JP2007066685A - Secondary battery - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a secondary battery where ruptures or the like of a negative electrode current collector can be suppressed and cycle characteristics can be improved, when a negative-electrode active material containing tin (Sn) or silicon (Si) is used. <P>SOLUTION: A positive electrode 21 and a negative electrode 22 are laminated to form a winding body 20 wound up into a spiral state. In the positive electrode 21, a positive-electrode active material layer 21B is installed on one face of the positive-electrode current collector 21A, while negative-electrode active material layers 22B that contain CoSnC-containing material, for instance are installed on both faces of the negative-electrode current collector 22A. An ion permeable insulation membrane 23 as a separator is installed between the positive-electrode active material layer 21B side of the positive electrode 21 and the negative electrode 22, while insulation is carried out between the other face of the positive electrode 21 and the negative electrode 22 by an insulation membrane 24. Charging and discharging reactions take place on a face of the negative electrode 22 facing the positive-electrode active material layer 21B, thus an expansion-shrinkage pressure per unit area with respect to the negative electrode current collector 22A is reduced. The positive electrode 21 is preferably wound up so that the positive electrode active material layer 21B side faces outside. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、正極および負極の巻回構造を有する二次電池に係り、特に、負極側の活物質にスズ(Sn)またはケイ素(Si)を含む二次電池に関する。   The present invention relates to a secondary battery having a positive electrode and negative electrode winding structure, and more particularly to a secondary battery containing tin (Sn) or silicon (Si) as an active material on the negative electrode side.

近年、カメラ一体型VTR(ビデオテープレコーダ),携帯電話あるいはノートパソコンなどのポータブル電子機器が多く登場し、その小型軽量化が図られている。これらの電子機器のポータブル電源として用いられている電池、特に二次電池はキーデバイスとして、エネルギー密度の向上を図る研究開発が活発に進められている。中でも、非水電解質二次電池(例えば、リチウムイオン二次電池)は、従来の水系電解液二次電池である鉛電池、ニッケルカドミウム電池と比較して大きなエネルギー密度が得られるので、その改良に関する検討が各方面で行われている。   In recent years, many portable electronic devices such as a camera-integrated VTR (video tape recorder), a mobile phone, or a notebook personal computer have appeared, and their size and weight have been reduced. Batteries used as portable power sources for these electronic devices, particularly secondary batteries, are actively used as key devices for research and development aimed at improving energy density. Among them, non-aqueous electrolyte secondary batteries (for example, lithium ion secondary batteries) can provide a larger energy density than conventional lead batteries and nickel cadmium batteries, which are conventional aqueous electrolyte secondary batteries. Considerations are being made in various directions.

リチウムイオン二次電池に使用される負極活物質としては、比較的高容量を示し良好なサイクル特性を有する難黒鉛化性炭素あるいは黒鉛などの炭素系材料が広く用いられている。ただし、近年の高容量化の要求を考えると、炭素系材料の更なる高容量化が課題となっている。   As a negative electrode active material used for a lithium ion secondary battery, a carbon-based material such as non-graphitizable carbon or graphite having a relatively high capacity and good cycle characteristics is widely used. However, considering the recent demand for higher capacity, further increase in capacity of carbon-based materials has become an issue.

このような背景から、炭素化原料と作製条件とを選ぶことにより炭素系材料で高容量を達成する技術が開発されている(例えば、特許文献1参照)。しかしながら、かかる炭素系材料を用いた場合には、負極放電電位が対リチウムで0.8V〜1.0Vであり、電池を構成したときの電池放電電圧が低くなることから、電池エネルギー密度の点では大きな向上が見込めない。さらには、充放電曲線形状にヒステリシスが大きく、各充放電サイクルでのエネルギー効率が低いという欠点もある。   From such a background, a technique for achieving a high capacity with a carbon-based material by selecting a carbonization raw material and production conditions has been developed (see, for example, Patent Document 1). However, when such a carbon-based material is used, the negative electrode discharge potential is 0.8 V to 1.0 V with respect to lithium, and the battery discharge voltage when the battery is configured becomes low. Then we cannot expect a big improvement. Furthermore, there is a drawback that the charge / discharge curve has a large hysteresis and the energy efficiency in each charge / discharge cycle is low.

一方、炭素系材料を上回る高容量負極として、ある種の金属リチウムが電気化学的に合金化し、これが可逆的に生成・分解することを応用した合金材料に関する研究も進められている。例えば、Li−Al合金を用いた高容量負極が開発され、さらには、Li−Si合金からなる高容量負極が開発されている(例えば、特許文献2参照)。また、Cu6 Sn5 という金属間化合物も開発されている(例えば、非特許文献1参照)。
ディ.ラーチャー(D. Larcher)著「ジャーナル オブ ジ エレクトロケミカル ソサエティ(Journal of The Electrochemical Society)」、2000年、5巻、第147号、p.1658−1662 特開平8−315825号公報 米国特許第4950566号明細書等 特開平6−325765号公報 特開平7−230800号公報 特開平7−288130号公報 特許第3178586号明細書
On the other hand, as a high-capacity negative electrode that exceeds carbon-based materials, research is being conducted on an alloy material that applies that a certain type of metallic lithium is alloyed electrochemically and is reversibly generated and decomposed. For example, a high-capacity negative electrode using a Li—Al alloy has been developed, and further, a high-capacity negative electrode made of a Li—Si alloy has been developed (for example, see Patent Document 2). An intermetallic compound called Cu 6 Sn 5 has also been developed (see, for example, Non-Patent Document 1).
Di. D. Larcher, “Journal of The Electrochemical Society”, 2000, Vol. 5, No. 147, p. 1658-1662 JP-A-8-315825 US Pat. No. 4,950,566, etc. JP-A-6-325765 JP-A-7-230800 JP 7-288130 A Japanese Patent No. 3178586

しかしながら、Li−Al合金,Si合金あるいはCu6 Sn5 は、充放電に伴い膨張収縮し、充放電を繰り返す度に微粉化するので、サイクル特性が低下してしまうという大きな問題がある。 However, Li—Al alloy, Si alloy, or Cu 6 Sn 5 expands and contracts with charge / discharge, and is pulverized every time charge / discharge is repeated. Therefore, there is a big problem that cycle characteristics are deteriorated.

そこで、サイクル特性を改善する手法として、リチウムの吸蔵・放出に伴う膨張収縮に関与しない元素で一部を置換することが検討されており、例えば、LiSis t (0≦s、0<t<2),Liu Si1-v v w (Mはアルカリ金属を除く金属もしくはケイ素を除く類金属を表し、0≦u、0<v<1、0<w<2である),あるいはLiAgTe系合金が提案されている(例えば、特許文献3〜5参照)。しかし、これらの負極活物質によっても、膨張収縮に由来する充放電サイクル特性の劣化が大きく、高容量という特徴を活かしきれていないのが実状である。 Therefore, as a technique for improving the cycle characteristics, it has been studied to replace a part with an element that does not participate in expansion / contraction due to insertion / extraction of lithium. For example, LiSi s O t (0 ≦ s, 0 <t <2), Li u Si 1-v M v O w (M represents a metal excluding an alkali metal or a similar metal excluding silicon, and 0 ≦ u, 0 <v <1, 0 <w <2), Or the LiAgTe type-alloy is proposed (for example, refer patent documents 3-5). However, even with these negative electrode active materials, the fact is that the charge / discharge cycle characteristics are greatly deteriorated due to expansion and contraction, and the characteristics of high capacity cannot be fully utilized.

特に、正極と負極とを電解質を間にして積層し、これを渦巻き状に巻いて用いる場合、構造上の理由により充放電サイクル特性の劣化が顕著に現れる。すなわち、このような巻回構造を有する電池では、負極活物質が充放電により大きな膨張収縮を繰り返すと、その応力により電極、とりわけ負極集電体が断裂しやすくなってしまい、サイクル寿命が短くなる原因となっていた。   In particular, when a positive electrode and a negative electrode are stacked with an electrolyte in between and are wound in a spiral shape, deterioration of charge / discharge cycle characteristics appears remarkably for structural reasons. That is, in a battery having such a wound structure, when the negative electrode active material repeatedly expands and contracts due to charge and discharge, the stress, the electrode, particularly the negative electrode current collector, is easily broken, and the cycle life is shortened. It was the cause.

なお、従来では、正極負極ともに集電体の片面にのみ活物質層を設けた構造が提案されている(例えば、特許文献6参照。)。しかし、この構造では、集電体の片面にのみ大きな膨張収縮応力がかかるので、電極、とりわけ負極集電体が断裂しやすくなってしまうという問題があった。   Conventionally, there has been proposed a structure in which an active material layer is provided only on one side of a current collector together with a positive electrode and a negative electrode (see, for example, Patent Document 6). However, in this structure, since a large expansion / contraction stress is applied only to one side of the current collector, there is a problem that the electrode, particularly the negative electrode current collector, is easily broken.

