JPH0997625A - 非水電解質二次電池およびその製造方法 - Google Patents
非水電解質二次電池およびその製造方法Info
- Publication number
- JPH0997625A JPH0997625A JP7254139A JP25413995A JPH0997625A JP H0997625 A JPH0997625 A JP H0997625A JP 7254139 A JP7254139 A JP 7254139A JP 25413995 A JP25413995 A JP 25413995A JP H0997625 A JPH0997625 A JP H0997625A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- secondary battery
- aqueous electrolyte
- electrolyte secondary
- negative electrode
- conductive layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
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-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Landscapes
- Cell Electrode Carriers And Collectors (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 高電圧、高エネルギー密度で充放電特性が優
れ、サイクル寿命が長い新規な非水電解質二次電池。 【解決手段】 リチウムイオンを吸蔵・放出可能な正極
および負極と、リチウムイオン導電性の非水電解液から
少なくとも構成される非水電解液二次電池において、正
極および/または負極の電極合剤と集電体との間に炭素
を導電性フィラーとする導電層を配設する。 【効果】 電池の内部抵抗を低減でき、大電流放電時の
容量および作動電圧の低下を抑制することができ、サイ
クル寿命の長い二次電池が得られる。
れ、サイクル寿命が長い新規な非水電解質二次電池。 【解決手段】 リチウムイオンを吸蔵・放出可能な正極
および負極と、リチウムイオン導電性の非水電解液から
少なくとも構成される非水電解液二次電池において、正
極および/または負極の電極合剤と集電体との間に炭素
を導電性フィラーとする導電層を配設する。 【効果】 電池の内部抵抗を低減でき、大電流放電時の
容量および作動電圧の低下を抑制することができ、サイ
クル寿命の長い二次電池が得られる。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、リチウムを吸蔵放出可
能な物質を正極活物質および負極活物質とし、リチウム
イオン導電性の非水電解質を用いる非水電解質二次電池
に関するものであり、特に高エネルギー密度でハイレー
ト充放電特性に優れ、長期サイクル特性が良好な電極の
構成に関するものである。
能な物質を正極活物質および負極活物質とし、リチウム
イオン導電性の非水電解質を用いる非水電解質二次電池
に関するものであり、特に高エネルギー密度でハイレー
ト充放電特性に優れ、長期サイクル特性が良好な電極の
構成に関するものである。
【0002】
【従来の技術】負極活物質としてリチウムを用いる非水
電解質電池は、高電圧、高エネルギー密度で、かつ自己
放電が小さく長期信頼性に優れる等の利点により、一次
電池としてはメモリーバックアップ用、カメラ用等の電
源として既に広く用いられている。しかしながら、近年
携帯型の電子機器、通信機器等の著しい発展に伴い、電
源としての電池に対し大電流出力を要求する機器が多種
多様に出現し、経済性と機器の小型軽量化の観点から、
再充放電可能で、かつ高エネルギー密度の二次電池が強
く要望されている。前記の負極活物質としてリチウムを
用いた電池は、充電時に針状析出物を生成し、やがては
電池内部でのショートを引き起こし、発熱・破裂・発火
などの事故を引き起こす可能性が大きい。
電解質電池は、高電圧、高エネルギー密度で、かつ自己
放電が小さく長期信頼性に優れる等の利点により、一次
電池としてはメモリーバックアップ用、カメラ用等の電
源として既に広く用いられている。しかしながら、近年
携帯型の電子機器、通信機器等の著しい発展に伴い、電
源としての電池に対し大電流出力を要求する機器が多種
多様に出現し、経済性と機器の小型軽量化の観点から、
再充放電可能で、かつ高エネルギー密度の二次電池が強
く要望されている。前記の負極活物質としてリチウムを
用いた電池は、充電時に針状析出物を生成し、やがては
電池内部でのショートを引き起こし、発熱・破裂・発火
などの事故を引き起こす可能性が大きい。
【0003】そこで負極活物質として、炭素材料に代表
されるリチウムイオンを吸蔵放出可能な物質を用いた、
高エネルギー密度を有する前記非水電解質電池の二次電
池化を進める研究開発が活発に行われ、一部実用化され
ているが、エネルギー密度、充放電サイクル寿命、信頼
性等まだまだ不十分である。
されるリチウムイオンを吸蔵放出可能な物質を用いた、
高エネルギー密度を有する前記非水電解質電池の二次電
池化を進める研究開発が活発に行われ、一部実用化され
ているが、エネルギー密度、充放電サイクル寿命、信頼
