JP2004235057A - Negative electrode for lithium secondary battery, and the battery - Google Patents

Negative electrode for lithium secondary battery, and the battery Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce the aggregation of active material particles inside a binder and improve a cycle life property in a negative electrode for a lithium secondary battery having an active material layer including the active material particles containing silicon and/or silicon alloys and the binder. <P>SOLUTION: The negative electrode for the lithium secondary battery is characterized that the active material layer is formed on the surface of a current collector made of inductive metal foil by using slurry obtained by uniformly mixing the active material particles, the binder and a dispersant in a liquid solution, and the negative electrode is obtained by firing the active material layer under a non-oxidizing atmosphere, while disposing the active material layer on the surface of the current collector. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウム二次電池用負極及びその製造方法並びにそれを用いたリチウム二次電池に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、高出力及び高エネルギー密度の新型二次電池の1つとして、非水電解液を用い、リチウムイオンを正極と負極との間で移動させて充放電を行うリチウム二次電池が利用されている。
【0003】
このようなリチウム二次電池用負極として、平均粗さ0.03μm以上の集電体上にケイ素を含む活物質を結着剤により付着させたものが提案されている(特許文献1)。
【0004】
しかしながら、ケイ素を含む活物質は、リチウムを吸蔵・放出する際に体積が膨張・収縮するため、充放電に伴い活物質が微粉化したり、活物質が集電体から脱離することが知られている。このため、電極内の集電性が低下し、充放電サイクル特性が悪くなるという問題があった。
【0005】
本出願人は、このような問題を解決するリチウム二次電池用負極として、ケイ素及び/またはケイ素合金を含む活物質粒子とバインダーとを含む活物質層を集電体の表面上に配置した後、非酸化性雰囲気下に焼結して得られるリチウム二次電池用負極を提案している(特許文献2)。
【0006】
この負極に用いるバインダーとしては、ポリイミドなどのように、焼結のための熱処理後にも残存するバインダーが好ましく用いられる。
【0007】
【特許文献1】
特開2000−12088号公報
【特許文献2】
国際公開第02/21616号パンフレット
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは、ポリイミドなどのバインダーを用いた上記負極において、活物質粒子がバインダー中において均一に分散しておらず、このため十分な集電性が得られていないことを見出した。
【0009】
本発明の目的は、バインダー中での活物質粒子の凝集を少なくし、サイクル寿命を向上させることができるリチウム二次電池用負極及びその製造方法並びにそれを用いたリチウム二次電池を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明のリチウム二次電池用負極は、ケイ素及び/またはケイ素合金を含む活物質粒子とバインダーと分散剤とを含む活物質層を導電性金属箔からなる集電体の表面上に配置し非酸化性雰囲気下に焼結して得られることを特徴としている。
【0011】
本発明の限定された局面に従うリチウム二次電池用負極は、ケイ素及び/またはケイ素合金を含む活物質粒子とバインダーと分散剤とを含む活物質層を導電性金属箔からなる集電体の表面上に配置し非酸化性雰囲気下に焼結して得られるリチウム二次電池用負極であって、バインダーが焼結のための熱処理後も残存しているバインダーであることを特徴としている。
【0012】
本発明における活物質層においては、活物質粒子とバインダーと分散剤が含まれている。分散剤が含まれることにより、活物質粒子がバインダー中において均一に分散されており、活物質粒子の凝集を少なくすることができる。活物質粒子が凝集すると、凝集した活物質粒子の周辺にはバインダーが存在しておらず、充放電反応でのリチウムの吸蔵・放出に伴う活物質粒子の体積の膨張・収縮により活物質粒子が脱離し易くなり、電極内の集電性が低下する。従って、本発明に従い活物質粒子の凝集を少なくすることにより、活物質粒子の周辺にバインダーが存在する確率を高めることができ、充放電反応における活物質粒子の脱離を防止することができる。このため、電極内における集電性の低下を抑制することができる。
【0013】
本発明において、焼結後のための熱処理後、活物質層中に分散剤が残存しているか否かは、特に限定されるものではない。分散剤の分解温度が、焼結のための熱処理温度よりも低い場合には、熱処理後、分散剤は分解して残存していないと考えられる。しかしながら、熱処理前におけるバインダー中での活物質粒子の分散は、熱処理後も維持されていると考えられ、そのため活物質粒子の集電体からの脱離を防止することができ、集電性をより高めることができる。
【0014】
また、熱処理により分散剤が分解した場合、分散剤の分解による空隙が活物質層内に形成される可能性があるが、このような活物質層中の空隙に電解液が含有され易くなるので、これによって充放電サイクル特性が向上する可能性があると考えられる。
【0015】
また、焼結のための熱処理後に、分散剤が分解されずに残存している場合、熱処理後においても熱処理前の活物質粒子のバインダー中における均一な分散が維持されているため、活物質粒子の集電体からの脱離が防止され、集電性をより高めることができる。
【0016】
本発明のリチウム二次電池用負極の製造方法は、上記本発明のリチウム二次電池用負極を製造することができる方法であり、ケイ素及び/またはケイ素合金を含む活物質粒子と、バインダーと、分散剤とを溶液中に均一に混合してスラリーを調製する工程と、該スラリーを導電性金属箔からなる集電体の表面上に塗布して活物質層を形成する工程と、活物質層を集電体の表面上に配置した状態で、非酸化性雰囲気下に焼成する工程とを備えている。
【0017】
本発明の製造方法においては、スラリー中に分散剤を混合することにより、スラリー中に活物質粒子を均一に分散させることができる。このため、活物質層において、バインダー中に活物質粒子を均一に分散させることができ、活物質粒子の凝集を少なくすることができる。このため、上述のように、熱処理後の活物質層中においても活物質粒子がバインダー中に均一に分散しており、充放電反応により活物質粒子が集電体から脱離するのを防止することができ、電極内の集電性を高めることができる。
【0018】
本発明において用いる分散剤は、活物質粒子をバインダー中において均一に分散させることができるものであれば、特に限定されるものではないが、一般的には、界面活性剤が用いられる。
【0019】
界面活性剤としては、特に油溶性界面活性剤が好ましく用いられる。油溶性界面活性剤は、有機溶媒中に容易に分散または溶解することができるものである。
本発明において、スラリーの溶媒として有機溶剤を用いる場合、分散剤としては、非イオン性界面活性剤及び脂肪族アミンなどの油溶性のものが好ましく用いられる。非イオン性界面活性剤としては、グリセリン脂肪酸エステル、ソルビタン脂肪酸エステル、プロピレン脂肪酸エステル、ポリエチレン脂肪酸エステル、アルカノールアミド、アルキルポリグルコシドなとが挙げられる。脂肪族アミンとしては、アルキルアミン、アルキルジアミンなどが挙げられる。これらの中でも、炭素数10〜30のアルキル鎖を有するジメチルアルキル3級アミン、炭素数10〜30のアルキル鎖を1つ以上有するアルキルジアミンなどが好ましく用いられる。これらはアルキル鎖の長さが適当であるため、有機溶媒及びバインダー中に分散し易い。
【0020】
