JP2011044310A - Negative electrode for lithium ion secondary battery, method of manufacturing the same, lithium ion secondary battery employing the same - Google Patents

Negative electrode for lithium ion secondary battery, method of manufacturing the same, lithium ion secondary battery employing the same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a means capable of effectively preventing decrease in conductivity of an active material layer caused by expansion and contraction of an active material during discharge and charge in a negative electrode for a lithium ion secondary battery. <P>SOLUTION: The method of manufacturing the negative electrode for the lithium ion secondary battery includes the steps of: applying a mixture containing a negative electrode active material precursor and a thermosetting resin precursor to a surface of a collector; and heat-treating an obtained film. <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、その製造方法およびこれを用いたリチウムイオン二次電池に関する。   The present invention relates to a negative electrode for a lithium ion secondary battery, a method for producing the same, and a lithium ion secondary battery using the same.

近年、環境保護運動の高まりを背景として、電気自動車(EV)、ハイブリッド電気自動車(HEV)、および燃料電池車(FCV)の開発が進められている。これらのモータ駆動用電源としては繰り返し充放電可能な二次電池が適しており、特に高容量、高出力が期待できるリチウムイオン二次電池などの非水電解質二次電池が注目を集めている。   In recent years, the development of electric vehicles (EV), hybrid electric vehicles (HEV), and fuel cell vehicles (FCV) has been promoted against the background of the increasing environmental protection movement. A secondary battery that can be repeatedly charged and discharged is suitable as a power source for driving these motors, and a nonaqueous electrolyte secondary battery such as a lithium ion secondary battery that can be expected to have a high capacity and a high output is attracting attention.

リチウムイオン二次電池を車両用電池として実用化するに際しては、良好な高率放電特性や大きな出力が要求される。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インターカレーション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LiC6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。   When a lithium ion secondary battery is put to practical use as a vehicle battery, good high-rate discharge characteristics and a large output are required. Conventionally, carbon / graphite-based materials advantageous in terms of charge / discharge cycle life and cost have been used for negative electrodes of lithium ion secondary batteries. However, since the carbon / graphite negative electrode material is charged / discharged by intercalation of lithium ions into the graphite crystal, the charge / discharge capacity of a theoretical capacity of 372 mAh / g or more obtained from LiC6, which is the maximum lithium-introduced compound, is increased. There is a disadvantage that it 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、Li22Si5においては4199mAh/g程度もの理論容量を有する。   On the other hand, a battery using a material that is alloyed with lithium for a negative electrode is expected as a negative electrode material for a vehicle because the energy density is improved as compared with a conventional carbon / graphite negative electrode material. For example, Si material absorbs and releases 4.4 mol of lithium ions per mol as shown in the following reaction formula in charge and discharge, and Li22Si5 has a theoretical capacity of about 4199 mAh / g.

上記のように、リチウムイオン二次電池は正極および負極の活物質がリチウムイオンの吸蔵・放出を行うことによって充放電を行う。しかしながら、充放電反応の際にリチウムイオンが活物質を構成する元素と合金化すると、活物質の体積膨張が起こる。この体積膨張が大きいと、充放電を繰り返した場合に当該活物質が崩壊して微細化し、集電体から活物質が脱離する虞がある。また、薄膜状の活物質層の体積変化に伴って集電体に大きな応力が作用し、電極自体が大きくうねり変形する虞もある。これらの現象は、電池を構成した場合に集電性の低下を招き、電池のサイクル特性の低下をもたらす可能性がある。   As described above, in the lithium ion secondary battery, the positive and negative electrode active materials charge and discharge by occluding and releasing lithium ions. However, when lithium ions are alloyed with elements constituting the active material during the charge / discharge reaction, volume expansion of the active material occurs. If the volume expansion is large, the active material may collapse and become finer when charging and discharging are repeated, and the active material may be detached from the current collector. Further, a large stress acts on the current collector as the volume of the thin film active material layer changes, and the electrode itself may be greatly swelled and deformed. These phenomena may cause a decrease in current collecting performance when the battery is configured, and may cause a decrease in cycle characteristics of the battery.

かかる問題に対処するための技術として、特許文献1に記載の技術が提案されている。当該特許文献1には、ケイ素またはケイ素合金を含む活物質粒子とバインダとを含む活物質層を導電性の集電体表面に配置した後、非酸化性雰囲気下で焼結することにより、リチウム二次電池用負極を得る技術が提案されている。この技術によれば、活物質の微粉化や活物質層からの脱離に起因する集電性の低下が抑制され、電池のサイクル特性を向上させることができる、としている。   As a technique for dealing with such a problem, a technique described in Patent Document 1 has been proposed. In Patent Document 1, an active material layer containing active material particles containing silicon or a silicon alloy and a binder is disposed on the surface of a conductive current collector, and then sintered in a non-oxidizing atmosphere to thereby form lithium. A technique for obtaining a negative electrode for a secondary battery has been proposed. According to this technique, it is said that a decrease in current collection caused by pulverization of the active material or desorption from the active material layer is suppressed, and the cycle characteristics of the battery can be improved.

特開2004−22433号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2004-22433

しかしながら、特許文献1に記載の技術を用いた場合であっても、活物質粒子の膨張収縮に起因する活物質の微粉化や活物質層からの脱離に起因する活物質層の導電性の低下を十分には防止できないという問題があった。   However, even when the technique described in Patent Document 1 is used, the conductivity of the active material layer due to the pulverization of the active material due to the expansion and contraction of the active material particles and the detachment from the active material layer is reduced. There was a problem that the decrease could not be prevented sufficiently.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、リチウムイオン二次電池用負極において、充放電時の活物質の膨張収縮に起因する活物質層の導電性の低下を効果的に防止しうる手段を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and in a negative electrode for a lithium ion secondary battery, effectively prevents a decrease in conductivity of the active material layer due to expansion and contraction of the active material during charge and discharge. It is an object of the present invention to provide a possible means.

本発明のリチウムイオン二次電池用負極の製造方法は、負極活物質前駆体と熱硬化性樹脂前駆体とを含む混合物を集電体の表面に塗布する工程と、得られた塗膜を熱処理する工程とを含む。   The method for producing a negative electrode for a lithium ion secondary battery of the present invention includes a step of applying a mixture containing a negative electrode active material precursor and a thermosetting resin precursor to the surface of a current collector, and heat treating the resulting coating film Including the step of.

本発明の製造方法により得られたリチウムイオン二次電池用負極においては、バインダとして機能する熱硬化性樹脂が、三次元網目構造を有する負極活物質とナノレベルで分散混合されている。その結果、負極活物質と熱硬化性樹脂との接着性が向上する。したがって、負極活物質が充放電時に膨張収縮した場合であっても負極活物質層の構造が保持され、活物質層の導電性の低下が防止されうる。   In the negative electrode for a lithium ion secondary battery obtained by the production method of the present invention, a thermosetting resin functioning as a binder is dispersed and mixed at a nano level with a negative electrode active material having a three-dimensional network structure. As a result, the adhesion between the negative electrode active material and the thermosetting resin is improved. Therefore, even when the negative electrode active material expands and contracts during charge and discharge, the structure of the negative electrode active material layer is maintained, and the decrease in conductivity of the active material layer can be prevented.

本発明の製造方法により得られるリチウムイオン二次電池用負極の一実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows one Embodiment of the negative electrode for lithium ion secondary batteries obtained by the manufacturing method of this invention. 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。It is the cross-sectional schematic which represented typically the whole structure of the laminated lithium ion secondary battery (stacked battery) which is not a bipolar type.

以下、本発明の実施の形態を説明する。   Embodiments of the present invention will be described below.

[負極の製造方法]
本発明の第1の形態は、負極活物質前駆体と熱硬化性樹脂前駆体とを含む混合物を集電体の表面に塗布する工程(塗布工程)と、得られた塗膜を熱処理する工程(熱処理工程)とを含む、リチウムイオン二次電池用負極の製造方法である。以下、工程順に詳細に説明する。
[Production method of negative electrode]
The first aspect of the present invention is a step of applying a mixture containing a negative electrode active material precursor and a thermosetting resin precursor to the surface of a current collector (application step), and a step of heat-treating the obtained coating film (The heat treatment process). The manufacturing method of the negative electrode for lithium ion secondary batteries. Hereinafter, it demonstrates in detail in order of a process.