性等まだまだ不十分である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】一般に上記の高エネル
ギー密度を有する非水電解質二次電池では、大電流放電
時での性能が特に重要である。大電流放電時には、微小
電流放電時と比較して電池の内部抵抗に起因する電圧低
下が大きい。一般的にはこの電圧低下を最小限に留める
ために、電極反応に関与する表面積をより大きくして、
単位面積当たりの電流密度を低減する方策が採られてい
る。具体的には、平板状の細長い電極を倦回したり、短
冊型の電極を積み重ねた構造等があげられる。このよう
な電極は、金属箔のような薄い集電体の両面に合剤層が
設けられており、合剤層はロールプレス等で集電体に圧
着されている。しかし、携帯電子機器の主電源として用
いられるにはまだまだ不十分である。
ギー密度を有する非水電解質二次電池では、大電流放電
時での性能が特に重要である。大電流放電時には、微小
電流放電時と比較して電池の内部抵抗に起因する電圧低
下が大きい。一般的にはこの電圧低下を最小限に留める
ために、電極反応に関与する表面積をより大きくして、
単位面積当たりの電流密度を低減する方策が採られてい
る。具体的には、平板状の細長い電極を倦回したり、短
冊型の電極を積み重ねた構造等があげられる。このよう
な電極は、金属箔のような薄い集電体の両面に合剤層が
設けられており、合剤層はロールプレス等で集電体に圧
着されている。しかし、携帯電子機器の主電源として用
いられるにはまだまだ不十分である。
【0005】上記のような二次電池の抱える問題として
は、 微小電流放電容量に対する大電流放電時の容量低下 大電流放電時の放電電圧の低下 充電放電のサイクル進行時の放電電圧低下・容量低
下 などが挙げられる。に対しては、合剤層と集電体と
の間のインピーダンスが大きい事が重要な原因である。
合剤層と集電体との間の電子導電性の向上が要求され
る。また、充放電によりリチウムイオンが吸蔵放出され
ることにより電極(活物質)が膨張収縮するため、充放
電サイクルの進行により合剤層と集電体との密着性が低
下しインピーダンスが増大するためにに示したような
放電電圧低下が生じる。放電電圧が低下する事で、一定
の放電終止電圧に達するまでの容量低下も生じる。さら
に容量の低下は、不活性リチウムがサイクル進行と共に
増加することで実質的に充放電反応に関与するリチウム
が減少することも原因である。
は、 微小電流放電容量に対する大電流放電時の容量低下 大電流放電時の放電電圧の低下 充電放電のサイクル進行時の放電電圧低下・容量低
下 などが挙げられる。に対しては、合剤層と集電体と
の間のインピーダンスが大きい事が重要な原因である。
合剤層と集電体との間の電子導電性の向上が要求され
る。また、充放電によりリチウムイオンが吸蔵放出され
ることにより電極(活物質)が膨張収縮するため、充放
電サイクルの進行により合剤層と集電体との密着性が低
下しインピーダンスが増大するためにに示したような
放電電圧低下が生じる。放電電圧が低下する事で、一定
の放電終止電圧に達するまでの容量低下も生じる。さら
に容量の低下は、不活性リチウムがサイクル進行と共に
増加することで実質的に充放電反応に関与するリチウム
が減少することも原因である。
【0006】不活性リチウムとは、充電時等に負極集電
体上に析出したリチウムを指し、これは微粉であり電気
化学的には不活性である。不活性リチウム量を減少させ
るためには、例えば特開平6−163030に開示され
ている方法がある。負極活物質としての炭素を分粒し、
微小粒径の炭素を集電体上に第一層の炭素微粒子層を塗
布しさらにその上に粒径の大きな第二層の炭素粒子層を
設ける。実質的に微少活物質粉体で集電体をコートする
事で集電体上へのリチウム析出を抑制するものである。
しかしこの発明中では第一と第二の炭素粒子層の結着剤
およびスラリーにするための溶剤が同一であるため、第
二の炭素粒子層を塗布する際にその溶剤により第一の炭
素微粒子層の結着剤が再度軟化・溶解し、第一の炭素微
粒子層が乱され、集電体表面が露出し第二の炭素粒子層
が直接集電体上に配設される事が大きな課題である。
体上に析出したリチウムを指し、これは微粉であり電気
化学的には不活性である。不活性リチウム量を減少させ
るためには、例えば特開平6−163030に開示され
ている方法がある。負極活物質としての炭素を分粒し、
微小粒径の炭素を集電体上に第一層の炭素微粒子層を塗
布しさらにその上に粒径の大きな第二層の炭素粒子層を
設ける。実質的に微少活物質粉体で集電体をコートする
事で集電体上へのリチウム析出を抑制するものである。
しかしこの発明中では第一と第二の炭素粒子層の結着剤
およびスラリーにするための溶剤が同一であるため、第
二の炭素粒子層を塗布する際にその溶剤により第一の炭
素微粒子層の結着剤が再度軟化・溶解し、第一の炭素微
粒子層が乱され、集電体表面が露出し第二の炭素粒子層
が直接集電体上に配設される事が大きな課題である。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記の様な問
題点を解決するため、リチウムイオンを吸蔵放出可能な
正極および負極と、リチウムイオン導電性の非水電解質
から少なくとも構成される非水電解質二次電池におい
て、正極および/または負極の電極合剤と集電体との間
に炭素を導電性フィラーとする導電層を設けることを特
徴とする。
題点を解決するため、リチウムイオンを吸蔵放出可能な
正極および負極と、リチウムイオン導電性の非水電解質
