JP2007220585A - Negative electrode for non-aqueous secondary battery, and non-aqueous secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、非水電解質二次電池用負極および非水電解質二次電池に関し、より詳しくは充放電特性を損なうことなく大容量の非水電解質二次電池用負極を備えた非水電解質二次電池に関する。 The present invention relates to a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery and a non-aqueous electrolyte secondary battery, and more specifically, a non-aqueous electrolyte secondary battery including a large-capacity negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery without impairing charge / discharge characteristics. It relates to batteries.
電子機器のポータブル化、コードレス化が進むにつれて、小型・軽量で、かつ高エネルギー密度を有する非水電解質二次電池への期待は高まりつつある。現在、黒鉛などの炭素材料が非水電解質二次電池の負極活物質として実用化されている。しかしながらその理論容量密度は372mAh/gである。そこで、さらに非水電解質二次電池を高エネルギー密度化するために、リチウムと合金化するケイ素(Si)、スズ(Sn)、ゲルマニウム(Ge)やこれらの酸化物および合金などが検討されている。これらの負極活物質材料の理論容量密度は、炭素材料に比べて大きい。特にSi粒子や酸化ケイ素粒子などの含ケイ素粒子は安価なため、幅広く検討されている。 As electronic devices become more portable and cordless, expectations for non-aqueous electrolyte secondary batteries that are small and lightweight and have high energy density are increasing. Currently, carbon materials such as graphite are put into practical use as negative electrode active materials for non-aqueous electrolyte secondary batteries. However, its theoretical capacity density is 372 mAh / g. Therefore, silicon (Si), tin (Sn), germanium (Ge), and oxides and alloys thereof, which are alloyed with lithium, are being studied in order to further increase the energy density of nonaqueous electrolyte secondary batteries. . The theoretical capacity density of these negative electrode active material materials is larger than that of carbon materials. In particular, silicon-containing particles such as Si particles and silicon oxide particles are widely studied because they are inexpensive.
しかしながら、通常非水電解質二次電池の負極活物質として用いられる炭素材料は放電状態における体積に対する充電状態における体積の比が1.1以下であるのに対し、理論容量密度が炭素材料より大きく833mAh/cm3を超えるこれらの材料では1.2以上の大きな体積変化が起こる。この大きな体積変化により活物質粒子は微紛化し、その結果、活物質粒子間の導電性が低下する。そのため、十分な充放電サイクル特性(以下、「サイクル特性」という)が得られていない。 However, the carbon material normally used as the negative electrode active material of the non-aqueous electrolyte secondary battery has a ratio of the volume in the charged state to the volume in the discharged state of 1.1 or less, whereas the theoretical capacity density is larger than that of the carbon material and is 833 mAh. For these materials above / cm 3 , a large volume change of 1.2 or more occurs. This large volume change makes the active material particles fine, and as a result, the conductivity between the active material particles decreases. Therefore, sufficient charge / discharge cycle characteristics (hereinafter referred to as “cycle characteristics”) are not obtained.
そこでリチウム合金を形成しうる金属または半金属を含む活物質粒子を核に、複数の炭素繊維を結合させて複合粒子化させることが提案されている。この構成では、活物質粒子の体積変化が起こっても導電性が確保され、サイクル特性が維持できることが報告されている(例えば、特許文献1)。
しかしながらリチウム合金を形成しうる金属または半金属を含む活物質粒子核に、複数の炭素繊維を結合させて複合粒子化させた場合、その炭素繊維の量により、活物質容量や、高負荷充放電などの特性は大きく異なる。すなわち炭素繊維の量が活物質粒子に対して多いと、より導電性の確保が確実となり高率充放電特性に優れる。しかし、活物質粒子の占有比率が少なくなるため単位重量当たり(または単位体積当たり)の容量は低下する。逆に炭素繊維が少ない場合には、高容量化は図れるが、高負荷充放電特性はやや劣る。したがって総合的に優れた特性を実現するためには、活物質の合成に対する制約条件が多くなる。 However, when a plurality of carbon fibers are bonded to an active material particle nucleus containing a metal or metalloid capable of forming a lithium alloy to form a composite particle, the active material capacity and high-load charge / discharge depending on the amount of the carbon fiber. The characteristics are very different. That is, when the amount of carbon fiber is large relative to the active material particles, the conductivity can be ensured more reliably and the high rate charge / discharge characteristics are excellent. However, since the occupation ratio of the active material particles decreases, the capacity per unit weight (or per unit volume) decreases. Conversely, when the amount of carbon fiber is small, the capacity can be increased, but the high load charge / discharge characteristics are slightly inferior. Therefore, in order to realize comprehensively excellent characteristics, there are many restrictions on the synthesis of the active material.
本発明は、上記の課題を解決するものであり、簡易な方法により総合的に優れた特性を有する非水電解質二次電池を実現する非水電解質二次電池用負極を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and to provide a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery that realizes a non-aqueous electrolyte secondary battery having comprehensively excellent characteristics by a simple method. To do.
上記目的を達成するために本発明の非電解質二次電池用負極は、集電体と、少なくともリチウムイオンの吸蔵放出が可能な活物質核にカーボンナノファイバ(以下、CNFという)が付着した複合負極活物質を含み、集電体上に設けられた負極合剤層とを有する。この活物質核の放電状態における体積Bに対する充電状態における体積Aの比A/Bは、1.2以上である。そして負極合剤層では、集電体に近い側にCNFの付着量の多い複合負極活物質を分布させ、集電体から遠い側にCNFの付着量の少ない複合負極活物質を分布させている。活物質核にCNFを付着させる量が多いと高負荷放電やサイクル特性に優れた活物質となる。その反面、負極合剤層中の体積当たりの活物質核の量が少なくなるために電池としての充放電容量が小さくなる。逆にCNFを付着させる量が少ないと充放電容量が大きくなるが、高負荷放電やサイクル特性が低下する。本発明の構成では、これら性能の異なる複合負極活物質を負極合剤層内で効果的に配置することで、高容量と優れた高負荷放電特性を実現することができる。 In order to achieve the above object, the negative electrode for a non-electrolyte secondary battery according to the present invention is a composite in which a carbon nanofiber (hereinafter referred to as CNF) is attached to a current collector and an active material nucleus capable of occluding and releasing at least lithium ions. And a negative electrode mixture layer provided on the current collector, including a negative electrode active material. The ratio A / B of the volume A in the charged state to the volume B in the discharged state of the active material nucleus is 1.2 or more. In the negative electrode mixture layer, the composite negative electrode active material with a large amount of CNF attached is distributed on the side closer to the current collector, and the composite negative electrode active material with a small amount of CNF attached is distributed on the side far from the current collector. . When the amount of CNF attached to the active material nucleus is large, the active material is excellent in high-load discharge and cycle characteristics. On the other hand, since the amount of active material nuclei per volume in the negative electrode mixture layer is reduced, the charge / discharge capacity as a battery is reduced. Conversely, if the amount of CNF deposited is small, the charge / discharge capacity increases, but high-load discharge and cycle characteristics deteriorate. In the structure of this invention, a high capacity | capacitance and the outstanding high load discharge characteristic are realizable by arrange | positioning effectively the composite negative electrode active material from which these performance differs in a negative mix layer.
