JP2009252421A - Negative electrode active material, manufacturing method therefor, and battery including negative electrode active material - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a negative electrode active material preventing the spontaneous formation of SEI caused by reduction decomposition reaction of an electrolyte and having high capacity and excellent temperature characteristics. <P>SOLUTION: The negative electrode active material 10 for a lithium ion secondary battery includes a carbon particle 12 capable of holding lithium ions and a surface film 14 made of lithium titanate covering the carbon particle 12. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池用の負極活物質およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a negative electrode active material for a lithium ion secondary battery and a method for producing the same.

近年、リチウム二次電池、ニッケル水素電池その他の二次電池は、車両搭載用電源、或いはパソコンおよび携帯端末の電源として重要性が高まっている。特に、軽量で高エネルギー密度が得られるリチウムイオン二次電池は、車両搭載用高出力電源として好ましく用いられるものとして期待されている。この種のリチウムイオン二次電池の一つの典型的な構成では、リチウムイオンを可逆的に吸蔵および放出し得る電極活物質が電極集電体の上に形成された構成の電極を備えている。例えば、負極に炭素系材料を用いたリチウムイオン二次電池がこのようなものの代表例として挙げられる。   In recent years, lithium secondary batteries, nickel hydride batteries, and other secondary batteries have become increasingly important as power sources for mounting on vehicles or as power sources for personal computers and portable terminals. In particular, a lithium ion secondary battery that is lightweight and obtains a high energy density is expected to be preferably used as a high-output power source mounted on a vehicle. One typical configuration of this type of lithium ion secondary battery includes an electrode having a configuration in which an electrode active material capable of reversibly occluding and releasing lithium ions is formed on an electrode current collector. For example, a lithium ion secondary battery using a carbon-based material for the negative electrode is a typical example of such a battery.

負極に黒鉛等の炭素系材料を用いたリチウムイオン二次電池においては、一般に、初回充電の際に、電解液の還元的分解反応により、炭素系材料(具体的には炭素系粒子)の表面にSEI(Solid Electrolyte Interface)と呼ばれる薄い被膜が形成されることが知られている。このSEIの存在によってリチウムが挿入できるように黒鉛粒子等の炭素系粒子の表面を不活性化・安定化させることができる。なお、リチウムイオン二次電池の負極に炭素系材料を用いたリチウムイオン二次電池に関する従来技術としては、特許文献1〜3などが挙げられる。
特開2007−299728号公報 特表2005−533373号公報 特開2000−348725号公報
In a lithium ion secondary battery using a carbon-based material such as graphite for the negative electrode, the surface of the carbon-based material (specifically, carbon-based particles) is generally reduced by a reductive decomposition reaction of the electrolyte during the initial charge. In addition, it is known that a thin film called SEI (Solid Electrolyte Interface) is formed. The presence of SEI can inactivate and stabilize the surface of carbon-based particles such as graphite particles so that lithium can be inserted. In addition, patent documents 1-3 etc. are mentioned as a prior art regarding the lithium ion secondary battery which used the carbon-type material for the negative electrode of the lithium ion secondary battery.
JP 2007-299728 A JP 2005-533373 A JP 2000-348725 A

しかしながら、リチウムイオン二次電池において、電解液(非水系電解液)の分解反応により生成された上記SEIは、リチウムイオンに対して低温での伝導性が悪いため、電池温度の低下に伴ってハイレート特性が悪化する要因になり得る。また、電解液の分解反応により生成した上記SEIは、比較的耐熱性が低く、電池温度が上昇すると容易に分解するため、電池の耐久性が悪くなる。このように、電解液の分解反応により生成したSEIは、リチウムが挿入できるように炭素系粒子の表面を不活性化・安定化させる作用があるものの、被膜としての安定性に乏しく、電池の温度特性(例えば低温におけるハイレート特性)を悪化させる要因にもなっている。   However, in the lithium ion secondary battery, the SEI produced by the decomposition reaction of the electrolytic solution (non-aqueous electrolytic solution) has poor conductivity at low temperatures with respect to lithium ions. It can be a factor that deteriorates characteristics. In addition, the SEI produced by the decomposition reaction of the electrolytic solution has relatively low heat resistance and easily decomposes when the battery temperature rises, so that the durability of the battery is deteriorated. Thus, although SEI produced by the decomposition reaction of the electrolytic solution has the effect of inactivating and stabilizing the surface of the carbon-based particles so that lithium can be inserted, it has poor stability as a coating, and the temperature of the battery It is also a factor that deteriorates characteristics (for example, high-rate characteristics at low temperatures).

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、電解液の還元分解反応に起因する自然発生的なSEI生成を防止しつつ、高容量で且つ温度特性にも優れたリチウムイオン二次電池用の負極活物質を提供することである。また、本発明の他の目的は、このような性能を有する負極活物質を安定して製造することのできる負極活物質の製造方法を提供することである。また、そのような負極活物質を負極に備えるリチウムイオン二次電池の提供を他の目的とする。   The present invention has been made in view of the above points, and its main purpose is to prevent spontaneous SEI formation due to reductive decomposition reaction of the electrolytic solution, and to have high capacity and excellent temperature characteristics. An object is to provide a negative electrode active material for a lithium ion secondary battery. Another object of the present invention is to provide a method for producing a negative electrode active material capable of stably producing a negative electrode active material having such performance. Another object is to provide a lithium ion secondary battery including such a negative electrode active material in the negative electrode.

