説明

リチウムイオン二次電池用負極及びそれを用いたリチウムイオン二次電池

【課題】電池の高出力、高容量特性を低下させることなく、内部短絡時等の安全性を確保したリチウムイオン二次電池用負極を提供する。
【解決手段】リチウムイオン二次電池用負極2は、集電体10と、集電体10の上に形成された活物質を含む第1の層11と、第1の層11の上に形成された、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な金属酸化物を含む第2の層12とを備え、活物質は、炭素材料からなり、金属酸化物の平均粒径Dは、炭素材料の平均粒径Dの1/10以下であり、保護層12の平均膜厚Lは、金属酸化物の平均粒径Dの3倍以上である。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、炭素材料を含む活物質層上に、チタン酸リチウムを含む保護層を形成した構造のリチウムイオン二次電池用負極、及びそれを用いたリチウムイオン二次電池用負極に関する。
【背景技術】
【0002】
リチウムイオン二次電池は、携帯用電子機器や通信機器などの駆動電源として利用が広がっている。一般に、リチウムイオン二次電池では、負極板に、リチウムの吸蔵・放出が可能な炭素材料を用い、正極板には、LiCoOなどの遷移金属とリチウムの複合酸化物を活物質として用いており、これによって高出力、高容量の二次電池を実現している。近年、電子機器および通信機器の多機能化に伴って、さらなる高出力、高容量化が望まれている。
【0003】
ところで、高出力、高容量化を図ったリチウムイオン二次電池においては、例えば、何らかの原因で異物が電池内部に混入することによってセパレータが損傷し、これにより、正極板と負極板とが内部短絡を起こした場合、短絡部位に電流が集中して流れることによって急激な発熱が生じ、これに起因して、正極および負極材料の分解や、電解液の沸騰又は分解によるガス発生等が起きるおそれがある。
【0004】
このような内部短絡に起因する問題に対して、負極活物質層又は正極活物質層の表面に、アルミナ等の絶縁性微粒子を含む多孔性保護膜を被覆することによって、内部短絡の発生を防止する方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
【0005】
しかしながら、負極活物質層又は正極活物質層の表面に被覆されたアルミナ等の絶縁性微粒子を含む多孔性保護膜は、導電性が低いため、電池の内部抵抗が増加し、電池の高出力特性を低下させる要因となる。また、活物質として機能しないため、電池の高容量化を阻害させる要因ともなる。
【0006】
そこで、特許文献2には、集電体の表面に炭素材料等を含む主負極層を形成し、さらに、この主負極層の表面に、スピネル構造を有するチタン酸リチウムを含む表面層を形成した負極構造が記載されている。チタン酸リチウムは、リチウムを吸蔵、放出する性質を有するため、負極活物質として機能するが、スピネル構造を有するチタン酸リチウムは、リチウムを吸蔵している状態では低抵抗を示すが、リチウムを吸蔵していない状態では、高抵抗を示す。従って、内部短絡が発生した場合、短絡部で急激な放電が生じるため、短絡部近傍のチタン酸リチウムはリチウムを吸蔵していない状態になる。その結果、短絡部での表面層の抵抗が大きくなるため、短絡部に大電流が流れるのを抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開2009−91461号公報
【特許文献2】特開2010−97720号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
特許文献2に記載の表面層に用いるチタン酸リチウムは、炭素材料に比べて、導電性が低く、容量も小さい。そのため、表面層の膜厚を厚くすると、電池の高出力、高容量化を妨げる、という問題がある。一方、表面層の膜厚を薄くすると、スピネル構造を有するチタン酸リチウムに固有の電流遮断効果が十分に発揮できない、という問題がある。
【0009】
本発明は、かかる課題に鑑みなされたもので、その主な目的は、電池の高出力、高容量特性を低下させることなく、内部短絡時等の安全性を確保したリチウムイオン二次電池用負極を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明に係るリチウムイオン二次電池用負極は、集電体と、集電体の上に形成された活物質を含む第1の層と、第1の層の上に形成された、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な金属酸化物を含む第2の層とを備え、活物質は、炭素材料からなり、金属酸化物の平均粒径は、炭素材料の平均粒径の1/10以下であり、保護層の平均膜厚は、金属酸化物の平均粒径の3倍以上であることを特徴とする。
