JP2023027874A - Negative electrode and lithium ion secondary battery - Google Patents
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Abstract
【課題】充放電サイクル特性を向上できる負極等を提供する。【解決手段】負極30Cは、集電体層32と、集電体層32の上に配置されたリチウム金属箔34と、を備える。集電体層32は多孔質であり、かつ、前記集電体層の内の少なくとも内表面及び外表面は導電性を有する。【選択図】図1[Problem] To provide a negative electrode and the like capable of improving charge/discharge cycle characteristics. [Solution] A negative electrode 30C includes a current collector layer 32 and a lithium metal foil 34 disposed on the current collector layer 32. The current collector layer 32 is porous, and at least the inner and outer surfaces of the current collector layer are conductive. [Selected Figure] Figure 1
Description
本発明は、負極、及び、リチウムイオン二次電池に関する。 The present invention relates to a negative electrode and a lithium ion secondary battery.
リチウムイオン二次電池はこれまでのニッケル水素電池や鉛蓄電池と比較して高い容量を実現できることから、携帯電話、ノートパソコン用電源、また大型の電力貯蔵用電源や自動車用電源としても注目及び導入が進んでいる。しかし、各種電子機器の高機能化や電源の需要の高まりからさらなるリチウムイオン二次電池の高容量化が期待されている。負極活物質としてのリチウム金属はグラファイトと比較して数倍から10倍の容量を有しているため、大きな期待がされている(特許文献1,2参照)。 Since lithium-ion secondary batteries can achieve higher capacity than conventional nickel-metal hydride batteries and lead-acid batteries, they are attracting attention and being introduced as power sources for mobile phones, notebook computers, large-scale power storage, and power sources for automobiles. is progressing. However, due to the increasing sophistication of various electronic devices and the increasing demand for power sources, it is expected that the capacity of lithium ion secondary batteries will be further increased. Lithium metal as a negative electrode active material has a capacity several times to ten times that of graphite, and is therefore highly expected (see Patent Documents 1 and 2).
負極活物質としてリチウム金属を用いる場合において生じる問題として、充電時に負極の表面に不均一にリチウム金属の核生成及び成長がおこり、電池の充放電サイクル特性を大きく低下させるということが挙げられる。 A problem that occurs when lithium metal is used as the negative electrode active material is that non-uniform nucleation and growth of lithium metal occur on the surface of the negative electrode during charging, greatly deteriorating the charge-discharge cycle characteristics of the battery.
具体的には、析出したリチウム金属の先端ほど電解液に触れることができるため、他の箇所よりもリチウム析出が容易となる。したがって、充放電サイクルの経過に伴い、析出したリチウム金属の先端がさらに延伸していく形で負極における充電が進行していく。これにより、長細いリチウム金属が析出するので、正極と負極との間での内部短絡が起こり、電池としての機能を発揮しなくなる。 Specifically, since the tip of the deposited lithium metal can come into contact with the electrolytic solution, the deposition of lithium becomes easier than at other locations. Therefore, as the charge-discharge cycle progresses, charging in the negative electrode progresses in such a manner that the tip of the deposited lithium metal is further extended. As a result, elongated lithium metal is deposited, causing an internal short circuit between the positive electrode and the negative electrode, resulting in failure of the battery to function properly.
また、放電時にリチウム金属が溶解する際に、長細いリチウム金属が負極から剥がれ、放電に寄与できない部分(デッドリチウム)を生じ、放電容量が低下して電池の寿命を低下させるという問題もある。 In addition, when the lithium metal dissolves during discharge, the elongated lithium metal peels off from the negative electrode, creating a portion that cannot contribute to discharge (dead lithium), which reduces the discharge capacity and shortens the battery life.
さらに、充放電サイクルが経過すると細長いリチウム金属や副生成物に起因して、負極の厚みが増加するという問題もある。 Furthermore, there is also the problem that the thickness of the negative electrode increases due to elongated lithium metal and by-products after charge-discharge cycles.
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、充放電サイクル特性を向上できる負極等を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a negative electrode and the like capable of improving charge-discharge cycle characteristics.
本発明の一側面に係る負極は、集電体層と、前記集電体層の上に配置されたリチウム金属箔と、を備える。前記集電体層は多孔質であり、かつ、前記集電体層の内の少なくとも内表面及び外表面は導電性を有する。 A negative electrode according to one aspect of the present invention includes a current collector layer and a lithium metal foil disposed on the current collector layer. The current collector layer is porous, and at least the inner and outer surfaces of the current collector layer are electrically conductive.
上記負極は、前記集電体層を一対備えることができ、前記リチウム金属箔は、前記一対の集電体層間に配置されていることができる。 The negative electrode may include a pair of current collector layers, and the lithium metal foil may be disposed between the pair of current collector layers.
前記集電体層は本体部とタブ部とを有することができ、前記リチウム金属箔は、前記集電体の本体部間から前記集電体のタブ部間までにわたって配置されていることができる。 The current collector layer may have a body portion and a tab portion, and the lithium metal foil may be arranged from between the body portion of the current collector to between the tab portions of the current collector. .
前記リチウム金属箔の一方の表面は一方の前記集電体層と接触していることができ、前記リチウム金属箔の他方の表面は他方の前記集電体層と接触していることができる。 One surface of the lithium metal foil can be in contact with one of the current collector layers, and the other surface of the lithium metal foil can be in contact with the other of the current collector layers.
