JP6790877B2 - Non-aqueous electrolyte power storage element and its manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、非水電解質蓄電素子及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a non-aqueous electrolyte power storage device and a method for manufacturing the same.
リチウムイオン二次電池に代表される非水電解質二次電池は、エネルギー密度の高さから、パーソナルコンピュータ、通信端末等の電子機器、自動車等に多用されている。上記非水電解質二次電池は、一般的には、セパレータで電気的に隔離された一対の電極を有する電極体、及び電極間に介在する非水電解質を備え、両電極間でイオンの受け渡しを行うことで充放電するよう構成される。また、二次電池以外の非水電解質蓄電素子として、リチウムイオンキャパシタや電気二重層キャパシタ等のキャパシタも広く普及している。 Non-aqueous electrolyte secondary batteries represented by lithium ion secondary batteries are widely used in personal computers, electronic devices such as communication terminals, automobiles, etc. due to their high energy density. The non-aqueous electrolyte secondary battery generally includes an electrode body having a pair of electrodes electrically separated by a separator, and a non-aqueous electrolyte interposed between the electrodes, and transfers ions between the two electrodes. It is configured to charge and discharge by doing so. In addition, capacitors such as lithium ion capacitors and electric double layer capacitors are also widely used as non-aqueous electrolyte storage elements other than secondary batteries.
このような非水電解質蓄電素子に備わる電極としては、金属箔等の導電性を有する基材の表面に、活物質を含む合材層が形成された構造を有するものが一般的である。この合材層は、活物質を含むスラリー状の合材を塗布し、乾燥させることにより形成される。例えば特許文献1においては、負極活物質としての層間距離が0.340〜0.370nmである炭素材料(非晶質炭素)、バインダーとしての重合体粒子、及び特定の重合度を有する増粘剤等を含むリチウムイオン二次電池負極用スラリー組成物、及びこれから得られるリチウムイオン二次電池負極が提案されている。 The electrode provided in such a non-aqueous electrolyte power storage element generally has a structure in which a mixture layer containing an active material is formed on the surface of a conductive base material such as a metal foil. This mixture layer is formed by applying a slurry-like mixture containing an active material and drying it. For example, in Patent Document 1, a carbon material (amorphous carbon) having an interlayer distance of 0.340 to 0.370 nm as a negative electrode active material, polymer particles as a binder, and a thickener having a specific degree of polymerization. A slurry composition for a negative electrode of a lithium ion secondary battery containing the above, and a negative electrode of a lithium ion secondary battery obtained from the slurry composition have been proposed.
非水電解質蓄電素子においては、出力特性を高めるために、出力抵抗が低いことが好ましい。粒径の小さい非晶質炭素を用いることで出力抵抗は低下する傾向があるが、寿命特性が低下する等の懸念がある。そこで、ほぼ同サイズの非晶質炭素粒子を用いながら、出力抵抗を下げる技術が望まれる。 In the non-aqueous electrolyte power storage element, it is preferable that the output resistance is low in order to enhance the output characteristics. Output resistance tends to decrease by using amorphous carbon with a small particle size, but there is a concern that the life characteristics will decrease. Therefore, a technique for lowering the output resistance while using amorphous carbon particles having substantially the same size is desired.
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、負極活物質として非晶質炭素を用いた非水電解質蓄電素子であって、同サイズの非晶質炭素を用いた場合で比較した初期の低温出力抵抗を下げることができる非水電解質蓄電素子、及びこのような非水電解質蓄電素子の製造方法を提供することである。 The present invention has been made based on the above circumstances, and an object of the present invention is a non-aqueous electrolyte power storage device using amorphous carbon as a negative electrode active material, and an amorphous carbon of the same size is used. It is an object of the present invention to provide a non-aqueous electrolyte power storage element capable of lowering the initial low temperature output resistance compared in the case of use, and a method for manufacturing such a non-aqueous electrolyte power storage element.
上記課題を解決するためになされた本発明の一態様は、非晶質炭素と、ガラス転移点が40℃以上のスチレンブタジエンゴムとを含有する負極を備える非水電解質蓄電素子である。 One aspect of the present invention made to solve the above problems is a non-aqueous electrolyte power storage element including a negative electrode containing amorphous carbon and styrene-butadiene rubber having a glass transition point of 40 ° C. or higher.
本発明の他の一態様は、非晶質炭素と、ガラス転移点が40℃以上のスチレンブタジエンゴムとを含有する合材を負極基材に塗工することを備える非水電解質蓄電素子の製造方法である。 Another aspect of the present invention is the manufacture of a non-aqueous electrolyte power storage element comprising applying a mixture containing amorphous carbon and styrene-butadiene rubber having a glass transition point of 40 ° C. or higher to a negative electrode base material. The method.
本発明によれば、負極活物質として非晶質炭素を用いた非水電解質蓄電素子であって、同サイズの非晶質炭素を用いた場合で比較した初期の低温出力抵抗を下げることができる非水電解質蓄電素子、及びこのような非水電解質蓄電素子の製造方法を提供することができる。 According to the present invention, it is a non-aqueous electrolyte power storage device using amorphous carbon as a negative electrode active material, and the initial low temperature output resistance can be lowered as compared with the case where amorphous carbon of the same size is used. It is possible to provide a non-aqueous electrolyte storage element and a method for manufacturing such a non-aqueous electrolyte storage element.
本発明の一態様は、非晶質炭素と、ガラス転移点が40℃以上のスチレンブタジエンゴム(以下「SBR」ともいう。)とを含有する負極を備える非水電解質蓄電素子である。 One aspect of the present invention is a non-aqueous electrolyte power storage element including a negative electrode containing amorphous carbon and styrene-butadiene rubber having a glass transition point of 40 ° C. or higher (hereinafter, also referred to as “SBR”).
当該非水電解質蓄電素子によれば、非晶質炭素と、ガラス転移点が40℃以上と比較的高いSBRとを用いることで、同サイズの非晶質炭素を用いた場合において初期の低温出力抵抗を下げることができる。また、当該非水電解質蓄電素子によれば、同サイズの非晶質炭素を用いた場合において初期の放電容量も高めることができる。これら効果は負極活物質に非晶質炭素を用いた場合にみられる。なお、同サイズとは、非晶質炭素のメジアン径が等しいことをいう。 According to the non-aqueous electrolyte power storage element, by using amorphous carbon and SBR having a relatively high glass transition point of 40 ° C. or higher, the initial low-temperature output when amorphous carbon of the same size is used. The resistance can be lowered. Further, according to the non-aqueous electrolyte power storage element, the initial discharge capacity can be increased when amorphous carbon of the same size is used. These effects are observed when amorphous carbon is used as the negative electrode active material. In addition, the same size means that the median diameter of amorphous carbon is equal.
当該非水電解質蓄電素子が上記効果を奏する理由は定かでは無いが、非晶質炭素とガラス転移点が40℃以上のSBRとを含有する合材の塗布後の加熱乾燥工程において、SBRが軟化及び硬化することで、非晶質炭素と良好な密着状態を形成すると推測される。また、ガラス転移点が40℃以上のSBRを用いることで初期の低温出力抵抗を下げることができるという効果は、負極活物質として黒鉛を用いた場合には生じない。負極活物質として非晶質炭素と特定のSBRを用いたときに生じる特異な効果である。この効果の有無は、負極活物質の層構造又は表面状態に起因するものと推測される。 The reason why the non-aqueous electrolyte power storage element exerts the above effect is not clear, but the SBR is softened in the heat-drying step after application of the mixture containing amorphous carbon and SBR having a glass transition point of 40 ° C. or higher. And by curing, it is presumed that a good adhesion state with amorphous carbon is formed. Further, the effect that the initial low temperature output resistance can be lowered by using SBR having a glass transition point of 40 ° C. or higher does not occur when graphite is used as the negative electrode active material. This is a peculiar effect that occurs when amorphous carbon and a specific SBR are used as the negative electrode active material. It is presumed that the presence or absence of this effect is due to the layer structure or surface state of the negative electrode active material.
