JP2015185229A - Electrode of lithium ion secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、リチウムイオン二次電池の電極に関する。 The present invention relates to an electrode of a lithium ion secondary battery.
従来のリチウムイオン二次電池の電極においては、粒子状のアセチレンブラックやケッチェンブラックに代表されるカーボンブラックが凝集体として、電極中の活物質粒子と接触している。この接触により、カーボンブラックを介して電極中の活物質粒子同士が繋がり、導電パスを形成していた(例えば、特許文献1参照)。 In an electrode of a conventional lithium ion secondary battery, carbon black typified by particulate acetylene black or ketjen black is in contact with active material particles in the electrode as an aggregate. By this contact, the active material particles in the electrode are connected to each other through the carbon black to form a conductive path (see, for example, Patent Document 1).
また、従来のリチウムイオン二次電池の電極において、電極を構成するバインダーとしては、有機溶媒系のポリフッ化ビニリデン(PVDF)及びポリイミド、並びに水系のスチレンブタジエンラバー(SBR)及びカルボキシメチルセルロース(CMC)などが使用されている。 Moreover, in the electrode of the conventional lithium ion secondary battery, as a binder constituting the electrode, organic solvent-based polyvinylidene fluoride (PVDF) and polyimide, water-based styrene butadiene rubber (SBR), carboxymethyl cellulose (CMC), and the like Is used.
しかしながら上記特許文献1の場合、カーボンブラックと活物質粒子とが点接触しているため接触箇所が少なく、良好な導電パスを形成できない場合があるという懸念があった。特にカーボンブラックと粒子状のSBRバインダーとを組み合わせた場合、活物質粒子とカーボンブラックとの接触部分にバインダーが入り込んでしまうために、活物質粒子間の抵抗が増加するという不具合が生じた。
However, in the case of the above-mentioned
またカーボンブラックと活物質間にバインダーが入らない場合は、カーボンブラックと活物質粒子が点接触しているだけで強固に接合されていないため、活物質が電池の充放電に合わせて膨張収縮すると、カーボンブラックと活物質の接触箇所が減ってしまう。そうすると、カーボンブラックと活物質が接触していない箇所では、導電性が無いため反応しなくなり、放電容量が低下してしまう。 In addition, when there is no binder between the carbon black and the active material, the carbon black and the active material particles are in point contact, and are not firmly bonded. The number of contact points between the carbon black and the active material is reduced. If it does so, in the location which carbon black and an active material have not contacted, since it does not have electroconductivity, it will not react and discharge capacity will fall.
そこで本発明は、導電性を向上させることができ、充放電を繰り返しても放電容量を維持することができるリチウムイオン二次電池の電極を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide an electrode of a lithium ion secondary battery that can improve electrical conductivity and can maintain a discharge capacity even after repeated charge and discharge.
本発明の第1の観点は、カーボンナノチューブで形成された導電パスと活物質粒子とを備えるリチウムイオン二次電池の電極であって、少なくとも1つの前記活物質粒子は、2つの前記導電パスの一端が結合されており、2つの前記導電パスの他端は、異なる他の活物質粒子に結合されていることを特徴とする。 A first aspect of the present invention is an electrode of a lithium ion secondary battery including a conductive path formed of carbon nanotubes and active material particles, wherein at least one of the active material particles includes two conductive paths. One end is coupled, and the other ends of the two conductive paths are coupled to different active material particles.
本発明の第2の観点は、第1の観点に基づく発明であって。前記導電パスは、厚さが20nm以上であり、長さが2〜5μmであることを特徴とする。 A second aspect of the present invention is an invention based on the first aspect. The conductive path has a thickness of 20 nm or more and a length of 2 to 5 μm.
本発明の第3の観点は、第1又は第2の観点に基づく発明であって、前記電極の断面において、前記活物質粒子の表面の10%以上がカーボンナノチューブで被覆されていることを特徴とする。 A third aspect of the present invention is the invention based on the first or second aspect, wherein 10% or more of the surface of the active material particle is covered with carbon nanotubes in the cross section of the electrode. And
本発明によれば、活物質粒子同士が導電パスによって互いに接続されているので、導電性を向上することができる。また、充放電を繰り返しても容量を維持できる。 According to the present invention, since the active material particles are connected to each other by the conductive path, the conductivity can be improved. Moreover, a capacity | capacitance can be maintained even if charging / discharging is repeated.
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
1.実施形態
(構成)
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の電極は、集電体と合材電極を備える。集電体のうちの正極集電体にはアルミニウム箔などが用いられ、負極集電体には銅箔などが用いられる。
1. Embodiment (configuration)
The electrode of the lithium ion secondary battery according to the present embodiment includes a current collector and a composite electrode. Among the current collectors, an aluminum foil or the like is used for the positive electrode current collector, and a copper foil or the like is used for the negative electrode current collector.
