JP7640331B2 - リチウムイオン二次電池用電極およびリチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Description
図1に本実施形態のリチウムイオン二次電池の積層体模式断面図を示す。
本実施形態に係る導電層を有する金属箔は、少なくとも片面の一部、または全面に形成されている導電層があり、導電層上に活物質層が形成されているリチウムイオン二次電池用電極である。この電極に含まれる導電層は、無機粒子であるコア粒子と、コア粒子の少なくとも表面の一部に導電性粒子を有する複合化粒子が含まれることを特徴とする。
複合化粒子における導電性粒子による被覆率を測定するには、X線光電子分光法(以下、「XPS」という。)を用いることができる。すなわち、XPSにより無機粒子由来のスペクトルと導電性粒子由来のスペクトルとを取得し、各成分の定量化を行い、導電性粒子由来のスペクトルの定量値を、導電性粒子による無機粒子の被覆率とすることができる。
複合化粒子については抵抗計を用いて抵抗値を測定する。抵抗値を測定するには複合化粒子をペレット成型し、作製したペレットに対して、抵抗計で測定を行い、複合化粒子の抵抗値とすることができる。
本実施形態の複合化粒子は、無機粒子と導電性粒子とを、遊星ボールミルに充填して粉砕混合し、回収することで製造される。ここで、無機粒子の充填量は、導電性粒子の充填量を1質量部としたとき、5~30質量部であることが好ましく、5~15質量部であることがより好ましい。無機粒子と導電性粒子との充填量は、複合化粒子がリチウムイオン二次電池として通常使用する際は出力を損なわない程度に豊富な量の導電性粒子を有し、リチウムイオン二次電池に外部から衝撃が加わった際は導電性粒子の剥離により無機粒子が露出して高抵抗層となる程度に少ない量の導電性粒子を有する必要がある。上記の範囲内は、両者の機能を発揮させる好ましい充填量の範囲である。
得られた複合化粒子と、導電助剤と、バインダとを、水またはN-メチル-2-ピロリドンなどの溶媒に混合分散させてペースト状のスラリーを作製する。次いで、このスラリーを、例えばコンマロールコーターを用いて、アルミ箔や銅箔などの集電体の片面または両面に所定の厚みで塗布し、乾燥炉内に導入して溶媒を蒸発させる。なお、集電体の両面に塗布された場合、導電層となる塗膜の厚みは、両面とも同じ厚みであることが望ましい。また、溶媒蒸発後、ローラープレスによって加圧成形を行ってもよい。前記導電層となる塗膜の厚みは、1[μm]以上、10[μm]未満であることが好ましい。これにより、リチウムイオン二次電池に外部から衝撃が加わり内部短絡が発生しうる状況になった場合は高抵抗層として十分な機能を発揮することが可能となり、かつ、通常使用時においては出力を低下させることがない。
正極は後述するように正極用集電体3上、もしくは正極に設けられた導電層2上、に正極活物質層1を形成することで作製することができる。
正極用集電体3は、導電性の板材であればよく、例えば、アルミニウム又はそれらの合金、ステンレス等の金属薄板あるいは金属箔を用いることができる。
正極活物質層1は、正極活物質、正極用バインダ、及び、必要に応じた量の正極用導電助剤から主に構成されるものである。
正極活物質としては、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、リチウムイオンと該リチウムイオンのカウンターアニオン(例えば、PF6 -)と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であれば特に限定されず、公知の電極活物質を使用できる。例えば、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、リチウムマンガンスピネル(LiMn2O4)、及び、一般式:LiNixCoyMnzMaO2(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)で表される複合金属酸化物、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)等の複合金属酸化物が挙げられる。
正極用バインダは、正極活物質同士を結合すると共に、正極活物質と集電体とを結合している。バインダは、上述の結合が可能なものであればよく、例えば、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)等のフッ素樹脂が挙げられる。更に、上記の他に、バインダとして、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等を用いてもよい。また、バインダとして電子伝導性の導電性高分子やイオン伝導性の導電性高分子を用いてもよい。電子伝導性の導電性高分子としては、例えば、ポリアセチレン等が挙げられる。この場合は、バインダが導電助剤粒子の機能も発揮するので導電助剤を添加しなくてもよい。イオン伝導性の導電性高分子としては、例えば、リチウムイオン等のイオンの伝導性を有するものを使用することができ、例えば、高分子化合物(ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド等のポリエーテル系高分子化合物、ポリフォスファゼン等)のモノマーと、LiClO4、LiBF4、LiPF6等のリチウム塩又はリチウムを主体とするアルカリ金属塩と、を複合化させたもの等が挙げられる。複合化に使用する重合開始剤としては、例えば、上記のモノマーに適合する光重合開始剤または熱重合開始剤が挙げられる。
正極用導電助剤も、正極活物質層1の導電性を良好にするものであれば特に限定されず、公知の導電助剤を使用できる。例えば、黒鉛、カーボンブラック等の炭素系材料や、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等の導電性酸化物が挙げられる。
負極は後述するように負極用集電体7上、もしくは負極に設けられた導電層6上、に負極活物質層5を形成することで作製することができる。
負極用集電体7は、導電性の板材であればよく、例えば、銅、ニッケル又はそれらの合金、ステンレス等の金属薄板(金属箔)を用いることができる。
負極活物質層5は、負極活物質、負極用バインダ、及び、必要に応じた量の負極用導電助剤から主に構成されるものである。