なお、「非晶質炭素」とは、広角X線回析法により決定される層間距離(d002)が3.40Å以上の炭素材料を意味する。 The "amorphous carbon" means a carbon material having an interlayer distance (d002) determined by a wide-angle X-ray diffraction method of 3.40 Å or more.
なお、SBRのガラス転移点は示差走査熱量測定(DSC)によって求められる。具体的には、示差走査熱量測定装置(Rigaku Thermo plus DSC8230)を用いて、昇温速度を10℃/分に設定する。ベースラインがシフトした温度をガラス転移点とする。常温以下の測定では液体窒素を用いて低温雰囲気とする。 The glass transition point of SBR is determined by differential scanning calorimetry (DSC). Specifically, a differential scanning calorimetry device (Rigaku Thermo plus DSC8230) is used to set the heating rate to 10 ° C./min. The temperature at which the baseline is shifted is defined as the glass transition point. For measurements below room temperature, use liquid nitrogen to create a low temperature atmosphere.
上記非晶質炭素のメジアン径が7μm以下であることが好ましい。このように、粒径の小さい非晶質炭素を用いることで、初期低温出力抵抗をより低くすることができ、充放電サイクル後の低温出力抵抗の上昇を抑えることもできる。さらに、粒径の小さい非晶質炭素を用いることで、初期の放電容量を高めることもできる。 The median diameter of the amorphous carbon is preferably 7 μm or less. As described above, by using amorphous carbon having a small particle size, the initial low temperature output resistance can be further lowered, and the increase in the low temperature output resistance after the charge / discharge cycle can be suppressed. Furthermore, the initial discharge capacity can be increased by using amorphous carbon having a small particle size.
なお、「メジアン径」は、JIS−Z−8819−2(2001年)に準拠し計算される体積基準積算分布が50%となる値(D50)を意味する。具体的には以下の方法による測定値とすることができる。測定装置としてレーザー回折式粒度分布測定装置(島津製作所社の「SALD−2200」)、測定制御ソフトとしてWing SALD−2200を用いて測定する。散乱式の測定モードを採用し、測定対象試料(非晶質炭素)が分散溶媒中に分散する分散液が循環する湿式セルにレーザー光を照射し、測定試料から散乱光分布を得る。そして、散乱光分布を対数正規分布により近似し、累積度50%(D50)にあたる粒子径をメジアン径とする。なお、上記測定に基づくメジアン径は、負極のSEM画像から、極端に大きい非晶質炭素及び極端に小さい非晶質炭素を避けて100個の非晶質炭素を抽出して測定するメジアン径とほぼ一致することが確認されている。 The "median diameter" means a value (D50) at which the volume-based integrated distribution calculated in accordance with JIS-Z-8819-2 (2001) is 50%. Specifically, the measured value can be obtained by the following method. A laser diffraction type particle size distribution measuring device (“SALD-2200” manufactured by Shimadzu Corporation) is used as a measuring device, and a Wing SALD-2200 is used as measurement control software. A scattering type measurement mode is adopted, and a laser beam is irradiated to a wet cell in which a dispersion liquid in which a measurement target sample (amorphous carbon) is dispersed in a dispersion solvent circulates, and a scattered light distribution is obtained from the measurement sample. Then, the scattered light distribution is approximated by a lognormal distribution, and the particle diameter corresponding to the cumulative degree of 50% (D50) is defined as the median diameter. The median diameter based on the above measurement is the median diameter measured by extracting 100 amorphous carbons from the SEM image of the negative electrode while avoiding extremely large amorphous carbons and extremely small amorphous carbons. It has been confirmed that they almost match.
本発明の他の一態様は、非晶質炭素と、ガラス転移点が40℃以上のスチレンブタジエンゴムとを含有する合材を負極基材に塗工することを備える非水電解質蓄電素子の製造方法である。 Another aspect of the present invention is the manufacture of a non-aqueous electrolyte power storage element comprising applying a mixture containing amorphous carbon and styrene-butadiene rubber having a glass transition point of 40 ° C. or higher to a negative electrode base material. The method.
当該製造方法によれば、負極活物質として非晶質炭素を用いた非水電解質蓄電素子であって、同サイズの非晶質炭素を用いた場合で比較した初期の低温出力抵抗を下げることができる非水電解質蓄電素子を得ることができる。 According to the manufacturing method, it is possible to reduce the initial low-temperature output resistance of a non-aqueous electrolyte power storage element using amorphous carbon as the negative electrode active material as compared with the case of using amorphous carbon of the same size. A non-aqueous electrolyte power storage element capable of being produced can be obtained.
<非水電解質蓄電素子>
本発明の一実施形態に係る非水電解質蓄電素子は、正極、負極及び非水電解質を有する。以下、非水電解質蓄電素子の一例として、二次電池について説明する。上記正極及び負極は、通常、セパレータを介して積層又は巻回により交互に重畳された電極体を形成する。この電極体はケースに収納され、このケース内に上記非水電解質が充填される。上記非水電解質は、正極と負極との間に介在する。また、上記ケースとしては、二次電池のケースとして通常用いられる公知のアルミニウムケース、樹脂ケースなどを用いることができる。
<Non-aqueous electrolyte power storage element>
The non-aqueous electrolyte power storage element according to one embodiment of the present invention has a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte. Hereinafter, a secondary battery will be described as an example of a non-aqueous electrolyte power storage element. The positive electrode and the negative electrode usually form electrode bodies that are alternately superposed by stacking or winding through a separator. The electrode body is housed in a case, and the case is filled with the non-aqueous electrolyte. The non-aqueous electrolyte is interposed between the positive electrode and the negative electrode. Further, as the above case, a known aluminum case, resin case or the like which is usually used as a case of a secondary battery can be used.
(負極)
上記負極は、負極基材、及び負極基材に積層される負極合材層を有する。
(Negative electrode)
The negative electrode has a negative electrode base material and a negative electrode mixture layer laminated on the negative electrode base material.
(負極基材)
上記負極基材は、導電性を有する基材である。負極基材の材質としては、銅、ニッケル、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼等の金属又はそれらの合金が用いられ、銅又は銅合金が好ましい。また、負極基材の形成形態としては、箔、蒸着膜等が挙げられ、コストの面から箔が好ましい。つまり、負極基材としては銅箔が好ましい。銅箔としては、圧延銅箔、電解銅箔等が例示される。
(Negative electrode base material)
The negative electrode base material is a base material having conductivity. As the material of the negative electrode base material, metals such as copper, nickel, stainless steel and nickel-plated steel or alloys thereof are used, and copper or a copper alloy is preferable. Further, examples of the form of forming the negative electrode base material include foils and thin-film deposition films, and foils are preferable from the viewpoint of cost. That is, copper foil is preferable as the negative electrode base material. Examples of the copper foil include rolled copper foil and electrolytic copper foil.
(負極合材層)
上記負極合材層は、負極の最表層として配される。負極合材層は、非晶質炭素及びSBRを含む。上記非晶質炭素は、負極活物質として機能する。また、SBRは、バインダー(結着剤)として機能する。負極合材層は、必要に応じて上記非晶質炭素以外の負極活物質、SBR以外のバインダー、増粘剤、導電剤、フィラー等の任意成分を含む。
(Negative electrode mixture layer)
The negative electrode mixture layer is arranged as the outermost layer of the negative electrode. The negative electrode mixture layer contains amorphous carbon and SBR. The amorphous carbon functions as a negative electrode active material. In addition, SBR functions as a binder (binder). The negative electrode mixture layer contains optional components such as the negative electrode active material other than the amorphous carbon, a binder other than SBR, a thickener, a conductive agent, and a filler, if necessary.
