(57)【要約】  本発明は、電極抵抗、不可逆容量を低減するとともに、長寿命なリチウムイオン二次電池を提供することを、解決すべき課題とする。  本発明のリチウムイオン二次電池は、活物質を含む正極合剤層が集電体上に形成されてなる正極板と、活物質および炭素系導電材を含む負極合剤層が集電体上に形成されてなる負極板とがセパレータを介して交互に配置された極板群が、非水電解液とともにケースに収納されてなり、前記炭素系導電材は、カーボンナノチューブである。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
活物質を含む正極合剤層が集電体上に形成されてなる正極板と、
活物質および炭素系導電材を含む負極合剤層が集電体上に形成されてなる負極板と、
がセパレータを介して交互に配置された極板群が、非水電解液とともにケースに収納されてなるリチウムイオン二次電池であって、
前記炭素系導電材が、カーボンナノチューブであることを特徴とするリチウムイオン二次電池。
【請求項２】
前記負極板の活物質粒子間において、前記カーボンナノチューブがほぼ均一に分散されていることを特徴とする請求項１に記載のリチウムイオン二次電池。
【請求項３】
前記カーボンナノチューブ重量が、前記負極板の活物質重量に対して、０．５重量％以上１．５重量％以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のリチウムイオン二次電池。
【請求項４】
前記カーボンナノチューブのＢＥＴ比表面積が、２００ｍ２／ｇ以上３００ｍ２／ｇ以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池。
【請求項５】
前記カーボンナノチューブの一次粒子の長さが、５〜２０μｍであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池。
【請求項６】
前記負極合剤層の空隙率が、２５〜４０％であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リチウムイオン二次電池に係り、特に負極活物質に工夫することで高容量かつ長寿命となるリチウムイオン二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン二次電池は、一般に、バインダを用いて正極活物質等を集電体の表面に塗布した正極と、バインダを用いて負極活物質等を集電体の表面に塗布した負極とが、電解質を含む電解質層を介して接続され、電池ケースに収納される構成を有している。このようなリチウムイオン二次電池の負極を構成する負極活物質としては、炭素・黒鉛系負極材料や、リチウムと合金化し得るケイ素（Ｓｉ）やスズ（Ｓｎ）等の合金系負極材料が用いられる。【０００３】
また、負極活物質に電子の供給パスを提供するため、導電材が用いられている。導電材としては、例えば、炭素系導電材が用いられる。炭素系導電材としては、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンファイバー、カーボンナノチューブなどが知られている。【０００４】
負極活物質の中でも黒鉛は、層状物質であり、その層間にリチウムイオンを取り込んで、組成式ＬｉＣ６のリチウム黒鉛層間化合物が生成する。このときの電位はリチウム金属の電位と約＋０．０６Ｖほどしか離れていないために、正極反応と併せた時には、高い起電力が保持できる。また、その充放電電位はほぼ一定であり、黒鉛自体は導電性が高いため内部抵抗ロスが小さく、充放電効率（放電量に対する充電量の割合。すなわち、入れた電気をどれだけ取り出せるかの目安）も９０％を超えるなど、安定した動作が見込めるため、現在の携帯電話などに使用されるリチウムイオン二次電池には、ほぼ黒鉛材料が用いられている。【０００５】
また、合金系負極材料は、炭素・黒鉛系負極材料と比較して高いエネルギー密度が達成可能であることから、車両用電池の候補として期待されている。【０００６】
