JP2022102228A - 二次電池用の負極、負極用スラリー、及び、負極の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の一実施形態は、非水電解質二次電池に係るものである。本実施形態に係る非水電解質二次電池は、負極、正極、負極と正極との間に介在するセパレータ、及び非水電解質を含む。当該二次電池の具体例としては、高いエネルギー密度、放電電圧、出力安定性などの長所を有するリチウムイオン二次電池が挙げられる。
負極は、負極集電体と、負極集電体の一面上又は両面上に形成された負極活物質層を含む。負極活物質層は、負極集電体の面全体に形成されてもよく、一部のみに形成されてもよい。
負極に使用される負極集電体は、電池に化学的変化を誘発せず、かつ、導電性を有するものであれば、特に制限されない。例えば、負極集電体として、銅;ステンレス鋼;アルミニウム;ニッケル;チタン;焼成炭素;銅又はステンレス鋼の表面に炭素、ニッケル、チタン、銀などで表面処理したもの;アルミニウム‐カドミウム合金などが使用され得る。
負極活物質層は、例えば、負極活物質、バインダー、及び導電材の混合物が溶媒中に溶解又は分散した負極用スラリーを負極集電体に塗布した後、乾燥及び圧延することにより、又は、上記の負極用スラリーを別の支持体上にキャストした後、その支持体から剥離して得られたフィルムを負極集電体上にラミネートすることにより、形成され得る。上記混合物は、必要に応じて、さらに分散剤や充填材その他の任意の添加剤を含み得る。
実施形態に係るリチウムイオン二次電池において、負極活物質は、黒鉛系材料と、珪素系材料と、を少なくとも含む。
バインダーは、活物質と導電材との結合や集電体との結合などを促進する成分として添加される。バインダーの例としては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリアクリロニトリル、カルボキシメチルセルロース(CMC)、澱粉、ヒドロキシプロピルセルロース、再生セルロース、ポリビニルピロリドン、テトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン‐プロピレン‐ジエンポリマー(EPDM)、スルホン化EPDM、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリアクリル酸、アクリルアミド、ポリイミド、フッ素ゴム、これらの種々の共重合体などが挙げられ、これらのうち1種又は2種以上の混合物が用いられ得るが、これらに限定されるものではない。
導電材は、化学変化を誘発しない電気伝導性材料であれば、特に制限されない。導電材の例としては、人造黒鉛、天然黒鉛、カーボンナノチューブ、グラフェン、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、デンカブラック、サーマルブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、炭素繊維などの炭素系材料(負極活物質としての炭素系材料とは別途添加される炭素系材料);アルミニウム、スズ、ビスマス、シリコン、アンチモン、ニッケル、銅、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、亜鉛、モリブデン、タングステン、銀、金、ランタン、ルテニウム、白金、イリジウムなどの金属粉末や金属繊維;酸化亜鉛、チタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー;酸化チタンなどの導電性金属酸化物;ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリフェニレン誘導体などの導電性高分子などが挙げられ、これらのうち1種又は2種以上の混合物が用いられ得るが、これらに限定されるものではない。
負極用スラリーは、増粘剤をさらに含むことができる。具体的に、増粘剤はセルロース系化合物であり得る。セルロース系化合物としては、カルボキシメチルセルロース(CMC)、メチルセルロース(MC)、ヒドロキシプロピルセルロース(HPC)、メチルヒドロキシプロピルセルロース(MHPC)、エチルヒドロキシエチルセルロース(EHEC)、メチルエチルヒドロキシエチルセルロース(MEHEC)等が挙げられ、これらのうちいずれか一種又は二種以上の組み合わせが使用され得る。増粘剤は、負極活物質層の総重量を基準として、例えば0.5重量%以上10重量%以下の量で含まれ得る。
負極用スラリーにおいて使用される溶媒は、一般に負極の製造に使用されるものであれば特に制限されない。溶媒の例としては、純水、N‐メチル‐2‐ピロリドン(NMP)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、イソプロピルアルコール、アセトンなどが挙げられ、これらのうち1種又は2種以上の混合物が用いられ得るが、これらに限定されるものではない。