合材電極は、導電パスと、前記導電パスで互いに接続された活物質粒子とを含む。導電パスは、線状の部材からなり、導電助剤としてのカーボンナノチューブを主成分にバインダーなどの添加材が加わって形成されている。導電パスは一端が一つの活物質粒子に結合しており、他端が他の活物質粒子に結合している。導電パスは厚さが20nm以上であり、長さが2〜5μmであるのが好ましい。導電パスは、厚さ及び長さ上記範囲内であることにより、より確実に活物質粒子同士を接続することができる。 The composite electrode includes a conductive path and active material particles connected to each other through the conductive path. The conductive path is made of a linear member, and is formed by adding an additive such as a binder with carbon nanotubes as a conductive auxiliary agent as a main component. The conductive path has one end bonded to one active material particle and the other end bonded to another active material particle. The conductive path preferably has a thickness of 20 nm or more and a length of 2 to 5 μm. When the conductive path has a thickness and a length within the above ranges, the active material particles can be more reliably connected to each other.
カーボンナノチューブは、化学気相成長法、アーク放電法、レーザー蒸発法などの方法で合成することができる。本実施形態においては、直径が1〜900nmのカーボンナノチューブを用いることができる。 Carbon nanotubes can be synthesized by methods such as chemical vapor deposition, arc discharge, and laser evaporation. In the present embodiment, carbon nanotubes having a diameter of 1 to 900 nm can be used.
本実施形態において、カーボンナノチューブの直径は5〜50nmが好ましい。また、カーボンナノチューブの繊維長は0.1〜10μmが好ましい。 In the present embodiment, the diameter of the carbon nanotube is preferably 5 to 50 nm. The fiber length of the carbon nanotube is preferably 0.1 to 10 μm.
また、カーボンナノチューブのうちのベーパーグローンカーボンファイバー(VGCF)は、直径が100〜200nm、繊維長が0.1〜10μmであることが好ましい。 Moreover, the vapor grown carbon fiber (VGCF) of the carbon nanotubes preferably has a diameter of 100 to 200 nm and a fiber length of 0.1 to 10 μm.
カーボンナノチューブの繊維長が長く、かつ直径が大きいほど、良好な導電パスが形成される。しかし、カーボンナノチューブの繊維長が長くなりすぎると、後述するスラリー中で絡まり、凝集しやすくなる。カーボンナノチューブの直径が大きくなりすぎると、曲がり難くなり、活物質粒子との接点が少なくなってしまうおそれがある。 As the fiber length of the carbon nanotube is longer and the diameter is larger, a better conductive path is formed. However, when the fiber length of the carbon nanotube becomes too long, it becomes entangled in a slurry described later and tends to aggregate. When the diameter of the carbon nanotube becomes too large, it becomes difficult to bend, and there is a possibility that the number of contacts with the active material particles is reduced.
カーボンナノチューブの直径は合成時の触媒粉径を変化させることにより、調整可能である。カーボンナノチューブの繊維長は合成時間を長くすると長くなる。カーボンナノチューブの比表面積は合成後の硝酸・硫酸による処理時間により調整可能である。カーボンナノチューブは、例えば特開2006−152490号公報に記載されている方法により合成することができる。 The diameter of the carbon nanotube can be adjusted by changing the catalyst powder diameter during synthesis. The fiber length of the carbon nanotube becomes longer as the synthesis time is increased. The specific surface area of the carbon nanotube can be adjusted by the treatment time with nitric acid / sulfuric acid after synthesis. Carbon nanotubes can be synthesized, for example, by the method described in JP-A-2006-152490.
合材電極に含まれる活物質粒子の少なくとも一部は、一つの活物質粒子に対し、2つの導電パスの一端が結合している。そして当該2つの導電パスの他端はそれぞれ異なる2つの活物質粒子に結合している。このようにして合材電極全体として導電パスで繋がった活物質粒子のネットワークが形成される。 At least a part of the active material particles contained in the composite electrode has one end of two conductive paths bonded to one active material particle. The other ends of the two conductive paths are bonded to two different active material particles. In this way, a network of active material particles connected by a conductive path is formed as a whole composite electrode.
活物質粒子は正極活物質又は負極活物質で形成される。活物質粒子は、表面の10%以上がカーボンナノチューブで被覆されているのが好ましい。これにより、カーボンナノチューブで形成された導電パスが、活物質粒子と、容易に接合することができる。 The active material particles are formed of a positive electrode active material or a negative electrode active material. It is preferable that 10% or more of the surface of the active material particles is covered with carbon nanotubes. Thereby, the conductive path formed of the carbon nanotubes can be easily joined to the active material particles.
活物質粒子は、表面の全体がカーボンナノチューブで覆われるのがより好ましい。これにより、電極全体の抵抗を低くすることができ、被覆された部分が均一に反応するので電極の構造を保つこともできる。 More preferably, the active material particles are entirely covered with carbon nanotubes. As a result, the resistance of the entire electrode can be lowered, and the coated portion can react uniformly, so that the structure of the electrode can be maintained.
正極活物質としては、LiCoO2、LiMn2O4、LiNiO4、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2及びLiFePO4などのリチウム含有遷移金属酸化物などが挙げられる。これらは、2種以上を組み合わせて用いてもよい。正極に用いられる活物質粒子の平均粒径は0.5〜10μmであることが好ましい。 Examples of the positive electrode active material include lithium-containing transition metal oxides such as LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiNiO 4 , LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2, and LiFePO 4 . You may use these in combination of 2 or more type. The average particle diameter of the active material particles used for the positive electrode is preferably 0.5 to 10 μm.