本発明の非水電解質二次電池用負極を用いれば、簡易な方法により高容量と優れた高負荷放電特性を実現することができる非水電解質二次電池を提供することができる。 If the negative electrode for nonaqueous electrolyte secondary batteries of this invention is used, the nonaqueous electrolyte secondary battery which can implement | achieve a high capacity | capacitance and the outstanding high load discharge characteristic by a simple method can be provided.
本発明の第1の発明は、集電体と、少なくともリチウムイオンの吸蔵放出が可能な活物質核にCNFが付着した複合負極活物質を含み、集電体上に設けられた負極合剤層とを有する非水電解質二次電池用負極である。この活物質核の放電状態における体積Bに対する充電状態における体積Aの比A/Bは、1.2以上であり、その理論容量密度は炭素材料より大きく833mAh/cm3を超える。この負極合剤層では、集電体に近い側にCNFの付着量の多い複合負極活物質を分布させ、集電体から遠い側にCNFの付着量の少ない複合負極活物質を分布させている。この構成では、これら性能の異なる複合負極活物質を負極合剤層内で機能的に配置することで、高容量と優れた高負荷放電特性を実現することができる。 A first invention of the present invention includes a current collector and a negative electrode mixture layer provided on the current collector, including a composite negative electrode active material in which CNF is attached to an active material core capable of occluding and releasing lithium ions. Is a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery. The ratio A / B of the volume A in the charged state to the volume B in the discharged state of the active material nucleus is 1.2 or more, and its theoretical capacity density is larger than that of the carbon material and exceeds 833 mAh / cm 3 . In this negative electrode mixture layer, a composite negative electrode active material with a large amount of CNF attached is distributed on the side close to the current collector, and a composite negative electrode active material with a small amount of CNF attached is distributed on the side far from the current collector. . In this configuration, the composite negative electrode active materials having different performances are functionally arranged in the negative electrode mixture layer, whereby high capacity and excellent high load discharge characteristics can be realized.
本発明の第2の発明は、第1の発明において負極合剤層が集電体に近い側に設けられ、CNFの付着量の多い複合負極活物質を含む第1層と、集電体に遠い側に設けられCNFの付着量の少ない複合負極活物質を含む第2層を含む非水電解質二次電池用負極である。この構成は第1の発明による非水電解質二次電池用負極の一例であり、簡便な方法で上記の構成が得られる。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the negative electrode mixture layer is provided on the side close to the current collector, the first layer containing the composite negative electrode active material having a large amount of CNF attached, and the current collector This is a negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery including a second layer that is provided on the far side and includes a composite negative electrode active material with a small amount of CNF attached. This configuration is an example of the negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to the first invention, and the above configuration can be obtained by a simple method.
本発明の第3の発明は、第2の発明において第1層を第2層より厚くした非水電解質二次電池用負極である。CNF付着量の多い複合負極活物質を含む第1層を厚く構成することでより高負荷放電に適した非水電解質二次電池を得ることができる。 3rd invention of this invention is a negative electrode for nonaqueous electrolyte secondary batteries which made the 1st layer thicker than the 2nd layer in 2nd invention. By configuring the first layer containing the composite negative electrode active material having a large amount of CNF to be thick, a nonaqueous electrolyte secondary battery suitable for higher load discharge can be obtained.
本発明の第4の発明は、第2の発明において第2層を第1層より厚くした非水電解質二次電池用負極である。CNF付着量の少ない複合負極活物質を含む第2層を厚く構成することでより高容量な非水電解質二次電池を得ることができる。 4th invention of this invention is a negative electrode for nonaqueous electrolyte secondary batteries which made the 2nd layer thicker than the 1st layer in 2nd invention. A non-aqueous electrolyte secondary battery with higher capacity can be obtained by forming the second layer containing the composite negative electrode active material with a small amount of CNF adhesion.
本発明の第5の発明は、第1の発明において活物質核を含ケイ素粒子とした非水電解質二次電池用負極である。含ケイ素粒子は活物質核の典型例であり高容量で比較的安価である。 The fifth invention of the present invention is a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery in which the active material nucleus is silicon-containing particles in the first invention. Silicon-containing particles are typical examples of active material nuclei and have a high capacity and are relatively inexpensive.
本発明の第6の発明は、第5の発明において含ケイ素粒子が酸化ケイ素であり、ケイ素に対する酸素の比率が0.3以上、1.3以下とした非水電解質二次電池用負極である。この組成範囲とすることにより、活物質容量を確保しつつ、充放電による体積変化を抑制することができる。 A sixth invention of the present invention is the negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery according to the fifth invention, wherein the silicon-containing particles are silicon oxide and the ratio of oxygen to silicon is 0.3 or more and 1.3 or less. . By setting it as this composition range, the volume change by charging / discharging can be suppressed, ensuring active material capacity | capacitance.
