正极活性物质、正极材料、正极及非水电解质二次电池的制作方法_4

文档序号:9332905阅读:来源:国知局
易的方面优异。作为用作基质聚合物(主聚 合物)的离子传导性聚合物,例如可以举出聚环氧乙烷(PE0)、聚环氧丙烷(PP0)、聚乙二醇 (PEG)、聚丙烯腈(PAN)、聚偏二氟乙烯-六氟丙烯(PVdF-HEP)、聚(甲基丙烯酸甲酯(PMMA) 及它们的共聚物等。
[0098] 凝胶电解质的基质聚合物通过形成交联结构,能够显现优异的机械强度。为了形 成交联结构,可以使用适当的聚合引发剂,对高分子电解质形成用的聚合性聚合物(例如PEO、PPO)实施热聚合、紫外线聚合、辐射线聚合、电子束聚合等聚合处理。
[0099]另外,作为隔膜,优选为在多孔基体上层叠耐热绝缘层而得到的隔膜(带耐热绝 缘层的隔膜)。耐热绝缘层为包含无机颗粒及粘结剂的陶瓷层。带耐热绝缘层的隔膜使用熔 点或热软化点为150°C以上、优选为200°C以上的耐热性高的隔膜。通过具有耐热绝缘层, 在温度上升时增大的隔膜的内部应力得以缓和,因此能够获得热收缩抑制效果。其结果,能 够防止引起电池的电极间短路,因此形成不易发生由于温度上升导致的性能下降的电池结 构。另外,通过具有耐热绝缘层,带耐热绝缘层的隔膜的机械强度提高,不易发生隔膜的破 膜。进而,由于热收缩抑制效果及机械强度高,所以在电池的制造工序中隔膜不易弯曲。
[0100] 耐热绝缘层中的无机颗粒有助于耐热绝缘层的机械强度、热收缩抑制效果。作 为无机颗粒使用的材料没有特别限制。例如可以举出硅、铝、锆、钛的氧化物(Si02、Al203、 Zr02、Ti02)、氢氧化物、及氮化物、以及它们的复合体。这些无机颗粒可以为勃姆石、沸石、磷 灰石、高岭土、多铝红柱石、尖晶石、橄榄石、云母等矿物资源来源的颗粒,也可以为人工制 造的颗粒。另外,这些无机颗粒可以仅单独使用1种,也可以组合使用2种以上。其中,从 成本的观点出发,优选使用二氧化硅(Si02)或氧化铝(A1203),更优选使用氧化铝(A1203)。
[0101] 耐热性颗粒的单位面积重量没有特别限定,优选为5~15g/m2。如果为该范围,则 能够得到充分的离子传导性,另外,在维持耐热强度的方面优选。
[0102] 耐热绝缘层中的粘结剂具有将无机颗粒彼此粘接、将无机颗粒和树脂多孔基体层 粘接的作用。利用该粘结剂能稳定地形成耐热绝缘层,并且能够防止多孔基体层及耐热绝 缘层之间的剥离。
[0103] 耐热绝缘层中使用的粘结剂没有特别限制,例如可以使用羧甲基纤维素(CMC)、聚 丙烯腈、纤维素、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、聚氯乙烯、苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)、异戊二烯 橡胶、丁二烯橡胶、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚氟乙烯(PVF)、丙烯酸甲酯 等化合物作为粘结剂。其中,优选使用羧甲基纤维素(CMC)、丙烯酸甲酯、或聚偏二氟乙烯 (PVDF)。这些化合物可以仅单独使用1种,也可以组合使用2种以上。
[0104] 耐热绝缘层中的粘结剂的含量相对于耐热绝缘层100重量%优选为2~20重 量%。若粘结剂的含量为2重量%以上,则能够提高耐热绝缘层和多孔基体层之间的剥离 强度,能够提高隔膜的耐振动性。另一方面,若粘结剂的含量为20重量%以下,则无机颗粒 的间隙被适度保持,因此,能够确保充分的锂离子传导性。