しかし、上記負極材料は、リチウムイオンの吸蔵・放出に伴う膨張・収縮が大きい。例えば、リチウムイオンを吸蔵した場合の体積膨張は、黒鉛では約１．２倍であり、ケイ素系負極材料では約４倍にも達する。このように、活物質が大きく膨張すると、充放電を繰り返すうちに、活物質同士の接触、または活物質層と集電体との密着性が低下する。その結果、活物質の割れや微粉化、または集電体からの剥離が起こり、所望のサイクル特性が得られないという問題が以前から指摘されていた。【０００７】
上述の問題を解決する発明として、特許文献１に記載された発明が提案されている。黒鉛負極に導電材として粒状のカーボンナノホーンを添加することにより、電極の膨張・膨潤に対する緩衝材として機能させることで長寿命化への対策が図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−１２３４３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に記載された発明は、黒鉛負極に導電材としてカーボンナノホーンを添加し、寿命特性の改善とともに電極抵抗の低減により高率放電特性を向上させる。しかし、比表面積の大きな導電材であるカーボンナノホーンの添加により、他の導電材を添加した場合に比べて、負極合剤と電解液との接触面積が増加し、電極表面の不導体皮膜（以下、ＳＥＩと称する）の形成量が増加する。ＳＥＩは絶縁性であるため、大量に生成されると電池の内部抵抗を上げ電池容量の低下につながる。【００１０】
そこで、本発明の課題は、電極抵抗、不可逆容量の低減とともに、長寿命なリチウムイオン二次電池を提供することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、次に示すような構成が有効と考えられる。【００１２】
活物質を含む正極合剤層が集電体上に形成されてなる正極板と、活物質および炭素系導電材を含む負極合剤層が集電体上に形成されてなる負極板と、がセパレータを介して交互に配置された極板群が、非水電解液とともにケースに収納されてなり、炭素系導電材がカーボンナノチューブであるリチウムイオン二次電池。【００１３】
その際、負極板の活物質粒子間において、カーボンナノチューブがほぼ均一に分散されているリチウムイオン二次電池。【００１４】
また、カーボンナノチューブ重量が負極板の活物質重量に対して０．５重量％以上１．５重量％以下であるリチウムイオン二次電池。【００１５】
そして、カーボンナノチューブのＢＥＴ比表面積が２００ｍ２／ｇ以上３００ｍ２／ｇ以下であるリチウムイオン二次電池。【００１６】
また、カーボンナノチューブの一次粒子の長さが５〜２０μｍであるリチウムイオン二次電池。【００１７】
さらに、負極合剤層の空隙率が２５〜４０％であるリチウムイオン二次電池。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のリチウムイオン二次電池は、負極合剤に導電材として導電性に優れるカーボンナノチューブを添加することで、電極の電子抵抗を低減して、高率放電特性を向上させることができる。【００１９】
また、比表面積の大きな繊維状の導電材を添加すれば、集電体と合剤層との接触面積が増加し、繊維状のＣＮＴがアンカー物質として働くことで密着性を向上させ、サイクル特性を向上させられる。【００２０】
さらに、添加量を少量に抑えれば、電池の不可逆容量を低減し過剰なＳＥＩの生成を抑えることができ、電池容量を大きく低下させることがない。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】（Ａ）は本発明が適用可能な実施形態のリチウムイオン二次電池の内部を透視した状態で示す概略図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＩＢ−ＩＢ断面図であり、（Ｃ）は本発明が適用可能な実施形態のリチウムイオン二次電池の外観図である。
【図２】本発明が適用可能な実施形態のカーボンナノチューブの一次粒子の長さと電池特性との関係を示す図である。
【図３】本発明が適用可能な実施形態のリチウムイオン二次電池のサイクル特性と高率放電容量との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
【００２３】