本発明により提供される負極活物質は、リチウムイオン二次電池用の負極活物質である。この負極活物質は、リチウムイオンを保持し得る炭素系粒子と、上記炭素系粒子を被覆するチタン酸リチウムから構成される表面被膜とを備える。本発明の構成によれば、リチウムイオンに対して優れた伝導性があるチタン酸リチウムからなる表面被膜によって、炭素系粒子の表面を不活性化・安定化させるとともに、電解液の還元分解反応に起因して自然発生し得る上記欠点を有するSEIの生成を防止することができる。これにより、電解液の分解反応に起因する上記SEIの存在による影響(例えば、低温におけるハイレート特性の低下や、高温でのSEI分解に伴う耐久性の低下)を回避することができる。すなわち、本発明の負極活物質によれば、高容量で且つ温度特性に優れたリチウムイオン二次電池を提供することができる。   The negative electrode active material provided by the present invention is a negative electrode active material for a lithium ion secondary battery. The negative electrode active material includes carbon-based particles that can hold lithium ions and a surface coating composed of lithium titanate that covers the carbon-based particles. According to the configuration of the present invention, the surface coating made of lithium titanate having excellent conductivity with respect to lithium ions is used to inactivate and stabilize the surface of the carbon-based particles, and to reduce and decompose the electrolytic solution. As a result, it is possible to prevent the generation of SEI having the above-mentioned drawbacks that may occur naturally. Thereby, the influence (for example, the fall of the high-rate characteristic in low temperature and the fall of the durability accompanying SEI decomposition | disassembly at high temperature) resulting from the decomposition reaction of electrolyte solution can be avoided. That is, according to the negative electrode active material of the present invention, a lithium ion secondary battery having a high capacity and excellent temperature characteristics can be provided.

ここに開示される負極活物質の好ましい一態様では、上記表面被膜を構成するチタン酸リチウムは、LiTi12、LiTi及びLiTiOから成る群から選択される1種の化合物または何れか2種以上の混合物である。上記チタン酸リチウムからなる表面被膜は、電解液の還元分解反応に起因して自然発生し得るSEIに比べて、低温でのリチウムイオン伝導性が高く、且つ、高温でも容易に分解されない。そのため、本発明の目的に適した表面被膜として特に好ましい。 In a preferred embodiment of the negative electrode active material disclosed herein, the lithium titanate constituting the surface coating is one selected from the group consisting of Li 4 Ti 5 O 12 , LiTi 2 O 4 and Li 2 TiO 3. Or a mixture of any two or more thereof. The surface coating made of lithium titanate has high lithium ion conductivity at a low temperature and is not easily decomposed even at a high temperature as compared with SEI that can be naturally generated due to the reductive decomposition reaction of the electrolytic solution. Therefore, it is particularly preferable as a surface coating suitable for the purpose of the present invention.

ここに開示される負極活物質の好ましい他の一態様では、上記表面被膜はスピネル型又はアナターゼ型のチタン酸リチウムで構成されている。このような結晶構造を持つチタン酸リチウムからなる表面被膜は、良好なリチウムイオン伝導性を有するため、本発明の目的に適した表面被膜として特に好ましく使用することができる。   In another preferred embodiment of the negative electrode active material disclosed herein, the surface coating is composed of spinel type or anatase type lithium titanate. Since the surface film made of lithium titanate having such a crystal structure has good lithium ion conductivity, it can be particularly preferably used as a surface film suitable for the purpose of the present invention.

また、本発明は、リチウムイオンを保持し得る炭素系粒子から構成されるリチウムイオン二次電池用負極活物質の製造方法を提供する。かかる製造方法は、上記炭素系粒子と、ペルオキソチタン酸と、炭酸リチウムまたは水酸化リチウムとを含む分散液からゾルを調製する工程と、上記調製したゾルを焼成することにより、上記炭素系粒子の表面にチタン酸リチウムから構成される表面被膜を形成する工程とを含む。   Moreover, this invention provides the manufacturing method of the negative electrode active material for lithium ion secondary batteries comprised from the carbon-type particle | grains which can hold | maintain lithium ion. Such a production method includes a step of preparing a sol from a dispersion containing the carbon-based particles, peroxotitanic acid, and lithium carbonate or lithium hydroxide, and firing the prepared sol, Forming a surface coating composed of lithium titanate on the surface.

本発明の製造方法では、炭素系粒子を安定分散(均一分散)させたゾルを原料とし、典型的には該ゾルから溶媒を揮発させて流動性のない粒子分散状態のゲルを作製し、さらに加熱して炭素系粒子の表面にチタン酸リチウムから構成される表面被膜を形成している。このことにより、炭素系粒子表面にチタン酸リチウム膜を均一に形成することができる。したがって、ここに開示される製造方法によると、本発明の目的に適した負極活物質を安定して(品質安定性よく)製造することができる。   In the production method of the present invention, a sol in which carbon-based particles are stably dispersed (uniformly dispersed) is used as a raw material, and typically a solvent is volatilized from the sol to produce a particle-dispersed gel having no fluidity. A surface coating composed of lithium titanate is formed on the surface of the carbon-based particles by heating. Thereby, a lithium titanate film can be uniformly formed on the surface of the carbon-based particles. Therefore, according to the production method disclosed herein, a negative electrode active material suitable for the object of the present invention can be produced stably (with high quality stability).

ここに開示される方法の好ましい一態様では、上記ゾルの調整は、上記炭素系粒子と、上記ペルオキソチタン酸と、上記炭酸リチウムまたは水酸化リチウムとを含む分散液をオートクレーブ処理することにより行われる。かかる方法によれば、本発明の目的に適した流動性を有するゾルを容易に且つ安定して製造することができる。   In a preferred embodiment of the method disclosed herein, the preparation of the sol is performed by autoclaving a dispersion containing the carbon-based particles, the peroxotitanic acid, and the lithium carbonate or lithium hydroxide. . According to such a method, a sol having fluidity suitable for the object of the present invention can be easily and stably produced.

ここに開示される方法の好ましい一態様では、上記表面被膜をLiTi12、LiTi及びLiTiOから成る群から選択される1種の化合物または何れか2種以上の混合物により形成する。また、ここに開示される方法の好ましい一態様では、上記焼成は、スピネル型又はアナターゼ型のチタン酸リチウムで構成される表面被膜が形成され得る加熱温度で行われる。 In a preferred embodiment of the method disclosed herein, the surface coating is one compound selected from the group consisting of Li 4 Ti 5 O 12 , LiTi 2 O 4 and Li 2 TiO 3 , or any two or more thereof. Form with mixture. In one preferred embodiment of the method disclosed herein, the baking is performed at a heating temperature at which a surface film composed of spinel type or anatase type lithium titanate can be formed.