本発明において、分散剤の含有量は、用いる分散剤の種類及びバインダーの種類並びに有機溶媒の種類などにより適宜調整されるが、一般にはバインダーと有機溶媒の合計100重量部に対し、0.1重量部以上であることが好ましい。分散剤の量が、これよりも少ないと、活物質粒子のバインダー中での分散が不十分となる場合がある。また、分散剤の量は、バインダーと有機溶媒の合計100重量部に対し、5重量%以下であることが好ましい。分散剤が多量に存在しても、それ以上の活物質粒子のバインダー中における分散性の向上が認められないからである。
【0021】
本発明において分散剤がバインダー中に存在する量は、バインダー100重量部に対し、1〜50重量部の範囲内であることが好ましい。
本発明における活物質粒子は、粒子径10μm以下の範囲に60体積%以上が存在する粒度分布であることが好ましい。このような範囲を外れる幅広い粒子分布である場合、粒度が大きく異なる活物質粒子間においては、リチウムの吸蔵・放出に伴う体積の膨張・収縮の絶対量に大きな差が存在することになるため、活物質層内で歪みが生じ、バインダーが破壊され、電極内の集電性が低下し易くなる。また、平均粒子径は、10μm以下であることが好ましく、さらに好ましくは3μm以下である。また、活物質粒子がケイ素粉末である場合には、純度が99.9%以上であることが好ましい。
【0022】
本発明においては、活物質層が配置されている集電体の表面の表面粗さRaが、0.2μm以上であることが好ましい。このような表面粗さRaを有する集電体を用いることにより、活物質層と集電体との接触面積を大きくすることができ、活物質層と集電体との密着性を向上させることができる。このため、電極内の集電性をさらに向上させることができる。集電体の両面に活物質層を配置する場合には、集電体の両面の表面粗さが0.2μm以上であることが好ましい。
【0023】
表面粗さRaは、日本工業規格(JIS B 0601−1994)に定められている。表面粗さRaは、例えば、表面粗さ計により測定することができる。
本発明においては、表面に粗面化処理が施された集電体を用いてもよい。このような粗面化処理としては、めっき法、気相成長法、エッチング法、及び研磨法などが挙げられる。めっき法及び気相成長法は、金属箔集電体の上に、表面に凹凸を有する層を形成することにより表面を粗面化する方法である。めっき法としては、電解めっき法及び無電解めっき法が挙げられる。また、気相成長法としては、スパッタリング法、CVD法、蒸着法などが挙げられる。エッチング法としては物理的エッチングや化学的エッチングによる方法が挙げられる。また、研磨法としては、サンドペーパーによる研磨やブラスト法による研磨などが挙げられる。
【0024】
本発明において用いる集電体は、導電性金属箔からなるものであれば特に限定されるものではない。集電体の具体例としては、銅、ニッケル、鉄、チタン、コバルト等の金属またはこれらの組み合わせからなる合金の金属箔が挙げられる。特に、活物質粒子中に拡散し易い金属元素を含有するものが好ましく用いられる。このようなものとして、銅元素を含む金属箔、特に銅箔及び銅合金箔が挙げられる。銅元素は、熱処理によってケイ素中に拡散し易いため、焼結処理を負極に施すことにより、集電体と活物質層との密着性の向上が期待できる。
【0025】
また、集電体表面に、銅元素を含む層が設けられた金属箔を集電体として用いてもよい。すなわち、銅以外の金属元素からなる金属箔の表面に、銅または銅合金層を形成したものを用いることができる。このような金属箔としては、電解めっき法により銅や銅合金のめっき膜を金属箔上に形成したものが挙げられる。具体的には、ニッケル箔の表面に銅または銅合金のめっき膜を形成したものが挙げられる。
【0026】
本発明において、集電体の厚みは特に限定されるものではないが、10〜100μmの範囲であることが好ましい。
本発明において、集電体の表面粗さRaの上限は、特に限定されるものではないが、集電体の厚みが10〜100μmの範囲であることが好ましいので、集電体の表面粗さRaの上限は実質的には10μm以下であることが好ましい。
【0027】
本発明において、活物質層の厚みXは、集電体の厚みY及びその表面粗さRaと、5Y≧X、及び250Ra≧Xの関係を有することが好ましい。このような関係を満足することにより、集電体におけるしわなどの変形の発生を抑制し、集電体からの活物質層の脱離を抑制することができる。
【0028】
活物質層の厚みXは、特に限定されるものではないが、1000μm以下が好ましく、さらに好ましくは10〜100μmである。
本発明のリチウム二次電池用負極は、活物質層を集電体の表面上に配置した後、これを非酸化性雰囲気下に焼結して得られる。非酸化性雰囲気下での焼結は、例えば、窒素雰囲気下またはアルゴンなどの不活性ガス雰囲気下で行う。水素雰囲気などの還元性雰囲気下で行ってもよい。焼結する際の熱処理温度は、集電体及び活物質粒子の融点以下の温度であることが好ましい。例えば、集電体として銅箔を用いた場合には、融点1083℃以下であることが好ましい。一般に、焼結のための熱処理温度は200〜500℃の範囲であることが好ましく、さらに好ましくは300〜450℃の範囲である。焼結する方法としては、放電プラズマ焼結法や、ホットプレス法を用いてもよい。
【0029】
また、本発明において、集電体の上に活物質層を形成した後、焼結する前にこの活物質層を集電体とともに圧延することが好ましい。このような圧延により、活物質層における充填密度を高めることができ、活物質の粒子間の密着性及び活物質の粒子と集電体との密着性を高めることができるので、さらに良好な充放電サイクル特性を得ることができる。
【0030】
本発明において用いるバインダーは、焼結のための熱処理後も完全に分解せずに残存しているものが好ましい。熱処理後もバインダーが分解せずに残存していることにより、焼結による活物質の粒子と集電体間及び活物質の粒子間の密着性の向上に加え、バインダーによる結着力も加わり、密着性をさらに高めることができる。また、表面粗さRaが0.2μm以上の導電性金属箔を集電体として用いる場合、集電体の表面の凹凸部分にバインダーが入り込むことにより、バインダーと集電体の間にアンカー効果が発現し、さらに密着性が向上する。このため、リチウムの吸蔵・放出の際の活物質の体積の膨張・収縮による集電体からの活物質層の脱離を抑制することができ、良好な充放電サイクル特性を得ることができる。
【0031】
本発明におけるバインダーとしては、ポリイミドが好ましく用いられる。ポリイミドとしては、熱可塑性ポリイミド、熱硬化性ポリイミドが挙げられる。なお、ポリイミドは、ポリアミド酸を熱処理することによっても得ることができる。
【0032】
ポリアミド酸の熱処理により得られるポリイミドは、ポリアミド酸が熱処理により脱水縮合してポリイミドとなるものである。ポリイミドのイミド化率は80%以上のものが好ましい。イミド化率とは、ポリイミド前駆体(ポリアミド酸)に対する生成したポリイミドのモル%である。イミド化率80%以上のものは、例えば、ポリアミド酸のN−メチル−2−ピロリドン(NMP)溶液を100〜400℃の温度で1時間以上熱処理することにより得ることができる。例えば、350℃で熱処理する場合、熱処理時間が約1時間でイミド化率80%となり、約3時間でイミド化率は100%となる。
【0033】
本発明においては、焼結のための熱処理後もバインダーは完全に分解せずに残存していることが好ましいので、バインダーとしてポリイミドを用いる場合は、ポリイミドが完全に分解しない600℃以下で焼結処理を行うことが好ましい。
【0034】
本発明において、活物質層中のバインダーの量は、活物質層の総重量の5重量%以上であることが好ましい。また、バインダーの占める体積は、活物質層の総体積の5%以上であることが好ましい。活物質層におけるバインダー量が少な過ぎると、バインダーによる電極内の密着性が不十分となる場合がある。また、活物質層中のバインダー量が多過ぎると、電極内の抵抗が増加するため、初期の充電が困難になる場合がある。従って、活物質層中のバインダー量は総重量の50重量%以下であることが好ましく、バインダーの占める体積は、活物質層の総体積の50%以下であることが好ましい。
【0035】
本発明においては、活物質層に導電性粉末を混合することができる。導電性粉末を添加することにより、活物質の粒子の周囲に導電性粉末による導電性ネットワークが形成されるので、電極内の集電性をさらに向上させることができる。導電性粉末としては、上記導電性金属箔と同様の材質のものを好ましく用いることができる。具体的には、銅、ニッケル、鉄、チタン、コバルト等の金属またはこれらの組み合わせからなる合金または混合物である。特に、金属粉末としては銅粉末が好ましく用いられる。また、導電性カーボン粉末も好ましく用いることができる。
【0036】
導電性粉末の添加量は、活物質との合計重量の50重量%以下であることが好ましい。導電性粉末の添加量が多過ぎると活物質の混合割合が相対的に少なくなるので、電極の充放電容量が小さくなる。
【0037】
