ成分の含有量を0.5質量%以上5.0質量%以下の範囲に制限し、さらに前述のように第2層比率を制限している。 The outermost surface portion of the negative electrode mixture layer is a portion where Li precipitation is most likely to occur during high-rate overcharge. In the negative electrode of the present invention, the second layer containing the second binder component is disposed on the outermost portion. Thereby, the metal Li produced | generated at the time of high-rate overcharge can be consumed efficiently. However, as described above, when the amount of the carboxy group in the negative electrode mixture layer is excessively increased, the battery capacity is reduced due to the reaction between Li + and the carboxy group in the electrolytic solution. Therefore, in the negative electrode of the present invention, the content of the second binder component is limited to a range of 0.5% by mass or more and 5.0% by mass or less, and the second layer ratio is limited as described above.
上記によれば、電池容量の低下を抑制しつつ、ハイレート過充電時の温度上昇を抑制できる。 According to the above, it is possible to suppress an increase in temperature during high-rate overcharge while suppressing a decrease in battery capacity.
以下、本発明の実施形態(以下「本実施形態」とも記す)の一例について説明する。ただし本実施形態は、以下の説明に限定されるものではない。以下の説明では、リチウムイオン二次電池を「電池」と略記する場合がある。 Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention (hereinafter also referred to as “this embodiment”) will be described. However, the present embodiment is not limited to the following description. In the following description, the lithium ion secondary battery may be abbreviated as “battery”.
本実施形態では、たとえば「PAA」と「PAA−Na」のように、中和処理の有無によって高分子化合物を区別する。PAA等のCOOH基含有高分子化合物は、中和度が実質的に0%であるものを示す。ここで中和度とは、高分子化合物に含まれる全COOH基のうち、中和処理によってCOONa基に変換されたCOOH基の割合(百分率)を示す。PAA−Na等のカルボキシ基が中和処理された高分子化合物、すなわちCOONa基含有高分子化合物は、中和度が50〜100%であるものを示す。本実施形態において、COONa基含有高分子化合物の中和度は高いほど望ましく、理想的には100%(完全中和物)である。 In the present embodiment, for example, “PAA” and “PAA-Na” are used to distinguish high molecular compounds depending on the presence or absence of neutralization treatment. COOH group-containing polymer compounds such as PAA are those having a neutralization degree of substantially 0%. Here, the degree of neutralization indicates the ratio (percentage) of COOH groups converted to COONa groups by neutralization treatment among all COOH groups contained in the polymer compound. A polymer compound in which a carboxyl group such as PAA-Na is neutralized, that is, a COONa group-containing polymer compound has a neutralization degree of 50 to 100%. In this embodiment, the higher the degree of neutralization of the COONa group-containing polymer compound, the more desirable, and ideally 100% (completely neutralized product).
〔リチウムイオン二次電池用負極〕
図1は、本実施形態に係る負極の構成の一例を示す概略図である。図1に示すように、負極10は、負極集電箔11と、負極集電箔11上に形成された負極合材層12とを備える。負極集電箔は、たとえば銅(Cu)箔である。負極集電箔の厚さは、たとえば5〜20μm程度でよい。負極合材層12から負極集電箔11が露出した露出部13は、外部端子70(図5を参照)との接続のために設けられている。
[Anode for lithium ion secondary battery]
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of the configuration of the negative electrode according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, the
〔負極合材層〕
図2は、本実施形態に係る負極の構成の一例を示す概略断面図である。図2に示すように、負極合材層12は、第1層1と、第1層1とバインダ成分が異なる第2層2とを含む。負極合材層の厚さは、たとえば、10〜150μm程度である。図2中、「T1」は第1層の厚さを示し、「T2」は第2層の厚さを示す。
[Negative electrode mixture layer]
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of the configuration of the negative electrode according to the present embodiment. As shown in FIG. 2, the negative
〔第1層〕
第1層1は、負極集電箔11上に形成されている。第1層は、第1バインダ成分を含有する。たとえば第1層は、第1バインダ成分を0.5〜5.0質量%程度含有する。
[First layer]
The first layer 1 is formed on the negative electrode
〔第1バインダ成分〕
第1バインダ成分は、ポリアクリル酸ナトリウム(PAA−Na)から構成される。PAA−Naは、Li+との反応性が低く、容量低下の要因となり難い。PAA−Naの重量平均分子量は、水溶液粘度および結着性等を考慮して、適宜変更できる。PAA−Naの重量平均分子量は、たとえば1万〜100万程度でもよい。
[First binder component]
The first binder component is composed of sodium polyacrylate (PAA-Na). PAA-Na has low reactivity with Li + and is unlikely to cause a decrease in capacity. The weight average molecular weight of PAA-Na can be changed as appropriate in consideration of the aqueous solution viscosity and binding properties. The weight average molecular weight of PAA-Na may be, for example, about 10,000 to 1,000,000.