本発明の第7の発明は、上記いずれかの非水電解質二次電池用負極を用いて構成した非水電解質二次電池である。 7th invention of this invention is a nonaqueous electrolyte secondary battery comprised using either of the said negative electrodes for nonaqueous electrolyte secondary batteries.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は、本明細書に記載された基本的な特徴に基づく限り、以下に記載の内容に限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The present invention is not limited to the contents described below as long as it is based on the basic characteristics described in this specification.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1による非水電解質二次電池の断面図である。図2は、図1に示す非水電解質二次電池の負極合剤層に含まれる複合負極活物質の概略図である。このコイン型の電池は、負極1と、負極1に対向し放電時にリチウムイオンを還元する正極2と、負極1と正極2との間に介在しリチウムイオンを伝導する非水電解質3とを有する。負極1および正極2は、非水電解質3とともに、ガスケット4と蓋体5とを用いて、ケース6内に収納されている。正極2は集電体7と正極活物質を含む正極合剤層8からなる。負極1は集電体10とその表面に設けられた負極合剤層12とを有する。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view of a nonaqueous electrolyte secondary battery according to
正極合剤層8はLiCoO2やLiNiO2、LiMn2O4、またはこれらの混合あるいは複合化合物などのような含リチウム複合酸化物を正極活物質として含む。正極活物質としては上記以外に、LiMPO4(M=V、Fe、Ni、Mn)の一般式で表されるオリビン型リン酸リチウム、Li2MPO4F(M=V、Fe、Ni、Mn)の一般式で表されるフルオロリン酸リチウムなども利用可能である。さらにこれら含リチウム化合物の一部を異種元素で置換してもよい。金属酸化物、リチウム酸化物、導電剤などで表面処理してもよく、表面を疎水化処理してもよい。
The positive
正極合剤層8はさらに導電剤と結着剤とを含む。導電剤としては、天然黒鉛や人造黒鉛のグラファイト類、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラックなどのカーボンブラック類、炭素繊維や金属繊維などの導電性繊維類、フッ化カーボン、アルミニウムなどの金属粉末類、酸化亜鉛やチタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー類、酸化チタンなどの導電性金属酸化物、フェニレン誘導体などの有機導電性材料を用いることができる。
The positive
また結着剤としては、負極1に用いるものと同様のものを用いることができる。すなわち、PVDF、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、アラミド樹脂、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリアクリルニトリル、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸メチルエステル、ポリアクリル酸エチルエステル、ポリアクリル酸ヘキシルエステル、ポリメタクリル酸、ポリメタクリル酸メチルエステル、ポリメタクリル酸エチルエステル、ポリメタクリル酸ヘキシルエステル、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルピロリドン、ポリエーテル、ポリエーテルサルフォン、ヘキサフルオロポリプロピレン、スチレンブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロースなどが使用可能である。また、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、パーフルオロアルキルビニルエーテル、フッ化ビニリデン、クロロトリフルオロエチレン、エチレン、プロピレン、ペンタフルオロプロピレン、フルオロメチルビニルエーテル、アクリル酸、ヘキサジエンより選択された2種以上の材料の共重合体を用いてもよい。またこれらのうちから選択された2種以上を混合して用いてもよい。
Moreover, as a binder, the thing similar to what is used for the
正極2に用いる集電体7としては、アルミニウム(Al)、炭素、導電性樹脂などが使用可能である。またこのいずれかの材料に、カーボンなどで表面処理してもよい。
As the
非水電解質3には有機溶媒に溶質を溶解した電解質溶液や、これらを含み高分子で非流動化されたいわゆるポリマー電解質層が適用可能である。少なくとも電解質溶液を用いる場合には正極2と負極1との間にポリエチレン、ポリプロピレン、アラミド樹脂、アミドイミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリイミドなどからなる不織布や微多孔膜などのセパレータ(図示せず)を用い、これに溶液を含浸させるのが好ましい。またセパレータの内部あるいは表面には、アルミナ、マグネシア、シリカ、チタニアなどの耐熱性フィラーを含んでもよい。セパレータとは別に、これらのフィラーと、電極に用いるのと同様の結着剤とから構成される耐熱層を設けてもよい。
As the
非水電解質3の材料は、活物質の酸化還元電位などを基に選択される。非水電解質3に用いるのが好ましい溶質としては、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAlCl4、LiSbF6、LiSCN、LiCF3SO3、LiN(CF3CO2)、LiN(CF3SO2)2、LiAsF6、LiB10Cl10、低級脂肪族カルボン酸リチウム、LiF、LiCl、LiBr、LiI、クロロボランリチウム、ビス(1,2−ベンゼンジオレート(2−)−O,O’)ほう酸リチウム、ビス(2,3−ナフタレンジオレート(2−)−O,O’)ほう酸リチウム、ビス(2,2’−ビフェニルジオレート(2−)−O,O’)ほう酸リチウム、ビス(5−フルオロ−2−オレート−1−ベンゼンスルホン酸−O,O’)ほう酸リチウムなどのほう酸塩類、(CF3SO2)2NLi、LiN(CF3SO2)(C4F9SO2)、(C2F5SO2)2NLi、テトラフェニルホウ酸リチウムなど、一般にリチウム電池で使用されている塩類が適用できる。
The material of the
さらに上記塩を溶解させる有機溶媒には、エチレンカーボネート(EC)、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、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジプロピルカーボネート、ギ酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、ジメトキシメタン、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、1,2−ジエトキシエタン、1,2−ジメトキシエタン、エトキシメトキシエタン、トリメトキシメタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフランなどのテトラヒドロフラン誘導体、ジメチルスルホキシド、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソランなどのジオキソラン誘導体、ホルムアミド、アセトアミド、ジメチルホルムアミド、アセトニトリル、プロピルニトリル、ニトロメタン、エチルモノグライム、リン酸トリエステル、酢酸エステル、プロピオン酸エステル、スルホラン、3−メチルスルホラン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、3−メチル−2−オキサゾリジノン、プロピレンカーボネート誘導体、エチルエーテル、ジエチルエーテル、1,3−プロパンサルトン、アニソール、フルオロベンゼンなどの1種またはそれ以上の混合物など、一般にリチウム電池で使用されているような溶媒が適用できる。 Further, the organic solvent for dissolving the salt includes ethylene carbonate (EC), propylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate, dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate (EMC), dipropyl carbonate, methyl formate, acetic acid. Methyl, methyl propionate, ethyl propionate, dimethoxymethane, γ-butyrolactone, γ-valerolactone, 1,2-diethoxyethane, 1,2-dimethoxyethane, ethoxymethoxyethane, trimethoxymethane, tetrahydrofuran, 2-methyl Tetrahydrofuran derivatives such as tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxolane, dioxolane derivatives such as 4-methyl-1,3-dioxolane, formamide, aceto Toamide, dimethylformamide, acetonitrile, propylnitrile, nitromethane, ethyl monoglyme, phosphoric acid triester, acetate ester, propionate ester, sulfolane, 3-methylsulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, 3-methyl 2-Oxazolidinone, propylene carbonate derivatives, ethyl ether, diethyl ether, 1,3-propane sultone, anisole, mixtures of one or more such as fluorobenzene, and the like, commonly used in lithium batteries Applicable.
さらに、ビニレンカーボネート、シクロヘキシルベンゼン、ビフェニル、ジフェニルエーテル、ビニルエチレンカーボネート、ジビニルエチレンカーボネート、フェニルエチレンカーボネート、ジアリルカーボネート、フルオロエチレンカーボネート、カテコールカーボネート、酢酸ビニル、エチレンサルファイト、プロパンサルトン、トリフルオロプロピレンカーボネート、ジベニゾフラン、2,4−ジフルオロアニソール、0−ターフェニル、m−ターフェニルなどの添加剤を含んでいてもよい。 Furthermore, vinylene carbonate, cyclohexyl benzene, biphenyl, diphenyl ether, vinyl ethylene carbonate, divinyl ethylene carbonate, phenyl ethylene carbonate, diallyl carbonate, fluoroethylene carbonate, catechol carbonate, vinyl acetate, ethylene sulfite, propane sultone, trifluoropropylene carbonate, Additives such as dibenisofuran, 2,4-difluoroanisole, 0-terphenyl, m-terphenyl may be included.