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、スズおよびケイ素のうちの少なくとも一方を含む負極活物質を用いた場合に、負極集電体の断裂などを抑え、充放電サイクル特性を向上させることができる二次電池を提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems, and its purpose is to suppress the breakage of the negative electrode current collector and the charge / discharge cycle when a negative electrode active material containing at least one of tin and silicon is used. An object of the present invention is to provide a secondary battery capable of improving characteristics.

本発明による二次電池は、帯状の負極集電体の両面にそれぞれ負極活物質層を有し、負極活物質層に、スズおよびケイ素のうちの少なくとも一方を含む負極と、帯状の正極集電体の一方の面に正極活物質層を有し、負極とともに巻回体を構成する正極と、正極の正極活物質層側と負極との間に設けられたイオン透過性絶縁膜と、正極の他方の面と負極との間に設けられた絶縁膜とを備えたものである。   The secondary battery according to the present invention has a negative electrode active material layer on both sides of a strip-shaped negative electrode current collector, a negative electrode containing at least one of tin and silicon in the negative electrode active material layer, and a strip-shaped positive electrode current collector. A positive electrode having a positive electrode active material layer on one surface of the body and constituting a wound body together with the negative electrode; an ion-permeable insulating film provided between the positive electrode active material layer side of the positive electrode and the negative electrode; An insulating film provided between the other surface and the negative electrode is provided.

本発明の二次電池によれば、正極集電体の一方の面に正極活物質層を形成し、正極の正極活物質層側と負極との間にはイオン透過性絶縁膜を設け、正極の他方の面と負極との間には絶縁膜を設けるようにしたので、充放電反応を主として負極の正極活物質層に対向する面で生じさせることができる。よって、単位面積あたりの負極集電体にかかる膨張収縮応力を軽減し、断裂などを抑えることができる。また、負極集電体の両面には負極活物質層を形成するようにしたので、負極の強度を高め、負極集電体の断裂を抑えることができる。これにより、サイクル特性を向上させることができる。   According to the secondary battery of the present invention, the positive electrode active material layer is formed on one surface of the positive electrode current collector, and the ion permeable insulating film is provided between the positive electrode active material layer side of the positive electrode and the negative electrode. Since an insulating film is provided between the other surface and the negative electrode, the charge / discharge reaction can be caused mainly on the surface facing the positive electrode active material layer of the negative electrode. Therefore, expansion / contraction stress applied to the negative electrode current collector per unit area can be reduced, and tearing or the like can be suppressed. Further, since the negative electrode active material layer is formed on both surfaces of the negative electrode current collector, the strength of the negative electrode can be increased and the breakage of the negative electrode current collector can be suppressed. Thereby, cycle characteristics can be improved.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、図において各構成要素は本発明が理解できる程度の形状、大きさおよび配置関係を概略的に示したものであり、実寸とは異なっている。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the figure, each component schematically shows the shape, size, and arrangement relationship to the extent that the present invention can be understood, and is different from the actual size.

〔第1の実施の形態〕
図1は本発明の第1の実施の形態に係る二次電池の断面構造を表すものである。この二次電池は、いわゆる円筒型といわれるものであり、ほぼ中空円柱状の電池缶11の内部に、巻回体20を有している。電池缶11は、例えばニッケル(Ni)のめっきがされた鉄(Fe)により構成されており、一端部が閉鎖され他端部が開放されている。電池缶11の内部には、巻回体20を挟むように巻回周面に対して垂直に一対の絶縁板12,13がそれぞれ配置されている。
[First Embodiment]
FIG. 1 shows a cross-sectional structure of a secondary battery according to the first embodiment of the present invention. This secondary battery is a so-called cylindrical type, and has a wound body 20 inside a substantially hollow cylindrical battery can 11. The battery can 11 is made of, for example, iron (Fe) plated with nickel (Ni), and has one end closed and the other end open. Inside the battery can 11, a pair of insulating plates 12 and 13 are arranged perpendicular to the winding peripheral surface so as to sandwich the wound body 20.

電池缶11の開放端部には、電池蓋14と、この電池蓋14の内側に設けられた安全弁機構15および熱感抵抗素子(Positive Temperature Coefficient;PTC素子)16とが、ガスケット17を間にしてかしめられることにより取り付けられており、電池缶11の内部は密閉されている。電池蓋14は、例えば、電池缶11と同様の材料により構成されている。安全弁機構15は、熱感抵抗素子16を介して電池蓋14と電気的に接続されており、内部短絡あるいは外部からの加熱などにより電池の内圧が一定以上となった場合にディスク板15Aが反転して電池蓋14と巻回体20との電気的接続を切断するようになっている。熱感抵抗素子16は、温度が上昇すると抵抗値の増大により電流を制限し、大電流による異常な発熱を防止するものである。ガスケット17は、例えば、絶縁材料により構成されており、表面にはアスファルトが塗布されている。   At the open end of the battery can 11, a battery lid 14, a safety valve mechanism 15 and a thermal resistance element (Positive Temperature Coefficient; PTC element) 16 provided inside the battery lid 14, have a gasket 17 in between. The battery can 11 is attached by being caulked, and the inside of the battery can 11 is sealed. The battery lid 14 is made of, for example, the same material as the battery can 11. The safety valve mechanism 15 is electrically connected to the battery lid 14 via the heat sensitive resistance element 16, and the disk plate 15A is reversed when the internal pressure of the battery exceeds a certain level due to an internal short circuit or external heating. Thus, the electrical connection between the battery lid 14 and the wound body 20 is cut off. When the temperature rises, the heat sensitive resistance element 16 limits the current by increasing the resistance value and prevents abnormal heat generation due to a large current. The gasket 17 is made of, for example, an insulating material, and asphalt is applied to the surface.

巻回体20は、正極21と負極22とを、後述するイオン透過性絶縁膜23および絶縁膜24を間にして積層し、これを渦巻き状に巻いたものであり、中心にはセンターピン25が挿入されている。巻回体20の正極21にはアルミニウム(Al)などよりなる正極リード26が接続されており、負極22にはニッケルなどよりなる負極リード27が接続されている。正極リード26は安全弁機構15に溶接されることにより電池蓋14と電気的に接続されており、負極リード27は電池缶11に溶接され電気的に接続されている。   The wound body 20 is formed by laminating a positive electrode 21 and a negative electrode 22 with an ion-permeable insulating film 23 and an insulating film 24, which will be described later, in between and winding them in a spiral shape, with a center pin 25 at the center. Has been inserted. A positive electrode lead 26 made of aluminum (Al) or the like is connected to the positive electrode 21 of the wound body 20, and a negative electrode lead 27 made of nickel or the like is connected to the negative electrode 22. The positive electrode lead 26 is electrically connected to the battery lid 14 by being welded to the safety valve mechanism 15, and the negative electrode lead 27 is welded and electrically connected to the battery can 11.

図2は図1に示した正極21の巻回前の断面構成を表すものである。正極21は、例えば、帯状の正極集電体21Aの片面に正極活物質層21Bを設けたものである。正極集電体21Aは、例えば、厚みが5μm〜50μm程度であり、アルミニウム箔,ニッケル箔あるいはステンレス箔などの金属箔により構成されている。   FIG. 2 shows a cross-sectional configuration of the positive electrode 21 shown in FIG. 1 before winding. The positive electrode 21 is obtained, for example, by providing a positive electrode active material layer 21B on one surface of a strip-shaped positive electrode current collector 21A. The positive electrode current collector 21A has, for example, a thickness of about 5 μm to 50 μm and is made of a metal foil such as an aluminum foil, a nickel foil, or a stainless steel foil.

正極活物質層21Bは、例えば、正極活物質として、電極反応物質であるリチウムを吸蔵および放出可能な正極材料のいずれか1種または2種以上を含んでおり、必要に応じて炭素材料などの導電材およびポリフッ化ビニリデンなどの結着剤を含んでいてもよい。リチウムを吸蔵および放出可能な正極材料としては、例えば、硫化チタン(TiS2 ),硫化モリブデン(MoS2 ),セレン化ニオブ(NbSe2 )あるいは酸化バナジウム(V2 5 )などのリチウムを含有しない金属硫化物,金属セレン化物あるいは金属酸化物など、ポリアセチレンあるいはポリピロールなどの高分子材料、またはリチウムを含有するリチウム含有化合物が挙げられる。 The positive electrode active material layer 21B includes, for example, any one or more of positive electrode materials capable of occluding and releasing lithium, which is an electrode reactant, as a positive electrode active material. A conductive material and a binder such as polyvinylidene fluoride may be included. The positive electrode material capable of inserting and extracting lithium does not contain lithium such as titanium sulfide (TiS 2 ), molybdenum sulfide (MoS 2 ), niobium selenide (NbSe 2 ), or vanadium oxide (V 2 O 5 ). Examples thereof include a metal sulfide, a metal selenide, a metal oxide, a polymer material such as polyacetylene or polypyrrole, or a lithium-containing compound containing lithium.