(塗布工程)
本工程においては、まず、熱処理によって負極活物質へと変換される材料(負極活物質前駆体)と、熱処理によって熱硬化性樹脂へと変換される材料(熱硬化性樹脂前駆体)とを含む混合物を準備する。かような混合物については、市販品が存在する場合には当該市販品を購入することにより準備してもよいし、場合によっては自ら調製することにより準備してもよい。以下、負極活物質がケイ素(Si)を含み、熱硬化性樹脂がポリイミドである場合を例に挙げて、当該混合物を自ら調製することにより準備する手法について説明する。
(Coating process)
In this step, first, a material that is converted into a negative electrode active material by heat treatment (negative electrode active material precursor) and a material that is converted into a thermosetting resin by heat treatment (thermosetting resin precursor) are included. Prepare the mixture. About such a mixture, when a commercial item exists, you may prepare by purchasing the said commercial item, and depending on the case, you may prepare by preparing itself. Hereinafter, a method of preparing the mixture by itself will be described by taking as an example the case where the negative electrode active material contains silicon (Si) and the thermosetting resin is polyimide.

負極活物質がケイ素(Si)を含む場合の負極活物質前駆体について特に制限はなく、熱処理によって上述したケイ素を含む負極活物質へと変換される材料であればよい。かような負極活物質前駆体の一例としては、例えば、下記化学式1:   There is no restriction | limiting in particular about a negative electrode active material precursor in case a negative electrode active material contains silicon (Si), What is necessary is just the material converted into the negative electrode active material containing silicon mentioned above by heat processing. As an example of such a negative electrode active material precursor, for example, the following chemical formula 1:

式中、nは5〜20の整数であり、mは2nまたは2n−1で表される整数である、
で表されるケイ素化合物が挙げられる。化学式1において、mが2nである場合、当該ケイ素化合物は環構造または不飽和二重結合を1つ有する。また、mが2n−1である場合、当該ケイ素化合物は、環構造および/または不飽和二重結合を合計で2つ有する。かようなケイ素化合物の具体例としては、例えば、1つの環構造を有する(mが2nである)ものとして、シクロトリシラン、シクロテトラシラン、シクロペンタシラン、シクロヘキサシラン、シクロヘプタシランなどが挙げられる。また、2つの環構造を有する(mが2n−1である)ものとして、1,1’−ビシクロブタシラン、1,1’−ビシクロペンタシラン、1,1’−ビシクロヘキサシラン、1,1’−ビシクロヘプタシラン、1,1’−シクロブタシリルシクロペンタシラン、1,1’−シクロブタシリルシクロヘキサシラン、1,1’−シクロブタシリルシクロヘプタシラン、1,1’−シクロペンタシリルシクロヘキサシラン、1,1’−シクロペンタシリルシクロヘプタシラン、1,1’−シクロヘキサシリルシクロヘプタシラン、スピロ[2,2]ペンタシラン、スピロ[3,3]ヘプタタシラン、スピロ[4,4]ノナシラン、スピロ[4,5]デカシラン、スピロ[4,6]ウンデカシラン、スピロ[5,5]ウンデカシラン、スピロ[5,6]ウンデカシラン、スピロ[6,6]トリデカシランなどが挙げられる。また、これらのケイ素化合物の骨格の水素原子の一部がSiH3基で置換されたケイ素化合物もまた、同様に負極活物質前駆体として用いられうる。これらのケイ素化合物は、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。このように、負極活物質前駆体がケイ素を含む化学式1のような材料から構成されることで、容量およびエネルギー密度に優れた電池が構成されうる。
In the formula, n is an integer of 5 to 20, and m is an integer represented by 2n or 2n-1.
The silicon compound represented by these is mentioned. In Chemical Formula 1, when m is 2n, the silicon compound has one ring structure or one unsaturated double bond. When m is 2n-1, the silicon compound has a total of two ring structures and / or unsaturated double bonds. Specific examples of such silicon compounds include, for example, cyclotrisilane, cyclotetrasilane, cyclopentasilane, cyclohexasilane, cycloheptasilane and the like having one ring structure (m is 2n). Can be mentioned. As those having two ring structures (m is 2n-1), 1,1'-bicyclobutasilane, 1,1'-bicyclopentasilane, 1,1'-bicyclohexasilane, 1,1 '-Bicycloheptasilane, 1,1'-cyclobutasilylcyclopentasilane, 1,1'-cyclobutasilylcyclohexasilane, 1,1'-cyclobutasilylcycloheptasilane, 1,1'-cyclopentasilyl Cyclohexasilane, 1,1′-cyclopentasilylcycloheptasilane, 1,1′-cyclohexasilylcycloheptasilane, spiro [2,2] pentasilane, spiro [3,3] heptatasilane, spiro [4,4] Nonasilane, Spiro [4,5] decasilane, Spiro [4,6] undecasilane, Spiro [5,5] undecasilane, Spiro [5,6] undecasilane And spiro [6,6] tridecasilane. In addition, silicon compounds in which some of the hydrogen atoms in the skeletons of these silicon compounds are substituted with SiH 3 groups can also be used as the negative electrode active material precursor. As for these silicon compounds, only 1 type may be used independently and 2 or more types may be used together. As described above, when the negative electrode active material precursor is made of a material such as Chemical Formula 1 containing silicon, a battery having excellent capacity and energy density can be formed.

熱硬化性樹脂がポリイミドである場合の熱硬化性樹脂前駆体について特に制限はなく、熱処理によってポリイミドへと変換される材料であればよい。かような熱硬化性樹脂前駆体の一例としては、例えば、ポリアミック酸が挙げられる。ポリアミック酸はポリアミド酸とも称され、ポリイミドのイミド結合における一方のアミド結合が開裂した状態の構造(アミド酸構造)を有する高分子である。また、場合によっては、アルコキシシリル基などで変性されたシラン変性ポリアミック酸などの変性ポリアミック酸が熱硬化性樹脂前駆体として用いられてもよい。かような形態によれば、得られた負極においてポリイミドがバインダとして機能することになる。したがって、熱的・機械的特性に優れる負極が提供されうる。   There is no restriction | limiting in particular about the thermosetting resin precursor in case a thermosetting resin is a polyimide, What is necessary is just the material converted into a polyimide by heat processing. An example of such a thermosetting resin precursor is polyamic acid. A polyamic acid is also called a polyamic acid, and is a polymer having a structure (amide acid structure) in which one amide bond in a polyimide imide bond is cleaved. In some cases, a modified polyamic acid such as a silane-modified polyamic acid modified with an alkoxysilyl group or the like may be used as the thermosetting resin precursor. According to such a form, polyimide functions as a binder in the obtained negative electrode. Therefore, a negative electrode having excellent thermal and mechanical properties can be provided.

続いて、上述した負極活物質前駆体および熱硬化性樹脂前駆体を、適当な溶媒中に添加し、溶解または分散させる。これにより、負極活物質前駆体と熱硬化性樹脂前駆体とを含む混合物が得られる。この際、用いられうる溶媒について特に制限はなく、負極活物質前駆体および熱硬化性樹脂前駆体の双方が相溶する溶媒が適宜用いられうる。かような溶媒の一例としては、例えば、ジメチルスルホキシド(DMSO)、γ−ブチロラクトン(GBL)、ジオキソラン−2−オンなどが挙げられる。また、混合物における各成分の配合量についても特に制限はなく、製造される負極の負極活物質層における所望の配合比を考慮して、適宜決定されうる。なお、場合によっては、上記成分以外の成分(例えば、導電性材料や電解質・支持塩など)を混合物に添加してもよい。   Subsequently, the negative electrode active material precursor and the thermosetting resin precursor described above are added to an appropriate solvent and dissolved or dispersed. Thereby, the mixture containing a negative electrode active material precursor and a thermosetting resin precursor is obtained. At this time, the solvent that can be used is not particularly limited, and a solvent in which both the negative electrode active material precursor and the thermosetting resin precursor are compatible can be appropriately used. Examples of such solvents include dimethyl sulfoxide (DMSO), γ-butyrolactone (GBL), dioxolan-2-one, and the like. Moreover, there is no restriction | limiting in particular about the compounding quantity of each component in a mixture, It can determine suitably in consideration of the desired compounding ratio in the negative electrode active material layer of the negative electrode manufactured. In some cases, components other than the above components (for example, conductive materials, electrolytes, supporting salts, etc.) may be added to the mixture.

