JP2011029075A - Negative electrode for lithium ion secondary battery, and lithium ion secondary battery using the same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode for reducing stress directed toward the surface of a current collector and inhibiting the peeling of an active material layer from the current collector. <P>SOLUTION: A negative electrode for lithium ion secondary battery includes a current collector and an active material layer formed on the current collector. The active material layer includes a first active material layer and a second active material layer having smaller volume variation than the first active material layer due to occlusion and release of lithium. The first active material layer and the second active material layer are alternately disposed towards the surface of the electrode. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池用負極およびこれを用いたリチウムイオン二次電池に関する。詳細には、2つの活物質層が面方向に交互に配置されてなるリチウムイオン二次電池用負極およびこれを用いたリチウムイオン二次電池である。   The present invention relates to a negative electrode for a lithium ion secondary battery and a lithium ion secondary battery using the same. Specifically, the negative electrode for a lithium ion secondary battery in which two active material layers are alternately arranged in the plane direction and a lithium ion secondary battery using the same.

近年、大気汚染や地球温暖化に対処するため、二酸化炭素量の低減が切に望まれている。自動車業界では、電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)の導入による二酸化炭素排出量の低減に期待が集まっており、これらの実用化の鍵を握るモータ駆動用二次電池の開発が盛んに行われている。   In recent years, in order to cope with air pollution and global warming, reduction of the amount of carbon dioxide has been strongly desired. In the automobile industry, there is a great expectation for reducing carbon dioxide emissions by introducing electric vehicles (EV) and hybrid electric vehicles (HEV), and the development of secondary batteries for motor drive that holds the key to commercialization of these is thriving. Has been done.

モータ駆動用二次電池としては、携帯電話やノートパソコン等に使用される民生用リチウムイオン二次電池と比較して極めて高い出力特性、及び高いエネルギーを有することが求められている。したがって、全ての電池の中で最も高い理論エネルギーを有するリチウムイオン二次電池が注目を集めており、現在急速に開発が進められている。   As a secondary battery for driving a motor, it is required to have extremely high output characteristics and high energy as compared with a consumer lithium ion secondary battery used in a mobile phone, a notebook personal computer or the like. Therefore, lithium ion secondary batteries having the highest theoretical energy among all the batteries are attracting attention, and are currently being developed rapidly.

従来、リチウムイオン二次電池の負極には充放電サイクルの寿命やコスト面で有利な炭素・黒鉛系材料が用いられてきた。しかし、炭素・黒鉛系の負極材料ではリチウムイオンの黒鉛結晶中への吸蔵・放出により充放電がなされるため、最大リチウム導入化合物であるLiCから得られる理論容量372mAh/g以上の充放電容量が得られないという欠点がある。このため、炭素・黒鉛系負極材料で車両用途の実用化レベルを満足する容量、エネルギー密度を得るのは困難であると予想される。 Conventionally, carbon / graphite-based materials that are advantageous in terms of charge / discharge cycle life and cost have been used for negative electrodes of lithium ion secondary batteries. However, since carbon / graphite-based negative electrode materials are charged / discharged by occlusion / release of lithium ions into / from graphite crystals, the charge / discharge capacity of a theoretical capacity of 372 mAh / g or more obtained from LiC 6 which is the maximum lithium introduction compound. There is a disadvantage that cannot be obtained. For this reason, it is expected that it is difficult to obtain a capacity and energy density that satisfy the practical use level of the vehicle application with the carbon / graphite negative electrode material.

これに対し、負極にリチウムと合金化する材料(以下、リチウム合金系負極材料とも称する)を用いた電池は、従来の炭素・黒鉛系負極材料と比較しエネルギー密度が向上するため、車両用途における負極材料として期待されている。例えば、Si材料は、充放電において下記の反応式のように1molあたり4.4molのリチウムイオンを吸蔵放出し、Li22Siにおいては4199mAh/g程度もの理論容量を有する。 In contrast, a battery using a material that is alloyed with lithium for the negative electrode (hereinafter also referred to as a lithium alloy negative electrode material) has an improved energy density as compared with a conventional carbon / graphite negative electrode material. It is expected as a negative electrode material. For example, the Si material occludes and releases 4.4 mol of lithium ions per mol as shown in the following reaction formula in charge and discharge, and Li 22 Si 5 has a theoretical capacity of about 4199 mAh / g.

しかし、リチウム合金系負極材料を用いたリチウムイオン二次電池は、充放電時の正極および負極の膨張収縮が大きい。例えば、リチウムイオンを吸蔵した場合の体積膨張は、黒鉛では約1.2倍であるのに対し、Si材料では約4倍にも達する。   However, a lithium ion secondary battery using a lithium alloy-based negative electrode material has a large expansion and contraction of the positive electrode and the negative electrode during charging and discharging. For example, the volume expansion when lithium ions are occluded is about 1.2 times that of graphite, but about 4 times that of Si material.

このようなSi材料の体積膨張を改善する方法として、特許文献1では、負極として、シリコンを活物質として内部に保持した金属発泡体を用いることが開示されている。このような構成とすることにより、シリコンと金属とが接触する面積が多くなり、集電体と活物質との密着性が向上するとしている。   As a method for improving the volume expansion of such a Si material, Patent Document 1 discloses the use of a metal foam in which silicon is held as an active material as a negative electrode. With such a configuration, the area where silicon and metal are in contact with each other is increased, and the adhesion between the current collector and the active material is improved.

特開2004−259636号公報JP 2004-259636 A

しかしながら、合金系活物質の膨張収縮に伴って集電体の面方向へ大きな応力が発生するが、特許文献1の技術では、集電体の面方向への応力に対する対応がなされておらず、活物質層が集電体から剥離する問題の解決は十分ではなかった。   However, although a large stress occurs in the surface direction of the current collector as the alloy-based active material expands and contracts, the technique of Patent Document 1 does not cope with the stress in the surface direction of the current collector, The solution to the problem of the active material layer peeling off from the current collector has not been sufficient.

そこで本発明は、集電体の面方向への応力を低減し、活物質層が集電体から剥離することを抑制する負極を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a negative electrode that reduces stress in the surface direction of the current collector and suppresses the active material layer from peeling from the current collector.

本発明者らは、上記の課題に鑑み鋭意研究を積み重ねた。その結果、活物質層が第一活物質層および第一活物質層よりもリチウムの吸蔵・放出による体積変化が小さい第二活物質層を含み、第一活物質層および第二活物質層が電極の面方向に対して交互に配置されることにより上記目的が達成されることを見出した。   The inventors of the present invention have made extensive studies in view of the above problems. As a result, the active material layer includes a first active material layer and a second active material layer that has a smaller volume change due to insertion and extraction of lithium than the first active material layer, and the first active material layer and the second active material layer include It has been found that the above object can be achieved by alternately arranging the electrodes in the plane direction.

本発明によれば、第二活物質層が第一活物質層の面方向への体積変化を吸収できるので、集電体の面方向への応力が低減できる。したがって、活物質層が集電体から剥離することを防止できる。   According to the present invention, since the second active material layer can absorb the volume change in the surface direction of the first active material layer, the stress in the surface direction of the current collector can be reduced. Therefore, the active material layer can be prevented from peeling from the current collector.

本発明の一実施形態(第1実施形態)であるリチウムイオン二次電池用負極の概要を模式的に表した概略断面図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a schematic sectional drawing which represented typically the outline | summary of the negative electrode for lithium ion secondary batteries which is one Embodiment (1st Embodiment) of this invention. 第1実施形態に用いられる集電体の積層方向から見た平面図である。It is the top view seen from the lamination direction of the electrical power collector used for 1st Embodiment. 図2の集電体の変形例を示す集電体の積層方向から見た平面図である。It is the top view seen from the lamination direction of the electrical power collector which shows the modification of the electrical power collector of FIG. 本発明の他の実施形態(第2実施形態)であるリチウムイオン二次電池用負極の概要を模式的に表した概略断面図である。It is the schematic sectional drawing which represented the outline | summary of the negative electrode for lithium ion secondary batteries which is other embodiment (2nd Embodiment) of this invention typically. Aは、本発明の他の実施形態(第3実施形態)であるリチウムイオン二次電池用負極の概要を模式的に表した概略断面図である。Bは、Aの負極を積層方向から見た平面図である。Cは、第一および第二活物質層の他の配置例を示す、積層方向から見た平面図である。A is a schematic cross-sectional view schematically showing an outline of a negative electrode for a lithium ion secondary battery according to another embodiment (third embodiment) of the present invention. B is a plan view of the negative electrode A viewed from the stacking direction. C is a plan view seen from the stacking direction showing another arrangement example of the first and second active material layers. FIG. 第3実施形態の変形例であるリチウムイオン二次電池用負極の概要を模式的に表した断面概略図である。It is the cross-sectional schematic which represented the outline | summary of the negative electrode for lithium ion secondary batteries which is a modification of 3rd Embodiment typically. 本発明のリチウムイオン二次電池の代表的な一実施形態である積層型の扁平な非双極型リチウムイオン二次電池の概要を模式的に表した概略断面図である。1 is a schematic cross-sectional view schematically showing an outline of a stacked flat non-bipolar lithium ion secondary battery which is a typical embodiment of a lithium ion secondary battery of the present invention. 本発明に係るリチウムイオン二次電池の代表的な実施形態である積層型の扁平なリチウムイオン二次電池の外観を模式的に表した斜視図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a perspective view schematically showing an appearance of a stacked flat lithium ion secondary battery that is a typical embodiment of a lithium ion secondary battery according to the present invention. 実施例で作製したリチウムイオン二次電池の概略図である。It is the schematic of the lithium ion secondary battery produced in the Example.

本発明は、集電体と、集電体上に形成された活物質層とから構成され、活物質層が、第一活物質層と、前記第一活物質層よりリチウムの吸蔵・放出による体積変化が小さい第二活物質層と、を含み、第一活物質層および前記第二活物質層が電極の面方向に対して交互に配置されてなる、リチウムイオン二次電池用負極に関する。第一および第二活物質層が面方向に交互に配置されることによって、第二活物質層が第一活物質層の面方向への体積変化を吸収できるので、集電体の面方向への応力が低減できる。したがって、活物質層が集電体から剥離することを防止できる。   The present invention comprises a current collector and an active material layer formed on the current collector, and the active material layer is formed by a first active material layer and occlusion / release of lithium from the first active material layer. And a second active material layer having a small volume change, wherein the first active material layer and the second active material layer are alternately arranged with respect to the surface direction of the electrode. Since the first and second active material layers are alternately arranged in the plane direction, the second active material layer can absorb the volume change in the plane direction of the first active material layer, and thus in the plane direction of the current collector. The stress of can be reduced. Therefore, the active material layer can be prevented from peeling from the current collector.

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. In addition, the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and may be different from the actual ratios.

図1は、本発明の一実施形態であるリチウムイオン二次電池用負極を示す概略断面図である(第1実施形態)。第1実施形態のリチウムイオン二次電池用負極50は、集電体51、集電体51上に形成されてなる第二活物質層53、さらに集電体の開口部を積層方向に貫通するように存在する第一活物質層52から構成される。第二活物質層は、第一活物質層よりもリチウムの吸蔵・放出による体積変化が小さい。本実施形態において、集電体51は、図2に示すような格子状の平面形状を有し、集電体51の面方向に間欠的に、開口部51aが形成されている。なお、開口部51aが「間欠的に形成される」とは、開口部51aどうしがある距離(一定でも不定でもよい)をもって存在するように形成されることを意味する。第二活物質層が集電体上に、第一活物質層が開口部に存在することで、第一活物質層52と第二活物質層53とは面方向に交互に配置されることとなる。第1実施形態においては、第一および第二活物質層は、それぞれ負極活物質を含む負極活物質層である。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a negative electrode for a lithium ion secondary battery according to one embodiment of the present invention (first embodiment). The negative electrode 50 for a lithium ion secondary battery according to the first embodiment penetrates through a current collector 51, a second active material layer 53 formed on the current collector 51, and an opening of the current collector in the stacking direction. Thus, the first active material layer 52 is present. The second active material layer has a smaller volume change due to insertion and extraction of lithium than the first active material layer. In the present embodiment, the current collector 51 has a grid-like planar shape as shown in FIG. 2, and the openings 51 a are intermittently formed in the surface direction of the current collector 51. Note that the openings 51a are “intermittently formed” means that the openings 51a are formed so as to exist with a certain distance (which may be constant or indefinite). The first active material layer 52 and the second active material layer 53 are alternately arranged in the plane direction because the second active material layer exists on the current collector and the first active material layer exists in the opening. It becomes. In the first embodiment, the first and second active material layers are negative electrode active material layers each including a negative electrode active material.

図1に示す形態において、集電体51は面方向に間欠的に形成された開口部51aを有している。開口部51aの形成は間欠的なものであるため、集電体51の開口部が形成されない部位の導通は全体にわたって確保されており、集電体としての機能に問題はない(図2を参照)。なお、集電体51に形成される開口部51aのサイズや数などの具体的な形態に特に制限はなく、本発明の作用効果が発揮されうる限り、適宜設定されうる。一例として、1つの開口部51aのサイズ(最大辺長)は、0.1〜10mm程度である。図3には、他の格子状集電体の例を示す。   In the form shown in FIG. 1, the current collector 51 has openings 51a formed intermittently in the surface direction. Since the formation of the opening 51a is intermittent, the conduction of the part where the opening of the current collector 51 is not formed is ensured throughout, and there is no problem in the function as the current collector (see FIG. 2). ). In addition, there is no restriction | limiting in particular in specific forms, such as a size and the number of the opening parts 51a formed in the electrical power collector 51, As long as the effect of this invention can be exhibited, it can set suitably. As an example, the size (maximum side length) of one opening 51a is about 0.1 to 10 mm. FIG. 3 shows another example of a grid-like current collector.

第一および第二活物質層が面方向に交互に配置されることによって、第二活物質層が第一活物質層の面方向への体積変化を吸収できるので、集電体の面方向への応力が低減できる。したがって、活物質層が集電体から剥離することを防止できる。また、集電体を格子状とし、体積変化の大きい活物質層である第一活物質層が開口部を貫通して存在することで、第一活物質層が集電体の平面方向の面に接しなくなる。このため、面方向の応力が緩和され、活物質層が集電体からより剥がれにくくなる。   Since the first and second active material layers are alternately arranged in the plane direction, the second active material layer can absorb the volume change in the plane direction of the first active material layer, and thus in the plane direction of the current collector. The stress of can be reduced. Therefore, the active material layer can be prevented from peeling from the current collector. Further, the current collector has a lattice shape, and the first active material layer, which is an active material layer having a large volume change, exists through the opening, so that the first active material layer is a plane surface of the current collector. No longer touch. For this reason, the stress of a surface direction is relieved and an active material layer becomes difficult to peel from a collector.

