(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】P2025013266
(43)【公開日】2025-01-24
(54)【発明の名称】リチウムイオン電池用電極組成物、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 4/62 20060101AFI20250117BHJP
H01M 4/139 20100101ALI20250117BHJP
H01M 4/13 20100101ALI20250117BHJP
【FI】
H01M4/62 Z
H01M4/139
H01M4/13
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2024110863
(22)【出願日】2024-07-10
(31)【優先権主張番号】P 2023114414
(32)【優先日】2023-07-12
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(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
(72)【発明者】
【氏名】石賀 絢香
(72)【発明者】
【氏名】磯村 省吾
【テーマコード(参考)】
5H050
【Fターム(参考)】
5H050AA19
5H050BA17
5H050CA01
5H050CA02
5H050CA05
5H050CA08
5H050CA09
5H050CA11
5H050CA20
5H050CA29
5H050CB01
5H050CB02
5H050CB03
5H050CB07
5H050CB08
5H050CB09
5H050CB11
5H050CB12
5H050CB20
5H050CB29
5H050DA09
5H050EA23
5H050GA03
5H050HA01
(57)【要約】
【課題】電解液浸透性が高く、電解液の浸透速度が速い電極を製造可能なリチウムイオン電池用電極組成物を提供する。
【解決手段】アルキル基の炭素数が1~4であるアルキルアルコールのエチレンオキサイド付加物である化合物(A)を含有するリチウムイオン電池用電極組成物であって、
前記化合物(A)におけるアルキル基の炭素数とエチレンオキサイドの平均付加モル数との比[アルキル基の炭素数/エチレンオキサイドの平均付加モル数]が0.008~0.200であるリチウムイオン電池用電極組成物。
【選択図】 なし
【特許請求の範囲】
【請求項1】
アルキル基の炭素数が1~4であるアルキルアルコールのエチレンオキサイド付加物である化合物(A)を含有するリチウムイオン電池用電極組成物であって、
前記化合物(A)におけるアルキル基の炭素数とエチレンオキサイドの平均付加モル数との比[アルキル基の炭素数/エチレンオキサイドの平均付加モル数]が0.008~0.200であるリチウムイオン電池用電極組成物。
【請求項2】
前記化合物(A)のHLB値が18.0以上である請求項1に記載のリチウムイオン電池用電極組成物。
【請求項3】
前記化合物(A)の含有量が、前記リチウムイオン電池用電極組成物の重量を基準として0.001~2重量%である請求項1に記載のリチウムイオン電池用電極組成物。
【請求項4】
請求項1~3のいずれかに記載のリチウムイオン電池用電極組成物を圧縮成形してなるリチウムイオン電池用電極。
【請求項5】
請求項4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電極組成物、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、高電圧、高エネルギー密度という特長を持つことから、携帯情報機器分野などにおいて広く利用され、携帯電話、ノート型パソコンを始めとする携帯端末用標準電池としての地位が確立されている。その用途は拡大する一方で、従来用途に加えてハイブリッド自動車や電気自動車などへの適用も検討されており一部では既に実用化されている。これらの更なる普及のためにもリチウムイオン電池の高容量化、高出力化が求められており様々な技術の適用が試みられている。
【0003】
二次電池の容量を向上させる一つの手法として電極密度の向上がある。活物質を密に充填することでより多くの容量を得ることができる。しかし、電極の密度を上げると電解液が電極中に浸透しにくくなり、理論値よりも少ない容量しか取り出せなくなったり、出力特性が悪化するという問題点があった。
【0004】
このような課題を解決するために、特許文献1では電極表面に溝を設けることで電解液浸透性を改良できるという技術が開示されている。特許文献2では活物質の粒径や形状を工夫することで電解液の浸透性を向上させる技術が開示されている。また、特許文献3では電極密度を調整することで電解液の浸透性を向上させる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2008-27633号公報
【特許文献2】特開2012-151088号公報
【特許文献3】特開2020-053282号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかし特許文献1の手法では電極表面に溝を設けるために凹凸のついたローラーでプレスするという工程があり新たな設備を導入する必要があるという問題点があった。
また特許文献2及び3の手法では浸透性に一定の改善がみられるもののその効果は充分ではなかった。
【0007】
本発明は、上記課題を解決するものであり、電解液浸透性が高く、電解液の浸透速度が速い電極を製造可能なリチウムイオン電池用電極組成物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、鋭意検討した結果、本発明に到達した。