本工程においては、一方で集電体を準備する。集電体の構成材料としては、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、銅、銀、白金、ステンレスまたはカーボンが挙げられ、これらは単体、合金または複合体をなしてもよい。また、負極活物質前駆体と熱硬化性樹脂前駆体とを含む混合物との濡れ性改善のために表面処理を施していてもよい。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構造体もまた、集電体の一形態として採用されうる。   In this step, on the other hand, a current collector is prepared. As a material constituting the current collector, a metal or a conductive polymer can be employed. Specific examples include iron, chromium, nickel, manganese, titanium, molybdenum, vanadium, niobium, copper, silver, platinum, stainless steel, and carbon, and these may form a simple substance, an alloy, or a composite. In addition, surface treatment may be performed to improve wettability with the mixture containing the negative electrode active material precursor and the thermosetting resin precursor. Note that a structure having a structure in which a conductive filler is dispersed in a base material made of a nonconductive polymer can also be adopted as one form of the current collector.

次いで、上記で準備した混合物を、集電体の表面に塗布する。これにより、当該混合物からなる塗膜が、集電体の表面に形成される。この塗膜は、後述する熱処理工程によって、負極活物質層へと変換される。   Next, the mixture prepared above is applied to the surface of the current collector. Thereby, the coating film which consists of the said mixture is formed in the surface of an electrical power collector. This coating film is converted into a negative electrode active material layer by a heat treatment step described later.

(熱処理工程)
本工程では、上述した塗布工程において得られた塗膜を熱処理する。これにより、塗膜に含まれる溶媒は揮発して乾燥される。また、塗膜に含まれる負極活物質前駆体(ケイ素化合物)では脱水素反応が進行し、最終的には負極活物質として機能しうるケイ素の単体が生成する。一方、塗膜に含まれる熱硬化性樹脂前駆体(ポリアミック酸)ではイミド化が進行し、最終的には熱硬化性樹脂であるポリイミドが生成する。本工程では、一度の熱処理によって上述した2つの反応を同時に進行させる点に特徴がある。その結果、熱硬化性樹脂(ポリイミド)が負極活物質(ケイ素)と三次元的に交絡した構成を有する負極活物質層が得られる。このように、本形態の製造方法により得られる負極においては、バインダとして機能する熱硬化性樹脂が、三次元網目構造を有する負極活物質とナノレベルで分散混合されている。その結果、負極活物質と熱硬化性樹脂との接着性が向上する。したがって、負極活物質が充放電時に膨張収縮した場合であっても負極活物質層の構造が保持され、活物質層の導電性の低下が防止されうるのである。
(Heat treatment process)
In this step, the coating film obtained in the coating step described above is heat treated. Thereby, the solvent contained in the coating film is volatilized and dried. Further, in the negative electrode active material precursor (silicon compound) contained in the coating film, a dehydrogenation reaction proceeds, and finally a silicon simple substance that can function as a negative electrode active material is generated. On the other hand, imidization proceeds in the thermosetting resin precursor (polyamic acid) contained in the coating film, and finally polyimide which is a thermosetting resin is generated. This process is characterized in that the above-described two reactions proceed simultaneously by a single heat treatment. As a result, a negative electrode active material layer having a configuration in which a thermosetting resin (polyimide) is three-dimensionally entangled with the negative electrode active material (silicon) is obtained. Thus, in the negative electrode obtained by the manufacturing method of this embodiment, the thermosetting resin functioning as a binder is dispersed and mixed at a nano level with the negative electrode active material having a three-dimensional network structure. As a result, the adhesion between the negative electrode active material and the thermosetting resin is improved. Therefore, even when the negative electrode active material expands and contracts during charge and discharge, the structure of the negative electrode active material layer is maintained, and the decrease in conductivity of the active material layer can be prevented.

熱処理の具体的な形態について特に制限はなく、ケイ素化合物のケイ素化やポリアミック酸のイミド化に必要十分な温度・時間が適宜設定されうる。熱処理の際の温度は特に制限されないが、好ましくは350〜650℃であり、より好ましくは400〜600℃であり、さらに好ましくは400〜450℃である。熱処理温度が350℃以上であれば、負極活物質前駆体の負極活物質への変換反応が充分に進行しうる。一方、熱処理温度が600℃以下であれば、熱処理により生成する熱硬化性樹脂の耐熱温度を超えないため、負極活物質層の機械的強度の低下が防止されうる。また、熱処理時間についても特に制限はなく、10分間〜10時間程度、好ましくは30分間〜3時間である。   There is no restriction | limiting in particular about the specific form of heat processing, and temperature and time required and sufficient for siliconization of a silicon compound or imidation of a polyamic acid can be set suitably. The temperature during the heat treatment is not particularly limited, but is preferably 350 to 650 ° C, more preferably 400 to 600 ° C, and further preferably 400 to 450 ° C. When the heat treatment temperature is 350 ° C. or higher, the conversion reaction of the negative electrode active material precursor to the negative electrode active material can proceed sufficiently. On the other hand, when the heat treatment temperature is 600 ° C. or lower, since the heat resistance temperature of the thermosetting resin generated by the heat treatment is not exceeded, the mechanical strength of the negative electrode active material layer can be prevented from being lowered. Moreover, there is no restriction | limiting in particular also about heat processing time, About 10 minutes-10 hours, Preferably it is 30 minutes-3 hours.

なお、ケイ素(Si)薄膜からなる負極を気相成長法や蒸着法などの気相プロセスによって作製する手法も知られている。しかしながら、一般的にかような気相プロセスは高価である。本実施形態の製造方法によれば、熱処理という安価なプロセスによって同等かそれ以上の性能を発揮しうる負極が提供されうるという利点もある。   In addition, a technique for producing a negative electrode made of a silicon (Si) thin film by a vapor phase process such as a vapor deposition method or a vapor deposition method is also known. However, generally such gas phase processes are expensive. According to the manufacturing method of the present embodiment, there is an advantage that a negative electrode capable of exhibiting equivalent or higher performance can be provided by an inexpensive process called heat treatment.

(電極)
本発明においては、第2の形態として、上述した製造方法により製造されるリチウムイオン二次電池用負極もまた、提供されうる。ただし、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、上述した製造方法によって製造された形態のみに、本形態の負極の技術的範囲が限定されるわけではない。
(electrode)
In this invention, the negative electrode for lithium ion secondary batteries manufactured by the manufacturing method mentioned above as a 2nd form can also be provided. However, the technical scope of the present invention should be determined based on the description of the scope of claims, and the technical scope of the negative electrode of the present embodiment is not limited to the form manufactured by the manufacturing method described above. Absent.

すなわち、本発明の第2の形態は、集電体と、前記集電体の表面に形成された負極活物質層とを有するリチウムイオン二次電池用負極であって、前記負極活物質層が、三次元網目構造を有する負極活物質および熱硬化性樹脂を含み、前記熱硬化性樹脂が前記負極活物質と三次元的に交絡していることを特徴とする、リチウムイオン二次電池用負極である。   That is, the second embodiment of the present invention is a negative electrode for a lithium ion secondary battery having a current collector and a negative electrode active material layer formed on the surface of the current collector, wherein the negative electrode active material layer is A negative electrode for a lithium ion secondary battery comprising a negative electrode active material having a three-dimensional network structure and a thermosetting resin, wherein the thermosetting resin is three-dimensionally entangled with the negative electrode active material It is.