ここに開示される方法の好ましい一態様では、上記焼成は大気雰囲気下で行われる。かかる方法によれば、チタン酸リチウム生成時における副生成物(例えば副生成ガスなど)を容易に除去することができる。そのため、ゾルの焼成を安定して(品質安定性よく)行うことができる。   In a preferred embodiment of the method disclosed herein, the calcination is performed in an air atmosphere. According to this method, a by-product (for example, a by-product gas) at the time of lithium titanate generation can be easily removed. Therefore, the sol can be fired stably (with high quality stability).

以下、図面を参照しながら、本発明による実施の形態を説明する。以下の図面においては、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明している。なお、各図における寸法関係(長さ、幅、厚さ等)は実際の寸法関係を反映するものではない。また、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄(例えば、正極および負極を備えた電極体の構成および製法、セパレータや電解質の構成および製法、リチウム二次電池その他の電池の構築に係る一般的技術等)は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。   Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following drawings, members / parts having the same action are described with the same reference numerals. Note that the dimensional relationship (length, width, thickness, etc.) in each drawing does not reflect the actual dimensional relationship. Further, matters other than the matters specifically mentioned in the present specification and matters necessary for carrying out the present invention (for example, the configuration and manufacturing method of an electrode body including a positive electrode and a negative electrode, the configuration and manufacturing method of a separator and an electrolyte, General techniques relating to the construction of lithium secondary batteries and other batteries, etc.) can be understood as design matters for those skilled in the art based on the prior art in this field.

図1及び図2を参照しつつ、本実施形態に係る負極活物質の構成について説明する。図1は負極の断面を模式的に示す断面模式図であり、図2は負極活物質の断面を模式的に示す断面模式図である。   The configuration of the negative electrode active material according to this embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view schematically showing a cross section of the negative electrode, and FIG. 2 is a schematic cross-sectional view schematically showing a cross section of the negative electrode active material.

図1に示すように、本実施形態に係る負極100は、負極集電体30の上に負極活物質10を含む負極合材層20が積層されて形成されている。負極集電体30は、典型的なリチウムイオン二次電池に用いられるものと同じであればよく、例えば銅箔である。負極合材層20は、負極活物質10と、この負極活物質10を負極集電体30上に付着させる負極結着材とから構成されている。負極結着材は、例えばPVDFである。負極合材層20は、必要に応じて使用される他の負極合材層形成成分を含んでもよい。   As shown in FIG. 1, the negative electrode 100 according to this embodiment is formed by laminating a negative electrode mixture layer 20 including a negative electrode active material 10 on a negative electrode current collector 30. The negative electrode current collector 30 may be the same as that used for a typical lithium ion secondary battery, and is, for example, a copper foil. The negative electrode mixture layer 20 includes a negative electrode active material 10 and a negative electrode binder that adheres the negative electrode active material 10 onto the negative electrode current collector 30. The negative electrode binder is, for example, PVDF. The negative electrode composite material layer 20 may include other negative electrode composite material layer forming components used as necessary.

負極活物質10は、図2に模式的に示すように、負極活物質10を構成する炭素系材料を微視的にみると、リチウムイオンを保持し得る炭素系粒子12と、炭素系粒子12を被覆するチタン酸リチウムから構成される表面被膜14とを備えている。炭素系粒子12は、リチウムイオンを保持し得る(リチウムイオンを電気化学的に吸蔵・放出し得る)炭素系材料から構成されている。炭素系粒子12を構成する炭素系材料は、典型的なリチウムイオン二次電池に用いられるものと同じであればよく特に制限されないが、電池容量が大きい材料が好ましい。このような炭素系材料としては、例えば、天然黒鉛およびその改良体、人造黒鉛(例えばMCMB)、低黒鉛化材料、難黒鉛化炭素材料などが挙げられる。炭素系粒子12の粒径は、特に制限されないが、例えば平均粒径が2μm〜20μm程度の範囲にあるものが好ましい。このような粒径の炭素系粒子12は、従来公知の方法、例えば機械的に粉砕することにより容易に形成することができる。   As schematically shown in FIG. 2, when the carbon-based material constituting the negative electrode active material 10 is viewed microscopically, the negative electrode active material 10 includes carbon-based particles 12 that can hold lithium ions, and carbon-based particles 12. And a surface coating film 14 made of lithium titanate. The carbon-based particles 12 are made of a carbon-based material that can hold lithium ions (can store and release lithium ions electrochemically). The carbon-based material constituting the carbon-based particles 12 is not particularly limited as long as it is the same as that used for a typical lithium ion secondary battery, but a material having a large battery capacity is preferable. Examples of such a carbon-based material include natural graphite and its improved products, artificial graphite (for example, MCMB), low graphitized material, non-graphitizable carbon material, and the like. The particle size of the carbon-based particles 12 is not particularly limited, but for example, those having an average particle size in the range of about 2 μm to 20 μm are preferable. The carbon-based particles 12 having such a particle diameter can be easily formed by a conventionally known method, for example, mechanically pulverizing.

炭素系粒子12は、チタン酸リチウムから構成される表面被膜14(以下「チタン酸リチウム被膜」とも称する。)によって被覆されている。このチタン酸リチウム被膜14は、リチウムイオンに対して伝導性があり、その一方で電子伝導性が実質的にない。そのため、チタン酸リチウムからなる表面被膜14によって、リチウムイオンが挿入・脱離できるように炭素系粒子12の表面を不活性化・安定化させることができる。また、チタン酸リチウム被膜14は、炭素系粒子に比べてリチウムイオン伝導性が良好であるため、初回充電の際に電解液の還元的分解反応に起因するSEIが生成されない。   The carbon-based particles 12 are covered with a surface coating 14 (hereinafter also referred to as “lithium titanate coating”) made of lithium titanate. The lithium titanate coating 14 is conductive to lithium ions, while having substantially no electronic conductivity. Therefore, the surface coating 14 made of lithium titanate can inactivate and stabilize the surface of the carbon-based particles 12 so that lithium ions can be inserted and removed. In addition, since the lithium titanate coating 14 has better lithium ion conductivity than the carbon-based particles, SEI due to the reductive decomposition reaction of the electrolytic solution is not generated during the initial charge.