本発明は、アルキル基の炭素数が1~4であるアルキルアルコールのエチレンオキサイド付加物である化合物(A)を含有するリチウムイオン電池用電極組成物であって、
前記化合物(A)におけるアルキル基の炭素数とエチレンオキサイドの平均付加モル数との比[アルキル基の炭素数/エチレンオキサイドの平均付加モル数]が0.008~0.200であるリチウムイオン電池用電極組成物;上記リチウムイオン電池用電極組成物を圧縮成形してな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、電解液浸透性が高く、電解液の浸透速度が速い電極を製造可能なリチウムイオン電池用電極組成物を提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【0010】
[リチウムイオン電池用電極組成物]
本発明のリチウムイオン電池用電極組成物は、アルキル基の炭素数が1~4であるアルキルアルコールのエチレンオキサイド付加物である化合物(A)を含有するリチウムイオン電池用電極組成物であって、前記化合物(A)におけるアルキル基の炭素数とエチレンオキサイドの平均付加モル数との比[アルキル基の炭素数/エチレンオキサイドの平均付加モル数]が0.008~0.200であるリチウムイオン電池用電極組成物に関する。
以下では、「リチウムイオン電池用電極組成物」を「電極組成物」とも記載する。
【0011】
本発明において電極組成物とは、圧縮成形することにより電極となる組成物を意味する。本発明の電極組成物それ自体には電解液は含有されておらず、後述するように、電極組成物を用いて作製した電極に電解液を含有させることで、リチウムイオン電池用電極層とすることができる。
本発明の電極組成物は、正極用の電極組成物(正極組成物ともいう)であってもよいし、負極用の電極組成物(負極組成物ともいう)であってもよい。
【0012】
化合物(A)は、アルキル基の炭素数が1~4であるアルキルアルコールのエチレンオキサイド付加物である。
アルキル基の炭素数が5以上の場合、活物質への吸着性が低いため電解液浸透性向上効果が得られない。また、リチウムイオン電池用電極組成物中での分散性が悪いため、電池性能に悪影響を及ぼしたり、後述するスラリー電極における集電体表面への塗工性及び電極の表面状態が悪化することがある。またアルキル基を有さない場合も、活物質への吸着が起こりにくく、電解液浸透性向上効果が得られない。
エチレンオキサイド以外のアルキレンオキサイド(プロピレンオキサイド及びブチレンオキサイド等)を含むと、後述する電極の空隙率が比較的低い場合(おおむね25%以下)の電解液浸透性が不十分となる。
なお、本明細書において、以下、アルキレンオキサイドをAO、エチレンオキサイドをEO、プロピレンオキサイドをPOと表記することがある。
【0013】
アルキル基の炭素数が1~4であるアルキルアルコールの具体例としては、メタノール、エタノール、1-プロパノール、2-プロパノール、1-ブタノール、2-ブタノール、2-メチル-1-プロパノール(イソブチルアルコール)及び2-メチル-2-プロパノール(t-ブチルアルコール)等が挙げられる。
スラリー電極における集電体表面への塗工性及び電極の表面状態と電解液浸透性との両立の観点から、上記アルキルアルコールのアルキル基の炭素数は、1~3であることが好ましく、1~2であることが更に好ましい。
【0014】
上記アルキルアルコールのアルキル基は直鎖であっても分岐鎖であってもよい。
なお、後述する電極の空隙率が比較的低い場合(おおむね25%以下)の電解液浸透性の観点からは、リチウムイオン電池用電極組成物が含有する全ての化合物(A)を構成するアルキルアルコールが有するメチル基の数が1~2であることが好ましい。具体的には、上記例示のうち、メタノール(メチル基の数:1)、エタノール(メチル基の数:1)、1-プロパノール(メチル基の数:1)、2-プロパノール(メチル基の数:2)、1-ブタノール(メチル基の数:1)、2-ブタノール(メチル基の数:2)及び2-メチル-1-プロパノール(イソブチルアルコール)(メチル基の数:2)が好ましい。
上記アルキルアルコールのアルキル基の炭素数及びアルキルアルコールが有するメチル基の数は、例えば、1H-NMR及びガスクロマトグラフィーを測定することにより、算出することができる。
【0015】
化合物(A)におけるアルキル基の炭素数とエチレンオキサイドの平均付加モル数との比[アルキル基の炭素数/エチレンオキサイドの平均付加モル数]が0.008~0.200である。
アルキル基の炭素数とエチレンオキサイドの平均付加モル数との比が0.008未満であると、活物質への吸着頻度が下がり活物質への浸透性が低下するため電解液浸透速度が低下する傾向があり、0.200を超えると電解液との親和性が低下するため電解液浸透速度が低下する傾向がある。
また、アルキル基の炭素数とエチレンオキサイドの平均付加モル数との比は、電解液浸透性及びスラリー電極における集電体表面への塗工性の観点から、0.008~0.180であることが好ましく、0.010~0.180であることがより好ましく、0.020~0.180であることがより好ましく、0.020~0.150であることがより好ましく、0.040~0.150であることが最も好ましい。
【0016】
化合物(A)のHLB値は、電解液浸透性等の観点から、18.0以上であることが好ましく、18.0~22.0であることが更に好ましく、18.6~21.0であることが特に好ましく、19.0~20.5であることが最も好ましい。
化合物(A)を2種以上組み合わせて使用する場合、2種以上の(A)の混合物のHLB値が上記範囲であることが好ましい。2種以上の(A)の混合物のHLB値は、各化合物(A)のHLB値をその重量比率に基づいて加重平均した値とする。
【0017】