第1層において第1バインダ成分以外の残部は、負極活物質、導電材等から構成される。たとえば第1層は、負極活物質を90〜99質量%程度含有する。負極活物質は、たとえば黒鉛、易黒鉛化性炭素、難黒鉛化性炭素等であってもよい。導電材は、たとえばアセチレンブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック類であってもよい。 The remainder other than the first binder component in the first layer is composed of a negative electrode active material, a conductive material and the like. For example, the first layer contains about 90 to 99% by mass of the negative electrode active material. The negative electrode active material may be, for example, graphite, graphitizable carbon, non-graphitizable carbon, or the like. The conductive material may be carbon blacks such as acetylene black and thermal black.
第1バインダ成分は、PAA−Na以外に、その他のバインダ成分を含有していてもよい。その他のバインダ成分としては、たとえばスチレンブタジエンゴム(SBR)、アクリロニトリルブタジエンゴム(NBR)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等が挙げられる。 The first binder component may contain other binder components in addition to PAA-Na. Examples of other binder components include styrene butadiene rubber (SBR), acrylonitrile butadiene rubber (NBR), polytetrafluoroethylene (PTFE), and the like.
ただし第1バインダ成分は、たとえばポリアクリル酸(PAA)等の中和処理されていないカルボキシ基を含む、バインダ成分を含有しないことが望ましい。電池容量の低下を抑制するためである。また第1バインダ成分は、カルボキシメチルセルロースナトリウム(CMC−Na)も含有しないことが望ましい。CMC−Naは、PAA−Naと同様に中和処理されたカルボキシ基を含む高分子化合物ではあるが、第1バインダ成分がCMC−Naを含有すると、第1層と後述の第2層との界面で剥離を生じる可能性がある。 However, it is desirable that the first binder component does not contain a binder component including a carboxy group that has not been neutralized, such as polyacrylic acid (PAA). This is to suppress a decrease in battery capacity. Moreover, it is desirable that the first binder component does not contain sodium carboxymethyl cellulose (CMC-Na). CMC-Na is a polymer compound containing a carboxy group that has been neutralized in the same manner as PAA-Na, but when the first binder component contains CMC-Na, the first layer and the second layer described later are included. Peeling may occur at the interface.
〔第2層〕
第2層2は、第1層1上に形成されている。第2層は、第1バインダ成分と組成が異なる第2バインダ成分を、0.5質量%以上5.0質量%以下含有する。第1層と同様に、第2層においても、第2バインダ成分以外の残部は、前述の負極活物質、導電材等から構成される。
[Second layer]
The
第2バインダ成分は、ポリアクリル酸(PAA)、ポリメタクリル酸(PMA)およびマレイン酸とアクリル酸との共重合体(P(MA/AA))のうち少なくとも1種から構成される。これらの高分子化合物は、分子鎖内にカルボキシ基を豊富に含み、金属Liの消費能力が高い。 The second binder component is composed of at least one of polyacrylic acid (PAA), polymethacrylic acid (PMA), and a copolymer of maleic acid and acrylic acid (P (MA / AA)). These polymer compounds contain abundant carboxy groups in the molecular chain and have a high consumption capacity of metal Li.
