JP2010147006A - Negative electrode and secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電極反応物質を吸蔵および放出することが可能な負極およびそれを用いた二次電池に関する。 The present invention relates to a negative electrode capable of occluding and releasing an electrode reactant and a secondary battery using the same.
近年、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、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広く普及しており、その小型化、軽量化および長寿命化が強く求められている。これに伴い、電源として、電池、特に小型かつ軽量で高エネルギー密度を得ることが可能な二次電池の開発が進められている。 In recent years, portable electronic devices such as a video camera, a digital still camera, a mobile phone, and a laptop computer have been widely used, and there is a strong demand for miniaturization, weight reduction, and long life. Accordingly, as a power source, development of a battery, in particular, a secondary battery that is small and lightweight and capable of obtaining a high energy density is in progress.
中でも、充放電反応にリチウムイオンの吸蔵および放出を利用するリチウムイオン二次電池は、鉛電池およびニッケルカドミウム電池よりも高いエネルギー密度が得られるため、広く実用化されている。 Among them, lithium ion secondary batteries that use the insertion and extraction of lithium ions for charge / discharge reactions are widely put into practical use because they have higher energy density than lead batteries and nickel cadmium batteries.
リチウムイオン二次電池は、リチウムイオンを吸蔵および放出することが可能な正極活物質を含む正極と、リチウムイオンを吸蔵および放出することが可能な負極活物質を含む負極と、電解質とを備えている。 A lithium ion secondary battery includes a positive electrode including a positive electrode active material capable of inserting and extracting lithium ions, a negative electrode including a negative electrode active material capable of inserting and extracting lithium ions, and an electrolyte. Yes.
負極活物質としては、炭素材料が広く用いられている。その一方で、最近では、ポータブル電子機器の高性能化および多機能化に伴い、電池容量のさらなる向上が求められていることから、炭素材料に代えてケイ素を用いることが検討されている。ケイ素の理論容量(4199mAh/g)は黒鉛の理論容量(372mAh/g)よりも格段に大きいため、電池容量の大幅な向上が期待されるからである。 Carbon materials are widely used as the negative electrode active material. On the other hand, recently, with the improvement in performance and multi-function of portable electronic devices, further improvement in battery capacity has been demanded. Therefore, the use of silicon instead of carbon materials has been studied. This is because the theoretical capacity of silicon (4199 mAh / g) is much larger than the theoretical capacity of graphite (372 mAh / g), so that significant improvement in battery capacity is expected.
負極活物質としてケイ素を用いる場合には、負極活物質層の形成方法として蒸着法などの堆積法が用いられている。負極集電体の表面にケイ素が直接堆積され、負極活物質(ケイ素の堆積膜)が負極集電体に対して連結(固定)されるため、充放電時において負極活物質層が膨張および収縮しにくくなるからである。 When silicon is used as the negative electrode active material, a deposition method such as a vapor deposition method is used as a method for forming the negative electrode active material layer. Since silicon is directly deposited on the surface of the negative electrode current collector and the negative electrode active material (silicon deposition film) is connected (fixed) to the negative electrode current collector, the negative electrode active material layer expands and contracts during charge and discharge. Because it becomes difficult to do.
しかしながら、以下の理由により、二次電池の重要な特性であるサイクル特性および膨れ特性の低下が懸念される。 However, due to the following reasons, there are concerns about deterioration of cycle characteristics and swelling characteristics, which are important characteristics of the secondary battery.
第1に、充放電時においてリチウムイオンを吸蔵した負極活物質が高活性になるため、リチウムイオンの一部が不活性化すると共に電解質の分解反応に起因して電池内にガスが発生しやすくなる。このため、充放電を繰り返すと、放電容量が低下すると共に電池膨れが生じやすくなる。 First, since the negative electrode active material that occludes lithium ions during charge / discharge becomes highly active, some of the lithium ions are inactivated and gas is easily generated in the battery due to the decomposition reaction of the electrolyte. Become. For this reason, when charging and discharging are repeated, the discharge capacity is lowered and the battery is liable to swell.
第2に、負極活物質が負極集電体に対して連結されていても、充放電時における負極活物質層の膨張および収縮の程度によっては、その負極活物質層が割れると共に負極集電体から脱落する可能性がある。この場合には、負極活物質層が激しく膨張および収縮すると、負極集電体が変形する可能性もある。特に、蒸着法により堆積されたケイ素膜は緻密な膜になるため、ケイ素間の密着性は高くなるが、充放電時において負極活物質層内に生じた応力は緩和されにくくなる傾向にある。このため、充放電を繰り返すと、放電容量が低下すると共に電池膨れが生じやすくなる。 Second, even if the negative electrode active material is connected to the negative electrode current collector, the negative electrode active material layer may be cracked and the negative electrode current collector depending on the degree of expansion and contraction of the negative electrode active material layer during charge / discharge. There is a possibility of dropping out. In this case, when the negative electrode active material layer is vigorously expanded and contracted, the negative electrode current collector may be deformed. In particular, since the silicon film deposited by the vapor deposition method is a dense film, the adhesion between silicon is increased, but the stress generated in the negative electrode active material layer during charge / discharge tends to be less likely to be relaxed. For this reason, when charging and discharging are repeated, the discharge capacity is lowered and the battery is liable to swell.
第3に、ケイ素の堆積膜が非結晶性(非晶質)になるため、負極活物質が酸化の影響を受けやすくなる。これにより、負極活物質の物性が経時変化すると共に負極集電体に対する負極活物質層の密着強度が低下しやすくなる。このため、充放電を繰り返すと、放電容量が低下しやすくなる。 Thirdly, since the deposited film of silicon becomes amorphous (amorphous), the negative electrode active material is easily affected by oxidation. As a result, the physical properties of the negative electrode active material change with time, and the adhesion strength of the negative electrode active material layer to the negative electrode current collector tends to decrease. For this reason, if charge and discharge are repeated, the discharge capacity tends to decrease.
そこで、リチウムイオン二次電池の諸性能を改善するために、いくつかの技術が提案されている。具体的には、電池容量などを改善するために、三次元網状のプラスチック基体に鍍金処理を施して、そのプラスチック基体の表面部から最奥部に至る三次元網状の全格子表面を覆うように金属層を形成している(例えば、特許文献1参照。)。また、サイクル特性を改善するために、ケイ素層と銀層とを交互に積層させて陰極活物質層を形成している(例えば、特許文献2参照。)。また、電池容量およびサイクル特性などを改善するために、炭素質材料を含む層上に、蒸着法などを用いてリチウムイオン導電性を有する材料(ケイ素など)を含む層を積層させている(例えば、特許文献3〜5参照。)。さらに、サイクル特性などを改善するために、結晶領域の周りに非晶質領域が配置されるように活物質を形成している(例えば、特許文献6,7参照。)。
この他、サイクル特性を改善することを目的とした関連技術も提案されている。具体的には、負極集電体と負極活物質層との間に、超弾性あるいは形状記憶効果を有する材料を含む中間層を形成している(例えば、特許文献8参照。)。また、負極集電体と負極活物質層との間に、導電性粒子および結着材を含む導電性接着層を形成している(例えば、特許文献9参照。)。さらに、気相法を用いて成長させた第1粒子を有する下層と、塗布法を用いて堆積させた第2粒子を有する上層とが積層されるように、負極活物質層を形成している(例えば、特許文献10参照。)。
近年、ポータブル電子機器は益々高性能化および多機能化しており、その消費電力は増大しているため、二次電池の充放電は頻繁に繰り返される傾向にある。そこで、二次電池を高頻度で安全に使用するために、サイクル特性および膨れ特性についてより一層の向上が望まれている。 In recent years, portable electronic devices have become more sophisticated and multifunctional, and their power consumption has increased. Therefore, charging and discharging of secondary batteries tend to be repeated frequently. Therefore, in order to use the secondary battery safely at a high frequency, further improvement in cycle characteristics and swelling characteristics is desired.
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、優れたサイクル特性および膨れ特性を得ることが可能な負極およびそれを用いた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 an object thereof is to provide a negative electrode capable of obtaining excellent cycle characteristics and swelling characteristics and a secondary battery using the same.
本発明の負極は、電極反応物質を吸蔵および放出することが可能であると共に負極集電体上に負極活物質層を有している。この負極活物質層は、負極集電体上に形成されると共に結晶性の負極活物質を含む結晶性負極活物質層と、結晶性負極活物質層上に形成されると共に非結晶性の負極活物質を含む非結晶性負極活物質層とを含んでいる。また、本発明の二次電池は、電極反応物質を吸蔵および放出することが可能な正極および負極と、溶媒および電解質塩を含む電解質とを備え、負極が上記した構成を有するものである。 The negative electrode of the present invention can occlude and release electrode reactants and has a negative electrode active material layer on the negative electrode current collector. The negative electrode active material layer is formed on the negative electrode current collector and includes a crystalline negative electrode active material layer, and a crystalline negative electrode active material layer and a non-crystalline negative electrode A non-crystalline negative electrode active material layer containing an active material. The secondary battery of the present invention includes a positive electrode and a negative electrode capable of inserting and extracting electrode reactants, and an electrolyte containing a solvent and an electrolyte salt, and the negative electrode has the above-described configuration.
本発明の負極によれば、負極活物質層は、負極集電体上に形成されると共に結晶性の負極活物質を含む結晶性負極活物質層と、その結晶性負極活物質層上に形成されると共に非結晶性の負極活物質を含む非結晶性負極活物質層とを含んでいる。この場合には、負極活物質層が非結晶性負極活物質層だけからなる場合よりも、負極活物質の物性が経時変化しにくくなると共に、電極反応時において負極活物質層の膨張および収縮による応力に耐え得る密着性が維持される。また、負極活物質層が結晶性負極活物質層だけからなる場合よりも、電極反応物質の拡散性(出入りしやすさ)が向上すると共に、負極の反応性が低減する。したがって、本発明の負極を用いた二次電池によれば、優れたサイクル特性および膨れ特性を得ることができる。 According to the negative electrode of the present invention, the negative electrode active material layer is formed on the negative electrode current collector and formed on the crystalline negative electrode active material layer including the crystalline negative electrode active material and the crystalline negative electrode active material layer And a non-crystalline negative electrode active material layer containing a non-crystalline negative electrode active material. In this case, the physical properties of the negative electrode active material are less likely to change with time than when the negative electrode active material layer is composed of only the amorphous negative electrode active material layer, and the negative electrode active material layer is expanded and contracted during the electrode reaction. Adhesiveness that can withstand stress is maintained. In addition, the diffusibility (ease of entering and exiting) of the electrode reactant is improved and the reactivity of the negative electrode is reduced as compared with the case where the negative electrode active material layer is composed only of the crystalline negative electrode active material layer. Therefore, according to the secondary battery using the negative electrode of the present invention, excellent cycle characteristics and swelling characteristics can be obtained.
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、説明する順序は、下記の通りである。
1.負極
2.負極を用いた電気化学デバイス(二次電池)
2−1.第1の二次電池(電池構造:角型)
2−2.第2の二次電池(電池構造:円筒型)
2−3.第3の二次電池(電池構造:ラミネートフィルム型)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The order of explanation is as follows.
1. Negative electrode Electrochemical device using a negative electrode (secondary battery)
2-1. First secondary battery (battery structure: square)
2-2. Second secondary battery (battery structure: cylindrical)
2-3. Third secondary battery (battery structure: laminate film type)
<1.負極>
図1は、本発明の一実施の形態に係る負極の断面構成を表している。この負極は、例えば二次電池などの電気化学デバイスに用いられるものであり、負極集電体1上に負極活物質層2を有している。
<1. Negative electrode>
FIG. 1 shows a cross-sectional configuration of a negative electrode according to an embodiment of the present invention. This negative electrode is used for an electrochemical device such as a secondary battery, for example, and has a negative electrode
[負極集電体]
負極集電体1は、良好な電気化学的安定性、電気伝導性および機械的強度を有する材料により構成されていることが好ましい。このような材料としては、例えば、銅、ニッケルあるいはステンレスなどが挙げられ、中でも、銅が好ましい。高い電気伝導性が得られるからである。
[Negative electrode current collector]
The negative electrode
負極集電体1の表面は、粗面化されていることが好ましい。いわゆるアンカー効果により、負極集電体1に対する負極活物質層2の密着性が向上するからである。この場合には、少なくとも負極活物質層2と対向する領域において、負極集電体1の表面が粗面化されていればよい。粗面化の方法としては、例えば、電解処理により微粒子を形成する方法などが挙げられる。この電解処理とは、電解槽中において電解法により負極集電体1の表面に微粒子を形成して凹凸を設ける方法である。電解法により作製された銅箔は、一般に「電解銅箔」と呼ばれている。この他、粗面化の方法としては、例えば、圧延銅箔をサンドブラスト処理する方法なども挙げられる。
The surface of the negative electrode
負極集電体1の表面の十点平均粗さRzは、特に限定されないが、中でも、1.5μm以上であることが好ましい。この場合には、1.5μm以上30μm以下であることがより好ましく、3μm以上30μm以下であることがさらに好ましい。負極集電体1に対する負極活物質層2の密着性がより向上するからである。詳細には、1.5μmよりも小さいと、十分な密着性が得られない可能性があり、30μmよりも大きいと、かえって密着性が低下する可能性がある。
The ten-point average roughness Rz of the surface of the negative electrode
[負極活物質層]
負極活物質層2は、例えば、負極集電体1の両面に設けられている。ただし、負極活物質層2は、負極集電体1の片面だけに設けられていてもよい。
[Negative electrode active material layer]
The negative electrode
この負極活物質層2は、負極活物質として、例えばリチウムイオンなどの電極反応物質を吸蔵および放出することが可能な負極材料のいずれか1種あるいは2種以上を含んでおり、必要に応じて、負極導電剤などの他の材料を含んでいてもよい。
This negative electrode
負極材料としては、ケイ素を構成元素として含む材料が好ましい。電極反応物質を吸蔵および放出する能力が優れているため、高いエネルギー密度が得られるからである。このような材料は、ケイ素の単体、合金あるいは化合物でもよいし、それらの2種以上でもよいし、それらの1種あるいは2種以上の相を少なくとも一部に有するものでもよい。中でも、ケイ素の単体、合金および化合物のうちの少なくとも1種が好ましく、ケイ素の単体がより好ましい。なお、「単体」とは、あくまで一般的な意味合いでの単体であり、必ずしも純度100%を意味しているわけではない。 As the negative electrode material, a material containing silicon as a constituent element is preferable. This is because a high energy density can be obtained because the ability to occlude and release the electrode reactant is excellent. Such a material may be a simple substance, an alloy, or a compound of silicon, or two or more thereof, or one having at least a part of one or two or more phases thereof. Among these, at least one of silicon simple substance, alloy and compound is preferable, and silicon simple substance is more preferable. Note that “single substance” is a simple substance in a general sense, and does not necessarily mean 100% purity.
なお、本発明における「合金」には、2種以上の金属元素を含むものに加えて、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まれる。もちろん、上記した「合金」は、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2種以上の共存などがある。 The “alloy” in the present invention includes one containing one or more metal elements and one or more metalloid elements in addition to one containing two or more metal elements. Of course, the above-mentioned “alloy” may contain a nonmetallic element. The structure includes solid solution, eutectic (eutectic mixture), intermetallic compound, or coexistence of two or more thereof.
ケイ素の合金としては、例えば、ケイ素以外の構成元素として、以下の元素のうちの少なくとも1種を含むものなどが挙げられる。スズ、ニッケル、銅、鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、インジウム(In)、銀、チタン、ゲルマニウム、ビスマス(Bi)、アンチモンあるいはクロムなどである。 Examples of silicon alloys include those containing at least one of the following elements as constituent elements other than silicon. Examples thereof include tin, nickel, copper, iron, cobalt, manganese, zinc, indium (In), silver, titanium, germanium, bismuth (Bi), antimony, and chromium.
ケイ素の化合物としては、例えば、ケイ素以外の構成元素として、酸素および炭素(C)を含むものなどが挙げられる。なお、ケイ素の化合物は、例えば、ケイ素以外の構成元素として、ケイ素の合金について説明した元素のいずれか1種あるいは2種以上を含んでいてもよい。 Examples of the silicon compound include those containing oxygen and carbon (C) as constituent elements other than silicon. The silicon compound may contain, for example, any one or more of the elements described for the silicon alloy as a constituent element other than silicon.
ケイ素の合金あるいは化合物の一例としては、以下のものが挙げられる。SiB4 、SiB6 、Mg2 Si、Ni2 Si、TiSi2 、MoSi2 、CoSi2 、NiSi2 、CaSi2 、CrSi2 、Cu5 Si、FeSi2 、MnSi2 、NbSi2 あるいはTaSi2 などある。また、VSi2 、WSi2 、ZnSi2 、SiC、Si3 N4 、Si2 N2 O、SiOv (0<v≦2)、SnOw (0<w≦2)あるいはLiSiOなどである。
Examples of silicon alloys or compounds include the following. SiB 4, SiB 6, Mg 2 Si, is like Ni 2 Si, TiSi 2, MoSi 2,
負極活物質は、上記したケイ素に加えて、酸素を構成元素として含んでいることが好ましい。電極反応時において負極活物質層2の膨張および収縮が抑制されるからである。この場合には、少なくとも一部の酸素が一部のケイ素と結合していることが好ましい。その結合の状態は、一酸化ケイ素あるいは二酸化ケイ素でもよいし、他の準安定状態でもよい。
The negative electrode active material preferably contains oxygen as a constituent element in addition to the above-described silicon. This is because expansion and contraction of the negative electrode
負極活物質中の酸素含有量は、特に限定されないが、中でも、1.5原子数%以上40原子数%以下であることが好ましい。負極活物質層2の膨張および収縮が抑制されるからである。詳細には、1.5原子数%よりも少ないと、負極活物質層2の膨張および収縮が十分に抑制されない可能性があり、40原子数%よりも多いと、抵抗が増大しすぎる可能性がある。なお、負極が電解質と一緒に電気化学デバイスに用いられる場合には、その電解質の分解反応により形成される被膜などは負極活物質に含めないこととする。すなわち、負極活物質中の酸素含有量を算出する場合には、上記した被膜中の酸素は含めないようにする。
Although oxygen content in a negative electrode active material is not specifically limited, Especially, it is preferable that they are 1.5 atomic% or more and 40 atomic% or less. This is because expansion and contraction of the negative electrode
この酸素を含む負極活物質は、例えば、負極材料を堆積させる際に、チャンバ内に連続的に酸素ガスを導入して形成される。特に、酸素ガスを導入しただけでは所望の酸素含有量が得られない場合には、チャンバ内に酸素の供給源として液体(例えば水蒸気など)を導入してもよい。 The negative electrode active material containing oxygen is formed, for example, by continuously introducing oxygen gas into the chamber when depositing the negative electrode material. In particular, when a desired oxygen content cannot be obtained simply by introducing oxygen gas, a liquid (for example, water vapor) may be introduced into the chamber as an oxygen supply source.
また、負極活物質は、上記したケイ素に加えて、金属元素を構成元素として含んでいることが好ましい。負極活物質の抵抗が低下すると共に、電極反応時において負極活物質層2の膨張および収縮が抑制されるからである。このような金属元素としては、以下の元素のうちの少なくとも1種が挙げられる。鉄、ニッケル、モリブデン、チタン、クロム、コバルト、銅、マンガン、亜鉛、ゲルマニウム、アルミニウム、ジルコニウム、銀、スズ、アンチモンあるいはタングステンである。負極活物質中における金属元素の含有量は、特に限定されない。ただし、負極が二次電池に用いられる場合には、金属元素の含有量が多くなりすぎると、所望の電池容量を得るために負極活物質層2を厚くせざるを得ないため、その負極活物質層2が割れると共に負極集電体1から剥がれる可能性があることに注意すべきである。
The negative electrode active material preferably contains a metal element as a constituent element in addition to the above-described silicon. This is because the resistance of the negative electrode active material is lowered and the expansion and contraction of the negative electrode
この場合には、負極活物質が全体に渡って金属元素を含んでいてもよいし、一部において金属元素を含んでいてもよい。金属元素を含む負極活物質の状態は、完全な合金となった状態(合金状態)でもよいし、完全な合金となるまでには至らずにケイ素と金属元素とが混在している状態(化合物状態あるいは相分離状態)でもよい。この負極活物質の状態については、例えば、エネルギー分散型蛍光X線分析(energy dispersive x-ray fluorescence spectroscopy :EDX)により確認できる。 In this case, the negative electrode active material may contain a metal element as a whole, or may partially contain a metal element. The state of the negative electrode active material containing a metal element may be a complete alloy state (alloy state), or a state in which silicon and metal elements are mixed (compounds) without reaching a complete alloy. State or phase separation state). The state of the negative electrode active material can be confirmed by, for example, energy dispersive x-ray fluorescence spectroscopy (EDX).