HLBとは、親水性と親油性とのバランスを示す尺度であり、HLBが高いほど親水性が高いことを意味し、例えば、「界面活性剤入門、2007年、三洋化成工業株式会社発行、藤本武彦著、212頁」に記載されている小田法による計算値として知られているものであり、グリフィン法による計算値ではない。HLB値は有機化合物の有機性の値と無機性の値との比率から計算することができる。
HLB値=10×無機性/有機性
ここで、上式中の無機性および有機性の値は藤田らによって提案された有機性と無機性を表現する指標値を表しており、前記「界面活性剤入門」213頁に記載の表の値を用いて算出できる。
【0018】
本発明における化合物(A)の具体例としては、メタノール(アルキル基の炭素数:1)のエチレンオキサイド付加物が挙げられる。この場合、エチレンオキサイドの平均付加モル数は5~125であり、5~45であることが好ましく、8~20であることが更に好ましい。
【0019】
化合物(A)の他の具体例としては、エタノール(アルキル基の炭素数:2)のエチレンオキサイド付加物が挙げられる。この場合、エチレンオキサイドの平均付加モル数は10~250であり、10~120であることが好ましく、13~100であることが更に好ましく、20~60であることが特に好ましい。
【0020】
化合物(A)の他の具体例としては、1-プロパノール(アルキル基の炭素数:3)のエチレンオキサイド付加物が挙げられる。この場合、エチレンオキサイドの平均付加モル数は15~375であり、20~200であることが好ましい。
【0021】
化合物(A)の他の具体例としては、2-プロパノール(アルキル基の炭素数:3)のエチレンオキサイド付加物が挙げられる。この場合、エチレンオキサイドの平均付加モル数は15~375であり、20~200であることが好ましい。
【0022】
化合物(A)の他の具体例としては、1-ブタノール(アルキル基の炭素数:4)のエチレンオキサイド付加物が挙げられる。この場合、エチレンオキサイドの平均付加モル数は20~500であり、20~200であることが好ましい。
【0023】
化合物(A)の他の具体例としては、2-ブタノール(アルキル基の炭素数:4)のエチレンオキサイド付加物が挙げられる。この場合、エチレンオキサイドの平均付加モル数は20~500であり、20~200であることが好ましい。
【0024】
化合物(A)の他の具体例としては、2-メチル-1-プロパノール(イソブチルアルコール)(アルキル基の炭素数:4)のエチレンオキサイド付加物が挙げられる。この場合、エチレンオキサイドの平均付加モル数は20~500であり、20~200であることが好ましい。
【0025】
化合物(A)の他の具体例としては、2-メチル-2-プロパノール(t-ブチルアルコール)(アルキル基の炭素数:4)のエチレンオキサイド付加物が挙げられる。この場合、エチレンオキサイドの平均付加モル数は20~500であり、20~200であることが好ましい。
【0026】
本発明において、化合物(A)は原料となるアルキルアルコールの炭素数及び構造が同じであるエチレンオキサイド付加物を意味し、メタノールのエチレンオキサイド付加物、エタノールのエチレンオキサイド付加物、1-プロパノールのエチレンオキサイド付加物、2-プロパノールのエチレンオキサイド付加物、1-ブタノールのエチレンオキサイド付加物、2-ブタノールのエチレンオキサイド付加物、2-メチル-1-プロパノールのエチレンオキサイド付加物、又は2-メチル-2-プロパノールのエチレンオキサイド付加物である。
本願発明のリチウムイオン電池用電極組成物に含まれる化合物(A)は1種類だけであってもよく、エチレンオキサイド付加物の原料であるアルキルアルコールの炭素数や構造が異なる複数の化合物(A)を含んでもよい。例えば、メタノールのエチレンオキサイド付加物とエタノールのエチレンオキサイド付加物を組み合わせて使用してもよい。ただし、複数種類の化合物(A)を組み合わせて使用する場合、それぞれの化合物(A)におけるアルキル基の炭素数とエチレンオキサイドの平均付加モル数との比[アルキル基の炭素数/エチレンオキサイドの平均付加モル数]が0.008~0.200である。
【0027】
リチウムイオン電池用電極組成物において、化合物(A)の他に含まれる含有物としては、リチウムイオン電池用電極組成物を構成する公知の材料を用いることができる。リチウムイオン電池用電極組成物は少なくとも電極活物質を含む。
上記電極活物質は正極活物質であってもよく、負極活物質であってもよい。本発明のリチウムイオン電池用電極組成物は、電極活物質が正極活物質である場合、リチウムイオン電池用正極組成物として用いることができ、電極活物質が負極活物質である場合、リチウムイオン電池用負極組成物として用いることができる。
【0028】
正極活物質としては、リチウムイオン電池の正極活物質として用いることができるものであれば特に制限されない。
例えば、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。
電極活物質が正極活物質である場合、リチウムと遷移金属との複合酸化物又はリチウム含有遷移金属リン酸塩が特に好ましい。
【0029】
負極活物質は、リチウムイオン電池の負極活物質として用いることができるものであれば特に制限されない。
例えば、炭素系材料[黒鉛(グラファイト)、難黒鉛化性炭素(ハードカーボン)、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]及び珪素系材料[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]が挙げられる。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)等と炭素系材料との混合物であってもよい。