第2バインダ成分の含有量が0.5質量%未満になると、ハイレート過充電時において温度上昇の抑制効果が不十分になる可能性がある。また第2バインダ成分の含有量が5.0質量%を超えると、電池容量が低下する場合がある。第2バインダ成分の含有量は、0.5質量%以上2.0質量%以下としてもよいし、2.0質量%以上5.0質量%以下としてもよい。PAA、PMAおよびP(MA/AA)の重量平均分子量は、水溶液粘度および結着性等を考慮して適宜変更できる。PAA、PMAおよびP(MA/AA)の重量平均分子量は、たとえば1万〜100万程度でもよい。 If the content of the second binder component is less than 0.5% by mass, the effect of suppressing the temperature rise during high-rate overcharge may be insufficient. On the other hand, if the content of the second binder component exceeds 5.0% by mass, the battery capacity may decrease. The content of the second binder component may be 0.5% by mass or more and 2.0% by mass or less, or 2.0% by mass or more and 5.0% by mass or less. The weight average molecular weights of PAA, PMA and P (MA / AA) can be appropriately changed in consideration of the aqueous solution viscosity, binding property and the like. The weight average molecular weight of PAA, PMA and P (MA / AA) may be, for example, about 10,000 to 1,000,000.
P(MA/AA)は、ブロック共重合体でもよいし、グラフト共重合体でもよいし、交互共重合体でもよいし、ランダム共重合体でもよい。共重合体におけるマレイン酸(MA)とアクリル酸(AA)との構成比(モル比)は、たとえばMA:AA=1:9〜9:1程度でよい。 P (MA / AA) may be a block copolymer, a graft copolymer, an alternating copolymer, or a random copolymer. The constituent ratio (molar ratio) of maleic acid (MA) and acrylic acid (AA) in the copolymer may be, for example, about MA: AA = 1: 9 to 9: 1.
第2バインダ成分も、PAA、PMAおよびP(MA/AA)の他、前述したSBR等のその他のバインダ成分を含有していてもよい。ただし第2バインダ成分は、カルボキシメチルセルロース(CMC)を含有しないことが望ましい。CMCでは、分子鎖に含まれるカルボキシ基が少ない。そのため、第2バインダ成分がCMCを含有すると、本実施形態に期待される効果が低減する可能性がある。また第2バインダ成分は、PAA−Na等の中和処理されたカルボキシ基を含む、バインダ成分も含有しないことが望ましい。第2バインダ成分がPAA−Na等を含有すると、温度上昇の抑制効果が低減するためである。 The second binder component may also contain other binder components such as SBR described above in addition to PAA, PMA and P (MA / AA). However, it is desirable that the second binder component does not contain carboxymethyl cellulose (CMC). In CMC, there are few carboxy groups contained in a molecular chain. Therefore, when the second binder component contains CMC, the effect expected in the present embodiment may be reduced. The second binder component preferably contains no binder component including a neutralized carboxy group such as PAA-Na. This is because when the second binder component contains PAA-Na or the like, the effect of suppressing the temperature rise is reduced.
〔第2層比率〕
第2層比率、すなわち第1層の厚さ(T1)と第2層の厚さ(T2)との合計に対する、第2層の厚さ(T2)の比率は、下記式(II)によって求められる。
[2nd layer ratio]
The ratio of the second layer thickness (T2) to the second layer ratio, that is, the sum of the first layer thickness (T1) and the second layer thickness (T2) is obtained by the following formula (II). It is done.
[第2層比率]=T2÷(T1+T2) (II)
本実施形態において第2層比率は、0.01以上0.1以下とする。第2層比率が0.01未満になると、温度上昇の抑制効果が低減する場合がある。第2層比率が0.1を超えると、電池容量が低下する場合がある。第2層比率は、0.01以上0.05以下としてもよいし、0.05以上0.1以下としてもよい。
[Second layer ratio] = T2 ÷ (T1 + T2) (II)
In the present embodiment, the second layer ratio is 0.01 or more and 0.1 or less. When the second layer ratio is less than 0.01, the effect of suppressing the temperature rise may be reduced. If the second layer ratio exceeds 0.1, the battery capacity may decrease. The second layer ratio may be 0.01 or more and 0.05 or less, or 0.05 or more and 0.1 or less.
