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JP2012022794A - 非水電解質二次電池用負極及び非水電解質二次電池 - Google Patents

非水電解質二次電池用負極及び非水電解質二次電池 Download PDF

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JP2012022794A JP2010157710A JP2010157710A JP2012022794A JP 2012022794 A JP2012022794 A JP 2012022794A JP 2010157710 A JP2010157710 A JP 2010157710A JP 2010157710 A JP2010157710 A JP 2010157710A JP 2012022794 A JP2012022794 A JP 2012022794A
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博之 南
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Abstract

【課題】容量を低下させることなく非水電解質二次電池の高温保存特性を改善する。
【解決手段】非水電解質二次電池用負極は、負極集電体11aと、第1の負極活物質層11bと、第2の負極活物質層11cとを備えている。第1の負極活物質層11bは、負極集電体11aの上に形成されている。第1の負極活物質層11bは、第1の負極活物質として黒鉛を含む。第2の負極活物質層11cは、第1の負極活物質層11bの上に形成されている。第2の負極活物質層11cは、第2の負極活物質としてリチウムチタン酸複合酸化物を含む。
【選択図】図2

Description

本発明は、非水電解質二次電池用負極及びそれを備える非水電解質二次電池に関する。
近年、携帯電話機、ノート型パソコン、PDA(Personal Digital Assistant)等のモバイル情報端末などの駆動電源として、非水電解質二次電池が多用されるようになってきている。
非水電解質二次電池は、正極、負極及びセパレーターを有する電極体と、電極体に含浸している非水電解質とを備えている。現在、負極に用いられる負極活物質としては、リチウムイオンの脱挿入電位が低く、電池の高容量化が可能な黒鉛が一般的に用いられている(例えば、下記の特許文献1を参照)。
特開2010−129192号公報
ところで、非水電解質二次電池には、高容量であることや、充放電サイクル特性に優れていることと共に、高温雰囲気中においても放電容量が低下しにくいこと、すなわち、高温保存特性に優れていることも求められている。
しかしながら、負極活物質として黒鉛を用いた非水電解質二次電池では、十分に良好な高温保存特性が得難いという問題がある。
本発明は、係る点に鑑みてなされたものであり、その目的は、容量を低下させることなく非水電解質二次電池の高温保存特性を改善することにある。
本発明に係る非水電解質二次電池用負極は、負極集電体と、第1の負極活物質層と、第2の負極活物質層とを備えている。第1の負極活物質層は、負極集電体の上に形成されている。第1の負極活物質層は、第1の負極活物質として黒鉛を含む。第2の負極活物質層は、第1の負極活物質層の上に形成されている。第2の負極活物質層は、第2の負極活物質としてリチウムチタン酸複合酸化物を含む。
このように、本発明においては、負極活物質として、天然黒鉛や人造黒鉛などの黒鉛を含む第1の負極活物質層の上に、リチウムチタン酸複合酸化物を負極活物質として含む第2の負極活物質層が形成されている。従って、優れた高温保存特性を実現することができる。
なお、本発明において、優れた高温保存特性を実現することができる理由は、以下の理由によるものと考えられる。
