JP7271598B2 - 非水電解液二次電池用負極および非水電解液二次電池 - Google Patents
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Description
かかる構成によれば、第1の負極活物質の内部が均一に被覆された状態であり、第1の負極活物質を構成する鱗片状黒鉛のそれぞれにおいて、充放電に伴う体積膨張が抑制される。また、鱗片状黒鉛のエッジ面が好適に被覆された状態であるため、非水電解液等と過剰に反応して負極の抵抗が増加することが抑制される。これに加えて、黒鉛層間距離が所定の範囲内である第2の負極活物質を用いることにより、イオン拡散性を向上させて、負極の初期抵抗値も抑制されている。したがって、非水電解液二次電池の初期抵抗を低減するとともに、耐久性の向上を実現する負極を実現することができる。
かかる構成によれば、負極活物質の内部に存在し得る空隙と、負極活物質粒子間に存在し得る空隙とが好適に調整され、非水電解液二次電池の抵抗の低減と耐久性の向上をより高いレベルで実現することができる。
上述した特性を備える負極を非水電解液二次電池の負極として採用することにより、初期抵抗が低減され、かつ、抵抗増加率を抑制することができる。また、非水電解液中に好適にSEI(Solid Electrolyte Interface)膜の形成し得る被膜形成剤を含むことによって、抵抗増加率をさらに抑制することができる。
なお、本明細書において範囲を示す「A~B(ただし、A、Bは任意の値。)」の表記は、A以上B以下を意味するものとする。
正極活物質の平均粒径は、特に限定されないが、概ね0.5μm以上50μm以下であってよく、典型的には1μm以上20μm以下であってよい。なお、本明細書において、「平均粒径」とは、一般的なレーザ回析・光散乱法に基づく体積基準の粒度分布において、粒径が小さい微粒子側からの累積頻度50体積%に相当する粒径(D50、メジアン径ともいう。)をいう。
なお、本明細書において「略球形状」とは、球状、ラグビーボール状、多角体状等をも包含する用語であり、平均アスペクト比(粒子の外接する最小の長方形において、短軸方向の長さに対する長軸方向の長さの比。)が、概ね1以上2以下、例えば1以上1.5以下であるものをいう。かかるアスペクト比は、電子顕微鏡を用いて複数(例えば2以上)の観察画像において選定された50個以上の活物質粒子の外接する最小の長方形において、短軸方向の長さに対する長軸方向の長さの算出平均値を採用することができる。
なお、かかる平均厚みは、電子顕微鏡(例えば透過電子顕微鏡)を用いて複数(例えば2以上)の観察画像において選定された50か所以上の厚みの算出平均値を採用することができる。
鱗片状黒鉛12の性状は特に限定されるものではないが、例えば平均粒径が1μm以上100μm以下であってよく、5μm以上50μm以下であってよい。鱗片状黒鉛12の真密度は2g/cm3以上3g/cm3以下であってよく、2.1g/cm3以上2.8g/cm3以下であってよい。このような鱗片状黒鉛12は、市販品を購入することにより用意してもよい。
一方で、低結晶性炭素14の黒鉛層間距離は、5.0Å以下であってよく、4.8Å以下であってよく、4.5Å以下であってよい。黒鉛層間距離が5.0Å以上である場合には、黒鉛層同士の間にファンデルワールス力が影響を及ぼさない距離となるため、このような炭素材料を製造することは困難である。また、5.0Å以上の黒鉛層間距離を不規則に有するランダムな配向の炭素材料を形成することはできるが、π共役が発達していないため導電性が低く電池材料(負極活物質)として好ましくない。
なお、結晶性が高い黒鉛(例えば一般的な天然黒鉛や人造黒鉛等)の黒鉛層間距離(d(002)面の格子面間隔)は、X線回折法によって求めることができる。しかしながらここに開示される技術においては、低結晶性炭素の結晶性が低いことに加え、低結晶性炭素の被覆が数nm~数十nmであるため、X線回折法による黒鉛層間距離の算出が困難であった。このため、上記の測定方法を用いて算出される値を、本明細書における黒鉛層間距離として採用する。