〔リチウムイオン二次電池用負極の製造方法〕
本実施形態の負極は、従来公知の方法で製造することができる。たとえば第1層となるべき第1負極塗料と、第2層となるべき第2負極塗料とをそれぞれ作製し、負極集電箔上に順次塗工、乾燥させればよい。この際、第1層を乾燥させた後、その上に第2負極塗料を塗工すると、両者の界面において第1層が再び塗料状態となり、第1層と第2層とが互いに相溶した領域が形成されることがある。しかし負極合材層が前述の第1層および第2層を含む限り、本実施形態に期待される効果は示される。
[Method for producing negative electrode for lithium ion secondary battery]
The negative electrode of this embodiment can be manufactured by a conventionally known method. For example, a first negative electrode paint to be the first layer and a second negative electrode paint to be the second layer may be respectively prepared, and sequentially coated and dried on the negative electrode current collector foil. At this time, after the first layer was dried, when the second negative electrode paint was applied thereon, the first layer again became a paint state at the interface between them, and the first layer and the second layer were compatible with each other. A region may be formed. However, as long as the negative electrode mixture layer includes the first layer and the second layer described above, the effect expected in the present embodiment is shown.
また本実施形態では、塗料を経由することなく、造粒粒子の集合体である造粒体を作製し、該造粒体をロール成形することにより、負極合材層を形成する等の態様も採用することができる。 Further, in the present embodiment, there is also an aspect such as forming a negative electrode mixture layer by producing a granulated body that is an aggregate of granulated particles without going through a paint, and roll-forming the granulated body. Can be adopted.
以下、実施例を用いて本実施形態を説明するが、本実施形態はこれらに限定されるものではない。以下では、一例として角形電池への適用例を示すが、本実施形態は角形電池に限定されず、円筒形電池、ラミネート式電池等にも適用可能である。 Hereinafter, although this embodiment is described using an example, this embodiment is not limited to these. In the following, an example of application to a prismatic battery is shown as an example, but this embodiment is not limited to a prismatic battery, and can also be applied to a cylindrical battery, a laminated battery, and the like.
〔リチウムイオン二次電池の作製〕
以下のように、各種負極およびこれを用いた評価用電池(設計容量:25Ah)を作製し、電池性能を評価した。
[Production of lithium ion secondary battery]
Various negative electrodes and evaluation batteries (design capacity: 25 Ah) using the negative electrodes were prepared as follows, and the battery performance was evaluated.
〔比較例1〕
1.負極の作製
以下の材料を準備した
負極活物質 :天然黒鉛
バインダ成分:CMC−Na、SBR
溶媒 :水
負極集電箔 :Cu箔(厚さ:10μm)。
[Comparative Example 1]
1. Preparation of negative electrode The following materials were prepared: Negative electrode active material: Natural graphite Binder component: CMC-Na, SBR
Solvent: Water Negative electrode current collector foil: Cu foil (thickness: 10 μm).
混練装置を用いて、負極活物質(97質量部)、CMC−Na(2質量部)およびSBR(1質量部)を水中で混練することにより、固形分濃度が50質量%である負極塗料を作製した。ダイコータを用いて、負極集電箔の両面に負極塗料を塗工し、乾燥させることにより、単一層である負極合材層を形成した。ロール圧延機を用いて、負極合材層を圧延した。圧延後の負極合材層の厚さ(片側)は、100μmに調整した。さらに所定の寸法に切断加工した。以上より、比較例1に係る負極を作製した。図1に示す各部の寸法は次のとおりとした。 Using a kneading apparatus, a negative electrode active material (97 parts by mass), CMC-Na (2 parts by mass) and SBR (1 part by mass) are kneaded in water to obtain a negative electrode paint having a solid content concentration of 50% by mass. Produced. Using a die coater, a negative electrode paint was applied to both surfaces of the negative electrode current collector foil and dried to form a negative electrode mixture layer as a single layer. The negative electrode mixture layer was rolled using a roll mill. The thickness (one side) of the negative electrode mixture layer after rolling was adjusted to 100 μm. Further, it was cut into predetermined dimensions. From the above, a negative electrode according to Comparative Example 1 was produced. The dimensions of each part shown in FIG. 1 were as follows.
