JP7662991B2 - Electrodes for non-aqueous electrolyte secondary batteries - Google Patents
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Description
本発明は、非水電解質二次電池用電極に関する。 The present invention relates to an electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery.
近年、環境・エネルギー問題の解決へ向けて、種々の電気自動車の普及が期待されている。これら電気自動車の普及の鍵を握るモータ駆動用電源などの車載電源として、二次電池の開発が鋭意行われている。二次電池としては、高エネルギー密度、高出力が期待できる非水電解質二次電池に注目が集まっている。 In recent years, the spread of various electric vehicles is expected to help solve environmental and energy problems. Secondary batteries are being developed as on-board power sources for driving motors and other applications, which hold the key to the spread of these electric vehicles. As secondary batteries, non-aqueous electrolyte secondary batteries, which are expected to have high energy density and high output, are attracting attention.
ここで、特許文献1には、非水電解質二次電池の安全性を向上させることを目的とした技術が開示されている。具体的に、特許文献1に記載の技術は、電極活物質層の結着剤として、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)とPTC(Positive Temperature Coefficient)機能付与成分とを含むコンポジットPTC結着剤を用いることを特徴とする。これにより、非水電解質二次電池の温度が上昇した際に結着剤が溶融し、電極活物質層の抵抗が増大することで、電極活物質層の発熱を抑制している。 Here, Patent Document 1 discloses a technology aimed at improving the safety of non-aqueous electrolyte secondary batteries. Specifically, the technology described in Patent Document 1 is characterized by using a composite PTC binder containing polyvinylidene fluoride (PVDF) and a PTC (Positive Temperature Coefficient) function-imparting component as a binder for the electrode active material layer. As a result, when the temperature of the non-aqueous electrolyte secondary battery rises, the binder melts and the resistance of the electrode active material layer increases, suppressing heat generation in the electrode active material layer.
しかしながら、本発明者らが検討を行ったところ、特許文献1に記載の技術を用いた非水電解質二次電池は、出力特性が十分でない(特に、高い放電レートでの放電の際に十分な容量が取り出せない)という問題があることが判明した。 However, the inventors' investigations revealed that non-aqueous electrolyte secondary batteries using the technology described in Patent Document 1 have the problem that their output characteristics are insufficient (in particular, sufficient capacity cannot be extracted when discharging at a high discharge rate).
そこで本発明は、非水電解質二次電池において、出力特性を向上させうる手段を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention aims to provide a means for improving the output characteristics of non-aqueous electrolyte secondary batteries.
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った。その過程で、電極活物質層において、結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)およびポリフッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン(PVDF-HFP)を用い、電極活物質に対する当該PVDF-HFPの質量比を特定の範囲に制御することにより、非水電解質二次電池の出力特性を向上させることが可能なことを見出し、本発明を完成させるに至った。 The present inventors conducted intensive research to solve the above problems. In the process, they discovered that it is possible to improve the output characteristics of a non-aqueous electrolyte secondary battery by using polyvinylidene fluoride (PVDF) and polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVDF-HFP) as binders in the electrode active material layer and controlling the mass ratio of the PVDF-HFP to the electrode active material within a specific range, which led to the completion of the present invention.
すなわち、本発明の一形態によれば、集電体と、前記集電体の表面に配置された電極活物質層とを含む非水電解質二次電池用電極が提供される。ここで、前記電極活物質層は、電極活物質、導電助剤および結着剤を含み、前記結着剤は、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)およびポリフッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン(PVDF-HFP)を含む。そして、前記電極活物質に対する、前記ポリフッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン(PVDF-HFP)の質量比が、0を超えて0.015未満であることを特徴とする。 That is, according to one embodiment of the present invention, an electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery is provided, which includes a current collector and an electrode active material layer disposed on the surface of the current collector. Here, the electrode active material layer includes an electrode active material, a conductive assistant, and a binder, and the binder includes polyvinylidene fluoride (PVDF) and polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVDF-HFP). The mass ratio of the polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVDF-HFP) to the electrode active material is greater than 0 and less than 0.015.
本発明によれば、非水電解質二次電池において、出力特性を向上させることが可能である。 According to the present invention, it is possible to improve the output characteristics of a non-aqueous electrolyte secondary battery.
以下、図面を参照しながら、上述した本形態の実施形態を説明するが、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、以下の形態のみに制限されない。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。本明細書において、範囲を示す「X~Y」は「X以上Y以下」を意味する。また、特記しない限り、操作および物性等の測定は室温(20~25℃)、相対湿度40~50%RHの条件で行う。 The following describes the above-mentioned embodiment of the present invention with reference to the drawings, but the technical scope of the present invention should be determined based on the claims and is not limited to the following embodiments. Note that the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for the convenience of explanation and may differ from the actual ratios. In this specification, the range "X to Y" means "X or more and Y or less." Furthermore, unless otherwise specified, operations and measurements of physical properties are performed at room temperature (20 to 25°C) and a relative humidity of 40 to 50% RH.
<非水電解質二次電池用電極>
本発明の一形態は、集電体と、前記集電体の表面に配置された電極活物質層とを含む非水電解質二次電池用電極(以下、単に「電極」とも称する)である。ここで、前記電極活物質層は、電極活物質、導電助剤および結着剤を含み、前記結着剤は、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)およびポリフッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン(PVDF-HFP)を含む。そして、前記電極活物質に対する、前記ポリフッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン(PVDF-HFP)の質量比が、0を超えて0.015未満であることを特徴とする。本形態の非水電解質二次電池用電極によれば、出力特性を向上させることが可能である。
<Electrode for non-aqueous electrolyte secondary battery>
One embodiment of the present invention is an electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery (hereinafter, also simply referred to as "electrode") including a current collector and an electrode active material layer disposed on a surface of the current collector. Here, the electrode active material layer includes an electrode active material, a conductive assistant, and a binder, and the binder includes polyvinylidene fluoride (PVDF) and polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVDF-HFP). The mass ratio of the polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVDF-HFP) to the electrode active material is more than 0 and less than 0.015. According to the electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery of this embodiment, it is possible to improve output characteristics.
図1は、本発明の一実施形態である扁平型(積層型)の非双極型(内部並列接続タイプ)二次電池(以下、単に「積層型二次電池」とも称する)を模式的に表した断面図である。 Figure 1 is a schematic cross-sectional view of a flat (stacked) non-bipolar (internal parallel connection type) secondary battery (hereinafter also referred to simply as a "stacked secondary battery") according to one embodiment of the present invention.
図1に示すように、本実施形態の積層型二次電池10aは、実際に充放電反応が進行する略矩形の発電要素21が、ラミネートフィルム29の内部に封止された構造を有する。ここで、発電要素21は、正極集電体11’の両面に正極活物質層13が配置された正極と、電解液を含有するセパレータからなる電解質層17と、負極集電体12の両面に負極活物質層15が配置された負極とを積層した構成を有している。具体的には、1つの正極活物質層13とこれに隣接する負極活物質層15とが、電解質層17を介して対向するようにして、正極、電解質層及び負極がこの順に積層されている。 As shown in FIG. 1, the stacked secondary battery 10a of this embodiment has a structure in which a substantially rectangular power generating element 21, where the charge/discharge reaction actually proceeds, is sealed inside a laminate film 29. Here, the power generating element 21 has a configuration in which a positive electrode in which a positive electrode active material layer 13 is arranged on both sides of a positive electrode collector 11', an electrolyte layer 17 made of a separator containing an electrolytic solution, and a negative electrode in which a negative electrode active material layer 15 is arranged on both sides of a negative electrode collector 12 are stacked. Specifically, the positive electrode, the electrolyte layer, and the negative electrode are stacked in this order, with one positive electrode active material layer 13 and the adjacent negative electrode active material layer 15 facing each other through the electrolyte layer 17.
これにより、正極、電解質層及び負極は、1つの単電池層19を構成する。したがって、図1に示す積層型二次電池10aは、単電池層19が複数積層されることで、電気的に並列接続されてなる構成を有するともいえる。なお、発電要素21の両最外層に位置する最外層の正極集電体には、いずれも片面のみに正極活物質層13が配置されているが、両面に活物質層が設けられてもよい。すなわち、片面にのみ活物質層を設けた最外層専用の集電体とするのではなく、両面に活物質層がある集電体をそのまま最外層の集電体として用いてもよい。また、図1とは正極及び負極の配置を逆にすることで、発電要素21の両最外層に最外層の負極集電体が位置するようにし、該最外層の負極集電体の片面又は両面に負極活物質層が配置されるようにしてもよい。 As a result, the positive electrode, the electrolyte layer, and the negative electrode constitute one single cell layer 19. Therefore, the stacked secondary battery 10a shown in FIG. 1 can be said to have a configuration in which a plurality of single cell layers 19 are stacked and electrically connected in parallel. The positive electrode collectors of the outermost layers located on both outermost layers of the power generating element 21 each have the positive electrode active material layer 13 disposed on only one side, but active material layers may be disposed on both sides. That is, instead of using a collector dedicated to the outermost layer with an active material layer disposed on only one side, a collector having active material layers on both sides may be used as the outermost layer collector as it is. In addition, by reversing the arrangement of the positive electrode and the negative electrode from FIG. 1, the outermost negative electrode collectors may be positioned on both outermost layers of the power generating element 21, and the negative electrode active material layers may be disposed on one or both sides of the outermost negative electrode collectors.
正極集電体11’及び負極集電体12には、各電極(正極及び負極)と導通される正極集電板25及び負極集電板27がそれぞれ取り付けられ、ラミネートフィルム29の端部に挟まれるようにしてラミネートフィルム29の外部に導出される構造を有している。正極集電板25及び負極集電板27は、それぞれ必要に応じて正極端子リード及び負極端子リード(図示せず)を介して、各電極の正極集電体11’及び負極集電体12に超音波溶接や抵抗溶接等により取り付けられていてもよい。 The positive electrode collector 11' and the negative electrode collector 12 are respectively attached with a positive electrode collector 25 and a negative electrode collector 27 that are electrically connected to each electrode (positive electrode and negative electrode), and are structured so as to be sandwiched between the ends of the laminate film 29 and led out of the laminate film 29. The positive electrode collector 25 and the negative electrode collector 27 may be attached to the positive electrode collector 11' and the negative electrode collector 12 of each electrode by ultrasonic welding, resistance welding, or the like, via a positive electrode terminal lead and a negative electrode terminal lead (not shown), respectively, as necessary.
図2は、本発明の他の実施形態である双極型二次電池を模式的に表した断面図である。図2に示す双極型二次電池10bは、実際に充放電反応が進行する略矩形の発電要素21が、電池外装体であるラミネートフィルム29の内部に封止された構造を有する。なお、本明細書では、双極型リチウムイオン二次電池を単に「双極型二次電池」とも称し、双極型リチウムイオン二次電池用電極を単に「双極型電極」と称することがある。 Figure 2 is a cross-sectional view showing a bipolar secondary battery according to another embodiment of the present invention. The bipolar secondary battery 10b shown in Figure 2 has a structure in which a substantially rectangular power generating element 21, in which the actual charge/discharge reaction proceeds, is sealed inside a laminate film 29, which is the battery exterior. In this specification, the bipolar lithium ion secondary battery may also be referred to simply as a "bipolar secondary battery", and the electrode for the bipolar lithium ion secondary battery may also be referred to simply as a "bipolar electrode".
図2に示すように、本形態の双極型二次電池10bの発電要素21は、集電体11の一方の面に電気的に結合した正極活物質層13が形成され、集電体11の反対側の面に電気的に結合した負極活物質層15が形成された複数の双極型電極23を有する。各双極型電極23は、電解質層17を介して積層されて発電要素21を形成する。この際、一の双極型電極23の正極活物質層13と前記一の双極型電極23に隣接する他の双極型電極23の負極活物質層15とが電解質層17を介して向き合うように、各双極型電極23および電解質層17が交互に積層されている。すなわち、一の双極型電極23の正極活物質層13と前記一の双極型電極23に隣接する他の双極型電極23の負極活物質層15との間に電解質層17が挟まれて配置されている。 2, the power generating element 21 of the bipolar secondary battery 10b of this embodiment has a plurality of bipolar electrodes 23 in which a positive electrode active material layer 13 electrically connected to one surface of the current collector 11 is formed, and a negative electrode active material layer 15 electrically connected to the opposite surface of the current collector 11 is formed. Each bipolar electrode 23 is stacked via an electrolyte layer 17 to form the power generating element 21. At this time, each bipolar electrode 23 and the electrolyte layer 17 are stacked alternately so that the positive electrode active material layer 13 of one bipolar electrode 23 and the negative electrode active material layer 15 of the other bipolar electrode 23 adjacent to the one bipolar electrode 23 face each other via the electrolyte layer 17. That is, the electrolyte layer 17 is sandwiched between the positive electrode active material layer 13 of one bipolar electrode 23 and the negative electrode active material layer 15 of the other bipolar electrode 23 adjacent to the one bipolar electrode 23.
隣接する正極活物質層13、電解質層17、および負極活物質層15は、一つの単電池層19を構成する。したがって、双極型二次電池10bは、単電池層19が積層されてなる構成を有するともいえる。また、単電池層19の外周部にはシール部(絶縁層)31が配置されている。これにより、電解質層17からの電解液の漏れによる液絡を防止し、電池内で隣り合う集電体11同士が接触したり、発電要素21における単電池層19の端部の僅かな不揃いなどに起因する短絡が起こったりするのを防止している。なお、発電要素21の最外層に位置する正極側の最外層集電体11aには、片面のみに正極活物質層13が形成されている。また、発電要素21の最外層に位置する負極側の最外層集電体11bには、片面のみに負極活物質層15が形成されている。 Adjacent positive electrode active material layer 13, electrolyte layer 17, and negative electrode active material layer 15 constitute one single cell layer 19. Therefore, it can be said that the bipolar secondary battery 10b has a configuration in which the single cell layers 19 are stacked. In addition, a seal portion (insulating layer) 31 is arranged on the outer periphery of the single cell layer 19. This prevents liquid junctions due to leakage of the electrolyte from the electrolyte layer 17, prevents contact between adjacent current collectors 11 in the battery, and prevents short circuits caused by slight misalignment of the ends of the single cell layers 19 in the power generation element 21. The positive electrode active material layer 13 is formed on only one side of the outermost current collector 11a on the positive electrode side, which is located in the outermost layer of the power generation element 21. The negative electrode active material layer 15 is formed on only one side of the outermost current collector 11b on the negative electrode side, which is located in the outermost layer of the power generation element 21.