実施形態に係るリチウムイオン二次電池用の負極の製造方法は、(1)負極用スラリーを調製するステップ;(2)負極用スラリーの固練りを行うステップ;(3)負極用スラリーから負極を製造するステップを含み得る。
負極活物質としての黒鉛系材料(人造黒鉛と天然黒鉛の造粒体)と珪素系材料、導電材、増粘剤、バインダー、及び溶媒を用意する。必要に応じて、分散剤や充填材その他の任意の添加剤を用意する。増粘剤は予め溶媒(水、NMPなど)に溶解させておくと使い易い。そして、これらの材料を混合して、負極用スラリーを調製する。具体的には、まずはじめに、導電材と増粘剤、分散剤等に溶媒を加えて混合し、その後に珪素系材料と黒鉛系材料を投入する。増粘剤を併用しないバインダーを用いる場合には、増粘剤の代わりにバインダーの一部を投入する。
次いで、(1)で調製された負極用スラリーの固練り(hard mixing、混錬とも称される)を行う。固練りは、例えば、自転公転攪拌機(planetary centrifugal mixer)を用いる等の公知の方法で行われ得る。
固練り終了後に、バインダーを全量投入し、溶媒で固形分濃度が50重量%程度となるように調整し、さらに混合を行う。最後に塗布しやすい固形分濃度となるように溶媒で調整し、軽く混合する。このようにして製造した負極用スラリーを負極集電体に塗布した後、乾燥及び圧延することにより、負極集電体上に負極活物質層が形成された負極が製造され得る。負極用スラリーの塗布の前に、塗布を容易にするため固練り後のスラリーに溶媒を更に加えた上で、塗布を行ってもよい。
実施形態に係るリチウムイオン二次電池において、正極は、正極集電体及び当該正極集電体の一面上又は両面上に形成された正極活物質層を含む。正極活物質層は、正極集電体の面全体に形成されてもよく、一部のみに形成されてもよい。
正極に使用される正極集電体は、電池に化学的変化を誘発せず、導電性を有するものであれば、特に制限されない。例えば、正極集電体として、ステンレス鋼;アルミニウム;ニッケル;チタン;焼成炭素;アルミニウム又はステンレス鋼の表面に炭素、ニッケル、チタン、銀などで表面処理したものなどが使用され得る。
正極活物質層は、例えば、正極活物質、導電材、及びバインダーの混合物が溶媒中に溶解及び分散した正極用スラリーを正極集電体に塗布した後、乾燥及び圧延することにより形成され得る。上記混合物は、必要に応じて、さらに増粘剤、分散剤や充填材その他の任意の添加剤を含み得る。
正極活物質としては、リチウムの可逆的な挿入(インターカレーション)及び脱離(デインターカレーション)が可能な化合物が使用できる。具体的な例としては、例えば、コバルト、マンガン、ニッケル、銅、バナジウム、アルミニウムなどの1種以上の金属とリチウムとを含むリチウム金属複合酸化物が挙げられる。より具体的には、そのようなリチウム金属複合酸化物として、リチウム‐マンガン系酸化物(例えば、LiMnO2、LiMnO3、LiMn2O3、LiMn2O4など);リチウム‐コバルト系酸化物(例えば、LiCoO2など);リチウム‐ニッケル系酸化物(例えば、LiNiO2など);リチウム‐銅系酸化物(例えば、Li2CuO2など);リチウム‐バナジウム系酸化物(例えば、LiV3O8など);リチウム‐ニッケル‐マンガン系酸化物(例えば、LiNi1-zMnzO2(0<z<1)、LiMn2-zNizO4(0<z<2)など);リチウム‐ニッケル‐コバルト系酸化物(例えば、LiNi1-yCoyO2(0<y<1)など);リチウム‐マンガン‐コバルト系酸化物(例えば、LiCo1-zMnzO2(0<z<1)、LiMn2-yCoyO4(0<y<2)など);リチウム‐ニッケル‐マンガン‐コバルト系酸化物(例えば、Li(NixCoyMnz)O2(0<x<1、0<y<1、0<z<1、x+y+z=1)、Li(NixCoyMnz)O4(0<x<2、0<y<2、0<z<2、x+y+z=2)など);リチウム‐ニッケル‐コバルト‐金属(M)酸化物(例えば、Li(NixCoyMnzMw)O2(MはAl、Fe、V、Cr、Ti、Ta、Mg、及びMoからなる群より選択され、0<x<1、0<y<1、0<z<1、0<w<1、x+y+z+w=1)など);これらの化合物中の遷移金属元素が部分的に他の1種又は2種以上の金属元素で置換された化合物などが挙げられる。正極活物質層は、これらのうちいずれか1つ又は2つ以上の化合物を含むことができる。ただし、これらのみに限定されるものではない。
正極用スラリーに使用されるバインダー及び導電材の種類及び含有量は、負極について説明したものと同様であり得る。