【0011】
ある好適な実施形態において、上記金属酸化物は、チタン酸リチウムからなる。
【0012】
他の好適な実施形態において、上記金属酸化物の平均粒径は、1μm以上である。さらに、金属酸化物の90%積算粒子径(D90)は、4μm以下であることが好ましい。
【0013】
他の好適な実施形態において、上記保護層の膜厚は、3〜30μmの範囲にある。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、電池の高出力、高容量特性を低下させることなく、内部短絡時等の安全性を確保したリチウムイオン二次電池用負極を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】本発明の一実施形態におけるリチウムイオン二次電池用負極の構成を示した断面図である。
【図2】本発明の一実施形態における負極を用いたリチウムイオン二次電池の構成を示した断面図である。
【図3】活物質層を構成する炭素材料の配列と、保護層を構成する金属酸化物の配列を模式的に示した断面図である。
【図4】欠損の生じた負極の拡大断面電子顕微鏡写真である。
【図5】本発明の他の実施形態における負極の製造方法を示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
本発明を説明する前に、本発明を想到するに至った経緯をまず説明する。
【0017】
上述したように、チタン酸リチウムは、炭素材料に比べて、導電性が低く、容量も小さい一方、チタン酸リチウム中のリチウムイオンの拡散速度は、炭素材料中のリチウムイオンの拡散速度よりも大きいという特性がある。
【0018】
従って、炭素材料を含む活物質層上に、チタン酸リチウムを含む保護層を形成した構造の負極は、リチウムイオン二次電池を高出力化したときに、炭素材料を含む活物質層上に、リチウムが析出するのを抑制する効果が期待できる。これにより、高出力化を図ったリチウムイオン二次電池において、リチウム析出に伴う内部短絡等の発生を効果的に防止することが可能となる。
【0019】
一方、チタン酸リチウムは、炭素材料に比べて、導電性が低く、容量も小さいため、炭素材料を含む活物質層の容量低下を抑えるためには、チタン酸リチウムを含む保護層の膜厚を出来るだけ薄く形成する必要がある。
【0020】
しかしながら、保護層を薄膜化した場合、活物質層の一部が露出すると、その露出部にリチウムが析出するおそれがあり、特に、電池を高出力化した場合、安全性の低下や、サイクル特性の低下を招くおそれがある。
【0021】
本願発明者等は、チタン酸リチウムを含む保護層を形成した負極構造において、保護層の薄膜化を検討していたところ、保護層が欠損して、活物質層の一部が露出しないためには、活物質層を構成する炭素材料の粒径と、保護層を構成するチタン酸リチウムの粒径との関係を考慮しなければならないことを見出し、本発明を想到するに至った。
【0022】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。さらに、他の実施形態との組み合わせも可能である。
【0023】
図1は、本発明の一実施形態におけるリチウムイオン二次電池用負極2の構成を示した断面図である。
【0024】
図1に示すように、負極2は、集電体10と、集電体10の上に形成された活物質を含む活物質層(第1の層)11と、活物質層11の上に形成された、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な金属酸化物を含む保護層(第2の層)12とを備えている。
【0025】
ここで、活物質層11に含まれる活物質は炭素材料からなり、例えば、黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、炭素繊維等が挙げられる。また、保護層12に含まれる金属酸化物は、例えば、チタン酸リチウムの他、酸化モリブデン等が挙げられる。
【0026】
なお、活物質層11には、所定量の結着剤が含まれていてもよい。結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、フッ素系ゴム、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ニトリルブタジエンゴム(NBR)、アクリルゴム(ACM)等が挙げられる。