(非晶質炭素)
上記非晶質炭素は、例えば難黒鉛化性炭素(ハードカーボン)や、易黒鉛化性炭素(ソフトカーボン)などが挙げられる。上記難黒鉛化性炭素としては、フェノール樹脂焼成体、フラン樹脂焼成体、フルフリルアルコール樹脂焼成体等を挙げることができる。上記易黒鉛化性炭素としては、コークス、熱分解炭素等を挙げることができる。
(Amorphous carbon)
Examples of the amorphous carbon include non-graphitizable carbon (hard carbon) and easily graphitizable carbon (soft carbon). Examples of the non-graphitizable carbon include a calcined phenol resin, a calcined furan resin, and a calcined furfuryl alcohol resin. Examples of the easily graphitizable carbon include coke and pyrolytic carbon.
上記非晶質炭素子は、難黒鉛化性炭素を含むことが好ましい。難黒鉛化性炭素を用いることで、当該非水電解質蓄電素子の初期の低温出力抵抗や、充放電サイクル後の低温出力抵抗の上昇をより抑えることなどができる。これは、難黒鉛化性炭素が充放電時の膨張収縮が小さいことなどによるものと推察される。上記非晶質炭素における難黒鉛化性炭素の含有量は特に限定されないが、下限としては70質量%が好ましく、90質量%がより好ましく、99質量%がさらに好ましい。この上限は、100質量%であってよい。なお、「難黒鉛化性炭素」とは、層間距離(d002)が3.60Å以上であり、常圧下で3300K付近の超高温まで加熱しても黒鉛に変換しない非晶質炭素をいう。 The amorphous carbonite preferably contains non-graphitizable carbon. By using non-graphitizable carbon, it is possible to further suppress an increase in the initial low temperature output resistance of the non-aqueous electrolyte power storage element and the low temperature output resistance after the charge / discharge cycle. It is presumed that this is because the graphitizable carbon has a small expansion and contraction during charging and discharging. The content of graphitizable carbon in the amorphous carbon is not particularly limited, but the lower limit is preferably 70% by mass, more preferably 90% by mass, and even more preferably 99% by mass. This upper limit may be 100% by mass. The "graphitizable carbon" refers to amorphous carbon having an interlayer distance (d002) of 3.60 Å or more and which does not convert to graphite even when heated to an ultra-high temperature of around 3300 K under normal pressure.
上記非晶質炭素のメジアン径の上限としては、例えば12μmであり、7μmが好ましく、3.5μmがさらに好ましい。メジアン径が上記上限以下の非晶質炭素を用いることで、当該非水電解質蓄電素子の初期の低温出力抵抗や、充放電サイクルに伴う低温出力抵抗の上昇をより抑え、放電容量を高めることもできる。 The upper limit of the median diameter of the amorphous carbon is, for example, 12 μm, preferably 7 μm, and even more preferably 3.5 μm. By using amorphous carbon whose median diameter is less than or equal to the above upper limit, it is possible to further suppress the increase in the initial low temperature output resistance of the non-aqueous electrolyte power storage element and the low temperature output resistance due to the charge / discharge cycle, and increase the discharge capacity. it can.
一方、非晶質炭素のメジアン径の下限としては、特に限定されないが、生産性、入手容易性等の観点から、例えば0.5μmであり、1μmが好ましく、2μmがより好ましい。なお、非晶質炭素のメジアン径を上記下限以上とすることで、低温出力抵抗の充放電サイクルに伴う上昇をより抑えることもできる。 On the other hand, the lower limit of the median diameter of amorphous carbon is not particularly limited, but is, for example, 0.5 μm, preferably 1 μm, and more preferably 2 μm from the viewpoint of productivity, availability, and the like. By setting the median diameter of the amorphous carbon to the above lower limit or more, it is possible to further suppress an increase in the low temperature output resistance due to the charge / discharge cycle.
上記非晶質炭素のBET比表面積の下限としては、1m2/gが好ましく、2m2/gがより好ましく、4m2/gがさらに好ましい。また、上記BET比表面積の上限としては、10m2/gが好ましく、9m2/gがより好ましく、8m2/gがさらに好ましい。上記BET比表面積を上記下限以上とすることで、初期の低温出力抵抗をより低くし、かつ充放電サイクルに伴う低温出力抵抗の上昇をより効果的に抑えることができる。一方、上記BET比表面積を上記上限以下とすることで、例えば電解質との反応を抑制することなどができる。 As the lower limit of the BET specific surface area of the amorphous carbon, 1 m 2 / g is preferable, 2 m 2 / g is more preferable, and 4 m 2 / g is further preferable. The upper limit of the BET specific surface area is preferably 10 m 2 / g, more preferably 9m 2 / g, 8m 2 / g is more preferred. By setting the BET specific surface area to the above lower limit or more, the initial low temperature output resistance can be made lower, and the increase in the low temperature output resistance due to the charge / discharge cycle can be more effectively suppressed. On the other hand, by setting the BET specific surface area to the above upper limit or less, for example, the reaction with the electrolyte can be suppressed.
上記非晶質炭素の負極合材層における含有量の下限としては、50質量%が好ましく、65質量%がより好ましく、80質量%がさらに好ましく、95質量%が特に好ましい。非晶質炭素の含有量を上記下限以上とすることにより、十分な放電容量や導電性等を確保することなどができる。一方、この含有量の上限としては、例えば99質量%とすることができる。 The lower limit of the content of the amorphous carbon in the negative electrode mixture layer is preferably 50% by mass, more preferably 65% by mass, further preferably 80% by mass, and particularly preferably 95% by mass. By setting the content of amorphous carbon to the above lower limit or more, it is possible to secure sufficient discharge capacity, conductivity, and the like. On the other hand, the upper limit of this content can be, for example, 99% by mass.
上記負極合材層に含有されていてもよい他の負極活物質としては、通常使用される公知の材料が挙げられ、例えばSi、Sn等の金属又は半金属;Si酸化物、Sn酸化物等の金属酸化物又は半金属酸化物;ポリリン酸化合物;黒鉛(グラファイト)等が挙げられる。但し、上記負極活物質における負極活物質中の、上記非晶質炭素以外の負極活物質の含有量の上限としては、20質量%が好ましいことがあり、5質量%が好ましいこともあり、1質量%が好ましいこともある。 Examples of other negative electrode active materials that may be contained in the negative electrode mixture layer include known materials that are usually used, and examples thereof include metals or semi-metals such as Si and Sn; Si oxide, Sn oxide and the like. Metal oxides or semi-metal oxides; polyphosphate compounds; graphite (graphite) and the like. However, the upper limit of the content of the negative electrode active material other than the amorphous carbon in the negative electrode active material in the negative electrode active material may be preferably 20% by mass or 5% by mass. In some cases,% by mass is preferable.
(SBR)
SBRは、非晶質炭素及び必要に応じて含有される他の負極活物質等を固定するためのバインダーである。SBRは、スチレンとブタジエンとの共重合体であり、スチレン及びブタジエン以外の他の単量体がさらに共重合されていてもよい。SBRは、通常、水系バインダーとして用いられる。水系バインダーとは、合材を調製する際に、水系溶媒に溶解又は分散可能なバインダーを意味する。なお、水系溶媒とは、水、又は水を主体とする混合溶媒を意味する。混合溶媒を構成する水以外の溶媒としては、水と均一に混合し得る有機溶媒(低級アルコールや低級ケトン等)を例示することができる。
(SBR)
SBR is a binder for fixing amorphous carbon and other negative electrode active materials contained as needed. SBR is a copolymer of styrene and butadiene, and monomers other than styrene and butadiene may be further copolymerized. SBR is usually used as an aqueous binder. The aqueous binder means a binder that can be dissolved or dispersed in an aqueous solvent when preparing a mixture. The aqueous solvent means water or a mixed solvent mainly composed of water. As the solvent other than water constituting the mixed solvent, an organic solvent (lower alcohol, lower ketone, etc.) that can be uniformly mixed with water can be exemplified.
