JP2023000753A - Positive electrode for secondary battery and method for manufacturing positive electrode for secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、二次電池用正極、及び二次電池用正極の製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a positive electrode for secondary batteries and a method for manufacturing a positive electrode for secondary batteries.
二次電池は、パソコンや携帯端末等のいわゆるポータブル電源や車両駆動用電源として広く用いられている。二次電池の中でも、特に、軽量で高エネルギー密度が得られるリチウムイオン二次電池は、電気自動車、ハイブリッド自動車、プラグインハイブリッド自動車等の車両の駆動用高出力電源として好適に用いられている。リチウムイオン二次電池は、正極及び負極の間を、電解質中のリチウムイオン(電荷担体)が移動することで充放電可能な二次電池である。 Secondary batteries are widely used as so-called portable power sources for personal computers, mobile terminals, and the like, and as power sources for driving vehicles. Among secondary batteries, lithium-ion secondary batteries, which are lightweight and provide high energy density, are particularly suitable for use as high-output power sources for driving vehicles such as electric vehicles, hybrid vehicles, and plug-in hybrid vehicles. A lithium ion secondary battery is a secondary battery that can be charged and discharged by moving lithium ions (charge carriers) in an electrolyte between a positive electrode and a negative electrode.
このような二次電池では、高入出力化を実現するために、電荷担体の挿入脱離をスムーズに行なうことができる二次電池用正極(以下、単に「正極」と称する場合がある)が求められる。 In such a secondary battery, in order to achieve high input/output, a positive electrode for a secondary battery (hereinafter sometimes simply referred to as a "positive electrode") capable of smoothly inserting and removing charge carriers is provided. Desired.
特許文献1には、粒子の中心から表面の方向に放射状に配向された柱状の一次粒子が凝集した単層構造の二次粒子を含み、前記二次粒子は、シェルの形状を有しており、前記一次粒子は、下記化学式1のNi‐Co‐Mnの複合金属水酸化物を含む、二次電池用正極活物質の前駆体およびこれを用いて製造した正極活物質が開示されている。
[化学式1]
Ni1-(x+y+z)CoxMyMnz(OH)2
[Chemical Formula 1]
Ni 1-(x+y+z) Co x MyMn z (OH) 2
しかしながら、特許文献1に記載の技術では、正極活物質の粒子同士の重なり等により電気化学反応に寄与する反応面積が減少した場合、正極活物質と電解液との界面における電荷担体の挿入脱離が妨げられて、二次電池の入出力特性が良好にならないという問題がある。
However, in the technique described in
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、二次電池の入出力特性を向上する二次電池用正極、及び二次電池用正極の製造方法を提供することを目的とするものである。 The present invention was made to solve such problems, and an object of the present invention is to provide a positive electrode for a secondary battery that improves the input/output characteristics of the secondary battery, and a method for manufacturing the positive electrode for the secondary battery. and
一実施の形態にかかる二次電池用正極は、集電体と、集電体上に形成され、正極活物質及び導電材を含む正極合材層と、を有し、正極活物質は、リチウム遷移金属酸化物で構成される略球殻状又は略楕円球殻状の中空活物質粒子の一部が切断面により切り取られた略球冠状に形成され、一方向に突出する略球冠状の凸曲面と、一方向側の反対側に存在するとともに一方向に窪む略球冠状の凹曲面と、を有する。 A positive electrode for a secondary battery according to one embodiment includes a current collector, and a positive electrode mixture layer formed on the current collector and containing a positive electrode active material and a conductive material, wherein the positive electrode active material is lithium. A substantially spherical-shell-shaped or substantially elliptical-spherical-shell-shaped hollow active material particle composed of a transition metal oxide is formed into a substantially spherical crown shape by cutting a part of the hollow active material particle by a cut surface, and a substantially spherical crown-shaped convex protrudes in one direction. It has a curved surface and a substantially spherical crown-shaped concave curved surface that exists on the opposite side of the one-way side and is depressed in one direction.
一実施の形態にかかる二次電池用正極の製造方法は、リチウム遷移金属酸化物で構成される略球殻状又は略楕円球殻状の中空活物質粒子を形成するステップと、中空活物質粒子を粉砕して、中空活物質粒子の一部が切断面により切り取られた略球冠状に形成される正極活物質を形成するステップと、集電体上に正極活物質及び導電材を含む正極合材層を形成するステップと、を有し、正極活物質は、一方向に突出する略球冠状の凸曲面と、一方向側の反対側に存在するとともに一方向に窪む略球冠状の凹曲面と、を有する。 A method for manufacturing a positive electrode for a secondary battery according to one embodiment comprises the steps of: forming substantially spherical shell-shaped or substantially elliptical shell-shaped hollow active material particles made of a lithium transition metal oxide; pulverizing to form a positive electrode active material in which a part of the hollow active material particles are cut off by the cut surface to form a substantially spherical crown shape; and forming a material layer, wherein the positive electrode active material has a substantially spherical crown-shaped convex curved surface that protrudes in one direction and a substantially spherical crown-shaped recess that exists on the opposite side of the one direction side and is depressed in one direction. a curved surface;
本発明により、二次電池の入出力特性を向上する二次電池用正極、及び二次電池用正極の製造方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION By this invention, the manufacturing method of the positive electrode for secondary batteries which improves the input-output characteristic of a secondary battery, and the positive electrode for secondary batteries can be provided.
実施の形態1
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。以下の説明において同一又は同等の要素には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Also, for clarity of explanation, the following description and drawings are simplified as appropriate. In the following description, the same or equivalent elements are denoted by the same reference numerals, and overlapping descriptions are omitted.
ここで、本実施形態における「短軸の長さ」及び「長軸の長さ」は、特に断りがない場合、FIB-SEM測定により得られた3次元モデルに対する画像解析から、任意に選ばれる複数の活物質粒子の外側に配置される面又は内側に配置される面を用いて計測されるものである。活物質粒子の外側の面又は内側の面において、活物質粒子の曲率中心を通る最も短い径の平均値を「短軸の長さ」として求めることができる。また、活物質粒子の外側の面又は内側の面において、活物質粒子の曲率中心を通る最も長い径の平均値を「長軸の長さ」として求めることができる。さらに、活物質粒子の外側の面における「長軸の長さ」は、活物質粒子の「直径(粒径)」に相当する。 Here, the "minor axis length" and "major axis length" in the present embodiment are arbitrarily selected from image analysis of a three-dimensional model obtained by FIB-SEM measurement, unless otherwise specified. It is measured using the surface arranged on the outside or the surface arranged on the inside of the plurality of active material particles. The average value of the shortest diameters passing through the center of curvature of the active material particles on the outer surface or inner surface of the active material particles can be obtained as the "minor axis length". Further, the average value of the longest diameters passing through the center of curvature of the active material particles on the outer surface or the inner surface of the active material particles can be obtained as the "long axis length". Furthermore, the "long axis length" on the outer surface of the active material particle corresponds to the "diameter (particle diameter)" of the active material particle.
また、本実施形態における「厚さ」は、特に断りがない場合、FIB-SEM測定により得られた3次元モデルに対する画像解析から、任意に選ばれる活物質粒子の断面において、活物質粒子の内側に配置される面の複数の位置から外側に配置される面への最短距離が計測されるものである。活物質粒子の内側の面の複数の位置で計測された当該最短距離の平均値を「厚さ」として求めることができる。 In addition, unless otherwise specified, the “thickness” in the present embodiment is arbitrarily selected from image analysis of a three-dimensional model obtained by FIB-SEM measurement, in the cross section of the active material particle. The shortest distances from a plurality of positions on the surface arranged on the outside to the surface arranged on the outside are measured. An average value of the shortest distances measured at a plurality of positions on the inner surface of the active material particle can be obtained as the "thickness".
例えば、活物質粒子が球冠状活物質粒子20である場合、外側に配置される面が凸曲面21であり、内側に配置される面が凹曲面22である。活物質粒子が中空活物質粒子120である場合、外側に配置される面が外面121であり、内側に配置される面が内面122である。
For example, when the active material particles are spherical crown-shaped
なお、FIB-SEMとは、集束イオンビーム(FIB;Focused Ion Beam)にて試料を加工し、当該試料の露出した断面を走査型電子顕微鏡(SEM;Scanning Electron Microscope)にて観察することを意味する。試料を加工する方法としては、例えば、適当な樹脂で固めた試料を、所望の断面で切断し、その断面を少しずつ削りながらSEM観察を行うとよい。 Note that FIB-SEM means processing a sample with a focused ion beam (FIB) and observing an exposed cross section of the sample with a scanning electron microscope (SEM). do. As a method for processing the sample, for example, a sample hardened with an appropriate resin is cut at a desired cross section, and SEM observation is performed while gradually scraping the cross section.