電極活物質が負極活物質である場合、負極活物質としては炭素系材料が好ましく、黒鉛又はハードカーボンが特に好ましい。
【0030】
本発明のリチウムイオン電池用電極組成物は、層状構造を有する電極活物質(例えば層状岩塩型構造を有する金属酸化物、黒鉛及びハードカーボン)と組み合わせて使用した場合に、特に優れた電解液浸透性の向上効果が得られる。
【0031】
本発明のリチウムイオン電池用電極組成物は、電極活物質の体積平均粒子径(Dv50)が6.0~20.0μmである場合に、電解液浸透性の向上効果が特に優れる。
【0032】
また、リチウムイオン電池用電極組成物は、導電助剤、バインダー樹脂及び増粘剤を含んでいてもよく、これらの成分のいずれかを含んでいなくてもよい。
導電助剤としては、金属[アルミニウム、ステンレス(SUS)、銀、金、銅及びチタン等]、カーボン[グラファイト(薄片状黒鉛(UP))、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)及びカーボンナノファイバー(CNF)等]、及びこれらの混合物等が挙げられる。
導電助剤としては、電気的安定性の観点からカーボンブラック及びカーボンナノチューブが好ましい。
【0033】
バインダー樹脂は、バインダー機能(粘着力)を有する樹脂であれば特に制限されない。
バインダー樹脂としては、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、ポリビニルピロリドン、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリアクリル酸エステル、ポリメタクリル酸エステル、スチレン-ブタジエンゴム(SBR)、ポリエチレン及びポリプロピレン等が挙げられる。
バインダー樹脂は広義に増粘剤を含み、増粘剤としてはカルボキシメチルセルロース(CMC)等が挙げられる。
【0034】
なお、炭素系材料は負極活物質としても導電助剤としても使用されるが、本願においては、体積平均粒子径が5μm以上のものを負極活物質として、体積平均粒子径が5μm未満のものを導電助剤としてみなすこととする。
【0035】
なお、本明細書において、体積平均粒子径は、マイクロトラック法(レーザー回折・散乱法)によって求めた粒度分布における積算値50%での粒径(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度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。
【0036】
本発明のリチウムイオン電池用電極組成物に含まれる化合物(A)の含有量は、リチウムイオン電池用電極組成物の重量を基準として0.001~2重量%であることが好ましい。化合物(A)の含有量がこの範囲であると、化合物(A)を含有させることによる効果をより好適に発揮させることができる。
【0037】
[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、本発明のリチウムイオン電池用電極組成物を圧縮成形してなる。
電極組成物が溶媒を含むスラリー状の電極組成物である場合、圧縮成形する前に乾燥させて溶媒を除去することが好ましい(以下、溶媒を含むスラリー状の電極組成物を経て製造した電極を「スラリー電極」と記載することがある)。
本発明のリチウムイオン電池用電極は、上記スラリー電極でもよく、溶媒を用いない乾式プロセスで製造した電極(以下、「乾式電極」と記載することがある)であってもよい。
本発明のリチウムイオン電池用電極が乾式電極である場合、特に限定されないが、特開2022-103141号公報に記載の二次電池用電極のように、バインダー樹脂としてポリテトラフルオロエチレン樹脂(PTFE)等のフィブリル性樹脂を含有する乾式電極が好ましい。また、特開2023-163593号公報に記載のリチウムイオン電池用負極のように、リチウムイオン電池用被覆負極活物質粒子と導電性フィラーとを含有する乾式電極も好ましい。
【0038】
リチウムイオン電池用電極組成物を圧縮成形する方法は特に限定されないが、ロールプレス、プレス機によるプレス等の方法を用いることができる。リチウムイオン電池用電極組成物を圧縮成形することにより得られるリチウムイオン電池用電極の電極活物質層の空隙率(本明細書において、「電極の空隙率」を記載することがある)(%)は、リチウムイオン電池の性能(エネルギー密度及び出力特性等)の観点からは15~40%であることが好ましく、17~36%であることが特に好ましい。
本発明のリチウムイオン電池用電極組成物を用いて得られるリチウムイオン電池用電極は、一般的に電解液浸透性が悪化しやすくなる低空隙率(おおむね25%以下)の場合でも電解液浸透性に優れる。
なお、本発明における電極の空隙率は、リチウムイオン電池用電極組成物に電解液を浸透させていない状態での空隙率を意味し、次の方法により測定するものとする。
【0039】
(電極の電極活物質層の空隙率の測定方法)
電極活物質層の空隙率は、下記式(1)に従って算出する。
式(1):空隙率(%)=100-電極活物質層の固形分占有体積率(%)
ここで、電極活物質層の「固形分占有体積率(%)」は、下記式(2)より算出される。
式(2):固形分占有体積率(%)=(固形材料体積(cm3)/電極活物質層体積(cm3))×100
なお、電極活物質層体積は電極の厚み(接触式膜厚計で測定)と塗布面積から算出する。また、固形材料体積は以下手順により求める。
(a)電極活物質層用スラリーに含まれる各材料の添加量を秤量する:
(b)塗布前の集電体重量を計測する:
(c)集電体表面に電極活物質層用スラリーを塗布した後、集電体および塗膜の重さを秤量する:
(d)塗布後のスラリーを一晩ドラフト内で予備乾燥させた後、更に減圧下(1.3kPa)、100℃で2時間乾燥させた後、プレスし、プレス後の集電体および塗膜の重さを秤量する
