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特開2022-145469非水電解質二次電池用正極、並びにこれを用いた非水電解質二次電池、電池モジュール、及び電池システム
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  • 特開-非水電解質二次電池用正極、並びにこれを用いた非水電解質二次電池、電池モジュール、及び電池システム 図1
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022145469
(43)【公開日】2022-10-04
(54)【発明の名称】非水電解質二次電池用正極、並びにこれを用いた非水電解質二次電池、電池モジュール、及び電池システム
(51)【国際特許分類】
   H01M 4/136 20100101AFI20220926BHJP
   H01M 4/58 20100101ALI20220926BHJP
   H01M 4/62 20060101ALI20220926BHJP
   H01M 4/66 20060101ALI20220926BHJP
   H01M 4/36 20060101ALI20220926BHJP
【FI】
H01M4/136
H01M4/58
H01M4/62 Z
H01M4/66 A
H01M4/36 C
【審査請求】有
【請求項の数】9
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2021197118
(22)【出願日】2021-12-03
(62)【分割の表示】P 2021045807の分割
【原出願日】2021-03-19
(71)【出願人】
【識別番号】000002174
【氏名又は名称】積水化学工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100161207
【弁理士】
【氏名又は名称】西澤 和純
(74)【代理人】
【識別番号】100152272
【弁理士】
【氏名又は名称】川越 雄一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100147267
【弁理士】
【氏名又は名称】大槻 真紀子
(74)【代理人】
【識別番号】100188592
【弁理士】
【氏名又は名称】山口 洋
(72)【発明者】
【氏名】吉川 輝
(72)【発明者】
【氏名】佐飛 裕一
【テーマコード(参考)】
5H017
5H050
【Fターム(参考)】
5H017AA03
5H017DD05
5H017EE01
5H017EE04
5H017EE05
5H017EE06
5H017HH03
5H050AA07
5H050AA08
5H050BA15
5H050CA01
5H050CA08
5H050CA09
5H050CA29
5H050CB07
5H050CB08
5H050CB09
5H050CB29
5H050DA10
5H050EA08
5H050HA01
5H050HA04
5H050HA08
(57)【要約】
【課題】非水電解質二次電池の体積エネルギー密度を向上できるとともに、正極が曲げられた状態での良好なサイクル特性を実現できる非水電解質二次電池用正極の提供。
【解決手段】金属材料からなる正極集電体本体14を備える正極集電体11と、正極集電体11上に存在する正極活物質層12とを有し、正極活物質層12が正極活物質を含み、正極活物質がオリビン型結晶構造を有する化合物を含み、正極活物質層12の体積密度が、2.2~2.7g/cmであり、JIS P 8115準拠の90°耐屈折試験の方法で1回折り曲げたときに、破損が発生しない、非水電解質二次電池用正極。
【選択図】図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
金属材料からなる正極集電体本体を備える正極集電体と、前記正極集電体上に存在する正極活物質層とを有し、
前記正極活物質層が正極活物質を含み、前記正極活物質がオリビン型結晶構造を有する化合物を含み、
前記正極活物質層の体積密度が、2.2~2.7g/cmであり、
JIS P 8115準拠の90°耐屈折試験の方法で1回折り曲げたときに破損が発生しない、非水電解質二次電池用正極。
【請求項2】
前記正極集電体及び前記正極活物質層の一方又は両方が導電性炭素を含む、請求項1に記載の非水電解質二次電池用正極。
【請求項3】
前記正極集電体本体を除いた残部の質量に対して、導電性炭素の含有量が0.5~3.5質量%である、請求項2に記載の非水電解質二次電池用正極。
【請求項4】
前記正極活物質の表面の少なくとも一部に、導電性炭素を含む厚さ1~100nmの活物質被覆部が存在する、請求項2又は3に記載の非水電解質二次電池用正極。
【請求項5】
前記正極集電体本体の表面の少なくとも一部に、導電性炭素を含む厚さ0.1~4.0μmの集電体被覆層が存在する、請求項2~4のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池用正極。
【請求項6】
前記正極活物質層が、導電助剤を含む、請求項1~5のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池用正極。
【請求項7】
前記正極活物質層が導電助剤を含まない、請求項1~5のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池用正極。
【請求項8】
前記90°耐屈折試験の方法で5回折り曲げたときに破損が発生しない、請求項1~7のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池用正極。
【請求項9】
ロール・ツー・ロール方式による正極製造用である、請求項1~7のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池用正極。
【請求項10】
請求項1~9のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池用正極、負極、及び前記非水電解質二次電池用正極と負極との間に存在する非水電解質を備える、非水電解質二次電池。
【請求項11】
前記非水電解質二次電池用正極及び前記負極がセパレータを介して巻回された巻回電極体を備える、請求項10に記載の非水電解質二次電池。
【請求項12】
請求項10又は11に記載の非水電解質二次電池の複数個を備える、電池モジュール又は電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、非水電解質二次電池用正極、並びにこれを用いた非水電解質二次電池、電池モジュール、及び電池システムに関する。
【背景技術】
【0002】
非水電解質二次電池は、一般的に、正極、非水電解質、負極、及び正極と負極との間に設置される分離膜(セパレータ)により構成される。
非水電解質二次電池の正極としては、リチウムイオンを含む正極活物質、導電助剤、及び結着材からなる組成物を、金属箔(集電体)の表面に固着させたものが知られている。
リチウムイオンを含む正極活物質としては、コバルト酸リチウム(LiCoO)、ニッケル酸リチウム(LiNiO)、マンガン酸リチウム(LiMn)等のリチウム遷移金属複合酸化物や、リン酸鉄リチウム(LiFePO)等のリチウムリン酸化合物が実用化されている。
【0003】