から少なくとも構成される非水電解質二次電池におい
て、正極および/または負極の電極合剤と集電体との間
に炭素を導電性フィラーとする導電層を設けることを特
徴とする。
【0008】導電層に要求される条件としては、 集電体および合剤層との密着性が良い。 インピーダンスが低い。 合剤スラリーに対して不溶性あるいは難溶性であ
る。
る。
【0009】 電解質に対して安定である。 リチウムイオンと、充放電に関わる電気化学的な反
応性が低い。 等である。導電層は、主に電子導電性媒体である炭素と
結着剤とから構成される。炭素は、天然あるいは人造の
結晶性グラファイトや、チャネルブラック、サーマルブ
ラック、ファーネスブラック等の各種のカーボンブラッ
クおよびガラス状カーボン等の電子導電性炭素を用いる
ことができる。特にリチウムイオンが吸蔵放出しにくい
カーボンブラックやグラファイトが、充放電サイクルに
よる膨張収縮が少ないので好ましい。形状は、微粒子、
短繊維などの粉末が好ましく、平均粒径5μm以下であ
ることが特に好ましい。さらに導電性を向上するために
平均粒径1μm以下の炭素粉末を炭素粉末総重量に対し
て10%以下の範囲で添加することがより好ましい。特
にグラファイトやアセチレンブラック等のカーボンブラ
ックを組み合わせて用いることにより、集電体への良好
な電気的接続が得られ好ましい。
応性が低い。 等である。導電層は、主に電子導電性媒体である炭素と
結着剤とから構成される。炭素は、天然あるいは人造の
結晶性グラファイトや、チャネルブラック、サーマルブ
ラック、ファーネスブラック等の各種のカーボンブラッ
クおよびガラス状カーボン等の電子導電性炭素を用いる
ことができる。特にリチウムイオンが吸蔵放出しにくい
カーボンブラックやグラファイトが、充放電サイクルに
よる膨張収縮が少ないので好ましい。形状は、微粒子、
短繊維などの粉末が好ましく、平均粒径5μm以下であ
ることが特に好ましい。さらに導電性を向上するために
平均粒径1μm以下の炭素粉末を炭素粉末総重量に対し
て10%以下の範囲で添加することがより好ましい。特
にグラファイトやアセチレンブラック等のカーボンブラ
ックを組み合わせて用いることにより、集電体への良好
な電気的接続が得られ好ましい。
【0010】結着剤は、導電層中の炭素粉末同志あるい
は集電体および合剤層との密着性を得るための機能を果
たし、一般的に接着剤として用いられているポリマー等
を用いることができる。ここで合剤層の配設方法として
は、集電体上に、合剤スラリーを塗布する方法が主流で
ある。そのため、予め集電体上に導電層を配設しその上
に合剤スラリーを塗布する本発明においては、導電層の
結着剤が合剤スラリーの溶媒に溶解したり、膨潤しやす
い物質であると、導電層が乱され、その効果が半減す
る。特に、合剤の結着剤として多く用いられるポリフッ
化ビニリデン(PVDF)の溶媒であるN−メチル−2
−ピロリドンは、溶解性が高く導電層の結着剤の選択が
大変重要である。
は集電体および合剤層との密着性を得るための機能を果
たし、一般的に接着剤として用いられているポリマー等
を用いることができる。ここで合剤層の配設方法として
は、集電体上に、合剤スラリーを塗布する方法が主流で
ある。そのため、予め集電体上に導電層を配設しその上
に合剤スラリーを塗布する本発明においては、導電層の
結着剤が合剤スラリーの溶媒に溶解したり、膨潤しやす
い物質であると、導電層が乱され、その効果が半減す
る。特に、合剤の結着剤として多く用いられるポリフッ
化ビニリデン(PVDF)の溶媒であるN−メチル−2
−ピロリドンは、溶解性が高く導電層の結着剤の選択が
大変重要である。
【0011】結着剤として用いる樹脂は、熱力学的に熱
硬化性・熱可塑性・ゴム系、形態としては要溶剤系・無
溶剤系・水溶性・エマルジョン系・感圧粘着性・フィル
ム状等に分類される。これらの中で熱硬化性樹脂として
用いられるポリマーは、塗布あるいはコートする際には
多くの場合モノマーやオリゴマーの状態で有機溶媒に溶
解しており、熱硬化(熱重合)する事により高度なポリ
マーを形成するため集電体への密着性および耐有機溶媒
性が非常に向上する。代表的な熱硬化性ポリマーである
メラミン樹脂・ユリア樹脂・フェノール樹脂やエポキシ
樹脂などは、熱硬化後には先に示したNMPに対しても
非常に安定であることから、本発明の導電層の結着剤と
して適する。中でも金属との密着性が良好なフェノール
樹脂やエポキシ樹脂などが大変有効である。特に負極集
電体として用いられる銅箔への密着力が高いため、負極
導電層の結着剤として優れている。
硬化性・熱可塑性・ゴム系、形態としては要溶剤系・無
溶剤系・水溶性・エマルジョン系・感圧粘着性・フィル
ム状等に分類される。これらの中で熱硬化性樹脂として
用いられるポリマーは、塗布あるいはコートする際には
多くの場合モノマーやオリゴマーの状態で有機溶媒に溶
解しており、熱硬化(熱重合)する事により高度なポリ
マーを形成するため集電体への密着性および耐有機溶媒
性が非常に向上する。代表的な熱硬化性ポリマーである
メラミン樹脂・ユリア樹脂・フェノール樹脂やエポキシ
樹脂などは、熱硬化後には先に示したNMPに対しても
非常に安定であることから、本発明の導電層の結着剤と
して適する。中でも金属との密着性が良好なフェノール
樹脂やエポキシ樹脂などが大変有効である。特に負極集
電体として用いられる銅箔への密着力が高いため、負極
導電層の結着剤として優れている。