負極活物質としては、シリコン(Si)、酸化シリコン(SiO)、スズ(Sn)、スズ−コバルト化合物(Sn−Co)、酸化第二スズ(SnO2)、天然黒鉛、人造黒鉛及びチタン酸リチウム(Li4Ti5O12)などが挙げられる。これらは、2種以上を組み合わせて用いてもよい。負極に用いられる活物質粒子の平均粒径は1〜20μmであることが好ましく、5〜10μmであることがさらに好ましい。 Examples of the negative electrode active material include silicon (Si), silicon oxide (SiO), tin (Sn), tin-cobalt compound (Sn—Co), stannic oxide (SnO 2 ), natural graphite, artificial graphite, and lithium titanate. (Li 4 Ti 5 O 12 ) and the like. You may use these in combination of 2 or more type. The average particle diameter of the active material particles used for the negative electrode is preferably 1 to 20 μm, and more preferably 5 to 10 μm.
本実施形態に係る電極は、バインダーを含んでいてもよい。バインダーとしては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体(EPDM)、スチレンブタジエンゴム(SBR)及びカルボキシメチルセルロース(CMC)などが挙げられる。カルボキシメチルセルロース(CMC)は増粘剤であるが、バインダーとしても機能する。このうち、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、スチレンブタジエンゴム(SBR)及びカルボキシメチルセルロース(CMC)が好ましい。 The electrode according to this embodiment may contain a binder. Examples of the binder include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), ethylene-propylene-diene copolymer (EPDM), styrene butadiene rubber (SBR), and carboxymethyl cellulose (CMC). Carboxymethylcellulose (CMC) is a thickener but also functions as a binder. Among these, polyvinylidene fluoride (PVDF), styrene butadiene rubber (SBR), and carboxymethyl cellulose (CMC) are preferable.
(製造方法)
以下、本実施形態に係る電極の製造方法について説明する。本実施形態に係る電極は、集電体上に塗工された、活物質粒子、バインダー及びカーボンナノチューブを含むスラリーに、所定の熱量を加えて乾燥することにより製造することができる。
(Production method)
Hereinafter, the manufacturing method of the electrode which concerns on this embodiment is demonstrated. The electrode according to the present embodiment can be produced by applying a predetermined amount of heat to a slurry containing active material particles, a binder, and carbon nanotubes coated on a current collector and drying the slurry.
正極を作製する場合は正極活物質と正極集電体を用い、負極を作製する場合は負極活物質と負極集電体を用いる。 When producing a positive electrode, a positive electrode active material and a positive electrode current collector are used, and when producing a negative electrode, a negative electrode active material and a negative electrode current collector are used.
カーボンナノチューブは、これを溶媒に分散させたカーボンナノチューブ分散液として用いる。カーボンナノチューブ分散液は、カーボンナノチューブに、その固形質量の10〜30倍程度の溶媒を加え、例えば、スターラーにより3時間程度撹拌することにより調製される。このような調製により、溶媒中にカーボンナノチューブが均一に分散しているカーボンナノチューブ分散液が得られる。溶媒は、例えば、水、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)などが挙げられる。 The carbon nanotube is used as a carbon nanotube dispersion in which the carbon nanotube is dispersed in a solvent. The carbon nanotube dispersion is prepared by adding a solvent about 10 to 30 times the solid mass to carbon nanotubes, and stirring for about 3 hours with a stirrer, for example. By such preparation, a carbon nanotube dispersion liquid in which carbon nanotubes are uniformly dispersed in a solvent can be obtained. Examples of the solvent include water, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), and the like.
本実施形態においては、例えば、以下の方法によりスラリーを調製する。まず、活物質粒子、バインダー及びカーボンナノチューブ分散液を所定の質量比となるように秤量する。正極を作製する場合、正極スラリー中の正極活物質の含有割合は、通常80〜98質量%程度、好ましくは90〜95質量%である。負極を作製する場合、負極スラリー中の負極活物質の含有割合は、通常85〜99質量%程度、好ましくは93〜98質量%である。負極スラリー中のカーボンナノチューブの含有割合は、通常0.1〜5.0質量%程度、好ましくは0.5〜3.0質量%である。 In this embodiment, for example, a slurry is prepared by the following method. First, the active material particles, the binder, and the carbon nanotube dispersion liquid are weighed so as to have a predetermined mass ratio. When producing a positive electrode, the content rate of the positive electrode active material in a positive electrode slurry is about 80-98 mass% normally, Preferably it is 90-95 mass%. When producing a negative electrode, the content rate of the negative electrode active material in a negative electrode slurry is about 85-99 mass% normally, Preferably it is 93-98 mass%. The content ratio of carbon nanotubes in the negative electrode slurry is usually about 0.1 to 5.0% by mass, preferably 0.5 to 3.0% by mass.
導電助剤であるカーボンナノチューブを除いた場合の一般的な配合比として、活物質:CMC:SBR=98:1:1(質量比)が多く用いられ、増粘剤であるCMCは0.3〜5質量%、SBRは0.3〜5質量%の範囲で、用途により変化させることができる。 As a general compounding ratio in the case of removing the carbon nanotube which is a conductive auxiliary agent, active material: CMC: SBR = 98: 1: 1 (mass ratio) is often used, and CMC which is a thickener is 0.3. -5% by mass and SBR can be varied depending on the application within the range of 0.3-5% by mass.