特許文献1の実施例には、集電体上に、リン酸鉄リチウムである正極活物質100質量部と、導電助剤5質量部と、結着材5質量部と、増粘剤1質量部とからなる正極活物質層を設けた正極が記載されている。リン酸鉄リチウムの表面を炭素被覆した実施例は、炭素被覆しない比較例に比べてサイクル特定が向上したこと示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2014-17199号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかし、特許文献1に記載の方法は必ずしも充分ではなく、電池特性のさらなる向上が求められている。
非水電解質二次電池においては、充放電に伴う正極活物質層の膨張、収縮によってサイクル特性が低下することが知られているが、例えば電極が小さい半径Rで曲げられるなど過酷な変形状態でもサイクル特性が良好であると、電極形状設計の自由度が大きくなり、デザイン性向上の点で好ましい。
本発明は、非水電解質二次電池の体積エネルギー密度を向上できるとともに、正極が曲げられた状態での良好なサイクル特性を実現できる非水電解質二次電池用正極を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明は以下の態様を有する。
[1]金属材料からなる正極集電体本体を備える正極集電体と、前記正極集電体上に存在する正極活物質層とを有し、前記正極活物質層が正極活物質を含み、前記正極活物質がオリビン型結晶構造を有する化合物を含み、前記正極活物質層の体積密度が、2.2~2.7g/cmであり、JIS P 8115準拠の90°耐屈折試験の方法で1回折り曲げたときに破損が発生しない、非水電解質二次電池用正極。
[2]前記正極集電体及び前記正極活物質層の一方又は両方が導電性炭素を含む、[1]の非水電解質二次電池用正極。
[3]前記正極集電体本体を除いた残部の質量に対して、導電性炭素の含有量が0.5~3.5質量%である、[2]の非水電解質二次電池用正極。
[4]前記正極活物質の表面の少なくとも一部に、導電性炭素を含む厚さ1~100nmの活物質被覆部が存在する、[2]又は[3]の非水電解質二次電池用正極。
[5]前記正極集電体本体の表面の少なくとも一部に、導電性炭素を含む厚さ0.1~4.0μmの集電体被覆層が存在する、[2]~[4]のいずれかの非水電解質二次電池用正極。
[6]前記正極活物質層が、導電助剤を含む、[1]~[5]のいずれかの非水電解質二次電池用正極。
[7]前記正極活物質層が導電助剤を含まない、[1]~[5]のいずれかの非水電解質二次電池用正極。
[8]前記90°耐屈折試験の方法で5回折り曲げたときに破損が発生しない、[1]~[7]のいずれかの非水電解質二次電池用正極。
[9]ロール・ツー・ロール方式による正極製造用である、[1]~[7]のいずれかの非水電解質二次電池用正極。
[10]前記[1]~[9]のいずれかの非水電解質二次電池用正極、負極、及び前記非水電解質二次電池用正極と負極との間に存在する非水電解質を備える、非水電解質二次電池。
[11]前記非水電解質二次電池用正極及び前記負極がセパレータを介して巻回された巻回電極体を備える、[10]の非水電解質二次電池。
[12]前記[10]又は[11]の非水電解質二次電池の複数個を備える、電池モジュール又は電池システム。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、非水電解質二次電池の体積エネルギー密度を向上できるとともに、正極が曲げられた状態での良好なサイクル特性を実現できる非水電解質二次電池用正極が得られる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
図1】本発明に係る非水電解質二次電池用正極の一例を模式的に示す断面図である。
図2】本発明に係る非水電解質二次電池の一例を模式的に示す断面図である。
図3】正極活物質層の剥離強度の測定方法を説明するための工程図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
本明細書及び特許請求の範囲において、数値範囲を示す「~」は、その前後に記載した数値を下限値及び上限値として含むことを意味する。
図1は、本発明の非水電解質二次電池用正極の一実施形態を示す模式断面図であり、図2は本発明の非水電解質二次電池の実施形態を示す模式断面図である。
なお、図1、2は、その構成をわかりやすく説明するための模式図であり、各構成要素の寸法比率等は、実際とは異なる場合もある。
【0010】
<非水電解質二次電池用正極>
本実施形態の非水電解質二次電池用正極(単に「正極」ともいう。)1は、正極集電体11と正極活物質層12を有する。
正極活物質層12は正極集電体11の少なくとも一面上に存在する。正極集電体11の両面上に正極活物質層12が存在してもよい。
図1の例において、正極集電体11は、正極集電体本体14と、正極集電体本体14の正極活物質層12側の表面を被覆する集電体被覆層15とを有する。正極集電体本体14のみを正極集電体11としてもよい。
【0011】
[正極活物質層]
正極活物質層12は正極活物質を含む。正極活物質層12は、さらに結着材を含むことが好ましい。正極活物質層12は、さらに導電助剤を含んでもよい。
正極活物質の形状は、粒子状が好ましい。
正極活物質層12の総質量に対して、正極活物質の含有量は80.0~99.9質量%が好ましく、90~99.5質量%がより好ましい。
【0012】
正極活物質の表面の少なくとも一部に、導電材料を含む活物質被覆部が存在することが好ましい。
活物質被覆部の導電材料は、炭素を含むことが好ましい。炭素のみからなる導電材料でもよく、炭素と炭素以外の他の元素とを含む導電性有機化合物でもよい。他の元素としては、窒素、水素、酸素等が例示できる。前記導電性有機化合物において、他の元素は10原子%以下が好ましく、5原子%以下がより好ましい。
活物質被覆部を構成する導電材料は、炭素のみからなることがさらに好ましい。
活物質被覆部を有する正極活物質の総質量に対して、導電材料の含有量は0.1~3.0質量%が好ましく、0.5~1.5質量%がより好ましく、0.7~1.3質量%がさらに好ましい。
【0013】
正極活物質は、少なくともオリビン型結晶構造を有する化合物を含む。
オリビン型結晶構造を有する化合物は、一般式LiFe(1-x)POで(以下「一般式(I)」ともいう。)表される化合物が好ましい。一般式(I)において0≦x≦1である。MはCo、Ni、Mn、Al、Ti又はZrである。物性値に変化がない程度に微小量の、FeおよびM(Co、Ni、Mn、Al、Ti又はZr)の一部を他の元素に置換することもできる。一般式(I)で表される化合物は、微量の金属不純物が含まれていても本発明の効果が損なわれるものではない。
【0014】
一般式(I)で表される化合物は、LiFePOで表されるリン酸鉄リチウム(以下、単に「リン酸鉄リチウム」ともいう。)が好ましい。表面の少なくとも一部に導電材料を含む活物質被覆部が存在するリン酸鉄リチウム(以下「被覆リン酸鉄リチウム」ともいう。)がより好ましい。電池容量、サイクル特性により優れる点から、リン酸鉄リチウムの表面全体が導電材料で被覆されていることがさらに好ましい。
被覆リン酸鉄リチウムは公知の方法で製造できる。
例えば、特許第5098146号公報に記載の方法を用いてリン酸鉄リチウム粉末を作製し、GS Yuasa Technical Report、2008年6月、第5巻、第1号、第27~31頁等に記載の方法を用いて、リン酸鉄リチウム粉末の表面の少なくとも一部を炭素で被覆できる。