この金属元素を含む負極活物質は、例えば、負極材料を堆積させる際に、合金粒子を形成材料として用い、あるいは負極材料と一緒に金属材料を堆積させて形成される。 The negative electrode active material containing a metal element is formed by, for example, using alloy particles as a forming material when depositing a negative electrode material, or depositing a metal material together with the negative electrode material.
また、負極活物質は、負極活物質層2の厚さ方向において、より高い酸素含有量を有する高酸素含有領域と、より低い酸素含有量を有する低酸素含有領域とを含んでいることが好ましい。電極反応時において負極活物質層2の膨張および収縮が抑制されるからである。低酸素含有領域における酸素の含有量は、できるだけ少ないことが好ましい。高酸素含有領域における酸素の含有量は、特に限定されないが、中でも、上記した負極活物質中の酸素含有量(1.5原子数%以上40原子数%以下)と同様であることが好ましい。
The negative electrode active material preferably includes a high oxygen content region having a higher oxygen content and a low oxygen content region having a lower oxygen content in the thickness direction of the negative electrode
この場合には、低酸素含有領域により高酸素含有領域が挟まれていることが好ましく、低酸素含有領域と高酸素含有領域とが交互に繰り返して積層されていることがより好ましい。負極活物質層2の膨張および収縮がより抑制されるからである。低酸素含有領域と高酸素含有領域とが交互に積層される場合には、負極活物質中において酸素含有量が高低を繰り返しながら分布することになる。
In this case, it is preferable that the high oxygen content region is sandwiched by the low oxygen content region, and it is more preferable that the low oxygen content region and the high oxygen content region are alternately laminated. This is because expansion and contraction of the negative electrode
高酸素含有領域および低酸素含有領域を含む負極活物質は、例えば、負極材料を堆積させる際に、チャンバ内に断続的に酸素ガスを導入したり、チャンバ内に導入する酸素ガスの量を変化させて形成される。もちろん、酸素ガスを導入しただけでは所望の酸素含有量が得られない場合には、チャンバ内に液体(例えば水蒸気など)を導入してもよい。 The negative electrode active material including the high oxygen content region and the low oxygen content region is, for example, intermittently introducing oxygen gas into the chamber or changing the amount of oxygen gas introduced into the chamber when depositing the negative electrode material. Formed. Of course, when a desired oxygen content cannot be obtained simply by introducing oxygen gas, a liquid (for example, water vapor) may be introduced into the chamber.
なお、高酸素含有領域と低酸素含有領域との間では、酸素含有量が明確に異なっていてもよいし、明確に異なっていなくてもよい。特に、上記した酸素ガスの導入量を連続的に変化させた場合には、酸素含有量も連続的に変化してもよい。高酸素含有領域および低酸素含有領域は、酸素ガスの導入量を断続的に変化させた場合にはいわゆる「層」となり、酸素ガスの導入量を連続的に変化させた場合には「層」というよりもむしろ「層状」となる。この場合には、高酸素含有領域と低酸素含有領域との間において、酸素の含有量が段階的あるいは連続的に変化していることが好ましい。酸素の含有量が急激に変化すると、イオンの拡散性が低下すると共に抵抗が増大する可能性があるからである。 Note that the oxygen content may or may not be clearly different between the high oxygen content region and the low oxygen content region. In particular, when the amount of oxygen gas introduced is continuously changed, the oxygen content may also be continuously changed. The high oxygen content region and the low oxygen content region are so-called “layers” when the oxygen gas introduction amount is changed intermittently, and “layers” when the oxygen gas introduction amount is continuously changed. Rather, it becomes “layered”. In this case, it is preferable that the oxygen content changes stepwise or continuously between the high oxygen content region and the low oxygen content region. This is because, if the oxygen content changes rapidly, the diffusibility of ions may decrease and the resistance may increase.
なお、負極活物質層2は、負極材料としてケイ素を構成元素として含む材料を含んでいれば、他の負極材料を含んでいてもよい。
The negative electrode
他の負極材料としては、例えば、電極反応物質を吸蔵よび放出することが可能であると共に金属元素および半金属元素のうちの少なくとも1種を構成元素として含む材料(ケイ素を構成元素として含む材料に該当するものを除く)が挙げられる。高いエネルギー密度が得られるからである。このような材料は、金属元素あるいは半金属元素の単体、合金あるいは化合物でもよいし、それらの2種以上でもよいし、それらの1種あるいは2種以上の相を少なくとも一部に有するものでもよい。 As another negative electrode material, for example, it is possible to occlude and release an electrode reactant, and a material containing at least one of a metal element and a metalloid element as a constituent element (a material containing silicon as a constituent element) Excluding those that apply). This is because a high energy density can be obtained. Such a material may be a single element, an alloy or a compound of a metal element or a metalloid element, or may be two or more of them, or may have at least a part of one or more of those phases. .
上記した金属元素あるいは半金属元素は、例えば、電極反応物質と合金を形成することが可能な金属元素あるいは半金属元素であり、具体的には、以下の元素のうちの少なくとも1種である。マグネシウム、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、ゲルマニウム、スズあるいは鉛(Pb)である。また、ビスマス、カドミウム(Cd)、銀、亜鉛、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム、イットリウム(Y)、パラジウム(Pd)あるいは白金(Pt)である。中でも、スズが好ましい。電極反応物質を吸蔵および放出する能力が優れているため、高いエネルギー密度が得られるからである。スズを含む材料は、スズの単体、合金あるいは化合物でもよいし、それらの2種以上でもよいし、それらの1種あるいは2種以上の相を少なくとも一部に有するものでもよい。 The metal element or metalloid element described above is, for example, a metal element or metalloid element capable of forming an alloy with the electrode reactant, and specifically, at least one of the following elements. Magnesium, boron, aluminum, gallium, indium, germanium, tin, or lead (Pb). Further, bismuth, cadmium (Cd), silver, zinc, hafnium (Hf), zirconium, yttrium (Y), palladium (Pd), or platinum (Pt). Of these, tin is preferable. This is because a high energy density can be obtained because the ability to occlude and release the electrode reactant is excellent. The material containing tin may be a simple substance, an alloy or a compound of tin, or two or more thereof, or one having at least a part of one or two or more phases thereof.
スズの合金としては、例えば、スズ以外の構成元素として、ケイ素、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のうちの少なくとも1種を含むものなどが挙げられる。スズの化合物としては、例えば、スズ以外の構成元素として、酸素あるいは炭素を含むものなどが挙げられる。なお、スズの化合物は、例えば、スズ以外の構成元素として、スズの合金について説明した元素のいずれか1種あるいは2種以上を含んでいてもよい。スズの合金あるいは化合物の一例としては、SnSiO3 、LiSnOあるいはMg2 Snなどが挙げられる。 Examples of the tin alloy include at least one of silicon, nickel, copper, iron, cobalt, manganese, zinc, indium, silver, titanium, germanium, bismuth, antimony, and chromium as constituent elements other than tin. Things. Examples of tin compounds include those containing oxygen or carbon as constituent elements other than tin. In addition, the compound of tin may contain any 1 type (s) or 2 or more types of the element demonstrated about the alloy of tin as structural elements other than tin, for example. Examples of tin alloys or compounds include SnSiO 3 , LiSnO, Mg 2 Sn, and the like.
特に、スズを含む材料としては、例えば、スズを第1の構成元素とし、それに加えて第2および第3の構成元素を含むものが好ましい。負極が二次電池に用いられた場合に、高い電池容量が得られると共にサイクル特性が向上するからである。第2の構成元素は、例えば、以下の元素のうちの少なくとも1種である。コバルト、鉄、マグネシウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウムあるいはジルコニウムである。また、ニオブ、モリブデン、銀、インジウム、セリウム(Ce)、ハフニウム、タンタル、タングステン、ビスマスあるいはケイ素である。第3の構成元素は、例えば、ホウ素、炭素、アルミニウムおよびリンのうちの少なくとも1種である。 In particular, as a material containing tin, for example, a material containing tin as a first constituent element and further containing second and third constituent elements is preferable. This is because when the negative electrode is used in a secondary battery, a high battery capacity is obtained and cycle characteristics are improved. The second constituent element is, for example, at least one of the following elements. Cobalt, iron, magnesium, titanium, vanadium, chromium, manganese, nickel, copper, zinc, gallium or zirconium. Niobium, molybdenum, silver, indium, cerium (Ce), hafnium, tantalum, tungsten, bismuth, or silicon. The third constituent element is, for example, at least one of boron, carbon, aluminum, and phosphorus.
中でも、スズ、コバルトおよび炭素を含む材料(SnCoC含有材料)が好ましい。このSnCoC含有材料の組成としては、炭素の含有量が9.9質量%以上29.7質量%以下であり、スズおよびコバルトの含有量の割合(Co/(Sn+Co))が20質量%以上70質量%以下である。このような組成範囲において、高いエネルギー密度が得られるからである。SnCoC含有材料において、構成元素である炭素のうちの少なくとも一部は、他の構成元素である金属元素あるいは半金属元素と結合していることが好ましい。スズなどの凝集あるいは結晶化が抑制されるからである。 Among these, a material containing Sn, cobalt, and carbon (SnCoC-containing material) is preferable. The composition of the SnCoC-containing material is such that the carbon content is 9.9 mass% or more and 29.7 mass% or less, and the ratio of content of tin and cobalt (Co / (Sn + Co)) is 20 mass% or more and 70 It is below mass%. This is because a high energy density can be obtained in such a composition range. In the SnCoC-containing material, it is preferable that at least a part of carbon that is a constituent element is bonded to a metal element or a metalloid element that is another constituent element. This is because aggregation or crystallization of tin or the like is suppressed.
このSnCoC含有材料は、スズ、コバルトおよび炭素を含む相を有しており、その相は、低結晶性あるいは非晶質であることが好ましい。この相は、電極反応物質と反応可能な反応相であり、その反応相の存在により優れた特性が得られるようになっている。この相のX線回折により得られる回折ピークの半値幅は、特定X線としてCuKα線を用いると共に挿引速度を1°/minとした場合に、回折角2θで1°以上であることが好ましい。電極反応物質がより円滑に吸蔵および放出されると共に、電解質などとの反応性がより低減するからである。なお、SnCoC含有材料は、低結晶性あるいは非晶質の相に加えて、各構成元素の単体あるいは一部を含む相を有している場合もある。 This SnCoC-containing material has a phase containing tin, cobalt and carbon, and the phase is preferably low crystalline or amorphous. This phase is a reaction phase capable of reacting with the electrode reactant, and excellent characteristics can be obtained by the presence of the reaction phase. The half width of the diffraction peak obtained by X-ray diffraction of this phase is preferably 1 ° or more at a diffraction angle 2θ when CuKα ray is used as the specific X-ray and the drawing speed is 1 ° / min. . This is because the electrode reactant is occluded and released more smoothly, and the reactivity with the electrolyte and the like is further reduced. In addition to the low crystalline or amorphous phase, the SnCoC-containing material may have a phase containing a single element or a part of each constituent element.
なお、SnCoC含有材料は、必要に応じて、さらに他の構成元素を含んでいてもよい。このような他の構成元素としては、ケイ素、鉄、ニッケル、クロム、インジウム、ニオブ、ゲルマニウム、チタン、モリブデン、アルミニウム、リン、ガリウムおよびビスマスのうちの少なくとも1種が挙げられる。 Note that the SnCoC-containing material may further contain other constituent elements as necessary. Examples of such other constituent elements include at least one of silicon, iron, nickel, chromium, indium, niobium, germanium, titanium, molybdenum, aluminum, phosphorus, gallium, and bismuth.
このSnCoC含有材料の他、スズ、コバルト、鉄および炭素を含む材料(SnCoFeC含有材料)も好ましい。このSnCoFeC含有材料の組成は、任意に設定可能である。例えば、鉄の含有量を少なめに設定する場合の組成は、以下の通りである。炭素の含有量は9.9質量%以上29.7質量%以下であり、鉄の含有量は0.3質量%以上5.9質量%以下であり、スズおよびコバルトの含有量の割合(Co/(Sn+Co))は30質量%以上70質量%以下である。また、例えば、鉄の含有量を多めに設定する場合の組成は、以下の通りである。炭素の含有量は11.9質量%以上29.7質量%以下である。また、スズ、コバルトおよび鉄の含有量の割合((Co+Fe)/(Sn+Co+Fe))は26.4質量%以上48.5質量%以下であり、コバルトおよび鉄の含有量の割合(Co/(Co+Fe))は9.9質量%以上79.5質量%以下である。このような組成範囲において、高いエネルギー密度が得られるからである。このSnCoFeC含有材料の物性等(半値幅など)は、上記したSnCoC含有材料と同様である。 In addition to this SnCoC-containing material, a material containing tin, cobalt, iron and carbon (SnCoFeC-containing material) is also preferable. The composition of the SnCoFeC-containing material can be arbitrarily set. For example, the composition when the content of iron is set to be small is as follows. The carbon content is 9.9 mass% or more and 29.7 mass% or less, the iron content is 0.3 mass% or more and 5.9 mass% or less, and the content ratio of tin and cobalt (Co / (Sn + Co)) is 30% by mass or more and 70% by mass or less. For example, the composition in the case where the content of iron is set to be large is as follows. The carbon content is 11.9% by mass or more and 29.7% by mass or less. Further, the content ratio of tin, cobalt, and iron ((Co + Fe) / (Sn + Co + Fe)) is 26.4 mass% to 48.5 mass%, and the content ratio of cobalt and iron (Co / (Co + Fe) )) Is 9.9 mass% or more and 79.5 mass% or less. This is because a high energy density can be obtained in such a composition range. The physical properties and the like (half width, etc.) of this SnCoFeC-containing material are the same as those of the above-described SnCoC-containing material.
また、他の負極材料としては、例えば、炭素材料が挙げられる。電極反応物質の吸蔵および放出に伴う結晶構造の変化が非常に少ないと共に、高いエネルギー密度が得られるからである。また、導電剤としても機能するからである。この炭素材料としては、例えば、易黒鉛化性炭素、(002)面の面間隔が0.37nm以上の難黒鉛化性炭素、あるいは(002)面の面間隔が0.34nm以下の黒鉛などが挙げられる。より具体的には、熱分解炭素類、コークス類、ガラス状炭素繊維、有機高分子化合物焼成体、活性炭あるいはカーボンブラック類などがある。このうち、コークス類には、ピッチコークス、ニードルコークスあるいは石油コークスなどが含まれる。有機高分子化合物焼成体とは、フェノール樹脂やフラン樹脂などを適当な温度で焼成して炭素化したものをいう。なお、炭素材料の形状は、繊維状、球状、粒状あるいは鱗片状のいずれでもよい。 Moreover, as another negative electrode material, a carbon material is mentioned, for example. This is because there is very little change in the crystal structure accompanying the insertion and extraction of the electrode reactant, and a high energy density can be obtained. Further, it also functions as a conductive agent. Examples of the carbon material include graphitizable carbon, non-graphitizable carbon having a (002) plane spacing of 0.37 nm or more, or graphite having a (002) plane spacing of 0.34 nm or less. Can be mentioned. More specifically, there are pyrolytic carbons, cokes, glassy carbon fibers, organic polymer compound fired bodies, activated carbon or carbon blacks. Of these, the cokes include pitch coke, needle coke, petroleum coke, and the like. The organic polymer compound fired body is obtained by firing and carbonizing a phenol resin, a furan resin, or the like at an appropriate temperature. The shape of the carbon material may be any of fibrous, spherical, granular or scale-like.
さらに、他の負極材料としては、例えば、金属酸化物あるいは高分子化合物が挙げられる。金属酸化物は、例えば、酸化鉄、酸化ルテニウムあるいは酸化モリブデンなどである。高分子化合物は、例えば、ポリアセチレン、ポリアニリンあるいはポリピロールなどである。 Furthermore, examples of other negative electrode materials include metal oxides and polymer compounds. Examples of the metal oxide include iron oxide, ruthenium oxide, and molybdenum oxide. Examples of the polymer compound include polyacetylene, polyaniline, and polypyrrole.
もちろん、負極材料は、上記以外のものでもよい。また、一連の負極活物質は、任意の組み合わせで2種以上混合されてもよい。 Of course, the negative electrode material may be other than the above. A series of negative electrode active materials may be mixed in any combination of two or more.
負極活物質層2は、負極集電体1との界面のうちの少なくとも一部において合金化していることが好ましい。電極反応時において負極活物質層2が膨張および収縮しにくくなると共に、負極集電体1と負極活物質層2との間において電子伝導性が向上するからである。この「合金化」とは、負極集電体1の構成元素と負極活物質層2の構成元素とが完全な合金を形成している場合だけでなく、両者の構成元素が混在状態にある場合も含む。この場合には、両者の界面において、負極集電体1の構成元素が負極活物質層2に拡散していてもよいし、負極活物質層2の構成元素が負極集電体1に拡散していてもよいし、両者の構成元素が拡散しあっていてもよい。
The negative electrode
また、負極活物質層2は、その内部に空隙を有していることが好ましい。空隙は電極反応時において負極活物質層2が膨張および収縮した場合の逃げ場(緩和スペース)となるため、その負極活物質層2が膨張および収縮しにくくなるからである。
Moreover, it is preferable that the negative electrode
特に、負極活物質層2は、負極集電体1上に形成された下層と、その上に形成された上層とを含んでいる。この下層は、結晶性の負極活物質を含む結晶性負極活物質層2Xであり、上層は、非結晶性の負極活物質を含む非結晶性負極活物質層2Yである。
In particular, the negative electrode
負極活物質層2が結晶性負極活物質層2X(結晶性の負極活物質)および非結晶性負極活物質層2Y(非結晶性の負極活物質)を上記した位置関係で含んでいるのは、以下の理由による。第1に、負極集電体1に対して結晶性負極活物質層2Xが隣接するため、非結晶性負極活物質層2Yが隣接する場合よりも、負極集電体1に対する負極活物質層2の密着性が向上する。第2に、結晶性負極活物質層2Xは、非結晶性負極活物質層2Yよりも酸化しにくいため、結晶性負極活物質層2Xを含まない場合よりも、負極活物質の物性が経時変化しにくくなる。第3に、結晶性負極活物質層2Xは、電極反応時において非結晶性負極活物質層2Yよりも膨張および収縮しにくいため、結晶性負極活物質層2Xを含まない場合よりも、電極反応時において負極活物質層2の膨張および収縮による応力に耐え得る密着性が維持される。第4に、非結晶性負極活物質層2Yが結晶性負極活物質層2Xよりも外側に位置するため、結晶性負極活物質層2Xが外側に位置する場合よりも、電極反応物質の拡散性(出入りのしやすさ)が向上する。この「外側」とは、負極が電解質と一緒に電気化学デバイスに用いられた場合に、その電解質と接する側という意味である。第5に、非結晶性負極活物質層2Yが外側に位置するため、結晶性負極活物質層2Xが外側に位置する場合よりも、負極の反応性が低減する。これにより、負極が電解質と一緒に電気化学デバイスに用いられた場合には、その電解質の分解反応が低減する。
The negative electrode
負極活物質の結晶状態(結晶性あるは非結晶性)については、X線回折により確認できる。具体的には、負極活物質を分析した結果、シャープなピークが検出された場合には結晶性であり、ブロードなピークな検出された場合には非結晶性である。 The crystal state (crystalline or non-crystalline) of the negative electrode active material can be confirmed by X-ray diffraction. Specifically, as a result of analyzing the negative electrode active material, it is crystalline when a sharp peak is detected, and is amorphous when a broad peak is detected.