さらに、図2に示す双極型二次電池10bでは、正極側の最外層集電体11aに隣接するように正極集電板(正極タブ)25が配置され、これが延長されて電池外装体であるラミネートフィルム29から導出している。一方、負極側の最外層集電体11bに隣接するように負極集電板(負極タブ)27が配置され、同様にこれが延長されてラミネートフィルム29から導出している。 Furthermore, in the bipolar secondary battery 10b shown in FIG. 2, a positive electrode current collector (positive electrode tab) 25 is disposed adjacent to the outermost current collector 11a on the positive electrode side, and this is extended to lead out from the laminate film 29, which is the battery outer casing. On the other hand, a negative electrode current collector (negative electrode tab) 27 is disposed adjacent to the outermost current collector 11b on the negative electrode side, and similarly this is extended to lead out from the laminate film 29.
なお、単電池層19の積層回数は、所望する電圧に応じて調節する。また、双極型二次電池10bでは、電池の厚みを極力薄くしても十分な出力が確保できれば、単電池層19の積層回数を少なくしてもよい。双極型二次電池10bでも、使用する際の外部からの衝撃、環境劣化を防止するために、発電要素21を電池外装体であるラミネートフィルム29に減圧封入し、正極集電板25および負極集電板27をラミネートフィルム29の外部に取り出した構造とするのがよい。 The number of times the cell layers 19 are stacked is adjusted according to the desired voltage. In addition, in the bipolar secondary battery 10b, the number of times the cell layers 19 are stacked may be reduced if sufficient output can be ensured even if the thickness of the battery is made as thin as possible. In order to prevent external impacts and environmental deterioration during use, the bipolar secondary battery 10b is also preferably structured such that the power generating element 21 is vacuum sealed in the laminate film 29, which is the battery exterior, and the positive electrode current collector 25 and the negative electrode current collector 27 are exposed to the outside of the laminate film 29.
以下、本形態に係る非水電解質二次電池用電極の主要な構成部材について説明する。 The main components of the electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to this embodiment are described below.
[集電体]
集電体は、電極活物質層からの電子の移動を媒介する機能を有する。集電体を構成する材料に特に制限はない。集電体の構成材料としては、例えば、金属や、導電性を有する樹脂が採用されうる。
[Current collector]
The current collector has a function of mediating the movement of electrons from the electrode active material layer. There are no particular limitations on the material constituting the current collector. For example, metals and conductive resins can be used as the material constituting the current collector.
具体的には、金属としては、アルミニウム、ニッケル、鉄、ステンレス、チタン、銅などが挙げられる。これらのほか、ニッケルとアルミニウムとのクラッド材、銅とアルミニウムとのクラッド材、またはこれらの金属の組み合わせのめっき材などが好ましく用いられうる。また、金属表面にアルミニウムが被覆されてなる箔、またはカーボン被覆アルミニウム箔であってもよい。なかでも、電子伝導性や電池作動電位の観点からは、アルミニウム、ステンレス、銅、ニッケルが好ましい。 Specific examples of metals include aluminum, nickel, iron, stainless steel, titanium, and copper. In addition to these, a clad material of nickel and aluminum, a clad material of copper and aluminum, or a plated material of a combination of these metals can be preferably used. Also, a foil in which the metal surface is coated with aluminum, or a carbon-coated aluminum foil may be used. Among these, aluminum, stainless steel, copper, and nickel are preferred from the viewpoint of electronic conductivity and battery operating potential.
また、後者の導電性を有する樹脂としては、導電性高分子材料または非導電性高分子材料に必要に応じて導電性フィラーが添加された樹脂が挙げられる。 The latter conductive resins include resins made of conductive polymer materials or non-conductive polymer materials to which conductive fillers are added as necessary.
導電性高分子材料としては、例えば、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリパラフェニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリアクリロニトリル、およびポリオキサジアゾールなどが挙げられる。かような導電性高分子材料は、導電性フィラーを添加しなくても十分な導電性を有するため、製造工程の容易化または集電体の軽量化の点において有利である。 Examples of conductive polymer materials include polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polyacetylene, polyparaphenylene, polyphenylenevinylene, polyacrylonitrile, and polyoxadiazole. Such conductive polymer materials have sufficient conductivity without the addition of conductive fillers, and are therefore advantageous in terms of facilitating the manufacturing process and reducing the weight of the current collector.
非導電性高分子材料としては、例えば、ポリエチレン(PE;高密度ポリエチレン(HDPE)、低密度ポリエチレン(LDPE)など)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリイミド(PI)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリアミド(PA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、スチレン-ブタジエンゴム(SBR)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメチルアクリレート(PMA)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、またはポリスチレン(PS)などが挙げられる。かような非導電性高分子材料は、優れた耐電位性または耐溶媒性を有しうる。 Examples of non-conductive polymeric materials include polyethylene (PE; high density polyethylene (HDPE), low density polyethylene (LDPE), etc.), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polyethernitrile (PEN), polyimide (PI), polyamideimide (PAI), polyamide (PA), polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene-butadiene rubber (SBR), polyacrylonitrile (PAN), polymethyl acrylate (PMA), polymethyl methacrylate (PMMA), polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene fluoride (PVdF), or polystyrene (PS). Such non-conductive polymeric materials may have excellent electric potential resistance or solvent resistance.
上記の導電性高分子材料または非導電性高分子材料には、必要に応じて導電性フィラーが添加されうる。特に、集電体の基材となる樹脂が非導電性高分子のみからなる場合は、樹脂に導電性を付与するために必然的に導電性フィラーが必須となる。 A conductive filler can be added to the conductive polymer material or non-conductive polymer material as necessary. In particular, when the resin that serves as the base material of the collector is made of only a non-conductive polymer, a conductive filler is necessarily required to impart conductivity to the resin.
導電性フィラーは、導電性を有する物質であれば特に制限なく用いることができる。例えば、導電性、耐電位性、またはリチウムイオン遮断性に優れた材料として、金属および導電性カーボンなどが挙げられる。金属としては、特に制限はないが、Ni、Ti、Al、Cu、Pt、Fe、Cr、Sn、Zn、In、およびSbからなる群から選択される少なくとも1種の金属またはこれらの金属を含む合金もしくは金属酸化物を含むことが好ましい。また、導電性カーボンとしては、特に制限はない。好ましくは、アセチレンブラック、バルカン(登録商標)、ブラックパール(登録商標)、カーボンナノファイバー、ケッチェンブラック(登録商標)、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノバルーン、およびフラーレンからなる群より選択される少なくとも1種を含むものである。 The conductive filler can be used without any particular restriction as long as it is a material having electrical conductivity. For example, metals and conductive carbon can be mentioned as materials having excellent electrical conductivity, potential resistance, or lithium ion blocking properties. There are no particular restrictions on the metal, but it is preferable that it contains at least one metal selected from the group consisting of Ni, Ti, Al, Cu, Pt, Fe, Cr, Sn, Zn, In, and Sb, or an alloy or metal oxide containing these metals. There are also no particular restrictions on the conductive carbon. It is preferable that it contains at least one selected from the group consisting of acetylene black, Vulcan (registered trademark), Black Pearl (registered trademark), carbon nanofiber, Ketjen Black (registered trademark), carbon nanotube, carbon nanohorn, carbon nanoballoon, and fullerene.
導電性フィラーの添加量は、集電体に十分な導電性を付与できる量であれば特に制限はなく、一般的には、5~80質量%程度である。 There is no particular limit to the amount of conductive filler added, so long as it is an amount that can provide sufficient conductivity to the current collector, and it is generally about 5 to 80 mass %.
なお、集電体は、単独の材料からなる単層構造であってもよいし、あるいは、これらの材料からなる層を適宜組み合わせた積層構造であっても構わない。集電体の軽量化の観点からは、少なくとも導電性を有する樹脂からなる導電性樹脂層を含むことが好ましい。また、単電池層間のリチウムイオンの移動を遮断する観点からは、集電体の一部に金属層を設けてもよい。 The current collector may be a single layer structure made of a single material, or may be a laminate structure made of an appropriate combination of layers made of these materials. From the viewpoint of reducing the weight of the current collector, it is preferable that the current collector contains at least a conductive resin layer made of a resin having electrical conductivity. Also, from the viewpoint of blocking the movement of lithium ions between the layers of the single cells, a metal layer may be provided on part of the current collector.
[電極活物質層]
電極活物質層は、上記集電体の表面に配置され、電極活物質、導電助剤および結着剤を含む。本形態に係る電極が正極である場合には、電極活物質は正極活物質であり、本形態に係る電極が負極である場合には、電極活物質は負極活物質である。なお、本明細書において、特記しない限り、正極および負極に共通する事項については「電極」として表記するものとする。
[Electrode active material layer]
The electrode active material layer is disposed on the surface of the current collector and contains an electrode active material, a conductive assistant, and a binder. When the electrode according to the present embodiment is a positive electrode, the electrode active material is a positive electrode active material, and when the electrode according to the present embodiment is a negative electrode, the electrode active material is a negative electrode active material. In this specification, unless otherwise specified, matters common to positive and negative electrodes will be referred to as "electrode".
(正極活物質)
正極活物質は、充電時にリチウムイオン等のイオンを放出し、放電時にリチウムイオン等のイオンを吸蔵する機能を有する。
(Positive Electrode Active Material)
The positive electrode active material has the function of releasing ions such as lithium ions during charging and absorbing ions such as lithium ions during discharging.
正極活物質としては、例えば、LiMn2O4、LiCoO2、LiNiO2、Li(Ni-Mn-Co)O2、Li(Ni-Co-Al)O2およびこれらの遷移金属の一部が他の元素により置換されたもの等のリチウム-遷移金属複合酸化物、リチウム-遷移金属リン酸化合物、リチウム-遷移金属硫酸化合物などが挙げられる。場合によっては、2種以上の正極活物質が併用されてもよい。好ましくは、容量、出力特性の観点から、リチウム-遷移金属複合酸化物が、正極活物質として用いられる。より好ましくはリチウムとニッケルとを含有する複合酸化物が用いられる。さらに好ましくはLi(Ni-Mn-Co)O2およびこれらの遷移金属の一部が他の元素により置換されたもの(以下、単に「NMC複合酸化物」とも称する)、またはLi(Ni-Co-Al)O2およびこれらの遷移金属の一部が他の元素により置換されたもの(以下単に、「NCA複合酸化物」とも称する)などが用いられる。特に好ましくはNMC複合酸化物が用いられる。NMC複合酸化物およびNCA複合酸化物は、リチウム原子層と遷移金属原子層とが酸素原子層を介して交互に積み重なった層状結晶構造を有する。そして、遷移金属Mの1原子あたり1個のLi原子が含まれ、取り出せるLi量が、スピネル系リチウムマンガン酸化物の2倍、つまり供給能力が2倍になり、高い容量を持つことができる。 Examples of the positive electrode active material include lithium-transition metal composite oxides such as LiMn 2 O 4 , LiCoO 2 , LiNiO 2 , Li(Ni-Mn-Co)O 2 , Li(Ni-Co-Al)O 2 and those in which a part of these transition metals is replaced by other elements, lithium-transition metal phosphate compounds, and lithium-transition metal sulfate compounds. In some cases, two or more positive electrode active materials may be used in combination. Preferably, from the viewpoint of capacity and output characteristics, a lithium-transition metal composite oxide is used as the positive electrode active material. More preferably, a composite oxide containing lithium and nickel is used. More preferably, Li(Ni-Mn-Co)O 2 and those in which a part of these transition metals is replaced by other elements (hereinafter also simply referred to as "NMC composite oxide"), or Li(Ni-Co-Al)O 2 and those in which a part of these transition metals is replaced by other elements (hereinafter also simply referred to as "NCA composite oxide"), etc. are used. Particularly preferably, NMC composite oxide is used. NMC composite oxide and NCA composite oxide have a layered crystal structure in which lithium atomic layers and transition metal atomic layers are alternately stacked with oxygen atomic layers interposed therebetween. One Li atom is contained per transition metal M atom, and the amount of Li that can be extracted is twice that of spinel-based lithium manganese oxide, that is, the supply capacity is doubled, and high capacity can be obtained.
NMC複合酸化物およびNCA複合酸化物には、上述したように、遷移金属元素の一部が他の金属元素により置換されている複合酸化物も含まれる。その場合の他の元素としては、Ti、Zr、Nb、W、P、Al、Mg、V、Ca、Sr、Cr、Fe、B、Ga、In、Si、Mo、Y、Sn、V、Cu、Ag、Znなどが挙げられ、好ましくは、Ti、Zr、Nb、W、P、Al、Mg、V、Ca、Sr、Crであり、より好ましくは、Ti、Zr、P、Al、Mg、Crであり、サイクル特性向上の観点から、さらに好ましくは、Ti、Zr、Al、Mg、Crである。ただし、NCA複合酸化物の遷移金属元素を置換しうる他の金属元素はAl以外のものである。 As described above, the NMC composite oxide and the NCA composite oxide also include composite oxides in which a part of the transition metal element is replaced by another metal element. In this case, the other elements include Ti, Zr, Nb, W, P, Al, Mg, V, Ca, Sr, Cr, Fe, B, Ga, In, Si, Mo, Y, Sn, V, Cu, Ag, and Zn, and are preferably Ti, Zr, Nb, W, P, Al, Mg, V, Ca, Sr, and Cr, and more preferably Ti, Zr, P, Al, Mg, and Cr, and from the viewpoint of improving cycle characteristics, are even more preferably Ti, Zr, Al, Mg, and Cr. However, the other metal elements that can replace the transition metal element of the NCA composite oxide are other than Al.