具体的には、まず、シュウ酸鉄二水和物、リン酸二水素アンモニウム、及び炭酸リチウムを、特定のモル比で計り、これらを不活性雰囲気下で粉砕及び混合する。次に、得られた混合物を窒素雰囲気下で加熱処理することによってリン酸鉄リチウム粉末を作製する。次いで、リン酸鉄リチウム粉末をロータリーキルンに入れ、窒素をキャリアガスとしたメタノール蒸気を供給しながら加熱処理することによって、表面の少なくとも一部を炭素で被覆したリン酸鉄リチウム粉末を得る。
例えば、粉砕工程における粉砕時間によってリン酸鉄リチウム粉末の粒子径を調整できる。メタノール蒸気を供給しながら加熱処理する工程における加熱時間及び温度等によって、リン酸鉄リチウム粉末を被覆する炭素の量を調整できる。被覆されなかった炭素粒子はその後の分級や洗浄などの工程などにより取り除くことが望ましい。
【0015】
正極活物質は、オリビン型結晶構造を有する化合物以外の他の正極活物質を含んでもよい。
他の正極活物質は、リチウム遷移金属複合酸化物が好ましい。例えば、コバルト酸リチウム(LiCoO)、ニッケル酸リチウム(LiNiO)、ニッケルコバルト酸リチウム(LiNiCoAl、ただしx+y+z=1)、ニッケルコバルトマンガン酸リチウム(LiNiCoMn、ただしx+y+z=1)、マンガン酸リチウム(LiMn)、コバルトマンガン酸リチウム(LiMnCoO)、クロム酸マンガンリチウム(LiMnCrO)、バナジウムニッケル酸リチウム(LiNiVO)、ニッケル置換マンガン酸リチウム(例えば、LiMn1.5Ni0.5)、及びバナジウムコバルト酸リチウム(LiCoVO)、これらの化合物の一部を金属元素で置換した非化学量論的化合物等が挙げられる。前記金属元素としては、Mn、Mg、Ni、Co、Cu、Zn及びGeからなる群から選択される1種以上が挙げられる。
他の正極活物質は1種でもよく、2種以上でもよい。
他の正極活物質は、表面の少なくとも一部に前記活物質被覆部が存在してもよい。
【0016】
正極活物質の総質量(活物質被覆部を有する場合は活物質被覆部の質量も含む)に対して、オリビン型結晶構造を有する化合物の含有量は50質量%以上が好ましく、80質量%以上がより好ましく、90質量%以上がさらに好ましい。100質量%でもよい。
被覆リン酸鉄リチウムを用いる場合、正極活物質の総質量に対して、被覆リン酸鉄リチウムの含有量は50質量%以上が好ましく、80質量%以上がより好ましく、90質量%以上がさらに好ましい。100質量%でもよい。
【0017】
正極活物質の活物質被覆部の厚さは、1~100nmが好ましい。
正極活物質の活物質被覆部の厚さは、正極活物質の透過電子顕微鏡(TEM)像における活物質被覆部の厚さを計測する方法で測定できる。正極活物質の表面に存在する活物質被覆部の厚さは均一でなくてもよい。正極活物質の表面の少なくとも一部に厚さ1nm以上の活物質被覆部が存在し、活物質被覆部の厚さの最大値が100nm以下であることが好ましい。
【0018】
正極活物質として用いる粒子の平均粒子径(活物質被覆部を有する場合は活物質被覆部の厚さも含む)は、例えば0.1~20.0μmが好ましく、0.2~10.0μmがより好ましい。正極活物質を2種以上用いる場合、それぞれの平均粒子径が上記の範囲内であればよい。
本明細書における正極活物質の平均粒子径は、レーザー回折・散乱法による粒度分布測定器を用いて測定した体積基準のメジアン径である。
【0019】
正極活物質層12に含まれる結着材は有機物であり、例えば、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸リチウム、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体、スチレンブタジエンゴム、ポリビニルアルコール、ポリビニルアセタール、ポリエチレンオキサイド、ポリエチレングリコール、カルボキシメチルセルロース、ポリアクリルニトリル、ポリイミド等が挙げられる。結着材は1種でもよく、2種以上を併用してもよい。
【0020】
正極活物質層12における結着材の含有量は、正極活物質層12の総質量に対して、0.1~4.0質量%が好ましく、0.5~2.0質量%がより好ましい。
正極活物質層12における結着材の含有量が、上記範囲の下限値以上であると剥離強度の向上効果に優れ、上限値以下であると正極活物質の割合が増えるため、体積エネルギー密度が向上する。
【0021】
正極活物質層12に含まれる導電助剤としては、例えば、グラファイト、グラフェン、ハードカーボン、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、カーボンナノチューブ(CNT)等の炭素材料が挙げられる。導電助剤は1種でもよく、2種以上を併用してもよい。
正極活物質層12における導電助剤の含有量は、例えば、正極活物質の総質量100質量部に対して、4質量部以下が好ましく、3質量部以下がより好ましく、1質量部以下がさらに好ましく、導電助剤を含まないことが特に好ましい。
正極活物質層12に導電助剤を配合する場合、導電助剤の下限値は、導電助剤の種類に応じて適宜決定され、例えば、正極活物質層12の総質量に対して0.1質量%超とされる。
なお、正極活物質層12が「導電助剤を含まない」とは、実質的に含まないことを意味し、本発明の効果に影響を及ぼさない程度に含むものを排除するものではない。例えば、導電助剤の含有量が正極活物質層12の総質量に対して0.1質量%以下であれば、実質的に含まれないと判断できる。
【0022】
[正極集電体]
正極集電体本体14は金属材料からなる。金属材料としては、銅、アルミニウム、チタン、ニッケル、ステンレス鋼等の導電性を有する金属が例示できる。
正極集電体本体14の厚みは、例えば8~40μmが好ましく、10~25μmがより好ましい。
正極集電体本体14の厚み及び正極集電体11の厚みは、マイクロメータを用いて測定できる。測定器の一例としてはミツトヨ社製品名「MDH-25M」が挙げられる。
【0023】
[集電体被覆層]
集電体被覆層15は導電材料を含む。
集電体被覆層15中の導電材料は、炭素を含むことが好ましく、炭素のみからなる導電材料がより好ましい。
集電体被覆層15は、例えばカーボンブラック等の炭素粒子と結着材を含むコーティング層が好ましい。集電体被覆層15の結着材は、正極活物質層12の結着材と同様のものを例示できる。
正極集電体本体14の表面を集電体被覆層15で被覆した正極集電体11は、例えば、導電材料、結着材、及び溶媒を含むスラリーを、グラビア法等の公知の塗工方法を用いて正極集電体本体14の表面に塗工し、乾燥して溶媒を除去する方法で製造できる。
【0024】
集電体被覆層15の厚さは、0.1~4.0μmが好ましい。
集電体被覆層の厚さは、集電体被覆層の断面の透過電子顕微鏡(TEM)像又は走査型電子顕微鏡(SEM)像における被覆層の厚さを計測する方法で測定できる。集電体被覆層の厚さは均一でなくてもよい。正極集電体本体14の表面の少なくとも一部に厚さ0.1μm以上の集電体被覆層が存在し、集電体被覆層の厚さの最大値が4.0μm以下であることが好ましい。
【0025】
[正極の製造方法]
本実施形態の正極1は、例えば、正極活物質、結着材、及び溶媒を含む正極製造用組成物を、正極集電体11上に塗工し、乾燥し溶媒を除去して正極活物質層12を形成する方法で製造できる。正極製造用組成物は導電助剤を含んでもよい。
正極集電体11上に正極活物質層12を形成した積層物を、2枚の平板状冶具の間に挟み、厚み方向に均一に加圧する方法で、正極活物質層12の厚みを調整できる。例えば、ロールプレス機を用いて加圧する方法を使用できる。
【0026】
正極製造用組成物の溶媒は非水系溶媒が好ましい。例えば、メタノール、エタノール、1-プロパノール、2-プロパノール等のアルコール;N-メチルピロリドン、N,N-ジメチルホルムアミド等の鎖状又は環状アミド;アセトン等のケトンが挙げられる。溶媒は1種でもよく、2種以上を併用してもよい。