なお、非水電解質3は、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリホスファゼン、ポリアジリジン、ポリエチレンスルフィド、ポリビニルアルコール、ポリフッ化ビニリデン、ポリヘキサフルオロプロピレンなどの高分子材料の1種またはそれ以上の混合物などに上記溶質を混合して、固体電解質として用いてもよい。また、上記有機溶媒と混合してゲル状で用いてもよい。さらに、リチウム窒化物、リチウムハロゲン化物、リチウム酸素酸塩、Li4SiO4、Li4SiO4−LiI−LiOH、Li3PO4−Li4SiO4、Li2SiS3、Li3PO4−Li2S−SiS2、硫化リン化合物などの無機材料を固体電解質として用いてもよい。
In addition, the
負極合剤層12は図2に示すように、少なくともリチウムイオンの吸蔵放出が可能な活物質核35の表面にカーボンナノファイバ(CNF)36を付着させた複合負極活物質34を含む。CNF36は活物質核35の表面に付着あるいは固着しており、電池内では集電に対する抵抗が小さくなり、高い電子伝導性が維持される。
As shown in FIG. 2, the negative
負極合剤層12はさらに結着剤を含む。結着剤としては、例えばポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、アラミド樹脂、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリアクリルニトリル、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸メチルエステル、ポリアクリル酸エチルエステル、ポリアクリル酸ヘキシルエステル、ポリメタクリル酸、ポリメタクリル酸メチルエステル、ポリメタクリル酸エチルエステル、ポリメタクリル酸ヘキシルエステル、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルピロリドン、ポリエーテル、ポリエーテルサルフォン、ヘキサフルオロポリプロピレン、スチレンブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロースなどが使用可能である。また、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、パーフルオロアルキルビニルエーテル、フッ化ビニリデン、クロロトリフルオロエチレン、エチレン、プロピレン、ペンタフルオロプロピレン、フルオロメチルビニルエーテル、アクリル酸、ヘキサジエンより選択された2種以上の材料の共重合体を用いてもよい。
The negative
また、必要に応じて鱗片状黒鉛などの天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛などのグラファイト類、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラックなどのカーボンブラック類、炭素繊維、金属繊維などの導電性繊維類、銅やニッケルなどの金属粉末類、ポリフェニレン誘導体などの有機導電性材料などの導電剤を負極合剤層12に混入させてもよい。
If necessary, natural graphite such as flake graphite, graphite such as artificial graphite and expanded graphite, carbon blacks such as acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black and thermal black, carbon fiber Conductive agents such as conductive fibers such as metal fibers, metal powders such as copper and nickel, and organic conductive materials such as polyphenylene derivatives may be mixed in the negative
集電体10には、ステンレス鋼、ニッケル、銅、チタンなどの金属箔、炭素や導電性樹脂の薄膜などが利用可能である。さらに、カーボン、ニッケル、チタンなどで表面処理を施してもよい。
The
次に複合負極活物質34について詳細に説明する。活物質核35としては、ケイ素(Si)やスズ(Sn)などのようにリチウムイオンを大量に吸蔵放出可能な材料を用いることができる。このような材料であれば、単体、合金、化合物、固溶体および含ケイ素材料や含スズ材料を含む複合活物質の何れであっても、本発明の効果を発揮させることは可能である。すなわち、含ケイ素材料として、Si、SiOx(0.05<x<1.95)、またはこれらのいずれかにB、Mg、Ni、Ti、Mo、Co、Ca、Cr、Cu、Fe、Mn、Nb、Ta、V、W、Zn、C、N、Snからなる群から選択される少なくとも1つ以上の元素でSiの一部を置換した合金や化合物、または固溶体などを用いることができる。含スズ材料としてはNi2Sn4、Mg2Sn、SnOx(0<x<2)、SnO2、SnSiO3、LiSnOなどが適用できる。
Next, the composite negative electrode
これらの材料は単独で活物質核35を構成してもよく、また複数種の材料により活物質核35を構成してもよい。上記複数種の材料により活物質核35を構成する例として、Siと酸素と窒素とを含む化合物やSiと酸素とを含み、Siと酸素との構成比率が異なる複数の化合物の複合物などが挙げられる。この中でもSiOx(0.3≦x≦1.3)は、放電容量密度が大きく、かつ充電時の膨張率がSi単体より小さいため好ましい。
These materials may constitute the
CNF36は、活物質核35の表面に担持された触媒元素(図示せず)を核として成長して形成される。触媒元素として銅(Cu)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、モリブデン(Mo)およびマンガン(Mn)よりなる群から選択された少なくとも1種を用いることができ、CNF36の成長を促進する。このようにCNF36が活物質核35の表面に付着していることにより良好な充放電特性が期待できる。また触媒元素の介在によって活物質核35への結合力が強く、負極合剤層12を集電体10上に塗布する際の圧延負荷に対する負極1の耐久性を向上させることができる。
The
CNF36の成長が終了するまでの間、触媒元素が良好な触媒作用を発揮するためには、触媒元素が活物質核35の表層部において金属状態で存在することが望ましい。触媒元素は、例えば粒径1nm〜1000nmの金属粒子の状態で存在することが望まれる。一方、CNF36の成長終了後においては、触媒元素からなる金属粒子を酸化することが望ましい。
In order for the catalytic element to exhibit good catalytic action until the growth of the
CNF36の繊維長は、1nm〜1mmが好ましく、500nm〜100μmがさらに好ましい。CNF36の繊維長が1nm未満では、電極の導電性を高める効果が小さくなりすぎ、また繊維長が1mmを超えると、活物質密度や容量が小さくなる傾向がある。
The fiber length of CNF36 is preferably 1 nm to 1 mm, and more preferably 500 nm to 100 μm. When the fiber length of the
CNF36の形態は、特に限定されないが、チューブ状カーボン、アコーディオン状カーボン、プレート状カーボンおよびヘーリング・ボーン状カーボンよりなる群から選択された少なくとも1種からなることが望ましい。CNF36は、成長する過程で触媒元素を自身の内部に取り込んでもよい。また、CNF36の繊維径は1nm〜1000nmが好ましく、50nm〜300nmがさらに好ましい。
Although the form of
触媒元素は、金属状態でCNF36を成長させるための活性点を与える。すなわち触媒元素が金属状態で表面に露出した活物質核35を、CNF36の原料ガスを含む高温雰囲気中に導入すると、CNF36の成長が進行する。活物質粒子の表面に触媒元素が存在しない場合には、CNF36は成長しない。
The catalytic element provides an active point for growing
活物質核35の表面に触媒元素からなる金属粒子を設ける方法は、特に限定されないが、例えば固体の金属粒子を活物質核35と混合することが考えられる。また金属粒子の原料である金属化合物の溶液に、活物質核35を浸漬する方法が好適である。溶液に浸漬後の活物質核35から溶媒を除去し、必要に応じて加熱処理すると、表面に均一にかつ高分散状態で、粒径1nm〜1000nm、好ましくは10nm〜100nmの触媒元素からなる金属粒子を担持した活物質核35を得ることが可能である。
A method of providing the metal particles made of the catalytic element on the surface of the
触媒元素からなる金属粒子の粒径が1nm未満の場合、金属粒子の生成が非常に難しく、また1000nmを超えると、金属粒子の大きさが極端に不均一となり、CNF36を成長させることが困難になったり、導電性に優れた電極が得られなくなったりすることがある。そのため、触媒元素からなる金属粒子の粒径は1nm以上、1000nm以下であることが望ましい。 When the particle size of the metal particles composed of the catalyst element is less than 1 nm, it is very difficult to generate the metal particles. When the particle size exceeds 1000 nm, the size of the metal particles becomes extremely non-uniform and it is difficult to grow CNF36. Or an electrode having excellent conductivity may not be obtained. Therefore, the particle size of the metal particles made of the catalyst element is desirably 1 nm or more and 1000 nm or less.