【0027】
また、保護層12には、所定量の導電剤及び結着剤が含まれていてもよい。導電剤としては、黒鉛等の炭素材料が挙げられる。また結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、フッ素系ゴム、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ニトリルブタジエンゴム(NBR)、アクリルゴム(ACM)等が挙げられる。
【0028】
また、集電体10は、例えば、銅箔または銅合金箔を用いることができる。
【0029】
なお、本実施形態において、保護層12は、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な金属酸化物を含むため、活物質層としても機能するが、保護層12に含まれる金属酸化物が、活物質層11に含まれる炭素材料に比べて導電性の低い材料で構成されていることから、便宜的に、活物質層11と区別して、保護層12と呼んでいる。
【0030】
図2は、本実施形態における負極2を用いたリチウムイオン二次電池100の構成を示した断面図である。
【0031】
図2に示すように、正極1と負極2とがセパレータ3を介して捲回された電極群4が、非水電解液(不図示)とともに、電池ケース7に収容されている。正極1は、正極リード5を介して正極端子を兼ねる封口体8に接合され、負極2は、負極リード6を介して負極端子を兼ねる電池ケース7の底部に接合されている。そして、電池ケース7の開口部は、ガスケット9を介して、封口体8で封口されている。
【0032】
本実施形態において、負極2以外のリチウムイオン二次電池100を構成する他の構成要素については、特に制限はなく、通常使用される部材等を用いることができる。
【0033】
次に、図3(a)、(b)を参照しながら、保護層12の膜厚を薄くしていったときの、金属酸化物の平均粒径と、炭素材料の平均粒径との関係を説明する。
【0034】
ここで、「平均粒径」とは、粒子の粒度分布において、累積体積が50%となる粒径(D50)を意味する。なお、粒子の粒度分布は、例えば、レーザー回折式の粒度分布測定装置によって測定することができる。
【0035】
図3(a)、(b)は、活物質層11を構成する炭素材料21の配列と、保護層12を構成する金属酸化物20の配列を模式的に示した断面図である。なお、炭素材料21と金属酸化物20の粒子は、平均粒径の大きさを用いて表示している。
【0036】
図3(a)、(b)に示すように、活物質層11の表面は、炭素材料21の平均粒径Dにほぼ相当した大きさの凹凸が生じている。従って、活物質層11の表面には、平均粒径Dの金属酸化物20が、その凹凸を埋めるように配列して、保護層12が形成される。
【0037】
ここで、保護層12が、炭素材料21の表面に、金属酸化物20が1個程度に配列する程度の薄さで、活物質層11上に形成されることを想定した場合、図3(a)に示すように、金属酸化物20の平均粒径Dが、炭素材料21の平均粒径Dよりも十分小さければ、炭素材料21上に、金属酸化物20が欠損することなく、凹凸を埋めて保護層12を形成することができる。しかし、図3(b)に示すように、金属酸化物20の平均粒径Dが、炭素材料21の平均粒径Dに対して相対的に大きくなれば、炭素材料21上に、金属酸化物20が欠損する可能性が高くなる。
【0038】
また、上述のように薄膜化した保護層12は、凹凸の生じた活物質層11上に形成されるため、膜厚は均一でない。そこで、保護層12の平均膜厚Lを、図3(a)、(b)に示したように、一定の範囲で測定した膜厚の平均値で定義すると、図3(a)に示すように、金属酸化物20の平均粒径Dが、保護層12の平均膜厚Lよりも小さければ、炭素材料21上に、金属酸化物20が欠損することはないが、図3(b)に示すように、金属酸化物20の平均粒径Dが、保護層12の平均膜厚Lに対して相対的に大きくなれば、炭素材料21上に、金属酸化物20が欠損する可能性が高くなる。
【0039】
以上の考察から、炭素材料を含む活物質層11上に、金属酸化物を含む保護層12を形成した負極2の構造において、保護層12を薄膜化しても、保護層12が欠損して、活物質層11の一部が露出しないためには、保護層12を構成する金属酸化物20の平均粒径Dと、活物質層11を構成する炭素材料21の平均粒径Dとの関係、及び金属酸化物20の平均粒径Dと、保護層12の平均膜厚Lとの関係を考慮しなければならない。
【0040】