【0012】また紫外線・電子線照射により硬化するポ
リマーを用いることも可能である。たとえばアクリル樹
脂・メタクリル樹脂等があげられる。これらのポリマー
も硬化により高度に成長したポリマーを形成するため、
その性状は熱硬化性樹脂と類似する。ベンゾイン等の重
合開始剤(増感剤)の添加により硬化反応を促進するこ
とが可能で熱硬化性樹脂と比較して短時間で硬化できる
ということ、また硬化前のモノマーやプレポリマーは液
体であり、溶媒を必要としないというメリットがある。
リマーを用いることも可能である。たとえばアクリル樹
脂・メタクリル樹脂等があげられる。これらのポリマー
も硬化により高度に成長したポリマーを形成するため、
その性状は熱硬化性樹脂と類似する。ベンゾイン等の重
合開始剤(増感剤)の添加により硬化反応を促進するこ
とが可能で熱硬化性樹脂と比較して短時間で硬化できる
ということ、また硬化前のモノマーやプレポリマーは液
体であり、溶媒を必要としないというメリットがある。
【0013】水溶性接着剤は、溶媒の水を揮発させるだ
けという容易な操作でポリマーによる密着力を得ること
ができる。水溶性ポリマーは、有機溶媒を用いなので環
境や人体への悪影響が少ない。水溶性ポリマーとして
は、PVA系・無水マレイン酸系・ポリアクリル酸系・
ポリアクリルアミド系等がある。これらの中でアクリル
酸ポリマーは、金属集電体への密着力が高いので好まし
い。特にアルミニウムやステンレス等の正極集電体とし
て用いられる金属との密着力が良好であり、正極導電層
の結着剤として優れている。
けという容易な操作でポリマーによる密着力を得ること
ができる。水溶性ポリマーは、有機溶媒を用いなので環
境や人体への悪影響が少ない。水溶性ポリマーとして
は、PVA系・無水マレイン酸系・ポリアクリル酸系・
ポリアクリルアミド系等がある。これらの中でアクリル
酸ポリマーは、金属集電体への密着力が高いので好まし
い。特にアルミニウムやステンレス等の正極集電体とし
て用いられる金属との密着力が良好であり、正極導電層
の結着剤として優れている。
【0014】4V級リチウムイオン電池の場合、正極活
物質としてLiCoO2、LiNiO2、LiMn2O 4等に代表される遷
移金属とリチウムの複合酸化物が多く用いられる。この
うちLiNiO2の様に水に対して不安定な活物質を用いる場
合には、合剤層の結着剤として水溶性ポリマーやPTF
E等の水系エマルジョンを用いることは好ましくない
が、負極合剤の結着剤としては用いることが可能であ
る。水溶性ポリマーや水系エマルジョンを合剤の結着剤
として用いた場合には、導電層の結着剤として水溶性接
着剤は好ましくない。
物質としてLiCoO2、LiNiO2、LiMn2O 4等に代表される遷
移金属とリチウムの複合酸化物が多く用いられる。この
うちLiNiO2の様に水に対して不安定な活物質を用いる場
合には、合剤層の結着剤として水溶性ポリマーやPTF
E等の水系エマルジョンを用いることは好ましくない
が、負極合剤の結着剤としては用いることが可能であ
る。水溶性ポリマーや水系エマルジョンを合剤の結着剤
として用いた場合には、導電層の結着剤として水溶性接
着剤は好ましくない。
【0015】このように本発明の導電層の結着剤は、集
電体および炭素粉末との密着性および合剤スラリーの溶
媒との組み合わせを考慮して選択されなければならな
い。少なくとも炭素粉末と結着剤とで構成され、必要に
応じて溶媒が加えられる導電層スラリーには、安定化剤
や界面活性剤を添加する事も有効である。
電体および炭素粉末との密着性および合剤スラリーの溶
媒との組み合わせを考慮して選択されなければならな
い。少なくとも炭素粉末と結着剤とで構成され、必要に
応じて溶媒が加えられる導電層スラリーには、安定化剤
や界面活性剤を添加する事も有効である。
【0016】導電層を配設する手段としては、導電層ス
ラリーを集電体上に塗布・乾燥そして必要に応じて硬化
する方法、あるいは炭素粉末を結着剤に混合分散したも
のをフィルム状に加工した導電フィルムを集電体上に熱
融着などの方法で密着させる方法などがあげられる。し
かし本発明はこれに限定されるものではない。
ラリーを集電体上に塗布・乾燥そして必要に応じて硬化
する方法、あるいは炭素粉末を結着剤に混合分散したも
のをフィルム状に加工した導電フィルムを集電体上に熱
融着などの方法で密着させる方法などがあげられる。し
かし本発明はこれに限定されるものではない。
【0017】本発明に用いられる正極活物質としては、
TiS2、MoS2、NbSe3等の金属カルコゲン化物や、MnO2、M
oO3、V2O5、LixCoO2、LixNiO2、LixMn2O4等の金属酸化
物、ポリアニリン、ポりピロール、ポリパラフェニレ
ン、ポリアセン等の導電性高分子、およびグラファイト
層間化合物等のリチウムイオンおよび/またはアニオン
を吸蔵放出可能な各種の物質を用いることができる。
TiS2、MoS2、NbSe3等の金属カルコゲン化物や、MnO2、M
oO3、V2O5、LixCoO2、LixNiO2、LixMn2O4等の金属酸化
物、ポリアニリン、ポりピロール、ポリパラフェニレ
ン、ポリアセン等の導電性高分子、およびグラファイト
層間化合物等のリチウムイオンおよび/またはアニオン
を吸蔵放出可能な各種の物質を用いることができる。
【0018】特に、金属カルコゲン化物や金属酸化物等
のような金属リチウムに対する電極電位が2V以上、よ
り好ましくはV2O5、MnO2、LixCoO2、LixNiO2、LixMn2O4