上記溶液を得るための金属化合物としては、硝酸ニッケル、硝酸コバルト、硝酸鉄、硝酸銅、硝酸マンガン、七モリブデン酸六アンモニウム四水和物などを挙げることができる。また溶液に用いる溶媒には、化合物の溶解度、電気化学的活性相との適性を考慮して、水、有機溶媒および水と有機溶媒との混合物の中から好適なものを選択すればよい。有機溶媒としては、例えばエタノール、イソプロピルアルコール、トルエン、ベンゼン、ヘキサン、テトラヒドロフランなどを用いることができる。 Examples of the metal compound for obtaining the solution include nickel nitrate, cobalt nitrate, iron nitrate, copper nitrate, manganese nitrate, hexaammonium hexamolybdate tetrahydrate and the like. A suitable solvent may be selected from water, an organic solvent, and a mixture of water and an organic solvent in consideration of the solubility of the compound and suitability for the electrochemically active phase. As the organic solvent, for example, ethanol, isopropyl alcohol, toluene, benzene, hexane, tetrahydrofuran and the like can be used.
一方、触媒元素を含む合金粒子を合成し、これを活物質核35として用いることもできる。この場合、Si、Snなどと触媒元素との合金を、通常の合金製造方法により合成する。Si、Snなどの元素は、電気化学的にリチウムと反応して合金を生成するので、電気化学的活性相が形成される。一方、触媒元素からなる金属相の少なくとも一部は、例えば粒径10nm〜100nmの粒子状で合金粒子の表面に露出する。
On the other hand, alloy particles containing a catalytic element can be synthesized and used as the
触媒元素からなる金属粒子もしくは金属相は、活物質核35の0.01重量%〜10重量%であることが望ましく、1重量%〜3重量%であることがさらに望ましい。金属粒子もしくは金属相の含有量が少なすぎると、CNF36を成長させるのに長時間を要し、生産効率が低下する場合がある。一方、触媒元素からなる金属粒子もしくは金属相の含有量が多すぎると、触媒元素の凝集により、不均一で太い繊維径のCNF36が成長するため、合剤層中の導電性や活物質密度の低下につながる。また、電気化学的活性相の割合が相対的に少なくなり、複合負極活物質34を高容量の電極材料とすることが困難となる。
The metal particles or metal phase composed of the catalytic element is preferably 0.01% by weight to 10% by weight of the
次に、活物質核35とCNF36とから構成された複合負極活物質34の製造方法について述べる。この製造方法は以下の4つのステップで構成される。
Next, a manufacturing method of the composite negative electrode
(a)リチウムの吸蔵放出が可能な活物質核35の少なくとも表層部に、CNF36の成長を促進するCu、Fe、Co、Ni、MoおよびMnよりなる群から選択された少なくとも1種の触媒元素を設けるステップ。
(A) At least one catalyst element selected from the group consisting of Cu, Fe, Co, Ni, Mo, and Mn that promotes the growth of
(b)炭素含有ガスおよび水素ガスを含む雰囲気中で、活物質核35の表面に、CNF36を成長させるステップ。
(B) A step of growing
(c)不活性ガス雰囲気中で、CNF36が付着した活物質核35を400℃以上、1600℃以下で焼成するステップ。
(C) A step of firing the
(d)CNF36が付着した活物質核35を解砕してタップ密度を0.42g/cm3以上、0.91g/cm3以下に調整するステップ。
(D) CNF36 is the tap density 0.42 g / cm 3 or more and then disintegrated an
ステップ(c)の後、さらに、大気中で複合負極活物質34を100℃以上、400℃以下で熱処理して触媒元素を酸化してもよい。100℃以上、400℃以下の熱処理であれば、CNF36を酸化させずに触媒元素だけを酸化することが可能である。
After step (c), the composite negative electrode
ステップ(a)としては、活物質核35の表面に触媒元素からなる金属粒子を担持するステップ、触媒元素を含む活物質核35の表面を還元するステップ、Si、Snなどの元素と触媒元素との合金粒子を合成するステップなどが挙げられる。ただしステップ(a)は上記に限られるものではない。
As the step (a), a step of supporting metal particles made of a catalytic element on the surface of the
次に、ステップ(b)において、活物質核35の表面にCNF36を成長させる際の条件について説明する。少なくとも表層部に触媒元素を有する活物質核35を、CNF36の原料ガスを含む高温雰囲気中に導入するとCNF36の成長が進行する。例えばセラミック製反応容器に活物質核35を投入し、不活性ガスもしくは還元力を有するガス中で100℃〜1000℃、好ましくは300℃〜600℃の高温になるまで昇温させる。その後、CNF36の原料ガスである炭素含有ガスと水素ガスとを反応容器に導入する。反応容器内の温度が100℃未満では、CNF36の成長が起こらないか、成長が遅すぎて生産性が損なわれる。また、反応容器内の温度が1000℃を超えると、原料ガスの分解が促進されCNF36が成長し難くなる。
Next, conditions for growing
原料ガスとしては、炭素含有ガスと水素ガスとの混合ガスが好適である。炭素含有ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、ブタン、一酸化炭素などを用いることができる。混合ガスにおける炭素含有ガスのモル比(体積比)は、20%〜80%が好適である。活物質核35の表面に金属状態の触媒元素が露出していない場合には、水素ガスの割合を多めに制御することで、触媒元素の還元とCNF36の成長とを並行して進行させることができる。CNF36の成長を終了させる際には、炭素含有ガスと水素ガスとの混合ガスを不活性ガスに置換し、反応容器内を室温まで冷却する。
As the source gas, a mixed gas of carbon-containing gas and hydrogen gas is suitable. As the carbon-containing gas, methane, ethane, ethylene, butane, carbon monoxide, or the like can be used. The molar ratio (volume ratio) of the carbon-containing gas in the mixed gas is preferably 20% to 80%. When the catalytic element in the metal state is not exposed on the surface of the
続いて、ステップ(c)にて、CNF36が付着した活物質核35を、不活性ガス雰囲気中にて400℃以上、1600℃以下で焼成する。このようにすることで電池の初期充電時に進行する電解質とCNF36との不可逆反応が抑制され、優れた充放電効率を得ることができるため好ましい。このような焼成行程を行わないか、もしくは焼成温度が400℃未満では、上記の不可逆反応が抑制されず電池の充放電効率が低下することがある。また、焼成温度が1600℃を超えると、活物質核35の電気化学的活性相とCNF36とが反応して活性相が不活性化したり、電気化学的活性相が還元されて容量低下を引き起こしたりすることがある。例えば、活物質核35の電気化学的活性相がSiである場合には、SiとCNF36とが反応して不活性な炭化ケイ素が生成してしまい、電池の充放電容量の低下を引き起こす。なお、活物質核35がSiの場合、焼成温度は1000℃以上、1600℃以下が特に好ましい。なお、成長条件によってCNF36の結晶性を高めることもできる。このようにCNF36の結晶性が高い場合には電解質とCNF36との不可逆反応も抑制されるため、ステップ(c)は必須ではない。