本発明において用いる活物質粒子としては、ケイ素及び/またはケイ素合金の粒子が挙げられる。ケイ素合金としては、ケイ素と他の1種以上の元素との固溶体、ケイ素と他の1種以上の元素との金属間化合物、ケイ素と他の1種以上の元素との共晶合金などが挙げられる。合金の作製方法としては、アーク溶解法、液体急冷法、メカニカルアロイング法、スパッタリング法、化学気相成長法、焼成法などが挙げられる。特に、液体急冷法としては、単ロール急冷法、双ロール急冷法、及びガスアトマイズ法、水アトマイズ法、ディスクアトマイズ法などの各種アトマイズ法が挙げられる。
【0038】
また、本発明において用いる活物質粒子としては、ケイ素及び/またはケイ素合金の粒子表面を金属等で被覆したものを用いてもよい。被覆方法としては、無電解めっき法、電解めっき法、化学還元法、蒸着法、スパッタリング法、化学気相成長法などが挙げられる。粒子表面を被覆する金属としては、集電体として用いる導電性金属箔と同じ金属であることが好ましい。導電性金属箔と同じ金属を被覆することにより、焼結の際の集電体との結合性が大きく向上し、さらに優れた充放電サイクル特性を得ることができる。
【0039】
本発明において用いる活物質粒子には、リチウムと合金化する材料からなる粒子が含まれていてもよい。リチウムを合金化する材料としては、ゲルマニウム、錫、鉛、亜鉛、マグネシウム、ナトリウム、アルミニウム、ガリウム、インジウム及びこれらの合金などが挙げられる。
【0040】
本発明のリチウム二次電池は、上記本発明の負極と、正極材料を含む正極と、非水電解質とからなることを特徴としている。
本発明のリチウム二次電池に用いる非水電解質の溶媒は、特に限定されるものではないが、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネートなどの環状カーボネートと、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などの鎖状カーボネートとの混合溶媒が例示される。また、上記環状カーボネートと1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタンなどのエーテル系溶媒との混合溶媒も例示される。また、非水電解質の溶質としては、LiPF、LiBF、LiCFSO、LiN(CFSO、LiN(CSO、LiN(CFSO)(CSO)、LiC(CFSO、LiC(CSO、LiAsF、LiClO、Li10Cl10、Li12Cl12など及びそれらの混合物が例示される。特に、LiXF(式中、XはP、As、Sb、B、Bi、Al、Ga、またはInであり、XがP、AsまたはSbのときyは6であり、XがBi、Al、Ga、またはInのときyは4である)と、リチウムペルフルオロアルキルスルホン酸イミドLiN(C2m+1SO)(C2n+1SO)(式中、m及びnはそれぞれ独立して1〜4の整数である)またはリチウムペルフルオロアルキルスルホン酸メチドLiN(C2p+1SO)(C2q+1SO)(C2r+1SO)(式中、p、q及びrはそれぞれ独立して1〜4の整数である)との混合溶質が好ましく用いられる。これらの中でも、LiPFとLiN(CSOとの混合溶質が特に好ましく用いられる。さらに電解質として、ポリエチレンオキシド、ポリアクリロニトリルなどのポリマー電解質に電解液を含浸したゲル状ポリマー電解質や、LiI、LiNなどの無機固体電解質が例示される。本発明のリチウム二次電池の電解質は、イオン導電性を発現させる溶質としてのリチウム化合物とこれを溶解・保持する溶媒が電池の充電時や放電時あるいは保存時の電圧で分解しない限り、制約なく用いることができる。
【0041】
本発明のリチウム二次電池の正極材料としては、LiCoO、LiNiO、LiMn、LiMnO、LiCo0.5Ni0.5、LiNi0.7Co0.2Mn0.1などのリチウム含有遷移金属酸化物や、MnOなどのリチウムを含有していない金属酸化物が例示される。また、この他にも、リチウムを電気化学的に挿入、脱離する物質であれば、制限なく用いることができる。
【0042】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能なものである。
【0043】
(実験1)
[負極の作製]
活物質材料としての純度99.9%、平均粒径1.0μmであるケイ素粉末80.4重量部を、バインダーであるポリイミド17.9重量部と、分散剤であるモノオレイン酸ソルビタン(分散剤a1)1.8重量部とを、バインダーの8.5倍の重量のN−メチルピロリドン溶液に混合し、負極合剤スラリーとした。負極合剤スラリーの混合は、1分間に1400回転のスピード(1400回転/分)で攪拌する攪拌機を用い、5分間行った。
【0044】
この負極合剤スラリーを、集電体である表面粗さRaが0.5μmである電解銅箔(厚み35μm)の片面(粗面)に塗布し、乾燥した後、これを圧延した。得られたものを、直径20mmの円板状に切り抜き、これをアルゴン雰囲気下で400℃、30時間熱処理し、焼結して負極とした。焼結体の厚み(集電体を含む)は45μmであった。
【0045】
[正極の作製]
出発原料として、LiCo及びCoCOを用いて、Li:Coの原子比が1:1となるように秤量して乳鉢で混合し、これを直径17mmの金型でプレスし、加圧成形した後、空気中において、800℃、24時間焼成し、LiCoOの焼成体を得た。これを乳鉢で粉砕し、平均粒径20μmに調整した。
【0046】
[電解液の作製]
電解液として、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの等体積混合溶媒に、LiPFを1モル/リットル溶解したものを作製した。
【0047】
[電池の作製]
上記の正極、負極、及び電解液を用いて、リチウム二次電池A1を作製した。
図1に電池の構成図を示す。正極1、負極2、セパレータ3、電解液4、アルミラミネート外装体5、正極タブ6、負極タブ7などからなる。
【0048】
正極1及び負極2は、セパレータ3を介して対向している。これらは正極タブ6及び負極タブ7に接続され、二次電池としての充電及び放電が可能な構造となっている。
【0049】
[実施例の充放電試験条件]
充電:定電流充電
定電流充電:電流値3.5mA/cm、充電終止電圧4.2V
放電:定電流放電
定電流放電:電流値3.5mA/cm、充電終止電圧2.75V
【0050】
(実験2)
実験1において、分散剤として、分散剤a1の代わりに、N,N−ジメチルラウリルアミン(分散剤a2)、N−ヤシアルキル−1,3−ジアミノプロパン(分散剤a3)をそれぞれ用いたこと以外は実験1と同様にして、電池A2及びA3を作製した。
分散剤a1〜a3の内容を表1に示す。
【0051】
【表1】

Figure 2004235057
【0052】
(実験3)
実験1において、分散剤を用いなかったこと以外は実験1と同様にして、電池B1を作製した。
【0053】
[充放電サイクル特性の評価]
上記の電池A1〜A3及びB1について、上記の充放電試験条件で充放電サイクル特性を評価した。すなわち、各電池を、25℃において、電流値3.5mA/cmで4.2Vまで充電した後、電流値3.5mA/cmで2.75Vまで放電し、これを1サイクルの充放電とした。1サイクル目の放電容量に対する100サイクル目の放電容量を測定し、サイクル維持率とした。結果を表2に示す。なお、各電池のサイクル維持率は、電池A1のサイクル維持率を100とした指数である。
【0054】
【表2】
Figure 2004235057
【0055】
表2から明らかなように、分散剤a1〜a3を用いた電池A1〜A3は、分散剤を用いない電池B1に比べ、サイクル維持率が高いことがわかる。
これは、スラリー中に分散剤を混合させることにより、スラリー中に活物質粒子が均一に分散し、活物質とバインダーが均一に混合し分散したために、充放電反応でのリチウムの吸蔵・放出に伴う活物質粒子の体積の膨張・収縮時にも強度を保つことができ、活物質粒子の脱離が抑制され、集電性を向上させることができたためと考えられる。
【0056】
(実験4)
実験1において、活物質材料として純度99.9%、平均粒径2.7μmであるケイ素粉末を用い、分散剤としてN,N−ジメチルステアリルアミン(分散剤a4)を用いたこと以外は実験1と同様にして、電池A4を作製した。
【0057】
(実験5)
実験4において、分散剤を用いなかったこと以外は実験4と同様にして電池B2を作製した。
【0058】
(実験6)
実験5において、負極合剤スラリーの攪拌回転数を3500回転/分にしたこと以外は実験5と同様にして電池B3を作製した。
【0059】
[充放電サイクル特性の評価]
上記の電池A4、B2及びB3について、充放電サイクル特性を評価した。各電池を、25℃において、電流値3.5mA/cmで4.2Vまで充電した後、電流値3.5mA/cmで2.75Vまで放電し、これを1サイクルの充放電とした。1サイクル目の放電容量に対する100サイクル目の放電容量を測定し、サイクル維持率とした。結果を表3に示す。なお、各電池のサイクル維持率は、電池A1のサイクル維持率を100とした指数である。
【0060】
【表3】
Figure 2004235057
【0061】
表3から、分散剤a4を用いた電池A4は、分散剤を用いない電池B2及び電池B3に比べ、サイクル維持率が高いことが明らかである。
分散剤を用いなかった場合には、スラリー作成時の攪拌回転数の高い電池B3の方が、スラリー作成時の攪拌回転数の低い電池B2よりもサイクル維持率が高い。これにより、機械的な攪拌工程が電池のサイクル特性に影響することがわかる。