次に、カーボンナノチューブ分散液にバインダーと溶媒を添加し、固形のバインダーが完全に溶解するまで、自転公転のハイブリッドミキサーで撹拌混合する。ここで、カーボンナノチューブ分散液に添加する溶媒は、カーボンナノチューブ分散液の調製に用いた溶媒と同じであることが好ましい。その後、活物質粒子を添加してさらに撹拌混合を行うことで、均質なスラリーを調製する。 Next, a binder and a solvent are added to the carbon nanotube dispersion, and the mixture is stirred and mixed with a hybrid mixer that rotates and revolves until the solid binder is completely dissolved. Here, the solvent added to the carbon nanotube dispersion liquid is preferably the same as the solvent used for the preparation of the carbon nanotube dispersion liquid. Then, a homogeneous slurry is prepared by adding active material particles and further stirring and mixing.
調製したスラリーを、作製する電極が正極であればアルミニウム箔に塗工し、負極であれば銅箔に塗工する。塗工方法としては、ドクターブレード法又はダイコート法などが挙げられる。 If the prepared slurry is a positive electrode, the prepared slurry is applied to an aluminum foil, and if it is a negative electrode, it is applied to a copper foil. Examples of the coating method include a doctor blade method or a die coating method.
活物質、バインダー、カーボンナノチューブを含むスラリーを乾燥させる工程において、カーボンナノチューブが活物質粒子間に集まるように乾燥させる。例えば、加熱温度をより低い温度とし加熱時間を長くするなどして緩やかに乾燥させることにより、カーボンナノチューブが活物質粒子間に集まりやすくなる。溶媒蒸発時のスラリー中での対流を減少させて、比較的緩やかに乾燥させることができる観点から、本実施形態においては乾燥時に遠赤外線ヒーターを用いることが好ましい。 In the step of drying the slurry containing the active material, the binder, and the carbon nanotubes, the carbon nanotubes are dried so as to collect between the active material particles. For example, the carbon nanotubes are easily gathered between the active material particles by drying slowly by setting the heating temperature to a lower temperature and increasing the heating time. In the present embodiment, it is preferable to use a far-infrared heater from the viewpoint of reducing convection in the slurry at the time of evaporation of the solvent and enabling relatively gentle drying.
集電体に塗工したスラリーの乾燥条件を変化させることにより、活物質間に移動するカーボンナノチューブの量が変化する。 By changing the drying conditions of the slurry applied to the current collector, the amount of carbon nanotubes that move between the active materials changes.
本実施形態においては、集電体に塗工された、溶媒、活物質、バインダー及びカーボンナノチューブを含むスラリーを、溶媒の沸点よりも10〜50℃低い温度で1〜10分間加熱し、次いで溶媒の沸点よりも10〜100℃高い温度で1〜20分間加熱して乾燥させる。
In this embodiment, the slurry containing the solvent, the active material, the binder, and the carbon nanotubes applied to the current collector is heated at a
因みに、正極スラリーにおいて、バインダーがポリフッ化ビニリデン(PVDF)である場合、PVDFを溶解させる溶媒として、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)が使用される。活物質にLCO、導電助剤にカーボンナノチューブ、そして、バインダーとしてPVDFを含む正極スラリーは、通常、乾燥炉の設定温度を、NMPの沸点である202℃よりも高い250℃程度として乾燥させる。 Incidentally, in the positive electrode slurry, when the binder is polyvinylidene fluoride (PVDF), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) is used as a solvent for dissolving PVDF. A positive electrode slurry containing LCO as an active material, carbon nanotubes as a conductive additive, and PVDF as a binder is usually dried at a drying furnace set temperature of about 250 ° C., which is higher than 202 ° C., which is the boiling point of NMP.
これに対し本実施形態では、スラリーを緩やかに乾燥させるために、設定温度250℃の最終乾燥炉の前に、設定温度150℃の乾燥炉を設置する。この設定温度150℃の乾燥炉で多量のNMPを蒸発させて、緩やかに乾燥させることにより、スラリーが高粘度状態の時間を長くとることができる。 On the other hand, in this embodiment, in order to dry the slurry gently, a drying furnace having a set temperature of 150 ° C. is installed before the final drying furnace having a set temperature of 250 ° C. By evaporating a large amount of NMP in this drying oven at a set temperature of 150 ° C. and drying it slowly, the time during which the slurry is in a high viscosity state can be increased.
(負極の製造方法)
負極活物質として黒鉛、バインダーとしてCMC及びSBRを用いて負極スラリーを調製する場合について以下説明する。この場合、配合比を、黒鉛:SiO:CMC:SBR:カーボンナノチューブ=87:10:1:1:1(質量比)とする。
(Method for producing negative electrode)
The case where a negative electrode slurry is prepared using graphite as the negative electrode active material and CMC and SBR as the binder will be described below. In this case, the blending ratio is graphite: SiO: CMC: SBR: carbon nanotube = 87: 10: 1: 1: 1 (mass ratio).