Subsequently, in step (c), the
不活性ガス中で焼成後の複合負極活物質34は、さらに触媒元素からなる金属粒子もしくは金属相の少なくとも一部(例えば表面)を酸化するために、大気中で、100℃以上、400℃以下で熱処理することが好ましい。熱処理温度が100℃未満では、金属を酸化することは困難であり、400℃を超えると成長させたCNF36が燃焼してしまうことがある。
The composite negative electrode
ステップ(d)ではCNF36が付着した焼成後の活物質核35を解砕する。このようにすることにより、充填性の良好な複合負極活物質34が得られるため好ましい。ただし、解砕しなくてもタップ密度が0.42g/cm3以上、0.91g/cm3以下の場合は必ずしも解砕する必要はない。すなわち、充填性のよい活物質核を原料に用いた場合、解砕する必要がない場合もある。
In step (d), the fired
次に、負極合剤層12の構成について説明する。図3は負極1の拡大断面図である。本実施の形態における負極合剤層12では、集電体10に近い側にCNF36の付着量の多い複合負極活物質34を分布させ、正極2に対向する表面12A側にCNF36の付着量の少ない複合負極活物質34を分布させている。すなわち、集電体10から遠い位置の複合負極活物質34はCNF36の付着量が少ない。
Next, the configuration of the negative
活物質核35へのCNF36の付着量は、CNF36の成長時間や、触媒元素の付着量を変えるなど、CNF36の作製条件の変更により変えることができる。
The amount of
活物質核35にCNF36を付着させる場合、その比率により、電池特性への影響が大きく異なる。活物質核35にCNF36を付着させる量が多いと高負荷放電やサイクル特性に優れた活物質となる。その反面、体積当たりの活物質核35の量が少なくなるために電池としての充放電容量が小さくなる。逆にCNF36を付着させる量が少ないと充放電容量が大きくなるが、高負荷放電やサイクル特性が低下する。
When the
本実施の形態では、これら性能の異なる複合負極活物質34を負極合剤層12内で効果的に配置することで、高容量と優れた高負荷放電特性を実現することができる。また求める性能に応じて特性を調整することができる。すなわち、集電体10の近傍に高負荷放電特性に優れるCNF36の付着量の多い活物質を分布させ、正極2に対向する表面12A側に充放電容量を確保する目的でCNF36の付着量の少ない活物質を分布させる。
In the present embodiment, high capacity and excellent high load discharge characteristics can be realized by effectively arranging the composite negative electrode
負極合剤層12をこのような構成にするには、例えばCNF36の付着量の異なる複合負極活物質34を含むペーストを数種類用意する。そしてCNF36の付着量の最も多い複合負極活物質34を含むペーストをスプレー法にて集電体10上に吹き付ける。乾燥後にそれよりCNF36の付着量の少ない複合負極活物質34を含むペーストをその上に吹きつけ乾燥させる。以下、CNF36の付着量の多い順にペーストを吹き付ける。このようにして活物質核35に対し連続的にCNF36の付着量が変化した負極合剤層12が得られる。
In order to make the negative
上記以外に、図4の断面図に示すような構成に負極合剤層12を形成してもよい。この構成では、集電体10に近い側にCNF36の付着量の多い複合負極活物質34を含む第1層12Bが設けられ、正極2に対向する表面12A側(集電体10に遠い側)にCNF36の付着量の少ない複合負極活物質34を含む第2層12Cが設けられている。このようにしても上記と同様の効果が得られる。このような負極合剤層12は、次のようにして形成される。まずCNF36の付着量の多い複合負極活物質34を含むペーストをドクターブレード法などにより塗工して第1層12Bを形成する。次に、第1層12Bの上に、CNF36の付着量の少ない複合負極活物質34を含むペーストをドクターブレード法などにより塗工して第2層12Cを形成する。この方法は比較的簡便である。なお、このとき第1層12Bを完全に乾燥させる前に第2層12Cを形成することがより好ましい。このようにすることで第1層12Bと第2層12Cとが剥離しにくくなる。
In addition to the above, the negative
さらに、図5の断面図に示すように、第1層12Bの表面に凹凸を設け、その上に第2層12Cを設けると、第1層12Bと第2層12Cとの結合が強まり、さらに剥離しにくくなるため好ましい。
Furthermore, as shown in the cross-sectional view of FIG. 5, when the surface of the
なお、図4、図5に示す構成に負極合剤層12を形成し、乾燥後に負極1を圧延すると、負極合剤層12内で複合負極活物質34の再配列が生じ、擬似的にCNF36の付着量が連続的に変化した負極合剤層12が得られる。また、図4、図5では負極合剤層12を2層に形成しているが、集電体10から遠ざかるほどCNF36の付着量の少ない複合負極活物質34が少なくなるように3層以上の層で形成してもよい。
When the negative
次に、本発明の実施の形態における具体的な実施例について説明する。なお、以下の実施例では、負極1の効果を明確にする目的で、正極2の代わりに金属リチウムを用いて図1と同様のコイン型二次電池を作製し評価した。
Next, specific examples in the embodiment of the present invention will be described. In the following examples, for the purpose of clarifying the effect of the
(1)負極の作製
リチウムイオンの吸蔵放出が可能な活物質核35として、サンプル1では、粒径10μm以下に粉砕したO/Si比(ケイ素に対する酸素の比率)がモル比で1.01である酸化ケイ素を使用した。
(1) Production of Negative Electrode As
また、触媒元素をこの酸化ケイ素粒子の表層部に結合するために、硝酸鉄9水和物(特級)1gをイオン交換水100gに溶解させた溶液を使用した。なお、酸化ケイ素粒子のモル比の測定は、JIS Z2613に基づく重量分析法に準じて行った。この酸化ケイ素粒子と硝酸鉄溶液との混合物を、1時間攪拌後、エバポレータ装置で水分を除去することで、酸化ケイ素粒子の表層部に均一にかつ高分散状態で、粒径が1nm〜1000nmの硝酸鉄を担持させた。 Further, in order to bind the catalyst element to the surface layer portion of the silicon oxide particles, a solution in which 1 g of iron nitrate nonahydrate (special grade) was dissolved in 100 g of ion-exchanged water was used. The molar ratio of the silicon oxide particles was measured according to a gravimetric analysis method based on JIS Z2613. The mixture of the silicon oxide particles and the iron nitrate solution is stirred for 1 hour, and then the water is removed by an evaporator, so that the particle size is 1 nm to 1000 nm in a uniform and highly dispersed state on the surface layer of the silicon oxide particles. Iron nitrate was supported.