【0062】
しかしながら、分散剤を用いた電池A4が、分散剤を用いずに攪拌回転数を高くした電池B3よりもサイクル維持率が高い。分散剤を用いた電池A4は、分散剤を用いずに攪拌回転数を高くした電池B3よりも、スラリー中において、活物質粒子とバインダーとが均一に分散されていると考えられる。これにより、電池B3を作製した上記の攪拌条件だけでは、活物質粒子のバインダーへの分散が不十分であることがわかる。
【0063】
従って、分散剤を用いると機械的な拡散工程を省略できるだけでなく、焼結後もより均一に活物質粒子が分散した電極を作製することが可能であり、それにより、充放電反応でのリチウムの吸蔵・放出に伴う活物質粒子の体積の膨張・収縮時にも強度を保つことができ、活物質粒子の脱離が抑制され、集電性を向上させることができると考えられる。
【0064】
【発明の効果】
本発明によれば、バインダー中での活物質粒子の凝集を少なくすることができ、サイクル寿命特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に従う実施例において作製したリチウム二次電池を示す模式図。
【符号の説明】
1…正極
2…負極
3…セパレータ
4…電解液
5…外装体
6…正極タブ
7…負極タブ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a negative electrode for a lithium secondary battery, a method for producing the same, and a lithium secondary battery using the same.
[0002]
[Prior art]
In recent years, as one of new high-power and high-energy-density secondary batteries, a lithium secondary battery that uses a non-aqueous electrolyte and moves lithium ions between a positive electrode and a negative electrode to charge and discharge has been used. I have.
[0003]
As such a negative electrode for a lithium secondary battery, a negative electrode in which an active material containing silicon is attached to a current collector having an average roughness of 0.03 μm or more with a binder has been proposed (Patent Document 1).
[0004]
However, since the active material containing silicon expands and contracts in volume when inserting and extracting lithium, it is known that the active material becomes finer with charge and discharge, or the active material is detached from the current collector. ing. For this reason, there has been a problem that the current collecting property in the electrode is reduced and the charge / discharge cycle characteristics are deteriorated.
[0005]
The present applicant solves such a problem by disposing an active material layer containing active material particles containing silicon and / or a silicon alloy and a binder on the surface of a current collector as a negative electrode for a lithium secondary battery. A negative electrode for a lithium secondary battery obtained by sintering in a non-oxidizing atmosphere has been proposed (Patent Document 2).
[0006]
As the binder used for the negative electrode, a binder such as polyimide which remains after heat treatment for sintering is preferably used.
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-2000-12088
[Patent Document 2]
WO 02/21616 pamphlet
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
The present inventors have found that, in the above-described negative electrode using a binder such as polyimide, active material particles are not uniformly dispersed in the binder, and thus sufficient current collecting properties are not obtained.
[0009]
An object of the present invention is to provide a negative electrode for a lithium secondary battery capable of reducing the aggregation of active material particles in a binder and improving the cycle life, a method for producing the same, and a lithium secondary battery using the same. It is in.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The negative electrode for a lithium secondary battery according to the present invention comprises an active material layer containing active material particles containing silicon and / or a silicon alloy, a binder and a dispersant disposed on a surface of a current collector made of a conductive metal foil. It is characterized by being obtained by sintering in an oxidizing atmosphere.
[0011]
A negative electrode for a lithium secondary battery according to a limited aspect of the present invention is a negative electrode for a lithium secondary battery, comprising: an active material layer containing active material particles containing silicon and / or a silicon alloy; A negative electrode for a lithium secondary battery that is obtained by sintering in a non-oxidizing atmosphere and disposed thereon, wherein the binder is a binder remaining after heat treatment for sintering.