図4は、本発明の他の実施形態であるリチウムイオン二次電池用負極を示す概略断面図である(第2実施形態)。本実施形態では、集電体51が格子状に加工されたエキスパンドメタルである。第1実施形態と同様、第2実施形態のリチウムイオン二次電池用負極50aは、集電体51上に形成されてなる第二活物質層53、さらに集電体の開口部に存在する第一活物質層52から構成される。第2実施形態の負極は、例えば、あらかじめ第二活物質層を集電体シート上に塗布し、該シートをエキスパンド加工した後、第一活物質層を開口部に形成することによって得られる。エキスパンド加工により、容易に格子状の集電体を製造することができる。このようにエキスパンド加工により、集電体を格子状としてもよい。集電体を格子状とし、体積変化の大きい活物質層である第一活物質層が開口部を貫通して存在することで、第一活物質層が集電体の平面方向の面に接しなくなる。このため、面方向の応力が緩和され、活物質層が集電体からより剥がれにくくなる。   FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a negative electrode for a lithium ion secondary battery according to another embodiment of the present invention (second embodiment). In the present embodiment, the current collector 51 is an expanded metal processed into a lattice shape. Similar to the first embodiment, the negative electrode 50a for the lithium ion secondary battery according to the second embodiment includes a second active material layer 53 formed on the current collector 51, and a second active material layer 53 present in the opening of the current collector. The active material layer 52 is formed. The negative electrode of the second embodiment is obtained, for example, by applying a second active material layer in advance on a current collector sheet, expanding the sheet, and then forming the first active material layer in the opening. A grid-like current collector can be easily produced by the expanding process. Thus, the current collector may be formed in a lattice shape by expanding. The current collector has a lattice shape, and the first active material layer, which is an active material layer having a large volume change, exists through the opening, so that the first active material layer is in contact with the planar surface of the current collector. Disappear. For this reason, the stress of a surface direction is relieved and an active material layer becomes difficult to peel from a collector.

なお、第1および第2実施形態では、集電体51の貫通部に第一活物質層が配置されるため、集電体51の両側の面に極性の同じ活物質層が配置される場合(つまり、後述する双極型でない電池に用いられる場合)にのみ採用可能なものである。   In the first and second embodiments, since the first active material layer is disposed in the penetrating portion of the current collector 51, active material layers having the same polarity are disposed on both sides of the current collector 51. (In other words, it can be used only for a battery that is not a bipolar type described later).

第1および第2実施形態において、集電体51における開口部51aの存在割合は、集電体の表面の面積100%に対して、好ましくは10〜90%であり、より好ましくは20〜90%である。本実施形態においては、開口部51aの存在割合が10%以上であれば、開口部51aを介して結着する両面側の負極活物質層の結着性が十分に確保されうる。一方、開口部51aの存在割合が90%以下であれば、活物質層において発生した電気を外部へ取り出すという集電体本来の機能が十分に発揮されうる。なお、開口部51aは集電体51の少なくとも一部に設けられていればよいが、上述した作用効果を十分に発揮させるという観点からは、開口部51aは集電体51の全面に均一に設けられることが好ましい。   In the first and second embodiments, the ratio of the opening 51a in the current collector 51 is preferably 10 to 90%, more preferably 20 to 90, with respect to 100% of the surface area of the current collector. %. In the present embodiment, if the presence ratio of the opening 51a is 10% or more, the binding properties of the negative electrode active material layers on both sides that are bonded through the opening 51a can be sufficiently ensured. On the other hand, if the ratio of the opening 51a is 90% or less, the original function of the current collector for taking out the electricity generated in the active material layer to the outside can be sufficiently exhibited. The opening 51a may be provided in at least a part of the current collector 51. However, from the viewpoint of sufficiently exerting the above-described effects, the opening 51a is uniformly formed on the entire surface of the current collector 51. It is preferable to be provided.

図5は、本発明の他の実施形態であるリチウムイオン二次電池用負極50bを示す概略断面図である(第3実施形態)。本実施形態では、集電体51は、金属箔である。そして、集電体51上に、第一活物質層52および第二活物質層53が面方向に交互に配置されてなる。本実施形態では、図5Bのように平面図で市松模様となるように第一活物質層および第二活物質層が配置されるが、第一活物質層52および第二活物質層53が面方向に交互に配置されてなる形態であれば、いかなる形態であってもよい。例えば、図5Cのように、平面図で縞状に配置してもよい。第一および第二活物質層が面方向に交互に配置されることによって、第二活物質層が第一活物質層の面方向への体積変化を吸収できるので、集電体の面方向への応力が低減できる。したがって、活物質層が集電体から剥離することを防止できる。   FIG. 5: is a schematic sectional drawing which shows the negative electrode 50b for lithium ion secondary batteries which is other embodiment of this invention (3rd Embodiment). In the present embodiment, the current collector 51 is a metal foil. On the current collector 51, the first active material layers 52 and the second active material layers 53 are alternately arranged in the plane direction. In the present embodiment, the first active material layer and the second active material layer are arranged so as to have a checkered pattern in a plan view as shown in FIG. 5B, but the first active material layer 52 and the second active material layer 53 are Any form may be used as long as it is alternately arranged in the surface direction. For example, as shown in FIG. Since the first and second active material layers are alternately arranged in the plane direction, the second active material layer can absorb the volume change in the plane direction of the first active material layer, and thus in the plane direction of the current collector. The stress of can be reduced. Therefore, the active material layer can be prevented from peeling from the current collector.

図6は、第3実施形態の変形例であるリチウムイオン二次電池用負極を示す概略断面図である。本変形例では、集電体51上に、第一活物質層52および第二活物質層53が面方向に交互に配置されてなり、集電体に対向する側に、他の活物質層54が積層されてなる。本変形例では、他の活物質層54は、第二活物質層と同じ材料から構成される。他の活物質層54は、第二活物質層と同じ材料から構成されることにより、第一活物質層の積層方向の膨張収縮を抑制することができる。しかしながら、他の活物質層54を構成する材料は、特に限定されるものではない。   FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a negative electrode for a lithium ion secondary battery, which is a modification of the third embodiment. In this modification, the first active material layer 52 and the second active material layer 53 are alternately arranged on the current collector 51 in the plane direction, and another active material layer is provided on the side facing the current collector. 54 is laminated. In the present modification, the other active material layer 54 is made of the same material as the second active material layer. The other active material layer 54 is made of the same material as that of the second active material layer, thereby suppressing expansion and contraction in the stacking direction of the first active material layer. However, the material constituting the other active material layer 54 is not particularly limited.

本変形例のように、活物質層が積層方向に複数積層されて構成される場合、少なくとも集電体に接する活物質層が、第一および第二活物質層が面方向に交互に配置されることが好ましい。少なくとも集電体に接する活物質層において、第一および第二活物質層が面方向に交互に配置されることにより、集電体の面方向への応力が低減するという効果が発揮されるからである。集電体の面方向への応力が低減する結果、活物質層が集電体から剥離することを防止できる。なお、活物質層が複数積層される場合、生産性および厚さの観点からは、2〜4層であることが好ましく、2〜3層であることがより好ましく、2層であることがさらに好ましい。   When a plurality of active material layers are stacked in the stacking direction as in this modification, at least the active material layers in contact with the current collector are alternately arranged in the plane direction with the first and second active material layers. It is preferable. At least in the active material layer in contact with the current collector, the first and second active material layers are alternately arranged in the surface direction, so that the effect of reducing the stress in the surface direction of the current collector is exhibited. It is. As a result of reducing the stress in the surface direction of the current collector, the active material layer can be prevented from peeling from the current collector. When a plurality of active material layers are stacked, from the viewpoint of productivity and thickness, it is preferably 2 to 4 layers, more preferably 2 to 3 layers, and further preferably 2 layers. preferable.

以下、各実施形態の負極を構成する部材について詳細に説明する。   Hereafter, the member which comprises the negative electrode of each embodiment is demonstrated in detail.

[集電体]
集電体は、活物質層と外部とを電気的に接合するための部材であって、導電性の材料から構成される。集電体の具体的な形態について特に制限はない。導電性を有する限り、その材料は特に限定されず、一般的なリチウムイオン二次電池に用いられている従来公知の形態が採用されうる。例えば、金属や導電性高分子が採用されうる。具体的には、鉄、クロム、ニッケル、マンガン、チタン、モリブデン、バナジウム、ニオブ、アルミニウム、銅、銀、金、白金、ステンレスまたはカーボンが挙げられる。なお、非導電性高分子からなる基材に導電性フィラーが分散されてなる構成を有するいわゆる「樹脂集電体」もまた、集電体の一形態として採用されうる。集電体の厚さは特に限定されないが、通常は1〜100μm程度である。集電体の大きさは、リチウムイオン二次電池の使用用途に応じて決定される。大型の電池に用いられる大型の電極を作製するのであれば、面積の大きな集電体が用いられる。小型の電極を作製するのであれば、面積の小さな集電体が用いられる。
[Current collector]
The current collector is a member for electrically joining the active material layer and the outside, and is made of a conductive material. There is no restriction | limiting in particular about the specific form of an electrical power collector. As long as it has electroconductivity, the material is not specifically limited, The conventionally well-known form used for the general lithium ion secondary battery can be employ | adopted. For example, a metal or a conductive polymer can be employed. Specifically, iron, chromium, nickel, manganese, titanium, molybdenum, vanadium, niobium, aluminum, copper, silver, gold, platinum, stainless steel, or carbon can be given. A so-called “resin current collector” having a configuration in which a conductive filler is dispersed in a base material made of a non-conductive polymer can also be adopted as one form of the current collector. Although the thickness of a collector is not specifically limited, Usually, it is about 1-100 micrometers. The size of the current collector is determined according to the intended use of the lithium ion secondary battery. If a large electrode used for a large battery is manufactured, a current collector having a large area is used. If a small electrode is produced, a current collector with a small area is used.

[第一活物質層および第二活物質層]
第二活物質層は、第一活物質層よりリチウムを吸蔵・放出する際の体積変化が小さい。両者の体積変化は、リチウムを吸蔵・放出する前の活物質層の体積に対する、リチウムを吸蔵・放出した後の体積変化の割合を算出し、比較する。活物質層の体積変化は、各活物質層中に含まれる活物質の種類、活物質含有密度に依存する。
[First active material layer and second active material layer]
The second active material layer has a smaller volume change when inserting and extracting lithium than the first active material layer. The volume change of both is calculated by comparing the ratio of the volume change after insertion / extraction of lithium to the volume of the active material layer before insertion / extraction of lithium. The volume change of the active material layer depends on the type of active material contained in each active material layer and the active material content density.

好適には、第二活物質層のリチウムを吸蔵したとき(充電時)の電位降下が、第一活物質層の電位降下より小さいことが好ましい。この際、電位降下は、等量のリチウムが反応した際の電位降下(単位リチウム吸蔵あたりの電位降下)を測定する。   Preferably, the potential drop when the lithium of the second active material layer is occluded (during charging) is smaller than the potential drop of the first active material layer. At this time, the potential drop is measured by a potential drop (potential drop per unit lithium occlusion) when an equal amount of lithium reacts.

充放電時のリチウムを吸蔵させる際に、負極電位降下の大きい方が、リチウムとの反応性が高いため、比較的優先的にリチウムを吸蔵する。負極電位降下の大きい活物質層に一旦吸蔵されたリチウムは負極電位降下の小さい活物質層へ拡散移動するために、面方向への膨張収縮が比較的大きくなる。つまり、第一活物質層が面方向への膨張収縮が大きくなるが、第二活物質層がこれを吸収することができる。したがって、面方向への膨張収縮が緩和される。   When storing lithium during charge and discharge, the larger the negative electrode potential drop, the higher the reactivity with lithium. Therefore, lithium is stored relatively preferentially. Lithium once occluded in the active material layer having a large negative electrode potential drop diffuses and moves to the active material layer having a small negative electrode potential drop, so that the expansion and contraction in the plane direction is relatively large. That is, the first active material layer expands and contracts in the plane direction, but the second active material layer can absorb this. Therefore, the expansion and contraction in the surface direction is alleviated.

第一活物質層に含まれる活物質(以下、単に第一活物質とも称する)としては、特に限定されるものではないが、リチウムと合金化しうる元素を有する合金系材料が挙げられる。合金系材料を用いることにより、従来の炭素材料に比べて高いエネルギー密度を有する高容量の電池を得ることが可能となる。   The active material contained in the first active material layer (hereinafter also simply referred to as the first active material) is not particularly limited, and examples thereof include an alloy-based material having an element that can be alloyed with lithium. By using an alloy-based material, it is possible to obtain a high-capacity battery having a higher energy density than conventional carbon materials.

リチウムと合金化しうる元素としては、以下に制限されることはないが、具体的には、Si、Ge、Sn、Pb、Al、In、Zn、H、Ca、Sr、Ba、Ru、Rh、Ir、Pd、Pt、Ag、Au、Cd、Hg、Ga、Tl、C、N、Sb、Bi、O、S、Se、Te、Cl等が挙げられる。これらの中でも、容量およびエネルギー密度に優れた電池を構成できる観点から、負極活物質は、Si、Ge、Sn、Pb、Al、In、およびZnからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含むことが好ましく、SiまたはSnの元素を含むことがより好ましく、Siを含むことが特に好ましい。   Elements that can be alloyed with lithium are not limited to the following, but specifically, Si, Ge, Sn, Pb, Al, In, Zn, H, Ca, Sr, Ba, Ru, Rh, Ir, Pd, Pt, Ag, Au, Cd, Hg, Ga, Tl, C, N, Sb, Bi, O, S, Se, Te, Cl and the like can be mentioned. Among these, from the viewpoint that a battery excellent in capacity and energy density can be configured, the negative electrode active material contains at least one element selected from the group consisting of Si, Ge, Sn, Pb, Al, In, and Zn. It is preferable to include Si, Sn elements are more preferable, and Si is particularly preferable.