このようなチタン酸リチウムとして、例えばLiTi12、LiTi及びLiTiOから成る群から選択される1種の化合物または何れか2種以上の混合物が挙げられる。上記チタン酸リチウムからなる表面被膜14は、電解液の還元分解反応に起因して電池(セル)内で自然に生じるSEIに比べて、低温でのリチウムイオン伝導性が高く、且つ、高温でも容易に分解されない。そのため、本発明の目的に適した表面被膜として特に好ましく使用することができる。 Examples of such lithium titanate include one compound selected from the group consisting of Li 4 Ti 5 O 12 , LiTi 2 O 4 and Li 2 TiO 3, or a mixture of any two or more thereof. The surface coating 14 made of lithium titanate has high lithium ion conductivity at a low temperature and easy even at a high temperature as compared with SEI that naturally occurs in a battery (cell) due to a reductive decomposition reaction of an electrolytic solution. Is not disassembled. Therefore, it can be particularly preferably used as a surface coating suitable for the purpose of the present invention.

また、上記表面被膜14は、スピネル型又はアナターゼ型のチタン酸リチウムで構成されていることが好ましい。スピネル型又はアナターゼ型のチタン酸リチウムからなる表面被膜は、良好なリチウムイオン伝導性があるため、本発明の目的に適した表面被膜として特に好ましく使用することができる。なお、スピネル型又はアナターゼ型に限らず、チタン酸リチウムの材質(典型的には組成式)に応じて、適宜好ましい構造を採用することができる。例えばアナターゼ型、ルチル型、スピネル型、或いはそれらが混在した構造であってもよい。さらに、表面被膜14に、チタン酸リチウム以外の材質(例えば酸化チタンなど)が混在していてもよい。   The surface coating 14 is preferably composed of spinel type or anatase type lithium titanate. A surface film made of spinel type or anatase type lithium titanate has good lithium ion conductivity and can be particularly preferably used as a surface film suitable for the purpose of the present invention. In addition, not only a spinel type or an anatase type but a preferable structure can be suitably adopted according to the material (typically composition formula) of lithium titanate. For example, an anatase type, a rutile type, a spinel type, or a structure in which they are mixed may be used. Furthermore, the surface coating 14 may contain a material other than lithium titanate (for example, titanium oxide).

本実施形態に係る負極活物質10の構成によれば、チタン酸リチウムからなる表面被膜14によって、炭素系粒子12の表面を不活性化・安定化させるとともに、電解液の還元分解反応に起因して自然発生し得る種々の欠点を有するSEIの生成を防止することができる。これにより、電解液の分解により生成したSEIの存在による悪影響を回避することができる。   According to the configuration of the negative electrode active material 10 according to the present embodiment, the surface coating 14 made of lithium titanate inactivates and stabilizes the surface of the carbon-based particles 12 and also results from the reductive decomposition reaction of the electrolytic solution. Thus, it is possible to prevent the generation of SEI having various defects that may occur naturally. Thereby, the bad influence by presence of SEI produced | generated by decomposition | disassembly of electrolyte solution can be avoided.

典型的な炭素系粒子から構成された負極活物質においては、一般に、初回充電の際に、電解液の還元的分解反応により炭素系粒子の表面にSEIが生成される。この電解液の分解により自然に生成したSEIは、低温でのリチウムイオン伝導性が悪いため、電池温度の低下に伴ってハイレート特性が悪化する要因になり得る。また、この電解液の分解により生成したSEIは、電池温度が上昇すると容易に分解するため、電池の耐久性が悪くなる要因になり得る。これに対し、本実施形態の構成によれば、チタン酸リチウムからなる表面被膜14によって、電解液の還元分解反応に起因するSEIの生成を防止することができるため、低温でのハイレート特性の低下や高温での耐久性の低下を回避することができる。したがって、本実施形態の負極活物質10の構成によれば、高容量で且つ温度特性に優れたリチウムイオン二次電池を提供することができる。   In a negative electrode active material composed of typical carbon-based particles, SEI is generally generated on the surface of the carbon-based particles by the reductive decomposition reaction of the electrolytic solution during the initial charge. SEI naturally produced by the decomposition of the electrolytic solution has poor lithium ion conductivity at a low temperature, and can cause deterioration of the high rate characteristics as the battery temperature decreases. In addition, SEI generated by the decomposition of the electrolytic solution is easily decomposed when the battery temperature rises, which may be a factor that deteriorates the durability of the battery. On the other hand, according to the configuration of the present embodiment, the surface coating 14 made of lithium titanate can prevent the generation of SEI due to the reductive decomposition reaction of the electrolytic solution. Further, it is possible to avoid a decrease in durability at high temperatures. Therefore, according to the configuration of the negative electrode active material 10 of the present embodiment, a lithium ion secondary battery having a high capacity and excellent temperature characteristics can be provided.