負極合材層12の幅W12:80.9mm
露出部13の幅W13 :20mm。
Width W12 of negative electrode mixture layer 12: 80.9 mm
The width W13 of the exposed portion 13: 20 mm.
2.正極の作製
以下の材料を準備した
正極活物質 :LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2
導電材 :アセチレンブラック
バインダ成分:ポリフッ化ビニリデン
溶媒 :N−メチル−2−ピロリドン
正極集電箔 :アルミニウム(Al)箔(厚さ:20μm)。
2. Preparation of positive electrode The following materials were prepared: Positive electrode active material: LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2
Conductive material: Acetylene black Binder component: Polyvinylidene fluoride Solvent: N-methyl-2-pyrrolidone Positive electrode current collector foil: Aluminum (Al) foil (thickness: 20 μm).
混練装置を用いて、正極活物質、導電材およびバインダ成分を溶媒中で混練することにより、正極塗料を作製した。ダイコータを用いて、正極集電箔の両面に正極塗料を塗工し、乾燥させることにより、正極合材層を形成した。ロール圧延機を用いて、正極合材層を圧延し、さらに所定の寸法に切断加工した。以上より、図3に示す正極20を作製した。図3に示す各部の寸法は次のとおりとした。
A positive electrode paint was prepared by kneading the positive electrode active material, the conductive material, and the binder component in a solvent using a kneader. Using a die coater, a positive electrode paint layer was applied to both surfaces of the positive electrode current collector foil and dried to form a positive electrode mixture layer. The positive electrode mixture layer was rolled using a roll rolling machine, and further cut into predetermined dimensions. From the above, the
正極合材層22の幅W22:78mm
露出部23の幅W23 :20mm
ここで露出部23とは、図3に示すように正極集電箔21が正極合材層22から露出した部分を示す。
Width W22 of positive electrode mixture layer 22: 78 mm
The width W23 of the exposed part 23: 20 mm
Here, the exposed
3.組み立て
ポリエチレン製の微多孔膜セパレータ(幅:63mm)を準備した。図4に示すように、セパレータ30を挟んで、負極10と正極20とを積層し、これらを巻回することにより、電極群80を構成した。
3. Assembly A microporous membrane separator (width: 63 mm) made of polyethylene was prepared. As shown in FIG. 4, the
図5に示す、Al合金製の電池ケース50を準備した。電池ケースの板厚は1mmとし、電池ケースの外形寸法は縦75mm×幅120mm×奥行15mmとした。図5に示すように、露出部13,23と外部端子70,72とを接続し、さらに電極群80を電池ケース50に収容した。
A
4.注液
エチレンカーボネート(EC)、エチルメチルカーボネート(EMC)およびジエチルカーボネート(DEC)を体積比でEC:EMC:DEC=3:5:2となるように混合することにより、混合溶媒を調製した。さらに混合溶媒に、LiPF6をその濃度が1.0mоl/Lとなるように溶解させることにより、電解液を調製した。
4). Injection Solution A mixed solvent was prepared by mixing ethylene carbonate (EC), ethyl methyl carbonate (EMC), and diethyl carbonate (DEC) in a volume ratio of EC: EMC: DEC = 3: 5: 2. Furthermore, an electrolytic solution was prepared by dissolving LiPF 6 in a mixed solvent so that its concentration was 1.0 mol / L.
電池ケース50に設けられた注液口(図示せず)から、電解液81を注入した。その後、電池ケース50を密閉した。以上より比較例1に係る電池100を作製した。
An
〔比較例2および3〕
表1に示すように、CMC−Naに代えてPAA−Na等を用いることを除いては、比較例1と同様にして、負極および電池をそれぞれ作製した。表1中、単一層の負極合材層を備える比較例1〜4は、便宜上、第1層の欄に、負極合材層全体のバインダ成分等を記している。
[Comparative Examples 2 and 3]
As shown in Table 1, a negative electrode and a battery were produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that PAA-Na or the like was used instead of CMC-Na. In Table 1, Comparative Examples 1 to 4 including a single negative electrode mixture layer have the binder component of the entire negative electrode mixture layer and the like written in the column of the first layer for convenience.
