JP5201794B2 - リチウム二次電池及びリチウム二次電池の製造方法 - Google Patents
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Description
この不具合を解決するために、Siが含まれ、かつ表面のみからSiが除去されてなる多相合金粉末から構成された負極活物質が開発され(特許文献1)、Siを含む負極活物質の実用化が現実のものになってきている。
本発明のリチウム二次電池は、リチウムの挿入、脱離が可能な正極活物質を含む正極と、リチウムの挿入、脱離が可能な負極活物質を含む負極と、非水電解質とを具備してなり、前記正極活物質に、下記の一般式(1)〜(5)のうちのいずれか1種または2種以上のポリエーテル変性シリコーン油が担持されていることを特徴とする。
ただし、一般式(1)〜(5)において、kは1〜9の範囲であり、lは0から3の範囲の自然数であり、mは0から1の範囲の自然数であり、nは1〜2の範囲の自然数であり、RはCH3またはC6H5のいずれかであり、ZはCH3またはC2H5のいずれかである。
このようなリチウム二次電池とすることで、高容量な負極を有するものとなる。
ただし、一般式(6)〜(10)において、kは1〜9の範囲であり、lは0から3の範囲の自然数であり、mは0から1の範囲の自然数であり、nは1〜2の範囲の自然数であり、RはCH3またはC6H5のいずれかであり、ZはCH3またはC2H5のいずれかである。
本発明のリチウム二次電池は、正極と負極と電解質とを具備している。
(正極)
本発明のリチウム二次電池では、正極として、リチウムの挿入、脱離が可能な正極活物質と導電助材と結着剤とが含有されてなる正極合材と、正極合材に接合される正極集電体とからなるシート状の電極を用いることができる。また、正極の電極として、上記の正極合材を円板状に成形させてなるペレット型若しくはシート状の電極も用いることができる。
また結着剤としてはポリフッ化ビニリデン、ポリ4フッ化エチレン等を例示できる。
更に導電助材としては、カーボンブラック、ケッチェンブラック、黒鉛等の炭素化物を例示できる。更に正極集電体としては、アルミニウム、ステンレス等からなる金属箔または金属網を例示できる。
kが9を越えると熱安定性は向上するものの、粘度が高くなるおそれがあり、正極の電極に塗布しにくくなるため好ましくない。またkが0ではシリコーン油が分解しやすくなるので、kは1以上が好ましい。
また、lが3を越えると粘度が高くなって正極の電極に塗布しにくくなるので好ましくない。また、mが1を越えた場合にも、ポリエーテル鎖が長くなって粘度が高くなり、正極の電極に塗布しにくくなるので好ましくない。
また、nが1未満(即ちnが0)だと、分解しやすくなるので好ましくない。
また、nが2を越えるとポリエーテル鎖が長くなって粘度が高くなり、正極の電極に塗布しにくくなるので好ましくない。
更に、RがCH3またはC6H5のいずれかであり、ZがCH3またはC2H5のいずれかであれば、ポリエーテル変性シリコーン油の合成が容易になる。
尚、このようにして製造されたポリエーテル変性シリコーン油には、触媒成分であるPt(白金)や、重合禁止剤であるBHTが数〜数十ppm程度含まれている。PtやBHTはサイクル特性に悪影響を及ぼすものであるから、できるだけ除去することが望ましい。本発明ではポリエーテル変性シリコーン油に含まれるPtが少なくとも5ppm未満であるとともにBHTが60ppm未満であることが好ましく、Pt、BHTがそれぞれ検出限界以下であることがより好ましい。
負極としては、リチウムの挿入、脱離が可能な負極活物質と結着剤及び必要に応じて導電助材とが含有されてなる負極合材と、この負極合材に接合される負極集電体とからなるシート状の電極を用いることができる。また、上記の負極合材を円板状に成形させてなるペレット型若しくはシート状の電極も用いることができる。
また、負極活物質及び結着剤の他に、導電助材としてカーボンブラック、黒鉛粉末、炭素繊維、金属粉末、金属繊維等を添加しても良い。更に負極集電体としては、銅からなる金属箔または金属網を例示できる。
非水電解質としては、例えば、非プロトン性溶媒にリチウム塩が溶解されてなる非水電解質を例示できる。
非プロトン性溶媒としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ベンゾニトリル、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、γ−ブチロラクトン、ジオキソラン、4−メチルジオキソラン、N、N−ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ジオキサン、1,2−ジメトキシエタン、スルホラン、ジクロロエタン、クロロベンゼン、ニトロベンゼン、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、メチルイソプロピルカーボネート、エチルブチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、ジイソプロピルカーボネート、ジブチルカーボネート、ジエチレングリコール、ジメチルエーテル等の非プロトン性溶媒、あるいはこれらの溶媒のうちの二種以上を混合した混合溶媒を例示でき、特にプロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ブチレンカーボネート(BC)のいずれか1つを必ず含むとともにジメチルカーボネート(DMC)、メチルエチルカーボネート(MEC)、ジエチルカーボネート(DEC)のいずれか1つを必ず含むものが好ましい。