NMC複合酸化物は、理論放電容量が高いことから、好ましくは、一般式(1):LiaNibMncCodMxO2(ただし、式中、a、b、c、d、xは、0.9≦a≦1.2、0<b<1、0≦c≦0.5、0<d≦0.5、0≦x≦0.3、b+c+d+x=1を満たす。MはTi、Zr、Nb、W、P、Al、Mg、V、Ca、Sr、Crから選ばれる元素で少なくとも1種類である)で表される組成を有する。ここで、aは、Liの原子比を表し、bは、Niの原子比を表し、cは、Mnの原子比を表し、dは、Coの原子比を表し、xは、Mの原子比を表す。サイクル特性の観点からは、一般式(1)において、0.4≦b≦0.6であることが好ましい。なお、各元素の組成は、例えば、誘導結合プラズマ(ICP)発光分析法により測定できる。 Since the NMC composite oxide has a high theoretical discharge capacity, it preferably has a composition represented by the general formula (1): Li a Ni b Mn c Co d M x O 2 (wherein, a, b, c, d, and x satisfy 0.9≦a≦1.2, 0<b<1, 0≦c≦0.5, 0<d≦0.5, 0≦x≦0.3, and b+c+d+x=1. M is at least one element selected from Ti, Zr, Nb, W, P, Al, Mg, V, Ca, Sr, and Cr). Here, a represents the atomic ratio of Li, b represents the atomic ratio of Ni, c represents the atomic ratio of Mn, d represents the atomic ratio of Co, and x represents the atomic ratio of M. From the viewpoint of cycle characteristics, it is preferable that 0.4≦b≦0.6 in the general formula (1). The composition of each element can be measured, for example, by inductively coupled plasma (ICP) emission spectrometry.
一般に、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)およびマンガン(Mn)は、材料の純度向上および電子伝導性向上という観点から、容量および出力特性に寄与することが知られている。Ti等は、結晶格子中の遷移金属を一部置換するものである。サイクル特性の観点からは、遷移元素の一部が他の金属元素により置換されていることが好ましく、特に一般式(1)において0<x≦0.3であることが好ましい。Ti、Zr、Nb、W、P、Al、Mg、V、Ca、SrおよびCrからなる群から選ばれる少なくとも1種が固溶することにより結晶構造が安定化される。その結果、充放電を繰り返しても電池の容量低下が防止でき、優れたサイクル特性が実現し得ると考えられる。 In general, nickel (Ni), cobalt (Co) and manganese (Mn) are known to contribute to capacity and output characteristics from the viewpoint of improving the purity of the material and improving the electronic conductivity. Ti and the like partially replace the transition metals in the crystal lattice. From the viewpoint of cycle characteristics, it is preferable that a part of the transition element is replaced by another metal element, and it is particularly preferable that 0<x≦0.3 in the general formula (1). The crystal structure is stabilized by the solid solution of at least one element selected from the group consisting of Ti, Zr, Nb, W, P, Al, Mg, V, Ca, Sr and Cr. As a result, it is thought that the capacity of the battery can be prevented from decreasing even when it is repeatedly charged and discharged, and excellent cycle characteristics can be realized.
より好ましい実施形態としては、一般式(1)において、b、cおよびdが、0.44≦b≦0.51、0.27≦c≦0.31、0.19≦d≦0.26であることが、容量と寿命特性とのバランスを向上させるという観点からは好ましい。例えば、LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2は、一般的な民生電池で実績のあるLiCoO2、LiMn2O4、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2などと比較して、単位質量あたりの容量が大きい。これにより、エネルギー密度の向上が可能となり、コンパクトかつ高容量の電池を作製できるという利点を有しているため、航続距離の観点からも好ましい。 As a more preferred embodiment, in the general formula (1), b, c, and d are 0.44≦b≦0.51, 0.27≦c≦0.31, and 0.19≦d≦0.26, which is preferable from the viewpoint of improving the balance between capacity and life characteristics. For example, LiNi 0.5 Mn 0.3 Co 0.2 O 2 has a larger capacity per unit mass than LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 , which are proven in general consumer batteries. This makes it possible to improve the energy density, and has the advantage of being able to produce a compact and high-capacity battery, which is also preferable from the viewpoint of range.
また、より好ましい実施形態としては、より容量が大きいという観点から、LiNi0.8Co0.1Al0.1O2やLiNi0.8Co0.15Al0.05O2が好ましい。 As a more preferred embodiment, LiNi0.8Co0.1Al0.1O2 and LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 are preferred from the viewpoint of larger capacity .
正極活物質の平均粒子径は、高出力化の観点からは、好ましくは1~100μm、より好ましくは1~20μmである。本明細書において、粒子の平均粒子径は、レーザー回折・散乱法の粒度分布測定装置により計測されたディアン径(D50)を採用するものとする。 From the viewpoint of achieving high output, the average particle diameter of the positive electrode active material is preferably 1 to 100 μm, and more preferably 1 to 20 μm. In this specification, the average particle diameter of the particles is the diagonal diameter (D50) measured by a particle size distribution measuring device using the laser diffraction/scattering method.
(負極活物質)
負極活物質は、放電時にリチウムイオン等のイオンを放出し、充電時にリチウムイオン等のイオンを吸蔵する機能を有する。
(Negative Electrode Active Material)
The negative electrode active material has a function of releasing ions such as lithium ions during discharge and absorbing ions such as lithium ions during charge.
負極活物質としては、例えば、グラファイト(黒鉛)、ソフトカーボン、ハードカーボン等の炭素材料、リチウム-遷移金属複合酸化物(例えば、Li4Ti5O12)、金属材料(スズ、シリコン)、ケイ素含有合金系負極材料(例えば、Si60Sn10Ti30)、リチウム合金系負極材料(例えばリチウム-スズ合金、リチウム-シリコン合金、リチウム-アルミニウム合金、リチウム-アルミニウム-マンガン合金等)などが挙げられる。場合によっては、2種以上の負極活物質が併用されてもよい。好ましくは、容量、出力特性の観点から、ケイ素含有合金系負極材料、炭素材料、リチウム-遷移金属複合酸化物、リチウム合金系負極材料が、負極活物質として好ましく用いられる。なお、上記以外の負極活物質が用いられてもよいことは勿論である。 Examples of the negative electrode active material include carbon materials such as graphite, soft carbon, and hard carbon, lithium-transition metal composite oxides (e.g., Li 4 Ti 5 O 12 ), metal materials (tin, silicon), silicon-containing alloy-based negative electrode materials (e.g., Si 60 Sn 10 Ti 30 ), and lithium alloy-based negative electrode materials (e.g., lithium-tin alloy, lithium-silicon alloy, lithium-aluminum alloy, lithium-aluminum-manganese alloy, etc.). In some cases, two or more negative electrode active materials may be used in combination. Preferably, from the viewpoint of capacity and output characteristics, silicon-containing alloy-based negative electrode materials, carbon materials, lithium-transition metal composite oxides, and lithium alloy-based negative electrode materials are preferably used as the negative electrode active material. Of course, negative electrode active materials other than the above may be used.
負極活物質の平均粒子径は特に制限されないが、高出力化の観点からは、好ましくは1~100μm、より好ましくは1~20μmである。 The average particle size of the negative electrode active material is not particularly limited, but from the viewpoint of achieving high output, it is preferably 1 to 100 μm, and more preferably 1 to 20 μm.
電極活物質層における電極活物質の含有量は、全固形分100質量%に対して、例えば60質量%以上100質量%未満であり、好ましくは80質量%以上99.5%以下であり、より好ましくは95質量%を超えて99.0質量%以下であり、さらに好ましくは97質量%以上98.5質量%以下である。電極活物質の含有量が上記範囲であれば、電池容量と出力特性とを両立させることができる。 The content of the electrode active material in the electrode active material layer is, for example, 60% by mass or more and less than 100% by mass, preferably 80% by mass or more and 99.5% by mass or less, more preferably more than 95% by mass or more and 99.0% by mass or less, and even more preferably 97% by mass or more and 98.5% by mass or less, relative to 100% by mass of the total solids content. If the content of the electrode active material is within the above range, it is possible to achieve both battery capacity and output characteristics.
(導電助剤)
導電助剤は、電極活物質層中で電子伝導パス(導電通路)を形成する機能を有する。このような電子伝導パスが電極活物質層中に形成されると、電池の内部抵抗が低減し、高レートでの出力特性が向上しうる。特に、導電助剤の少なくとも一部が、電極活物質層の2つの主面同士を電気的に接続する導電通路を形成している(本実施形態では、電極活物質層の電解質層側に接触する第1主面から集電体側に接触する第2主面までを電気的に接続する導電通路を形成している)ことが好ましい。このような形態を有することで、電極活物質層中の厚さ方向の電子移動抵抗がさらに低減されるため、電池の高レートでの出力特性がより一層向上しうる。なお、導電助剤の少なくとも一部が、電極活物質層の2つの主面同士を電気的に接続する導電通路を形成している(本実施形態では、電極活物質層の電解質層側に接触する第1主面から集電体側に接触する第2主面までを電気的に接続する導電通路を形成している)か否かは、SEMや光学顕微鏡を用いて電極活物質層の断面を観察することにより確認することができる。
(Conductive assistant)
The conductive assistant has a function of forming an electron conduction path (conductive passage) in the electrode active material layer. When such an electron conduction path is formed in the electrode active material layer, the internal resistance of the battery is reduced, and the output characteristics at high rates can be improved. In particular, it is preferable that at least a part of the conductive assistant forms a conductive passage that electrically connects the two main surfaces of the electrode active material layer (in this embodiment, a conductive passage that electrically connects from the first main surface in contact with the electrolyte layer side of the electrode active material layer to the second main surface in contact with the current collector side is formed). By having such a form, the electron transfer resistance in the thickness direction in the electrode active material layer is further reduced, so that the output characteristics at high rates of the battery can be further improved. Note that whether or not at least a part of the conductive assistant forms a conductive passage that electrically connects the two main surfaces of the electrode active material layer (in this embodiment, a conductive passage that electrically connects from the first main surface in contact with the electrolyte layer side of the electrode active material layer to the second main surface in contact with the current collector side is formed) can be confirmed by observing the cross section of the electrode active material layer using an SEM or an optical microscope.
導電助剤としては、粒子状炭素材料および繊維状炭素材料が挙げられる。本明細書において、粒子状炭素材料とは、一次粒子のアスペクト比が20以下の炭素材料を指す。また、本明細書において、繊維状炭素材料とは、アスペクト比が1000以上の炭素材料を指す。なお、本明細書において、粒子状炭素材料および繊維状炭素材料のアスペクト比は、それぞれ、走査型電子顕微鏡(SEM)により任意に選択した100個の炭素材料の、短軸の長さに対する長軸の長さの比についての平均値を意味する。 Examples of conductive assistants include particulate carbon materials and fibrous carbon materials. In this specification, particulate carbon materials refer to carbon materials with a primary particle aspect ratio of 20 or less. In this specification, fibrous carbon materials refer to carbon materials with an aspect ratio of 1000 or more. In this specification, the aspect ratios of particulate carbon materials and fibrous carbon materials respectively refer to the average value of the ratio of the major axis length to the minor axis length of 100 carbon materials randomly selected using a scanning electron microscope (SEM).
粒子状炭素材料としては、アセチレンブラック、カーボンブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック、ケッチェンブラック(登録商標)等のカーボン粉末が挙げられる。なかでも、導電性の観点からアセチレンブラックが好ましい。粒子状炭素材料(好ましくはアセチレンブラック)の平均粒子径(一次粒子径)は、特に制限されないが、好ましくは10~500nm、より好ましくは10~100nmであり、さらに好ましくは15~75nmであり、特に好ましくは20~60nmである。また、粒子状炭素材料(好ましくはアセチレンブラック)のアスペクト比(一次粒子のアスペクト比)は前述の通り20以下であるが、好ましくは10以下であり、より好ましくは5以下であり、さらに好ましくは2以下であり、特に好ましくは1.5以下である(下限値は1)。 Examples of particulate carbon materials include carbon powders such as acetylene black, carbon black, channel black, thermal black, and Ketjen Black (registered trademark). Among these, acetylene black is preferred from the viewpoint of electrical conductivity. The average particle size (primary particle size) of the particulate carbon material (preferably acetylene black) is not particularly limited, but is preferably 10 to 500 nm, more preferably 10 to 100 nm, even more preferably 15 to 75 nm, and particularly preferably 20 to 60 nm. In addition, the aspect ratio (primary particle aspect ratio) of the particulate carbon material (preferably acetylene black) is 20 or less as described above, but is preferably 10 or less, more preferably 5 or less, even more preferably 2 or less, and particularly preferably 1.5 or less (the lower limit is 1).
