(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】P2024094548
(43)【公開日】2024-07-10
(54)【発明の名称】リチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子、リチウムイオン電池用電極及びリチウムイオン電池
(51)【国際特許分類】
H01M 4/525 20100101AFI20240703BHJP
H01M 4/36 20060101ALI20240703BHJP
H01M 4/587 20100101ALI20240703BHJP
H01M 4/13 20100101ALI20240703BHJP
H01M 4/66 20060101ALI20240703BHJP
【FI】
H01M4/525
H01M4/36 C
H01M4/587
H01M4/13
H01M4/66 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】11
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2022211167
(22)【出願日】2022-12-28
(71)【出願人】
【識別番号】519100310
【氏名又は名称】APB株式会社
(71)【出願人】
【識別番号】000002288
【氏名又は名称】三洋化成工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000914
【氏名又は名称】弁理士法人WisePlus
(72)【発明者】
【氏名】草野 亮介
(72)【発明者】
【氏名】堀江 英明
【テーマコード(参考)】
5H017
5H050
【Fターム(参考)】
5H017AA03
5H017CC03
5H017EE01
5H017EE07
5H050AA02
5H050BA17
5H050CA01
5H050CA08
5H050CA09
5H050CA20
5H050CA21
5H050CA22
5H050CA25
5H050CA26
5H050CB02
5H050CB03
5H050CB08
5H050CB09
5H050CB11
5H050CB20
5H050CB21
5H050CB25
5H050DA09
5H050EA10
5H050EA12
(57)【要約】
【課題】電解液の使用量を少なくしても充分な性能を発揮することができるリチウムイオン電池を構成可能な、リチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子を提供する。
【解決手段】電極活物質粒子表面の少なくとも一部が被覆層で被覆されたリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子であって、前記被覆層が、高分子化合物、導電助剤及び固体電解質粒子を含むことを特徴とするリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子。
【選択図】
図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電極活物質粒子表面の少なくとも一部が被覆層で被覆されたリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子であって、
前記被覆層が、高分子化合物、導電助剤及び固体電解質粒子を含むことを特徴とするリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子。
【請求項2】
前記固体電解質粒子の平均粒子径(D50)に対する前記電極活物質粒子の平均粒子径(D50)の比(電極活物質粒子の平均粒子径/固体電解質粒子の平均粒子径)が1.0~22.0である請求項1に記載のリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子。
【請求項3】
前記電極活物質粒子が正極活物質粒子であり、前記固体電解質粒子の平均粒子径(D50)に対する前記正極活物質粒子の平均粒子径(D50)の比(正極活物質粒子の平均粒子径/固体電解質粒子の平均粒子径)が1.3~4.4である請求項1に記載のリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子。
【請求項4】
前記電極活物質粒子が負極活物質粒子であり、前記固体電解質粒子の平均粒子径(D50)に対する前記負極活物質粒子の平均粒子径(D50)の比(負極活物質粒子の平均粒子径/固体電解質粒子の平均粒子径)が8.1~10.0である請求項1に記載のリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子。
【請求項5】
前記電極活物質粒子が負極活物質粒子であり、前記固体電解質粒子が無機系固体電解質粒子であり、前記無機系固体電解質粒子の平均粒子径(D50)に対する前記負極活物質粒子の平均粒子径(D50)の比(負極活物質粒子の平均粒子径/無機系固体電解質粒子の平均粒子径)が8.1~8.9である請求項1に記載のリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子。
【請求項6】
前記固体電解質粒子が無機系固体電解質粒子である請求項1に記載のリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子。
【請求項7】
前記無機系固体電解質粒子が酸化物系固体電解質粒子及び硫化物系固体電解質粒子からなる群から選択される少なくとも1種である請求項5又は6に記載のリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子。
【請求項8】
前記無機系固体電解質粒子がLi7La3Zr2O12又はLi2S-P2S5である請求項7に記載のリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子。