(e)(a)、(b)、(c)、(d)の値より、プレス後の電極活物質層中の各材料の重量を算出する:
(f)(e)で算出した各材料の重量および各材料の密度から、電極活物質層中の各材料の体積を算出する:
(g)(f)で算出した各材料の体積のうち、固体材料の体積のみを足し合わせることにより固形材料体積を算出する。
【0040】
[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。
【0041】
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ており、電解液が電極中に充分に浸透しているため、充放電効率(クーロン効率)に優れる。
【0042】
本発明のリチウムイオン電池を構成する、リチウムイオン電池用電極以外の構成については、公知の材料を用いることができる。
すなわち、集電体、電解液及びセパレータ等の材料としては公知の材料を使用することができる。
【0043】
電解液としては、非水溶媒としてカーボネート系非水溶媒(エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート及びプロピレンカーボネート等)を使用することが好ましい。非水溶媒は、1種単独で用いても2種以上を混合して使用してもよい。電解質としてLiPF6(六フッ化リン酸リチウム)、LiFSI(リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド)等を使用することが好ましい。電解液は、電解質を非水溶媒に常温下、又は必要により加温して溶解させることにより得られる。市販品を用いてもよい。
本発明のリチウムイオン電池用電極組成物は、特定の電解質を使用したリチウムイオン電池のみならず、上述の代表的電解質を含有する電解液を使用したリチウムイオン電池に幅広く適用可能であり、電解液浸透速度を向上させることができる。
【0044】
本発明のリチウムイオン電池は、リチウムイオン電池を構成する電解液の25℃における粘度が6.0~12.0mPa・sである場合に、電解液浸透性の向上効果が特に優れる。なお、電解液の25℃における粘度はB型粘度計(例えば、「BII型粘度計 BLII」、東機産業社製)等を用いて測定することができる。
【0045】
本発明のリチウムイオン電池は、正極だけが本発明のリチウムイオン電池用電極で構成されていてもよく、負極だけが本発明のリチウムイオン電池用電極で構成されていてもよく、正極及び負極の両方が本発明のリチウムイオン電池用電極で構成されていてもよい。
【0046】
本発明のリチウムイオン電池は、携帯電話、パーソナルコンピューター、ハイブリッド自動車、電気自動車、定置用電源等に用いられるリチウムイオン電池として用いることができる。
【0047】
[リチウムイオン電池用電極組成物の製造方法]
本発明のリチウムイオン電池用電極組成物は、化合物(A)と他の成分(電極活物質及び必要に応じて導電助剤、バインダー樹脂(増粘剤を含む)等の成分)を混合することにより得ることができる。
各成分の混合方法及び混合順序は特に限定されないが、スチレン-ブタジエンゴム(SBR)とカルボキシメチルセルロース(CMC)の両方を含有する場合は、電極組成物の均一性の観点からSBRとCMCを同時に添加・混合しないことが好ましく、例えば、導電助剤とCMCと必要により溶媒とを撹拌して均一化後にSBRを添加して混合し、更に化合物(A)と電極活物質を添加して混合する方法が好ましい。
また、化合物(A)は、アルキル基の炭素数が1~4であるアルキルアルコールに公知の方法でエチレンオキサイドを付加させる反応を行うことによって得ることができる。
【0048】
本明細書には、以下の事項が開示されている。
【0049】
本開示(1)は、アルキル基の炭素数が1~4であるアルキルアルコールのエチレンオキサイド付加物である化合物(A)を含有するリチウムイオン電池用電極組成物であって、
前記化合物(A)におけるアルキル基の炭素数とエチレンオキサイドの平均付加モル数との比[アルキル基の炭素数/エチレンオキサイドの平均付加モル数]が0.008~0.200であるリチウムイオン電池用電極組成物である。
【0050】
本開示(2)は、前記化合物(A)のHLB値が18.0以上である本開示(1)に記載のリチウムイオン電池用電極組成物である。
【0051】
本開示(3)は、前記化合物(A)の含有量が、前記リチウムイオン電池用電極組成物の重量を基準として0.001~2重量%である本開示(1)又は(2)に記載のリチウムイオン電池用電極組成物である。
【0052】
本開示(4)は、本開示(1)~(3)のいずれかに記載のリチウムイオン電池用電極組成物を圧縮成形してなるリチウムイオン電池用電極である。
【0053】
本開示(5)は、本開示(4)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0054】
次に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。
【0055】
(製造例1:化合物(A-1)の製造)
メタノールに対してエチレンオキサイド(EO)を付加させて、メタノールのエチレンオキサイド付加物である化合物(A-1)を製造した。エチレンオキシドの平均付加モル数(以下、EO平均付加モル数)は、8.6であった。アルキル基の炭素数とエチレンオキサイドの平均付加モル数との比[アルキル基の炭素数/EO平均付加モル数]は0.116であった。HLBは20.5であった。
【0056】
(製造例2~9:化合物(A-2)~(A-9)の製造)
アルキルアルコールの種類とEO平均付加モル数を表1に示すように変更した以外は製造例1と同様にして、化合物(A-2)~(A-9)を製造した。