負極活物質としてはグラファイト、酸化シリコン(SiOx)、金属シリコン(Si)等が挙げられる。
負極用バインダとしては特に限定は無く、上記で記載した正極用バインダと同様のものを用いることができる。
負極用導電助剤としては特に限定は無く、上記で記載した正極用導電助剤と同様のものを用いることができる。
電解質としては、LiPF6、LiClO4、LiBF4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiCF3、CF2SO3、LiC(CF3SO2)3、LiN(CF3SO2)2、LiN(CF3CF2SO2)2、LiN(CF3SO2)(C4F9SO2)、LiN(CF3CF2CO)2、LiBOB等の塩が使用できる。なお、これらの塩は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。
(無機粒子であるコア粒子と、該コア粒子の少なくとも表面の一部に導電性粒子を有する複合化粒子の作製)
LiVOPO4を50[g]と、アセチレンブラックを5g、遊星ボールミル用容器に入れ、さらにジルコニアビーズを入れ、回転数500[rpm]、処理時間10分の粉砕混合を行った後、得られた粉末を回収し、無機粒子の少なくとも表面の一部に導電性粒子を有する複合化粒子を得た。
上記の方法で得られた複合化粒子90質量部、アセチレンブラック5質量部、PVdF5質量部、及び溶剤としてN-メチルピロリドンを混合し、導電層形成用のスラリーを調製した。このスラリーを、厚さ12[μm]のアルミ箔の両面に塗布し、100[℃]で乾燥することで導電層が5[μm]である導電層が形成された正極集電体を得た。
正極活物質としてLiCoO2を96質量部、導電助剤としてアセチレンブラックを2質量部、バインダとしてPVdFを2質量部、及び溶剤としてN-メチルピロリドンを混合し、活物質層形成用のスラリーを調製した。このスラリーを、上記で得られた導電層が形成された正極集電体の両面に塗布し、100[℃]で乾燥後、ローラープレスによって加圧成形することで正極活物質層を有する正極を得た。
負極活物質としてSiを83質量部、導電助剤としてアセチレンブラックを2質量部、バインダとしてポリアミドイミドを15質量部、及び溶剤としてN-メチルピロリドンを混合し、活物質層形成用のスラリーを調製した。このスラリーを、厚さ10[μm]の銅箔の両面に塗布し、100[℃]で乾燥後、ローラープレスによって加圧成形し、真空中、350[℃]で3時間熱処理することで負極活物質層を有する負極を得た。
上記で作製した正極と、負極とを、それらの間にポリエチレン微多孔膜からなるセパレータを挟んでアルミラミネートパックに入れ、このアルミラミネートパックに、電解液として1MのLiPF6溶液(溶媒:エチレンカーボネート/ジエチルカーボネート=3/7(体積比))を注入した後、真空シールし、評価用のリチウムイオン二次電池を作製した。
実施例1で作製した評価用リチウムイオン二次電池について、二次電池充放電試験装置(北斗電工株式会社製)を用い、温度25[℃]の恒温槽中で電圧範囲を2.8[V]から4.2[V]までとし、0.05[C]での電流値で充電、放電を1サイクル行い、容量が正常であることを確認した。同様に、0.05[C]での電流値で充電を行った後、0.2[C]または2[C]の電流値で放電を行い、それぞれのレートでの放電容量を求め、レート特性(100×2[C]放電容量/0.2[C]放電容量)を求めた。正極集電体上に形成された導電層の抵抗値が低い場合、ハイレートでの電子の移動が阻害されないので高い維持率を示す。
実施例1で作製した評価用リチウムイオン二次電池について、二次電池充放電試験装置(北斗電工株式会社製)を用い、温度25[℃]の恒温槽中で4.2[V]まで充電を行った後、釘刺し試験を行った。釘刺し試験は、温度25[℃]の恒温槽中で前記評価用リチウムイオン二次電池を直径10[mm]の穴のあいたフェノール樹脂板上に固定し、直径3[mm]、長さ65[mm]の鉄製の釘を10[mm/s]の速度で前記評価用リチウムイオン二次電池に対して垂直に突き刺し、電池から10[mm]貫通させ、3分間保持した後、釘を引き抜いた。電池に釘を刺してから30秒後の電池表面温度を測定した。
無機粒子の材料、導電性粒子による被覆率、および、導電層の厚みを表1に示すものに変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例2~18のリチウムイオン二次電池を得た。また、得られたリチウムイオン二次電池を用いて、実施例1と同様にして、実施例2~18のレート特性および電池表面温度の測定を実施した。
無機粒子の材料、導電性粒子による被覆率および、導電層の厚みを表1に示すものに変更した以外は、実施例1と同様にして、比較例1および2のリチウムイオン二次電池を得た。また、得られたリチウムイオン二次電池を用い、実施例1と同様の条件で比較例1、2のレート特性および電池表面温度の測定を実施した。
Claims (5)
- 金属箔と、
前記金属箔の少なくとも一部に形成された導電層と、
前記導電層の面のうち金属箔に対向する面とは反対の面の少なくとも一部に形成された活
物質層と、を有し、
前記導電層は、無機粒子と導電性粒子とからなる複合化粒子を有し、
前記複合化粒子は、前記無機粒子の少なくとも表面の一部に前記導電性粒子を有し、
前記無機粒子は、LiVOPO 4 であることを特徴とする、リチウムイオン二次電池用電極。 - 前記導電性粒子は、前記無機粒子の表面の50%以上を覆っている、請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用電極。
- 前記複合化粒子の抵抗値は、50Ωcm以下であり、
前記複合化粒子の抵抗値は、前記複合化粒子のペレットを作製して抵抗計で測定する、請求項1又は2に記載のリチウムイオン二次電池用電極。 - 前記複合化粒子の導電性粒子は、外部から内部短絡が発生するほどの衝撃が加わった際に、前記無機粒子の表面から外れる、請求項1~3のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池用電極。
- 請求項1から4のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池用電極を用いたリチウムイオン二次電池。
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