JP2010218849A - Anode for lithium-ion secondary battery, lithium-ion secondary battery using it, collector used for anode of lithium-ion secondary battery, and manufacturing method of anode for lithium-ion secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、リチウムイオン二次電池用の負極などに関するものであり、特に、高容量かつ長寿命のリチウムイオン二次電池用の負極に関する。 The present invention relates to a negative electrode for a lithium ion secondary battery, and more particularly to a negative electrode for a lithium ion secondary battery having a high capacity and a long life.
従来、負極活物質としてグラファイトを用いたリチウムイオン二次電池が実用化されている。また、負極活物質と、カーボンブラック等の導電助剤と、樹脂の結着剤とを混練してスラリーを作製し、銅箔上に塗布・乾燥して、負極を形成することが行われている。 Conventionally, lithium ion secondary batteries using graphite as a negative electrode active material have been put into practical use. Also, a negative electrode is formed by kneading a negative electrode active material, a conductive aid such as carbon black, and a resin binder to form a slurry, and applying and drying on a copper foil. Yes.
一方、高容量化を目指し、負極活物質として金属、特にシリコン系合金を用いるリチウムイオン二次電池用の負極が開発されている。リチウムイオンを吸蔵して合金化したシリコンは、吸蔵前のシリコンに対して約4倍まで膨張するため、シリコン系合金を負極活物質として用いた負極は、充放電サイクル時に膨張と収縮を繰り返す。 On the other hand, with the aim of increasing the capacity, negative electrodes for lithium ion secondary batteries using metals, particularly silicon alloys, as negative electrode active materials have been developed. Since silicon alloyed by occlusion of lithium ions expands to about 4 times that of silicon before occlusion, a negative electrode using a silicon-based alloy as a negative electrode active material repeats expansion and contraction during a charge / discharge cycle.
そこで、シリコン系活物質の表面にカーボンナノファイバを成長させ、その弾性作用により負極活物質粒子の膨張と収縮による歪みを緩和し、サイクル特性を向上させるという非水電解液二次電池用負極が開示されている(例えば、特許文献1を参照)。 Therefore, a negative electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery that grows carbon nanofibers on the surface of a silicon-based active material, relieves strain due to expansion and contraction of the negative electrode active material particles by its elastic action, and improves cycle characteristics. It is disclosed (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、負極活物質と導電助剤と結着剤とのスラリーを塗布・乾燥して、負極を形成する従来の負極は、負極活物質と集電体とを樹脂の結着剤で結着しており、樹脂の結合力が弱い。そのため、充放電時に負極に亀裂が発生し、負極活物質の微粉化と剥離、負極活物質間の導電性の低下などにより、サイクル特性が悪く、二次電池の寿命が短いという問題点があった。 However, a conventional negative electrode that forms a negative electrode by applying and drying a slurry of a negative electrode active material, a conductive additive, and a binder, binds the negative electrode active material and the current collector with a resin binder. The bonding strength of the resin is weak. As a result, cracks occur in the negative electrode during charge / discharge, resulting in poor cycle characteristics due to pulverization and delamination of the negative electrode active material, reduced conductivity between the negative electrode active materials, and short life of the secondary battery. It was.
また、特許文献1に記載の発明は、負極活物質と集電体とを樹脂で結着するものであり、サイクル特性の劣化は十分には防げなかった。また、カーボンナノファイバの形成工程があるため、生産性が悪かった。 In addition, the invention described in Patent Document 1 binds the negative electrode active material and the current collector with a resin, and the cycle characteristics cannot be sufficiently prevented from being deteriorated. In addition, the productivity was poor due to the formation process of carbon nanofibers.
本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたもので、その目的とすることは、高容量と長寿命を実現するリチウムイオン二次電池用の負極を得ることである。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to obtain a negative electrode for a lithium ion secondary battery that realizes a high capacity and a long life.
前述した目的を達成するために第1の発明は、金属箔上に、負極活物質層と、導電性物質製の格子状の隔壁とを有し、前記負極活物質層は、結着剤で結合された負極活物質と導電助剤とを含み、前記負極活物質層の少なくとも一部分が前記隔壁に取り囲まれていることを特徴とするリチウムイオン二次電池用の負極である。 In order to achieve the above-described object, the first invention has a negative electrode active material layer and a grid-like partition made of a conductive material on a metal foil, and the negative electrode active material layer is made of a binder. A negative electrode for a lithium ion secondary battery comprising a bonded negative electrode active material and a conductive additive, wherein at least a part of the negative electrode active material layer is surrounded by the partition.
ここで、「前記負極活物質層の少なくとも一部分が、前記隔壁に取り囲まれている」とは、負極活物質層の厚さが隔壁の高さより低く、負極活物質層の全てが隔壁に取り囲まれている場合だけでなく、負極活物質層の厚さが隔壁の高さより高く、負極活物質層が隔壁の上面を覆っており、負極活物質層の一部が隔壁に取り囲まれている場合も含まれる。 Here, “at least a part of the negative electrode active material layer is surrounded by the partition wall” means that the thickness of the negative electrode active material layer is lower than the height of the partition wall, and the entire negative electrode active material layer is surrounded by the partition wall. In addition to the case where the thickness of the negative electrode active material layer is higher than the height of the partition wall, the negative electrode active material layer covers the top surface of the partition wall, and a part of the negative electrode active material layer is surrounded by the partition wall included.