【0057】
(製造例10:化合物(A-10)の準備)
EO平均付加モル数45のポリエチレングリコール(商品名「PEG-2000」、三洋化成工業(株)製)を比較の化合物(比A-1)として準備した。
【0058】
(製造例11~13及び15~17:化合物(比A-2)~(比A-4)及び(比A-6)~(比A-8)の製造)
アルキルアルコールの種類とEO平均付加モル数を表1に示すように変更した以外は製造例1と同様にして、それぞれ比較の化合物(比A-2)~(比A-4)及び(比A-6)~(比A-8)を製造した。
【0059】
(製造例14:化合物(比A-5)の製造)
メタノールに対してプロピレンオキサイド(PO)を付加させて、メタノールのプロピレンオキサイド付加物である比較の化合物(比A-5)を製造した。EO平均付加モル数は0.0、プロピレンオキシドの平均付加モル数は6.5であった。
【0060】
各製造例で得られた化合物の[アルキル基の炭素数/EO平均付加モル数]及びHLB値を表1に示した。
【0061】
【0062】
(正極活物質の準備)
以下の正極活物質を準備した。
NCA:LiNi0.8Co0.15Al0.05O2(「HED NCA 7050」、BASF戸田バッテリーマテリアルズ合同会社製、体積平均粒子径(Dv50)6.6μm)
LFP:リン酸鉄リチウム(「LCP420TU4」、住友大阪セメント社製、体積平均粒子径(Dv50)8.7μm)
【0063】
(実施例1~12、比較例1~11:スラリー電極(正極)の作製)
表2又は表3に記載の重量部の化合物{(A)又は(比A)}とN-メチル-2-ピロリドン(NMP)100.0重量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分間撹拌した。次にバインダー樹脂としてのポリフッ化ビニリデン(表2及び表3中では「PVdF」と表記、キシダ化学製)3.0重量部を添加してあわとり練太郎による撹拌を2000rpmで5分間行った。更に正極活物質としてのNCAと導電助剤とを表2又は表3に記載の重量部追加したのちに、あわとり練太郎による撹拌を2000rpmで4分間行って正極活物質層用スラリー(正極組成物)を作製した。
導電助剤としては、アセチレンブラック「デンカブラックLi100」(表2及び表3中では「AB」と表記、デンカ(株)製)を使用した。
得られた正極活物質層用スラリーを、大気中でワイヤーバーを用いて集電体(アルミ箔、宝泉(株)製)の片面に塗布し、一晩ドラフト内で予備乾燥させた後、15mmφに6個打ち抜き、更に減圧下(1.3kPa)、100℃で2時間乾燥し、プレス機で狙いの電極空隙率(電極厚み)になるまでプレスして評価用正極を作製した。評価用正極は各実施例及び比較例(比較例9以外)について6個ずつ作製し、うち3個を表面状態及び電解液浸透性の評価用に用い、残りの3個を電池性能の評価(初回クーロン効率、内部抵抗)用に用いた。
なお、比較例9は化合物(A)及び(比A)のいずれも含まない電極組成物及び電極(正極)である。比較例9の電極(正極)は必要数作製した。
【0064】
(実施例13~15、比較例12~14:スラリー電極(正極)の作製)
表2又は表3に記載の重量部の化合物{(A)又は(比A)}と水100.0重量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分間撹拌した。次にバインダー樹脂としてのポリアクリル酸(表2及び表3中では「PAA」と表記、シグマアルドリッチ社製、平均分子量約10万)3.0重量部を添加してあわとり練太郎による撹拌を2000rpmで5分間行った。更に正極活物質としてのLFPと導電助剤とを表2又は表3に記載の重量部追加したのちに、あわとり練太郎による撹拌を2000rpmで4分間行って正極活物質層用スラリー(正極組成物)を作製した。
導電助剤としては、アセチレンブラック「デンカブラックLi100」(表2及び表3中では「AB」と表記、デンカ(株)製)を使用した。
得られた正極活物質層用スラリーを、大気中でワイヤーバーを用いて集電体(アルミ箔、宝泉(株)製)の片面に塗布し、一晩ドラフト内で予備乾燥させた後、15mmφに6個打ち抜き、更に減圧下(1.3kPa)、100℃で2時間乾燥し、プレス機で狙いの電極空隙率(電極厚み)になるまでプレスして評価用正極を作製した。評価用正極は各実施例及び比較例(比較例14以外)について6個ずつ作製し、うち3個を表面状態及び電解液浸透性の評価用に用い、残りの3個を電池性能の評価(初回クーロン効率、内部抵抗)用に用いた。
なお、比較例14は化合物(A)及び(比A)のいずれも含まない電極組成物及び電極(正極)である。比較例14の電極(正極)は必要数作製した。
【0065】
【0066】
【0067】
(負極活物質の準備)
以下の負極活物質を準備した。
球状黒鉛:「CGB-20」、日本黒鉛社製、体積平均粒子径(Dv50)20μm
人造黒鉛:「PAG-1500」、日本黒鉛社製、体積平均粒子径(Dv50)10μm
【0068】
(実施例16-30、比較例15-28:スラリー電極(負極)の作製)
導電助剤としてのAB{アセチレンブラック:「デンカブラックLi100」、デンカ(株)製}2.0重量部とバインダー樹脂としてのCMC(カルボキシメチルセルロース3.0重量部とイオン交換水40.0重量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分間撹拌した。次にバインダー樹脂としてのSBR(スチレンブタジエンゴム)3.0重量部を添加してあわとり練太郎による撹拌を2000rpmで5分間行った。得られた分散液に、表4又は表5に記載の電極活物質92.0重量部と表4又は表5に記載の重量部の化合物{(A)又は(比A)}とイオン交換水60.0重量部とを加え、あわとり練太郎による撹拌を2000rpmで5分間行って負極活物質層用スラリー(負極組成物)を作製した。