SBRのガラス転移点(Tg)の下限としては、40℃であり、45℃が好ましく、60℃であってもよい。このようにガラス転移点の高いSBRを用いることで、初期の低温出力抵抗をより低くすることができる。一方、このガラス転移点の上限としては、例えば120℃とすることができ、110℃であってもよく、80℃であってもよい。SBRのガラス転移点を上記上限以下とすることで、保存時等に生じる凝集の発生を抑制し、塗工性、ひいてはバインダーとしての結着性を良好に保つことなどができる。 The lower limit of the glass transition point (Tg) of SBR is 40 ° C, preferably 45 ° C, and may be 60 ° C. By using SBR having a high glass transition point in this way, the initial low temperature output resistance can be further lowered. On the other hand, the upper limit of the glass transition point can be, for example, 120 ° C., 110 ° C., or 80 ° C. By setting the glass transition point of SBR to the above upper limit or less, it is possible to suppress the occurrence of agglomeration that occurs during storage and the like, and to maintain good coatability and, by extension, good binding property as a binder.
負極合材層におけるSBRの含有量の下限としては、1質量%が好ましく、2質量%がより好ましい。一方、SBRの含有量の上限としては、10質量%が好ましく、5質量%がより好ましい。SBRの含有量を上記範囲とすることで、当該非水電解質蓄電素子の低温出力抵抗を低減したり、放電容量を高めたりすることなどができる。 The lower limit of the SBR content in the negative electrode mixture layer is preferably 1% by mass, more preferably 2% by mass. On the other hand, as the upper limit of the SBR content, 10% by mass is preferable, and 5% by mass is more preferable. By setting the SBR content in the above range, it is possible to reduce the low temperature output resistance of the non-aqueous electrolyte power storage element, increase the discharge capacity, and the like.
SBR以外に含有されていてもよい他のバインダーとしては、例えば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−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重含体(PFA)、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)、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、酢酸ビニル共重合体、アクリル酸変性SBR、エチレン−プロピレン−ジエンゴム(EPDM)、スルホン化EPDM、フッ素ゴム、アラビアゴム、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリ塩化ビニリデン(PVDC)、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンオキサイド(PEO)、ポリプロピレンオキサイド(PPO)、ポリエチレンオキサイド−プロピレンオキサイド共重合体(PEO−PPO)等を用いることができる。但し、SBR以外の他のバインダーの含有量の上限は、SBR100質量部に対して、50質量部が好ましく、10質量部がより好ましく、1質量部がさらに好ましい。このように、バインダーとしてガラス転移点が40℃以上のSBRのみを実質的に用いることで、本発明の効果がより十分に発揮される。 Other binders that may be contained in addition to SBR include, for example, polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer. (FEP), ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), vinyl acetate copolymer, acrylic acid-modified SBR, ethylene-propylene-diene rubber (EPDM), sulfonated EPDM, fluororubber, arabic rubber, polyvinylidene fluoride ( PVDF), polyvinylidene chloride (PVDC), polyethylene, polypropylene, polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), polyethylene oxide-propylene oxide copolymer (PEO-PPO) and the like can be used. However, the upper limit of the content of the binder other than SBR is preferably 50 parts by mass, more preferably 10 parts by mass, and even more preferably 1 part by mass with respect to 100 parts by mass of SBR. As described above, the effect of the present invention is more fully exhibited by substantially using only SBR having a glass transition point of 40 ° C. or higher as the binder.
(増粘剤)
上記増粘剤としては、カルボキシメチルセルロース(CMC)、CMC塩、メチルセルロース等の多糖類高分子が挙げられる。これらの中でも、CMCが好ましい。なお、CMCの一部(例えば、30モル%以下、好ましくは10モル%以下、より好ましくは1モル%以下)が、陰イオン又は塩の一部として存在していてもよい。負極合材層に同サイズの非晶質炭素が含有されている場合、非イオン性のCMCが含有されていることで、低温出力抵抗の上昇抑制効果をより高めることができ、放電容量も高めることができる。この理由は定かでは無いが、非イオン性のCMCが存在する場合、CMCと非晶質炭素との親和性が良好になり、非晶質炭素の密着性が高まることが低抵抗性(導電性)に寄与することなどが推定される。
(Thickener)
Examples of the thickener include polysaccharide polymers such as carboxymethyl cellulose (CMC), CMC salt, and methyl cellulose. Among these, CMC is preferable. A part of CMC (for example, 30 mol% or less, preferably 10 mol% or less, more preferably 1 mol% or less) may be present as a part of an anion or salt. When the negative electrode mixture layer contains amorphous carbon of the same size, the nonionic CMC is contained, so that the effect of suppressing the increase in low temperature output resistance can be further enhanced and the discharge capacity is also enhanced. be able to. The reason for this is not clear, but in the presence of nonionic CMC, the affinity between the CMC and the amorphous carbon becomes good, and the adhesion of the amorphous carbon increases, which is low resistance (conductive). ) Is presumed to contribute.
CMCのエーテル化度の下限としては、0.4が好ましく、0.45がより好ましく、0.5がさらに好ましい。上記エーテル化度の上限としては、1.5であってもよいが、1が好ましく、0.8がより好ましく、0.6がさらに好ましい。CMCのエーテル化度を上記範囲とすることで、低温出力抵抗をより低くすることなどができる。この理由は定かでは無いが、CMCのエーテル化度を上記範囲とすることで、CMCと非晶質炭素との親和性が良好になり、非晶質炭素の密着性が高まることが低抵抗性(導電性)に寄与することなどが推定される。なお、CMCのエーテル化度は、無水グルコース1単位あたりに結合しているカルボキシメチル基の置換度をアルカリ度又は酸度で測定することにより算出することができる。CMCのエーテル化度の上限値は、理論的には3.0まで可能であるが、製造が非常に困難である。 The lower limit of the degree of etherification of CMC is preferably 0.4, more preferably 0.45, and even more preferably 0.5. The upper limit of the degree of etherification may be 1.5, but 1 is preferable, 0.8 is more preferable, and 0.6 is further preferable. By setting the degree of etherification of CMC within the above range, the low temperature output resistance can be further lowered. The reason for this is not clear, but by setting the degree of etherification of CMC to the above range, the affinity between CMC and amorphous carbon becomes good, and the adhesion of amorphous carbon increases, which is low resistance. It is presumed that it contributes to (conductivity). The degree of etherification of CMC can be calculated by measuring the degree of substitution of the carboxymethyl group bonded to one unit of anhydrous glucose by alkalinity or acidity. The upper limit of the degree of etherification of CMC can theoretically be up to 3.0, but it is very difficult to manufacture.
負極合材層におけるCMCの含有量の下限としては、0.3質量%が好ましく、0.5質量%がより好ましい。一方、上記CMCの含有量の上限としては、5質量%が好ましく、3質量%がより好ましい。CMCの含有量を上記下限以上とすることで、抵抗の低減効果等をより十分なものとすることなどができる。一方、CMCの含有量を上記上限以下とすることで、当該非水電解質蓄電素子の放電容量を十分なものとすることができる。 The lower limit of the CMC content in the negative electrode mixture layer is preferably 0.3% by mass, more preferably 0.5% by mass. On the other hand, as the upper limit of the content of CMC, 5% by mass is preferable, and 3% by mass is more preferable. By setting the CMC content to the above lower limit or higher, the effect of reducing resistance and the like can be made more sufficient. On the other hand, by setting the CMC content to the above upper limit or less, the discharge capacity of the non-aqueous electrolyte power storage element can be made sufficient.