【請求項9】
集電体と、前記集電体上に設けられた、請求項1又は2に記載のリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子を含む電極活物質層と、を備え、
前記集電体は、マトリックス樹脂及び導電性フィラーを含む樹脂組成物からなる樹脂集電体であることを特徴とするリチウムイオン電池用電極。
【請求項10】
前記電極活物質層に含まれる電解液の割合が25重量%以下である請求項9に記載のリチウムイオン電池用電極。
【請求項11】
請求項9に記載のリチウムイオン電池用電極を備えるリチウムイオン電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、リチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子、リチウムイオン電池用電極及びリチウムイオン電池に関する。
【背景技術】
【0002】
リチウムイオン電池は、高エネルギー密度、高出力密度が達成できる二次電池として、近年様々な用途に多用されている。特許文献1には、電極活物質を被覆用樹脂で被覆した被覆活物質を用いたリチウムイオン電池が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献1に記載の被覆活物質は、電極の形状に成形され、電解液を注液されることによりリチウムイオン二次電池として使用される。特許文献1に記載された被覆用樹脂は、架橋剤により架橋されることにより電解液に対する耐性を向上させる効果を有するとされている。
【0005】
特許文献1に開示されている、被覆活物質を用いたリチウムイオン電池は、電解液を使用してリチウムイオン電池とすることを前提としており、電解液によりリチウムイオンの導電性が発揮される構造となっている。
【0006】
しかしながら、電解液を使用したリチウムイオン電池では、電解液の酸化分解反応によりガスが発生することが知られており、ガス発生量を少なくする観点から電解液の使用量はできるだけ少なくすることが好ましい。
【0007】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、電解液の使用量を少なくしても充分な性能を発揮することができるリチウムイオン電池を構成可能な、リチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、本発明に到達した。
すなわち、本発明は、電極活物質粒子表面の少なくとも一部が被覆層で被覆されたリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子であって、前記被覆層が、高分子化合物、導電助剤及び固体電解質粒子を含むことを特徴とするリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子;集電体と、前記集電体上に設けられた、上記リチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子を含む電極活物質層と、を備え、前記集電体は、マトリックス樹脂及び導電性フィラーを含む樹脂組成物からなる樹脂集電体であることを特徴とするリチウムイオン電池用電極;及び上記リチウムイオン電池用電極を備えるリチウムイオン電池に関する。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、電解液の使用量を少なくしても充分な性能を発揮することができるリチウムイオン電池を構成可能な、リチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【
図1】
図1は、リチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子を含む電極活物質層を備えるリチウムイオン電池用電極の構造の一例を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、本発明を詳細に説明する。
なお、本明細書において、リチウムイオン電池と記載する場合、リチウムイオン二次電池も含む概念とする。
【0012】
[リチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子]
本発明のリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子は、電極活物質粒子表面の少なくとも一部が被覆層で被覆されたリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子であって、前記被覆層が、高分子化合物、導電助剤及び固体電解質粒子を含むことを特徴とする。
【0013】
リチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子に含まれる電極活物質粒子は、正極活物質粒子であってもよく、負極活物質粒子であってもよい。
正極活物質粒子としては、リチウムと遷移金属との複合酸化物{遷移金属が1種である複合酸化物(LiCoO2、LiNiO2、LiAlMnO4、LiMnO2及びLiMn2O4等)、遷移金属元素が2種である複合酸化物(例えばLiFeMnO4、LiNi1-xCoxO2、LiMn1-yCoyO2、LiNi1/3Co1/3Al1/3O2及びLiNi0.8Co0.15Al0.05O2)及び遷移金属元素が3種以上である複合酸化物[例えばLiMaM’bM’’cO2(M、M’及びM’’はそれぞれ異なる遷移金属元素であり、a+b+c=1を満たす。例えばLiNi1/3Mn1/3Co1/3O2)等]等}、リチウム含有遷移金属リン酸塩(例えばLiFePO4、LiCoPO4、LiMnPO4及びLiNiPO4)、遷移金属酸化物(例えばMnO2及びV2O5)、遷移金属硫化物(例えばMoS2及びTiS2)及び導電性高分子(例えばポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン及びポリ-p-フェニレン及びポリビニルカルバゾール)等が挙げられ、2種以上を併用してもよい。