まず、本形態のリチウムイオン二次電池用負極の構造について、図面を参照して説明する。なお、本明細書においては、説明の都合上、図面が誇張されており、本発明の技術的範囲は、図面に掲示する形態に限定されず、図面以外の実施形態も採用されうる。   First, the structure of the negative electrode for a lithium ion secondary battery of this embodiment will be described with reference to the drawings. In the present specification, the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and the technical scope of the present invention is not limited to the forms shown in the drawings, and embodiments other than the drawings can also be adopted.

図1は、本発明により提供されるリチウムイオン二次電池用負極の一実施形態を示す断面図である。図1に示すように、本実施形態のリチウムイオン二次電池用負極1は、集電体2と、当該集電体2の表面に形成された負極活物質層3とを有する。本実施形態において、集電体2は金属箔(例えば、銅箔)から構成されている。負極活物質層3は、リチウムを吸蔵・放出可能な材料からなる負極活物質3aを含む。本実施形態において、負極活物質3aは、三次元網目構造を有する。また、負極活物質層3は、熱硬化性樹脂3bを含む。この熱硬化性樹脂3bは、負極活物質層3においてバインダとして機能する。そして、図1に示すように、本実施形態の負極活物質層3においては、熱硬化性樹脂3bが、三次元網目構造を有する負極活物質3aと三次元的に交絡している。ここで、「熱硬化性樹脂が負極活物質と三次元的に交絡している」という形態には、熱硬化性樹脂と負極活物質とが互いに相分離した状態でマクロ的には三次元的に絡み合った形態も含まれる。   FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of a negative electrode for a lithium ion secondary battery provided by the present invention. As shown in FIG. 1, the negative electrode 1 for a lithium ion secondary battery according to this embodiment includes a current collector 2 and a negative electrode active material layer 3 formed on the surface of the current collector 2. In the present embodiment, the current collector 2 is composed of a metal foil (for example, a copper foil). The negative electrode active material layer 3 includes a negative electrode active material 3a made of a material capable of inserting and extracting lithium. In the present embodiment, the negative electrode active material 3a has a three-dimensional network structure. The negative electrode active material layer 3 includes a thermosetting resin 3b. The thermosetting resin 3 b functions as a binder in the negative electrode active material layer 3. And in the negative electrode active material layer 3 of this embodiment, as shown in FIG. 1, the thermosetting resin 3b is entangled three-dimensionally with the negative electrode active material 3a which has a three-dimensional network structure. Here, “the thermosetting resin is entangled three-dimensionally with the negative electrode active material” is a macroscopic three-dimensional state in which the thermosetting resin and the negative electrode active material are phase-separated from each other. The form intertwined with is also included.

なお、図1に示す形態では、説明の簡単のために集電体2の片面のみに負極活物質層3が図示されているが、通常は集電体2の両面に活物質層が設けられる。この際、双極型電池に用いられる電極では、集電体2の一方の面に正極活物質層が設けられ、他方の面に負極活物質層3が設けられる。また、双極型でない電池に用いられる電極(負極)では、集電体2の両面に負極活物質層3が設けられる。   In the embodiment shown in FIG. 1, the negative electrode active material layer 3 is shown only on one side of the current collector 2 for the sake of simplicity of explanation. However, the active material layer is usually provided on both sides of the current collector 2. . In this case, in the electrode used for the bipolar battery, the positive electrode active material layer is provided on one surface of the current collector 2 and the negative electrode active material layer 3 is provided on the other surface. Further, in an electrode (negative electrode) used for a battery that is not bipolar, the negative electrode active material layer 3 is provided on both surfaces of the current collector 2.

以下、本実施形態の負極を構成する部材について順を追って説明するが、本発明の技術的範囲は下記の形態のみに制限されない。   Hereinafter, although the member which comprises the negative electrode of this embodiment is demonstrated in order, the technical scope of this invention is not restrict | limited only to the following form.

[集電体]
集電体2は、負極活物質層3と外部とを電気的に接続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、上述した製造方法の欄において説明した材料が終電体の構成材料として用いられうる。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。
[Current collector]
The current collector 2 is a member for electrically connecting the negative electrode active material layer 3 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, the material described in the column of the manufacturing method described above can be used as the constituent material of the final power source. 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.

[負極活物質層]
本実施形態において、負極活物質層3は負極活物質3aおよび熱硬化性樹脂3bを必須に含む。また、必要に応じて電気伝導性を高めるための導電性材料、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。
[Negative electrode active material layer]
In the present embodiment, the negative electrode active material layer 3 essentially includes a negative electrode active material 3a and a thermosetting resin 3b. Further, if necessary, it further includes a conductive material for increasing electrical conductivity, an electrolyte (polymer matrix, ion conductive polymer, electrolytic solution, etc.), and an electrolyte supporting salt (lithium salt) for increasing ionic conductivity. sell.

(負極活物質)
負極活物質はリチウムを吸蔵・放出可能な材料からなるものであれば特に制限されないが、三次元網目構造を有するものであることが必要である。かような負極活物質としては、金属の単体や酸化物、炭化物などが例示されうる。なかでも、負極活物質は、リチウムと合金化しうる元素を含むことが好ましい。リチウムと合金化しうる元素を含む負極活物質の形態としては、リチウムと合金化しうる元素の単体、これらの元素を含む酸化物および炭化物等が挙げられる。
(Negative electrode active material)
The negative electrode active material is not particularly limited as long as it is made of a material capable of inserting and extracting lithium, but it needs to have a three-dimensional network structure. As such a negative electrode active material, a metal simple substance, an oxide, a carbide | carbonized_material, etc. can be illustrated. Especially, it is preferable that a negative electrode active material contains the element which can be alloyed with lithium. Examples of the form of the negative electrode active material containing an element that can be alloyed with lithium include simple elements that can be alloyed with lithium, oxides and carbides containing these elements, and the like.

リチウムと合金化しうる元素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。また、リチウムと合金化しうる元素を含む材料からなる負極活物質は、電池の充放電時における膨張収縮に伴う体積変化が大きい。上述したように、本実施形態によれば、負極活物質が充放電時に膨張収縮した場合であっても負極活物質層の構造が保持され、活物質層の導電性の低下が防止されうるという効果が発揮される。よって、充放電時の体積変化が大きいこれらの活物質を用いると、本発明の作用効果がより顕著に発揮されるため、好ましい。   By using an element that can be alloyed with lithium, a high-capacity battery having a higher energy density than that of a conventional carbon material can be obtained. In addition, a negative electrode active material made of a material containing an element that can be alloyed with lithium has a large volume change accompanying expansion and contraction during charging and discharging of the battery. As described above, according to the present embodiment, the structure of the negative electrode active material layer is maintained even when the negative electrode active material expands and contracts during charge and discharge, and the decrease in conductivity of the active material layer can be prevented. The effect is demonstrated. Therefore, it is preferable to use these active materials having a large volume change during charge / discharge because the effects of the present invention are more remarkably exhibited.

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。これらのなかでも、容量およびエネルギー密度に優れた電池を構成できるという観点から、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。酸化物としては、一酸化ケイ素(SiO)、二酸化スズ(SnO2)、一酸化スズ(SnO)などを用いることができる。これらは1種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。   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, the negative electrode active material is at least one selected from the group consisting of Si, Ge, Sn, Pb, Al, In, and Zn from the viewpoint that a battery excellent in capacity and energy density can be configured. It is preferable to include an element, more preferably to include Si or Sn, and particularly preferably to include Si. As the oxide, silicon monoxide (SiO), tin dioxide (SnO2), tin monoxide (SnO), or the like can be used. These may be used alone or in combination of two or more.

なお、負極活物質層3における上記負極活物質の形状は特に制限されず、薄膜状、粒子状、その他の任意の形状でありうる。   The shape of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer 3 is not particularly limited, and may be a thin film shape, a particle shape, or any other shape.