上述したリチウムと合金化しうる元素を含む合金系材料の具体的な例としては、例えば、金属化合物、金属酸化物、リチウム金属化合物、リチウム金属酸化物(リチウム−遷移金属複合酸化物を含む)などが挙げられる。金属化合物の形態の活物質としては、LiAl、LiSi、Li4.4Pb、Li4.4Sn等が挙げられる。また、金属酸化物の形態の活物質としては、SnO、SnO、GeO、GeO、InO、In、PbO、PbO、Pb、Pb、SiO、ZnO等が挙げられる。なかでも、LiSi、Li4.4Sn、SnO、SnO、SiOが好ましく用いられ、特に好ましくはSiOが用いられる。これらは1種単独で用いてもよいし、2種以上併用してもよい。 Specific examples of the alloy-based material containing an element that can be alloyed with lithium described above include, for example, metal compounds, metal oxides, lithium metal compounds, lithium metal oxides (including lithium-transition metal composite oxides), and the like. Is mentioned. Examples of the active material in the form of a metal compound include LiAl, Li 4 Si, Li 4.4 Pb, Li 4.4 Sn, and the like. Moreover, as an active material in the form of a metal oxide, SnO, SnO 2 , GeO, GeO 2 , In 2 O, In 2 O 3 , PbO, PbO 2 , Pb 2 O 3 , Pb 3 O 4 , SiO, ZnO Etc. Of these, Li 4 Si, Li 4.4 Sn, SnO, SnO 2 and SiO are preferably used, and SiO is particularly preferably used. These may be used alone or in combination of two or more.

この他、第一活物質層には、合金系材料のほか、グラファイト、ソフトカーボン、ハードカーボン等の炭素材料、リチウム金属等の金属材料、リチウム−チタン複合酸化物(チタン酸リチウム:LiTi12)等のリチウム−遷移金属複合酸化物、およびその他の従来公知の負極活物質を用いてもよい。場合によっては、これらの負極活物質が2種以上併用されてもよい。 In addition to the alloy material, the first active material layer includes carbon materials such as graphite, soft carbon, and hard carbon, metal materials such as lithium metal, lithium-titanium composite oxide (lithium titanate: Li 4 Ti Lithium-transition metal composite oxides such as 5 O 12 ) and other conventionally known negative electrode active materials may be used. In some cases, two or more of these negative electrode active materials may be used in combination.

ただし、容量を向上させるためには、リチウムと合金化しうる元素を含む負極活物質を多く第一活物質層中に含むことが好ましい。より好ましい形態において、具体的には、第一活物質層において、負極活物質中、リチウムと合金化しうる元素を含む活物質が60質量%以上、より好ましくは80質量%以上、さらに好ましくは90質量%以上、特に好ましくは100質量%含まれる。   However, in order to improve the capacity, it is preferable that a large amount of a negative electrode active material containing an element that can be alloyed with lithium is included in the first active material layer. In a more preferred form, specifically, in the first active material layer, the active material containing an element that can be alloyed with lithium in the negative electrode active material is 60% by mass or more, more preferably 80% by mass or more, and still more preferably 90%. It is contained by mass% or more, particularly preferably 100% by mass.

第二活物質層に含まれる活物質(以下、単に第二活物質とも称する)としては、特に限定されるものではないが、具体的には、炭素系材料、リチウム−遷移金属複合酸化物(例えば、LiTi12などLiTiで表されるリチウム−チタン複合酸化物)などが挙げられる。第二活物質は1種単独で用いられてもよいし、2種以上併用してもよい。第二活物質層の膨張は極力小さいことが望ましいため、第二活物質は、Liを吸蔵した際の膨張が小さいことが好ましい。かような材料としては、炭素系材料、リチウム−チタン複合酸化物およびこれらの混合物などが挙げられ、より好ましくは炭素系材料である。第二活物質として用いられうる炭素系材料として、具体的には、黒鉛(天然黒鉛、人造黒鉛)、カーボンブラック、活性炭、カーボンファイバー、コークス、ソフトカーボン、もしくはハードカーボンなどが挙げられる。これらの炭素系材料もまた、1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。 The active material contained in the second active material layer (hereinafter, also simply referred to as the second active material) is not particularly limited. Specifically, the carbon-based material, lithium-transition metal composite oxide ( Examples thereof include lithium-titanium composite oxides represented by Li x Ti y O z such as Li 4 Ti 5 O 12 . A 2nd active material may be used individually by 1 type, and may be used together 2 or more types. Since the expansion of the second active material layer is desirably as small as possible, the second active material preferably has a small expansion when Li is occluded. Examples of such materials include carbon-based materials, lithium-titanium composite oxides, and mixtures thereof, and carbon-based materials are more preferable. Specific examples of the carbon-based material that can be used as the second active material include graphite (natural graphite and artificial graphite), carbon black, activated carbon, carbon fiber, coke, soft carbon, and hard carbon. As for these carbon-based materials, only one kind may be used alone, or two or more kinds may be used in combination.

この他、第二活物質層の活物質としては、炭素系材料、リチウム−遷移金属複合酸化物のほか、合金系材料を含んでいてもよい。ただし、第二活物質層の緩衝効果を効率的に発揮させるためには、炭素系材料を多く第二活物質層中に含むことが好ましい。より好ましい形態において、具体的には、第二活物質層において、負極活物質中、炭素系材料が60質量%以上、より好ましくは80質量%以上、さらに好ましくは90質量%以上、特に好ましくは100質量%含まれる。   In addition, the active material of the second active material layer may include an alloy material in addition to the carbon material and the lithium-transition metal composite oxide. However, in order to efficiently exhibit the buffering effect of the second active material layer, it is preferable to include a large amount of carbon-based material in the second active material layer. In a more preferred form, specifically, in the second active material layer, the carbon-based material in the negative electrode active material is 60% by mass or more, more preferably 80% by mass or more, further preferably 90% by mass or more, and particularly preferably. 100% by mass is contained.

活物質の平均粒子径は特に制限されないが、高出力化の観点からは、好ましくは1〜50μm程度である。また、活物質の含有量は特に限定されるものではないが、各活物質層中、通常50〜99質量%程度である。なお、本明細書中において、「粒子径」とは、粒子の輪郭線上の任意の2点間の距離のうち、最大の距離Lを意味する。「平均粒子径」の値としては、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用い、数〜数十視野中に観察される粒子の粒子径の平均値として算出される値を採用するものとする。   The average particle size of the active material is not particularly limited, but is preferably about 1 to 50 μm from the viewpoint of increasing the output. Moreover, the content of the active material is not particularly limited, but is usually about 50 to 99% by mass in each active material layer. In the present specification, “particle diameter” means the maximum distance L among the distances between any two points on the particle outline. As the value of “average particle diameter”, the average particle diameter of particles observed in several to several tens of fields using an observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM). The calculated value shall be adopted.

第一および第二活物質層のうち、少なくとも第二活物質層は、リチウムによるプレドープにより形成された空隙部を有することが好ましい。かような空隙部が存在することにより、リチウムを吸蔵・放出する際に第一活物質層が膨張収縮を起こしても、第二活物質層に存在する空隙部によりこれを緩衝することができる。特に、第二活物質層のみがかような空隙部を有すると、膨張収縮の大きい第一活物質層の面方向の膨張収縮をより緩和することができるので、好ましい。活物質層の空隙率は特に限定されるものではないが、緩衝効果を適切に発揮することができることから、20〜60%であることが好ましく、35〜50%であることがより好ましい。なお、第一活物質層のみがリチウムによるプレドープにより形成された空隙部を有すると、プレドープ時に厚み方向への膨張が発生する場合がある。   Of the first and second active material layers, at least the second active material layer preferably has a void portion formed by pre-doping with lithium. Due to the presence of such voids, even if the first active material layer expands and contracts when lithium is occluded / released, it can be buffered by the voids present in the second active material layer. . In particular, it is preferable that only the second active material layer has such a void portion because the expansion and contraction in the surface direction of the first active material layer having a large expansion and contraction can be further relaxed. The porosity of the active material layer is not particularly limited, but is preferably 20 to 60% and more preferably 35 to 50% because the buffering effect can be appropriately exhibited. If only the first active material layer has a void formed by pre-doping with lithium, expansion in the thickness direction may occur during pre-doping.

なお、リチウムによるプレドープにより形成された空隙部は、特に限定されるものではないが、下記で詳述するように、製造時に活物質層にリチウム粉末を含有させ、電池を組んだ後、初充電することにより形成される。これは、リチウム粉末中のリチウムがドープされ、リチウム粉末が位置している部分が空隙部となるためである。   The gap formed by lithium pre-doping is not particularly limited, but as described in detail below, the active material layer contains lithium powder at the time of manufacture, and after the battery is assembled, the initial charge is performed. It is formed by doing. This is because lithium in the lithium powder is doped, and the portion where the lithium powder is located becomes a void.

負極中、第一活物質層と第二活物質層との含有割合は、特に制限されるものではないが、本発明の効果がより発揮されることから、体積比で第一活物質層:第二活物質層=1:0.5〜3であることが好ましく、1:1〜2であることがより好ましい。   In the negative electrode, the content ratio of the first active material layer and the second active material layer is not particularly limited, but since the effect of the present invention is more exerted, the first active material layer by volume ratio: The second active material layer is preferably 1: 0.5 to 3, and more preferably 1: 1 to 2.

各活物質層は、上述のようにリチウムを吸蔵・放出する材料を含み、必要に応じて電気伝導性を高めるための導電助剤、バインダ、電解質(ポリマーマトリックス、イオン伝導性ポリマー、電解液など)、イオン伝導性を高めるための電解質支持塩(リチウム塩)などをさらに含みうる。   Each active material layer includes a material that occludes and releases lithium as described above, and a conductive aid, binder, electrolyte (polymer matrix, ion-conductive polymer, electrolytic solution, etc.) for enhancing electrical conductivity as necessary. ), An electrolyte supporting salt (lithium salt) for increasing ion conductivity, and the like.

各活物質層中に含まれる成分の配合比は特に限定されず、リチウムイオン二次電池についての公知の知見を適宜参照することにより、調整されうる。また、活物質層の厚さについても特に制限はなく、リチウムイオン二次電池についての従来公知の知見が適宜参照されうる。一例を挙げると、活物質層の厚さは、2〜150μm程度である。   The compounding ratio of the components contained in each active material layer is not particularly limited, and can be adjusted by appropriately referring to known knowledge about lithium ion secondary batteries. Moreover, there is no restriction | limiting in particular also about the thickness of an active material layer, The conventionally well-known knowledge about a lithium ion secondary battery can be referred suitably. For example, the thickness of the active material layer is about 2 to 150 μm.

導電助剤とは、導電性を向上させるために配合される添加物をいう。本実施形態において用いられうる導電助剤は特に制限されず、従来公知の形態が適宜参照されうる。例えば、アセチレンブラック等のカーボンブラック、グラファイト、炭素繊維などの炭素材料が挙げられる。活物質層が導電助剤を含むと、活物質層の内部における電子ネットワークが効果的に形成され、電池の出力特性の向上に寄与しうる。   A conductive assistant means the additive mix | blended in order to improve electroconductivity. The conductive auxiliary agent that can be used in the present embodiment is not particularly limited, and conventionally known forms can be appropriately referred to. Examples thereof include carbon materials such as carbon black such as acetylene black, graphite, and carbon fiber. When the active material layer contains a conductive additive, an electronic network inside the active material layer is effectively formed, which can contribute to improvement of the output characteristics of the battery.

バインダとしては、特に限定されないが、例えば、以下の材料が挙げられる。ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリアミド、セルロース、カルボキシメチルセルロース(CMC)、エチレン−酢酸ビニル共重合体、ポリ塩化ビニル、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、エチレン・プロピレンゴム、エチレン・プロピレン・ジエン共重合体、スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物などの熱可塑性高分子、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)等のフッ素樹脂、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF−HFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−HFP−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ペンタフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF−PFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ペンタフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−PFP−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−パーフルオロメチルビニルエーテル−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−PFMVE−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−クロロトリフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−CTFE系フッ素ゴム)等のビニリデンフルオライド系フッ素ゴム、エポキシ樹脂等が挙げられる。中でも、ポリフッ化ビニリデン、ポリイミド、スチレン・ブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロース、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリロニトリル、ポリアミドであることがより好ましい。これらの好適なバインダは、耐熱性に優れ、さらに電位窓が非常に広く負極電位に安定であり活物質層に使用が可能となる。これらのバインダは、1種単独で用いてもよいし、2種併用してもよい。   Although it does not specifically limit as a binder, For example, the following materials are mentioned. Polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate (PET), polyether nitrile (PEN), polyacrylonitrile, polyimide, polyamide, cellulose, carboxymethyl cellulose (CMC), ethylene-vinyl acetate copolymer, polyvinyl chloride, styrene-butadiene rubber (SBR) ), Isoprene rubber, butadiene rubber, ethylene / propylene rubber, ethylene / propylene / diene copolymer, styrene / butadiene / styrene block copolymer and hydrogenated product thereof, styrene / isoprene / styrene block copolymer and hydrogenated product thereof Thermoplastic polymers such as products, polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer (FE) ), Tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), ethylene / tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), ethylene / chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE) , Fluororesin such as polyvinyl fluoride (PVF), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-based fluororubber (VDF-HFP-based fluororubber), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene-based fluororubber (VDF-HFP-) TFE fluorine rubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene fluorine rubber (VDF-PFP fluorine rubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene-tetrafluoroethylene Fluoro rubber (VDF-PFP-TFE fluoro rubber), vinylidene fluoride-perfluoromethyl vinyl ether-tetrafluoroethylene fluoro rubber (VDF-PFMVE-TFE fluoro rubber), vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene fluoro rubber Examples thereof include vinylidene fluoride-based fluororubber such as (VDF-CTFE-based fluororubber), an epoxy resin, and the like. Among these, polyvinylidene fluoride, polyimide, styrene / butadiene rubber, carboxymethyl cellulose, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyacrylonitrile, and polyamide are more preferable. These suitable binders are excellent in heat resistance, have a very wide potential window and are stable at the negative electrode potential, and can be used for the active material layer. These binders may be used alone or in combination of two.