なお、負極活物質層2では、その少なくとも一部において、結晶性負極活物質層2Xおよび非結晶性負極活物質層2Yがこの順に積層形成されていればよい。すなわち、負極活物質層2は、結晶性負極活物質層2Xおよび非結晶性負極活物質層2Yがこの順に積層形成された部分を含んでいれば、その他に、いずれか一方だけが形成された部分を含んでいてもよい。結晶性負極活物質層2Xおよび非結晶性負極活物質層2Yがこの順に積層形成された部分を含んでさえいれば、全く含んでいない場合とは異なり、上記した一連の利点が得られるからである。なお、非結晶性負極活物質層2Yだけが形成された部分が存在する場合には、その非結晶性負極活物質層2Yは負極集電体1上に直接形成されることになる。
In the negative electrode
結晶性負極活物質層2Xにおける結晶性の負極活物質は、例えば、複数の粒子状である。この場合において、複数の負極活物質は、負極集電体1上に配列されていてもよいし、積み重なっていてもよいし、それらの状態が混在していてもよい。また、負極活物質の形状はどのような形状でもよいが、中でも、少なくとも一部は扁平状であることが好ましい。負極活物質同士が重なりやすくなり、負極活物質間の接触点が多くなるため、負極活物質層2内の電子伝導性が高くなるからである。この「扁平状」とは、負極集電体1の表面に沿った方向に延在する形状、すなわち負極集電体1の表面に沿った方向に長軸を有すると共にその表面と交差する方向に短軸を有する略楕円状であることを意味している。この扁平形状は、例えば、溶射法により負極材料が堆積された場合において見られる特徴である。この場合には、負極材料の溶融温度を高くすれば、負極活物質が扁平状になりやすい傾向にある。
The crystalline negative electrode active material in the crystalline negative electrode
X線回折により得られる結晶性の負極活物質の(111)結晶面における回折ピークの半値幅(2θ)は、特に限定されないが、中でも、20°以下であることが好ましい。また、同結晶面に起因する結晶子サイズは、特に限定されないが、中でも、100nm以上であることが好ましい。負極集電体1に対する負極活物質層2の密着性がより向上すると共に、負極活物質の物性がより経時変化しにくくなるからである。
The full width at half maximum (2θ) of the diffraction peak on the (111) crystal plane of the crystalline negative electrode active material obtained by X-ray diffraction is not particularly limited, but is preferably 20 ° or less. The crystallite size resulting from the same crystal plane is not particularly limited, but is preferably 100 nm or more. This is because the adhesion of the negative electrode
また、結晶性の負極活物質は、負極集電体1の表面に連結されていることが好ましい。結晶性負極活物質層2Xが負極集電体1に対して物理的に固定されるため、電極反応時において負極活物質層2が膨張および収縮しにくくなるからである。この場合には、上記したように、結晶性負極活物質層2Xが負極集電体1との界面の少なくとも一部において合金かしていることが好ましい。
The crystalline negative electrode active material is preferably connected to the surface of the negative electrode
上記した「負極活物質が負極集電体1に連結されている」とは、負極材料が負極集電体1の表面上に直接堆積されて、結晶性負極活物質層2Xが形成されていることを意味している。このため、例えば塗布法あるいは焼結法などにより負極活物質層が形成されている場合には、負極活物質が負極集電体1に連結されていることにはならない。この場合には、負極活物質が他の材料(例えば結着剤など)を介して負極集電体1に間接的に連結されていたり、単に負極活物質が負極集電体1の表面に隣接しているにすぎない。
The above-mentioned “negative electrode active material is connected to the negative electrode
なお、結晶性の負極活物質は、少なくとも一部において負極集電体1に連結されていればよい。一部だけでも負極集電体1に連結されていれば、全く連結されていない場合よりも、負極集電体1に対する負極活物質層2の密着性が向上するからである。
Note that the crystalline negative electrode active material may be at least partially connected to the negative electrode
結晶性の負極活物質が一部において負極集電体1に連結されている場合には、結晶性負極活物質層2Xは、負極集電体1に接触する部分(接触部分)と、負極集電体1に接触しない部分(非接触部分)を有することになる。
When the crystalline negative electrode active material is partially connected to the negative electrode
結晶性負極活物質層2Xが非接触部分を有している場合には、電極反応時において結晶性負極活物質層2Xが膨張および収縮した場合の逃げ場(緩和スペース)が存在するため、その膨張および収縮による応力の影響を受けて負極集電体1が変形しにくくなる。その一方で、負極集電体1と結晶性負極活物質層2Xとの間に接触していない部分があるため、両者の間における電子伝導性が低くなる可能性がある。
In the case where the crystalline negative electrode
これに対して、結晶性負極活物質層2Xが非接触部分を有していない場合には、その結晶性負極活物質層2Xが全体に渡って負極集電体1に接触するため、両者の間における電子伝導性が高くなる。その一方で、電極反応時において結晶性負極活物質層2Xが膨張および収縮した場合の逃げ場(緩和スペース)がないため、その膨張および収縮による応力の影響を受けて負極集電体1が変形する可能性がある。
On the other hand, when the crystalline negative electrode
結晶性負極活物質層2Xは、その内部に、空隙を有していることが好ましい。電極反応時において結晶性負極活物質層2Xが膨張および収縮した場合の逃げ場(緩和スペース)が存在するため、負極活物質層2が膨張および収縮しにくくなるからである。
The crystalline negative electrode
また、結晶性負極活物質層2Xは、例えば、溶射法などにより形成されている。負極活物質が結晶性になりやすいため、上記したように、負極活物質の物性が経時変化しにくくなると共に、電極反応時において負極活物質層2の膨張および収縮による応力に耐え得る密着性が維持されやすいからである。また、溶射法は後述する蒸着法などよりも成膜速度が大きいため、生産性に優れているからである。なお、溶射法を用いて結晶性負極活物質層2Xを形成する場合には、例えば、負極材料の材質および形状や、基板の冷却温度や、成膜条件などを調整すれば、結晶性負極活物質層2X中における空隙の有無や、その数およびサイズなどを制御することができる。ただし、結晶性負極活物質層2Xは、負極活物質が結晶性になれば、溶射法以外の方法により形成されていてもよい。
The crystalline negative electrode
非結晶性負極活物質層2Yにおける非結晶性の負極活物質は、例えば、複数の粒子状である。この場合において、非結晶性の負極活物質は、例えば、結晶性負極活物質層2X上に配列されていると共に、その表面に連結されている。非結晶性負極活物質層2Yが結晶性負極活物質層2Xに対して物理的に固定されるため、電極反応時において非結晶性負極活物質層2Yが膨張および収縮しにくくなるからである。この「結晶性負極活物質層2Xに連結されている」ことの意味は、結晶性負極活物質層2Xの「負極集電体1に連結されている」について説明した場合と同様である。
The non-crystalline negative electrode active material in the non-crystalline negative electrode
非結晶性負極活物質層2Yは、例えば、蒸着法、スパッタ法あるいはCVD法などの気相法により形成されており、中でも、蒸着法、スパッタ法およびCVD法のうちの少なくとも1種により形成されていることが好ましい。負極活物質が非結晶性になりやすいため、上記したように、電極反応物質の拡散性が向上すると共に、負極の反応性が低減するからである。ただし、非結晶性負極活物質層2Yは、負極活物質が非結晶性になれば、蒸着法等以外の方法により形成されていてもよい。
The non-crystalline negative electrode
非結晶性の負極活物質が蒸着法などの堆積法により形成される場合には、その非結晶性負極活物質は、単一の堆積工程により形成された単層構造を有していてもよいし、複数回の堆積工程により形成された多層構造を有していてもよい。ただし、堆積時に高熱を伴う場合には、多層構造を有していることが好ましい。負極材料の堆積工程を複数回に分割して行う(負極材料を順次薄く形成して堆積させる)ことにより、その堆積工程を1回で行う場合よりも負極集電体1が高熱に晒される時間が短くなるため、熱的ダメージを受けにくくなるからである。
When the non-crystalline negative electrode active material is formed by a deposition method such as a vapor deposition method, the non-crystalline negative electrode active material may have a single layer structure formed by a single deposition process. However, it may have a multilayer structure formed by a plurality of deposition steps. However, when high temperature is accompanied during deposition, it is preferable to have a multilayer structure. The time during which the negative electrode
結晶性負極活物質層2Xの厚さをT1、非結晶性負極活物質層2Yの厚さをT2としたとき、それらの厚さ比(T1/(T1+T2))は、特に限定されない。上記したように、結晶性負極活物質層2Xおよび非結晶性負極活物質層2Yのそれぞれにより固有の利点が得られるため、いずれか一方だけである場合よりも、多くの(複合的な)利点が得られるからである。
When the thickness of the crystalline negative electrode
中でも、厚さ比は、0.1以上0.995以下であることが好ましい。負極全体の性能には、非結晶性負極活物質層2Yにより得られる利点(拡散性および反応低減性)よりも、結晶性負極活物質層2Xにより得られる利点(物性経時変化耐性および密着性)が大きな影響を及ぼすからである。この厚さ比は、0.3以上0.95以下であることがより好ましい。より高い効果が得られるからである。なお、厚さT1,T2の決定方法については、後述する(図2参照)。
Especially, it is preferable that thickness ratio is 0.1 or more and 0.995 or less. For the performance of the whole negative electrode, the advantage (physical property change with time and adhesion) obtained by the crystalline negative electrode
ここで、負極の詳細な構成例について説明する。 Here, a detailed configuration example of the negative electrode will be described.
図2〜図6は、図1に示した負極の一部を拡大して表している。図2〜図6において、(A)は走査型電子顕微鏡(scanning electron microscope:SEM)写真(二次電子像)であり、(B)は(A)に示したSEM像の模式絵である。 2 to 6 show an enlarged part of the negative electrode shown in FIG. 2 to 6, (A) is a scanning electron microscope (SEM) photograph (secondary electron image), and (B) is a schematic picture of the SEM image shown in (A).
なお、図2、図3および図6では、負極活物質がケイ素の単体である場合を示しており、図4および図5では、負極活物質がケイ素および金属元素を含む材料である場合を示している。また、図2では、結晶性負極活物質層2Xおよび非結晶性負極活物質層2Yが形成された場合を示しており、図3〜図6では、いずれか一方だけが形成された場合を示している。図3〜図6において、いずれか一方だけが形成された場合を示しているのは、それらの断面構造を見やすくするためである。
2, 3 and 6 show the case where the negative electrode active material is a simple substance of silicon, and FIGS. 4 and 5 show the case where the negative electrode active material is a material containing silicon and a metal element. ing. 2 shows a case where the crystalline negative electrode
負極活物質層2は、例えば、溶射法などにより負極集電体1上に結晶性負極活物質層2Xが形成されたのち、蒸着法などにより結晶性負極活物質層2X上に非結晶性負極活物質層2Yが形成されたものである。この場合において、結晶性負極活物質層2Xは、結晶性である複数の粒子状の負極活物質(負極活物質粒子201X)を含んでおり、非結晶性負極活物質層2Yは、非結晶性である複数の粒子状の負極活物質(負極活物質粒子201Y)を含んでいる。
For example, after the crystalline negative electrode
結晶性負極活物質層2Xにおいて、複数の負極活物質粒子201Xは、図2〜図5に示したように、負極集電体1の表面に連結されている。負極集電体1が粗面化された電解銅箔などである場合には、その表面に存在する複数の突起部(例えば微粒子)を覆うと共に各突起部間の隙間に入り込むように負極材料が堆積されることにより、負極活物質粒子201Xが成長するからである。
In the crystalline negative electrode
負極活物質粒子201Xは、図2に示したように、負極活物質層2の厚さ方向と交差する方向に配列された単層構造を有していてもよいし、図3〜図5に示したように、負極活物質層2の厚さ方向に積み重ねられた多層構造を有していてもよい。もちろん、両者の構造が混在していてもよい。
The negative electrode
結晶性負極活物質層2Xは、その内部に、複数の空隙202を有している。また、結晶性負極活物質層2Xは、例えば、負極集電体1に対して部分的に連結されており、負極集電体1に接触する部分(接触部分P1)と、負極集電体1に接触しない部分(非接触部分P2)とを有している。
The crystalline negative electrode
負極活物質粒子201Xのうちの一部は、例えば、図4に示したように、扁平状である。すなわち、複数の負極活物質粒子201Xは、扁平粒子201XPを含んでいる。この扁平粒子201XPは、隣り合う負極活物質粒子201Xと重なり合って接触している。
A part of the negative electrode
非結晶性負極活物質層2Yにおいて、複数の負極活物質粒子201Yは、結晶性負極活物質層2Xの表面上に配列されている。結晶性負極活物質層2Xが複数の負極活物質粒子201Xを含んでいる場合には、主に、負極活物質粒子201Xごとに負極材料が堆積されることにより、負極活物質粒子201Yが成長するからである。負極活物質粒子201Y間に隙間203が生じているのは、負極活物質粒子201Xごとに負極活物質粒子201Yが成長した証拠である。なお、図2では、負極活物質粒子201Yが単層構造を有している場合を示しており、図6では、負極活物質粒子201Yが多層構造を有している場合を示している。後者の場合には、負極活物質粒子201Yの内部まで隙間203が生じており、その隙間203により負極活物質粒子201Yの各階層が仕切られている。
In the non-crystalline negative electrode
なお、負極活物質粒子201Xがケイ素および金属元素を含む場合には、例えば、図4および図5に示したように、負極活物質粒子201Xのうちの一部がケイ素および金属元素を含んでいる。この場合における負極活物質粒子201Xの結晶状態は、合金状態(AP)でもよいし、化合物(相分離)状態(SP)でもよい。なお、ケイ素だけを含んでおり、金属元素を含んでいない負極活物質粒子201Xの状態は、単体状態(MP)である。
In the case where the negative electrode
これらの負極活物質粒子201Xに関する3つの状態(MP,AP,SP)は、図5中に明確に示されている。すなわち、単体状態(MP)は、均一な灰色の領域として観察される。合金状態(AP)は、均一な白色の領域として観察される。相分離状態(SP)は、灰色部分と白色部分とが混在した領域として観察される。
The three states (MP, AP, SP) related to these negative electrode
ここで、厚さT1,T2の決定方法は、以下の通りである。まず、SEM(倍率=500倍)を用いて、負極の断面(図2)をランダムに(観察場所を任意に変更しながら)10枚観察する。続いて、SEM像ごとに、結晶性負極活物質層2Xの厚さT1および非結晶性負極活物質層2Yの厚さT2を測定する。この場合には、負極活物質層2の厚さ方向において負極活物質粒子201X,201Yが重なっている箇所に基準線S(負極集電体1の表面に垂直な線)を引いたのち、その基準線Sに沿って厚さT1,T2を測定する。厚さT1は、基準線Sに沿った負極活物質粒子201Xの下端から上端までの距離であり、厚さT2は、基準線Sに沿った負極活物質粒子201Yの下端から上端までの距離である。なお、上記した負極活物質粒子201Xの下端および上端は、基準線Sに沿って存在する負極活物質粒子201Xの数に応じて異なる。負極活物質粒子201Xが1つだけ存在している場合には、その1つの負極活物質粒子201Cの下端および上端である。これに対して、複数の負極活物質粒子201Xが存在している場合には、最下層の負極活物質粒子201Xの下端および最上層の負極活物質粒子201Xの上端である。このことは、負極活物質粒子20Yの下端および上端についても同様である。最後に、SEM像ごとに測定した厚さT1,T2の平均値を算出して、その平均値を最終的な厚さT1,T2として決定する。なお、負極活物質層2の総厚は、上記した厚さT1,T2の合計である。
Here, a method for determining the thicknesses T1 and T2 is as follows. First, using a SEM (magnification = 500 times), 10 cross-sections (FIG. 2) of the negative electrode are observed randomly (while the observation location is arbitrarily changed). Subsequently, for each SEM image, the thickness T1 of the crystalline negative electrode
この負極は、例えば、以下の手順により製造される。 This negative electrode is manufactured, for example, by the following procedure.
最初に、粗面化された電解銅箔などからなる負極集電体1を準備する。続いて、溶射法などを用いて負極集電体1の表面に負極材料を堆積させて、結晶性の負極活物質を含む結晶性負極活物質層2X(厚さT1)を形成する。最後に、蒸着法などを用いて結晶性負極活物質層2Xの表面に負極材料を堆積させて、非結晶性の負極活物質を含む非結晶性負極活物質層2Y(厚さT2)を形成する。これにより、結晶性負極活物質層2Xおよび非結晶性負極活物質層2Yがこの順に積層された負極活物質層2が形成されるため、負極が完成する。
First, a negative electrode
負極活物質層2を形成する場合には、例えば、結晶性負極活物質層2Xおよび非結晶性負極活物質層2Yの形成工程において負極材料の堆積時間などを調整して、厚さ比(T1/(T1+T2))を変化させることができる。
When the negative electrode
この負極によれば、負極活物質層2は、負極集電体1上に形成されると共に結晶性の負極活物質を含む結晶性負極活物質層2Xと、その結晶性負極活物質層2X上に形成されると共に非結晶性の負極活物質を含む非結晶性負極活物質層2Yとを含んでいる。この場合には、負極活物質層2が非結晶性負極活物質層2Yだけからなる場合よりも、負極活物質の物性が経時変化しにくくなると共に、電極反応時において負極活物質層2の膨張および収縮による応力に耐え得る密着性が維持される。また、負極活物質層2が結晶性負極活物質層2Xだけからなる場合よりも、電極反応物質の拡散性(出入りしやすさ)が向上すると共に、負極の反応性が低減する。したがって、負極を用いた電気化学デバイスの性能向上に寄与することができる。より具体的には、負極が二次電池に用いられる場合には、優れたサイクル特性および膨れ特性が得られる。
According to this negative electrode, the negative electrode
特に、結晶性負極活物質層2Xにおいて、結晶性の負極活物質のうちの少なくとも一部が扁平状であれば、より高い効果を得ることができる。また、X線回折により得られる結晶性の負極活物質の(111)結晶面における回折ピークの半値幅が20°以下であり、あるいは同結晶面に起因する結晶子サイズが100nm以上であれば、より高い効果を得ることができる。
In particular, in the crystalline negative electrode
また、結晶性負極活物質層2Xおよび非結晶性負極活物質層2Yの厚さ比(T1/(T1+T2))が0.1以上0.995以下、好ましくは0.3以上0.95以下であれば、より高い効果を得ることができる。
Further, the thickness ratio (T1 / (T1 + T2)) of the crystalline negative electrode
また、負極活物質が酸素を含み、その負極活物質中の酸素含有量が1.5原子数%以上40原子数%以下であり、あるいは負極活物質が鉄などの金属元素を含んでいれば、より高い効果を得ることができる。同様に、負極活物質が高酸素含有領域および低酸素含有領域を含んでいれば、より高い効果を得ることができる。 In addition, if the negative electrode active material contains oxygen and the oxygen content in the negative electrode active material is 1.5 atomic% to 40 atomic%, or the negative electrode active material contains a metal element such as iron Higher effects can be obtained. Similarly, if the negative electrode active material includes a high oxygen content region and a low oxygen content region, a higher effect can be obtained.