[0105] 对于带耐热绝缘层的隔膜的热收缩率,优选在150°C、2gf/cm2条件下保持1小时 后,MD、I'D均为10%以下。通过使用这样的耐热性高的材质,即使正极发热量变高,电池内 部温度达到150°C,也能够有效地防止隔膜的收缩。其结果,能够防止引发电池的电极间短 路,因此,形成不易发生由于温度上升而导致的性能下降的电池结构。
[0106] [集电体]
[0107] 构成集电体的材料没有特别限制,可以优选使用金属。
[0108] 具体而言,作为金属,可以举出铝、镍、铁、不锈钢、钛、铜、以及合金等。除此之外, 可以优选使用镍和铝的包层材料、铜和铝的包层材料、或这些金属的组合的镀层材料等。另 外,可以为在金属表面覆盖错而形成的箱。其中,从电子电导率、电池工作电位的观点出发, 优选铝、不锈钢、铜。
[0109] 集电体的尺寸根据电池的使用用途而确定。例如,若用于要求高能量密度的大型 的电池,则可以使用面积大的集电体。对于集电体的厚度没有特别限制。集电体的厚度通 常为1~100ym左右。
[0110] [正极集电板及负极集电板]
[0111] 构成集电板(25、27)的材料没有特别限制,可以使用目前作为锂离子二次电池用 的集电板使用的公知的高导电性材料。作为集电板的构成材料,优选例如铝、铜、钛、镍、不 锈钢(SUS)、它们的合金等金属材料。从轻量、耐腐蚀性、高导电性的观点出发,更优选为铝、 铜,特别优选为铝。需要说明的是,对于正极集电板25和负极集电板27,可以使用相同的材 料,也可以使用不同的材料。
[0112] [正极引线及负极引线]
[0113] 另外,虽然省略图示,但可以介由正极引线、负极引线将集电体11和集电板(25、 27)之间电连接。作为正极引线及负极引线的构成材料,可以同样采用公知的锂离子二次电 池中使用的材料。需要说明的是,从外壳取出的部分优选利用耐热绝缘性的热收缩管等覆 盖,使得不会与外围设备、布线等接触而漏电或对产品(例如汽车部件、尤其电子设备等) 造成影响。
[0114][电池外壳体]
[0115] 作为电池外壳体29,可以使用公知的金属罐壳体,除此之外,可以使用能够覆盖发 电元件的、使用了含有铝的层压膜的袋状的壳体。对于该层压膜,例如可以使用依次层叠 PP、铝、尼龙而形成的3层结构的层压膜等,但并不受其任何限制。从高功率化、冷却性能优 异、可适合用于EV、HEV用的大型设备用电池这样的观点出发,理想的是层压膜。另外,从能 够容易调节从外部施加于发电元件的组压力、容易调整为所期望的电解液层厚度的方面出 发,外壳体更优选为铝酸盐层压体。
[0116] [电池单元尺寸]
[0117] 图2为表示作为二次电池的代表性实施方式的扁平的锂离子二次电池的外观的 立体图。
[0118] 如图2所示,扁平的锂离子二次电池50具有长方形状的扁平的形状,从其两侧部 引出用于取出电力的正极片58、负极片59。发电元件57被锂离子二次电池50的电池外壳 材料52包裹,其周围被热熔接,发电元件57在将正极片58及负极片59引出至外部的状态 下被密封。此处,发电元件57相当于之前说明的图1所示的锂离子二次电池10的发电元 件21。发电元件57是层叠多个由正极(正极活性物质层)15、电解质层17及负极(负极 活性物质层)13构成的单电池层(单电池单元)19而得到的。