[0012]
The active material layer according to the present invention contains active material particles, a binder, and a dispersant. By containing the dispersant, the active material particles are uniformly dispersed in the binder, and the aggregation of the active material particles can be reduced. When the active material particles aggregate, no binder exists around the aggregated active material particles, and the active material particles expand and contract due to the expansion and contraction of the volume of the active material particles due to the absorption and release of lithium in the charge / discharge reaction. Desorption becomes easy, and the current collecting property in the electrode is reduced. Therefore, by reducing the aggregation of the active material particles according to the present invention, the probability that the binder exists around the active material particles can be increased, and the desorption of the active material particles in the charge / discharge reaction can be prevented. For this reason, it is possible to suppress a decrease in the current collecting property in the electrode.
[0013]
In the present invention, whether or not the dispersant remains in the active material layer after the heat treatment for sintering is not particularly limited. When the decomposition temperature of the dispersant is lower than the heat treatment temperature for sintering, it is considered that the dispersant is decomposed and does not remain after the heat treatment. However, the dispersion of the active material particles in the binder before the heat treatment is considered to be maintained even after the heat treatment, so that the active material particles can be prevented from detaching from the current collector, and the current collecting property can be improved. Can be higher.
[0014]
Further, when the dispersant is decomposed by the heat treatment, voids may be formed in the active material layer due to the decomposition of the dispersant, but the electrolyte in the voids in such an active material layer is easily contained. It is considered that this may improve the charge / discharge cycle characteristics.
[0015]
Further, when the dispersant remains without being decomposed after the heat treatment for sintering, the active material particles before the heat treatment are uniformly dispersed in the binder even after the heat treatment. From the current collector is prevented, and the current collecting property can be further improved.
[0016]
The method for producing a negative electrode for a lithium secondary battery of the present invention is a method capable of producing the negative electrode for a lithium secondary battery of the present invention, wherein active material particles containing silicon and / or a silicon alloy, a binder, A step of preparing a slurry by uniformly mixing the dispersant with the solution, a step of applying the slurry on a surface of a current collector made of a conductive metal foil to form an active material layer, Baking in a non-oxidizing atmosphere in a state where is disposed on the surface of the current collector.
[0017]
In the production method of the present invention, the active material particles can be uniformly dispersed in the slurry by mixing the dispersant in the slurry. Therefore, in the active material layer, the active material particles can be uniformly dispersed in the binder, and the aggregation of the active material particles can be reduced. For this reason, as described above, even in the active material layer after the heat treatment, the active material particles are uniformly dispersed in the binder, and the active material particles are prevented from being detached from the current collector by the charge / discharge reaction. And the current collection in the electrode can be improved.
[0018]
The dispersant used in the present invention is not particularly limited as long as the active material particles can be uniformly dispersed in the binder, but a surfactant is generally used.
[0019]
As the surfactant, an oil-soluble surfactant is particularly preferably used. The oil-soluble surfactant is one that can be easily dispersed or dissolved in an organic solvent.
In the present invention, when an organic solvent is used as a slurry solvent, oil-soluble dispersants such as nonionic surfactants and aliphatic amines are preferably used. Examples of the nonionic surfactant include glycerin fatty acid ester, sorbitan fatty acid ester, propylene fatty acid ester, polyethylene fatty acid ester, alkanolamide, and alkylpolyglucoside. Examples of the aliphatic amine include an alkylamine and an alkyldiamine. Among these, a dimethylalkyl tertiary amine having an alkyl chain having 10 to 30 carbon atoms, an alkyl diamine having one or more alkyl chains having 10 to 30 carbon atoms, and the like are preferably used. Since these have an appropriate alkyl chain length, they are easily dispersed in an organic solvent and a binder.
[0020]
In the present invention, the content of the dispersant is appropriately adjusted depending on the type of the dispersant and the type of the binder and the type of the organic solvent to be used. It is preferable that the amount be not less than part by weight. If the amount of the dispersant is smaller than this, the dispersion of the active material particles in the binder may be insufficient. Further, the amount of the dispersant is preferably 5% by weight or less based on 100 parts by weight of the total of the binder and the organic solvent. This is because even if the dispersant is present in a large amount, no further improvement in the dispersibility of the active material particles in the binder is observed.
[0021]
In the present invention, the amount of the dispersant present in the binder is preferably in the range of 1 to 50 parts by weight based on 100 parts by weight of the binder.
The active material particles in the present invention preferably have a particle size distribution in which 60% by volume or more exists within a particle size of 10 μm or less. In the case of a wide particle distribution outside such a range, between active material particles having greatly different particle sizes, there will be a large difference in the absolute amount of expansion and contraction of the volume accompanying occlusion and release of lithium, Distortion occurs in the active material layer, the binder is destroyed, and the current collecting property in the electrode is easily reduced. Further, the average particle diameter is preferably 10 μm or less, more preferably 3 μm or less. When the active material particles are silicon powder, the purity is preferably 99.9% or more.
[0022]
In the present invention, it is preferable that the surface roughness Ra of the surface of the current collector on which the active material layer is disposed is 0.2 μm or more. By using a current collector having such a surface roughness Ra, the contact area between the active material layer and the current collector can be increased, and the adhesion between the active material layer and the current collector can be improved. Can be. For this reason, the current collection in the electrode can be further improved. When the active material layers are provided on both surfaces of the current collector, the surface roughness of both surfaces of the current collector is preferably 0.2 μm or more.
[0023]
The surface roughness Ra is defined in Japanese Industrial Standard (JIS B 0601-1994). The surface roughness Ra can be measured by, for example, a surface roughness meter.
In the present invention, a current collector having a surface roughened may be used. Examples of such a roughening treatment include a plating method, a vapor deposition method, an etching method, and a polishing method. The plating method and the vapor phase growth method are methods of forming a layer having irregularities on the surface of a metal foil current collector to roughen the surface. Examples of the plating method include an electrolytic plating method and an electroless plating method. Examples of the vapor phase growth method include a sputtering method, a CVD method, and a vapor deposition method. Examples of the etching method include physical etching and chemical etching. Examples of the polishing method include sandpaper polishing and blasting.
[0024]
The current collector used in the present invention is not particularly limited as long as it is made of a conductive metal foil. Specific examples of the current collector include a metal foil of a metal such as copper, nickel, iron, titanium, and cobalt, or an alloy foil made of a combination thereof. In particular, those containing a metal element that easily diffuses into the active material particles are preferably used. Such materials include metal foils containing a copper element, particularly copper foils and copper alloy foils. Since the copper element is easily diffused into silicon by heat treatment, improvement in the adhesion between the current collector and the active material layer can be expected by performing sintering on the negative electrode.
[0025]
Further, a metal foil provided with a layer containing a copper element on the surface of the current collector may be used as the current collector. That is, a metal foil formed of a metal element other than copper and having a copper or copper alloy layer formed on the surface can be used. Examples of such a metal foil include those in which a plating film of copper or a copper alloy is formed on a metal foil by an electrolytic plating method. Specifically, a copper foil or a copper alloy plating film is formed on the surface of a nickel foil.
[0026]
In the present invention, the thickness of the current collector is not particularly limited, but is preferably in the range of 10 to 100 μm.
In the present invention, the upper limit of the surface roughness Ra of the current collector is not particularly limited, but the thickness of the current collector is preferably in the range of 10 to 100 μm. The upper limit of Ra is preferably substantially 10 μm or less.