上記負極は、前記一対の集電体層間に前記リチウム金属箔を一対備えることができ、前記一対のリチウム金属箔間にリチウム以外の金属箔が配置されていることができる。 The negative electrode may include a pair of lithium metal foils between the pair of current collector layers, and a metal foil other than lithium may be arranged between the pair of lithium metal foils.
前記集電体層は、多孔質の電気絶縁性基材と、前記電気絶縁性基材の内表面及び外表面に設けられた導電層と、を有することができる。 The current collector layer can have a porous electrically insulating substrate and conductive layers provided on the inner and outer surfaces of the electrically insulating substrate.
前記導電層は、銅、ニッケル、スズ、アルミニウム、亜鉛、鉄、マグネシウム、マンガン、コバルト、及び、チタンからなる群から選択される少なくとも1種類以上を含む金属または合金の層であることができる。 The conductive layer may be a metal or alloy layer containing at least one selected from the group consisting of copper, nickel, tin, aluminum, zinc, iron, magnesium, manganese, cobalt, and titanium.
前記集電体層の空孔率は50~95%であることができる。 The current collector layer may have a porosity of 50 to 95%.
本発明の一側面に係るリチウムイオン二次電池は、上記のいずれかの負極と、正極と、を備える。 A lithium-ion secondary battery according to one aspect of the present invention includes any of the negative electrodes described above and a positive electrode.
本発明によれば、充放電サイクル特性を向上できる負極等を提供される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the negative electrode etc. which can improve charge-discharge cycling characteristics are provided.
図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。 Preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(負極30C)
本発明の1実施形態に係る負極30Cを図1に示す。本実施形態に係る負極30Cは、一対の集電体層32と、一対の集電体層32間に配置されたリチウム金属箔34と、を備える。
(
A
図2に示すように、集電体層32は、集電体層32の内外を連通する細孔32bを有する。細孔32bは、集電体層32の対向する両外表面間を連通する。詳しくは、集電体層32は、多孔質の電気絶縁性基材32a、及び、電気絶縁性基材32aの細孔32bの内面に設けられた導電層32c、及び、電気絶縁性基材32aの外表面に設けられた導電層32dを備える。導電層32cの表面が集電体層32の導電性の内表面を形成し、導電層32dの表面が集電体層32の導電性の外表面を形成している。
As shown in FIG. 2, the
電気絶縁性基材32aの材料は、電気絶縁性材料(非金属材料)であればよい。電気絶縁性基材の例は、樹脂の微多孔フィルムである。樹脂の例は、ポリイミド系樹脂、ポリエチレン及びポリプロピレンなどのポリオレフィン系樹脂である。樹脂は単独重合体でも、共重合体でも、複数の重合体の混合物でもよい。樹脂の微多孔フィルムは、樹脂フィルムの延伸(乾式法)あるいは樹脂フィルム中の造孔剤などの除去(湿式法)等により製造されることができる。
The material of the electrically insulating
電気絶縁性基材32aの他の例は、各種繊維の不織布(紙)である。繊維の例は、上記の各樹脂の繊維、セルロース繊維、ポリエステル繊維、ポリアミド繊維、ポリアクリロニトリル繊維、ガラス繊維である。
Another example of the electrically insulating
電気絶縁性基材32aは、上記の材料の単層でもよいが、上記の材料の任意の2以上の積層体でもよい。
The electrically insulating
導電層32c,32dの材料は、電気絶縁性基材32aよりも導電性が高いものであればよいが、金属または合金であることが好ましい。
The material of the
導電層32c,32dの材料は、銅、ニッケル、スズ、アルミニウム、亜鉛、鉄、マグネシウム、マンガン、コバルト、及び、チタンからなる群から選択される少なくとも1種類以上を含む金属または合金であることができる。
The material of the
なかでも、リチウムと合金化させることでリチウムの活量を増加させ、合金上からのリチウム金属析出を容易かつ平滑にすると言う効果を得る観点から、導電層32c、32dの材料は、スズ、アルミニウム、亜鉛、マグネシウムが好適である。
Above all, from the viewpoint of obtaining the effect of increasing the activity of lithium by alloying it with lithium and facilitating and smoothing the deposition of lithium metal from the alloy, the materials of the
導電層32c,32dの厚みは特に限定されないが、0.1~2μmであることができ、1.5μm以下でもよく、1.0μm以下でもよい。
The thickness of the
このような集電体層32は、多孔質の電気絶縁性基材32aを無電解メッキすることにより得ることができる。