バインダ量は、合金系材料および導電性材料を結着することができる量であれば特に限定されるものではないが、好ましくは活物質層に対して、0.5〜25質量%であり、より好ましくは1〜20質量%である。   The amount of the binder is not particularly limited as long as it is an amount capable of binding the alloy-based material and the conductive material, but is preferably 0.5 to 25% by mass with respect to the active material layer, More preferably, it is 1-20 mass%.

電解質塩(リチウム塩)としては、Li(CSON、LiPF、LiBF、LiClO、LiAsF、LiCFSO等が挙げられる。 Examples of the electrolyte salt (lithium salt) include Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 and the like.

イオン伝導性ポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)系およびポリプロピレンオキシド(PPO)系のポリマーが挙げられる。   Examples of the ion conductive polymer include polyethylene oxide (PEO) -based and polypropylene oxide (PPO) -based polymers.

上述した実施形態に係るリチウムイオン二次電池用負極は、リチウムイオン二次電池に用いられうる。すなわち、本発明の一形態は、上述した実施形態に係るリチウムイオン二次電池用負極を含む、リチウムイオン二次電池である。上記実施形態の負極は、活物質層が集電体から剥離しにくいため、サイクル特性が向上し、長期信頼性に優れることから、車両の駆動電源用等として好適に利用できる。この他にも、小型で高容量化が強く求められる携帯電話やノート型パソコンなどの携帯・モバイル機器向けのリチウムイオン二次電池にも十分に適用可能である。   The negative electrode for lithium ion secondary batteries which concerns on embodiment mentioned above can be used for a lithium ion secondary battery. That is, one embodiment of the present invention is a lithium ion secondary battery including the negative electrode for a lithium ion secondary battery according to the above-described embodiment. The negative electrode of the above embodiment can be suitably used for a drive power source of a vehicle and the like because the active material layer is difficult to peel from the current collector, and thus the cycle characteristics are improved and the long-term reliability is excellent. In addition to this, the present invention can be sufficiently applied to lithium ion secondary batteries for portable / mobile devices such as mobile phones and notebook computers that are strongly required to be small and have high capacity.

リチウムイオン二次電池は、例えば、形態・構造で区別した場合には、積層型(扁平型)電池、巻回型(円筒型)電池など、従来公知のいずれの形態・構造にも適用し得るものである。積層型(扁平型)電池構造を採用することで簡単な熱圧着などのシール技術により長期信頼性を確保でき、コスト面や作業性の点では有利である。   Lithium ion secondary batteries can be applied to any conventionally known forms / structures such as stacked (flat) batteries and wound (cylindrical) batteries, for example, when distinguished by form / structure. Is. By adopting a stacked (flat) battery structure, long-term reliability can be secured by a sealing technique such as simple thermocompression bonding, which is advantageous in terms of cost and workability.

リチウムイオン二次電池内の電解質の種類で区別した場合には、電解質に非水系の電解液等の溶液電解質を用いた溶液電解質型電池、電解質に高分子電解質を用いたポリマー電池など従来公知のいずれの電解質のタイプにも適用し得るものである。電解質に高分子電解質を用いたポリマー電池に好ましく適用される。該ポリマー電池は、更に高分子ゲル電解質(単にゲル電解質ともいう)を用いたゲル電解質型電池、高分子固体電解質(単にポリマー電解質ともいう)を用いた固体高分子(全固体)型電池に分けられる。このうち、ポリマー電池、なかでも固体高分子(全固体)型電池は、液漏れが生じないので、液絡の問題が無く信頼性が高く、かつ簡易な構成で出力特性に優れた電池を形成することができる点で有利である。   When distinguished by the type of electrolyte in the lithium ion secondary battery, a conventionally known battery such as a solution electrolyte type battery using a solution electrolyte such as a non-aqueous electrolyte as the electrolyte, a polymer battery using a polymer electrolyte as the electrolyte, etc. It can be applied to any electrolyte type. It is preferably applied to a polymer battery using a polymer electrolyte as the electrolyte. The polymer battery is further divided into a gel electrolyte type battery using a polymer gel electrolyte (also simply referred to as a gel electrolyte) and a solid polymer (all solid) type battery using a polymer solid electrolyte (also simply referred to as a polymer electrolyte). It is done. Among them, polymer batteries, especially solid polymer (all solid) batteries, do not cause liquid leakage, so there is no problem of liquid junction, high reliability, and a simple configuration with excellent output characteristics. This is advantageous in that it can be done.

以下の説明では、双極型でない(内部並列接続タイプ)リチウムイオン二次電池のリチウムイオン二次電池につき図面を用いて説明するが、決してこれらに制限されるべきものではない。   In the following description, a lithium ion secondary battery that is not a bipolar type (internal parallel connection type) lithium ion secondary battery will be described with reference to the drawings. However, the present invention should not be limited to these.

以下、リチウムイオン二次電池の構造について説明する。   Hereinafter, the structure of the lithium ion secondary battery will be described.

図7は、双極型でない積層型のリチウムイオン二次電池(積層型電池)の全体構造を模式的に表した断面概略図である。このタイプの電池には、上述の図1、3〜6(第1〜第3実施形態および第3実施形態の変形例)のいずれの形態の負極も用いられうる。   FIG. 7 is a schematic cross-sectional view schematically showing the overall structure of a stacked lithium ion secondary battery (stacked battery) that is not bipolar. In this type of battery, the negative electrode in any of the above-described FIGS. 1 and 3 to 6 (modified examples of the first to third embodiments and the third embodiment) can be used.

図7に示すように、本実施形態のリチウムイオン二次電池10は、実際に充放電反応が進行する略矩形の発電要素21が、外装であるラミネートシート29の内部に封止された構造を有する。詳しくは、高分子−金属複合ラミネートシートを電池の外装として用いて、その周辺部の全部を熱融着にて接合することにより、発電要素21を収納し密封した構成を有している。   As shown in FIG. 7, the lithium ion secondary battery 10 of the present embodiment has a structure in which a substantially rectangular power generation element 21 in which a charge / discharge reaction actually proceeds is sealed inside a laminate sheet 29 that is an exterior. Have. Specifically, the power generation element 21 is housed and sealed by using a polymer-metal composite laminate sheet as the battery exterior and joining all of its peripheral parts by thermal fusion.

発電要素21は、正極集電体11の両面に正極活物質層13が配置された正極と、電解質層17と、負極集電体12の両面に負極活物質層15が配置された負極とを積層した構成を有している。具体的には、1つの正極活物質層13とこれに隣接する負極活物質層15とが、電解質層17を介して対向するようにして、正極、電解質層および負極がこの順に積層されている。   The power generation element 21 includes a positive electrode in which the positive electrode active material layer 13 is disposed on both surfaces of the positive electrode current collector 11, an electrolyte layer 17, and a negative electrode in which the negative electrode active material layer 15 is disposed on both surfaces of the negative electrode current collector 12. It has a stacked configuration. Specifically, the positive electrode, the electrolyte layer, and the negative electrode are laminated in this order so that one positive electrode active material layer 13 and the negative electrode active material layer 15 adjacent thereto face each other with the electrolyte layer 17 therebetween. .

これにより、隣接する正極、電解質層および負極は、1つの単電池層19を構成する。したがって、本実施形態のリチウムイオン電池10は、単電池層19が複数積層されることで、電気的に並列接続されてなる構成を有するともいえる。発電要素21の両最外層に位置する最外層正極集電体には、いずれも片面のみに正極活物質層12が配置されている。なお、図7とは正極および負極の配置を逆にすることで、発電要素21の両最外層に最外層負極集電体が位置するようにし、該最外層負極集電体の片面のみに負極活物質層が配置されているようにしてもよい。   Thereby, the adjacent positive electrode, electrolyte layer, and negative electrode constitute one unit cell layer 19. Therefore, it can be said that the lithium ion battery 10 of the present embodiment has a configuration in which a plurality of single battery layers 19 are stacked and electrically connected in parallel. The positive electrode active material layer 12 is disposed only on one side of the outermost positive electrode current collector located in both outermost layers of the power generation element 21. 7, the arrangement of the positive electrode and the negative electrode is reversed so that the outermost negative electrode current collector is positioned in both outermost layers of the power generation element 21, and the negative electrode is formed only on one side of the outermost negative electrode current collector. An active material layer may be arranged.

正極集電体11および負極集電体12には、各電極(正極および負極)と導通される正極集電板(正極タブ)25および負極集電板(負極タブ)27がそれぞれ取り付けられている。そして、これらの集電板(25、27)はそれぞれ、ラミネートシート29の端部に挟まれるようにしてラミネートシート29の外部に導出されている。正極集電板25および負極集電板27はそれぞれ、必要に応じて正極リードおよび負極リード(図示せず)を介して、各電極の正極集電体11および負極集電体12に超音波溶接や抵抗溶接等により取り付けられていてもよい。なお、正極集電体としては、通常の集電体を用いることが好ましく、具体的には、後述の正極集電板および負極集電板の欄で記載した集電板を用いることができる。   A positive electrode current collector plate (positive electrode tab) 25 and a negative electrode current collector plate (negative electrode tab) 27, which are electrically connected to the respective electrodes (positive electrode and negative electrode), are attached to the positive electrode current collector 11 and the negative electrode current collector 12, respectively. . These current collector plates (25, 27) are led out of the laminate sheet 29 so as to be sandwiched between the end portions of the laminate sheet 29, respectively. The positive electrode current collector plate 25 and the negative electrode current collector plate 27 are ultrasonically welded to the positive electrode current collector 11 and the negative electrode current collector 12 of each electrode, respectively, via a positive electrode lead and a negative electrode lead (not shown) as necessary. Or resistance welding or the like. In addition, it is preferable to use a normal current collector as the positive electrode current collector, and specifically, a current collector plate described in the column of a positive electrode current collector plate and a negative electrode current collector plate described later can be used.

以下、上述した電池を構成する負極以外の構成要素について、簡単に説明するが、下記の形態のみには限定されない。   Hereinafter, components other than the negative electrode constituting the battery described above will be briefly described, but are not limited to the following modes.

[正極(正極活物質層)]
正極活物質層13は正極活物質を含み、必要に応じてその他の添加剤をさらに含む。
[Positive electrode (positive electrode active material layer)]
The positive electrode active material layer 13 includes a positive electrode active material, and further includes other additives as necessary.

i 正極活物質層13は、正極活物質を含む。正極活物質としては、例えば、LiMn、LiCoO、LiNiO、Li(Ni−Co−Mn)Oおよびこれらの遷移金属の一部が他の元素により置換されたもの等のリチウム−遷移金属複合酸化物、LiFePO、LiMnPO、LiNiPO、LiCoPO等のリチウム−遷移金属リン酸化合物、リチウム−遷移金属硫酸化合物などが挙げられる。場合によっては、2種以上の正極活物質が併用されてもよい。好ましくは、容量、出力特性の観点から、リチウム−遷移金属複合酸化物、リチウム−遷移金属リン酸化合物が、正極活物質として用いられる。なお、上記以外の正極活物質が用いられてもよいことはもちろんである。 i The positive electrode active material layer 13 contains a positive electrode active material. Examples of positive electrode active materials include LiMn 2 O 4 , LiCoO 2 , LiNiO 2 , Li (Ni—Co—Mn) O 2, and lithium- Examples thereof include transition metal composite oxides, lithium-transition metal phosphate compounds such as LiFePO 4 , LiMnPO 4 , LiNiPO 4 , LiCoPO 4 , lithium-transition metal sulfate compounds, and the like. In some cases, two or more positive electrode active materials may be used in combination. Preferably, from the viewpoints of capacity and output characteristics, a lithium-transition metal composite oxide and a lithium-transition metal phosphate compound are used as the positive electrode active material. Of course, positive electrode active materials other than those described above may be used.

正極活物質層13に含まれるそれぞれの活物質の平均粒子径は特に制限されないが、高出力化の観点からは、好ましくは1〜20μmである。   The average particle diameter of each active material contained in the positive electrode active material layer 13 is not particularly limited, but is preferably 1 to 20 μm from the viewpoint of increasing the output.

正極活物質層13は、バインダを含む。これらのバインダについては、上記負極の欄で述べたとおりである。また、負極同様、その他の添加剤を含むことができ、正極活物質層に含まれうるその他の添加剤としては、例えば、導電助剤、電解質、電解質支持塩等が挙げられる。詳細は、上記負極の欄で述べたとおりである。   The positive electrode active material layer 13 includes a binder. These binders are as described in the negative electrode column. Further, like the negative electrode, other additives can be included. Examples of other additives that can be included in the positive electrode active material layer include a conductive additive, an electrolyte, and an electrolyte supporting salt. Details are as described in the column of the negative electrode.

正極活物質層中に含まれる成分の配合比は、特に限定されない。配合比は、リチウムイオン二次電池についての公知の知見を適宜参照することにより、調整されうる。各活物質層の厚さについても特に制限はなく、電池についての従来公知の知見が適宜参照されうる。一例を挙げると、活物質層の厚さは、2〜100μm程度である。   The compounding ratio of the components contained in the positive electrode active material layer is not particularly limited. The blending ratio can be adjusted by appropriately referring to known knowledge about lithium ion secondary batteries. The thickness of each active material layer is not particularly limited, and conventionally known knowledge about the battery can be appropriately referred to. For example, the thickness of the active material layer is about 2 to 100 μm.

[電解質層]
電解質層17を構成する電解質としては、液体電解質またはポリマー電解質が用いられうる。
[Electrolyte layer]
A liquid electrolyte or a polymer electrolyte can be used as the electrolyte constituting the electrolyte layer 17.

液体電解質は、可塑剤である有機溶媒に支持塩であるリチウム塩が溶解した形態を有する。可塑剤として用いられうる有機溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)やプロピレンカーボネート(PC)等のカーボネート類が例示される。また、支持塩(リチウム塩)としては、LiBETI等の電極の活物質層に添加されうる化合物が同様に採用されうる。   The liquid electrolyte has a form in which a lithium salt as a supporting salt is dissolved in an organic solvent as a plasticizer. Examples of the organic solvent that can be used as the plasticizer include carbonates such as ethylene carbonate (EC) and propylene carbonate (PC). Further, as the supporting salt (lithium salt), a compound that can be added to the active material layer of the electrode, such as LiBETI, can be similarly employed.

一方、ポリマー電解質は、電解液を含むゲル電解質と、電解液を含まない真性ポリマー電解質に分類される。   On the other hand, the polymer electrolyte is classified into a gel electrolyte containing an electrolytic solution and an intrinsic polymer electrolyte containing no electrolytic solution.