等のような3Vないし4V以上の高電位を有する(貴
な)活物質と、後に述べる金属リチウムに対する電極電
位が1V以下の低電位を有する(卑な)活物質を用いた
負極とを組み合わせることにより、高エネルギー密度の
二次電池が得られるので、より好ましい。
のような金属リチウムに対する電極電位が2V以上、よ
り好ましくはV2O5、MnO2、LixCoO2、LixNiO2、LixMn2O4
等のような3Vないし4V以上の高電位を有する(貴
な)活物質と、後に述べる金属リチウムに対する電極電
位が1V以下の低電位を有する(卑な)活物質を用いた
負極とを組み合わせることにより、高エネルギー密度の
二次電池が得られるので、より好ましい。
【0019】負極活物質としては、金属リチウム、炭素
質材料、LixSi、金属酸化物、窒化物、ケイ化物、炭化
物、LixSi1-yMyOz(0≦x,0≦y<1,0<z<2であり、Mはアル
カリ金属を除く金属あるいはケイ素を除く類金属)で示
されるケイ素酸化物等のリチウムイオンおよび/または
アニオンを吸蔵放出可能な各種の物質を用いることがで
きる。
質材料、LixSi、金属酸化物、窒化物、ケイ化物、炭化
物、LixSi1-yMyOz(0≦x,0≦y<1,0<z<2であり、Mはアル
カリ金属を除く金属あるいはケイ素を除く類金属)で示
されるケイ素酸化物等のリチウムイオンおよび/または
アニオンを吸蔵放出可能な各種の物質を用いることがで
きる。
【0020】特に、LixSi1-yMyOz(0≦x,0≦y<1,0<z<2で
あり、Mはアルカリ金属を除く金属あるいはケイ素を除
く類金属)で示されるケイ素酸化物等は、金属リチウム
に対する電極電位が1V以下の領域での充放電容量が大
きいことから、上記正極活物質を用いた正極と組み合わ
せることで、高電圧・高エネルギー密度な二次電池が得
られるので、より好ましい。
あり、Mはアルカリ金属を除く金属あるいはケイ素を除
く類金属)で示されるケイ素酸化物等は、金属リチウム
に対する電極電位が1V以下の領域での充放電容量が大
きいことから、上記正極活物質を用いた正極と組み合わ
せることで、高電圧・高エネルギー密度な二次電池が得
られるので、より好ましい。
【0021】電解質としては、γ−ブチロラクトン、プ
ロピレンカーボネート、エチレンカーボネート(E
C)、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、
ジエチルカーボネート、メチルフォーメイト、1,2−
ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、ジオキソラ
ン、ジメチルフォルムアミド等の非水系の有機溶媒の単
独または混合溶媒に、支持電解質としてLiClO4,LiP
F6,LiBF4,LiCF3SO3、LiC(SO2CF3)3、LiN(SO2CF3)2等
のリチウムイオン解離性塩を溶解した有機非水電解質、
ポリエチレンオキシドやポリフォスファゼン架橋体等の
高分子に前記リチウム塩を固溶させた高分子固体電解質
あるいはLi3N,LiI等の無機固体電解質等のリチウムイ
オン導電性の非水電解質を用いることができる。
ロピレンカーボネート、エチレンカーボネート(E
C)、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、
ジエチルカーボネート、メチルフォーメイト、1,2−
ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、ジオキソラ
ン、ジメチルフォルムアミド等の非水系の有機溶媒の単
独または混合溶媒に、支持電解質としてLiClO4,LiP
F6,LiBF4,LiCF3SO3、LiC(SO2CF3)3、LiN(SO2CF3)2等
のリチウムイオン解離性塩を溶解した有機非水電解質、
ポリエチレンオキシドやポリフォスファゼン架橋体等の
高分子に前記リチウム塩を固溶させた高分子固体電解質
あるいはLi3N,LiI等の無機固体電解質等のリチウムイ
オン導電性の非水電解質を用いることができる。
【0022】特に、負極活物質として前述したLixSi1-y
MyOz(0≦x,0≦y<1,0<z<2であり、Mはアルカリ金属を除
く金属あるいはケイ素を除く類金属)で示されるケイ素
酸化物を用いる場合には、ジメチルカーボネート、ジエ
チルカーボネート、エチルメチルカーボネート等の化1
で示されるRR'型アルキルカーボネートとECとの混
合溶媒を用いることが好ましい。さらにECとRR'型
アルキルカーボネートの体積混合比が、約3:1〜約
1:3の範囲であることがより好ましい。
MyOz(0≦x,0≦y<1,0<z<2であり、Mはアルカリ金属を除
く金属あるいはケイ素を除く類金属)で示されるケイ素
酸化物を用いる場合には、ジメチルカーボネート、ジエ
チルカーボネート、エチルメチルカーボネート等の化1
で示されるRR'型アルキルカーボネートとECとの混
合溶媒を用いることが好ましい。さらにECとRR'型
アルキルカーボネートの体積混合比が、約3:1〜約
1:3の範囲であることがより好ましい。
【0023】
【作用】本発明は、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な
正極および負極と、リチウムイオン導電性の非水電解質
から少なくとも構成される非水電解質二次電池におい
て、正極および/または負極の電極合剤と集電体との間
に炭素を導電性フィラーとする導電層を設ける事によ