繊維状炭素材料としては、カーボンナノチューブ(単層カーボンナノチューブおよび複層カーボンナノチューブ)、カーボンナノファイバー、気相成長炭素繊維、電界紡糸法炭素繊維、ポリアクリロニトリル系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維などが挙げられる。なかでも、導電性の観点から、カーボンナノチューブが好ましい。繊維状炭素材料(好ましくはカーボンナノチューブ)の直径(短軸)は、特に制限されないが、好ましくは1~100nmであり、より好ましくは2~50nmであり、さらに好ましくは5~20nmである。繊維状炭素材料(好ましくはカーボンナノチューブ)の長さ(長軸)は、特に制限されないが、好ましくは1~100μmであり、より好ましくは2~50μmであり、さらに好ましくは5~30μmである。また、繊維状炭素材料(好ましくはカーボンナノチューブ)のアスペクト比は前述の通り1000以上であるが、好ましくは1500以上であり、より好ましくは1800以上である。繊維状炭素材料(好ましくはカーボンナノチューブ)のアスペクト比の上限値は特に制限されないが、例えば20000以下であり、10000以下、5000以下または4000以下であってもよい。 Examples of fibrous carbon materials include carbon nanotubes (single-walled carbon nanotubes and multi-walled carbon nanotubes), carbon nanofibers, vapor-grown carbon fibers, electrospun carbon fibers, polyacrylonitrile-based carbon fibers, and pitch-based carbon fibers. Among these, carbon nanotubes are preferred from the viewpoint of electrical conductivity. The diameter (short axis) of the fibrous carbon material (preferably carbon nanotubes) is not particularly limited, but is preferably 1 to 100 nm, more preferably 2 to 50 nm, and even more preferably 5 to 20 nm. The length (long axis) of the fibrous carbon material (preferably carbon nanotubes) is not particularly limited, but is preferably 1 to 100 μm, more preferably 2 to 50 μm, and even more preferably 5 to 30 μm. In addition, the aspect ratio of the fibrous carbon material (preferably carbon nanotubes) is 1000 or more as described above, but is preferably 1500 or more, and more preferably 1800 or more. The upper limit of the aspect ratio of the fibrous carbon material (preferably carbon nanotubes) is not particularly limited, but may be, for example, 20,000 or less, 10,000 or less, 5,000 or less, or 4,000 or less.
本形態の電極においては、導電助剤として、上記の粒子状炭素材料および上記の繊維状炭素材料を両方含むことが好ましい。すなわち、好ましい一形態に係る非水電解質二次電池用電極は、導電助剤が、アスペクト比が20以下の粒子状炭素材料と、アスペクト比が1000以上の繊維状炭素材料とを含む。導電助剤が粒子状炭素材料および繊維状炭素材料を両方含むことにより、電子伝導パスが良好に形成される。より詳細には、粒子状炭素材料が電極活物質の表面付近に存在することで短距離の電子伝導パスを形成しつつ、繊維状炭素材料が電極活物質層に分散することで中・長距離の電子電動パスが形成される。これにより電極活物質から集電体へ効率よく電子伝導パスを形成することができる。その結果、本形態に係る電極を有する非水電解質二次電池において、出力特性をより向上することができる(特に、高い放電レートでの放電の際により多くの容量を取り出すことができる)。さらに、電子伝導パスが良好に形成されることにより、電極活物質層中の導電助剤の量を少なくすることができる。その結果、非水電解質二次電池のエネルギー密度をより向上させることが可能となる。 In the electrode of this embodiment, it is preferable that the conductive assistant contains both the particulate carbon material and the fibrous carbon material as described above. That is, in a preferred embodiment of an electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery, the conductive assistant contains a particulate carbon material having an aspect ratio of 20 or less and a fibrous carbon material having an aspect ratio of 1000 or more. When the conductive assistant contains both the particulate carbon material and the fibrous carbon material, an electron conduction path is formed well. More specifically, the particulate carbon material is present near the surface of the electrode active material to form a short-distance electron conduction path, while the fibrous carbon material is dispersed in the electrode active material layer to form a medium- to long-distance electron conduction path. This allows an electron conduction path to be efficiently formed from the electrode active material to the current collector. As a result, the output characteristics can be further improved in a nonaqueous electrolyte secondary battery having the electrode of this embodiment (especially, a larger capacity can be extracted during discharge at a high discharge rate). Furthermore, the amount of the conductive assistant in the electrode active material layer can be reduced by forming an electron conduction path well. As a result, it is possible to further improve the energy density of the nonaqueous electrolyte secondary battery.
前述の電子伝導パスをより良好に形成する観点から、粒子状炭素材料と、繊維状炭素材料との質量比(粒子状炭素材料:粒子状炭素材料)は、1:10~1:1であることが好ましく、1:6~1:2であることがより好ましく、1:5~1:3であることがさらに好ましい。質量比が上記範囲であると、電子伝導パスがより良好に形成されるため、出力特性をさらに向上することができる(特に、高い放電レートでの放電の際にさらに多くの容量を取り出すことができる)。また、非水電解質二次電池のエネルギー密度をさらに向上させることが可能となる。 From the viewpoint of better forming the aforementioned electron conduction path, the mass ratio of the particulate carbon material to the fibrous carbon material (particulate carbon material:particulate carbon material) is preferably 1:10 to 1:1, more preferably 1:6 to 1:2, and even more preferably 1:5 to 1:3. When the mass ratio is within the above range, the electron conduction path is better formed, so that the output characteristics can be further improved (in particular, even more capacity can be extracted during discharge at a high discharge rate). In addition, it is possible to further improve the energy density of the nonaqueous electrolyte secondary battery.
電極活物質層に含まれる導電助剤の含有量(粒子状炭素材料および繊維状炭素材料を含む場合はその合計量)は、電極活物質層の全固形分100質量%に対して、2質量%以下であることが好ましく、1質量%以下であることがより好ましく、0.5質量%以下であることがさらに好ましい。かような上限値であると、導電助剤同士の凝集が抑制されることにより電子伝導パスが良好に形成されるため、出力特性をより向上することができる(特に、高い放電レートでの放電の際により多くの容量を取り出すことができる)。また、非水電解質二次電池のエネルギー密度をより向上させることが可能となる。なお、導電助剤の含有量の下限値は特に制限されないが、0質量%を超え、0.1質量%以上であることが好ましく、0.2質量%以上であることが好ましく、0.3質量%以上であることがさらに好ましい。かような下限値であると、電子伝導パスを形成するための十分な導電助剤が存在することから、出力特性をより向上することができる(特に、高い放電レートでの放電の際により多くの容量を取り出すことができる)。 The content of the conductive assistant contained in the electrode active material layer (the total amount of the particulate carbon material and the fibrous carbon material when they are included) is preferably 2% by mass or less, more preferably 1% by mass or less, and even more preferably 0.5% by mass or less, based on 100% by mass of the total solid content of the electrode active material layer. At such an upper limit, the aggregation of the conductive assistants is suppressed, and an electron conduction path is well formed, so that the output characteristics can be further improved (especially, a larger capacity can be extracted during discharge at a high discharge rate). In addition, it is possible to further improve the energy density of the non-aqueous electrolyte secondary battery. The lower limit of the content of the conductive assistant is not particularly limited, but is preferably more than 0% by mass, and is preferably 0.1% by mass or more, preferably 0.2% by mass or more, and more preferably 0.3% by mass or more. At such a lower limit, there is sufficient conductive assistant to form an electron conduction path, so that the output characteristics can be further improved (especially, a larger capacity can be extracted during discharge at a high discharge rate).
なお、本発明の効果を損なわない限り、上記以外の導電助剤が用いられてもよいことは勿論である。 Of course, other conductive additives may be used as long as they do not impair the effects of the present invention.
(結着剤)
結着剤(バインダ)は、電極活物質層に含まれる部材を互いに結着することにより、電極活物質層の構造を維持する機能を有する。本形態に係る電極では、結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)およびポリフッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン(PVDF-HFP)を含み、かつ、電極活物質に対する、ポリフッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン(PVDF-HFP)の質量比が、0を超えて0.015未満であることを特徴とする。このような構成とすることにより、本形態に係る電極を有する非水電解質二次電池において、出力特性を向上することができる(特に、高い放電レートでの放電の際に多くの容量を取り出すことができる)。上記効果が奏される詳細なメカニズムは不明であるが、本発明者らは以下のように推測している。本発明の技術的範囲は下記メカニズムに何ら制限されない。
(Binding Agent)
The binder has a function of maintaining the structure of the electrode active material layer by binding the members contained in the electrode active material layer to each other. The electrode according to this embodiment is characterized in that it contains polyvinylidene fluoride (PVDF) and polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVDF-HFP) as binders, and the mass ratio of polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVDF-HFP) to the electrode active material is more than 0 and less than 0.015. By adopting such a configuration, the output characteristics can be improved in a non-aqueous electrolyte secondary battery having the electrode according to this embodiment (especially, a large capacity can be extracted during discharge at a high discharge rate). Although the detailed mechanism by which the above effect is achieved is unknown, the present inventors speculate as follows. The technical scope of the present invention is not limited to the following mechanism.
本発明者らの検討によると、PVDFを単独で用いるよりも、PVDFおよびPVDF-HFPを組み合わせて用いた方が、出力特性が有意に向上することを見出した。これは、PVDF-HFPの方がPVDFよりも電解液への膨潤性が高いため、PVDFおよびPVDF-HFPを組み合わせて用いることにより、電極活物質層におけるリチウムイオン等のイオン伝導性が向上するためであると考えられる。さらに、PVDF-HFPは柔軟性が高いため、電極活物質層に含まれる他の部材(電極活物質および導電助剤等)の隙間に入り込み、これらの分散性を向上させていると推測される。その結果、電子伝導パスが良好に形成され、優れた出力特性を発揮することができると考えられる。また、本発明者らは、電極活物質に対するPVDF-HFPの質量比が0.015以上であると、上記効果が十分に得られなくなることを見出した。これはPVDF-HFPの含有量が多くなり過ぎることにより、電極活物質層における電子伝導パスが阻害されるためであると考えられる。 According to the study by the present inventors, it was found that the output characteristics are significantly improved by using a combination of PVDF and PVDF-HFP, rather than using PVDF alone. This is believed to be because PVDF-HFP has a higher swelling property in an electrolyte than PVDF, and therefore the combination of PVDF and PVDF-HFP improves the ion conductivity of lithium ions and the like in the electrode active material layer. Furthermore, since PVDF-HFP has high flexibility, it is presumed that it penetrates into the gaps of other members (electrode active material, conductive assistant, etc.) contained in the electrode active material layer, improving their dispersibility. As a result, it is believed that an electron conduction path is well formed, and excellent output characteristics can be exhibited. In addition, the present inventors found that the above effect cannot be sufficiently obtained when the mass ratio of PVDF-HFP to the electrode active material is 0.015 or more. This is believed to be because the content of PVDF-HFP becomes too high, inhibiting the electron conduction path in the electrode active material layer.
本形態の電極において、PVDFはフッ化ビニリデンのホモポリマーであれば、特に制限されない。PVDFの分子量は、結着性の観点から、好ましくは100,000以上1,000,000以下であり、より好ましくは300,000以上800,000以下であり、さらに好ましくは500,000以上700,000以下である。 In the electrode of this embodiment, the PVDF is not particularly limited as long as it is a homopolymer of vinylidene fluoride. From the viewpoint of binding property, the molecular weight of the PVDF is preferably 100,000 or more and 1,000,000 or less, more preferably 300,000 or more and 800,000 or less, and even more preferably 500,000 or more and 700,000 or less.
本形態の電極において、PVDF-HFPはフッ化ビニリデンおよびヘキサフルオロプロピレンのコモノマーであれば特に制限されない。PVDF-HFPに含まれるヘキサフルオロプロピレン由来の構成単位の割合は、PVDF-HFPの全構成単位に対して、6モル%以上20モル%以下であることが好ましく、6.5モル%以上10モル%以下であることがさらに好ましく、6.9モル%以上8モル%以下であることが特に好ましい。ヘキサフルオロプロピレン由来の構成単位の割合が上記範囲であることにより、電解液への膨潤性、柔軟性が向上しうる。その結果、電極活物質層におけるイオン伝導性や、電子伝導性が向上し、優れた出力特性を発揮することができる(特に、高い放電レートでの放電の際に多くの容量を取り出すことができる)。 In the electrode of this embodiment, PVDF-HFP is not particularly limited as long as it is a comonomer of vinylidene fluoride and hexafluoropropylene. The ratio of the hexafluoropropylene-derived structural units contained in PVDF-HFP is preferably 6 mol% to 20 mol%, more preferably 6.5 mol% to 10 mol%, and particularly preferably 6.9 mol% to 8 mol% relative to the total structural units of PVDF-HFP. When the ratio of the hexafluoropropylene-derived structural units is within the above range, the swelling property and flexibility in the electrolyte can be improved. As a result, the ionic conductivity and electronic conductivity in the electrode active material layer are improved, and excellent output characteristics can be exhibited (especially, a large capacity can be extracted during discharge at a high discharge rate).
電極活物質層において、電極活物質に対する、PVDF-HFPの質量比、0を超えて0.015未満であり、好ましくは0.002以上0.009以下であり、さらに好ましくは0.003以上0.007以下であり、特に好ましくは0.004以上0.006以下である。当該質量比が0である(すなわち、電極活物質層がPVDF-HFPを含まない)か、あるいは、当該質量比が0.015以上であると、上記メカニズムにおいて説明したように出力特性の向上効果が得られない。 In the electrode active material layer, the mass ratio of PVDF-HFP to the electrode active material is greater than 0 and less than 0.015, preferably 0.002 or more and 0.009 or less, more preferably 0.003 or more and 0.007 or less, and particularly preferably 0.004 or more and 0.006 or less. If the mass ratio is 0 (i.e., the electrode active material layer does not contain PVDF-HFP) or if the mass ratio is 0.015 or more, the effect of improving the output characteristics is not obtained as explained in the above mechanism.
電極活物質層において、結着剤の含有量は、電極活物質層の全固形分100質量%に対して、好ましくは3質量%未満であり、より好ましくは2質量%以下であり、さらに好ましくは1質量%以下であり、さらにより好ましくは1質量%未満であり、特に好ましくは0.9質量%以下であり、最も好ましくは0.8質量%以下である。結着剤は充放電反応に直接寄与しないため、その含有量を上記のように少なくすることにより、非水電解質二次電池のエネルギー密度をより向上させることが可能となる。なお、下限値は電極活物質層の構造を維持できる限りにおいては特に制限されないが、好ましくは0.3質量%以上であり、より好ましくは0.5質量%以上である。 In the electrode active material layer, the content of the binder is preferably less than 3 mass%, more preferably 2 mass% or less, even more preferably 1 mass% or less, even more preferably less than 1 mass%, particularly preferably 0.9 mass% or less, and most preferably 0.8 mass% or less, based on 100 mass% of the total solid content of the electrode active material layer. Since the binder does not directly contribute to the charge/discharge reaction, by reducing its content as described above, it is possible to further improve the energy density of the non-aqueous electrolyte secondary battery. The lower limit is not particularly limited as long as the structure of the electrode active material layer can be maintained, but is preferably 0.3 mass% or more, and more preferably 0.5 mass% or more.