まず、黒鉛を負極活物質として含む単一の負極活物質層を有する負極を用いた場合に高温保存特性が低くなる理由は、負極活物質層の上に堆積層が形成され、負極活物質層へのリチウムイオンの脱挿入が阻害されるためであるものと考えられる。詳細には、正極から非水電解質に溶出した各種物質は、負極活物質層の上に堆積する。非水電解質二次電池の温度が高くなるほど、負極活物質層の上への堆積量は増大し、厚い堆積層が形成されることとなる。厚い堆積層が形成されると、その堆積層によりリチウムイオンの負極活物質層への脱挿入が阻害される。その結果、高温雰囲気中において保存した後の放電特性が低下してしまう。
ここで、本発明においては、上述のように、負極活物質として黒鉛を含む第1の負極活物質層の上に、リチウムチタン酸複合酸化物を負極活物質として含む第2の負極活物質層が形成されている。このため、負極活物質として黒鉛を含む第1の負極活物質層の直上に堆積層が堆積することが抑制される。従って、優れた高温保存特性が得られるものと考えられる。
なお、第2の負極活物質層の上には、堆積層が堆積することとなる。しかしながら、第2の負極活物質層が負極活物質として含むリチウムチタン酸複合酸化物は、黒鉛とは異なり層状構造を有さず、豊富なリチウムイオンの脱挿入サイトを有する。よって、第2の負極活物質層の上に堆積層が形成されたとしても、第1の負極活物質層におけるリチウムイオンの脱挿入が阻害され難い。従って、第2の負極活物質層の上に堆積層が形成されたとしても高温保存特性はそれほど悪化しないものと考えられる。
例えば、優れた高温保存特性を得る観点からは、リチウムチタン酸複合酸化物を負極活物質として含む第2の負極活物質層のみを負極集電体の上に形成することも考えられる。しかしながら、リチウムチタン酸複合酸化物は、黒鉛と比較してリチウムイオンの脱挿入電位が高い。よって、負極の動作電位が高くなり、非水電解質二次電池の容量が低下してしまう。
それに対して本発明では、リチウムイオンの脱挿入電位が低い黒鉛を負極活物質として含む第1の負極活物質層が形成されている。従って、非水電解質二次電池の容量を大きくすることができる。すなわち、本発明によれば、容量を低下させることなく非水電解質二次電池の高温保存特性を改善することができる。
なお、本発明において、第1の負極活物質層の全体が第2の負極活物質層により完全に覆われている必要は必ずしもなく、第1の負極活物質層の一部が第2の負極活物質層から露出していてもよい。もっとも、より優れた高温保存特性を得る観点からは、第1の負極活物質層の実質的に全体が第2の負極活物質層により被覆されていることが好ましく、第1の負極活物質層の全体が第2の負極活物質層により完全に被覆されていることがより好ましい。
本発明においては、上述のように、第2の負極活物質層は、第1の負極活物質層の直上に堆積層が堆積することを抑制する機能を有するものである。このため、第2の負極活物質層は、それほど厚いものである必要はない。また、第2の負極活物質層の厚みが厚くなり、第1の負極活物質層の厚みが薄くなると、リチウムイオンの脱挿入電位が低い黒鉛の含有率が低くなり、電池の容量が低下する傾向にある。このため、第1の負極活物質層の厚みは、第2の負極活物質層の厚みよりも大きいことが好ましく、第2の負極活物質層の厚みの2倍以上であることがより好ましい。また、黒鉛と、リチウムチタン酸複合酸化物との合計に対するリチウム複合酸化物の含有率(リチウム複合酸化物)/((黒鉛)+(リチウム複合酸化物))は、10質量%以下1質量%以上であることが好ましい。リチウム複合酸化物の含有率(リチウム複合酸化物)/((黒鉛)+(リチウム複合酸化物))は、5質量%以上であることがより好ましい。
本発明において、リチウムチタン酸複合酸化物は、特に限定されないが、例えば、リチウムイオンの受け入れ性に優れているスピネル型チタン酸リチウムLiTi12であることが好ましい。
本発明において、第1の負極活物質層は、黒鉛を主たる負極活物質として含んでいる限り、黒鉛以外の負極活物質をさらに含んでいてもよい。また、第2の負極活物質層は、リチウムチタン酸複合酸化物を主たる負極活物質として含んでいる限り、リチウムチタン酸複合酸化物以外の負極活物質をさらに含んでいてもよい。