Such a
メッキ前の電気絶縁性基材32aの空孔率は40~98%であることが好適である。
The porosity of the electrically insulating
メッキ後の集電体層32の空孔率は30%以上であってよく、40%以上であってもよく、50~95%であることが好適である。空孔率は空孔の液体置換によるアルキメデス法、ガス吸着法、水銀圧入法等により測定することが出来る。
The porosity of the
メッキ後の集電体層32の平均空孔径は、例えば、0.1~3μmとすることができる。集電体の平均空孔径は、集電体(または負極)の厚み方向と平行な断面の走査型電子顕微鏡写真において、厚み方向と平行な方向(縦)および厚み方向と垂直な方向(横)との1インチ長さ当たりのセル数(空孔の数)をそれぞれ計測して平均値を算出し、平均値の逆数を平均空孔径として求めることができる。
The average pore diameter of the
集電体層32の厚みに限定はないが、5μm以上であることができ、10μm以上であってよい。厚みは、40μm以下であることができる。
The thickness of the
リチウム金属箔34の厚みは特に限定されないが、2μm以上であることができ、50μm以下であることができる。
The thickness of the
負極30Cの全体厚みは、1~150μmとすることができる。
The overall thickness of the
図3の(a)及び(b)に示すように、集電体層32は、本体部32m、及び、本体部32mから突出するタブ部32tを有する。リチウム金属箔34は、本体部34m、及び、本体部34mから突出するタブ部34tを有する。
As shown in FIGS. 3A and 3B, the
リチウム金属箔34のタブ部34tの本体部34mからの突出長さD1は、集電体層32のタブ部32tの本体部32mからの突出長さD2よりも短くされている。
A projection length D1 of the
図3の(b)に示すように、一対のタブ部34t間であって、間にリチウム金属箔34が挟まれていない部分は、タブ部34t同士が溶接された溶接部32t’を有していることができる。
As shown in FIG. 3B, the portion between the pair of
このような形態の負極30Cは、集電体層/リチウム金属箔/集電体層の構造を有する積層体を、本体部及びタブ部の形状に対応する金型で打ち抜くことで容易に製造することができる。リチウム金属箔34がタブ部34tを有するように、すなわち、打ち抜き前の積層体のリチウム金属箔の端面L2が、集電体層32の本体部32mの端面L1の予定位置とタブ部32tの端面L3の予定位置との間に配置された状態で、この積層体を打ち抜くことで、リチウム金属箔34の本体部34mの面積が集電体層32の本体部32mの面積よりも小さくなることを防止できて好ましい。また、集電体層32のタブ部32t間の溶接部32t’を有すると、電池の電気抵抗を低下できて好ましい。
The
(作用機序)
本実施形態によれば、集電体層32が多孔質かつその内外表面が導電性であるので、集電体層32が保液性を有することができ、さらに、集電体層32の内部表面を利用してリチウム金属のレドックス反応(充放電)を起こすことができる。
(Mechanism of action)
According to the present embodiment, the
集電体層32の比表面積が多孔質であることに起因して大きいので充電時の電流密度が平滑化されること、及び、リチウム金属が集電体層32の細孔32b内に析出できることにより、細長いリチウム金属の析出が抑制される。したがって、デッドリチウムの生成やデンドライトによる短絡を抑制でき、サイクル特性の向上が可能となる。
The specific surface area of the
また、充電時に析出するリチウム金属、及び、サイクルの経過に応じて生成する各種の分解生成物が集電体層32の細孔32b内に析出できるので、サイクルの経過に伴う負極30Cの厚みの増加も抑制できる。集電体層32の比表面積の増大により集電体層32上に形成される分解物層の厚みも薄くなるので、サイクルの経過に伴う電気抵抗の上昇も抑えることができる。
In addition, since lithium metal deposited during charging and various decomposition products generated in accordance with the progress of cycles can be deposited in the
さらに、リチウム金属箔34が一対の集電体層32間に配置されているので、リチウム金属箔34を他の部材等に触れさせることなく電池の組み立て等において負極30Cのハンドリングができるので好適である。これにより、リチウム金属箔34の表面に対して、反応性を低下させるためのコーティングなどの表面処理を行う必要がなくなり、リチウム金属の析出溶解速度を阻害してレドックスの反応性が低下することを抑制できる。リチウム金属箔を装置等の他の部材と触れさせると、リチウム金属の粘着性に起因して不具合が生じやすい。
Furthermore, since the
さらに、リチウム金属箔34の両面が集電体層32とそれぞれ接触しているので、集電体層32間の隙間を有効利用して多くのリチウム金属を配置することができ、体積エネルギー密度の向上が可能となる。
Furthermore, since both sides of the
また、集電体層32が、多孔質の電気絶縁性基材32aと、電気絶縁性基材32aの内表面及び外表面に設けられた導電層32c,32dと、を有するので、集電体層32が無垢の金属多孔質体である場合と比べて集電体層32の軽量化が可能となり、質量エネルギー密度の向上が可能となる。さらに、集電体層32に柔軟性が付与されるので、取り扱い性が容易となる。
In addition, since the
(負極30A)
続いて、図4の(a)を参照して、他の実施形態に係る負極30Aについて説明する。図4の(a)にかかる負極30Aが、図1の負極30Cと異なる点は、一対の集電体層32間に、一対のリチウム金属箔34が配置され、一対のリチウム金属箔34間にはリチウム以外の金属箔36が設けられている点である。
(
Next, a
リチウム以外の金属箔36は、リチウム金属箔以外であればよいが、具体的には、銅、ニッケル、スズ、アルミニウム、亜鉛、鉄、マグネシウム、マンガン、コバルト、及び、チタンからなる群から選択される少なくとも1種を含む金属または合金の箔であることができる。