電極活物質層において、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)と、ポリフッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン(PVDF-HFP)との質量比(PVDF:PVDF-HFP)は、好ましくは1:5~5:1であり、より好ましくは1:4~4:1であり、さらに好ましくは1:2~2:1であり、特に好ましくは1:1.5~1.5:1であり、最も好ましくは1:1.2~1.2:1である。当該質量比が上記範囲であると、電極活物質層における結着剤の含有量が比較的少ない場合であっても(特に、好ましくは1質量%以下、より好ましくは1質量%未満、さらに好ましくは0.9質量%以下、特に好ましくは0.8質量%以下)PVDFによる結着性を維持しつつ、PVDF-HFPによるイオン伝導性および/または電子伝導性の向上効果とのバランスが良好となる。一方、電極活物質層における結着剤の含有量が比較的多い場合(特に、好ましくは1質量%以上、より好ましくは1質量%を超え、さらに好ましくは1.1質量%以上、特に好ましくは1.2質量%以上)は、上記質量比(PVDF:PVDF-HFP)は、好ましくは1:1.1~1:10であり、より好ましくは1:1.5~1:6であり、さらに好ましくは1:2~1:5である。当該質量比が上記範囲であると、電解液への膨潤性、柔軟性が向上しうる。その結果、電極活物質層におけるイオン伝導性や、電子伝導性が向上し、優れた出力特性を発揮することができる(特に、高い放電レートでの放電の際に多くの容量を取り出すことができる)。 In the electrode active material layer, the mass ratio of polyvinylidene fluoride (PVDF) to polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVDF-HFP) (PVDF:PVDF-HFP) is preferably 1:5 to 5:1, more preferably 1:4 to 4:1, even more preferably 1:2 to 2:1, particularly preferably 1:1.5 to 1.5:1, and most preferably 1:1.2 to 1.2:1. When the mass ratio is within the above range, even if the content of the binder in the electrode active material layer is relatively small (particularly, preferably 1 mass% or less, more preferably less than 1 mass%, even more preferably 0.9 mass% or less, particularly preferably 0.8 mass% or less), the binding property of PVDF is maintained while achieving a good balance with the effect of improving ionic conductivity and/or electronic conductivity of PVDF-HFP. On the other hand, when the content of the binder in the electrode active material layer is relatively high (particularly, preferably 1% by mass or more, more preferably more than 1% by mass, even more preferably 1.1% by mass or more, and particularly preferably 1.2% by mass or more), the mass ratio (PVDF:PVDF-HFP) is preferably 1:1.1 to 1:10, more preferably 1:1.5 to 1:6, and even more preferably 1:2 to 1:5. When the mass ratio is within the above range, the swelling property and flexibility in the electrolyte can be improved. As a result, the ionic conductivity and electronic conductivity in the electrode active material layer are improved, and excellent output characteristics can be exhibited (particularly, a large capacity can be extracted during discharge at a high discharge rate).
電極活物質層は、PVDFおよびPVDF-HFP以外の結着剤(以下、「他の結着剤」とも称する)を含みうる。ただし、本発明の効果をより一層発揮させる観点からは、電極活物質層における他の結着剤の含有量は、結着剤の総量に対して、好ましくは10質量%以下であり、より好ましくは5質量%以下であり、さらに好ましくは3質量%以下であり、特に好ましくは1質量%以下であり、最も好ましくは0質量%である(すなわち、電極活物質層は他の結着剤を含まない)。他の結着剤は、特に制限されず、公知の材料を適宜採用できる。 The electrode active material layer may contain a binder other than PVDF and PVDF-HFP (hereinafter also referred to as "other binder"). However, from the viewpoint of further exerting the effects of the present invention, the content of the other binder in the electrode active material layer is preferably 10 mass% or less, more preferably 5 mass% or less, even more preferably 3 mass% or less, particularly preferably 1 mass% or less, and most preferably 0 mass% relative to the total amount of binder (i.e., the electrode active material layer does not contain other binder). The other binder is not particularly limited, and known materials can be appropriately adopted.
本形態の非水電解質二次電池用電極において、電極活物質層の厚さは特に制限されず、電池についての従来公知の知見が適宜参照されうる。一例を挙げると、電極活物質層の厚さは、通常1~1000μm程度、好ましくは20~800μmであり、より好ましくは30~500μmであり、さらに好ましくは40~200μmである。電極活物質層の厚さが大きいほど、十分な容量(エネルギー密度)を発揮するための電極活物質を保持することが可能となる。一方、電極活物質層の厚さが小さいほど、出力特性が向上しうる(特に、高い放電レートでの放電の際に多くの容量を取り出すことができる)。 In the electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery of this embodiment, the thickness of the electrode active material layer is not particularly limited, and conventionally known knowledge about batteries can be appropriately referred to. As an example, the thickness of the electrode active material layer is usually about 1 to 1000 μm, preferably 20 to 800 μm, more preferably 30 to 500 μm, and even more preferably 40 to 200 μm. The thicker the electrode active material layer is, the more electrode active material can be retained to exert sufficient capacity (energy density). On the other hand, the thinner the electrode active material layer is, the more the output characteristics can be improved (especially, a large capacity can be extracted during discharge at a high discharge rate).
(電解液)
電極活物質層は、電解液をさらに含むことができる。電解液は、リチウムイオンのキャリヤーとしての機能を有する。電解液は、非水溶媒にリチウム塩が溶解した形態を有する。
(Electrolyte)
The electrode active material layer may further include an electrolyte solution. The electrolyte solution functions as a carrier for lithium ions. The electrolyte solution has a form in which a lithium salt is dissolved in a non-aqueous solvent.
非水溶媒は、例えば、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジプロピルカーボネート(DPC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、プロピオン酸メチル(MP)、酢酸メチル(MA)、ギ酸メチル(MF)、4-メチルジオキソラン(4MeDOL)、ジオキソラン(DOL)、2-メチルテトラヒドロフラン(2MeTHF)、テトラヒドロフラン(THF)、ジメトキシエタン(DME)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、およびγ-ブチロラクトン(GBL)などが挙げられる。なかでも、非水溶媒は、急速充電特性および出力特性をより向上できるとの観点から、好ましくは鎖状カーボネートであり、より好ましくはジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)およびジメチルカーボネート(DMC)からなる群から選択される少なくとも1種であり、より好ましくはエチルメチルカーボネート(EMC)およびジメチルカーボネート(DMC)から選択される。 Examples of non-aqueous solvents include dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate (DPC), ethyl methyl carbonate (EMC), methyl propionate (MP), methyl acetate (MA), methyl formate (MF), 4-methyldioxolane (4MeDOL), dioxolane (DOL), 2-methyltetrahydrofuran (2MeTHF), tetrahydrofuran (THF), dimethoxyethane (DME), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), dimethyl sulfoxide (DMSO), and gamma-butyrolactone (GBL). Among these, from the viewpoint of further improving the rapid charging characteristics and output characteristics, the non-aqueous solvent is preferably a chain carbonate, more preferably at least one selected from the group consisting of diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC) and dimethyl carbonate (DMC), and more preferably selected from ethyl methyl carbonate (EMC) and dimethyl carbonate (DMC).
リチウム塩としては、Li(FSO2)2N(リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド;LiFSI)、Li(C2F5SO2)2N、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiCF3SO3等が挙げられる。なかでも、リチウム塩は、電池出力および充放電サイクル特性の観点から、好ましくはLi(FSO2)2Nである。 Examples of the lithium salt include Li( FSO2 ) 2N (lithium bis(fluorosulfonyl)imide; LiFSI ), Li( C2F5SO2 ) 2N , LiPF6 , LiBF4 , LiClO4 , LiAsF6 , and LiCF3SO3 . Among these, the lithium salt is preferably Li(FSO2)2N from the viewpoints of battery output and charge/discharge cycle characteristics.
電解液中におけるリチウム塩の濃度は、0.1~3.0mol/Lであることが好ましく、0.8~2.2mol/Lであることがより好ましい。 The concentration of the lithium salt in the electrolyte is preferably 0.1 to 3.0 mol/L, and more preferably 0.8 to 2.2 mol/L.
電解液は、上述した成分以外の添加剤をさらに含有してもよい。かような化合物の具体例としては、例えば、エチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、メチルビニレンカーボネート、ジメチルビニレンカーボネート、フェニルビニレンカーボネート、ジフェニルビニレンカーボネート、エチルビニレンカーボネート、ジエチルビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、1,2-ジビニルエチレンカーボネート、1-メチル-1-ビニルエチレンカーボネート、1-メチル-2-ビニルエチレンカーボネート、1-エチル-1-ビニルエチレンカーボネート、1-エチル-2-ビニルエチレンカーボネート、ビニルビニレンカーボネート、アリルエチレンカーボネート、ビニルオキシメチルエチレンカーボネート、アリルオキシメチルエチレンカーボネート、アクリルオキシメチルエチレンカーボネート、メタクリルオキシメチルエチレンカーボネート、エチニルエチレンカーボネート、プロパルギルエチレンカーボネート、エチニルオキシメチルエチレンカーボネート、プロパルギルオキシエチレンカーボネート、メチレンエチレンカーボネート、1,1-ジメチル-2-メチレンエチレンカーボネートなどが挙げられる。これらの添加剤は、1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。また、添加剤を電解液に使用する場合の使用量は、適宜調整することができる。 The electrolyte may further contain additives other than the above-mentioned components. Specific examples of such compounds include, for example, ethylene carbonate, vinylene carbonate, methylvinylene carbonate, dimethylvinylene carbonate, phenylvinylene carbonate, diphenylvinylene carbonate, ethylvinylene carbonate, diethylvinylene carbonate, vinylethylene carbonate, 1,2-divinylethylene carbonate, 1-methyl-1-vinylethylene carbonate, 1-methyl-2-vinylethylene carbonate, 1-ethyl-1-vinylethylene carbonate, 1-ethyl-2-vinylethylene carbonate, and 1-ethyl-2-vinylethylene carbonate. Examples of the additives include ethylene carbonate, vinyl vinylene carbonate, allyl ethylene carbonate, vinyloxymethyl ethylene carbonate, allyloxymethyl ethylene carbonate, acryloxymethyl ethylene carbonate, methacryloxymethyl ethylene carbonate, ethynyl ethylene carbonate, propargyl ethylene carbonate, ethynyloxymethyl ethylene carbonate, propargyloxyethylene carbonate, methylene ethylene carbonate, and 1,1-dimethyl-2-methylene ethylene carbonate. These additives may be used alone or in combination of two or more. The amount of additive used in the electrolyte can be adjusted as appropriate.
[非水電解質二次電池用電極の製造方法]
本形態に係る非水電解質二次電池用電極の製造方法は、特に制限されず、従来公知の手法を適宜採用することができる。一例を挙げると、上記の電極活物質、導電助剤および結着剤を溶媒とともに混合して、電極スラリー(正極スラリー、負極スラリー)を調製する。そして、当該電極スラリーを集電体の表面に塗布し、溶媒を乾燥させることにより塗膜を形成する。
[Method of manufacturing electrode for non-aqueous electrolyte secondary battery]
The method for producing the electrode for the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present embodiment is not particularly limited, and a conventionally known method can be appropriately adopted. For example, the electrode active material, the conductive assistant, and the binder are mixed with a solvent to prepare an electrode slurry (positive electrode slurry, negative electrode slurry). Then, the electrode slurry is applied to the surface of a current collector, and the solvent is dried to form a coating film.
溶媒としては、特に制限されず、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルホルムアミド、シクロヘキサン、ヘキサン、水などが用いられうる。 The solvent is not particularly limited, and examples that can be used include N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylformamide, dimethylacetamide, methylformamide, cyclohexane, hexane, and water.
電極活物質、導電助剤および結着剤を溶媒と混合する際の方法は、特に制限されないが、後述の実施例で示すように、電極活物質および導電助剤を溶媒に分散させたものに結着剤を加えて混合することが好ましい。より詳細には、電極活物質および導電助剤を混練したものに溶媒を添加して混合し、これに結着剤を添加して混合する。このような順番で混合することにより、電極スラリー中において電極活物質、導電助剤および結着剤が十分に分散し、電極活物質層とした場合に電子伝導パスが良好に形成される。 The method for mixing the electrode active material, conductive assistant, and binder with the solvent is not particularly limited, but as shown in the examples below, it is preferable to add the binder to a dispersion of the electrode active material and conductive assistant in a solvent and mix them. More specifically, a solvent is added to a kneaded mixture of the electrode active material and conductive assistant and mixed, and then a binder is added to this and mixed. By mixing in this order, the electrode active material, conductive assistant, and binder are sufficiently dispersed in the electrode slurry, and when it is made into an electrode active material layer, an electron conduction path is well formed.
電極スラリーの濃度は、特に制限されない。ただし、後述する電極スラリーの塗布を容易にする観点から、電極スラリー100質量%に対する全固形分の濃度は、好ましくは35~75質量%であり、より好ましくは40~70質量%である。濃度が上記範囲内であると、塗布により十分な厚さを有する電極活物質層を容易に形成することができる。 The concentration of the electrode slurry is not particularly limited. However, from the viewpoint of facilitating application of the electrode slurry described below, the concentration of the total solids relative to 100% by mass of the electrode slurry is preferably 35 to 75% by mass, and more preferably 40 to 70% by mass. When the concentration is within the above range, an electrode active material layer having a sufficient thickness can be easily formed by application.