【0027】
本実施形態において、正極活物質層12の体積密度は2.2~2.7g/cmであり、2.3~2.6g/cmがより好ましい。
正極活物質層12の体積密度は、例えば以下の測定方法により測定できる。
正極1及び正極集電体11の厚みをそれぞれマイクロゲージで測定し、これらの差から正極活物質層12の厚みを算出する。正極1及び正極集電体11の厚みは、それぞれ任意の5点以上で測定した値の平均値とする。正極集電体11の厚みとして、後述の正極集電体露出部13の厚みを用いてよい。
正極を所定の面積となるように打ち抜いた測定試料の質量を測定し、予め測定した正極集電体11の質量を差し引いて、正極活物質層12の質量を算出する。
下記式(1)に基づいて、正極活物質層12の体積密度を算出する。
体積密度(単位:g/cm)=正極活物質層の質量(単位:g)/[(正極活物質層の厚み(単位:cm)×測定試料の面積(単位:cm)]・・・(1)
【0028】
正極活物質層12の体積密度が上記範囲の下限値以上であると体積エネルギー密度の向上効果に優れ、上限値以下であると正極活物質層12の剥離強度に優れる。正極活物質層12の体積密度が高すぎると、後述の90°耐屈折試験において正極活物質層12にクラック、破断が生じやすくなり、剥離強度が低下する傾向がある。体積密度が低すぎると、正極活物質、導電助剤、正極集電体等の導電性に寄与する物質どうしの接触が弱くなりやすく、その結果、剥離強度が低くなり、インピーダンスが高くなる傾向がある。
正極活物質層12の体積密度は、例えば、正極活物質の含有量、正極活物質の粒子径、正極活物質層12の厚み等によって調整できる。正極活物質層12が導電助剤を有する場合は、導電助剤の種類(比表面積、比重)、導電助剤の含有量、導電助剤の粒子径によっても調整できる。
【0029】
本実施形態の正極1は、JIS P 8115準拠の90°耐屈折試験の方法で1回折り曲げたときに破損が発生しない。5回折り曲げたときに破損が発生しないことが好ましい。1回の折り曲げ操作は、90°に曲げた直後に180°に戻す操作である。破損が発生しないとは、正極活物質層にクラック、破断又は剥がれのいずれも発生しないことを意味する。90°耐屈折試験は具体的に下記の条件で行う。
試験片寸法:幅15mm、長さ約110mm。
荷重;0.25kgf
折り曲げクランプの曲率半径:2.0mm。
被測定物から試験片を切り出す際に、長さ方向を変えて5枚の試験片を用意する。
全部の試験片が、1回折り曲げたときにクラック、破断又は剥がれのいずれも発生しない場合を「1回折り曲げたときに破損が発生しない」と判定する。
全部の試験片が、5回折り曲げたときにクラック、破断又は剥がれのいずれも発生しない場合を「5回折り曲げたときに破損が発生しない」と判定する。同様の試験を5枚の試験片について行い、結果判定を確認した。5枚のうち1枚でもクラックが発生した場合は「5回折り曲げたときに破損が発生する」と判定する。
【0030】
本実施形態において、正極活物質層の体積密度が前記範囲であり、かつ前記90°耐屈折試験において正極活物質層に破損が発生しないことは、正極活物質層に存在する粒子群の結着状態の、曲げに対する安定性に優れることを意味する。
前記粒子群の結着状態の曲げに対する安定性を向上させることにより、耐屈折試験における正極活物質層の破損を防止できる。
前記粒子群の結着状態の曲げに対する安定性は、例えば、正極活物質の含有量、正極活物質の粒子径、正極活物質層12の厚み等によって調整できる。正極活物質層12が導電助剤を有する場合は、導電助剤の種類(比表面積、比重)、導電助剤の含有量、導電助剤の粒子径によっても調整できる。
例えば、比表面積が大きく、粒子径が小さい導電助剤の配合量を少なくし、結着材の使用量を極力抑えることで、前記結着状態の曲げに対する安定性を向上させることができる。
【0031】
本実施形態において、正極集電体11及び正極活物質層12の一方又は両方が導電性炭素を含むことが好ましい。
正極活物質層12が導電性炭素を含む場合、正極活物質を被覆する導電材料及び導電助剤の少なくとも一方が炭素を含むことが好ましい。
正極集電体11が導電性炭素を含む場合、集電体被覆層15中の導電材料が炭素を含むことが好ましい。
【0032】
正極1から正極集電体本体14を除いた残部の質量に対して、導電性炭素の含有量は0.5~3.5質量%が好ましく、1.5~3.0質量%がより好ましい。
正極1が正極集電体本体14と正極活物質層12とからなる場合、正極1から正極集電体本体14を除いた残部の質量は、正極活物質層12の質量である。
正極1が正極集電体本体14と集電体被覆層15と正極活物質層12とからなる場合、正極1から正極集電体本体14を除いた残部の質量は、集電体被覆層15と正極活物質層12の合計質量である。
前記残部の質量に対して、導電性炭素の含有量が上記範囲の下限値以上であると90°折り曲げた状態での充放電サイクル性に優れ、上限値以下であると体積エネルギー密度の向上効果に優れる。
【0033】
正極1から正極集電体本体14を除いた残部の質量に対する導電性炭素の含有量は、正極集電体本体14上に存在する層の全量を剥がして120℃環境で真空乾燥した乾燥物(粉体)を測定対象物として、下記≪導電性炭素含有量の測定方法≫で測定できる。
下記≪導電性炭素含有量の測定方法≫で測定した導電性炭素の含有量は、活物質被覆部中の炭素と、導電助剤中の炭素と、集電体被覆層15中の炭素を含む。結着材中の炭素は含まれない。
【0034】
前記測定対象物を得る方法としては、例えば、以下の方法を用いることができる。
まず、正極1を任意の大きさに打ち抜き、溶剤(例えば、N-メチルピロリドン)に浸漬して攪拌する方法で、正極集電体本体14上に存在する層(粉体)を完全に剥がす。次いで、正極集電体本体14に粉体が付着していないことを確認し、正極集電体本体14を溶剤から取り出し、剥がした粉体と溶剤を含む懸濁液(スラリー)を得る。得られた懸濁液を120℃で乾燥して溶剤を完全に揮発させ、目的の測定対象物(粉体)を得る。
【0035】
≪導電性炭素含有量の測定方法≫
[測定方法A]
測定対象物を均一に混合して試料(質量w1)を量りとり、下記の工程A1、工程A2の手順で熱重量示唆熱(TG-DTA)測定を行い、TG曲線を得る。得られたTG曲線から下記第1の重量減少量M1(単位:質量%)及び第2の重量減少量M2(単位:質量%)を求める。M2からM1を減算して導電性炭素の含有量(単位:質量%)を得る。
工程A1:300mL/分のアルゴン気流中において、10℃/分の昇温速度で30℃から600℃まで昇温し、600℃で10分間保持したときの質量w2から、下記式(a1)により第1の重量減少量M1を求める。
M1=(w1-w2)/w1×100 …(a1)
工程A2:前記工程A1の直後に600℃から10℃/分の降温速度で降温し、200℃で10分間保持した後に、測定ガスをアルゴンから酸素へ完全に置換し、100mL/分の酸素気流中において、10℃/分の昇温速度で200℃から1000℃まで昇温し、1000℃にて10分間保持したときの質量w3から、下記式(a2)により第2の重量減少量M2(単位:質量%)を求める。
M2=(w1-w3)/w1×100 …(a2)
【0036】
[測定方法B]
測定対象物を均一に混合して試料を0.0001mg精秤し、下記の燃焼条件で試料を燃焼し、発生した二酸化炭素をCHN元素分析装置により定量し、試料に含まれる全炭素量M3(単位:質量%)を測定する。また、前記測定方法Aの工程A1の手順で第1の重量減少量M1を求める。M3からM1を減算して導電性炭素の含有量(単位:質量%)を得る。