なお、リチウム含有遷移金属リン酸塩は、遷移金属サイトの一部を他の遷移金属で置換したものであってもよい。
【0014】
負極活物質粒子としては、公知のリチウムイオン電池用負極活物質が使用でき、炭素系材料[黒鉛、難黒鉛化性炭素、アモルファス炭素、樹脂焼成体(例えばフェノール樹脂及びフラン樹脂等を焼成し炭素化したもの等)、コークス類(例えばピッチコークス、ニードルコークス及び石油コークス等)及び炭素繊維等]、珪素系材料[珪素、酸化珪素(SiOx)、珪素-炭素複合体(炭素粒子の表面を珪素及び/又は炭化珪素で被覆したもの、珪素粒子又は酸化珪素粒子の表面を炭素及び/又は炭化珪素で被覆したもの並びに炭化珪素等)及び珪素合金(珪素-アルミニウム合金、珪素-リチウム合金、珪素-ニッケル合金、珪素-鉄合金、珪素-チタン合金、珪素-マンガン合金、珪素-銅合金及び珪素-スズ合金等)等]、導電性高分子(例えばポリアセチレン及びポリピロール等)、金属(スズ、アルミニウム、ジルコニウム及びチタン等)、金属酸化物(チタン酸化物及びリチウム・チタン酸化物等)及び金属合金(例えばリチウム-スズ合金、リチウム-アルミニウム合金及びリチウム-アルミニウム-マンガン合金等)等及びこれらと炭素系材料との混合物等が挙げられる。
【0015】
電極活物質粒子の平均粒子径(D50)は、1.0~30.0μmであることが好ましい。
正極活物質粒子である場合の平均粒子径(D50)は、1.0~5.0μmであることが好ましい。
負極活物質粒子である場合の平均粒子径(D50)は、20.0~30.0μmであることが好ましい。
本明細書における平均粒子径は、体積平均粒子径であり、マイクロトラック法(レーザー回折・散乱法)によって求めた粒子径分布における積算値50%での粒子径(Dv50)を意味する。マイクロトラック法とは、レーザー光を粒子に照射することによって得られる散乱光を利用して粒子径分布を求める方法である。なお、体積平均粒子径の測定には、日機装(株)製のマイクロトラック等を用いることができる。
【0016】
被覆層は、高分子化合物、導電助剤及び固体電解質粒子を含む層である。
電極活物質粒子が被覆層で被覆されていると、電極の体積変化が緩和され、電極の膨張を抑制することができる。
【0017】
高分子化合物としては、特開2017-054703号公報に非水系二次電池活物質被覆用樹脂として記載されたものを好適に用いることができる。
【0018】
導電助剤としては、金属系導電助剤[アルミニウム、ステンレス(SUS)、銀、金、銅及びチタン等]、炭素系導電助剤[グラファイト及びカーボンブラック(アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック及びサーマルランプブラック等)等]、及びこれらの混合物等が挙げられる。
これらの導電助剤は1種単独で用いられてもよいし、2種以上併用してもよい。また、これらの合金又は金属酸化物として用いられてもよい。
なかでも、電気的安定性の観点から、より好ましくはアルミニウム、ステンレス、銀、金、銅、チタン、炭素系導電助剤及びこれらの混合物であり、さらに好ましくは銀、金、アルミニウム、ステンレス及び炭素系導電助剤であり、特に好ましくは炭素系導電助剤である。
またこれらの導電助剤としては、粒子系セラミック材料や樹脂材料の周りに導電性材料[好ましくは、上記した導電助剤のうち金属のもの]をめっき等でコーティングしたものでもよい。
【0019】
導電助剤の形状(形態)は、粒子形態に限られず、粒子形態以外の形態であってもよく、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ等、いわゆるフィラー系導電助剤として実用化されている形態であってもよい。
【0020】
高分子化合物と導電助剤の比率は特に限定されるものではないが、電池の内部抵抗等の観点から、重量比率で高分子化合物(樹脂固形分重量):導電助剤が1:0.01~1:50であることが好ましく、1:0.2~1:3.0であることがより好ましい。
【0021】
被覆層が固体電解質粒子を含むことにより、被覆層のイオン伝導性を向上させることができる。特許文献1に記載されたような従来の技術では、被覆層に含浸させた電解液によりイオン伝導性を得ていた。本発明の被覆電極活物質粒子では、被覆層に固体電解質粒子を含ませることでイオン伝導性を得ることができるので、被覆層に含浸させる電解液の量を少なくしても充分なイオン伝導性を確保することができる。電解液の量を少なくすることにより、電解液の酸化分解反応に起因するガス発生量を減らすことができる。
【0022】
固体電解質粒子としては、無機系固体電解質粒子及び高分子系固体電解質粒子が挙げられる。これらのうち一方を用いてもよいし、両方を併用してもよい。
【0023】
固体電解質粒子として無機系固体電解質粒子を用いることが好ましい。
無機系固体電解質粒子としては、酸化物系固体電解質粒子及び硫化物系固体電解質粒子からなる群から選択される少なくとも1種であることが好ましい。
酸化物系固体電解質粒子としては、ガーネット型複合酸化物、ペロブスカイト型複合酸化物、LISICON型複合酸化物、NASICON型複合酸化物、Liアルミナ型複合酸化物、LIPON、酸化物ガラスの粒子が挙げられる。具体的な化合物としては、La0.51Li0.34TiO2.94、Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3、Li7La3Zr2O12、50Li4SiO4・50Li3BO3、Li2.9PO3.3N0.46、Li3.6Si0.6P0.4O4、Li1.07Al0.69Ti1.46(PO4)3、Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3等が挙げられる。