[0119] 需要说明的是,上述锂离子二次电池并不限于层叠型的扁平的形状。对于卷绕型 的锂离子二次电池而言,可以为圆筒型形状的电池,也可以为使这样的圆筒型形状的电池 变形而制成长方形状的扁平的形状那样的电池等,没有特别限制。对于上述圆筒型的形状 的电池而言,其外壳材料可以使用层压膜,也可以使用现有的圆筒罐(金属罐)等,没有特 别限制。优选的是,发电元件用铝层压膜进行外饰。通过该形态,能够达成轻量化。
[0120] 另外,关于图3所示的片58、59的取出,也没有特别限制。可以从相同边引出正极 片58和负极片59,也可以将正极片58和负极片59分别分成多个而从各边取出等,并不限 于图3所示的情况。另外,对于卷绕型的锂离子电池而言,例如可以利用圆筒罐(金属罐) 来代替片而形成端子。
[0121] 在汽车用途等中,近来要求大型化的电池。而且,通过抑制由伴随充放电循环的膨 胀收缩导致的结构的变形来提高循环特性这样的本发明的效果在大面积电池的情况下能 够更有效地发挥其效果。因此,本发明中,从更有效地发挥本发明的效果的方面考虑,优选 用外壳体覆盖发电元件而成的电池结构体为大型。具体而言,负极活性物质层为长方形状, 该长方形的短边的长度优选为100mm以上。这样的大型的电池可以用于车辆用途。此处, 负极活性物质层的短边的长度是指各电极中长度最短的边。电池结构体的短边的长度的上 限没有特别限定,通常为250mm以下。
[0122] 另外,作为与电极的物理尺寸的观点不同的大型化电池的观点,也可以由电池面 积、电池容量的关系规定电池的大型化。例如,扁平层叠型层压电池的情况下,在电池面积 (包含电池外壳体的电池的投影面积)相对于额定容量的比值为5cm2/Ah以上、且额定容量 为3Ah以上。在满足上述条件的电池中,每单位容量的电池面积大,因此,由伴随充放电循 环的膨胀收缩导致的活性物质颗粒的变形引起的电池特性(循环特性)下降的问题容易变 得更加明显。因此,在由本申请发明的作用效果的显现产生的优点更大的方面,优选本方式 的非水电解质二次电池为上述那样的大型化的电池。电池的额定容量可以通过实施例所示 的测定方法求出。
[0123] 进而,也可以通过体积能量密度、单电池单元额定容量等来规定电池的大型化。例 如,对于通常的电动汽车而言,市场要求通过一次的充电得到的行进距离(续航距离)为 100km。若考虑这样的续航距离,则单电池单元额定容量优选为20Wh以上,并且电池的体积 能量密度优选为153Wh/L以上。需要说明的是,体积能量密度及额定放电容量利用下述实 施例中记载的方法测定。进而,矩形状的电极的长宽比优选为1~3,更优选为1~2。需 要说明的是,电极的长宽比作为矩形状的正极活性物质层的纵横比而被定义。通过使长宽 比处于这样的范围,能够使充电时产生的气体在面方向上均匀地排出,因此优选。其结果, 能够提高长期使用时的循环特性(放电容量维持率)。
[0124] [电池组]
[0125] 电池组是连接多个电池而构成的。详细而言,使用至少2个以上、通过串联化或并 联化或这两者而构成。通过进行串联、并联化,能够自由调节容量及电压。
[0126] 也可以形成电池串联或并联地连接多个且可装配拆卸的小型的电池组。而且,将 该可装配拆卸的小型的电池组进一步串联或并联地连接多个,也可以形成适合于要求高体 积能量密度、高体积功率密度的车辆驱动用电源、辅助电源的、具有大容量、大功率的电池 组。关于要连接几个电池制作电池组、或另外层叠几段小型电池组制作大容量的电池组,可 以根据搭载的车辆(电动汽车)的电池容量、功率来确定。
[0127] [车辆]