また、前記隔壁の高さは6μm以上であり、前記隔壁の開口部の幅が10μm〜100μmであり、前記隔壁の単位格子の開口率が30%〜90%であることが好ましく、前記隔壁の単位格子が、四角形や六角形などの多角形状、または円形であることが好ましい。 Preferably, the height of the partition wall is 6 μm or more, the width of the opening of the partition wall is 10 μm to 100 μm, and the aperture ratio of the unit cell of the partition wall is 30% to 90%. The unit cell is preferably a polygonal shape such as a quadrangle or a hexagon, or a circle.
第2の発明は、前記リチウムイオン二次電池用の負極を用いたリチウムイオン二次電池である。 A second invention is a lithium ion secondary battery using the negative electrode for the lithium ion secondary battery.
第3の発明は、金属箔と、前記金属箔上の導電性物質製の格子状の隔壁と、を具備するリチウムイオン二次電池用の負極に用いられる集電体である。 3rd invention is a collector used for the negative electrode for lithium ion secondary batteries which comprises metal foil and the grid | lattice-like partition made from an electroconductive substance on the said metal foil.
第4の発明は、金属箔にレジスト層を設ける工程と、前記レジスト層をパターニングする工程と、前記レジスト層間に導電性物質を充填する工程と、前記レジスト層を除去する工程と、負極活物質を含むスラリーを導電性物質製の格子状の隔壁を有する集電体に塗布・乾燥する工程と、を具備することを特徴とするリチウムイオン二次電池用の負極の製造方法である。 A fourth invention includes a step of providing a resist layer on a metal foil, a step of patterning the resist layer, a step of filling a conductive material between the resist layers, a step of removing the resist layer, and a negative electrode active material And a step of applying and drying a slurry containing a conductive material on a current collector having a grid-like partition made of a conductive material, and a method for producing a negative electrode for a lithium ion secondary battery.
第5の発明は、金属箔にレジスト層を設ける工程と、前記レジスト層をパターニングする工程と、前記金属箔をエッチングする工程と、前記レジスト層を除去する工程と、負極活物質を含むスラリーを導電性物質製の格子状の隔壁を有する集電体に塗布・乾燥する工程と、を具備することを特徴とするリチウムイオン二次電池用の負極の製造方法である。 The fifth invention includes a step of providing a resist layer on a metal foil, a step of patterning the resist layer, a step of etching the metal foil, a step of removing the resist layer, and a slurry containing a negative electrode active material. A method of producing a negative electrode for a lithium ion secondary battery, comprising: applying and drying a current collector having a grid-like partition made of a conductive substance.
本発明により、高容量と長寿命を実現するリチウムイオン二次電池用の負極を得ることができる。 According to the present invention, a negative electrode for a lithium ion secondary battery that achieves a high capacity and a long life can be obtained.
以下図面に基づいて、本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、各図は各構成要素を模式的に示したもので、実際の縮尺を表すものではない。
第1の実施形態に係る負極1について説明する。図1は、負極1を示す図である。図1(a)に示すように、負極1は、金属箔3の上に、格子状の隔壁5を有し、隔壁5で囲まれた領域に負極活物質層7を有する。また、図1(b)に示すように、隔壁5は、四角形の格子状であり、隔壁5に囲まれた金属箔3の表面に負極活物質層7が形成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Each drawing schematically shows each component, and does not represent an actual scale.