得られた負極活物質層用スラリーを、大気中でワイヤーバーを用いて集電体(銅箔)の片面に塗布し、一晩ドラフト内で予備乾燥させた後、16mmφに6個打ち抜き、更に減圧下(1.3kPa)、100℃で2時間乾燥し、プレス機で狙いの電極空隙率(電極厚み)になるまでプレスして評価用負極を作製した。評価用負極は各実施例及び比較例(比較例23と28以外)について6個ずつ作製し、うち3個を表面状態及び電解液浸透性の評価用に用い、残りの3個を電池性能の評価(初回クーロン効率、内部抵抗)用に用いた。
なお、比較例23と28は化合物(A)及び(比A)のいずれも含まない電極組成物及び電極(負極)である。比較例23と28の電極(負極)は必要数作製した。
【0069】
【0070】
【0071】
<スラリー電極の表面状態の評価>
各実施例及び比較例について、上記電極(正極)の作製又は電極(負極)の作製で得られた電解液浸透性評価用正極又は負極の表面状態を目視で観察し、電極活物質が同じで化合物(A)及び(比A)のいずれも含まない電極(実施例1~12、比較例1~8、10~11については比較例9、実施例13~15、比較例12~13については比較例14、実施例16~27、比較例15~22、24~25については比較例23、実施例28~30、比較例26~27については比較例28)を比較対象として、電極の表面状態(表面粗さの度合い)を下記基準で評価した結果を表2~表5に示す。
[評価基準]
◎:比較対象の電極よりも凹凸が少なく表面が滑らか。
〇:比較対象の電極と表面粗さの度合いが同程度。
×:比較対象の電極よりも凹凸が多く表面が粗い。
なお、〇は実使用が可能な合格レベルであり、◎は更に好ましい。
電極の表面状態が良好である(表面粗さが小さい)と、リチウムイオン電池の各性能の向上にもつながる。
【0072】
<電解液浸透性(電解液浸透時間)の評価(スラリー電極)>
上記で作製した電解液浸透性評価用電極(正極又は負極)に電解液を50μL垂らし、電解液が電極にしみこむまでの時間(分)を測定した。しみこむまでの時間が短いほど浸透性に優れていることを示す。
電解液を電解液浸透性評価用電極に垂らすと、電解液を垂らした部分の色が濃くなる。電解液が電極にしみこむと色が元に戻るので、電解液浸透性評価用電極の色が元に戻るまでの時間(分)を計測して電解液浸透時間(分)とした。電解液浸透時間(分)を、電極の空隙率(%)が同じ条件下、電極活物質が同じで添加剤を含まない電極(実施例1~12、比較例1~8、10~11については比較例9、実施例13~15、比較例12~13については比較例14、実施例16~27、比較例15~22、24~25については比較例23、実施例28~30、比較例26~27については比較例28)と比較して、下記基準で評価した結果を表2~表5に示す。なお、各実施例及び比較例についてそれぞれ3個の電極の電解液浸透時間を1秒単位で測定し、その算術平均値を電解液浸透時間(分)とした。
各実施例及び比較例について、電解液1(EC/DEC=1/1(体積比)、LiPF6 1M、粘度(25℃):6.9mPa.s)及び電解液2(EC/PC=1/1(体積比)、LiFSI 1.73M、粘度(25℃):10.5mPa.s)の2種類の電解液に対する電解液浸透性を評価した。
上記ECはエチレンカーボネート、DECはジエチルカーボネート、PCはプロピレンカーボネートを示す。LiPF6は六フッ化リン酸リチウム、LiFSIはリチウムビス(フルオロスルホニル)イミドを示す。
[評価基準]
◎:電解液浸透時間(分)が、比較対象の電極の電解液浸透時間(分)の0.3倍以下(70%以上時間削減された)。
〇:電解液浸透時間(分)が、比較対象の電極の電解液浸透時間(分)の0.3倍を超えて0.6倍以下(40%以上70%未満時間削減された)。
△:電解液浸透時間(分)が、比較対象の電極の電解液浸透時間(分)の0.6倍を超えて0.8倍以下(20%以上40%未満時間削減された)。
×:電解液浸透時間(分)が、比較対象の電極の電解液浸透時間(分)の0.8倍超(時間削減効果が20%未満である)。
【0073】
<充放電試験用電池の製造(スラリー電極)>
(実施例1~15及び比較例1~14の電池性能評価用正極を用いた電池の作製)
実施例1~15及び比較例1~14の電池性能評価用正極、セパレータ[商品名「#3501」、セルガード社製]、及び比較例23の電池性能評価用負極をこの順に重ね合わせ、電解液1(EC/DEC=1/1(体積比)、LiPF6 1M)を注入したのち酸素が入らないように真空ラミネートし、実施例1~15及び比較例1~14の電池性能評価用正極をそれぞれ用いた充放電試験用電池としてのリチウムイオン電池を作製した。各実施例及び比較例についてそれぞれ3個のリチウムイオン電池を作製した。
【0074】
(実施例16~30及び比較例15~28の電池性能評価用負極を用いた電池の作製)
比較例9の電池性能評価用正極、セパレータ[商品名「#3501」、セルガード社製]、及び実施例16~30及び比較例15~28の電池性能評価用負極をこの順に重ね合わせ、電解液1(EC/DEC=1/1(体積比)、LiPF6 1M)を注入したのち酸素が入らないように真空ラミネートし、実施例16~30及び比較例15~28の電池性能評価用負極をそれぞれ用いた充放電試験用電池としてのリチウムイオン電池を作製した。各実施例及び比較例についてそれぞれ3個のリチウムイオン電池を作製した。
【0075】
<充放電試験:初回クーロン効率の測定(スラリー電極)>
25℃下、充放電測定装置「HJ-SD8」[北斗電工(株)製]を用いて、以下の方法により充放電試験用電池として作製した前記のリチウムイオン電池の初回性能の評価を行った。