本発明において、第1及び第2の負極活物質層のそれぞれは、負極活物質以外に、導電剤やバインダーなどを含んでいてもよい。第1及び第2の負極活物質層のそれぞれがバインダーを含んでいる場合は、第1の負極活物質層に含まれるバインダーと、第2の負極活物質層に含まれるバインダーとが互いに異なる種類であることが好ましい。第1の負極活物質層に含まれるバインダーと、第2の負極活物質層に含まれるバインダーとが同種である場合は、第1及び第2の負極活物質層を形成する際に、それぞれの負極活物質層から、他方の活物質層へ、バインダーがしみこんでいく場合があるためである。バインダーのしみこみをより効果的に抑制する観点からは、第1の負極活物質層に含まれるバインダーと、第2の負極活物質層に含まれるバインダーとは、相溶性の低いものであることがより好ましい。例えば、第1の負極活物質層が水系バインダーを含み、第2の負極活物質層が非水系のバインダーを含むことが好ましい。具体的には、第1の負極活物質層が、バインダーとしてラテックス系樹脂を含み、第2の負極活物質層が、バインダーとしてポリフッ化ビニリデンを含むことが好ましい。
本発明において、負極集電体は、導電性を有するものである限りにおいて特に限定されない。負極集電体は、例えば、導電性金属箔により構成することができる。導電性金属箔の具体例としては、例えば、銅、ニッケル、鉄、チタン、コバルト、マンガン、錫、ケイ素、クロム、ジルコニウム等の金属またはこれらの金属の一種以上を含む合金からなる箔が挙げられる。これらの中でも、導電性金属箔は、活物質粒子中に拡散しやすい金属元素を含有するものが好ましいため、銅薄膜または銅を含む合金からなる箔により構成されていることが好ましい。
負極集電体の厚みは特に限定されず、例えば、10μm〜100μm程度とすることができる。
本発明に係る非水電解質二次電池は、負極と、正極と、正極と負極との間に配置されているセパレーターとを有する電極体と、電極体に含浸している非水電解質とを備えている。本発明おいて、負極は、上記本発明に係る非水電解質二次電池用負極により構成されている。従って、本発明に係る非水電解質二次電池は、高容量であり、かつ高温保存特性に優れている。
本発明において、正極、セパレーター及び非水電解質のそれぞれは、特に限定されず、例えば、公知のものを用いることができる。
正極は、一般的には、導電性金属箔などにより構成される正極集電体と、正極集電体の上に形成される正極合剤層とを備えている。正極合剤層は、正極活物質を含む。正極活物質は、リチウムを電気化学的に挿入・脱離するものである限りにおいて特に限定されない。正極活物質の具体例としては、Co−Ni−Mnのリチウム複合酸化物、Ni−Mn−Alのリチウム複合酸化物、Ni−Co−Alの複合酸化物等のコバルト或いはマンガンを含むリチウム複合酸化物、燐酸鉄リチウムLiFePOに代表されるオリビン型燐酸リチウム等が挙げられる。
非水電解質に用いられる溶媒も特に限定されない。非水電解質に用いられる溶媒の具体例としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネートやフルオロエチレンカーボネートなどの環状カーボネートや、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネートなどの鎖状カーボネート、環状カーボネートと鎖状カーボネートとの混合溶媒などが挙げられる。
非水電解質に用いられる溶質も特に限定されない。非水電解質に用いられる溶質の具体例としては、例えば、LiPF、LiBF、LiCFSO、LiN(CFSO、LiN(CSO、LiN(CFSO)(CSO)、LiC(CFSO、LiC(CSOやLiPF6−x(C2n+1(但し、1<x<6、nは1または2)など及びそれらの混合物等が挙げられる。また、電解質として、ポリエチレンオキシド、ポリアクリロニトリルなどのポリマー電解質に電解液を含浸したゲル状ポリマー電解質や、LiI、LiNなどの無機固体電解質を用いてもよい。
また、非水電解質には、COが含まれていることが好ましい。