ゲル電解質は、イオン伝導性ポリマーからなるマトリックスポリマーに、上記の液体電解質が注入されてなる構成を有する。マトリックスポリマーとして用いられるイオン伝導性ポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリプロピレンオキシド(PPO)、およびこれらの共重合体等が挙げられる。かようなポリアルキレンオキシド系ポリマーには、リチウム塩などの電解質塩がよく溶解しうる。   The gel electrolyte has a configuration in which the above liquid electrolyte is injected into a matrix polymer made of an ion conductive polymer. Examples of the ion conductive polymer used as the matrix polymer include polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), and copolymers thereof. In such polyalkylene oxide polymers, electrolyte salts such as lithium salts can be well dissolved.

なお、電解質層が液体電解質やゲル電解質から構成される場合には、電解質層にセパレータを用いてもよい。セパレータの具体的な形態としては、例えば、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィンからなる微多孔膜が挙げられる。   In addition, when an electrolyte layer is comprised from a liquid electrolyte or a gel electrolyte, you may use a separator for an electrolyte layer. Specific examples of the separator include a microporous film made of polyolefin such as polyethylene or polypropylene.

真性ポリマー電解質は、上記のマトリックスポリマーに支持塩(リチウム塩)が溶解してなる構成を有し、可塑剤である有機溶媒を含まない。したがって、電解質層が真性ポリマー電解質から構成される場合には電池からの液漏れの心配がなく、電池の信頼性が向上しうる。   The intrinsic polymer electrolyte has a structure in which a supporting salt (lithium salt) is dissolved in the matrix polymer, and does not include an organic solvent that is a plasticizer. Therefore, when the electrolyte layer is composed of an intrinsic polymer electrolyte, there is no fear of liquid leakage from the battery, and the reliability of the battery can be improved.

ゲル電解質や真性ポリマー電解質のマトリックスポリマーは、架橋構造を形成することによって、優れた機械的強度を発現しうる。架橋構造を形成させるには、適当な重合開始剤を用いて、高分子電解質形成用の重合性ポリマー(例えば、PEOやPPO)に対して熱重合、紫外線重合、放射線重合、電子線重合等の重合処理を施せばよい。   The matrix polymer of the gel electrolyte or the intrinsic polymer electrolyte can exhibit excellent mechanical strength by forming a crosslinked structure. In order to form a crosslinked structure, thermal polymerization, ultraviolet polymerization, radiation polymerization, electron beam polymerization, etc. are performed on a polymerizable polymer (for example, PEO or PPO) for forming a polymer electrolyte using an appropriate polymerization initiator. A polymerization treatment may be performed.

[正極集電板および負極集電板]
集電板(25、27)を構成する材料は、特に制限されず、リチウムイオン二次電池用の集電板として従来用いられている公知の高導電性材料が用いられうる。集電板の構成材料としては、例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金等の金属材料が好ましい。軽量、耐食性、高導電性の観点から、より好ましくはアルミニウム、銅であり、特に好ましくはアルミニウムである。なお、正極集電板25と負極集電板27とでは、同一の材料が用いられてもよいし、異なる材料が用いられてもよい。
[Positive electrode current collector and negative electrode current collector]
The material which comprises a current collector plate (25, 27) is not restrict | limited in particular, The well-known highly electroconductive material conventionally used as a current collector plate for lithium ion secondary batteries can be used. As a constituent material of the current collector plate, for example, metal materials such as aluminum, copper, titanium, nickel, stainless steel (SUS), and alloys thereof are preferable. From the viewpoint of light weight, corrosion resistance, and high conductivity, aluminum and copper are more preferable, and aluminum is particularly preferable. Note that the positive electrode current collector plate 25 and the negative electrode current collector plate 27 may be made of the same material or different materials.

[リード]
正極端子リードおよび負極端子リードに関しても、必要に応じて使用する。正極端子リードおよび負極端子リードの材料は、公知のリチウムイオン二次電池で用いられる端子リードを用いることができる。なお、電池外装材29から取り出された部分は、周辺機器や配線などに接触して漏電したりして製品(例えば、自動車部品、特に電子機器等)に影響を与えないように、耐熱絶縁性の熱収縮チューブなどにより被覆するのが好ましい。
[Lead]
The positive terminal lead and the negative terminal lead are also used as necessary. As the material of the positive terminal lead and the negative terminal lead, a terminal lead used in a known lithium ion secondary battery can be used. It should be noted that the part taken out from the battery outer packaging material 29 has a heat insulating property so as not to affect the product (for example, automobile parts, particularly electronic devices) by contacting with peripheral devices or wiring and causing leakage. It is preferable to coat with a heat shrinkable tube.

[電池外装材]
電池外装材29としては、公知の金属缶ケースを用いることができるほか、発電要素(電池要素)を覆うことができる、アルミニウムを含むラミネートフィルムを用いた袋状のケースが用いられうる。該ラミネートフィルムには、例えば、PP、アルミニウム、ナイロンをこの順に積層してなる3層構造のラミネートフィルム等を用いることができるが、これらに何ら制限されるものではない。本発明では、高出力化や冷却性能に優れ、EV、HEV用の大型機器用電池に好適に利用することができるラミネートフィルムが望ましい。
[Battery exterior materials]
As the battery exterior material 29, a known metal can case can be used, and a bag-like case using a laminate film containing aluminum that can cover a power generation element (battery element) can be used. For example, a laminate film having a three-layer structure in which PP, aluminum, and nylon are laminated in this order can be used as the laminate film, but the laminate film is not limited thereto. In the present invention, a laminate film that is excellent in high output and cooling performance and that can be suitably used for a battery for large equipment for EV and HEV is desirable.

本実施形態の積層型電池10は、上述した実施形態の負極を用いている。上記実施形態の負極は、活物質層が集電体から剥離しにくいため、リチウムイオン二次電池に適用した場合に、電池のサイクル特性が向上する。   The laminated battery 10 of this embodiment uses the negative electrode of the above-described embodiment. In the negative electrode of the above embodiment, since the active material layer is difficult to peel from the current collector, the cycle characteristics of the battery are improved when applied to a lithium ion secondary battery.

上記実施形態では非双極型(内部並列接続タイプ)の積層型電池について説明したが、双極型(内部直列接続タイプ)の積層型電池であってもよい。双極型の電池には、上述の図5および図6(第3実施形態およびその変形例)の負極が用いられうる。双極型電池は、集電体の一方の面に電気的に結合した正極活物質層が形成され、前記集電体の反対側の面に電気的に結合した負極活物質層が形成された複数の双極型電極を有する。双極型電極は、電解質層を介して積層されて発電要素を形成する。隣接する正極活物質層、電解質層、および負極活物質層は、一つの単電池層を構成する。また、電解質層からの電解液の漏れによる液絡を防止する目的で、単電池層の外周部にはシール部を配置してもよい。非双極型電池と双極型電池の各構成要件および製造方法に関しては、双方の電池内の電気的な接続形態(電極構造)が異なることを除いては、基本的には同様である。   Although the non-bipolar (internal parallel connection type) stacked battery has been described in the above embodiment, a bipolar (internal series connection type) stacked battery may be used. For the bipolar battery, the negative electrode shown in FIGS. 5 and 6 (third embodiment and its modification) can be used. In the bipolar battery, a positive electrode active material layer electrically connected to one surface of the current collector is formed, and a plurality of negative electrode active material layers electrically connected to the opposite surface of the current collector are formed. Bipolar electrode. Bipolar electrodes are stacked via an electrolyte layer to form a power generation element. The adjacent positive electrode active material layer, electrolyte layer, and negative electrode active material layer constitute one unit cell layer. Further, for the purpose of preventing liquid junction due to leakage of the electrolyte from the electrolyte layer, a seal portion may be disposed on the outer peripheral portion of the single cell layer. The constituent elements and the manufacturing method of the non-bipolar battery and the bipolar battery are basically the same except that the electrical connection form (electrode structure) in both batteries is different.

<リチウムイオン二次電池の外観構成>
図8は、代表的な実施形態である積層型の扁平な非双極型のリチウムイオン二次電池の外観を表した斜視図である。
<Appearance structure of lithium ion secondary battery>
FIG. 8 is a perspective view showing the appearance of a laminated flat non-bipolar lithium ion secondary battery according to a typical embodiment.

図8に示すように、積層型の扁平なリチウムイオン二次電池150では、長方形状の扁平な形状を有しており、その両側部からは電力を取り出すための正極タブ158、負極タブ159が引き出されている。発電要素(電池要素)157は、リチウムイオン二次電池50の電池外装材152によって包まれ、その周囲は熱融着されており、発電要素(電池要素)157は、正極タブ158及び負極タブ159を外部に引き出した状態で密封されている。ここで、発電要素(電池要素)157は、先に説明した図7に示す非双極型のリチウムイオン二次電池10の発電要素(電池要素)21に相当するものであり、正極(正極活物質層)13、電解質層17および負極(負極活物質層)15で構成される単電池層(単セル)19が複数積層されたものである。   As shown in FIG. 8, the laminated flat lithium ion secondary battery 150 has a rectangular flat shape, and a positive electrode tab 158 and a negative electrode tab 159 for taking out electric power from both sides thereof. Has been pulled out. The power generation element (battery element) 157 is wrapped by the battery exterior material 152 of the lithium ion secondary battery 50, and the periphery thereof is heat-sealed. The power generation element (battery element) 157 includes the positive electrode tab 158 and the negative electrode tab 159. It is sealed in a state where it is pulled out to the outside. Here, the power generation element (battery element) 157 corresponds to the power generation element (battery element) 21 of the non-bipolar lithium ion secondary battery 10 shown in FIG. Layer) 13, electrolyte layer 17, and negative electrode (negative electrode active material layer) 15, a plurality of single battery layers (single cells) 19 are stacked.

なお、上記リチウムイオン二次電池は、積層型の扁平な形状のものに制限されるものではなく、巻回型のリチウムイオン二次電池では、円筒型形状のものであってもよいし、こうした円筒型形状のものを変形させて、長方形状の扁平な形状にしたようなものであってもよいなど、特に制限されるものではない。上記円筒型の形状のものでは、その外装材に、ラミネートフィルムを用いてもよいし、従来の円筒缶(金属缶)を用いてもよいなど、特に制限されるものではない。好ましくは、発電要素(電池要素)がアルミニウムラミネートフィルムで外装される。当該形態により、軽量化が達成されうる。   Note that the lithium ion secondary battery is not limited to a stacked flat shape, and a wound lithium ion secondary battery may have a cylindrical shape. It is not particularly limited, for example, a cylindrical shape may be deformed into a rectangular flat shape. In the said cylindrical shape thing, a laminate film may be used for the exterior material, and the conventional cylindrical can (metal can) may be used, for example, It does not restrict | limit. Preferably, the power generation element (battery element) is covered with an aluminum laminate film. With this configuration, weight reduction can be achieved.

また、図8に示すタブ158、159の取り出しに関しても、特に制限されるものではなく、正極タブ158と負極タブ159とを同じ辺から引き出すようにしてもよいし、正極タブ158と負極タブ159をそれぞれ複数に分けて、各辺から取り出しようにしてもよいなど、図8に示すものに制限されるものではない。また、巻回型のリチウムイオン二次電池では、タブに変えて、例えば、円筒缶(金属缶)を利用して端子を形成すればよい。   Also, the tabs 158 and 159 shown in FIG. 8 are not particularly limited, and the positive electrode tab 158 and the negative electrode tab 159 may be pulled out from the same side, or the positive electrode tab 158 and the negative electrode tab 159 may be drawn out. However, the present invention is not limited to the one shown in FIG. 8, for example. Further, in the wound type lithium ion secondary battery, instead of the tab, for example, a terminal may be formed using a cylindrical can (metal can).

<組電池>
上記実施形態のリチウムイオン二次電池を複数個接続して構成した組電池を作製してもよい。組電池は、上記電池を複数個接続して構成した物である。詳しくは少なくとも2つ以上用いて、直列化あるいは並列化あるいはその両方で構成されるものである。直列、並列化することで容量および電圧を自由に調節することが可能になる。
<Battery assembly>
You may produce the assembled battery comprised by connecting two or more lithium ion secondary batteries of the said embodiment. The assembled battery is formed by connecting a plurality of the batteries. Specifically, at least two or more are used, and are configured by serialization, parallelization, or both. Capacitance and voltage can be freely adjusted by paralleling in series.

組電池は、非双極型電池が複数、直列に又は並列に接続して装脱着可能な小型の組電池を形成し、この装脱着可能な小型の組電池をさらに複数、直列に又は並列に接続して、高体積エネルギー密度、高体積出力密度が求められる車両駆動用電源や補助電源に適した大容量、大出力を持つ組電池を形成することもできる。作成した装脱着可能な小型の組電池は、バスバーのような電気的な接続手段を用いて相互に接続し、この組電池は接続治具を用いて複数段積層される。何個の電池を接続して組電池を作製するか、また、何段の組電池を積層して組電池を作製するかは、搭載される車両(電気自動車)の電池容量や出力に応じて決めればよい。   The assembled battery is formed by connecting a plurality of non-bipolar batteries in series or in parallel to form a small assembled battery that can be attached / detached, and further connecting a plurality of these removable batteries in series or in parallel. Thus, an assembled battery having a large capacity and a large output suitable for a vehicle driving power source and an auxiliary power source that require a high volume energy density and a high volume output density can be formed. The small assembled batteries that can be attached and detached are connected to each other using an electrical connecting means such as a bus bar, and the assembled batteries are stacked in a plurality of stages using a connecting jig. Depending on the battery capacity and output of the mounted vehicle (electric vehicle), how many batteries are connected to make an assembled battery and how many stages of assembled batteries are stacked to make an assembled battery Just decide.

<車両>
上記実施形態のリチウムイオン二次電池またはこれらを複数個組み合わせてなる組電池をモータ駆動用電源として車両に搭載することができる。
<Vehicle>
The lithium ion secondary battery of the above embodiment or a combination battery formed by combining a plurality of them can be mounted on a vehicle as a motor driving power source.