り、大電流放電時の作動電圧および容量低下や充放電の
繰り返しによる作動電圧および容量低下を抑制するもの
である。導電層を設けることで、合剤層と集電体間の電
子導電性を向上させることができ、電池の内部抵抗が著
しく減少する。その結果、大電流放電時の作動電圧低下
および容量低下を抑制することができる。さらに集電体
を導電層でコートする事により、先に述べた集電体上へ
の不活性リチウムの析出を抑止することができ、サイク
ル進行時の容量減少を最小限に留めることができる効果
がある。
正極および負極と、リチウムイオン導電性の非水電解質
から少なくとも構成される非水電解質二次電池におい
て、正極および/または負極の電極合剤と集電体との間
に炭素を導電性フィラーとする導電層を設ける事によ
り、大電流放電時の作動電圧および容量低下や充放電の
繰り返しによる作動電圧および容量低下を抑制するもの
である。導電層を設けることで、合剤層と集電体間の電
子導電性を向上させることができ、電池の内部抵抗が著
しく減少する。その結果、大電流放電時の作動電圧低下
および容量低下を抑制することができる。さらに集電体
を導電層でコートする事により、先に述べた集電体上へ
の不活性リチウムの析出を抑止することができ、サイク
ル進行時の容量減少を最小限に留めることができる効果
がある。
【0024】またサイクル進行時には、合剤層が集電体
から徐々に剥離し、電池の内部抵抗が増加し作動電圧や
容量が低下する。これは充放電により活物質にリチウム
イオンが吸蔵放出されるのに伴い、活物質が膨張収縮す
るため合剤と集電体との密着力が低下することが原因で
ある。そこで本発明のように、集電体と合剤層との間に
導電層を設けることにより、導電層が集電体と合剤層の
間の接着剤的に機能するため長期サイクル進行時にも合
剤層の剥離を抑止することができる。
から徐々に剥離し、電池の内部抵抗が増加し作動電圧や
容量が低下する。これは充放電により活物質にリチウム
イオンが吸蔵放出されるのに伴い、活物質が膨張収縮す
るため合剤と集電体との密着力が低下することが原因で
ある。そこで本発明のように、集電体と合剤層との間に
導電層を設けることにより、導電層が集電体と合剤層の
間の接着剤的に機能するため長期サイクル進行時にも合
剤層の剥離を抑止することができる。
【0025】以上のように本発明の導電層を設けること
により、高エネルギー密度で信頼性の高い非水電解質二
次電池が実現される。以下実施例により本発明を詳細に
説明する。
により、高エネルギー密度で信頼性の高い非水電解質二
次電池が実現される。以下実施例により本発明を詳細に
説明する。
【0026】
(実施例1)以下に示すように角形電池を作製し充放電
特性を測定した。正極活物質としてLiB0.03Co0.97O2で
示されるリチウムとコバルトとホウ素の複合酸化物85
重量部と、導電剤のグラファイト8重量部を乳鉢で粉砕
・混合したものを、結着剤のポリフッ化ビニリデン(P
VDF)7重量部をN−メチル−2ピロリドン(NM
P)51.3重量部に溶解した溶液に混合分散し、正極
合剤スラリーを調整した。集電体として厚さ20μmの
アルミ箔を用い、アクリル酸ポリマーの水溶液に炭素粉
末を分散した導電性接着剤を、乾燥後の厚さが10μ
m、密度が約0.5g/cm3になるようにアルミ箔の両面に
塗布・乾燥し導電層とした。次に先に調整した正極スラ
リーを導電層を設けた集電体の両面に、乾燥・圧延後の
合剤密度が3.3g/cm3、片面の合剤厚さが60μmにな
るように塗布・乾燥し、ロールプレスを用いて圧延して
正極シートを作製した。こうして作製した正極シート
を、27.5mm×39mmのサイズに裁断して正極板とし
た。正極板の断面図を図1に示す。
特性を測定した。正極活物質としてLiB0.03Co0.97O2で
示されるリチウムとコバルトとホウ素の複合酸化物85
重量部と、導電剤のグラファイト8重量部を乳鉢で粉砕
・混合したものを、結着剤のポリフッ化ビニリデン(P
VDF)7重量部をN−メチル−2ピロリドン(NM
P)51.3重量部に溶解した溶液に混合分散し、正極
合剤スラリーを調整した。集電体として厚さ20μmの
アルミ箔を用い、アクリル酸ポリマーの水溶液に炭素粉
末を分散した導電性接着剤を、乾燥後の厚さが10μ
m、密度が約0.5g/cm3になるようにアルミ箔の両面に
塗布・乾燥し導電層とした。次に先に調整した正極スラ
リーを導電層を設けた集電体の両面に、乾燥・圧延後の
合剤密度が3.3g/cm3、片面の合剤厚さが60μmにな
るように塗布・乾燥し、ロールプレスを用いて圧延して
正極シートを作製した。こうして作製した正極シート
を、27.5mm×39mmのサイズに裁断して正極板とし
た。正極板の断面図を図1に示す。
【0027】同様にして負極を作製した。負極活物質と
して市販の一酸化ケイ素(SiO)45重量部と、導電
剤 のグラファイト40重量部を乳鉢で粉砕・混合した
ものを、結着剤の架橋型アクリル酸樹脂15重量部を水
300重量部に溶解した溶液に混合分散し、負極合剤ス
ラリーを調整した。集電体として厚さ10μmの銅箔を
用い、フェノール樹脂の酢酸エトキシエチルの溶液に炭
素粉末を分散した導電性接着剤を、乾燥後厚さ10μ
m、密度約0.45g/cm3で、銅箔の両面に塗布・乾燥・
硬化し導電層とした。先に調整した負極スラリーを導電
層を設けた集電体の両面に、乾燥・圧延後の合剤密度が
1.6g/cm3、片面の合剤厚さが27μmになるように塗