The negative electrode 1 according to the first embodiment will be described. FIG. 1 is a diagram showing a negative electrode 1. As shown in FIG. 1A, the negative electrode 1 has a grid-
金属箔3は、銅、ニッケル、ステンレスからなる群より選ばれた少なくとも1種の金属からなる箔である。それぞれを単独で用いてもよいし、それぞれの合金でもよい。厚さは4μm〜35μmが好ましく、特に8μm〜18μmがより好ましい。
The
隔壁5は、金属箔3の表面に形成された、導電性物質で形成された隔壁である。隔壁5を形成する導電性物質としては、銅、ニッケル、スズ、亜鉛、銀などが挙げられる。隔壁5の高さは6μm以上であり、隔壁5の開口部の幅が10μm〜100μmであり、隔壁5の単位格子の開口率が30〜90%である。単位格子とは、隔壁5の周期的な構造の繰返し単位である。開口率とは、単位格子中の隔壁5で囲まれた領域の面積の割合であり、図1(b)では、負極活物質層7の面積を金属箔3の面積で割った値のことである。
The
隔壁5の高さが6μm以上であれば、負極活物質層7の厚さを確保でき、高容量を達成できる。また、隔壁5の開口部の幅が10μmから100μmであることで、負極活物質層7にクラックが生じるとしても、負極活物質が集電体より剥離するほどには、クラックが成長しない。また、隔壁5の単位格子の開口率を30〜90%にすることで、隔壁5に十分な強度を維持する厚みを確保できる。
If the height of the
図1においては、隔壁5は正方形を単位としているが、図2(a)に示すような、六角形を単位とする隔壁9や、図2(b)に示すような、円を単位とする隔壁11を用いてもよい。
In FIG. 1, the
負極活物質層7は、負極活物質と導電助剤と結着剤を含むスラリーを塗布・乾燥して形成される。負極活物質層7の厚さは、片面で5μm〜30μmであり、好ましくは10μm〜25μmである。また、図1においては、図3(a)に示すように、負極1の負極活物質層7の厚さは隔壁5の高さより薄く描いているが、図3(b)に示す負極12のように、負極活物質層7が隔壁5より厚く、負極12の表面に隔壁5が露出せずに、負極活物質層7が隔壁5を覆っていてもよい。
The negative electrode
なお、金属箔3の両面に隔壁5を設け、両面に負極活物質層7を形成してもよい。両面に負極活物質層7を有する負極は、片面に負極活物質層7を有する負極よりも単位面積当たりの負極活物質の量が多くなり、さらなる高容量化が可能である。
In addition, the
負極活物質として、シリコン、スズ、アンチモン、アルミニウム、鉛、ヒ素からなる群より選ばれた少なくとも1種の物質を用いることができる。それぞれを単独で用いてもよいし、それぞれの合金や酸化物でもよい。具体的には一酸化シリコン、チタンシリサイド、リンドープシリコン、スズ鉄合金、スズコバルト合金、アンチモンスズ合金、スズ銀合金、インジウムアンチモン合金などを用いることができる。 As the negative electrode active material, at least one substance selected from the group consisting of silicon, tin, antimony, aluminum, lead, and arsenic can be used. Each of these may be used alone, or an alloy or oxide of each may be used. Specifically, silicon monoxide, titanium silicide, phosphorus-doped silicon, tin iron alloy, tin cobalt alloy, antimony tin alloy, tin silver alloy, indium antimony alloy, or the like can be used.
また、負極活物質としては、粒子状の負極活物質を用いることができる。粒子状の負極活物質は、一次粒子の平均粒径は、0.01μm〜5μmであることが好ましい。粒子状の負極活物質の平均粒径が0.01μm以上であれば、負極活物質の製造がより容易であり、平均粒径が5μm以内であれば、スラリーがより均一に混練され、均質な電極が得られる。 Moreover, a particulate negative electrode active material can be used as the negative electrode active material. In the particulate negative electrode active material, the average primary particle size is preferably 0.01 μm to 5 μm. If the average particle diameter of the particulate negative electrode active material is 0.01 μm or more, the production of the negative electrode active material is easier, and if the average particle diameter is within 5 μm, the slurry is kneaded more uniformly and homogeneously. An electrode is obtained.
微粒子は通常は凝集して存在しているので、負極活物質の平均粒径は、ここでは一次粒子の平均粒径を指す。粒子の計測は、電子顕微鏡(SEM)の画像情報と動的光散乱光度計(DLS)の体積基準メディアン径を併用する。平均粒径は、SEM画像によりあらかじめ粒子形状を確認し、画像解析(例えば、旭化成エンジニアリング製A像くん)で粒径を求めたり、粒子を溶媒に分散してDLS(例えば、大塚電子製DLS−8000)により測定したりすることが可能である。微粒子が十分に分散しており、凝集していなければ、SEMとDLSでほぼ同じ測定結果が得られる。また、負極活物質の形状が、アセチレンブラックのような高度に発達したストラクチャー形状である場合にも、ここでは一次粒径で平均粒径を定義し、SEM写真の画像解析で平均粒径を求めることができる。 Since the fine particles are usually present in an aggregated state, the average particle size of the negative electrode active material here refers to the average particle size of the primary particles. For particle measurement, image information of an electron microscope (SEM) and a volume-based median diameter of a dynamic light scattering photometer (DLS) are used in combination. The average particle size is confirmed in advance by the SEM image, and the particle size is obtained by image analysis (for example, A image-kun manufactured by Asahi Kasei Engineering) or dispersed in a solvent to obtain DLS (for example, DLS- manufactured by Otsuka Electronics). 8000). If the fine particles are sufficiently dispersed and not agglomerated, almost the same measurement results can be obtained with SEM and DLS. Even when the shape of the negative electrode active material is a highly developed structure such as acetylene black, here, the average particle size is defined by the primary particle size, and the average particle size is obtained by image analysis of the SEM photograph. be able to.