まず、黒鉛質材料(典型的には鱗片状黒鉛)と、低結晶性炭素の前駆体とを用意する。低結晶性炭素の前駆体としては、各種ピッチ類(例えば、石油ピッチ、コールタールピッチ、ナフサピッチ等)、あるいは有機高分子化合物(例えば、フェノール樹脂、セルロース樹脂、ポリビニルアルコール、ポリアミド樹脂等)等の炭素化可能な材料が挙げられる。これらは1種を単独で、あるいは2種以上を組み合わせて用いることができる。
次いで、黒鉛質材料と低結晶性炭素の前駆体とを混合する。該混合粉末を、低結晶性炭素の前駆体の軟化点(例えば300℃以上)で焼成することにより該前駆体を溶融し、黒鉛質材料の表面に付着させる。該前駆体が付着した状態で、不活性ガス雰囲気でさらに高い温度(例えば600℃~1000℃)で焼成することにより、黒鉛質材料の表面の少なくとも一部に、低結晶性炭素の前駆体に由来する被覆を備える炭素粉末を得ることができる。
これに加えて、ここに開示される技術においては、第1の負極活物質10を構成する鱗片状黒鉛12の少なくとも一部の表面が低結晶性炭素14によって被覆されていることにより、第1の負極活物質10の表面だけでなく内部(換言すれば、第1の負極活物質10を構成する鱗片状黒鉛12のそれぞれ)においても、エッジ面が好適に被覆されている状態である。これにより、第1の負極活物質10の内部においても、エッジ面と非水電解液とが過剰に反応することを、より好適に抑制することができる。さらに、上述したように、鱗片状黒鉛12を低結晶性炭素14によって被覆してから球形化することにより、第1の負極活物質10の内部の空隙16を減少させることができる。空隙16が減少して低結晶性炭素14同士の結合力が増加することにより、第1の負極活物質10全体の結着力が増加し、負極60の膨張を抑制することができる。また、第1の負極活物質10の内部の空隙16が減少することで、従来に比して導電性が向上する。かかる構成によれば、非水電解液二次電池の抵抗低減と耐久性向上を実現することができる。
第2の負極活物質の平均粒径は、特に限定されるものではないが、概ね1μm以上30μm以下であってよく、例えば5μm以上15μm以下であってよい。
第2の負極活物質としては、上述した範囲の黒鉛層間距離を有するものであれば特に限定されない。かかる第2の負極活物質は従来公知の方法によって製造してもよいし、市販品を購入することで用意してもよい。
詳しくは後述するが、負極活物質層64中における粒子間に生じる空隙(換言すれば、粒子外空隙)の全容積は、Log微分細孔容積分布において相対的に細孔径の大きいピークPLが占める面積Lとして把握され得る。また、負極活物質層64中のそれぞれの粒子内部における空隙(換言すれば粒子内空隙)の全容積は、Log微分細孔容積分布において相対的に細孔径の小さいピークPSが占める面積Sとして把握され得る。したがって、ピークPSが占めるピーク面積Sに対するピークPLが占めるピーク面積Lの比(L/S)が高い値であるほど、各粒子(負極活物質)において粒子内空隙が少ないことを示している。本発明者が鋭意検討した結果によれば、粒子内空隙と粒子外空隙とのバランスを上記範囲内に調整することにより、非水電解液二次電池の抵抗低減と耐久性の向上を実現することができる。粒子内空隙と粒子外空隙とのバランスは、例えば、各負極活物質の性状や、第1の負極活物質と第2の負極活物質との配合比によって調整することができる。
すなわち、ピークPSが占めるピーク面積Sに対するピークPLが占めるピーク面積Lの比(L/S)によって、粒子外空隙の全容積と粒子内空隙の全容積との比を把握することができる。2つのピークPL、PS間でLog細孔径が極小値となるH地点を、2つのピークPL、PSの境界として設定すればよい。また、Log細孔径の極小値がブロードピーク(例えば0.01cm3/g以上差がない)場合は、該ピークにおいて0.01cm3/g以上差がない領域を抽出し、ピークPLの半値幅とピークPSの半値幅との比率に基づいて、境界Hを決定すればよい。