[0128] 本发明的非水电解质二次电池即使长期使用也能维持放电容量,循环特性良好。 并且,体积能量密度高。在电动汽车、混合动力电动汽车、燃料电池车、混合动力燃料电池 汽车等车辆用途中,与电气/移动电子设备用途比较,要求高容量、大型化,同时需要长寿 命化。因此,上述非水电解质二次电池作为车辆用的电源,例如可以适合用于车辆驱动用电 源、辅助电源。
[0129] 具体而言,可以将电池或组合多个电池而形成的电池组搭载于车辆。本发明中,由 于能够构成长期可靠性及功率特性优异的高寿命的电池,因此,若搭载这样的电池,则能够 构成EV行进距离长的插电式混合动力电动汽车、一次充电行进距离长的电动汽车。这是因 为,通过将电池或组合多个电池而形成的电池组用于例如汽车中的混合动力车、燃料电池 车、电动汽车(均包括四轮车(轿车、卡车、公共汽车等商用车、小型汽车等)、以及二轮车 (摩托车)、三轮车),形成高寿命且可靠性高的汽车。但是,用途并不限定于汽车,例如也可 以适用于其他车辆、例如电车等移动体的各种电源,也可以作为无停电电源装置等载置用 电源利用。
[0130] 实施例
[0131] 使用以下的实施例及比较例更详细地说明本发明。但本发明的保护范围并不仅限 于以下的实施例。
[0132][实施例1]
[0133] (1)正极活性物质的制作
[0134] 在溶解有硫酸镍、硫酸钴、及硫酸锰的水溶液(1.0m〇l/L)中连续地供给氢氧化钠 及氨,利用共沉淀法制作镍和钴和锰以80 :10 :10的摩尔比固溶而形成的金属复合氢氧化 物。
[0135] 以Li以外的金属(Ni、Co、Mn)的总摩尔数与Li的摩尔数之比为1 :1的方式 称量该金属复合氧化物和碳酸锂,然后充分混合,以升温速度5°C/min进行升温,在氧 气气氛下、760 °C下焙烧10小时,冷却至室温,得到包含锂镍系复合氧化物(组成式: LiNiasCoaiMnai02)的正极活性物质A。所得到的锂镍系复合氧化物的二次颗粒中的一次颗 粒的平均粒径(D1)为360nm,二次颗粒的平均粒径(D2)为5. 8ym。另外,在得到的锂镍系 复合氧化物的二次颗粒内,比该二次颗粒的D50的颗粒半径R的R/2 [ym]更中心侧的平均 孔隙率大于比该二次颗粒的D50的颗粒半径R的R/2[ym]更表面侧的平均孔隙率(详情 参照表1)。
[0136] 对于上述Dl、D2及二次颗粒内的孔隙率的测定,使用FIB(聚焦离子束;Focused IonBeam),切出所得到的锂镍系复合氧化物的截面,使用扫描离子显微镜(S頂)拍摄该截 面的图像,由此测定。需要说明的是,关于D1,抽取200个以上的一次颗粒,以它们的长轴方 向的直径的平均值的形式算出,关于D2,抽取50个以上的二次颗粒,以它们的长轴方向的 直径的平均值的形式算出。关于二次颗粒内的平均孔隙率,抽取50个以上的二次颗粒,求 出与各二次颗粒的比D50的颗粒半径R的R/2[ym]更中心侧的平均孔隙率和比D50的颗 粒半径R的R/2[ym]更表面侧的平均孔隙率。详细而言,通过截面的图像分析,利用扫描 形成黑白的对比度,将它们点和/或像素化,由相当于孔隙的白色部分的点和/或像素的比 率算出孔隙率。关于中心侧和表面侧的孔隙率,均以所述每个二次颗粒的中心侧和表面侧 的孔隙率的平均值的形式分别算出表面侧的平均孔隙率及中心侧的平均孔隙率。
[0137]另外,作为正极活性物质的锂镍系复合氧化物的二次颗粒的真密度及振实密度利 用下述的方法进行测定。
[0138](真密度)
[0139] 测定方法液相置换法(比重瓶法)
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