そこで、このような定性的な示唆に基づき、図1に示したような負極2を実際に作製し、上記の各パラメータと、保護層12の欠損発生の関係を定量的に評価した。さらに、保護層12の欠損程度を評価するために、図2に示したリチウムイオン二次電池を作製して、内部短絡試験を行った。
【0041】
表1は、その結果を示した表である。ここで、金属酸化物20は、チタン酸リチウム(LixTiyOz:LTO)を使用し、炭素材料21は、黒鉛を使用した。なお、リチウムイオン二次電池の正極活物質は、ニッケル酸リチウムを使用した。
【0042】
【表1】

【0043】
表1に示した電池1〜4では、黒鉛の平均粒径Dを一定の大きさ(17μm)にして、LTOの平均粒径Dを1.2〜1.9μmの範囲に変化させ、また、保護層12の平均膜厚Lを、電池1では10μm、電池2〜4では5μmとして作製した負極をそれぞれ使用した。
【0044】
表1の被覆率は、負極2の保護層12の表面を光学顕微鏡写真で撮影し、欠損の生じた箇所を2値化して、5mm×5mmの面積に対して、欠損の生じていない面積の比率を計算で求めたものである。なお、図4は、欠損の生じた負極の拡大断面電子顕微鏡写真で、薄膜化された保護層12の一部に、欠損Aが観察される。
【0045】
また、表1の内部短絡試験は、JIS C 8712「密閉形小形二次電池の安全性」、JIS C 8714「携帯電子機器用リチウムイオン蓄電池の単電池及び組電池の安全性試験」における強制内部短絡試験による発火した電池の数で評価を行った。
【0046】
表1に示すように、電池1、2に用いた負極では、被覆率は、99.8%以上と高く、内部短絡試験でも、発火は観察されなかった。これに対し、電池3、4に用いた負極では、被覆率は98%以下となり、内部短絡試験では、発火が観察された。
【0047】
この結果から、LTOの平均粒径Dを、黒鉛の平均粒径Dの1/10以下に、保護層12の平均膜厚Lを、LTOの平均粒径の3倍以上にすることによって、保護層12を薄膜化しても、保護層12が欠損して、活物質層11の一部が露出するのを防止することができる。加えて、保護層12を構成するLTOが活物質として機能し、かつ、リチウムイオンの拡散速度が大きいことから、電池の高出力、高容量化も同時に図ることができる。これにより、保護層12を薄膜化しても、電池の高出力、高容量特性を低下させることなく、内部短絡時等の安全性を確保したリチウムイオン二次電池を実現することができる。
【0048】
さらに、表1に示すように、LTOの平均粒径Dを1.9μm、黒鉛の平均粒径Dを21μmとし、保護層12の平均膜厚Lを、それぞれ10μmと8μmとした負極を用いて電池5、6を作製して、電池1〜4と同様に、被覆率及び内部短絡試験の評価を行った。その結果、表1に示すように、両電池5、6とも、被覆率は、99.8%以上で、内部短絡試験でも、発煙は観察されなかった。
【0049】
なお、電解液との副反応によるガス発生抑制の観点から、LTOの平均粒径は1μm以上が好ましい。
【0050】
ところで、図3(a)、(b)に示した模式図では、金属酸化物20及び炭素材料21を、平均粒径(D50)の大きさを用いて表示したが、実際には、それぞれの粒径は、一定の粒度分布をもって分散している。もし、粒度分布が広がっていると、粒子径の大きな金属酸化物20が存在することにより、活物質層11表面の被覆率が低下するおそれがある。同様に、粒子径の大きな炭素材料21が存在することにより、活物質層11の表面の凹凸が大きくなり、これによっても、活物質層11表面の被覆率が低下するおそれがある。
【0051】
表2は、表1の内部短絡試験において、発火の観察されなかった電池1、5について、LTOと黒鉛の粒度分布を測定した結果を示した表で、10%積算粒子径(D10)、50%積算粒子径(D50)、80%積算粒子径(D90)の値をそれぞれ示す。
【0052】
【表2】

【0053】
表2に示すように、LTOの90%積算粒子径(D90)が、4μm以下であれば、被覆率の低下のない、安全性の高い電池を得ることができる。同じく、黒鉛の90%積算粒子径(D90)が、40μm以下であれば、被覆率の低下のない、安全性の高い電池を得ることができる。
【0054】
本実施形態における負極2は、通常用いる方法、例えば、ダイコート法、あるいはグラビアコート法等により、集電体10上に、活物質層11を塗布、乾燥した後、さらに、活物質層11上に、保護層12を塗布、乾燥して製造することができる。
【0055】