図１（Ａ）は、本発明の非水電解液電池の実施の形態であるリチウムイオン二次電池の内部を透視状態で示した概略図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＩＢ−ＩＢの断面図であり、図１（Ｃ）は本発明の非水電解液電池の実施の形態であるリチウムイオン二次電池の外観図である。このリチウムイオン二次電池（ラミネート電池１）は、正極リード端子２ａを備える正極板２と、負極リード端子３ａを備える負極板３と、正極板２と負極板３との間に配置されたセパレータ４と、リチウム塩を有機溶媒に溶解させた非水電解液５とを備える。正極板２、負極板３およびセパレータ４は、積層体である極板群６を構成する。極板群６は、正極リード端子２ａおよび負極リード端子３ａが外部に接続可能な状態でケース７内に収納されている。ケース７内は、非水電解液５が充填された状態で真空になっている。本例では、このようなリチウムイオン二次電池１を、以下のように作製した。
【００２４】
本実施形態のリチウムイオン二次電池は、負極活物質の炭素系導電材としてカーボンナノチューブを用いている点が特徴である。リチウムイオン二次電池は、負極活物質が塗布された負極集電体と、正極活物質が塗布された正極集電体とがセパレータを挟んで積層され、電解液に含浸されている。また、負極活物質の各粒子間には、導電材としてのカーボンナノチューブをほぼ均一に分散させている。なお、カーボンナノチューブの均一分散には、前記カーボンナノチューブのＢＥＴ比表面積が２００ｍ２／ｇ以上、３００ｍ２／ｇ以下であることが望ましい。カーボンナノチューブのＢＥＴ比表面積が２００ｍ２／ｇ未満であると、カーボンナノチューブを少量添加することによる電子抵抗の低減に対する効果が小さい。一方、前記カーボンナノチューブのＢＥＴ比表面積が３００ｍ２／ｇを超えると、負極スラリーを作製の際、カーボンナノチューブの比表面積が大きいことから、多量のバインダが必要であり、スラリーの作製が困難になる。
【００２５】
負極の導電材に使用するカーボンナノチューブは、アセチレンブラックなど公知の導電材と比べて高い電子伝導性を持っていることから、添加することにより電極の電子抵抗を低減することができる。また比表面積の大きな繊維状の導電材であるため、添加することにより集電体と合剤層との接触面積が増加し、繊維状のカーボンナノチューブがアンカー物質として働くことで、密着性を向上させ、サイクル特性を向上させることができる。
【００２６】
一方、カーボンナノチューブは大きな比表面積を持つため、添加量を増やすことで電極界面でのＳＥＩの生成量が増加する。ＳＥＩは絶縁性であるために、大量に生成されると電池の内部抵抗を上げ、電池容量の低下につながる。
【００２７】
検討の結果、添加量は負極活物質重量に対して０．５重量％以上、１．５重量％以下とすると、高率放電特性・サイクル特性を向上させ、しかも電池容量が大幅に低下することがないことを発明者は見出した。添加量が０．５重量％未満であると、アンカー物質としての効果が小さくサイクル特性に与える影響も小さい。添加量が１．５重量％を超えるとＳＥＩの生成量の増加による電池容量の低下が大きく、一次粒子同士の凝集により、合剤内での分散性が低下し電極抵抗の増加につながる。
【００２８】
また、導電材をほぼ均一に分散させ、少量を添加することで効果を得るためには、カーボンナノチューブの一次粒子の長さが、５〜２０μｍであることが望ましい。一次粒子の長さが５μｍ未満であると、少量の添加による導電パスの形成が不十分であり、２０μｍを超えると、導電材の凝集により電極の電子抵抗への効果が小さくなる。
【００２９】
以上の点から、リチウムイオン二次電池の高率放電特性、サイクル特性を確保して、しかも電池容量を維持するためには、負極活物質に対するカーボンナノチューブの添加量は、０．５重量％以上１．５重量％以下であり、一次粒子の長さが５〜２０μｍの範囲にあることが望ましい。
【００３０】
また、非水電解液電池では、高放電容量、大電流放電性などの放電特性を維持したいという観点から、負極合剤の空隙率は２５〜４０％とするのが好ましい。空隙率（Ｐ）は、多孔質層の体積Ｖ１に占めるに細孔の体積Ｖ２を百分率で表したもの（Ｐ＝Ｖ２／Ｖ１×１００）として定義することができる。また空隙率（Ｐ）は、難燃性材料の比重（真比重）をｄ１とし、多孔質層の比重（見かけ比重）をｄ２とした場合に、Ｐ＝〔１−ｄ２／ｄ１〕×１００の式から演算したものを用いることもできる。