また、負極集電体1の表面が粗面化されていれば、負極集電体1に対する負極活物質層2の密着性を向上させることができる。この場合には、負極集電体1の表面の十点平均粗さRzが1.5μm以上、好ましくは3μm以上30μm以下であれば、より高い効果を得ることができる。
Further, if the surface of the negative electrode
<2.二次電池>
次に、上記した負極の使用例について説明する。ここで、電気化学デバイスの一例として二次電池を例に挙げると、上記した負極は、以下のようにして用いられる。
<2. Secondary battery>
Next, usage examples of the above-described negative electrode will be described. Here, taking a secondary battery as an example of an electrochemical device, the above-described negative electrode is used as follows.
<2−1.第1の二次電池>
図7および図8は、第1の二次電池の断面構成を表しており、図8では、図7に示したVIII−VIII線に沿った断面を示している。ここで説明する二次電池は、例えば、負極の容量が電極反応物質であるリチウムイオンの吸蔵および放出により表されるリチウムイオン二次電池である。
<2-1. First secondary battery>
7 and 8 show a cross-sectional configuration of the first secondary battery, and FIG. 8 shows a cross section taken along the line VIII-VIII shown in FIG. The secondary battery described here is, for example, a lithium ion secondary battery in which the capacity of the negative electrode is expressed by insertion and extraction of lithium ions that are electrode reactants.
[二次電池の全体構成]
この二次電池は、主に、電池缶11の内部に、扁平な巻回構造を有する電池素子20が収納されたものである。
[Overall structure of secondary battery]
In the secondary battery, a
電池缶11は、例えば、角型の外装部材である。この角型の外装部材とは、図8に示したように、長手方向における断面が矩形型あるいは略矩形型(一部に曲線を含む)の形状を有するものであり、矩形状だけでなくオーバル形状も含むものである。より具体的には、角型の外装部材とは、矩形状あるいは円弧を直線で結んだ略矩形状(長円形状)の開口部を有する有底矩形型あるいは有底長円形状型の器状部材である。なお、図8では、電池缶11が矩形型の断面形状を有する場合を示している。このような電池缶11を含む電池構造は、角型と呼ばれている。 The battery can 11 is, for example, a square exterior member. As shown in FIG. 8, the rectangular exterior member has a cross section in the longitudinal direction of a rectangular shape or a substantially rectangular shape (including a curve in part). The shape is also included. More specifically, the square-shaped exterior member is a bottomed rectangular or bottomed oval shaped container having a rectangular shape or a substantially rectangular (oval shape) opening formed by connecting arcs with straight lines. It is a member. FIG. 8 shows a case where the battery can 11 has a rectangular cross-sectional shape. Such a battery structure including the battery can 11 is called a square shape.
この電池缶11は、例えば、鉄、アルミニウムあるいはそれらの合金などにより構成されており、電極端子としての機能を有している場合もある。中でも、充放電時に電池缶11の固さ(変形しにくさ)を利用して電池膨れを抑えるために、アルミニウムよりも固い鉄が好ましい。なお、電池缶11が鉄により構成される場合には、例えば、電池缶11の表面にニッケルなどの鍍金が施されていてもよい。 The battery can 11 is made of, for example, iron, aluminum, or an alloy thereof, and may have a function as an electrode terminal. Among these, iron that is harder than aluminum is preferable in order to suppress battery swelling by utilizing the hardness (hardness of deformation) of the battery can 11 during charging and discharging. When the battery can 11 is made of iron, for example, the surface of the battery can 11 may be plated with nickel or the like.
また、電池缶11は、一端部が開放されると共に他端部が閉鎖された中空構造を有しており、その開放端部に絶縁板12および電池蓋13が取り付けられて密閉されている。絶縁板12は、電池素子20と電池蓋13との間に、その電池素子20の巻回周面に対して垂直に配置されており、例えば、ポリプロピレンなどにより構成されている。電池蓋13は、例えば、電池缶11と同様の材料により構成されており、電極端子としての機能を有していてもよい。
The battery can 11 has a hollow structure in which one end is opened and the other end is closed, and an insulating plate 12 and a
電池蓋13の外側には、正極端子となる端子板14が設けられており、その端子板14は、絶縁ケース16を介して電池蓋13から電気的に絶縁されている。この絶縁ケース16は、例えば、ポリブチレンテレフタレートなどにより構成されている。また、電池蓋13のほぼ中央部には貫通孔が設けられており、その貫通孔には、端子板14と電気的に接続されると共にガスケット17を介して電池蓋13から電気的に絶縁されるように正極ピン15が挿入されている。このガスケット17は、例えば、絶縁材料により構成されており、その表面には、例えば、アスファルトが塗布されている。
A terminal plate 14 serving as a positive terminal is provided outside the
電池蓋13の周縁付近には、開裂弁18および注入孔19が設けられている。開裂弁18は、電池蓋13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起因して電池内圧が一定以上となった場合に、電池蓋13から切り離されて内圧を開放するようになっている。注入孔19は、例えば、ステンレス鋼球などからなる封止部材19Aにより塞がれている。
In the vicinity of the periphery of the
電池素子20は、セパレータ23を介して正極21と負極22とが積層および巻回されたものであり、電池缶11の形状に応じて扁平状になっている。正極21の端部(例えば内終端部)にはアルミニウムなどにより構成された正極リード24が取り付けられており、負極22の端部(例えば外終端部)にはニッケルなどにより構成された負極リード25が取り付けられている。正極リード24は、正極ピン15の一端に溶接されて端子板14と電気的に接続されており、負極リード25は、電池缶11に溶接されて電気的に接続されている。
The
[正極]
正極21は、例えば、正極集電体21Aの両面に正極活物質層21Bが設けられたものである。ただし、正極活物質層21Bは、正極集電体21Aの片面だけに設けられていてもよい。
[Positive electrode]
The positive electrode 21 is, for example, one in which a positive electrode
正極集電体21Aは、例えば、アルミニウム、ニッケルあるいはステンレスなどにより構成されている。
The positive electrode
正極活物質層21Bは、正極活物質として、リチウムイオンを吸蔵および放出することが可能な正極材料のいずれか1種あるいは2種以上を含んでおり、必要に応じて、正極結着剤あるいは正極導電剤などの他の材料を含んでいてもよい。
The positive electrode
正極材料としては、リチウム含有化合物が好ましい。高いエネルギー密度が得られるからである。この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構成元素として含む複合酸化物、あるいはリチウムと遷移金属元素とを構成元素として含むリン酸化合物などが挙げられる。中でも、遷移金属元素としてコバルト、ニッケル、マンガンおよび鉄のうちの少なくとも1種を含むものが好ましい。より高い電圧が得られるからである。その化学式は、例えば、Lix M1O2 あるいはLiy M2PO4 で表される。式中、M1およびM2は、1種類以上の遷移金属元素を表す。また、xおよびyの値は、充放電状態に応じて異なり、通常、0.05≦x≦1.10、0.05≦y≦1.10である。 As the positive electrode material, a lithium-containing compound is preferable. This is because a high energy density can be obtained. Examples of the lithium-containing compound include a composite oxide containing lithium and a transition metal element as constituent elements, or a phosphate compound containing lithium and a transition metal element as constituent elements. Especially, what contains at least 1 sort (s) of cobalt, nickel, manganese, and iron as a transition metal element is preferable. This is because a higher voltage can be obtained. The chemical formula is represented by, for example, Li x M1O 2 or Li y M2PO 4 . In the formula, M1 and M2 represent one or more transition metal elements. Moreover, the values of x and y vary depending on the charge / discharge state, 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としては、例えば、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 )、あるいは式(12)で表されるリチウムニッケル系複合酸化物などが挙げられる。また、リチウムと遷移金属元素とを含むリン酸化合物としては、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-u Mnu PO4 (u<1))などが挙げられる。高い電池容量が得られると共に、優れたサイクル特性も得られるからである。 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 ), or lithium represented by the formula (12). Examples include nickel-based composite oxides. Examples of the phosphate compound containing lithium and a transition metal element include a lithium iron phosphate compound (LiFePO 4 ) or a lithium iron manganese phosphate compound (LiFe 1-u Mn u PO 4 (u <1)). Is mentioned. This is because high battery capacity is obtained and excellent cycle characteristics are also obtained.
LiNi1-x Mx O2 …(12)
(Mはコバルト、マンガン、鉄、アルミニウム、バナジウム、スズ、マグネシウム、チタン、ストロンチウム、カルシウム、ジルコニウム、モリブデン、テクネチウム、ルテニウム、タンタル、タングステン、レニウム、イッテルビウム、銅、亜鉛、バリウム、ホウ素、クロム、ケイ素、ガリウム、リン、アンチモンおよびニオブのうちの少なくとも1種である。xは0.005<x<0.5である。)
LiNi 1-x M x O 2 (12)
(M is cobalt, manganese, iron, aluminum, vanadium, tin, magnesium, titanium, strontium, calcium, zirconium, molybdenum, technetium, ruthenium, tantalum, tungsten, rhenium, ytterbium, copper, zinc, barium, boron, chromium, silicon And at least one of gallium, phosphorus, antimony, and niobium, and x is 0.005 <x <0.5.)
この他、正極材料としては、例えば、酸化物、二硫化物、カルコゲン化物あるいは導電性高分子などが挙げられる。酸化物は、例えば、酸化チタン、酸化バナジウムあるいは二酸化マンガンなどである。二硫化物は、例えば、二硫化チタンあるいは硫化モリブデンなどである。カルコゲン化物は、例えば、セレン化ニオブなどである。導電性高分子は、例えば、硫黄、ポリアニリンあるいはポリチオフェンなどである。 In addition, examples of the positive electrode material include oxides, disulfides, chalcogenides, and conductive polymers. Examples of the oxide include titanium oxide, vanadium oxide, and manganese dioxide. Examples of the disulfide include titanium disulfide and molybdenum sulfide. An example of the chalcogenide is niobium selenide. Examples of the conductive polymer include sulfur, polyaniline, and polythiophene.
もちろん、正極材料は、上記以外のものであってもよい。また、上記した一連の正極材料は、任意の組み合わせで2種以上混合されてもよい。 Of course, the positive electrode material may be other than the above. Further, two or more kinds of the series of positive electrode materials described above may be mixed in any combination.
正極結着剤としては、例えば、スチレンブタジエン系ゴム、フッ素系ゴムあるいはエチレンプロピレンジエンなどの合成ゴムや、ポリフッ化ビニリデンなどの高分子材料が挙げられる。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。 Examples of the positive electrode binder include synthetic rubbers such as styrene butadiene rubber, fluorine rubber, and ethylene propylene diene, and polymer materials such as polyvinylidene fluoride. These may be single and multiple types may be mixed.
正極導電剤としては、例えば、黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラックあるいはケチェンブラックなどの炭素材料が挙げられる。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。なお、正極導電剤は、導電性を有する材料であれば、金属材料あるいは導電性高分子などであってもよい。 Examples of the positive electrode conductive agent include carbon materials such as graphite, carbon black, acetylene black, and ketjen black. These may be single and multiple types may be mixed. The positive electrode conductive agent may be a metal material or a conductive polymer as long as it is a conductive material.
[負極]
負極22は、例えば、負極集電体22Aの両面に負極活物質層22Bが設けられたものである。負極集電体22Aおよび負極活物質層22Bの構成は、それぞれ上記した負極における負極集電体1および負極活物質層2の構成と同様である。すなわち、負極活物質層22Bは、結晶性の負極活物質を含む結晶性負極活物質層および非結晶性の負極活物質を含む非結晶性負極活物質層がこの順に積層された構造を含んでいる。この負極22において、リチウムイオンを吸蔵および放出することが可能な負極材料の充電可能な容量は、正極21の放電容量よりも大きくなっていることが好ましい。充電時においてリチウム金属が意図せずに析出することを防止するためである。
[Negative electrode]
In the
図9は、図8に示した正極21および負極22の平面構成を模式的に表している。なお、図9では、正極21における正極活物質層21Bおよび負極22における負極活物質層22Bの形成範囲に網掛けを施している。
FIG. 9 schematically shows a planar configuration of the positive electrode 21 and the
正極活物質層21Bは、例えば、正極集電体21Aの表面の一部(例えば、長手方向における中央領域)に設けられている。これに対して、負極活物質層22Bは、例えば、負極集電体22Aの表面の全体に設けられている。すなわち、負極活物質層22Bは、負極集電体22A上において、正極活物質層21Bと対向する領域(対向領域R1)および対向しない領域(非対向領域R2)に設けられている。この場合には、負極活物質層22Bのうち、対向領域R1に設けられている部分が充放電に寄与し、非対向領域R2に設けられている部分は充放電にほとんど寄与しない。
The positive electrode
上記したように、負極活物質層22Bは、結晶性負極活物質層および非結晶性負極活物質層がこの順に積層された構造を含んでいる。しかしながら、充放電時において負極活物質層22Bが膨張および収縮すると、それによる応力の影響を受けて上記した積層構造(結晶性負極活物質層および非結晶性負極活物質層の位置関係)が乱される可能性がある。この場合において、非対向領域R2では、充放電の影響をほとんど受けず、負極活物質層22Bの積層構造が形成直後の状態のまま維持される。このため、負極活物質層22Bが積層構造を有しているどうかを確認する場合には、非対向領域R2における負極活物質層22Bについて調べることが好ましい。充放電の履歴(充放電の有無および回数など)に依存せず、負極活物質層22Bが積層構造を有しているかどうかを再現性よく正確に調べることができるからである。
As described above, the negative electrode
[セパレータ]
セパレータ23は、正極21と負極22とを隔離し、両極の接触に起因する短絡を防止しながらリチウムイオンを通過させるものである。このセパレータ23は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレンあるいはポリエチレンなどの合成樹脂からなる多孔質膜や、セラミックからなる多孔質膜などにより構成されている。なお、セパレータ23は、2種以上の多孔質膜が積層されたものであってもよい。
[Separator]
The
[電解質]
このセパレータ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、溶媒に電解質塩が溶解されたものであり、必要に応じて、各種添加剤などの他の材料を含んでいてもよい。
[Electrolytes]
The
溶媒は、例えば、有機溶剤などの非水溶媒のいずれか1種あるいは2種以上を含んでいる。以下で説明する一連の溶媒(非水溶媒)は、単独でもよいし、2種以上混合されてもよい。 The solvent contains, for example, one or more of nonaqueous solvents such as organic solvents. A series of solvents (nonaqueous solvent) described below may be used alone or in combination of two or more.
非水溶媒としては、例えば、以下のものが挙げられる。炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ブチレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸エチルメチル、炭酸メチルプロピル、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、1,2−ジメトキシエタンあるいはテトラヒドロフランである。また、2−メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン、1,3−ジオキサンあるいは1,4−ジオキサンである。また、酢酸メチル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、酪酸メチル、イソ酪酸メチル、トリメチル酢酸メチルあるいはトリメチル酢酸エチルである。また、アセトニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、メトキシアセトニトリル、3−メトキシプロピオニトリル、N,N−ジメチルホルムアミド、N−メチルピロリジノンあるいはN−メチルオキサゾリジノンである。さらに、N,N’−ジメチルイミダゾリジノン、ニトロメタン、ニトロエタン、スルホラン、燐酸トリメチルあるいはジメチルスルホキシドである。優れた電池容量、サイクル特性および保存特性などが得られるからである。 Examples of the non-aqueous solvent include the following. Ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, methyl propyl carbonate, γ-butyrolactone, γ-valerolactone, 1,2-dimethoxyethane or tetrahydrofuran. Also, 2-methyltetrahydrofuran, tetrahydropyran, 1,3-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, 1,3-dioxane, or 1,4-dioxane. Further, methyl acetate, ethyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, methyl butyrate, methyl isobutyrate, methyl trimethyl acetate or ethyl trimethyl acetate. Acetonitrile, glutaronitrile, adiponitrile, methoxyacetonitrile, 3-methoxypropionitrile, N, N-dimethylformamide, N-methylpyrrolidinone or N-methyloxazolidinone. Further, N, N'-dimethylimidazolidinone, nitromethane, nitroethane, sulfolane, trimethyl phosphate or dimethyl sulfoxide. This is because excellent battery capacity, cycle characteristics, storage characteristics, and the like can be obtained.
中でも、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ジメチル、炭酸ジエチルおよび炭酸エチルメチルのうちの少なくとも1種が好ましい。優れた電池容量、サイクル特性および保存特性などが得られるからである。この場合には、炭酸エチレンあるいは炭酸プロピレンなどの高粘度(高誘電率)溶媒(例えば比誘電率ε≧30)と、炭酸ジメチル、炭酸エチルメチルあるいは炭酸ジエチルなどの低粘度溶媒(例えば粘度≦1mPa・s)との組み合わせがより好ましい。電解質塩の解離性およびイオンの移動度が向上するからである。 Among these, at least one of ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate is preferable. This is because excellent battery capacity, cycle characteristics, storage characteristics, and the like can be obtained. In this case, a high viscosity (high dielectric constant) solvent such as ethylene carbonate or propylene carbonate (for example, a relative dielectric constant ε ≧ 30) and a low viscosity solvent such as dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate or diethyl carbonate (for example, viscosity ≦ 1 mPas). -A combination with s) is more preferred. This is because the dissociation property of the electrolyte salt and the ion mobility are improved.
特に、溶媒は、式(1)で表されるハロゲン化鎖状炭酸エステルおよび式(2)で表されるハロゲン化環状炭酸エステルのうちの少なくとも1種を含んでいることが好ましい。充放電時において負極22の表面に安定な保護膜が形成されるため、電解液の分解反応が抑制されるからである。「ハロゲン化鎖状炭酸エステル」とは、ハロゲンを構成元素として含む鎖状炭酸エステルであり、「ハロゲン化環状炭酸エステル」とは、ハロゲンを構成元素として含む環状炭酸エステルである。なお、式(1)中のR11〜R16は、同一でもよいし、異なってもよい。式(2)中のR17〜R20についても、同様である。
In particular, the solvent preferably contains at least one of a halogenated chain carbonate represented by the formula (1) and a halogenated cyclic carbonate represented by the formula (2). This is because a stable protective film is formed on the surface of the
ハロゲンの種類は、特に限定されないが、中でも、フッ素、塩素あるいは臭素が好ましく、フッ素がより好ましい。他のハロゲンよりも高い効果が得られるからである。ただし、ハロゲンの数は、1つよりも2つが好ましく、さらに3つ以上でもよい。保護膜を形成する能力が高くなり、より強固で安定な保護膜が形成されるため、電解液の分解反応がより抑制されるからである。 The kind of halogen is not particularly limited, but among them, fluorine, chlorine or bromine is preferable, and fluorine is more preferable. This is because an effect higher than that of other halogens can be obtained. However, the number of halogens is preferably two rather than one, and may be three or more. This is because the ability to form a protective film is increased and a stronger and more stable protective film is formed, so that the decomposition reaction of the electrolytic solution is further suppressed.
式(1)に示したハロゲン化鎖状炭酸エステルとしては、例えば、炭酸フルオロメチルメチル、炭酸ビス(フルオロメチル)あるいは炭酸ジフルオロメチルメチルなどが挙げられる。 Examples of the halogenated chain carbonate represented by the formula (1) include fluoromethyl methyl carbonate, bis (fluoromethyl) carbonate, difluoromethyl methyl carbonate, and the like.
式(2)に示したハロゲン化環状炭酸エステルとしては、例えば、式(2−1)〜式(2−21)で表される一連の化合物が挙げられる。このハロゲン化環状炭酸エステルには、幾何異性体も含まれる。 Examples of the halogenated cyclic carbonate represented by the formula (2) include a series of compounds represented by the formula (2-1) to the formula (2-21). This halogenated cyclic carbonate includes geometric isomers.
中でも、式(2−1)に示した4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンあるいは式(2−3)に示した4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンが好ましく、後者がより好ましい。特に、4,5−ジフルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オンとしては、シス異性体よりもトランス異性体が好ましい。容易に入手可能であると共に、高い効果が得られるからである。 Among them, 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one represented by the formula (2-1) or 4,5-difluoro-1,3-dioxolan-2-one represented by the formula (2-3) is preferable. The latter is preferred and the latter is more preferred. In particular, 4,5-difluoro-1,3-dioxolan-2-one is preferably a trans isomer rather than a cis isomer. This is because it is easily available and a high effect can be obtained.