なお、負極活物質の表面を、導電性材料により被覆してもよい。また、導電性材料で被覆した負極活物質を造粒して、造粒体として負極活物質を用いてもよい。造粒体の直径は0.2μmから10μmであることが好ましい。負極活物質の表面を被覆する導電性材料としては、炭素、銅、スズ、亜鉛、ニッケル、銀、またはこれらの合金などが挙げられる。 Note that the surface of the negative electrode active material may be coated with a conductive material. Alternatively, the negative electrode active material coated with a conductive material may be granulated, and the negative electrode active material may be used as the granulated body. The diameter of the granulated body is preferably 0.2 μm to 10 μm. Examples of the conductive material that covers the surface of the negative electrode active material include carbon, copper, tin, zinc, nickel, silver, and alloys thereof.
負極活物質への導電性材料の被覆は、CVD法、液相法、焼成法を用いて行うことができる。また、ボールミルなどを用いたメカニカルアロイング法により被覆することもできる。これらの方法によれば、負極活物質の粒子の表面の少なくとも一部に導電性材料を被覆することができる。 The negative electrode active material can be coated with a conductive material by a CVD method, a liquid phase method, or a baking method. Moreover, it can also coat | cover by the mechanical alloying method using a ball mill etc. According to these methods, the conductive material can be coated on at least a part of the surface of the particles of the negative electrode active material.
造粒体の作製は、乾式と湿式の一般的な造粒方法を用いることができるが、例えば、乾式では圧縮とせん断力をかけるメカニカルアロイング法や、気流中で粉体同士を高速で衝突させるハイブリダイゼーション法がある。さらに、湿式では無電解めっき法やスプレードライ法を単独あるいは組み合わせて用いることができる。例えば、負極活物質にカーボン系の導電性材料を乾式で被覆させて複合体とし、さらに、導電性材料や結着剤を水に分散させてサスペンションとして所定のサイズとなるようにスプレードライ法により造粒する方法がある。また、負極活物質を硫酸銅溶液に分散させた後、水素化ホウ素ナトリウムなどの還元剤を用いて負極活物質の表面に銅を析出させて導電性材料の被覆を形成する方法などがある。また、負極活物質をポリビニルアルコール水溶液(PVA水溶液)に分散した後、不活性雰囲気下でPVAを焼成し、炭素で被覆させる方法もある。 For granulation production, dry and wet general granulation methods can be used.For example, dry type is a mechanical alloying method in which compression and shear force are applied, and powders collide at high speed in an air current. There is a hybridization method. Furthermore, in the wet process, an electroless plating method or a spray drying method can be used alone or in combination. For example, a negative electrode active material is coated with a carbon-based conductive material in a dry manner to form a composite, and further, a conductive material or a binder is dispersed in water to form a suspension to a predetermined size by a spray dry method. There is a method of granulation. In addition, there is a method in which a negative electrode active material is dispersed in a copper sulfate solution and then copper is deposited on the surface of the negative electrode active material using a reducing agent such as sodium borohydride to form a conductive material coating. There is also a method in which after the negative electrode active material is dispersed in a polyvinyl alcohol aqueous solution (PVA aqueous solution), PVA is fired in an inert atmosphere and coated with carbon.
導電助剤は、炭素、銅、スズ、亜鉛、ニッケル、銀からなる群より選ばれた少なくとも1種の導電性物質からなる粉末である。炭素、銅、スズ、亜鉛、ニッケル、銀の単体の粉末でもよいし、それぞれの合金の粉末でもよい。例えば、ファーネスブラックやアセチレンブラックなどの一般的なカーボンブラックを使用できる。また、導電助剤はこれらの導電性物質のナノワイヤーでもよく、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、銅ナノワイヤー、ニッケルナノワイヤーなどを用いることができる。 The conductive assistant is a powder made of at least one conductive material selected from the group consisting of carbon, copper, tin, zinc, nickel, and silver. A single powder of carbon, copper, tin, zinc, nickel, or silver may be used, or a powder of each alloy may be used. For example, general carbon black such as furnace black and acetylene black can be used. In addition, the conductive assistant may be nanowires of these conductive substances, and carbon fibers, carbon nanotubes, copper nanowires, nickel nanowires, and the like can be used.
結着剤は、樹脂結着剤を用いることができる。樹脂の結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、スチレンブタジエンゴム(SBR)などのフッ素樹脂やゴム系材料を用いることができる。 As the binder, a resin binder can be used. As the resin binder, a fluororesin such as polyvinylidene fluoride (PVdF), styrene butadiene rubber (SBR), or a rubber-based material can be used.