【００３１】
なお、空隙率が２５％未満であると、イオン透過性またはイオン伝導性が低下するため、放電特性が低下する。一方、空隙率が４０％を超えると、負極合剤層と負極集電体との間の密着性が低下するため、電子移動抵抗が増大し、放電特性が低下する。
【００３２】
正極活物質としては、放電時に正イオンを吸収するもの又は負イオンを放出するものであれば特に限定されず、ＬｉＭｎＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２等の金属酸化物を使用できる。正極集電体としてはアルミニウム箔などを使用できる。
【００３３】
負極活物質としては、カチオンを吸蔵・放出可能な材料であれば特に限定されず、天然黒鉛、石炭・石油ピッチ等を高温で熱処理して得られる黒鉛化炭素等の結晶質カーボン、石炭、石油ピッチコークス、アセチレンピッチコークス等を熱処理して得られる非晶質カーボンなどを使用できる。負極集電体としては銅箔等を使用できる。
【００３４】
集電体としては、銅、ニッケル等の金属箔など、周知のものを適宜用いることができる。この時の金属箔の厚みは、一般的に１０μｍ程度で良い。集電体の材質として、銅、ニッケル、鉄、アルミニウム、亜鉛、金、白金等から選択される金属を挙げられる。この内、正極集電体には、耐酸化性が高いという観点からアルミニウムが好ましい。
【００３５】
結着材（バインダ）は、活物質の粒子同士、活物質と導電材、さらに活物質と集電体とを接着する役割を担っている。結着剤としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルピリジン、ポリテトラフルオロエチレンやスチレンブタジエンゴム等を用いることができる。
【００３６】
電解液としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、γ―ブチロラクトン、Ｎ，Ｎ’−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、Ｎ−メチルピロリドン、ｍ−クレゾール等の、二次電池の電解液として利用可能な極性の高い溶媒に、ＬｉやＫ、Ｎａ等のアルカリ金属のカチオンとＣｌＯ４−、ＢＦ４−、ＰＦ６−、ＣＦ３ＳＯ３−、（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ−、（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２Ｎ−、（ＣＦ３ＳＯ２）３Ｃ−、（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）３Ｃ−等のハロゲンを含む化合物のアニオンからなる塩を溶解したものを挙げられる。また、これらの塩基性溶媒からなる溶剤や電解質塩を単独、あるいは複数組み合わせて用いることもできる。
【００３７】
また、本発明では電解液の添加剤による影響が無く、全ての添加剤において適用することができる。
【００３８】
本発明のカーボンナノチューブを負極の導電材として利用したリチウムイオン二次電池において、正極材料、電解液（電解質、溶媒）等の構成部材としては、炭素系材料を負極とするこの種のリチウムイオン二次電池において使用されるものがそのまま適用できる。
【実施例】
【００３９】
（実施例１）
（正極板の作製）
正極板の正極活物質として、リチウムコバルト複合酸化物（ＬｉＣｏＯ２）を用意する。このリチウムコバルト複合酸化物と、導電剤であるアセチレンブラックと、結着剤であるポリフッ化ビニリデンとを、質量比９０：５：５で混合し、これをＮ−メチルピロリドンの溶媒に分散させてスラリーを調製した。このスラリーを、正極集電体としてアルミニウム箔に塗布して乾燥した後、プレス加工を施して、正極シートを作製した。【００４０】
このような塗布層が形成された正極シートを１０ｃｍ×２０ｃｍに切り取り、アルミニウム箔の集電タブを溶接して正極板２を作製した。これにより正極板２の表面には、正極活物質層が形成され、さらに正極活物質層の表面には難燃化剤層が形成される。
（負極板の作製）