次いで、電極スラリーを集電体上に塗布し、乾燥させる。塗布後、必要に応じて、プレスを行ってもよい。 The electrode slurry is then applied onto the current collector and dried. After application, pressing may be performed if necessary.
電極スラリーの集電体への塗布方法としては、特に制限されず、スクリーン印刷法、スプレーコート法、静電スプレーコート法、インクジェット法、ドクターブレード法等が挙げられる。 The method for applying the electrode slurry to the current collector is not particularly limited, and examples include screen printing, spray coating, electrostatic spray coating, inkjet printing, doctor blade printing, etc.
電極スラリーの塗工厚(乾燥前の厚さ)は、形成される電極活物質層の厚さを考慮して適宜設定される。電極スラリーの塗工厚は、好ましくは200~2000μmであり、より好ましくは400~1000μmである。 The coating thickness of the electrode slurry (thickness before drying) is appropriately set taking into consideration the thickness of the electrode active material layer to be formed. The coating thickness of the electrode slurry is preferably 200 to 2000 μm, and more preferably 400 to 1000 μm.
電極活物質スラリーを集電体上に塗布した後の乾燥方法としては、特に制限されず、溶媒の少なくとも一部が除去されればよい。当該乾燥方法としては、加熱が挙げられる。乾燥条件(乾燥時間、乾燥温度など)は、適用する電極活物質スラリーに含有される溶媒の揮発速度、電極活物質スラリーの塗布量等に応じて適宜設定されうる。 The drying method after applying the electrode active material slurry to the current collector is not particularly limited, and it is sufficient that at least a portion of the solvent is removed. The drying method includes heating. The drying conditions (drying time, drying temperature, etc.) can be appropriately set according to the volatilization rate of the solvent contained in the applied electrode active material slurry, the application amount of the electrode active material slurry, etc.
プレスを行う場合、プレス手段としては、特に限定されず、例えば、カレンダーロール、平板プレス等が用いられうる。 When pressing, the pressing means is not particularly limited, and for example, a calendar roll, a flat plate press, etc. can be used.
以上の工程により、本形態の非水電解質二次電池用電極(正極、負極)を得ることができる。 By the above steps, electrodes (positive electrode, negative electrode) for a non-aqueous electrolyte secondary battery of this embodiment can be obtained.
<非水電解質二次電池>
本発明の他の一形態によると、上記非水電解質二次電池用電極を有する非水電解質二次電池(以下、単に「二次電池」とも称する)が提供される。当該二次電池は、上記電極を含むことにより、出力特性に優れる。本形態において、正極が上記電極である実施形態、負極が上記電極である実施形態、正極および負極が上記電極である実施形態が挙げられる。なかでも、正極が上記電極である実施形態であることが好ましい。なお、本形態の二次電池において、上記電極以外の電極が含まれる場合、上記電極以外の電極は、従来公知のものを適宜採用できる。以下、本形態に係る非水電解質二次電池の電極以外の主要な構成部材について説明する。
<Nonaqueous electrolyte secondary battery>
According to another embodiment of the present invention, a nonaqueous electrolyte secondary battery (hereinafter, also simply referred to as "secondary battery") having the above-mentioned electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery is provided. The secondary battery has excellent output characteristics by including the above-mentioned electrode. In this embodiment, the positive electrode is the above-mentioned electrode, the negative electrode is the above-mentioned electrode, and the positive electrode and the negative electrode are the above-mentioned electrodes. Among them, the embodiment in which the positive electrode is the above-mentioned electrode is preferable. In addition, when the secondary battery of this embodiment includes an electrode other than the above-mentioned electrode, the electrode other than the above-mentioned electrode can be appropriately selected from conventionally known electrodes. Hereinafter, the main components other than the electrodes of the nonaqueous electrolyte secondary battery according to this embodiment will be described.
[電解質層]
電解質層は、セパレータに電解液(液体電解質)が含浸されてなる構成を有することが好ましい。電解液の具体的な構成および好ましい実施形態については、上記の(電解液)の項で述べたので、ここでは詳細な説明を省略する。なお、電解質層に含まれる電解液は電極活物質層に含まれる電解液と同じであっても異なってもよいが、同じであることが好ましい。
[Electrolyte layer]
The electrolyte layer preferably has a configuration in which the separator is impregnated with an electrolytic solution (liquid electrolyte). The specific configuration and preferred embodiment of the electrolytic solution have been described in the above section (Electrolytic Solution), so detailed description will be omitted here. The electrolytic solution contained in the electrolyte layer may be the same as or different from the electrolytic solution contained in the electrode active material layer, but is preferably the same.
電解質層を構成するセパレータは、電解質を保持して正極と負極との間のリチウムイオン伝導性を確保する機能、および正極と負極との間の隔壁としての機能を有する。 The separator that constitutes the electrolyte layer has the function of retaining the electrolyte to ensure lithium ion conductivity between the positive electrode and the negative electrode, and also functions as a partition between the positive electrode and the negative electrode.
セパレータの形態としては、例えば、上記電解液を吸収保持するポリマーや繊維からなる多孔性シートのセパレータや不織布セパレータ等を挙げることができる。 Examples of the separator's form include a porous sheet separator made of a polymer or fiber that absorbs and retains the electrolyte, and a nonwoven fabric separator.
ポリマーないし繊維からなる多孔性シートのセパレータとしては、例えば、微多孔質(微多孔膜)を用いることができる。該ポリマーないし繊維からなる多孔性シートの具体的な形態としては、例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)などのポリオレフィン;これらを複数積層した積層体(例えば、PP/PE/PPの3層構造をした積層体など)、ポリイミド、アラミド、ポリフッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン(PVDF-HFP)等の炭化水素系樹脂、ガラス繊維などからなる微多孔質(微多孔膜)セパレータが挙げられる。 For example, a microporous (microporous membrane) separator made of a porous sheet made of a polymer or fiber can be used. Specific forms of the porous sheet made of the polymer or fiber include, for example, polyolefins such as polyethylene (PE) and polypropylene (PP); laminates of multiple layers of these (for example, a laminate with a three-layer structure of PP/PE/PP), polyimide, aramid, hydrocarbon resins such as polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVDF-HFP), glass fibers, and microporous (microporous membrane) separators.
微多孔質(微多孔膜)セパレータの厚みとして、使用用途により異なることから一義的に規定することはできない。一例を示せば、電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)、燃料電池自動車(FCV)などのモータ駆動用二次電池などの用途においては、単層あるいは多層で4~60μmであることが望ましい。前記微多孔質(微多孔膜)セパレータの微細孔径は、最大で1μm以下(通常、数十nm程度の孔径である)であることが望ましい。 The thickness of the microporous (microporous membrane) separator cannot be unequivocally defined, as it varies depending on the intended use. As an example, in applications such as secondary batteries for driving motors in electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), fuel cell vehicles (FCVs), etc., a single layer or multiple layers of 4 to 60 μm is desirable. The pore size of the microporous (microporous membrane) separator is desirably a maximum of 1 μm or less (usually a pore size of about several tens of nm).
不織布セパレータとしては、綿、レーヨン、アセテート、ナイロン、ポリエステル;PP、PEなどのポリオレフィン;ポリイミド、アラミドなど従来公知のものを、単独または混合して用いる。また、不織布のかさ密度は、含浸させた高分子ゲル電解質により十分な電池特性が得られるものであればよく、特に制限されるべきものではない。さらに、不織布セパレータの厚さは、電解質層と同じであればよく、好ましくは5~200μmであり、特に好ましくは10~100μmである。 As the nonwoven separator, conventional materials such as cotton, rayon, acetate, nylon, polyester; polyolefins such as PP and PE; polyimide, aramid, etc., may be used alone or in combination. The bulk density of the nonwoven fabric is not particularly limited as long as sufficient battery characteristics can be obtained with the impregnated polymer gel electrolyte. Furthermore, the thickness of the nonwoven fabric separator may be the same as that of the electrolyte layer, and is preferably 5 to 200 μm, and particularly preferably 10 to 100 μm.
また、セパレータとしては多孔質基体に耐熱絶縁層が積層されたセパレータ(耐熱絶縁層付セパレータ)であることが好ましい。耐熱絶縁層は、無機粒子およびバインダを含むセラミック層である。耐熱絶縁層付セパレータは融点または熱軟化点が150℃以上、好ましくは200℃以上である耐熱性の高いものを用いる。耐熱絶縁層を有することによって、温度上昇の際に増大するセパレータの内部応力が緩和されるため熱収縮抑制効果が得られうる。その結果、電池の電極間ショートの誘発を防ぐことができるため、温度上昇による性能低下が起こりにくい電池構成になる。また、耐熱絶縁層を有することによって、耐熱絶縁層付セパレータの機械的強度が向上し、セパレータの破膜が起こりにくい。さらに、熱収縮抑制効果および機械的強度の高さから、電池の製造工程でセパレータがカールしにくくなる。 The separator is preferably a separator in which a heat-resistant insulating layer is laminated on a porous substrate (separator with heat-resistant insulating layer). The heat-resistant insulating layer is a ceramic layer containing inorganic particles and a binder. The separator with heat-resistant insulating layer is a highly heat-resistant one with a melting point or thermal softening point of 150°C or higher, preferably 200°C or higher. By having a heat-resistant insulating layer, the internal stress of the separator that increases when the temperature rises is alleviated, so that a heat shrinkage suppression effect can be obtained. As a result, it is possible to prevent the induction of short circuits between the electrodes of the battery, resulting in a battery configuration in which performance deterioration due to temperature rise is unlikely to occur. In addition, by having a heat-resistant insulating layer, the mechanical strength of the separator with heat-resistant insulating layer is improved, and the separator is unlikely to break. Furthermore, due to the heat shrinkage suppression effect and high mechanical strength, the separator is unlikely to curl during the battery manufacturing process.
耐熱絶縁層における無機粒子は、耐熱絶縁層の機械的強度や熱収縮抑制効果に寄与する。無機粒子として使用される材料は特に制限されない。例えば、ケイ素、アルミニウム、ジルコニウム、チタンの酸化物(SiO2、Al2O3、ZrO2、TiO2)、水酸化物、および窒化物、ならびにこれらの複合体が挙げられる。これらの無機粒子は、ベーマイト、ゼオライト、アパタイト、カオリン、ムライト、スピネル、オリビン、マイカなどの鉱物資源由来のものであってもよいし、人工的に製造されたものであってもよい。また、これらの無機粒子は1種のみが単独で使用されてもよいし、2種以上が併用されてもよい。これらのうち、コストの観点から、シリカ(SiO2)またはアルミナ(Al2O3)を用いることが好ましく、アルミナ(Al2O3)を用いることがより好ましい。 The inorganic particles in the heat-resistant insulating layer contribute to the mechanical strength and thermal contraction suppression effect of the heat-resistant insulating layer. The material used as the inorganic particles is not particularly limited. For example, oxides (SiO 2 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , TiO 2 ), hydroxides, and nitrides of silicon, aluminum, zirconium, and titanium, as well as composites thereof, can be mentioned. These inorganic particles may be derived from mineral resources such as boehmite, zeolite, apatite, kaolin, mullite, spinel, olivine, and mica, or may be artificially produced. In addition, only one type of these inorganic particles may be used alone, or two or more types may be used in combination. Among these, from the viewpoint of cost, it is preferable to use silica (SiO 2 ) or alumina (Al 2 O 3 ), and it is more preferable to use alumina (Al 2 O 3 ).
耐熱性粒子の目付けは、特に限定されるものではないが、5~15g/m2であることが好ましい。この範囲であれば、十分なイオン伝導性が得られ、また、耐熱強度を維持する点で好ましい。 The basis weight of the heat-resistant particles is not particularly limited, but is preferably 5 to 15 g/m 2. Within this range, sufficient ion conductivity is obtained, and it is preferable in terms of maintaining heat resistant strength.
耐熱絶縁層におけるバインダは、無機粒子同士や、無機粒子と樹脂多孔質基体層とを接着させる役割を有する。当該バインダによって、耐熱絶縁層が安定に形成され、また多孔質基体層および耐熱絶縁層の間の剥離を防止される。 The binder in the heat-resistant insulating layer serves to bond the inorganic particles together and between the inorganic particles and the resin porous substrate layer. The binder ensures that the heat-resistant insulating layer is formed stably and prevents peeling between the porous substrate layer and the heat-resistant insulating layer.
耐熱絶縁層に使用されるバインダは、特に制限はなく、例えば、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ポリアクリロニトリル、セルロース、エチレン-酢酸ビニル共重合体、ポリ塩化ビニル、スチレン-ブタジエンゴム(SBR)、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、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)、ポリフッ化ビニル(PVF)、アクリル酸メチルなどの化合物がバインダとして用いられうる。このうち、カルボキシメチルセルロース(CMC)、アクリル酸メチル、またはポリフッ化ビニリデン(PVDF)を用いることが好ましい。これらの化合物は、1種のみが単独で使用されてもよいし、2種以上が併用されてもよい。 There are no particular limitations on the binder used in the heat-resistant insulating layer, and compounds such as carboxymethylcellulose (CMC), polyacrylonitrile, cellulose, ethylene-vinyl acetate copolymer, polyvinyl chloride, styrene-butadiene rubber (SBR), isoprene rubber, butadiene rubber, polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinyl fluoride (PVF), and methyl acrylate can be used as the binder. Of these, it is preferable to use carboxymethylcellulose (CMC), methyl acrylate, or polyvinylidene fluoride (PVDF). These compounds may be used alone or in combination of two or more.
耐熱絶縁層におけるバインダの含有量は、耐熱絶縁層100質量%に対して、2~20質量%であることが好ましい。バインダの含有量が2質量%以上であると、耐熱絶縁層と多孔質基体層との間の剥離強度を高めることができ、セパレータの耐振動性を向上させることができる。一方、バインダの含有量が20質量%以下であると、無機粒子の隙間が適度に保たれるため、十分なリチウムイオン伝導性を確保することができる。 The binder content in the heat-resistant insulating layer is preferably 2 to 20% by mass relative to 100% by mass of the heat-resistant insulating layer. If the binder content is 2% by mass or more, the peel strength between the heat-resistant insulating layer and the porous substrate layer can be increased, and the vibration resistance of the separator can be improved. On the other hand, if the binder content is 20% by mass or less, the gaps between the inorganic particles are appropriately maintained, ensuring sufficient lithium ion conductivity.