チタン酸リチウム被膜14の厚さは、100nm〜2000nmの範囲にあることが好ましい。チタン酸リチウム被膜14の厚さが100nm未満になると、炭素系粒子12の表面を一様に(好ましくは均一な膜厚で)被覆することが難しくなるため、電解液の還元分解反応に起因するSEIの生成を防止できない場合があり得る。一方、チタン酸リチウム被膜14の厚さが2000nmを超えると、炭素系粒子に比べて電池理論容量が小さいチタン酸リチウム(例えばLiTiでは175mAh/g)の膜厚が厚くなりすぎるため、容量密度が低下する場合があり得る。したがって、チタン酸リチウム被膜14の厚さを100nm〜2000nm(例えば200nm〜500nm)の範囲にすることにより、電解液の分解反応に起因するSEI生成の防止のメリットと、炭素系粒子を用いることによる高容量化のメリットとを両立させることができる。 The thickness of the lithium titanate coating 14 is preferably in the range of 100 nm to 2000 nm. When the thickness of the lithium titanate coating 14 is less than 100 nm, it becomes difficult to coat the surface of the carbon-based particles 12 uniformly (preferably with a uniform film thickness), and this results from the reductive decomposition reaction of the electrolytic solution. There may be cases where the generation of SEI cannot be prevented. On the other hand, when the thickness of the lithium titanate film 14 exceeds 2000 nm, the film thickness of lithium titanate (for example, 175 mAh / g in Li 4 Ti 5 O 1 ) having a smaller battery theoretical capacity than the carbon-based particles becomes too thick. Therefore, the capacity density may be reduced. Therefore, by setting the thickness of the lithium titanate coating 14 in the range of 100 nm to 2000 nm (for example, 200 nm to 500 nm), it is possible to prevent the SEI formation caused by the decomposition reaction of the electrolytic solution and to use the carbon-based particles. It is possible to achieve both the benefits of high capacity.

次に、図3を加えて、上述した負極活物質10を製造する方法について説明する。図3は負極活物質10の製造フローを示す図である。この製造方法について簡単に説明すると、上記炭素系粒子と、ペルオキソチタン酸と、炭酸リチウムまたは水酸化リチウムとを含む分散液からゾルを調製する工程(ステップS10)と、上記調製したゾルを焼成することにより、上記炭素系粒子の表面にチタン酸リチウムから構成される表面被膜を形成する工程(ステップS20)とを含む。以下、これについて説明する。   Next, a method for manufacturing the above-described negative electrode active material 10 will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a diagram showing a manufacturing flow of the negative electrode active material 10. Briefly describing this production method, a step of preparing a sol from a dispersion containing the carbon-based particles, peroxotitanic acid, lithium carbonate or lithium hydroxide (step S10), and firing the prepared sol This includes a step of forming a surface coating composed of lithium titanate on the surface of the carbon-based particles (step S20). This will be described below.

まず、ステップS12において、炭素系粒子と、ペルオキソチタン酸と、炭酸リチウムまたは水酸化リチウムとを含む分散液を調製する。   First, in step S12, a dispersion containing carbon-based particles, peroxotitanic acid, and lithium carbonate or lithium hydroxide is prepared.

ここで、ペルオキソチタン酸とは、ペルオキソ基(−O−O−)とチタンとが結合した過酸化チタンであり、その水溶液は、一般に、下記の基本構造を有する二核錯体アニオンTi(OH) (2−x)−(x>2)やそのポリアニオン(Ti(OH) (y−2q)−(2<q/y)などを含んでいる。ペルオキソチタン酸水溶液としては、従来公知の方法により製造されたものを使用することができ、例えば、チタン化合物の水溶液や水和酸化チタンの懸濁液などに過酸化水素水(H)を作用させることにより容易に作製することができる。 Here, peroxotitanic acid is titanium peroxide in which a peroxo group (—O—O—) and titanium are bonded, and an aqueous solution thereof generally has a binuclear complex anion Ti 2 O 5 having the following basic structure. (OH) x (2-x) − (x> 2) and its polyanion (Ti 2 O 5 ) q (OH) y (y-2q) − (2 <q / y) are included. As the peroxotitanic acid aqueous solution, those prepared by a conventionally known method can be used. For example, a hydrogen peroxide solution (H 2 O 2 ) can be used in an aqueous solution of a titanium compound or a suspension of hydrated titanium oxide. It can be easily produced by acting.

Figure 2009252421
Figure 2009252421

この実施形態では、上記分散液の調製は、上記ペルオキソチタン酸水溶液に、炭素系粒子と炭酸リチウムとを添加して混合することにより行われる。このとき、ペルオキソチタン酸水溶液中において、炭酸リチウムとペルオキソチタン酸とが所望のLi/Ti比となるように秤量しておくことが望ましい。   In this embodiment, the dispersion is prepared by adding and mixing carbon-based particles and lithium carbonate to the peroxotitanic acid aqueous solution. At this time, it is desirable to weigh so that lithium carbonate and peroxotitanic acid have a desired Li / Ti ratio in the peroxotitanic acid aqueous solution.

次に、ステップS14において、上記炭素系粒子と、上記ペルオキソチタン酸と、上記炭酸リチウムとを含む分散液を加熱処理する。これにより、上記分散液からゾルを調製することができる。   Next, in step S14, a dispersion containing the carbon-based particles, the peroxotitanic acid, and the lithium carbonate is heat-treated. Thereby, a sol can be prepared from the dispersion.

この実施形態では、ゾルの調製は、上記炭素系粒子と、上記ペルオキソチタン酸と、上記炭酸リチウムとを含む分散液をオートクレーブ処理することにより行われる。具体的には、ゾルの調製は、上記炭素系粒子と上記炭酸リチウムとを含むペルオキソチタン酸水溶液をオートクレーブ(耐熱耐圧の密閉容器)に入れて、例えば約250℃で5時間程度加熱することにより行われる。このようにオートクレーブ処理でゾルを調製することにより、本発明の目的に適した流動性を有するゾルを容易に且つ安定して製造することができる。   In this embodiment, the sol is prepared by autoclaving a dispersion containing the carbon-based particles, the peroxotitanic acid, and the lithium carbonate. Specifically, the sol is prepared by placing a peroxotitanic acid aqueous solution containing the carbon-based particles and the lithium carbonate in an autoclave (a heat-resistant pressure-resistant sealed container) and heating at, for example, about 250 ° C. for about 5 hours. Done. Thus, by preparing a sol by autoclaving, a sol having fluidity suitable for the purpose of the present invention can be easily and stably produced.