次に、図4を用いて、負極1の製造方法を説明する。図4(a)に示すように、金属箔3を用意する。その後、図4(b)に示すように、金属箔3の上に、レジスト層13を形成するためにレジストを塗布したり、ドライフィルムレジスト(DFR)を貼付したりする。レジスト層13は、露光などによりパターニング可能な一般的なレジストであり、ネガ型でもポジ型でもよい。レジスト層13は、隔壁5の高さよりも厚くなるように塗布する。
Next, the manufacturing method of the negative electrode 1 is demonstrated using FIG. As shown in FIG. 4A, a
図4(c)に示すように、フォトリソグラフィー法などを用いてレジスト層13をパターニングし、レジスト層15を得る。例えば、レジスト層13にポジ型レジストを用いる場合には、除去する箇所を露光して溶媒に溶解させる。また、レジスト層13にネガ型レジストを用いる場合には、レジスト層15となる箇所を露光し、露光しなかった箇所を溶媒に溶解する。レジスト層15は、将来、負極活物質層7が形成するパターンと同様のパターンを有する。
As shown in FIG. 4C, the resist layer 13 is patterned using a photolithography method or the like to obtain a resist
その後、図4(d)に示すように、金属箔3上のレジスト層15の間をパターンめっきにより導電性物質を充填し、隔壁5を形成する。または、導電性金属ペーストを塗布・焼結し、隔壁5を形成する。導電性物質の充填は、例えば、銅のめっき、銅微粒子ペーストの焼結、ニッケルのめっき、ニッケル微粒子ペーストの焼結、銀のめっき、銀微粒子ペーストの焼結を用いることができる。
Thereafter, as shown in FIG. 4D, the space between the resist layers 15 on the
その後、図4(e)に示すように、レジスト層15を除去し、金属箔3の上に隔壁5を有する集電体17を得る。
Thereafter, as shown in FIG. 4 (e), the resist
その後、図4(f)に示すように、集電体17の表面に、負極活物質と導電助剤とを含むスラリーを塗布・乾燥し、負極活物質層7を形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 4 (f), a slurry containing a negative electrode active material and a conductive additive is applied to the surface of the current collector 17 and dried to form the negative electrode
図4(f)での、スラリーの塗布・乾燥は、次のように行われる。図5に示すように、混練機19にスラリー原料23を加えて混練し、スラリー21を形成する。スラリー原料23は、負極活物質、導電助剤、結着剤、増粘剤、溶媒などである。
The application / drying of the slurry in FIG. 4 (f) is performed as follows. As shown in FIG. 5, the slurry raw material 23 is added to the kneader 19 and kneaded to form the
スラリー21中の固形分において、負極活物質は25〜90重量%、導電助剤は5〜70重量%、結着剤は1〜10重量%を含む。例えば、負極活物質5を60重量%、導電助剤7は33重量%、結着剤9は2重量%、増粘剤は5重量%である。
In the solid content in the
混練機19は、スラリーの調製に用いられる一般的な混練機を用いることができ、ニーダー、撹拌機、分散機、混合機などと呼ばれるスラリーを調製可能な装置を用いてもよい。また、増粘剤としてはカルボキシメチルセルロースなどを用いることができる。また、溶媒としては水を用いることができる。 As the kneading machine 19, a general kneading machine used for the preparation of a slurry can be used, and an apparatus capable of preparing a slurry called a kneader, a stirrer, a disperser, a mixer or the like may be used. Moreover, carboxymethylcellulose etc. can be used as a thickener. Moreover, water can be used as a solvent.
次に、図6に示すように、コーター25を用いて、金属箔3の片面に、スラリー21をコーティングし、乾燥する。乾燥後のスラリー21の厚さは5μm〜100μmであることが好ましい。
Next, as shown in FIG. 6, the
コーター25は、スラリーを集電体に塗布可能な一般的な塗工装置を用いることができ、例えばロールコーターやドクターブレードによるコーターである。 The coater 25 can use a general coating apparatus that can apply slurry to a current collector, and is, for example, a coater using a roll coater or a doctor blade.
次に、本発明の負極1を用いた、リチウムイオン二次電池の製造方法を説明する。 Next, a method for producing a lithium ion secondary battery using the negative electrode 1 of the present invention will be described.
まず、正極活物質、導電助剤、結着剤、増粘剤及び溶媒を混合して正極活物質の組成物を準備する。前記正極活物質の組成物をアルミ箔などの金属集電体上に直接塗布・乾燥して、正極を準備する。なお、前記正極活物質の組成物を別途の支持体上にキャスティングした後、その支持体から剥離して得たフィルムを金属集電体上にラミネーションして正極を製造することも可能である。 First, a positive electrode active material, a conductive additive, a binder, a thickener, and a solvent are mixed to prepare a positive electrode active material composition. The composition of the positive electrode active material is directly applied on a metal current collector such as an aluminum foil and dried to prepare a positive electrode. It is also possible to manufacture a positive electrode by casting the composition of the positive electrode active material on a separate support, and then laminating the film obtained by peeling from the support on a metal current collector.
前記正極活物質としては、リチウム含有の金属酸化物であって、一般的に使われるものであればいずれも使用可能であり、例えばLiCoO2,LiMnxO2x,LiNi1−xMnxO2x(x=1,2),Ni1−x−yCoxMnyO2(0≦x≦0.5,0≦y≦0.5)などを挙げることができ、さらに具体的には、LiMn2O4,LiCoO2,LiNiO2,LiFeO2,V2O5,TiS及びMoSなどリチウムの酸化還元が可能な化合物である。 As the positive electrode active material, any lithium-containing metal oxide that is generally used can be used. For example, LiCoO 2 , LiMn x O 2x , LiNi 1-x Mn x O 2x (X = 1, 2), Ni 1-xy Co x Mn y O 2 (0 ≦ x ≦ 0.5, 0 ≦ y ≦ 0.5), etc., more specifically, LiMn 2 O 4 , LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiFeO 2 , V 2 O 5 , TiS, and MoS are compounds capable of oxidation and reduction of lithium.