本実施形態におけるリチウム金属箔34の厚みは1~50μmとすることができる。集電体層32の厚みは、上記の負極30Cの場合と同様とすることができる。
The thickness of the
また、リチウム以外の金属箔36の厚みは6μmとすることができる。
Also, the thickness of the
負極30Aの全体厚みは、2~100μmとすることができる。
The total thickness of the
このような負極30Aは、金属箔36の両面にリチウム金属箔34が貼り付けられた積層箔(クラッド材)の両面に集電体層32をそれぞれ配置することで得ることができる。貼り付けは、圧延などによりすることができる。
Such a
本実施形態のように、リチウム金属箔34間に、Cuなどのリチウム以外の金属箔36が貼り付けられていると、箔のしわや破断が防止され電界を均一化しやすいという効果がある。
If the
(負極30B)
続いて、図4の(b)を参照して、他の実施形態に係る負極30Bについて説明する。図4の(b)にかかる負極30Bが、図1の負極30Cと異なる点は、集電体層32が厚み方向の一方側のみに設けられている点である。このような負極30Bは、電池の最外の負極として使用する際に好適である。この負極30Bは、リチウム金属箔34よりも集電体層32が外側に配置されるように、電池において積層することが好適である。
(
Next, a
(負極の他の実施形態)
上記実施形態では、集電体層32が、多孔質の電気絶縁性基材32aと、電気絶縁性基材32aの内表面及び外表面に設けられた導電層32c、32dと、を有するが、集電体層32が、電気絶縁性基材32aを有さず、導電性材料のみからなる多孔質体でもよい。
(Another embodiment of the negative electrode)
In the above embodiment, the
例えば、集電体層32として、上記の樹脂製の多孔質の電気絶縁性基材32aと、電気絶縁性基材32aの内表面及び外表面に設けられた導電層32c,32dと、を備える集電体層32から、電気絶縁性基材32aを除去した導電性多孔体を使用してもよい。基材の除去は、酸化雰囲気、あるいは、非酸化雰囲気中での加熱などを採用することができる。
For example, as the
また、集電体層32として、メッシュ金属箔などの多孔質の金属箔でもよい。金属の例は、上述の導電性材料と同様とすることができる。
Porous metal foil such as mesh metal foil may be used as the
また、集電体層及びリチウム金属箔の平面形状は、最終的な電池の形状に合わせて種々の形を取ることができる。例えば、集電体層がタブ部を有しかつリチウム金属箔がタブ部を有さなくてもよいし、集電体層及びリチウム金属箔の両方がタブ部を有さない形状も排除されない。また、本体部の形状も円形などでもよい。 Further, the planar shape of the current collector layer and the lithium metal foil can take various shapes according to the shape of the final battery. For example, the current collector layer may have a tab portion and the lithium metal foil may not have a tab portion, and a shape in which both the current collector layer and the lithium metal foil do not have a tab portion is not excluded. Also, the shape of the main body may be circular.
(リチウムイオン二次電池)
続いて、上述の負極を用いたリチウムイオン二次電池100について、図5を参照して説明する。
(lithium ion secondary battery)
Next, a lithium ion
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池100は、発電素子90、及び、ケース80を備える。発電素子90は、負極30C、正極10、及び、セパレータ20を多数有する積層体である。発電素子90において、負極30Cと正極10とが交互に配置され、かつ、負極30Cと正極10との間にセパレータ20が配置されている。発電素子90の各層には非水電解液が含浸されている。
A lithium ion
本実施形態では、発電素子90の両最外層は負極30Cとされているが、これに限定されず、例えば、発電素子90の両最外層が正極でもよい。
In this embodiment, both outermost layers of the
正極(または負極)の積層数に特に限定はなく、例えば1層でもよく、10層、20層等の多層でもよい。 The number of layers of the positive electrode (or negative electrode) is not particularly limited.
正極10は、正極集電体12、及び、正極集電体12の両面に設けられた正極活物質層14を有する。
The
正極集電体12は導電性の板材であればよく、例えば、アルミニウム、銅、ニッケルなどの金属箔であることができる。
The positive electrode
正極活物質層14は、正極活物質、導電助剤、及び、バインダーを含む。
The positive electrode
正極活物質は、リチウムイオンの吸蔵及び放出、リチウムイオンの脱離及び挿入(インターカレーション)、又は、リチウムイオンとカウンターアニオンのドープ及び脱ドープを可逆的に進行させることが可能な活物質を含む。 The positive electrode active material is an active material that can reversibly absorb and release lithium ions, desorb and insert (intercalate) lithium ions, or dope and dedope lithium ions and counter anions. include.