負極活物質として、人造黒鉛を用意する。この人造黒鉛と、導電剤と結着剤であるポリフッ化ビニリデンとを、質量比９２：１：７で混合し、これをＮ−メチルピロリドンの溶媒に分散させてスラリーを調製した。このスラリーを、負極集電体である銅箔上に塗布して乾燥した後、プレス加工を施して、負極シートを作製した。この負極シートを１０ｃｍ×２０ｃｍに切り取り、切り取ったシートにニッケルの集電タブを溶接して負極板３を作製した。
（極板群の作製）
このように作製した正極板２と負極板３との間に、ポリエチレンからなるセパレータシート（セパレータ４）を挟んで、正極板２、負極板３およびセパレータ４を積層して電池容量が１Ａｈになるように極板群６を作製した。
（非水電解液の調製）
エチレンカーボネート５０体積％とジメチルカーボネート５０体積％とからなる混合溶媒を調製した。この混合溶媒に、濃度が１ｍｏｌ／ＬになるようにＬｉＰＦ６を溶解させて電解質溶液を調製した。
（電池の組立）
熱融着フィルム（アルミラミネートフィルム）からなる一端が開口した外装材（後にケース７となる）の中に、作製した極板群６を挿入し、さらに調製した非水電解液４を外装材中に注入した。その後、外装材中を真空にして、すばやく外装材の開口部をヒートシールして、平板状のラミネート電池１の構造を有する非水電解液電池（リチウムイオン二次電池）を作製した。
（電池特性の評価）
このように作製した非水電解液電池の電池特性を、下記に示す方法で評価した。【００４１】
作製した非水電解液電池（ラミネート電池１）について、電池特性を評価した。具体的には、負極の導電材の種類を変化させた電池の放電特性を評価した。なお、導電材の添加量は、負極活物質に対して１．０重量％とした。放電特性の評価結果は表１に示すとおりである。表１における充放電効率は、初回充電容量に対する０．２Ｃ放電容量を意味する。【００４２】
電池特性の評価は、高率放電試験により行った。高率放電試験では、まず、２５℃の環境下において４．２〜３．０Ｖの電圧範囲で、０．２Ｃの電流値による充放電サイクルを２回繰り返した。さらに４．２Ｖまで電池の充電後、電流値０．２Ｃ、１Ｃ、３Ｃの各電流値で終止電圧３．０Ｖの定電流放電による充放電を行った。【００４３】
表１  同添加量での充放電高率および放電特性の比較
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【００４４】
表１に示すように、不可逆容量を示す初回の充放電効率はアセチレンブラック（比較例1）では約１８%、カーボンナノホーン（比較例２）では約１６．７%の増加が見られた。一方、カーボンナノチューブを添加したものでは約１５．５%の増加となっており、他の導電材種に比べ、不可逆容量を低減できることを確認した。【００４５】
また、１．０重量%の添加では他の導電材に比べ、カーボンナノチューブを添加することで放電特性の向上に対する効果が高いことがわかった。【００４６】
カーボンナノチューブは一次粒子が１０ｎｍ程度と非常に小さく繊維状の材料であるため、添加することで負極活物質間に入り込み、負極活物質同士を電気的に接続する効果が現れたと考えられる。一方で、アセチレンブラックは黒鉛粒子によるストラクチャーが発達していることから負極活物質間に入り込むことが困難であり、少量の添加では導電パスを形成するのには不十分であったと考えられる。
（実施例２）
負極２の作製において、負極活物質塗工部の一部にリチウムをスパッタリングした。負極活物質塗工部の、長手方向の端部から２００ｍｍ間隔で、長さ２００ｍｍ、幅６０ｍｍの大きさでリチウム膜を形成した。リチウム膜の形成部は、長さ３０００ｍｍの負極で１５か所にリチウム膜を形成した。形成したリチウム膜の総面積は、負極活物質塗工部全面積の５０％であった。リチウム膜の厚さを１０か所計測したところ、平均１３．８μｍ（最小厚さ１２．３μｍ、最大厚さ１４．７μｍ）であった。その他は、実施例１と同様にして、セル２ａ、２ｂを作製した。
（セル２ａ、２ｂの特性評価）
実施例１と同様に、セル２ａのセル容量と内部抵抗を評価した。【００４７】
また、実施例１と同様に、セル２ｂの負極の活物質単位重量当たりの容量を測定した。
（実施例２〜６）