FIB-SEMを用いた手法では、試料に対して、FIBによる断続的な加工とSEMによる観察とを繰り返し、得られたSEM像を3次元的に構築した3次元モデルを得ることによって、内部構造を含めた物質の構造を可視化することができる。 In the method using FIB-SEM, intermittent processing by FIB and observation by SEM are repeated for the sample, and the internal structure is obtained by obtaining a three-dimensional model constructed three-dimensionally from the obtained SEM image. It is possible to visualize the structure of substances including
以下、本実施形態にかかる二次電池用正極の好適な実施形態の一つとして、リチウムイオン二次電池用の正極に具体化して説明する。リチウムイオン二次電池は、電荷担体としてリチウムイオンを利用し、正極(正極板)と負極(負極板)との間における電荷の移動により充放電が実現される二次電池である。リチウムイオン二次電池は、例えば、電気自動車(EV)、ハイブリッド自動車(HV)、プラグインハイブリッド自動車(PHEV)等の車両の駆動用電源として用いられる。 Hereinafter, as one preferred embodiment of the positive electrode for a secondary battery according to the present embodiment, a positive electrode for a lithium ion secondary battery will be specifically described. A lithium-ion secondary battery is a secondary battery that utilizes lithium ions as charge carriers and is charged and discharged by charge transfer between a positive electrode (positive electrode plate) and a negative electrode (negative electrode plate). Lithium-ion secondary batteries are used, for example, as power sources for driving vehicles such as electric vehicles (EV), hybrid vehicles (HV), and plug-in hybrid vehicles (PHEV).
まず、図1を参照して、本実施形態にかかる二次電池用正極(正極1)の構成について説明する。図1は、実施の形態1にかかる二次電池用正極を示す図である。図1には、正極1の3次元モデルを示している。正極1は、集電体(正極集電体)と、正極集電体上に形成される正極合材層10と、を有する。
First, with reference to FIG. 1, the configuration of the positive electrode for a secondary battery (positive electrode 1) according to this embodiment will be described. FIG. 1 is a diagram showing a positive electrode for a secondary battery according to
正極集電体は、板状又は箔状に形成され、導電性の良好な金属により構成される。正極1に用いられる正極集電体には、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、チタン、ステンレス鋼等を用いることができる。
The positive electrode current collector is formed in a plate-like or foil-like shape, and is made of a highly conductive metal. For the positive electrode current collector used for the
正極合材層10は、少なくとも、正極活物質(球冠状活物質粒子20)と、導電材30と、を有する。正極合材層10は、その他に、分散剤及びバインダ等の添加剤を含んでもよい。
The positive
導電材30は、正極合材層10中に導電パスを形成するための材料である。正極合材層10に適量の導電材30を混合することにより、正極1内部の電子伝導性を高めて、電池の充放電効率および入出力特性を向上させることができる。導電材30としては、例えば、各種カーボンブラック(例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック)、炭素繊維(例えば、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ)を初めとする炭素材料を用いることができる。
The
図1には、導電材30としてアセチレンブラック(AB)を用いた正極合材層10aと、導電材30としてカーボンナノチューブ(CNT)を用いた正極合材層10bと、をそれぞれ例示し、正極合材層10a、10bにおける各導電材30の分布が図示されている。本実施形態においては、導電材30としてABを用いる場合、平均粒径20~50μmのABを用いることが好ましい。また、導電材30としてCNTを用いる場合。外形が5~30nm、アスペクト比が15~300のCNTを用いることが好ましい。
FIG. 1 illustrates a positive
分散剤としては、例えば、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリビニルブチラール(PVB)、ポリビニルピロリドン(PVP)、ポリアクリレート、ポリメタクリレート、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリアルキレンポリアミン、ベンゾイミダゾール等が挙げられる。バインダには、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリアクリル酸、ポリアクリレート等を用いることができる。 Dispersants include, for example, polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl butyral (PVB), polyvinylpyrrolidone (PVP), polyacrylates, polymethacrylates, polyoxyethylene alkyl ethers, polyalkylenepolyamines, and benzimidazole. Examples of binders that can be used include polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyacrylic acid, and polyacrylate.
個々の正極活物質は、粒子形態をなしており、略球冠状に形成される。また、正極活物質は、一方向に突出する略球冠状の凸曲面21と、一方向側の反対側に存在するとともに一方向に窪む略球冠状の凹曲面22と、を有する。以下の説明では、本実施形態にかかる二次電池用正極(正極1)に含まれる正極活物質を球冠状活物質粒子20と称して説明する。
Each positive electrode active material has a particle form and is formed in a substantially spherical crown shape. Moreover, the positive electrode active material has a substantially spherical crown-shaped convex
球冠状活物質粒子20は、層状の結晶構造を有するリチウム遷移金属酸化物を含有する。リチウム遷移金属酸化物は、Li(リチウム)以外に、1乃至複数の所定の遷移金属元素を含む。リチウム遷移金属酸化物に含有される遷移金属元素は、Ni、Co、Mnの少なくとも一つであることが好ましい。リチウム遷移金属酸化物の好適な一例として、Ni、Co及びMnの全てを含むリチウム遷移金属酸化物が挙げられる。
Spherical crown-shaped
球冠状活物質粒子20は、遷移金属元素(すなわち、Ni、Co及びMnの少なくとも1種)の他に、付加的に、1種又は複数種の元素を含有し得る。付加的な元素としては、周期表の1族(ナトリウム等のアルカリ金属)、2族(マグネシウム、カルシウム等のアルカリ土類金属)、4族(チタン、ジルコニウム等の遷移金属)、6族(クロム、タングステン等の遷移金属)、8族(鉄等の遷移金属)、13族(半金属元素であるホウ素、もしくはアルミニウムのような金属)及び17族(フッ素のようなハロゲン)に属するいずれかの元素を含むことができる。
The spherical crown-shaped
好ましい一態様において、球冠状活物質粒子20は、下記一般式(1)で表される組成(平均組成)を有し得る。
Li1+xNiyCozMn(1-y-z)MAαMBβO2…(1)
In a preferred embodiment, the spherical crown-shaped
Li 1 + x Ni y Co z Mn (1-yz) MA α MB β O 2 (1)
上記式(1)において、xは、0≦x≦0.2を満たす実数であり得る。yは、0.1<y<0.6を満たす実数であり得る。zは、0.1<z<0.6を満たす実数であり得る。MAは、W、Cr及びMoから選択される少なくとも1種の金属元素であり、αは0<α≦0.01(典型的には0.0005≦α≦0.01、例えば0.001≦α≦0.01)を満たす実数である。MBは、Zr、Mg、Ca、Na、Fe、Zn、Si、Sn、Al、B及びFからなる群から選択される1種又は2種以上の元素であり、βは0≦β≦0.01を満たす実数であり得る。βが実質的に0(すなわち、MBを実質的に含有しない酸化物)であってもよい。なお、層状構造のリチウム遷移金属酸化物を示す化学式では、便宜上、O(酸素)の組成比を2として示しているが、この数値は厳密に解釈されるべきではなく、多少の組成の変動(典型的には1.95以上2.05以下の範囲に包含される)を許容し得るものである。 In the above formula (1), x may be a real number that satisfies 0≦x≦0.2. y can be a real number that satisfies 0.1<y<0.6. z can be a real number satisfying 0.1<z<0.6. MA is at least one metal element selected from W, Cr and Mo, and α is 0<α≤0.01 (typically 0.0005≤α≤0.01, for example 0.001≤ is a real number that satisfies α≦0.01). MB is one or more elements selected from the group consisting of Zr, Mg, Ca, Na, Fe, Zn, Si, Sn, Al, B and F, and β is 0≦β≦0. It can be a real number that satisfies 01. β may be substantially 0 (ie, an oxide substantially free of MB). In the chemical formula showing the layered structure lithium transition metal oxide, the composition ratio of O (oxygen) is indicated as 2 for convenience, but this numerical value should not be interpreted strictly, and some variation in the composition ( typically included in the range of 1.95 or more and 2.05 or less).