導電助剤としては、カーボンブラックを使用し、結着剤としては、フッ化ビニリデン/ヘキサフルオロプロピレンコポリマー、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリアクリロニトリル、ポリメチルメタクリレート、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)及びその混合物、スチレンブタジエンゴム系ポリマーを使用し、溶媒としては、N−メチルピロリドン(NMP)、アセトン、水などを使用する。このとき、正極活物質、導電助剤、結着剤、増粘剤及び溶媒の含量は、リチウムイオン二次電池で通常的に使用するレベルである。 Carbon black is used as a conductive additive, and vinylidene fluoride / hexafluoropropylene copolymer, polyvinylidene fluoride (PVdF), polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, polytetrafluoroethylene (PTFE) and the like are used as a binder. A mixture and a styrene butadiene rubber-based polymer are used, and N-methylpyrrolidone (NMP), acetone, water and the like are used as a solvent. At this time, the contents of the positive electrode active material, the conductive additive, the binder, the thickener, and the solvent are at levels normally used in lithium ion secondary batteries.
セパレータとしては、正極と負極の電子伝導を絶縁する機能を有し、リチウムイオン二次電池で通常的に使われるものであればいずれも使用可能である。特に、電解質のイオン移動に対して低抵抗であり、かつ、電池の高容量の観点から厚みは20μm程度と薄いものが好ましい。代表的なセパレータは、ポリプロピレン(PP)/ポリエチレン(PE)/ポリプロピレン(PP)微多孔膜の3層ラミネート膜となっており、PPとPEは熱可塑性の樹脂でそれぞれ約170℃、約130℃の融点となるように重合度などが材料設計されている。電池内部の温度が130℃を超えるとPE膜が溶融し、微孔が目詰まりしてリチウムイオンが透過できなくなり、電池反応を停止することができる。 Any separator can be used as long as it has a function of insulating electronic conduction between the positive electrode and the negative electrode and is usually used in a lithium ion secondary battery. In particular, it is preferable to have a thin resistance of about 20 μm from the viewpoint of low resistance to ion migration of the electrolyte and high battery capacity. A typical separator is a three-layer laminate film of polypropylene (PP) / polyethylene (PE) / polypropylene (PP) microporous film, and PP and PE are thermoplastic resins of about 170 ° C. and about 130 ° C., respectively. The degree of polymerization and the like are designed so that the melting point becomes. When the temperature inside the battery exceeds 130 ° C., the PE film melts, the micropores are clogged and lithium ions cannot permeate, and the battery reaction can be stopped.
電解液としては、炭酸プロピレン、炭酸エチレン、炭酸ジエチル、炭酸エチルメチル、炭酸メチルプロピル、炭酸ブチレン、ベンゾニトリル、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、γ−ブチロラクトン、ジオキソラン、4−メチルオキソラン、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ジオキサン、1,2−ジメトキシエタン、スルホラン、ジクロロエタン、クロロベンゼン、ニトロベンゼン、炭酸ジメチル、炭酸メチルエチル、炭酸ジエチル、炭酸メチルプロピル、炭酸メチルイソプロピル、炭酸エチルプロピル、炭酸ジプロピル、炭酸ジブチル、ジエチレングリコールまたはジメチルエーテルなどの溶媒またはそれらの混合溶媒にLiPF6,LiBF4,LiSbF6,LiAsF6,LiClO4,LiCF3SO3,Li(CF3SO2)2N,LiC4F9SO3,LiAlO4,LiAlCl4,LiN(CxF2x+1SO2)(CyF2y+1SO2)(ただし、x,yは自然数),LiCl,LiIなどのリチウム塩からなる電解質のうち一つまたはそれらを二つ以上混合したものを溶解して使用できる。
Examples of the electrolyte include propylene carbonate, ethylene carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, methyl propyl carbonate, butylene carbonate, benzonitrile, acetonitrile, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, γ-butyrolactone, dioxolane, 4-methyloxolane, N , N-dimethylformamide, dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, dioxane, 1,2-dimethoxyethane, sulfolane, dichloroethane, chlorobenzene, nitrobenzene, dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl propyl carbonate, methyl isopropyl carbonate, ethyl propyl carbonate , dipropyl carbonate, LiPF 6 dibutyl carbonate, in a solvent or a mixed solvent thereof and the like diethylene glycol or dimethyl ether, LiBF 4, L SbF 6, LiAsF 6, LiClO 4 ,
前述したような正極と負極との間にセパレータを配置して、電池構造体を形成する。このような電池構造体を巻くか、または折って円筒形の電池ケースや角形の電池ケースに入れた後、電解液を注入すれば、リチウムイオン二次電池が完成する。 A separator is disposed between the positive electrode and the negative electrode as described above to form a battery structure. When such a battery structure is wound or folded and placed in a cylindrical battery case or a rectangular battery case, an electrolyte is injected to complete a lithium ion secondary battery.