また、上記オートクレーブ処理は、上記炭素系粒子と上記ペルオキソチタン酸と上記炭酸リチウムとを含む分散液を攪拌しつつ行ってもよい。これにより、本発明の目的に適したゾルをさらに安定して得ることができる。なお、オートクレーブの加熱温度および加熱時間は、所望のゾルの特性(例えばゾルの流動性など)に応じて適宜変更することができる。このように、ステップS12とステップS14を経て、ゾルの調製工程(ステップS10)が完了する。   The autoclave treatment may be performed while stirring a dispersion containing the carbon-based particles, the peroxotitanic acid, and the lithium carbonate. Thereby, the sol suitable for the object of the present invention can be obtained more stably. Note that the heating temperature and heating time of the autoclave can be appropriately changed according to desired sol characteristics (for example, sol fluidity). In this way, the sol preparation process (step S10) is completed through steps S12 and S14.

次に、ステップS20において、調製したゾルを焼成することにより、炭素系粒子の表面にチタン酸リチウムから構成される表面被膜を形成する。すなわち、炭素系粒子が安定分散(均一分散)されたゾルを原料とし、典型的には該ゾルから溶媒を揮発させて流動性のない粒子分散状態のゲルを作製し、該ゲルをさらに加熱して炭素系粒子の表面にチタン酸リチウムから構成される表面被膜を形成する。   Next, in step S20, the prepared sol is baked to form a surface coating composed of lithium titanate on the surface of the carbon-based particles. That is, a sol in which carbon-based particles are stably dispersed (uniformly dispersed) is used as a raw material. Typically, a solvent is volatilized from the sol to produce a non-fluid particle dispersed state gel, and the gel is further heated. A surface coating composed of lithium titanate is formed on the surface of the carbon-based particles.

この実施形態では、ゾルの焼成は、調製したゾルを電気炉中で加熱することにより行われる。このとき、ゾルの焼成は、大気雰囲気下で行われることが好ましい。これにより、チタン酸リチウム生成時における副生成物(例えば副生成ガスなど)を容易に除去することができる。そのため、ゾルの焼成を安定して(品質安定性よく)行うことができる。なお、ゾルの焼成は、スピネル型又はアナターゼ型のチタン酸リチウムで構成される表面被膜が形成され得る加熱温度および加熱時間で行われることが好ましい。例えば、スピネル型のLiTi12を合成したい場合、調製したゾルを600〜1600℃で7時間〜12時間程度、例えば750℃で10時間焼成すればよい。また、アナターゼ型のLiTi12を合成したい場合、調製したゾルを400〜550℃で6時間〜20時間程度、例えば450℃で10時間焼成すればよい。 In this embodiment, the sol is baked by heating the prepared sol in an electric furnace. At this time, the baking of the sol is preferably performed in an air atmosphere. Thereby, the by-product (for example, by-product gas etc.) at the time of lithium titanate production can be removed easily. Therefore, the sol can be fired stably (with high quality stability). The sol is preferably baked at a heating temperature and a heating time at which a surface film composed of spinel type or anatase type lithium titanate can be formed. For example, when it is desired to synthesize spinel-type Li 4 Ti 5 O 12 , the prepared sol may be baked at 600 to 1600 ° C. for about 7 hours to 12 hours, for example, at 750 ° C. for 10 hours. In addition, when it is desired to synthesize anatase-type Li 4 Ti 5 O 12 , the prepared sol may be baked at 400 to 550 ° C. for about 6 hours to 20 hours, for example, at 450 ° C. for 10 hours.

このようにして得られた負極活物質は、上記焼成により炭素系粒子同士が相互に凝集して成る一塊状態となっている。次に、ステップS30において、凝集して成る炭素系粒子同士の一塊状態を粉砕して分割する。このようにして、チタン酸リチウムからなる表面被膜で被覆された炭素系粒子から構成された負極活物質を得ることができる。   The negative electrode active material obtained in this way is in a lump state in which carbon particles are aggregated with each other by the firing. Next, in step S30, the lump state of the aggregated carbon-based particles is pulverized and divided. Thus, the negative electrode active material comprised from the carbon-type particle | grains coat | covered with the surface film which consists of lithium titanates can be obtained.

本実施形態の製造方法では、炭素系粒子を安定分散(均一分散)させたゾルを原料とし、典型的には該ゲルから溶媒を揮発させて流動性のない粒子分散状態のゲルを作製し、さらに加熱して炭素系粒子の表面にチタン酸リチウムから構成される表面被膜を形成している。このことにより、炭素系粒子表面にチタン酸リチウム膜を均一に形成することができる。したがって、ここに開示される製造方法によると、本発明の目的に適した負極活物質を安定して(品質安定性よく)製造することができる。   In the production method of the present embodiment, a sol in which carbon-based particles are stably dispersed (uniformly dispersed) is used as a raw material, and typically a solvent is volatilized from the gel to produce a particle-dispersed gel having no fluidity. Further, a surface coating composed of lithium titanate is formed on the surface of the carbon-based particles by heating. Thereby, a lithium titanate film can be uniformly formed on the surface of the carbon-based particles. Therefore, according to the production method disclosed herein, a negative electrode active material suitable for the object of the present invention can be produced stably (with high quality stability).

なお、本実施形態の方法により提供される負極活物質は、高容量で、且つ温度特性(例えば低温でのハイレート特性)に優れることから、種々の形態の電池の構成要素または該電池に内蔵される電極体の負極の構成要素として好ましく利用され得る。   Note that the negative electrode active material provided by the method of the present embodiment has a high capacity and excellent temperature characteristics (for example, high rate characteristics at low temperatures), and therefore is incorporated in various types of battery components or in the battery. It can be preferably used as a component of the negative electrode of the electrode body.

例えば、ここに開示されるいずれかの方法により製造された負極活物質10を備えた負極と、正極(従来公知の製法により製造された正極であってもよい)と、該正負極間に配置される電解質(電解液、特に非水系の電解液)と、典型的には正負極間を離隔するセパレータと、を備えるリチウムイオン二次電池の構成要素として好ましく使用され得る。かかる電池を構成する外容器の構造(例えば金属製の筐体やラミネートフィルム構造物)やサイズ、あるいは正負極集電体を主構成要素とする電極体の構造(例えば捲回構造や積層構造)等について特に制限はない。   For example, a negative electrode including the negative electrode active material 10 manufactured by any of the methods disclosed herein, a positive electrode (which may be a positive electrode manufactured by a conventionally known manufacturing method), and the positive and negative electrodes are disposed. It can be preferably used as a component of a lithium ion secondary battery comprising an electrolyte (electrolytic solution, particularly non-aqueous electrolytic solution) and a separator that typically separates the positive and negative electrodes. Structure (for example, metal casing or laminate film structure) and size of an outer container constituting such a battery, or structure of an electrode body (for example, a wound structure or a laminated structure) having a positive / negative electrode current collector as a main component There is no particular restriction on the etc.