これらのうち、Li7La3Zr2O12が好ましい。
【0024】
硫化物系固体電解質粒子としては、硫化物ガラス、硫化物ガラスセラミック、Thio-LISICON型硫化物が挙げられる。例えば、Li10GeP2S12、Li3.25Ge0.25P0.75S4、30Li2S-26B2S3-44LiI、63Li2S-36SiS2-1Li3PO4、57Li2S-38SiS2-5Li4SiO4、70Li2S-30P2S5、50Li2S-50GeS2、Li7P3S11、Li3.25P0.95S4、Li3PS4、Li2S-P2S3-P2S5、Li2S-SiS2、LiI-Li2S-SiS2、LiI-Li2S-P2S5、LiI-Li2S-P2O5、LiI-Li3PO4-P2S5、Li2S-P2S5、Li3PS4等が挙げられる。
これらのうち、Li2S-P2S5及びLi3PS4が好ましい。
【0025】
高分子系固体電解質粒子としては、固体化するための重合体モノマー、溶質としてリチウム塩を含む有機溶媒(有機電解液)、必要であれば重合開始剤を混合して混合前駆体溶液を調製し、これを架橋反応又は重合反応により固体化し、解砕して粒子化したものを用いることができる。
【0026】
固体電解質粒子の平均粒子径(D50)は、0.9~26.8μmであることが好ましい。また、0.9~3.1μmであってもよく、2.5~3.1μmであってもよい。好ましい平均粒子径の範囲は、固体電解質粒子の種類に関わらず同じである。
固体電解質の平均粒子径は電極活物質粒子の平均粒子径と同様の方法で測定することができる。
【0027】
固体電解質粒子の平均粒子径(D50)に対する電極活物質粒子の平均粒子径(D50)の比(電極活物質粒子の平均粒子径/固体電解質粒子の平均粒子径)が1.0~22.0であることが好ましい。
また、電極活物質粒子が正極活物質粒子である場合、上記の比が1.3~4.4であることが好ましく、電極活物質粒子が負極活物質粒子である場合、上記の比が8.1~10.0であることが好ましい。また、電極活物質粒子が負極活物質粒子であり、固体電解質粒子が無機系固体電解質粒子である場合、上記の比が8.1~8.9であることが好ましい。
上記の比がこの範囲内であると、電解液を減らしても電池性能(充放電性能、クーロン効率)に特に優れたリチウムイオン電池を構成可能なリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子となる。
【0028】
本発明のリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子は、電極活物質粒子、高分子化合物、導電助剤及び固体電解質粒子を混合することによって得ることができる。混合の順序は特に限定されるものではなく、これらの成分を一度に混合してもよい。
また、被覆層を構成する高分子化合物、導電助剤及び固体電解質粒子を予め混合して被覆用溶液を作製し、被覆用溶液を電解質粒子と混合することによって被覆層を形成してもよい。
また、電極活物質粒子と高分子化合物を混合したのちに導電助剤及び固体電解質粒子を混合して被覆層を形成してもよい。
【0029】
本発明のリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子を含む電極活物質層を集電体上に形成することにより、リチウムイオン電池用電極として使用することができる。
正極集電体及び負極集電体(以下まとめて単に集電体ともいう)の厚みは、特に限定されないが、正極集電体、負極集電体のそれぞれにつき、50~500μmであることが好ましい。
【0030】
集電体を構成する材料としては、銅、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼、ニッケル及びこれらの合金等の金属材料、並びに、焼成炭素、導電性ガラス等が挙げられる。
集電体がこれらの材料である場合、軽量化、耐食性、高導電性の観点から、正極集電体としてはアルミニウムであることが好ましく、負極集電体としては銅であることが好ましい。
【0031】
また、正極集電体及び/又は負極集電体が、樹脂集電体であることが好ましい。
集電体として樹脂集電体を使用したものは本発明のリチウムイオン電池用電極である。
以下、本発明のリチウムイオン電池用電極について説明する。
【0032】
[リチウムイオン電池用電極]
本発明のリチウムイオン電池用電極は、集電体と、前記集電体上に設けられた、本発明のリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子を含む電極活物質層と、を備え、前記集電体は、マトリックス樹脂及び導電性フィラーを含む樹脂組成物からなる樹脂集電体であることを特徴とする。
【0033】
樹脂集電体を構成するマトリックス樹脂としては、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリメチルペンテン(PMP)、ポリシクロオレフィン(PCO)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメチルアクリレート(PMA)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂又はこれらの混合物等が挙げられる。
電気的安定性の観点から、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリメチルペンテン(PMP)及びポリシクロオレフィン(PCO)が好ましく、さらに好ましくはポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)及びポリメチルペンテン(PMP)である。
【0034】
樹脂集電体を構成する導電性フィラーとしては、リチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子に含まれる導電助剤と同様のものを好適に用いることができる。