また、前記電池構造体をバイセル構造で積層した後、それを有機電解液に含浸させ、得られた結果物をポーチに入れて密封すれば、リチウムイオンポリマー電池が完成する。 Further, after the battery structure is laminated in a bicell structure, it is impregnated with an organic electrolyte, and the resultant product is put in a pouch and sealed to complete a lithium ion polymer battery.
次に、図7を用いて、第1の実施形態に係る負極1の他の製造方法を説明する。まず、図7(a)に示すように、金属箔3を用意する。その後、図7(b)に示すように、パターンされたレジスト層27を塗布する。この塗布は、例えば、スクリーン印刷法でレジスト層27を形成することで行われる。
Next, another method for manufacturing the negative electrode 1 according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. First, as shown in FIG. 7A, a
その後は、図7(c)〜図7(e)において、図4(d)〜図4(f)で説明した方法と同様の方法で隔壁5と負極活物質層7とを形成し、負極1を形成する。
Thereafter, in FIG. 7C to FIG. 7E, the
第1の実施形態によれば、負極活物質にシリコン系合金を用いているため、炭素を負極活物質として用いる場合に比べて、高容量化が可能である。 According to the first embodiment, since a silicon-based alloy is used as the negative electrode active material, the capacity can be increased as compared with the case where carbon is used as the negative electrode active material.
また、第1の実施形態によれば、負極活物質層が隔壁に取り囲まれているため、充放電時に負極活物質が膨張と収縮を繰り返して、負極に微細なクラックが発生しても、クラックが伝播して大きくなることがない。そのため、負極活物質は、集電体から剥離しにくく、長寿命のリチウムイオン二次電池用の負極が得られる。 Further, according to the first embodiment, since the negative electrode active material layer is surrounded by the partition walls, even if the negative electrode active material repeatedly expands and contracts during charge and discharge, and a fine crack occurs in the negative electrode, Will not propagate and grow. Therefore, the negative electrode active material is difficult to peel from the current collector, and a negative electrode for a long-life lithium ion secondary battery is obtained.
また、第1の実施形態によれば、真空系を必要とせず、バッチ処理ではなく連続処理で負極を製造できるため、生産性に優れる。 In addition, according to the first embodiment, a vacuum system is not required, and the negative electrode can be manufactured not by batch processing but by continuous processing. Therefore, productivity is excellent.
次に、第2の実施形態について説明する。
図8は、第2の実施形態にかかる、負極37の製造方法を示す図である。以下の実施形態で第1の実施形態と同一の様態を果たす要素には同一の番号を付し、重複した説明は避ける。
Next, a second embodiment will be described.
FIG. 8 is a diagram illustrating a method for manufacturing the negative electrode 37 according to the second embodiment. In the following embodiment, the same number is attached | subjected to the element which fulfill | performs the same aspect as 1st Embodiment, and the overlapping description is avoided.
図8(e)に示すように、負極37は、金属箔29に隔壁33とを有し、隔壁33の間に形成された空孔32に負極活物質層7が形成されている。
As shown in FIG. 8E, the negative electrode 37 has a
金属箔29は、金属箔3と同様の材料を用いることができ、18μm〜140μm程度の厚さである。金属箔29は、エッチング後の空孔32がある箇所も、金属箔3と同等の厚さを備えなくてはならないため、金属箔29の厚さは、金属箔3よりも厚いことが好ましい。
The
隔壁33は、金属箔29の中でレジスト層31によりエッチングされずに残った箇所であり、当然に金属箔29と同じ材料である。隔壁33の高さは、空孔32の深さに等しく、6μm以上であることが好ましく、空孔32の幅が10μm〜100μmであり、隔壁33の単位格子の開口率が30〜90%であることが好ましい。
The
次に、図8を用いて、負極37の製造方法を説明する。図8(a)に示すように、金属箔29を用意する。その後、図8(b)に示すように、金属箔29の上に、レジストを塗布、あるいはドライフィルムレジスト(DFR)を貼付する。レジストは、レジスト層13やレジスト層27と同じ材料を用いることができる。レジストをパターニングし、レジスト層31を得る。パターニングされたレジスト層31の形成方法は、図4(b)〜図4(c)に示した、フォトリソグラフィー法を用いてもよいし、図7(b)に示した、スクリーン印刷法を用いてもよい。レジスト層31は、四角形や六角形、円形などにパターニングされる。
Next, the manufacturing method of the negative electrode 37 is demonstrated using FIG. As shown in FIG. 8A, a
レジスト層31は、隔壁33が形成される箇所に形成される。その後、図8(c)に示すように、金属箔29をエッチングし、空孔32を形成する。また、エッチングされずに残った箇所が隔壁33となる。エッチングは一般的なウェットエッチングやドライエッチングにより行われる。金属箔が銅の場合には、エッチング液として塩化第二鉄溶液や塩化第二銅溶液、アルカリエッチャントなどがある。
The resist
その後、図8(d)に示すように、レジスト層31を除去し、金属箔29に空孔32と隔壁33とを有する集電体35を得る。
Thereafter, as shown in FIG. 8D, the resist
その後、図8(e)に示すように、集電体35の表面に、負極活物質と導電助剤とを含むスラリーを塗布・乾燥し、空孔32に負極活物質と導電助剤とを充填し、負極活物質層7を形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 8 (e), a slurry containing the negative electrode active material and the conductive auxiliary is applied to the surface of the current collector 35 and dried, and the negative electrode active material and the conductive auxiliary are placed in the