球冠状活物質粒子20は、略球殻状又は略楕円球殻状の中空活物質粒子120の一部が切断面23により切り取られて、略球冠状に形成される。すなわち、球冠状活物質粒子20の材料となる中空活物質粒子120は、上記で説明した層状の結晶構造を有するリチウム遷移金属酸化物により構成されるものである。
The spherical crown-shaped
そこで、図2を参照して、上記した正極1の製造方法について一例を説明する。図2は、実施の形態1にかかる二次電池用正極の製造方法を示すフローチャートである。図2に示すように、本実施形態にかかる正極1の製造方法は、ステップS1~S6の工程を有する。なお、ステップS3及びステップS5の各工程は、製造される正極1の品質が確保される場合には省略することができ、その他の手法によっても代替可能である。
Therefore, an example of the method for manufacturing the
ステップS1は、中空活物質粒子120を形成する工程である。ステップS2は、中空活物質粒子120を粉砕して正極活物質(球冠状活物質粒子20)を形成する工程である。ステップS3は、ステップS2で得られた正極活物質(球冠状活物質粒子20)の物性を所定値と比べて適切な値であるか否かを確認する工程である。ステップS4は、正極合材層10を形成するためのペーストを作製する工程である。ステップS5は、ステップS4で作製したペーストの粘度が所定値と比べて適切な値であるか否かを確認する工程である。ステップS6は、正極集電体上にペーストを塗工して正極合材層10を形成する工程である。
Step S<b>1 is a step of forming hollow active
上記の各工程について詳細に説明する。まず、ステップS1では、球冠状活物質粒子20の材料となる中空活物質粒子120を形成する。中空活物質粒子120は、殻部123と、殻部123の内部に形成される中空部124と、を有する中空構造の粒子形態をなし、略球殻状又は略楕円球殻状を有する。すなわち、中空活物質粒子120の外形は、概ね球形状、又は楕円球状(やや歪んだ球形状等)を呈している。また、中空活物質粒子120は、ともに球面状又は楕円球面状に形成される外面121と内面122とを有する。
Each of the above steps will be described in detail. First, in step S<b>1 , hollow active
殻部123は、リチウム遷移金属酸化物の一次粒子が連なって略球殻状又は略楕円球殻状に形成された二次粒子である。殻部123の内部には、中空部124が形成される。殻部123の厚さ方向において、一次粒子は単層であってもよく、多層であってもよい。好ましい一態様にかかる中空活物質粒子120は、殻部123の全体に亘って、一次粒子が実質的に単層で連なった形態に構成されている。
The
ここで、一次粒子は、外見上の幾何学的形態から判断して単位粒子(ultimateparticle)と考えられる粒子を指す。ここに開示される中空活物質粒子120において、一次粒子は、典型的にはリチウム遷移金属酸化物の結晶子の集合物である。中空活物質粒子120の形状観察はSEM観察で取得される画像により行うことができる。
Here, primary particles refer to particles that are considered ultimate particles judging from their apparent geometrical form. In the hollow active
中空活物質粒子120の外面121の直径(粒径)は、例えば、およそ2μm以上であることが好ましく、3μm以上であることがより好ましい。また、中空活物質粒子120の直径は25μm以下であることが好ましく、15μm以下であることがより好ましい。生産性の観点から、好ましい一態様では、中空活物質粒子120の直径は、4μm以上6μm以下である。なお、外面121は、中空活物質粒子120の輪郭にあたる面である。
The diameter (particle size) of
殻部123の厚さは、好ましくは3.0μm以下であり、より好ましくは2.5μm以下、さらに好ましくは2.0μm以下である。殻部123の厚さが小さいほど、充電時には殻部123の内部(厚さの中央部)からもリチウムイオンが放出されやすく、リチウムイオン二次電池の放電時にはリチウムイオンが殻部123の内部まで吸収されやすくなる。殻部123の厚さの下限値は、0.1μm以上であることが好ましい。内部抵抗低減効果と耐久性とを両立させる観点から、好ましい一態様では、殻部123の厚さは、0.8μm以上1.5μm以下である。
The thickness of
中空活物質粒子120の内面122の直径は、外面121の直径から殻部123の厚さを減算することにより求めることができる。なお、内面122は、中空部124の輪郭にあたる面である。
The diameter of
そして、中空活物質粒子120の外面121について、短軸の長さL2に対する長軸の長さL1の比(長軸の長さ/短軸の長さ、L1/L2)は、1.0以上1.8未満であることが好ましい。また、中空活物質粒子120の内面122について、短軸の長さに対する長軸の長さの比(長軸の長さ/短軸の長さ)は、1.0以上1.5未満であることが好ましい。このような比率で構成される中空活物質粒子120を用いて球冠状活物質粒子20を形成すると、球冠状活物質粒子20の表裏面(凸曲面21及び凹曲面22)が湾曲した形状となって粒子が嵩高くなる。
Further, regarding the
上記の中空活物質粒子120を形成する方法は、例えば、原料水酸化物生成工程と、混合工程と、焼成工程と、を含む。これらの各工程について詳述する。ただし、中空活物質粒子120を形成する方法はこれに限られるものではない。
The method of forming the hollow active
原料水酸化物生成工程は、遷移金属化合物の水溶液にアンモニウムイオン(NH4 +)を供給して、遷移金属水酸化物の粒子を水溶液から析出させる工程である。ここで、水溶液は、リチウム遷移金属酸化物を構成する遷移金属元素の少なくとも1種を含む。 The raw material hydroxide producing step is a step of supplying an ammonium ion (NH 4 + ) to an aqueous solution of a transition metal compound to deposit transition metal hydroxide particles from the aqueous solution. Here, the aqueous solution contains at least one transition metal element that constitutes the lithium transition metal oxide.
原料水酸化物生成工程は、水溶液から遷移金属水酸化物を析出させる核生成段階と、核生成段階よりも水溶液のpHを減少させた状態で遷移金属水酸化物の粒子を成長させる粒子成長段階とを含むことが好ましい。粒子成長段階では、pH及びアンモニウムイオン濃度を変更することにより、遷移金属水酸化物の析出速度を調整することで、中空活物質粒子120の構造(一次粒子同士の配置間隔、粒子空孔率等)を変化させることができる。 The raw material hydroxide generation step includes a nucleation step of precipitating a transition metal hydroxide from an aqueous solution, and a particle growth step of growing transition metal hydroxide particles in a state where the pH of the aqueous solution is lower than that of the nucleation step. and preferably include In the particle growth stage, the precipitation rate of the transition metal hydroxide is adjusted by changing the pH and the ammonium ion concentration. ) can be changed.
混合工程では、原料水酸化物生成工程で生成した遷移金属水酸化物粒子を反応液から分離し、洗浄、濾過、乾燥させる。このようにして得られた遷移金属水酸化物とリチウム化合物とを混合して混合物を調製する。当該遷移金属水酸化物とリチウム化合物とは、所定の割合でできるだけ均一に混合すると良い。混合工程では、典型的には、目的物である中空活物質粒子120の組成に対応する量比で、リチウム化合物と遷移金属水酸化物粒子とを混合する。
In the mixing step, the transition metal hydroxide particles produced in the raw material hydroxide producing step are separated from the reaction solution, washed, filtered and dried. A mixture is prepared by mixing the transition metal hydroxide and the lithium compound thus obtained. The transition metal hydroxide and the lithium compound are preferably mixed at a predetermined ratio as uniformly as possible. In the mixing step, typically, the lithium compound and the transition metal hydroxide particles are mixed in an amount ratio corresponding to the composition of the target hollow active
焼成工程は、混合物を焼成して中空活物質粒子120を得る工程である。焼成工程は、例えば酸化性雰囲気中(例えば大気雰囲気中)で行われる。焼成温度は、例えば700℃以上1100℃以下である。また、焼成工程は、異なる温度範囲で焼成する複数の工程を含んでいてもよい。焼成後には、必要に応じて、焼成物を解砕したものを分級して粒径を調整することが好ましい。
The firing step is a step of firing the mixture to obtain hollow active
この工程では、リチウム遷移金属酸化物の一次粒子の焼結反応を進行させる。これにより、一次粒子同士が焼結されて連なった略球殻状又は略楕円球殻状の中空活物質粒子120が形成されるとともに、中空活物質粒子120の内部には中空部124が形成される。
In this step, the sintering reaction of the primary particles of the lithium transition metal oxide proceeds. As a result, hollow active
続いて、ステップS2では、ステップS1で得られた中空活物質粒子120を粉砕機に投入し、中空活物質粒子120に対して剪断力を与えることにより、中空活物質粒子120の一部が切断面23により切り取られた球冠状活物質粒子20を形成する。中空活物質粒子120の粉砕に用いる粉砕機としては、ジェットミルを用いることが好ましい。粉砕の方式は、乾式であっても良く、湿式であっても良い。
Subsequently, in step S2, the hollow active
ジェットミルによる粉砕では、粉砕ガス圧力、中空活物質粒子120の供給速度、粉砕回数等の粉砕条件を適宜設定して粉砕の度合いを調整する。粉砕条件は、中空活物質粒子120の曲率中心Oを通る最も長い径である長軸に沿った切断面23で中空活物質粒子120を切り取ることができるように設定されることが好ましい。すなわち、粉砕条件を制御することによって、所望の球冠状活物質粒子20を形成することができる。
In pulverization by a jet mill, the degree of pulverization is adjusted by appropriately setting pulverization conditions such as the pulverization gas pressure, the supply speed of the hollow active