場合によっては、三次元網目構造を有する上述した負極活物質に加えて、その他の従来公知の負極活物質が負極活物質層に含まれてもよい。かようなその他の負極活物質としては、例えば、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:Li4Ti5O12)等のリチウム−遷移金属複合酸化物などが挙げられる。場合によっては、これらのその他の負極活物質が2種以上併用されてもよい。   In some cases, in addition to the above-described negative electrode active material having a three-dimensional network structure, other conventionally known negative electrode active materials may be included in the negative electrode active material layer. Examples of such other negative electrode active materials include carbon materials such as graphite, soft carbon, and hard carbon, metal materials such as lithium metal, and lithium-transitions such as lithium-titanium composite oxide (lithium titanate: Li4Ti5O12). Examples include metal complex oxides. In some cases, two or more of these other 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活物質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、負極活物質100質量%中、リチウムと合金化しうる元素を含む活物質が好ましくは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 to include a large amount of a negative electrode active material containing an element that can be alloyed with lithium in the active material. In a more preferable form, specifically, in 100% by mass of the negative electrode active material, the active material containing an element capable of alloying with lithium is preferably 60% by mass or more, more preferably 80% by mass or more, and further preferably 90% by mass. As mentioned above, 100 mass% is contained especially preferably.

負極活物質層3の全量100質量%に対する負極活物質の含有量は、通常50〜90質量%程度であり、好ましくは55〜80質量%であり、さらに好ましくは60〜75質量%である。   The content of the negative electrode active material relative to 100% by mass of the total amount of the negative electrode active material layer 3 is usually about 50 to 90% by mass, preferably 55 to 80% by mass, and more preferably 60 to 75% by mass.

(熱硬化性樹脂)
負極活物質層3に含まれる熱硬化性樹脂は、負極活物質層3におけるバインダとして機能する。ここで「熱硬化性樹脂」とは、熱可塑性樹脂の対概念であり、熱によって不可逆的に硬化する樹脂を意味する。本実施形態において用いられうる熱硬化性樹脂の具体的な形態について特に制限はない。ただし一例をあげると、例えば、ポリイミド、フェノール樹、エポキシ樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂,ポリウレタンなどが用いられうる。なかでも、ポリイミドが熱硬化性樹脂として好ましく用いられる。ポリイミドとは、分子中の繰り返し単位に酸イミド結合を含む高分子の総称であり、芳香族化合物が直接イミド結合で連結された芳香族ポリイミドがその典型である。特に、芳香族ポリイミドは芳香族環どうしがイミド結合を介した共役構造を有するため、分子構造は剛直で強固なものとなる。また、イミド結合は強い分子間力を有することから、すべての高分子のなかでも最高レベルの熱的・機械的特性を示すものである。なお、アルコキシシリル基などで変性されたシラン変性ポリイミドなどの変性ポリイミドが熱硬化性樹脂として用いられてもよい。
(Thermosetting resin)
The thermosetting resin contained in the negative electrode active material layer 3 functions as a binder in the negative electrode active material layer 3. Here, the “thermosetting resin” is a concept of a thermoplastic resin, and means a resin that is irreversibly cured by heat. There is no restriction | limiting in particular about the specific form of the thermosetting resin which can be used in this embodiment. However, for example, polyimide, phenol resin, epoxy resin, urea resin, melamine resin, unsaturated polyester resin, polyurethane and the like can be used. Among these, polyimide is preferably used as the thermosetting resin. Polyimide is a general term for polymers containing acid imide bonds in repeating units in the molecule, and is typically an aromatic polyimide in which aromatic compounds are directly linked by imide bonds. In particular, the aromatic polyimide has a conjugated structure in which aromatic rings are linked via an imide bond, so that the molecular structure is rigid and strong. In addition, since the imide bond has a strong intermolecular force, it exhibits the highest level of thermal and mechanical properties among all polymers. A modified polyimide such as a silane-modified polyimide modified with an alkoxysilyl group or the like may be used as the thermosetting resin.

負極活物質層3の全量100質量%に対する熱硬化性樹脂の含有量は、通常10〜40質量%程度であり、好ましくは15〜35質量%であり、さらに好ましくは20〜30質量%である。   The content of the thermosetting resin relative to 100% by mass of the total amount of the negative electrode active material layer 3 is usually about 10 to 40% by mass, preferably 15 to 35% by mass, and more preferably 20 to 30% by mass. .

(導電性材料)
導電性材料は、負極活物質層3の導電性を向上させることを目的として配合される。本実施形態において用いられうる導電性材料は特に制限されず、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、ファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック;気相成長炭素繊維(VGCF)等の炭素繊維;グラファイトなどの炭素材料が挙げられる。活物質層が導電性材料を含むと、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、本実施形態の負極から構成される電池の出力特性の向上に寄与しうる。
(Conductive material)
The conductive material is blended for the purpose of improving the conductivity of the negative electrode active material layer 3. The electrically conductive material 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 blacks such as acetylene black, furnace black, channel black, and thermal black; carbon fibers such as vapor grown carbon fiber (VGCF); and carbon materials such as graphite. When the active material layer includes a conductive material, an electronic network inside the active material layer is effectively formed, which can contribute to improvement of output characteristics of the battery including the negative electrode of the present embodiment.

負極活物質層3の全量100質量%に対する導電性材料の含有量は、通常0〜30質量%程度であり、好ましくは1〜10質量%であり、さらに好ましくは3〜7質量%である。   The content of the conductive material relative to 100% by mass of the total amount of the negative electrode active material layer 3 is usually about 0 to 30% by mass, preferably 1 to 10% by mass, and more preferably 3 to 7% by mass.

(電解質・支持塩)
電解質としては、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)、それらの共重合体などのリチウム塩を含むイオン伝導性ポリマー(固体高分子電解質)などが挙げられるが、これらに制限されることはない。また、後述する電池の電解質層に含まれうる電解質の材料が同様に負極活物質層に含まれうる。
(Electrolyte / Supporting salt)
Examples of the electrolyte include, but are not limited to, ion conductive polymers (solid polymer electrolytes) including lithium salts such as polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), and copolymers thereof. There is nothing. In addition, an electrolyte material that can be included in the electrolyte layer of the battery, which will be described later, may be included in the negative electrode active material layer as well.

支持塩(リチウム塩)としては、以下に制限されないが、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiTaF6、LiAlCl4、Li2B10Cl10等の無機酸陰イオン塩;LiCF3SO3、Li(CF3SO2)2N、Li(C2F5SO2)2N等の有機酸陰イオン塩が挙げられる。これらの支持塩は、単独で使用されてもよいし、2種以上が併用されてもよい。   The supporting salt (lithium salt) is not limited to the following, but inorganic acid anion salts such as LiPF6, LiBF4, LiClO4, LiAsF6, LiTaF6, LiAlCl4, Li2B10Cl10; LiCF3SO3, Li (CF3SO2) 2N, Li (C2F5SO2) 2N, etc. Organic acid anion salts of These supporting salts may be used alone or in combination of two or more.

本実施形態の負極によれば、上述したような構成を有することで、バインダとして機能する熱硬化性樹脂が、三次元網目構造を有する負極活物質とナノレベルで分散混合されることとなる。その結果、負極活物質と熱硬化性樹脂との接着性が向上する。したがって、負極活物質が充放電時に膨張収縮した場合であっても負極活物質層の構造が保持され、活物質層の導電性の低下が防止されうるのである。   According to the negative electrode of the present embodiment, by having the above-described configuration, the thermosetting resin that functions as a binder is dispersed and mixed at a nano level with the negative electrode active material having a three-dimensional network structure. As a result, the adhesion between the negative electrode active material and the thermosetting resin is improved. Therefore, even when the negative electrode active material expands and contracts during charge and discharge, the structure of the negative electrode active material layer is maintained, and the decrease in conductivity of the active material layer can be prevented.