本発明に係る負極活物質を用いてリチウムイオン二次電池を構築することにより、炭素系粒子表面においてSEIの生成を防止し得ることを確認するため、実施例として以下の実験を行った。なお、本実施例では、チタン酸リチウム被膜としてLiTi12(スピネル型)を作成した。以下、詳細に説明する。 In order to confirm that the production of SEI on the surface of the carbon-based particles can be prevented by constructing a lithium ion secondary battery using the negative electrode active material according to the present invention, the following experiment was conducted as an example. In this example, Li 4 Ti 5 O 12 (spinel type) was prepared as the lithium titanate coating. Details will be described below.

まず、水酸化リチウム(LiOH)粉末を、約50質量%のペルオキソチタン酸水溶液300mLに添加し、所定のLi/Ti比(この実施例では4:5)となるように調製した。これに炭素系粒子としての黒鉛粉末を所定量(ここでは500g)加えて分散させた。次いで、この混合液を攪拌しながら、250℃で5時間オートクレーブ処理することにより、ゾルを調製した。次いで、調製したゾルを、大気雰囲気下750℃で10時間焼成を行うことにより、粒度分布が概ね10μm〜100μm(平均粒径が概ね20μm〜50μm)の球状の黒鉛粉末の表面にLiTi12(主にスピネル型)からなるチタン酸リチウム被膜を形成した。このようにして本実施例に係る負極活物質を得た。なお、上記合成に使用した各材料は市販されているものである。 First, lithium hydroxide (LiOH) powder was added to 300 mL of a 50% by mass peroxotitanic acid aqueous solution to prepare a predetermined Li / Ti ratio (4: 5 in this example). A predetermined amount (500 g in this case) of graphite powder as carbon-based particles was added and dispersed therein. Next, a sol was prepared by autoclaving the mixed solution at 250 ° C. for 5 hours while stirring. Next, the prepared sol is calcined at 750 ° C. for 10 hours in an air atmosphere, whereby Li 4 Ti 5 is formed on the surface of a spherical graphite powder having a particle size distribution of approximately 10 μm to 100 μm (average particle diameter is approximately 20 μm to 50 μm). A lithium titanate film composed of O 12 (mainly spinel type) was formed. In this way, a negative electrode active material according to this example was obtained. In addition, each material used for the said synthesis | combination is marketed.

次に、得られた負極活物質を評価するために、本実施例の負極活物質を用いてリチウムイオン二次電池を作製した。具体的には、正極活物質としてのニッケル酸リチウム 89質量%を、正極導電剤としてのアセチレンブラック 5質量%、正極結着材としてのPTFE(ポリテトラフルオロエチレン) 5質量%、および増粘剤としてのCMC(カルボキシメチルセルロース) 1質量%とともに適当な溶媒に分散させて正電極材ペーストを調製し、このペーストを正極集電体(アルミニウム箔)に塗布し、正極集電体の両面に正電極材層が設けられた正極シートを作製した。一方、上記実施例のチタン酸リチウム被膜で被覆された黒鉛 98質量%を、負極結着材としてのSBR(スチレンブタジエンゴム) 1質量%および増粘剤としてのCMC 1質量%とともに適当な溶媒に分散させて負電極材ペーストを調製し、このペーストを負極集電体(銅箔)に塗布し、負極集電体の両面に負電極材層が設けられた負極シートを作製した。そして、これらの正極シートおよび負極シートを、2枚のセパレータシート(多孔質ポリプロピレン)を介して捲回し、該捲回した捲回電極体を側面方向から押し潰すことによって扁平状の捲回電極体を作製した。次いで、このようにして得られた捲回電極体を電池ケースに収容した。その後、電池ケースの注液口から電解液を注入し、該注液口を封口することによって試験用電池(実施例1)を構築した。なお、電解液としてはエチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの1:1(質量比)混合溶媒に約1MのLiPFを溶解させたものを50mL使用した。 Next, in order to evaluate the obtained negative electrode active material, a lithium ion secondary battery was produced using the negative electrode active material of this example. Specifically, 89% by mass of lithium nickelate as a positive electrode active material, 5% by mass of acetylene black as a positive electrode conductive agent, 5% by mass of PTFE (polytetrafluoroethylene) as a positive electrode binder, and a thickener CMC (Carboxymethylcellulose) as 1% by weight is dispersed in an appropriate solvent to prepare a positive electrode material paste, and this paste is applied to a positive electrode current collector (aluminum foil). A positive electrode sheet provided with a material layer was produced. On the other hand, 98% by mass of graphite coated with the lithium titanate film of the above example was added to a suitable solvent together with 1% by mass of SBR (styrene butadiene rubber) as a negative electrode binder and 1% by mass of CMC as a thickener. A negative electrode material paste was prepared by dispersing, and this paste was applied to a negative electrode current collector (copper foil) to prepare a negative electrode sheet in which negative electrode material layers were provided on both sides of the negative electrode current collector. Then, these positive electrode sheet and negative electrode sheet are wound through two separator sheets (porous polypropylene), and the wound electrode body is flattened by crushing the wound electrode body from the side surface direction. Was made. Subsequently, the wound electrode body obtained in this way was accommodated in a battery case. Then, the test battery (Example 1) was constructed | assembled by inject | pouring electrolyte solution from the injection hole of a battery case, and sealing this injection hole. Note that one of the electrolyte solution ethylene carbonate and diethyl carbonate: 1 those obtained by dissolving LiPF 6 of about 1M to (mass ratio) mixed solvent was used 50 mL.