また、溶媒は、式(3)〜式(5)で表される不飽和炭素結合環状炭酸エステルのうちの少なくとも1種を含んでいることが好ましい。充放電時において負極22の表面に安定な保護膜が形成されるため、電解液の分解反応が抑制されるからである。「不飽和炭素結合環状炭酸エステル」とは、不飽和炭素結合を有する環状炭酸エステルである。
Moreover, it is preferable that the solvent contains at least 1 sort (s) of the unsaturated carbon bond cyclic carbonate represented by Formula (3)-Formula (5). This is because a stable protective film is formed on the surface of the
式(3)に示した不飽和炭素結合環状炭酸エステルは、炭酸ビニレン系化合物である。この炭酸ビニレン系化合物としては、例えば、以下のものが挙げられる。炭酸ビニレン(1,3−ジオキソール−2−オン)、炭酸メチルビニレン(4−メチル−1,3−ジオキソール−2−オン)あるいは炭酸エチルビニレン(4−エチル−1,3−ジオキソール−2−オン)である。また、4,5−ジメチル−1,3−ジオキソール−2−オン、4,5−ジエチル−1,3−ジオキソール−2−オン、4−フルオロ−1,3−ジオキソール−2−オンあるいは4−トリフルオロメチル−1,3−ジオキソール−2−オンである。中でも、炭酸ビニレンが好ましい。容易に入手可能であると共に、高い効果が得られるからである。 The unsaturated carbon bond cyclic ester carbonate shown in Formula (3) is a vinylene carbonate compound. Examples of the vinylene carbonate-based compound include the following. Vinylene carbonate (1,3-dioxol-2-one), methyl vinylene carbonate (4-methyl-1,3-dioxol-2-one) or ethyl vinylene carbonate (4-ethyl-1,3-dioxol-2-one) ). 4,5-dimethyl-1,3-dioxol-2-one, 4,5-diethyl-1,3-dioxol-2-one, 4-fluoro-1,3-dioxol-2-one or 4- Trifluoromethyl-1,3-dioxol-2-one. Among these, vinylene carbonate is preferable. This is because it is easily available and a high effect can be obtained.
式(4)に示した不飽和炭素結合環状炭酸エステルは、炭酸ビニルエチレン系化合物である。炭酸ビニルエチレン系化合物としては、例えば、以下のものが挙げられる。炭酸ビニルエチレン(4−ビニル−1,3−ジオキソラン−2−オン)、4−メチル−4−ビニル−1,3−ジオキソラン−2−オンあるいは4−エチル−4−ビニル−1,3−ジオキソラン−2−オンである。また、4−n−プロピル−4−ビニル−1,3−ジオキソラン−2−オン、5−メチル−4−ビニル−1,3−ジオキソラン−2−オン、4,4−ジビニル−1,3−ジオキソラン−2−オンあるいは4,5−ジビニル−1,3−ジオキソラン−2−オンである。中でも、炭酸ビニルエチレンが好ましい。容易に入手可能であると共に、高い効果が得られるからである。もちろん、R23〜R26としては、全てがビニル基でもよいし、全てがアリル基でもよいし、ビニル基とアリル基とが混在していてもよい。 The unsaturated carbon bond cyclic carbonate represented by the formula (4) is a vinyl ethylene carbonate compound. Examples of the vinyl carbonate-based compound include the following. Vinyl ethylene carbonate (4-vinyl-1,3-dioxolan-2-one), 4-methyl-4-vinyl-1,3-dioxolan-2-one or 4-ethyl-4-vinyl-1,3-dioxolane -2-one. Further, 4-n-propyl-4-vinyl-1,3-dioxolan-2-one, 5-methyl-4-vinyl-1,3-dioxolan-2-one, 4,4-divinyl-1,3- Dioxolan-2-one or 4,5-divinyl-1,3-dioxolan-2-one. Of these, vinyl ethylene carbonate is preferred. This is because it is easily available and a high effect can be obtained. Of course, as R23 to R26, all may be vinyl groups, all may be allyl groups, or vinyl groups and allyl groups may be mixed.
式(5)に示した不飽和炭素結合環状炭酸エステルは、炭酸メチレンエチレン系化合物である。炭酸メチレンエチレン系化合物としては、例えば、以下のものが挙げられる。4−メチレン−1,3−ジオキソラン−2−オン、4,4−ジメチル−5−メチレン−1,3−ジオキソラン−2−オンあるいは4,4−ジエチル−5−メチレン−1,3−ジオキソラン−2−オンである。この炭酸メチレンエチレン系化合物としては、1つのメチレン基を有するもの(式(5)に示した化合物)の他、2つのメチレン基を有するものであってもよい。 The unsaturated carbon bond cyclic carbonate represented by the formula (5) is a methylene ethylene carbonate compound. Examples of the methylene ethylene carbonate compound include the following. 4-methylene-1,3-dioxolan-2-one, 4,4-dimethyl-5-methylene-1,3-dioxolan-2-one or 4,4-diethyl-5-methylene-1,3-dioxolane- 2-one. As this methylene ethylene carbonate compound, there may be one having two methylene groups in addition to one having one methylene group (compound shown in formula (5)).
なお、不飽和炭素結合環状炭酸エステルとしては、式(3)〜式(5)に示したものの他、ベンゼン環を有する炭酸カテコール(カテコールカーボネート)などであってもよい。 In addition, as unsaturated carbon bond cyclic carbonate ester, the catechol carbonate (catechol carbonate) etc. which have a benzene ring other than what was shown to Formula (3)-Formula (5) may be sufficient.
また、溶媒は、スルトン(環状スルホン酸エステル)を含んでいることが好ましい。電解液の化学的安定性がより向上するからである。スルトンとしては、例えば、プロパンスルトンあるいはプロペンスルトンなどが挙げられる。溶媒中におけるスルトンの含有量は、例えば、0.5重量%以上5重量%以下である。 Moreover, it is preferable that the solvent contains sultone (cyclic sulfonate ester). This is because the chemical stability of the electrolytic solution is further improved. Examples of sultone include propane sultone and propene sultone. The content of sultone in the solvent is, for example, 0.5% by weight or more and 5% by weight or less.
さらに、溶媒は、酸無水物を含んでいることが好ましい。電解液の化学的安定性がより向上するからである。酸無水物としては、例えば、例えば、カルボン酸無水物や、ジスルホン酸無水物や、カルボン酸とスルホン酸との無水物などが挙げられる。カルボン酸無水物は、例えば、無水コハク酸、無水グルタル酸あるいは無水マレイン酸などである。ジスルホン酸無水物は、例えば、無水エタンジスルホン酸あるいは無水プロパンジスルホン酸などである。カルボン酸とスルホン酸との無水物は、例えば、無水スルホ安息香酸、無水スルホプロピオン酸あるいは無水スルホ酪酸などである。溶媒中における酸無水物の含有量は、例えば、0.5重量%以上5重量%以下である。 Furthermore, it is preferable that the solvent contains an acid anhydride. This is because the chemical stability of the electrolytic solution is further improved. Examples of the acid anhydride include carboxylic acid anhydride, disulfonic acid anhydride, and anhydride of carboxylic acid and sulfonic acid. Examples of the carboxylic acid anhydride include succinic anhydride, glutaric anhydride, and maleic anhydride. Examples of the disulfonic anhydride include ethane disulfonic anhydride and propane disulfonic anhydride. Examples of the anhydride of carboxylic acid and sulfonic acid include anhydrous sulfobenzoic acid, anhydrous sulfopropionic acid, and anhydrous sulfobutyric acid. The content of the acid anhydride in the solvent is, for example, 0.5% by weight or more and 5% by weight or less.
電解質塩は、例えば、リチウム塩などの軽金属塩のいずれか1種類あるいは2種類以上を含んでいる。以下で説明する一連の電解質塩は、単独でもよいし、2種以上混合されてもよい。 The electrolyte salt includes, for example, any one or more of light metal salts such as lithium salts. The series of electrolyte salts described below may be used alone or in combination of two or more.
リチウム塩としては、例えば、以下のものが挙げられる。六フッ化リン酸リチウム、四フッ化ホウ酸リチウム、過塩素酸リチウムあるいは六フッ化ヒ酸リチウムである。また、テトラフェニルホウ酸リチウム(LiB(C6 H5 )4 )、メタンスルホン酸リチウム(LiCH3 SO3 )、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(LiCF3 SO3 )あるいはテトラクロロアルミン酸リチウム(LiAlCl4 )である。さらに、六フッ化ケイ酸二リチウム(Li2 SiF6 )、塩化リチウム(LiCl)あるいは臭化リチウム(LiBr)である。優れた電池容量、サイクル特性および保存特性などが得られるからである。 Examples of the lithium salt include the following. Lithium hexafluorophosphate, lithium tetrafluoroborate, lithium perchlorate or lithium hexafluoroarsenate. Further, lithium tetraphenylborate (LiB (C 6 H 5 ) 4 ), lithium methanesulfonate (LiCH 3 SO 3 ), lithium trifluoromethanesulfonate (LiCF 3 SO 3 ) or lithium tetrachloroaluminate (LiAlCl 4 ) It is. Further, dilithium hexafluorosilicate (Li 2 SiF 6 ), lithium chloride (LiCl) or lithium bromide (LiBr). This is because excellent battery capacity, cycle characteristics, storage characteristics, and the like can be obtained.
中でも、六フッ化リン酸リチウム、四フッ化ホウ酸リチウム、過塩素酸リチウムおよび六フッ化ヒ酸リチウムのうちの少なくとも1種が好ましく、六フッ化リン酸リチウムがより好ましい。内部抵抗が低下するため、より高い効果が得られるからである。 Among these, at least one of lithium hexafluorophosphate, lithium tetrafluoroborate, lithium perchlorate, and lithium hexafluoroarsenate is preferable, and lithium hexafluorophosphate is more preferable. This is because a higher effect can be obtained because the internal resistance is lowered.
特に、電解質塩は、式(6)〜式(8)で表される化合物のうちの少なくとも1種を含んでていることが好ましい。より高い効果が得られるからである。なお、式(6)のR31およびR33は、同一でもよいし、異なってもよい。このことは、式(7)中のR41〜R43および式(8)中のR51およびR52についても同様である。 In particular, the electrolyte salt preferably contains at least one of the compounds represented by the formulas (6) to (8). This is because a higher effect can be obtained. In addition, R31 and R33 of Formula (6) may be the same or different. The same applies to R41 to R43 in formula (7) and R51 and R52 in formula (8).
なお、1族元素とは、水素、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウムおよびフランシウムである。2族元素とは、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムおよびラジウムである。13族元素とは、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウムおよびタリウムである。14族元素とは、炭素、ケイ素、ゲルマニウム、スズおよび鉛である。15族元素とは、窒素、リン、ヒ素、アンチモンおよびビスマスである。
式(6)に示した化合物としては、例えば、式(6−1)〜式(6−6)で表される化合物などが挙げられる。式(7)に示した化合物としては、例えば、式(7−1)〜式(7−8)で表される化合物などが挙げられる。式(8)に示した化合物としては、例えば、式(8−1)で表される化合物などが挙げられる。なお、式(6)〜式(8)に示した構造を有していれば、上記した化合物に限定されないことは言うまでもない。 Examples of the compound represented by the formula (6) include compounds represented by the formula (6-1) to the formula (6-6). Examples of the compound represented by formula (7) include compounds represented by formula (7-1) to formula (7-8). Examples of the compound represented by the formula (8) include a compound represented by the formula (8-1). Needless to say, the compounds are not limited to the above-described compounds as long as they have the structures shown in the formulas (6) to (8).
また、電解質塩は、式(9)〜式(11)で表される化合物のうちの少なくとも1種を含んでいることが好ましい。より高い効果が得られるからである。なお、式(9)中のmおよびnは、同一でもよいし、異なってもよい。式(11)中のp、qおよびrについても、同様である。 Moreover, it is preferable that electrolyte salt contains at least 1 sort (s) of the compounds represented by Formula (9)-Formula (11). This is because a higher effect can be obtained. In addition, m and n in Formula (9) may be the same or different. The same applies to p, q and r in the formula (11).
LiN(Cm F2m+1SO2 )(Cn F2n+1 SO2 )…(9)
(mおよびnは1以上の整数である。)
LiN (C m F 2m + 1 SO 2) (C n F 2n + 1 SO 2) ... (9)
(M and n are integers of 1 or more.)
LiC(Cp F2p+1SO2 )(Cq F2q+1SO2 )(Cr F2r+1SO2 )…(11)
(p、qおよびrは1以上の整数である。)
LiC (C p F 2p + 1 SO 2 ) (C q F 2q + 1 SO 2 ) (C r F 2r + 1 SO 2 ) (11)
(P, q and r are integers of 1 or more.)
式(9)に示した化合物は、鎖状のイミド化合物であり、そのような化合物としては、例えば、以下のものが挙げられる。ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドリチウム(LiN(CF3 SO2 )2 )あるいはビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミドリチウム(LiN(C2 F5 SO2 )2 )である。また、(トリフルオロメタンスルホニル)(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミドリチウム(LiN(CF3 SO2 )(C2 F5 SO2 ))である。また、(トリフルオロメタンスルホニル)(ヘプタフルオロプロパンスルホニル)イミドリチウム(LiN(CF3 SO2 )(C3 F7 SO2 ))である。さらに(トリフルオロメタンスルホニル)(ノナフルオロブタンスルホニル)イミドリチウム(LiN(CF3 SO2 )(C4 F9 SO2 ))である。 The compound represented by the formula (9) is a chain imide compound, and examples of such a compound include the following. Bis (trifluoromethanesulfonyl) imide lithium (LiN (CF 3 SO 2 ) 2 ) or bis (pentafluoroethanesulfonyl) imide lithium (LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 ). Further, it is (trifluoromethanesulfonyl) (pentafluoroethanesulfonyl) imidolithium (LiN (CF 3 SO 2 ) (C 2 F 5 SO 2 )). Further, it is (trifluoromethanesulfonyl) (heptafluoropropanesulfonyl) imidolithium (LiN (CF 3 SO 2 ) (C 3 F 7 SO 2 )). Further, (trifluoromethanesulfonyl) (nonafluorobutanesulfonyl) imidolithium (LiN (CF 3 SO 2 ) (C 4 F 9 SO 2 )).
式(10)に示した化合物は、環状のイミド化合物であり、そのような化合物としては、例えば、式(10−1)〜式(10−4)で表される化合物などが挙げられる。 The compound represented by Formula (10) is a cyclic imide compound, and examples of such a compound include compounds represented by Formula (10-1) to Formula (10-4).
式(11)に示した化合物は、鎖状のメチド化合物であり、そのような化合物としては、例えば、リチウムトリス(トリフルオロメタンスルホニル)メチド(LiC(CF3 SO2 )3 )などが挙げられる。 The compound represented by the formula (11) is a chain-like methide compound, and examples of such a compound include lithium tris (trifluoromethanesulfonyl) methide (LiC (CF 3 SO 2 ) 3 ).
電解質塩の含有量は、溶媒に対して0.3mol/kg以上3.0mol/kg以下であることが好ましい。高いイオン伝導性が得られるからである。 The content of the electrolyte salt is preferably 0.3 mol / kg or more and 3.0 mol / kg or less with respect to the solvent. This is because high ionic conductivity is obtained.
[二次電池の動作]
この二次電池では、充電時において、例えば、正極21からリチウムイオンが放出され、セパレータ23に含浸された電解液を介して負極22に吸蔵される。一方、放電時において、例えば、負極22からリチウムイオンが放出され、セパレータ23に含浸された電解液を介して正極21に吸蔵される。
[Operation of secondary battery]
In this secondary battery, at the time of charging, for example, lithium ions are released from the positive electrode 21 and inserted in the
[二次電池の製造方法]
この二次電池は、例えば、以下の手順により製造される。
[Method for producing secondary battery]
This secondary battery is manufactured by the following procedure, for example.
まず、正極21を作製する。最初に、正極活物質、正極結着剤および正極導電剤を混合して正極合剤としたのち、有機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、ドクタブレードあるいはバーコータなどを用いて正極集電体21Aの両面に正極合剤スラリーを均一に塗布してから乾燥させて、正極活物質層21Bを形成する。最後に、必要に応じて加熱しながら、ロールプレス機などを用いて正極活物質層21Bを圧縮成型する。この場合には、圧縮成型を複数回に渡って繰り返してもよい。
First, the positive electrode 21 is produced. First, a positive electrode active material, a positive electrode binder, and a positive electrode conductive agent are mixed to form a positive electrode mixture, and then dispersed in an organic solvent to obtain a paste-like positive electrode mixture slurry. Subsequently, the positive electrode mixture slurry is uniformly applied to both surfaces of the positive electrode
次に、上記した負極の作製手順により、負極22を作製する。この場合には、負極集電体22Aの両面に結晶性負極活物質層および非結晶性負極活物質層をこの順に形成して、負極活物質層22Bを形成する。
Next, the
二次電池の組み立ては、以下のようにして行う。最初に、電池缶11の内部に電池素子20を収納したのち、その電池素子20上に絶縁板12を配置する。続いて、正極リード24を正極ピン15に溶接などして接続させると共に、負極リード25を電池缶11に溶接などして接続させたのち、レーザ溶接などにより電池缶11の開放端部に電池蓋13を固定する。最後に、注入孔19から電池缶11の内部に電解液を注入してセパレータ23に含浸させたのち、その注入孔19を封止部材19Aで塞ぐ。これにより、図7および図8に示した二次電池が完成する。
The secondary battery is assembled as follows. First, after storing the
この第1の二次電池によれば、負極22が上記した負極と同様の構成を有している。このため、負極活物質の物性が経時変化しにくくなると共に、充放電応時において負極活物質層22Bの膨張および収縮による応力に耐え得る密着性が維持される。また、リチウムイオンの拡散性が向上すると共に、電解液に対する負極22の反応性が低減する。したがって、優れたサイクル特性および膨れ特性を得ることができる。
According to the first secondary battery, the
特に、電解液の溶媒がハロゲン化鎖状炭酸エステル、ハロゲン化環状炭酸エステル、不飽和炭素結合環状炭酸エステル、スルトンおよび酸無水物のうちの少なくとも1種を含んでいれば、サイクル特性をより向上させることができる。 In particular, if the solvent of the electrolytic solution contains at least one of halogenated chain carbonate, halogenated cyclic carbonate, unsaturated carbon bond cyclic carbonate, sultone, and acid anhydride, cycle characteristics are further improved. Can be made.
また、電解液の電解質塩が六フッ化リン酸リチウム、四フッ化ホウ酸リチウム、過塩素酸リチウム、六フッ化ヒ酸リチウムおよび式(6)〜式(11)に示した化合物のうちの少なくとも1種を含んでいれば、サイクル特性をより向上させることができる。 Moreover, electrolyte salt of electrolyte solution is lithium hexafluorophosphate, lithium tetrafluoroborate, lithium perchlorate, lithium hexafluoroarsenate, and the compound shown in Formula (6)-Formula (11) If at least one kind is included, cycle characteristics can be further improved.