正極用スラリーにおいて使用される溶媒は、一般に正極の製造に使用されるものであれば特に制限されない。溶媒の例としては、純水、N,N‐ジメチルアミノプロピルアミン、ジエチレントリアミン、N,N‐ジメチルホルムアミド(DMF)などのアミン系溶媒、テトラヒドロフランなどのエーテル系溶媒、メチルエチルケトンなどのケトン系溶媒、アセト酸メチルなどのエステル系溶媒、ジメチルアセトアミド、1‐メチル‐2‐ピロリドン(NMP)などのアミド系溶媒、ジメチルスルホキシド(DMSO)などが挙げられ、これらのうち1種又は2種以上の混合物が用いられ得るが、これらに限定されるものではない。
実施形態に係るリチウムイオン二次電池用の正極の製造方法は、正極活物質を、必要に応じてバインダー、導電材、増粘剤などとともに溶媒に溶解又は分散させることにより正極用スラリーを得るステップと、負極の製造方法と同様に正極用スラリーを正極集電体上に塗布するなどして正極活物質層を正極集電体上に形成することにより正極を得るステップと、を含み得る。
実施形態に係るリチウムイオン二次電池において、セパレータは、負極と正極とを分離してリチウムイオンの移動通路を提供するものであって、通常リチウムイオン二次電池でセパレータとして使用されるものであれば特に制限なく使用可能である。特に、電解質のイオン移動に対する抵抗が小さく、電解質の含湿能に優れたものが好ましい。例えば、エチレン単独重合体、プロピレン単独重合体、エチレン/ブテン共重合体、エチレン/ヘキセン共重合体、エチレン/メタクリレート共重合体などのポリオレフィン系高分子から製造された多孔性高分子フィルム、又はこれらの2層以上の積層構造体がセパレータとして使用され得る。また、通常の多孔性不織布、例えば高融点のガラス繊維やポリエチレンテレフタレート繊維などから製造された不織布も使用され得る。また、耐熱性又は機械的強度確保のためにセラミック成分又は高分子物質がコーティングされたセパレータが用いられてもよい。
実施形態に係る非水電解質二次電池において、非水電解質は、二次電池の製造に使用可能な有機系液体電解質、無機系液体電解質などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
実施形態に係る非水電解質二次電池は、上記のように製造した負極と上記のように製造した正極との間にセパレータ(例えば分離膜)及び電解液を介在させることにより製造することができる。より具体的には、負極と正極との間にセパレータを配置して電極組立体を形成し、当該電極組立体を円筒形電池ケースや角形電池ケースなどの電池ケースに入れた後、電解質を注入して製造することができる。あるいは、上記電極組立体を積層した後、これを電解質に含浸させて得られた結果物を電池ケースに入れて密封して製造することもできる。
人造黒鉛と天然黒鉛の造粒体(平均粒径20μm、人造黒鉛対天然黒鉛の重量含有比=8対2)90重量%と、平均粒径5μmの一酸化珪素(SiO)10重量%を混合し、この混合物に対し、導電材としてカーボンブラック1重量%と、増粘剤としてカルボキシメチルセルロース(CMC)1.7重量%を加え、更に固形分の含有量が65重量%となるように純水を追加して調整したスラリーを調製し、これを自転公転攪拌機で固練りした。固練り時のスラリーの温度は70℃であった。得られたスラリーに対してバインダーとしてスチレンブタジエンゴム(SBR)1.5重量%を投入し、塗布し易いように更に純水を加えて固形分を50重量%に調整した後、銅箔に塗布し、60℃で30分間乾燥後、120℃で12時間真空乾燥させ、その後、電極密度が1.65g/ccとなるように圧延して負極を作製した。
固練り時のスラリーの固形分の含有量の含有量が60重量%となるように純水の量を調整したこと以外は、実施例1と同様にして負極を作製した。固練り時のスラリーの温度は65℃であった。
人造黒鉛と天然黒鉛の造粒体と混合される一酸化珪素(SiO)の代わりに、平均粒径2μmのSiCrTi合金造粒体(SiとCrとTiの原子量比(Si:Cr:Ti)=82.4:8.8:8.8)を使用したこと以外は、実施例1と同様にして負極を作製した。固練り時のスラリーの温度は72℃であった。
固練り時のスラリーの固形分の含有量が55重量%となるように純水の量を調整したこと以外は、実施例1と同様にして負極を作製した。固練り時のスラリーの温度は57℃であった。
固練り時のスラリーの固形分の含有量が55重量%となるように純水の量を調整したこと以外は、実施例3と同様にして負極を作製した。固練り時のスラリーの温度は58℃であった。
人造黒鉛と天然黒鉛の造粒体の代わりに、平均粒径20μmの人造黒鉛粉末を使用したこと以外は、実施例1と同様にして負極を作製した。固練り時のスラリーの温度は36℃であった。