中でも、リチウム含有化合物は、高電圧および高エネルギー密度を得ることができるものがあるので好ましい。このようなリチウム含有化合物としては、例えば、リチウムと遷移金属元素とを含む複合酸化物、またはリチウムと遷移金属元素とを含むリン酸化合物が挙げられ、特にコバルト(Co),ニッケルおよびマンガン(Mn)のうちの少なくとも1種を含むものが好ましい。より高い電圧を得ることができるからである。その化学式は、例えば、Lix MIO2 あるいはLiy MIIPO4 で表される。式中、MIおよびMIIは1種類以上の遷移金属元素を表す。xおよびyの値は電池の充放電状態によって異なり、通常、0.05≦x≦1.10、0.05≦y≦1.10である。 Among these, lithium-containing compounds are preferable because some compounds can obtain a high voltage and a high energy density. Examples of such a lithium-containing compound include a composite oxide containing lithium and a transition metal element, or a phosphate compound containing lithium and a transition metal element. In particular, cobalt (Co), nickel and manganese (Mn Among these, those containing at least one of them are preferred. This is because a higher voltage can be obtained. The chemical formula is represented by, for example, Li x MIO 2 or Li y MIIPO 4 . In the formula, MI and MII represent one or more transition metal elements. The values of x and y vary depending on the charge / discharge state of the battery, and are generally 0.05 ≦ x ≦ 1.10 and 0.05 ≦ y ≦ 1.10.

リチウムと遷移金属元素とを含む複合酸化物の具体例としては、リチウムコバルト複合酸化物(Lix CoO2 )、リチウムニッケル複合酸化物(Lix NiO2 )、リチウムニッケルコバルト複合酸化物(Lix Ni1-z Coz 2 (z<1))、あるいはスピネル型構造を有するリチウムマンガン複合酸化物(LiMn2 4 )などが挙げられる。中でも、ニッケルを含む複合酸化物が好ましい。高い容量を得ることができると共に、優れたサイクル特性も得ることができるからである。リチウムと遷移金属元素とを含むリン酸化合物の具体例としては、例えばリチウム鉄リン酸化合物(LiFePO4 )あるいはリチウム鉄マンガンリン酸化合物(LiFe1-v Mnv PO4 (v<1))が挙げられる。 Specific examples of the composite oxide containing lithium and a transition metal element include lithium cobalt composite oxide (Li x CoO 2 ), lithium nickel composite oxide (Li x NiO 2 ), and lithium nickel cobalt composite oxide (Li x Ni 1-z Co z O 2 (z <1)) or lithium manganese composite oxide (LiMn 2 O 4 ) having a spinel structure. Among these, a composite oxide containing nickel is preferable. This is because a high capacity can be obtained and excellent cycle characteristics can also be obtained. Specific examples of the phosphate compound containing lithium and a transition metal element include, for example, a lithium iron phosphate compound (LiFePO 4 ) or a lithium iron manganese phosphate compound (LiFe 1-v Mn v PO 4 (v <1)). Can be mentioned.

図3は図1に示した負極22の巻回前の断面構成を表すものである。負極22は、例えば、帯状の負極集電体22Aの両面に負極活物質層22Bを設けたものである。これにより、この二次電池では、負極集電体の片面のみに負極活物質層を設けた従来構造に比べて、負極22の強度を高め、負極集電体22Aの断裂を抑えることができるようになっている。負極集電体22Aの一方の面の負極活物質層22Bの厚みと、他方の面の負極活物質層22Bの厚みとは、同じでもよいし異なっていてもよい。   FIG. 3 shows a cross-sectional configuration of the negative electrode 22 shown in FIG. 1 before winding. The negative electrode 22 is obtained, for example, by providing a negative electrode active material layer 22B on both surfaces of a strip-shaped negative electrode current collector 22A. Thereby, in this secondary battery, it is possible to increase the strength of the negative electrode 22 and suppress the rupture of the negative electrode current collector 22A compared to the conventional structure in which the negative electrode active material layer is provided only on one surface of the negative electrode current collector. It has become. The thickness of the negative electrode active material layer 22B on one surface of the negative electrode current collector 22A and the thickness of the negative electrode active material layer 22B on the other surface may be the same or different.

負極集電体22Aは、例えば、銅(Cu)箔,ニッケル箔あるいはステンレス箔などの金属箔により構成されている。   The negative electrode current collector 22A is made of, for example, a metal foil such as a copper (Cu) foil, a nickel foil, or a stainless steel foil.

負極活物質層22Bは、負極活物質として、スズおよびケイ素のうち少なくとも一方を構成元素として含む負極材料を含有している。スズおよびケイ素は、電極反応物質であるリチウムを吸蔵および放出する能力が大きく、高いエネルギー密度を得ることができるからである。具体的には、例えば、ケイ素の単体,合金,あるいは化合物、またはスズの単体,合金,あるいは化合物、またはこれらの1種あるいは2種以上の相を少なくとも一部に有する材料が挙げられる。   The negative electrode active material layer 22B contains a negative electrode material containing at least one of tin and silicon as a constituent element as a negative electrode active material. This is because tin and silicon have a large ability to occlude and release lithium, which is an electrode reactant, and a high energy density can be obtained. Specifically, for example, a simple substance, an alloy, or a compound of silicon, a simple substance, an alloy, or a compound of tin, or a material having one or two or more phases thereof at least in part.

なお、本発明において、合金には2種以上の金属元素からなるものに加えて、1種以上の金属元素と1種以上の半金属元素とを含むものも含める。また、非金属元素を含んでいてもよい。その組織には固溶体,共晶(共融混合物),金属間化合物あるいはそれらのうちの2種以上が共存するものがある。また、この負極材料は1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。   In the present invention, alloys include those containing one or more metal elements and one or more metalloid elements in addition to those composed of two or more metal elements. Moreover, the nonmetallic element may be included. There are structures in which a solid solution, a eutectic (eutectic mixture), an intermetallic compound, or two or more of them coexist. Moreover, this negative electrode material may be used individually by 1 type, and 2 or more types may be mixed and used for it.

スズの合金としては、例えば、スズ以外の第2の構成元素として、ケイ素,ニッケル,銅,鉄(Fe),コバルト(Co),マンガン(Mn),亜鉛(Zn),インジウム(In),銀(Ag),チタン(Ti),ゲルマニウム(Ge),ビスマス(Bi),アンチモン(Sb)およびクロム(Cr)からなる群のうちの少なくとも1種を含むものが挙げられる。ケイ素の合金としては、例えば、ケイ素以外の第2の構成元素として、スズ,ニッケル,銅,鉄,コバルト,マンガン,亜鉛,インジウム,銀,チタン,ゲルマニウム,ビスマス,アンチモンおよびクロムからなる群のうちの少なくとも1種を含むものが挙げられる。   Examples of tin alloys include silicon, nickel, copper, iron (Fe), cobalt (Co), manganese (Mn), zinc (Zn), indium (In), and silver as second constituent elements other than tin. (Ag), titanium (Ti), germanium (Ge), bismuth (Bi), antimony (Sb), and the thing containing at least 1 sort (s) of chromium (Cr) are mentioned. As an alloy of silicon, for example, as a second constituent element other than silicon, among the group consisting of tin, nickel, copper, iron, cobalt, manganese, zinc, indium, silver, titanium, germanium, bismuth, antimony and chromium The thing containing at least 1 sort (s) of these is mentioned.

スズの化合物あるいはケイ素の化合物としては、例えば、酸素(O)あるいは炭素(C)を含むものが挙げられ、スズまたはケイ素に加えて、上述した第2の構成元素を含んでいてもよい。   Examples of the tin compound or silicon compound include those containing oxygen (O) or carbon (C), and may contain the second constituent element described above in addition to tin or silicon.

中でも、この負極材料としては、スズと、コバルトと、炭素とを構成元素として含み、炭素の含有量が9.9質量%以上29.7質量%以下であり、かつスズとコバルトとの合計に対するコバルトの割合が30質量%以上70質量%以下であるCoSnC含有材料が好ましい。このような組成範囲において高いエネルギー密度を得ることができると共に、優れたサイクル特性を得ることができるからである。   Among these, as this negative electrode material, tin, cobalt, and carbon are included as constituent elements, the carbon content is 9.9 mass% or more and 29.7 mass% or less, and the total of tin and cobalt is A CoSnC-containing material having a cobalt ratio of 30% by mass to 70% by mass is preferable. This is because a high energy density can be obtained in such a composition range, and excellent cycle characteristics can be obtained.

このCoSnC含有材料は、必要に応じて更に他の構成元素を含んでいてもよい。他の構成元素としては、例えば、ケイ素,鉄,ニッケル,クロム,インジウム,ニオブ(Nb),ゲルマニウム,チタン,モリブデン(Mo),アルミニウム(Al),リン(P),ガリウム(Ga)またはビスマスが好ましく、2種以上を含んでいてもよい。容量またはサイクル特性を更に向上させることができるからである。   This CoSnC-containing material may further contain other constituent elements as necessary. Examples of other constituent elements include silicon, iron, nickel, chromium, indium, niobium (Nb), germanium, titanium, molybdenum (Mo), aluminum (Al), phosphorus (P), gallium (Ga), or bismuth. Preferably, 2 or more types may be included. This is because the capacity or cycle characteristics can be further improved.