[電池]
上述した実施形態に係る製造方法により得られる負極や、図1に示す形態の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、本発明の他の形態は、上述した実施形態に係る負極を用いたリチウムイオン二次電池である。リチウムイオン二次電池の構造および形態は、双極型電池、双極型でない積層型電池(単に、「積層型電池」とも称する)など特に制限されず、従来公知のいずれの構造にも適用されうる。以下、本発明の実施形態に係るリチウムイオン二次電池の構造について説明する。
[battery]
The negative electrode obtained by the manufacturing method according to the embodiment described above and the negative electrode for a lithium ion secondary battery in the form shown in FIG. 1 can be used for a lithium ion secondary battery. That is, the other form of this invention is a lithium ion secondary battery using the negative electrode which concerns on embodiment mentioned above. The structure and form of the lithium ion secondary battery are not particularly limited, such as a bipolar battery and a non-bipolar stacked battery (also simply referred to as “stacked battery”), and can be applied to any conventionally known structure. Hereinafter, the structure of the lithium ion secondary battery according to the embodiment of the present invention will be described.

図2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。   FIG. 2 is a schematic cross-sectional view schematically showing the overall structure of a stacked lithium ion secondary battery (stacked battery) that is not bipolar.

図2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。   As shown in FIG. 2, 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.

発電要素21は、負極集電体11の両面に負極活物質層13が配置された正極と、電解質層17と、正極集電体12の両面に正極活物質層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つの負極活物質層13とこれに隣接する正極活物質層15とが、電解質層17を介して対向するようにして、負極、電解質層および正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 negative electrode active material layer 13 is disposed on both surfaces of the negative electrode current collector 11, an electrolyte layer 17, and a negative electrode in which the positive electrode active material layer 15 is disposed on both surfaces of the positive electrode current collector 12. It has a stacked configuration. Specifically, the negative electrode, the electrolyte layer, and the positive electrode are stacked in this order so that one negative electrode active material layer 13 and the positive electrode active material layer 15 adjacent thereto face each other with the electrolyte layer 17 therebetween. .

これにより、隣接する負極、電解質層および正極は、1つの単電池層19を構成する。従って、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負極集電体には、いずれも片面のみに負極活物質層12が配置されている。なお、図2とは負極および正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正極集電体が位置するようにし、該最外層正極集電体の片面のみに正極活物質層が配置されているようにしてもよい。もちろん、図2に示すように発電要素の両最外層に負極が位置する場合に、最外層(負極)集電体の両面に負極活物質層を配置して、発電要素の最外層に位置する負極活物質層を機能させない構成としてもよい。   Thereby, the adjacent negative electrode, electrolyte layer, and positive 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 negative electrode active material layer 12 is disposed on only one side of the outermost negative electrode current collector located on both outermost layers of the power generation element 21. 2, the arrangement of the negative electrode and the positive electrode is reversed so that the outermost positive electrode current collector is positioned in both outermost layers of the power generation element 21, and the positive electrode is provided only on one side of the outermost layer positive electrode current collector. An active material layer may be arranged. Of course, as shown in FIG. 2, when the negative electrodes are located on both outermost layers of the power generation element, the negative electrode active material layers are arranged on both surfaces of the outermost layer (negative electrode) current collector and located on the outermost layer of the power generation element. The negative electrode active material layer may be configured not to function.

負極集電体11および正極集電体12には、各電極(負極および正極)と導通される負極集電板25および正極集電板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。負極集電板25および正極集電板27はそれぞれ、必要に応じて負極リードおよび正極リード(図示せず)を介して、各電極の負極集電体11および正極集電体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。   The negative electrode current collector 11 and the positive electrode current collector 12 are respectively attached with a negative electrode current collector plate 25 and a positive electrode current collector plate 27 that are electrically connected to the respective electrodes (negative electrode and positive electrode). 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 negative electrode current collector plate 25 and the positive electrode current collector plate 27 are ultrasonically welded to the negative electrode current collector 11 and the positive electrode current collector 12 of each electrode via a negative electrode lead and a positive electrode lead (not shown), respectively, as necessary. Or resistance welding or the like.

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15は正極活物質を含み、必要に応じて他の添加剤を含みうる。正極活物質層15の構成要素のうち、正極活物質以外は、負極活物質層について上述したのと同様の形態が採用されうるため、ここでは説明を省略する。正極活物質層15に含まれる成分の配合比および正極活物質層の厚さについても特に限定されず、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。
[Positive electrode (positive electrode active material layer)]
The positive electrode active material layer 15 includes a positive electrode active material, and may include other additives as necessary. Among the constituent elements of the positive electrode active material layer 15, except for the positive electrode active material, the same form as described above for the negative electrode active material layer can be adopted, and thus the description thereof is omitted here. The compounding ratio of the components contained in the positive electrode active material layer 15 and the thickness of the positive electrode active material layer are not particularly limited, and conventionally known knowledge about the lithium ion secondary battery can be appropriately referred to.

正極活物質は、特にリチウムの吸蔵放出が可能な材料であれば特に限定されず、リチウムイオン二次電池に通常用いられる正極活物質が利用されうる。具体的には、リチウム−遷移金属複合酸化物が好ましく、例えば、LiMn2O4などのLi−Mn系複合酸化物、LiNiO2などのLi−Ni系複合酸化物、LiNi0.5Mn0.5O2などのLi−Ni−Mn系複合酸化物が挙げられる。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。   The positive electrode active material is not particularly limited as long as it is a material capable of occluding and releasing lithium, and a positive electrode active material usually used for a lithium ion secondary battery can be used. Specifically, a lithium-transition metal composite oxide is preferable. For example, a Li—Mn composite oxide such as LiMn 2 O 4, a Li—Ni composite oxide such as LiNiO 2, or a Li—Ni— such as LiNi 0.5 Mn 0.5 O 2 is preferable. A Mn-based composite oxide is exemplified. In some cases, two or more positive electrode active materials may be used in combination.

[電解質層]
電解質層17は、正極活物質層と負極活物質層との間の空間的な隔壁(スペーサ)として機能する。また、これと併せて、充放電時における正負極間でのリチウムイオンの移動媒体である電解質を保持する機能をも有する。
[Electrolyte layer]
The electrolyte layer 17 functions as a spatial partition (spacer) between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer. In addition, it also has a function of holding an electrolyte that is a lithium ion transfer medium between the positive and negative electrodes during charging and discharging.

電解質層を構成する電解質に特に制限はなく、液体電解質、ならびに高分子ゲル電解質および高分子固体電解質などのポリマー電解質が適宜用いられうる。   There is no restriction | limiting in particular in the electrolyte which comprises an electrolyte layer, Polymer electrolytes, such as a liquid electrolyte and a polymer gel electrolyte and a polymer solid electrolyte, can be used suitably.

液体電解質は、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。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)などのカーボネート類が挙げられる。また、支持塩(リチウム塩)としては、LiN(SO2C2F5)2、LiN(SO2CF3)2、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiSO3CF3などの電極の活物質層に添加されうる化合物を同様に用いることができる。   The liquid electrolyte has a form in which a lithium salt as a supporting salt is dissolved in an organic solvent. Examples of the organic solvent include carbonates such as ethylene carbonate (EC) and propylene carbonate (PC). As the supporting salt (lithium salt), a compound that can be added to the active material layer of the electrode, such as LiN (SO2C2F5) 2, LiN (SO2CF3) 2, LiPF6, LiBF4, LiClO4, LiAsF6, LiSO3CF3, is similarly used. it can.

一方、ポリマー電解質は、電解液を含むゲル電解質と、電解液を含まない高分子固体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 a polymer solid electrolyte containing no electrolytic solution.

ゲル電解質は、リチウムイオン伝導性を有す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。リチウムイオン伝導性を有するマトリックスポリマーとしては、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などが挙げられる。かようなマトリックスポリマーには、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 having lithium ion conductivity. Examples of the matrix polymer having lithium ion conductivity include polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), and copolymers thereof. In such a matrix polymer, an electrolyte salt such as a lithium salt can be well dissolved.

なお、電解質層が液体電解質から構成される場合は電解質層にセパレータを用いる必要がある。また、電解質層がゲル電解質から構成される場合に、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といったポリオレフィンやポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン(PVdF−HFP)等の炭化水素、ガラス繊維など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, it is necessary to use a separator for an electrolyte layer. Moreover, when an electrolyte layer is comprised from a gel electrolyte, you may use a separator for an electrolyte layer. Specific examples of the separator include a microporous film made of a polyolefin such as polyethylene or polypropylene, a hydrocarbon such as polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVdF-HFP), glass fiber, or the like.