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0.0Vまで充電した後0.0Vを維持した状態で電流値が0.0025Cになるまで充電した。10分間の休止後、0.05Cの電流で1.5V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。
以下の式で初回クーロン効率(%)を算出し、結果を表2~表5に示した。なお、各実施例及び比較例についてそれぞれ3個の電池で測定・初回クーロン効率(%)を算出し、その算術平均値を分析値とした。
[初回クーロン効率(%)]=[初回放電容量]÷[初回充電容量]×100
【0076】
<セル(充放電試験用電池)の内部抵抗評価(スラリー電極)>
上記充放電試験後の各リチウムイオン電池を評価用セルとした。1Cで4.2VまでCC-CV(カットオフ電流0.01C)で充電を行い、1時間休止したのち、0.1Cで2.5Vまで放電を行った。放電を行う直前の電圧をV0、放電後10秒経過後の電圧をV1、放電中の電流をI1とし、(V1-V0)/I1を直流抵抗(DCR)として各セルの内部抵抗評価を行った。なお、各実施例及び比較例についてそれぞれ3個の電池で測定を行い、その算術平均値を分析値とした。
DCR(Ω・cm2)が小さいほど内部抵抗が小さく、好ましい。
【0077】
表2~表5から、実施例1~30の電極(スラリー電極)は、電解液浸透時間が短く(電解液の浸透速度が速く)、電解液浸透性が高いことが分かる。さらに、電極の表面状態も良好(◎又は〇)であることが分かる。また、各実施例の電池の初回クーロン効率及び内部抵抗は化合物(A)及び(比A)のいずれも含有しない電池(比較例9、14、23又は比較例28)と同程度であり、化合物(A)を含有することによるこれらの電池性能への悪影響はみられないことが分かる。
【0078】
(実施例31~35、比較例29~31:乾式電極(乾式正極)の作製)
正極活物質としてのNCA935重量部、導電助剤としてのアセチレンブラック[デンカ(株)製、「デンカブラックLi100」]15重量部、及びバインダー樹脂としてのPTFE(ダイキン工業(株)製、「ポリフロン PTFE F-104」)50重量部を秤量し、常温下、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](50rpm、15分間)で事前混合した後、高速ミキサー(500rpm、1分間)で混合した。続いて、表6に記載の重量部の化合物(A)又は(比A)を添加し、さらに、万能混合機ハイスピードミキサーFS25(5000rpm、3分間、80℃)で混合することにより正極組成物を得た。
上記で得た正極組成物をバルク状(厚さ約1.5mm)に成形し、シート状に圧延した。圧延は80℃に加温し行った。その後、先程得られた圧延シートを2つに折りたたむことにより粗砕して、再度バルク状に成形した後、平らな板の上で金属ロールを用いてシート状に圧延することで、フィブリル化を促進させる工程を四度繰り返した。その後、更に圧延することで、厚さ500μmの乾式正極シートを得た。さらに、乾式正極シートを切り出し、プレス機に投入し圧延をおこなった。さらに、5kNの荷重を繰り返しかけて厚みを調整することにより乾式電極を得た。最終的な電極厚みが約200μmになるようにギャップを調整した。
得られた各電極(正極)の電極厚みを膜厚計(ミツトヨ製)で測定し、表6に示す。電極厚みは無作為に計測した3箇所の厚みの平均値とした。
なお、比較例31は化合物(A)及び(比A)のいずれも含まない正極組成物及び電極(乾式正極)である。比較例31の電極は必要数作製した。
【0079】
<電解液浸透性(電解液浸透時間)の評価(乾式電極)>
実施例31~35、比較例29~31で作製した乾式電極の厚みのバラつきが5%以内の領域を25mm角の大きさで採取し、浸透性評価用乾式電極とした。
この浸透性評価用乾式電極を試験片とし、化合物(A)及び(比A)のいずれも含まない乾式電極(比較例31)を比較対象とする以外は上記スラリー電極の場合と同様の評価方法及び評価基準で、電解液浸透性を評価した結果を表6に示した。
【0080】
(充放電試験用電池(ハーフセル)の作製(乾式電極)
実施例31~35、比較例29~31で作製した乾式電極を正極として用いた充放電試験用ハーフセルを作製した。
正極側から順に、正極集電体としてのカーボンコートアルミ箔、上記乾式電極(正極)、セパレータ[商品名「#3501」、セルガード社製]、対極(負極)としてリチウム金属箔[本城金属(株)製]、負極集電体としての銅箔を重ね合わせ、電解液1(EC/DEC=1/1(体積比)、LiPF6 1M)を注入したのち酸素が入らないように真空ラミネートし、充放電試験用電池としてのリチウムイオン電池を作製した。各実施例及び比較例についてそれぞれ3個のリチウムイオン電池を作製した。
【0081】
<充放電試験:初回クーロン効率の測定(乾式電極)>
25℃下、上記乾式電極を正極として用いた充放電試験用リチウムイオン電池について、充放電測定装置「HJ-SD8」[北斗電工(株)製]を用いて、上記スラリー電極を用いた電池と同様の方法でリチウムイオン電池の初回性能の評価を行った結果を表6に示した。
【0082】
<セル(充放電試験用電池)の内部抵抗評価(乾式電極)>
上記充放電試験後の各乾式電極を正極として用いたリチウムイオン電池を評価用セルとして、上記スラリー電極を用いた電池と同様の方法で各セルの内部抵抗評価を行った結果を表6に示した。
【0083】
【0084】
表6から、実施例31~35の電極(乾式電極)は、電解液浸透時間が短く(電解液の浸透速度が速く)、電解液浸透性が高いことが分かる。また、各実施例の電池の初回クーロン効率及び内部抵抗は化合物(A)及び(比A)のいずれも含有しない電池(比較例31)と同程度であり、化合物(A)を含有することによるこれらの電池性能への悪影響はみられないことが分かる。