なお、このCoSnC含有材料は、スズと、コバルトと、炭素とを含む相を有しており、この相は結晶性の低いまたは非晶質な構造を有していることが好ましい。また、このCoSnC含有材料では、構成元素である炭素の少なくとも一部が、他の構成元素である金属元素または半金属元素と結合していることが好ましい。サイクル特性の低下はスズなどが凝集あるいは結晶化することによるものであると考えられるが、炭素が他の元素と結合することにより、そのような凝集あるいは結晶化を抑制することができるからである。   This CoSnC-containing material has a phase containing tin, cobalt, and carbon, and this phase preferably has a low crystallinity or an amorphous structure. In this CoSnC-containing material, it is preferable that at least a part of carbon as a constituent element is bonded to a metal element or a semimetal element as another constituent element. The decrease in cycle characteristics is thought to be due to the aggregation or crystallization of tin or the like, but this is because such aggregation or crystallization can be suppressed by combining carbon with other elements. .

負極活物質層22Bは、更に、他の負極活物質を含んでいてもよく、また、導電剤,結着剤あるいは粘度調整剤などの充電に寄与しない他の材料を含んでいてもよい。他の負極活物質としては、例えば、天然黒鉛,人造黒鉛,難黒鉛化炭素あるいは易黒鉛化炭素などの炭素材料が挙げられる。導電剤としては、黒鉛繊維,金属繊維あるいは金属粉末などが挙げられる。結着剤としては、ポリフッ化ビニリデンなどのフッ素系高分子化合物、またはスチレンブタジエンゴムあるいはエチレンプロピレンジエンゴムなどの合成ゴムなどが挙げられる。粘度調整剤としては、カルボキシメチルセルロースなどが挙げられる。   The negative electrode active material layer 22B may further include other negative electrode active materials, and may include other materials that do not contribute to charging, such as a conductive agent, a binder, or a viscosity modifier. Examples of other negative electrode active materials include carbon materials such as natural graphite, artificial graphite, non-graphitizable carbon, and graphitizable carbon. Examples of the conductive agent include graphite fiber, metal fiber, and metal powder. Examples of the binder include a fluorine-based polymer compound such as polyvinylidene fluoride, or a synthetic rubber such as styrene butadiene rubber or ethylene propylene diene rubber. Examples of the viscosity modifier include carboxymethylcellulose.

図4は、図1に示した巻回体20のIV−IV線に沿った断面構成の一例を表すものである。正極21の正極活物質層21B側と負極22との間にはセパレータとしてのイオン透過性絶縁膜23が設けられ、正極21の他方の面と負極22との間には絶縁膜24が設けられている。これにより、この二次電池では、充放電反応を、負極22の正極活物質層21Bに対向する面で生じさせることができ、単位面積当たりの負極集電体22Aにかかる膨張収縮圧力を軽減し、断裂などを抑えることができるようになっている。   FIG. 4 illustrates an example of a cross-sectional configuration along line IV-IV of the wound body 20 illustrated in FIG. An ion-permeable insulating film 23 as a separator is provided between the positive electrode active material layer 21 </ b> B side of the positive electrode 21 and the negative electrode 22, and an insulating film 24 is provided between the other surface of the positive electrode 21 and the negative electrode 22. ing. Thereby, in this secondary battery, the charge / discharge reaction can be caused on the surface of the negative electrode 22 facing the positive electrode active material layer 21B, and the expansion / contraction pressure applied to the negative electrode current collector 22A per unit area can be reduced. It is possible to suppress tears and the like.

また、正極21は、正極活物質層21B側を外側にして巻かれていることが好ましい。正極活物質層21Bは、後述するように正極活物質粉末を導電剤と共に結着剤を用いて正極集電体21A上に成形し、プレスで圧密することにより形成されているので、正極集電体21Aに比べて正極活物質層21Bのほうが圧縮伸び量が大きく機械的強度も高い。そのため、正極集電体21Aの片面にのみ正極活物質層21Bが設けられている場合、正極21は、正極集電体21Aを内側、正極活物質層21Bを外側とした丸まり癖がついている。圧密された正極活物質層21Bは可撓性に乏しいので、正極21を正極活物質層21B側を内側として巻くと、丸まり癖に逆らうことになり、亀裂、折れまたは破断が発生しやすくなる。仮に丸まり癖がそれほど強くなく、あるいはそれを矯正できたとしても、正極21を正極活物質層21B側を内側として巻いた場合、正極集電体21Aには引張応力が働く一方、十分圧密された正極活物質層21Bには更に圧縮応力が生じる。よって、正極活物質層21Bの座屈、亀裂あるいは脱落が起こりやすく、また、正極集電体21Aも破断しやすくなる。   The positive electrode 21 is preferably wound with the positive electrode active material layer 21B side facing outward. Since the positive electrode active material layer 21B is formed by forming a positive electrode active material powder on the positive electrode current collector 21A using a binder together with a conductive agent and compacting it with a press, as will be described later. Compared with the body 21A, the positive electrode active material layer 21B has a larger compressive elongation amount and higher mechanical strength. Therefore, when the positive electrode active material layer 21B is provided only on one surface of the positive electrode current collector 21A, the positive electrode 21 has rounded ridges with the positive electrode current collector 21A on the inner side and the positive electrode active material layer 21B on the outer side. Since the consolidated positive electrode active material layer 21B is poor in flexibility, when the positive electrode 21 is wound with the positive electrode active material layer 21B side as an inner side, the positive electrode active material layer 21B is opposed to curled folds and is likely to be cracked, broken, or broken. Even if the rounded wrinkles were not so strong or could be corrected, when the positive electrode 21 was wound with the positive electrode active material layer 21B side inside, the positive electrode current collector 21A was subjected to tensile stress, but was sufficiently consolidated. Further compressive stress is generated in the positive electrode active material layer 21B. Therefore, the positive electrode active material layer 21B is likely to buckle, crack or drop off, and the positive electrode current collector 21A is also likely to break.

イオン透過性絶縁膜23は、例えばポリプロピレンあるいはポリエチレンなどのポリオレフィン系の材料よりなる多孔質膜、またはセラミック製の不織布などの無機材料よりなる多孔質膜により構成されており、これら2種以上の多孔質膜を積層した構造とされていてもよい。   The ion-permeable insulating film 23 is composed of, for example, a porous film made of a polyolefin-based material such as polypropylene or polyethylene, or a porous film made of an inorganic material such as a ceramic nonwoven fabric. A structure in which a material film is laminated may be used.

イオン透過性絶縁膜23には、液状の電解質である電解液が含浸されている。この電解液は、例えば、溶媒と、電解質塩であるリチウム塩とを含んで構成されている。溶媒は、電解質塩を溶解し解離させるものである。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、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、1, 2−ジメトキシエタン、1, 2−ジエトキシエタン、γ−ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1, 3−ジオキソラン、4メチル1, 3ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、プロピオニトリル、アニソール、酢酸エステル、酪酸エステルあるいはプロピオン酸エステルなどが挙げられ、これらのいずれか1種または2種以上を混合して用いてもよい。   The ion-permeable insulating film 23 is impregnated with an electrolytic solution that is a liquid electrolyte. For example, the electrolytic solution includes a solvent and a lithium salt that is an electrolyte salt. The solvent dissolves and dissociates the electrolyte salt. Solvents include propylene carbonate, ethylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, γ-butyrolactone, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,3-dioxolane, and 4-methyl. 1,3 dioxolane, diethyl ether, sulfolane, methyl sulfolane, acetonitrile, propionitrile, anisole, acetic acid ester, butyric acid ester or propionic acid ester, etc. are used, and any one of these or a mixture of two or more are used. May be.

リチウム塩としては、例えば、LiClO4 ,LiAsF6 ,LiPF6 ,LiBF4 ,LiB(C6 5 4 ,CH3 SO3 Li,CF3 SO3 Li,LiClあるいはLiBrが挙げられ、これらのいずれか1種または2種以上を混合して用いてもよい。 Examples of the lithium salt include LiClO 4 , LiAsF 6 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiB (C 6 H 5 ) 4 , CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, LiCl, or LiBr. One kind or a mixture of two or more kinds may be used.

絶縁膜24は、正極21の他方の面と負極22との間を絶縁するためのものである。絶縁膜24は、正極21と負極22との電子的絶縁性を維持できるものであれば形状、構成材料などは特に限定されないが、例えば、ポリプロピレンあるいはポリエチレンなどのポリオレフィン系の材料、ポリフッ化ビニリデンなどのフッ化ビニリデン系樹脂、ポリフェニレンサルファイドまたはポリエチレンテレフタレートが好ましい。また、これらはフィラーなどを含有していてもよい。中でも、特に、ポリプロピレンあるいはポリエチレンなどのポリオレフィン系の材料が好ましい。また、絶縁膜24は、イオン透過性絶縁膜23のような多孔質膜よりもイオン透過性に乏しい形態のものが好ましい。   The insulating film 24 is for insulating the other surface of the positive electrode 21 and the negative electrode 22. As long as the insulating film 24 can maintain the electronic insulation between the positive electrode 21 and the negative electrode 22, the shape and the constituent material are not particularly limited. For example, a polyolefin-based material such as polypropylene or polyethylene, polyvinylidene fluoride, etc. Of these, vinylidene fluoride resin, polyphenylene sulfide or polyethylene terephthalate is preferable. Moreover, these may contain a filler etc. Of these, polyolefin materials such as polypropylene and polyethylene are particularly preferable. Further, the insulating film 24 preferably has a form that is less ion permeable than a porous film such as the ion permeable insulating film 23.