以上のように作製した試験用電池に対して初期充電を行った。そして、電解液の還元的分解反応によるSEIの生成時に副生成物として発生するガス量を測定した。すなわち、初期充電時に発生したガス量が少ないほど、電解液の分解に起因するSEIの生成が抑制されたことを意味する。なお、比較例として、チタン酸リチウム被膜がない黒鉛を負極活物質として電池を作製し、同様の実験を行った。なお、表面被膜がないこと以外は実施例と同様の条件で実験を行った。   The initial charge was performed on the test battery produced as described above. Then, the amount of gas generated as a by-product when SEI was generated by the reductive decomposition reaction of the electrolytic solution was measured. That is, it means that the smaller the amount of gas generated during initial charging, the more suppressed the generation of SEI due to the decomposition of the electrolytic solution. As a comparative example, a battery was manufactured using graphite without a lithium titanate coating as a negative electrode active material, and the same experiment was performed. In addition, it experimented on the conditions similar to an Example except having no surface film.

その結果、実施例の負極活物質を用いて作製した電池においては、比較例に対して初回充電時のガス発生量が約13%低減できることが分かった。このことから、チタン酸リチウムから構成された表面被膜によって炭素系粒子の表面を被覆することにより、電解液の還元分解反応に起因するSEIの生成を防止できることが確認された。   As a result, in the battery produced using the negative electrode active material of the example, it was found that the amount of gas generated at the first charge can be reduced by about 13% compared to the comparative example. From this, it was confirmed that the formation of SEI due to the reductive decomposition reaction of the electrolytic solution can be prevented by covering the surface of the carbon-based particles with a surface coating composed of lithium titanate.

以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、勿論、種々の改変が可能である。   As mentioned above, although this invention was demonstrated by suitable embodiment, such description is not a limitation matter and of course various modifications are possible.

本実施形態に係る負極の断面模式図。The cross-sectional schematic diagram of the negative electrode which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る負極活物質の断面模式図。The cross-sectional schematic diagram of the negative electrode active material which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る負極活物質の製造フロー図。The manufacturing flowchart of the negative electrode active material which concerns on this embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

10 負極活物質
12 炭素系粒子
14 チタン酸リチウム被膜
20 負極合材層
30 負極集電体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Negative electrode active material 12 Carbonaceous particle 14 Lithium titanate coating 20 Negative electrode compound material layer 30 Negative electrode collector

Claims (10)

リチウムイオン二次電池用の負極活物質であって、
リチウムイオンを保持し得る炭素系粒子と、
前記炭素系粒子を被覆するチタン酸リチウムから構成される表面被膜と
を備える、電池用負極活物質。
A negative electrode active material for a lithium ion secondary battery,
Carbon-based particles capable of holding lithium ions;
A negative electrode active material for a battery, comprising: a surface coating composed of lithium titanate that coats the carbon-based particles.
前記表面被膜を構成するチタン酸リチウムは、LiTi12、LiTi及びLiTiOから成る群から選択される1種の化合物または何れか2種以上の混合物である、請求項1に記載の負極活物質。 The lithium titanate constituting the surface coating is one compound selected from the group consisting of Li 4 Ti 5 O 12 , LiTi 2 O 4 and Li 2 TiO 3, or a mixture of any two or more thereof. Item 6. The negative electrode active material according to Item 1. 前記表面被膜はスピネル型又はアナターゼ型のチタン酸リチウムで構成されている、請求項1または2に記載の負極活物質。   The negative electrode active material according to claim 1, wherein the surface film is made of spinel type or anatase type lithium titanate. リチウムイオンを保持し得る炭素系粒子から構成されるリチウムイオン二次電池用負極活物質の製造方法であって、
前記炭素系粒子と、ペルオキソチタン酸と、炭酸リチウムまたは水酸化リチウムとを含む分散液からゾルを調製する工程と、
前記調製したゾルを焼成することにより、前記炭素系粒子の表面にチタン酸リチウムから構成される表面被膜を形成する工程と
を含む、製造方法。
A method for producing a negative electrode active material for a lithium ion secondary battery composed of carbon-based particles capable of holding lithium ions,
Preparing a sol from a dispersion containing the carbon-based particles, peroxotitanic acid, and lithium carbonate or lithium hydroxide;
Forming a surface coating composed of lithium titanate on the surface of the carbon-based particles by firing the prepared sol.
前記ゾルの調整は、前記炭素系粒子と、ペルオキソチタン酸と、炭酸リチウムまたは水酸化リチウムとを含む分散液をオートクレーブ処理することにより行われる、請求項4に記載の製造方法。   The production method according to claim 4, wherein the adjustment of the sol is performed by autoclaving a dispersion liquid containing the carbon-based particles, peroxotitanic acid, and lithium carbonate or lithium hydroxide. 前記表面被膜をLiTi12、LiTi及びLiTiOから成る群から選択される1種の化合物または何れか2種以上の混合物により形成する、請求項4または5に記載の製造方法。 The said surface film is formed of one compound selected from the group consisting of Li 4 Ti 5 O 12 , LiTi 2 O 4 and Li 2 TiO 3, or a mixture of any two or more thereof. Manufacturing method. 前記焼成は大気雰囲気下で行われる、請求項4から6の何れか一つに記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 4, wherein the firing is performed in an air atmosphere. 前記焼成は、スピネル型又はアナターゼ型のチタン酸リチウムで構成される表面被膜が形成され得る加熱温度で行われる、請求項4から7の何れか一つに記載の製造方法。   The said baking is a manufacturing method as described in any one of Claim 4 to 7 performed at the heating temperature in which the surface film comprised with a spinel type or anatase type lithium titanate can be formed. 請求項1から3の何れか一つに記載の負極活物質を負極に用いたリチウムイオン二次電池。   The lithium ion secondary battery using the negative electrode active material as described in any one of Claim 1 to 3 for the negative electrode. 請求項9に記載のリチウムイオン二次電池を備えた車両。   A vehicle comprising the lithium ion secondary battery according to claim 9.
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