ここで、球冠とは、球又は楕円球の一部を任意の面(本実施形態では切断面23)で切り取った球欠の側面部分である。球冠状活物質粒子20の形状は、略椀状とも言える。中空活物質粒子120の曲率中心Oは、球冠状活物質粒子20の曲率中心Oと一致する。また、中空活物質粒子120の曲率中心Oは、外面121の曲率中心Oと内面122の曲率中心Oと同一であるものとし、球冠状活物質粒子20の曲率中心Oは、凸曲面21の曲率中心Oと凹曲面22の曲率中心Oと同一であるものとする。
Here, a spherical crown is a side portion of a sphere cut off from a portion of a sphere or an elliptical sphere along an arbitrary plane (the cutting
粉砕条件は、特に限定されるものではなく、用いる粉砕機や中空活物質粒子120によって異なる。粉砕後には、粉砕物を分級して微粉末の除去を行ない、所望の粒径を有する球冠状活物質粒子20を得ることができる。粉砕物の分級は、分級機能を備えたジェットミルにより実施しても良く、ジェットミルとは別の分級機を用いて実施しても良い。
Pulverization conditions are not particularly limited, and vary depending on the pulverizer and hollow active
中空活物質粒子120を粉砕することにより得られる球冠状活物質粒子20は、所定の厚みを有する略球冠状に形成され、凸曲面21と、凹曲面22と、切断面23と、を有する。凸曲面21は、中空活物質粒子120の外面121に対応し、外面121の一部が切断面23により切り取られたものである。凸曲面21は、一方向に突出する略球冠状に形成される。凹曲面22は、中空活物質粒子120の内面122に対応し、内面122の一部が切断面23により切り取られたものである。凹曲面22は、凸曲面21の突出方向と同じ一方向に窪む略球冠状に形成される。凹曲面22は、凸曲面21の突出方向側の反対側に存在し、凹曲面22と凸曲面21とは、互いに対向している。
Spherical crown-shaped
また、球冠状活物質粒子20には、凸曲面21に向かって端面の中央付近が略球冠状に窪んだ凹部24が形成される。凹部24は、中空活物質粒子120の中空部124に対応し、凹曲面22により画成される。切断面23は、凸曲面21の先端縁と凹曲面22の先端縁とを繋ぐ部分である。切断面23は、凹部24の開口を囲む略円環状を有する。
Also, in the spherical crown-shaped
このように、凸曲面21及び凹曲面22が湾曲した形状であると、嵩高い球冠状活物質粒子20が形成されるため、正極合材層10中における球冠状活物質粒子20同士の重なりを抑制することができる。これにより、球冠状活物質粒子20を用いた正極1では、活物質粒子同士の重なりに起因する反応面積の低下が抑制されるとともに、球冠状活物質粒子20間に電解液の浸透経路となる空隙が確保される。その結果、二次電池における入出力特性が向上する。
When the convex
続いて、ステップS3では、ステップS2で得られた球冠状活物質粒子20の物性を測定し、球冠状活物質粒子20の物性の測定値が所定値より大きい値であるか否かを確認する。球冠状活物質粒子20の物性としては、例えば、吸油量及びBET比表面積を用いることができる。また、ステップS4における所定値としては、球冠状活物質粒子20の材料となる中空活物質粒子120の吸油量及びBET比表面積を用いることができる。
Subsequently, in step S3, the physical properties of the spherical crown-shaped
この工程では、球冠状活物質粒子20について、吸油量とBET比表面積との少なくとも一方を測定する。そして、球冠状活物質粒子20の物性について測定した結果(測定値)が、中空活物質粒子120の同じ物性について測定した結果(所定値)と比べて大きい場合(ステップS3;YES)に、次のステップS4に進む。一方、球冠状活物質粒子20の物性について測定した結果(測定値)が、所定値以下である場合(ステップS3;NO)は、粉砕が不十分である等の理由により所望の球冠状活物質粒子20が得られていないと考えられるため、ステップS2に戻る。
In this step, at least one of the oil absorption and the BET specific surface area of the spherical crown-shaped
ここで、図3~5を参照して、本実施形態において望ましい球冠状活物質粒子20の構造について詳細を説明する。図3は、図1に示す正極に含まれる球冠状活物質粒子の一例を示す図である。図4は、図1に示す正極に含まれる球冠状活物質粒子の他の例を示す図である。図5は、図1に示す正極に含まれる球冠状活物質粒子の他の例を示す図である。
Here, the structure of the spherical crown-shaped
なお、図3~図5に示す実線は、球冠状活物質粒子20の凸曲面21を模式的に表したものとする。また、図3~図5に示す破線は、球冠状活物質粒子20の材料となる中空活物質粒子120の外面121を模式的に表したものとする。図3~図5では、球冠状活物質粒子20の全部が中空活物質粒子120の一部と一致するように球冠状活物質粒子20と中空活物質粒子120とを重ねて配置した場合を示している。そして、凸曲面21及び外面121の長軸は水平方向に延在し、凸曲面21及び外面121の短軸は鉛直方向に延在するように配置されている。
3 to 5 schematically represent the
図3~図5に示すように、中空活物質粒子120を分割する切断面23は、曲率中心Oを通る面であっても良く、曲率中心Oから隔てた位置にある面であっても良い。切断面23が形成される位置は、曲率中心Oから凸曲面21における切断面23側の先端に向かう方向と、凸曲面21における長軸と、のなす角が角度θとなる位置に形成される。そして、本実施形態では、角度θが±15°以内であることが好ましい。すなわち、球冠状活物質粒子20は、中心角が150°以上210°以下の球冠状であることが好ましい。
As shown in FIGS. 3 to 5, the cutting
具体的には、θ=0°である場合、切断面23は曲率中心Oを通る面であり、球冠状活物質粒子20は半球状に形成される。θ=15°である場合、切断面23は曲率中心Oから上側に間隔を隔てた位置にある面であり、球冠状活物質粒子20は、曲率中心Oを含む相対的に大きな体積の方の立体である。θ=-15°である場合、切断面23は曲率中心Oから下側に間隔を隔てた位置にある面であり、球冠状活物質粒子20は、曲率中心Oを含まない相対的に小さな体積の方の立体である。
Specifically, when θ=0°, the
さらに、角度θが±15°以内において、切断面23の形状は、図3及び図4に示すように、平面であっても良く、図5に示すように、凹凸状等の非平面であっても良い。このように、切断面23の位置及び形状に応じて球冠状活物質粒子20の形状が決定される。
Furthermore, within ±15° of the angle θ, the shape of the
そして、本実施形態では、正極合材層10が含有する全活物質粒子のうち、角度θが±15°以内で形成される球冠状活物質粒子20が占める割合は、好ましくは30質量%以上100質量%以下であり、より好ましくは50質量%以上100質量%以下である。このような割合で構成されることにより、二次電池の入出力特性を向上する効果が一層高められる。なお、正極合材層10は、上述した角度θが±15°以内で形成される球冠状活物質粒子20の他に別の活物質粒子を含んでも良い。別の活物質粒子とは、例えば中実構造の活物質粒子、中空構造の活物質粒子、角度θが±15°以外で形成される球冠状活物質粒子20等である。
In the present embodiment, the proportion of the spherical crown-shaped
続いて、ステップS4では、ステップS3において、物性が確認された球冠状活物質粒子20を用いて正極合材層10を形成するためのペーストを作製する。球冠状活物質粒子20を含むペーストは、球冠状活物質粒子20、導電材30、その他の添加剤、及び溶媒(水系溶媒、非水系溶媒又はこれらの混合溶媒)を所定の割合で混練することにより得られる。
Subsequently, in step S4, a paste for forming the positive
ステップS5では、ステップS4で得られたペーストの粘度を測定することにより、球冠状活物質粒子20を含むペーストの粘度の測定値が所定値より小さい値であるか否かを確認する。ステップS5における所定値としては、球冠状活物質粒子20の材料となる中空活物質粒子120を含むペーストの粘度を用いることができる。中空活物質粒子120を含むペーストは、中空活物質粒子120、導電材30、その他の添加剤、及び溶媒を、活物質粒子の種類を除いて球冠状活物質粒子20の場合と同じ材料及び割合で混練することにより得られる。
In step S5, by measuring the viscosity of the paste obtained in step S4, it is confirmed whether or not the measured value of the viscosity of the paste containing spherical crown-shaped
この工程では、球冠状活物質粒子20を含むペーストの粘度を測定する。そして、球冠状活物質粒子20を含むペーストの粘度を測定した結果(測定値)が、中空活物質粒子120を含むペーストの粘度を測定した結果(所定値)と比べて小さい場合(ステップS5;YES)に、次のステップS6に進む。一方、球冠状活物質粒子20を含むペーストの粘度を測定した結果(測定値)が、所定値以上である場合(ステップS5;NO)は、粉砕が不十分である等の理由により所望の球冠状活物質粒子20が得られていないと考えられるため、ステップS2に戻る。
In this step, the viscosity of the paste containing spherical crown-shaped
ステップS6では、球冠状活物質粒子20を含むペーストを正極集電体の表面に塗工し、これを乾燥することにより溶媒を揮発させ、乾燥したものを必要に応じてプレスする。これにより、正極集電体上に、正極合材層10を形成することができる。
In step S6, a paste containing the spherical crown-shaped
正極集電体上への正極合材層10の単位面積当たりの塗布量は、特に限定されるものではないが、十分な導電パスを確保する観点から、正極集電体の片面当たり3mg/cm2以上が好ましく、5mg/cm2以上がより好ましく、特に6mg/cm2以上であるとよい。なお、塗布量は、ペーストの固形分換算の塗付量である。
The coating amount per unit area of the positive
また、正極集電体の片面当たりの塗布量は、45mg/cm2以下が好ましく、28mg/cm2以下がより好ましく、特に15mg/cm2以下が好ましい。正極合材層10の密度も、特に限定されないが、1.0g/cm3以上3.8g/cm3以下であることが好ましく、1.5g/cm3以上3.0g/cm3以下がより好ましく、特に1.8g/cm3以上2.4g/cm3以下とすることが好ましい。
以上の製造方法により、本実施形態にかかる二次電池用正極を製造することができる。
The coating amount per one side of the positive electrode current collector is preferably 45 mg/cm 2 or less, more preferably 28 mg/cm 2 or less, and particularly preferably 15 mg/cm 2 or less. The density of the positive
By the manufacturing method described above, the positive electrode for a secondary battery according to this embodiment can be manufactured.