〔比較例4〕
表1に示すように、比較例1におけるCMC−Na(2質量部)に代えて、PAA(1質量部)およびPAA−Na(1質量部)を用いることを除いては、比較例1と同様にして、負極および電池を作製した。表1中、「PAA:PAA−Na=1:1」は、PAAとPAA−Naとの質量比が1対1であることを示している。
[Comparative Example 4]
As shown in Table 1, in place of CMC-Na (2 parts by mass) in Comparative Example 1, PAA (1 part by mass) and PAA-Na (1 part by mass) were used, except for Comparative Example 1. Similarly, a negative electrode and a battery were produced. In Table 1, “PAA: PAA-Na = 1: 1” indicates that the mass ratio of PAA to PAA-Na is 1: 1.
〔実施例1〕
混練装置を用いて、負極活物質(97質量部)と、第1バインダ成分としてPAA−Na(2質量部)およびSBR(1質量部)とを水中で混練することにより、固形分濃度が50質量%である第1負極塗料を作製した。ダイコータを用いて、負極集電箔の両面に第1負極塗料を塗工し、乾燥させることにより、第1層を形成した。第1層の塗工量(単位面積あたりの質量)は、圧延後の厚さが95μmとなるように調整した。ここで第1層の密度設定(圧延後)は、比較例1の負極合材層の密度設定(圧延後)と同一とした。
[Example 1]
Using a kneading apparatus, the negative electrode active material (97 parts by mass) and PAA-Na (2 parts by mass) and SBR (1 part by mass) as the first binder component are kneaded in water, so that the solid content concentration is 50. The 1st negative electrode coating material which is the mass% was produced. Using a die coater, the first negative electrode paint was applied to both surfaces of the negative electrode current collector foil and dried to form a first layer. The coating amount (mass per unit area) of the first layer was adjusted so that the thickness after rolling was 95 μm. Here, the density setting (after rolling) of the first layer was the same as the density setting (after rolling) of the negative electrode mixture layer of Comparative Example 1.
混練装置を用いて、負極活物質(97質量部)と、第2バインダ成分としてPAA(2質量部)およびSBR(1質量部)とを水中で混練することにより、固形分濃度が50質量%である第2負極塗料を作製した。ダイコータを用いて、第1層上に第2負極塗料を塗工し、乾燥させることにより第2層を形成した。第2層の塗工量は、圧延後の厚さが5μmとなるように調整した。ここで第2層の密度設定(圧延後)は、比較例1の負極合材層の密度設定(圧延後)と同一とした。 Using a kneader, the negative electrode active material (97 parts by mass) and PAA (2 parts by mass) and SBR (1 part by mass) as the second binder component are kneaded in water, so that the solid content concentration is 50% by mass. A second negative electrode paint was prepared. The second negative electrode paint was applied on the first layer using a die coater and dried to form the second layer. The coating amount of the second layer was adjusted so that the thickness after rolling was 5 μm. Here, the density setting (after rolling) of the second layer was the same as the density setting (after rolling) of the negative electrode mixture layer of Comparative Example 1.
第2層を形成した後、ロール圧延機を用いて、負極合材層を圧延し、さらに所定の寸法に切断加工した。以上より、実施例1に係る負極を作製した。さらに比較例1と同様にして、電池を作製した。 After forming the second layer, the negative electrode mixture layer was rolled using a roll mill, and further cut into predetermined dimensions. From the above, the negative electrode according to Example 1 was produced. Further, a battery was produced in the same manner as in Comparative Example 1.
〔実施例2〜7ならびに比較例5〜10〕
表1に示すように、第1バインダ成分および第2バインダ成分の種類、第2バインダ成分の含有量、ならびに第2層比率を変更することを除いては、実施例1と同様にして、負極および電池をそれぞれ作製した。
[Examples 2-7 and Comparative Examples 5-10]
As shown in Table 1, in the same manner as in Example 1, except that the types of the first binder component and the second binder component, the content of the second binder component, and the ratio of the second layer were changed, the negative electrode And batteries were prepared respectively.