まず、1当量のCMCを十分に水に溶解させ、2質量%の水溶液とする。そこに、黒鉛を87当量とSiOを10当量投入し、自転公転ハイブリッドミキサー((株)シンキー製、モデル:ARE−310)で、回転数2000rpmで、5分間混合する。その後、カーボンナノチューブを1当量投入し、再度、同じミキサーで、5分間混合する。その後、SBR固形分が全電極固形比の1当量になるように、SBRのエマルジョンを投入し、再度、同じミキサーで、5分間混合する。全ての構成物質を入れた後の負極スラリーの水溶液の固形分比率は44%となる。即ち56%の水を含む負極スラリーが調製される。 First, 1 equivalent of CMC is sufficiently dissolved in water to obtain a 2% by mass aqueous solution. Thereto, 87 equivalents of graphite and 10 equivalents of SiO are charged, and mixed for 5 minutes at a rotation speed of 2000 rpm with a rotation / revolution hybrid mixer (model: ARE-310, manufactured by Shinkey Co., Ltd.). Thereafter, 1 equivalent of carbon nanotubes is added and mixed again for 5 minutes with the same mixer. Thereafter, the SBR emulsion is added so that the SBR solid content becomes 1 equivalent of the total electrode solid ratio, and again mixed with the same mixer for 5 minutes. The solid content ratio of the aqueous solution of the negative electrode slurry after adding all the constituent materials is 44%. That is, a negative electrode slurry containing 56% water is prepared.
この負極スラリーを、コンマロールコータを用いて集電体である銅箔上に塗工し、遠赤外線ヒーターにて100℃で乾燥させた後、遠赤外線ヒーターにて150℃で乾燥し、負極シートを作製する。この負極シートから、所定の大きさに切断し、負極を作製することができる。 This negative electrode slurry was coated on a copper foil as a current collector using a comma roll coater, dried at 100 ° C. with a far infrared heater, then dried at 150 ° C. with a far infrared heater, and a negative electrode sheet Is made. This negative electrode sheet can be cut into a predetermined size to produce a negative electrode.
活物質として、黒鉛、黒鉛+Snを用いる場合においても上記の方法で負極を作製することができる。 Even when graphite or graphite + Sn is used as the active material, the negative electrode can be produced by the above method.
(正極の製造方法)
正極活物質としてLiCoO2、バインダーとしてPVDFを用いて正極スラリーを調製する場合について以下説明する。この場合、配合比を、LiCoO2:PVDF:カーボンナノチューブ=95:3:2(質量比)とする。
(Production method of positive electrode)
A case where a positive electrode slurry is prepared using LiCoO 2 as a positive electrode active material and PVDF as a binder will be described below. In this case, the blending ratio is LiCoO 2 : PVDF: carbon nanotube = 95: 3: 2 (mass ratio).
LiCoO2の粉末、PVDF、カーボンナノチューブを秤量し、プラネタリーミキサーに投入し、溶媒であるN−メチルピロリドン(NMP)中に投入し、固練り状態で混合し、その後、さらにNMPを加えて、均一なスラリーになるまで攪拌する。全ての構成物質を入れた後の正極スラリーの溶液の固形分比率は75%となる。即ち25%のNMPを含む正極スラリーが調製される。 LiCoO 2 powder, PVDF, carbon nanotubes are weighed, put into a planetary mixer, put into N-methylpyrrolidone (NMP) as a solvent, mixed in a kneaded state, and then further added with NMP, Stir until a uniform slurry is obtained. The solid content ratio of the positive electrode slurry solution after all the constituent materials are added is 75%. That is, a positive electrode slurry containing 25% NMP is prepared.
その後、上記正極スラリーをアルミニウム箔上へ塗布し、隙間50μmのアプリケータを用いて、厚さ一定の電極膜を形成する。その後、乾燥器にそのシートを移し、130℃で、溶媒であるNMPを乾燥させて、正極シートを作製する。その後、正極シートから、10cm2の面積で切断し、空隙率が25%程度になるようにプレスにより電極を圧縮させて潰すことにより、正極を作製することができる。 Thereafter, the positive electrode slurry is applied onto an aluminum foil, and an electrode film having a constant thickness is formed using an applicator having a gap of 50 μm. Thereafter, the sheet is transferred to a dryer, and NMP as a solvent is dried at 130 ° C. to produce a positive electrode sheet. Then, a positive electrode can be produced by cutting the positive electrode sheet with an area of 10 cm 2 and compressing and crushing the electrode with a press so that the porosity is about 25%.
LiCoO2以外の活物質を用いる場合においても上記の方法で正極を作製することができる。 Even when an active material other than LiCoO 2 is used, the positive electrode can be produced by the above method.
(作用及び効果)
本実施形態に係る電極では、集電体に塗工されたスラリーに対し緩やかに熱量を加えて加熱することにより、スラリーの乾燥時にカーボンナノチューブが活物質粒子間に集まりやすくなる。所定の加熱時間、保持することにより、カーボンナノチューブが活物質粒子の間に配置された状態で固化し、合材電極が形成される。
(Function and effect)
In the electrode according to the present embodiment, the carbon nanotubes are easily collected between the active material particles when the slurry is dried by heating the slurry applied to the current collector by applying a moderate amount of heat. By holding for a predetermined heating time, the carbon nanotubes are solidified in a state of being arranged between the active material particles, and a composite electrode is formed.