次に、図6~図9を参照して、球冠状活物質粒子20における角度θの最適な範囲について、正極の3次元モデルを用いて液伝導度、固体伝導度、及び有効反応面積をシミュレーションした結果に基づいて説明する。
Next, with reference to FIGS. 6 to 9, liquid conductivity, solid conductivity, and effective reaction area are simulated using a three-dimensional model of the positive electrode for the optimum range of the angle θ in the spherical crown-shaped
図6は、角度θが異なる活物質粒子をそれぞれ含む各種正極を示す図である。図7は、図6に示す各種正極の液伝導度を示すグラフである。図8は、図6に示す各種正極の固体伝導度を示すグラフである。図9は、図6に示す各種正極の有効反応面積を示すグラフである。 FIG. 6 is a diagram showing various positive electrodes each including active material particles with different angles θ. FIG. 7 is a graph showing the liquid conductivities of various positive electrodes shown in FIG. FIG. 8 is a graph showing the solid conductivity of various positive electrodes shown in FIG. FIG. 9 is a graph showing the effective reaction area of various positive electrodes shown in FIG.
図6に示すように、液伝導度、固体伝導度、及び有効反応面積をシミュレーションにより計測するにあたっては、角度θを90°、15°、0°、-15°に設計した各種活物質粒子を用いて各種正極を製造した。具体的には、活物質粒子のそれぞれと、導電材30、その他の添加剤、及び溶媒を含むペーストを正極集電体上に塗工し、これを乾燥、プレスした後、正極合材層中に電解液を浸透させることにより各種正極を製造した。角度θ=-15°、0°、15°の活物質粒子は、それぞれ球冠状活物質粒子20である。角度θ=90°の活物質粒子は、中空活物質粒子120である。
As shown in FIG. 6, in measuring the liquid conductivity, solid conductivity, and effective reaction area by simulation, various active material particles designed with angles θ of 90°, 15°, 0°, and -15° were used. Various positive electrodes were produced using Specifically, a paste containing each of the active material particles, the
さらに、FIB-SEM測定により各種正極の3次元モデルを取得した。そして、各種正極の3次元モデルを用いて画像解析を行い、それぞれ液伝導度、固体伝導度、及び有効反応面積を算出して図7~図9に示すグラフを作成した。 Further, three-dimensional models of various positive electrodes were obtained by FIB-SEM measurement. Then, image analysis was performed using three-dimensional models of various positive electrodes, and the liquid conductivity, solid conductivity, and effective reaction area were calculated, and the graphs shown in FIGS. 7 to 9 were created.
図7に示すグラフの横軸は角度θ[°]を示し、縦軸は液伝導度[S/m]を示している。なお、液伝導度は、電解液の電気伝導度である。図7に示すように、角度θが-90°~45°の範囲では、角度θが小さいほど液伝導度が上昇することが判った。一方、角度θが45°~90°の範囲では、角度θ=45°から角度θが大きくなるにつれて液伝導度は低下傾向であるが、角度θ=90°になると液伝導度が上昇することが判った。すなわち、角度θが45°以下では、角度θが小さいほど電気抵抗が減少することが示された。 The horizontal axis of the graph shown in FIG. 7 indicates the angle θ [°], and the vertical axis indicates the liquid conductivity [S/m]. In addition, the liquid conductivity is the electrical conductivity of the electrolytic solution. As shown in FIG. 7, it was found that the smaller the angle θ, the higher the liquid conductivity in the range of −90° to 45°. On the other hand, when the angle θ is in the range of 45° to 90°, the liquid conductivity tends to decrease as the angle θ increases from the angle θ = 45°, but the liquid conductivity increases when the angle θ = 90°. found out. That is, when the angle θ is 45° or less, it was shown that the electrical resistance decreased as the angle θ decreased.
続いて、図8に示すグラフの横軸は角度θ[°]を示し、縦軸は固体伝導度[S/m]を示している。なお、固体伝導度は、活物質粒子の電気伝導度である。図8に示すように、角度θが-90°~90°の範囲では、角度θが大きいほど固体伝導度が上昇することが判った。一方、角度θが小さすぎると、固体伝導度が低下することが判った。角度θが小さい活物質粒子は、比較的小さく分断された粒子であるため、十分な電気伝導性を確保するためには、角度θが大きい活物質粒子と比べると正極合材層中の導電材30の必要量が多くなることが示された。 Subsequently, the horizontal axis of the graph shown in FIG. 8 indicates the angle θ [°], and the vertical axis indicates the solid conductivity [S/m]. The solid conductivity is the electrical conductivity of the active material particles. As shown in FIG. 8, it was found that the larger the angle θ, the higher the solid conductivity in the range of −90° to 90°. On the other hand, it has been found that if the angle θ is too small, the solid conductivity decreases. Since the active material particles with a small angle θ are relatively small and divided particles, in order to ensure sufficient electrical conductivity, the amount of the conductive material in the positive electrode mixture layer is smaller than that of the active material particles with a large angle θ. The requirement for 30 was shown to be high.
続いて、図9に示すグラフの横軸は角度θ[°]を示し、縦軸は有効反応面積[m2]を示している。なお、有効反応面積は、活物質粒子と電解液との界面において電気化学反応に実際に寄与する活物質粒子の反応面積である。図9に示すように、角度θが-15°~90°の範囲では、角度θが小さいほど有効反応面積が上昇することが判った。一方、角度θが大きすぎると、有効反応面積が低下することが判った。すなわち、比較的小さく分断された粒子では、表面積が増加するため、有効反応面積が大きくなることが示された。 Subsequently, the horizontal axis of the graph shown in FIG. 9 indicates the angle θ [°], and the vertical axis indicates the effective reaction area [m 2 ]. The effective reaction area is the reaction area of the active material particles that actually contributes to the electrochemical reaction at the interface between the active material particles and the electrolytic solution. As shown in FIG. 9, it was found that the effective reaction area increased as the angle θ decreased in the range of −15° to 90°. On the other hand, it has been found that if the angle θ is too large, the effective reaction area decreases. That is, it was shown that relatively small and fragmented particles have a larger effective reaction area due to an increase in surface area.
図7~図9に示す結果から、角度θを±15°以内とした場合、液伝導度、固体伝導度、及び有効反応面積のバランスが良く、良好な性能を有する正極1を得ることができると判断し、角度θの最適範囲を決定した。
From the results shown in FIGS. 7 to 9, when the angle θ is within ±15°, the liquid conductivity, solid conductivity, and effective reaction area are well balanced, and the
次に、図10を参照して、実施例1~3、比較例1~7について説明する。なお、実施例は本発明を限定するものではない。図10は、実施例及び比較例を説明する表である。
図10に示す構成を備える10種類の正極を製造し、製造した正極と負極と2枚のセパレータとを重ね合わせて電極体を作製した。これを、注液口を有する電池ケースに収容した。続いて、電池ケースの注液口から電解液を注入し、当該注液口を気密に封止した。以上のようにして、10種類の評価用電池を作製した。セパレータには、ポリオレフィン多孔フィルムを用いた。電解液には、エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)との混合溶媒に六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を溶解させた非水電解液を用いた。
Next, Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 7 will be described with reference to FIG. In addition, an Example does not limit this invention. FIG. 10 is a table for explaining examples and comparative examples.
Ten types of positive electrodes having the configuration shown in FIG. 10 were manufactured, and the manufactured positive electrode, the negative electrode, and two separators were superimposed to prepare an electrode body. This was housed in a battery case having an injection port. Subsequently, the electrolytic solution was injected through the injection port of the battery case, and the injection port was airtightly sealed. As described above, 10 types of evaluation batteries were produced. A polyolefin porous film was used as the separator. As the electrolytic solution, a non-aqueous electrolytic solution was used in which lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) was dissolved in a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC).
実施例1~3は、図2に示すフローにしたがって製造した正極1である。実施例1~3の正極1は、粒径:5μm、厚さ:0.8~1.5μmの球冠状活物質粒子20を正極1の活物質粒子として用いた。球冠状活物質粒子20の材料としては、粒径:5μm、厚さ:0.8~1.5μm、外面121における長軸の長さ/短軸の長さ(L1/L2):1.0~1.5、内面122における長軸の長さ/短軸の長さ:1.0~1.8の中空活物質粒子120を用いた。中空活物質粒子120に対して、分級機能を備えたジェットミルによる粉砕を施した後、粉砕物を分級することにより、角度θ=0°の球冠状活物質粒子20を得た。
Examples 1 to 3 are
得られた球冠状活物質粒子20について、吸油量及びBET比表面積を測定した。そして、球冠状活物質粒子20の吸油量を測定した測定値が中空活物質粒子120の吸油量を測定して得られた所定値と比べて大きいことを確認した。また、球冠状活物質粒子20のBET比表面積を測定した測定値が中空活物質粒子120のBET比表面積を測定して得られた所定値と比べて大きいことを確認した。
The obtained spherical crown-shaped
比較例1~4の正極は、実施例1~3で用いた球冠状活物質粒子20の材料である中空活物質粒子120を正極の活物質粒子として用いた。比較例5~7の正極は、粒径:3μmに形成した小粒径活物質粒子を正極の活物質粒子として用いた。ここで用いられる小粒径活物質粒子は、中実構造を有し、一次粒子が集まって形成された二次粒子である。
In the positive electrodes of Comparative Examples 1 to 4, the hollow active
実施例1~3、比較例1~7において、正極の活物質粒子は、全てLiNi(1-X-Y)CoXMnYO2、0≦X≦0.35、0≦Y≦0.35で表される平均組成を有するリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物(NCM)を用いた。 In Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 7, the positive electrode active material particles were all LiNi (1-XY) CoXMnYO2 , 0≤X≤0.35 , 0≤Y≤0. A lithium-nickel-cobalt-manganese composite oxide (NCM) having an average composition represented by 35 was used.