【0035】
電極活物質層は、本発明のリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子を含む。また、電極活物質粒子同士を結着する結着材を含まない非結着体であることが好ましい。
ここで、非結着体とは、電極活物質同士が、互いに結合していないことを意味し、結合とは不可逆的に電極活物質同士が固定されていることを意味する。
【0036】
電極活物質層には、粘着性樹脂が含まれていてもよい。
粘着性樹脂としては、例えば、特開2017-054703号公報に記載された非水系二次電池活物質被覆用樹脂に少量の有機溶剤を混合してそのガラス転移温度を室温以下に調整したもの、及び、特開平10-255805公報に粘着剤として記載されたもの等を好適に用いることができる。
なお、粘着性樹脂は、溶媒成分を揮発させて乾燥させても固体化せずに粘着性(水、溶剤、熱などを使用せずに僅かな圧力を加えることで接着する性質)を有する樹脂を意味する。一方、結着材として用いられる溶液乾燥型の電極バインダーは、溶媒成分を揮発させることで乾燥、固体化して活物質同士を強固に接着固定するものを意味する。
従って、溶液乾燥型の電極バインダー(結着材)と粘着性樹脂とは異なる材料である。
なお、溶液乾燥型の電極用バインダーとしては、デンプン、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリビニルアルコール(PVA)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ポリビニルピロリドン(PVP)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、スチレン-ブタジエンゴム(SBR)、ポリエチレン(PE)及びポリプロピレン(PP)等が挙げられる。すなわち、電極活物質層がこれらの溶液乾燥型の電極用バインダーを含まないことが好ましい。
【0037】
電極活物質層の厚みは、特に限定されるものではないが、電池性能の観点から、100~500μmであることが好ましく、150~450μmであることがより好ましい。
【0038】
電極活物質層は、被覆電極活物質粒子に含まれる導電助剤以外にも導電助剤を含んでもよい。導電助剤としては、上述した被覆電極活物質粒子に含まれる導電助剤と同様のものを好適に用いることができる。
【0039】
電極活物質層には電解液が含まれていてもよい。
本発明のリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子を使用することにより、電極活物質層に含まれる電解液の量を少なくすることができる。
そのため、電極活物質層に含まれる電解液の割合が25重量%以下であることが好ましい。
電解液としては、公知のリチウムイオン電池の製造に用いられる、電解質及び非水溶媒を含有する公知の電解液を使用することができる。
【0040】
電解質としては、公知の電解液に用いられている電解質が使用でき、例えば、LiPF6、LiBF4、LiSbF6、LiAsF6、LiClO4及びLiN(FSO2)2等の無機アニオンのリチウム塩、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2及びLiC(CF3SO2)3等の有機アニオンのリチウム塩が挙げられる。これらの内、電池出力及び充放電サイクル特性の観点から好ましいのはLiN(FSO2)2である。
【0041】
溶媒としては、公知の電解液に用いられている非水溶媒が使用でき、例えば、ラクトン化合物、環状又は鎖状炭酸エステル、鎖状カルボン酸エステル、環状又は鎖状エーテル、リン酸エステル、ニトリル化合物、アミド化合物、スルホン、スルホラン及びこれらの混合物を用いることができる。
【0042】
図1は、リチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子を含む電極活物質層を備えるリチウムイオン電池用電極の構造の一例を模式的に示す断面図である。
図1に示すリチウムイオン電池用電極1では、集電体10の上に電極活物質層20が設けられている。
図1では電極活物質層20は集電体10に近い位置の一部についてのみ示している。
電極活物質層20は、リチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子50を含む。
リチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子50は、電極活物質粒子30の表面が被覆層40で被覆されてなる。被覆層40は、高分子化合物41、導電助剤42及び固体電解質粒子43を含む。
【0043】
リチウムイオン電池用電極は、電極活物質層を構成する材料を含む電極活物質層用組成物を作製し、集電体上に電極活物質層用組成物を付与して電極活物質層を形成することによって得られる。電極活物質層の形成には、ロールプレス等の方法を用いることができるがその方法は特に限定されるものではない。
【0044】
[リチウムイオン電池]
本発明のリチウムイオン電池は、本発明のリチウムイオン電池用電極を備えることを特徴とする。
本発明のリチウムイオン電池を正極及び負極の両方に用いていてもよいし、正極又は負極のいずれか一方にのみ用いていてもよい。
【0045】
リチウムイオン電池は、正極と負極の間にセパレータを挟んだ構造であることが好ましい。
詳細には、正極を構成する正極活物質層と負極を構成する負極活物質層の間にセパレータを挟んだ構造であることが好ましい。
セパレータとしては、ポリエチレン又はポリプロピレン製の多孔性フィルム、多孔性ポリエチレンフィルムと多孔性ポリプロピレンとの積層フィルム、合成繊維(ポリエステル繊維及びアラミド繊維等)又はガラス繊維等からなる不織布、及びそれらの表面にシリカ、アルミナ、チタニア等のセラミック微粒子を付着させたもの等の公知のリチウムイオン電池用のセパレータが挙げられる。
【0046】