このように形成された合材電極の場合、少なくとも1つの前記活物質粒子は、2つの前記導電パスの一端が結合されており、2つの前記導電パスの他端は、異なる他の活物質粒子に結合されている。すなわち、一つの活物質粒子から2つの導電パスが伸び、当該導電パスが異なる他の活物質粒子にそれぞれ結合されている。このようにして合材電極全体として導電パスで繋がった活物質粒子のネットワークが形成される。したがって本実施形態に係る電極は、活物質粒子同士が導電パスによって互いに接続されているので、導電性を向上することができる。 In the case of the composite electrode formed in this way, at least one of the active material particles has one end of the two conductive paths coupled to each other, and the other end of the two conductive paths has different other active material particles. Is bound to. That is, two conductive paths extend from one active material particle, and the conductive paths are respectively coupled to different active material particles. In this way, a network of active material particles connected by a conductive path is formed as a whole composite electrode. Therefore, the electrode according to the present embodiment can improve the conductivity because the active material particles are connected to each other by the conductive path.
本実施形態の場合、カーボンナノチューブによって導電パスが形成されると、導電パスの厚さは20nm以上となる。導電パスは活物質粒子間に形成されるのが望ましいが、充放電容量を持たない導電パスはできるだけ少量で、活物質粒子が密に積層されている方が好ましい。 In the present embodiment, when a conductive path is formed by carbon nanotubes, the thickness of the conductive path is 20 nm or more. The conductive path is preferably formed between the active material particles, but it is preferable that the conductive path having no charge / discharge capacity is as small as possible and the active material particles are densely stacked.
活物質粒子の粒径が5〜10μmの場合、活物質粒子の間隔は5μm以下が好ましい。この場合、導電パスの長さは、活物質粒子の間隔と同様に、5μm以下となる。活物質粒子の間隔が5μm超となる電極中の空間は、活物質粒子で充填されることが好ましい。活物質粒子の間隔が5μm超の場合、この構造でも活物質粒子間に導電パスを形成することが可能だが、活物質粒子の間隔に比例して多くのカーボンナノチューブを消費するため、電極中の導電パスの本数や活物質の被覆率が減少し、電極の劣化を早める。 When the particle diameter of the active material particles is 5 to 10 μm, the interval between the active material particles is preferably 5 μm or less. In this case, the length of the conductive path is 5 μm or less, similarly to the interval between the active material particles. The space in the electrode where the interval between the active material particles exceeds 5 μm is preferably filled with the active material particles. When the interval between the active material particles is more than 5 μm, it is possible to form a conductive path between the active material particles even in this structure. However, since many carbon nanotubes are consumed in proportion to the interval between the active material particles, The number of conductive paths and the coverage of the active material are reduced, and the deterioration of the electrode is accelerated.
また活物質がSiOであるとき、充電時に体積が40%膨張し、放電時に収縮する。SiOの粒径が10μmの場合、半径方向で1.2μm膨張・収縮する。したがって導電パスは、長さが2μm以上であれば、活物質粒子が収縮したとしても粒子間を接続したままの状態を保つことができる。 When the active material is SiO, the volume expands by 40% during charging and contracts during discharging. When the particle diameter of SiO is 10 μm, it expands and contracts by 1.2 μm in the radial direction. Therefore, if the length of the conductive path is 2 μm or more, the state where the particles are connected can be maintained even if the active material particles contract.
本実施形態の場合、導電パスは、一定の長さを有することで、活物質が膨張、及び収縮しても活物質粒子間を接続した状態を保持することができる。前記活物質粒子の表面の10%以上がカーボンナノチューブで被覆されていることにより、カーボンナノチューブで形成された導電パスは、活物質粒子と、接合することができる。 In the case of the present embodiment, the conductive path has a certain length, so that the active material particles can be kept connected even if the active material expands and contracts. By covering 10% or more of the surface of the active material particles with carbon nanotubes, the conductive path formed of the carbon nanotubes can be joined to the active material particles.
因みに活物質粒子の導電性が低い場合、活物質粒子間に導電パスが形成されても電極の抵抗は高くなる。また活物質粒子の反応が不均一になり、膨張、及び収縮時の応力が偏ることで電極の微粉化が起きる。 Incidentally, when the conductivity of the active material particles is low, the resistance of the electrode is increased even if a conductive path is formed between the active material particles. In addition, the reaction of the active material particles becomes non-uniform, and the stress at the time of expansion and contraction is biased, resulting in fine pulverization of the electrode.
これに対し本実施形態の場合、活物質粒子がカーボンナノチューブで被覆されていることにより、電極全体の抵抗を低くすることができ、被覆された部分が均一に反応するので電極の構造を保つこともできる。 On the other hand, in the case of this embodiment, the active material particles are coated with carbon nanotubes, so that the resistance of the entire electrode can be lowered, and the coated portion reacts uniformly, so that the structure of the electrode is maintained. You can also.
2.実施例
(試料)
上記「負極の製造方法」に示した手順で作製した負極を実施例1とした。また、黒鉛:CMC:SBR:カーボンナノチューブ=97:1:1:1(質量比)とした以外は、上記実施例1と同様に作製した負極を実施例2とした。
2. Example (Sample)
A negative electrode produced by the procedure shown in the above “Method for producing negative electrode” was defined as Example 1. A negative electrode produced in the same manner as in Example 1 except that graphite: CMC: SBR: carbon nanotube = 97: 1: 1: 1 (mass ratio) was used as Example 2.