人造黒鉛と天然黒鉛の造粒体の代わりに、平均粒径20μmの人造黒鉛粉末と平均粒径5μmの天然黒鉛粉末を8対2の重量比で混合した粉末混合物を使用したこと以外は、実施例1と同様にして負極を作製した。固練り時のスラリーの温度は50℃であった。
導電材としてカーボンブラック1重量%の代わりに、グラフェン1重量%使用したこと以外は比較例3と同様にして負極を作成した。固練り時のスラリーの温度は36℃であった。
人造黒鉛と天然黒鉛の造粒体の代わりに、平均粒径20μmの天然黒鉛粉末を使用したこと以外は、比較例1と同様にして負極を作成した。固練り時のスラリーの温度は57℃であった。
実施例3で作製した負極を走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて観察した。負極中の天然黒鉛部分を示すSEM像を図1及び図2に示す。これらSEM像に示されるように、天然黒鉛の表面部は部分的に薄片化して、ささくれ立った状態となっている。特に、図2のSEM像においては、天然黒鉛の表面部が部分的にめくれていて、グラフェン化している状態や、薄片化部分の表面上にSi合金造粒体が分散して接触している様子を見て取ることができる。
寿命特性として容量維持率を以下のようにして評価した。実施例1~3、比較例1~6で作製した各負極に対して、対極(すなわち正極)として金属リチウムを使用し、コイン電池(ハーフセル)を製造した。そして、各コイン電池に対して、0.2Cの定電流で、カットオフ電圧を1.5Vとして1サイクル目(初回)の充放電を行った。同じ条件で2サイクル目(2回目)の充放電を行った後、0.5Cの定電流で同様の充放電を48サイクル(48回)繰り返し、放電容量(mAh)を測定した。すなわち、1回目及び2回目の充放電過程と合わせて合計50回の充放電過程を繰り返した。そして、容量維持率を3サイクル目の充放電過程における放電容量に対する50サイクル目の充放電過程における放電容量の割合(50サイクル目の放電容量/3サイクル目の放電容量)として定義して、求めた。結果を以下の表1に示す。
Claims (13)
- 二次電池用の負極であって、
負極活物質としての黒鉛系材料及び珪素系材料と、導電材と、を少なくとも含み、
前記黒鉛系材料が、人造黒鉛と天然黒鉛の造粒体を含み、
前記造粒体中の少なくとも一部の天然黒鉛が部分的に薄片化して、薄片化部分を形成しており、
前記薄片化部分が、前記珪素系材料もしくは他の人造黒鉛と天然黒鉛の造粒体と接触しているか、又は前記珪素系材料と複合している、負極。 - 前記珪素系材料が、酸化珪素と珪素系合金とのうち一方又は両方を含む、請求項1に記載の負極。
- 前記珪素系合金が、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)及び銅(Cu)のうちの一種又は二種以上を含む、請求項2に記載の負極。
- 前記導電材が、カーボンブラックである、請求項1から3のいずれか一項に記載の負極。
- 前記黒鉛系材料と前記珪素系材料の重量比が98:2~50:50である、請求項1から4のいずれか一項に記載の負極。
- 前記造粒体中の人造黒鉛と天然黒鉛の重量比が60:40~90:10である、請求項1から5のいずれか一項に記載の負極。
- 請求項1から6のいずれか一項に記載の負極と、正極と、前記負極と前記正極との間に介在するセパレータと、電解質と、を含む二次電池。
- 二次電池用の負極用スラリーであって、
負極活物質としての黒鉛系材料及び珪素系材料と、導電材と、溶媒と、増粘剤及びバインダーのうち少なくとも一方とを、スラリー中の固形分の含有量が60重量%以上であるように含み、
前記黒鉛系材料が、人造黒鉛と天然黒鉛の造粒体を含む、負極用スラリー。 - 前記造粒体中の少なくとも一部の天然黒鉛が部分的に薄片化して、薄片化部分を形成している、請求項8に記載の負極用スラリー。
- 前記スラリー中の固形分の含有量が65重量%以上75重量%以下である、請求項8又は9に記載の負極用スラリー。
- 二次電池用の負極を製造する方法であって、
負極活物質としての黒鉛系材料及び珪素系材料と、導電材と、溶媒と、増粘剤及びバインダーのうち少なくとも一方とを混合して、スラリー中の固形分の含有量が60重量%以上であるスラリーを調製するステップと、
前記スラリーを固練りするステップと、
前記スラリーを集電体に塗布することによって、負極を製造するステップと、を含み、
前記黒鉛系材料が、人造黒鉛と天然黒鉛の造粒体である、方法。 - 前記スラリーを固練りするステップにおいて、前記造粒体中の少なくとも一部の天然黒鉛が部分的に薄片化されて、薄片化部分が形成される、請求項11に記載の方法。
- 前記スラリーを固練りするステップの後に、前記スラリーにバインダー及び溶媒を更に加えるステップを更に含む請求項11又は12に記載の方法。
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