次に、ラミネート電池１において、カーボンナノチューブの比表面積と電池特性との関係を確認した。電池特性は充放電試験にて評価した。充電パターンは、それぞれのリチウム電池を０．２Ｃの定電流充電を上限電圧４．２Ｖまで行い、続いて４．２Ｖで定電圧充電を行った。放電は、３Ｃで定電流放電を３．０Ｖまで行うものとした。なお、導電材の添加量は、負極活物質に対して１．０重量％とした。【００４８】
試験結果を表２に示す。【００４９】
表２  カーボンナノチューブの比表面積を変更した電池の電池特性
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【００５０】
表１に示すように、炭素系導電材であるカーボンナノチューブは、アセチレンブラックやカーボンナノホーンと比較し、充放電効率や放電特性において優れた性能を有していることがわかった。【００５１】
一方、表２に示すように、カーボンナノチューブ自体が優れた特性を示す中、特に、比表面積が２００〜３００ｍ２／ｇのカーボンナノチューブを添加した電池で良好な高率放電特性を示すことがわかる。比表面積が２００ｍ２／ｇ未満であると、活物質との接触面積の減少により、同添加量での放電特性に与える影響が小さくなる。一方、比表面積が３００ｍ２／ｇを超えると、導電材の凝集により均一分散が困難となり、抵抗低減に対する効果が幾分不十分となる。【００５２】
以上の点から、添加するカーボンナノチューブの比表面積は２００〜３００ｍ２／ｇの範囲が好ましいことがわかる。
（実施例７）
次に、ラミネート電池１において、負極の導電材の種類と寿命特性との関係を確認した。【００５３】
寿命特性は充放電を繰り返すサイクル試験にて評価した。充電パターンは、それぞれのリチウム電池を０．２Ｃの定電流充電を上限電圧４．２Ｖまで行い、続いて４．２Ｖで定電圧充電を行った。放電は、１Ｃで定電流放電を３．０Ｖまで行うものとした。なお、導電材の添加量は、負極活物質に対して１．０重量％とした。【００５４】
試験結果を表３に示す。なお、表３における容量維持率は初回の放電容量に対する５０サイクル目の放電容量比を表している。【００５５】
表３  導電材を変更した負極のサイクル特性
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【００５６】
表３に示すように、カーボンナノチューブを添加した電池においてサイクル試験開始時の容量に対する容量維持率は９６%を大きく超えて、他の導電材を添加した電池に比べてサイクル特性が同等以上であった。この結果、同じ添加量での比較ではカーボンナノチューブによる効果が高いことがわかった。カーボンナノチューブは他の導電材に比べて強靭な機械的強度を持つため、負極活物質間および活物質周辺に存在することで、充放電による黒鉛の膨張・収縮を抑制する効果が現れたと考えられる。
（実施例８〜１１）
次にラミネート電池１において、カーボンナノチューブの一次粒子の長さと電池特性との関係を確認した。具体的には、カーボンナノチューブの繊維長を変化させた実施例および比較例について、高率放電容量を確認した。なお、カーボンナノチューブの添加量は負極活物質に対して１．０重量％とした。試験結果を表４、図２に示す。【００５７】
表４  カーボンナノチューブの一次粒子の長さを変えた電池の電池特性
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【００５８】
表４、図２に示すように、カーボンナノチューブの一次粒子の長さが５〜２０μmの電池で良好な高率放電特性を示すことがわかる。また、一次粒子の長さが５μm未満であると、一次粒子が小さすぎることから粒子同士が凝集してしまい、活物質間に入り込むことが困難になる。このため、良好な導電パスを形成することができず、電極の電子抵抗を低減する効果が不十分になる。【００５９】
一方で、一次粒子の長さが２０μmを超えると、分子鎖同士で絡み合い表面に付着するだけになる。このため、負極活物質同士を電気的に接続することはできず、抵抗成分として働くため高率放電特性が低下する。【００６０】
上記の結果から、添加するカーボンナノチューブの一次粒子の長さは５〜２０μmの範囲が好ましく、特に１０〜１５μmの範囲が好ましいことがわかる。
（実施例１２〜１４）