高分子固体電解質は、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、電解質層が高分子固体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 polymer solid 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 a polymer solid electrolyte, there is no fear of liquid leakage from the battery, and the battery reliability can be improved.

高分子ゲル電解質や高分子固体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揮しうる。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、電子線重合などの重合処理を施せばよい。なお、上記電解質は、電極の活物質層中に含まれていてもよい。   A matrix polymer of a polymer gel electrolyte or a polymer solid 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. In addition, the said electrolyte may be contained in the active material layer of an electrode.

[負極集電板および正極集電板]
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、銅である。なお、負極集電板25と正極集電板27とでは、リチウムと合金化せず、かつ腐食の進行が電池寿命の期間許容できる条件であれば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。
[Negative electrode collector plate and positive electrode collector plate]
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. The negative electrode current collector plate 25 and the positive electrode current collector plate 27 may be made of the same material or different from each other as long as they are not alloyed with lithium and the progress of corrosion is acceptable for the battery life. Materials may be used.

[正極リードおよび負極リード]
また、図示は省略するが、集電体11と集電板(25、27)との間を正極リードや負極リードを介して電気的に接続してもよい。正極および負極リードの構成材料としては、公知のリチウムイオン二次電池において用いられる材料が同様に採用されうる。なお、外装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ことが好ましい。
[Positive lead and negative lead]
Moreover, although illustration is abbreviate | omitted, you may electrically connect between the collector 11 and the current collector plates (25, 27) via a positive electrode lead or a negative electrode lead. As a constituent material of the positive electrode and the negative electrode lead, materials used in known lithium ion secondary batteries can be similarly employed. In addition, heat-shrinkable heat-shrinkable parts are removed from the exterior so that they do not affect products (for example, automobile parts, especially electronic devices) by touching peripheral devices or wiring and causing leakage. It is preferable to coat with a tube or the like.

[外装]
外装としては、図2に示すようなラミネートシート29が用いられうる。ラミネートシートは、例えば、ポリプロピレン、アルミニウム、ナイロンがこの順に積層されてなる3層構造として構成されうる。なお、場合によっては、従来公知の金属缶ケースもまた、外装として用いられうる。
[Exterior]
As the exterior, a laminate sheet 29 as shown in FIG. 2 can be used. For example, the laminate sheet may be configured as a three-layer structure in which polypropylene, aluminum, and nylon are laminated in this order. In some cases, a conventionally known metal can case can also be used as an exterior.

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。よって、これらの電池では、電池の充放電時に負極活物質が膨張収縮した場合であっても、これに起因する活物質層の導電性の低下が効果的に防止される。その結果、サイクル耐久性に優れるリチウムイオン二次電池が提供されうる。   The laminated battery 10 of this embodiment uses the negative electrode of the above-described embodiment. Therefore, in these batteries, even when the negative electrode active material expands and contracts during charging and discharging of the battery, a decrease in conductivity of the active material layer due to this is effectively prevented. As a result, a lithium ion secondary battery having excellent cycle durability can be provided.

[実施例1]
溶媒としてのジメチルスルホキシド(DMSO)(適量)に、熱硬化性樹脂前駆体であるポリアミック酸(U−ワニス−A:宇部興産株式会社製)20質量%、および負極活物質前駆体であるケイ素化合物(シクロペンタシラン)80質量%を溶解し、負極前駆体混合物(溶液)を調製した。
[Example 1]
Dimethyl sulfoxide (DMSO) (appropriate amount) as a solvent, 20% by mass of polyamic acid (U-varnish-A: manufactured by Ube Industries Co., Ltd.) as a thermosetting resin precursor, and silicon compound as a negative electrode active material precursor 80% by mass of (cyclopentasilane) was dissolved to prepare a negative electrode precursor mixture (solution).

また、負極集電体として銅箔(厚さ:15μm)を準備した。準備した銅箔の表面に、上記で調製した負極前駆体混合物を塗布し、不活性雰囲気下、400℃にて1時間加熱処理を施した。これにより、ポリアミック酸の硬化反応およびシクロペンタシランのケイ素化反応を進行させた。これにより、ケイ素を負極活物質として含む負極活物質層(厚さ:75μm)を有する負極を得た。なお、得られた負極においては、熱硬化性樹脂(ポリイミド)が負極活物質であるケイ素(三次元網目構造を有する)と三次元的に交絡しているものと考えられる。   Further, a copper foil (thickness: 15 μm) was prepared as a negative electrode current collector. The negative electrode precursor mixture prepared above was applied to the surface of the prepared copper foil, and heat-treated at 400 ° C. for 1 hour in an inert atmosphere. Thereby, the curing reaction of polyamic acid and the silicidation reaction of cyclopentasilane were advanced. As a result, a negative electrode having a negative electrode active material layer (thickness: 75 μm) containing silicon as a negative electrode active material was obtained. In the obtained negative electrode, it is considered that the thermosetting resin (polyimide) is entangled three-dimensionally with silicon (having a three-dimensional network structure) as the negative electrode active material.

一方、正極活物質であるLiMn2O4(平均粒子径:15μm)と、導電助剤であるアセチレンブラックと、バインダであるポリフッ化ビニリデン(PVdF)とを、スラリー粘度調整溶媒であるNMP(適量)中、85:5:10の質量比で混合し、正極活物質スラリーを調製した。そして、正極集電体として準備したアルミニウム箔(厚さ:20μm)の表面に、上記で調製した正極活物質スラリーを塗布し、乾燥させて、正極集電体の表面に正極活物質層(厚さ:75μm)が形成されてなる正極を得た。   On the other hand, LiMn2O4 (average particle diameter: 15 μm) as the positive electrode active material, acetylene black as the conductive additive, and polyvinylidene fluoride (PVdF) as the binder in NMP (suitable amount) as the slurry viscosity adjusting solvent, A positive electrode active material slurry was prepared by mixing at a mass ratio of 85: 5: 10. Then, the positive electrode active material slurry prepared above is applied to the surface of an aluminum foil (thickness: 20 μm) prepared as a positive electrode current collector, dried, and the positive electrode active material layer (thickness) is formed on the surface of the positive electrode current collector. S: 75 μm) was obtained.

上記で得られた負極と、セパレータ(微多孔質ポリプロピレンフィルム、厚さ(25μm)と、上記で得られた正極とをこの順に積層して、発電要素を作製した。一方、エチレンカーボネート(EC)、ジエチルカーボネート(DEC)、およびエチルメチルカーボネート(EMC)を3/5/2の体積比で混合した混合溶媒に、ヘキサフルオロリン酸リチウムを1Mの濃度で溶解し、当該混合溶液に対してフルオロエチレンカーボネートを1質量%添加して、非水電解液を調製した。そして、調製した非水電解液を、上記で作製した発電要素に注入して、リチウムイオン二次電池を完成させた。   The negative electrode obtained above, a separator (microporous polypropylene film, thickness (25 μm)), and the positive electrode obtained above were laminated in this order to produce a power generation element. , Diethyl carbonate (DEC), and ethyl methyl carbonate (EMC) were mixed at a volume ratio of 3/5/2, and lithium hexafluorophosphate was dissolved at a concentration of 1M. A non-aqueous electrolyte was prepared by adding 1% by mass of ethylene carbonate, and the prepared non-aqueous electrolyte was injected into the power generation element produced above to complete a lithium ion secondary battery.

[実施例2]
負極前駆体混合物を調製する際の溶媒として、DMSOに代えてオキソラン−2−オン(γ−ブチロラクトン(GBL))を用いたこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、リチウムイオン二次電池を作製した。
[Example 2]
As a solvent for preparing the negative electrode precursor mixture, lithium ion dioxide was prepared in the same manner as in Example 1 except that oxolan-2-one (γ-butyrolactone (GBL)) was used instead of DMSO. A secondary battery was produced.