耐熱絶縁層付セパレータの熱収縮率は、150℃、2gf/cm2条件下、1時間保持後にMD、TDともに10%以下であることが好ましい。このような耐熱性の高い材質を用いることで、発熱量が高くなり電池内部温度が150℃に達してもセパレータの収縮を有効に防止することができる。その結果、電池の電極間ショートの誘発を防ぐことができるため、温度上昇による性能低下が起こりにくい電池構成になる。 The heat shrinkage rate of the separator with heat-resistant insulation layer is preferably 10% or less in both MD and TD after being held for 1 hour under conditions of 150°C and 2 gf/cm2. By using such a highly heat-resistant material, it is possible to effectively prevent the separator from shrinking even if the heat generation amount increases and the internal temperature of the battery reaches 150°C. As a result, it is possible to prevent the induction of short circuits between the electrodes of the battery, resulting in a battery configuration in which performance degradation due to temperature rise is unlikely to occur.
[正極集電板および負極集電板]
集電板(25、27)を構成する材料は、特に制限されず、リチウムイオン二次電池用の集電板として従来用いられている公知の高導電性材料が用いられうる。集電板の構成材料としては、例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金等の金属材料が好ましい。軽量、耐食性、高導電性の観点から、より好ましくはアルミニウム、銅であり、特に好ましくはアルミニウムである。なお、正極集電板25と負極集電板27とでは、同一の材料が用いられてもよいし、異なる材料が用いられてもよい。
[Positive and negative current collector plates]
The material constituting the current collector plate (25, 27) is not particularly limited, and a known highly conductive material conventionally used as a current collector plate for a lithium ion secondary battery can be used. As the material constituting the current collector plate, for example, a metal material such as aluminum, copper, titanium, nickel, stainless steel (SUS), and alloys thereof is preferable. From the viewpoint of light weight, corrosion resistance, and high conductivity, aluminum and copper are more preferable, and aluminum is particularly preferable. In addition, the same material may be used for the positive electrode current collector plate 25 and the negative electrode current collector plate 27, or different materials may be used.
[正極リードおよび負極リード]
また、図示は省略するが、集電体11と集電板(25、27)との間を正極リードや負極リードを介して電気的に接続してもよい。正極および負極リードの構成材料としては、公知のリチウムイオン二次電池において用いられる材料が同様に採用されうる。なお、外装体から取り出された部分は、周辺機器や配線などに接触して漏電したりして製品(例えば、自動車部品、特に電子機器等)に影響を与えないように、耐熱絶縁性の熱収縮チューブなどにより被覆することが好ましい。
[Positive and negative electrode leads]
Although not shown, the current collector 11 and the current collector plate (25, 27) may be electrically connected via a positive electrode lead or a negative electrode lead. As the constituent material of the positive electrode and the negative electrode lead, materials used in known lithium ion secondary batteries may be similarly adopted. Note that the part removed from the exterior body is preferably covered with a heat-resistant insulating heat shrink tube or the like so as not to come into contact with peripheral devices or wiring, etc., causing leakage and affecting products (e.g., automobile parts, particularly electronic devices, etc.).
[シール部]
シール部(絶縁層)31は、双極型二次電池(直列積層型電池)に特有の部材であり、電解質層からの電解液の漏れを防止する機能を有する。また、シール部31は、集電体同士の接触や単電池層の端部における短絡を防止する機能を有する。シール部を構成する材料としては、絶縁性、固体電解質の脱落に対するシール性や外部からの水分の透湿に対するシール性(密封性)、電池動作温度下での耐熱性等を有するものであればよい。例えば、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリイミド樹脂、ゴム(エチレン-プロピレン-ジエンゴム:EPDM)等が用いられうる。また、イソシアネート系接着剤や、アクリル樹脂系接着剤、シアノアクリレート系接着剤などを用いてもよく、ホットメルト接着剤(ウレタン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリオレフィン樹脂)などを用いてもよい。なかでも、耐食性、耐薬品性、作り易さ(製膜性)、経済性等の観点から、ポリエチレン樹脂やポリプロピレン樹脂が、シール部の構成材料として好ましく用いられ、非結晶性ポリプロピレン樹脂を主成分とするエチレン、プロピレン、ブテンを共重合した樹脂を用いることがより好ましい。
[Sealing section]
The sealing portion (insulating layer) 31 is a member specific to bipolar secondary batteries (series stacked batteries) and has a function of preventing leakage of the electrolyte from the electrolyte layer. In addition, the sealing portion 31 has a function of preventing contact between the current collectors and short-circuiting at the ends of the unit cell layer. The material constituting the sealing portion may be any material having insulation properties, sealing properties against the detachment of the solid electrolyte, sealing properties against moisture permeation from the outside (sealing properties), and heat resistance under the battery operating temperature. For example, acrylic resin, urethane resin, epoxy resin, polyethylene resin, polypropylene resin, polyimide resin, rubber (ethylene-propylene-diene rubber: EPDM), etc. may be used. In addition, an isocyanate-based adhesive, an acrylic resin-based adhesive, a cyanoacrylate-based adhesive, etc. may be used, and a hot melt adhesive (urethane resin, polyamide resin, polyolefin resin), etc. may be used. Among these, from the viewpoints of corrosion resistance, chemical resistance, ease of production (film-forming ability), cost-effectiveness, etc., polyethylene resin and polypropylene resin are preferably used as the constituent material of the sealing portion, and it is more preferable to use a resin copolymerized with ethylene, propylene, and butene, with amorphous polypropylene resin as the main component.
[電池外装体]
電池外装体としては、公知の金属缶ケースを用いることができるほか、図1および図2に示すように発電要素を覆うことができる、アルミニウムを含むラミネートフィルム29を用いた袋状のケースが用いられうる。該ラミネートフィルムには、例えば、PP、アルミニウム、ナイロンをこの順に積層してなる3層構造のラミネートフィルム等を用いることができるが、これらに何ら制限されるものではない。高出力化や冷却性能に優れ、EV、HEV用の大型機器用電池に好適に利用することができるという観点から、ラミネートフィルムが望ましい。また、外部から掛かる発電要素への群圧を容易に調整することができ、所望の電解液層厚みへと調整容易であることから、外装体はアルミネートラミネートがより好ましい。
[Battery exterior body]
As the battery exterior body, a known metal can case can be used, and a bag-shaped case using a laminate film 29 containing aluminum, which can cover the power generating element as shown in Figures 1 and 2, can be used. The laminate film can be, for example, a three-layer laminate film formed by laminating PP, aluminum, and nylon in this order, but is not limited thereto. A laminate film is preferable from the viewpoint of being excellent in high output and cooling performance and being suitable for use in batteries for large equipment for EVs and HEVs. In addition, an aluminate laminate is more preferable as the exterior body because the group pressure applied to the power generating element from the outside can be easily adjusted and the thickness of the electrolyte layer can be easily adjusted to the desired thickness.
本形態に係る非水電解質二次電池は、優れた出力特性を発揮することができる。したがって、本形態に係る非水電解質二次電池は、EV、HEVの駆動用電源として好適に使用される。 The nonaqueous electrolyte secondary battery according to this embodiment can exhibit excellent output characteristics. Therefore, the nonaqueous electrolyte secondary battery according to this embodiment is suitable for use as a power source for driving EVs and HEVs.
[組電池]
組電池は、電池を複数個接続して構成したものである。詳しくは少なくとも2つ以上用いて、直列化あるいは並列化あるいはその両方で構成されるものである。直列、並列化することで容量および電圧を自由に調節することが可能になる。
[Battery pack]
A battery pack is made up of multiple batteries connected together. More specifically, it is made up of at least two batteries connected in series or parallel or both. By connecting them in series or parallel, it is possible to freely adjust the capacity and voltage.
電池が複数、直列にまたは並列に接続して装脱着可能な小型の組電池を形成することもできる。そして、この装脱着可能な小型の組電池をさらに複数、直列にまたは並列に接続して、高体積エネルギー密度、高体積出力密度が求められる車両駆動用電源や補助電源に適した大容量、大出力を持つ組電池(電池モジュール、電池パックなど)を形成することもできる。何個の電池を接続して組電池を作製するか、また、何段の小型組電池を積層して大容量の組電池を作製するかは、搭載される車両(電気自動車)の電池容量や出力に応じて決めればよい。 A small, removable battery pack can be formed by connecting multiple batteries in series or in parallel. Then, multiple such small, removable battery packs can be connected in series or in parallel to form a large-capacity, high-output battery pack (battery module, battery pack, etc.) suitable for vehicle drive power sources and auxiliary power sources that require high volumetric energy density and high volumetric output density. How many batteries are connected to form a battery pack, and how many stages of small battery packs are stacked to form a large-capacity battery pack, can be determined based on the battery capacity and output of the vehicle (electric vehicle) in which it is to be installed.
[車両]
本形態の非水電解質二次電池は、出力特性に優れた(特に、高い放電レートでの放電の際に十分な容量が取り出せる)ものである。さらに、体積エネルギー密度が高い。電気自動車やハイブリッド電気自動車や燃料電池車やハイブリッド燃料電池自動車などの車両用途においては、電気・携帯電子機器用途と比較して、高容量、大電流が必要となる。したがって、上記非水電解質二次電池は、車両用の電源として、例えば、車両駆動用電源や補助電源に好適に利用することができる。
[vehicle]
The nonaqueous electrolyte secondary battery of the present embodiment has excellent output characteristics (especially, sufficient capacity can be obtained when discharging at a high discharge rate). Furthermore, the volumetric energy density is high. In vehicle applications such as electric vehicles, hybrid electric vehicles, fuel cell vehicles, and hybrid fuel cell vehicles, higher capacity and larger current are required compared to electric and portable electronic device applications. Therefore, the nonaqueous electrolyte secondary battery can be suitably used as a power source for vehicles, for example, a power source for driving a vehicle or an auxiliary power source.
具体的には、電池またはこれらを複数個組み合わせてなる組電池を車両に搭載することができる。本発明では、大容量で出力特性に優れた電池を構成できることから、こうした電池を車両に搭載するとEV走行距離の長いプラグインハイブリッド電気自動車や、一充電走行距離の長い電気自動車を構成できる。車両としては、例えば、自動車ならばハイブリッド車、燃料電池車、電気自動車(いずれも四輪車(乗用車、トラック、バスなどの商用車、軽自動車など)のほか、二輪車(バイク)や三輪車を含む)が挙げられる。ただし、用途が自動車に限定されるわけではなく、他の車両、例えば、電車などの移動体の各種電源であっても適用は可能であるし、無停電電源装置などの載置用電源として利用することも可能である。 Specifically, a battery or a battery pack consisting of a combination of a plurality of batteries can be mounted on a vehicle. In the present invention, a battery with a large capacity and excellent output characteristics can be constructed, and thus mounting such a battery on a vehicle can form a plug-in hybrid electric vehicle with a long EV driving distance or an electric vehicle with a long driving distance per charge. Examples of vehicles include hybrid cars, fuel cell cars, and electric cars (all of which include four-wheeled vehicles (commercial vehicles such as passenger cars, trucks, and buses, and light cars, etc.), as well as two-wheeled vehicles (motorcycles) and three-wheeled vehicles). However, the use is not limited to automobiles, and the battery can be applied to various power sources for other vehicles, such as trains, and can also be used as a mounted power source for uninterruptible power supplies, etc.
以下、実施例および比較例を用いてさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例のみに何ら限定されるわけではない。 The present invention will be explained in more detail below using examples and comparative examples, but the present invention is not limited to the following examples.
[製造例]
<負極の作製>
負極活物質である黒鉛(平均粒子径:20μm)95.5質量%、導電助剤であるカーボンブラック0.5質量%、およびバインダであるPVDF4質量%からなる固形分を用意した。この固形分に対し、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)を適量添加し、遊星撹拌型混合混練装置「あわとり練太郎」(ARE-310、株式会社シンキー製)を用いて2000rpmで6分間混合し、負極スラリーを作製した。負極スラリーを平滑盤上に設置したCu箔の上に、負極活物質層の厚みが86μmとなるように、ドクターブレードを用いて均一に塗布した。その後、80℃に加温したホットプレート上で2時間乾燥することで、負極を作製した。
[Production Example]
<Preparation of negative electrode>
A solid content consisting of 95.5% by mass of graphite (average particle size: 20 μm) as a negative electrode active material, 0.5% by mass of carbon black as a conductive assistant, and 4% by mass of PVDF as a binder was prepared. An appropriate amount of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) was added to this solid content, and mixed for 6 minutes at 2000 rpm using a planetary stirring type mixing and kneading device "Awatori Rentaro" (ARE-310, manufactured by Thinky Corporation) to prepare a negative electrode slurry. The negative electrode slurry was uniformly applied to a Cu foil placed on a smooth plate using a doctor blade so that the thickness of the negative electrode active material layer was 86 μm. Then, the negative electrode was prepared by drying for 2 hours on a hot plate heated to 80 ° C.