[0027]
In the present invention, it is preferable that the thickness X of the active material layer has a relationship of 5Y ≧ X and 250Ra ≧ X with the thickness Y of the current collector and its surface roughness Ra. By satisfying such a relationship, deformation of the current collector such as wrinkles can be suppressed, and detachment of the active material layer from the current collector can be suppressed.
[0028]
The thickness X of the active material layer is not particularly limited, but is preferably 1000 μm or less, and more preferably 10 to 100 μm.
The negative electrode for a lithium secondary battery of the present invention is obtained by disposing an active material layer on the surface of a current collector and then sintering the same in a non-oxidizing atmosphere. Sintering in a non-oxidizing atmosphere is performed, for example, under a nitrogen atmosphere or an inert gas atmosphere such as argon. It may be performed in a reducing atmosphere such as a hydrogen atmosphere. The heat treatment temperature at the time of sintering is preferably a temperature equal to or lower than the melting points of the current collector and the active material particles. For example, when a copper foil is used as the current collector, the melting point is preferably 1083 ° C. or less. Generally, the heat treatment temperature for sintering is preferably in the range of 200 to 500C, more preferably in the range of 300 to 450C. As a sintering method, a spark plasma sintering method or a hot press method may be used.
[0029]
In the present invention, after forming the active material layer on the current collector, it is preferable to roll this active material layer together with the current collector before sintering. By such rolling, the packing density in the active material layer can be increased, and the adhesion between the particles of the active material and the adhesion between the particles of the active material and the current collector can be improved. Discharge cycle characteristics can be obtained.
[0030]
It is preferable that the binder used in the present invention remains without being completely decomposed even after the heat treatment for sintering. Since the binder remains without decomposition even after the heat treatment, the adhesion between the active material particles and the current collector and between the active material particles is improved by sintering. Properties can be further enhanced. In addition, when a conductive metal foil having a surface roughness Ra of 0.2 μm or more is used as a current collector, the binder enters the irregularities on the surface of the current collector, so that an anchor effect is generated between the binder and the current collector. Expression, and the adhesion is further improved. For this reason, detachment of the active material layer from the current collector due to expansion and contraction of the volume of the active material during insertion and extraction of lithium can be suppressed, and favorable charge / discharge cycle characteristics can be obtained.
[0031]
As the binder in the present invention, polyimide is preferably used. Examples of the polyimide include a thermoplastic polyimide and a thermosetting polyimide. Note that polyimide can also be obtained by heat-treating polyamic acid.
[0032]
The polyimide obtained by the heat treatment of the polyamic acid is obtained by dehydrating and condensing the polyamic acid by the heat treatment to form a polyimide. The imidization ratio of the polyimide is preferably 80% or more. The imidation ratio is a mol% of the generated polyimide with respect to the polyimide precursor (polyamic acid). Those having an imidization ratio of 80% or more can be obtained, for example, by heat-treating a polyamic acid N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) solution at a temperature of 100 to 400 ° C. for 1 hour or more. For example, when heat treatment is performed at 350 ° C., the imidization rate becomes 80% in about 1 hour and 100% in about 3 hours.
[0033]
In the present invention, it is preferable that the binder remains without being completely decomposed even after the heat treatment for sintering. Therefore, when polyimide is used as the binder, the binder is sintered at 600 ° C. or less at which the polyimide is not completely decomposed. Preferably, a treatment is performed.
[0034]
In the present invention, the amount of the binder in the active material layer is preferably 5% by weight or more of the total weight of the active material layer. The volume occupied by the binder is preferably 5% or more of the total volume of the active material layer. If the amount of the binder in the active material layer is too small, the adhesiveness in the electrode by the binder may be insufficient. In addition, when the amount of the binder in the active material layer is too large, the resistance in the electrode increases, so that initial charging may be difficult. Therefore, the amount of the binder in the active material layer is preferably 50% by weight or less of the total weight, and the volume occupied by the binder is preferably 50% or less of the total volume of the active material layer.
[0035]
In the present invention, a conductive powder can be mixed in the active material layer. By adding the conductive powder, a conductive network is formed by the conductive powder around the active material particles, so that the current collection in the electrode can be further improved. As the conductive powder, those having the same material as the conductive metal foil can be preferably used. Specifically, it is an alloy or a mixture of metals such as copper, nickel, iron, titanium, and cobalt, or a combination thereof. In particular, copper powder is preferably used as the metal powder. Further, conductive carbon powder can also be preferably used.
[0036]
The amount of the conductive powder to be added is preferably 50% by weight or less of the total weight with the active material. If the amount of the conductive powder is too large, the mixing ratio of the active material becomes relatively small, so that the charge / discharge capacity of the electrode becomes small.
[0037]
Examples of the active material particles used in the present invention include silicon and / or silicon alloy particles. Examples of the silicon alloy include a solid solution of silicon and one or more other elements, an intermetallic compound of silicon and one or more other elements, and a eutectic alloy of silicon with one or more other elements. Can be Examples of the method for producing the alloy include an arc melting method, a liquid quenching method, a mechanical alloying method, a sputtering method, a chemical vapor deposition method, and a firing method. In particular, examples of the liquid quenching method include a single-roll quenching method, a twin-roll quenching method, and various atomizing methods such as a gas atomizing method, a water atomizing method, and a disk atomizing method.
[0038]
Further, as the active material particles used in the present invention, particles obtained by coating the surface of silicon and / or silicon alloy particles with a metal or the like may be used. Examples of the coating method include electroless plating, electrolytic plating, chemical reduction, vapor deposition, sputtering, and chemical vapor deposition. The metal covering the particle surface is preferably the same metal as the conductive metal foil used as the current collector. By coating the same metal as the conductive metal foil, the bonding property with the current collector at the time of sintering is greatly improved, and further excellent charge / discharge cycle characteristics can be obtained.
[0039]
The active material particles used in the present invention may include particles made of a material alloyable with lithium. Materials for alloying lithium include germanium, tin, lead, zinc, magnesium, sodium, aluminum, gallium, indium, and alloys thereof.
[0040]
The lithium secondary battery of the present invention is characterized by comprising the above-described negative electrode of the present invention, a positive electrode containing a positive electrode material, and a non-aqueous electrolyte.
Solvent of the non-aqueous electrolyte used in the lithium secondary battery of the present invention is not particularly limited, and ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, cyclic carbonate such as vinylene carbonate, and dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, diethyl A mixed solvent with a chain carbonate such as carbonate is exemplified. Further, a mixed solvent of the above-mentioned cyclic carbonate and an ether-based solvent such as 1,2-dimethoxyethane and 1,2-diethoxyethane is also exemplified. As a solute of the non-aqueous electrolyte, LiPF 6 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) (C 4 F 9 SO 2 ), LiC (CF 3 SO 2 ) 3 , LiC (C 2 F 5 SO 2 ) 3 , LiAsF 6 , LiClO 4 , Li 2 B 10 Cl 10 , Li 2 B 12 Cl 12 And mixtures thereof. In particular, LiXF y (Where X is P, As, Sb, B, Bi, Al, Ga, or In; when X is P, As, or Sb, y is 6; and X is Bi, Al, Ga, or In. , Y is 4), and lithium perfluoroalkylsulfonic acid imide LiN (C m F 2m + 1 SO 2 ) (C n F 2n + 1 SO 2 (Wherein m and n are each independently an integer from 1 to 4) or lithium perfluoroalkylsulfonic acid methide LiN (C p F 2p + 1 SO 2 ) (C q F 2q + 1 SO 2 ) (C r F 2r + 1 SO 2 (Wherein p, q and r are each independently an integer of 1 to 4). Among them, LiPF 6 And LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 A solute mixed with is particularly preferably used. Further, as the electrolyte, a gel polymer electrolyte in which a polymer electrolyte such as polyethylene oxide or polyacrylonitrile is impregnated with an electrolyte, LiI, Li 3 An inorganic solid electrolyte such as N is exemplified. The electrolyte of the lithium secondary battery of the present invention is not limited, as long as the lithium compound as a solute that develops ionic conductivity and the solvent that dissolves and retains the same are not decomposed at the time of charging, discharging, or storing the battery. Can be used.