次に、この硝酸鉄を担持した活物質核35をセラミック製反応容器に投入し、ヘリウムガス存在下で500℃まで昇温させた。その後、ヘリウムガスを、水素ガス50体積%と一酸化炭素ガス50体積%との混合ガスにより置換し、500℃で1時間保持した。これにより、硝酸鉄を還元するとともに活物質核35の表面に、繊維径が約80nm、繊維長が約50μmのプレート状のCNF36を成長させた。
Next, the
次に、混合ガスを再びヘリウムガスにより置換し、反応容器内を室温になるまで冷却させた。成長したCNF36の量は、酸化ケイ素100重量部当たり25重量部であった。このようにして複合負極活物質34を得た。
Next, the mixed gas was replaced with helium gas again, and the reaction vessel was cooled to room temperature. The amount of CNF36 grown was 25 parts by weight per 100 parts by weight of silicon oxide. In this way, a composite negative electrode
次に、ペースト作製のために、複合負極活物質34の100重量部に対し、結着剤として平均分子量が15万のポリアクリル酸1%水溶液を固形分に換算して10重量部と、コアシェル型変性スチレン−ブタジエン共重合体を10重量部とを混合し、さらに蒸留水200重量部を添加して混合分散し、負極合剤ペーストAを調製した。
Next, for preparing a paste, 10 parts by weight of a 1% polyacrylic acid aqueous solution having an average molecular weight of 150,000 as a binder and 100 parts by weight of the composite negative electrode
また、CNF36の成長工程において、成長時間を30分とした複合負極活物質34を作製し、上記と同様にして負極合剤ペーストBを調製した。さらに成長時間を2時間とした複合負極活物質34を作製し、上記と同様にして負極合剤ペーストCを調製した。負極合剤ペーストB、負極合剤ペーストCにおけるCNF36の量は、酸化ケイ素100重量部当たりそれぞれ15重量部、35重量部であった。
Further, in the growth process of
これらの負極合剤ペーストを用いて、厚さ14μmのCu箔よりなる集電体10の両面にドクターブレード法により塗布、乾燥し、乾燥後の総厚み(銅箔を含む)が100μmとなるように負極合剤層12を形成した。その後、直径12.5mmの円形に打ち抜いて負極1を得た。
Using these negative electrode mixture pastes, the
サンプル1〜3では負極合剤ペーストAを先に塗工した後、やや乾燥させてから負極合剤ペーストBを塗工した。すなわち第1層12Bを負極合剤ペーストAにより、第2層12Cを負極合剤ペーストBにより形成した。
In
サンプル1では、第1層12B、第2層12Cの厚みがそれぞれ50μmとなるようにした。サンプル2では第1層12Bの厚みが30μm、第2層12Bの厚みが70μmとなるようにした。サンプル3では第1層12Bの厚みが10μm、第2層12Bの厚みが90μmとなるようにした。
In
サンプル4〜6では負極合剤ペーストCを先に塗工した後、やや乾燥させてから負極合剤ペーストAを塗工した。すなわち第1層12Bを負極合剤ペーストCにより、第2層12Cを負極合剤ペーストAにより形成した。
In Samples 4 to 6, the negative electrode mixture paste C was applied first, and then slightly dried, and then the negative electrode mixture paste A was applied. That is, the
サンプル4では、第1層12B、第2層12Cの厚みがそれぞれ50μmとなるようにした。サンプル5では第1層12Bの厚みが30μm、第2層12Bの厚みが70μmとなるようにした。サンプル6では第1層12Bの厚みが10μm、第2層12Bの厚みが90μmとなるようにした。
In sample 4, the thicknesses of the
サンプル7、8では、活物質核35として、それぞれO/Si比がモル比で0.3、1.3である酸化ケイ素を使用した。それ以外はサンプル3と同様にして負極1を作製した。
In
なお、比較のため、以下のサンプルを作製した。サンプルC1、C2、C3ではそれぞれ、負極合剤ペーストA、負極合剤ペーストB、負極合剤ペーストCのみで負極合剤層12を作製した。サンプルC4では活物質核35として、O/Si比がモル比で0.1である酸化ケイ素を使用した。それ以外はサンプル3と同様にして負極1を作製した。
For comparison, the following samples were prepared. In Samples C1, C2, and C3, the negative
なお、サンプル7、8、C4では活物質核35におけるO/Si比が異なるためにCNF36の付着量がサンプル3とは微妙に異なった。サンプル7では負極合剤ペーストA、負極合剤ペーストBにおけるCNF36の量は、酸化ケイ素100重量部当たりそれぞれ29重量部、16重量部であった。サンプル8では負極合剤ペーストA、負極合剤ペーストBにおけるCNF36の量は、酸化ケイ素100重量部当たりそれぞれ27重量部、18重量部であった。サンプルC4では負極合剤ペーストA、負極合剤ペーストBにおけるCNF36の量は、酸化ケイ素100重量部当たりそれぞれ24重量部、15重量部であった。
In
(2)電池の作製と評価
上記のように作製した負極1を、直径20mm、厚さ1.6mmのケース6に挿入した。その上に厚さ20μmのセパレータを介してリチウム金属を配置後、非水電解質3である電解液を数滴注入し、封口して理論容量5mAh前後の電池を作製した。電解液は、EC:DMC:EMC=2:3:3(体積比)である混合溶媒に1.0mol/dm3のLiPF6を溶解させて調製した。
(2) Production and Evaluation of Battery The
このようにして作製した各電池を0.5mAの定電流で0Vまで放電し、続いて0.5mAの定電流で1Vまで充電した。この操作を3回繰り返した。この3回目の充電容量を低負荷容量とした。その後、0.5mAの定電流で0Vまで放電し、続いて2.5mAの定電流で1Vまで充電した。この充電容量を高負荷容量とした。なお、本実施例では金属リチウムより電位の貴な負極1を金属リチウムと組み合わせて電池を構成しているため、充電により負極1がリチウムイオンを放出し、放電により負極1がリチウムイオンを吸蔵する。すなわち、通常の電池の場合と逆になっている。
Each battery thus produced was discharged to 0 V with a constant current of 0.5 mA, and then charged to 1 V with a constant current of 0.5 mA. This operation was repeated three times. This third charge capacity was defined as a low load capacity. Thereafter, the battery was discharged to 0 V with a constant current of 0.5 mA, and then charged to 1 V with a constant current of 2.5 mA. This charge capacity was defined as a high load capacity. In this embodiment, the
まずサンプル1〜6とサンプルC1〜C3の諸元と評価結果を(表1)に示す。
First, specifications and evaluation results of
サンプルC1とサンプル1〜3とを比較すると、高負荷容量はサンプルC1の方が大きいものの、低負荷容量はサンプル1〜3の方が大きい。これは第2層12CにおけるCNF36の付着量が少ないために活物質核35の量が多くなって低負荷容量が増大したためである。サンプルC2とサンプル1〜3とを比較すると、低負荷容量はサンプルC2の方が大きいが、高負荷容量はサンプル1〜3の方が大きい。これは第1層12Bが高負荷充電での過電圧(電圧上昇)を低減して高負荷容量が増大したためである。この傾向はサンプルC1、C3とサンプル4〜6との比較においても同様である。
When comparing the sample C1 and the
低負荷放電における容量は電池内に充填された活物質の量にほぼ比例する。一方、高負荷放電における容量は、電池内に充填された活物質の量と、その活物質の放電しやすさの2つのパラメータで決まる。サンプルC2とサンプル1〜3との比較やサンプルC1とサンプル4〜6との比較では、高負荷放電における容量維持率が示すように、後者の影響が大きく反映されている。
The capacity at low load discharge is almost proportional to the amount of active material filled in the battery. On the other hand, the capacity in high-load discharge is determined by two parameters: the amount of active material filled in the battery and the ease of discharging the active material. In the comparison between the sample C2 and the