本発明によれば、容量を低下させることなく非水電解質二次電池の高温保存特性を改善することができる。
実施例1において作製した非水電解質二次電池の略図的断面図である。 実施例1において作製した負極の一部分を拡大した略図的断面図である。
以下、本発明について、具体的な実施例に基づいて、さらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能である。
(実施例1)
本実施例では、下記の要領で、図1に示す非水電解質二次電池A1を作製した。
〔正極の作製〕
分散媒としてのNMP(N−メチル−2−ピロリドン)に、正極活物質としてのコバルト酸リチウムと、炭素導電剤としてのアセチレンブラックと、バインダーとしてのPVdFとを、質量比が95:2.5:2.5となるように加えた。その後、プライミクス製コンビミックスを用いて攪拌し、正極合剤スラリーを調製した。この正極合剤スラリーを、正極集電体としてのアルミニウム箔の両面に塗布し、乾燥させ、圧延した後に、最後に端子を取り付けることにより正極12を作製した。なお、正極12における充填密度は3.7g/ccであった。
〔負極の作製〕
プライミクス社製ホモミクサーを用い、カルボキシメチルセルロース(CMC,ダイセル化学工業社製 #1380)を脱イオン水に溶解させることにより、濃度1.0質量%のCMC水溶液を得た。
次に、人造黒鉛(平均粒径:21μm、表面積:4.0m/g)980gと、上記CMC水溶液1250gとをプライミクス社製ハイビスミックスを用いて50rpmで60分間混合した。その後、粘度調整のために脱イオン水を加え、同装置を用いて50rpmで10分間さらに混合した。次いで、混合物に、スチレンブタジエンゴム(SBR、固形分濃度50質量%)20gをさらに追加し、同装置を用いて30rpmで45分間さらに混合し、黒鉛スラリーを調製した。得られた黒鉛スラリーにおける人造黒鉛とCMCとSBRとの質量比は、人造黒鉛:CMC:SBR=98.0:1.0:1.0であった。
次に、チタン酸リチウムLiTi12(平均粒径:21μm、表面積:3.0m/g)920g、アセチレンブラック50g及び上記CMC水溶液1250gを、プライミクス製ハイビスミックスを用いて50rpmで60分間混合した。その後、粘度調整の為に脱イオン水をさらに加え、同装置を用いて50rpmで10分間さらに混合した。次いで、SBR(固形分濃度:50質量%)20gをさらに加え、同装置を用いて30rpmで45分間混合し、チタン酸リチウムスラリーを調製した。得られたチタン酸リチウムスラリーにおけるチタン酸リチウムとアセチレンブラックとCMCとSBRとの質量比は、チタン酸リチウム:アセチレンブラック:CMC:SBR=92.0:5.0:1.0:1.0であった。
次に、負極集電体としての銅箔11a(図2を参照)の上に、黒鉛スラリーを塗工し、乾燥後、圧延することにより、銅箔11aの上に、第1の負極活物質層11bを形成した。
次に、第1の負極活物質層11bの上に、チタン酸リチウムスラリーを塗工し、乾燥後、圧延することにより、第2の負極活物質層11cを形成した。最後に端子を取り付けることにより、負極11を作製した。
なお、正極及び負極の対向容量比を、1.10で負極リッチとなるように調整した。また、黒鉛とチタン酸リチウムの質量比(黒鉛:チタン酸リチウム)は、90:10となるようにした。第1の負極活物質層11bの厚みは98μmであり、第2の負極活物質層11cの厚みは31μmであった。
〔非水電解液の調製〕
エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)とを体積比で3:7となるように混合した溶媒に対して、六フッ化リン酸リチウム(LiPF)を1モル/リットル溶解させることにより非水電解液を調製した。
〔電極体の作製〕
1枚の正極12と、1枚の負極11と、2枚のセパレーター13とを、正極12と負極11とがセパレーター13を介して対向させた状態で巻回することにより電極体10を作製した。
〔電池の作製〕