正極活物質は、例えば、複合金属酸化物である。複合金属酸化物の例は、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(LiMnO2)、リチウムマンガンスピネル(LiMn2O4)、及び、一般式:LiNixCoyMnzMaO2の化合物(一般式中においてx+y+z+a=1、0≦x<1、0≦y<1、0≦z<1、0≦a<1、MはAl、Mg、Nb、Ti、Cu、Zn、Crより選ばれる1種類以上の元素)、リチウムバナジウム化合物(LiV2O5)、オリビン型LiMPO4(ただし、Mは、Co、Ni、Mn、Fe、Mg、Nb、Ti、Al、Zrより選ばれる1種類以上の元素又はVOを示す)、チタン酸リチウム(Li4Ti5O12)、LiNixCoyAlzO2(0.9<x+y+z<1.1)である。正極活物質は、有機物でもよい。例えば、有機物の正極活物質の例は、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセンである。 The positive electrode active material is, for example, a composite metal oxide. Examples of composite metal oxides include lithium cobaltate ( LiCoO2 ), lithium nickelate ( LiNiO2 ), lithium manganate ( LiMnO2 ), lithium manganese spinel ( LiMn2O4 ), and general formula: LiNixCo yMn z M a O 2 compound (in the general formula, x + y + z + a = 1, 0 ≤ x < 1, 0 ≤ y < 1, 0 ≤ z < 1, 0 ≤ a < 1, M is Al, Mg, Nb, one or more elements selected from Ti, Cu, Zn, and Cr), lithium vanadium compound (LiV 2 O 5 ), olivine-type LiMPO 4 (where M is Co, Ni, Mn, Fe, Mg, Nb, Ti , Al, and one or more elements selected from Zr or VO), lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ), LiNi x Co y Al z O 2 (0.9<x+y+z<1.1) be. The positive electrode active material may be organic. For example, examples of organic cathode active materials are polyacetylene, polyaniline, polypyrrole, polythiophene, and polyacene.
導電助剤は、正極活物質の間の電子伝導性を高める。導電助剤の例は、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等のカーボン粉末、カーボンナノチューブ、炭素材料、銅、ニッケル、ステンレス、鉄等の金属微粉、炭素材料及び金属微粉の混合物、ITO等の導電性酸化物である。導電助剤は、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等の炭素材料が好ましい。 A conductive aid enhances the electronic conductivity between the positive electrode active materials. Examples of conductive aids include carbon powders such as carbon black, acetylene black, and ketjen black; carbon nanotubes; carbon materials; metal fine powders such as copper, nickel, stainless steel and iron; mixtures of carbon materials and metal fine powders; It is a conductive oxide. Carbon materials such as carbon black, acetylene black, and ketjen black are preferable as the conductive aid.
バインダーは、活物質同士を結合する。バインダーには、公知のものを用いることができる。バインダーの例はフッ素樹脂である。フッ素樹脂の例は、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン-パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、エチレン-テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン-クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)等である。 The binder binds the active materials together. A known binder can be used as the binder. Examples of binders are fluororesins. Examples of fluororesins include polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), polyvinyl fluoride (PVF) and the like.
バインダーの他の例は、ビニリデンフルオライド-ヘキサフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF-HFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-ヘキサフルオロプロピレン-テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF-HFP-TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-ペンタフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF-PFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-ペンタフルオロプロピレン-テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF-PFP-TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-パーフルオロメチルビニルエーテル-テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF-PFMVE-TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-クロロトリフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF-CTFE系フッ素ゴム)等のビニリデンフルオライド系フッ素ゴムである。またバインダーの更に他の例は、例えば、セルロース、スチレン・ブタジエンゴム、エチレン・プロピレンゴム、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、アクリル樹脂である。 Other examples of binders include vinylidene fluoride-hexafluoropropylene fluororubber (VDF-HFP fluororubber) and vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene fluororubber (VDF-HFP-TFE fluororubber). , vinylidene fluoride-pentafluoropropylene fluororubber (VDF-PFP fluororubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene-tetrafluoroethylene fluororubber (VDF-PFP-TFE fluororubber), vinylidene fluoride-per Vinylidene fluoride-based fluororubbers such as fluoromethyl vinyl ether-tetrafluoroethylene-based fluororubber (VDF-PFMVE-TFE-based fluororubber) and vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene-based fluororubber (VDF-CTFE-based fluororubber). . Still other examples of binders include cellulose, styrene/butadiene rubber, ethylene/propylene rubber, polyimide resin, polyamideimide resin, and acrylic resin.
セパレータ20は、電気絶縁性及び多孔質構造を有する。セパレータ20の例は、樹脂の微多孔フィルムである。樹脂の例は、ポリイミド系樹脂;ポリエチレン及びポリプロピレンなどのポリオレフィン系樹脂である。樹脂は単独重合体でも、共重合体でも、複数の重合体の混合物でもよい。樹脂の微多孔フィルムは、樹脂フィルムの延伸(乾式法)あるいは樹脂フィルム中の造孔剤などの除去(湿式法)等により製造されることができる。
セパレータ20の他の例は、各種繊維の不織布(紙)である。繊維の例は、上記の各樹脂の繊維、セルロース繊維、ポリエステル繊維、ポリアミド繊維、ポリアクリロニトリル繊維、ガラス繊維である。
Another example of the
セパレータ20の更に他の例は固体電解質である。固体電解質の例は、高分子固体電解質、酸化物系固体電解質、硫化物系固体電解質である。
Yet another example of
セパレータ20は、上記の材料の単層でもよいが、上記の材料の任意の2以上の積層体でもよい。
The
(非水電解液)
非水電解液は、外装体50内に封入され、発電素子90に含浸している。非水電解液は、例えば、非水溶媒と電解質とを有する。電解質は、非水溶媒に溶解している。
(Non-aqueous electrolyte)
The non-aqueous electrolyte is enclosed in the exterior body 50 and impregnates the
非水溶媒は、例えば、環状カーボネートと、鎖状カーボネートと、を含有する。環状カーボネートは、電解質を溶媒和する。環状カーボネートは、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート及びブチレンカーボネートである。環状カーボネートは、プロピレンカーボネートを少なくとも含むことが好ましい。鎖状カーボネートは、環状カーボネートの粘性を低下させる。鎖状カーボネートは、例えば、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネートである。非水溶媒は、その他、酢酸メチル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸プロピル、γ-ブチロラクトン、1,2-ジメトキシエタン、1,2-ジエトキシエタン等を有してもよい。 Non-aqueous solvents include, for example, cyclic carbonates and chain carbonates. Cyclic carbonates solvate electrolytes. Cyclic carbonates are, for example, ethylene carbonate, propylene carbonate and butylene carbonate. The cyclic carbonate preferably contains at least propylene carbonate. Chain carbonates reduce the viscosity of cyclic carbonates. Chain carbonates are, for example, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethylmethyl carbonate. Non-aqueous solvents may also include methyl acetate, ethyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, propyl propionate, γ-butyrolactone, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, and the like. .