なお、サンプル1〜3を比較すると、CNF36の付着量が少ない第2層12Cの厚みが大きいほど低負荷容量は大きいが、高負荷容量は小さくなっている。これは高負荷放電における容量維持率が示すように、活物質の放電しやすさのパラメータの影響が大きく反映されているためと考えられる。一方、サンプル4〜6を比較すると、CNF36の付着量が少ない第2層12Cの厚みが大きいほど低負荷容量、高負荷容量とも大きくなっている。これは高負荷放電における容量維持率がいずれも90%を超えているため、結果的に電池内に充填された活物質の量のパラメータの影響が大きく反映されているためと考えられる。以上のように、第1層12Bが第2層12Cより厚ければ高負荷放電に好適な電池が得られ、第2層12Cが第1層12Bより厚ければ低負荷放電に好適な電池が得られる。このように求められる電池の性能によっては、CNF36が多い第1層12BとCNF36が少ない第2層12Cの構成比を適正化して、最適な特性を得ることができる。つまり、例えば電動工具のようにある程度の出力を持ちながら、容量も必要な用途に対しては、第2層12Cを比較的多く構成する。また、ハイブリッド電気自動車用途のように出力を必要とする場合には、第1層12Bを多く構成することで、それぞれの用途に適した特性を得ることができる。
When
次にサンプル3、7、8とサンプルC4の諸元と評価結果を(表2)に示す。
Next, the specifications and evaluation results of
各サンプルにおいて第1層12B、第2層12Cそれぞれにおける活物質核35へのCNF36の付着量は若干異なっているものの、サンプル3、7、8では、ほぼ同様の高負荷容量が得られている。これに比べ、サンプルC4では高負荷容量が小さい。以上より、活物質核35におけるO/Si比は0.3以上、1.3以下が好ましい。なお、焼成温度および焼成時間を増やし、さらにO/Si比の大きいSiOxの合成を試みたが、今回の実験ではO/Si比が1.35を超えるものは合成できなかった。
Although the amount of
なお、本実施例ではコイン型二次電池について説明したが、本発明に係わる電池の形状は、これに限定するものではなく、平型電池、捲回式の円筒型電池、捲回式または積層構造の角形電池にも適用することができる。 In this embodiment, the coin-type secondary battery has been described. However, the shape of the battery according to the present invention is not limited to this, and a flat battery, a wound cylindrical battery, a wound type, or a stacked type is used. The present invention can also be applied to a prismatic battery having a structure.
本発明は、活物質核にCNFが付着した複合負極活物質を用い、この複合負極活物質を含む負極合剤層では、集電体に近い側にCNFの付着量の多い複合負極活物質を分布させ、正極に対向する側にCNFの付着量の少ない複合負極活物質を分布させている。このような構成により、低負荷放電特性と高負荷放電特性とをバランスよく実現させるものである。すなわち本発明は、放電状態における体積に対する充電状態における体積の比が1.2以上である活物質核にCNFが付着した複合負極活物質を用いる非水電解質二次電池の特性向上に寄与する。そのため、今後大きな需要が期待されるリチウム二次電池の高エネルギー密度に寄与できる。 In the present invention, a composite negative electrode active material having CNF attached to the active material core is used, and in the negative electrode mixture layer containing the composite negative electrode active material, a composite negative electrode active material having a large amount of CNF attached is disposed on the side close to the current collector. The composite negative electrode active material with a small amount of CNF attached is distributed on the side facing the positive electrode. With such a configuration, a low load discharge characteristic and a high load discharge characteristic are realized in a balanced manner. That is, the present invention contributes to improving the characteristics of a non-aqueous electrolyte secondary battery using a composite negative electrode active material in which CNF is attached to an active material nucleus in which the ratio of the volume in the charged state to the volume in the discharged state is 1.2 or more. Therefore, it can contribute to the high energy density of the lithium secondary battery, which is expected to have a great demand in the future.
1 負極
2 正極
3 非水電解質
4 ガスケット
5 蓋体
6 ケース
7,10 集電体
8 正極合剤層
12 負極合剤層
12A 表面
12B 第1層
12C 第2層
34 複合負極活物質
35 活物質核
36 カーボンナノファイバ(CNF)
DESCRIPTION OF
Claims (7)
少なくともリチウムイオンの吸蔵放出が可能な活物質核にカーボンナノファイバが付着した複合負極活物質を含み、前記集電体上に設けられた負極合剤層とを備え、
前記活物質核の放電状態における体積に対する充電状態における体積の比が、1.2以上であり、前記負極合剤層では、前記集電体に近い側に前記カーボンナノファイバの付着量の多い複合負極活物質を分布させ、前記集電体から遠い側にカーボンナノファイバの付着量の少ない複合負極活物質を分布させた非水電解質二次電池用負極。 A current collector,
Including a composite negative electrode active material in which carbon nanofibers are attached to an active material nucleus capable of at least occluding and releasing lithium ions, and comprising a negative electrode mixture layer provided on the current collector,
The ratio of the volume in the charged state to the volume in the discharged state of the active material nucleus is 1.2 or more, and in the negative electrode mixture layer, the composite with a large amount of the carbon nanofiber attached on the side close to the current collector A negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery in which a negative electrode active material is distributed and a composite negative electrode active material with a small amount of carbon nanofiber attached is distributed on a side far from the current collector.
前記集電体に近い側に設けられ前記カーボンナノファイバの付着量の多い複合負極活物質を含む第1層と、
前記集電体に遠い側に設けられ前記カーボンナノファイバの付着量の少ない複合負極活物質を含む第2層とを含む請求項1に記載の非水電解質二次電池用負極。 The negative electrode mixture layer is
A first layer including a composite negative electrode active material provided on a side close to the current collector and having a large amount of carbon nanofiber attached;
2. The negative electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, further comprising: a second layer including a composite negative electrode active material provided on a side far from the current collector and having a small amount of carbon nanofibers attached thereto.
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