上記電極体10及び非水電解液を、アルミニウムラミネート製の電池外装体17内に挿入し、封止することにより、実施例1に係る電池T1を作製した。なお、電池T1の設計容量は75mAhとした。
(実施例2)
黒鉛とチタン酸リチウムとの質量比(黒鉛:チタン酸リチウム)が95:5となるようにしたこと以外は、上記実施例1と同様にして、実施例2に係る電池T2を作製した。
(実施例3)
本実施例では、チタン酸リチウムスラリーにおけるチタン酸リチウム、アセチレンブラック及びPVDFの質量比(チタン酸リチウム:アセチレンブラック:PVDF)が92:4:3となるようにした。また、チタン酸リチウムスラリーの調製にNMP(N−メチル−2−ピロリドン)を溶媒として用いた。それ以外は、上記実施例2と同様にして、実施例3に係る電池T3を作製した。
(比較例1)
銅箔11aの上に第2の負極活物質層11cを形成し、第2の負極活物質層11cの上に第1の負極活物質層11bを形成したこと以外は、上記実施例1と同様にして、比較例1に係る電池R1を作製した。
なお、比較例1において、第1の負極活物質層11cの厚みは、98μmであった。第2の負極活物質層11bの厚みは、30μmであった。
(比較例2)
負極の作製方法を異ならせたこと以外は、上記実施例1と同様にして、比較例2に係る電池R2を作製した。
本比較例2では、実施例1で調整した黒鉛スラリーとチタン酸リチウムスラリーとを、黒鉛とチタン酸リチウムの質量比(黒鉛:チタン酸リチウム)が90:10となるように混合し、スラリーを得た。このスラリーを、実施例1で用いたものと同様の銅箔11aの上に塗工し、乾燥後、圧延することにより、負極を作製した。得られた負極の負極活物質層の厚みは、128μmであった。
(比較例3)
第2の負極活物質層を形成せず、厚み110μmの第1の負極活物質層のみを形成したこと以外は、上記実施例1と同様にして、比較例3に係る電池R3を作製した。
(負荷特性評価)
上記作製の電池T1〜T3,R1〜R3のそれぞれについて、まず、1It(75mA)の電流で4.2Vまで定電流充電を行い、4.2V定電圧で電流1/20It(3.75mA)になるまで充電した。その後、1It(75mA)の電流で2.75Vまで定電流放電を行い、そのときの放電容量(1It放電容量)を測定した。
その後、10分間放置し、1It(75mA)の電流で4.2Vまで定電流充電を行い、4.2V定電圧で電流1/20It(3.75mA)になるまで充電した。その後、2It(150mA)の電流で2.75Vまで定電流放電を行い、そのときの放電容量(2It放電容量)を測定した。
その後、10分間放置し、1It(75mA)の電流で4.2Vまで定電流充電を行い、4.2V定電圧で電流1/20It(3.75mA)になるまで充電した。その後、3It(225mA)の電流で2.75Vまで定電流放電を行い、そのときの放電容量(3It放電容量)を測定した。
1It放電容量に対する2It放電容量の比(2It放電容量)/(1It放電容量)と、1It放電容量に対する3It放電容量の比(3It放電容量)/(1It放電容量)とを下記の表1に示す。
(高温保存特性評価)
上記作製の電池T1〜T3,R1〜R3のそれぞれについて、まず、1It(75mA)の電流で4.2Vまで定電流充電を行い、4.2V定電圧で電流1/20It(3.75mA)になるまで充電した。その後、80℃で2日間放置した。次に、電池を室温まで冷却し、1It(75mA)の電流で2.75Vまで定電流放電を行った。そして、下記の式(1)に基づいて、残存容量を算出した。
残存容量(%)=保存試験後1回目の放電容量/保存試験前の放電容量×100 ……… (1)
その後、再度1It(75mA)の電流で4.2Vまで定電流充電を行い、4.2V定電圧で電流1/20It(3.75mA)になるまで充電した。その後、1It(75mA)の電流で2.75Vまで定電流放電(保存試験後2回目の定電流放電)を行った。そして、下記の式(2)に基づいて、残存容量を算出した。結果を下記の表2に示す。
復帰容量(%)=保存試験後2回目の放電容量/保存試験前の放電容量×100 ……… (2)