各種正極は以下のように製造した。まず、活物質粒子(球冠状活物質粒子20、中空活物質粒子120、又は小粒径活物質粒子)と、導電材30(AB又はCNT)と、その他の添加剤とを図10に示す混合比で混合し、溶媒としてN-メチル-2-ピロリドンを添加して混練することによりペーストを作製した。作製したペーストを正極集電体であるアルミニウム箔の両面に、一定の厚み・塗工量となるように塗工し、乾燥後、プレスすることにより10種類のシート状の正極を製造した。なお、添加剤には、バインダとしてのPVdFを一定の割合で添加した。
Various positive electrodes were manufactured as follows. First, active material particles (spherical crown-shaped
ここで、球冠状活物質粒子20を含むペーストについては粘度を測定した。そして、球冠状活物質粒子20を含むペーストの粘度を測定した測定値が中空活物質粒子120を含むペーストの粘度を測定して得られた所定値と比べて小さいことを確認した。中空活物質粒子120を含むペーストは、活物質粒子の種類を除いて球冠状活物質粒子20の場合と同じ材料及び割合で作製されたものである。
Here, the viscosity of the paste containing the spherical crown-shaped
また、負極は以下のように製造した。負極の活物質粒子としての非晶質炭素でコートされた粒子状の天然黒鉛と、バインダとしてのスチレンブタジエンラバー(SBR)と、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース(CMC)とを、一定の質量比にてイオン交換水中で混錬することにより、負極合材層を形成するためのペーストを調製した。得られたペーストを、負極集電体である銅箔の両面に塗工し、乾燥後、プレスすることにより負極を製造した。 Moreover, the negative electrode was manufactured as follows. Particulate natural graphite coated with amorphous carbon as active material particles of the negative electrode, styrene-butadiene rubber (SBR) as a binder, and carboxymethyl cellulose (CMC) as a thickener were mixed at a constant mass ratio. A paste for forming a negative electrode mixture layer was prepared by kneading in ion-exchanged water at . The resulting paste was applied to both sides of a copper foil as a negative electrode current collector, dried, and then pressed to produce a negative electrode.
以上の実施例1~3及び比較例1~7の各正極をそれぞれ含む10種類の評価用電池について、電圧降下量を測定した。10種類の評価用電池は、25℃の環境下において、SOC(State Of Charge)60%の充電状態から10~40Cの電流値で放電を行った時の放電開始から10秒間後のそれぞれの電圧降下量を測定した。電圧降下量を測定した結果を図10の結果欄に示す。 The amount of voltage drop was measured for 10 types of evaluation batteries each containing the positive electrodes of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 7 described above. The 10 types of evaluation batteries were discharged at a current value of 10 to 40 C from a state of charge of 60% SOC (State Of Charge) in an environment of 25 ° C. Each voltage after 10 seconds from the start of discharge The amount of descent was measured. The result of measuring the amount of voltage drop is shown in the result column of FIG.
図10の結果より、導電材30がABである場合、実施例1、2と比較例1とを比べると、実施例1、2ではABの使用量を増量することにより電圧降下量を低減できることが判った。また、導電材30がCNTである場合、実施例3と比較例2~7とを比べると、実施例3は、比較例2~7と比べて、例えばCNTの使用量が同じであっても電圧降下量を効果的に低減できるため、必要以上にCNTを増量する必要がないことが判った。
From the results of FIG. 10, when the
さらに、正極合材層10中における導電材30の分布について図1及び図17を参照して説明する。図17は、比較例の二次電池用正極を示す図である。ここで、図1の上側には、導電材30としてABを用いた実施例1にかかる正極1の3次元モデルを示している。また、図17には、導電材30としてABを用いた比較例1にかかる正極の3次元モデルを示している。実施例1及び比較例1は、活物質粒子を除いて共通の構成を有する。
Furthermore, the distribution of the
そして、実施例1及び比較例1について導電材30の分布を比較すると、比較例1では、中空活物質粒子120の中空部124には導電材30が存在せず、中空活物質粒子120の粒子間に形成される空隙に導電材30が偏在していることが確認できる。これに対し、実施例1では、球冠状活物質粒子20の凸曲面21及び凹曲面22を含む外表面全体に亘って導電材30が接触可能に分布していることが確認できる。このように、本実施形態によれば、球冠状活物質粒子20の外表面を最大限に活用できるため、効率良く有効反応面積を確保することができる。
Comparing the distribution of the
次に、図10に示す結果が得られた理由について、正極の3次元モデルを用いて活物質粒子の反応面積及び正極の空隙率をシミュレーションした結果に基づいて説明する。これらのシミュレーションを行うにあたっては、4種類の活物質粒子を用意した。 Next, the reason why the results shown in FIG. 10 were obtained will be described based on the result of simulating the reaction area of the active material particles and the porosity of the positive electrode using a three-dimensional model of the positive electrode. Four types of active material particles were prepared for these simulations.
4種類の活物質粒子は、球冠状活物質粒子20、中空活物質粒子120、中実活物質粒子220、及び板状活物質粒子320である。球冠状活物質粒子20は、半径:2.5μm(すなわち、粒径:5μm)、厚さ:1μmを有する。中空活物質粒子120は、半径:2.5μm(すなわち、粒径:5μm)、厚さ:1μm、外面121における長軸の長さ/短軸の長さ(L1/L2):1.05、内面122における長軸の長さ/短軸の長さ:1.05を有する。中実活物質粒子220は、一次粒子が集まって形成された略球状の二次粒子であって、半径:2.5μm(すなわち、粒径:5μm)、長軸の長さ/短軸の長さ:1.05を有する。板状活物質粒子320は、略矩形板状に形成され、長軸の長さ:2.5μm、短軸の長さ(厚さ):1μmを有する。ここで用いられる球冠状活物質粒子20は、半径:2.5μm(すなわち、粒径:5μm)、厚さ:1μm、外面121における長軸の長さ/短軸の長さ(L1/L2):1.05、内面122における長軸の長さ/短軸の長さ:1.05を有する中空活物質粒子120を粉砕したものである。
The four types of active material particles are spherical crown-shaped
まず、図11及び図12を参照して活物質粒子の反応面積についてシミュレーションした結果を説明する。図11は、反応面積の評価に用いた各種正極を説明する図である。図12は、図11に示す各種正極について活物質粒子の反応面積を評価した結果を示すグラフである。 First, results of a simulation of the reaction area of the active material particles will be described with reference to FIGS. 11 and 12. FIG. FIG. 11 is a diagram illustrating various positive electrodes used for evaluation of the reaction area. FIG. 12 is a graph showing the results of evaluating the reaction area of active material particles for various positive electrodes shown in FIG.
図11に示すように、活物質粒子の反応面積をシミュレーションにより計測するにあたっては、20μm四方の筐体を用いて形成される(20μm)3の領域内に各種活物質粒子をランダムに充填した。具体的には、活物質粒子のそれぞれと、導電材30、その他の添加剤、及び溶媒を含むペーストを正極集電体上に塗工し、これを乾燥、プレスした後、正極合材層中に電解液を浸透させた。これにより、(20μm)3の領域内に形成される各種正極を製造した。各種正極におけるそれぞれの活物質粒子の充填率は、45%とした。
As shown in FIG. 11, in measuring the reaction area of the active material particles by simulation, various active material particles were randomly filled in a region (20 μm) 3 formed using a 20 μm square housing. Specifically, a paste containing each of the active material particles, the
実施例Aは、球冠状活物質粒子20を含む正極1である。比較例Aは、中空活物質粒子120を含む正極である。参考例1Aは、中実活物質粒子220を含む正極である。参考例2Aは、板状活物質粒子320を含む正極である。
Example A is a
さらに、FIB-SEM測定により各種正極の3次元モデルを取得した。そして、各種正極の3次元モデルを用いて画像解析を行い、理論反応面積及び有効反応面積を算出して図12に示すグラフを作成した。図12には、各種正極における活物質粒子と電解液との界面おける反応面積(理論反応面積及び有効反応面積)を比較した結果を示している。図12に示す実線は、理論反応面積のプロット値から算出した近似曲線である。図12に示す破線は、比較例Aについては有効反応面積のプロット値を用いて算出した近似曲線である。 Further, three-dimensional models of various positive electrodes were obtained by FIB-SEM measurement. Then, image analysis was performed using three-dimensional models of various positive electrodes, and the theoretical reaction area and effective reaction area were calculated, and the graph shown in FIG. 12 was created. FIG. 12 shows the result of comparing the reaction area (theoretical reaction area and effective reaction area) at the interface between the active material particles and the electrolytic solution in various positive electrodes. The solid line shown in FIG. 12 is an approximated curve calculated from the plotted values of the theoretical reaction area. The dashed line shown in FIG. 12 is an approximate curve calculated using the plotted values of the effective reaction area for Comparative Example A. As shown in FIG.