<2−2.第2の二次電池>
図10および図11は、第2の二次電池の断面構成を表しており、図11では、図10に示した巻回電極体40の一部を拡大示している。
<2-2. Second secondary battery>
10 and 11 show a cross-sectional configuration of the second secondary battery, and FIG. 11 shows an enlarged part of the spirally
この二次電池は、第1の二次電池と同様にリチウムイオン二次電池であり、主に、ほぼ中空円柱状の電池缶31の内部に、巻回電極体40と、一対の絶縁板32,33とが収納されたものである。このような電池缶31を用いた電池構造は、円筒型と呼ばれている。
This secondary battery is a lithium ion secondary battery as in the case of the first secondary battery, and mainly includes a
電池缶31は、例えば、第1の二次電池における電池缶11と同様の材料により構成されており、その一端部は開放されていると共に他端部は閉鎖されている。一対の絶縁板32,33は、巻回電極体40を上下から挟み、その巻回周面に対して垂直に延在するように配置されている。
The battery can 31 is made of, for example, the same material as that of the battery can 11 in the first secondary battery. One end of the battery can 31 is open and the other end is closed. The pair of insulating plates 32 and 33 are arranged so as to sandwich the
電池缶31の開放端部には、電池蓋34と、その内側に設けられた安全弁機構35および熱感抵抗素子(Positive Temperature Coefficient:PTC素子)36とがガスケット37を介してかしめられている。このかしめ加工により、電池缶31の内部は密閉されている。電池蓋34は、例えば、電池缶31と同様の材料により構成されている。安全弁機構35は、熱感抵抗素子36を介して電池蓋34と電気的に接続されている。この安全弁機構35では、内部短絡、あるいは外部からの加熱などに起因して内圧が一定以上となった場合に、ディスク板35Aが反転して電池蓋34と巻回電極体40との間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36は、温度の上昇に応じて抵抗が増大し、電流を制限して大電流に起因する異常な発熱を防止するものである。ガスケット37は、例えば、絶縁材料により構成されており、その表面には、例えば、アスファルトが塗布されている。
A battery lid 34, a
巻回電極体40は、セパレータ43を介して正極41と負極42とが積層および巻回されたものである。この巻回電極体40の中心には、例えば、センターピン44が挿入されている。この巻回電極体40では、アルミニウムなどにより構成された正極リード45が正極41に接続されていると共に、ニッケルなどにより構成された負極リード46が負極42に接続されている。正極リード45は、安全弁機構35に溶接などされて電池蓋34と電気的に接続されており、負極リード46は、電池缶31に溶接などされて電気的に接続されている。
The
正極41は、例えば、正極集電体41Aの両面に正極活物質層41Bが設けられたものである。正極集電体41Aおよび正極活物質層41Bの構成は、それぞれ第1の二次電池における正極集電体21Aおよび正極活物質層21Bの構成と同様である。
In the
負極42は、例えば、負極集電体42Aの両面に負極活物質層42Bが設けられたものである。負極集電体42Aおよび負極活物質層42Bの構成は、それぞれ第1の二次電池における負極集電体22Aおよび負極活物質層22Bの構成と同様である。すなわち、負極活物質層42Bは、結晶性の負極活物質を含む結晶性負極活物質層および非結晶性の負極活物質を含む非結晶性負極活物質層がこの順に積層された構造を含んでいる。
In the
なお、セパレータ43の構成および電解液の組成は、それぞれ第1の二次電池におけるセパレータ23の構成および電解液の組成と同様である。
The configuration of the
この二次電池では、充電時において、例えば、正極41からリチウムイオンが放出され、電解液を介して負極42に吸蔵される。一方、放電時において、例えば、負極42からリチウムイオンが放出され、電解液を介して正極41に吸蔵される。
In this secondary battery, at the time of charging, for example, lithium ions are released from the
この二次電池は、例えば、以下の手順により製造される。 This secondary battery is manufactured by the following procedure, for example.
まず、第1の二次電池における正極21および負極22と同様の手順により、正極集電体41Aの両面に正極活物質層41Bを形成して正極41を作製すると共に、負極集電体42Aの両面に負極活物質層42Bを形成して負極42を作製する。続いて、正極41に正極リード45を溶接などして取り付けると共に、負極42に負極リード46を溶接などして取り付ける。続いて、セパレータ43を介して正極41と負極42とを積層および巻回させて巻回電極体40を作製したのち、その巻回中心にセンターピン44を挿入する。続いて、一対の絶縁板32,33で挟みながら巻回電極体40を電池缶31の内部に収納する。この場合には、正極リード45の先端部を安全弁機構35に溶接すると共に、負極リード46の先端部を電池缶31に溶接する。続いて、電池缶31の内部に電解液を注入してセパレータ43に含浸させる。最後に、電池缶31の開口端部に、ガスケット37を介して電池蓋34、安全弁機構35および熱感抵抗素子36をかしめる。これにより、図10および図11に示した二次電池が完成する。
First, according to the same procedure as the positive electrode 21 and the
この第2の二次電池によれば、負極42が上記した負極と同様の構成を有しているので、第1の二次電池と同様の作用により、優れたサイクル特性および膨れ特性を得ることができる。この二次電池に関する他の効果は、第1の二次電池と同様である。
According to the second secondary battery, since the
<2−3.第3の二次電池>
図12は、第3の二次電池の分解斜視構成を表しており、図13は、図12に示した巻回電極体50のXIII−XIII線に沿った断面を拡大して示している。
<2-3. Third secondary battery>
FIG. 12 shows an exploded perspective configuration of the third secondary battery, and FIG. 13 shows an enlarged cross section taken along line XIII-XIII of the spirally
この二次電池は、第1の二次電池と同様にリチウムイオン二次電池であり、主に、フィルム状の外装部材60の内部に、正極リード51および負極リード52が取り付けられた巻回電極体50が収納されたものである。このような外装部材60を用いた電池構造は、ラミネートフィルム型と呼ばれている。
This secondary battery is a lithium ion secondary battery, like the first secondary battery, and is mainly a wound electrode in which a
正極リード51および負極リード52は、例えば、外装部材60の内部から外部に向かって同一方向に導出されている。ただし、巻回電極体50に対する正極リード51および負極リード52の設置位置や、それらの導出方向などは、特に限定されない。正極リード51は、例えば、アルミニウムなどにより構成されており、負極リード52は、例えば、銅、ニッケルあるいはステンレスなどにより構成されている。これらの材料は、例えば、薄板状あるいは網目状になっている。
The
外装部材60は、例えば、融着層と、金属層と、表面保護層とがこの順に積層されたラミネートフィルムである。この場合には、例えば、融着層が巻回電極体50と対向するように、2枚のフィルムの融着層における外縁部同士が融着、あるいは接着剤などにより貼り合わされている。融着層としては、例えば、ポリエチレンあるいはポリプロピレンなどのフィルムが挙げられる。金属層としては、例えば、アルミニウム箔などが挙げられる。表面保護層としては、例えば、ナイロンあるいはポリエチレンテレフタレートなどのフィルムが挙げられる。
The
中でも、外装部材60としては、ポリエチレンフィルム、アルミニウム箔およびナイロンフィルムがこの順に積層されたアルミラミネートフィルムが好ましい。ただし、外装部材60は、アルミラミネートフィルムに代えて、他の積層構造を有するラミネートフィルムでもよいし、ポリプロピレンなどの高分子フィルムあるいは金属フィルムでもよい。
Especially, as the
外装部材60と正極リード51および負極リード52との間には、外気の侵入を防止するための密着フィルム61が挿入されている。この密着フィルム61は、正極リード51および負極リード52に対して密着性を有する材料により構成されている。このような材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、変性ポリエチレンあるいは変性ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂が挙げられる。
An
巻回電極体50は、セパレータ55および電解質層56を介して正極53と負極54とが積層および巻回されたものであり、その最外周部は、保護テープ57により保護されている。
The
正極53は、例えば、正極集電体53Aの両面に正極活物質層53Bが設けられたものである。正極集電体53Aおよび正極活物質層53Bの構成は、それぞれ第1の二次電池における正極集電体21Aおよび正極活物質層21Bと同様である。
In the
負極54は、例えば、負極集電体54Aの両面に負極活物質層54Bが設けられたものである。負極集電体54Aおよび負極活物質層54Bの構成は、それぞれ第1の二次電池における負極集電体22Aおよび負極活物質層22Bの構成と同様である。すなわち、負極活物質層54Bは、結晶性の負極活物質を含む結晶性負極活物質層および非結晶性の負極活物質を含む非結晶性負極活物質層がこの順に積層された構造を含んでいる。
In the
なお、セパレータ55の構成は、第1の二次電池におけるセパレータ23の構成と同様である。
The configuration of the
電解質層56は、電解液が高分子化合物により保持されたものであり、必要に応じて、各種添加剤などの他の材料を含んでいてもよい。この電解質層56は、いわゆるゲル状の電解質である。ゲル状の電解質は、高いイオン伝導率(例えば、室温で1mS/cm以上)が得られると共に電解液の漏液が防止されるので好ましい。
The
高分子化合物としては、例えば、以下のものが挙げられる。ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレン、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリフォスファゼン、ポリシロキサンあるいはポリフッ化ビニルである。また、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリメタクリル酸メチル、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、スチレン−ブタジエンゴム、ニトリル−ブタジエンゴム、ポリスチレンあるいはポリカーボネートである。また、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロピレンとの共重合体である。これらは単独でもよいし、複数種が混合されてもよい。中でも、ポリフッ化ビニリデン、あるいはフッ化ビニリデンとヘキサフルオロピレンとの共重合体が好ましい。電気化学的に安定だからである。 Examples of the polymer compound include the following. Polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, polyhexafluoropropylene, polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyphosphazene, polysiloxane, or polyvinyl fluoride. Polyvinyl acetate, polyvinyl alcohol, polymethyl methacrylate, polyacrylic acid, polymethacrylic acid, styrene-butadiene rubber, nitrile-butadiene rubber, polystyrene or polycarbonate. Further, it is a copolymer of vinylidene fluoride and hexafluoropyrene. These may be single and multiple types may be mixed. Among these, polyvinylidene fluoride or a copolymer of vinylidene fluoride and hexafluoropyrene is preferable. This is because it is electrochemically stable.
電解液の組成は、第1の二次電池における電解液の組成と同様である。ただし、ゲル状の電解質である電解質層56において、電解液の溶媒とは、液状の溶媒だけでなく、電解質塩を解離させることが可能なイオン伝導性を有するものまで含む広い概念である。よって、イオン伝導性を有する高分子化合物を用いる場合には、その高分子化合物も溶媒に含まれる。
The composition of the electrolytic solution is the same as the composition of the electrolytic solution in the first secondary battery. However, in the
なお、電解液が高分子化合物により保持されたゲル状の電解質層56に代えて、電解液をそのまま用いてもよい。この場合には、電解液がセパレータ55に含浸される。
Instead of the
この二次電池では、充電時において、例えば、正極53からリチウムイオンが放出され、電解質層56を介して負極54に吸蔵される。一方、放電時において、例えば、負極54からリチウムイオンが放出され、電解質層56を介して正極53に吸蔵される。
In this secondary battery, during charging, for example, lithium ions are released from the
このゲル状の電解質層56を備えた二次電池は、例えば、以下の3種類の手順により製造される。
The secondary battery provided with the
第1の製造方法では、最初に、第1の二次電池における正極21および負極22と同様の作製手順により、正極53および負極54を作製する。具体的には、正極集電体53Aの両面に正極活物質層53Bを形成して正極53を作製すると共に、負極集電体54Aの両面に負極活物質層54Bを形成して負極54を作製する。続いて、電解液、高分子化合物および溶剤を含む前駆溶液を調製して正極53および負極54に塗布したのち、その溶剤を揮発させてゲル状の電解質層56を形成する。続いて、正極集電体53Aに正極リード51を溶接などして取り付けると共に、負極集電体54Aに負極リード52を溶接などして取り付ける。続いて、電解質層56が形成された正極53と負極54とをセパレータ55を介して積層および巻回したのち、その最外周部に保護テープ57を接着させて、巻回電極体50を作製する。最後に、2枚のフィルム状の外装部材60の間に巻回電極体50を挟み込んだのち、その外装部材60の外縁部同士を熱融着などで接着させて、巻回電極体50を封入する。この際、正極リード51および負極リード52と外装部材60との間に、密着フィルム61を挿入する。これにより、図12および図13に示した二次電池が完成する。
In the first manufacturing method, first, the
第2の製造方法では、最初に、正極53に正極リード51を取り付けると共に、負極54に負極リード52を取り付ける。続いて、セパレータ55を介して正極53と負極54とを積層して巻回させたのち、その最外周部に保護テープ57を接着させて、巻回電極体50の前駆体である巻回体を作製する。続いて、2枚のフィルム状の外装部材60の間に巻回体を挟み込んだのち、一辺の外周縁部を除いた残りの外周縁部を熱融着などで接着させて、袋状の外装部材60の内部に巻回体を収納する。続いて、電解液と、高分子化合物の原料であるモノマーと、重合開始剤と、必要に応じて重合禁止剤などの他の材料とを含む電解質用組成物を調製して袋状の外装部材60の内部に注入したのち、その外装部材60の開口部を熱融着などで密封する。最後に、モノマーを熱重合させて高分子化合物とし、ゲル状の電解質層56を形成する。これにより、二次電池が完成する。
In the second manufacturing method, first, the
第3の製造方法では、最初に、高分子化合物が両面に塗布されたセパレータ55を用いることを除き、上記した第2の製造方法と同様に、巻回体を形成して袋状の外装部材60の内部に収納する。このセパレータ55に塗布する高分子化合物としては、例えば、フッ化ビニリデンを成分とする重合体(単独重合体、共重合体あるいは多元共重合体など)が挙げられる。具体的には、ポリフッ化ビニリデンや、フッ化ビニリデンおよびヘキサフルオロプロピレンを成分とする二元系共重合体や、フッ化ビニリデン、ヘキサフルオロプロピレンおよびクロロトリフルオロエチレンを成分とする三元系共重合体などである。なお、高分子化合物は、上記したフッ化ビニリデンを成分とする重合体と共に、他の1種あるいは2種以上の高分子化合物を含んでいてもよい。続いて、電解液を調製して外装部材60の内部に注入したのち、その外装部材60の開口部を熱融着などで密封する。最後に、外装部材60に加重をかけながら加熱して、高分子化合物を介してセパレータ55を正極53および負極54に密着させる。これにより、電解液が高分子化合物に含浸し、その高分子化合物がゲル化して電解質層56が形成されるため、二次電池が完成する。
In the third manufacturing method, a wound body is formed by forming a wound body in the same manner as the above-described second manufacturing method, except that the
この第3の製造方法では、第1の製造方法よりも電池膨れが抑制される。また、第3の製造方法では、第2の製造方法よりも高分子化合物の原料であるモノマーあるいは溶媒などが電解質層56中にほとんど残らず、しかも高分子化合物の形成工程が良好に制御される。このため、正極53、負極54およびセパレータ55と電解質層56との間において十分な密着性が得られる。
In the third manufacturing method, battery swelling is suppressed more than in the first manufacturing method. Further, in the third manufacturing method, almost no monomer or solvent, which is a raw material for the polymer compound, remains in the
この第3の二次電池によれば、負極54が上記した負極と同様の構成を有しているので、第1の二次電池と同様の作用により、優れたサイクル特性および膨れ特性を得ることができる。この二次電池に関する他の効果は、第1の二次電池と同様である。
According to the third secondary battery, since the
本発明の実施例について、詳細に説明する。 Examples of the present invention will be described in detail.
(実験例1−1〜1−10)
以下の手順により、図12および図13に示したラミネートフィルム型のリチウムイオン二次電池を作製した。
(Experimental Examples 1-1 to 1-10)
The laminate film type lithium ion secondary battery shown in FIGS. 12 and 13 was produced by the following procedure.
まず、塗布法を用いて正極集電体53A上に正極活物質層53Bを形成して、正極53を作製した。
First, the positive electrode active material layer 53B was formed on the positive electrode
この場合には、最初に、炭酸リチウム(Li2 CO3 )と炭酸コバルト(CoCO3 )とを0.5:1のモル比で混合したのち、空気中で900℃×5時間焼成してリチウムコバルト複合酸化物(LiCoO2 )を得た。続いて、正極活物質としてリチウムコバルト複合酸化物91質量部と、正極導電剤としてグラファイト6質量部と、正極結着剤としてポリフッ化ビニリデン3質量部とを混合して、正極合剤とした。続いて、N−メチル−2−ピロリドンに正極合剤を分散させて、ペースト状の正極合剤スラリーとした。続いて、コーティング装置を用いて正極集電体53Aの両面に正極合剤スラリーを均一に塗布してから乾燥させて、正極活物質層53Bを形成した。この正極集電体53Aとしては、帯状のアルミニウム箔(厚さ=12μm)を用いた。最後に、ロールプレス機を用いて正極活物質層53Bを圧縮成型した。
In this case, lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) and cobalt carbonate (CoCO 3 ) are first mixed at a molar ratio of 0.5: 1, and then calcined in air at 900 ° C. for 5 hours. A cobalt composite oxide (LiCoO 2 ) was obtained. Subsequently, 91 parts by mass of lithium cobalt composite oxide as a positive electrode active material, 6 parts by mass of graphite as a positive electrode conductive agent, and 3 parts by mass of polyvinylidene fluoride as a positive electrode binder were mixed to obtain a positive electrode mixture. Subsequently, the positive electrode mixture was dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone to obtain a paste-like positive electrode mixture slurry. Subsequently, the positive electrode mixture slurry was uniformly applied to both surfaces of the positive electrode
次に、負極集電体54A上に結晶性負極活物質層および非結晶性負極活物質層を含む負極活物質層54Bを形成して、負極54を作製した。
Next, a negative electrode
この場合には、最初に、溶射法(ガスフレーム溶射法)を用いて負極集電体54Aの両面に負極材料としてケイ素粉末を溶融状態あるいは半溶融状態で吹き付けて、複数の粒子状の負極活物質(結晶性)を含む結晶性負極活物質層を形成した。この負極集電体54Aとしては、帯状の電解銅箔(厚さ=15μm,表面の十点平均粗さRz=3μm)を用いた。また、ケイ素粉末としては、メジアン径が1μm以上300μm以下であるものを用いた。溶射工程では、溶射炎の発生用のガスとして酸素ガスおよび水素ガス、負極材料の吹き付け用のガスとして窒素ガスを用いると共に、吹き付け速度を約45m/秒以上55m/秒以下とした。また、負極集電体54Aが熱的ダメージを負わないように、炭酸ガスで基盤を冷却しながら吹き付け処理を行った。さらに、チャンバ内に連続的に酸素ガスおよび必要に応じて水蒸気を導入して、結晶性の負極活物質中の酸素含有量を5原子数%とした。
In this case, first, a silicon powder as a negative electrode material is sprayed in a molten state or a semi-molten state on both surfaces of the negative electrode
続いて、蒸着法(電子ビーム蒸着法)を用いて結晶性負極活物質層の表面に負極材料としてケイ素を堆積させて、複数の粒子状の負極活物質(非結晶性)を含む非結晶性負極活物質層を形成した。蒸着工程では、偏向式電子ビーム蒸着源として純度99%のケイ素を用いると共に、堆積速度を100nm/秒とした。また、チャンバ内に連続的に酸素ガスおよび必要に応じて水蒸気を導入して、非結晶性の負極活物質中の酸素含有量を5原子数%とした。 Subsequently, silicon is deposited as a negative electrode material on the surface of the crystalline negative electrode active material layer using a vapor deposition method (electron beam vapor deposition method), so that the non-crystalline property includes a plurality of particulate negative electrode active materials (non-crystalline). A negative electrode active material layer was formed. In the vapor deposition process, silicon having a purity of 99% was used as a deflection electron beam vapor deposition source, and the deposition rate was set to 100 nm / second. In addition, oxygen gas and water vapor as necessary were continuously introduced into the chamber, so that the oxygen content in the amorphous negative electrode active material was 5 atomic%.