比較として、カーボンナノチューブをアセチレンブラックに変更し、乾燥条件を70℃の遠赤外線ヒーターで乾燥させた後、120℃の遠赤外線ヒーターで乾燥させ、その後室温で真空乾燥とした以外は、実施例1と同様に作製した負極を比較例1とした。また、カーボンナノチューブを含めないこととし、乾燥条件を遠赤外線ヒーターにて100℃で乾燥させた後、遠赤外線ヒーターにて200℃で乾燥とした以外は、実施例2と同様に作製した負極を比較例2とした。 For comparison, Example 1 except that the carbon nanotubes were changed to acetylene black and the drying conditions were dried with a far infrared heater at 70 ° C., then dried with a far infrared heater at 120 ° C., and then vacuum dried at room temperature. A negative electrode produced in the same manner as in Example 1 was designated as Comparative Example 1. Further, a negative electrode produced in the same manner as in Example 2 except that carbon nanotubes were not included, and the drying condition was dried at 100 ° C. with a far infrared heater and then dried at 200 ° C. with a far infrared heater. It was set as Comparative Example 2.
実施例1,2、比較例1,2の負極の断面の走査電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)写真を図1〜図4に示す。なお、通常の電極は、集電体上に合材電極を形成した後、厚さ方向に力を付加するプレス加工を行うが、本図は当該プレス加工をする前の状態で撮影した写真である。図1,2から、一つの活物質粒子2から2つの導電パス1,1が異なる方向へ伸びており、さらに当該導電パス1,1は他の異なる活物質粒子2に結合していることが確認できる。また活物質粒子2の周囲は、カーボンナノチューブで覆われていることが確認できた。
Scanning electron microscope (SEM) photographs of the cross sections of the negative electrodes of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 are shown in FIGS. In addition, a normal electrode is formed by forming a composite electrode on a current collector and then press-working to apply a force in the thickness direction. This figure is a photograph taken in a state before the press-working. is there. As shown in FIGS. 1 and 2, two
一方、図3に示すように比較例1は、導電パス10が2μm未満であるため、活物質粒子2同士が結合しているとは言えない。また図4に示すように比較例2は、カーボンナノチューブを含まないため、導電パスが形成されていない。
On the other hand, as shown in FIG. 3, in the comparative example 1, since the
次に、上記負極を用いてラミネートセルを作製し、充放電サイクル試験を行った。正極は、上記「正極の製造方法」に示す手順で作製した電極を用いた。実施例1に係る負極及び正極は、それぞれ縦及び横の長さを25mm×35mmとした。微多孔のポリエチレン製のセパレータを挟んで、上記負極及び正極を配置し、アルミラミネートパックに挿入した。その後、電解質としてエチレンカーボネート(EC):ジエチルカーボネート(DEC)=1:1の溶媒中に1MのLiPF6が含まれた電解液を注入し、真空パックをし、ラミネートセルを作製した。実施例2、及び比較例1,2に係る負極についても同様にラミネートセルを作成した。 Next, a laminate cell was prepared using the negative electrode, and a charge / discharge cycle test was performed. As the positive electrode, an electrode produced according to the procedure shown in the above-mentioned “Method for producing positive electrode” was used. The negative electrode and the positive electrode according to Example 1 each have a vertical and horizontal length of 25 mm × 35 mm. The negative electrode and the positive electrode were arranged with a microporous polyethylene separator in between, and inserted into an aluminum laminate pack. Thereafter, an electrolyte containing 1M LiPF 6 in a solvent of ethylene carbonate (EC): diethyl carbonate (DEC) = 1: 1 was injected as an electrolyte, vacuum packed, and a laminate cell was produced. A laminate cell was similarly prepared for the negative electrodes according to Example 2 and Comparative Examples 1 and 2.
充電は、0.2Cレート一定、電圧0.005V(Li+/Li)の条件でCC−CV(定電流−定電圧)方式で行った。放電は、0.2Cレート一定、カットオフ電圧1.0V(Li+/Li)でCC(定電流)方式で行った。充放電を1サイクル毎に放電容量を測定し、5サイクル繰り返した。このときの測定温度は25℃一定とした。その結果を表1に示す。各試料の測定で得られた放電容量の最大値で、各サイクル終了後の放電容量を割った値を放電容量維持率として算出した。 Charging was performed by the CC-CV (constant current-constant voltage) method under the condition of a constant 0.2 C rate and a voltage of 0.005 V (Li + / Li). Discharge was performed by a CC (constant current) method at a constant 0.2 C rate and a cut-off voltage of 1.0 V (Li + / Li). Charging / discharging was measured every cycle, and the discharge capacity was repeated 5 cycles. The measurement temperature at this time was constant at 25 ° C. The results are shown in Table 1. A value obtained by dividing the discharge capacity after the end of each cycle by the maximum value of the discharge capacity obtained by the measurement of each sample was calculated as the discharge capacity retention rate.
本表から、実施例1及び実施例2に係る負極の場合、5サイクル後でも放電容量維持率は低下しないことが確認できた。このことから、充放電を繰り返しても、導電パスによって活物質粒子同士が接合されているといえる。一方、比較例1及び比較例2は、サイクル数の増加に伴い、放電容量維持率が低下することが確認できた。 From this table, it was confirmed that in the case of the negative electrodes according to Example 1 and Example 2, the discharge capacity retention rate did not decrease even after 5 cycles. From this, even if charging / discharging is repeated, it can be said that active material particles are joined by the conductive path. On the other hand, in Comparative Example 1 and Comparative Example 2, it was confirmed that the discharge capacity retention rate decreased with an increase in the number of cycles.