〔評価〕
以下のようにして、上記で作製した各電池を評価した。以下の説明において、電流の単位「C」は電池の設計容量を1時間で放電しきる電流を示すものとする。また「CC」は定電流方式を、「CCCV」は定電流−定電圧方式をそれぞれ示すものとする。
[Evaluation]
Each battery produced above was evaluated as follows. In the following description, it is assumed that the unit of current “C” indicates a current that can completely discharge the design capacity of the battery in one hour. “CC” represents a constant current method, and “CCCV” represents a constant current-constant voltage method.
1.電池容量の測定
1Cの電流で電池を4.2Vまで充電した。5分間の休止を挟み、1Cの電流で電池を2.5Vまで放電した。さらに以下の条件で充放電を行い、初期放電容量(電池容量)を測定した。結果を表1に示す。表1に示すように、たとえば比較例3では、設計容量が25Ahであるにもかかわらず、実際の電池容量は20.5Ahまで低下している。
1. Measurement of battery capacity The battery was charged to 4.2 V with a current of 1C. The battery was discharged to 2.5 V with a current of 1 C with a 5-minute pause. Furthermore, charging / discharging was performed under the following conditions, and the initial discharge capacity (battery capacity) was measured. The results are shown in Table 1. As shown in Table 1, for example, in Comparative Example 3, the actual battery capacity is reduced to 20.5 Ah even though the design capacity is 25 Ah.
CCCV充電:CC電流=1.0C、CV電圧=4.2V、終止電流=0.01C
CCCV放電:CC電流=1.0C、CV電圧=3.0V、終止電流=0.01C。
CCCV charge: CC current = 1.0C, CV voltage = 4.2V, end current = 0.01C
CCCV discharge: CC current = 1.0C, CV voltage = 3.0V, end current = 0.01C.
2.ハイレート過充電試験
以下の条件でハイレート過充電試験を行った。試験中、電池の温度は、電池ケースに取り付けた熱電対により計測した。この試験における電池の最高到達温度を表1に示す。表1中、最高到達温度が低いほど、温度上昇が小さく良好といえる。
2. High-rate overcharge test A high-rate overcharge test was conducted under the following conditions. During the test, the temperature of the battery was measured with a thermocouple attached to the battery case. Table 1 shows the maximum temperature reached by the battery in this test. In Table 1, it can be said that the lower the maximum temperature reached, the smaller the temperature rise and the better.
CC電流:10C(250A)
上限電圧:4.5V。
CC current: 10C (250A)
Upper limit voltage: 4.5V.
〔結果と考察〕
1.実施例1〜7
表1から分かるように、以下の(a)〜(e)の条件をすべて満たす、実施例の負極を備えるリチウムイオン二次電池では、電池容量の低下が小さく、なおかつハイレート過充電時の温度上昇が小さい。
〔Results and discussion〕
1. Examples 1-7
As can be seen from Table 1, in the lithium ion secondary battery provided with the negative electrode of the example that satisfies all the following conditions (a) to (e), the battery capacity decrease is small, and the temperature rise during high-rate overcharge Is small.
(a)負極合材層が第1層と第2層とを含む。
(b)第2層比率が0.01以上0.1以下である。
(c)第1バインダ成分がPAA−Naから構成される。
(d)第2バインダ成分がPAA、PMAおよびP(MA/AA)のうち少なくとも1種から構成される。
(e)第2バインダ成分の含有量が0.5質量%以上5.0質量%以下である。
(A) The negative electrode mixture layer includes a first layer and a second layer.
(B) The second layer ratio is 0.01 or more and 0.1 or less.
(C) The first binder component is composed of PAA-Na.
(D) The second binder component is composed of at least one of PAA, PMA and P (MA / AA).
(E) Content of 2nd binder component is 0.5 mass% or more and 5.0 mass% or less.
2.比較例1〜4
負極合材層が単一層の場合、いずれのバインダ成分を用いても、容量低下の抑制と、ハイレート過充電時の温度上昇の抑制との両立が困難である。
2. Comparative Examples 1-4
When the negative electrode composite material layer is a single layer, it is difficult to achieve both suppression of capacity reduction and suppression of temperature increase during high-rate overcharge, regardless of which binder component is used.