(負極のBET比表面積)
上記負極のBET比表面積の下限としては、2.20m2/gが好ましく、2.3m2/gがより好ましい。負極のBET比表面積を上記下限以上とすることで、初期の低温出力抵抗をより低くし、放電容量も高めることができる。なお、理由は定かではないが、ガラス転移点の高いSBRを用いることで、同サイズの非晶質炭素を用いた場合であっても、負極のBET比表面積を大きくでき、その結果、初期の低温出力抵抗をより低くすることなどができる。一方、このBET比表面積の上限としては、例えば4m2/gであり、3m2/gであってもよく、2.5m2/gであってもよい。
(BET specific surface area of negative electrode)
As the lower limit of the BET specific surface area of the negative electrode, 2.20 m 2 / g is preferable, and 2.3 m 2 / g is more preferable. By setting the BET specific surface area of the negative electrode to be equal to or higher than the above lower limit, the initial low temperature output resistance can be further lowered and the discharge capacity can be increased. Although the reason is not clear, by using SBR having a high glass transition point, the BET specific surface area of the negative electrode can be increased even when amorphous carbon of the same size is used, and as a result, the initial BET specific surface area can be increased. The low temperature output resistance can be made lower. On the other hand, the upper limit of the BET specific surface area, for example, 4m 2 / g, may be 3m 2 / g, it may be 2.5 m 2 / g.
(正極)
上記正極は、正極基材、及びこの正極基材に直接又は中間層を介して配される正極合材層を有する。
(Positive electrode)
The positive electrode has a positive electrode base material and a positive electrode mixture layer arranged directly on the positive electrode base material or via an intermediate layer.
上記正極基材は、導電性を有する。正極基材の材質としては、アルミニウム、チタン、タンタル、ステンレス鋼等の金属又はそれらの合金が用いられる。これらの中でも、耐電位性、導電性の高さ及びコストのバランスからアルミニウム及びアルミニウム合金が好ましい。また、正極基材の形成形態としては、箔、蒸着膜等が挙げられ、コストの面から箔が好ましい。つまり、正極基材としてはアルミニウム箔が好ましい。なお、アルミニウム又はアルミニウム合金としては、JIS−H−4000(2014年)に規定されるA1085P、A3003P等が例示できる。 The positive electrode base material has conductivity. As the material of the positive electrode base material, metals such as aluminum, titanium, tantalum, and stainless steel or alloys thereof are used. Among these, aluminum and aluminum alloys are preferable from the viewpoint of balance of potential resistance, high conductivity and cost. Further, as a form of forming the positive electrode base material, a foil, a vapor-deposited film and the like can be mentioned, and the foil is preferable from the viewpoint of cost. That is, an aluminum foil is preferable as the positive electrode base material. Examples of aluminum or aluminum alloy include A1085P and A3003P specified in JIS-H-4000 (2014).
正極合材層は、正極活物質を含むいわゆる正極合材から形成される。また、正極合材層を形成する正極合材は、必要に応じて導電剤、バインダー(結着剤)、増粘剤、フィラー等の任意成分を含む。これらの任意成分は、上述した負極のものと同様とすることができる。 The positive electrode mixture layer is formed from a so-called positive electrode mixture containing a positive electrode active material. Further, the positive electrode mixture forming the positive electrode mixture layer contains optional components such as a conductive agent, a binder (binding agent), a thickener, and a filler, if necessary. These optional components can be the same as those of the negative electrode described above.
上記正極活物質としては、例えばLixMOy(Mは少なくとも一種の遷移金属を表す)で表される複合酸化物(層状のα−NaFeO2型結晶構造を有するLixCoO2,LixNiO2,LixMnO3,LixNiαCo(1−α)O2,LixNiαMnβCo(1−α−β)O2等、スピネル型結晶構造を有するLixMn2O4,LixNiαMn(2−α)O4等)、LiwMex(XOy)z(Meは少なくとも一種の遷移金属を表し、Xは例えばP、Si、B、V等を表す)で表されるポリアニオン化合物(LiFePO4,LiMnPO4,LiNiPO4,LiCoPO4,Li3V2(PO4)3,Li2MnSiO4,Li2CoPO4F等)が挙げられる。これらの化合物中の元素又はポリアニオンは、他の元素又はアニオン種で一部が置換されていてもよい。正極合材層においては、これら化合物の1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。 Examples of the positive electrode active material include composite oxides represented by Li x MO y (M represents at least one kind of transition metal) (Li x CoO 2 and Li x NiO having a layered α-NaFeO type 2 crystal structure). 2 , Li x MnO 3 , Li x Ni α Co (1-α) O 2 , Li x Ni α Mn β Co (1-α-β) O 2, etc., Li x Mn 2 O 4 having a spinel type crystal structure , Li x Ni α Mn (2-α) O 4 etc.), Li w Me x (XO y ) z (Me represents at least one kind of transition metal, and X represents, for example, P, Si, B, V, etc.) Examples thereof include polyanionic compounds represented by (LiFePO 4 , LiMnPO 4 , LiNiPO 4 , LiCoPO 4 , Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 , Li 2 MnSiO 4 , Li 2 CoPO 4 F, etc.). The elements or polyanions in these compounds may be partially substituted with other elements or anion species. In the positive electrode mixture layer, one of these compounds may be used alone, or two or more of these compounds may be mixed and used.
(セパレータ)
上記セパレータの材質としては、例えば織布、不織布、多孔質樹脂フィルム等が用いられる。これらの中でも、強度の観点から多孔質樹脂フィルムが好ましく、非水電解質の保液性の観点から不織布が好ましい。上記セパレータの主成分としては、強度の観点から例えばポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンが好ましく、耐酸化分解性の観点から例えばポリイミドやアラミド等が好ましい。また、これらの樹脂を複合してもよい。
(Separator)
As the material of the separator, for example, a woven fabric, a non-woven fabric, a porous resin film or the like is used. Among these, a porous resin film is preferable from the viewpoint of strength, and a non-woven fabric is preferable from the viewpoint of liquid retention of a non-aqueous electrolyte. As the main component of the separator, polyolefins such as polyethylene and polypropylene are preferable from the viewpoint of strength, and polyimide and aramid are preferable from the viewpoint of oxidative decomposition resistance. Moreover, you may combine these resins.
(非水電解質)
上記非水電解質は、非水溶媒に、電解質塩が溶解した溶液である。上記非水電解質は、非水溶媒及び電解質塩以外の他の成分を含有していてもよい。この他の成分としては、一般的な蓄電素子用非水電解質の添加剤として用いられる各種添加剤等を挙げることができる。
(Non-aqueous electrolyte)
The non-aqueous electrolyte is a solution in which an electrolyte salt is dissolved in a non-aqueous solvent. The non-aqueous electrolyte may contain components other than the non-aqueous solvent and the electrolyte salt. Examples of other components include various additives used as additives for general non-aqueous electrolytes for power storage devices.