電解質は、例えば、リチウム塩である。電解質は、例えば、LiPF6、LiClO4、LiBF4、LiCF3SO3、LiCF3CF2SO3、LiC(CF3SO2)3、LiN(FSO2)2、LiN(CF3SO2)2、LiN(CF3CF2SO2)2、LiN(CF3SO2)(C4F9SO2)、LiN(CF3CF2CO)2、LiBOB等である。リチウム塩は、1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。 The electrolyte is, for example, a lithium salt. The electrolyte is, for example, LiPF6 , LiClO4 , LiBF4, LiCF3SO3 , LiCF3CF2SO3 , LiC ( CF3SO2 ) 3 , LiN( FSO2 ) 2 , LiN ( CF3SO2 ) 2 , LiN( CF3CF2SO2 ) 2 , LiN( CF3SO2 ) ( C4F9SO2 ) , LiN( CF3CF2CO ) 2 , LiBOB, and the like. Lithium salt may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together.
(外装体)
外装体50は、その内部に発電素子90及び非水電解液を密封する。外装体50は、非水電解液の外部への漏出や、外部からのリチウムイオン二次電池100内部への水分等の侵入等を抑止する。
(Exterior body)
The exterior body 50 seals the
外装体50は、図示は省略するが、金属箔と、金属箔の両面に積層された樹脂層と、を有することができる。 Although not shown, the exterior body 50 can have a metal foil and resin layers laminated on both sides of the metal foil.
金属箔としては例えばアルミ箔を用いることができる。樹脂層には、ポリプロピレン等の高分子膜を利用できる。樹脂層を構成する材料は、内側と外側とで異なっていてもよい。例えば、外側の材料としては融点の高い高分子、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリアミド(PA)等を用い、内側の高分子膜の材料としてはポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)等を用いることができる。 For example, aluminum foil can be used as the metal foil. A polymer film such as polypropylene can be used for the resin layer. The material forming the resin layer may be different between the inner side and the outer side. For example, a polymer with a high melting point such as polyethylene terephthalate (PET) or polyamide (PA) is used as the outer material, and polyethylene (PE) or polypropylene (PP) is used as the inner polymer film material. be able to.
図示は省略するが、通常、正極及び負極のタブ部にそれぞれ接続されたリードが、外装体の内外を連通している。リードは、アルミ、ニッケル、銅にニッケルメッキされた金属板等の導電材料から形成されていることができる。特に、正極10側に接続されるリードについてはアルミ金属板を用いることが好ましく、負極30C側に接続されるリードについては、ニッケル金属板又は銅にニッケルメッキされた金属板を用いることが好ましい。
Although not shown, leads respectively connected to the tab portions of the positive electrode and the negative electrode generally communicate the inside and outside of the exterior body. The leads may be formed from a conductive material such as aluminum, nickel, or nickel-plated metal plate on copper. In particular, it is preferable to use an aluminum metal plate for the lead connected to the
(発電素子の他の積層構成)
本発明のリチウムイオン二次電池は、上述の負極を採用していれば、積層形態に限定はない。
例えば、発電素子90において負極30Cに代えて、負極30Aを採用してもよい。また、発電素子90における最外の負極30Cまたは負極30Aに代えて、負極30Bを採用してもよい。
(Other lamination structure of power generation element)
The lithium-ion secondary battery of the present invention is not limited to a lamination form as long as it employs the negative electrode described above.
For example, in the
(実施例1)
集電体層及び負極30Cの製造
電気絶縁性基材として厚み20μmで空孔率80%のポリイミド樹脂を用意した。この基材を無電解めっき液と接触させて、電気絶縁性基材の内外表面に0.5μmの厚みのCu層を形成して、空孔率60%の集電体層を得た。
集電体層の両面に、厚み20μmのリチウム金属箔を配置したのち、所定の形状にカットし、本体部とタブとを有する図1及び図2の形状の負極30Cを得た。負極30Cの構造は、多孔集電体層/リチウム金属箔/多孔集電体層の構造を有する。
(Example 1)
Production of Current Collector Layer and
Lithium metal foil having a thickness of 20 μm was placed on both sides of the current collector layer, and then cut into a predetermined shape to obtain the
正極の製造
厚さ15μmのアルミニウム箔の一面に、正極スラリーを塗布し、負極と同様の本体部及びタブ部を有する所定の形状にカットした。正極スラリーは、正極活物質と導電助剤とバインダーと溶媒とを混合して作製した。
Manufacture of Positive Electrode A positive electrode slurry was applied to one surface of an aluminum foil having a thickness of 15 μm and cut into a predetermined shape having a main body portion and a tab portion similar to those of the negative electrode. A positive electrode slurry was prepared by mixing a positive electrode active material, a conductive aid, a binder, and a solvent.