支持塩としては、従来のこの種の非水電解液二次電池に用いられる支持塩を特に制限することなく用いることができる。例えば、LiPF6,LiBF4,LiAsF6,LiCF3SO3,LiC4F9SO3,LiN(CF3SO2)2,LiC(CF3SO2)3等のリチウム塩を用いることができる。なかでも、LiPF6を好ましく用いることができる。支持塩の濃度は、例えば0.7mol/L以上1.3mol/L以下にするとよい。
(負極活物質A)
鱗片状黒鉛(伊藤黒鉛工業(株)製、CNP15)と、低結晶性炭素の前駆体としてのコールタールピッチとを用意した。鱗片状黒鉛100質量部とコールタールピッチ5質量部とをローラーミキサーを用いて混合し、混合粉末を得た。かかる混合粉末をアルミナ坩堝に入れ、管状炉を用いて窒素雰囲気下、300℃で1時間焼成した。その後、窒素雰囲気下において昇温し、1000℃で1時間焼成した(焼成処理)。これにより、鱗片状黒鉛の少なくとも一部の表面に低結晶性炭素が被覆された炭素粉末を得た。かかる炭素粉末をボールミルに投入し、該炭素粉末を転動させながら球状の黒鉛粒子になるまで造粒した。これにより、第1の負極活物質として負極活物質Aを得た。
焼成処理の温度を負極活物質Aと異ならせて、負極活物質Bを得た。具体的には、鱗片状黒鉛100質量部とコールタールピッチ5質量部との混合粉末を、管状炉を用いて窒素雰囲気下、300℃で1時間焼成した後、800℃で1時間焼成したこと以外は、負極活物質Aと同様にして、負極活物質Bを得た。
低結晶性炭素の前駆体を変更して、負極活物質Cを得た。具体的には、鱗片状黒鉛100質量部とポリビニルアルコール5質量部とを用意したこと以外は、負極活物質Aと同様にして、負極活物質Cを得た。
低結晶性炭素の前駆体を変更して、負極活物質Dを得た。具体的には、鱗片状黒鉛100質量部とフェノール樹脂5質量部とを用意したこと以外は、負極活物質Aと同様にして、負極活物質Dを得た。
天然黒鉛(伊藤黒鉛工業(株)製、SG-BH8)と、低結晶性炭素の前駆体としてのコールタールピッチとを用意した。球状天然黒鉛100質量部とコールタールピッチ5質量部とをローラーミキサーを用いて混合し、混合粉末を得た。かかる混合粉末をアルミナ坩堝に入れ、管状炉を用いて窒素雰囲気下、300℃で1時間焼成した。その後、窒素雰囲気下において昇温し、1000℃で1時間焼成した(焼成処理)。これにより、球状天然黒鉛の表面に低結晶性炭素が被覆された、負極活物質Eを得た。
焼成処理の温度を負極活物質Aと異ならせて、負極活物質Fを得た。具体的には、鱗片状黒鉛100質量部とコールタールピッチ5質量部との混合粉末を、管状炉を用いて窒素雰囲気下、300℃で1時間焼成した後、2800℃で1時間焼成したこと以外は、負極活物質Aと同様にして、負極活物質Fを得た。
上記得られた負極活物質A~Fの黒鉛層間距離を測定した。まず、透過電子顕微鏡(日本電子社製、JEM-ARM200F、TEM)を用いて、各負極活物質を観察した。負極活物質の断面画像を取得し、該活物質の内部に低結晶性炭素の被覆が存在するか確認した。結果を表1に示す。
次に、TEMによる電子回折によって、低結晶性炭素の黒鉛層間距離(Å)を測定した。具体的には、透過電子顕微鏡を用いて、複数(5枚)の各負極活物質の電子回折像を取得し、黒鉛結晶に由来する格子状のパターンを有する相の距離(格子間距離)を測定した。この値の平均値を求めることで、各活物質の低結晶性炭素の黒鉛層間距離を算出した。結果を表1に示す。なお、このときのTEMの観察条件は、電子回折像が観察できるように加速電圧200kV、倍率200万倍以上に設定した。
(負極活物質G)
第2の負極活物質として、天然黒鉛である負極活物質G(伊藤黒鉛工業(株)製、SG-BH8)を用意した。該負極活物質Gの黒鉛層間距離は、3.36Åであった。
第2の負極活物質として、人造黒鉛である負極活物質H(伊藤黒鉛工業(株)製、AG.B)を用意した。該負極活物質Hの黒鉛層間距離は、3.37Åであった。