上記非水溶媒としては、一般的な蓄電素子用非水電解質の非水溶媒として通常用いられる公知の非水溶媒を用いることができる。上記非水溶媒としては、環状カーボネート、鎖状カーボネート、エステル、エーテル、アミド、スルホン、ラクトン、ニトリル等を挙げることができる。これらの中でも、環状カーボネート又は鎖状カーボネートを少なくとも用いることが好ましく、環状カーボネートと鎖状カーボネートとを併用することがより好ましい。環状カーボネートと鎖状カーボネートとを併用する場合、環状カーボネートと鎖状カーボネートとの体積比(環状カーボネート:鎖状カーボネート)としては、特に限定されないが、例えば5:95以上50:50以下とすることが好ましい。 As the non-aqueous solvent, a known non-aqueous solvent usually used as a non-aqueous solvent for a general non-aqueous electrolyte for a power storage element can be used. Examples of the non-aqueous solvent include cyclic carbonates, chain carbonates, esters, ethers, amides, sulfones, lactones, nitriles and the like. Among these, it is preferable to use at least cyclic carbonate or chain carbonate, and it is more preferable to use cyclic carbonate and chain carbonate in combination. When the cyclic carbonate and the chain carbonate are used in combination, the volume ratio of the cyclic carbonate to the chain carbonate (cyclic carbonate: chain carbonate) is not particularly limited, but is, for example, 5:95 or more and 50:50 or less. Is preferable.
上記環状カーボネートとしては、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、ビニレンカーボネート(VC)、ビニルエチレンカーボネート(VEC)、クロロエチレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、ジフルオロエチレンカーボネート(DFEC)、スチレンカーボネート、カテコールカーボネート、1−フェニルビニレンカーボネート、1,2−ジフェニルビニレンカーボネート等を挙げることができる。 Examples of the cyclic carbonate include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), vinylene carbonate (VC), vinyl ethylene carbonate (VEC), chloroethylene carbonate, fluoroethylene carbonate (FEC), and difluoroethylene. Examples thereof include carbonate (DFEC), styrene carbonate, catechol carbonate, 1-phenylvinylene carbonate, 1,2-diphenylvinylene carbonate and the like.
上記鎖状カーボネートとしては、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジフェニルカーボネート等を挙げることができる。 Examples of the chain carbonate include diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), diphenyl carbonate and the like.
上記電解質塩としては、一般的な蓄電素子用非水電解質の電解質塩として通常用いられる公知の電解質塩を用いることができる。上記電解質塩としては、リチウム塩、ナトリウム塩、カリウム塩、マグネシウム塩、オニウム塩等を挙げることができるが、リチウム塩が好ましい。 As the electrolyte salt, a known electrolyte salt usually used as an electrolyte salt of a general non-aqueous electrolyte for a power storage element can be used. Examples of the electrolyte salt include lithium salt, sodium salt, potassium salt, magnesium salt, onium salt and the like, but lithium salt is preferable.
上記リチウム塩としては、LiPF6、LiPO2F2、LiBF4、LiClO4、LiN(SO2F)2等の無機リチウム塩、LiSO3CF3、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2、LiN(SO2CF3)(SO2C4F9)、LiC(SO2CF3)3、LiC(SO2C2F5)3等のフッ化炭化水素基を有するリチウム塩などを挙げることができる。これらの中でも、無機リチウム塩が好ましく、LiPF6がより好ましい。 Examples of the lithium salt include inorganic lithium salts such as LiPF 6 , LiPO 2 F 2 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiN (SO 2 F) 2 , LiSO 3 CF 3 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , and LiN (SO). 2 C 2 F 5 ) 2 , LiN (SO 2 CF 3 ) (SO 2 C 4 F 9 ), LiC (SO 2 CF 3 ) 3 , LiC (SO 2 C 2 F 5 ) 3 and other fluorinated hydrocarbon groups Lithium salt having the above can be mentioned. Among these, an inorganic lithium salt is preferable, and LiPF 6 is more preferable.
当該非水電解質における上記電解質塩の含有量の下限としては、0.1Mが好ましく、0.3Mがより好ましく、0.5Mがさらに好ましく、0.7Mが特に好ましい。一方、この上限としては、特に限定されないが、2.5Mが好ましく、2Mがより好ましく、1.5Mがさらに好ましい。 The lower limit of the content of the electrolyte salt in the non-aqueous electrolyte is preferably 0.1 M, more preferably 0.3 M, further preferably 0.5 M, and particularly preferably 0.7 M. On the other hand, the upper limit is not particularly limited, but is preferably 2.5M, more preferably 2M, and even more preferably 1.5M.
<非水電解質蓄電素子の製造方法>
本発明の一実施形態に係る非水電解質蓄電素子の製造方法は、非晶質炭素と、ガラス転移点が40℃以上のSBRとを含有する合材を負極基材に塗工することを備える。また、当該製造方法は、通常、上記塗工された合材を乾燥させることをさらに備える。
<Manufacturing method of non-aqueous electrolyte power storage element>
The method for producing a non-aqueous electrolyte power storage element according to an embodiment of the present invention includes coating a negative electrode base material with a mixture containing amorphous carbon and SBR having a glass transition point of 40 ° C. or higher. .. In addition, the manufacturing method usually further comprises drying the coated mixture.
上記合材(負極合材層形成材料)は、非晶質炭素、SBR、及び必要に応じてその他の成分が、水等の分散媒によって分散されたスラリー(ペースト)である。この合材の負極基材への塗工は、公知の方法により行うことができる。なお、この塗工には、噴霧や浸漬等も含まれる。 The mixture (negative mixture layer forming material) is a slurry (paste) in which amorphous carbon, SBR, and, if necessary, other components are dispersed in a dispersion medium such as water. The coating of this mixture on the negative electrode base material can be performed by a known method. In addition, this coating includes spraying, dipping and the like.
上記乾燥は、自然乾燥であってもよいし、加熱乾燥などであってもよい。加熱乾燥は、例えば40℃以上、好ましくは50℃以上150℃以下、1分以上60分以下で行うことができる。また、加熱乾燥の温度は、SBRのガラス転移点以上とすることもできる。この加熱乾燥により、密着性が高く、抵抗の低い負極合材層が形成される。なお、増粘剤として、CMC−NH4塩を用いている場合、この加熱乾燥の際にアンモニアが揮発し、非イオン性のCMCとして負極合材層中に残存することとなる。 The above-mentioned drying may be natural drying, heat drying, or the like. The heat drying can be performed, for example, at 40 ° C. or higher, preferably 50 ° C. or higher and 150 ° C. or lower, and 1 minute or longer and 60 minutes or lower. Further, the temperature of heating and drying can be set to be equal to or higher than the glass transition point of SBR. By this heat drying, a negative electrode mixture layer having high adhesion and low resistance is formed. Incidentally, as a thickener, the case of using CMC-NH 4 salt, ammonia is volatilized during the heat drying, and thus remaining in the negative-electrode mixture layer as the non-ionic CMC.
上記乾燥後は、負極合材層と負極基材との密着性等を高めるために、負極合材層の厚さ方向にプレスを行ってもよい。このような工程を経て負極を得ることができる。 After the drying, pressing may be performed in the thickness direction of the negative electrode mixture layer in order to improve the adhesion between the negative electrode mixture layer and the negative electrode base material. A negative electrode can be obtained through such a process.
当該非水電解質蓄電素子は、上記負極の製造以外は、従来公知の非水電解質蓄電素子と同様の方法により製造することができる。当該製造方法は、例えば、正極及び負極(電極体)をケースに収容すること、及び上記ケースに上記非水電解質を注入することを有する。 The non-aqueous electrolyte storage element can be produced by the same method as the conventionally known non-aqueous electrolyte storage element, except for the production of the negative electrode. The manufacturing method includes, for example, housing a positive electrode and a negative electrode (electrode body) in a case, and injecting the non-aqueous electrolyte into the case.