一般的に、充電反応は、次のようにして進行する。例えば、正極活物質としてLiCoO2を用いた場合には、充電によりLiCoO2からリチウムイオンが脱離し、脱離したリチウムイオンが負極活物質(例えば黒鉛)の結晶中に挿入される。ここで、充電が進んで充電末期になると、LiCoO2がLi0.5CoO2等の電気化学的に不安定な状態となる。具体的には、Coが溶出されやすい状態となる。
本実施形態においては、正極活物質に、ポリエーテル変性シリコーン油が担持されているので、正極活物質の表面と電解質との接触が妨げられ、充電時における正極活物質の劣化が防止されるものと考えられる。よって、本実施形態のリチウム二次電池によれば、サイクル特性や充電時の安全性に優れ、特に過充電耐性に優れたリチウム二次電池が得られる。
次のようにしてリチウム二次電池を製造した。
まず、LiCoO2からなる正極活物質96質量部と、ポリフッ化ビニリデン10質量部からなる結着剤と、炭素粉末(カーボンブラック(Denka Black:商品名))2質量部からなる導電助材とを混合し、更にN−メチル−2−ピロリドンを混合して正極スラリーとした。次いで、得られた正極スラリーを、ドクターブレード法によりアルミニウム箔からなる集電体上に塗布し、乾燥させてN−メチル−2−ピロリドンを揮発させた後、圧延し、シート状の電極を得た。
そして、得られたシリコーン溶液中に、上記の電極を浸した後、乾燥して溶媒を揮発させて正極を得た。なお、得られた正極の正極活物質に担持されたポリエーテル変性シリコーン油の量は、正極活物質に対して0.5質量%であった。
まず、塊状のSiを60質量部と、Ni粉末を30質量部と、Ag粉末を10質量部とをそれぞれ用意し、これらを混合してから高周波加熱法により溶解して合金溶湯とした。次いで、得られた合金溶湯をヘリウムガスを用いたガスアトマイズ法によって急冷することにより、平均粒径10μmの急冷合金粉末を得た。
次に、得られた急冷合金粉末30gを5Nの水酸化ナトリウム水溶液500ml中に入れ、室温でゆっくり攪拌しながら1時間かけて含侵処理した。その後、ナトリウムの残留がないように純水で十分に洗浄してから乾燥した後、粒度の調整を行って平均粒径12μmとした。このようにして、負極活物質を製造した。
次のようにしてリチウム二次電池を製造した。
まず、実施例1と同様のシート状の電極を製造し、実施例1のポリエーテル変性シリコーン油に浸す前の電極を正極とした。また、実施例1と同様の負極を製造し、非水電解質を調製した。そして、実施例1と同様にして、コイン型のリチウム二次電池を製造した。
なお、表1においては、1Cの電流での1サイクルのときの容量を100%とした場合における100サイクルのときの容量から算出した容量維持率を示す。
Claims (2)
- リチウムの挿入、脱離が可能な正極活物質を含む正極と、リチウムの挿入、脱離が可能な負極活物質を含む負極と、非水電解質とを具備してなるリチウム二次電池の製造方法であって、
前記正極に下記の一般式(6)〜(10)のうちのいずれか1種または2種以上のポリエーテル変性シリコーン油を塗布することにより、前記正極活物質に、前記ポリエーテル変性シリコーン油を担持させることを特徴とするリチウム二次電池の製造方法。
ただし、一般式(6)〜(10)において、kは1〜9の範囲であり、lは0から3の範囲の自然数であり、mは0から1の範囲の自然数であり、nは1〜2の範囲の自然数であり、RはCH3またはC6H5のいずれかであり、ZはCH3またはC2H5のいずれかである。
- リチウムの挿入、脱離が可能な正極活物質を含む正極と、リチウムの挿入、脱離が可能な負極活物質を含む負極と、非水電解質とを具備してなるリチウム二次電池の製造方法であって、
下記の一般式(6)〜(10)のうちのいずれか1種または2種以上のポリエーテル変性シリコーン油を前記正極活物質に含浸させた後、前記正極を形成することにより、前記正極活物質に、前記ポリエーテル変性シリコーン油を担持させることを特徴とするリチウム二次電池の製造方法。
ただし、一般式(6)〜(10)において、kは1〜9の範囲であり、lは0から3の範囲の自然数であり、mは0から1の範囲の自然数であり、nは1〜2の範囲の自然数であり、RはCH 3 またはC 6 H 5 のいずれかであり、ZはCH 3 またはC 2 H 5 のいずれかである。
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