特に、結晶性負極活物質層を形成する場合には、負極材料のメジアン径、投入量および溶融温度、ならびに基盤の冷却温度を調整して、以下の設定条件となるようにした。第1に、複数の粒子状の負極活物質が扁平粒子を含むようにした。第2に、X線回折により得られる結晶性の負極活物質の(111)結晶面における回折ピークの半値幅(2θ)を1°とし、同結晶面に起因する結晶子サイズを400nmとした。この場合には、リガク電機株式会社製のX線回折装置(官球:CuKa)を用いると共に、官電圧を40kV、官電流を40mA、スキャン方法をθ−2θ法、測定範囲を20°≦2θ≦90°とした。なお、上記した設定条件については、図9を参照して説明した非対向領域R2における負極活物質層54Bについて調べた。
In particular, when forming a crystalline negative electrode active material layer, the median diameter, input amount and melting temperature of the negative electrode material, and the cooling temperature of the substrate were adjusted so as to satisfy the following setting conditions. First, the plurality of particulate negative electrode active materials are made to contain flat particles. Second, the half width (2θ) of the diffraction peak on the (111) crystal plane of the crystalline negative electrode active material obtained by X-ray diffraction was 1 °, and the crystallite size attributable to the crystal plane was 400 nm. In this case, an X-ray diffractometer (Ryukyu Electric Co., Ltd .: CuKa) manufactured by Rigaku Electric Co., Ltd. is used. ≦ 90 °. Note that the setting conditions described above were examined for the negative electrode
また、負極活物質層54Bを形成する場合には、総厚(結晶性負極活物質層の厚さT1と非結晶性負極活物質層の厚さT2との合計)を15μmにすると共に、表1に示したように厚さ比(T1/(T1+T2))を変化させた。なお、厚さ比を算出する手順は、上記した負極について説明した通りである。
When the negative electrode
次に、溶媒として炭酸エチレン(EC)と炭酸ジエチル(DEC)とを混合したのち、電解質塩として六フッ化リン酸リチウム(LiPF6 )を溶解させて、液状の電解質(電解液)を調製した。この場合には、溶媒の組成(EC:DEC)を重量比で50:50とし、電解質塩の含有量を溶媒に対して1mol/kgとした。 Next, after mixing ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) as a solvent, lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) was dissolved as an electrolyte salt to prepare a liquid electrolyte (electrolytic solution). . In this case, the composition of the solvent (EC: DEC) was 50:50 by weight, and the content of the electrolyte salt was 1 mol / kg with respect to the solvent.
最後に、正極53および負極54と共に電解液を用いて二次電池を組み立てた。最初に、正極集電体53Aの一端にアルミニウム製の正極リード51を溶接すると共に、負極集電体54Aの一端にニッケル製の負極リード52を溶接した。続いて、正極53と、セパレータ55と、負極54と、セパレータ55とをこの順に積層してから長手方向に巻回させたのち、粘着テープからなる保護テープ57で巻き終わり部分を固定して、巻回電極体50の前駆体である巻回体を形成した。このセパレータ55としては、多孔性ポリプロピレンを主成分とするフィルムにより多孔性ポリエチレンを主成分とするフィルムが挟まれた3層構造体(厚さ=23μm)を用いた。続いて、外装部材60の間に巻回体を挟み込んだのち、一辺を除く外縁部同士を熱融着して、袋状の外装部材60の内部に巻回体を収納した。この外装部材60としては、外側から、ナイロンフィルム(厚さ=30μm)と、アルミニウム箔(厚さ=40μm)と、無延伸ポリプロピレンフィルム(厚さ=30μm)とが積層された3層構造のラミネートフィルム(総厚=100μm)を用いた。続いて、外装部材60の開口部から電解液を注入してセパレータ55に含浸させて、巻回電極体50を作製した。最後に、真空雰囲気中で外装部材60の開口部を熱融着して封止することにより、ラミネートフィルム型の二次電池が完成した。この二次電池を作製する場合には、正極活物質層53Bの厚さを調節して、満充電時において負極54にリチウム金属が析出しないようにした。
Finally, a secondary battery was assembled using the electrolytic solution together with the
(実験例1−11〜1−14)
表2に示したように、結晶性負極活物質層あるいは非結晶性負極活物質層のいずれか一方だけを形成したことを除き、実験例1−1〜1−10と同様の手順を経た。この場合には、非結晶性負極活物質層の形成方法として、蒸着法の他にスパッタ法あるいはCVD法を用いた。スパッタ工程(RFマグネトロンスパッタ)では、ターゲットとして純度99.99%のケイ素を用いると共に、堆積速度を0.5nm/秒とした。また、CVD工程では、原材料としてシラン(SiH4 )ガス、励起ガスとしてアルゴン(Ar)ガスを用いると共に、堆積速度を1.5nm/秒、基盤温度を200℃とした。
(Experimental Examples 1-11 to 1-14)
As shown in Table 2, the same procedure as in Experimental Examples 1-1 to 1-10 was performed, except that only one of the crystalline negative electrode active material layer and the amorphous negative electrode active material layer was formed. In this case, as a method for forming the amorphous negative electrode active material layer, a sputtering method or a CVD method was used in addition to the vapor deposition method. In the sputtering process (RF magnetron sputtering), silicon having a purity of 99.99% was used as a target, and the deposition rate was set to 0.5 nm / second. In the CVD process, silane (SiH 4 ) gas was used as the raw material, argon (Ar) gas was used as the excitation gas, the deposition rate was 1.5 nm / second, and the substrate temperature was 200 ° C.
これらの実験例1−1〜1−14の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表1、表2および図14に示した結果が得られた。 When the cycle characteristics and the swollenness characteristics of the secondary batteries of Examples 1-1 to 1-14 were examined, the results shown in Tables 1 and 2 and FIG. 14 were obtained.
サイクル特性を調べる際には、サイクル試験を行って放電容量維持率を求めた。最初に、電池状態を安定化させるために23℃の雰囲気中で1サイクル充放電させたのち、再び充放電させて2サイクル目の放電容量を測定した。続いて、同雰囲気中で99サイクル充放電させて101サイクル目の放電容量を測定した。最後に、放電容量維持率(%)=(101サイクル目の放電容量/2サイクル目の放電容量)×100を算出した。この場合には、3mA/cm2 の定電流密度で電池電圧が4.2Vに到達するまで充電したのち、4.2Vの定電圧で電流密度が0.3mA/cm2 に到達するまで充電した。また、3mA/cm2 の定電流密度で電池電圧が2.5Vに到達するまで放電した。 When examining the cycle characteristics, a cycle test was conducted to determine the discharge capacity retention rate. First, in order to stabilize the battery state, the battery was charged and discharged for 1 cycle in an atmosphere at 23 ° C., then charged and discharged again, and the discharge capacity at the second cycle was measured. Subsequently, 99 cycles were charged and discharged in the same atmosphere, and the discharge capacity at the 101st cycle was measured. Finally, discharge capacity retention ratio (%) = (discharge capacity at the 101st cycle / discharge capacity at the second cycle) × 100 was calculated. In this case, charging was performed at a constant current density of 3 mA / cm 2 until the battery voltage reached 4.2 V, and then charging was performed at a constant voltage of 4.2 V until the current density reached 0.3 mA / cm 2 . . The battery was discharged at a constant current density of 3 mA / cm 2 until the battery voltage reached 2.5V.
膨れ特性を調べる際には、上記したサイクル試験時の膨れ率を求めた。すなわち、2サイクル目および101サイクル目の放電後の厚さを測定したのち、膨れ率(%)=[(101サイクル目の放電後の厚さ−2サイクル目の放電後の厚さ)/2サイクル目の放電後の厚さ]×100を算出した。 When investigating the swollenness characteristics, the swollenness ratio during the above cycle test was determined. That is, after measuring the thickness after the discharge at the second cycle and the 101st cycle, the swelling ratio (%) = [(the thickness after the discharge at the 101st cycle−the thickness after the discharge at the second cycle) / 2. Thickness after discharge at the cycle] × 100 was calculated.
なお、サイクル特性および膨れを調べる場合の手順および条件は、以降の一連の実験例においても同様である。 Note that the procedure and conditions for examining the cycle characteristics and swelling are the same in the following series of experimental examples.
負極活物質層54Bが結晶性負極活物質層および非結晶性負極活物質層を含む場合には、いずれか一方だけである場合とは異なり、放電容量維持率および膨れ率の双方について良好な結果が得られた。特に、結晶性負極活物質層および非結晶性負極活物質層を含む場合には、厚さ比が0.1以上0.995以下、さらに0.3以上0.95以下であると、より良好な結果が得られた。これらのことから、本発明の二次電池では、負極活物質層54Bが結晶性負極活物質層および非結晶性負極活物質層がこの順に積層された構造を含むことにより、優れたサイクル特性および膨れ特性が得られる。この場合には、厚さ比が0.1以上0.995以下であれば、両特性がより向上する。
In the case where the negative electrode
(実験例2−1〜2−6)
表3に示したように、非結晶性負極活物質層の形成方法を変更すると共に、結晶性負極活物質層の形成方法を変更したことを除き、実験例1−3,1−6と同様の手順を経た。スパッタ工程およびCVD工程の条件は、実験例1−13,1−14と同様である。
(Experimental examples 2-1 to 2-6)
As shown in Table 3, similar to Experimental Examples 1-3 and 1-6, except that the formation method of the amorphous negative electrode active material layer was changed and the formation method of the crystalline negative electrode active material layer was changed I went through the procedure. The conditions of the sputtering process and the CVD process are the same as in Experimental Examples 1-13 and 1-14.
塗布法を用いた形成手順は、以下の通りである。最初に、負極活物質としてケイ素粉末(メジアン径=8μm)とポリアミック酸溶液とを80:20の乾燥重量比で混合して、負極合剤とした。このポリアミック酸溶液の溶媒は、N−メチル−2−ピロリドンおよびN,N−ジメチルアセトアミドである。続いて、N−メチル−2−ピロリドンに負極合剤を分散させて、負極合剤スラリーとした。最後に、コーティング装置を用いて負極集電体54Aの両面に負極合剤スラリーを均一に塗布してから乾燥させたのち、真空雰囲気中において400℃×1時間の条件で加熱して、負極活物質層を形成した。
The formation procedure using the coating method is as follows. First, silicon powder (median diameter = 8 μm) as a negative electrode active material and a polyamic acid solution were mixed at a dry weight ratio of 80:20 to obtain a negative electrode mixture. The solvents for this polyamic acid solution are N-methyl-2-pyrrolidone and N, N-dimethylacetamide. Subsequently, the negative electrode mixture was dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone to obtain a negative electrode mixture slurry. Finally, after applying the negative electrode mixture slurry uniformly on both surfaces of the negative electrode
これらの実験例2−1〜2−6の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表3に示した結果が得られた。 When the cycle characteristics and the swollenness characteristics of the secondary batteries of Experimental Examples 2-1 to 2-6 were examined, the results shown in Table 3 were obtained.
非結晶性負極活物質層の形成方法を変更した場合においても、表1および表2と同様の結果が得られた。この場合には、厚さ比ごとに比較して、放電容量維持率および膨れ率がほぼ同等であった。また、負極活物質層の形成方法として塗布法を用いた場合には、溶射法を用いた場合よりも放電容量維持率が低くなると共に膨れ率が大きくなった。これらのことから、本発明の二次電池では、非結晶性負極活物質層の形成方法としてスパッタ法あるいはCVD法を用いても、優れたサイクル特性および膨れ特性が得られる。また、結晶性負極活物質層の形成方法として溶射法を用いれば、塗布法を用いた場合よりも優れたサイクル特性および膨れ特性が得られる。 Even when the formation method of the amorphous negative electrode active material layer was changed, the same results as in Tables 1 and 2 were obtained. In this case, the discharge capacity retention ratio and the swelling ratio were substantially the same as compared with each thickness ratio. Further, when the coating method was used as the method for forming the negative electrode active material layer, the discharge capacity retention rate was lower and the swelling rate was larger than when the thermal spraying method was used. For these reasons, in the secondary battery of the present invention, excellent cycle characteristics and swollenness characteristics can be obtained even when the sputtering method or the CVD method is used as the method for forming the amorphous negative electrode active material layer. In addition, when a thermal spraying method is used as a method for forming the crystalline negative electrode active material layer, cycle characteristics and swelling characteristics superior to those obtained when a coating method is used can be obtained.
(実験例3−1〜3−7)
表4に示したように、負極活物質層54Bの総厚を変更したことを除き、実験例1−1,1−3,1−6,1−9〜1−12と同様の手順を経た。これらの実験例3−1〜3−7の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表4に示した結果が得られた。
(Experimental examples 3-1 to 3-7)
As shown in Table 4, the same procedure as in Experimental Examples 1-1, 1-3, 1-6, 1-9 to 1-12 was performed, except that the total thickness of the negative electrode
負極活物質層54Bの総厚を変更した場合においても、表1および表2と同様の結果が得られた。このことから、本発明の二次電池では、負極活物質層54Bが結晶性負極活物質層および非結晶性負極活物質層を含んでいると、その総厚に依存せずに、優れたサイクル特性および膨れ特性が得られる。
Even when the total thickness of the negative electrode
(実験例4−1〜4−5)
表5に示したように、結晶性負極活物質層(結晶性の負極活物質)の半値幅および結晶子サイズを変更したことを除き、実験例1−3と同様の手順を経た。これらの実験例4−1〜4−5の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表5および図15に示した結果が得られた。
(Experimental examples 4-1 to 4-5)
As shown in Table 5, the same procedure as in Experimental Example 1-3 was performed except that the half width and the crystallite size of the crystalline negative electrode active material layer (crystalline negative electrode active material) were changed. When the cycle characteristics and the swollenness characteristics of the secondary batteries of Examples 4-1 to 4-5 were examined, the results shown in Table 5 and FIG. 15 were obtained.
半値幅および結晶性サイズを変更した場合においても、表1および表2と同様の結果が得られた。この場合には、半値幅が20°以下であると共に結晶子サイズが100nm以上であると、放電容量維持率がより高くなった。これらのことから、本発明の二次電池では、結晶性の負極活物質の(111)結晶面における回折ピークの半値幅(2θ)が20°以下であると共に結晶子サイズが100nm以上であれば、サイクル特性がより向上する。 Even when the full width at half maximum and the crystallinity size were changed, the same results as in Tables 1 and 2 were obtained. In this case, when the half width was 20 ° or less and the crystallite size was 100 nm or more, the discharge capacity retention ratio was higher. For these reasons, in the secondary battery of the present invention, if the half width (2θ) of the diffraction peak on the (111) crystal plane of the crystalline negative electrode active material is 20 ° or less and the crystallite size is 100 nm or more, , Cycle characteristics are further improved.
(実験例5−1〜5−3)
結晶性負極活物質層において複数の粒子状の負極活物質が扁平粒子を含まないようにしたことを除き、実験例1−3,1−6,1−9と同様の手順を経た。これらの実験例5−1〜5−3の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表6に示した結果が得られた。
(Experimental examples 5-1 to 5-3)
A procedure similar to that of Experimental Examples 1-3, 1-6, and 1-9 was performed except that the plurality of particulate negative electrode active materials did not contain flat particles in the crystalline negative electrode active material layer. The cycle characteristics and the swollenness characteristics of the secondary batteries of Examples 5-1 to 5-3 were examined. The results shown in Table 6 were obtained.
結晶性負極活物質層において扁平粒子を含まない場合においても、表1および表2と同様の結果が得られた。この場合には、若干ながら、扁平粒子を含む場合よりも放電容量維持率が低くなると共に膨れ率が大きくなった。これらのことから、本発明の二次電池では、結晶性負極活物質層において複数の粒子状の負極活物質が扁平粒子を含むようにすれば、サイクル特性および膨れ特性がより向上する。 Even when the crystalline negative electrode active material layer did not contain flat particles, the same results as in Tables 1 and 2 were obtained. In this case, the discharge capacity retention rate was lowered and the swelling rate was increased as compared with the case where flat particles were included. For these reasons, in the secondary battery of the present invention, if the plurality of particulate negative electrode active materials include flat particles in the crystalline negative electrode active material layer, the cycle characteristics and the swollenness characteristics are further improved.
(実験例6−1〜6−9)
表7に示したように、結晶性負極活物質層および非結晶性負極活物質層において負極活物質中の酸素含有量を変更したことを除き、実験例1−3と同様の手順を経た。これらの実験例6−1〜6−9の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表7および図16に示した結果が得られた。
(Experimental examples 6-1 to 6-9)
As shown in Table 7, the same procedure as in Experimental Example 1-3 was performed except that the oxygen content in the negative electrode active material was changed in the crystalline negative electrode active material layer and the amorphous negative electrode active material layer. When the cycle characteristics and the swollenness characteristics of the secondary batteries of Examples 6-1 to 6-9 were examined, the results shown in Table 7 and FIG. 16 were obtained.
負極活物質中の酸素含有量を変更した場合においても、表1および表2と同様の結果が得られた。この場合には、酸素含有量が1.5原子数%以上40原子数%以下であると、高い放電容量維持率が得られると共に、十分な電池容量も得られた。これらのことから、本発明の二次電池では、負極活物質中の酸素含有量が1.5原子数%以上40原子数%以下であれば、優れたサイクル特性および電池容量が得られる。 Even when the oxygen content in the negative electrode active material was changed, the same results as in Tables 1 and 2 were obtained. In this case, when the oxygen content was 1.5 atomic% or more and 40 atomic% or less, a high discharge capacity retention rate was obtained and a sufficient battery capacity was also obtained. For these reasons, in the secondary battery of the present invention, excellent cycle characteristics and battery capacity can be obtained if the oxygen content in the negative electrode active material is 1.5 atomic% to 40 atomic%.
(実験例7−1〜7−16)
表8および表9に示したように、結晶性負極活物質層において負極活物質が金属元素を含むようにしたことを除き、実験例1−3と同様の手順を経た。この場合には、負極活物質層54Bを形成する際に、ガスアトマイズ法により形成されたケイ素合金粒子を溶融状態あるいは半溶融状態で吹き付けて、負極活物質中における金属元素の含有量を5原子数%とした。
(Experimental examples 7-1 to 7-16)
As shown in Table 8 and Table 9, the same procedure as in Experimental Example 1-3 was performed, except that the negative electrode active material contained a metal element in the crystalline negative electrode active material layer. In this case, when forming the negative electrode
(実験例8−1〜8−3)
表10に示したように、非結晶性負極活物質層において負極活物質が金属元素を含むようにしたことを除き、実験例1−3と同様の手順を経た。
(Experimental examples 8-1 to 8-3)
As shown in Table 10, the same procedure as in Experimental Example 1-3 was performed, except that the negative electrode active material contained a metal element in the amorphous negative electrode active material layer.
(実験例9−1〜9−3)
表11に示したように、結晶性負極活物質層および非結晶性負極活物質層において負極活物質が金属元素を含むようにしたことを除き、実験例1−3と同様の手順を経た。
(Experimental examples 9-1 to 9-3)
As shown in Table 11, the same procedure as in Experimental Example 1-3 was performed, except that the negative electrode active material contained a metal element in the crystalline negative electrode active material layer and the amorphous negative electrode active material layer.
これらの実験例7−1〜7−16,8−1〜8−3,9−1〜9−3の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表8〜表11に示した結果が得られた。 The cycle characteristics and the swollenness characteristics of the secondary batteries of Experimental Examples 7-1 to 7-16, 8-1 to 8-3, and 9-1 to 9-3 were examined. The results are shown in Tables 8 to 11. Results were obtained.
負極活物質が金属元素を含む場合においても、表1および表2と同様の結果が得られた。この場合には、金属元素を含まない場合よりも放電容量維持率が高くなった。これらのことから、本発明の二次電池では、結晶性負極活物質層および非結晶性負極活物質層のうちの少なくとも一方において負極活物質が金属元素を含むようにすれば、サイクル特性がより向上する。 Even when the negative electrode active material contained a metal element, the same results as in Tables 1 and 2 were obtained. In this case, the discharge capacity retention rate was higher than when no metal element was included. From these facts, in the secondary battery of the present invention, if the negative electrode active material contains a metal element in at least one of the crystalline negative electrode active material layer and the non-crystalline negative electrode active material layer, the cycle characteristics are further improved. improves.