Figure 2012022794
Figure 2012022794
表1に示すように、負荷特性((2It放電容量)/(1It放電容量)、(3It放電容量)/(1It放電容量))に関しては、黒鉛を含む負極活物質層を1層のみ負極集電体上に形成した電池R3と、黒鉛を含む第1の負極活物質層の上に、チタン酸リチウムを含む第2の負極活物質層を形成した電池T1〜T3とで、ほぼ同等であった。また、表2に示すように、復帰容量に関しても、電池R3と電池T1〜T3とで、ほぼ同等であった。一方、残存容量に関しては、電池R3よりも電池T1〜T3の方が高い結果となった。これらの結果から、黒鉛を含む第1の負極活物質層の上に、チタン酸リチウムを含む第2の負極活物質層を形成することにより、負荷特性を劣化させることなく、高温時保存特性を改善できることが分かる。
一方、負極集電体の上に、チタン酸リチウムを含む負極活物質層を形成し、さらにその上に黒鉛を含む負極活物質層を形成した電池R1では、負荷特性、残存容量及び復帰容量の全てにおいて、電池R3よりも悪い結果となった。このため、チタン酸リチウムを含む負極活物質層を形成し、さらにその上に黒鉛を含む負極活物質層を形成した場合は、上記のような高温保存特性の改善効果が得られないことが分かる。
なお、電池R1において良好な負荷特性が得られなかった理由は、負極集電体の直上にリチウムイオンの脱挿入電位が高いチタン酸リチウムを含む負極活物質層が位置しているため、負極全体の電気抵抗が増大し、黒鉛へのリチウムイオンの脱挿入が阻害されたためであると考えられる。
また、黒鉛とチタン酸リチウムとの混合物を含む負極活物質層を形成した電池R2に関しても、負荷特性、残存容量及び復帰容量の全てにおいて、電池R3よりも悪い結果となった。このため、黒鉛とチタン酸リチウムとの混合物を含む負極活物質層を形成した場合は、上記のような高温保存特性の改善効果が得られないことが分かる。
11…負極
11a…銅箔(負極集電体)
11b…第1の負極活物質層
11c…第2の負極活物質層
12…正極
13…セパレーター
17…電池外装体

Claims (7)

  1. 負極集電体と、
    前記負極集電体の上に形成されており、第1の負極活物質として黒鉛を含む第1の負極活物質層と、
    前記第1の負極活物質層の上に形成されており、第2の負極活物質としてリチウムチタン酸複合酸化物を含む第2の負極活物質層と、
    を備える非水電解質二次電池用負極。
  2. 前記第1の負極活物質層の厚みが、前記第2の負極活物質層の厚みよりも大きい、請求項1に記載の非水電解質二次電池用負極。
  3. 前記黒鉛と、前記リチウムチタン酸複合酸化物との合計に対する前記リチウム複合酸化物の含有率(リチウム複合酸化物)/((黒鉛)+(リチウム複合酸化物))が10質量%以下である、請求項1または2に記載の非水電解質二次電池用負極。
  4. 前記第1の負極活物質層と前記第2の負極活物質層とは、互いに異なる種類のバインダーを含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池用負極。
  5. 前記第1の負極活物質層が、前記バインダーとしてラテックス系樹脂を含み、
    前記第2の負極活物質層が、前記バインダーとしてポリフッ化ビニリデンを含む、請求項4に記載の非水電解質二次電池用負極。
  6. 前記リチウムチタン酸複合酸化物が、スピネル型チタン酸リチウムLiTi12である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池用負極。
  7. 請求項1〜6のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池用負極と、正極と、前記正極と前記負極との間に配置されているセパレーターとを有する電極体と、
    前記電極体に含浸している非水電解質とを備える非水電解質二次電池。
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