[0041]
As the positive electrode material of the lithium secondary battery of the present invention, LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 , LiMnO 2 , LiCo 0.5 Ni 0.5 O 2 , LiNi 0.7 Co 0.2 Mn 0.1 O 2 Lithium-containing transition metal oxides such as MnO 2 Examples of such metal oxides do not contain lithium. In addition, any other substance capable of electrochemically inserting and removing lithium can be used without limitation.
[0042]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples, but the present invention is not limited to the following examples at all, it can be implemented by appropriately changing the scope without changing the gist Things.
[0043]
(Experiment 1)
[Preparation of negative electrode]
80.4 parts by weight of silicon powder having a purity of 99.9% as an active material and an average particle diameter of 1.0 μm were mixed with 17.9 parts by weight of a polyimide as a binder and sorbitan monooleate as a dispersant (dispersant). a1) 1.8 parts by weight were mixed with an N-methylpyrrolidone solution 8.5 times the weight of the binder to prepare a negative electrode mixture slurry. Mixing of the negative electrode mixture slurry was performed for 5 minutes using a stirrer that stirred at a speed of 1400 rotations per minute (1400 rotations / minute).
[0044]
This negative electrode mixture slurry was applied to one surface (rough surface) of an electrolytic copper foil (thickness: 35 μm) having a surface roughness Ra of 0.5 μm as a current collector, dried, and then rolled. The obtained product was cut out into a disc shape having a diameter of 20 mm, and this was heat-treated at 400 ° C. for 30 hours in an argon atmosphere, and sintered to obtain a negative electrode. The thickness of the sintered body (including the current collector) was 45 μm.
[0045]
[Preparation of positive electrode]
As a starting material, Li 2 Co 3 And CoCO 3 Are weighed so that the atomic ratio of Li: Co becomes 1: 1 and mixed in a mortar, and this is pressed with a mold having a diameter of 17 mm, pressed and molded. Calcined for 24 hours, LiCoO 2 Was obtained. This was ground in a mortar and adjusted to an average particle size of 20 μm.
[0046]
[Preparation of electrolyte solution]
As an electrolytic solution, LiPF was mixed in an equal volume mixed solvent of ethylene carbonate and diethyl carbonate. 6 Was dissolved at 1 mol / liter.
[0047]
[Production of Battery]
Using the above positive electrode, negative electrode, and electrolytic solution, a lithium secondary battery A1 was produced.
FIG. 1 shows a configuration diagram of the battery. It comprises a positive electrode 1, a negative electrode 2, a separator 3, an electrolytic solution 4, an aluminum laminate casing 5, a positive electrode tab 6, a negative electrode tab 7, and the like.
[0048]
The positive electrode 1 and the negative electrode 2 face each other with the separator 3 interposed therebetween. These are connected to the positive electrode tab 6 and the negative electrode tab 7, and have a structure capable of charging and discharging as a secondary battery.
[0049]
[Charge / Discharge Test Conditions of Examples]
Charging: constant current charging
Constant current charging: current value 3.5 mA / cm 2 , Charging end voltage 4.2V
Discharge: constant current discharge
Constant current discharge: current value 3.5 mA / cm 2 , Charge end voltage 2.75V
[0050]
(Experiment 2)
In Experiment 1, except that N, N-dimethyllaurylamine (dispersant a2) and N-cocoalkyl-1,3-diaminopropane (dispersant a3) were used as dispersants instead of dispersant a1. In the same manner as in Experiment 1, batteries A2 and A3 were produced.
Table 1 shows the contents of the dispersants a1 to a3.
[0051]
[Table 1]
Figure 2004235057
[0052]
(Experiment 3)
In Experiment 1, a battery B1 was produced in the same manner as in Experiment 1, except that no dispersant was used.
[0053]
[Evaluation of charge / discharge cycle characteristics]
For the batteries A1 to A3 and B1, the charge / discharge cycle characteristics were evaluated under the above charge / discharge test conditions. That is, at 25 ° C., a current value of 3.5 mA / cm 2 After charging to 4.2 V with a current value of 3.5 mA / cm 2 To discharge to 2.75 V, which was defined as one cycle of charge and discharge. The discharge capacity at the 100th cycle with respect to the discharge capacity at the first cycle was measured, and was taken as the cycle retention rate. Table 2 shows the results. The cycle maintenance rate of each battery is an index with the cycle maintenance rate of the battery A1 as 100.
[0054]
[Table 2]
Figure 2004235057
[0055]
As is clear from Table 2, the batteries A1 to A3 using the dispersants a1 to a3 have a higher cycle maintenance ratio than the battery B1 using no dispersant.
This is because the active material particles are uniformly dispersed in the slurry by mixing the dispersant in the slurry, and the active material and the binder are uniformly mixed and dispersed. It is considered that the strength could be maintained even when the volume of the active material particles expanded and contracted, desorption of the active material particles was suppressed, and the current collecting property could be improved.
[0056]
(Experiment 4)
Experiment 1 except that silicon powder having a purity of 99.9% and an average particle size of 2.7 μm was used as the active material and N, N-dimethylstearylamine (dispersant a4) was used as the dispersant. In the same manner as in the above, a battery A4 was produced.
[0057]
(Experiment 5)
In Experiment 4, a battery B2 was produced in the same manner as in Experiment 4, except that no dispersant was used.
[0058]
(Experiment 6)
In Experiment 5, a battery B3 was produced in the same manner as in Experiment 5, except that the stirring rotation speed of the negative electrode mixture slurry was set to 3500 rpm.
[0059]
[Evaluation of charge / discharge cycle characteristics]
The charge / discharge cycle characteristics of the batteries A4, B2, and B3 were evaluated. Each battery was subjected to a current value of 3.5 mA / cm at 25 ° C. 2 After charging to 4.2 V with a current value of 3.5 mA / cm 2 To discharge to 2.75 V, which was defined as one cycle of charge and discharge. The discharge capacity at the 100th cycle with respect to the discharge capacity at the first cycle was measured and defined as a cycle retention rate. Table 3 shows the results. The cycle maintenance rate of each battery is an index with the cycle maintenance rate of the battery A1 as 100.
[0060]
[Table 3]
Figure 2004235057
[0061]
From Table 3, it is clear that the battery A4 using the dispersant a4 has a higher cycle maintenance ratio than the batteries B2 and B3 without using the dispersant.
When the dispersant was not used, the cycle maintenance rate of the battery B3 having the higher stirring rotation speed at the time of preparing the slurry was higher than the battery B2 having the lower stirring rotation speed at the time of preparing the slurry. This indicates that the mechanical stirring step affects the cycle characteristics of the battery.