[実施例1]
<正極の作製>
正極活物質であるLiNi0.8Mn0.1Co0.1O2(略号:NMC811、平均粒子径:10μm)98.5質量%、導電助剤であるカーボンナノチューブ(略号:CNT、繊維径:10nm、繊維長:20μm、アスペクト比:2000)0.4質量%、導電助剤であるアセチレンブラック(略号:AB、HS-100、デンカ製、平均一次粒子径:48nm、アスペクト比:1)0.1質量%、結着剤であるPVDF(クレハKFポリマーW#7200、クレハ製)0.8質量%、結着剤であるPVDF-HFP(Kyner Flex 2501-10、Arkema製、ヘキサフルオロプロピレン由来の構成単位の割合6.9モル%)0.2質量%からなる固形分を用意した。まず、正極活物質(全量)と、導電助剤(カーボンナノチューブおよびアセチレンブラックの全量)とを混練した。これにN-メチル-2-ピロリドン(NMP)を固形分濃度が85%となるように添加し、遊星撹拌型混合混練装置「あわとり練太郎」(ARE-310、株式会社シンキー製)を用いて2000rpmで5分間混合した。これにN-メチル-2-ピロリドン(NMP)を固形分濃度が80%となるように添加し、上記混合混練装置を用いて2000rpmで5分間混合した。これに結着剤(PVDFおよびPVDF-HFPの全量)を加え、上記混合混練装置を用いて2000rpmで2分間混合した。これにN-メチル-2-ピロリドン(NMP)を固形分濃度が70%となるように添加して粘度を調整し、正極スラリーを作製した。正極スラリーを平滑盤上に設置したAl箔の上に、正極活物質層の厚みが62μmとなるように、ドクターブレードを用いて均一に塗布した。その後、80℃に加温したホットプレート上で30分間乾燥し、真空乾燥機に移動させて真空下で130℃、8時間乾燥することで、正極を作製した。
[Example 1]
<Preparation of Positive Electrode>
The positive electrode active material was LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 (abbreviation: NMC811 , average particle size: 10 μm) at 98.5 mass %, the conductive additive was carbon nanotubes (abbreviation: CNT, fiber diameter: 10 nm, fiber length: 20 μm, aspect ratio: 2000) at 0.4 mass%, the conductive additive was acetylene black (abbreviation: AB, HS-100, manufactured by Denka, average primary particle size: 48 nm, aspect ratio: 1) at 0.1 mass%, the binder was PVDF (Kureha KF Polymer W#7200, manufactured by Kureha) at 0.8 mass%, the binder was PVDF-HFP (Kyner Flex 2501-10, manufactured by Arkema, solid content consisting of 0.2 mass% of hexafluoropropylene-derived structural units (6.9 mol%) was prepared. First, the positive electrode active material (total amount) and the conductive assistant (total amount of carbon nanotubes and acetylene black) were kneaded. N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) was added to this so that the solid content concentration was 85%, and mixed for 5 minutes at 2000 rpm using a planetary stirring type mixing kneader "Awatori Rentaro" (ARE-310, manufactured by Thinky Corporation). N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) was added to this so that the solid content concentration was 80%, and mixed for 5 minutes at 2000 rpm using the above mixing kneader. A binder (total amount of PVDF and PVDF-HFP) was added to this, and mixed for 2 minutes at 2000 rpm using the above mixing kneader. N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) was added to the mixture so that the solid content concentration was 70% to adjust the viscosity, and a positive electrode slurry was prepared. The positive electrode slurry was uniformly applied to an Al foil placed on a smooth plate using a doctor blade so that the thickness of the positive electrode active material layer was 62 μm. The mixture was then dried for 30 minutes on a hot plate heated to 80° C., and then transferred to a vacuum dryer and dried under vacuum at 130° C. for 8 hours to prepare a positive electrode.
<リチウムイオン電池の作製>
得られた正極を12cm2、負極を13cm2となるように裁断した。正極では、Al端子付きアルミ箔を裁断した正極の集電箔側に積層した。負極では、Ni端子付き銅箔を裁断した負極の集電箔側に積層した。セパレータ(セルガード社製、PP製)を正極、負極の電極活物質層側に挿入し、積層体とした。この積層体を熱融着型アルミラミネートフィルムに挟み、非水溶媒としてエチレンカーボネート(EC)エチルメチルカーボネート(EMC)(体積比3:7(EC:EMC))の混合溶媒にLi(FSO2)2N(リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド;LiFSI) 2mol/Lを溶解させて得られた非水電解液を注入後、真空封止した。このようにして、正極と負極とがセパレータを介して対向するように積層されたパウチ型リチウムイオン電池を作製した。
<Making a lithium-ion battery>
The obtained positive electrode was cut to 12 cm 2 and the negative electrode was cut to 13 cm 2. For the positive electrode, an aluminum foil with an Al terminal was laminated on the current collector foil side of the cut positive electrode. For the negative electrode, a copper foil with an Ni terminal was laminated on the current collector foil side of the cut negative electrode. A separator (manufactured by Celgard, made of PP) was inserted on the electrode active material layer side of the positive electrode and the negative electrode to form a laminate. This laminate was sandwiched between heat-sealed aluminum laminate films, and a non-aqueous electrolyte obtained by dissolving Li(FSO 2 ) 2 N (lithium bis(fluorosulfonyl)imide; LiFSI) 2 mol/L in a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) ethyl methyl carbonate (EMC) (volume ratio 3:7 (EC:EMC)) as a non-aqueous solvent was injected, and then vacuum sealed. In this way, a pouch-type lithium ion battery was produced in which the positive electrode and the negative electrode were laminated so as to face each other through the separator.
[実施例2]
正極の作製において、PVDFの割合を0.5質量%、PVDF-HFPの割合を0.5質量%へと変更したこと以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン電池を作製した。
[Example 2]
A lithium ion battery was produced in the same manner as in Example 1, except that in the preparation of the positive electrode, the proportion of PVDF was changed to 0.5 mass % and the proportion of PVDF-HFP was changed to 0.5 mass %.
[実施例3]
正極の作製において、PVDFの割合を0.2質量%、PVDF-HFPの割合を0.8質量%へと変更したこと以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン電池を作製した。
[Example 3]
A lithium ion battery was produced in the same manner as in Example 1, except that in the preparation of the positive electrode, the proportion of PVDF was changed to 0.2 mass % and the proportion of PVDF-HFP was changed to 0.8 mass %.
[比較例1]
正極の作製において、カーボンナノチューブの割合を0.5質量%、アセチレンブラックの割合を0質量%、PVDFの割合を1質量%、PVDF-HFPの割合を0質量%へと変更したこと以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン電池を作製した。
[Comparative Example 1]
In the preparation of the positive electrode, the ratio of carbon nanotubes was changed to 0.5% by mass, the ratio of acetylene black to 0% by mass, the ratio of PVDF to 1% by mass, and the ratio of PVDF-HFP to 0% by mass. A lithium ion battery was prepared in the same manner as in Example 1.
[比較例2]
正極の作製において、PVDFの割合を1質量%、PVDF-HFPの割合を0質量%へと変更したこと以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン電池を作製した。
[Comparative Example 2]
A lithium ion battery was produced in the same manner as in Example 1, except that in the preparation of the positive electrode, the proportion of PVDF was changed to 1 mass % and the proportion of PVDF-HFP was changed to 0 mass %.
[比較例3]
正極の作製において、LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2の割合を96.5質量%、PVDFの割合を1.5質量%、PVDF-HFPの割合を1.5質量%へと変更したこと以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン電池を作製した。
[Comparative Example 3]
In the preparation of the positive electrode, the ratio of LiNi 0.8 Mn 0.1 Co 0.1 O 2 was changed to 96.5 mass%, the ratio of PVDF was changed to 1.5 mass%, and the ratio of PVDF-HFP was changed to 1.5 mass%. A lithium ion battery was prepared in the same manner as in Example 1.
[出力特性評価]
出力特性評価は、45℃に設定した恒温槽(ARSF-0250-10、エスペック株式会社製)内に実施例1~3、比較例1~3で作製したリチウムイオン二次電池を設置し実施した。上記で作製したリチウムイオン二次電池を厚み5mmのウレタンラバーとシリコーンスポンジシートで挟み込み、厚み10mmの金属板とM6ネジを用いて6点拘束した状態で評価を行った。初めに、低レート時の容量確認としてセル電圧範囲2.5~4.3V、電流値0.1Cレートにて充放電を2回行った。初回の放電時の2.5Vカットオフにて得られる容量をセルの基準容量とした。次に、充電レートを0.1Cに固定したまま、放電レートを0.5C、1C、2Cと段階的に増加させて充放電を行った。そして、2Cレートにて放電を行った際のセル電圧2.5Vカットオフ条件で得られた容量を実効容量とした。これらの値に基づき得られた2C実効容量/0.1C基準容量×100を2C/0.1C放電容量保持率(%)とした。結果を表1に示す。
[Output characteristic evaluation]
The output characteristic evaluation was carried out by placing the lithium ion secondary batteries prepared in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 in a thermostatic chamber (ARSF-0250-10, manufactured by Espec Corporation) set at 45 ° C. The lithium ion secondary battery prepared above was sandwiched between a urethane rubber having a thickness of 5 mm and a silicone sponge sheet, and was evaluated in a state where it was restrained at six points using a metal plate having a thickness of 10 mm and an M6 screw. First, to confirm the capacity at a low rate, charging and discharging were performed twice at a cell voltage range of 2.5 to 4.3 V and a current value of 0.1 C rate. The capacity obtained at the 2.5 V cutoff at the first discharge was taken as the reference capacity of the cell. Next, charging and discharging were performed by increasing the discharge rate stepwise to 0.5 C, 1 C, and 2 C while keeping the charge rate fixed at 0.1 C. Then, the capacity obtained under the cell voltage 2.5 V cutoff condition when discharging at a 2 C rate was taken as the effective capacity. The 2C effective capacity obtained based on these values/0.1C reference capacity×100 was defined as the 2C/0.1C discharge capacity retention rate (%). The results are shown in Table 1.
上記結果より、本発明に係る正極を用いたリチウムイオン電池は、比較例の電池と比べて、出力特性が向上することが示された。 The above results show that the lithium-ion battery using the positive electrode of the present invention has improved output characteristics compared to the comparative battery.
10a 積層型二次電池、
10b 双極型二次電池、
11 集電体、
11a 正極側の最外層集電体、
11b 負極側の最外層集電体、
11’ 正極集電体
12 負極集電体
13 正極活物質層、
15 負極活物質層、
17 電解質層、
19 単電池層、
21 発電要素、
23 双極型電極、
25 正極集電板(正極タブ)、
27 負極集電板(負極タブ)、
29 ラミネートフィルム、
31 シール部。
10a: stacked secondary battery;
10b bipolar secondary battery;
11 current collector,
11a: outermost current collector on the positive electrode side;
11b: outermost current collector on the negative electrode side;
11′ positive electrode current collector 12 negative electrode current collector 13 positive electrode active material layer,
15 negative electrode active material layer,
17 electrolyte layer,
19 cell layer,
21 power generating element,
23 bipolar electrodes,
25 Positive electrode current collector (positive electrode tab),
27 negative electrode current collector (negative electrode tab),
29 Laminate film,
31 Sealing portion.
Claims (9)
前記電極活物質層は、電極活物質、導電助剤および結着剤を含み、
前記結着剤は、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)およびポリフッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン(PVDF-HFP)を含み、
前記電極活物質に対する、前記ポリフッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン(PVDF-HFP)の質量比が、0を超えて0.009以下であり、前記ポリフッ化ビニリデン(PVDF)と、前記ポリフッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン(PVDF-HFP)との質量比(PVDF:PVDF-HFP)が、1:5~5:1である、非水電解質二次電池用電極(ただし、前記結着剤が、ポリフッ化ビニリデンを含む第1高分子バインダーと、クロロトリフルオロエチレンおよびポリフッ化ビニリデンの共重合体、ヘキサフルオロプロピレンおよびポリフッ化ビニリデンの共重合体またはこれらの混合物を含む第2高分子バインダーとを含み、前記第1高分子バインダー100重量部に対して、前記第2高分子バインダーを20~80質量部含むものを除く)。 An electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery comprising a current collector and an electrode active material layer disposed on a surface of the current collector,
The electrode active material layer contains an electrode active material, a conductive assistant, and a binder,
The binder includes polyvinylidene fluoride (PVDF) and polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVDF-HFP);
An electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery, wherein a mass ratio of the polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVDF-HFP) to the electrode active material is greater than 0 and not greater than 0.009 , and a mass ratio of the polyvinylidene fluoride (PVDF) to the polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVDF-HFP) (PVDF:PVDF-HFP) is 1:5 to 5:1 (excluding those in which the binder contains a first polymer binder containing polyvinylidene fluoride, and a second polymer binder containing a copolymer of chlorotrifluoroethylene and polyvinylidene fluoride, a copolymer of hexafluoropropylene and polyvinylidene fluoride, or a mixture thereof, and the second polymer binder is contained in an amount of 20 to 80 parts by mass per 100 parts by weight of the first polymer binder) .
前記電極活物質層は、電極活物質、導電助剤および結着剤を含み、
前記結着剤は、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)およびポリフッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン(PVDF-HFP)のみを含み、
前記電極活物質に対する、前記ポリフッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン(PVDF-HFP)の質量比が、0を超えて0.009以下であり、前記ポリフッ化ビニリデン(PVDF)と、前記ポリフッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン(PVDF-HFP)との質量比(PVDF:PVDF-HFP)が、1:5~5:1である、非水電解質二次電池用電極(ただし、前記質量比(PVDF:PVDF-HFP)が、100:20~100:80であるものを除く)。 An electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery comprising a current collector and an electrode active material layer disposed on a surface of the current collector,
The electrode active material layer contains an electrode active material, a conductive assistant, and a binder,
the binder contains only polyvinylidene fluoride (PVDF) and polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVDF-HFP);
An electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery, wherein a mass ratio of the polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVDF-HFP) to the electrode active material is greater than 0 and not more than 0.009 , and a mass ratio of the polyvinylidene fluoride (PVDF) to the polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVDF-HFP) (PVDF:PVDF-HFP) is 1:5 to 5:1 (excluding those in which the mass ratio (PVDF:PVDF-HFP) is 100:20 to 100:80) .
VDF-HFP)の質量比が、0.002以上0.009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電極。 The polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (P
3. The electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1 , wherein a mass ratio of VDF to HFP is 0.002 or more and 0.009 or less.
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