(実施例1)
第1の負極活物質として負極活物質A、第2の負極活物質として負極活物質Gを用いた。第1の負極活物質と第2の負極活物質とを50:50の質量比で混合した。該負極活物質の混合物と、バインダとしてのスチレンブタジエンゴム(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、これらの質量比が99:0.5:0.5となるように、溶媒としてのイオン交換水と混合して、負極ペーストを調製した。かかる負極ペーストを、負極集電体としての長尺シート状の銅箔(厚さ10μm)の両面に塗布し、乾燥後ロールプレス機でプレスすることにより、シート状の負極を作製した。
第1の負極活物質を表1に示すように変更したこと以外は、実施例1と同様にして、実施例2~4の負極を作製した。
第2の負極活物質として負極活物質Hを使用したこと以外は、実施例1と同様にして、実施例5の負極を作製した。
第1の負極活物質として負極活物質Eを用い、第2の負極活物質を含まないこと以外は、実施例1と同様にして、比較例1の負極を作製した。
第1の負極活物質として負極活物質Fを用いたこと以外は、実施例1と同様にして、比較例2の負極を作製した。
水銀ポロシメータ(マイクロメリティックス社製Auto Pore)を用いて、各例の負極の細孔分布を測定した。取得したLog微分細孔容積分布において、相対的に細孔径の大きいピークPLが占めるピーク面積L(積算細孔容積)と、相対的に細孔径の小さいピークPSが占めるピーク面積S(積算細孔容積)とを求め、ピーク面積Sに対するピーク面積Lの比(L/S)を算出した。結果を表1に示す。
正極活物質としてのLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(NCM)と、導電材としてのアセチレンブラック(AB)と、バインダとしてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)とを、これらの材料の質量比が92:5:3となるように、溶媒としてのN-メチルピロリドン(NMP)と混合して、正極ペーストを調製した。かかる正極ペーストを、正極集電体としての長尺シート状のアルミニウム箔(厚さ15μm)の両面に塗布し、乾燥後ロールプレス機でプレスすることにより、シート状の正極を作製した。
作製したシート状の負極(実施例1~5と比較例1および2)とシート状の正極を、用意したセパレータを介して積層し、長尺方向に捲回して、捲回電極体を作製した。次に、作製した捲回電極体の正極シートと負極シートのそれぞれに電極端子を溶接により取り付けて、これを、注入口を有する電池ケースに収容した。
評価用リチウムイオン二次電池を構築する前の各例の負極(すなわち、プレス後の負極)の厚みを、接触式マイクロメーターを用いて測定した。負極の厚みは3か所測定し、この平均値を充電前の負極の平均厚みとした。次いで、負極、セパレータ、金属リチウムの順に積層し、コインセルを作製した。かかるコインセルを負極活物質比容量の80%(SOC80%)まで充電した。充電後のコインセルを解体して、上述した方法と同様に充電後の負極の平均厚みを算出した。以下の式:負極の膨張率=(充電後の負極の平均厚み/充電前の負極の平均厚み)×100;にて、負極の膨張率を算出した。結果を表1に示す。
各評価用のリチウムイオン二次電池(実施例1~5および比較例1、2)を、SOC60%に調整した。これを-10℃の環境下に置き、15Cの電流値で2秒間充電し、その際の通電前後の電圧差を通電電流で除することにより抵抗値を算出し、これを初期抵抗値とした。各評価用のリチウムイオン二次電池をSOC80%の状態に調整した後、70℃の環境下で30日間保存した。保存後の電池を初期抵抗値と同様に抵抗値を求め、以下の式:抵抗増加率=(保存試験後の抵抗値/初期抵抗値)×100;にて、保存後の抵抗増加率を算出した。なお、表1に示す結果は、各例の初期抵抗値を100とした場合の抵抗増加率である。