なお、図9(a)に示す負極39のように、金属箔29よりさらに厚い金属箔41を用いて、集電体の両面に隔壁33を設け、負極活物質層7を充填してもよい。負極39は、負極37よりも単位面積当たりの負極活物質量が多くなり、さらに高容量化が可能である。
9A, a metal foil 41 thicker than the
また、図9(b)に示す負極43のように、負極活物質層7が隔壁33の上面を覆っていてもよい。
Moreover, the negative electrode
第2の実施形態によれば、第1の実施形態が奏する効果に加えて、導電性物質をレジスト層間に充填するという工程が無いため、さらに量産性に優れる。 According to the second embodiment, in addition to the effect of the first embodiment, there is no step of filling the conductive material between the resist layers, so that the mass productivity is further improved.
以上、添付図面を参照しながら、本発明にかかるリチウムイオン二次電池用の負極などの好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しえることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 As mentioned above, although suitable embodiment, such as a negative electrode for lithium ion secondary batteries concerning this invention, was described, referring an accompanying drawing, this invention is not limited to the example which concerns. It will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope of the technical idea disclosed in the present application, and these are naturally within the technical scope of the present invention. Understood.
1………負極
3………金属箔
5………隔壁
7………負極活物質層
9、11………隔壁
12………負極
13、15………レジスト層
17………集電体
19………混練機
21………スラリー
23………スラリー原料
25………コーター
27………レジスト層
29………金属箔
31………レジスト層
32………空孔
33………隔壁
35………集電体
37………負極
39………負極
41………金属箔
43………負極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 .........
Claims (9)
前記負極活物質層は、結着剤で結合された負極活物質と導電助剤とを含み、
前記負極活物質層の少なくとも一部分が、前記隔壁に取り囲まれていることを特徴とするリチウムイオン二次電池用の負極。 On the metal foil, it has a negative electrode active material layer and a grid-like partition made of a conductive material,
The negative electrode active material layer includes a negative electrode active material bonded with a binder and a conductive additive,
A negative electrode for a lithium ion secondary battery, wherein at least a part of the negative electrode active material layer is surrounded by the partition wall.
前記レジスト層をパターニングする工程と、
前記レジスト層間に導電性物質を充填する工程と、
前記レジスト層を除去する工程と、
負極活物質を含むスラリーを導電性物質製の格子状の隔壁を有する集電体に塗布・乾燥する工程と、
を具備することを特徴とするリチウムイオン二次電池用の負極の製造方法。 Providing a resist layer on the metal foil;
Patterning the resist layer;
Filling a conductive material between the resist layers;
Removing the resist layer;
Applying and drying a slurry containing a negative electrode active material on a current collector having a grid-like partition made of a conductive material;
The manufacturing method of the negative electrode for lithium ion secondary batteries characterized by comprising.
前記レジスト層間に導電性物質を充填する工程と、
前記レジスト層を除去する工程と、
負極活物質を含むスラリーを導電性物質製の格子状の隔壁を有する集電体に塗布・乾燥する工程と、
を具備することを特徴とするリチウムイオン二次電池用の負極の製造方法。 Providing a patterned resist layer on the metal foil;
Filling a conductive material between the resist layers;
Removing the resist layer;
Applying and drying a slurry containing a negative electrode active material on a current collector having a grid-like partition made of a conductive material;
The manufacturing method of the negative electrode for lithium ion secondary batteries characterized by comprising.
前記レジスト層をパターニングする工程と、
前記金属箔をエッチングする工程と、
前記レジスト層を除去する工程と、
負極活物質を含むスラリーを導電性物質製の格子状の隔壁を有する集電体に塗布・乾燥する工程と、
を具備することを特徴とするリチウムイオン二次電池用の負極の製造方法。 Providing a resist layer on the metal foil;
Patterning the resist layer;
Etching the metal foil;
Removing the resist layer;
Applying and drying a slurry containing a negative electrode active material on a current collector having a grid-like partition made of a conductive material;
The manufacturing method of the negative electrode for lithium ion secondary batteries characterized by comprising.
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