(実験例10−1〜10−3)
表12に示したように、チャンバ内に断続的に酸素ガス等を導入して、高酸素含有量領域および低酸素含有領域を含むように負極活物質層54Bを形成したことを除き、実験例1−3と同様の手順を経た。この場合には、低酸素含有量領域により高酸素含有領域が挟まれると共に、それらが交互に積層されるようにした。また、高酸素含有領域における負極活物質中の酸素含有量を5原子数%とした。これらの実験例10−1〜10−3の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表12および図17に示した結果が得られた。
(Experimental examples 10-1 to 10-3)
As shown in Table 12, experimental examples except that the negative electrode
負極活物質層54Bが高酸素含有領域および低酸素含有領域を含む場合においても、表1および表2と同様の結果が得られた。この場合には、高酸素含有領域および低酸素含有領域を含まない場合よりも放電容量維持率が高くなると共に膨れ率が小さくなり、高酸素含有領域の数が多くなるにしたがって放電容量維持率がより高くなると共に膨れ率がより小さくなった。これらのことから、本発明の二次電池では、負極活物質層54Bが高酸素含有領域および低酸素含有領域を含むようにすれば、サイクル特性および膨れ特性がより向上する。
Even when the negative electrode
(実験例11−1〜11−13)
表13に示したように、負極集電体54Aの表面の十点平均粗さRzを変更したことを除き、実験例1−3と同様の手順を経た。これらの実験例11−1〜11−13の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表13および図18に示した結果が得られた。
(Experimental examples 11-1 to 11-13)
As shown in Table 13, the same procedure as in Experimental Example 1-3 was performed, except that the ten-point average roughness Rz of the surface of the negative electrode
十点平均粗さRzを変更した場合においても、表1および表2と同様の結果が得られた。この場合には、十点平均粗さRzが1.5μm以上、さらに3μm以上30μm以下であると、高い放電容量維持率が得られると共に、十分な電池容量も得られた。これらのことから、本発明の二次電池では、負極集電体54Aの表面の十点平均粗さRzが1.5μm以上、好ましくは3μm以上30μm以下であれば、優れたサイクル特性および電池容量が得られる。
Even when the ten-point average roughness Rz was changed, the same results as in Tables 1 and 2 were obtained. In this case, when the ten-point average roughness Rz was 1.5 μm or more, and further 3 μm or more and 30 μm or less, a high discharge capacity retention rate was obtained and a sufficient battery capacity was also obtained. For these reasons, in the secondary battery of the present invention, if the ten-point average roughness Rz of the surface of the negative electrode
(実験例12−1〜12−8)
表14および表15に示したように、電解液の組成を変更したことを除き、実験例1−3と同様の手順を経た。この場合には、溶媒として、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン(FEC)あるいは4,5−ジフルオロ−1、3−ジオキソラン−2−オン(DFEC)を用いた。また、他の溶媒として、炭酸ビニレン(VC)、炭酸ビニルエチレン(VEC)、プロペンスルトン(PRS)、無水スルホ安息香酸(SBAH)あるいは無水スルホプロピオン酸(SPAH)を用いた。さらに、電解質塩として、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4 )を用いた。溶媒中における他の溶媒の含有量は、1重量%とした。また、LiBF4 の含有量を溶媒に対して0.1mol/kg、LiPF6 の含有量を溶媒に対して0.9mol/kgとした。これらの実験例12−1〜12−8の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表14および表15に示した結果が得られた。
(Experimental examples 12-1 to 12-8)
As shown in Table 14 and Table 15, the same procedure as in Experimental Example 1-3 was performed except that the composition of the electrolytic solution was changed. In this case, 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one (FEC) or 4,5-difluoro-1,3-dioxolan-2-one (DFEC) was used as a solvent. As other solvents, vinylene carbonate (VC), vinyl ethylene carbonate (VEC), propene sultone (PRS), anhydrous sulfobenzoic acid (SBAH) or anhydrous sulfopropionic acid (SPAH) was used. Furthermore, lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ) was used as the electrolyte salt. The content of other solvents in the solvent was 1% by weight. The LiBF 4 content was 0.1 mol / kg with respect to the solvent, and the LiPF 6 content was 0.9 mol / kg with respect to the solvent. When the cycle characteristics and the swollenness characteristics of the secondary batteries of Examples 12-1 to 12-8 were examined, the results shown in Table 14 and Table 15 were obtained.
電解液の組成を変更した場合においても、表1および表2と同様の結果が得られた。特に、FEC等を加えると共にLiBF4 を加えた場合には、それらを加えなかった場合よりも放電容量維持率が高くなった。また、PRS等を加えた場合には、それらを加えなかった場合よりも膨れ率が小さくなった。これらのことから、本発明の二次電池では、溶媒として、ハロゲン化鎖状炭酸エステル、ハロゲン化環状炭酸エステル、不飽和炭素結合環状炭酸エステル、スルトンあるいは酸無水物を用いれば、サイクル特性がより向上する。また、電解質塩として四フッ化ホウ酸リチウムを用いれば、サイクル特性がより向上する。さらに、溶媒としてスルトンあるいは酸無水物を用いれば、膨れ特性がより向上する。 Even when the composition of the electrolytic solution was changed, the same results as in Tables 1 and 2 were obtained. In particular, when FEC or the like was added and LiBF 4 was added, the discharge capacity retention rate was higher than when no such components were added. Moreover, when PRS etc. were added, the swelling rate became smaller than the case where they were not added. For these reasons, in the secondary battery of the present invention, if a halogenated chain carbonate, halogenated cyclic carbonate, unsaturated carbon bond cyclic carbonate, sultone or acid anhydride is used as a solvent, cycle characteristics are further improved. improves. Moreover, if lithium tetrafluoroborate is used as the electrolyte salt, the cycle characteristics are further improved. Furthermore, if sultone or an acid anhydride is used as a solvent, the swelling characteristics are further improved.
(実験例13−1〜13−4)
表16に示したように、正極活物質としてリチウムニッケル系複合酸化物を用いたことを除き、実験例1−3と同様の手順を経た。これらの実験例13−1〜13−4の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表16に示した結果が得られた。
(Experimental examples 13-1 to 13-4)
As shown in Table 16, the same procedure as in Experimental Example 1-3 was performed except that a lithium nickel composite oxide was used as the positive electrode active material. When the cycle characteristics and the swollenness characteristics of the secondary batteries of Examples 13-1 to 13-4 were examined, the results shown in Table 16 were obtained.
正極活物質としてリチウムニッケルコバルト系複合酸化物を用いた場合においても、表1および表2と同様の結果が得られた。この場合には、リチウムコバルト複合酸化物を用いた場合よりも放電容量維持率が高くなった。これらのことから、本発明の二次電池では、正極活物質としてリチウムニッケルコバルト系複合酸化物を用いれば、サイクル特性がより向上する。 Even when lithium nickel cobalt based composite oxide was used as the positive electrode active material, the same results as in Tables 1 and 2 were obtained. In this case, the discharge capacity retention rate was higher than when the lithium cobalt composite oxide was used. For these reasons, in the secondary battery of the present invention, the cycle characteristics are further improved by using a lithium nickel cobalt composite oxide as the positive electrode active material.
(実験例14−1,14−2)
角型の二次電池を作製したことを除き、実験例1−3と同様の手順を経た。この場合には、最初に、正極21および負極22を作製したのち、正極集電体21Aにアルミニウム製の正極リード24を溶接すると共に、負極集電体22Aにニッケル製の負極リード25を溶接した。続いて、正極21と、セパレータ23と、負極22とをこの順に積層してから長手方向において巻回させたのち、扁平状に成形して電池素子20を作製した。続いて、表17に示したように、金属製の電池缶11の内部に電池素子20を収納したのち、その電池素子20上に絶縁板12を配置した。続いて、正極リード24を正極ピン15を溶接すると共に、負極リード25を電池缶11に溶接したのち、電池缶11の開放端部に電池蓋13をレーザ溶接した。最後に、注入孔19を通じて電池缶11の内部に電解液を注入したのち、その注入孔19を封止部材19Aで塞いで、角型電池が完成した。これらの実験例14−1,14−2の二次電池についてサイクル特性および膨れ特性を調べたところ、表17に示した結果が得られた。
(Experimental Examples 14-1 and 14-2)
A procedure similar to that of Experimental Example 1-3 was performed, except that a square secondary battery was manufactured. In this case, first, the positive electrode 21 and the
電池構造を変更した場合においても、表1および表2と同様の結果が得られた。特に、電池構造が角型である場合には、ラミネートフィルム型である場合よりも放電容量維持率が高くなると共に膨れ率が小さくなった。この場合には、電池缶11の材質が鉄であると、放電容量維持率がより高くなると共に膨れ率がより小さくなった。これらのことから、本発明の二次電池では、電池構造が角型であれば、サイクル特性および膨れ特性がより向上する。 Even when the battery structure was changed, the same results as in Tables 1 and 2 were obtained. In particular, when the battery structure is a square type, the discharge capacity retention rate is higher and the swelling rate is smaller than when the battery structure is a laminate film type. In this case, when the material of the battery can 11 was iron, the discharge capacity retention rate was higher and the swelling rate was smaller. For these reasons, in the secondary battery of the present invention, if the battery structure is square, the cycle characteristics and the swollenness characteristics are further improved.
上記した表1〜表17および図14〜図18の結果から、本発明の二次電池について、以下のことが確認された。本発明の二次電池において、負極は、負極集電体上に負極活物質層を有している。この負極活物質層は、負極集電体上に形成されると共に結晶性の負極活物質を含む結晶性負極活物質層と、その結晶性負極活物質層上に形成されると共に非結晶性の負極活物質を含む非結晶性負極活物質層とを含んでいる。これにより、負極活物質中の酸素含有量、負極活物質中における金属元素の有無、電解液の組成、あるいは電池構造などに依存せずに、優れたサイクル特性および膨れ特性が得られる。 From the results shown in Tables 1 to 17 and FIGS. 14 to 18, the following was confirmed for the secondary battery of the present invention. In the secondary battery of the present invention, the negative electrode has a negative electrode active material layer on the negative electrode current collector. The negative electrode active material layer is formed on the negative electrode current collector and includes a crystalline negative electrode active material layer including a crystalline negative electrode active material, and is formed on the crystalline negative electrode active material layer and is non-crystalline. And an amorphous negative electrode active material layer containing a negative electrode active material. Thereby, excellent cycle characteristics and swelling characteristics can be obtained without depending on the oxygen content in the negative electrode active material, the presence or absence of metal elements in the negative electrode active material, the composition of the electrolytic solution, or the battery structure.
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、本発明は上記した実施の形態および実施例において説明した態様に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、本発明の負極の使用用途は、必ずしも二次電池に限らず、それ以外の他の電気化学デバイスでもよい。他の用途としては、例えば、キャパシタなどが挙げられる。 The present invention has been described with reference to the embodiments and examples. However, the present invention is not limited to the embodiments described in the above embodiments and examples, and various modifications can be made. For example, the use application of the negative electrode of the present invention is not necessarily limited to the secondary battery, but may be other electrochemical devices. Other applications include, for example, capacitors.
また、上記した実施の形態および実施例では、二次電池の種類として、負極の容量がリチウムイオンの吸蔵および放出により表されるリチウムイオン二次電池について説明したが、必ずしもこれに限られない。本発明の二次電池は、負極の容量がリチウムイオンの吸蔵および放出による容量とリチウム金属の析出および溶解による容量とを含み、かつ、それらの容量の和により表される二次電池についても、同様に適用可能である。この場合には、負極活物質としてリチウムイオンを吸蔵および放出することが可能な材料が用いられると共に、その材料の充電可能な容量が正極の放電容量よりも小さくなるように設定される。 In the above-described embodiments and examples, the lithium ion secondary battery in which the capacity of the negative electrode is expressed by insertion and extraction of lithium ions is described as the type of the secondary battery, but is not necessarily limited thereto. The secondary battery of the present invention also includes a secondary battery in which the capacity of the negative electrode includes a capacity due to insertion and extraction of lithium ions and a capacity due to precipitation and dissolution of lithium metal, and is represented by the sum of these capacities. The same applies. In this case, a material capable of inserting and extracting lithium ions is used as the negative electrode active material, and the chargeable capacity of the material is set to be smaller than the discharge capacity of the positive electrode.
また、上記した実施の形態および実施例では、電池構造が角型、円筒型あるいはラミネートフィルム型である場合や、電池素子が巻回構造を有する場合を例に挙げて説明した。しかしながら、本発明の二次電池は、コイン型あるいはボタン型などの他の電池構造を有する場合や、電池素子が積層構造などの他の構造を有する場合についても、同様に適用可能である。 Further, in the above-described embodiments and examples, the case where the battery structure is a square shape, the cylindrical shape, or the laminate film type, or the case where the battery element has a winding structure has been described as an example. However, the secondary battery of the present invention can be similarly applied to a case where it has another battery structure such as a coin type or a button type, and a case where the battery element has another structure such as a laminated structure.
また、上記した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(リチウムイオン)を用いる場合について説明したが、必ずしもこれに限られない。電極反応物質は、例えば、ナトリウム(Na)あるいはカリウム(K)などの他の1族元素や、マグネシウムあるいはカルシウムなどの2族元素や、アルミニウムなどの他の軽金属でもよい。本発明の効果は、電極反応物質の種類に依存せずに得られるはずであるため、その電極反応物質の種類を変更しても、同様の効果を得ることができる。
In the above-described embodiments and examples, the case where lithium (lithium ion) is used as the electrode reactant has been described, but the present invention is not necessarily limited thereto. The electrode reactant may be, for example, another
また、上記した実施の形態および実施例では、本発明の二次電池における結晶性負極活物質層および非結晶性負極活物質層の厚さ比について、実施例の結果から導き出された適正範囲を説明している。しかしながら、その説明は、厚さ比が上記した範囲外となる可能性を完全に否定するものではない。すなわち、上記した適正範囲は、あくまで本発明の効果を得る上で特に好ましい範囲であり、本発明の効果が得られるのであれば、厚さ比が上記した範囲から多少外れてもよい。このことは、負極活物質の半値幅および結晶子サイズ、負極活物質中の酸素含有量、あるいは負極集電体の表面の十点平均粗さRzなどについても、同様である。 In the above-described embodiments and examples, the appropriate range derived from the results of the examples is used for the thickness ratio of the crystalline negative electrode active material layer and the amorphous negative electrode active material layer in the secondary battery of the present invention. Explains. However, the explanation does not completely deny the possibility that the thickness ratio is outside the above range. In other words, the appropriate range described above is a particularly preferable range for obtaining the effect of the present invention, and the thickness ratio may be slightly deviated from the above range as long as the effect of the present invention is obtained. The same applies to the half width and crystallite size of the negative electrode active material, the oxygen content in the negative electrode active material, or the ten-point average roughness Rz of the surface of the negative electrode current collector.
1,22A,42A,54A…負極集電体、2,22B,42B,54B…負極活物質層、2K…空隙、2X…結晶性負極活物質層、2Y…非結晶性負極活物質層、11,31…電池缶、12,32,33…絶縁板、13,34…電池蓋、14…端子板、15…正極ピン、16…絶縁ケース、17,37…ガスケット、18…開裂弁、19…注入孔、19A…封止部材、20…電池素子、21,41,53…正極、21A,41A,53A…正極集電体、21B,41B,53B…正極活物質層、22,42,54…負極、23,43,55…セパレータ、24,45,51…正極リード、25,46,52…負極リード、35…安全弁機構、35A…ディスク板、36…熱感抵抗素子、40,50…巻回電極体、44…センターピン、56…電解質、57…保護テープ、61…密着フィルム、60…外装部材、201,201X,201Y…負極活物質粒子、201XP…扁平粒子、202…空隙、203…隙間、P1…接触部分、P2…非接触部分。
1, 22A, 42A, 54A ... negative electrode current collector, 2, 22B, 42B, 54B ... negative electrode active material layer, 2K ... gap, 2X ... crystalline negative electrode active material layer, 2Y ... non-crystalline negative electrode active material layer, 11 , 31 ... Battery can, 12, 32, 33 ... Insulating plate, 13, 34 ... Battery cover, 14 ... Terminal plate, 15 ... Positive electrode pin, 16 ... Insulating case, 17, 37 ... Gasket, 18 ... Cleavage valve, 19 ... Injection hole, 19A ... sealing member, 20 ... battery element, 21, 41, 53 ... positive electrode, 21A, 41A, 53A ... positive electrode current collector, 21B, 41B, 53B ... positive electrode active material layer, 22, 42, 54 ... Negative electrode, 23, 43, 55 ... Separator, 24, 45, 51 ... Positive electrode lead, 25, 46, 52 ... Negative electrode lead, 35 ... Safety valve mechanism, 35A ... Disc plate, 36 ... Thermal resistance element, 40, 50 ... Winding Rotating electrode body, 44 ... center pin, 56
Claims (20)
前記負極は、負極集電体上に負極活物質層を有し、
前記負極活物質層は、前記負極集電体上に形成されると共に結晶性の負極活物質を含む結晶性負極活物質層と、前記結晶性負極活物質層上に形成されると共に非結晶性の負極活物質を含む非結晶性負極活物質層とを含む
二次電池。 A positive electrode and a negative electrode capable of occluding and releasing an electrode reactant, and an electrolyte containing a solvent and an electrolyte salt;
The negative electrode has a negative electrode active material layer on a negative electrode current collector,
The negative electrode active material layer is formed on the negative electrode current collector and includes a crystalline negative electrode active material layer including a crystalline negative electrode active material, and is formed on the crystalline negative electrode active material layer and is non-crystalline. And a non-crystalline negative electrode active material layer containing a negative electrode active material.
LiN(Cm F2m+1SO2 )(Cn F2n+1 SO2 )…(9)
(mおよびnは1以上の整数である。)
LiC(Cp F2p+1SO2 )(Cq F2q+1SO2 )(Cr F2r+1SO2 )…(11)
(p、qおよびrは1以上の整数である。) The electrolyte salt includes lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium hexafluoroarsenate (LiAsF 6 ), and a formula ( The secondary battery according to claim 1, comprising at least one of compounds represented by 6) to formula (11).
LiN (C m F 2m + 1 SO 2) (C n F 2n + 1 SO 2) ... (9)
(M and n are integers of 1 or more.)
LiC (C p F 2p + 1 SO 2 ) (C q F 2q + 1 SO 2 ) (C r F 2r + 1 SO 2 ) (11)
(P, q and r are integers of 1 or more.)
LiNi1-x Mx O2 …(12)
(Mはコバルト、マンガン、鉄、アルミニウム、バナジウム(V)、スズ、マグネシウム(Mg)、チタン、ストロンチウム(Sr)、カルシウム(Ca)、ジルコニウム、モリブデン、テクネチウム(Tc)、ルテニウム(Ru)、タンタル(Ta)、タングステン、レニウム(Re)、イッテルビウム(Yb)、銅、亜鉛、バリウム(Ba)、ホウ素(B)、クロム、ケイ素、ガリウム(Ga)、リン(P)、アンチモンおよびニオブ(Nb)のうちの少なくとも1種である。xは0.005<x<0.5である。) The secondary battery according to claim 1, wherein the positive electrode includes a composite oxide represented by Formula (12) as a positive electrode active material.
LiNi 1-x M x O 2 (12)
(M is cobalt, manganese, iron, aluminum, vanadium (V), tin, magnesium (Mg), titanium, strontium (Sr), calcium (Ca), zirconium, molybdenum, technetium (Tc), ruthenium (Ru), tantalum (Ta), tungsten, rhenium (Re), ytterbium (Yb), copper, zinc, barium (Ba), boron (B), chromium, silicon, gallium (Ga), phosphorus (P), antimony and niobium (Nb) And x is 0.005 <x <0.5.)
前記負極活物質層は、前記負極集電体上に形成されると共に結晶性の負極活物質を含む結晶性負極活物質層と、前記結晶性負極活物質層上に形成されると共に非結晶性の負極活物質を含む非結晶性負極活物質層とを含む
負極。 It is possible to occlude and release the electrode reactant, and has a negative electrode active material layer on the negative electrode current collector,
The negative electrode active material layer is formed on the negative electrode current collector and includes a crystalline negative electrode active material layer including a crystalline negative electrode active material, and is formed on the crystalline negative electrode active material layer and is non-crystalline. And a non-crystalline negative electrode active material layer containing a negative electrode active material.
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