[燃焼条件]
燃焼炉:1150℃
還元炉:850℃
ヘリウム流量:200mL/分
酸素流量:25~30mL/分
【0037】
[測定方法C]
上記測定方法Bと同様にして、試料に含まれる全炭素量M3(単位:質量%)を測定する。また、下記の方法で結着材由来の炭素の含有量M4(単位:質量%)を求める。M3からM4を減算して導電性炭素の含有量(単位:質量%)を得る。
結着材がポリフッ化ビニリデン(PVDF:モノマー(CHCF)の分子量64)である場合は、管状式燃焼法による燃焼イオンクロマトグラフィーにより測定されたフッ化物イオン(F)の含有量(単位:質量%)、PVDFを構成するモノマーのフッ素の原子量(19)、及びPVDFを構成する炭素の原子量(12)から以下の式で計算することができる。
PVDFの含有量(単位:質量%)=フッ化物イオンの含有量(単位:質量%)×64/38
PVDF由来の炭素の含有量M4(単位:質量%)=フッ化物イオンの含有量(単位:質量%)×12/19
結着材がポリフッ化ビニリデンであることは、試料、又は試料をN-Nジメチルホルムアミド(DMF)溶媒により抽出した液体をフーリエ変換赤外スペクトル(FT-IR)測定し、C-F結合由来の吸収を確認する方法で確かめることができる。同様に19F-NMR測定でも確かめることができる。
結着材がPVDF以外と同定された場合は、その分子量に相当する結着材の含有量(単位:質量%)および炭素の含有量(単位:質量%)を求めることで、結着材由来の炭素量M4を算出できる。
これらの手法は下記複数の公知文献に記載されている。
東レリサーチセンター The TRC News No.117 (Sep.2013)第34~37頁、[2021年2月10日検索]、インターネット<https://www.toray-research.co.jp/technical-info/trcnews/pdf/TRC117(34-37).pdf>
東ソー分析センター 技術レポート No.T1019 2017.09.20、[2021年2月10日検索]、インターネット<http://www.tosoh-arc.co.jp/techrepo/files/tarc00522/T1719N.pdf>
【0038】
≪導電性炭素の分析方法≫
正極活物質の活物質被覆部を構成する導電性炭素と、導電助剤である導電性炭素は、以下の分析方法で区別できる。
例えば、正極活物質層中の粒子を透過電子顕微鏡電子エネルギー損失分光法(TEM-EELS)により分析し、粒子表面近傍にのみ290eV付近の炭素由来のピークが存在する粒子は正極活物質であり、粒子内部にまで炭素由来のピークが存在する粒子は導電助剤と判定することができる。
他の方法としては、正極活物質層中の粒子をラマン分光によりマッピング解析し、炭素由来のG-bandとD-band、及び正極活物質由来の酸化物結晶のピークが同時に観測された粒子は正極活物質であり、G-bandとD-bandのみが観測された粒子は導電助剤と判定することができる。
さらに他の方法としては、広がり抵抗顕微鏡(SSRM:Scanning Spread Resistance Microscope)により、正極活物質層の断面を観察し、粒子表面に粒子内部より抵抗が低い部分が存在する場合、抵抗が低い部分は活物質被覆部に存在する導電性炭素であると判定できる。そのような粒子以外に独立して存在し、かつ抵抗が低い部分は導電助剤であると判定することができる。
なお、不純物として考えられる微量な炭素や、製造時に正極活物質の表面から意図せず剥がれた微量な炭素などは、導電助剤と判定しない。
これらの方法を用いて、炭素材料からなる導電助剤が正極活物質層に含まれるか否かを確認することができる。
【0039】
本実施形態において、正極活物質層12の剥離強度は10~1,000mN/cmが好ましく、20~500mN/cmがより好ましく、40~250mN/cmがさらに好ましい。
本明細書において、正極活物質層12の剥離強度は、後述の実施例に記載の測定方法で得られる180°剥離強度である。
前記剥離強度は、例えば、結着材の含有量、導電助剤の含有量によって調整できる。結着材の含有量が多いほど剥離強度は高まる。表面積が大きく、結着材を活物質よりも多く必要とする導電助剤の含有量を少なくすることによって、良好な剥離強度を得るために必要な結着材の量を低減できる。
正極活物質層12の剥離強度が上記範囲の下限値以上であると、正極活物質層12を構成する粒子の結着性及び正極集電体11と正極活物質層12との密着性に優れる。上限値以下であると導電性炭素、結着材が適量である事が想定され、非水電解質二次電池のエネルギー密度向上効果に優れる。
【0040】
<非水電解質二次電池>
図2に示す本実施形態の非水電解質二次電池10は、本実施形態の非水電解質二次電池用正極1と、負極3と、非水電解質とを備える。さらにセパレータ2を備えてもよい。図中符号5は外装体である。
本実施形態において、正極1は、板状の正極集電体11と、その両面上に設けられた正極活物質層12と有する。正極活物質層12は正極集電体11の表面の一部に存在する。正極集電体11の表面の縁部は、正極活物質層12が存在しない正極集電体露出部13である。正極集電体露出部13の任意の箇所に、図示しない端子用タブが電気的に接続する。
負極3は、板状の負極集電体31と、その両面上に設けられた負極活物質層32とを有する。負極活物質層32は負極集電体31の表面の一部に存在する。負極集電体31の表面の縁部は、負極活物質層32が存在しない負極集電体露出部33である。負極集電体露出部33の任意の箇所に、図示しない端子用タブが電気的に接続する。
正極1、負極3およびセパレータ2の形状は特に限定されない。例えば平面視矩形状でもよい。
本実施形態の非水電解質二次電池10は、例えば、正極1と負極3を、セパレータ2を介して交互に積層した電極積層体を作製し、電極積層体をアルミラミネート袋等の外装体(筐体)5に封入し、非水電解質(図示せず)を注入して密閉する方法で製造できる。
図2では、代表的に、負極/セパレータ/正極/セパレータ/負極の順に積層した構造を示しているが、電極の数は適宜変更できる。正極1は1枚以上あればよく、得ようとする電池容量に応じて任意の数の正極1を用いることができる。負極3及びセパレータ2は、正極1の数より1枚多く用い、最外層が負極3となるように積層する。
【0041】
[負極]
負極活物質層32は負極活物質を含む。さらに結着材を含んでもよい。さらに導電助剤を含んでもよい。負極活物質の形状は、粒子状が好ましい。
負極3は、例えば、負極活物質、結着材、及び溶媒を含む負極製造用組成物を調製し、これを負極集電体31上に塗工し、乾燥し溶媒を除去して負極活物質層32を形成する方法で製造できる。負極製造用組成物は導電助剤を含んでもよい。
【0042】
負極活物質及び導電助剤としては、例えばグラファイト、グラフェン、ハードカーボン、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、カーボンナノチューブ(CNT)等の炭素材料が挙げられる。負極活物質及び導電助剤は、それぞれ1種でもよく2種以上を併用してもよい。
【0043】
負極集電体31の材料、負極製造用組成物中の結着材、溶媒としては、上記した正極集電体11の材料、正極製造用組成物中の結着材、溶媒と同様のものを例示できる。負極製造用組成物中の結着材、溶媒は、それぞれ1種でもよく2種以上を併用してもよい。
【0044】
負極活物質層32の総質量に対して、負極活物質及び導電助剤の合計の含有量は80.0~99.9質量%が好ましく、85.0~98.0質量%がより好ましい。
【0045】
[セパレータ]