この二次電池は、例えば、次のようにして製造することができる。   For example, the secondary battery can be manufactured as follows.

まず、例えば、正極活物質と、導電剤と、結着剤とを混合して正極合剤を調製し、この正極合剤をN−メチル−2−ピロリドンなどの溶剤に分散させてペースト状の正極合剤スラリーとする。続いて、この正極合剤スラリーを正極集電体21Aにドクタブレードあるいはバーコーターなどを用いて均一に塗布し溶剤を乾燥させたのち、ロールプレス機などにより圧縮成型して正極活物質層21Bを形成し、正極21を作製する。   First, for example, a positive electrode active material, a conductive agent, and a binder are mixed to prepare a positive electrode mixture, and the positive electrode mixture is dispersed in a solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone to obtain a paste-like material. A positive electrode mixture slurry is obtained. Subsequently, the positive electrode mixture slurry is uniformly applied to the positive electrode current collector 21A using a doctor blade or a bar coater, and the solvent is dried. Then, the positive electrode active material layer 21B is formed by compression molding using a roll press or the like. Then, the positive electrode 21 is produced.

次いで、例えば、負極活物質と、結着剤とを混合して負極合剤を調製し、この負極合剤をN−メチル−2−ピロリドンなどの溶剤に分散させてペースト状の負極合剤スラリーとする。続いて、この負極合剤スラリーを負極集電体22Aにドクタブレードあるいはバーコーターなどを用いて均一に塗布し溶剤を乾燥させたのち、ロールプレス機により圧縮成型して負極合剤層22Bを形成し、負極22を作製する。ロールプレス機は加熱して用いてもよい。また、目的の物性値になるまで複数回圧縮成型してもよい。更に、ロールプレス機以外のプレス機を用いてもよい。   Next, for example, a negative electrode active material and a binder are mixed to prepare a negative electrode mixture, and the negative electrode mixture is dispersed in a solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone to obtain a paste-like negative electrode mixture slurry. And Subsequently, the negative electrode mixture slurry is uniformly applied to the negative electrode current collector 22A using a doctor blade or a bar coater, and the solvent is dried. Then, the negative electrode mixture layer 22B is formed by compression molding using a roll press. Then, the negative electrode 22 is produced. The roll press machine may be used by heating. Moreover, you may compression-mold several times until it becomes the target physical-property value. Furthermore, you may use press machines other than a roll press machine.

負極22を形成したのち、正極集電体21Aに正極リード26を溶接などにより取り付けると共に、負極集電体22Aに負極リード27を溶接などにより取り付ける。そののち、正極21と負極22とをイオン透過性絶縁膜23および絶縁膜24を間にして積層し図2および図3に示した巻回方向に多数回巻回して巻回体20を作製する。   After forming the negative electrode 22, the positive electrode lead 26 is attached to the positive electrode current collector 21A by welding or the like, and the negative electrode lead 27 is attached to the negative electrode current collector 22A by welding or the like. After that, the positive electrode 21 and the negative electrode 22 are laminated with the ion-permeable insulating film 23 and the insulating film 24 therebetween, and are wound many times in the winding direction shown in FIGS. 2 and 3 to produce the wound body 20. .

巻回体20を作製したのち、巻回体20を一対の絶縁板12,13で挟み、負極リード27を電池缶11に溶接すると共に、正極リード26を安全弁機構15に溶接して、巻回体20を電池缶11の内部に収容し、電解液を電池缶11の内部に注入し、イオン透過性絶縁膜23に含浸させる。そののち、電池缶11の開口端部に電池蓋14,安全弁機構15および熱感抵抗素子16をガスケット17を間にしてかしめることにより固定する。これにより、図1に示した二次電池が完成する。   After the wound body 20 is manufactured, the wound body 20 is sandwiched between the pair of insulating plates 12 and 13, the negative electrode lead 27 is welded to the battery can 11, and the positive electrode lead 26 is welded to the safety valve mechanism 15. The body 20 is accommodated in the battery can 11, the electrolyte is injected into the battery can 11, and the ion-permeable insulating film 23 is impregnated. After that, the battery lid 14, the safety valve mechanism 15, and the heat sensitive resistance element 16 are fixed to the opening end of the battery can 11 by caulking the gasket 17 therebetween. Thereby, the secondary battery shown in FIG. 1 is completed.

この二次電池では、充電を行うと、正極21からリチウムイオンが放出され、イオン透過性絶縁膜23に含浸された電解液を介して負極22に吸蔵される。放電を行うと、負極22からリチウムイオンが放出され、イオン透過性絶縁膜23に含浸された電解液を介して正極21に吸蔵される。ここでは、正極21の正極活物質層21B側と負極22との間にはイオン透過性絶縁膜23が設けられる一方、正極21の他方の面と負極22との間は絶縁膜24により絶縁されているので、充放電反応は、負極22の正極活物質層21Bに対向する面で生じる。よって、単位面積当たりの負極集電体22Aにかかる膨張収縮圧力が軽減され、断裂などが抑えられる。また、負極集電体22Aの両面には負極活物質層22Bが設けられているので、負極22の強度が高くなり、負極集電体22Aの断裂が抑えられる。これによりサイクル特性が改善される。   In this secondary battery, when charged, lithium ions are released from the positive electrode 21 and inserted in the negative electrode 22 through the electrolytic solution impregnated in the ion-permeable insulating film 23. When discharging is performed, lithium ions are released from the negative electrode 22 and inserted into the positive electrode 21 through the electrolytic solution impregnated in the ion-permeable insulating film 23. Here, an ion-permeable insulating film 23 is provided between the positive electrode active material layer 21 </ b> B side of the positive electrode 21 and the negative electrode 22, while the other surface of the positive electrode 21 and the negative electrode 22 are insulated by the insulating film 24. Therefore, the charge / discharge reaction occurs on the surface of the negative electrode 22 facing the positive electrode active material layer 21B. Therefore, the expansion / contraction pressure applied to the negative electrode current collector 22A per unit area is reduced, and tearing and the like are suppressed. Moreover, since the negative electrode active material layer 22B is provided on both surfaces of the negative electrode current collector 22A, the strength of the negative electrode 22 is increased, and the breakage of the negative electrode current collector 22A is suppressed. This improves the cycle characteristics.

このように本実施の形態によれば、正極21の正極活物質層21B側と負極22との間にはイオン透過性絶縁膜23を設ける一方、正極活物質層21Bの他方の面と負極22との間には絶縁膜24を設けるようにしたので、負極22の断裂などを抑え、サイクル特性を向上させることができる。   Thus, according to the present embodiment, the ion-permeable insulating film 23 is provided between the positive electrode active material layer 21B side of the positive electrode 21 and the negative electrode 22, while the other surface of the positive electrode active material layer 21B and the negative electrode 22 are provided. Since the insulating film 24 is provided between the two, the tearing of the negative electrode 22 can be suppressed and the cycle characteristics can be improved.

また、負極集電体22Aの両面に負極活物質層22Bを設けるようにしたので、負極22の強度を高め、負極集電体22Aの断裂を抑えることができる。   Further, since the negative electrode active material layer 22B is provided on both surfaces of the negative electrode current collector 22A, the strength of the negative electrode 22 can be increased and the breakage of the negative electrode current collector 22A can be suppressed.

更に、負極22の負極活物質として、ケイ素およびスズのうちの少なくとも一方を構成元素として含む材料、特に上述したCoSnC含有材料を含むようにしたので、高い容量を得ることができる。   Furthermore, since the negative electrode active material of the negative electrode 22 includes a material containing at least one of silicon and tin as a constituent element, particularly the above-described CoSnC-containing material, a high capacity can be obtained.

加えて、正極21を、正極活物質層21B側を外側として巻くようにすれば、正極21の自然な丸まり癖に合わせて巻くことができ、正極21の亀裂、折れまたは破断を防止することができる。   In addition, if the positive electrode 21 is wound with the positive electrode active material layer 21B side as the outer side, the positive electrode 21 can be wound in accordance with the natural curled surface of the positive electrode 21, and the positive electrode 21 can be prevented from being cracked, broken or broken. it can.