<その他の実施形態>
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、上記態様の他、種々の変更、改良を施した態様で実施することができる。例えば上記負極は、メッシュ状の負極基材に負極合材が担持された構造などであってもよい。また、上記実施の形態においては、非水電解質蓄電素子が二次電池である形態を中心に説明したが、その他の非水電解質蓄電素子であってもよい。その他の非水電解質蓄電素子としては、キャパシタ(電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ)等が挙げられる。
<Other Embodiments>
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented in various modifications and improvements in addition to the above-described embodiment. For example, the negative electrode may have a structure in which a negative electrode mixture is supported on a mesh-shaped negative electrode base material. Further, in the above-described embodiment, the non-aqueous electrolyte storage element is mainly a secondary battery, but other non-aqueous electrolyte storage elements may be used. Examples of other non-aqueous electrolyte power storage elements include capacitors (electric double layer capacitors, lithium ion capacitors) and the like.
図1に、本発明に係る非水電解質蓄電素子の一実施形態である矩形状の二次電池1の概略図を示す。なお、同図は、容器内部を透視した図としている。図1に示す二次電池1は、電極体2が電池容器3に収納されている。電極体2は、正極活物質を備える正極と、負極活物質を備える負極とが、セパレータを介して捲回されることにより形成されている。正極は、正極リード4’を介して正極端子4と電気的に接続され、負極は、負極リード5’を介して負極端子5と電気的に接続されている。
FIG. 1 shows a schematic view of a rectangular secondary battery 1 which is an embodiment of a non-aqueous electrolyte power storage element according to the present invention. The figure is a perspective view of the inside of the container. In the secondary battery 1 shown in FIG. 1, the
本発明に係る非水電解質蓄電素子の構成については特に限定されるものではなく、円筒型電池、角型電池(矩形状の電池)、扁平型電池等が一例として挙げられる。本発明は、上記の非水電解質蓄電素子を複数備える蓄電装置としても実現することができる。蓄電装置の一実施形態を図2に示す。図2において、蓄電装置30は、複数の蓄電ユニット20を備えている。それぞれの蓄電ユニット20は、複数の二次電池1を備えている。上記蓄電装置30は、電気自動車(EV)、ハイブリッド自動車(HEV)、プラグインハイブリッド自動車(PHEV)等の自動車用電源として搭載することができる。
The configuration of the non-aqueous electrolyte power storage element according to the present invention is not particularly limited, and examples thereof include a cylindrical battery, a square battery (rectangular battery), and a flat battery. The present invention can also be realized as a power storage device including a plurality of the above-mentioned non-aqueous electrolyte power storage elements. An embodiment of the power storage device is shown in FIG. In FIG. 2, the
以下、実施例によって本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to the following Examples.
[実施例1]
まず、負極活物質である非晶質炭素としての難黒鉛化性炭素(メジアン径:2.0μm、BET比表面積:7.90m2/g)と、増粘剤としてのCMC−NH4塩(エーテル化度:0.6)と、バインダーとしてのSBR(Tg:45℃)とを用い、非晶質炭素95質量部、増粘剤2質量部、バインダー3質量部、及び水を混練して負極合材を調製した。非晶質炭素のメジアン径及びBET比表面積は、上記した方法により測定した。上記負極合材を、負極基材としての銅箔(厚み10μm)の表面に塗工し、加圧成形した後に120℃30分で乾燥して、負極合材層を形成し、負極を得た。
[Example 1]
First, graphitizable carbon (median diameter: 2.0 μm, BET specific surface area: 7.90 m 2 / g) as amorphous carbon, which is a negative electrode active material, and CMC-NH 4 salt as a thickener (CMC-NH 4 salt). Using an etherification degree: 0.6) and SBR (Tg: 45 ° C.) as a binder, 95 parts by mass of amorphous carbon, 2 parts by mass of a thickener, 3 parts by mass of a binder, and water are kneaded. A negative electrode mixture was prepared. The median diameter and BET specific surface area of amorphous carbon were measured by the above method. The negative electrode mixture was applied to the surface of a copper foil (thickness 10 μm) as a negative electrode base material, pressure-molded, and then dried at 120 ° C. for 30 minutes to form a negative electrode mixture layer to obtain a negative electrode. ..
上記負極と、正極活物質としてLiNi0.33Co0.33Mn0.33O2を90質量部、導電助剤としてアセチレンブラックを5質量部、及びポリフッ化ビニリデンを5質量部含む正極合材層を有する正極と、ポリエチレン製のセパレータと、PC、DMC及びEMCを体積比で30%:30%:40%で混合した溶媒にLiPF6を1.0mol/L溶かした非水電解質とを用いて実施例1の二次電池(非水電解質蓄電素子)を作製した。 A positive electrode mixture containing 90 parts by mass of the above negative electrode and LiNi 0.33 Co 0.33 Mn 0.33 O 2 as the positive electrode active material, 5 parts by mass of acetylene black as the conductive auxiliary agent, and 5 parts by mass of polyvinylidene fluoride. A positive electrode having a layer, a separator made of polyethylene, and a non-aqueous electrolyte in which 1.0 mol / L of LiPF 6 was dissolved in a solvent obtained by mixing PC, DMC and EMC in a volume ratio of 30%: 30%: 40% were used. The secondary battery (non-aqueous electrolyte storage element) of Example 1 was produced.
[実施例2〜10、比較例1〜4]
表1に示す負極活物質、及びTgを有するSBRを用いたこと以外は、実施例1と同様にして、実施例2〜10及び比較例1〜4の各二次電池を得た。なお、表1中「HC」は難黒鉛化性炭素、「Gr」はグラファイト、「D50」はメジアン径を示す。測定値を表1に示す。
[Examples 2 to 10, Comparative Examples 1 to 4]
The secondary batteries of Examples 2 to 10 and Comparative Examples 1 to 4 were obtained in the same manner as in Example 1 except that the negative electrode active material shown in Table 1 and the SBR having Tg were used. In Table 1, "HC" indicates non-graphitizable carbon, "Gr" indicates graphite, and "D50" indicates the median diameter. The measured values are shown in Table 1.
[評価]
実施例1〜10及び比較例1〜4の二次電池について、以下の方法で評価を行った。
[Evaluation]
The secondary batteries of Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 to 4 were evaluated by the following methods.
(初期の放電容量及び低温出力抵抗の測定)
各二次電池を25℃において1CmAの定電流で4.2Vまで充電し、さらに4.2Vの定電圧で合計3時間充電した後、1CmAの定電流で終止電圧2.25Vまで放電を行うことを3回繰り返し、3回目の放電の容量を初期放電容量とした。
さらに、初期放電容量の確認試験後の各二次電池について、初期放電容量の50%を充電することで電池の充電状態(SOC)を50%に調整し、−10℃にて4時間保持した後、0.2CmA(I1)で10秒間放電した時の電圧(E1)、0.5CmA(I2)で10秒間放電した時の電圧(E2)、及び1CmA(I3)で10秒間放電した時の電圧(E3)をそれぞれ測定した。なお、I1及びI2でのそれぞれの放電後に電池の充電状態(SOC)を50%に調整した。これらの測定値(E1、E2、E3)を用いて、直流抵抗を算出した。具体的には、横軸を電流、縦軸を電圧とするグラフ上に、前記測定値E1、E2、E3をプロットし、それら3点を最小二乗法による回帰直線(近似直線)により近似し、その直線の傾きを−10℃でのSOCが50%の直流抵抗(DCR)とした。これを低温出力抵抗とする。
(Measurement of initial discharge capacity and low temperature output resistance)
Each secondary battery is charged at 25 ° C. with a constant current of 1 CmA to 4.2 V, further charged with a constant voltage of 4.2 V for a total of 3 hours, and then discharged to a final voltage of 2.25 V with a constant current of 1 CmA. Was repeated 3 times, and the capacity of the 3rd discharge was taken as the initial discharge capacity.