図12に示すように、理論反応面積は下記の通りである。
参考例1A:5.71×10-9[m2]
参考例2A:8.53×10-9[m2]
実施例A:11.2×10-9[m2]
比較例A(外面121及び内面122):10.3×10-9[m2]
As shown in FIG. 12, the theoretical reaction area is as follows.
Reference Example 1A: 5.71×10 −9 [m 2 ]
Reference Example 2A: 8.53×10 −9 [m 2 ]
Example A: 11.2×10 −9 [m 2 ]
Comparative Example A (
それぞれの反応面積について考察すると、参考例1Aに含まれる中実活物質粒子220では、粒子同士の重なりを除いた外側の面のみが反応面積にあたるため、他の例と比べて反応面積が低下した。また、参考例2Aに含まれる板状活物質粒子320では、製造時に行われるプレスに伴い、板状活物質粒子320の厚さ方向における両面が正極集電体の面内方向に配向した状態となる。これにより、板状活物質粒子320を用いた場合、粒子同士が重なり合う部分が多くなり、反応面積が低下した。
Considering the respective reaction areas, in the solid active
続いて、比較例Aについては、図13を参照しつつ説明する。図13は、中空活物質粒子の反応面積について説明する図である。比較例Aに含まれる中空活物質粒子120では、粒子同士の重なりを除いた中空活物質粒子120の外面121及び内面122が理論反応面積にあたる。しかしながら、比較例Aについて有効反応面積を考えた場合、中空部124には、導電材30が存在しないため、中空部124における電子伝導性を十分に確保することができない。
Subsequently, Comparative Example A will be described with reference to FIG. 13 . FIG. 13 is a diagram explaining the reaction area of the hollow active material particles. In the hollow active
このように、中空活物質粒子120を用いた場合、中空部124を十分に活用することができず、内面122と電解液との界面における反応性は低下する。したがって、中空部124を除外した外面121のみが有効反応面積にあたると考えて比較例Aの有効反応面積を算出すると、有効反応面積は7.22×10-9[m2]となる。
Thus, when the hollow active
これらに対し、実施例Aに含まれる球冠状活物質粒子20では、反応面積の低下を抑制することができる。図14は、球冠状活物質粒子の反応面積について説明する図である。図14に示すように、球冠状活物質粒子20は、粒子同士の重なりを除いた凸曲面21、凹曲面22、及び切断面23が理論反応面積にあたる。さらに、球冠状活物質粒子20においては、粒子の嵩高さにより、粒子同士の重なりが防止される。そのため、球冠状活物質粒子20を用いた場合、例えば、板状活物質粒子320と比べて粒子同士の重なりに起因する反応面積の低下が抑制される。また、中空活物質粒子120の中空部124に対応する凹曲面22についても、反応面積から除外されることなく反応場として有効に活用できる。
In contrast, the spherical crown-shaped
次に、図15及び図16を参照して正極の空隙率についてシミュレーションした結果を説明する。図15は、空隙率の評価に用いた各種正極を説明する図である。図16は、図15に示す各種正極について空隙率を評価した結果を示すグラフである。 Next, results of simulating the porosity of the positive electrode will be described with reference to FIGS. 15 and 16. FIG. FIG. 15 is a diagram illustrating various positive electrodes used for porosity evaluation. FIG. 16 is a graph showing results of porosity evaluation of various positive electrodes shown in FIG.
図15に示すように、正極の空隙率をシミュレーションにより計測するにあたっては、16μm四方の筐体を用いて形成される(16μm)3の領域内に各種活物質粒子をランダムに充填した。具体的には、活物質粒子のそれぞれと、導電材30、その他の添加剤、及び溶媒を含むペーストを正極集電体上に塗工し、これを乾燥した後、正極合材層中に電解液を浸透させた。これにより、(16μm)3の領域内に形成される各種正極を製造した。各種正極におけるそれぞれの活物質粒子は、鉛直方向の上方から成り行きで充填したものである。
As shown in FIG. 15, in measuring the porosity of the positive electrode by simulation, various active material particles were randomly filled in a region (16 μm) 3 formed using a 16 μm square housing. Specifically, a paste containing each of the active material particles, the
実施例Bは、球冠状活物質粒子20を含む正極1である。比較例Bは、中空活物質粒子120を含む正極である。参考例1Bは、中実活物質粒子220を含む正極である。参考例2Bは、板状活物質粒子320を含む正極である。
Example B is a
さらに、FIB-SEM測定により各種正極の3次元モデルを取得した。そして、各種正極の3次元モデルを用いて画像解析を行い、理論空隙率及び有効空隙率を算出して図16に示すグラフを作成した。図16には、各種正極における活物質粒子間に形成される空隙率(理論空隙率及び有効空隙率)を比較した結果を示している。図16に示す実線は、理論空隙率のプロット値から算出した近似曲線である。図16に示す破線は、比較例Bについては有効空隙率のプロット値を用いて算出した近似曲線である。空隙率は、(16μm)3の領域内に占める活物質粒子の体積の割合から、活物質粒子以外の体積が占める割合を算出した。 Further, three-dimensional models of various positive electrodes were obtained by FIB-SEM measurement. Then, image analysis was performed using three-dimensional models of various positive electrodes, and the theoretical porosity and effective porosity were calculated, and the graph shown in FIG. 16 was created. FIG. 16 shows the result of comparing the porosity (theoretical porosity and effective porosity) formed between active material particles in various positive electrodes. The solid line shown in FIG. 16 is an approximate curve calculated from the plotted values of the theoretical porosity. The dashed line shown in FIG. 16 is an approximate curve calculated using the plotted values of the effective porosity for Comparative Example B. As shown in FIG. The porosity was calculated by calculating the ratio of the volume other than the active material particles from the ratio of the volume of the active material particles in the region of (16 μm) 3 .
図16に示すように、理論空隙率は下記の通りである。
参考例1B:42.0[%]
参考例2B:51.0[%]
実施例B:53.8[%]
比較例B(中空部124を含む):54.5[%]
As shown in FIG. 16, the theoretical porosity is as follows.
Reference Example 1B: 42.0 [%]
Reference Example 2B: 51.0 [%]
Example B: 53.8 [%]
Comparative example B (including hollow portion 124): 54.5 [%]
それぞれの空隙率について考察すると、参考例1Bでは、中実活物質粒子220が略球状であるため、充填量が多くなり、他の例と比べて空隙率が低下した。また、参考例2Bでは、成り行きで充填された板状活物質粒子320がランダムに配向するため、粒子間に空隙が形成されやすく、参考例1Bと比べると空隙率が向上した。
Considering each porosity, in Reference Example 1B, since the solid active
続いて、比較例Bでは、中空活物質粒子120の粒子間及び中空部124が理論空隙率にあたるため、理論空隙率は他の例と比べて大きくなる。しかしながら、比較例Bについて有効空隙率を考えた場合、反応面積の場合と同様に、中空部124には、導電材30が存在しないため、中空部124を十分に活用することができず、内面122と電解液との界面における反応性は低下する。したがって、中空部124を除外した粒子間の空隙のみが有効空隙率にあたると考えて比較例Bの有効空隙率を算出すると、有効空隙率は42.0[%]となる。
Subsequently, in Comparative Example B, the theoretical porosity corresponds to the inter-particle space and the
これらに対し、実施例Bでは、成り行きで充填された球冠状活物質粒子20がランダムに配向するため、粒子間に空隙が形成されやすい。また、球冠状活物質粒子20は湾曲した形状であるため、板状活物質粒子320と比べてさらに空隙率が向上する。したがって、実施例Bでは、正極合材層10中の空隙を十分に確保でき、正極合材層10に対する電解液の浸透性が向上する。そのため、実施例Bの正極1を用いれば、正極合材層10中でリチウムイオンをスムーズに拡散及び移動させることができ、二次電池における入出力特性が向上するものと考えられる。
On the other hand, in Example B, since the filled spherical crown-shaped
ところで、二次電池の入出力特性を向上するためには、活物質粒子を微細化して反応面積を増加させる方法も考えられるが、活物質粒子の粒径が小さすぎると生産性が低下したり、電池特性が低下したりする問題が生じる場合がある。一方、球冠状活物質は、ある程度の粒径を有するため、粒径が小さすぎることに起因する生産性の低下を抑制しつつ、正極1を容易に製造することができる。
By the way, in order to improve the input/output characteristics of a secondary battery, it is conceivable to make the active material particles finer to increase the reaction area. , a problem such as deterioration of battery characteristics may occur. On the other hand, since the spherical crown-shaped active material has a certain particle size, it is possible to easily manufacture the
以上説明したように、本実施形態にかかる二次電池用正極は、リチウム遷移金属酸化物で構成される略球殻状又は略楕円球殻状の中空活物質粒子120の一部が切断面23により切り取られた略球冠状に形成される球冠状活物質粒子20を含む。この球冠状活物質粒子20は、一方向に突出する略球冠状の凸曲面21と、一方向側の反対側に存在するとともに一方向に窪む略球冠状の凹曲面22と、を有する。
As described above, in the positive electrode for a secondary battery according to the present embodiment, part of the hollow active
このような構成により、正極活物質である球冠状活物質粒子20の外表面全体を電気化学反応に寄与し得る有効な反応場として利用することができる。そして、球冠状活物質粒子20は湾曲した形状であるため、正極合材層10中において球冠状活物質粒子20同士が重なる部分が低減される。これより、粒子同士の重なりに起因する反応面積の低下が抑制される。さらに、球冠状活物質粒子20間には電解液の浸透経路となる空隙が確保されるため、内部抵抗の増加が抑制される。したがって、本実施形態によれば、高入出力特性を有する二次電池を提供することができる。
With such a configuration, the entire outer surface of the spherical crown-shaped
また、本実施形態にかかる二次電池用正極では、球冠状活物質粒子20とCNTとの組み合わせにより、CNTの使用量を低減しても、正極合材層10中の電子伝導性を十分に確保することが可能であるため、相対的に球冠状活物質粒子20の割合を増加させることができる。したがって、本実施形態によれば、高エネルギー密度の二次電池を提供することができる。
In addition, in the positive electrode for a secondary battery according to the present embodiment, the combination of the spherical crown-shaped