〔第2の実施の形態〕
図5は本発明の第2の実施の形態に係る二次電池の負極22の巻回前の断面構成を表すものである。この二次電池では、負極集電体22Aに、リチウムイオンが移動可能な貫通孔22Cが設けられており、負極22の両面で充放電反応が起こるようにしたことを除いては、第1の実施の形態の二次電池と同一の構成を有し、同様にして製造することができる。
[Second Embodiment]
FIG. 5 shows a cross-sectional configuration before winding the negative electrode 22 of the secondary battery according to the second embodiment of the present invention. In this secondary battery, the negative electrode current collector 22 </ b> A is provided with a through-hole 22 </ b> C through which lithium ions can move, and the charge / discharge reaction occurs on both surfaces of the negative electrode 22. It has the same configuration as the secondary battery of the embodiment and can be manufactured in the same manner.

貫通孔22Cは、例えば、平均直径0.1mmであり、20個/cm2 の密度で設けられている。 The through holes 22C have, for example, an average diameter of 0.1 mm and are provided at a density of 20 holes / cm 2 .

本実施の形態では、負極集電体22Aに、リチウムイオンが移動可能な貫通孔22Cを設けるようにしたので、第1の実施の形態と同様に負極22の断裂などを抑え、サイクル特性を向上させることができる。   In the present embodiment, the negative electrode current collector 22A is provided with a through hole 22C through which lithium ions can move, so that the negative electrode 22 is prevented from being broken and the cycle characteristics are improved as in the first embodiment. Can be made.

更に、本発明の具体的な実施例について詳細に説明する。   Further, specific embodiments of the present invention will be described in detail.

(実施例1〜3)
上記第1および第2の実施の形態で説明した二次電池を作製した。まず、炭酸リチウム(Li2 CO3 )と炭酸コバルト(CoCO3 )とを、Li2 CO3 :CoCO3 =0.5:1(モル比)の割合で混合し、空気中において900℃で5時間焼成して、正極活物質としてのリチウム・コバルト複合酸化物(LiCoO2 )を得た。次いで、このリチウム・コバルト複合酸化物94質量部と、導電剤であるグラファイト2質量部およびケッチェンブラック1質量部と、結着剤であるポリフッ化ビニリデン3質量部とを混合して正極合剤を調整した。続いて、この正極合剤を溶剤であるN−メチル−2−ピロリドンに分散させて正極合剤スラリーとし、厚み15μmのアルミニウム箔よりなる正極集電体21Aの片面に均一に塗布して乾燥させ、ロールプレス機で圧縮成型して正極活物質層21Bを形成し正極21を作製した。続いて、正極集電体21Aの一端にアルミニウム製の正極リード26を取り付けた。
(Examples 1-3)
The secondary battery described in the first and second embodiments was produced. First, lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) and cobalt carbonate (CoCO 3 ) are mixed at a ratio of Li 2 CO 3 : CoCO 3 = 0.5: 1 (molar ratio), and 5 ° C. at 900 ° C. in the air. After firing for a time, lithium-cobalt composite oxide (LiCoO 2 ) as a positive electrode active material was obtained. Next, 94 parts by mass of this lithium-cobalt composite oxide, 2 parts by mass of graphite as a conductive agent and 1 part by mass of ketjen black, and 3 parts by mass of polyvinylidene fluoride as a binder are mixed to form a positive electrode mixture. Adjusted. Subsequently, this positive electrode mixture is dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent to form a positive electrode mixture slurry, which is uniformly applied to one surface of a positive electrode current collector 21A made of an aluminum foil having a thickness of 15 μm and dried. Then, the positive electrode active material layer 21B was formed by compression molding with a roll press machine, and the positive electrode 21 was produced. Subsequently, a positive electrode lead 26 made of aluminum was attached to one end of the positive electrode current collector 21A.

また、負極活物質としてCoSnC含有材料を作製した。まず、原料としてコバルト粉末32.0質量部と、スズ粉末59.4質量部と、ケイ素粉末3.7質量部と、チタン粉末3.2質量部と、インジウム粉末1.7質量部とを計量し、石英管に入れてアルゴン(Ar)雰囲気中で高周波溶融炉にて溶融した。次いで、これを直径200mm、幅20mm、回転速度3000rpmの銅よりなる回転ディスクにキャスティングして急冷し、コバルト,スズ,ケイ素,チタンおよびインジウムよりなるリボン状の材料を作製した。続いて、このリボン状の材料をボールミルを用いてアルゴン雰囲気中で粉砕し粉末材料を得た。   In addition, a CoSnC-containing material was produced as a negative electrode active material. First, 32.0 parts by mass of cobalt powder, 59.4 parts by mass of tin powder, 3.7 parts by mass of silicon powder, 3.2 parts by mass of titanium powder, and 1.7 parts by mass of indium powder are weighed as raw materials. Then, it was put into a quartz tube and melted in a high frequency melting furnace in an argon (Ar) atmosphere. Next, this was cast on a rotating disk made of copper having a diameter of 200 mm, a width of 20 mm, and a rotational speed of 3000 rpm, and rapidly cooled to produce a ribbon-like material made of cobalt, tin, silicon, titanium and indium. Subsequently, the ribbon-like material was pulverized in an argon atmosphere using a ball mill to obtain a powder material.

そののち、この粉末材料16.4gと、炭素粉末3.6gとをめのう乳鉢で乾式混合し、直径9mmの鋼玉約400gと共に、遊星ボールミル(伊藤製作所製)の反応容器中にセットした。続いて、反応容器中をアルゴン雰囲気に置換し、毎分250回転の回転速度による10分間の運転と、10分間の休止とを運転時間の合計が30時間になるまで繰り返した。そののち、反応容器を室温まで冷却して合成された粉末を取り出し、280メッシュのふるいを通して粗粉を取り除き、CoSnC含有材料を得た。   After that, 16.4 g of this powder material and 3.6 g of carbon powder were dry-mixed in an agate mortar and set in a reaction vessel of a planetary ball mill (manufactured by Ito Seisakusho) together with about 400 g of steel balls having a diameter of 9 mm. Subsequently, the inside of the reaction vessel was replaced with an argon atmosphere, and a 10-minute operation at a rotation speed of 250 revolutions per minute and a 10-minute pause were repeated until the total operation time reached 30 hours. After that, the reaction vessel was cooled to room temperature, the synthesized powder was taken out, coarse powder was removed through a 280 mesh sieve, and a CoSnC-containing material was obtained.

得られたCoSnC含有材料について組成の分析を行ったところ、コバルト,スズ,ケイ素,チタン,インジウムおよび炭素の質量比は、コバルト:スズ:ケイ素:チタン:インジウム:炭素=26.2:48.7:3.0:2.6:1.4:18.1であった。なお、炭素の含有量は、炭素・硫黄分析装置により測定し、コバルト,スズ,ケイ素,チタンおよびインジウムの含有量は、ICP(Inductively Coupled Plasma:誘導結合プラズマ)発光分析により測定した。また、得られたCoSnC含有材料についてX線回折を行ったところ、反応相の回折ピークの半値幅は4.5degであった。   When the composition of the obtained CoSnC-containing material was analyzed, the mass ratio of cobalt, tin, silicon, titanium, indium and carbon was cobalt: tin: silicon: titanium: indium: carbon = 26.2: 48.7. : 3.0: 2.6: 1.4: 18.1. The carbon content was measured by a carbon / sulfur analyzer, and the contents of cobalt, tin, silicon, titanium and indium were measured by ICP (Inductively Coupled Plasma) emission analysis. Moreover, when X-ray diffraction was performed about the obtained CoSnC containing material, the half value width of the diffraction peak of the reaction phase was 4.5 deg.

次いで、このCoSnC含有材料70質量部と、導電剤および負極活物質である黒鉛20質量部と、導電剤であるアセチレンブラック1重量部と、結着剤であるポリフッ化ビニリデン4質量部とを混合し、負極合剤を調整した。続いて、この負極合剤を溶剤であるN−メチル−2−ピロリドンに分散させて負極合剤スラリーとし、厚み12μmの銅箔よりなる負極集電体22Aの両面に塗布して乾燥させ、ロールプレス機で圧縮成型して負極活物質層22Bを形成し負極22を作製した。そののち、負極集電体22Aの一端にニッケル製の負極リード27を取り付けた。   Next, 70 parts by mass of this CoSnC-containing material, 20 parts by mass of graphite as a conductive agent and a negative electrode active material, 1 part by weight of acetylene black as a conductive agent, and 4 parts by mass of polyvinylidene fluoride as a binder are mixed. The negative electrode mixture was adjusted. Subsequently, the negative electrode mixture is dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent to form a negative electrode mixture slurry, which is applied to both surfaces of a negative electrode current collector 22A made of a copper foil having a thickness of 12 μm, and dried. The negative electrode active material layer 22B was formed by compression molding with a press, and the negative electrode 22 was produced. After that, a negative electrode lead 27 made of nickel was attached to one end of the negative electrode current collector 22A.