正極活物質として複合金属酸化物の一つであるLiNixCoyMnzMaO2(x=0.83,y=0.09,z=0.07,a=0.01,M=Al)を用いた。導電助剤としてカーボングラックを用いた。バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(PVDF)を用いた。正極活物質、導電助剤、バインダーの質量比は、95:2:3とした。乾燥後の正極活物質層における正極活物質の担持量は、20mg/cm2とした。正極スラリーから乾燥炉内で溶媒を除去し、正極を作製した。 LiNixCoyMnzMaO2 (x = 0.83, y = 0.09 , z = 0.07 , a = 0.01, M = Al) was used. Carbon black was used as a conductive aid. Polyvinylidene fluoride (PVDF) was used as a binder. The mass ratio of the positive electrode active material, conductive aid, and binder was 95:2:3. The amount of the positive electrode active material supported in the dried positive electrode active material layer was 20 mg/cm 2 . A positive electrode was produced by removing the solvent from the positive electrode slurry in a drying furnace.
(評価用リチウムイオン二次電池の作製)
作製した負極30Cと正極とを、厚さ10μmのポリプロピレン製のセパレータを介して交互に積層し、負極30Cの11枚と正極の10枚とを積層することで積層体を作製した。両最外の電極はいずれも負極30Cとした。さらに、積層体の負極のタブ部にニッケル製の負極リードを、積層体の正極のタブ部にアルミニウム製の正極リードを、それぞれ超音波溶接機によって取り付けた。
(Production of lithium ion secondary battery for evaluation)
The produced
そしてこの積層体を、ケース内に挿入して周囲の1箇所を除いてヒートシールすることにより閉口部を形成した。その後、ケース内に非水電解液を注入した。非水電解液は、1,2-ジメトキシエタン溶媒中に、リチウム塩として4M(mol/L)のLiN(FSO2)2を添加したものとした。そして、残りの1箇所を真空シール機によって減圧しながらヒートシールで密封し、リチウムイオン二次電池(フルセル)を作製した。 Then, this laminate was inserted into a case and heat-sealed except for one peripheral portion to form a closed portion. After that, a non-aqueous electrolyte was injected into the case. The non-aqueous electrolyte was prepared by adding 4M (mol/L) LiN(FSO 2 ) 2 as a lithium salt to a 1,2-dimethoxyethane solvent. Then, the remaining one portion was heat-sealed while being decompressed by a vacuum sealer to fabricate a lithium ion secondary battery (full cell).
次に、二次電池充放電試験装置(北斗電工株式会社製)を用いてリチウムイオン二次電池のサイクル経過後の要電容量維持率を測定した。25℃の環境下で、0.2Cで4.3Vまで定電流定電圧充電し、1Cで3.0Vまで定電流放電する充放電サイクルを1充放電サイクルとして設定し、初期の容量の80%以下に低下するまでに要したサイクル数を測定した。 Next, using a secondary battery charge/discharge tester (manufactured by Hokuto Denko Co., Ltd.), the required current capacity retention rate of the lithium-ion secondary battery after the lapse of cycles was measured. In an environment of 25 ° C., constant current and constant voltage charge to 4.3 V at 0.2 C and constant current discharge to 3.0 V at 1 C are set as one charge and discharge cycle, and 80% of the initial capacity. The number of cycles required to drop below was measured.
また、100サイクル経過後のリチウムイオン二次電池を分解し、負極の厚み変化を測定した。厚み変化割合は、(「100サイクル後の負極の厚み」-「初回充電前の負極の厚み」)/(「初回充電前の負極の厚み」)×100で求めた。 In addition, after 100 cycles, the lithium ion secondary battery was disassembled to measure changes in the thickness of the negative electrode. The thickness change rate was determined by (“thickness of negative electrode after 100 cycles”−“thickness of negative electrode before first charge”)/(“thickness of negative electrode before first charge”)×100.
さらに、初期容量×公称電圧3.7V/電池の質量により質量エネルギー密度を計算した。 Furthermore, the mass energy density was calculated by multiplying the initial capacity by the nominal voltage of 3.7 V/the mass of the battery.
実施例2~8
多孔質基材に無電解メッキする導電層を、銅から、ニッケル、スズ、アルミニウム、亜鉛、鉄、マグネシウム、チタンとする以外は、実施例1と同様にした。
Examples 2-8
Example 1 was repeated except that the conductive layer electrolessly plated on the porous substrate was changed from copper to nickel, tin, aluminum, zinc, iron, magnesium and titanium.
実施例9
電気絶縁性基材を厚み20μmで空孔率47%とし、集電体層の空孔率を21%とするする以外は実施例1と同様とした。
Example 9
The same procedure as in Example 1 was carried out except that the electrically insulating substrate had a thickness of 20 μm and a porosity of 47%, and the porosity of the current collector layer was 21%.