また、球冠状活物質粒子20は、凸曲面21の曲率中心Oから凸曲面21の先端に向かう方向と、凸曲面21の長軸と、のなす角度θが±15°以内であることが好ましい。このような構成によれば、電子伝導性が良好、且つ反応場が確保された性能のバランスに優れた正極1を得ることができる。
In addition, in the spherical crown-shaped
また、球冠状活物質粒子20の材料となる中空活物質粒子120の内面122について、長軸の長さ/短軸の長さは、1.0以上1.5未満であることが好ましい。また、球冠状活物質粒子20の材料となる中空活物質粒子120の外面121について、長軸の長さ/短軸の長さ(L1/L2)は、1.0以上1.8未満であることが好ましい。このように構成される中空活物質粒子120を用いて球冠状活物質粒子20を形成すると、球冠状活物質粒子20の凸曲面21及び凹曲面22がそれぞれ湾曲した形状となって粒子が嵩高くなる。これにより、正極合材層10中における球冠状活物質粒子20同士の重なりを抑制することができる。
In addition, regarding the
さらに、本実施形態にかかる二次電池用正極の製造方法によれば、中空活物質粒子120を粉砕する際の粉砕条件を制御することによって、上記の効果を奏する二次電池用正極を製造することができる。
Furthermore, according to the method for manufacturing a positive electrode for a secondary battery according to the present embodiment, by controlling the pulverization conditions when pulverizing the hollow active
また、粉砕して得られた球冠状活物質粒子20の物性について適宜測定を行うことにより、中空活物質粒子120が適切に粉砕されているか確認しながら、粉砕条件を調整することができる。さらに、球冠状活物質粒子20を含むペーストの粘度について適宜測定を行うことにより、中空活物質粒子120が適切に粉砕されているか確認しながら、粉砕条件を調整することができる。このような構成によれば、所望の球冠状活物質粒子20を確実に得ることができ、球冠状活物質粒子20を用いて製造された二次電池用正極の品質が向上する。
Further, by appropriately measuring the physical properties of the spherical crown-shaped
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲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、ジェットミルを用いて中空活物質粒子120の粉砕を行ったが、これに限らず、他の粉砕方式を用いても良い。他の粉砕方式としては、ボールミル、ビーズミル、ロッドミル等を用いることができる。
It should be noted that the present invention is not limited to the above embodiments, and can be modified as appropriate without departing from the scope of the invention. For example, in the above embodiment, the hollow active
また、吸油量については、中空活物質粒子120<板状活物質粒子320<微粉末活物質粒子<球冠状活物質粒子20の関係が成り立つことが判っている。ここで、微粉末活物質粒子は、例えば、中空活物質粒子120を粉砕機で粉砕した場合に、球冠状活物質粒子20よりさらに微細に粉砕して得られる活物質粒子である。そのため、吸油量の所定値として、板状活物質粒子320又は微粉末活物質粒子の吸油量を測定した結果を用いても良い。さらに、ペーストの粘度については、ペーストに含有される活物質粒子によって、球冠状活物質粒子20<中空活物質粒子120<板状活物質粒子320の関係が成り立つことが判っている。そのため、粘度の所定値として、板状活物質粒子320を含むペーストの粘度を測定した結果を用いても良い。
In addition, it is known that the relationship of hollow active
1 正極
10、10a、10b 正極合材層
20 球冠状活物質粒子
21 凸曲面
22 凹曲面
23 切断面
24 凹部
30 導電材
120 中空活物質粒子
121 外面
122 内面
123 殻部
124 中空部
220 中実活物質粒子
320 板状活物質粒子
O 曲率中心
θ 角度
1
Claims (8)
前記集電体上に形成され、正極活物質及び導電材を含む正極合材層と、を有し、
前記正極活物質は、
リチウム遷移金属酸化物で構成される略球殻状又は略楕円球殻状の中空活物質粒子の一部が切断面により切り取られた略球冠状に形成され、
一方向に突出する略球冠状の凸曲面と、
前記一方向側の反対側に存在するとともに前記一方向に窪む略球冠状の凹曲面と、
を有する二次電池用正極。 a current collector;
a positive electrode mixture layer formed on the current collector and containing a positive electrode active material and a conductive material;
The positive electrode active material is
A substantially spherical shell-shaped or substantially elliptical spherical shell-shaped hollow active material particle composed of a lithium transition metal oxide is partially formed into a substantially spherical crown shape by cutting a cut surface,
a substantially spherical crown-shaped convex curved surface protruding in one direction;
a substantially spherical crown-shaped concave curved surface existing on the opposite side of the one-way side and recessed in the one-way;
A positive electrode for a secondary battery having
前記凹曲面は、前記内面の長軸に沿う前記切断面により切り取られた略球冠状に形成される請求項1から3のいずれか1項に記載の二次電池用正極。 the ratio of the length of the major axis to the length of the minor axis passing through the center of curvature of the inner surface of the hollow active material particle is 1.0 or more and less than 1.5;
The positive electrode for a secondary battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the concave curved surface is formed in a substantially spherical crown shape cut by the cut surface along the major axis of the inner surface.
前記凸曲面は、前記外面の長軸に沿う前記切断面により切り取られた略球冠状に形成される請求項1から4のいずれか1項に記載の二次電池用正極。 the ratio of the length of the long axis to the length of the short axis passing through the center of curvature of the outer surface of the hollow active material particle is 1.0 or more and less than 1.8;
The positive electrode for a secondary battery according to any one of claims 1 to 4, wherein the convex curved surface is formed in a substantially spherical crown shape cut by the cut surface along the major axis of the outer surface.
前記中空活物質粒子を粉砕して、前記中空活物質粒子の一部が切断面により切り取られた略球冠状に形成される正極活物質を形成するステップと、
集電体上に前記正極活物質及び導電材を含む正極合材層を形成するステップと、
を有し、
前記正極活物質は、一方向に突出する略球冠状の凸曲面と、前記一方向側の反対側に存在するとともに前記一方向に窪む略球冠状の凹曲面と、を有する二次電池用正極の製造方法。 forming substantially spherical shell-shaped or substantially elliptical spherical shell-shaped hollow active material particles composed of a lithium transition metal oxide;
pulverizing the hollow active material particles to form a positive electrode active material having a substantially spherical crown shape in which a portion of the hollow active material particles is cut by a cut surface;
forming a positive electrode mixture layer containing the positive electrode active material and a conductive material on a current collector;
has
The positive electrode active material has a substantially spherical crown-shaped convex curved surface protruding in one direction and a substantially spherical crown-shaped concave curved surface existing on the opposite side of the one direction and recessed in the one direction. A method for manufacturing a positive electrode.
前記正極活物質の吸油量とBET比表面積との少なくとも一方を測定した結果が、前記中空活物質粒子について測定した結果と比べて大きい場合に、前記正極合材層を形成するステップに進む請求項6に記載の二次電池用正極の製造方法。 In the step of forming the positive electrode active material,
3. When the result of measuring at least one of the oil absorption amount and the BET specific surface area of the positive electrode active material is larger than the result of measuring the hollow active material particles, proceeding to the step of forming the positive electrode mixture layer. 7. The method for manufacturing the positive electrode for a secondary battery according to 6.
前記正極活物質、前記導電材、及び溶媒を所定の割合で含むペーストを作製するステップを含み、
前記ペーストの粘度を測定した結果が、前記中空活物質粒子、前記導電材、及び前記溶媒を前記所定の割合で含むペーストの粘度を測定した結果と比べて小さい場合に、前記集電体上に前記正極活物質、前記導電材、及び前記溶媒を含むペーストを塗工して前記正極合材層を形成する請求項6又は7に記載の二次電池用正極の製造方法。 The step of forming the positive electrode mixture layer includes:
A step of preparing a paste containing the positive electrode active material, the conductive material, and a solvent in a predetermined ratio,
When the result of measuring the viscosity of the paste is smaller than the result of measuring the viscosity of the paste containing the hollow active material particles, the conductive material, and the solvent in the predetermined ratio, on the current collector 8. The method of manufacturing a positive electrode for a secondary battery according to claim 6, wherein the positive electrode mixture layer is formed by applying a paste containing the positive electrode active material, the conductive material, and the solvent.
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