負極22を作製したのち、厚み25μmの微孔性ポリプロピレンフィルムよりなるイオン透過性絶縁膜23と、絶縁膜24とを用意した。絶縁膜24として、実施例1では、厚み30μmのポリプロピレンよりなるもの、実施例2では、厚み30μmのポリエチレンテレフタレートよりなるもの、実施例3では、厚み30μmのポリエチレンフィルムよりなるものをそれぞれ用いた。   After producing the negative electrode 22, an ion-permeable insulating film 23 made of a microporous polypropylene film having a thickness of 25 μm and an insulating film 24 were prepared. As the insulating film 24, a film made of polypropylene having a thickness of 30 μm was used in Example 1, a film made of polyethylene terephthalate having a thickness of 30 μm was used in Example 2, and a film made of polyethylene film having a thickness of 30 μm was used in Example 3.

続いて、正極21の正極活物質層21B側と負極22との間にはイオン透過性絶縁膜23を設ける一方、正極21の他方の面と負極22との間には絶縁膜24を設けるように、負極22,イオン透過性絶縁膜23,正極21および絶縁膜24の順に積層して積層体を形成したのち、この積層体を渦巻状に多数回巻回し、巻回体20を作製した。   Subsequently, an ion-permeable insulating film 23 is provided between the positive electrode active material layer 21 </ b> B side of the positive electrode 21 and the negative electrode 22, while an insulating film 24 is provided between the other surface of the positive electrode 21 and the negative electrode 22. Then, the negative electrode 22, the ion permeable insulating film 23, the positive electrode 21 and the insulating film 24 were laminated in this order to form a laminated body, and the laminated body was then wound many times in a spiral shape to produce a wound body 20.

巻回体20を作製したのち、巻回体20を一対の絶縁板12,13で挟み、負極リード27を電池缶11に溶接すると共に、正極リード26を安全弁機構15に溶接して、巻回体20を内径17.5mmの電池缶11の内部に収容した。そののち、電池缶11の内部に電解液を注入した。電解液には、炭酸エチレン50重量%と炭酸ジエチル50重量%とを混合した溶媒に、電解質塩としてLiPF6 を1mol/dm3 の含有量で溶解させたものを用いた。 After the wound body 20 is manufactured, the wound body 20 is sandwiched between the pair of insulating plates 12 and 13, the negative electrode lead 27 is welded to the battery can 11, and the positive electrode lead 26 is welded to the safety valve mechanism 15. The body 20 was accommodated in a battery can 11 having an inner diameter of 17.5 mm. After that, an electrolytic solution was injected into the battery can 11. As the electrolytic solution, a solution obtained by dissolving LiPF 6 as an electrolyte salt in a content of 1 mol / dm 3 in a solvent obtained by mixing 50% by weight of ethylene carbonate and 50% by weight of diethyl carbonate was used.

電池缶11の内部に電解液を注入したのち、ガスケット17を間にして電池蓋14を電池缶11にかしめることにより、外径18mm、高さ65mmの円筒型の二次電池を得た。   After injecting the electrolyte into the battery can 11, the battery lid 14 was caulked to the battery can 11 with the gasket 17 in between to obtain a cylindrical secondary battery having an outer diameter of 18 mm and a height of 65 mm.

実施例1〜3に対する比較例1として、正極集電体の両面に正極活物質層を設けた正極を形成し、負極,イオン透過性絶縁膜,正極およびイオン透過性絶縁膜の順に積層し、巻回して巻回体を作製したことを除き、実施例1と同様にして二次電池を作製した。   As Comparative Example 1 with respect to Examples 1 to 3, a positive electrode provided with a positive electrode active material layer on both sides of a positive electrode current collector was formed, and a negative electrode, an ion-permeable insulating film, a positive electrode, and an ion-permeable insulating film were stacked in this order. A secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the wound body was produced by winding.

(実施例4)
負極集電体22Aとして、厚み12μmの銅箔に、平均直径約0.1mmの貫通孔22Cを20個/cm2 の密度で設けたものを用いたことを除き、実施例1と同様にして二次電池を作製した。
Example 4
The negative electrode current collector 22A was the same as that of Example 1, except that a 12 μm thick copper foil having through holes 22C with an average diameter of about 0.1 mm provided at a density of 20 holes / cm 2 was used. A secondary battery was produced.

実施例4に対する比較例2として、正極集電体の両面に正極活物質層を設けた正極を形成し、負極,イオン透過性絶縁膜,正極およびイオン透過性絶縁膜の順に積層し、巻回して巻回体を作製したことを除き、実施例2と同様にして二次電池を作製した。   As Comparative Example 2 with respect to Example 4, a positive electrode provided with a positive electrode active material layer on both sides of a positive electrode current collector was formed, and a negative electrode, an ion-permeable insulating film, a positive electrode, and an ion-permeable insulating film were sequentially laminated and wound. A secondary battery was produced in the same manner as in Example 2 except that the wound body was produced.

また、実施例1〜3に対する比較例3として、負極活物質として黒鉛を用いたことを除き、比較例1と同様にして二次電池を作製した。その際、2800℃で熱処理した平均粒径20μmのメソカーボンマイクロビーズ(黒鉛化品)95.5質量部と、スチレン−ブタジエンラバー(SBR)のエマルジョン3質量部と、カルボキシメチルセルロースのナトリウム(Na)塩1.5質量部とを、イオン交換水を分散媒として分散・混合することにより、負極合剤スラリーを得た。   Moreover, as Comparative Example 3 with respect to Examples 1 to 3, a secondary battery was fabricated in the same manner as Comparative Example 1 except that graphite was used as the negative electrode active material. At that time, 95.5 parts by mass of mesocarbon microbeads (graphitized product) having an average particle diameter of 20 μm heat-treated at 2800 ° C., 3 parts by mass of an emulsion of styrene-butadiene rubber (SBR), and sodium (Na) of carboxymethyl cellulose A negative electrode mixture slurry was obtained by dispersing and mixing 1.5 parts by mass of salt with ion-exchanged water as a dispersion medium.

更に、比較例4として、正極集電体の片面に正極活物質層を設けた正極を形成し、負極,イオン透過性絶縁膜,正極および絶縁膜の順に積層し、巻回して巻回体を作製したことを除き、比較例3と同様にして二次電池を作製した。   Further, as Comparative Example 4, a positive electrode provided with a positive electrode active material layer on one side of a positive electrode current collector was formed, and a negative electrode, an ion-permeable insulating film, a positive electrode, and an insulating film were laminated in that order and wound to form a wound body. A secondary battery was produced in the same manner as in Comparative Example 3 except that it was produced.

加えて、比較例5として、正極集電体の片面に正極活物質層を設けた正極と、負極集電体の片面に負極活物質層を設けた負極とを形成し、正極活物質層と負極活物質層とが対向するように負極,イオン透過性絶縁膜,正極および絶縁膜の順に積層し、巻回して巻回体を作製したことを除き、実施例3と同様にして二次電池を作製した。   In addition, as Comparative Example 5, a positive electrode provided with a positive electrode active material layer on one side of a positive electrode current collector and a negative electrode provided with a negative electrode active material layer on one side of a negative electrode current collector were formed. A secondary battery is formed in the same manner as in Example 3 except that a negative electrode, an ion-permeable insulating film, a positive electrode, and an insulating film are laminated in this order so as to face the negative electrode active material layer and wound to produce a wound body. Was made.

このようにして得られた実施例1〜4および比較例1〜5の二次電池について、正極反応面積に対する電流密度を1mA/cm2 、上限電圧4.2Vで定電流定電圧充電を電流が0.01mA/cm2 となるまで行った。続いて、電流密度0.5mA/cm2 で2.0Vまで定電流で放電して初回容量とした。そののち、この条件で充放電を50回繰り返し、50回目の放電容量を計測し、初回容量に対する容量維持率(50サイクル目の放電容量/初回容量)×100(%))を算出した。その結果を表1および図6に示す。なお、表1において「−」は、50サイクル以内に充放電不可能となったことを表す。 About the secondary batteries of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 5 thus obtained, the current density with respect to the positive electrode reaction area was 1 mA / cm 2 , and the constant current and constant voltage charging was performed at the upper limit voltage of 4.2 V. It was carried out until the 0.01mA / cm 2. Subsequently, the battery was discharged at a constant current up to 2.0 V at a current density of 0.5 mA / cm 2 to obtain an initial capacity. Thereafter, charging / discharging was repeated 50 times under these conditions, the 50th discharge capacity was measured, and the capacity retention ratio (discharge capacity at the 50th cycle / initial capacity) × 100 (%)) with respect to the initial capacity was calculated. The results are shown in Table 1 and FIG. In Table 1, “-” indicates that charging / discharging is not possible within 50 cycles.