次にラミネート電池１において、カーボンナノチューブの添加量と電池特性との関係を確認した。具体的には、カーボンナノチューブの添加量を変化させた電池について、高率放電容量およびサイクル特性を確認した。なお、カーボンナノチューブの繊維長さは１０μmとした。試験結果を表５、図３に示す。図３における対初期容量は、初回放電容量に対する各サイクルでの０．２Ｃ放電容量比を意味する。【００６１】
表５  カーボンナノチューブの添加量を変更した電池の電池特性
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【００６２】
表５に示すように、カーボンナノチューブの添加量を増加することで高率放電特性が増加する傾向であった。しかし、添加により不可逆容量の増加が見られた。このため、添加量１．５ｗｔ％を超えると生成したＳＥＩによる内部抵抗が増加し、高率放電特性改善の効果が小さくなる。添加量が０．５ｗｔ％未満であると添加による電子抵抗の低減効果が不十分であり、１．５ｗｔ％を超えるとＳＥＩの増加による電池容量の低下もしくは内部抵抗の増加により高率放電特性が低下する。【００６３】
カーボンナノチューブの添加効果としては、添加量が０．５ｗｔ％以上となると３Ｃ放電での容量比が９０％を超えて、効率放電特性が大きく向上することを確認した。しかしカーボンナノチューブを添加すると不可逆容量も増加するため、３Ｃ放電容量の絶対値では、カーボンナノチューブの添加量が２．０ｗｔ％の電池で１％未満の増加率となる。不可逆容量の増加率が１％未満では、カーボンナノチューブの添加による高率放電特性の向上効果に比べて、不可逆容量の増加による影響の方が大きく現れていることが理由だと考えられる。【００６４】
効率放電特性、効率放電容量の向上のためには、カーボンナノチューブの添加量が０．５ｗｔ％ないし１．５ｗｔ％の範囲であることが好ましい。【００６５】
また、図３に示すサイクル試験の結果から、添加量が０．２ｗｔ％では添加による黒鉛の体積膨張を抑制する効果が小さく、２．０ｗｔ％では内部抵抗の増加によりサイクル特性が低下する。一方、カーボンナノチューブの添加量が０．５ｗｔ％ないし１．５ｗｔ％の範囲にある電池では、１００サイクル経過後の容量維持率が９６％を超えており、良好なサイクル特性が得られることを確認した。結果として、サイクル特性の向上に向けては、カーボンナノチューブの添加量が０．５ｗｔ％ないし１．５ｗｔ％の範囲が好ましいことがわかった。【００６６】
以上のことから、高率放電特性と寿命特性の向上を両立させるには、０．５〜１．５ｗｔ％のカーボンナノチューブを添加することが好ましいことがわかる。
（実施例１５〜１８）
次にラミネート電池１において、負極合剤の空隙率と電池特性との関係を確認した。具体的には、負極合剤の空隙率を変化させた実施例および比較例について、高率放電容量を確認した。なお、カーボンナノチューブの添加量は負極活物質に対して１．０重量％とした。試験結果を表６に示す。【００６７】
表６  負極合剤の空隙率と電池特性との関係
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【００６８】
表６に示すように、負極合剤の空隙率が２５〜４０％の電池で良好な高率放電特性を示すことがわかる。また、負極合剤の空隙率が２５%未満であると、空隙率の減少によりイオン拡散が阻害され高率放電特性が低下する。一方で、空隙率が４０%を超えると負極合剤と集電体との密着性が低下し、電子移動抵抗が増加する。このため、高率放電特性が低下する。【００６９】
上記の結果から、負極合剤の空隙率は２５〜４０%の範囲が好ましく、特に３０〜３５μmの範囲が好ましいことがわかる。【００７０】
以上の実施例から、負極に導電材としてカーボンナノチューブを添加し、その添加量を負極活物質重量に対して０．５〜１．５重量％とすることで、高率充放電特性・サイクル特性が向上し、しかも電池容量を大幅に低下させることのないリチウムイオン二次電池を提供することができる。
【符号の説明】
【００７１】
１…リチウムイオン二次電池、２…正極板、３…負極板、４…セパレータ、５…非水電解液、６…極板群、７…ケース。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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