本実施形態の車両は、上記実施形態のリチウムイオン二次電池またはこれらを複数個組み合わせてなる組電池を搭載したことを特徴とするものである。長期にわたり信頼性及び出力特性に優れた高寿命の電池を構成できることから、こうした電池を搭載するとEV走行距離の長いプラグインハイブリッド電気自動車や、一充電走行距離の長い電気自動車を構成できる。言い換えれば、リチウムイオン二次電池またはこれらを複数個組み合わせてなる組電池は、車両の駆動用電源として用いられうる。リチウムイオン二次電池またはこれらを複数個組み合わせてなる組電池を、例えば、自動車ならばハイブリット車、燃料電池車、電気自動車(いずれも四輪車(乗用車、トラック、バスなどの商用車、軽自動車など)のほか、二輪車(バイク)や三輪車を含む)に用いることにより高寿命で信頼性の高い自動車となる。ただし、用途が自動車に限定されるわけではなく、例えば、他の車両、例えば、電車などの移動体の各種電源であっても適用は可能であるし、無停電電源装置などの載置用電源として利用することも可能である。   The vehicle according to the present embodiment is characterized in that the lithium ion secondary battery according to the above-described embodiment or an assembled battery formed by combining a plurality of these is mounted. Since a long-life battery excellent in reliability and output characteristics can be configured for a long time, when such a battery is installed, a plug-in hybrid electric vehicle having a long EV travel distance or an electric vehicle having a long charge travel distance can be configured. In other words, a lithium ion secondary battery or an assembled battery formed by combining a plurality of these can be used as a power source for driving a vehicle. Lithium ion secondary batteries or battery packs made by combining a plurality of these are used, for example, in the case of automobiles, such as hybrid cars, fuel cell cars, electric cars (all four-wheeled vehicles (passenger cars, trucks, buses and other commercial vehicles, light vehicles) Etc.), and motorcycles (including motorcycles) and tricycles), the vehicle has a long life and high reliability. However, the application is not limited to automobiles. For example, it can be applied to various power sources for moving vehicles such as other vehicles, for example, trains, and power sources for mounting such as uninterruptible power supplies. It is also possible to use as.

組電池を電気自動車のような車両に搭載するには、電気自動車の車体中央部の座席下に搭載することができる。座席下に搭載すれば、車内空間およびトランクルームを広く取ることができるからである。なお、組電池を搭載する場所は、座席下に限らず、後部トランクルームの下部でもよいし、車両前方のエンジンルームでも良い。以上のような組電池を用いた電気自動車は高い耐久性を有し、長期間使用しても十分な出力を提供しうる。さらに、燃費、走行性能に優れた電気自動車、ハイブリッド自動車を提供できる。   In order to mount the assembled battery on a vehicle such as an electric vehicle, it can be mounted under the seat in the center of the body of the electric vehicle. This is because if it is installed under the seat, the interior space and the trunk room can be widened. The place where the assembled battery is mounted is not limited to the position under the seat, but may be the lower part of the rear trunk room or the engine room in front of the vehicle. An electric vehicle using the assembled battery as described above has high durability and can provide a sufficient output even when used for a long time. Furthermore, it is possible to provide electric vehicles and hybrid vehicles that are excellent in fuel efficiency and driving performance.

<リチウムイオン二次電池用負極の製造方法>
上述の実施形態のリチウムイオン二次電池用負極の製造方法は、特に制限されないが、以下に代表的な負極の製造方法について記載する。
<Method for producing negative electrode for lithium ion secondary battery>
Although the manufacturing method in particular of the negative electrode for lithium ion secondary batteries of the above-mentioned embodiment is not restrict | limited, The manufacturing method of a typical negative electrode is described below.

(集電体準備工程)
第1実施形態および第2実施形態のように、集電体を格子状に加工するための具体的な手法について特に制限はなく、従来公知の知見が適宜参照されうる。一例として、金属箔にエキスパンド加工を施すことで、格子状のエキスパンドメタルが得られる。また、場合によっては、金属箔に対して打ち抜き加工などの処理を施すことによって、格子状集電体を得てもよい。また、第3実施形態およびその変形例のように、集電体箔を用いる場合には、適当な箔を準備すればよい。
(Current collector preparation process)
As in the first embodiment and the second embodiment, there is no particular limitation on a specific method for processing the current collector into a lattice shape, and conventionally known knowledge can be appropriately referred to. As an example, a lattice-shaped expanded metal can be obtained by subjecting a metal foil to an expanding process. In some cases, a grid-like current collector may be obtained by performing a process such as punching on the metal foil. Moreover, what is necessary is just to prepare suitable foil, when using collector foil like 3rd Embodiment and its modification.

(負極活物質層形成工程)
次いで、集電体上に、第一活物質層と第二活物質層とを面方向に交互に配置する。ここで、集電体は、上記格子状集電体を用いてもよいし、一般的な集電体箔を用いてもよい。集電体表面上への活物質層の形成方法は、特に制限されず、公知の方法を使用できる。具体的には以下のような方法が挙げられる。
(Negative electrode active material layer forming step)
Next, the first active material layer and the second active material layer are alternately arranged on the current collector in the surface direction. Here, as the current collector, the above-described grid-shaped current collector may be used, or a general current collector foil may be used. The method for forming the active material layer on the current collector surface is not particularly limited, and a known method can be used. Specifically, the following methods are mentioned.

まず、リチウムを吸蔵・放出する物質(活物質)、ならびに必要であれば、導電助剤、イオン伝導性を高めるための電解質塩、およびバインダ等(以下、その他の材料とも言う)を、適当な溶剤に分散、溶解などして、活物質層用スラリーを調製する。これを集電体上に塗布する。この際、溶剤としては、特に制限されないが、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルホルムアミド、シクロヘキサン、ヘキサンなどが用いられうる。   First, a substance (active material) that occludes / releases lithium and, if necessary, a conductive aid, an electrolyte salt for enhancing ion conductivity, a binder, and the like (hereinafter also referred to as other materials) are appropriately used. An active material layer slurry is prepared by dispersing and dissolving in a solvent. This is applied on the current collector. In this case, the solvent is not particularly limited, and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylformamide, dimethylacetamide, methylformamide, cyclohexane, hexane and the like can be used.

負極活物質層にリチウムをプレドープする場合には、活物質層用スラリーに、リチウム粉末を含んでいてもよい。リチウム粉末は、初回充放電時において生じる電極の不可逆容量を補償する機能を有する。なお、リチウム粉末の形状は特に制限されず、球状、棒状、針状、板状、柱状、不定形状、燐片状、紡錘状など任意の構造をとりうる。   In the case where the negative electrode active material layer is pre-doped with lithium, the slurry for the active material layer may contain lithium powder. The lithium powder has a function of compensating for the irreversible capacity of the electrode that occurs during the first charge / discharge. The shape of the lithium powder is not particularly limited, and may take any structure such as a spherical shape, a rod shape, a needle shape, a plate shape, a column shape, an indefinite shape, a flake shape, and a spindle shape.

また、リチウム粉末の平均粒子径についても特に制限はない。ただし、リチウム粉末の平均粒子径は、プレドープ速度の観点から、好ましくは1〜100μmであり、より好ましくは1〜50μmである。活物質用スラリー中のリチウム粉末の含有量は、後述するエージング処理によりドープしたいリチウム量、選択する活物質種等を考慮して適宜設定される。リチウム粒子からは、後述するエージング工程でのエージング処理によりリチウムがドープされる。よって、エージング工程において当該リチウム粉末は消失し、活物質層中に空隙部が形成される。かように形成された空隙部により、活物質層の体積膨張・収縮を緩和することができる。少なくとも第二活物質用スラリーにリチウム粉末を含有させることが好ましく、好適には第二活物質用スラリーのみに含有させることが好ましい。   Moreover, there is no restriction | limiting in particular also about the average particle diameter of lithium powder. However, the average particle diameter of the lithium powder is preferably 1 to 100 μm and more preferably 1 to 50 μm from the viewpoint of the pre-doping speed. The content of the lithium powder in the slurry for active material is appropriately set in consideration of the amount of lithium to be doped by the aging treatment described later, the active material species to be selected, and the like. Lithium particles are doped with lithium by an aging process in an aging process described later. Therefore, the lithium powder disappears in the aging process, and voids are formed in the active material layer. The volume expansion / contraction of the active material layer can be mitigated by the voids formed as described above. It is preferable that at least the second active material slurry contains lithium powder, and preferably only the second active material slurry is contained.

活物質層用スラリーの塗布手段は、特に制限されず、電池の製造分野において従来公知の手法が適宜採用されうる。一例を挙げると、ドクターブレード方式、インクジェット方式、スクリーン印刷方式、ダイコータ方式などの手法が例示される。   The means for applying the slurry for the active material layer is not particularly limited, and conventionally known methods can be appropriately employed in the battery manufacturing field. For example, methods such as a doctor blade method, an ink jet method, a screen printing method, and a die coater method are exemplified.

続いて、集電体の表面に形成された塗膜を乾燥させる。これにより、塗膜中の溶媒が除去される。塗膜を乾燥させるための乾燥手段も特に制限されず、電極製造について従来公知の知見が適宜参照されうる。例えば、加熱処理が例示される。乾燥条件(乾燥時間、乾燥温度など)は、スラリーの塗布量やスラリー粘度調製溶媒の揮発速度に応じて適宜設定されうる。得られた乾燥物はプレスすることによって電極の密度、空孔率や厚みが調整される。このプレス処理は乾燥前に行なわれてもよい。これにより、集電体の表面に負極活物質層が形成される。なお、集電体の両面側に負極活物質層が形成された負極を製造する場合には、上記で得られた格子状集電体または準備した集電体の両面側に対して上記の処理を施せばよい。一方、双極型電池に用いられる双極型電極を作製する場合には、上記の手法により負極活物質層が形成された集電体の他方の面に、同様の手法により正極活物質層を形成すればよい。   Subsequently, the coating film formed on the surface of the current collector is dried. Thereby, the solvent in a coating film is removed. The drying means for drying the coating film is not particularly limited, and conventionally known knowledge about electrode production can be appropriately referred to. For example, heat treatment is exemplified. Drying conditions (drying time, drying temperature, etc.) can be appropriately set according to the coating amount of the slurry and the volatilization rate of the slurry viscosity adjusting solvent. The density, porosity, and thickness of the electrode are adjusted by pressing the obtained dried product. This press treatment may be performed before drying. Thereby, a negative electrode active material layer is formed on the surface of the current collector. In addition, when manufacturing the negative electrode in which the negative electrode active material layer is formed on both sides of the current collector, the above treatment is performed on the both sides of the grid-shaped current collector obtained above or the prepared current collector. Can be applied. On the other hand, when producing a bipolar electrode used in a bipolar battery, a positive electrode active material layer is formed by the same method on the other surface of the current collector on which the negative electrode active material layer is formed by the above method. That's fine.

第2実施形態のように、集電体としてエキスパンドメタルを用いる場合には、以下のような製造方法により負極を得ることができる。   When an expanded metal is used as the current collector as in the second embodiment, the negative electrode can be obtained by the following manufacturing method.

まず、第二活物質層用スラリーをエキスパンド加工前の集電体(集電体箔)に塗布し、塗膜を乾燥させる。その後、集電体箔をエキスパンド加工し、さらに、第一活物質層用スラリーを開口部に塗布し、乾燥を行う。その後、必要に応じてプレス処理を行う。   First, the slurry for 2nd active material layers is apply | coated to the collector (collector foil) before an expand process, and a coating film is dried. Thereafter, the current collector foil is expanded, and the first active material layer slurry is applied to the opening and dried. Thereafter, pressing is performed as necessary.

(4)発電要素作製工程
続いて、上記で作製した負極または双極型電極を用いて、発電要素を作製する。具体的には、正極活物質層と負極活物質層とがセパレータを介して対向するように、電極とセパレータとを積層する。この際、積層型電池を作製するには、別途作製した、集電体の両面に正極活物質層が形成されてなる正極をさらに用いて、負極/セパレータ/正極/セパレータ…の積層を繰り返す。一方、双極型電池を作製するには、双極型電極とセパレータとを交互に積層する。これにより、発電要素が作製される。この際、単電池層の数が所望の数となるまでセパレータおよび電極の積層を繰り返す。
(4) Electric power generation element production process Subsequently, an electric power generation element is produced using the negative electrode or bipolar electrode produced above. Specifically, the electrode and the separator are laminated so that the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer face each other with the separator interposed therebetween. At this time, in order to fabricate a stacked battery, lamination of negative electrode / separator / positive electrode / separator is repeated using a separately prepared positive electrode in which a positive electrode active material layer is formed on both sides of a current collector. On the other hand, to manufacture a bipolar battery, bipolar electrodes and separators are alternately stacked. Thereby, a power generation element is produced. At this time, the stacking of the separator and the electrode is repeated until the number of single battery layers reaches a desired number.

そして、得られた発電要素の両端に必要に応じて集電板および/またはリードを接続し、集電板またはリードが導出するように、発電要素をアルミラミネートシートからなるバッグに収容する。その後、注液機により電解液を注液して、減圧下で端部をシールすることにより、電池が完成する。   Then, current collecting plates and / or leads are connected to both ends of the obtained power generating element as necessary, and the power generating elements are accommodated in a bag made of an aluminum laminate sheet so that the current collecting plates or leads are led out. Then, the battery is completed by injecting the electrolytic solution with a liquid injector and sealing the end under reduced pressure.

上記では電解質が液体電解質である場合の電池を例に挙げて説明した。ただし、ゲル電解質や真性ポリマー電解質を用いた電池の作製についても、公知の技術を参照して実施可能であるが、ここでは詳細な説明を省略する。   In the above description, the battery in the case where the electrolyte is a liquid electrolyte has been described as an example. However, the production of a battery using a gel electrolyte or an intrinsic polymer electrolyte can also be performed with reference to a known technique, but detailed description thereof is omitted here.

(5)エージング工程
負極活物質層にリチウムをプレドープする場合には、エージング工程を行う。エージング工程は、上記(4)において作製した電池を所定の時間エージング(静置)する。これにより、格子状集電体の表面に形成されたリチウム層に存在するリチウムがイオン化して、負極活物質層および/または正極活物質層に存在する活物質にドープされる。エージング工程を実施することにより、活物質層における単位面積当たりのリチウムドープ量を均一化することができ、信頼性の向上した電池が得られる。
(5) Aging process When the negative electrode active material layer is pre-doped with lithium, an aging process is performed. In the aging step, the battery produced in the above (4) is aged for a predetermined time. Thereby, lithium existing in the lithium layer formed on the surface of the grid-like current collector is ionized and doped into the active material existing in the negative electrode active material layer and / or the positive electrode active material layer. By performing the aging step, the lithium doping amount per unit area in the active material layer can be made uniform, and a battery with improved reliability can be obtained.