また、集電体の一面に正極活物質層及び負極活物質層をそれぞれ設けた後に、電極活物質層間にセパレータを挾んでこれら正極活物質層と負極活物質層を積層することで略平板状の単電池を製造し、この単電池を複数個積層した電池モジュールとして使用することが好ましい。
【0047】
本明細書には以下の事項が開示されている。
【0048】
本開示(1)は電極活物質粒子表面の少なくとも一部が被覆層で被覆されたリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子であって、
前記被覆層が、高分子化合物、導電助剤及び固体電解質粒子を含むことを特徴とするリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子である。
【0049】
本開示(2)は前記固体電解質粒子の平均粒子径(D50)に対する前記電極活物質粒子の平均粒子径(D50)の比(電極活物質粒子の平均粒子径/固体電解質粒子の平均粒子径)が1.0~22.0である本開示(1)記載のリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子である。
【0050】
本開示(3)は前記電極活物質粒子が正極活物質粒子であり、前記固体電解質粒子の平均粒子径(D50)に対する前記正極活物質粒子の平均粒子径(D50)の比(正極活物質粒子の平均粒子径/固体電解質粒子の平均粒子径)が1.3~4.4である本開示(1)又は(2)に記載のリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子である。
【0051】
本開示(4)は前記電極活物質粒子が負極活物質粒子であり、前記固体電解質粒子の平均粒子径(D50)に対する前記負極活物質粒子の平均粒子径(D50)の比(負極活物質粒子の平均粒子径/固体電解質粒子の平均粒子径)が8.1~10.0である本開示(1)又は(2)に記載のリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子である。
【0052】
本開示(5)は前記電極活物質粒子が負極活物質粒子であり、前記固体電解質粒子が無機系固体電解質粒子であり、前記無機系固体電解質粒子の平均粒子径(D50)に対する前記負極活物質粒子の平均粒子径(D50)の比(負極活物質粒子の平均粒子径/無機系固体電解質粒子の平均粒子径)が8.1~8.9である本開示(1)又は(2)に記載のリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子である。
【0053】
本開示(6)は前記固体電解質粒子が無機系固体電解質粒子である本開示(1)~(5)のいずれかに記載のリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子である。
【0054】
本開示(7)は前記無機系固体電解質粒子が酸化物系固体電解質粒子及び硫化物系固体電解質粒子からなる群から選択される少なくとも1種である本開示(5)又は(6)に記載のリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子である。
【0055】
本開示(8)は前記無機系固体電解質粒子がLi7La3Zr2O12又はLi2S-P2S5である本開示(7)に記載のリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子である。
【0056】
本開示(9)は集電体と、前記集電体上に設けられた、本開示(1)~(8)のいずれかに記載のリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子を含む電極活物質層と、を備え、前記集電体は、マトリックス樹脂及び導電性フィラーを含む樹脂組成物からなる樹脂集電体であることを特徴とするリチウムイオン電池用電極である。
【0057】
本開示(10)は前記電極活物質層に含まれる電解液の割合が25重量%以下である本開示(9)に記載のリチウムイオン電池用電極である。
【0058】
本開示(11)は本開示(9)又は(10)に記載のリチウムイオン電池用電極を備えるリチウムイオン電池である。
【実施例0059】
以下本発明を実施例によって具体的に説明するが、本発明の主旨を逸脱しない限り本発明は実施例に限定されるものではない。なお、特記しない限り部は重量部、%は重量%を意味する。
【0060】
[被覆用高分子化合物の作製]
撹拌機、温度計、還流冷却管、滴下ロート及び窒素ガス導入管を付した4つ口フラスコにDMF150部を仕込み、75℃に昇温した。次いで、アクリル酸91部、メタクリル酸メチル9部及びDMF50部を配合した単量体組成物と、2,2’-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリル)0.3部及び2,2’-アゾビス(2-メチルブチロニトリル)0.8部をDMF30部に溶解した開始剤溶液とを4つ口フラスコ内に窒素を吹き込みながら、撹拌下、滴下ロートで2時間かけて連続的に滴下してラジカル重合を行った。滴下終了後、75℃で反応を3時間継続した。次いで、80℃に昇温して反応を3時間継続し、樹脂濃度30%の共重合体溶液を得た。得られた共重合体溶液はテフロン(登録商標)製のバットに移して150℃、0.01MPaで3時間の減圧乾燥を行い、DMFを留去して共重合体を得た。この共重合体をハンマーで粗粉砕した後、乳鉢にて追加粉砕して、粉末状の被覆用高分子化合物を得た。
【0061】
[電解液の作製]
エチレンカーボネート(EC)とプロピレンカーボネート(PC)の混合溶媒(EC:PCの体積比率3:7)にLiFSI(LiN(FSO2)2)を2.0mol/Lの割合で溶解させて電解液を作製した。
【0062】
[正極用樹脂集電体の作製]
2軸押出機にて、ポリプロピレン[商品名「サンアロマーPL500A」、サンアロマー(株)製]70部、カーボンナノチューブ[商品名「FloTube9000」、CNano社製]25部及び分散剤[商品名「ユーメックス1001」、三洋化成工業(株)製]5部を200℃、200rpmの条件で溶融混練して樹脂混合物を得た。