実施例10
電気絶縁性基材を厚み20μmで空孔率50%とし、集電体層の空孔率を28%とする以外は実施例1と同様とした。
Example 10
The same procedure as in Example 1 was carried out except that the electrically insulating substrate had a thickness of 20 μm and a porosity of 50%, and the porosity of the current collector layer was 28%.
実施例11
電気絶縁性基材を厚み20μmで空孔率62%とし、集電体層の空孔率を40%とする以外は実施例1と同様とした。
Example 11
The same procedure as in Example 1 was carried out except that the electrically insulating substrate had a thickness of 20 μm and a porosity of 62%, and the porosity of the current collector layer was 40%.
実施例12
電気絶縁性基材を厚み20μmで空孔率75%とし、集電体層の空孔率を54%とする以外は実施例1と同様とした。
Example 12
The same procedure as in Example 1 was carried out except that the electrically insulating substrate had a thickness of 20 μm and a porosity of 75%, and the porosity of the current collector layer was 54%.
実施例13
電気絶縁性基材を厚み20μmで空孔率95%とし、集電体層の空孔率を78%とする以外は実施例1と同様とした。
Example 13
The same procedure as in Example 1 was carried out except that the electrically insulating substrate had a thickness of 20 μm and a porosity of 95%, and the porosity of the current collector layer was 78%.
実施例14
電気絶縁性基材を厚み20μmで空孔率97%とし、集電体層の空孔率を82%とする以外は実施例1と同様とした。
Example 14
The same procedure as in Example 1 was carried out except that the electrically insulating substrate had a thickness of 20 μm and a porosity of 97%, and the porosity of the current collector layer was 82%.
実施例15
電気絶縁性基材の内外表面に形成するCu層の厚みを0.1μmとし、集電体層の空孔率を75%とする以外は実施例1と同様とした。
Example 15
The same procedure as in Example 1 was carried out except that the thickness of the Cu layer formed on the inner and outer surfaces of the electrically insulating substrate was set to 0.1 μm, and the porosity of the current collector layer was set to 75%.
実施例16
電気絶縁性基材の内外表面に形成するCu層の厚みを1.0μmとし、集電体層の空孔率を43%とする以外は実施例1と同様とした。
Example 16
Example 1 was the same as in Example 1, except that the thickness of the Cu layer formed on the inner and outer surfaces of the electrically insulating substrate was 1.0 μm, and the porosity of the current collector layer was 43%.
実施例17
電気絶縁性基材の内外表面に形成するCu層の厚みを1.7μmとし、集電体層の空孔率を21%とする以外は実施例1と同様とした。
Example 17
The same procedure as in Example 1 was carried out except that the thickness of the Cu layer formed on the inner and outer surfaces of the electrically insulating substrate was set to 1.7 μm, and the porosity of the current collector layer was set to 21%.
実施例18
負極30Cに代えて、図4の(a)の負極30Aを用いる以外は、実施例1と同様とした。負極30Aは、多孔集電体層/Li金属箔/Cu箔/Li金属箔/多孔集電体層の構造を有する。
Example 18
The same procedure as in Example 1 was performed except that the
実施例19
負極30Cを10枚と正極を11枚とし、両最外の電極はいずれも正極とする以外は、実施例1と同様とした。
Example 19
The procedure was the same as in Example 1, except that 10
実施例20
両最外の電極をいずれも負極30Cから負極30Bに代える以外は、実施例1と同様とした。負極30Bは、外側から順に、多孔集電体層/Li金属箔の構造を有する。
Example 20
The same procedure as in Example 1 was performed except that the
比較例1
多孔集電体に代えて、非孔の銅箔(厚み6μm)を用いる以外は、実施例1と同様とした。すなわち、比較例1の負極は、リチウム金属箔(厚み20μm)/非孔銅箔/リチウム金属箔(厚み20μm)の構造を有する。
Comparative example 1
The procedure was the same as in Example 1, except that a non-porous copper foil (thickness: 6 μm) was used instead of the porous current collector. That is, the negative electrode of Comparative Example 1 has a structure of lithium metal foil (
結果を表1に示す。
実施例にかかる負極によれば、サイクル特性が向上することが確認された。 It was confirmed that the negative electrodes according to the examples had improved cycle characteristics.
10…正極、20…セパレータ、30A,30B,30C…負極、32…集電体層、32a…電気絶縁性基材、32c,32d…導電層、32t…集電体層のタブ部、32m…集電体層の本体部、34…リチウム金属箔、34t…リチウム金属箔のタブ部、34m…リチウム金属箔の本体部、36…リチウム以外の金属箔、100…リチウムイオン二次電池。
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記集電体層は多孔質であり、かつ、前記集電体層の内の少なくとも内表面及び外表面は導電性を有する、負極。 comprising a current collector layer and a lithium metal foil disposed on the current collector layer;
The negative electrode, wherein the collector layer is porous, and at least the inner and outer surfaces of the collector layer are conductive.
前記リチウム金属箔は、前記集電体の本体部の間から前記集電体のタブ部の間までにわたって配置されている、請求項2に記載の負極。 The current collector layer has a body portion and a tab portion,
3. The negative electrode according to claim 2, wherein the lithium metal foil is arranged from between the body portion of the current collector to between the tab portions of the current collector.
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