セパレータ2を負極3と正極1との間に配置して短絡等を防止する。セパレータ2は、後述する非水電解質を保持してもよい。
セパレータ2としては、特に限定されず、多孔性の高分子膜、不織布、ガラスファイバー等が例示できる。
セパレータ2の一方又は両方の表面上に絶縁層を設けてもよい。絶縁層は、絶縁性微粒子を絶縁層用結着材で結着した多孔質構造を有する層が好ましい。
【0046】
セパレータ2は、各種可塑剤、酸化防止剤、難燃剤を含んでもよい。
酸化防止剤としては、ヒンダードフェノール系酸化防止剤、モノフェノール系酸化防止剤、ビスフェノール系酸化防止剤、ポリフェノール系酸化防止剤等のフェノール系酸化防止剤;ヒンダードアミン系酸化防止剤;リン系酸化防止剤;イオウ系酸化防止剤;ベンゾトリアゾール系酸化防止剤;ベンゾフェノン系酸化防止剤;トリアジン系酸化防止剤;サルチル酸エステル系酸化防止剤等が例示できる。フェノール系酸化防止剤、リン系酸化防止剤が好ましい。
【0047】
[非水電解質]
非水電解質は正極1と負極3との間を満たす。例えば、リチウムイオン二次電池、電気二重層キャパシタ等において公知の非水電解質を使用できる。
非水電解質として、有機溶媒に電解質塩を溶解した非水電解液が好ましい。
【0048】
有機溶媒は、高電圧に対する耐性を有するものが好ましい。例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、γ-ブチロラクトン、スルホラン、ジメチルスルホキシド、アセトニトリル、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、1,2-ジメトキシエタン、1,2-ジエトキシエタン、テトロヒドラフラン、2-メチルテトラヒドロフラン、ジオキソラン、メチルアセテート等の極性溶媒、又はこれら極性溶媒の2種類以上の混合物が挙げられる。
【0049】
電解質塩は、特に限定されず、例えばLiClO、LiPF、LiBF、LiAsF、LiCF、LiCFCO、LiPFSO、LiN(SOF)、LiN(SOCF、Li(SOCFCF、LiN(COCF、LiN(COCFCF等のリチウムを含む塩、又はこれら塩の2種以上の混合物が挙げられる。
【0050】
本実施形態の非水電解質二次電池は、産業用、民生用、自動車用、住宅用等、各種用途のリチウムイオン二次電池として使用できる。
本実施形態の非水電解質二次電池の使用形態は特に限定されない。例えば、複数個の非水電解質二次電池を直列又は並列に接続して構成した電池モジュール、電気的に接続した複数個の電池モジュールと電池制御システムとを備える電池システム等に用いることができる。
電池システムの例としては、電池パック、定置用蓄電池システム、自動車の動力用蓄電池システム、自動車の補機用蓄電池システム、非常電源用蓄電池システム等が挙げられる。
【0051】
本実施形態によれば、体積エネルギー密度に優れた非水電解質二次電池を得ることができる。例えば体積エネルギー密度245Wh/L以上、好ましくは260Wh/L以上、より好ましくは275Wh/L以上を達成できる。
本実施形態によれば、非水電解質二次電池のインピーダンスを低減できる。
【0052】
本実施形態によれば、正極が曲げられた状態でのサイクル特性に優れた非水電解質二次電池を得ることができる。具体的には、後述の実施例に記載された90°曲げサイクル試験における容量維持率に優れた非水電解質二次電池を得ることができる。
【0053】
本実施形態の正極1は、曲げ強度及び折り曲げ強度に優れる。したがって、シート状の正極をロール状に巻き取る工程を有する、ロール・ツー・ロール(roll to roll)方式によて正極を製造する方法に好適に用いることができる。
また本実施形態の正極1は、巻回電極体を備える非水電解質二次電池の正極としても好適に用いることができる。
【実施例0054】
以下に実施例を用いて本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれら実施例に限定されない。
【0055】
<測定方法>
[体積密度の測定方法]
マイクロゲージを用いて正極シートの厚み及び正極集電体露出部13の厚みを測定した。それぞれ任意の5点で測定して平均値を求めた。
正極シートを、直径16mmの円形に打ち抜いた測定試料を5枚準備した。
各測定試料の質量を精密天秤にて秤量し、測定結果から、予め測定した正極集電体11の質量を差し引くことにより、測定試料中の正極活物質層12の質量を算出した。各測定値の平均値から前記式(1)に基づいて、正極活物質層の体積密度を算出した。
【0056】
[剥離強度の測定方法]
正極活物質層12の剥離強度は、オートグラフを用いて以下の方法により測定することができる。図3は、正極活物質層の剥離強度の測定方法の工程図である。図3に示す工程(S1)~(S7)を順に説明する。図3は、その構成をわかりやすく説明するための模式図であり、各構成要素の寸法比率等は、実際とは異なる場合もある。
(S1)先ず、幅25mm、長さ120mmの長方形の両面テープ50を準備する。両面テープ50は粘着層50aの両面に剥離紙50b、50cが積層されている。両面テープ50としては、日東電工社製品名「No.5015、25mm幅」を用いた。
(S2)両面テープ50の片面の離型紙50cを剥がし、粘着層50aの表面(以下、「糊面」ともいう。)が露出した粘着体55とする。粘着体55において、長さ方向の一端部55aからの距離が約10mmのところに折り曲げ位置51を設ける。
(S3)前記折り曲げ位置51より一端部55a側を、糊面と糊面とが接着するように折り曲げる。
(S4)粘着体55の糊面と、正極シート60の正極活物質層12とが接触するように、粘着体55と正極シート60とを貼り合わせる。
(S5)粘着体55の外縁に沿って正極シート60を切り出し、長さ方向に圧着ローラーを2往復させる方法で、粘着体55と正極シート60とを圧着させて複合体65を得る。
(S6)ステンレス板70の一面に、複合体65の粘着体55側の外面を接触させ、折り曲げ位置51とは反対側の他端部65bを、メンディングテープ80でステンレス板70に固定する。メンディングテープ80としては、3M社製品名「スコッチテープメンディングテープ18mm×30小巻810-1-18D」を用いた。メンディングテープ80の長さは約30mmとし、ステンレス板70の端部から複合体65の他端部65bまでの距離Aは約5mm、メンディングテープ80の一端部80aから複合体65の他端部65bまでの距離Bは5mmとする。メンディングテープ80の他端部80bはステンレス板70の他面に貼り付ける。
(S7)複合体65の折り曲げ位置51側の端部において、粘着体55から正極シート60を、長さ方向に対して平行にゆっくりと剥がす。メンディングテープ80で固定されていない正極シート60の端部(以下、「剥離端」という)60aが、ステンレス板70からはみ出す程度までゆっくりと剥がす。
次いで、複合体65が固定されたステンレス板70を、図示しない引っ張り試験機(島津製作所製品名「EZ-LX」)に設置し、粘着体55の折り曲げ位置51側の端部を固定し、正極シート60の剥離端60aを折り曲げ位置51とは反対方向(折り曲げ位置51に対して180°方向)に、引っ張り速度60mm/分、試験力50000mN、ストローク70mmで引っ張って剥離強度を測定する。ストローク20~50mmにおける剥離強度の平均値を、正極活物質層12の剥離強度とする。
【0057】
[耐屈折試験]
上述のJIS P 8115準拠の90°耐屈折試験を行った。
1回折り曲げたときに破損発生の有無を評価した。破損なしを「○」、破損有りを「×」として判定した。