一方で、少なくとも第1の負極活物質と第2の負極活物質とを含み、第1の負極活物質は少なくとも一部の表面が低結晶性炭素で被覆された鱗片状黒鉛の凝集体から構成され、該低結晶性炭素の黒鉛層間距離が3.8~5.0Åである実施例1~5は、負極膨張率および保存後抵抗増加率が低いことがわかる。
(実施例6、7)
第1の負極活物質と第2の負極活物質との配合比を表2に示すように変更したこと以外は、実施例1と同様にして、実施例6および7の評価用リチウムイオン二次電池を作製した。
非水電解液に添加剤としてLiBOBを1質量%添加したこと以外は、実施例1と同様にして、実施例8の評価用リチウムイオン二次電池を作製した。
第1の負極活物質と第2の負極活物質との配合比を表2に示すように変更したこと以外は、実施例1と同様にして、比較例3および4の評価用リチウムイオン二次電池を作製した。
各評価用のリチウムイオン二次電池(実施例1および6~8と比較例3、4)について、上述したように、負極膨張率、抵抗増加率、初期抵抗値を求めた。結果を表2に示す。なお、表2に示す抵抗増加率の結果は、各例の初期抵抗値を100とした場合の抵抗増加率である。また、表2に示す初期抵抗値の比の結果は、実施例1の初期抵抗値を100とした場合の、各例の初期抵抗値の比である。
一方で、第1の負極活物質と第2の負極活物質との配合比(質量比)が50:50~90:10である実施例1および実施例6~8は、負極膨張率、保存後抵抗増加率および初期抵抗値の比が低くなることがわかる。また、実施例8の結果から、LiBOBを添加することにより、実施例1よりも保存後抵抗増加率がさらに低減されることがわかる。これは、第1の負極活物質を構成する鱗片状黒鉛のエッジ面が低結晶性炭素によって好適に被覆されることにより、SEI膜が過剰に形成されることを抑制する効果によるものと推測される。
するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、
変更したものが含まれる。
12 鱗片状黒鉛
14 低結晶性炭素
16 空隙
20 捲回電極体
30 電池ケース
32 安全弁
42 正極端子
42a 正極集電板
44 負極端子
44a 負極集電板
50 正極
52 正極集電体
54 正極活物質層
56 正極集電体露出部
60 負極
62 負極集電体
64 負極活物質層
66 負極集電体露出部
70 セパレータ
100 リチウムイオン二次電池
Claims (4)
- 非水電解液二次電池に用いられる負極であって、
負極集電体と、該負極集電体上に形成された負極活物質層とを備えており、
前記負極活物質層は、少なくとも第1の負極活物質と第2の負極活物質とを含み、
前記第1の負極活物質は、少なくとも一部の表面が低結晶性炭素で被覆された鱗片状黒鉛の凝集体から構成されており、
前記低結晶性炭素は、透過電子顕微鏡による電子回折像に基づく黒鉛層間距離が3.8Å以上5.0Å以下であり、
前記第2の負極活物質は、前記透過電子顕微鏡による電子回折像に基づく黒鉛層間距離が3.35Å以上3.4Å以下である天然黒鉛または人造黒鉛であり、
ここで、前記第1の負極活物質と前記第2の負極活物質との質量比が50:50~90:10である、非水電解液二次電池用の負極。 - 前記負極活物質層は、水銀圧入法によって測定されるLog微分細孔容積分布において、相対的に細孔径の大きいピークPLと、相対的に細孔径の小さいピークPSと、を有しており、
前記ピークPSが占めるピーク面積Sに対する前記ピークPLが占めるピーク面積Lの比(L/S)が10.5~11.5である、請求項1に記載の負極。 - 正極および負極を有する電極体と、非水電解液と、を備える非水電解液二次電池であって、
前記負極として、請求項1または2に記載の負極を備えることを特徴とする、非水電解液二次電池。 - 前記非水電解液は、被膜形成剤としてオキサラト錯体化合物および/またはカーボネート類を含む、請求項3に記載の非水電解液二次電池。
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