エージングの温度は、短時間でリチウムドープを完了するという観点からは、好ましくは20〜80℃であり、より好ましくは40〜60℃である。また、エージング時間は、エージング後の電池の電圧が所望のレベルとなるように適宜決定すればよいが、通常24〜120時間程度である。   The aging temperature is preferably 20 to 80 ° C., more preferably 40 to 60 ° C. from the viewpoint of completing lithium doping in a short time. Further, the aging time may be appropriately determined so that the voltage of the battery after aging becomes a desired level, but is usually about 24 to 120 hours.

エージング工程後の電池の電圧は、1.0V以上であることが好ましく、1.0〜4.0Vであることがより好ましい。エージング工程後の電池の電圧がかような範囲内の値であれば、リチウムが活物質層に十分にドープされている。   The voltage of the battery after the aging process is preferably 1.0 V or more, and more preferably 1.0 to 4.0 V. If the voltage of the battery after the aging step is a value within such a range, lithium is sufficiently doped into the active material layer.

なお、エージングは電池の組み立てや予備充電の後に行なってもよい。予備充電の条件は特に制限されない。例えば、20〜60℃で定電流方式(電流:0.5C)で10分間充電する方法を用いてもよい。   The aging may be performed after battery assembly or preliminary charging. The conditions for the preliminary charging are not particularly limited. For example, a method of charging at a constant current method (current: 0.5 C) at 20 to 60 ° C. for 10 minutes may be used.

本発明の効果を、以下の実施例および比較例を用いて説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。   The effects of the present invention will be described using the following examples and comparative examples. However, the technical scope of the present invention is not limited only to the following examples.

(実施例1)
1.負極の作製
負極活物質(第一活物質)としてSiO(平均粒子径5μm)、導電助剤としてアセチレンブラックおよび結着剤としてポリイミド(PI)を80:10:10の質量比で混合し、第一活物質層用スラリーを得た。
Example 1
1. Production of negative electrode SiO (average particle diameter 5 μm) as a negative electrode active material (first active material), acetylene black as a conductive auxiliary agent and polyimide (PI) as a binder were mixed in a mass ratio of 80:10:10, A slurry for an active material layer was obtained.

負極活物質(第二活物質)として黒鉛(平均粒子径10μm)、リチウム粉末(平均粒子径35μm)、導電助剤としてアセチレンブラック)および結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)を73.3:6.7:10:10の質量比で混合し、第二活物質層用スラリーを得た。   Graphite (average particle size 10 μm) as a negative electrode active material (second active material), lithium powder (average particle size 35 μm), acetylene black as a conductive additive, and polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder 73.3: The mixture was mixed at a mass ratio of 6.7: 10: 10 to obtain a slurry for the second active material layer.

次に、未エキスパンド加工の銅製エキスパンド材集電体(厚さ70μm)を準備した。上記で準備したエキスパンド材集電体の両面(最外層負極のみは片面)に、第二活物質層用スラリーを塗布し、80℃で熱風乾燥して積層体を得た。その積層体をエキスパンド加工した。この際、エキスパンド加工により形成された開口部の割合(開口率)は、25%であった。さらに、第一活物質層用スラリーを開口部に塗布し、80℃で熱風乾燥し、プレスした。得られた負極にニッケル製の電流取り出しタブを超音波溶接により接合し、電極部サイズが36mm×26mmとなるように打ち抜いた。活物質層の厚さは150μmであった。また、第一活物質層および第二活物質層の割合は、体積比で1:1であった。   Next, an unexpanded copper expanded current collector (thickness: 70 μm) was prepared. The slurry for 2nd active material layers was apply | coated to both surfaces (only one surface is only the outermost layer negative electrode) of the expanded material collector prepared above, and it dried with hot air at 80 degreeC, and obtained the laminated body. The laminate was expanded. At this time, the ratio (opening ratio) of the openings formed by the expanding process was 25%. Furthermore, the slurry for 1st active material layers was apply | coated to the opening part, it dried with hot air at 80 degreeC, and was pressed. A nickel current extraction tab was joined to the obtained negative electrode by ultrasonic welding, and punched out so that the electrode size was 36 mm × 26 mm. The thickness of the active material layer was 150 μm. Moreover, the ratio of the first active material layer and the second active material layer was 1: 1 by volume ratio.

2.正極の作製
正極活物質としてLiNiPO、導電助剤としてアセチレンブラックおよび結着剤としてPVDFを86:6:8の質量比で混合して正極スラリーを得た。次いで、アルミニウム製集電体の両面に前記スラリーを塗布して、130℃で熱風乾燥した後にロール圧延し、シート状に形成した。正極活物質層の厚さは、100μmであった。得られた正極にアルミニウム製の電流取り出しタブを超音波溶接により接合し、電極部サイズが34mm×24mmとなるように打ち抜いた。
2. Production of Positive Electrode LiNiPO 4 as a positive electrode active material, acetylene black as a conductive auxiliary agent, and PVDF as a binder were mixed in a mass ratio of 86: 6: 8 to obtain a positive electrode slurry. Next, the slurry was applied to both surfaces of an aluminum current collector, dried with hot air at 130 ° C., and then roll-rolled to form a sheet. The thickness of the positive electrode active material layer was 100 μm. An aluminum current extraction tab was joined to the obtained positive electrode by ultrasonic welding, and punched out so that the electrode size was 34 mm × 24 mm.

3.電池の作製
セパレータとして、ポリエチレン製微多孔質膜(厚さ=25μm)を準備した。また、電解液として、1M LiPF/(EC:DEC)(EC:DEC=1:1体積比)を用いた。
3. Production of Battery A polyethylene microporous membrane (thickness = 25 μm) was prepared as a separator. Further, as the electrolyte, 1M LiPF 6 / (EC: DEC) (EC: DEC = 1: 1 volume ratio) was used.

図9のように、上記で作製/準備した負極活物質層を含む負極63を3枚、セパレータ62を4枚、および正極61を2枚、両側に負極積層体が配置されるように、負極/セパレータ/正極/セパレータ…の順に図9のように積層して、電池を作製した。図9において、64はAl製正極リード板を、65はNi製負極リード板を示す。   As shown in FIG. 9, the negative electrode 63 including the negative electrode active material layer prepared / prepared as described above, three separators 62, four positive electrodes 61, and the negative electrode laminate is disposed on both sides. A battery was manufactured by stacking in the order of / separator / positive electrode / separator... In FIG. 9, 64 is an Al positive electrode lead plate, and 65 is a Ni negative electrode lead plate.

得られた発電要素を外装であるアルミラミネートシート製のバッグ中に載置し、上記で準備した電解液を注液した。真空条件下において、両電極に接続された電流取り出しタブが導出するようにアルミラミネートシート製バッグの開口部を封止し、試験用セルを完成させた。   The obtained power generation element was placed in a bag made of an aluminum laminate sheet as an exterior, and the electrolytic solution prepared above was injected. Under vacuum conditions, the opening of the aluminum laminate sheet bag was sealed so that the current extraction tabs connected to both electrodes were led out to complete the test cell.

(5)エージング工程
上記で作製した試験用セルに対して、55℃、72時間の条件でエージング処理を施した。なお、エージング後のセル電圧は3.9Vであった。
(5) Aging process The test cell produced above was subjected to aging treatment at 55 ° C. for 72 hours. The cell voltage after aging was 3.9V.

(実施例2)
負極活物質(第一活物質)としてSiO(平均粒子径5μm)、リチウム粉末(平均粒子径35μm)、導電助剤としてアセチレンブラックおよび結着剤としてポリイミド(PI)を74.7:5.3:10:10の質量比で混合し、第一活物質層用スラリーを得た。
(Example 2)
As the negative electrode active material (first active material), SiO (average particle size of 5 μm), lithium powder (average particle size of 35 μm), acetylene black as the conductive additive, and polyimide (PI) as the binder are 74.7: 5.3. Was mixed at a mass ratio of 10:10 to obtain a slurry for the first active material layer.

負極活物質(第二活物質)として黒鉛(平均粒子径10μm)、リチウム粉末(平均粒子径35μm)、導電助剤としてアセチレンブラック)および結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)を76.7:3.3:10:10の質量比で混合し、第二活物質層用スラリーを得た。   Graphite (average particle diameter 10 μm) as a negative electrode active material (second active material), lithium powder (average particle diameter 35 μm), acetylene black as a conductive additive, and polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder 76.7: The mixture was mixed at a mass ratio of 3.3: 10: 10 to obtain a slurry for the second active material layer.

次に、未エキスパンド加工の銅製エキスパンド材集電体(厚さ70μm)を準備した。上記で準備したエキスパンド材集電体の両面(最外層負極のみは片面)に、第二活物質層用スラリーを塗布し、80℃で熱風乾燥した。そのシートをエキスパンド加工した。この際、エキスパンド加工により形成された開口部の割合(開口率)は、25%であった。さらに、第一活物質層用スラリーを開口部に塗布し、80℃で熱風乾燥し、プレスした。得られた負極にニッケル製の電流取り出しタブを超音波溶接により接合し、電極部サイズが36mm×26mmとなるように打ち抜いた。活物質層の厚さは40μmであった。また、第一活物質層および第二活物質層の割合は、体積比で1:1であった。   Next, an unexpanded copper expanded current collector (thickness: 70 μm) was prepared. The slurry for 2nd active material layers was apply | coated to both surfaces (only one surface is only the outermost layer negative electrode) of the expanded material collector prepared above, and it dried with hot air at 80 degreeC. The sheet was expanded. At this time, the ratio (opening ratio) of the openings formed by the expanding process was 25%. Furthermore, the slurry for 1st active material layers was apply | coated to the opening part, it dried with hot air at 80 degreeC, and was pressed. A nickel current extraction tab was joined to the obtained negative electrode by ultrasonic welding, and punched out so that the electrode size was 36 mm × 26 mm. The thickness of the active material layer was 40 μm. Moreover, the ratio of the first active material layer and the second active material layer was 1: 1 by volume ratio.

負極の作製以外は、実施例1と同様にして試験用セルを作製した。なお、エージング後のセル電圧は3.9Vであった。   A test cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the negative electrode was produced. The cell voltage after aging was 3.9V.

(実施例3)
負極活物質(第一活物質)としてSiO(平均粒子径5μm)、導電助剤としてアセチレンブラックおよび結着剤としてポリイミド(PI)を80:10:10の質量比で混合し、第一活物質層用スラリーを得た。
(Example 3)
SiO (average particle diameter of 5 μm) as a negative electrode active material (first active material), acetylene black as a conductive auxiliary agent, and polyimide (PI) as a binder are mixed in a mass ratio of 80:10:10 to obtain a first active material. A layer slurry was obtained.

負極活物質(第二活物質)として黒鉛(平均粒子径10μm)、導電助剤としてアセチレンブラック)および結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)を80:10:10の質量比で混合し、第二活物質層用スラリーを得た。   Graphite (average particle diameter 10 μm) as a negative electrode active material (second active material), acetylene black as a conductive auxiliary agent, and polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder are mixed at a mass ratio of 80:10:10, A slurry for the two active material layers was obtained.

次に、未エキスパンド加工の銅製エキスパンド材集電体(厚さ70μm)を準備した。上記で準備したエキスパンド材集電体の両面(最外層負極のみは片面)に、第二活物質層用スラリーを塗布し、80℃で熱風乾燥した。そのシートをエキスパンド加工した。この際、エキスパンド加工により形成された開口部の割合(開口率)は、25%であった。さらに、第一活物質層用スラリーを開口部に塗布し、80℃で熱風乾燥し、プレスした。得られた負極にニッケル製の電流取り出しタブを超音波溶接により接合し、電極部サイズが36mm×26mmとなるように打ち抜いた。活物質層の厚さは40μmであった。また、第一活物質層および第二活物質層の割合は、体積比で1:1であった。   Next, an unexpanded copper expanded current collector (thickness: 70 μm) was prepared. The slurry for 2nd active material layers was apply | coated to both surfaces (only one surface is only the outermost layer negative electrode) of the expanded material collector prepared above, and it dried with hot air at 80 degreeC. The sheet was expanded. At this time, the ratio (opening ratio) of the openings formed by the expanding process was 25%. Furthermore, the slurry for 1st active material layers was apply | coated to the opening part, it dried with hot air at 80 degreeC, and was pressed. A nickel current extraction tab was joined to the obtained negative electrode by ultrasonic welding, and punched out so that the electrode size was 36 mm × 26 mm. The thickness of the active material layer was 40 μm. Moreover, the ratio of the first active material layer and the second active material layer was 1: 1 by volume ratio.

負極の作製以外は、実施例1と同様にして試験用セルを作製した。なお、エージング後のセル電圧は3.9Vであった。   A test cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the negative electrode was produced. The cell voltage after aging was 3.9V.

(実施例4)
負極活物質(第一活物質)としてSiO(平均粒子径5μm)、リチウム粉末(平均粒子径35μm)、導電助剤としてアセチレンブラックおよび結着剤としてポリイミド(PI)を69.3:10.7:10:10の質量比で混合し、第一活物質層用スラリーを得た。
Example 4
As the negative electrode active material (first active material), SiO (average particle size of 5 μm), lithium powder (average particle size of 35 μm), acetylene black as the conductive additive, and polyimide (PI) as the binder are 69.3: 10.7. Was mixed at a mass ratio of 10:10 to obtain a slurry for the first active material layer.

負極活物質(第二活物質)として黒鉛(平均粒子径10μm)、導電助剤としてアセチレンブラックおよび結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)を80:10:10の質量比で混合し、第二活物質層用スラリーを得た。   Graphite (average particle diameter 10 μm) as a negative electrode active material (second active material), acetylene black as a conductive auxiliary agent, and polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder are mixed in a mass ratio of 80:10:10, and second An active material layer slurry was obtained.