得られた樹脂混合物を、Tダイ押出しフィルム成形機に通して、それを延伸圧延することで、膜厚50μmの正極用樹脂集電体を得た。
【0063】
[負極用樹脂集電体の作製]
上記で得られた正極用樹脂集電体を17.0cm×17.0cmとなるように切断し、片面にニッケル蒸着を施し、負極用樹脂集電体を得た。
【0064】
[硫化物系固体電解質粒子(硫化物A~D)の作製]
<硫化物固体電解質材料の混合>
硫化リチウム(日本化学工業株式会社製、純度99.9%)70.0g、及び、五硫化二リン(アルドリッチ社製、純度99%)をメノウ乳鉢でプレミキシング後に、乾式メカニカルミリングで毎分300回転の条件で20時間に亘って混合することにより、硫化物固体電解質材料の混合粉体を得た。
<粉砕工程>
1gの上記硫化物固体電解質材料の混合粉体、40gの粉砕媒体(直径1mmのZrO2ボール及び、直径0.3mmのZrO2ボール)、8gの溶媒(脱水ヘプタン、関東化学株式会社製)、及び、1gの添加剤(ジブチルエーテル)を、45mlのZrO2ポットに投入した。そして、遊星型ボールミル機(フリッチュ製、P7)を用いて、メカニカルミリング法にて、粉砕処理を行うことにより、硫化物固体電解質を得た。
粉砕処理の条件(直径1mmのZrO2ボール及び直径0.3mmのZrO2ボールの割合、回転数、並びに粉砕時間)を調整して、平均粒子径が異なる硫化物A、硫化物B、硫化物C、硫化物Dの粒子(Li2S-P2S5粒子)を得た。
【0065】
[酸化物系固体電解質粒子(酸化物A~D)の作製]
酸化物系固体電解質粒子としての市販のLi7La3Zr2O12(LLZ)粒子(富士フイルム和光純薬株式会社製)を、上記粉砕工程と同様の方法により粉砕して、平均粒子径が異なる酸化物A、酸化物B、酸化物C、酸化物Dの粒子(Li7La3Zr2O12(LLZ)粒子)を得た。
【0066】
[高分子系固体電解質粒子(高分子A)の作製]
上記電解液に対して、エチレンオキシドとプロピレンオキシドの共重合体を10重量%、及び、光重合開始剤を混合して、前駆体溶液を調製した。得られた前駆体溶液を紫外線照射によって重合させた。得られた重合体を解砕し、粒子径を調整して高分子系固体電解質粒子(高分子A)を得た。
【0067】
(実施例1)
[被覆正極活物質粒子の作製]
被覆用高分子化合物1部をDMF3部に溶解し、被覆用高分子化合物溶液を得た。
正極活物質粒子であるNCA粉末(LiNi0.8Co0.15Al0.05O2粉末、体積平均粒子径4.0μm)82.5部を万能混合機ハイスピードミキサーFS25[(株)アーステクニカ製]に入れ、室温、720rpmで撹拌した状態で、被覆用高分子化合物溶液68部を2分間かけて滴下し、さらに5分間撹拌した。高分子化合物の固形分としては5.0部となる。
次いで、撹拌した状態で導電助剤であるアセチレンブラック[デンカ(株)製デンカブラック(登録商標)]5.0部及び固体電解質粒子である硫化物A7.5部を分割しながら2分間で投入し、30分間撹拌を継続した。
その後、撹拌を維持したまま0.01MPaまで減圧し、次いで撹拌と減圧度を維持したまま温度を140℃まで昇温し、撹拌、減圧度及び温度を8時間維持して揮発分を留去した。
得られた粉体を目開き200μmの篩いで分級し、被覆正極活物質粒子を得た。
【0068】
(実施例2~実施例7、比較例1)
表1に示すように固体電解質粒子の種類を変更した他は実施例1と同様にして被覆正極活物質粒子を作製した。比較例1では固体電解質粒子を使用せず、正極活物質粒子、高分子化合物及び導電助剤の割合を変更した。
【0069】
【0070】
表1には、正極活物質粒子の平均粒子径(α)と、固体電解質粒子の平均粒子径(β)の比α/βを示した。
【0071】
(実施例8)
[被覆負極活物質粒子の作製]
被覆用高分子化合物1部をDMF3部に溶解し、被覆用高分子化合物溶液を得た。
負極活物質粒子であるHC粉末(ハードカーボン粉末、体積平均粒子径25.0μm)82.5部を万能混合機ハイスピードミキサーFS25[(株)アーステクニカ製]に入れ、室温、720rpmで撹拌した状態で、被覆用高分子化合物溶液68部を2分間かけて滴下し、さらに5分間撹拌した。高分子化合物の固形分としては5.0部となる。
次いで、撹拌した状態で導電助剤であるアセチレンブラック[デンカ(株)製デンカブラック(登録商標)]5.0部及び固体電解質粒子である硫化物A7.5部を分割しながら2分間で投入し、30分間撹拌を継続した。
その後、撹拌を維持したまま0.01MPaまで減圧し、次いで撹拌と減圧度を維持したまま温度を140℃まで昇温し、撹拌、減圧度及び温度を8時間維持して揮発分を留去した。
得られた粉体を目開き200μmの篩いで分級し、被覆負極活物質粒子を得た。
【0072】
(実施例9~実施例14、比較例2)
表2に示すように固体電解質粒子の種類を変更した他は実施例8と同様にして被覆負極活物質粒子を作製した。比較例2では固体電解質粒子を使用せず、負極活物質粒子、高分子化合物及び導電助剤の割合を変更した。
【0073】
【0074】
表2には、負極活物質粒子の平均粒子径(γ)と、固体電解質粒子の平均粒子径(β)の比γ/βを示した。
【0075】
[充放電性能の評価]
[正極活物質層用組成物の作製]
上記の被覆正極活物質粒子99部と炭素繊維[大阪ガスケミカル(株)製ドナカーボ・ミルドS-243:平均繊維長500μm、平均繊維径13μm:電気伝導度200mS/cm]1部とを遊星撹拌型混合混練装置{あわとり練太郎[(株)シンキー製]}を用いて2000rpmで5分間混合し、正極活物質層用組成物を作製した。
【0076】
[負極活物質層用組成物の作製]
上記の被覆負極活物質粒子99部と炭素繊維[大阪ガスケミカル(株)製ドナカーボ・ミルドS-243:平均繊維長500μm、平均繊維径13μm:電気伝導度200mS/cm]1部とを遊星撹拌型混合混練装置{あわとり練太郎[(株)シンキー製]}を用いて2000rpmで5分間混合し、負極活物質層用組成物を作製した。