1回折り曲げたときに○であったものについて、5回折り曲げて破損発生の有無を評価した。破損なしを「○」、破損有りを「×」として判定した。
【0058】
<評価方法>
[体積エネルギー密度の測定方法]
体積エネルギー密度の評価は、下記(1)~(3)の手順に沿って行った。
(1)定格容量が1Ahとなるようにセルを作製し、セルの体積を測定した。体積はアルキメデスの原理により測定した。体積測定はその他の手法としてもよく、一例としてはレーザー体積計や3Dスキャン等の方式でも可能である。
(2)得られたセルに対して、25℃(常温)環境下で0.2Cレート(すなわち、200mA)で一定電流にて終止電圧3.6Vで充電を行った後、一定電圧にて前記充電電流の1/10を終止電流(すなわち、20mA)として充電を行った後に30分間、開回路状態で休止した。
(3)放電を0.2Cレートで一定電流にて終止電圧2.5Vで行った。このときに放電開始から放電終了までに測定された合計の放電電力(単位:Wh)を(1)にて測定したセルの体積(単位:L)で除する事で重量エネルギー密度(単位:Wh/L)を算出した。
【0059】
[インピーダンスの測定方法]
定格容量が1Ahとなるようにセルを作製し、得られたセルに対して、25℃(常温)環境下で0.2Cレート(すなわち、200mA)で一定電流にて終止電圧3.6Vで充電を行った後、一定電圧にて前記充電電流の1/10を終止電流(すなわち、20mA)として充電を行った後に、常温(25℃)、周波数1kHzの条件でインピーダンスを測定した。
測定は正負極タブにそれぞれ電流端子、電圧端子を取り付ける4端子法にて実施した。測定には一例として、BioLogic社製インピーダンスアナライザを用いた。
【0060】
[90°曲げサイクル試験]
容量維持率の評価は、下記(1)~(7)の手順に沿って行った。
(1)定格容量が1Ahとなるように非水電解質二次電池(ラミネートセル)を作製し、セルの2箇所を曲率半径Rが5mmとなるように90°に曲げた状態とし、常温(25℃)下で、サイクル評価を実施した。
(2)得られたセルに対して、0.2Cレート(すなわち、200mA)で一定電流にて終止電圧3.6Vで充電を行った後、一定電圧にて前記充電電流の1/10を終止電流(すなわち、20mA)として充電を行った。
(3)容量確認のための放電を0.2Cレートで一定電流にて終止電圧2.5Vで行った。このときの放電容量を基準容量とし、基準容量を1Cレートの電流値とした(すなわち、1,000mAとした)。
(4)セルの3Cレート(すなわち、3000mA)で一定電流にて終止電圧3.8Vで充電を行った後、10秒間休止し、この状態から3Cレートにて終止電圧2.0Vで放電を行い、10秒間休止した。
(5)(4)のサイクル試験を1,000回繰り返した。
(6)(2)と同様の充電を実施した後に、(3)と同じ容量確認を実施した。
(7)(6)で測定された容量確認での放電容量をサイクル試験前の基準容量で除して百分率とする事で、1,000サイクル後の容量維持率(1,000サイクル容量維持率、単位:%)とした。
【0061】
<製造例1:負極の製造>
負極活物質である人造黒鉛100質量部と、結着材であるスチレンブタジエンゴム1.5質量部と、増粘材であるカルボキシメチルセルロースNa1.5質量部と、溶媒である水とを混合し、固形分50質量%の負極製造用組成物を得た。
得られた負極製造用組成物を、銅箔(厚さ8μm)の両面上にそれぞれ塗工し、100℃で真空乾燥した後、2kNの荷重で加圧プレスして負極シートを得た。得られた負極シートを打ち抜き、負極とした。
【0062】
<例1~9>
例1~4は実施例、例5~9は比較例である。
正極活物質としては、炭素で被覆されたリン酸鉄リチウム(平均粒子径1.0μm、炭素含有量1質量%、以下「カーボンコート活物質」ともいう。)を用いた。活物質被覆部の厚さは1~100nmの範囲内であった。
導電助剤としてカーボンブラックを用いた。
結着材としてポリフッ化ビニリデンを用いた。
【0063】
[例1]
まず、以下の方法で正極集電体本体14の表裏両面を集電体被覆層15で被覆して正極集電体11を作製した。正極集電体本体14としてはアルミニウム箔(厚さ15μm)を用いた。
カーボンブラック100質量部と、結着材であるポリフッ化ビニリデン40質量部と、溶媒であるN-メチルピロリドン(NMP)とを混合してスラリーを得た。NMPの使用量はスラリーを塗工するのに必要な量とした。
得られたスラリーを正極集電体本体14の両面に、乾燥後の集電体被覆層15の厚さ(両面合計)が2μmとなるように、グラビア法で塗工し、乾燥し溶媒を除去して正極集電体11とした。両面それぞれの集電体被覆層15は、塗工量及び厚みが互いに均等になるように形成した。
【0064】
次いで、以下の方法で正極活物質層12を形成した。
表1に示す配合で、正極活物質と、導電助剤と、結着材と、溶媒(NMP)とを、ミキサーにて混合して正極製造用組成物を得た。溶媒の使用量は、正極製造用組成物を塗工するのに必要な量とした。
正極集電体11の両面上に、それぞれ正極製造用組成物を塗工し、予備乾燥後、120℃環境で真空乾燥して正極活物質層12を形成した。正極製造用組成物の塗工量を表2に示す(以下、同様)。得られた積層物を10kNの荷重で加圧プレスして正極シートを得た。
表2において、正極製造用組成物の塗工量及び正極活物質層の厚みは、正極集電体11の両面に存在する正極活物質層12の合計である。両面それぞれの正極活物質層12は、塗工量及び厚みが互いに均等になるように形成した。
得られた正極シートを試料として、体積密度及び剥離強度を測定した。上述の方法で耐屈折試験(1回折り曲げ及び5回折り曲げ)を行った。カーボンコート活物質の炭素含有量と配合量、導電助剤の炭素含有量と配合量、及び結着材の配合量に基づいて、正極1から正極集電体本体14を除いた残部の質量に対する導電性炭素含有量、及び正極活物質層の質量に対する結着材含有量を算出した。導電助剤は、不純物が定量限界以下であり、炭素含有量100質量%とみなした。導電性炭素含有量及び結着材含有量は上記≪導電性炭素含有量の測定方法≫に記載の方法で確認することも可能である。これらの結果を表2に示す(以下、同様)。
得られた正極シートを打ち抜き、正極とした。
【0065】
以下の方法で、図2に示す構成の非水電解質二次電池を製造した。
エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)を、EC:DECの体積比が3:7となるように混合した溶媒に、電解質としてLiPFを1モル/リットルとなるように溶解して、非水電解液を調製した。
本例で得た正極と、製造例1で得た負極とを、セパレータを介して交互に積層し、最外層が負極である電極積層体を作製した。セパレータとしては、ポリオレフィンフィルム(厚さ15μm)を用いた。
電極積層体を作製する工程では、まず、セパレータ2と正極1とを積層し、その後、セパレータ2上に負極3を積層した。
電極積層体の正極集電体露出部13及び負極集電体露出部33のそれぞれに、端子用タブを電気的に接続し、端子用タブが外部に突出するように、アルミラミネートフィルムで電極積層体を挟み、三辺をラミネート加工して封止した。
続いて、封止せずに残した一辺から非水電解液を注入し、真空封止して非水電解質二次電池(ラミネートセル)を製造した。
上記の方法で、体積エネルギー密度及びインピーダンスを測定した。また、上記の方法で90°曲げサイクル試験を行い、1,000サイクル容量維持率を測定した。結果を表2に示す(以下、同様)。
【0066】
[例2]
例1において、体積密度が表2に示す値となるように、加圧プレスの荷重を変更した。それ以外は例1と同様にして正極を作製し、二次電池を製造して評価した。