Further, for each secondary battery after the confirmation test of the initial discharge capacity, the charge state (SOC) of the battery was adjusted to 50% by charging 50% of the initial discharge capacity, and the battery was held at −10 ° C. for 4 hours. After that, the voltage (E1) when discharged at 0.2 CmA (I1) for 10 seconds, the voltage (E2) when discharged at 0.5 CmA (I2) for 10 seconds, and the voltage when discharged at 1 CmA (I3) for 10 seconds. The voltage (E3) was measured respectively. The state of charge (SOC) of the battery was adjusted to 50% after each discharge at I1 and I2. The DC resistance was calculated using these measured values (E1, E2, E3). Specifically, the measured values E1, E2, and E3 are plotted on a graph in which the horizontal axis is current and the vertical axis is voltage, and these three points are approximated by a regression line (approximate straight line) by the least squares method. The slope of the straight line was defined as a DC resistance (DCR) having an SOC of 50% at −10 ° C. This is referred to as the low temperature output resistance.
(充放電サイクル試験)
60℃の恒温槽中で、充電電流2CmAにてSOC80%に相当する電圧まで定電流電圧充電した後、2CmAの放電電流にてSOC20%に相当する電圧まで定電流放電するサイクル試験を50サイクル行った。
(Charge / discharge cycle test)
In a constant temperature bath at 60 ° C., a cycle test is performed in which a constant current voltage is charged to a voltage corresponding to SOC 80% with a charging current of 2 CmA, and then a constant current discharge is performed to a voltage corresponding to
(充放電サイクル試験後の低温出力抵抗の測定)
上記「初期の放電容量及び低温出力抵抗の測定」に記載の方法と同様の方法にて、上記充放電サイクル試験後の各二次電池について、低温出力抵抗を測定した。
(Measurement of low temperature output resistance after charge / discharge cycle test)
The low temperature output resistance was measured for each secondary battery after the charge / discharge cycle test by the same method as described in the above "Measurement of initial discharge capacity and low temperature output resistance".
測定された初期の放電容量、並びに初期、50サイクル後の低温出力抵抗を表1に示す。また、初期の低温出力抵抗に対する50サイクル後の低温出力抵抗の比を低温出力抵抗変化率としてあわせて表1に示す。 Table 1 shows the measured initial discharge capacity and the low temperature output resistance after the initial and 50 cycles. Table 1 also shows the ratio of the low temperature output resistance after 50 cycles to the initial low temperature output resistance as the low temperature output resistance change rate.
表1に示されるように、同サイズの非晶質炭素(HC)を含む負極合材層において、ガラス転移点が40℃以上のSBRを用いることで、初期の低温出力特性が低下し、初期の放電容量は大きくなることが分かる。また、メジアン径の小さい非晶質炭素を用いることで、初期の低温出力抵抗をより低くできることがわかる。具体的には、ガラス転移点が45℃であり、メジアン径が2.0〜3.5μmである実施例1、実施例3及び実施例5は低温出力抵抗が63〜77mΩcm2であるのに対し、メジアン径が6.9μmである実施例7のそれは185mΩcm2であった。メジアン径が3.5μmと6.9μmとの間にて単純にメジアン径の比例には依らない低温出力抵抗の違いがみられた。また、各メジアン径におけるガラス転移点−15℃に対するガラス転移点45℃及び103℃の初期の低温出力抵抗の比率では、メジアン径が3.5μm以下の負極活物質でその比率が小さくなる傾向がみられた。 As shown in Table 1, in the negative electrode mixture layer containing amorphous carbon (HC) of the same size, by using SBR having a glass transition point of 40 ° C. or higher, the initial low temperature output characteristics are lowered and the initial low temperature output characteristics are deteriorated. It can be seen that the discharge capacity of is large. Further, it can be seen that the initial low temperature output resistance can be further lowered by using amorphous carbon having a small median diameter. Specifically, in Examples 1, 3 and 5 in which the glass transition point is 45 ° C. and the median diameter is 2.0 to 3.5 μm, the low temperature output resistance is 63 to 77 mΩcm 2. On the other hand, that of Example 7 having a median diameter of 6.9 μm was 185 mΩcm 2 . There was a difference in low temperature output resistance between the median diameter of 3.5 μm and 6.9 μm, which did not simply depend on the proportion of the median diameter. In addition, the ratio of the initial low-temperature output resistance at the glass transition points of 45 ° C and 103 ° C to the glass transition point of -15 ° C at each median diameter tends to be smaller for negative electrode active materials with a median diameter of 3.5 μm or less. It was seen.
50サイクル後の低温出力抵抗の変化率では、メジアン径が6.9μm以下の負極活物質で100%より小さい値を示しており、負極活物質のメジアン径を6.9μm以下にすることで、サイクルに伴う抵抗の増加を抑制できることがわかった。 The rate of change of the low temperature output resistance after 50 cycles shows a value smaller than 100% for the negative electrode active material having a median diameter of 6.9 μm or less, and by reducing the median diameter of the negative electrode active material to 6.9 μm or less, It was found that the increase in resistance with the cycle can be suppressed.
[参考例]
負極活物質として黒鉛を用い、バインダーとして表2に記載のガラス転移点(Tg)を有するSBRをそれぞれ用いたこと以外は実施例1と同様にして、参考例としての各二次電池を得た。これらの二次電池の初期の低温出力抵抗を測定した。ガラス転移点(Tg)が45℃であるSBRを用いた電池の初期の低温出力抵抗値を100とした場合の各ガラス転移点(Tg)のSBRを用いた電池の低温出力抵抗の相対値を表2に示す。
[Reference example]
Each secondary battery as a reference example was obtained in the same manner as in Example 1 except that graphite was used as the negative electrode active material and SBR having the glass transition point (Tg) shown in Table 2 was used as the binder. .. The initial low temperature output resistance of these secondary batteries was measured. The relative value of the low temperature output resistance of the battery using SBR at each glass transition point (Tg) when the initial low temperature output resistance value of the battery using SBR having the glass transition point (Tg) of 45 ° C. is set to 100. It is shown in Table 2.
表2に示されるように、負極活物質として非晶質炭素の代わりに黒鉛を用いた場合は、SBRのガラス転移点が40℃以上になると逆に低温出力抵抗が上昇している。すなわち、ガラス転移点が40℃以上のSBRを用いることで初期の低温出力抵抗を下げることができるという効果は、非晶質炭素を用いたときに生じる特異な効果であるといえる。 As shown in Table 2, when graphite is used instead of amorphous carbon as the negative electrode active material, the low temperature output resistance increases when the glass transition point of SBR is 40 ° C. or higher. That is, it can be said that the effect that the initial low temperature output resistance can be lowered by using SBR having a glass transition point of 40 ° C. or higher is a peculiar effect that occurs when amorphous carbon is used.
本発明は、パーソナルコンピュータ、通信端末等の電子機器、自動車などの電源として使用される非水電界二次電池をはじめとした非水電解質蓄電素子などに適用できる。 The present invention can be applied to non-aqueous electrolyte power storage elements such as non-aqueous electric field secondary batteries used as power sources for personal computers, electronic devices such as communication terminals, automobiles, and the like.
1 二次電池
2 電極体
3 電池容器
4 正極端子
4’ 正極リード
5 負極端子
5’ 負極リード
20 蓄電ユニット
30 蓄電装置
1
Claims (2)
上記非晶質炭素のメジアン径が7μm以下である非水電解質蓄電素子。 A negative electrode containing amorphous carbon and styrene-butadiene rubber having a glass transition point of 40 ° C. or higher is provided .
The median diameter of the amorphous carbon Ru der less 7μm nonaqueous electricity storage device.
上記非晶質炭素のメジアン径が7μm以下である非水電解質蓄電素子の製造方法。 A mixture containing amorphous carbon and styrene-butadiene rubber having a glass transition point of 40 ° C. or higher is applied to the negative electrode base material .
Method of manufacturing a median diameter 7μm or less der Ru nonaqueous electricity storage device of the amorphous carbon.
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