次に、未エキスパンド加工の銅製エキスパンド材集電体(厚さ70μm)を準備した。上記で準備したエキスパンド材集電体の両面(最外層負極のみは片面)に、第二活物質層用スラリーを塗布し、80℃で熱風乾燥した。そのシートをエキスパンド加工した。この際、エキスパンド加工により形成された開口部の割合(開口率)は、25%であった。さらに、第一活物質層用スラリーを開口部に塗布し、80℃で熱風乾燥し、プレスした。得られた負極にニッケル製の電流取り出しタブを超音波溶接により接合し、電極部サイズが36mm×26mmとなるように打ち抜いた。活物質層の厚さは40μmであった。また、第一活物質層および第二活物質層の割合は、体積比で1:1であった。   Next, an unexpanded copper expanded current collector (thickness: 70 μm) was prepared. The slurry for 2nd active material layers was apply | coated to both surfaces (only one surface is only the outermost layer negative electrode) of the expanded material collector prepared above, and it dried with hot air at 80 degreeC. The sheet was expanded. At this time, the ratio (opening ratio) of the openings formed by the expanding process was 25%. Furthermore, the slurry for 1st active material layers was apply | coated to the opening part, it dried with hot air at 80 degreeC, and was pressed. A nickel current extraction tab was joined to the obtained negative electrode by ultrasonic welding, and punched out so that the electrode size was 36 mm × 26 mm. The thickness of the active material layer was 40 μm. Moreover, the ratio of the first active material layer and the second active material layer was 1: 1 by volume ratio.

負極の作製以外は、実施例1と同様にして試験用セルを作製した。なお、エージング後のセル電圧は3.9Vであった。   A test cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the negative electrode was produced. The cell voltage after aging was 3.9V.

(実施例5)
負極活物質(第一活物質)としてSiO(平均粒子径5μm)、導電助剤としてアセチレンブラックおよび結着剤としてポリイミド(PI)を80:10:10の質量比で混合し、第一活物質層用スラリーを得た。
(Example 5)
SiO (average particle diameter of 5 μm) as a negative electrode active material (first active material), acetylene black as a conductive auxiliary agent, and polyimide (PI) as a binder are mixed in a mass ratio of 80:10:10 to obtain a first active material. A layer slurry was obtained.

負極活物質(第二活物質)として黒鉛(平均粒子径10μm)、導電助剤としてアセチレンブラックおよび結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)を80:10:10の質量比で混合し、第二活物質層用スラリーを得た。   Graphite (average particle diameter 10 μm) as a negative electrode active material (second active material), acetylene black as a conductive auxiliary agent, and polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder are mixed in a mass ratio of 80:10:10, and second An active material layer slurry was obtained.

次に、未エキスパンド加工の銅製エキスパンド材集電体(厚さ70μm)を準備した。上記で準備したエキスパンド材集電体の両面(最外層負極のみは片面)に、第一活物質層用スラリーを塗布し、80℃で熱風乾燥した。そのシートをエキスパンド加工した。この際、エキスパンド加工により形成された開口部の割合(開口率)は、25%であった。さらに、第二活物質層用スラリーを開口部に塗布し、80℃で熱風乾燥し、プレスした。得られた負極にニッケル製の電流取り出しタブを超音波溶接により接合し、電極部サイズが36mm×26mmとなるように打ち抜いた。活物質層の厚さは40μmであった。また、第一活物質層および第二活物質層の割合は、体積比で1:1であった。   Next, an unexpanded copper expanded current collector (thickness: 70 μm) was prepared. The slurry for the first active material layer was applied to both surfaces (only one surface of the outermost layer negative electrode) of the expanded material current collector prepared above, and dried with hot air at 80 ° C. The sheet was expanded. At this time, the ratio (opening ratio) of the openings formed by the expanding process was 25%. Furthermore, the slurry for 2nd active material layers was apply | coated to the opening part, it dried with hot air at 80 degreeC, and was pressed. A nickel current extraction tab was joined to the obtained negative electrode by ultrasonic welding, and punched out so that the electrode size was 36 mm × 26 mm. The thickness of the active material layer was 40 μm. Moreover, the ratio of the first active material layer and the second active material layer was 1: 1 by volume ratio.

負極の作製以外は、実施例1と同様にして試験用セルを作製した。なお、エージング後のセル電圧は3.9Vであった。   A test cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the negative electrode was produced. The cell voltage after aging was 3.9V.

(実施例6)
負極活物質(第一活物質)としてSiO(平均粒子径5μm)、導電助剤としてアセチレンブラックおよび結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)を80:10:10の質量比で混合し、第一活物質層用スラリーを得た。
(Example 6)
SiO (average particle diameter of 5 μm) as a negative electrode active material (first active material), acetylene black as a conductive auxiliary agent and polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder are mixed in a mass ratio of 80:10:10, An active material layer slurry was obtained.

負極活物質(第二活物質)として黒鉛(平均粒子径10μm)、リチウム粉末(平均粒子径35μm)、導電助剤としてアセチレンブラックおよび結着剤としてポリイミド(PI)を62.9:17.1:10:10の質量比で混合し、第二活物質層用スラリーを得た。   As the negative electrode active material (second active material), graphite (average particle size 10 μm), lithium powder (average particle size 35 μm), acetylene black as a conductive additive, and polyimide (PI) as a binder 62.9: 17.1. Was mixed at a mass ratio of 10:10 to obtain a slurry for the second active material layer.

次に、未エキスパンド加工の銅製エキスパンド材集電体(厚さ70μm)を準備した。上記で準備したエキスパンド材集電体の両面(最外層負極のみは片面)に、第一活物質層用スラリーを塗布し、80℃で熱風乾燥した。そのシートをエキスパンド加工した。この際、エキスパンド加工により形成された開口部の割合(開口率)は、25%であった。さらに、第二活物質層用スラリーを開口部に塗布し、80℃で熱風乾燥し、プレスした。得られた負極にニッケル製の電流取り出しタブを超音波溶接により接合し、電極部サイズが36mm×26mmとなるように打ち抜いた。活物質層の厚さは40μmであった。また、第一活物質層および第二活物質層の割合は、体積比で1:1であった。   Next, an unexpanded copper expanded current collector (thickness: 70 μm) was prepared. The slurry for the first active material layer was applied to both surfaces (only one surface of the outermost layer negative electrode) of the expanded material current collector prepared above, and dried with hot air at 80 ° C. The sheet was expanded. At this time, the ratio (opening ratio) of the openings formed by the expanding process was 25%. Furthermore, the slurry for 2nd active material layers was apply | coated to the opening part, it dried with hot air at 80 degreeC, and was pressed. A nickel current extraction tab was joined to the obtained negative electrode by ultrasonic welding, and punched out so that the electrode size was 36 mm × 26 mm. The thickness of the active material layer was 40 μm. Moreover, the ratio of the first active material layer and the second active material layer was 1: 1 by volume ratio.

負極の作製以外は、実施例1と同様にして試験用セルを作製した。なお、エージング後のセル電圧は3.9Vであった。   A test cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the negative electrode was produced. The cell voltage after aging was 3.9V.

(比較例1)
1.負極の作製
負極活物質としてSiO(平均粒子径5μm)、黒鉛(平均粒子径10μm)、リチウム粉末(平均粒子径35μm)、導電助剤としてアセチレンブラックおよび結着剤としてポリイミド(PI)を36.7:36.7:6.7:10:10の質量比で混合し、活物質層用スラリーを得た。
(Comparative Example 1)
1. Production of Negative Electrode As the negative electrode active material, SiO (average particle diameter 5 μm), graphite (average particle diameter 10 μm), lithium powder (average particle diameter 35 μm), acetylene black as a conductive additive and polyimide (PI) as a binder 36. The mixture was mixed at a mass ratio of 7: 36.7: 6.7: 10: 10 to obtain an active material layer slurry.

次に、未エキスパンド加工の銅製エキスパンド材集電体(厚さ70μm)を準備し、エキスパンド加工した。この際、エキスパンド加工により形成された開口部の割合(開口率)は、25%であった。上記で準備したエキスパンド材集電体の両面(最外層負極のみは片面)に、活物質層用スラリーを塗布し、80℃で熱風乾燥し、プレスした。得られた負極にニッケル製の電流取り出しタブを超音波溶接により接合し、電極部サイズが36mm×26mmとなるように打ち抜いた。活物質層の厚さは40μmであった。   Next, an unexpanded copper expanded current collector (thickness 70 μm) was prepared and expanded. At this time, the ratio (opening ratio) of the openings formed by the expanding process was 25%. The slurry for active material layer was applied to both surfaces (only one surface of the outermost layer negative electrode) of the expanded material current collector prepared above, dried in hot air at 80 ° C., and pressed. A nickel current extraction tab was joined to the obtained negative electrode by ultrasonic welding, and punched out so that the electrode size was 36 mm × 26 mm. The thickness of the active material layer was 40 μm.

負極の作製以外は、実施例1と同様にして試験用セルを作製した。なお、エージング後のセル電圧は3.9Vであった。   A test cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the negative electrode was produced. The cell voltage after aging was 3.9V.

(試験用セルの評価)
各試験用セルについて、25℃の大気中で、定電流定電圧方式(CCCV、電流:0.1C、電圧:4.2V)で13時間充電処理を行なった。次いで10分間休止後、定電流方式(CC、電流:0.1C)で2.5Vまで放電処理を行なった。
(Evaluation of test cell)
Each test cell was charged for 13 hours in the atmosphere at 25 ° C. by a constant current constant voltage method (CCCV, current: 0.1 C, voltage: 4.2 V). Next, after a 10-minute pause, discharge treatment was performed to 2.5 V by a constant current method (CC, current: 0.1 C).

続いて、さらに10分間休止後、定電流定電圧方式(CCCV、電流:1C、電圧:4.2V)で3時間充電して、充電容量を測定した。その後、定電流(CC、電流:1C)で2.5Vまで放電させ、放電容量を測定した。これらのサイクルを繰り返し(サイクル試験)、初回充電容量に対する、1、100、および500サイクル目における放電容量の値を容量維持率として算出した。結果を下記の表1に示す。   Subsequently, after a further 10 minutes of rest, the battery was charged for 3 hours by a constant current constant voltage method (CCCV, current: 1 C, voltage: 4.2 V), and the charge capacity was measured. Then, it discharged to 2.5V with constant current (CC, electric current: 1C), and measured the discharge capacity. These cycles were repeated (cycle test), and the value of the discharge capacity at the 1st, 100th, and 500th cycles relative to the initial charge capacity was calculated as the capacity retention rate. The results are shown in Table 1 below.

表1に示す結果から、すべての実施例において、比較例よりも容量維持率が高いことがわかる。これは、第二活物質層が第一活物質層の面方向の膨張・収縮を緩和することで、集電体と負極活物質層との間の密着性の低下が抑制されることによるものと考えられる。   From the results shown in Table 1, it can be seen that in all of the examples, the capacity retention rate is higher than that of the comparative example. This is because the decrease in adhesion between the current collector and the negative electrode active material layer is suppressed by the second active material layer relaxing the expansion and contraction in the plane direction of the first active material layer. it is conceivable that.

4 Al製正極リード板、
5 Ni製負極リード板、
10 積層型電池、
11 集電体(正極集電体)、
12 負極集電体、
13 正極活物質層、
15 負極活物質層、
17 電解質層、
19 単電池層、
21 発電要素、
25 正極集電板、
27 負極集電板、
29、152 ラミネートシート、
50、50a、50b、50c リチウムイオン二次電池用電極、
51 集電体、
51a 開口部、
52 第一活物質層、
53 第二活物質層、
54 他の活物質層、
61 正極、
62 セパレータ、
63 負極、
64 正極リード板、
65 負極リード板、
150 リチウムイオン二次電池、
158 正極タブ、
159 負極タブ。
4 Al positive electrode lead plate,
5 Ni negative electrode lead plate,
10 stacked battery,
11 Current collector (positive electrode current collector),
12 negative electrode current collector,
13 positive electrode active material layer,
15 negative electrode active material layer,
17 electrolyte layer,
19 cell layer,
21 power generation elements,
25 positive current collector,
27 negative current collector,
29,152 Laminate sheet,
50, 50a, 50b, 50c Lithium ion secondary battery electrode,
51 current collector,
51a opening,
52 first active material layer,
53 second active material layer,
54 Other active material layers,
61 positive electrode,
62 separator,
63 negative electrode,
64 positive lead plate,
65 negative electrode lead plate,
150 lithium ion secondary battery,
158 positive electrode tab,
159 Negative electrode tab.

Claims (7)

集電体と、
前記集電体上に形成された活物質層とから構成され、
前記活物質層が、第一活物質層と、前記第一活物質層よりリチウムの吸蔵・放出による体積変化が小さい第二活物質層と、を含み、
前記第一活物質層および前記第二活物質層が電極の面方向に対して交互に配置されてなる、リチウムイオン二次電池用負極。
A current collector,
An active material layer formed on the current collector,
The active material layer includes a first active material layer, and a second active material layer having a smaller volume change due to insertion and extraction of lithium than the first active material layer,
A negative electrode for a lithium ion secondary battery, wherein the first active material layer and the second active material layer are alternately arranged with respect to the surface direction of the electrode.
前記第二活物質層のリチウムを吸蔵したときの電位降下が、前記第一活物質層のリチウムを吸蔵したときの電位降下より小さい、請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用負極。   The negative electrode for a lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein a potential drop when lithium in the second active material layer is occluded is smaller than a potential drop when lithium in the first active material layer is occluded. 前記集電体が格子状であり、前記第一活物質層が集電体の開口部を貫通している、請求項1または2に記載のリチウムイオン二次電池用負極。   The negative electrode for a lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein the current collector has a lattice shape, and the first active material layer penetrates through an opening of the current collector. 前記第一活物質層が、活物質として少なくともリチウムと合金化しうる元素を有する合金系材料を含む、請求項1〜3のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用負極。   The negative electrode for a lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the first active material layer includes an alloy material having at least an element that can be alloyed with lithium as an active material. 前記第二活物質層が、活物質として少なくとも炭素系材料を含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用負極。   The negative electrode for a lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 4, wherein the second active material layer includes at least a carbon-based material as an active material. 少なくとも前記第二活物質層が、リチウムをプレドープすることにより形成される空隙部を有する、請求項1〜5のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用負極。   The negative electrode for a lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 5, wherein at least the second active material layer has a void formed by pre-doping lithium. 請求項1〜6のいずれか1項に記載の負極を用いたリチウムイオン二次電池。   The lithium ion secondary battery using the negative electrode of any one of Claims 1-6.
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