【0067】
[例3、4]
例1において、正極製造用組成物の配合を表1に示す通りに変更した。また、体積密度が表2に示す値となるように塗工量及び加圧プレスの荷重を調整した。
それ以外は例1と同様にして正極を作製し、二次電池を製造して評価した。
【0068】
[例5、6、8]
例1において、体積密度が表2に示す値となるように、加圧プレスの荷重を変更した。それ以外は例1と同様にして正極を作製し、二次電池を製造して評価した。
【0069】
[例7、9]
正極集電体として、集電体被覆層を有しないアルミニウム箔(厚さ15μm)を用いた。
表1に示す配合の正極製造用組成物を、アルミニウム箔の両面上にそれぞれ塗工し、予備乾燥後、120℃環境で真空乾燥して正極活物質層12を形成した。得られた積層物を加圧プレスして正極シートを得た。体積密度が表2に示す値となるように塗工量及び加圧プレスの荷重を調整した。得られた正極シートを打ち抜き、正極とした。
本例で得た正極を用い、例1と同様にして二次電池を製造して評価した。
【0070】
【表1】
【0071】
【表2】
【0072】
表2の結果に示されるように、体積密度が2.2~2.7g/cmであり、90°耐屈折試験(1回)の結果が○(良好)である例1~4は、正極活物質層の剥離強度が高く、非水電解質二次電池の体積エネルギー密度が高く、90℃曲げサイクル試験において優れた特性を示した。インピーダンスも低かった。
【0073】
体積密度が高い例5は、90°耐屈折試験において、正極活物質層に割れクラックが生じ、剥離強度も低かった。
体積密度が低い例6は、剥離強度が低く、インピーダンスが高かった。正極活物質、導電助剤及び正極集電体等の導電性に寄与する物質どうしの接触が弱いと考えられる。
正極集電体が集電体被覆層を有しない例7は、剥離強度が低く、インピーダンスが非常に高くなった。
導電性炭素含有量が高く、体積密度が低い例8は、体積エネルギー密度が低く、導電助剤の配合量が多いため正極活物質層が脆く、剥離強度が劣った。
正極集電体が集電体被覆層を有さず、導電性炭素含有量及び結着材含有量が高く、体積密度が低い例9は、体積エネルギー密度が低く、インピーダンスが高かった。
【符号の説明】
【0074】
1 正極
2 セパレータ
3 負極
5 外装体
10 二次電池
11 正極集電体
12 正極活物質層
13 正極集電体露出部
14 正極集電体本体
15 集電体被覆層
31 負極集電体
32 負極活物質層
33 負極集電体露出部
50 両面テープ
50a 粘着層
50b 剥離紙
51 折り曲げ位置
55 粘着体
60 正極シート
70 ステンレス板
80 メンディングテープ
図1
図2
図3
【手続補正書】
【提出日】2022-04-13
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
金属材料からなる正極集電体本体を備える正極集電体と、前記正極集電体上に存在する正極活物質層(但し、過酸化物を含む正極活物質層を除く)とを有し、
前記正極活物質層が正極活物質を含み、前記正極活物質がオリビン型結晶構造を有する化合物を含み、
前記正極集電体及び前記正極活物質層の一方又は両方が導電性炭素を含み、
前記正極集電体本体を除いた残部の質量に対して、前記導電性炭素の含有量が0.5~3.5質量%であり、
前記正極活物質層の体積密度が、2.2~2.7g/cmであり、
JIS P 8115準拠の90°耐屈折試験の方法で1回折り曲げたときに破損が発生しない、非水電解質二次電池用正極。
【請求項2】
前記正極活物質の表面の少なくとも一部に、導電性炭素を含む厚さ1~100nmの活物質被覆部が存在する、請求項に記載の非水電解質二次電池用正極。
【請求項3】
前記正極集電体本体の表面の少なくとも一部に、導電性炭素を含む厚さ0.1~4.0μmの集電体被覆層が存在する、請求項1又は2に記載の非水電解質二次電池用正極。
【請求項4】
前記正極活物質層が、導電助剤を含む、請求項1~のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池用正極。
【請求項5】
前記正極活物質層が導電助剤を含まない、請求項1~のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池用正極。
【請求項6】
前記90°耐屈折試験の方法で5回折り曲げたときに破損が発生しない、請求項1~のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池用正極。
【請求項7】
ロール・ツー・ロール方式による正極製造用である、請求項1~のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池用正極。
【請求項8】
請求項1~のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池用正極、負極、及び前記非水電解質二次電池用正極と負極との間に存在する非水電解質を備える、非水電解質二次電池。
【請求項9】
前記非水電解質二次電池用正極及び前記負極がセパレータを介して巻回された巻回電極体を備える、請求項に記載の非水電解質二次電池。
【請求項10】
請求項又はに記載の非水電解質二次電池の複数個を備える、電池モジュール又は電池システム。
【手続補正書】
【提出日】2022-07-27
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
金属材料からなる正極集電体本体を備える正極集電体と、前記正極集電体上に存在する正極活物質層(但し、過酸化物を含む正極活物質層を除く)とを有し、
前記正極活物質層が正極活物質を含み、前記正極活物質がオリビン型結晶構造を有する化合物を含み、
前記正極活物質の表面の少なくとも一部に、導電性炭素を含む厚さ1~100nmの活物質被覆部が存在し、
前記正極集電体本体を除いた残部の質量に対して、前記導電性炭素の含有量が0.5~3.5質量%であり、
前記正極活物質層の体積密度が、2.2~2.7g/cmであり、
JIS P 8115準拠の90°耐屈折試験の方法で1回折り曲げたときに破損が発生しない、非水電解質二次電池用正極。
【請求項2】
前記正極集電体本体の表面の少なくとも一部に、導電性炭素を含む厚さ0.1~4.0μmの集電体被覆層が存在する、請求項1に記載の非水電解質二次電池用正極。
【請求項3】
前記正極活物質層が導電助剤を含む、請求項1又は2に記載の非水電解質二次電池用正極。
【請求項4】
前記正極活物質層が導電助剤を含まない、請求項1又は2に記載の非水電解質二次電池用正極。
【請求項5】
前記90°耐屈折試験の方法で5回折り曲げたときに破損が発生しない、請求項1~のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池用正極。
【請求項6】
ロール・ツー・ロール方式による正極製造用である、請求項1~のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池用正極。
【請求項7】
請求項1~のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池用正極、負極、及び前記非水電解質二次電池用正極と負極との間に存在する非水電解質を備える、非水電解質二次電池。
【請求項8】
前記非水電解質二次電池用正極及び前記負極がセパレータを介して巻回された巻回電極体を備える、請求項に記載の非水電解質二次電池。
【請求項9】
請求項又はに記載の非水電解質二次電池の複数個を備える、電池モジュール又は電池システム。