3.変形例
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。例えば、上記実施形態では、集電体として金属箔を用いている場合について説明したが、本発明はこれに限らない。集電体は、例えばアルミニウムやアルミニウム合金、ステンレス、チタンの発泡材であってもよい。
3. Modifications The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately modified within the scope of the gist of the present invention. For example, in the above embodiment, the case where a metal foil is used as a current collector has been described, but the present invention is not limited to this. The current collector may be, for example, a foamed material of aluminum, an aluminum alloy, stainless steel, or titanium.
1 導電パス
2 活物質粒子
1
Claims (3)
少なくとも1つの前記活物質粒子は、2つの前記導電パスの一端が結合されており、
2つの前記導電パスの他端は、異なる他の活物質粒子に結合されている
ことを特徴とするリチウムイオン二次電池の電極。 An electrode of a lithium ion secondary battery comprising a conductive path formed of carbon nanotubes and active material particles,
At least one of the active material particles has one end of the two conductive paths coupled to each other,
An electrode of a lithium ion secondary battery, wherein the other ends of the two conductive paths are bonded to other different active material particles.
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Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2020013719A (en) * | 2018-07-19 | 2020-01-23 | トヨタ自動車株式会社 | Nonaqueous electrolyte secondary battery |
JP2020184490A (en) * | 2019-05-09 | 2020-11-12 | プライムアースEvエナジー株式会社 | Positive electrode paste for lithium ion secondary battery, positive electrode manufacturing method, and positive electrode |
JP2021508157A (en) * | 2018-02-07 | 2021-02-25 | エルジー・ケム・リミテッド | Positive electrode and secondary battery containing the positive electrode |
WO2022138861A1 (en) * | 2020-12-25 | 2022-06-30 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Negative-electrode material for secondary battery, and secondary battery |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH11345607A (en) * | 1998-06-03 | 1999-12-14 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | Positive electrode for lithium secondary battery |
US20090087743A1 (en) * | 2007-10-02 | 2009-04-02 | Samsung Sdi Co., Ltd. | Electrode, method of preparing the same, and lithium battery including the electrode |
JP2009176720A (en) * | 2007-12-25 | 2009-08-06 | Kao Corp | Manufacturing method of composite material for positive electrode of lithium battery |
WO2014054792A1 (en) * | 2012-10-05 | 2014-04-10 | ソニー株式会社 | Active material, process for manufacturing active material, electrode, and secondary battery |
JP2014532263A (en) * | 2011-10-04 | 2014-12-04 | ハイドロ−ケベック | Positive electrode material, manufacturing method thereof and use in lithium secondary battery |
JP2015053165A (en) * | 2013-09-06 | 2015-03-19 | 日立化成株式会社 | Positive electrode for lithium ion secondary batteries, and lithium ion secondary battery |
-
2014
- 2014-03-20 JP JP2014058038A patent/JP2015185229A/en active Pending
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH11345607A (en) * | 1998-06-03 | 1999-12-14 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | Positive electrode for lithium secondary battery |
US20090087743A1 (en) * | 2007-10-02 | 2009-04-02 | Samsung Sdi Co., Ltd. | Electrode, method of preparing the same, and lithium battery including the electrode |
JP2009176720A (en) * | 2007-12-25 | 2009-08-06 | Kao Corp | Manufacturing method of composite material for positive electrode of lithium battery |
JP2014532263A (en) * | 2011-10-04 | 2014-12-04 | ハイドロ−ケベック | Positive electrode material, manufacturing method thereof and use in lithium secondary battery |
WO2014054792A1 (en) * | 2012-10-05 | 2014-04-10 | ソニー株式会社 | Active material, process for manufacturing active material, electrode, and secondary battery |
JP2015053165A (en) * | 2013-09-06 | 2015-03-19 | 日立化成株式会社 | Positive electrode for lithium ion secondary batteries, and lithium ion secondary battery |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2021508157A (en) * | 2018-02-07 | 2021-02-25 | エルジー・ケム・リミテッド | Positive electrode and secondary battery containing the positive electrode |
US11929496B2 (en) | 2018-02-07 | 2024-03-12 | Lg Energy Solution, Ltd. | Positive electrode and secondary battery including same |
JP2020013719A (en) * | 2018-07-19 | 2020-01-23 | トヨタ自動車株式会社 | Nonaqueous electrolyte secondary battery |
JP2020184490A (en) * | 2019-05-09 | 2020-11-12 | プライムアースEvエナジー株式会社 | Positive electrode paste for lithium ion secondary battery, positive electrode manufacturing method, and positive electrode |
JP7029755B2 (en) | 2019-05-09 | 2022-03-04 | プライムアースEvエナジー株式会社 | Positive electrode paste for lithium ion secondary batteries, positive electrode manufacturing method, and positive electrode |
WO2022138861A1 (en) * | 2020-12-25 | 2022-06-30 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Negative-electrode material for secondary battery, and secondary battery |
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