Figure 2007066685
Figure 2007066685

表1および図6から分かるように、正極集電体21Aの片面に正極活物質層21Bを設けた実施例1〜4では、正極集電体の両面に正極活物質層を設けた比較例1,2に比べて高い容量維持率を得ることができた。すなわち、正極集電体21Aの片面に正極活物質層21Bを設け、正極21の正極活物質層21B側と負極22との間にはイオン透過性絶縁膜23を設ける一方、正極21の他方の面と負極22との間には絶縁膜24を設けるようにすれば、負極22の断裂などを抑え、サイクル特性を向上させることができることが分かった。   As can be seen from Table 1 and FIG. 6, in Examples 1 to 4 in which the positive electrode active material layer 21B is provided on one side of the positive electrode current collector 21A, Comparative Example 1 in which the positive electrode active material layer is provided on both sides of the positive electrode current collector. , 2 was able to obtain a higher capacity retention rate. That is, the positive electrode active material layer 21B is provided on one surface of the positive electrode current collector 21A, and the ion permeable insulating film 23 is provided between the positive electrode active material layer 21B side of the positive electrode 21 and the negative electrode 22, while the other side of the positive electrode 21 is provided. It has been found that if the insulating film 24 is provided between the surface and the negative electrode 22, the negative electrode 22 can be prevented from being broken and the cycle characteristics can be improved.

また、負極活物質として黒鉛を用いた比較例3,4では、充放電に伴う体積変化が小さいので、比較例3のように正極活物質層を正極集電体の両面に設けるか、比較例4のように片面に設けるかによって有意差は見られなかった。すなわち、負極22が負極活物質としてCoSnC含有材料を含む場合には、正極集電体21Aの片面に正極活物質層21Bを設けることによりサイクル特性を向上させることができることが分かった。   Further, in Comparative Examples 3 and 4 using graphite as the negative electrode active material, the volume change accompanying charging / discharging is small, so that the positive electrode active material layer is provided on both surfaces of the positive electrode current collector as in Comparative Example 3, or No significant difference was observed depending on whether it was provided on one side as in FIG. In other words, when the negative electrode 22 includes a CoSnC-containing material as the negative electrode active material, it was found that the cycle characteristics can be improved by providing the positive electrode active material layer 21B on one surface of the positive electrode current collector 21A.

更に、50サイクル以内に充放電不可能となった比較例5では、電池の内部抵抗を測定したところ無限大となっており、解体して調べたところ、負極集電体が巻回方向に対して垂直な軸方向に断裂していた。すなわち、負極集電体22Aの両面に負極活物質層22Bを設けることにより、負極22の強度を強め、負極集電体22Aの断裂を抑えることができることが分かった。   Furthermore, in Comparative Example 5 in which charging / discharging was not possible within 50 cycles, the internal resistance of the battery was measured and found to be infinite. When disassembled and examined, the negative electrode current collector was in the winding direction. And torn in the vertical axis direction. That is, it was found that by providing the negative electrode active material layer 22B on both surfaces of the negative electrode current collector 22A, the strength of the negative electrode 22 can be increased and the rupture of the negative electrode current collector 22A can be suppressed.

以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態および実施例では、粒子状の負極活物質を用いる場合について説明したが、気相法あるいは液相法などにより負極活物質層22Bを形成するようにしてもよい。   Although the present invention has been described with reference to the embodiments and examples, the present invention is not limited to the above embodiments and examples, and various modifications can be made. For example, in the above embodiments and examples, the case where the particulate negative electrode active material is used has been described. However, the negative electrode active material layer 22B may be formed by a vapor phase method or a liquid phase method.

また、例えば、上記実施の形態および実施例では、溶媒に液状の電解質である電解液を用いる場合について説明したが、電解液に代えて、他の電解質を用いるようにしてもよい。他の電解質としては、例えば、電解液を高分子化合物に保持させたゲル状の電解質、イオン伝導性を有する固体電解質、固体電解質と電解液とを混合したもの、あるいは固体電解質とゲル状の電解質とを混合したものが挙げられる。   Further, for example, in the above-described embodiments and examples, the case where an electrolytic solution that is a liquid electrolyte is used as a solvent has been described, but other electrolytes may be used instead of the electrolytic solution. Other electrolytes include, for example, a gel electrolyte in which an electrolyte is held in a polymer compound, a solid electrolyte having ionic conductivity, a mixture of a solid electrolyte and an electrolyte, or a solid electrolyte and a gel electrolyte. And a mixture thereof.

また、上記実施の形態および実施例では、巻回構造を有する円筒型の二次電池について説明したが、本発明は、巻回構造を有する二次電池であればいずれも適用することができる。   Moreover, in the said embodiment and Example, although the cylindrical secondary battery which has a winding structure was demonstrated, all can be applied if this invention is a secondary battery which has a winding structure.

更に、上記実施の形態および実施例では、電極反応物質としてリチウムを用いる場合について説明したが、ナトリウム(Na)あるいはカリウム(K)などの長周期型周期表における他の1族の元素、またはマグネシウムあるいはカルシウム(Ca)などの長周期型周期表における2族の元素、またはアルミニウムなどの他の軽金属、またはリチウムあるいはこれらの合金を用いる場合についても、本発明を適用することができ、同様の効果を得ることができる。その際、電極反応物質を吸蔵および放出することが可能な負極活物質、正極活物質あるいは溶媒などは、その電極反応物質に応じて選択される。   Furthermore, in the above-described embodiment and examples, the case where lithium is used as the electrode reactant has been described. However, other group 1 elements in the long-period periodic table such as sodium (Na) or potassium (K), or magnesium Alternatively, the present invention can be applied to the case where a Group 2 element in a long-period periodic table such as calcium (Ca), another light metal such as aluminum, lithium, or an alloy thereof is used, and similar effects are obtained. Can be obtained. At that time, a negative electrode active material, a positive electrode active material, a solvent, or the like that can occlude and release the electrode reactant is selected according to the electrode reactant.

本発明の第1の実施の形態に係る二次電池の構成を表す断面図である。It is sectional drawing showing the structure of the secondary battery which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 図1に示した正極の巻回前の構成を表す断面図である。It is sectional drawing showing the structure before winding of the positive electrode shown in FIG. 図1に示した負極の巻回前の構成を表す断面図である。It is sectional drawing showing the structure before winding of the negative electrode shown in FIG. 図1に示した巻回体のIV−IV線に沿った構成を表す断面図である。It is sectional drawing showing the structure along the IV-IV line of the wound body shown in FIG. 本発明の第2の実施の形態に係る二次電池の負極の巻回前の構成を表す断面図である。It is sectional drawing showing the structure before winding of the negative electrode of the secondary battery which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の実施例および比較例の結果を表す図である。It is a figure showing the result of the Example and comparative example of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

11…電池缶、12,13…絶縁板、14…電池蓋、15…安全弁機構、16…熱感抵抗素子、17…ガスケット、20…巻回体、21…正極、21A…正極集電体、21B…正極活物質層、22…負極、22A…負極集電体、22B…負極活物質層、22C…貫通孔、23…イオン透過性絶縁膜、24…絶縁膜、25…センターピン、26…正極リード、27…負極リード。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Battery can, 12, 13 ... Insulating plate, 14 ... Battery cover, 15 ... Safety valve mechanism, 16 ... Heat sensitive resistance element, 17 ... Gasket, 20 ... Winding body, 21 ... Positive electrode, 21A ... Positive electrode collector, 21B ... Positive electrode active material layer, 22 ... Negative electrode, 22A ... Negative electrode current collector, 22B ... Negative electrode active material layer, 22C ... Through-hole, 23 ... Ion permeable insulating film, 24 ... Insulating film, 25 ... Center pin, 26 ... Positive electrode lead, 27... Negative electrode lead.

Claims (3)

帯状の負極集電体の両面にそれぞれ負極活物質層を有し、前記負極活物質層に、スズ(Sn)およびケイ素(Si)のうちの少なくとも一方を含む負極と、
帯状の正極集電体の一方の面に正極活物質層を有し、前記負極とともに巻回体を構成する正極と、
前記正極の正極活物質層側と前記負極との間に設けられたイオン透過性絶縁膜と、
前記正極の他方の面と前記負極との間に設けられた絶縁膜と
を備えたことを特徴とする二次電池。
A negative electrode active material layer on each side of the belt-shaped negative electrode current collector, and the negative electrode active material layer includes at least one of tin (Sn) and silicon (Si);
A positive electrode having a positive electrode active material layer on one surface of a belt-like positive electrode current collector, and constituting a wound body together with the negative electrode;
An ion-permeable insulating film provided between the positive electrode active material layer side of the positive electrode and the negative electrode;
A secondary battery comprising: an insulating film provided between the other surface of the positive electrode and the negative electrode.
前記負極集電体は、電極反応物質のイオンが移動可能な貫通孔を有することを特徴とする請求項1記載の二次電池。   The secondary battery according to claim 1, wherein the negative electrode current collector has a through hole through which ions of an electrode reactant can move. 前記正極は、前記正極活物質層側を外側にして巻かれていることを特徴とする請求項1記載の二次電池。
The secondary battery according to claim 1, wherein the positive electrode is wound with the positive electrode active material layer side outward.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2008311209A (en) * 2007-05-17 2008-12-25 Sanyo Electric Co Ltd Nonaqueous electrolyte secondary battery
JP2021518038A (en) * 2018-04-13 2021-07-29 華南理工大学 Composite microstructure current collector for lithium-ion batteries and its manufacturing method

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