布し、乾燥後ロールプレスを用いて圧延を行った。こう
して作製した負極シートを、27.5×39mmのサイズ
に裁断して負極板とした。
して市販の一酸化ケイ素(SiO)45重量部と、導電
剤 のグラファイト40重量部を乳鉢で粉砕・混合した
ものを、結着剤の架橋型アクリル酸樹脂15重量部を水
300重量部に溶解した溶液に混合分散し、負極合剤ス
ラリーを調整した。集電体として厚さ10μmの銅箔を
用い、フェノール樹脂の酢酸エトキシエチルの溶液に炭
素粉末を分散した導電性接着剤を、乾燥後厚さ10μ
m、密度約0.45g/cm3で、銅箔の両面に塗布・乾燥・
硬化し導電層とした。先に調整した負極スラリーを導電
層を設けた集電体の両面に、乾燥・圧延後の合剤密度が
1.6g/cm3、片面の合剤厚さが27μmになるように塗
布し、乾燥後ロールプレスを用いて圧延を行った。こう
して作製した負極シートを、27.5×39mmのサイズ
に裁断して負極板とした。
【0028】正極板17枚と負極板18枚を、リチウム
イオン透過性の多孔質フィルムであるセパレーターを介
在して交互に重ね合わせ(最外側は合剤を片面のみに塗
布した負極)、ステンレス製の電池ケースに挿入し、リ
ードをとり、電解液を注入して封口し、角形電池を作製
した。
イオン透過性の多孔質フィルムであるセパレーターを介
在して交互に重ね合わせ(最外側は合剤を片面のみに塗
布した負極)、ステンレス製の電池ケースに挿入し、リ
ードをとり、電解液を注入して封口し、角形電池を作製
した。
【0029】こうして作製した電池を、20mAの定電流
で充電終止電圧を4.2V、放電終止電圧を2.7Vの条件
で充放電サイクルを3サイクル行った。この2サイクル
目の放電特性を図3に示す。次に、充電電圧4.2V、
最大充電電流200mAで定電流定電圧で5時間充電し、
放電電流400mAの定電流で放電終止電圧2.7Vの条
件で充放電サイクルを行った。この2サイクル目の放電
特性も図3に示す。
で充電終止電圧を4.2V、放電終止電圧を2.7Vの条件
で充放電サイクルを3サイクル行った。この2サイクル
目の放電特性を図3に示す。次に、充電電圧4.2V、
最大充電電流200mAで定電流定電圧で5時間充電し、
放電電流400mAの定電流で放電終止電圧2.7Vの条
件で充放電サイクルを行った。この2サイクル目の放電
特性も図3に示す。
【0030】(実施例2)実施例1において、正極・負
極ともに集電体上に導電層を設けずに、合剤スラリーを
直接集電体に塗布したこと以外は同様にして角形電池を
作製し、同様の充放電サイクルを行った。その結果得ら
れた、放電特性を図4に示す。
極ともに集電体上に導電層を設けずに、合剤スラリーを
直接集電体に塗布したこと以外は同様にして角形電池を
作製し、同様の充放電サイクルを行った。その結果得ら
れた、放電特性を図4に示す。
【0031】図3および4から明らかなように、本発明
の導電層を設けることで容量が著しく増加し、さらにロ
ーレート放電時の放電容量に対するハイレート放電時の
放電容量の減少を著しく抑制できるという、良好な結果
を得ることができた。このことは、集電体と合剤層との
間に導電層を設けることにより電極合剤と集電体との間
の接触抵抗が低減され、電池の内部抵抗が低減されたこ
とを反映した結果である。さらに、前記の充放電条件で
充放電サイクルを300回行ったところ、サイクル特性
に関しても、導電層を設けることで電池の劣化を抑制す
ることができることが確認された。
の導電層を設けることで容量が著しく増加し、さらにロ
ーレート放電時の放電容量に対するハイレート放電時の
放電容量の減少を著しく抑制できるという、良好な結果
を得ることができた。このことは、集電体と合剤層との
間に導電層を設けることにより電極合剤と集電体との間
の接触抵抗が低減され、電池の内部抵抗が低減されたこ
とを反映した結果である。さらに、前記の充放電条件で
充放電サイクルを300回行ったところ、サイクル特性
に関しても、導電層を設けることで電池の劣化を抑制す
ることができることが確認された。
【0032】以上実施例では本発明の一例を示したにす
ぎず、本発明はこれに限定されるものではない。特に、
電池形状は円筒形やコイン形等でもよく、また導電層、
合剤層ともにそれぞれシート状に加工したものを張り合
わせるなど種々の方法がある。
ぎず、本発明はこれに限定されるものではない。特に、
電池形状は円筒形やコイン形等でもよく、また導電層、
合剤層ともにそれぞれシート状に加工したものを張り合
わせるなど種々の方法がある。
【0033】
【発明の効果】以上のように本発明は、リチウムイオン
を吸蔵放出可能な正極および負極と、リチウムイオン導
電性の非水電解質から少なくとも構成される非水電解質
二次電池において、正極および/または負極の電極合剤
と集電体との間に炭素をフィラーとする導電層を設ける
構造としたので、 電池の内部抵抗を低減でき、大電流放電時の容量およ
び作動電圧の低下を抑制する。
を吸蔵放出可能な正極および負極と、リチウムイオン導
電性の非水電解質から少なくとも構成される非水電解質
二次電池において、正極および/または負極の電極合剤
と集電体との間に炭素をフィラーとする導電層を設ける
構造としたので、 電池の内部抵抗を低減でき、大電流放電時の容量およ
び作動電圧の低下を抑制する。
【0034】集電体上への不活性リチウムの析出によ
る劣化を抑制でき、極めて安定でサイクル寿命が向上す
る。 等の効果を有する。その結果、高エネルギー密度でサイ
クル特性が良好な高品質二次電池を得ることができる。