図5は、生産性を向上させた負極2の製造方法を示した断面図である。上記方法では、2回の塗布を行う必要があるのに対し、本方法では、1回の塗布で、集電体10上に、活物質層11と保護層12とを同時に形成することができる。
【0056】
図5に示すように、2つのスリット31、32が形成されたダイヘッド30を、集電体10に対して平行に移動させながら、スリット31、32から、炭素材料を含むスラリーA、及び金属酸化物を含むスラリーBをそれぞれ集電体10上に供給することによって、集電体10上に、活物質層11及び保護層12を同時に形成することができる。
【0057】
ここで、活物質層11の膜厚、及び保護層12の膜厚は、それぞれ、スリット31、32の先端のリップと、集電体10との距離を調整することによって、制御することができる。なお、保護層12の膜厚は、3〜30μm、より好ましくは、3〜10μmの厚さに制御して形成する必要があるため、保護層12に塗工スジを発生させないためには、スリット32の先端のリップ径を、金属酸化物の90%積算粒子径(D90)よりも大きくしておくことが好ましい。
【0058】
以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、もちろん、種々の改変が可能である。例えば、上記実施形態においては、負極2は、集電体10の片面に活物質層11及び保護層12を形成したが、集電体10の両面に形成してもよい。
【産業上の利用可能性】
【0059】
本発明は、自動車、電動バイク又は電動遊具等の駆動用電源として有用である。
【符号の説明】
【0060】
1 正極
2 負極
3 セパレータ
4 電極群
5 正極リード
6 負極リード
7 電池ケース
8 封口体
9 ガスケット
10 集電体
11 活物質層(第1の層)
12 保護層(第2の層)
20 金属酸化物(LTO)
21 炭素材料(黒鉛)
30 ダイヘッド
31、32 スリット
100 リチウムイオン二次電池

【特許請求の範囲】
【請求項1】
集電体と、
前記集電体の上に形成された活物質を含む第1の層と、
前記第1の層の上に形成された、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な金属酸化物を含む第2の層と
を備え、
前記活物質は、炭素材料からなり、
前記金属酸化物の平均粒径は、前記炭素材料の平均粒径の1/10以下であり、
前記保護層の平均膜厚は、前記金属酸化物の平均粒径の3倍以上である、リチウムイオン二次電池用負極。
【請求項2】
前記金属酸化物は、チタン酸リチウムからなる、請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用負極。
【請求項3】
前記金属酸化物の平均粒径は、1μm以上である、請求項1または2に記載のリチウムイオン二次電池用負極。
【請求項4】
前記金属酸化物の90%積算粒子径(D90)は、4μm以下である、請求項3に記載のリチウムイオン二次電池用負極。
【請求項5】
前記保護層の膜厚は、3〜30μmの範囲にある、請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用負極。
【請求項6】
前記炭素材料は、黒鉛からなる、請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用負極。
【請求項7】
前記炭素材料の90%積算粒子径(D90)は、40μm以下である、請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用負極。
【請求項8】
請求項1〜7のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池用負極を備えたリチウムイオン二次電池。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図5】
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【図4】
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【公開番号】特開2013−73924(P2013−73924A)
【公開日】平成25年4月22日(2013.4.22)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−214756(P2011−214756)
【出願日】平成23年9月29日(2011.9.29)
【出願人】(000005821)パナソニック株式会社 (73,050)
【Fターム(参考)】