[実施例3]
ケイ素化合物としてシクロペンタシランに代えてシリルシクロペンタシランを用い、熱硬化性樹脂前駆体としてポリアミック酸に代えてシラン変性ポリアミック酸を用いたこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、リチウムイオン二次電池を作製した。
[Example 3]
Except for using silylcyclopentasilane instead of cyclopentasilane as the silicon compound and using silane-modified polyamic acid instead of polyamic acid as the thermosetting resin precursor, the same method as in Example 1 described above, A lithium ion secondary battery was produced.

[実施例4]
ケイ素化合物としてシクロペンタシランに代えてシリルシクロペンタシランを用いた。また、負極前駆体混合物における、負極活物質前駆体(ケイ素化合物)と熱硬化性樹脂前駆体(ポリアミック酸)との混合比を70:30(質量比)とした。これらの点以外は、上述した実施例1と同様の手法により、リチウムイオン二次電池を作製した。
[Example 4]
Silylcyclopentasilane was used in place of cyclopentasilane as the silicon compound. Moreover, the mixing ratio of the negative electrode active material precursor (silicon compound) and the thermosetting resin precursor (polyamic acid) in the negative electrode precursor mixture was set to 70:30 (mass ratio). Except for these points, a lithium ion secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1 described above.

[実施例5]
硬化反応およびケイ素化反応を進行させる際の熱処理温度を580℃としたこと以外は、上述した実施例4と同様の手法により、リチウムイオン二次電池を作製した。
[Example 5]
A lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Example 4 except that the heat treatment temperature for proceeding the curing reaction and the siliconization reaction was 580 ° C.

[実施例6]
硬化反応およびケイ素化反応を進行させる際の熱処理温度を650℃としたこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、リチウムイオン二次電池を作製した。
[Example 6]
A lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the heat treatment temperature for proceeding the curing reaction and the siliconization reaction was 650 ° C.

[比較例1]
負極活物質前駆体に代えて、負極活物質であるケイ素(Si)粉末(平均粒径:10μm)を用いた。また、混合物を調製する際の溶媒としてN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を用いた。これらの点以外は、上述した実施例1と同様の手法により、リチウムイオン二次電池を作製した。
[Comparative Example 1]
Instead of the negative electrode active material precursor, silicon (Si) powder (average particle size: 10 μm) as a negative electrode active material was used. In addition, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) was used as a solvent for preparing the mixture. Except for these points, a lithium ion secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1 described above.

[比較例2]
熱硬化性樹脂前駆体に代えて、バインダであるポリフッ化ビニリデン(PVdF)を用いたこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、リチウムイオン二次電池を作製した。
[Comparative Example 2]
A lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder was used instead of the thermosetting resin precursor.

[電池の評価]
上記で得られたそれぞれのリチウムイオン二次電池について、25℃の温度条件下、1Cレートにて100サイクルの充放電試験を実施し、初期放電容量に対する100サイクル後の放電容量の百分率として、容量維持率(%)を測定した。結果を下記の表1に示す。
[Battery evaluation]
For each lithium ion secondary battery obtained above, a charge / discharge test of 100 cycles was performed at a 1C rate under a temperature condition of 25 ° C. The maintenance rate (%) was measured. The results are shown in Table 1 below.

表1に示す結果から、本発明の実施形態により提供されるリチウムイオン二次電池用負極を用いて電池を構成することにより、サイクル特性の低下が防止されうることが示される。これは、本発明の実施形態の負極において熱硬化性樹脂と負極活物質とが三次元的に交絡していることでこれらの接着性が向上し、充放電時の膨張収縮の大きいケイ素系活物質を用いた場合にも活物質層の導電性の低下が防止されるためであると考えられる。   From the results shown in Table 1, it is shown that deterioration of cycle characteristics can be prevented by constituting a battery using the negative electrode for a lithium ion secondary battery provided by the embodiment of the present invention. This is because the thermosetting resin and the negative electrode active material are three-dimensionally entangled in the negative electrode of the embodiment of the present invention, so that their adhesion is improved, and the silicon-based active material having a large expansion and contraction during charge and discharge. This is considered to be because the decrease in conductivity of the active material layer is prevented even when a material is used.

1 リチウムイオン二次電池用負極、
2 集電体、
3 負極活物質層、
3a 負極活物質、
3b 熱硬化性樹脂、
10 積層型電池、
11 負極集電体、
12 正極集電体、
13 負極活物質層、
15 正極活物質層、
17 電解質層、
19 単電池層、
21 発電要素、
25 負極集電板、
27 正極集電板、
29 ラミネートシート。
1 negative electrode for lithium ion secondary battery,
2 current collector,
3 negative electrode active material layer,
3a negative electrode active material,
3b thermosetting resin,
10 stacked battery,
11 negative electrode current collector,
12 positive electrode current collector,
13 negative electrode active material layer,
15 positive electrode active material layer,
17 electrolyte layer,
19 cell layer,
21 power generation elements,
25 negative current collector,
27 positive current collector,
29 Laminate sheet.

Claims (10)

負極活物質前駆体と熱硬化性樹脂前駆体とを含む混合物を集電体の表面に塗布する工程と、
得られた塗膜を熱処理する工程と、
を含む、リチウムイオン二次電池用負極の製造方法。
Applying a mixture containing a negative electrode active material precursor and a thermosetting resin precursor to the surface of the current collector;
A step of heat-treating the obtained coating film;
The manufacturing method of the negative electrode for lithium ion secondary batteries containing.
前記負極活物質前駆体がケイ素を含む、請求項1に記載の製造方法。   The manufacturing method of Claim 1 with which the said negative electrode active material precursor contains silicon. 前記負極活物質前駆体が、下記化学式1:
式中、nは5〜20の整数であり、mは2nまたは2n−1で表される整数である、
で表されるケイ素化合物である、請求項2に記載の製造方法。
The negative electrode active material precursor has the following chemical formula 1:
In the formula, n is an integer of 5 to 20, and m is an integer represented by 2n or 2n-1.
The manufacturing method of Claim 2 which is a silicon compound represented by these.
前記熱硬化性樹脂前駆体が、ポリアミック酸および/または変性ポリアミック酸である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の製造方法。   The manufacturing method according to any one of claims 1 to 3, wherein the thermosetting resin precursor is a polyamic acid and / or a modified polyamic acid. 前記熱処理の際の温度が350〜600℃である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の製造方法。   The manufacturing method of any one of Claims 1-4 whose temperature in the case of the said heat processing is 350-600 degreeC. 前記混合物が、溶媒としてジメチルスルホキシド、γ−ブチロラクトン、および/またはオキソラン−2−オンを含む溶液である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の製造方法。   The production method according to claim 1, wherein the mixture is a solution containing dimethyl sulfoxide, γ-butyrolactone, and / or oxolan-2-one as a solvent. 集電体と、
前記集電体の表面に形成された負極活物質層と、
を有するリチウムイオン二次電池用負極であって、
前記負極活物質層が、三次元網目構造を有する負極活物質および熱硬化性樹脂を含み、前記熱硬化性樹脂が前記負極活物質と三次元的に交絡していることを特徴とする、リチウムイオン二次電池用負極。
A current collector,
A negative electrode active material layer formed on the surface of the current collector;
A negative electrode for a lithium ion secondary battery having
The negative electrode active material layer includes a negative electrode active material having a three-dimensional network structure and a thermosetting resin, and the thermosetting resin is entangled three-dimensionally with the negative electrode active material. Negative electrode for ion secondary battery.
前記負極活物質がケイ素を含む、請求項7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 7, wherein the negative electrode active material contains silicon. 前記熱硬化性樹脂がポリイミドおよび/または変性ポリイミドを含む、請求項7または8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 7 or 8, wherein the thermosetting resin contains polyimide and / or modified polyimide. 請求項1〜6のいずれか1項に記載の製造方法により製造されたリチウムイオン二次電池用負極、または請求項7〜9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を用いたリチウムイオン二次電池。   The negative electrode for lithium ion secondary batteries manufactured by the manufacturing method according to any one of claims 1 to 6, or the negative electrode for lithium ion secondary batteries according to any one of claims 7 to 9 is used. Lithium ion secondary battery.
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