る劣化を抑制でき、極めて安定でサイクル寿命が向上す
る。 等の効果を有する。その結果、高エネルギー密度でサイ
クル特性が良好な高品質二次電池を得ることができる。
【図1】本発明において実施した正極板の構造の一例を
示した断面図である。
示した断面図である。
【図2】本発明において実施した負極板の構造の一例を
示した断面図である。
示した断面図である。
【図3】本発明において実施した、実施例1で作製した
角形電池の放電特性を比較した説明図である。
角形電池の放電特性を比較した説明図である。
【図4】本発明において実施した、実施例2で作製した
角形電池の放電特性を比較した説明図である。
角形電池の放電特性を比較した説明図である。
11 正極集電体 12 正極導電層 13 正極合剤層 21 負極集電体 22 負極導電層 23 負極合剤層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01M 4/66 H01M 4/66 A (72)発明者 矢作 誠治 千葉県千葉市美浜区中瀬1丁目8番地 セ イコー電子工業株式会社内 (72)発明者 酒井 次夫 千葉県千葉市美浜区中瀬1丁目8番地 セ イコー電子工業株式会社内
Claims (11)
- 【請求項1】 リチウムイオンを吸蔵・放出可能な正極
および負極と、リチウムイオン導電性の非水電解質から
少なくとも構成される非水電解質二次電池において、正
極および/または負極の電極合剤と集電体との間に炭素
を導電性フィラーとする導電層を配設する事を特徴とす
る非水電解質二次電池。 - 【請求項2】 前記導電層は炭素と結着剤としての樹脂
とから少なくとも構成され、前記合剤に溶媒を加えて混
練した合剤スラリーに対して、前記樹脂が不溶性あるい
は難溶性である事を特徴とする請求項1に記載の非水電
解質二次電池。 - 【請求項3】 前記導電層の結着剤がアクリル酸ポリマ
ー、フェノール樹脂およびエポキシ樹脂の中から選ばれ
る少なくとも1種の樹脂であり、炭素が黒鉛および/ま
たはカーボンブラックの粉末、粒子および短繊維の中か
ら選ばれる1種以上であることを特徴とする請求項1お
よび2に記載の非水電解質二次電池。 - 【請求項4】 正極導電層の結着剤がアクリル酸ポリマ
ーである事を特徴とする請求項1,2および3に記載の
非水電解質二次電池。 - 【請求項5】 正極合剤は少なくとも正極活物質と導電
剤と結着剤とから構成され、前記正極活物質はリチウム
を含有する複合遷移金属酸化物である事を特徴とする請
求項1,2,3および4に記載の非水電解質二次電池。 - 【請求項6】 正極の集電体はアルミニウム、アルミニ
ウム合金、チタンあるいはステンレスである事を特徴と
する請求項1,2,3,4および5に記載の非水電解質
二次電池。 - 【請求項7】 負極導電層の結着剤がフェノール樹脂お
よびエポキシ樹脂の中から選ばれる少なくとも1種以上
である事を特徴とする請求項1,2および3に記載の非
水電解質二次電池。 - 【請求項8】 負極合剤は少なくとも負極活物質と結着
剤とから構成され、前記負極活物質は、炭素質材料およ
び/またはケイ素の酸化物である事を特徴とする請求項
1,2,3および7記載の非水電解質二次電池。 - 【請求項9】 負極の集電体は銅あるいは銅合金である
事を特徴とする請求項1,2,3,7および8に記載の
非水電解質二次電池。 - 【請求項10】 前記非水電解質が、プロピレンカーボ
ネートとエチレンカーボネートから選ばれる少なくとも
1種以上と、化1で表されるR・R’型アルキルカーボ
ネートを共に含有する事を特徴とする請求項1〜9記載
の非水電解質二次電池。 【化1】 - 【請求項11】 集電体上に導電層を配設する工程と、
少なくとも電極活物質と結着剤と溶媒および必要に応じ
導電剤 とを混合混練し合剤スラリーを調製する工程
と、集電体上に配設された導電層上に合剤を配設する工
程を少なくとも有する事を特徴とした非水電解質二次電
池の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP7254139A JPH0997625A (ja) | 1995-09-29 | 1995-09-29 | 非水電解質二次電池およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP7254139A JPH0997625A (ja) | 1995-09-29 | 1995-09-29 | 非水電解質二次電池およびその製造方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0997625A true JPH0997625A (ja) | 1997-04-08 |
Family
ID=17260768
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP7254139A Pending JPH0997625A (ja) | 1995-09-29 | 1995-09-29 | 非水電解質二次電池およびその製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0997625A (ja) |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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