3.比較例5および6
上記(b)に関し、第2層比率が0.01未満であると、過充電時の温度上昇が大きい(比較例5)。また第2層比率が0.1を超えると、容量低下が大きい(比較例6)。
3. Comparative Examples 5 and 6
Regarding (b) above, if the second layer ratio is less than 0.01, the temperature rise during overcharge is large (Comparative Example 5). On the other hand, when the ratio of the second layer exceeds 0.1, the capacity reduction is large (Comparative Example 6).
4.比較例7
第1バインダ成分にCMC−Naを用いた比較例7は、過充電時の温度上昇が大きい。第1層と第2層との界面で剥離を生じ、それにより電極抵抗が増加し、Li析出量が多くなったと考えられる。
4). Comparative Example 7
In Comparative Example 7 using CMC-Na as the first binder component, the temperature rise during overcharge is large. It is considered that peeling occurred at the interface between the first layer and the second layer, thereby increasing the electrode resistance and increasing the amount of Li deposition.
5.比較例8
第2バインダ成分にCMCを用いた比較例8も、過充電時の温度上昇が大きい。CMCでは、分子鎖に含まれるカルボキシ基の数が少ないため、金属Liの消費が不十分になったと考えられる。
5. Comparative Example 8
In Comparative Example 8 in which CMC is used as the second binder component, the temperature rise during overcharge is large. In CMC, since the number of carboxy groups contained in the molecular chain is small, it is considered that the consumption of metal Li is insufficient.
6.比較例9および10
上記(e)に関し、PAA等の含有量が0.5質量%未満になると、過充電時の温度上昇が大きい(比較例9)。またPAA等の含有量が5.0質量%を超えると、容量低下が大きい(比較例10)。
6). Comparative Examples 9 and 10
Regarding (e) above, when the content of PAA or the like is less than 0.5% by mass, the temperature rise during overcharge is large (Comparative Example 9). Moreover, when content, such as PAA, exceeds 5.0 mass%, a capacity | capacitance fall is large (comparative example 10).
今回開示された実施形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
1 第1層、2 第2層、10 負極、11 負極集電箔、12 負極合材層、13,23 露出部、20 正極、21 正極集電箔、22 正極合材層、30 セパレータ、50 電池ケース、70,72 外部端子、80 電極群、81 電解液、100 電池。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st layer, 2nd layer, 10 negative electrode, 11 negative electrode current collector foil, 12 negative electrode compound material layer, 13, 23 exposed part, 20 positive electrode, 21 positive electrode current collector foil, 22 positive electrode compound material layer, 30 separator, 50 Battery case, 70, 72 external terminal, 80 electrode group, 81 electrolyte, 100 battery.
Claims (1)
前記負極集電箔上に形成された負極合材層と、を備え、
前記負極合材層は、前記負極集電箔上に形成された第1層と、前記第1層上に形成された第2層とを含み、
前記第1層の厚さと前記第2層の厚さとの合計に対する、前記第2層の厚さの比率は、0.01以上0.1以下であり、
前記第1層は、第1バインダ成分を含有し、
前記第2層は、前記第1バインダ成分と組成が異なる第2バインダ成分を、0.5質量%以上5.0質量%以下含有し、
前記第1バインダ成分は、ポリアクリル酸ナトリウムから構成され、
前記第2バインダ成分は、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸およびマレイン酸とアクリル酸との共重合体のうち少なくとも1種から構成される、リチウムイオン二次電池用負極。 Negative electrode current collector foil;
A negative electrode mixture layer formed on the negative electrode current collector foil,
The negative electrode mixture layer includes a first layer formed on the negative electrode current collector foil, and a second layer formed on the first layer,
The ratio of the thickness of the second layer to the sum of the thickness of the first layer and the thickness of the second layer is 0.01 or more and 0.1 or less,
The first layer contains a first binder component;
The second layer contains a second binder component having a composition different from that of the first binder component, in a range of 0.5 mass% to 5.0 mass%,
The first binder component is composed of sodium polyacrylate,
The said 2nd binder component is a negative electrode for lithium ion secondary batteries comprised from at least 1 sort (s) among the copolymer of polyacrylic acid, polymethacrylic acid, and a maleic acid and acrylic acid.
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