【0077】
[正極活物質層の作製]
上記で得られた正極活物質層用組成物を、プレス機(HANDTAB-100、市橋精機社製)及び直径15mm用の打錠治具を用いて、打錠圧約10kNで打錠し、厚さ470μm、直径15mm、1個あたり210.8mgの正極活物質層を得た。
表1及び表3に示す各実施例及び比較例の正極活物質粒子を使用した正極活物質層を得た。
【0078】
[負極活物質層の作製]
上記で得られた負極活物質層用組成物を、プレス機(HANDTAB-100、市橋精機社製)及び直径16mm用の打錠治具を用いて、打錠圧約10kNで打錠し、厚さ620μm、直径16mm、1個あたり133.9mgの負極活物質層を得た。
表2及び表3に示す各実施例及び比較例の負極活物質粒子を使用した負極活物質層を得た。
【0079】
[枠部材の作製]
ポリオレフィン樹脂を成形した枠部材(穴の内寸φ18mm、外寸35mm×50mm、厚み0.35mm)を作製した。
【0080】
(比較参考実験例1)
枠部材と30mm×40mmの負極用樹脂集電体を準備し、負極用樹脂集電体のニッケル蒸着面側を枠部材に重ねた。枠部材の穴部分に、負極用樹脂集電体のニッケル蒸着面が露出していた。枠材の穴部分から負極用樹脂集電体のニッケル蒸着面に電解液0.02mLを注液し、比較例2の負極活物質層を負極用樹脂集電体のニッケル蒸着面に重ねた。負極活物質層の上から電解液0.03mLを注液した。負極活物質層の上に、23mm×23mmのセパレータ(セルガード社製#3501)を重ねた。セパレータの上から電解液0.03mLを注液した。
セパレータ上に比較例1の正極活物質層を重ね、正極活物質層の上から電解液0.02mLを注液した。負極用樹脂集電体と重なるように30mm×40mmの正極用樹脂集電体を重ね、樹脂集電体の3辺をヒートシールし、残りの一辺を真空シールした。得られた構造物を銅箔タブが付いたアルミラミネートフィルムで両面を覆い、再度、外周部をヒートシールと真空シールでシールすることで、リチウムイオン電池を作製した。
電解液の注液量は合計で0.10mLである。この比較参考実験例1の電解液注液量を、電解液注液量の基準(1.0)とした。
電極活物質層に含まれる電解液の割合は正極、負極共に30.2重量%である。
【0081】
(比較実験例1)
比較参考実験例1において、電解液の注液量を合計0.08ml、すなわち比較参考実験例1の電解液の注液量(1.0)に対して0.8となる量とした他は比較参考実験例1と同様にしてリチウムイオン電池を作製した。比較参考実験例1において4回に分けている電解液の注液量をそれぞれ0.8倍とした。
電極活物質層に含まれる電解液の割合は正極、負極共に24.1重量%である。
【0082】
(実験例1~11)
正極活物質層及び負極活物質層の組合せを表3に示す組み合わせとした他は比較実験例1と同様にしてリチウムイオン電池を作製した。電解液の注液量は合計0.08ml、すなわち比較参考実験例1の電解液の注液量(1.0)に対して0.8となる量である。
電極活物質層に含まれる電解液の割合は正極、負極共に24.1重量%である。
【0083】
(参考実験例1~3)
正極活物質層及び負極活物質層の組合せを表3に示す組み合わせとした他は比較参考実験例1と同様にしてリチウムイオン電池を作製した。電解液の注液量は合計0.10ml、すなわち比較参考実験例1の電解液の注液量(1.0)と同じである。
電極活物質層に含まれる電解液の割合は正極、負極共に30.2重量%である。
【0084】
[クーロン効率の評価]
25℃下、充放電測定装置「HJ-SD8」[北斗電工(株)製]を用いて、定電流定電圧充電方式(CCCVモードともいう)で0.05Cの電流で4.2Vまで充電した後4.2Vを維持した状態で電流値が0.01Cになるまで充電した。10分間の休止後、0.05Cの電流で2.5Vまで放電した。
このとき充電した容量を[初回充電容量(mAh)]、放電した容量を[初回放電容量(mAh)]とした。
上記の測定で得られた初回充電容量と初回放電容量を用い、以下の式で初回クーロン効率を算出した。結果を表3に示した。
[初回クーロン効率(%)]=[初回放電容量]÷[初回充電容量]×100
【0085】
[サイクル特性の評価]
作製したリチウムイオン電池を充放電装置「バッテリーアナライザー1470型」[東陽テクニカ(株)製]に接続し、以下の条件でサイクル特性の評価を行った。
25℃の条件下において、0.1Cで0VまでCC-CV(カットオフ電流0.01C)で放電を行い、1時間休止した後、0.01Cで1.5Vまで充電を行った。
このときの充電容量を初回容量X0とした。これを30回繰り返し、30サイクル目の容量X1を得た。このX1/X0を、30サイクル容量維持率として、サイクル特性の評価を行った。
結果を表3に示した。
【0086】
【0087】
実験例1~11では、電解液の量を従来例より減らした(電解液量比を0.8とした)場合であっても良好な充放電性能が得られていた。
固体電解質粒子の平均粒子径(D50)に対する電極活物質粒子の平均粒子径(D50)の比(電極活物質粒子の平均粒子径/固体電解質粒子の平均粒子径)が1.0~22.0である被覆電極活物質粒子を含む電極活物質層を用いた例(正極活物質層及び負極活物質層の両方に用いた実験例1、2、6、7並びに一方に用いた実験例3、8)では特によい充放電性能が得られており、電解液量が多い(電解液量比が1.0である)参考実験例1~3及び比較参考実験例1と同程度又はそれ以上の結果が得られていた。
【0088】
比較実験例1では、電解液量を従来例より減らした場合には充分な充放電性能が得られなかった。
本発明のリチウムイオン電池用被覆電極活物質粒子を使用すると、リチウムイオン電池に使用する電解液量を少なくしても充分な性能を有するリチウムイオン電池を製造することができる。そのため、電解液の酸化分解反応に起因するガス発生量を減らすことができるために有用である。