[0062]
However, the battery A4 using the dispersant has a higher cycle maintenance ratio than the battery B3 in which the stirring rotation speed is increased without using the dispersant. It is considered that the active material particles and the binder are more uniformly dispersed in the slurry in the battery A4 using the dispersant than in the battery B3 in which the stirring rotation speed was increased without using the dispersant. This indicates that the dispersion of the active material particles in the binder is insufficient only under the above-described stirring conditions for producing the battery B3.
[0063]
Therefore, when a dispersant is used, not only the mechanical diffusion step can be omitted, but also an electrode in which the active material particles are dispersed more uniformly after sintering can be produced. It is considered that the strength can be maintained even when the volume of the active material particles expands and contracts due to occlusion and release of the active material, the desorption of the active material particles is suppressed, and the current collecting property can be improved.
[0064]
【The invention's effect】
According to the present invention, the aggregation of the active material particles in the binder can be reduced, and the cycle life characteristics can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing a lithium secondary battery manufactured in an example according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1: Positive electrode
2 ... negative electrode
3 ... Separator
4: Electrolyte
5 ... exterior body
6 ... Positive electrode tab
7 ... Negative electrode tab

Claims (15)

ケイ素及び/またはケイ素合金を含む活物質粒子とバインダーと分散剤とを含む活物質層を導電性金属箔からなる集電体の表面上に配置し非酸化性雰囲気下に焼結して得られることを特徴とするリチウム二次電池用負極。An active material layer containing active material particles containing silicon and / or a silicon alloy, a binder and a dispersant is disposed on a surface of a current collector made of a conductive metal foil and sintered under a non-oxidizing atmosphere. A negative electrode for a lithium secondary battery, comprising: ケイ素及び/またはケイ素合金を含む活物質粒子とバインダーと分散剤とを含む活物質層を導電性金属箔からなる集電体の表面上に配置し非酸化性雰囲気下に焼結して得られるリチウム二次電池用負極であって、
前記バインダーが、前記焼結のための熱処理後も残存しているバインダーであることを特徴としているリチウム二次電池用負極。
An active material layer containing active material particles containing silicon and / or a silicon alloy, a binder and a dispersant is disposed on a surface of a current collector made of a conductive metal foil and sintered under a non-oxidizing atmosphere. A negative electrode for a lithium secondary battery,
The negative electrode for a lithium secondary battery, wherein the binder is a binder remaining after the heat treatment for sintering.
前記バインダーが、ポリイミドであることを特徴とする請求項1または2に記載のリチウム二次電池用負極。The negative electrode for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the binder is a polyimide. 前記分散剤が、油溶性界面活性剤であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のリチウム二次電池用負極。The negative electrode for a lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the dispersant is an oil-soluble surfactant. 前記分散剤が、ソルビタン脂肪酸エステルまたは脂肪族アミンであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のリチウム二次電池用負極。The negative electrode for a lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 4, wherein the dispersant is a sorbitan fatty acid ester or an aliphatic amine. 前記分散剤が、モノオレイン酸ソルビタン、N,N−ジメチルラウリルアミン、N,N−ジメチルステアリルアミンまたはN−ヤシアルキル−1,3−ジアミノプロパンであることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のリチウム二次電池用負極。6. The method according to claim 1, wherein the dispersant is sorbitan monooleate, N, N-dimethyllaurylamine, N, N-dimethylstearylamine or N-cocoalkyl-1,3-diaminopropane. 4. The negative electrode for a lithium secondary battery according to claim 1. 前記集電体が、銅箔もしくは銅合金箔、または表面に銅層もしくは銅合金層を設けた金属箔であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のリチウム二次電池用負極。The lithium secondary according to any one of claims 1 to 6, wherein the current collector is a copper foil or a copper alloy foil, or a metal foil provided with a copper layer or a copper alloy layer on a surface. Negative electrode for battery. 前記集電体が、電解銅箔もしくは電解銅合金箔、または表面に電解銅層もしくは電解銅合金層を設けた金属箔であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載のリチウム二次電池用負極。The said current collector is an electrolytic copper foil or an electrolytic copper alloy foil, or a metal foil provided with an electrolytic copper layer or an electrolytic copper alloy layer on the surface, The claim 1 characterized by the above-mentioned. Negative electrode for lithium secondary batteries. ケイ素及び/またはケイ素合金を含む活物質粒子と、バインダーと、分散剤とを溶液中に均一に混合してスラリーを調製する工程と、
前記スラリーを導電性金属箔からなる集電体の表面上に塗布して活物質層を形成する工程と、
前記活物質層を前記集電体の表面上に配置した状態で、非酸化性雰囲気下に焼成する工程とを備えることを特徴とするリチウム二次電池用負極の製造方法。
Preparing a slurry by uniformly mixing active material particles containing silicon and / or a silicon alloy, a binder, and a dispersant in a solution;
A step of applying the slurry on the surface of a current collector made of a conductive metal foil to form an active material layer,
Baking the active material layer in a non-oxidizing atmosphere with the active material layer disposed on the surface of the current collector.
前記バインダーが、前記焼結のための熱処理後も残存するバインダーであることを特徴とする請求項9に記載のリチウム二次電池用負極の製造方法。The method for producing a negative electrode for a lithium secondary battery according to claim 9, wherein the binder is a binder remaining after the heat treatment for sintering. 前記バインダーが、ポリイミドであることを特徴とする請求項9または10に記載のリチウム二次電池用負極の製造方法。The method for producing a negative electrode for a lithium secondary battery according to claim 9, wherein the binder is polyimide. 前記分散剤が、油溶性界面活性剤であることを特徴とする請求項9〜11のいずれか1項に記載のリチウム二次電池用負極の製造方法。The method for producing a negative electrode for a lithium secondary battery according to any one of claims 9 to 11, wherein the dispersant is an oil-soluble surfactant. 前記分散剤が、ソルビタン脂肪酸エステルまたは脂肪族アミンであることを特徴とする請求項9〜12のいずれか1項に記載のリチウム二次電池用負極の製造方法。The method for producing a negative electrode for a lithium secondary battery according to any one of claims 9 to 12, wherein the dispersant is a sorbitan fatty acid ester or an aliphatic amine. 前記分散剤が、モノオレイン酸ソルビタン、N,N−ジメチルラウリルアミン、N,N−ジメチルステアリルアミンまたはN−ヤシアルキル−1,3−ジアミノプロパンであることを特徴とする請求項9〜13のいずれか1項に記載のリチウム二次電池用負極の製造方法。14. The method according to claim 9, wherein the dispersant is sorbitan monooleate, N, N-dimethyllaurylamine, N, N-dimethylstearylamine or N-cocoalkyl-1,3-diaminopropane. The method for producing a negative electrode for a lithium secondary battery according to claim 1. 請求項1〜8のいずれか1項に記載の負極または請求項9〜14のいずれか1項に記載の方法により製造された負極と、正極材料を含む正極と、非水電解質とからなることを特徴とするリチウム二次電池。A negative electrode according to any one of claims 1 to 8 or a negative electrode manufactured by the method according to any one of claims 9 to 14, a positive electrode including a positive electrode material, and a nonaqueous electrolyte. A lithium secondary battery characterized by the above-mentioned.
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